特許 7596852 ハイブリッド励磁式回転電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-02

(45)【発行日】2024-12-10

(54)【発明の名称】ハイブリッド励磁式回転電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 19/12 20060101AFI20241203BHJP

【ＦＩ】

H02K19/12

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021030009

(22)【出願日】2021-02-26

(65)【公開番号】P2022131193

(43)【公開日】2022-09-07

【審査請求日】2023-08-30

(73)【特許権者】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100114775

【弁理士】

【氏名又は名称】高岡 亮一

(74)【代理人】

【識別番号】100121511

【弁理士】

【氏名又は名称】小田 直

(74)【代理人】

【識別番号】100116001

【弁理士】

【氏名又は名称】森 俊秀

(74)【代理人】

【識別番号】100208580

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 玲奈

(72)【発明者】

【氏名】沖津 隆志

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 輝一

【審査官】島倉 理

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－２１２０３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０４１９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１６４１２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１９２６０９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ １９／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中心軸に沿って延びるシャフトと前記シャフトの径方向外側に固定されるロータコアとを有するロータと、
前記ロータの径方向外側にエアギャップを介して配置されるステータと、
前記ロータコアを励磁する励磁コイルを有する励磁コイルユニットと、
を備え、
前記ロータは、前記ロータコアを励磁する永久磁石を有し、
前記励磁コイルは、前記ロータコアと軸方向で対向し、
前記ステータは、前記励磁コイルユニットの軸方向一方側に配置される第１ステータコアと前記励磁コイルユニットの軸方向他方側に配置される第２ステータコアとを有し、
前記励磁コイルユニットの外縁は、周方向全周に亘り、前記第１ステータコアと前記第２ステータコアとで挟持され、
前記ステータは、前記励磁コイルユニットの径方向外側に配置される第３ステータコアを有し、
前記第３ステータコアは、電磁鋼板を周方向に巻いて成る巻鉄心である、
ハイブリッド励磁式回転電機。

【請求項2】

前記ロータは、前記励磁コイルユニットの軸方向一方側に配置される第１ロータコアと前記励磁コイルユニットの軸方向他方側に配置される第２ロータコアとを有する、
請求項１に記載のハイブリッド励磁式回転電機。

【請求項3】

前記ステータは、平角線のセグメントコイルにより構成されるステータコイルを有し、
前記励磁コイルユニットは、前記ステータコイルが軸方向に貫通する貫通孔を有する、
請求項１又は２に記載のハイブリッド励磁式回転電機。

【請求項4】

前記第３ステータコアは、少なくとも一部が前記第１ステータコア及び前記第２ステータコアと軸方向で対向する、
請求項１から３のいずれか１項に記載のハイブリッド励磁式回転電機。

【請求項5】

前記励磁コイルに通電するための前記励磁コイルのリード線は、前記励磁コイルから径方向外側に延びた後に軸方向他方側に延び、
前記第３ステータコアは、前記リード線が径方向外側及び軸方向他方側に露出するように切り欠いた切り欠き部を有し、
前記第２ステータコアは、外周面から径方向内側に凹み、前記リード線を収容する溝部を有する、
請求項１から４のいずれか１項に記載のハイブリッド励磁式回転電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ハイブリッド励磁式回転電機に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、界磁極に永久磁石及び電磁石を用いるハイブリッド励磁式回転電機が知られている。特許文献１では、ロータコアを励磁する励磁コイルを保持部材で保持し、保持部材に設けた爪部を、ステータコアの溝に嵌めた取付部材の穴に挿入して固定することで、励磁コイルをロータコアと軸方向で対向して配置する構造を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５６７３６４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１では、励磁コイルを保持部材の爪部で取付部材に固定しているため、爪が折れる虞があるなど固定の強度に難がある。このことから、従来は、励磁コイルの取り付けについて改善の余地があった。

【0005】

また、特許文献１では、励磁コイルに通電するためのリード線は、ステータコアのスロット内を軸方向に貫くように通って外部に引き出される。このため、ステータコアのスロット内にリード線を通すスペースを確保する必要があり、ステータコアのスロットに収容される電機子コイルの占積率を低下させることになる。こうなると、電機子コイルの電流密度が増大し，銅損が増加し，電機子コイルの発熱が増えることとなる。このことから、従来は、励磁コイルの取り付けについて改善の余地があった。

【0006】

本発明は、励磁コイルの取り付けについて改善したハイブリッド励磁式回転電機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様に係るハイブリッド励磁式回転電機は、中心軸に沿って延びるシャフトと前記シャフトの径方向外側に固定されるロータコアとを有するロータと、前記ロータの径方向外側にエアギャップを介して配置されるステータと、前記ロータコアを励磁する励磁コイルを有する励磁コイルユニットと、を備え、前記ロータは、前記ロータコアを励磁する永久磁石を有し、前記励磁コイルは、前記ロータコアと軸方向で対向し、前記ステータは、前記励磁コイルユニットの軸方向一方側に配置される第１ステータコアと前記励磁コイルユニットの軸方向他方側に配置される第２ステータコアとを有し、前記励磁コイルユニットの外縁は、周方向全周に亘り、前記第１ステータコアと前記第２ステータコアとで挟持され、前記ステータは、前記励磁コイルユニットの径方向外側に配置される第３ステータコアを有し、前記第３ステータコアは、電磁鋼板を周方向に巻いて成る巻鉄心である。

【0008】

上記の一態様のハイブリッド励磁式回転電機において、前記ロータは、前記励磁コイルユニットの軸方向一方側に配置される第１ロータコアと前記励磁コイルユニットの軸方向他方側に配置される第２ロータコアとを有する。

【0009】

上記の一態様のハイブリッド励磁式回転電機において、前記ステータは、平角線のセグメントコイルにより構成されるステータコイルを有し、前記励磁コイルユニットは、前記ステータコイルが軸方向に貫通する貫通孔を有する。

【0010】

上記の一態様のハイブリッド励磁式回転電機において、前記第３ステータコアは、少なくとも一部が前記第１ステータコア及び前記第２ステータコアと軸方向で対向する。

【0011】

上記の一態様のハイブリッド励磁式回転電機において、前記励磁コイルに通電するための前記励磁コイルのリード線は、前記励磁コイルから径方向外側に延びた後に軸方向他方側に延び、前記第３ステータコアは、前記リード線が径方向外側及び軸方向他方側に露出するように切り欠いた切り欠き部を有し、前記第２ステータコアは、外周面から径方向内側に凹み、前記リード線を収容する溝部を有する。

【発明の効果】

【0012】

本発明の一態様によれば、励磁コイルの取り付けについて改善したハイブリッド励磁式回転電機を提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の第１実施形態に係るモータの斜視図である。

【図2】第１実施形態のモータ１００を＋Ｘ側から見た右側面図である。

【図3】第１実施形態のモータ１００を、中心軸Ｊを通りＸ軸と直交する面で切断して示す側断面図である。

【図4】第１実施形態のモータ１００を、図２のＡ－Ａ断面で切断して示す平断面図である。

【図5】第１実施形態のモータ１００を、図２のＣ－Ｃ断面で切断して示す平断面図である。

【図6】第１実施形態のモータ１００を、図２のＢ－Ｂ断面で切断して示す平断面図である。

【図7】第１実施形態のモータ１００の励磁コイルユニット３５０を示す斜視図である。

【図8】第１実施形態のモータ１００を＋Ｙ側から見た背面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るハイブリッド励磁式回転電機について説明する。なお、以下の図面においては、各構成をわかり易くするために、実際の構造と各構造における縮尺及び数等を異ならせる場合がある。

【0015】

また、図面においては、適宜３次元直交座標系としてＸＹＺ座標系を示す。ＸＹＺ座標系において、Ｚ軸方向は、図１に示す中心軸Ｊの軸方向と平行な方向とする。Ｙ軸方向は、中心軸Ｊに対する径方向のうち図２の左右方向とする。Ｘ軸方向は、Ｚ軸方向及びＹ軸方向の両方と直交する方向とする。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向のいずれにおいても、図中に示す矢印が指す側を＋側、反対側を－側とする。

【0016】

また、以下の説明においては、Ｚ軸方向の正の側（＋Ｚ側）を「一方側」と呼び、Ｚ軸方向の負の側（－Ｚ側）を「他方側」と呼ぶ。なお、一方側及び他方側とは、単に説明のために用いられる名称であって、実際の位置関係及び方向を限定しない。また、特に断りのない限り、中心軸Ｊに平行な方向（Ｚ軸方向）を単に「軸方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする周方向、すなわち、中心軸Ｊの軸周り（図１のθ方向）を単に「周方向」と呼ぶ。径方向において中心軸Ｊに近づく側を「径方向内側」と呼び、中心軸Ｊから遠ざかる側を「径方向外側」と呼ぶ。周方向において図中に示す矢印が指す側を＋側、反対側を－側とする。周方向の正の側（＋θ側）を「一方側」と呼び、周方向の負の側（－θ側）を「他方側」と呼ぶ。

【0017】

なお、本明細書において、「軸方向に延びる」とは、厳密に軸方向（Ｚ軸方向）に延びる場合に加えて、軸方向に対して、４５°未満の範囲で傾いた方向に延びる場合も含む。また、本明細書において、「径方向に延びる」とは、厳密に径方向、すなわち、軸方向（Ｚ軸方向）に対して垂直な方向に延びる場合に加えて、径方向に対して、４５°未満の範囲で傾いた方向に延びる場合も含む。また「平行」とは、厳密に平行な場合に加えて、互いに成す角が４５°未満の範囲で傾いた場合も含む。

【0018】

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るモータの斜視図である。図１のモータ１００は、ハイブリッド励磁式回転電機の一例である。モータ１００は、中心軸Ｊに沿って延びるシャフト２３０を有するロータ２００と、ロータ２００の径方向外側にエアギャップを介して配置されるステータ３００と、を有する。シャフト２３０は、中心軸Ｊを回転軸にして回転可能なように軸受（不図示）によって軸支される。

【0019】

図２は、第１実施形態のモータ１００を＋Ｘ側から見た右側面図である。シャフト２３０は、軸方向一方側に配置された第１シャフト２３１と、軸方向他方側に配置された第２シャフト２３２とから構成される。ステータ３００は、平角線のセグメントコイルにより構成されるステータコイル３４０を有する。ステータコイル３４０は電機子コイルである。ステータ３００の軸方向他方側には、詳しくは後述する励磁コイル３５５のリード線３５５ａが露出している。

【0020】

図３は、第１実施形態のモータ１００を、中心軸Ｊを通りＸ軸と直交する面で切断して示す側断面図である。第１シャフト２３１は、軸方向他方側端に凸部２３１ａを有する。第２シャフト２３２は、軸方向一方側端に凹部２３２ａを有する。第１シャフト２３１は、凸部２３１ａが凹部２３２ａに嵌まることで第２シャフト２３２と締結する。

【0021】

モータ１００は、励磁コイルユニット３５０を有する。励磁コイルユニット３５０は、励磁コイル３５５を有する。励磁コイルユニット３５０は、励磁コイル３５５を樹脂部３５３で覆うように樹脂成型された円板状の部材である。励磁コイルユニット３５０は、中心軸Ｊに沿って軸方向に貫通する貫通孔３５１を有する。シャフト２３０は、貫通孔３５１を貫通する。励磁コイルユニット３５０の内周面、すなわち貫通孔３５１の壁面は、シャフト２３０と接しない。

【0022】

ロータ２００は、励磁コイルユニット３５０の軸方向一方側に配置される第１ロータコア２１０と、励磁コイルユニット３５０の軸方向他方側に配置される第２ロータコア２２０とを有する。第１ロータコア２１０及び第２ロータコア２２０は、励磁コイルユニット３５０と接しない。第１ロータコア２１０と第２ロータコア２２０とは、同一形状であってもよい。第１ロータコア２１０と第２ロータコア２２０とは、同一形状でなくてもよい。第１ロータコア２１０と第２ロータコア２２０とは、軸方向長さが異なるものであってもよい。

【0023】

第１ロータコア２１０は、軸方向に貫通し、第１シャフト２３１が嵌まる貫通孔２１２を有する。第１ロータコア２１０は、第１シャフト２３１の径方向外側に固定される。第１ロータコア２１０は、電磁鋼板を軸方向に積層して成る。第１ロータコア２１０は、軸方向に貫通する貫通孔２１１を有する。ロータ２００は、永久磁石２４０を有する。第１ロータコア２１０は、貫通孔２１１に永久磁石２４０を収容する。永久磁石２４０は、第１ロータコア２１０を励磁する。

【0024】

第２ロータコア２２０は、軸方向に貫通し、第２シャフト２３２が嵌まる貫通孔２２２を有する。第２ロータコア２２０は、第２シャフト２３２の径方向外側に固定される。第２ロータコア２２０は、電磁鋼板を軸方向に積層して成る。第２ロータコア２２０は、軸方向に貫通する貫通孔２２１（図５参照）を有する。ロータ２００は、永久磁石２５０（図５参照）を有する。第２ロータコア２２０は、貫通孔２２１に永久磁石２５０を収容する。永久磁石２５０は、第２ロータコア２２０を励磁する。

【0025】

励磁コイル３５５は、第１ロータコア２１０及び第２ロータコア２２０と軸方向で対向する。励磁コイル３５５は、通電されることで、第１ロータコア２１０及び第２ロータコア２２０を励磁する。励磁コイル３５５は、エナメル線を周方向に巻き回して成る。励磁コイル３５５の端部であるリード線３５５ａは、被覆された導線であってもよい。励磁コイル３５５は、アルファ巻きで巻き回される。図面においてはリード線３５５ａとして１本の線を示しているが、実際にはリード線３５５ａは励磁コイル３５５の両端の２本の線である。励磁コイル３５５の巻き回しの層数は、２層以上の多層であることが望ましい。

【0026】

ステータ３００は、励磁コイルユニット３５０の軸方向一方側に配置される第１ステータコア３１０と励磁コイルユニット３５０の軸方向他方側に配置される第２ステータコア３２０とを有する。第１ステータコア３１０は、電磁鋼板を軸方向に積層して成る。第１ステータコア３１０は、円環状部材であり、内周面にエアギャップを介して第１ロータコア２１０が対向配置される。第２ステータコア３２０は、電磁鋼板を軸方向に積層して成る。第２ステータコア３２０は、円環状部材であり、内周面にエアギャップを介して第２ロータコア２２０が対向配置される。

【0027】

ステータ３００は、平角線のセグメントコイルにより構成されるステータコイル３４０を有する。図面においてはステータコイル３４０の軸方向他方側の端部同士の接続をする前の状態を示している。第１ステータコア３１０は、軸方向に貫通するスロット３１２を有する。第２ステータコア３２０は、軸方向に貫通するスロット３２２を有する。スロット３１２及びスロット３２２は、ステータコイル３４０を収容する。励磁コイルユニット３５０は、軸方向に貫通する貫通孔３５２を有する。ステータコイル３４０は、貫通孔３５２を貫通する。すなわち、ステータコイル３４０は、第１ステータコア３１０、励磁コイルユニット３５０及び第２ステータコア３２０の順に貫通する。

【0028】

励磁コイルユニット３５０の外縁は、周方向全周に亘り、軸方向で第１ステータコア３１０及び第２ステータコア３２０と対向する。これにより、励磁コイルユニット３５０の外縁（径方向外側の縁部）は、周方向全周に亘り、第１ステータコア３１０と第２ステータコア３２０とで挟持される。第１ステータコア３１０と励磁コイルユニット３５０と第２ステータコア３２０とは接着剤で固定してもよい。第１ステータコア３１０と励磁コイルユニット３５０と第２ステータコア３２０とを組付けた状態で外周に円筒状のケース（不図示）に嵌め込むことで、各部材を固定してもよい。円筒状のケースはステータヨークを構成してもよい。励磁コイルユニット３５０は第１ステータコア３１０と第２ステータコア３２０とで挟持されることで励磁コイル３５５の取り付け強度を確保することが出来る。

【0029】

第１ステータコア３１０は、外周面から径方向内側に凹む溝部３１１を有する。第２ステータコア３２０は、外周面から径方向内側に凹む溝部３２１を有する。第１ステータコア３１０と第２ステータコア３２０とは同一形状である。第１ステータコア３１０と第２ステータコア３２０とを同一形状にすることで、製造時の工数を削減することが出来る。溝部３２１は、リード線３５５ａを収容する。リード線３５５ａは、溝部３２１に収容されることで、第２ステータコア３２０の外周面よりも径方向内側に位置する。第１ステータコア３１０と第２ステータコア３２０とは同一形状でなくてもよい。第１ステータコア３１０と第２ステータコア３２０とは、軸方向長さが異なるものであってもよい。

【0030】

ステータ３００は、第３ステータコア３３０を有する。第３ステータコア３３０は、励磁コイルユニット３５０の径方向外側に配置される。第３ステータコア３３０は、励磁コイル３５５が作る磁束の磁路となる。第３ステータコア３３０は、電磁鋼板を周方向に巻いて成る巻鉄心である。第３ステータコア３３０は、リード線３５５ａが径方向外側及び軸方向他方側に露出するように切り欠いた切り欠き部３３１を有する。励磁コイルユニット３５０の外周面は、切り欠き部３３１において径方向外側に露出する。切り欠き部３３１は、軸方向で溝部３２１と対向する。

【0031】

図４は、第１実施形態のモータ１００を、図２のＡ－Ａ断面で切断して示す平断面図である。第１ステータコア３１０は、周方向に等間隔で８個の溝部３１１を有する。第１ステータコア３１０は、周方向に等間隔で４８個のスロット３１２を有する。第１ステータコア３１０は、あるスロット３１２と、そのスロット３１２に隣接するスロット３１２との間にティース３１３を有する。第１ロータコア２１０は、周方向に等間隔で４個の貫通孔２１１を有する。ロータ２００は、４個の貫通孔２１１のそれぞれに収容される４個の永久磁石２４０を有する。

【0032】

図５は、第１実施形態のモータ１００を、図２のＣ－Ｃ断面で切断して示す平断面図である。第２ステータコア３２０は、周方向に等間隔で８個の溝部３２１を有する。第２ステータコア３２０は、周方向に等間隔で４８個のスロット３２２を有する。第２ステータコア３２０は、あるスロット３２２と、そのスロット３２２に隣接するスロット３２２との間にティース３２３を有する。第２ロータコア２２０は、周方向に等間隔で４個の貫通孔２２１を有する。ロータ２００は、４個の貫通孔２２１のそれぞれに収容される４個の永久磁石２５０を有する。

【0033】

図６は、第１実施形態のモータ１００を、図２のＢ－Ｂ断面で切断して示す平断面図である。図７は、第１実施形態のモータ１００の励磁コイルユニット３５０を示す斜視図である。励磁コイルユニット３５０は、周方向に等間隔で４８個の貫通孔３５２を有する。スロット３１２と貫通孔３５２とスロット３２２とは、軸方向で対向する。励磁コイル３５５のリード線３５５ａは、励磁コイル３５５の樹脂部３５３から径方向外側に突出する。

【0034】

図８は、第１実施形態のモータ１００を＋Ｙ側から見た背面図である。励磁コイル３５５のリード線３５５ａは、励磁コイル３５５から径方向外側に延びた後に、溝部３２１に沿って軸方向他方側に延びる。本実施形態によれば、励磁コイル３５５のリード線３５５ａは、ステータ３００のスロット３１２及びスロット３２２に収容されないので、ステータコイル３４０の占積率を低下させることがない。

【0035】

本実施形態のモータ１００の製造にあたっては、まず、図７に示した励磁コイルユニット３５０を作成する。励磁コイルユニット３５０は、励磁コイル３５５を樹脂部３５３で樹脂モールドすることで作成される。

【0036】

続いて、第３ステータコア３３０の径方向内側に励磁コイルユニット３５０を配置する。このとき、樹脂部３５３から突出するリード線３５５ａと切り欠き部３３１の周方向位置を合わせる。続いて、第３ステータコア３３０及び励磁コイルユニット３５０を、第１ステータコア３１０と第２ステータコア３２０とで軸方向に挟み込む。このとき、リード線３５５ａと溝部３２１の周方向位置を合わせる。

【0037】

続いて、ステータコイル３４０の軸方向他方側の端部を、軸方向一方側からスロット３１２に挿入して貫通させ、さらに貫通孔３５２及びスロット３２２に貫通させる。その後、ステータコイル３４０の軸方向他方側の端部同士を接続して電機子コイルを成形してステータ３００とする。

【0038】

続いて、第１シャフト２３１の径方向外側に第１ロータコア２１０を例えば圧入によって固定し、第２シャフト２３２の径方向外側に第２ロータコア２２０を例えば圧入によって固定する。続いて、第１ステータコア３１０の内周面に第１ロータコア２１０の外周面が径方向で対向するように、第１ステータコア３１０の軸方向一方側から第１ロータコア２１０を挿入する。また、第２ステータコア３２０の内周面に第２ロータコア２２０の外周面が径方向で対向するように、第２ステータコア３２０の軸方向他方側から第２ロータコア２２０を挿入する。最後に、第１シャフト２３１の軸方向他方側端部と第２シャフト２３２の軸方向一方側端部とを締結する。

【0039】

本実施形態によれば、励磁コイル３５５を保持する部材と，それを第１ステータコア３１０及び第２ステータコア３２０に固定する部材とで分離する必要がなく、一体で励磁コイルユニット３５０を成形出来るため、励磁コイル３５５を保持する機械的な強度を確保しやすくなる。

【0040】

本実施形態によれば、励磁コイル３５５のリード線３５５ａを通すためのスペース（溝部３２１）を第２ステータコア３２０の外周部分に作れるため、電機子コイルの占積率を低下させることがないので発熱を増加させることはない。

【0041】

本実施形態によれば、励磁コイル３５５が作る磁束の磁路となる第３ステータコア３３０として巻鉄心を用いることで、電磁鋼板を軸方向に積層する積層鋼板を用いる場合と比べて、電磁鋼板の歩留まりを改善することが出来る。積層鋼板を用いる場合には、励磁コイルユニット３５０の直径に応じて内周側を打ち抜いた電磁鋼板を用いることになり、打ち抜いた内周側の部分は無駄になる。これに対して巻鉄心では、電磁鋼板の内周側を打ち抜いて無駄にすることがないので歩留まりが改善する。

【0042】

本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。加えて、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0043】

１００…モータ、２００…ロータ、２３０…シャフト、３００…ステータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】