(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、該固定子鉄心と空隙を有して回転可能に対向する回転子鉄心を有する回転子とを備えた回転電機において、
前記回転子鉄心は、前記空隙側でかつ周方向に配置された複数の突極と、該各突極の磁束を通す磁路を形成する複数の回転子ヨークとを有し、各単位の突極と回転子ヨークは、回転子鉄心材料から互い違いの配置で打ち抜かれたものであり、形成された前記回転子鉄心は前記各単位の突極と該各突極に対向する前記各単位の回転子ヨークとを単位として周方向の分割が前記各突極の周方向幅の中心位置で行われ、かつ分割された前記各単位の回転子ヨークに穴が設けられ、該穴に軸方向締結支持部材を挿入して前記回転子の両側に設けた両側板に固定されることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１において、前記各単位の突極間には回転子鉄心凹部が形成されていることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、該固定子鉄心と空隙を有して回転可能に対向する回転子鉄心を有する回転子とを備えた回転電機において、
前記回転子鉄心は、前記空隙側でかつ周方向に配置内蔵された複数の永久磁石と、各永久磁石の周方向両側に配置された突極と、該各永久磁石からの磁束を通す磁路を形成する複数の回転子ヨークとを有し、各単位の突極と回転子ヨークは、回転子鉄心材料から互い違いの配置で打ち抜かれたものであり、形成された前記回転子鉄心は前記各永久磁石の磁極と、該各永久磁石の磁極に対向する前記各単位の突極と回転子ヨークとを単位として周方向の分割が前記各突極の周方向幅の中心位置で行われ、かつ分割された前記各単位の回転子ヨークに穴が設けられ、該穴に軸方向締結支持部材を挿入して前記回転子の両側に設けた両側板に固定されることを特徴とする回転電機。
【請求項４】
固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、該固定子鉄心と空隙を有して回転可能に対向する回転子鉄心を有する回転子とを備えた回転電機において、
前記回転子鉄心は、前記空隙側でかつ周方向に形成された複数の同心形状のスリットと、スリット間にはスリットと同様に同心円弧状に設けられ、連結されたブリッジと、かつ前記スリットの周方向両側に配置された突極と、該各突極の磁束を通す磁路を形成する複数の回転子ヨークとを有し、各単位の突極と回転子ヨークは、回転子鉄心材料から互い違いの配置で打ち抜かれたものであり、形成された前記回転子鉄心は、前記各単位の突極と該各突極に対向する前記各単位の回転子ヨークとを単位として周方向の分割を前記分割が前記各突極の周方向幅の中心位置で行われ、かつ分割された前記各単位の回転子ヨークに穴が設けられ、該穴に軸方向締結支持部材を挿入して前記回転子の両側に設けた両側板に固定されることを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１、３または４において、前記回転子鉄心と前記固定子鉄心とを異なる材料で作製することを特徴とする回転電機。
【請求項６】
電力を供給するバッテリと、前記供給された電力により車両を駆動する駆動トルクを出力する回転電機と、前記駆動トルクを制御する制御装置とを備えた電動車両において、
前記回転電機は、請求項１、３または４に規定する構造で構成することを特徴とする電動車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子鉄心の材料利用率が良く、かつ小形軽量の回転電機及びそれを用いた電動車両に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電動車両に用いる電動機としては、小形軽量高効率であることが望まれる。小型化はモータを高速回転させることによって達成できる。以上の点より、電気自動車やバッテリフォーク等の電動車両の駆動モータとしては、第１には永久磁石式、第２にはリラクタンスを利用したブラシレスモータが最適である。特に、リラクタンスモータは高性能磁石を使った磁石モータに比較すると、効率，トルク等は落ちるが、フェライト磁石とはほぼ同等であり、かつ、特性の温度依存性や磁石の減磁等の問題がないという良い点があり、さらに、価格が安く実用的であるという利点がある。
【０００３】
従来技術としては、電気学会  ’９６，６月号「スリット回転子を用いたフラックスバリア型リラクタンスモータの磁界解析と試作実験」に、回転子を珪素鋼板等の磁性体を軸方向に積層する構造で、かつ、回転子が一体の珪素鋼板より構成されているリラクタンスモータが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術は、固定子鉄心は分割されており、固定子鉄心を作製するときの材料利用率が向上する利点があるが、回転子は一体に構成されているため、材料利用率が悪くなる欠点がある。特に扁平形状の回転子においては中心部のコア部は、磁束密度も低いので実用上は不要な部分ではあるが、材料で埋められており、このため、回転子を製作する材料の量が増え、それに伴い、モータ重量が増加してしまうという問題がある。
【０００５】
更に、この重量増加は、電気自動車及び電動車両等にとって、決定的な負担となる。
【０００６】
本発明の目的は、回転子鉄心を作製するときの材料利用率が良く、かつ小形軽量の回転電機及びそれを用いた電動車両を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明における回転電機の特徴とするところは、固定子鉄心との空隙側でかつ周方向に配置された複数の突極と、該各突極の磁束を通す磁路を形成する複数の回転子ヨークとを有する回転子鉄心を、各突極と該各突極に対向する各回転子ヨークとを単位として周方向に分割することにある。
【０００８】
具体的には本発明は次に掲げる回転電機を提供する。
本発明は、固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、該固定子鉄心と空隙を有して回転可能に対向する回転子鉄心を有する回転子とを備えた回転電機において、前記回転子鉄心は、前記空隙側でかつ周方向に配置された複数の突極と、該各突極の磁束を通す磁路を形成する複数の回転子ヨークとを有し、前記各突極と該各突極に対向する前記各回転子ヨークとを単位として周方向に分割されていることを特徴とする回転電機を提供する。
【０００９】
好ましくは、前記分割を、前記各突極の周方向幅の中心位置で行なう。
【００１０】
また、本発明は、固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、該固定子鉄心と空隙を有して回転可能に対向する回転子鉄心を有する回転子とを備えた回転電機において、前記回転子鉄心は、前記空隙側でかつ周方向に配置内蔵された複数の永久磁石と、該各永久磁石からの磁束を通す磁路を形成する複数の回転子ヨークとを有し、前記各永久磁石の磁極と、該各永久磁石の磁極に対向する前記各回転子ヨークとを単位として周方向に分割されていることを特徴とする回転電機を提供する。
【００１１】
好ましくは、前記分割を、前記各永久磁石の磁極間で行なう。
【００１２】
好ましくは、前記回転子鉄心と前記固定子鉄心とを異なる材料で作製する。
【００１３】
また、本発明は、電力を供給するバッテリと、前記供給された電力により車両を駆動する駆動トルクを出力する回転電機と、前記駆動トルクを制御する制御装置とを備えた電動車両において、前記回転電機は、固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、該固定子鉄心と空隙を有して回転可能に対向する回転子鉄心を有する回転子とを備え、前記回転子を、周方向に磁極単位に分割されている回転子鉄心と、該回転子鉄心の内周側に設けられ前記回転子鉄心を保持する中空型保持部材とで構成することにより、重量を軽減し、前記車両の一充電走行距離を長くすることを特徴とする電動車両を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例に係る回転電機及びそれを用いた電動車両を、図を用いて説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施の形態例に係わる回転電機の周方向の断面を示し、図２は、図１の回転電機の軸方向の断面を示す。
【００１６】
本実施の形態例では、固定子として集中巻の巻線構造のリラクタンスモータについて説明する。図１、図２に示すように、回転電機１は、固定子２と、回転子３と、エラドブラケット９と、ハウジング１４とを含み構成されている。
【００１７】
固定子２は、例えば、珪素鋼板で軸方向に積層された磁性体からなる固定子鉄心４と固定子巻線５とを含み構成される。ここで、固定子鉄心４は周方向に１８分割された構成であり、かつそれぞれの固定子鉄心４は円環状の固定子ヨーク部４１と鉄心磁極４２とから構成されている。鉄心磁極４２にはそれぞれ固定子巻線５が巻回されている。
【００１８】
一方、回転子３は、例えば珪素鋼板で軸方向に積層された磁性体からなる回転子鉄心７と回転軸８とを含み構成されている。そして、回転子鉄心７は周方向に６分割された構成である。そして、回転子鉄心７の固定子鉄心４との空隙側には、突極の中心をなす突極磁心部７３と回転子鉄心凹部７５とを有する構成になっている。さらに、回転子鉄心７の反空隙側には、突極磁心部７３の磁束の通路を形成する回転子鉄心ヨーク部７６が配置された構成となっている。
【００１９】
なお、回転子鉄心凹部７５には、例えば、ワニスや合成樹脂などの非磁性材、アルミニウムのような非磁性導電材などを充填しても良い。
【００２０】
、本発明は、回転子鉄心７を周方向に複数に分割したことを特徴とする。
【００２１】
図３は、回転子鉄心７を鉄心材料である珪素鋼板から形抜きする一例を示す。
【００２２】
図３に示すように、回転子鉄心の空隙側に配置された突極磁心部７３と、反空隙側でその突極の磁束を通す磁路を構成する回転子鉄心ヨーク部７６とを互い違いに配置して打ち抜く構成になっている。
【００２３】
このような材料取りを構成することによって、特に、回転子鉄心内径の大きなモータにおいては回転子鉄心材料である珪素鋼板の使用量を少なくすることができる。また、回転子鉄心材料は、図示のように、捨てる部分が少なく、回転子鉄心７を作製するときの材料利用率が良くなる。
【００２４】
なお、本実施の形態例では、一磁極単位に分割し、各突極磁心部７３の円周方向幅の中心位置で分割する構成を示している。
【００２５】
突極磁心部７３の円周方向幅の中心位置で分割することは、分割面で生じる空間がリラクタンスモータとして良い特性を与えることにある。つまり、リラクタンスモータは、突極磁心部７３の円周方向幅の真中のリラクタンスＸｄと各突極磁心部７３間のリラクタンスＸｑとの比が大きい方が特性がよい。そのため、分割面における空間はｑ軸の磁気回路で回転子鉄心凹部７５と同様の効果を生じ、各突極磁心部７３間のリラクタンスＸｑを小さくする。これによって、リラクタンスモータの特性を上げることができる。
【００２６】
また、回転子鉄心７の分割は、必要によっては２磁極単位、３磁極単位でも可能なことは言うまでもないことである。
【００２７】
回転子鉄心７を含む回転子３の強度は分割することによって落ちることが推察される。そこで、各突極磁心部７３間、及び各突極磁心部７３の中心の内周部には穴１１を設け、この穴１１にリベット，ボルト等の軸方向締結支持部材１１ａを挿入し、軸方向締結支持部材１１ａの両端を回転子の両側板１２に固定することによって回転子鉄心７の強度の補強をすることができる。
【００２８】
また、図２に示すように、回転子鉄心７の内周にはソリッドの中空型保持部材１３を配置することによって、回転子３の重量を低減することが可能になる。これは、特に扁平形状のモータにおいては効果的な方法である。つまり、回転子鉄心７の内周部は大きく、磁束密度も低くなるので磁気回路としては無用の物である。従って、以上の構成とすることによって、回転子鉄心７の使用素材の量を減らし、かつ回転子の内径を磁気的に許せる位置まで大きくすることができ、軽量化を図ることが可能となる。
【００２９】
なお、上記の構成において、回転子鉄子７と固定子鉄心４との使用材料を変えることにより、上記と異なる効果を得ることができる。例えば、固定子部における鉄心の損失が多い場合には低鉄損の材料を固定子鉄心にのみ適用し、回転子には鉄損の比較的多い材料を適用する。
【００３０】
鉄心の飽和磁束密度と鉄損の関係は、例えば鉄損の多い材料は飽和磁束密度が高くなり、鉄損の少ない材料は飽和磁束密度が低くなり、互いに逆の性質があるために、高効率が必要か、小型化が必要かを選択することによって、特性の良いモータを得ることが可能になる。
【００３１】
また、鉄損のみに関しては、回転子鉄心７と固定子鉄心４の磁性材料の厚さを変えることによっても同様の効果を得ることが可能になる。厚さを薄くすることによって、鉄損は少なくなるが、鉄心の必要枚数が多くなり製作工数が増加し、強度も低下する欠点がある。従って、必要に応じて磁性材の板厚を変えることで高性能の回転電機にすることができる。
【００３２】
図４は、本発明の他の実施の形態例に係わる回転電機の周方向の断面を示す。本実施の形態例では、スリット付き回転子鉄心を有するリラクタンスモータの例を示す。図１と同じ記号は、同一の機能を有する構成部材を示す。
【００３３】
回転子３は、例えば、珪素鋼板で軸方向に積層された磁性体からなる回転子鉄心７と回転軸８とを含み構成されている。そして、回転子鉄心７は周方向にＡ孔を中心とした複数本の同心円弧形状のスリット７２を有する形状をなしており、かつ、スリット７２間にはブリッジ７４がスリット７２と同様同心円弧状に設けられている。
【００３４】
ここで、ブリッジ７４は外周部を外周ブリッジ７１によって連結されている。すなわち、回転子３の遠心力に耐え、各ブリッジにて回転子鉄心がバラバラに分割しないような構造となっている。
【００３５】
本実施の形態例では、回転子鉄心７は、回転子鉄心７の外周側に設けられた突極磁心部７３と、該突極磁心部７３を通る磁束の通路を構成する回転子鉄心ヨーク部７６とで構成され、突極磁心部７３と回転子鉄心ヨーク部７６とを単位として周方向に６分割されていることを特徴とする。
【００３６】
以上の構成によって図１で示した構造と同じ利点を発揮することができると共に、スリット７２の存在によって回転子鉄心７を一層軽量化することができる。
【００３７】
図５は、本発明の更に他の実施の形態例に係わる回転電機の周方向の断面を示す。本実施の形態例では、永久磁石６を回転子鉄心７の中に収納する、いわゆる内部磁石形鉄心永久磁石回転電機の例を示す。
【００３８】
図５に示すように、回転電機１の固定子２は図１と全く同一の構造を有する。一方、回転子３は、例えば珪素鋼板等の磁性体からなる回転子鉄心７と回転軸８とを含み構成されている。そして、回転子鉄心７は永久磁石挿入穴を備えており、ここに永久磁石６を挿入設置する構成になっている。さらに、永久磁石６の周方向両側には回転子鉄心７と一体に形成された突極磁心部７３を配置する構成になっている。
【００３９】
本実施の形態例では、回転子鉄心７の外周側に設けられた突極磁心部７３と、回転子鉄心７の中に収納された永久磁石６と、突極磁心部７３及び永久磁心６とを通る磁束の通路を構成する回転子鉄心ヨーク部７６とで構成され、回転子鉄心７は、突極磁心部７３と回転子鉄心ヨーク部７６とを単位として周方向に６分割されていることを特徴とする。
【００４０】
上記構成の内部磁石形永久磁石回転電機は、永久磁石６によるトルクの他に突極磁心部７３によるリラクタンストルクをも活用できて、高トルク、高効率の回転電機とすることができる。
【００４１】
また、本実施の形態例では、回転子２を１極単位で構成し、これを外径ブリッジ７１を介して連結した構造になっている。さらに、これを一周巻回して組み上げる構造となっており、回転子鉄心７の分割位置は、各永久磁石６間の突極磁心部７３が選ばれている。
【００４２】
なお、ここでも、回転子鉄心７の分割は、必要によっては２磁極単位、３磁極単位でも可能なことは言うまでもないことである。
【００４３】
回転子鉄心７を含む回転子３の強度は分割することによって落ちることが推察される。そこで、図１と同様に、回転子鉄心７の外周部及び突極磁心部７３の内周部に穴１１を設け、この穴１１にリベット，ボルト等の軸方向締結支持部材１１ａを挿入し、軸方向締結支持部材１１ａの両端を回転子の両側板１２に固定することによって回転子鉄心７の強度の補強をすることができる。
【００４４】
回転子鉄心７の内周には、ソリッドのボス１３を配置することによって、回転子３の重量を低減することが可能になる。従って、以上の構成とすることによって、回転子鉄心７の使用素材を減らし、軽量化を図ることが可能となる。
【００４５】
図６は、本発明の更に他の実施の形態例に係わる回転電機の周方向の断面を示す。本実施の形態例では、外転内部磁石形永久磁石回転電機の例を示す。従って、回転電機１の固定子２と回転子３とは図１と反対の構成になっている。
【００４６】
図６に示すように、固定子２は、分割固定子で内側に配置されている。一方、回転子３は、例えば珪素鋼板等の積層の磁性体からなる回転子鉄心７と磁性体の回転子ケース１５とを含み構成されている。そして、回転子鉄心７は永久磁石挿入穴を備えており、ここに永久磁石６を挿入設置する構成になっている。さらに、永久磁石６の周方向両側には回転子鉄心７と一体に形成された突極磁心部７３を配置する構成になっている。
【００４７】
本実施の形態例では、回転子鉄心７の外周側に設けられた突極磁心部７３と、回転子鉄心７の中に収納された永久磁石６と、突極磁心部７３及び永久磁心６とを通る磁束の通路を構成する回転子鉄心ヨーク部７６とで構成され、回転子鉄心７は、突極磁心７３と回転子鉄心ヨーク部７６とを単位として周方向に６分割されていることを特徴とする。
【００４８】
上記構成の外転内部磁石形永久磁石回転電機では、図５と同様、永久磁石６によるトルクの他に突極磁心部７３によるリラクタンストルクをも活用できて、高トルク、高効率の回転電機とすることができる。
【００４９】
また、本実施の形態例の特徴は、回転子２を２極単位で構成した点にある。これを外周ブリッジ７１を介して連結した構造とし、さらにこれを一周巻回して組み上げる構造としている。分割位置は永久磁石６の極間が選ばれている。なお、各回転子鉄心７の分割位置を、軸方向に積層された回転子鉄心７一枚毎に周方向に少しずつ移動した位置にすることによって、回転子２の構成をより強くすることができる。
【００５０】
特に、本実施の形態例では、２磁極単位に分割し、突極磁心部７３の円周方向幅の中心位置で分割する構成としている。また、永久磁石６の円周方向幅の中心位置で分割することも当然、可能である。
【００５１】
外転形回転子構造では、回転子鉄心７の機械的な強度は、回転子ケース１５で持ってくれるためにあまり必要ではない。そのため、回転子鉄心７へのリベット，ボルト等の軸方向締結支持部材１１ａは、内転形回転子の場合より少なくすることができる。
【００５２】
上記の構成にすることによって、回転子鉄心７の使用素材の量を減らすことができ、回転電機の軽量化を図ることができる。
【００５３】
なお、上記の実施の形態例では、集中巻構造の回転電機について説明したが、分布巻き構造の回転電機でも適用可能である。また、電動機、発電機でも適用可能である。
【００５４】
外転型、内転型回転子を用いたリラクタンスモータにも適用可能である。また、回転電機にのみならず、リニアモータ等への適用も可能である。
【００５５】
次に、図７を用いて本発明の実施形態による回転電機を用いた電気自動車について説明する。
図７は、本発明の実施の形態例に係わる回転電機を搭載した電気自動車の駆動部の略構成を示す。
【００５６】
電気自動車の車体１６は、４つの車輪１７，１８，１９，２０によって支持されている。この電気自動車は、前輪駆動であるため、前方の車軸２５には、本実施の形態例に係わる回転電機１が直結して取り付けられている。
【００５７】
回転電機１は、制御装置２１によって駆動トルクが制御される。制御装置２１の動力源としては、バッテリ２２が備えられ、このバッテリ２２から電力が制御装置２１を介して回転電機１に供給され、回転電機１が駆動トルクを出力し、該駆動トルクで車輪１７，１９が回転する。ハンドル２３の回転は、ステアリングギア２４及びタイロッド，ナックルアーム等からなる伝達機構を介して、２つの車輪１７，１９に伝達され、車輪の角度が変えられる。
【００５８】
上記の回転電機１を、電気自動車の搭載することによって電気自動車の小形軽量化が図れ、かつ一充電走行距離を長くすることができる。
【００５９】
なお、上記は電気自動車の例で示したが、ハイブリッド電気自動車に搭載しても同様の効果を得ることができる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、回転子鉄心を作製するときの材料利用率を良くすることにより、資源の有効利用を図ることができる。また、回転電機の小形軽量化を図ることにより、本回転電機を搭載した電動車両の重量低減が図れ、電動車両の一充電走行距離を長くすることができ、燃費効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態例に係わる回転電機の周方向の断面図である。
【図２】図１の回転電機の軸方向の断面図である。
【図３】回転子鉄心を珪素鋼板から形抜きする一例を示す図である。
【図４】本発明の他の実施の形態例に係わる回転電機の周方向の断面図である。
【図５】本発明の更に他の実施の形態例に係わる回転電機の周方向の断面図である。
【図６】本発明の更に他の実施の形態例に係わる回転電機の周方向の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態例に係わる回転電機を搭載した電気自動車の駆動部の略構成図である。
【符号の説明】
１…回転電機、２…固定子、３…回転子、４…固定子鉄心、５…固定子巻線、６…永久磁石、７…回転子鉄心、８…回転軸、９…エンドブラケット、１０…軸受、１１…穴、１１ａ…軸方向締結支持部材、１２…回転子の側板、１３…中空型保持部材、１４…ハウジング、１５…回転子ケース、１６…車体、１７，１８，１９，２０…車輪、２１…制御装置、２２…バッテリ、２３…ハンドル、２４…ステアリングギア、２５…前方の車軸、４１…固定子ヨーク部、４２…鉄心磁極、７１…外周ブリッジ、７２…スリット、７３…突極磁心部、７４…ブリッジ、７５…回転子鉄心凹部、７６…回転子鉄心ヨーク部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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