(57)【要約】【課題】セグメント基底部１３ｃ、１５ｃの内部を周回する渦電流の流れを分断できる回転トランスを備えた同期モータの界磁巻線を提供する。【解決手段】固定側コアと回転側コアは、それぞれ周方向に等分割された複数のセグメント１３Ａ、１５Ａを円環状に組み合わせて構成される。分割された各セグメント１３Ａ、１５Ａには、少なくともセグメント基底部１３ｃ、１５ｃに軟磁性体である積層金属片２１が埋設されている。上記の構成によれば、両コア１３、１５を周方向に分割したことにより、周回方向の大きな渦電流を分断でき、且つ、セグメント基底部１３ｃ、１５ｃに積層金属片２１を埋設しているので、セグメント基底部１３ｃ、１５ｃの内部を周回する渦電流の流れも分断できる。これにより、両コアに発生する渦電流を抑制できるので、渦電流損失を低減できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸（８）と一体に回転するロータ（７）に界磁巻線（６）を備える回転電機（１）に用いられ、前記界磁巻線（６）に励磁電力を給電する励磁装置（１０）であって、
前記励磁装置（１０）は、
軟磁性材から成る円環状のコア（１３、１５）にコイル（１４、１６）を巻回して構成される一組のコイルユニット（ＵＳ、ＵＲ）を有し、この一組のコイルユニット（ＵＳ、ＵＲ）が空隙を有して対向配置されると共に、前記一組のコイルユニット（ＵＳ、ＵＲ）のうち、一方のコイルユニット（ＵＳ）が固定側に配置され、他方のコイルユニット（ＵＲ）が回転側に配置される回転トランス（１１）を備え、
前記一方のコイルユニット（ＵＳ）に使用される前記コアを固定側コア（１３）、前記他方のコイルユニット（ＵＲ）に使用される前記コアを回転側コア（１５）と呼ぶ時に、  前記固定側コア（１３）および前記回転側コア（１５）は、それぞれ周方向に複数のセグメント（１３Ａ、１５Ａ）に分割され、且つ、互いの前記セグメント（１３Ａ、１５Ａ）には、前記セグメント（１３Ａ、１５Ａ）の内部を周回する渦電流の流れを分断する軟磁性体（２１）が埋設されていることを特徴とする回転電機の励磁装置。
【請求項２】
請求項１に記載した回転電機の励磁装置（１０）において、
前記固定側コア（１３）および前記回転側コア（１５）は、それぞれ、前記コイル（１４、１６）を収容する円環状のコイルスペース（ＣＳ）を形成し、このコイルスペース（ＣＳ）の内周側を覆う内周リング部と、前記コイルスペース（ＣＳ）の外周側を覆う外周リング部と、前記コイルスペース（ＣＳ）の反空隙側を覆って前記内周リング部と前記外周リング部との間を閉塞する円環状の基底部とを有し、
前記内周リング部、前記外周リング部、および、前記基底部に対応する前記セグメント（１３Ａ、１５Ａ）の各部位をそれぞれ内周壁部（１３ａ、１５ａ）、外周壁部（１３ｂ、１５ｂ）、および、セグメント基底部（１３ｃ、１５ｃ）と呼ぶ時に、
前記セグメント（１３Ａ、１５Ａ）の少なくとも前記セグメント基底部（１３ｃ、１５ｃ）に前記軟磁性体（２１）が埋設されていることを特徴とする回転電機の励磁装置。
【請求項３】
請求項２に記載した回転電機の励磁装置（１０）において、
前記軟磁性体（２１）は、軟磁性金属材料を板状に成形した金属片（２１）であり、
少なくとも一つの前記金属片（２１）が前記セグメント（１３Ａ、１５Ａ）の半径方向に沿って配置され、且つ、前記セグメント基底部（１３ｃ、１５ｃ）の平面と直交する垂直方向に埋設されていることを特徴とする回転電機の励磁装置。
【請求項４】
請求項３に記載した回転電機の励磁装置（１０）において、
前記セグメント（１３Ａ、１５Ａ）には、少なくとも前記セグメント基底部（１３ｃ、１５ｃ）に複数の前記金属片（２１）が所定の間隔を空けて埋設され、その複数の前記金属片（２１）は、前記セグメント基底部（１３ｃ、１５ｃ）の内径側から外径側ヘ向かって放射状に配置されていることを特徴とする回転電機の励磁装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載した回転電機の励磁装置（１０）において、
前記金属片（２１）は、前記セグメント基底部（１３ｃ、１５ｃ）を板厚方向に貫通して埋設されていることを特徴とする回転電機の励磁装置。
【請求項６】
請求項２に記載した回転電機の励磁装置（１０）において、
前記軟磁性体は、軟磁性金属材料を板状に成形した金属片（２１）であり、
少なくとも一つの前記金属片（２１）が前記セグメント基底部（１３ｃ、１５ｃ）の平面と平行に埋設されていることを特徴とする回転電機の励磁装置。
【請求項７】
請求項２〜６に記載した何れか一つの回転電機の励磁装置（１０）において、
前記金属片（２１）は、電磁鋼板を積層して形成される積層鉄片、あるいは、アモルファス金属箔を重ね合わせて板状に成形されるアモルファス金属片であることを特徴とする回転電機の励磁装置。
【請求項８】
請求項１〜７に記載した何れか一つの回転電機の励磁装置（１０）において、
前記セグメント（１３Ａ、１５Ａ）は、磁性粉体を圧縮成型して形成されることを特徴とする回転電機の励磁装置。
【請求項９】
請求項１〜８に記載した何れか一つの回転電機の励磁装置（１０）において、
前記固定側コア（１３）および前記回転側コア（１５）は、前記セグメント（１３Ａ、１５Ａ）が扇形に分割されていることを特徴とする回転電機の励磁装置。
【請求項１０】
請求項１〜９に記載した何れか一つの回転電機の励磁装置（１０）において、
前記固定側コア（１３）および前記回転側コア（１５）は、それぞれ周方向に隣り合う前記セグメント（１３Ａ、１５Ａ）同士が電気絶縁されていることを特徴とする回転電機の励磁装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０に記載した何れか一つの回転電機の励磁装置（１０）において、
前記回転側コア（１５）は、前記回転軸（８）と同心に配置され、且つ、前記回転軸（８）との間に非磁性部を有することを特徴とする回転電機の励磁装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１に記載した何れか一つの回転電機の励磁装置（１０）において、
前記回転トランス（１１）は、前記固定側コア（１３）および前記回転側コア（１５）の外周が、両コア（１３、１５）より電気抵抗率の高い補強部材（１９、２０）によって保持されていることを特徴とする回転電機の励磁装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家電、産業用、移動体用の回転電機に係わり、特に、ロータに界磁巻線を備える自動車用の発電電動機として好適な回転電機の励磁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電動機は、ネオジム等の希土類磁石を使用した小型で高性能なブラシレスモータが主流であるが、希土類磁石の偏在性から資源確保のリスク回避が急務である。
一方、ロータに界磁巻線を備える巻線界磁式モータが公知であるが、ブラシレス構造に対応するためには、界磁巻線に給電する励磁電力を非接触で伝送する必要がある。
これに対し、特許文献１には、回転トランスを用いた励磁装置が記載されている。この励磁装置は、回転トランスの一次側から二次側へ非接触で励磁電力を伝送してロータの界磁巻線に給電することが出来る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１６６７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、従来の回転トランスは、図１０に示す様に、トランスコア１００の周回方向に図示矢印で示す大きな渦電流が発生するため、渦電流損失が問題となる。特に、機器を小型化するために励磁周波数を上げると、渦電流損失の増加が顕著になり、伝送効率の低下が著しくなるという問題がある。
上記の課題を克服すべく本願発明者が研究した結果によれば、図１１に示す様に、トランスコア１００を周方向に複数のセグメント１１０に分割することで渦電流の発生を低減できることが解明された。
【０００５】
しかし、トランスコア１００を複数のセグメント１１０に分割したことにより、図１２に示す様に、セグメント１１０の断面内部を周回する小さな渦電流の流れ（図示矢印で示す）が新たに発生する課題が明らかになった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたものであり、その目的は、トランスコアを周方向に分割して形成されるセグメントの内部に生じる渦電流の流れを低減できる回転トランスを備えた回転電機の励磁装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る本発明は、回転軸と一体に回転するロータに界磁巻線を備える回転電機に用いられ、界磁巻線に励磁電力を給電する励磁装置であって、励磁装置は、軟磁性材から成る円環状のコアにコイルを巻回して構成される一組のコイルユニットを有し、この一組のコイルユニットが空隙を有して対向配置されると共に、一組のコイルユニットのうち、一方のコイルユニットが固定側に配置され、他方のコイルユニットが回転側に配置される回転トランスを備え、一方のコイルユニットに使用されるコアを固定側コア、他方のコイルユニットに使用されるコアを回転側コアと呼ぶ時に、固定側コアおよび回転側コアは、それぞれ周方向に複数のセグメントに分割され、且つ、互いのセグメントには、セグメントの内部を周回する渦電流の流れを分断する軟磁性体が埋設されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明の回転トランスは、固定側コアおよび回転側コアをそれぞれ周方向に分割しているので、両コアの周回方向に流れる大きな渦電流を分断できる。また、分割された個々のセグメントの少なくともセグメント基底部に軟磁性体を埋設しているので、セグメント基底部の内部を周回する渦電流の流れも分断できる。これにより、固定側コアおよび回転側コアに発生する渦電流を抑制できるので、渦電流損失を低減できる。
なお、軟磁性体は、軟磁性金属材料を板状に成形した金属片（例えば、電磁鋼板を積層して形成される積層鉄片あるいはアモルファス金属箔を重ね合わせて板状に成形されるアモルファス金属片）であり、セグメント基底部に対し垂直方向または平行に埋め込むことにより、回転トランスの主磁束の流れを阻害することなく、両コアの内部を周回する渦電流の流れのみを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】積層金属片を埋設するセグメントの斜視図である。
【図２】固定側コアおよび回転側コアの斜視図である。
【図３】同期モータと回転トランスの概略構成図である。
【図４】同期モータと励磁装置の回路図である。
【図５】本発明の効果（渦電流損の低減）を棒グラフで示した図である。
【図６】積層金属片を埋設したセグメントの斜視図である（実施例２）。
【図７】積層金属片を埋設したセグメントの斜視図である（実施例２）。
【図８】積層金属片を埋設したセグメントの斜視図である（実施例２）。
【図９】積層金属片を埋設したセグメントの斜視図である（実施例３）。
【図１０】周回方向に発生する渦電流を示すトランスコアの斜視図である。
【図１１】分割構造のトランスコアを示す斜視図である。
【図１２】渦電流の流れを示すセグメントの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。
【実施例】
【００１０】
（実施例１）
実施例１は、本発明の励磁装置を巻線界磁式の同期モータに適用した一例を説明する。  同期モータ１は、図３に示す様に、ステータコア２に電機子巻線３を巻装したステータ４と、ロータコア５に界磁巻線６を巻装したロータ７とを備え、このロータ７がモータ回転軸８に支持されて、モータ回転軸８と一体に回転可能に構成されている。
ステータ４は、図示しないモータハウジングに固定されている。
ステータコア２は、径方向の内周側に複数のスロットを周方向等間隔に打ち抜いた円環状の電磁鋼板を複数枚積層して構成される。電機子巻線３は、図４に示す様に、星型結線される三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の相巻線を有し、この相巻線の各端部Ｕｏ、Ｖｏ、Ｗｏがインバータ９に接続される。
【００１１】
インバータ９は、周知の電力変換装置であり、電池Ｂから取り出される直流電力を交流電力に変換して電機子巻線３に供給する。なお、電機子巻線３の巻線仕様は、周知の集中巻あるいは分布巻のどちらでも良い。
ロータ７は、図３に示す様に、ステータ４の内径側に所定の空隙を有して対向配置される。ロータコア５は、径方向の外周側に複数のスロットを周方向等間隔に打ち抜いた円環状の電磁鋼板を複数枚積層して構成され、モータ回転軸８の外周にセレーション嵌合等によって固定される。界磁巻線６は、例えば、特許文献１に記載されたロータ構造と同じ巻線仕様によってロータコア５に巻装され、励磁装置１０（図４参照）より界磁電流（直流）が供給されて電磁石を形成することにより、ロータ７の磁極を励磁する。
【００１２】
次に、本発明の励磁装置１０について説明する。
励磁装置１０は、図４に示す様に、一次側から二次側へ非接触で電力を伝送できる回転トランス１１と、二次側へ伝送された交流電力を直流電力に変換してロータ７の界磁巻線６に供給する順変換装置１２とを備える。
回転トランス１１は、図３に示す様に、軸方向（図示左右方向）に所定の空隙を有して対向配置される固定側ユニットＵＳと回転側ユニットＵＲとで構成され、両ユニットＵＳ、ＵＲがモータ回転軸８と同心に配置される。
【００１３】
固定側ユニットＵＳは、図２に示す様に、円環状のコイルスペースＣＳを有する固定側コア１３と、この固定側コア１３のコイルスペースＣＳに収容される一次コイル１４とで構成され、固定側コア１３がモータハウジングにボルト等で固定されている。固定側コア１３の内径側には、モータ回転軸８との接触を避けるために、モータ回転軸８との間に空隙が確保されている。
回転側ユニットＵＲは、図２に示す様に、円環状のコイルスペースＣＳを有する回転側コア１５と、この回転側コア１５のコイルスペースＣＳに収容される二次コイル１６とで構成され、回転側コア１５がロータコア５の軸方向端面にボルト等で固定されている。回転側コア１５の内径側には、モータ回転軸８との間で磁束の授受を抑制するために、モータ回転軸８との間に空隙が確保されている。
【００１４】
一次コイル１４は、固定側コア１３のコイルスペースＣＳに同心円状に巻回され、接着剤などを含浸させて固着してある。この一次コイル１４には、図示しない電源より交流電流が供給される。
二次コイル１６は、回転側コア１５のコイルスペースＣＳに同心円状に巻回され、接着剤などを含浸させて固着してある。この二次コイル１６は、図４に示す様に、順変換装置１２を介してロータ７の界磁巻線６に接続され、一次コイル１４への給電によって二次コイル１６に交流電流が誘起されると、順変換装置１２で交流から直流に変換されて界磁巻線６に給電される。
順変換装置１２は、例えば、図４に示す様に、４個の整流素子（ダイオード１２ａ）をブリッジ状に接続したブリッジ型全波整流回路によって構成される。なお、順変換装置１２は、整流回路と平滑回路とを組み合わせて構成することもできる。
【００１５】
固定側コア１３と回転側コア１５は、図２に示す様に、それぞれ周方向に等分割（図２では８分割）された複数のセグメント１３Ａ、１５Ａを円環状に組み合わせて構成され、周方向に隣り合うセグメント１３Ａ、１５Ａ同士の間に絶縁部材１７、１８が挟み込まれている。つまり、周方向に隣り合うセグメント１３Ａ、１５Ａ同士は、それぞれ絶縁部材１７、１８によって電気的に絶縁されている。また、固定側コア１３と回転側コア１５の外周は、それぞれ、セグメント１３Ａ、１５Ａより電気抵抗率が高い補強部材１９、２０によって、円環状に組み合わされた全てのセグメント１３Ａ、１５Ａおよび絶縁部材１７、１８が保持されている。補強部材１９、２０は、例えば、ファイバー素材や補強テープなどであり、接着剤を含浸させて固着させることもできる。
【００１６】
両コア１３、１５のセグメント１３Ａ、１５Ａは、軸方向に空隙を有して対向する平面形状が扇形を有し、図１に示す様に、扇形の内周側に設けられる円弧状の内周壁部１３ａ、１５ａと、扇形の外周側に設けられる円弧状の外周壁部１３ｂ、１５ｂと、内周壁部１３ａ、１５ａと外周壁部１３ｂ、１５ｂとの間に形成されるセグメント基底部１３ｃ、１５ｃとで構成され、例えば、軟磁性粉体を圧縮成型して製造される。
なお、本願の請求項２に記載した両コア１３、１５の内周リング部、外周リング部、および、基底部は、分割された複数のセグメント１３Ａ、１５Ａを円環状に組み合わせた状態で、各セグメント１３Ａ、１５Ａの内周壁部１３ａ、１５ａ同士、外周壁部１３ｂ、１５ｂ同士、および、セグメント基底部１３ｃ、１５ｃ同士がそれぞれ環状に連続することで形成される。
【００１７】
また、各セグメント１３Ａ、１５Ａのセグメント基底部１３ｃ、１５ｃには、セグメント基底部１３ｃ、１５ｃの内部を周回する渦電流の流れ（図１２参照）を分断する軟磁性体が埋設されている。この軟磁性体は、例えば電磁鋼板を積層した長方形状の積層金属片２１である。この積層金属片２１は、図１に示す様に、セグメント基底部１３ｃ、１５ｃの周方向（図示円弧方向）に一定の間隔を空けて複数配置され、且つ、積層金属片２１の長手方向を、セグメント１３Ａ、１５Ａの内周壁部１３ａ、１５ａと外周壁部１３ｂ、１５ｂとが対向する半径方向に向けて、セグメント基底部１３ｃ、１５ｃの平面と直交する垂直方向に埋設される。また、積層金属片２１は、セグメント基底部１３ｃ、１５ｃを板厚方向（図示上下方向）に貫通した状態で埋め込むこともできる。
【００１８】
（実施例１の作用および効果）
実施例１に記載した回転トランス１１は、固定側コア１３および回転側コア１５をそれぞれ周方向に分割して構成されるので、図１０に示した周回方向の大きな渦電流を分断できる。特に、周方向に隣り合うセグメント１３Ａ同士、および、セグメント１５Ａ同士の間がそれぞれ絶縁部材１７、１８を介して電気絶縁されているので、両コア１３、１５の周回方向に発生する渦電流をより確実に分断できる。これにより、両コア１３、１５が分割されていない従来の回転トランスと比較すると、図５に示す様に、渦電流損失を大幅（約１／８）に低減できる。
【００１９】
さらに、実施例１では、両コア１３、１５を分割した各セグメント１３Ａ、１５Ａのセグメント基底部１３ｃ、１５ｃに軟磁性体である積層金属片２１を埋設しているので、セグメント基底部１３ｃ、１５ｃの内部を周回する渦電流の流れ（図１２参照）を積層金属片２１によって分断できる。この場合、両コア１３、１５を複数のセグメント１３Ａ、１５Ａに分割しただけの回転トランス、つまり、セグメント１３Ａ、１５Ａに軟磁性体を埋設していない回転トランスと比較しても、図５に示すように、更に渦電流損失を低減できる効果が得られる。
【００２０】
なお、周方向に隣り合うセグメント１３Ａ同士、および、セグメント１５Ａ同士を電気絶縁する手段として、実施例１に記載した絶縁部材１７、１８を二つのセグメント１３Ａ間、および、二つのセグメント１５Ａ間に挿入する代わりに、隣り合う二つのセグメント１３Ａ間、および、セグメント１５Ａ間にそれぞれ空隙を設ける構成を採用することもできる。
実施例１に記載した回転トランス１１は、両コア１３、１５が周方向に等分割されているので、固定側コア１３の全てのセグメント１３Ａ、および、回転側コア１５の全てのセグメント１５Ａを、それぞれ同一形状にできる。このため、同一規格のセグメント１３Ａ、１５Ａを大量生産することで低コスト化を図ることが出来る。
【００２１】
また、両コア１３、１５のセグメント１３Ａ、１５Ａの形状を扇形とすることで、分割された複数のセグメント１３Ａ、１５Ａを組み合わせて固定側コア１３および回転側コア１５を構成した際の収容効率が最も優れるため、経済的でもある。
さらに、複数のセグメント１３Ａ、１５Ａに分割された両コア１３、１５は、それぞれ電気抵抗率の高い補強部材１９、２０によって外周が保持されているので、耐遠心強度と渦電流低減とを両立している。
また、回転側コア１５の内周側には、モータ回転軸８との間に空隙が確保されているので、鉄製のモータ回転軸８へ渦電流が誘導されることを防止できる。なお、回転側コア１５の内周側に空隙を設ける代わりに、回転側コア１５とモータ回転軸８との間に非磁性部を配置する構成でも良い。
【００２２】
（実施例２）
この実施例２は、図６に示す様に、複数の積層金属片２１をセグメント基底部１３ｃ、１５ｃの内径側から外径側ヘ向かって放射状に埋設した一例であり、その他の構成は実施例１と同じである。
この構成においても、セグメント基底部１３ｃ、１５ｃに埋設した積層金属片２１によって、セグメント基底部１３ｃ、１５ｃの内部を周回する渦電流の流れを分断できるので、実施例１と同様の効果を得ることができる。
また、実施例１の図１、および、実施例２の図６に示す例は、セグメント基底部１３ｃ、１５ｃにのみ積層金属片２１を埋設しているが、例えば、図７および図８に示す様に、積層金属片２１をセグメント基底部１３ｃ、１５ｃだけでなく、セグメント１３Ａ、１５Ａの内周壁部１３ａおよび外周壁部１３ｂにまで埋設することもできる。
【００２３】
（実施例３）
この実施例３は、図９に示す様に、複数の積層金属片２１をセグメント基底部１３ｃ、１５ｃの平面と平行に埋設した一例であり、その他の構成は実施例１と同じである。
上記の構成では、セグメント基底部１３ｃ、１５ｃの板厚方向に流れる渦電流を積層金属片２１によって分断できるので、実施例１と同様に、渦電流損失を低減できる。
【００２４】
（変形例）
実施例１では、セグメント１３Ａ、１５Ａに埋設する軟磁性体の一例として電磁鋼板を積層した積層金属片２１を記載したが、その他の例として、例えば、アモルファス金属箔を重ね合わせて板状に成形したアモルファス金属片を使用することもできる。
実施例１では、固定側コア１３と回転側コア１５との分割数を同数（図２は８分割）として記載したが、両コア１３、１５の分割数が異なる構成でも良い。
実施例１では、本発明の励磁装置１０を同期モータ１に適用した一例を記載したが、同期発電機に適用することもできる。
また、実施例１に記載した回転トランス１１は、固定側ユニットＵＳと回転側ユニットＵＲとが軸方向に空隙を有して対向配置する構成であるが、固定側ユニットＵＳと回転側ユニットＵＲとが径方向に空隙を有して対向配置する構成でも良い。
【符号の説明】
【００２５】
１    同期モータ（回転電機）
６    界磁巻線
７    ロータ
８    モータ回転軸（回転軸）
１０    励磁装置
１１    回転トランス
１２    順変換装置（界磁巻線）
１３    固定側コア（円環状のコア）
１３Ａ  固定側コアのセグメント
１３ｃ  セグメント基底部
１４    一次コイル
１５    回転側コア（円環状のコア）
１５Ａ  回転側コアのセグメント
１５ｃ  セグメント基底部
１６    二次コイル
２１    積層金属片（軟磁性体）
ＵＳ    固定側ユニット（一方のコイルユニット）
ＵＲ    回転側ユニット（他方のコイルユニット）
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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