JP7718896B2 - rotating electrical machines - Google Patents
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Description
本発明は、回転電機に関するものである。 The present invention relates to a rotating electric machine.
従来、回転電機の低速及び高速での出力を調整することで、回転速度に応じた出力特性を得ることができる回転電機が知られている。このような回転電機は種々の構造が知られているが、例えば、固定子と、固定子に対して同軸をなして回転自在に設けられた回転子と、回転子に対する固定子の軸方向での相対位置を変化させる移動手段とを有し、固定子に電機子コイル及びコアが設けられ、コアに対峙するようにマグネットが設けられた回転電機が知られている。 Conventionally, rotating electric machines are known that can obtain output characteristics according to the rotational speed by adjusting the output of the rotating electric machine at low and high speeds. Various structures of such rotating electric machines are known, but one example is a rotating electric machine that has a stator, a rotor that is rotatable coaxially with the stator, and a moving means that changes the axial position of the stator relative to the rotor, with an armature coil and core provided on the stator, and a magnet provided facing the core.
このような回転電機によれば、低速回転時には、固定子と回転子の対向面積が大きくなるように移動機構によって固定子を軸方向に移動させて固定子を通過する有効磁束が大きくなるようにして高トルク化を図り、高速回転時には、固定子と回転子との対向面積を少なくするように固定子を移動させて固定子を通過する有効磁束が小さくなるようにして高速回転を実現している。 With this type of rotating electric machine, during low-speed rotation, the stator is moved axially by a movement mechanism to increase the opposing area between the stator and rotor, thereby increasing the effective magnetic flux passing through the stator and achieving high torque. During high-speed rotation, the stator is moved to reduce the opposing area between the stator and rotor, thereby reducing the effective magnetic flux passing through the stator, thereby achieving high-speed rotation.
また、固定子の軸方向に沿った移動に伴って出力特性の可変範囲をより一層大きくするために、種々の形態が知られている。例えば、特許文献1に記載されているように、固定子が移動するに従い、固定子と磁石の相対する面積を減少させるために固定子と磁石の相対する面を階段状に構成することで、固定子の軸方向の移動に伴って固定子に作用する磁束を効果的に減少させて出力特性の可変範囲を大きくしている。 In addition, various configurations are known for further increasing the range of variation in output characteristics as the stator moves along the axial direction. For example, as described in Patent Document 1, the surfaces where the stator and magnet face each other are configured in a stepped pattern to reduce the area where the stator faces the magnet as the stator moves, effectively reducing the magnetic flux acting on the stator as the stator moves along the axial direction, thereby increasing the range of variation in output characteristics.
しかし、従来の回転電機によれば、回転子の磁石を階段状に形成して固定子を移動機構によって回転子に対して抜き差しするように移動させると、抜き差しの動作中に固定子と磁石の角部が向かい合った状態となると吸引力が上昇することが分かった。 However, with conventional rotating electric machines, when the rotor magnets are formed in a stepped pattern and the stator is moved relative to the rotor using a movement mechanism to insert or remove it, it has been found that the attractive force increases when the corners of the stator and magnet face each other during the insertion or removal operation.
このような吸引力の上昇を抑制するため、回転子の磁石の角部をテーパ形状にして、固定子と磁石の角部同士の接近を防止する方法が従来知られている。また、回転子の構造として、図10に示す従来の回転子のように、テーパ面を有する複数の磁石101を、内径面が階段状に形成されたロータコアに貼り付けて構成されるロータコア構造が知られている。 To prevent this increase in attractive force, a conventional method is to tape the corners of the rotor magnets to prevent the corners of the stator and magnets from coming close to each other. Another known rotor structure is the rotor core structure shown in Figure 10, in which multiple magnets 101 with tapered surfaces are attached to a rotor core with a stepped inner diameter.
しかしながら、従来の構造では、テーパ面を有する磁石の製造において複雑な加工が必要であり、また、貼り付ける磁石の総数が多いため、磁力のばらつきが大きいことや貼り付けの際の位置調整に手間と時間を要するという課題があった。 However, with conventional structures, complex processing is required to manufacture magnets with tapered surfaces, and because a large number of magnets are attached, there are issues such as large variations in magnetic force and the time and effort required to adjust the position when attaching the magnets.
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであって、階段形状の対向面を有する固定子及び回転子のいずれか一方を抜き差しするように移動可能な移動機構を有する回転電機であっても、固定子と回転子の階段形状の角部同士が対向することによる吸引力の上昇を抑制すると共に、磁石の総数を減少させ、回転子の組立て性の向上を図ることができる回転電機を提供することを目的とする。 The present invention was made to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a rotating electric machine that has a movement mechanism that can move either a stator or a rotor, which have facing surfaces in a stepped shape, so as to insert or remove one of them, while suppressing the increase in attractive force caused by the corners of the stepped shapes of the stator and rotor facing each other, reducing the total number of magnets, and improving the assembly of the rotor.
上記課題を解決する本発明に係る回転電機は、電機子コイルを巻回したステータコアを有する固定子と、前記固定子に対して径方向に所定のギャップを介して回転自在に配置されると共に、磁石および前記固定子に対向するロータコアを有する回転子とを備えた回転電機において、前記回転子及び前記ステータコアの互いの対向面は、前記回転子の回転軸方向に沿って径方向に広がる断面階段形状に形成され、前記磁石は、前記回転子の回転軸方向に沿って前記ロータコア内部に挿入され、前記回転子の断面階段形状の軸方向の間隔は、前記ステータコアの断面階段形状の軸方向の間隔と異なる不等間隔に形成されることを特徴とする。 The rotating electric machine of the present invention, which solves the above-mentioned problems, comprises a stator having a stator core wound with an armature coil, and a rotor arranged to be freely rotatable relative to the stator via a predetermined radial gap, and having a magnet and a rotor core facing the stator, wherein the opposing surfaces of the rotor and the stator core are formed into a cross-sectional stepped shape that extends radially along the direction of the rotor's rotational axis, the magnets are inserted into the rotor core along the direction of the rotor's rotational axis , and the axial spacing of the cross-sectional stepped shape of the rotor is formed at unequal intervals that are different from the axial spacing of the cross-sectional stepped shape of the stator core .
また、上記課題を解決する本発明に係る回転電機は、電機子コイルを巻回したステータコアを有する固定子と、前記固定子に対して径方向に所定のギャップを介して回転自在に配置されると共に、磁石および前記固定子に対向するロータコアを有する回転子とを備えた回転電機において、前記回転子及び前記ステータコアの互いの対向面は、前記回転子の回転軸方向に沿って径方向に広がる断面階段形状に形成され、前記回転子の断面階段形状の軸方向の間隔は、前記ステータコアの断面階段形状の軸方向の間隔と異なる不等間隔に形成されていることを特徴とする。 The rotating electric machine of the present invention, which solves the above-mentioned problems, includes a stator having a stator core wound with an armature coil, and a rotor rotatably arranged with a predetermined radial gap relative to the stator and having a magnet and a rotor core facing the stator, wherein the opposing surfaces of the rotor and the stator core are formed with a stepped cross section that extends radially along the rotor's rotational axis, and the axial spacing of the stepped cross section of the rotor is formed at unequal intervals that differ from the axial spacing of the stepped cross section of the stator core.
本発明に係る回転電機によれば、断面が円弧形の板状の磁石を、内径面が階段状に形成されたロータコアに挿入して構成されるロータコア構造を有するため、磁石の製造を容易にすることができ、かつ、磁石総数を減少させて組立工数の削減をすることができる。 The rotating electric machine of the present invention has a rotor core structure in which plate-shaped magnets with arc-shaped cross sections are inserted into a rotor core with a stepped inner surface. This facilitates magnet manufacturing and reduces the total number of magnets, thereby reducing assembly man-hours.
以下、本発明に係る回転電機の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Embodiments of a rotating electric machine according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the following embodiments do not limit the inventions according to the claims, and not all combinations of features described in the embodiments are necessarily essential to the solution of the invention.
図1は、本発明の実施形態に係る回転電機の軸方向断面図であり、図2は、本発明の実施形態に係る回転電機の固定子及び回転子の断面状態を示す断面斜視図であり、図3は、本発明の実施形態に係る回転電機のロータコアの断面状態を示す断面斜視図であり、図4は、本発明の実施形態に係る回転電機の磁石の取付方法を示す斜視図であり、図5は、本発明の実施形態に係る回転電機の固定子の断面状態を示す断面斜視図であり、図6は、図2におけるA部拡大断面図であり、図10は、従来の実施例における磁石の取付方法を示す斜視図である。 Figure 1 is an axial cross-sectional view of a rotating electric machine according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a cross-sectional perspective view showing the cross-sectional state of the stator and rotor of a rotating electric machine according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a cross-sectional perspective view showing the cross-sectional state of the rotor core of a rotating electric machine according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a cross-sectional perspective view showing a method of mounting magnets for a rotating electric machine according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is a cross-sectional perspective view showing the cross-sectional state of the stator of a rotating electric machine according to an embodiment of the present invention, Figure 6 is an enlarged cross-sectional view of part A in Figure 2, and Figure 10 is a perspective view showing a method of mounting magnets in a conventional embodiment.
図1に示すように、本実施形態に係る回転電機10は、自動車等の車輪1に組み込まれる所謂インホイールモータとして用いられると好適である。車輪1は、自動車の車体に取り付けられると共に、車輪1を回転可能に支持する車軸4と、ホイール3とホイール3の外周面に取り付けられたゴムなどの弾性体からなるタイヤ2とを備えている。 As shown in FIG. 1, the rotating electric machine 10 according to this embodiment is suitable for use as a so-called in-wheel motor incorporated into the wheel 1 of an automobile or the like. The wheel 1 is attached to the body of the automobile and includes an axle 4 that rotatably supports the wheel 1, a wheel 3, and a tire 2 made of an elastic material such as rubber attached to the outer periphery of the wheel 3.
本実施形態に係る回転電機10は、ホイール3の内部に配置されており、回転電機10の回転力をホイール3に伝達することで、当該回転電機10が取り付けられる自動車の駆動力を発生させている。 The rotating electric machine 10 according to this embodiment is disposed inside the wheel 3, and by transmitting the rotational force of the rotating electric machine 10 to the wheel 3, it generates driving force for the automobile to which the rotating electric machine 10 is attached.
ホイールハウジング15は、一対の中空の円板状部材であって、ロータコア13を軸方向に挟み込むように組み付けられている。また、ホイールハウジング15の内部には、後述する移動機構20が収納されている。さらに、ホイールハウジング15は、軸方向の両端に組み付けられたハブ部材16によって車軸4に対して回転可能に組み付けられている。 The wheel housing 15 is a pair of hollow, disk-shaped members assembled to sandwich the rotor core 13 in the axial direction. The wheel housing 15 also houses the movement mechanism 20 (described below). Furthermore, the wheel housing 15 is rotatably mounted to the axle 4 by hub members 16 assembled to both axial ends.
また、固定子11は、車軸4の軸方向に移動可能な移動機構20に取り付けられている。移動機構20は、車軸4が固定子11の回転中心軸と同軸に配置され、車軸4の外周面に回転不能に組み付けられたボールスプラインナット部材24と、車軸4の外周面に回転可能に組み付けられたボールねじナット部材25とを備えている。 The stator 11 is also attached to a movement mechanism 20 that can move in the axial direction of the axle 4. The movement mechanism 20 is arranged so that the axle 4 is coaxial with the central axis of rotation of the stator 11, and includes a ball spline nut member 24 non-rotatably attached to the outer peripheral surface of the axle 4, and a ball screw nut member 25 rotatably attached to the outer peripheral surface of the axle 4.
また、ボールねじナット部材25は、ホイールハウジング15内に収納されると共に、出力軸に歯車が取り付けられた駆動源としての図示しない駆動モータによって回転力が付与されるように構成されている。このように構成されることで、駆動モータが回転することにより出力軸に取り付けられた歯車が回転し、ボールねじナット部材25の外周面と歯合することでボールねじナット部材25へ駆動モータの回転力を伝達している。 The ball screw nut member 25 is housed within the wheel housing 15 and is configured to receive rotational force from a drive motor (not shown) that serves as a drive source and has a gear attached to its output shaft. With this configuration, when the drive motor rotates, the gear attached to the output shaft rotates, and the gear meshes with the outer surface of the ball screw nut member 25, transmitting the rotational force of the drive motor to the ball screw nut member 25.
また、車軸4は、軸方向に貫通孔21が形成された中空軸であり、外表面の軸方向一端側に軸方向に沿って形成される図示しないボールスプライン溝が形成され、他端側に螺旋状のボールねじ溝23が形成されている。ボールスプライン溝およびボールねじ溝23は、車軸4の中央近傍で互いに重複するように隣接して形成されている。 The axle 4 is a hollow shaft with an axial through-hole 21 formed therein. One axial end of the outer surface is formed with a ball spline groove (not shown) extending axially, and the other end is formed with a spiral ball screw groove 23. The ball spline groove and ball screw groove 23 are formed adjacent to each other so as to overlap near the center of the axle 4.
また、車軸4の外表面には、後述する転動体が転走可能な一対の転走溝29が形成されている。転走溝29は、車軸4の周方向に沿って形成されており、車軸4の軸方向端側に形成されている。すなわち、転走溝29は、ボールスプライン溝及びボールねじ溝23のそれぞれよりも軸端側に配置されており、一対の転走溝29の間にボールスプライン溝及びボールねじ溝23が配置されている。 A pair of rolling grooves 29 are formed on the outer surface of the axle 4, along which the rolling elements (described later) can roll. The rolling grooves 29 are formed along the circumferential direction of the axle 4, toward the axial end of the axle 4. In other words, the rolling grooves 29 are located closer to the axial end than the ball spline grooves and ball screw grooves 23, and the ball spline grooves and ball screw grooves 23 are located between the pair of rolling grooves 29.
ボールスプラインナット部材24は、円筒状の部材であって、内周に車軸4が挿通される。また、ボールスプラインナット部材24の内周面には、車軸4のボールスプライン溝に対応する第2ボールスプライン溝が形成されており、ボールスプライン溝及び第2ボールスプライン溝の間には、図示しない転動体等を介在させることで、車軸4の軸方向にボールスプラインナット部材24が移動可能に組み付けられている。また、ボールスプラインナット部材24は、固定子11に取り付けられている。 The ball spline nut member 24 is a cylindrical member, the inner circumference of which is inserted the axle 4. Second ball spline grooves corresponding to the ball spline grooves of the axle 4 are formed on the inner surface of the ball spline nut member 24, and rolling elements (not shown) are interposed between the ball spline grooves and the second ball spline grooves, allowing the ball spline nut member 24 to be movably mounted in the axial direction of the axle 4. The ball spline nut member 24 is also attached to the stator 11.
ボールねじナット部材25は、内周にボールねじ溝23に対応する図示しない螺旋状の第2ボールねじ溝が形成された環状部材であり、外周面に駆動モータの出力軸に取り付けた歯車が歯合する歯車が取り付けられている。第2ボールねじ溝とボールねじ溝23の間には図示しない転動体などを介在させることで、ボールねじナット部材25は車軸4に対して回転可能に組み付けられている。 The ball screw nut member 25 is an annular member with a second spiral ball screw groove (not shown) formed on its inner periphery that corresponds to the ball screw groove 23, and a gear that meshes with a gear attached to the output shaft of the drive motor is attached to its outer periphery. By interposing a rolling element (not shown) or the like between the second ball screw groove and the ball screw groove 23, the ball screw nut member 25 is rotatably attached to the axle 4.
また、ハブ部材16の車軸4が挿入される挿入孔の内周面には、車軸4の外表面に形成された転走溝29に対応する第2転走溝33が形成されており、転走溝29及び第2転走溝33の間には複数の転動体32が配列されている。 In addition, a second rolling groove 33 corresponding to the rolling groove 29 formed on the outer surface of the axle 4 is formed on the inner surface of the insertion hole of the hub member 16, into which the axle 4 is inserted, and multiple rolling elements 32 are arranged between the rolling groove 29 and the second rolling groove 33.
このように構成された本実施形態に係る回転電機10は、移動機構20の駆動モータを回転させて駆動モータの出力軸に取り付けられた歯車を介してボールねじナット部材25を回転させると、ボールねじナット部材25が車軸4に形成されたボールねじ溝23に沿って軸方向に移動する。ボールねじナット部材25は、ボールスプラインナット部材24に組み付けられているので、固定子11と共に軸方向に移動される。 In the rotating electric machine 10 according to this embodiment, configured as described above, when the drive motor of the movement mechanism 20 is rotated to rotate the ball screw nut member 25 via a gear attached to the output shaft of the drive motor, the ball screw nut member 25 moves axially along the ball screw groove 23 formed in the axle 4. Because the ball screw nut member 25 is assembled to the ball spline nut member 24, it moves axially together with the stator 11.
このように、本実施形態に係る回転電機10は、移動機構20の駆動モータによってボールねじナット部材25を回転移動させることで、固定子11を回転子12に対して抜き差しするように軸方向に移動可能となっているため、固定子11の回転子12に対する相対位置に応じて出力特性を可変することができる。なお、本明細書において、固定子11の抜き差し方向は、図1の左側から右側に向かって固定子11が移動する方向を引き抜き方向、右側から左側に移動する方向を差込み方向と定義する。 In this way, the rotating electric machine 10 according to this embodiment is capable of moving the stator 11 axially so as to be inserted into or removed from the rotor 12 by rotating the ball screw nut member 25 using the drive motor of the movement mechanism 20, thereby making it possible to vary the output characteristics depending on the relative position of the stator 11 with respect to the rotor 12. Note that in this specification, the direction in which the stator 11 moves from left to right in Figure 1 is defined as the extraction direction, and the direction in which it moves from right to left is defined as the insertion direction.
回転子12は、図2に示すように、固定子11に対して所定のギャップを介して回転自在に配置され、導電性のある金属などからなるロータコア13と、磁石14を有する。ロータコア13は、図1に示すように、ホイール3に取り付けられたホイールハウジング15に組み付けられており、ホイール3は、回転子12の回転に伴って回転する。 As shown in Figure 2, the rotor 12 is rotatably arranged relative to the stator 11 via a predetermined gap, and includes a rotor core 13 made of a conductive metal or the like, and magnets 14. As shown in Figure 1, the rotor core 13 is assembled to a wheel housing 15 attached to the wheel 3, and the wheel 3 rotates as the rotor 12 rotates.
ロータコア13は、固定子11との対向面が固定子11の軸方向に沿って径方向に広がる階段形状に形成されており、例えば、図3に示すように、回転側第1段部13a、回転側第2段部13b、回転側第3段部13c、回転側第4段部13d及び回転側第5段部13eからなる5段の階段形状となっている。この階段形状は、軸方向長さがそれぞれL1~L5となるように不等間隔に形成されている。ここで、ロータコア13の階段形状は、引き抜き方向に沿って広がるように形成されていると好適である。 The rotor core 13 has a stepped shape on its surface facing the stator 11, expanding radially along the axial direction of the stator 11. For example, as shown in Figure 3, it has a five-step stepped shape consisting of a first rotating-side step 13a, a second rotating-side step 13b, a third rotating-side step 13c, a fourth rotating-side step 13d, and a fifth rotating-side step 13e. These stepped sections are formed at unequal intervals so that their axial lengths are L1 to L5. Preferably, the stepped shape of the rotor core 13 is formed to expand along the extraction direction.
また、ロータコア13には、図3に示すように、回転側第1段部13a、回転側第2段部13b、回転側第3段部13c及び回転側第4段部13dを貫通するスリット13fが形成されている。スリット13fは、磁石14の断面形状に対応する円弧状のスリットであって、径方向の外側に位置するスリット13fの内面は、回転側第5段部13eの内径面と繋がるように形成されている。 As shown in FIG. 3, the rotor core 13 is formed with slits 13f that penetrate the first rotation-side step 13a, the second rotation-side step 13b, the third rotation-side step 13c, and the fourth rotation-side step 13d. The slits 13f are arc-shaped slits that correspond to the cross-sectional shape of the magnets 14, and the inner surface of the slit 13f located on the radially outer side is formed to connect with the inner diameter surface of the fifth rotation-side step 13e.
なお、ロータコア13の階段形状は、図3に示すように、内径の異なる複数の円環状リングを回転軸方向に積層して形成すると好適である。また、複数の円環状リングを積層することに限らず、例えば、鋳造や切削などによって階段形状を形成しても構わない。 The stepped shape of the rotor core 13 is preferably formed by stacking multiple annular rings with different inner diameters in the direction of the rotation axis, as shown in Figure 3. Furthermore, the method is not limited to stacking multiple annular rings; the stepped shape can also be formed by, for example, casting or cutting.
磁石14は、図4に示すように、断面が回転子12と同軸の円弧形をなす板状の磁石であって、ロータコア13のスリット13fに挿入される。このように磁石14を取り付けることで、回転子12の内径面には、ロータコア13に形成された複数の段差部と、磁石14の一部が露出した面が組み合わさった階段形状が構成される。また、磁石14は、N極の磁石14NとS極の磁石14Sとがあり、ロータコア13の周方向に交互に配置されている。 As shown in Figure 4, the magnets 14 are plate-shaped magnets whose cross section forms an arc coaxially with the rotor 12, and are inserted into the slits 13f of the rotor core 13. By attaching the magnets 14 in this manner, the inner diameter surface of the rotor 12 forms a stepped shape that combines multiple steps formed on the rotor core 13 with the surface where part of the magnet 14 is exposed. The magnets 14 include north-pole magnets 14N and south-pole magnets 14S, and are arranged alternately around the circumferential direction of the rotor core 13.
ここで、本実施例では円弧形をなす板状の磁石14と円弧状のスリット13fを組み合わせて説明したが、磁石及びスリットの形状はこれに限定されず、直線形をなす板状の磁石と直線状のスリットを組み合わせても、同様の効果が得られる。 In this embodiment, an arc-shaped plate-shaped magnet 14 is combined with an arc-shaped slit 13f, but the shapes of the magnet and slit are not limited to this, and a similar effect can be achieved by combining a linear plate-shaped magnet with a linear slit.
このように、磁石14の形状を板状にすることによって、磁石14の製造を容易にすることができる。また、従来の回転子の構成では、図10に示すように、一つの磁極につき複数の磁石101を必要とし、磁石101を貼り付ける際の位置調整が必要であったが、本実施形態においては、一つの磁極につき一枚の板状の磁石14をロータコア13に挿入する構成であるため、磁石の総数を減少させることができ、かつ、組立ての際の位置調整が不要となり、組立工数の削減を図ることができる。 In this way, by giving the magnets 14 a plate-like shape, manufacturing the magnets 14 becomes easier. Furthermore, in conventional rotor configurations, as shown in Figure 10, multiple magnets 101 are required per magnetic pole, and positioning adjustments are required when attaching the magnets 101. However, in this embodiment, a single plate-shaped magnet 14 is inserted into the rotor core 13 per magnetic pole, which reduces the total number of magnets and eliminates the need for positioning adjustments during assembly, thereby reducing assembly man-hours.
また、ロータコア13の固定子11との対向面には、図4に示すように、N極の磁石14NとS極の磁石14Sの間に対応する位置に軸方向に延びる溝17が形成されている。この溝17によりN極の磁石14NとS極の磁石14Sの間に空気層を形成することで、磁束の短絡を防止している。 In addition, as shown in Figure 4, a groove 17 extending in the axial direction is formed on the surface of the rotor core 13 facing the stator 11 at a position corresponding to the space between the north-pole magnet 14N and the south-pole magnet 14S. This groove 17 creates an air gap between the north-pole magnet 14N and the south-pole magnet 14S, preventing short-circuiting of the magnetic flux.
固定子11は、図2に示すように、ステータコア11aに巻回された電機子コイル11bが周方向に沿って配置される。なお、電機子コイルの巻回方法は、従来周知の種々の巻き方を採用することが可能である。 As shown in Figure 2, the stator 11 has armature coils 11b wound around a stator core 11a and arranged circumferentially. The armature coils can be wound using any of a variety of conventionally known winding methods.
図5に示すように、ステータコア11aは、径方向に放射状に延びると共に、電機子コイル11bが巻回される複数のステータコア基部41と、各ステータコア基部41の端部から周方向に延設する鍔部42とを備えている。 As shown in Figure 5, the stator core 11a has multiple stator core bases 41 that extend radially in the radial direction and around which the armature coils 11b are wound, and flanges 42 that extend circumferentially from the ends of each stator core base 41.
鍔部42のロータコア13との対向面は、回転子12の階段形状と対応するように、軸方向に沿って径方向に広がる階段形状に形成されており、例えば、固定側第1段部42a、固定側第2段部42b及び固定側第3段部42cからなる3段の段付き形状となっている。なお、この階段形状は、軸方向長さL6~L8が略等間隔に形成されると好適である。ここで、鍔部42の階段形状は、ロータコア13の階段部と同様に、引き抜き方向に沿って広がるように形成されていると好適である。 The surface of the flange 42 facing the rotor core 13 is formed in a stepped shape that expands radially along the axial direction to correspond to the stepped shape of the rotor 12. For example, it has a three-step shape consisting of a fixed-side first step 42a, a fixed-side second step 42b, and a fixed-side third step 42c. It is preferable that this stepped shape be formed with axial lengths L6 to L8 that are approximately equally spaced. Here, it is preferable that the stepped shape of the flange 42 be formed to expand along the extraction direction, similar to the stepped portion of the rotor core 13.
なお、ステータコア11aの階段形状は、図5に示すように、鍔部42の形状が異なる複数のステータコア基部分割体を回転軸方向に積層して形成すると好適である。また、複数のステータコア基部分割体を積層することに限らず、例えば、鋳造や切削などによって階段形状を形成しても構わない。 The stepped shape of the stator core 11a is preferably formed by stacking multiple stator core base segments with different flange 42 shapes in the rotational axis direction, as shown in Figure 5. Furthermore, the step shape is not limited to stacking multiple stator core base segments; it may also be formed by, for example, casting or cutting.
このような回転子12と固定子11によれば、図6に示すように、回転子12の階段形状と固定子11の階段形状とは、形成される段数が異なり、かつ、回転子12の階段形状の各段の軸方向の長さL1~L5は、軸方向の長さがそれぞれ異なるように形成されているため、移動機構20による固定子11の軸方向への移動によっても、回転子12の階段形状の段差の各角部と、固定子11の階段形状の段差の各角部とが、複数の角部で同時に対向することを避けることができる。このように、固定子11と回転子12の階段形状の角部同士が対向するタイミングを異ならせることで、吸引力が上昇するタイミングを分散させて、吸引力の最大値を下げることが可能となる。 With this rotor 12 and stator 11, as shown in FIG. 6, the stepped shape of the rotor 12 and the stepped shape of the stator 11 have different numbers of steps, and the axial lengths L1 to L5 of each step of the stepped shape of the rotor 12 are different. Therefore, even when the stator 11 is moved in the axial direction by the movement mechanism 20, it is possible to prevent multiple corners of the steps of the stepped shape of the rotor 12 from facing each other at the same time. In this way, by varying the timing at which the corners of the stepped shapes of the stator 11 and the rotor 12 face each other, it is possible to distribute the timing at which the attractive force increases and lower the maximum value of the attractive force.
なお、本実施形態において、回転子12の階段形状をロータコア13と磁石14からなる5段の階段形状とし、固定子11の階段形状をステータコア11aからなる3段の階段形状としたが、各階段形状の段数は適宜増減しても構わない。また、回転子12の階段形状を少なく、固定子11の階段形状を多くするなど、回転子12の段数と固定子11の段数の大小関係を逆転させても構わない。また、本実施形態において、固定子11の階段形状の軸方向長さL6~L8は、略等間隔に形成されるとしたが、固定子11と回転子12の階段形状の角部同士が、固定子11の軸方向への移動の際に対向するタイミングが異なればよく、不等間隔に形成されても構わない。 In this embodiment, the rotor 12 has a five-step stepped shape made up of the rotor core 13 and magnets 14, and the stator 11 has a three-step stepped shape made up of the stator core 11a. However, the number of steps in each step shape may be increased or decreased as appropriate. The relationship between the number of steps in the rotor 12 and the number of steps in the stator 11 may also be reversed, such as by reducing the number of steps in the rotor 12 and increasing the number of steps in the stator 11. In this embodiment, the axial lengths L6 to L8 of the stepped shape of the stator 11 are formed at approximately equal intervals. However, they may be formed at unequal intervals, as long as the corners of the stepped shapes of the stator 11 and rotor 12 face each other at different times during axial movement of the stator 11.
このように移動機構20により固定子11を回転子12に対して軸方向に抜き差し可能に構成することで、固定子11を回転子12に対して最も挿入した状態においては、固定子11と回転子12の対向面積が最も大きく、固定子11と回転子12の間のギャップも最も小さい状態であることから、回転電機10の出力特性は、高トルク・低回転となる。このような状態では、自動車の発進時など速度は遅いが高トルクが必要な場合に最も出力特性が適した状態となる。 In this way, by configuring the stator 11 to be axially insertable and removable from the rotor 12 using the movement mechanism 20, when the stator 11 is fully inserted into the rotor 12, the opposing area between the stator 11 and rotor 12 is the largest and the gap between the stator 11 and rotor 12 is the smallest, resulting in the output characteristics of the rotating electric machine 10 being high torque and low rotation. In this state, the output characteristics are most suitable for situations where high torque is required but the speed is slow, such as when starting a car.
また、この状態では、逆起電力が上昇することから電機子コイル11bへの給電を停止し、車輪1を制動させる減速時には、逆起電力が上昇することで、効率的に発電を行うことができ、高効率の回生ブレーキとして作用させることが可能となる。 In addition, in this state, the back electromotive force increases, so power supply to the armature coil 11b is stopped.When deceleration occurs to brake the wheel 1, the back electromotive force increases, allowing for efficient power generation, allowing the system to function as a highly efficient regenerative brake.
移動機構20の駆動モータを回転させてボールねじナット部材25に回転力を付与すると、ボールねじナット部材25の回転に伴って、ボールねじナット部材25が車軸4のボールねじ溝23に沿って回転しながら軸方向へ移動する。このように移動機構20を駆動させると、固定子11が回転子12から最も抜き出された状態となり、固定子11と回転子12の対向面積は最も小さく、固定子11と回転子12の間のギャップが最も大きな状態となる。この状態では、逆起電力が下降し、回転電機10の出力特性は、低トルク・高回転となる。このように固定子11を回転子12から最も抜き出した状態では、トルクを必要としない高速走行時に出力特性が適した状態となる。 When the drive motor of the movement mechanism 20 is rotated to apply a rotational force to the ball screw nut member 25, the ball screw nut member 25 rotates and moves axially along the ball screw groove 23 of the axle 4. When the movement mechanism 20 is driven in this manner, the stator 11 is pulled out most from the rotor 12, the opposing area between the stator 11 and rotor 12 is smallest, and the gap between the stator 11 and rotor 12 is largest. In this state, the back electromotive force decreases, and the output characteristics of the rotating electric machine 10 become low torque and high rotation. With the stator 11 pulled out most from the rotor 12 in this manner, the output characteristics are suitable for high-speed driving when torque is not required.
本実施形態に係る回転電機10は、ホイール3の軸方向両端に配置されたハブ部材16によって車軸4に対して回転保持されているので、ハブ部材16を小型化することで回転電機10の軽量化を図ることができ、軽量化に伴って必要な回転数までの到達時間を早くして応答性能を向上させることができる。 The rotating electric machine 10 according to this embodiment is held in rotation relative to the axle 4 by hub members 16 located on both axial ends of the wheel 3. Therefore, by making the hub members 16 smaller, the weight of the rotating electric machine 10 can be reduced. As a result of this weight reduction, the required rotation speed can be reached more quickly, improving response performance.
また、本実施形態に係る回転電機10は、回転軸と駆動軸とを同軸に配置しているので、回転電機10の小型化を図ることが可能となる。さらに、ボールねじナット部材25と車軸4の外表面に形成されたボールねじ溝23による減速効果を有することに加え、移動機構20による固定子11の軸方向への移動の際に、移動方向への力に対抗する吸引力の上昇を抑えることができるため、駆動モータの出力を小さくすることが可能となり、当該駆動モータを小型化することで、回転電機10の更なる小型化を図ることが可能となる。 In addition, the rotating electric machine 10 according to this embodiment has a coaxial arrangement of the rotating shaft and drive shaft, which allows for a reduction in size of the rotating electric machine 10. Furthermore, in addition to the deceleration effect provided by the ball screw nut member 25 and the ball screw groove 23 formed on the outer surface of the axle 4, when the stator 11 is moved in the axial direction by the movement mechanism 20, an increase in the attractive force that counteracts the force in the direction of movement can be suppressed, making it possible to reduce the output of the drive motor. By reducing the size of the drive motor, it is possible to further reduce the size of the rotating electric machine 10.
さらに、移動機構20は、ボールねじナット部材25及びボールスプラインナット部材24によって固定子11の移動を行っているため、少量のエネルギーで固定子11の移動制御を行うことが可能となる。また、移動機構20による移動量は、ボールねじナット部材25の回転量によって制御しているので、求められる出力特性に応じて固定子11の位置を任意に設定することで、最も適した出力特性で回転電機10を駆動させることが可能となる。 Furthermore, because the movement mechanism 20 moves the stator 11 using the ball screw nut member 25 and the ball spline nut member 24, it is possible to control the movement of the stator 11 with a small amount of energy. Furthermore, because the amount of movement by the movement mechanism 20 is controlled by the amount of rotation of the ball screw nut member 25, it is possible to drive the rotating electric machine 10 with the most suitable output characteristics by arbitrarily setting the position of the stator 11 according to the required output characteristics.
次に、本実施形態に係る回転電機10と従来の回転電機についての吸引力及びトルク測定の結果を参照して、本発明の効果について確認を行う。 Next, we will confirm the effects of the present invention by looking at the results of measuring the attractive force and torque for the rotating electric machine 10 according to this embodiment and a conventional rotating electric machine.
図7は、固定子11の回転子12に対する軸方向への移動量(以下、引抜量という。)に対する、吸引力の関係を示したグラフである。本測定は、固定子11が回転子12に対して最も挿入した状態を引抜量0mmとして、徐々に固定子11を回転子12から抜き出すように軸方向へ移動させ、吸引力の測定を行った。 Figure 7 is a graph showing the relationship between the amount of axial movement of the stator 11 relative to the rotor 12 (hereinafter referred to as the withdrawal amount). For this measurement, the withdrawal amount was set to 0 mm when the stator 11 was fully inserted into the rotor 12, and the stator 11 was gradually moved axially to withdraw from the rotor 12, and the attractive force was measured.
図7に示すグラフより明らかなように、本実施形態に係る回転電機10の測定値は、従来の回転電機の測定値と比較して、吸引力の最大値が低くなっていることが確認できる。また、本実施形態に係る回転電機10の測定値は、従来の回転電機の測定値よりも、吸引力の最小値と最大値の範囲が狭まっており、引抜量によって変化の少ない、より安定的な吸引力が発生していることが確認できる。 As is clear from the graph shown in Figure 7, the measured values for the rotating electric machine 10 according to this embodiment show a lower maximum value of attractive force compared to the measured values for the conventional rotating electric machine. Furthermore, the measured values for the rotating electric machine 10 according to this embodiment show a narrower range between the minimum and maximum attractive force values than the measured values for the conventional rotating electric machine, demonstrating that a more stable attractive force is generated with less change depending on the amount of withdrawal.
これにより、回転子12の階段形状の段差の各角部と、固定子11の階段形状の段差の各角部とが対向するタイミングを互いに異ならせるという本発明の特徴には、吸引力が上昇するタイミングを分散させて、吸引力の最大値を低減させる効果があることが確認できた。 As a result, it was confirmed that the feature of the present invention, in which the timing at which each corner of the step of the staircase-shaped difference in the rotor 12 faces each corner of the step of the stator 11 is made different, has the effect of dispersing the timing at which the attractive force increases and reducing the maximum value of the attractive force.
図8は、固定子11の引抜量に対する、トルクの関係を示したグラフ、図9は、固定子11が引抜量0mmの位置にあるときのトルクの時間変化を示したグラフである。 Figure 8 is a graph showing the relationship between torque and the amount of withdrawal of the stator 11, and Figure 9 is a graph showing the change in torque over time when the stator 11 is at a withdrawal amount of 0 mm.
図8及び図9に示すグラフより明らかなように、本実施形態に係る回転電機10のトルクは、従来の回転電機のトルクと同等であることが確認できる。これにより、階段状に形成されたロータコア13の内部に磁石14を挿入し、磁石14の一部を露出させて構成される本実施形態の回転子12の構成は、トルク性能に影響を与えず、階段状に磁石を貼り付けて、固定子との対向面が全面磁石となる従来の回転子の構成と、同等の性能を維持できることが確認できた。 As is clear from the graphs shown in Figures 8 and 9, it can be confirmed that the torque of the rotating electric machine 10 according to this embodiment is equivalent to the torque of a conventional rotating electric machine. This confirms that the configuration of the rotor 12 according to this embodiment, in which magnets 14 are inserted inside the rotor core 13 formed in a stepped shape and portions of the magnets 14 are exposed, does not affect torque performance and can maintain performance equivalent to that of a conventional rotor configuration in which magnets are attached in a stepped shape and the entire surface facing the stator is a magnet.
なお、上述した実施形態においては、車軸4とボールスプラインナット部材24並びにボールねじナット部材25は、転動体を介して組み付けた場合について説明を行ったが、これらの部材は、転動体を介さずに互いに滑り合うように組み付けても構わない。また、上述した本実施形態に係る回転電機10においては、本実施形態に係る回転電機10を自動車の車輪1に適用した場合について説明を行ったが、その用途は自動車に限られず、例えば、風力発電機やプレス加工機などに適用しても構わない。 In the above-described embodiment, the axle 4, ball spline nut member 24, and ball screw nut member 25 are assembled via rolling elements, but these members may also be assembled so that they slide relative to each other without rolling elements. Furthermore, in the above-described rotating electric machine 10 according to the present embodiment, the rotating electric machine 10 according to the present embodiment is described as being applied to an automobile wheel 1, but its applications are not limited to automobiles and may also be applied to, for example, wind turbines, press machines, etc.
また、本実施形態に係る回転電機10は、移動機構を有し、固定子が回転子に対して回転軸方向に抜き差し可能な形態について説明を行ったが、このような移動機構を有さない回転電機にも同様に適用することが可能である。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 Furthermore, while the rotating electric machine 10 according to this embodiment has been described as having a movement mechanism and allowing the stator to be inserted and removed from the rotor in the direction of the rotation axis, the present invention can also be applied to rotating electric machines that do not have such a movement mechanism. It is clear from the claims that such modified or improved embodiments are also within the technical scope of the present invention.
4 車軸, 10 回転電機, 11 固定子, 11a ステータコア, 11b 電機子コイル, 12 回転子, 13 ロータコア, 13f スリット, 14 磁石, 20 移動機構。 4 Axle, 10 Rotating electric machine, 11 Stator, 11a Stator core, 11b Armature coil, 12 Rotor, 13 Rotor core, 13f Slit, 14 Magnet, 20 Moving mechanism.
Claims (4)
前記回転子及び前記ステータコアの互いの対向面は、前記回転子の回転軸方向に沿って径方向に広がる断面階段形状に形成され、
前記磁石は、前記回転子の回転軸方向に沿って前記ロータコア内部に挿入され、
前記回転子の断面階段形状の軸方向の間隔は、前記ステータコアの断面階段形状の軸方向の間隔と異なる不等間隔に形成されることを特徴とする回転電機。 A rotating electric machine including a stator having a stator core wound with an armature coil, and a rotor rotatably disposed with respect to the stator via a predetermined radial gap, the rotor having a magnet and a rotor core facing the stator,
the rotor and the stator core have opposing surfaces each having a stepped cross section that extends radially along the rotational axis of the rotor;
the magnet is inserted into the rotor core along the rotation axis direction of the rotor ,
a rotating electric machine, characterized in that the axial intervals of the stepped cross section of the rotor are formed at unequal intervals different from the axial intervals of the stepped cross section of the stator core ;
前記回転子の前記ステータコアとの対向面となる断面階段形状の一部は、前記磁石が露出していることを特徴とする回転電機。 2. The rotating electric machine according to claim 1,
a step-shaped cross section of the rotor facing the stator core, the magnets being exposed in part of the step-shaped cross section of the rotor;
前記固定子は、回転軸方向に移動可能な移動機構に取り付けられることを特徴とする回転電機。 3. The rotating electric machine according to claim 1 ,
The rotating electric machine is characterized in that the stator is attached to a moving mechanism that is movable in the direction of the rotation axis.
前記回転子及び前記ステータコアの互いの対向面は、前記回転子の回転軸方向に沿って径方向に広がる断面階段形状に形成され、
前記回転子の断面階段形状の軸方向の間隔は、前記ステータコアの断面階段形状の軸方向の間隔と異なる不等間隔に形成されていることを特徴とする回転電機。 A rotating electric machine including a stator having a stator core wound with an armature coil, and a rotor rotatably disposed with respect to the stator via a predetermined radial gap, the rotor having a magnet and a rotor core facing the stator,
the rotor and the stator core have opposing surfaces each having a stepped cross section that extends radially along the rotational axis of the rotor;
a rotating electric machine, characterized in that the axial intervals of the stepped cross section of the rotor are formed at unequal intervals different from the axial intervals of the stepped cross section of the stator core;
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