CN102957243B

CN102957243B - 旋转电机

Info

Publication number: CN102957243B
Application number: CN201210298554.5A
Authority: CN
Inventors: 野中刚
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2032-08-21
Also published as: JP2013046440A; JP5392323B2; US8860343B2; US20130049651A1; CN102957243A

Abstract

本发明提供一种可变磁场式的旋转电机，其不需要反馈控制和用于反馈控制的相对角度检测，能够将两组励磁磁极部的相对角度直接正确地调整为目标值，从而能够实现更广范围更高效率的运转。旋转电机具有：定子，其设置有定子绕组和定子铁心；转子，该转子的设置有励磁用磁铁的多个磁极部被分成两组而相对转动；以及使两组磁极部相对转动的机构，其特征在于，所述机构具有：与对相对于轴转动的磁极部进行支承的部件螺纹嵌合，并能够在轴的外侧沿轴向移动自如的部件；进给螺纹机构，其用于使所述沿轴向移动自如的部材沿轴向移动；轴承，其连结所述进给螺纹机构和与转子一同旋转的部件；以及控制马达，其使所述进给螺纹机构旋转。

Description

旋转电机

技术领域

本发明涉及旋转电机等。

背景技术

在现有的可变磁场式的旋转电机中，存在下述这样的旋转电机：将埋入磁铁结构的转子的磁极部沿轴向分割成三部分，并使它们相对转动，由此使转子的磁场强度变化（例如，参照专利文献1）。

在专利文献1的图1中，示出了一种旋转电机，其中，磁极部沿轴向被分割成三部分，具有在轴上固定的两侧的磁极部和相对于所述磁极部相对转动的中央的磁极部，在各个磁极部装配有永久磁铁。

在负载相反侧支架的轴承部设有液压控制部，对设在进行旋转的转子内部的液压机构提供给液压，从而能够使磁场强度变化。

这样，通过使转子的磁场强度变化，从而专利文献1的可变磁场式的旋转电机能够实现可变速范围的扩大和更高效率的运转。

专利文献1：日本特开2010-074975号公报

可是，为了进一步推进广范围高效率的运转，在实现可变磁场式的旋转电机的最大效率矢量控制时，特别需要正确地控制运转状态下的磁场强度。由于通过利用液压使两组励磁磁极部的相对角度变化来决定磁场强度，因此，需要反馈相对角度来进行液压控制。

在上述旋转电机中，虽然在轴的端部安装有编码器来作为检测转子的旋转位置的构件，但没有直接检测两组励磁磁极部的相对角度。因此，进行液压控制来将两组励磁磁极部的相对角度精密地调整为目标值是很困难的。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种可变磁场式的旋转电机，其不需要反馈控制和用于反馈控制的相对角度检测，能够将两组励磁磁极部的相对角度直接正确地调整为目标值，从而能够实现更广范围更高效率的运转。

为了解决上述課題，根据本发明的一个方面，应用了一种旋转电机，所述旋转电机具有：

定子，其设置有定子绕组和定子铁心；

转子，该转子的设置有励磁用磁铁的多个磁极部被分成两组而相对转动；以及

使两组磁极部相对转动的机构，

所述旋转电机的特征在于，

所述机构具有：

与对相对于轴转动的磁极部进行支承的部件螺纹嵌合、并能够在轴的外侧沿轴向移动自如的部件；

进给螺纹机构，其用于使所述沿轴向移动自如的部材沿轴向移动；

轴承，其连结所述进给螺纹机构和与转子一同旋转的部件；以及

控制马达，其使所述进给螺纹机构旋转。

根据本发明，能够提供可变磁场式的旋转电机，其能够通过正确地调整两组励磁磁极部的相对角度，实现更广范围更高效率的运转。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式的旋转电机的轴向剖视图。

图2是第1实施方式的中央励磁磁极部的旋转电机的径向剖视图。

图3是可变磁场的原理说明图。

图4是使中央励磁磁极部转动的结构的说明图。

图5是示出转子结构的轴向剖视图。

图6是示出控制马达的安装的说明图。

图7是感测磁体的说明图。

图8是两组励磁磁极部的相对角度与磁场强度的特性图。

图9是本实施方式的旋转电机的最大效率矢量控制时的控制数值映射测量示例。

图10是再现最大效率矢量控制的映射控制的说明图。

图11是本发明的第2实施方式的旋转电机的轴向剖视图。

图12是第2实施方式的负载相反侧侧视图。

标号说明

10：定子；

11：螺栓；

12：定子绕组；

13：定子铁心；

14：螺栓；

15：O形环；

16：负载侧支架；

17：框架；

18：负载侧轴承；

19：负载相反侧轴承；

20：感测磁体；

21：接线部；

22：轴承罩；

23：涡轮；

24：罩；

25：旋转位置检测部；

26：轴承；

27：蜗杆；

28：销保持器；

29：螺母；

30：转子；

31：负载侧板；

32：枢毂；

33：负载相反侧板；

34：轴；

35：螺栓；

36：销；

37：滑动件；

38：转子铁心；

39：永久磁铁；

40：可动轴承；

41：固定轴承；

42：进给外螺纹；

43：进给内螺纹；

44：轴承保持器；

45：螺栓；

46：负载侧励磁磁极部；

47：中央励磁磁极部；

48：负载相反侧励磁磁极部；

49：控制马达；

50：定子；

51：螺母；

52：螺母；

55：O形环；

56：负载侧支架；

57：框架；

58：负载侧轴承；

59：轴承；

60：感测磁体；

62：轴承罩；

63：涡轮；

64：罩；

65：旋转位置检测部；

66：负载相反侧支架；

67：小齿轮；

68：销保持器；

69：螺母；

70：转子；

71：负载侧板；

72：枢毂；

73：负载相反侧板；

74：轴；

76：销；

77：滑动件；

80：可动轴承；

81：固定轴承；

82：进给外螺纹；

83：进给内螺纹；

84：马达保持器；

85：螺栓；

86：负载侧励磁磁极部；

87：中央励磁磁极部；

88：负载相反侧励磁磁极部；

89：控制马达。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。并且，通过对相同的结构标记相同的标号，来适当省略重复的说明。

＜第1实施方式＞

首先，参照图1对本发明的第1实施方式的旋转电机的结构进行说明。图1是用于车辆驱动用电动机或发电机的、本发明的第1实施方式的旋转电机的轴向剖视图。

如图1所示，本实施方式的可变磁场式的旋转电机具有：设置有定子绕组12和定子铁心13的定子10；转子30，该转子30的设置有励磁用磁铁的多个磁极部被分成两组而相对转动；使两组磁极部在转子内部相对转动的机构；设在框架17的负载相反侧的外部并使所述机构动作的控制马达49（参照图6）；设于转子的负载相反侧侧面的感测磁体20；以及与所述感测磁体对置地设置的旋转位置检测部25。

定子绕组12装配于定子铁心13，定子铁心13通过定子紧固螺栓14紧固于负载侧支架16，框架17通过螺栓11紧固于负载侧支架16。

转子30通过设置于转子轴34的负载侧轴承18和负载相反侧轴承19被保持成旋转自如，通过设置于负载相反侧支架17的旋转位置检测器25来检测转子的旋转位置。

转子30的励磁磁极部为这样的结构：其沿轴向被分割成3部分，利用控制马达使中央励磁磁极部47相对于在轴上固定的负载侧励磁磁极部46和负载相反侧励磁磁极部48转动。

当控制马达使蜗杆27旋转时，涡轮23旋转，进给外螺纹42相对于进给内螺纹43沿轴向移动。在进给外螺纹42的负载侧端部装配有可动轴承36，可动轴承40一边切断转子的旋转，一边使销保持器28与销36沿轴向移动。销36使轴的外侧的滑动件37沿轴向移动，滑动件的外侧通过螺旋花键与枢毂32卡合，因此，如果滑动件37沿轴向移动，则枢毂32和与枢毂32卡合的中央励磁磁极部47相对于在轴上固定的负载侧励磁磁极部46和负载相反侧励磁磁极部48转动。

负载侧励磁磁极部46和负载相反侧励磁磁极部48通过螺栓35固定于轴34。

在枢毂32的两侧安装有O形环15，防止被填充于所述机构的润滑脂飞散。

进给外螺纹42和进给内螺纹43进行了梯形螺纹加工。涡轮23被轴承26支承为旋转自如。进给外螺纹42具有六角孔，与涡轮23的六角轴卡合，因此，进给外螺纹42以能够沿轴向移动的方式传递旋转。

对于装配于进给外螺纹42的可动轴承40，以面对面的方式采用两个角接触轴承，利用螺栓45将可动轴承40与轴承保持器44固定在一起。

对于装配于进给内螺纹43的固定轴承41，也以面对面的方式采用两个角接触轴承，并利用螺母29对固定轴承41进行固定。

图2是本实施方式的中央励磁磁极部的旋转电机的径向剖视图。

如图2所示，定子10构成为，将作为空芯线圈的定子绕组12分别装配于被分割成12个的定子铁心13。

在沿轴向分割成三部分的各个励磁磁极部中，将永久磁铁36以磁化方向面对或背对的方式装配于设在转子铁心38的呈大致V字形状的永久磁铁装配孔，构成10极的磁极。

图3是可变磁场的原理说明图。

图3的（a）所示的状态是中央励磁磁极部47右转到头的状态，中央励磁磁极部47与负载侧励磁磁极部46和负载相反侧励磁磁极部48并列磁极，从而成为磁场最强的状态。

图3的（b）所示的状态是中央励磁磁极部47左转到头的状态，由于中央励磁磁极部47相对于负载侧励磁磁极部46和负载相反侧励磁磁极部48相对大幅地进行转动，因此成为了磁极彼此抵消而使定子绕组交链的磁场最弱的状态。

通过使控制马达动作，能够随意调整从图3的（a）至图3的（b）之间的状态，从而能够使磁场强度变化。

图4是使中央励磁磁极部转动的结构的说明图。

在轴34上，除了供销36贯穿的槽部34b之外，还设有方形花键部34a，该方形花键部34a与滑动件37卡合。由于滑动件37的外侧通过螺旋花键与枢毂32卡合，因此，当使滑动件沿轴向移动时，能够使枢毂32和与该枢毂32卡合的中央励磁磁极部47相对于在轴上固定的负载侧励磁磁极部46和负载相反侧励磁磁极部48进行转动。

利用销36使滑动件37沿轴向移动。在轴34设有能够供销36沿轴向移动的范围的长孔34b。在轴的方形花键部34a设有用于固定负载侧励磁磁极部46和负载相反侧励磁磁极部48的螺栓孔34c。

图5是示出转子结构的轴向剖视图。

相对于图1所示的、使滑动件37向负载侧移动来减弱磁场的状态，本图示出了使滑动件向负载相反侧移动来增强磁场的状态。

对滑动件37与枢毂32卡合的螺旋花键进行了下述研究：通过形成相对于圆周方向近似垂直的导程角，能够以较小的轴向推力产生较大的转动转矩，相反，即使较大的转动转矩或驱动转矩进行作用，也不易对轴向推力产生作用。

由于将固定轴承41固定于轴上，因此，不存在由控制马达产生的轴向推力作用至转子的负载侧轴承18和负载相反侧轴承19而导致轴承的寿命降低的情况。另外，由于将可动轴承40和固定轴承41设置在轴的内侧，所以能够使本实施例的旋转电机的轴向长度构成得较小。

图6是示出控制马达的安装的说明图。

控制马达49的旋转速度通过由蜗杆27和涡轮23构成的蜗轮减速器进行减速，使图5所示的进给外螺纹42旋转。由于控制马达49以使旋转轴与旋转电机的轴成直角的方式进行安装，因此能够将本实施例的旋转电机的轴向构成为小型。

图7是感测磁体的说明图。感测磁体20是将耐热性较高的树脂作为原材料的永久磁铁，与转子的励磁磁极数量相同的磁极被磁化。如图5所示，感测磁体20的磁极与两侧的励磁磁极部对应地装配于负载相反侧板33的侧面，因此，如果检测感测磁体20的磁极位置，则能够检测出两侧的励磁磁极部的磁极位置。

中央的励磁磁极部设置成，通过沿转子的旋转方向转动来使两组励磁磁极部的相对角度变小。为了实现用于车辆驱动用电动机或发电机的可变磁场式的旋转电机的最大效率矢量控制，如后面所示，在较小转矩指令状态下要求增大相对角度，在较大转矩指令状态下要求减小相对角度。

例如，如果图3示出的是车辆驱动用旋转电机的转子右转地以电动机状态进行运转的状态，则在近似无负载的较小转矩指令状态下，两组励磁磁极部的N极和S极互相吸引，控制马达由于较小的转矩而能够接近图3的（b）所示的两组励磁磁极部的相对角度较大的状态。在需要加速的较大转矩指令状态下，能够转动的中央励磁磁极部47被定子产生的旋转电磁力吸引，因此，相应地，控制马达由于较小的转矩而能够接近图3的（a）所示的两组励磁磁极部的相对角度较小的状态。

图8是两组励磁磁极部的相对角度和磁场强度的特性图。

如果将两组励磁磁极部并列的磁场最强的状态下的感应电压常数的大小设为100%，并将两组励磁磁极部发生了相对转动后的状态下的感应电压常数的比例称作磁场率，则磁场率α相对于两组励磁磁极部的相对角度θ的特性如图8所示。示出了通过使两组励磁磁极部的相对角度θ从0°变化至120°，磁场率α能够从100%变化至30%。

图9是本实施方式的旋转电机的最大效率矢量控制时的控制数值映射（map）测量示例。

分别将旋转速度和输出比例作为横轴和纵轴，（a）示出磁场率，（b）示出了对与两组励磁磁极部综合构成的磁极位置相对应的定子绕组通电的3相电流的电流相位角。电流的相位角越大，就越使得定子相对于转子的磁极产生的旋转电磁力提前，并且使得磁场削弱力增强。

如图9所示，例如在16000rev/min、70%输出时，调整两组励磁磁极部的相对角度以使磁场率成为69%，如果以78°的电流相位角进行通电，则本实施例的旋转电机的效率最大。

根据该映射图，明显可知下面的内容。为了使可变磁场式的旋转电机效率最大，只要进行如下控制即可：相对于旋转速度来说，旋转速度越快则磁场率越小，相对于输出的大小来说，输出越小则磁场率越小，并且，相对于旋转速度来说，旋转速度越快则电流的相位角越大，相对于输出的大小来说，输出越大则电流的相位角越大。

图10是再现最大效率矢量控制的映射控制的说明图。

在车辆驱动用可变磁场式的旋转电机的实际控制中，为了方便起见，将输出置换为转矩指令进行映射控制。使油门踏板的踏下量的大小与转矩指令的大小对应，根据旋转电机的旋转速度N和转矩指令T读出磁场率α、电流的相位角β以及电流I，将其作为目标值，并利用反馈控制在设定的误差以内实现。

具体来说，如果旋转电机的旋转速度位于Nm与Nm+1之间，且转矩指令位于Tn与Tn+1之间，则从Dmn的位置读出数据。Dmn存储着磁场率αmn、电流的相位角βmn以及电流Imn这三个数据。当旋转速度下降至Nm-1与Nm之间时，从Dm-1n的位置读出数据。对于旋转电机运转的所有旋转速度和转矩指令，准备控制用的数据。

＜第2实施方式＞

以上，对本发明的第1实施方式的旋转电机进行了说明。接下来，参照图11对本发明的第2实施方式的旋转电机进行说明。图11是用于车辆驱动用电动机或发电机的、本发明的第2实施方式的旋转电机的轴向剖视图。第1实施方式的旋转电机为沿轴向小型的结构，与此相对，第2实施方式的旋转电机适于沿径向形成小型的结构。作为车辆驱动用电动机或发电机，为了能够应对装载形状的要求，准备了沿轴向小型的结构和沿径向小型的结构。

如图11所示，该第2实施方式的旋转电机在将用于使两组磁极部相对转动的进给螺纹机构设置在轴的外部这一点上，与第1实施方式的可变磁场式的旋转电机不同，其他结构构成为相同。因此，以下，为了便于说明，适当省略重复的说明，以与第1实施方式的不同点为中心进行说明。在本实施方式的旋转电机中，由进给外螺纹82和进给内螺纹83构成的进给螺纹机构被设置在轴的负载相反侧外部。另外，控制马达设置成使旋转轴与旋转电机的转子的轴平行，并使输出轴朝向旋转电机的负载相反侧。在控制马达的输出轴安装有小齿轮67，对涡轮63减速进行驱动。当涡轮63旋转时，进给外螺纹82相对于进给内螺纹83沿轴向移动。在进给外螺纹82的负载侧端部装配有可动轴承80，可动轴承80一边切断转子的旋转，一边使销保持器68与销76沿轴向移动。

以下，与第1实施方式的旋转电机同样，销76使轴的外侧的滑动件77沿轴向移动，从而使枢毂72和与该枢毂72卡合的中央励磁磁极部87相对于在轴上固定的负载侧励磁磁极部86和负载相反侧励磁磁极部88转动。

负载侧励磁磁极部86和负载相反侧励磁磁极部88被卡合固定于轴74。

在枢毂32的两侧装配有O形环15，防止被填充于所述机构的润滑脂飞散。进给外螺纹82具有六角孔，与涡轮63的六角轴卡合，因此，进给外螺纹42以能够沿轴向移动的方式传递旋转。

对于装配于进给外螺纹82的可动轴承80，以面对面的方式采用两个角接触轴承，利用螺母51对可动轴承80进行固定。

对于装配于进给内螺纹83的固定轴承81，也以面对面的方式采用两个角接触轴承，所述固定轴承81被负载相反侧支架66夹持固定。固定轴承81兼作转子的负载相反侧轴承。

图12是本实施方式的负载相反侧侧视图。

如图12所示，控制马达89安装在转子轴的上方，通过使小齿轮67旋转来驱动涡轮63。由小齿轮67和涡轮63构成的减速器通过润滑脂进行润滑，为了保护减速器，设置有罩64。

如以上所说明那样，本实施方式的可变磁场式的旋转电机能够通过利用控制马达正确地调整两组励磁磁极部的相对角度来实现更广范围更高效率的运转，从而能够将车辆驱动用可变磁场式的旋转电机的耗电率降低至现有值以下。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，如果是所谓的本领域人员，能够在不脱离本发明的宗旨的范围内根据上述实施方式进行适当变更，另外，也能够将上述实施方式和变更例的方法进行适当组合来加以利用。即，即使是实施了这样的变更等的技术，当然也包含在本发明的技术范围内。

例如，在上述实施方式中，用于使磁场可变的控制马达设置在旋转电机的负载相反侧，但也存在下述情况：将控制马达设置在轴的负载侧，将用于使两组磁极部相对转动的轴向推力部件设置在轴的负载侧端部。

由于本发明的旋转电机能够进行广范围高效率的运转，因此，不限于车辆驱动用，还能够应用于以工作机主轴用为首的其他一般工业用旋转电机的用途。

Claims

1.一种旋转电机，该旋转电机具有：

定子，其设置有定子绕组和定子铁心；

使两组磁极部相对转动的机构，

所述旋转电机的特征在于，

所述机构具有：

进给螺纹机构，其用于从轴的内侧作用于所述沿轴向移动自如的部件而使该部件沿轴向移动；

控制马达，其使所述进给螺纹机构旋转。

2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

通过使所述控制马达旋转，来使两组磁极部相对转动。

3.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

连结与所述转子一同旋转的部件和所述进给螺纹机构的轴承是角接触轴承。

4.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

连结与所述转子一同旋转的部件和所述进给螺纹机构的轴承有两组，一组被固定于所述进给螺纹机构的内螺纹，另一组被固定于所述进给螺纹机构的外螺纹。

5.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

对相对于轴转动的磁极部进行支承的部件、和在轴的外侧沿轴向移动自如的部件通过螺旋花键嵌合。

6.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

当在轴的外侧沿轴向移动自如的部件沿轴向移动时，两组磁极部中的一方相对于轴转动。

7.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述进给螺纹机构设置在轴的内侧。

8.根据权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，

所述控制马达的旋转速度通过减速器减速，并使所述进给螺纹机构旋转。

9.根据权利要求8所述的旋转电机，其特征在于，

所述减速器为蜗轮减速器。

10.根据权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，

控制马达以使旋转轴与旋转电机的轴成直角的方式进行安装。

11.根据权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，

控制马达以使旋转轴与旋转电机的轴平行的方式安装在旋转电机的背面。

12.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述两组励磁磁极部沿轴向被分割成三部分，

被分割成三部分的励磁磁极部中的中央的励磁磁极部沿转子的旋转方向转动，来减小两组励磁磁极部的相对角度。

13.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

相对于旋转速度来说，旋转速度越快，则两组磁极的相对角度越大，相对于转矩指令来说，转矩越小则两组磁极的相对角度越大。

14.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

一边进行矢量控制和磁场控制一边进行运转。

15.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

相对于旋转速度来说，旋转速度越快则电流的相位角越大，相对于转矩指令来说，转矩越大则电流的相位角越大。

16.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

根据旋转速度和转矩指令，通过映射控制再现两组励磁磁极部的相对角度、电流以及相位角的目标值。

17.根据权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，

所述进给螺纹机构设置在转子的内部，所述控制马达设置在转子的外部。