CN103609008B - 旋转电机 - Google Patents

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Abstract

一种旋转电机，具有转子(10)、定子铁心(50)、多极的励磁绕组(60)及多极的电枢绕组(70)。转子(10)被轴支承成能旋转，并在转子(10)的外周上形成有沿周向排列的多个凸状的突极部(32)。定子铁心(50)与转子(10)隔开间隔地设置在转子(10)的外周上，并在定子铁心(50)的内周上形成有沿周向排列的多个凸状的极齿(52)。多极的励磁绕组(60)卷绕在多个极齿(52)的每一个极齿上，多极的电枢绕组(70)与励磁绕组(60)绝缘，并卷绕在多个极齿(52)的每一个极齿上。

Description

旋转电机
技术领域
本发明涉及一种在定子上具有励磁绕组的旋转电机。
背景技术
发电机通常是在转子的转速(旋转速度)升高时输出增大。例如，大容量的风力发电需要输入螺旋桨的旋转能。螺旋桨的旋转速度在多数情况下会显著降低。在将这种螺旋桨与发电机直接连接来进行发电的情况下，需要巨大的发电机。为了使发电机小型化，有时会利用具有齿轮的机械式增速装置来增加螺旋桨的旋转速度。
近年来，风力发电的大容量化正在发展，在上述机械式增速装置中，存在无法满足所要求的发电容量的可能性。
作为解决上述问题的方法，已知在例如专利文献1中公开的那样，利用磁齿轮来获得增速效果。上述磁齿轮是与发电机比较类似的技术，因此，能够使磁齿轮和发电机一体化。在具有磁齿轮的旋转电机中，利用磁齿轮使旋转磁场增速，从而在上述旋转磁场的作用下，在三相电枢绕组中发电。
专利文献1：日本专利特表2009－535012号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，在使用专利文献1所公开那样的磁齿轮的发电机中，转子的结构复杂。在转子的结构复杂化时，制造成本等就会增大。
本发明鉴于上述情况而作，其目的在于在结构更简单的旋转电机中获得由磁齿轮带来的增速效果。
解决技术问题所采用的技术方案
为了实现上述目的，本发明的旋转电机的特征是，具有：转子，该转子被轴支承成能旋转，并在外周上形成有沿周向排列的多个凸状的突极部；定子铁心，该定子铁心与上述转子隔开间隔地配置在上述转子的外周上，并在内周上形成有沿周向排列的多个凸状的极齿；多极的励磁绕组，该励磁绕组卷绕在多个上述极齿的每一个极齿上；以及多极的电枢绕组，该电枢绕组与上述励磁绕组绝缘，且卷绕在多个上述极齿的每一个极齿上，上述极齿的个数与上述励磁绕组的极数相同，上述励磁绕组的极数与上述电枢绕组的极数的比率(pf/pa)为1.5、1.2或1.125，设于上述转子的突极部的数量构成为满足(pf+pa)/2(其中，pf：上述励磁绕组的极数，pa：上述电枢绕组的极数)。
发明效果
根据本发明，能够以结构更为简单的旋转电机，来获得由磁齿轮带来的增速效果。
附图说明
图1是示意表示本发明第一实施方式的旋转电机的四分之一的局部横截面的局部横剖视图。
图2是从轴方向对图1的II部的周向范围内的定子及转子的一部分进行观察，并将所观察到的部分在周向上呈直线展开来进行表示的示意横截面。
图3是从轴方向对本发明第二实施方式的旋转电机的定子及转子的一部分进行观察，并将所观察到的部分在周向上呈直线展开来进行表示的示意横截面。
图4是从轴方向对本发明第三实施方式的旋转电机的定子及转子的一部分进行观察，并将所观察到的部分在周向上呈直线展开来进行表示的示意横截面。
图5是表示图1、图3及图4的各实施方式的pf、pa、pr的组合例的表。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的旋转电机的实施方式进行说明。
[第一实施方式]
使用图1及图2对第一实施方式进行说明。图1是示意表示本实施方式的旋转电机的四分之一的局部横截面的局部横剖视图。图2是从轴方向对图1的II部的范围内的定子40及转子10的一部分进行观察，并将所观察到的部分在周向上呈直线展开来进行表示的示意横截面。
首先，对本实施方式的旋转电机的结构进行说明。上述旋转电机是三相同步发电机，其具有转子10和定子40。上述转子10及定子40配置在外壳(未图示)的内部。
转子10是没有设置绕组的突极型转子，其具有主轴20和转子铁心30。主轴20与转轴同轴延伸，并利用设置于外壳的轴承(未图示)轴支承成能旋转。
转子铁心30是通过将多块硅钢板在转轴方向上叠层而成的，并固定在主轴20的外周上，从而与转轴同轴延伸。在转子铁心30的外周上形成有四十个凸状(例如横截面为大致长方形)的突极部32，这些突极部32彼此在周向上等间隔地排列。也就是说，在相邻的突极部32之间形成有凹槽34。
在本例中，转子铁心30形成为转轴方向的长度为50mm、外侧半径(从转轴中心到突极部32的顶端面的距离)为255mm。
定子40具有定子铁心50、多极的励磁绕组60及多极的三相电枢绕组70。
定子铁心50是将多块硅钢板在转轴方向上叠层而成，其与转轴10隔开空隙(气隙)地配置在转子10的外周上。在定子铁心50的内周上形成有四十八个凸状(例如横截面为大致长方形)的极齿52，这些极齿52彼此在周向上等间隔地排列。也就是说，在相邻的极齿52之间形成切槽54。
在本例中，定子铁心50形成为转轴方向的长度为50mm、外径为315mm、径向的厚度(从极齿52的顶端面到定子铁心50的外周面的距离)为59.5mm。此外，定子铁心50配置成使气隙的距离(从突极部32的顶端面到极齿52的顶端面的距离)为0.5mm。
励磁绕组60是通过将铜线等导线隔着绝缘物沿径向垂直地卷绕(所谓的“集中卷绕”)在四十八个极齿52中的每一个上而形成的。卷绕在相邻的极齿52上的励磁绕组60彼此反向卷绕来彼此串联连接。利用直流电源(未图示)，对励磁绕组60供给励磁电流。因此，在本实施方式中，励磁绕组60的极数pf为与极齿52的数量相同的48极。另外，励磁绕组60的卷绕数为9216匝。
三相的电枢绕组70是通过将铜线等导线隔着绝缘物沿径向垂直地卷绕(所谓的“集中卷绕”)在四十八个极齿52中的每一个上而形成的。三相的电枢绕组70以在比励磁绕组60更靠的径向内侧的位置处与励磁绕组60绝缘的方式卷绕，从而使卷绕在相邻的极齿52上的三相的电枢绕组70彼此沿相同方向卷绕。
三相的电枢绕组70由彼此呈星形连接的三个相(U相、V相、W相)的绕组构成，从而在沿周向形成的四十八个极齿52上沿周向依次卷绕有U相的绕组、V相的绕组、W相的绕组。因此，三相的电枢绕组70的极数pa，为“48÷3×2”极，即为32极。另外，电枢绕组70的卷绕数在每个相上为528匝。
接着，对本实施方式的作用、即发电机的动作进行说明。首先，对上述发电机的动作原理进行说明。
在利用励磁电流If对励磁绕组60进行直流激励时，在定子40中形成pf极(48极)的静止磁场。该静止磁场用图2的虚线L1表示。在此，利用设置在发电机外部的原动机(未图示)，以旋转速度N(min-1)(图2的箭头X1)对转子10进行驱动。
此时，静止磁场受到由突极部32及凹部34的和(等价地认为突极部为N极、凹部为S极)所示的2×pr极(80极)的转子10进行的磁通调制，从而产生式(1)所示的pa极的旋转磁场。上述旋转磁场用图2的实线L2表示。
pa＝(2×pr)－pf…式(1)
在本例中，由于pr＝40、pf＝48，因此，产生pa极、“2×40－48”即32极的旋转磁场。
通常，在不使用以机械方式增加旋转速度的增速机的情况下，旋转磁场对应于规定的旋转速度由励磁电流If等唯一地确定。而在本实施方式中，比由励磁电流If确定的旋转磁场的大小要大。
在本例中，32极的旋转磁场与利用磁齿轮的效果对应于转子10的旋转速度N“min-1”以2.5(＝80极/32极)倍的速度旋转相当。
在将实际输入到发电机的旋转速度设定为N时，形成旋转磁场的旋转速度用(2×pr/pf)×N表示。接着，在使用式(1)等进行变形后，便成为(1+pf/pa)×N(图2的箭头X2)。
也就是说，能够获得与对应于输入到发电机的旋转速度，输入(1+pf/pa)倍的旋转速度相同的效果。在本例中，由于使pa＝32、pf＝48，而使得pa与pf的比满足pf/pa＝1.5的关系，因此，上述旋转速度能够获得与“1+48/32”倍、即2.5倍的旋转速度相同的效果。
其结果是，在电枢绕组70内感应出式(2)所示的发电频率f(Hz)的三相交流电压。
f＝(pa/120)×((2×pr)/pa)×N…式(2)
另外，通过对供给到励磁绕组60的励磁电流If进行调节，就能容易地对在三相的电枢绕组70中感应出的感应电压V进行控制。
接着，对本实施方式的旋转电机的效果进行说明。
本实施方式的转子10为80极。利用上述磁齿轮的效果，旋转磁场能增速到2.5倍的速度。发电机的输出一般与旋转速度成比例。而利用上述效果，与80极的电动机相比，能将单位体积的输出设计得较大。
此外，本实施方式的发电机虽然具有80极的突极转子，但是不需要在转子上设置励磁绕组，而且不需要对转子供电。另外，在上述发电机中，由于转子10的结构是更为简单的突极转子，因此，在发电机的制造中能够使用现有的制造技术。因而，本实施方式不仅能够抑制该发电机的制造成本及组装工时的增加，而且能够获得磁齿轮的效果。
由上述说明可知，根据本实施方式，旋转电机的结构更为简单，且能够获得磁齿轮的效果。
[第二实施方式]
使用图3，对第二实施方式进行说明。图3是从轴方向对本实施方式的旋转电机的定子及转子的一部分进行观察，并将所观察到的部分在周向上呈直线展开来进行表示的示意横截面。另外，本实施方式是第一实施方式(图1及图2)的变形例，对于与第一实施方式相同的部分或是类似部分标注相同的符号，而省略重复说明。
在本实施方式中，pa与pf的比满足pf/pa＝1.2的关系。在本例中，由于设定为pa＝20、pf＝24，因此，上述旋转速度能够获得与“1+24/20”倍、即2.2倍的旋转速度相同的效果。
藉此，与第一实施方式同样地，旋转电机的结构更为简单，且能够获得磁齿轮的效果。
[第三实施方式]
使用图4，对第三实施方式进行说明。图4是从轴方向对本实施方式的旋转电机的定子及转子的一部分进行观察，并将所观察到的部分在周向上呈直线地展开来进行表示的模式的横截面。此外，本实施方式是第一实施方式(图1以及图2)的变形例，对于与第一实施方式相同的部分或是类似部分标注相同的符号，而省略重复说明。
在本实施方式中，pa与pf的比满足pf/pa＝1.125的关系。在本例中，由于设定为pa＝32、pf＝36，因此，上述旋转速度能够获得与“1+36/32”倍、即2.125倍的旋转速度相同的效果。
藉此，与第一实施方式同样地，旋转电机的结构更为简单，且能够获得磁齿轮的效果。
[其它实施方式]
本实施方式的说明是用于对本发明进行说明的例示，并不对权利要求书记载的发明进行限定。此外，本发明的各部分结构不局限于上述实施方式，能够在权利要求书记载的技术范围内进行各种变形。
在第一实施方式～第三实施方式中，一个个示出了pf/pa分别为1.5、1.2、1.125这样的例子，但不局限于此。
图5是表示第一～第三实施方式各个的pf、pa、pr的组合例的表。如图5所示，存在多个满足pf+pa＝(2×pr)的组合，其中，pf/pa满足1.5、1.2、1.125，无论采用上述组合中的哪一种均可。这样的话，由于能够从慢慢旋转的转子的突极产生高速旋转的旋转磁场，因此，能够以较小体积的旋转电机来获得较大的输出。
此外，在第一实施方式～第三实施方式中，在电枢绕组70的连接中采用了星形连接，但也可以采用三角形连接。
此外，在第一实施方式～第三实施方式中，电枢绕组70在比励磁绕组60更靠径向内侧的位置处卷绕，但是，电枢绕组70也可以在比励磁绕组60更靠径向外侧的位置处卷绕。
此外，本发明也可以适用于调相机等。
(符号说明)
10…转子；20…主轴；30…转子铁心；32…突极部；34…凹槽；40…定子；50…定子铁心；52…极齿；54…切槽；60…励磁绕组；70…电枢绕组。

Claims (2)

1.一种旋转电机，其特征在于，具有：
转子，该转子被轴支承成能旋转，并在外周上形成有沿周向排列的多个凸状的突极部；
定子铁心，该定子铁心与所述转子隔开间隔地配置在所述转子的外周上，并在内周上形成有沿周向排列的多个凸状的极齿；
多极的励磁绕组，该励磁绕组卷绕在多个所述极齿的每一个极齿上；以及
多极的电枢绕组，该电枢绕组与所述励磁绕组绝缘，且卷绕在多个所述极齿的每一个极齿上，
所述极齿的个数与所述励磁绕组的极数相同，
所述励磁绕组的极数与所述电枢绕组的极数的比率pf/pa为1.5、1.2或1.125，设于所述转子的突极部的数量构成为满足(pf+pa)/2，其中，pf：所述励磁绕组的极数，pa：所述电枢绕组的极数。
2.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，
构成为对应于所述转子的转速，产生与所述转子以1+pf/pa倍旋转时相当的旋转磁场。
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