CN107196477B - 旋转电机 - Google Patents

Abstract

提供能以低成本的构成使永久磁铁的磁通可变的旋转电机。定子(10)具有：多个定子齿(13)，其在周向以规定的间隔配置于定子铁芯(12)；以及电枢线圈(11)，其卷绕于相邻的定子齿(13)之间且被卷绕成圆环形，轴向间隙转子(210)具有：第1转子齿(212)，其配置于第1转子铁芯(211)，与定子齿(13)的侧面部(13a)相对；感应线圈(215)，其卷绕于第1转子齿(212)，根据在定子(10)侧产生的磁通引起感应电流；以及励磁线圈(216)，其卷绕于第1转子齿(212)，在感应电流通过时产生磁场，径向间隙转子(220)具有配置于第2转子铁芯(221)的永久磁铁(223)。

Description

旋转电机

技术领域

本发明涉及旋转电机。

背景技术

在利用永久磁铁的磁通输出转矩的旋转电机中，已知能使永久磁铁的有效磁通量可变的旋转电机。例如在专利文献1中记载了如下结构的旋转电机：具有卷绕有电枢绕组的定子和与该定子隔着空隙设置且能旋转的转子，定子在旋转轴方向被分割为第1转子和第2转子，极性不同的励磁用磁铁在旋转方向交替配置于上述第1转子和第2转子。

根据这种结构，专利文献1所记载的旋转电机根据转矩或转速的变化使第2转子动作，使第1转子的永久磁铁的极性与第2转子的永久磁铁的极性的位置关系可变，从而能调整永久磁铁的有效磁通量。此时，在专利文献1所记载的旋转电机中，在使第1转子的永久磁铁的极性与第2转子的永久磁铁的极性的相对的位置关系可变的情况下，利用输入到致动器的控制信号进行控制使得第2转子位于规定状态。

在使第2转子移动到在旋转轴方向上与第1转子分开的任意规定位置的状态下，能通过设于定子铁芯的磁阻层阻断在旋转轴方向产生的磁通流。由此，能降低磁通可变型旋转电机的高速旋转区域的铁损。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2010－246196号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，如上所述，在专利文献1所记载的旋转电机中，为了使第2转子位于规定状态而需要致动器、用于控制该致动器的控制装置。另外，使第2转子机械地移动从而使第1转子和第2转子成为规定的位置关系，因此需要精密的控制。因此，无法以低成本的构成使永久磁铁的磁通可变。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供能以低成本的构成使永久磁铁的磁通可变的旋转电机。

用于解决问题的方案

为了达到上述目的，本发明的旋转电机具备：定子，其具有环状的定子铁芯；第1转子，其在上述定子的轴向的至少任一面侧具有与上述定子铁芯相对的第1转子铁芯；以及第2转子，其在上述定子的径向的内面侧具有与上述定子铁芯相对的第2转子铁芯，上述旋转电机的特征在于，上述定子具有：多个定子齿，其在周向以规定的间隔配置于上述定子铁芯；以及电枢线圈，其环向卷绕于相邻的上述定子齿之间且被卷绕成圆环形，上述第1转子具有：转子齿，其配置于上述转子铁芯，与上述定子齿相对；感应线圈，其卷绕于上述转子齿，根据在上述定子侧产生的磁通而引起感应电流；以及励磁线圈，其卷绕于上述转子齿，在上述感应电流通过时而产生磁场，上述第2转子具有配置于上述转子铁芯的永久磁铁。

发明效果

根据本发明，可提供能以低成本的构成使永久磁铁的磁通可变的旋转电机。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的旋转电机的立体图。

图2是本发明的一个实施方式的旋转电机的局部截面立体图。

图3是表示本发明的一个实施方式的旋转电机的局部截面立体图，并且是省略了电枢线圈、感应线圈和励磁线圈的图。

图4是本发明的一个实施方式的旋转电机的感应线圈和励磁线圈与整流电路的结线图。

图5是表示本发明的一个实施方式的旋转电机的局部截面立体图，是表示第1转子齿被磁化为与永久磁铁的磁极相反的磁极的状态的图。

图6是本发明的一个实施方式的旋转电机的立体图，是表示永久磁铁的磁通与励磁线圈的磁通相互抵消的状态的图。

图7是表示本发明的一个实施方式的旋转电机的转子正在高速旋转时的来自转子与定子交链的磁通量的示意图。

图8是表示本发明的一个实施方式的旋转电机的、相对于转子的旋转速度的来自转子与定子交链的磁通量的坐标图。

附图标记说明

1 旋转电机

2 旋转轴

10 定子

11 电枢线圈

12 定子铁芯

13 定子齿

13a 侧面部

13b 内面部

20 转子

30 整流电路

210 轴向间隙转子

211 第1转子铁芯

212 第1转子齿

215 感应线圈

216 励磁线圈

220 径向间隙转子

221 第2转子铁芯

222 第2转子齿(突极部)

223 永久磁铁

D1、D2 二极管

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。图1至图8是说明本发明的一个实施方式的旋转电机的图。

如图1和图2所示，旋转电机1具备：定子10，其具有通过通电产生磁通的W相、V相、U相这三相的电枢线圈11；以及转子20，其由于由定子10产生的磁通的通过而旋转。

(定子)

定子10具备：定子铁芯12，其为环状，包括高透磁率的磁性材料；以及电枢线圈11，其卷绕于该定子铁芯12。定子10经由设于定子铁芯12的外周面的包括非磁性体的未图示的连结片在被磁阻断的状态下固定于未图示的电动机箱体。由此可抑制例如漏磁通的发生等。

如图2、图3所示，从定子铁芯12向轴向的两侧和径向的内面侧突出的多个定子齿13在周向以规定的间隔形成于该定子铁芯12。在周向相邻的定子齿13之间形成有作为槽状的空间的槽14。在此，轴向表示转子20的旋转轴2(参照图7)延伸的方向。径向是指与转子20的旋转轴2延伸的方向正交的方向，示为以旋转轴2为中心的辐射方向。径向的内侧表示在径向离转子20的旋转轴2近的一侧，径向的外侧表示在径向离转子20的旋转轴2远的一侧。周向表示以转子20的旋转轴2为中心的圆周方向。

电枢线圈11卷绕于槽14且被卷绕成圆环形，槽14形成于在定子铁芯12的周向相邻的定子齿13之间。W相、V相、U相的各电枢线圈11通过集中卷绕而卷绕于槽14。卷绕成圆环形是指使电枢线圈11的绕组以交替通过定子铁芯12的环的内侧和外侧的方式转圈而卷绕于定子铁芯12的方法。

电枢线圈11包括截面为长方形的平角线，在用扁立(edgewise)绕法的卷绕成圆环形的状态下卷绕于槽14。扁立绕法是指，使平角线的短边在旋转电机1的径向内侧和外侧与槽14相对，纵向卷绕平角线的方法。

由此，在绕组间距方向上相邻的平角线彼此以长边进行面接触，因此能维持着与电流相应的截面积而使匝数增加。因此能使电枢线圈11的填充系数提高，能使定子10的磁动势增大。

定子齿13具有定子铁芯12的轴向的一侧及另一侧的侧面部13a和定子铁芯12的径向的内面部13b。后述的第1转子齿212在轴向与定子齿13的侧面部13a相对。后述的第2转子齿222在径向与定子齿13的内面部13b相对。

在定子10中，对电枢线圈11提供三相交流电，从而产生在周向旋转的旋转磁场。由定子10产生的磁通(以下将该磁通称为“主磁通”)与转子20交链。由此，定子10能使转子20旋转。

具体地说，电枢线圈11配置于定子齿13的周向的与定子齿13相邻的两个位置，该一对电枢线圈11的卷绕方向和通电方向被设定为在从一方电枢线圈11产生的磁通和从另一方电枢线圈11产生的磁通之间，磁通的方向在周向成为相反方向。

由此，例如在一方电枢线圈11为V+相而另一方电枢线圈11为V－相的情况下，从该一对电枢线圈11产生的磁通朝向被一对电枢线圈11夹着的定子齿13，在定子齿13中发生会聚。然后，由定子齿13产生的磁通的方向变为与定子铁芯12的周向正交的一侧的方向，从定子齿13趋向转子20。

然后，趋向转子20的磁通的一部分通过后述的第1转子铁芯211和第2转子铁芯221之后，趋向被W+相和W－相的一对电枢线圈11夹着的定子齿13。另外，趋向转子20的磁通的一部分通过后述的第1转子铁芯211和第2转子铁芯221之后，趋向被U+相和U－相的一对电枢线圈11夹着的定子齿13。

这样，在定子齿13与转子20相对的面中，构成由电枢线圈11产生的磁通的磁回路。在旋转电机1中，将定子齿13与转子20相对的面作为转矩产生面使转子20旋转。

另外，如上所述，定子10被电枢线圈11以卷绕成圆环形的方式集中卷绕。因此，在对电枢线圈11提供了三相交流电的情况下，在定子10中除了产生与转子20的旋转同步旋转的旋转磁场以外，还产生与转子20的旋转非同步的高次谐波旋转磁场。该高次谐波旋转磁场包含静止坐标系的2次空间高谐波(同步旋转坐标系的3次时间高谐波)。因而，谐波成分与由定子10产生的磁通重叠。

(转子)

如图1、图2、图3所示，转子20包括在轴向以夹着定子10的方式配置的一对轴向间隙转子210和配置于定子铁芯12的径向的内侧的径向间隙转子220。

一对轴向间隙转子210和径向间隙转子220以相互同步旋转的方式固定于旋转轴2(参照图7)且能与旋转轴2一体旋转。

一对轴向间隙转子210和径向间隙转子220也可以实现一体化。

一对轴向间隙转子210各自具备包括高透磁率的磁性材料的环状的第1转子铁芯211、感应线圈215和励磁线圈216。从第1转子铁芯211朝向轴向的定子10侧突出的多个第1转子齿212沿着第1转子铁芯211的周向隔开规定的间隔形成于第1转子铁芯211。

第1转子齿212在定子铁芯12的轴向的两面侧即定子铁芯12的轴向的一侧和另一侧与定子齿13相对。

感应线圈215和励磁线圈216以在轴向形成层的方式卷绕于第1转子齿212。感应线圈215和励磁线圈216均包括用绝缘材料包覆的绕组。

感应线圈215比励磁线圈216靠定子10侧配置。感应线圈215根据与在定子10侧产生的磁通重叠的谐波成分产生感应电流。

具体地说，在对电枢线圈11提供三相交流电而在定子10中产生旋转磁场时，在定子10侧产生的高次谐波成分的磁通与感应线圈215交链。由此，感应线圈215引起感应电流。

励磁线圈216比感应线圈215靠第1转子铁芯211侧配置。由感应线圈215产生的感应电流被整流后提供给励磁线圈216，从而使励磁线圈216产生磁场。

由此，能使第1转子齿212作为电磁铁发挥功能，能使定子齿13与第1转子齿212相对的面作为转矩产生面发挥功能。

径向间隙转子220具有：第2转子铁芯221，其包括高透磁率的磁性材料，固定于旋转轴2(参照图7)且能与旋转轴2一体旋转；以及永久磁铁223。

从第2转子铁芯221朝向径向的外方突出的多个第2转子齿222沿着第2转子铁芯221的周向隔开规定的间隔形成于第2转子铁芯221。

第2转子齿222在定子铁芯12的径向的内面侧与定子齿13相对。第2转子齿222构成本发明的突极部。在第2转子齿222配置有永久磁铁223。

永久磁铁223包括例如钕磁铁(Nd－Fe－B磁铁)，并安装于于第2转子齿222内部。

(整流电路)

另外，旋转电机1具备对由感应线圈215产生的感应电流整流后将其提供给励磁线圈216的整流电路30。

如图4所示，整流电路30具备2个二极管D1、D2作为整流元件，构成为将上述二极管D1、D2与2个感应线圈215和2个励磁线圈216连线而成的闭合回路。整流电路30分别设于转子20的轴向的一侧和另一侧，与转子20的轴向的一侧和另一侧的感应线圈215和励磁线圈216分别对应。

整流电路30的2个感应线圈215是在轴向间隙转子210的周向相邻的感应线圈215。2个励磁线圈216是在径向间隙转子220的周向相邻的励磁线圈216。

二极管D1、D2在例如收纳于未图示的二极管箱体的状态下设于轴向间隙转子210或者径向间隙转子220。二极管D1、D2可以安装于轴向间隙转子210或者径向间隙转子220的内部。

在整流电路30中，由2个感应线圈215产生的交流的感应电流被二极管D1、D2整流，整流后的直流电流作为励磁电流提供给串联连接的2个励磁线圈216。2个励磁线圈216被提供直流电流从而产生感应磁通。

在本实施方式中，2个励磁线圈216通过直流电流产生相反方向的感应磁通。具体地说，励磁线圈216的卷绕方向被设定为使卷绕有一方励磁线圈216的第1转子齿212被磁化为N极，卷绕有另一方励磁线圈216的第1转子齿212被磁化为S极。另外，如图5所示，以第1转子齿212的磁极和与该第1转子齿212在周向位于相同位置的永久磁铁223的磁极形成为相反的磁极的方式设定励磁线圈216的卷绕方向。

(旋转电机的作用)

接着，参照图6、图7和图8说明本实施方式的旋转电机1的作用。

如以上说明的，本实施方式的旋转电机1是在转子20中具备永久磁铁223、利用该永久磁铁223的磁通输出转矩的永久磁铁型同步电动机。

在现有的永久磁铁型同步电动机中，由于永久磁铁的磁通是固定的，因此随着转子的旋转速度上升，由于永久磁铁的磁通而使在定子的电枢线圈中产生的反电动势增加。并且，在转子的旋转速度达到某旋转速度时，在电枢线圈产生的反电动势与永久磁铁型同步电动机的电源电压相等。由此，无法在永久磁铁型同步电动机中流通更多电流。其结果是，无法使转子的旋转速度上升。

以往，为了解决上述问题，进行了通过在定子的电枢线圈中流通抵消永久磁铁的磁通的电流而使在电枢线圈中产生的反电动势等效地减小的弱励磁控制。

然而，在该弱励磁控制中，为了产生抵消永久磁铁的磁通的方向的磁通而使电流流动，所以会产生对转矩没有帮助的磁通。因此，消耗对输出而言无用的能量，导致效率的降低。

另外，在弱励磁控制中，会产生高次谐波磁通，因此由于该高次谐波磁通，有可能使永久磁铁型同步电动机的铁损或电磁振动增加。而且，在弱励磁控制中，产生与永久磁铁的磁通方向相反的磁通来抑制永久磁铁的磁通，因此有可能发生永久磁铁的不可逆去磁。因此，需要使用矫顽力比较高的永久磁铁，成本会增加。

另外，在将钕磁铁用作永久磁铁的情况下，由于弱励磁控制所致的外部磁场的变动而在永久磁铁中产生涡流，永久磁铁会发热。有可能由于该发热而发生永久磁铁的不可逆去磁。因而，需要将耐热性高的稀土等材料添加到永久磁铁。但是，在该情况下，添加的稀土等材料对永久磁铁而言成为杂质，因此有可能无法发挥永久磁铁本来的性能。

因此，本实施方式的旋转电机1设为不进行弱励磁控制而能通过上述励磁线圈216的作用来调整来自永久磁铁223与定子10交链的磁通量的构成。由此，本实施方式的旋转电机1能解决上述弱励磁控制的问题。

(转子低速旋转时)

在本实施方式的旋转电机1中，在转子20的旋转速度低时，在定子10中没有产生高次谐波成分的磁通，或者即使产生也是微量的。因此，励磁线圈216不产生感应磁通，或者即使产生也是微量的。

因此，第1转子齿212没有被磁化为N极或S极中的任一者，或者即使磁化也是微量的。因而，永久磁铁223的全部磁通与定子10交链。

这样，在转子20的旋转速度低时，与转子20的旋转速度高时相比，能使来自永久磁铁223与定子10交链的磁通的磁通量增加。

(转子高速旋转时)

另一方面，在本实施方式的旋转电机1中在转子20的旋转速度高时，在定子10中产生高次谐波成分的磁通。该高次谐波成分的磁通的磁通量随着转子20的旋转速度上升而增加。

由此，在轴向间隙转子210的感应线圈215中引起感应电流，该被引起的感应电流被整流电路30整流后作为直流电流提供给励磁线圈216。

被提供直流电流的励磁线圈216在对第1转子齿212进行磁化的方向产生磁通，从而成为与相当于周向上相同位置的永久磁铁223的磁极相反的磁极。即，如图5所示，第1转子齿212的磁极与永久磁铁223的磁极形成为相反的磁极。

因此，如图6所示，励磁线圈216的磁通的磁路(用空白箭头表示)在轴向和径向双方在与永久磁铁223的磁通的磁路(用涂黑箭头表示)相反的方向产生。该相反方向的磁路在定子10的定子铁芯12中相互抵消。

因而，如图7所示，永久磁铁223的磁通中的未被励磁线圈216的磁通抵消的磁通与定子10交链。另外，永久磁铁223的磁通的一部分在定子铁芯12的轴向的端部经过间隙(空隙)流向第1转子齿212侧。其结果是，可抑制来自永久磁铁223与定子10交链的磁通的磁通量。

另外，在图8中，在小于转速R1的区域，在第1转子齿212没有形成磁极，永久磁铁223的磁通在径向与定子10交链。另外，在大于转速R1的区域，第1转子齿212的磁极形成为与永久磁铁223的磁极相反的磁极，因此永久磁铁223的磁通在径向和轴向与定子10交链，可抑制来自永久磁铁223与定子10交链的磁通的磁通量。另外，随着转子20的转速变高，被感应线圈215引起的感应电流变多。来自永久磁铁223与定子10交链的磁通的磁通量减少。

因而，在转子20的旋转速度高的情况下，也能无需进行弱励磁控制。因此，能防止通过弱励磁控制产生的高次谐波磁通所致的铁损或电磁振动。

而且，由于无需弱励磁控制，因此无需使用矫顽力高的永久磁铁，另外，也无需将耐热性高的稀土等材料添加到永久磁铁。由此，能使旋转电机1的成本降低。

这样，在本实施方式的旋转电机1中，能不进行弱励磁控制地调整来自永久磁铁223与定子10交链的磁通量，因此在转子20的旋转速度高时也能防止效率的降低。另外，在转子20的旋转速度低时能实现输出的提高。

以上，根据本实施方式的旋转电机1，根据与在定子10侧产生的磁通重叠的高次谐波成分使轴向间隙转子210的感应线圈215产生感应电流，用整流电路30对该感应电流整流后将其提供给励磁线圈216。由此，能调整在磁路构件225内短路的永久磁铁223的漏磁通的磁通量。

另外，通过对以卷绕成圆环形的方式集中卷绕于定子10的电枢线圈11提供三相交流电，能得到与在定子10侧产生的磁通重叠的高次谐波成分。因此，无需为了用于提供给励磁线圈216的直流电流的例如DC/DC转换器等特别的装置。

由此，本实施方式的旋转电机1能不利用例如DC/DC转换器等特别的装置地用简单的构成来调整来自永久磁铁223与定子10交链的磁通的磁通量。其结果是，本实施方式的旋转电机1能以低成本的构成使永久磁铁223的磁通可变。

旋转电机1能优选用作例如车载用的电动机、风力发电用的发电机或机床用的电动机。

此外，在本实施方式中，第1转子齿212以与定子铁芯12的轴向的两面侧相对的方式设置，但不限于此，例如也可以是以与定子铁芯12的轴向的一侧的侧面或者另一侧的侧面相对的方式设置。即，可以是第1转子齿212仅设于定子铁芯12的轴向的一侧的侧面和另一侧的侧面中的任意的一侧面侧的构成。在该情况下，能与仅采用了轴向单侧的轴向间隙转子210的量相应地使旋转电机1的体格缩小。

另外，本实施方式的旋转电机1还能应用于在定子的径向内侧具备外转子和内转子这2个转子的双转子类型的旋转电机。

在该情况下，电枢线圈虽集中卷绕于定子，但不采用卷绕成圆环形的方式。另外，在该双转子类型的旋转电机中，感应线圈配置于外转子，永久磁铁、磁路构件和可变励磁线圈配置于内转子。此外，上述的外转子和内转子的构成也可以是相反的。

虽然公开了本发明的实施方式，但是应明白本领域技术人员可在不脱离本发明的范围的情况下施加变更。意图将所有的这种修改和等同物包含于权利要求书中。

Claims (5)

1.一种旋转电机，具备：

定子，其具有环状的定子铁芯；

第1转子，其在上述定子的轴向的至少任一面侧具有与上述定子铁芯相对的第1转子铁芯；以及

第2转子，其在上述定子的径向的内面侧具有与上述定子铁芯相对的第2转子铁芯，上述旋转电机的特征在于，

上述定子具有：

多个定子齿，其在周向以规定的间隔配置于上述定子铁芯；以及

电枢线圈，其卷绕于相邻的上述定子齿之间且被卷绕成圆环形，

上述第1转子具有：

转子齿，其配置于上述转子铁芯，与上述定子齿相对；

感应线圈，其卷绕于上述转子齿，根据在上述定子侧产生的磁通而引起感应电流；以及

励磁线圈，其卷绕于上述转子齿，在上述感应电流通过时产生磁场，

上述第2转子

具有配置于上述第2转子铁芯的永久磁铁，

上述旋转电机还具备至少1个整流电路，该整流电路包括2个整流元件，构成为将上述整流元件与在上述第1转子的周向相邻的2个上述感应线圈以及在上述第2转子的周向相邻的2个上述励磁线圈连线而成的闭合回路。

2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

上述第2转子具有与上述定子齿相对的突极部，在该突极部内安装有上述永久磁铁。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，

上述第1转子的上述转子齿的磁极与上述第2转子的上述永久磁铁的磁极形成为相反的磁极。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，

上述第1转子齿设置成在上述定子铁芯的轴向的两面侧与上述定子齿相对。

5.根据权利要求3所述的旋转电机，其特征在于，

上述第1转子齿设置成在上述定子铁芯的轴向的两面侧与上述定子齿相对。