JP2005057940A - Rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、エレベータやエアコン、車載用等種々の機器の回転動力や電圧を供給するために用いられている電動機や発電機などの回転電機に関するものであり、特にインバータ等の周波数可変装置を用いて可変速運転を行う回転電機に係るものである。 The present invention relates to a rotating electrical machine such as an electric motor or a generator used to supply rotational power and voltage of various devices such as an elevator, an air conditioner, and an on-vehicle device, and particularly uses a frequency variable device such as an inverter. This relates to a rotating electrical machine that performs variable speed operation.
従来より、低速回転から高速回転の広い範囲にわたって運転される電動機や発電機において、高効率化を実現するために、多くの技術が示されている。このうち、高速回転時の効率向上を目的に、ロータとステータ間の空隙を回転速度(回転数)に応じて変化させることが示されている(例えば、特許文献1,2)。
また、ロータが複数個で構成され、回転速度の変化に応じて複数個のロータのうち、少なくとも1個を他のロータの磁極に対して回転方向にずらして、ステータ磁極との対向面積を増減して、高速回転を可能とすることが示されている(例えば、特許文献3)。
Conventionally, many techniques have been shown to achieve high efficiency in electric motors and generators operated over a wide range from low speed rotation to high speed rotation. Among these, it has been shown that the gap between the rotor and the stator is changed in accordance with the rotational speed (the number of rotations) for the purpose of improving the efficiency at high speed rotation (for example,
In addition, a plurality of rotors are configured, and at least one of the plurality of rotors is shifted in the rotational direction with respect to the magnetic poles of the other rotors according to changes in the rotational speed, thereby increasing or decreasing the facing area with the stator magnetic poles. Thus, it has been shown that high-speed rotation is possible (for example, Patent Document 3).
しかしながら、前記特許文献1に示されたものは、アキシャルギャップを有する電力貯蔵用フライホイール装置に関するものであり、一般のモータ等に適用する場合、例えば同一枠番で出力を異なるものとする場合には、径を変更する必要があり、製造コスト、量産性等から汎用性が乏しい技術である。また特許文献2に示されたものは、ロータとステータとの対向面が円錐状の複雑な構造であり、これまた量産性が乏しくかつ製造コストが高価なものとなるという問題点を有している。
さらに特許文献3に示されたものは、回転中にロータを相対的に回転移動させるものであり、高速回転中に物体を移動させることは、高度な技術を必要とするばかりでなく、回転バランスがとりにくく、振動や騒音発生の原因となるという問題点がある。
However, the one disclosed in
Further, in
さらに上記のような問題点に加えて、汎用回転電機の電圧と損失に関する問題点を以下に述べる。 In addition to the above problems, problems related to the voltage and loss of general-purpose rotating electrical machines will be described below.
ステータに設けられたある相のコイル1ターンに鎖交する磁束量は以下の式1のとおりに示される。
The amount of magnetic flux linked to one turn of a coil of a certain phase provided in the stator is expressed as the following
この磁束量が時間的に変化するため、コイルには以下の電圧が生じる。電圧は以下の式2のとおりに示される。 Since the amount of magnetic flux changes with time, the following voltage is generated in the coil. The voltage is shown as Equation 2 below.
ここで最大電圧は、Vm=n・Φm・ω と表され、電圧は回転数に比例することがわかる。この電圧はある相の1コイルの電圧であり、回転電機の端子電圧は結線により値は異なるが、回転速度に比例することは変らない。出力は端子間電圧と電流とを用いて以下の式3のとおり示される。
Here, the maximum voltage is expressed as Vm = n · Φm · ω, and it can be seen that the voltage is proportional to the rotational speed. This voltage is a voltage of one coil of a certain phase, and the terminal voltage of the rotating electrical machine varies depending on the connection, but is not proportional to the rotational speed. The output is expressed as the following
モータの場合、回転速度と出力の関係でよく用いられているものが、出力一定である。前記式3から、効率、力率を一定とすると、電流は電圧に逆比例する。つまり電流は、回転速度に逆比例することとなる。
モータにおける主要な損失は、一次銅損と鉄損であり、それらを簡略に記載すると以下の式4のとおりである。
In the case of a motor, what is often used in relation to rotational speed and output is constant output. From
The main losses in the motor are primary copper loss and iron loss, which are simply expressed as the following
これらの結果から、電圧は回転速度に比例、電流は回転速度に逆比例、一次銅損は回転速度の2乗に逆比例、鉄損は回転速度の2乗に比例することがわかる。これらの関係を示す概念図を図1に示す。図1において、Vは電圧、Iは電流、Lossは損失、Φは磁束、Wc1は一次銅損、Wiは鉄損を示す。この図1から多くの問題がわかる。
(1)可変速運転用インバータ装置などは、使用最大定格電圧が定められており、それを越えると故障発生の原因となる。このため、回転電機の速度(回転数)上限が前記最大電圧によって規定される。
(2)回転電機の最高温度上昇限度は、コイル絶縁などによって制限されるものであり、それを越えると絶縁不良の原因となる。このため、速度(回転数)の上限が前記損失によって規定される。
(3)回転速度範囲を広く設定しようとすると、最低速度の電流(最大電流)と、最高速度の電圧(最大電圧)を定格とするモータ駆動電源を必要とする。これは一定速度で運転されるモータと比較すると、電源が大きくなることがわかる。
From these results, it can be seen that the voltage is proportional to the rotational speed, the current is inversely proportional to the rotational speed, the primary copper loss is inversely proportional to the square of the rotational speed, and the iron loss is proportional to the square of the rotational speed. A conceptual diagram showing these relationships is shown in FIG. In FIG. 1, V is voltage, I is current, Loss is loss, Φ is magnetic flux, Wc1 is primary copper loss, and Wi is iron loss. Many problems can be seen from FIG.
(1) The maximum rated voltage for use is determined for inverter devices for variable speed operation, etc., and exceeding this will cause failure. For this reason, the upper limit of the speed (number of rotations) of the rotating electrical machine is defined by the maximum voltage.
(2) The maximum temperature rise limit of a rotating electrical machine is limited by coil insulation or the like, and exceeding this will cause insulation failure. For this reason, the upper limit of speed (rotation speed) is prescribed | regulated by the said loss.
(3) If the rotation speed range is to be set wide, a motor drive power source rated for the lowest speed current (maximum current) and the highest speed voltage (maximum voltage) is required. This shows that the power supply is larger than a motor operated at a constant speed.
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであって、複数のステータの相対角度を、回転中に回転速度に応じて変化させることにより、端子間電圧を相対角度に応じて調整可能とした回転電機を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and by changing the relative angles of a plurality of stators according to the rotational speed during rotation, the voltage between terminals is made to correspond to the relative angle. The purpose is to provide a rotating electric machine that can be adjusted.
この発明に係る回転電機は、ステータは、ロータと対向する軸方向に複数個に分割されており、かつ分割されたそれぞれのステータが内周側と外周側に分割されていることともに、内周側のステータが外周側のステータに対して内周方向に移動可能で、さらに内周側ステータにはコイルが設けられた構成を備えたものであり、
回転電機の運転中に、その回転速度に応じて複数個の内周側ステータの相対角度を変化させることによって、複数個のステータのコイル端子間には、相対角度に対応した電圧が生じることにより、回転電機の端子間電圧を調整可能とすることを特徴とするものである。
In the rotating electrical machine according to the present invention, the stator is divided into a plurality of parts in the axial direction facing the rotor, and each of the divided stators is divided into an inner peripheral side and an outer peripheral side. The stator on the side is movable in the inner peripheral direction with respect to the stator on the outer peripheral side, and further, the inner peripheral side stator is provided with a configuration in which a coil is provided.
During operation of the rotating electrical machine, by changing the relative angle of the plurality of inner peripheral side stators according to the rotation speed, a voltage corresponding to the relative angle is generated between the coil terminals of the plurality of stators. The voltage between the terminals of the rotating electrical machine can be adjusted.
第2の発明に係る回転電機は、ステータは、円周側と外周側に分割されているとともに、内周側のステータが外周側のステータに対して内周方向に移動可能で、さらに内周側ステータにはコイルが設けられた構成を備えたものであり、
回転電機の運転中に、その回転速度に応じて内周側ステータを外周側のステータに対して円周方向に移動させることによって、回転電機の端子間電圧を調整可能とする。
In the rotating electrical machine according to the second aspect of the invention, the stator is divided into a circumferential side and an outer circumferential side, and the inner circumferential side stator is movable in the inner circumferential direction relative to the outer circumferential side stator. The side stator has a configuration in which a coil is provided,
During operation of the rotating electrical machine, the terminal voltage of the rotating electrical machine can be adjusted by moving the inner circumferential side stator in the circumferential direction with respect to the outer circumferential side stator according to the rotational speed.
この発明の回転電機は、最大電圧をコントロールすることができるので、広い速度範囲に適用可能となり、また電源容量の低下やインバータ装置等の過大電圧による故障発生を防止することができ、さらに鉄損の少ない回転電機を得ることができるという優れた効果を奏する。 Since the rotating electrical machine of the present invention can control the maximum voltage, it can be applied to a wide speed range, can prevent a decrease in power source capacity and failure due to an excessive voltage of an inverter device, etc. There is an excellent effect that it is possible to obtain a rotating electric machine with a small amount.
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1を図に基づいて説明する。
図2において、回転電機100はシャフト5に固定されたロータ3に対向して、軸方向に2分割された第1のステータ11と第2のステータ12を備えている。この第1、第2のステータ11、12は図3に示すように、それぞれコイル4dが設けられており、軸方向外部にコイルエンド4aが存在している。
このステータ11、12の側面図を図3(a)(b)に示す。図3において、ステータ11、12はそれぞれ外周側ステータ11a、12aと内周側ステータ11b、12bに分割されていて、内周側ステータ11b、12bは外周側ステータ11a、12aに対して円周方向に移動可能な図示省略の機構を備えた構成としている。図3(b)は図3(a)に相対して、内周側ステータ12bが外周側ステータ12aに対して円周方向に移動した図を示している。
また、前記内周側ステータ11b、12bにはコイル4dがそれぞれ設けられている。なお、内周側ステータ11b、12bは、図3に示すように複数のティース(歯)11e、12eより構成され、図示省略した連結環により前記複数のティース11e、12eが一体となって、外周側ステータ11a、12aに対して円周方向に移動可能である。なお、外周側ステータ11a、12aはヨークに相当するものであり、前記内周側ステータ11b、12bのティースと移動可能にかつ密に接する凸部11c、12cと、凹部11d、12dが設けられている。
このように、内周側ステータ11b、12bが円周方向に移動する構成を有しているので、第1のステータ11と第2のステータ12とでは後述する位相角度のα、βを互いに変化させることができる。前記ステータ11、12コイル4dは、直列結線かまたは並列結線される。
以下に回転電機100をモータを例として述べる。
ステータ11に生じる電圧をV1とすると、V1は以下の式5のとおり表される。
In FIG. 2, the rotating
Side views of the
Further,
Since the
The rotating
Assuming that the voltage generated in the
同じくステータ12に生じる電圧V2は以下の式のとおりとなる。
Similarly, the voltage V2 generated in the
以上の結果からステータ11、ステータ12のそれぞれのコイルを直列につなぐと、モータに生じる電圧は以下の式7のとおりとなる。
From the above results, when the coils of the
ここで最大電圧は、以下の式8のとおりとなる。 Here, the maximum voltage is as shown in Equation 8 below.
通常一般に同じステータ2個を直列に接続した場合に、最大電圧は2Vmとなるが、この実施の形態1ではCos分が掛け合わされた値となる。つまり第1のステータの位相角αと第2のステータの位相角βとを、ステータ11とステータ12の相対位置を円周方向で変えることにより、最大電圧を2Vm以下になるようコントロールすることができる。
このようにこの実施の形態1によると、最大電圧を調整可能としているので、回転電機の速度上限の制限が緩和され、広い速度範囲に使用可能な回転電機となる。
In general, when two identical stators are connected in series, the maximum voltage is 2 Vm, but in the first embodiment, the value is multiplied by Cos. That is, the maximum voltage can be controlled to be 2 Vm or less by changing the relative position of the
Thus, according to the first embodiment, since the maximum voltage can be adjusted, the limitation on the upper limit of the speed of the rotating electrical machine is relaxed, and the rotating electrical machine can be used in a wide speed range.
また、従来の技術では、例えばモータを可変速運転する場合、その可変速範囲の最高速度での最大電圧値と、最低速度での最大電流値を満足する電源容量を備えていた。しかしながら、実際の出力はその電源容量より格段に小さい。前記したようにこの実施の形態1では、ステータを軸方向に2個に分割し、さらに外側ステータと内側ステータとに分けたことにより、最大電圧を抑制することが可能となり、これは電流低減にもつながる。よって電源容量の低下にもつながる。 Further, in the conventional technique, for example, when the motor is operated at a variable speed, a power capacity that satisfies the maximum voltage value at the maximum speed and the maximum current value at the minimum speed in the variable speed range has been provided. However, the actual output is much smaller than its power supply capacity. As described above, in the first embodiment, the stator is divided into two parts in the axial direction, and further divided into the outer stator and the inner stator, so that the maximum voltage can be suppressed, which reduces the current. Is also connected. Therefore, the power capacity is reduced.
さらに、Vmはn・Φm・ωで示されるため回転速度に比例して電圧が上昇するが、この電圧の上昇を抑えるには、Cos分を小さくすればよい。つまり回転速度の上昇に応じて位相αとβとの位相差α−βを大きくすることで、回転速度が高くなるにつれて電圧上昇を抑制することが可能となる。 Furthermore, since Vm is represented by n · Φm · ω, the voltage rises in proportion to the rotation speed. To suppress this rise in voltage, it is sufficient to reduce Cos. That is, by increasing the phase difference α−β between the phases α and β according to the increase in the rotational speed, it is possible to suppress the voltage increase as the rotational speed increases.
実施の形態2.
回転速度によらず電圧が一定である方がモータとしては望ましい。通常のモータでは、運転速度範囲の低速側では大きな電流値を必要となるが、回転速度によらず電圧を一定に保つことができれば、低速での電流も少なくてすむ。回転速度によらず電圧を一定に保つには、ステータ11、12の位相差である相対角度θを以下に示す式9のとおりにコントロールすればよい。
Embodiment 2. FIG.
It is desirable for the motor that the voltage is constant regardless of the rotation speed. In a normal motor, a large current value is required on the low speed side of the operating speed range. However, if the voltage can be kept constant regardless of the rotational speed, the current at low speed can be reduced. In order to keep the voltage constant regardless of the rotational speed, the relative angle θ which is the phase difference between the
このようなステータ11、12の相対角度θをコントロールすることにより、回転速度によらず電圧を一定に保つことができる。さらに出力が一定の場合には電流もほぼ一定に保つことが可能となり、電源容量が低減できる。この模式図を図4に示す。
By controlling the relative angle θ between the
実施の形態3.
複数個のステータを有する回転電機100を構成する場合、各ステータに設けられたコイル4dのコイルエンド4aが、ステータ11、12間に介在して回転電機100の小型化の妨げとなる。コイルエンド4aの軸方向長さはできる限り短い方が望ましい。そのために、コイル4dはトロイダル状または集中巻きの巻線を施したステータ11、12を用いることによってコイルエンド4aの軸方向長さを短くし、回転電機の小型化を達成できる。
When the rotating
また、図5に示すようにステータ11、12の相対向する側のコイルエンド4aのロータ3側に、ロータ3の軸方向に対向して突出したステータ突出部11e、12eを設けることで、ロータ3の磁束を有効に利用することが可能となる。さらに図6に示すように、ステータ11、12を、可撓性のある共通のコイル4cで構成し、ステータ11,12に位相差を設けるようにしてもよい。
また、ステータ11、12は互いに同じ軸長であってもよく、異なった軸長であってもよい。なおステータは、軸方向に2分割の例を示したが2分割に限らず、2分割以上の複数個であってもよいことはいうまでもない。
Further, as shown in FIG. 5, the stator protrusions 11 e and 12 e that protrude in the axial direction of the
The
実施の形態4.
前述した実施の形態1の軸方向および、外、内周側に複数個に分割されたステータを備えた回転電機において、ロータに永久磁石を備えた永久磁石式モータに適用してもよい。
通常の永久磁石式モータの場合に、ステータに通電をしなくてもロータの永久磁石によって回転するだけで誘起電圧が発生する。この実施の形態1のステータ構成を適用することによって、前記誘起電圧を低減することが可能となる。このことにより、電源停止時に何らかの原因により永久磁石モータが回転して誘起電圧を発生したとしても、低減した誘起電圧であるので、電源の故障発生を容易に防止することが可能となる。
In the rotary electric machine having the stator divided into a plurality of parts in the axial direction and the outer and inner peripheral sides of the first embodiment described above, the present invention may be applied to a permanent magnet motor having a permanent magnet in the rotor.
In the case of a normal permanent magnet type motor, an induced voltage is generated only by rotation by the permanent magnet of the rotor without energizing the stator. By applying the stator configuration of the first embodiment, the induced voltage can be reduced. As a result, even if the permanent magnet motor rotates due to some cause when the power is stopped and an induced voltage is generated, the induced voltage is reduced, so that it is possible to easily prevent the failure of the power supply.
実施の形態5.
前述した実施の形態1の回転電機では、軸方向および外、内周側に分割されたステータを備えたものであったが、この実施の形態5による回転電機のステータは、軸方向に分割されてなく、外周側と内周側とに分割された外周側ステータ11aと、内周側ステータ11bとを備えたものである。この場合ロータに永久磁石を備えた永久磁石式モータに適用してもよい。この実施の形態5のステータの側面図は、図3(a)(b)に示したものと同様であるが、実施の形態1に述べた図2に相当する概念図は、この実施の形態5では図示省略している。
ここでこの実施の形態5を採用する理由を述べる。
最大電圧Vmは先に記したようにn・Φm・ωで示される。ここで磁束量Φは磁気抵抗Pmに反比例する。Pmは1/μ・l/Sで示され、よって磁束量Φはμに比例、磁気回路長lに反比例、磁気回路断面積Sに比例する。前記した図3(a)の状態から図3(b)に示すように、内周側ステータ11bが外周側ステータ11aに対して円周方向に移動した場合、前記μが小さくなりΦが少なくなる。
The rotary electric machine according to the first embodiment described above includes the stator divided in the axial direction and the outer and inner peripheral sides. However, the stator of the rotary electric machine according to the fifth embodiment is divided in the axial direction. The outer
Here, the reason why the fifth embodiment is adopted will be described.
The maximum voltage Vm is indicated by n · Φm · ω as described above. Here, the magnetic flux amount Φ is inversely proportional to the magnetic resistance Pm. Pm is represented by 1 / μ · l / S. Therefore, the magnetic flux amount Φ is proportional to μ, inversely proportional to the magnetic circuit length l, and proportional to the magnetic circuit cross-sectional area S. As shown in FIG. 3B from the state of FIG. 3A, when the inner
このようにこの実施の形態5では、ステータを軸方向に分割することもなく、回転速度の応じて内周側ステータ11bを外周側ステータ11aに対して、内周方向に移動させることにより、Φを減らすことになり、よって最大電圧Vmの上昇を抑えることが可能となる。また、ロータに永久磁石を備えた永久磁石式回転電機とした場合、ロータが回転するだけで誘起電圧が発生する。この実施の形態5のステータ構成を適用することによって、前記誘起電圧を低減することが可能となる。このことにより、電源停止時に何らかの原因により永久磁石モータが回転して誘起電圧を発生したとしても、低減した誘起電圧であるので、電源の故障発生を容易に防止することが可能となる。
また、電源停止時に外部から予期しない何らかの原因によって駆動(回転)させられた場合でも、誘起電圧が発生せず、その誘起電圧が原因となる関連機器の損傷を防止することができる。
As described above, in the fifth embodiment, the stator is not divided in the axial direction, and the inner
Further, even when the power is stopped (rotated) due to some unexpected cause when the power is stopped, an induced voltage is not generated, and damage to related equipment caused by the induced voltage can be prevented.
実施の形態6.
モータの可変速運転を実施する場合、インバータなどの周波数可変電源装置を用いる。この周波数可変電源装置では、モータの回路定数を用いて最適な運転を実施するが、例えば、本実施の形態1に示したような複数個のステータを相対的に回転させることで位相角を変化させると、モータの最適な回路定数が変化する。そのためモータの回路定数を固定して運転すると最適な運転はできない。そこで、複数個のステータの相対角度に応じてモータ定数を変化させることにより、周波数可変電源装置を用いた最適な運転が可能となる。
Embodiment 6 FIG.
When performing variable speed operation of the motor, a variable frequency power supply device such as an inverter is used. In this variable frequency power supply device, optimum operation is performed using the circuit constants of the motor. For example, the phase angle is changed by relatively rotating a plurality of stators as shown in the first embodiment. As a result, the optimum circuit constant of the motor changes. For this reason, optimal operation cannot be achieved if the motor circuit constants are fixed. Therefore, by changing the motor constant according to the relative angles of the plurality of stators, it is possible to perform an optimum operation using the variable frequency power supply device.
実施の形態7.
実施の形態4にて記述したように、ロータに永久磁石を備えた永久磁石式回転電機の場合、ロータが回転するだけで誘起電圧が発生する。そこで電源停止時には、2個に分割されたステータ11、12の位相角の差α−β=(90+180×n)度とした状態で停止させることによって、電圧が発生しない状態となる。このような状態に停止された本実施の形態6による回転電機は、外部から予期しない何らかの原因によって駆動(回転)させられた場合でも、誘起電圧が発生せず、その誘起電圧が原因となる関連機器の損傷を防止することができる。
Embodiment 7 FIG.
As described in the fourth embodiment, in the case of a permanent magnet type rotating electrical machine having a permanent magnet in the rotor, an induced voltage is generated only by rotating the rotor. Therefore, when the power supply is stopped, voltage is not generated by stopping in a state where the phase angle difference α−β = (90 + 180 × n) degrees of the
以上のように、この発明の実施の形態1〜7を自動車用の発電機(オルタネータ)、電車用モータ、工作機械用主軸モータなどの可変速運転が必要とされる機器に適用すると、機器の効率が向上するという効果を奏する。 As described above, when the first to seventh embodiments of the present invention are applied to a device that requires variable speed operation, such as a generator for an automobile (alternator), a motor for a train, and a spindle motor for a machine tool, There is an effect that efficiency is improved.
1 ロータ、4a コイルエンド、4c コイル、11 第1のステータ、
11a 外周側ステータ、11b 内周側ステータ、12 第2のステータ、
12a 外周側ステータ、12b 内周側ステータ。
1 rotor, 4a coil end, 4c coil, 11 first stator,
11a outer stator, 11b inner stator, 12 second stator,
12a Outer peripheral side stator, 12b Inner peripheral side stator.
Claims (11)
前記回転電機の運転中に、その回転速度に応じて前記複数個の内周側ステータの相対角度を変化させることによって、前記複数個のステータのコイル端子間には、前記相対角度に対応した電圧が生じることにより、前記回転電機の端子間電圧を調整可能とすることを特徴とする回転電機。 A rotating electrical machine including a stator and a rotor, wherein the stator is divided into a plurality of parts in an axial direction facing the rotor, and each of the divided stators is divided into an inner peripheral side and an outer peripheral side. And the inner circumferential side stator is movable in the circumferential direction with respect to the outer circumferential side stator, and further, the inner circumferential side stator has a configuration in which a coil is provided,
During operation of the rotating electrical machine, a voltage corresponding to the relative angle is generated between the coil terminals of the plurality of stators by changing a relative angle of the plurality of inner peripheral side stators according to the rotation speed. When this occurs, the voltage across the terminals of the rotating electrical machine can be adjusted.
The rotating electrical machine is provided with a driving inverter device, and a circuit constant of the driving inverter device changes according to a rotation speed of the rotating electrical machine, and the rotation of the driving inverter device is stopped when the driving inverter device is stopped. The rotating electrical machine according to claim 8, wherein the rotating electrical machine is stopped so that a relative angle between the inner peripheral side stator and the outer peripheral side stator becomes a predetermined angle so that no voltage is generated in the electrical machine.
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