JP2006006026A - 回転子、およびこれを備えた回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 界磁磁束を回転子の回転数に応じて変化させるとともに、界磁用磁石の磁束を減じて高回転運転領域でも高効率で作動する回転電機を提供できるようにする。
【解決手段】 回転子Ａの回転数が高い時には、第１界磁用磁石可動部１と第２界磁用磁石可動部２が継鉄部３ａに対して相反する回転方向に位置を変え、揃っていた第１界磁用磁石可動部１と第２界磁用磁石可動部２の磁極をずらし、同時に磁極３ａの厚みの異なる形状によって磁束を通りにくくすることにより、巻線に鎖交する界磁磁束を減ずるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、界磁用磁石が設置された回転子と、これを備えた回転電機に関する。

従来の界磁用磁石が設置された回転子を有する回転電機は、一般的に界磁用磁石が回転子に固定されている。このような回転電機の誘起電圧は、界磁磁束と回転子の回転数に比例するため、回転数に対する誘起電圧の関係は図７の直線ａｂで示したような特性となる。そのため、仮に電源の電圧が電圧ｃで制限される電動機を例とすれば、この電動機の最高回転数は回転数ｄで制限される狭い運転域となる。
そこで、界磁磁束を回転子の回転数に応じて変化させる電動機が提案された。（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１５５２６２号公報（第８頁、図１）

図８は特許文献１中の図１に示されているものである。
図８において、回転子２に設置された第１の界磁用磁石３１と第２の界磁用磁石３２は、該回転数の低い時には（Ａ）に示されているように同じ極性の磁極が並び、回転数の高い時には（Ｂ）に示されているように同じ極性の磁極がずれる構造となっている。
この技術によれば回転子の回転数が高い時に界磁用磁石の磁束が相殺することで誘起電圧を下げ、その分高速運転領域を広げることが可能となる。

ところが、特許文献１に示した従来の界磁磁束を回転子の回転数に応じて変化させる電動機では、界磁用磁石の磁束を減じることなく固定子の巻線に鎖交する磁束を相殺させたため、高速運転領域を広げることは可能になるが、特に固定子に発生する鉄損の低減がなされていない。そのため回転子の回転数が高くなるほど鉄損の増加で効率は低下し、また電動機が高温となり定格出力は低下する。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、界磁磁束を回転子の回転数に応じて変化させるとともに、界磁用磁石の磁束を減じて高回転運転領域でも高効率で作動する回転電機を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１記載の発明は、界磁用磁石が設置された回転電機用回転子に関するもので、前記回転子が、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１界磁用磁石可動部と、該第１界磁用磁石可動部と同様な構造の第２界磁用磁石可動部と、前記界磁用磁石の内側の磁路を構成し、シャフトに固定された回転子鉄心の継鉄部と、を備え、前記回転子の回転数に応じて前記第１界磁用磁石可動部と前記第２界磁用磁石可動部が前記継鉄部に対して回転方向の位置を変えることを特徴としている。
請求項２記載の発明は回転電機に関するもので、巻線を有する中空の固定子と、該固定子の中空部に配置された請求項１記載の回転子と、を備えてなる回転電機において、前記回転子の回転数に応じて前記第１界磁用磁石可動部と前記第２界磁用磁石可動部が前記継鉄部に対して回転方向の位置を変えることで、固定子の巻線に鎖交する界磁磁束が変化することを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の回転子に関するもので、前記回転子に遠心錘を設け、かつ前記回転子の回転数の増減に伴い前記遠心錘に作用する遠心力の半径方向の力を、前記界磁用磁石が前記継鉄部に対して位置を変える回転方向の力に変換する斜面を前記第１界磁用磁石可動部および第２界磁用磁石可動部に設けたことを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の回転子に関するもので、前記継鉄部が、界磁用磁石の内側の磁路を構成する回転方向に厚みの異なる形状となっており、前記回転子の回転数の低い時は前記継鉄部の厚みの厚い部分が隣合う界磁用磁石の間に位置して磁束が通り易くなっており、回転子の回転数の高い時は前記第１界磁用磁石可動部および前記第２界磁用磁石可動部が回転方向の位置を変え、隣合う界磁用磁石の間に継鉄部の薄い部分が位置して磁束が通りにくくなることを特徴としている。
請求項５記載の発明は、請求項４記載の回転電機に関するもので、前記回転子の回転数が高い時には、前記第１界磁用磁石可動部および第２界磁用磁石可動部が前記継鉄部に対して相反する回転方向に位置を変え、揃っていた第１界磁用磁石可動部および第２界磁用磁石可動部の磁極をずらし、同時に前記磁束を通りにくくすることにより、巻線に鎖交する界磁磁束を減ずることを特徴としている。
請求項６記載の発明は、請求項２又は３記載の回転電機に関するもので、前記界磁用磁石可動部が前記継鉄部に対して、回転子の回転数に応じて自動的に回転方向の位置を変える遠心錘等の遠心機構を、前記界磁用磁石可動部の内側に設けたことを特徴としている。
請求項７記載の発明は、回転電機用回転子に関するもので、界磁用磁石が設置された回転電機用回転子において、前記回転子が、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる界磁用磁石可動部と、前記界磁用磁石の内側の磁路を構成し、シャフトに固定された回転子鉄心の継鉄部と、を備え、前記継鉄部が、界磁用磁石の内側の磁路を構成する回転方向に厚みの異なる形状となっており、かつ前記回転子の回転数に応じて前記界磁用磁石可動部が前記継鉄部に対して回転方向の位置を変えることを特徴としている。

請求項１記載の回転子によると、回転子の回転数に応じて界磁用磁石可動部が回転子鉄心に対して回転方向の相対位置を変えることで、固定子の巻線に鎖交する界磁磁束が簡単に変化するようになり、高回転運転領域でも高効率で作動する回転子を得ることができる。
請求項２記載の回転電機の発明によると、２つの界磁用磁石が回転子の継鉄部に対して回転方向の位置を変えるため広範囲な相対的作動角が容易に得られ、固定子の巻線に鎖交する界磁磁束を０から１００％まで制御することができ、電動機においては電源の電圧に制限を受けることなく回転子を高回転まで駆動することができる。また、発電機においては回転子の回転数に拘わらず、誘起電圧を所望の値に調整することができる。
また、請求項３記載の発明によると、第１と第２の界磁用磁石可動部の２つの斜面で遠心錘の位置を規制しているため、遠心錘を支持する機構を別に設ける必要がなく、構造が簡単で更に遠心錘に作用する遠心力を全て界磁用磁石が継鉄部に対して位置を変える回転方向の力に変換することができ、遠心錘の質量を最小限に設計することができる。
また、請求項４記載の発明によると、回転子の回転数の高い時は隣合う界磁用磁石の間に継鉄部の薄い部分が位置して磁束が通りにくくなるため、界磁用磁石の磁束が減じて鉄損を低減でき、高回転運転領域でも高効率で作動する回転電機を提供することができる。
また、請求項５記載の発明によると、前記回転子の回転数が高い時には、第１と第２の界磁用磁石可動部が継鉄部に対して相反する回転方向に位置を変え、揃っていた第１と第２の界磁用磁石可動部の磁極をずらし、同時に請求項３記載の磁束を通りにくくすることにより、巻線に鎖交する界磁磁束を減じるため、電動機においては電源の電圧に制限を受けることなく回転子を高回転まで高効率で駆動することができる。また、発電機においては回転子の回転数に拘わらず、高効率で誘起電圧を所望の値に調整することができる。
また、請求項６記載の発明によると、回転子の外部に前記機構を設ける必要がないので、従来の界磁用磁石が回転子に固定された回転電機と同等のサイズのまま、高回転まで高効率で作動する回転電機を提供することができる。
また、請求項７記載の発明によると、回転子の回転数に応じて界磁用磁石可動部が回転子鉄心に対して回転方向の相対位置を変え、回転子の回転数の低い時は継鉄部の厚みの厚い部分が隣合う界磁用磁石の間に位置して磁束が通り易くなるのに対して、回転子の回転数の高い時は隣合う界磁用磁石の間に継鉄部の薄い部分が位置して磁束が通りにくくなるので、固定子の巻線に鎖交する界磁磁束が簡単に変化でき、高回転運転領域でも高効率で作動できるようになる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の回転電機の回転子の外観図である。
図において、第１の界磁用磁石可動部１と、第２の界磁用磁石可動部２は、シャフト４に固定された回転子鉄心の継鉄部３ａに対し、回転自在に取り付けられている。図１は回転子の回転数が低い時の状態を表しているので、第１の界磁用磁石可動部と第２の界磁用磁石可動部の界磁用磁石は、同じ極性の磁極が並んだ状態を示している。また、回転子鉄心の継鉄部３ａの厚みの厚い部分が隣合う界磁用磁石の間に位置して磁束が通り易い状態となっている。
図示されていない遠心錘は、遠心錘のピン５を介して戻しバネ６の荷重で内周に引き付けられている。
図２は、本発明の回転電機の遠心錘のある部位での径方向断面図である。また、 図３は本発明の電動機の軸方向断面図である。図４は図１で示した回転子の部品構成図である。
図４において、第１の界磁磁石可動部１と第２の界磁用磁石可動部２は、リベット９、プレート１０、リングプレート１１、積層鉄心１２と、図２及び３に示す積層鉄心１２に埋設された界磁磁石８より構成され、図３に示すシャフト４に軸方向のみ固定される。
プレート１０には、遠心錘７に作用する遠心力等の半径方向の力を、前記界磁用磁石が継鉄部に対して位置を変える回転方向の力に変換する斜面が設置されており、第１と第２の界磁用磁石可動部の２つの斜面で遠心錘の位置を規制する。
図３に示すように第１と第２の界磁磁石可動部を構成するリベットは、リングプレートを介して界磁磁石を埋設した積層鉄心をプレートに固定するために用いられている。
回転子鉄心の継鉄部３ａは、界磁用磁石の内側の磁路を構成する回転方向に厚みの異なる形状となっており、回転子の回転数の低い時は前記継鉄部の厚みの厚い部分が隣合う界磁用磁石の間に位置して磁束が通り易くなっている。
回転子の回転数の高い時は第１界磁用磁石可動部と第２界磁用磁石可動部が回転方向の位置を変え、隣合う界磁用磁石の間に継鉄部の薄い部分が位置して磁束が通りにくくなる。界磁用磁石可動部の積層鉄心１２の内周と固定子鉄心３の外周等、摺動部には潤滑性皮膜材等を用いて摩擦抵抗を低減する。
図２及び図３に示す遠心錘のピン５は、遠心錘７を貫通し軸の両端に戻しバネ６が取り付けられる。遠心錘のピンは図４に示す固定子鉄心の溝３ｂによって、回転方向のみ固定され、径方向には遠心錘に働く遠心力と戻しバネの荷重により決定されるので、遠心錘の質量と戻しバネの荷重特性、斜面の角度等を調整することにより、各々の回転数に対して、遠心錘が外側へ移動して行くタイミングを調整できる。これにより図７において、直線ｂｅの特性を、直線ｂｅの傾きと遠心錘の動きだす回転数ｄの変更のみならず、所望の曲線的特性も実現できることとなる。

図５は、界磁磁石可動部の動作説明図である。
図において、（ａ）、（ｃ）は回転子の回転数が低い時の初期状態を示すものであり、（ｂ）、（ｄ）は回転数が高い時の状態の１例を示すものである。また、（ａ）、（ｂ）は、固定子鉄心の径鉄部に対する第１及び第２の界磁磁石可動部の位置関係を示すものであり、（ｃ）、（ｄ）は、界磁磁石の内周の継鉄部との位置関係による磁束の増減を示すものである。
（ａ）、（ｃ）に対し、（ｂ）、（ｄ）の状態では、第１と第２の界磁用磁石可動部が継鉄部に対して相反する回転方向に位置を変え、揃っていた第１と第２の界磁用磁石可動部の磁極をずらし、同時に磁束を通りにくくすることにより、巻線に鎖交する界磁磁束を減ずる。そのため電動機の誘起電圧を下げるとともに鉄損も低減できるので、回転子を高回転まで高効率で駆動することができるようになる。
なお、この実施例では、同一構造の第１界磁用磁石可動部と第２の界磁用磁石可動部とを互いに背中合わせにして並置させているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば同一構造の第１界磁用磁石可動部と第２の界磁用磁石可動部とを互いに向かい合わせに突き合わせて並置させてもよいし、第１界磁用磁石可動部と第２の界磁用磁石可動部に互いに異なる向きの斜面を設けて、両者を同じ向きに並置させてもよい。

コギングトルク低減の方策として、回転数が低い時の初期状態を示す（ａ）において、初期状態から第１と第２の界磁磁石可動部を適量ずらす場合もある。このことは、第１と第２の界磁磁石可動部に働く磁気的斥力を遠心錘に働く遠心力の補助として利用できる効果もある。
また、図において斜面１０ａの角度は、径方向に対して外側ほど大きな角度となっているが、これは回転数の２乗に比例した遠心錘の遠心力に対して、このようにしないと遠心力と戻しバネの荷重との釣り合い点が無くなり、ある回転数で２つの界磁磁石可動部が一気に動作してしまうためである。
図６は、高回転時の界磁磁石可動部の状態例を示している。この図例では界磁磁石の固定子鉄心に対する相対移動が磁極ピッチ分の角度行われた結果、前記磁束を通りにくくするとともに、巻線に鎖交する界磁磁束が完全に相殺される状態となり、本実施例によれば固定子の巻線に鎖交する界磁磁束を０から１００％まで制御することができる。そのため、電動機においては電源の電圧に制限を受けることなく回転子を高回転まで駆動することができる。
また、発電機においては回転子の回転数に拘わらず、誘起電圧を所望の値に調整することができる。

本発明が特許文献１記載の発明と異なる点は、第１界磁磁石可動部と第２界磁磁石可動部を回転子鉄心の継鉄部に対して相反する回転方向に位置を変えるため、誘起電圧を下げるとともに鉄損も低減できるので、回転子を高回転まで高効率で駆動することができるようになる。
本発明を産業用サーボモータに利用することによって、従来と同じサイズのまま、従来よりも高回転まで高効率で駆動することができるようになり、作業性が向上する。また、車両用電動機として、トルク定数を５倍以上制御できることを利用することによって、変速機構が不要となる。
また、本発明を風力や車両用発電機として利用することによって、回転数に依存せず常に所望の一定の電圧を発電することができるので、ライン電圧やバッテリー電圧に対し、昇降圧装置が不要となる。

本発明の第１実施例を示す回転電機の回転子の斜視図である。 本発明の第１実施例を示す回転電機の軸に対して直角な面で切った断面図である。 本発明の第１実施例を示す回転電機の軸を通る垂直面で切った断面図である。 本発明に係る回転子の分解斜視図である。 本発明に係る界磁磁石可動部の動作を説明する図である。 高回転時の本発明に係る界磁磁石可動部の状態例を示す図である。 誘起電圧の回転数特性図である。 特許文献１中の図１の引用図である。

符号の説明

Ａ 回転子
Ｂ 固定子
Ｃ 回転電機
１ 第１の界磁用磁石可動部
２ 第２の界磁用磁石可動部
３ 回転子鉄心
３ａ 回転子鉄心の継鉄部
３ｂ 回転子鉄心の溝
４ シャフト
５ 遠心錘のピン
６ 戻しバネ
７ 遠心錘
８ 界磁用磁石
９ リベット
１０ プレート
１０ａ 斜面
１１ リングプレート
１２ 積層鉄心

Claims (7)

1. 界磁用磁石が設置された回転電機用回転子において、
   前記回転子は、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１界磁用磁石可動部と、該第１界磁用磁石可動部と同様な構造の第２界磁用磁石可動部と、前記界磁用磁石の内側の磁路を構成し、シャフトに固定された回転子鉄心の継鉄部と、を備え、前記回転子の回転数に応じて前記第１界磁用磁石可動部と前記第２界磁用磁石可動部が前記継鉄部に対して回転方向の位置を変えることを特徴とする回転電機用回転子。
2. 巻線を有する中空の固定子と、該固定子の中空部に配置された請求項１記載の回転子と、を備えてなる回転電機において、
   前記回転子の回転数に応じて前記第１界磁用磁石可動部と前記第２界磁用磁石可動部が前記継鉄部に対して回転方向の位置を変えることで、固定子の巻線に鎖交する界磁磁束が変化することを特徴とする回転電機。
3. 前記回転子に遠心錘を設け、かつ前記回転子の回転数の増減に伴い前記遠心錘に作用する遠心力の半径方向の力を、前記界磁用磁石が前記継鉄部に対して位置を変える回転方向の力に変換する斜面を前記第１界磁用磁石可動部および第２界磁用磁石可動部に設けたことを特徴とする請求項２記載の回転電機。
4. 前記継鉄部は、界磁用磁石の内側の磁路を構成する回転方向に厚みの異なる形状となっており、前記回転子の回転数の低い時は前記継鉄部の厚みの厚い部分が隣合う界磁用磁石の間に位置して磁束が通り易くなっており、回転子の回転数の高い時は前記第１界磁用磁石可動部および前記第２界磁用磁石可動部が回転方向の位置を変え、隣合う界磁用磁石の間に継鉄部の薄い部分が位置して磁束が通りにくくなることを特徴とする請求項２または３記載の回転電機。
5. 前記回転子の回転数が高い時には、前記第１界磁用磁石可動部および第２界磁用磁石可動部が前記継鉄部に対して相反する回転方向に位置を変え、揃っていた第１界磁用磁石可動部および第２界磁用磁石可動部の磁極をずらし、同時に前記磁束を通りにくくすることにより、巻線に鎖交する界磁磁束を減ずることを特徴とする請求項４記載の回転電機。
6. 前記界磁用磁石可動部が前記継鉄部に対して、回転子の回転数に応じて自動的に回転方向の位置を変える遠心錘等の遠心機構を、前記界磁用磁石可動部の内側に設けたことを特徴とする請求項２又は３記載の回転電機。
7. （界磁用磁石可動部１個のみの広いクレームを設けました。）
   界磁用磁石が設置された回転電機用回転子において、前記回転子は、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる界磁用磁石可動部と、前記界磁用磁石の内側の磁路を構成し、シャフトに固定された回転子鉄心の継鉄部と、を備え、
   前記継鉄部は、界磁用磁石の内側の磁路を構成する回転方向に厚みの異なる形状となっており、かつ前記回転子の回転数に応じて前記界磁用磁石可動部が前記継鉄部に対して回転方向の位置を変えることを特徴とする回転電機用回転子。

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