JP2007202333A - Rotating electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、回転電機に関し、特に、ロータに永久磁石を用いた回転電機に関する。 The present invention relates to a rotating electrical machine, and more particularly to a rotating electrical machine using a permanent magnet for a rotor.
従来、ロータに永久磁石を用いた回転電機である「永久磁石電動機」(特許文献1参照)が知られている。
図7は、従来の永久磁石電動機の構成を示し、(a)は断面図、(b)は(a)の回転子の一部を示す模式図である。図7(a)に示すように、固定子(ステータ)1の軸心部に回転子(ロータ)2が回転可能に支持されている。回転子2は円弧状
に形成された4個の永久磁石3を埋め込んでなる回転子鉄心で構成されている。この場合、4個の永久磁石3は円弧状に形成された凸側が回転子2の中心側に向けられ、且つ、N極とS極とが円周方向に交互に並ぶように配設されている。また、永久磁石3の凹側である径方向外側が突極鉄心5になっている。そして、これらが4極電動機を構成している。
Conventionally, a “permanent magnet motor” (see Patent Document 1), which is a rotating electrical machine using a permanent magnet as a rotor, is known.
7A and 7B show a configuration of a conventional permanent magnet motor, where FIG. 7A is a cross-sectional view, and FIG. 7B is a schematic diagram showing a part of the rotor of FIG. As shown in FIG. 7A, a rotor (rotor) 2 is rotatably supported on an axial center portion of a stator (stator) 1. The
即ち、図7(a)に示す、永久磁石電動機は、4極の突極鉄心5を有する突極形回転子2と、6個の固定子歯6を有するステータ1とで構成されている。固定子歯6の先端部には回転方向(Dr)側に突出した磁極片8aと、反回転方向側に突出した磁極片8bとが設けられている。これらの磁極片8aと磁極片8bを比較した場合、径方向で見て磁極片8bの厚さが磁極片8aの厚さよりも大きく形成されている。
That is, the permanent magnet motor shown in FIG. 7A includes a
このような、永久磁石3を用いたロータ2と、ロータ2の両面にティースを持つステータ1を有する回転電機においては、ステータ1に対向した側のロータ2の磁石配置をステータ1側が凹となるV字状に配置することにより、ティースが永久磁石3に対向したときの磁気回路による磁気抵抗(d軸磁気抵抗)と、永久磁石3に対向した位置から電気角90°ロータ2が回転したときの磁気抵抗(q軸磁気抵抗)の比が大きくなり、永久磁石3によるトルクに加えてリラクタンストルクを利用することができる利点がある。
しかしながら、上述した、従来の回転子2のティースに対向する側と逆の側は、磁石磁束の短絡のみに使われており(図7(b)、短絡部分s参照)、ロータ2の体積が有効に利用できていなかった。
この発明の目的は、回転子の体積を有効に利用することにより、最大トルクを得ることができる回転電機を提供することである。
However, the side opposite to the side facing the teeth of the
An object of the present invention is to provide a rotating electrical machine capable of obtaining a maximum torque by effectively utilizing the volume of a rotor.
上記目的を達成するため、この発明に係る回転電機は、永久磁石が装着された回転子と、それぞれ前記回転子に対向して突設したティースを有し、互いのティースの位相を所定の略機械角分ずらして配置した2個の固定子とを有している。 In order to achieve the above object, a rotating electrical machine according to the present invention includes a rotor on which a permanent magnet is mounted, and teeth projecting from the rotor, and the phases of the teeth are set to a predetermined approximate amount. And two stators arranged so as to be shifted by the mechanical angle.
この発明によれば、回転電機は、永久磁石が装着された回転子と、それぞれ回転子に対向して突設したティースを有する2個の固定子とを有し、2個の固定子は、互いのティースの位相を所定の略機械角分ずらして配置されている。このため、ロータの体積を有効に利用することにより、最大トルクを得ることができる。 According to the present invention, the rotating electrical machine includes a rotor on which a permanent magnet is mounted, and two stators each having teeth protruding so as to face the rotor. The phases of the teeth are shifted by a predetermined substantially mechanical angle. For this reason, the maximum torque can be obtained by effectively using the volume of the rotor.
以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
図1は、この発明の一実施の形態に係る回転電機のロータ回転軸方向に沿う断面で模式的に示す、ロータとステータの部分展開説明図である。図1に示すように、この回転電機は、1個の回転子(ロータ)10と、ロータ10を両面側から挟み込むように2個の固定子(ステータ)11,12が、アキシャル(軸)方向に対向配置された、例えば、交流同期モータである。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a partially developed explanatory view of a rotor and a stator schematically shown in a cross section along the rotor rotation axis direction of a rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, in this rotating electrical machine, one rotor (rotor) 10 and two stators (stators) 11 and 12 are arranged in the axial direction so as to sandwich the
ロータ10は、円盤状に形成されたロータコア10aと、ロータコア10aに埋設状態に、周方向に沿って略等間隔離間し並置された複数の永久磁石13を有しており、各永久磁石13は、一方のステータ11に対向する側(ロータ10A側)が凹部となるように、V字状(図1参照)或いは円弧状に配置されている。隣接する永久磁石13は、互いに極性が逆(図1、矢印参照)になっており、各永久磁石13の凸部側、即ち、ロータ10の他方のステータ12に対向する側(ロータ10B側)には、ロータ10B側に突極比を持つように空隙aが設けられている。
The
各ステータ11(12)は、円盤状に形成されたステータコア11a(12a)と、ステータコア11a(12a)の周方向に沿い略等間隔離間して並置され、且つ、ロータ10に向けて突設された複数のティース14を有している。各ティース14には、それぞれ電機子巻線を巻回して、U相、V相、W相の各コイル15が形成されている。このコイル15により、各ティース14に磁束を発生させる。
また、2個のステータ11,12は、位相が所定の機械角θm分程ずれるように配置されている(図1参照)。ここで、θm=(π/4−β)/p[rad](0<β<βmax、β:電流位相角、p:極対数)である。そして、ロータ10A側とロータ10B側で略機械角θm分ずれて向かい合う、ステータ11とステータ12の各ティース14に、同相の電流が通電される。
The respective stators 11 (12) are juxtaposed at a substantially equal interval along the circumferential direction of the stator core 11a (12a) formed in a disc shape and the stator core 11a (12a), and project toward the
Further, the two
図2は、図1のロータとステータにおける磁束発生状態を示し、(a)は一方のステータがd軸状態の図1と同様の部分展開説明図、(b)は一方のステータがq軸状態の図1と同様の部分展開説明図である。図2に示すように、V字状に配置した各永久磁石13の凸側のエアギャップ側(ロータ10B側)面に対向するステータ12の、各ティース14のV相について見ると、ステータ12がd軸状態((a)参照)では、磁束が永久磁石13を横切るため磁気抵抗が最も高い状態になり、ステータ12がq軸状態((b)参照)では、磁束が永久磁石13を横切らず磁気抵抗が最も低い状態になる。
2 shows a state of magnetic flux generation in the rotor and stator of FIG. 1, (a) is a partially developed explanatory view similar to FIG. 1 in which one stator is in the d-axis state, and (b) is one stator in the q-axis state. FIG. 2 is a partially developed explanatory view similar to FIG. 1. As shown in FIG. 2, when the V phase of each
このため、ステータ12がd軸状態((a)参照)とq軸状態((b)参照)では、インダクタンスに差ができることになり、蓄えられる磁気エネルギの差からリラクタンストルクを生じさせる。リラクタンストルクが生じることで、ロータ10が回転駆動される。このリラクタンストルクは、マグネットトルクを最大に発生させる電流の位相角に対して、電気角θをπ/4[rad]進めた場合に最大となる。
また、ロータ10を、永久磁石13の凹側のエアギャップに対向する側(ロータ10A側)で見ると、通常の埋込磁石(Interior Permanent Magnet:IPM)型のモータであり、ある電流位相角βで通電した時に最大トルクを得ることができる。
For this reason, when the
Further, when the
図3は、ロータのステータ側が埋込磁石型である場合の、(a)は電流毎の電気位相角と最大トルクの関係をグラフで示す説明図、(b)は図1と同様のロータの回転軸方向に沿う断面で示すロータとステータの部分展開説明図である。図3に示すように、埋込磁石型モータの場合、ロータ10の両側(ロータ10A側及びロータ10B側)で対向するティース14のコイル15を共用しているため、ロータ10A側のステータ11のティース14を、機械角θm分だけずらすことで、電流位相角βの電流Iを通電した場合に、ロータ10B側で最大トルクを得ることができる。ここで、θm=(π/4−β)/p[rad](0<β<βmax、β:電流位相角、p:極対数)であり、特に、最大トルクを増加させる場合は、β=βmaxとする。
3A is an explanatory diagram showing the relationship between the electrical phase angle for each current and the maximum torque in a graph when the stator side of the rotor is an embedded magnet type, and FIG. 3B is a diagram of a rotor similar to FIG. It is a partial expansion explanatory view of a rotor and a stator shown in a section along a rotation axis direction. As shown in FIG. 3, in the case of an embedded magnet type motor, since the
図4は、図1のステータに設けた回転機構の概略説明図である。図4に示すように、2個のステータ11,12は、それぞれケース(図示しない)に固定されている。両ステータ11,12の間にエアギャップを有して配置されたロータ10は、一方のステータ(例えばステータ12)を貫通すると共にベアリング(図示しない)を介して支持された回転軸(シャフト)16により、自転自在に装着されている。ロータ10には、永久磁石(図示しない)が埋設されている。
4 is a schematic explanatory diagram of a rotation mechanism provided in the stator of FIG. As shown in FIG. 4, the two
他方のステータ(例えばステータ11)には、ステータ平面中央に、ステータを周方向に沿って回転することができる、例えば、ボールネジ等の機械的回転機構17を介して回転操作部18が設けられている。この回転操作部18のレバー18aを回転操作することで、他方のステータを機械的に回転することができ、例えばステータ11を、例えばステータ12の電流位相角βに応じ、機械角θm=(π/4−β)/p[rad]だけ機械的に回転させることで、最大のリラクタンストルクを保ちながら運転することができる。
The other stator (for example, the stator 11) is provided with a
この回転操作部18によりステータを機械的に回転して、電流位相角βを変更する場合、よく使う電流値Iに対応する電流位相角βが、電流毎の電気位相角と最大トルクの関係(図3参照)から求められるので、通電する電流値Iに対応する電流位相角βに機械角θmを合わせ、ストッパ手段で固定する。
When the current phase angle β is changed by mechanically rotating the stator by the
図5は、この発明の他の実施の形態に係る回転電機のロータ回転軸方向に沿う断面で示す、ロータとステータの部分展開説明図である。図5に示すように、この例では、各永久磁石13は、V字状或いは円弧状ではなく、ステータ11に対向するロータ平面(ロータ10A)に露出させると共に、その全域を覆うように平面状に隙間無く並べて配置されている。また、各永久磁石13の凸部側に設けた空隙aは、ステータ12に対向するロータ平面(ロータ10B)に露出する矩形状断面の凹部として形成されている。そして、2個のステータ11、12の位相ずれ分である機械角θmが、θm=(π/4)/p[rad](p:極対数)となる。その他の構成及び作用は、図1に示す場合と同様である。
FIG. 5 is a partial development explanatory view of a rotor and a stator, shown in a cross section along the rotor rotation axis direction of a rotating electrical machine according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, in this example, each
このような構成、つまり、ロータ10が表面磁石(Surface Permanent Magnet:SPM)型構造を有することにより、ロータ10B側は突極比がないため、最大トルクを与える電流位相角βは0[rad]であり、ロータ10A側のステータ11のティース14を機械角θm分だけずらすことで、ロータ10A側でも最大トルクを得ることができる。また、永久磁石13の背面は磁束が分岐するため磁束密度の低い部分があるので、その部分に空隙aを設けることにより、ロータ10B側の磁気抵抗を下げることなくロータ10A側のリラクタンストルクを得ることができる。
With such a configuration, that is, since the
つまり、図1に示す埋込磁石(IPM)型の場合、ロータ背面(ロータ10B)側にインダクタンスの差が出るから、ロータ背面側にステータを対向配置しただけでもリラクタンストルクを得ることができる。これに対し、表面磁石(SPM)型の場合、ロータ背面側が段差無く円滑だとリラクタンストルクが得られないので、ロータ背面側に凹部状の空隙aを設けてロータ面を段差形状(図5参照)にすれば、リラクタンストルクを得ることができる。
That is, in the case of the embedded magnet (IPM) type shown in FIG. 1, a difference in inductance is generated on the rotor back surface (
図6は、ステータの他の例をロータ回転軸方向に沿う断面で示す説明図である。図6に示すように、この例では、ステータ19は、ロータ10の外周に略等間隔離間して配置された複数個のステータ構成体20からなり、ステータ構成体20は、ロータ10の外周側からロータ表裏面の略全域を連続して覆う、横向きコ字状断面を有するように形成されている。
FIG. 6 is an explanatory view showing another example of the stator in a cross section along the rotor rotation axis direction. As shown in FIG. 6, in this example, the
各ステータ構成体20は、積層コア又は圧粉材等の磁性材料により形成されており、屈曲部20aには、屈曲部20aの内外周に沿って電機子巻線が巻回されて電機子コイル21が形成されている。各ステータ構成体20の屈曲部20a両側の、ロータ10を挟み込む両側面部20b,20bは、互いに機械角θm分ずらして配置されている。
即ち、各ステータ構成体20は、ロータ両面側に位置するステータティースに磁束を発生させる電機子コイル21を、一箇所に設けることにより、コイル巻回部分からロータ両面側に位置するステータティース迄、磁路を形成している。
Each
That is, each
この結果、ステータ19はコイルを共通利用できることになって、電機子コイル21を、対向配置された各ステータティースに分割して巻回する必要がなく、コイル電流の共通利用が可能になるため、銅損の低減及び銅線のコストを低減することができる。
また、各ステータ構成体20の開口部端面には、ロータ10の表裏面を貫通する回転軸22が、ベアリングを介して回転自在に支持されている。ロータ10には、永久磁石(図示しない)が埋設されている。
As a result, the
Moreover, the rotating
このように、この発明によれば、回転電機は、永久磁石が装着された回転子と、それぞれ回転子に対向して突設したティースを有する2個の固定子とを有し、2個の固定子は、互いのティースの位相を所定の略機械角分ずらして配置されているので、ロータの体積を有効に利用することにより、最大トルクを得ることができる。
なお、上記実施の形態において、回転電機は、ロータとステータがアキシャル方向に対向配置されたアキシャルギャップ型について説明したが、アキシャルギャップ型に限るものではなく、ステータとロータの対向面が、回転軸の中心軸方向に対して平行に配置されているラジアルギャップ型にも適用することができる。
As described above, according to the present invention, the rotating electrical machine includes a rotor on which a permanent magnet is mounted, and two stators each having teeth protruding so as to face the rotor. Since the stators are arranged with the phases of their teeth shifted by a predetermined substantially mechanical angle, the maximum torque can be obtained by effectively using the volume of the rotor.
In the above embodiment, the rotating electrical machine has been described with respect to the axial gap type in which the rotor and the stator are arranged opposite to each other in the axial direction. However, the rotating electric machine is not limited to the axial gap type. The present invention can also be applied to a radial gap type that is arranged in parallel to the central axis direction of the.
10 ロータ
10a ロータコア
11,12,19 ステータ
11a,12a ステータコア
13 永久磁石
14 ティース
15 コイル
16,22 回転軸
17 機械的回転機構
18 回転操作部
18a レバー
20 ステータ構成体
20a 屈曲部
20b 側面部
21 電機子コイル
a 空隙
I 電流値
θm 機械角
β 電流位相角
DESCRIPTION OF
Claims (6)
それぞれ前記回転子に対向して突設したティースを有し、互いのティースの位相を所定の略機械角分ずらして配置した2個の固定子と
を有する回転電機。 A rotor fitted with a permanent magnet;
A rotating electrical machine comprising: two stators each having teeth protruding so as to face the rotor, and having phases shifted from each other by a predetermined substantially mechanical angle.
前記他方の固定子のティースを、前記一方の固定子のティースに対し、固定子周方向に略機械角θm(θm=(π/4−β)/p[rad](0<β<βmax、β:電流位相角、p:極対数))分ずらして配置し、
前記回転子に、前記他方の固定子側に突極比を持つように空隙を設けた請求項1に記載の回転電機。 The permanent magnet is arranged in an embedded magnet type and in a V shape or arc shape in which a portion facing the one stator is a recess,
The teeth of the other stator are set to a mechanical angle θm (θm = (π / 4-β) / p [rad] (0 <β <β max ) in the circumferential direction of the stator with respect to the teeth of the one stator. , Β: current phase angle, p: pole pair number))
The rotating electrical machine according to claim 1, wherein a gap is provided in the rotor so as to have a salient pole ratio on the other stator side.
前記他方の固定子のティースを、前記一方の固定子のティースに対し、固定子周方向に略機械角θm(θm=(π/4)/p[rad](p:極対数))分ずらして配置し、
前記回転子に、前記他方の固定子側に突極比を持つように空隙を設けた請求項1に記載の回転電機。 The permanent magnet is arranged in a surface magnet type and over the entire area facing the one stator,
The teeth of the other stator are shifted from the teeth of the one stator by a mechanical angle θm (θm = (π / 4) / p [rad] (p: number of pole pairs)) in the circumferential direction of the stator. And place
The rotating electrical machine according to claim 1, wherein a gap is provided in the rotor so as to have a salient pole ratio on the other stator side.
6. The rotating electrical machine according to claim 1, wherein the rotating electric machine is an axial gap type AC synchronous motor in which one rotor and two stators are arranged to face each other in the axial direction.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Legal Events
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