JP2009219237A - 回転電機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】永久磁石を備えた回転子と電機子コイルを備えた固定子を有する回転電機において、回転子及び固定子の一部を構成する部材であって、永久磁石による磁束及び電機子コイルによる磁束が鎖交する主磁束の磁路となる磁路構成部材と、磁路構成部材に対し、該磁路と交差する方向の応力を付与する応力発生部21とを有する。応力発生部21は、磁路構成部材(ステータコア13)の主磁束磁路に応力を付与し、ロータ12の回転駆動状態に応じて応力を変化させることができ、ロータ12の回転数が高くなる程、応力を大きくする。
【選択図】図1
Description
このようなものとして、例えば、「回転電機用ロータ」(特許文献1参照)がある。この「回転電機用ロータ」は、高回転時の誘導起電力を抑制するために、磁束短絡機構を設けて鎖交磁束を変化させることにより回転電機の特性を変化させている。
この発明の目的は、従来の構成に比べ、簡易、且つ、小型な構成でその特性を変化させることができる回転電機を提供することである。
図1は、この発明の一実施の形態に係る回転電機の説明図である。図1に示すように、永久磁石を用いた回転電機である電動機(永久磁石モータ)10は、固定子(ステータ)11と回転子(ロータ)12を備えており、ステータ11とロータ12の対向面が、ロータ12の中心軸(回転軸)方向に対して平行に配置され、ロータ12とステータ11の間にエアギャップを有している。
ステータ11は、円環状に形成されたステータコア13(磁路構成部材)と、ステータコア13のティース13aに巻き付けられた電機子コイル14を備えており、ロータ12は、円筒状のロータコア15(磁路構成部材)と、ロータコア15の周方向に沿って埋設状態に配列された複数の永久磁石16を備えている。
図3に示すように、電動機10の磁気回路(モータ磁気回路)には、例えば全波整流回路からなる整流回路22が接続されている。整流回路22は、ダイオード23a〜23d、コンデンサ23e、及び保護用抵抗23fを有しており、整流回路22の出力端は、例えば磁歪素子からなる応力発生部21に接続されている。この整流回路22を介して、ステータコア13に設けられた電力取り出し用コイル19から、電動機10の回転数に比例した出力として電力が取り出される。
なお、応力発生部21は、磁歪素子や圧電素子に限らず、例えば油圧等を用いたアクチュエータにより構成しても良い。応力発生部21を、油圧を用いたアクチュエータにより構成する場合、電力取り出し用コイル19は不要である。
また、図5に示すように、電力取り出し用コイル19を用いる場合、電動機10の動作点により任意に整流回路22の接続をオン・オフ(ON/OFF)することができるように、スイッチ24を設けてもよい。
また、図6において、電動機の低回転領域n2では、この発明に係る圧縮応力による磁束制御、即ち、磁気抵抗可変を行った場合bは、従来の弱め磁束制御(a参照)に対しトルクが減少していることを確認することができる。これは、電圧制限の無い低回転領域では、磁束が減少してしまう分、トルクも減少するためである。従って、電動機の低回転域では通常のトルク制御及び必要に応じた弱め界磁制御を、高回転域では磁気抵抗可変制御をするよう切り替えることが望ましい。
このため、圧縮応力下でB−H特性が変化する、即ち、圧縮応力によって透磁率が小さくなって磁束が流れ難くなるという軟磁性コアの、圧縮応力による透磁率変化特性を利用し鎖交磁束を変化させることで、電動機の運転中に特性を変化させ動作範囲を拡大することができる。この結果、簡易かつ小型な構成でモータ特性を変化させることができる。
通常、モータの電源電圧はある上限値を持っており、永久磁石モータの場合には、ロータの回転数が上昇するに伴って電機子コイルに誘起される電圧も上昇する。更に、回転数が上昇し誘起電圧が電源電圧を超える領域では、電機子コイルに通電できなくなり、モータを駆動させることができない。
しかしながら、高回転領域において圧縮応力を付与し透磁率を低下させることにより、磁束が流れ難くなって鎖交磁束を減らすことができるので、誘起電圧の上昇が抑制される。
また、電動機10は、応力発生部21を、主磁束の経路中に配置しており、ステータコア13の主磁束磁路に応力を付与している。
また、電動機10は、応力発生部21を、電機子コイル14とは別に磁路mに設けられた電力取り出し用コイル19により形成し、電力取り出し用コイル19に生じる誘導起電力により駆動している。つまり、電動機10の交番磁界により誘導される起電力を整流して得られた電力を用いて応力発生部21を駆動するので、別途の動力源及び駆動源制御装置を設けることなく、駆動状態(回転数)に応じた応力発生部21へ電力を供給することができる。
これにより、電動機の回転数に相関を持った誘導起電力により磁歪素子の発生応力が得られるので、回転数が増加するに連れて発生応力も増大し、電機子鎖交磁束を抑制するように機能する。つまり、一種のフィードバックループを形成するため、通常の永久磁石同期電動機において一般的に行われる弱め磁束制御に対し、d軸電流の使用量を軽減することができるので、高回転時のトルクを向上させる、即ち、出力範囲を拡大することができる。
このように、簡易な構成で、応力を付与することができる。
また、電機子コイル14とは別に磁路mに設けられたコイルによる誘導起電力を利用し、磁歪素子の発生応力を得ることで、別途の動力源及び駆動源制御装置を有することなく、更に応力制御装置を有することなく、駆動状態(回転数)に応じた応力を付与することができる。
これにより、動作点に応じて磁束抑制のON/OFFを切り替えることができるので、制御性が拡大する。例えば、電源電圧に対して誘起電圧が充分に低い低回転領域においては、回路遮断用スイッチ24をOFFとし、誘起電圧が電源電圧を超える高回転領域(通常、d軸電流を増大させて弱め磁束制御を行う)においては、回路遮断用スイッチ24をONし、鎖交磁束を抑制して誘起電圧を低減させることで、d軸電流を節約しq軸電流を増大させる。この結果、高回転域でのトルクが拡大する。
また、電動機10は、応力が付与されるステータコア13を、軟磁性圧粉体や金属ガラス成形体、軟磁性焼結体等の等方性磁性材料で構成している。
これにより、通常工程による積層鉄心形成時に打ち抜きバリや異物等によって生じる低剛性領域の発生を、予圧を付与することにより回避することができ、低剛性領域の発生による応力逃げが抑制されるので、圧縮応力を効果的に付与することができる。つまり、上述したのと同様に、積層鉄心の初期状態に存在する低剛性領域を予め除去することができるので、効果的に圧縮することができる。
本実施形態においては、ステータコア13のエリア18にロータ回転軸に沿う方向から圧縮応力を付与し、透磁率を低下させ錯交磁束を減少させ、誘起電圧の低減を図っているが、圧縮応力を付与するエリアや、圧縮応力を付与する方向は、この実施形態に限定されるものではなく、少なくとも、図1の磁路mに示されるような錯交磁束の磁路に交差するよう圧縮応力を付与する構成であれば、適宜変更可能であり、本実施形態同様の効果を得られることは言うまでもない。
11 ステータ
12 ロータ
13 ステータコア
13a ティース
14 電機子コイル
15 ロータコア
16 永久磁石
17 第1ステータハウジング
18 エリア
19 電力取り出し用コイル
20 第2ステータハウジング
21 応力発生部
22 整流回路
23a〜23d ダイオード
23e コンデンサ
23f 保護用抵抗
24 スイッチ
m 磁路
Claims (10)
- 永久磁石を備えた回転子と電機子コイルを備えた固定子を有する回転電機において、
前記回転子及び前記固定子の一部を構成する部材であって、前記永久磁石による磁束及び前記電機子コイルによる磁束が鎖交する主磁束の磁路となる磁路構成部材と、
前記磁路構成部材に対し、前記磁路と交差する方向に応力を付与する応力付与手段と、を有することを特徴とする回転電機。 - 前記応力付与手段は、
前記磁路構成部材の主磁束磁路に応力を付与することを特徴とする請求項1に記載の回転電機。 - 前記応力付与手段は、
前記回転子の回転駆動状態に応じて応力を変化させることを特徴とする請求項1または2に記載の回転電機。 - 前記応力付与手段は、
前記回転子の回転数が高くなる程、応力を大きくすることを特徴とする請求項3に記載の回転電機。 - 前記応力付与手段は、
前記磁路構成部材を構成する磁性体の疲労限度よりも小さい応力を付与することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の回転電機。 - 前記応力付与手段は、
前記電機子コイルとは別に、前記磁路に設けたコイルによる誘導起電力により駆動されることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の回転電機。 - 前記応力付与手段は、
前記磁路を挟む前記磁路構成部材の向かい合う端部の、少なくとも一端に配置された磁歪素子と、
前記磁路構成部材と、前記磁歪素子とを挟持して固定する固定部材と、
から構成されることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の回転電機。 - 前記磁路構成部材を、等方性磁性材料により構成することを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の回転電機。
- 前記磁路構成部材を積層鉄心によって構成する場合、前記積層鉄心に、前記応力付与手段により付与する応力値よりも大きな予圧を積層時に予め与えることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の回転電機。
- 前記応力付与手段は、
前記回転子が高回転のときのみ応力を付与することを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の回転電機。
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