JP2010166744A - 可変特性回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】大トルク、高出力時においても界磁損失が小さく、高効率で定格時間時間の長い可変特性回転電機を提供する。
【解決手段】N極永久磁石5a,6aおよびS極永久磁石5b,6bを円周方向に交互に配列して有した第1ロータ1および第2ロータ2を、永久磁石が向かい合うよう対向配置し、これらロータ間に、該ロータの周回方向へ延在するヨーク8を有した電機子鉄心9および該ヨーク8に巻装した電機子巻線10よりなるステータ7を介在させる。特性の変更に際しては、第1ロータ1および第2ロータ2の周回方向位相制御により、これらロータの界磁磁束が電機子9と鎖交する量を調整して、当該特性の変更が可能となるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、2個のロータ間にステータを介在させた可変特性回転電機に関するものである。

この種の可変特性回転電機としては従来、例えば特許文献1に記載のようなものが知られている。
この可変特性回転電機は、電機子鉄心に電機子巻線を巻装してなるステータの内外周側にそれぞれ、所定の空隙を持たせて内径側ロータおよび外径側ロータを嵌合させ、
これら内径側ロータおよび外径側ロータを一体回転するよう、共通なハブに結合して構成したものである。

そして、ステータ外周と対面する外径側ロータの内周面には、N極の永久磁石とS極の永久磁石とを円周方向に交互に配列して設け、
ステータ内周と対面する内径側ロータの外周面には、磁極を任意に変えられる複数個の電磁石を円周方向に配列して設ける。

かかる回転電機によれば、その特性を以下のように変化させることができる。
内径側ロータの外周面に設けた電磁石に電流を供給しない場合、界磁磁束が、外径側ロータのN極永久磁石から出た界磁磁束が電機子鉄心を経て外径側ロータのS極永久磁石に達する界磁磁束のみとなり、回転電機の特性を、小さな磁束量に対応した特性となし得る。

内径側ロータの外周面に設けた電磁石に、その磁極が外径側ロータの対向する永久磁石と同極となるような向きの電流を供給する場合、界磁磁束が、
外径側ロータのN極永久磁石から出た界磁磁束が電機子鉄心を経て外径側ロータのS極永久磁石に達する界磁磁束だけでなく、
内径側ロータのN極電磁石から出た界磁磁束が電機子鉄心を経て内径側ロータのS極電磁石に達する界磁磁束をも加算されたものとなり、
回転電機の特性を、大きな磁束量に対応した特性となし得る。

内径側ロータの外周面に設けた電磁石に、その磁極が外径側ロータの対向する永久磁石と異極となるような向きの電流を供給する場合、
外径側ロータのN極永久磁石から出た界磁磁束が電機子鉄心を経由せず内径側ロータのS極電磁石に達し、また、
内径側ロータのN極電磁石から出た界磁磁束が電機子鉄心を経由せず外径側ロータのS極永久磁石に達するため、
電機子鉄心を通る界磁磁束が0となって、回転電機の特性を、磁束量＝0に対応した特性となし得る。

特開２００３−１６４１２５号公報

しかし従来のように、内径側ロータの電磁石に通電するか否かにより、また、通電時にどちら方向に通電するかにより回転電機の特性を制御するのでは、
界磁磁束量を調整して回転電機の特性を制御するものでないため、大トルク、高出力時において界磁損失が大きいという問題を生ずると共に、定格時間時間も短いという問題を生ずる。

本発明はかかる問題に鑑み、1ステータ、2ロータの構成を踏襲するものの、従来のように一方のロータに界磁巻線を設けて当該巻線への通電制御により回転電機の特性を制御する方式を止め、
両ロータに永久磁石のような界磁磁極を設け、これらロータの相対回転（位相）制御によって回転電機の特性を制御し得るようになすことで、
大トルク、高出力時においても界磁損失が小さく、高効率で定格時間時間の長い可変特性回転電機を提供することを目的とする。

この目的のため、本発明による可変特性回転電機は、請求項１に記載のごとく、
界磁磁極を有した第1ロータおよび第2ロータを、前記界磁磁極が向かい合うよう対向配置して具え、
これら第1ロータおよび第2ロータ間に、該ロータの周回方向へ延在するヨークを有した電機子鉄心および該ヨークに巻装した電機子巻線よりなるステータを介在させ、
前記第1ロータおよび第2ロータの周回方向位相制御により、これら第1ロータおよび第2ロータの界磁磁束が電機子と鎖交する量を調整可能に構成したことを特徴とするものである。

かかる本発明の可変特性回転電機によれば、界磁磁極を有した第1ロータおよび第2ロータの周回方向位相制御により、これら第1ロータおよび第2ロータの界磁磁束が、ステータの電機子と鎖交する量を調整可能にして、回転電機の特性を制御し得るようになしたため、
界磁磁束量を調整して回転電機の特性を制御することとなり、大トルク、高出力時においても界磁損失が小さく、高効率で定格時間時間の長い可変特性回転電機を実現することができる。

本発明の第1実施例になる可変特性回転電機を示す要部拡大断面図である。 図1の可変特性回転電機を、特性変更状態で示す要部拡大断面図である。 図1の可変特性回転電機におけるステータの電機子鉄心を分解して示し、 (a)は、1個の電機子鉄心ブロックを示す斜視図、 (b)は、1個の電機子鉄心ブロックを、電機子巻線が巻装された状態で示す斜視図、 (c)は、電機子巻線が巻装された数個の電機子鉄心ブロックを組み立てた状態で示す斜視図である。 本発明の第2実施例になる可変特性回転電機の電機子鉄心ブロックを示す斜視図である。 本発明の第3実施例になる可変特性回転電機を示す、図1と同様な要部拡大断面図である。 本発明の第4実施例になる可変特性回転電機を示す、図1と同様な要部拡大断面図である。 図6の可変特性回転電機を、特性変更状態で示す要部拡大断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図示の第1実施例〜第4実施例に基づき詳細に説明する。
＜第1実施例＞
図1〜3は、本発明の第1実施例になる可変特性回転電機を示し、図1は、その要部拡大断面図、図2は、その特性変更状態を示す要部拡大断面図、図3は、図1,2の可変特性回転電機を構成するステータの電機子鉄心を分解して示す斜視図である。

図1,2において、1,2はそれぞれ第1ロータおよび第2ロータを示し、これら第1ロータ1および第2ロータ2はそれぞれ、ベースプレート3,4の一方の面に界磁磁極としての永久磁石5,6を貼設した構成となす。

第1ロータ1のベースプレート3に貼設する永久磁石5は、複数個1組として同一円周上に配列すると共に、N極の永久磁石5aとS極の永久磁石5bとを交互に配列する。
第2ロータ2のベースプレート4に貼設する永久磁石6も、永久磁石5と同数とし、永久磁石5の配列円と同径の同一円周上に配列すると共に、N極の永久磁石6aとS極の永久磁石6bとを交互に配列する。

かかる第1ロータ1および第2ロータ2を、それぞれの永久磁石5,6が相互に向かい合うよう対向配置して、回転自在に支承する。
これら第1ロータ1および第2ロータ2は、相対回転位置を調整可能にすると共に、この調整した相対回転位置を保って一体回転可能となす。

上記した第1ロータ1および第2ロータ2間に、所定の軸線方向エアギャップを持たせてステータ7を介在させる。
このステータ7は、第1ロータ1および第2ロータ2の周回方向へ延在する多数のヨーク8を有した電機子鉄心9、および、該ヨーク8に巻装した電機子巻線10により構成する。

電機子鉄心9は、図3(a)に例示するごとくヨーク8が一体成形されている電機子鉄心ブロック11を多数個、順次図1,2に示すように組み合わせて構成する。
この組み合わせに際しては、図3(a)に示する電機子鉄心ブロック11のヨーク8に、図3(b)のごとく電機子巻線10を巻き付け、かかる電機子鉄心ブロック11を順次、図3(c)のごとく組み合わせて、最終的には電機子鉄心9を図1,2に示すように組み立てる。

上記した本実施例になる可変特性回転電機の作用を以下に説明する。
低回転時のような通常時は、図1に示すごとく第1ロータ1および第2ロータ2を、N極の永久磁石5aとN極の永久磁石6aとが正対し、S極の永久磁石5bとS極の永久磁石6bとが正対するような相対回転位置（同位相）となし、かように調整した相対回転位置（同位相）を保って第1ロータ1および第2ロータ2を一体回転させる。

この場合、第1ロータ1のN極永久磁石5aから出た界磁磁束が、図1に矢印で示すごとく電機子鉄心9のヨーク8を経て第1ロータ1のS極永久磁石5bに達し、
第2ロータ2のN極永久磁石6aから出た界磁磁束が、図1に矢印で示すごとく電機子鉄心9のヨーク8を経て第2ロータ2のS極永久磁石6bに達する。
よって、電機子鉄心9のヨーク8を通る界磁磁束量、つまり第1ロータ1および第2ロータ2の界磁磁束が電機子鉄心9と鎖交する量を最大となし得て、回転電機をこの大きな界磁磁束量に対応した特性で作用させることができる。

そのため、ヨーク8に巻装する電機子巻線10は、ヨーク8に平行な界磁磁束成分を鎖交するよう集中巻きするのがよい。

他方で高回転時は、図2に示すごとく第1ロータ1および第2ロータ2を、N極の永久磁石5aとS極の永久磁石6bとが正対し、S極の永久磁石5bとN極の永久磁石6aとが正対するような相対回転位置（逆位相）となし、かように調整した相対回転位置（逆位相）を保って第1ロータ1および第2ロータ2を一体回転させる。

この場合、第1ロータ1のN極永久磁石5aから出た界磁磁束が、図2に矢印で示すごとく電機子鉄心9のヨーク8を経由することなく第2ロータ2のS極永久磁石6bに達し、
第2ロータ2のN極永久磁石6aから出た界磁磁束が、図2に矢印で示すごとく電機子鉄心9のヨーク8を経由することなく第1ロータ1のS極永久磁石5bに達する。
よって、電機子鉄心9のヨーク8を通る界磁磁束量、つまり第1ロータ1および第2ロータ2の界磁磁束が電機子鉄心9と鎖交する量を最小となし得て、回転電機をこの小さな界磁磁束量に対応した特性で作用させることができる。

なお、第1ロータ1および第2ロータ2の周回方向位相制御は、上記した二者択一的なものに非ず、図1の同位相と図2の逆位相との間で連続的に位相ずれさせる。
つまり低回転時ほど、第1ロータ1および第2ロータ2の同極が向かい合わせ傾向となって、最終的には第1ロータ1および第2ロータ2が図1の相対回転位置となり、
高回転時ほど、第1ロータ1および第2ロータ2の異極が向かい合わせ傾向となって、最終的には第1ロータ1および第2ロータ2が図2の相対回転位置となるようにし、
これにより回転電機の特性を連続的に変化させ得るようになす。

ところで上記した本実施例の可変特性回転電機によれば、界磁磁極5,6を有した第1ロータ1および第2ロータ2の周回方向位相制御により、これら第1ロータ1および第2ロータ2の界磁磁束が、ステータ7の電機子9と鎖交する量を調整可能にして、回転電機の特性を制御し得るようになしたため、
界磁磁束量を調整して回転電機の特性を制御することとなり、大トルク、高出力時においても界磁損失が小さく、高効率で定格時間時間の長い可変特性回転電機を実現することができる。

＜第2実施例＞
図4は、本発明の第2実施例になる可変特性回転電機の要部を示す斜視図である。
本実施例においては、基本的に図1〜3に示す第1実施例と同様な構成を踏襲するが、電機子鉄心9を、特に以下のような構成にする。
つまり、電機子鉄心9を成すブロック11に対し、ヨーク8に巻装された電機子巻線10（図1〜3参照）と鎖交しない箇所において、一方のロータ1(2)から他方のロータ2(1)に向かう界磁磁束磁路の途中に、磁気抵抗を上げるためのスリット21（低透磁率部）を設ける。

かかる構成の本実施例によれば、図1に示す同位相、図2に示す逆位相の何れにおいても、一方のロータ1(2)から他方のロータ2(1)に向かう界磁磁束量が確実に抑制され、回転電機の前記した特性制御を一層確実なものにすることができる。

＜第3実施例＞
図5は、本発明の第3実施例になる可変特性回転電機の要部を、図2と同じ逆位相状態で示す拡大断面図である。
本実施例においても、基本的には図1〜3に示す第1実施例と同様な構成を踏襲するが、電機子鉄心9を、特に以下のような構成にする。
つまり、電機子鉄心9を成すブロック11の、ヨーク8間における箇所に、一方のロータ1(2)から他方のロータ2(1)に向かう矢印で示す界磁磁束磁路の途中に空隙22を形成する。

かかる構成の本実施例によれば、図5に示す逆位相において、一方のロータ1(2)から他方のロータ2(1)に向かう界磁磁束量が確実に抑制され、回転電機の前記した特性制御を一層確実なものにすることができる。

＜第4実施例＞
図6,7はそれぞれ、本発明の第4実施例になる可変特性回転電機の要部を、図1と同様な同位相状態で示す拡大断面図、および、図2と同様な逆位相状態で示す拡大断面図である。
本実施例においても、基本的には図1〜3に示す第1実施例と同様な構成を踏襲するが、電機子巻線10を隣り合うヨーク8間で斜めに巻装する。
つまり、ヨーク8に平行な界磁磁束成分およびヨーク8に直角な界磁磁束成分の双方を鎖交するよう電機子巻線10を集中巻きする。

かかる構成の本実施例によれば、図6に示す同位相状態で巻線係数を1にすることができ、図7に示す逆位相状態で巻線係数を0.5にすることが可能になる。

1 第1ロータ
2 第2ロータ
3,4 ベースプレート
5,6 永久磁石
5a,6a N極永久磁石
5b,6b S極永久磁石
7 ステータ
8 ヨーク
9 電機子鉄心
10 電機子巻線
11 電機子鉄心ブロック
21 スリット（低透磁率部）
22 空隙

Claims (6)

1. 界磁磁極を有した第1ロータおよび第2ロータを、前記界磁磁極が向かい合うよう対向配置して具え、
   これら第1ロータおよび第2ロータ間に、該ロータの周回方向へ延在するヨークを有した電機子鉄心および該ヨークに巻装した電機子巻線よりなるステータを介在させ、
   前記第1ロータおよび第2ロータの周回方向位相制御により、これら第1ロータおよび第2ロータの界磁磁束が電機子と鎖交する量を調整可能に構成したことを特徴とする可変特性回転電機。
2. 請求項1に記載の可変特性回転電機において、
   前記第1ロータおよび第2ロータの周回方向位相制御は、低回転時ほど、これら第1ロータおよび第2ロータの同極が向かい合わせ傾向となり、高回転時ほど、これら第1ロータおよび第2ロータの異極が向かい合わせ傾向となるよう、第1ロータおよび第2ロータを相対回転変位させるものであることを特徴とする可変特性回転電機。
3. 請求項1または2に記載の可変特性回転電機において、
   前記電機子巻線は、前記ヨークに平行な界磁磁束成分を鎖交するよう集中巻きしたものであることを特徴とする可変特性回転電機。
4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の可変特性回転電機において、
   前記電機子鉄心は、前記電機子巻線に鎖交しない箇所において、一方のロータから他方のロータに向かう界磁磁束磁路の途中に、磁気抵抗を上げるための低透磁率部を有したものであることを特徴とする可変特性回転電機。
5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の可変特性回転電機において、
   前記電機子鉄心は、前記ヨーク間において一方のロータから他方のロータに向かう界磁磁束磁路の途中に空隙を有したものであることを特徴とする可変特性回転電機。
6. 請求項1または2に記載の可変特性回転電機において、
   前記電機子巻線は、前記ヨークに平行な界磁磁束成分および該ヨークに直角な界磁磁束成分の双方を鎖交するよう集中巻きしたものであることを特徴とする可変特性回転電機。

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