JP2011166999A - Rotary electric machine, device for control of the same, and rotary electric machine system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、回転電機及びその制御装置並びに回転電機システムに関する。 The present invention relates to a rotating electrical machine, a control device therefor, and a rotating electrical machine system.
特許文献１は、半速同期電動機を開示する。この電動機は、ブラシを用いない他励界磁型の同期回転電機である。この電動機は、単相交流及び直流電流によって固定子巻線を励磁して、回転子を単相短絡巻線だけを施した構造である。このような構造によって、この電動機は、同期速度の丁度半分の速度で同期トルクを発生する。この電動機は、交流と直流という２つの周波数を用いることで、他励界磁とトルク発生とを両立している。
前述した電動機は、同期速度の半分の速度の同期トルクが発生するので、速度を上げるためには交流周波数を高くしなければならない。 Since the above-described electric motor generates a synchronous torque that is half the synchronous speed, the AC frequency must be increased in order to increase the speed.
しかしながら、交流周波数を高くしては、鉄損が増大してしまうという問題があった。 However, when the AC frequency is increased, there is a problem that iron loss increases.
また、回転子が停止又は極低速で回転しているときには、交流周波数もほぼ直流になるので、誘起電圧が小さくなってしまう。そして回転子の抵抗によって回転子の電流が抑制されてしまうと、同期トルクを発生できないという問題もあった。 In addition, when the rotor is stopped or rotating at an extremely low speed, the AC frequency is substantially DC, so that the induced voltage becomes small. If the rotor current is suppressed by the resistance of the rotor, there is a problem in that synchronous torque cannot be generated.
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、鉄損を増大させることなく、また回転子が停止又は極低速で回転しているときでも同期トルクを発生させることができる回転電機及びその制御装置並びに回転電機システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such a conventional problem, and does not increase iron loss, and generates synchronous torque even when the rotor is stopped or rotating at an extremely low speed. An object of the present invention is to provide a rotating electrical machine, a control device therefor, and a rotating electrical machine system.
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。 The present invention solves the above problems by the following means.
本発明は、回転電機に関する。そして、固定子に配置され所定の極数の第１コイル群と、固定子に配置され第１コイル群の極数とは異なる極数の第２コイル群と、回転子に配置され第１コイル群の極数と同じ極数の第３コイル群と、回転子に配置され第２コイル群の極数と同じ極数であって、各コイルが第３コイル群の各コイルと接続される第４コイル群と、を有することを特徴とする。 The present invention relates to a rotating electrical machine. A first coil group having a predetermined number of poles disposed on the stator, a second coil group having a number of poles different from the number of poles of the first coil group disposed on the stator, and a first coil disposed on the rotor A third coil group having the same number of poles as the number of poles of the group, and a number of poles arranged on the rotor and having the same number of poles as the second coil group, each coil being connected to each coil of the third coil group. 4 coil groups.
本発明によれば、第１コイル群及び第２コイル群によって発生する磁場の極数が異なるので、それぞれに通電する周波数の自由度が高まり、結果として、より鉄損の少ない周波数を選択できるようになるのである。 According to the present invention, since the number of magnetic field poles generated by the first coil group and the second coil group is different, the degree of freedom in the frequency of energizing each increases, and as a result, a frequency with less iron loss can be selected. It becomes.
以下では図面等を参照して本発明を実施するための形態について、さらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による回転電機の第１実施形態を示す断面図であり、全周の１／３(機械角１２０°)を示す。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a rotating electrical machine according to the present invention, showing 1/3 of the entire circumference (mechanical angle 120 °).
回転電機１０は、１ローター１ステーター(１ギャップ)のラジアルギャップ型同期回転電機である。回転電機１０は、外周側に配置された固定子１１と、内周側に配置された回転子１２と、を含む。
The rotating
固定子１１は、全周で６０スロットである。図１では、全周の１／３(機械角１２０°)が示されているので、２０スロットが示されている。 The stator 11 has 60 slots all around. In FIG. 1, 1/3 of the entire circumference (mechanical angle 120 °) is shown, so 20 slots are shown.
固定子１１には、第１コイル群２１と、第２コイル群２２と、が形成される。
A
第１コイル群２１は、Ｕ相コイル線Ｕｏ、Ｖ相コイル線Ｖｏ、Ｗ相コイル線Ｗｏ、Ｒ相コイル線Ｒｏ、Ｓ相コイル線Ｓｏの５相のコイル線によるコイル群である。また本実施形態では、第１コイル群２１は、固定子１１の内周面に開口するスロットに形成される。なお詳細は後述するが、各コイル線は、ピッチが９の短節巻で２層巻ある。このような構造によって第１コイル群２１による極数は６になる。また電流の流れ方向の違いによってプラスマイナスの符号を付した。
The
第２コイル群２２は、Ｕ相コイル線Ｕｉ、Ｖ相コイル線Ｖｉ、Ｗ相コイル線Ｗｉ、Ｒ相コイル線Ｒｉ、Ｓ相コイル線Ｓｉの５相のコイル線によるコイル群である。また本実施形態では、第２コイル群２２は、第１コイル群２１と同様に、固定子１１の内周面に開口するスロットに形成される。なお詳細は後述するが、各コイル線は、ピッチが５の全節巻で単層巻である。このような構造によって第２コイル群２２による極数は１２になる。
The
回転子１２は、全周で３６スロットである。図１では、全周の１／３が示されているので、１２スロットが示されている。
The
回転子１２には、第３コイル群２３と、第４コイル群２４と、が形成される。
A
第３コイル群２３は、Ｕ相コイル線Ｕｏ、Ｖ相コイル線Ｖｏ、Ｗ相コイル線Ｗｏの３相のコイル線によるコイル群である。また本実施形態では、第３コイル群２３は、回転子１２の外周面に開口するスロットに形成される。なお詳細は後述するが、各コイル線は、ピッチが５の短節巻で２層巻である。このような構造によって第３コイル群２３による極数は６になる。
The
第４コイル群２４は、Ｕ相コイル線Ｕｉ、Ｖ相コイル線Ｖｉ、Ｗ相コイル線Ｗｉの３相のコイル線によるコイル群である。また本実施形態では、第４コイル群２４は、第３コイル群２３と同様に、回転子１１の内周面に開口するスロットに形成される。なお詳細は後述するが、各コイル線は、ピッチが３の全節巻で単層巻である。このような構造によって第４コイル群２４による極数は１２になる。
The
図２は、固定子に形成されるコイル群の巻線図であり、図２(Ａ)は第１コイル群の巻線図、図２(Ｂ)は第２コイル群の巻線図である。なお各図においては、煩雑になることを避けるために、Ｕ相コイル線の形成方法を実線で示す。他の相のコイル線も同様に形成する。 FIG. 2 is a winding diagram of a coil group formed on the stator, FIG. 2 (A) is a winding diagram of the first coil group, and FIG. 2 (B) is a winding diagram of the second coil group. . In each figure, in order to avoid complication, the U-phase coil wire forming method is shown by a solid line. The coil wires of other phases are formed in the same manner.
最初に図２(Ａ)を参照して第１コイル群の形成方法について説明する。 First, a method for forming the first coil group will be described with reference to FIG.
図中に四角でティースを示す。ティース間がスロットである。図２(Ａ)では、２１個のティースが示されている。 Teeth are indicated by squares in the figure. Between the teeth is a slot. In FIG. 2 (A), 21 teeth are shown.
第１コイル群２１は、各コイル線のピッチが９であり層数が２である。
In the
第１コイル群２１のＵ相コイル線Ｕｏの１層目は、一番左のスロット１１０１と左から１０番目のスロット１１１０とを通るように巻かれる。そして所定回数巻かれて１層目が形成された後、２層目が形成される。なお図中の矢印は、電流の流れ方向を示す。スロット１１０１では、電流は上方向に流れる。これをＵｏ＋と示した。スロット１１１０では、電流は下方向に流れる。これをＵｏ−と示した。
The first layer of the U-phase coil wire Uo of the
２層目は、左から２番目スロット１１０２と左から１１番目のスロット１１１１とを通るように巻かれる。そして所定回数巻かれて２層目が形成された後、右側も同様に形成される。電流は、スロット１１０２では、上方向に流れる。スロット１１１１では、下方向に流れる。
The second layer is wound so as to pass through the
右側の１層目は、左から１１番目のスロット１１１１と左から２０番目のスロット１１２０とを通るように巻かれる。そして所定回数巻かれて１層目が形成された後、２層目が形成される。電流は、スロット１１１１では、下方向に流れる。スロット１１２０では、上方向に流れる。
The first layer on the right side is wound so as to pass through the
２層目は、左から１２番目スロット１１１２と左から２１番目のスロット１１２１とを通るように巻かれる。そして所定回数巻かれて２層目が形成された後、中性点に繋がれる。電流は、スロット１１１２では、下方向に流れる。スロット１１２１では、上方向に流れる。
The second layer is wound so as to pass through the
Ｕ相コイル線Ｕｏ以外の他の相のコイル線(Ｖ相コイル線Ｖｏ、Ｗ相コイル線Ｗｏ、Ｒ相コイル線Ｒｏ、Ｓ相コイル線Ｓｏ)も同様に形成される。第１コイル群は、このように形成されて極数が６になる。 Coil wires of other phases (V-phase coil wire Vo, W-phase coil wire Wo, R-phase coil wire Ro, S-phase coil wire So) other than the U-phase coil wire Uo are formed in the same manner. The first coil group is formed in this way and has 6 poles.
次に図２(Ｂ)を参照して第２コイル群の形成方法について説明する。 Next, a method for forming the second coil group will be described with reference to FIG.
第２コイル群２２は、各コイル線のピッチが５であり層数が１である。
In the
第２コイル群２２のＵ相コイル線Ｕｉは、一番左のスロット１１０１と左から６番目のスロット１１０６とを通るように巻かれる。そして所定回数巻かれた後、右側でも同様に形成される。電流は、スロット１１０１では、上方向に流れる。スロット１１０６では、下方向に流れる。
The U-phase coil wire Ui of the
右側では、左から１１番目のスロット１１１１と左から１６番目のスロット１１１６とを通るように巻かれる。そして所定回数巻かれた後、中性点に繋がれる。電流は、スロット１１１１では、下方向に流れる。スロット１１１６では、上方向に流れる。
On the right side, it is wound so as to pass through the
Ｕ相コイル線Ｕｉ以外の他の相のコイル線(Ｖ相コイル線Ｖｉ、Ｗ相コイル線Ｗｉ、Ｒ相コイル線Ｒｉ、Ｓ相コイル線Ｓｉ)も同様に形成される。第２コイル群は、このように形成されて極数が１２になる。 Coil wires of other phases (V-phase coil wire Vi, W-phase coil wire Wi, R-phase coil wire Ri, S-phase coil wire Si) other than U-phase coil wire Ui are also formed in the same manner. The second coil group is formed in this way and has 12 poles.
図３は、回転子に形成されるコイル群の巻線図であり、図３(Ａ)は第３コイル群の巻線図、図３(Ｂ)は第４コイル群の巻線図である。なお各図においては、煩雑になることを避けるために、Ｕ相コイル線の形成方法を実線で示す。他の相のコイル線も同様に形成する。 FIG. 3 is a winding diagram of a coil group formed in the rotor, FIG. 3A is a winding diagram of the third coil group, and FIG. 3B is a winding diagram of the fourth coil group. . In each figure, in order to avoid complication, the U-phase coil wire forming method is shown by a solid line. The coil wires of other phases are formed in the same manner.
最初に図３(Ａ)を参照して第３コイル群の形成方法について説明する。 First, a method for forming the third coil group will be described with reference to FIG.
第３コイル群２３は、各コイル線のピッチが５であり層数が２である。
In the
第３コイル群２３のＵ相コイル線Ｕｏの１層目は、一番左のスロット１２０１と左から６番目のスロット１２０６とを通るように巻かれる。そして所定回数巻かれて１層目が形成された後、２層目が形成される。電流は、スロット１２０１では、上方向に流れる。スロット１１１０では、下方向に流れる。
The first layer of the U-phase coil wire Uo of the
２層目は、左から２番目スロット１２０２と左から７番目のスロット１２０７とを通るように巻かれる。そして所定回数巻かれて２層目が形成された後、右側でも同様に形成される。電流は、スロット１２０２では、上方向に流れる。スロット１２０７では、下方向に流れる。
The second layer is wound so as to pass through the
右側の１層目は、左から７番目のスロット１２０７と左から１２番目のスロット１２１２とを通るように巻かれる。そして所定回数巻かれて１層目が形成された後、２層目が形成される。電流は、スロット１２０７では、下方向に流れる。スロット１２１２では、上方向に流れる。
The first layer on the right side is wound so as to pass through the
２層目は、左から８番目スロット１２０８と左から１３番目のスロット１２１３とを通るように巻かれる。そして所定回数巻かれた後、中性点に繋がれる。電流は、スロット１２０８では、下方向に流れる。スロット１２１３では、上方向に流れる。
The second layer is wound so as to pass through the
Ｕ相コイル線Ｕｏ以外の他の相のコイル線(Ｖ相コイル線Ｖｏ、Ｗ相コイル線Ｗｏ)も同様に形成される。第３コイル群は、このように形成されて極数が６になる。 Coil wires of other phases (V-phase coil wire Vo, W-phase coil wire Wo) other than the U-phase coil wire Uo are formed in the same manner. The third coil group is formed in this way and has 6 poles.
次に図３(Ｂ)を参照して第４コイル群の形成方法について説明する。 Next, a method for forming the fourth coil group will be described with reference to FIG.
第４コイル群２４は、各コイル線のピッチが５であり層数が１である。
In the
第４コイル群２４のＵ相コイル線Ｕｉは、一番左のスロット１２０１と左から４番目のスロット１２０４とを通るように巻かれる。そして所定回数巻かれて２層目が形成された後、右側でも同様に形成される。電流は、スロット１２０１では、上方向に流れる。スロット１２０４では、下方向に流れる。
The U-phase coil wire Ui of the
右側では、左から７番目のスロット１２０７と左から１０番目のスロット１２１０とを通るように巻かれる。そして所定回数巻かれた後、中性点に繋がれる。電流は、スロット１２０７では、下方向に流れる。スロット１２１０では、上方向に流れる。
On the right side, the wire is wound so as to pass through the
Ｕ相コイル線Ｕｉ以外の他の相のコイル線(Ｖ相コイル線Ｖｉ、Ｗ相コイル線Ｗｉ)も同様に形成される。第４コイル群は、このように形成されて極数が１２になる。 Coil wires of other phases (V-phase coil wire Vi, W-phase coil wire Wi) other than U-phase coil wire Ui are formed in the same manner. The fourth coil group is formed in this way and has 12 poles.
図４は、各コイル群とインバーターとの結線及び各コイル群間の結線を示す図である。 FIG. 4 is a diagram illustrating the connection between each coil group and the inverter and the connection between each coil group.
回転電機１０は、インバーター５０を介してバッテリー７０に接続される。
The rotating
インバーター５０は、２つの５相電力変換器、すなわち第１電力変換器５１と、第２電力変換器５２と、を含む。
Inverter 50 includes two five-phase power converters, that is, a
第１電力変換器５１は、第１コイル群２１に電力を給電するように、第１コイル群２１に接続される。詳細には、第１電力変換器５１のＵ相交流線が第１コイル群２１のＵ相コイル線Ｕｏに接続される。第１電力変換器５１のＶ相交流線が第１コイル群２１のＶ相コイル線Ｖｏに接続される。第１電力変換器５１のＷ相交流線が第１コイル群２１のＷ相コイル線Ｗｏに接続される。第１電力変換器５１のＲ相交流線が第１コイル群２１のＲ相コイル線Ｒｏに接続される。第１電力変換器５１のＳ相交流線が第１コイル群２１のＳ相コイル線Ｓｏに接続される。
The
第２電力変換器５２は、第２コイル群２２に電力を給電するように、第２コイル群２２に接続される。詳細には、第２電力変換器５２のＵ相交流線が第２コイル群２２のＵ相コイル線Ｕｉに接続される。第２電力変換器５２のＶ相交流線が第２コイル群２２のＶ相コイル線Ｖｉに接続される。第２電力変換器５２のＷ相交流線が第２コイル群２２のＷ相コイル線Ｗｉに接続される。第２電力変換器５２のＲ相交流線が第２コイル群２２のＲ相コイル線Ｒｉに接続される。第２電力変換器５２のＳ相交流線が第２コイル群２２のＳ相コイル線Ｓｉに接続される。
The
第３コイル群２３のＵ相コイル線Ｕｏが、第４コイル群２４のＵ相コイル線Ｕｉに接続される。第３コイル群２３のＶ相コイル線Ｖｏが、第４コイル群２４のＶ相コイル線Ｖｉに接続される。第３コイル群２３のＷ相コイル線Ｗｏが、第４コイル群２４のＷ相コイル線Ｗｉに接続される。
The U-phase coil wire Uo of the
図５は、回転電機の動作点について説明する図である。 FIG. 5 is a diagram for explaining the operating point of the rotating electrical machine.
上述のような構造であると、固定子の第１コイル群への通電によって発生する回転磁場によって、回転子の第３コイル群に電流が誘導される。また固定子の第２コイル群への通電によって発生する回転磁場によって、回転子の第４コイル群に電流が誘導される。 With the structure as described above, a current is induced in the third coil group of the rotor by the rotating magnetic field generated by energizing the first coil group of the stator. Further, a current is induced in the fourth coil group of the rotor by a rotating magnetic field generated by energization of the second coil group of the stator.
横軸に固定子側への通電周波数ｆSTRをとり、縦軸に回転子側の誘導周波数ｆRTRをとると、第１コイル群への通電周波数ｆSTRと第３コイル群の誘導周波数ｆRTRとの相関は、線形になる。また第２コイル群への通電周波数ｆSTRと第４コイル群の誘導周波数ｆRTRとの相関は、線形になる。 When the energization frequency f STR to the stator side is taken on the horizontal axis and the induction frequency f RTR on the rotor side is taken on the vertical axis, the energization frequency f STR to the first coil group and the induction frequency f RTR to the third coil group The correlation with is linear. The correlation between current frequency f STR induction frequency f RTR of the fourth coil group to the second coil group becomes linear.
これについて説明する。 This will be described.
１秒間に回転電機の空間を周方向に波が何ラジアン進むかという波の速度ｖ[rad/s]は、次式で表される。 The wave velocity v [rad / s], which is how many radians the wave travels in the circumferential direction in the space of the rotating electrical machine per second, is expressed by the following equation.
さらに回転子の機械的回転速度ｖMは、式(1)の対極数ｐを１とおいて次式(4)で表される。 Further, the mechanical rotation speed v M of the rotor is represented by the following equation (4), where the counter electrode number p in the equation (1) is 1.
また回転子中での波の速度ｖRTR、固定子中での波の速度ｖSTR、回転子の機械的回転速度ｖM、の間には、次式(5)の関係が成立する。 The relationship of the following equation (5) holds among the wave velocity v RTR in the rotor, the wave velocity v STR in the stator, and the mechanical rotation velocity v M of the rotor.
以上より次式(6)が成立する。 From the above, the following equation (6) is established.
したがって、横軸に固定子側への通電周波数ｆSTRをとり、縦軸に回転子側の誘導周波数ｆRTRをとると、図５に示すように、両者の相関は１本の直線で示される。そして極数を変えると、線が移動する。極数が小さい方が原点に近い。 Therefore, when the energization frequency f STR on the stator side is taken on the horizontal axis and the induction frequency f RTR on the rotor side is taken on the vertical axis, the correlation between the two is shown by a single straight line as shown in FIG. . When the number of poles is changed, the line moves. The smaller number of poles is closer to the origin.
本実施形態の回転電機は、第１コイル群及び第３コイル群が６極(対極数３)であり、第２コイル群及び第４コイル群が１２極(対極数６)である。そのため図６(Ｂ)のように、６極による線Ｌ６と１２極による線Ｌ１２とが存在することとなる。 In the rotating electrical machine of the present embodiment, the first coil group and the third coil group have 6 poles (counter electrode number 3), and the second coil group and the fourth coil group have 12 poles (counter electrode number 6). Therefore, as shown in FIG. 6B, a line L6 with 6 poles and a line L12 with 12 poles exist.
そして、固定子の第１コイル群への通電によって発生する回転磁場によって、回転子の第３コイル群に誘導される電流の周波数と、固定子の第２コイル群への通電によって発生する回転磁場によって、回転子の第４コイル群に誘導される電流の周波数と、が等しいときに、回転トルクが発生可能になる。図６(Ｂ)では、第３コイル群に誘導される電流の周波数及び第４コイル群に誘導される電流の周波数を−２ｆMにしている。このとき給電する周波数は、第１コイル群でｆMであり、第２コイル群で４ｆMである。通常の同期回転電機や直流回転電機による等鉄損円が、図６(Ｂ)に一点鎖線で示されているが、本実施形態の回転電機の動作点は、この等鉄損円の内側に存在する。したがって、通常の同期回転電機や直流回転電機に比較して鉄損が小さいことが判る。 The frequency of the current induced in the third coil group of the rotor by the rotating magnetic field generated by energizing the first coil group of the stator and the rotating magnetic field generated by energizing the second coil group of the stator Thus, when the frequency of the current induced in the fourth coil group of the rotor is equal, rotational torque can be generated. In FIG. 6B, the frequency of the current induced in the third coil group and the frequency of the current induced in the fourth coil group are set to −2f M. Frequency to power at this time is f M in the first coil group, a 4f M in the second coil group. An equivalent iron loss circle by a normal synchronous rotating electric machine or a DC rotating electric machine is shown by a one-dot chain line in FIG. 6B, but the operating point of the rotating electric machine of the present embodiment is located inside this equal iron loss circle. Exists. Therefore, it can be seen that the iron loss is smaller than that of a normal synchronous rotating electric machine or a DC rotating electric machine.
このように、本実施形態の構成によれば、第１コイル群及び第２コイル群によって発生する磁場の極数が異なるため、それぞれに通電する周波数の自由度が高まり、結果として、より鉄損の少ない周波数を選択できるようになったのである。 As described above, according to the configuration of the present embodiment, the number of magnetic field poles generated by the first coil group and the second coil group is different, so that the degree of freedom in the frequency of energizing each increases, resulting in more iron loss. It is now possible to select frequencies with less.
また、第１コイル群及び第２コイル群に通電する周波数はそれぞれ選択可能であるので、第３コイル群及び第４コイル群の周波数が常に交流となるよう設定することができるため、極低速時の同期トルクが発生可能になる。 Moreover, since the frequency which supplies with electricity to the 1st coil group and the 2nd coil group can be selected, respectively, the frequency of the 3rd coil group and the 4th coil group can be set so as to be always an alternating current. The synchronous torque can be generated.
さらに本実施形態では、第１コイル群及び第２コイル群を同じ固定子スロットルに形成している。また第３コイル群及び第４コイル群を同じ回転子スロットルに形成している。このように構成することで、別々の回転子スロットに巻くよりも小形化できる。そして極数の少ないコイル郡(本実施形態では第１スロットル群，第３スロットル群)を、スロットの奥側に配置することで、比較的漏れ磁束を低減することが可能である。 Furthermore, in this embodiment, the first coil group and the second coil group are formed on the same stator throttle. The third coil group and the fourth coil group are formed on the same rotor throttle. With this configuration, the size can be reduced as compared with winding in separate rotor slots. Further, by arranging the coil group having a small number of poles (in the present embodiment, the first throttle group and the third throttle group) on the back side of the slot, it is possible to relatively reduce the leakage magnetic flux.
また本実施形態では、ギャップ面が１つなので、２つの回転磁場が重なりあうことになるが、１ロータ１ステータの構成とすることで、さらなる小形化が可能となる。 Moreover, in this embodiment, since there is one gap surface, two rotating magnetic fields overlap each other. However, the configuration of one rotor and one stator enables further downsizing.
図７は、本実施形態の回転電機を用いる回転電機システムについて説明する図であり、図７(Ａ)は本実施形態を示し、図７(Ｂ)は比較形態を示す。 FIG. 7 is a diagram for explaining a rotating electrical machine system using the rotating electrical machine of the present embodiment. FIG. 7A shows this embodiment, and FIG. 7B shows a comparative embodiment.
また本実施形態の回転電機を使用すれば、図７(Ａ)に示すような回転電機システムを構築することができる。この回転電機システムは、第２コイル群２２と第２電力変換器５２との間に、切替スイッチ９０が設けられる。この切替スイッチ９０は、第２コイル群への通電に用いる電源を、第１コイル群と同系統のバッテリー電源とするか別系統電源かを切り替える。
If the rotating electrical machine of this embodiment is used, a rotating electrical machine system as shown in FIG. 7A can be constructed. In this rotating electrical machine system, a
このような構成にすれば、同系統電源に切り替えると、たとえば１つのバッテリー７０による回転電機の駆動が可能である。また別系統電源に切り替えて、たとえば１つのコイル群(本実施形態では第１コイル群)をバッテリー系統に接続し、もう一つのコイル群(本実施形態では第２コイル群)を電力系統に接続することで、本回転電機を絶縁トランスとした充電システムを構築できる。すなわち図７(Ｂ)の比較形態では、充電用回路が必要であったが、本実施形態によれば不要である。
With such a configuration, when the power supply is switched to the same power source, for example, the rotating electrical machine can be driven by one
（第２実施形態）
図８は、本発明による同期回転電機の第２実施形態による動作点を示す図である。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a diagram showing operating points according to the second embodiment of the synchronous rotating electrical machine of the present invention.
軸方向に複数分割した分割面の間又は軸端部に、極数がゼロとなるリング状の巻線を施すことで、第１コイル群及び第３コイル群の極数、又は、第２コイル群及び第４コイル群の極数をゼロにすることができる。このようにすることで、図８のような動作点にすることもできる。 The number of poles of the first coil group and the third coil group, or the second coil can be obtained by applying ring-shaped windings with zero poles between the divided surfaces divided in the axial direction or between the axial ends. The number of poles of the group and the fourth coil group can be made zero. In this way, the operating point as shown in FIG. 8 can be obtained.
図８では、第１コイル群及び第３コイル群がゼロ極の場合である。第２コイル群及び第４コイル群が１２極である。そして図８に示すように、第３コイル群の回転子中での波の振動周波数と第４コイル群の回転子中での波の振動周波数とを等しくすることで回転トルクを発生可能になる。図８では振動周波数を−２ｆMにしている。このとき第１コイル群の固定子中での波の振動周波数は−２ｆMであり、第２コイル群の固定子中での波の振動周波数は４ｆMである。そして本実施形態のようにリング状の巻線を施すことは構造が複雑化しない。したがって回転電機の小形化が可能である。 FIG. 8 shows a case where the first coil group and the third coil group have zero poles. The second coil group and the fourth coil group have 12 poles. And as shown in FIG. 8, it becomes possible to generate rotational torque by making the vibration frequency of the wave in the rotor of the third coil group equal to the vibration frequency of the wave in the rotor of the fourth coil group. . In FIG. 8 the vibration frequency is in -2f M. At this time, the vibration frequency of the wave in the stator of the first coil group is −2 f M , and the vibration frequency of the wave in the stator of the second coil group is 4 f M. The structure is not complicated by applying the ring-shaped winding as in this embodiment. Therefore, it is possible to reduce the size of the rotating electrical machine.
（第３実施形態）
図９は、本発明による同期回転電機の第３実施形態による動作点を示す図である。
(Third embodiment)
FIG. 9 is a diagram showing operating points according to the third embodiment of the synchronous rotating electrical machine of the present invention.
第１コイル群又は第２コイル群の通電周波数を、回転電機の運転に応じてゼロに切り替えると、図９のような動作点にすることもできる。 When the energization frequency of the first coil group or the second coil group is switched to zero according to the operation of the rotating electrical machine, the operating point as shown in FIG. 9 can be obtained.
図９では、第１コイル群の通電周波数がゼロの場合である。なお極数は、第１コイル群及び第３コイル群が６極である。第２コイル群及び第４コイル群が１２極である。そして図９に示すように、第３コイル群の回転子中での波の振動周波数と第４コイル群の回転子中での波の振動周波数とを等しくすることで回転トルクを発生可能になる。図９では振動周波数を−３ｆMにしている。このとき第１コイル群の固定子中での波の振動周波数はゼロであり、第２コイル群の固定子中での波の振動周波数は３ｆMである。そして通電周波数をゼロにすることで、インバーター損失を低減することが可能であり、また、別の直流電源を用いれば、やはりインバーター損失を低減することが可能である。 FIG. 9 shows a case where the energization frequency of the first coil group is zero. The number of poles is 6 for the first coil group and the third coil group. The second coil group and the fourth coil group have 12 poles. And as shown in FIG. 9, it becomes possible to generate rotational torque by making the vibration frequency of the wave in the rotor of the third coil group equal to the vibration frequency of the wave in the rotor of the fourth coil group. . 9 the vibration frequency is in -3f M. Oscillation frequency of the wave in the stator of the first coil group this time is zero, the oscillation frequency of the wave in the second in the coil groups of the stator are 3f M. By making the energization frequency zero, it is possible to reduce inverter loss, and if another DC power source is used, it is also possible to reduce inverter loss.
なお通電周波数ゼロのコイル群の代用として、固定子に配置された磁石群を用いてもよい。このようにすれば、直流磁場を形成するのに電源が不要になり、かつ直流電流によって発生する銅損をなくすことが可能となる。 Note that a magnet group disposed on the stator may be used as a substitute for the coil group with zero energization frequency. In this way, a power source is not required to form a DC magnetic field, and copper loss caused by a DC current can be eliminated.
（第４実施形態）
図１０は、本発明による同期回転電機の第４実施形態による動作点を示す図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 10 is a diagram showing operating points according to the fourth embodiment of the synchronous rotating electrical machine of the present invention.
上記の実施形態では、第３コイル群の回転子中での波の振動周波数と第４コイル群の回転子中での波の振動周波数とを等しくすることで回転トルクを発生可能にしていたが、本実施形態では、第１コイル群の通電周波数と第２コイル群の通電周波数とを等しくすることで、回転トルクを発生可能にする。図１０では第１コイル群の通電周波数と第２コイル群の通電周波数とを４ｆMにしている。このとき第３コイル群の回転子中での波の振動周波数は２ｆMであり、第４コイル群の回転子中での波の振動周波数は−２ｆMである。 In the above embodiment, the rotation frequency can be generated by making the vibration frequency of the wave in the rotor of the third coil group equal to the vibration frequency of the wave in the rotor of the fourth coil group. In this embodiment, by making the energization frequency of the first coil group equal to the energization frequency of the second coil group, it is possible to generate rotational torque. In Figure 10 is energizing frequency of the first coil group and the energization frequency of the second coil group to 4f M. Oscillation frequency of the wave in the rotor of the third coil group this time is 2f M, the vibration frequency of the wave in the fourth in the coil group of the rotor is -2f M.
そして、このようにすれば、１つの電力変換器又は１つの交流電源を、トランスやカップリングコンデンサーなどを介して電力を分割し、分割後の２つの電力を、第１コイル群及び第２コイル群に通電することが可能となる。したがって本実施形態によれば、通常２つ必要な電力変換器又は交流電源が１つですむのである。 And if it does in this way, one power converter or one alternating current power supply will divide electric power via a transformer, a coupling capacitor, etc., and the two electric power after division will be divided into the 1st coil group and the 2nd coil. It becomes possible to energize the group. Therefore, according to the present embodiment, normally only two power converters or AC power supplies are required.
また第１コイル群及び第２コイル群を、直列(直巻)、または並列(分巻)、またはその混合(複巻)として接続することで、１つの電力変換器又は１つの交流電源からの電力を、第１コイル群及び第２コイル群にそのまま通電できるので、さらに小型化が可能となる。 Further, by connecting the first coil group and the second coil group in series (series winding), parallel (divided winding), or a mixture thereof (compound winding), it is possible to receive power from one power converter or one AC power source. Since electric power can be passed through the first coil group and the second coil group as they are, further downsizing is possible.
（第５実施形態）
図１１は、本発明による同期回転電機の第５実施形態による結線図であり、図１１(Ａ)は各コイル群とインバーターとの結線及び各コイル群間の結線を示し、図１１(Ｂ)は図１１(Ａ)の第３コイル群及び第４コイル群の結線の模式図である。図１１(Ｃ−１)及び図１１(Ｃ−２)は変更形態を例示する図である。
(Fifth embodiment)
FIG. 11 is a connection diagram according to the fifth embodiment of the synchronous rotating electrical machine of the present invention. FIG. 11 (A) shows the connection between each coil group and the inverter and the connection between each coil group. These are the schematic diagrams of the connection of the 3rd coil group of FIG. 11 (A), and the 4th coil group. FIG. 11 (C-1) and FIG. 11 (C-2) are diagrams illustrating a modified form.
本実施形態のポイントは、第３コイル群及び第４コイル群の間にコンデンサーを介する点である。図１１(Ａ)，図１１(Ｂ)では、コンデンサーＣを直列に接続している。なお変形形態として図１１(Ｃ−１)に示すようにコンデンサーＣを並列に接続したり、図１１(Ｃ−２)に示すようにコンデンサーＣ１及びコンデンサーＣ２を直列及び並列に接続してもよい。 The point of this embodiment is that a capacitor is interposed between the third coil group and the fourth coil group. In FIG. 11 (A) and FIG. 11 (B), the capacitor C is connected in series. As a modification, the capacitor C may be connected in parallel as shown in FIG. 11 (C-1), or the capacitor C1 and the capacitor C2 may be connected in series and in parallel as shown in FIG. 11 (C-2). .
本実施形態のように、コンデンサーＣを介して第３コイル群及び第４コイル群を接続すれば、コイルの自己インダクタンスによるインピーダンスを、コンデンサーによって打ち消したり高めたりすることが可能となり、周波数によってトルクや力率を調整できる。特にコイルに直列接続した場合には、インピーダンスを打ち消すことが可能となるので、トルクアップや力率改善の効果が大きい。 If the third coil group and the fourth coil group are connected via the capacitor C as in the present embodiment, the impedance due to the self-inductance of the coil can be canceled or increased by the capacitor, and torque or The power factor can be adjusted. In particular, when the coils are connected in series, the impedance can be canceled out, so that the effects of torque increase and power factor improvement are great.
（第６実施形態）
図１２は、本発明による同期回転電機の第６実施形態について説明する図であり、図１２(Ａ)は比較形態の回転子の断面図、図１２(Ｂ)は本実施形態の回転子の断面図である。
(Sixth embodiment)
FIG. 12 is a diagram for explaining a sixth embodiment of a synchronous rotating electrical machine according to the present invention. FIG. 12 (A) is a sectional view of a rotor of a comparative embodiment, and FIG. It is sectional drawing.
本実施形態では、回転子１２のスロットを不等ピッチ、不等スロット幅としている。より詳細には、高電流低磁束部位では、スロット幅を大きくし、逆に、低電流高磁束部位では、スロット幅を狭くしている。
In this embodiment, the slots of the
本件発明者の解析によれば、回転子の電流及び磁束の密度に分布があることが知見された。本実施形態のように、高電流低磁束部位では、スロット幅を大きくし、逆に、低電流高磁束部位では、スロット幅を狭くすることで、回転子の電流及び磁束の密度を平均化することができ、局部的に密度の高い部分がなくなることで、鉄損及び銅損を低減することができるのである。 According to the analysis of the present inventors, it has been found that there is a distribution in the current and magnetic flux density of the rotor. As in the present embodiment, the slot width is increased in the high current / low magnetic flux region, and conversely, in the low current / high magnetic flux region, the slot width is decreased to average the current and magnetic flux density of the rotor. It is possible to reduce the iron loss and the copper loss by eliminating the locally high density portion.
（第７実施形態）
図１３は、本発明による回転電機の第７実施形態を示す断面図である。
(Seventh embodiment)
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a seventh embodiment of the rotating electrical machine according to the present invention.
本実施形態の回転電機１０は、１ローター２ステーター(２ギャップ)のラジアルギャップ型同期回転電機である。回転電機１０は、回転子１２と、回転子１２の外周側に配置される外周側固定子１１１と、回転子１２の内周側に配置される内周側固定子１１２と、を含む。
The rotating
外周側固定子１１１は、内周面にスロットが形成され、そのスロットに第１コイル群２１が形成されている。
The outer
内周側固定子１１２は、外周面にスロットが形成され、そのスロットに第２コイル群２２が形成されている。
The inner
回転子１２は、外周面及び内周面にスロットが形成される。外周面のスロットには第３コイル群２３が形成される。内周面のスロットには第４コイル群２４が形成される。
The
本実施形態では、２つの固定子１１１，１１２を回転子１２の外周側、内周側に配置するので、回転電機としての体積効率をアップできる。
In the present embodiment, since the two
なおこの場合において、図１３とは反対に、極数の少ないコイル群(本実施形態では第１コイル群及び第３コイル群)を内周側に配置することで、内周側と外周側の電気装価、磁気装価のバランスをとりやすくなり、さらなる小型化が可能となる。 In this case, contrary to FIG. 13, the coil groups with a small number of poles (in this embodiment, the first coil group and the third coil group) are arranged on the inner peripheral side, so that the inner peripheral side and the outer peripheral side are arranged. It becomes easier to balance electrical and magnetic charges, and further miniaturization becomes possible.
（第８実施形態）
図１４は、本発明による回転電機の第８実施形態を示す断面図である。
(Eighth embodiment)
FIG. 14 is a sectional view showing an eighth embodiment of the rotating electrical machine according to the present invention.
本実施形態の回転電機１０は、回転子１２と、回転子１２に並んで配置される軸前側固定子１１１と、回転子１２を挟んで軸前側固定子１１１と反対側に配置される軸後側固定子１１２と、を含む。
The rotating
軸前側固定子１１１は、回転子１２に対向する面にスロットが形成され、そのスロットに第１コイル群２１が形成されている。
The front
軸後側固定子１１２は、回転子１２に対向する面にスロットが形成され、そのスロットに第２コイル群２２が形成されている。
The rear shaft-
回転子１２は、軸前側固定子１１１に対向する面及び軸後側固定子１１２に対向する面にスロットが形成される。そして軸前側固定子１１１に対向する面のスロットには第３コイル群２３が形成される。軸後側固定子１１２に対向する面のスロットには第４コイル群２４が形成される。
The
回転電機１０は、このように１ローター２ステーター(２ギャップ)のアキシャルギャップ型同期回転電機であってもよい。このようにしても上記と同様の効果を得ることができる。
The rotary
（第９実施形態）
図１５は、本発明による回転電機の第９実施形態を示す図であり、図１５(Ａ)は斜視図、図１５(Ｂ)は図１５(Ａ)のＢ−Ｂ断面図、図１５(Ｃ)は図１５(Ａ)のＣ−Ｃ断面図である。
(Ninth embodiment)
FIG. 15 is a view showing a ninth embodiment of the rotating electrical machine according to the present invention, FIG. 15 (A) is a perspective view, FIG. 15 (B) is a cross-sectional view along BB of FIG. (C) is CC sectional drawing of FIG. 15 (A).
本実施形態の回転電機１０は、回転子１２と、回転子１２の外周側に配置される外周軸前側固定子１１１と、回転子１２の外周側であって外周軸前側固定子１１１に並んで配置される外周軸後側定子１１２と、を含む。
The rotating
回転子１２は、外周軸前側固定子１１１に対向する外周面及び外周軸後側定子１１２に対向する外周面にスロットが形成される。そして外周軸前側固定子１１１に対向する外周面のスロットには第３コイル群２３が形成される。外周軸後側定子１１２に対向する面のスロットには第４コイル群２４が形成される。
The
外周軸前側固定子１１１は、第３コイル群２３に対向する内周面にスロットが形成され、そのスロットに第１コイル群２１が形成されている。
The outer peripheral shaft
外周軸後側定子１１２は、第４コイル群２４に対向する内周面にスロットが形成され、そのスロットに第２コイル群２２が形成されている。
The outer shaft rear-
回転電機１０は、このように１ローター２ステーター(２ギャップ)のラジアルギャップ型同期回転電機であってもよい。このようにしても上記と同様の効果を得ることができる。
The rotary
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。 Without being limited to the embodiments described above, various modifications and changes are possible within the scope of the technical idea, and it is obvious that these are also included in the technical scope of the present invention.
たとえば、極数の条件を満たしさえすれば、相数，スロット数，巻線ピッチ，巻線層数などは適宜設定してよい。 For example, as long as the condition of the number of poles is satisfied, the number of phases, the number of slots, the winding pitch, the number of winding layers, etc. may be set as appropriate.
１０ 回転電機
１１，１１１，１１２ 固定子
１２ 回転子
２１ 第１コイル群
２２ 第２コイル群
２３ 第３コイル群
２４ 第４コイル群
DESCRIPTION OF
Claims (17)
固定子に配置され、前記第１コイル群の極数とは異なる極数の第２コイル群と、
回転子に配置され、前記第１コイル群の極数と同じ極数の第３コイル群と、
回転子に配置され、前記第２コイル群の極数と同じ極数であって、各コイルが前記第３コイル群の各コイルと接続される第４コイル群と、
を有する回転電機。 A first coil group disposed on the stator and having a predetermined number of poles;
A second coil group disposed on the stator and having a number of poles different from the number of poles of the first coil group;
A third coil group disposed on the rotor and having the same number of poles as the first coil group;
A fourth coil group disposed on the rotor and having the same number of poles as the second coil group, each coil being connected to each coil of the third coil group;
Rotating electric machine having
固定子及び回転子は、ひとつである、
ことを特徴とする回転電機。 In the rotating electrical machine according to claim 1,
The stator and rotor are one,
Rotating electric machine characterized by that.
前記第１コイル群及び前記第２コイル群は、固定子の同一のスロットに配置され、
前記第３コイル群及び前記第４コイル群は、回転子の同一のスロットに配置される、
ことを特徴とする回転電機。 The rotating electrical machine according to claim 2,
The first coil group and the second coil group are disposed in the same slot of the stator,
The third coil group and the fourth coil group are disposed in the same slot of the rotor,
Rotating electric machine characterized by that.
固定子は、ふたつであり、
回転子は、ひとつである
ことを特徴とする回転電機。 In the rotating electrical machine according to claim 1,
There are two stators,
A rotating electric machine characterized by having one rotor.
前記第１コイル群及び前記第２コイル群は、異なる固定子に配置され、
前記第３コイル群及び前記第４コイル群は、回転子の異なるスロットに配置される、
ことを特徴とする回転電機。 In the rotating electrical machine according to claim 4,
The first coil group and the second coil group are arranged on different stators,
The third coil group and the fourth coil group are disposed in different slots of the rotor,
Rotating electric machine characterized by that.
前記固定子は、
前記回転子の外周側に配置される外周側固定子と、
前記回転子の内周側に配置される内周側固定子と、
を含むことを特徴とする回転電機。 In the rotating electrical machine according to claim 4 or 5,
The stator is
An outer circumferential stator disposed on the outer circumferential side of the rotor;
An inner circumferential stator disposed on the inner circumferential side of the rotor;
A rotating electrical machine.
前記第１コイル群及び前記第２コイル群のうち、極数の多いコイル群が前記外側固定子に配置され、極数の少ないコイル群が前記内側固定子に配置される、
ことを特徴とする回転電機。 In the rotating electrical machine according to claim 6,
Of the first coil group and the second coil group, a coil group with a large number of poles is disposed on the outer stator, and a coil group with a small number of poles is disposed on the inner stator,
Rotating electric machine characterized by that.
前記固定子は、
前記回転子に並んで配置される軸前側固定子と、
前記回転子を挟んで軸前側固定子と反対側に配置される軸後側固定子と、
を含むことを特徴とする回転電機。 In the rotating electrical machine according to claim 4 or 5,
The stator is
A front shaft side stator arranged side by side with the rotor;
A rear shaft side stator disposed on the opposite side of the front shaft side stator across the rotor,
A rotating electrical machine.
前記固定子は、
前記回転子の外周側に配置される外周軸前側固定子と、
前記回転子の外周側であって前記外周軸前側固定子に並んで配置される外周軸後側固定子と、
を含むことを特徴とする回転電機。 In the rotating electrical machine according to claim 4 or 5,
The stator is
An outer peripheral shaft front side stator disposed on the outer peripheral side of the rotor;
An outer peripheral shaft rear side stator arranged on the outer peripheral side of the rotor and aligned with the outer peripheral shaft front side stator;
A rotating electrical machine.
前記第１コイル群及び前記第３コイル群は極数がゼロ、又は、前記第２コイル群及び前記第４コイル群は極数がゼロである、
ことを特徴とする回転電機。 The rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 9,
The first coil group and the third coil group have zero poles, or the second coil group and the fourth coil group have zero poles,
Rotating electric machine characterized by that.
前記第３コイル群の各コイル及び前記第４コイル群の各コイルに対して、直列、並列又はそれらの混合に接続されるコンデンサーをさらに有する、
ことを特徴とする回転電機。 In the rotary electric machine according to any one of claims 1 to 10,
For each coil of the third coil group and each coil of the fourth coil group, it further has a capacitor connected in series, in parallel or a mixture thereof.
Rotating electric machine characterized by that.
前記回転子は、高電流低磁束部位ではスロット幅が大きく、低電流低磁束部位ではスロット幅が小さい、
ことを特徴とする回転電機。 The rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 11,
The rotor has a large slot width at a high current low magnetic flux region and a small slot width at a low current low magnetic flux region.
Rotating electric machine characterized by that.
前記第１コイル群及び前記第２コイル群は、直列、並列又はそれらの混合に接続される、
ことを特徴とする回転電機。 The rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 12,
The first coil group and the second coil group are connected in series, in parallel or a mixture thereof.
Rotating electric machine characterized by that.
前記第１コイル群への通電によって発生する回転磁場が前記第３コイルに誘導する電圧の周波数と、前記第２コイル群への通電によって発生する回転磁場が前記第４コイルに誘導する電圧の周波数と、が等しくなるように、前記第１コイル群及び前記第２コイル群に通電する周波数を制御する、
ことを特徴とする回転電機の制御装置。 In the control apparatus of the rotary electric machine which controls the rotary electric machine according to any one of claims 1 to 12,
The frequency of the voltage induced in the third coil by the rotating magnetic field generated by energizing the first coil group and the frequency of the voltage induced in the fourth coil by the rotating magnetic field generated by energizing the second coil group And controlling the frequency of energizing the first coil group and the second coil group so as to be equal to each other.
A control device for a rotating electrical machine.
所定の運転状態のときには、前記第１コイル群又は前記第２コイル群に通電する周波数をゼロにする、
ことを特徴とする回転電機の制御装置。 The control apparatus for a rotating electrical machine according to claim 14,
When in a predetermined operation state, the frequency of energizing the first coil group or the second coil group is set to zero.
A control device for a rotating electrical machine.
前記第１コイル群への通電周波数と、前記第２コイル群への通電周波数と、が等しくなるように、前記第１コイル群及び前記第２コイル群に通電する周波数を制御する、
ことを特徴とする回転電機の制御装置。 In the control apparatus of the rotary electric machine which controls the rotary electric machine according to any one of claims 1 to 13,
Controlling the frequency of energizing the first coil group and the second coil group so that the energization frequency to the first coil group and the energization frequency to the second coil group are equal.
A control device for a rotating electrical machine.
前記第１コイル群及び前記第２コイル群への通電に用いる電源を同系統電源又は別系統電源に切り替える切替部を備える、
ことを特徴とする回転電機システム。 In the rotary electric machine system using the rotary electric machine according to any one of claims 1 to 13,
A switching unit that switches a power source used to energize the first coil group and the second coil group to the same system power source or another system power source;
A rotating electrical machine system characterized by that.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103166426A (en) * | 2013-04-15 | 2013-06-19 | 国电联合动力技术有限公司 | Superconducting generator and rotor thereof |
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2010
- 2010-02-12 JP JP2010028862A patent/JP2011166999A/en active Pending
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| CN103166426A (en) * | 2013-04-15 | 2013-06-19 | 国电联合动力技术有限公司 | Superconducting generator and rotor thereof |
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