JP2012139073A - Permanent magnet rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ブラシレス発電機の励磁機として用いる固定子に永久磁石を備えた永久磁石型回転電機に関するものである。 The present invention relates to a permanent magnet type rotating electrical machine in which a stator used as an exciter for a brushless generator is provided with a permanent magnet.
一般的なブラシレス発電機の動作について、図6を参照して説明する。図において、電源101は電力を自動電圧調整器(AVR)102に供給する。自動電圧調整器(AVR)102はケーブル103aを介して励磁機の界磁巻線104に直流電流を供給する。自動電圧調整器(AVR)102は、図示しない電圧検出器にて発電機の出力電圧を検出しており、負荷の大きさが変化しても発電機の電圧が一定となるように、励磁機の界磁巻線104に流す直流電流を調整している。励磁機の電機子巻線105は、励磁機の界磁巻線104に直流電流が流れることによって作られる磁束により交流電流を流す。整流器106は、ケーブル103bを介して励磁機の電機子巻線105から流れてくる交流電流を直流電流に変換する。発電機の界磁巻線107は、ケーブル103cを介して整流器106から流れてくる直流電流によって磁束を作る。発電機の電機子巻線108は、発電機の界磁巻線107に作られる磁束によって交流電流を流し、図示していない負荷に電力を供給する。
The operation of a general brushless generator will be described with reference to FIG. In the figure, a power source 101 supplies power to an automatic voltage regulator (AVR) 102. The automatic voltage regulator (AVR) 102 supplies a direct current to the field winding 104 of the exciter via the
このような構成を有するブラシレス発電機において、自動電圧調整器(AVR)102は部品点数が多く、複雑で高度な制御システムのため、特に安全機能が要求される設備への適用は困難である。自動電圧調整器(AVR)102の使用ができない場合、負荷の大きさに応じて発電機の電圧が一定に制御できないという問題がある。 In the brushless generator having such a configuration, the automatic voltage regulator (AVR) 102 has a large number of parts, and is a complicated and sophisticated control system. Therefore, it is difficult to apply to a facility that particularly requires a safety function. When the automatic voltage regulator (AVR) 102 cannot be used, there is a problem that the voltage of the generator cannot be controlled uniformly according to the size of the load.
しかしながら、例えば、重要な機器のバックアップ電源としてブラシレス発電機を使用する時には、発電機に接続している負荷は決まっているため、負荷の大きさは変化しない。従って、自動電圧調整器(AVR)102で励磁機の界磁巻線104に流す電流を調整する必要がないため、自動電圧調整器(AVR)102は不要となる。また、励磁機の界磁巻線104に流す電流を調整する必要がないならば、励磁機の界磁巻線104の代わりに永久磁石を備えた方が、界磁銅損が無くなるため効率がよくなる。このような要望により、電源101および自動電圧調整器(AVR)102およびケーブル103aおよび励磁機の界磁巻線104の代わりに固定子に永久磁石を備えた永久磁石型回転電機が励磁機として求められ、使用されている。
However, for example, when a brushless generator is used as a backup power source for an important device, the load connected to the generator is determined, so the magnitude of the load does not change. Therefore, the automatic voltage regulator (AVR) 102 is not necessary because the automatic voltage regulator (AVR) 102 does not need to adjust the current flowing through the field winding 104 of the exciter. If there is no need to adjust the current flowing through the field winding 104 of the exciter, it is more efficient to provide a permanent magnet instead of the field winding 104 of the exciter because the field copper loss is eliminated. Get better. Due to such a demand, a permanent magnet type rotating electrical machine having a permanent magnet in the stator instead of the power source 101, automatic voltage regulator (AVR) 102,
このような励磁機を備えたブラシレス発電機では接続される特定の負荷を考慮してブラシレス発電機が所定の電圧を発生するように励磁機の出力容量を設計するが、設計誤差や実負荷と組合わせた際の負荷の要件に起因する誤差により発生するブラシレス発電機の出力電圧の設計値との乖離を微調整するために励磁機の出力容量を微細に調整可能であることが要求される。 In a brushless generator equipped with such an exciter, the output capacity of the exciter is designed so that the brushless generator generates a predetermined voltage in consideration of the specific load to be connected. It is required that the output capacity of the exciter can be finely adjusted in order to finely adjust the deviation from the design value of the output voltage of the brushless generator caused by the error caused by the load requirement when combined. .
従来の固定子に永久磁石を備えた永久磁石型回転電機について、図面を参照して説明する。図3は固定子に永久磁石を備えた発電機などの一般的な永久磁石型回転電機の主要部を示す断面図である。 A permanent magnet type rotating electric machine having a permanent magnet provided on a conventional stator will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a main part of a general permanent magnet type rotating electrical machine such as a generator having a permanent magnet in the stator.
図3において、永久磁石型回転電機は、円筒状に配設された固定子1と、この固定子1の径方向内側に所定のギャップ2を介して配設された回転子3とを備えている。回転子3の軸心にはシャフト4が貫通しており、このシャフト4は、軸受5を介して軸受取付板6に回転自在に支持されている。この軸受取付板6には、固定子1を支持する円筒状の固定子鉄心コア部7が取り付けられている。
In FIG. 3, the permanent magnet type rotating electric machine includes a
固定子1は、磁極毎に磁性鋼板を積層して構成された固定子鉄心ティース部8と、各固定子鉄心ティース部8の軸方向(積層方向)に沿って設けられた孔に挿入された永久磁石9を備えており、各磁極が周方向に間隔をおいて配設されている。
The
固定子1の内側にギャップ2を介して配設される回転子3は、周方向に間隔をおいて複数個のスロットが形成された磁性鋼板を軸方向に多数枚積層して構成された回転子鉄心10と、この回転子鉄心10の複数のスロット内に収納された電機子巻線11を備えており、回転子鉄心10がシャフト4に嵌め合わされている。
A
上述のように構成された永久磁石型回転電機において、図示しない駆動源によりシャフト4を回転させることで、回転子3が固定子1の永久磁石9によって作られる磁束と電磁結合して電機子巻線11の電気回路をつなぐことで電流を流すことができる。
In the permanent magnet type rotating electric machine configured as described above, the
このような構成を有する永久磁石型回転電機において、回転電機の出力容量を変更するための方法の一つとしてギャップ2の長さtを調整する方法がある。その方法について説明する。
In the permanent magnet type rotating electrical machine having such a configuration, there is a method of adjusting the length t of the
回転電機の出力容量をP、電機子巻線11に発生する電圧をV、電機子巻線11に電気回路をつなぐことで流れる電流をIとすると、下記(1)式の関係がある。 When the output capacity of the rotating electric machine is P, the voltage generated in the armature winding 11 is V, and the current that flows when the electric circuit is connected to the armature winding 11 is I, the following relationship (1) is established.
P∝VI ………………(1)
永久磁石9が作る磁束をφとすると、電機子巻線11に発生する電圧Vとの間には、下記(2)式の関係がある。
P∝VI ……………… (1)
When the magnetic flux generated by the
V∝φ ………………(2)
ギャップ2の磁束密度をB、固定子鉄心ティース部8と回転子鉄心10の対向する面積をSとすると、永久磁石9が作る磁束φとの間には、下記(3)式の関係がある。
V∝φ ……………… (2)
When the magnetic flux density of the
φ∝BS ………………(3)
ギャップ2の透磁率をμ、ギャップ2の磁界をHとすると、ギャップ2の磁束密度Bとの間には、下記(4)式の関係がある。
φ∝BS ……………… (3)
When the permeability of the
B=μH ……………(4)
ギャップ2の起磁力をFm、ギャップ2の長さをtとすると、ギャップ2の磁界Hとの間には、下記(5)式の関係がある。
B = μH …………… (4)
When the magnetomotive force of the
Fm=tH ………………(5)
(1)式から(5)式までの関係から、下記(6)式の関係式を導くことができる。
Fm = tH ……………… (5)
From the relationship from Equation (1) to Equation (5), the following Equation (6) can be derived.
P∝μFmS/t ………(6)
この(6)式より回転電機の出力容量Pとギャップ2の長さtには、逆比例の関係があることがわかる。そのためギャップ2の長さtを短くすれば、回転電機の出力容量Pは大きくなり、逆にギャップ2の長さtを長くすれば、回転電機の出力容量Pは小さくなる。
P∝μFmS / t (6)
From this equation (6), it can be seen that there is an inversely proportional relationship between the output capacity P of the rotating electrical machine and the length t of the
上述のように、ギャップ2の長さtを短くすれば、回転電機の出力容量Pは大きくなり、逆にギャップ2の長さtを長くすれば、回転電機の出力容量Pは小さくなることから、出力容量Pを調整する手段として、例えば特許文献1に記載されているように、固定子を移動させてギャップの長さを可変調整することが考えられている。
As described above, if the length t of the
この特許文献1に記載のものは、アキシャルギャップ型の回転電機を対象としているが、ラジアルギャップ型の回転電機に対しても同様にギャップの長さtを可変調整することが考えられる。
The device described in
その一つの手段として、図4および図5に示すように、円筒状の固定子鉄心コア部7と固定子鉄心ティース部8との間に、薄板状の磁性材料からなるライナー12を多数枚積層して介在させる方法が考えられる。
As one of the means, as shown in FIGS. 4 and 5, a large number of
図4は、図3に示す永久磁石型回転電機に、固定子を径方向に移動させる手段を設けた一例を示す概略構成図である。図5は、図4のA―A線に沿って切断し、矢印の方向にみた断面図である。なお、この回転電機は、磁極数が6の場合を例示している。 FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing an example in which means for moving the stator in the radial direction is provided in the permanent magnet type rotating electric machine shown in FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 4 and viewed in the direction of the arrow. In addition, this rotary electric machine has illustrated the case where the number of magnetic poles is six.
この構成において、固定子1を径方向に移動させるために、ライナー12の枚数を増やしてギャップ2の長さtを短くすれば、回転電機の出力容量Pを大きくすることができ、また逆にライナー12の枚数を減らしてギャップ2の長さtを長くすれば、回転電機の出力容量Pを小さくすることができる。
In this configuration, the output capacity P of the rotating electrical machine can be increased by increasing the number of
しかしながら、この構成におけるギャップ2の長さtの調整は、ライナー12の枚数を1枚単位で変更することにより行なうことになるので、1枚のライナー12の厚みが厚いと、ギャップ2の長さtの調整幅が大きくなり、一方、ライナー12の厚みが薄いと、永久磁石9の吸着力によってライナー12の挿入時および引き抜き時に、ライナー12の形状が変形して装着に支障を来たしたり、微細な調整が行えなかったりするおそれがある。
However, the adjustment of the length t of the
そこで本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、回転電機の出力容量を微細に調整することのできる永久磁石型回転電機を提供することにある。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a permanent magnet type rotating electrical machine capable of finely adjusting the output capacity of the rotating electrical machine. .
上記目的を達成するために本発明による永久磁石型回転電機は、固定子に永久磁石を用い回転子に電圧を誘起させ、ブラシレス発電機の励磁機として用いる永久磁石型回転電機において、円筒状の固定子鉄心コア部と、この固定子鉄心コア部の内面に周方向に間隔をおいて配設され、磁極毎に磁性鋼板を積層して構成された固定子鉄心ティース部およびこの固定子鉄心ティース部の軸方向に形成された孔に挿入された永久磁石を備えた固定子と、この固定子の径方向内側に所定のギャップを介して配設され、周方向に間隔をおいて複数個のスロットが形成された磁性鋼板を軸方向に多数枚積層して構成された回転子鉄心およびこの回転子鉄心の複数のスロット内に収納された電機子巻線を備えた回転子と、この回転子の回転子鉄心が嵌め合わされたシャフトと、このシャフトを回転自在に支持する軸受と、この軸受を介して前記回転子を支持するとともに前記固定子鉄心コア部を支持する軸受取付板とを具備し、前記回転子鉄心と前記固定子鉄心ティース部のギャップおよび対向面積を調整できるよう、前記固定子を径方向およびに軸方向に移動可能に構成したことを特徴とする。 To achieve the above object, a permanent magnet type rotating electrical machine according to the present invention is a permanent magnet type rotating electrical machine used as an exciter for a brushless generator by using a permanent magnet as a stator and inducing a voltage in the rotor. A stator core core portion, a stator core teeth portion formed by laminating magnetic steel plates for each magnetic pole and disposed on the inner surface of the stator core core portion in a circumferential direction, and the stator core teeth A stator having a permanent magnet inserted in a hole formed in the axial direction of the portion, and a plurality of gaps arranged in the radial direction inside the stator via a predetermined gap and spaced in the circumferential direction Rotor having a rotor core formed by laminating a plurality of magnetic steel plates having slots formed in the axial direction, a rotor including armature windings housed in a plurality of slots of the rotor core, and the rotor The rotor cores are mated A shaft, a bearing that rotatably supports the shaft, and a bearing mounting plate that supports the rotor and supports the stator core core through the bearing, and the rotor core; The stator is configured to be movable in the radial direction and the axial direction so that the gap and the facing area of the stator core teeth can be adjusted.
本発明による永久磁石型回転電機によれば、固定子を、径方向に移動可能に構成するとともに軸方向に移動可能に構成したことにより、固定子と回転子との間のギャップの長さおよび対向面積を可変としてギャップを通る磁束量を微細に調整できるので、回転電機の出力容量を微細に調整することができる。 According to the permanent magnet type rotating electric machine according to the present invention, the stator is configured to be movable in the radial direction and to be movable in the axial direction, so that the length of the gap between the stator and the rotor and Since the amount of magnetic flux passing through the gap can be finely adjusted with the facing area being variable, the output capacity of the rotating electrical machine can be finely adjusted.
そして、この永久磁石形回転電機を用いるブラシレス発電機は、励磁機の出力容量を微細に調整できることにより、ブラシレス発電機の出力電圧を微細に調整することが可能となる。 And the brushless generator using this permanent magnet type rotary electric machine can adjust the output voltage of a brushless generator finely because the output capacity of an exciter can be adjusted finely.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1はブラシレス発電機の励磁機に用いる本発明による永久磁石型回転電機の一実施の形態の主要部を示す断面図であり、図2は図1に示す回転電機の固定子を移動させた状態を示す断面図である。ブラシレス発電機の主要構成は図6において説明したものと同様であり、界磁巻線104の代りに固定子に永久磁石を用いる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part of an embodiment of a permanent magnet type rotating electrical machine according to the present invention used for an exciter of a brushless generator, and FIG. 2 is a diagram in which a stator of the rotating electrical machine shown in FIG. 1 is moved. It is sectional drawing which shows a state. The main configuration of the brushless generator is the same as that described in FIG. 6, and a permanent magnet is used for the stator instead of the field winding 104.
図1および図2において、本実施の形態は、固定子1を、径方向に移動可能に構成するとともに軸方向に移動可能に構成したところに特徴を有する。
1 and 2, the present embodiment is characterized in that the
回転子3は、周方向に間隔をおいて複数個のスロットが形成された磁性鋼板を軸方向に多数枚積層して構成された回転子鉄心10と、この回転子鉄心10の複数のスロット内に収納された電機子巻線11を備えており、回転子鉄心10がシャフト4に嵌め合わされている。
The
この回転子3の径方向外側にギャップ2を介して配設されている固定子1は、磁極毎に磁性鋼板を積層して構成された固定子鉄心ティース部8と、固定子鉄心ティース部8の軸方向に設けられた孔に挿入される永久磁石9とを備えている。
The
固定子鉄心ティース部8の軸方向両端面には、永久磁石9の飛び出し防止用に設けられた非磁性材料よりなる押さえ板13が設けられており、この押さえ板13および固定子鉄心ティース部8は、軸方向に沿って設けられた孔を貫通する複数本のスタッド14およびこのスタッド14の両端部に螺合されたナット15により締め付けられて一体に構成されている。
On both end surfaces in the axial direction of the stator
固定子1を構成する各磁極は、円筒状の固定子鉄心コア部16の内側に、周方向に間隔をおいて配設されてボルト17により固定されるが、この固定子鉄心コア部16と固定子鉄心ティース部8との間には、固定子1を径方向に移動可能に構成する手段として、薄板状の磁性材料からなるライナー12が複数枚、径方向に積層して介在されている。
The respective magnetic poles constituting the
したがってこのライナー12の枚数を増減することにより、固定子1を径方向に移動させ、固定子1を構成する各磁極の固定子鉄心ティース部8と回転子鉄心10との間のギャップ2の長さtを可変調整できるようになっている。
Therefore, by increasing or decreasing the number of
一方、固定子1を軸方向に移動可能に構成する手段として、円筒状の固定子鉄心コア部16は、その内側に設けられた円筒状の固定子鉄心受け18上を摺動できるように構成されている。
On the other hand, as a means for configuring the
固定子鉄心受け18の軸方向一端部には、径方向に延びる鍔18aが形成されており、この鍔18aが軸受取付板6に図示しないボルト、ナットなどの固定手段により固定されている。
A
固定子鉄心コア部16にも、軸方向の一端部に径方向外側に延びる鍔16aが形成されており、この鍔16aが固定子鉄心受け18の鍔18aに固定されたスタッドボルト19を貫通し、ナット20a乃至20cで所定位置に固定されることにより、固定子鉄心受け18上を軸方向に移動可能に構成されている。
The stator
図2は、図1に示す状態よりも、固定子鉄心コア部16を軸方向に沿って図示右側に移動させて固定子鉄心ティース部8と回転子鉄心10との対向面積Sを減少させた状態を示している。
2, the stator
対向面積Sは、上述の(6)式からわかるように、回転電機の出力容量Pと比例の関係にあるので、対向面積Sを減少させると、回転電機の出力容量Pを小さくすることができる。しかも連続的に微細に調整することができる。 Since the facing area S is proportional to the output capacity P of the rotating electrical machine as can be seen from the above equation (6), the output capacity P of the rotating electrical machine can be reduced by reducing the facing area S. . Moreover, it can be continuously finely adjusted.
ただし、対向面積Sを減少させると、損失に伴う問題が発生する。すなわち対向面積Sを減少させた場合、永久磁石9の量は変らないので、永久磁石9の磁束φを一定とすると、(3)式よりギャップ2の磁束密度Bが上昇することがわかる。ギャップ2の磁束密度Bが上昇すると、それに伴い固定子鉄心ティース部8と回転子鉄心10の対向する箇所の表面付近での磁束密度Bも上昇する。磁束密度Bが上昇すると鉄損が大きくなるので、その箇所で局所的に損失が上昇し、温度が上昇する。
However, if the facing area S is reduced, a problem associated with loss occurs. That is, when the facing area S is decreased, the amount of the
温度が上昇しすぎると絶縁に悪影響を及ぼし、回転電機の寿命の減少、破損等になるおそれがある。固定子鉄心ティース部8を軸方向に移動させる長さが大きくなればなるほど(対向面積Sが小さくなればなるほど)この傾向が強くなる。
If the temperature rises too much, the insulation may be adversely affected, and the life of the rotating electrical machine may be reduced or damaged. This tendency becomes stronger as the length of moving the stator
そのため、損失を上昇させないために、固定子鉄心ティース部8の軸方向の移動の長さは、必要最小限となるようにし、径方向に移動させる手段と併用して固定子鉄心ティース部8と回転子鉄心10との間のギャップ2の長さtおよび対向面積Sを可変としてギャップ2を通る磁束量を微細に調整する。
Therefore, in order not to increase the loss, the length of the axial movement of the stator
望ましくは、予め固定子鉄心ティース部8の径方向の移動手段であるライナー12の枚数を増減して出力容量を調整しておき、次いで固定子鉄心ティース部8の軸方向の移動手段である固定子鉄心コア部16の軸方向の移動を行なうことにより、作業性を良くして回転電機の出力容量Pを微調整することができる。
Desirably, the output capacity is adjusted by increasing or decreasing the number of
したがって本発明によれば、固定子1を、径方向および軸方向に移動可能に構成したことにより、回転電機の出力容量Pを微細に調整することができる。
Therefore, according to the present invention, the output capacity P of the rotating electrical machine can be finely adjusted by configuring the
1…固定子
2…ギャップ
3…回転子
4…シャフト
5…軸受
6…軸受取付板
7,16…固定子鉄心コア部
8…固定子鉄心ティース部
9…永久磁石
10…回転子鉄心
11…電機子巻線
12…ライナー
13…押さえ板
14…スタッド
15…ナット
16a,18a…鍔
17…ボルト
18…固定子鉄心受け
19…スタッドボルト
20a乃至20c…ナット
101…電源
102…自動電圧調整器(AVR)
103a,103b,103c…ケーブル
104…励磁機の界磁巻線
105…励磁機の電機子巻線
106…整流器
107…発電機の界磁巻線
108…発電機の電機子巻線
DESCRIPTION OF
103a, 103b, 103c ...
Claims (2)
円筒状の固定子鉄心コア部と、
この固定子鉄心コア部の内面に周方向に間隔をおいて配設され、磁極毎に磁性鋼板を積層して構成された固定子鉄心ティース部およびこの固定子鉄心ティース部の軸方向に形成された孔に挿入された永久磁石を備えた固定子と、
この固定子の径方向内側に所定のギャップを介して配設され、周方向に間隔をおいて複数個のスロットが形成された磁性鋼板を軸方向に多数枚積層して構成された回転子鉄心およびこの回転子鉄心の複数のスロット内に収納された電機子巻線を備えた回転子と、
この回転子の回転子鉄心が嵌め合わされたシャフトと、
このシャフトを回転自在に支持する軸受と、
この軸受を介して前記回転子を支持するとともに前記固定子鉄心コア部を支持する軸受取付板とを具備し、
前記回転子鉄心と前記固定子鉄心ティース部のギャップおよび対向面積を調整できるよう、前記固定子を径方向およびに軸方向に移動可能に構成したことを特徴とする永久磁石型回転電機。 In a permanent magnet type rotating electrical machine that uses a permanent magnet as a stator and induces a voltage in the rotor and is used as an exciter for a brushless generator,
A cylindrical stator core core,
The stator core teeth are arranged on the inner surface of the stator core core portion at intervals in the circumferential direction, and are formed by laminating magnetic steel plates for each magnetic pole, and are formed in the axial direction of the stator core teeth portion. A stator with permanent magnets inserted into the holes,
A rotor core configured by laminating a plurality of magnetic steel plates arranged in the radial direction of the stator via a predetermined gap and having a plurality of slots spaced in the circumferential direction in the axial direction. And a rotor having armature windings housed in a plurality of slots of the rotor core;
A shaft fitted with the rotor core of this rotor,
A bearing that rotatably supports the shaft;
A bearing mounting plate that supports the rotor and supports the stator core core part through the bearing,
A permanent magnet type rotating electrical machine, wherein the stator is configured to be movable in a radial direction and an axial direction so that a gap and an opposing area between the rotor core and the stator core teeth can be adjusted.
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