JP2013066347A - 回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】脈動トルクの回転子の回転に与える影響を抑制し、回転子をスムーズに回転させることのできる回転電機を提供する
【解決手段】回転軸と同心に且つ前記回転軸と並行して等間隔で且つ磁化方向が交番するように配置した複数の永久磁石、および該永久磁石の間に非磁性体を挟んで配置した磁性体を備えた回転子と、前記永久磁石のうちの隣り合う2つの永久磁石の前面端部間を空隙を介して接続するように配置したコの字型の前面ステータ鉄心と、前記棒状の永久磁石のうちの隣り合う前記2つの永久磁石の背面端部間を空隙を介して接続するように配置したコの字型の背面ステータ鉄心と、前記コの字型の前面ステータ鉄心に巻回した前面コイル、前記コの字型の背面ステータ鉄心に巻回した背面コイルとを備えた。
【選択図】図1

Description

本発明は、回転電機に係り、特に脈動トルクを低減した回転電機に関する。
従来の回転電機、例えば発電機では、水力、火力等のエネルギーを回転エネルギに変換し、変換した回転エネルギで発電機を駆動して発電を行っている。一般に使用される発電機は、N極およびS極を有する永久磁石を回転軸に取り付けた回転子、前記永久磁石により形成される磁極数に応じた磁極を有する電機子鉄心、および該電機子鉄心に巻回した発電コイルを備え、前記回転子を回転駆動することにより、電機子鉄心内に交流磁界を発生し、発生した交流磁界により前記発電コイルに交流電圧を発生させている。
ところで、発電機あるいは電動機等の回転電機を構成する電機子鉄心は、電機子鉄心に巻回したコイルに十分な磁界を供給するため、前記回転子に取り付けた磁石と近接して配置することが望まれる。永久磁石と電機子鉄心とを近接して配置すると、永久磁石と鉄心の間に吸引力が働く。この吸引力は、回転電機の出力の向上を図るため、強力な永久磁石を用いる場合には、特に大きな値となる。
また、この吸引力は回転子の回転角度に依存して変動し、回転子の回転トルクに影響を及ぼす。このトルク、すなわち、電機子と回転子との間の磁気的吸引力に基づくトルク(脈動トルク)が大きくなると、回転子の回転角速度にばらつきが発生し、発電機には、異常振動あるいは騒音等の問題が発生する。また、例えば、風力発電等に用いられる発電機においては、回転翼が動き始める始動トルクが大きくなる。また、回転翼を連続して回転させるための抵抗も大きくなる。よって、微風の状態で発電することは困難となる。
このような脈動トルクによる不具合を抑制する技術として、特許文献1が知られている。特許文献1によれば、回転軸の回転方向に偶数の磁極が配置された磁石と、前記磁石の偶数の磁極に対応した鉄片が該磁極に近接され前記回転軸と同軸に配置されたヨークとを含む発電手段の3以上が前記回転軸によって連結され、一の発電手段の磁石とヨーク及び他の発電手段の磁石とヨークを、それぞれ相対的に回転させ、一の発電手段の磁石とヨークの鉄片が引き合う力と、他の発電手段の磁石とヨークの鉄片が引き合う力とを相殺させるようにしている。
特開2009−240159号公報
前記従来技術によれば、脈動トルクを抑制するため、発電手段は、1つの回転軸に、複数の起電手段を連結する構造を備える。
ここで、前記起電手段は、外部から回転力が供給される回転軸に対して放射状且つ、円周方向に沿って交互に磁極を配置した永久磁石と、前記回転軸の外周にボビンを介して巻回したコイルと、永久磁石から発生する磁束を前記コイルと鎖交するように誘導するヨークと、前記回転軸に対して放射状且つ円周方向に沿って配置され、前記永久磁石によって磁化される複数の被吸着片を備えた引力手段とから構成される。なお、前記引力手段は永久磁石の極と被吸着片間に働く引力をある程度打ち消すことにより回転軸にかかる引力である脈動トルクを減少させる手段である。
このため、前記従来技術によれば発電手段はその構成が複雑となる。また発電手段を小型化することは困難である。
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、脈動トルクの回転子の回転に与える影響を抑制し、回転子をスムーズに回転させることのできる回転電機を提供するものである。
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
回転軸と同心に且つ前記回転軸と並行して等間隔で且つ磁化方向が交番するように配置した複数の永久磁石、および該永久磁石の間に非磁性体を挟んで配置した磁性体を備えた回転子と、前記永久磁石のうちの隣り合う2つの永久磁石の前面端部間を空隙を介して接続するように配置したコの字型の前面ステータ鉄心と、前記棒状の永久磁石のうちの隣り合う前記2つの永久磁石の背面端部間を空隙を介して接続するように配置したコの字型の背面ステータ鉄心と、前記コの字型の前面ステータ鉄心に巻回した前面コイル、前記コの字型の背面ステータ鉄心に巻回した背面コイルとを備えた。
本発明は、以上の構成を備えるため、脈動トルクの回転子の回転に与える影響を抑制し、回転子をスムーズに回転させることのできる回転電機を提供することができる。
本発明の実施形態にかかる回転電機を説明する斜視図である。 発電機の回転子および固定子を展開して示す模式図である。 回転子を説明する図である。 回転子に働くトルクを説明する図である。 回転子に働くトルクを説明する図である。 回転子に働くトルクを説明する図である。 回転子に働くトルクを説明する図である。 第2の実施形態を説明する図である。 第2の実施形態にかかるステータ鉄心を説明する図である。 第3の実施形態にかかるステータ鉄心を説明する図である。
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図1は、実施形態にかかる発電機を説明する斜視図であり、図2は、図1に示す発電機の回転子および電機子部分を周方向に展開した展開図、図3は、図1に示す回転子を説明する図である。
これらの図において、12は回転子、15は回転子12の回転軸、12M(12M−1,12M−2・・・)は永久磁石であり、回転軸15と同心に且つ前記回転軸15と並行して等間隔で且つ磁化方向が交番するように複数個配置されている。13は前面ステータ鉄心、14は背面ステータ鉄心である。前面ステータ鉄心および背面ステータ鉄心は図示しないハウジングに収容されている。
回転子12には回転軸15が貫通して、回転軸15は図示しない軸受を介して前記ハウジングに支持されている。
永久磁石12Mの回転方向Wの前後には磁性体板12F、12Rが配置される。また、隣り合う永久磁石12Mの間には、磁性体板12F、12Rを介して非磁性体板12Cが配置される。前記非磁性体板12Cとしてはステンレス鋼板、ベークライト板等が、また、磁性体板12F、12Rとしては電磁鋼鈑が用いられる。
前面ステータ鉄心13(13−1,13−2・・・)は、前記複数の永久磁石12Mのうちの隣り合う2つの永久磁石12M−1、12M−2の前面端部間を空隙を介して接続する。前面ステータ鉄心13はコの字型に形成することができる。また、コの字状の前面ステータ鉄心には、それぞれコイル11を巻回し、これらのコイルは、例えば直列に接続する。
14(14−1,14−2・・・)は背面ステータ鉄心であり、前記複数の永久磁石のうちの隣り合う2つの永久磁石12M−2,12M−3の背面端部間を空隙を介して接続する。背面ステータ鉄心はコの字型に形成することができる。また、コの字状の背面ステータ鉄心には、それぞれコイル16を巻回し、これらのコイルは例えば直列に接続する。
なお、背面ステータ鉄心は、前述のように前記前面ステータ鉄心13により接続される永久磁石のうちの1つと、それに隣接する他の永久磁石の背面端部間を空隙を介して接続するように配置することができる。これにより、永久磁石→前面ステータ鉄心→永久磁石→背面ステータ鉄心→永久磁石→・・・を通る磁束は共通し発電コイルから効率的に出力を得ることができる。
図4、5,6、7は、回転子に働くトルクを説明する図であり、図4は、回転子の永久磁石12Mの一端が前面ステータ鉄心に全面で対向し、永久磁石の他端が背面ステータ鉄心に全面で対向する位置にある。
図5は、回転子12が回転し、永久磁石が左方向に磁石幅の1/2移動した状態を示し、永久磁石の移動方向の後半部分(永久磁石の右半分)と磁性体板12Rが前面ステータ鉄心および背面ステータ鉄心に対向している。
図6は、更に、回転子が回転し、永久磁石が左方向に磁石幅の1/2移動した状態を示し、永久磁石は、前面ステータ鉄心および背面ステータ鉄心の何れとも対向していない。
図7は、更に、回転子が回転し、永久磁石が左方向に磁石幅の1/2移動した状態を示し、永久磁石の回転方向の前半部分と磁性体板12Fが前面ステータ鉄心および背面ステータ鉄心に対向している。
ところで、回転電機には、「リラクタンストルク」と「マグネットトルク」が作用する。リラクタンストルクは、磁石が鉄心等の磁性体を引きつける力に基づくトルクであり、マグネットトルクは磁極が互いに反発したり吸引したりする力に基づくトルクである。
永久磁石が、図4の位置にあるとき、永久磁石による磁束φmは、永久磁石→背面ステータ鉄心→永久磁石→前面ステータ鉄心→を通り発電コイル11,16と鎖交する。前記鎖交に伴い、前面ステータ鉄心および背面ステータ鉄心に巻回した発電コイル11,16には起電力eが誘起される。発電コイルに負荷電流iが流れると負荷磁束2φcが発生する。負荷磁束2φcは、主として永久磁石の回転方向の前後に配置された磁性体板12F,12Rを通過する(永久磁石の比透磁率μs=1,磁性体のμs=6000である。このため、磁束の大部分は磁性体板を通る)。
永久磁石が、図5に示す位置にあるとき、永久磁石による磁束φmの一部αφmは、永久磁石→背面ステータ鉄心→永久磁石→前面ステータ鉄心→を通る。このとき、永久磁石には回転子を右方向に回転させようとするリラクタンストルクが働いている。このリラクタンストルクは脈動トルク原因となる。また、前記磁束αφmは発電コイルと鎖交する。 また、前記磁束φmの一部βφmは磁性体板12F、12Rを通過して前記永久磁石に戻る。
前記鎖交に伴い、ステータ鉄心に巻回した発電コイルには起電力eが誘起され、発電コイルには負荷電流icが流れ、負荷磁束2φcが発生する。
負荷磁束2φcは、主として永久磁石の回転方向の前後に配置された磁性体板12F,12Rを通過する。すなわち、2φcの一部φc1は磁性体板12Rを通り、2φcの一部φc2は磁性体板12Fを通る。
このようにして、回転子の磁性体板12F、12Rには、それぞれ磁束φc1+βφm、磁束φC2−βφmが通過する。この磁束により回転子には回転子を左方向に駆動するようなトルクが発生する。
この回転子を左方向に駆動するようなトルクは永久磁石とステータ鉄心間に働く前記リラクタンストルクとは逆方向である。このため永久磁石とステータ鉄心間に働く前記リラクタンストルクに基づく脈動トルクを抑制することができる。
永久磁石が図6の位置にあるとき、永久磁石からステータ鉄心に流れ込む磁束は、コイル内で打ち消し合う。このため、発電コイルに電圧は誘起されない。
また、永久磁石が図7の位置にあるとき、永久磁石による磁束φmの一部αφmは、永久磁石→背面ステータ鉄心→永久磁石→前面ステータ鉄心→・・・を通る。このとき、永久磁石には回転子を左方向に回転させようとするリラクタンストルクが働く。このリラクタンストルクは脈動トルクの原因となる。また、前記磁束αφmは発電コイルと鎖交する。また、磁束φmの一部βφmは磁性体板12F、12Rを通過して前記永久磁石に戻る。
前記鎖交に伴い、背面ステータ鉄心に巻回した発電コイルには起電力eが誘起され、発電コイルには負荷電流icが流れ、負荷磁束φcが発生する。
負荷磁束φcは、主として永久磁石の回転方向の前後に配置された磁性体板12F,12Rを通過する。すなわち、φcの一部φc1は磁性体板12Fを通り、φcの一部φc2は磁性体板12Rを通る。
すなわち、回転子の磁性体板12F、12Rには、それぞれ磁束φc1+βφm、磁束φC2−βφmが通過する。この磁束により回転子には回転子を右方向に駆動するようなトルクが発生する。
この回転子を右方向に駆動するようなトルクは永久磁石とステータ鉄心間に働く前記リラクタンストルクとは逆方向である。このため永久磁石とステータ鉄心間に働く前記リラクタンストルクに基づく脈動トルクを抑制することができる。
図8、9は、本発明の第2の実施形態を説明する図であり、図9(a)、(b)は、ステータ鉄心(コの字型ステータ鉄心13−1および第2のステータ鉄心13−1’)を説明する図、図9(c)はこれらの組み合わせ状態を説明する図である。なお、図8において図1に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
図8において、13−1’、13−2’13−3’・・・は、第2の前面ステータ鉄心であり、例えば、第2の前面ステータ鉄心13−2’の一方の脚は 前記コの字型の前面ステータ鉄心13−2の対向する辺間に形成される凹型空間に配置され、他方の脚は隣り合うコの字型の前面ステータ鉄心13−1,13−2の対向する辺間に形成される空間、に配置され、これらの脚はブリッジ部Bにより連結される。
同様に、第2の背面ステータ鉄心14−2’の一方の脚は 前記コの字型の背面ステータ鉄心14−2の対向する辺間に形成される凹型空間に配置され、他方の脚は隣り合うコの字型の背面ステータ鉄心14−1,14−2の対向する辺間に形成される空間、に配置され、これらの脚はブリッジ部Bにより連結される。
第1の実施形態においては、コの字型のステータ鉄心を回転方向に間隔を空けて配置している。このため、例えば、回転子が前記図6に示す位置あるとき永久磁石のから出る磁束は有効に利用されない。本実施形態によれば、第2のステータ鉄心、例えば第2の背面ステータ鉄心14−2’を付加すると共に、その一方の脚は 前記コの字型の背面ステータ鉄心14−2の対向する辺間に形成される凹型空間に配置し、他方の脚は隣り合うコの字型の背面ステータ鉄心14−1,14−2の対向する辺間に形成される空間、に配置し、これらの脚をブリッジ部Bにより連結する。このため、回転子の永久磁石は、何れかのステータ鉄心に影響を及ぼす位置に置かれることになり、回転電機の出力を増大することができる。
なお、以上の例では、前面ステータ鉄心および背面ステータ鉄心を、図9(b)に示す回転方向に間隔を空けて配置したコの字型のステータ鉄心13−1と、図9(a)に示す一方の脚を前記コの字型のステータ鉄心の対向する辺間に形成される凹型空間に配置し、他方の脚を隣り合うコの字型のステータ鉄心の対向する辺間に形成される空間に配置し、これらの脚をブリッジ部Bにより連結したブリッジ形のステータ鉄心13−1’により形成したが、図10に示すように、コの字型のステータ鉄心aおよびbを、回転子外周の前面側磁極位置に沿って交互に回転軸の前面側および背面側に傾けて配置することにより形成することができる。同様に、コの字型のステータ鉄心aおよびbを、回転子外周の背面側磁極位置に沿って交互に回転軸の前面側および背面側に傾けて配置することにより形成することができる。
また、本発明の実施形態を発電機を例に説明したが、電動機にも同様に適用することができる。
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、リラクタンストルクに基づく脈動トルクを抑制することができる。このため回転電機におけるトルクの脈動を抑制することができ円滑な回転を得ることができる。
10 回転電機
12 回転子
13 前面ステータ鉄心
14 背面ステータ鉄心
15 回転軸
12M 永久磁石
12F、12R 磁性体板
12C 非磁性体板

Claims (8)

  1. 回転軸と同心に且つ前記回転軸と並行して等間隔で且つ磁化方向が交番するように配置した複数の永久磁石、および該永久磁石の間に非磁性体を挟んで配置した磁性体を備えた回転子と、
    前記永久磁石のうちの隣り合う2つの永久磁石の前面端部間を空隙を介して接続するように配置したコの字型の前面ステータ鉄心と、
    前記永久磁石のうちの隣り合う前記2つの永久磁石の背面端部間を空隙を介して接続するように配置したコの字型の背面ステータ鉄心と、
    前記コの字型の前面ステータ鉄心に巻回した前面コイル、前記コの字型の背面ステータ鉄心に巻回した背面コイルとを備えたことを特徴とする回転電機。
  2. 回転軸と同心に且つ前記回転軸と並行して等間隔で且つ磁化方向が交番するように配置した複数の永久磁石、および該永久磁石の間に非磁性体を挟んで配置した磁性体を備えた回転子と、
    前記永久磁石のうちの隣り合う2つの永久磁石の前面端部間を空隙を介して接続するように配置したコの字型の前面ステータ鉄心と、
    前記永久磁石のうちの隣り合い、且つ前記2つの永久磁石とは1つのみが共通する2つの永久磁石の背面端部間を空隙を介して接続するように配置したコの字型の背面ステータ鉄心と、
    前記コの字型の前面ステータ鉄心に巻回した前面コイル、前記コの字型の背面ステータ鉄心に巻回した背面コイルとを備えたことを特徴とする回転電機。
  3. 請求項1記載の回転電機において、
    前記非磁性体はステンレスまたはベークライト製の板であり、磁性体は電磁鋼板を積層した板であることを特徴とする回転電機。
  4. 請求項1記載の回転電機において、
    前記コの字型の前面ステータ鉄心のそれぞれは前面コイルを備え、該前面コイルは直列に接続したことを特徴とする回転電機。
  5. 請求項1記載の回転電機において、
    前記コの字型の背面ステータ鉄心のそれぞれは背面コイルを備え、該背面コイルは直列に接続したことを特徴とする回転電機。
  6. 請求項1または2記載の回転電機において、
    前記コの字型の前面ステータ鉄心の対向する辺間に形成される凹型空間、および隣り合うコの字型の前面ステータ鉄心の対向する辺間に形成される空間、およびこれらの空間を結合する空間に配置した第2の前面ステータ鉄心と、
    前記コの字型の背面ステータ鉄心の対向する辺間に形成される凹型空間、および隣り合うコの字型の背面ステータ鉄心の対向する辺間に形成される空間、およびこれらの空間を結合する空間に配置した第2の背面ステータ鉄心と、
    第2の前面ステータ鉄心に巻回した第2の前面コイルと、
    第2の背面ステータ鉄心に巻回した第2の背面コイルと、
    を備えたことを特徴とする回転電機。
  7. 請求項6記載の回転電機において、
    第2の前面ステータ鉄心はコの字型のステータ鉄心であり、前記コの字型のステータ鉄心と、第2の前面ステータ鉄心とを、回転子外周の前面側磁極位置に沿って交互に回転子の前面側および背面側に傾けて配置したことを特徴とする回転電機。
  8. 請求項6記載の回転電機において、
    第2の背面ステータ鉄心はコの字型のステータ鉄心であり、前記コの字型のステータ鉄心と、第2の背面ステータ鉄心とを、回転子外周の背面側磁極位置に沿って交互に回転子の前面側および背面側に傾けて配置したことを特徴とする回転電機。
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