JP2013146158A

JP2013146158A - 誘導反発吸引原理を利用した回転電機における低速回転時の電磁力発生方法

Info

Publication number: JP2013146158A
Application number: JP2012006226A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Matsue; 仁松江
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2013-07-25

Abstract

【課題】誘導反発吸引原理を利用した回転電機で、ハードウェア構成を変えることなく、低速回転時に発生できるラジアル力を大きくすることができる、誘導反発吸引原理を利用した回転電機における低速回転時の電磁力発生方法を提供する。
【解決手段】誘導反発吸引原理を利用した回転電機における低速回転時の電磁力発生方法において、誘導反発吸引原理を利用した回転電機の固定子（４）に供給される、永久磁石型回転子（１）の回転速度に同期した３相電流に対して、この３相電流から９０度位相がずれた電流を重畳することにより、前記永久磁石型回転子（１）を中心に戻そうとする電磁力を発生させる。
【選択図】図８

Description

本発明は、誘導反発吸引原理を利用した回転電機における低速回転時の電磁力発生方法に関するものである。

本願発明者は、既に誘導反発吸引原理を利用した回転電機を提案している（下記特許文献参照）。
かかる誘導反発吸引原理を利用した回転電機は、電磁誘導の原理を利用したベアリングレスモータであり、高速回転時に非接触で回転することを特徴とする電動モータである。

特許第４７２８１３９号公報

しかしながら、上記した誘導反発吸引原理を利用した回転電機は、高速回転時には非接触で円滑に回転するが、回転速度が遅い時には、発生できる電磁力が小さくなり、永久磁石ロータを浮上させることができない。
そこで、本発明では、上記状況に鑑みて、誘導反発吸引原理を利用した回転電機で、ハードウェア構成を変えることなく、低速回転時に発生できるラジアル力を大きくすることができる、誘導反発吸引原理を利用した回転電機における低速回転時の電磁力発生方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕誘導反発吸引原理を利用した回転電機における低速回転時の電磁力発生方法において、誘導反発吸引原理を利用した回転電機の固定子（４）に供給される、永久磁石型回転子（１）の回転速度に同期した３相電流に対して、この３相電流から９０度位相がずれた電流を重畳することにより、前記永久磁石型回転子（１）を中心に戻そうとする電磁力を発生させるを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の誘導反発吸引原理を利用した回転電機における低速回転時の電磁力発生方法において、前記回転電機が、円筒形状に構成される永久磁石型回転子（１）と、この回転子（１）の外周面に配置され、前記回転子（１）の軸方向に隣接する８の字形状に結線された、第１のＵ相コイル（５）、第１のＶ相コイル（６）、第１のＷ相コイル（７）、第２のＵ相コイル（８）、第２のＶ相コイル（９）、及び第２のＷ相コイル（１０）が順次円周方向に配置された構造を有する固定子（４）と、前記第１のＵ相コイル（５）と前記第２のＵ相コイル（８）にヌル接続点（１１）で接続されるＵ相配線（１２）と、前記第１のＶ相コイル（６）と前記第２のＶ相コイル（９）にヌル接続点（１１）で接続されるＶ相配線（１３）と、前記第１のＷ相コイル（７）と前記第２のＷ相コイル（１０）にヌル接続点（１１）で接続されるＷ相配線（１４）とを具備し、前記Ｕ相配線（１２）と、前記Ｖ相配線（１３）と、及び前記Ｗ相配線（１４）を中心にして両側に、前記第１のＵ相コイル（５）、前記第１のＶ相コイル（６）、及び前記第１のＷ相コイル（７）と、前記第２のＵ相コイル（８）、前記第２のＶ相コイル（９）、及び前記第２のＷ相コイル（１０）とを並列に接続したことを特徴とする。

本発明によれば、誘導反発吸引原理を利用した回転電機において、ハードウェア構成を変えることなく、低速回転時に発生できる永久磁石型回転子のラジアル力を大きくすることができる。

本発明が適用される永久磁石型同期電動機の原理で回転させる電動機の模式図である。本発明が適用される永久磁石型同期電動機の固定子の回路図である。本発明に係る永久磁石型同期電動機の原理で回転させる電動機の回転トルク発生電流回路図である。本発明に係る永久磁石型同期電動機の原理で回転させる電動機の、ラジアル力に関する電流案内回路図である。本発明に係る永久磁石型同期電動機の原理で回転させる電動機の、スラスト力に関する電流案内回路図である。本発明に係る誘導反発吸引原理を利用した回転電機の回転トルクの発生原理を示す図である。本発明に係る誘導反発吸引原理を利用した回転電機の回転トルクを発生させるための電流を示す図である。本発明の実施例を示す誘導反発吸引原理を利用した回転電機のラジアル力の発生原理を示す図である。本発明の実施例を示す誘導反発吸引原理を利用した回転電機のラジアル力を発生させるための電流を示す図である。

本発明の誘導反発吸引原理を利用した回転電機における低速回転時の電磁力発生方法は、誘導反発吸引原理を利用した回転電機の固定子（４）に供給される、永久磁石型回転子（１）の回転速度に同期した３相電流に対して、この３相電流から９０度位相がずれた電流を重畳することにより、前記永久磁石型回転子（１）を中心に戻そうとする電磁力を発生させる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明が適用される永久磁石型同期電動機の原理で回転させる電動機の模式図であり、図１（ａ）はその斜視図、図１（ｂ）はその断面図、図１（ｃ）はその部分展開図である。図２はこの永久磁石型同期電動機の固定子の回路図である。
図１に示すように、回転子１は、Ｎ極２ＡとＳ極３Ｃ、Ｓ極３ＡとＮ極２Ｃ、Ｎ極２ＢとＳ極３Ｄ、Ｓ極３ＢとＮ極２Ｄの各極からなる。つまり４極のインナーロータが円筒形状をなしている。この回転子１の外周面には、軸方向に隣接する８の字形状に結線された、第１のＵ相コイル５、第１のＶ相コイル６、第１のＷ相コイル７、第２のＵ相コイル８、第２のＶ相コイル９、第２のＷ相コイル１０が順次円周方向に配置された構造を有する固定子４が形成され、これらの回転子１、固定子４により電動機が構成されている。なお、この原理は、永久磁石を超電導コイルに置き換えた場合、超電導発電機としても利用できる。

図２に示すように、固定子４は、第１のＵ相コイル５、第１のＶ相コイル６、第１のＷ相コイル７、第２のＵ相コイル８、第２のＶ相コイル９、第２のＷ相コイル１０からなり、それぞれのコイル５，６，７，８，９，１０は、電動機の軸方向に隣接する２個のコイルエレメント５Ａ，５Ｂ、６Ａ，６Ｂ、７Ａ，７Ｂ、８Ａ，８Ｂ、９Ａ，９Ｂ、１０Ａ，１０Ｂからなり、それらの２個で一組のコイルエレメント５Ａ，５Ｂ、６Ａ，６Ｂ、７Ａ，７Ｂ、８Ａ，８Ｂ、９Ａ，９Ｂ、１０Ａ，１０Ｂはそれぞれ８の字形状に結線されており、その８の字形状に結線された第１のＵ相コイル５、第１のＶ相コイル６、第１のＷ相コイル７、第２のＵ相コイル８、第１のＶ相コイル９、第１のＷ相コイル１０はそれぞれヌル接続点１１でヌル接続されて、第１のＵ相コイル５と第２のＵ相コイル８はＵ相配線１２へ、第１のＶ相コイル６と第２のＶ相コイル９はＶ相配線１３へ、第１のＷ相コイル７と第２のＷ相コイル１０はＷ相配線１４へとそれぞれ接続されている。さらに、この永久磁石型同期電動機の場合は、Ｕ相配線１２へは接続点１２ＡによりＵ相電源１７が、Ｖ相配線１３へは接続点１３ＡによりＶ相電源１８が、Ｗ相配線１４へは接続点１４ＡによりＷ相電源１９が、それぞれ接続される。また、Ｕ相配線１２の後端の接続点１２Ｂ、Ｖ相配線１３の後端の接続点１３Ｂ、Ｗ相配線１４の後端の接続点１４Ｂはそれぞれ、接続線１５を介して一括した接続点１６に接続するように構成している。なお、Ｕ相電源１７とＶ相電源１８とＷ相電源１９は中性点２０を有するＹ形に結線されている。

以下、この電動機の動作について説明する。
図３は本発明が適用される永久磁石型同期電動機の原理で回転させる電動機の回転トルク発生電流回路図である。
図３のように、第１のＵ相コイル５と第２のＵ相コイル８にＵ相電源１７からＵ相配線１２を介してＵ相電流２１を、第１のＶ相コイル６と第２のＶ相コイル９にＶ相電源１８からＶ相配線１３を介してＶ相電流２２を、第１のＷ相コイル７と第２のＷ相コイル１０にＷ相電源１９からＷ相配線１４を介してＷ相電流２３を流すことにより回転トルクを発生させる。つまり、固定子（電機子コイル）に３相電流を流すことにより、永久磁石型同期電動機の原理で回転トルクを発生させることができる。

図４は本発明が適用される永久磁石型同期電動機の原理で回転させる電動機の、ラジアル力に関する電流案内回路図である。
この電動機のラジアル力発生原理としては、図４に示すように、第１のＵ相コイル５、第１のＶ相コイル６、第１のＷ相コイル７と、第２のＵ相コイル８、第２のＶ相コイル９、第２のＷ相コイル１０とが並列接続されているため、ラジアル方向に永久磁石型回転子１がずれた場合、並列回路に誘導電流が誘導され、この誘導電流と永久磁石型回転子１との間に働く電磁力によりラジアル力が発生する。しかし、この案内力は電磁誘導により発生するので、低速回転時に発生できる電磁力は小さい。

図５は本発明が適用される永久磁石型同期電動機の原理で回転させる電動機の、スラスト方向に関する電流案内回路図である。
この電動機のスラスト力発生原理としては、図５に示すように、スラスト方向には、第１のＵ相コイル５、第１のＶ相コイル６、第１のＷ相コイル７、第２のＵ相コイル８、第２のＶ相コイル９、第２のＷ相コイル１０がそれぞれ８の字に結線されているため、スラスト方向に永久磁石型回転子１がずれた場合、８の字回路に誘導電流が流れ、この誘導電流と永久磁石型回転子１との間に働く電磁力によりスラスト力が発生する。

上記実施例では、電動機としての動作について述べたが、この原理は、回転子としての永久磁石を超電導コイルに置き換えた場合、超電導発電機としても利用できる。
図６は本発明に係る誘導反発吸引原理を利用した回転電機の回転トルクの発生原理を示す図であり、図６（ａ）は永久磁石型回転子の回転角度が０度の場合、図６（ｂ）は永久磁石型回転子の回転角度が６０度の場合、図６（ｃ）は永久磁石型回転子の回転角度が１２０度の場合を示している。図７はその誘導反発吸引原理を利用した回転電機の回転トルクを発生させるための電流を示す図であり、図７（ａ）はトルク電流Ｕ相の場合、図７（ｂ）はトルク電流Ｖ相の場合、図７（ｃ）はトルク電流Ｗ相の場合であり、横軸に永久磁石型回転子の回転角度（度）、縦軸に電流（任意単位）を示している。

図６及び図７に示すように、誘導反発吸引原理を利用した回転電機では、永久磁石型回転子１の回転速度に同期した３相交流（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）を、外部の電源より固定子４に供給することにより回転トルクを発生させる。これは、本発明が適用される誘導反発吸引原理を利用した回転電機の回転トルクの発生原理と全く同じである。
図８は本発明の実施例を示す誘導反発吸引原理を利用した回転電機のラジアル力の発生原理を示す図であり、図８（ａ）は永久磁石型回転子１の回転角度が４５度の場合、図８（ｂ）は永久磁石型回転子１の回転角度が１３５度の場合を示している。図９はその誘導反発吸引原理を利用した回転電機のラジアル力を発生させるための電流を示す図であり、図９（ａ）は浮上電流Ｕ相の場合、図９（ｂ）は浮上電流Ｖ相の場合、図９（ｃ）は浮上電流Ｗ相の場合であり、横軸に永久磁石型回転子の回転角度（度）、縦軸に電流（任意単位）を示している。

図８及び図９に示すように、回転トルクを発生させるために外部の電源より供給される３相電流（回転トルク発生電流）から９０度位相がずれた電流を重畳することにより、前記永久磁石型回転子１を中心に戻そうとする電磁力を、反発力の差分として、発生させることができる。なお、永久磁石ロータに働く実際のラジアル力は、この電磁力と図４で説明した原理で発生する電磁力を足し合わせた力となる。

本発明によれば、誘導反発吸引原理を利用した回転電機において、ハードウェア構成を変えることなく、低速回転時に発生できる永久磁石型回転子１のラジアル力を大きくすることができ、低速回転時にも永久磁石型回転子１を浮上させることができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の誘導反発吸引原理を利用した回転電機は、ハードウェア構成を変えることなく、低速回転時に発生できるラジアル力を大きくすることができる、誘導反発吸引原理を利用した回転電機における低速回転時の電磁力発生方法として利用可能である。

１永久磁石型回転子
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２ＤＮ極
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３ＤＳ極
４固定子
５第１のＵ相コイル
６第１のＶ相コイル
７第１のＷ相コイル
８第２のＵ相コイル
９第２のＶ相コイル
１０第２のＷ相コイル
５Ａ，５Ｂ、６Ａ，６Ｂ、７Ａ，７Ｂ、８Ａ，８Ｂ、９Ａ，９Ｂ、１０Ａ，１０Ｂコイルエレメント
１１ヌル接続点
１２Ｕ相配線
１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ，１３Ｂ，１４Ａ，１４Ｂ，１６接続点
１３Ｖ相配線
１４Ｗ相配線
１５接続線
１７Ｕ相電源
１８Ｖ相電源
１９Ｗ相電源
２０中性点
２１Ｕ相電流
２２Ｖ相電流
２３Ｗ相電流

Claims

誘導反発吸引原理を利用した回転電機の固定子（４）に供給される、永久磁石型回転子（１）の回転速度に同期した３相電流に対して、該３相電流から９０度位相がずれた電流を重畳することにより、前記永久磁石型回転子（１）を中心に戻そうとする電磁力を発生させることを特徴とする誘導反発吸引原理を利用した回転電機における低速回転時の電磁力発生方法。
請求項１記載の誘導反発吸引原理を利用した回転電機における低速回転時の電磁力発生方法において、前記回転電機が、円筒形状に構成される永久磁石型回転子（１）と、該回転子（１）の外周面に配置され、前記回転子（１）の軸方向に隣接する８の字形状に結線された、第１のＵ相コイル（５）、第１のＶ相コイル（６）、第１のＷ相コイル（７）、第２のＵ相コイル（８）、第２のＶ相コイル（９）、及び第２のＷ相コイル（１０）が順次円周方向に配置された構造を有する固定子（４）と、前記第１のＵ相コイル（５）と前記第２のＵ相コイル（８）にヌル接続点（１１）で接続されるＵ相配線（１２）と、前記第１のＶ相コイル（６）と前記第２のＶ相コイル（９）にヌル接続点（１１）で接続されるＶ相配線（１３）と、前記第１のＷ相コイル（７）と前記第２のＷ相コイル（１０）にヌル接続点（１１）で接続されるＷ相配線（１４）とを具備し、前記Ｕ相配線（１２）と、前記Ｖ相配線（１３）と、及び前記Ｗ相配線（１４）を中心にして両側に、前記第１のＵ相コイル（５）、前記第１のＶ相コイル（６）、及び前記第１のＷ相コイル（７）と、前記第２のＵ相コイル（８）、前記第２のＶ相コイル（９）、及び前記第２のＷ相コイル（１０）とを並列に接続したことを特徴とする誘導反発吸引原理を利用した回転電機における低速回転時の電磁力発生方法。