JP2014027705A - Rotary machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転機に関する。 The present invention relates to a rotating machine.
従来、例えば互いの回転軸が同軸に配置されて相対位相を変更可能な内回転子および外回転子からなるロータを備え、相対位相の変更に応じてロータのトルクに寄与する磁石磁束を変更可能な電動機が知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、従来、例えばステータに対してロータを軸方向に変位可能とし、ロータとステータとの対向面積の変更に応じてステータに鎖交するロータの磁石磁束を変更可能な回転機が知られている(例えば、特許文献2参照)。
また、従来、例えば磁気特性が異なる複数の磁石を有するロータに対して、ステータの励磁よって増磁と減磁とを行なうことで、ステータに鎖交するロータの磁石磁束を変更可能な回転電機が知られている(例えば、特許文献3参照)。
Conventionally, for example, a rotor consisting of an inner rotor and an outer rotor whose mutual rotation axes are arranged coaxially and whose relative phase can be changed has been provided, and the magnetic flux that contributes to the torque of the rotor can be changed according to the change in the relative phase An electric motor is known (see, for example, Patent Document 1).
Conventionally, for example, a rotating machine is known in which the rotor can be displaced in the axial direction with respect to the stator and the magnetic flux of the rotor linked to the stator can be changed in accordance with the change in the facing area between the rotor and the stator. (For example, refer to Patent Document 2).
Conventionally, for example, a rotating electrical machine that can change the magnetic flux of a rotor linked to a stator by performing magnetizing and demagnetizing by exciting the stator with respect to a rotor having a plurality of magnets having different magnetic characteristics. It is known (see, for example, Patent Document 3).
ところで、上記従来技術に係る電動機においては、ロータを内回転子および外回転子の複数の回転子により構成することから、構成に要する磁石量が増大してしまうという問題が生じる。また、所望の弱め界磁と強め界磁とが発生するようにして各ロータの磁石配置(つまり磁気回路)を設定する必要が生じ、各ロータの構成に関する自由度が低下してしまうという問題が生じる。
また、上記従来技術に係る回転機においては、ステータに対してロータが軸方向に変位することで、径方向でステータに対向しないロータの表面からステータコアに短絡する磁束が発生することによって、ステータコアの渦電流損失が増大してしまうとい問題が生じる。
また、上記従来技術に係る回転電機においては、所望の弱め界磁と強め界磁とが発生するようにして、磁気特性が異なる複数の磁石の配置を設定する必要が生じ、各ロータの構成に関する自由度が低下してしまうという問題が生じる。
By the way, in the electric motor which concerns on the said prior art, since a rotor is comprised by the several rotor of an inner rotor and an outer rotor, the problem that the magnet quantity required for a structure will increase arises. Further, it is necessary to set the magnet arrangement (that is, the magnetic circuit) of each rotor so as to generate a desired weak field and strong field, and the degree of freedom regarding the configuration of each rotor is reduced. Arise.
Further, in the rotating machine according to the above prior art, when the rotor is displaced in the axial direction with respect to the stator, a magnetic flux that is short-circuited from the surface of the rotor that does not face the stator in the radial direction to the stator core is generated. A problem arises when eddy current loss increases.
Further, in the rotating electrical machine according to the above-described prior art, it is necessary to set the arrangement of a plurality of magnets having different magnetic characteristics so that a desired field weakening and field strengthening are generated, and the configuration of each rotor There arises a problem that the degree of freedom is lowered.
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、ロータの構成および磁気回路の制約を抑制しつつ、磁石磁束を適切に可変にすることが可能な回転機を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a rotating machine capable of appropriately changing the magnetic flux of a magnet while suppressing restrictions on the configuration of the rotor and the magnetic circuit.
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第1態様に係る回転機は、ロータ(例えば、実施の形態でのロータ11)と、ステータコア(例えば、実施の形態でのステータコア12a)にコイル(例えば、実施の形態でのコイル12b)が巻回されたステータ(例えば、実施の形態でのステータ12)と、前記ロータおよび前記ステータを収容するケース(例えば、実施の形態でのケース13)とを備える回転機(例えば、実施の形態での回転機10)であって、前記ロータは、回転軸(例えば、実施の形態での回転軸20)と、回転軸方向で対向するように配置された第1ロータ(例えば、実施の形態での第1ロータ21)および第2ロータ(例えば、実施の形態での第2ロータ22)と、前記第2ロータの回転トルクを前記第1ロータに伝達するトルク伝達状態と前記第2ロータの回転トルクを前記第1ロータに伝達しないトルク非伝達状態とを切り替え可能なトルク伝達手段(例えば、実施の形態でのトルク伝達部24)と、前記第2ロータを前記ケースに磁気的に結合可能な磁気結合手段(例えば、実施の形態での磁気結合部23)とを備え、前記第1ロータは前記回転軸に固定され、前記第2ロータは、前記回転軸に非固定であり、前記コイルに流れる電流が所定値未満の場合には前記結合手段によって前記ケースに磁気的に結合され、前記コイルに流れる電流が前記所定値以上の場合には回転し、前記トルク伝達手段は、前記第2ロータが回転するときには前記トルク伝達状態になる。
In order to solve the above problems and achieve the object, a rotating machine according to the first aspect of the present invention includes a rotor (for example, the
さらに、本発明の第2態様に係る回転機では、前記磁気結合手段は、前記第2ロータに固定されたロータ側結合用磁石(例えば、実施の形態でのロータ側結合用磁石61)と、前記ロータ側結合用磁石に対向するようにして前記ケースに固定されたケース側結合用磁石(例えば、実施の形態でのケース側結合用磁石62)とを備える。
Further, in the rotating machine according to the second aspect of the present invention, the magnetic coupling means includes a rotor side coupling magnet (for example, the rotor
さらに、本発明の第3態様に係る回転機では、前記ロータ側結合用磁石は前記第2ロータの内周部(例えば、実施の形態での内周面48A)に固定され、前記ケース側結合用磁石は、前記第2ロータの径方向で前記ロータ側結合用磁石に対向するようにして前記ケースに固定されている。
Furthermore, in the rotating machine according to the third aspect of the present invention, the rotor side coupling magnet is fixed to an inner peripheral portion (for example, an inner
さらに、本発明の第4態様に係る回転機では、前記トルク伝達手段は、前記第1ロータおよび前記第2ロータのうち何れか一方のロータにおいて前記回転軸周りに周方向に巻回された励磁コイル(例えば、実施の形態での励磁コイル71)と、前記一方のロータにおいて前記励磁コイルの内周側に配置された内周部(例えば、実施の形態での内周部72)および前記励磁コイルの外周側に配置された外周部(例えば、実施の形態での外周部73)を具備する励磁側鉄心部(例えば、実施の形態での励磁側鉄心部74)と、前記第1ロータおよび前記第2ロータのうち何れか他方のロータにおいて前記回転軸方向で前記励磁コイルに対向する位置に設けられた非磁性部(例えば、実施の形態での非磁性部75)と、前記他方のロータにおいて前記回転軸方向で前記励磁側鉄心部に対向可能に前記非磁性部の内周側に配置された内周部(例えば、実施の形態での内周部76)および前記非磁性部の外周側に配置された外周部(例えば、実施の形態での外周部77)を具備する被励磁側鉄心部(例えば、実施の形態での被励磁側鉄心部78)と、前記励磁コイルを通電状態と非通電状態とに切り替え可能な通電切替手段(例えば、実施の形態での通電切替部79)とを備える。
Furthermore, in the rotating machine according to the fourth aspect of the present invention, the torque transmission means is an excitation wound in the circumferential direction around the rotation axis in either one of the first rotor and the second rotor. A coil (for example, the
さらに、本発明の第5態様に係る回転機では、前記第1ロータおよび前記第2ロータは周方向に配置された複数の磁極部(例えば、実施の形態での磁石装着部32、磁石装着部42)を備え、前記複数の磁極部は周方向で隣り合う前記磁極部同士の磁化方向が反転するように配置され、前記励磁側鉄心部の前記外周部と、前記被励磁側鉄心部の前記外周部とは、前記磁化方向が同一である前記磁極部同士が前記回転軸方向で対向するようにして前記第1ロータおよび前記第2ロータが配置されている場合に前記回転軸方向で互いに対向する位置において前記回転軸方向で互いに近接するようにして突出する突出部(例えば、実施の形態での突出部73a、突出部77a)を備える。
Furthermore, in the rotating machine according to the fifth aspect of the present invention, the first rotor and the second rotor have a plurality of magnetic pole portions arranged in the circumferential direction (for example, the
さらに、本発明の第6態様に係る回転機では、前記ステータコアは、径方向で前記第1ロータに対向する第1ステータコア(例えば、実施の形態での第1ステータコア91)と、径方向で前記第2ロータに対向する第2ステータコア(例えば、実施の形態での第2ステータコア92)と、前記回転軸方向で前記第1ステータコアと前記第2ステータコアとの間に配置されたステータ非磁性部(例えば、実施の形態でのステータ非磁性部93)とを備える。
Furthermore, in the rotating machine according to the sixth aspect of the present invention, the stator core includes a first stator core (for example, the
本発明の第1態様に係る回転機によれば、第1ロータの磁石磁束がステータに鎖交することにより発生する回転トルクのみが回転軸に伝達される状態(弱め界磁状態)と、第1ロータおよび第2ロータの磁石磁束がステータに鎖交することにより発生する回転トルクがともに回転軸に伝達される状態(強め界磁状態)とを、コイルに流れる電流に応じて容易かつ適切に切り替えることができる。これにより、例えば弱め界磁状態と強め界磁状態とを切替可能にするために各ロータの磁石配置(つまり磁気回路)を制約する必要が生じることを防止し、各ロータの構成に関する自由度が低下してしまうことを防止することができる。 According to the rotating machine according to the first aspect of the present invention, only the rotational torque generated when the magnetic flux of the first rotor is linked to the stator is transmitted to the rotating shaft (weakening field state), The state (strong field state) in which the rotational torque generated when the magnetic fluxes of the first and second rotors are linked to the stator is transmitted to the rotating shaft easily and appropriately according to the current flowing through the coil. Can be switched. This prevents, for example, the necessity of restricting the magnet arrangement (that is, the magnetic circuit) of each rotor in order to enable switching between the weak field state and the strong field state, and the degree of freedom regarding the configuration of each rotor. It can prevent that it falls.
本発明の第2態様に係る回転機によれば、対向するロータ側結合用磁石とケース側結合用磁石との間の磁力による吸引力で第2ロータをケースに磁気的に結合させることができ、磁気結合手段の構成が複雑化することを防止することができる。 According to the rotating machine according to the second aspect of the present invention, the second rotor can be magnetically coupled to the case by the attractive force generated by the magnetic force between the opposing rotor-side coupling magnet and the case-side coupling magnet. Therefore, it is possible to prevent the configuration of the magnetic coupling means from becoming complicated.
本発明の第3態様に係る回転機によれば、回転機の軸方向寸法が増大することを防止することができる。 The rotating machine according to the third aspect of the present invention can prevent the axial dimension of the rotating machine from increasing.
本発明の第4態様に係る回転機によれば、励磁コイルの通電状態において励磁側鉄心部で発生する磁束により被励磁側鉄心部が磁化され、励磁側鉄心部と被励磁側鉄心部との間の磁気的な吸引力によって、一方のロータと他方のロータとが非接触に結合され、トルク伝達可能な状態になる。
つまり、トルク伝達手段は、一方のロータと他方のロータとを非接触に維持しつつトルク伝達状態とトルク非伝達状態とを切り替え可能であって、トルク非伝達状態において第2ロータが第1ロータの回転に対して負荷になること(引き摺り損失が発生すること)を防止することができる。
According to the rotating machine of the fourth aspect of the present invention, the excited side iron core is magnetized by the magnetic flux generated in the exciting iron core in the energized state of the exciting coil, and the exciting side iron core and the excited iron core are Due to the magnetic attraction force between them, one rotor and the other rotor are coupled in a non-contact manner, and torque transmission is possible.
That is, the torque transmission means can switch between the torque transmission state and the torque non-transmission state while maintaining one rotor and the other rotor in a non-contact state, and the second rotor is the first rotor in the torque non-transmission state. It becomes possible to prevent a load from being generated (a drag loss is generated).
本発明の第5態様に係る回転機によれば、第1ロータの励磁側鉄心部の外周部に設けられた突出部と、第2ロータの被励磁側鉄心部の外周部に設けられた突出部と、第1ロータおよび第2ロータの各内周部とにより磁路が形成され、磁化方向が同一である磁極部同士が回転軸方向で対向するようにして励磁側鉄心部の外周部と第2ロータの外周部とが磁気的な吸引力によって非接触に結合される。これにより、トルク伝達状態において第1ロータと第2ロータとを同一位相に設定することができ、第2ロータの回転トルクを第1ロータに効率よく伝達することができる。
しかも、各外周部に突出部を設けることにより、例えば各内周部に突出部を設けることに比べて、より精度良く同一位相に設定することができる。
According to the rotating machine according to the fifth aspect of the present invention, the protrusion provided on the outer peripheral portion of the excitation-side iron core portion of the first rotor and the protrusion provided on the outer peripheral portion of the excited-side iron core portion of the second rotor. And a magnetic path is formed by the inner peripheral portions of the first rotor and the second rotor, and the magnetic pole portions having the same magnetization direction are opposed to each other in the rotation axis direction. The outer periphery of the second rotor is coupled in a non-contact manner by a magnetic attractive force. Thus, the first rotor and the second rotor can be set to the same phase in the torque transmission state, and the rotational torque of the second rotor can be efficiently transmitted to the first rotor.
Moreover, by providing the protrusions on the respective outer peripheral portions, for example, the same phase can be set with higher accuracy than when the protrusions are provided on the respective inner peripheral portions.
本発明の第6態様に係る回転機によれば、径方向で対向しない各ステータコアと各ロータとの間(つまり、第1ステータコアと第2ロータとの間、および、第2ステータコアと第1ロータとの間)で短絡する磁束が発生することを防止し、各ステータコアにおける渦電流損失の増大を防止することができる。 According to the rotating machine of the sixth aspect of the present invention, between each stator core and each rotor that are not opposed in the radial direction (that is, between the first stator core and the second rotor, and between the second stator core and the first rotor). ) Can be prevented, and an increase in eddy current loss in each stator core can be prevented.
以下、本発明の回転機の一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
この実施の形態による回転機10は、例えば図1〜図7に示すように、ロータ11と、ステータコア12aに3相のコイル12bが巻回されたステータ12と、ロータ11およびステータ12を収容するケース13とを備えを備えて構成されている。
Hereinafter, an embodiment of a rotating machine of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
1 to 7, for example, the
この回転機10は、例えばインナロータ型のブラシレスDCモータであって、ロータ11は円環状のステータ12の内周側に配置され、ステータ12のステータコア12aの外周部がケース13に固定されている。
The
ロータ11は、回転軸20と、回転軸方向で対向するように非接触に配置された第1ロータ21および第2ロータ22と、第2ロータ22をケース13に磁気的に結合可能な磁気結合部23と、第2ロータ22の回転トルクを第1ロータ21に伝達するトルク伝達状態と第2ロータ22の回転トルクを第1ロータ21に伝達しないトルク非伝達状態とを切り替え可能なトルク伝達部24とを備えて構成されている。
The
第1ロータ21は回転軸20に固定されており、第1ロータコア31と、第1ロータコア31の外周側に偏寄した位置に形成された複数の磁石装着部32に装着された永久磁石33とを備えている。
The
複数の磁石装着部32は周方向等間隔に配置されており、各磁石装着部32は周方向で隣り合う1対の磁石装着スロット32a,32aを備えている。
1対の磁石装着スロット32a,32aには、厚み方向の同一方向に磁化された2つの平板状の永久磁石33,33が装着されている。
The plurality of
Two plate-like
周方向で隣り合う磁石装着部32,32同士では、永久磁石33の磁極の向きが逆向きになるように設定されている。
即ち、外周側がN極とされた1対の永久磁石33,33が装着された1対の磁石装着スロット32a,32aと、外周側がS極とされた1対の永久磁石33,33が装着された1対の磁石装着スロット32a,32aとが、周方向に交互に並んで配置されている。
In the
That is, a pair of
第2ロータ22は、回転軸20には固定されておらず、ベアリング40を介してケース13に回転可能に支持され、第2ロータコア41と、第2ロータコア41の外周側に偏寄した位置に形成された複数の磁石装着部42に装着された永久磁石43とを備えている。
ている。
The
ing.
さらに、第2ロータコア41は、中心部において回転軸20が非接触に挿入される貫通孔45と、回転軸方向で第1ロータ21側の反対側の端部に形成された凹溝46および第1突出部47および第2突出部48とを備えている。
Further, the
凹溝46は、貫通孔45を外周側から取り囲むようにして円環状に形成されている。
第1突出部47は、貫通孔45の内壁面45Aに連続する内周面47Aと、凹溝46の内周側壁面46Aに連続する外周面47Bとを有し、回転軸方向に突出する円筒状に形成されている。
第2突出部48は、第1突出部47を外周側から取り囲むようにして回転軸方向に突出する円筒状に形成され、凹溝46の外周側壁面46Bに連続する内周面48Aを有している。
The
The first projecting
The second projecting
凹溝46と、第1突出部47および第2突出部48により径方向の両側から挟み込まれるようにして形成される円環状の空間部49とには、ケース13の一部を成す円筒状支持部50が挿入されている。
そして、円筒状支持部50の内周面50Aと第1突出部47の外周面47Bとの間には円環状のベアリング40が装着されており、このベアリング40によって円筒状支持部50は、第1突出部47(つまり第2ロータ22)を回転軸20周りに回転可能に支持している。
A cylindrical support that forms a part of the
An
複数の磁石装着部42は周方向等間隔に配置されており、各磁石装着部42は周方向で隣り合う1対の磁石装着スロット42a,42aを備えている。
1対の磁石装着スロット42a,42aには、厚み方向の同一方向に磁化された2つの平板状の永久磁石43,43が装着されている。
The plurality of
Two flat
周方向で隣り合う磁石装着部42,42同士では、永久磁石43の磁極の向きが逆向きになるように設定されている。
即ち、外周側がN極とされた1対の永久磁石43,43が装着された1対の磁石装着スロット42a,42aと、外周側がS極とされた1対の永久磁石43,43が装着された1対の磁石装着スロット42a,42aとが、周方向に交互に並んで配置されている。
In the
That is, a pair of
なお、第1ロータ21における複数の磁石装着部32および永久磁石33の径方向および周方向での配置位置と、第2ロータ22における複数の磁石装着部42および永久磁石43の径方向および周方向での配置位置とは同一であって、磁極の向きが等しい互いの永久磁石33,43同士が回転軸方向で対向可能に構成されている。
In addition, the arrangement positions of the plurality of
磁気結合部23は、第2ロータ22に固定されたロータ側結合用磁石61と、ロータ側結合用磁石61に対向するようにしてケース13に固定されたケース側結合用磁石62とを備えている。
The
ロータ側結合用磁石61は、例えば厚み方向に磁化された平板状であって、磁化方向が径方向になるようにして、第2ロータ22の第2突出部48の内周面48A上のうちケース13の一部を成す円筒状支持部50の外周面50Bに径方向で対向する位置に固定されている。
ケース側結合用磁石62は、例えば厚み方向に磁化された平板状であって、磁化方向が径方向になるように、かつ、ロータ側結合用磁石61に径方向で対向するようにして、ケース13の一部を成す円筒状支持部50の外周面50B上のうち第2ロータ22の第2突出部48の内周面48Aに径方向で対向する位置に固定されている。
The rotor-
The case-
そして、ロータ側結合用磁石61とケース側結合用磁石62とは、互いの磁化方向を反対方向として径方向で対向可能に配置され、ケース13に対する第2ロータ22の所定の回転位置において、対向するロータ側結合用磁石61とケース側結合用磁石62との間に磁力による吸引力が作用するように設定されている。
The rotor-
なお、対向するロータ側結合用磁石61とケース側結合用磁石62との間に作用する磁力による吸引力は、ステータ12のコイル12bに流れる電流が所定値未満の場合に第2ロータ22の回転停止を維持し、ステータ12のコイル12bに流れる電流が所定値以上の場合に第2ロータ22の回転を許容する程度の大きさを有するように設定されている。
すなわち、ロータ側結合用磁石61とケース側結合用磁石62とを備えた磁気結合部23は、ステータ12のコイル12bから発生する磁束により第2ロータ22に発生する回転トルクの大きさが所定の大きさよりも小さい場合に第2ロータ22の回転停止を維持し、ステータ12のコイル12bから発生する磁束により第2ロータ22に発生する回転トルクの大きさが所定の大きさ以上の場合に第2ロータ22を回転させるトルクリミット機能を有している。
The attraction force due to the magnetic force acting between the opposing rotor-
That is, the
トルク伝達部24は、第2ロータコア41において回転軸20周りに周方向に巻回された励磁コイル71と、第2ロータコア41において励磁コイル71の内周側に配置された内周部72および励磁コイル71の外周側に配置された外周部73を具備する励磁側鉄心部74と、第1ロータコア31において回転軸方向で励磁コイル71に対向する位置に設けられた円環状の非磁性部75と、第1ロータコア31において非磁性部75の内周側に配置された内周部76および非磁性部75の外周側に配置された外周部77を具備する被励磁側鉄心部78と、励磁コイル71を通電状態と非通電状態とに切り替え可能な通電切替部79とを備えて構成さえている。
The
励磁側鉄心部74の内周部72および被励磁側鉄心部78の内周部76は、回転軸20を外周側から取り囲む同軸の円筒状に形成され、互いの回転軸方向の端面72A,76Aが対向するようにして回転軸方向に突出している。
励磁側鉄心部74の外周部73および被励磁側鉄心部78の外周部77は、同軸の円筒状に形成され、互いの回転軸方向の端面73A,77Aが対向しており、さらに、互いの端面73A,77A上における周方向の所定位置から回転軸方向に互いに近接するようにして突出する各突出部73a,77aを備えている。
The inner
The outer
各突出部73a,77aが設けられる周方向の所定位置は、各第1ロータ21および第2ロータ22において磁化方向が同一の磁極部(つまり、永久磁石33が装着された第1ロータ21の磁石装着部32および永久磁石43が装着された第2ロータ22の磁石装着部42)同士が回転軸方向で対向するようにして第1ロータ21および第2ロータ22が配置されている場合に回転軸方向で互いに対向する位置(例えば、磁化方向が同一の磁極部から径方向内方側であって回転軸方向で互いに対向する位置など)である。
The predetermined positions in the circumferential direction at which the
例えば図3〜図6に示す回転機10では、励磁側鉄心部74の複数の突出部73aは、外周側がN極かつ内周側がS極の永久磁石43が装着された第2ロータ22の複数の磁石装着部42の周方向角度間隔と同一の周方向角度間隔で各磁石装着部42から径方向内方側位置に配置されている。同様にして、被励磁側鉄心部78の複数の突出部77aは、外周側がN極かつ内周側がS極の永久磁石33が装着された第1ロータ21の複数の磁石装着部32の周方向角度間隔と同一の周方向角度間隔で各磁石装着部32から径方向内方側であって励磁側鉄心部74の複数の突出部73aと回転軸方向で互いに対向する位置に配置されている。
For example, in the rotating
そして、励磁コイル71の通電状態においては、回転軸方向で対向する突出部73aおよび突出部77aと、回転軸方向で対向する内周部72および内周部76とにより磁路が形成され、励磁側鉄心部74で発生する磁束により被励磁側鉄心部78が磁化され、励磁側鉄心部74と被励磁側鉄心部78との間に磁気的な吸引力が発生する。これにより、第1ロータ21と第2ロータ22とが非接触に結合され、第2ロータの回転トルクを第1ロータ21に伝達可能なトルク伝達状態になる。しかも、このトルク伝達状態では、第1ロータ21と第2ロータ22とが同一位相になる。
In the energized state of the
なお、励磁側鉄心部74および被励磁側鉄心部78のそれぞれにおいて、複数の突出部73aの周方向間隔および複数の突出部77aの周方向間隔を一定にすることによって、回転トルクの周期的な脈動の発生を抑制することができる。さらに、複数の突出部73aおよび複数の突出部77aのそれぞれの個数を、各第1ロータ21および第2ロータ22の磁極部の極数の倍数とは異なる値に設定することにより、各第1ロータ21および第2ロータ22において磁化方向が反対方向の磁極部同士が回転軸方向で対向した状態で第1ロータ21と第2ロータ22とが非接触に結合されてしまうことを防止することができる。
In each of the exciting side
なお、励磁コイル71を通電状態と非通電状態とに切り替え可能な通電切替部79の動作は、例えば図6に示すように、制御装置81により制御されている。
制御装置81は、回転数センサ(図示略)などによって検出あるいは推定される回転機10の回転数と、回転機10に要求されるトルクを示すトルク指令となどに基づき、励磁コイル71の通電状態と非通電状態との切り替えを指示する。
The operation of the
The
例えば、制御装置81は、予め、励磁コイル71の通電状態(つまり、トルク伝達状態)と非通電状態(つまり、トルク非伝達状態)とに対して、回転機10の回転数とトルクと運転効率との所定の対応関係を示すマップなどのデータを記憶しており、回転機10の運転状態(例えば、運転効率を優先する状態や、最大トルクを優先する状態や、最大回転数を優先する状態など)に応じて、励磁コイル71の通電状態と非通電状態との切り替えを指示する。
For example, the
なお、制御装置81は、励磁コイル71の通電状態(つまり、トルク伝達状態)は、少なくとも第2ロータ22が磁気結合部23の吸引力に抗って回転可能な状態(つまり、ステータ12のコイル12bに流れる電流が所定値以上の状態)に設定されることが好ましく、例えば第2ロータ22が回転するときに励磁コイル71の通電状態(つまり、トルク伝達状態)になるように制御する。
また、制御装置81は、回転機10の3相のコイル12bに対する通電を行なうインバータ82の動作を制御することによって、回転機10の運転状態を制御する。
Note that the
The
ステータ12のステータコア12aは、径方向で第1ロータコア31に対向する第1ステータコア91と、径方向で第2ロータコア41に対向する第2ステータコア92と、回転軸方向で第1ステータコア91と第2ステータコア92との間に配置された非磁性部材からなるステータ非磁性部93とを備えている。
The
この実施形態による回転機10は上記構成を備えており、次に、この回転機10の動作について説明する。
The rotating
先ず、例えば図8に示すステップS01においては、例えば回転数センサ(図示略)による検出あるいは推定などにより回転機10の回転数を取得する。
次に、ステップS02においては、回転機10のトルクに対するトルク指令を取得する。
次に、ステップS03においては、回転機10の回転数とトルク指令とに基づき、励磁コイル71の通電状態(つまり、トルク伝達状態)が必要であるか否かを判定する。
この判定結果が「NO」の場合には、ステップS04に進み、このステップS04においては、励磁コイル71を非通電状態(つまり、トルク非伝達状態)として、エンドに進む。
一方、この判定結果が「YES」の場合には、ステップS05に進み、このステップS05においては、励磁コイル71を通電状態(つまり、トルク伝達状態)として、エンドに進む。
First, in step S01 shown in FIG. 8, for example, the rotation speed of the rotating
Next, in step S02, a torque command for the torque of the rotating
Next, in step S03, based on the rotation speed of the rotating
If this determination is “NO”, the flow proceeds to step S 04, and in this step S 04, the
On the other hand, if this determination is “YES”, the flow proceeds to step S 05, and in this step S 05, the
例えば図9(A)に示すように、回転機10の低負荷時であって、ステータ12のコイル12bに流れる電流が所定値未満の低励磁の状態では、第2ロータ22は磁気結合部23によって停止状態に維持され、励磁コイル71の非通電状態(つまり、トルク非伝達状態)に設定されて、第1ロータ21の回転トルクのみが回転軸20に伝達される。
この場合は、回転軸20の回転トルクに寄与する磁石磁束量が低下する弱め界磁状態になる。
For example, as shown in FIG. 9A, when the rotating
In this case, a field weakening state in which the amount of magnet magnetic flux that contributes to the rotational torque of the
一方、例えば図9(B)に示すように、回転機10の高負荷時であって、ステータ12のコイル12bに流れる電流が所定値以上の高励磁の状態では、第2ロータ22は磁気結合部23の吸引力に抗って回転し、励磁コイル71の通電状態(つまり、トルク伝達状態)に設定されて、第1ロータ21の回転トルクと第2ロータの回転トルクとが回転軸20に伝達される。
この場合は、回転軸20の回転トルクに寄与する磁石磁束量が増加する強め界磁状態になる。
On the other hand, as shown in FIG. 9B, for example, when the rotating
In this case, a strong field state in which the amount of magnet magnetic flux contributing to the rotational torque of the
上述したように、本発明の実施形態による回転機10によれば、第1ロータ21の磁石磁束がステータ12に鎖交することにより発生する回転トルクのみが回転軸20に伝達される状態(弱め界磁状態)と、第1ロータ21および第2ロータ22の磁石磁束がステータ12に鎖交することにより発生する回転トルクがともに回転軸20に伝達される状態(強め界磁状態)とを、ステータ12のコイル12bに流れる電流に応じて容易かつ適切に切り替えることができる。これにより、例えば弱め界磁状態と強め界磁状態とを切替可能にするために各ロータ21,22の磁石配置(つまり磁気回路)を制約する必要が生じることを防止し、各ロータ21,22の構成に関する自由度が低下してしまうことを防止することができる。
As described above, according to the rotating
さらに、径方向で対向するロータ側結合用磁石61とケース側結合用磁石62との間の磁力による吸引力で第2ロータ22をケース13に磁気的に結合させることができ、磁気結合部23の構成が複雑化することを防止することができると共に、例えばロータ側結合用磁石61とケース側結合用磁石62とを回転軸方向で対向するように配置する場合に比べて、回転機10の軸方向寸法が増大することを防止することができる。
Further, the
さらに、トルク伝達部24は、第1ロータ21と第2ロータ22とを非接触に維持しつつトルク伝達状態とトルク非伝達状態とを切り替え可能であって、トルク非伝達状態において第2ロータ22が第1ロータ21の回転に対して負荷になること(引き摺り損失が発生すること)を防止することができる。
Further, the
さらに、回転軸方向で励磁コイル71に対向する位置に非磁性部75を設け、各ロータ21,22の磁極部のうち磁化方向が一方である磁極部に対する所定の相対位置に各突出部73a,77aを備えることにより、トルク伝達状態において第1ロータ21と第2ロータ22とを精度良く同一位相に設定することができ、第2ロータ22の回転トルクを第1ロータ21に効率よく伝達することができる。
Further, a
さらに、ステータ非磁性部93を備えることにより、径方向で対向しない第1ステータコア91と第2ロータコア41との間、および、径方向で対向しない第2ステータコア92と第1ロータコア31との間で短絡する磁束が発生することを防止し、各ステータコア91,92における渦電流損失の増大を防止することができる。
また、第1ロータコア31から第1ステータコア91および第2ステータコア92を通って第2ロータコア41へ短絡する磁束が発生することを防止し、各ステータコア91,92における渦電流損失の増大を防止することができる。
Furthermore, by providing the stator
Further, it is possible to prevent a magnetic flux that is short-circuited from the
なお、上述した実施の形態において、磁気結合部23のロータ側結合用磁石61とケース側結合用磁石62とは、径方向以外の方向(例えば、回転軸方向など)で対向するように配置されてもよい。
In the above-described embodiment, the rotor-
なお、上述した実施の形態において、第1ロータコア31に励磁コイル71を備え、第2ロータコア41に非磁性部75を備えてもよい。
In the above-described embodiment, the
なお、上述した実施の形態において、各突出部73a,77aを、各磁石装着部42,32から径方向内方側に配置するとしたが、これに限定されず、例えば各磁石装着部42,32から径方向外方側や、例えば各磁石装着部42,32と等しい径方向位置などに配置されてもよい。
また、上述した実施の形態においては、磁化方向が同一の磁極部を、外周側がN極かつ内周側がS極の各永久磁石43,33が装着された各磁石装着部42,32としたが、これに限定されず、例えば外周側がS極かつ内周側がN極の各永久磁石43,33が装着された各磁石装着部42,32としてもよい。
要するに、各突出部73a,77aは、磁化方向が同一である磁極部同士が回転軸方向で対向するようにして第1ロータ21および第2ロータ22が配置されている場合に回転軸方向で互いに対向する適宜の位置に配置されていればよい。
また、上述した実施の形態において、各突出部73a,77aを励磁側鉄心部74の外周部73および被励磁側鉄心部78の外周部77に設けるとしたが、これに限定されず、例えば、励磁側鉄心部74の内周部72および被励磁側鉄心部78の内周部76に回転軸方向に互いに近接するようにして突出する各突出部を設けてもよい。
In the above-described embodiment, the projecting
In the embodiment described above, the magnetic pole portions having the same magnetization direction are the
In short, the
In the above-described embodiment, the
なお、上述した実施の形態において、制御装置81は、ステータ12のコイル12bに流れる電流が所定値以上となって、第2ロータ22が磁気結合部23の吸引力に抗って回転可能になったときに、励磁コイル71を通電状態(つまり、トルク伝達状態)にするとしたが、これに限定されず、例えばステータ12のコイル12bに流れる電流が、所定の程度で、所定値に近い値になったとき、つまりステータ12のコイル12bから発生する磁束が、第2ロータ22が回転し始める磁束の大きさに、所定の程度で近づいたときに、励磁コイル71を通電状態(つまり、トルク伝達状態)にしてもよい。
In the above-described embodiment, the
この場合、第2ロータ22は、ステータ12のコイル12bから発生する磁束により第2ロータ22に発生する回転トルクと、トルク伝達部24によって第2ロータ22が回転する第1ロータ21に磁気的に引きつけられて第2ロータ22に発生する回転トルクとによって、磁気結合部23の吸引力に抗って回転可能になる。
これにより、例えば、磁気結合部23の吸引力の固体差や、温度による吸引力の変化などが生じる場合であっても、第2ロータ22の回転開始のタイミングおよび第2ロータ22の回転トルクを第1ロータ21に伝達するトルク伝達状態の開始タイミングを、より精度よく制御することができる。
In this case, the
Thereby, for example, even when a solid difference in the attractive force of the
このとき、ロータ側結合用磁石61とケース側結合用磁石62とを備えた磁気結合部23は、トルクリミット機能を有している。
このトルクリミット機能は、ステータ12のコイル12bから発生する磁束により第2ロータ22に発生する回転トルクと、トルク伝達部24によって第2ロータ22が回転する第1ロータ21に磁気的に引きつけられて第2ロータ22に発生する回転トルクとの合計トルクが所定の大きさよりも小さい場合に第2ロータ22の回転停止を維持する。また、ステータ12のコイル12bから発生する磁束により第2ロータ22に発生する回転トルクと、トルク伝達部24によって第2ロータ22が回転する第1ロータ21に磁気的に引きつけられて第2ロータ22に発生する回転トルクとの合計トルクが所定の大きさ以上の場合に第2ロータ22を回転させる。
At this time, the
This torque limit function is magnetically attracted to the rotational torque generated in the
10 回転機
11 ロータ
12 ステータ
12a ステータコア
12b コイル
13 ケース
21 第1ロータ
22 第2ロータ
23 トルク伝達手段(磁気結合手段)
24 トルク伝達部(トルク伝達手段)
32 磁石装着部(磁極部)
42 磁石装着部(磁極部)
48A 内周面(内周部)
61 ロータ側結合用磁石(ロータ側結合用磁石)
62 ケース側結合用磁石(ケース側結合用磁石)
71 励磁コイル
72 内周部
73 外周部
73a 突出部
74 励磁側鉄心部
75 非磁性部
76 内周部
77 外周部
77a 突出部
78 被励磁側鉄心部
79 通電切替部(通電切替手段)
91 第1ステータコア
92 第2ステータコア
93 ステータ非磁性部
DESCRIPTION OF
24 Torque transmission part (torque transmission means)
32 Magnet mounting part (magnetic pole part)
42 Magnet mounting part (magnetic pole part)
48A Inner circumference (inner circumference)
61 Rotor side coupling magnet (rotor side coupling magnet)
62 Case side coupling magnet (Case side coupling magnet)
71
91
Claims (6)
前記ロータは、回転軸と、回転軸方向で対向するように配置された第1ロータおよび第2ロータと、前記第2ロータの回転トルクを前記第1ロータに伝達するトルク伝達状態と前記第2ロータの回転トルクを前記第1ロータに伝達しないトルク非伝達状態とを切り替え可能なトルク伝達手段と、
前記第2ロータを前記ケースに磁気的に結合可能な磁気結合手段と
を備え、
前記第1ロータは前記回転軸に固定され、
前記第2ロータは、前記回転軸に非固定であり、前記コイルに流れる電流が所定値未満の場合には前記結合手段によって前記ケースに磁気的に結合され、前記コイルに流れる電流が前記所定値以上の場合には回転し、
前記トルク伝達手段は、前記第2ロータが回転するときには前記トルク伝達状態になることを特徴とする回転機。 A rotating machine comprising a rotor, a stator having a coil wound around a stator core, and a case for housing the rotor and the stator,
The rotor includes a rotation shaft, a first rotor and a second rotor arranged so as to face each other in the rotation axis direction, a torque transmission state for transmitting a rotation torque of the second rotor to the first rotor, and the second rotor. Torque transmitting means capable of switching between a torque non-transmitting state in which the rotational torque of the rotor is not transmitted to the first rotor;
Magnetic coupling means capable of magnetically coupling the second rotor to the case;
The first rotor is fixed to the rotating shaft;
The second rotor is not fixed to the rotating shaft, and when the current flowing through the coil is less than a predetermined value, the second rotor is magnetically coupled to the case by the coupling means, and the current flowing through the coil is the predetermined value. If it is above, it will rotate,
The rotating machine according to claim 1, wherein the torque transmitting means is in the torque transmitting state when the second rotor rotates.
前記一方のロータにおいて前記励磁コイルの内周側に配置された内周部および前記励磁コイルの外周側に配置された外周部を具備する励磁側鉄心部と、
前記第1ロータおよび前記第2ロータのうち何れか他方のロータにおいて前記回転軸方向で前記励磁コイルに対向する位置に設けられた非磁性部と、
前記他方のロータにおいて前記回転軸方向で前記励磁側鉄心部に対向可能に前記非磁性部の内周側に配置された内周部および前記非磁性部の外周側に配置された外周部を具備する被励磁側鉄心部と、
前記励磁コイルを通電状態と非通電状態とに切り替え可能な通電切替手段と
を備えることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1つに記載の回転機。 The torque transmission means includes an exciting coil wound in a circumferential direction around the rotation axis in one of the first rotor and the second rotor;
An excitation side iron core portion comprising an inner peripheral portion disposed on the inner peripheral side of the excitation coil and an outer peripheral portion disposed on the outer peripheral side of the excitation coil in the one rotor;
A nonmagnetic portion provided at a position facing the excitation coil in the direction of the rotation axis in the other rotor of the first rotor and the second rotor;
The other rotor includes an inner peripheral portion disposed on the inner peripheral side of the nonmagnetic portion and an outer peripheral portion disposed on the outer peripheral side of the nonmagnetic portion so as to be able to face the excitation side iron core portion in the rotation axis direction. To be excited side iron core,
The rotating machine according to any one of claims 1 to 3, further comprising energization switching means capable of switching the excitation coil between an energized state and a non-energized state.
前記励磁側鉄心部の前記外周部と、前記被励磁側鉄心部の前記外周部とは、前記磁化方向が同一である前記磁極部同士が前記回転軸方向で対向するようにして前記第1ロータおよび前記第2ロータが配置されている場合に前記回転軸方向で互いに対向する位置において前記回転軸方向で互いに近接するようにして突出する突出部を備えることを特徴とする請求項4に記載の回転機。 The first rotor and the second rotor include a plurality of magnetic pole portions arranged in a circumferential direction, and the plurality of magnetic pole portions are arranged so that magnetization directions of the magnetic pole portions adjacent in the circumferential direction are reversed,
The first rotor is configured such that the outer peripheral portion of the excitation-side iron core portion and the outer peripheral portion of the excited-side iron core portion are opposed to each other in the rotation axis direction with the magnetic pole portions having the same magnetization direction. 5. The apparatus according to claim 4, further comprising a projecting portion that projects so as to be close to each other in the rotation axis direction at a position facing each other in the rotation axis direction when the second rotor is disposed. Rotating machine.
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