JP2016119791A - Axial gap type rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、巻線界磁を利用するダブルロータのアキシャルギャップ型の回転電機に関する。 The present invention relates to a double rotor axial gap type rotating electrical machine using a winding field.
回転電機は、ギャップを介してロータとステータとを対面させて、例えば、ステータ側に配置する電機子コイルで発生させる磁束をロータ側に鎖交させて磁気回路を形成することにより回転力(リラクタンストルク)を得るようになっており、その回転力を補助することを目的として、永久磁石や界磁巻線(電磁石)を配置してマグネットトルクを利用することも行われている。 A rotating electrical machine is configured to face a rotor and a stator through a gap and form a magnetic circuit by, for example, interlinking a magnetic flux generated by an armature coil arranged on the stator side to the rotor side to form a rotational force (reluctance). Torque), and for the purpose of assisting the rotational force, permanent magnets and field windings (electromagnets) are arranged to use the magnet torque.
ところで、このような回転電機にあっては、電機子コイルで発生させる磁束に空間高調波成分が重畳していることから、その磁束を鎖交させる側に空間高調波磁束も鎖交することになる。 By the way, in such a rotating electric machine, since the spatial harmonic component is superimposed on the magnetic flux generated by the armature coil, the spatial harmonic magnetic flux is also linked to the side where the magnetic flux is linked. Become.
しかしながら、永久磁石は、空間高調波磁束が鎖交すると、内部で発生する渦電流により発熱して保磁力が低下することによって磁力が不可逆に小さくなってしまう、という不都合がある。このため、例えば、特許文献1に記載のように空間高調波磁束が鎖交するロータ側に永久磁石を埋め込むタイプであると、その永久磁石の磁力が低下してしまう、という問題がある。
However, the permanent magnet has the disadvantage that when the space harmonic magnetic flux is interlinked, the magnetic force is irreversibly reduced due to heat generation due to eddy currents generated inside and a decrease in coercive force. For this reason, there exists a problem that the magnetic force of the permanent magnet will fall if it is a type which embeds a permanent magnet in the rotor side where a space harmonic magnetic flux interlinks as described in
この問題を解消するために、保磁力の高いジスプロシウム(Dy)やテルビウム(Tb)などの重希土類を多く添加した高価な磁石を用いる必要があってコスト高になってしまう、という不都合がある。 In order to solve this problem, it is necessary to use an expensive magnet to which a large amount of heavy rare earth such as dysprosium (Dy) or terbium (Tb) having a high coercive force is added, which increases the cost.
そこで、本発明は、永久磁石を用いることなく、電機子コイルで発生する空間高調波磁束を効果的に有効利用して、外部からの電力供給なく、大きなマグネットトルクを得ることのできる簡易な構造の回転電機を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention has a simple structure that can effectively obtain a large magnet torque without supplying electric power from the outside by effectively effectively using the spatial harmonic magnetic flux generated in the armature coil without using a permanent magnet. The purpose is to provide a rotating electric machine.
上記課題を解決する回転電機の発明の一態様は、回転軸を中心にして回転駆動する2つのロータと、前記回転軸の軸方向において前記ロータが両面に対面しているステータと、備えるアキシャルギャップ型の回転電機であって、前記ステータの前記回転軸の軸周りに配置される複数の電機子コイルと、前記2つのロータのそれぞれの前記回転軸の軸周りに配置される複数の誘導コイルおよび複数の界磁コイルと、前記誘導コイルで発生する誘導電流を整流して前記界磁コイルに供給する整流素子と、を有するものである。 An aspect of the invention of a rotating electrical machine that solves the above problems includes an axial gap that includes two rotors that are driven to rotate about a rotation shaft, a stator that faces the rotor on both surfaces in the axial direction of the rotation shaft, and A plurality of armature coils arranged around the axis of the rotating shaft of the stator, a plurality of induction coils arranged around the axis of the rotating shaft of each of the two rotors, A plurality of field coils; and a rectifying element that rectifies an induced current generated in the induction coil and supplies the rectified current to the field coil.
すなわち、回転軸の軸周りに電機子コイルを備えるステータのアキシャル方向の両面を2つのロータが挟み込むようにして対面し、その2つのロータのそれぞれが、回転軸周りに複数の誘導コイルおよび複数の界磁コイルを有して、誘導コイルで発生する誘導電流を整流素子で整流させて界磁コイルに供給する構造に構築されている。 That is, two rotors face each other in the axial direction of a stator having an armature coil around the rotation axis, and each of the two rotors has a plurality of induction coils and a plurality of around the rotation axis. It has a field coil, and is constructed in such a structure that an induced current generated in the induction coil is rectified by a rectifying element and supplied to the field coil.
本発明の一態様によれば、ステータの両面側にアキシャル方向からロータを対面させるアキシャルギャップ型に構築されており、ステータの電機子コイルで発生する空間高調波磁束を両面側のロータに鎖交させることができる。 According to one aspect of the present invention, an axial gap type structure in which the rotor faces the both sides of the stator from the axial direction is formed, and the spatial harmonic magnetic flux generated by the armature coil of the stator is linked to the rotor on both sides. Can be made.
したがって、ステータの両面側で、同様なマグネットトルクを発生させるように対称な構造のロータを簡易に構築することができる。また、永久磁石を用いることなく、空間高調波磁束を効果的に有効利用し、外部から電力を供給することなく、2つのロータの大きなマグネットトルクで回転軸を一体回転させることができる。 Therefore, it is possible to easily construct a rotor having a symmetrical structure so as to generate a similar magnet torque on both sides of the stator. Further, the space harmonic magnetic flux can be effectively used effectively without using a permanent magnet, and the rotating shaft can be integrally rotated with a large magnet torque of the two rotors without supplying electric power from the outside.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図1〜図11は本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型の回転電機を示す図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIGS. 1-11 is a figure which shows the axial gap type rotary electric machine which concerns on one Embodiment of this invention.
図1において、回転電機Mは、外形が概略円盤形状になるように形成されているステータ100と2つのロータ200、300とを備えており、後述するように、外部からロータ200、300にエネルギー入力する必要のない構造を有して、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載するのに好適な性能を有している。
In FIG. 1, the rotating electrical machine M includes a
この回転電機Mは、ステータ100の両面にギャップGを介して対面して挟み込む形態になるように、軸心を貫通するシャフト(回転軸)RSに2つのロータ200、300がそれぞれ取り付けられており、ステータ100がシャフトRSを回転自在に支持して、ロータ200、300がそのシャフトRSに固定されている。すなわち、回転電機Mは、シャフトRSの軸方向にステータ100を2つのロータ200、300で挟み込んで対面するアキシャルギャップダブルロータ型モータに構築されている。
In the rotating electrical machine M, two
ステータ100は、図2に示すように、短尺な棒状で断面が概略台形となる複数のステータコア15を備えており、そのステータコア15に3相の交流電源(不図示)を接続される電機子コイル11がそれぞれ巻き付けられてシャフトRSの軸周りに位置するように配置されている。
As shown in FIG. 2, the
ステータコア15は、高透磁率の磁性材料で作製されており、シャフトRSと平行方向に延伸されて3相各相の電機子コイル11u、11v、11wがそれぞれ6極ずつ隙間なく並列状態になるように集中巻きされている。
The
すなわち、電機子コイル11は、ステータコア15間の18箇所のステータスロット17を利用してシャフトRSと平行な中心線となる巻線コイルに形成することによりシャフトRS周りに18極(磁極数18)が均等配置されている。要するに、電機子コイル14は、回転軸の軸方向を中心として巻線が巻かれており、その回転軸の周りにそれぞれ均等配置されている。
That is, the
このステータコア15は、図1に示すように、ロータ200、300との間に介在するように挟み込まれている2枚の円盤形状の保持盤16に両端側を保持されており、保持盤16は、開口する保持穴16a内にステータコア15の両端部15aを差し込んで端面15bを露出させる状態で保持するようになっている。なお、保持盤16は、高品質な磁気回路の形成を妨げないように非磁性体材料で作製されており、中心部に取り付けられている不図示のベアリングによりシャフトRSを貫通させて回転自在に支持している。
As shown in FIG. 1, the
これにより、ステータコア15は、その端部15aの端面15bがロータ200、300の後述するロータコア(コア材)25の端部25aの端面25bにギャップGを介して対面するようにステータ100に配置されている。ステータ100は、電機子コイル11に交流電力を通電されることにより磁束を発生させ、その磁束をステータコア15の端面15bからロータ200、300のロータコア25の端面25bに鎖交させることができる。
Thereby, the
このため、回転電機Mでは、ステータコア15の両側に位置するロータコア25に鎖交させる磁束を後述のヨーク26で迂回させることにより閉じた磁気回路を形成することができ、その磁気回路を形成する磁束の磁路を最短にしようとするリラクタンストルク(主回転力)により、ステータ100を挟み込む2つのロータ200、300をそれぞれ相対回転させることができる。
For this reason, in the rotating electrical machine M, a closed magnetic circuit can be formed by bypassing the magnetic flux linked to the
このことから、回転電機Mは、共通のシャフトRSに固定されているロータ200、300を同等の回転力で一体回転させる必要があり、そのロータ200、300はステータ100の両面側で対称となる構造に構築されている。
For this reason, the rotating electrical machine M needs to integrally rotate the
この結果、回転電機Mは、ステータ100の両面側で相対回転するロータ200、300と軸心を一致させつつ一体回転するシャフトRSから通電入力する電気的エネルギーを機械的エネルギーとして出力することができる。
As a result, the rotating electrical machine M can output, as mechanical energy, electrical energy that is energized and input from the shaft RS that rotates integrally with the
このとき、回転電機Mでは、ステータコア15からロータコア25に鎖交させる磁束に空間高調波成分が重畳している。このため、ロータ200、300側でも、ステータ100側から鎖交される磁束の空間高調波成分の磁束密度の変化を利用して、内蔵するコイルに誘導電流を発生させ電磁力を得ることができる。
At this time, in the rotating electrical machine M, a spatial harmonic component is superimposed on the magnetic flux interlinked from the
詳細には、ステータ100の電機子コイル11が生成する磁束は、通電する交流電力の基本周波数で変動する主磁束に空間高調波成分が重畳して、ロータ200、300(ロータコア25)に鎖交するようになっている。
Specifically, the magnetic flux generated by the
このため、ロータ200、300は、主磁束の基本周波数と異なる周期で時間的に変化する空間高調波磁束がロータコア25に鎖交することになり、ロータコア25にコイルを設置することにより、別途、外部電源等に接続して電力を入力することなく、効率よく誘導電流を発生させることができる。この結果、鉄損の原因となる空間高調波磁束は自己励磁するためのエネルギーとして回収することができる。
For this reason, in the
このことから、回転電機Mは、図3に示すように、ロータコア25の隣接する側面間に形成される空間をロータスロット27として利用して、そのロータコア25の長さ方向に2段の巻線を巻き付けることにより誘導コイル21と界磁コイル22とを配置している。
Therefore, the rotating electrical machine M uses the space formed between the adjacent side surfaces of the
具体的に、ロータ200、300は、短尺な棒状で断面が概略台形となる複数のロータコア25を備えており、このロータコア25に外部電源に接続されることのない誘導コイル21と界磁コイル22とが一緒に巻き付けられてシャフトRSの軸周りに位置するように配置されている。
Specifically, each of the
ロータコア25は、高透磁率の磁性材料で作製されており、シャフトRSと平行方向に延伸されて、共通のコア材として上下2段になるように誘導コイル21と界磁コイル22とがそれぞれ隙間なく集中巻きされて並列されている。
The
すなわち、誘導コイル21と界磁コイル22は、ロータコア25間の12箇所のロータスロット27を利用してシャフトRSと平行な中心線となる巻線コイルに形成することによりシャフトRS周りに12極(スロット数12)が均等配置されている。要するに、誘導コイル21と界磁コイル22は、回転軸の軸方向を中心として巻線が巻かれており、その回転軸の周りにそれぞれ均等配置されている。
That is, the
よって、回転電機Mは、ロータ200、300側の誘導コイル21および界磁コイル22のスロット数S(12)とステータ100側の電機子コイル11の磁極数P(18)との構成比S/Pが2/3となるように形成されている。
Therefore, the rotating electrical machine M has a configuration ratio S / between the number of slots S (12) of the
また、ロータコア25は、ステータコア15の端面15bにギャップGを介して端面25bを対面させる端部25aから離隔する側を円盤形状のヨーク26の一面側に一体形成されている。なお、ヨーク26は、中心部にシャフトRSを貫通させて一体になるように取り付けられている。
Further, the
この構造により、ステータコア15の端面15b側からロータコア25の端面25bに鎖交する磁束は、その端面25bの背面側のヨーク26を迂回して別個のロータコア25の端面25bに対面するステータコア15の端面15bに再度鎖交することにより閉じた磁気回路を形成することができる。
With this structure, the magnetic flux interlinking from the
そして、誘導コイル21は、ロータコア25のヨーク26から離隔してステータコア15からの空間高調波磁束を効果的に鎖交させることのできる端部25a側に配置されており、界磁コイル22は、ロータコア25のヨーク26に近接する連接部25c側に配置されている。
The
これにより、回転電機Mは、小さなギャップGを介してステータコア15の端面15bからロータコア25の端面25bに磁束を高密度に鎖交させることができ、その鎖交する磁束に含まれる空間高調波成分(磁束密度の変化)により誘導コイル21に誘導電流を発生させて界磁コイル22に供給することができる。
Thereby, the rotating electrical machine M can link the magnetic flux with high density from the
この界磁コイル22は、誘導コイル21から受け取った誘導電流を界磁電流として自己励磁することにより、磁束(電磁力)を発生することができ、その磁束をロータコア25の端面25bからステータコア15の端面15bに鎖交させることができる。
The
このため、回転電機Mは、主回転力を発生する電機子コイル11の磁束とは別にマグネットトルク(補助回転力)を得ることができ、ロータ200、300の回転駆動を補助することができる。
Therefore, the rotating electrical machine M can obtain a magnet torque (auxiliary rotational force) separately from the magnetic flux of the
このとき、回転電機Mは、誘導コイル21で発生させる交流の誘導電流を直流の界磁電流にして界磁コイル22に供給することにより、ロータコア25を電磁石として機能させて電磁力を発生させることから、その交流の誘導電流を有効利用するために、図4に示す閉回路29内に誘導コイル21と界磁コイル22がそれぞれ組み込まれている。
At this time, the rotating electrical machine M generates an electromagnetic force by causing the
具体的に、図4に示すように、誘導コイル21は、ロータコア25に同一方向に巻き付ける集中巻きにされて、同一の周回方向のまま1つ(1極)おきに直列接続されている。回転電機Mでは、それぞれ直列接続されている誘導コイル21a1〜21a6および誘導コイル21b1〜21b6の2組の誘導回路21A、21Bの一端側がダイオード(整流素子)23A、23Bを介して接続されて並列接続されている。なお、誘導コイル21を1極おきに直列接続する場合を一例として説明するが、これに限らず、周方向に2分割してそれぞれを直列接続してもよい。
Specifically, as shown in FIG. 4, the
界磁コイル22は、ロータコア25に集中巻きされて、隣同士が逆向きの周回巻線になるようにロータコア25の端部25a側と連接部25c側とが交互に接続される全直列接続にされている。この回転電機Mでは、全直列接続されている、界磁コイル22a1〜22a6の界磁回路22Nがロータコア25の端部25a側をN極として機能させるように、また、界磁コイル22b1〜22b6の界磁回路22Sがロータコア25の端部25a側をS極として機能させるように、誘導回路21Aおよびダイオード23Aと、誘導回路21Bおよびダイオード23Bとにそれぞれ並列接続されている。
The
すなわち、誘導コイル21および界磁コイル22は、界磁回路22N、22Sおよび誘導回路21A、21Bとして、外部の電源等の回路に接続されることのない閉回路29内にダイオード23A、23Bと共に組み込まれている。
That is, the
この回路構成により、回転電機Mは、誘導コイル21に発生させる交流の誘導電流を、ダイオード23A、23Bを介して半波整流させて直流界磁電流に調整した後に合流させて、それぞれで直列接続させている界磁コイル22に供給している。このため、この回転電機Mでは、界磁コイル22毎に合流させた直流界磁電流により効果的に自己励磁させて大きな磁束(電磁力)を発生させることができ、界磁回路22N、22Sをそれぞれステータ100のステータコア15にN極またはS極を対面させる電磁石として機能させることができる。
With this circuit configuration, the rotating electrical machine M allows the AC induced current generated in the
また、ダイオード23A、23Bは、誘導コイル21や界磁コイル22を多極化させる場合でも、そのうちの界磁コイル22を全直列させることで使用数を抑えている。このダイオード23A、23Bは、大量使用を回避するために、一般的なHブリッジ型の全波整流回路を形成するのではなく、それぞれ180度位相差になるように結線して、一方の誘導電流を反転させて半波整流出力する中性点クランプ型の半波整流回路(整流素子)を形成している。
Further, even when the
なお、回転電機Mは、図1に示すように、それぞれロータ200、300のステータ100に対する背面側に固定されている絶縁材料からなるエンドプレート30と一体回転するようにケース32および回路基板33が取り付けられている。回路基板33は、誘導コイル21および界磁コイル22を接続する不図示の結線パターンがコンパクトに形成されており、ケース32内に収納されているダイオード23A、23Bのピン電極23cをその結線パターンに接続することにより閉回路29(図4に図示)を形成してロータ200、300と一体回転するようになっている。
As shown in FIG. 1, the rotating electrical machine M includes a
エンドプレート30は、ロータ200、300のヨーク26と同一径の円盤形状に形成されており、ヨーク26のロータコア25に対する背面側に対面接触させる状態でシャフトRSに固定されているとともに、そのヨーク26の背面側に形成されている切欠き26aに固定ツメ30aを嵌め込んで相対回転不能にしてロータ200、300と一体回転させるようになっている。
The
回路基板33は、エンドプレート30と略同一径の円盤形状に形成されてロータ200、300のヨーク26に対する背面側に密接する状態で固定されており、外部に引き出されているダイオード23A、23Bのピン電極32aを屈曲させる状態にしてケース32の一面側が密接する状態で固定されている。
The circuit board 33 is formed in a disk shape having substantially the same diameter as that of the
ここで、誘導コイル21および界磁コイル22は、ステータコア15の端面15bからロータコア25の端面25bに鎖交する3次の空間高調波磁束を有効利用するように、磁界解析を行って空間高調波磁路を確認した上で、効率よく誘導電流を発生させることができるように設置されている。具体的には、上述するように、ロータ200、300のスロット数Sとステータ100の磁極数Pとの構成比S/Pを2/3とすることにより、回転座標系における3f次の空間高調波磁束(f=1、2、3・・・)を効率よく利用可能な構造に形成されている。
Here, the
詳細には、例えば、回転座標系における高次の空間高調波磁束では、ロータコア25の端面25bの表面付近でのみ振動する波形に過ぎないことから誘導コイル21に効率よく誘導電流を発生させることができない。これに対して、回転座標系における3次の空間高調波磁束を回収対象とすると、電機子コイル11に入力する基本周波数よりも周波数が高いために短周期で脈動して有効に誘導コイル21に誘導電流を発生させることができる。このため、基本周波数の磁束に重畳する空間高調波成分の損失エネルギーを効率よく回収して回転することができる。
Specifically, for example, a high-order spatial harmonic magnetic flux in the rotating coordinate system has only a waveform that vibrates only near the surface of the
加えて、上記と同様に磁束密度分布の磁界解析をすると分かるように、ロータティース突極数Pとステータスロット数Sの比に応じて、機械角360度内の周方向に磁束密度分布も分散化されるため、ステータ100に働く電磁力分布にも偏在が認められることになる。
In addition, as understood from the magnetic field analysis of the magnetic flux density distribution in the same manner as described above, the magnetic flux density distribution is also distributed in the circumferential direction within a mechanical angle of 360 degrees according to the ratio of the number of salient teeth P and the number of status lots S. Therefore, uneven distribution is also recognized in the electromagnetic force distribution acting on the
このため、回転電機Mでは、ロータ200、300のスロット数Sとステータ100の磁極数Pとの構成比S/Pを2/3とする構造を採用することにより、機械角360度の全周に亘って均等な密度分布となる磁束を鎖交させることができ、ロータ200、300をステータ100に対面させつつ高品質に相対回転させることができる。
For this reason, in the rotating electrical machine M, by adopting a structure in which the composition ratio S / P between the number of slots S of the
これにより、回転電機Mでは、空間高調波磁束を損失とすることなく有効利用して、損失エネルギーを効率よく回収することができ、電磁振動を大幅に低減して静寂性高く回転させることができる。 Thereby, in the rotating electrical machine M, it is possible to efficiently recover the loss energy by effectively using the space harmonic magnetic flux without causing a loss, and to reduce the electromagnetic vibration significantly and to rotate with high silence. .
また、誘導コイル21や界磁コイル22は、集中巻構造を採用することにより、複数スロットに亘って周方向に巻線をする必要がなく、全体的に小型化することができる。また、誘導コイル21では、回転座標系における1次側での銅損損失を低減しつつ、低次である3次の空間高調波磁束の鎖交による誘導電流を効率よく発生させて、回収可能な損失エネルギーを増加させることができる。
In addition, the
さらに、誘導コイル21は、回転座標系における3次の空間高調波磁束を利用することにより、回転座標系における2次の空間高調波磁束を利用する場合よりも、効果的に誘導電流を発生させることができる。詳細には、誘導電流は2次よりも3次の空間高調波磁束を利用する方が磁束の時間変化を大きくして大電流にすることができ、効率よく回収することができる。
Furthermore, the
このように、回転電機Mは、図5Aに示すように、ステータ100の電機子コイル11を巻き付けるステータコア15の両端面15bにギャップGを介してロータ200、300のそれぞれのロータコア25の端面25bを対面させており、それぞれのロータコア25の端部25a側に誘導コイル21を、また、それぞれのロータコア25のヨーク26(連接部25c)側に界磁コイル22を巻き付けている。
Thus, as shown in FIG. 5A, the rotating electric machine M has the end faces 25b of the
これによって、回転電機Mは、図5Bに示すように、電機子コイル11に通電して発生させる磁束MFをステータコア15と両側のロータコア25との間を鎖交させてヨーク26を迂回させる磁気回路を形成することができ、ステータ100に対して2つのロータ200、300を相対回転させることができる。また、これに加えて、その磁束MFに重畳する空間高調波磁束HFもステータコア15から両側のロータコア25に鎖交させてそれぞれの端部25a側の誘導コイル21で効率よく回収させて誘導電流を発生させることができ、その誘導電流をダイオード23A、23Bで整流した界磁電流を界磁コイル22に供給することができる。このため、例えば、図6において、ステータコア15と両側の2つのロータコア25との間で鎖交させる3次の空間高調波磁束HFの磁束密度を磁束ベクトルVで示すように、回転電機Mは、ステータコア15と両側の2つのロータコア25との間で空間高調波磁束HFを高磁束密度に鎖交させて大きなマグネットトルクでシャフトRSを回転させることができる。
As a result, as shown in FIG. 5B, the rotating electrical machine M causes the magnetic flux MF generated by energizing the
これに対して、例えば、径方向にステータとロータとをギャップを介して対面させるラジアルギャップ型の回転電機の場合には、ステータを間に挟むように直径の異なるインナロータとアウタロータとを配置することになる。この構造の場合でも、ロータのそれぞれに対称構造となる巻線コイルを配置したいところであるが、ラジアル方向に対面させる面積がインナロータとアウタロータとで大きく異なってしまい回転トルクに大きな差異が生じてしまう。 On the other hand, for example, in the case of a radial gap type rotating electrical machine in which the stator and the rotor face each other via a gap in the radial direction, an inner rotor and an outer rotor having different diameters are arranged so as to sandwich the stator therebetween. become. Even in the case of this structure, it is desired to arrange a winding coil having a symmetrical structure on each of the rotors, but the area facing in the radial direction is greatly different between the inner rotor and the outer rotor, resulting in a large difference in rotational torque.
このことから、ラジアルギャップ型の回転電機においては、構造上、アキシャルギャップ式よりも空間高調波磁束の鎖交する面積を大きく確保することができず、電機子コイル11を集中巻きにして空間高調波磁束の発生量を多くしても有効活用することができない、という不都合がある。反対に、アキシャルギャップ型の回転電機Mでは、構造上、ラジアルギャップ型よりも漏れ磁束が多いが、その漏れを有効に回収可能な構造であるので、空間高調波磁束を有効に鎖交させて活用することができる。
For this reason, in the radial gap type rotating electrical machine, it is structurally impossible to ensure a larger space interlinking space harmonic magnetic flux than the axial gap type, and the
このため、1つのロータを用いるラジアルギャップ型の回転電機の場合には、図7に示すように、電機子コイル31を巻き付けるステータコア35の片側の端面35bにギャップGを介して1つのロータコア45の端面45bを対面させる構造になる。この結果、この構造では、電機子コイル31に通電して発生させる磁束MFに重畳する空間高調波磁束HFを効率よく回収することができず、大きなマグネットトルクを発生させることができないとともに、ヨーク46側での鉄損がアキシャルギャップダブルロータ型の回転電機Mよりも増加してしまう。
For this reason, in the case of a radial gap type rotating electric machine using one rotor, as shown in FIG. 7, one
また、図8に示すように、ラジアルギャップ型の回転電機でも、より多くの空間高調波磁束HFを回収するために、ロータコア45間のロータスロット47内に回収用の補極コア48を配置して誘導コイル49を巻き付けることも考えられる。しかしながら、この構造でも、ステータコア35の片側に漏れる空間高調波磁束HFを回収できるだけであることから、得られるマグネットトルクは回転電機Mに及ばない。また、この構造では、ロータコア45間に磁束を鎖交させる補極コア48を配置することから、ロータ側の突極比が小さくなってしまう、という相反する不都合もある。
Further, as shown in FIG. 8, even in a radial gap type rotating electrical machine, in order to recover a larger amount of spatial harmonic magnetic flux HF, an auxiliary core for
さらに、回転電機Mは、ステータ100やロータ200、300に、巻線コイルを集中巻きにした電機子コイル11、誘導コイル21および界磁コイル22をそれぞれ配置するが、集中巻きに代えて、分布巻きにすることもできる。しかしながら、ステータコア15の端面15bとロータコア25の端面25bとの間で鎖交する磁束密度は、電機子コイル11、誘導コイル21および界磁コイル22を集中巻きまたは分布巻きした場合で比較すると、図9に示すような磁束密度波形となる。この磁束密度波形を電磁界解析すると、図10に示すように、集中巻きの場合には静止座標系で2次の(回転座標系で3次となる)空間高調波磁束を分布巻きの場合よりも多く含んでいることが分かる。この結果、回転電機Mでは、集中巻きを採用することにより、分布巻きの場合よりもロータコア25の端面25bの深くに入り込む多くの空間高調波磁束を誘導コイル21に鎖交させて誘導電流(界磁電流)を界磁コイル22に供給することができ、集中巻きを選択する方が有利なことが分かる。
Further, in the rotating electrical machine M, the
このことから、図11にトルク波形で示すように、回転電機Mは、2つのロータ200、300でアキシャル方向に挟まれているステータ100の電機子コイル11への交流電流の供給を開始すると、このアキシャルギャップダブルロータ型の場合には、図中に実線で示すように高トルクでシャフトRSを回転させることができる。これに対して、図11中に一点鎖線で示す図7のラジアルギャップ型で補極なしの構造や、図11中に二点鎖線で示す図8のラジアルギャップ型で補極ありの構造では、アキシャルギャップダブルロータ型の回転電機Mのように大きなトルクを得ることができていない。また、図11中に点線で示すように、高トルクを得ることを目的として、永久磁石をロータ内に埋め込んでマグネットトルクを利用するIPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)の構造でも、アキシャルギャップダブルロータ型の回転電機Mのように大きなトルクでシャフトRSを回転駆動させることができていないことが分かる。
From this, as shown by a torque waveform in FIG. 11, when the rotating electrical machine M starts to supply an alternating current to the
このように、本実施形態においては、シャフトRS周りに巻き方向の平行な電機子コイル11、誘導コイル21および界磁コイル22を、アキシャルギャップ式のダブルロータ型に構築されるステータ100およびロータ200、300のそれぞれに配置するので、電機子コイル11で発生させる主磁束に重畳する空間高調波磁束を、両側の誘導コイル21に効果的に鎖交させることができる。そして、これにより誘導コイル21に発生した誘導電流を界磁電流として、界磁コイル22に効率よく供給することができる。
Thus, in the present embodiment, the
したがって、永久磁石を用いることなく(空間高調波磁束による磁力低下を発生させることなく)、かつ、外部から電力を供給することなく、空間高調波磁束を効果的に有効利用して、リラクタンストルクと共にマグネットトルクをロータ200、300のそれぞれに均等に作用させて大きな回転力で回転駆動させることができる。
Therefore, without using a permanent magnet (without generating a magnetic force drop due to the spatial harmonic magnetic flux) and without supplying electric power from the outside, the spatial harmonic magnetic flux can be effectively used effectively together with the reluctance torque. The magnet torque can be applied to each of the
ここで、本実施形態の他の態様としては、ステータコア15やロータコア25を電磁鋼板の積層構造で形成することに限定されず、例えば、鉄粉などの磁性を有する粒子の表面を絶縁被覆処理した軟磁性複合粉材(Soft Magnetic Composites)をさらに鉄粉圧縮成形および熱処理製造した圧粉磁心、所謂、SMCコアを採用してもよく、また、アルミ導体を採用してもよい。
Here, as another aspect of the present embodiment, the
また、回転電機Mは、ロータ200、300に永久磁石を追加して配置するハイブリッドタイプに構築してもよく、マグネットトルクをハイブリッド界磁型で得られるようにしてもよい。
さらに、整流素子としては、ダイオード23A、23Bだけでなく、他のスイッチング素子などの半導体素子を採用してもよく、ケース32内に収納するタイプに限らず、ロータ200、300の内部に実装するようにしてもよい。
この回転電機Mは、車載用に限定されるものではなく、例えば、風力発電や、工作機械などの駆動源として好適に採用することができる。
Moreover, the rotary electric machine M may be constructed in a hybrid type in which permanent magnets are additionally arranged in the
Further, as the rectifying element, not only the
The rotating electrical machine M is not limited to being mounted on a vehicle, and can be suitably employed as a drive source for wind power generation, machine tools, and the like.
本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。 While embodiments of the invention have been disclosed, it will be apparent to those skilled in the art that changes may be made without departing from the scope of the invention. All such modifications and equivalents are intended to be included in the following claims.
11、11u〜11w 電機子コイル(巻線コイル)
15 ステータコア
16 保持盤
17 ステータスロット
21、21a1〜21a6、21b1〜21b6 誘導コイル(巻線コイル)
22、22a1〜22a6、22b1〜22b6 界磁コイル(巻線コイル)
23A、23B ダイオード(整流素子)
25 ロータコア(コア材)
26 ヨーク
27 ロータスロット
29 閉回路
30 エンドプレート
33 回路基板
32 ケース
100 ステータ
200、300 ロータ
G ギャップ
HF 空間高調波磁束
M 回転電機
MF 磁束
RS シャフト(回転軸)
11, 11u-11w Armature coil (winding coil)
15
22, 22a1 to 22a6, 22b1 to 22b6 Field coil (winding coil)
23A, 23B Diode (rectifier element)
25 Rotor core (core material)
26
Claims (5)
前記ステータの前記回転軸の軸周りに配置される複数の電機子コイルと、
前記2つのロータのそれぞれの前記回転軸の軸周りに配置される複数の誘導コイルおよび複数の界磁コイルと、
前記誘導コイルで発生する誘導電流を整流して前記界磁コイルに供給する整流素子と、を有するアキシャルギャップ型の回転電機。 Two rotors that are driven to rotate about a rotation axis; and a stator in which the rotor faces both surfaces in the axial direction of the rotation axis,
A plurality of armature coils arranged around the rotation axis of the stator;
A plurality of induction coils and a plurality of field coils arranged around the rotation axis of each of the two rotors;
An axial gap type rotating electric machine comprising: a rectifying element that rectifies an induced current generated in the induction coil and supplies the rectified current to the field coil.
前記巻線は、前記回転軸の周りにそれぞれ均等配置されている請求項1に記載のアキシャルギャップ型の回転電機。 The armature coil, the induction coil, and the field coil are wound around the axial direction of the rotating shaft,
The axial gap type rotating electrical machine according to claim 1, wherein the windings are equally arranged around the rotating shaft.
前記誘導コイルは、前記コア材の前記ステータに近接する位置に巻き付けられて、前記界磁コイルは、前記コア材の前記ステータから離隔する位置に巻き付けられている請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のアキシャルギャップ型の回転電機。 The induction coil and the field coil are wound around a core material extending in a direction parallel to the rotation axis,
The induction coil is wound around a position of the core material close to the stator, and the field coil is wound around a position separated from the stator of the core material. An axial gap type rotating electrical machine according to claim 1.
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