JP2017121108A - Rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転電機に関する。 The present invention relates to a rotating electrical machine.
特許文献1には、ロータコアの周方向の複数個所に突極部が設けられ、周方向に隣り合う2つの突極部と周方向に隣り合う突極部同士の間のスロットの底部とに非磁性材料からなるT字状の保持部材がそれぞれ支持されており、この保持部材に磁性体が保持されている回転電機が開示されている。前述のロータコアのスロットには、誘導コイル及び共通コイルが巻かれている。
In
しかしながら、特許文献1に記載の回転電機にあっては、ロータコアのスロット内における保持部材の占有領域が大きいため、当該スロット内の誘導コイル及び共通コイルを巻く領域が制限される。このため、誘導コイル及び共通コイルの占積率が低下してしまう。占積率の低下は、回転電機のトルクの低下につながる。このため、回転電機においては、コイルの占積率を向上させることが望ましい。
However, in the rotating electrical machine described in
本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、コイルの占積率を向上させることができる回転電機を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the above situations, and it aims at providing the rotary electric machine which can improve the space factor of a coil.
本発明は、上記目的を達成するため、通電により磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、前記磁束の通過により回転するロータと、を備えた回転電機であって、前記ロータは、周方向に所定の間隔で突極部が複数形成されたロータコアと、前記突極部に巻かれており、前記ステータ側で発生した磁束に重畳された空間高調波成分が鎖交することにより誘導電流を発生する誘導コイルと、前記突極部に巻かれており、前記誘導電流が整流されて供給されることにより電磁石として機能する界磁コイルと、周方向に隣り合う突極部の間にそれぞれ配置された磁性体からなる補極部材と、を有し、前記補極部材は、周方向に隣り合う突極部の間をつなぐ梁部と、前記梁部から径方向の内方側に向けて突出し、前記ロータコアに対して非接触な脚部とを有する。 In order to achieve the above object, the present invention is a rotating electrical machine comprising a stator having an armature coil that generates a magnetic flux when energized, and a rotor that rotates by the passage of the magnetic flux. And a rotor core having a plurality of salient pole portions formed at a predetermined interval, and a spatial harmonic component superimposed on the magnetic flux generated on the stator side and linked to the induced current. An induction coil that is generated, and a field coil that is wound around the salient pole portion and functions as an electromagnet when the induced current is rectified and supplied, and a salient pole portion that is adjacent in the circumferential direction are disposed respectively. An auxiliary pole member made of a magnetic material, and the auxiliary pole member is connected to a beam portion connecting between salient pole portions adjacent to each other in the circumferential direction, and radially inward from the beam portion. Protrudes and is not against the rotor core And a catalyst such leg.
本発明によれば、コイルの占積率を向上させることができる回転電機を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the rotary electric machine which can improve the space factor of a coil can be provided.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図1から図10は本発明の一実施の形態に係る回転電機を説明する図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 to 10 are diagrams illustrating a rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention.
図1及び図2に示すように、回転電機1は、通電により磁束を発生させる電機子コイル11を有するステータ10と、ステータ10で発生した磁束の通過により回転するロータ20と、を備えている。ステータ10及びロータ20は、回転電機1の図示しない回転軸の軸線に沿った軸方向に電磁鋼板を積層したものからなる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the rotating
回転電機1は、以下に説明するように、外部からロータ20にエネルギー入力する必要のない自励式巻線界磁形の回転電機である。回転電機1は、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。
As will be described below, the rotating
(ステータ)
ステータ10は、図示しないモータケースに固定されている。ステータ10は、高透磁率の磁性材料からなる環状のステータコア12を備えている。ステータコア12には、径方向の内方側に突出したステータティース13が周方向に沿って複数設けられている。周方向に隣り合うステータティース13の間には、溝状の空間であるスロットが形成されている。なお、径方向とは、上述の軸方向と直交する方向を示す。径方向の内方側とは、径方向において回転電機1の図示しない回転軸に近い側を示し、径方向の外方側とは、径方向において回転電機1の図示しない回転軸に遠い側を示す。
(Stator)
The
ステータティース13は、ステータコア12に一体形成された第1のステータティース13Aと、ステータコア12と別体で構成された第2のステータティース13Bとからなる。第1のステータティース13Aと第2のステータティース13Bとは、ステータコア12の周方向に交互に配置されている。
The
第2のステータティース13Bは、ステータコア12側の外周面から径方向の外方に突出した突起形状の先端が周方向に膨らんだフラスコ状の結合部30を有する。ステータコア12の径方向の内周面には、第2のステータティース13Bの結合部30の外形に対応してフラスコ状に切り欠かれた切欠き部12aが形成されている。
The
第2のステータティース13Bは、ステータコア12の切欠き部12aに対して結合部30が軸方向から嵌め合わされることによって、ステータコア12に着脱自在に装着されるようになっている。なお、ステータ10は、切欠き部が第2のステータティース13Bに形成され、結合部がステータコア12に形成される構成であってもよい。
The
ステータコア12の各スロットには、ステータコア12の周方向に沿ってW相、V相、U相の三相の電機子コイル11がそれぞれ配置されている。W相、V相、U相の各電機子コイル11は、それぞれのステータティース13に集中巻きされている。電機子コイル11は、例えば絶縁性樹脂等の非磁性材料で成形されたインシュレータ32を介してステータティース13に装着されている。
In each slot of the
ステータ10は、電機子コイル11に三相交流が供給されることで、周方向に回転する回転磁界を発生させる。ステータ10で発生した磁束は、ロータ20に鎖交するようになっている。これにより、ステータ10は、ロータ20を回転させることができる。
The
(ロータ)
ロータ20は、外周面がステータコア12の内周面と対向するように、ステータコア12の径方向の内方側に配置されている。ロータ20は、ロータコア21と、誘導コイル22と、界磁コイル23と、整流回路24と、補極部材50と、樹脂モールド部60とを含んで構成されている。
(Rotor)
The
ロータコア21は、高透磁率の磁性材料からなり、図示しない回転軸に対して一体回転可能に固定されている。ロータコア21には、ロータコア21から径方向の外方に向けて突出した突極部26がロータコア21の周方向に沿って所定の間隔をおいて複数形成されている。
The
突極部26には、誘導コイル22及び界磁コイル23が集中巻きされている。誘導コイル22及び界磁コイル23は、例えば絶縁性樹脂等の非磁性材料で成形されたインシュレータ27を介して突極部26に装着されている。
An
誘導コイル22は、界磁コイル23よりもステータ10側に配置されており、ステータ10側で発生した磁束に重畳された空間高調波成分(以下、「空間高調波磁束」という)が鎖交することにより誘導電流を発生するようになっている。上述したように、ステータ10で発生する磁束には、ロータ20を回転させる回転磁界の基本波成分の磁束(以下、「主磁束」という)と、その基本波成分に対して同期していない空間高調波磁束が含まれる。
The
誘導コイル22は、周方向に隣り合う突極部26にそれぞれ巻かれた誘導コイル22Sと誘導コイル22Nとが逆向きの周回巻線となるよう構成されている。誘導コイル22は、後述する整流素子を介して界磁コイル23に接続されている。
The
界磁コイル23は、誘導コイル22で発生した交流の誘導電流が整流されて直流電流として供給されることにより電磁石として機能するようになっている。
The
界磁コイル23は、周方向に隣り合う突極部26にそれぞれ巻かれた界磁コイル23Sと界磁コイル23Nとが逆向きの周回巻線となるよう構成されている。したがって、周方向に配列された突極部26は、各界磁コイル23に直流電流が供給されることにより周方向に交互にS極、N極を形成する。
The
(整流回路)
図3に示すように、整流回路24は、誘導コイル22で発生した誘導電流を整流して界磁コイル23に供給するようになっている。
(Rectifier circuit)
As shown in FIG. 3, the
整流回路24は、2つのダイオードD1,D2を整流素子として備えている。整流回路24は、これらダイオードD1,D2とロータコア21の周方向に隣り合う突極部26にそれぞれ巻かれた誘導コイル22N,22S及び界磁コイル23N,23Sとを結線した閉回路として構成されている。
The
整流回路24は、ロータコア21の周方向に隣り合うN極の突極部26及びS極の突極部26に巻かれた2つの誘導コイル22及び2つの界磁コイル23を1組として、当該1組ごとにそれぞれ設けられる。したがって、回転電機1は、ロータ20の極対数に応じた数の整流回路24を備える。
The
ダイオードD1,D2は、例えば図示しないダイオードケースに収納された状態でロータ20に設けられている。ダイオードD1,D2は、ロータ20の内部に実装するようにしてもよい。整流素子としては、ダイオードに限らず、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い。
The diodes D1 and D2 are provided on the
整流回路24は、ダイオードD1,D2が180度位相差になるように結線されることにより、一方の誘導電流を反転させて半波整流出力を合算する中性点クランプ型の全波整流回路として形成される。
The
整流回路24において、誘導コイル22N,22Sで発生した交流の誘導電流は、ダイオードD1,D2により整流され、整流後の直流電流は、界磁電流として界磁コイル23N,23Sに供給される。これにより、界磁コイル23N,23Sは、磁界を発生させることができ、電磁石として機能することができる。
In the
ここで、上述の交流の誘導電流は、ステータ10側で発生した磁束に重畳された空間高調波磁束が誘導コイル22に鎖交することにより発生する。その空間高調波磁束は、集中巻きタイプのステータ10に対して突極部26を有するロータ20が回転したときにステータ10とロータ20との間のギャップにおける磁気抵抗が変動することにより発生する。
Here, the AC induced current described above is generated when the spatial harmonic magnetic flux superimposed on the magnetic flux generated on the
こうした空間高調波磁束は、ステータ10上の静止座標系では第2次空間高調波磁束と称される。また、本実施の形態のように、ステータ10のスロット数が「18」でロータ20の突極数が「12」、すなわちステータ10とロータ20のスロットコンビネーションが「3:2」の回転電機1のロータ20上の回転座標系では、第3次空間高調波磁束と称される。
Such a spatial harmonic magnetic flux is referred to as a second spatial harmonic magnetic flux in the stationary coordinate system on the
具体的には、ステータ10とロータ20のスロットコンビネーションが「3:2」の場合には、正方向のd軸インダクタンスと負方向のd軸インダクタンスとが対称にならずにそれぞれ振幅が異なるため、ロータ20の回転に伴ってd軸インダクタンスのオフセット量が変化する。これにより、ステータ10上の静止座標系では第2次空間高調波磁束が生じ、ロータ20上の回転座標系では第3次空間高調波磁束が生ずる。
Specifically, when the slot combination of the
この第3次空間高調波磁束は、ロータ20を回転させる回転磁界の基本波成分に対して同期していないため、誘導コイル22に鎖交して交流の誘導電流を誘起させる。
Since the third spatial harmonic magnetic flux is not synchronized with the fundamental wave component of the rotating magnetic field that rotates the
このように、本実施の形態の回転電機1は、より多くの第3次空間高調波磁束を界磁エネルギー源として利用するために、ステータ10とロータ20との間の相互インダクタンスを高めて誘導コイル22に発生する誘導起電力を大きくするのが好ましい。
As described above, the rotating
そこで、本実施の形態の回転電機1では、図1及び図2に示すように、ロータコア21の周方向に隣り合う突極部26の間のq軸上に磁性体からなる補極部材50がそれぞれ配置されている。これにより、ロータ20における第3次空間高調波磁束が通る磁路が拡大され、また第3次空間高調波磁束が通る磁路の磁気抵抗が低減される。この結果、本実施の形態の回転電機1は、第3次空間高調波磁束を効率的に利用することができる。
Therefore, in the rotating
(補極部材)
図4に示すように、補極部材50は、回転電機1の軸方向から見てT字形状に形成されており、複数の電磁鋼板を軸方向に積層したものからなる。
(Supplementary member)
As shown in FIG. 4, the
ここで、ロータコア21の周方向に隣り合う突極部26と補極部材50との間には、樹脂モールド部60が設けられている。樹脂モールド部60は、突極部26と補極部材50との隙間に樹脂を充填して固めたものからなる。これにより、補極部材50と誘導コイル22及び界磁コイル23とロータコア21とが互いに強固に固定される。
Here, a
補極部材50は、ロータコア21の周方向に隣り合う突極部26の間をつなぐ梁部51と、梁部51と一体形成され、梁部51からロータコア21の径方向の内方側に向けて突出した形状の脚部52とを有している。
The
ロータコア21の周方向に隣り合う突極部26は、径方向の外方に端部26aを有する。その端部26aの周方向の側面26bには、凹部26cが形成されている。凹部26cは、突極部26の軸方向に沿って溝状に形成され、突極部26の周方向の両側の側面26bにそれぞれ形成されている。
The
補極部材50は、周方向に隣り合う突極部26の凹部26cに、梁部51の周方向の後述する両端部51bがそれぞれ嵌め合わされている。これにより、補極部材50は、ロータコア21の周方向に隣り合う突極部26に凹部26cを介して固定されるようになっている。これにより、ロータ20の回転時に誘導コイル22及び界磁コイル23が遠心力によって径方向の外方側に変位することを防止することができる。
In the
梁部51は、ステータ10に対向する対向面510を有する円弧部51aと、円弧部51aよりも径方向の内方側に位置する両端部51bと、円弧部51aと両端部51bとの間に設けられた連結部51cとを含んで構成されている。
The
円弧部51aは、対向面510が突極部26の径方向の外周面260に沿うよう円弧状に形成されている。円弧部51aは、突極部26の径方向の中間位置よりも径方向の外方側に位置していればよく、好ましくは対向面510と突極部26の外周面260とが同一の円周面となるよう配置される。
The
こうした円弧部51aの配置は、突極部26の凹部26cの径方向の位置、又は連結部51cの寸法や形状を任意に設定することで変更可能である。また、円弧部51aは、対向面510の曲率半径が外周面260の曲率半径と同一に設定されるのが好ましい。
The arrangement of the
両端部51bは、周方向に隣り合う突極部26の凹部26cに嵌め合わされている。連結部51cは、突極部26の周方向の側面、すなわち端部26aの周方向の側面26bとの間に隙間Dを有するよう、その形状や寸法が設定されている。
Both
このため、補極部材50は、周方向に隣り合う突極部26に対して両端部51bのみが凹部26cを介して接続した状態で突極部26に固定されている。したがって、補極部材50の円弧部51a及び連結部51cは、いずれも突極部26に接触しない構成となっている。
For this reason, the
これにより、補極部材50と突極部26との接触領域を小さくすることができ、ステータ10から突極部26に流れる磁束が漏れ磁束として補極部材50に漏れてしまうことを防止することができる。
Thereby, the contact area of the
本実施の形態では、連結部51cの形状を円弧部51aの周方向の両端から径方向の内方側に傾斜した形状としたが、円弧部51a及び連結部51cが突極部26に接触しない形状であればいずれの形状を採用してもよい。
In the present embodiment, the shape of the connecting
脚部52は、径方向の内方側の先端52aと、周方向の両側に設けられた一対の側面52bとを有している。脚部52の径方向の長さは、先端52aが誘導コイル22よりも径方向の内方側に位置し、かつ先端52aが界磁コイル23と接触しない位置となる長さに設定されている。したがって、脚部52は、ロータコア21に対して非接触である。
The
脚部52は、一対の側面52bのそれぞれに、周方向に突出した突起52cを有している。突起52cは、対向する誘導コイル22及び界磁コイル23と接触しない位置に設けられ、好ましくは誘導コイル22と対向する位置に設けられ、より好ましくは誘導コイル22と対向する位置のうち梁部51に近い位置であって梁部51と接触しない位置に設けられる。
The
また、突起52cは、周方向の長さ、すなわち側面52bから周方向に突出する長さが対向する誘導コイル22及び界磁コイル23と接触しない長さに設定されている。突起52cは、径方向の断面形状が三角形状であり、かつ梁部51側の辺が側面52bと直交する形状に形成されている。この突起52cの三角形状は、先端52a側の辺が側面52bと直交する三角形状であってもよい。
Further, the
本実施の形態では、上述した突起52cが脚部52の側面52bに設けられることで、例えば補極部材50に遠心力が作用した場合であっても突起52が樹脂モールド部60に引っ掛かり、補極部材50が径方向の外方に変位することを防止することができる。
In the present embodiment, the
突起52cは、軸方向に連続して形成されたものでも、軸方向に所定の間隔で複数設けられたものでもよい。突起52cは、それぞれの側面52bの径方向に所定の間隔で複数設けられていてもよい。
The
また、突起52cは、脚部52の周方向のそれぞれの側面52bで設けられる位置が異なっていてもよい。また、本実施の形態では、突起52cは、脚部52の周方向の両方の側面52bに設けられているが、脚部52の周方向の片側にだけ設けられていてもよい。
Further, the positions of the
さらに、突起52cの径方向の断面形状は、補極部材50に遠心力が作用した場合であっても突起52cが樹脂モールド部60に引っ掛かる形状であれば三角形状に限らずいずれの形状でもよい。突起52cの他の断面形状としては、例えば四角形状や半円形状、弾頭形状等の種々の形状を採用することが可能である。
Further, the radial cross-sectional shape of the
このように構成された補極部材50は、上述したように複数の電磁鋼板を軸方向に積層したものからなるが、その電磁鋼板としては一定の方向に磁化しやすい方向性電磁鋼板を用いる。
As described above, the
具体的には、補極部材50を構成する方向性電磁鋼板は、図4中、矢印B1で示す方向、すなわち梁部51から脚部52に向かう方向及び脚部52から梁部51に向かう方向に沿って磁束が通りやすい磁気特性を有する。
Specifically, the grain-oriented electrical steel sheet constituting the
このため、補極部材50は、周方向には磁束が通り難くなっている。したがって、突極部26の端部26aと補極部材50の梁部51との間では、図4中、矢印B2で示す方向、すなわち突極部26から梁部51に向かう方向及び梁部51から突極部26に向かう方向に磁束が通り難くなっている。
For this reason, the magnetic flux does not easily pass through the
このように、補極部材50においては、ステータ10側で発生した空間高調波磁束が図4中、矢印B1で示す方向に通りやすくなる一方で、ステータ10から突極部26に流れる主磁束が漏れ磁束として梁部51に漏れ難いようになっている。
Thus, in the
これにより、補極部材50を介して空間高調波磁束を誘導コイル22に効率的に鎖交させることができ、かつ突極部26から補極部材50に漏れる漏れ磁束を抑制することができる。
Thereby, space harmonic magnetic flux can be efficiently linked to the
方向性電磁鋼板としては、図4中、矢印Bで示す方向に限らず、例えば実験解析等により補極部材50を通る磁束の向きを確認し、確認した磁束の向きに沿う方向に磁束を通しやすい磁気特性を有する方向性電磁鋼板を用いることも可能である。この場合、実際に補極部材50を通る磁束の向きに磁化しやすい方向性電磁鋼板を用いるため、より多くの空間高調波磁束を誘導コイル22に鎖交させることができる。
The directional electrical steel sheet is not limited to the direction indicated by the arrow B in FIG. 4. For example, the direction of the magnetic flux passing through the
以上のように構成された補極部材50は、各突極部26に誘導コイル22及び界磁コイル23が巻かれた状態で、梁部51の両端部51bがロータコア21の軸方向から突極部26の凹部26cに挿入されることによって突極部26に固定される。このとき、補極部材50の両端部51bのみが凹部26cを介して突極部26に接触し、連結部51cが突極部26に接触しないので、突極部26に対する補極部材50の組付け性がよい。その後、突極部26と補極部材50との隙間に樹脂が充填されて樹脂モールド部60が形成される。
In the
(回転電機1の作用効果)
図5は、ステータとロータとの間の空間高調波磁束の流れについて、補極部材50を備えた本実施の形態の回転電機1と、補極部材50を備えていない回転電機101とを比較した図である。なお、図5は、ステータとロータとを直線状に配置した模式図である。回転電機1及び回転電機101のいずれも、誘導コイル22、122がロータ20、120の径方向に沿って突極部26、126にそれぞれ巻かれている。
(Operational effect of rotating electrical machine 1)
FIG. 5 shows a comparison between the rotating
図5(a)に示すように、補極部材50を備えていない回転電機101においては、図5(a)中、破線で示す空間高調波磁束が径方向の外方側の誘導コイル122に鎖交し、径方向の内方側の誘導コイル122までは鎖交しない。
As shown in FIG. 5 (a), in the rotating
したがって、回転電機101においては、誘導コイル122に鎖交する空間高調波磁束が少ないため、界磁コイル123に供給される界磁エネルギーも少なくなる。この結果、本実施の形態の回転電機1と比較して、ステータ110とロータ120との間に発生する電磁石トルクが小さくなり、回転電機101の出力トルクが小さくなる。
Therefore, in the rotating
これに対して、図5(b)に示すように、補極部材50を備えた本実施の形態の回転電機1は、図5(b)中、破線で示す空間高調波磁束が補極部材50を介して径方向の内方側の誘導コイル122にまで鎖交する。
On the other hand, as shown in FIG. 5B, the rotating
したがって、回転電機1においては、上述の回転電機101と比較して誘導コイル22に鎖交する空間高調波磁束が多くなる。また、回転電機1は、上述したように補極部材50の脚部52が誘導コイル22よりも径方向の内方側にまで延びているため、より多くの空間高調波磁束を誘導コイル22で回収することができる。
Therefore, in the rotating
このため、界磁コイル23に供給される界磁エネルギーも多くなる。この結果、上述の回転電機101と比較して、ステータ10とロータ20との間に発生する電磁石トルクが大きくなり、回転電機1の出力トルクが大きくなる。
For this reason, the field energy supplied to the
図6は、誘導コイルの磁束及び誘導電流と電気角との関係について、補極部材を備えた例(図6では「補極有」と記載)と補極部材を備えない例(図6では「補極無」と記載)とを同一の条件で比較したグラフである。補極部材を備えた例は、本実施の形態の回転電機1であり、補極部材を備えない例は、例えば上述した回転電機101である。
FIG. 6 shows an example in which an auxiliary pole member is provided (described as “with an auxiliary pole” in FIG. 6) and an example in which no auxiliary pole member is provided (in FIG. It is a graph comparing “under complementary pole” under the same conditions. The example provided with the auxiliary pole member is the rotating
図6に示すように、補極部材を備えた本実施の形態の回転電機1は、補極部材を備えない例と比較して、誘導コイル22に鎖交する磁束(図6では「誘導コイル磁束」と記載)が多い。したがって、補極部材を備えた本実施の形態の回転電機1は、補極部材を備えない例と比較して誘導コイル22で発生する誘導電流も大きいことが図6から分かる。
As shown in FIG. 6, the rotating
また、補極部材を備えない例では、電気角40[deg]、160[deg]、280[deg]付近で誘導電流の発生が制限されている。これは、第3次空間高調波磁束とともに発生する第6次空間高調波磁束が第3次空間高調波磁束に干渉しているためである。すなわち、第6次空間高調波磁束は、第3次空間高調波磁束と干渉することにより誘導電流の発生を妨げる成分となり得る。 Further, in the example that does not include the auxiliary pole member, the generation of the induced current is limited in the vicinity of the electrical angles of 40 [deg], 160 [deg], and 280 [deg]. This is because the sixth spatial harmonic magnetic flux generated together with the third spatial harmonic magnetic flux interferes with the third spatial harmonic magnetic flux. That is, the sixth spatial harmonic magnetic flux can be a component that interferes with the generation of the induced current by interfering with the third spatial harmonic magnetic flux.
回転電機の低負荷、低回転域では、第3次空間高調波磁束に対して第6次空間高調波磁束の比率が高いため、第6次空間高調波磁束が誘導電流の発生に大きな影響を与える。したがって、第6次空間高調波磁束は、可能な限り少ないほうが望ましい。 Since the ratio of the sixth spatial harmonic magnetic flux to the third spatial harmonic magnetic flux is high in the low load and low rotational range of the rotating electrical machine, the sixth spatial harmonic magnetic flux has a great influence on the generation of the induced current. give. Therefore, it is desirable that the sixth-order spatial harmonic magnetic flux is as small as possible.
図7は、誘導コイルに鎖交する磁束(図7では「誘導コイル磁束」と記載)と次数との関係について、補極部材を備えた例(図7では「補極有」と記載)と補極部材を備えない例(図7では「補極無」と記載)とを同一の条件で比較したグラフである。補極部材を備えた例は、本実施の形態の回転電機1であり、補極部材を備えない例は、例えば上述した回転電機101である。
FIG. 7 shows an example (provided that “complementary pole is present” in FIG. 7) including a supplementary pole member regarding the relationship between the magnetic flux interlinking with the induction coil (referred to as “inductive coil magnetic flux” in FIG. 7) and the order. It is the graph which compared on the same conditions the example (it is described as "no supplementary pole" in FIG. 7) which does not provide an auxiliary pole member. The example provided with the auxiliary pole member is the rotating
図7に示すように、補極部材を備えた本実施の形態の回転電機1は、補極部材を備えない例と比較して、第3次空間高調波磁束が多い。さらに、本実施の形態の回転電機1は、補極部材を備えない例と比較して第6次空間高調波磁束が少ないことが図7から分かる。
As shown in FIG. 7, the rotating
これは、次の理由による。すなわち、本実施の形態の回転電機1は、ロータ20の周方向に隣り合う突極部26の間に補極部材50を設けたため突極間の磁気抵抗変動が緩やかとなる。この結果、本実施の形態の回転電機1では、第3次空間高調波磁束とともに発生する第6次空間高調波磁束を低減することができる。
This is due to the following reason. That is, in the rotating
このように、本実施の形態の回転電機1は、界磁エネルギーとして利用する第3次空間高調波磁束を増大させつつ、第6次空間高調波磁束を低減することができる。これにより、効率よく回転電機1の出力トルクを増大させることができる。
Thus, the rotary
ここで、回転電機1の出力トルクは、リラクタンストルクと電磁石トルクとの合計からなる。リラクタンストルクとは、ステータ10とロータ20との間で鎖交する磁束が通過する磁路を最短にしようとロータ20を回転させる回転力である。また、電磁石トルクとは、回転磁界の極とロータ20の界磁コイル23による電磁石の磁極との吸引及び反発によって発生する回転力である。
Here, the output torque of the rotating
したがって、回転電機1の出力トルクを大きくするには、リラクタンストルク及び電磁石トルクの双方を増加させればよい。しかしながら、リラクタンストルクを大きくするには、ロータの突極間の磁気抵抗変動を大きくする必要がある。ロータの突極間の磁気抵抗変動を大きくするには、上述した回転電機101のようにロータの突極間に補極部材を設けなければよい。ところが、この場合には、リラクタンストルクは大きくなるが、リラクタンストルクのリプルも大きくなってしまい、結果として回転電機の出力トルクの変動が大きくなってしまい好ましくない。
Therefore, in order to increase the output torque of the rotating
本実施の形態の回転電機1では、上述したような補極部材50を備えることによりリラクタンストルクを抑えて電磁石トルクを増加させることができる。この結果、回転電機1の出力トルクの変動を抑制しつつ、その出力トルクを増加させることができる。
In the rotating
図8は、リラクタンストルク、電磁石トルク及び出力トルク(図8では「モータトルク」と記載)について、補極部材を備えた例と補極部材を備えない例とを同一の条件で比較したグラフである。図8(a)が補極部材を備えない例を示し、図8(b)が補極部材を備えた例を示している。補極部材を備えた例は、本実施の形態の回転電機1であり、補極部材を備えない例は、例えば上述した回転電機101である。
FIG. 8 is a graph comparing reluctance torque, electromagnet torque and output torque (referred to as “motor torque” in FIG. 8) under the same conditions between an example with an auxiliary electrode member and an example without an auxiliary electrode member. is there. FIG. 8A shows an example that does not include an auxiliary electrode member, and FIG. 8B shows an example that includes an auxiliary electrode member. The example provided with the auxiliary pole member is the rotating
図8(a)に示すように、補極部材を備えない例では、補極部材を備えた例と比較してリラクタンストルクは大きいが、リラクタンストルクのリプルも大きくなっている。また、補極部材を備えない例では、補極部材を備えていないため誘導コイルで発生する誘導電流も少ない。このため、補極部材を備えない例では、補極部材を備えた例と比較して電磁石トルクも小さい。したがって、補極部材を備えない例では、補極部材を備えた例と比較して出力トルクが小さいばかりか、その出力トルクのリプルも大きくなってしまう。 As shown in FIG. 8A, in the example that does not include the complementary electrode member, the reluctance torque is large as compared with the example that includes the complementary electrode member, but the ripple of the reluctance torque is also large. Further, in the example that does not include the auxiliary electrode member, since the auxiliary electrode member is not provided, the induced current generated in the induction coil is small. For this reason, in the example which is not provided with an auxiliary pole member, compared with the example which is provided with an auxiliary pole member, electromagnet torque is also small. Therefore, in the example without the auxiliary pole member, not only the output torque is smaller than in the example with the auxiliary pole member, but also the ripple of the output torque becomes larger.
これに対して、図8(b)に示すように、補極部材を備えた本実施の形態の回転電機1では、補極部材を備えない例と比較してリラクタンストルクは小さいが、リラクタンストルクのリプルは抑えられている。また、本実施の形態の回転電機1では、補極部材を備えているため誘導コイルで発生する誘導電流も大きい。このため、本実施の形態の回転電機1では、補極部材を備えない例と比較して電磁石トルクが大きい。
On the other hand, as shown in FIG. 8 (b), in the rotating
したがって、本実施の形態の回転電機1では、補極部材を備えない例と比較して出力トルクが大きく、かつその出力トルクのリプルが小さい。
Therefore, in the rotating
図9は、補極部材の材料として、プラスチック、ステンレス、等方性電磁鋼板及び方向性電磁鋼板を用いたときの回転電機の出力トルクをそれぞれ同一条件で比較したグラフである。等方性電磁鋼板とは、特定の方向に偏って磁化しない電磁鋼板である。 FIG. 9 is a graph comparing the output torque of the rotating electrical machine under the same conditions when plastic, stainless steel, an isotropic electrical steel sheet and a directional electrical steel sheet are used as the material of the auxiliary pole member. An isotropic electrical steel sheet is an electrical steel sheet that is not magnetized in a specific direction.
図9に示すように、補極部材の材料として、プラスチック、ステンレス、等方性電磁鋼板及び方向性電磁鋼板のうち方向性電磁鋼板を用いた場合が最も出力トルクが大きいことが分かる。 As shown in FIG. 9, it can be seen that the output torque is the largest when the directional electromagnetic steel plate is used among the plastic, stainless steel, isotropic electromagnetic steel plate and directional electromagnetic steel plate as the material of the auxiliary electrode member.
本実施の形態の回転電機1では、上述したように図4中、矢印B1で示す方向に磁束が通りやすい磁気特性を有する方向性電磁鋼板を補極部材50の材料として用いたので、等方性電磁鋼板を用いた場合と比較して出力トルクを大きくすることができる。
In the rotating
図10は、回転電機1の出力トルクについて、補極部材50の材料として等方性電磁鋼板を用いた例と方向性電磁鋼板を用いた例とを同一の条件で比較したグラフである。図10(a)は、補極部材50の材料として等方性電磁鋼板を用いた場合のリラクタンストルク、電磁石トルク及び出力トルクを示し、図10(b)は、補極部材50の材料として方向性電磁鋼板を用いた場合のリラクタンストルク、電磁石トルク及び出力トルクを示している。
FIG. 10 is a graph comparing the output torque of the rotating
図10(a)及び図10(b)に示すように、補極部材50の材料としては、等方性電磁鋼板を用いるよりも方向性電磁鋼板を用いたほうが回転電機1の出力トルクが大きいことが分かる。補極部材50の材料として等方性電磁鋼板を用いた場合は、ステータ10からの主磁束が漏れ磁束として補極部材50に流れやすくなるため、補極部材50の材料に方向性電磁鋼板を用いた場合と比較して回転電機1の出力トルクが小さくなる。
As shown in FIGS. 10A and 10B, the output torque of the rotating
以上のように、本実施の形態の回転電機1において、磁性体からなる補極部材50は、周方向に隣り合う突極部26の間をつなぐ梁部51と、梁部51から径方向の内方側に向けて突出しロータコア21に対して非接触な脚部52とを有する。
As described above, in the rotating
このため、本実施の形態の回転電機1は、磁性体からなる補極部材50が梁部51を介して直接突極部26に固定されているので、補極部材50を保持するための保持部材等が不要となる。したがって、保持部材等がない分だけ周方向に隣り合う突極部26の間における誘導コイル22及び界磁コイル23の占有領域を拡大することができる。
For this reason, in the rotating
この結果、従来と比較してロータ20における誘導コイル22及び界磁コイル23の占積率を向上させることができる。これにより、本実施の形態の回転電機1は、従来と比較して出力トルクを向上させることができる。
As a result, the space factor of the
回転電機1は、車載用の他、例えば風力発電用の発電機や工作機械用の電動機としても用いることができる。
The rotating
また、本実施の形態では、回転電機1をラジアルギャップ型の回転電機に適用したが、アキシャルギャップ型の回転電機に適用してもよい。
In this embodiment, the rotary
本発明の実施の形態を開示したが、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.
1 回転電機
10 ステータ
11 電機子コイル
20 ロータ
21 ロータコア
22、22S、22N 誘導コイル
23、23S、23N 界磁コイル
24 整流回路
26 突極部
26a 端部
26b 側面
26c 凹部
50 補極部材
51 梁部
51a 円弧部
51b 両端部
51c 連結部
52 脚部
52b 側面
52c 突起
60 樹脂モールド部
260 外周面
510 対向面
D 隙間
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記ロータは、
周方向に所定の間隔で突極部が複数形成されたロータコアと、
前記突極部に巻かれており、前記ステータ側で発生した磁束に重畳された空間高調波成分が鎖交することにより誘導電流を発生する誘導コイルと、
前記突極部に巻かれており、前記誘導電流が整流されて供給されることにより電磁石として機能する界磁コイルと、
周方向に隣り合う突極部の間にそれぞれ配置された磁性体からなる補極部材と、を有し、
前記補極部材は、周方向に隣り合う突極部の間をつなぐ梁部と、前記梁部から径方向の内方側に向けて突出し、前記ロータコアに対して非接触な脚部とを有することを特徴とする回転電機。 A rotating electric machine comprising a stator having an armature coil that generates a magnetic flux when energized, and a rotor that rotates by the passage of the magnetic flux,
The rotor is
A rotor core having a plurality of salient pole portions formed at predetermined intervals in the circumferential direction;
An induction coil that is wound around the salient pole and generates an induced current by interlinking of spatial harmonic components superimposed on the magnetic flux generated on the stator side;
A field coil wound around the salient pole and functioning as an electromagnet by rectifying and supplying the induced current;
An auxiliary pole member made of a magnetic material disposed between salient pole portions adjacent in the circumferential direction, and
The auxiliary pole member includes a beam portion that connects between salient pole portions adjacent in the circumferential direction, and a leg portion that protrudes inward in the radial direction from the beam portion and that is not in contact with the rotor core. Rotating electric machine characterized by that.
前記端部の周方向の側面には、凹部が形成されており、
前記補極部材は、周方向に隣り合う前記突極部の前記凹部に前記梁部の周方向の両端部がそれぞれ嵌め合わされていることを特徴とする請求項1に記載の回転電機。 The salient pole part has an end part radially outward,
A concave portion is formed on a side surface in the circumferential direction of the end portion,
2. The rotating electrical machine according to claim 1, wherein both ends of the beam portion in the circumferential direction are fitted in the concave portions of the salient pole portions adjacent to each other in the circumferential direction.
前記ステータに対向する対向面が前記突極部の径方向の外周面に沿うよう円弧状に形成された円弧部と、
前記円弧部よりも径方向の内方側に位置する前記両端部と、
前記円弧部と前記両端部との間に設けられた連結部と、を有し、
前記連結部は、前記突極部の周方向の側面との間に隙間を有することを特徴とする請求項2に記載の回転電機。 The beam portion is
An arc portion formed in an arc shape so that the facing surface facing the stator follows the radial outer peripheral surface of the salient pole portion;
The both ends located on the inner side in the radial direction from the arc portion;
A connecting portion provided between the arc portion and the both end portions,
The rotating electrical machine according to claim 2, wherein the connecting portion has a gap between a circumferential side surface of the salient pole portion.
前記補極部材は、前記脚部の側面に突起を有することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の回転電機。
The rotor has a resin mold portion between a salient pole portion adjacent in the circumferential direction and the complementary electrode member,
The rotating electrical machine according to claim 1, wherein the auxiliary pole member has a protrusion on a side surface of the leg portion.
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