JP2017169281A - 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.
永久磁石の磁束を利用してトルクを出力する回転電機では、永久磁石による有効磁束量を可変することができる回転電機が知られている。例えば、特許文献1には、電機子巻線が巻かれた固定子と、該固定子と空隙を介して回転可能に設けられた回転子を有する回転電機において、固定子が回転軸方向に第1回転子と第2回転子とに二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された構造が記載されている。
As a rotating electrical machine that outputs torque using the magnetic flux of a permanent magnet, a rotating electrical machine that can vary the amount of effective magnetic flux generated by the permanent magnet is known. For example,
このような構造から、特許文献1に記載の回転電機は、トルクや回転数の変化に応じて第2回転子を動作させ、第1回転子の永久磁石の極性と第2回転子の永久磁石の極性との位置関係を可変することによって、永久磁石による有効磁束量を調整することができる。このとき、特許文献1に記載の回転電機は、第1回転子の永久磁石の極性と第2回転子の永久磁石の極性との相対的な位置関係を可変するにあたって、アクチュエータに入力された制御信号により第2回転子を所定状態に位置させるように制御している。
From such a structure, the rotating electrical machine described in
第2回転子を第1回転子から回転軸方向に離隔させた任意所定位置に移動させた状態では、固定子鉄心に設けられた磁気抵抗層によって回転軸方向に生じる磁束流れを遮断することができる。これにより、磁束可変型回転電機の高速回転領域における鉄損を低減することができる。 In a state where the second rotor is moved to an arbitrary predetermined position separated from the first rotor in the rotation axis direction, the magnetic flux generated in the rotation axis direction can be blocked by the magnetoresistive layer provided on the stator core. it can. Thereby, the iron loss in the high-speed rotation area | region of a magnetic flux variable type rotary electric machine can be reduced.
しかしながら、特許文献1に記載の回転電機は、上述したように、第2回転子を所定状態に位置させるため、アクチュエータや該アクチュエータを制御するための制御装置が必要である。また、第1回転子と第2回転子とが所定の位置関係となるように第2回転子を機械的に移動させていることから精密な制御が必要である。このため、低コストな構成で永久磁石の磁束を可変させることができない。
However, 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、低コストな構成で永久磁石の磁束を可変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。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a rotating electrical machine that can vary the magnetic flux of a permanent magnet with a low-cost configuration.
本発明は、上記目的を達成するため、電機子コイルを有するステータと永久磁石を有するロータと、を備えた回転電機であって、前記ステータは、周方向に所定の間隔で配置される複数のステータティースを有する環状のステータコアと、隣り合う前記ステータティースの間にトロイダル巻された電機子コイルと、を有し、前記ロータは、前記ステータコアの軸方向の少なくとも何れか一方側の面で前記ステータティースに対向する第1のロータティースと、前記ステータコアの径方向の内方側で前記ステータティースに対向する第2のロータティースと、前記第1のロータティースに巻かれており、前記ステータ側で発生した磁束に基づいて誘導電流を発生する誘導コイルと、前記第2のロータティースに配置された永久磁石と、前記永久磁石の周囲に配置され、前記永久磁石の磁束の一部を導く磁路部材と、前記磁路部材に設けられ、前記誘導コイルで発生した誘導電流に基づいて前記磁路部材に導かれる磁束の磁束量を調整可能な可変界磁コイルとを有し、前記ステータコアは、隣り合う前記ステータティースの間に前記第1のロータティースと同じ形状の溝部を有する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a rotating electrical machine comprising a stator having an armature coil and a rotor having a permanent magnet, wherein the stator is a plurality of coils arranged at predetermined intervals in the circumferential direction. An annular stator core having stator teeth, and an armature coil wound toroidally between adjacent stator teeth, wherein the rotor is formed on at least one surface in the axial direction of the stator core on the stator. A first rotor tooth facing the teeth, a second rotor tooth facing the stator teeth on the radially inner side of the stator core, and the first rotor teeth wound around the stator side. An induction coil that generates an induced current based on the generated magnetic flux, a permanent magnet disposed in the second rotor teeth, and the permanent magnet A magnetic path member arranged around a stone and guiding a part of the magnetic flux of the permanent magnet; and a magnetic path member provided in the magnetic path member and guided to the magnetic path member based on an induced current generated in the induction coil. The stator core has a groove having the same shape as that of the first rotor tooth between the adjacent stator teeth.
本発明によれば、低コストな構成で永久磁石の磁束を可変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 vary the magnetic flux of a permanent magnet with a low-cost structure 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8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 8 are diagrams illustrating a rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention.
図1、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W相、V相、U相の三相の電機子コイル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。
As shown in FIGS. 1 and 2, the rotating
(ステータ)
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と、このステータコア12に巻き回された電機子コイル11とを備えている。ステータ10は、ステータコア12の外周面に設けられた非磁性体からなる図示しない連結片を介して図示しないモータケースに磁気的に遮断された状態で固定されている。これにより、例えば漏れ磁束の発生等が抑制される。
(Stator)
The
図2、図3に示すように、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が周方向に所定の間隔で複数形成されている。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14が形成されている。スロット14は、本発明における溝部を構成する。ここで、軸方向とは、ロータ20の回転軸2(図5参照)が延伸する方向を示す。径方向とは、ロータ20の回転軸2が延伸する方向と直交する方向であり、回転軸2を中心として放射方向に示される。径方向の内方側とは、径方向においてロータ20の回転軸2に近い側を示し、径方向の外方側とは、径方向においてロータ20の回転軸2から遠い側を示す。周方向とは、ロータ20の回転軸2を中心とする円周方向を示す。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
スロット14は、回転電機1の軸方向から見て等脚台形の形状に形成されている。具体的には、スロット14は、径方向の外側に向かって凸状の等脚台形に形成されており、径方向の内側の辺が短く、径方向の外側の辺が長くなっている。
The
電機子コイル11は、ステータコア12の周方向において隣り合うステータティース13の間に形成されたスロット14にトロイダル巻されている。W相、V相、U相の各電機子コイル11は、集中巻によりスロット14に巻き回されている。トロイダル巻とは、ステータコア12の環の内側と外側を交互に通るよう周回させて、ステータコア12に電機子コイル11の巻線を巻き回す方法である。
The
電機子コイル11は、断面が長方形の平角線からなり、エッジワイズ巻によるトロイダル巻の状態で、スロット14に巻回されている。エッジワイズ巻とは、スロット14に対して、平角線の短辺を回転電機1の径方向の内側と外側に対向させて、平角線を縦に巻き回す方法である。
The
これにより、巻ピッチ方向に隣り合う平角線同士が長辺で面接触するため、電流に応じた断面積を維持したまま巻数を増加できる。このため、電機子コイル11の占積率を向上でき、ステータ10の起磁力を増大できる。
Thereby, since the rectangular wires adjacent in the winding pitch direction are in surface contact with the long sides, the number of turns can be increased while maintaining the cross-sectional area corresponding to the current. For this reason, the space factor of the
ステータティース13は、ステータコア12の軸方向の一方側及び他方側に突出する側面部13aと、ステータコア12の径方向の内方側に突出する内面部13bとを有している。ステータティース13の側面部13aには、後述する第1のロータティース212が軸方向で対向するようになっている。ステータティース13の内面部13bには、後述する第2のロータティース222が径方向で対向するようになっている。
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(以下、この磁束を「主磁束」という)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
具体的には、電機子コイル11は、ステータティース13の周方向における両隣に配置されており、この一対の電機子コイル11は、一方の電機子コイル11から発生する磁束と、他方の電機子コイル11から発生する磁束とで、磁束の方向が周方向において反対方向となるように、その巻方向及び通電方向が設定されている。
Specifically, the
これにより、例えば一方の電機子コイル11がV+相で、他方の電機子コイル11がV−相の場合、この一対の電機子コイル11から発生する磁束は、一対の電機子コイル11によって挟まれるステータティース13に向かい、ステータティース13においてぶつかり合うように発生する。そして、ステータティース13で発生した磁束は、ステータコア12の周方向と直交する側の方向に向きを変え、ステータティース13からロータ20に向かう。
Thus, for example, when one
そして、ロータ20に向かった磁束の一部は、後述するロータコア221を通過した後、W+相とW−相の一対の電機子コイル11によって挟まれたステータティース13に向かう。また、ロータ20に向かった磁束の一部は、後述するロータコア221を通過した後、U+相とU−相の一対の電機子コイル11によって挟まれたステータティース13に向かう。
A part of the magnetic flux directed to the
このように、ステータティース13とロータ20とが対向する面では、電機子コイル11で発生した磁束(主磁束)の磁気回路が構成される。回転電機1は、ステータティース13とロータ20とが対向する面をトルク発生面としてロータ20を回転させる。
Thus, on the surface where the
また、ステータ10は、上述の通り、電機子コイル11がトロイダル巻で、かつ集中巻されている。このため、電機子コイル11に三相交流を供給した場合、ステータ10には、ロータ20の回転と同期して回転する回転磁界の他に、ロータ20の回転と非同期の高調波回転磁界が発生する。すなわち、ステータ10で発生する磁束には、高調波成分が重畳されていることとなる。この高調波回転磁界には、静止座標系における第2次空間高調波(同期回転座標系における第3次時間高調波)が含まれる。言い換えると、高調波成分は、静止座標系で観測すると第2次空間高調波であり、同期回転座標系で観測すると第3次空間高調波となる。
Further, as described above, the
(ロータ)
図1に示すように、ロータ20は、軸方向においてステータ10を挟むようにして配置された一対のアキシャルギャップロータ210と、ステータコア12の径方向の内方側に配置されたラジアルギャップロータ220とを含んで構成されている。
(Rotor)
As shown in FIG. 1, the
一対のアキシャルギャップロータ210とラジアルギャップロータ220とは、互いに同期して回転するように回転軸2(図5参照)に対して一体回転可能に固定されている。一対のアキシャルギャップロータ210とラジアルギャップロータ220とは、一体化されていてもよい。
The pair of
一対のアキシャルギャップロータ210は、それぞれ高透磁率の磁性材料からなる第1のロータティース212と、誘導コイル215とを備えている。第1のロータティース212は、ステータ10側に向けて軸方向に突出しており、周方向に所定の間隔をおいて互いに分離して複数設けられている。第1のロータティース212は、誘導コイル215が巻回されて磁路を形成するコアとしての役割を有する。
Each of the pair of
第1のロータティース212は、樹脂等の非磁性材料からなる図示しない固定部材を介して、回転軸2(図5参照)に一体回転可能に固定されている。このように、複数の第1のロータティース212は、それぞれが互いにバックヨークで連結されていないため、これら複数の第1のロータティース212は互いに磁気的に分離されている。すなわち、複数の第1のロータティース212は所謂セグメント構造に構成されている。このため、第1のロータティース212には、ステータ10側で発生した主磁束を通過させず、高調波成分の磁束のみを通過させることができる。
The
第1のロータティース212をセグメント構造にしたことで、磁束が鎖交する面積を最小限にできる。このため、ステータ10側から第1のロータティース212に磁束が鎖交するときの鉄損の発生を低減できる。
Since the
また、第1のロータティース212をセグメント構造にしたことで、第1のロータティース212は、第2次空間高調波のみの磁路を形成し、主磁束の磁路を形成しない。このため、ステータティース13とステータティース13の側面部13aとの間で、軸方向に主磁束が通過した場合におけるドラッグトルク(ブレーキトルク)の発生を大幅に低減できる。
In addition, since the
ここで、ステータティース13の側面部13aの数と第1のロータティース212の数との比は、3:2となっている。これにより、第2次空間高調波を界磁エネルギとして最も効率的に活用できる。
Here, the ratio of the number of the
第1のロータティース212は、ステータコア12の軸方向の両面側、すなわちステータコア12の軸方向の一方側及び他方側でステータティース13に対向するようになっている。
The
第1のロータティース212には、誘導コイル215が軸方向に層をなすようにして巻かれている。誘導コイル215は、絶縁材料で被覆した巻線からなる。
An
誘導コイル215は、ステータ10側で発生した磁束に重畳された高調波成分に基づいて誘導電流を発生するようになっている。
The
具体的には、三相交流が電機子コイル11に供給されてステータ10に回転磁界が発生すると、ステータ10側で発生した高調波成分の磁束が誘導コイル215に鎖交する。これにより、誘導コイル215は、誘導電流を誘起させる。
Specifically, when a three-phase alternating current is supplied to the
本実施形態では、第1のロータティース212は、回転電機1の軸方向から見て等脚台形の形状に形成されている(図3参照)。具体的には、第1のロータティース212は、径方向の内側の辺の方が径方向の外側の辺よりも短い等脚台形の形状に形成されており、径方向の内側の辺(上底)が短く、径方向の外側の辺(下底)が長くなっている。
In the present embodiment, the
また、ステータコア12は、隣り合うステータティース13の側面部13aの間に、第1のロータティース212と同じ形状のスロット14を有している。すなわち、第1のロータティース212は、スロット14と同じ等脚台形の形状に形成されている。
The
このため、ステータティース13の側面部13aの形状も、スロット14と同じ等脚台形を径方向において反転した形状、すなわちスロット14と径方向において対称の形状となっている。側面部13aは、径方向の外側の辺の方が径方向の内側の辺よりも短い等脚台形の形状に形成されており、径方向の外側の辺(上底)が短く、径方向の内側の辺(下底)が長くなっている。
For this reason, the shape of the
これにより、ロータ20が回転して側面部13aと第1のロータティース212とが対面状態ですれ違うとき、側面部13aの台形の脚の辺と、第1のロータティース212の台形の脚の辺が、平行に対向した状態ですれ違うことになる。言い換えると、ロータ20が回転するとき、ステータティース13の台形形状の側面部13aに対して、台形形状の第1のロータティース212が、径方向の外側と内側とで、同時にかつ同じ重なり幅ですれ違うことになる。これにより、ステータティース13の側面部13aと第1のロータティース212との間で発生するドラッグトルク(ブレーキトルク)を最小限に低減できる。また、インダクタンスの脈動が最大になるため、第1のロータティース212に鎖交する第2次空間高調波の振幅を最大にでき、誘導コイル215に発生する誘導起電力を増加させることができる。
Thereby, when the
なお、本実施の形態では、第1のロータティース212およびスロット14が何れも台形形状に形成されているが、互いに同じ形状であればよく、台形形状に限定されない。
In the present embodiment, the
ラジアルギャップロータ220は、高透磁率の磁性材料からなり回転軸2(図5参照)に対して一体回転可能に固定されたロータコア221と、永久磁石223と、磁路部材225とを有する。
The
ロータコア221には、ロータコア221から径方向の外方に向けて突出した第2のロータティース222がロータコア221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
第2のロータティース222は、ステータコア12の径方向の内方側においてステータティース13と対向するようになっている。第2のロータティース222には、永久磁石223が配置されている。
The
永久磁石223は、例えばネオジウム磁石(Nd−Fe−B磁石)で構成されており、第2のロータティース222に内包されている。
The
磁路部材225は、永久磁石223の磁束の一部を導くもので、永久磁石223の周囲に環状に形成されている。具体的には、磁路部材225は、永久磁石223で発生した磁束のうち、永久磁石223からロータコア221の軸方向に漏れる磁束(以下、この磁束を「漏れ磁束」という)を導くものである。
The
磁路部材225は、永久磁石223とともに第2のロータティース222に内包された内包部225aと、第2のロータティース222からロータコア221の軸方向に突出するよう延伸された延伸部225bとを備えている。磁路部材225は、永久磁石223の軸方向の側面223a側に位置する部分が第2のロータティース222から軸方向に延伸されるような形状で延伸部225bが形成されている。
The
内包部225aは、永久磁石223を径方向で挟み込むようにして永久磁石223の径方向の内方側及び外方側にそれぞれ配置されている。内包部225aは、永久磁石223からステータ10に鎖交する磁束を通すようになっている。内包部225aは、例えば強磁性体の微細な粉末が圧縮して固められた圧粉磁心によって成形されている。
The
延伸部225bは、磁路部材225の第2のロータティース222から軸方向に延伸された部分に相当し、高磁気抵抗の領域を介して第2のロータティース222の軸方向の両側にそれぞれ設けられている。
The extending
延伸部225bは、例えば強磁性体の微細な粉末が圧縮して固められた圧粉磁心によってコの字状に成形されている。延伸部225bは、第2のロータティース222側の各端面が各内包部225aの軸方向の端面と対向するように配置されている。また、延伸部225bは、軸方向の両側における各内包部225aの端面と対向するように配置されている。
The extending
延伸部225bは、内包部225aとは別体として構成されており、図示しない連結部材を介してロータコア221又は他の部材に保持されている。これにより、内包部225aと延伸部225bとは、ロータコア221の軸方向で分離されている。
The extending
また、内包部225aの軸方向の両側の端面と延伸部225bの第2のロータティース222側の端面との間には、所定の大きさのギャップG(図5参照)が形成されている。このギャップGが高磁気抵抗の領域として形成されている。ギャップGは、後述する可変界磁コイル226に直流電流が供給されていないときには、永久磁石223の漏れ磁束が内包部225aから延伸部225bに流れることがない、又は流れても微量となるような大きさである。また、ギャップGは、後述する可変界磁コイル226に直流電流が供給されているときには、永久磁石223の漏れ磁束が内包部225aから延伸部225bに流れるような大きさに設定されている。
Further, a gap G (see FIG. 5) having a predetermined size is formed between the end surfaces on both sides in the axial direction of the
延伸部225bには、ロータコア221の周方向に沿って可変界磁コイル226が巻き回されている。可変界磁コイル226は、誘導コイル215で発生した誘導電流の大きさに応じて、永久磁石223から磁路部材225に導かれる漏れ磁束の磁束量を調整可能に機能するコイルである。すなわち、可変界磁コイル226は、磁路部材225内を短絡して永久磁石223の漏れ磁束を磁路部材225に導くことにより、ロータ20からステータ10へ鎖交する永久磁石24の磁束量を調整可能なコイルである。
A
可変界磁コイル226は、永久磁石223の漏れ磁束が磁路部材225により導かれる方向(図6に矢印で示す方向)に流れるように、磁路部材225の延伸部225bに対して巻き回されている。具体的には、可変界磁コイル226は、永久磁石223の漏れ磁束を磁路部材225内で短絡する方向(図6に矢印で示す方向)に誘導する磁束(以下、この磁束を「誘導磁束」という)を発生させるように、延伸部225bに対して巻き回されている。
The
これにより、可変界磁コイル226は、後述する整流回路30で整流された直流電流が供給されることにより誘導磁束を発生させて、図6に示すように、永久磁石223の漏れ磁束の磁路部材225内での短絡を補助するようになっている。この誘導磁束の磁束量が調整されることによって、磁路部材225内を短絡する永久磁石223の漏れ磁束の磁束量が調整される。
Thereby, the
誘導磁束の磁束量は、可変界磁コイル226に供給される直流電流が大きいほど、可変界磁コイル226の巻き数が多いほど大きくなる。可変界磁コイル226の巻き数は、予め実験的に求められた巻き数に設定される。
The amount of induced magnetic flux increases as the direct current supplied to the
可変界磁コイル226に供給される直流電流は、誘導コイル215に発生する誘導電流の大きさに応じて可変される。これにより、磁路部材225内を短絡する永久磁石223の漏れ磁束の磁束量は、誘導コイル215に発生する誘導電流の大きさに応じて調整される。誘導コイル215に発生する誘導電流は、ロータ20回転速度が上昇するにつれて大きくなる。したがって、磁路部材225内を短絡する永久磁石223の漏れ磁束の磁束量は、ロータ20回転速度が上昇するにつれて大きくなる。
The direct current supplied to the
(整流回路)
また、回転電機1は、誘導コイル215で発生した誘導電流を整流して可変界磁コイル226に供給する整流回路30を備えている。
(Rectifier circuit)
The rotating
図4に示すように、整流回路30は、2つのダイオードD1,D2を整流素子として備え、これらダイオードD1,D2と2つの誘導コイル215及び2つの可変界磁コイル226とを結線した閉回路として構成されている。整流回路30は、ロータ20の軸方向の一方側及び他方側の誘導コイル215及び可変界磁コイル226のそれぞれに対応するように、ロータ20の軸方向の一方側及び他方側にそれぞれ設けられる。
As shown in FIG. 4, the
整流回路30における2つの誘導コイル215は、アキシャルギャップロータ210の周方向に隣り合う誘導コイル215である。2つの可変界磁コイル226は、ラジアルギャップロータ220の周方向に隣り合う可変界磁コイル226である。
The two
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アキシャルギャップロータ210又はラジアルギャップロータ220に設けられている。ダイオードD1,D2は、アキシャルギャップロータ210又はラジアルギャップロータ220の内部に実装するようにしてもよい。
For example, the diodes D1 and D2 are provided in the
整流回路30において、2つの誘導コイル215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、直列接続されている2つの可変界磁コイル226に界磁電流として供給される。2つの可変界磁コイル226は、直流電流が供給されることにより誘導磁束を発生させる。
In the
(回転電機の作用)
次に、図5及び図6を参照して、本実施の形態に係る回転電機1の作用について説明する。
(Operation of rotating electrical machine)
Next, with reference to FIG.5 and FIG.6, the effect | action of the rotary
本実施の形態に係る回転電機1は、以上説明したように、ロータ20に永久磁石223を備え、その永久磁石223の磁束を利用してトルクを出力する永久磁石型同期モータである。
As described above, rotating
従来の永久磁石型同期モータでは、永久磁石の磁束が一定のため、ロータの回転速度が上昇するにつれて永久磁石の磁束によってステータの電機子コイルに生じる逆起電力が増加する。そして、ロータの回転速度がある回転速度に達すると、電機子コイルに生じた逆起電力が永久磁石型同期モータの電源電圧と等しくなる。これにより、永久磁石型同期モータにはそれ以上電流を流すことができなくなる。この結果、ロータの回転速度を上昇させることができなくなってしまう。 In the conventional permanent magnet type synchronous motor, since the magnetic flux of the permanent magnet is constant, the counter electromotive force generated in the armature coil of the stator is increased by the magnetic flux of the permanent magnet as the rotational speed of the rotor increases. When the rotational speed of the rotor reaches a certain rotational speed, the counter electromotive force generated in the armature coil becomes equal to the power supply voltage of the permanent magnet type synchronous motor. As a result, no more current can flow through the permanent magnet type synchronous motor. As a result, the rotational speed of the rotor cannot be increased.
従来、こうした問題を解決するために、ステータの電機子コイルに永久磁石による磁束を打ち消す電流を流すことにより電機子コイルに生じる逆起電力を等価的に低減させる弱め界磁制御が行われていた。 Conventionally, in order to solve such problems, field weakening control has been performed in which a counter electromotive force generated in the armature coil is equivalently reduced by passing a current that cancels the magnetic flux generated by the permanent magnet through the armature coil of the stator.
しかしながら、この弱め界磁制御は、永久磁石の磁束を打ち消す方向の磁束を発生させるべく電流を流すことから、トルクに寄与しない磁束を発生させることになる。このため、出力に対して無駄なエネルギを消費しており、効率の低下を招いていた。 However, this field-weakening control generates a magnetic flux that does not contribute to torque because a current is passed to generate a magnetic flux in a direction that cancels the magnetic flux of the permanent magnet. For this reason, useless energy is consumed with respect to the output, resulting in a decrease in efficiency.
また、弱め界磁制御では、高調波磁束が生じるため、その高調波磁束に起因して永久磁石型同期モータの鉄損や電磁振動が増加するおそれがある。さらに、弱め界磁制御では、永久磁石の磁束に対して逆向きの磁束を発生させて永久磁石の磁束を抑え込むため、永久磁石の不可逆減磁が生じるおそれがある。このため、比較的保磁力の高い永久磁石を用いる必要があり、コストが増加してしまう。 Further, in the field weakening control, a harmonic magnetic flux is generated, and therefore the iron loss and electromagnetic vibration of the permanent magnet type synchronous motor may increase due to the harmonic magnetic flux. Further, in the field weakening control, since the magnetic flux in the direction opposite to the magnetic flux of the permanent magnet is generated to suppress the magnetic flux of the permanent magnet, irreversible demagnetization of the permanent magnet may occur. For this reason, it is necessary to use a permanent magnet having a relatively high coercive force, which increases costs.
また、永久磁石としてネオジウム磁石を用いた場合には、弱め界磁制御による外部磁場の変動により永久磁石に渦電流が生じ、永久磁石が発熱する。この発熱によって永久磁石の不可逆減磁が生じるおそれがある。したがって、耐熱性の高いレアアース等の材料を永久磁石に添加する必要がある。しかし、この場合には、添加されたレアアース等の材料が永久磁石にとって不純物となるため、永久磁石本来の性能を発揮させることができないおそれがある。 Further, when a neodymium magnet is used as the permanent magnet, an eddy current is generated in the permanent magnet due to the fluctuation of the external magnetic field by the field weakening control, and the permanent magnet generates heat. This heat generation may cause irreversible demagnetization of the permanent magnet. Therefore, it is necessary to add a material such as a rare earth having high heat resistance to the permanent magnet. However, in this case, since the added material such as rare earth becomes an impurity for the permanent magnet, the original performance of the permanent magnet may not be exhibited.
そこで、本実施の形態に係る回転電機1では、弱め界磁制御を行わずに、上述した磁路部材225及び可変界磁コイル226の作用によって、永久磁石223からステータ10に鎖交する磁束量を調整可能な構成とした。これにより、本実施の形態に係る回転電機1は、上述したような弱め界磁制御による問題を解決することができる。
Therefore, in the rotating
(ロータ低回転時)
本実施の形態に係る回転電機1においてロータ20の回転速度が低いときは、ステータ10に高調波成分の磁束が発生していないか、あるいは発生していても微量である。このため、可変界磁コイル226は、誘導磁束を発生してないか、あるいは発生していても微量である。したがって、ギャップGにおいては、磁気抵抗が高い状態である。
(When rotor is running at low speed)
In the rotating
この結果、図5に示すように、永久磁石223の漏れ磁束は、磁路部材225内を短絡しない。これにより、永久磁石223の磁束の全てがステータ10に鎖交する。
As a result, as shown in FIG. 5, the leakage magnetic flux of the
このように、ロータ20の回転速度が低いときは、ロータ20の回転速度が高いときと比べて永久磁石223からステータ10に鎖交する磁束の磁束量を増加させることができる。
Thus, when the rotational speed of the
(ロータ高回転時)
一方、本実施の形態に係る回転電機1においてロータ20の回転速度が高いときは、ステータ10に高調波成分の磁束が発生する。その高調波成分の磁束の磁束量は、ロータ20の回転速度が上昇するにつれて増加する。
(At high rotor speed)
On the other hand, when the rotational speed of the
これにより、アキシャルギャップロータ210の誘導コイル215において誘導電流が誘起され、この誘起された誘導電流が整流回路30によって整流されて直流電流として可変界磁コイル226に供給される。
As a result, an induced current is induced in the
直流電流が供給された可変界磁コイル226は、永久磁石223の漏れ磁束が磁路部材225内を短絡する方向に誘導磁束を発生させる。これにより、ギャップGにおける磁気抵抗が低下する。
The
この結果、図6に示すように、永久磁石223の磁束の一部が漏れ磁束として磁路部材225内を短絡する。これにより、永久磁石223の磁束のうち漏れ磁束を除いた磁束がステータ10に鎖交する。すなわち、永久磁石223からステータ10に鎖交する磁束の磁束量が抑えられる。
As a result, as shown in FIG. 6, a part of the magnetic flux of the
したがって、ロータ20の回転速度が高い場合であっても弱め界磁制御を不要とすることができる。このため、弱め界磁制御により生ずる高調波磁束に起因した鉄損や電磁振動を防止することができる。
Therefore, even if the rotational speed of the
さらに、弱め界磁制御を不要としたので、保磁力の高い永久磁石を用いる必要がなく、また耐熱性の高いレアアース等の材料を永久磁石に添加する必要もない。これにより、回転電機1のコストを低減させることができる。
Furthermore, since field-weakening control is not required, it is not necessary to use a permanent magnet having a high coercive force, and it is not necessary to add a material such as a rare earth having a high heat resistance to the permanent magnet. Thereby, the cost of the rotary
このように、本実施の形態に係る回転電機1では、弱め界磁制御を行わずに永久磁石223からステータ10に鎖交する磁束量を調整可能としたので、ロータ20の回転速度が高いときには効率の低下を防止することができる。また、ロータ20の回転速度が低いときには出力の向上を図ることができる。
As described above, in the rotating
(電機子コイルの電流位相制御)
漏れ磁束を大きくして永久磁石223からステータ10に鎖交する磁束の磁束量をより抑えるためには、図7に示すように、電機子コイル11に供給する電流のベクトル(以下、電機子電流ベクトルともいう)を+d軸方向に遅角させることが好ましい。
(Current phase control of armature coil)
In order to increase the leakage magnetic flux and further suppress the amount of magnetic flux linked to the
図7において、永久磁石223の磁極の方向をd軸、磁極間をq軸と定義し、q軸を電機子電流ベクトルβの位相の基準(電流位相βが0°)としている。また、−d軸方向(永久磁石223の磁極に対向する方向)を進角側(弱め界磁領域)、+d軸方向(永久磁石223の磁極の順方向側)を遅角側(強め界磁領域)としている。
In FIG. 7, the direction of the magnetic pole of the
図7に示すように、電機子電流ベクトルβの位相を+d軸方向に遅角させることで、永久磁石223の磁束をより多く漏れ磁束として磁路部材225内を短絡させることができる。これにより、永久磁石223からステータ10に鎖交する磁束の磁束量をより抑えることができる。
As shown in FIG. 7, by retarding the phase of the armature current vector β in the + d-axis direction, the
また、電機子電流ベクトルβの位相を+d軸方向に遅角させることで、ステータ10からの磁束が永久磁石223の磁束に対して順方向に鎖交する。このため、永久磁石223の減磁対策を容易にでき、低コストな磁石を採用でき、磁石の発熱対策を容易にできる。
Further, by retarding the phase of the armature current vector β in the + d-axis direction, the magnetic flux from the
図8において、縦軸は電機子コイル11の端子間電圧、すなわち逆方向の誘導起電力を示し、横軸は電機子電流ベクトルβの位相(図中、電流位相と記す)を示している。横軸に示す位相は、0より右側が進角側(−d軸方向、弱め界磁領域)であり、0より左側が遅角側(+d軸方向、強め界磁領域)である。なお、図8では、漏れ磁束を制御するための誘導コイル215および可変界磁コイル226を含む回路を設けた本発明の構成の場合(図中、ロータ回路あり、と記す)と、この回路を設けていない比較例の場合(図中、ロータ回路なし、と記す)における、電機子コイル11の端子間電圧を示している。図8に示すように、ロータ回路ありの場合は、電機子電流ベクトルβの位相を+d軸方向(左方向)に遅角させることで、ロータ回路なしの場合よりも端子間電圧を低下させることができる。
In FIG. 8, the vertical axis represents the voltage across the
以上のように、本実施の形態の回転電機1によれば、ステータ10側で発生した磁束に重畳された高調波成分に基づきアキシャルギャップロータ210の誘導コイル215に誘導電流を発生させて、その誘導電流を整流回路30で整流して可変界磁コイル226に供給する。これにより、磁路部材225内を短絡する永久磁石223の漏れ磁束の磁束量を調整することができる。
As described above, according to the rotating
また、ステータ10側で発生した磁束に重畳される高調波成分は、ステータ10にトロイダル巻で、かつ集中巻された電機子コイル11に三相交流を供給することによって得られる。このため、可変界磁コイル226に供給される直流電流を発生させるために、例えばDC/DCコンバータ等の特別な装置を必要としない。
The harmonic component superimposed on the magnetic flux generated on the
これによって、本実施の形態の回転電機1は、例えばDC/DCコンバータ等の特別な装置を利用することなく簡易な構成で、永久磁石223からステータ10に鎖交する磁束の磁束量を調整することができる。この結果、本実施の形態の回転電機1は、低コストな構成で永久磁石223の磁束を可変させることができる。
Thus, the rotating
また、ステータコア12は、隣り合うステータティース13の間に第1のロータティース212と同じ形状のスロット14を有するので、ロータ20の回転時においてステータティース13の側面部13aと第1のロータティース212とが対面する領域の周方向の幅を、径方向の外側と内側とが等しい状態を保ちながら変化させることができる。これにより、径方向の外側で鎖交する磁束量と径方向の内側で鎖交する磁束量とを均等にできることから、面振動の発生を防止できる。また、ステータティース13の側面部13aと第1のロータティース212との間で発生するドラッグトルクによるトルクの低下を防止しつつ、漏れ磁束の制御用のエネルギとなる第2次空間高調波をステータ10側からロータ20の可変界磁コイル226に非接触で供給することができる。また、インダクタンスの脈動が最大になるため、第1のロータティース212に鎖交する第2次空間高調波の振幅を最大にでき、誘導コイル215に発生する誘導起電力を増加させることが可能となる。
Further, since the
回転電機1は、例えば車載用の電動機、風力発電用の発電機や工作機械用の電動機として好適に採用することができる。
The rotating
なお、本実施の形態では、第1のロータティース212がステータコア12の軸方向の両面側に対向するように設けられているが、これに限らず、例えばステータコア12の軸方向の一方側の側面又は他方側の側面に対向するように設けられてもよい。すなわち、第1のロータティース212は、ステータコア12の軸方向の一方側の側面及び他方側の側面のうち、いずれか一方の側面側にのみ設ける構成であってもよい。この場合、軸方向の片側のアキシャルギャップロータ210のみを採用した分、回転電機1の体格を小さくすることができる。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態の回転電機1は、ステータの径方向の内側にアウタロータ及びインナロータの2つのロータを備える、ダブルロータタイプの回転電機にも適用可能である。この場合、電機子コイルは、ステータに集中巻されるが、トロイダル巻は採用されない。また、このダブルロータタイプの回転電機では、アウタロータに誘導コイルが配置され、インナロータに永久磁石、磁路部材及び可変界磁コイルが配置される。なお、前述のアウタロータとインナロータの構成は、逆であってもよい。
The rotating
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
2 回転軸
10 ステータ
11 電機子コイル
12 ステータコア
13 ステータティース
13a 側面部
13b 内面部
14 スロット(溝部)
20 ロータ
30 整流回路
210 アキシャルギャップロータ
212 第1のロータティース
215 誘導コイル
220 ラジアルギャップロータ
221 ロータコア
222 第2のロータティース
223 永久磁石
225 磁路部材
225a 内包部
225b 延伸部
226 可変界磁コイル
D1,D2 ダイオード
DESCRIPTION OF
20
Claims (4)
前記ステータは、
周方向に所定の間隔で配置される複数のステータティースを有する環状のステータコアと、
隣り合う前記ステータティースの間にトロイダル巻された電機子コイルと、を有し、
前記ロータは、
前記ステータコアの軸方向の少なくとも何れか一方側の面で前記ステータティースに対向する第1のロータティースと、
前記ステータコアの径方向の内方側で前記ステータティースに対向する第2のロータティースと、
前記第1のロータティースに巻かれており、前記ステータ側で発生した磁束に基づいて誘導電流を発生する誘導コイルと、
前記第2のロータティースに配置された永久磁石と、
前記永久磁石の周囲に配置され、前記永久磁石の磁束の一部を導く磁路部材と、
前記磁路部材に設けられ、前記誘導コイルで発生した誘導電流に基づいて前記磁路部材に導かれる磁束の磁束量を調整可能な可変界磁コイルとを有し、
前記ステータコアは、隣り合う前記ステータティースの間に前記第1のロータティースと同じ形状の溝部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 and a rotor having a permanent magnet,
The stator is
An annular stator core having a plurality of stator teeth arranged at predetermined intervals in the circumferential direction;
An armature coil wound toroidally between the adjacent stator teeth,
The rotor is
A first rotor tooth facing the stator teeth on at least one surface in the axial direction of the stator core;
A second rotor tooth facing the stator teeth on the radially inner side of the stator core;
An induction coil wound around the first rotor teeth and generating an induced current based on magnetic flux generated on the stator side;
A permanent magnet disposed on the second rotor teeth;
A magnetic path member disposed around the permanent magnet and guiding a part of the magnetic flux of the permanent magnet;
A variable field coil provided on the magnetic path member and capable of adjusting a magnetic flux amount of a magnetic flux guided to the magnetic path member based on an induced current generated in the induction coil;
The stator core has a groove portion having the same shape as the first rotor teeth between the adjacent stator teeth.
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