JP2017169281A - Rotary electric machine - Google Patents

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亮介 赤木
Ryosuke Akagi
亮介 赤木
真大 青山
Masahiro Aoyama
真大 青山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rotary electric machine that allows a magnetic flux of a permanent magnet to be varied with a structure at low cost.SOLUTION: A stator 10 has: an annular stator core 12; and an armature coil 11 toroidally wound between adjacent stator teeth 13. A rotor 20 has: first rotor teeth 212 opposing to the stator teeth 13 in a shaft direction of the stator core 12; second rotor teeth 212 opposing to the stator teeth 13 inward in a radial direction of the stator core 12; induction coils 215 wound around the first rotor teeth 212; a permanent magnet 223 arranged in the second rotor teeth 222; a magnetic path member 225 that guides part of a magnetic flux of the permanent magnet 223; and a variable field coil 226 provided in the magnetic path member 225. The stator core 12 has a slot 14 having the same shape as the shape of the first rotor teeth 212, between adjacent stator teeth 13.SELECTED DRAWING: Figure 1

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, Patent Document 1 discloses a rotating electric machine having a stator around which an armature winding is wound and a rotor that is rotatably provided through the stator and a gap. A structure is described in which field magnets having two different polarities are alternately arranged in the rotation direction, each being divided into a first rotor and a second rotor.

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 Patent Document 1 operates the second rotor in accordance with changes in torque and rotational speed, and the polarity of the permanent magnet of the first rotor and the permanent magnet of the second rotor. By changing the positional relationship with the polarity, the effective magnetic flux amount by the permanent magnet can be adjusted. At this time, the rotating electrical machine described in Patent Literature 1 controls the input to the actuator in changing the relative positional relationship between the polarity of the permanent magnet of the first rotor and the polarity of the permanent magnet of the second rotor. The second rotor is controlled to be positioned in a predetermined state by the signal.

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.

特開2010−246196号公報JP 2010-246196 A

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 Patent Document 1 requires an actuator and a control device for controlling the actuator in order to position the second rotor in a predetermined state as described above. Further, since the second rotor is mechanically moved so that the first rotor and the second rotor have a predetermined positional relationship, precise control is required. For this reason, the magnetic flux of the permanent magnet cannot be varied with a low-cost configuration.

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.

図1は、本発明の一実施の形態に係る回転電機の一部断面斜視図である。FIG. 1 is a partial cross-sectional perspective view of a rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のステータの斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of the stator of the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention. 図3は、本発明の一実施の形態に係る回転電機の平面図であって、第1のロータティースとステータティースの形状と配置を示す図である。FIG. 3 is a plan view of the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention, and is a diagram showing the shapes and arrangement of the first rotor teeth and the stator teeth. 図4は、本発明の一実施の形態に係る回転電機における誘導コイルと可変界磁コイルと整流回路との結線図である。FIG. 4 is a connection diagram of the induction coil, variable field coil, and rectifier circuit in the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention. 図5は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータが低回転しているときのロータからステータに鎖交する磁束量を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing the amount of magnetic flux interlinked from the rotor to the stator when the rotor of the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention is rotating at a low speed. 図6は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータが高回転しているときのロータからステータに鎖交する磁束量を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing the amount of magnetic flux interlinked from the rotor to the stator when the rotor of the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention is rotating at a high speed. 図7は、本発明の一実施の形態に係る回転電機において、可変界磁コイルにより誘導磁束を発生する際の電機子電流ベクトルの位相制御を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the phase control of the armature current vector when the induction magnetic flux is generated by the variable field coil in the rotating electric machine according to the embodiment of the present invention. 図8は、本発明の一実施の形態に係る回転電機における、電機子コイルの誘導起電力の電流位相特性を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing current phase characteristics of the induced electromotive force of the armature coil in the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention.

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 electrical machine 1 includes a stator 10 having a three-phase armature coil 11 of W phase, V phase, and U phase that generates magnetic flux when energized, and magnetic flux generated in the stator 10. And a rotor 20 that rotates by passage.

(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 stator 10 includes an annular stator core 12 made of a magnetic material having a high magnetic permeability, and an armature coil 11 wound around the stator core 12. The stator 10 is fixed in a state of being magnetically cut off to a motor case (not shown) via a connecting piece (not shown) made of a nonmagnetic material provided on the outer peripheral surface of the stator core 12. Thereby, generation | occurrence | production of the leakage magnetic flux etc. are suppressed, for example.

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 stator core 12 is formed with a plurality of stator teeth 13 protruding inward in the radial direction at predetermined intervals. Slots 14 that are groove-like spaces are formed between stator teeth 13 that are adjacent in the circumferential direction. The slot 14 constitutes a groove in the present invention. Here, the axial direction indicates a direction in which the rotating shaft 2 (see FIG. 5) of the rotor 20 extends. The radial direction is a direction orthogonal to the direction in which the rotating shaft 2 of the rotor 20 extends, and is indicated in the radial direction about the rotating shaft 2. The radially inward side indicates a side close to the rotating shaft 2 of the rotor 20 in the radial direction, and the radially outward side indicates a side far from the rotating shaft 2 of the rotor 20 in the radial direction. The circumferential direction indicates a circumferential direction around the rotation axis 2 of the rotor 20.

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 slot 14 is formed in an isosceles trapezoidal shape when viewed from the axial direction of the rotating electrical machine 1. Specifically, the slot 14 is formed in an isosceles trapezoid shape that is convex outward in the radial direction, and the inner side in the radial direction is short and the outer side in the radial direction is long.

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 armature coil 11 is toroidally wound in a slot 14 formed between adjacent stator teeth 13 in the circumferential direction of the stator core 12. Each of the W-phase, V-phase, and U-phase armature coils 11 is wound around the slot 14 by concentrated winding. The toroidal winding is a method in which the winding of the armature coil 11 is wound around the stator core 12 by rotating around the inner ring and the outer ring of the stator core 12 alternately.

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 armature coil 11 is a rectangular wire having a rectangular cross section, and is wound around the slot 14 in a toroidal winding state by edgewise winding. Edgewise winding is a method of winding a rectangular wire vertically with the short side of the rectangular wire facing the slot 14 inward and outward in the radial direction of the rotating electrical machine 1.

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 armature coil 11 can be improved, and the magnetomotive force of the stator 10 can be increased.

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 stator teeth 13 include a side surface portion 13 a that protrudes on one side and the other side in the axial direction of the stator core 12, and an inner surface portion 13 b that protrudes inward in the radial direction of the stator core 12. A first rotor tooth 212 (described later) is opposed to the side surface portion 13a of the stator tooth 13 in the axial direction. A second rotor tooth 222, which will be described later, faces the inner surface portion 13b of the stator tooth 13 in the radial direction.

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 stator 10 generates a rotating magnetic field that rotates in the circumferential direction when a three-phase alternating current is supplied to the armature coil 11. Magnetic flux generated in the stator 10 (hereinafter, this magnetic flux is referred to as “main magnetic flux”) is linked to the rotor 20. Thereby, the stator 10 can rotate the rotor 20.

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 armature coils 11 are arranged on both sides in the circumferential direction of the stator teeth 13, and the pair of armature coils 11 includes a magnetic flux generated from one armature coil 11 and the other armature. The winding direction and energization direction are set so that the magnetic flux generated from the coil 11 is opposite in the circumferential direction.

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 armature coil 11 is in the V + phase and the other armature coil 11 is in the V− phase, the magnetic flux generated from the pair of armature coils 11 is sandwiched between the pair of armature coils 11. This occurs toward the stator teeth 13 so as to collide with the stator teeth 13. Then, the magnetic flux generated in the stator teeth 13 changes its direction in the direction orthogonal to the circumferential direction of the stator core 12 and travels from the stator teeth 13 to the rotor 20.

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 rotor 20 passes through a rotor core 221 described later, and then proceeds to the stator teeth 13 sandwiched between the pair of armature coils 11 of the W + phase and the W− phase. Further, part of the magnetic flux directed toward the rotor 20 passes through a rotor core 221 described later, and then travels toward the stator teeth 13 sandwiched between the pair of armature coils 11 of the U + phase and the U− phase.

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 stator teeth 13 and the rotor 20 face each other, a magnetic circuit for the magnetic flux (main magnetic flux) generated in the armature coil 11 is configured. The rotating electrical machine 1 rotates the rotor 20 with the surface where the stator teeth 13 and the rotor 20 face each other as a torque generation surface.

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 stator 10 has the armature coil 11 in a toroidal winding and a concentrated winding. For this reason, when three-phase alternating current is supplied to the armature coil 11, the stator 10 generates a harmonic rotating magnetic field that is asynchronous with the rotation of the rotor 20 in addition to the rotating magnetic field that rotates in synchronization with the rotation of the rotor 20. To do. That is, a harmonic component is superimposed on the magnetic flux generated in the stator 10. This harmonic rotating magnetic field includes second-order spatial harmonics in the stationary coordinate system (third-order time harmonics in the synchronous rotating coordinate system). In other words, the harmonic component is a second-order spatial harmonic when observed in a stationary coordinate system, and a third-order spatial harmonic when observed in a synchronous rotating coordinate system.

(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 rotor 20 includes a pair of axial gap rotors 210 arranged so as to sandwich the stator 10 in the axial direction, and a radial gap rotor 220 arranged on the radially inner side of the stator core 12. It consists of

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 axial gap rotors 210 and radial gap rotors 220 are fixed so as to be integrally rotatable with respect to the rotating shaft 2 (see FIG. 5) so as to rotate in synchronization with each other. The pair of axial gap rotors 210 and the radial gap rotor 220 may be integrated.

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 axial gap rotors 210 includes a first rotor tooth 212 made of a magnetic material having a high magnetic permeability and an induction coil 215. The first rotor teeth 212 protrude in the axial direction toward the stator 10 side, and a plurality of first rotor teeth 212 are provided separately from each other at a predetermined interval in the circumferential direction. The first rotor teeth 212 have a role as a core around which the induction coil 215 is wound to form a magnetic path.

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 first rotor teeth 212 are fixed to the rotary shaft 2 (see FIG. 5) so as to be integrally rotatable via a fixing member (not shown) made of a nonmagnetic material such as resin. Thus, since the plurality of first rotor teeth 212 are not connected to each other by the back yoke, the plurality of first rotor teeth 212 are magnetically separated from each other. That is, the plurality of first rotor teeth 212 are configured in a so-called segment structure. For this reason, the main magnetic flux generated on the stator 10 side is not allowed to pass through the first rotor teeth 212, but only the harmonic component magnetic flux can be passed.

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 first rotor teeth 212 has a segment structure, the area where the magnetic flux links can be minimized. For this reason, generation | occurrence | production of the iron loss when a magnetic flux is linked to the 1st rotor teeth 212 from the stator 10 side can be reduced.

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 first rotor teeth 212 has a segment structure, the first rotor teeth 212 forms a magnetic path of only the second-order spatial harmonics and does not form a magnetic path of the main magnetic flux. For this reason, generation | occurrence | production of the drag torque (brake torque) when the main magnetic flux passes between the stator teeth 13 and the side surface part 13a of the stator teeth 13 can be significantly reduced.

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 side surface parts 13a of the stator teeth 13 and the number of the first rotor teeth 212 is 3: 2. Thereby, the second-order spatial harmonics can be most efficiently utilized as field energy.

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 first rotor teeth 212 are configured to face the stator teeth 13 on both sides in the axial direction of the stator core 12, that is, on one side and the other side in the axial direction of the stator core 12.

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 induction coil 215 is wound around the first rotor teeth 212 so as to form a layer in the axial direction. The induction coil 215 includes a winding coated with an insulating material.

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 induction coil 215 generates an induction current based on a harmonic component superimposed on the magnetic flux generated on the stator 10 side.

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 armature coil 11 and a rotating magnetic field is generated in the stator 10, the harmonic component magnetic flux generated on the stator 10 side is linked to the induction coil 215. Thereby, the induction coil 215 induces an induced current.

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 first rotor teeth 212 are formed in an isosceles trapezoidal shape when viewed from the axial direction of the rotating electrical machine 1 (see FIG. 3). Specifically, the first rotor teeth 212 are formed in the shape of an isosceles trapezoid whose inner side in the radial direction is shorter than the outer side in the radial direction. The bottom) is short and the radially outer side (bottom bottom) is long.

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 stator core 12 has a slot 14 having the same shape as the first rotor teeth 212 between the side surface portions 13a of the adjacent stator teeth 13. That is, the first rotor teeth 212 is formed in the same isosceles trapezoid shape as the slot 14.

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 side surface portion 13a of the stator teeth 13 is also a shape obtained by inverting the same isosceles trapezoid as that of the slot 14 in the radial direction, that is, a shape symmetrical to the slot 14 in the radial direction. The side surface portion 13a is formed in the shape of an isosceles trapezoid whose outer side in the radial direction is shorter than the inner side in the radial direction, and the outer side (upper base) in the radial direction is short. The inner side (bottom base) is long.

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 rotor 20 rotates and the side surface portion 13a and the first rotor teeth 212 pass each other in a face-to-face state, the side of the trapezoidal leg of the side surface portion 13a and the side of the trapezoidal leg of the first rotor teeth 212 However, they will pass each other in parallel. In other words, when the rotor 20 rotates, the trapezoidal first rotor teeth 212 are simultaneously and simultaneously overlapped with each other on the radially outer side and the inner side with respect to the trapezoidal side surface portion 13a of the stator teeth 13. It will pass each other. Thereby, the drag torque (brake torque) generated between the side surface portion 13a of the stator teeth 13 and the first rotor teeth 212 can be reduced to the minimum. Further, since the pulsation of the inductance is maximized, the amplitude of the second-order spatial harmonics linked to the first rotor teeth 212 can be maximized, and the induced electromotive force generated in the induction coil 215 can be increased.

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 first rotor teeth 212 and the slot 14 are both formed in a trapezoidal shape, but may be in the same shape as each other and are not limited to the trapezoidal shape.

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 radial gap rotor 220 includes a rotor core 221 made of a magnetic material having a high magnetic permeability and fixed so as to be integrally rotatable with respect to the rotating shaft 2 (see FIG. 5), a permanent magnet 223, and a magnetic path member 225.

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 rotor core 221 is formed with a plurality of second rotor teeth 222 projecting from the rotor core 221 outward in the radial direction at predetermined intervals along the circumferential direction of the rotor core 221.

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 second rotor teeth 222 are opposed to the stator teeth 13 on the radially inner side of the stator core 12. A permanent magnet 223 is disposed on the second rotor teeth 222.

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 permanent magnet 223 is composed of, for example, a neodymium magnet (Nd—Fe—B magnet), and is included in the second rotor teeth 222.

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 magnetic path member 225 guides a part of the magnetic flux of the permanent magnet 223 and is formed in an annular shape around the permanent magnet 223. Specifically, the magnetic path member 225 guides a magnetic flux that leaks in the axial direction of the rotor core 221 from the permanent magnet 223 out of the magnetic flux generated by the permanent magnet 223 (hereinafter, this magnetic flux is referred to as “leakage magnetic flux”). .

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 magnetic path member 225 includes an inner packet part 225 a included in the second rotor teeth 222 together with the permanent magnet 223, and an extending part 225 b extended from the second rotor teeth 222 so as to protrude in the axial direction of the rotor core 221. ing. In the magnetic path member 225, the extending portion 225b is formed in such a shape that a portion of the permanent magnet 223 located on the side surface 223a side in the axial direction extends from the second rotor tooth 222 in the axial direction.

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 inner packet part 225a is arranged on the inner side and the outer side in the radial direction of the permanent magnet 223 so as to sandwich the permanent magnet 223 in the radial direction. The inner packet part 225 a is configured to pass a magnetic flux interlinking from the permanent magnet 223 to the stator 10. The inner packet part 225a is formed of, for example, a dust core in which a fine powder of a ferromagnetic material is compressed and hardened.

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 portions 225b correspond to portions extending in the axial direction from the second rotor teeth 222 of the magnetic path member 225, and are provided on both sides of the second rotor teeth 222 in the axial direction via regions of high magnetic resistance. It has been.

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 portion 225b is formed in a U shape by a dust core in which a fine powder of a ferromagnetic material is compressed and hardened, for example. The extending portion 225b is disposed such that each end surface on the second rotor teeth 222 side faces the end surface in the axial direction of each inner packet portion 225a. Moreover, the extending | stretching part 225b is arrange | positioned so that the end surface of each inner packet part 225a in the both sides of an axial direction may be opposed.

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 portion 225b is configured as a separate body from the inner packet portion 225a, and is held by the rotor core 221 or other member via a connecting member (not shown). Thereby, the inner packet part 225 a and the extending part 225 b are separated in the axial direction of the rotor core 221.

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 inner packet part 225a and the end surface on the second rotor teeth 222 side of the extending part 225b. This gap G is formed as a high magnetic resistance region. The gap G is such that when a direct current is not supplied to the variable field coil 226 described later, the leakage magnetic flux of the permanent magnet 223 does not flow from the inclusion part 225a to the extension part 225b, or even if it flows, the gap G becomes very small. It is a size. Further, the gap G is set to such a size that leakage flux of the permanent magnet 223 flows from the inner packet part 225a to the extension part 225b when a direct current is supplied to the variable field coil 226 described later.

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 variable field coil 226 is wound around the extending portion 225b along the circumferential direction of the rotor core 221. The variable field coil 226 is a coil that functions so that the amount of leakage flux guided from the permanent magnet 223 to the magnetic path member 225 can be adjusted according to the magnitude of the induced current generated in the induction coil 215. That is, the variable field coil 226 short-circuits the inside of the magnetic path member 225 and guides the leakage magnetic flux of the permanent magnet 223 to the magnetic path member 225, thereby reducing the amount of magnetic flux of the permanent magnet 24 linked from the rotor 20 to the stator 10. Adjustable coil.

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 variable field coil 226 is wound around the extending portion 225b of the magnetic path member 225 so that the leakage flux of the permanent magnet 223 flows in a direction (direction indicated by an arrow in FIG. 6) guided by the magnetic path member 225. ing. More specifically, the variable field coil 226 induces a magnetic flux (hereinafter referred to as an “inductive magnetic flux”) that induces the leakage magnetic flux of the permanent magnet 223 in a direction in which the magnetic flux is short-circuited in the magnetic path member 225 (direction indicated by an arrow in FIG. Is wound around the extending portion 225b.

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 variable field coil 226 generates an induced magnetic flux by being supplied with a direct current rectified by a rectifier circuit 30 to be described later, and as shown in FIG. 6, the magnetic path of the leakage magnetic flux of the permanent magnet 223 A short circuit in the member 225 is assisted. By adjusting the magnetic flux amount of the induced magnetic flux, the magnetic flux amount of the leakage magnetic flux of the permanent magnet 223 that short-circuits the magnetic path member 225 is adjusted.

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 variable field coil 226 increases and the number of turns of the variable field coil 226 increases. The number of turns of the variable field coil 226 is set to the number of turns obtained experimentally in advance.

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 variable field coil 226 is varied according to the magnitude of the induced current generated in the induction coil 215. Thereby, the magnetic flux amount of the leakage magnetic flux of the permanent magnet 223 that short-circuits the magnetic path member 225 is adjusted according to the magnitude of the induced current generated in the induction coil 215. The induced current generated in the induction coil 215 increases as the rotational speed of the rotor 20 increases. Therefore, the magnetic flux amount of the leakage magnetic flux of the permanent magnet 223 that short-circuits the inside of the magnetic path member 225 increases as the rotor 20 rotational speed increases.

(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 electrical machine 1 also includes a rectifier circuit 30 that rectifies the induced current generated in the induction coil 215 and supplies the rectified current to the variable field coil 226.

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 rectifier circuit 30 includes two diodes D1 and D2 as rectifier elements, and is a closed circuit in which the diodes D1 and D2 are connected to the two induction coils 215 and the two variable field coils 226. It is configured. The rectifier circuit 30 is provided on one side and the other side in the axial direction of the rotor 20 so as to correspond to the induction coil 215 and the variable field coil 226 on one side and the other side in the axial direction of the rotor 20, respectively.

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 induction coils 215 in the rectifier circuit 30 are induction coils 215 adjacent in the circumferential direction of the axial gap rotor 210. The two variable field coils 226 are the variable field coils 226 that are adjacent to each other in the circumferential direction of the radial gap rotor 220.

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 axial gap rotor 210 or the radial gap rotor 220 in a state of being housed in a diode case (not shown). The diodes D1 and D2 may be mounted inside the axial gap rotor 210 or the radial gap rotor 220.

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 rectifier circuit 30, the AC induced current generated in the two induction coils 215 is rectified by the diodes D 1 and D 2, and the rectified DC current is supplied to the two variable field coils 226 connected in series. Supplied as The two variable field coils 226 generate an induced magnetic flux when supplied with a direct current.

(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 electric machine 1 which concerns on this Embodiment is demonstrated.

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 electrical machine 1 according to the present embodiment is a permanent magnet type synchronous motor that includes permanent magnet 223 in rotor 20 and outputs torque using the magnetic flux of permanent magnet 223.

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 electrical machine 1 according to the present embodiment, the amount of magnetic flux linked from the permanent magnet 223 to the stator 10 is adjusted by the action of the magnetic path member 225 and the variable field coil 226 described above without performing field weakening control. Possible configuration. Thereby, the rotary electric machine 1 which concerns on this Embodiment can solve the problem by the field weakening control as mentioned above.

(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 electrical machine 1 according to the present embodiment, when the rotational speed of the rotor 20 is low, the magnetic flux of the higher harmonic component is not generated in the stator 10 or is very small even if it is generated. For this reason, the variable field coil 226 does not generate an induced magnetic flux or a minute amount even if it is generated. Therefore, the magnetic resistance is high in the gap G.

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 permanent magnet 223 does not short-circuit the magnetic path member 225. Thereby, all of the magnetic flux of the permanent magnet 223 is linked to the stator 10.

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 rotor 20 is low, the amount of magnetic flux interlinked from the permanent magnet 223 to the stator 10 can be increased compared to when the rotational speed of the rotor 20 is high.

(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 rotor 20 is high in the rotating electrical machine 1 according to the present embodiment, a magnetic flux of harmonic components is generated in the stator 10. The amount of the harmonic component magnetic flux increases as the rotational speed of the rotor 20 increases.

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 induction coil 215 of the axial gap rotor 210, and the induced current is rectified by the rectifier circuit 30 and supplied to the variable field coil 226 as a direct current.

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 variable field coil 226 supplied with the direct current generates an induced magnetic flux in a direction in which the leakage magnetic flux of the permanent magnet 223 shorts the magnetic path member 225. Thereby, the magnetic resistance in the gap G decreases.

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 permanent magnet 223 short-circuits the magnetic path member 225 as a leakage magnetic flux. Thereby, the magnetic flux excluding the leakage magnetic flux among the magnetic fluxes of the permanent magnet 223 is linked to the stator 10. That is, the amount of magnetic flux interlinked from the permanent magnet 223 to the stator 10 is suppressed.

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 rotor 20 is high, field-weakening control can be made unnecessary. For this reason, the iron loss and electromagnetic vibration resulting from the harmonic magnetic flux produced by field weakening control can be prevented.

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 electric machine 1 can be reduced.

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 electrical machine 1 according to the present embodiment, the amount of magnetic flux interlinked from the permanent magnet 223 to the stator 10 can be adjusted without performing field-weakening control. Therefore, when the rotational speed of the rotor 20 is high, the efficiency is improved. A decrease can be prevented. Further, the output can be improved when the rotational speed of the rotor 20 is low.

(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 stator 10 from the permanent magnet 223, as shown in FIG. 7, a vector of current supplied to the armature coil 11 (hereinafter referred to as the armature current). (Also referred to as a vector) is preferably retarded in the + d-axis direction.

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 permanent magnet 223 is defined as the d-axis, and the interval between the magnetic poles is defined as the q-axis. Further, the −d axis direction (the direction facing the magnetic pole of the permanent magnet 223) is the advance side (weakening field region), and the + d axis direction (the forward direction side of the permanent magnet 223 magnetic pole) is the retarding side (strong field). Area).

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 magnetic path member 225 can be short-circuited with more magnetic flux from the permanent magnet 223 as leakage flux. Thereby, the magnetic flux amount of the magnetic flux linked to the stator 10 from the permanent magnet 223 can be further suppressed.

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 stator 10 is linked in the forward direction with respect to the magnetic flux of the permanent magnet 223. For this reason, the demagnetization countermeasure of the permanent magnet 223 can be made easy, a low-cost magnet can be adopted, and the heat generation countermeasure of the magnet can be facilitated.

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 armature coil 11, that is, the induced electromotive force in the reverse direction, and the horizontal axis represents the phase of the armature current vector β (referred to as current phase in the figure). In the phase shown on the horizontal axis, the right side from 0 is the advance side (−d axis direction, field weakening region), and the left side from 0 is the retarding side (+ d axis direction, field strengthening region). In FIG. 8, in the case of the configuration of the present invention in which a circuit including the induction coil 215 and the variable field coil 226 for controlling the leakage magnetic flux is provided (in the drawing, it is indicated that there is a rotor circuit), this circuit is The voltage between the terminals of the armature coil 11 in the case of a comparative example not provided (denoted as “no rotor circuit” in the figure) is shown. As shown in FIG. 8, when there is a rotor circuit, the voltage between terminals is lowered by retarding the phase of the armature current vector β in the + d-axis direction (left direction) compared to the case without the rotor circuit. Can do.

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 electrical machine 1 of the present embodiment, an induction current is generated in the induction coil 215 of the axial gap rotor 210 based on the harmonic component superimposed on the magnetic flux generated on the stator 10 side. The induced current is rectified by the rectifier circuit 30 and supplied to the variable field coil 226. Thereby, the magnetic flux quantity of the leakage magnetic flux of the permanent magnet 223 which short-circuits the inside of the magnetic path member 225 can be adjusted.

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 stator 10 side is obtained by supplying three-phase alternating current to the armature coil 11 that is toroidally wound and concentratedly wound on the stator 10. For this reason, in order to generate the direct current supplied to the variable field coil 226, a special device such as a DC / DC converter is not required.

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 electrical machine 1 of the present embodiment adjusts the amount of magnetic flux interlinked from the permanent magnet 223 to the stator 10 with a simple configuration without using a special device such as a DC / DC converter. be able to. As a result, the rotating electrical machine 1 of the present embodiment can vary the magnetic flux of the permanent magnet 223 with a low-cost configuration.

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 stator core 12 has the slot 14 having the same shape as that of the first rotor teeth 212 between the adjacent stator teeth 13, the side surface portion 13 a of the stator teeth 13 and the first rotor teeth 212 when the rotor 20 rotates. The width in the circumferential direction of the area facing each other can be changed while maintaining the state where the outer side and the inner side in the radial direction are equal. Accordingly, the amount of magnetic flux interlinked on the outer side in the radial direction and the amount of magnetic flux interlinked on the inner side in the radial direction can be equalized, and thus occurrence of surface vibration can be prevented. Further, while preventing a decrease in torque due to a drag torque generated between the side surface portion 13a of the stator teeth 13 and the first rotor teeth 212, second-order spatial harmonics serving as energy for controlling leakage magnetic flux are changed to the stator. The variable field coil 226 of the rotor 20 can be supplied without contact from the 10 side. In addition, since the pulsation of the inductance is maximized, the amplitude of the second-order spatial harmonics linked to the first rotor teeth 212 can be maximized, and the induced electromotive force generated in the induction coil 215 can be increased. Become.

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 electrical machine 1 can be suitably employed as, for example, a vehicle-mounted motor, a wind power generator, or a machine tool motor.

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 first rotor teeth 212 are provided so as to face both axial sides of the stator core 12. However, the present invention is not limited to this, and for example, the side surface on one axial side of the stator core 12 is provided. Alternatively, it may be provided to face the other side surface. That is, the first rotor teeth 212 may be configured to be provided only on one of the side surfaces on the one side and the other side surface in the axial direction of the stator core 12. In this case, the physique of the rotary electric machine 1 can be made smaller by adopting only the axial gap rotor 210 on one side in the axial direction.

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 electrical machine 1 of the present embodiment can also be applied to a double rotor type rotating electrical machine that includes two rotors, an outer rotor and an inner rotor, on the inner side in the radial direction of the stator. In this case, the armature coil is concentratedly wound around the stator, but toroidal winding is not adopted. Further, in this double rotor type rotating electrical machine, an induction coil is disposed in the outer rotor, and a permanent magnet, a magnetic path member, and a variable field coil are disposed in the inner rotor. Note that the configurations of the outer rotor and the inner rotor described above may be reversed.

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 SYMBOLS 1 Rotating electric machine 2 Rotating shaft 10 Stator 11 Armature coil 12 Stator core 13 Stator teeth 13a Side surface part 13b Inner surface part 14 Slot (groove part)
20 rotor 30 rectifier circuit 210 axial gap rotor 212 first rotor teeth 215 induction coil 220 radial gap rotor 221 rotor core 222 second rotor teeth 223 permanent magnet 225 magnetic path member 225a inner part 225b extending part 226 variable field coil D1, D2 diode

Claims (4)

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.
前記ステータは、前記溝部に前記電機子コイルがトロイダル巻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 rotating electric machine according to claim 1, wherein the armature coil is toroidally wound in the groove portion of the stator. 前記第1のロータティースが、周方向に所定の間隔で互いに分離して複数設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の回転電機。   The rotating electrical machine according to claim 1 or 2, wherein a plurality of the first rotor teeth are provided separately from each other at a predetermined interval in the circumferential direction. 前記ロータは、前記ステータコアの軸方向の両面側に前記第1のロータティースを有することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の回転電機。   4. The rotating electrical machine according to claim 1, wherein the rotor includes the first rotor teeth on both sides in the axial direction of the stator core. 5.
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