JP2018033250A - Synchronous motor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To supply DC excitation magnetic flux to a field magnet without providing an air gap dedicated to the DC excitation magnetic flux in particular.SOLUTION: The present invention relates to a synchronous motor in which a stator 110 comprises one radial armature 210 and two axial armatures 220, a field magnet of a rotor 120 includes radial surfaces that are opposite via a radial air gap G0, and two axial surfaces that are opposite to the axial armatures 220 via axial air gaps G1 and G2, and a field magnet of a rotor 120A is formed from excitation magnetic flux generated by DC excitation coils 421 and 422 that are provided at a stator side. The excitation magnetic flux generated by the DC excitation coils 421 and 422 is made flow from one axial armature to the other axial armature via a magnetic path including the two axial air gaps G1 and G2, the radial air gap G0 a field magnet core 310 and the radial armature 210.SELECTED DRAWING: Figure 1A

Description

本発明は、1つのラジアルエアギャップ面と2つのアキシャルエアギャップ面の3面のエアギャップ面を有効利用して、トルク密度、出力密度をより高めた同期電動機に関し、さらに詳しく言えば、直流励磁磁石による界磁と、永久磁石による界磁とを組み合わせたハイブリッド励磁型の同期電動機および同期発電機に関するものである。   The present invention relates to a synchronous motor in which torque density and output density are further increased by effectively utilizing three air gap surfaces, one radial air gap surface and two axial air gap surfaces. The present invention relates to a hybrid excitation type synchronous motor and a synchronous generator that combine a magnetic field and a permanent magnet field.

特許文献1に記載されている同期電動機では、インナーロータ式、アウターロータ式のいずれにおいても、直流励磁鉄心に励磁コイルを巻回して直流起磁力を発生させ、その直流磁束を界磁鉄心のN極の磁極側からS極の磁極側に供給することにより、2つのアキシャル側もしくはラジアル側に直流励磁磁極を形成し、他方のラジアル側もしくは2つのアキシャル側には永久磁石による磁極を形成させるようにしている。   In the synchronous motor described in Patent Document 1, in both the inner rotor type and the outer rotor type, an exciting coil is wound around a DC exciting iron core to generate a DC magnetomotive force, and the DC magnetic flux is applied to the N of the field iron core. By supplying from the magnetic pole side of the pole to the magnetic pole side of the S pole, a DC excitation magnetic pole is formed on the two axial sides or the radial side, and a magnetic pole made of a permanent magnet is formed on the other radial side or the two axial sides. I have to.

上記同期電動機によれば、1つのラジアルエアギャップ面と2つのアキシャルエアギャップ面の3面のエアギャップ面を有効利用して、トルク密度、出力密度をより高めることができるが、なおも解決すべき課題がある。   According to the synchronous motor, the torque density and the output density can be further increased by effectively using the three air gap surfaces of one radial air gap surface and two axial air gap surfaces. There are issues to be solved.

すなわち、ステータ側に直流励磁鉄心を設け、その直流励磁鉄心からロータの界磁鉄心に直流励磁磁束を供給するようにしているため、上記のラジアルエアギャップ、アキシャルエアギャップとは別に、直流励磁鉄心と界磁鉄心との間に直流励磁磁束を供給するための第3のエアギャップが存在する。   That is, a DC exciting iron core is provided on the stator side, and a DC exciting magnetic flux is supplied from the DC exciting iron core to the rotor field iron core. Therefore, the DC exciting iron core is separated from the radial air gap and the axial air gap. There is a third air gap for supplying a DC exciting magnetic flux between the magnetic field core and the field iron core.

このように、ステータとロータとの間に、上記のラジアルエアギャップ、アキシャルエアギャップとは別に、直流励磁磁束用の第3のエアギャップが存在するため、その分、エアギャップの数が多くなる。   As described above, since the third air gap for the DC excitation magnetic flux exists between the stator and the rotor, in addition to the radial air gap and the axial air gap, the number of air gaps is increased accordingly. .

しかも構造的に、上記第3のエアギャップの面積を大きくとれないことから、第3のエアギャップでの磁気抵抗が大きくなり、そのため、直流励磁鉄心に巻回されている励磁コイルへの直流励磁電流が増大し、励磁損失が増加して電動機の効率を低下させている。   Moreover, structurally, since the area of the third air gap cannot be increased, the magnetic resistance in the third air gap is increased, so that the direct current excitation to the excitation coil wound around the direct current excitation iron core is increased. The current increases, the excitation loss increases, and the efficiency of the motor is reduced.

特許第5851654号公報Japanese Patent No. 5856544

そこで、本発明の課題は、特に直流励磁鉄心を設けることなく界磁鉄心に直流励磁磁束を供給し得るようにした同期電動機を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a synchronous motor that can supply a DC exciting magnetic flux to a field core without providing a DC exciting iron core.

上述した課題を解決するため、本願の第1発明は、電機子と直流励磁コイルとを有するステータと、上記直流励磁コイルにより励磁される界磁を有するロータと、磁性体からなる円筒状のブラケットおよび上記ブラケットの軸線上に軸受部材を介して配置された出力回転軸とを含み、上記ステータが上記ブラケット側に設けられ、上記ロータが上記ステータの内周面側で上記出力回転軸に取り付けられているインナーロータ式の同期電動機において、
上記電機子は、上記ブラケットの円筒部内面に非磁性体の第1支持部材を介して取り付けられるラジアル電機子と、上記ブラケットの一方の第1端板と他方の第2端板の各内面に上記出力回転軸を中心として同軸として取り付けられる同径の第1アキシャル電機子および第2アキシャル電機子とを備え、上記3つの電機子は、それぞれ円周方向に沿って同一の回転角で配置される複数の歯部を有し、上記各歯部には集中巻巻線が施され、同一の回転角に属する3つの歯部うち、上記第1,第2アキシャル電機子の歯部に巻かれるアキシャル巻線は同一極性、上記ラジアル電機子の歯部に巻かれるラジアル巻線は逆極性となるようにし、上記3つの巻線を単位グループとして、これらを直列および/または並列に接続して多相巻線を構成し、
上記界磁は、強磁性体からなる複数個の界磁鉄心を有し、上記各界磁鉄心が上記ロータの円周方向に所定の間隔をもって配置された状態で非磁性体の第2支持部材を介して上記出力回転軸に取り付けられ、上記界磁鉄心の各々は、上記ラジアル電機子と対向する外径側に1つのラジアル面を有するとともに、上記出力回転軸の軸方向に沿った両側面に上記第1アキシャル電機子と対向する第1アキシャル面と上記第2アキシャル電機子と対向する第2アキシャル面の2つのアキシャル面を有し、
上記各界磁鉄心のラジアル面と上記ラジアル電機子との間には磁路となるラジアルエアギャップが設けられ、任意に選択される上記界磁鉄心を1番目として、奇数番目の上記界磁鉄心の上記第1アキシャル面には第1永久磁石が設けられているとともに、上記第2アキシャル面には上記第2アキシャル電機子との間に磁路となる第2アキシャルエアギャップが生ずるように上記界磁鉄心と一体の第1界磁突極が形成されており、
偶数番目の上記界磁鉄心の上記第1アキシャル面には上記第1アキシャル電機子との間に磁路となる第1アキシャルエアギャップが生ずるように上記界磁鉄心と一体の第2界磁突極が形成されているとともに、上記第2アキシャル面には第2永久磁石が設けられており、かつ、上記各界磁鉄心の間にはそれぞれ第3永久磁石が配置されており、
上記直流励磁コイルは、上記ラジアル電機子、上記第1アキシャル電機子および上記ブラケットで囲まれる第1空間内において上記出力回転軸を中心として巻回される第1直流励磁コイルと、上記ラジアル電機子、上記第2アキシャル電機子および上記ブラケットで囲まれる第2空間内において上記出力回転軸を中心として巻回される第2直流励磁コイルとを備え、
上記直流励磁コイルにより発生する励磁磁束が上記第1アキシャル電機子もしくは上記第2アキシャル電機子のいずれか一方から上記第1,第2アキシャルエアギャップ、上記ラジアルエアギャップ、上記界磁鉄心および上記ラジアル電機子を含む磁路を介していずれか他方のアキシャル電機子へと流れるようにしたことを特徴としている。
In order to solve the above-described problems, a first invention of the present application is a cylindrical bracket made of a stator having an armature and a DC exciting coil, a rotor having a field excited by the DC exciting coil, and a magnetic material. And an output rotation shaft disposed on the axis of the bracket via a bearing member, the stator is provided on the bracket side, and the rotor is attached to the output rotation shaft on the inner peripheral surface side of the stator. In the inner rotor type synchronous motor,
The armature is attached to each inner surface of the radial armature that is attached to the inner surface of the cylindrical portion of the bracket via a first nonmagnetic support member, and the first end plate and the other second end plate of the bracket. A first axial armature and a second axial armature of the same diameter that are attached coaxially with the output rotation axis as a center, and the three armatures are arranged at the same rotation angle along the circumferential direction, respectively. A plurality of tooth portions, each of which has concentrated windings, and is wound around the tooth portions of the first and second axial armatures among the three tooth portions belonging to the same rotation angle. The axial windings have the same polarity and the radial windings wound around the teeth of the radial armature have opposite polarities, and the above three windings are unit groups, and these are connected in series and / or in parallel. Phase winding,
The field includes a plurality of field iron cores made of a ferromagnetic material, and the nonmagnetic second support member is disposed in a state where the field cores are arranged at a predetermined interval in the circumferential direction of the rotor. Each of the field cores has one radial surface on the outer diameter side facing the radial armature and on both side surfaces along the axial direction of the output rotation shaft. Two axial surfaces, a first axial surface facing the first axial armature and a second axial surface facing the second axial armature;
A radial air gap serving as a magnetic path is provided between the radial surface of each field core and the radial armature. The field core selected arbitrarily is the first, and the odd number of the field cores The first axial surface is provided with a first permanent magnet, and the second axial surface is provided with a second axial air gap that forms a magnetic path between the second axial armature and the second axial armature. A first field salient pole integral with the magnetic core is formed,
A second field collision integral with the field core so that a first axial air gap serving as a magnetic path is formed between the first axial surface of the even numbered field core and the first axial armature. A pole is formed, a second permanent magnet is provided on the second axial surface, and a third permanent magnet is disposed between each of the field cores,
The DC exciting coil includes a first DC exciting coil wound around the output rotation shaft in a first space surrounded by the radial armature, the first axial armature and the bracket, and the radial armature. A second DC exciting coil wound around the output rotation shaft in a second space surrounded by the second axial armature and the bracket,
An exciting magnetic flux generated by the DC exciting coil is generated from either the first axial armature or the second axial armature, the first and second axial air gaps, the radial air gap, the field core and the radial. It is characterized in that it flows to one of the other axial armatures through a magnetic path including the armature.

また、本願の第2発明は、電機子と直流励磁コイルとを有するステータと、上記直流励磁コイルにより励磁される界磁を有するロータと、強磁性体からなる固定軸および上記固定軸に軸受部材を介して回転可能に支持された円筒部を含むブラケットとを備え、上記ステータが上記固定軸側に設けられ、上記ロータが上記ブラケット側に設けられ上記ブラケットとともに回転するアウターロータ式の同期電動機において、
上記電機子は、上記固定軸に非磁性体の第1支持部材を介して取り付けられるラジアル電機子と、上記ラジアル電機子の両側において上記固定軸と磁気的に結合した状態で上記固定軸を中心として同軸に配置される同径の第1アキシャル電機子および第2アキシャル電機子とを備え、上記3つの電機子は、それぞれ円周方向に沿って同一の回転角で配置される複数の歯部を有し、上記各歯部には集中巻巻線が施され、同一の回転角に属する3つの歯部うち、上記第1,第2アキシャル電機子の歯部に巻かれるアキシャル巻線は同一極性、上記ラジアル電機子の歯部に巻かれるラジアル巻線は逆極性となるようにし、上記3つの巻線を単位グループとして、これらを直列および/または並列に接続して多相巻線を構成し、
上記界磁は、強磁性体からなる複数個の界磁鉄心を有し、上記各界磁鉄心が上記ロータの円周方向に所定の間隔をもって配置された状態で非磁性体の第2支持部材を介して上記ブラケットの円筒部内面に沿って取り付けられており、上記界磁鉄心の各々は、上記ラジアル電機子と対向する内径側の1つのラジアル面を有するとともに、上記固定軸の軸方向に沿った両側面に上記第1アキシャル電機子と対向する第1アキシャル面と上記第2アキシャル電機子と対向する第2アキシャル面の2つのアキシャル面を有し、
上記各界磁鉄心のラジアル面と上記ラジアル電機子との間には磁路となるラジアルエアギャップが設けられ、任意に選択される上記界磁鉄心を1番目として、奇数番目の上記界磁鉄心の上記第1アキシャル面には第1永久磁石が設けられているとともに、上記第2アキシャル面には上記第2アキシャル電機子との間に磁路となる第2アキシャルエアギャップが生ずるように上記界磁鉄心と一体の第1界磁突極が形成されており、
偶数番目の上記界磁鉄心の上記第1アキシャル面には上記第1アキシャル電機子との間に磁路となる第1アキシャルエアギャップが生ずるように上記界磁鉄心と一体の第2界磁突極が形成されているとともに、上記第2アキシャル面には第2永久磁石が設けられており、かつ、上記各界磁鉄心の間にはそれぞれ第3永久磁石が配置されており、
上記直流励磁コイルは、上記ラジアル電機子、上記第1アキシャル電機子および上記固定軸で囲まれる第1空間内において上記固定軸の一端側に巻回される第1直流励磁コイルと、上記ラジアル電機子、上記第2アキシャル電機子および上記固定軸で囲まれる第2空間内において上記固定軸の他端側に巻回される第2直流励磁コイルとを備え、
上記直流励磁コイルにより発生する励磁磁束が上記第1アキシャル電機子もしくは上記第2アキシャル電機子のいずれか一方から上記第1,第2アキシャルエアギャップ、上記ラジアルエアギャップ、上記界磁鉄心および上記ラジアル電機子を含む磁路を介していずれか他方のアキシャル電機子へと流れるようにしたことを特徴としている。
The second invention of the present application is a stator having an armature and a DC exciting coil, a rotor having a field excited by the DC exciting coil, a fixed shaft made of a ferromagnetic material, and a bearing member on the fixed shaft. An outer rotor type synchronous motor that includes a bracket including a cylindrical portion that is rotatably supported via the rotor, the stator is provided on the fixed shaft side, and the rotor is provided on the bracket side and rotates together with the bracket. ,
The armature includes a radial armature attached to the fixed shaft via a non-magnetic first support member, and the fixed shaft is centered on the fixed shaft while being magnetically coupled to the fixed shaft on both sides of the radial armature. As the first axial armature and the second axial armature of the same diameter, and the three armatures each have a plurality of tooth portions arranged at the same rotation angle along the circumferential direction. Concentrated windings are applied to each tooth part, and among the three tooth parts belonging to the same rotation angle, the axial windings wound around the tooth parts of the first and second axial armatures are the same. Polarity, the radial winding wound around the tooth part of the radial armature is of reverse polarity, and the above three windings are grouped and connected in series and / or in parallel to form a multiphase winding And
The field includes a plurality of field iron cores made of a ferromagnetic material, and the nonmagnetic second support member is disposed in a state where the field cores are arranged at a predetermined interval in the circumferential direction of the rotor. And each of the field cores has one radial surface on the inner diameter side facing the radial armature and along the axial direction of the fixed shaft. Two axial surfaces, a first axial surface facing the first axial armature and a second axial surface facing the second axial armature on both side surfaces,
A radial air gap serving as a magnetic path is provided between the radial surface of each field core and the radial armature. The field core selected arbitrarily is the first, and the odd number of the field cores The first axial surface is provided with a first permanent magnet, and the second axial surface is provided with a second axial air gap that forms a magnetic path between the second axial armature and the second axial armature. A first field salient pole integral with the magnetic core is formed,
A second field collision integral with the field core so that a first axial air gap serving as a magnetic path is formed between the first axial surface of the even numbered field core and the first axial armature. A pole is formed, a second permanent magnet is provided on the second axial surface, and a third permanent magnet is disposed between each of the field cores,
The DC excitation coil includes a first DC excitation coil wound around one end of the fixed shaft in a first space surrounded by the radial armature, the first axial armature, and the fixed shaft, and the radial electric machine. A second DC exciting coil wound around the other end of the fixed shaft in a second space surrounded by the child, the second axial armature, and the fixed shaft;
An exciting magnetic flux generated by the DC exciting coil is generated from either the first axial armature or the second axial armature, the first and second axial air gaps, the radial air gap, the field core and the radial. It is characterized in that it flows to one of the other axial armatures through a magnetic path including the armature.

上記第1および第2の発明において、上記奇数番目の界磁鉄心に設けられる上記第1永久磁石と上記偶数番目の界磁鉄心に設けられる上記第2永久磁石はともにSPM(Surface Permanent Magnet)方式の磁石で、上記第1永久磁石がN極で上記第2永久磁石はS極であり、上記直流励磁コイルの励磁磁束により、上記奇数番目の界磁鉄心の上記ラジアル面はS極、上記第1界磁突極はN極に励磁される一方で、上記偶数番目の界磁鉄心の上記ラジアル面はN極、上記第2界磁突極はS極に励磁される。   In the first and second inventions, the first permanent magnet provided in the odd-numbered field core and the second permanent magnet provided in the even-numbered field core are both SPM (Surface Permanent Magnet) systems. The first permanent magnet is N-pole and the second permanent magnet is S-pole, and the radial surface of the odd-numbered field iron core is S-pole, and the second permanent magnet is excited by the exciting magnetic flux of the DC exciting coil. One field salient pole is excited to N pole, while the radial surface of the even-numbered field core is excited to N pole and the second field salient pole is excited to S pole.

また、上記第3永久磁石はIPM(Interior Permanent Magnet)方式の磁石で板厚方向に着磁されており、そのN極側が上記偶数番目のラジアル面側、S極が上記奇数番目のラジアル面側となるように配置される。   The third permanent magnet is an IPM (Internal Permanent Magnet) magnet, which is magnetized in the plate thickness direction, the N pole side being the even-numbered radial surface side, and the S pole being the odd-numbered radial surface side. It arrange | positions so that it may become.

上記第1永久磁石および上記第2永久磁石が省略される態様、さらには上記第3永久磁石が省略される態様も本発明に含まれる。   An aspect in which the first permanent magnet and the second permanent magnet are omitted, and an aspect in which the third permanent magnet is omitted are also included in the present invention.

上記第1発明と上記第2発明の同期電動機は、風力発電および水力発電用の発電機として用いられ、風車や水車の機械的トルクや出力に応じて上記直流励磁コイルへの通電電流を調整することにより、風力発電および水力発電の電気的出力を制御する。   The synchronous motor of the first invention and the second invention is used as a generator for wind power generation and hydroelectric power generation, and adjusts the energization current to the DC excitation coil in accordance with the mechanical torque and output of the windmill and water turbine. Thus, the electrical output of wind power generation and hydroelectric power generation is controlled.

本発明によれば、1つのラジアルエアギャップと2つのアキシャルエアギャップとを有するハイブリッド励磁型の同期電動機において、直流励磁磁気回路のエアギャップの数を少なくし、電機子と界磁が対向する広いエアギャップを有効に利用して磁気抵抗を減らし、励磁電流を少なくすることによって励磁損失を減少させ、速度・トルクの広い運転範囲において高効率の同期電動機を得ることができるとともに、高速領域において界磁磁束を増やすことにより大きな発電電力を供給し得るハイブリッド励磁型の同期発電機を得ることができる。   According to the present invention, in a hybrid excitation type synchronous motor having one radial air gap and two axial air gaps, the number of air gaps in the DC excitation magnetic circuit is reduced, and the armature and the field are opposed to each other. Effective use of the air gap reduces magnetic resistance, and excitation current is reduced by reducing excitation current, resulting in a high-efficiency synchronous motor in a wide range of speed and torque, and in the high-speed range. By increasing the magnetic flux, a hybrid excitation type synchronous generator capable of supplying large generated power can be obtained.

また、ステータ側とロータ側との間に設けられる3つのエアギャップ(1つのラジアルエアギャップと2つのアキシャルエアギャップ)の同一回転角の位置における磁極の極性は、界磁にあっては、左右のアキシャルエアギャップにおいては同一極性であるが、ラジアルエアギャップにおいては、2つのアキシャルエアギャップとは反対の極性とし、電機子巻線についても、ラジアルエアギャップにおいては、2つのアキシャルエアギャップとは反対の極性となるように、電機子巻線に多相交流電流を供給して回転磁界をつくり、すべての広いエアギャップにおいて同一回転方向にトルクを発生させることができるので、トルク密度・出力密度をより増大させた同期電動機を得ることができる。   In addition, the polarity of the magnetic poles at the same rotation angle position of three air gaps (one radial air gap and two axial air gaps) provided between the stator side and the rotor side In the radial air gap, the same polarity is used, but in the radial air gap, the polarity is opposite to that of the two axial air gaps. The armature winding is also the same as the two axial air gaps in the radial air gap. Torque can be generated in the same rotational direction in all wide air gaps by supplying a multi-phase alternating current to the armature winding so that it has the opposite polarity. Can be obtained.

さらに、界磁磁極のラジアル面とアキシャル面のいずれか一方に直流励磁磁石による界磁を形成し、いずれか他方に永久磁石による界磁を形成し、この2種類の界磁を組み合わせたハイブリッド励磁型の界磁を形成し、双方の磁束が互いに独立して並列に流せるようにすることによって、始動、加速、ならびに低速時においては直流励磁電流を増やして、ハイブリッド磁束すなわち合成磁束を増やすことによってトルクを増大させることができる。   In addition, a field excitation by a DC excitation magnet is formed on one of the radial surface and the axial surface of the field magnetic pole, and a field formation by a permanent magnet is formed on the other, and hybrid excitation combining these two types of field magnets. By forming the field of the mold and allowing both magnetic fluxes to flow independently and in parallel with each other, by increasing the DC excitation current during starting, acceleration and low speed, increasing the hybrid magnetic flux, ie the combined magnetic flux Torque can be increased.

また、高速時においては、直流励磁電流を減らすことによって高速化をはかることができるので、界磁が全て永久磁石からなる同期電動機のように弱め界磁のために無駄な電流を流す必要がないので、効率を向上させることができるという利点もある。   In addition, at high speeds, it is possible to increase the speed by reducing the DC excitation current, so there is no need to pass a wasteful current for the field weakening as in a synchronous motor whose field is entirely composed of permanent magnets. Therefore, there is an advantage that the efficiency can be improved.

別の態様として、界磁から永久磁石の一部またはすべてをなくし、その空きスペースを空気層で埋めることによって、直流励磁磁石の磁束が勝るないしは直流励磁磁石のみの低コストの同期電動機を得ることができる。   As another aspect, by eliminating some or all of the permanent magnets from the field and filling the empty space with an air layer, a low-cost synchronous motor can be obtained in which the magnetic flux of the DC excitation magnet is superior or only the DC excitation magnet is obtained. Can do.

また、本発明による同期電動機を風力発電(もしくは水力発電)の発電機として使用すれば、次のような効果が期待できる。   Moreover, if the synchronous motor according to the present invention is used as a generator for wind power generation (or hydropower generation), the following effects can be expected.

風車の機械的出力は角速度ωの三乗に比例し、その最大出力点におけるトルクTの軌跡は角速度の二乗に比例することが知られている。したがって、風速の変動とともに風車の角速度が変化する場合、発電機の入力トルクを風車の出力トルクに合致させると風車の機械的出力を最大限に取り込むことができる。   It is known that the mechanical output of the windmill is proportional to the cube of the angular velocity ω, and the locus of the torque T at the maximum output point is proportional to the square of the angular velocity. Therefore, when the angular speed of the windmill changes with the fluctuation of the wind speed, the mechanical output of the windmill can be taken in as much as possible by matching the input torque of the generator with the output torque of the windmill.

ところが、従来の永久磁石形同期発電機の入力トルクは角速度に比例するので、風車の最大出力点とは一つの角速度でしか交わることができないため、風速すなわち角速度が変化する風車の場合、その機械的出力を発電機に取り込む効率が低くなる。   However, since the input torque of a conventional permanent magnet synchronous generator is proportional to the angular velocity, it can only intersect with the wind turbine's maximum output point at one angular velocity. The efficiency of taking the target output into the generator is reduced.

そこで、本ハイブリッド励磁型の同期電動機をこのように風速が変化する風力発電機に用いると、角速度の上昇とともに直流励磁電流を増やし界磁磁束を増やすと発電機の入力トルクが増大するので、風車の出力トルクに合わせることができ、風車の機械的出力を無駄なく発電機に取り込むことができる。   Therefore, if this hybrid excitation type synchronous motor is used in a wind power generator in which the wind speed changes in this way, if the DC excitation current is increased and the field magnetic flux is increased as the angular speed increases, the input torque of the generator increases. Therefore, the mechanical output of the windmill can be taken into the generator without waste.

風力発電システムにおける発電機は、風車とのパワー(すなわちトルク×角速度)マッチングならびに負荷とのインピーダンスマッチングが必要であるが、直流励磁電流による界磁磁束の調整により前者は可能となり、発電機の巻線仕様の調整により後者は可能であるので、本ハイブリッド励磁型の同期電動機を発電機として利用したハイブリッド励磁型同期発電機は風速が変化する風力発電システムにおいては優れた発電機であると言うことができる。水力発電についても同様である。   The generator in the wind power generation system requires power matching with the windmill (ie, torque x angular velocity) and impedance matching with the load, but the former becomes possible by adjusting the field magnetic flux by the DC excitation current. Since the latter is possible by adjusting the line specifications, the hybrid excitation type synchronous generator using this hybrid excitation type synchronous motor as a generator is an excellent generator in a wind power generation system in which the wind speed changes. Can do. The same applies to hydroelectric power generation.

本発明の第1実施形態に係るインナーロータ式同期電動機の内部構造を示す出力回転軸の軸線に沿った模式的な断面図。The typical sectional view which followed the axis of the output axis of rotation which shows the internal structure of the inner rotor type synchronous motor concerning a 1st embodiment of the present invention. 上記インナーロータ式同期電動機の内部構造を示す図1AのA−A線に沿った模式的な断面図。The typical sectional view which met the AA line of Drawing 1A showing the internal structure of the above-mentioned inner rotor type synchronous motor. 上記インナーロータ式同期電動機が備えるロータの界磁を示す出力回転軸の軸線に沿った模式的な断面図(図2BのB−B線に沿った断面図)。Typical sectional drawing along the axis line of the output rotating shaft which shows the field of the rotor with which the said inner rotor type | mold synchronous motor is provided (sectional drawing along the BB line of FIG. 2B). 上記界磁の左側面図。The left view of the said field. 上記界磁の右側面図。The right view of the said field. 上記界磁の隣接する界磁鉄心の一部分を示す平面図。The top view which shows a part of field core which the said field adjoins. 上記界磁の隣接する界磁鉄心の一部分を示す斜視図。The perspective view which shows a part of field iron core which the said field adjoins. 上記インナーロータ式同期電動機が備える電機子のうちのラジアル電機子を示す図1Bと同様の断面図。Sectional drawing similar to FIG. 1B which shows the radial armature among the armatures with which the said inner rotor type synchronous motor is provided. 一方(図1Aにおいて左側)のアキシャル電機子を示す正面図。The front view which shows one axial armature (left side in FIG. 1A). 上記左側アキシャル電機子の一部の歯部を示す平面図。The top view which shows the one part tooth | gear part of the said left side axial armature. 他方(図1Aにおいて右側)のアキシャル電機子を示す正面図。The front view which shows the other axial armature (right side in FIG. 1A). 上記右側アキシャル電機子の一部の歯部を示す平面図。The top view which shows a one part tooth | gear part of the said right side axial armature. 上記界磁鉄心の界磁突極と永久磁石の極性の相互関係を示す展開図。The expanded view which shows the correlation of the field salient pole of the said field iron core, and the polarity of a permanent magnet. 上記電機子の1つのラジアル電機子と2つのアキシャル電機子への巻線状態を示す展開図。The expanded view which shows the winding state to one radial armature and two axial armatures of the said armature. 図7の各電機子の巻回される電機子巻線の接続状態を示す接続図。The connection diagram which shows the connection state of the armature winding by which each armature of FIG. 7 is wound. 上記界磁の第1変形例を示す出力回転軸の軸線に沿った模式的な断面図(図3BのC−C線に沿った断面図)。Typical sectional drawing in alignment with the axis line of the output rotating shaft which shows the 1st modification of the said magnetic field (sectional drawing along CC line of FIG. 3B). 上記第1変形例に係る界磁の左側面図。The left view of the field which concerns on the said 1st modification. 上記第1変形例に係る界磁の右側面図。The right view of the field which concerns on the said 1st modification. 上記第1変形例に係る界磁の隣接する界磁鉄心の一部分を示す平面図。The top view which shows a part of field core which the field which concerns on the said 1st modification adjoins. 上記界磁の第2変形例を示す出力回転軸の軸線に沿った模式的な断面図(図4BのD−D線に沿った断面図)。Typical sectional drawing along the axis line of the output rotating shaft which shows the 2nd modification of the said magnetic field (sectional drawing along DD line of FIG. 4B). 上記第2変形例に係る界磁の左側面図。The left view of the field which concerns on the said 2nd modification. 上記第2変形例に係る界磁の右側面図。The right view of the field which concerns on the said 2nd modification. 上記第2変形例に係る界磁の隣接する界磁鉄心の一部分を示す平面図。The top view which shows a part of field core which the field which concerns on the said 2nd modification adjoins. 本発明の第2実施形態に係るアウタロータ式同期電動機の内部構造(上半分)を示す固定軸の軸線に沿った模式的な断面図。The typical sectional view along the axis of the fixed axis which shows the internal structure (upper half) of the outer rotor type synchronous motor concerning a 2nd embodiment of the present invention. 上記第2実施形態における左側アキシャル電機子の一部(1/4部分)を歯側から見た側面図。The side view which looked at part (1/4 part) of the left side armature in the said 2nd Embodiment from the tooth side. 上記第2実施形態での左側アキシャル電機子の一部の歯部を示す平面図。The top view which shows the one part tooth | gear part of the left side armature in the said 2nd Embodiment. 上記第2実施形態における右側アキシャル電機子の一部(1/4部分)を歯側から見た側面図。The side view which looked at a part (1/4 part) of the right side axial armature in the said 2nd Embodiment from the tooth side. 上記第2実施形態での右側アキシャル電機子の一部の歯部を示す平面図。The top view which shows the one part tooth | gear part of the right side axial armature in the said 2nd Embodiment. 図9AのE−E線断面図。FIG. 9B is a sectional view taken along line EE in FIG. 9A. 上記アウターロータ式同期電動機が備えるロータの界磁を示す模式的な断面図(図10BのF−F線に沿った断面図、図10CのG−G線に沿った断面)。Typical sectional drawing which shows the magnetic field of the rotor with which the said outer rotor type | mold synchronous motor is provided (sectional drawing along the FF line of FIG. 10B, the cross section along the GG line of FIG. 10C). 図10Aの左側半分を示す左側面図。FIG. 10B is a left side view showing the left half of FIG. 10A. 図10Aの右側半分を示す右側面図。FIG. 10B is a right side view showing the right half of FIG. 10A.

次に、図1〜10を参照して、本発明のいくつかの実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。   Next, some embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 10, but the present invention is not limited thereto.

まず、図1ないし図8により、本発明の第1実施形態に係る同期電動機100Aについて説明する。   First, a synchronous motor 100A according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1A,図1Bを参照して、この同期電動機100Aはインナーロータ式電動機で、基本的な構成として、ブラケット(外郭)400と、出力回転軸430Aと、電機子等を含むステータ110Aと、界磁等を含むロータ120Aと、直流励磁コイル421A,422Aとを備えている。   Referring to FIGS. 1A and 1B, synchronous motor 100A is an inner rotor type motor, and as a basic configuration, bracket (outer) 400, output rotating shaft 430A, stator 110A including an armature and the like, A rotor 120A including magnets and the like, and DC exciting coils 421A and 422A are provided.

ブラケット400は、円筒部410を有し、その一端側には端板411が一体的に設けられ、他端側にも端板412が一体的に設けられている。実際には、ブラケット400は、円筒部410の軸線方向に沿って2分割されたカップ形状の半割体410a,410bを含み、これら半割体410a,410bをねじ止めや溶接等により一体に接合することにより作成される。   The bracket 400 has a cylindrical portion 410, and an end plate 411 is integrally provided on one end side thereof, and an end plate 412 is also integrally provided on the other end side. Actually, the bracket 400 includes cup-shaped halves 410a and 410b divided into two along the axial direction of the cylindrical portion 410, and these halves 410a and 410b are integrally joined by screwing or welding. It is created by doing.

端板411,412の中央部分には、それぞれボールベアリングからなる軸受部440,440が同軸的に配置されており、軸受部440,440により出力回転軸430Aがブラケット400の軸線上に支持されている。この第1実施形態において、出力回転軸430Aは非磁性体であるが、例えばブラケット400の軸受ハウジング450の部分が非磁性体であり、ブラケット400と出力回転軸430Aとが磁気的に結合されていない場合には、出力回転軸430Aは磁性体であってもよい。   Bearing portions 440 and 440 made of ball bearings are coaxially arranged at the center portions of the end plates 411 and 412, respectively, and the output rotating shaft 430 </ b> A is supported on the axis of the bracket 400 by the bearing portions 440 and 440. Yes. In the first embodiment, the output rotation shaft 430A is a non-magnetic material. For example, the bearing housing 450 of the bracket 400 is a non-magnetic material, and the bracket 400 and the output rotation shaft 430A are magnetically coupled. If not, the output rotation shaft 430A may be a magnetic material.

ステータ110Aは、1つのラジアル電機子210と、2つのアキシャル電機子220a,220bとを有し、ラジアル電機子210は非磁性体の支持部材209を介して円筒部410の内周面に沿って環状に配置されている。   The stator 110A includes one radial armature 210 and two axial armatures 220a and 220b. The radial armature 210 extends along the inner peripheral surface of the cylindrical portion 410 via a nonmagnetic support member 209. It is arranged in a ring.

これに対して、一方のアキシャル電機子220aは端板411に磁気的に結合した状態で取り付けられ、他方のアキシャル電機子220bは端板412に磁気的に結合した状態で取り付けられる。   On the other hand, one axial armature 220a is attached in a state of being magnetically coupled to the end plate 411, and the other axial armature 220b is attached in a state of being magnetically coupled to the end plate 412.

アキシャル電機子220aとアキシャル電機子220bは同径であり、対向するように同軸的に配置される。なお、アキシャル電機子220a,220bを区別する必要がない場合には、総称としてアキシャル電機子220と言う。   The axial armature 220a and the axial armature 220b have the same diameter and are arranged coaxially so as to face each other. In addition, when it is not necessary to distinguish the axial armatures 220a and 220b, the axial armatures 220 are collectively referred to.

図2を併せて参照して、ロータ120Aが備える界磁300Aについて説明する。界磁300Aは、回転軸430Aに同軸的に接合された円筒状の支持部材330の外周面に沿って取り付けられる複数個の界磁鉄心310を備えている。   The field 300A provided in the rotor 120A will be described with reference to FIG. The field magnet 300A includes a plurality of field iron cores 310 attached along the outer peripheral surface of a cylindrical support member 330 that is coaxially joined to the rotating shaft 430A.

この実施形態において、界磁鉄心310には8個の界磁鉄心310a〜310hが含まれ、これら界磁鉄心310a〜310hは扇状で、支持部材330の外周面に沿って等間隔で配置されている。なお、支持部材330に界磁鉄心310を固定する方法の一例としては、個々の界磁鉄心310a〜310hを連結するための電磁鋼板からなるブリッジの巾を狭くして積層し磁気抵抗を大きくするとか、ダイカストや樹脂成形等が用いられてよい。   In this embodiment, the field iron core 310 includes eight field iron cores 310 a to 310 h, and the field iron cores 310 a to 310 h are fan-shaped and are arranged at equal intervals along the outer peripheral surface of the support member 330. Yes. As an example of the method of fixing the field core 310 to the support member 330, the width of the bridge made of electromagnetic steel plates for connecting the individual field cores 310a to 310h is narrowed and laminated to increase the magnetic resistance. Alternatively, die casting, resin molding, or the like may be used.

界磁鉄心310(310a〜310h)は、ラジアル電機子210と対向する1つのラジアル面RSと、2つのアキシャル面AS、すなわちアキシャル電機子220aと対向するアキシャル面ASaおよびアキシャル電機子220bと対向するアキシャル面ASbとを備えている。なお、図1Aを基準として、一方のアキシャル面ASaを左側アキシャル面、他方のアキシャル面ASbを右側アキシャル面ということがある。   The field iron core 310 (310a to 310h) faces one radial surface RS facing the radial armature 210 and two axial surfaces AS, that is, the axial surface ASA facing the axial armature 220a and the axial armature 220b. And an axial surface ASb. With reference to FIG. 1A, one axial surface Asa may be referred to as a left axial surface, and the other axial surface ASb may be referred to as a right axial surface.

奇数番目の界磁鉄心310a,310c,310e,310gの総称をODとし、偶数番目の界磁鉄心310b,310d,310f,310hの総称をEVとして、奇数番目の界磁鉄心ODと偶数番目の界磁鉄心EVとでは、アキシャル面AS(ASa,ASb)は異なる形態をとる。   The generic name of the odd-numbered field cores 310a, 310c, 310e, 310g is OD, and the generic name of the even-numbered field cores 310b, 310d, 310f, 310h is EV, and the odd-numbered field cores OD and the even-numbered fields. In the magnetic iron core EV, the axial surface AS (ASa, ASb) has a different form.

なお、この実施形態では、後述するように直流励磁コイル421A,422Aにより、左側のアキシャル電機子220aがN極、右側のアキシャル電機子220bがS極となるように励磁される。また、奇数番目,偶数番目を決める1番目の界磁鉄心は任意に選択されてよい。   In this embodiment, as will be described later, the DC axial coils 421A and 422A excite the left axial armature 220a to have the N pole and the right axial armature 220b to have the S pole. Further, the first field core that determines the odd number and the even number may be arbitrarily selected.

まず、奇数番目の界磁鉄心OD(310a,310c,310e,310g)では、左側アキシャル面ASaにN極のSPM方式の永久磁石321Nを貼り付け、これに対して、右側アキシャル面ASbは界磁鉄心310をそのまま剥きだしとして突出させた界磁突極311(以下、右側界磁突極311Rと言うことがある。)とし、直流励磁磁束を右側界磁突極311RからアキシャルエアギャップG2を透して対向するアキシャル電機子220bに送るようにし、右側界磁突極311Rを有する右側アキシャル面ASbは、左側アキシャル面ASaと同様N極とする。   First, in an odd-numbered field core OD (310a, 310c, 310e, 310g), an N-pole SPM permanent magnet 321N is attached to the left axial surface Asa, whereas the right axial surface ASb A field salient pole 311 (hereinafter, also referred to as a right field salient pole 311R) that protrudes from the iron core 310 as it is, and a DC excitation magnetic flux passes through the axial air gap G2 from the right field salient pole 311R. The right axial surface ASb having the right field salient salient pole 311R is N-pole like the left axial surface Asa.

そのためには、奇数番目の界磁鉄心ODのラジアル面RSにラジアル電機子210側からラジアルエアギャップG0を通して直流励磁磁束を送ってもらう必要があり、必然的に奇数番目の界磁鉄心ODのラジアル面RSはS極となる。すなわち、奇数番目の界磁鉄心ODにおいては、左側アキシャル面ASaはN極、ラジアル面はS極、そして右側アキシャル面ASbはN極となる。   For this purpose, it is necessary to send a direct current excitation magnetic flux from the radial armature 210 side to the radial surface RS of the odd-numbered field iron core OD through the radial air gap G0. The surface RS is the south pole. That is, in the odd-numbered field core OD, the left axial surface Asa has N poles, the radial surface has S poles, and the right axial surface ASb has N poles.

次に、偶数目の界磁鉄心EV(310b,310d,310f,310h)について説明する。偶数目の界磁鉄心EVにおいては、奇数番目の界磁鉄心ODとは反対に、左側アキシャル面ASaは界磁鉄心310をそのまま剥きだしとして突出させた界磁突極311(以下、左側界磁突極311Lと言うことがある。)とし、右側アキシャル面ASbにはS極のSPM方式の永久磁石321Sを貼り付ける。   Next, the even-numbered field iron core EV (310b, 310d, 310f, 310h) will be described. In the even-numbered field core EV, contrary to the odd-numbered field core OD, the left axial surface Asa has a field salient pole 311 (hereinafter referred to as the left-side field magnet) in which the field core 310 is projected as it is. SPM pole permanent magnet 321S is attached to the right axial surface ASb.

これにより、左側のアキシャル電機子220aから供給される直流励磁磁束は、アキシャルエアギャップG1を通って偶数番目の界磁鉄心EVの左側界磁突極311Lから界磁鉄心内に入り、そのラジアル面RSからラジアルエアギャップG0を通ってラジアル電機子210に入り、そのラジアル電機子210のヨークを経由して再びラジアルエアギャップG0を通って隣の奇数番目の界磁鉄心ODのラジアル面RSに送られ、右側界磁突極311Rから抜け、アキシャルエアギャップG2を通って右側アキシャル電機子220bに至る。   As a result, the DC excitation magnetic flux supplied from the left axial armature 220a passes through the axial air gap G1 and enters the field core from the left field salient pole 311L of the even-numbered field core EV. It enters the radial armature 210 from the RS through the radial air gap G0, passes through the yoke of the radial armature 210, passes through the radial air gap G0 again, and is sent to the radial surface RS of the adjacent odd-numbered field core OD. Then, it escapes from the right field salient pole 311R, passes through the axial air gap G2, and reaches the right axial armature 220b.

このようにして、偶数目の界磁鉄心EVにおいては、左側アキシャル面ASaはS極、ラジアル面RSはN極、そして右側アキシャル面ASbはS極となり、奇数番目の界磁鉄心ODの極性とは逆になる。   In this way, in the even-numbered field iron core EV, the left axial surface Asa is the S pole, the radial surface RS is the N pole, and the right axial surface ASb is the S pole. Is reversed.

なお、左側のアキシャル電機子220aと界磁鉄心310との間のエアギャップG1と、右側のアキシャル電機子220bと界磁鉄心310との間のエアギャップG2は、好ましくは等幅とする。   The air gap G1 between the left axial armature 220a and the field core 310 and the air gap G2 between the right axial armature 220b and the field core 310 are preferably of equal width.

また、この実施形態によると、奇数目の界磁鉄心ODと偶数番目の界磁鉄心EVとの間に板状のIPM方式の永久磁石323が配置される。この永久磁石323の磁化(着磁)方向は、ローターの回転方向(板厚方向)で、直流励磁磁束によってつくられる極性と同じになるように選択する。すなわち、S極が奇数番目の界磁鉄心OD側に向けられ、N極は偶数番目の界磁鉄心EV側に向けられることになる。   Further, according to this embodiment, the plate-like IPM type permanent magnet 323 is arranged between the odd-numbered field cores OD and the even-numbered field cores EV. The magnetization (magnetization) direction of the permanent magnet 323 is selected so as to be the same as the polarity generated by the DC excitation magnetic flux in the rotation direction (plate thickness direction) of the rotor. That is, the S pole is directed to the odd-numbered field core OD, and the N pole is directed to the even-numbered field core EV.

上記のようにして形成された界磁全体の極性を表わしたものが図4である。奇数番目と偶数番目のいずれにおいても、2つのアキシャル面AS(ASa,ASb)の極性は同極であるが、ラジアル面RSは異極となる。なお、図4において、永久磁石による極性は大文字のN,Sで表され、ラジアル面RSと界磁突極311の直流電磁石による極性は小文字のn,sで表している。   FIG. 4 shows the polarity of the entire field formed as described above. In both odd and even numbers, the two axial surfaces AS (ASa, ASb) have the same polarity, but the radial surface RS has a different polarity. In FIG. 4, the polarity due to the permanent magnet is represented by uppercase letters N and S, and the polarity due to the DC electromagnet of the radial surface RS and the field salient pole 311 is represented by lowercase letters n and s.

次に、ステータ110Aが備えている電機子について説明する。ラジアル電機子鉄心210およびアキシャル電機子鉄心220a,220bは、電磁鋼鈑を打ち抜き積層したり、電磁鋼板の帯板を重ね巻きしたり、あるいは焼結磁心や圧粉磁心などでつくり、粉体塗装や樹脂モールドで絶縁を施し、集中巻巻線を施す。   Next, the armature provided in the stator 110A will be described. The radial armature core 210 and the axial armature cores 220a and 220b are made by punching and laminating electromagnetic steel sheets, winding and winding strips of electromagnetic steel sheets, or using sintered or dust cores, and powder coating. Insulate with a resin mold or concentrated winding.

図3Aに示すように、ラジアル電機子鉄心210は、環状に形成されたヨーク211を有し、ヨーク211の内周面側には、中心に向けて突設された複数のスロット(この例では12スロット)の歯(ティース)212a〜212lが均等に形成されている。   As shown in FIG. 3A, the radial armature core 210 has a yoke 211 formed in an annular shape, and a plurality of slots (in this example) projecting toward the center are provided on the inner peripheral surface side of the yoke 211. 12 slots) teeth 212a to 212l are evenly formed.

図3Baと図3Bbに示すように、左側のアキシャル電機子鉄心220aは、ブラケット400の端板411の内面に取り付けられる円環状に形成されたヨーク221Lを有し、ヨーク221Lの反端板側の面(図1Aで右側の面)には、12スロットの歯(ティース)222La〜222Llが均等に形成されている。   As shown in FIGS. 3Ba and 3Bb, the left axial armature core 220a has a yoke 221L formed in an annular shape that is attached to the inner surface of the end plate 411 of the bracket 400, and is on the opposite end plate side of the yoke 221L. On the surface (the surface on the right side in FIG. 1A), teeth of 12 slots (teeth) 222La to 222Ll are evenly formed.

また、図3Caと図3Cbに示すように、右側のアキシャル電機子鉄心220bは、ブラケット400の端板412の内面に取り付けられる円環状に形成されたヨーク221Rを有し、ヨーク221Rの反端板側の面(図1Aで左側の面)には、12スロットの歯(ティース)2222Ra〜222Rlが均等に形成されている。   As shown in FIGS. 3Ca and 3Cb, the right side armature core 220b has a yoke 221R formed in an annular shape attached to the inner surface of the end plate 412 of the bracket 400, and the opposite end plate of the yoke 221R. On the side surface (the surface on the left side in FIG. 1A), 12-slot teeth (teeth) 2222Ra to 222Rl are evenly formed.

左側のアキシャル電機子鉄心220a,中央のラジアル電機子鉄心210,右側のアキシャル電機子鉄心220bの各歯のうち、図5に示すように、222La−212a−222Ra,222Lb−212b−222Rb,222Lc−212c−222Rc,……,222Ll−212l−222Rlが、それぞれ同一回転角の組合せとなる。   Of the teeth of the left-side axial armature core 220a, the central radial armature core 210, and the right-side axial armature core 220b, as shown in FIG. 5, 222La-212a-222Ra, 222Lb-212b-222Rb, 222Lc- 212c-222Rc,..., 222Ll-212l-222Rl are combinations of the same rotation angle.

そして、これら同一回転角に含まれる3つの歯に三相(U,V,W)の巻線が施されるが、このうち、アキシャル電機子220側の2つの巻線は同極とし、ラジアル電機子210側はそれらと異極となるように巻線の巻回方向を選択し、この3つの電機子巻線を単位グループとする。これらをまとめた巻線全体を表わしたものが図5である。図5において、オーバーバー(上線)が付されているU,V,Wの文字は逆極性を表わしている。   Three-phase (U, V, W) windings are applied to the three teeth included in the same rotation angle. Of these, the two windings on the axial armature 220 side have the same polarity, and are radial. The armature 210 side selects the winding direction of the windings so as to have a different polarity from them, and these three armature windings are set as a unit group. FIG. 5 shows the whole winding in which these are combined. In FIG. 5, U, V, and W characters with an overbar (upper line) indicate reverse polarity.

図6にこれら三相巻線の接続図を示すが、第1のU相巻線U1は、図5におけるアキシャル電機子220aの歯222Laに巻かれた第1のU相巻線U11、ラジアル電機子210の歯212aに巻かれた第1のU相巻線U1(逆巻)およびアキシャル電機子220bの歯222Raに巻かれた第1のU相巻線U21を直列接続した空間的に同一位相にある巻線を直列接続した巻線の単位グループを表わしている。   FIG. 6 shows a connection diagram of these three-phase windings. The first U-phase winding U1 includes a first U-phase winding U11 wound around the teeth 222La of the axial armature 220a in FIG. The first U-phase winding U1 (reverse winding) wound around the teeth 212a of the child 210 and the first U-phase winding U21 wound around the teeth 222Ra of the axial armature 220b are connected in series with each other in space. Represents a unit group of windings in which windings are connected in series.

また、空間的に電気角で120°ずれたV相において、第1のV相巻線V1は、アキシャル電機子220aの歯222Lbに巻かれた第1のV相巻線V11、ラジアル電機子210の歯212bに巻かれた第1のV相巻線V1(逆巻)およびアキシャル電機子220bの歯222Rbに巻かれた第1のV相巻線V21を単位グループとしている。   Further, in the V phase that is spatially shifted by 120 ° in electrical angle, the first V phase winding V1 includes the first V phase winding V11 wound around the teeth 222Lb of the axial armature 220a, and the radial armature 210. The first V-phase winding V1 (reverse winding) wound around the first tooth 212b and the first V-phase winding V21 wound around the tooth 222Rb of the axial armature 220b are grouped.

さらに空間的に電気角で120°ずれたW相において、第1のW相巻線W1は、アキシャル電機子220aの歯222Lcに巻かれた第1のW相巻線W11、ラジアル電機子210の歯212cに巻かれた第1のW相巻線W1(逆巻)およびアキシャル電機子220bの歯222Rcに巻かれた第1のW相巻線VW1を単位グループとし、以下順次これを繰り返し、12個のグループにまとめ、これらの三つの相の巻線グループを三相のスター接続あるいはΔ接続して電機子巻線とする。   Further, in the W phase, which is spatially shifted by 120 ° in electrical angle, the first W phase winding W1 includes the first W phase winding W11 wound around the teeth 222Lc of the axial armature 220a and the radial armature 210. The first W-phase winding W1 (reverse winding) wound around the teeth 212c and the first W-phase winding VW1 wound around the teeth 222Rc of the axial armature 220b are set as a unit group, and this is repeated sequentially. These three-phase winding groups are grouped into three groups, and three-phase star connection or Δ connection is used to form an armature winding.

次に、直流励磁コイル421A,422Aについて説明する。図1Aに示すように、一方の直流励磁コイル421Aは、ラジアル電機子210、第1アキシャル電機子220aおよびブラケット400とで囲まれる第1空間A1a内において出力回転軸430Aを中心にして巻回され、また、他方の直流励磁コイル422Aは、ラジアル電機子210、第2アキシャル電機子220bおよびブラケット400とで囲まれる第2空間A2a内において出力回転軸430Aを中心にして巻回される。   Next, the DC exciting coils 421A and 422A will be described. As shown in FIG. 1A, one DC exciting coil 421A is wound around the output rotation shaft 430A in the first space A1a surrounded by the radial armature 210, the first axial armature 220a, and the bracket 400. The other DC exciting coil 422A is wound around the output rotation shaft 430A in the second space A2a surrounded by the radial armature 210, the second axial armature 220b, and the bracket 400.

この実施形態によると、一方の直流励磁コイル421Aは、第1空間A1a内においてブラケット400の端板411側の隅に好ましくは電気絶縁材を介して配置され、他方の直流励磁コイル422Aは、第2空間A2a内においてブラケット400の端板412側の隅に好ましくは電気絶縁材(図示省略)を介して配置されている。直流励磁コイル421Aと直流励磁コイル422Aは、好ましくは同一方向に巻回されるとよい。   According to this embodiment, one DC exciting coil 421A is disposed in the first space A1a at a corner on the end plate 411 side of the bracket 400, preferably via an electrical insulating material, and the other DC exciting coil 422A is In the two spaces A2a, the bracket 400 is preferably disposed at a corner on the end plate 412 side via an electrical insulating material (not shown). The DC exciting coil 421A and the DC exciting coil 422A are preferably wound in the same direction.

直流励磁コイル421A,422Aに、図1Aの左側から見て、時計方向に直流電流を流した場合、直流磁束は、左の端板411→左側アキシャル電機子鉄心220a→アキシャルエアギャップG1→偶数番目の界磁鉄心EVの左側界磁突極(s極)311L→偶数番目の界磁鉄心EV→そのラジアル面(n極)RS→ラジアルエアギャップG0→ラジアル電機子鉄心210→ヨーク211→ラジアル電機子鉄心210→ラジアルエアギャップG0→奇数番目の界磁鉄心ODのラジアル面(s極)RS→奇数番目の界磁鉄心OD→その右側界磁突極(n極)311R→アキシャルエアギャップG2→右側アキシャル電機子鉄心220b→右の端板412のような経路で流れる。なお、SPMの永久磁石321は透磁率が小さいため磁束が通らないフラックスバリアとして作用する。   When a direct current is passed through the DC exciting coils 421A and 422A in the clockwise direction as viewed from the left side of FIG. 1A, the DC magnetic flux is left end plate 411 → left axial armature core 220a → axial air gap G1 → even number. Left-hand field salient pole (s pole) 311L → even-numbered field iron core EV → radial surface (n pole) RS → radial air gap G0 → radial armature core 210 → yoke 211 → radial electric machine Core iron 210 → Radial air gap G0 → Radial surface (s pole) RS of odd-numbered field iron core OD → Odd-numbered field iron core OD → Right field salient pole (n pole) 311R → Axial air gap G2 → It flows along a path such as the right axial armature core 220b → the right end plate 412. The SPM permanent magnet 321 functions as a flux barrier through which magnetic flux does not pass because of its low magnetic permeability.

この場合の界磁の極性について詳しく説明すると、左側の界磁突極311aがS極(s)になり、それと一体となっている界磁鉄心310のラジアル面はN極(n)となり、円周方向に両隣の極の界磁鉄心310のラジアル面はS極(s)となり、それらの右側の界磁突極311はN極(n)となる。   The field polarity in this case will be described in detail. The left field salient pole 311a becomes the S pole (s), and the radial surface of the field iron core 310 integrated therewith becomes the N pole (n). The radial surface of the field iron core 310 of both adjacent poles in the circumferential direction becomes the S pole (s), and the field salient pole 311 on the right side thereof becomes the N pole (n).

このとき、界磁鉄心310の両側に埋め込まれた永久磁石323の極性は、その極の界磁鉄心310のラジアル面RSの極性と同じ極になるよう配列し、直流励磁磁石による磁束と永久磁石による磁束が並列に同一方向に流れるようにし、ハイブリッド磁界を形成させる。   At this time, the permanent magnets 323 embedded on both sides of the field core 310 are arranged so that the polarities thereof are the same as the polarities of the radial surfaces RS of the field cores 310 of the poles. So that the magnetic fluxes flow in the same direction in parallel to form a hybrid magnetic field.

直流励磁磁束の大きさは次のように表わされる。まず、アンペアの周回積分の法則により、次の方程式を得る。
2N×I≒Φ×(2g/μ・S/2+g/μ・S/2+g/μ・S/2)
The magnitude of the direct current excitation magnetic flux is expressed as follows. First, the following equation is obtained according to Ampere's law of circular integration.
2N × I ≒ Φ × (2g 1 / μ · S 1/2 + g 2 / μ · S 2/2 + g 2 / μ · S 2/2)

この式より磁束は、次のように求められる。
Φ ≒ μN×I/2(g/S +g/S)・・・・・・(1)
ここで、上式のパラメータは以下の通りである。
Φ:磁束量
I:直流電流
:ラジアル電機子鉄心の歯のラジアル面の総面積と界磁鉄心のラジアル面の総面積 の有効対向面積
:アキシャル電機子の歯の左側または右側のアキシャル面の総面積と界磁鉄心の界 磁突極のアキシャル面の総面積の有効対向面積
N:直流励磁コイル1個の巻数
:ラジアルエアギャップの長さ
:アキシャルエアギャップの長さ
μ:空気の透磁率
From this equation, the magnetic flux is determined as follows.
Φ≈μN × I / 2 (g 1 / S 1 + g 2 / S 2 ) (1)
Here, the parameters of the above equation are as follows.
Φ: Magnetic flux amount I: DC current S 1 : Effective opposed area of the radial area of the radial armature core teeth and the radial area of the field core core S 2 : The left or right side of the axial armature teeth effective facing areas of the total area of the axial plane of the total area and field core of the field磁突pole axial planes N: DC excitation coil 1 turns g 1: radial air gap length g 2: the axial air gap length Μ: Air permeability

上記式(1)を、先行技術として挙げた特許文献1(特許公報 特許5851654号「同期電動機」)に記載されている式(1)等と比較して分かることは、本発明によれば、直流励磁磁気回路に励磁エアギャップが存在しないため、その分磁気抵抗が少なくなり磁束が通りやすく、同じ磁束をつくるための起磁力(N×I)が少なくて済み、励磁損失が少なくなることである。   According to the present invention, it can be understood that the above formula (1) is compared with the formula (1) described in Patent Document 1 (Patent Publication No. 5856544 “Synchronous motor”) cited as the prior art. Since there is no excitation air gap in the DC excitation magnetic circuit, the corresponding magnetic resistance is reduced, the magnetic flux easily passes, the magnetomotive force (N × I) for creating the same magnetic flux is reduced, and the excitation loss is reduced. is there.

また、界磁の毎極の磁束は、次のとおりである。
(1)ラジアル磁極にあっては、Φd+Φi
(2)アキシャル磁極にあっては、(Φd+Φi+Φs)/2
アキシャル磁極の場合、すべての磁極がコンセクエントポール(Consequent Pole)であるので、磁束は半分となる。
ここで、Φd:直流励磁磁束,Φs:SPM永久磁石321の磁束,Φi:IPM永久磁石323の磁束。
上記の式から、ラジアル磁束もアキシャル磁束も直流励磁電流でそれらの磁束量を制御できることが分かる。
The magnetic flux of each pole of the field is as follows.
(1) Φd + Φi for radial magnetic poles
(2) For an axial magnetic pole, (Φd + Φi + Φs) / 2
In the case of an axial magnetic pole, since all the magnetic poles are concordant poles, the magnetic flux is halved.
Here, Φd: DC excitation magnetic flux, Φs: SPM permanent magnet 321 magnetic flux, and Φi: IPM permanent magnet 323 magnetic flux.
From the above equation, it can be seen that both the radial magnetic flux and the axial magnetic flux can be controlled by the DC excitation current.

図7,図8に示すように永久磁石の一部ないし全部を省いてもよい。この場合、永久磁石の透磁率は空気と同様1に近いので、直流励磁磁束の経路ならびに磁束の大きさは変わらない。それぞれの場合の磁束の大きさはつぎのとおりである。
(1)直流励磁磁石とIPM永久磁石323を使った場合、
ラジアル磁極にあってはΦd+Φiとなり、アキシャル磁極にあっては(Φd+Φi)/2となる。
(2)直流励磁磁石ならびにアキシャル磁極にのみSPM永久磁石321を使った場合、
ラジアル磁極にあってはΦdで、アキシャル磁極にあっては(Φd+Φs)/2。
(3)永久磁石を使わず、直流励磁磁石のみ使用した場合、ラジアル磁極にあってはΦdで、アキシャル磁極にあってはΦd/2。
As shown in FIGS. 7 and 8, some or all of the permanent magnets may be omitted. In this case, since the permeability of the permanent magnet is close to 1 as in the case of air, the path of the DC excitation magnetic flux and the magnitude of the magnetic flux do not change. The magnitude of the magnetic flux in each case is as follows.
(1) When using a DC exciting magnet and an IPM permanent magnet 323,
For radial magnetic poles, Φd + Φi, and for axial magnetic poles, (Φd + Φi) / 2.
(2) When the SPM permanent magnet 321 is used only for the DC exciting magnet and the axial magnetic pole,
Φd for radial magnetic poles and (Φd + Φs) / 2 for axial magnetic poles.
(3) When only a DC excitation magnet is used without using a permanent magnet, Φd is used for the radial magnetic pole and Φd / 2 is used for the axial magnetic pole.

次に、ロータ120Aが備える界磁300Aの変形例について説明する。まず、第1変形例として、図7A〜図7Dに示すように、奇数番目の界磁鉄心OD(310a,310c,310e,310g)の左側アキシャル面ASaからN極の永久磁石321Nを取り外すとともに、偶数番目の界磁鉄心OD(310b,310d,310f,310h)の右側アキシャル面ASbからS極の永久磁石321Sを取り外してもよい。   Next, a modified example of the field 300A included in the rotor 120A will be described. First, as a first modified example, as shown in FIGS. 7A to 7D, the N-pole permanent magnet 321N is removed from the left axial surface Asa of the odd-numbered field core OD (310a, 310c, 310e, 310g), The S-pole permanent magnet 321S may be removed from the right axial surface ASb of the even-numbered field iron core OD (310b, 310d, 310f, 310h).

永久磁石は透磁率が小さいので磁束は通さないが、この第1変形例のように、アキシャル面から永久磁石(SPM)を取り外すと、奇数番目の界磁鉄心ODの左側アキシャル面ASaとこれと対向する左側の第1アキシャル電機子220aとの間のエアギャップ、また、偶数番目の界磁鉄心ODの右側アキシャル面ASbとこれと対向する右側の第2アキシャル電機子220bとの間のエアギャップがそれぞれ永久磁石の板厚分広げられ、これがフラックスバリアとして作用することになる。   Since the permanent magnet has a low magnetic permeability, it does not allow magnetic flux to pass through. However, when the permanent magnet (SPM) is removed from the axial surface as in the first modification, the left axial surface Asa of the odd-numbered field core OD and this An air gap between the first axial armature 220a on the left side facing the air gap, and an air gap between the right axial surface ASb of the even-numbered field core OD and the second axial armature 220b on the right side facing this. Is expanded by the plate thickness of the permanent magnet, which acts as a flux barrier.

さらには、第2変形例として、図8A〜図8Cに示すように、各界磁鉄心310の間に埋め込まれているIPMの永久磁石323を取り外して、各界磁鉄心310の間を空気層Gaとしてもよい。   Further, as a second modification, as shown in FIGS. 8A to 8C, the IPM permanent magnets 323 embedded between the field cores 310 are removed, and the space between the field cores 310 is formed as an air layer Ga. Also good.

上記第1および第2変形例のように永久磁石を取り外したとしても、永久磁石を取り外した部分の空気層は永久磁石と同様にフラックスバリアとして作用することから、直流磁束の流れる経路は上記実施形態と同じであり、上記変形例に係る同期電動機は直流励磁電動機として動作する。なお、SPMの永久磁石321(アキシャル界磁の永久磁石)を省略した場合は、直流励磁磁石のN極またはS極のみのコンセクエントポール(Consequent Pole)方式となる。   Even if the permanent magnet is removed as in the first and second modifications, the air layer where the permanent magnet is removed acts as a flux barrier in the same manner as the permanent magnet, and therefore the path through which the DC magnetic flux flows is as described above. The synchronous motor according to the modified example operates as a direct current excitation motor. When the SPM permanent magnet 321 (axial field permanent magnet) is omitted, a DC pole magnet with only N poles or S poles is used.

次に、図9〜10を参照して、本発明の第2実施形態に係る同期電動機100Bついて説明する。なお、上記第1実施形態に係る同期電動機100Aと実質的に同一と見做される構成要素には同じ参照符号を用いる。   Next, a synchronous motor 100B according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Note that the same reference numerals are used for components that are considered to be substantially the same as the synchronous motor 100A according to the first embodiment.

この第2実施形態に係る同期電動機100Bはアウターロータ式同期電動機で、出力回転軸に代えて強磁性体からなる固定軸430Bが用いられ、この固定軸430Bにブラケット400が軸受部材(この例ではボールベアリング)440を介して回転可能に支持されている。   The synchronous motor 100B according to the second embodiment is an outer rotor type synchronous motor, and a fixed shaft 430B made of a ferromagnetic material is used instead of the output rotation shaft, and a bracket 400 is attached to a bearing member (in this example) on the fixed shaft 430B. Ball bearing) 440 is rotatably supported.

ステータ110Bは、基本的な構成として上記第1実施形態と同じく、1つのラジアル電機子210と、2つのアキシャル電機子220(220a,220b)と、2つの励磁コイル421B,422Bとを備えている。   As in the first embodiment, the stator 110B includes a radial armature 210, two axial armatures 220 (220a, 220b), and two excitation coils 421B, 422B as a basic configuration. .

ラジアル電機子210は、非磁性体からなる支持部材209を介して固定軸430Bに同軸的に固定されている。アキシャル電機子220(220a,220b)は、円盤状で中央部分に支持孔が穿設されたヨーク223を有し、このヨーク223を介して固定軸430Bに固定されている。   The radial armature 210 is coaxially fixed to the fixed shaft 430B via a support member 209 made of a nonmagnetic material. The axial armature 220 (220a, 220b) has a yoke 223 having a disc shape and a support hole formed in the central portion, and is fixed to the fixed shaft 430B via the yoke 223.

左側のアキシャル電機子220aと右側のアキシャル電機子220bの各歯部分の構成は、上記第1実施形態と同じであってよく、図9Bに図9Aから抜き出した左側のアキシャル電機子220aの一部分を示し、図9Cに同じく図9Aから抜き出した右側のアキシャル電機子220bの一部分を示す。   The configuration of each tooth portion of the left axial armature 220a and the right axial armature 220b may be the same as in the first embodiment, and a part of the left axial armature 220a extracted from FIG. 9A is shown in FIG. 9B. 9C shows a part of the right side armature 220b extracted from FIG. 9A.

この第2実施形態においても、アキシャル電機子220a,220bのスロット数は12スロットであり、これらアキシャル電機子220a,220bおよびラジアル電機子210の各歯には、先の図5および図6で説明したような態様で巻線が巻かれる。   Also in the second embodiment, the number of slots of the axial armatures 220a and 220b is 12, and the teeth of the axial armatures 220a and 220b and the radial armature 210 are described with reference to FIGS. 5 and 6 above. The winding is wound in such a manner.

ロータ120Bの界磁300Bは、非磁性体の支持部材330を介してブラケット400の円筒部の内周面に取り付けられている。図10A〜図10Cを参照して、この第2実施形態においても、界磁300Bは、上記第1実施形態と同じく、8個(8極)の界磁鉄心310(310a〜310h)を備えているが、図10B,図10Cには、そのうちの半分の界磁鉄心310b,310c,310d,310eのみが示されている。   The magnetic field 300B of the rotor 120B is attached to the inner peripheral surface of the cylindrical portion of the bracket 400 via a nonmagnetic support member 330. Referring to FIGS. 10A to 10C, also in the second embodiment, the field magnet 300B includes eight (eight poles) field iron cores 310 (310a to 310h) as in the first embodiment. However, in FIG. 10B and FIG. 10C, only half of the field cores 310b, 310c, 310d, and 310e are shown.

各界磁鉄心310は、1つのラジアル面RSと2つのアキシャル面AS(左側のASa,右側のASb)とを備えている。ラジアル面RSは、ラジアルエアギャップG0を介してラジアル電機子210と対向する。左側のアキシャル面ASaは、アキシャルエアギャップG1を介して左側のアキシャル電機子220aと対向し、また、右側のアキシャル面ASbは、アキシャルエアギャップG2を介して右側のアキシャル電機子220bと対向する。   Each field iron core 310 includes one radial surface RS and two axial surfaces AS (left side Asa and right side ASb). The radial surface RS faces the radial armature 210 via the radial air gap G0. The left axial surface Asa is opposed to the left axial armature 220a via the axial air gap G1, and the right axial surface ASb is opposed to the right axial armature 220b via the axial air gap G2.

図4を参照して、上記第1実施形態と同じく、8個の界磁鉄心310のうち、奇数番目の界磁鉄心OD(310a,310c,310e,310g)の左側のアキシャル面ASaには、SPM方式のN極の永久磁石321Nが貼り付けられ、これに対して、右側のアキシャル面ASbには、界磁突極311Rが形成される。   Referring to FIG. 4, as in the first embodiment, out of the eight field cores 310, the left axial surface ASA of the odd-numbered field core OD (310 a, 310 c, 310 e, 310 g) On the other hand, a field salient pole 311R is formed on the right axial surface ASb.

そして、偶数番目の界磁鉄心EV(310b,310d,310f,310h)の左側のアキシャル面ASaには、界磁突極311Lが形成され、これに対して、右側のアキシャル面ASbには、SPM方式のS極の永久磁石321Sが貼り付けられる。   A field salient pole 311L is formed on the left axial surface Asa of the even-numbered field iron core EV (310b, 310d, 310f, 310h), while an SPM is formed on the right axial surface ASb. An S-pole permanent magnet 321S of the type is attached.

また、奇数番目の界磁鉄心ODと偶数番目の界磁鉄心EVとの間に、IPM方式の永久磁石323が設けられる。   An IPM permanent magnet 323 is provided between the odd-numbered field cores OD and the even-numbered field cores EV.

2つの直流励磁コイル421B,422Bのうち、一方の直流励磁コイル421Bは、ラジアル電機子210、第1アキシャル電機子220aおよび固定軸430Bで囲まれる第1空間A1b内において固定軸430Bの一端側に巻回される。   Of the two DC exciting coils 421B and 422B, one DC exciting coil 421B is located on one end side of the fixed shaft 430B in the first space A1b surrounded by the radial armature 210, the first axial armature 220a, and the fixed shaft 430B. It is wound.

これに対して、他方の直流励磁コイル422Bは、ラジアル電機子210、第2アキシャル電機子220bおよび固定軸430Bで囲まれる第2空間A2b内において固定軸430Bの他端側に巻回される。図示しないが、直流励磁コイル421B,422Bは、固定軸430Bに電気絶縁材を介して同一方向に巻かれることが好ましい。   On the other hand, the other DC exciting coil 422B is wound around the other end side of the fixed shaft 430B in the second space A2b surrounded by the radial armature 210, the second axial armature 220b, and the fixed shaft 430B. Although not shown, it is preferable that the DC exciting coils 421B and 422B are wound around the fixed shaft 430B in the same direction via an electric insulating material.

図9Aにおいて、固定軸400Bの左端側がN極、右端側がS極となるようにコイル421B,422Bに直流電流を流すと、直流磁束は、固定軸430B→左側のアキシャル電機子220a→アキシャルエアギャップG1→偶数番目の左側界磁突極311L→偶数番目の界磁鉄心310EV→そのラジアル面RS→ラジアルエアギャップG0→ラジアル電機子鉄心210→ヨーク211→ラジアル電機子鉄心210→ラジアルエアギャップG0→奇数番目の界磁鉄心ODのラジアル面RS→奇数番目の界磁鉄心OD→奇数番目の右側界磁突極311R→アキシャルエアギャップG2→右側のアキシャル電機子鉄心220b→固定軸430Bの経路ように流れる。   In FIG. 9A, when a direct current is passed through the coils 421B and 422B so that the left end side of the fixed shaft 400B is the N pole and the right end side is the S pole, the DC magnetic flux is changed to the fixed shaft 430B → the left side axial armature 220a → the axial air gap. G1 → even-numbered left field salient pole 311L → even-numbered field iron core 310EV → radial surface RS → radial air gap G0 → radial armature core 210 → yoke 211 → radial armature core 210 → radial air gap G0 → The radial surface RS of the odd-numbered field core OD → the odd-numbered field core OD → the odd-numbered right-side field salient pole 311R → the axial air gap G2 → the right-side axial armature core 220b → the fixed shaft 430B Flowing.

このように磁束が流れることにより、左側の界磁突極311LがS極(s)になり、それと同一極の界磁鉄心310のラジアル面RSはN極(n)となり、隣の極の界磁鉄心310のラジアルRS面はS極(s)となり、隣の極の右側の界磁突極311RはN極(n)となる。このとき、各界磁鉄心の間に埋め込まれた永久磁石(IPM)323の極性は、その極の界磁鉄心310のラジアル面の極性と同じN極(n)になるよう配列する。   When the magnetic flux flows in this way, the left field salient pole 311L becomes the S pole (s), and the radial surface RS of the field iron core 310 having the same pole as that becomes the N pole (n). The radial RS surface of the magnetic core 310 is the S pole (s), and the field salient pole 311R on the right side of the adjacent pole is the N pole (n). At this time, the permanent magnets (IPM) 323 embedded between the field cores are arranged so that the polarities thereof are the same N poles (n) as the polarities of the radial surfaces of the field cores 310.

このように、アウターロータ式同期電動機100Bの直流励磁磁気回路は、上記第1実施形態に係るインナーロータ式同期電動機100Aの直流励磁磁気回路のブラケットと固定軸を置き換えたものと同じになる。   Thus, the DC excitation magnetic circuit of the outer rotor type synchronous motor 100B is the same as that obtained by replacing the bracket and the fixed shaft of the DC excitation magnetic circuit of the inner rotor type synchronous motor 100A according to the first embodiment.

界磁の毎極の磁束についてもインナーロータ式電動機100Aの場合と同様、次のようになる。
(1)ラジアル磁極にあっては、Φd+Φi
(2)アキシャル磁極にあっては、(Φd+Φi+Φs)/2
アキシャル磁極の場合、すべての磁極がコンセクエントポール(Consequent Pole)であるので、毎極の磁束は半分となる。ここで、Φd:直流励磁磁束、Φs:永久磁石(SPM)による磁束、Φi:永久磁石(IPM)による磁束。
以上の式から、ラジアル磁束もアキシャル磁束も直流励磁電流でそれらの磁束量を制御できることはインナーロータ式電動機100Aと同じである。
Similarly to the case of the inner rotor type motor 100A, the magnetic flux of each pole of the field is as follows.
(1) Φd + Φi for radial magnetic poles
(2) For an axial magnetic pole, (Φd + Φi + Φs) / 2
In the case of an axial magnetic pole, since all the magnetic poles are concordant poles, the magnetic flux of each pole is halved. Here, Φd: DC excitation magnetic flux, Φs: Magnetic flux by permanent magnet (SPM), Φi: Magnetic flux by permanent magnet (IPM).
From the above formula, it is the same as the inner rotor type electric motor 100A that the radial magnetic flux and the axial magnetic flux can control the amount of the magnetic flux with the direct current excitation current.

また、アウターロータ式同期電動機100Bの界磁全体の磁極の配列、すなわち永久磁石ならびに直流励磁による電磁石の磁極の配列は、インナーロータ式電動機100Aの場合と同じであるので、図4で同様に説明できる。2つのアキシャル面ASでは同一回転角における極性は同極であるが、ラジアル面では異極となる。なお、n、sは界磁突極(直流電磁石)の極性がN極、S極であることを意味している。   Further, the arrangement of the magnetic poles of the entire field of the outer rotor type synchronous motor 100B, that is, the arrangement of the permanent magnets and the magnetic poles of the electromagnets by direct current excitation is the same as in the case of the inner rotor type electric motor 100A. it can. The two axial surfaces AS have the same polarity at the same rotation angle, but the radial surfaces have different polarities. In addition, n and s mean that the polarity of the field salient pole (DC electromagnet) is N pole and S pole.

以上説明したように、本発明によれば、電機子と界磁との間に、1つのラジアルエアギャップ面と2つのアキシャルエアギャップを設け、同一回転角の位置において、この2種類のエアギャップにおけるそれぞれの磁界の極性を、電機子にあっては時間的および空間的に同極性となるようにし、界磁にあっては空間的に同極性となるようにしたことにより、トルク密度・出力密度がより増大する同期電動機を得ることができる。   As described above, according to the present invention, one radial air gap surface and two axial air gaps are provided between the armature and the field, and the two types of air gaps are located at the same rotational angle. The polarity of each magnetic field in the armature is the same in terms of time and space for the armature, and the same polarity for the field, so that the torque density and output are the same. A synchronous motor having a higher density can be obtained.

さらには、ラジアルエアギャップとアキシャルエアギャップにおいて、直流励磁磁石と永久磁石の2種類の磁石を組み合わせたハイブリッド励磁型の界磁を形成するとともに、永久磁石による磁束の流れと直流励磁による磁束の流れが互いに独立して並列に流れるようにし、直流励磁磁気回路の中に3つのエアギャップ以外に磁気抵抗の大きい空隙が存在しないため、効率よく直流励磁磁束が発生し、始動から加速の段階において大きなトルクを出すことができるとともに、高速運転時には、直流励磁電流を減らすことによって、弱め界磁のための無駄な電力を消費せず、高効率の高速化が可能となる。     Furthermore, in the radial air gap and the axial air gap, a hybrid excitation type field is formed by combining two types of magnets, a direct current excitation magnet and a permanent magnet, and a magnetic flux flow by the permanent magnet and a magnetic flux flow by the direct current excitation are formed. Flow in parallel and independent from each other, and there are no air gaps with high magnetic resistance other than the three air gaps in the DC excitation magnetic circuit, so the DC excitation magnetic flux is generated efficiently and is large in the stage from start to acceleration. Torque can be generated, and during high-speed operation, by reducing the DC excitation current, it is possible to increase the efficiency and speed without consuming wasteful power for field weakening.

100A ハイブリッド励磁形同期機(インナーロータ式)
100B ハイブリッド励磁形同期機(アウターロータ式)
110A ステータ(インナーロータ式)
110B ステータ(アウターロータ式)
120A ロータ(インナーロータ式)
120B ロータ(アウターロータ式)
210 ラジアル電機子
220(220a,220b) アキシャル電機子
300A 界磁(インナーロータ式)
300B 界磁(アウターロータ式)
310 界磁鉄心
311 界磁突極
321 永久磁石(SPM)
323 永久磁石(IPM)
400 ブラケット
421A,422A,421B,422B 直流励磁コイル
430A 出力回転軸
430B 固定軸
440 軸受
G0 ラジアルエアギャップ
G1,G2 アキシャルエアギャップ
100A hybrid excitation type synchronous machine (inner rotor type)
100B Hybrid excitation type synchronous machine (outer rotor type)
110A stator (inner rotor type)
110B Stator (Outer rotor type)
120A rotor (inner rotor type)
120B rotor (outer rotor type)
210 Radial armature 220 (220a, 220b) Axial armature 300A Field (inner rotor type)
300B Field (outer rotor type)
310 Field Iron Core 311 Field Salient Pole 321 Permanent Magnet (SPM)
323 Permanent magnet (IPM)
400 Bracket 421A, 422A, 421B, 422B DC exciting coil 430A Output rotating shaft 430B Fixed shaft 440 Bearing G0 Radial air gap G1, G2 Axial air gap

Claims (7)

電機子と直流励磁コイルとを有するステータと、上記直流励磁コイルにより励磁される界磁を有するロータと、磁性体からなる円筒状のブラケットおよび上記ブラケットの軸線上に軸受部材を介して配置された出力回転軸とを含み、上記ステータが上記ブラケット側に設けられ、上記ロータが上記ステータの内周面側で上記出力回転軸に取り付けられているインナーロータ式の同期電動機において、
上記電機子は、上記ブラケットの円筒部内面に非磁性体の第1支持部材を介して取り付けられるラジアル電機子と、上記ブラケットの一方の第1端板と他方の第2端板の各内面に上記出力回転軸を中心として同軸として取り付けられる同径の第1アキシャル電機子および第2アキシャル電機子とを備え、上記3つの電機子は、それぞれ円周方向に沿って同一の回転角で配置される複数の歯部を有し、上記各歯部には集中巻巻線が施され、同一の回転角に属する3つの歯部うち、上記第1,第2アキシャル電機子の歯部に巻かれるアキシャル巻線は同一極性、上記ラジアル電機子の歯部に巻かれるラジアル巻線は逆極性となるようにし、上記3つの巻線を単位グループとして、これらを直列および/または並列に接続して多相巻線を構成し、
上記界磁は、強磁性体からなる複数個の界磁鉄心を有し、上記各界磁鉄心が上記ロータの円周方向に所定の間隔をもって配置された状態で非磁性体の第2支持部材を介して上記出力回転軸に取り付けられ、上記界磁鉄心の各々は、上記ラジアル電機子と対向する外径側に1つのラジアル面を有するとともに、上記出力回転軸の軸方向に沿った両側面に上記第1アキシャル電機子と対向する第1アキシャル面と上記第2アキシャル電機子と対向する第2アキシャル面の2つのアキシャル面を有し、
上記各界磁鉄心のラジアル面と上記ラジアル電機子との間には磁路となるラジアルエアギャップが設けられ、任意に選択される上記界磁鉄心を1番目として、奇数番目の上記界磁鉄心の上記第1アキシャル面には第1永久磁石が設けられているとともに、上記第2アキシャル面には上記第2アキシャル電機子との間に磁路となる第2アキシャルエアギャップが生ずるように上記界磁鉄心と一体の第1界磁突極が形成されており、
偶数番目の上記界磁鉄心の上記第1アキシャル面には上記第1アキシャル電機子との間に磁路となる第1アキシャルエアギャップが生ずるように上記界磁鉄心と一体の第2界磁突極が形成されているとともに、上記第2アキシャル面には第2永久磁石が設けられており、かつ、上記各界磁鉄心の間にはそれぞれ第3永久磁石が配置されており、
上記直流励磁コイルは、上記ラジアル電機子、上記第1アキシャル電機子および上記ブラケットで囲まれる第1空間内において上記出力回転軸を中心として巻回される第1直流励磁コイルと、上記ラジアル電機子、上記第2アキシャル電機子および上記ブラケットで囲まれる第2空間内において上記出力回転軸を中心として巻回される第2直流励磁コイルとを備え、
上記直流励磁コイルにより発生する励磁磁束が上記第1アキシャル電機子もしくは上記第2アキシャル電機子のいずれか一方から上記第1,第2アキシャルエアギャップ、上記ラジアルエアギャップ、上記界磁鉄心および上記ラジアル電機子を含む磁路を介していずれか他方のアキシャル電機子へと流れるようにしたことを特徴とするインナーロータ式の同期電動機。
A stator having an armature and a DC exciting coil, a rotor having a field excited by the DC exciting coil, a cylindrical bracket made of a magnetic material, and a bearing member disposed on the axis of the bracket An inner rotor type synchronous motor including an output rotation shaft, wherein the stator is provided on the bracket side, and the rotor is attached to the output rotation shaft on the inner peripheral surface side of the stator.
The armature is attached to each inner surface of the radial armature that is attached to the inner surface of the cylindrical portion of the bracket via a first nonmagnetic support member, and the first end plate and the other second end plate of the bracket. A first axial armature and a second axial armature of the same diameter that are attached coaxially with the output rotation axis as a center, and the three armatures are arranged at the same rotation angle along the circumferential direction, respectively. A plurality of tooth portions, each of which has concentrated windings, and is wound around the tooth portions of the first and second axial armatures among the three tooth portions belonging to the same rotation angle. The axial windings have the same polarity and the radial windings wound around the teeth of the radial armature have opposite polarities, and the above three windings are unit groups, and these are connected in series and / or in parallel. Phase winding,
The field includes a plurality of field iron cores made of a ferromagnetic material, and the nonmagnetic second support member is disposed in a state where the field cores are arranged at a predetermined interval in the circumferential direction of the rotor. Each of the field cores has one radial surface on the outer diameter side facing the radial armature and on both side surfaces along the axial direction of the output rotation shaft. Two axial surfaces, a first axial surface facing the first axial armature and a second axial surface facing the second axial armature;
A radial air gap serving as a magnetic path is provided between the radial surface of each field core and the radial armature. The field core selected arbitrarily is the first, and the odd number of the field cores The first axial surface is provided with a first permanent magnet, and the second axial surface is provided with a second axial air gap that forms a magnetic path between the second axial armature and the second axial armature. A first field salient pole integral with the magnetic core is formed,
A second field collision integral with the field core so that a first axial air gap serving as a magnetic path is formed between the first axial surface of the even numbered field core and the first axial armature. A pole is formed, a second permanent magnet is provided on the second axial surface, and a third permanent magnet is disposed between each of the field cores,
The DC exciting coil includes a first DC exciting coil wound around the output rotation shaft in a first space surrounded by the radial armature, the first axial armature and the bracket, and the radial armature. A second DC exciting coil wound around the output rotation shaft in a second space surrounded by the second axial armature and the bracket,
An exciting magnetic flux generated by the DC exciting coil is generated from either the first axial armature or the second axial armature, the first and second axial air gaps, the radial air gap, the field core and the radial. An inner rotor type synchronous motor characterized by flowing to one of the other axial armatures through a magnetic path including the armature.
電機子と直流励磁コイルとを有するステータと、上記直流励磁コイルにより励磁される界磁を有するロータと、強磁性体からなる固定軸および上記固定軸に軸受部材を介して回転可能に支持された円筒部を含むブラケットとを備え、上記ステータが上記固定軸側に設けられ、上記ロータが上記ブラケット側に設けられ上記ブラケットとともに回転するアウターロータ式の同期電動機において、
上記電機子は、上記固定軸に非磁性体の第1支持部材を介して取り付けられるラジアル電機子と、上記ラジアル電機子の両側において上記固定軸と磁気的に結合した状態で上記固定軸を中心として同軸に配置される同径の第1アキシャル電機子および第2アキシャル電機子とを備え、上記3つの電機子は、それぞれ円周方向に沿って同一の回転角で配置される複数の歯部を有し、上記各歯部には集中巻巻線が施され、同一の回転角に属する3つの歯部うち、上記第1,第2アキシャル電機子の歯部に巻かれるアキシャル巻線は同一極性、上記ラジアル電機子の歯部に巻かれるラジアル巻線は逆極性となるようにし、上記3つの巻線を単位グループとして、これらを直列および/または並列に接続して多相巻線を構成し、
上記界磁は、強磁性体からなる複数個の界磁鉄心を有し、上記各界磁鉄心が上記ロータの円周方向に所定の間隔をもって配置された状態で非磁性体の第2支持部材を介して上記ブラケットの円筒部内面に沿って取り付けられており、上記界磁鉄心の各々は、上記ラジアル電機子と対向する内径側の1つのラジアル面を有するとともに、上記固定軸の軸方向に沿った両側面に上記第1アキシャル電機子と対向する第1アキシャル面と上記第2アキシャル電機子と対向する第2アキシャル面の2つのアキシャル面を有し、
上記各界磁鉄心のラジアル面と上記ラジアル電機子との間には磁路となるラジアルエアギャップが設けられ、任意に選択される上記界磁鉄心を1番目として、奇数番目の上記界磁鉄心の上記第1アキシャル面には第1永久磁石が設けられているとともに、上記第2アキシャル面には上記第2アキシャル電機子との間に磁路となる第2アキシャルエアギャップが生ずるように上記界磁鉄心と一体の第1界磁突極が形成されており、
偶数番目の上記界磁鉄心の上記第1アキシャル面には上記第1アキシャル電機子との間に磁路となる第1アキシャルエアギャップが生ずるように上記界磁鉄心と一体の第2界磁突極が形成されているとともに、上記第2アキシャル面には第2永久磁石が設けられており、かつ、上記各界磁鉄心の間にはそれぞれ第3永久磁石が配置されており、
上記直流励磁コイルは、上記ラジアル電機子、上記第1アキシャル電機子および上記固定軸で囲まれる第1空間内において上記固定軸の一端側に巻回される第1直流励磁コイルと、上記ラジアル電機子、上記第2アキシャル電機子および上記固定軸で囲まれる第2空間内において上記固定軸の他端側に巻回される第2直流励磁コイルとを備え、
上記直流励磁コイルにより発生する励磁磁束が上記第1アキシャル電機子もしくは上記第2アキシャル電機子のいずれか一方から上記第1,第2アキシャルエアギャップ、上記ラジアルエアギャップ、上記界磁鉄心および上記ラジアル電機子を含む磁路を介していずれか他方のアキシャル電機子へと流れるようにしたことを特徴とするアウターロータ式の同期電動機。
A stator having an armature and a DC exciting coil, a rotor having a field magnetized by the DC exciting coil, a fixed shaft made of a ferromagnetic material, and a fixed shaft made of a ferromagnetic material and rotatably supported by a bearing member An outer rotor type synchronous motor provided with a bracket including a cylindrical portion, wherein the stator is provided on the fixed shaft side, and the rotor is provided on the bracket side and rotates together with the bracket.
The armature includes a radial armature attached to the fixed shaft via a non-magnetic first support member, and the fixed shaft is centered on the fixed shaft while being magnetically coupled to the fixed shaft on both sides of the radial armature. As the first axial armature and the second axial armature of the same diameter, and the three armatures each have a plurality of tooth portions arranged at the same rotation angle along the circumferential direction. Concentrated windings are applied to each tooth part, and among the three tooth parts belonging to the same rotation angle, the axial windings wound around the tooth parts of the first and second axial armatures are the same. Polarity, the radial winding wound around the tooth part of the radial armature is of reverse polarity, and the above three windings are grouped and connected in series and / or in parallel to form a multiphase winding And
The field includes a plurality of field iron cores made of a ferromagnetic material, and the nonmagnetic second support member is disposed in a state where the field cores are arranged at a predetermined interval in the circumferential direction of the rotor. And each of the field cores has one radial surface on the inner diameter side facing the radial armature and along the axial direction of the fixed shaft. Two axial surfaces, a first axial surface facing the first axial armature and a second axial surface facing the second axial armature on both side surfaces,
A radial air gap serving as a magnetic path is provided between the radial surface of each field core and the radial armature. The field core selected arbitrarily is the first, and the odd number of the field cores The first axial surface is provided with a first permanent magnet, and the second axial surface is provided with a second axial air gap that forms a magnetic path between the second axial armature and the second axial armature. A first field salient pole integral with the magnetic core is formed,
A second field collision integral with the field core so that a first axial air gap serving as a magnetic path is formed between the first axial surface of the even numbered field core and the first axial armature. A pole is formed, a second permanent magnet is provided on the second axial surface, and a third permanent magnet is disposed between each of the field cores,
The DC excitation coil includes a first DC excitation coil wound around one end of the fixed shaft in a first space surrounded by the radial armature, the first axial armature, and the fixed shaft, and the radial electric machine. A second DC exciting coil wound around the other end of the fixed shaft in a second space surrounded by the child, the second axial armature, and the fixed shaft;
An exciting magnetic flux generated by the DC exciting coil is generated from either the first axial armature or the second axial armature, the first and second axial air gaps, the radial air gap, the field core and the radial. An outer rotor type synchronous motor characterized by flowing to one of the other axial armatures through a magnetic path including the armature.
上記奇数番目の界磁鉄心に設けられる上記第1永久磁石と上記偶数番目の界磁鉄心に設けられる上記第2永久磁石はともにSPM方式の磁石で、上記第1永久磁石がN極で上記第2永久磁石はS極であり、上記直流励磁コイルの励磁磁束により、上記奇数番目の界磁鉄心の上記ラジアル面はS極、上記第1界磁突極はN極に励磁される一方で、上記偶数番目の界磁鉄心の上記ラジアル面はN極、上記第2界磁突極はS極に励磁されることを特徴とする請求項1または2に記載の同期電動機。   The first permanent magnet provided in the odd-numbered field core and the second permanent magnet provided in the even-numbered field core are both SPM type magnets, and the first permanent magnet is N-pole and The two permanent magnets are S poles, and the radial surface of the odd-numbered field iron core is excited to the S pole and the first field salient pole to the N pole by the exciting magnetic flux of the DC exciting coil, 3. The synchronous motor according to claim 1, wherein the radial surface of the even-numbered field iron core is excited to an N pole and the second field salient pole is excited to an S pole. 上記第3永久磁石はIPM方式の磁石で板厚方向に着磁されており、そのN極側が上記偶数番目のラジアル面側、S極が上記奇数番目のラジアル面側となるように配置されることを特徴とする請求項3に記載の同期電動機。   The third permanent magnet is an IPM type magnet, which is magnetized in the thickness direction, and is arranged so that the N pole side is the even-numbered radial surface side and the S pole is the odd-numbered radial surface side. The synchronous motor according to claim 3. 上記第1永久磁石および上記第2永久磁石が省略されている請求項1または2に記載の同期電動機。   The synchronous motor according to claim 1 or 2, wherein the first permanent magnet and the second permanent magnet are omitted. 上記第3永久磁石がさらに省略されている請求項5に記載の同期電動機。   The synchronous motor according to claim 5, wherein the third permanent magnet is further omitted. 風力発電および水力発電用の発電機として用いられ、風車や水車の機械的トルクや出力に応じて上記直流励磁コイルへの通電電流を調整することにより、風力発電および水力発電の電気的出力を制御することを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の同期電動機。   Used as a generator for wind power generation and hydroelectric power generation, and controls the electrical output of wind power generation and hydropower generation by adjusting the energization current to the DC excitation coil according to the mechanical torque and output of the windmill and water turbine. The synchronous motor according to any one of claims 1 to 6, wherein:
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