JP2021072753A - 可変界磁モータ - Google Patents

Abstract

【課題】三相の巻線に流れる交流電流によって界磁ヨークに発生する渦電流損を低減できる可変界磁モータを提供する。【解決手段】この可変界磁モータ１０は、回転可能なシャフト１２と、シャフト１２に固設された円筒状のロータコア１４と、ロータコア１４の外周側に設けられた円筒状のステータコア２０と、ステータコア２０に巻回される三相の巻線２４を有するステータコイル２２と、ステータコア２０の外周側及び側面側に設けられた界磁ヨーク３０と、界磁ヨーク３０とロータコア１４との間に磁気回路を形成することで、ロータコア１４とステータコア２０との間の磁束密度を制御可能な界磁コイル３８と、を備える。界磁ヨーク３０は、巻線２４を挿通するための１つ又は複数の貫通穴４０又は切欠きを有し、貫通穴４０又は切欠きの各々において、挿通された巻線２４の電流の総和がゼロである。【選択図】図１

Description

本発明は、可変界磁モータに関する。

可変界磁モータでは、界磁ヨークからロータコアに向かう磁束を、界磁コイルを用いて制御することで、弱め界磁制御及び強め界磁制御を可能として、トルクの増大と最大回転数の向上を実現することができる（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開２００８−４３０９９号公報 特開２０１２−１８２９４２号公報 特開２０１３−１４３８６３号公報

ところで、ステータコイルのステータコアに巻回される三相の巻線は、外部のインバータ等の電源に接続するためには、可変界磁モータの外に引き出されなくてはならない。しかし、可変界磁モータは外周側及び側面側が界磁ヨークで覆われているため、界磁ヨークに貫通穴を開ける等して巻線を引き出さなくてはならない。特許文献１〜３のいずれにも巻線の引き出し方法については記載がなく、引き出し方法によっては、界磁ヨークで漏れ磁束が発生し、渦電流損が発生してしまうことが判明した。

そこで、本発明では、三相の巻線に流れる交流電流によって界磁ヨークに発生する渦電流損を低減できる可変界磁モータを提供することを目的とする。

本発明の具体例の一つである可変界磁モータは、回転可能なシャフトと、シャフトに固設された円筒状のロータコアと、ロータコアの外周側に設けられた円筒状のステータコアと、ステータコアに巻回される三相の巻線を有するステータコイルと、ステータコアの外周側及び側面側に設けられた界磁ヨークと、界磁ヨークとロータコアとの間に磁気回路を形成することで、ロータコアとステータコアとの間の磁束密度を制御可能な界磁コイルと、を備える。界磁ヨークは、巻線を挿通するための１つ又は複数の貫通穴又は切欠きを有し、貫通穴又は切欠きの各々において、挿通された巻線の電流の総和がゼロであることを特徴とする。

また、各相について、巻線の一端側及び他端側が、同一の貫通穴又は切欠きに挿通されていてもよい。

また、全相の巻線の一端側が一方の貫通穴又は切欠きに挿通され、且つ、全相の巻線の他端側が他方の貫通穴又は切欠きに挿通されていてもよい。

また、全相の巻線の一端側が可変界磁モータの内部で結線され、且つ、全相の巻線の他端側が同一の貫通穴又は切欠きに挿通されていてもよい。

また、全相の巻線の一端側及び他端側が、同一の貫通穴又は切欠きに挿通されていてもよい。

本発明によれば、三相の巻線に流れる交流電流によって界磁ヨークに発生する渦電流損を低減できるので、可変界磁モータの効率を向上させることができる。

本実施形態の一例である可変界磁モータの全体構成を示す軸方向断面図である。 本実施形態の一例である可変界磁モータからの巻線の取り出しの様子を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、実施形態の他の一例における、図２に対応する図である。 （ａ）及び（ｂ）は、比較例の可変界磁モータにおける、図２に対応する図である。 本実施形態の一例である可変界磁モータ、並びに、比較例１及び２に係る可変界磁モータにおいて発生する渦電流損を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

図１は、可変界磁モータ１０の全体構成を示す軸方向断面図である。可変界磁モータ１０は、回転可能なシャフト１２と、シャフト１２に固設された円筒状のロータコア１４と、ロータコア１４の外周側に設けられた円筒状のステータコア２０と、ステータコア２０に巻回される三相の巻線２４を有するステータコイル２２と、ステータコア２０の外周側及び側面側に設けられた界磁ヨーク３０と、界磁ヨーク３０とロータコア１４との間に磁気回路を形成することで、ロータコア１４とステータコア２０との間の磁束密度を制御可能な界磁コイル３８と、を備える。なお、以下では、「軸方向」とはシャフト１２が伸びる方向をいい、「径方向」とは、シャフト１２が伸びる方向と直交する方向をいう。また、「外周側」とは径方向においてシャフト１２から離れる方向をいい、「内周側」とは、径方向においてシャフト１２に近づく方向をいう。また、「側面」とは、軸方向における可変界磁モータ１０の端面をいう。

シャフト１２は、丸棒状の出力軸であり、シャフト１２の周囲にロータコア１４が固定されている。ロータコア１４は、電磁鋼板や圧粉磁粉などの磁性体で構成され、全体として円筒状である。本実施形態では、磁極を構成する磁石１６が外周に近い位置に複数配置されている。磁石１６は、永久磁石であり、ロータコア１４に固定されている。磁石１６は、例えば、Ｎ極がロータコア１４の外周側に向けられ、Ｓ極がロータコア１４の内周側に向けられるように配置されてもよい。磁石１６は、省略可能であり、例えば、界磁コイル３８によってロータコア１４のステータコア２０に対向する凸極部にＮ極を発生させてもよい。また、上記例において、Ｎ極とＳ極とを入れ替えてもよい。

図１において、ロータコア１４の周囲には、円環状のステータコア２０が所定の間隙（ギャップ）を介しロータコア１４を取り囲むように配置されている。ステータコア２０は、外周側に位置する円環状のステータヨークと、ステータヨークから内周側に伸びる複数のティースを含む。ティースは周方向に一定の間隔をおいて形成されており、隣接する２つのティースの間がスロットになっている。そして、このスロットを利用して、ステータコイル２２がティースに巻回される。

図１において、ステータコイル２２は三相の巻線２４を有し、三相の巻線２４はＵ相巻線２４Ｕ、Ｖ相巻線２４Ｖ、及びＷ相巻線２４Ｗから構成される。なお、以下において、Ｕ相巻線２４Ｕ、Ｖ相巻線２４Ｖ、及びＷ相巻線２４Ｗの一端側を、各々、Ｕ相巻線２４Ｕ＋、Ｖ相巻線２４Ｖ＋、Ｗ相巻線２４Ｗ＋といい、他端側を各々、Ｕ相巻線２４Ｕ−、Ｖ相巻線２４Ｖ−、Ｗ相巻線２４Ｗ−という。巻線２４の一端側（Ｕ相巻線２４Ｕ＋、Ｖ相巻線２４Ｖ＋、Ｗ相巻線２４Ｗ＋）は、インバータ等の電源に接続される。また、巻線２４の他端側（Ｕ相巻線２４Ｕ−、Ｖ相巻線２４Ｖ−、Ｗ相巻線２４Ｗ−）は、結線され中性点となる。電源は、ロータコア１４を回転させるための磁界を発生させる電流成分を巻線２４の他端側に供給する。巻線２４は、後述する界磁ヨーク３０に設けられた貫通穴４０を通って、界磁ヨーク３０の内側から外側に取り出される。

図１において、ステータコア２０には、界磁ヨーク３０が接続されている。この界磁ヨーク３０は、ステータコア２０から軸方向両側に伸びる円環状の外壁部３２と、内周側に伸びるドーナツ板状の側壁部３４と、側壁部３４からロータコア１４の軸方向端面に向かって伸びる円環状の内壁部３６を含む。内壁部３６の先端部は、ロータコア１４の軸方向端面と対向している。そして、内壁部３６と側壁部３４の交差部の内側に界磁コイル３８が配置され、この界磁コイル３８に電流を流すことによって、界磁ヨーク３０が磁化され、弱め界磁、強め界磁などの制御が可能となっている。なお、界磁コイル３８が配置される位置は、界磁ヨーク３０を磁化できればよいので、図１の例に限定されない。界磁ヨーク３０は、内壁部３６の中心側が軸受け４２を介してシャフト１２に接しており、シャフト１２に回転可能に支持されている。

図１において、界磁ヨーク３０は、巻線２４を挿通するための貫通穴４０を有し、貫通穴４０の各々において、挿通された巻線２４の電流の総和がゼロである。これにより、三相の巻線２４に流れる交流電流によって界磁ヨーク３０に発生する渦電流損を低減できる。可変界磁モータ１０の外側に存在する電源にステータコイル２２を接続するために、界磁ヨーク３０に貫通穴４０を設け、貫通穴４０に巻線２４を挿通させることで巻線２４を外部に取り出す必要がある。しかし、上述のように、界磁コイル３８により、ロータコア１４及び界磁ヨーク３０には磁気回路が形成されており、界磁ヨーク３０に設けた穴を挿通する巻線２４によって渦電流が生じると、当該磁気回路が悪影響を受けてしまう。よって、貫通穴４０の各々において、挿通された巻線２４の電流の総和がゼロとすることで、磁気回路への悪影響を小さくすることができる。図１においては、貫通穴４０は、外壁部３２に設けられているが、側壁部３４に設けられていてもよい。貫通穴４０の個数は、貫通穴４０の各々において挿通された巻線２４の電流の総和がゼロになるように設計できれば特に限定されず、例えば、３つであり、１つでも２つでもよい。また、貫通穴４０の断面形状は、巻線２４を挿通できれば特に限定されないが、例えば、矩形や円形である。また、貫通穴４０の大きさは、巻線２４が挿通できる大きさであれば特に限定されない。なお、貫通穴４０は、切欠き４０であってもよい。ここで、本願明細書において、貫通穴４０とは、界磁ヨーク３０のステータコア２０と接続する部分以外に設けられた穴をいい、切欠き４０とは、界磁ヨーク３０のステータコア２０と接続する部分に設けられた穴をいう。

図１においては、界磁ヨーク３０は、ステータコア２０に対しての軸方向の両側に軸方向に伸びるように接続していたが、外周側からステータコア２０を取り囲んでもよい。

次に、図２を参照しつつ、可変界磁モータ１０からの巻線２４の取り出しの例について説明する。なお、以下の図２〜図４では、シャフト１２の図示を省略している。図２において、ステータコア２０の軸方向の両側に界磁ヨーク３０が接続されており、一方の界磁ヨーク３０には３つの切欠き４０が設けられている。

各相について、巻線２４の一端側及び他端側が、同一の切欠き４０に挿通されている。具体的には、右端の切欠き４０ａにはＵ相巻線２４Ｕ＋及びＵ相巻線２４Ｕ−が挿通され、中央の切欠き４０ｂにはＶ相巻線２４Ｖ＋及びＶ相巻線２４Ｖ−が挿通され、左端の切欠き４０ｃにはＷ相巻線２４Ｗ＋及びＷ相巻線２４Ｗ−が挿通されている。可変界磁モータ１０の外部において、巻線２４の一端側（Ｕ相巻線２４Ｕ＋、Ｖ相巻線２４Ｖ＋、Ｗ相巻線２４Ｗ＋）はインバータ等の電源に接続され、巻線２４の他端側（Ｕ相巻線２４Ｕ−、Ｖ相巻線２４Ｖ−、Ｗ相巻線２４Ｗ−）は結線される。そのため、切欠き４０ａ〜４０ｃにおいては、各々、２本の巻線２４の各々を中心とした渦状の磁束が発生するが、当該２本の巻線２４の電流の流れる向きが逆であり、且つ、位相が揃っているので、電流の総和がゼロとなり、渦状の磁束が打ち消し合って渦電流を生じない。なお、３つの切欠き４０ａ〜４０ｃの位置やいずれの切欠き４０にＵ相巻線２４Ｕ、Ｖ相巻線２４Ｖ、Ｗ相巻線２４Ｗを挿通するかは、図２の例に限定されず、各相の巻線２４のペア（＋及び−）が同じ切欠き４０又は貫通穴４０に挿通されている限りは特に限定されない。

次に、図３（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ、可変界磁モータ１０からの巻線２４の取り出しの他の例について説明する。図３（ａ）〜（ｃ）のいずれにおいても、図２と同様に、ステータコア２０の軸方向の両側に界磁ヨーク３０が接続されており、一方の界磁ヨーク３０には１つ又は２つの切欠き４０が設けられている。図３（ａ）〜（ｃ）のいずれにおいても、以下に説明するように、切欠き４０の各々において、挿通された巻線２４の電流の総和がゼロになっている。

図３（ａ）においては、全相の巻線２４の一端側（Ｕ相巻線２４Ｕ＋、Ｖ相巻線２４Ｖ＋、Ｗ相巻線２４Ｗ＋）が一方の切欠き４０ａに挿通され、且つ、全相の巻線２４の他端側（Ｕ相巻線２４Ｕ−、Ｖ相巻線２４Ｖ−、Ｗ相巻線２４Ｗ−）が他方の切欠き４０ｂに挿通されている。これにより、三相の巻線２４に流れる交流電流によって界磁ヨーク３０に発生する渦電流損を低減できる。切欠き４０ａ及び４０ｂにおいては、各々、３本の巻線２４の各々を中心とした渦状の磁束が発生するが、当該３本の巻線２４の電流の流れる向きが同じであり、且つ、位相が１２０°ずつずれているので、電流の総和がゼロとなり、渦状の磁束が打ち消し合って渦電流を生じない。

図３（ｂ）においては、全相の巻線２４の他端側（Ｕ相巻線２４Ｕ−、Ｖ相巻線２４Ｖ−、Ｗ相巻線２４Ｗ−）が可変界磁モータ１０の内部で結線され、且つ、全相の巻線２４の一端側（Ｕ相巻線２４Ｕ＋、Ｖ相巻線２４Ｖ＋、Ｗ相巻線２４Ｗ＋）が同一の切欠き４０に挿通されている。これにより、三相の巻線２４に流れる交流電流によって界磁ヨーク３０に発生する渦電流損を低減できる。切欠き４０においては、３本の巻線２４の各々を中心とした渦状の磁束が発生するが、当該３本の巻線２４の電流の流れる向きが同じであり、且つ、位相が１２０°ずつずれているので、電流の総和がゼロとなり、渦状の磁束が打ち消し合って渦電流を生じない。

図３（ｃ）においては、全相の巻線２４の一端側（Ｕ相巻線２４Ｕ＋、Ｖ相巻線２４Ｖ＋、Ｗ相巻線２４Ｗ＋）及び他端側（Ｕ相巻線２４Ｕ−、Ｖ相巻線２４Ｖ−、Ｗ相巻線２４Ｗ−）が、同一の切欠き４０に挿通されている。これにより、三相の巻線２４に流れる交流電流によって界磁ヨーク３０に発生する渦電流損を低減できる。切欠き４０においては、６本の巻線２４の各々を中心とした渦状の磁束が発生するが、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相のいずれにおいても、各相の巻線２４のペアが同じ切欠き４０に挿通されれば図２に示した例のように相互に渦状の磁束を打ち消し合うので、この場合においても過電流を生じない。

図４（ａ）は、比較例１とした可変界磁モータにおける巻線の取り出しの様子を示す斜視図であり、図４（ｂ）は、比較例２とした可変界磁モータにおける巻線の取り出しの様子を示す斜視図である。図４（ａ）及び（ｂ）において、図２と同様に、ステータコア２０の軸方向の両側に界磁ヨーク３０が接続されている。図４（ａ）の可変界磁モータの一方の界磁ヨーク３０には、３つの切欠き４０ａ〜４０ｃが設けられている。右端の切欠き４０ａにはＵ相巻線２４Ｕ＋及びＶ相巻線２４Ｖ−が挿通され、中央の切欠き４０ｂにはＷ相巻線２４Ｗ＋及びＶ相巻線２４Ｖ−が挿通され、左端の切欠き４０ｃにはＶ相巻線２４Ｖ＋及びＷ相巻線２４Ｗ−が挿通されている。また、図４（ｂ）の可変界磁モータの一方の界磁ヨーク３０には、４つの切欠き４０ａ〜４０ｄが設けられている。右端の切欠き４０ａにはＵ相巻線２４Ｕ＋のみが挿通され、中央右側の切欠き４０ｂにはＶ相巻線２４Ｖ＋及びＵ相巻線２４Ｕ−が挿通され、中央左側の切欠き４０ｃにはＷ相巻線２４Ｗ＋及びＶ相巻線２４Ｖ−が挿通され、左端の切欠き４０ｄにはＷ相巻線２４Ｗ−のみが挿通されている。

図５は、図２に示した可変界磁モータ１０を実施例として、図４（ａ）及び（ｂ）に示した比較例１及び２と、界磁ヨーク３０及びステータコア２０で発生する渦電流損を比較した図である。図５の計算は、電磁界解析ソフトＪＭＡＧ−Ｄｅｓｉｇｎｅｒで、界磁ヨーク３０、ステータコア２０、三相巻線２４をモデル化して行った。

図５に示すように、比較例１及び２に係る可変界磁モータに比較して、実施例に係る可変界磁モータ１０では、渦電流損を小さくすることができる。

以上より、本発明に係る可変界磁モータによれば、三相の巻線に流れる交流電流によって界磁ヨークに発生する渦電流損を低減できることがわかる。

１０ 可変界磁モータ、１２ シャフト、１４ ロータコア、１６ 磁石、２０ ステータコア、２２ ステータコイル、２４ 巻線、２４Ｕ Ｕ相巻線、２４Ｕ＋ Ｕ相巻線の一端側、２４Ｕ− Ｕ相巻線の他端側、２４Ｖ Ｖ相巻線、２４Ｖ＋ Ｖ相巻線の一端側、２４Ｖ− Ｖ相巻線の他端側、２４Ｗ Ｗ相巻線、２４Ｗ＋ Ｗ相巻線の一端側、２４Ｗ− Ｗ相巻線の他端側、３０ 界磁ヨーク、３２ 外壁部、３４ 側壁部、３６ 内壁部、３８ 界磁コイル、４０ 貫通穴（切欠き）、４２ 軸受け

Claims (5)

1. 回転可能なシャフトと、
   前記シャフトに固設された円筒状のロータコアと、
   前記ロータコアの外周側に設けられた円筒状のステータコアと、
   前記ステータコアに巻回される三相の巻線を有するステータコイルと、
   前記ステータコアの外周側及び側面側に設けられた界磁ヨークと、
   前記界磁ヨークと前記ロータコアとの間に磁気回路を形成することで、前記ロータコアと前記ステータコアとの間の磁束密度を制御可能な界磁コイルと、を備え、
   前記界磁ヨークは、前記巻線を挿通するための１つ又は複数の貫通穴又は切欠きを有し、
   前記貫通穴又は切欠きの各々において、挿通された前記巻線の電流の総和がゼロである、可変界磁モータ。
2. 各相について、前記巻線の一端側及び他端側が、同一の前記貫通穴又は切欠きに挿通されている、請求項１に記載の可変界磁モータ。
3. 全相の前記巻線の一端側が一方の前記貫通穴又は切欠きに挿通され、且つ、全相の前記巻線の他端側が他方の前記貫通穴又は切欠きに挿通されている、請求項１に記載の可変界磁モータ。
4. 全相の前記巻線の一端側が可変界磁モータの内部で結線され、且つ、全相の前記巻線の他端側が同一の前記貫通穴又は切欠きに挿通されている、請求項１に記載の可変界磁モータ。
5. 全相の前記巻線の一端側及び他端側が、同一の前記貫通穴又は切欠きに挿通されている、請求項１に記載の可変界磁モータ。
   

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