JP3598625B2 - Synchronous rotating electric machine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は同期回転電機に関し、特にそのトルク発生効率を向上させて小型軽量化を実現した同期回転電機の構造改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
図4には同期回転電機の破断縦断面図を示し、図5にはその横断面図を示す。図において、筒状のハウジング1は両開口がエンドフレーム11、12で閉鎖されており、この閉鎖空間の中心に回転軸2が配設されている。回転軸2は両端を、各エンドフレーム11、12の中心に設けたベアリングにより回転自在に支持されている。
【0003】
回転軸2の中央外周には電磁鋼板を積層して円柱形としたロータ3が固定され、このロータ3には内部に、周方向へ等しい間隔をおいて4つの板状永久磁石4A〜4Dが埋設されている。各永久磁石4A〜4Dは断面長手方向をロータ周方向へ向けて位置し、外周側の各面が交互に異なる磁極となっている。各永久磁石4A〜4Dの両端には、ロータ3の外周方向へ長方形状に延びて漏れ磁束を制限する貫通孔41が形成されている。なお、ロータ3は、その両端面に接するように回転軸2外周に打ち込まれた端板31、32に貫通ボルトを締結して固定されている。
【0004】
上記ロータ3の外周と小間隙をなして、リング状のステータ5がハウジング1の内周に固定されており、ステータコア51の内周に等間隔で形成したスロット内に三相のステータコイル52が公知の構造で巻回されている。このステータコイル52に図略のインバータ回路から所定周波数の三相交流電流を供給することにより回転磁界が生じ、この回転磁界に同期してロータ3(および回転軸2)が回転する。
【0005】
このような構造の回転電機のトルク特性を図6に示し、図は永久磁石の主磁束方向dmに対するステータ電流の位相角(電気角)δを横軸にとったものである。ここで、回転電機の総合トルクTtは、主磁束によるトルクTmとリラクタンストルクTrの和となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
図より明らかなように、主磁束トルクTmは位相角δが0°で最大になるのに対して、リラクタンストルクTrは45°で最大となり、このため両者の和である総合トルクTtは位相角δが30°付近で最大となる。
したがって、回転電機の最大トルクを引き出すためには、位相角δの値を精密に検出するためのレゾルバやエンコーダ等の回転センサが必要であるとともに、比較的複雑な制御を要する。その上、総合トルクTtの最大値は主磁束トルクTmの最大値とリラクタンストルクTrの最大値の和よりも小さな値になるという問題がある。
【0007】
なお、例えば特開平7−143694号公報には、ロータの外周に突極を形成してリラクタンストルクが最大となる位相角δを変更可能としたものが示されているが、これによると、主磁束φが大幅に減少するため、発生トルクが減殺されるおそれがある。本発明は上記課題を解決するもので、ロータの外周形状に変更を加えることなく、安価かつ簡単な制御で効率的なトルク発生を可能とした同期回転電機を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明では、ロータ(3)の一部に、磁気抵抗の分布を各磁極(4A〜4D)の主磁束方向軸(dm)に対して非対称とするような空隙(33)を設ける。この空隙によって、リラクタンストルクが最大を示す位相角(θ)が変化する。このため、主磁束方向軸に対するステータ電流の位相角(δ)を適当に選択することにより従来に比して大きな出力トルクを得ることができる。
【0009】
請求項2に記載の発明では、空隙(33)は、主磁束方向軸(dm)を中心にロータ周方向へ偏在して複数形成されている。空隙の偏在量を変更することによりリラクタンストルクが最大を示す位相角(θ)を調整することができる。請求項3に記載の発明では、複数の空隙(33)のそれぞれは、各磁極(4A〜4D)の主磁束(φ)の方向に沿った長孔状断面をなして形成されている。長孔状の空隙は磁極の主磁束方向に沿って形成されているから、主磁束の抵抗とはならず、主磁束を弱めることはない。
【0010】
請求項4に記載の発明では、主磁束方向軸(dm)に対して、磁気抵抗が最大を示す方向の軸(dr)のなす位相角(θ)が電気角で45°となるように、空隙(33)を分布させる。上記位相角(θ)を45°にすると、リラクタンストルク(Tr)は主磁束トルクTmと同様にステータ電流の位相角δが0°で最大を示し、総合トルクTtはステータ電流の大きさに影響されない。したがって、精度の高いロータ位置の検出や、ステータ電流と位相角δのマップ等を必要とすることなく、簡易かつ安価な制御で、最大の出力トルクを得ることができる。また、請求項5に記載の発明では、請求項1に記載の発明において、空隙(33)は、主磁束方向軸(dm)よりロータ(3)の回転方向のみに設けられる。
【0011】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図1には同期回転電機の横断面図を示し、ロータ3とその周囲に位置するステータの構造は既に説明した従来のものと同一で、同一部分には同一符号を付する。以下は従来との相違点のみを説明する。
【0012】
図において、板状の各永久磁石4A〜4Dは断面長手方向を周方向へ向けて、周方向の4か所に等間隔で貫通埋設されている。このうち、永久磁石4A〜4Dの主磁束φの経路を矢印で示す。図中dmは永久磁石4Aの中央を通るこれに垂直な軸で、このdm軸に沿う方向が主磁束方向(最も磁束密度の高い方向)となっている。
【0013】
図示のロータ3内には、上記dm軸より、ロータ回転方向にある貫通孔41に至るまでの外周領域に、ロータ3の両端面(紙面の垂直方向にある面)へ開口する長孔状の貫通空隙33が間隔をおいて複数形成されており、これら貫通空隙33の長手方向は主磁束φの経路に沿ったものとなっている。これら貫通空隙33は、ロータ3を構成する各電磁鋼板にプレスで長孔を打ち抜き、積層することにより形成される。貫通空隙33の幅は主磁束φを弱めないためには小さくするのが良く、このような貫通空隙33は、他の各永久磁石4B〜4Dについても同様に形成されている。
【0014】
なお、図のqm軸は磁束密度が最小となる方向の軸であり、dm軸に対して電気角が90°となる方向の軸である。図の回転電機は4極であるから、qm軸の機械的角度は45°である。また、dr軸は磁気抵抗が最大となる方向の軸、qrは磁気抵抗が最小となる方向の軸である。
ここで、従来技術で既に説明した、dm軸に対するステータ電流の位相角をδとすると、主磁束トルクTmは数式1で表される。
【0015】
【数1】
Tm=Pn(φa×Ia×cosδ)
ここで、Pnは極対数、φa=√3/2φ(φは1極当たりの磁束量)、Iaはステータ線電流である。
また、リラクタンストルクTrは数式2で表される。
【0016】
【数2】
Tr=Pn{1/2(Lqr−Ldr)×Ia2 ×sin2(δ+θ)}
ここで、Ldrはdr方向のインダクタンス、Lqrはqr方向のインダクタンス である。
位相角θは上記貫通空隙33の分布を変更すると、これに応じて変化する。例えば、貫通空隙33をdm軸から離れた貫通孔41に近い領域にのみ形成すると位相角θは小さくなり、反対に、貫通空隙33をdm軸を越えた広い領域に形成すると位相角θは大きくなる。したがって、位相角θが45°に近づくように貫通空隙33の形成領域を変更して、各位相角θにおける位相角δを適当に選択すると、同一のステータ線電流Iaに対して従来よりも大きな総合トルクTtを得ることができる。
【0017】
特に位相角θを45°にすると、リラクタンストルクTrは位相角δに対して図2のような変化を示し、この場合は、主磁束トルクφと同様に位相角δは0°の時にその最大値を示す。総合トルクTtは主磁束トルクTmとリラクタンストルクTrの和であるから、結局、δ=0(°)で総合トルクTtは両トルクTm、Trの最大値の和となって、同一ステータ線電流Iaに対して最も大きなトルクを得ることができる。
【0018】
これは、同一トルクを得るのであれば回転電機の小型軽量化が可能であることを意味する。また、ステータ線電流Iaの値に無関係にδ=0で最大トルクが得られるから、高効率駆動のために線電流Iaとδのマップ等を作成する必要がないから制御が簡易であるとともに、δの値を精密に検出するためのエンコーダやレゾルバ等の高価な回転センサを必要としないからコストダウンも実現される。
【0019】
さらに、δ=0で駆動できるから、主磁束の分布への影響が最小限となり、電圧波形の歪みが少ないので、センサレス駆動においてロータ位置の検出を精度良く行うことができる。また、弱め界磁による減磁も生じない。
なお、貫通空隙33は上記のように最大トルクを得るのに寄与するとともに、漏れ磁束φl(図1)は貫通空隙33を横切って通るから、その低減にも寄与する。
(第2実施形態)
図3において、ロータ2内に周方向等間隔で4か所に埋設された永久磁石4A〜4Dは、その断面長手方向がロータ2の径方向に向いている。各永久磁石4A〜4Dは周方向で対向する側面が互いに同極に着磁されており、この場合の主磁束方向は隣り合う永久磁石4A〜4Dの対称軸dmに沿った方向となっている。本実施形態では、このdm軸より、ロータ回転方向にある永久磁石4Bに至るまでのロータ内に、複数の長孔状の貫通空隙33が形成され、これら貫通空隙33の長手方向は、矢印で示す主磁束の経路に沿ったものとなっている。このような貫通空隙は他の永久磁石4B〜4Dにも同様に形成されている。
【0020】
このような構造によっても、上記第1実施形態と同様の効果が得られる。
(他の実施形態)
なお、上記第2実施形態において、漏れ磁束を低減するために、回転軸2の周囲と永久磁石4A〜4Dの長手方向の端部に間隙42が設けられているが、ロータ強度を上げるために、これら間隙42にアルミダイキャスト材を流し込むと良い。
【0021】
また、この時、貫通空隙33にもアルミダイキャスト材を流し込めば、ロータ強度は更に向上する。このことは、上記第1実施形態においても同様である。
上記各実施形態では、磁極を永久磁石により形成したが、電磁コイルにより形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態における、同期回転電機の横断面図である。
【図2】本発明の第1実施形態における、同期回転電機のトルク特性を示す図である。
【図3】本発明の第2実施形態における、同期回転電機の横断面図である。
【図4】従来の同期回転電機の破断縦断面図である。
【図5】従来の同期回転電機の横断面図で、図4のV −V 線に沿った断面図である。
【図6】従来の同期回転電機のトルク特性を示す図である。
【符号の説明】
3…ロータ、33…貫通空隙、4A、4B、4C、4D…永久磁石、
5…ステータ、dm…主磁束方向軸、dr…磁気抵抗が最大を示す方向の軸、
θ…位相角。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a synchronous rotating electric machine, and more particularly to an improvement in the structure of a synchronous rotating electric machine that achieves a reduction in size and weight by improving its torque generation efficiency.
[0002]
[Prior art]
FIG. 4 shows a cutaway longitudinal sectional view of the synchronous rotating electric machine, and FIG. 5 shows a transverse sectional view thereof. In the figure, a
[0003]
A
[0004]
A ring-
[0005]
FIG. 6 shows the torque characteristics of the rotating electric machine having such a structure, in which the horizontal axis represents the phase angle (electric angle) δ of the stator current with respect to the main magnetic flux direction dm of the permanent magnet. Here, the total torque Tt of the rotating electric machine is the sum of the torque Tm due to the main magnetic flux and the reluctance torque Tr.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As is apparent from the figure, the main magnetic flux torque Tm becomes maximum when the phase angle δ is 0 °, while the reluctance torque Tr becomes maximum when the phase angle δ is 45 °. δ becomes maximum around 30 °.
Therefore, in order to extract the maximum torque of the rotating electric machine, a rotation sensor such as a resolver or an encoder for accurately detecting the value of the phase angle δ is required, and relatively complicated control is required. In addition, there is a problem that the maximum value of the total torque Tt is smaller than the sum of the maximum value of the main magnetic flux torque Tm and the maximum value of the reluctance torque Tr.
[0007]
Incidentally, for example, JP-A-7-143694, although the reluctance torque to form a salient pole on the outer periphery of the rotor that has been shown that a possible change the phase angle δ having the maximum, according to this, the main Since the magnetic flux φ is greatly reduced, the generated torque may be reduced. An object of the present invention is to provide a synchronous rotating electric machine that can efficiently generate torque with low cost and simple control without changing the outer peripheral shape of a rotor.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the invention described in
[0009]
In the invention described in
[0010]
According to the fourth aspect of the present invention, the phase angle (θ) formed by the axis (dr) in the direction in which the magnetic resistance is maximum with respect to the main magnetic flux direction axis (dm) is 45 ° in electrical angle. Distribute the voids (33). When the phase angle (θ) is set to 45 °, the reluctance torque (Tr) shows the maximum when the phase angle δ of the stator current is 0 ° as in the case of the main magnetic flux torque Tm, and the total torque Tt affects the magnitude of the stator current. Not done. Therefore, the maximum output torque can be obtained with simple and inexpensive control without requiring a highly accurate rotor position detection or a map of the stator current and the phase angle δ. According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect, the air gap (33) is provided only in the rotation direction of the rotor (3) from the main magnetic flux direction axis (dm).
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(1st Embodiment)
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the synchronous rotating electric machine. The structures of a
[0012]
In the figure, each of the plate-shaped
[0013]
In the illustrated
[0014]
The qm axis in the figure is the axis in the direction in which the magnetic flux density is minimum, and is the axis in the direction in which the electrical angle is 90 ° with respect to the dm axis. Since the rotating electric machine shown has four poles, the mechanical angle of the qm axis is 45 °. The dr axis is the axis in the direction in which the magnetic resistance is maximum, and qr is the axis in the direction in which the magnetic resistance is minimum.
Here, assuming that the phase angle of the stator current with respect to the dm axis, which has already been described in the related art, is δ, the main magnetic flux torque Tm is expressed by
[0015]
(Equation 1)
Tm = Pn (φa × Ia × cosδ)
Here, Pn is the number of pole pairs, φa = √3 / 2φ (φ is the amount of magnetic flux per pole), and Ia is the stator line current.
Further, the reluctance torque Tr is represented by
[0016]
(Equation 2)
Tr = Pn {1/2 (Lqr-Ldr) × Ia 2 × sin2 (δ + θ)}
Here, Ldr is the inductance in the dr direction, and Lqr is the inductance in the qr direction.
The phase angle θ changes according to the change of the distribution of the through
[0017]
In particular, when the phase angle θ is 45 °, the reluctance torque Tr changes as shown in FIG. 2 with respect to the phase angle δ. In this case, like the main magnetic flux torque φ, when the phase angle δ is Indicates a value. Since the total torque Tt is the sum of the main magnetic flux torque Tm and the reluctance torque Tr, at δ = 0 (°), the total torque Tt becomes the sum of the maximum values of the two torques Tm and Tr. , The largest torque can be obtained.
[0018]
This means that if the same torque is obtained, the rotating electric machine can be reduced in size and weight. In addition, since the maximum torque is obtained at δ = 0 regardless of the value of the stator line current Ia, it is not necessary to create a map of the line currents Ia and δ for high-efficiency driving, so that the control is simple and Since an expensive rotation sensor such as an encoder or a resolver for accurately detecting the value of δ is not required, the cost can be reduced.
[0019]
Further, since the drive can be performed at δ = 0, the influence on the distribution of the main magnetic flux is minimized, and the distortion of the voltage waveform is small, so that the rotor position can be accurately detected in the sensorless drive. Also, no demagnetization due to the field weakening occurs.
In addition, the through
(2nd Embodiment)
In FIG. 3,
[0020]
With such a structure, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
(Other embodiments)
In the second embodiment, the
[0021]
At this time, if an aluminum die-cast material is poured into the through
In each of the above embodiments, the magnetic pole is formed by a permanent magnet, but may be formed by an electromagnetic coil.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a synchronous rotating electric machine according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating torque characteristics of the synchronous rotating electric machine according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a synchronous rotating electric machine according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cutaway longitudinal sectional view of a conventional synchronous rotating electric machine.
FIG. 5 is a cross-sectional view of the conventional synchronous rotating electric machine taken along line VV of FIG. 4;
FIG. 6 is a diagram illustrating torque characteristics of a conventional synchronous rotating electric machine.
[Explanation of symbols]
3 ... rotor, 33 ... through gap, 4A, 4B, 4C, 4D ... permanent magnet,
5 ... stator, dm ... main magnetic flux direction axis, dr ... axis in the direction in which the magnetic resistance shows the maximum,
θ: phase angle.
Claims (5)
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