JP4212983B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、エレベータやエアコン、車載用等種々の機器に回転動力や電力を供給するために用いられている電動機や発電機などの回転電機に関するものであり、特に永久磁石式回転電機をインバータ等の周波数可変装置を用いて可変速運転を行う回転電機に係るものである。

従来より永久磁石式回転電機のロータの円滑な回転を確保するため多くの技術が示されている。その１つとして永久磁石を回転方向に所定間隔おいて埋設した複数の分割筒状体を備え、これら分割筒状体をそれぞれの磁極が、回転方向にずらした状態で軸線方向に積層した構造、いわゆる複数段のロータをそれぞれ位相差を有して固定することが示されている（例えば、特許文献１）。
また、他の１つとして、ロータの永久磁石を所定の角度にスキュー着磁および段スキューすることが示されている（例えば、特許文献２）。

特開２０００−３０８２８６号公報（図２，００１２欄） 特公第２６３６１０８号公報（図４，請求項１）

最近の技術進歩は、永久磁石式回転電機のゴギングトルク低減と共に、トルクリップルの低減も要求されてきている。しかしながら上記特許文献１、２に示された手法では、固定の角度を有してスキュー着磁および段スキューを施しているが、ゴギングトルク、トルクリップルのいずれか一方を低減することができても、他の一方を低減することはできない。この発明の第１の目的は上記ゴギングトルク、トルクリップルの双方の低減を行うことにある。

この発明に係る回転電機は、ステータは、ロータと対向する軸方向に複数個に分割されているとともに、円周方向に移動可能な構成を備えており、さらに各ステータにはコイルが設けられており、ロータは永久磁石式とするものであり、回転電機の運転中に、複数個のステータの相対角度を変化させることによって、回転電機のゴギングトルク、トルクリップルの双方を低減するものである。

この発明の回転電機は、複数個のステータの相対角度が、コイル電流に応じて変化するので、ゴギングトルクやトルクリップルを低減することができる。

実施の形態１．
実施の形態の理解の一助として、永久磁石式回転電機のゴギングトルクおよびトルクリップルについて述べる。
このゴギングトルク、トルクリップルは、スムーズな回転の妨げになるとともに、トルクリップルは騒音や振動の原因となることがある。ゴギングトルクは、永久磁石式回転電機特有の無通電時のトルク振動であり、ｐ極ｑスロットの永久磁石式回転電機であれば、一周回転させるとｐとｑの最小公倍数の周波数の波形が得られる。そのため、スキューでゴギングトルクを低減する場合には、３６０／（ｐとｑの最小公倍数）度分スキューすると特許文献１に記載されている。具体的には、４極６スロットの永久磁石式回転電機では、最小公倍数は１２となるため、スキュー角度は３０度が最適である。
次にトルクリップルについて説明する。トルクリップルは通電時のトルク脈動であり、飽和によるものが大きい。ｐ極ｑスロットの場合、１周でｐ／２×ｎの周波数の波形が得られる（ここで、ｎは１以外の奇数である）。この場合特にｎ＝５のものが最も大きく、トルクリップルの主因と言ってもよい。そのためトルクリップルの低減には、ｐ／２×５の周波数を低減させることが最も効果的である。
そこで３６０／（ｐ／２×５）度分スキューするのがよい。具体的には４極６スロットの場合、スキュー角度は３６度が最適である。以上のことから、例えば４極６スロットの永久磁石式回転電機の場合、ゴギングトルクを最小とするスキュー角度は３０度が最適であり、トルクリップルを最小とするスキュー角度は３６度が最適である。ところが先に示した特許文献１、２では、このいずれかの角度、もしくは両者が適度に低減される角度に「固定」されている。そのためゴギングトルクおよびトルクリップル双方を低減することはできない。

かかる課題から、本実施の形態１では複数個のステータを用いて、それらの相対角度を運転中に変更することで、ゴギングトルク、トルクリップルの双方とも低減しようとするものである。
以下、実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１において、永久磁石式回転電機１００は、シャフト５に固定されたロータ３に対向して軸方向に２分割された第１のステータ１と、第２のステータ２を備えている。この第１、第２のステータ１、２はそれぞれコイル４が設けられており、軸方向外部にコイルエンド４ａが存在している。
このステータ１、２の側面図を図２（ａ）（ｂ）に示す。図２から判るように、例えばＵ相巻線４は、第１のステータ１と第２のステータ２とでは、異なる位相角α、βを有するよう、前記第１、第２のステータ１、２を円周方向に移動させる機構を有している。第１のステータ１と第２のステータ２を重ね合わせた側面概念図を図３に示す。なお、ステータ１、２のコイルは直列結線かまたは並列結線される。このように、この実施の形態１では、軸方向に複数個に分割されたステータを備え、それら円周方向に移動可能な図示省略の機構を設けているので、スキューと同等の機能を有することになる。そして第１、第２のステータ１、２の相対角度を、例えば、無通電時には、ゴギングトルクが最小となるよう相対角度を設定し、電流の上昇に伴って出力されるトルクに対応してトルクリップルを最小とする相対角度となるよう、運転中に変更することによって、ゴギングトルク、トルクリップル双方とも低減可能となる。

実施の形態２．
コイル４に通電される電流によって、最適なスキュー角度は異なる。従って、この実施の形態２では、複数のステータ１ａ、２ａの相対角度をコイル電流に応じて変化させることによって最適なスキュー角度に設定し、ゴギングトルクおよびトルクリップルを小さくするようコントロールする。
また、前記複数個のステータ１ａ、２ａの相対角度が、コイル電流によって決まる所定の角度に設定されることにより、ゴギングトルクおよびトルクリップルの双方を最小値とすることも可能である。

実施の形態３．
複数個のステータを有する永久磁石式回転電機１００を構成する場合、各ステータに設けられたコイル４のコイルエンド４ａが、ステータ１、２間に介在して回転電機１００の小型化の妨げとなる。コイルエンド４ａの軸方向長さはできる限り短い方が望ましい。そのために、コイル４はトロイダル状または集中巻きの巻線を施すとコイルエンド４ａが短くなり、このステータ１、２を用いることによって軸方向長さを短くし、回転電機の小型化を達成できる。

また、図４に示すようにステータ１、２の相対向する側のコイルエンド４ａのロータ３側に、ロータ３の軸方向に対向して突出したステータ突出部１ａ、２ａを設けることで、ロータ３の磁束を有効に利用することが可能となる。さらに図５に示すように、ステータ１、２を可撓性のある共通のコイル４ｃで構成し、ステータ１、２に位相差を設けるようにしてもよい。
また、ステータ１、２は互いに同じ軸長（積層長）であってもよく、異なった軸長であってもよい。なおステータは、２分割の例を示したが２分割に限らず、２分割以上の複数個であってもよいことはいうまでもない。また、第１、第２のステータのコイル巻数は同じでもよく異なってもよい。

複数個に分割されたステータを備えた永久磁石式回転電機１００は、従来の永久磁石式回転電機と比較して次のような特徴を有する。
通常の永久磁石式モータの場合には、ステータに通電をしなくてもロータの永久磁石によって回転するだけで誘起電圧が発生するが、この実施の形態のステータ構成を適用することによって、前記誘起電圧を低減することが可能となる。このことにより、電源停止時に何らかの原因により永久磁石モータが回転して誘起電圧を発生したとしても、低減した誘起電圧であるので、電源の故障発生を容易に防止することが可能となる。

実施の形態４．
モータの可変速運転を実施する場合、インバータなどの周波数可変電源装置を用いる。この周波数可変電源装置では、モータの回路定数を用いて最適な運転を実施するが、本実施の形態１に示したような複数個のステータを相対的に回転させることで位相角を変化させると、モータの最適な回路定数が変化する。そのためモータの回路定数を固定して運転すると最適な運転はできない。そこで、複数個のステータの相対角度に応じてモータ定数を変化させることにより、周波数可変電源装置を用いた最適な運転が可能となる。

以上のように、この発明の実施の形態１〜４を自動車用の発電機（オルタネータ）、電車用モータ、工作機械用主軸モータなどの可変速運転でゴギングトルクやトルクリップルの低減が必要とされる機器に適用すると、機器の効率が向上するという効果を奏する。

この発明の実施の形態１の永久磁石式回転電機を示す概念図である。 この発明の実施の形態１のステータを示す概念側面図である。 この発明の実施の形態１のステータを重ね合せ状態を示す概念側面図である。 この発明の実施の形態３の永久磁石式回転電機を示す概念図である。 この発明の実施の形態３の他の永久磁石式回転電機を示す概念図である。

符号の説明

１ 第１のステータ、２ 第２のステータ、３ ロータ、４，４ｃ コイル、
１００ 永久磁石式回転電機。

Claims (6)

1. ステータとロータとを備えた回転電機であって、前記ステータは、前記ロータと対向する軸方向に複数個に分割されているとともに、円周方向に移動可能な構成を備えており、さらに前記各ステータにはコイルが設けられており、前記ロータは永久磁石式とするものであり、
   前記回転電機の運転中に、前記複数個のステータを互いに異なる位相角を有するよう円周方向に移動させることによって、前記回転電機のゴギングトルク、トルクリップルの双方を低減することを特徴とする回転電機。
2. 前記複数個のステータを前記円周方向に移動させる角度が、前記コイル電流に対して変化することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記複数個のステータを前記円周方向に移動させる角度が、前記コイル電流によって決まる所定の角度に設定されることにより、前記ゴギングトルク、トルクリップルを最小値とすることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
4. 前記ステータのコイルは、トロイダル状の巻線が施されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
5. 前記ステータのコイルは、集中巻きの巻線が施されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
6. 前記回転電機には、駆動用インバータ装置が備えられているとともに、前記駆動用インバータ装置の回路定数が、前記回転電機の回転速度に応じて変化することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
   

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