JP4772503B2 - かご形誘導巻線導体を有する永久磁石式回転子を備えた三相同期機、および牽引駆動装置ならびに生産機械装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石とかご形誘導巻線導体とを備えた回転子を含んで構成された三相同期機、およびそのような同期機を備えた、牽引駆動装置ならびに生産機械装置に関する。

同期機、特に永久磁石界磁を持つ同期機は、例えば生産機械、特に工作機械において、所謂サーボ駆動装置として用いられる。その場合、生産性を向上させるべく、処理時間と共に、工作機械の所謂遊び時間をできるだけ少なくせねばならない。駆動装置は遊び時間中に加速され、急速戻り動作で走行する。これらモードでは、駆動装置を短時間で加速可能とすることが重要である。この加速能力は、加速すべき質量と各駆動装置のトルク出力とに依存する。トルクは特に直接駆動の場合に大きな意味がある。なぜなら、トルク変動は伝動装置を介して消滅するからである。

従って本発明の課題は、特に加速モードにおいて比較的高トルクを発生する回転電機、そのうちでも特に同期機を提供することである。その場合、回転電機は小型で、かつできるだけ多くの用途に対して、特に工業分野において、好適に利用可能でなければならない。

上記課題を解決すべく、本発明による同期機は、固定子及び回転子を備え、固定子はｑ≦０．５の分数スロット巻線を持つ巻線装置を備え、回転子は永久磁石と、分数調波(sub-harmonic)ギャップ磁界を非同期で利用するためのかご形誘導巻線導体とを備えていると供に、回転子の磁極数が、固定子の巻線装置によって発生するギャップ磁界の基本磁極数よりも多くなっている。

固定子の巻線装置により発生されるギャップ磁界は、固定子の基本磁極数とも称される所望の動作磁極数と共に、スペクトル分析の考え方で、一定の場合に分数調波巻線磁界の周りでも捕捉される無限数の更なる調波巻線磁界を含む。公知の電動機の考え方では、ギャップ基本磁界しか利用しない。

三相同期機の本発明による構造によれば、同期的に利用されるギャップ利用磁界の方向に一緒に回転し、分数調波とも称される分数調波巻線磁界の方向でも非同期のトルク形成のためのかご形誘導巻線導体と関連して利用される。好ましくは、同期的に利用されるギャップ利用磁界に対しても非同期の分数調波のギャップ磁界に対しても高い巻線係数を有する巻線装置とする。その際、巻線係数の大きさは、コイル辺の数及び周辺のピッチ形式により定まる。そのため、巻線係数は各巻線区域毎に通常の区域幅又はコイル辺の数、短節の度合及び区域の変化の大きさに依存する。従って巻線係数は、区域係数、端節係数、及び変化係数の３つの部分係数に分解できる。

一般に固定子は軸方向に走るスロットを形成したスロット付き成層鉄心を備え、該スロット内に三相巻線が納められる。巻線装置は、それが異なる磁極数であるが同一回転方向の少なくとも２つの回転磁界を利用するのに適するように構成される。その際、巻線係数は少なくとも０．５でなければならない。三相同期機のこの基本構成は古典的な三相巻線にも適している。しかし、特に固定子の歯コイル巻線においては、トルクの利用のために分数調波効率を考慮に入れるのが望ましい。ここで歯コイルとは、各々機械的磁極又は歯を含み、従ってコイルの入口及び出口が隣接するスロットに配置される集中巻きコイルを意味する。その場合、コイルは予め作っておくとよい。

永久磁石は回転子表面上に配置するか、回転子の成層鉄心内に埋め込む。かご形誘導巻線導体は回転子のスロット内に、又は周方向に見て永久磁石相互間に配置する。

他の実施態様では、かご形誘導巻線導体及び永久磁石界磁を軸方向に前後して位置する回転子部分に設ける。

誘導巻線導体ループを有する公知の同期機、例えばかご形ダンパを有する同期電動機との相違点は、公知の同期機では固定子の基本磁極数を利用し、固定子を僅かな調波となるように設計するので、公知の同期機が固定的な同期領域で誘導巻線導体ループに電流を殆ど流さないことにある。そのため、利用する磁極数に関し、回転子の誘導巻線導体ループに電流を誘導し得る固定子の分数調波磁極数を得ることができない。公知の同期機では、同期及び非同期の利用磁極数が固定子の基本磁極数に等しい。

本発明による同期機は、好ましいトルク挙動に基づき、特に加速モードの際に大きなトルクが必要な電気車の牽引駆動装置にも適する。本発明の同期機は、軸が例えば牽引車両の車輪対の軸の一部を取り囲む、特に牽引車両の直接駆動装置として応用できる。

従って本発明によれば、例えば牽引駆動装置や工作機械又は他の生産機械等の、小型で大きな加速能力を必要とする応用目的に対し最適な駆動装置を構成する小型で高能力の同期機を提供できる。

本発明の他の実施態様を従属請求項に示す。例えば、本願の当初出願明細書の請求項８に記載していたように、前記固定子（１）の基本磁極数を２ｐ _GS として、同期利用磁極数２ｐ _NS ≧４×２ｐ _GS 、非同期利用磁極数２ｐ _NA ≧２ｐ _GS 及び磁極ピッチτ _P に対するコイル幅τ _SP の比が２．６６≦τ _SP ／τ _P であることを特徴とする同期機が提供される。

本発明及びその実施例について、図面を参照して更に説明する。

図１は、詳細には図示しない同期機の固定子１及び回転子２を原理的に示す展開図である。回転子２は、図示しない非磁性軸に公知の態様で取り付けられている。同期機のギャップ５に複数の永久磁石３が配置されている。永久磁石３は周知の取り付け手段によって回転子２に取り付けられている。回転子２の成層鉄心領域内の、永久磁石３の放射方向内側に、かご形誘導巻線導体４が配置されている。かご形誘導巻線導体４は固定子１の利用磁極数ｐ_NSに相当する磁極数２ｐ_NSに相当する導体数を備えている。永久磁石３は、好ましくは希土類磁石である。かご形誘導巻線導体４は誘導電動機のかご形回転子と同様にアルミニウム又は銅のダイキャストで作るか、導体棒の半田付け又は溶接によって作れる。かご形誘導巻線導体４は、撚線からも同様に製作できる。

撚線は複数の素線からなる。該素線は、場合により異なる直径及び／又は断面形状を持ち得る。撚線を構成する個々の素線の断面を予め定めた方法で適宜選択することで、その剛性や可撓性を調節できる。同様に素線は人工的に施した絶縁層を備えてもよい。

かくして、場合によっては同期機の構造寸法を減少させ得る。

固定子１は無限に多くの磁極数を有するギャップ磁界を発生する。最少磁極数を固定子１の基本磁極数２ｐ_GS、そして同期して利用する磁極数を固定子１の利用磁極数２ｐ_NSと呼ぶ。磁極数２ｐ_NSからずれている全ての磁極数は、回転子２の誘導巻線導体に電圧を誘導し得る。同期機の本発明による構成によって、誘導巻線導体ループ、即ちかご形誘導巻線導体に、ほぼ磁極数に応じ電流が誘導される。これは非同期の役割を果たすために磁極数２ｐ_NAでなければならない。これは同期の役割を果たすために利用される磁極数２ｐ _NS よりも少なく、かつ固定子１の基本磁極数２ｐ_GSと同等であり得る。即ち、
２ｐ_GS ≦ ２ｐ_NA ＜ ２ｐ_NS
である。

図２は、かご形誘導巻線導体４の導体棒数を利用磁極数２ｐ_NSに対応して設定してなる回転子２の実施態様を示す。

図３は、かご形誘導巻線導体４の導体棒数が利用磁極数２ｐ_NSの半分に対応する回転子２のかご形誘導巻線導体４を示す。

永久磁石３をギャップに配置する代りに、永久磁石３を回転子２の成層鉄心内に配置して磁束の集中を図ってもよい。図４は磁束集中装置を備えた回転子の展開図である。その際、永久磁石３は、かご形誘導巻線導体４のほぼ放射方向内側に配置する。

固定子１の分数スロット巻線の場合においてのみ、一緒に回転する分数調波が生じる。その場合、スロット数ｑは、任意の次数をｚとすると、ｑ＝ｚ／Ｎと表され、このスロットの数ｑを決める分母Ｎは６より大きい。即ちＮ＞６でなければならない。この結果、図８に纏めて示したような巻線の変形例（つまり本発明に係る巻線の実施例としての、幾つかの巻線構成のバリエーション）のみが、本発明の企図するところの目的を達成できる。

一緒に回転する分数調波の抑制の結果、大きな付加的加速モーメントが生じる故、加速駆動装置への適用が特に有効である。特に生産機械で、この同期機を良好に適用できる。

本質的な設計基準は、回転磁界の回転方向である。２ｐ_NAの回転方向が、同期機の役割を果たすために利用される利用磁極数２ｐ_NSに対応しており、その結果、次の基準を満たさなければならない。即ち、ｉ＝１、２、・・・であるとして、
２ｐ_NS＝２ｐ_NA＋ｉ×３
である。

従って、本発明に係る一実施例としては、例えば、固定子の実体的な磁極数である固定子磁極数２ｐ_STの値は、固定子の基本磁極数２ｐ_GS 以上であり、かつ２Ｐ _NS は２ｐ _GS 以上であり、また、永久磁石の実体的な磁極数２ｐ _RS は、２Ｐ _NS と等しく、また、かご形誘導巻線導体によって形成される回転子の磁極数２ｐ _RA は、２ｐ _NA に等しくすることなどが可能である。

その場合、特に磁極ピッチτ_Pに対するコイル幅τ_SPの比は、
２．６６≦τ_SP／τ_P
である。因みに公知の同期機では、それは１．３３未満である。ここで、磁極ピッチτ_Pは、２つの異極性磁極間のピッチ幅を意味する。

図５は、ハウジング１１内に固定子１を備えた永久磁石励磁式同期電動機１０を示す。固定子１は均等に分布したスロット１３を持つ。ハウジング１１と固定子１の間で、液状又はガス状の冷却媒体により冷却を行う冷却ジャケット１２を設けている。固定子１のスロット１３には、巻線装置Ｕ、Ｖ、Ｗを納めている。回転子２は外周部に永久磁石３を備え、該磁石３は可撓性テープ１４又はスリーブで回転子２に固定する。

永久磁石３は平坦又は曲面状に形成する。永久磁石３の放射方向内側にかご形誘導巻線導体４が位置している。調節ばねやトラバース等の適当な軸とボスを結合する結合手段１６によって駆動軸１５を回転子２にそれと一緒に回転するように結合している。

図６は図５に示す回転子２の断面図を再掲する。ただし、ここでは永久磁石３の極性Ｎ又はＳを付加して示している。

図７は回転子２の端面図を示す。ここでは、かご形誘導巻線導体４の接続関係を付加して示している。

永久磁石界磁及びかご形ダンパを有する回転子の第１実施例を示す展開図。 永久磁石界磁及びかご形ダンパを有する回転子の第２実施例を示す展開図。 永久磁石界磁及びかご形ダンパを有する回転子の第３実施例を示す展開図。 永久磁石の磁束を集中させる磁束集中装置を備えた回転子の展開図。 本発明による回転電機の横断面図。 図５の回転電機の回転子の横断面図。 この回転電機の他の回転子の例を示す端面図。 本発明に係るスロット１極１相のスロット数qの条件を満たすと供に本発明に係る磁極数に関する諸条件を満たす固定子のスロット数Ｎ ₁ と基本磁極数Ｐ _GS との組み合わせの可能なバリエーションを、纏めて一実施例として示した表図である。

１ 固定子、 ２ 回転子、３ 永久磁石、４ かご形誘導巻線導体、５ ギャップ、１０ 永久磁石励磁式同期電動機、１１ ハウジング、１２ 冷却ジャケット、１３ スロット、１４ テープ、１５ 駆動軸、１６ 結合手段

Claims (8)

1. 固定子（１）及び回転子（２）を備え、前記固定子（１）が、ｑ≦０．５の分数スロット巻線を有する巻線装置を備え、前記回転子（２）が、永久磁石（３）と、分数調波ギャップ磁界を非同期で利用するためのかご形誘導巻線導体（４）とを備えており、かつ
   前記固定子（１）の巻線装置によって発生されるギャップ磁界の基本磁極数を２ｐ _GS とし、前記固定子（１）が同期機の役割を果たすために利用される磁極数を２ｐ _NS とし、前記固定子（１）が非同期機の役割を果たすために利用される磁極数を２ｐ _NA として、
   前記回転子の磁極数が、前記固定子（１）の前記基本磁極数２ｐ _GS よりも多いこと、及び
   前記固定子（１）の基本磁極数２ｐ_GSと前記固定子（１）が同期機の役割を果たすために利用される磁極数２ｐ _NS との関係が、２ｐ_NS ≧４×２ｐ_GS であること、並びに
   前記固定子（１）が非同期機の役割を果たすために利用される磁極数である前記磁極数２ｐ _NA と前記固定子（１）の前記基本磁極数２ｐ _GS との関係が、前記磁極数２ｐ _NS との関係も含めて、２ｐ _NS ＞２ｐ_NA≧２ｐ_GS であること、並びに
   前記永久磁石（３）の磁極ピッチτ_Pに対する前記固定子（１）のコイル幅τ_SPの比が、２．６６≦τ_SP／τ_Pであること
   を特徴とする同期機。
2. 前記固定子（１）の巻線装置が、幾つかの歯コイルを備えることを特徴とする請求項１記載の同期機。
3. 前記回転子（２）の永久磁石（３）が、磁束集中方向内に配置されたことを特徴とする請求項１又は２記載の同期機。
4. 前記回転子（２）が、少なくとも１つの対称なかご形誘導巻線導体（４）を備えると供に、前記永久磁石（３）の前記磁極ピッチτ_pが、対称性を示すことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の同期機。
5. 前記永久磁石（３）及び前記かご形誘導巻線導体（４）が、互いに放射方向に積重配置される、もしくは互いに軸方向に並置されたことを特徴とする請求項４記載の同期機。
6. 前記かご形誘導巻線導体（４）が、銅又はアルミニウムからなることを特徴とする請求項４又は５記載の同期機。
7. 前記かご形誘導巻線導体（４）が、撚線により形成されたことを特徴とする請求項４又は５記載の同期機。
8. 請求項１から７のうちいずれか１つに記載の同期機を動力源として備えたことを特徴とする、牽引駆動装置または生産機械装置のうちのいずれか一方の装置。

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