JP4848649B2 - 回転電機 - Google Patents
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Description
そこで、界磁磁束を回転子の回転速度に応じて変化させる電動機が考案された。(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1記載の磁石式ブラシレス電動機は、従来のものに比べて3倍近い回転数まで高いトルクで変換効率よく使用できるようにするもので、複数の固定子磁極111と界磁用巻線112を有する固定子101、回転軸121と界磁用磁石103を有する回転子102、及び界磁用磁石103の磁極の固定子101に対する位置を検出してその位置に応じて界磁用巻線112に電流を供給する制御回路を有し、界磁用磁石113が回転軸102に固定され、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第1の界磁用磁石131とこの第1の界磁用磁石131に対して回動可能で回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第2の界磁用磁石132からなり、第1界磁用磁石131と第2界磁用磁石132の合成した磁極の第1の界磁用磁石に対する位相を回転子の回転に伴い変化させるものである
すなわち、図14において、回転子102に設置された第1の界磁用磁石131と第2の界磁用磁石132は、回転速度の低い時には(A)に示されているように同じ極性の磁極が並び、回転速度の高い時には(B)に示されているように同じ極性の磁極がずれる構造となっている。
この技術によれば回転子の回転速度が高い時に界磁用磁石の磁束が相殺することで誘起電圧を下げ、その分高速運転領域を広げることが可能となる。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、回転子の回転速度に拘わりなく、運転状況に応じて任意に界磁磁束を変化させることができる回転電機を提供することを第1の目的とする。
また、特許文献1に示した従来の界磁磁束を回転子の回転速度に応じて変化させる電動機では、界磁用磁石の磁束を減じることなく固定子の巻線に鎖交する磁束を相殺させたため、高速運転領域を広げることは可能になるが、特に固定子に発生する鉄損の低減がなされていない。そのため回転子の回転速度が高くなるほど鉄損の増加で効率は低下し、また電動機が高温となり定格出力は低下する。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、回転子の回転速度に応じて界磁用磁石の磁束を減じ、高回転運転領域でも高効率で作動する回転電機を提供することを第2の目的とする。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の回転電機において、前記回転子に、前記機械的外力に応じて、前記シャフトの軸方向に移動する部材を設け、前記部材が前記シャフトの軸方向に移動する力を前記界磁用磁石可動部が回転方向の位置を変える力に変換する斜面を、前記界磁用磁石可動部の前記シャフトとの嵌合部に設けたことを特徴とするものである。
請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の回転電機において、前記機械的外力は、回転子のシャフトの一端の軸内を経て作用することを特徴とするものである。
請求項4記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項記載の回転電機において、前記軸方向に隣合う前記界磁用磁石可動部が相対的に回転方向の位置を変えることにより、揃っていた磁極をずらすか、または界磁用磁石の内側の磁路を通りにくくすることにより、前記固定子の前記巻線に鎖交する界磁磁束を減ずることを特徴とするものである。
また、上記回転子において、前記回転子鉄心が、回転子の回転速度の増大に伴い、界磁用磁石に対する磁路抵抗を増大するように界磁用磁石に対する回転方向の相対位置を変え、回転子の回転速度の低下に伴い、界磁用磁石に対する磁路抵抗を減少するように界磁用磁石に対する回転方向の相対位置を変えることを特徴とするものである。
また、上記回転子において、前記ガバナ機構が、界磁用磁石に対して回転方向の位置を変える回転子鉄心に、遠心錘に作用する遠心力を回転方向の力に変換する斜面溝を設けたことを特徴とするものである。
また、上記回転子において、前記回転子鉄心が界磁用磁石に対して回転方向の相対位置を変えることで、界磁用磁石に対する磁路抵抗を変化させ、固定子の巻線に鎖交する界磁磁束が変化することを特徴とするものである。
また、請求項2記載の発明によると、機械的外力に応じて、前記シャフトの軸方向に移動する部材を設け、前記部材が前記シャフトの軸方向に移動する力を前記界磁用磁石可動部が回転方向の位置を変える力に変換する斜面を、前記界磁用磁石可動部の前記シャフトとの嵌合部に設けたため、前記界磁用磁石可動部の広範囲な相対的作動角が容易に得られる。
また、請求項3記載の発明によると、機械的外力が、回転子のシャフトの一端の軸内を経て作用するため、回転子と外部の相対回転を容易に遮断し得る。
また、請求項4記載の発明によると、軸方向に隣合う界磁用磁石可動部が相対的に回転方向の位置を変えることにより、揃っていた磁極をずらすか、または界磁用磁石の内側の磁路を通りにくくすることにより、巻線に鎖交する界磁磁束を減ずるため、固定子の巻線に鎖交する界磁磁束を広範囲に制御することができる。
そのため電動機においては電源の電圧に制限を受けることなく回転子を低回転から高回転まで任意な特性で駆動することができる。
また、発電機においては回転子の回転速度に拘わらず、誘起電圧を所望の値に調整することができる。
また、回転子の回転速度の増減に伴い、界磁用磁石に対する磁路抵抗を増減することができ、固定子の巻線に鎖交する界磁磁束を増減することができる。
また、遠心錘に作用する遠心力を回転方向の力に変換することができ、前記回転子鉄心が界磁用磁石に対して回転方向の位置を変えることができる。
また、固定子の巻線に鎖交する界磁磁束を変えることができ、高回転運転領域でも高効率で作動する回転電機を提供することができる。
〈実施の形態1〉
〈実施例1〉
図1は、本発明の実施の形態1に係る回転子およびこれを備えた回転電機の第1実施例であり、機械的外力として油圧を用いた場合の回転電機の軸方向断面図である。
図において、第1の界磁用磁石可動部1と第2の界磁用磁石可動部2は、各々回転方向に順次異なった極性の界磁磁石を配置した部材であり、シャフト4に対し軸方向には回転子鉄心3により規制され取付けられている。油圧の低い時は、戻しバネ6の作用で、ピストン5で保持された第1のピン7aと第2のピン7bは、2つのスリーブの斜面溝10aの各々の右端にある。シャフトの軸方向に移動する部材であるピストンと第1のピンと第2のピンを油圧を高めて左へ移動させると、図3に示すように、スリーブの斜面溝10aは軸方向に対して斜めの溝となっているため、第1の界磁用磁石可動部1は矢印のように時計回りに回転する。一方、第2の界磁用磁石可動部2はそのスリーブの斜面溝が、軸方向に対して逆の角度を設けているため、反時計回りに回転する。
図4は、以上の作動により、界磁用磁石の磁極がずれて界磁が弱められる様子を示したものである。(X1)が初期状態であり界磁用磁石の磁極が揃っているのに対し、(X2)では、油圧による作用で該磁極が相対的にずれて界磁磁束が相殺し、固定子の巻線に鎖交する界磁磁束は減じる。
図5の(Y1)と(Y2)は、各々第1の界磁用磁石可動部と第2の界磁用磁石可動部の初期状態と作動中の断面を示すものである。(Y1)においては、シャフトに固定されている回転子鉄心の継鉄部3aの厚い部分が界磁用磁石の間に位置するため、界磁用磁石の磁束が通り易く、多くの界磁磁束が固定子の巻線と鎖交する。
該磁石可動部が回転子鉄心に対して回転した状態では、(Y2)に示すように、回転子鉄心の継鉄部3aの厚い部分が界磁用磁石の間に位置しなくなるため磁束が通りにくく、固定子の巻線に鎖交する界磁磁束は減じる。特にこの場合、固定子に達する界磁磁束の磁束密度が全体的に小さくなるため、固定子で発生する鉄損が低減する。
図1および図2においてピン7a、7bの回りにはグリスを充填し、ピン等の潤滑と防錆を果たしている。Oリング13、14、キャップ16は、そのグリスの飛散を防ぐ目的で設けている。Oリング15は、戻しバネの方向へのオイルの洩れを防ぐために設けている。
第1の界磁用磁石可動部1と第2の界磁用磁石可動部2は、界磁用磁石8、リベット9、スリーブ10、リングプレート11、積層鉄心12よりなる。
図2に示すように、積層鉄心には界磁用磁石とリベットを挿入すべき孔を設けている。積層鉄心に界磁用磁石を挿入し、それをスリーブとリングプレートで挟み、スリーブ側からリベットを挿入しリング側でリベットを加締め、図3に示した第1の界磁用磁石可動部となる。
第2の界磁用磁石可動部も同じ構成である。
ここで用いられる油圧は、図示しないオイルポンプとバルブ操作により適切な圧力に調整され、油圧菅等を用いて回転電機のシャフト部に導かれる。
図6は、本発明の回転子およびこれを備えた回転電機の第2実施例であり、機械的外力としてプッシュロッド押力を用いた場合の回転電機の軸方向断面図である。
図において、プッシュロッド18は戻しバネ6に勝る機械的押力でシャフトの軸方向に移動する部材であるピストン5と第1のピン7aと第2のピン7bを左へ移動させる働きを持つ。スチールボール17はシャフト4とプッシュロッド18の相対回転を遮断し、焼き付きを防ぐために用いる。
その他の部品の働きは、図1で示した油圧の場合と同様である。
また、プッシュロッドへの押力は図示しない送りねじ等を用いた軸動アクチュエータにより供給される。
図7は、本発明を電気自動車用回転電機として用いた場合の界磁磁束の制御例を示すものであり、この回転電機の回転速度に対する誘起電圧特性を示すものである。
直線ajは、初期状態における特性を示しており、界磁磁束が強く、低い回転速度でも比較的高い誘起電圧が発生する。この回転速度の範囲では通電電流に対して発生するトルクの比も最大の状態である。またこの状態は、従来の車においては変速ギヤの1速で走っている状態に近い。
一方、cは、車載バッテリの端子電圧を示したものであり、これ以下の範囲でしか電動機状態としては運転し得ない。そのため、これ以上回転速度を上げるためには、バッテリの端子電圧よりやや低い電圧のh点に達したあたりで適度に界磁磁束を弱めて行き、誘起電圧を常にc以下に保つ必要がある。これは従来の車に置いては、無断変速機で変速しながら加速する状態に類似している。
つまり本発明の界磁磁束を制御する回転電機を用いると、従来の変速機を用いないでも従来の車と同様な速度範囲の動力が得られる。回転速度fは、最大回転速度であり、同時に車の最高速度に対応する。
つまり、強いブレーキ操作時にはより強めの界磁磁束への制御で誘起電圧を高め、発電機からバッテリへの回生電流を増やし、より強力な制動力を得ることができる。
また、電動機状態においてアクセルペダルと連動した弱め界磁制御を行い、誘起電圧dをcに対してより低くすることにより、回転電機の負荷電流を増やし、アクセルペダルに連動した加速力を得ることもできる。
この作用は、四角形jkmhの領域内において矢印に示すような誘起電圧の制御が車の加減速に対応して自動的に行われる。そのため、従来の昇降圧制御やPWM制御を用いずに、安価な駆動回路のまま、所望の駆動力や回生制動力を得られる。
以上の実施例では、回転方向に順次異なった極性の界磁用磁石を配置した界磁用磁石可動部をシャフトの軸方向に2個備えた例を説明したが、3個以上の該界磁用磁石可動部を備える場合もある。
本発明の実施の形態1が特許文献1と異なる部分は、ガバナではなく油圧やプッシュロッド押力等の機械的外力を用いたため、回転子の回転速度に拘わりなく、運転状況に応じて任意に界磁磁束を変化させ得ることである。
〈実施の形態2〉
図9は、第2の実施の形態に係る回転子およびこれを備えた回転電機の軸方向断面図である。また、図10は、本発明の回転子およびこれを備えた回転電機の径方向断面図である。
図において、第1の回転子鉄心52と第2の回転子鉄心53は、シャフト54に回転可能に嵌合し、遠心錘のピン55によって位置規制されている。戻しバネ56は、遠心錘のピン55をシャフト側に引き戻すよう取付けられている。界磁用磁石58は、積層鉄心62に保持され、積層鉄心62は第1のプレート60と第2のプレート61にリベット59で固定されている。第1のプレート60と第2のプレート61は、シャフト54の両側から圧入固定されている。遠心錘57は、第1の回転子鉄心52と第1のプレート60の間に、また第2の回転子鉄心53と第2のプレート61の間にそれぞれ4個ずつ、径方向に移動可能に装着されていて、第1のプレートの遠心錘ガイド部60aに、図11に示す遠心錘の段差7cをはめ込むことで、回転方向に対しては規制されている。遠心錘のピン55は、遠心錘57に装着され、第1の回転子鉄心の斜面溝52bと第2の回転子鉄心の斜面溝53bを貫通して、取りつけられている。第1の回転子鉄心52は界磁用磁石58の内周にあり、図12の第1の回転子鉄心の継鉄部52aに示すように、円周方向に断続的な形状となっている。
41は固定子、42は回転子の回転位置検出部であり、43は固定子の巻線である。
(Y1)は回転子の回転速度が低い状態での第1の回転子鉄心部での径方向断面図を示している。ただし、遠心錘57は便宜上破線で示している。この状態では、遠心錘57は図11に示す戻しバネ56の作用で、遠心錘のピン55を介してシャフト側に引き戻されている。第1の回転子鉄心52は、第1の回転子鉄心の斜面溝52bに貫通した遠心錘のピン55により界磁用磁石に対する回転方向の相対位置を規制され、また、第1の回転子鉄心の継鉄部52aが隣合う界磁用磁石の磁束を最大限通り易くすることで、界磁用磁石に対する磁路抵抗が最小となる状態となっている。また、回転電機においては、固定子の巻線に鎖交する界磁磁束が最大の状態となっている。
回転子の回転速度が大きくなると、遠心錘57に作用する遠心力が戻しバネ56の力を上回り、遠心錘57は回転子の外周に向かって移動する。第1の回転子鉄心52は、該斜面溝52bを介した遠心錘のピン55の作用により、図において右回転に界磁用磁石に対する回転方向の相対位置を変化させる。第2の回転子鉄心の斜面溝は53bに示すように第1の回転子鉄心の斜面溝52bと対称形状をしているため、図において左回転に界磁用磁石に対する回転方向の相対位置を変化させる。これは、本発明の回転電機が正逆駆動の方向に拘わらず同じ特性とする配慮である。
(Y2)は回転子の回転速度が高い状態での第1の回転子鉄心部での径方向断面図を示している。この状態では、遠心錘57は回転子の最も外周側に位置し、第1の回転子鉄心52は、第1の回転子鉄心の継鉄部52aが隣合う界磁用磁石の磁束を最も通りにくくすることで、界磁用磁石に対する磁路抵抗が最小となる状態となっている。また、回転電機においては、固定子の巻線に鎖交する界磁磁束が最小の状態となっている。
図11はガバナ機構構成部品説明図である。
説明のため、遠心錘57のみ回転子に装着しない状態を示している。本ガバナ機構はエレベータ用電動機等、回転子の回転速度が比較的低い回転電機に供することを想定し、回転電機の固定子内周の限られたスペース内で遠心力を最大限利用できる構成とした。例えば、ガバナ機構の代表的な例として遠心錘の片側をピボット支持するものがあるが、その例では遠心錘質量に作用する遠心力の半分弱を可変の作用として利用できない。本ガバナ機構では、遠心錘57と遠心錘のピン55と戻しバネ56の質量に作用する遠心力の全てを、可動部が作動する作用として利用できる。
図において、第1の回転子鉄心の斜面溝52bを貫通するように遠心錘のピン55は装着される。戻しバネ56を遠心錘の戻しバネ装着孔57aに装着し、遠心錘のピン55が遠心錘のピン貫通孔57aと嵌合するように、戻しバネ56と遠心錘57は遠心錘のピン55に装着される。装着時、摩擦係数軽減と防錆のため、グリスを充填してもよい。その場合、積層鉄心62は樹脂含浸等シール処理が必要ととなる。遠心錘57の材質は比重とコスト等を鑑み決定するが、本実施例では亜鉛合金を用いている。
この回転電機を電動機として説明すれば、直線abは回転子の回転速度が低い状態における特性を示しており、界磁磁束が最大で低い回転速度でも高い誘起電圧を発生し、通電電流に対して発生するトルクも最大の状態である。回転子の回転速度が上がり誘起電圧が電源電圧より高い状態では、この電動機を駆動し得ないために、そうなる以前に遠心錘が移動し始めるように遠心錘の質量と戻しバネの荷重を設定する。これらの調整で、図中に示す作動の開始点bは、厳密に調整し得る。
次に図9に示す第1と第2の回転子鉄心の斜面溝の斜面の形状と戻しバネの伸びに対する荷重特性を調整することで、図8に示す直線beの特性は厳密に調整し得る。例えば、この図に示すように遠心錘の作動開始点回転数dから、最大回転速度fにいたるまで誘起電圧を、電源電圧cに近い概一定の値に調整し、磁束密度を最大限有効に利用しながら電動機を相当な高回転まで、低鉄損で駆動することができる。
同様にこの回転電機を発電機として図8を説明すれば、直線abは回転子の回転速度が低い状態における特性を示しており、界磁磁束が最大で低い回転速度でも高い誘起電圧を発生する。回転子の回転速度が高い時には、前記の調整により直線beのように、該回転数に拘わりなく一定の誘起電圧に調整できる。このことは、風力発電機や、エンジン発電機にような回転速度が大きく変動する場合でも、一定の発電電圧を得る方法として、非常に効果的である。
第2の実施の形態が特許文献1記載の発明と異なる部分は、固定子の巻線に鎖交する磁束を相殺させるのではなく、固定子への磁束を減じることにより、特に固定子に発生する鉄損の低減がなされ、高回転運転領域でも高効率で作動する回転電機が得られるようになることである。
また、電気自動車用回転電機として利用することにより、変速機構が不要となるばかりでなく、加速力や回生制動を容易に調整し得るようになる。
さらに、第2の実施の形態に係る発明を産業用電動機に利用することによって、従来と同じサイズのまま、従来よりも高回転まで高効率で駆動することができるようになり、作業性が向上する。
また、本発明を風力や車両用発電機として利用することによって、回転速度に依存せず所望の一定の電圧を発電することができるので、電圧調整装置が不要となる。
B 固定子
1 第1の界磁用磁石可動部
2 第2の界磁用磁石可動部
3 回転子鉄心
3a 回転子鉄心の継鉄部
4 シャフト
4a シャフトの溝
5 ピストン
6 戻しバネ
7a 第1のピン
7b 第2のピン
8 界磁用磁石
9 リベット
10 スリーブ
10a スリーブの斜面溝
11 リングプレート
12 積層鉄心
13 Oリング
14 Oリング
15 Oリング
16 キャップ
17 スチールボール
16 プッシュロッド
41 固定子
42 回転位置検出部
43 固定子の巻線
51 回転子
52 第1の回転子鉄心
52a 第1の回転子鉄心の継鉄部
52b 第1の回転子鉄心の斜面溝
53 第2の回転子鉄心
53a 第2の回転子鉄心の継鉄部
53b 第2の回転子鉄心の斜面溝
54 シャフト
55 遠心錘のピン
56 戻しバネ
57 遠心錘
58 界磁用磁石
59 リベット
60 第1のプレート
60a 第1のプレートの遠心錘ガイド部
61 第2のプレート
62 積層鉄心
Claims (4)
- 巻線が巻装され中空部を有する固定子と、前記中空部に配置され界磁用磁石が設置された回転子と、を備えた回転電機において、
前記回転子は、回転方向に順次異なった極性の界磁用磁石を配置した界磁用磁石可動部をシャフトの軸方向に複数備え、前記界磁用磁石可動部が、前記シャフトに備えられ押力供給機構により駆動される棒状部材によって付与される機械的外力に応じて回転方向の位置を変えるものであり、
前記機械的外力に応じて前記界磁用磁石可動部が回転方向の位置を変えることで、前記固定子の前記巻線に鎖交する界磁磁束が変化することを特徴とする回転電機。 - 前記回転子に、前記機械的外力に応じて、前記シャフトの軸方向に移動する部材を設け、前記部材が前記シャフトの軸方向に移動する力を前記界磁用磁石可動部が回転方向の位置を変える力に変換する斜面を、前記界磁用磁石可動部の前記シャフトとの嵌合部に設けたことを特徴とする請求項1記載の回転電機。
- 前記機械的外力は、回転子のシャフトの一端の軸内を経て作用することを特徴とする請求項1または2記載の回転電機。
- 前記軸方向に隣合う前記界磁用磁石可動部が相対的に回転方向の位置を変えることにより、揃っていた磁極をずらすか、または界磁用磁石の内側の磁路を通りにくくすることにより、前記固定子の前記巻線に鎖交する界磁磁束を減ずることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の回転電機。
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