JP4862344B2

JP4862344B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP4862344B2
Application number: JP2005296349A
Authority: JP
Inventors: アブドラハマンナファ; 剛野中
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2025-10-11
Also published as: JP2007110776A

Description

本発明は、界磁用磁石が設置された回転子を有する回転電機に関する。

界磁用磁石が設置された回転子を有する従来の回転電機は、一般的に界磁用磁石が回転子に固定されている。このような回転電機の誘起電圧は、界磁磁束と回転子の回転速度に比例するため、回転速度に対する誘起電圧の関係は図７の直線ａｂで示したような特性となる。そのため、仮に電源の電圧が電圧ｃで制限される電動機を例とすれば、この電動機の最高回転速度は回転速度ｄで制限される狭い運転域となる。
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）。
図９は従来の回転電機の例であり、特許文献１の中の図１に示されているものである。（Ａ）は回転速度が低い時のモータを分解して示した斜視図、（Ｂ）は回転速度が高い時の回転子の斜視図である。
図において、５０は磁石式ブラシレス電動機で、固定子１と回転子２とから成る。３は界磁用磁石、４は磁極、５は間隔、６はエアギャップ、７は回転子コア、１１は固定子磁極、１２は界磁用巻線、２１は回転軸、２２はセンサ磁石、３１は回転軸２１に固定した第１の界磁用磁石、３２は周方向へ回転可能な第２の界磁用磁石である。
回転子２に設置された第１の界磁用磁石３１と第２の界磁用磁石３２は、回転速度の低い時には（Ａ）に示されているように隣接する第１の界磁用磁石３１と第２の界磁用磁石３２は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。
また、同様に界磁磁束を回転子の回転速度に応じて変化させる同期機もある（例えば、特許文献２参照）。
この例では、界磁磁束を回転子の回転速度に応じて変化させる機構が、ウェイトとばねを用いて、回転子内部に簡潔に構成されている。
特開平１０−１５５２６２号公報（第８頁、図１）特開２００４−２４２４６１号公報（第９頁、図１）

特許文献１または２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、界磁磁束を回転子の回転速度に応じて変化させるとともに、界磁用磁石の磁束を減じて高回転運転領域でも高効率で作動する、簡潔に構成された回転電機を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１記載の発明は、回転電機に係り、界磁用磁石が設置された回転子を有する回転電機において、前記回転子は、互いに磁極面が対向する外側の界磁用磁石と内側の界磁用磁石を備え、前記外側の界磁用磁石と前記内側の界磁用磁石はそれぞれ円筒状をした外側の回転子鉄心と内側の回転子鉄心のその円筒状部分の周方向に沿ってそれぞれの前記磁極面を径方向に向けて埋め込まれ、かつ、前記外側の界磁用磁石と前記内側の界磁用磁石が相対的に回転方向の位置を変える機構を備え、前記外側の界磁用磁石と前記内側の界磁用磁石をそれぞれリング型磁石で構成し、前記回転子がシャフトを備え、前記シャフトに負荷側プレートと反負荷側プレートがそれぞれ互いに間隔を開けて固定され、外側の回転子鉄心が前記負荷側プレートと前記反負荷側プレートへ固定され、外側の界磁用磁石が前記外側の回転子鉄心に保待され、内側の回転子鉄心が前記シャフトに回転可能に嵌合し、内側の界磁用磁石が前記外側の界磁用磁石と対向するように前記内側の回転子鉄心に保待され、前記内側の回転子鉄心と前記負荷側プレートと前記反負荷側プレートが斜面溝を有し、遠心錘が前記内側の回転子鉄心の前記斜面溝を貫通し、前記反負荷側プレートの斜面溝と前記負荷側プレートの斜面溝に取り付けられることにより、前記回転子の回転速度が変化して遠心力が前記遠心錘に作用することで、前記遠心錘が前記斜面溝の形状に応じて径方向の位置を変え、これにより前記外側の界磁用磁石と前記内側の界磁用磁石が相対的に回転方向の位置を変えて界磁磁束の強さを変化させることを特徴としている。

請求項１記載の発明によると、回転子の回転速度が変化して遠心力が前記遠心錘に作用することで、遠心錘が斜面溝の形状に応じて径方向の位置を変え、これにより外側の界磁用磁石と内側の界磁用磁石が相対的に回転方向の位置を変えて界磁磁束の強さを変化させる広範囲な相対的作動角が容易に得られ、固定子の巻線に鎖交する界磁磁束の強さを大きく変化させることができる。
また、外側の界磁用磁石と内側の界磁用磁石をそれぞれリング型磁石で構成したので、外側の回転子鉄心を省くことが出来、小型化、軽量化に寄与することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の回転電機の軸方向断面図である。
図において、回転子５１は、対向する外側の界磁用磁石４２と内側の界磁用磁石４３を備えている。外側の界磁用磁石４２は積層鋼板からなる外側の回転子鉄心４８に保待され、負荷側プレート４６と反負荷側プレート４７へ、リベット６０により固定されている。
負荷側プレート４６と反負荷側プレート４７は、シャフト４４に圧入固定されている。内側の界磁用磁石４３は、内側の回転子鉄心４９に保待され、シフト４４に回転可能に嵌合し、遠心錘４５によって位置規制されている。そのため、外側の界磁用磁石と内側の界磁用磁石が、相対的に回転方向の位置を変えることで、界磁磁束の強さを変化することができる構成となっている。

図２は本発明の電動機の径方向断面図である。
図３は回転子の構成部品説明図である。
図３において、回転子を構成する内側の回転鉄心４９と負荷側プレート４６と反負荷側プレート４７は、遠心錘４５に作用する遠心力を回転方向の力に変換する斜面溝を有している。遠心錘４５は、図１に示したように、内側の回転子鉄心の斜面溝４９ aを貫通し、反負荷側プレートの斜面溝４７ aと負荷側プレートの斜面溝４６ aに取り付けられている。
回転子の回転速度が変化し、遠心力が遠心錘４５に作用することで、遠心錘４５が径方向の位置を変えると、図３に示した内側の回転子鉄心の斜面溝４９ aや反負荷側プレートの斜面溝４７ aの形状に応じて、外側の界磁用磁石４２と内側の磁界用磁石４３が相対的に回転方向の位置をかえる。

図４は、外側の界磁用磁石と内側の界磁用磁石の動作説明図である。
また、図５は磁束可変原理説明図である。
回転速度が低い時には、外側の界磁用磁石４２と内側の界磁用磁石４３は、図５に示されているように、起磁力が強め合う状態であり、界磁磁束は大きく、また、外側の界磁用磁石４２と内側の界磁用磁石４３の吸引力の働きで、遠心錘４５はシャフト側に引き戻されている。
回転子の回転速度が大きくなると、遠心錘４５に作用する遠心力が外側の界磁用磁石４２と内側の界磁用磁石４３の吸引力を上回り、遠心錘４５は回転子の外周に向かって移動し、外側の界磁用磁石４２と内側の界磁用磁石４３が、相対的に回転方向の位置を変える。
回転速度が高い時には、遠心錘４５は回転子の最も外周側に位置し、外側の界磁用磁石４２と内側の界磁用磁石４３は、図５に示されているように起磁力が打消し合う状態となることで、界磁磁束が減じる。そのため、遠心錘が作用する回転方向の力と、外側の界磁用磁石と内側の界磁用磁石の吸引力との釣り合いで、回転子の回転速度に応じて、前記界磁用磁石の相対的な位置が変化し、前記斜面溝の形状を適切にすることで、回転子の回転速度に応じて、所望の前記界磁用磁石の相対的な位置が得られ、最適な界磁磁束を得ることができる。
図６は、外側の磁界用磁石４２と内側の界磁用磁石４３の起磁力と２つの磁石による合成起磁力を示すものである。外側の界磁用磁石４２と内側の界磁用磁石４３の起磁力は空間的に概正弦波に近似させているため、相対的な位置関係によらず合成起磁力も概正弦波となる。このことは誘起電圧波形の高調波成分の低減に有効である。

図７は、この回転電機の回転速度に対する誘起電圧特性例を示すものである。
図７において、前記回転子を電動機の回転子として説明すれば、直線ａｂは初期状態における特性を示しており、界磁磁束が強く、低い回転速度でも高い誘起電圧が発生し、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も高い状態では、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を設定する。この調整で、作動の開始点ｂは、厳密に調整し得る。また、前記斜面溝の斜面の形状を調整することで、直線ｂｅの特性は厳密に調整し得る。例えば、作動開始点回転速度ｄから、最大回転速度ｆにいたるまで誘起電圧を概一定に調整し、界磁磁束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。
同様に前記回転子を発電機の回転子として図７を説明すれば、直線ａｂは初期状態における特性を示しており、界磁磁束が強く、回転速度は低くても高い誘起電圧が発生する。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、回転速度に拘わり無く一定の誘起電圧に低鉄損で調整できる。このことは、風力発電機や、エンジン発電機のような回転速度が大きく変動する場合でも、一定な発電電圧を要求される場合、非常に効果的である。

本発明が特許文献１または２と異なる部分は、対向する外側の界磁用磁石と内側の界磁用磁石を備え、外側の界磁用磁石と内側の界磁用磁石が相対的に回転方向の位置を変えることで、界磁磁束の強さを変化させるようにした部分である。
また、界磁磁束を回転子の回転速度に応じて変化させる機構が、ばねを用いない、より簡潔な機構とした部分である。

図８は、本発明の第２の実施例を示す回転電機の回転子の説明図であり、より小型の回転電機等への実施例である。外側の界磁用磁石５２と内側の界磁用磁石５３をリング型磁石とし、外側の回転子鉄心を省いている。他の働きは実施例１と同様である。
本発明が特許文献１または２と異なる部分は、対向する外側の界磁用磁石と内側の界磁用磁石を備え、外側の界磁用磁石と内側の界磁用磁石が相対的に回転方向の位置を変えることで、界磁磁束の強さを変化させるようにした部分である。
また、界磁磁束を回転子の回転速度に応じて変化させる機構が、ばねを用いない、より簡潔な機構とした部分である。

本発明を産業用サーボモータ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常に所望の電圧を発電することができる。

本発明の第１実施例を示す回転電機の軸方向断面図本発明の回転電機の径方向断面図回転子の構成部品説明図外側の界磁用磁石と内側の界磁用磁石の動作説明図磁束可変原理説明図外側の界磁用磁石と内側の界磁用磁石の起磁力と２つの磁石による合成起磁力を示す図回転速度に対する誘起電圧特性例を示す図本発明の第２実施例を示す回転電機の回転子の説明図従来の回転電機の例

符号の説明

４０固定子
４１回転位置検出部
４２外側の界磁用磁石
４３内側の界磁用磁石
４４シャフト
４５遠心錘
４６負荷側プレート
４６ａ負荷側プレートの斜面溝
４７反負荷側プレート
４７ａ反負荷側プレートの斜面溝
４８外側の回転子鉄心
４９内側の回転子鉄心
４９ａ斜面内側の回転子鉄心の斜面溝
５１回転子
５２外側の界磁用磁石
５３内側の界磁用磁石
５４反負荷側プレート
５４ａ反負荷側プレートの斜面溝
５５内側の界磁用磁石用鉄心
５５ａ内側の界磁用磁石用鉄心の斜面溝
６０リベット

Claims

界磁用磁石が設置された回転子を有する回転電機において、
前記回転子は、互いに磁極面が対向する外側の界磁用磁石と内側の界磁用磁石を備え、前記外側の界磁用磁石と前記内側の界磁用磁石はそれぞれ円筒状をした外側の回転子鉄心と内側の回転子鉄心のその円筒状部分の周方向に沿ってそれぞれの前記磁極面を径方向に向けて埋め込まれ、かつ、前記外側の界磁用磁石と前記内側の界磁用磁石が相対的に回転方向の位置を変える機構を備え、
前記外側の界磁用磁石と前記内側の界磁用磁石をそれぞれリング型磁石で構成し、
前記回転子がシャフトを備え、
前記シャフトに負荷側プレートと反負荷側プレートがそれぞれ互いに間隔を開けて固定され、
外側の回転子鉄心が前記負荷側プレートと前記反負荷側プレートへ固定され、
外側の界磁用磁石が前記外側の回転子鉄心に保待され、
内側の回転子鉄心が前記シャフトに回転可能に嵌合し、
内側の界磁用磁石が前記外側の界磁用磁石と対向するように前記内側の回転子鉄心に保待され、
前記内側の回転子鉄心と前記負荷側プレートと前記反負荷側プレートが斜面溝を有し、
遠心錘が前記内側の回転子鉄心の前記斜面溝を貫通し、前記反負荷側プレートの斜面溝と前記負荷側プレートの斜面溝に取り付けられることにより、
前記回転子の回転速度が変化して遠心力が前記遠心錘に作用することで、前記遠心錘が前記斜面溝の形状に応じて径方向の位置を変え、これにより前記外側の界磁用磁石と前記内側の界磁用磁石が相対的に回転方向の位置を変えて界磁磁束の強さを変化させることを特徴とする回転電機。