JP5481456B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に係り、特に脈動トルクを低減した回転電機に関する。

従来の回転電機、例えば発電機では、水力、火力等のエネルギーを回転エネルギに変換し、変換した回転エネルギで発電機を駆動して発電を行っている。一般に使用される発電機は、Ｎ極およびＳ極を有する永久磁石を回転軸に取り付けた回転子、前記永久磁石により形成される磁極数に応じた磁極を有する電機子鉄心、および該電機子鉄心に巻回した発電コイルを備え、前記回転子を回転駆動することにより、電機子鉄心内に交流磁界を発生し、発生した交流磁界により前記発電コイルに交流電圧を発生させている。

ところで、発電機あるいは電動機等の回転電機を構成する電機子鉄心は、電機子鉄心に巻回したコイルに十分な磁界を供給するため、前記回転子に取り付けた磁石と近接して配置することが望まれる。永久磁石と電機子鉄心とを近接して配置すると、永久磁石と鉄心の間に吸引力が働く。この吸引力は、回転電機の出力の向上を図るため、強力な永久磁石を用いる場合には、特に大きな値となる。

また、この吸引力は回転子の回転角度に依存して変動し、回転子の回転トルクに影響を及ぼす。このトルク、すなわち、電機子と回転子との間の磁気的吸引力に基づくトルク（脈動トルク）が大きくなると、回転子の回転角速度にばらつきが発生し、発電機には、異常振動あるいは騒音等の問題が発生する。また、例えば、風力発電等に用いられる発電機においては、回転翼が動き始める始動トルクが大きくなる。また、回転翼を連続して回転させるための抵抗も大きくなる。よって、微風の状態で発電することは困難となる。

このような脈動トルクによる不具合を抑制する技術として、特許文献１が知られている。特許文献１によれば、回転軸の回転方向に偶数の磁極が配置された磁石と、前記磁石の偶数の磁極に対応した鉄片が該磁極に近接され前記回転軸と同軸に配置されたヨークとを含む発電手段の３以上が前記回転軸によって連結され、一の発電手段の磁石とヨーク及び他の発電手段の磁石とヨークを、それぞれ相対的に回転させ、一の発電手段の磁石とヨークの鉄片が引き合う力と、他の発電手段の磁石とヨークの鉄片が引き合う力とを相殺させるようにしている。

特開２００９−２４０１５９号公報

前記従来技術によれば、脈動トルクを抑制するため、発電手段は、１つの回転軸に、複数の起電手段を連結する構造を備える。

ここで、前記起電手段は、外部から回転力が供給される回転軸に対して放射状且つ、円周方向に沿って交互に磁極を配置した永久磁石と、前記回転軸の外周にボビンを介して巻回したコイルと、永久磁石から発生する磁束を前記コイルと鎖交するように誘導するヨークと、前記回転軸に対して放射状且つ円周方向に沿って配置され、前記永久磁石によって磁化される複数の被吸着片を備えた引力手段とから構成される。なお、前記引力手段は永久磁石の極と被吸着片間に働く引力をある程度打ち消すことにより回転軸にかかる引力である脈動トルクを減少させる手段である。

このため、前記従来技術によれば発電手段はその構成が複雑となる。また発電手段を小型化することは困難である。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、脈動トルクの回転子の回転に与える影響を抑制し、回転子をスムーズに回転させることのできる回転電機を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

回転軸と同心に且つ前記回転軸と並行して等間隔で且つ磁化方向が交番するように配置した複数の永久磁石を備えた回転子と、
前記永久磁石のうちの隣り合う２つの永久磁石の回転軸方向前面の端部間を空隙を介して接続するように配置したコの字型の第１回転軸方向前面ステータ鉄心と、
前記永久磁石のうちの隣り合い、且つ前記２つの永久磁石とは１つのみが共通する２つの永久磁石の回転軸方向背面の端部間を空隙を介して接続するように配置したコの字型の第１回転軸方向背面ステータ鉄心と、
前記コの字型の第１回転軸方向前面ステータ鉄心に巻回した第１前面コイル、前記コの字型の第１回転軸方向背面ステータ鉄心に巻回した第１背面コイルと、を備えた回転電機において、
前記コの字型の第１回転軸方向前面ステータ鉄心の対向する辺間に形成される凹型空間、および隣り合うコの字型の第１回転軸方向前面ステータ鉄心の対向する辺間に形成される空間、およびこれらの空間を結合する空間に配置した第２回転軸方向前面ステータ鉄心と、
前記コの字型の第１回転軸方向背面ステータ鉄心の対向する辺間に形成される凹型空間、および隣り合うコの字型の第１回転軸方向背面ステータ鉄心の対向する辺間に形成される空間、およびこれらの空間を結合する空間に配置した第２回転軸方向背面ステータ鉄心と、
第２回転軸方向前面ステータ鉄心に巻回した第２前面コイルと、
第２回転軸方向背面ステータ鉄心に巻回した第２背面コイルと、
を備え、
前記永久磁石と対向するステータ鉄心の辺のうち、回転方向に先行するステータ鉄心の辺と前記永久磁石との対向面積が、回転方向に後行するステータ鉄心の辺と前記永久磁石との対向面積よりも少ないとき、前記回転方向に後行するステータ鉄心に巻回したコイルに前記永久磁石を反発する方向にパルス電流を供給する。

本発明は、以上の構成を備えるため、脈動トルクの回転子の回転に与える影響を抑制し、回転子をスムーズに回転させることのできる回転電機を提供することができる。

本発明の前提となる回転電機を説明する斜視図である。 回転電機の回転子および固定子を展開して示す模式図である。 回転子を説明する図である。 回転子に働くトルクを説明する図である。 回転子に働くトルクを説明する図である。 回転子に働くトルクを説明する図である。 回転子に働くトルクを説明する図である。 回転電機の変形例を説明する図である。 ステータ鉄心を説明する図である。 ステータ鉄心の変形例を説明する図である。 パルス電流による脈動トルクの抑制動作を説明する図である。 パルス電流による脈動トルクの抑制動作を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、実施形態にかかる発電機を説明する斜視図であり、図２は、図１に示す発電機の回転子および電機子部分を周方向に展開した展開図、図３は、図１に示す回転子を説明する図である。

これらの図において、１２は回転子、１５は回転子１２の回転軸、１２Ｍ（１２Ｍ−１，１２Ｍ−２・・・）は永久磁石であり、回転軸１５と同心に且つ前記回転軸１５と並行して等間隔で且つ磁化方向が交番するように複数個配置されている。１３は前面ステータ鉄心、１４は背面ステータ鉄心である。前面ステータ鉄心および背面ステータ鉄心は図示しないハウジングに収容されている。

回転子１２には回転軸１５が貫通して、回転軸１５は図示しない軸受を介して前記ハウジングに支持されている。

永久磁石１２Ｍの回転方向Ｗの前後には磁性体板１２Ｆ、１２Ｒが配置される。また、隣り合う永久磁石１２Ｍの間には、磁性体板１２Ｆ、１２Ｒを介して非磁性体板１２Ｃが配置される。前記非磁性体板１２Ｃとしてはステンレス鋼板、ベークライト板等が、また、磁性体板１２Ｆ、１２Ｒとしては電磁鋼鈑が用いられる。

前面ステータ鉄心１３（１３−１，１３−２・・・）は、前記複数の永久磁石１２Ｍのうちの隣り合う２つの永久磁石１２Ｍ−１、１２Ｍ−２の前面端部間を空隙を介して接続する。前面ステータ鉄心１３はコの字型に形成することができる。また、コの字状の前面ステータ鉄心には、それぞれコイル１１を巻回し、これらのコイルは、例えば直列に接続する。

１４（１４−１，１４−２・・・）は背面ステータ鉄心であり、前記複数の永久磁石のうちの隣り合う２つの永久磁石１２Ｍ−２，１２Ｍ−３の背面端部間を空隙を介して接続する。背面ステータ鉄心はコの字型に形成することができる。また、コの字状の背面ステータ鉄心には、それぞれコイル１６を巻回し、これらのコイルは例えば直列に接続する。

なお、背面ステータ鉄心は、前述のように前記前面ステータ鉄心１３により接続される永久磁石のうちの１つと、それに隣接する他の永久磁石の背面端部間を空隙を介して接続するように配置することができる。これにより、永久磁石→前面ステータ鉄心→永久磁石→背面ステータ鉄心→永久磁石→・・・を通る磁束は共通し発電コイルから効率的に出力を得ることができる。、
図４、５，６、７は、回転子に働くトルクを説明する図であり、図４は、回転子の永久磁石１２Ｍの一端が前面ステータ鉄心に全面で対向し、永久磁石の他端が背面ステータ鉄心に全面で対向する位置にある。

図５は、回転子１２が回転し、永久磁石が左方向に磁石幅の１／２移動した状態を示し、永久磁石の移動方向の後半部分（永久磁石の右半分）と磁性体板１２Ｒが前面ステータ鉄心および背面ステータ鉄心に対向している。

図６は、更に、回転子が回転し、永久磁石が左方向に磁石幅の１／２移動した状態を示し、永久磁石は、前面ステータ鉄心および背面ステータ鉄心の何れとも対向していない。

図７は、更に、回転子が回転し、永久磁石が左方向に磁石幅の１／２移動した状態を示し、永久磁石の回転方向の前半部分と磁性体板１２Ｆが前面ステータ鉄心および背面ステータ鉄心に対向している。

ところで、回転電機には、「リラクタンストルク」と「マグネットトルク」が作用する。リラクタンストルクは、磁石が鉄心等の磁性体を引きつける力に基づくトルクであり、マグネットトルクは磁極が互いに反発したり吸引したりする力に基づくトルクである。

永久磁石が、図４の位置にあるとき、永久磁石による磁束φｍは、永久磁石→背面ステータ鉄心→永久磁石→前面ステータ鉄心→を通り発電コイル１１，１６と鎖交する。前記鎖交に伴い、前面ステータ鉄心および背面ステータ鉄心に巻回した発電コイル１１，１６には起電力ｅが誘起される。発電コイルに負荷電流ｉが流れると負荷磁束２φｃが発生する。負荷磁束２φcは、主として永久磁石の回転方向の前後に配置された磁性体板１２Ｆ，１２Ｒを通過する（永久磁石の比透磁率μｓ＝１，磁性体のμｓ＝６０００である。このため、磁束の大部分は磁性体板を通る）。

永久磁石が、図５に示す位置にあるとき、永久磁石による磁束φｍの一部αφｍは、永久磁石→背面ステータ鉄心→永久磁石→前面ステータ鉄心→を通る。このとき、永久磁石には回転子を右方向に回転させようとするリラクタンストルクが働いている。このリラクタンストルクは脈動トルク原因となる。また、前記磁束αφｍは発電コイルと鎖交する。 また、前記磁束φｍの一部βφｍは磁性体板１２Ｆ、１２Ｒを通過して前記永久磁石に戻る。

前記鎖交に伴い、ステータ鉄心に巻回した発電コイルには起電力ｅが誘起され、発電コイルには負荷電流ｉｃが流れ、負荷磁束２φｃが発生する。

負荷磁束２φcは、主として永久磁石の回転方向の前後に配置された磁性体板１２Ｆ，１２Ｒを通過する。すなわち、２φｃの一部φｃ１は磁性体板１２Ｒを通り、２φｃの一部φｃ２は磁性体板１２Ｆを通る。

このようにして、回転子の磁性体板１２Ｆ、１２Ｒには、それぞれ磁束φｃ１＋βφｍ、磁束φＣ２−βφｍが通過する。この磁束により回転子には回転子を左方向に駆動するようなトルクが発生する。

この回転子を左方向に駆動するようなトルクは永久磁石とステータ鉄心間に働く前記リラクタンストルクとは逆方向である。このため永久磁石とステータ鉄心間に働く前記リラクタンストルクに基づく脈動トルクを抑制することができる。

永久磁石が図６の位置にあるとき、永久磁石からステータ鉄心に流れ込む磁束は、コイル内で打ち消し合う。このため、発電コイルに電圧は誘起されない。

また、永久磁石が図７の位置にあるとき、永久磁石による磁束φｍの一部αφｍは、永久磁石→背面ステータ鉄心→永久磁石→前面ステータ鉄心→・・・を通る。このとき、永久磁石には回転子を左方向に回転させようとするリラクタンストルクが働く。このリラクタンストルクは脈動トルクの原因となる。また、前記磁束αφｍは発電コイルと鎖交する。また、磁束φｍの一部βφｍは磁性体板１２Ｆ、１２Ｒを通過して前記永久磁石に戻る。

前記鎖交に伴い、背面ステータ鉄心に巻回した発電コイルには起電力ｅが誘起され、発電コイルには負荷電流ｉｃが流れ、負荷磁束φｃが発生する。

負荷磁束φcは、主として永久磁石の回転方向の前後に配置された磁性体板１２Ｆ，１２Ｒを通過する。すなわち、φｃの一部φｃ１は磁性体板１２Ｆを通り、φｃの一部φｃ２は磁性体板１２Ｒを通る。

すなわち、回転子の磁性体板１２Ｆ、１２Ｒには、それぞれ磁束φｃ１＋βφｍ、磁束φＣ２−βφｍが通過する。この磁束により回転子には回転子を右方向に駆動するようなトルクが発生する。

この回転子を右方向に駆動するようなトルクは永久磁石とステータ鉄心間に働く前記リラクタンストルクとは逆方向である。このため永久磁石とステータ鉄心間に働く前記リラクタンストルクに基づく脈動トルクを抑制することができる。

図８、９は、回転電機の変形例を説明する図であり、図９（ａ）、（ｂ）は、ステータ鉄心（コの字型ステータ鉄心（第１のステータ鉄心）１３−１および第２のステータ鉄心１３−１’）を説明する図、図９（ｃ）はこれらの組み合わせ状態を説明する図である。なお、図８において図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。

図８において、１３−１’、１３−２’１３−３’・・・は、第２の前面ステータ鉄心であり、例えば、第２の前面ステータ鉄心１３−２’の一方の脚は 前記コの字型の前面ステータ鉄心（第１の前面ステータ鉄心）１３−２の対向する辺間に形成される凹型空間に配置され、他方の脚は隣り合うコの字型の前面ステータ鉄心１３−１，１３−２の対向する辺間に形成される空間、に配置され、これらの脚はブリッジ部Ｂにより連結される。

同様に、第２の背面ステータ鉄心１４−２’の一方の脚は 前記コの字型の背面ステータ鉄心（第１の背面ステータ鉄心）１４−２の対向する辺間に形成される凹型空間に配置され、他方の脚は隣り合うコの字型の背面ステータ鉄心（第１の背面ステータ鉄心）１４−１，１４−２の対向する辺間に形成される空間、に配置され、これらの脚はブリッジ部Ｂにより連結される。

第１の実施形態においては、コの字型のステータ鉄心（第１のステータ鉄心）を回転方向に間隔を空けて配置している。このため、例えば、回転子が前記図６に示す位置あるとき永久磁石のから出る磁束は有効に利用されない。本実施形態によれば、第２のステータ鉄心、例えば第２の背面ステータ鉄心１４−２’を付加すると共に、その一方の脚は 前記コの字型の背面ステータ鉄心１４−２の対向する辺間に形成される凹型空間に配置し、他方の脚は隣り合うコの字型の背面ステータ鉄心１４−１，１４−２の対向する辺間に形成される空間、に配置し、これらの脚をブリッジ部Ｂにより連結する。このため、回転子の永久磁石は、何れかのステータ鉄心に影響を及ぼす位置に置かれることになり、回転電機の出力を増大することができる。

なお、以上の例では、前面ステータ鉄心および背面ステータ鉄心を、図９（ｂ）に示す回転方向に間隔を空けて配置したコの字型のステータ鉄心（第１のステータ鉄心）１３−１と、図９（ａ）に示す一方の脚を前記コの字型のステータ鉄心（第１のステータ鉄心）の対向する辺間に形成される凹型空間に配置し、他方の脚を隣り合うコの字型のステータ鉄心の対向する辺間に形成される空間に配置し、これらの脚をブリッジ部Ｂにより連結した第２のステータ鉄心１３−１’により形成したが、図１０に示すように、コの字型のステータ鉄心ａおよびｂを、回転子外周の前面側磁極位置に沿って交互に回転軸の前面側および背面側に傾けて配置することにより形成することができる。同様に、コの字型のステータ鉄心ａおよびｂを、回転子外周の背面側磁極位置に沿って交互に回転軸の前面側および背面側に傾けて配置することにより形成することができる。

図１１−１、１１−２は、パルス電流による脈動トルクの抑制動作を説明する図であり、図８示す発電機の回転子および電機子部分を周方向に展開した展開図である。なお、図１１−１および図１１−２中の（１）〜（１０）は、各時点毎の回転子の移動位置を示している。

図１１−１（２）〜（３）、図１１−２（６）〜（７）に示すように、例えば永久磁石１２Ｍ−１に対向するステータ鉄心の辺のうち、回転方向（図の例では左方向）に先行するステータ鉄心１４−１’の辺ａと前記永久磁石１２Ｍ−１との対向面積が、回転方向に後行するステータ鉄心１４−１の辺ｂと前記永久磁石との対向面積よりも少ないとき、すなわち、回転方向に先行するステータ鉄心１４−１’の辺ａと前記永久磁石との間に働くリラクタンストルクが、回転方向に後行するステータ鉄心１４−１の辺ｂと前記永久磁石との間に働くリラクタンストルクよりも少ないとき（このような場合には、回転電機の回転子は回転方向に後行するステータ鉄心１４−１の辺ｂと前記永久磁石との間に働くリラクタンストルクにより、回転方向とは逆の方向に駆動される）、前記回転方向に先行するステータ鉄心１４−１に巻回したコイル（発電コイルとは異なる）に前記永久磁石を反発する方向に磁極が生成されるようにパルス電流を供給する。

ここで、図１１−１、１１−２において、ステータ鉄心上に「Ｎ」、「Ｓ」で示した位置にある磁極は、前記磁極に巻回したコイル（例えば、コギング抑制コイルＮ１〜Ｎ４）に供給したパルス電流により形成された磁極を示す。このように磁極を生起させることにより、例えば前記永久磁石１２Ｍ−１と回転方向に後行するステータ鉄心１４−１の辺ｂとの間に働くリラクタンストルクを抑制して、該リラクタンストルクに基づく脈動トルクを抑制することができる。なお、コギング抑制コイルは１箇所（例えばＮ１のみ）でよく、複数設けることは必須ではない。また、コギング抑制コイルに供給するパルス電流の供給タイミングは回転子の回転位置を検出する位置センサ等から得ることができる。

なお、以上の例では、永久磁石を反発する方向に磁極が生成されるようにパルス電流を供給したが、吸引する方向にパルス電流を供給して回転子を駆動することにより、リラクタンストルクを抑制することもできる。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、リラクタンストルクに基づく脈動トルクを抑制することができる。このため回転電機におけるトルクの脈動を抑制することができ円滑な回転を得ることができる。以上、本発明の実施形態を発電機を例に説明したが、電動機にも同様に適用することができる。

１０ 回転電機
１２ 回転子
１３ 前面ステータ鉄心
１４ 背面ステータ鉄心
１５ 回転軸
１２Ｍ 永久磁石
１２Ｆ、１２Ｒ 磁性体板
１２Ｃ 非磁性体板
Ｎ１〜Ｎ４ コギング抑制コイル

Claims (4)

1. 回転軸と同心に且つ前記回転軸と並行して等間隔で且つ磁化方向が交番するように配置した複数の永久磁石を備えた回転子と、
   前記永久磁石のうちの隣り合う２つの永久磁石の回転軸方向前面の端部間を空隙を介して接続するように配置したコの字型の第１回転軸方向前面ステータ鉄心と、
   前記永久磁石のうちの隣り合い、且つ前記２つの永久磁石とは１つのみが共通する２つの永久磁石の回転軸方向背面の端部間を空隙を介して接続するように配置したコの字型の第１回転軸方向背面ステータ鉄心と、
   前記コの字型の第１回転軸方向前面ステータ鉄心に巻回した第１前面コイル、前記コの字型の第１回転軸方向背面ステータ鉄心に巻回した第１背面コイルと、を備えた回転電機において、
   前記コの字型の第１回転軸方向前面ステータ鉄心の対向する辺間に形成される凹型空間、および隣り合うコの字型の第１回転軸方向前面ステータ鉄心の対向する辺間に形成される空間、およびこれらの空間を結合する空間に配置した第２回転軸方向前面ステータ鉄心と、
   前記コの字型の第１回転軸方向背面ステータ鉄心の対向する辺間に形成される凹型空間、および隣り合うコの字型の第１回転軸方向背面ステータ鉄心の対向する辺間に形成される空間、およびこれらの空間を結合する空間に配置した第２回転軸方向背面ステータ鉄心と、
   第２回転軸方向前面ステータ鉄心に巻回した第２前面コイルと、
   第２回転軸方向背面ステータ鉄心に巻回した第２背面コイルと、
   を備え、
   前記永久磁石と対向するステータ鉄心の辺のうち、回転方向に先行するステータ鉄心の辺と前記永久磁石との対向面積が、回転方向に後行するステータ鉄心の辺と前記永久磁石との対向面積よりも少ないとき、前記回転方向に後行するステータ鉄心に巻回したコイルに前記永久磁石を反発する方向にパルス電流を供給することを特徴とする回転電機。
2. 請求項１記載の回転電機において、
   第１および第２の回転軸方向前面ステータ鉄心はコの字型のステータ鉄心であり、前記第１の回転軸方向前面ステータ鉄心と、前記第２の回転軸方向前面ステータ鉄心とを、回転子の回転軸方向前面側の磁極位置に沿って交互に回転子の回転軸方向前面側および回転軸方向背面側に傾けて配置したことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１記載の回転電機において、
   第１および第２の回転軸方向背面ステータ鉄心はコの字型のステータ鉄心であり、前記第１の回転軸方向背面ステータ鉄心と、前記第２の回転軸方向背面ステータ鉄心とを、回転子の回転軸方向背面側の磁極位置に沿って交互に回転子の回転軸方向前面側および回転軸方向背面側に傾けて配置したことを特徴とする回転電機。
4. 回転軸と同心に且つ前記回転軸と並行して等間隔で且つ磁化方向が交番するように配置した複数の永久磁石を備えた回転子と、
   前記永久磁石のうちの隣り合う２つの永久磁石の回転軸方向前面の端部間を空隙を介して接続するように配置したコの字型の第１回転軸方向前面ステータ鉄心と、
   前記永久磁石のうちの隣り合い、且つ前記２つの永久磁石とは１つのみが共通する２つの永久磁石の回転軸方向背面の端部間を空隙を介して接続するように配置したコの字型の第１回転軸方向背面ステータ鉄心と、
   前記コの字型の第１回転軸方向前面ステータ鉄心に巻回した第１前面コイル、前記コの字型の第１回転軸方向背面ステータ鉄心に巻回した第１背面コイルとを備えた回転電機において、
   前記コの字型の第１回転軸方向前面ステータ鉄心の対向する辺間に形成される凹型空間、および隣り合うコの字型の第１回転軸方向前面ステータ鉄心の対向する辺間に形成される空間、およびこれらの空間を結合する空間に配置した第２回転軸方向前面ステータ鉄心と、
   前記コの字型の第１回転軸方向背面ステータ鉄心の対向する辺間に形成される凹型空間、および隣り合うコの字型の第１回転軸方向背面ステータ鉄心の対向する辺間に形成される空間、およびこれらの空間を結合する空間に配置した第２回転軸方向背面ステータ鉄心と、
   第２回転軸方向前面ステータ鉄心に巻回した第２前面コイルと、
   第２回転軸方向背面ステータ鉄心に巻回した第２背面コイルと、
   を備え、
   前記永久磁石と対向するステータ鉄心の辺のうち、回転方向に先行するステータ鉄心の辺と前記永久磁石との対向面積が、回転方向に後行するステータ鉄心の辺と前記永久磁石との対向面積よりも少ないとき、ステータ鉄心に巻回したコイルに前記永久磁石を吸引または反発する方向にパルス電流を供給して、回転子を前記回転方向に駆動することを特徴とする回転電機。