JP5840254B2 - Rotating electrical machine - Google Patents
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Description
本発明は、例えば電動自動二輪車その他電動車両や各種電気機械における駆動源用の電動モータとして好適に用いられる回転電気機械に関する。 The present invention relates to a rotating electric machine suitably used as an electric motor for a driving source in, for example, an electric motorcycle, other electric vehicles, and various electric machines.
従来、例えば電動自動二輪車その他電動車両用の駆動源に用いられる電動モータ、あるいは電気製品における各種駆動源に用いられる電動モータとして、ラジアルギャップ型とアキシャルギャップ型の回転電気機械が広く知られている。ラジアルギャップ型回転電気機械は、永久磁石を備え回転軸を中心に回転する回転子と、その回転子の半径方向に間隙を隔てて配置された、固定子巻線を備えた円筒状の固定子とを備えたものである。一方、アキシャルギャップ型回転電気機械は、固定子巻線を有する固定子と、その固定子の軸方向の一端部に間隙を隔てて配置された、永久磁石を有する円板状の回転子とを備えたものである。 Conventionally, radial gap type and axial gap type rotary electric machines are widely known as electric motors used as drive sources for electric motorcycles and other electric vehicles, or as electric motors used for various drive sources in electric products. . A radial gap type rotary electric machine includes a rotor having a permanent magnet and rotating around a rotating shaft, and a cylindrical stator having stator windings arranged with a gap in the radial direction of the rotor. It is equipped with. On the other hand, an axial gap type rotating electrical machine includes a stator having a stator winding, and a disk-shaped rotor having a permanent magnet disposed at one end in the axial direction of the stator with a gap. It is provided.
ところで、近年、電動自動二輪車その他の車両用駆動源として用いられる電動モータとして、小型かつ高性能なものが求められている。この種の電動モータにおいて、高トルク低速回転領域から低トルク高速回転領域までの運転可能領域が広ければ、内燃機関の車両で通常必要とされる変速機を用いることなく、走行に必要な駆動力を得ることが可能である。また車両に搭載することを考慮すると、電動モータの大きさはできるだけ小さいものであることが望ましい。従って、小型かつ高性能な電動モータとするために、固定子の限られた巻線配置可能領域に、できるだけ多くの巻線を配置することが望ましく、種々提案がなされている。この種の提案によれば、巻線の占積率が向上され、小型でありながら、高いトルクを発生する電動モータを提供することができる、とされている。 By the way, in recent years, a small and high-performance electric motor used as a drive source for electric motorcycles and other vehicles has been demanded. In this type of electric motor, if the operable range from the high torque low speed rotation range to the low torque high speed rotation range is wide, the driving force required for running without using the transmission normally required for a vehicle of an internal combustion engine. It is possible to obtain In consideration of mounting in a vehicle, the size of the electric motor is desirably as small as possible. Therefore, in order to obtain a small and high-performance electric motor, it is desirable to arrange as many windings as possible in a limited winding arrangement region of the stator, and various proposals have been made. According to this type of proposal, the space factor of the winding is improved, and an electric motor that generates a high torque while being small in size can be provided.
しかしながら、モータの特性上、低速度領域では高いトルクを発生することができるものの、高速度領域では回転速度の上限が制限されてしまうという難がある。即ち、電動モータにおいては、その回転数が低い領域では高いトルクを発生することができるものの、回転数が上昇すると回転子に設けられた永久磁石の磁束によって固定子に配置された固定子巻線に生じる誘起電圧(逆起電力)が増加する。そして、回転速度が上昇してある速度に達すると、固定子巻線に誘起される誘起電圧がモータの印加電圧と等しくなってしまい、固定子巻線に電流を流せなくなり、それ以上回転数を上げることができなくなる。この問題を解決するために、たとえば弱め界磁制御を行って逆起電力を低減することが行われている。 However, due to the characteristics of the motor, although a high torque can be generated in the low speed region, there is a difficulty that the upper limit of the rotational speed is limited in the high speed region. That is, in an electric motor, a high torque can be generated in a region where the rotation speed is low, but when the rotation speed increases, a stator winding disposed on the stator by a magnetic flux of a permanent magnet provided on the rotor. The induced voltage (back electromotive force) generated at the time increases. When the rotational speed increases and reaches a certain speed, the induced voltage induced in the stator winding becomes equal to the applied voltage of the motor, so that no current can flow through the stator winding. Cannot be raised. In order to solve this problem, for example, field weakening control is performed to reduce the back electromotive force.
しかし、この弱め界磁制御方法は、誘起電圧を打ち消すための新たな電力を必要とするものである。従って、外部から電力を供給できる状況で用いられる製品用の電動モータであれば、消費電力の増大が駆動可能時間の短縮をもたらすことはない。しかし、例えば電動自動二輪車のようにバッテリーで駆動される電動モータを備えたものにあっては、そのバッテリー容量が有限であるため、固定子巻線に誘起される誘起電圧を打ち消すための電流を供給するとその分消費電力が増大し、それだけ駆動可能時間が短縮してしまう。従って、できるだけ消費電力を減らしたいという要請がある。 However, this field weakening control method requires new power to cancel the induced voltage. Therefore, in the case of an electric motor for a product used in a situation where power can be supplied from the outside, an increase in power consumption does not cause a reduction in drivable time. However, a battery equipped with an electric motor that is driven by a battery, such as an electric motorcycle, has a finite battery capacity. Therefore, a current for canceling the induced voltage induced in the stator winding is not used. When supplied, the power consumption increases correspondingly, and the driveable time is shortened accordingly. Therefore, there is a request to reduce power consumption as much as possible.
そこで、本願発明者は、新たな電力消費を招く弱め界磁制御に代わる方法として、固定子の構造を工夫する方法を提案した。即ち、固定子における巻線が配置される歯部を少なくとも2つの歯部に分割し、その分割された2つの歯部を相対移動可能として、その相対移動によって磁束の流れを変えて高速回転時に固定子巻線に鎖交する回転子の磁束を減少させることを提案した。この提案によれば、高速回転時には固定子巻線の磁束鎖交数を物理的手段によって調整することができるので、弱め界磁制御の際に必要な電力を低減ないしは不要とすることができ、ひいては電力損失を低減することができる回転電気機械を提供することができた。 Therefore, the inventor of the present application has proposed a method of devising the structure of the stator as a method to replace the field weakening control that causes new power consumption. That is, the tooth portion where the winding in the stator is arranged is divided into at least two tooth portions, and the two divided tooth portions can be moved relative to each other. It was proposed to reduce the magnetic flux of the rotor interlinked with the stator winding. According to this proposal, the number of flux linkages in the stator winding can be adjusted by physical means during high-speed rotation, so that the power required for field-weakening control can be reduced or eliminated, and in turn It was possible to provide a rotating electrical machine capable of reducing loss.
ところで、上記構成の回転電気機械においても、高トルク低速回転領域から低トルク高速回転領域までの運転可能領域をより一層拡大することが望まれていた。 By the way, also in the rotating electric machine having the above-described configuration, it has been desired to further expand the operable range from the high torque low speed rotation region to the low torque high speed rotation region.
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、高トルク低回転速度から低トルク高回転速度に至る運転可能領域をより一層拡大することができる回転電気機械を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and provides a rotating electrical machine capable of further expanding the operable range from a high torque low rotation speed to a low torque high rotation speed. It is intended.
本発明は、他の側面によると、回転子の永久磁石として強力な永久磁石を用いた場合であっても、高トルク低回転速度から低トルク高回転速度に至る運転可能領域を拡大することができ、かつ効率よく制御することができる回転電気機械を提供することを目的とするものである。 According to another aspect of the present invention, even when a strong permanent magnet is used as the permanent magnet of the rotor, the operable range from a high torque low rotational speed to a low torque high rotational speed can be expanded. An object of the present invention is to provide a rotating electrical machine that can be controlled efficiently.
さらに、この発明のその他の目的及び利点は、以下の好ましい実施形態から明らかになるであろう。 Furthermore, other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following preferred embodiments.
以下に、本発明に係る回転電気機械の構成について説明する。
本発明に係る回転電気機械は、永久磁石を備え、回転軸を中心に回転する回転子と、前記回転子に間隙を隔てて対向するように配置された固定子とを備えている。
Below, the structure of the rotary electric machine which concerns on this invention is demonstrated.
A rotary electric machine according to the present invention includes a rotor that includes a permanent magnet and rotates around a rotation shaft, and a stator that is disposed so as to face the rotor with a gap therebetween.
前記固定子は、前記回転子に対して前記間隙を介して配置された歯部と、前記歯部と共に固定子磁路を形成する固定子ヨーク部と、前記固定子ヨーク部と前記歯部とで囲まれた巻線配置可能領域内にその少なくとも一部を占めるように配置された1又は複数の巻線と、前記固定子ヨーク部と前記歯部とで構成される前記固定子磁路を機械的に変更して該固定子磁路の磁気抵抗値を変更する磁気抵抗変更機構とを備えている。 The stator includes a tooth portion disposed with respect to the rotor via the gap, a stator yoke portion that forms a stator magnetic path together with the tooth portion, the stator yoke portion, and the tooth portion. The stator magnetic path composed of one or more windings arranged so as to occupy at least a part of the winding arrangement possible region surrounded by the stator yoke portion and the tooth portion. A magnetic resistance changing mechanism that mechanically changes the magnetic resistance value of the stator magnetic path.
前記磁気抵抗変更機構は、前記固定子磁路の磁気抵抗が小さい第一状態と、該第一状態よりも相対的に前記固定子磁路の磁気抵抗が大きい第二状態との間で、前記固定子磁路を機械的に変更するように構成されている。 The magnetoresistive change mechanism includes a first state in which the magnetic resistance of the stator magnetic path is small and a second state in which the magnetic resistance of the stator magnetic path is relatively larger than the first state. The stator magnetic path is configured to be mechanically changed.
前記固定子は、前記固定子の周方向に沿って所定間隔で配置された複数の前記歯部を有している。前記複数の前記歯部の回転子側の端部は、前記固定子の周方向において互いに離れている。前記1又は複数の巻線は、少なくとも前記固定子磁路が前記磁気抵抗変更機構により前記第二状態に変更された状態において通電される通電巻線を有する。 The stator has a plurality of tooth portions arranged at predetermined intervals along the circumferential direction of the stator. Ends on the rotor side of the plurality of tooth portions are separated from each other in the circumferential direction of the stator. The one or more windings include energization windings that are energized at least when the stator magnetic path is changed to the second state by the magnetoresistance changing mechanism.
前記巻線配置可能領域における、前記通電巻線の固定子ヨーク部側端から前記巻線配置可能領域の回転子側端までの領域が、前記回転子と前記固定子とが対向する方向における前記歯部の中間位置を境にして前記回転子側に位置する第一領域と前記固定子ヨーク部側に位置する第二領域とに分けられ、前記第一領域の断面積に対する、該第一領域内に存在する前記通電巻線の実際の巻線総断面積の比で定義される通電巻線占積率が、前記第二領域の断面積に対する、該第二領域内に存在する前記通電巻線の実際の巻線総断面積の比で定義される通電巻線占積率より相対的に小さく設定されている。 The region from the stator yoke portion side end of the energized winding to the rotor side end of the winding arrangement possible region in the winding arrangement possible region is the direction in which the rotor and the stator face each other. The first region is divided into a first region located on the rotor side and a second region located on the stator yoke portion side with an intermediate position of the tooth portion as a boundary, and with respect to the cross-sectional area of the first region The energized winding space factor defined by the ratio of the actual total winding cross-sectional area of the energized winding existing in the current winding is present in the second region with respect to the cross-sectional area of the second region. It is set to be relatively smaller than the current winding space factor defined by the ratio of the actual total cross sectional area of the wire.
前記磁気抵抗変更機構は、好ましくは、前記歯部が前記回転子と前記固定子とが対向する方向に分割された複数個の分割歯部を有し、これら複数個の分割歯部のうち少なくともいずれか1つの分割歯部が他の分割歯部に対して前記回転軸の周方向に相対移動自在な可動分割歯部を構成し、該可動分割歯部が、前記第一状態と前記第二状態との間で移動自在となるように構成する。 Preferably, the magnetoresistive changing mechanism has a plurality of divided tooth portions in which the tooth portion is divided in a direction in which the rotor and the stator face each other, and at least of the plurality of divided tooth portions. Any one of the divided tooth portions constitutes a movable divided tooth portion that is relatively movable in the circumferential direction of the rotation shaft with respect to the other divided tooth portions, and the movable divided tooth portion has the first state and the second state. It is configured to be movable between states.
また前記通電巻線の回転子側端を前記巻線配置可能領域の前記回転子側端から前記固定子側に所定距離隔てた位置に配置すると共に、前記巻線配置可能領域における前記回転子側の所定の領域に前記通電巻線が形成しないようにしても良い。この場合、前記第二状態において、巻線を横切る磁束が少なくなって、同巻線に誘起される誘起電圧(逆起電力)が大幅に抑制され、ひいては回転子の回転数の上限値を上昇させることができる。 Also, the rotor side end of the energized winding is arranged at a position spaced a predetermined distance from the rotor side end of the winding arrangement area to the stator side, and the rotor side in the winding arrangement area The energization winding may not be formed in the predetermined region. In this case, in the second state, the magnetic flux across the winding is reduced, the induced voltage (back electromotive force) induced in the winding is greatly suppressed, and the upper limit value of the rotational speed of the rotor is increased. Can be made.
上記回転電気機械において、前記通電巻線の前記回転子側端と、前記巻線配置可能領域の前記回転子側端との間に、前記巻線を固定する巻線固定部材を設けるようにしても良い。 In the rotating electrical machine, a winding fixing member for fixing the winding is provided between the rotor side end of the energized winding and the rotor side end of the winding arrangement possible region. Also good.
上記回転電気機械において、前記1又は複数の巻線を、全体的に前記固定子ヨーク部側に偏在した状態で形成しても良い。 In the rotary electric machine, the one or more windings may be formed in a state of being unevenly distributed on the stator yoke portion side as a whole.
あるいは、前記1又は複数の巻線を、前記巻線配置可能領域において前記回転子側端から前記固定子ヨーク部側端に向かうに従って巻数が増大するように形成しても良い。 Alternatively, the one or more windings may be formed so that the number of turns increases from the rotor side end toward the stator yoke part side end in the winding arrangement possible region.
上述したいずれの回転電気機械も、いわゆるラジアルギャップ型として構成することもできる。 Any of the rotary electric machines described above can also be configured as a so-called radial gap type.
或いは、前記回転子が、回転軸を中心に回転可能となされた円板状の回転子本体と、該回転子本体の片面に配置された前記永久磁石とを備え、前記固定子が、前記回転子本体に対して前記回転軸の方向に対向配置された、いわゆるアキシャルギャップ型のものとして構成することもできる。 Alternatively, the rotor includes a disk-shaped rotor main body that is rotatable about a rotation axis, and the permanent magnet disposed on one surface of the rotor main body, and the stator includes the rotation It can also be configured as a so-called axial gap type disposed opposite to the child body in the direction of the rotation axis.
前記ラジアルギャップ型の回転電気機械において、前記回転子が、前記回転子本体の外周縁部に複数個の前記永久磁石が周方向に沿って所定間隔を隔てて埋め込み状態に配置されたものを採用することができる。 In the radial gap type rotating electrical machine, the rotor adopts a structure in which a plurality of the permanent magnets are arranged in an embedded state at a predetermined interval along a circumferential direction on an outer peripheral edge portion of the rotor body. can do.
前記アキシャルギャップ型の回転電気機械において、前記回転子が、前記回転子本体の片面に複数個の前記永久磁石が周方向に沿って所定間隔を隔てて外部露出状態に配置されたものを採用することができる。 In the axial gap type rotating electrical machine, the rotor adopts a structure in which a plurality of the permanent magnets are arranged on the one surface of the rotor body in an externally exposed state at predetermined intervals along the circumferential direction. be able to.
前記ラジアルギャップ型およびアキシャルギャップ型のいずれの型式の回転電気機械においても、前記永久磁石として、ネオジム磁石を用いても良い。 In both the radial gap type and the axial gap type rotary electric machines, a neodymium magnet may be used as the permanent magnet.
本発明の更に他の側面によると、前記回転電気機械を備えた乗り物が提供される。 According to still another aspect of the present invention, a vehicle including the rotating electric machine is provided.
本発明の更に他の側面によると、前記回転電気機械を備えた電気製品が提供される。 According to still another aspect of the present invention, an electric product including the rotating electric machine is provided.
本発明によれば、高速度回転領域における回転速度の上限を拡大して運転可能領域をより一層拡大することを可能とした回転電気機械を提供することができる。また、従来の弱め界磁制御における界磁制御のための電力を低減ないしは不要とすることを可能とした回転電気機械を提供することができる。更には強力な永久磁石を採用した場合においても、低速回転領域で高いトルクを得ることができると共に、高速度回転領域における回転速度の上限を拡大して運転可能領域を拡大することができる。しかも永久磁石に生ずるジュール損の発生を低減して効率の低下を抑制すると共に、ジュール損による発熱に起因する永久磁石自体の保磁力の低下を抑制し、ひいては電動モータの効率の低下を抑制することができる回転電気機械を提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the rotary electric machine which made it possible to expand the upper limit of the rotational speed in a high speed rotation area | region, and to expand a driving | operation possible area | region further can be provided. In addition, it is possible to provide a rotating electric machine that can reduce or eliminate electric power for field control in conventional field-weakening control. Furthermore, even when a strong permanent magnet is employed, high torque can be obtained in the low-speed rotation region, and the operable range can be expanded by expanding the upper limit of the rotation speed in the high-speed rotation region. Moreover, the generation of Joule loss that occurs in the permanent magnet is reduced to suppress the decrease in efficiency, and the decrease in the coercive force of the permanent magnet itself due to the heat generation due to the Joule loss is suppressed, thereby suppressing the decrease in efficiency of the electric motor. It is possible to provide a rotating electric machine that can perform the above-described operation.
以下、本発明を図面に示す実施形態を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係る回転電気機械としての電動モータは、高トルク・低速回転および低トルク・高速回転が要求される、例えば電動自動二輪車、その他の車輌を含む各種乗り物Vにおける主たる駆動源あるいは補助駆動源として好適に使用されるものである(図10参照)。もっとも、この発明に係る回転電気機械は、このような車輌用の用途に限定されるものではなく、他に例えば、洗濯機等の家電製品やDVDプレーヤ等のOA機器等の電気製品Eにおけるモータ等としても好適に用いられるものである(図11参照)。 The present invention will be described below with reference to embodiments shown in the drawings. An electric motor as a rotating electric machine according to an embodiment of the present invention is a main drive source in various vehicles V including, for example, an electric motorcycle and other vehicles that require high torque / low speed rotation and low torque / high speed rotation. It is preferably used as an auxiliary drive source (see FIG. 10). However, the rotating electrical machine according to the present invention is not limited to such a use for a vehicle, and for example, a motor in an electrical product E such as a home appliance such as a washing machine or an OA device such as a DVD player. Etc. (see FIG. 11).
(第1実施形態)
図1ないし図5は、本発明の第1実施形態に係る、電動自動二輪車用の電動モータとして好適に使用されるラジアルギャップ型モータを示す概略断面図である。これら図面に示すように、このラジアルギャップ型モータは、主要構成部材として、複数個の永久磁石Mが外周縁部に周方向に一定の間隔を隔てて埋め込み状態に配置され、回転軸1を中心に回転する円柱状の回転子2と、その回転子2の外周縁部の半径方向外側に間隙を隔てて対向するように配置された円筒状の固定子3と、この固定子3を構成する後述する可動分割歯部を相対移動させるための回動機構4とを備えている。
(First embodiment)
FIGS. 1 to 5 are schematic cross-sectional views showing a radial gap type motor suitably used as an electric motor for an electric motorcycle according to a first embodiment of the present invention. As shown in these drawings, the radial gap type motor has a plurality of permanent magnets M as main constituent members arranged in an embedded state at a certain interval in the circumferential direction on the outer peripheral edge, and the rotation shaft 1 is the center. A
前記回転子2は、図2に示すように、軸心に前記回転軸1が設けられた円筒状の回転子本体10を有する。この回転子本体10の外周縁部には、断面矩形状の板状の永久磁石片Mが周方向に沿って一定間隔を隔てて埋め込み状態に合計6個配置されている。
As shown in FIG. 2, the
この各永久磁石片Mとしては、強力な磁場を作ることができる、例えばネオジム(ネオジウム)磁石等を好適に用いることができる。このような強力な永久磁石を用いた場合、従来の電動モータであれば、モータとして高いトルクを発生することができるものの、高速回転時により大きな誘起電圧(逆起電力)が固定子巻線に誘起され、ひいては最高回転数の低下を招くことになる。しかし、本件発明に係る回転電気機械においては、後述する巻線配置構造により、その問題点が解消されるようになされている。 As each permanent magnet piece M, for example, a neodymium (neodymium) magnet or the like that can generate a strong magnetic field can be suitably used. When such a strong permanent magnet is used, a conventional electric motor can generate a high torque, but a larger induced voltage (counterelectromotive force) is generated in the stator winding during high-speed rotation. Induced, and as a result, the maximum rotational speed is reduced. However, in the rotating electrical machine according to the present invention, the problem is solved by the winding arrangement structure described later.
もっとも本件発明は、このような強力な永久磁石を用いる場合に限定されるものではなく、従来汎用されている通常の磁力を有する永久磁石を用いることをも許容するものである。また、永久磁石の材料、特性、寸法、個数等も特に限定されるものではない。 However, the present invention is not limited to the case where such a strong permanent magnet is used, and it is also possible to use a permanent magnet having a normal magnetic force that has been conventionally used. Further, the material, characteristics, dimensions, number, etc. of the permanent magnet are not particularly limited.
前記永久磁石片Mは、軸方向Xに沿ってのびた断面矩形状の板状に形成されたものであり、前記回転子本体10の外周縁部に、その外周面から半径方向内側に所定距離だけ位置するような態様で形成された、対応断面形状のスリットS内に軸方向に沿ってはめ込まれた状態で埋設固定されている。従って、永久磁石片Mは、回転子本体10がその回転軸1を中心に高速で回転しても、スリットS内に固定されているため、遠心力によっても半径方向外側に飛び出さないようになされている。前記回転子本体10の外周面には、隣接する前記永久磁石片M間に、軸方向Xに沿って、断面略V字状の切り込み部11が形成されている。
The permanent magnet piece M is formed in a plate shape having a rectangular cross section extending along the axial direction X. The permanent magnet piece M is formed on the outer peripheral edge of the
前記回転子本体10は、例えば打ち抜き加工により所定形状に成形された多数枚の薄いケイ素鋼板を軸方向Xに沿って張り合わせることにより形成されたものであり、これにより回転子本体10内の磁束の変化に起因する渦電流損の低減が図られている。
The
この実施形態においては、前述したとおり、前記各永久磁石片Mが回転子本体10の外周縁部に埋め込み状態に配置されると共に、周方向に沿って複数個の永久磁石片Mが配置されているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば複数個の永久磁石片Mが回転子本体10の外周面上に配置され、回転子本体10の回転に伴う遠心力によって半径方向外側に飛び出さないように、例えば筒状の抑え部材等で固定したものであっても良い。また、また複数個の分離独立した永久磁石片に代えて、円筒状に一体的に成型されて適宜着磁された一体構造の永久磁石を用いても良い。
In this embodiment, as described above, each of the permanent magnet pieces M is embedded in the outer peripheral edge of the
前記固定子3は、前記回転子2の半径方向外側に所定の間隙を隔てて対向するように同軸状に配置されている。図2及び図3に示すように、この固定子3は、前記回転子本体2の外周に前記間隙を隔てて回転子2と同軸に配置された円筒状の第一固定子部3Aと、その第一固定子部3Aの半径方向外側に所定間隙を隔てて第一固定子部3Aに対して周方向に相対移動可能な状態で、前記回転子2と同軸に配置された円筒状の第二固定子部3Bとを有する。
The
前記固定子3は、図4Aに示すように、前記回転子2の半径方向外側に前記間隙を隔てた状態で、前記回転子2の周方向に沿って所定間隔で配置された複数の歯部30を有する。各歯部30は、その回転子側の端部とは反対側の端部に近い部位において、半径方向に分割されて2つの分割歯部、即ち前記回転子側に近い第一歯部31とその外側に配置された第二歯部32とを有する。
As shown in FIG. 4A, the
これら第一歯部31と第二歯部32とは、相対移動が可能となるように所定の間隙を隔てて配置されている。これら第一歯部31と第二歯部32との間隙は、第一歯部31の回転子側の端縁と回転子2の外周縁との間隔よりも小さく設定されている。即ち、第一歯部31と第二歯部32とが半径方向に一致して正対する状態における両歯部間の磁気抵抗Rk(Rk1)は、第一歯部31の回転子側の端縁と回転子2の外周縁との間の磁気抵抗Rhよりも小さく設定されている(図5A参照)。
The
前記各第一歯部31は、その回転子側の端部の端縁が回転子2の外周形状に対応した円弧状に形成されると共に、その回転子側の端部の周方向の両側部にはそれぞれ周方向に沿って延びた側方突出縁部31a、31aが一体的に形成されている。
Each of the
隣り合う第一歯部31、31の側方突出縁部31a、31a相互間の間隔は、第一歯部31と第二歯部32との間隔よりも大きく設定されている。具体的には、隣り合う第一歯部31、31の側方突出縁部31a、31a間の磁気抵抗Rjが、第一歯部31と第二歯部32とが半径方向に一致して正対する状態における両歯部間の磁気抵抗Rk(Rk1)の2倍の磁気抵抗2Rk(2Rk1)よりも大きくなるように、前記側方突出縁部31a、31a相互間の間隔が設定されている(図5A参照)。
The interval between the side protruding
前記各第一歯部31には、それぞれ巻線40が施されている。図2に示すように、これら巻線40が施された複数の第一歯部31は樹脂モールドによって円筒状の第一固定子部3Aを構成している。前記巻線40としては、単一の巻線であっても良く、また複数の別個独立した巻線であっても良い。この実施形態では、単一の巻線が採用されている。前記巻線40の配置構造については後述する。
Each
前記各第二歯部32は、図4Aに示すように、円筒状の固定子ヨーク部50の内周面から一体的に内側突出状に設けられたものであり、前記第一歯部31と対応するように配置されている。この実施形態では、第二歯部32は、固定子ヨーク部50と一体構造となされているが、固定子ヨーク部50とは別部材として形成し、第二歯部32を固定子ヨーク部50に適宜手段により連結固定するようにしても良い。図2に示すように、これら第二歯部32と固定子ヨーク部50は円筒状の第二固定子部3Bを構成している。
As shown in FIG. 4A, each of the
前記第二固定子部3Bを構成する前記固定子ヨーク部50の外周面には、図2に示すように、周方向の一部の領域に、複数の歯からなるギア部51が、固定子ヨーク部50の長さ方向の全長に亘って形成されている。このギア部51には、図1に示すように、前記回動機構4の駆動モータ4aによって減速機構4bを介して回転駆動される歯車4cが噛み合わされている。
On the outer peripheral surface of the
前記駆動モータ4aは、図示しないコントローラによって正逆両方向に回転駆動するように構成されており、このモータの回転力が減速機構4bを介して歯車4cに伝達される。この歯車4cの回転は、固定子ヨーク部50(第二固定子部3B)のギア部51に伝達され、第二固定子部3Bが、第一固定子部3Aに対して周方向に相対移動され、ひいては第二歯部32が第一歯部31に対して周方向に一定範囲で相対移動自在となされている。このように駆動モータ4aを制御することによって、第一歯部31と第二歯部32との相対位置を任意かつ連続的または不連続的に変更することができる。
The
而して、前記駆動モータ4aを制御することによって、図4Aに示すように、第一歯部31と第二歯部32とが半径方向に一致して正対しこれら両歯部で構成される磁路の磁気抵抗Rk(Rk1)が最小となる磁気抵抗最小位置と、図4Bに示すように、第二歯部32が隣接する一対の第一歯部31、31の中間に位置して両歯部31、32で構成される磁路の磁気抵抗Rk(Rk2)が最大となる磁気抵抗最大位置との間で、可動分割歯部としての第二歯部32を第一歯部31に対する相対位置を連続的または不連続的に自在に変更することができる。
Thus, by controlling the
図4Aに示す磁気抵抗最小位置を第一位置とし、図4Bに示す磁気抵抗最大位置を第二位置とそれぞれ定義すると、それら第一位置と第二位置との間で、前記可動分割歯部(第二歯部32)が移動するように制御される。 When the minimum magnetoresistive position shown in FIG. 4A is defined as the first position and the maximum magnetoresistive position shown in FIG. 4B is defined as the second position, the movable split tooth portion (between the first position and the second position ( The second tooth portion 32) is controlled to move.
もっとも、この発明においては、第一位置および第二位置は、必ずしも磁気抵抗最小位置と磁気抵抗最大位置にそれぞれ完全に一致させることを必要とするものではない。例えば、本発明は、磁気抵抗最小位置と磁気抵抗最大位置との間の任意の二点を第一位置および第二位置とし、これら第一位置と第二位置との間で可動分割歯部(第二歯部)32を移動制御するように構成することも許容するものである。また、この発明においては、請求項1で定義したように、固定子ヨーク部50と歯部30とで構成される固定子磁路の磁気抵抗が小さい状態を第一状態と定義すると共に、該第一状態よりも相対的に前記固定子磁路の磁気抵抗が大きい状態を第二状態と定義した場合に、固定子磁路が機械的に変更されて、第一状態と第二状態とが転換自在となされる場合も含むものである。以下、第一位置と第二位置という概念を用いて説明するが、これらを第一状態及び第二状態という概念で置き換えた場合においても、同様の作用効果を奏するものであると理解されるべきである。
However, in the present invention, the first position and the second position are not necessarily required to completely coincide with the minimum magnetic resistance position and the maximum magnetic resistance position, respectively. For example, in the present invention, any two points between the magnetoresistive minimum position and the magnetoresistive maximum position are defined as a first position and a second position, and a movable split tooth ( It is also permissible to configure the movement of the
この実施形態では、歯部30が半径方向に二分割されたものを例示しているが、これに限定されるものではない。この発明では、歯部30を、例えば半径方向に3つ以上に分割したものであっても良い。歯部30が3つ以上に分割されたものである場合、前記回転子2に最も近く配置された分割歯部が第一歯部31、その反対側の最も外側に配置された分割歯部が第二歯部32として定義される。このように3分割あるいはそれ以上に分割されたものである場合、複数の分割歯部のうちの少なくともいずれか1の分割歯部を、他の分割歯部に対して相対移動自在な可動分割歯部として構成し、その相対移動によって分割歯部で構成される磁路の磁気抵抗を調整可能なものとすれば良い。
In this embodiment, the
また、この実施形態では、各歯部を第一歯部31と第二歯部32とに分割したものとして説明しているが、以下のような構成としても把握することができる。即ち、第一歯部31が歯部30を構成し、第二歯部32と固定子ヨーク部50とが固定子ヨーク部を構成し、固定子ヨーク部の内周面に凹部50a(図5A参照)が形成され、該固定子ヨーク部50が歯部(第一歯部31)に対して周方向に移動自在となされた構成としても把握することができる。このように、歯部30が半径方向に分割されていない構成として把握した場合、固定子3は、固定子ヨーク部50と歯部30とで構成される固定子磁路が機械的に変更されて該固定子磁路の磁気抵抗値が変更する磁気抵抗変更機構を備えたものであると把握することができる。このような把握の仕方如何に拘わらず、同じ作用効果を奏するものである。上記磁気抵抗変更機構は、この実施形態に示したような歯部を分割したタイプに限定されるものではなく、固定子ヨーク部50と歯部30とで構成される固定子磁路を機械的に変更して該固定子磁路の磁気抵抗値を変更することができるものであれば、他の如何なる構成を有するものであっても良い。例えば、磁気抵抗変更機構の他の具体例として、各歯部を分割することなく、固定子ヨーク部50をその周方向に分割して固定子ヨーク部50の一部に磁気ギャップを設け、この磁気ギャップの間隔を調整可能としたものを挙げることができる。
Moreover, in this embodiment, although each tooth part is demonstrated as what divided | segmented the
ところで、この種の回転電機機械の分野においては、従来から小型化を図りつつ性能を向上させるために、電動モータにあっては、その固定子にできるだけ多くの巻線を配置する工夫が種々提案されていた。例えば固定子に対する巻線の巻方や巻線自体の形状等を工夫することによって、単位面積あたりの巻線の占積率を向上させる工夫がなされていた。換言すると、従来においては、限られた巻線配置可能領域内に如何にして多くの巻線を配置するかという工夫が専らなされていたのである。 By the way, in the field of this type of rotating electrical machine, various proposals have been made to arrange as many windings as possible in the stator of an electric motor in order to improve performance while achieving downsizing. It had been. For example, the invention has been devised to improve the space factor of the winding per unit area by devising the winding method of the winding with respect to the stator or the shape of the winding itself. In other words, conventionally, the idea of how many windings are arranged within a limited winding arrangement possible region has been dedicated.
即ち、限られた巻線配置可能領域内に出来るだけ多くの巻線を配置することによって、モータ自体の大型化を抑制しつつ、トルクを向上させようとしていたのである。 That is, by arranging as many windings as possible in the limited winding arrangement possible region, an attempt was made to improve the torque while suppressing an increase in the size of the motor itself.
しかしながら、本件発明者は、鋭意実験、研究の結果、上述の工夫では、モータ自体の大型化を抑制しつつトルクを向上させるという課題は達成することができるものの、高トルク低回転速度から低トルク高回転速度に至る運転可能領域を、より一層拡大するという課題を達成することは困難であることを知見するに至り、更に工夫が必要であることを認識して本件発明を完成させたのである。即ち、本件発明者は、従来とは視点を変えて、巻線の占積率を向上させるという従来の発想とは全く逆の発想をすることによって、従来のモータ開発技術者ではトルクが低下しかつ大型化を招くために全く考慮されなかった「巻線の占積率を下げる」という手段を敢えて採用することにしたのである。 However, as a result of diligent experiments and researches, the present inventor has been able to achieve the problem of improving torque while suppressing the increase in size of the motor itself with the above-described device, but from low torque to low torque. He came to know that it was difficult to achieve the task of further expanding the operable range leading to a high rotational speed, and realized that the present invention was completed by recognizing that further improvements were necessary. . In other words, the present inventor changes the viewpoint from the conventional point of view and improves the space factor of the winding, and the idea is completely opposite to the conventional way of thinking. In addition, it was decided to adopt the means of “reducing the space factor of the winding”, which was not considered at all in order to increase the size.
しかも、この実施形態にかかる回転電気機械のように、歯部を複数の歯部に分割して、そのいずれか1の分割歯部を、他の分割歯部に対して相対移動自在とした構成を採用したものにおいて、「巻線の占積率」のバランスを変えるという手段を採用して、複数の歯部で構成される磁路の磁気抵抗が大きくなったときにおける、固定子巻線に鎖交する回転子の永久磁石の磁束と、同磁路の磁気抵抗が小さくなったときにおける、固定子巻線に鎖交する回転子の永久磁石の磁束との差を大きくすることによって、高トルク低回転速度から低トルク高回転速度に至る運転可能領域を、より一層拡大するという課題を達成させたのである。以下、具体的に説明する。 Moreover, as in the rotating electrical machine according to this embodiment, the tooth portion is divided into a plurality of tooth portions, and any one of the divided tooth portions is movable relative to the other divided tooth portions. In the stator winding when the magnetic resistance of the magnetic path composed of multiple teeth is increased by adopting the means of changing the balance of `` winding space factor '' By increasing the difference between the magnetic flux of the interlinked rotor permanent magnet and the magnetic flux of the rotor permanent magnet interlinked with the stator winding when the magnetic resistance of the magnetic path is reduced, The task of further expanding the operable range from low torque to low torque and high torque was achieved. This will be specifically described below.
この実施形態においては、前記歯部30は、前述のとおり、その周囲に巻線40が配置されている。図5Aに破線で示すように、隣接する一対の歯部30、30と固定子ヨーク部50とで囲まれた領域であって、隣接する一対の歯部30、30の中間位置で略2等分された一方の部分を、実際に巻線を配置することができる巻線配置可能領域Aとして定義する。
In this embodiment, the
この実施例に係るモータにおいては、図5A及び図5Bに示されているように、前記巻線配置可能領域Aにおける一部分の領域のみに巻線40が配置されている。即ち、巻線配置可能領域Aにおける回転子側の端部Ainから固定子ヨーク部側に一定距離Lだけシフトした位置から第一歯部31の外側端部に至る領域に巻線40が配置されている。
In the motor according to this embodiment, as shown in FIGS. 5A and 5B, the winding 40 is arranged only in a partial region in the winding arrangement possible region A. That is, the winding 40 is arranged in a region from the position shifted from the end Ain on the rotor side to the stator yoke portion side by a certain distance L to the outer end of the
この巻線40は、図5Aに示すように、第一歯部31と第二歯部32とが半径方向に一致して正対した第一位置において、その巻線40の全ての部分が通電されて磁界を発生する通電巻線40Eを構成するものとなされている。一方、図5Bに示すように、可動分割歯部としての第二歯部32が周方向に移動して隣接する一対の第一歯部31、31間に配置された第二位置においても、その巻線40の全ての部分が通電されて磁界を発生する通電巻線40Eを構成するものとなされている。従って、この実施形態においては、第一位置における通電巻線40Eと第二位置における通電巻線40Eとは一致している。
As shown in FIG. 5A, in the winding 40, all portions of the winding 40 are energized at the first position where the
図5Bに示すように、前記可動分割歯部32が他の分割歯部31に対して相対移動して両分割歯部31、32で構成される磁路の磁気抵抗Rk(Rk2)が大きい状態である前記第二位置にある場合において、前記巻線配置可能領域A内における、第二位置において通電される通電巻線40E(この実施形態においては全ての巻線)の固定子ヨーク部側端(即ち、外側端)Aoutから前記巻線配置可能領域Aの回転子側端(即ち、内側端)Ainまでの領域を、前記歯部30における前記分割歯部31、32の並び方向の中間位置を境にして、二点鎖線で示すように、前記回転子側に位置する第一領域A1と、前記固定子ヨーク部側に位置する第二領域A2とに分ける。
As shown in FIG. 5B, the movable
ここに「中間位置」とは、この発明においては、必ずしも幾何学的に厳密に2等分した位置のみを意味するものではなく、ある程度の幅をもって定義された半径方向の中間領域における任意の中間位置を意味するものである。例えばこの実施形態を例にとって説明すると、この実施形態では、固定子ヨーク部側端Aoutの位置から前記巻線配置可能領域Aの回転子側端Ainの最も内側の位置の間の距離を二等分した位置を中間位置として定義しているが、このように厳密に二等分した位置以外に、前記両位置の間におけるある程度の幅を有する中間領域における半径方向の任意の位置を「中間位置」と定義することができる。換言すると、この発明における「中間位置」とは、幾何学的に厳密な中間位置のみならず、その前後のある程度の幅をもった常識的な意味におけるほぼ中間位置をも含むものであると理解されるべきである。後述する他の実施形態においても同様である。 Here, the “intermediate position” does not necessarily mean only a position strictly divided into two geometrically in the present invention, but an arbitrary intermediate in a radial intermediate region defined with a certain width. It means position. For example, this embodiment will be described as an example. In this embodiment, the distance between the position of the stator yoke part side end Aout and the innermost position of the rotor side end Ain of the winding arrangement possible region A is equal to two. Although the divided position is defined as the intermediate position, any position in the radial direction in the intermediate region having a certain width between the two positions other than the position that is strictly divided into two equal parts is referred to as “intermediate position”. Can be defined. In other words, the “intermediate position” in the present invention is understood to include not only a geometrically strict intermediate position but also a substantially intermediate position in a common sense with a certain width before and after the intermediate position. Should. The same applies to other embodiments described later.
前記第一領域A1の断面積SA1に対する、該第一領域A1に存在する前記通電巻線40Eの実際の巻線総断面積S40Eの比で定義される通電巻線占積率(S40E/SA1)が、第二領域A2の断面積SA2に対する、該第二領域A2に存在する前記通電巻線40Eの実際の巻線総断面積S40Eの比で定義される通電巻線占積率(S40E/SA2)より相対的に小さく設定されている。 Current-carrying winding space factor (S40E / SA1) defined by the ratio of the actual winding total cross-sectional area S40E of the current-carrying winding 40E existing in the first region A1 to the cross-sectional area SA1 of the first region A1 Is the energization winding space factor (S40E / SA2) defined by the ratio of the actual winding total cross-sectional area S40E of the energization winding 40E existing in the second area A2 to the cross-sectional area SA2 of the second area A2. ) Is set relatively smaller.
本発明において、上述のように通電巻線占積率を設定した理由は以下のとおりである。即ち、図4Aおよび図5Aに示すように、可動分割歯部としての第二歯部32が、第一歯部31と半径方向に一致して正対する第一位置にある状態において、回転子2が低速度で回転している場合、その回転時に永久磁石片Mの磁束によって巻線40に誘起電圧(逆起電力)が発生するが、回転数が低い場合には、その誘起電圧は巻線40の印加電圧よりも相対的に小さいものであるため、更に回転数を上昇させることができる。
In the present invention, the reason why the current winding space factor is set as described above is as follows. That is, as shown in FIG. 4A and FIG. 5A, in a state where the
しかし、回転子2の回転数が上昇するにつれて、回転する永久磁石片Mの磁束によって巻線40に発生する誘起電圧が徐々に大きくなる。そして、ある回転数に至ると、巻線40に印加された電圧と巻線40に発生した誘起電圧とが等しくなり、回転数の上限に達する。勿論、この場合、巻線40に印加する電力を上昇させれば回転数の限界点は延びるが、そのための消費電力は著しく増大するため得策ではない。
However, as the rotational speed of the
このようなモータの回転特性の弱点を解消して回転数を上昇させる、即ち高トルク低速回転から低トルク高速回転に移行させる手段として、弱め界磁制御の方法が既知である。そして、この弱め界磁制御方法に代わる方法ないしはこれを補佐する方法として、機械的な構造によって磁束の流れを変更させることによって高速回転時に永久磁石の磁束の固定子巻線鎖交磁束数を低減させて誘起電圧を抑制する方法を提案したことは、上述のとおりである。 A field-weakening control method is known as means for eliminating the weak point of the rotational characteristics of the motor and increasing the rotational speed, that is, shifting from high torque low speed rotation to low torque high speed rotation. As an alternative to this field-weakening control method or a method to assist it, the number of stator winding linkage magnetic fluxes of the permanent magnet magnetic flux can be reduced during high-speed rotation by changing the flow of magnetic flux through a mechanical structure. The method for suppressing the induced voltage has been proposed as described above.
即ち、固定子における歯部を少なくとも2つに分割し、その分割歯部を相対移動させることによって、磁束の流れを変えて高速回転時における永久磁石の磁束の固定子巻線鎖交磁束を減少させることを提案した。しかし、より強力な永久磁石を採用した場合に、トルクを向上することができたものの、回転速度の上限が低下して運転可能領域のある程度以上の拡大を望むことができないという新たな問題を知見するに至った。 That is, by dividing the tooth part of the stator into at least two parts and relatively moving the divided tooth part, the magnetic flux flow is changed to reduce the stator winding interlinkage magnetic flux of the permanent magnet magnetic flux during high-speed rotation. Proposed to make it. However, when a stronger permanent magnet was used, the torque could be improved, but a new problem was discovered that the upper limit of the rotational speed was lowered and the operation range could not be expanded to some extent. It came to do.
この新たな問題を解消するために、本件発明では、上述したように、巻線40の配置構造を工夫したものである。即ち、前記第一領域A1と前記第二領域A2の断面積SA1、SA2に対する、各領域内に存在する前記通電巻線40Eの実際の巻線総断面積S40Eの比で定義される通電巻線占積率が、前記第二領域A2より前記第一領域A1の方が相対的に小さくなるように設定したのである。 In order to solve this new problem, in the present invention, as described above, the arrangement structure of the winding 40 is devised. That is, the current-carrying winding defined by the ratio of the actual total winding cross-sectional area S40E of the current-carrying winding 40E existing in each region to the cross-sectional areas SA1 and SA2 of the first region A1 and the second region A2. The space factor is set so that the first area A1 is relatively smaller than the second area A2.
即ち、図5Aに示すように、第一歯部31と第二歯部32とが半径方向に一致して正対する第一位置にある状態においては、第一歯部31と第二歯部32との間の間隙の磁気抵抗Rk(Rk1)は、隣接する第一歯部31、31の回転子側の端部の側方突出縁部31a、31a間の磁気抵抗Rjよりも相対的にかなり小さい(2Rk(Rk1)<Rj)。従って、隣り合う一対の歯部30、30の一方の歯部30から固定子ヨーク部50を介して他方の歯部30を経る磁気回路の総磁気抵抗2Rk(2Rk1)は、隣接する第一歯部31、31の回転子側の端部の側方突出縁部31a、31a間の磁気抵抗Rjよりも小さい。このため回転子2の永久磁石Mからの磁束の大半は、隣り合う一対の歯部30、30の一方の歯部30から固定子ヨーク部50を介して他方の歯部30を経る磁気回路を通過する。
That is, as shown in FIG. 5A, in the state where the
一方、図5Bに示すように、可動分割歯部としての第二歯部32が第一歯部31に対して相対移動して第二位置にある状態においては、第一歯部31と第二歯部32との間の磁気抵抗Rk(Rk2)が、隣接する第一歯部31、31の回転子側の端部の側方突出縁部31a、31a間の磁気抵抗Rjよりも相対的に大きくなる(Rj<2Rk(Rk2))。従って、隣り合う一対の歯部30、30の一方の歯部30から固定子ヨーク部側の端部を経て他方の歯部30の固定子ヨーク部側の端部に至る磁気回路の総磁気抵抗2Rk(2Rk2)は、隣接する第一歯部31、31の側方突出縁部31a、31a間の磁気抵抗Rjよりも大きくなる。従って、回転子2の永久磁石Mからの磁束は、隣り合う第一歯部31、31の一方の回転子側の端部、同回転子側の端部の側方突出縁部31a、隣り合う第一歯部31の他方の側方突出縁部31a、同側方突出縁部31aの回転子側の端部を経る磁気回路を通過する。
On the other hand, as shown in FIG. 5B, in a state where the
このように可動分割歯部としての第二歯部32を第一歯部31に対して相対移動させることにより、主たる磁束の流れを変更することができる。
Thus, the flow of the main magnetic flux can be changed by moving the
図5Aに示すように、第一歯部31と第二歯部32とが半径方向に一致して正対する第一位置にある状態においては、上述のとおり、回転子2の永久磁石Mからの磁束の大半は、隣り合う一対の歯部30、30の一方の歯部30から固定子ヨーク部50を介して他方の歯部30を経る磁気回路を通過する。従って、この第一位置の状態のままで、回転子2の回転数が上昇すると、永久磁石Mの磁束の大半が巻線40を横切ることになるため、巻線40に大きな誘起電圧が発生する。従って、第一位置の状態においては、回転子2をある一定速度を超えて高速回転させることができない。
As shown in FIG. 5A, in the state where the
これに対して、図5Bに示すように、第二歯部32が第一歯部31に対して相対移動して第二位置にある状態においては、隣接する永久磁石M、Mの一方の磁極から出た磁束は、隣り合う第一歯部31、31の一方の回転子側の端部、同回転子側の端部の側方突出縁部31a、隣り合う第一歯部31の他方の側方突出縁部31a、同側方突出縁部31aの回転子側の端部を経る経路を主たる経路とする磁気回路を通過する。このように、永久磁石Mの磁束の大半が隣接する第一歯部31の側方突出縁部31a、31a間の磁気抵抗Rjを通過することになるため、巻線40を横切る磁束が少なくなって同巻線40に誘起される誘起電圧が大幅に抑制される。従って、回転子2の回転数の上限値を上昇させることができるものである。
On the other hand, as shown in FIG. 5B, in the state where the
ところで、本件発明者は、第二歯部32が第一歯部31に対して相対移動して第二位置にある状態において、永久磁石Mの磁束は、その全てが隣接する第一歯部31、31の側方突出縁部31a、31a間の磁気抵抗Rjを通過するものではなく、磁束の一部が漏れ磁束として、隣接する第一歯部31、31の回転子側の端部間以外の部分、即ち隣接する歯部相互間をも通過し、この漏れ磁束により巻線40に発生する誘起電圧が回転子2の回転数の上限値の上昇を妨げていることを知見した。従来は、前述したとおり、歯部30の周囲の巻線配置可能領域内においてその回転子側の端部からその反対側の端部に至るまでの範囲に、できるだけ多くの巻線を配置して巻線占積率を向上させることが好ましいと考えられていたのである。
By the way, in the state where the
しかしながら、本件発明者は、歯部の周囲の巻線配置可能領域A内における特に回転子側の端部の領域に巻かれた巻線40に鎖交する漏れ磁束による影響が無視できないことを知見するに至り、巻線配置を工夫するに至ったのである。特に、永久磁石Mとして、例えばネオジム磁石のように強力な磁力を発生させるものを用いた場合には、回転子側の端部の領域に巻かれた巻線に鎖交する漏れ磁束も大きくなり、その影響が大きくなる。従って、そのような場合に本発明は特に顕著な効果を奏するものである。 However, the present inventor has found that the influence of the leakage magnetic flux interlinked with the winding 40 wound around the end portion on the rotor side in the winding arrangement possible region A around the tooth portion cannot be ignored. As a result, the winding arrangement was devised. In particular, when a permanent magnet M that generates a strong magnetic force, such as a neodymium magnet, is used, the leakage magnetic flux linked to the winding wound around the end of the rotor side also increases. , The effect will be greater. Therefore, in such a case, the present invention has a particularly remarkable effect.
上述のように定義した通電巻線占積率が、第二領域A2より前記第一領域A1の方が相対的に小さくなるように設定する具体的な方法としては、例えば、図4および図5に示すように、前記巻線40を、歯部30に対して前記固定子ヨーク部側にシフトした状態で形成して、回転子側の端部の所定の領域に巻線が形成されないようにする方法を採用することができる。この場合、巻線の形成されていない部分に巻線固定部材Fを設けるようにしても良い(図5A参照)。更には、前述したように巻線40を含む第一歯部31を樹脂モールドで筒状に成形しても良い。
As a specific method for setting the energization winding space factor defined as described above so that the first region A1 is relatively smaller than the second region A2, for example, FIG. 4 and FIG. As shown in FIG. 3, the winding 40 is formed in a state shifted to the stator yoke portion side with respect to the
上述のように、第二歯部32が第一歯部31に対して相対移動して第二位置にある状態において、隣接する第一歯部31、31の間の漏れ磁束は、回転子側の端部の方が固定子ヨーク部50側よりも多いものである。従って、前記通電巻線占積率が第二領域A2より前記第一領域A1の方が相対的に小さくなるように、巻線40を配置することによって、第一領域A1に存在する通電巻線40Eが誘起する誘起電圧(逆起電力)を抑制することができる。従って、第二歯部32の第一歯部31に対する相対位置を制御することにより、巻線40に誘起される誘起電圧(逆起電力)の大きさを制御することができ、ひいては誘起電圧(逆起電力)の大きさで定まる回転子2の最高回転速度を上昇させることができる。
As described above, in the state where the
このように第二歯部32の第一歯部31に対する位置制御で最高回転速度を上昇させて運転可能領域を拡大することができるので、弱め界磁制御の場合のように逆起電力抑制のために電力を供給する必要もない。よって、モータ全体としての消費電力を抑制することができる。
As described above, since the maximum rotation speed can be increased by the position control of the
この発明においては、上記第二歯部32の第一歯部31に対する位置制御は、図5Aに示す第一歯部31と第二歯部32とが正対する第一位置と、図5Bに示す第二歯部32が第一歯部31に対して相対移動した第二位置とを二者択一的に切り替えるように制御する場合に限定されるものではない。即ち、第一位置と第二位置との間で連続的または不連続的に第二歯部32を第一歯部31に対して相対移動するように制御する場合も含むものであり、このような連続的または不連続的な制御によって、回転数に応じて最も効率の良い状態でモータの性能を発揮することができる。
In the present invention, the position control of the
また、この実施形態においては、上記第二歯部32の第一歯部31に対する位置制御のみを行う場合について説明した。しかし、本発明は、言うまでもなく、上記位置制御と従来既知の弱め界磁制御との併用を妨げるものではない。
Moreover, in this embodiment, the case where only the position control with respect to the
(第2実施形態)
図6Aおよび図6Bは、この発明に係る第2実施形態にかかる電動モータにおける巻線部分近傍を拡大して示す、図5Aおよび図5Bに対応する断面図である。この第2実施形態においては、巻線40は、前記巻線配置可能領域Aのうちの第一歯部31に対応する領域に、第一歯部31の回転子側の端部からその反対側の端部に向かうに従って巻数が漸次増大するように形成することによって巻線の占積率を変更している。
(Second Embodiment)
FIGS. 6A and 6B are cross-sectional views corresponding to FIGS. 5A and 5B, enlarging and showing the vicinity of a winding portion in an electric motor according to a second embodiment of the present invention. In this 2nd Embodiment, the coil | winding 40 is the area | region corresponding to the
この実施形態においても、巻線40は、図6Aに示すように、第一歯部31と第二歯部32とが半径方向に一致して正対した第一位置において、その巻線40の全ての部分が通電されて磁界を発生する通電巻線40Eを構成するものとなされている。一方、図6Bに示すように、可動分割歯部としての第二歯部32が移動して隣接する一対の第一歯部31、31間に配置された第二位置においても、その巻線40の全ての部分が通電されて磁界を発生する通電巻線40Eを構成するものとなされている。従って、この実施形態においては、第一位置における通電巻線40Eと第二位置における通電巻線40Eとは一致している。
Also in this embodiment, as shown in FIG. 6A, the winding 40 has the
図6Bに示すように、前記可動分割歯部32が他の分割歯部31に対して相対移動して両分割歯部31、32で構成される磁路の磁気抵抗Rk(Rk2)が大きい状態である前記第二位置にある場合において、前記巻線配置可能領域A内における、第二位置において通電される通電巻線40Eの固定子ヨーク部側端Aoutから前記巻線配置可能領域Aの回転子側端Ainまでの領域を、前記歯部30における前記分割歯部31、32の並び方向の中間位置を境にして、二点鎖線で示すように、前記回転子側に位置する第一領域A1と前記固定子ヨーク部側に位置する第二領域A2とに分ける。
As shown in FIG. 6B, the movable
前記第一領域A1の断面積SA1に対する、該第一領域A1に存在する前記通電巻線40Eの実際の巻線総断面積S40Eの比で定義される通電巻線占積率が、第二領域A2の断面積SA2に対する、第二領域A2に存在する前記通電巻線40Eの実際の巻線総断面積S40Eの比で定義される通電巻線占積率より相対的に小さく設定されている。 The energization winding space factor defined by the ratio of the actual total winding sectional area S40E of the energization winding 40E existing in the first area A1 to the cross-sectional area SA1 of the first area A1 is the second area. The current-carrying winding space factor defined by the ratio of the actual winding total cross-sectional area S40E of the current-carrying winding 40E existing in the second region A2 to the cross-sectional area SA2 of A2 is set to be relatively smaller.
従って、この実施形態においても、第1実施形態の場合と同様に、第二歯部32の第一歯部31に対する位置制御で最高回転速度を上昇させて運転可能領域を拡大することができる。
他の構成および作用効果については、第一実施形態と同様であるので、対応箇所に同一符号を付してその説明を省略する。
Therefore, also in this embodiment, as in the case of the first embodiment, the maximum rotation speed can be increased by position control of the
Since other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment, the corresponding portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
(第3実施形態)
図7Aおよび図7Bは、この発明に係る第3実施形態の電動モータにおける巻線部分近傍を拡大して示す、図5Aおよび図5Bに対応する断面図である。この実施形態においては、巻線40は、前記巻線配置可能領域Aの回転子側端から第一歯部31の固定子ヨーク部側端に至る範囲において巻数40が可及的多く配置されている。
(Third embodiment)
FIGS. 7A and 7B are cross-sectional views corresponding to FIGS. 5A and 5B, enlarging and showing the vicinity of a winding portion in an electric motor according to a third embodiment of the present invention. In this embodiment, the winding 40 has as many 40 turns as possible in the range from the rotor side end of the winding arrangement possible region A to the stator yoke side end of the
しかしながら、この実施形態は、前記実施形態とは異なって、巻線40が、回転子端部側の第一巻線40Aと、固定子ヨーク部側の第二巻線40Bとの2種類の巻線で構成されている。図7Aに示す第一位置の状態においては、これら第一巻線40Aおよび第二巻線40Bが共に通電されるようになされている。一方、図7Bに示す第二位置の状態においては、固定子ヨーク部側に位置する第二巻線40Bは、通電される通電巻線40Eを構成するが、回転子端部側に位置する第一巻線40Aは、通電されない非通電巻線を構成するものとなされている。 However, this embodiment differs from the previous embodiment in that the winding 40 has two types of windings: a first winding 40A on the rotor end side and a second winding 40B on the stator yoke side. Consists of lines. In the state of the first position shown in FIG. 7A, the first winding 40A and the second winding 40B are both energized. On the other hand, in the state of the second position shown in FIG. 7B, the second winding 40B located on the stator yoke portion side constitutes the energization winding 40E to be energized, but the second winding 40B located on the rotor end portion side. One winding 40A constitutes a non-energized winding that is not energized.
このように第一巻線40Aは、図示しない制御回路によって、所定のタイミングで、通電状態と非通電状態とに切り替え可能となされている。而して、図7Bに示すように、可動分割歯部としての第二歯部32が第一歯部31に対して相対移動して第二位置にある状態においては、前記通電巻線占積率が、第二領域A2より前記第一領域A1の方が相対的に小さくなる。このように巻線を複数の巻線で構成し、可動分割歯部と他の分割歯部との相対位置に応じて通電する巻線を選択することにより、前記通電巻線占積率を任意に変更することができ、回転子の高速回転時における逆起電力の発生を低減することができるものである。
As described above, the first winding 40A can be switched between an energized state and a non-energized state at a predetermined timing by a control circuit (not shown). Thus, as shown in FIG. 7B, when the
この実施形態においては、巻線40として、回転子端部側の第一巻線40Aと、固定子ヨーク部側の第二巻線40Bとの2種類の巻線で構成されたものを例示したが、この発明はこれに限定されるものではない。例えば、巻線40を、3あるいはそれ以上の巻線で構成しても良い。この場合、通電すべき巻線を適宜選択することによって任意に前記通電巻線占積率をより細かく設定することができる。
他の構成および作用効果については、第一実施形態と同様であるので、対応箇所に同一符号を付してその説明を省略する。
In this embodiment, the winding 40 is exemplified by two types of windings, a first winding 40A on the rotor end side and a second winding 40B on the stator yoke side. However, the present invention is not limited to this. For example, the winding 40 may be composed of three or more windings. In this case, the energization winding space factor can be arbitrarily set more arbitrarily by appropriately selecting the winding to be energized.
Since other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment, the corresponding portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
(第4実施形態)
図8Aおよび図8Bは、この発明に係る第4実施形態の電動モータを示すものであり、図4Aに対応する概略断面図である。前記第1ないし第3実施形態においては、回転子2が固定子3の内側に配置されているが、この第4実施形態にあっては回転子2が固定子3の外側に配置されている点が異なる。
(Fourth embodiment)
8A and 8B show a fourth embodiment of the electric motor according to the present invention and are schematic cross-sectional views corresponding to FIG. 4A. In the first to third embodiments, the
図8Aおよび図8Bには、各部の構成を第1実施形態と比較して分かり易く示すために、同一機能を果たす構成部分には、第1実施形態と同一の符号を付している。 In FIG. 8A and FIG. 8B, in order to show the configuration of each part in an easy-to-understand manner compared to the first embodiment, the same reference numerals as those in the first embodiment are given to the components that perform the same functions.
これらの図に示すように、このラジアルギャップ型電動モータは、回転中心(図では100)を中心に回転する円筒状の回転子2を備えており、その円筒状回転子2の内周面に周方向に複数個の永久磁石片Mが固定されている。前記回転子2の内側には、前記永久磁石片Mと所定の間隙を隔てて対向して複数の歯部30が周方向に並んで配置されている。この歯部30も前記各実施形態の場合と同様に、半径方向において分割されており、回転子側に位置する第一歯部31と、その反対側に位置する第二歯部32とを有する。第二歯部32は固定子本体50に一体形成されたものである。
As shown in these drawings, this radial gap type electric motor includes a
上記電動モータにおいても、第二歯部32が第一歯部31に対して周方向に相対移動自在となされている。また、第一歯部31の周囲には、巻線40が配置されている。この巻線40は、固定子ヨーク部50側に寄せた状態で配置されている。また、この実施形態においても、本件発明で定義される第一領域A1の断面積SA1に対する、該第一領域A1に存在する前記通電巻線40Eの実際の巻線総断面積S40Eの比で定義される通電巻線占積率が、第二領域A2の断面積SA2に対する、第二領域A2に存在する前記通電巻線40Eの実際の巻線総断面積S40Eの比で定義される通電巻線占積率より相対的に小さく設定されている。
Also in the electric motor, the
従って、この実施形態においても、前記各実施形態の場合と同様に、第二歯部32の第一歯部31に対する位置制御で最高回転速度を上昇させて運転可能領域を拡大することができる。他の構成および作用効果については、第一実施形態と同様であるので、対応箇所に同一符号を付してその説明を省略する。
Therefore, also in this embodiment, as in the case of each of the embodiments described above, the maximum rotation speed can be increased by the position control of the
(第5実施形態)
図9は、この発明に係る第5実施形態の電動モータの概略構成を示す斜視図である。この第5実施形態に係る電動モータは、アキシャルギャップ型の電動モータである。固定子巻線を有する固定子103と、その固定子の軸方向に間隙を隔てて配置された、永久磁石Mを有する円板状の回転子102とを備えたものである。
(Fifth embodiment)
FIG. 9 is a perspective view showing a schematic configuration of the electric motor according to the fifth embodiment of the present invention. The electric motor according to the fifth embodiment is an axial gap type electric motor. A
前記回転子102は、回転軸101を中心に回転するように構成されている。一方、前記固定子103は、前記回転子102の一側面側に間隙を隔てて対向するように、周方向に所定の間隔で配置された複数の歯部130を有する。この各歯部130は、軸方向に、回転子102に近い方の第一歯部131とその反対側の第二歯部132とに分割されている。また固定子103は、前記各第二歯部132を一側面側に固定した円盤状の固定子ヨーク部150を備えている。この固定子ヨーク部150は、第二歯部132と共に、前記第一歯部131に対して周方向に相対移動自在となされている。前記固定子ヨーク部150はその周縁の一部に複数の歯を有するギア部151を有する。
The
また、この電動モータは、駆動モータ104a、および複数のギアからなる減速機構104bを有する回動機構104を備えており、該減速機構104bのギア104cが前記ギア部151に噛み合うように配置されている。駆動モータ104aは、電源PによりコントローラCを介して正逆方向に回転駆動自在となされている。そして、駆動モータ104aが回転駆動されることによって、その回転力が減速機構104bを介してギア104cに伝えられ、これに噛み合ったギア部151に伝達される。よって、固定子ヨーク部150、ひいては第二歯部132が第一歯部131に対して相対移動されるようになされている。
The electric motor includes a
この実施形態においても、前記各実施例と同様に、第一歯部と第二歯部との間の磁気抵抗が最小となる磁気抵抗最小位置(第一位置)と、最大となる磁気抵抗最大位置(第二位置)との間で、第二歯部132が第一歯部131に対して相対移動自在となされている。
In this embodiment as well, as in the previous examples, the minimum magnetic resistance position (first position) at which the magnetic resistance between the first tooth portion and the second tooth portion is minimum, and the maximum magnetic resistance maximum. Between the position (second position), the
前記第一歯部131には、巻線140が配置されており、この巻線140は、第一歯部131の回転子側の端部から所定距離隔てた位置にシフトした状態(図面では下方に偏在した状態)で、第一歯部131に配置されている。従って、この実施形態においても、前記各実施形態で説明したように、第一領域A1の断面積SA1に対する、該第一領域A1に存在する通電巻線40Eの実際の巻線総断面積S40Eの比で定義される通電巻線占積率が、第二領域A2の断面積SA2に対する、第二領域A2に存在する通電巻線40Eの実際の巻線総断面積S40Eの比で定義される通電巻線占積率より相対的に小さく設定されている。
A winding 140 is disposed on the
従って、この実施形態においても、前記各実施形態の場合と同様に、第二歯部132の第一歯部131に対する位置制御で最高回転速度を上昇させて運転可能領域を拡大することができる。
他の構成および作用効果については、前記各実施形態と同様であるので、対応箇所に対応符号を付してその説明を省略する。
Therefore, also in this embodiment, as in the case of each of the embodiments described above, the maximum rotation speed can be increased by the position control of the
Since other configurations and operational effects are the same as those of the above-described embodiments, corresponding reference numerals are assigned to corresponding portions, and descriptions thereof are omitted.
なお、前記各実施形態においては、巻線40、140を第一歯部31、131の周囲のみに配置したものを例示して説明したが、勿論、第二歯部32、132にも巻線を配置したものであっても良い。
In each of the above-described embodiments, the
ここに用いられた用語及び表現は、説明のために用いられたものであって限定的に解釈するために用いられたものではなく、ここに示され且つ述べられた特徴事項の如何なる均等物をも排除するものではなく、この発明のクレームされた範囲内における各種変形をも許容するものであると認識されなければならない。 The terms and expressions used herein are for illustrative purposes and are not to be construed as limiting, but represent any equivalent of the features shown and described herein. It should be recognized that various modifications within the claimed scope of the present invention are permissible.
本発明は、多くの異なった形態で具現化され得るものであるが、この開示は本発明の原理の実施例を提供するものと見なされるべきであって、それら実施例は、本発明をここに記載しかつ/または図示した好ましい実施形態に限定することを意図するものではないという了解のもとで、多くの図示実施形態がここに記載されている。 While this invention may be embodied in many different forms, this disclosure is to be considered as providing examples of the principles of the invention, which examples are hereby incorporated by reference. Many illustrated embodiments are described herein with the understanding that they are not intended to be limited to the preferred embodiments described and / or illustrated.
本発明の図示実施形態を幾つかここに記載したが、本発明は、ここに記載した各種の好ましい実施形態に限定されるものではなく、この開示に基づいていわゆる当業者によって認識され得る、均等な要素、修正、削除、組み合わせ(例えば、各種実施形態に跨る特徴の組み合わせ)、改良及び/又は変更を有するありとあらゆる実施形態をも包含するものである。クレームの限定事項はそのクレームで用いられた用語に基づいて広く解釈されるべきであり、本明細書あるいは本願のプロセキューション中に記載された実施例に限定されるべきではなく、そのような実施例は非排他的であると解釈されるべきである。例えば、この開示において、「好ましくは」という用語は非排他的なものであって、「好ましいがこれに限定されるものではない」ということを意味するものである。 Although several illustrated embodiments of the present invention have been described herein, the present invention is not limited to the various preferred embodiments described herein, and is equivalent to what may be recognized by those skilled in the art based on this disclosure. Any and all embodiments having various elements, modifications, deletions, combinations (eg, combinations of features across the various embodiments), improvements and / or changes are encompassed. Claim limitations should be construed broadly based on the terms used in the claims, and should not be limited to the embodiments described herein or in the process of this application, as such The examples should be construed as non-exclusive. For example, in this disclosure, the term “preferably” is non-exclusive and means “preferably but not limited to”.
この発明にかかる回転電気機械は、例えば電動二輪車等の車輌や各種電気機械における駆動源用の電動モータとして好適に用いられる。 The rotary electric machine according to the present invention is suitably used as an electric motor for a drive source in vehicles such as electric motorcycles and various electric machines.
1 回転軸
2 回転子
3 固定子
4 回動機構
30 歯部
31 第一歯部(分割歯部)
32 第二歯部(分割可動歯部)
40 巻線
40E 通電巻線
50 固定子ヨーク部
51 ギア部
101 回転軸
102 回転子
103 固定子
104 回動機構
130 歯部
131 第一歯部(分割歯部)
132 第二歯部(分割可動歯部)
140 巻線
150 固定子ヨーク部
151 ギア部
A 巻線配置可能領域
A1 第一領域
A2 第二領域
Aout 通電巻線の固定子ヨーク部側端
Ain 巻線配置可能領域の回転子側端
C コントローラ
E 電気製品
F 巻線固定部材
M 永久磁石
P 電源
R 回転電気機械(電動モータ)
SA1 第一領域の断面積
SA2 第二領域の断面積
V 車両(電動自動二輪車)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
32 Second tooth (divided movable tooth)
40 winding 40E energization winding 50
132 Second tooth (divided movable tooth)
140 Winding 150
E Electrical product F Winding fixing member M Permanent magnet P Power supply R Rotating electric machine (electric motor)
SA1 Cross-sectional area of the first area SA2 Cross-sectional area of the second area V Vehicle (electric motorcycle)
Claims (8)
前記回転子に間隙を隔てて対向するように配置された固定子とを備え、
前記固定子は、
前記回転子に対して前記間隙を介して配置された歯部と、
前記歯部と共に固定子磁路を形成する固定子ヨーク部と、
前記固定子ヨーク部と前記歯部とで囲まれた巻線配置可能領域内にその少なくとも一部を占めるように配置された1又は複数の巻線と、
前記固定子ヨーク部と前記歯部とで構成される前記固定子磁路を機械的に変更して該固定子磁路の磁気抵抗値を変更する磁気抵抗変更機構とを備え、
前記磁気抵抗変更機構は、前記固定子磁路の磁気抵抗が小さい第一状態と、該第一状態よりも相対的に前記固定子磁路の磁気抵抗が大きい第二状態との間で、前記固定子磁路を機械的に変更するように構成され、
前記固定子は、前記固定子の周方向に沿って所定間隔で配置された複数の前記歯部を有しており、
前記複数の前記歯部の回転子側の端部は、前記固定子の周方向において互いに離れており、
前記1又は複数の巻線は、少なくとも前記固定子磁路が前記磁気抵抗変更機構により前記第二状態に変更された状態において通電される通電巻線を有し、前記巻線配置可能領域における、前記通電巻線の固定子ヨーク部側端から前記巻線配置可能領域の回転子側端までの領域が、前記回転子と前記固定子とが対向する方向における前記歯部の中間位置を境にして前記回転子側に位置する第一領域と前記固定子ヨーク部側に位置する第二領域とに分けられ、
前記第一領域の断面積に対する、該第一領域内に存在する前記通電巻線の実際の巻線総断面積の比で定義される通電巻線占積率が、前記第二領域の断面積に対する、該第二領域内に存在する前記通電巻線の実際の巻線総断面積の比で定義される通電巻線占積率より相対的に小さく設定されていることを特徴とする回転電気機械。 A rotor having a permanent magnet and rotating around a rotation axis;
A stator arranged to face the rotor with a gap therebetween,
The stator is
Teeth arranged with respect to the rotor via the gap;
A stator yoke part that forms a stator magnetic path with the tooth part;
One or a plurality of windings arranged to occupy at least a part of the winding arrangement possible region surrounded by the stator yoke portion and the tooth portion;
A magnetic resistance changing mechanism that mechanically changes the stator magnetic path composed of the stator yoke part and the tooth part to change the magnetic resistance value of the stator magnetic path;
The magnetoresistive change mechanism includes a first state in which the magnetic resistance of the stator magnetic path is small and a second state in which the magnetic resistance of the stator magnetic path is relatively larger than the first state. Configured to mechanically change the stator magnetic path,
The stator has a plurality of the tooth portions arranged at predetermined intervals along the circumferential direction of the stator,
Ends on the rotor side of the plurality of tooth portions are separated from each other in the circumferential direction of the stator,
The one or more windings have energized windings that are energized in a state where at least the stator magnetic path is changed to the second state by the magnetoresistive changing mechanism, and in the winding arrangement possible region, The region from the stator yoke portion side end of the energized winding to the rotor side end of the winding arrangement possible region is bordered by the intermediate position of the tooth portion in the direction in which the rotor and the stator face each other. Divided into a first region located on the rotor side and a second region located on the stator yoke portion side,
The current-carrying winding space factor defined by the ratio of the actual total winding cross-sectional area of the current-carrying winding existing in the first region to the cross-sectional area of the first region is the cross-sectional area of the second region. The rotating electrical power is set to be relatively smaller than the energization winding space factor defined by the ratio of the actual total winding cross-sectional area of the energization winding existing in the second region. machine.
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