JP6089606B2 - Rotating machine - Google Patents
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Description
本発明は、ステータに対してロータを回転させる回転機に関するものである。 The present invention relates to a rotating machine that rotates a rotor with respect to a stator.
従来より、ステータと、このステータとの間に磁気的なギャップ(エアギャップとも称される狭い隙間であり、以下では「磁気ギャップ」と称す)を空けて配置されるロータとを備えた回転機(例えばPMモータ)が知られている。回転機のステータには、周方向に等ピッチで並ぶ複数のステータティースが設けられ、隣り合うステータティース間に形成された各スロットに巻線(ステータ巻線)が配置されている。そして、ステータ巻線に電力を供給することによってステータに磁界が発生し、この磁界とロータに付帯させた永久磁石の磁束との相互作用によってロータが回転するように構成されている(例えば特許文献1)。 Conventionally, a rotating machine including a stator and a rotor arranged with a magnetic gap (a narrow gap called an air gap, hereinafter referred to as a “magnetic gap”) between the stator and the stator. (For example, a PM motor) is known. A stator of the rotating machine is provided with a plurality of stator teeth arranged at equal pitches in the circumferential direction, and windings (stator windings) are arranged in slots formed between adjacent stator teeth. A magnetic field is generated in the stator by supplying electric power to the stator winding, and the rotor is rotated by the interaction between the magnetic field and the magnetic flux of the permanent magnet attached to the rotor (for example, Patent Documents). 1).
ところで、近時では自動車用駆動モータなどをはじめとした負荷変動が大きい用途で使用される回転機も多く、このような回転機に対しては、出力領域の拡大と高効率化が要求されている。 By the way, recently, there are many rotating machines used in applications with large load fluctuations, such as automobile drive motors, and for these rotating machines, expansion of the output range and higher efficiency are required. Yes.
ロータに永久磁石を付帯させた従来の回転機では、永久磁石の磁束が磁気ギャップを通過して、ステータティースに巻回されたステータ巻線に鎖交し、誘起電圧が発生する。ここで、回転する際に発生する磁界である界磁の磁束量と回転数で決定される誘起電圧は、ロータの回転数に比例して増加するが、出力領域の拡大を実現すべく、低速域で大きな出力(大トルク)を得るために高い誘起電圧を確保できるように設定すれば、高速域では電圧制限により(電源の供給電圧を超過して)駆動できず、一方、高速域まで駆動できるようにすれば、低速域では誘起電圧が低くなり、必要な高い出力(大トルク)を確保できない。 In a conventional rotating machine with a permanent magnet attached to the rotor, the magnetic flux of the permanent magnet passes through the magnetic gap and is linked to the stator winding wound around the stator teeth, generating an induced voltage. Here, the induced voltage determined by the magnetic flux amount and the rotational speed of the field, which is a magnetic field generated when rotating, increases in proportion to the rotational speed of the rotor. If a high induced voltage is set to ensure a large output (large torque) in the frequency range, it cannot be driven due to voltage limitations (exceeding the power supply voltage) in the high speed range, while it can be driven to the high speed range. If it is possible, the induced voltage becomes low in the low speed range, and the necessary high output (large torque) cannot be secured.
そこで、従来の永久磁石同期回転機では、ロータの回転速度を上げて高速域で運転する場合に、コントローラの端子電圧よりも誘起電圧が超えないよう回転機の電気設計(電圧制限を超えない程度の誘起電圧を確保可能な電気設計)を行いつつ、ステータに鎖交する永久磁石の磁束が多過ぎて誘起電圧が高過ぎる状態になる高速域では、電流位相を変えてステータの巻線で発生する磁束により界磁の磁束を弱める(永久磁石の磁束を弱める)ことで誘起電圧を抑えるように制御している。 Therefore, in the conventional permanent magnet synchronous rotating machine, when operating the rotor at a high speed by increasing the rotational speed of the rotor, the electrical design of the rotating machine (so as not to exceed the voltage limit) so that the induced voltage does not exceed the terminal voltage of the controller. In the high-speed region where the induced voltage is too high due to too much magnetic flux of the permanent magnets linked to the stator, the current phase is changed and generated in the stator winding. The induced voltage is controlled by weakening the magnetic flux of the field (weakening the magnetic flux of the permanent magnet).
このように従来の回転機では、永久磁石の磁束を積極的に弱める弱め界磁制御を行うことで運転範囲の拡大を図っていた。 Thus, in the conventional rotating machine, the operation range is expanded by performing field-weakening control that actively weakens the magnetic flux of the permanent magnet.
しかしながら、弱め界磁制御が過剰になると永久磁石のクニック点を越えて、永久磁石が不可逆減磁してしまう。 However, if field-weakening control becomes excessive, the permanent magnet is irreversibly demagnetized beyond the nick point of the permanent magnet.
したがって、従来の回転機では、ロータに付帯させた永久磁石の磁束が常にステータ鉄心及びステータ巻線に鎖交して界磁磁束として作用し得る状態にあり、永久磁石が不可逆減磁しない程度まで永久磁石の磁束密度を減少させて磁力を弱めることができても、磁力をゼロ、つまり界磁磁束として作用し得る永久磁石の磁束をゼロにするのは困難であった。そして、界磁磁束として作用し得る永久磁石の磁束がロータから磁気ギャップに漏れてステータに常に流れるため、その分だけ回転時にロスが生じていた。 Therefore, in a conventional rotating machine, the magnetic flux of the permanent magnet attached to the rotor is always in a state where it can act as a field magnetic flux interlinking with the stator iron core and the stator winding, so that the permanent magnet is not irreversibly demagnetized. Even if the magnetic flux density of the permanent magnet can be reduced to weaken the magnetic force, it is difficult to make the magnetic force zero, that is, the magnetic flux of the permanent magnet that can act as a field magnetic flux. Then, the magnetic flux of the permanent magnets that can act as a field magnetic flux is always flowing to the stator leakage in magnetic gap from the rotor, the loss has occurred at the time of rotation by that amount.
また、永久磁石をロータに付帯させる態様であれば、ロータの高速回転時に永久磁石が飛散する事態が想定される。このような事態を回避するために、例えば非磁性体の飛散防止リングを永久磁石のうちステータ鉄心に近い側の面を被覆するように取り付ける構成も考えられるが、この場合、飛散防止リングの厚み分だけ磁気ギャップが拡大してしまい、高効率化の妨げとなり得る。 Moreover, if it is an aspect which attaches a permanent magnet to a rotor, the situation where a permanent magnet will fly at the time of high-speed rotation of a rotor is assumed. In order to avoid such a situation, for example, a configuration in which a non-magnetic scattering prevention ring is attached so as to cover the surface of the permanent magnet on the side close to the stator core is also conceivable. The magnetic gap is enlarged by that amount, which can hinder high efficiency.
さらには、ロータをステータの内側に配置してモータを組み立てる工程において、ロータの永久磁石がステータ鉄心に吸引されてしまい、組立作業を効率良く行うことができないという不具合もあった。 Furthermore, in the process of assembling the motor by placing the rotor inside the stator, the permanent magnet of the rotor is attracted to the stator iron core, and the assembly work cannot be performed efficiently.
このような問題点の主要因は、ロータに永久磁石を付帯させた回転機において永久磁石の磁束を調整することができないことにある。 The main cause of such a problem is that the magnetic flux of the permanent magnet cannot be adjusted in a rotating machine with a permanent magnet attached to the rotor.
本発明は、このような検討結果に基づき、回転数の変動や運転状況に応じて界磁の磁束量を調整することができ、高効率化を実現可能な回転機を提供することを主たる目的とするものである。 The main object of the present invention is to provide a rotating machine capable of adjusting the amount of magnetic flux of the field according to the fluctuation of the rotational speed and the operating state based on such examination results and realizing high efficiency. It is what.
すなわち本発明は、ステータと、ステータと同軸上に配置され且つステータとの間に磁気ギャップを形成するロータと、ロータをステータに対して回転可能に支持するロータ支持部とを備えた回転機に関するものである。また、本発明に係る回転機は、回転軸の径方向においてロータをステータの内周側に配置したインナー可動型、及び回転軸の径方向においてロータをステータの外周側に配置したアウター可動型の何れをも包含するものであり、インナー可動型の場合、「ロータ支持部」は回転軸(シャフト)そのものであればよく、アウター可動型の場合、「ロータ支持部」としては、ロータよりも回転軸の径方向外側に配置されるフレームを挙げることができる。以下に本願発明の技術的特徴について具体的に説明する。 That is, the present invention relates to a rotating machine including a stator, a rotor that is arranged coaxially with the stator and that forms a magnetic gap between the stator, and a rotor support portion that rotatably supports the rotor with respect to the stator. Is. The rotating machine according to the present invention includes an inner movable type in which the rotor is disposed on the inner peripheral side of the stator in the radial direction of the rotating shaft, and an outer movable type in which the rotor is disposed on the outer peripheral side of the stator in the radial direction of the rotating shaft. In the case of the inner movable type, the “rotor support portion” may be the rotating shaft (shaft) itself. In the case of the outer movable type, the “rotor support portion” rotates more than the rotor. A frame disposed on the outer side in the radial direction of the shaft can be exemplified. The technical features of the present invention will be specifically described below.
本発明に係る回転機は、ステータとして、リング状のステータ鉄心と、ステータ鉄心における所定の複数箇所にそれぞれ設けられ且つステータ鉄心の周方向に磁性を持たせた永久磁石と、ステータ鉄心のうち周方向に隣り合う永久磁石同士の間に巻回され且つ永久磁石の磁束と反対方向の磁束を発生する直流電流を通電する複数の界磁巻線と、ステータ鉄心のうち周方向に隣り合う永久磁石と界磁巻線の間においてロータに向かって突出するステータティースと、各ステータティースに巻回して交流電流を通電するステータ巻線とを備え、対向するステータティースにそれぞれ巻回したステータ巻線同士を同相に設定したものを適用するとともに、ロータとして、リング状のロータ鉄心と、ロータ鉄心からステータに向かって突出し且つ周方向に等ピッチでステータティースとは異なる数のロータ極とを備えたものを適用し、各界磁巻線に電流を流していない状態においてステータティースとロータ極の磁気ギャップを通過すること無くステータ内部のみを通過する各永久磁石の磁束を、各界磁巻線に所定方向の電流を流すことで生じる各界磁巻線の磁束とともに磁気ギャップ及びロータを通過する磁束に変化可能に構成していることを特徴としている。ここで、「ステータティース」の数は、ロータの極数、相数に基づいて決定される。また、各ステータティースにそれぞれステータ巻線を巻回する構成は、隣り合うステータティース間に形成される各スロットにステータ巻線を配置する構成と同義である。 A rotating machine according to the present invention includes, as a stator, a ring-shaped stator iron core, permanent magnets that are respectively provided at predetermined locations in the stator iron core and magnetized in the circumferential direction of the stator iron core, and a stator iron core. A plurality of field windings that are passed between permanent magnets adjacent to each other in the direction and pass a DC current that generates a magnetic flux in a direction opposite to that of the permanent magnets, and a permanent magnet that is adjacent in the circumferential direction among the stator cores Stator teeth projecting toward the rotor between the stator coils and the field windings, and stator windings wound around the stator teeth and energized with an alternating current, and the stator windings wound around the opposing stator teeth. Are applied in the same phase, and as a rotor, a ring-shaped rotor core and a rotor core that protrudes from the rotor core toward the stator Applying the one having a different number of rotor poles and the stator teeth at a constant pitch in the internal without stator by passing through the magnetic gap of the stator teeth and the rotor pole in a state where no current flows in the various fields winding the magnetic flux of the permanent magnets to pass only, that is capable of changing configuration magnetic flux passing through the magnetic gap and the rotor with the magnetic flux of the various circles winding caused by passing a predetermined direction of current in various fields winding It is characterized by. Here, the number of “stator teeth” is determined based on the number of poles and the number of phases of the rotor. The configuration in which the stator winding is wound around each stator tooth is synonymous with the configuration in which the stator winding is disposed in each slot formed between adjacent stator teeth.
このような本発明の回転機では、ステータ鉄心のうち所定の複数箇所に配置した各永久磁石の磁性をステータ鉄心の周方向に持たせているため、ステータ鉄心の周方向において永久磁石と隣り合う位置に設けた各界磁巻線に電流を流していない状態(界磁巻線非励磁状態)であれば、各永久磁石の磁束は、ステータ鉄心及び他の永久磁石を経由して戻る短絡磁束になる。すなわち、抵抗の低い部分を通る磁束は、各界磁巻線の起磁力がゼロの場合に、各永久磁石の磁束が磁気ギャップの存在によってロータを通過しない。 In such a rotating machine according to the present invention, the magnets of the permanent magnets arranged at a plurality of predetermined positions in the stator core are provided in the circumferential direction of the stator core, so that they are adjacent to the permanent magnets in the circumferential direction of the stator core. If no current is flowing in each field winding provided at the position (field winding non-excited state), the magnetic flux of each permanent magnet is a short-circuit magnetic flux that returns via the stator core and other permanent magnets. Become. That is, magnetic flux passing through the low resistance portion, when the magnetomotive force of the various fields winding is zero, the magnetic flux of the permanent magnet does not pass through the rotor by the presence of magnetic gap.
一方、各界磁巻線に所定方向の電流を流した場合、各界磁巻線の磁束が各永久磁石の磁束と反対方向の磁束として発生する。したがって、ステータ鉄心内を流れる各永久磁石の磁束は、ステータ鉄心内において、周方向に隣り合う界磁巻線の磁束とぶつかり、ステータ鉄心のうち各永久磁石を配置した部分からステータ鉄心のうち界磁巻線を配置した部分に到達するまでに存在するステータティースを通り、このステータティースと対向し得るロータ極との磁気ギャップを通過し、ロータ極、ロータ鉄心、他のロータ極、このロータ極と対向し得るステータティースとの磁気ギャップ、ステータティース、ステータ鉄心をこの順で流れて永久磁石に至る。また、各界磁巻線に所定方向の電流を流している状態(界磁巻線励磁状態)において各界磁巻線の磁束は、ステータ鉄心のうち界磁巻線を配置したそれぞれの箇所を始点として捉えると、始点からステータ鉄心内を流れ、ステータ鉄心内において永久磁石の磁束とぶつかり、永久磁石の磁束と共にステータティースを通り、このステータティースと対向し得るロータ極との磁気ギャップを通過し、ロータ極、ロータ鉄心、他のロータ極、このロータ極と対向し得るステータティースとの磁気ギャップ、ステータティース、ステータ鉄心をこの順で流れて上述の各始点に至る。 On the other hand, when a current in a predetermined direction is passed through each field winding, the magnetic flux of each field winding is generated as a magnetic flux in the direction opposite to the magnetic flux of each permanent magnet. Therefore, the magnetic flux of each permanent magnet flowing in the stator core collides with the magnetic flux of the field winding adjacent in the circumferential direction in the stator core, and the field of the stator core from the portion of the stator core where each permanent magnet is arranged. through the stator teeth are present to reach the portion of arranging the winding, passes through the magnetic gap between the stator teeth and the opposite may rotor poles, the rotor poles, the rotor core, other rotor poles, the rotor It reaches the permanent magnet flows magnetic gap between the stator teeth, which may face the poles, stator teeth, the stator iron core in this order. In addition, in a state where a current in a predetermined direction is passed through each field winding (field winding excitation state), the magnetic flux of each field winding starts from each location where the field winding is disposed in the stator core. capturing the flows in the stator core from the start point, collides with the permanent magnet flux in the stator iron core, through the stator teeth with the permanent magnet flux passes through the magnetic gap between the stator teeth and the opposite may rotor poles, rotor poles, the rotor core, other rotor poles, leading to magnetic gap, stator teeth, each starting point of above flows stator core in this order between the rotor poles and facing may stator teeth.
このように、本発明に係る回転機は、各界磁巻線に所定方向の電流を流していない状態(界磁巻線非励磁状態)であればロータに各永久磁石の磁束が流れない状態または流れ難い状態を確保することができる。したがって、本発明に係る回転機では、各界磁巻線に所定方向の電流を流していない状態において誘起電圧が発生せず、コギングトルクやロストルクはゼロまたは略ゼロとなり、高効率化を図ることができる。また、各界磁巻線に所定方向の電流を流した状態(界磁巻線励磁状態)では、各永久磁石の磁束と各界磁巻線の磁束をロータに通過させる(各永久磁石の磁束を、ステータ鉄心の周方向に隣り合う界磁巻線の磁束とともにロータに流れる磁束に変化させる)ことができ、この状態でステータ巻線に電圧を印加すれば、各永久磁石の磁束及び各界磁巻線の磁束が、ステータ巻線に鎖交する界磁磁束として作用し、誘起電圧を発生させてロータを回転させることができる。さらに、本発明の回転機では、ステータティースとロータ極の数を異ならせているため、正弦波励磁が利用可能であり、汎用のインバータを利用することができる。また、本発明の回転機では、正弦波励磁が利用可能であることから、ステータティースとロータ極の数が同数の場合に使用するパルス電源で駆動することができる。 Thus, the rotating machine according to the present invention is in a state in which the magnetic flux of each permanent magnet does not flow through the rotor if the current in a predetermined direction does not flow through each field winding (field winding non-excitation state). It is possible to ensure a state that is difficult to flow. Therefore, in the rotating machine according to the present invention, no induced voltage is generated in a state where a current in a predetermined direction is not passed through each field winding, and the cogging torque and loss torque are zero or substantially zero, so that high efficiency can be achieved. it can. Further, in a state where a current in a predetermined direction flows through each field winding (field winding excitation state), the magnetic flux of each permanent magnet and the magnetic flux of each field winding are passed through the rotor (the magnetic flux of each permanent magnet is If the voltage is applied to the stator winding in this state, the magnetic flux of each permanent magnet and each field winding can be changed. The magnetic flux acts as a field magnetic flux interlinked with the stator winding, and can generate an induced voltage to rotate the rotor. Furthermore, in the rotating machine of the present invention, since the numbers of stator teeth and rotor poles are different, sinusoidal excitation can be used, and a general-purpose inverter can be used. Further, since the rotating machine of the present invention can use sinusoidal excitation, it can be driven by a pulse power source used when the number of stator teeth and the number of rotor poles is the same.
そして、本発明の回転機であれば、要求される回転数(出力)やトルクに応じて各界磁巻線に流す電流量を調節することで、ロータを通過する磁束量(各永久磁石の磁束に各界磁巻線の磁束を重畳した磁束量であり、各永久磁石の磁束と各界磁巻線の磁束の総和である磁束量)を増減することができ、ひいては、ステータ巻線に鎖交する界磁磁束量を増減することができる。この際、各永久磁石の界磁を弱める弱め界磁は不要であるため、永久磁石の減磁現象を防止することができるとともに、例えば弱め界磁制御と強め界磁制御を選択して行う態様と比較して、各界磁巻線に流す電流方向は一定方向のみであるため、各界磁巻線に流す電流方向を切り替える処理が不要である。 In the rotating machine of the present invention, the amount of magnetic flux passing through the rotor (the magnetic flux of each permanent magnet) is adjusted by adjusting the amount of current flowing through each field winding in accordance with the required rotational speed (output) and torque. Can be increased / decreased, and thus linked to the stator windings can be increased / decreased (the amount of magnetic flux that is the sum of the magnetic flux of each permanent magnet and the magnetic flux of each field winding). The amount of field magnetic flux can be increased or decreased. At this time, since the field weakening that weakens the field of each permanent magnet is unnecessary, it is possible to prevent the demagnetization phenomenon of the permanent magnet, and for example, compared with a mode in which the field weakening control and the field strengthening control are selected and performed. Since the direction of current flowing through each field winding is only a fixed direction, it is not necessary to switch the direction of current flowing through each field winding.
特に、本発明の回転機であれば、ステータ鉄心の周方向に、永久磁石と界磁巻線の組を複数組設け、ステータ鉄心のうち各組の永久磁石と界磁巻線の間にそれぞれ設けたステータティースにステータ巻線を巻回し、各ステータ巻線に流す電流を調整することによってロータの回転中心を挟んで対向するステータティース同士を同相に設定しているため、本発明の回転機単体で多相交流モータ又は多相交流発電機を実現することができる。 In particular, in the rotating machine of the present invention, a plurality of pairs of permanent magnets and field windings are provided in the circumferential direction of the stator core, and each of the pairs of permanent magnets and field windings of the stator iron core is provided. Since the stator teeth that are opposed to each other across the rotation center of the rotor are set in the same phase by winding the stator winding around the provided stator teeth and adjusting the current flowing through each stator winding, the rotating machine of the present invention A single-phase multiphase AC motor or multiphase AC generator can be realized.
また、本発明の回転機は、ロータに永久磁石を付帯させる構成ではないため、ロータの高速回転中に永久磁石が飛散する事態を回避することができる。さらに、ロータに永久磁石を付帯させた回転機であれば永久磁石の飛散を防止するために設ける飛散防止部材が、本発明の回転機では不要であり、この点において、部品点数の削減と、永久磁石のうちステータに対向する面に飛散防止部材を取り付けることによる磁気ギャップの拡大化を回避することが可能であり、高効率化にも貢献する。 Moreover, since the rotating machine of the present invention is not configured to attach a permanent magnet to the rotor, it is possible to avoid a situation where the permanent magnets are scattered during high-speed rotation of the rotor. Furthermore, if the rotating machine has a permanent magnet attached to the rotor, the anti-scattering member provided to prevent the permanent magnet from scattering is not necessary in the rotating machine of the present invention. It is possible to avoid the enlargement of the magnetic gap by attaching the anti-scattering member to the surface of the permanent magnet that faces the stator, which contributes to higher efficiency.
特に、本発明の回転機は、ロータを磁性体材料のみから形成することが可能である点においても有利である。 In particular, the rotating machine of the present invention is advantageous in that the rotor can be formed only from a magnetic material.
加えて、本発明の回転機は、各界磁巻線に電流を流さない状態で各永久磁石の磁束はステータ内に留まるため、回転機の組立工程のうち、インナー可動型であればステータの内部空間にロータ及びロータ支持部材(シャフト)を組み付けたユニットを挿入する工程、またはアウター可動型であればステータの外側にロータ及びロータ支持部材(フレーム)を組み付けたユニットを挿入する工程では、界磁巻線に電流を流さないことによって、各永久磁石がロータに不意に吸引される事態を防止することができ、スムーズ且つ適切に挿入作業を行うことができる。 In addition, in the rotating machine of the present invention, since the magnetic flux of each permanent magnet stays in the stator in the state where no current flows through each field winding, the inner part of the stator can be used if it is an inner movable type in the assembly process of the rotating machine. In the step of inserting a unit in which the rotor and the rotor support member (shaft) are assembled into the space, or in the step of inserting the unit in which the rotor and the rotor support member (frame) are assembled outside the stator if the outer movable type, By preventing the current from flowing through the windings, it is possible to prevent each permanent magnet from being attracted to the rotor unexpectedly, and the insertion operation can be performed smoothly and appropriately.
また、本発明では、互いの磁束方向が相反する方向となるようにステータ鉄心に設けた永久磁石と界磁巻線の組を、ステータ鉄心の周方向に3n(nはゼロを除く正の整数)組設けた回転機を構成することも可能である。このような構成であれば、永久磁石と界磁巻線の各組に対応付けて設けるステータティースの数は、永久磁石及び界磁巻線の組数と同数、つまり3n(nはゼロを除く正の整数)になり、回転軸を挟んで対向するステータティースにそれぞれ巻回したステータ巻線同士を同相に設定することにより3相3nスロット構造(nはゼロを除く正の整数)の回転機となる。そして、3相構造の回転機であれば、全ての相電流によるトルクは正方向となり、合成トルクは大きく、トルク脈動は小さくなる。 Further, in the present invention, a set of permanent magnets and field windings provided on the stator core so that the directions of the magnetic fluxes are opposite to each other is 3n (n is a positive integer excluding zero) in the circumferential direction of the stator core. It is also possible to configure a set of rotating machines. With such a configuration, the number of stator teeth provided in association with each pair of permanent magnets and field windings is the same as the number of pairs of permanent magnets and field windings, that is, 3n (n excludes zero) Rotating machine with a three-phase 3n slot structure (n is a positive integer excluding zero) by setting the stator windings wound around the stator teeth facing each other across the rotating shaft to the same phase. It becomes. If the rotating machine has a three-phase structure, the torque generated by all phase currents is positive, the combined torque is large, and the torque pulsation is small.
本発明に係る回転機は、上述したように、回転軸の径方向においてロータをステータの内周側に配置したインナー可動型であってもよいし、回転軸の径方向においてロータをステータの外周側に配置したアウター可動型であってもよい。何れのタイプの回転機においても、ロータ支持部材は磁性体で構成されていることが好ましい。 As described above, the rotating machine according to the present invention may be an inner movable type in which the rotor is disposed on the inner peripheral side of the stator in the radial direction of the rotating shaft, or the rotor may be disposed on the outer periphery of the stator in the radial direction of the rotating shaft. It may be an outer movable type arranged on the side. In any type of rotating machine, the rotor support member is preferably made of a magnetic material.
本発明によれば、永久磁石及び界磁巻線の組をステータコアの周方向に複数配置し、界磁巻線非励磁状態では磁気ギャップに漏れないか漏れ難くしてステータ内を流れるように磁気短絡させた各永久磁石の磁束を、各界磁巻線に電流を流すことで各界磁巻線の磁束とともに磁気ギャップ及びロータに流れて、界磁磁束として作用し得る磁束に変化可能に構成しているため、回転数の変動や運転状況に応じて界磁の磁束量を調整することができ、広範な運転領域に対応する何れの回転領域でも高効率で作動する回転機を提供することができる。 According to the present invention, by arranging a plurality of pairs of permanent magnets and the field winding in the circumferential direction of the stator core, the field winding deenergized state hardly leaks or leaking to the magnetic gap to flow in the stator the magnetic flux of the permanent magnet is magnetically shorted, flows with the magnetic flux of the various circles winding the magnetic gap and the rotor by supplying a current to the various fields winding, capable of changing configuration flux may act as a field flux Therefore, it is possible to adjust the amount of magnetic flux of a field according to fluctuations in the number of rotations and operating conditions, and to provide a rotating machine that operates with high efficiency in any rotating range corresponding to a wide operating range. Can do.
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
本実施形態に係る回転機Xは、例えば図示しない航空機のスタータジェネレータなど、低速高トルク出力が要求される駆動モータまたは発電機として好適に用いられるものである。 The rotating machine X according to the present embodiment is suitably used as a drive motor or a generator that requires a low-speed and high-torque output, such as an aircraft starter generator (not shown).
回転機Xは、図1に示すように、ステータ1と、ステータ1と同軸上に配置され且つステータ1との間に磁気ギャップを形成するロータ2と、ロータ2をステータ1に対して回転可能に支持するロータ支持部材3とを備えたものである。本実施形態に係る回転機Xは、ロータ2をステータ1よりも回転軸3の径方向内側に配置したインナー可動型の回転機Xである。
As shown in FIG. 1, the rotating machine X includes a stator 1, a
本実施形態では、ロータ支持部材として、ロータ2の回転軸そのものとして機能するシャフト3を適用している。すなわち、シャフト3及びロータ2は一体回転可能に構成されている。
In the present embodiment, the
ステータ1は、ステータコア11(本発明のステータ鉄心に相当)と、ステータコア11からロータ2側に向かって突出し且つ周方向Aに等角ピッチで配列された複数のステータティース12と、各ステータティース12に巻回されたステータ巻線13と、ステータコア11のうち所定の複数箇所(図示例では四角筒状をなすステータコア11の一つの辺の中央部)に配置した複数の永久磁石14と、ステータコア11のうち周方向に隣り合う永久磁石14同士の位置(本実実施形態では隣り合う永久磁石14同士の中間位置)にそれぞれ巻回して設けた複数の界磁巻線15とを有するものである。
The stator 1 includes a stator core 11 (corresponding to the stator core of the present invention), a plurality of
ステータコア11は、シャフト3の軸方向に直交する断面形状がリング状をなす磁性体である。本実施形態では、周方向Aに6分割した単位ステータコア11aを適宜の手段で一体的に接合したステータコア11を適用しているが、周方向Aに6以外の数に分割した単位ステータコア11aを適宜の手段で一体的に接合したステータコアや、周方向Aに分割していないステータコアであっても構わない。
The
本実施形態のステータコア11では、周方向Aに隣り合う単位ステータコア11a同士の間に所定サイズの空洞部11sが形成され、各空洞部11sに永久磁石14又は永久磁石14と略同一形状の磁性体16を配置している。具体的には、ステータコアの周方向Aに所定ピッチで形成される空洞部11sに、永久磁石14と磁性体16を周方向Aに交互に配置している。磁性体16は、鉄などの適宜の磁性材料から形成されたものであればよく、具体的な材質が特に限定されるものではない。各空洞部11sは、図1に示すように、ステータコア11を厚み方向(シャフト3の径方向)に貫通するものであってもよいし、ステータコア11を厚み方向に所定領域分だけ窪ませたもの(図示省略)であってもよい。
In the
また、本実施形態では、シャフト3の軸方向に直交する断面形状が円筒形状(角部は部分円筒状)をなすステータコア11を適用しているが、円筒形以外の筒状、例えば四角筒状などの多角筒状のステータコアであってもよい。
Further, in the present embodiment, the
ステータティース12は、ステータコア11の内向き面(内周面)から所定ピッチでロータ2側(シャフト3の径方向内側)に向かって突出するものである。本実施形態の回転機Xは、ステータコア11のステータコア11aの周方向に所定距離隔てて隣り合う永久磁石14と界磁巻線15との間の領域からロータ2に向かって突出する計6つのステータティース12を有し、各ステータティース12にステータ巻線13を巻回している。本実施形態の回転機Xでは、6つの単位ステータコア11aを周方向Aに並べたステータコア11を適用しており、各単位ステータコア11aのうち内周面における周方向A中央部分からステータティース12をロータ2側に向かって突出させている。本実施形態では、各ステータティース12の突出端面12tをロータコア2の回転中心(シャフト3の軸心)を中心とする共通の円弧上に形成している。したがって、各ステータティース12の突出端面12tは、ステータコア11側に凹んだ円弧状の面である。
The
そして、本実施形態の回転機Xは、ステータコア11の空洞部11sに永久磁石14を配置している。本実施形態では、シャフト3の径方向に沿った寸法をステータコア11の厚みと同一または略同一の寸法に設定した永久磁石14を適用している。各永久磁石14は、ステータコア11の周方向Aに磁性を持たせたものである。図1では、同図におけるステータコア11の周方向Aに沿った時計回りに各永久磁石14を通過する場合、最初に通過する面がS極になるように各永久磁石14をステータコア11の空洞部11sに所定の向き・姿勢で配置した構成を例示している。本実施形態の永久磁石14は、S極及びN極をそれぞれ単位ステータコア11aの端面(空洞部11sの開口縁)と隙間無く密着させた状態でステータコア11の一部に配置されている。なお、ステータコア11の周方向Aに永久磁石14と交互に配置される磁性体16は永久磁石14と略同一形状であり、ステータコア11の周方向Aに並ぶ単位ステータコア11a同士の間に不要なギャップが形成されることを防止して磁路を確保するために配置される。したがって、周方向Aに隣り合う永久磁石14同士の間に隙間(空洞部11s)が形成されない形状に設定したステータコア11又は単位ステータコア11aであれば、磁性体16は不要である。
In the rotating machine X of the present embodiment, the
各界磁巻線15は、ステータコア11のうち周方向Aに隣り合う永久磁石14同士の間に巻回したものである。本実施形態では、ステータコア11のうち、周方向Aに隣り合う永久磁石14同士の間に配置した磁性体16の設置領域にそれぞれ界磁巻線15を巻回している。ここで、各磁性体16は、ステータコア11に界磁巻線15を巻回する際の巻回目標位置を示す目印として機能し得る。
Each field winding 15 is wound between
そして、本実施形態に係る回転機Xは、各界磁巻線15にそれぞれ所定方向の直流電流を流すと、永久磁石14の磁束と反対方向の磁束が生じるように設定している。
And the rotary machine X which concerns on this embodiment is set so that the magnetic flux of the opposite direction to the magnetic flux of the
本実施形態では、円筒形状をなすステータコア11の周方向に永久磁石14と界磁巻線15の組を複数組配置し、各組の永久磁石14と界磁巻線15の間に、ステータ巻線13を巻回したステータティース12を配置している。そして、永久磁石14と界磁巻線15の組をステータコア11の周方向Aに等ピッチで配置した本実施形態の回転機Xは、永久磁石14及び界磁巻線15の組数と同数のステータティース12を周方向Aに等ピッチで設けたステータ1を有するものである。また、本実施形態の回転機Xでは、回転軸3の軸心を通る直線上で対向するステータティース12にそれぞれ巻回して設けたステータ巻線13同士を同相に設定し、周方向Aに並ぶ各ステータ巻線13をU、V、Wの三相に分けて、各ステータ巻線13に120度ずつ位相のずれた三相交流電流を励磁(通電)可能に構成している。
In the present embodiment, a plurality of sets of
ロータ2は、図1に示すように、リング状のロータコア21(本発明のロータ鉄心に相当)と、ロータコア21からステータ1側(シャフト3の径方向外側)に向かって突出するロータティース22(本発明のロータ極に相当)とを有する磁性体である。本実施形態のロータ2は、ロータコア21及びロータティース22を一体に形成している。なお、本実施形態では、周方向Aに5分割した単位ロータコア21を適宜の手段で一体的に接合したロータコア21を適用しているが、周方向Aに分割していない一体のロータコアであってもよい。また、ロータコア21の中心部には、シャフト3が挿通可能なシャフト挿通孔21sを形成している。シャフト挿通孔21sに挿通したシャフト3はロータ2と一体回転可能である。
As shown in FIG. 1, the
図1に示す本実施形態の回転機Xは、円筒状をなすロータコア21の外向き面(外周面)から5本のロータティース22を放射状に突出させたものである。本実施形態では、各ロータティース22の突出端面22tをロータコア21の回転中心を中心とする共通の円弧上に形成している。したがって、各ロータティース22の突出端面22tは、回転軸中心から見て径方向外側に膨らんだ円弧状の面である。
The rotating machine X of the present embodiment shown in FIG. 1 has five
ここで、本実施形態の回転機Xでは、リング状をなすステータコア11の内向き面に等ピッチで設けたステータティース12と、リング状をなすロータコア21の外向き面に等ピッチで設けたロータティース22との数を相互に異ならせている。本実施形態では、ステータティース12の数を6に設定し、ロータティース22の数を5に設定している。また、本実施形態の回転機Xは、ロータティース22の突出端面22tにおけるロータコア2の周方向Aに沿った寸法(突出端面22tの円弧の長さ)を、ステータティース12の突出端面12tにおけるステータコア1の周方向Aに沿った寸法(突出端面12tの円弧の長さ)と同一または略同一或いは、テータティース12の突出端面12tの円弧の長さよりも所定寸法分大きく設定している。そして、本実施形態では、ステータ1に対してロータ2がどのような相対回転角度姿勢であっても、各ロータティース22が、1本のステータティース12と対向する相対位置関係、または周方向Aに隣り合う2本のステータティース12を跨ぐ相対位置関係の何れかを確保できるように設定している。
Here, in the rotating machine X of the present embodiment, the
本実施形態の回転機Xは、ステータ1とロータ2の間、より具体的にはステータティース12とロータティース22の間に、回転軸Wの周方向Aに周回する磁気ギャップを形成している。すなわち、各ステータティース12の内向き面(突出端面12t)をシャフト3の軸中心を中心とする同一円弧上に一致する部分円弧面に設定し、各ロータティース22の外向き面(突出端面22t)を各ステータティース12の内向き面と同心円であって各ステータティース12の内向き面よりも径を僅かに小さく設定した円弧上に一致する部分円弧面に設定している。
In the rotating machine X of the present embodiment, a magnetic gap is formed between the stator 1 and the
次に、このような構成を有する本実施形態に係る回転機Xの動作及び作用について説明する。 Next, the operation and action of the rotating machine X according to this embodiment having such a configuration will be described.
本実施形態の回転機Xにおいて、ステータコア11に設けた各界磁巻線15に所定の電流が流れていない場合(界磁巻線非励磁状態)、各永久磁石14の磁束(以下では「磁石磁束」と称する場合がある)は、図2(同図は、界磁巻線非励磁状態における各永久磁石14の磁束を模式的に示したものであり、図1と比較してステータ1やロータ2の各部分の外縁形状に多少の歪みが現れているが、その歪みに本質的な意味はなく、各永久磁石14の磁束自体の歪みも本質的な意味はない)に示すように、N極着磁面からステータコア11内を通る磁束となり、この磁束方向に並ぶ永久磁石14のN極着磁面、S極着磁面を順次通過して、自身のS極着磁面に至る。すなわち、永久磁石14の磁束の経路(磁路)は、常に全体の磁気抵抗が最も小さくなる磁路が必然的に選ばれるため、界磁巻線非励磁状態における磁石磁束は、ロータ2とステータ1の磁気ギャップを避けて流れることになる。したがって、界磁巻線非励磁状態では永久磁石14の磁束はステータコア11を経由して戻る短絡磁束になる。この界磁巻線非励磁状態における永久磁石14の磁束を以下では「非励磁状態磁石磁束」と称す。このように、非励磁状態磁石磁束はステータ1内におさまり、ロータ2に流れない。したがって、誘起電圧が発生せず、安全な状態であるといえる。なお、各永久磁石14の磁束量は常に一定である。また、本実施形態では、ステータコアの所定箇所に磁性体16を配置しているが、非励磁状態磁石磁束は各磁性体16の存在によってその方向や磁束量が変化するものではない。
In the rotating machine X of the present embodiment, when a predetermined current does not flow in each field winding 15 provided in the stator core 11 (field winding non-excited state), the magnetic flux of each permanent magnet 14 (hereinafter referred to as “magnet magnetic flux”). FIG. 2 (the figure schematically shows the magnetic flux of each
一方、本実施形態の回転機Xにおいて、各界磁巻線15に所定方向の直流電流を流した場合(界磁巻線励磁状態)、具体的には、図3に示すように、非励磁状態磁石磁束の向きと反対になる方向の直流電流を各界磁巻線15に流した場合、磁石磁束は、ステータコア11内において界磁巻線15の磁束とぶつかり、界磁巻線15の磁束が抵抗となって界磁巻線15の磁束よりも抵抗の小さいロータ2とステータ1の磁気ギャップを通過し、ロータティース22、ロータコア21、他のロータティース22、このロータティース22とステータティース12の磁気ギャップ、ステータティース12、ステータコア11を流れて永久磁石14に戻る磁束となる。そして、各界磁巻線15に流す電流を大きくすればするほど、各界磁巻線15の磁束量を増量させることができ、ステータコア11のうち界磁巻線15を配置した領域及びその近傍領域が磁気飽和に近い状態になり、これらの領域に磁石磁束は流れ難くなり、その分だけ磁気ギャップ及びロータ2に流れる磁石磁束の量が多くなる。
On the other hand, in the rotating machine X of the present embodiment, when a direct current in a predetermined direction is passed through each field winding 15 (field winding excitation state), specifically, as shown in FIG. When a direct current in a direction opposite to the direction of the magnet magnetic flux is passed through each field winding 15, the magnet magnetic flux collides with the magnetic flux of the field winding 15 in the
そして、本実施形態の回転機Xは、所定値以上の電流(大電流)を各界磁巻線15に流した場合(界磁巻線励磁状態)に、ステータコア11のうち界磁巻線15を配置した領域及びその近傍領域が磁気飽和になり、図3に示すように、これらの領域に磁石磁束は流れず、全部または略全部の磁石磁束が磁気ギャップに漏れて、ロータ2に流れる磁石磁束の量が多くなる。また、界磁巻線15の磁束も、ロータコア21、ロータティース22、磁気ギャップ、ロータティース22、ロータコア21、他のロータティース22、このロータティース22とステータティース12の磁気ギャップ、ステータティース12、ステータコア11をこの順に流れる。したがって、各界磁巻線15に流す電流量の増大に伴って、ロータ2を通過する総磁束量(磁石磁束と界磁巻線15の磁束の総和)も増大する。
The rotating machine X according to the present embodiment causes the field winding 15 of the
そして、本実施形態に係る回転機Xにおいて、磁石磁束が界磁巻線15の磁束とともにロータ2に流れる状態で、さらに各ステータティース12に巻回したステータ巻線13にも電流を流した場合に誘起電圧が発生し、ロータ2を回転させることができ、要求される回転数(出力)やトルクに応じて界磁巻線15に流す電流量(界磁電力)を調節することで、ロータ2を流れる磁束量(永久磁石14の磁束と界磁巻線15の磁束の総和である磁束量)を増減することができる。この際、各ステータティース12に設けたステータ巻線13をU、V、Wの三相に分けて、各相のステータ巻線13単位で120度ずつ位相のずれた三相交流電流を励磁する(通電)ことによって、誘起電圧が発生し、ロータ2を回転させるトルクが生じる。
In the rotating machine X according to the present embodiment, when the magnetic flux flows through the
このような回転機Xを例えば航空機のエンジンスタータと発電機を兼ねたスタータジェネレータとして適用した場合、始動時を含む低速域では、ステータ1のコイル(ステータ巻線13)に通電するとともに、各界磁巻線15に所定方向の電流を流して界磁巻線非励磁状態から界磁巻線励磁状態に切り替えることで励磁されたロータ2が回転駆動する。
When such a rotating machine X is applied as, for example, a starter generator that serves as both an engine starter and a generator for an aircraft, in the low speed range including the start time, the coil of the stator 1 (stator winding 13) is energized and each field magnet is supplied. The
本実施形態に係る回転機Xは、大トルクが要求される低速域において、各界磁巻線15に流す電流量を上げる(界磁電力を大きくする)ことによって、その界磁電力に応じた大きい界磁巻線15の磁束と、各界磁巻線15の磁束に誘導される各永久磁石14の磁束をロータ2に通過させることができ、ロータ2を流れてステータ巻線13に鎖交する界磁の磁束量を増大させる(磁束密度を高める)ことができる。したがって、例えば各ステータ巻線13に流す電流を大きくすることに依らずとも、各界磁巻線15に所定方向の電流を流す界磁制御を行うことで大トルクを得ることができ、界磁制御を行わない場合に比べて誘起電圧を高くすることができる。
The rotating machine X according to the present embodiment increases the amount of current flowing through each field winding 15 (increases the field power) in a low speed range where a large torque is required, thereby increasing the magnitude according to the field power. The magnetic flux of the field winding 15 and the magnetic flux of each
また、本実施形態の回転機Xは、中速域において、界磁巻線励磁状態で運転しつつ、低速域時よりも界磁電力を少なくすることで誘起電圧を一定に保ち、トルクを必要としない領域に到達した時点で界磁電力をさらに少なくすることでロータ2を通過してステータ巻線13に鎖交する磁束量を低速域よりも減少させて、ロータ2における磁束密度を抑えることができる。そして、本実施形態の回転機Xでは、ロータ2の磁束密度を抑えることによって、鉄損を低減することができる。
Further, the rotating machine X of the present embodiment operates in the field winding excitation state in the medium speed range, and maintains the induced voltage constant by reducing the field power as compared with the low speed range, and requires torque. The magnetic flux density in the
また、本実施形態に係る回転機Xは、高速域では、界磁電力をゼロに近付けることによって、リラクタンストルクのみで回転させることができる。すなわち、界磁電力をゼロに近付けることによって、各界磁巻線15の磁束量がゼロに近付き、ロータ2を通過してステータ巻線13に鎖交する磁束量が中速域よりも減少し、ロータ2における磁束密度をさらに抑えることができる。また、界磁電力をゼロに近付けることで低速域や中速域と比較して界磁巻線15の銅損も減少するとともに、高速域では磁束密度の低減に伴って鉄損を低減できることから、本実施形態に係る回転機Xでは、高速回転領域で誘起電圧が低い(磁束密度が低い)ため、鉄損を低減することができる。
Further, the rotating machine X according to the present embodiment can be rotated only by the reluctance torque by bringing the field power close to zero in the high speed range. That is, by bringing the field power close to zero, the amount of magnetic flux of each field winding 15 approaches zero, and the amount of magnetic flux that passes through the
このような構成をなす本実施形態の回転機Xは、界磁巻線非励磁状態において各永久磁石14の磁束がロータ2を通過しない又は殆ど通過しないように構成しているため、ロータ2を経由してステータ巻線13に鎖交する磁束をゼロまたは略ゼロにすることができ、モータとして機能する場合であればコギングトルクをゼロまたは略ゼロにすることが可能であるとともに、発電機として機能する場合であればロストルクをゼロまたは略ゼロにすることが可能である。また、この界磁巻線非励磁状態では誘起電圧が発生せず、安全な状態を確保することができ、制御機器(電源、インバータなど)が停止したときには自ずと誘起電圧が発生しない状態を確保することができ、制御機器の破損防止に役立つ。また、本実施形態の回転機Xでは、各界磁巻線15に所定方向の電流を流した場合に、各界磁巻線15の磁束と共にそれぞれの界磁巻線15と組をなして配置した各永久磁石14の磁束が、ロータ2内を通過してステータ巻線13に鎖交する状態となり、誘起電圧を発生させてロータ2を回転させることができ、要求される回転数(出力)やトルクに応じて界磁巻線15に流す電流量を調節することで、ロータ2を経由してステータ巻線13に鎖交する磁束量を増減することができる。この際、永久磁石14の界磁を弱める弱め界磁は不要であるため、各永久磁石14の減磁現象を防止することができる。そして、本実施形態に係る回転機Xは、弱め界磁制御実行時に生じ得る界磁銅損の発生を防止・抑制することができ、弱め界磁制御と強め界磁制御を選択して行う態様と比較して、各界磁巻線15に流す電流方向は一定方向のみであるため、各界磁巻線15に流す電流方向を切り替える処理が不要であり、高速域において、弱め界磁制御であれば必要な「トルクに寄与しないステータ電力」が不要となり、ステータ銅損を低減させることができる。
The rotating machine X of the present embodiment having such a configuration is configured such that the magnetic flux of each
このように、本実施形態の回転機Xであれば、各界磁巻線15の起磁力がゼロの場合にはロータ2を通過しない各永久磁石14の磁束を、それぞれの界磁巻線15に電流を流すことで各界磁巻線15の磁束に重畳させて、ロータ2を通過してステータ巻線13に鎖交する磁束(界磁磁束)に変えることが可能であり、永久磁石14の大幅な増量を回避しつつ、低速・高トルクの状態から高速・低トルクの状態に亘る広範な運転領域に対応する何れの回転領域でも高い効率を実現できる。
Thus, in the rotating machine X of this embodiment, when the magnetomotive force of each field winding 15 is zero, the magnetic flux of each
しかも、本実施形態に係る回転機Xは、ステータティース12を介して周方向Aに隣り合う位置に配置した永久磁石14及び界磁巻線15の組を、ロータコア11の周方向Aに等ピッチで複数組、具体的には3n(nはゼロを除く正の整数)組設けることによって、上述した作用効果を奏する三相同期回転機として機能する。したがって、例えば単相同期回転機をシャフトの軸方向に複数配置し、且つ各単相同期回転機の位相をシャフトの周方向にずらすことで全体として三相同期回転機として機能させる構成と比較して、小型化及び部品点数の削減を図ることが可能な三相同期回転機Xを実現できる。
Moreover, the rotating machine X according to the present embodiment has a set of
また、本実施形態の回転機Xは、ロータ2に各永久磁石14を付帯させる構成ではないため、ロータ2の高速回転中に各永久磁石14が飛散する事態を回避することができる。さらにまた、本実施形態の回転機Xは、ロータ2に永久磁石14を付帯させた構成であれば永久磁石14の飛散を防止するために設ける飛散防止部材が不要であり、この点において、部品点数の削減と、飛散防止部材の存在による磁気ギャップの拡大化防止を実現することができる。
Moreover, since the rotating machine X of this embodiment is not the structure which attaches each
特に、本実施形態の回転機Xは、ロータ2を磁性体材料のみから形成することが可能である点においても有利である。
In particular, the rotating machine X of the present embodiment is advantageous in that the
加えて、本実施形態の回転機Xは、ステータ1に付帯させた各界磁巻線15に電流を流さない状態で各永久磁石14の磁束はステータ1内に留まるため、回転機Xの組立工程のうち、ステータ1の内部空間にロータ2及びシャフト3を組み付けたユニットを挿入する工程では、各界磁巻線15に電流を流さないことによって、各永久磁石14がロータ2に不意に吸引される事態を防止することができ、スムーズ且つ適切に挿入作業を行うことができる。
In addition, in the rotating machine X of the present embodiment, the magnetic flux of each
さらに、本実施形態の回転機Xでは、ステータティース12とロータティース22の数を異ならせているため、正弦波励磁が利用可能であり、汎用のインバータを利用することができる。また、本実施形態の回転機Xでは、正弦波励磁が利用可能であることから、ステータティース12とロータティース22の数が同数の場合に使用するパルス電源で駆動することができ、実用性及び汎用性に富む。
Furthermore, in the rotating machine X of the present embodiment, since the numbers of the
また、本実施形態の回転機Xは、ステータコア11の周方向Aに所定距離隔てて配置する永久磁石14と界磁巻線15の組を、ステータコア11の周方向Aに等間隔で複数組、具体的には計6組を配置し、各組の永久磁石14と界磁巻線15の間にステータ巻線13を巻回したステータティース12を設け、各ステータ巻線13をU、V、Wの三相に分けて、これら各ステータ巻線13に120度ずつ位相のずれた三相交流電流を励磁することにより、回転磁界が発生し、回転トルクを得ることができる。そして、全ての相電流によるトルクは正方向となり、合成トルクは大きく、トルク脈動は小さくなる。
Further, the rotating machine X of the present embodiment includes a plurality of sets of
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した各実施形態の回転機を、航空機のスタータジェネレータ以外の用途、例示すれば、風力発電機、フォークリフトや重量物搬送車両のモータ、或いは重量物を載置した状態で回転動作可能なターンテーブル、VSCF(Variable Speed Constant Frequencyの略で可変速・定周波定電圧電源装置)、大型発電機、建設機械向け旋回用電動機等、低速高トルク出力が要求される発電機や電動機(モータ)として用いることができる。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above. For example, the rotating machine of each of the above-described embodiments can be rotated in a state where a wind power generator, a forklift, a heavy load transport motor, or a heavy object is placed, for example, other than an aircraft starter generator. Generators and motors (motors) that require low-speed and high-torque output, such as turntables, VSCF (variable speed and constant voltage power supply devices), large generators, turning motors for construction machinery, etc. Can be used as
また、ステータコアやロータコアは、磁性を有する板状部材を積層して形成した積層体であってもよいし、全体として1つのブロックである塊状体であってもよい。 Further, the stator core and the rotor core may be a laminated body formed by laminating magnetic plate-like members, or may be a lump that is one block as a whole.
ステータコアの周方向に所定ピッチで配置する永久磁石及び界磁巻線の組数は適宜変更することができる。 The number of sets of permanent magnets and field windings arranged at a predetermined pitch in the circumferential direction of the stator core can be appropriately changed.
永久磁石と界磁巻線の組数に応じて、ステータティースの数やピッチも変更すればよく、ステータティースの数に応じて三相以外の適宜の多相交流回転機を構成しても構わない。 The number of stator teeth and the pitch may be changed according to the number of sets of permanent magnets and field windings, and an appropriate multiphase AC rotating machine other than three-phase may be configured according to the number of stator teeth. Absent.
また、ロータティースの数や周方向に隣り合うティース同士のピッチは適宜変更することができる。 Further, the number of rotor teeth and the pitch between teeth adjacent in the circumferential direction can be appropriately changed.
ステータコアの外縁形状(径方向外向き面の形状)や内縁形状(径方向内向き面の形状)は、上述の実施形態で示した形状に限らず、四角形などの多角形状であってもよく、径方向外向き面の形状と径方向内向き面の形状が相互に異なるものであっても構わない。 The outer edge shape (the shape of the radially outward surface) and the inner edge shape (the shape of the radially inward surface) of the stator core are not limited to the shapes shown in the above embodiment, and may be a polygonal shape such as a quadrangle, The shape of the radially outward surface and the shape of the radially inward surface may be different from each other.
さらには、ロータをステータに対して回転軸の径方向外側に配置したアウター可動型の回転機を構成することもできる。この場合、ロータをステータに対して回転可能に支持するフレーム(ロータ支持部材)は、ロータと一体に回転する。アウター可動型の回転機を採用する場合にも、各部の構成を上述の実施形態に準じた構成にすることで、上述の作用効果と同様の作用効果を得ることができる。 Furthermore, an outer movable type rotating machine in which the rotor is disposed on the radially outer side of the rotating shaft with respect to the stator can be configured. In this case, a frame (rotor support member) that rotatably supports the rotor with respect to the stator rotates integrally with the rotor. Even when an outer movable rotating machine is employed, the same operational effects as the above-described operational effects can be obtained by configuring each part according to the above-described embodiment.
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。 In addition, the specific configuration of each part is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
1…ステータ
11…ステータ鉄心(ステータコア)
12…ステータティース
13…ステータ巻線
14…永久磁石
15…界磁巻線
2…ロータ
21…ロータ鉄心(ロータコア)
22…ロータ極(ロータティース)
3…ロータ支持部材(シャフト)
X…回転機
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
12 ...
22 ... Rotor pole
3 ... Rotor support member (shaft)
X ... Rotating machine
Claims (4)
前記ステータは、
リング状のステータ鉄心と、前記ステータ鉄心における所定の複数箇所にそれぞれ設けられ且つ周方向に磁性を持たせた永久磁石と、前記ステータ鉄心のうち周方向に隣り合う前記永久磁石同士の間にそれぞれ巻回され且つ前記永久磁石の磁束と反対方向の磁束を発生する直流電流を通電する複数の界磁巻線と、前記ステータ鉄心のうち周方向に隣り合う前記永久磁石と前記界磁巻線の間において前記ロータに向かって突出するステータティースと、各ステータティースに巻回して交流電流を通電するステータ巻線とを備え、対向する前記ステータティースにそれぞれ巻回したステータ巻線同士を同相に設定したものであり、
前記ロータは、
リング状のロータ鉄心と、前記ロータ鉄心から前記ステータに向かって突出し且つ周方向に等ピッチで前記ステータティースとは異なる数のロータ極とを備えたものであり、
前記各界磁巻線に電流を流していない状態において前記磁気ギャップを通過すること無く前記ステータ内部を通過する前記各永久磁石の磁束を、前記各界磁巻線に所定方向の電流を流すことで生じる前記各界磁巻線の磁束とともに前記磁気ギャップ及び前記ロータを通過する磁束に変化可能に構成していることを特徴とする回転機。 The rotating machine includes a stator, a rotor that is coaxially arranged with the stator and that forms a magnetic gap with the stator, and a rotor support portion that rotatably supports the rotor with respect to the stator. And
The stator is
Between the ring-shaped stator core, the permanent magnets that are respectively provided at predetermined locations in the stator core and have magnetism in the circumferential direction, and the permanent magnets adjacent to each other in the circumferential direction of the stator core. A plurality of field windings that pass a DC current that is wound and generates a magnetic flux in a direction opposite to the magnetic flux of the permanent magnet, and the permanent magnets adjacent to each other in the circumferential direction of the stator core and the field windings. Stator teeth projecting toward the rotor in between, and stator windings wound around the stator teeth and energized with an alternating current, and the stator windings wound around the opposing stator teeth are set in phase with each other And
The rotor is
A ring-shaped rotor core, and a number of rotor poles that protrude from the rotor core toward the stator and have a different number from the stator teeth at an equal pitch in the circumferential direction;
The magnetic flux of each permanent magnet that passes through the interior of the stator without passing through the magnetic gap in a state where no current is passed through each field winding is generated by passing a current in a predetermined direction through each field winding. A rotating machine characterized in that it can be changed to a magnetic flux passing through the magnetic gap and the rotor together with the magnetic flux of each field winding.
The rotating machine according to claim 1, wherein the rotor is disposed radially outside the rotating shaft with respect to the stator.
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