JP6539465B2 - 横方向磁束型回転電機 - Google Patents
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Description
は、その周囲に振動を発生する要因になるからである。
脈動分を低減することができる横方向磁束型回転電機を提供することである。
同一の参照符号を付して、重ねての説明を省略する。
図1は、第1の実施形態に係る横方向磁束型回転電機を示す斜視図である。図2は、第1
の実施形態に係る横方向磁束型回転電機を示す斜視断面図である。
0a〜bを有する。すなわち、一の固定子と一の回転子の組が一の「相」に対応する。符
号aで示される固定子110aおよび回転子120aが「a相」、符号bで示される固定
子110bおよび回転子120bが「b相」であり、これらにより「2相構成」をなして
いる。
11a〜bを有する。
である。リングコイル112a〜bは各相に2つ、合計で4つ有る。同じ相の2つのリン
グコイル112a〜bには、位相が180°異なる電流を供給することが望ましい。
字の2つの凹部で取り囲み、E字の両端と中央がそれぞれ磁極となっており、かつ、リン
グコイル112a〜bの環状を、回転方向に間隔をあけて複数設けられている。リングコ
イル112a〜bにおいてE字型鉄心111a〜bに取り囲まれていない部分は空隙に面
している。
囲むこれらのE字型鉄心111a〜bにより回転方向に複数の磁極を備えたものを、第1
の強磁性体ユニットと称する。
もって内部に設けられ、回転軸124を中心として固定子110a〜bに対して相対的に
回転可能である。
環状外側に複数のI字型鉄心121a〜bおよび永久磁石122a〜bを交互に有してい
る。
士で位相が180°異なることが望ましい。
久磁石122a〜bにより、固定子110a〜bの第1の強磁性体ユニットとそれぞれ対
向する複数の磁極を回転方向に備えたものを、第2の強磁性体ユニットと称する。
対して傾いて設けられている。つまり、E字型鉄心111a〜bのそれぞれ3個の磁極の
回転方向に対する位置をずらしている。この回転位置のずれの機械角をスキュー角といい
、角度φで表す。機械角θ周期のトルクの脈動分を低減するには、3個の磁極でそれぞれ
角度をθ/3ずつずらせばよい。
基本次数に対するN×1、N×2、…、N×(M−1)次の脈動分(MとNは整数、M≦
L)を低減するには、L個のうちM個の磁極の中心の回転方向における相対位置関係が、
電気角でΘ1=(360°/N/M)ずつ順にずれるように構成する。これが、本実施形
態においてトルクの脈動を低減する原理である。
で構成されれば、形状的な制約よりL=MとなるためM=3となる。そして、2相構成の
ため4次の高調波成分(N=4)の脈動を低減するためには、これらを上記の式にあては
めると、電気角Θ1=(360°/4/3)=30°のずれである。なお、電気角表現で
は、2極分(すなわち磁極ピッチの2倍)を360°としている。
計するならば、φ=(360°/18/4/3)=1.67°ずれるようにスキュー角を
決定する。図3において、φ=φ1=φ2に対応する。なお、スキュー角φはE字型鉄心
111a〜bの傾き角Ψとは異なる。両者の関係は、E字型鉄心111a〜bの最内周部
の回転軸中心からの距離rと磁極間距離dにより、rφ=d・sin(Ψ)と表せる(こ
の式ではφとΨはラジアン表記)。
,極対数は24となり、上記の機械角φはφ=(360°/24/4/3)=1.25°
になる。また、a相とb相の双方が機械角φのずれがあることが望ましく、a相とb相と
の間の位相差は電気角で90°であることが望ましい。
角度を指定した場合であるが、より角度に幅をもたせてもよい。つまり、回転方向の電気
角における基本次数に対して低減したいトルク脈動の高調波成分の次数をN×1、N×2
、…、N×(M−1)とすると(MとNは整数でM≦L)、第1の強磁性体ユニットおよ
び第2の強磁性体ユニットにおける軸方向にL個の対向する磁極のうち、M個の磁極の中
心の回転方向における相対的な位置関係が電気角で(180°/N/M)<Θ1<(54
0°/N/M)ずつ順にずれるように構成してもよい。
よび通電時に回転位置に対するトルクの脈動分を低減することができる。
図4は、第2の実施形態に係る横方向磁束型回転電機を示す斜視図である。図5は、第2
の実施形態に係る横方向磁束型回転電機を示す斜視断面図である。
0a〜cを有する。符号aで示される固定子210aおよび回転子220aが「a相」、
符号bで示される固定子210bおよび回転子220bが「b相」、符号cで示される固
定子210cおよび回転子220cが「c相」であり、これらにより「3相構成」をなし
ている。
を有する。リングコイル212a〜cは、回転軸224を中心として回転方向に巻かれた
環状の巻線である。リングコイル212a〜cは各相に1つ、合計で3つ有る。U字型鉄
心211a〜cは、リングコイル212a〜cの環状外側からU字の凹部で取り囲み、U
字の両端がそれぞれ磁極となっており、かつ、リングコイル212a〜cの環状を、回転
方向に間隔をあけて複数設けられている。リングコイル212a〜cにおいてU字型鉄心
211a〜cに取り囲まれていない部分は空隙に面している。本実施形態では、固定子2
10a〜cにおいて、リングコイル212a〜cの一部を取り囲むこれらのU字型鉄心2
11a〜cにより回転方向に複数の磁極を備えたものを、第1の強磁性体ユニットと称す
る。
もって内部に設けられ、回転軸224を中心として固定子210a〜cに対して相対的に
回転可能である。
環状外側に複数のI字型鉄心221a〜cおよび永久磁石222a〜cを交互に有してい
る。同じ相の永久磁石222a〜cの磁化方向は、回転方向もしくは軸方向に隣り合うも
の同士で位相が180°異なることが望ましい。
久磁石222a〜cにより、固定子210a〜cの第1の強磁性体ユニットとそれぞれ対
向する複数の磁極を回転方向に備えたものを、第2の強磁性体ユニットと称する。
対して傾いて設けられている。つまり、U字型鉄心211a〜cのそれぞれ2個の磁極の
回転方向に対する位置をずらしている。トルクの脈動分を低減する原理は、第1の実施形
態で説明したものと同様である。機械角θ周期のトルクの脈動分を低減するには、2個の
磁極で角度をθ/2ずらせばよい。
で構成されれば、形状的な制約よりL=MとなるためM=2となる。そして、3相構成の
ため6次の高調波成分(N=6)の脈動を低減するためには、これらを上記の式にあては
めると、電気角Θ1=(360°/6/2)=30°のずれである。
計するならば、φ=(360°/18/6/2)=1.67°ずれるようにスキュー角を
決定する。なお、スキュー角φはU字型鉄心211a〜cの傾き角Ψとは異なる。両者の
関係は、U字型鉄心211a〜cの最内周部の回転軸中心からの距離rと磁極間距離dに
より、rφ=d・sin(Ψ)と表せる(この式ではφとΨはラジアン表記)。
,極対数は24となり、上記の機械角φはφ=(360°/24/6/2)=1.25°
になる。また、a〜c相のそれぞれに機械角φのずれがあることが望ましく、a相とb相
、b相とc相、c相とa相との間の位相差はそれぞれ電気角で120°であることが望ま
しい。
角度を指定した場合であるが、より角度に幅をもたせてもよい。つまり、回転方向の電気
角における基本次数に対して低減したいトルク脈動の高調波成分の次数をN×1、N×2
、…、N×(M−1)とすると(MとNは整数でM≦L)、第1の強磁性体ユニットおよ
び第2の強磁性体ユニットにおける軸方向にL個の対向する磁極のうち、M個の磁極の中
心の回転方向における相対的な位置関係が電気角で(180°/N/M)<Θ1<(54
0°/N/M)ずつ順にずれるように構成してもよい。
図7は、第3の実施形態に係る横方向磁束型回転電機を示す斜視図である。図8は、第3
の実施形態に係る横方向磁束型回転電機を示す斜視断面図である。図9は、第3の実施形
態に係る横方向磁束型回転電機の固定子鉄心の斜視断面図である。図10は、第3の実施
形態に係る横方向磁束型回転電機を示す正面図である。
有する。符号aで示される固定子310aおよび回転子が「a相」、符号bで示される固
定子310bおよび回転子が「b相」、符号cで示される固定子310cおよび回転子が
「c相」であり、これらにより「3相構成」をなしている。
リングコイル312a〜cと、このリングコイル312a〜cの両側を挟むように、2組
の環状の積層鋼板313a〜c(図9のa相の場合は313a1・313a2と313a
3・313a4の2組、b相およびc相についても同様。)を有する。この積層鋼板31
3a〜cは、図示したごとく環状内側に複数の凹凸が形成されており、その凸部において
リングコイル312a〜cを両側から取り囲み、凹部においてリングコイル312a〜c
の一部は空隙に面している。したがって、本実施形態の固定子310a〜cでは、この積
層鋼板313a〜cの凸部が磁極に対応する。本実施形態では、固定子310a〜cにお
いて、リングコイル312a〜cの一部を取り囲むこの積層鋼板313a〜cにより回転
方向に複数の磁極を備えたものを、第1の強磁性体ユニットと称する。
積層されている(図9のa相左側の組では313a1と313a2の2種類、その他の組
についても同様。)。よって、各磁極が2個に分割される。
けられ、回転軸324を中心として固定子310a〜cに対して相対的に回転可能である
。
積層鋼板323a〜cを有している。この積層鋼板323a〜cには複数の永久磁石32
2a〜cが回転方向に埋め込まれている。同じ相の永久磁石322a〜cの磁化方向は、
回転方向もしくは軸方向に隣り合うもの同士で位相が180°異なることが望ましい。本
実施形態では、回転子320におけるこれらの積層鋼板323a〜cおよび永久磁石32
2a〜cにより、固定子320の第1の強磁性体ユニットと対向する複数の磁極を回転方
向に備えたものを、第2の強磁性体ユニットと称する。
9のa相の場合は313a1・313a2と313a3・313a4の2組、b相および
c相についても同様。)は、回転子320の回転軸324に対して傾いて設けられている
。つまり、固定子鉄心313a〜cの2個の磁極の回転方向に対する位置をずらしている
。トルクの脈動分を低減する原理は、第1の実施形態で説明したものと同様である。
設計する場合は、一周360°/36極=10°、つまり2極あたり20°となり、また
、3相構成であるため、最も大きい脈動成分は6次(N=6)であり、20°/6=3.
33°周期となる。
回転方向の角度はφ3=(3.33°/2)=1.67°ずらすとよい。
a1と313a2の2種類、他の組についても同様。)による磁極が、2種類の積層鋼板
313a〜cにより2個に分割される。つまり、積層鋼板313a〜cの各磁極を2個に
分割して、3.33°周期(6次の高調波成分)をさらに低減することを意図し、各積層
鋼板313をφ1=φ2=(3.33°/2)=1.67°ずれるように構成している。
では、各鋼板を(3.33°/3)×1=1.11°、(3.33°/3)×2=2.2
2°とずらせば、3.33°周期(6次の高調波成分)と1.67°周期(12次の高調
波成分)を同時に低減することができる。このように、分割数を増やすことで、高次の高
調波成分の脈動をも同時に低減することができる。
,極対数は24となり、上記のφ1、φ2、φ3はいずれも(360°/24/6/2)
=1.25°になる。また、a〜c相のそれぞれにφ1、φ2、φ3のずれがあることが
望ましく、a相とb相、b相とc相、c相とa相との間の位相差はそれぞれ電気角で12
0°であることが望ましい。
、回転軸方向にI個(Iは整数)に分割される場合に、回転方向の電気角における基本次
数に対して低減したいトルク脈動の高調波成分の次数をN×1、N×2、…、N×(J−
1)とすると(Jは整数でJ≦I)、I個の分割された磁極のうち、J個の磁極の中心の
回転方向における位置が電気角で(180°/N/J)<Θ2<(540°/N/J)ず
つ順にずれるように構成することができる。
極の中心の回転方向における位置が電気角でΘ2=(360°/N/J)となる。
ており、各永久磁石中に示す矢印は磁化の方向を表している。
転方向に磁化しており、かつ、隣り合う2つの永久磁石322a1と322a2は、磁化
方向が逆となっている。これらを第1と第2の永久磁石と称する。
径方向に磁化しており、かつ、隣り合う2つの永久磁石322a3と322a4は、磁化
方向が逆となっている。これらを第3と第4の永久磁石と称する。ここでいう環状内側と
は、第1と第2の永久磁石322a1と322a2より回転子320aと固定子310a
の対向面に対して中心側に離れた位置にあることを意味している。
側面の積層鋼板323aを通り、永久磁石322aに入り、この間に固定子310aを通
らないために、トルクの発生に寄与しない。そこで、図10の永久磁石322a1〜32
2a4の各々の側面に近い部分の積層鋼板323aには、穴(フラックスバリア)324
a1〜324a4を備えている。これにより、永久磁石322aの磁束が永久磁石322
aの側面の積層鋼板323aを通りにくくなり、より多くの磁束が固定子310aに作用
するため、トルクの増大に寄与する。
近い部分では深くしている。これにより、永久磁石322a1と322a2の磁束がそれ
らの近傍に集中することを防ぎ、トルク脈動を低減することができる。なお,全ての回転
子の積層鋼板323a〜cに同様に溝325a〜cを設けることがトルク脈動の低減の観
点から望ましい。
磁石322による磁束密度が回転方向に正弦波に近い分布になり、トルクの脈動分を低減
することができる。なお、全ての固定子の積層鋼板313a〜cに同様に溝326a〜c
を設けることがトルク脈動の低減の観点から望ましい。
よび通電時に回転位置に対するトルクの脈動分を低減することができる。
応用を付加することができる。
構造、第2と第3の実施形態では3相構造について説明したが、本原理はそれ以外の多相
構造にも適用できる。すなわち、第1から第3の実施形態の横方向磁束型回転電機におい
て、回転子と固定子の組を複数有し、これらは回転子と固定子との回転方向の相対位置関
係において複数の異なる組となるように構成することができる。
しやすさが異なる性質をいう。すなわち、第1から第3の実施形態の横方向磁束型回転電
機において、第1または第2の強磁性体ユニットの少なくとも1つが、少なくとも一部に
磁気的な異方性を有する強磁性体を備えるようにしてもよい。
コーダなどの回転角度センサ431からのセンサ出力や、駆動回路部405からのセンサ
レス位置推定(出力電圧、出力電流)による角度フィードバック制御を行うことができる
。すなわち、第1から第3の実施形態の横方向磁束型回転電機において、回転子の回転軸
まわりの回転角度を測定する回転角度測定部403と、この回転角度測定部403からの
信号である位置情報出力に基づいてリングコイルに流す電流量を回転制御アルゴリズムに
基づき制御する回転制御部404と、その結果として出力されるパルス出力および電圧出
力に基づき、回転電機402に電機子励磁電流を供給する駆動回路部405(電源入力を
受けるインバータ回路)と、をさらに備える横方向磁束型の回転電機401を構成するこ
とができる。
405は、例えばIGBTおよびダイオードなどを含む複数のスイッチング部451a〜
c、a’〜c’を含むスイッチング回路450、およびそれらを駆動するゲートドライブ
回路453を備える。スイッチング部451a〜c、a’〜c’は各相のリングコイル4
21a〜cにそれぞれブリッジ接続されている。ここでは3相結線を想定しているが、相
数が異なる場合にも、同様にその相数に対応したスイッチング回路を適用できる。また、
リングコイル421a〜cに電力増幅回路(図示せず)を適用して電流を供給してもよい
。
ルに流れる電流の他の例を示すグラフである。これら両図は、3相結線をした時にリング
コイル421に流れる電流の例を示す。図13では、図12に示したスイッチング回路4
50を用いたPWM制御を適用した場合、或いは、電力増幅回路(図示せず)の出力を適
用した場合における3相電流(U相電流461A、V相電流461B、W相電流461C
)を示している。実際は3相電流461A〜Cにはノイズが含まれるが、図13には、位
相が120度ずつ異なる基本波成分のみが示され、この基本波の周波数に対応した速度で
回転子は駆動される。図14では、図12に示したスイッチング回路450を用いたパル
ス制御を行い、それぞれ位相が120度異なる矩形波の3相電流(U相電流471A、V
相電流471B、W相電流471C)を供給している。
対向面の法線が径方向となるラジアルギャップモータである例に限らず、回転子と固定子
との対向面の法線が軸方向となるアキシャルギャップモータであってもよい。アキシャル
ギャップモータでは、リングコイルを軸方向から挟むのではなく、径方向から挟み込む構
成になる。さらに、実施形態に係る回転電機は、第1から第3の実施形態のように回転子
が固定子の内側に位置するインナーロータである例に限らず、回転子が固定子の外側に位
置するアウターロータであってもよい。
であり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他
の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省
略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要
旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
110…固定子、
111…E字型鉄心、
112…リングコイル、
120…回転子、
121…I字型鉄心、
122…永久磁石、
123…非磁性リング、
124…回転軸、
200…横方向磁束型回転電機、
210…固定子、
211…U字型鉄心、
212…リングコイル、
220…回転子、
221…I字型鉄心、
222…永久磁石、
223…非磁性リング、
224…回転軸、
300…横方向磁束型回転電機、
310…固定子、
311…バルク鉄心、
312…リングコイル、
313…積層鋼板、
320…回転子、
321…バルク鉄心、
322…磁石、
323…積層鋼板、
324…回転軸、
401…回転電機駆動系、
402…回転電機、
403…回転角度検出部、
404…回転制御部、
405…駆動回路部、
431…回転角度センサ、
450…スイッチング回路、
453…ゲートドライブ回路、
451…スイッチング部、
421…リングコイル、
461…正弦波3相電流、
471…矩形波3相電流。
Claims (7)
- 回転軸を中心として回転方向に巻かれた環状の巻線と、前記巻線を取り囲むL個(Lは整数)の磁極を備える第1の強磁性体ユニットと、を有する固定子と、
前記回転軸を中心として前記固定子に対して相対的に回転可能であって、前記第1の強磁性体ユニットと対向するL個の磁極を備える第2の強磁性体ユニットを有する回転子とを備え、
低減すべきトルク脈動の高調波成分の次数をN×1、N×2、…、N×(M−1)とすると(MとNは整数でM≦L)、前記第1と第2の強磁性体ユニットの磁極のうちM個の磁極が、回転方向における相対位置関係が角度Θ1(ただし、(180°/N/M)<Θ1<(540°/N/M))ずつ順にずれるように構成され、
前記第1または第2の強磁性体ユニットの少なくとも一方の磁極が、回転軸方向又は径方向にI個(Iは整数)に分割され、
低減すべきトルク脈動の高調波成分の次数をN×1、N×2、…、N×(J−1)とすると(Jは整数でJ≦I)、前記I個に分割された磁極のうちJ個の磁極が、回転方向における相対位置関係が角度Θ2(ただし、(180°/N/J)<Θ2<(540°/N/J))ずつ順にずれるように構成される横方向磁束型回転電機。 - 前記M個の磁極が、回転方向における相対位置関係が角度Θ1=(360°/N/M)ずつ順にずれるように構成される、請求項1に記載の横方向磁束型回転電機。
- 前記J個の磁極が、前記回転方向における相対位置関係が角度Θ2=(360°/N/J)ずつ順にずれるように構成される、請求項1に記載の横方向磁束型回転電機。
- 前記第1または第2の強磁性体ユニットは回転軸方向に積層される電磁鋼板を備え、
前記電磁鋼板の中に前記回転方向に磁化している第1および第2の永久磁石ならびに半径方向に磁化している第3および第4の永久磁石が埋め込まれ、
前記第1および第2の永久磁石の磁化方向は逆であり、
前記第3および第4の永久磁石の磁化方向は逆であり、
前記第3および第4の永久磁石は第1および第2の永久磁石より前記回転子と固定子の対向面に対して離れた位置にあり、
前記回転子と固定子の対向面から前記第1および第2の永久磁石より離れた位置に穴を備え、
前記電磁鋼板はその内周面が前記第3および第4の永久磁石ならびに前記穴を介して前記第1およびと第2の永久磁石と囲まれる、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の横方向磁束型回転電機。 - 前記回転子と前記固定子の組を複数有し、これらは回転子と固定子との回転方向の相対位置関係において複数の異なる組となるように構成される、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の横方向磁束型回転電機。
- 前記第1または第2の強磁性体ユニットの少なくとも一方が、少なくとも一部に磁気的な異方性を有する強磁性体を備える請求項1ないし5のいずれか1項に記載の横方向磁束型回転電機。
- 前記回転子の前記回転軸まわりの回転角度を測定する測定部と、
前記測定部からの信号に基づいて前記巻線に流す電流量を制御する制御部と、
を備える請求項1ないし6のいずれか1項に記載の横方向磁束型回転電機。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015056976A JP6539465B2 (ja) | 2015-03-19 | 2015-03-19 | 横方向磁束型回転電機 |
US15/059,684 US10340780B2 (en) | 2015-03-19 | 2016-03-03 | Transverse flux machine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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