JP6558157B2 - 回転電機 - Google Patents
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Description
ステータは、周方向に延在するヨークと、当該ヨークの内周側端部から回転軸方向に延在し、周方向に間隔を有して配置される複数のティースとを有する。複数のティースには、それぞれ励磁巻線が巻き回される。ティースに励磁巻線を巻く方法としては、分布巻き、波巻き、集中巻き、およびセグメントコイルを用いる方法がある。
また、ロータは、周方向に間隔を有して配置される複数の突極を有し、当該複数の突極の先端面がステータのティースの先端面と間隔を有して相互に対向する位置になるように、回転軸に取り付けられる。
尚、このようなスイッチドリラクタンスモータと同様の構成を用いて、スイッチドリラクタンスジェネレータとすることもできる。
図2は、図1に示すスイッチドリラクタンスモータを、その回転軸を通るように切った場合の断面を示す図である。具体的に図2(a)は、図1に示すI−Iの部分で切った場合の断面を示す図(I−I断面図)であり、図2(b)は、図1に示すII−IIの部分で切った場合の断面を示す図(II−II断面図)であり、図1に示すIII−IIIの部分で切った場合の断面を示す図(III−III断面図)である。
図3は、図1に示すスイッチドリラクタンスモータから、ステータ200を取り除いた様子(スイッチドリラクタンスモータのロータ100および回転軸300の部分)を示す図である。図2および図3を参照しながら、ロータ100の構成の一例を説明する。
図2および図3に示すように、回転軸取付部材110は、内周部111と中間部112と外周部113とを有する。内周部111と中間部112と外周部113は、一体となっている。
磁性体板ブロック120a〜120lの大きさに合わせて方向性電磁鋼板を(同一の)矩形状に切り出す際に、方向性電磁鋼板における磁化容易軸が、当該矩形の特定の辺に平行な方向となるようにする。尚、方向性電磁鋼板を切り出す形状は、矩形状に限定されず、例えば、正方形であってもよい。
また、図1〜図3に示すように、本実施形態では、磁性体板ブロック120a〜120lに対しヨーク(バックヨーク)を設けない。したがって、磁性体板(方向性電磁鋼板)の使用量を低減でき、スイッチドリラクタンスモータ(ロータ100)の軽量化と慣性力の抑制とを実現することができる。
ステータ200は、鉄心(ステータコア)210u1〜210u12、210w1〜210w12、210v1〜210v12と、励磁巻線220u、220w、220vとを有する。ここで、u、v、wは、それぞれ、U相、V相、W相に対応することを示す。すなわち、励磁巻線220uには、励磁電流としてU相電流が流れ、励磁巻線220wには、励磁電流としてW相電流が流れ、励磁巻線220vには、励磁電流としてV相電流が流れる。
このように本実施形態では、スイッチドリラクタンスモータの相数(すなわち、スイッチドリラクタンスモータを駆動する交流電源の相数)が3相である場合を例に挙げて示すが、スイッチドリラクタンスモータの相数は複相であれば3相に限定されない。
鉄心210u1〜210u12は、それぞれ、同じ形状および大きさの複数の磁性体板を積層して固定することにより形成される。鉄心210v1〜210v12および鉄心210v1〜210v12も、それぞれ、同じ形状および大きさの複数の磁性体板を積層して固定することにより形成される。本実施形態では、鉄心210u1〜210u12、210w1〜210w12、210v1〜210v12を構成する磁性体板として無方向性電磁鋼板を用いる。鉄心210u1〜210u12、210w1〜210w12、210v1〜210v12の面の形状および大きさに合うように、複数の無方向性電磁鋼板をそれぞれ同じ形状および大きさで切り出す。そして、切り出した複数の無方向性電磁鋼板を、積層し、固定する。このとき、磁性体板ブロック120a〜120lを形成する場合と同様に、複数の無方向性電磁鋼板を相互に電気的に絶縁された状態で積層して固定してもよい。
鉄心210w1〜210w12、210v1〜210v12、210u1〜210u12の第1の部分は、鉄心210w1〜210w12、210v1〜210v12、210u1〜210u12の前記第1の磁極面から、当該鉄心210w1〜210w12、210v1〜210v12、210u1〜210u12に対して設けられる励磁巻線220w、220v、220uの回転軸300に平行な方向の端部のうち上側の端部の上方を経由して、当該励磁巻線220w、220v、220uの外周側の端部よりも外側まで延設される部分である。
尚、磁性体板ブロック120a〜120lおよび鉄心210u1〜210u12、210w1〜210w12、210v1〜210v12に用いる電磁鋼板として、熱処理が施された電磁鋼板を用いるのが好ましい。電磁鋼板における歪みを除去することができるからである。
図1および図2に示すように、励磁巻線220w、220v、220uは、リング形状に巻き回された絶縁被覆付きの導体線(例えば銅線)により構成される。このようなリング形状の励磁巻線220w、220v、220uは、回転軸300と略同軸となるように、配置される。図1および図2に示す例では、上から順に(Z軸の正の方向から負の方向に向けて順に)、W相の励磁電流が流れる励磁巻線220w、V相の励磁電流が流れる励磁巻線220v、U相の励磁電流が流れる励磁巻線220uが略等間隔(等間隔である場合も含む)で配置される。
同様に、励磁巻線220v、220uの間には、鉄心210v1〜210v12、210u1〜210u12が配置されるが、前述したように、鉄心210v1〜210v12、210u1〜210u12は他の部材と接触しない。したがって、励磁巻線220v、220uと、鉄心210v1〜210v12、210u1〜210u12とを(電気的に)絶縁された状態にすることができる。
鉄心210v1〜210v12、210u1〜210u12についても、鉄心210w1〜210w12と同様にして、ロータ100の外周側から、所定の位置に配置され、固定される。
まず、W相の励磁巻線220w1〜220w12に励磁電流を流す。
その後、周方向において磁性体板ブロック120a〜120lと鉄心210v1〜210v12とが重なるタイミングで、励磁電流の供給先をV相の励磁巻線220v1〜220v12からU相の励磁巻線220u1〜220u12に切り替える。
以降、以上の処理を繰り返す。
図1の紙面に向かって時計回りにロータ100が回転している際に、周方向において磁性体板ブロック120a〜120lと鉄心210v1〜210v12とが重なる少し前のタイミングで、V相の励磁巻線220v1〜220v12への励磁電流の供給を継続したまま、U相の励磁巻線220u1〜220u12への励磁電流の供給を開始する。
その後、周方向において磁性体板ブロック120a〜120lと鉄心210v1〜210v12とが重なったタイミングまたはそのタイミングよりも少し後のタイミングで、V相の励磁巻線220v1〜220v12への励磁電流の供給を停止させる。
その後、周方向において磁性体板ブロック120a〜120lと鉄心210u1〜210u12とが重なったタイミングまたはそのタイミングよりも少し後のタイミングで、U相の励磁巻線220u1〜220u12への励磁電流の供給を停止させる。
以降、以上の処理を繰り返す。
方向性電磁鋼板は無方向性電磁鋼板に比べ、低磁場での透磁率が1桁大きいため、矩形波の磁束でモータを駆動するのに適する。また、方向性電磁鋼板は無方向性電磁鋼板に比べ、飽和磁束密度が高い。正弦波および矩形波の波形の基本波成分の違いを考慮すると、ロータ100の磁性体板ブロック120a〜120lに方向性電磁鋼板を用いれば、無方向性電磁鋼板を用いた場合に比べ、スイッチドリラクタンスモータのトルクを大きくすることができる。
ただし、必ずしもこのようにする必要はなく、鉄心210u1〜210u12、210w1〜210w12、210v1〜210v12に励磁される磁束の波形は、例えば正弦波であってもよい。
<変形例1>
本実施形態では、回転電機が、スイッチドリラクタンスモータである場合を例に挙げて説明したが、図1〜図3に示した構成の回転電機を発電機として動作させることにより、スイッチドリラクタンスジェネレータとすることができる。
本実施形態では、磁性体板ブロック120a〜120lを構成する磁性体板として、方向性電磁鋼板を用いた場合を例に挙げて説明した。しかしながら、磁性体板ブロック120a〜120lを構成する磁性体板は、方向性電磁鋼板に限定されない。例えば、磁性体板ブロック120a〜120lを構成する磁性体板を、方向性電磁鋼板以外の軟質磁性体板(例えば無方向性電磁鋼板)としてもよい。
本実施形態では、周方向において相互に間隔を有して隣接する2つの磁性体板ブロックの間の領域の全てを埋めるように磁性体板ブロック間補強部材130a〜130lを配置する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、磁性体板ブロック120a〜120lが周方向の応力を受けて変形および移動が生じない、または、当該変形および移動が実用上問題のない範囲であるようにしていれば、周方向において相互に間隔を有して隣接する2つの磁性体板ブロックの間の領域の一部または全部を空隙にしてもよい。周方向において相互に間隔を有して隣接する2つの磁性体板ブロックの間の領域の全部を空隙にする場合には、当該領域には何も設けないことになり、磁性体板ブロック間補強部材130a〜130lは不要になる。
本実施形態では、鉄心210u1〜210u12、210w1〜210w12、210v1〜210v12を構成する磁性体板として、無方向性電磁鋼板を用いた場合を例に挙げて説明した。しかしながら、鉄心210u1〜210u12、210w1〜210w12、210v1〜210v12を構成する磁性体板は、無方向性電磁鋼板に限定されない。例えば、鉄心210u1〜210u12、210w1〜210w12、210v1〜210v12を構成する磁性体板を、無方向性電磁鋼板以外の軟質磁性体板(例えば方向性電磁鋼板)としてもよい。また、鉄心210u1〜210u12、210w1〜210w12、210v1〜210v12の面の形状に合わせて加工した同形状の軟質磁性体板(例えば無方向性電磁鋼板)を周方向に相互に電気的に絶縁された状態で積層して固定してもよい。
本実施形態では、ステータ200の複数の鉄心210u1〜210u12、210w1〜210w12、210v1〜210v12を、周方向の全体に亘って略等間隔で配置する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、ステータ200の複数の鉄心を、周方向の一部にのみに配置してもよい。このようにすれば、スイッチドリラクタンスモータを配置した際に、ステータ200と他の構造部材とが干渉(接触)する場合であっても、当該干渉する領域に鉄心を配置しないようにすることで、ステータと他の構造部材とが干渉することを回避することができる。
本実施形態では、鉄心210u1〜210u12、210w1〜210w12、210v1〜210v12を、電磁鋼板を積層させることにより構成する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、必ずしもこのようにする必要はない。巻鉄心を図1および図2に示す形状にカットすることにより、鉄心210u1〜210u12、210w1〜210w12、210v1〜210v12を構成してもよい。巻鉄心は1枚の電磁鋼板から製造されるものである。したがって、巻鉄心を用いた場合には、1枚の電磁鋼板を用いて、電磁鋼板が複数段に積層される構成になる。磁性体板ブロック120a〜120lについても、巻鉄心を用いて構成してもよい。
本実施形態では、鉄心210u1〜210u12、210w1〜210w12、210v1〜210v12の磁路に垂直な断面が、場所に依らず同じ大きさの矩形状である場合を例に挙げて説明した。しかしながら、必ずしもこのようにする必要はなく、鉄心210u1〜210u12、210w1〜210w12、210v1〜210v12の磁路に垂直な断面の形状および大きさの少なくとも何れか一方が、場所によって異なるようにしてもよい。また、鉄心210u1〜210u12、210w1〜210w12、210v1〜210v12の磁路に垂直な断面は、矩形状に限定されず、例えば、正方形または台形であってもよい。
また、鉄心の前記第1の部分、前記第2の部分、および前記第3の部分は、前述した形状であれば、必ずしも図1および図2に示す形状に限定されない。例えば、前記第3の部分(の全体)を、ロータ100が配置されていない側(外周側)に湾曲または屈曲させてもよい。
また、本実施形態では、上から順に(Z軸の正の方向から負の方向に向けて順に)、W相の励磁巻線220w、V相の励磁巻線220v、U相の励磁巻線220uを配置する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、これらを配置する順序は、このような順序に限定されない。
Claims (7)
- スイッチドリラクタンスモータまたはスイッチドリラクタンスジェネレータである回転電機であって、
ロータと、
ステータと、を有し、
前記ロータは、前記回転電機の周方向において間隔を有して配置された複数の磁性体板ブロックであって、それぞれが、前記周方向において複数段に積層された磁性体板を有する複数の磁性体板ブロックを有し、
前記ステータは、前記回転電機の周方向において間隔を有し、且つ、相互に連結されない状態で配置された複数の鉄心であって、それぞれが、前記周方向において複数段に積層された磁性体板を有する複数の鉄心と、
前記ロータの回転軸と略同軸に配置されるリング形状の励磁巻線と、を有し、
前記複数の鉄心のそれぞれは、第1の磁極面および第2の磁極面を有し、
前記ロータの回転に伴って、前記第1の磁極面、前記第2の磁極面は、それぞれ、前記磁性体板ブロックの第1の面、第2の面と、前記ロータの回転軸に平行な方向において間隔を有して対向し、
前記磁性体板ブロックの前記第1の面および前記第2の面は、前記磁性体板ブロックの面のうち、前記ロータの回転軸に平行な方向において相互に対向する面であり、
前記複数の鉄心は、前記第1の磁極面と前記第2の磁極面とを繋ぐ領域として、前記励磁巻線の端部であって、前記ロータの回転軸に平行な方向における端部および外周側の端部と間隔を有して対向する領域を含み、
前記複数の鉄心の全ての前記周方向における位置がずれていることを特徴とする回転電機。 - 前記第1の磁極面および前記第2の磁極面が平行であることを特徴とする請求項1に記載の回転電機。
- 前記ロータの回転に伴って、前記第1の磁極面の中心、前記第2の磁極面の中心は、それぞれ、前記磁性体板ブロックの前記第1の面の前記回転電機の径方向における中心、前記第2の面の前記回転電機の径方向における中心と、前記ロータの回転軸に平行な方向において間隔を有して相互に対向することを特徴とする請求項1または2に記載の回転電機。
- 前記磁性体板ブロックを構成する前記磁性体板は、方向性電磁鋼板であり、
前記方向性電磁鋼板における磁化容易軸の方向は、前記回転軸に平行な方向であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の回転電機。 - 前記複数の鉄心と、前記複数の磁性体板ブロックは、それぞれ、前記周方向において略等間隔で配置され、
前記複数の鉄心の前記周方向における間隔は、前記複数の磁性体板ブロックの前記周方向における間隔の、前記回転電機の相数分の1であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の回転電機。 - 前記第1の磁極面および前記第1の面の間隔と、前記第2の磁極面および前記第2の面の間隔とが同じであることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の回転電機。
- n相交流電源(nは2以上の整数)の各相のそれぞれに対し、前記複数の鉄心および前記励磁巻線が設けられ、
前記各相の前記励磁巻線は、前記ロータの回転軸に平行な方向において間隔を有して配置され、
前記複数の鉄心は、前記第1の磁極面と前記第2の磁極面とを繋ぐ領域として、当該複数の鉄心と同じ相の前記励磁巻線の端部であって、前記ロータの回転軸に平行な方向における端部および外周側の端部と間隔を有して対向する領域を含むことを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の回転電機。
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