JP6589703B2 - Rotating electric machine - Google Patents

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Description

本発明は、回転電機に関する。   The present invention relates to a rotating electrical machine.

永久磁石の磁束を利用してトルクを出力する回転電機では、永久磁石による有効磁束量を可変することができる回転電機が知られている。例えば、特許文献1には、電機子巻線が巻かれた固定子と、該固定子と空隙を介して回転可能に設けられた回転子を有する回転電機において、固定子が回転軸方向に第1回転子と第2回転子とに二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された構造が記載されている。   As a rotating electrical machine that outputs torque using the magnetic flux of a permanent magnet, a rotating electrical machine that can vary the amount of effective magnetic flux generated by the permanent magnet is known. For example, Patent Document 1 discloses a rotating electric machine having a stator around which an armature winding is wound and a rotor that is rotatably provided through the stator and a gap. A structure is described in which field magnets having two different polarities are alternately arranged in the rotation direction, each being divided into a first rotor and a second rotor.

このような構造から、特許文献1に記載の回転電機は、トルクや回転数の変化に応じて第2回転子を動作させ、第1回転子の永久磁石の極性と第2回転子の永久磁石の極性との位置関係を可変することによって、永久磁石による有効磁束量を調整することができる。このとき、特許文献1に記載の回転電機は、第1回転子の永久磁石の極性と第2回転子の永久磁石の極性との位置関係を可変するにあたって、アクチュエータに入力された制御信号により第2回転子を所定状態に位置させるように制御している。   From such a structure, the rotating electrical machine described in Patent Document 1 operates the second rotor in accordance with changes in torque and rotational speed, and the polarity of the permanent magnet of the first rotor and the permanent magnet of the second rotor. By changing the positional relationship with the polarity, the effective magnetic flux amount by the permanent magnet can be adjusted. At this time, the rotating electrical machine described in Patent Document 1 changes the positional relationship between the polarity of the permanent magnet of the first rotor and the polarity of the permanent magnet of the second rotor according to the control signal input to the actuator. Control is performed so that the two rotors are positioned in a predetermined state.

特開2010−246196号公報JP 2010-246196 A

しかしながら、特許文献1に記載の回転電機は、上述したように、第2回転子を所定状態に位置させるため、アクチュエータや該アクチュエータを制御するための制御装置が必要である。また、第1回転子と第2回転子とが所定の位置関係となるように第2回転子を機械的に移動させていることから精密な制御が必要である。このため、低コストな構成で永久磁石の磁束を可変させることができない。   However, the rotating electrical machine described in Patent Document 1 requires an actuator and a control device for controlling the actuator in order to position the second rotor in a predetermined state as described above. Further, since the second rotor is mechanically moved so that the first rotor and the second rotor have a predetermined positional relationship, precise control is required. For this reason, the magnetic flux of the permanent magnet cannot be varied with a low-cost configuration.

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、低コストな構成で永久磁石の磁束を可変させることができる回転電機を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a rotating electrical machine that can vary the magnetic flux of a permanent magnet with a low-cost configuration.

本発明は、上記目的を達成するため、電機子コイルを有するステータと、永久磁石を有するロータと、を備えた回転電機であって、前記ステータは、前記電機子コイルが集中巻された複数のステータティースを有し、前記ロータは、前記永久磁石が内包された複数のロータティースと、前記永久磁石よりも前記ステータ側で前記ロータティースに巻かれた誘導コイルと、を有し、周方向に隣り合う前記ロータティースの間には、磁路部材が空隙を介して配置されており、前記磁路部材には、前記誘導コイルで発生した誘導電流に基づいて、周方向に隣り合う前記永久磁石間で短絡する磁束の磁束量を調整可能な可変界磁コイルが設けられていることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the present invention provides a rotating electrical machine including a stator having an armature coil and a rotor having a permanent magnet, wherein the stator includes a plurality of concentrated windings of the armature coil. The rotor has a stator tooth, and the rotor includes a plurality of rotor teeth in which the permanent magnet is included, and an induction coil wound around the rotor tooth on the stator side with respect to the permanent magnet. A magnetic path member is disposed between the adjacent rotor teeth via a gap, and the permanent magnets adjacent in the circumferential direction are arranged on the magnetic path member based on an induced current generated in the induction coil. A variable field coil capable of adjusting the amount of magnetic flux that is short-circuited between them is provided.

本発明によれば、低コストな構成で永久磁石の磁束を可変させることができる回転電機を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the rotary electric machine which can vary the magnetic flux of a permanent magnet with a low-cost structure can be provided.

図1は、本発明の一実施の形態に係る回転電機の一部断面斜視図である。FIG. 1 is a partial cross-sectional perspective view of a rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の一実施の形態に係る回転電機を回転軸に直交する平面で切断した断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the rotating electrical machine according to one embodiment of the present invention cut along a plane orthogonal to the rotation axis. 図3は、本発明の一実施の形態に係る回転電機において発生する第2次空間高調波の磁束の分布とその磁束ベクトルを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a magnetic flux distribution of second-order spatial harmonics generated in the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention and its magnetic flux vector. 図4は、本発明の一実施の形態に係る回転電機における誘導コイル及び可変界磁コイルとダイオードとの結線を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing the connection of the induction coil, variable field coil, and diode in the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention. 図5は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータが低回転しているときの磁束の経路を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing a path of magnetic flux when the rotor of the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention is rotating at a low speed. 図6は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータが低回転しているときの磁束量を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the amount of magnetic flux when the rotor of the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention is rotating at a low speed. 図7は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータが高回転しているときの磁束の経路を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing a path of magnetic flux when the rotor of the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention is rotating at a high speed. 図8は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータが高回転しているときの磁束量を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the amount of magnetic flux when the rotor of the rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention is rotating at a high speed.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図1から図8は本発明の一実施の形態に係る回転電機を説明する図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 to 8 are diagrams illustrating a rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention.

図1及び図2に示すように、回転電機1は、通電により磁束を発生させるW相、V相、U相の三相の電機子コイル11を有するステータ10と、ステータ10で発生した磁束の通過により回転するロータ20と、磁路部材30と、を備えている。図2においては、電機子コイル11の図示を省略している。   As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the rotating electrical machine 1 includes a stator 10 having a three-phase armature coil 11 of W phase, V phase, and U phase that generates magnetic flux when energized, and magnetic flux generated in the stator 10. A rotor 20 that rotates by passage and a magnetic path member 30 are provided. In FIG. 2, the armature coil 11 is not shown.

(ステータ)
ステータ10は、図示しないモータケースに固定されている。ステータ10は、高透磁率の磁性材料からなる環状のステータコア12を備えている。ステータコア12には、径方向の内方側に突出したステータティース13が周方向に沿って複数形成されている。
(Stator)
The stator 10 is fixed to a motor case (not shown). The stator 10 includes an annular stator core 12 made of a magnetic material having a high magnetic permeability. A plurality of stator teeth 13 protruding inward in the radial direction are formed on the stator core 12 along the circumferential direction.

周方向に隣り合うステータティース13の間には、溝状の空間であるスロット14が形成されている。径方向とは、ロータ20の回転軸が延伸する方向と直交する方向を示す。径方向の内方側とは、径方向においてロータ20の回転軸に近い側を示す。径方向の外方側とは、径方向においてロータ20の回転軸から遠い側を示す。周方向とは、ロータ20の回転軸を中心とする円周方向を示す。なお、径方向は、回転軸を中心として放射方向に示される。   Slots 14 that are groove-like spaces are formed between stator teeth 13 that are adjacent in the circumferential direction. A radial direction shows the direction orthogonal to the direction where the rotating shaft of the rotor 20 extends | stretches. The radially inward side indicates a side close to the rotation axis of the rotor 20 in the radial direction. The outer side in the radial direction indicates a side far from the rotation axis of the rotor 20 in the radial direction. The circumferential direction indicates a circumferential direction around the rotation axis of the rotor 20. The radial direction is shown in the radial direction around the rotation axis.

ステータコア12の各スロット14には、ステータコア12の周方向に沿ってW相、V相、U相の三相の電機子コイル11がそれぞれ配置されている。W相、V相、U相の各電機子コイル11は、集中巻によりステータティース13に巻き回されている。   In each slot 14 of the stator core 12, a three-phase armature coil 11 of W phase, V phase, and U phase is arranged along the circumferential direction of the stator core 12. Each of the W-phase, V-phase, and U-phase armature coils 11 is wound around the stator teeth 13 by concentrated winding.

このように、ステータ10は、電機子コイル11が集中巻された複数のステータティース13を有している。ステータ10は、電機子コイル11に三相交流が供給されることで、周方向に回転する回転磁界を発生させる。ステータ10で発生した磁束(以下、この磁束を「主磁束」という)は、ロータ20に鎖交するようになっている。これにより、ステータ10は、ロータ20を回転させることができる。   Thus, the stator 10 has a plurality of stator teeth 13 around which the armature coils 11 are concentratedly wound. The stator 10 generates a rotating magnetic field that rotates in the circumferential direction when a three-phase alternating current is supplied to the armature coil 11. Magnetic flux generated in the stator 10 (hereinafter, this magnetic flux is referred to as “main magnetic flux”) is linked to the rotor 20. Thereby, the stator 10 can rotate the rotor 20.

ステータ10は、上述の通り、電機子コイル11がステータティース13に集中巻されている。このため、電機子コイル11に三相交流を供給した場合、ステータ10には、ロータ20の回転と同期して回転する回転磁界の他に、ロータ20の回転と非同期の高調波回転磁界が発生する。この高調波回転磁界には、静止座標系における第2次空間高調波(同期回転座標系における第3次時間高調波)が含まれる。したがって、ステータ10で発生する磁束には、高調波成分が重畳されていることとなる。   As described above, the stator 10 has the armature coil 11 concentratedly wound around the stator teeth 13. For this reason, when three-phase alternating current is supplied to the armature coil 11, the stator 10 generates a harmonic rotating magnetic field that is asynchronous with the rotation of the rotor 20 in addition to the rotating magnetic field that rotates in synchronization with the rotation of the rotor 20. To do. This harmonic rotating magnetic field includes second-order spatial harmonics in the stationary coordinate system (third-order time harmonics in the synchronous rotating coordinate system). Therefore, the harmonic component is superimposed on the magnetic flux generated in the stator 10.

(ロータ)
ロータ20は、外周面がステータコア12の内周面と対向するように、ステータコア12の径方向の内方側に配置されている。ロータ20は、環状のロータコア21と、誘導コイル22とを含んで構成されている。
(Rotor)
The rotor 20 is disposed on the radially inner side of the stator core 12 so that the outer peripheral surface faces the inner peripheral surface of the stator core 12. The rotor 20 includes an annular rotor core 21 and an induction coil 22.

ロータコア21は、高透磁率の磁性材料からなり、ロータ20の回転軸に対して一体回転可能に固定されている。ロータコア21には、ロータコア21から径方向の外方に向けて突出したロータティース23がロータコア21の周方向に沿って所定の間隔をおいて複数形成されている。ロータ20の回転軸は、ロータコア21の内周面に固定され、ロータコア21の径方向と直交する方向に延伸している。以下においては、ロータ20の回転軸が延伸する方向を軸方向という。   The rotor core 21 is made of a magnetic material having a high magnetic permeability, and is fixed so as to be integrally rotatable with respect to the rotating shaft of the rotor 20. In the rotor core 21, a plurality of rotor teeth 23 protruding from the rotor core 21 outward in the radial direction are formed at predetermined intervals along the circumferential direction of the rotor core 21. The rotation axis of the rotor 20 is fixed to the inner peripheral surface of the rotor core 21 and extends in a direction orthogonal to the radial direction of the rotor core 21. Hereinafter, the direction in which the rotation axis of the rotor 20 extends is referred to as the axial direction.

ロータティース23は、永久磁石24を備えている。永久磁石24は、例えばネオジウム磁石(Nd−Fe−B磁石)で構成されており、ロータティース23に内包されている。永久磁石24は、磁束の向きが径方向になるようにロータティース23に配置されている。永久磁石24は、周方向に隣り合うロータティース23同士で極性が逆となるように配置されている。永久磁石24としては、一対の永久磁石を1組としてこれを各ロータティース23内にV字状に配置したものを用いてもよい。   The rotor teeth 23 are provided with permanent magnets 24. The permanent magnet 24 is composed of, for example, a neodymium magnet (Nd—Fe—B magnet), and is included in the rotor teeth 23. The permanent magnet 24 is disposed on the rotor teeth 23 so that the direction of the magnetic flux is the radial direction. The permanent magnets 24 are arranged so that the polarities of the rotor teeth 23 adjacent in the circumferential direction are reversed. As the permanent magnet 24, a pair of permanent magnets that are arranged in a V shape in each rotor tooth 23 may be used.

誘導コイル22は、永久磁石24よりもステータ10側で各ロータティース23に巻かれている。誘導コイル22は、ロータティース23の先端部23aの側面を囲むように巻かれている。   The induction coil 22 is wound around each rotor tooth 23 on the stator 10 side with respect to the permanent magnet 24. The induction coil 22 is wound so as to surround the side surface of the distal end portion 23 a of the rotor tooth 23.

誘導コイル22は、ステータ10側で発生した磁束に重畳された高調波成分に基づいて誘導電流を発生するようになっている。具体的には、三相交流が電機子コイル11に供給されてステータ10に回転磁界が発生すると、ステータ10側で発生した高調波成分の磁束が誘導コイル22に鎖交する。これにより、誘導コイル22は、誘導電流を誘起させる。   The induction coil 22 generates an induction current based on a harmonic component superimposed on the magnetic flux generated on the stator 10 side. Specifically, when a three-phase alternating current is supplied to the armature coil 11 and a rotating magnetic field is generated in the stator 10, the harmonic component magnetic flux generated on the stator 10 side is linked to the induction coil 22. Thereby, the induction coil 22 induces an induced current.

図3は、ステータ10側で発生した第2次空間高調波の磁束の分布とその磁束ベクトルを示したものである。図3に示すように、ステータ10側で発生した第2次空間高調波の磁束の多くは、ロータティース23の先端部23aに鎖交している。したがって、本実施の形態では、誘導コイル22がロータティース23の先端部23aの側面を囲むように巻かれているので、より多くの第2次空間高調波の磁束を誘導コイル22に鎖交させることができる。   FIG. 3 shows the distribution of magnetic flux of the second-order spatial harmonics generated on the stator 10 side and its magnetic flux vector. As shown in FIG. 3, most of the magnetic flux of the second spatial harmonic generated on the stator 10 side is linked to the tip 23 a of the rotor teeth 23. Therefore, in the present embodiment, the induction coil 22 is wound so as to surround the side surface of the distal end portion 23 a of the rotor tooth 23, so that more second-order spatial harmonic magnetic flux is linked to the induction coil 22. be able to.

(磁路部材)
磁路部材30は、永久磁石24の磁束の一部を、周方向に隣り合うロータティース23の間で短絡させるよう導くものである。具体的には、磁路部材30は、N極に磁化された永久磁石24で発生した磁束の一部を短絡磁束として、S極に磁化された永久磁石24に導くものである。
(Magnetic path member)
The magnetic path member 30 guides a part of the magnetic flux of the permanent magnet 24 so as to short-circuit between the rotor teeth 23 adjacent in the circumferential direction. Specifically, the magnetic path member 30 leads a part of the magnetic flux generated by the permanent magnet 24 magnetized to the N pole to the permanent magnet 24 magnetized to the S pole as a short-circuit magnetic flux.

磁路部材30は、周方向に隣り合うロータティース23の間の各q軸(図4参照)上にそれぞれ配置されている。磁路部材30は、周方向に対向するロータティース23との間に空隙Gを介して配置されている。   The magnetic path members 30 are respectively disposed on the q axes (see FIG. 4) between the rotor teeth 23 adjacent in the circumferential direction. The magnetic path member 30 is disposed between the rotor teeth 23 facing in the circumferential direction via a gap G.

磁路部材30は、例えば樹脂等の非磁性体からなる図示しないブラケットや連結部材等を介してロータ20の回転軸又はロータコア21に保持されている。したがって、磁路部材30は、ロータ20の回転と一体回転するようになっている。   The magnetic path member 30 is held on the rotating shaft of the rotor 20 or the rotor core 21 via a bracket or a connecting member (not shown) made of a nonmagnetic material such as resin. Therefore, the magnetic path member 30 rotates integrally with the rotation of the rotor 20.

非磁性体を用いずに磁路部材30をロータ20の回転軸又はロータコア21に保持させる場合には、磁路部材30とロータ20の回転軸又はロータコア21との磁気的な結合を極力小さくした状態で互いに連結するのが好ましい。   When the magnetic path member 30 is held on the rotating shaft or rotor core 21 of the rotor 20 without using a non-magnetic material, the magnetic coupling between the magnetic path member 30 and the rotating shaft or rotor core 21 of the rotor 20 is minimized. It is preferable to connect with each other in a state.

このように、磁路部材30は、ロータコア21のロータティース23と磁気的に遮蔽された状態でq軸上に配置される。これにより、突極比の低下が防止され、リラクタンストルクの低下が防止される。   As described above, the magnetic path member 30 is disposed on the q axis in a state of being magnetically shielded from the rotor teeth 23 of the rotor core 21. Thereby, the fall of salient pole ratio is prevented and the fall of reluctance torque is prevented.

磁路部材30は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層したものからなる。磁路部材30は、強磁性体の微細な粉末が圧縮して固められた圧粉磁心によって形成されたものであってもよい。   The magnetic path member 30 is formed by laminating a plurality of electromagnetic steel plates in the axial direction. The magnetic path member 30 may be formed of a dust core obtained by compressing and hardening a fine ferromagnetic powder.

磁路部材30は、周方向に延在するコア部31と、コア部31の周方向における両端から径方向の外方に向かって突出した一対の対向部32とを有している。コア部31と一対の対向部32とは一体形成されている。   The magnetic path member 30 includes a core portion 31 extending in the circumferential direction, and a pair of opposed portions 32 protruding outward in the radial direction from both ends of the core portion 31 in the circumferential direction. The core portion 31 and the pair of opposed portions 32 are integrally formed.

コア部31には、可変界磁コイル35が軸方向にトロイダル状に集中巻されている。可変界磁コイル35は、誘導コイル22で発生した誘導電流の大きさに応じて、隣接する永久磁石24の間で短絡する短絡磁束の磁束量を調整可能なコイルである。なお、隣接する永久磁石24とは、周方向に隣り合うロータティース23のそれぞれに内包されている永久磁石24のことである。   A variable field coil 35 is concentratedly wound around the core portion 31 in a toroidal shape in the axial direction. The variable field coil 35 is a coil that can adjust the amount of short-circuit magnetic flux that is short-circuited between adjacent permanent magnets 24 according to the magnitude of the induced current generated in the induction coil 22. The adjacent permanent magnets 24 are the permanent magnets 24 included in each of the rotor teeth 23 adjacent in the circumferential direction.

可変界磁コイル35は、隣接する永久磁石24の間で磁束が短絡する向きの磁極を形成するよう、磁路部材30にトロイダル巻されている。これにより、可変界磁コイル35は、後述する整流回路40で整流された直流電流が供給されると、隣接する永久磁石24の間で磁束が短絡する向きに誘導磁束を発生させ、磁路部材30に磁極を形成させるようになっている。すなわち、磁路部材30は、可変界磁コイル35で発生する誘導磁束の向きに応じて磁化されるようになっている。   The variable field coil 35 is toroidally wound around the magnetic path member 30 so as to form a magnetic pole in a direction in which the magnetic flux is short-circuited between the adjacent permanent magnets 24. Thereby, when the direct current rectified by the rectifier circuit 40 to be described later is supplied, the variable field coil 35 generates an induced magnetic flux in a direction in which the magnetic flux is short-circuited between the adjacent permanent magnets 24, and the magnetic path member A magnetic pole is formed on 30. That is, the magnetic path member 30 is magnetized according to the direction of the induced magnetic flux generated by the variable field coil 35.

具体的には、可変界磁コイル35に直流電流が供給されると、図7に示すように、磁路部材30は、S極の永久磁石24側がN極に磁化され、N極の永久磁石24側がS極に磁化されるようになっている。これにより、N極の永久磁石24の磁束の一部が磁路部材30を介してS極の永久磁石24に短絡する。   Specifically, when a direct current is supplied to the variable field coil 35, as shown in FIG. 7, the magnetic path member 30 is magnetized to the N pole on the S pole permanent magnet 24 side, and the N pole permanent magnet. The 24 side is magnetized to the south pole. As a result, a part of the magnetic flux of the N-pole permanent magnet 24 is short-circuited to the S-pole permanent magnet 24 via the magnetic path member 30.

可変界磁コイル35が発生させる誘導磁束の磁束量は、可変界磁コイル35に供給される直流電流の大きさに応じて調整される。この誘導磁束の磁束量が調整されることによって、隣接する永久磁石24の間における短絡磁束の磁束量が調整される。   The amount of induced magnetic flux generated by the variable field coil 35 is adjusted according to the magnitude of the direct current supplied to the variable field coil 35. By adjusting the amount of the induced magnetic flux, the amount of short-circuit magnetic flux between the adjacent permanent magnets 24 is adjusted.

誘導磁束の磁束量は、可変界磁コイル35に供給される直流電流が大きいほど、可変界磁コイル35の巻き数が多いほど大きくなる。可変界磁コイル35の巻き数は、予め実験的に求められた巻き数に設定される。   The amount of induced magnetic flux increases as the direct current supplied to the variable field coil 35 increases and the number of turns of the variable field coil 35 increases. The number of turns of the variable field coil 35 is set to the number of turns obtained experimentally in advance.

可変界磁コイル35に供給される直流電流は、誘導コイル22に発生する誘導電流の大きさに応じて調整される。このように、短絡磁束の磁束量は、誘導コイル22に発生する誘導電流の大きさに応じて調整されるようになっている。また、誘導コイル22に発生する誘導電流は、ロータ20の回転速度が上昇するにつれて大きくなる。したがって、短絡磁束の磁束量は、ロータ20の回転速度が上昇するにつれて大きくなる。   The direct current supplied to the variable field coil 35 is adjusted according to the magnitude of the induced current generated in the induction coil 22. Thus, the magnetic flux amount of the short-circuit magnetic flux is adjusted according to the magnitude of the induced current generated in the induction coil 22. Further, the induced current generated in the induction coil 22 increases as the rotational speed of the rotor 20 increases. Therefore, the magnetic flux amount of the short-circuit magnetic flux increases as the rotational speed of the rotor 20 increases.

一対の対向部32は、コア部31の周方向における両端から径方向の外方に向かって突出しており、この突出の端部が少なくとも永久磁石24よりも径方向の外方に位置するようになっている。これにより、ロータティース23と対向する磁路部材30の面積が、対向部32がない磁路部材の場合と比べて大きくなる。したがって、可変界磁コイル35に直流電流が供給された際には、永久磁石24から多くの磁束を磁路部材30に導くことができる。   The pair of opposed portions 32 protrudes radially outward from both ends in the circumferential direction of the core portion 31, and the protruding ends are positioned at least radially outward of the permanent magnet 24. It has become. Thereby, the area of the magnetic path member 30 facing the rotor teeth 23 is larger than that of the magnetic path member without the facing portion 32. Therefore, when a direct current is supplied to the variable field coil 35, a large amount of magnetic flux can be guided from the permanent magnet 24 to the magnetic path member 30.

対向部32とロータティース23との間には、高磁気抵抗の領域として所定の大きさの空隙Gが形成されている。空隙Gは、可変界磁コイル35に直流電流が供給されていないときには、永久磁石24の磁束がロータティース23と磁路部材30との間で流れることがない、又は流れても微量となるような大きさである。また、空隙Gは、可変界磁コイル35に直流電流が供給されているときには、永久磁石24の磁束がロータティース23と磁路部材30との間で流れるような大きさに設定されている。   A gap G having a predetermined size is formed as a high magnetic resistance region between the facing portion 32 and the rotor teeth 23. The gap G is such that when the direct current is not supplied to the variable field coil 35, the magnetic flux of the permanent magnet 24 does not flow between the rotor teeth 23 and the magnetic path member 30, or a minute amount even if it flows. It is a big size. The gap G is set to a size such that the magnetic flux of the permanent magnet 24 flows between the rotor tooth 23 and the magnetic path member 30 when a direct current is supplied to the variable field coil 35.

(整流回路)
回転電機1は、誘導コイル22によって誘起された交流の誘導電流を直流に整流して可変界磁コイル35に供給する整流回路40を備えている。
(Rectifier circuit)
The rotating electrical machine 1 includes a rectifier circuit 40 that rectifies an alternating induced current induced by the induction coil 22 into a direct current and supplies the rectified current to the variable field coil 35.

図4に示すように、整流回路40は、2つのダイオードD1,D2を整流素子として備え、これらダイオードD1,D2と2つの誘導コイル22、及び2つの可変界磁コイル35とを結線した閉回路として構成されている。   As shown in FIG. 4, the rectifier circuit 40 includes two diodes D1 and D2 as rectifier elements, and a closed circuit in which the diodes D1 and D2, the two induction coils 22, and the two variable field coils 35 are connected. It is configured as.

ダイオードD1,D2は、例えば図示しないダイオードケースに収納された状態でロータ20に設けられている。ダイオードD1,D2は、ロータ20の内部に実装するようにしてもよい。   The diodes D1 and D2 are provided on the rotor 20 in a state of being housed in a diode case (not shown), for example. The diodes D1 and D2 may be mounted inside the rotor 20.

整流回路40において、2つの誘導コイル22で発生した交流の誘導電流は、ダイオードD1,D2により整流され、整流後の直流電流は、直列接続されている2つの可変界磁コイル35に界磁電流として供給される。2つの可変界磁コイル35は、直流電流が供給されることにより誘導磁束を発生させる。   In the rectifier circuit 40, the AC induced current generated in the two induction coils 22 is rectified by the diodes D1 and D2, and the rectified DC current is supplied to the two variable field coils 35 connected in series. Supplied as The two variable field coils 35 generate an induced magnetic flux when supplied with a direct current.

(回転電機の作用)
次に、図5、図6、図7及び図8を参照して、本実施の形態に係る回転電機1の作用について説明する。
(Operation of rotating electrical machine)
Next, the operation of the rotating electrical machine 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5, 6, 7, and 8.

本実施の形態に係る回転電機1は、以上説明したように、ロータ20に永久磁石24を備え、その永久磁石24の磁束を利用してトルクを出力する永久磁石型同期モータである。   As described above, the rotating electrical machine 1 according to the present embodiment is a permanent magnet type synchronous motor that includes the permanent magnet 24 in the rotor 20 and outputs torque using the magnetic flux of the permanent magnet 24.

従来の永久磁石型同期モータでは、永久磁石の磁束が一定のため、ロータの回転速度が上昇するにつれて永久磁石の磁束によってステータの電機子コイルに生じる逆起電力が増加する。そして、ロータの回転速度がある回転速度に達すると、電機子コイルに生じた逆起電力が永久磁石型同期モータの電源電圧と等しくなる。これにより、永久磁石型同期モータにはそれ以上電流を流すことができなくなる。この結果、ロータの回転速度を上昇させることができなくなってしまう。   In the conventional permanent magnet type synchronous motor, since the magnetic flux of the permanent magnet is constant, the counter electromotive force generated in the armature coil of the stator is increased by the magnetic flux of the permanent magnet as the rotational speed of the rotor increases. When the rotational speed of the rotor reaches a certain rotational speed, the back electromotive force generated in the armature coil becomes equal to the power supply voltage of the permanent magnet type synchronous motor. As a result, no more current can flow through the permanent magnet type synchronous motor. As a result, the rotational speed of the rotor cannot be increased.

従来、こうした問題を解決するために、ステータの電機子コイルに永久磁石による磁束を打ち消す電流を流すことにより電機子コイルに生じる逆起電力を等価的に低減させる弱め界磁制御が行われていた。   Conventionally, in order to solve such problems, field weakening control has been performed in which a counter electromotive force generated in the armature coil is equivalently reduced by passing a current that cancels the magnetic flux generated by the permanent magnet through the armature coil of the stator.

しかしながら、この弱め界磁制御は、永久磁石の磁束を打ち消す方向の磁束を発生させるべく電流を流すことから、トルクに寄与しない磁束を発生させることになるため、出力に対して無駄なエネルギを消費しており、効率の低下を招いていた。   However, this field weakening control generates a magnetic flux that does not contribute to torque because a current is supplied to generate a magnetic flux in a direction that cancels the magnetic flux of the permanent magnet. This has led to a decrease in efficiency.

また、弱め界磁制御では、高調波磁束が生じるため、その高調波磁束に起因して永久磁石型同期モータの鉄損や電磁振動が増加するおそれがある。さらに、弱め界磁制御では、永久磁石の磁束に対して逆向きの磁束を発生させて永久磁石の磁束を抑え込むため、永久磁石の不可逆減磁が生じるおそれがある。このため、比較的保磁力の高い永久磁石を用いる必要があり、コストが増加してしまう。   Further, in the field weakening control, a harmonic magnetic flux is generated, and therefore the iron loss and electromagnetic vibration of the permanent magnet type synchronous motor may increase due to the harmonic magnetic flux. Further, in the field weakening control, since the magnetic flux in the direction opposite to the magnetic flux of the permanent magnet is generated to suppress the magnetic flux of the permanent magnet, irreversible demagnetization of the permanent magnet may occur. For this reason, it is necessary to use a permanent magnet having a relatively high coercive force, which increases costs.

永久磁石としてネオジウム磁石を用いた場合には、弱め界磁制御による外部磁場の変動により永久磁石に渦電流が生じ、永久磁石が発熱する。この発熱によって永久磁石の不可逆減磁が生じるおそれがある。したがって、耐熱性の高いレアアース等の材料を永久磁石に添加する必要がある。しかし、この場合には、添加されたレアアース等の材料が永久磁石にとって不純物となるため、永久磁石本来の性能を発揮させることができないおそれがある。   When a neodymium magnet is used as the permanent magnet, an eddy current is generated in the permanent magnet due to fluctuations in the external magnetic field by field weakening control, and the permanent magnet generates heat. This heat generation may cause irreversible demagnetization of the permanent magnet. Therefore, it is necessary to add a material such as a rare earth having high heat resistance to the permanent magnet. However, in this case, since the added material such as rare earth becomes an impurity for the permanent magnet, the original performance of the permanent magnet may not be exhibited.

そこで、本実施の形態に係る回転電機1では、弱め界磁制御を行わずに、上述した磁路部材30及び可変界磁コイル35の作用によって、永久磁石24からステータ10に鎖交する磁束量を調整可能な構成とした。これにより、本実施の形態に係る回転電機1は、上述したような弱め界磁制御による問題を解決することができる。   Therefore, in the rotating electrical machine 1 according to the present embodiment, the amount of magnetic flux linked from the permanent magnet 24 to the stator 10 is adjusted by the action of the magnetic path member 30 and the variable field coil 35 described above without performing field weakening control. Possible configuration. Thereby, the rotary electric machine 1 which concerns on this Embodiment can solve the problem by the field weakening control as mentioned above.

(ロータ低回転時)
本実施の形態に係る回転電機1においてロータ20の回転速度が低いときは、ステータ10に高調波成分の磁束が発生していないか、あるいは発生していても微量である。このため、可変界磁コイル35は、誘導磁束を発生してないか、あるいは発生していても微量である。
(When rotor is running at low speed)
In the rotating electrical machine 1 according to the present embodiment, when the rotational speed of the rotor 20 is low, the magnetic flux of the harmonic component is not generated in the stator 10 or is very small even if it is generated. For this reason, the variable field coil 35 does not generate an induced magnetic flux, or even if it generates a very small amount.

したがって、空隙Gにおいては磁気抵抗が高い状態であり、かつ磁路部材30にN極及びS極の磁極が形成されていない。このため、N極の永久磁石24の磁束が磁路部材30を介してS極の永久磁石24に短絡することがないか、あるいは僅かに短絡するだけである。この結果、ロータ20の回転速度が低いときは、図5及び図6に示すように、永久磁石24の磁束の全て又は大部分がステータ10に鎖交する。   Therefore, in the gap G, the magnetic resistance is high, and the magnetic pole member 30 is not formed with the N pole and the S pole. For this reason, the magnetic flux of the N-pole permanent magnet 24 is not short-circuited to the S-pole permanent magnet 24 via the magnetic path member 30 or is only slightly short-circuited. As a result, when the rotational speed of the rotor 20 is low, all or most of the magnetic flux of the permanent magnet 24 is linked to the stator 10 as shown in FIGS.

このように、ロータ20の回転速度が低いときは、後述するロータ20の回転速度が高いときと比べて永久磁石24からステータ10に鎖交する磁束の磁束量を増加させることができる。   Thus, when the rotational speed of the rotor 20 is low, the amount of magnetic flux interlinked from the permanent magnet 24 to the stator 10 can be increased compared to when the rotational speed of the rotor 20 described later is high.

(ロータ高回転時)
本実施の形態に係る回転電機1においてロータ20の回転速度が高いときは、ステータ10に高調波成分の磁束が発生する。その高調波成分の磁束の磁束量は、ロータ20の回転速度が上昇するにつれて増加する。
(At high rotor speed)
In the rotating electrical machine 1 according to the present embodiment, when the rotational speed of the rotor 20 is high, a harmonic component magnetic flux is generated in the stator 10. The amount of the harmonic component magnetic flux increases as the rotational speed of the rotor 20 increases.

この高調波成分の磁束が誘導コイル22に鎖交することにより、ロータ20の誘導コイル22(図2参照)に誘導電流が誘起され、誘起された誘導電流が整流回路40(図4参照)によって整流されて直流電流として可変界磁コイル35(図2参照)に供給される。   This harmonic component magnetic flux interlinks with the induction coil 22 to induce an induced current in the induction coil 22 (see FIG. 2) of the rotor 20, and the induced current is induced by the rectifier circuit 40 (see FIG. 4). Rectified and supplied as a direct current to the variable field coil 35 (see FIG. 2).

直流電流が供給された可変界磁コイル35は、隣接する永久磁石24の間で磁束が短絡するように誘導磁束を発生させる。すなわち、磁路部材30において、隣接する永久磁石24の間で磁束が短絡する位置関係となるように、N極及びS極の磁極が形成される。   The variable field coil 35 supplied with the direct current generates an induced magnetic flux so that the magnetic flux is short-circuited between the adjacent permanent magnets 24. That is, in the magnetic path member 30, the magnetic poles of the N pole and the S pole are formed so that the magnetic flux is short-circuited between the adjacent permanent magnets 24.

この結果、磁路部材30と永久磁石24との間で互いの磁化方向が90°異なるハルバッハ配列が形成される。これに伴い、空隙Gにおける磁気抵抗が低下する。ハルバッハ配列とは、隣り合う磁石間で磁化方向を90°異ならせるように磁石が配置された配列のことをいう。   As a result, a Halbach array in which the magnetization directions of the magnetic path member 30 and the permanent magnet 24 are different by 90 ° is formed. Along with this, the magnetic resistance in the gap G decreases. The Halbach array refers to an array in which magnets are arranged so that the magnetization directions differ by 90 ° between adjacent magnets.

上述したように空隙Gにおける磁気抵抗が低下すると、図7及び図8に示すように、N極の永久磁石24の磁束の一部が短絡磁束として磁路部材30を介してS極の永久磁石24に短絡する。これにより、永久磁石24の磁束の全磁束量のうち短絡磁束の磁束量を除いた磁束量の磁束がステータ10に鎖交する。すなわち、ロータ20の回転速度が高いときは、ロータ20の回転速度が低いときと比べて、永久磁石24からステータ10に鎖交する磁束の磁束量が抑えられる。   As described above, when the magnetic resistance in the gap G decreases, as shown in FIGS. 7 and 8, a part of the magnetic flux of the N-pole permanent magnet 24 becomes a short-circuit magnetic flux through the magnetic path member 30 and the S-pole permanent magnet. 24 is short-circuited. Thereby, the magnetic flux of the magnetic flux amount excluding the magnetic flux amount of the short-circuit magnetic flux among the total magnetic flux amount of the permanent magnet 24 is linked to the stator 10. That is, when the rotational speed of the rotor 20 is high, the amount of magnetic flux interlinked from the permanent magnet 24 to the stator 10 is suppressed compared to when the rotational speed of the rotor 20 is low.

したがって、ロータ20の回転速度が高い場合であっても弱め界磁制御を不要とすることができる。このため、弱め界磁制御により生ずる高調波磁束に起因した鉄損や電磁振動を防止することができる。   Therefore, even if the rotational speed of the rotor 20 is high, field-weakening control can be made unnecessary. For this reason, the iron loss and electromagnetic vibration resulting from the harmonic magnetic flux produced by field weakening control can be prevented.

また、弱め界磁制御を不要としたので、保磁力の高い永久磁石を用いる必要がなく、耐熱性の高いレアアース等の材料を永久磁石に添加する必要もない。これにより、回転電機1のコストを低減させることができる。   Further, since field weakening control is not required, it is not necessary to use a permanent magnet having a high coercive force, and it is not necessary to add a material such as a rare earth having a high heat resistance to the permanent magnet. Thereby, the cost of the rotary electric machine 1 can be reduced.

このように、本実施の形態に係る回転電機1では、弱め界磁制御を行わずに永久磁石24からステータ10に鎖交する磁束量を調整可能とした。具体的には、ロータ20の回転速度が高いときには効率の低下を防止することができる。また、ロータ20の回転速度が低いときには出力の向上を図ることができる。   Thus, in the rotating electrical machine 1 according to the present embodiment, the amount of magnetic flux interlinking from the permanent magnet 24 to the stator 10 can be adjusted without performing field-weakening control. Specifically, when the rotational speed of the rotor 20 is high, a decrease in efficiency can be prevented. Further, the output can be improved when the rotational speed of the rotor 20 is low.

以上のように、本実施の形態の回転電機1によれば、ステータ10側で発生した磁束に重畳された高調波成分を誘導コイル22に鎖交させることにより誘導電流を発生させ、その誘導電流を整流回路40で整流して可変界磁コイル35に供給する。これにより、周方向に隣り合う永久磁石24の間で短絡する短絡磁束の磁束量を調整することができる。   As described above, according to the rotating electrical machine 1 of the present embodiment, an induced current is generated by interlinking the harmonic component superimposed on the magnetic flux generated on the stator 10 side with the induction coil 22, and the induced current Is rectified by the rectifier circuit 40 and supplied to the variable field coil 35. Thereby, the magnetic flux amount of the short circuit magnetic flux which short-circuits between the permanent magnets 24 adjacent to the circumferential direction can be adjusted.

また、ステータ10側で発生した磁束に重畳される高調波成分は、ステータ10に集中巻された電機子コイル11に三相交流を供給することによって得られる。このため、可変界磁コイル35に供給される直流電流を発生させるために、例えばDC/DCコンバータ等の特別な装置を必要としない。   The harmonic component superimposed on the magnetic flux generated on the stator 10 side is obtained by supplying a three-phase alternating current to the armature coil 11 concentratedly wound on the stator 10. For this reason, in order to generate the direct current supplied to the variable field coil 35, a special device such as a DC / DC converter is not required.

これによって、本実施の形態の回転電機1は、例えばDC/DCコンバータ等の特別な装置を利用することなく簡易な構成で、永久磁石24からステータ10に鎖交する磁束の磁束量を調整することができる。この結果、本実施の形態の回転電機1は、低コストな構成で永久磁石24の磁束を可変させることができる。   Thus, the rotating electrical machine 1 of the present embodiment adjusts the amount of magnetic flux interlinked from the permanent magnet 24 to the stator 10 with a simple configuration without using a special device such as a DC / DC converter. be able to. As a result, the rotating electrical machine 1 of the present embodiment can vary the magnetic flux of the permanent magnet 24 with a low-cost configuration.

回転電機1は、例えば車載用の電動機、風力発電用の発電機や工作機械用の電動機として好適に採用することができる。   The rotating electrical machine 1 can be suitably employed as, for example, a vehicle-mounted motor, a wind power generator, or a machine tool motor.

本実施の形態では、回転電機1をラジアルギャップ型の回転電機に適用したが、アキシャルギャップ型の回転電機に適用してもよい。   In the present embodiment, the rotary electric machine 1 is applied to a radial gap type rotary electric machine, but may be applied to an axial gap type rotary electric machine.

本実施の形態の回転電機1は、ステータ10のスロット14の数とロータ20のロータティース23の数との比、すなわちステータ10とロータ20のスロットコンビネーションが「3:2」であれば、スロット14の数とロータティース23の数の組合せがどのような組合せであってもよい。   When the ratio of the number of slots 14 of the stator 10 to the number of rotor teeth 23 of the rotor 20, that is, the slot combination of the stator 10 and the rotor 20 is “3: 2”, the rotating electrical machine 1 of the present embodiment The combination of the number of 14 and the number of rotor teeth 23 may be any combination.

例えば、図1及び図2に示す例では、スロット14の数が「12」でロータティース23の数が「8」の組合せであり、図3、図6及び図8に示す例では、スロット14の数が「18」でロータティース23の数が「12」の組合せであるが、いずれの組合せもスロットコンビネーションは「3:2」である。   For example, in the example shown in FIGS. 1 and 2, the number of slots 14 is “12” and the number of rotor teeth 23 is “8”. In the examples shown in FIGS. Is a combination of “18” and the number of rotor teeth 23 is “12”, but the slot combination is “3: 2” in any combination.

本発明の実施の形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。   While embodiments of the invention have been disclosed, it will be apparent to those skilled in the art that changes may be made without departing from the scope of the invention. All such modifications and equivalents are intended to be included in the following claims.

1 回転電機
10 ステータ
11 電機子コイル
13 ステータティース
20 ロータ
22 誘導コイル
23 ロータティース
24 永久磁石
30 磁路部材
35 可変界磁コイル
40 整流回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Rotating electrical machine 10 Stator 11 Armature coil 13 Stator teeth 20 Rotor 22 Inductive coil 23 Rotor teeth 24 Permanent magnet 30 Magnetic path member 35 Variable field coil 40 Rectifier circuit

Claims (3)

電機子コイルを有するステータと、永久磁石を有するロータと、を備えた回転電機であって、
前記ステータは、
前記電機子コイルが集中巻された複数のステータティースを有し、
前記ロータは、
前記永久磁石が内包された複数のロータティースと、
前記永久磁石よりも前記ステータ側で前記ロータティースに巻かれた誘導コイルと、を有し、
周方向に隣り合う前記ロータティースの間には、磁路部材が空隙を介して配置されており、
前記磁路部材には、前記誘導コイルで発生した誘導電流に基づいて、周方向に隣り合う前記永久磁石間で短絡する磁束の磁束量を調整可能な可変界磁コイルが設けられていることを特徴とする回転電機。
A rotating electric machine comprising a stator having an armature coil and a rotor having a permanent magnet,
The stator is
The armature coil has a plurality of stator teeth wound in a concentrated manner,
The rotor is
A plurality of rotor teeth containing the permanent magnets;
An induction coil wound around the rotor teeth on the stator side of the permanent magnet,
Between the rotor teeth adjacent in the circumferential direction, a magnetic path member is disposed through a gap,
The magnetic path member is provided with a variable field coil capable of adjusting a magnetic flux amount of a magnetic flux that is short-circuited between the permanent magnets adjacent in the circumferential direction based on an induced current generated in the induction coil. A rotating electric machine that is characterized.
前記誘導コイルによって誘起された交流の誘導電流を直流に整流して前記可変界磁コイルに供給する整流回路を有する請求項1に記載の回転電機。   2. The rotating electrical machine according to claim 1, further comprising a rectifier circuit that rectifies an alternating induced current induced by the induction coil into a direct current and supplies the rectified current to the variable field coil. 前記可変界磁コイルは、前記磁路部材にトロイダル巻されており、周方向に隣り合う前記永久磁石間で磁束が短絡する向きの磁極が形成されるよう設けられている、請求項1または請求項2に記載の回転電機。
The variable field coil is toroidally wound around the magnetic path member, and is provided so as to form a magnetic pole in a direction in which a magnetic flux is short-circuited between the permanent magnets adjacent in the circumferential direction. Item 3. The rotating electrical machine according to Item 2.
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