JP6789451B1 - Hybrid field double gap synchronous machine and drive system - Google Patents
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Abstract
ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機(1)は、第1の固定子(10)と、第2の固定子(20)と、回転子(30)とを備える。回転子(30)は、第1の固定子(10)と第2の固定子(20)との間にギャップを介して配置され、回転軸(40)を中心に回転する。第1の固定子(10)は、複数の永久磁石(12)と、第1の界磁巻線(13)と、複数の極ティース(11a)とを備える。第2の固定子(20)は、複数の電磁石(24)と、第2の界磁巻線(23)とを備える。第1の界磁巻線(13)は、複数の永久磁石(12)および複数の極ティース(11a)と回転軸(40)との間に配置される。第2の界磁巻線(23)は、複数の電磁石(24)と回転軸(40)との間に配置される。第1の界磁巻線(13)および第2の界磁巻線(23)の各々への通電および複数の永久磁石(12)によって複数の極ティース(11a)に複数の界磁極が形成される。The hybrid field type double gap synchronous machine (1) includes a first stator (10), a second stator (20), and a rotor (30). The rotor (30) is arranged between the first stator (10) and the second stator (20) with a gap, and rotates about the rotation axis (40). The first stator (10) includes a plurality of permanent magnets (12), a first field winding (13), and a plurality of polar teeth (11a). The second stator (20) includes a plurality of electromagnets (24) and a second field winding (23). The first field winding (13) is arranged between the plurality of permanent magnets (12) and the plurality of polar teeth (11a) and the axis of rotation (40). The second field winding (23) is arranged between the plurality of electromagnets (24) and the rotating shaft (40). A plurality of field magnetic poles are formed in the plurality of polar teeth (11a) by energizing each of the first field winding (13) and the second field winding (23) and the plurality of permanent magnets (12). To.
Description
本開示は、第1の固定子と第2の固定子との間に回転子が設けられるハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機および駆動システムに関する。 The present disclosure relates to a hybrid field double gap synchronous machine and a drive system in which a rotor is provided between a first stator and a second stator.
従来、駆動用モータとして永久磁石式回転電機が広く用いられている。EV(Electric Vehicle)などに用いられる駆動用モータは、広範囲の運転領域が要求されており、低速域では高トルクを出力するために磁石の界磁を強め、高速域では電圧飽和を緩和させるために磁石の界磁を弱めることが求められる。 Conventionally, a permanent magnet type rotary electric machine has been widely used as a drive motor. Drive motors used in EVs (Electric Vehicles) are required to have a wide operating range. In the low speed range, the magnet field is strengthened to output high torque, and in the high speed range, voltage saturation is relaxed. It is required to weaken the field of the magnet.
そこで、磁石と界磁巻線とを組み合わせ、動作点に応じて界磁量を調整することで、広範囲の運転領域を実現することができる可変界磁モータに関する技術が開発されている。かかる可変界磁モータとして、特許文献1には、界磁巻線および永久磁石を有する第1の固定子と、複数の電磁石を有する第2の固定子との間に回転子が設けられるハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機が知られている。 Therefore, a technique has been developed for a variable field motor capable of realizing a wide operating range by combining a magnet and a field winding and adjusting the field amount according to an operating point. As such a variable field motor, Patent Document 1 describes a hybrid field in which a rotor is provided between a first stator having a field winding and a permanent magnet and a second stator having a plurality of electromagnets. A magnetic double gap synchronizer is known.
しかしながら、上記特許文献1に記載の技術では、第1の固定子において、1つの環状の界磁巻線の内周側および外周側の各々に界磁極が配置される。したがって、界磁巻線に供給される界磁電流による磁束の経路は、界磁巻線の外周側に配置される界磁極、回転子の鉄片、第2の固定子、回転子の鉄片、および界磁巻線の内周側に配置される界磁極を順に通る経路になるため、回転子の鉄心の面積に対して回転子の鉄心を磁束が通過する面積が小さい。そのため、界磁巻線によって発生する界磁磁束が低く、動作点に応じた界磁量の調整幅が小さいといった課題がある。 However, in the technique described in Patent Document 1, in the first stator, field magnetic poles are arranged on the inner peripheral side and the outer peripheral side of one annular field winding. Therefore, the path of the magnetic flux due to the field current supplied to the field winding is the field pole, the iron piece of the rotor, the second stator, the iron piece of the rotor, and the iron piece of the rotor arranged on the outer peripheral side of the field winding. Since the path passes through the field magnetic poles arranged on the inner peripheral side of the field winding in order, the area where the magnetic flux passes through the iron core of the rotor is smaller than the area of the iron core of the rotor. Therefore, there is a problem that the field magnetic flux generated by the field winding is low and the adjustment range of the field amount according to the operating point is small.
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、界磁量の調整幅を大きくすることができるハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機を得ることを目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a hybrid field type double gap synchronous machine capable of increasing the adjustment range of the field amount.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機は、第1の固定子と、第2の固定子と、回転子と、を備える。第2の固定子は、第1の固定子と対向する。回転子は、第1の固定子と第2の固定子との間にギャップを介して配置され、回転軸を中心に回転する。第1の固定子は、複数の永久磁石と、第1の界磁巻線と、複数の極ティースと、を備える。第1の界磁巻線は、環状に形成される。複数の極ティースは、回転軸の周方向に並ぶ。第2の固定子は、複数の電磁石と、第2の界磁巻線と、を備える。複数の電磁石は、ティースとティースに装着される電機子巻線とを各々含み、回転軸の周方向に並ぶ。第2の界磁巻線は、環状に形成される。第1の界磁巻線は、複数の永久磁石および複数の極ティースと回転軸との間に回転軸と垂直な同一平面上に配置される。第2の界磁巻線は、複数の電磁石と回転軸との間に回転軸と垂直な同一平面上に配置される。第1の界磁巻線および第2の界磁巻線への通電および複数の永久磁石によって複数の極ティースに複数の界磁極が形成される。複数の界磁極の各々は、複数の永久磁石のうちの1つの永久磁石または複数の極ティースのうちの1つの極ティースのみによって形成され、1つの永久磁石と1つの極ティースとが周方向に交互に間隔を空けて配置されて複数の界磁極が形成されている。複数の永久磁石は互いの極性が同一である。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the hybrid field type double gap synchronous machine according to the present disclosure includes a first stator, a second stator, and a rotor. The second stator faces the first stator. The rotor is arranged between the first stator and the second stator through a gap and rotates about a rotation axis. The first stator comprises a plurality of permanent magnets, a first field winding, and a plurality of polar teeth. The first field winding is formed in an annular shape. The plurality of polar teeth are arranged in the circumferential direction of the rotation axis. The second stator comprises a plurality of electromagnets and a second field winding. The plurality of electromagnets include a tooth and an armature winding mounted on the tooth, and are arranged in the circumferential direction of the rotation axis. The second field winding is formed in an annular shape. The first field winding is arranged between the plurality of permanent magnets and the plurality of pole teeth and the rotation axis on the same plane perpendicular to the rotation axis. The second field winding is arranged between the plurality of electromagnets and the rotating shaft on the same plane perpendicular to the rotating shaft. A plurality of field magnetic poles are formed in a plurality of pole teeth by energizing the first field winding and the second field winding and a plurality of permanent magnets. Each of the field poles is formed by only one permanent magnet of the plurality of permanent magnets or one pole tooth of the plurality of pole teeth, and one permanent magnet and one pole tooth are arranged in the circumferential direction. A plurality of field magnetic poles are formed by alternately arranging them at intervals. A plurality of permanent magnets have the same polarity with each other.
本開示に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機は、界磁量の調整幅を大きくすることができる、という効果を奏する。 The hybrid field type double gap synchronous machine according to the present disclosure has an effect that the adjustment range of the field amount can be increased.
以下に、実施の形態に係るハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機および駆動システムを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本開示が限定されるものではない。 Hereinafter, the hybrid field type double gap synchronous machine and the drive system according to the embodiment will be described in detail with reference to the drawings. The present disclosure is not limited by this embodiment.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1にかかるハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機の一例を示す斜視図である。図2は、実施の形態1にかかるハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機の分解斜視図である。Embodiment 1.
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a hybrid field type double gap synchronous machine according to the first embodiment. FIG. 2 is an exploded perspective view of the hybrid field type double gap synchronous machine according to the first embodiment.
図1および図2に示すように、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1は、第1の固定子10と、第2の固定子20と、回転子30と、回転軸40とを備える。第1の固定子10と第2の固定子20は、回転軸40の延在方向において、互いに対向する。以下、回転軸40の延在方向を回転軸方向と記載する場合がある。
As shown in FIGS. 1 and 2, the hybrid field type double gap synchronous machine 1 includes a
回転子30は、回転軸方向において第1の固定子10と第2の固定子20との中間位置に配置される。回転子30は、回転軸40に固定され、回転軸40を中心に回転する。回転子30は、不図示のハウジングに回転可能に支持される。第1の固定子10と回転子30との間にはギャップが設けられ、回転子30と第2の固定子20との間にもギャップが設けられる。このように、回転子30は回転軸方向において第1の固定子10および第2の固定子20の各々とギャップを介して対向する。
The
第1の固定子10、第2の固定子20、および回転子30の各々は、円筒状に形成される。第1の固定子10および第2の固定子20の各々は、2つの軸受50のうち対応する軸受50を介して回転軸40に取り付けられる。なお、図2において、第1の固定子10と回転軸40との間に設けられる軸受50は見えない位置にある。
Each of the
図3は、実施の形態1にかかる第1の固定子の構成の一例を示す斜視図である。図3に示すように、第1の固定子10は、第1の固定子コア11と、複数の永久磁石12と、第1の界磁巻線13とを備える。
FIG. 3 is a perspective view showing an example of the configuration of the first stator according to the first embodiment. As shown in FIG. 3, the
第1の固定子コア11は、複数の電磁鋼板が積層されて構成される。第1の固定子コア11を構成する複数の電磁鋼板は、例えば、回転軸方向の磁束を妨げにくくなるように回転軸40の周方向に積層される。なお、第1の固定子コア11は、回転軸方向に積層された複数の電磁鋼板で構成されてもよい。なお、回転軸40の周方向は、回転子30の回転方向であり、以下、単に周方向と記載する場合がある。
The
第1の固定子コア11は、周方向に間隔を空けて配置される複数の極ティース11aと、複数の極ティース11aを連結するコアバック部11bとを備える。複数の極ティース11aは、周方向に並べて配置される。各極ティース11aは、回転軸方向に向けて突出する形状を有しており、径方向には分割されていない。また、複数の極ティース11aは、各々個別の部品であってもよく、また、一塊のコアを加工した一体部品であってもよい。
The
各極ティース11aは、回転軸方向から見て内周側の領域よりも外周側の領域における周方向の長さが長い。換言すれば、各極ティース11aは、回転軸方向から見て回転軸40から遠くなるほど周方向の長さが長くなる形状を有する。
Each
第1の固定子コア11のコアバック部11bは、軟磁性材料で形成されることで、回転軸方向に対して垂直な面に沿った方向に磁束の移動が可能になる。第1の固定子コア11の材料は、アモルフォスなどの等方性の磁性材料とすることも可能である。第1の固定子コア11に等方性の磁性材料を使用することで、第1の固定子コア11における鉄損を低減することができる。
The core back
周方向に並ぶ複数の極ティース11aのうち周方向に1つ置きの極ティース11aに永久磁石12が配置される。すなわち、第1の固定子コア11では、永久磁石12が配置される極ティース11aと永久磁石12が配置されない極ティース11aとが周方向に交互に配置される。複数の永久磁石12の磁極は、すべて同じ極性であり、図3に示す例では、すべてN極である。永久磁石12が各々配置されない複数の極ティース11aには、第1の界磁巻線13および後述する第2の界磁巻線23の各々への通電と複数の永久磁石12とによって極性がS極である界磁極が形成される。なお、永久磁石12がS極である場合、永久磁石12が各々配置されない複数の極ティース11aには、第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23の各々への通電と複数の永久磁石12とによって極性がN極である界磁極が形成される。
各永久磁石12は、ネオジム磁石といった焼結磁石またはフェライト磁石である。また、永久磁石12が配置された極ティース11aの回転軸方向における高さは、永久磁石12が配置されない極ティース11aの回転軸方向における高さよりも、永久磁石12の回転軸方向における高さの分だけ低いことが望ましい。すなわち、永久磁石12と極ティース11aとの組み合わせの回転軸方向における高さが、永久磁石12が配置されていない極ティース11aの回転軸方向における高さとが同一になることが望ましい。これにより、第1の固定子10に形成される界磁極と回転子30との間のギャップの距離を均一にすることができる。また、永久磁石12の磁束が極ティース11aに鎖交することにより極ティース11aに疑似的な極が形成される。
Each
回転軸方向で互いに対向する極ティース11aと永久磁石12とによって界磁極形成部14が構成される。すなわち、永久磁石12が配置される極ティース11aと永久磁石12とによって界磁極形成部14が構成される。界磁極形成部14は、極ティース11aの磁極と永久磁石12の磁極とによって界磁極を形成する。このように、界磁極形成部14では、極ティース11aと永久磁石12とが共通の界磁極を形成する。
The field
また、第1の界磁巻線13は、円環状に形成されており、回転軸方向において、複数の永久磁石12および複数の極ティース11aの各々よりも回転軸40に近い位置に配置される。より具体的には、第1の界磁巻線13は、複数の永久磁石12および複数の極ティース11aと回転軸40との間に配置される。これにより、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1において、限定された体積を有効に利用することができる。また、第1の界磁巻線13は、円環状に形成されるため製造が容易である。
Further, the first field winding 13 is formed in an annular shape, and is arranged at a position closer to the
また、第1の界磁巻線13は、極ティース11aおよび永久磁石12が径方向に分割することなく配置される。そのため、例えば、第1の固定子10は、径方向に分割された極ティース間に界磁巻線が配置される場合に比べて、回転子30との間のギャップ面に対して極ティース11aおよび永久磁石12の面積を大きくとることができる。
Further, in the first field winding 13, the
図4は、図3に示す第1の固定子に軸受を介して回転軸を接続した状態を示す斜視図である。図4に示すように、第1の固定子10は、軸受50を介して回転軸40に接続される。回転軸40には軸力が加わるため、回転軸40は、例えば、鉄などの軟磁性材料によって構成される。また、回転軸40には、永久磁石12による磁束に加え、第1の界磁巻線13による磁束および後述する第2の界磁巻線23の磁束が回転軸方向に通過するため、磁気飽和の発生しないように十分な径を有する。
FIG. 4 is a perspective view showing a state in which a rotating shaft is connected to the first stator shown in FIG. 3 via a bearing. As shown in FIG. 4, the
次に、第2の固定子20について説明する。図5は、実施の形態1にかかる第2の固定子の構成の一例を示す斜視図である。図5に示すように、第2の固定子20は、第2の固定子コア21と、複数の電機子巻線22と、第2の界磁巻線23とを備える。
Next, the
第2の固定子コア21は、周方向に分割された複数のティース21aと、複数のティース21aを連結するヨーク部21bとを備える。複数のティース21aのうち対応するティース21aと複数の電機子巻線22のうち対応する電機子巻線22とで各々電磁石24が形成される。
The
複数のティース21aを構成する複数の電磁鋼板は、周方向に積層される。また、ヨーク部21bは、回転軸方向に積層される。なお、図1および図5に示す例では、複数のティース21aおよびヨーク部21bは互いに別体で形成されるが、複数のティース21aおよびヨーク部21bは、圧粉鉄心などを利用することによって、一体部品として形成されてもよい。
The plurality of electromagnetic steel plates constituting the plurality of
複数の電機子巻線22の各々は、複数のティース21aのうち対応するティース21aに巻線の軸方向を回転軸方向と一致させた状態で装着される。複数の電機子巻線22は、3相電機子巻線であり、U相の電機子巻線22、V相の電機子巻線22、およびW相の電機子巻線22の各々を複数含む。複数のティース21aには、周方向にU相の電機子巻線22、V相の電機子巻線22、およびW相の電機子巻線22の順に繰り返し装着される。複数の電機子巻線22は各々別体であるため、巻線治具などにより形成された空芯の複数の電機子巻線22の各々を複数のティース21aのうち対応するティース21aに装着した後に、複数の電機子巻線22を結線することもできる。
Each of the plurality of
第2の界磁巻線23は、複数の電磁石24よりも回転軸40に近い位置に配置される。より具体的には、第2の界磁巻線23は、複数の電磁石24と回転軸40との間に配置される。これにより、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1において、限定された体積を有効に利用することができる。また、第2の界磁巻線23は、電機子巻線22と同様に、巻線治具などにより空芯巻線として形成され、第2の固定子20に装着される構成であってもよい。
The second field winding 23 is arranged at a position closer to the
次に、回転子の構成について説明する。図2に示すように、回転子30は、周方向に並び且つ複数の突極のうち対応する突極を各々形成する複数の鉄片31と、複数の鉄片31を保持する非磁性体の保持ディスク32とを備える。
Next, the configuration of the rotor will be described. As shown in FIG. 2, the
鉄片31は、磁性材料によって形成されており、例えば、複数の電磁鋼板で構成される。これら複数の電磁鋼板は、例えば、周方向に積層される。また、鉄片31は、鉄片31に発生する鉄損を低減することを目的として、圧粉鉄心によって構成されてもよい。なお、鉄片31の数は、突極の数と同じであるが、図2に示す例に限定されない。
The
保持ディスク32は、非磁性材料で形成されており、例えば、高強度の樹脂などで形成される。保持ディスク32に剛性が要求される場合などにおいて、保持ディスク32は、ステンレス材などの非磁性の金属などで形成されてもよい。図2に示す例では、回転軸方向における保持ディスク32の厚みは、回転軸方向における複数の鉄片31の厚みと同じである。
The holding
また、保持ディスク32には、複数のスリット33が形成される。複数のスリット33の各々は、保持ディスク32の外周縁から複数の鉄片31のうち対応する鉄片31にかけて形成される。複数のスリット33によって、保持ディスク32における渦電流の発生を抑制することができる。
Further, a plurality of
回転子30の構成は、図2に示す例に限定されない。図6は、図2に示す回転子とは異なる構成の回転子の一例を示す斜視図である。図7は、図2に示す回転子とは異なる構成の回転子の他の例を示す斜視図である。図8は、図2に示す回転子とは異なる構成の回転子のさらに他の例を示す斜視図である。
The configuration of the
図6に示す回転子30では、回転軸方向における保持ディスク32の厚みは、回転軸方向における複数の鉄片31の厚みより薄い。これにより、保持ディスク32を金属で構成しても渦電流の発生を抑制することができる。なお、図6に示す回転子30の保持ディスク32には図2に示す複数のスリット33が設けられていない。
In the
また、図7に示す回転子30では、複数の鉄片31の各々は、保持ディスク32から突出する部分の各辺が面取りされる。これにより、鉄片31の角部にて発生する鉄損の発生を抑制することができる。なお、図6に示す回転子30の保持ディスク32には図2に示す複数のスリット33が設けられていない。また、図7に示す回転子30では、回転軸方向における保持ディスク32の厚みは、回転軸方向における複数の鉄片31の厚みより薄い。
Further, in the
また、図8に示す回転子30では、保持ディスク32は、非磁性の金属によって形成され、図8に示すように、保持ディスク32の外周縁から複数の鉄片31のうち対応する鉄片31にかけて各々形成された複数のスリット33を備える。これにより、保持ディスク32において渦電流の発生を抑制することができる。なお、図8に示す回転子30では、回転軸方向における保持ディスク32の厚みは、回転軸方向における複数の鉄片31の厚みより薄く、複数の鉄片31の各々は、保持ディスク32から突出する部分の各辺が面取りされる。
Further, in the
次に、実施の形態1にかかるハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機に電力を供給する駆動回路を含めた駆動システムについて説明する。図9は、実施の形態1にかかるハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機を含む駆動システムの一例を示す図である。 Next, a drive system including a drive circuit for supplying electric power to the hybrid field type double gap synchronous machine according to the first embodiment will be described. FIG. 9 is a diagram showing an example of a drive system including the hybrid field type double gap synchronous machine according to the first embodiment.
図9に示すように、実施の形態1にかかる駆動システム100は、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1と、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1を駆動する駆動回路110とを備える。駆動回路110は、直流電源111と、インバータ回路112と、3相交流電源113とを備える。ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1の第1の界磁巻線13と第2の界磁巻線23とは直列に結線されており、直流電源111から界磁電流Ifが供給される。第1の界磁巻線13と第2の界磁巻線23とは回転軸方向から見て互いに同じ方向に巻かれている。
As shown in FIG. 9, the
第2の固定子20において、U相の電機子巻線22、V相の電機子巻線22、およびW相の電機子巻線22がY結線で接続される。電機子巻線22には、インバータ回路112から電機子電流が供給される。インバータ回路112は、3相交流電源113に接続され、3相交流電源113から供給される電力に基づいて、電機子電流を複数の電機子巻線22へ供給する。なお、インバータ回路112への電力は、直流電源であるバッテリから供給されてもよい。
In the
次に、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1の動作について説明する。ここでは、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1が電動機として動作する場合のハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1の動作を説明する。 Next, the operation of the hybrid field type double gap synchronous machine 1 will be described. Here, the operation of the hybrid field type double gap synchronous machine 1 when the hybrid field type double gap synchronous machine 1 operates as an electric motor will be described.
まず、永久磁石12の界磁磁束について説明する。第1の固定子10は第1の界磁巻線13を有し第2の固定子20は第2の界磁巻線23を有するが、第1の固定子10は界磁源である永久磁石12を含む。そのため、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1において、第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23への通電の有無に関係なく、永久磁石12によって界磁磁束が生じる。
First, the field magnetic flux of the
永久磁石12による界磁磁束は、第1の固定子10と回転子30との間のギャップを介して、回転子30の鉄片31を通過する。一方、第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23による界磁磁束は、各永久磁石12の位置を避けた磁路を通る。そのため、第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23による起磁力および永久磁石12の起磁力は磁気回路において並列となる。
The field magnetic flux generated by the
第1の固定子10には、永久磁石12が配置される極ティース11aと永久磁石12が配置されない極ティース11aとが周方向に交互に配置されており、永久磁石12の数は、図2〜図4に示す例では、6個である。永久磁石12の界磁磁束は、永久磁石12が配置されていない極ティース11aを介して永久磁石12に戻る経路を通るため、第1の固定子10では、永久磁石12の界磁磁束によって12極の界磁極が形成される。
In the
ここで、第1の固定子10の極ティース11aと第2の固定子20のティース21aとの相対角αについて説明する。図10は、実施の形態1にかかる第1の固定子の極ティースと第2の固定子のティースとの相対角を説明するための図である。
Here, the relative angle α between the
図10において、仮想線L1は、回転軸40の回転中心と極ティース11aの周方向における中心とを結ぶ線を含む直線であり、第1の固定子10の径方向に極ティース11aが延在する方向を示す。仮想線L2は、回転軸40の回転中心とティース21aの周方向における中心とを結ぶ線を含む直線であり、第2の固定子20の径方向にティース21aが延在する方向を示す。第1の固定子10の極ティース11aと第2の固定子20のティース21aとの相対角αは、回転軸方向から見た場合に仮想線L1と仮想線L2とが為す角を示す。
In FIG. 10, the virtual line L1 is a straight line including a line connecting the rotation center of the
図10に示す例では相対角αが0[deg]である。相対角αが0[deg]である場合、第1の固定子10の極ティース11aと第2の固定子20のティース21aとが回転軸方向において互いに対向する位置にある。
In the example shown in FIG. 10, the relative angle α is 0 [deg]. When the relative angle α is 0 [deg], the
相対角αは0[deg]に限定されない。すなわち、第1の固定子10の極ティース11aと第2の固定子20のティース21aとが回転軸方向から見た場合に互いにずれた位置にあってもよい。相対角αを変えることによってギャップパーミアンスが変化するため、相対角αを調整することによって、逆起電圧の歪みの改善またはコギングトルクを低減させることができ、平均トルクを向上させることができる。
The relative angle α is not limited to 0 [deg]. That is, the
次に、第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23へ通電された場合についてのハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1の動作について説明する。図11は、実施の形態1にかかる第1の界磁巻線および第2の界磁巻線へ通電された場合についてのハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機の磁路を説明するための図である。 Next, the operation of the hybrid field type double gap synchronous machine 1 when the first field winding 13 and the second field winding 23 are energized will be described. FIG. 11 is a diagram for explaining the magnetic path of the hybrid field type double gap synchronous machine in the case where the first field winding and the second field winding according to the first embodiment are energized. is there.
上述したように第1の界磁巻線13と第2の界磁巻線23とは回転軸方向から見て互いに同じ方向に巻かれている。そのため、第1の界磁巻線13と第2の界磁巻線23とに直流電流である界磁電流Ifが供給された場合、第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23によって回転軸方向の界磁磁束が発生する。
As described above, the first field winding 13 and the second field winding 23 are wound in the same direction as viewed from the rotation axis direction. Therefore, when the field current If, which is a direct current, is supplied to the first field winding 13 and the second field winding 23, the first field winding 13 and the second field winding 23 The
第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23によって発生した界磁磁束は、図11に示すように、回転軸40を通過し、第1の固定子10のコアバック部11bを介して極ティース11aに鎖交する。このように、第1の界磁巻線13の内周よりも回転軸40側の領域を磁路として有効に利用できるため、界磁磁束に対して磁路の面積を広くとることができ、磁気抵抗を減少させることができる。また、極ティース11aは、永久磁石12の界磁磁束の磁路も兼ねる。
As shown in FIG. 11, the field magnetic flux generated by the first field winding 13 and the second field winding 23 passes through the rotating
第1の固定子10と回転子30との間のギャップにおいて第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23によって発生した界磁磁束と永久磁石12によって発生した界磁磁束とが並列に鎖交することで、第1の固定子10に複数の界磁極が形成される。図1および図2に示す例では、第1の固定子10に12極の界磁極が形成される。
In the gap between the
第1の固定子10に形成される12極の界磁極は、図11に示すように、回転子30における10個の突極を形成する複数の鉄片31を通過した際に変調される。これにより、回転子30には、8極の磁極が形成される。また、第2の固定子20において各電機子巻線22への電流が供給されると、第2の固定子20と回転子30との間のギャップに回転磁界が生じる。かかる回転磁界が界磁極と同期することによって、回転子30にトルクが発生し、回転子30が回転する。
As shown in FIG. 11, the 12-pole field pole formed on the
ここで、第1の固定子10に形成される界磁極の極数は12である。したがって、界磁極の極対数Pfは6である。また、電機子巻線22によってギャップに発生する回転磁界の極対数Paは4である。また、回転子30の突極の数Prは10である。具体的には、回転子30の突極の極対数は10であり極数は20である。したがって、実施の形態1のハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1では、Pr=Pa+Pfの関係が満たされる。ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1は、Pr=Pa+Pfの関係を満たす場合、トルクを高めることができる。なお、界磁極の極対数Pf、回転磁界の極対数Pa、および回転子30の突極の数Prは、上述した例に限定されない。
Here, the number of poles of the field magnetic pole formed on the
次に、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1において、界磁電流Ifを変化させることによって電磁気性能に与える影響について説明する。ここで、各永久磁石12の極性をN極とする。また、界磁電流Ifが供給された第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23による界磁磁束によって界磁極形成部14の極ティース11aに形成される磁極の極性が界磁極形成部14の永久磁石12による磁極の極性と同じになる界磁電流Ifの方向をプラス方向とする。
Next, in the hybrid field type double gap synchronous machine 1, the influence on the electromagnetic performance by changing the field current If will be described. Here, the polarity of each
駆動回路110は、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1の回転速度が低速域で大トルクが必要な場合、第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23にプラス方向の界磁電流Ifを流す。これにより、N極である各永久磁石12が配置されたティース21aの周方向における両側のティース21aにS極が発生する向きに界磁磁束が発生する。これにより、N極の起磁力が増加するため、界磁磁束が増加し、結果としてトルクが増加する。
When the rotation speed of the hybrid field type double gap synchronous machine 1 is low and a large torque is required, the
回転子30が回転すると、電機子巻線22に永久磁石12の磁束による逆起電圧が生じる。電機子巻線22に発生する逆起電圧は、回転子30の回転速度が増加するほど上昇する。回転子30の回転速度が高速域となると、電機子巻線22の端子間電圧が逆起電圧によって増加する。そのため、電機子巻線22に電圧飽和が生じ、電機子巻線22にそれ以上の大きさの電機子電流を流すことが難しい。
When the
そのため、永久磁石12による磁束を弱める必要がある。一般的に、永久磁石12による界磁磁束を弱める方向に電機子巻線22に電流を流すことで逆起電圧を減少させることができる。しかし、永久磁石12による界磁磁束を弱める方向に電機子巻線22に流す電流は、銅損および電源容量などの制約などによってその電流量に制限がある。
Therefore, it is necessary to weaken the magnetic flux generated by the
そこで、駆動回路110は、回転子30の回転速度が高速域になった場合、第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23にマイナス方向の界磁電流Ifを流す。これにより、N極である各永久磁石12が設けられたティース21aの周方向における両側のティース21aにN極が発生する向きに界磁磁束が発生する。永久磁石12による界磁磁束は極ティース11aにS極を作っているため、各界磁極における起磁力は減少する。その結果、界磁磁束は減少して電圧飽和が解消され、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1において、高速域のトルクを発生させることができる。
Therefore, when the rotation speed of the
図12は、実施の形態1にかかる第2の固定子における電機子巻線に発生する逆起電圧の一例を示す図である。図12に示す例では、界磁電流Ifが2.51[A]、0[A]、および−2.51[A]の各々の場合において電機子巻線22に発生する逆起電圧がグラフで示される。図12において、縦軸は、電機子巻線22に発生する逆起電圧[V]を示し、横軸は、時間[ms]を示す。 FIG. 12 is a diagram showing an example of a counter electromotive voltage generated in the armature winding in the second stator according to the first embodiment. In the example shown in FIG. 12, the counter electromotive voltage generated in the armature winding 22 is graphed when the field current If is 2.51 [A], 0 [A], and −2.51 [A]. Indicated by. In FIG. 12, the vertical axis represents the counter electromotive voltage [V] generated in the armature winding 22, and the horizontal axis represents the time [ms].
図12に示すように、第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23にプラス方向の界磁電流Ifを流すことで、永久磁石12による界磁磁束と第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23による界磁磁束とが強め合い、逆起電圧が増加する。また、第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23にマイナス方向の界磁電流Ifを流すことで、永久磁石12による界磁磁束と第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23による界磁磁束とが弱め合い、逆起電圧が減少し、逆起電圧の変化幅は小さい。そのため、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1において、電圧飽和が解消され、高速域のトルクを発生させることができる。
As shown in FIG. 12, by passing a field current If in the positive direction through the first field winding 13 and the second field winding 23, the field magnetic flux due to the
このように、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1において、第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23に流す界磁電流Ifを調整することによって、界磁磁束を増減することができる。 In this way, in the hybrid field type double gap synchronous machine 1, the field magnetic flux is increased or decreased by adjusting the field current If flowing through the first field winding 13 and the second field winding 23. be able to.
以上のように、実施の形態1にかかるハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1は、第1の固定子10と、第1の固定子10と対向する第2の固定子20と、第1の固定子10と第2の固定子20との間にギャップを介して配置される回転子30とを備える。回転子30は、回転軸40を中心に回転する。第1の固定子10は、複数の永久磁石12と、環状に形成される第1の界磁巻線13と、回転軸40の周方向に並ぶ複数の極ティース11aとを備える。第2の固定子20は、ティース21aとティース21aに装着される電機子巻線22とを各々含み、回転軸40の周方向に並ぶ複数の電磁石24と、環状に形成される第2の界磁巻線23とを備える。そして、第1の界磁巻線13は、複数の永久磁石12および複数の極ティース11aと回転軸40との間に配置され、第2の界磁巻線23は、複数の電磁石24と回転軸40との間に配置される。第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23の各々への通電と複数の永久磁石12とによって複数の極ティース11aに複数の界磁極が形成される。これにより、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1は、第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23の内周よりも回転軸40側の領域を磁路として有効に利用できる。そのため、界磁磁束に対して磁路の面積を広くとることができ、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1の体積を有効に利用することができる。また、第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23の内周よりも回転軸40側の領域を磁路として有効に利用できるため、永久磁石12による界磁磁束と第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23による界磁磁束とが共に回転子30の各鉄片31に通過する面積が大きい。そのため、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1は、第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23によって発生する界磁磁束を大きくでき、動作点に応じた界磁量の調整幅を大きくすることができる。
As described above, in the hybrid field type double gap synchronous machine 1 according to the first embodiment, the
また、複数の永久磁石12および複数の極ティース11aは回転軸40の径方向に分割されていない。そして、回転軸40は、複数の永久磁石12、第1の界磁巻線13、および第2の界磁巻線23によって形成される界磁磁束の磁路の一部を構成する。このように、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1は、複数の永久磁石12および複数の極ティース11aは回転軸40の径方向に分割されていない。そのため、第1の固定子10は、径方向に分割された極ティース間に界磁巻線が配置される場合に比べて、回転子30との間のギャップ面に対して複数の永久磁石12および複数の極ティース11aの各々の面積を大きくすることができる。これにより、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1は、第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23によって発生する界磁磁束を大きくでき、動作点に応じた界磁量の調整幅を大きくすることができる。
Further, the plurality of
また、複数の永久磁石12は、複数の極ティース11aのうち回転軸40の周方向に1つ置きに配置される複数の極ティース11aに配置され、回転子30と対向する。これにより、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1は、複数の永久磁石12の磁束によって複数の極ティース11aに界磁極を形成することができる。
Further, the plurality of
また、複数の永久磁石12の極性は互いに同一であり、複数の極ティース11aのうち複数の永久磁石12が配置されない複数の極ティース11aには複数の永久磁石12の極性とは異なる極性の複数の界磁極が形成される。これにより、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1は、界磁磁束を大きくすることができ、動作点に応じた界磁量の調整幅を大きくすることができる。
Further, the polarities of the plurality of
また、回転子30は、回転軸40の周方向に並び複数の突極を形成する複数の鉄片31と、複数の鉄片31を保持する非磁性体の保持ディスク32とを備える。そして、回転軸40の延在方向である回転軸方向における保持ディスク32の厚みは、回転軸方向における複数の鉄片31の厚みより薄い。これにより、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1は、例えば、保持ディスク32を金属で構成しても渦電流の発生を抑制することができる。
Further, the
また、複数の鉄片31の各々は、保持ディスク32から突出する部分の各辺が面取りされる。これにより、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1は、鉄片31の角部にて発生する鉄損の発生を抑制することができる。
Further, each side of the portion of the plurality of
また、保持ディスク32は、非磁性の金属によって形成され、保持ディスク32の外周縁から複数の鉄片31のうち対応する鉄片31にかけて各々形成された複数のスリット33を備える。これにより、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1は、保持ディスク32において渦電流の発生を抑制することができる。
Further, the holding
また、複数の極ティース11aの各々は、複数の電磁石24のうち対応する電磁石24のティース21aと回転軸方向において対向する位置に配置される。これにより、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1は、複数の極ティース11aの各々と複数の電磁石24のうち対応する電磁石24のティース21aとの間に回転軸方向に沿った磁路を形成することができる。
Further, each of the plurality of
また、複数の極ティース11aの各々は、複数の電磁石24のうち対応する電磁石24のティース21aと回転軸方向において対向する位置からずれた位置に配置される。これにより、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1では、ギャップパーミアンスが変化するため、逆起電圧の歪みの改善またはコギングトルクを低減させることができ、平均トルクを向上させることができる。
Further, each of the plurality of
また、実施の形態1にかかる駆動システム100は、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1と、ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機1を駆動する駆動回路とを備える。駆動回路110は、回転子30の回転速度に応じて、第1の界磁巻線13および第2の界磁巻線23に流す界磁電流Ifの極性を変更する。界磁電流Ifは、直流電流の一例である。これにより、駆動システム100は、界磁量の調整幅を大きくすることができる。
Further, the
以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。 The configuration shown in the above-described embodiment shows an example, and can be combined with another known technique, can be combined with each other, and does not deviate from the gist. It is also possible to omit or change a part of the configuration.
1 ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機、10 第1の固定子、11 第1の固定子コア、11a 極ティース、11b コアバック部、12 永久磁石、13 第1の界磁巻線、14 界磁極形成部、20 第2の固定子、21 第2の固定子コア、21a ティース、21b ヨーク部、22 電機子巻線、23 第2の界磁巻線、24 電磁石、30 回転子、31 鉄片、32 保持ディスク、33 スリット、40 回転軸、50 軸受、100 駆動システム、110 駆動回路、111 直流電源、112 インバータ回路、113 3相交流電源。 1 Hybrid field double gap synchronous machine, 10 1st stator, 11 1st stator core, 11a pole teeth, 11b core back part, 12 permanent electromagnet, 13 1st field winding, 14 field magnetic pole Forming part, 20 2nd stator, 21 2nd stator core, 21a teeth, 21b yoke part, 22 armor winding, 23 2nd field winding, 24 electromagnet, 30 rotor, 31 iron piece, 32 holding disk, 33 slits, 40 rotating shafts, 50 bearings, 100 drive system, 110 drive circuit, 111 DC power supply, 112 inverter circuit, 113 3-phase AC power supply.
Claims (8)
前記第1の固定子と対向する第2の固定子と、
前記第1の固定子と前記第2の固定子との間にギャップを介して配置され、回転軸を中心に回転する回転子と、を備え、
前記第1の固定子は、
複数の永久磁石と、
環状に形成される第1の界磁巻線と、
前記回転軸の周方向に並ぶ複数の極ティースと、を備え、
前記第2の固定子は、
ティースと前記ティースに装着される電機子巻線とを各々含み、前記回転軸の周方向に並ぶ複数の電磁石と、
環状に形成される第2の界磁巻線と、を備え、
前記第1の界磁巻線は、
前記複数の永久磁石および前記複数の極ティースと前記回転軸との間に前記回転軸と垂直な同一平面上に配置され、
前記第2の界磁巻線は、
前記複数の電磁石と前記回転軸との間に前記回転軸と垂直な同一平面上に配置され、
前記第1の界磁巻線および前記第2の界磁巻線の各々への通電と前記複数の永久磁石とによって前記複数の極ティースに複数の界磁極が形成され、
前記複数の界磁極の各々は、前記複数の永久磁石のうちの1つの永久磁石または前記複数の極ティースのうちの1つの極ティースのみによって形成され、前記1つの永久磁石と前記1つの極ティースとが前記周方向に交互に間隔を空けて配置されて前記複数の界磁極が形成されており、
前記複数の永久磁石は互いの極性が同一である
ことを特徴とするハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機。 With the first stator,
A second stator facing the first stator,
A rotor provided with a rotor arranged between the first stator and the second stator via a gap and rotating about a rotation axis.
The first stator is
With multiple permanent magnets,
The first field winding formed in an annular shape,
With a plurality of polar teeth arranged in the circumferential direction of the rotation axis,
The second stator is
A plurality of electromagnets lined up in the circumferential direction of the rotating shaft, including a tooth and an armature winding mounted on the tooth, respectively.
With a second field winding formed in an annular shape,
The first field winding is
The plurality of permanent magnets and the plurality of polar teeth are arranged between the rotation axis and the same plane perpendicular to the rotation axis.
The second field winding is
It is arranged between the plurality of electromagnets and the rotation axis on the same plane perpendicular to the rotation axis.
A plurality of field magnetic poles are formed in the plurality of pole teeth by energizing each of the first field winding and the second field winding and the plurality of permanent magnets .
Each of the plurality of field magnetic poles is formed by only one permanent magnet of the plurality of permanent magnets or one pole tooth of the plurality of polar teeth, and the one permanent magnet and the one pole tooth are formed. And are arranged alternately in the circumferential direction at intervals to form the plurality of field magnetic poles.
A hybrid field type double gap synchronous machine characterized in that the plurality of permanent magnets have the same polarity with each other .
ことを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機。 The hybrid field type double gap synchronous machine according to claim 1, wherein the hybrid field type double gap synchronous machine is characterized in that.
前記回転軸の周方向に並び複数の突極を形成する複数の鉄片と、
前記複数の鉄片を保持する非磁性体の保持ディスクと、を備え、
前記回転軸の延在方向における前記保持ディスクの厚みは、前記回転軸の延在方向における前記複数の鉄片の厚みより薄い
ことを特徴とする請求項1または2に記載のハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機。 The rotor
A plurality of iron pieces arranged in the circumferential direction of the rotation axis to form a plurality of salient poles, and
A non-magnetic holding disc for holding the plurality of iron pieces is provided.
The hybrid field double gap according to claim 1 or 2 , wherein the thickness of the holding disk in the extending direction of the rotating shaft is thinner than the thickness of the plurality of iron pieces in the extending direction of the rotating shaft. Synchronous machine.
前記回転軸の周方向に並び複数の突極を形成する複数の鉄片と、
前記複数の鉄片を保持する非磁性体の保持ディスクと、を備え、
前記複数の鉄片の各々は、
前記保持ディスクから突出する部分の各辺が面取りされる
ことを特徴とする請求項1または2に記載のハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機。 The rotor
A plurality of iron pieces arranged in the circumferential direction of the rotation axis to form a plurality of salient poles, and
A non-magnetic holding disc for holding the plurality of iron pieces is provided.
Each of the plurality of iron pieces
The hybrid field type double gap synchronous machine according to claim 1 or 2, wherein each side of a portion protruding from the holding disk is chamfered.
前記回転軸の周方向に並び複数の突極を形成する複数の鉄片と、
前記複数の鉄片を保持する非磁性体の保持ディスクと、を備え、
前記保持ディスクは、
非磁性の金属によって形成され、当該保持ディスクの外周縁から前記複数の鉄片のうち対応する鉄片にかけて各々形成された複数のスリットを備える
ことを特徴とする請求項1または2に記載のハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機。 The rotor
A plurality of iron pieces arranged in the circumferential direction of the rotation axis to form a plurality of salient poles, and
A non-magnetic holding disc for holding the plurality of iron pieces is provided.
The holding disc is
The hybrid field according to claim 1 or 2, further comprising a plurality of slits formed of a non-magnetic metal and formed from the outer peripheral edge of the holding disk to the corresponding iron pieces among the plurality of iron pieces. Type double gap synchronous machine.
前記複数の電磁石のうち対応する電磁石のティースと前記回転軸の延在方向において対向する位置に配置される
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1つに記載のハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機。 Each of the plurality of polar teeth
The hybrid field double according to any one of claims 1 to 5 , wherein the electromagnets are arranged at positions facing each other in the extending direction of the rotating shaft from the teeth of the corresponding electromagnets among the plurality of electromagnets. Gap synchronous machine.
前記複数の電磁石のうち対応する電磁石のティースと前記回転軸の延在方向において対向する位置からずれた位置に配置される
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1つに記載のハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機。 Each of the plurality of polar teeth
The hybrid according to any one of claims 1 to 6 , wherein the electromagnet is arranged at a position deviated from a position opposite to the tooth of the corresponding electromagnet in the extending direction of the rotating shaft. Field type double gap synchronous machine.
前記ハイブリッド界磁式ダブルギャップ同期機を駆動する駆動回路と、を備え、
前記駆動回路は、
前記回転子の回転速度に応じて、前記第1の界磁巻線および前記第2の界磁巻線に流す直流電流の極性を変更する
ことを特徴とする駆動システム。 The hybrid field type double gap synchronous machine according to any one of claims 1 to 7 .
A drive circuit for driving the hybrid field type double gap synchronous machine is provided.
The drive circuit
A drive system characterized in that the polarity of a direct current flowing through the first field winding and the second field winding is changed according to the rotation speed of the rotor.
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