JP6987023B2

JP6987023B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6987023B2
Application number: JP2018108501A
Authority: JP
Inventors: 啓宇川▲崎▼; 淳文 ▲今▼井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2018-06-06
Publication date: 2021-12-22
Anticipated expiration: 2038-06-06
Also published as: JP2019213369A

Description

本発明は、回転子及び固定子を備えた回転電機に関する。

回転電機において、巻線の中性点電位変動などにより回転軸に電圧が発生すると、回転軸に発生した電圧は、回転子を支持する軸受に印加される。軸受に印加される電圧が軸受潤滑油の絶縁破壊電圧を超えた場合には、放電により軸受面が局部発熱して溶融痕が生じる電食現象が発生してしまう。

近年の回転電機は、高周波のインバータで駆動されるようになっており、インバータの変調方式による中性点基本波電圧の変動が増加している。また、インバータのスイッチングによる矩形波状の電圧が短周期で重畳されて波高値が高くなっている。インバータ制御の回転電機は、中性点基本波電圧の変動の増加及び波高値の増大に起因して放電回数が増加しており、短期間に電食が進行して異常な振動騒音が発生する場合がある。

特許文献１には、固定子の円環状ヨーク及び円環状ヨークと併設された磁性コアとともにコイルを巻回して閉路を構成するキャンセルコイルを設け、円環状ヨーク内を周方向に流れる不平衡磁束をキャンセルコイルに貫かせて三次の電圧を誘導することにより不平衡磁束を妨げる電流をキャンセルコイルに流して、軸電圧を低減することで軸受の電食を抑制する方法が提示されている。

特開２０１８−２６８９４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される発明は、回転トルクへの影響を最小限にするために、一つの閉路に三つの要素コイルを直列に接続する必要があるため、構造及び加工が複雑となる。一方、一つの要素コイルだけで閉路を構成すると、回転トルクを発生する有効磁束まで低減してしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、構造及び加工を複雑とせず、有効磁束に影響を及ぼすことなく軸電圧を低減して、軸受電食を抑制した回転電機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、円筒状に形成された固定子と、固定子の内側に配置された回転子と、固定子の軸方向と平行に回転子に固定された回転軸と、固定子を支持する外郭とを備える。固定子は、円環状のヨークと、ヨークの内周面から径方向に突出して円周方向に並んだ複数のティースとを有する固定子鉄心と、ティースに絶縁物を介して巻回された巻線と、回転軸の軸方向に沿った断面においてヨークを取り囲み、電気的導通が可能な少なくとも一つの閉路とを有する。閉路は、巻線とは独立してヨークに巻かれ、回転軸の周囲に発生する高次の磁束を打ち消す誘導電流を発生させるキャンセルコイルを含む。ヨークは、ティース同士を繋ぐヨーク部を複数備える。ヨーク部の少なくとも一つには、外郭との間に隙間を形成する狭断面部が形成されている。閉路は、狭断面部の部分に巻かれている。

本発明によれば、構造及び加工を複雑とせず、有効磁束に影響を及ぼすことなく軸電圧を低減して、軸受電食を抑制した回転電機を得られるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る回転電機の縦断面図実施の形態１に係る回転電機の横断面図実施の形態１に係る回転電機の固定子の斜視図実施の形態１に係る回転電機のインバータと巻線との結線図実施の形態１に係る回転電機の３倍の周波数の電圧を重畳した相電圧と相間電圧と中性点電圧の基本波波形とを示す図実施の形態１に係る回転電機の中性点電圧波形と軸受電圧波形との実例を示す図本発明の実施の形態２に係る回転電機の横断面図本発明の実施の形態３に係る回転電機を示す縦断面図実施の形態３に係る回転電機の横断面図実施の形態３に係る回転電機の固定子の斜視図実施の形態３に係る回転電機のインバータの出力電圧と、巻線、固定子鉄心及びキャンセルコイル回路との関係を示す等価回路を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る回転電機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この発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る回転電機の縦断面図である。図２は、実施の形態１に係る回転電機の横断面図である。図２は、図１中のII-II線に沿った断面を示している。図３は、実施の形態１に係る回転電機の固定子の斜視図である。回転電機１０は、円筒状に形成された固定子１１と、固定子１１の内側に空隙を介して配置された円筒状の回転子１２と、固定子１１の軸方向と平行に回転子１２に固定された回転軸１３と、回転軸１３を回転可能に支持する第１軸受１４及び第２軸受１５とを備えている。また、回転電機１０は、固定子１１、第１軸受１４及び第２軸受１５を支持する外郭１６を備えている。

固定子１１は、円環状のヨーク１７及びヨーク１７の内周面から径方向に突出して円周方向に並んだ複数のティース１８１，１８２，１８３，１８４，１８５，１８６からなる固定子鉄心１９と、巻線２０とを有する。以下、ティース１８１，１８２，１８３，１８４，１８５，１８６全体を指してティース１８という。固定子鉄心１９は透磁率の高い磁性材料で形成される。ヨーク１７は、ヨーク部１７１，１７２，１７３，１７４，１７５，１７６を備える。ティース１８は、ヨーク１７から回転子１２に向けて突出している。ティース１８１とティース１８２とは、ヨーク部１７１で接続されている。ティース１８２とティース１８３とは、ヨーク部１７２で接続されている。ティース１８３とティース１８４とは、ヨーク部１７３で接続されている。ティース１８４とティース１８５とは、ヨーク部１７４で接続されている。ティース１８５とティース１８６とは、ヨーク部１７５で接続されている。ティース１８６とティース１８１とは、ヨーク部１７６で接続されている。巻線２０は、ティース１８に不図示の絶縁物を介して巻回されている。

ヨーク部１７３，１７６には、外郭１６との間に隙間を形成した狭断面部２１が設けられている。狭断面部２１においてヨーク部１７３，１７６の断面積は、ヨーク部１７１，１７２，１７４，１７５の断面積よりも小さくなっている。ヨーク部１７３，１７６は、狭断面部２１を含む部分にキャンセルコイル２２が巻回されている。キャンセルコイル２２は、ティース１８に巻回された巻線２０とは独立している。キャンセルコイル２２は、回転軸１３の周囲に発生する高次の磁束を打ち消す誘導電流を発生させる。

固定子１１は、Ｕ相の巻線２０が巻回されているティース１８１と、Ｖ相の巻線２０が巻回されているティース１８２と、Ｗ相の巻線２０が巻回されているティース１８３とが一つのセットをなしており、Ｕ相の巻線２０が巻回されているティース１８４と、Ｖ相の巻線２０が巻回されているティース１８５と、Ｗ相の巻線２０が巻回されているティース１８６とが一つのセットをなしている。ティース１８１に巻回された巻線２０は、コイルＵ１を形成している。ティース１８２に巻回された巻線２０は、コイルＶ１を形成している。ティース１８３に巻回された巻線２０は、コイルＷ１を形成している。ティース１８４に巻回された巻線２０は、コイルＵ２を形成している。ティース１８５に巻回された巻線２０は、コイルＶ２を形成している。ティース１８６に巻回された巻線２０は、コイルＷ２を形成している。

図４は、実施の形態１に係る回転電機のインバータと巻線との結線図である。Ｕ相は二つのコイルＵ１，Ｕ２が直列接続されている。Ｖ相は二つのコイルＶ１，Ｖ２が直列接続されている。Ｗ相は二つのコイルＷ１，Ｗ２が直列接続されている。Ｕ相のＵ１側、Ｖ相のＶ１側及びＷ相のＷ１側は、インバータ３０に接続されている。Ｕ相のＵ２側、Ｖ相のＶ２側及びＷ相のＷ２側は互いに接合されて中性点Ｎとなっており、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相は、Ｙ結線されている。

インバータ３０は、アームをなす６個のスイッチング素子３１，３２，３３，３４，３５，３６を備えている。上段のアームをなすスイッチング素子３１と下段のアームをなすスイッチング素子３４とが直列に接続されて第１のレグを構成している。上段のアームをなすスイッチング素子３２と下段のアームをなすスイッチング素子３５とが直列に接続されて第２のレグを構成している。上段のアームをなすスイッチング素子３３と下段のアームをなすスイッチング素子３６とが直列に接続されて第３のレグを構成している。第１のレグ、第２のレグ及び第３のレグは、直流電源４０に並列に接続されている。第１のレグから出力端子Ｒが出ており、回転電機１０のＵ相と接続されている。第２のレグから出力端子Ｓが出ており、回転電機１０のＶ相と接続されている。第３のレグから出力端子Ｔが出ており、回転電機１０のＷ相と接続されている。

直流電源４０は、商用電源といった交流給電であれば交流電源を整流素子で整流後、コンデンサで平滑することで得られる。直流電源４０は、電気自動車などによる直流給電であれば、蓄電池から直接得られるが、直流電圧変換器で電圧調整してもよい。

次に、軸受電食発生原理と、実施の形態１にかかる回転電機１０において電食が抑制される仕組みについて説明する。

インバータ３０は、直流電源４０の直流電圧Ｖ_ＤＣが印加される。インバータ３０は、スイッチング素子３１，３２，３３，３４，３５，３６をパルス幅変調信号に基づいてオン又はオフし、出力端子Ｒ，Ｓ，Ｔの電位が、直流電源４０のプラス側の電位ＶＳ及びマイナス側の電位ＰＳＣのいずれかとなるようにする。インバータ３０は、回転電機１０の巻線２０の相間電圧の平均値の位相差が１２０度ずれた３相正弦波電圧となるように動作する。直流電源４０のマイナス側の電位ＰＳＣを基準に出力端子Ｒ，Ｓ，Ｔの電圧波形を見ると、矩形波となる。

パルス幅変調は、原理的には巻線２０へ印加する所望の正弦波状基本波と三角波搬送波との大小を比較することで、各レグの上段のアームをオンするか下段のアームをオンするのかを決める。ただし、直流電圧Ｖ_ＤＣの範囲の中で、相間電圧をできるだけ大きくとるために、巻線２０へ印加する正弦波電圧の３倍の周波数の正弦波を各相の相電圧へ重畳したものを三角波搬送波と比較することがある。

巻線２０へ印加する正弦波電圧の３倍の周波数の正弦波を各相の相電圧へ重畳すると、相電圧の平均値は馬蹄形の波形となるが、相間では重畳した３倍の周波数の正弦波は差し引かれるため、相間電圧は正弦波電圧となる。

図５は、実施の形態１に係る回転電機の３倍の周波数の電圧を重畳した相電圧と相間電圧と中性点電圧の基本波波形とを示す図である。出力端子Ｒ，Ｓ，Ｔにおける電圧は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の相電圧を示している。出力端子Ｒと出力端子Ｓとの間の電圧は、Ｕ相とＶ相との相間電圧を示している。出力端子Ｓと出力端子Ｔとの間の電圧は、Ｖ相とＷ相との相間電圧を示している。出力端子Ｔと出力端子Ｒとの間の電圧は、Ｗ相とＵ相との相間電圧を示している。正弦波電圧の３倍の周波数の正弦波の電圧を巻線２０へ印加すると、零相電圧とよばれる巻線２０全体の電圧は、前述の重畳された３倍の周波数の正弦波で振れ、中性点Ｎの中性点電圧となって現れる。零相電圧により、ヨーク１７には円周方向に循環する磁束が発生する。そして、ヨーク１７を貫通している回転軸１３には電磁誘導による軸電圧が発生し、軸受の油膜に電圧が印加される。

前述したようにインバータ３０の出力電圧の基本波は正弦波状であるが、パルス幅変調された矩形波状の電圧のため、実際には巻線２０全体の電圧も矩形波状に変動している。したがって、軸受の油膜には基本波だけの場合に比べて波高値が高い高周波の矩形波状電圧が印加され、絶縁破壊による放電が頻繁に発生して、軸受面の劣化が急速に進む。

図６は、実施の形態１に係る回転電機の中性点電圧波形と軸受電圧波形との実例を示す図である。中性点電圧よりも鈍ってはいるが、中性点電圧の変動により誘起された軸電圧が約６０マイクロ秒の周期で発生している。

ヨーク部１７３，１７６に設けた狭断面部２１とキャンセルコイル２２の動作について説明する。ティース１８１，１８２，１８３のセット及びティース１８４，１８５，１８６のセットの各セット内では、回転子１２からの鎖交磁束の総和は基本的にはゼロである。したがって、ティース１８１，１８２，１８３がヨーク部１７１，１７２にて低い磁気抵抗で磁気的に結合されており、かつティース１８４，１８５，１８６がヨーク部１７４，１７５にて低い磁気抵抗で磁気的に結合されていれば、セット同士の間のヨーク部１７３及びヨーク部１７６に狭断面部２１を設けて磁気抵抗を高くしても、回転子１２からの磁束の流れを各セット内でクローズしてコイルＵ１，Ｖ１，Ｗ１及びコイルＵ２，Ｖ２，Ｗ２へ有効に鎖交させることができる。

一方、軸電圧を発生させる磁束はヨーク１７を１周するため、狭断面部２１を通る。したがって、狭断面部２１にキャンセルコイル２２を巻回すことで、有効磁束への影響を小さくした上で、軸電圧を発生させる磁束を抑制する電流をキャンセルコイル２２に流すことができ、軸電圧を低減することができる。すなわち、巻線２０とは独立してヨーク１７に巻かれたキャンセルコイル２２は、回転軸１３の周囲に発生する高次の磁束を打ち消す誘導電流を発生させる。

なお、図１、図２及び図３には、キャンセルコイル２２を狭断面部２１へ巻回した例を示したが、ヨーク部１７３，１７６には有効磁束はほとんど通らないため、ヨーク部１７３及びヨーク部１７６の周辺にキャンセルコイル２２を巻回せば、軸電圧を発生する磁束だけがキャンセルコイル２２を通り、軸電圧を低減する効果が得られる。また、図１、図２及び図３には、ヨーク部１７３及びヨーク部１７６に狭断面部２１を設けた構成を例示したが、３相分のコイルが巻回されたティース１８がヨーク１７で磁気的に結合されていればよい。すなわち、ヨーク部１７１及びヨーク部１７４に狭断面部を設けても良いし、ヨーク部１７２及びヨーク部１７５に狭断面部を設けてもよい。また、上記の説明では狭断面部２１をヨーク１７の２箇所に設けたが、１箇所でもよい。狭断面部２１が１箇所だけならば、ティース数と極数とがどのような組み合せの場合でも有効磁束へほとんど影響ないため、ヨーク１７の任意の箇所に狭断面部２１を設けることができる。

実施の形態１に係る回転電機１０は、固定子１１のヨーク１７の一部の磁気抵抗を高くして回転トルクを発生する磁束を通りにくくしたヨーク部１７３，１７６の狭断面部２１にキャンセルコイル２２を巻くため、回転トルクを発生する有効磁束への影響は少なくなり、軸電圧発生の原因となるヨーク１７を１周する磁束はキャンセルコイル２２で低減することができる。したがって、実施の形態１に係る回転電機１０は、構造及び加工を複雑とせず、有効磁束に影響を及ぼすことなく軸電圧を低減して、第１軸受１４及び第２軸受１５の電食を抑制できる。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る回転電機の横断面図である。図７は、図１中のII-II線に沿った断面に相当する断面を示している。実施の形態１に係る回転電機１０では、キャンセルコイル２２を巻回するヨーク部１７３，１７６に有効磁束が通りにくくするために、狭断面部２１を設けたが、実施の形態２に係る回転電機では、図７に示すようにヨーク部１７３，１７６は、空隙２４によって円周方向に分断されている。ヨーク部１７３，１７６を分断する空隙２４の距離は、有効磁束は通りにくいが、軸電圧を発生させる磁束は通る距離とされている。

実施の形態２に係る回転電機１０は、ヨーク部１７３，１７６には有効磁束はほとんど通らないため、ヨーク部１７３及びヨーク部１７６の周辺にキャンセルコイル２２を巻回せば、軸電圧を発生する磁束だけがキャンセルコイル２２を通り、軸電圧を低減する効果が得られる。

実施の形態２に係る回転電機１０は、空隙２４によって分断されて磁気抵抗が高くなっており回転トルクを発生する磁束が通りにくいヨーク部１７３，１７６にキャンセルコイル２２を巻くため、回転トルクを発生する有効磁束への影響は少なくなり、軸電圧発生の原因となるヨーク１７を１周する磁束はキャンセルコイル２２で低減することができ、軸電圧を低減して第１軸受１４及び第２軸受１５の電食を抑制することができる。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３に係る回転電機を示す縦断面図である。図９は、実施の形態３に係る回転電機の横断面図である。図９は、図８中のIX-IX線に沿った断面を示している。図１０は、実施の形態３に係る回転電機の固定子の斜視図である。実施の形態３に係る回転電機１０は、キャンセルコイル２２に直列に接続されたコンデンサ５０を備える点で実施の形態１に係る回転電機１０と相違している。

コンデンサ５０とキャンセルコイル２２とが直列に接続された閉路の動作について説明する。図１１は、実施の形態３に係る回転電機のインバータの出力電圧と、巻線、固定子鉄心及びキャンセルコイル回路との関係を示す等価回路を示す図である。キャンセルコイル２２にコンデンサ５０が直列接続されているため、キャンセルコイル２２及びコンデンサ５０を有する閉路へ流れる電流Ｉには、低周波電流はほとんど含まれておらず、高周波電流が大半を占める。よって、中性点電圧の基本波成分による磁束及びトルク発生に寄与する有効磁束の低周波成分は減衰されないが、中性点電圧による磁束の高周波成分はキャンセルコイル２２の電流により減衰される。したがって、軸電圧の高周波成分を低減できるので、軸受の油膜に印加される高周波の矩形波状電圧が低減され、絶縁破壊による放電が頻繁に発生するのを防止でき、軸受電食を抑制できる。

なお、図８、図９及び図１０には、キャンセルコイル２２を軸対称な２箇所のヨーク部１７３，１７６へ巻回した構造を示したが、キャンセルコイル２２は、ヨーク１７のどこに巻回しても同様の効果が得られ、その数も限定されない。

また、図８、図９及び図１０には、ヨーク１７に狭断面部２１が形成されている構造を示したが、狭断面部を形成していないヨークにキャンセルコイル２２及びコンデンサ５０を追加してもよい。また、間隙で分断されたヨーク部を備える構造にコンデンサ５０を追加してもよい。

上記の各実施の形態においては、３相４極の永久磁石式同期電動機について説明したが、相数、極数及び電動機の種類は例示した構成に限定されるものではない。すなわち、本発明は、誘導電動機又はリラクタンス電動機といった交流電動機であれば適用可能である。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の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、本発明の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。

１０回転電機、１１固定子、１２回転子、１３回転軸、１４第１軸受、１５第２軸受、１６外郭、１７ヨーク、１８，１８１，１８２，１８３，１８４，１８５，１８６ティース、１９固定子鉄心、２０巻線、２１狭断面部、２２キャンセルコイル、２４空隙、３０インバータ、３１，３２，３３，３４，３５，３６スイッチング素子、４０直流電源、５０コンデンサ、１７１，１７２，１７３，１７４，１７５，１７６ヨーク部。

Claims

円筒状に形成された固定子と、前記固定子の内側に配置された回転子と、前記固定子の軸方向と平行に前記回転子に固定された回転軸と、前記固定子を支持する外郭とを備え、
前記固定子は、
円環状のヨークと、前記ヨークの内周面から径方向に突出して円周方向に並んだ複数のティースとを有する固定子鉄心と、
前記ティースに絶縁物を介して巻回された巻線と、
前記回転軸の軸方向に沿った断面において前記ヨークを取り囲み、電気的導通が可能な少なくとも一つの閉路とを有し、
前記閉路は、前記巻線とは独立して前記ヨークに巻かれ、前記回転軸の周囲に発生する高次の磁束を打ち消す誘導電流を発生させるキャンセルコイルと、前記キャンセルコイルに直列に接続されたコンデンサとを含み、
前記ヨークは、前記ティース同士を繋ぐヨーク部を複数備え、
前記ヨーク部の少なくとも一つには、前記外郭との間に隙間を形成する狭断面部が形成されており、
前記閉路は、前記狭断面部の部分に巻かれていることを特徴とする回転電機。
円筒状に形成された固定子と、前記固定子の内側に配置された回転子と、前記固定子の軸方向と平行に前記回転子に固定された回転軸と、前記固定子を支持する外郭とを備え、
前記固定子は、
円環状のヨークと、前記ヨークの内周面から径方向に突出して円周方向に並んだ複数のティースとを有する固定子鉄心と、
前記ティースに絶縁物を介して巻回された巻線と、
前記回転軸の軸方向に沿った断面において前記ヨークを取り囲み、電気的導通が可能な少なくとも一つの閉路とを有し、
前記閉路は、前記巻線とは独立して前記ヨークに巻かれ、前記回転軸の周囲に発生する高次の磁束を打ち消す誘導電流を発生させるキャンセルコイルと、前記キャンセルコイルに直列に接続されたコンデンサとを含み、
前記ヨークは、前記ティース同士を繋ぐヨーク部を複数備え、
前記ヨーク部の少なくとも一つは、空隙で円周方向に分断されており、
前記閉路は、前記空隙で分断された前記ヨーク部に巻かれていることを特徴とする回転電機。
円筒状に形成された固定子と、前記固定子の内側に配置された回転子と、前記固定子の軸方向と平行に前記回転子に固定された回転軸と、前記固定子を支持する外郭とを備え、
前記固定子は、
円環状のヨークと、前記ヨークの内周面から径方向に突出して円周方向に並んだ複数のティースとを有する固定子鉄心と、
前記ティースに絶縁物を介して巻回された巻線と、
前記回転軸の軸方向に沿った断面において前記ヨークを取り囲み、電気的導通が可能な少なくとも一つの閉路とを有し、
前記ヨークは、前記ティース同士を繋ぐヨーク部を複数備え、
前記閉路は、前記巻線とは独立して前記ヨーク部に巻かれ、前記回転軸の周囲に発生する高次の磁束を打ち消す誘導電流を発生させるキャンセルコイルと、前記キャンセルコイルに直列に接続されたコンデンサとを含むことを特徴とする回転電機。