JP7513237B1

JP7513237B1 - 可変磁力式同期機

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Publication number: JP7513237B1
Application number: JP2023071874A
Authority: JP
Inventors: 憲治成田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Filing date: 2023-04-10
Publication date: 2024-07-09
Anticipated expiration: 2043-04-10

Abstract

【課題】磁気回路部品の少ない可変磁力式同期電動機および同期発電機を提供する。
【解決手段】磁気回路部品が固定子鉄心即ち電機子鉄心ならびに回転子鉄心即ち界磁鉄心の二つのみからなり、固定子鉄心の溝に電磁子巻線と界磁巻線を巻込むとともに、回転子が回転しても界磁の磁極の極性が変らないことを特徴とする可変磁力式同期電動機および同期発電機である。
【選択図】図４

Description

この発明は界磁巻線を有する可変磁力式同期電動機及び同期発電機に関する。

電動機によって駆動する自動車においては、始動時から高速に至るまで高効率でスムーズに運転出来る電動機が要求されており、風力発電機においては低風速から高風速に至るまで風車の能力を有効に活用し高出力で運転出来る発電機が要求されている。現在大量に使用されている永久磁石型同期機はこの要求を満たすことができないため、可変磁力式同期機が開発されている途上にあるが、界磁の構造が複雑となり、高コストとなるという課題がある。本願の可変磁力式同期機においては、このような課題を解決し、高品質低コストの可変磁力式同期電動機及び発電機を提供するものである。

特開平６―３５１２０６特表２００３―５１６７０８

平成２２年３月２５日ＮＥＤＯプレスリリース１～１７名古屋工業大学大学院工学研究科小坂卓『ＳＭＣコアを利用したハイブリッド界磁モータの研究開発』

特許文献１の技術を応用する電動機は、界磁磁束は直流励磁電磁石による磁束と永久磁石による磁束の２種類の界磁磁束が用いられ、電機子と界磁が対面するメインエアギャップにおいて、これらの２種類の磁束はそれぞれメインエアギャップ全面積の半分を利用することになり、電磁石による出力をより多く使用する場合ＳＰＭ状に配置された永久磁石は大きな磁気抵抗となるため、出力や効率が低くなるとともに、永久磁石を使用しないとこの同期機は成立しないという欠点を有する。また、ヨークを強磁性体にする必要があり、放熱に有利なアルミニウムを使用できないので巻線や軸受の温度上昇の低減において不利となる。さらに電機子鉄心を二分割しその中央部に励磁巻線を巻込むため、構造が複雑になるという欠点を有する。

特許文献２の技術は、ハウジングを強磁性体とし、その軸受近傍にリップ部を設けて直流励磁巻線を収納し、一方界磁のロータの端部を突出させて、ハウジングのリップ部と短いエアギャップを介して対面させて直流励磁磁束を通すため強磁性体の材料を使用せざるを得ず構造も複雑となり、その上外被に放熱性のよいアルミニウム合金を使用できないので、巻線や軸受の温度が上昇するという問題が発生し、その上リップ部に励磁巻線を巻き込み、軸受ハウジングを設ける必要があるため構造が複雑となり、さらにはロータ部分も構造や材料が複雑となり、かつ高精度の構造となるため高コスト低信頼性という欠点を有する。

非特許文献１の技術を応用する電動機は、次のような欠点を有する。
第一の欠点は、エアギャップの磁束密度を一定と仮定すると、ロータコアが中央部で軸方向に二分割されており、それぞれのロータコアはＮ極またはＳ極となるのでロータコアとステータコアとの間の実効的エアギャップ面積は半分となり同一磁束密度においてトルクは半減することになり、トルクを同一にしようとするとサイズが大きくなり高コストになるという欠点を有する。
第二の欠点は、ＳＭＣコアの材料である鉄粉はすべて絶縁被覆されているので、圧縮成形したＳＭＣコアの熱伝導性が電磁鋼板より低くなり、しかもステータコア、ロータコア、ステータ巻線そしてトロイダル巻線全体をＳＭＣコアで覆うので、外被にアルミニウム合金を使用できないため、巻線や軸受の温度上昇が高くなるという欠点を有する。

以上の技術上の欠点ならびに関連する問題点を改善するため、次の課題を解決するものとする。
（１）界磁鉄心に軸方向からの磁束の授受をなくし、磁気回路部品は電機子鉄心と界磁鉄心のみとし、電機子巻線と界磁巻線はすべて電機子鉄心の溝にのみ収納するものとする。
（２）界磁鉄心の磁極の電磁石の極性は界磁鉄心が回転しても変化しないこと。
（３）磁気回路部品は電磁鋼板を打ち抜き積層したものが使用できること。
（４）永久磁石と電磁石を併用しハイブリッド磁石界磁を形成する場合には、永久磁石はＩＰＭ構造で配置可能であること。
（５）外被はアルミニウム合金製とし固定子鉄心や軸受に直接接触させて覆うことができること。

上記課題を解決するために、本願の第１の発明は、可変磁力式同期電動機において、２φｎ個の溝を有する固定子鉄心と、２ｎ極の突極型構造の回転子鉄心を有し、固定子鉄心の溝には電機子巻線と界磁巻線を巻込み、電機子巻線と界磁巻線にはそれぞれインバータによってφ相の多相交流を供給し、界磁巻線とそのインバータには界磁の回転角が変化しても界磁磁極が常に同一極性の電磁石を発生させるサブシステムを有し、この界磁に電機子側のインバータによって電機子巻線に多相交流電圧を印加し、２ｎ極の回転磁界を加えることによってトルクを発生させる、磁気回路部品が固定子鉄心と回転子鉄心の二つのみからなる可変磁力式同期電動機である。

本願の第２の発明は、請求項１において、界磁巻線とそのインバータには界磁の回転角が変化しても界磁磁極が常に同一極性の電磁石を発生させるサブシステムとして、インバータに使用するトランジスタは全て光で作動トランジスタもしくは光で作動するトランジスタとパワートランジスタを組み合わせた複合型トランジスタを用い、回転軸に円形のシールド板を取り付け、その外径側に円弧角１２０°の円弧状の外側スリットを設けるともに、内径側にも外側スリットの端部と接する半径線に接して互いに円周方向の反対側に円弧状の内側スリットを設け、シールド板の固定子鉄心側にはトランジスタを固定する受光板を設け、外側スリットの中心線の直径に沿って上段トランジスタ３個を等分に配置させ、内側スリットの中心線の直径に沿って下段トランジスタ３個を上段トランジスタ３個の中間に等分に配置させ、シールド板の固定子鉄心と反対側にはスリット全体を照射する光源を設けることによって、回転子が回転するとシールド板も回転し上段と下段のトランジスタが光を受けることによってそれぞれ１個ずつ順次動作し、回転子の回転と同じ方向に同期しながら界磁磁極を励磁するので界磁磁極の極性は変らず電磁石による界磁として機能させ、電機子巻線に電機子側のインバータにより多相交流電流を印加して回転磁界を加えることによって作動する可変磁力式同期電動機である。

本願の第３の発明は、請求項１、及び請求項２において、電機子巻線に加えるインバータの電圧を不等パルス巾ＰＷＭ波形として流れる電流を正弦波形に近づける一方、界磁巻線に加えるインバータにおいては、電流波形を正弦波に近づけるため、不等パルス巾ＰＷＭ式インバータを使用するか、もしくは電流波形を矩形波に近づけるため、ＰＡＭ式インバータまたは等パルス巾ＰＷＭ式インバータを使用する可変磁力式同期電動機である。

本願の第４の発明は、請求項１、請求項２、及び請求項３において、電機子巻線と界磁巻線の励磁磁極の極数は同一とし、この二つの巻線の励磁磁極の中心同士は電気角で６０°～１２０°離し、そして二つの巻線のピッチは異なるようにした可変磁力式同期電動機である。

本願の第５の発明は、請求項１、請求項２、請求項３、及び請求項４において、円周方向に着磁した永久磁石を界磁磁極間にＩＰＭ状に配置した複合界磁型可変磁力式同期電動機である。

本願の第６の発明は、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４及び請求項５において、固定子鉄心など全体を覆う外被に非鉄金属で熱伝導性の高い軽金属合金を利用した可変磁力式同期電動機である。

本願の第７の発明は、
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４及び請求項５において、回転軸に動力を与え、電機子巻線から電力を出力させる可変磁力式同期発電機である。

１．磁気回路部品が電機子鉄心と界磁鉄心の二つだけで、電機子鉄心の溝に電機子巻線と界磁巻線を巻込む方式を採用し、界磁は電磁石と永久磁石のハイブリッド界磁が可能であるので、界磁磁束をコントロールすることによって、広い回転速度範囲において高効率運転が可能であると共に、外被にアルミニウム合金を使用できるので巻線や軸受の温度上昇を低く押さえ、高信頼性で低コストの可変磁力式同期電動機及び同期発電機を得ることができる。
２．この技術を電気自動車の駆動用電動機に応用すると、始動から高速に至る広い速度範囲において、高出力高効率運転が可能となる。
３．この技術を風力発電用の発電機に応用すると、弱風時から強風時に至る広い風速範囲において風車の出力を大きく効率よく電力に変換できる。

本発明の可変磁力式同期電動機全体のシステム図を表わす。（ａ）本発明の可変磁力式同期電動機の電機子鉄心および界磁鉄心の２極の例を表わす。（ｂ）本願の第５の発明の４極の例を表わす。本発明の可変磁力式同期電動機の固定子鉄心溝への電機子巻線および界磁巻線の巻線方式の例を表わす。また、本願の第４の発明の例を表わす。本発明の可変磁力式同期電動機全体の構造図を表わすとともに、本願の第２の発明および第６の発明の例を表わす。本願の第２の発明の例を表わす。

［図１］、［図２］（ａ）、［図２］（ｂ）、［図３］、［図４］、［図５］ならびに符号の説明を参照して、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
第１の発明について、［図１］、［図２］（ａ）、［図３］にもとづいて説明する。
［図２］（ａ）に固定子鉄心１と回転子鉄心２を示している。固定子鉄心の溝には［図３］示すように界磁巻線１３と電機子巻線１２が巻込まれており、［図１］に示すように界磁巻線は界磁用インバータ４に接続されたおり、その６個のトランジスタＴ_２１～Ｔ_２６は界磁用ゲートドライブ回路４２に接続されていて、回転子の回転角は回転角検出器４１から受信し、その信号を界磁用ゲートドライブ回路に送り、そこで回転子の磁極の極性が始動時と常に変らず、その励磁された磁極の回転角が回転子の回転角と同一でしかも同じ方向に回転するようにサブシステムによって仕組まれている。一方、電機子巻線は電機子用インバータ３に接続され６個のトランジスタＴ_１１～Ｔ_１６にはモータ用ゲートドライブ回路が接続されており、これをモータ制御プログラム３１によって、動作させるとモータの機能を発揮し、電磁石によるトルクを発生し電動機として機能する。この電動機の特筆すべきことは、磁気回路部品は固定子鉄心と回転子鉄心の二つのみからなる可変磁力式同期電動機であることである。

第２の発明について［図１］、［図２］（ａ）、［図３］、［図４］，［図５］を用いて説明する。
この発明は、請求項１において界磁巻線１３とそのインバータには界磁の回転角が変化しても、界磁磁極が常に同一極性の電磁石を発生させるサブシステムに関するものである。
［図４］において、回転軸２１に直結させてシールド板３３を取り付けシールド板には外径側に円弧状の円弧角１２０°の外側スリット３４、内径側に円弧状の円弧角１２０°の円弧径の小さい内側スリット３５を、一つの半径線４０に沿って互いに円周方向の反対側に接するにように設ける。さらに、このシールド板の軸受側には光源３６を設け、固定子側には受光板３７を設けて、受光板には光で作動するトランジスタもしくは光で作動するトランジスタとパワートランジスタを組み合わせた複合型トランジスタを取り付ける。［図５］は軸方向から見た図を表わし、外側スリットの円周中心線に沿ってトランジスタ３８Ｔ_２１Ｔ_２３Ｔ_２５を配置し、内側スリットの円周中心線に沿ってトランジスタ３９Ｔ_２６Ｔ_２４Ｔ_２２を配置して、回転軸２１が回転すると、光源３６から出た光がシールド板３３のスリット３４，３５を通り抜け受光板３７を照射し、光を照射されたトランジスタ３８，３９が作動しゲートドライブ回路４２を通って対象となるインバータ４のトランジスタを作動させ界磁巻線１３に電流を流し起磁力を発生させ界磁鉄心即ち回転子鉄心２を励磁し電磁石にする。
［図５］の状態において、上段トランジスタＴ_２１と下段トランジスタＴ_２６に光が当たり作動し、電流はＷ_２からＶ_２に流れ、ＮＯ．１磁極をＮ極とする起磁力が発生し、ＮＯ．１磁極はＮ極となる。これが表１の界磁回転角が０°の状態を表わしている。次に回転軸が時計方向に６０°回転すると界磁磁極も６０°回転し、上段トランジスタＴ_２１と下段トランジスタＴ_２４に光が当たり作動し、電流はＷ_２からＵ_２に流れ、ＮＯ．１磁極をＮ極とする起磁力が発生し、ＮＯ．１磁極はＮ極となる。以下［００２１］の表１に示すように界磁がどの位置に移動しても最初にＮ極になった磁極は常にＮ極となる。このように界磁自身の回転角に同期して回転する回転起磁力を固定子鉄心１によってつくることによって界磁が形成される。この界磁に対して、モータ制御プログラム３１からモータ用ゲートドライブ回路３２を通じて電機子用インバータ３によって、電機子巻線１２に不等パルス巾ＰＷＭ式三相交流電圧を印加し、正弦波に近い電流を流して回転磁界を与えてトルクを発生させることによって可変磁力式同期電動機を得ることができる。

第３の発明について説明する。
請求項１、及び請求項２において、電機子巻線に加えるインバータの電圧を不等パルス巾ＰＷＭ波形として流れる電流を正弦波形に近づける一方、界磁巻線に加えるインバータにおいては、電流波形を正弦波に近づけるため、不等パルス巾ＰＷＭ式インバータを使用するか、もしくは電流波形を矩形波に近づけるため、ＰＡＭ式インバータまたは等パルス巾ＰＷＭ式インバータを使用する可変磁力式同期電動機である。

第４の発明について［図３］を用いて説明する。
［図３］において、６個の溝の上の電機子巻線の溝の下のコイルは省略されており、溝をくぐり抜けたあとコイルの反対側に繋がっており、閉路状態でコイルを形成している。たとえばＵ_１のコイルはＳ_５からＳ_３を通りＵ１にコイルに繋がっている。同様に、Ｕ_２のコイルはＳ１を通ったあとＳ_４を通りＵ２のコイルに繋がっていることを表わしている。本図はφ＝３，ｎ＝１の例であるので、電機子巻線と界磁巻線の相数は３相、極数は２極であり、二つの巻線の励磁磁極の中心同士は電気角で９０°離れており、そして二つの巻線のピッチは電機子巻線が２ロットピッチ、界磁巻線が３スロットピッチと異なるようにしている。このように二つの巻線の仕様に差を設けて、電機子巻線と界磁巻線に電流を流したとき発生する起磁力がお互いに干渉しにくくした可変磁力式同期電動機である。

第５の発明について［図２］（ｂ）を用いて説明する。
請求項１及び請求項２において、円周方向に着磁した永久磁石２２を界磁磁極間にＩＰＭ状に配置し、電磁石との複合界磁型とした可変磁力式同期電動機である。
４極の回転子の例について説明する。回転子鉄心２に永久磁石２２を収納する４個の溝を設け、回転方向に着磁した永久磁石を電磁石であるロータコアの極性に合わせ永久磁石のＮ極は電磁石のＮ極側に，Ｓ極はＳ極側に合わせて永久磁石をロータコアの溝に埋め込むことによって、永久磁石の磁気回路と電磁石の磁気回路が並列に磁束が通るので、永久磁石をＳＰＭ状に配置する場合と比べて電磁石の磁気回路の磁気抵抗となることが大巾に減少し、永久磁石と電磁石の複合型界磁の高効率の可変磁力式同期電動機電動機を得ることが出来る。

第６の発明について［図４］を用いて説明する。
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、及び請求項５において、外被５に非鉄金属で熱伝導率の高い軽金属を利用した可変磁力式同期電動機である。
固定子鉄心１の外径は外被５に直接嵌合し固定され、回転子鉄心２は回転軸２１に接合されその両側は軸受２４を介して外被の軸受取付部に固定されることによって、固定子鉄心と回転子鉄心の間に短いエアギャップ２３を保持しながら、固定子鉄心１の溝に巻かれた界磁巻線１３によって回転子鉄心２が磁化され、固定子鉄心１の溝に巻かれた電機子巻線１２が作り出す回転磁界によって回転トルクが発生し電動機として機能する。その際、巻線には抵抗損、鉄心には鉄損が発生し、モータ内部の温度が上昇して、巻線の絶縁物や軸受のグリースの温度上昇を上昇させ、寿命を低減させるという副作用を生み出す。そのため巻線の抵抗損やコアの鉄損による発熱を外部に逃がす必要がある。そこで、最も損失が大きく発熱が大きい巻線を内蔵し、自身も鉄損により発熱する部品は固定子鉄心であるので、軸受と共にこれらを非鉄金属材料で熱伝導性のよい軽金属合金で造った外被５に密着させて被い、放熱に有利な構造とすることができる。

第７の発明について説明する。
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、および請求項６において、回転軸に動力を与え電機子巻線から電力を出力させる可変磁力式同期発電機である。この可変磁力式同期発電機を風力発電機の発電機に応用した場合について説明する。風車の出力は風速即ち回転速度の３乗に比例しトルクは回転速度の２乗に比例する。一方、永久磁石を界磁に利用した発電機の出力は回転速度に比例しトルクは永久磁石の磁力によるエアギャップの磁束密度に比例する。したがって永久磁石を界磁に利用した発電機は風車が生み出す動力を風速が上がるに連れて電気に変換できなくなるという致命的欠点を有する。これに対し、可変磁力式同期発電機を利用した場合、風速が上がるに連れて界磁磁束を増やしトルクを回転速度の２乗に近づけることが出来るので、永久磁石式同期発電機に比べ広い風速帯においてより多くの発電電力を発生させることができるという長所を有する。

１．本願の技術の可変磁力式電動機を電気自動車の主電動機に利用すると、高速時においても界磁巻線の直流励磁電流を小さくし界磁磁束を少なくすることによって適正なトルクを出すことができ、広い速度範囲において高効率で運転可能となる。
２．本願の技術の可変磁力式発電機を中小型風力発電機に利用すると強風下においても直流励磁電流を大きくして界磁磁束を増やすことによって、増大する風車の出力に応じて、有効に風力を電力に変換することができる。
３．本願の技術を採用すると外被にアルミニウム合金を採用できるので、巻線や軸受の温度上昇を低減出来、高信頼性の可変磁力式同期機を得ることができる。

［図１～５］における符号
１固定子鉄心
２回転子鉄心
３界磁用インバータ
４電機子用インバータ
５外被
１１固定子溝
１２電機子巻線
１３界磁励磁巻線
２１回転軸
２２永久磁石
２３エアギャップ
２４軸受
３１モータ制御プログラム
３２モータ用ゲートドライブ回路
３３シールド板
３４外側スリット
３５内側スリット
３６光源
３７受光板
３８上段トランジスタ
３９下段トランジスタ
４０半径線
４１回転子回転角検出器
４２界磁励磁用ゲートドライブ回路
Ｔ_{１１～１６} 電機子用インバータのトランジスタ
Ｔ_{２１～２６} 界磁用インバータのトランジスタ
Ｓ_１～６固定子溝番号
Ｎ磁石のＮ極
Ｓ磁石のＳ極

Claims

可変磁力式同期電動機において、回転軸に接合した突極型の界磁鉄心を回転子とし、三相電機子巻線と三相界磁巻線を電機子鉄心の溝に巻込んだ電機子を固定子として、界磁に直接界磁巻線を巻いた電磁石界磁と同じ効果を発揮することを狙い、軸方向片側半分の外被の内側に光源を設け、対向する固定子側には受光板を設け、受光板には三相界磁用インバータを構成するフォトトランジスタ６個を配置固定し、光源と受光板の間には空間を隔てて回転軸に固定したシールド板を設け、一つの半径線を基準に時計方向側には直径の大きい円に沿って円弧角が１２０°の円弧状の外側スリットを設け、半径線の反時計方向側には直径の小さい円に沿って円弧角が１２０°の円弧状の内側スリットを設け、インバータの上段フォトトランジスタ即ち上部アーム（ａｒｍ）の３個のフォトトランジスタは受光板の外側スリットが通過する直近の対向面に１２０°の間隔をあけて配置し、下段フォトトランジスタ即ち下部アーム（ａｒｍ）の３個のフォトトランジスタは受光板の内側スリットが通過する直近の対向面に上部アームの３個のフォトトランジスタのそれぞれの中間に１２０°の間隔をあけて配置して、３組のレグ（ｌｅｇ）をつくり、界磁用インバータの３相ブリッジ回路を形成することによって、界磁巻線による励磁磁極と界磁磁極が常に同一極性に近づくようにするとともに、電機子巻線と界磁巻線はそれぞれの励磁磁極の中心同士の空間的位相差が電気角にて９０°離れた位置に巻き込まれ、電機子用インバータによって電機子巻線に三相交流電圧を加えることによって作動する可変磁力式同期電動機。
請求項１に記載した可変磁力式電動機において、電機子巻線には外部から電力を供給せず、界磁巻線には励磁電流を通電し、回転軸には外部から風車の動力により回転トルクを与え界磁を回転させることによって、３相電機子巻線に３相交流電圧を発生させ、３相電機子巻線の出力端子に抵抗や電動機などの負荷を接続し、３相交流電力を供給できる可変磁力式同期発電機。