JPH0720079U - 永久磁石形回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この考案は、回転子の表面に永久磁石を備えた
永久磁石形回転電機に関し、特に、固定子と回転子間の
エアギャップを変化させるものに関し、高速回転する際
に、固定子側の誘起電圧が過大になるという問題を回避
し、回転子のダイナミックバランスに影響を及ぼさない
回転電機を提供することを目的とする。 【構成】フレームと、中心付近に軸受を備え該フレーム
の端部に設けられたブラケットと、巻線を施されて該フ
レームの内側に設置された固定子と、該固定子と細隙を
介して端部を該軸受により回転可能に支持された、永久
磁石を備えた回転子と、固定子と回転子間のエアギャッ
プを変化させる手段とで構成された永久磁石形の回転電
機において、前記エアギャップを変化させる手段を、フ
レームと固定子間に設けた軸方向案内機構と、この案内
機構を同期駆動するアクチュエータと、このアクチュエ
ータを駆動・制御する同期駆動装置と、回転電機の電圧
と周波数から前記同期駆動装置に駆動量を指令する演算
器で構成する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、回転子の外表面に永久磁石を備えた永久磁石形回転電機に関し、 固定子と回転子間のエアギャップを変化させるものに関する。

【０００２】

【従来の技術】

回転子に永久磁石を備えた同期発電機や同期電動機は、励磁するために界磁極 に電力を供給する必要はないが、その反面界磁の制御をすることができない。一 方、永久磁石を回転子に登載して回転すると、回転速度に比例した誘起電圧が生 じるため、高速回転すると電圧が過大になって種々の問題が生じる。その対策と して、同期発電機の場合、回転子外周面と固定子内周面を円錐状にし、回転子の 遠心力とバネを利用し回転速度に応じて回転子を軸方向に移動させる機構を設け たり、あるいは、外部から回転子と回転軸を軸方向に移動させる機構を設けたり して、エアギャップを変更するものがある（例えば、特開昭６４ー５０７４４、 特開平３ー４５１５１号公報）。また、同期電動機の場合、回転軸にたいして回 転子を軸方向に移動可能にし、ブラケットと回転子の間に圧電素子または電磁石 を駆動源とする機構を設けて、回転速度に応じて回転子を軸方向に移動させ、エ アギャップを変更するものがある（例えば、実願平４−６４９６９号）。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

しかし、上記の技術はいずれも、回転子を軸方向に移動させるための機構を回 転体に設けているため、回転子を軸方向に移動すると重心が移動して、移動機構 部のガタで回転体のダイナミックバランスが崩れ、回転機の性能を維持する上で 問題であった。 本考案は、高速回転する際に、固定子側の誘起電圧が過大になるという問題を 回避し、回転子のダイナミックバランスに影響を及ぼさない回転電機を提供する ことを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】

フレームと、中心付近に軸受を備え該フレームの端部に設けられたブラケット と、巻線を施されて該フレームの内側に設置された固定子と、該固定子と細隙を 介して端部を該軸受により回転可能に支持された、永久磁石を備えた回転子と、 固定子と回転子間のエアギャップを変化させる手段とで構成された永久磁石形の 回転電機において、 前記エアギャップを変化させる手段を、フレームと固定子間に設けた軸方向案 内機構と、この案内機構を同期駆動するアクチュエータと、このアクチュエータ を駆動・制御する同期駆動装置と、回転電機の電圧と周波数から前記同期駆動装 置に駆動量を指令する演算器で構成する。

【０００５】

【作用】

回転子の回転速度の上昇により、固定子が軸方向に移動し、固定子と回転子間 のエアギャップが変化し、エアギャップが等価的に広がる。その結果、固定子の 誘起電圧が所定の大きさになる。

【０００６】

【実施例】

以下、本考案の実施例を図に基づいて説明する。図１は第１実施例の回転電機 の構造図であり、回転電機が同期電動機である場合について説明する。図２は該 同期電動機を駆動する駆動系統を示すブロック図、図３はその一部の詳細図であ る。 図１において、円筒状のフレーム７の内径側には巻線３１を施した円錐状の内 径面を持つ固定子４が径方向のガタが無く軸方向のみに移動可能に固定されてい る。フレーム７の左右両端にはブラケット８１、８２が固定されており中央付近 に設けられた軸受５１、５２で回転軸２を回転可能に支持している。回転軸２の 中央付近には円錐状の外周面を持つ回転子１が固定されており、その表面に固着 された永久磁石１１１と固定子４の内面とはエアギャップを介して対面している 。フレーム７の内径側と固定子４の外径側間には、軸方向の案内機構７６（例え ば、旋盤の刃物台の送り機構等公知のものでよい。）を設けてあり、固定子４を 軸方向にガタなく移動可能にしてある。フレーム７の内径側で固定子４とブラケ ット８２間には減速機を内蔵した小形の電動機９１、９２が設けられており、軸 ９３１、９３３を低速回転することができる。軸９３１、９３３の先端にはネジ ９４１、９４３が形成されており、固定子４に設けられたメネジ９５１、９５３ にねじ込まれており、回転可能になっている。 図において、電動機９１、９２が同期して回転するとオネジ９４１、９４３と メネジ９５１、９５３が協働して固定子４をフレーム７に対して軸方向に移動さ せ、固定子４と回転子１の永久磁石１１１間のエアギャップの大きさが変更され る。 図２において、１０は図１に示した同期電動機、１１は同期電動機１０を駆動 するインバータ、１２はインバータ１１から同期電動機１０に結線された電力線 を入力とする演算器、１３は演算器１２の信号を受けて同期電動機１０に設けら れた電動機９１、９２を駆動する同期駆動装置であり、回転量を制御する回転量 指令器１２５、個別の電動機９１、９２を駆動する駆動装置１３１、１３２とシ ンクロナイザ１３３（例えば、オートシン等）で構成されている。なお、同期駆 動装置１３は、図１が電動機を２個（９１、９２）設けたものを例示しているた め、２個を同期駆動する機能を備えている。同期電動機１０内の電動機は２個に 限るものではなく、２個以上の複数個の場合は駆動装置で並列に同期駆動し固定 子４を協働して移動させ、１個の場合は同期をとる必要はない。 図３は演算器１２の詳細図であり、１２１はインバータ１１と同期電動機１０ 間を結ぶ電力線の２本の線間交流電圧を検出して対応する直流電圧に変換する電 圧検出器、１２２はインバータ１１と同期電動機１０間を結ぶ電力線の電力波形 の周波数を検出して対応する直流電圧に変換する周波数検出器、１２３は周波数 に対し望ましい電圧の関係を関数として組込んだ関数器で、周波数検出器１２２ の信号を入力とし、理想電圧を出力とする。 なお、関数器１２３に組み込まれた関数は、例えば、定トルク特性にするとき は周波数ｆに比例させ、Ｖ（ｆ）＝ａ＊ｆとする。また、２乗逓減特性にすると きは、Ｖ（ｆ）＝ａ＊ｆ² とする。さらに、所定の周波数ｆ₁ までは比例、それ 以上は一定する等種々の関数形がある。この関数形は、負荷特性に合わせ、同期 電動機１０が効率よく稼働をするようあらかじめ設定されており、固定子の誘起 電圧が所定の大きさになるようにしてあり、インバータの電圧上限を越えること が無いようにしてある。 １２４は関数器１２３の信号と電圧検出器１２１の信号を減算する比較器、１ ２５は比較器１２４の信号に応じて同期電動機１０内に設けた電動機９１、９２ の回転量を制御する回転量指令器である。 以上の構成に於いて、インバータ１１により同期電動機１０を回転駆動する場 合について説明する。インバータ１１を稼働させると同期電動機１０の固定子４ を励磁するので、回転子１を回転させることができる。回転速度を徐々に上げて いくと、回転子表面の永久磁石１１１で生じる固定子内の誘起電圧が大きくなっ ていく。その時の周波数を周波数検出器１２２が検出して電圧に変換し、その周 波数信号を受けて関数器１２３が働き、望ましい電圧に対応する信号を出力する 。また交流電圧を電圧検出器１２１が検出して電圧に変換する。 ここで、前記望ましい電圧信号と検出電圧信号を比較してその差が負になった 場合、すなわち、検出された実際の電圧が望ましい電圧より高めとなっていると きは回転量指令器１２５が働いて回転指令を出力し、同期駆動装置１３により電 動機９１、９２を同期回転させる。電動機９１、９２が回転すると、電動機９１ 、９２の軸端のネジ９４１、９４３と固定子４のメネジ９５１、９５３が協働し て固定子４を左側に移動させ、固定子４と回転子１の永久磁石１１１間のエアギ ャップが大きくなって、固定子の誘起電圧が低下していくのである。 そうすると、電圧検出器１２１の検出信号が小さくなり、関数器１２３の信号 と電圧検出器１２１の検出電圧信号とが等しくなると電動機９１、９２の回転が 停止して、固定子４と回転子１の永久磁石１１１間のエアギャップが適正な大き さとなるのである。また、前記の望ましい電圧信号と検出電圧信号を比較してそ の差が正となった場合、すなわち、検出された実際の電圧が望ましい電圧より低 めとなっているときは、前記と逆の動作をする。 以上のような動作をするため、インバータで同期電動機を駆動して回転速度を 上げていく時、回転速度に応じて適正なエアギャップとされ、適正な電圧とされ るので、インバータの許容電圧を越えて半導体素子を破壊するとか、そこに至ら ずともインバータと同期電動機を含めた全体の効率が大きく低下するという良好 でない状態を回避することができ、全体として良好な稼働状態を実現することが できるのである。 なお、図１の円錐面を円筒面としても、固定子を軸方向に移動させて回転子と 固定子間の対向面積を変えることができ同様の効果を得ることができる。 以上、回転電機が同期電動機の場合について説明したが、回転電機が発電機で あっても同様の動作をすることはいうまでもない。 図４は第２実施例の回転電機の構造図であり、アキシャルギャップ形の１例で ある。図中、番号が図１と同じものは同じ構成要素を示すもので説明を省略する 。１は出力軸２に固着された円板状の回転子であり、軸方向両側面に永久磁石１ １を張りつけたものであっても、円板部の全域に亘って軸方向の穴を多数設け円 柱状の永久磁石を埋め込んで固着したものであっても、また円板全体が永久磁石 をなすものであってもよい。 巻線３１、４１を施した固定子３、４は、回転子１の軸方向両側面に、エアギ ャップを介して、設けられており、保持器６１、６２に固着されている。 保持器６１、６２は、軸方向案内機構７６により、フレーム７の内面にガタが 無く軸方向のみに移動可能になっている。 保持器６１、６２の間のフレーム７の内径側の大略中央部には、減速機を内蔵 した小形の両軸形の電動機９１、９２が固定されており、両軸９３１、９３２、 ９３３、９３４を低速回転することができる。両軸９３１、９３２、９３３、９ ３４の先端にはオネジ９４１、９４２、９４３、９４４が形成されており、保持 器６１、６２に設けられたメネジ９５１、９５２、９５３、９５４にねじ込まれ て、回転可能になっている。なお、オネジ９４１と９４２、９４３と９４４およ びメネジ９５１と９５２、９５３と９５４は逆ネジとしてある。 電動機９１、９２が同期して回転するとネジ９４１、９４２、９４３、９４４ とメネジ９５１、９５２、９５３、９５４が協働して固定子３、４をフレーム７ に対して軸方向に互いに反対側に移動し、固定子３、４と回転子１間のエアギャ ップの大きさが変更される。図４には電動機を２個（９１、９２）備えたものを 示しているが、第１実施例と同様に２個に限るものではない。この同期電動機の 駆動系統は第１実施例で述べたものと同じであり、図２の駆動装置１３により、 電動機９１、９２が同期回転駆動される。そして、ネジ９４１、９４３とメネジ ９５１、９５３が協働して固定子３を右または左に移動させ、ネジ９４２、９４ ４とメネジ９５２、９５４が協働して固定子４を左または右に移動させ、それぞ れのエアギャップを広く叉は狭くする。 図５は第３実施例であり、図４の第２実施例の電動機９１、９２をフレームの 外側に設け、出力軸を１つとした変形例である。 フレーム７の一部には、外径から内径側に貫通する軸方向の長穴１６１、１６ ２が設けられている。フレーム７の外周には、端部に歯車１８３を設けた円筒状 のガイド１４が設けられており、その両端を円環状のガイド１９１、１９２によ り周方向のみ回転可能に支持している。ガイド１４の一部には軸方向に僅かなテ ーパを持たせた長穴１７１、１７２が設けられている。フレーム７の内周には保 持器６１、６２の外径側の一部には、それぞれ１カ所丸穴が設けられ、ピン１５ １、１５２がはめこみ固着されている。 ピン１５１、１５２はそれぞれ長穴１６１、１７１と１６２、１７２に長穴の 長手方向のみに移動可能にはめ込まれている。歯車１８３はフレーム７の外周に 固定された電動機１８の軸１８１の先端に形成されたピニオン１８２と噛み合っ ており、電動機１８の回転によってガイド１４を周方向に回転することができる 。その時ピン１５１、１５２と長穴１６１、１６２、１７１、１７２とが協働し て保持器６１、６２を軸方向に互いに反対方向に移動させる。 第２から第３の実施例の動作と効果は第１実施例のものと同等となるのは明か である。また、以上の実施例では回転電機が同期電動機の場合を用いて説明した が、発電機であっても、電力線に生じる過大電圧を適正にできることは言うまで もない。

【０００７】

【考案の効果】

以上述べたように、本考案によると、回転子に永久磁石を登載した回転電機が 高速回転する際、固定子を移動して回転子と固定子間のエアギャップを制御する ため、回転側のダイナミックバランスが当初の良好な状態に維持されて高速回転 できる状態を維持することができる。また、固定子に生じる誘起電圧が過大とな ることなく回転速度に応じた適正な電圧にすることができるため、電源装置を破 損すること無く全体効率を良好にすることができて、永久磁石形回転電機の特徴 を生かして性能を向上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の第１実施例を示す回転電機の構造図

【図２】同期電動機を駆動する駆動系統を示すブロック
図

【図３】図２の一部の詳細図

【図４】第２実施例を示す回転電機の構造図

【図５】第３実施例を示す回転電機の一部の構造図

【符号の説明】

１ 回転子 ２ 回転軸 ３、４ 固定子 ３１、４１ 巻線 ５１、５２ 軸受 ６１、６２ 保持器 ７ フレーム ７６ 案内機構 ８１、８２ ブラケット ９１、９２ 電動機 １１１ 永久磁石 １１ インバータ １２ 演算器 １３ 同期駆動装置 １３１、１３２ 駆動装置 １３３ シンクロナイザ １０ 同期電動機 １２１ 電圧検出器 １２２ 周波数検出器 １２３ 関数器 １２４ 比較器 １２５ 回転量指令器

Claims (7)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 フレームと、中心付近に軸受を備え該フ
   レームの端部に設けられたブラケットと、巻線を施され
   て該フレームの内側に設置された固定子と、該固定子と
   細隙を介して端部を該軸受により回転可能に支持され
   た、永久磁石を備えた回転子と、固定子と回転子間のエ
   アギャップを変化させる手段とで構成されたインバータ
   駆動する永久磁石形回転電機において、 前記エアギャップを変化させる手段を、フレームと固定
   子間に設けた軸方向案内機構と、この案内機構を同期駆
   動するアクチュエータと、このアクチュエータを駆動・
   制御する同期駆動装置と、回転電機の電圧と周波数から
   前記同期駆動装置に駆動量を指令する演算器で構成した
   ことを特徴とする永久磁石形回転電機。
2. 【請求項２】 前記固定子と回転子のエアギャップが円
   錐状である請求項１記載の永久磁石形回転電機。
3. 【請求項３】 前記固定子と回転子のエアギャップが円
   筒状である請求項１記載の永久磁石形回転電機。
4. 【請求項４】 前記固定子と回転子のエアギャップが平
   面である請求項１記載の永久磁石形回転電機。
5. 【請求項５】 前記アクチュエータを、フレーム内径に
   固定した電動機、電動機の出力軸の先端に設けたオネジ
   と固定子の側面に設けたメネジとで構成した請求項１ま
   たは２記載の永久磁石形回転電機。
6. 【請求項６】 前記アクチュエータを、フレームの大略
   中央部に設けた両軸形の電動機、この電動機の両軸端に
   設けたそれぞれが逆ネジのオネジと、このオネジと嵌め
   合うメネジを設けた、固定子を固定した２組の保持器で
   構成した請求項３記載の永久磁石形回転電機。
7. 【請求項７】 前記アクチュエータを、フレームの外径
   に設けた出力軸端にピニオンを設けた電動機、このピニ
   オンに噛み合うラックと周方向に僅かなテーパを持つ長
   穴を設けた円筒状ガイド、この長穴に嵌合するピン、フ
   レームを貫通する軸方向の長穴、前記ピンを固定する穴
   を設けた２組の保持器で構成した請求項３記載の永久磁
   石形回転電機。