WO1990015467A1 - Machine synchrone - Google Patents

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Kazuo Nakano
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Definitions

  • the present invention relates to a synchronous machine that extracts electric power or generates torque by relatively rotating a field formed by a magnetized permanent magnet and a wound armature.
  • DC generators, DC motors, synchronous generators, and synchronous motors can be broadly classified into armature rotating types and field rotating types, but those using permanent magnets are mostly field rotating types.
  • the number of magnetic poles of the field and the number of armature poles are composed of 1: 1 and 1: 2 or an integer ratio.
  • the permanent magnet of the field pole is magnetized in a direction perpendicular to the armature winding and rotates by itself. In order to make the magnetic field near the magnetic pole close to the desired value, some consideration is usually taken for the pole shape, air gap, etc.
  • the permanent magnets of the field poles are magnetized at right angles to the relative rotation direction of the armature, so that when the poles face the armature balls, However, the strongest attraction force is generated, and at the same time, at the valleys of the magnetic poles, the attraction force decreases sharply, resulting in a strong cogging in the rotation of the armature. There was regret not done.
  • An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems in conventional generators and motors, namely, that cogging torque is large and rotation is not smooth, and that power generation efficiency is lower than mechanical input.
  • Another object of the present invention is to provide a synchronous machine such as a synchronous generator and a synchronous motor having a small input and a large output, that is, high operating efficiency.
  • the number of poles of the armature is ⁇ (where ⁇ is an integer), while the magnetic pole of the field is constituted by a plurality of permanent magnets, and the number of magnetic poles is ⁇ 1,
  • the magnetization direction of the permanent magnet is set to the rotation direction of the armature or the field or the opposite direction, and the magnetizations of a plurality of permanent magnets are arranged to be inclined with respect to the axis of the rotational motion.
  • the vehicle is moved relative to the vehicle.
  • the armature has ⁇ poles ( ⁇ is an integer) and the polarity of the permanent magnet forming the field is ⁇ ⁇ 1, the pole of the permanent magnet and the pole of the armature are directly opposed. There is always only one pair, and no other is facing at the same time. And, since this pole is inclined with respect to the axis of the rotational movement of the field formed by the permanent magnet, within the range of the angle of ⁇ super over before and after the facing, between the two. The resulting suction force does not change significantly.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the entirety
  • FIG. 2 is a front view of an armature core
  • FIG. Fig. 4 shows a specific example of armature windings
  • Fig. 4 is a front view of the permanent magnets constituting the field
  • Fig. 5 is a partial orchid drawing showing the magnetized state of the magnet
  • Fig. 7 is a circuit diagram showing the measurement state
  • Fig. 7 is a characteristic diagram of the generated voltage, current, and torque due to the load when the rotational speed is changed.
  • reference numeral 1 denotes a hollow fixed shaft, through which a rotating shaft 2 is rotatably mounted by a bearing 3.
  • FIG. 3 illustrates the winding method for odd poles.
  • A-phase windings and connecting wires are represented by solid lines, B-phase is represented by, and C-phase is represented by —————.
  • 3 windings-a phase component is formed, 3 X 3 and 9 poles 1-
  • a plurality of permanent magnets 7 are fixed so as to be located close to the outer periphery of the pole 4a of the armature core 4. I have.
  • both poles are within the range of the crossover angle before and after the facing.
  • the real suction force generated during the period does not change significantly.
  • the S pole of the permanent magnet ⁇ constituting the field passes through the position 1 in FIG. 3, for example, and as the attraction of both weakens, the next position 2 and the other poles of the permanent magnet 7 Since the repulsive force between the N pole and the negative pole increases, the decrease in the real attractive force is offset. Therefore, since the relationship is close to the confrontation, the cogging torque fluctuation due to the sudden change in the attractive force of the pole 4 due to the pole of the permanent magnet 7 constituting the field is slight. Becomes
  • one end of the coil 5 is connected to form a Y-shaped wire.
  • the load R is a DC generator in which only one-way current flows.
  • the pole of the permanent magnet 7 constituting the field since the pole of the permanent magnet 7 constituting the field is inclined, the change in the magnetic flux density generated in the ball 4 becomes small before and after facing the pole.
  • the generated current is in a state close to the flat, so that the ripple voltage included in DC can be reduced.
  • the rotation speed of the rotating shaft 2 Fig. 7 shows the generated voltage, generated current, and rotating torque at that time.
  • the outer diameter of the armature core 4 used in this experiment was 39.4, the inner diameter of the permanent magnet ⁇ composing the field was 40, the coil 5 was 0.16 mm, and the copper wire with a diameter of 140 turns was wound.
  • the line resistance is 9.3 ohm.
  • the HI rotation may be performed not by the permanent magnet 7 constituting the outer field but by the inner armature.
  • conventional brush means may be used for power extraction.
  • the magnetization direction of a plurality of permanent magnets constituting the field of a rotating field type generator is set to the field or armature rotation direction, and the magnetization of a plurality of permanent magnets
  • the magnetic path of NS becomes longer and the magnetic field distribution between NS becomes broad.
  • the cogging torque in the crossover portion of the south pole and the south pole is small because the attractive force of the south pole and the repulsion of the south pole cancel each other.
  • the armature pole is ⁇ and the pole of the permanent magnet that constitutes the field is ⁇ _ 1, even if only one armature pole and magnet pole face each other, it contributes to the reduction of cogging torque. I do.
  • the magnetic flux density that cuts the armature winding has a maximum portion that is widened and flattened, so that it becomes close to a trapezoidal waveform, and the conversion efficiency is good when converted to direct current via a diode.
  • the synchronous machine according to the present invention has a small mechanical energy loss and a small electric energy loss, and can provide a large output with a small input.

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Description

明 細 書
同期機
技術分野
本発明は、 着磁されている永久磁石で構成される界磁と、 巻線 された電機子とを相対的に回転する こ とにより電力をとり出し又 は ト ルクを発生させる同期機に関する。
背景技術
従来の直流発電機、 直流電動機や同期発電機、 同期電動機は、 電機子回転型、 界磁回転型と大き く わけられるが、 永久磁石使用 のものは界磁回転型が多い。 何れの場合でも、 界磁の磁極数と 電機子ポール数とは 1 ： 1 , 1 : 2 とか整数比で構成されている。 また界磁極の永久磁石は、 電機子巻線に対し、 直角方向に着磁さ れ、 自 ら回転する。 磁極近傍の磁場を希望値に近づけるために磁 極ポール形状、 エアーギャ ッ プ等で若干の考慮を計っているのが 通例である。
例えば、 従来の直流発電機や同期発電機においては、 界磁極の 永久磁石は、 電機子の相対回転方向と直角に着磁されているため、 その極と電機子のボールとが正対した時に、 最も強い吸引力を生 ずる し、 反面磁極の谷間では急激に吸引力が減じ電機子の回転に は強いコギ ングを生ずるため、 強い回転 ト ルクを必要と し、 その 回転もスム ーズに行われない憾があった。
本発明の目的は、 従来の発電機や電動機に於ける前述の課題即 ちコギング トルクが大き く 回転がスムーズでないこ と、 及び従つ て機械入力に比し発電効率が低いこ とを解消し、 小入力で大出力 のすなわち運転効率の高い同期発電機、 同期電動機等の同期機を 提供する こ とにある。
発明の開示 本発明は、 電機子のポール数が η個 （ただし、 ηは整数。 ） で あるのに対し、 界磁の磁極を複数の永久磁石で構成し、 かつ磁極 数を η - 1 とすると共に、 永久磁石の着磁方向を電機子又は界磁 の回転方向又はその逆方向とし、 さ らに複数の永久磁石の着磁を 回転運動の軸に対し傾斜させて配置し、 電機子、 界磁極を相対的 に移動させて運転するようにしたものである。
電機子のポールが η個 （ ηは整数） で界磁を構成する永久磁石 の極性が η - 1悃であることから、 永久磁石の極と電機子のポ一 ルとが正対するのは、 常に 1対のみであり、 他が同時に正対する ことはない。 そして、 この極は永久磁石で形成される界磁の回転 運動の軸に対し傾斜しているので、 前記正対の前後のク πスォ— バーしている角度の範囲内で、 両者の間に生ずる実質吸引カは大 き く変化することがない。
図面の簡単な説明
図面は、 本発明の一実施例である回転界磁型発電機を示すもの で、 第 1図は全体の断面図、 第 2図は電機子コアの正面図、 第 3 図はポール数が 9個の電機子巻線の具体例を示す図、 第 4図は界 磁を構成する永久磁石の正面図、 第 5図はマグネッ トの着磁状態 を示す一部の展蘭図、 第 6図は測定状態を示す回路図、 第 7図は 回転数を変化させた時の負荷による発電電圧、 電流、 トルクの特 性図である。
発明を実施するための最良の形態
次に、 本発明の実施例を、 図面について説明する。
第 1図において、 1 は中空の固定軸で、 回転軸 2がこれを貫通 し、 ベア リ ング 3 によって回転可能に軸承されている。
固定軸 1 には、 第 2図のような 9個の電機子ポ一ル （本例では η = 9 ) が形成されている電機子コア 4が固定されており、 各雷 機子ポ—ル 1 - 9 にはコ ィ ル巻線が施されている。 第 3図は奇数 極に対する巻線の方法を図示する。 A相の卷線及び接続線は実線 で表し、 B相は で、 C相は —— —— で表した。 3巻線づっー相分が形成され 3 X 3 で 9極 1 -
9 までカバーされる。
第 1 図断面図では電機子コ ィ ルは 5 である。
回転軸 2 に固定された回転枠 6 に界磁を形成するためには、 前 記電機子コア 4 のポール 4 a の外周に近接して位置するよう に複 数の永久磁石 7 が固定されている。
この永久磁石 7 は、 第 4、 5図に示すよう に、 N極と S極が交 互に内面に位置し、 且つ第 5図に示すよう に、 回転軸である円筒 形の中心線に対して傾斜して、 着磁されている。 · 永久磁石 7 の磁極数は、 n - 1 = 9 — 1 = 8 ( n = 9 ) 即ち 8 極となる。
従って、 永久磁石 7 の極と電機子コァ 4 のポール 1 - 9 とが正 対するのは、 常に 1対のみであり あ、 他が同時に正対する こ とは ない。
そ して、 この極は、 永久磁石 7 で形成される界磁の面転運動の 軸に対し傾斜しているので、 前記正対の前後のク ロスオーバー し ている角度の範囲内で、 両者の間に生ずる実質吸引力は大き く変 化する こ とはない。
界磁を構成する永久磁石 Ί の例えば S極が、 第 3図において例 えば 1 の位置を通過して、 両者の吸引力が弱まるにつれ、 次に位 置する 2 と永久磁石 7 の他の極である N極との間の反発力が增加 するので、 実質吸引力の減少は相殺される。 従って正対に近い関 係になるので、 界磁を構成する永久磁石 7 の極によるポール 4 の 吸引力の急激な変化によるコギング トルク変動は、 わずかなもの となる。
ま.た、 コ イ ル 5 は、 第 6図の回路図に示すように、 一端が結線 されて Y状锫線とされている。
そして、 その他端は、 それぞれ 2つのダイ オー ド D l aと D l b、 D 2aと D zb、 D 3aと D 3b間に接続され、 ダイ オー ド D l a、 D 2a、 D 3a及び D l bD 2bD 3bはそれぞれ結線され、 これに負荷 Rが接続 される。
従って、 負荷 Rには一方向の電流のみが流れる直流発電機とな るものである。
更に、 前述のように界磁を構成する永久磁石 7 の極が傾斜して いるため、 ボール 4に生ずる磁束密度の変化は、 極と正対する前 後において少な く なるため、 コ イ ル 5 に発生する電流はフラ ッ ト に近い状態となり、 従って直流中に含まれる リ ップル電圧を減少 する こ とができる。
この発電機に対し、 第 5図のよう に電圧計 V、 電流計 Aを接続 し、 負荷抵抗 Rを 0 , 10, 100, 470, 1000 及び無限大とした時 の、 回転軸 2 の回転数に対する発電電圧、 発電電流、 その時の回 転 トルクを第 7図に示す。
尚、 この実験に使用した電機子コア 4 の外径は 39.4關、 界磁を 構成する永久磁石 Ί の内径 40 、 コ イ ル 5 は 0.16mmの絶緣銅線は 1 4 0 タ ー ン、 巻線抵抗は 9 . 3 オームである。
尚、 本究明においては、 HI転するのは外側の界磁を構成する永 久磁石 7 でな く て内側の電機子であってもよい。 その場合、 電力 の取出しは従来のブラ シ手段を用いればよい。
以上、 発電機について説明したが、 発電機と電動機とは、 機構 が同一である I で、 本発明は電動機についても適用されるこ とは 言うまでもない。 産業上の利用可能性
本発明は、 例えば、 回転界磁型の発電機の界磁を構成する複数 の永久磁石の着磁方向を界磁又は電機子の回転方向にし、 かつ複 数の永久磁石の着磁が前記回転運動の軸に対し傾斜するよう にす るこ とにより N Sの磁路は長く なり N S間の磁界分布はブロー ド になる。 Ν極と隣の S極のク ロスオー バー部は Ν極の吸引力と S 極の反撥力がキャ ンセルし合う こ とにより コギング トルクが小さ く なる。 その上、 電機子ポールは η、 界磁を構成する永久磁石の 極は η _ 1 であるため、 電機子ポールとマグネ ッ ト極が正対する のが一対だけなこ とも、 コギング トルクの減少に寄与する。
したがって、 コギングロスが最小となる。
整流素子と して、 ロスの少ぃ S I Τ等を使用すれば、 ロスは更 に少な く なる。 永久磁石なので励磁電流ロスもない。
一方、 電機子巻線を切る磁束密度は極大部分が拡がり且平坦化 されているので、 台形波形に近く なり、 ダイ オー ドを介して直流 にかえた場合変換効率がよい。
即ち、 本発明による同期機は、 機械的エネルギーロス、 電気工 ネルビ一ロスが少く 、 小さな入力で大出力の供袷が出来る。

Claims

請求 の 範囲
η偭 （ ηは整数） のポールを有する電機子と、 こ の電機子に対 し、 相対的に回転運動をして磁界を与える η - 1個の極性を有し、 周方向に着磁されかつこの着磁が前記回転運動の軸に対し傾斜す るように複数の永久磁石を配置して構成される界磁とを有するこ とを特徴とする同期機。 .
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