WO2021131071A1 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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WO2021131071A1
WO2021131071A1 PCT/JP2019/051612 JP2019051612W WO2021131071A1 WO 2021131071 A1 WO2021131071 A1 WO 2021131071A1 JP 2019051612 W JP2019051612 W JP 2019051612W WO 2021131071 A1 WO2021131071 A1 WO 2021131071A1
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WO
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field
stator
synchronous machine
teeth
hybrid
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PCT/JP2019/051612
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English (en)
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宇宙 満田
一将 伊藤
山田　正樹
深見　正
小山　正人
Original Assignee
三菱電機株式会社
学校法人金沢工業大学
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/04—Machines with one rotor and two stators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/02—Synchronous motors
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    • H02K19/12—Synchronous motors for multi-phase current characterised by the arrangement of exciting windings, e.g. for self-excitation, compounding or pole-changing
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K19/22—Synchronous generators having windings each turn of which co-operates alternately with poles of opposite polarity, e.g. heteropolar generators
    • H02K19/24—Synchronous generators having windings each turn of which co-operates alternately with poles of opposite polarity, e.g. heteropolar generators with variable-reluctance soft-iron rotors without winding
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/38—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with rotating flux distributors, and armatures and magnets both stationary

Definitions

  • 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.
  • a permanent magnet type rotary electric machine has been widely used as a drive motor.
  • Drive motors used in EVs 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.
  • 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.
  • the present disclosure has been made in view of the above, and an object of the present disclosure is to obtain a hybrid field type double gap synchronous machine capable of increasing the adjustment range of the field amount.
  • the hybrid field type double gap synchronous machine 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, respectively, 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 axis of rotation.
  • the second field winding is arranged between the plurality of electromagnets and the rotating shaft.
  • a plurality of field 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.
  • the hybrid field type double gap synchronous machine according to the present disclosure has the effect that the adjustment range of the field amount can be increased.
  • FIG. 1 Perspective view showing an example of the hybrid field type double gap synchronous machine according to the first embodiment.
  • 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.
  • the hybrid field type double gap synchronous machine 1 includes a first stator 10, a second stator 20, a rotor 30, and a rotation shaft 40.
  • the first stator 10 and the second stator 20 face each other in the extending direction of the rotating shaft 40.
  • the extending direction of the rotating shaft 40 may be described as the rotating shaft direction.
  • the rotor 30 is arranged at an intermediate position between the first stator 10 and the second stator 20 in the rotation axis direction.
  • the rotor 30 is fixed to the rotating shaft 40 and rotates about the rotating shaft 40.
  • the rotor 30 is rotatably supported by a housing (not shown).
  • a gap is provided between the first stator 10 and the rotor 30, and a gap is also provided between the rotor 30 and the second stator 20. In this way, the rotor 30 faces each of the first stator 10 and the second stator 20 via a gap in the rotation axis direction.
  • Each of the first stator 10, the second stator 20, and the rotor 30 is formed in a cylindrical shape.
  • Each of the first stator 10 and the second stator 20 is attached to the rotating shaft 40 via the corresponding bearing 50 of the two bearings 50.
  • the bearing 50 provided between the first stator 10 and the rotating shaft 40 is in an invisible position.
  • FIG. 3 is a perspective view showing an example of the configuration of the first stator according to the first embodiment.
  • the first stator 10 includes a first stator core 11, a plurality of permanent magnets 12, and a first field winding 13.
  • the first stator core 11 is configured by laminating a plurality of electromagnetic steel sheets.
  • the plurality of electromagnetic steel sheets constituting the first stator core 11 are laminated in the circumferential direction of the rotating shaft 40 so as not to interfere with the magnetic flux in the rotating shaft direction, for example.
  • the first stator core 11 may be composed of a plurality of electromagnetic steel sheets laminated in the rotation axis direction.
  • the circumferential direction of the rotating shaft 40 is the rotational direction of the rotor 30, and may be simply referred to as the circumferential direction below.
  • the first stator core 11 includes a plurality of polar teeth 11a arranged at intervals in the circumferential direction, and a core back portion 11b connecting the plurality of polar teeth 11a.
  • the plurality of polar teeth 11a are arranged side by side in the circumferential direction.
  • Each pole tooth 11a has a shape protruding in the direction of the rotation axis, and is not divided in the radial direction. Further, the plurality of polar teeth 11a may be individual parts, or may be an integral part obtained by processing a single core.
  • Each pole tooth 11a has a longer circumferential length in the outer peripheral region than in the inner peripheral region when viewed from the rotation axis direction.
  • each pole tooth 11a has a shape in which the length in the circumferential direction becomes longer as the distance from the rotation axis 40 is increased when viewed from the rotation axis direction.
  • the core back portion 11b of the first stator core 11 is made of a soft magnetic material, so that the magnetic flux can move in the direction perpendicular to the direction of the rotation axis.
  • the material of the first stator core 11 can also be an isotropic magnetic material such as amorphous. By using an isotropic magnetic material for the first stator core 11, iron loss in the first stator core 11 can be reduced.
  • Permanent magnets 12 are arranged on every other polar tooth 11a in the circumferential direction among a plurality of polar teeth 11a arranged in the circumferential direction. That is, in the first stator core 11, the polar teeth 11a on which the permanent magnets 12 are arranged and the polar teeth 11a on which the permanent magnets 12 are not arranged are alternately arranged in the circumferential direction.
  • the magnetic poles of the plurality of permanent magnets 12 all have the same polarity, and in the example shown in FIG. 3, they are all N poles.
  • the polarity is S due to the energization of each of the first field winding 13 and the second field winding 23 described later and the plurality of permanent magnets 12.
  • a field pole which is a pole, is formed.
  • the permanent magnet 12 has an S pole
  • the plurality of pole teeth 11a on which the permanent magnet 12 is not arranged are energized in each of the first field winding 13 and the second field winding 23.
  • a field magnetic pole having a polarity of N pole is formed by the plurality of permanent magnets 12.
  • Each permanent magnet 12 is a sintered magnet such as a neodymium magnet or a ferrite magnet. Further, the height of the polar teeth 11a in which the permanent magnet 12 is arranged in the rotation axis direction is higher in the rotation axis direction of the permanent magnet 12 than the height in the rotation axis direction of the polar teeth 11a in which the permanent magnet 12 is not arranged. It is desirable that it is lower by the amount. That is, it is desirable that the height of the combination of the permanent magnet 12 and the pole teeth 11a in the rotation axis direction is the same as the height of the pole teeth 11a in which the permanent magnet 12 is not arranged in the rotation axis direction.
  • the distance of the gap between the field pole formed on the first stator 10 and the rotor 30 can be made uniform. Further, the magnetic flux of the permanent magnet 12 interlinks with the polar teeth 11a to form a pseudo pole on the polar teeth 11a.
  • the field pole forming portion 14 is formed by the polar teeth 11a and the permanent magnets 12 facing each other in the direction of the rotation axis. That is, the field pole forming portion 14 is formed by the polar teeth 11a on which the permanent magnet 12 is arranged and the permanent magnet 12. The field pole forming portion 14 forms a field pole by the magnetic poles of the polar teeth 11a and the magnetic poles of the permanent magnet 12. In this way, in the field pole forming portion 14, the polar teeth 11a and the permanent magnet 12 form a common field pole.
  • the first field winding 13 is formed in an annular shape, and is arranged at a position closer to the rotation axis 40 than each of the plurality of permanent magnets 12 and the plurality of polar teeth 11a in the rotation axis direction. .. More specifically, the first field winding 13 is arranged between the plurality of permanent magnets 12, the plurality of polar teeth 11a, and the rotating shaft 40. As a result, the limited volume can be effectively used in the hybrid field type double gap synchronous machine 1. Further, since the first field winding 13 is formed in an annular shape, it is easy to manufacture.
  • the polar teeth 11a and the permanent magnet 12 are arranged without being divided in the radial direction. Therefore, for example, the first stator 10 has the polar teeth 11a with respect to the gap surface with the rotor 30 as compared with the case where the field winding is arranged between the polar teeth divided in the radial direction. And the area of the permanent magnet 12 can be increased.
  • 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.
  • the first stator 10 is connected to the rotating shaft 40 via the bearing 50. Since an axial force is applied to the rotating shaft 40, the rotating shaft 40 is made of a soft magnetic material such as iron. Further, in addition to the magnetic flux due to the permanent magnet 12, the magnetic flux due to the first field winding 13 and the magnetic flux of the second field winding 23, which will be described later, pass through the rotating shaft 40 in the direction of the rotating axis, so that the rotating shaft 40 is magnetically saturated. Has a sufficient diameter so that
  • FIG. 5 is a perspective view showing an example of the configuration of the second stator according to the first embodiment.
  • the second stator 20 includes a second stator core 21, a plurality of armature windings 22, and a second field winding 23.
  • the second stator core 21 includes a plurality of teeth 21a divided in the circumferential direction and a yoke portion 21b for connecting the plurality of teeth 21a.
  • the electromagnet 24 is formed by the corresponding teeth 21a of the plurality of teeth 21a and the corresponding armature windings 22 of the plurality of armature windings 22.
  • a plurality of electromagnetic steel sheets constituting the plurality of teeth 21a are laminated in the circumferential direction. Further, the yoke portions 21b are laminated in the rotation axis direction. In the examples shown in FIGS. 1 and 5, the plurality of teeth 21a and the yoke portion 21b are formed separately from each other, but the plurality of teeth 21a and the yoke portion 21b are formed by using a dust core or the like. It may be formed as an integral part.
  • Each of the plurality of armature windings 22 is mounted on the corresponding teeth 21a of the plurality of teeth 21a in a state where the axial direction of the winding is aligned with the rotation axis direction.
  • the plurality of armature windings 22 are three-phase armature windings, and include each of a plurality of U-phase armature windings 22, V-phase armature windings 22, and W-phase armature windings 22. ..
  • the U-phase armature winding 22, the V-phase armature winding 22, and the W-phase armature winding 22 are repeatedly mounted on the plurality of teeth 21a in the circumferential direction.
  • each of the plurality of air-core armature windings 22 formed by a winding jig or the like is attached to the corresponding teeth 21a among the plurality of teeth 21a. Later, a plurality of armature windings 22 can be connected.
  • the second field winding 23 is arranged at a position closer to the rotation shaft 40 than the plurality of electromagnets 24. More specifically, the second field winding 23 is arranged between the plurality of electromagnets 24 and the rotating shaft 40. As a result, the limited volume can be effectively used in the hybrid field type double gap synchronous machine 1. Further, the second field winding 23 is formed as an air-core winding by a winding jig or the like like the armature winding 22, and is mounted on the second stator 20. Good.
  • the rotor 30 is a non-magnetic holding disk that holds a plurality of iron pieces 31 arranged in the circumferential direction and forming corresponding salient poles among the plurality of salient poles, and a plurality of iron pieces 31. 32 and.
  • the iron piece 31 is made of a magnetic material, and is composed of, for example, a plurality of electromagnetic steel sheets. These plurality of electromagnetic steel sheets are laminated in the circumferential direction, for example. Further, the iron piece 31 may be composed of a dust core for the purpose of reducing the iron loss generated in the iron piece 31.
  • the number of iron pieces 31 is the same as the number of salient poles, but is not limited to the example shown in FIG.
  • the holding disk 32 is made of a non-magnetic material, for example, a high-strength resin or the like.
  • the holding disc 32 may be made of a non-magnetic metal such as a stainless steel material.
  • the thickness of the holding disc 32 in the rotation axis direction is the same as the thickness of the plurality of iron pieces 31 in the rotation axis direction.
  • a plurality of slits 33 are formed in the holding disk 32.
  • Each of the plurality of slits 33 is formed from the outer peripheral edge of the holding disk 32 to the corresponding iron piece 31 of the plurality of iron pieces 31.
  • the plurality of slits 33 can suppress the generation of eddy currents in the holding disk 32.
  • the configuration of the rotor 30 is not limited to the example shown in FIG.
  • FIG. 6 is a perspective view showing an example of a rotor having a configuration different from that of the rotor shown in FIG.
  • FIG. 7 is a perspective view showing another example of a rotor having a configuration different from that of the rotor shown in FIG.
  • FIG. 8 is a perspective view showing still another example of a rotor having a configuration different from that of the rotor shown in FIG.
  • the thickness of the holding disc 32 in the rotation axis direction is thinner than the thickness of the plurality of iron pieces 31 in the rotation axis direction.
  • the holding disk 32 of the rotor 30 shown in FIG. 6 is not provided with the plurality of slits 33 shown in FIG.
  • each side of the portion of each of the plurality of iron pieces 31 protruding from the holding disk 32 is chamfered. As a result, it is possible to suppress the occurrence of iron loss that occurs at the corners of the iron piece 31.
  • the holding disk 32 of the rotor 30 shown in FIG. 6 is not provided with the plurality of slits 33 shown in FIG. Further, in the rotor 30 shown in FIG. 7, the thickness of the holding disc 32 in the rotation axis direction is thinner than the thickness of the plurality of iron pieces 31 in the rotation axis direction.
  • the holding disk 32 is formed of a non-magnetic metal, and as shown in FIG. 8, each of the holding disk 32 extends from the outer peripheral edge of the holding disk 32 to the corresponding iron piece 31 among the plurality of iron pieces 31.
  • a plurality of formed slits 33 are provided.
  • the thickness of the holding disk 32 in the rotation axis direction is thinner than the thickness of the plurality of iron pieces 31 in the rotation axis direction, and each of the plurality of iron pieces 31 protrudes from the holding disk 32.
  • Each side of is chamfered.
  • 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.
  • the drive system 100 includes a hybrid field type double gap synchronous machine 1 and a drive circuit 110 for driving the hybrid field type double gap synchronous machine 1.
  • the drive circuit 110 includes a DC power supply 111, an inverter circuit 112, and a three-phase AC power supply 113.
  • the first field winding 13 and the second field winding 23 of the hybrid field type double gap synchronous machine 1 are connected in series, and the field current If is supplied from the DC power supply 111.
  • the first field winding 13 and the second field winding 23 are wound in the same direction as viewed from the rotation axis direction.
  • the U-phase armature winding 22, the V-phase armature winding 22, and the W-phase armature winding 22 are connected by a Y connection.
  • An armature current is supplied to the armature winding 22 from the inverter circuit 112.
  • the inverter circuit 112 is connected to the three-phase AC power supply 113 and supplies armature current to the plurality of armature windings 22 based on the electric power supplied from the three-phase AC power supply 113.
  • the electric power to the inverter circuit 112 may be supplied from a battery which is a DC power source.
  • the first stator 10 has a first field winding 13 and the second stator 20 has a second field winding 23, whereas the first stator 10 is a permanent source. Includes magnet 12. Therefore, in the hybrid field type double gap synchronous machine 1, a field magnetic flux is generated by the permanent magnet 12 regardless of whether or not the first field winding 13 and the second field winding 23 are energized.
  • the field magnetic flux generated by the permanent magnet 12 passes through the iron piece 31 of the rotor 30 through the gap between the first stator 10 and the rotor 30.
  • the field magnetic flux generated by the first field winding 13 and the second field winding 23 passes through a magnetic path avoiding the positions of the permanent magnets 12. Therefore, the magnetomotive force of the first field winding 13 and the second field winding 23 and the magnetomotive force of the permanent magnet 12 are parallel in the magnetic circuit.
  • polar teeth 11a on which the permanent magnets 12 are arranged and polar teeth 11a on which the permanent magnets 12 are not arranged are alternately arranged in the circumferential direction, and the number of the permanent magnets 12 is shown in FIG. In the example shown in FIG. 4, the number is six. Since the field magnetic flux of the permanent magnet 12 passes through a path returning to the permanent magnet 12 via the polar teeth 11a on which the permanent magnet 12 is not arranged, the field magnetic flux of the permanent magnet 12 causes 12 in the first stator 10. The field poles of the poles are formed.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the relative angle between the polar teeth of the first stator and the teeth of the second stator according to the first embodiment.
  • the virtual line L1 is a straight line including a line connecting the rotation center of the rotation shaft 40 and the center in the circumferential direction of the pole teeth 11a, and the pole teeth 11a extends in the radial direction of the first stator 10. Indicates the direction to do.
  • the virtual line L2 is a straight line including a line connecting the rotation center of the rotation shaft 40 and the center in the circumferential direction of the teeth 21a, and indicates a direction in which the teeth 21a extends in the radial direction of the second stator 20.
  • the relative angle ⁇ between the polar teeth 11a of the first stator 10 and the teeth 21a of the second stator 20 indicates the angle formed by the virtual line L1 and the virtual line L2 when viewed from the direction of the rotation axis.
  • the relative angle ⁇ is 0 [deg].
  • the polar teeth 11a of the first stator 10 and the teeth 21a of the second stator 20 are at positions facing each other in the rotation axis direction.
  • the relative angle ⁇ is not limited to 0 [deg]. That is, the polar teeth 11a of the first stator 10 and the teeth 21a of the second stator 20 may be located at positions deviated from each other when viewed from the direction of the rotation axis. Since the gap permeance changes by changing the relative angle ⁇ , it is possible to improve the distortion of the counter electromotive voltage or reduce the cogging torque by adjusting the relative angle ⁇ , and it is possible to improve the average torque.
  • 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.
  • the first field winding 13 and the second field winding 23 are wound in the same direction when viewed from the direction of the rotation axis. 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 wire 23 generates a field magnetic flux in the direction of the rotation axis.
  • the field magnetic flux generated by the first field winding 13 and the second field winding 23 passes through the rotating shaft 40, and the core back portion 11b of the first stator 10 Interlinks to the polar teeth 11a via.
  • the region on the rotation axis 40 side of the inner circumference of the first field winding 13 can be effectively used as the magnetic path, the area of the magnetic path can be widened with respect to the field magnetic flux.
  • the magnetic resistance can be reduced.
  • the polar teeth 11a also serves as a magnetic path for the field magnetic flux of the permanent magnet 12.
  • the field magnetic flux generated by the first field winding 13 and the second field winding 23 and the field magnetic flux generated by the permanent magnet 12 A plurality of field magnetic fluxes are formed in the first stator 10 by interlinking them in parallel. In the examples shown in FIGS. 1 and 2, a 12-pole field pole is formed in the first stator 10.
  • the 12-pole field pole formed on the first stator 10 is modulated when it passes through a plurality of iron pieces 31 forming 10 salient poles on the rotor 30. As a result, an eight-pole magnetic pole is formed on the rotor 30. Further, when a current is supplied to each armature winding 22 in the second stator 20, a rotating magnetic field is generated in the gap between the second stator 20 and the rotor 30. When the rotating magnetic field synchronizes with the field magnetic pole, torque is generated in the rotor 30, and the rotor 30 rotates.
  • the pole logarithm Pf of the field pole, the pole logarithm Pa of the rotating magnetic field, and the number Pr of the salient poles of the rotor 30 are not limited to the above-mentioned examples.
  • the polarity of each permanent magnet 12 is set to N pole. Further, the polarity of the magnetic poles formed on the pole teeth 11a of the field pole forming portion 14 by the field magnetic fluxes of the first field winding 13 and the second field winding 23 to which the field current If is supplied is the field.
  • the direction of the field current If which is the same as the polarity of the magnetic pole by the permanent magnet 12 of the magnetic pole forming portion 14, is set to the positive direction.
  • the drive circuit 110 has a positive field in the first field winding 13 and the second field winding 23 when the rotation speed of the hybrid field type double gap synchronous machine 1 requires a large torque in the low speed range.
  • a magnetic current If is applied.
  • a field magnetic flux is generated in the direction in which the S poles are generated on both sides of the teeth 21a in the circumferential direction in which the permanent magnets 12 which are the N poles are arranged.
  • the magnetomotive force of the N pole increases, so that the field magnetic flux increases, and as a result, the torque increases.
  • the counter electromotive voltage can be reduced by passing a current through the armature winding 22 in the direction of weakening the field magnetic flux of the permanent magnet 12.
  • the amount of current flowing through the armature winding 22 in the direction of weakening the field magnetic flux by the permanent magnet 12 is limited due to restrictions such as copper loss and power supply capacity.
  • the drive circuit 110 causes the field current If in the negative direction to flow through the first field winding 13 and the second field winding 23.
  • a field magnetic flux is generated in the direction in which the N poles are generated in the teeth 21a on both sides in the circumferential direction of the teeth 21a provided with the permanent magnets 12 which are the N poles. Since the field magnetic flux generated by the permanent magnet 12 forms an S pole at the pole teeth 11a, the magnetomotive force at each field magnetic pole decreases. As a result, the field magnetic flux is reduced and the voltage saturation is eliminated, and the hybrid field type double gap synchronous machine 1 can generate torque in a high speed range.
  • 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.
  • 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.
  • the vertical axis represents the counter electromotive voltage [V] generated in the armature winding 22, and the horizontal axis represents the time [ms].
  • 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.
  • the first stator 10 As described above, in the hybrid field type double gap synchronous machine 1 according to the first embodiment, the first stator 10, the second stator 20 facing the first stator 10, and the first stator 1 A rotor 30 is provided between the stator 10 and the second stator 20 via a gap.
  • the rotor 30 rotates about a rotation shaft 40.
  • the first stator 10 includes a plurality of permanent magnets 12, a first field winding 13 formed in an annular shape, and a plurality of polar teeth 11a arranged in the circumferential direction of the rotation shaft 40.
  • the second stator 20 includes a tooth 21a and an armature winding 22 mounted on the tooth 21a, a plurality of electromagnets 24 arranged in the circumferential direction of the rotation shaft 40, and a second field formed in an annular shape. It includes a magnetic winding 23.
  • the first field winding 13 is arranged between the plurality of permanent magnets 12, the plurality of polar teeth 11a, and the rotating shaft 40, and the second field winding 23 rotates with the plurality of electromagnets 24. It is arranged between the shaft 40 and the shaft 40.
  • a plurality of field magnetic poles are formed in the plurality of pole teeth 11a by energizing each of the first field winding 13 and the second field winding 23 and the plurality of permanent magnets 12.
  • the hybrid field type double gap synchronous machine 1 can effectively use the region on the rotation shaft 40 side of the inner circumferences of the first field winding 13 and the second field winding 23 as a magnetic path. .. Therefore, the area of the magnetic path can be widened with respect to the field magnetic flux, and the volume of the hybrid field type double gap synchronous machine 1 can be effectively used. Further, since the region on the rotation axis 40 side of the inner circumferences of the first field winding 13 and the second field winding 23 can be effectively used as a magnetic path, the field magnetic flux generated by the permanent magnet 12 and the first field magnetic flux can be effectively used.
  • the area through which the field magnetic fluxes of the field winding 13 and the field magnetic flux of the second field winding 23 pass through each iron piece 31 of the rotor 30 is large. Therefore, in the hybrid field type double gap synchronous machine 1, the field magnetic flux generated by the first field winding 13 and the second field winding 23 can be increased, and the field amount can be adjusted according to the operating point. The width can be increased.
  • the plurality of permanent magnets 12 and the plurality of polar teeth 11a are not divided in the radial direction of the rotating shaft 40.
  • the rotating shaft 40 constitutes a part of the magnetic path of the field magnetic flux formed by the plurality of permanent magnets 12, the first field winding 13, and the second field winding 23.
  • the first stator 10 has a plurality of permanent magnets 12 with respect to the gap surface with the rotor 30 as compared with the case where the field winding is arranged between the polar teeth divided in the radial direction.
  • the hybrid field type double gap synchronous machine 1 can increase the field magnetic flux generated by the first field winding 13 and the second field winding 23, and the field amount according to the operating point can be increased.
  • the adjustment range can be increased.
  • the plurality of permanent magnets 12 are arranged in the plurality of pole teeth 11a arranged every other in the circumferential direction of the rotation shaft 40 among the plurality of pole teeth 11a, and face the rotor 30.
  • the hybrid field type double gap synchronous machine 1 can form field magnetic poles on the plurality of polar teeth 11a by the magnetic fluxes of the plurality of permanent magnets 12.
  • the polarities of the plurality of permanent magnets 12 are the same as each other, and among the plurality of polar teeth 11a, the plurality of polar teeth 11a in which the plurality of permanent magnets 12 are not arranged have a plurality of polarities different from the polarities of the plurality of permanent magnets 12. Field poles are formed.
  • the hybrid field type double gap synchronous machine 1 can increase the field magnetic flux and can increase the adjustment range of the field amount according to the operating point.
  • the rotor 30 includes a plurality of iron pieces 31 that are arranged in the circumferential direction of the rotation shaft 40 to form a plurality of salient poles, and a non-magnetic holding disk 32 that holds the plurality of iron pieces 31.
  • the thickness of the holding disc 32 in the rotation axis direction which is the extending direction of the rotation axis 40, is thinner than the thickness of the plurality of iron pieces 31 in the rotation axis direction.
  • each of the plurality of iron pieces 31 is chamfered on each side of the portion protruding from the holding disk 32.
  • the hybrid field type double gap synchronous machine 1 can suppress the occurrence of iron loss generated at the corners of the iron piece 31.
  • the holding disk 32 is formed of a non-magnetic metal, and includes a plurality of slits 33 formed from the outer peripheral edge of the holding disk 32 to the corresponding iron pieces 31 among the plurality of iron pieces 31.
  • the hybrid field type double gap synchronous machine 1 can suppress the generation of eddy current in the holding disk 32.
  • each of the plurality of polar teeth 11a is arranged at a position facing the teeth 21a of the corresponding electromagnet 24 in the rotation axis direction among the plurality of electromagnets 24.
  • the hybrid field type double gap synchronous machine 1 forms a magnetic path along the rotation axis direction between each of the plurality of polar teeth 11a and the teeth 21a of the corresponding electromagnet 24 among the plurality of electromagnets 24. be able to.
  • each of the plurality of polar teeth 11a is arranged at a position deviated from the position opposite to the teeth 21a of the corresponding electromagnet 24 in the rotation axis direction among the plurality of electromagnets 24.
  • the drive system 100 includes a hybrid field type double gap synchronous machine 1 and a drive circuit for driving the hybrid field type double gap synchronous machine 1.
  • the drive circuit 110 changes the polarity of the field current If flowing through the first field winding 13 and the second field winding 23 according to the rotation speed of the rotor 30.
  • the field current If is an example of a direct current.
  • the drive system 100 can increase the adjustment range of the field amount.
  • the configuration shown in the above embodiments is 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 Hybrid field type double gap synchronous machine 10 1st stator, 11 1st stator core, 11a polar teeth, 11b core back part, 12 permanent magnet, 13 1st field winding, 14 field magnetic pole Forming part, 20 second stator, 21 second stator core, 21a teeth, 21b yoke part, 22 armature winding, 23 second field winding, 24 electromagnet, 30 rotor, 31 iron piece, 32 holding disk, 33 slit, 40 rotating shaft, 50 bearing, 100 drive system, 110 drive circuit, 111 DC power supply, 112 inverter circuit, 113 3-phase AC power supply.

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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。

Description

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
　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。
　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。
　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。
特開２０１９－１４９８９１号公報
　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。
　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。
　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。
　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。
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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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
　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。
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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。

Claims (10)

  1. 　第１の固定子と、
    　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。
  2. 　前記複数の永久磁石および前記複数の極ティースは前記回転軸の径方向に分割されておらず、
    　前記回転軸は、前記複数の永久磁石、前記第１の界磁巻線、および前記第２の界磁巻線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。
  3. 　前記複数の永久磁石は、
    　前記複数の極ティースのうち前記回転軸の周方向に１つ置きに配置される複数の極ティースに配置され、前記回転子と対向する
    　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。
  4. 　前記複数の永久磁石の極性は互いに同一であり、前記複数の極ティースのうち前記複数の永久磁石が配置されない複数の極ティースには前記複数の永久磁石の極性とは異なる極性の複数の界磁極が形成される
    　ことを特徴とする請求項１から３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。
  5. 　前記回転子は、
    　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から４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。
  6. 　前記回転子は、
    　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から４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。
  7. 　前記回転子は、
    　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から４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。
  8. 　前記複数の極ティースの各々は、
    　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７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。
  9. 　前記複数の極ティースの各々は、
    　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７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。
  10. 　請求項１から９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と、
    　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。
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