JP2004215495A - 励磁機、界磁機およびそれを用いた同期機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電流を通じることにより移動磁界を発生させる励磁機であって、 前記励磁機は、方向性電磁鋼板を積層したヨークおよびティースを有しており、該ヨークが前記励磁機の周方向に分割されており、該ヨークを構成する方向性電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の周方向とし、前記ティースを構成する方向性電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の径方向とし、かつ、前記ヨークとティースとの接合部を、磁化容易方向が前記励磁機の周方向および径方向である二方向性電磁鋼板とすることを特徴とする励磁機、界磁機およびそれを用いた同期機。
【選択図】 図1
Description
具体的には、例えば、励磁機としてのステータ、界磁機としてのロータ、およびそれを用いた永久磁石同期機に関する。
ロータ8には永久磁石9が埋め込まれており、ステータ7に三相交流を流すことにより発生する磁場が、この永久磁石9に働くことによりロータ8が回転する。
従来、同期機のステータは、鉄損を低減するために無方向性電磁鋼板(NO)を積層することにより作られていた。
同期機に用いられる電磁鋼板の種類については、特開平7−67272号公報に、ステータのティースとヨークとを分割する構造とし、ヨークには円周方向を磁化容易方向とする方向性電磁鋼板(GO)を用い、ティースには径方向を磁化容易方向とする方向性電磁鋼板を用いることにより鉄損を低減する方法が開示されている。
また、移動磁界を発生させる従来のコイルは、ティースに巻き付けており、そのため、ティース同士の間隔(d)を狭めることができなかったので、ステータからロータに流れる磁束(B)を大きくすることができなかった。
さらに、従来の永久磁石9は、図7に示すようにロータの周方向に配置されており、この永久磁石は磁気抵抗が大きいため、ティース2とロータ8との実効ギャップ(Gap)を大きくしてしまい、その結果、ステータからロータに流れる磁束(B)が低減するという問題点があった。
Gap=g+g´・・・・・(A)
ここに、Gap:実効ギャップ、
g :ティース先端部とロータ表面との間隔、
g´ :永久磁石によるギャップ
なお、永久磁石を磁性体に埋め込むことにより、上記g´をなくすことができるが、永久磁石を埋め込むために製造工程が増えるので製造コストが上昇するという問題点があった。
しかし、この従来技術は、ヨークとティースの接合部も透磁率の方向性の小さい磁性材を用いているので、ヨークからティースへの磁束の流れがスムーズでなく、この部分に磁気抵抗の大きい回転磁界が発生するため鉄損を低下させてしまうという問題点があった。
さらに、特開平7−59280公報には、永久磁石の励磁方向を界磁機(ロータ)の周方向とする同期電動機が開示されている。 しかし、この従来技術は、永久磁石の磁極面に略垂直に複数のスリットを設けることにより、磁束をガイドするものであり、本発明のように、二方向性電磁鋼板を利用することは全く開示されていない。
さらに、特開2001−128395公報には、積層方向鋼板を二方向性電磁鋼板とし、前記鉄心本体における磁化容易方向が、埋め込まれた永久磁石のN極およびS極の方向と一致する回転子を有する回転電機が開示されている。
しかし、永久磁石と回転子外径間の距離が異なるため、回転子から出力される磁束密度分布を均一にすることが難しく、さらに磁性体中に永久磁石を埋め込まなければならないため、構造が複雑になり製造が困難であるという問題点があった。
なお、本発明において、「径方向に配置して積層」とは鋼板の板面法線方向を略径方向にして積層することを示し、「周方向に配置して積層」とは鋼板の板面法線方向を略周方向にして積層することを示し、「軸方向に配置して積層」とは鋼板の板面法線方向を略軸方向にして積層することを示す。
前記励磁機を構成するヨークとティースは分割されており、さらに、ヨークは周方向に分割されており、
該ヨークを構成する一方向性電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の周方向とし、
前記ティースを構成する一方向性電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の径方向とし、かつ、ヨークとティースとの接合部を鋼板とすることを特徴とする励磁機。
(2)前記ヨークとティースとの接合部を一方向性電磁鋼板以外の電磁鋼板とすることを特徴とする(1)に記載の励磁機。
(3)前記ヨークとティースとの接合部を磁化容易方向が前記励磁機の周方向及び径方向である二方向性電磁鋼板とすることを特徴とする(1)乃至(2)に記載の励磁機。
(4)前記ヨークとティースの積層方向(各積層体面の法線方向をいう)が同一方向であることを特徴とする(1)乃至(3)に記載の励磁機。
(5)前記ヨークとティースの積層方向が同一方向でないことを特徴とする(1)乃至(3)に記載の励磁機。
(6)前記ヨークは、前記励磁機の軸方向に配置して積層し、前記ティースは、前記励磁機の周方向に配置して積層することを特徴とする(5)に記載の励磁機。
(7)前記ヨークは、前記励磁機の径方向に配置して積層し、前記ティースは、前記励磁機の軸方向に配置して積層することを特徴とする(5)に記載の励磁機。
(8)前記ヨークは、前記励磁機の径方向に配置して積層し、前記ティースは、前記励磁機の周方向に配置して積層することを特徴とする(5)に記載の励磁機。
(9)前記移動磁界を発生させる励磁コイルを、前記ヨークに巻き付けることを特徴とする(1)乃至(8)に記載の励磁機。
(10)永久磁石により直流磁場を発生させる界磁機であって、前記永久磁石の励磁方向を前記界磁機の周方向とし、
該永久磁石の間の領域は、磁化容易方向が前記界磁機の周方向および径方向である二方向性電磁鋼板を積層して構成することを特徴とする界磁機。
(11)(1)乃至(9)に記載の励磁機を有することを特徴とする同期機。
(12)(10)に記載の界磁機を有することを特徴とする同期機。
(13)(1)乃至(9)に記載の励磁機と(10)に記載の界磁機とを
有することを特徴とする同期機。
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態であるステータ(励磁機)の構造を示す図である。
図1において、1はヨーク、2はティース、3はヨークとティースの接合部、4は励磁コイル、8はロータを示す。
ステータは、外周部分のヨーク1と、ティース2とから主に構成され、ヨーク1とティース2がロータ8の周囲に円周状に配置されている。
ここに、方向性電磁鋼板は、磁化容易方向が特定の方向である電磁鋼板であり、磁化容易方向については無方向性電磁鋼板より優れた軟磁気特性を有する。
例えば、図4に示すように、方向性電磁鋼板は、圧延方向の比透磁率μRが、非圧延方向の比透磁率μTに比べて著しく大きくなっており、圧延方向に磁束を流し易い性質を持っている。
接合部3は、一方向性電磁鋼板以外の電磁鋼板が好ましく、さらには、磁化容易方向がステータ(励磁機)の周方向および径方向である二方向性電磁鋼板が一層好ましい。
ここでに、電磁鋼板は、一般の鋼板と比べて優れた軟磁気特性を有するため、一般の鋼板と比べて磁束を流し易い性質を持っている。
その中で一方向性電磁鋼板は、圧延方向の比透磁率は大きく、極めて優れた軟磁気特性を有するものの、圧延方向と垂直な方向の比透磁率は、無方向性電磁鋼板より小さな比透磁率であり、圧延方向と垂直な方向に磁束を流し難い性質を持っている。
ここに、二方向性電磁鋼板は、磁化容易方向が二方向である電磁鋼板であり、磁化容易方向については無方向性電磁鋼板より優れた軟磁気特性を有する。 例えば、図5に示すように、二方向性電磁鋼板は、圧延方向の比透磁率μRおよび圧延方向と垂直方向の比透磁率μTが、その他の方向に比べて著しく大きくなっており、圧延方向およびその垂直方向に磁束を流し易い性質を持っている。
ヨーク1とティース2との接合部3では、磁束を垂直に曲げる必要があるため、磁化容易方向がステータ(励磁機)の周方向および径方向である二方向性電磁鋼板を用いることにより、磁束の流れをスムーズにし、その結果、磁束(B)を強化することができるうえ、磁束が交差する部分に生じる磁気抵抗の大きい回転磁界の発生を防止することができ、ステータ(励磁機)における鉄損を低減することができる。
励磁コイルをヨーク1に巻き付けることによって、ティース2の先端同士の間隔(d)を小さくすることができ、ティース2とロータ8(界磁機)の向き合う面積が広がるので、それだけ、ティース2からロータ8(界磁機)に流れる磁束(B)を大きく、かつ、周方向(θ)に連続にすることができる。 ティース2の先端同士の間隔(d)は下記(B)式の範囲が好ましい。
g≦d≦L・・・・(B)
ここに、g:ティース先端部とロータ表面との間隔、
d:ティース先端部同士の間隔、
L:ティース根元部同士の間隔
また、dをL以下とするのは、dがL超の場合には、ティース先端部とロータ表面が対向する面積が小さくなるため、磁束(B)が小さくなるからである。
なお、従来の励磁コイルをティースに巻き付ける方法として、例えば一つ飛ばしのティースにコイルを巻き付ける分布巻き、ティースにコイルを巻き付ける集中巻きがあり、本発明の好ましい実施形態であるヨークに励磁コイルを巻き付ける胴巻きとの比較を表1に示す。
一方、本発明の好ましい実施形態である胴巻きは、コイルエンドが小さいのでティース先端部同士の間隔(d)を小さくすることにより、ティースからロータに流れる磁束(B)を増加させることができるうえ、励磁コイルに供給する電流の位相差を小さくできるので、移動磁界(B)の歪成分である空間高調波が小さいので、インバータは通常の3φでよい。 従来は、図7および図8に示すように、ヨークとティースが同じ方向に積層されていたため、磁束がヨークとティースとの境界部を通過するときに、同じ平面内で、磁束の向きが変ることから、この部分に磁気抵抗の大きい回転磁界が発生し、これによって、鉄損が著しく増加していた。
ここに、回転磁界とは、図9に示すように、例えば、X―Y平面内の位置によって磁気特性が曲線的に変化する磁界をいい、図10に示すような、直線的に変化する交番磁界と異なる磁界である。
発明者らは、種々の形態のステータについて鉄損を測定したところ、この回転磁界は、平面内で磁束の方向が変化する場所で発生しやすいことを見出した。
そこで、この回転磁界の発生を防止するためには、磁束の方向を同一平面内で変化させなければよいことに想到した。、ヨーク1とティース2の積層方向を異なる方向とすることによって、平面内での磁束の方向転換を少なくしたところ、回転磁界の発生が抑制され、鉄損を著しく低減することができた。
具体的には、図11に示すようにヨーク1は、前記励磁機の径方向に配置して積層し、ティース2は、前記励磁機の軸方向に配置して積層すればよい。また、図12に示すように、ヨーク1は、前記励磁機の径方向に配置して積層し、ティース2は、前記励磁機の周方向に配置して積層してもよいし、図13に示すように、ヨーク1は、前記励磁機の軸方向に配置して積層し、ティース2は、前記励磁機の周方向に配置して積層してもよい。
なお、本実施形態では励磁機をステータとし、界磁機をロータとしたが、ロータに電流を流すことによって、励磁機をロータとし、界磁機をステータとすることもできる。
図2は、本発明の第2の実施形態であるステータ(励磁機)の構造を示す図である。
図2において、1はヨーク、2はティース、3はヨークとティースの接合部、4は励磁コイル、8はロータを示す。
本実施形態においては、励磁コイル4は、ティース2に巻き付けられている。励磁コイル4をティース2に巻き付ける方が、第1の実施形態のようにヨーク1に巻き付けるより製造工程が簡略化でき、製造コストを低減することができる。
本実施形態は、励磁コイル4の巻き付け方法以外については、第1の実施形態と同様であるので省略する。
図3は、本発明の第3の実施形態であるロータ(界磁機)の構造を示す図である。
図3において、2はティース、5は永久磁石の間の領域、6は回転軸、8はロータ、9は永久磁石を示す。ヨーク1とティース2とヨークとティースの接合部3は、同一方向に積層されている。
本実施形態では、永久磁石9が発生させる直流磁場の方向はN→Sなので、永久磁石9の励磁方向はロータ(界磁機)の周方向となる。 その結果、永久磁石の厚みは磁気的なギャップとして働かないので、実効ギャップ(Gap)は、図3に示すティース2の先端部とロータ8の表面とのギャップ(g)そのものとなり小さくできるので、磁気抵抗および鉄損を低減することができる。
なお、回転軸6は、例えば、SUSなどの非磁性体を用いることが好ましい。 図6は、図3に示す2極6個の励磁コイル(U、−V、W、−U、V、-W)に、π/3ずつ位相をずらした正弦波の電流を流したときの移動磁界のできる様子を示す図である。
図6の下側の表は、各時間ごとに励磁コイルに流れる電流の正負を示しており、表中に矢印で示す位置と時間によって、磁束(B)の向きが逆転する。
このようにして、位相をずらした正弦波によって、移動磁界を形成することができる。
なお、本実施形態では界磁機をロータとし、励磁機をステータとしたが、ステータに永久磁石を組み込むことによって、界磁機をステータとし、励磁機をロータとすることもできる。
前記第1または第2の実施形態に示すステータ(励磁機)を、電動機(同期機)に適用することによって、鉄損が少なく出力トルクが大きい電動機(同期機)を提供することができる。
さらに、第3の実施形態に示すロータ(界磁機)を、電動機(同期機)に適用することによって、さらに鉄損が少なく出力トルクが大きい電動機(同期機)を提供することができる。
2 ティース
3 ヨークとティースの接合部
4 励磁コイル
5 永久磁石の間の領域
6 回転軸
7 ステータ(励磁機)
8 ロータ(界磁機)
9 永久磁石
Claims (13)
- 電流を通じることにより移動磁界を発生させる励磁機であって、前記励磁機は、一方向性電磁鋼板を積層したヨークおよびティースを有しており、
前記励磁機を構成するヨークとティースは分割されており、さらに、ヨークは周方向に分割されており、
該ヨークを構成する一方向性電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の周方向とし、前記ティースを構成する一方向性電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の径方向とし、
かつ、ヨークとティースとの接合部を鋼板とすることを特徴とする励磁機。 - 前記ヨークとティースとの接合部を一方向性電磁鋼板以外の電磁鋼板とすることを特徴とする請求項1に記載の励磁機。
- 前記ヨークとティースとの接合部を磁化容易方向が前記励磁機の周方向及び径方向である二方向性電磁鋼板とすることを特徴とする請求項1乃至請求項2に記載の励磁機。
- 前記ヨークとティースの積層方向(各積層体面の法線方向をいう)が同一方向であることを特徴とする請求項1乃至請求項3に記載の励磁機。
- 前記ヨークとティースの積層方向が同一方向でないことを特徴とする請求項1乃至請求項3に記載の励磁機。
- 前記ヨークは、前記励磁機の軸方向に配置して積層し、前記ティースは、前記励磁機の周方向に配置して積層することを特徴とする請求項5に記載の励磁機。
- 前記ヨークは、前記励磁機の径方向に配置して積層し、前記ティースは、前記励磁機の軸方向に配置して積層することを特徴とする請求項5に記載の励磁機。
- 前記ヨークは、前記励磁機の径方向に配置して積層し、前記ティースは、前記励磁機の周方向に配置して積層することを特徴とする請求項5に記載の励磁機。
- 前記移動磁界を発生させる励磁コイルを、前記ヨークに巻き付けることを特徴とする請求項1乃至請求項8に記載の励磁機。
- 永久磁石により直流磁場を発生させる界磁機であって、前記永久磁石の励磁方向を前記界磁機の周方向とし、該永久磁石の間の領域は、磁化容易方向が前記界磁機の周方向および径方向である二方向性電磁鋼板を積層して構成することを特徴とする界磁機。
- 請求項1乃至請求項9に記載の励磁機を有することを特徴とする同期機。
- 請求項10に記載の界磁機を有することを特徴とする同期機。
- 請求項1乃至請求項9に記載の励磁機と請求項10に記載の界磁機とを有することを特徴とする同期機。
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