JP2005094908A - Composite rotating electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ボビン式巻線による電機子巻線と磁極鉄心とによって形成する直流及び交流電磁石を複数個組み合わせて使われる回転電機と、誘導電動機等を一体とした複合回転電機として、小型機器から大型機器までの分野への普及拡大に関する。 This invention relates to a rotating electrical machine that is a combination of a plurality of direct current and alternating current electromagnets formed by an armature winding by a bobbin winding and a magnetic core, and a combined rotating electrical machine that integrates an induction motor and the like, from a small device. It is related to the spread expansion to the field to large equipment.
従来から誘導電動機は回転子には起動用誘導体としてかご形のスロットバーと回転子鉄心の両側面にスロットバーと一体成型された短絡環とより形成され自己起動形電動機として広く使用されている。誘導電動機は固定子電機子巻線の１次導体に電源が印加されると回転磁界が発生し、この磁束が回転子の起動用２次かご形誘導体に鎖交することにより導体内に誘導電流が流れ、回転磁界と作用してトルクを生じて回転し始める。即ち本電動機は誘導電動機として起動する。 2. Description of the Related Art Conventionally, induction motors are widely used as self-starting motors, which are formed of a cage-type slot bar and a short-circuit ring integrally formed with a slot bar on both sides of the rotor core as starting derivatives. The induction motor generates a rotating magnetic field when power is applied to the primary conductor of the stator armature winding, and this magnetic flux interlinks with the secondary squirrel-cage derivative for starting the rotor. Flows, acts on the rotating magnetic field, generates torque, and starts rotating. That is, this motor is started as an induction motor.
また、同期電動機は回転数が同期速度近くに達すると回転子は永久磁石の作る磁極によって同期速度に引込まれたのち電源周波数に同期した同期運転を行うこととなる。
回転子に永久磁石が配置された同期電動機は永久磁石の発生する磁束があるために励磁電力は不要となり、高い効率と力率が得られるとともに負荷変動があっても回転数は常に電源周波数に同期した定速運転ができる等のすぐれた点を有する。
最近の同期電動機は回転子には永久磁石が埋め込まれている永久磁石式同期電動機として定速度運転性及び高効率・高力率の観点から広く使用されつつある。
特に永久磁石の希土類材料の発展により高性能化、小形化の進歩が著しい状況にある。
Further, when the rotational speed of the synchronous motor reaches near the synchronous speed, the rotor is pulled to the synchronous speed by the magnetic pole formed by the permanent magnet, and then performs synchronous operation synchronized with the power supply frequency.
A synchronous motor with a permanent magnet on the rotor has a magnetic flux generated by the permanent magnet, so no excitation power is required, and high efficiency and power factor can be obtained. It has excellent features such as synchronized constant speed operation.
Recent synchronous motors are widely used as permanent magnet type synchronous motors in which permanent magnets are embedded in the rotor from the viewpoints of constant speed operation, high efficiency, and high power factor.
In particular, the progress of high performance and miniaturization is remarkable due to the development of rare earth materials for permanent magnets.
永久磁石同期電動機においては、当然のことながら、同期速度に達して始めてトルクを同一の方向に生じるのであって、そのままでは起動トルクはほとんどゼロに近い。同期電動機は起動時の電源周波数が極く低い場合を除いて自力で起動することができない。そこで商用周波数の電源で運転するには、同期電動作用に誘導電動作用を持たせるためには、起動トルクを発生する方法を講じなければならない。起動方法のひとつに回転子に起動用かご形誘導体を配置し、固定子により形成される回転磁界と、この回転磁界により起動用誘導体に誘起される誘導電流との相互作用により起動トルクを発生させる。誘導電動作用として作動させ、起動させている。その上同期速度に達した時点で同期運転が開始される。
このような特性の永久磁石式同期電動機においては、誘導体は回転子において永久磁石の外側に配置されている。これは、固定子の形成する回転磁界を永久磁石の磁界が阻害して、誘導体と交差する磁束が減じられ、または乱されて、誘導電動機としての起動特性を悪化させないようにするためである。この場合でも、誘導電動機として運転される領域において、永久磁石により固定子により形成される磁界に影響を与え、起動特性を悪化させ、すべり周波数での電磁力の脈動が外乱として作用し同期引入れが安定しないという問題がある。２次かご形誘導体を設ける形式の永久磁石電動機では起動時の誘導電動機２次リアクタンスに対し２次抵抗が大きく起動トルクは大きいが、同期速度付近で著しくトルクが減少するため同期引入れを安定化することが困難である。また、このような配置によれば、永久磁石と固定子の距離が必然的に離れ、永久磁石が回転子の表面近傍に配置された場合に比べてトルクが小さくなるという問題がある。また、永久磁石は通常高価な材料を多数使用することになり、性能とコスト面から見て好ましいものではない。
In the permanent magnet synchronous motor, as a matter of course, the torque is generated in the same direction only after reaching the synchronous speed, and the starting torque is almost zero as it is. Synchronous motors cannot be started on their own unless the power supply frequency at startup is very low. Therefore, in order to operate with a commercial frequency power supply, a method for generating a starting torque must be taken in order to provide the synchronous electric action with the induction electric action. One of the starting methods is to arrange a starting cage derivative on the rotor and generate a starting torque by the interaction between the rotating magnetic field formed by the stator and the induced current induced in the starting derivative by this rotating magnetic field. . It is activated and activated as an induction motor. In addition, synchronous operation is started when the synchronous speed is reached.
In the permanent magnet type synchronous motor having such characteristics, the derivative is disposed outside the permanent magnet in the rotor. This is to prevent the rotating magnetic field formed by the stator from being obstructed by the magnetic field of the permanent magnet so that the magnetic flux intersecting with the derivative is reduced or disturbed so that the starting characteristics of the induction motor are not deteriorated. Even in this case, in the region where the motor is operated as an induction motor, the magnetic field formed by the stator by the permanent magnet is affected, the start-up characteristics are deteriorated, and the pulsation of the electromagnetic force at the slip frequency acts as a disturbance and is synchronized. There is a problem that is not stable. Permanent magnet motors with a secondary squirrel-cage derivative have a large secondary resistance and a large starting torque with respect to the secondary reactance of the induction motor at the time of starting. Difficult to do. In addition, according to such an arrangement, there is a problem that the distance between the permanent magnet and the stator is inevitably increased, and the torque becomes smaller than when the permanent magnet is arranged near the surface of the rotor. In addition, permanent magnets usually use many expensive materials, which is not preferable from the viewpoint of performance and cost.
さらにまた、従来、前述の問題を避けるために、同期電動機と誘導電動機とを分けて同一回転軸に一体に組込む方法が行われている場合がとられているが、同期電動機も誘導電動機もともに、回転軸に対して同一円筒面に、固定子には電磁結合のための電機子巻線は分布巻きが行われていることによって、構成の本質において磁気的に干渉を受けやすく性能の低下、または大型化を伴っていた。従って、複合一体にした意味が大きく減じられていた。 Furthermore, conventionally, in order to avoid the above-mentioned problem, there has been a case where a synchronous motor and an induction motor are separately integrated into the same rotating shaft, but both the synchronous motor and the induction motor are used. In the same cylindrical surface with respect to the rotation axis, the armature winding for electromagnetic coupling is distributed to the stator, so that it is susceptible to magnetic interference in the essence of the configuration, and the performance deteriorates. Or it was accompanied by an increase in size. Therefore, the meaning of compounding was greatly reduced.
また、同期電動機も誘導電動機もともに、固定子には電磁結合のための電機子巻線は分布巻きが行われていることと、且つ、積層した電磁鋼板に巻線挿入用に設けられているスロットに巻線を組み込み製作されている。
従って、同期電動機においては、この状態では、巻線組み込み後巻線端部を接続、エンドコイルの成形や固定等非常に複雑面倒な作業で作業性が悪く、工程も長く、作業中の傷付き等による使用時絶縁破壊等の信頼性の低下、狭いスロットや巻線間の絡みや干渉、または組線作業の作業性をよくする為のスロット占積率の低下（通常５０％），余分なエンドコイルの延長によるコスト増、エンドコイル部の抵抗損の増加や漏洩磁束の増加等による効率低下や出力低下等をまねいていた。また生産の機械化が難しく、それを実施した場合に設備費に多額の費用がかかっていた。また低電圧や中型・大型機器の場合巻線の徑が大きくなり一層作業性を悪くしてさらに大幅なコスト高になっていた。このため、固定子における同期電動機の性能、小形化、生産性の進展を阻害していた。
また、従来の構造で極数を変更する場合巻き線を変えて行っているが、特別に鉄心の外形を大きくして対処する場合は別として、通常８極が限度となっている。従来の回転電機は低速、小出力時の効率が非常に低く磁石式回転電機でも２０から３０％が一般的である。
Therefore, in this situation, in the synchronous motor, after the winding is incorporated, the winding end is connected, and the end coil is shaped and fixed, so that the workability is poor, the process is long, and the work is damaged. Degradation of reliability such as dielectric breakdown during use due to, entanglement and interference between narrow slots and windings, or decrease in slot space factor (usually 50%) to improve workability of assembly work, extra The increase in cost due to the extension of the end coil, the decrease in efficiency and the decrease in output due to the increase in the resistance loss of the end coil part and the increase in leakage magnetic flux, etc. Moreover, mechanization of production was difficult, and when it was implemented, the equipment cost was large. Further, in the case of low voltage, medium-sized or large-sized devices, the winding wrinkles became larger and the workability was further deteriorated, resulting in a further significant cost increase. For this reason, the performance of the synchronous motor in the stator, downsizing, and productivity have been hindered.
In addition, when changing the number of poles in the conventional structure, the winding is changed. However, except for the case where the outer shape of the iron core is specially dealt with, the limit is usually eight. Conventional rotating electrical machines have very low efficiency at low speeds and small outputs, and 20 to 30% is common even with magnetic rotating electrical machines.
この改善に関連する技術例として、上記特許文献１の交流可変速駆動装置がある。交流電動機は、互いに磁気的に干渉しないように配置された第１及び第２の固定子巻線と、第１の固定子巻線と共に同期電動機を構成し、かつ永久磁石を有する第１の回転子と、第２の固定子巻線と共に誘導電動機を構成し、かつ、第１の回転子と同軸上に配置された第２の回転子とを備える。前記インバータは、同期電動機及び誘導電動機を個別に駆動するように各固定子巻線に交流電力を供給するとしている。しかし前述の問題は本質的に充分には解決されていない。
上記特許文献２の自己起動式同期電動機及びこれを用いた圧縮機がある。本特許では回転子鉄心の外周部近傍に埋設したかご形導体と、このかご形導体の内周側に埋設した複数の永久磁石とを有する自己起動式同期電動機において、固定子側では、電機子巻線を集中巻とするとともに、各固定子磁極の両端部を広げて固定子と回転子間に不等ギャップを形成し、回転子側では、円弧形状の永久磁石を用いて回転子中心線と並行に着磁し、各磁極間にもかご形導体を埋め込んだことにより、誘導電動機として起動加速する際の効率を向上し、集中巻を実現したことにより小型化した自己起動式（誘導）同期電動機を得ることができるとしている。しかし前述の問題は充分には解決されていない。
As an example of technology related to this improvement, there is an AC variable speed drive device disclosed in
There is a self-starting synchronous motor disclosed in
本発明は前述の問題点を解決するためになされたものであり、永久磁石式回転電機の起動時の特性に関係なく、永久磁石は通常高価な材料を効果的に使用するとともに、固定子を含めて同期運転時の特性を飛躍的に改善するとともに、小形化し、生産性を向上することができる複合式回転電機を提供することを目的とする。
永久磁石式回転電機と、電動機等を一体とした複合式回転電機として、小型機器から大型機器まで構成を可能とする。
基本的には永久磁石式回転電機として固定子においてはエンドコイルを伴わない集中巻きのボビン式巻線による電機子巻線を回転軸と直交する面に電機子巻線として配し磁極鉄心とによって形成する直流または交流電磁石を複数個組み合わせて構成し、回転子においては永久磁石を複数個組み合わせて構成し、誘導電動機として固定子においては回転軸と平行円筒面となる面に電機子巻線を配し磁極鉄心とによって構成し、回転子をかご形誘導体により構成し、永久磁石式回転電機の電機子巻線と誘導電動機の電機子巻線とは互いに本質的に磁気的に磁束面の結合は互いに直交し干渉が無く独立した構成において永久磁石式回転電機と誘導電動機を同一軸にて駆動する一体構成のもとに、発電機や電動機等の固定子や回転子の電機子巻線及び鉄心構造及びその構成と永久磁石の組合せ等において、構造のシンプル化、高性能化、複合化を図り解決される。
特に、鉄心構造・構成・材質、および巻線構造のシンプル化、少量、多種、多量生産にも対応可能な複合構造等を実現される。
さらに複合式回転電機として、誘導電動機、同期電動機、発電機等として、外部動力装置の動力・駆動システムに対して高効率、大電力が得られ、複合・多角的に活用可能とすることにある。
The present invention has been made to solve the above-described problems. Regardless of the characteristics of the permanent magnet type rotating electrical machine at the time of starting, the permanent magnet usually uses an expensive material effectively, and a stator is used. An object of the present invention is to provide a composite rotating electrical machine that can drastically improve the characteristics at the time of synchronous operation and can be downsized to improve productivity.
As a composite rotary electric machine in which a permanent magnet type rotary electric machine and an electric motor are integrated, a configuration from a small device to a large device is made possible.
Basically, as a permanent magnet type rotating electrical machine, the armature winding by the concentrated winding bobbin type winding without the end coil is arranged as the armature winding on the surface orthogonal to the rotation axis and the magnetic pole core A plurality of direct current or alternating current electromagnets to be formed are combined, a rotor is configured by combining a plurality of permanent magnets, and an induction motor is provided with an armature winding on a surface that becomes a cylindrical surface parallel to the rotation axis of the stator. It is composed of a magnetic pole core, and the rotor is composed of a squirrel-cage derivative. The armature winding of the permanent magnet type rotating electric machine and the armature winding of the induction motor are essentially magnetically coupled to the magnetic flux surface. Are orthogonal to each other and have an independent configuration in which the permanent magnet type rotating electrical machine and the induction motor are driven by the same shaft in an independent configuration, and the stator and rotor armature windings of the generator and the motor, etc. In cardiac structure and combinations of the constituent and the permanent magnet, simple in structure, high performance, is resolved achieving conjugation.
In particular, the iron core structure / configuration / material, and the winding structure can be simplified, and a composite structure capable of handling a small quantity, various types, and mass production can be realized.
Furthermore, as a combined rotary electric machine, as an induction motor, a synchronous motor, a generator, etc., high efficiency and large electric power can be obtained for the power / drive system of the external power unit, and it can be combined and used in various ways. .
この発明は上記の目的を達成する為に課題の解決手段を順に追って説明する。
第１の発明は、永久磁石式回転電機として固定子においてはエンドコイルを伴わない集中巻きのボビン式巻線を回転軸と直交する面に電機子巻線として配し磁極鉄心とによって形成する直流または交流電磁石を複数個組み合わせて構成し、回転子においては永久磁石を複数個組み合わせて構成し、誘導電動機として固定子においては回転軸と平行円筒面となる面に電機子巻線を配し磁極鉄心とによって構成し、回転子をかご形誘導体により構成し、お互いに磁気的に独立した永久磁石式回転電機と誘導電動機を同一軸にて駆動する一体構成としたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention will be described in order of means for solving the problems.
In a first aspect of the present invention, as a permanent magnet type rotating electrical machine, a direct current formed by a magnetic core with a concentrated winding bobbin winding without an end coil arranged as an armature winding on a surface orthogonal to the rotation axis in a stator. Alternatively, a combination of a plurality of AC electromagnets, a combination of a plurality of permanent magnets in the rotor, and a stator as an induction motor in which an armature winding is arranged on a surface that is a cylindrical surface parallel to the rotation axis. It is constituted by an iron core, a rotor is constituted by a squirrel-cage derivative, and a permanent magnet type rotating electrical machine and an induction motor that are magnetically independent from each other are integrated into an integrated configuration.
第２の発明は、誘導電動作用と同期電動作用をもつ電動機および永久磁石式回転電機を同一軸にて駆動する一体構成とし、該電動機としての回転子をかご形誘導体および永久磁石を複数個組み合わせて構成したことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, an electric motor having an induction electric action and a synchronous electric action and a permanent magnet type rotating electric machine are integrally configured to be driven by the same shaft, and the rotor as the electric motor is combined with a plurality of cage derivatives and permanent magnets. It is characterized by being configured.
第３の発明は、永久磁石式回転電機および電動機または誘導電動機を同一軸にて駆動する一体構成とし、外部動力装置を誘導電動作用により起動させたのち、外部動力装置により永久磁石式回転電機を発電機として発電させる構成としたことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, the permanent magnet type rotating electrical machine and the electric motor or the induction motor are integrally configured to be driven by the same shaft, and the external power device is started by induction motor action, and then the permanent magnet type rotating electrical machine is operated by the external power device. The power generator is configured to generate power.
第４の発明は、永久磁石式回転電機と電動機または誘導電動機を同一軸にて駆動する一体構成とし、外部動力装置を誘導電動作用により起動させたのち、永久磁石式回転電機さらには電動機を駆動したのち、必要に応じて永久磁石式回転電機を発電機として発電させる構成としたことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, a permanent magnet type rotating electrical machine and an electric motor or an induction motor are integrally driven to drive on the same shaft, and after starting an external power unit by induction motor action, the permanent magnet type rotating electrical machine and further the motor are driven. After that, it is characterized in that a permanent magnet type rotating electrical machine is configured to generate electricity as a generator if necessary.
第５の発明は、外部動力装置をフライホイールとして使用し蓄電を行い、さらに必要時に発電を可能としたことを特徴とする。 The fifth invention is characterized in that an external power unit is used as a flywheel for power storage, and further power generation is possible when necessary.
第１の発明は、永久磁石式回転電機と誘導電動機とが一体的に形成された複合式回転電機の構成にある。回転電機としては、固定子においてはエンドコイルを伴わない集中巻きのボビン式巻線を回転軸と直交する面に電機子巻線として配し磁極鉄心とによって形成する直流または交流電磁石を複数個組み合わせて構成し、回転子においては永久磁石を複数個組み合わせて構成されている。誘導電動機としては、固定子においては回転軸と平行円筒面となる面に電機子巻線を配し磁極鉄心とによって構成し、固定子電機子巻線による１次導体の界磁に対して、回転子を２次かご形誘導体により構成されている。係る方法によって、永久磁石式回転電機の電機子巻線と誘導電動機の電機子巻線とは互いに本質的に磁気的に磁束面の結合は互いに直交し干渉しないように独立した構造に形成されている。且つ回転電機と誘導電動機の回転子を同一軸にて駆動する一体に構成されている複合式回転電機とされている。
この構成によれば、永久磁石式回転電機と誘導電動機起動時には、誘導電動機の固定子側の１次導体と、回転子側の２次かご形誘導体との間での磁気的作用により、回転子が回転を開始する。即ち誘導電動作用の原理で回転を開始する。こののち回転電機の固定子が作る磁界の回転速度である同期速度に回転子の回転速度が達すると、固定子側のボビン巻線による電機子巻線による電機子巻線による電機子巻線と、回転子側の永久磁石との間に生じる磁気的作用により、回転子が同期速度で回転する。即ち、同期電動作用の原理で回転子が回転するので、回転子の回転速度が安定する。
誘導電動機においては、回転電機のボビン式巻線による電機子巻線と固定子磁極鉄心とにより形成する回転磁界を永久磁石による磁界の阻害がなく、磁束が減らされずまたは乱されず、誘導電動機としての起動特性を良好にさせることができる。更に、すべり周波数での電磁力の脈動、外乱作用がなく同期引入れが安定する。
回転電機としては、誘導電動機による電機子巻線と固定子磁極鉄心とにより形成する回転磁界の干渉、影響がなく、永久磁石と固定子の距離を適切な位置に配置し、磁路・磁極構造の形成を確実にし、永久磁石が回転子の表面近傍に配置されトルクが大きくなる。
さらに、回転電機として、独立したボビン式巻線による電機子巻線と磁極鉄心とによって形成する直流または交流電磁石を複数個組み合わせて使われる固定子において、巻線は集中巻きであり、各相ごとに、シンプルな形成とし、巻線と磁極鉄心は独立しているために、出力容量調整、起動トルク調整及び効率アップ等の変更、調整は容易である。
ボビン式巻線による電機子巻線によって基本的にエンドコイルを持たない電磁結合を短い線で磁極鉄心に組み込み固定子を形成し、回転電機の性能、小型化、加工性、組立作業性等の生産性の強化を確実に図ることができる。
巻線組み込み後巻線端部を接続、エンドコイルの成形や固定等非常に複雑面倒な作業がなく、工程も短く、作業中の傷付き等による使用中の絶縁破壊等の信頼性の低下も無く、狭いスロットや巻線間の絡みや干渉は全く無く、また組線作業の作業性をよくする為のスロット占積率の低下も無く、エンドコイルの延長によるコスト増およびエンドコイル部の抵抗損の増加や漏洩磁束の増加等による効率低下や出力低下等が無い。
またシンプルな構造であるために、組立作業性がよく、生産の機械化が易しく、それを実施した場合の設備費も小額ですむ。また、磁極部や磁路部などに焼結材や積層構造を使用して、性能及び生産性を上げる構造を実現している。さらに鉄心部の多種少量生産や容量の大小に適用可能な分割鉄心や極数変更が磁極部のつけ方で自在に可能な鉄心構造を可能にしている。また、低電圧のみならず中型・大型機器の場合巻線の径は比較的小さくなり、作業性をよくして、さらにコスト安が実現可能となる。
また、極数の変更は特別に鉄心の外形を大きくせずに、８極以上の実現も可能である。
また、本発明の構造においては、超高温環境で使用される回転電機は周囲温度とコイルの温度上昇値を合せた温度で２５０度以上でも実現容易となっている。
一体の構成であるから回転軸受損失も少なく、小形化も容易である。
小形回転電機でも９０％以上の効率が得られている。固定子と回転子の相互に必要な磁力を強化することにより性能の飛躍的向上、および安定性、製品の信頼性がえられる。
1st invention exists in the structure of the composite type rotary electric machine in which the permanent magnet type rotary electric machine and the induction motor were integrally formed. As a rotating electrical machine, a combination of a plurality of DC or AC electromagnets formed by a magnetic core with a concentrated bobbin-type winding without an end coil arranged on the surface orthogonal to the rotation axis as an armature winding. The rotor is configured by combining a plurality of permanent magnets. As an induction motor, in a stator, an armature winding is arranged on a surface that becomes a cylindrical surface parallel to a rotation axis, and is constituted by a magnetic core, and against the field of the primary conductor by the stator armature winding, The rotor is composed of a secondary cage derivative. By such a method, the armature winding of the permanent magnet type rotary electric machine and the armature winding of the induction motor are formed in an independent structure so as to be essentially magnetically coupled to each other so that the coupling of the magnetic flux surfaces is orthogonal to each other and does not interfere with each other. Yes. In addition, the rotary electric machine and the induction motor are configured as a combined rotary electric machine that is integrally configured to drive the rotor of the induction motor on the same axis.
According to this configuration, at the time of starting the permanent magnet type rotating electric machine and the induction motor, the rotor is caused by a magnetic action between the primary conductor on the stator side of the induction motor and the secondary cage derivative on the rotor side. Starts rotating. That is, the rotation starts on the principle of induction electric action. After that, when the rotational speed of the rotor reaches the synchronous speed that is the rotational speed of the magnetic field generated by the stator of the rotating electrical machine, the armature winding by the armature winding by the armature winding by the bobbin winding on the stator side The rotor rotates at a synchronous speed by a magnetic action generated between the rotor-side permanent magnets. That is, since the rotor rotates on the principle of synchronous electric action, the rotation speed of the rotor is stabilized.
In the induction motor, the rotating magnetic field formed by the armature winding by the bobbin-type winding of the rotating electrical machine and the stator magnetic core is not obstructed by the permanent magnet, the magnetic flux is not reduced or disturbed, and the induction motor The start-up characteristics can be improved. Further, there is no pulsation of electromagnetic force at the slip frequency and no disturbance effect, and the synchronous pull-in is stabilized.
As a rotating electrical machine, there is no interference and influence of the rotating magnetic field formed by the armature winding by the induction motor and the stator magnetic pole core, the distance between the permanent magnet and the stator is arranged at an appropriate position, and the magnetic path / magnetic pole structure The permanent magnet is arranged near the surface of the rotor, and the torque is increased.
Furthermore, as a rotating electric machine, in a stator that is used by combining a plurality of DC or AC electromagnets formed by armature windings and magnetic cores with independent bobbin windings, the windings are concentrated windings, and each phase In addition, since the winding and the magnetic core are independent, the change and adjustment such as output capacity adjustment, start-up torque adjustment and efficiency increase are easy.
By using armature windings with bobbin windings, electromagnetic couplings that basically do not have end coils are incorporated into magnetic pole cores with short wires to form stators, and the performance, miniaturization, workability, assembly workability, etc. It is possible to reliably enhance productivity.
There is no complicated work such as forming or fixing the end coil after connecting the winding end, and the process is short, and the reliability such as dielectric breakdown during use due to scratches during the work is also reduced. There is no entanglement or interference between narrow slots and windings, and there is no drop in the slot space factor to improve the workability of assembly work. There is no reduction in efficiency or output due to an increase in loss or an increase in leakage magnetic flux.
In addition, because of the simple structure, assembly workability is good, production mechanization is easy, and the equipment cost when implementing it is small. In addition, a structure that improves the performance and productivity is realized by using a sintered material or a laminated structure for the magnetic pole part and the magnetic path part. In addition, a split core that can be applied to a variety of small-scale production of iron cores and large and small capacities, and an iron core structure in which the number of poles can be changed freely by attaching the magnetic poles. Moreover, in the case of medium-sized and large-sized equipment as well as low voltage, the diameter of the winding becomes relatively small, improving workability and further reducing the cost.
Also, the number of poles can be changed to 8 or more without specially increasing the outer shape of the iron core.
In the structure of the present invention, a rotating electrical machine used in an ultra-high temperature environment can be easily realized even at 250 ° C. or higher at a temperature obtained by combining the ambient temperature and the temperature rise value of the coil.
Since it is an integral structure, there is little loss of rotary bearings, and miniaturization is easy.
Even a small rotating electrical machine has an efficiency of 90% or more. By enhancing the mutual magnetic force required between the stator and rotor, a dramatic improvement in performance, stability, and product reliability can be obtained.
第２の発明は、永久磁石式回転電機および電動機が同一軸にて駆動する一体構成として形成された複合式回転電機の構成として、電動機には誘導電動作用と同期電動作用をもち、該電動機としての回転子をかご形誘導体および永久磁石を複数個組み合わせて構成してある。
電動機に誘導電動作用と同期電動作用を持たせる上で誘導電動作用を最優先として自起動の性能を確保する。その上で得られる同期電動作用により、永久磁石回転電機の同期電動作用と併用し駆動される。この場合においては、永久磁石回転電機は前述の構成機能を併せ持ちその効果を充分に発揮される。
さらに、永久磁石回転電機が発電機として使用する場合には、電動機および回転電機の一体の構成において、電動作用と発電作用の複合・多角的作用効果を発揮される。
本発明の複合式回転電機の回転電機において基本的に高効率、小形化が行われている上で、システム構成として一体での活用として、結合損失を避け、効率良く、小型化に有利に利用でき、誘導電動機、同期電動機、発電機等として、外部動力装置の動力・駆動システムに対して高効率、大電力が得られ、複合・多角的に活用可能となることにある。
The second invention is a composite rotary electric machine formed as an integral structure in which a permanent magnet type rotary electric machine and an electric motor are driven on the same shaft. The electric motor has an induction electric action and a synchronous electric action. The rotor is constructed by combining a plurality of cage derivatives and permanent magnets.
In order to give the electric motor an induction electric action and a synchronous electric action, the induction electric action is given top priority to ensure the self-starting performance. The synchronous electric action obtained thereon is used in combination with the synchronous electric action of the permanent magnet rotating electric machine. In this case, the permanent magnet rotating electric machine has the above-described constituent functions and sufficiently exhibits its effect.
Further, when the permanent magnet rotating electric machine is used as a generator, a combined and multi-faceted operation effect of an electric action and a power generating action is exhibited in an integrated configuration of the electric motor and the rotating electric machine.
The rotary electric machine of the composite rotary electric machine according to the present invention is basically highly efficient and downsized, and as an integrated system configuration, avoids coupling loss and is used efficiently and advantageously for downsizing. As an induction motor, a synchronous motor, a generator, etc., high efficiency and large electric power can be obtained for the power / drive system of the external power unit, and it can be used in multiple and multifaceted ways.
第３の発明は、前述の効果のある構成の永久磁石式回転電機および電動機または誘導電動機を同一軸にて駆動する一体構成として形成された複合式回転電機の構成において、外部動力装置として、例えば風力発電の風車駆動、内燃機関のエンジン駆動等の駆動時には、まず誘導電動機作用により外部動力装置を起動させたのち、外部から得られる機械的エネルギーによる動作状態の外部動力装置により永久磁石式回転電機を発電機として効率よく発電させることが可能となる。 According to a third aspect of the present invention, there is provided, as an external power device, for example, a configuration of a combined rotating electrical machine formed as an integral configuration that drives the permanent magnet type rotating electrical machine and the electric motor or the induction motor having the above-described effect on the same shaft. When driving wind turbines for wind power generation, engine driving for internal combustion engines, etc., first the external power unit is activated by the action of an induction motor, and then the permanent magnet type rotating electrical machine is operated by the external power unit in the operating state by mechanical energy obtained from the outside. Can be efficiently generated as a generator.
第４、第５の発明は、前述の効果のある構成の永久磁石式回転電機および電動機または誘導電動機を同一軸にて駆動する一体構成として形成された複合式回転電機の構成において、外部動力装置としてフライホイール等を用い、誘導電動機作用により外部動力装置としてフライホイールを起動させたのち、電動機および永久磁石式回転電機を電動機として電気エネルギーにより外部動力装置としてのフライホイールを駆動し、蓄積された機械的運動エネルギーを必要時に永久磁石式回転電機により発電機として発電させ電気エネルギーとして活用させることが可能となる。 The fourth and fifth aspects of the present invention are the configuration of the permanent magnet type rotating electrical machine having the above-described effect and the combined rotating electrical machine formed as an integral configuration for driving the electric motor or the induction motor on the same shaft, and the external power unit. The flywheel was used as an external power device by the action of an induction motor as an external power device, and the flywheel as an external power device was driven by electric energy using the motor and the permanent magnet type rotating electrical machine as the motor. Mechanical kinetic energy can be generated as a generator by a permanent magnet type rotating electrical machine when necessary and utilized as electrical energy.
具体的に基本的構成として、図１に複合式回転電機の断面図、図２に永久磁石式回転電機の断面図、図３に誘導電動機の断面図に示すように、１は本発明の複合式回転電機であり、２１は永久磁石式回転電機、２２は誘導電動機からなる。永久磁石式回転電機２１は、固定子３１として電磁的結合させるボビン式巻線による電機子巻線５１と固定子磁極鉄心６１とによって直流または交流電磁石を複数個組み合わせて形成されている。図１では３相の固定子を示している。回転子４１としては永久磁石がリング状または放射状に７１、７１’を複数個組み合わせて回転子磁極鉄心８１に組み込まれ配置される。９は各永久磁石７１、７１’とを複数個組み合わせた回転子磁極鉄心８１における隔壁板である。
誘導電動機２２は、固定子３２としては１次導体巻線５２と固定子磁極鉄心６２とによって形成されている。回転子４２としては２次かご形誘導体１０と短絡環１１からなる。
１２は複合式回転電機１の回転軸受、１３は回転軸、１４は筐体である。
永久磁石式回転電機２１と誘導電動機２２の固定子３１、３２および電機子巻線５１、５２は、磁気的に互いに干渉しないように独立した構造に形成されている。且つ永久磁石式回転電機２１と誘導電動機２２の回転子４１、４２を同一回転軸１３にて駆動する上で一体に構成されている複合式回転電機１とされている。
この構成によれば、起動時には、誘導電動機２２の固定子３２側の１次導体巻線５２と、回転子４２側の２次かご形誘導体１０との間での磁気的作用により、回転子４２が回転を開始する。即ち誘導電動作用の原理で回転を開始する。こののち回転電機２１の固定子３１が作る磁界の回転速度である同期速度に回転子４１の回転速度が達すると、固定子３１側のボビン巻線による電機子巻線による電機子巻線による電機子巻線５１と、回転子３１側の永久磁石７１との間に生じる磁気的作用により、回転子４１が同期速度で回転する。即ち、同期電動作用の原理で回転子が回転するので、回転子の回転速度が安定する。
Specifically, as shown in FIG. 1, a cross-sectional view of a composite rotary electric machine, FIG. 2 a cross-sectional view of a permanent magnet rotary electric machine, and FIG. 3 a cross-sectional view of an induction motor, 21 is a permanent magnet type rotating electrical machine, and 22 is an induction motor. The permanent magnet type rotating
The
The
According to this configuration, at startup, the rotor 42 is caused by a magnetic action between the primary conductor winding 52 on the
さらに他の本発明の具体的な構成として、図４に複合式回転電機の断面図、図５に電動機の断面図に示すように、１００は本発明の他の複合式回転電機であり、２１は永久磁石式回転電機、２３は電動機からなる。永久磁石式回転電機２１は、図１と同様の構成にされている。電動機２３は、固定子３３として１次導体巻線５３と固定子磁極鉄心６３とによって形成されている。回転子４３としては２次かご形誘導体１０と短絡環１１からなる。さらにリング状の永久磁石７３が配置されている。
１２は複合式回転電機１００の回転軸受、１３は回転軸、１４は筐体である。
永久磁石式回転電機２１と電動機２３の固定子３１、３３および電機子巻線５１、５３は、磁気的に互いに干渉しないように独立した構造に形成されている。且つ永久磁石式回転電機２１と電動機２３の回転子４１、４３を同一回転軸１３にて駆動する一体に構成されている複合式回転電機１００とされている。
この構成によれば、起動時には、電動機２３の固定子３３側の１次導体巻線５３と、回転子側の２次かご形誘導体１０との間での磁気的作用により、回転子４３が回転を開始する。即ち誘導電動作用の原理で回転を開始する。こののち回転電機２１の固定子３１および電動機２３の固定子３３が作る磁界の回転速度である同期速度に回転子４１、４３の回転速度が達すると、固定子３１側のボビン巻線による電機子巻線による電機子巻線５１と回転子３１側の永久磁石７１、および固定子３３側の１次導体巻線５３と回転子４３側の永久磁石７３、との間に生じる磁気的作用により回転子４１、４３が同期速度で回転する。
即ち、同期電動作用の原理で回転子が回転するので、回転子の回転速度が安定する。
As another specific configuration of the present invention, as shown in FIG. 4 in a sectional view of a composite rotating electrical machine and in FIG. 5 in a sectional view of an electric motor, 100 is another composite rotating electrical machine of the present invention, 21 Is a permanent magnet type rotating electric machine, and 23 is an electric motor. The permanent magnet type rotating
The
According to this configuration, at the time of start-up, the rotor 43 is rotated by the magnetic action between the primary conductor winding 53 on the stator 33 side of the
That is, since the rotor rotates on the principle of synchronous electric action, the rotation speed of the rotor is stabilized.
図６は、複合式回転電機１、または１００による外部動力装置２００との結合した動力システムを示す。
複合式回転電機１、１００の誘導電動機２２または電動機２３に電力を入力し、外部動力装置２００の持つ大きな起動トルクに対して駆動させる。その後外部動力装置２００の外部から得られる機械的運動エネルギーにより駆動され、永久磁石式回転電機２１から発電機として電気エネルギーが出力として得られる。外部動力装置２００には風力による発電、内燃機関による発電等に適用することは容易な構成となる。
FIG. 6 shows a power system in which the combined rotary
Electric power is input to the
図７は、複合式回転電機１、または１００による外部動力装置３００との他の結合した動力システムを示す。
複合式回転電機１、１００の誘導電動機２２または電動機２３に電力を入力し、外部動力装置の持つ大きな起動トルクに対して駆動させる。永久磁石式回転電機２１により電動機として電力を入力して駆動し外部動力装置３００において機械的運動エネルギーを蓄積される。停電時および需用電力時等の必要時には外部動力装置３００の機械的運動エネルギーから永久磁石式回転電機２１から発電機として電気エネルギーが得られる。外部動力装置３００としてフライホイール等に適用することには容易な構成にある。
FIG. 7 shows another combined power system with the
Electric power is input to the
本発明の活用例として、一般産業用機器、家庭用電機器、自動車・車両用機器、風力・水力・火力等の電機器等、医療機器、応用範囲は極めて広く利用されうる。 As examples of use of the present invention, medical equipment such as general industrial equipment, household electric equipment, automobile / vehicle equipment, electric equipment such as wind power / hydraulic power / thermal power, and the like can be used very widely.
１、１００：複合式回転電機
２１：永久磁石式回転電機
２２：誘導電動機
２３：電動機
３１：永久磁石式回転電機の固定子
３２：誘導電動機の固定子
３３：電動機の固定子
４１：永久磁石式回転電機の回転子
４２：誘導電動機の回転子
４３：電動機の回転子
５１：永久磁石式回転電機の固定子のボビン巻線による電機子巻線
５２：誘導電動機の１次導体巻線
５３：電動機の１次導体巻線
６１：永久磁石式回転電機の固定子磁極鉄心
６２：誘導電動機の固定子磁極鉄心
６３：電動機の固定子磁極鉄心
７１、７１’：永久磁石式回転電機の永久磁石
７３：電動機の永久磁石
８１：永久磁石式回転電機の回転子磁極鉄心
８２：誘導電動機の回転子磁極鉄心
８３：電動機の回転子磁極鉄心
９：永久磁石式回転電機の回転子の隔壁板
１０：誘導電動機および電動機の２次かご形誘導体
１１：２次かご形誘導体の短絡環
１２：回転軸受、
１３：回転軸、
１４：筐体
２００、３００：外部動力装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,100: Composite-type rotary electric machine 21: Permanent magnet type rotary electric machine 22: Induction motor
23: Electric motor 31: Stator of permanent magnet type rotating electric machine 32: Stator of induction motor 33: Stator of electric motor 41: Rotor of permanent magnet type rotating electric machine 42: Rotor of induction motor 43: Rotor of electric motor 51 : Armature winding by bobbin winding of stator of permanent magnet type rotating electric machine 52: Primary conductor winding of induction motor 53: Primary conductor winding of electric motor 61: Stator magnetic pole core of permanent magnet type rotating electric machine 62 : Stator magnetic pole core of induction motor 63: stator magnetic core of
13: rotating shaft,
14:
Claims (5)
5. The composite rotating electric machine according to claim 4, wherein the external power unit is used as a flywheel for power storage, and further power generation is possible when necessary.
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