JP2006180694A - ハイブリッド誘導電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】同期回転子の起動に必要な電流を低減することで電動機の効率を向上し得ると共に、誘導回転子の回転速度を容易に変更し得るハイブリッド誘導電動機を提供する。
【解決手段】ハイブリッド誘導電動機は、ケーシング１１０ａ内に固定設置される固定子１１０と、固定子１１０のセンター部に回転可能に挿入され、中心に軸１２１が固定される誘導回転子１２０と、固定子１１０と誘導回転子１２０間で軸の長手方向に往復移動し得るように軸１２１の外周方向に自由回転可能に設置された第１同期回転子１３０と、第１同期回転子１３０と対向するように、固定子１１０と誘導回転子１２０間で軸の長手方向に往復移動し得るように軸１２１の外周方向に自由回転可能に設置された第２同期回転子１４０と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド誘導電動機に関し、特に、起動性能を改善し、変速回転を容易に実現し得るハイブリッド誘導電動機に関する。

ハイブリッド誘導電動機とは、固定子と誘導回転子間に永久磁石（以下、同期回転子という）が自由回転可能に設置されることで固定子と誘導回転子に電磁気的に結合された構造の電動機である。

図８は、従来のハイブリッド誘導電動機を示す縦断面図であり、図９は、図８のＩ−Ｉ線断面図である。

図示されたように、従来のハイブリッド誘導電動機１０は、ケーシング１０ａの内側に固定設置される固定子１１と、該固定子１１の内側に所定間隔を有して回転可能に設置された同期回転子１４とを含む。該同期回転子１４の内側には所定間隔を有して回転可能に誘導回転子１３が設置され、該誘導回転子１３の中心には誘導回転子１３の回転力を外部に出力するための回転軸１５が固定されている。

固定子１１は、硅素鋼板シートが積層された構造であり、その内周面に回転磁界を発生する駆動コイル１６を巻線し得るように複数のスロット部１６ａが形成されている。

かつ、同期回転子１４は、固定子１１と誘導回転子１３間で自由回転可能に嵌合されたマグネット部１４ａと、該マグネット部１４ａを支持するマグネットサポート部１４ｂと、該マグネットサポート部１４ｂが回転軸１５を中心に自由に回転し得るようにするベアリング部１４ｃとから構成される。

また、誘導回転子１３は、硅素鋼板を積層した鉄心に所定間隔有して複数の通孔１３ａが形成され、それら各通孔１３ａに棒導体１３ｂがそれぞれ挿入されたかご形誘導回転子（squirrel cage rotor）構造である。棒導体１３ｂの両端部には、エンドリング１３ｃがそれぞれ連結されている。符号１５ａは、軸ベアリングを示す。

以下、このように構成された従来のハイブリッド誘導電動機の動作を説明する。

まず、固定子１１の駆動コイル１６に１次電流が順次印加されて回転磁界が発生すると、該磁界に同期回転子１４が同期されて同期速度で回転する。同期回転子１４のマグネット部１４ａから発生した磁束が誘導回転子１３に対して回転磁界の役割を果たし、誘導回転子１３がすべりながら（slip）回転する。

ここで、誘導回転子１３に結合された回転軸１５が誘導回転子１３と一緒に回転すると共に、ファンのような他の部品に回転力を伝達する。

しかしながら、このように構成された従来のハイブリッド誘導電動機１０においては、誘導回転子１３と同期回転子１４との空隙の磁束密度がほぼ一定の状態で単一の同期回転子を有する構造になっているため、同期回転子１４の起動トルクが足りないことがあり、これを克服するためには、初期駆動の際、駆動コイル１６に大きな電流を供給しなければならないという問題があった。

また、駆動コイル１６に印加される電圧を変化させても空隙の磁束密度の変化は非常に小さいため、可変速運転を実現することが難しく、よって、電動機の効率が低下し、機能の多様化にも限界があるという問題点があった。

本発明は、このような従来の問題点を解決するために提案されたもので、本発明の目的は、同期回転子の起動に必要な電流を低減することで電動機の効率を向上し得るハイブリッド誘導電動機を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、誘導回転子の回転速度を容易に変更し得るハイブリッド誘導電動機を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明に係るハイブリッド誘導電動機は、ケーシング内に固定設置される固定子と、該固定子のセンター部に回転可能に挿入され、中心に軸が固定された誘導回転子と、前記固定子と誘導回転子間で軸の長手方向に往復移動し得るように前記軸の外周方向に自由回転可能に設置された第１同期回転子と、該第１同期回転子と対向するように、前記固定子と誘導回転子間で軸の長手方向に往復移動し得るように前記軸の外周方向に自由回転可能に設置された第２同期回転子と、を含むことを特徴とする。

前記第１同期回転子は、中央に軸が回転可能に結合される第１サポート部と、前記第１サポート部の端部に円周方向に沿って係合され、前記固定子の回転磁界によって回転すると共に前記誘導回転子を回転させる第１マグネット部と、前記軸が挿入されるように前記第１サポート部のセンター部に設置される第１ベアリング部と、から構成され、前記第２同期回転子は、中央に軸が回転可能に結合される第２サポート部と、前記第２サポート部の端部に円周方向に沿って係合され、前記固定子の回転磁界によって回転すると共に前記誘導回転子を回転させる第２マグネット部と、前記軸が挿入されるように前記第２サポート部のセンター部に設置される第２ベアリング部と、から構成されることを特徴とする。

かつ、前記第１ベアリング部はオイルレスベアリングであり、前記第１サポート部は非磁性体であり、さらに、前記第２ベアリング部はオイルレスベアリングであり、前記第２サポート部は非磁性体であることが好ましい。

前記第１サポート部及び第１マグネット部、前記第２サポート部及び第２マグネット部は、それぞれ一体に形成されることが好ましい。

また、前記第１マグネット部に対応する軸の長さは、前記第２マグネット部に対応する軸の長さより相対的に長く形成されることが好ましい。

また前記第１同期回転子の第１マグネット部と前記第２同期回転子の第２マグネット部とが非磁性体である中間媒体（intermediate member）により常に所定間隔を維持してもよく、前記第１マグネット部の端部と前記第２マグネット部の端部とが接触してもよい。

本発明に係る二重永久磁石構造を有するハイブリッド誘導電動機は、初期駆動の際、引込電流（起動電流）を大幅に低減することで、電動機の騒音の減少及び効率の向上を達成し得るだけでなく、印加電圧の変化により同期回転の磁束が変化するので、ハイブリッド誘導電動機の回転速度を自由に変更することができ、よって、これを採用した製品の機能の多様化を実現し得るという効果がある。

以下、添付図面に基づいて本発明に係るハイブリッド誘導電動機について説明する。

図１は、本発明に係るハイブリッド誘導電動機の一実施形態を示す縦断面図で、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図で、図３は、図１の同期回転子及び誘導回転子を示す斜視図で、図４〜図６は、図１の起動及び変速時の第１及び第２同期回転子の位置を示す概略図である。

図示されたように、本発明に係るハイブリッド誘導電動機１００は、二重同期回転子を有する誘導電動機であり、その構成は、ケーシング１１０ａの内部に挿入固定設置される固定子１１０と、該固定子１１０のセンター部に回転可能に設置され、中心に軸１２１が固定される誘導回転子１２０と、固定子１１０と誘導回転子１２０間で軸１２１の長手方向に往復移動し得るように軸１２１の外周方向に自由回転可能に設置される第１同期回転子１３０と、該第１同期回転子１３０と対向するように固定子１１０と誘導回転子１２０間で軸１２１の長手方向に往復移動し得るように軸１２１の円周方向に自由回転可能に設置される第２同期回転子１４０と、を含む。

固定子１１０の一方には、該固定子１１０がＮ極又はＳ極の極性を有するように固定子コイル１１１が巻かれるコイル巻取部１１６が形成されている。

誘導回転子１２０の中心には軸１２１が固定される軸孔１２３が形成され、その外郭には円周方向に沿って複数の導体孔１２４が等間隔で形成され、それら導体孔１２４には導体バー１２５がそれぞれ挿合されている。

導体バー１２５は、ダイキャスト（Die Casting）により形成され、その材質としては一般にアルミニウムが使用されるが、銅を使用することもできる。かつ、各導体バー１２５の端部にはアルミニウムのエンドリング１２５ａが形成される。

第１同期回転子１３０は、中央に軸１２１が回転可能に結合される第１サポート部１３１と、該第１サポート部１３１の端部に円周方向に沿って結合されることで固定子１１０の回転磁界によって回転しながら誘導回転子１２０を回転させるシリンダ状の第１マグネット部１３３と、軸１２１が挿入されるように第１サポート部１３１のセンター部に設置される第１ベアリング部１３５と、から構成される。

また、第２同期回転子１４０も、中央に軸１２１が回転可能に結合される第２サポート部１４１と、該第２サポート部１４１の端部に円周方向に沿って結合されて固定子１１０の回転磁界によって回転しながら誘導回転子１２０を回転させるシリンダ状の第２マグネット部１４３と、軸１２１が挿入されるように第２サポート部１４１のセンター部に設置される第２ベアリング部１４５と、から構成される。ここで、第１サポート部１３１及び第２サポート部１４１は、非磁性体で形成されることが好ましい。

また、図３に示すように、第１マグネット部１３３及び第２マグネット部１４３は、それぞれ複数の極を有してそれぞれ半径方向に着磁されており、円周方向に沿ってＮ極とＳ極が交互に形成される。

また、第１マグネット部１３３に対応する軸の長さ（Ｌ₁）は、第２マグネット部１４３に対応する軸の長さ（Ｌ₂）より相対的に長く形成されることが好ましい。

ここで、第１サポート部１３１及び第１マグネット部１３３は、射出成形により一体に形成され、第２サポート部１４１及び第２マグネット部１４３も射出成形により一体に形成される。

また、軸１２１が円滑に回転するために第１ベアリング部１３５及び第２ベアリング部１４５はオイルレスベアリングで形成される。

また、第１マグネット部１３３の端部１３３ａと第２マグネット部１４３の端部１４３ａとは接触している。ここで、第１マグネット部１３３の端部１３３ａ及び第２マグネット部１４３の端部１４３ａが互いに接触した状態で、第１同期回転子１３０及び第２同期回転子１４０は軸１２１の長手方向にすべることも可能で、軸１２１の円周方向に自由回転も可能に設置されている。

また、第１同期回転子１３０及び第２同期回転子１４０と固定子１１０との間には第１空隙ｔ１が形成され、第１同期回転子１３０及び第２同期回転子１４０と誘導回転子１２０との間には第２空隙ｔ２が形成されている。

以下、図１〜図６に基づいて本発明に係るハイブリッド誘導電動機の一実施形態の動作について説明する。

まず、固定子１１０の駆動コイル１１１に１次電流が順次印加されて回転磁界が発生すると、該回転磁界により第１同期回転子１３０及び第２同期回転子１４０が同期して同期速度で回転する。

ここで、第１マグネット部１３３及び第２マグネット部１４３により発生した磁束が回転磁界の役割を果たし、誘導回転子１２０が滑りながら回転する。ここで、該誘導回転子１２０に固定された軸１２１を介して出力が外部に伝達される。

一方、第１同期回転子１３０及び第２同期回転子１４０は、同期される前は、図４及び図５の状態以外の状態、すなわち、第１同期回転子１３０及び第２同期回転子１４０の各極が任意に対向するように配列された状態以外の状態で同期速度になる直前まで回転する。

その後、第１同期回転子１３０及び第２同期回転子１４０が同期された状態では、駆動コイル１１１に印加される電圧が大きいため、固定子１１０から出力される磁力が第１同期回転子１３０及び第２同期回転子１４０の相異なる極が引き合う力より十分大きい場合、図４及び図５に示すように、第１同期回転子１３０及び第２同期回転子１４０がＮ−Ｎ、Ｓ−Ｓ又はＮ−Ｓ、Ｓ−Ｎのように集まって（対向して）同期速度で回転する。ここで、第１同期回転子１３０及び第２同期回転子１４０の内側に発生する回転磁界が最大となるため、結局、誘導回転子１２０の回転速度が最大となる。

また、駆動コイル１１１に印加される電圧が小さいため、固定子１１０から出力される磁力が第１同期回転子１３０及び第２同期回転子１４０の相異なる極が引き合う力より十分大きくない場合は、図６に示すように第１同期回転子１３０及び第２同期回転子１４０は同一極が少しだけ重なった状態を保持しながら同期速度で回転し、この過程で第１同期回転子１３０及び第２同期回転子１４０の内側の回転磁界の強度が弱くなるため、誘導回転子１２０の回転速度が減少する。

このように、本発明に係るハイブリッド誘導電動機の一実施形態においては、図４の状態から図５の状態に転換される過程で、駆動コイル１１１から発生する回転磁界の強度が弱い場合、第１同期回転子１３０及び第２同期回転子１４０が駆動コイル１１１の回転磁界に交互に同期する現象が発生する。これにより、第１同期回転子１３０及び第２同期回転子１４０の極数が約２倍に増加する効果が発生するため、初期駆動のとき、第１同期回転子１３０及び第２同期回転子１４０を同期速度で回転させるための回転磁界を大幅に低減することができる。ここで、第１同期回転子１３０及び第２同期回転子１４０が交互に同期する過程で、軸１２１方向の振動が発生する可能性があるが、その振動は、後述する中間媒体２７０の軸方向長さ又は第１同期回転子１３０のオーバーハング（Over hang portion）１３０ａ、すなわち、固定子１１０よりさらに外部に露出した部位の軸方向の長さを適切に調節することにより防止できる。

一方、図７は、本発明に係るハイブリッド誘導電動機の他の実施形態を示す縦断面図である。

図７に示すように、本発明に係るハイブリッド誘導電動機２００において、第１同期回転子２３０の第１マグネット部２３３及び第２同期回転子２４０の第２マグネット部２４３は、中間媒体２７０により常に所定間隔を保持し得るように構成することもできる。ここで、中間媒体２７０は非磁性体であることが好ましい。

また、中間媒体２７０の一方側は第１マグネット部２３３の端部２３３ａに固定されており、中間媒体２７０の他方側は第２マグネット部２４３の端部２４３ａに接触した状態を維持する。

このように構成された本発明に係るハイブリッド誘導電動機の他の実施形態の動作は、前述した本発明に係るハイブリッド誘導電動機の一実施形態の動作と同一であるので、説明を省略する。

本発明に係るハイブリッド誘導電動機の一実施形態を示す縦断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図１の同期回転子及び誘導回転子を示す斜視図である。 図１の起動及び変速時の第１及び第２同期回転子の位置を示す概略図である。 図１の起動及び変速時の第１及び第２同期回転子の位置を示す概略図である。 図１の起動及び変速時の、第１及び第２同期回転子の位置を示す概略図である。 本発明に係るハイブリッド誘導電動機の他の実施形態を示す縦断面図である。 従来のハイブリッド誘導電動機を示す縦断面図である。 図８のＩ−Ｉ線断面図である。

符号の説明

１１０ 固定子
１１０ａ ケーシング
１１１ 固定子コイル
１１６ コイル巻取部
１２０ 誘導回転子
１２１ 軸
１２１ａ ベアリング部
１２３ 軸孔
１２４ 導体孔
１２５ 導体バー
１３０ 第１同期回転子
１３１ 第１サポート部
１３３ 第１マグネット部
１３５ 第１ベアリング部
１４０ 第２同期回転子
１４１ 第２サポート部
１４３ 第２マグネット部
１４５ 第２ベアリング部
２７０ 中間媒体

Claims (10)

1. ケーシングの内部に固定設置された固定子と、
   該固定子のセンター部に回転可能に挿入され、中心に軸が挿入固定された誘導回転子と、
   それら固定子と誘導回転子間で軸の長手方向に往復移動し得るように前記軸の外周方向に自由回転可能に設置された第１同期回転子と、
   該第１同期回転子と対向するように、前記固定子と前記誘導回転子間で軸の長手方向に往復移動し得るように前記軸の外周方向に自由回転可能に設置された第２同期回転子と、
   を含むことを特徴とするハイブリッド誘導電動機。
2. 前記第１同期回転子は、
   中央に軸が回転可能に結合される第１サポート部と、
   前記第１サポート部の端部に円周方向に沿って係合され、前記固定子の回転磁界によって回転すると共に前記誘導回転子を回転させる第１マグネット部と、
   前記軸が挿入されるように前記第１サポート部のセンター部に設置される第１ベアリング部と、
   から構成され、
   前記第２同期回転子は、
   中央に軸が回転可能に結合される第２サポート部と、
   前記第２サポート部の端部に円周方向に沿って係合され、前記固定子の回転磁界によって回転すると共に前記誘導回転子を回転させる第２マグネット部と、
   前記軸が挿入されるように前記第２サポート部のセンター部に設置される第２ベアリング部と、
   から構成されることを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッド誘導電動機。
3. 前記第１ベアリング部はオイルレスベアリングであり、前記第１サポート部は非磁性体であることを特徴とする、請求項２に記載のハイブリッド誘導電動機。
4. 前記第２ベアリング部はオイルレスベアリングであり、前記第２サポート部は非磁性体であることを特徴とする、請求項２に記載のハイブリッド誘導電動機。
5. 前記第１サポート部及び第１マグネット部は一体に形成されることを特徴とする、請求項２に記載のハイブリッド誘導電動機。
6. 前記第２サポート部及び第２マグネット部は一体に形成されることを特徴とする、請求項２に記載のハイブリッド誘導電動機。
7. 前記第１マグネット部に対応する前記軸の長さは、前記第２マグネット部に対応する前記軸の長さより相対的に長く形成されることを特徴とする、請求項２に記載のハイブリッド誘導電動機。
8. 前記第１マグネット部の端部と前記第２マグネット部の端部とは接触することを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッド誘導電動機。
9. 前記第１同期回転子の第１マグネット部と前記第２同期回転子の第２マグネット部とは中間媒体により常に所定間隔を維持することを特徴とする、請求項２に記載のハイブリッド誘導電動機。
10. 前記中間媒体は非磁性体であることを特徴とする、請求項９に記載のハイブリッド誘導電動機。

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