JP4212982B2

JP4212982B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP4212982B2
Application number: JP2003288429A
Authority: JP
Inventors: 興起仲; 正夫守田; 哲藤村; 政志長尾; 一将伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2023-08-07
Also published as: JP2005057941A

Description

この発明は、エレベータやエアコン、車載用等種々の機器の回転動力や電圧を供給するために用いられている電動機や発電機などの回転電機に関するものであり、特にインバータ等の周波数可変装置を用いて可変速運転を行う回転電機に係るものである。

従来より、低速回転から高速回転の広い範囲にわたって運転される電動機や発電機において、高効率化を実現するために、多くの技術が示されている。このうち、高速回転時の効率向上を目的に、ロータとステータ間の空隙を回転速度（回転数）に応じて変化させることが示されている（例えば、特許文献１，２）。
また、ロータが複数個で構成され、回転速度の変化に応じて複数個のロータのうち、少なくとも１個を他のロータの磁極に対して回転方向にずらして、ステータ磁極との対向面積を増減して、高速回転を可能とすることが示されている（例えば、特許文献３）。

特開２００２−２４７８２２号公報（図１，００１５欄）実開平６−２４３８３号公報（図１，０００４欄）特開２０００−２０１４６１号公報（図１，０００９欄）

しかしながら、前記特許文献１に示されたものは、アキシャルギャップを有する電力貯蔵用フライホイール装置に関するものであり、一般のモータ等に適用する場合、例えば同一枠番で出力を異なるものとする場合には、径を変更する必要があり、製造コスト、量産性等から汎用性が乏しい技術である。また特許文献２に示されたものは、ロータとステータとの対向面が円錐状の複雑な構造であり、これまた量産性が乏しくかつ製造コストが高価なものとなるという問題点を有している。
さらに特許文献３に示されたものは、回転中にロータを相対的に回転移動させるものであり、高速回転中に物体を移動させることは、高度な技術を必要とするばかりでなく、回転バランスがとりにくく、振動や騒音発生の原因となるという問題点がある。

さらに上記のような問題点に加えて、汎用回転電機の電圧と損失に関する問題点を以下に述べる。

ステータに設けられたある相のコイル１ターンに鎖交する磁束量は以下の式１のとおりに示される。

この磁束量が時間的に変化するため、コイルには以下の電圧が生じる。電圧は以下の式２のとおりに示される。

ここで最大電圧は、Ｖｍ＝ｎ・Φｍ・ω と表され、電圧は回転数に比例することがわかる。この電圧はある相の１コイルの電圧であり、回転電機の端子電圧は結線により値は異なるが、回転速度に比例することは変らない。出力は端子間電圧と電流とを用いて以下の式３のとおり示される。

モータの場合、回転速度と出力の関係でよく用いられているものが、出力一定である。前記式３から、効率、力率を一定とすると、電流は電圧に逆比例する。つまり電流は、回転速度に逆比例することとなる。
モータにおける主要な損失は、一次銅損と鉄損であり、それらを簡略に記載すると以下の式４のとおりである。

これらの結果から、電圧は回転速度に比例、電流は回転速度に逆比例、一次銅損は回転速度の２乗に逆比例、鉄損は回転速度の２乗に比例することがわかる。これらの関係を示す概念図を図１に示す。図１において、Ｖは電圧、Ｉは電流、Ｌｏｓｓは損失、Φは磁束、Ｗｃ１は一次銅損、Ｗｉは鉄損を示す。この図１から多くの問題がわかる。
（１）可変速運転用インバータ装置などは、使用最大定格電圧が定められており、それを越えると故障発生の原因となる。このため、回転電機の速度（回転数）上限が前記最大電圧によって規定される。
（２）回転電機の最高温度上昇限度は、コイル絶縁などによって制限されるものであり、それを越えると絶縁不良の原因となる。このため、速度（回転数）の上限が前記損失によって規定される。
（３）回転速度範囲を広く設定しようとすると、最低速度の電流（最大電流）と、最高速度の電圧（最大電圧）を定格とするモータ駆動電源を必要とする。これは一定速度で運転されるモータと比較すると、電源が大きくなることがわかる。

この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであって、回転電機の運転中に、その回転速度に応じて複数個に分割されたステータを径方向に移動させることにより、端子間電圧を径方向移動量に対応して調整可能とした回転電機を提供することを目的としている。

第１の発明に係る回転電機は、ステータは、ロータと対向する軸方向に複数個に分割されているとともに、円周方向に移動可能な構成を備えており、さらに各ステータには、複数個のティースが設けられているとともに径方向に移動可能な機構を有し、かつコイルが設けられており、回転電機の運転中に、その回転速度に応じて複数個のティースが径方向に移動してロータとの空隙を変化させることによって、各ステータのコイル端子間には、空隙に対応した電圧が生じることにより、回転電機の端子間電圧を調整可能とするとともに、回転電機が運転停止時に、空隙を零となるようステータの複数個のティースが移動し、ロータを回転しないよう、ティースが、ロータを保持するものである。

第２の発明に係る回転電機は、ステータには、複数個のティースが設けられているとともに径方向に移動可能な機構を有し、かつコイルが設けられており、回転電機の運転中に、その回転速度に応じて複数個のティースが径方向に移動してロータとの空隙を変化させることによって、ステータのコイル端子間には、空隙に対応した電圧が生じることにより、回転電機の端子間電圧を調整可能とするとともに、回転電機が運転停止時に、空隙を零となるようステータの複数個のティースが移動し、ロータを回転しないよう、ティースが、ロータを保持するものである。

この発明の回転電機は、ステータが複数個に分割されているとともに複数個のティースが設けられ、回転速度に応じて複数のティースを径方向に移動させることにより、ロータとステータの空隙を変化させるので、端子間電圧がほぼ一定となり、それに伴い電流損失もほぼ一定となり、高速回転時の効率が向上するとともに、電源容量が低減し、さらには運転停止時にティースがロータを保持するのでロータにブレーキをかけるという優れた効果を奏する。

また、ステータには、複数個のティースが設けられ、回転速度に応じて、複数個のティースを径方向に移動させることにより、端子間電圧がほぼ一定となり、それに伴い電流損失もほぼ一定となり、高速回転時の効率が向上するとともに、電源容量が低減し、さらには運転停止時にティースがロータを保持するので、ロータにブレーキをかけるという優れた効果を奏する。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図２において、回転電機１００はシャフト３に対向して、軸方向に２分割された第１のステータ２１と第２のステータ２２を備えている。この第１、第２のステータ２１、２２は図３、図４に示すように、それぞれコイル４が設けられており、軸方向外部にコイルエンド４ａが存在している。前記ステータ２１、２２のコイル４は、直列結線か、並列結線される。
このステータ２１、２２の側面図を図３（ａ）（ｂ）、図４（ａ）（ｂ）に示す。
図３（ａ）は、第１、第２のステータ２１、２２が分割面２１ｂ、２２ｂを有して２分割されており、図示省略した機構により回転速度に応じて径方向（上下方向）に移動可能な構成となっている。図３（ｂ）に回転速度に応じて第１、第２のステータ２１、２２が移動した状態を示す。
図４（ａ）は、第１、第２のステータ２１、２２が分割面２１ｂ、２２ｂを有して４分割されており、図示省略した機構により回転速度に応じて径方向に移動可能な構成となっている。図４（ｂ）は第１、第２のステータ２１、２２が移動した状態を示す。
このようにこの実施の形態１では、回転速度に応じて第１、第２のステータ２１、２２が径方向に移動することで、ロータとステータとの空隙が変化し、回転速度が高速となるに対応して空隙長を大きくすると磁気抵抗が大きくなって磁束量が低下し、よって電圧Ｖ＝ｄΦ／ｄｔが低下して、電圧の上昇を抑制することができる。
このようなステータ構成を採用すると、回転速度にほぼ比例して空隙が大きくなるようステータ２１、２２を移動させると、電圧が一定となり、それに伴う電流もほぼ一定でかつ損失も一定となって効率が向上し、さらには電源容量が低減する。また、複数個のステータの径方向移動量を回転速度によって決まる所定の移動量に設定することにより、回転電機の端子間電圧を所定の値とすることができ、同様の効率を奏する。以上の関連の模式図を図５に示す。

また、従来の技術では、例えばモータを可変速運転する場合、その可変速範囲の最高速度での最大電圧値と、最低速度での最大電流値を満足する電源容量を備えていた。しかしながら、実際の出力はその電源容量より格段に小さい。前記したようにこの実施の形態１で示したように、ステータを軸方向に２個に分割し、かつ円周方向にも複数個に分割することにより、最大電圧を抑制することが可能となり、これは電流低減にもつながる。よって電源容量の低下にもつながる。

実施の形態２．
複数個のステータを有する回転電機１００を構成する場合、各ステータに設けられたコイル４のコイルエンド４ａが、ステータ２１、２２間に介在して回転電機１００の小型化の妨げとなる。コイルエンド４ａの軸方向長さはできる限り短い方が望ましい。そのために、コイル４はトロイダル状または集中巻きの巻線を施したステータ２１、２２を用いることによってコイルエンド４ａの軸方向長さを短くし、回転電機の小型化を達成できる。

また、図６に示すようにステータ２１、２２の相対向する側のコイルエンド４ａのロータ３側に、ロータ３の軸方向に対向して突出したステータ突出部２１ａ、２２ａを設けることで、ロータ３の磁束を有効に利用することが可能となる。さらに図７に示すように、ステータ２１、２２を、可撓性のある共通のコイル４ｃで構成することにより、径方向への移動を可能とするようにしてもよい。
また、ステータ２１、２２は互いに同じ軸長（積層長）であってもよく、異なった軸長であってもよい。なおステータは、２分割、４分割の例を示したがそれ以外の複数個であってもよいことはいうまでもない。

実施の形態３．
前述した実施の形態１の複数個に分割されたステータを備えた回転電機において、ロータに永久磁石を備えた永久磁石式モータに適用してもよい。
通常の永久磁石式モータの場合に、ステータに通電をしなくてもロータの永久磁石によって回転するだけで誘起電圧が発生する。この実施の形態１のステータ構成を適用することによって、前記誘起電圧を低減することが可能となる。このことにより、電源停止時に何らかの原因により永久磁石モータが回転して誘起電圧を発生したとしても、低減した誘起電圧であるので、電源の故障発生を容易に防止することが可能となる。

実施の形態４．
前述した実施の形態１の回転電機では、軸方向および外、内周側に分割されたステータを備えたものであったが、この実施の形態４による回転電機のステータは、軸方向に分割されてなく、外周側と内周側とに分割された外周側ステータ１１ａと、内周側ステータ１１ｂとを備えたものである。この場合ロータに永久磁石を備えた永久磁石式モータに適用してもよい。
この実施の形態４のステータの側面図を、図８（ａ）（ｂ）に示す。実施の形態１に述べた図２に相当する概念図は、この実施の形態４では図示省略している。
図８において、ステータ１１は外周側ステータ１１ａと内周側ステータ１１ｂに分割されていて、内周側ステータ１１ｂは外周側ステータ１１ａに対して円周方向に移動可能な図示省略の機構を備えた構成としている。図８（ｂ）は図８（ａ）に相対して、内周側ステータ１１ｂが外周側ステータ１１ａに対して円周方向に移動した図を示している。
また、前記内周側ステータ１１ｂにはコイル４が設けられている。なお、内周側ステータ１１ｂは、図８に示すように複数のティース（歯）１１ｅより構成され、図示省略した連結環により前記複数のティース１１ｅが一体となって、外周側ステータ１１ａに対して円周方向に移動可能である。なお、外周側ステータ１１ａはヨークに相当するものであり、前記内周側ステータ１１ｂのティースと移動可能にかつ密に接する凸部１１ｃと、凹部１１ｄが設けられている。前記コイル４は、直列結線かまたは並列結線される。

ここでこの実施の形態４を採用する理由を述べる。
最大電圧Ｖｍは、先に記したようにｎ、Φｍ、ωで示される。ここで磁束量Φは、磁気抵抗Ｒｍに反比例する。Ｒｍは１／μ・ｌ／Ｓで示され、よって磁束量Φはμに比例、磁気回路長ｌに反比例、磁気回路断面積Ｓに比例する。前記した図８（ａ）の状態から、図８（ｂ）に示すように、内周側ステータ１１ｂが外周側ステータ１１ａに対して円周方向に移動した場合、前記μが小さくなり、Φが少なくなる。

このように、この実施の形態４ではステータを軸方向に分割することもなく、回転速度に応じて円周側ステータ１１ｂを外周側ステータ１１ａに対して、円周方向に移動させることにより、Φを減らすことになり、よって最大電圧Ｖｍの上昇を抑えることが可能となる。また、ロータに永久磁石を備えた永久磁石式回転電機とした場合、ロータが回転するだけで誘起電圧が発生する。この実施の形態４のステータ構成を適用することによって、前記誘起電圧を低減することが可能となる。このことにより、電源停止時に何らかの原因により永久磁石モータが回転して誘起電圧を発生したとしても、低減した誘起電圧であるので、電源の故障発生を容易に防止することが可能となる。
また、電源停止時に外部から予期しない何らかの原因によって駆動（回転）させられた場合でも、誘起電圧が発生せず、その誘起電圧が原因となる関連機器の損傷を防止することができる。

実施の形態５．
次にこの実施の形態５のステータ１１の詳細を図９に基づいて説明する。図９において、ロータ３に対向して複数のティース５１（歯）がこれらを連結するヨーク５２に設けられている。このティース５１は図示省略した移動機構によって、ロータ３に対して径方向に移動可能である。つまりロータ３とティース５１との空隙を可変としている。前記ティース５１にはそれぞれコイル４が設けられている。図９（ａ）はロータ３に対してティース５１が小さな空隙Ｇ１になるよう移動、設置された状態を示し、図９（ｂ）は大きな空隙Ｇ２にティース５１が移動した状態である。なおコイル４にトロイダル状巻線または分布巻線を採用すると、コイルエンドが短くなり、回転電機の全長を短くすることができる。ティース５１の径方向の移動は、回転電機１００の回転速度に応じて、図示省略した移動機構によって行われるものである。

このようにこの実施の形態５では、回転速度に応じてステータ１１に設けられたティース５１が径方向に移動することで、ロータ３とステータ１１との空隙が変化し、回転速度が高速となるに対応して空隙長を大きくすると磁気抵抗が大きくなって磁束量が低下し、よって電圧Ｖ＝ｄΦ／ｄｔが低下して、電圧の上昇を抑制することができる。
このようなステータ構成を採用すると、回転速度にほぼ比例して空隙が大きくなるようティース５１を移動させると、電圧が一定となり、それに伴う電流もほぼ一定でかつ損失も一定となって効率が向上し、さらには電源容量が低減する。また、複数個のティース５１の径方向移動量を回転速度によって決まる所定の移動量に設定することにより、回転電機の端子間電圧を所定の値とすることができ、同様の効率を奏する。以上の関連の模式図を図５に示す。
また、ロータに永久磁石を備えた永久磁石式回転電機であってもよい。この永久磁石式回転機の電源オフ時にティース５１をロータ３に接するよう移動させて、ティース５１によりロータ３を固定することにより、ロータ３にブレーキをかけることもできる。あるいは、電源オフ時空隙を大きくすることでゴギングトルクが低減でき、意図しない回転を防止することができる。

実施の形態６．
モータの可変速運転を実施する場合、インバータなどの周波数可変電源装置を用いる。この周波数可変電源装置では、モータの回路定数を用いて最適な運転を実施するが、本実施の形態４に示したようにステータを径方向に移動させ空隙を変化させると、モータの最適な回路定数が変化する。そのためモータの回路定数を固定して運転すると最適な運転はできない。そこで、複数個のステータの径方向移動量に応じてモータ定数を変化させることにより、周波数可変電源装置を用いた最適な運転が可能となる。

実施の形態７．
本実施の形態５に示したような複数個のティースを径方向に移動させ空隙を変化させると、モータの最適な回路定数が変化する。そのためモータの回路定数を固定して運転すると最適な運転はできない。そこで、複数個のティースの径方向移動量に応じてモータ定数を変化させることにより、周波数可変電源装置を用いた最適な運転が可能となる。

以上のように、この発明の実施の形態１〜７を自動車用の発電機（オルタネータ）、電車用モータ、工作機械用主軸モータなどの可変速運転が必要とされる機器に適用すると、機器の効率が向上するという効果を奏する。

回転電機の回転速度と電圧と損失の関係を示す概念図である。この発明の実施の形態１の回転電機を示す概念図である。この発明の実施の形態１のステータを示す側面図である。この発明の実施の形態１の他のステータを示す側面図である。この発明の実施の形態１、４、５の回転速度と電圧と損失の関係を示す概念図である。この発明の実施の形態２の回転電機を示す概念図である。この発明の実施の形態２による他の回転電機を示す概念図である。この発明の実施の形態４のステータを示す側面図である。この発明の実施の形態５のステータを示す側面図である。

符号の説明

３ロータ、４，４ｃコイル、４ａコイルエンド、１１ステータ、
１１ａ外周側ステータ、１１ｂ内周側ステータ、１１ｅ，５１ティース、
２１第１のステータ、２２第２のステータ。

Claims

ステータとロータとを備えた回転電機であって、前記ステータは、前記ロータと対向する軸方向に複数個に分割されているとともに、円周方向に移動可能な構成を備えており、さらに前記各ステータには、複数個のティースが設けられているとともに径方向に移動可能な機構を有し、かつコイルが設けられており、前記回転電機の運転中に、その回転速度に応じて前記複数個のティースが径方向に移動して前記ロータとの空隙を変化させることによって、前記各ステータのコイル端子間には、前記空隙に対応した電圧が生じることにより、前記回転電機の端子間電圧を調整可能とするとともに、前記回転電機が運転停止時に、前記空隙を零となるよう前記ステータの複数個のティースが移動し、前記ロータを回転しないよう、前記ティースが、前記ロータを保持することを特徴とする回転電機。
ステータとロータとを備えた回転電機であって、前記ステータには、複数個のティースが設けられているとともに径方向に移動可能な機構を有し、かつコイルが設けられており、前記回転電機の運転中に、その回転速度に応じて前記複数個のティースが径方向に移動して前記ロータとの空隙を変化させることによって、前記ステータのコイル端子間には、前記空隙に対応した電圧が生じることにより、前記回転電機の端子間電圧を調整可能とするとともに、前記回転電機が運転停止時に、前記空隙を零となるよう前記ステータの複数個のティースが移動し、前記ロータを回転しないよう、前記ティースが、前記ロータを保持することを特徴とする回転電機。