JP4525026B2 - 回転電機 - Google Patents

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、複数のステータの相対角度を、回転中に回転速度に応じて変化させることにより、端子間電圧を相対角度に応じ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、ステータと、永久磁石式のロータとを備え、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、かつ分割されたそれぞれのステータが内周側と外周側に分割されているとともに、内周側のステータが外周側のステータに対して円周方向に移動可能で、さらに該内周側ステータのそれぞれに設けられたコイルが直列接続されており、回転電機の運転中に、その回転速度に応じて複数個の内周側ステータの相対角度を変化させることによって、複数個のステータのコイル端子間には、相対角度に対応した電圧を生じさせるとともに、回転速度が大きくなると相対角度も大きくなるよう変化させて、回転電機の端子間電圧を調整可能とし、さらに、回転電機には駆動用インバータ装置が備えられているとともに、駆動用インバータ装置が用いるモータの回路定数が、回転電機の回転速度に応じて変化するとともに、駆動用インバータ装置が停止時に、回転電機に電圧が発生しないようステータの相対角度が、所定の角度となるようにして回転電機を停止させることを特徴とするものである。

第２の発明に係る回転電機は、ステータと、永久磁石式のロータとを備え、ステータは内周側ステータと外周側ステータとに分割されており、内周側ステータには、複数のティースおよびコイルが設けられているとともに、外周側ステータに対して円周方向に移動可能とする構成が設けられており、外周側ステータには、円周側ステータのティースと密に接する凸部と、内周側ステータが円周方向に移動した際に、該内周側ステータのティースと離隔する凹部が設けられており、回転電機の運転中にその回転速度に応じて、内周側ステータを外周側ステータに対して円周方向に移動させることにより、回転電機の端子間電圧を調整可能とし、さらに、回転電機には駆動用インバータ装置が備えられているとともに、駆動用インバータ装置が用いるモータの回路定数が、回転電機の回転速度に応じて変化するとともに、駆動用インバータ装置が停止時に、回転電機に電圧が発生しないよう内周側ステータと外周側ステータとの相対角度が、所定の角度となるようにして回転電機を停止させることを特徴とするものである。

この発明の回転電機は、最大電圧をコントロールすることができるので、広い速度範囲に適用可能となり、また電源容量の低下やインバータ装置等の過大電圧による故障発生を防止することができ、さらに鉄損の少ない回転電機を得ることができ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５に固定されたロータ３に対向して、軸方向に２分割された第１のステータ１１と第２のステータ１２を備えている。この第１、第２のステータ１１、１２は図３に示すように、それぞれコイル４ｄ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。
このステータ１１、１２の側面図を図３（ａ）（ｂ）に示す。図３において、ステータ１１、１２はそれぞれ外周側ステータ１１ａ、１２ａと内周側ステータ１１ｂ、１２ｂに分割されていて、内周側ステータ１１ｂ、１２ｂは外周側ステータ１１ａ、１２ａ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３（ｂ）は図３（ａ）に相対して、内周側ステータ１２ｂが外周側ステータ１２ａ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、１２ｂにはコイル４ｄがそれぞれ設けられている。なお、内周側ステータ１１ｂ、１２ｂは、図３に示すように複数のティース（歯）１１ｅ、１２ｅ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、１２ｅが一体となって、外周側ステータ１１ａ、１２ａ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、１２ａはヨークに相当するものであり、前記内周側ステータ１１ｂ、１２ｂのティースと移動可能にかつ密に接する凸部１１ｃ、１２ｃと、凹部１１ｄ、１２ｄが設けられている。
このように、内周側ステータ１１ｂ、１２ｂが円周方向に移動する構成を有しているので、第１のステータ１１と第２のステータ１２とでは後述する位相角度のα、βを互いに変化させることができる。前記ステータ１１、１２コイル４ｄは、直列結線かまたは並列結線される。
以下に回転電機１００をモータを例として述べる。
ステータ１１に生じる電圧をＶ１とすると、Ｖ１は以下の式５のとおり表される。

同じくステータ１２に生じる電圧Ｖ２は以下の式のとおりとなる。

以上の結果からステータ１１、ステータ１２のそれぞれのコイルを直列につなぐと、モータに生じる電圧は以下の式７のとおりとなる。

ここで最大電圧は、以下の式８のとおりとなる。

通常一般に同じステータ２個を直列に接続した場合に、最大電圧は２Ｖｍとなるが、この実施の形態１ではＣｏｓ分が掛け合わされた値となる。つまり第１のステータの位相角αと第２のステータの位相角βとを、ステータ１１とステータ１２の相対位置を円周方向で変えることにより、最大電圧を２Ｖｍ以下になるようコントロールすることができる。
このようにこの実施の形態１によると、最大電圧を調整可能としているので、回転電機の速度上限の制限が緩和され、広い速度範囲に使用可能な回転電機となる。

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では、ステータを軸方向に２個に分割し、さらに外側ステータと内側ステータとに分けたことにより、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。

さらに、Ｖｍはｎ・Φｍ・ωで示されるため回転速度に比例して電圧が上昇するが、この電圧の上昇を抑えるには、Ｃｏｓ分を小さくすればよい。つまり回転速度の上昇に応じて位相αとβとの位相差α−βを大きくすることで、回転速度が高くなるにつれて電圧上昇を抑制することが可能となる。

実施の形態２．
回転速度によらず電圧が一定である方がモータとしては望ましい。通常のモータでは、運転速度範囲の低速側では大きな電流値を必要となるが、回転速度によらず電圧を一定に保つことができれば、低速での電流も少なくてすむ。回転速度によらず電圧を一定に保つには、ステータ１１、１２の位相差である相対角度θを以下に示す式９のとおりにコントロールすればよい。

このようなステータ１１、１２の相対角度θをコントロールすることにより、回転速度によらず電圧を一定に保つことができる。さらに出力が一定の場合には電流もほぼ一定に保つことが可能となり、電源容量が低減できる。この模式図を図４に示す。

実施の形態３．
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４ｄのコイルエンド４ａが、ステータ１１、１２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４ｄ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１１、１２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５に示すようにステータ１１、１２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１１ｅ、１２ｅ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６に示すように、ステータ１１、１２を、可撓性のある共通のコイル４ｃで構成し、ステータ１１，１２に位相差を設けるようにしてもよい。
また、ステータ１１、１２は互いに同じ軸長であってもよく、異なった軸長であってもよい。なおステータは、軸方向に２分割の例を示したが２分割に限らず、２分割以上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４．
前述した実施の形態１の軸方向および、外、内周側に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５．
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５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５のステータの側面図は、図３（ａ）（ｂ）に示したものと同様であるが、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５では図示省略している。
ここでこの実施の形態５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Ｐｍに反比例する。Ｐｍ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３（ａ）の状態から図３（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５では、ステータを軸方向に分割することもなく、回転速度の応じて内周側ステータ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５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、例えば、本実施の形態１に示したような複数個のステータを相対的に回転させることで位相角を変化させると、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相対角度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．
実施の形態４にて記述したように、ロータに永久磁石を備えた永久磁石式回転電機の場合、ロータが回転するだけで誘起電圧が発生する。そこで電源停止時には、２個に分割されたステータ１１、１２の位相角の差α−β＝（９０＋１８０×ｎ）度とした状態で停止させることによって、電圧が発生しない状態となる。このような状態に停止された本実施の形態６による回転電機は、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。

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および実施の形態５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、５の電圧と損失との関係を示す概念図である。 この発明の実施の形態３の回転電機を示す概念図である。 この発明の実施の形態３による他の回転電機を示す概念図である。

符号の説明

１ ロータ、４ａ コイルエンド、４ｃ コイル、１１ 第１のステータ、
１１ａ 外周側ステータ、１１ｂ 内周側ステータ、１２ 第２のステータ、
１２ａ 外周側ステータ、１２ｂ 内周側ステータ。

Claims (2)

1. ステータと、永久磁石式の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、かつ前記分割されたそれぞれのステータが内周側と外周側に分割されているとともに、前記内周側のステータが前記外周側のステータに対して円周方向に移動可能で、さらに該内周側ステータのそれぞれに設けられたコイルが直列接続されており、
   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内周側ステータの相対角度を変化させることによって、前記複数個のステータのコイル端子間には、前記相対角度に対応した電圧を生じさせるとともに、前記回転速度が大きくなると前記相対角度も大きくなるよう変化させて、前記回転電機の端子間電圧を調整可能とし、
   さらに、前記回転電機には駆動用インバータ装置が備えられているとともに、前記駆動用インバータ装置が用いるモータの回路定数が、前記回転電機の回転速度に応じて変化するとともに、前記駆動用インバータ装置が停止時に、前記回転電機に電圧が発生しないよう前記ステータの前記相対角度が、所定の角度となるようにして前記回転電機を停止させることを特徴とする回転電機。
2. ステータと、永久磁石式のロータとを備えた回転電機であって、前記ステータは内周側ステータと外周側ステータとに分割されており、前記内周側ステータには、複数のティースおよびコイルが設けられているとともに、前記外周側ステータに対して円周方向に移動可能とする構成が設けられており、
   前記外周側ステータには、前記円周側ステータのティースと密に接する凸部と、前記内周側ステータが円周方向に移動した際に、該内周側ステータのティースと離隔する凹部が設けられており、
   前記回転電機の運転中にその回転速度に応じて、前記内周側ステータを前記外周側ステータに対して円周方向に移動させることにより、前記回転電機の端子間電圧を調整可能とし、
   さらに、前記回転電機には駆動用インバータ装置が備えられているとともに、前記駆動用インバータ装置が用いるモータの回路定数が、前記回転電機の回転速度に応じて変化するとともに、前記駆動用インバータ装置が停止時に、前記回転電機に電圧が発生しないよう前記内周側ステータと外周側ステータとの相対角度が、所定の角度となるようにして前記回転電機を停止させることを特徴とする回転電機。

Images