JP4773053B2 - ハイブリッド同期電気機械 - Google Patents
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Description
本発明は、横断磁束により駆動されるハイブリッド同期電気機械に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、モータ内での渦電流損失を最小化できるように構成され、類似構造の従来のモータに比べてエネルギ効率が改善されたハイブリッド同期電気機械に関するものである。
背景技術
ハイブリッド電気機械は同期式電気機械に分類され、構造は、エアーギャップの磁場密度を高める内蔵永久磁石が備わったステッピングモータと同様であるが、ステッピングモータとは異なり、通常は、単一周波電流が供給される。
このようなモータの構造は公知である。すなわち、横断磁束により駆動されるハイブリッド電気機械は、複数のコイルを備えており、これらのコイルはモータ軸線に対して同軸状態とされている。この利点は、同軸コイルにおけるオーミックロスが小さいので、エネルギ効率が良いということである。
かかる構造のモータは例えば欧州特許第0544200号に記載されており、ステータの各相においてモータ軸線と同軸となっている単一のコイルを備え、ステータコイルを取り囲んでいる円形のステータヨークアレイを同時に磁化するようになっている。また、このモータは、ロータの各相において、単一の永久磁石を備え、これもモータ軸線と同軸状態に配置され、突極が内周および外周に形成されている2個の鉄製リングの間に位置している。内周および外周に形成されている突極の個数はステータヨークの個数と同一である。
このように構成されたハイブリッド電気機械は、重量対トルク比が高く、エネルギ効率も良い。この点は、他のモータにおいては効率が悪い低速運転において特に有利である。
しかしながら、相当に高い周波数でモータ内で磁束が交互に変化する高速運転時においては、誘導電流という問題に直面する。各相のコイルはモータ軸線に対して同軸であり、モータ内において同軸状に配置され、電気的に接続されている部分には、発散磁束によって電流が誘導される。このような部分は、ステータアーマチュアおよびロータアーマチュア(受動的なモータ部品)であり、また、ロータ内の鉄製リングもそうである。
詳細な解析によれば、横断磁束により駆動される(すなわち、同軸コイルを備えた)モータにおいて、上記のような同軸状態に配列された部品に誘導される電流は相当に大きい。これらの電流によって、従来形の縦断磁束を備えたモータにおける対応する部分で消費されるエネルギに比べて非常に多くのエネルギが消費されてしまう。かかるエネルギ損失は、モータが高速度および高トルク(従って、高出力)で動作しているときに特に大きい。この場合のエネルギ損失は、他のエネルギ損失を合計した場合よりも大きい。このために、機械的な出力が高い領域でのエネルギ効率が大幅に低下してしまい、モータがオーバヒートする可能性もある。
この弊害を部分的に解決するための方法として考えられることは、受動部品(特に、ロータおよびステータのアーマチュア)における構成材料としての金属を、電気的な絶縁材料(セラミックスやプラスチック材料等)に置き換えることであるが、一般にこのような解決方法には費用が掛り過ぎ(セラミックスの場合)、また、機械的強度が不充分になってしまう(プラスチックスの場合)。
従って、従来においては、同軸コイルおよび横断磁束を備え、しかも、同軸部品に誘導電流が流れないような構成の高出力ハイブリッド電気機械に対しての要求がある。
発明の開示
よって、本発明の目的は、ステータアーマチュア、ロータアーマチュアおよびロータの鉄製リング内に不所望な渦電流が誘起されることを抑制あるいは阻止するような構造上の解決策を見出すことにある。
この目的を達成するために、本発明の横断磁束により駆動されるハイブリッド同期電気機械は、ロータとステータを有し、そのロータは、歯付き鉄製リングを備えたロータアセンブリから構成され、当該ロータアセンブリには横断方向の絶縁用ギャップが形成されていることを特徴としている。また、本発明のハイブリッド同期電気機械では、そのロータアーマチュアはモータ能動部品に近接させた少なくとも1個の重量のある銅リングを備えていることを特徴としている。
すなわち、本発明のハイブリッド同期電気機械は:ロータおよびステータを有し;ロータは、歯付き鉄製リング(14、15)を備えたロータアセンブリ(13)を少なくとも1つ備え;当該アセンブリは、横断方向の絶縁用ギャップ(22)を少なくとも1つ備えていることを特徴としている。
また、本発明のハイブリッド同期電気機械は:ロータとステータと導電性リング(12)を有し;導電性リング(12)は、モータ軸線(5)に対して同軸状態に配置され、モータ能動領域の近接位置に配置されていることを特徴としている。
ここで、前記導電性リング(12)を銅から形成することができる。
また、前記導電性リング(12)を、ロータアーマチュア(11)の一部として形成することができる。
次に、ロータアセンブリ(13)の歯付き鉄製リング(14、15)は、支持用の導電性リング(12)から電気的に絶縁されていることが望ましい。
また、前記ステータを、少なくとも一つの環状アレイ(2)から構成し、この環状アレイ(2)を、間隔を開けて配置したU字形状のステータヨーク(3)から構成することができる。
この代わりに、前記ステータを少なくとも一つの環状アレイ(2)から構成し、この環状アレイ(2)を、近接配置したステータヨーク(3b、3c)から構成し、各ステータヨークを、同一形状であるが交互に逆向きに配置した非対称の鉄製部品(23b、24b、23c、24c)から構成することができる。
本発明によるハイブリッド同期電気機械の渦電流損失は小さい。この理由は、歯付き鉄製リングに発生する渦電流が、これらの鉄製リングにおける横断方向の絶縁ギャップによって阻止されるからである。一方、モータ受動部品(ロータアーマチュア、ステータアーマチュア、およびボールベアリング等)に発生する渦電流は無視することができる。これは、モータ能動領域の外側の発散磁束の全てが、銅リング内に誘起された電流によって打ち消されるからである。さらに、本発明によるモータは、渦電流損失が少ないにも拘らず、非常にコンパクトであり、強度があり、しかも機械的に安定している。
発明を実施するための最良の形態
以下に、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
図1には、本発明による横断磁束により駆動される2相ハイブリッド同期電気機械の第1の実施形態(実施例A)を示してある。本例の電気機械におけるステータアーマチュア1の両側にはU字形状のステータヨーク3からなる環状アレイ2が固定されており、ステータヨーク3は対応する相のステータ巻線4を囲んでいる。各巻線4はモータ軸線5に同軸状態とされている。
図3には、突極6、7が形成されたステータヨーク3をより正確に示してある。ヨークはバルクアイアンとしてもよいが、図1、3に示すような積層パッケージとすることが望ましい。
ロータアーマチュア11は、ボールベアリング9を介してステータアーマチュア1によって支持されており、このロータアーマチュア11には重量のある銅リング12が固定されている。銅リング12の両側にはロータリングのアセンブリ13が固定されている。このアセンブリ13は、図2(A)(実施例A)に示すように、強磁性材料からなる2個の歯付きリング14、15と、磁化ディスク20からなり、歯付きリング14、15には等間隔でロータ磁極16、17、18、19が形成されている。
強磁性の歯付きリング14、15はステータヨーク3と同じように、積層パッケージとすることができる(単純化して理解を容易にするために、図2においてはこれらの薄板を省略してある。)。磁化ディスク20は軸線方向に磁化されており、歯付きリング14から歯付きリング15に向かう磁束、あるいはそれとは反対方向に向かう磁束を発生可能である。歯付きリング14、15と、磁化ディスク20は、図2(A)から分かるように、ねじ21によって一体化することができる。同一のねじを用いて、ロータアセンブリ13を銅リング12に締結することができる。
歯付きリング14、15は、それを支持している銅リング12から電気的に絶縁されており、かかる絶縁は、例えば、ねじ21のステム表面および銅リング12の表面に薄いセラミックの層を形成することにより実現できる。歯付きリング14、15には、図2(A)に示すように、円形渦電流が自由に流れることを防止するために、少なくとも1個所に狭い絶縁用ギャップ22が形成されている。磁化ディスク20も同一の構造を備えている。
歯付きリング14、15と、ステータヨーク3とは、磁気結合状態にあり、各相において、ステータヨーク3の数がロータ磁極16、17、18、19の数に等しくなっている。図2(A)に示すように、実施例Aのアセンブリ13における歯付きリング14、15は、それらの磁極18、19が、磁極間隔の半分だけ相互にシフトするように、配置されている。同一の関係が内側の磁極16、17についても当てはまる。
この実施例Aでは、第1の歯付きリング14の磁極16、18の間においても、相互に磁極間隔の半分だけシフトしている。同様に、第2の歯付きリング15の磁極17、19の間においても、相対的に同様にシフトしている。図2(A)においては、ロータの内周および外周における対向磁極の相対位置が、破線Sによって正確に示されている。
一つの動作時点において、ステータ磁極6がロータ磁極17を覆うと、歯付きリング15に対して歯付きリング14がシフトしているので、ステータ磁極7がロータ磁極18を覆う。このとき、巻線4内を流れだす電流の方向は、ステータ磁極6と歯付きリング15のロータ磁極17の間のエアーギャップにおける磁束密度が減少すると共に、ステータ磁極7と歯付きリング14のロータ磁極18の間の磁界密度が減少する方向である。また、ステータ磁極6と歯付きリング14のロータ磁極16の間のエアーギャップの磁界密度が増加すると共に、ステータ磁極7と歯付きリング15のロータ磁極19の間のエアーギャップの磁界密度が増加する方向である。
このような瞬間的な磁気状態によって、ステータ磁極はロータ磁極を、かかる動作時点における位置から、磁極間隔の半分だけシフトした位置に向けて、吸引する。この結果、この動作時点の最終的な位置では、ステータ磁極6が歯付きリング14のロータ磁極16に一致し、また、ステータ磁極7が歯付きリング15のロータ磁極19に一致する。この瞬間に、巻線4内の電流の方向が反転する。これにより、ロータが前方に移動し、ロータおよびステータ磁極が相互に覆い合っている元の動作時点の状態に戻る。ステータ巻線4内の電流の流れ方向が変化することによりロータが回転し、また、電流の流れ方向自体の変化は電子整流によって行なうことができる。
横断磁束により駆動される電気機械(モータ)においては、モータ軸線5に対して同軸状態にある能動部品の全てに大きな電圧が誘起される。本発明の電気機械によれば、そのような部品には、歯付きリング14、15と磁化ディスク20が含まれている。これらのリング状部品(14、15、20)は少なくとも1個所において絶縁用ギャップ22によって切断されており、3個のリング14、15、20を回る円形電流が誘導電圧によって発生しないようにされている。このことが図2(A)(実施例A)に示されている。このギャップ22に電気的な絶縁性のある接着材料を充填することもできる。また、リング14、15、20は支持用の銅リング12から電気的に絶縁されているので、誘導電流が銅リング12を介して絶縁用ギャップをバイパスすることもない。
このように、モータの能動部品における渦電流損失を大幅に低下できる。このことは、磁束変化が激しい高速および高トルク時において特に重要である。各ロータアセンブリ13の絶縁用ギャップ22によって、歯付き鉄製リングにおける渦電流損失を約10分の一に低減することができる。
渦電流損失は、モータの受動部品、すなわち、ロータアーマチュア11、ステータアーマチュア1、およびボールベアリング9においても発生する。しかし、これらの部品はモータの支持用部品であるので、同様な方法で渦電流を低減することができない。すなわち、支持用部品に絶縁用ギャップを形成すると、機械的な精度を低下させ、モータのコンパクトさも阻害してしまう。本発明では、かかる問題を、重量のある銅リング12によって解決している。この銅リング12は、強い磁場の能動領域の外側であって、かかる能動領域に近接した位置に配置されている。よって、このリング12は能動領域の磁場に影響を与えることはないが、能動領域の外側の発散磁場に対して大きな影響を与える。
横断磁束によって駆動される電気機械の発散磁束によって、銅リング12を回る円形AC電流が誘導される。誘導されたAC電流はそれ自身磁束を発生し、この磁束は最初の発散磁束に結合している。(電気機械の理論および実務上の方法による)詳細な解析によれば、次の式で規定される量Qが「1」よりも充分に小さい場合には、最初の発散AC磁束と誘導AC磁束は相互にほぼ打ち消し合う。
Q=ξ/(μ0・S・ζ・ω) ・・・(1)
上記の式における各記号は次の通りである。
ξ:リング12に用いた材料の比電気抵抗であり、銅の場合、モータの動作温度における値は約2×10−8Ωmである。
μ0:誘導定数(4π10−7Vs/Am)
S:リング12の横断面積(m2)であり、図1においてはこの面積をリング12の網掛けした断面として示してある。
ω:モータコイル内の電流の円形周波数(s−1)であり、通常はモータの公称速度における値である。
ζ:モータの形状寸法によって決る無次元の変数である。この変数は、導電性のリング12が横断磁束によるモータの2つの相の能動領域の丁度中間にある場合には、通常は0.5から0.7の範囲内の値である。これは図1に示す場合であり、ここでは、本発明によるモータの2つの相の2個の歯付きリング14の間に導電性リング12が位置している。導電性リング12がかかる中央位置にない場合には、この変数はより小さな値になる。(後述するように)この変数の値が大きくなる構成が有利である。
本発明による解決策は多くの場合に適用されるが、値Qを「1」以下にできないような公称速度が低い場合には適用できない。このような例外的な場合には、銅リング12を使用せずに、ロータアーマチュア11を、モータ能動領域の近くの領域まで延長させればよい。また、このような場合、モータの受動部品の渦電流を低減させるための他の方法がないので、アーマチュア11、1をより高い電気抵抗ξの材料から形成することが良い。
しかしながら、多くの実用的な用途においては、値Qは「1」よりも非常に小さい。このような場合、発散磁束はほぼ完全に打ち消される。また、モータハウジング(ステータアーマチュア)およびロータアーマチュアにおける渦電流損失は非常に少ない。実用上において残されている損失は銅リング12内の損失であるが、これらの損失も、モータコイル内のオーミック損失よりも遥かに小さい(これら2つのタイプの損失の比はQのオーダである。)よって、Qが「1」よりも充分に小さい場合には、巻線4内のオーミック損失に比べて、銅リング内の損失を無視できる。さらに、ロータおよびステータアーマチュア内の渦電流損失は、Qが小さい場合には、銅リング12内の損失よりも非常に小さい。従って、全渦電流損失は、アーマチュアにおける損失が非常に大きく、導電性リング12が備わっていないモータにおける渦電流損失に比べて、非常に小さい。
ここで、変数Qが「1」よりも大幅に小さくなるように、横断磁束により駆動される電気機械の構造を設定することが必要であることは明らかである。かかる構造は、横断面積Sが大きく、比電気抵抗ξが小さな導電性リング12により実現できる。すなわち、重量のある銅リング12の使用である。ねじ21の孔は、これらによってリング12を流れる電流通路が阻害されることのないように、広くし過ぎるべきでない。
リング12はロータアーマチュア11の付属部分であるので、機械的な用途としては、柔らかすぎる純粋な銅(酸素が除去され、導電性の高い銅)の代わりに、少量の合金を含む銅を使用することができる。このようにすれば、比抵抗ξを過剰に増加させることなく機械的な剛性を充分に高めることを、極めて簡単に行なうことができる。
このように、本発明による横断磁束により駆動されるハイブリッド同期電気機械によって、渦電流損失という問題を解決することができる。この同期電気機械では、そのロータアーマチュア11が能動部品に近接した位置に配置した少なくとも1個の重量のある銅リング12を備え、ロータリング14、15、20は、少なくとも1つの横断方向の絶縁用ギャップ22を備えている。
上記の解決策によれば、モータのコンパクトさも改善することができる。すなわち、横断方向の絶縁用ギャップ22を備えた歯付き鉄製リング14、15は、このようなギャップが備わっていないリングよりも柔軟性に富み、特に、積層パッケージの場合にはそうである。よって、ロータリング14、15には強固な支持が必要であり、それが、重量のある銅リング12によって簡単に実現されている。
モータのコンパクトさにおける別の改善点は、これも本発明によるものであるが、図4および5に示されている。かかる改善点を備えた構成を実施例B、Cとして述べる。これらの実施例は、図3に示す実施例Aに対していくつかの修正が施されている。
図1および図3から分かるように、実施例Aでは、環状アレイ2におけるU字形状のステータヨーク3が相互に分離されている。よって、実施例Aでは、何らかの追加部品(例えば、プラスチック材料からなる部品)をヨーク3の間に入れて適切に分離する必要がある。
図4から分かるように、実施例Bでは、このようなプラスチック部品が不要である。ステータヨーク3bがそれら自体の間で分離されていないからである。実施例Aにおける単純で対称形状のヨーク3の代わりに、実施例Bでは、ヨーク3bの形状がより複雑化している。実際、このヨーク3bは2個の部品23b、24bの組みから構成されている。これらの2つの部品23b、24bは同一であるが、図4に示すように、第1の部品23bは上側が下向きになっており、第2の部品24bは上側が上向きになっている。
この実施例Bでは、1個のヨーク3bを介して、実施例Aにおける1個のヨーク3と同一の磁束が流れる。しかし、ヨーク3bの間に距離がないので、各ヨーク3bは実施例Aのヨーク3に比べて幅が2倍である。よって、ヨーク3bの半径方向の厚さを、実施例Aにおける厚さの半分にすることができる。このことは、図3と図4を比較すれば分かる。よって、モータハウジングも小さくでき、このことは、ステータヨーク3bを高密度で実装したことと共に、モータのコンパクト化をもたらす。さらなる利点は、モータの組み立てが容易であるという点であり、この理由は、実施例Bでは、ステータヨーク3bの間を分離する必要がないからである。
同様のことが、図2(C)および図5に示す実施例Cについても言える。実施例Cでは、ステータヨーク3cが密接状態で環状アレイ2となるように組まれている。各ヨーク3cは同一形状の2個の部品23c、24cからなり、第1の部品23cは上側が下向きとされ、第2の部品24cは上側が上向きとされている。また、ヨーク3cを用いることにより、モータをコンパクトにでき、また、その組み立てが容易になる。
実施例B、Cにおいて、ステータ磁極6、7の角度位置が異なっているので、実施例Aについて述べた場合とは、ロータ磁極の相対位置が僅かに異なっている。対応するロータ部品を図2(B)および(C)に示してある。
図2(B)に示す実施例Bでは、アセンブリ13における歯付きリング14b、15bは、それらの外側磁極が相互にシフトしないように配置されている。内側磁極16b、17bについても同様である。また、第1の歯付きリング14bの磁極16b、18bの間においても相互にシフトは無い。同様に、第2の歯付きリング15bの磁極17b、19bの間においても相互のシフトは無い。図2(B)において、ロータの内外周における対向する磁極の相対位置は、破線sによって示されている。
実施例Cでは、アセンブリ13における歯付きリング14c、15cが、実施例Aと同様に、それらの外側磁極18c、19cが磁極間隔の半分だけ相互にシフトするように配置されている。内側磁極16c、17cについても同様である。しかし、第1の歯付きリング14cの磁極16c、18c間における相互のシフトは無く、また、第2の歯付きリング15cの磁極17c、19c間における相互のシフトも無い。図2(C)において、ロータの内外周の対向磁極の相対位置は、破線sによって示されている。
このように、これら3つの実施例(A)、(B)、(C)においては、ロータおよびステータ間で同一の磁気結合が形成されており、これが3つの場合において同様に機能する。
産業上の利用の可能性
以上説明したように、本発明の横断磁束により駆動されるハイブリッド同期電気機械は、ロータとステータを有し、そのロータアーマチュアは歯付きの鉄製リングを備え、そこには少なくとも1つの横断方向の絶縁ギャップを形成した構成としている。また、本発明では、ロータとステータと導電性リングを有し;導電性リングを、モータ軸線に対して同軸状態に配置し、モータ能動領域の近接位置に配置したことを特徴としている。
本発明によれば、渦電流損失の少ないハイブリッド同期電気機械を実現できる。すなわち、歯付き鉄製リングに発生する渦電流が、これらの鉄製リングにおける横断方向の絶縁ギャップによって阻止されるからである。また、モータ能動領域の外側の発散磁束の全てが、銅リング内に誘起された電流によって打ち消されるので、モータ受動部品(ロータアーマチュア、ステータアーマチュア、およびボールベアリング等)に発生する渦電流を無視することができる。
また、本発明によれば、渦電流損失が少ないにも拘らず、非常にコンパクトであり、強度があり、しかも機械的に安定したハイブリッド同期電気機械を実現できる。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明による横断磁束を備えた2相ハイブリッド同期電気機械を、一部断面で示す斜視図である。
図2(A)ないし(C)は、それぞれ、図1のモータの一つの相(実施例A、B、C)におけるロータリングアセンブリを、部分的に断面で示す斜視図であり、狭い絶縁性ギャップおよび絶縁性のねじを示すものである。
図3(A)、(B)は、図1のモータにおける(一つの相、実施例Aの)ステータヨークの環状アレイを部分的に断面で示す斜視図、およびステータヨークの側面図である。
図4(A)、(B)は、図1のモータにおける(一つの相、実施例Bの)ステータヨークの環状アレイを部分的に断面で示す斜視図、およびステータヨークの側面図である。
図5(A)、(B)は、図1のモータにおける(一つの相、実施例Cの)ステータヨークの環状アレイを部分的に断面で示す斜視図、およびステータヨークの側面図である。
(符号の説明)
1 ステータアーマチュア
2 環状アレイ
3、3b、3c ステータヨーク
4 巻線
5 モータ軸線
6 ステータ磁極
7 ステータ磁極
9 ボールベアリング
11 ロータアーマチュア
12 銅リング(導電性リング)
13 ロータアセンブリ
14、15、14b、15b、14c、15c 歯付きリング
16ないし19、16bないし19b、16cないし19c ロータ磁極
21 ねじ
22 絶縁用ギャップ
23b、24b、23c、24c ステータヨークの構成部品
Claims (4)
- ロータとステータと導電性リング(12)を有し、
前記ロータは、歯付き鉄製リング(14、15)を備えたロータアセンブリ(13)を少なくとも1つ備え、
前記ロータアセンブリ(13)は、横断方向の絶縁用ギャップ(22)を少なくとも1つ備えており、
前記導電性リング(12)は、モータ軸線(5)に対して同軸状態に配置され、
前記ロータアセンブリ(13)の前記歯付き鉄製リング(14、15)は、前記導電性リング(12)によって支持されていると共に当該導電性リング(12)から電気的に絶縁されていることを特徴とするハイブリッド同期電気機械。 - 請求項1において、
前記導電性リング(12)は銅から形成されていることを特徴とするハイブリッド同期電気機械。 - 請求項1または2において、
前記ステータは、少なくとも一つの環状アレイ(2)から構成されており、
この環状アレイ(2)は、間隔を開けて配置したU字形状のステータヨーク(3)から構成されていることを特徴とするハイブリッド同期電気機械。 - 請求項1または2において、
前記ステータは少なくとも一つの環状アレイ(2)から構成されており、
この環状アレイ(2)は、近接配置したステータヨーク(3b、3c)から構成されており、
各ステータヨークは、同一形状であるが交互に逆向きに配置した非対称の鉄製部品(23b、24b、23c、24c)から構成されていることを特徴とするハイブリッド同期電気機械。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/JP2001/005980 WO2003007459A1 (fr) | 2001-07-09 | 2001-07-09 | Machine electrique synchrone hybride |
Publications (2)
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