JP6035957B2 - Rotating machine - Google Patents
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Description
本発明は、永久磁石を付帯させたロータをステータに対して回転させる回転機に関するものである。 The present invention relates to a rotating machine that rotates a rotor with a permanent magnet attached to a stator.
従来より、永久磁石を有するロータと、このロータとの間に磁気的なギャップ(エアギャップとも称される狭い隙間であり、以下では「磁気ギャップ」と称す)を空けて配置されるステータとを備えた回転機(例えばPMモータ)が知られている。回転機のステータには、周方向に等ピッチで並ぶ複数のステータ極を設け、隣り合うステータ極間に形成された各スロットに巻線(ステータ巻線)が配置されている。そして、ステータ巻線に電力を供給することによってステータに磁界が発生し、この磁界とロータが有する永久磁石の磁束との相互作用によってロータが回転するようになっている。 Conventionally, a rotor having a permanent magnet and a stator disposed with a magnetic gap (a narrow gap also referred to as an air gap, hereinafter referred to as a “magnetic gap”) between the rotor and the rotor are provided. A rotating machine (for example, a PM motor) provided is known. A stator of a rotating machine is provided with a plurality of stator poles arranged at equal pitches in the circumferential direction, and windings (stator windings) are arranged in slots formed between adjacent stator poles. A magnetic field is generated in the stator by supplying electric power to the stator winding, and the rotor is rotated by the interaction between the magnetic field and the magnetic flux of the permanent magnet of the rotor.
近時では、このような回転機をハイブリッド車や電気自動車などに搭載したり、或いはハイブリッド車や電気自動車などに搭載されるモータの負荷試験を行う試験装置の負荷装置(例えば試験装置用磁石ダイナモ)、或いは風力発電機として適用されることも多い(例えば特許文献1)。 Recently, such a rotating machine is mounted on a hybrid vehicle, an electric vehicle, or the like, or a load device of a test device that performs a load test on a motor mounted on a hybrid vehicle, an electric vehicle, or the like (for example, a magnet dynamo for a test device). ) Or as a wind power generator (for example, Patent Document 1).
ところで、自動車用駆動モータなどをはじめとした負荷変動が大きい用途で使用される回転機では、出力領域の拡大と高効率化が要求されている。 By the way, in a rotating machine used in an application having a large load fluctuation such as a drive motor for an automobile, it is required to expand an output region and increase efficiency.
永久磁石をロータに配置した従来の回転機(永久磁石同期回転機)では、回転する際に発生する磁界である界磁の磁束量と回転数で決定される誘起電圧はロータの回転数に比例して増加するが、低速域で大きな出力(大トルク)を得るために高い誘起電圧を確保できるように設定すれば、高速域では電圧制限により(電源の供給電圧を超過して)駆動できず、一方、高速域まで駆動できるようにすれば、低速域では誘起電圧が低くなり、必要な高い出力(大トルク)を確保できない。 In a conventional rotating machine (permanent magnet synchronous rotating machine) in which a permanent magnet is arranged on the rotor, the induced voltage determined by the amount of magnetic flux of the field, which is a magnetic field generated when rotating, and the rotational speed is proportional to the rotational speed of the rotor. However, if a setting is made so that a high induced voltage can be secured in order to obtain a large output (large torque) in the low speed range, driving cannot be performed in the high speed range due to voltage limitation (exceeding the power supply voltage). On the other hand, if it is possible to drive up to the high speed range, the induced voltage becomes low in the low speed range, and the required high output (large torque) cannot be secured.
そこで、従来の永久磁石同期回転機では、高速域において電圧制限を超えない程度の誘起電圧を確保しつつ、回転数(出力)をゼロから所定値まで上げることが要求される低速域では、不足する誘起電圧をステータ電力で補うことで高い出力を確保するとともに、高速域ではステータ電力で弱め界磁することで誘起電圧を抑えるように構成されている。 Therefore, the conventional permanent magnet synchronous rotating machine is insufficient in the low speed range where it is required to increase the rotation speed (output) from zero to a predetermined value while ensuring an induced voltage that does not exceed the voltage limit in the high speed range. Complementing the induced voltage with the stator power ensures a high output, and suppresses the induced voltage by weakening the field with the stator power in the high speed range.
ここで、一般的な従来の永久磁石同期回転機のトルク−回転数(T−N)曲線及び出力曲線を図21に示し、従来の永久磁石同期回転機の回転数に対する誘起電圧、ステータ電力の特性を図22に示す。これら各図では、説明の便宜上、モータの運転領域(速度領域)を低速回転領域(低速域)、中速回転領域(中速域)、高速回転領域(高速域)に分割し、トルクを相対的に細い実線で示すとともに、出力を相対的に太い実線で示している。また、図22では、誘起電圧を点線(実際の誘起電圧を相対的に太い点線、界磁制御を行わない場合の誘起電圧を相対的に細い点線)で示し、ステータ電力を1点鎖線で示している。 Here, a torque-rotation number (TN) curve and an output curve of a general conventional permanent magnet synchronous rotating machine are shown in FIG. 21, and the induced voltage and stator power of the conventional permanent magnet synchronous rotating machine with respect to the rotational speed are shown. The characteristics are shown in FIG. In these figures, for convenience of explanation, the motor operating region (speed region) is divided into a low-speed rotation region (low-speed region), a medium-speed rotation region (medium-speed region), and a high-speed rotation region (high-speed region). The output is indicated by a thin solid line and the output is indicated by a relatively thick solid line. In FIG. 22, the induced voltage is indicated by a dotted line (the actual induced voltage is a relatively thick dotted line, the induced voltage when the field control is not performed is a relatively thin dotted line), and the stator power is indicated by a one-dot chain line. .
図22に示すように、回転数(出力)をゼロから所定値まで上げることが要求される低速域では、誘起電圧が低いため、大トルクを発生させるためにステータ電力が必要となる。回転数(出力)がゼロに近いほど大きいステータ電力が必要である。 As shown in FIG. 22, since the induced voltage is low in the low speed range where the rotation speed (output) is required to be increased from zero to a predetermined value, stator power is required to generate a large torque. The closer the rotation speed (output) is to zero, the larger the stator power is required.
中速域では、低速域よりも回転数が高くなり、トルクは小さくなるため、誘起電圧の不足量も低減し、低速域よりも小さいステータ電力で対応することが可能である。 In the medium speed range, the rotational speed is higher than in the low speed range, and the torque is reduced. Therefore, the insufficient amount of the induced voltage is reduced, and it is possible to cope with the stator power smaller than that in the low speed range.
また、高速域では、中速域よりもさらにトルクは小さくなるため、誘起電圧不足は解消される。しかしながら、高速域では、ステータに鎖交する永久磁石の磁束が多過ぎて誘起電圧が高過ぎる状態になるため、ステータ電力で弱め界磁することで誘起電圧を抑える必要がある。 In addition, since the torque is further reduced in the high speed range than in the medium speed range, the shortage of induced voltage is eliminated. However, in the high speed region, the induced magnet has too much magnetic flux linked to the stator and the induced voltage becomes too high. Therefore, it is necessary to suppress the induced voltage by field weakening with the stator power.
このように、従来の永久磁石同期回転機は、低速域において不足する誘起電圧をステータ電力で補う必要があったり、高速域において高くなり過ぎる誘起電圧を抑えるためにステータ電力で弱め界磁する必要があった。特に、高速域において弱め界磁制御に要するステータ電力はトルクの発生に寄与しないものであり、従来の永久磁石同期回転機の回転数に対する損失特性を示す図23からも把握できるように、このステータ電力が大きいほど効率が低下する。なお、図23では、トルクを相対的に細い実線で示し、出力を相対的に太い実線で示し、鉄損を点線で示し、ステータ銅損を相対的に細い1点鎖線で示し、総損を相対的に太い1点鎖線で示している。 As described above, the conventional permanent magnet synchronous rotating machine needs to compensate for the insufficient induced voltage in the low speed range with the stator power, or to weaken the field with the stator power in order to suppress the induced voltage that becomes too high in the high speed range. was there. In particular, the stator power required for field-weakening control at high speeds does not contribute to torque generation. As can be seen from FIG. 23 showing the loss characteristics with respect to the rotational speed of the conventional permanent magnet synchronous rotating machine, this stator power is The larger the value, the lower the efficiency. In FIG. 23, the torque is indicated by a relatively thin solid line, the output is indicated by a relatively thick solid line, the iron loss is indicated by a dotted line, the stator copper loss is indicated by a relatively thin one-dot chain line, and the total loss is indicated. It is indicated by a relatively thick one-dot chain line.
このような問題点の主要因は、ロータに永久磁石を付帯させた回転機において永久磁石の磁束を調整することができないことにある。 The main cause of such a problem is that the magnetic flux of the permanent magnet cannot be adjusted in a rotating machine with a permanent magnet attached to the rotor.
そこで、誘起電圧が高くなるように永久磁石の数量を増やすことによって低速域でも誘起電圧の不足分をステータ電力で補う必要のない回転機を構成することが考えられる。しかしながら、永久磁石を増量すればその分だけコストが増加するとともに、高速域では高い誘起電圧を抑えるためにやはり弱め界磁を行う必要があり、トルクに寄与しないステータ電力がより一層増大してしまう。そして、トルクに寄与しないステータ電力の増加に伴い、ステータ銅損が増加するとともに、弱め界磁によって高い誘起電圧を抑えながらロータを回転させることで鉄損も増加し、作動効率の低下を招来するという問題が生じる。 Therefore, it is conceivable to construct a rotating machine that does not need to compensate for the shortage of the induced voltage with the stator power even in the low speed range by increasing the number of permanent magnets so that the induced voltage becomes high. However, if the number of permanent magnets is increased, the cost increases accordingly, and in order to suppress high induced voltage in the high speed range, it is necessary to perform field weakening, and the stator power that does not contribute to torque further increases. . As the stator power that does not contribute to the torque increases, the stator copper loss increases, and the iron loss increases by rotating the rotor while suppressing a high induced voltage by the field weakening, resulting in a decrease in operating efficiency. The problem arises.
また、コストを削減するとともに、高速域で弱め界磁を行わなくてもよいように永久磁石の数量を減らした場合には、低速域における誘起電圧の不足量が増大し、誘起電圧を補うステータ電力も増大してしまうという問題が生じる。 In addition, when the number of permanent magnets is reduced so that the field is not required to be weakened in the high speed range, the amount of insufficient induced voltage in the low speed range increases and the stator that compensates for the induced voltage is reduced. There arises a problem that electric power also increases.
ところで、特開2006−047250号公報には、回転軸の径方向において磁気ギャップを介してロータに対向するステータの両端(軸方向両端)に界磁巻線を設け、各界磁巻線に流す電流の方向を変更することでステータ巻線に鎖交する磁束量(磁束鎖交数)を調整できるように構成された回転機が開示されている。 In JP-A-2006-047250, field windings are provided at both ends (both ends in the axial direction) of the stator facing the rotor via a magnetic gap in the radial direction of the rotating shaft, and currents flow through the field windings. A rotating machine configured to adjust the amount of magnetic flux interlinked with the stator winding (the number of magnetic flux linkages) by changing the direction is disclosed.
具体的に、上記公報に開示されているインナー可動型の回転機は、回転軸の軸方向に並ぶロータコア同士の間に永久磁石をN極とS極が回転軸の軸方向に向かい合う姿勢で配置するとともに、各ロータコアの内周側領域(反ステータ側領域)と、ステータの反ロータ側領域(外周側領域)及びこの外周側領域に一体的に連続し且つ軸方向にロータコアに対向する領域(ロータコア対向領域)をそれぞれ塊状コアによって構成したものである。 Specifically, in the inner movable type rotating machine disclosed in the above publication, the permanent magnets are arranged between the rotor cores arranged in the axial direction of the rotating shaft so that the north and south poles face each other in the axial direction of the rotating shaft. In addition, the inner peripheral side region (anti-stator side region) of each rotor core, the anti-rotor side region (outer peripheral side region) of the stator, and the region that is integrally continuous with the outer peripheral side region and faces the rotor core in the axial direction ( Each of the rotor core facing regions) is constituted by a massive core.
そして、軸方向において対向するロータコアとステータのロータ対向領域との間に、ロータとステータとの磁気ギャップよりも大きいギャップが形成されており、界磁巻線に電流を流していない状態では、永久磁石の磁束が、永久磁石のN極、一方のロータコアの内周側領域(塊状コア)、一方のロータコアの外周側領域(突極部:非塊状コア)、ロータとステータとの磁気ギャップ、ステータの内周側領域(非塊状コア)、ステータの外周側領域(塊状コア)、ステータの内周側領域(非塊状コア)、ロータとステータとの磁気ギャップ、他方のロータコアの外周側領域(突極部:非塊状コア)、他方のロータコアの内周軸側領域(塊状コア)、永久磁石のS極をこの順路で流れる。 In addition, a gap larger than the magnetic gap between the rotor and the stator is formed between the rotor core facing the axial direction and the rotor facing region of the stator. The magnetic flux of the magnet is the N pole of the permanent magnet, the inner peripheral side region (bulk core) of one rotor core, the outer peripheral side region (saliency pole part: non-bulk core) of one rotor core, the magnetic gap between the rotor and the stator, the stator Inner peripheral region (non-lumpy core), stator outer peripheral region (lumped core), stator inner peripheral region (non-lumpy core), magnetic gap between the rotor and stator, and other rotor core outer peripheral region (protrusion) The pole portion: a non-lumpy core), the inner peripheral axis side region (lumpy core) of the other rotor core, and the south pole of the permanent magnet flow along this route.
また、ステータの両端に設けた各界磁巻線に界磁弱め方向の電流を流した場合には、永久磁石の磁束は、界磁巻線の起磁力に誘導されることによってロータとステータとの磁気ギャップに流れ難くなり、永久磁石のN極、一方のロータコアの内周側領域(塊状コア)、一方のロータコアとステータのロータ対向領域とのギャップ、ステータのロータ対向領域(塊状コア)、ステータの外周側領域(塊状コア)、ステータのロータ対向領域(塊状コア)、他方のロータコアとロータ対向領域とのギャップ、他方のロータコアの内周側領域(塊状コア)、永久磁石のS極をこの順路で流れる。すなわち、永久磁石の磁束は、ロータとステータとの磁気ギャップを流れず(ステータ巻線に鎖交せず)、塊状コアで構成した領域を通って短絡されることになり、界磁弱めと同等の効果を得ることができる。 In addition, when a current in a field weakening direction is passed through each field winding provided at both ends of the stator, the magnetic flux of the permanent magnet is induced by the magnetomotive force of the field winding, thereby It becomes difficult to flow into the magnetic gap, the N pole of the permanent magnet, the inner peripheral side region (bulk core) of one rotor core, the gap between the one rotor core and the rotor facing region of the stator, the rotor facing region of the stator (bulk core), the stator The outer peripheral side region (bulk core) of the stator, the rotor facing region of the stator (bulk core), the gap between the other rotor core and the rotor facing region, the inner peripheral side region of the other rotor core (bulk core), and the S pole of the permanent magnet It flows along the route. That is, the magnetic flux of the permanent magnet does not flow through the magnetic gap between the rotor and the stator (not linked to the stator winding), and is short-circuited through the area formed by the massive core, which is equivalent to field weakening. The effect of can be obtained.
一方、各界磁巻線に界磁強め方向の電流を流した場合には、各界磁巻線の起磁力は永久磁石の起磁力とは逆方向に与えられ、永久磁石の磁束は、永久磁石のN極、一方のロータコアの内周側領域(塊状コア)、一方のロータコアの外周側領域(突極部:非塊状コア)、ロータとステータとの磁気ギャップ、ステータの内周側領域(非塊状コア)、ステータの外周側領域(塊状コア)、ステータの内周側領域(非塊状コア)、ロータとステータとの磁気ギャップ、他方のロータコアの外周側領域(突極部:非塊状コア)、他方のロータコアの内周側領域(塊状コア)、永久磁石のS極をこの順路で流れる。すなわち、永久磁石の磁束は、各界磁巻線に電流を流していない状態と同じ流れになり、ステータ巻線に鎖交する。そして、界磁巻線によって発生する磁束もまたステータ巻線に鎖交し、界磁巻線に流す電流を調整することでステータ巻線への磁束鎖交数を増加でき、トルクを増大させることができる。 On the other hand, when a current in a field strengthening direction is passed through each field winding, the magnetomotive force of each field winding is applied in the opposite direction to the magnetomotive force of the permanent magnet, and the magnetic flux of the permanent magnet is N pole, inner peripheral area of one rotor core (lumpy core), outer peripheral area of one rotor core (saliency pole portion: non-lumpy core), magnetic gap between rotor and stator, inner peripheral area of stator (non-lumped) Core), outer peripheral side region of the stator (bulk core), inner peripheral side region of the stator (non-bulk core), magnetic gap between the rotor and the stator, outer peripheral side region of the other rotor core (saliency pole part: non-bulk core), The other rotor core inner circumferential side region (lumped core) flows through the south pole of the permanent magnet along this route. That is, the magnetic flux of the permanent magnet flows in the same manner as when no current is passed through each field winding, and is linked to the stator winding. The magnetic flux generated by the field winding is also linked to the stator winding, and the number of flux linkages to the stator winding can be increased and the torque increased by adjusting the current flowing through the field winding. Can do.
このような回転機であれば、上述したように各界磁巻線に流す電流の方向を変更して界磁弱め制御又は界磁強め制御を実行することで、ステータ巻線に鎖交する磁束量(磁束鎖交数)を調整できる点で従来の永久磁石同期回転機と比較して有利である。 In such a rotating machine, the amount of magnetic flux interlinked with the stator winding is changed by executing the field weakening control or the field strengthening control by changing the direction of the current flowing through each field winding as described above. This is advantageous in comparison with a conventional permanent magnet synchronous rotating machine in that (the number of magnetic flux linkages) can be adjusted.
しかしながら、ロータ及びステータの各所定領域を、永久磁石の磁束がステータ巻線に鎖交しないように迂回させるバイパスとして機能させるために塊状コアで構成しなければならない点、ステータの両端にそれぞれ界磁巻線を配置しなければならない点については、さらなる構造簡素化の余地があるといえる。 However, in order to make each predetermined region of the rotor and the stator function as a bypass that bypasses the magnetic flux of the permanent magnet so as not to interlink with the stator windings, it is necessary to configure it with a massive core. It can be said that there is room for further simplification of the point where the windings must be arranged.
また、回転領域(運転領域)の変動に伴って界磁巻線に流す電流の方向を切り替え、磁束を変化させて界磁弱め制御又は界磁強め制御を適切に実行しなければならないこの種の界磁巻線形同期回転機では、電流の2乗に比例する界磁巻線の銅損(界磁銅損)が、界磁強め制御時のみならず、界磁弱め制御時でも増加するため、この界磁銅損の増加が効率を低下させる要因になっている。 In addition, this type of control must be performed appropriately by switching the direction of the current flowing through the field winding in accordance with the fluctuation of the rotation region (operation region) and changing the magnetic flux to appropriately perform the field weakening control or the field strengthening control. In the field winding type synchronous rotating machine, the copper loss of the field winding (field copper loss) proportional to the square of the current increases not only in the field strengthening control but also in the field weakening control. This increase in field copper loss is a factor that reduces efficiency.
本発明は、このような検討結果に基づき、永久磁石の大幅な増量を回避しつつ、ステータ巻線に鎖交する磁束量を調整することができ、低速・高トルクの状態から高速・低トルクの状態に亘る広範な運転領域に対応する何れの回転領域でも高い効率を実現可能な回転機を提供することを主たる目的とするものである。 The present invention can adjust the amount of magnetic flux interlinked with the stator windings while avoiding a significant increase in permanent magnets based on the results of such studies, and from high speed / low torque to low speed / high torque conditions. The main object of the present invention is to provide a rotating machine capable of realizing high efficiency in any rotation region corresponding to a wide range of operation over this state.
すなわち本発明は、ステータ極及びステータ巻線を有するステータと、ステータと同軸上に配置され且つステータとの間に磁気ギャップを形成するロータと、ロータをステータに対して回転可能に支持するロータ支持部材とを備えた回転機に関するものである。ここで、「ステータ極」の数は、ロータの極数、相数、係数に基づいて決定される。 That is, the present invention relates to a stator having a stator pole and a stator winding, a rotor arranged coaxially with the stator and forming a magnetic gap between the stator, and a rotor support that rotatably supports the rotor with respect to the stator. The present invention relates to a rotating machine provided with a member. Here, the number of “stator poles” is determined based on the number of poles, the number of phases, and the coefficients of the rotor.
そして、本発明に係る回転機は、ロータとして、対をなす第1ロータコア及び第2ロータコアと、永久磁石列と、磁性リングと、界磁巻線とを備えたものを適用している点、ロータ支持部材を磁性体で構成している点、界磁巻線に電流を流していない状態において各永久磁石、各ロータコア、磁性リング、及びロータ支持部材を通って短絡する永久磁石列の磁束を、界磁巻線に所定方向の電流を流すことで生じる界磁巻線の磁束とともにステータ巻線に鎖交する磁束に変化可能に構成している点、これらの点に以下に述べるような特徴を有するものである。 And the rotating machine which concerns on this invention is applying the thing provided with the 1st rotor core and 2nd rotor core which make a pair, a permanent magnet row | line | column, a magnetic ring, and a field winding as a rotor, The magnetic flux of the permanent magnet array that is short-circuited through each permanent magnet, each rotor core, the magnetic ring, and the rotor support member in a state in which the rotor support member is made of a magnetic material and no current is passed through the field winding. In addition, it is possible to change to a magnetic flux interlinked with the stator winding along with the magnetic flux of the field winding generated by passing a current in a predetermined direction through the field winding. It is what has.
本発明に係る回転機は、回転軸の径方向においてロータをステータの内周側に配置したインナー可動型、及び回転軸の径方向においてロータをステータの外周側に配置したアウター可動型の何れをも包含するものであり、以下に本願発明の技術的特徴について具体的に説明する。 The rotating machine according to the present invention includes either an inner movable type in which the rotor is disposed on the inner peripheral side of the stator in the radial direction of the rotating shaft and an outer movable type in which the rotor is disposed on the outer peripheral side of the stator in the radial direction of the rotating shaft. The technical features of the present invention will be specifically described below.
ロータを構成する第1ロータコア及び第2ロータコアは、何れもリング状のヨーク及びヨークからステータに向かって突出し且つ周方向に等ピッチで複数設けた突極部を有する磁性体である。そして、本発明の回転機では、これら第1ロータコア及び第2ロータコアを相互に周方向に1極ピッチ分ずらした状態で回転軸の軸方向に離間して配置している。なお、1極ピッチ分は、一回転360度を各ロータコアの突極部の数(第1ロータコアの突極部及び第2ロータコアの突極部の総数ではない)で除した値に相当する。 Each of the first rotor core and the second rotor core constituting the rotor is a magnetic body having a ring-shaped yoke and a plurality of salient pole portions that protrude from the yoke toward the stator and are provided at a constant pitch in the circumferential direction. In the rotating machine of the present invention, the first rotor core and the second rotor core are arranged apart from each other in the axial direction of the rotating shaft in a state where they are shifted from each other by one pole pitch in the circumferential direction. One pole pitch corresponds to a value obtained by dividing one rotation of 360 degrees by the number of salient pole parts of each rotor core (not the total number of salient pole parts of the first rotor core and second rotor core).
また、永久磁石列は、第1ロータコアのヨークとロータ支持部材との間に配置され且つヨークに対向するヨーク対向面とロータ支持部材に対向するロータ支持部材対向面に相対応する異なった極性を持たせた第1永久磁石と、第2ロータコアのヨークとロータ支持部材との間に配置され且つヨーク対向面とロータ支持部材対向面の各極性が第1永久磁石の極性と異なる第2永久磁石とを回転軸の軸方向に沿って並べたものである。 Further, the permanent magnet row is disposed between the yoke of the first rotor core and the rotor support member, and has different polarities corresponding to the yoke facing surface facing the yoke and the rotor supporting member facing surface facing the rotor support member. A first permanent magnet provided, and a second permanent magnet disposed between the yoke of the second rotor core and the rotor support member, wherein each polarity of the yoke facing surface and the rotor support member facing surface is different from the polarity of the first permanent magnet. Are arranged along the axial direction of the rotation axis.
磁性リングは、第1ロータコアと第2ロータコアの間であって且つ第1永久磁石及び第2永久磁石に跨がる位置に配置したものであり、界磁巻線は、第1ロータコアと第2ロータコアの間であって且つ磁性リングのうちステータ側の周面に巻回したものである。 The magnetic ring is disposed between the first rotor core and the second rotor core and in a position straddling the first permanent magnet and the second permanent magnet, and the field winding includes the first rotor core and the second rotor core. It is between the rotor cores and wound around the stator-side peripheral surface of the magnetic ring.
また、磁性体で構成したロータ支持部材の一例としては、インナー可動型であれば回転軸(シャフト)を挙げることができ、アウター可動型であれば例えばロータの外周に配置されるフレームを挙げることができる。 Further, as an example of a rotor support member made of a magnetic material, a rotary shaft (shaft) can be cited if it is an inner movable type, and a frame disposed on the outer periphery of the rotor is exemplified if it is an outer movable type. Can do.
このような各部材から構成した本発明の回転機では、界磁巻線に電流を流していない状態(界磁巻線非励磁状態)であれば、永久磁石列の磁束は、例えば第1永久磁石のヨーク対向面がN極である場合にこの第1永久磁石のヨーク対向面を始点として捉えると、第1永久磁石のヨーク対向面、第1ロータコアのヨーク、磁性リング、第2ロータコアのヨーク、第2永久磁石のヨーク対向面、第2永久磁石のロータ支持部材対向面、磁性体であるロータ支持部材、第1永久磁石のロータ支持部材対向面、第1永久磁石のヨーク対向面をこの順で流れる。すなわち、界磁巻線の起磁力がゼロの場合には、永久磁石列の磁束がステータ巻線に鎖交しない。言い換えれば、ステータ巻線に界磁磁束(モータが回転する際に発生する磁界である界磁の磁束)が流れない。 In the rotating machine of the present invention composed of such members, the magnetic flux of the permanent magnet array is, for example, the first permanent if the current is not passed through the field winding (the field winding is not excited). When the yoke-facing surface of the magnet is N-pole, if the yoke-facing surface of the first permanent magnet is taken as a starting point, the yoke-facing surface of the first permanent magnet, the yoke of the first rotor core, the magnetic ring, and the yoke of the second rotor core The second permanent magnet yoke facing surface, the second permanent magnet rotor supporting member facing surface, the rotor supporting member that is a magnetic body, the first permanent magnet rotor supporting member facing surface, and the first permanent magnet yoke facing surface. It flows in order. That is, when the magnetomotive force of the field winding is zero, the magnetic flux of the permanent magnet row does not interlink with the stator winding. In other words, field magnetic flux (field magnetic flux that is a magnetic field generated when the motor rotates) does not flow in the stator winding.
一方、界磁巻線に所定方向の電流を流した場合、界磁巻線の磁束は、例えば界磁巻線をステータ側の周面に配置している磁性リングを流れる。この磁性リングを流れる界磁巻線の磁束の向きが、界磁巻線非励磁状態において磁性リングを流れる永久磁石列の磁束の向きと反対になる方向(永久磁石列の磁束とぶつかる方向)の電流を界磁巻線に流す。界磁巻線非励磁状態における永久磁石列の磁束の流れが上述した流れである場合、界磁巻線に所定方向の電流を流すことで生じる界磁巻線の磁束は、磁性リングを第2ロータコアのヨーク側から第1ロータコアのヨークに向かって流れる磁束であり、磁性リングを起点として捉えると、磁性リング、第1ロータコアのヨーク、第1ロータコアの突極部、第1ロータコアの突極部とステータ極の磁気ギャップ、ステータ極、ステータ極と第2ロータコアの突極部の磁気ギャップ、第2ロータコアの突極部、第2ロータコアのヨーク、磁性リングをこの順で流れる。そして、界磁巻線に流す電流量を調節して界磁巻線の起磁力の大きさを調節することができ、界磁巻線の起磁力によって生じる磁束が永久磁石列の磁束よりも大きければ、磁性リングを流れようとする永久磁石の磁束は、界磁巻線の磁束にぶつかって磁性リングを流れず、界磁巻線の磁束に誘導されてロータコアの突極部とステータ極との隙間である磁気ギャップを流れる。その結果、界磁巻線の磁束の流れが上述した流れである場合、界磁巻線の磁束に誘導される永久磁石の磁束は、磁性リングを流れず、界磁巻線の磁束とともに、第1ロータコアのヨーク、第1ロータコアの突極部、第1ロータコアの突極部とステータ極の磁気ギャップ、ステータ極、ステータ極と第2ロータコアの突極部の磁気ギャップ、第2ロータコアの突極部、第2ロータコアのヨークをこの順で流れ、第2ロータコアから第2永久磁石、磁性体であるロータ支持部材、第1永久磁石を流れて第1ロータコアのヨークに至る。 On the other hand, when a current in a predetermined direction is passed through the field winding, the magnetic flux of the field winding flows, for example, through a magnetic ring in which the field winding is disposed on the peripheral surface on the stator side. The direction of the magnetic flux of the field winding flowing through the magnetic ring is opposite to the direction of the magnetic flux of the permanent magnet array flowing through the magnetic ring in the non-excited state of the field winding (the direction of colliding with the magnetic flux of the permanent magnet array). Current is passed through the field winding. When the flow of the magnetic flux of the permanent magnet array in the non-excited state of the field winding is the flow described above, the magnetic flux of the field winding generated by passing a current in a predetermined direction through the field winding Magnetic flux that flows from the yoke side of the rotor core toward the yoke of the first rotor core. When the magnetic ring is taken as a starting point, the magnetic ring, the yoke of the first rotor core, the salient pole part of the first rotor core, and the salient pole part of the first rotor core And the stator pole, the stator pole, the magnetic gap between the stator pole and the salient pole part of the second rotor core, the salient pole part of the second rotor core, the yoke of the second rotor core, and the magnetic ring in this order. The magnitude of the magnetomotive force of the field winding can be adjusted by adjusting the amount of current flowing through the field winding, and the magnetic flux generated by the magnetomotive force of the field winding is larger than the magnetic flux of the permanent magnet array. For example, the magnetic flux of the permanent magnet that is going to flow through the magnetic ring does not flow through the magnetic ring by colliding with the magnetic flux of the field winding, but is induced by the magnetic flux of the field winding, and between the salient pole part of the rotor core and the stator pole. It flows through a magnetic gap that is a gap. As a result, when the flow of the magnetic flux of the field winding is the flow described above, the magnetic flux of the permanent magnet induced by the magnetic flux of the field winding does not flow through the magnetic ring, 1 rotor core yoke, salient pole part of first rotor core, magnetic gap between salient pole part of first rotor core and stator pole, stator pole, magnetic gap between salient pole part of stator pole and second rotor core, salient pole of second rotor core And the yoke of the second rotor core in this order, and flows from the second rotor core to the yoke of the first rotor core through the second permanent magnet, the rotor support member that is a magnetic body, and the first permanent magnet.
このように、本発明に係る回転機は、界磁巻線に所定方向の電流を流していない状態であればステータ巻線に界磁磁束が鎖交していない状態を確保することができる。したがって、本発明に係る回転機では、界磁巻線に所定方向の電流を流していない状態において誘起電圧が発生せず、安全な状態を確保することができる。また、界磁巻線に所定方向の電流を流した場合には、永久磁石列の磁束と界磁巻線の磁束をステータ巻線に鎖交させる(永久磁石列の磁束を界磁巻線の磁束とともにステータ巻線に鎖交する界磁磁束に変化させる)ことができ、誘起電圧を発生させてロータを回転させることができる。 As described above, the rotating machine according to the present invention can ensure a state in which the field magnetic flux is not linked to the stator winding as long as a current in a predetermined direction is not passed through the field winding. Therefore, in the rotating machine according to the present invention, an induced voltage is not generated in a state where a current in a predetermined direction is not passed through the field winding, and a safe state can be ensured. When a current in a predetermined direction is passed through the field winding, the magnetic flux of the permanent magnet array and the magnetic flux of the field winding are linked to the stator winding (the magnetic flux of the permanent magnet array is The magnetic flux can be changed to a magnetic field flux interlinked with the stator winding together with the magnetic flux), and an induced voltage can be generated to rotate the rotor.
そして、本発明の回転機であれば、要求される回転数(出力)やトルクに応じて界磁巻線に流す電流量を調節することで、ステータ巻線に鎖交する磁束量(永久磁石列の磁束に界磁巻線の磁束を重畳した磁束量であり、永久磁石列の磁束と界磁巻線の磁束の総和である磁束量)を増減することができる。この際、永久磁石列の界磁を弱める弱め界磁は不要であるため、永久磁石列を構成する永久磁石の減磁現象を防止することができるとともに、弱め界磁制御と強め界磁制御を選択して行う態様と比較して、界磁巻線に流す電流方向は一定方向のみであるため、界磁巻線に流す電流方向を切り替える処理が不要である。そして、弱め界磁制御時に要する「トルクに寄与しないステータ電力」が不要となり、界磁巻線の銅損(界磁銅損)の減少を実現できる。 In the rotating machine of the present invention, the amount of magnetic flux interlinked with the stator winding (permanent magnet) is adjusted by adjusting the amount of current flowing through the field winding according to the required number of rotations (output) and torque. The amount of magnetic flux obtained by superimposing the magnetic flux of the field winding on the magnetic flux of the row, and the amount of magnetic flux that is the sum of the magnetic flux of the permanent magnet row and the magnetic flux of the field winding can be increased or decreased. At this time, since the field weakening that weakens the field of the permanent magnet array is unnecessary, the demagnetization phenomenon of the permanent magnets constituting the permanent magnet array can be prevented, and the field weakening control and the field strengthening control are selectively performed. Compared with the aspect, the direction of the current flowing through the field winding is only a fixed direction, so that it is not necessary to switch the direction of the current flowing through the field winding. Further, the “stator power that does not contribute to torque” required for field weakening control becomes unnecessary, and a reduction in copper loss (field copper loss) of the field winding can be realized.
さらに、本発明の回転機は、ステータに対してロータを回転可能に支持するロータ支持部材を磁性体にし、このロータ支持部材と、回転軸の軸方向に並ぶ第1ロータコア、磁性リング及び第2ロータコアの間に、永久磁石列を回転軸の径方向に挟むように配置することで、永久磁石列の磁束を磁気短絡させており、ステータの一部を永久磁石の磁束が流れるバイパスとして機能させる構成と比較して短い磁路を実現することができるとともに、バイパス機能を発揮させるためにステータの所定領域を他の領域よりも抵抗を低くして磁束が流れ易くする特殊な構造にする処理も不要であり、構造の簡素化の点においても有利である。 Further, in the rotating machine of the present invention, the rotor support member that rotatably supports the rotor with respect to the stator is made of a magnetic material, and the rotor support member, the first rotor core, the magnetic ring, and the second lined in the axial direction of the rotation shaft. By arranging the permanent magnet row between the rotor cores in the radial direction of the rotating shaft, the magnetic flux of the permanent magnet row is magnetically short-circuited, and a part of the stator functions as a bypass through which the magnetic flux of the permanent magnet flows. Compared to the configuration, a short magnetic path can be realized, and in order to exert a bypass function, a predetermined region of the stator is made a special structure that makes the magnetic flux flow easier by lowering the resistance than other regions. This is unnecessary and is advantageous in terms of simplification of the structure.
このような本発明に係る回転機であれば、界磁巻線の起磁力がゼロの場合にはステータ巻線に鎖交しない永久磁石の磁束を、界磁巻線に電流を流すことで界磁巻線の磁束に重畳させて、ステータ巻線に鎖交する磁束(界磁磁束)に変化させることが可能であり、且つ永久磁石の大幅な増量を回避しつつ、低速・高トルクの状態から高速・低トルクの状態に亘る広範な運転領域に対応する何れの回転領域でも高い効率を実現することができる。 In such a rotating machine according to the present invention, when the magnetomotive force of the field winding is zero, the magnetic field of the permanent magnet not interlinked with the stator winding is caused to flow through the field winding by passing a current through the field winding. It is possible to change to a magnetic flux (field magnetic flux) interlinked with the stator winding by superimposing it on the magnetic flux of the magnetic winding, and avoiding a significant increase in permanent magnets, while at low speed and high torque High efficiency can be realized in any rotation region corresponding to a wide range of operation from high speed to low torque.
本発明によれば、永久磁石列及び界磁巻線をロータに配置し、界磁巻線非励磁状態では磁性リング及び磁性体のロータ支持部材によってステータ巻線に鎖交しないように磁気短絡させた永久磁石列の磁束を、界磁巻線に所定方向の電流を流すことで界磁巻線の磁束とともにステータ巻線に鎖交する磁束(界磁磁束)に変化可能に構成しているため、永久磁石の大幅な増量を回避しつつ、広範な運転領域に対応する何れの回転領域でも高効率で作動する回転機を提供することができる。 According to the present invention, the permanent magnet array and the field winding are arranged in the rotor, and in a non-excited state of the field winding, the magnetic ring and the magnetic rotor support member are magnetically short-circuited so as not to be linked to the stator winding. Because the magnetic flux of the permanent magnet array can be changed to the magnetic flux (field magnetic flux) interlinked with the stator winding together with the magnetic flux of the field winding by passing a current in a predetermined direction through the field winding. Thus, it is possible to provide a rotating machine that operates with high efficiency in any rotation region corresponding to a wide range of operation while avoiding a significant increase in the number of permanent magnets.
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
本実施形態に係る回転機Xは、例えば図示しない電気自動車(EV)やハイブリッド車(HEV)の駆動モータとして適用可能なものである。 The rotating machine X according to the present embodiment can be applied as a drive motor of an electric vehicle (EV) or a hybrid vehicle (HEV) (not shown), for example.
回転機Xは、図1乃至図3に示すように、ステータ1と、ステータ1と同軸上に配置され且つステータ1との間に磁気ギャップを形成するロータ2と、ロータ2をステータ1に対して回転可能に支持するロータ支持部材3とを備えたものである。本実施形態に係る回転機Xは、ロータ2をステータ1よりも回転軸Wの径方向C内側に配置したインナー可動型の回転機である。
As shown in FIGS. 1 to 3, the rotating machine X includes a
ステータ1は、リング状のステータコア11と、ステータコア11からロータ2側に向かって突出し且つ周方向Bに等角ピッチで配列された複数のステータティース12(本発明のステータ極に相当)と、周方向Bに隣り合うステータティース12同士の間に形成されるスロットに配置したステータ巻線13とを有するものである。本実施形態の回転機Xは、ステータ1の外周面を被覆する円筒状の磁性フレーム(図示省略)を備えている。本実施形態では、磁性フレームの内周面とステータ1の外周面(ステータコア11の外周面)の隙間がゼロ又は略ゼロとなるように磁性フレームの内径及びステータコア11の外径を設定している。
The
ロータ2は、図1乃至図4に示すように、対となる磁性体の第1ロータコア4及び第2ロータコア5と、永久磁石列6と、磁性リング7と、界磁巻線8とを備えている。
As shown in FIGS. 1 to 4, the
第1ロータコア4及び第2ロータコア5は同一形状であり、それぞれリング状のヨーク41,ヨーク51と、各ヨーク41,51のそれぞれからステータ1側に向かって突出し且つ周方向Bに等角ピッチで複数設けた突極部42,突極部52を有するものである。そして、本実施形態では、図4に示すように、これら第1ロータコア4及び第2ロータコア5を周方向Bに互いに1極ピッチ分ずらした状態でシャフト3の軸方向Aに並べて配置している。図4に示す各ロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5)はそれぞれ4つの突極部42,突極部52を有するものであり、これらロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5)を周方向Bに互いに90度(一回転360を4で除した値)ずらした状態で回転軸Wの軸方向A(以下、単に「軸方向A」と称する場合がある)に並べて配置している。ここで、本実施形態の回転機Xは、軸方向Aに所定距離離間して並ぶ第1ロータコア4と第2ロータコア5との間に磁性リング7を介在させている。
The
ここで、本実施形態の回転機Xでは、ステータ1とロータ2の間、より具体的にはステータ1のステータティース12と各ロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5の突極部42,突極部52)の間に、回転軸Wの周方向Bに周回する磁気ギャップを形成している。
Here, in the rotating machine X of the present embodiment, between the
また、本実施形態ではロータ支持部材として、ロータ2の回転軸Wそのものとして機能する磁性体のシャフト3を適用している。すなわち、シャフト3及びロータ2は一体回転可能に構成されている。本実施形態では、図1及び図3に示すように、シャフト3のうち径方向Cにおいてロータ2及びステータ1と重なり得る領域を他の領域よりも外径が大きい大径部31に設定し、この大径部31のうちシャフト3の軸方向A一端部には径方向C外側に突出する鍔部32を形成している。
In this embodiment, a
永久磁石列6は、回転軸W(シャフト3)の軸方向Aに並べて配置した第1永久磁石61及び第2永久磁石62を用いて構成したものである。本実施形態では、第1ロータコア4のヨーク41とシャフト3(具体的にはシャフト3の大径部31)との間に第1永久磁石61を配置するとともに、第2ロータコア5のヨーク51とシャフト3(具体的にはシャフト3の大径部31)との間に第2永久磁石62を配置している。本実施形態の回転機Xでは、何れもリング状をなす第1永久磁石61及び第2永久磁石62の外径を各ロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5)の内径(具体的にはヨーク41,ヨーク51の内径)よりも僅かに大きい値に設定し、第1永久磁石61及び第2永久磁石62の内径をシャフト3のうち大径部31の外径よりも僅かに小さい値に設定している。
The
第1永久磁石61は、ヨーク41に対向するヨーク対向面61aとシャフト3に対向するシャフト対向面61b(本発明のロータ支持部材対向面に相当)に相対応する異なった極性を持たせたものであり、本実施形態では、例えばヨーク対向面61aをN極、シャフト対向面61bをS極に着磁した第1永久磁石61を適用している。また、第2永久磁石62は、ヨーク対向面62aとシャフト対向面62bの各極性が第1永久磁石61の極性と異なるように着磁した(つまり、ヨーク対向面62aをS極、シャフト対向面62bをN極に着磁した)ものである。
The first
本実施形態の回転機Xは、シャフト3の大径部31のうち、シャフト3の軸方向Aに沿って上述の鍔部32側から第1永久磁石61及び第2永久磁石62をこの順番に配置している。つまり、第1永久磁石61及び第2永久磁石62をこの順にシャフト3の大径部31のうち鍔部32を設けていない側の端部から大径部31を外嵌するように挿入することで、上述した配置条件及び着磁条件を満たす永久磁石列6を実現している。第1永久磁石61及び第2永久磁石62はシャフト3の軸方向Aに隙間無く並んだ状態で配置される。そして、このような構成をなす永久磁石列6はシャフト3と一体回転可能である。
In the rotating machine X of the present embodiment, the first
また、本実施形態に係る回転機Xは、第1ロータコア4と第2ロータコア5の間に磁性リング7を配置している。具体的に、この磁性リング7は、第1ロータコア4のヨーク41と第2ロータコア5のヨーク51の間であって且つシャフト3の軸方向Aに沿って第1永久磁石61及び第2永久磁石62を跨ぐ位置に配置したものである。本実施形態の回転機Xでは、磁性リング7の内径を各ロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5)の内径(具体的にはヨーク41,ヨーク51の内径)と同一または略同一に設定し、磁性リング7の外径を各ロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5)のヨーク41,ヨーク51の外径と同一または略同一に設定している。また、磁性リング7の厚み自体は、各永久磁石(第1永久磁石61,第2永久磁石62)の厚みよりも薄い。
In the rotating machine X according to this embodiment, the
本実施形態の磁性リング7は、これら永久磁石(第1永久磁石61,第2永久磁石62)を上述した順でシャフト3の大径部31に外嵌させた後に、第1ロータコア4及び第2ロータコア5と同様に永久磁石列6を外嵌するように挿入することで、第1ロータコア4のヨーク41と第2ロータコア5のヨーク51の間に配置することができる。具体的には、第1ロータコア4、磁性リング7、第2ロータコア5の順にシャフト3の大径部31のうち鍔部32を設けていない側の端部から大径部31を外嵌するように挿入すると、第1ロータコア4が鍔部32に当接してそれ以上の挿入動作が規制され、この第1ロータコア4に続いて磁性リング7及び第2ロータコア5をシャフト3の軸方向Aに隙間無く並べて配置することができる。この磁性リング7は、各ロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5)に挟持された状態で各ロータコア4,5及び永久磁石列6とともにシャフト3と一体回転可能である。
In the
本実施形態に係る回転機Xは、磁性リング7のうちステータ1側の周面、すなわちインナー可動型の回転機Xであれば磁性リング7の外周面に、界磁巻線8を巻回している。界磁巻線8は、図1乃至図4に示すように、回転軸Wの径方向Cにおいて磁性リング7と重なり、回転軸Wの軸方向Aにおいて第1ロータコア4と第2ロータコア5に挟まれる位置に配置される。本実施形態では、界磁巻線8のうち径方向Cにおいて最も内側の領域を磁性リング7の外周面に接触させ、界磁巻線8のうち径方向Cにおいて最も外側の領域を各ロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5)の突極部42(突極部42,突極部52)の先端面(外周面)よりもステータ1から離間した位置に設定している。なお、図2では、説明の便宜上、回転軸W回りに周回する界磁巻線8に共通のパターンを付している。
In the rotating machine X according to the present embodiment, the field winding 8 is wound around the outer surface of the
そして、本実施形態に係る回転機Xは、シャフト3の軸方向Aに沿った永久磁石列6の幅寸法と、第1ロータコア4、磁性リング7及び第2ロータコア5の並び方向(軸方向A)における幅寸法の総和が同一または略同一になるように設定している。すなわち、本実施形態では、各ロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5)の軸方向Aに沿った幅寸法を各永久磁石(第1永久磁石61,第2永久磁石62)の幅寸法よりも小さく設定している。
And the rotary machine X which concerns on this embodiment is the width dimension of the permanent magnet row | line |
ここで、図4に示すように、シャフト3に永久磁石列6、ロータ2、磁性リング7及び界磁巻線8を組み付けたユニットは、ステータ1に対して回転可能な部材のみを組み付けたものであることからロータユニットUと捉えることができる。そして、このロータユニットUは、ステータ1の径方向C内側に挿通され、ステータティース12との間に形成される磁気ギャップを介してステータ1に対してシャフト3の軸心回りに回転自在に設けられる。
Here, as shown in FIG. 4, the unit in which the
次に、このような構成を有する本実施形態に係る回転機Xの動作及び作用について説明する。 Next, the operation and action of the rotating machine X according to this embodiment having such a configuration will be described.
本実施形態の回転機Xにおいて、磁性リング7を周回する位置に設けた界磁巻線8に電流が流れていない場合(界磁巻線非励磁状態)、永久磁石列6の磁束(以下では「磁石磁束」と称する場合がある)は、図5及び図6に点線で示すように、例えば第1永久磁石61のヨーク対向面61a(N極)を始点として捉えると、この第1永久磁石61のヨーク対向面61a、第1ロータコア4のヨーク41、磁性リング7、第2ロータコア5のヨーク51、第2永久磁石62のヨーク対向面62a(S極)、第2永久磁石62のシャフト対向面62b(N極)、シャフト3、第1永久磁石61のシャフト対向面61b(S極)、第1永久磁石61のヨーク対向面61a(N極)を流れる。すなわち、永久磁石列6の磁束の経路(磁路)は、常に全体の磁気抵抗が最も小さくなる磁路が必然的に選ばれるため、界磁巻線非励磁状態における磁石磁束は、ロータ2とステータ1の磁気ギャップを避けて流れることになる。したがって、界磁巻線非励磁状態では永久磁石列6の磁束がステータ巻線13に鎖交することはない。特に、本実施形態では、各永久磁石(第1永久磁石61,第2永久磁石62)及び各ロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5)を回転軸Wの径方向Cに流れる永久磁石列6の磁束が、第1ロータコア4と第2ロータコア5の間に配置した磁性リング7、及び磁性体であるシャフト3では軸方向Aに流れるように設定し、永久磁石列6の磁束を短絡させている。この界磁巻線非励磁状態における永久磁石列6の磁束を以下では「非励磁状態磁石磁束」と称す。このように、非励磁状態磁石磁束はロータ2内におさまり、ステータ巻線13に鎖交しない。したがって、誘起電圧が発生せず、安全な状態であるといえる。なお、永久磁石列6の磁束量は常に一定である。
In the rotating machine X of the present embodiment, when no current is flowing through the field winding 8 provided at a position that circulates around the magnetic ring 7 (field winding non-excited state), the magnetic flux of the permanent magnet row 6 (below, For example, when the yoke-facing
一方、本実施形態の回転機Xにおいて、界磁巻線8に所定方向の電流を流した場合(界磁巻線励磁状態)、具体的には、図7及び図8に示すように、磁性リング7における界磁巻線8の磁束(同図において二点鎖線で示す磁束であり、以下では「界磁巻線磁束」と称する場合がある)の向きが非励磁状態磁石磁束の向きと反対になる方向の電流を界磁巻線8に流した場合、界磁巻線磁束は、例えば第1ロータコア4のヨーク41を始点として捉えると、この第1ロータコア4のヨーク41、第1ロータコア4の突極部42、磁気ギャップ、ステータティース12、ステータコア11、ステータティース12、磁気ギャップ、第2ロータコア5の突極部52、第2ロータコア5のヨーク51、磁性リング7、第1ロータコア4のヨーク41を流れる。そして、界磁巻線8の起磁力の大きさに依存する界磁巻線8の磁束量(界磁電力の大きさに依存する界磁巻線8の磁束量)が永久磁石列6の磁束量よりも大きい場合に、上述した非励磁状態磁石磁束のうち、第1ロータコア4のヨーク41から磁性リング7を経て第2ロータコア5のヨーク51に向かう永久磁石列6の磁束が、界磁巻線8の磁束によって誘導されて、第1ロータコア4のヨーク41から磁性リング7及び第2ロータコア5のヨーク51に向かわずに、界磁巻線8の磁束と同一方向、つまり、第1ロータコア4のヨーク41、第1ロータコア4の突極部42、磁気ギャップ、ステータティース12、ステータコア11、ステータティース12、磁気ギャップ、第2ロータコア5の突極部52、第2ロータコア5のヨーク51へと流れる磁束(以下では「励磁状態磁石磁束」と称す)となる。この励磁状態磁石磁束は、第2ロータコア5のヨーク51から、第2永久磁石62のヨーク対向面62a(S極)、第2永久磁石62のシャフト対向面62b(N極)、シャフト3、第1永久磁石61のシャフト対向面61b(S極)、第1永久磁石61のヨーク対向面61a(N極)へと流れる。
On the other hand, in the rotating machine X of the present embodiment, when a current in a predetermined direction is passed through the field winding 8 (field winding excitation state), specifically, as shown in FIG. 7 and FIG. The direction of the magnetic flux of the field winding 8 in the ring 7 (which is a magnetic flux indicated by a two-dot chain line in the drawing and may be referred to as “field winding magnetic flux” hereinafter) is opposite to the direction of the non-excited state magnetic flux. When the current in the direction to flow is applied to the field winding 8, the field winding magnetic flux, for example, when the
そして、本実施形態に係る回転機Xにおいて、このような励磁状態磁石磁束が、界磁巻線8の磁束とともにステータ巻線13に鎖交することによって、誘起電圧を発生させてロータ2を回転させることができる。さらに、本実施形態に係る回転機Xは、要求される回転数(出力)やトルクに応じて界磁巻線8に流す電流量(界磁電力)を調節することで、ステータ巻線13に鎖交する磁束量(永久磁石列6の磁束と界磁巻線8の磁束の総和である磁束量)を増減することができる。
Then, in the rotating machine X according to the present embodiment, such an excited state magnetic flux is linked to the stator winding 13 together with the magnetic flux of the field winding 8 to generate an induced voltage to rotate the
したがって、このような回転機Xを電気自動車やハイブリッド車の駆動モータとして適用した場合、回転機Xの回転数に対する誘起電圧、界磁電力、ステータ電力の特性を示す図9からも把握できるように、始動時を含む低速域では、ステータ1のコイル(ステータ巻線13)に通電するとともに、界磁巻線8に所定方向の電流を流して非励磁状態から界磁巻線励磁状態に切り替えることで励磁されたロータ2が回転駆動する。なお、図9では、トルクを相対的に細い実線で示し、出力を相対的に太い実線で示し、誘起電圧を点線(実際の誘起電圧を相対的に太い点線、界磁制御を行わない場合の誘起電圧を相対的に細い点線)で示し、界磁電力を2点鎖線で示し、ステータ電力を1点鎖線で示している。
Therefore, when such a rotating machine X is applied as a drive motor for an electric vehicle or a hybrid vehicle, it can be understood from FIG. 9 that shows the characteristics of the induced voltage, the field power, and the stator power with respect to the rotational speed of the rotating machine X. In the low speed range including the start time, the coil of the stator 1 (stator winding 13) is energized, and a current in a predetermined direction is supplied to the field winding 8 to switch from the non-excited state to the field winding excited state. The
本実施形態に係る回転機Xは、大トルクが要求される低速域において、界磁巻線8に流す電流量を上げる(界磁電力を大きくする)ことによって、その界磁電力に応じた大きい界磁巻線8の磁束と、この界磁巻線8の磁束に誘導される永久磁石列6の磁束をステータ巻線13に鎖交させることができ、ステータ1巻線に鎖交する磁束量を増大させる(磁束密度を高める)ことができる。したがって、例えばステータ巻線13に流す電流を大きくすることに依らずとも、界磁巻線8に所定方向の電流を流す界磁制御を行うことで大トルクを得ることができ、界磁制御を行わない場合に比べて誘起電圧を高くすることができる。図9には、比較対象として界磁制御を行わない場合の誘起電圧を実際の誘起電圧を示す点線よりも細い点線で示している。
The rotating machine X according to the present embodiment increases the amount of current flowing through the field winding 8 (increases the field power) in a low speed range where a large torque is required, thereby increasing the magnitude according to the field power. The magnetic flux of the field winding 8 and the magnetic flux of the
また、本実施形態の回転機Xは、中速域において、界磁巻線励磁状態で運転しつつ、低速域時よりも界磁電力を少なくすることで誘起電圧を一定に保ち、トルクを必要としない領域に到達した時点で界磁電力をさらに少なくすることでステータ巻線13に鎖交する磁束量を低速域よりも減少させて、ステータ1における磁束密度を抑えることができる。そして、本実施形態の回転機Xにおける回転数に対する鉄損、界磁巻線8の銅損、ステータ1の銅損の特性(損失特性)を示す図10に示すように、ステータ1の磁束密度を抑えることによって、鉄損を低減することができる。なお、図10では、トルクを相対的に細い実線で示し、出力を相対的に太い実線で示し、鉄損を点線で示し、ステータ銅損を相対的に細い1点鎖線で示し、界磁銅損(界磁巻線8の銅損)を2点鎖線で示し、総損を相対的に太い1点鎖線で示している。
Further, the rotating machine X of the present embodiment operates in the field winding excitation state in the medium speed range, and maintains the induced voltage constant by reducing the field power as compared with the low speed range, and requires torque. The magnetic flux density in the
また、本実施形態に係る回転機Xは、高速域では、図9に示すように、界磁電力をゼロに近付けることで、リラクタンストルクのみで回転させる。すなわち、界磁電力をゼロに近付けることによって、界磁巻線8の磁束量がゼロに近付き、ステータ巻線13に鎖交する磁束量が中速域よりも減少し、ステータ1における磁束密度をさらに抑えることができる。また、図10に示すように、界磁電力をゼロに近付けることで低速域や中速域と比較して界磁巻線8の銅損も減少するとともに、高速域では磁束密度の低減に伴って鉄損を低減できることから、本実施形態に係る回転機Xでは、高速回転領域で誘起電圧が低い(磁束密度が低い)ため、鉄損を低減することができる。
Further, as shown in FIG. 9, the rotating machine X according to the present embodiment is rotated only by reluctance torque by bringing the field power close to zero as shown in FIG. That is, by bringing the field power close to zero, the amount of magnetic flux in the field winding 8 approaches zero, the amount of magnetic flux interlinked with the stator winding 13 is reduced from the middle speed range, and the magnetic flux density in the
このような各部材から構成した本実施形態に係る回転機Xは、界磁巻線非励磁状態において永久磁石列6の磁束がステータ巻線13に鎖交しないように構成しているため、この界磁巻線非励磁状態では誘起電圧が発生せず、安全な状態を確保することができ、制御機器(電源、インバータなど)が停止したときには自ずと誘起電圧が発生しない状態を確保することができ、制御機器の破損防止に役立つ。また、本実施形態の回転機Xでは、界磁巻線8に一方向の電流を流した場合に、磁気ギャップを介してステータ1とロータ2との間を流れる界磁巻線8の磁束に誘導されて永久磁石列6の磁束をステータ1に流すことができ、誘起電圧を発生させてロータ2を回転させることができ、要求される回転数(出力)やトルクに応じて界磁巻線8に流す電流量を調節することで、ステータ巻線13に鎖交する磁束量を増減することができる。この際、永久磁石列6の界磁を弱める弱め界磁は不要であるため、永久磁石列6を構成する永久磁石の減磁現象を防止することができる。そして、本実施形態に係る回転機Xは、弱め界磁制御実行時に生じ得る界磁銅損の発生を防止・抑制することができ、弱め界磁制御と強め界磁制御を選択して行う態様と比較して、界磁巻線8に流す電流方向は一定方向のみであるため、界磁巻線8に流す電流方向を切り替える処理が不要であり、高速域において、弱め界磁制御であれば必要な「トルクに寄与しないステータ電力」が不要となり、ステータ銅損を低減させることができる。
The rotating machine X according to the present embodiment configured from such members is configured so that the magnetic flux of the
さらに、本実施形態の回転機Xは、ステータ1に対してロータ2を回転可能に支持するロータ支持部材3であるシャフト3を磁性体にし、このシャフト3と、軸方向Aに並ぶ第1ロータコア4、磁性リング7及び第2ロータコア5の間に、永久磁石列6を回転軸Wの径方向Cに挟むように配置することで、永久磁石列6の磁束を短絡させており、ステータ1の一部を永久磁石の磁束がステータ1とロータ2との磁気ギャップを回避して流れるバイパスとして機能させる構成と比較して、短い磁路を実現することができるとともに、バイパス機能を発揮させるためにステータ1の所定領域を他の領域よりも抵抗を低くして磁束が流れ易くする特殊な構造にする処理も不要であり、構造の簡素化の点においても有利である。
Further, in the rotating machine X of the present embodiment, the
このように、本実施形態の回転機Xであれば、第1ロータコア4及び第2ロータコア5の構造及び配置に加えて、一対の永久磁石の組み合わせ及び配置、さらには界磁巻線8及び磁性リング7の配置を上述の各条件に合致させることで、界磁巻線8の起磁力がゼロの場合にはステータ巻線13に鎖交しない永久磁石列6の磁束を、界磁巻線8に電流を流すことで界磁巻線8の磁束に重畳させて、ステータ巻線13に鎖交する磁束(界磁磁束)に変えることが可能であり、永久磁石の大幅な増量を回避しつつ、低速・高トルクの状態から高速・低トルクの状態に亘る広範な運転領域に対応する何れの回転領域でも高い効率を実現できる。
Thus, in the rotating machine X of the present embodiment, in addition to the structure and arrangement of the
次に、上記実施形態とは異なる実施形態(第2実施形態と称する場合がある)を、図面を参照して説明する。なお、上記実施形態と第2実施形態の説明において符号は重複(共通)しているが、各符号はそれぞれの実施形態に関連付けて付した符号であり、共通の符号であっても、その符号が表す部材や部分が各実施形態で共通しているということではない。 Next, an embodiment (sometimes referred to as a second embodiment) different from the above embodiment will be described with reference to the drawings. In addition, although the code | symbol overlaps (common) in description of the said embodiment and 2nd Embodiment, each code | symbol is a code | symbol attached | subjected linked | related with each embodiment, Even if it is a common code | symbol, the code | symbol This does not mean that the members and parts represented by are common to the respective embodiments.
第2実施形態に係る回転機Xは、例えば図示しない電気自動車やハイブリッド車の駆動モータ、或いは産業機器や大型風力発電装置に適用可能なものである。 The rotating machine X according to the second embodiment is applicable to, for example, a drive motor of an electric vehicle or a hybrid vehicle (not shown), an industrial device, or a large wind power generator.
回転機Xは、図11乃至図13に示すように、ステータ1と、ステータ1と同軸上に配置され且つステータ1との間に磁気ギャップを形成するロータ2と、ロータ2をステータ1に対して回転可能に支持するロータ支持部材3とを備えたものである。本実施形態に係る回転機Xは、ロータ2をステータ1よりも回転軸Wの径方向C外側に配置したアウター可動型の回転機である。
As shown in FIGS. 11 to 13, the rotating machine X includes a
ステータ1は、円柱状のステータコア11と、ステータコア11からロータ2側に向かって突出し且つ周方向Bに等角ピッチで配列された複数のステータティース12(本発明のステータ極)と、周方向Bに隣り合うステータティース12同士の間に形成されるスロットに配置したステータ巻線13とを有するものである。
The
ロータ2は、図11乃至図14に示すように、対となる磁性体の第1ロータコア4及び第2ロータコア5と、永久磁石列6と、磁性リング7と、界磁巻線8とを備えている。
As shown in FIGS. 11 to 14, the
第1ロータコア4及び第2ロータコア5は同一形状であり、それぞれリング状のヨーク41,ヨーク51と、各ヨーク41,51のそれぞれからステータ1側に向かって突出し且つ周方向Bに等角ピッチで複数設けた突極部42,突極部52を有するものである。そして、本実施形態では、図14に示すように、これら第1ロータコア4及び第2ロータコア5を周方向Bに互いに1極ピッチ分ずらした状態で回転軸Wの軸方向Aに並べて配置している。図14に示す各ロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5)はそれぞれ8つの突極部42,突極部52を有するものであり、これらロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5)を周方向Bに互いに45度(一回転360を8で除した値)ずらした状態で回転軸Wの軸方向A(以下、単に「軸方向A」と称する場合がある)に並べて配置している。ここで、本実施形態の回転機Xは、軸方向Aに所定距離離間して並ぶ第1ロータコア4と第2ロータコア5との間に磁性リング7を介在させている。
The
ここで、本実施形態の回転機Xでは、ステータ1とロータ2の間、より具体的にはステータ1のステータティース12と各ロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5の突極部42,突極部52)の間に、回転軸Wの周方向Bに周回する磁気ギャップを形成している。
Here, in the rotating machine X of the present embodiment, between the
また、本実施形態ではロータ支持部材として、ロータ2の外周面を被覆する円筒状の磁性フレーム3を適用している。この磁性フレーム3はロータ2と一体回転可能に構成されている。本実施形態では、磁性フレーム3の内周面とロータ2の外周面(永久磁石61,62の外周面)の隙間がゼロ又は略ゼロとなるように磁性フレーム3の内径及び各永久磁石61,62の外径を設定している。
In this embodiment, a cylindrical
永久磁石列6は、回転軸Wの軸方向Aに並べて配置した第1永久磁石61及び第2永久磁石62を用いて構成したものである。本実施形態では、第1ロータコア4のヨーク41と磁性フレーム3との間に第1永久磁石61を配置するとともに、第2ロータコア5のヨーク51と磁性フレーム3との間に第2永久磁石62を配置している。本実施形態の回転機Xでは、何れもリング状をなす第1永久磁石61及び第2永久磁石62の外径を磁性フレーム3の内径よりも僅かに小さい値に設定し、第1永久磁石61及び第2永久磁石62の内径を各ロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5)の外径(具体的にはヨーク41,ヨーク51の外径)よりも僅かに大きい値に設定している。
The
第1永久磁石61は、ヨーク41に対向するヨーク対向面61aと磁性フレーム3に対向するフレーム対向面61b(本発明のロータ支持部材対向面に相当)に相対応する異なった極性を持たせたものであり、本実施形態では、例えばヨーク対向面61aをS極、フレーム対向面61bをN極に着磁した第1永久磁石61を適用している。また、第2永久磁石62は、ヨーク対向面62aとフレーム対向面62bの各極性が第1永久磁石61の極性と異なるように着磁した(つまり、ヨーク対向面62aをN極、フレーム対向面62bをS極に着磁した)ものである。本実施形態の回転機Xは、回転軸Wの軸方向Aに沿って第1永久磁石61及び第2永久磁石62を隙間無く順番に並べて配置している。このような構成をなす永久磁石列6は、各ロータコア4,5と一体回転可能である。
The first
また、本実施形態に係る回転機Xは、第1ロータコア4と第2ロータコア5の間に磁性リング7を配置している。具体的に、この磁性リング7は、第1ロータコア4のヨーク41と第2ロータコア5のヨーク51の間であって且つ回転軸Wの軸方向Aに沿って第1永久磁石61及び第2永久磁石62を跨ぐ位置に配置したものである。本実施形態の回転機Xでは、磁性リング7の外径を各ロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5)の外径(具体的にはヨーク41,ヨーク51の外径)と同一または略同一に設定し、磁性リング7の内径を各ロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5)のヨーク41,ヨーク51の内径と同一または略同一に設定している。また、磁性リング7の厚み自体は、各永久磁石(第1永久磁石61,第2永久磁石62)の厚みよりも薄い。
In the rotating machine X according to this embodiment, the
本実施形態では、第1ロータコア4、磁性リング7及び第2ロータコア5を回転軸Wの軸方向Aに隙間無く並べて配置し、第1ロータコア4と第2ロータコア5の間に挟持した磁性リング7を各ロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5)と一体回転可能に構成している。
In the present embodiment, the
本実施形態に係る回転機Xは、磁性リング7のうちステータ1側の周面、すなわちアウター可動型の回転機Xであれば磁性リング7の内周面に、界磁巻線8を巻回している。界磁巻線8は、図11乃至図14に示すように、回転軸Wの径方向Cにおいて磁性リング7と重なり、回転軸Wの軸方向Aにおいて第1ロータコア4と第2ロータコア5に挟まれる位置に配置される。本実施形態では、界磁巻線8のうち径方向Cにおいて最も外側の領域を磁性リング7の内周面に接触させ、界磁巻線8のうち径方向Cにおいて最も内側の領域を各ロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5)の突極部42(突極部42,突極部52)の先端面(内周面)と同一または突極部42の先端面よりも若干ステータ1から離間した位置に設定している。なお、図12では、説明の便宜上、回転軸W回りに周回する界磁巻線8に共通のパターンを付している。
In the rotating machine X according to the present embodiment, the field winding 8 is wound around the peripheral surface of the
そして、本実施形態に係る回転機Xは、回転軸Wの軸方向Aに沿った永久磁石列6の幅寸法と、第1ロータコア4、磁性リング7及び第2ロータコア5の並び方向(軸方向A)における幅寸法の総和が同一または略同一になるように設定している。すなわち、本実施形態では、各ロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5)の軸方向Aに沿った幅寸法を各永久磁石(第1永久磁石61,第2永久磁石62)の幅寸法よりも小さく設定している。
And the rotary machine X which concerns on this embodiment is the width dimension of the permanent magnet row | line |
ここで、図14に示すように、磁性フレーム3の内側領域に永久磁石列6、ロータ2、磁性リング7及び界磁巻線8を組み付けたユニットは、ステータ1に対して回転可能な部材のみを組み付けたものであることからロータユニットUと捉えることができる。そして、このロータユニットUは、ステータ1の径方向C外側に挿通され、ステータティース12との間に形成される磁気ギャップを介してステータ1に対して回転軸Wの軸心回りに回転自在に設けられる。
Here, as shown in FIG. 14, the unit in which the
次に、このような構成を有する本実施形態に係る回転機Xの動作及び作用について説明する。 Next, the operation and action of the rotating machine X according to this embodiment having such a configuration will be described.
本実施形態の回転機Xにおいて、磁性リング7を周回する位置に設けた界磁巻線8に電流が流れていない場合(界磁巻線非励磁状態)、永久磁石列6の磁束(以下では「磁石磁束」と称する場合がある)は、図15及び図16に点線で示すように、第1永久磁石61のフレーム対向面61b(N極)を始点として捉えると、この第1永久磁石61のフレーム対向面61b、フレーム3、第2永久磁石62のフレーム対向面62b(S極)、第2永久磁石62のヨーク対向面62b(N極)、第2ロータコア5のヨーク51、磁性リング7、第1ロータコア4のヨーク41、第1永久磁石61のヨーク対向面61a(S極)、第1永久磁石61のフレーム対向面61b(N極)を流れる。すなわち、界磁巻線非励磁状態における磁石磁束は、ロータ2とステータ1の磁気ギャップを避けて流れることになる。したがって、界磁巻線非励磁状態では永久磁石列6の磁束がステータ巻線13に鎖交することはない。特に、本実施形態では、各永久磁石(第1永久磁石61,第2永久磁石62)及び各ロータコア(第1ロータコア4,第2ロータコア5)を回転軸Wの径方向Cに流れる永久磁石列6の磁束が、第1ロータコア4と第2ロータコア5の間に配置した磁性リング7、及び磁性体であるフレーム3では軸方向Aに流れるように設定し、永久磁石列6の磁束を短絡させている。この界磁巻線非励磁状態における永久磁石列6の磁束を以下では「非励磁状態磁石磁束」と称す。このように、非励磁状態磁石磁束はロータ2内におさまり、ステータ巻線13に鎖交しない。したがって、誘起電圧が発生せず、安全な状態であるといえる。なお、永久磁石列6の磁束量は常に一定である。
In the rotating machine X of the present embodiment, when no current is flowing through the field winding 8 provided at a position that circulates around the magnetic ring 7 (field winding non-excited state), the magnetic flux of the permanent magnet row 6 (below, As may be referred to as “magnet magnetic flux”), as shown by dotted lines in FIGS. 15 and 16, when the
一方、本実施形態の回転機Xにおいて、界磁巻線8に所定方向の電流を流した場合(界磁巻線励磁状態)、具体的には、図17及び図18に示すように、磁性リング7における界磁巻線8の磁束(同図において二点鎖線で示す磁束であり、以下では「界磁巻線磁束」と称する場合がある)の向きが非励磁状態磁石磁束の向きと反対になる方向の電流を界磁巻線8に流した場合、界磁巻線磁束は、例えば第1ロータコア4のヨーク41を始点として捉えると、この第1ロータコア4のヨーク41、磁性リング7、第2ロータコア5のヨーク51、第2ロータコア5の突極部52、磁気ギャップ、ステータティース12、ステータコア11、ステータティース12、磁気ギャップ、第1ロータコア4の突極部42、第1ロータコア4のヨーク41を流れる。そして、界磁巻線8の起磁力の大きさに依存する磁束量(界磁電力の大きさに依存する界磁巻線8の磁束量)が永久磁石列6の磁束量よりも大きい場合に、上述した非励磁状態磁石磁束のうち、第2ロータコア5のヨーク51から磁性リング7を経て第1ロータコア4のヨーク41に向かう永久磁石列6の磁束が、界磁巻線8の磁束によって誘導されて、第2ロータコア5のヨーク51から磁性リング7及び第1ロータコア4のヨーク41に向かわずに、界磁巻線8の磁束と同一方向、つまり、第2ロータコア5のヨーク51、第2ロータコア5の突極部52、磁気ギャップ、ステータティース12、ステータコア11、ステータティース12、磁気ギャップ、第1ロータコア4の突極部42、第1ロータコア4のヨーク41へと流れる磁束(以下では「励磁状態磁石磁束」と称す)となる。この励磁状態磁石磁束は、第1ロータコア4のヨーク41から、第1永久磁石61のヨーク対向面61a(S極)、第1永久磁石61のフレーム対向面61b(N極)、第2永久磁石62のフレーム対向面62b(S極)、第2永久磁石62のヨーク対向面62a(N極)へと流れる。
On the other hand, in the rotating machine X of the present embodiment, when a current in a predetermined direction is passed through the field winding 8 (field winding excitation state), specifically, as shown in FIG. 17 and FIG. The direction of the magnetic flux of the field winding 8 in the ring 7 (which is a magnetic flux indicated by a two-dot chain line in the drawing and may be referred to as “field winding magnetic flux” hereinafter) is opposite to the direction of the non-excited state magnetic flux. When the current in the direction to be passed through the field winding 8, the field winding magnetic flux, for example, when the
そして、本実施形態に係る回転機Xにおいて、このような励磁状態磁石磁束が、界磁巻線8の磁束とともにステータ巻線13に鎖交することによって、誘起電圧を発生させてロータ2を回転させることができる。さらに、本実施形態に係る回転機Xは、要求される回転数(出力)やトルクに応じて界磁巻線8に流す電流量を調節することで、ステータ巻線13に鎖交する磁束量(永久磁石列6の磁束と界磁巻線8の磁束の総和である磁束量)を増減することができる。
Then, in the rotating machine X according to the present embodiment, such an excited state magnetic flux is linked to the stator winding 13 together with the magnetic flux of the field winding 8 to generate an induced voltage to rotate the
したがって、このような回転機Xを電気自動車やハイブリッド車の駆動モータとして適用した場合、回転機Xの回転数に対する誘起電圧、界磁電力、ステータ電力の特性を示す図19からも把握できるように、始動時を含む低速域では、ステータ1のコイル(ステータ巻線13)に通電するとともに、界磁巻線8に所定方向の電流を流して非励磁状態から界磁巻線励磁状態に切り替えることで励磁されたロータ2が回転駆動する。なお、図19では、トルクを相対的に細い実線で示し、出力を相対的に太い実線で示し、誘起電圧を点線で示し、界磁電力を2点鎖線で示し、ステータ電力を1点鎖線で示している。
Therefore, when such a rotating machine X is applied as a drive motor for an electric vehicle or a hybrid vehicle, it can be understood from FIG. 19 that shows characteristics of induced voltage, field power, and stator power with respect to the rotational speed of the rotating machine X. In the low speed range including the start time, the coil of the stator 1 (stator winding 13) is energized, and a current in a predetermined direction is supplied to the field winding 8 to switch from the non-excited state to the field winding excited state. The
本実施形態に係る回転機Xは、大トルクが要求される低速域において、界磁巻線8に流す電流量を上げる(界磁電力を大きくする)ことによって、その界磁電力に応じた大きい界磁巻線8の磁束と、この界磁巻線8の磁束に誘導される永久磁石列6の磁束をステータ巻線13に鎖交させることができ、ステータ1巻線に鎖交する磁束量を増大させる(磁束密度を高める)ことができる。したがって、例えばステータ巻線13に流す電流を大きくすることに依らずとも、界磁巻線8に所定方向の電流を流す界磁制御を行うことで大トルクを得ることができ、界磁制御を行わない場合に比べて誘起電圧を高くすることができる。図19には、比較対象として界磁制御を行わない場合の誘起電圧を実際の誘起電圧を示す点線よりも細い点線で示している。
The rotating machine X according to the present embodiment increases the amount of current flowing through the field winding 8 (increases the field power) in a low speed range where a large torque is required, thereby increasing the magnitude according to the field power. The magnetic flux of the field winding 8 and the magnetic flux of the
また、本実施形態の回転機Xは、中速域では、界磁巻線励磁状態で運転しつつ、低速域運転時よりも界磁電力を少なくすることで誘起電圧を一定に保ち、トルクを必要としない領域に到達した時点で界磁電力をさらに少なくすることでステータ巻線13に鎖交する磁束量が低速域よりも減少し、ステータ1における磁束密度を抑えることができる。そして、本実施形態の回転機Xにおける回転数に対する鉄損、界磁巻線8の銅損、ステータ1の銅損の特性(損失特性)を示す図20に示すように、ステータ1の磁束密度を抑えることによって、鉄損を低減することができる。なお、図20では、トルクを相対的に細い実線で示し、出力を相対的に太い実線で示し、鉄損を点線で示し、ステータ銅損を相対的に細い1点鎖線で示し、界磁銅損(界磁巻線8の銅損)を2点鎖線で示し、総損を相対的に太い1点鎖線で示している。
In addition, the rotating machine X of the present embodiment operates in the field winding excitation state in the medium speed region, while maintaining the induced voltage constant by reducing the field power as compared with the low speed region operation, and the torque By reducing the field power further when reaching a region where it is not necessary, the amount of magnetic flux interlinked with the stator winding 13 is reduced from the low speed region, and the magnetic flux density in the
また、本実施形態に係る回転機Xは、高速域では、図19に示すように、界磁電力をゼロに近付けることで、リラクタンストルクのみで回転させる。すなわち、界磁電力をゼロに近付けることによって、界磁巻線8の磁束量がゼロに近付き、ステータ巻線13に鎖交する磁束量が中速域よりも減少し、ステータ1における磁束密度をさらに抑えることができる。また、図20に示すように、界磁電力をゼロに近付けることで低速域や中速域と比較して界磁巻線8の銅損も減少するとともに、高速域では磁束密度の低減に伴って鉄損を低減できることから、本実施形態に係る回転機Xでは、高速回転領域で誘起電圧が低い(磁束密度が低い)ため、鉄損を低減することができる。
Further, as shown in FIG. 19, the rotating machine X according to the present embodiment is rotated only by the reluctance torque by bringing the field power close to zero as shown in FIG. That is, by bringing the field power close to zero, the amount of magnetic flux in the field winding 8 approaches zero, the amount of magnetic flux interlinked with the stator winding 13 is reduced from the middle speed range, and the magnetic flux density in the
このような各部材から構成した本実施形態に係る回転機Xは、界磁巻線非励磁状態において永久磁石列6の磁束がステータ巻線13に鎖交しないように構成しているため、この界磁巻線非励磁状態では誘起電圧が発生せず、安全な状態を確保することができ、制御機器(電源、インバータなど)が停止したときには自ずと誘起電圧が発生しない状態を確保することができ、制御機器の破損防止に役立つ。また、本実施形態の回転機Xでは、界磁巻線8に一方向の電流を流した場合に、磁気ギャップを介してステータ1とロータ2との間を流れる界磁巻線8の磁束に誘導されて永久磁石列6の磁束をステータ1に流すことができ、誘起電圧を発生させてロータ2を回転させることができ、要求される回転数(出力)やトルクに応じて界磁巻線8に流す電流量を調節することで、ステータ巻線13に鎖交する磁束量(永久磁石列6の磁束と界磁巻線8の磁束の総和である磁束量)を増減することができる。この際、永久磁石列6の界磁を弱める(永久磁石列6の磁束を打ち消す)弱め界磁は不要であるため、永久磁石列6を構成する永久磁石の減磁現象を防止することができるとともに、弱め界磁制御実行時に生じ得る界磁銅損の発生を防止・抑制することができ、弱め界磁制御と強め界磁制御を選択して行う態様と比較して、界磁巻線8に流す電流方向は一定方向のみであるため、界磁巻線8に流す電流方向を切り替える処理が不要であり、高速域において、弱め界磁制御であれば必要な「トルクに寄与しないステータ電力」が不要となり、ステータ銅損を低減させることができる。
The rotating machine X according to the present embodiment configured from such members is configured so that the magnetic flux of the
さらに、本実施形態の回転機Xは、ステータ1に対してロータ2を回転可能に支持するロータ支持部材3であるフレーム3を磁性体にし、このフレーム3と、軸方向Aに並ぶ第1ロータコア4、磁性リング7及び第2ロータコア5の間に、永久磁石列6を回転軸Wの径方向Cに挟むように配置することで、永久磁石列6の磁束を短絡させており、ステータ1の一部を永久磁石の磁束が流れるバイパスとして機能させる構成と比較して短い磁路を実現することができるとともに、バイパス機能を発揮させるためにステータ1の所定領域を他の領域よりも抵抗を低くして磁束が流れ易くする特殊な構造にする処理も不要であり、構造の簡素化の点においても有利である。
Further, in the rotating machine X of the present embodiment, a
このように、本実施形態の回転機Xであれば、ロータ2を構成する第1ロータコア4及び第2ロータコア5の構造及び配置に加えて、一対の永久磁石の組み合わせ及び配置、さらには界磁巻線8及び磁性リング7の配置を上述の各条件に合致させることで、界磁巻線8の起磁力がゼロの場合にはステータ巻線13に鎖交しない永久磁石列6の磁束を、界磁巻線8に電流を流すことで界磁巻線8の磁束に重畳させて、ステータ巻線13に鎖交する磁束(界磁磁束)に変えることが可能であり、永久磁石の大幅な増量を回避しつつ、低速・高トルクの状態から高速・低トルクの状態に亘る広範な運転領域に対応する何れの回転領域でも高効率化を実現できる。
Thus, in the rotating machine X of the present embodiment, in addition to the structure and arrangement of the
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した各実施形態の回転機を、電気自動車やハイブリッド車等の車両用駆動モータ以外の用途、例示すれば、或いはハイブリッド車や電気自動車などに搭載されるモータの負荷試験を行う試験装置の負荷装置や、VSCF(Variable Speed Constant Frequencyの略で可変速・定周波定電圧電源装置)、風力発電機、大型発電機、スタータジェネレータ(航空機)或いは建設機械向け旋回用電動機等、速度や出力変動が激しい各種負荷装置、発電機や電動機として用いることができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments. For example, the rotating machine of each embodiment described above is used for applications other than vehicle drive motors such as electric vehicles and hybrid vehicles, for example, or a test apparatus for performing a load test on a motor mounted on a hybrid vehicle or electric vehicle. Speed and output of load devices, VSCF (variable speed constant frequency power supply device for short), wind power generators, large generators, starter generators (aircraft), or electric motors for construction machinery It can be used as various load devices, generators and electric motors that vary greatly.
また、各ロータコアは、磁性を有する板状部材を積層して形成した積層体であってもよいし、全体として1つのブロックである塊状体であってもよい。各ロータコアの突極部の数や回転軸の周方向に隣り合う突極部同士のピッチは適宜変更することができる。 Each rotor core may be a laminated body formed by laminating magnetic plate-like members, or may be a lump that is one block as a whole. The number of salient pole portions of each rotor core and the pitch between salient pole portions adjacent to each other in the circumferential direction of the rotating shaft can be appropriately changed.
磁性リングは、磁束が流れ易いように全体として1つの塊状体であることが好ましいが、磁束の流れを阻害しない条件下であれば積層体にしてもよい。 The magnetic ring is preferably a single block as a whole so that the magnetic flux can easily flow. However, the magnetic ring may be a laminated body as long as it does not hinder the flow of the magnetic flux.
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。 In addition, the specific configuration of each part is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
1…ステータ
12…ステータ極(ステータティース)
13…ステータ巻線
2…ロータ
3…ロータ支持部材(磁性シャフト、磁性フレーム)
4…第1ロータコア
5…第2ロータコア
41,51…ヨーク
42,52…突極部
6…永久磁石列
61…第1永久磁石
62…第2永久磁石
61a,62a…ヨーク対向面
61b,62b…ロータ支持部材対向面(シャフト対向面、フレーム対向面)
7…磁性リング
8…界磁巻線
X…回転機
1 ...
13 ... stator winding 2 ...
4 ...
7 ...
Claims (3)
前記ロータは、
リング状のヨーク及び前記ヨークから前記ステータに向かって突出し且つ周方向に等ピッチで複数設けた突極部をそれぞれ有する磁性体であり且つ相互に周方向に1極ピッチ分ずらした状態で回転軸の軸方向に離間して配置した第1ロータコア及び第2ロータコアと、
前記第1ロータコアの前記ヨークと前記ロータ支持部材との間に配置され且つ前記ヨークに対向するヨーク対向面と前記ロータ支持部材に対向するロータ支持部材対向面に相対応する異なった極性を持たせた第1永久磁石、及び前記第2ロータコアの前記ヨークと前記ロータ支持部材との間に配置され且つ前記ヨーク対向面と前記ロータ支持部材対向面の各極性が前記第1永久磁石の極性と異なる第2永久磁石を回転軸の軸方向に沿って並べた永久磁石列と、
前記第1ロータコアと前記第2ロータコアの間であって且つ前記第1永久磁石及び前記第2永久磁石に跨がる位置に配置した磁性リングと、
前記第1ロータコアと前記第2ロータコアの間であって且つ前記磁性リングのうち前記ステータ側の周面に巻回した界磁巻線とを備えたものであり、
前記界磁巻線に電流を流していない状態において前記各永久磁石、前記各ロータコア、前記磁性リング、及び磁性体で構成した前記ロータ支持部材を通って短絡する前記永久磁石列の磁束を、前記界磁巻線に所定方向の電流を流すことで生じる界磁巻線の磁束とともに前記ステータ巻線に鎖交する磁束に変化可能に構成していることを特徴とする回転機。 A stator having a stator pole and a stator winding; a rotor disposed coaxially with the stator and forming a magnetic gap with the stator; and a rotor support member that rotatably supports the rotor with respect to the stator A rotating machine equipped with
The rotor is
A magnetic material having a ring-shaped yoke and a plurality of salient pole portions projecting from the yoke toward the stator and provided at equal pitches in the circumferential direction, and rotating shafts in a state shifted from each other by one pole pitch in the circumferential direction. A first rotor core and a second rotor core that are spaced apart in the axial direction of
The yoke opposing surface disposed between the yoke of the first rotor core and the rotor supporting member and opposing the yoke and the rotor supporting member opposing surface opposing the rotor supporting member have different polarities. The first permanent magnet is disposed between the yoke of the second rotor core and the rotor support member, and the polarities of the yoke facing surface and the rotor support member facing surface are different from the polarities of the first permanent magnet. A permanent magnet row in which the second permanent magnets are arranged along the axial direction of the rotation axis;
A magnetic ring disposed between the first rotor core and the second rotor core and in a position straddling the first permanent magnet and the second permanent magnet;
A field winding between the first rotor core and the second rotor core and wound around the stator-side peripheral surface of the magnetic ring;
The magnetic flux of the permanent magnet row that is short-circuited through the rotor support member composed of the permanent magnets, the rotor cores, the magnetic rings, and a magnetic body in a state where no current is passed through the field windings, A rotating machine configured to be able to change to a magnetic flux interlinked with the stator winding together with a magnetic flux of a field winding generated by passing a current in a predetermined direction through the field winding.
2. The rotating machine according to claim 1, wherein the rotating machine is an outer movable type in which the rotor is disposed radially outside the rotating shaft with respect to the stator.
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