JP6139353B2 - 回転電機、電動機、機械、発電機及び発電装置 - Google Patents
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Description
以下、本発明の第1の実施形態における回転電機1について、図1〜図4を参照して説明する。
更に、一方の永久磁石8aと他方の永久磁石8bは回転方向の磁極ピッチに相当する相対位相角を持って回転子鉄心7上に固定されている。例えば、回転方向にある位相角の永久磁石8aがロータ2外周面上でN極であった場合は、回転方向に同位相角の永久磁石8bはロータ2外周面上でS極となる(図3A及び図3B参照)。
第2支持部材を形成する複数の鉄心支持ブロック12は、第1の支持部材であるケーシング11の内周面に固定され、この環状の半径方向に沿って形成された側面を有する。
続いて、第2の実施形態について説明する。
図5Aは、第2の実施形態における回転電機100の構成を示す斜視図である。図5Bは、第2の実施形態における回転電機100の回転軸z方向に沿って分解配置したロータ2とステータ103の分解斜視図である。回転電機100は図1〜図4に示した第1の実施形態における回転電機1と共通する部分があり、既に説明した細部の内容については割愛し、異なる部分のみ説明する。図6以降についても同様である。
ステータ103は、回転軸z方向に沿って配置された2組の基本ユニット104に含まれる電機子114が相対角度ゼロ(回転方向に同相)にて連結固定されている。
図6Aに示すように、固定子鉄心ユニット113は、鉄心支持ブロック112とこの鉄心支持ブロック112の両側面にそれぞれ固定されている2個の固定子鉄心9から構成されている。
以上、第2の実施形態の回転電機100において、第2の磁性部材である固定子鉄心9の個数は、2の倍数であり、第2支持部材である鉄心支持ブロック112の両側面に第2の磁性部材である固定子鉄心9が一つずつ固定されている。等配基準角θを360度を上記第2の磁性部材の個数Nで除算した角度(360/N)[度]と定義すると、ロータ2の周方向に沿って隣り合う鉄心支持ブロック112間のロータ2の中心を中心とする回転角度の差が、上記ロータ2の周方向に沿って等配基準角の2倍の角度で均等になるように第2支持部材である鉄心支持ブロック112が設置されている
続いて、第3の実施形態について説明する。図7Aは回転電機200の構成を示す斜視図である。図7Bは回転電機200の回転軸z方向に沿って分解配置したロータ2とステータ203の分解斜視図である。
電機子214は、回転子5の永久磁石8に所定の空隙を持って対向配置されたN=24個の固定子鉄心9と、回転軸zを中心にロータ2と略同心円状に形成された環状の電機子コイル10と、を備える。
更に、電機子214は、ケーシング11と、ケーシング11の内周面に接触固定され、固定子鉄心9を回転方向の所定の位置に固定支持する第2支持部材を形成する鉄心支持ブロック212を備える。
なお、上記の実施例では調整角Δθ=1.5degの場合を説明したが、調整角Δθはこれに限定されることはなく、0≦Δθ<θ/4の範囲内であれば良い。好ましくは、調整角Δθは、0度より大きく、かつ等配基準角θの4分の1より小さい(すなわち0<Δθ<θ/4)。これにより、均等角度(すなわち調整角Δθ=0)で配置した固定子鉄心9を有する回転電機に比べて、トルクむらの原因となるコギングトルクを低減することができる。
続いて、第4の実施形態について説明する。
図9Aは回転電機300の構成を示す斜視図である。図9Bは回転電機300の回転軸z方向に沿って分解配置したロータ2とステータ303の分解斜視図である。回転電機300は回転軸zに沿って図示しない軸受により回転自在に支持されたロータ2と、このロータ2を全体として取り囲むように設けられたステータ303とから構成されており、3つの基本ユニット304が回転軸z方向に沿って配設された3段式の回転電機である。
電機子314は、回転子5の永久磁石8に所定の空隙を持って対向配置されたN=24個の固定子鉄心9と、回転軸zを中心にロータ2と略同心円状に形成された環状の電機子コイル10と、を備える。
更に、電機子314は、ケーシング11と、ケーシング11の内周面に接触固定され、固定子鉄心9を回転方向の所定の位置に固定支持する第2支持部材を形成する鉄心支持ブロック312を備える。
以上のように、第3および第4実施形態における48極3段式の回転電機200、300によれば、第1および第2実施形態における回転電機1、100と同様に、均等角度で配置した固定子鉄心9を有する回転電機に比べてコギングトルクを低減できる。このため、回転むらを抑制した回転特性が期待できるとともに、トルクむらが低減することにより振動・騒音の発生を更に低減することができる。また、固定子鉄心ユニット213、313は全て同じ形状であるため、不均等角度に応じて固定子鉄心9を個々に組み立てる製造方法に比べて製造工程を簡素化できる。その結果、製造コストを低減でき、より高いレベルの量産効果が期待できる。
各実施形態において、第1の磁性部材と第2の磁性部材の配置は一例であって、これに限ったものではない。
変形例1として、対向する第1の磁性部材と第2の磁性部材の複数の組のうち、少なくとも一つの組において、第1の磁性部材に対して第2の磁性部材がロータ2の周方向にずれていればよい。これにより、第1の磁性材料と第2の磁性材料の全ての組で、トルクのピークとなるロータ2の回転角度が同じにならないので、トルクむらの原因となるコギングトルクを低減することができる。
各実施形態の回転電機1、100、200、300は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電動機として使用でき、以下その使用例を説明する。
図12は、第3の実施形態における回転電機200の第1の使用例として、回転電機200を用いた電動車両600について示したものである。図12Aは第3の実施形態の回転電機200を用いた電動車両600の駆動系要素を示す構成図である。図12Bは回転電機200を中心とした部分拡大図である。
各実施形態の回転電機1、100、200、300は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機として使用でき、以下、第3の実施形態の回転電機200の他の使用例について説明する。
このように、回転電機200を用いた風力発電装置700によれば、固定子鉄心の磁極部近傍を高剛性で支持固定可能な支持部材を備えているので、回転電機が動作した時の振動や騒音の発生を低減することができる。このため、振動や騒音として失われていたエネルギーを発電エネルギーとして効率良く変換することができる。
この流体機械には、例えば、ブレード(風車)などの空気機械、水車などの液体機械、及びタービンなどの蒸気機械などが含まれる。これにより、振動や騒音に伴う発電損失を抑え、発電効率の向上を図ることができる。
2 ロータ
3、103、203、303 ステータ
4、104、204、304 基本ユニット
5 回転子
6 シャフト
7 固定子鉄心
8、8a、8b、8c、8d 永久磁石
9 固定子鉄心
10 電機子コイル
11 ケーシング
12、112、212、312 鉄心支持ブロック
13、113、213、313 固定子鉄心ユニット
14、114、214、314 電機子
16 第2の磁性体部
600 電動車両
601 車体
602 前輪
603 後輪
DS 駆動シャフト
604 ディファレンシャルギア
605 駆動シャフト
607 エンジン
608 連結シャフト
609 電源(バッテリ)
700 風力発電装置
701 ブレード(風車)
702 回転シャフト
703 増速機
704 回転シャフト
705 軸継手
706 変圧器
707 系統保護装置
708 電力系統
709 ナセル
710 タワー
711 基台
N 固定子鉄心の数
θ 等配基準角
Δθ 調整角
z 回転軸
Claims (17)
- 軸回りに回転可能な回転子鉄心と、前記回転子鉄心の外周面に配置された第1の磁極と、前記第1の磁極に対して軸方向に離間して前記外周面に配置された第2の磁極と、を有し、前記回転子鉄心の前記外周面に沿って前記第1の磁極及び第2の磁極が複数個ずつ配置されたロータと、
前記軸回りに前記ロータから離間して配置された環状の第1の支持部材と、前記第1の支持部材に固定され前記ロータの前記外周面に向かう複数の第2の支持部材と、前記第2の支持部材により支持され前記第1の磁極に対向して配置される第3の磁極と、前記第3の磁極と前記軸方向に離間して配置され前記第2の支持部材により支持され前記第2の磁極に対向して配置される第4の磁極と、を有するステータと、を備える回転電機。 - 前記ロータ内に配置され、それぞれが前記第1の磁極および前記第2の磁極を有する複数の第1の磁性部材と、
前記第1の磁性部材に対向して前記ステータ内に配置され、それぞれが前記第3の磁極および前記第4の磁極を有する複数の第2の磁性部材と、を備え、
前記ロータの周方向に沿って、前記複数の第1の磁性部材と前記複数の第2の磁性部材とが対向して配置され、少なくとも一つの前記第1の磁性部材は、前記周方向にずれた状態で、対応する前記第2の磁性部材に対向して配置される
請求項1に記載の回転電機。 - 前記対向する第1の磁性部材と第2の磁性部材の複数の組のうち、偶数分、前記第1の磁性部材に対して前記第2の磁性部材が前記ロータの周方向にずれており、
前記第1の磁性部材に対して前記第2の磁性部材が前記ロータの第1の周方向にずれている数と前記ロータの第1の周方向とは反対の第2の周方向にずれている数が等しい
請求項2に記載の回転電機。 - 更に、前記第1の磁性部材に対して前記第2の磁性部材が前記第1の周方向にずれている調整角と前記第2の周方向にずれている調整角が略等しい
請求項3に記載の回転電機。 - 前記第2の磁性部材の個数は、4の倍数であり、
前記第2支持部材の両側面に前記第2の磁性部材が一つずつ固定されており、
等配基準角を360度を前記第2の磁性部材の個数で除算した角度と定義した場合に、前記ロータの周方向に沿って隣り合う前記第2支持部材間の前記ロータの中心を中心とする回転角度の差が、前記ロータの周方向に沿って交互に、前記等配基準角の2倍に前記調整角を加算した角度と等配基準角の2倍から前記調整角を減算した角度を繰り返すように前記第2支持部材が設置されている
請求項4に記載の回転電機。 - 前記第2の磁性部材の個数は、2の倍数であり、
前記第2支持部材の両側面に第2の磁性部材が一つずつ固定されており、
等配基準角を360度を前記第2の磁性部材の個数で除算した角度と定義した場合に、前記ロータの周方向に沿って隣り合う前記第2支持部材間の前記ロータの中心を中心とする回転角度の差が、前記ロータの周方向に沿って前記等配基準角の2倍の角度で均等になるように前記第2支持部材が設置されている
請求項4に記載の回転電機。 - 前記周方向に前記ロータを取り囲むコイルを更に備え、
前記第3の磁極および前記第4の磁極は、前記コイルに流れる電流に応じた極性を有する
請求項1から6のいずれか一項に記載の回転電機。 - 軸回りに回転可能な回転子鉄心と、前記回転子鉄心の外周面に配置された第1の磁極と、前記第1の磁極に対して軸方向に離間して前記外周面に配置された第2の磁極と、を有し、前記回転子鉄心の外周面に沿って前記第1の磁極及び第2の磁極をそれぞれ有する複数の第1の磁性部材が配置されたロータと、
前記第1の磁極に対向して配置される第3の磁極と、前記第3の磁極と前記軸方向に離間して配置され前記第2の磁極に対向して配置される第4の磁極と、をそれぞれ有する複数の第2の磁性部材が前記外周面に沿って配置されたステータと、を備え、
前記ロータの周方向に沿って、前記複数の第1の磁性部材と前記複数の第2の磁性部材とが対向して配置され、少なくとも一つの前記第1の磁性部材は、前記周方向にずれた状態で、対応する前記第2の磁性部材に対向して配置される
回転電機。 - 前記対向する第1の磁性部材と第2の磁性部材の複数の組のうち、偶数分、前記第1の磁性部材に対して前記第2の磁性部材が前記ロータの周方向にずれており、
前記第1の磁性部材に対して前記第2の磁性部材が前記ロータの第1の周方向にずれている数と前記ロータの第1の周方向とは反対の第2の周方向にずれている数が等しい
請求項8に記載の回転電機。 - 更に、前記第1の磁性部材に対して前記第2の磁性部材が前記第1の周方向にずれている調整角と前記第2の周方向にずれている調整角が略等しい
請求項9に記載の回転電機。 - 前記第2の磁性部材の個数は、4の倍数であり、
等配基準角を360度を前記第2の磁性部材の個数で除算した角度と定義した場合に、 前記ロータの周方向に沿って隣り合う前記第2の磁性部材間の前記ロータの中心を中心とする回転角度の差が、前記ロータの周方向に沿って順に、前記等配基準角から前記調整角を減算した角度、前記等配基準角、前記等配基準角に前記調整角を加算した角度、及び前記等配基準角を繰り返すように前記第2の磁性部材が配置されている
請求項10に記載の回転電機。 - 前記第2の磁性部材の個数は、2の倍数であり、
等配基準角を360度を前記第2の磁性部材の個数で除算した角度と定義した場合に、 前記ロータの周方向に沿って隣り合う前記第2の磁性部材間の前記ロータの中心を中心とする回転角度の差が、前記ロータの周方向に沿って順に、前記等配基準角から前記調整角を減算した角度、及び前記等配基準角に前記調整角を加算した角度を繰り返すように前記第2の磁性部材が配置されている
請求項10に記載の回転電機。 - 前記調整角が、0度より大きく、かつ前記等配基準角の4分の1より小さい
請求項4から6、10から12のいずれか一項に記載の回転電機。 - 請求項1から13のいずれか一項に記載の回転電機を備え、
前記回転電機は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電動機。 - 請求項1から13のいずれか一項に記載の回転電機を備え、
前記回転電機は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機械。 - 請求項1から13のいずれか一項に記載の回転電機を備え、
前記回転電機は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機。 - 流体エネルギーを機械エネルギーに変換する流体機械と、
請求項1から13のいずれか一項に記載の回転電機と、
を備え、
前記回転電機は、前記流体機械が変換して得た機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置。
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