JP6654478B2 - Rotating electric machine rotor - Google Patents
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Description
本発明は、ロータコアと1以上の磁極対とを備えた回転電機のロータに関する。 The present invention relates to a rotor for a rotating electric machine including a rotor core and one or more magnetic pole pairs.
従来から、三相回転電機が広く知られている。かかる三相回転電機は、ステータとロータとを有しており、ロータは、その中心に回転軸が装着されている。回転軸は、軸受を介してハウジングに回転自在に取り付けられており、ステータコイルへの通電に伴い、ロータとともに回転する。ステータは、ステータコアと当該ステータコアに巻回されたステータコイルとを有しており、ステータコイルは、三相のコイル、すなわち、U相コイル、V相コイル、W相コイルを有している。この三相のコイルに、三相交流電流を印加することで、回転磁界が生成され、ロータが回転する。 Conventionally, three-phase rotating electric machines have been widely known. Such a three-phase rotating electric machine has a stator and a rotor, and the rotor has a rotating shaft mounted at its center. The rotating shaft is rotatably attached to the housing via a bearing, and rotates together with the rotor with energization of the stator coil. The stator has a stator core and a stator coil wound around the stator core. The stator coil has three-phase coils, that is, a U-phase coil, a V-phase coil, and a W-phase coil. By applying a three-phase alternating current to the three-phase coil, a rotating magnetic field is generated, and the rotor rotates.
ところで、従来の回転電機では、回転軸を軸支する軸受の電食が生じるという問題があった。これについて図17を参照して説明する。図17は、従来の回転電機10の構成を示す図である。回転電機10では、その内部において磁気的なアンバランスが生じると、回転軸16の周囲に電気周期高次の磁束(以下「不平衡磁束50」と呼ぶ)が発生する。そして、不平衡磁束50に起因して、回転軸16の両端には、電圧(以下「軸電圧」と呼ぶ)が誘導される。図18は、軸電圧VSとU相コイルに流れる電流(U相電流AU)との波形の一例を示すグラフである。図18に示す通り、軸電圧VSは、基本波の3倍の周波数をもつ三次高調波電圧となる。軸電圧VSは、回転軸16およびハウジング18を介して回転中の軸受19の内外輪に印加される。軸受19の内外輪は、潤滑油膜で絶縁されているが、当該潤滑油膜は、数μmと薄いため、一定以上の電圧(数V程度)が印加されると、絶縁破壊する。軸受19の内外輪の絶縁が破壊されると、図17において破線で示す通り、「回転軸16−軸受19−ハウジング18−回転軸16」の循環経路で誘導電流52が流れる。このとき、ジュール損は、絶縁破壊部、すなわち、軸受19に集中するため、軸受19の電食が進行するという問題があった。
By the way, in the conventional rotary electric machine, there is a problem that the electrolytic corrosion of the bearing that supports the rotating shaft occurs. This will be described with reference to FIG. FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration of a conventional rotating
特許文献1には、こうした軸受の電食を抑制するために、回転軸およびハウジングを機械的に連結する導体部材を別途設ける技術が開示されている。かかる構成とすることで、誘導電流は、軸受よりもインピーダンスの小さい導体部材に支配的に流れるため、軸受の電食を抑制できる。 Patent Literature 1 discloses a technique for separately providing a conductor member that mechanically connects a rotating shaft and a housing in order to suppress such electrolytic corrosion of a bearing. With such a configuration, the induced current flows predominantly through the conductor member having lower impedance than the bearing, so that electrolytic corrosion of the bearing can be suppressed.
しかしながら、特許文献1の技術では、導体部材を別途設ける必要があり、回転軸、ハウジング、回転出力部に構造的な制約が生じ、設計の自由度が低くなったり、回転電機全体のサイズや重量、コストが増加したりという別の問題を招いていた。 However, in the technique of Patent Literature 1, it is necessary to separately provide a conductor member, and there are structural restrictions on a rotating shaft, a housing, and a rotating output portion. Another problem is that the cost increases.
そこで、本発明では、回転軸およびハウジングを連結する導体部材を設けることなく、軸受の電食を抑制できる回転電機のロータを提供することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a rotor of a rotating electric machine that can suppress electric corrosion of a bearing without providing a conductor member that connects a rotating shaft and a housing.
本発明の回転電機のロータは、ロータコアと、前記ロータコア内に設けられた一対以上のロータ磁極対と、前記ロータコアのロータ軸方向外側位置においてロータ径方向に延びるように前記ロータコアに巻回され、1以上の閉路を構成するキャンセルコイルと、を備え、前記キャンセルコイルは、N極のロータ磁極の周囲に巻回された1以上のN極要素コイルと、S極のロータ磁極の周囲に巻回された1以上のS極要素コイルと、を含み、各閉路は、1以上のN極要素コイルと、1以上のS極要素コイルと、を直列に接続して構成される、ことを特徴とする。 The rotor of the rotating electrical machine of the present invention is a rotor core, a pair of at least one rotor magnetic pole provided in the rotor core, and wound around the rotor core so as to extend in a rotor radial direction at a position outside the rotor axial direction of the rotor core, And at least one N-pole element coil wound around an N-pole rotor magnetic pole and at least one N-pole element coil wound around an N-pole rotor magnetic pole. And one or more S-pole element coils, wherein each closed circuit is configured by connecting one or more N-pole element coils and one or more S-pole element coils in series. I do.
かかる構成とすることで、周方向に流れる不平衡磁束に起因して、キャンセルコイルには、三次の誘導電圧が誘導される。そして、この誘導電圧により、キャンセルコイルには、誘導電流が流れ、この誘導電流は、不平衡磁束を打ち消す向きの磁束を発生させる。そして、これにより、不平衡磁束が低減され、ひいては、軸受の電食が抑制される。 With this configuration, a tertiary induced voltage is induced in the cancel coil due to the unbalanced magnetic flux flowing in the circumferential direction. Then, the induced voltage causes an induced current to flow through the cancel coil, and the induced current generates a magnetic flux that cancels the unbalanced magnetic flux. As a result, the unbalanced magnetic flux is reduced, and the electrolytic corrosion of the bearing is suppressed.
各要素コイルには、三次の誘導電圧だけでなく、六次の誘導電圧も誘導される。上記の構成とすることで、N極要素コイルに誘導される六次の誘導電圧と、S極要素コイルに誘導される六次の誘導電圧と、が互いに打ち消し合う。その結果、閉路には、六次の誘導電流が流れず、比較的小さな三次の誘導電流のみが流れることとなる。そして、これにより、キャンセルコイルからの発熱や、キャンセルコイルの大型化を防止できる。 In each element coil, not only a third-order induced voltage but also a sixth-order induced voltage is induced. With the above configuration, the sixth-order induced voltage induced in the N-pole element coil and the sixth-order induced voltage induced in the S-pole element coil cancel each other. As a result, the sixth-order induced current does not flow in the closed circuit, and only a relatively small third-order induced current flows. As a result, heat generation from the cancel coil and an increase in the size of the cancel coil can be prevented.
この場合、前記一つの閉路に含まれる前記1以上のN極要素コイルと、前記一つの閉路に含まれる前記1以上のS極要素コイルは、前記ロータの回転中心を中心として、対を成す磁極間で、電気的に回転対称に配置されている、ことが望ましい。 In this case, the one or more N-pole element coils included in the one closed circuit and the one or more S-pole element coils included in the one closed circuit are a pair of magnetic poles centered on the rotation center of the rotor. Between them, it is desirable to be electrically rotationally symmetric.
かかる構成とすることで、一つの閉路内に含まれるN極要素コイルと、S極要素コイルの磁気的作用を同じにすることができ、六次の誘導電流をより確実に防止できる。 With such a configuration, the magnetic effect of the N-pole element coil and the S-pole element coil included in one closed circuit can be made the same, and the sixth-order induced current can be more reliably prevented.
他の本発明である回転電機のロータは、ロータコアと、前記ロータコア内に設けられた一対以上のロータ磁極対と、前記ロータコアのロータ軸方向外側位置においてロータ径方向に延びるように前記ロータコアに巻回され、1以上の閉路を構成するキャンセルコイルと、を備え、前記キャンセルコイルは、前記ロータコアのロータ軸方向外側位置においてN極のロータ磁極を径方向に横断するように前記N極のロータ磁極の周囲に巻回された1以上のN極要素コイル、および、前記ロータコアのロータ軸方向外側位置においてS極のロータ磁極を径方向に横断するように前記S極のロータ磁極の周囲に巻回された1以上のS極要素コイルの一方のみを含む。 According to another aspect of the present invention, there is provided a rotor of a rotating electrical machine, wherein the rotor core is wound around the rotor core so as to extend in a rotor radial direction at a position outside the rotor axial direction of the rotor core. And a cancel coil that is turned to form one or more closed circuits, wherein the cancel coil has the N-pole rotor magnetic pole so as to radially cross the N-pole rotor magnetic pole at a position outside the rotor axial direction of the rotor core. And one or more N-pole element coils wound around the rotor core , and wound around the S-pole rotor magnetic pole so as to radially cross the S-pole rotor pole at a position outside the rotor axial direction of the rotor core. Only one of the one or more south pole element coils.
かかる構成とすれば、複数の要素コイルに誘導された六次の誘導電流に起因するキャンセル磁束の流れの向きが同じになるため、キャンセル磁束の磁路の磁気抵抗が小さくなる。その結果、要素コイルに誘導される六次の誘導電流が小さくなり、キャンセルコイルからの発熱や、キャンセルコイルの大型化を防止できる。 With such a configuration, the direction of the flow of the cancel magnetic flux caused by the sixth-order induced current induced in the plurality of element coils becomes the same, so that the magnetic resistance of the magnetic path of the cancel magnetic flux decreases. As a result, the sixth-order induced current induced in the element coil is reduced, and heat generation from the cancel coil and an increase in the size of the cancel coil can be prevented.
他の好適な態様では、前記キャンセルコイルは、一つのロータ磁極の周囲に巻回された複数の要素コイルを含み、前記一つのロータ磁極の周囲に巻回された複数のキャンセルコイルは、前記ロータの回転中心と前記一つのロータ磁極の周方向中心とを結ぶ仮想線を挟んで、電気的に線対称に配置されている。 In another preferred aspect, the cancel coil includes a plurality of element coils wound around one rotor magnetic pole, and the plurality of cancel coils wound around the one rotor magnetic pole include the rotor coil. Are electrically axisymmetric with respect to an imaginary line connecting the center of rotation of the rotor pole and the circumferential center of the one rotor magnetic pole.
かかる構成とすることで、電磁気的なバランスが取れるため、より安定的に、不平衡磁束を低減できる。 By adopting such a configuration, electromagnetic balance can be obtained, so that unbalanced magnetic flux can be reduced more stably.
本発明によれば、周方向に流れる不平衡磁束に起因して、キャンセルコイルには、三次の誘導電圧が誘導される。そして、この誘導電圧により、キャンセルコイルには、誘導電流が流れ、この誘導電流は、不平衡磁束を打ち消す向きの磁束を発生させる。そして、これにより、不平衡磁束が低減され、ひいては、軸受の電食が抑制される。 According to the present invention, a tertiary induced voltage is induced in the cancel coil due to the unbalanced magnetic flux flowing in the circumferential direction. Then, the induced voltage causes an induced current to flow through the cancel coil, and the induced current generates a magnetic flux that cancels the unbalanced magnetic flux. As a result, the unbalanced magnetic flux is reduced, and the electrolytic corrosion of the bearing is suppressed.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態である回転電機10の横断面図である。また、図2は、図1のA−A断面図である。なお、以下の図面では、見易さのために、キャンセルコイル32を比較的大きく図示しているが、キャンセルコイル32は、実際には、より小さい。また、以下の説明において、「軸方向」、「周方向」、「径方向」とは、ロータ12の軸方向、周方向、径方向の意味である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a rotating
回転電機10は、ロータ12と、ステータ14と、回転軸16と、ハウジング18と、に大別される。ロータ12は、ロータコア20と当該ロータコア20内に設けられた1対以上の磁極対23と、キャンセルコイル32と、を備えている。ロータコア20は、複数の電磁鋼板(例えばケイ素鋼板)を軸方向に積層してなる円柱形部材である。磁極対23は、N極のロータ磁極22nおよびS極のロータ磁極22sを含むが、これらロータ磁極22n,22sは、ロータコア20に埋設された永久磁石で構成される。本実施形態では、径方向外側面がN極の永久磁石で構成される磁極をN極のロータ磁極22n、径方向外側面がS極の永久磁石で構成される磁極をS極のロータ磁極22sと呼ぶ。N磁のロータ磁極22nとS極のロータ磁極22sは、周方向に交互に並んでいる。本実施形態のロータ12は、四対の磁極対23を有しているが、この個数は、適宜変更されてもよい。キャンセルコイル32は、ロータコア20に巻回されるコイルであるが、これについては、後に詳説する。
The rotating
ロータコア20の中心には、回転軸16が挿通され、固着されている。回転軸16の両端は、軸受19を介してハウジング18に取り付けられており、回転軸16および回転軸16に固着されたロータコア20は、ハウジング18に対して回転自在となっている。
The
軸受19は、外輪19aと内輪19cとの間に複数の転動体19b(球体)を配して構成されており、外輪19aと転動体19bの間、および、内輪19cと転動体19bの間には、潤滑油膜が介在している。この潤滑油膜は、転動体19bの動きを滑らかにする潤滑剤として機能するとともに、外輪19aと内輪19cとを絶縁する絶縁部材としても機能する。潤滑油膜が介在することで、回転軸16とハウジング18とが電気的に絶縁される。
The
ステータ14は、ステータコア24と、ステータコイル30と、を有している。ステータコア24は、ロータ12と同心に配される略円筒形部材で、径方向内側に突出する複数のティース28を有している。隣接する二つのティース28の間には、ステータコイル30が挿入される空間であるスロットが形成されている。ステータコイル30は、U相コイル、V相コイル、W相コイルを含んでおり、これらコイルは、ティース28に巻回されている。そして、このステータコイル30に三相交流電流を印加することで、回転磁界が形成され、ロータ12が回転する。
The
次に、キャンセルコイル32について説明する。既述した通り、キャンセルコイル32は、ロータコア20に巻回されたコイルである。キャンセルコイル32は、主にN磁のロータ磁極22nの周囲に巻回されたN極要素コイル34nと、主にS極のロータ磁極22sの周囲に巻回されたS極要素コイル34sと、に大別される。以下では、N極およびS極を区別しない場合には、添え字のn,sを省略し、単に「要素コイル34」と呼ぶ。
Next, the cancel
本実施形態では、一つのN極のロータ磁極22nの周囲には、三つのN極要素コイル34nが巻回されており、ロータ12全体では12個のN極要素コイル34nが設けられている。同様に、一つのS極のロータ磁極22sの周囲には、三つのS極要素コイル34sが巻回されており、ロータ12全体では12個のS極要素コイル34sが設けられている。つまり、ロータ12全体では、24個の要素コイル34が設けられている。また、一対の磁極対には、対応するN極要素コイル34nおよびS極要素コイル34sが、三つずつ、合計六つ存在する。
In the present embodiment, three N-pole element coils 34n are wound around one N-pole rotor
各要素コイル34は、ロータコア20の径方向外側および内側位置においては、軸方向に延び、ロータコア20の軸方向外側位置において、径方向に延びるように、ロータコア20に巻回されている。後に詳説するようにロータコア20には、三種類の磁束が、周方向に流れるが、要素コイル34は、この周方向に流れる磁束の周囲を囲むように巻回されている。
Each
こうしたN極およびS極要素コイル34n,34sは、1以上の閉路を構成するように接続されている。この接続形態としては、種々考えられるが、本実施形態では、図3に示すように、同じ磁極対に対応する六つの要素コイル34n,34sを互いに直列に接続して閉路を構成している。したがって、一つの閉路には、N極およびS極要素コイル34n,34sが、同数(三つずつ)含まれている。そして、ロータ12全体としては、磁極対23と同数、すなわち、四つの閉路を有している。
These N-pole and S-pole element coils 34n and 34s are connected so as to form one or more closed circuits. Although various connection forms are conceivable, in the present embodiment, as shown in FIG. 3, six
次に、かかるキャンセルコイル32を設ける理由について説明する。図17は、従来の回転電機10の構成を示す図である。回転電機10では、その内部において磁気的なアンバランスが生じると、回転軸16の周囲に電気周期高次の磁束(以下「不平衡磁束50」と呼ぶ)が発生する。そして、不平衡磁束50に起因して、回転軸16両端には、電圧(以下「軸電圧」と呼ぶ)が誘導される。この軸電圧は、回転軸16およびハウジング18を介して回転中の軸受19の内外輪19a,19cに印加される。軸受19の内外輪19a,19cは、潤滑油膜で絶縁されているが、当該潤滑油膜は、数μmと薄いため、一定以上の電圧(数V程度)が印加されると、絶縁破壊する。軸受19の外輪19a−内輪19c間の絶縁が破壊されると、図17に示す通り、「回転軸16−軸受19−ハウジング18−回転軸16」の循環経路で誘導電流52が流れる。このとき、ジュール損は、絶縁破壊部、すなわち、軸受19に集中するため、軸受19の電食が進行するという問題があった。
Next, the reason for providing the cancel
こうした問題を解決するために、一部では、回転軸16とハウジング18とを接続する導体部材を別途設けることが提案されている。かかる構成とすれば、誘導電流52は、軸受19よりもインピーダンスの小さい導体部材に支配的に流れるため、軸受19の電食を抑制できる。しかしながら、こうした導体部材の採用は、構造的な制約を招き、設計の自由度が低くなったり、回転電機10全体のサイズや重量、コストが増加したりという別の問題を招いていた。
In order to solve such a problem, it has been proposed in some cases to separately provide a conductor member for connecting the rotating
本実施形態では、回転軸16およびハウジング18を連結する導体部材を設けることなく、軸受19の電食を抑制するために、キャンセルコイル32を設けている。キャンセルコイル32は、既述した通り、ロータコア20に巻回されているが、このロータコア20には、大きく分けて三種類の磁束が流れる。
In the present embodiment, the cancel
一つは、回転電機10の磁気的アンバランスにより生じる不平衡磁束50である。この不平衡磁束50は、ロータコア20を、周方向に進む。また、この不平衡磁束50は、基本周波数の3倍の周波数で変化する三次の磁束である。
One is an unbalanced
もう一つは、ロータコア20に埋設された永久磁石により生じる磁束である。この磁束は、磁束の向きが変化しない直流成分の磁束である。以下では、この磁束を「直流磁束」と呼ぶ。この直流磁束は、回転電機10の出力トルクを生成するために必要な磁束である。
The other is a magnetic flux generated by a permanent magnet embedded in the
さらに、ロータコア20には、磁気的アンバランスにより、六次の磁束も生じる。以下では、この磁束を「六次磁束」と呼ぶ。六次磁束は、不平衡磁束と同様に、ロータコア20を周方向に流れ、基本周波数の6倍の周波数で変化する。
Further, a sixth-order magnetic flux is also generated in the
キャンセルコイル32を構成する要素コイル34は、ロータコア20を周方向に流れる不平衡磁束50、直流磁束、六次磁束の周囲を囲むように、ロータコア20に巻回されている。換言すれば、キャンセルコイル32の内部を不平衡磁束50、直流磁束、六次磁束が貫くことになる。ただし、直流磁束は、時間変化しないため、当該直流磁束に起因して、キャンセルコイル32に、電圧が誘導されることはない。一方、不平衡磁束50および六次磁束は、時間変化するため、キャンセルコイル32には、不平衡磁束50および六次磁束の時間変化に応じて、電圧が誘導される。
The
以下では、不平衡磁束50の時間変化に応じて誘導される電圧を「三次の誘導電圧」、六次磁束の時間変化に応じて誘導される電圧を「六次の誘導電圧」と呼ぶ。図5は、三次の誘導電圧を示すグラフである。N極要素コイル34nに誘導される三次の誘導電圧N_V3と、S極要素コイル34sに誘導される三次の誘導電圧S_V3は、同一位相・周波数で変化する。そのため、N極要素コイル34nおよびS極要素コイル34sを直列で接続して閉路を構成した場合、各要素コイル34に誘導された三次の誘導電圧N_V3,S_V3は、互いに打ち消し合うことなく合算され、閉路全体の三次の電圧A_V3は、高い値となる。そして、閉路全体に高い電圧が誘導されることで、これら閉路には、誘導電流が流れる。この誘導電流は、不平衡磁束50を打ち消すような方向に流れる。
Hereinafter, the voltage induced according to the time change of the unbalanced
図6は、キャンセルコイル32の有無による軸電圧の違いを示すグラフである。図6において、実線は、キャンセルコイル32を設けた場合の軸電圧Vaを、破線は、キャンセルコイル32を設けない場合の軸電圧Vbを示している。図6から明らかな通り、キャンセルコイル32を設けることで、不平衡磁束50が、キャンセルコイル32に流れる三次の誘導電流により低減されるため、軸電圧も低下する。そして、軸電圧が低下することで、軸受19の潤滑油膜の絶縁破壊が防止され、軸受19の電食が効果的に防止される。
FIG. 6 is a graph showing a difference in axis voltage depending on the presence or absence of the cancel
次に、六次の誘導電圧について説明する。図7は、六次の誘導電圧を示すグラフである。図7において、実線は、N極要素コイル34nに誘導される六次の誘導電圧N_V6を、破線は、S極要素コイル34sに誘導される六次の誘導電圧S_V6をそれぞれ示している。図7から明らかな通り、N極の六次の誘導電圧N_V6と、S極の六次の誘導電圧S_V6は、互いに逆位相となる。本実施形態では、このN極・S極の六次の誘導電圧N_V6,S_V6を互いに打ち消すために、N極要素コイル34nとS極要素コイル34sとを互いに直列に接続している。かかる構成とする理由について、図4の比較例を参照して説明する。
Next, a sixth-order induced voltage will be described. FIG. 7 is a graph showing a sixth-order induced voltage. In FIG. 7, a solid line indicates a sixth-order induced voltage N_V6 induced in the N-
本実施形態では、図3に示すように、一つの閉路に、N極要素コイル34nと、S極要素コイル34sと、を同数設けている。しかし、図4の比較例に示すように、N極要素コイル34nのみを有する閉路と、S極要素コイル34sのみを有する閉路と、を設けることも考えられなくはない。しかし、図4の比較例のような結線にした場合、各要素コイル34に流れる電流値が大幅に高くなり、発熱などの問題を招き、要素コイル34の大径化等の対策が必要となる。これは、誘導電流により発生する磁束の磁気抵抗が大きくなるためである。すなわち、要素コイル34に六次の誘導電圧が誘導され、誘導電流が流れると、六次磁束を打ち消す向きの磁束、キャンセル磁束が発生する。このキャンセル磁束の向きは、S極とN極で逆向きである。したがって、N極要素コイル34nに流れる誘導電流により生じたキャンセル磁束は、S極要素コイル34sに流れる誘導電流により生じるキャンセル磁束の流れを阻害する磁気抵抗として機能する。同様に、S極要素コイル34sに流れる誘導電流により生じたキャンセル磁束は、N極要素コイル34nに流れる誘導電流により生じるキャンセル磁束の流れを阻害する磁気抵抗として機能する。このように、キャンセル磁束の流れを阻害する磁気抵抗が大きければ大きいほど、誘導電流の値も大きくなる。結果として、図4の比較例のように、N極要素コイル34nとS極要素コイル34sとを互いに独立した別の閉路とした場合、各閉路に流れる六次の誘導電流の値が非常に大きくなる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the same number of N-pole element coils 34n and S-pole element coils 34s are provided in one closed circuit. However, as shown in the comparative example of FIG. 4, it is not impossible to consider providing a closed circuit having only the N-
一方、本実施形態では、図3に示すように、N極要素コイル34nおよびS極要素コイル34sを互いに同数ずつ直列に接続している。この場合、N極およびS極要素コイル34n,34sそれぞれに誘導される六次の誘導電圧は、互いに打ち消し合うため、閉路全体としての六次の電圧値A_V6は、ほぼゼロとなる。結果として、各要素コイルには、六次の誘導電流は流れなくなる。 On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 3, the same number of N-pole element coils 34n and S-pole element coils 34s are connected in series. In this case, since the sixth-order induced voltages induced in the N-pole and S-pole element coils 34n and 34s cancel each other, the sixth-order voltage value A_V6 of the entire closed circuit becomes substantially zero. As a result, no sixth-order induced current flows through each element coil.
図8は、要素コイル34に流れる誘導電流を示すグラフである。図8において、破線は、本実施形態(図3の結線)の場合、実線は、図4の結線をした場合に各要素コイル34に流れる誘導電流を示している。図8から明らかな通り、N極要素コイル34nとS極要素コイル34sとを独立した別回路とした場合、誘導電流の波形は、非常に大きな六次の誘導電流と、比較的小さな三次の誘導電流とを合算したような波形となる。一方、本実施形態のように、N極要素コイル34nとS極要素コイル34sとを互いに直列に接続した場合には、六次の誘導電流は流れないため、要素コイル34には、比較的小さな三次の誘導電流しか流れない。つまり、本実施形態のように、N極要素コイル34nとS極要素コイル34sとを互いに直列に接続した場合には、要素コイル34に流れる電流を小さくすることができ、発熱等の問題を大幅に防止できる。また、流れる電流が小さければ、要素コイル34を小径化・軽量化でき、ひいては、回転電機10全体として軽量化やコストダウンも可能となる。
FIG. 8 is a graph showing an induced current flowing through the
以上の説明から明らかな通り、本実施形態によれば、ロータコア20に巻回されたキャンセルコイル32を設けているため、不平衡磁束50を打ち消すことができ、ひいては、軸受19の電食を効果的に防止できる。また、N極要素コイル34nとS極要素コイル34sとを互いに直列に接続しているため、六次の誘導電流をほぼゼロにすることができ、各キャンセルコイル32に流れる電流値を小さく抑えることができる。
As is clear from the above description, according to the present embodiment, since the cancel
次に、第二実施形態について図9、図10を参照して説明する。図9は、第二実施形態におけるロータ12の概略横断面図であり、図10は、第二実施形態におけるキャンセルコイル32の結線図である。図9から明らかな通り、本実施形態では、N極のロータ磁極22nの周囲に巻回されたN極要素コイル34nのみを設けており、S極のロータ磁極22sの周囲に巻回されたS極要素コイル34sは、設けていない。そして、図10に示すように、一つのN極のロータ磁極22nに対応する三つのN極要素コイル34nを互いに直列に接続して閉路を構成している。ロータ12全体としては、N極要素コイル34nのみを有した閉路を四つ有している。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the
かかる構成とした場合、各N極要素コイル34nには、不平衡磁束50に起因する三次の誘導電圧N_V3と、六次磁束に起因する六次の誘導電圧N_V6と、が誘導される。三次の誘導電圧N_V3が誘導されることで、N極要素コイル34nには、不平衡磁束50を打ち消す向きの三次の誘導電流が誘導される。そして、これにより、不平衡磁束50が低減され、軸受19の電食が防止される。
In such a configuration, a tertiary induced voltage N_V3 caused by the unbalanced
また、N極要素コイル34nには、六次磁束を打ち消す向きの六次の誘導電流が流れる。この六次の誘導電流によりキャンセル磁束が発生する。上述したように、図4の比較例に示すように、N極要素コイル34nとは独立したS極要素コイル34sを更に設けていた場合には、当該N極のキャンセル磁束を妨げるS極のキャンセル磁束が発生するため、N極要素コイル34nには、大きな六次の電流が流れる。しかし、本実施形態では、S極要素コイル34sを設けていないため、N極のキャンセル磁束の磁路の磁気抵抗は、小さい。結果として、N極要素コイル34nに流れる六次の誘導電流は、非常に小さくなる。そして、これにより、キャンセルコイル32からの発熱や、キャンセルコイル32の大径化、重量化といった問題を防止できる。
A sixth-order induced current flows in the N-
以上の説明から明らかな通り、第二実施形態のように、N極要素コイル34nのみを設け、S極要素コイル34sを設けない構成でも、軸受19の電食を効果的に防止しつつ、キャンセルコイル32に流れる電流を小さく抑えることができる。
As is apparent from the above description, even in a configuration in which only the N-
次に、キャンセルコイル32の構成のバリエーションについて説明する。既述した通り、キャンセルコイル32は、1以上の要素コイル34を含む。この要素コイル34は、不平衡磁束50の低減(軸受19の電食抑制)だけを目的とするのであれば、図4に示すように、N極要素コイル34nおよびS極要素コイル34sの双方を互いに独立した閉路を構成するように設けてもよい。
Next, variations of the configuration of the cancel
一方で、六次の誘導電流を低減したい場合には、第一実施形態のようにN極およびS極要素コイル34n,34sを互いに直列するか、第二実施形態のようにN極要素コイル34nおよびS極要素コイル34sのいずれか一方のみを設けることが望ましい。なお、以下では、図3に示すように、一つの閉路内に、N極およびS極要素コイル34n,34sの双方を設ける構成を「異極混合構成」と呼び、図10に示すように、N極要素コイル34nおよびS極要素コイル34sのいずれか一方のみを設ける形式を「単極構成」と呼ぶ。
On the other hand, when it is desired to reduce the sixth-order induced current, the N-pole and S-pole element coils 34n and 34s are connected in series as in the first embodiment, or the N-
異極混合構成の場合、一つの閉路内に含まれるN極要素コイル34nとS極要素コイル34sの個数は、特に限定されず、いずれも、1以上であればよい。ただし、一つの閉路内に含まれる1以上のN極要素コイル34nと、1以上のS極要素コイル34sと、は、互いに同じ起磁力を有していることが望ましい。すなわち、各要素コイル34n,34sを構成する巻線の材質や形状、巻回数等が等しいことが望ましい。
In the case of the heteropolar mixed configuration, the number of the N-
また、異極混合構成の場合、一つの閉路に含まれるN極要素コイル34nとS極要素コイル34sは、ロータの回転中心Oを基点として、対を成す磁極間で、電気的に回転対称に配置されていることが望ましい。これにより、一つの閉路に含まれるN極要素コイル34nの磁気的作用と、S極要素コイル34sの磁気的作用を、ほぼ同じにできるため、六次の誘導電流をより確実に防止できる。
Further, in the case of the mixed heteropolar configuration, the N-
異極混合構成および単極構成のいずれの場合でも、一つのロータ磁極22n,22sの周囲に巻回される要素コイル34の個数は、特に限定されない。したがって、図1、図9に示すように、一つのロータ磁極22n,22sの周囲に、三つの要素コイル34を巻回してもよいし、図12に示すように、二つの要素コイル34を巻回してもよい。また、より少数、または、より多数の要素コイル34を巻回するようにしてもよい。
The number of element coils 34 wound around one rotor
一つのロータ磁極22n,22sの周囲に巻回される要素コイル34は、d軸Ldを挟んで電気的に線対称に配置されていることが望ましい。d軸Ldは、ロータ12の回転中心Oと当該一つのロータ磁極22n,22sの周方向中心とを結ぶ仮想線である。かかるd軸Ldに線対称に配置することで、電磁気的なバランスが取れるため、より安定的に、不平衡磁束を低減できる。
It is preferable that the element coils 34 wound around the one rotor
また、第一、第二実施形態では、全てのロータ磁極22n,22sの周囲に、要素コイル34を巻回、換言すれば、複数の要素コイル34を、周方向に均等分散していたが、要素コイル34の個数や、位置は、適宜、変更されてもよい。例えば、図11に示すように、隣接する二対の磁極対23の周囲にのみ要素コイル34を巻回し、残りの二対の磁極対23の周囲には、要素コイル34を設けない構成としてもよい。また、図12に示すように、離間した二つのS極のロータ磁極22sの周囲にのみ要素コイル34を設ける構成としてもよい。
In the first and second embodiments, the element coils 34 are wound around all the rotor
また、各閉路を構成する要素コイル34は、1以上であれば、特に限定されない。したがって、閉路を構成する要素コイルの個数等は、適宜、変更されてもよい。したがって、例えば、キャンセルコイル32を構成する複数の要素コイル34を全て直列に接続して、単一の閉路を構成してもよい。かかる構成とすれば、ロータ12の偏心等に起因して生じる磁気的なアンバランスを閉路内で相殺できるため、より効果的に、不平衡磁束を低減でき、また、六次の誘導電流を低減できる。なお、第一、第二実施形態のように、複数の閉路を有する構成とした場合、磁気的なアンバランスの影響を受けやすい反面、一つの閉路の構成を簡易化でき、キャンセルコイルの巻回が容易になる。
The number of element coils 34 constituting each closed circuit is not particularly limited as long as it is one or more. Therefore, the number of element coils forming a closed circuit and the like may be appropriately changed. Therefore, for example, a single closed circuit may be formed by connecting all of the plurality of element coils 34 constituting the cancel
また、各要素コイル34の巻回方式は、特に限定されない。したがって、要素コイル34は、図13に示すように、一つの要素コイル34の巻き終わりが、当該一つの要素コイル34の巻き始め近傍に達してから、周方向に進んで、隣接する他の要素コイル34に向かうような巻回方式でもよい。また、要素コイル34は、図14に示すように、一つの要素コイル34の巻き終わりが、隣接する他の要素コイル34の巻き始めとなるように、常に、巻線が周方向に進むように、らせん状に巻き進める巻回方式でもよい。
Further, the winding method of each
また、各要素コイル34は、ロータコア20に巻回されるが、ロータコア20は、回転電機10の駆動に伴い、高速で回転する。このとき、遠心力で要素コイル34が、径方向外側に突出すると、ステータ14と接触するおそれがある。そこで、こうしたステータ14と要素コイル34との接触を防止するために、図15に示すように、ロータコア20に要素コイル34を収容するべく軸方向に貫通する溝や孔等を設けておき、当該溝または孔に、要素コイル34の一部を収容するようにしてもよい。また、別の形態として、要素コイル34が巻回されたロータコア20の外周囲を何らかのカバーで覆い、要素コイル34の径方向外側への突出を防止してもよい。また、図15に示すように、ロータコア20の内周面にも、要素コイル34の一部を収容する溝または孔を設けてもよい。
Each
また、第一、第二実施形態では、要素コイル34は、ロータコア20の径方向外側および内側を通過する構成としているが、要素コイル34が、ロータコア20の内部を通過するような構成としてもよい。例えば、図16に示すように、ロータコア20の中には、冷媒を通すために軸方向に貫通した冷媒用孔40が、周方向に、等間隔で形成されたものがある。かかるロータコア20の場合には、要素コイル34の一部を、冷媒用孔40に収容してもよい。
Further, in the first and second embodiments, the
また、本実施形態では、ロータコア20の軸方向両端位置において、各要素コイル34が、永久磁石を径方向に横断するような構成としている。しかし、要素コイル34は、少なくとも、周方向に流れる不平衡磁束を囲むのであれば、永久磁石を横断しなくてもよい。すなわち、永久磁石よりも径方向外側位置に、軸方向に貫通する孔を設けておき、各要素コイル34が、当該孔およびロータコア20の径方向外側位置を通過するような構成としてもよい。
In the present embodiment, each
さらに、これまでの説明では、要素コイル34を、ロータ磁極22n,22sの周囲に巻回する例のみを挙げたが、要素コイル34は、少なくともロータコア20に巻回されるのであれば、ロータ磁極22n,22sから外れた位置に配されてもよい。ただし、通常、ロータ磁極22n,22sは、ロータコア20の大部分を占めているため、当該ロータ磁極22n,22sを避けて、要素コイル34を巻回するのは難しく、また、不平衡磁束50の低減効果も低い。
Furthermore, in the description so far, only the example in which the
また、これまで説明したロータ12の構成は、一例であり、適宜、変更されてもよい。例えば、一対以上の磁極対23を有するのであれば、磁極対23の個数は、適宜、変更されてもよい。また、これまでの説明では、一つのロータ磁極22n,22sを、断面長方形の一つの永久磁石で構成している。しかし、ロータ磁極22n,22sを構成する永久磁石の数や構成(形状)は、適宜、変更されてもよい。例えば、ロータ磁極22n,22sは、断面略円弧状の永久磁石で構成されてもよい。また、別の形態として、断面略長方形の二つの永久磁石を、半径方向外側に向かってV字状に広がるように配置して、一つのロータ磁極22n,22を構成してもよい。
Further, the configuration of the
いずれにしても、ロータコア20の軸方向両端位置において、径方向に進むように、ロータコア20に巻回されたキャンセルコイル32を設けることで、不平衡磁束が低減され、ひいては、軸受19の電食を抑制できる。また、N極要素コイル34nとS極要素コイル34sとを互いに直列に接続する構成(異極混合構成)、または、N極およびS極のいずれか一方の要素コイル34のみを設ける構成(単極構成)とすることで、大きな六次の誘導電流が流れることを防止でき、発熱や、キャンセルコイル32の大径化・重量化を防止できる。
In any case, the unbalanced magnetic flux is reduced by providing the cancel
10 回転電機、12 ロータ、14 ステータ、16 回転軸、18 ハウジング、19 軸受、20 ロータコア、22s S極のロータ磁極、22n N極のロータ磁極、23 磁極対、24 ステータコア、28 ティース、30 ステータコイル、32 キャンセルコイル、34n N極要素コイル、34s S極要素コイル、50 不平衡磁束、52 誘導電流。
Claims (4)
ロータコアと、
前記ロータコア内に設けられた一対以上のロータ磁極対と、
前記ロータコアのロータ軸方向外側位置においてロータ径方向に延びるように前記ロータコアに巻回され、1以上の閉路を構成するキャンセルコイルと、
を備え、
前記キャンセルコイルは、N極のロータ磁極の周囲に巻回された1以上のN極要素コイルと、S極のロータ磁極の周囲に巻回された1以上のS極要素コイルと、を含み、
各閉路は、1以上のN極要素コイルと、1以上のS極要素コイルと、を直列に接続して構成される、
ことを特徴とするロータ。 A rotary electric machine rotor,
A rotor core,
A plurality of pairs of rotor magnetic poles provided in the rotor core,
A cancel coil wound around the rotor core so as to extend in the rotor radial direction at a position outside the rotor axis direction of the rotor core and forming one or more closed circuits;
Equipped with a,
The cancel coil includes one or more N-pole element coils wound around an N-pole rotor magnetic pole, and one or more S-pole element coils wound around an S-pole rotor magnetic pole;
Each closed circuit is configured by connecting one or more N-pole element coils and one or more S-pole element coils in series.
A rotor characterized in that:
前記一つの閉路に含まれる前記1以上のN極要素コイルと、前記一つの閉路に含まれる前記1以上のS極要素コイルは、前記ロータの回転中心を中心として、対を成す磁極間で、電気的に回転対称に配置されている、ことを特徴とするロータ。 The rotor according to claim 1 ,
The one or more N-pole element coils included in the one closed circuit and the one or more S-pole element coils included in the one closed circuit are arranged around a rotation center of the rotor, between magnetic poles forming a pair. A rotor characterized by being electrically rotationally symmetric.
ロータコアと、
前記ロータコア内に設けられた一対以上のロータ磁極対と、
前記ロータコアのロータ軸方向外側位置においてロータ径方向に延びるように前記ロータコアに巻回され、1以上の閉路を構成するキャンセルコイルと、
を備え、
前記キャンセルコイルは、前記ロータコアのロータ軸方向外側位置においてN極のロータ磁極を径方向に横断するように前記N極のロータ磁極の周囲に巻回された1以上のN極要素コイル、および、前記ロータコアのロータ軸方向外側位置においてS極のロータ磁極を径方向に横断するように前記S極のロータ磁極の周囲に巻回された1以上のS極要素コイルの一方のみを含む、
ことを特徴とするロータ。 A rotary electric machine rotor,
A rotor core,
A plurality of pairs of rotor magnetic poles provided in the rotor core,
A cancel coil wound around the rotor core so as to extend in the rotor radial direction at a position outside the rotor axis direction of the rotor core and forming one or more closed circuits;
With
The cancel coil includes one or more N-pole element coils wound around the N-pole rotor magnetic pole so as to radially cross the N-pole rotor magnetic pole at a position outside the rotor core in the rotor axial direction , and Including only one of one or more S-pole element coils wound around the S-pole rotor magnetic pole so as to radially cross the S-pole rotor magnetic pole at the rotor axial direction outer position of the rotor core ,
A rotor characterized in that:
前記キャンセルコイルは、一つのロータ磁極の周囲に巻回された複数の要素コイルを含み、
前記一つのロータ磁極の周囲に巻回された複数のキャンセルコイルは、前記ロータの回転中心と前記一つのロータ磁極の周方向中心とを結ぶ仮想線を挟んで、電気的に線対称に配置されている、ことを特徴とするロータ。 The rotor according to any one of claims 1 to 3 , wherein
The cancellation coil includes a plurality of element coils wound around one rotor magnetic pole,
The plurality of cancel coils wound around the one rotor magnetic pole are electrically line-symmetrically arranged with respect to an imaginary line connecting the rotation center of the rotor and the circumferential center of the one rotor magnetic pole. A rotor characterized by the above.
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