JP6837764B2 - 電磁共振回転電機及び複合型回転電機 - Google Patents
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Description
電磁共振回転電機は固定子巻線(1次巻線)と回転子巻線(2次巻線)との間で電磁界共振結合の作用で電力を電送してエネルギー変換を行う。図1、図2を用いて、電磁共振回転電機1の原理モデルの構成と動作原理について述べる。3相の固定子コイル11U,11 V,11Wを空間的に60°、120°位相間隔で配置する。前記コイル11U,11V,11Wから成る固定子巻線11の固定子電流によって回転磁界を形成する。回転子20には同様に3相のコイル21U,21V,21Wを配置し、三相短絡状態にする。これらの回転子20のコイル21U,21V,21Wにて回転子巻線21を構成する。また、図3、図4に示すように、通常の固定子鉄心と回転子鉄心はなくして無鉄心とし、実際の構造としては合成樹脂FRPを固定子構造体12、回転子構造体22として各コイル11U,11V,11W;21U,21V,21Wを固定する。但し、低周波数領域でも成立する場合で、応用製品によっては鉄心を設ける可能性もある(複合型回転電機)。
駆動周波数で回転電機が電磁界共振状態にするために、機器定数である3相巻線のインダクタンスLとキャパシタンスCを決める必要がある。そして、電磁界共振結合させるために固定子10と回転子20において同じ周波数fで共振させる必要がある。インダクタンスLは電磁界解析によって求めた。解析で得られたインダクタンスLと駆動周波数fから共振条件によってキャパシタCを算出する。機器定数の算出式は次の式(1)−(5)である。
機器定数解析を基に算出した値は、固定子10のインダクタンスLとキャパシタンスCを図6の表に示し、回転子20のインダクタンスLとキャパシタンスCを図7の表に示している。
電磁界共振によるモータ特性を把握するために原理モデルの周波数応答解析を行った。回路モデルは図1、図2に示したものであり、機器定数解析により算出した各駆動周波数fを共振周波数となる容量Cのキャパシタ13,23を固定子10の回路と回転子20の回路とのそれぞれに直列に接続した回路構成となる。
電磁共振モータの回転時の運転特性は従来と異なる特性を示す。そこで、原理検証モデルの過渡応答解析を行って回転時の運転特性を求めた。解析で得られたすべりsに対するトルク(s−T)特性を図10に示しめしている。この図10の(s−T)特性より、50Hz設定のモータはすべりs=0.6のとき、100Hz,150Hz,200Hz設定のモータそれぞれはすべりs=0.5のときにトルクが最大になっている。
図15〜図18を用いて、第2の実施の形態の電磁共振回転電機101について説明する。図15、図16に示すように、固定子110には3相の固定子コイル111U,111V,111Wを空間的に60°、120°位相間隔で配置する。前記コイル111U,111V,111Wから成る固定子巻線111の固定子電流によって回転磁界を形成する。回転子120には同様に3相のコイル121U,121V,121Wを配置し、3相短絡状態にする。これらの回転子120のコイル121U,121V,121Wにて回転子巻線121を構成する。また、図17、図18に示すように、通常の固定子鉄心と回転子鉄心はなくして無鉄心とし、実際の構造としては合成樹脂FRPを固定子構造体112、回転子構造体122として各コイル111U,111V,111W;121U,121V,121Wを固定する。固定子110の内部に回転子120を配置し、両者間にはエアギャップ130を形成している。
固定子110は駆動周波数を共振周波数fとし、回転子120はすべり周波数を共振周波数fとする容量のキャパシタを、インダクタンスLから求めた。図16に示すように固定子110と回転子120に直列にキャパシタを接続した回路で解析をする。解析条件は、図19の表に示すものであり、電源電流を337.5A(10A/mm2)とし、駆動周波数fを1kHzとした。
第3の実施の形態の電磁共振回転電機は図26に示すアキシャルギャップ型回転電機201である。図26はモデルの1/4を示している。この実施の形態の回転電機201は、円盤状固定子210にA,B2相巻線211を設けて回転磁界を形成するようにしている。また回転軸方向の対向面に円盤状回転子220を配置し、回転子220にも2相巻線221を設けて2相短絡させている。固定子210は強化繊維樹脂(FRP)の円盤213にFRPのコイルボビン(構造物)を立て、その周りにコイルを巻いて固定子巻線211を構成している。また回転子220についても同様の構造であり、FRPの円盤223にFRPのコイルボビンを立て、その周りにコイルを巻いて回転子巻線221を構成している。これら固定子巻線211と回転子巻線221は簡素な構造の集中巻とし、それぞれ8個のFRPの円柱にコイルを巻きつけた構造である。共振用の外部キャパシタは各固定子巻線と各回転子巻線に接続されて電磁共振状態を作り出す。キャパシタは各円盤内に設けた空洞内に配置して固定する。または、前記コイルを巻く各ボビンの内周に円筒のキャパシタを内蔵して配置する。または、前記各ボビンは誘電体と電極板で構成してボビンそのものをキャパシタとして構成する。
・固定子:外径200mm、4極−12コイル‐30ターン数/個
・回転子:外径200mm、12コイル‐30ターン数/個
上記の条件で周波数応答解析及び過渡解析を行い、電磁界の相互作用、2次側(回転子)のエネルギー電送特性を解析した。電源周波数は100Hz〜50kHzとした。
10,110,210 固定子
11,111,211 固定子巻線
11U,11V,11W 固定子コイル
12 固定子構造体
13U,13V,13W キャパシタ
14 スロット
20,120,220 回転子
21,121,221 回転子巻線
21U,21V,21W 回転子コイル
22 回転子構造体
23U,23V,23W キャパシタ
24 スロット
27 導電板
30 エアギャップ
Claims (11)
- コイルとキャパシタを有する固定子と、コイルとキャパシタを有する回転子とから構成され、
前記固定子の電磁界共振と前記回転子の電磁界共振とを共振結合させ、
前記固定子の回転磁界を利用して前記回転子に回転力を誘起させ又は前記回転子の回転によって前記固定子側に電力を発生させることを特徴とする電磁共振回転電機。 - 複数のコイルを接続した巻線とキャパシタとを有する固定子と、複数のコイルを接続した巻線とキャパシタとを有する回転子とから構成され、
前記固定子は電磁界共振状態となるような巻線のインダクタンス値とキャパシタンス値とし、
前記回転子は電磁界共振状態となるような巻線のインダクタンス値とキャパシタンス値とし、
前記固定子を電磁界共振状態にし、前記回転子を電磁界共振状態にし、
前記固定子の電磁界共振と前記回転子の電磁界共振とを共振結合させ、
前記固定子の回転磁界を利用して前記回転子に回転力を誘起させ又は前記回転子の回転によって前記固定子側に電力を発生させることを特徴とする電磁共振回転電機。 - 複数のコイルを接続した巻線とキャパシタとを有する固定子と、複数のコイルを接続した巻線とキャパシタとを有する回転子とから構成され、
前記固定子が電磁界共振状態となるような巻線のインダクタンス値とキャパシタンス値とし、前記回転子が電磁界共振状態となるような巻線のインダクタンス値とキャパシタンス値とし、
前記固定子の電磁界共振と前記回転子の電磁界共振とが一致するようにし、
前記固定子を電磁界共振状態にし、前記回転子を電磁界共振状態にし、
前記固定子の電磁界共振と前記回転子の電磁界共振とを共振結合させ、
前記固定子の回転磁界を利用して前記回転子に回転力を誘起させ又は前記回転子の回転によって前記固定子側に電力を発生させることを特徴とする電磁共振回転電機。 - 前記固定子には駆動周波数を共振周波数とする容量のキャパシタを用い、前記回転子にはすべり周波数を共振周波数とする容量のキャパシタを用いたことを特徴とする請求項2又は3に記載の電磁共振回転電機。
- 請求項1〜4のいずれかの電磁共振回転電機と鉄心を有する回転電機とを備えた複合型回転電機。
- スロットを設けた絶縁誘電体の材料から成る固定子構造体と前記スロット内に挿入した複数のコイルを接続した固定子巻線とキャパシタとを有する固定子と、スロットを設けた絶縁誘電体の材料から成る回転子構造体と前記スロット内に挿入した複数のコイルを接続した回転子巻線とキャパシタとを有する回転子とから構成され、
前記固定子はその巻線のインダクタンス値とキャパシタンス値とを電磁界共振状態となる値に設定し、前記回転子はその巻線のインダクタンス値とキャパシタンス値とを電磁界共振状態となる値に設定し、かつ、前記固定子の電磁界共振と前記回転子の電磁界共振を一致させ、
前記固定子の電磁界共振と前記回転子の電磁界共振とを共振結合させ、
前記固定子の回転磁界を利用して前記回転子に回転力を誘起させ又は前記回転子の回転によって前記固定子側に電力を発生させることを特徴とする電磁共振回転電機。 - 絶縁誘電体の材料の構造体に導電性板を軸方向に挟み込んで固定子構造部とし、前記固定子構造部にスロットを設け、前記スロット内に挿入した複数のコイルを接続して固定子巻線とし、前記固定子の導電性板と固定子巻線が電気的に接続された構成から成る固定子と、絶縁誘電体の材料の構造体に導電性板を軸方向に挟み込んで回転子構造部とし、前記回転子構造部にスロットを設け、前記スロット内に挿入した複数のコイルを接続して回転子巻線とし、前記回転子の導電性板と回転子巻線が電気的に接続された構成から成る回転子とから構成され、
前記固定子が電磁界共振状態となるように前記固定子巻線のインダクタンス値と固定子のキャパシタンス値とを設定し、前記回転子が電磁界共振状態となるように前記回転子巻線のインダクタンス値と回転子のキャパシタンス値とを設定し、かつ、前記固定子の電磁界共振と前記回転子の電磁界共振とを一致させ、
前記固定子の電磁界共振と前記回転子の電磁界共振とを共振結合させ、
前記固定子の回転磁界を利用して前記回転子に回転力を誘起させ又は前記回転子の回転によって前記固定子側に電力を発生させることを特徴とする電磁共振回転電機。 - 絶縁誘電体の材料の構造体に導電性板を軸方向に挟み込んで固定子構造部とし、前記固定子構造部にスロットを設け、前記スロット内に挿入した複数のコイルを接続して固定子巻線とし、前記固定子の導電性板と固定子巻線が電気的に接続され、かつ外部キャパシタンスも固定子巻線に接続された構成から成る固定子と、絶縁誘電体の材料の構造体に導電性板を軸方向に挟み込んで回転子構造部とし、前記回転子構造部にスロットを設け、前記スロット内に挿入した複数のコイルを接続して回転子巻線とし、前記回転子の導電性板と回転子巻線が電気的に接続され、かつ外部キャパシタンスも前記回転子巻線に接続された構成から成る回転子とから構成され、
前記固定子が電磁界共振状態となるように前記固定子巻線のインダクタンス値と固定子の合計のキャパシタンス値とを設定し、前記回転子が電磁界共振状態となるように前記回転子巻線のインダクタンス値と回転子の合計のキャパシタンス値とを設定し、かつ、前記固定子の電磁界共振と前記回転子の電磁界共振とを一致させ、
前記固定子の電磁界共振と前記回転子の電磁界共振とを共振結合させ、
前記固定子の回転磁界を利用して前記回転子に回転力を誘起させ又は前記回転子の回転によって前記固定子側に電力を発生させることを特徴とする電磁共振回転電機。 - 前記絶縁誘電体の材料の固定子構造体、回転子構造体それぞれに複数の金属板を軸方向に複数枚挟み込み、前記金属板のうち両端位置の金属板それぞれを端子として前記コイルに接続したことを特徴とする請求項7又は8に記載の電磁共振回転電機。
- 前記固定子には駆動周波数を共振周波数とする容量のキャパシタを用い、前記回転子にはすべり周波数を共振周波数とする容量のキャパシタを用いたことを特徴とする請求項6〜9のいずれかに記載の電磁共振回転電機。
- 請求項1〜4、6〜9のいずれかに記載の電磁共振回転電機を誘導モータとして回転駆動する回転電機駆動装置であって、
前記誘導モータをすべり周波数ベクトル制御にて駆動し、
前記回転子に流れる電流をすべり周波数になるように制御するすべり周波数制御装置を備えたことを特徴とする回転電機駆動装置。
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