JPH09168265A - 同期・誘導複合電機及び同期電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 同期電機と誘導電機の両方の機能を有し、例
えば電気自動車等の電動機として有効な同期・誘導複合
電機を提供する。 【解決手段】 回転子Ａは、軸１の周囲において、軸方
向に沿って離間して２部位に配置され、それぞれかご形
巻線が装着されている２個一対の回転子鉄心３を有して
構成されている。固定子Ｂは、半径方向に励磁する半径
方向励磁巻線が装着されている固定子鉄心４のほか、さ
らに、該固定子鉄心４の周方向に沿って巻回され、軸方
向に励磁する軸方向電磁励磁巻線６を有して構成されて
いる。軸方向電磁励磁巻線６の起磁力を調整することに
より、同期電機としても、誘導電機としても機能させる
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、同期電機（同期電
動機、同期発電機）と誘導電機（誘導電動機、誘導発電
機）とを複合化（ハイブリッド化）した同期・誘導複合
電機、並びに発生トルクを可変制御可能な同期電機に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ハイブリッド型ステッピングモー
タ（パルスモータ）が知られており、図５のような構成
になっている（特開平６−３１９２４９号公報の従来例
参照）。すなわち、歯車状に形成された磁性体からなる
２個一対の回転子鉄心１０２が永久磁石１０３の両側に
配置されるように、軸１０１に固着されて形成されてい
る回転子Ａと、複数の歯状のスロットを極頭に設けた磁
性体からなると共に、その磁極に励磁巻線１１０が装着
されている固定子鉄心１０９を有する固定子Ｂとを有し
て構成されている。

【０００３】そして、回転子鉄心１０２は、電磁鋼板等
を積層したもので構成され、作動時の磁性体の損失を低
減するようにしたものが利用されている。また、この積
層した薄板の表面には、歯車状の複数の溝１０５が設け
られており、この溝１０５に任意の電気抵抗を有する導
体（かご形巻線）１０６が挿設され、この各導体１０６
の両端を端面短絡環１０７で短絡している。

【０００４】なお、一対の回転子鉄心１０２は、歯の相
対位置が、歯のピッチの１／２の相差となるように配置
されており、上記の励磁巻線１１０を順次励磁すること
によって、回転子Ａがステップ毎に回転するようになっ
ている。

【０００５】上記したハイブリッド型ステッピングモー
タは、励磁巻線１１０に次々と断続的なパルスを与える
ことにより、回転し、トルクを発生せしめる。従って、
ハイブリッド型ステッピングモータは、その回転子Ａ
が、時間当たりのパルス数、相数、極数により決まった
同期回転速度で回転する同期電動機の一種とされてい
る。

【０００６】一方、通常の誘導電機（誘導電動機、誘導
発電機）は、円筒状に成層された固定子鉄心の突極に多
相巻線を配置して回転磁界を作らせる一方、円筒状に成
層された回転子鉄心のスロットに導体を配設して回路を
作り（かご形回転子）、回転子導体と固定子巻線で作ら
れる磁束と直角の方向に力を発生させて、回転子を回転
磁界と同方向に回転させる構造となっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ハイブリッ
ド型ステッピングモータを例にとって説明した同期電動
機や上記した誘導電動機は、それぞれ異なる特有の特性
を有している。

【０００８】このため、現在開発の急がれている電気自
動車の電動機においては、起動・停止や減速・加速を頻
繁に行う電動機で、低速走行時では同期電動機の性能が
好ましく、高速走行時では誘導電動機の性能が好ましい
とされている。

【０００９】しかしながら、従来、同期電動機と誘導電
動機の両方の機能を有する電動機はなく、同期電動機と
誘導電動機の何れか一方を電気自動車等の電動機として
使用しているのが実情であり、効果的かつ効率の良い電
動機の使われ方とは言えず、運転を円滑に行えないとい
う問題点がある。また、従来の同期電動機においてはト
ルクの可変ができないのが通常であるが、同期電動機と
誘導電動機の両方の機能を有する場合でも、同期電動機
として運転する場合にトルクを可変できれば、さらに効
率の良い使用が可能となる。このことは、同期電動機の
単一機の場合でも同様に望まれるところである。

【００１０】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、同期電機と誘導電機の両方の機能を有す
る電機であって、例えば電気自動車等の電動機として有
効な同期・誘導複合電機、並びに発生トルクを可変制御
可能な同期電機を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の同期・誘導複合電機は、軸の周囲において、軸
方向に沿って離間して２部位に配置され、それぞれかご
形巻線が装着されている２個一対の回転子鉄心を含む回
転子と、半径方向に励磁する半径方向励磁巻線が装着さ
れている固定子鉄心、及び該固定子鉄心の周方向に沿っ
て巻回され、軸方向に励磁する軸方向電磁励磁巻線、を
含み、前記回転子の外側に配設される固定子と、を有
し、前記軸方向電磁励磁巻線の起磁力を調整することに
より、同期電機としても、誘導電機としても機能させる
ことができることを特徴とする。

【００１２】また、本発明の同期・誘導複合電機は、軸
の周囲に配置され、半径方向に励磁する半径方向励磁巻
線が装着されている固定子鉄心、及び該固定子鉄心の周
方向に沿って巻回され、軸方向に励磁する軸方向電磁励
磁巻線、を含む固定子と、軸方向に沿って離間する２部
位に配置され、それぞれかご形巻線が装着された２個一
対の回転子鉄心を含み、前記固定子の外側に配設される
回転子と、を有し、前記軸方向電磁励磁巻線の起磁力を
調整することにより、同期電機としても、誘導電機とし
ても機能させることができることを特徴とする。

【００１３】なお、上記いずれの場合も、軸方向の起磁
力を有する永久磁石を前記２個一対の回転子鉄心間に配
設することができる。また、固定子鉄心として、２個一
対の回転子鉄心の配設位置に対応させて、軸方向に沿っ
て離間して２部位に配置されているものを用い、前記２
個一対の固定子鉄心間に、軸方向の起磁力を有する永久
磁石を配設することもできる。

【００１４】さらに、本発明の永久磁石型の同期電機
は、軸方向に沿って離間して２部位に配置された２個一
対の回転子鉄心を含む回転子と、半径方向に励磁する半
径方向励磁巻線が装着されている固定子鉄心を含み、前
記回転子の内側又は外側に配設される固定子と、前記２
個一対の回転子鉄心間に配設される軸方向の起磁力を有
する永久磁石と、を有する永久磁石型の同期電機におい
て、さらに、前記固定子鉄心の周方向に沿って、軸方向
に励磁する軸方向電磁励磁巻線が巻回されていることを
特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて詳述する。図１は、本発明の同期・誘導複合電
機の第１の実施形態を示している。この図において、Ａ
は回転子、Ｂは固定子である。まず、回転子Ａの構成を
説明すると、軸１の外周囲には歯車状に形成された薄鋼
板を所定の寸法に積層した２個一対の回転子鉄心３が、
透磁率の良好な一対のヨーク２を介して固着されてい
る。一対の回転子鉄心３の歯の相対位置は、上記した従
来の技術の項で説明したように、歯のピッチの１／２の
相差となるように配置されている。

【００１６】また、軸１の外周囲に装着されている両回
転子鉄心３間には、軸方向の起磁力を有する永久磁石７
が固着されている。従って、両回転子鉄心３はこの永久
磁石７を挟んで軸方向に離間して配設されていることに
なる。さらに、両回転子鉄心３には、それぞれ図示しな
いかご形巻線を構成する導体が装着されている。具体的
には、積層した薄鋼板の表面に複数の歯状の溝を設け、
この溝に任意の電気抵抗を有する導体（かご形巻線）を
挿設し、さらにこの各導体の両端を短絡環１１で短絡し
ている。なお、本実施の形態では、短絡環１１として、
図１に示したように、特開平６−３１９２４９号公報で
提案されたものを用いている。すなわち、短絡環１１と
して、２つの回転子鉄心３のそれぞれに設けられた導体
を、２つの回転子鉄心３間で共通して短絡する共通短絡
環部１１’を有するものである。この短絡環１１を用い
た場合には、図５に示した特開平６−３１９２４９号公
報の従来例として説明されているものと比較して、短絡
環部が中央（符号１１’）と各回転子鉄心３の各一端面
だけであるため、小型軽量化でき、その結果、図５に示
したものを採用する場合よりもトルク特性の向上に資す
る。但し、本発明は、同期電機としても、誘導電機とし
ても利用することができる電機の提供を目的とするた
め、この目的達成のためには、図５に示した形状の短絡
環の使用が排除されるものではないことはもちろんであ
る。

【００１７】次に、固定子Ｂの構成を説明すると、上記
した回転子Ａの一対の回転子鉄心３に対応して、磁性体
からなる２個一対の固定子鉄心４が設けられている。な
お、符号８は、上記した２個一対の回転子鉄心３と位置
的に対応させるため、すなわち、軸方向に沿って離間し
て配設するために両固定子鉄心４間に設けられた中間間
隙部材である。

【００１８】前記固定子鉄心４の外周部には一対のヨー
ク５が配設され、さらに該ヨーク５の外周部には非導磁
部材からなる外枠９が設けられている。また、固定子鉄
心４のスロットには、半径方向に励磁する半径方向励磁
巻線１０が装着されている。

【００１９】本実施の形態に係る固定子Ｂは、さらに、
ヨーク５の外周面に、軸方向電磁励磁巻線６が周方向に
沿って、すなわち軸方向に直交する円周面に沿って巻き
付けられている。この軸方向電磁励磁巻線６は、軸方向
の起磁力を発生し、この起磁力の強さを制御することに
よって、回転子に設けられた永久磁石７の起磁力を調整
（増磁状態、減磁状態、零状態）するものである。な
お、図において、点線で図示した部分は、この軸方向の
磁路を示している。

【００２０】次に、かかる構成の作用について説明す
る。まず、作用の概略を説明すると、本実施の形態に係
る同期・誘導複合電機は、軸方向電磁励磁巻線６を励磁
しないか、励磁した状態でも永久磁石７の起磁力が作用
している間は同期電機として機能し、軸方向電磁励磁巻
線６の起磁力と永久磁石７の起磁力との合成起磁力を零
にして、半径方向励磁巻線１０の起磁力を発生させた場
合には、誘導電機として機能する。

【００２１】より具体的には、軸方向電磁励磁巻線６を
励磁しない状態では、永久磁石７の起磁力が作用してい
るのみであるため、同期電動機として機能している。従
って、この状態では、従来の永久磁石型同期電動機と同
じであり、発生するトルクは一定である。しかしなが
ら、本実施の形態においては、軸方向電磁励磁巻線６に
対して、その起磁力が永久磁石７の起磁力と同方向にな
るように電流を流すと、両者の合成起磁力が大きくなる
ため、同期電動機としての発生トルクを増大させること
ができる。

【００２２】一方、前記軸方向電磁励磁巻線６に流す励
磁電流を徐々に減少させて零にすると永久磁石７の起磁
力のみになり、さらに軸方向電磁励磁巻線６へ電流を逆
方向に流して励磁すると、永久磁石７の起磁力を打ち消
していき、ついには永久磁石７の起磁力と軸方向電磁励
磁巻線６の起磁力の合成起磁力が零となる。その結果、
同期電動機としての極励磁は解消される。

【００２３】従って、本実施の形態によれば、軸方向電
磁励磁巻線６の起磁力を上記したように調整することに
より、同期電機領域での電動機のトルクを任意に可変制
御することができる。

【００２４】また、永久磁石７の起磁力を軸方向電磁励
磁巻線６の逆方向起磁力によって打ち消した状態で、固
定子Ｂにおける半径方向励磁巻線１０に多相交流を流し
て励磁する。これによって、この半径方向励磁巻線１０
と回転子鉄心３のかご形巻線で作られる磁束と直角の方
向に力が発生して、回転子Ａが回転子鉄心３に発生する
回転磁界と同方向に回転し、今度は誘導電動機として運
転される。

【００２５】以上のことから、このような特性を持つ電
動機を電車や電気自動車等の電動機として使用する場合
には、同期電動機領域と誘導電動機領域とを例えば次の
ように切り換えるようにする。すなわち、低速運転領域
では同期電動機にして使用する。そして、その間に上記
したように軸方向電磁励磁巻線６の起磁力を制御して、
必要に応じて発生トルクを可変制御する。一方、高速運
転領域では、誘導電動機にして使用する。その結果、電
気自動車等の円滑な運転が可能になる。

【００２６】また、本実施の形態に係る同期・誘導複合
電機は、上記したように回転子Ａにかご形巻線が設けら
れているため、同期電動機の状態では、このかご形巻線
が振動を減少させるダンパ機能を果たし振動トルクの抑
制にも効果的である。さらに、永久磁石７の起磁力と同
方向に軸方向電磁励磁巻線６を励磁することにより、電
動機全体の大きさに対するトルク比を大きくすることが
できる。すなわち、軸方向電磁励磁巻線６を有していな
い従来の同期電動機と比較して、小さな永久磁石を使用
しても、同等以上のトルクを発生させることが可能で、
電動機の小型化に資する。

【００２７】次に、本発明の他の実施形態を図２〜図４
に基づいて説明する。図２に示した第２の実施形態は、
回転子Ａを、軸１と、該軸１の外周囲において軸方向に
離間する２部位に固定されている２個一対の回転子鉄心
３とから構成する。なお、各回転子鉄心３には、上記実
施の形態で用いた回転子と同様、外周面に導体（かご形
巻線）が装着され、短絡環１１により短絡されている。
また、回転子鉄心３間には中間間隙部材８が介在されて
両回転子鉄心２間に間隙を保持形成している。

【００２８】本実施の形態でも、固定子Ｂは、回転子鉄
心３の外側に配置されている。また、固定子鉄心４は、
軸方向に離間する２部位に固定され、かつそのスロット
に半径方向に励磁する半径方向励磁巻線１０が装着され
た２個一対から構成され、さらに、固定子鉄心４の外周
面側には周方向に沿って、軸方向に励磁する軸方向電磁
励磁巻線６が巻回されている点は上記した実施の形態と
同様である。しかしながら、本実施の形態では、該一対
の固定子鉄心４間に、軸方向の起磁力を有する永久磁石
７が配設されている点で上記実施の形態と異なってい
る。

【００２９】本実施の形態に係る同期・誘導複合電機
も、図１に示した実施形態と同様に、軸方向電磁励磁巻
線６の起磁力を調整することにより、永久磁石７の起磁
力と合成させ、トルク制御可能な同期電機として使用す
ることができる。また、軸方向電磁励磁巻線６の起磁力
を零にして、さらに逆方向に励磁して永久磁石７との合
成起磁力を零にして半径方向励磁巻線１０を励磁するこ
とにより、誘導電機として使用することができる。

【００３０】図３に示した第３の実施形態は、固定子Ｂ
を、軸１と、該軸１の外周囲において軸方向に沿って離
間する２部位に固定され、そのスロットに半径方向に励
磁する半径方向励磁巻線１０が装着された２個一対の固
定子鉄心４とから構成している。また、該固定子鉄心４
間に、軸方向の起磁力を有する永久磁石７を配設し、さ
らに固定子鉄心４の内周面側に、軸方向に励磁する軸方
向電磁励磁巻線６を周方向に沿って巻き付けている。こ
の場合、軸方向電磁励磁巻線６の内周と軸１の外周との
間に磁気鉄心１２を介在させる。

【００３１】また、本実施の形態においては、回転子Ａ
を、固定子鉄心４の外側に配設し、軸方向に沿って離間
する２部位に設けられると共に、内周面側にかご形巻
線、短絡環１１が設けられている一対の回転子鉄心３か
ら構成する。すなわち、本実施の形態は、上記第１及び
第２の実施形態と、回転子Ａと固定子Ｂの位置が逆転し
ている点で異なっている。但し、このような構成によっ
ても、上記各実施形態と同様に、同期電機領域と誘導電
機領域に切換可能で、全く同様の作用を奏する。

【００３２】図４に示した第４の実施形態は、永久磁石
７を、２個一対の回転子鉄心３間に配置し、中間間隙部
材８を固定子鉄心４間に配設したものであり、この点を
除いては、図３に示した実施形態と構成上全く同様であ
り、その作用も同じである。

【００３３】なお、本発明の同期・誘導複合電機は、上
記した各実施形態に何ら限定されるものではない。例え
ば、上記の各実施形態においては、回転子Ａ又は固定子
Ｂに永久磁石７を設けて、この永久磁石７の起磁力に対
して同方向又は逆方向に軸方向電磁励磁巻線６の起磁力
を発生させて同期電機として使用したり、誘導電機とし
て使用したりしている。また、同期電機領域で発生する
トルクの可変も行っている。しかしながら、これらの実
施形態から永久磁石７を除去した構成とすることも可能
である。

【００３４】この場合には、軸方向電磁励磁巻線の起磁
力を発生させることにより、トルクを可変制御可能な同
期電機として機能させることができ、軸方向電磁励磁巻
線の起磁力を零にして、半径方向励磁巻線の起磁力を発
生させることにより、誘導電機として機能させることが
できる。

【００３５】また、上記した各実施態様においては、同
期・誘導複合電機について説明しているが、かご形巻線
を有しない回転子を用いて、発生トルクの可変制御が可
能な永久磁石型の同期電機とすることもできる。すなわ
ち、固定子Ｂに、周方向に巻回された軸方向電磁励磁巻
線６が配設されているため、該軸方向電磁励磁巻線６へ
の起磁力を調整して上記したように永久磁石７の起磁力
と重畳させることにより、永久磁石７のみの起磁力より
も増磁させたり、減磁させたりして、発生トルクを調整
することが可能となる。

【００３６】さらに、上記した説明では、固定子鉄心と
して、軸方向に沿って離間して２部位に配設されている
２個一対からなるものを用いているが、２つの固定子鉄
心間に永久磁石を配設する場合を除いては、必ずしも、
このように２分割された固定子鉄心を用いなくてもよ
い。すなわち、上記した説明では、永久磁石を配設する
場合以外の態様で、２つの固定子鉄心間に中間間隙部材
を配設しているが、２つの固定子鉄心とこの中間間隙部
材とを合わせた大きさを有する固定子鉄心を１つだけ用
いる構成としてもよい。

【００３７】なお、上記説明においては、本発明を電動
機に適用した例について説明したが、発電機に適用して
も良いことはもちろんである。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の同期・誘
導複合電機によれば、単一電機でありながら、同期電機
と誘導電機の両機能を併有している。また、同期電機運
転では、トルクの可変制御も可能である。従って、駆動
対象が要求するトルク特性に容易に対応でき、起動・停
止や減速・加速を頻繁に行うような電動機、例えば、電
車や電気自動車の電動機として極めて有効である。ま
た、回転子にかご形巻線を有することによって、同期電
機の場合の振動トルクの抑制にも効果的であり、さら
に、軸方向電磁励磁巻線を設けたことによって電機全体
の体積に対するトルク比も大きくすることができる。

【００３９】さらに、永久磁石型の同期電機の場合も、
軸方向電磁励磁巻線を設けたことによって、発生トルク
を可変制御できると共に、単位体積に対する出力比を大
きくすることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は本発明の同期・誘導複合電機の第１の
実施形態を示す断面図である。

【図２】 図２は第２の実施形態を示す断面図である。

【図３】 図３は第３の実施形態を示す断面図である。

【図４】 図４は第４の実施形態を示す断面図

【図５】 従来のハイブリッド型ステッピングモータの
概略断面図である。

【符号の説明】

Ａ 回転子 Ｂ 固定子 １ 軸 ３ 回転子鉄心 ４ 固定子鉄心 ６ 軸方向電磁励磁巻線 ７ 永久磁石 １０ 半径方向励磁巻線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉村 昭治 愛知県名古屋市中村区亀島２丁目13番８号 明治電機工業株式会社内 (72)発明者 程 樹康 中華人民共和国ハルビン市大直街166 ハ ルビン工業大学内 (72)発明者 崔 淑梅 中華人民共和国ハルビン市大直街166 ハ ルビン工業大学内 (72)発明者 鄭 萍 中華人民共和国ハルビン市大直街166 ハ ルビン工業大学内 (72)発明者 宋 立偉 中華人民共和国ハルビン市大直街166 ハ ルビン工業大学内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸の周囲において、軸方向に沿って離間
   して２部位に配置され、それぞれかご形巻線が装着され
   ている２個一対の回転子鉄心を含む回転子と、 半径方向に励磁する半径方向励磁巻線が装着されている
   固定子鉄心、及び該固定子鉄心の周方向に沿って巻回さ
   れ、軸方向に励磁する軸方向電磁励磁巻線、を含み、前
   記回転子の外側に配設される固定子と、を有し、 前記軸方向電磁励磁巻線の起磁力を調整することによ
   り、同期電機としても、誘導電機としても機能させるこ
   とができることを特徴とする同期・誘導複合電機。
2. 【請求項２】 軸の周囲に配置され、半径方向に励磁す
   る半径方向励磁巻線が装着されている固定子鉄心、及び
   該固定子鉄心の周方向に沿って巻回され、軸方向に励磁
   する軸方向電磁励磁巻線、を含む固定子と、 軸方向に沿って離間する２部位に配置され、それぞれか
   ご形巻線が装着された２個一対の回転子鉄心を含み、前
   記固定子の外側に配設される回転子と、を有し、 前記軸方向電磁励磁巻線の起磁力を調整することによ
   り、同期電機としても、誘導電機としても機能させるこ
   とができることを特徴とする同期・誘導複合電機。
3. 【請求項３】 さらに、前記２個一対の回転子鉄心間
   に、軸方向の起磁力を有する永久磁石が配設されている
   請求項１又は２記載の同期・誘導複合電機。
4. 【請求項４】 前記固定子鉄心として、２個一対の回転
   子鉄心の配設位置に対応させて、軸方向に沿って離間し
   て２部位に配置されているものを用い、前記２個一対の
   固定子鉄心間に、軸方向の起磁力を有する永久磁石が配
   設されている請求項１又は２記載の同期・誘導複合電
   機。
5. 【請求項５】 軸方向に沿って離間して２部位に配置さ
   れた２個一対の回転子鉄心を含む回転子と、 半径方向に励磁する半径方向励磁巻線が装着されている
   固定子鉄心を含み、前記回転子の内側又は外側に配設さ
   れる固定子と、 前記２個一対の回転子鉄心間に配設される軸方向の起磁
   力を有する永久磁石と、を有する永久磁石型の同期電機
   において、 さらに、前記固定子鉄心の周方向に沿って、軸方向に励
   磁する軸方向電磁励磁巻線が巻回されていることを特徴
   とする永久磁石型の同期電機。