JP4599523B2 - Field-controlled electromagnetic rotation system - Google Patents
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Description
本発明は,永久磁石界磁を持つ発電機,電動機を含む回転電機及び回転電機を含む電磁回転システム実現の方法に関し,特に界磁制御により出力を制御する回転電機及び電磁回転システム及び界磁制御方法に関する。 The present invention relates to a generator having a permanent magnet field, a rotating electric machine including an electric motor, and a method for realizing an electromagnetic rotating system including the rotating electric machine, and more particularly to a rotating electric machine, an electromagnetic rotating system, and a field control method for controlling output by field control.
永久磁石界磁と電機子との相対的回転によって電磁的に生ずる電力を取り出す発電機或いは電機子に供給する電流によって生ずる磁界と永久磁石界磁との相互作用により永久磁石界磁と電機子との相対的回転を生ずる電動機等の回転電機はエネルギー効率に優れ,永久磁石の発展に伴い日常的に広く使われている。しかしそのような回転電機は、界磁磁石からの磁束が一定であるので電動機として用いられるにしても発電機として用いられるにしても広い回転速度範囲で常に最適の出力が得られる訳ではない。すなわち,電動機の場合は高速回転域では逆起電力(発電電圧)が高すぎる結果となって制御が困難となり,弱め界磁制御として界磁を弱める種々の手段が提案されている。最近は回転電機の制御技術及び磁極構造の改良が著しく,特に永久磁石を回転子内に埋め込み,磁石トルクとリラクタンストルクを利用するPRM(Permanent magnet Reluctance Motor)は従来に比して高効率,大出力の電動機を実現している(例えば,特許文献1から特許文献3)。また発電機の場合,広い回転速度に於いて発電電圧を所定のレベルとする為に専ら半導体による電子回路制御が用いられている。
The permanent magnet field and the armature are caused by the interaction between the permanent magnet field and the magnetic field generated by the generator or the armature that extracts the electromagnetically generated power by the relative rotation of the permanent magnet field and the armature. Rotating electrical machines such as motors that generate relative rotation are excellent in energy efficiency and are widely used on a daily basis with the development of permanent magnets. However, since such a rotating electric machine has a constant magnetic flux from the field magnet, an optimum output is not always obtained in a wide rotational speed range regardless of whether it is used as an electric motor or a generator. That is, in the case of an electric motor, the back electromotive force (generated voltage) is too high in the high-speed rotation range, making control difficult, and various means for weakening the field have been proposed as field weakening control. Recently, the control technology and magnetic pole structure of rotating electrical machines have been remarkably improved. In particular, PRM (Permanent magnet Reluctance Motor), which uses permanent magnets embedded in the rotor and uses magnet torque and reluctance torque, is more efficient and larger than before. An output motor is realized (for example,
しかしながら,電動機に於いてPRM及び制御技術により高出力化と回転速度範囲を拡大出来たが,ソフトの肥大化と安定制御の課題を持ち,更なる性能改善も求められている。発電機の場合には広範な回転速度範囲での定電圧化回路のコスト上の課題が大で,解決策を求められている。 However, although it has been possible to increase the output and the rotation speed range by using PRM and control technology in electric motors, it has problems of software enlargement and stable control, and further performance improvement is required. In the case of generators, the cost issues of constant voltage circuits in a wide range of rotational speeds are large, and solutions are required.
磁石励磁を主とする回転電機装置の界磁制御手段として磁石励磁と電流励磁とを併用する装置が検討されており,磁石励磁及び電流励磁の回転子或いは磁極を併置した構造の提案,磁石励磁及び電流励磁を一体化した磁極構造で実現する提案がある。前者は界磁の制御範囲が限定され,電動機として用いる場合は回転駆動に困難を伴う。後者は実現可能な提案は数少なく,実現した例でも使用形態は限定されている。 A device that uses both magnet excitation and current excitation as a field control means for rotating electrical machines mainly using magnet excitation has been studied. Proposal of a structure in which rotors or magnetic poles for magnet excitation and current excitation are arranged together, magnet excitation and current There is a proposal to realize a magnetic pole structure with integrated excitation. The former has a limited field control range, and it is difficult to rotate when used as an electric motor. The latter has only a few proposals that can be realized, and even in the realized examples, the form of use is limited.
以下では磁石励磁及び電流励磁を一体化した磁極構造の提案について述べる。磁石励磁及び電流励磁を一体化した磁極構造に於いて成功する為の必要条件は,(A)磁石励磁の磁束及び電流励磁の磁束を共存させて回転子と電機子間に供給出来ること,(B)電流励磁の磁束により磁石が損傷を受けないこと等であるが,これらの条件を満たす提案は数少ない。 In the following, a proposal of a magnetic pole structure in which magnet excitation and current excitation are integrated will be described. In order to succeed in a magnetic pole structure in which magnet excitation and current excitation are integrated, (A) magnetic excitation magnetic flux and current excitation magnetic flux can coexist and be supplied between the rotor and armature. B) Although the magnet is not damaged by the magnetic flux of current excitation, there are few proposals that satisfy these conditions.
特許文献4,特許文献5と趣旨を同じくする提案は回転子外周に永久磁石と磁性体磁極を交互に有する構造で(A),(B)の条件を満たすが,採用出来る回転電機装置は特殊な構成に限定される。また電動機として用いる場合,リラクタンストルクを利用し難い。さらに,特許文献5は電流励磁のレベルに応じて発電電圧の波形が変わる問題がある。
The proposal that shares the same purpose as
特許文献6,特許文献7と趣旨を同じくする提案は磁石励磁及び電流励磁の磁束の磁路を直列に接続して(B)の条件を満たすことが出来ない。すなわち,電流励磁による磁束が回転子外周に配置された界磁磁石を通過する構造であり,弱め界磁の場合に界磁磁石を減磁して損傷させる重大な問題がある。特許文献7はさらに界磁磁石の磁路が長く,磁石励磁のみの回転電機に比して界磁磁束を著しく減少させる。
The proposal having the same purpose as
特許文献8,特許文献9と趣旨を同じくする提案は磁石励磁及び電流励磁の磁束の磁路を並列に接続した例で(A)の条件を満たすことが出来ない。すなわち,電流励磁のクローポール構造の磁極間に磁石を配置した構造であり,磁石による磁束は電流励磁コイルを周回する磁気コアで短絡されるので磁石励磁は実効的に機能しない。
The proposal having the same purpose as
磁石励磁及び電流励磁の回転子或いは磁極を併置した構造も含め,何れの提案に於いてもリラクタンストルクを十分に利用出来る電動機構造とはならない。したがって,(A)及び(B)の条件を満たし,且つ多くの回転電機形態に適用可能な磁石励磁及び電流励磁を一体化した磁極構造を持つ回転電機システムが望まれている。
したがって,本発明の目的は,磁石トルク,リラクタンストルクを利用出来る広範な形態の回転電機装置に適用可能な磁石励磁及び電流励磁を一体化した磁極構造を持つ回転電機装置及び回転電機システム及び界磁制御方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a rotating electrical machine apparatus, a rotating electrical machine system, and a field control method having a magnetic pole structure in which magnet excitation and current excitation are integrated, which can be applied to a wide variety of rotating electrical machine apparatuses that can use magnet torque and reluctance torque. Is to provide.
請求項1の発明による回転電機システムは,軸と同心に径方向に互いに対向し且つ相対的に回転可能に配置された界磁回転子及び電機子とより少なくとも構成され,電機子は静止側に配置固定された円筒状磁気ヨークと円筒状磁気ヨークから径方向に伸び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから成り,界磁回転子の磁極構造は,磁性体歯と径方向に空隙を挟んで対向し,且つ軸方向に延び,周方向に磁性体突極と永久磁石或いは集合永久磁石とが交互に並ぶよう構成され,隣接する磁性体突極が互いに逆方向に磁化されるように前記永久磁石或いは集合永久磁石の略周方向の磁化方向が交互に反転されている回転電機システムであって,隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立に構成されて磁化方向が互いに異なる第一磁性体突極及び第二磁性体突極が周方向に交互に並び,第一磁性体突極及び第二磁性体突極のそれぞれは異なる軸方向に延長した第一延長部及び第二延長部を持ち,回転軸外周に配置されて前記第一,第二延長部とそれぞれ界磁回転子両端で当接する界磁制御磁気ヨークと,界磁制御磁気ヨークに巻回された界磁制御磁気コイルとより構成された界磁制御部を有し,第一延長部及び第二延長部と界磁制御磁気ヨークとで構成する磁路の磁気抵抗を大として前記磁路に前記永久磁石からの磁束が分流する事を制限する磁束分流制御手段を更に有し,回転電機システムの出力に応じて界磁制御コイルに供給する電流を変えて電機子と回転子間の界磁強度を制御し,前記出力を最適化する制御装置とを有する。
The rotating electrical machine system according to the first aspect of the present invention comprises at least a field rotor and an armature that are concentrically arranged with each other in the radial direction and are arranged to be relatively rotatable. An arrangement of a fixed magnetic magnetic yoke, a plurality of magnetic teeth extending radially from the cylindrical magnetic yoke, and an armature coil wound around the magnetic teeth. The magnetic pole structure is configured to face the magnetic teeth with a gap in the radial direction, extend in the axial direction, and have magnetic salient poles and permanent magnets or aggregated permanent magnets arranged alternately in the circumferential direction. A rotating electrical machine system in which the magnetization directions in the substantially circumferential direction of the permanent magnet or the assembly permanent magnet are alternately reversed so that the body salient poles are magnetized in opposite directions, and adjacent magnetic salient poles are magnetically Magnetization direction independently configured Different first magnetic salient poles and second magnetic salient poles are alternately arranged in the circumferential direction, and each of the first magnetic salient pole and the second magnetic salient pole extends in a different axial direction, and A field control magnetic yoke having a second extension, arranged on the outer periphery of the rotating shaft and in contact with the first and second extensions at both ends of the field rotor, and a field control magnetic coil wound around the field control magnetic yoke; It has a field controller configured, and the magnetic resistance of the magnetic path formed by the first extension part and the second extension part and the field control magnetic yoke is made large to restrict the magnetic flux from the permanent magnet from being shunted to the magnetic path. And a control device for optimizing the output by controlling the field strength between the armature and the rotor by changing the current supplied to the field control coil in accordance with the output of the rotating electrical machine system. Have
回転電機は電機子コイルへの電流を入力として回転力を出力とすれば電動機であり,回転力を入力として電機子コイルから電流を出力すれば発電機である。電動機或いは発電機に於いて最適の磁極構成は存在するが,可逆的であり,上記の回転電機システムは電動機,発電機の何れに用いる事も出来る。 A rotating electric machine is an electric motor if a current to the armature coil is input and a rotational force is output, and a rotating electric machine is a generator if a current is output from the armature coil using the rotational force as an input. There is an optimum magnetic pole configuration in an electric motor or a generator, but it is reversible, and the rotating electrical machine system can be used for either an electric motor or a generator.
周方向に磁性体突極と永久磁石或いは集合永久磁石とが交互に配置されて,隣接する磁性体突極は互いに逆方向に磁化されるよう永久磁石或いは集合永久磁石の略周方向磁化は設定され,隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立に構成される。 Magnetic body salient poles and permanent magnets or collective permanent magnets are alternately arranged in the circumferential direction, and the substantially circumferential magnetization of the permanent magnet or collective permanent magnet is set so that adjacent magnetic salient poles are magnetized in opposite directions. Adjacent magnetic salient poles are magnetically independent from each other.
磁性体突極の先端部は主として磁性体より構成され且つ磁気的に分離された構成としたので磁石トルクとリラクタンストルクを利用して高出力の回転電機システムとなる。 Since the tip of the magnetic salient pole is mainly composed of a magnetic material and is magnetically separated, a high-output rotating electrical machine system is obtained using magnet torque and reluctance torque.
集合永久磁石は永久磁石と磁性体とで構成されて永久磁石と同等の特性を示す組み立て体である。 The collective permanent magnet is an assembly composed of a permanent magnet and a magnetic body and exhibiting characteristics equivalent to those of the permanent magnet.
隣接する磁性体突極間には磁束を短絡する磁性体結合部分を持たないが,磁性体突極を機械的に強固に支持する為に磁性体突極間を可飽和磁性体で結合する事は可能である。可飽和磁性体の趣旨は飽和磁束密度が低い或いは断面積が小さな磁性体であって僅かな界磁磁束或いは界磁制御磁束を流す事によって容易に磁気飽和する磁性体部分である。磁気的に飽和した磁性体は比透磁率が空気とほぼ同じとなり,磁気的にその存在は無視出来る。 Although there is no magnetic coupling part that shorts the magnetic flux between adjacent magnetic salient poles, the magnetic salient poles must be coupled with a saturable magnetic substance in order to support the magnetic salient poles mechanically. Is possible. The purpose of the saturable magnetic material is a magnetic material portion that has a low saturation magnetic flux density or a small cross-sectional area and is easily magnetically saturated by flowing a small field magnetic flux or field control magnetic flux. A magnetically saturated magnetic material has a relative permeability almost the same as air, and its presence can be ignored magnetically.
磁性体突極を磁化方向により2グループに分けてそれぞれのグループ毎に異なる軸方向に延長して第一延長部及び第二延長部とし,回転軸を周回する界磁制御磁気ヨーク及び界磁制御コイルで構成した界磁制御部を回転子内に有し,第一延長部と第二延長部間に互いに異なる方向の界磁制御磁束を供給する。界磁制御部は磁性体突極より内周側の空きスペースに配置され,界磁制御コイルへの電流はスリップリング或いは回転トランス等を介して供給される。 The magnetic salient poles were divided into two groups according to the magnetization direction, and each group was extended in different axial directions to form a first extension and a second extension, and consisted of a field control magnetic yoke and a field control coil that orbited the rotating shaft. A field control unit is provided in the rotor, and field control magnetic fluxes in different directions are supplied between the first extension and the second extension. The field control unit is disposed in an empty space on the inner peripheral side from the magnetic salient pole, and current to the field control coil is supplied via a slip ring or a rotary transformer.
永久磁石或いは集合永久磁石内の永久磁石は界磁磁束を発生すると共に磁性体突極内を流れる界磁制御磁束の分離及び流れる方向の制御に用いられる。界磁制御部が第一,第二磁性体突極間の永久磁石を逆励磁する方向の界磁制御磁束を第一,第二磁性体突極に供給して永久磁石の発する界磁磁束と共に磁性体突極と磁性体歯で構成する磁路に流して磁性体突極と磁性体歯で構成する磁路に流れる磁束を増加させる。永久磁石は磁束バリアとして方向の異なる界磁制御磁束の短絡を防ぐ役割を果たす。その場合に永久磁石の磁束の磁路は常に電機子側を通る磁路として確保されているので永久磁石が減磁される事はない。 The permanent magnet or the permanent magnet in the collective permanent magnet generates a field magnetic flux and is used to separate the field control magnetic flux flowing in the magnetic salient pole and to control the flow direction. The field control unit supplies a field control magnetic flux in a direction to reversely excite the permanent magnet between the first and second magnetic salient poles to the first and second magnetic salient poles, and together with the field magnetic flux generated by the permanent magnet, the magnetic salient poles. The magnetic flux flowing in the magnetic path composed of the magnetic material teeth and the magnetic material teeth is increased. The permanent magnet serves as a magnetic flux barrier to prevent short-circuiting of field control magnetic fluxes having different directions. In this case, the magnetic path of the magnetic flux of the permanent magnet is always ensured as a magnetic path passing through the armature side, so that the permanent magnet is never demagnetized.
界磁制御部が第一,第二磁性体突極間の永久磁石を順方向に励磁する方向の界磁制御磁束を第一,第二磁性体突極に供給して永久磁石を界磁制御磁束の磁路として永久磁石からの界磁磁束の流れる磁路を変え,電機子の磁性体歯に出入する界磁磁束を減少させる。 The field control unit supplies field control magnetic flux in the direction in which the permanent magnet between the first and second magnetic salient poles is excited in the forward direction to the first and second magnetic salient poles, and the permanent magnet is made permanent as the magnetic path of the field control magnetic flux. By changing the magnetic path through which the field magnetic flux from the magnet flows, the field magnetic flux entering and exiting the armature magnetic body teeth is reduced.
磁性体突極に隣接して配置された永久磁石の磁束は磁気抵抗の小さい界磁制御磁束の磁路側に流れて電機子側に流れる界磁磁束を小とする。本発明では界磁制御磁束の磁路内に磁気抵抗を大として永久磁石磁束の分流を制限する磁束分流制御手段を設けて電機子の磁性体歯側に界磁磁束を集中させ,永久磁石励磁と電流励磁との併用を可能にしている。 The magnetic flux of the permanent magnet arranged adjacent to the magnetic salient pole flows to the magnetic path side of the field control magnetic flux having a small magnetic resistance, and makes the field magnetic flux flowing to the armature side small. In the present invention, a magnetic flux shunt control means for restricting the shunting of the permanent magnet flux is provided in the magnetic path of the field control flux to limit the shunting of the permanent magnet flux so that the field flux is concentrated on the magnetic tooth side of the armature so that the permanent magnet excitation and current It can be used together with excitation.
永久磁石磁束の分流を制限する磁束分流制御手段に種々の方法がある。磁路内に磁気的な空隙を配置する,磁路の断面積を小にする,比透磁率の小さい磁性体で磁路を構成する等々である。 There are various methods for the magnetic flux diversion control means for limiting the diversion of the permanent magnet magnetic flux. For example, magnetic gaps are arranged in the magnetic path, the cross-sectional area of the magnetic path is made small, and the magnetic path is made of a magnetic material having a small relative permeability.
回転電機システムの出力最適化の一つに定電圧発電機システムがある。入力である回転速度変動に対応して界磁強度を実効的に制御し,発電電圧を所定の値に維持する。 One of the optimizations of the output of rotating electrical machines is a constant voltage generator system. The field strength is effectively controlled in response to the input rotational speed fluctuation, and the generated voltage is maintained at a predetermined value.
回転電機システムの出力最適化の他の一つに電動機システムがある。高回転速度域で弱め界磁,低回転速度域で強め界磁として回転力及び回転速度を制御する電動機を含むシステムを実現する。 Another system for optimizing the output of a rotating electrical machine system is an electric motor system. A system including an electric motor that controls rotational force and rotational speed as a weak field in the high rotational speed region and a strong field in the low rotational speed region is realized.
請求項2の発明は,請求項1記載の回転電機システムに於いて,磁束分流制御手段は第一延長部及び第二延長部と界磁制御磁気ヨークとで構成する磁路内に設けた磁気空隙とした事を特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the first aspect , the magnetic flux shunt control means includes a magnetic air gap provided in a magnetic path constituted by the first extension portion, the second extension portion, and the field control magnetic yoke. It is characterized by that.
請求項3の発明は,請求項1記載の回転電機システムに於いて,磁束分流制御手段は第一延長部及び第二延長部と界磁制御磁気ヨークとで構成する磁路内に磁路を構成する磁性体と可動磁性体片との間に構成した空隙とし,可動磁性体片を前記空隙が大となるよう付勢するスプリングを更に有し,界磁制御コイルに流れる電流量にほぼ比例して可動磁性体片を磁気的に吸引して前記磁気空隙を小とするよう前記磁路内に配置された事を特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the first aspect, the magnetic flux shunt control means forms a magnetic path in a magnetic path constituted by the first extension portion, the second extension portion, and the field control magnetic yoke. The gap formed between the magnetic body and the movable magnetic piece is further provided with a spring that urges the movable magnetic piece to increase the gap, and the movable magnetic piece is substantially proportional to the amount of current flowing through the field control coil. the body piece is magnetically attracted, characterized in that the magnetic gap is disposed in the magnetic path to a small.
界磁制御磁束の磁路内に磁気空隙を設け,界磁磁束の分流を制限して磁石励磁と電流励磁との併用を出来るが,同時に磁束分流制御手段が界磁制御磁束の発生効率を低下させる弊害もある。界磁制御磁束が所定以上の大きさでは界磁制御磁束の磁路内の磁気空隙を小として界磁制御磁束の発生効率を上げる構成とする。 A magnetic air gap is provided in the magnetic path of the field control magnetic flux to limit the shunting of the field magnetic flux so that both magnet excitation and current excitation can be used together. However, there is also a negative effect that the flux shunt control means lowers the generation efficiency of the field control magnetic flux. . When the field control magnetic flux is larger than a predetermined value, the magnetic air gap in the magnetic path of the field control magnetic flux is reduced to increase the generation efficiency of the field control magnetic flux.
請求項4の発明は,請求項1記載の回転電機システムに於いて,磁性体突極より飽和磁束密度が大の等方性磁性体で構成された制御磁束磁路が第一延長部及び第二延長部の何れかと直列に接続されるよう磁性体突極の電機子より離れた部分に隣接して軸方向に延びていることを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the first aspect, the control magnetic flux magnetic path made of an isotropic magnetic material having a saturation magnetic flux density larger than that of the magnetic material salient pole is provided in the first extension portion and the first extension portion. The magnetic salient pole extends in the axial direction adjacent to a portion away from the armature so as to be connected in series with one of the two extension portions .
界磁制御磁束は軸方向に流れるので珪素鋼板を軸方向に積層する構成では軸方向の磁気抵抗が大であるので等方性磁性体で構成することが望ましい。磁性体突極先端部には電機子コイルによる駆動磁束が加わるので電気抵抗が大の圧粉鉄芯,フェライト等の等方性磁性体が望ましいが,コスト或いは強度等の観点から困難である場合には電機子より離れた部分に電気抵抗の小さい等方性磁性体,例えばバルク状の鉄を配置する。 Since the field control magnetic flux flows in the axial direction, the configuration in which the silicon steel plates are laminated in the axial direction has a large axial magnetic resistance, so that it is desirable to use an isotropic magnetic material. A magnetic flux driven by an armature coil is applied to the tip of the magnetic salient pole, so an isotropic magnetic material such as a powdered iron core or ferrite with a large electrical resistance is desirable, but it is difficult from the viewpoint of cost or strength In this case, an isotropic magnetic material having a small electrical resistance, for example, bulk iron, is disposed in a portion away from the armature.
さらに界磁磁束を制御するには十分な量の界磁制御磁束が必要であり,飽和磁束密度の大な磁性体で界磁回転子内の空きスペースを利用して断面積の大きな界磁制御磁束の磁路を形成する。 Furthermore, a sufficient amount of field control magnetic flux is required to control the field magnetic flux, and the magnetic path of the field control magnetic flux having a large cross-sectional area using a free space in the field rotor with a magnetic material having a large saturation magnetic flux density. Form.
請求項5の発明は,請求項1記載の回転電機システムに於いて,磁性体突極と永久磁石とが周方向に交互に配置され,隣接する永久磁石は互いに略周方向の磁化を反転して配置されている事を特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the first aspect, the magnetic salient poles and the permanent magnets are alternately arranged in the circumferential direction, and the adjacent permanent magnets reverse the magnetization in the substantially circumferential direction. It is characterized by being arranged.
請求項6の発明は,請求項5記載の回転電機システムに於いて,磁性体突極間の永久磁石の周方向長さは磁性体歯と磁性体突極間の空隙長さの2倍を超える値に設定した事を特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the fifth aspect, the circumferential length of the permanent magnet between the magnetic salient poles is twice the gap length between the magnetic teeth and the magnetic salient poles. It is characterized by being set to a value that exceeds.
強め界磁の場合に永久磁石が界磁制御磁束の磁束バリアとして方向の異なる界磁制御磁束を短絡させる事は無いが,永久磁石の比透磁率はほぼ空気と同じであり,永久磁石の周方向長さが小さい場合には界磁制御磁束を漏洩させる可能性がある。二つの磁性体突極から磁性体歯を含む磁路は磁性体歯と磁性体突極間の空隙を往復するので永久磁石の周方向長さを磁性体歯と磁性体突極間の空隙長さの2倍を超える値に設定して永久磁石間の磁気抵抗を磁性体歯を経由する磁路の磁気抵抗より大として界磁制御磁束を磁性体歯側に集中させる。永久磁石面積と磁性体突極の磁性体歯との対向面積が同程度との前提での近似であり,望ましくは磁性体歯内の磁気抵抗をさら考慮し,永久磁石部分での界磁制御漏洩を無視出来る程度とする為に永久磁石の周方向長さを磁性体歯と磁性体突極間の空隙長さの10倍以上に設定する。 In the case of a strong field, the permanent magnet does not short-circuit the field control magnetic flux in different directions as a magnetic field barrier for the field control magnetic flux. However, the relative permeability of the permanent magnet is almost the same as that of air, and the circumferential length of the permanent magnet is If it is small, the field control magnetic flux may be leaked. Since the magnetic path including the magnetic teeth from the two magnetic salient poles reciprocates in the gap between the magnetic teeth and the magnetic salient pole, the circumferential length of the permanent magnet is set to the gap length between the magnetic teeth and the magnetic salient pole. By setting the magnetic resistance between the permanent magnets to be larger than the magnetic resistance of the magnetic path passing through the magnetic teeth, the field control magnetic flux is concentrated on the magnetic teeth side. This approximation is based on the premise that the area of the permanent magnet and the area facing the magnetic teeth of the magnetic salient pole are the same. Preferably, the magnetic resistance in the magnetic teeth is further taken into consideration, and field control leakage at the permanent magnet portion is preferably reduced. In order to make it negligible, the circumferential length of the permanent magnet is set to 10 times or more the gap length between the magnetic teeth and the magnetic salient poles.
請求項7の発明は,請求項1記載の回転電機システムに於いて,集合永久磁石は中間磁性体突極及び板面と直交し且つ同一磁化方向を持つ二つの永久磁石板とから成り,二つの永久磁石板は中間磁性体突極の周方向両側面に配置された構成とし,磁性体突極と集合永久磁石は周方向に交互に配置され,隣接する集合永久磁石は互いに略周方向の磁化を反転して配置されている事を特徴とする。 A seventh aspect of the present invention is the rotating electrical machine system according to the first aspect, wherein the assembly permanent magnet includes an intermediate magnetic salient pole and two permanent magnet plates perpendicular to the plate surface and having the same magnetization direction. The two permanent magnet plates are arranged on both sides of the intermediate magnetic salient pole in the circumferential direction, the magnetic salient poles and the collective permanent magnets are alternately arranged in the circumferential direction, and the adjacent collective permanent magnets are arranged in the substantially circumferential direction. It is characterized by being arranged with the magnetization reversed.
中間磁性体突極とその両側の永久磁石で構成された集合永久磁石は磁気回路的には永久磁石と等価であって,永久磁石が界磁磁束及び界磁制御磁束の流れを制御する役割も同じである。磁性体突極及び中間磁性体突極の形状はリラクタンストルクと磁石トルクを有効に利用する為に適した形状が種々有り,磁性体突極間形状の設計自由度を確保し且つ定型の永久磁石の使用及び使用永久磁石量の削減を可能にする。 An assembled permanent magnet composed of an intermediate magnetic salient pole and permanent magnets on both sides thereof is equivalent to a permanent magnet in terms of magnetic circuit, and the role of the permanent magnet to control the flow of field magnetic flux and field control magnetic flux is the same. is there. There are various shapes of magnetic salient poles and intermediate magnetic salient poles that are suitable for the effective use of reluctance torque and magnet torque. And the amount of permanent magnets used can be reduced.
請求項8の発明は,請求項7記載の回転電機システムに於いて,集合永久磁石を構成する二つの永久磁石板の厚みの和は磁性体歯と磁性体突極間の空隙長さの2倍を超える値に設定した事を特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the seventh aspect, the sum of the thicknesses of the two permanent magnet plates constituting the assembly permanent magnet is 2 of the gap length between the magnetic teeth and the magnetic salient poles. It is characterized by being set to a value exceeding double.
請求項9の発明は,請求項7記載の回転電機システムに於いて,集合永久磁石を構成する中間磁性体突極の電機子に近い側の周方向長さを電機子から遠い側の周方向長さより短く設定した事を特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the seventh aspect, the circumferential length on the side closer to the armature of the intermediate magnetic salient pole constituting the assembled permanent magnet is set to the circumferential direction far from the armature. It is characterized by being set shorter than the length.
中間磁性体突極の形状は電機子側の周方向長さを短く設定し,永久磁石の発する界磁磁束の磁路長を小として界磁磁束を電機子側に集中させる。 The shape of the intermediate magnetic salient pole is such that the length in the circumferential direction on the armature side is set short, the magnetic path length of the field magnetic flux generated by the permanent magnet is made small, and the field magnetic flux is concentrated on the armature side.
請求項10の発明は,請求項7記載の回転電機システムに於いて,集合永久磁石を構成する中間磁性体突極部分の軸方向磁気抵抗を大とするよう一部の中間磁性体突極部分を切除し,非磁性素材を配置した事を特徴とする。 A tenth aspect of the present invention is the rotating electrical machine system according to the seventh aspect, wherein a part of the intermediate magnetic salient pole portion is set so as to increase the axial magnetic resistance of the intermediate magnetic salient pole portion constituting the assembled permanent magnet. It is characterized by the removal of nonmagnetic material.
界磁制御コイルにより中間磁性体突極内にも軸方向に流れる界磁制御磁束が誘起され,第一磁性体突極及び第二磁性体突極を流れる界磁制御磁束量をアンバランスとする。中間磁性体突極部分の軸方向磁気抵抗を大とし,中間磁性体突極部分には界磁制御磁束が軸方向に流れ難く構成する。すなわち,回転子内の鉄心を珪素鋼板の積層体として構成する場合は軸方向の数カ所で中間磁性体突極部分の欠落した珪素鋼板を積層し,珪素鋼板の不連続部を形成する。 A field control magnetic flux that flows in the axial direction is also induced in the intermediate magnetic salient pole by the field control coil, and the amount of field control magnetic flux flowing through the first magnetic salient pole and the second magnetic salient pole is unbalanced. The axial magnetic resistance of the intermediate magnetic salient pole is increased, and the field control magnetic flux is configured to hardly flow in the axial direction on the intermediate magnetic salient pole. That is, when the iron core in the rotor is configured as a laminated body of silicon steel plates, silicon steel plates lacking intermediate magnetic salient pole portions are laminated at several positions in the axial direction to form discontinuous portions of the silicon steel plates.
請求項11の発明による回転電機システムは,軸と同心に径方向に互いに対向し且つ相対的に回転可能に配置された界磁回転子及び電機子とより少なくとも構成され,電機子は静止側に配置固定された円筒状磁気ヨークと円筒状磁気ヨークから径方向に伸び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから成り,界磁回転子の磁極構造は,磁性体歯と径方向に空隙を挟んで対向し,且つ軸方向に延び,周方向に磁性体突極と永久磁石或いは集合永久磁石とが交互に並ぶよう構成され,隣接する磁性体突極が互いに逆方向に磁化されるように前記永久磁石或いは集合永久磁石の略周方向の磁化方向が交互に反転されている回転電機システムであって,隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立に構成されて磁化方向が互いに異なる第一磁性体突極及び第二磁性体突極が周方向に交互に並び,第一磁性体突極及び第二磁性体突極のそれぞれは異なる軸方向に延長した第一延長部及び第二延長部を持ち,界磁制御部は二つの環状の界磁制御磁気ヨーク及び界磁制御磁気ヨークそれぞれに巻回された二つの界磁制御コイルとで構成され,二つの界磁制御磁気ヨークは円筒状磁気ヨーク両端にそれぞれ結合すると共にそれぞれが第一延長部及び第二延長部と空隙を介して軸方向に対向し,回転電機システムの出力に応じて界磁制御コイルに供給する電流を変えて電機子と回転子間の界磁強度を制御し,前記出力を最適化する制御装置とを有する。
The rotating electrical machine system according to the invention of
界磁制御磁気ヨーク及び界磁制御コイルは回転軸を周回する円環形状として回転子両側の固定側に配置される。界磁制御部は第一延長部と円筒状磁気ヨーク間,第二延長部と円筒状磁気ヨーク間に界磁制御磁束を供給する。第一延長部と第二延長部には互いに異なる方向の界磁制御磁束が供給される事になる。 The field control magnetic yoke and the field control coil are arranged on the fixed side on both sides of the rotor as an annular shape that goes around the rotation shaft. The field controller supplies field control magnetic flux between the first extension and the cylindrical magnetic yoke, and between the second extension and the cylindrical magnetic yoke. Field control magnetic fluxes in different directions are supplied to the first extension and the second extension.
請求項12の発明は,請求項11記載の回転電機システムに於いて,第一延長部と界磁制御磁気ヨーク間の軸方向空隙長を第一延長部と界磁制御磁気ヨークとの対向面積で除した値及び第二延長部と界磁制御磁気ヨーク間の軸方向空隙長を第二延長部と界磁制御磁気ヨークとの対向面積で除した値との和は,磁性体突極と磁性体歯間の径方向空隙長を磁性体突極と磁性体歯との対向面積の総和で除した値の4倍より大とするよう設定し,第一延長部と界磁制御磁気ヨークと電機子とで構成する磁路,第二延長部と界磁制御磁気ヨークと電機子とで構成する磁路に前記永久磁石からの磁束が分流する事を制限する磁束分流制御手段としたことを特徴とする。
According to a twelfth aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the eleventh aspect, a value obtained by dividing the axial gap length between the first extension portion and the field control magnetic yoke by the facing area between the first extension portion and the field control magnetic yoke. And the sum of the axial gap length between the second extension and the field control magnetic yoke divided by the facing area between the second extension and the field control magnetic yoke is the radial gap between the magnetic salient pole and the magnetic teeth. The length is set to be larger than 4 times the value obtained by dividing the total length of the opposing areas of the magnetic salient poles and magnetic teeth, and the magnetic path composed of the first extension, the field control magnetic yoke, and the armature, The magnetic flux diverting control means limits the diversion of the magnetic flux from the permanent magnet to the magnetic path formed by the two extending portions, the field control magnetic yoke, and the armature .
界磁用永久磁石には永久磁石両側の磁性体突極と磁性体歯を結ぶ磁路及び永久磁石両側の磁性体突極からそれぞれ界磁制御磁気ヨークを経て円筒状磁気ヨークに至る磁路が並列に接続されている。磁路内の磁性体部分の磁気抵抗は小であるとし,近似的に永久磁石両側の磁性体突極からそれぞれ界磁制御磁気ヨークを経て円筒状磁気ヨークに至る磁路内に含む空隙部での磁気抵抗を永久磁石両側の磁性体突極と磁性体歯を結ぶ磁路内に含む空隙部での磁気抵抗より大として永久磁石の発する界磁磁束を電機子側に集中させる。永久磁石両側の磁性体突極と磁性体歯を結ぶ磁路は磁性体突極と磁性体歯間の空隙を往復し,界磁磁束の通る面積は磁性体突極と磁性体歯との対向面積の総和の半分であるので磁性体突極と磁性体歯間の空隙に於ける磁気抵抗は磁性体突極と磁性体歯間の径方向空隙長を磁性体突極と磁性体歯との対向面積の総和で除した値の4倍に比例するとしている。 In the field permanent magnet, a magnetic path connecting the magnetic salient poles and magnetic teeth on both sides of the permanent magnet and a magnetic path from the magnetic salient poles on both sides of the permanent magnet to the cylindrical magnetic yoke through the field control magnetic yoke are arranged in parallel. It is connected. The magnetic resistance of the magnetic part in the magnetic path is assumed to be small, and the magnetic force in the gap included in the magnetic path from the magnetic salient poles on both sides of the permanent magnet through the field control magnetic yoke to the cylindrical magnetic yoke is approximately The field magnetic flux generated by the permanent magnet is concentrated on the armature side by setting the resistance to be larger than the magnetic resistance in the gap including the magnetic salient poles on both sides of the permanent magnet and the magnetic teeth. The magnetic path connecting the magnetic salient pole and the magnetic teeth on both sides of the permanent magnet reciprocates the gap between the magnetic salient pole and the magnetic teeth, and the area through which the field magnetic flux passes is the opposite of the magnetic salient pole and the magnetic teeth. Since the total area is half, the magnetic resistance in the gap between the magnetic salient pole and the magnetic tooth is the radial gap length between the magnetic salient pole and the magnetic tooth. It is assumed to be proportional to four times the value divided by the sum of the opposing areas.
請求項13の発明は,請求項11記載の回転電機システムに於いて,磁性体突極より飽和磁束密度が大の等方性磁性体で構成された制御磁束磁路が第一延長部及び第二延長部の何れかと直列に接続されるよう磁性体突極の電機子より離れた部分に隣接して軸方向に延びていることを特徴とする。
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the eleventh aspect, the control magnetic flux magnetic path made of an isotropic magnetic material having a saturation magnetic flux density larger than that of the magnetic material salient pole is provided in the first extension portion and the first extension portion. The magnetic salient pole extends in the axial direction adjacent to a portion away from the armature so as to be connected in series with one of the two extension portions .
請求項14の発明は,請求項11記載の回転電機システムに於いて,磁性体突極と永久磁石とが周方向に交互に配置され,隣接する永久磁石は互いに略周方向の磁化を反転して配置されている事を特徴とする。 According to a fourteenth aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the eleventh aspect, the magnetic salient poles and the permanent magnets are alternately arranged in the circumferential direction, and the adjacent permanent magnets reverse the magnetization in the substantially circumferential direction. It is characterized by being arranged.
請求項15の発明は,請求項14記載の回転電機システムに於いて,磁性体突極間の永久磁石の周方向長さは磁性体歯と磁性体突極間の空隙長さの2倍を超える値に設定した事を特徴とする。 According to a fifteenth aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the fourteenth aspect, the circumferential length of the permanent magnet between the magnetic salient poles is twice the gap length between the magnetic teeth and the magnetic salient poles. It is characterized by being set to a value that exceeds.
請求項16の発明は,請求項11記載の回転電機システムに於いて,集合永久磁石は中間磁性体突極及び板面と直交し且つ同一磁化方向を持つ二つの永久磁石板とから成り,二つの永久磁石板は中間磁性体突極の周方向両側面に配置された構成とし,磁性体突極と集合永久磁石は周方向に交互に配置され,隣接する集合永久磁石は互いに略周方向の磁化を反転して配置されている事を特徴とする。 According to a sixteenth aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the eleventh aspect, the assembly permanent magnet includes an intermediate magnetic salient pole and two permanent magnet plates that are orthogonal to the plate surface and have the same magnetization direction. The two permanent magnet plates are arranged on both sides of the intermediate magnetic salient pole in the circumferential direction, the magnetic salient poles and the collective permanent magnets are alternately arranged in the circumferential direction, and the adjacent collective permanent magnets are arranged in the substantially circumferential direction. It is characterized by being arranged with the magnetization reversed.
請求項17の発明は,請求項16記載の回転電機システムに於いて,集合永久磁石を構成する二つの永久磁石板の厚みの和は磁性体歯と磁性体突極間の空隙長さの2倍を超える値に設定した事を特徴とする。 According to a seventeenth aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the sixteenth aspect, the sum of the thicknesses of the two permanent magnet plates constituting the assembly permanent magnet is 2 of the gap length between the magnetic teeth and the magnetic salient poles. It is characterized by being set to a value exceeding double.
請求項18の発明は,請求項16記載の回転電機システムに於いて,集合永久磁石を構成する中間磁性体突極の電機子に近い側の周方向長さを電機子から遠い側の周方向長さより短く設定した事を特徴とする。 The eighteenth aspect of the present invention is the rotating electrical machine system according to the sixteenth aspect of the present invention, in which the circumferential length on the side closer to the armature of the intermediate magnetic salient pole constituting the assembly permanent magnet is the circumferential direction on the side farther from the armature. It is characterized by being set shorter than the length.
請求項19の発明は,請求項16記載の回転電機システムに於いて,集合永久磁石を構成する中間磁性体突極部分の軸方向磁気抵抗を大とするよう一部の中間磁性体突極部分を切除し,非磁性素材を配置した事を特徴とする。 According to a nineteenth aspect of the present invention, there is provided the rotating electrical machine system according to the sixteenth aspect, wherein a part of the intermediate magnetic salient pole portion is set so as to increase the axial magnetic resistance of the intermediate magnetic salient pole portion constituting the assembly permanent magnet. It is characterized by the removal of nonmagnetic material.
請求項20の発明による回転電機システムは,軸と同心に径方向に互いに対向し且つ相対的に回転可能に配置された界磁回転子及び電機子とより少なくとも構成され,電機子は静止側に配置固定された円筒状磁気ヨークと円筒状磁気ヨークから径方向に伸び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから成り,界磁回転子の磁極構造は,磁性体歯と径方向に空隙を挟んで対向し,且つ軸方向に延び,周方向に磁性体突極と永久磁石或いは集合永久磁石とが交互に並ぶよう構成され,隣接する磁性体突極が互いに逆方向に磁化されるように前記永久磁石或いは集合永久磁石の略周方向の磁化方向が交互に反転されている回転電機システムであって,隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立に構成されて磁化方向が互いに異なる第一磁性体突極及び第二磁性体突極が周方向に交互に並び,第一磁性体突極を軸方向に延ばした第一延長部として第二磁性体突極を径を変えて軸方向の同一側に延ばした第二延長部とし,界磁制御部はハウジング側に配置された環状の界磁制御磁気ヨーク及び界磁制御磁気ヨークに巻回された界磁制御コイルとより構成され,界磁制御磁気ヨークは第一,第二延長部と空隙を挟んで対向し,回転電機システムの出力に応じて界磁制御コイルに供給する電流を変えて電機子と回転子間の界磁強度を制御し,前記出力を最適化する制御装置とを有する。 A rotating electric machine system according to a twentieth aspect of the present invention comprises at least a field rotor and an armature arranged concentrically with each other in a radial direction concentrically with a shaft and relatively rotatably arranged, and the armature is disposed on a stationary side. An arrangement of a fixed magnetic magnetic yoke, a plurality of magnetic teeth extending radially from the cylindrical magnetic yoke, and an armature coil wound around the magnetic teeth. The magnetic pole structure is configured to face the magnetic teeth with a gap in the radial direction, extend in the axial direction, and have magnetic salient poles and permanent magnets or aggregated permanent magnets arranged alternately in the circumferential direction. A rotating electrical machine system in which the magnetization directions in the substantially circumferential direction of the permanent magnet or the assembly permanent magnet are alternately reversed so that the body salient poles are magnetized in opposite directions, and adjacent magnetic salient poles are magnetically Magnetized independently The first magnetic salient poles and the second magnetic salient poles that are different from each other are alternately arranged in the circumferential direction, and the second magnetic salient pole has a diameter as a first extension that extends the first magnetic salient pole in the axial direction. The field control unit is composed of an annular field control magnetic yoke disposed on the housing side and a field control coil wound around the field control magnetic yoke. The first and second extensions are opposed to each other with an air gap, and the current supplied to the field control coil is changed according to the output of the rotating electrical machine system to control the field strength between the armature and the rotor, so that the output is optimized. Control device.
界磁制御磁気ヨーク及び界磁制御コイルは回転軸を周回する円環形状として回転子の一方の静止側に配置される。界磁制御部は第一延長部と第二延長部間に互いに方向の異なる界磁制御磁束を供給する。 The field control magnetic yoke and the field control coil are arranged on one stationary side of the rotor as an annular shape that goes around the rotation axis. The field controller supplies field control magnetic fluxes having different directions from each other between the first extension and the second extension.
請求項21の発明は,請求項20記載の回転電機システムに於いて,第一延長部と界磁制御磁気ヨーク間の軸方向空隙長を第一延長部と界磁制御磁気ヨークとの対向面積で除した値及び第二延長部と界磁制御磁気ヨーク間の軸方向空隙長を第二延長部と界磁制御磁気ヨークとの対向面積で除した値との和は,磁性体突極と磁性体歯間の径方向空隙長を磁性体突極と磁性体歯との対向面積の総和で除した値の4倍より大とするよう設定し,第一延長部及び第二延長部と界磁制御磁気ヨークとで構成する磁路に前記永久磁石からの磁束が分流する事を制限する磁束分流制御手段としたことを特徴とする。
The invention according to
請求項22の発明は,請求項20記載の回転電機システムに於いて,磁性体突極より飽和磁束密度が大の等方性磁性体で構成された制御磁束磁路が第一延長部及び第二延長部の何れかと直列に接続されるよう磁性体突極の電機子より離れた部分に隣接して軸方向に延びている有することを特徴とする。
According to a twenty-second aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the twentieth aspect, the control magnetic flux magnetic path made of an isotropic magnetic material having a saturation magnetic flux density larger than that of the magnetic material salient pole is provided with the first extension portion and the first extension portion. The magnetic salient pole extends in the axial direction adjacent to a portion away from the armature so as to be connected in series with one of the two extension portions .
請求項23の発明は,請求項20記載の回転電機システムに於いて,磁性体突極と永久磁石とが周方向に交互に配置され,隣接する永久磁石は互いに略周方向の磁化を反転して配置されている事を特徴とする。 According to a twenty-third aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the twentieth aspect, the magnetic salient poles and the permanent magnets are alternately arranged in the circumferential direction, and the adjacent permanent magnets reverse the magnetization in the substantially circumferential direction. It is characterized by being arranged.
請求項24の発明は,請求項23記載の回転電機システムに於いて,磁性体突極間の永久磁石の周方向長さは磁性体歯と磁性体突極間の空隙長さの2倍を超える値に設定した事を特徴とする。 According to a twenty-fourth aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the twenty-third aspect, the circumferential length of the permanent magnet between the magnetic salient poles is twice the gap length between the magnetic teeth and the magnetic salient pole. It is characterized by being set to a value that exceeds.
請求項25の発明は,請求項20記載の回転電機システムに於いて,集合永久磁石は中間磁性体突極及び板面と直交し且つ同一磁化方向を持つ二つの永久磁石板とから成り,二つの永久磁石板は中間磁性体突極の周方向両側面に配置された構成とし,磁性体突極と集合永久磁石は周方向に交互に配置され,隣接する集合永久磁石は互いに略周方向の磁化を反転して配置されている事を特徴とする。 According to a twenty-fifth aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the twenty-second aspect, the assembly permanent magnet includes an intermediate magnetic salient pole and two permanent magnet plates having the same magnetization direction and perpendicular to the plate surface. The two permanent magnet plates are arranged on both sides of the intermediate magnetic salient pole in the circumferential direction, the magnetic salient poles and the collective permanent magnets are alternately arranged in the circumferential direction, and the adjacent collective permanent magnets are arranged in the substantially circumferential direction. It is characterized by being arranged with the magnetization reversed.
請求項26の発明は,請求項25記載の回転電機システムに於いて,集合永久磁石を構成する二つの永久磁石板の厚みの和は磁性体歯と磁性体突極間の空隙長さの2倍を超える値に設定した事を特徴とする。 According to a twenty-sixth aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the twenty-fifth aspect, the sum of the thicknesses of the two permanent magnet plates constituting the assembly permanent magnet is 2 of the gap length between the magnetic teeth and the magnetic salient poles. It is characterized by being set to a value exceeding double.
請求項27の発明は,請求項25記載の回転電機システムに於いて,集合永久磁石を構成する中間磁性体突極の電機子に近い側の周方向長さを電機子より遠い側の周方向長さより短く設定した事を特徴とする。 According to a twenty-seventh aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to the twenty-fifth aspect, the circumferential length on the side closer to the armature of the intermediate magnetic salient pole constituting the assembly permanent magnet is the circumferential direction on the side farther from the armature. It is characterized by being set shorter than the length.
請求項28の発明は,請求項25記載の回転電機システムに於いて,集合永久磁石を構成する中間磁性体突極部分の軸方向磁気抵抗を大とするよう一部の中間磁性体突極部分を切除し,非磁性素材を配置した事を特徴とする。 A twenty-eighth aspect of the present invention is the rotating electrical machine system according to the twenty-fifth aspect, wherein a part of the intermediate magnetic salient pole part is set so as to increase the axial magnetic resistance of the intermediate magnetic substance salient pole part constituting the assembled permanent magnet. It is characterized by the removal of nonmagnetic material.
請求項29の発明は,請求項1から28の何れかに記載の回転電機システムに於いて,回転力を入力とし,制御装置は発電電圧が所定の値になるよう,電機子コイルに誘起される発電電圧が所定の値より大の時は電機子と回転子間の界磁強度を小に,発電電圧が所定の値より小の時は界磁強度を大にする電流を界磁制御コイルに供給する事を特徴とする。 According to a twenty-ninth aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to any one of the first to twenty-eighth aspects, the rotational force is inputted, and the control device is induced in the armature coil so that the generated voltage becomes a predetermined value. When the generated voltage is greater than a predetermined value, the field control coil is supplied with a current that reduces the field strength between the armature and the rotor, and when the generated voltage is less than the predetermined value, the field strength is increased. It is characterized by doing.
請求項30の発明は,請求項1から28の何れかに記載の回転電機システムに於いて,制御装置は,回転力を最適に制御するように高回転速度では電機子と回転子間の界磁強度を小に,低回転速度では界磁強度を大にする予め定めた関係に従って界磁制御コイルに供給する電流を制御し,回転速度を減少させる場合には電機子と回転子間の界磁強度を大とする電流を界磁制御コイルに供給するよう構成され,回転エネルギーを発電電力として取り出す事を特徴とする。 According to a thirty-third aspect of the present invention, in the rotating electrical machine system according to any one of the first to twenty-eighth aspects, the control device controls the boundary between the armature and the rotor at a high rotational speed so as to optimally control the rotational force. The magnetic field strength between the armature and the rotor is reduced when the current supplied to the field control coil is controlled in accordance with a predetermined relationship that reduces the magnetic strength and increases the field strength at low rotational speeds. It is configured to supply a current with a large current to the field control coil, and the rotational energy is taken out as generated power.
請求項31の発明である回転電機システムは,軸と同心に径方向に互いに対向し且つ相対的に回転可能に配置された界磁回転子及び電機子とより少なくとも構成され,電機子は静止側に配置固定された円筒状磁気ヨークと円筒状磁気ヨークから径方向に伸び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから成り,界磁回転子の磁極構造は,磁性体歯に対向し,且つ軸方向に延び,周方向に磁性体突極と集合永久磁石とが交互に並ぶよう構成され,隣接する磁性体突極が互いに逆方向に磁化されるように前記集合永久磁石の略周方向の磁化方向が交互に反転されている回転電機システムであって,集合永久磁石は中間磁性体突極及び板面と直交し且つ同一磁化方向を持つ二つの永久磁石板とから成り,二つの永久磁石板は中間磁性体突極の周方向両側面に配置された構成とし,中間磁性体突極は電機子に近い側の周方向長さを電機子から遠い側の周方向長さより短い形状とし,隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立で且つ磁化方向が互いに異なる第一磁性体突極及び第二磁性体突極が周方向に交互に並び,第一磁性体突極及び第二磁性体突極のそれぞれは異なる軸方向に延長した第一延長部及び第二延長部を持ち,回転軸外周に配置されて前記第一,第二延長部とそれぞれ界磁回転子両端で当接する界磁制御磁気ヨークと,界磁制御磁気ヨークに巻回された界磁制御磁気コイルとより構成された界磁制御部を有し,前記集合永久磁石からの磁束が第一延長部と第二延長部と界磁制御磁気ヨークとで構成する磁路に分流する事を制限するよう前記磁路の磁気抵抗を大とする磁気空隙を更に有し,回転電機システムの出力に応じて界磁制御コイルに供給する電流を変えて電機子と回転子間の界磁強度を制御し,前記出力を最適化する制御装置とを有する。
A rotating electric machine system according to a thirty-first aspect of the present invention comprises at least a field rotor and an armature arranged concentrically with a shaft in a radial direction so as to be relatively rotatable, the armature being a stationary side A magnetic field rotor comprising: a cylindrical magnetic yoke disposed on and fixed to a magnetic field; a plurality of magnetic teeth extending radially from the cylindrical magnetic yoke; and an armature coil wound around the magnetic teeth. The magnetic pole structure of this type is constructed so that it is opposed to the magnetic teeth and extends in the axial direction, and magnetic salient poles and collective permanent magnets are alternately arranged in the circumferential direction, and adjacent magnetic salient poles are magnetized in opposite directions. In the rotating electrical machine system, the magnetization direction of the substantially permanent direction of the collective permanent magnet is alternately reversed. The collective permanent magnet is orthogonal to the intermediate magnetic body salient pole and the plate surface and has the same magnetization direction. Consists of two permanent magnet plates and two permanent The stone plate is arranged on both sides in the circumferential direction of the intermediate magnetic salient pole, and the intermediate magnetic salient pole has a shape in which the circumferential length on the side close to the armature is shorter than the circumferential length on the side far from the armature, The adjacent magnetic salient poles are magnetically independent from each other, and the first magnetic salient poles and the second magnetic salient poles having different magnetization directions are alternately arranged in the circumferential direction. Each of the body salient poles has a first extension portion and a second extension portion that extend in different axial directions, and is disposed on the outer periphery of the rotating shaft so as to contact the first and second extension portions at both ends of the field rotor. The magnetic field control unit includes a magnetic yoke and a field control magnetic coil wound around the field control magnetic yoke, and the magnetic flux from the collective permanent magnet is composed of a first extension part, a second extension part, and a field control magnetic yoke. The magnetic path so as to limit the diversion to the magnetic path The magnetoresistive further has a magnetic gap to be large, and controls the field strengthening degree between the armature and the rotor by changing the current supplied to the field control coil according to the output of the rotary electric machine system to optimize the output And a control device.
請求項32の発明は,軸と同心に径方向に互いに対向し且つ相対的に回転可能に配置された界磁回転子及び電機子とより少なくとも構成され,電機子は静止側に配置固定された円筒状磁気ヨークと円筒状磁気ヨークから径方向に伸び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから成り,界磁回転子は磁性体歯に対向し,軸方向に延び,周方向に磁性体突極と永久磁石或いは集合永久磁石とが交互に並ぶ磁極構造を有し,隣接する磁性体突極が互いに逆方向に磁化されるように前記永久磁石或いは集合永久磁石の略周方向の磁化方向が交互に反転されている回転電機システムに於いて,隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立で且つ磁化方向が互いに異なる第一磁性体突極及び第二磁性体突極が周方向に交互に並び,回転軸を周回する界磁制御磁気コイルを有して前記第一磁性体突極のグループ,第二磁性体突極のグループそれぞれのグループ毎に互いに異なる方向の界磁制御磁束を供給するよう界磁制御磁気コイルを配置し,前記界磁制御磁束を供給する磁路の磁気抵抗を大として前記永久磁石からの磁束が前記磁路に分流する事を制限するよう構成し,第一磁性体突極及び第二磁性体突極間の永久磁石を逆励磁する方向の界磁制御磁束を第一磁性体突極及び第二磁性体突極間に供給して永久磁石の発する界磁磁束に界磁制御磁束を重畳させて磁性体突極と磁性体歯で構成する磁路に流れる磁束を増加させ,第一磁性体突極及び第二磁性体突極間の永久磁石を順方向に励磁する方向の界磁制御磁束を第一磁性体突極及び第二磁性体突極間に供給して永久磁石を界磁制御磁束の磁路とし,永久磁石の発する界磁磁束の流れる磁路を変えて磁性体突極と磁性体歯で構成する磁路に流れる磁束を減少させる事により磁性体突極と磁性体歯間の磁束を制御する方法である。
The invention of
本発明による回転電機システムでは,回転子の磁性体突極両側面に異なる磁化方向の永久磁石を配置された磁性体突極を磁化方向により2グループに分けてそれぞれのグループに属する磁性体突極間に,回転軸を周回する界磁制御コイルにより界磁制御磁束を供給する構成として電機子コイルと鎖交する磁束量を制御する。 In the rotating electrical machine system according to the present invention, the magnetic salient poles in which the permanent magnets having different magnetization directions are arranged on both sides of the magnetic salient pole of the rotor are divided into two groups according to the magnetization directions, and the magnetic salient poles belonging to the respective groups. In the meantime, the amount of magnetic flux linked to the armature coil is controlled as a configuration in which the field control magnetic flux is supplied by the field control coil that circulates around the rotating shaft.
また回転子の隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立に構成すると共に磁性体突極間に界磁用永久磁石を配置して界磁磁束磁路と界磁制御磁束磁路とを共存させ,磁石励磁及び電流励磁を一体化した磁極構造の必要条件(B)を満足させている。 The adjacent magnetic salient poles of the rotor are magnetically independent from each other and a field permanent magnet is disposed between the magnetic salient poles so that the field magnetic flux magnetic path and the field control magnetic flux magnetic path coexist. The necessary condition (B) of the magnetic pole structure in which magnet excitation and current excitation are integrated is satisfied.
さらに界磁制御磁束の磁路内に磁気抵抗を大にする磁束分流制御手段を配置して永久磁石による界磁磁束の界磁制御磁束磁路側への分流を制御し,磁石励磁及び電流励磁を一体化した磁極構造の必要条件(A)を満足させている。 In addition, a magnetic flux shunt control means for increasing the magnetic resistance is arranged in the magnetic path of the field control magnetic flux to control the shunting of the field magnetic flux to the field control magnetic flux magnetic path side by the permanent magnet, and the magnet excitation and current excitation are integrated. The structural requirement (A) is satisfied.
上記回転電機システムは磁石トルクを主として利用する,或いは更にリラクタンストルクをも利用する高出力の電動機等従来の回転電機装置に適用出来,界磁制御コイルにより回転子及び電機子間の界磁強度を弱め或いは強めに制御する事で実用出来る回転速度範囲を広げる事が出来る。 The above rotating electrical machine system can be applied to conventional rotating electrical machines such as high output motors that mainly use magnet torque or also use reluctance torque, and can reduce the field strength between the rotor and armature by the field control coil. It is possible to widen the range of rotation speeds that can be used practically by controlling it strongly.
更に,上記回転電機システムは界磁制御コイルにより回転子及び電機子間の界磁強度を制御して発電機能を改善し,また発電電圧を所定の値に制御できる。 Further, the rotating electrical machine system can improve the power generation function by controlling the field strength between the rotor and the armature by the field control coil, and can control the power generation voltage to a predetermined value.
以下,図面に示した実施例を参照して,本発明の回転電機システムを詳細に説明する。 Hereinafter, the rotating electrical machine system of the present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in the drawings.
本発明の第一実施例による回転電機システムを図1から図8を用いて説明する。第一の実施例は回転子を電機子の内側に配置した回転電機システムである。図1は回転電機の縦断面図,図2は電機子と回転子との構成を示す断面図,図3は回転子の構成を示す斜視図,図4は界磁磁束の流れる方向を示す回転子の断面図,図5は界磁磁束の流れる方向を示す永久磁石板近傍の断面図,図6は永久磁石板と界磁制御磁束の流れる方向の関係を示す断面図,図7は回転子の縦断面図,図8は回転電機システムのブロック図をそれぞれ示す。 A rotating electrical machine system according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The first embodiment is a rotating electrical machine system in which a rotor is disposed inside an armature. 1 is a longitudinal sectional view of a rotating electric machine, FIG. 2 is a sectional view showing the structure of an armature and a rotor, FIG. 3 is a perspective view showing the structure of the rotor, and FIG. 4 is a rotation showing the direction in which field magnetic flux flows. FIG. 5 is a sectional view in the vicinity of the permanent magnet plate showing the direction in which the field magnetic flux flows, FIG. 6 is a sectional view showing the relationship between the permanent magnet plate and the direction in which the field control magnetic flux flows, and FIG. 7 is a longitudinal section of the rotor. FIG. 8 and FIG. 8 are block diagrams of the rotating electrical machine system, respectively.
図1は永久磁石励磁及び電流励磁を併用する界磁部を回転子とする回転電機を示し,回転軸11がベアリング13を介してハウジング12に回動可能に支持されている。電機子はハウジング12に固定された円筒状磁気ヨーク15と,円筒状磁気ヨーク15から径方向に延びる複数の磁性体歯14と,磁性体歯14に巻回された電機子コイル16とから構成されている。回転子は磁性体歯14と径方向に対向する磁極部17,更に磁極部17を構成する磁性体突極を磁化方向により2グループに分けてそれぞれの磁性体突極グループの延長部である第一延長部18,第二延長部19,回転軸11外周の界磁制御磁気ヨーク1c,回転子の支持体1a,界磁制御磁気ヨーク1cに巻回された界磁制御コイル1b,第二延長部19に隣接する磁束分流制御手段1dとから構成されている。第一延長部18,第二延長部19は界磁制御磁気ヨーク1cの両端に結合し,第一延長部18,第二延長部19,界磁制御磁気ヨーク1cが回転軸11に固定され,さらに第一延長部18,第二延長部19に支持体1aが固定されて磁極部17を支持している。番号1eはスリップリングを,番号1fはブラシをそれぞれ示し,ブラシ1f,スリップリング1eは回転子内に配置された界磁制御コイル1bへの電流供給に用いられる。番号1gは回転子に固定された冷却ファンを示す。
FIG. 1 shows a rotating electrical machine having a field part that uses both permanent magnet excitation and current excitation as a rotor, and a
図2は図1のA−A’に沿う電機子及び回転子の断面図を示し,相互の関係を説明する為に構成部分の一部に番号を付して示している。電機子はハウジング12に固定された円筒状磁気ヨーク15と,円筒状磁気ヨーク15から径方向に延び,周方向に空隙を有する複数の磁性体歯14と,磁性体歯14に巻回された電機子コイル16とから構成されている。第一の実施例では9個の電機子コイルより構成され,それらは三相に結線されている。電機子の磁性体歯14先端には径方向に短い可飽和磁性体結合部2bを隣接する磁性体歯14先端部間に設けてある。磁性体歯14及び可飽和磁性体結合部2bは珪素鋼板を型で打ち抜いて積層し,電機子コイル16を巻回した後,円筒状磁気ヨーク15と組み合わせて電機子としている。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the armature and the rotor along A-A ′ in FIG. 1, and some of the components are numbered for explaining the mutual relationship. The armature was wound around the cylindrical
可飽和磁性体結合部2bは磁性体歯14と一体として磁性体歯14の支持強度を向上させ,磁性体歯14の不要な振動を抑制させる。可飽和磁性体結合部2bの径方向の長さは短く設定して容易に磁気的に飽和する形状としたので電機子コイル16が発生させる磁束或いは界磁磁束によって容易に飽和し,その場合に電機子コイル16が発生させる磁束及び界磁磁束の短絡を僅かな量とする。電機子コイル16に電流が供給されると,時間と共に可飽和磁性体結合部2bは磁気的に飽和させられて周辺に磁束を漏洩させるが,磁気飽和した可飽和磁性体結合部2bに現れる実効的な磁気空隙の境界はクリアではないので漏洩する磁束の分布は緩やかとなり,可飽和磁性体結合部2bはこの点でも磁性体歯14に加わる力の時間変化を緩やかにして振動抑制に寄与する。
The saturable magnetic body coupling portion 2 b is integrated with the
図2に於いて,板面と直交する磁化を持つ二つの永久磁石板を周方向の両側面に配置された中間磁性体突極を集合永久磁石として,回転子の磁極部には磁性体歯と径方向に空隙を挟んで対向し,軸方向に伸び,周方向に磁性体突極及び集合永久磁石とが交互に配列されて構成されている。隣接する磁性体突極は互いに逆方向に磁化されるように隣接する集合永久磁石は互いに逆方向に磁化されている。相互の関係を説明する為にそれらの一部に番号を付して示されている。 In FIG. 2, two permanent magnet plates having magnetization perpendicular to the plate surface are intermediate magnetic salient poles arranged on both sides in the circumferential direction as a collective permanent magnet. Are opposed to each other with a gap in the radial direction, extend in the axial direction, and magnetic salient poles and assembled permanent magnets are alternately arranged in the circumferential direction. Adjacent collective permanent magnets are magnetized in opposite directions so that adjacent magnetic salient poles are magnetized in opposite directions. Some of them are numbered to illustrate their relationship.
磁性体突極21,中間磁性体突極23,磁性体突極22が磁性体歯14と対向して周方向に並び,それらの側面には永久磁石板24,25,26,27が配置され,それらは矢印で示されるように板面と直交する方向の磁化を持っている。同図に於いて,集合永久磁石は永久磁石板25,中間磁性体突極23,永久磁石板26で構成され,隣接する集合永久磁石は互いに逆方向の磁化を持つように配置されているので磁性体突極21両側面の永久磁石板24,25の磁化方向は互いに逆に,磁性体突極22両側面の永久磁石板26,27の磁化方向は互いに逆に,中間磁性体突極23の両側面の永久磁石板25,26の磁化方向は同じとなるよう配置されている。中間磁性体突極23の形状は電機子に近い側の周長を遠い側の周長より小とし,永久磁石板25.26の磁路長を電機子側で小さく設定して界磁磁束を電機子側に集中させるよう構成されている。
A magnetic
磁性体突極21,22及び中間磁性体突極23は同じ磁性体板から作られている。すなわち,珪素鋼板を型で永久磁石板24,25,26,27を収納するスロット部分を打ち抜き,磁性体突極21,22及び中間磁性体突極23,さらに磁性体突極21,22,中間磁性体突極23間を結ぶ幅の小さい磁性体結合部29を残して形成された珪素鋼板を積層して構成されている。さらに回転子の軸方向中間で中間磁性体突極23部分を切除した珪素鋼板を積層し,中間磁性体突極23部分の軸方向の磁気抵抗を大に構成している。磁性体突極21,22に隣接して等方性磁性体よりなる制御磁束磁路28が配置されている。
The magnetic
回転軸11の外周には円筒状の界磁制御磁気ヨーク1cが配置され,界磁制御磁気ヨーク1cには界磁制御コイル1bが巻回されている。支持体1aは非磁性素材で構成されて磁性体突極21,22及び中間磁性体突極23等の磁極部17を支持している。
A cylindrical field control magnetic yoke 1c is disposed on the outer periphery of the
図1に示した磁極部17は磁性体突極21,22と,中間磁性体突極23と,磁性体突極の側面に配置された永久磁石板24,25,26,27と,制御磁束磁路28と,磁性体結合部29と,磁気空隙2aとに対応している。
1 includes magnetic
永久磁石板24,25,26,27を収納するスロットは幅の狭い磁性体結合部29で繋がっているが,組み立て後には永久磁石板24,25,26,27の磁束により磁気飽和し,磁性体突極21と中間磁性体突極23間,更に中間磁性体突極23と磁性体突極22間は互いに磁気的に独立である。積層された珪素鋼板のスロット部分に永久磁石板24,25,26,27を挿入して固定し,磁気空隙2aには非磁性体である熱硬化性樹脂を充填している。
The slots that store the
制御磁束磁路28は等方性で飽和磁束密度の高い鉄板で形成している。磁性体突極21,22を形成する珪素鋼板は軸方向に積層したので軸方向の磁気抵抗は高くなる。制御磁束磁路28として鉄板を磁性体歯14から遠い内径側に配置して軸方向の磁気抵抗を減少させ,界磁制御磁束の通過を容易にしている。磁性体突極21,22を等方性の磁性材料である圧粉鉄芯,フェライト等で構成した場合でも界磁制御磁束の伝搬容量を大にする為に空きスペースを有効に利用して断面積の大きい制御磁束磁路28を配置する事が望ましい。
The control magnetic flux
アルミニウムで構成した支持体1a,及び第一延長部18,第二延長部19は,上記の磁性体突極21,22を主とする回転子の磁極部17を支持する。支持体1aは非磁性のステンレススチール,或いは樹脂で構成する事も出来る。
The
図3は回転子の構成を示す斜視図である。理解を容易にする為に磁性体突極21,22等を有する中心部と磁性体突極の第一,第二延長部18,19と磁束分流制御手段1dとを離して示してある。番号11’は回転軸11を通す穴を示す。第一延長部18は鉄を鍛造して磁性体突極21の延長部分となる磁性体突部31を有して界磁制御磁気ヨーク1cと対向する環状磁性体部33と一体として構成されている。非磁性体部35は磁性を持たないステンレススチールで形成されている。第二延長部19は鉄を鍛造して磁性体突極22の延長部分となる磁性体突部を有する環状磁性体板32と界磁制御磁気ヨーク1cの延長部である円筒状磁気コア34とを有して構成されている。磁束分流制御手段1dは第二延長部19外周の環状磁性体板32及び円筒状磁気コア34間の磁気抵抗を制御する構造を有し,詳細は図7を用いて説明する。第一,第二延長部18,19は磁性を有するステンレススチールを切削或いは鍛造で磁性体突部31と環状磁性体部33,環状磁性体板32,円筒状磁気コア34を形成し,非磁性体部35をレジン,樹脂で形成してもよい。
FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of the rotor. In order to facilitate understanding, the central portion having the magnetic
界磁制御部はブラシ1f,スリップリング1e,回転軸11を周回する界磁制御磁気ヨーク1c及び界磁制御コイル1bとより構成されている。界磁制御コイル1bはブラシ1f,スリップリング1eより電流を供給されて界磁制御磁束を発生させ,円筒状の界磁制御磁気ヨーク1cに結合された第一延長部18の環状磁性体部33,磁性体突部31を介して磁性体突極21に,及び第二延長部19の円筒状磁気コア34,磁束分流制御手段1d,第二延長部19の環状磁性体板32を介して磁性体突極22に界磁制御磁束を供給する。
The field control unit includes a brush 1f, a slip ring 1e, a field control magnetic yoke 1c that circulates around the rotating
円筒状の界磁制御磁気ヨーク1cは軸方向の磁気抵抗が小さくなるよう等方性の磁性体素材である鉄で構成してある。他にフェライト,センダスト等の等方性の磁性体素材で構成してもよい。 The cylindrical field control magnetic yoke 1c is made of iron which is an isotropic magnetic material so as to reduce the axial magnetic resistance. Alternatively, it may be made of an isotropic magnetic material such as ferrite or sendust.
界磁制御磁束の磁路は界磁制御磁気ヨーク1c,第一延長部18,磁性体突極21,磁性体歯14,磁性体突極22,第二延長部19,磁束分流制御手段1dであるが,磁性体突極21,22と一体として形成される中間磁性体突極23にも界磁制御磁束は誘起され,磁性体突極21,22間を短絡させる可能性がある。本実施例では軸方向の中間で中間磁性体突極23部分を切除して中間磁性体突極23の軸方向磁気抵抗を大として中間磁性体突極23内を軸方向に界磁制御磁束が流れ難く構成している。
The magnetic path of the field control magnetic flux is the field control magnetic yoke 1c, the
図4は回転子の断面図と主な界磁磁束の流れる方向を示している。但し,回転子が単独で存在する場合の界磁磁束の流れる方向であって,回転電機として組み込まれて外周側に電機子が存在する場合は,電機子の磁性体歯14は磁性体で構成されるので界磁磁束の分布は電機子側に偏り,さらに電機子と回転子の相対位置に応じて界磁磁束の流れる方向は変化する。同図に於いて,番号41,42は界磁磁束を示し,矢印は界磁磁束の流れる方向を示す。磁性体突極21の両側面に配置された永久磁石板24,25は磁性体突極21側をN極とし,隣接する磁性体突極22の両側面に配置された永久磁石板26,27は磁性体突極22側をS極としているので界磁磁束41,42の流れる方向は周方向に互いに逆となっている。界磁磁束42は永久磁石板26,中間磁性体突極23,永久磁石板25,磁性体突極21,磁性体歯14,磁性体突極22を通る。
FIG. 4 shows a cross-sectional view of the rotor and the direction in which the main field magnetic flux flows. However, in the case where the field magnetic flux flows in the case where the rotor is present alone and is incorporated as a rotating electric machine and the armature is present on the outer peripheral side, the armature
図5は磁性体突極21の構成と界磁磁束41,42の流れる方向とを拡大して示す断面図である。永久磁石板24,25は磁束短絡を防ぐ為に両端に磁気空隙52,2aを有するようスロット内に固定されている。スロット端の磁性体結合部29にも界磁磁束の一部51が流れ,磁性体結合部29を磁気的に飽和している。磁性体結合部29は径方向に短く設定してあるので界磁制御磁束の方向に拘わらず磁気的な飽和状態を維持し,飽和状態にある磁性体の比透磁率は空気とほぼ同じになるので隣接する磁性体突極21,22間を磁気的に短絡することはない。
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing the configuration of the magnetic
回転子の磁極部は主に珪素鋼板の積層体で構成され,珪素鋼板に形成されたスロットを磁束バリアとなる磁気空隙とし,永久磁石板を埋め込んでいるので機械的には強固に形成されている。磁性体突極21,22,中間磁性体突極23は珪素鋼板で占められて周方向に磁束が通りやすく,永久磁石板24,25,26,27は周方向に磁束の通りにくい磁束バリアとしてリラクタンストルクを利用する電動機に適した構造である。
The magnetic pole part of the rotor is mainly composed of a laminated body of silicon steel plates, and slots formed in the silicon steel plates are used as magnetic gaps as magnetic flux barriers and embedded with permanent magnet plates so that they are mechanically strong. Yes. The magnetic
図6(a),図6(b)は磁性体突極21,22及び中間磁性体突極23周辺の界磁磁束及び界磁制御磁束の流れる方向を示して磁性体突極側面に配置した永久磁石板の磁化方向と界磁制御磁束の流れる方向との関係を説明する。図6(a)は界磁制御磁束が界磁磁束41,42を強める場合,図6(b)は界磁制御磁束が界磁磁束41,42を弱める場合をそれぞれ示す。
FIGS. 6A and 6B show the permanent magnets arranged on the side surfaces of the magnetic salient poles, showing the direction of flow of the field magnetic flux and the field control magnetic flux around the magnetic
図6(a)に示す強め界磁の場合,第一延長部18側から磁性体突極21側へ界磁制御磁束が流れ,磁性体突極22側から第二延長部19側に界磁制御磁束が流れる場合である。界磁制御磁束の方向は永久磁石板24,25,26,27を逆励磁する方向となるので番号61,62で示すように外周の磁性体歯14側に流れて界磁磁束41,42を強めることになる。
In the case of the strong field shown in FIG. 6A, the field control magnetic flux flows from the
この場合,永久磁石板24,25,26,27は界磁制御磁束の磁束バリアーとして働き,磁性体突極21及び磁性体突極22を軸方向に流れる界磁制御磁束を磁気的に短絡させることはない。永久磁石板24,25,26,27は逆励磁されることになるが,永久磁石板24,25,26,27は番号41,42で示すように界磁磁束の磁路を常に有するので減磁される懸念は無い。
In this case, the
永久磁石板24,25,26,27を介して強め界磁の界磁制御磁束が短絡される事はないが,永久磁石の比透磁率はほぼ空気と同じであり,永久磁石板24,25,26,27の厚みが小の場合はその間を界磁制御磁束が漏洩する可能性がある。回転電機の仕様により異なるが,例えば磁性体歯14と磁性体突極21,22間の径方向空隙を0.3から0.5ミリメートル程度に設定する場合,磁性体突極21,22間の永久磁石板25,26の厚みの和を径方向間隙の数倍となる5ミリメートル以上に設定して界磁制御磁束の漏洩を無視出来る程度とする。したがって永久磁石板24,25,26,27それぞれの厚みは2.5ミリメートル以上である。ただ,上記の永久磁石板24,25,26,27の厚み設定は望ましい実施例であって上記の数値より小の厚みの永久磁石板で性能が得られない訳ではない。回転子の軸長,界磁強度等個々の回転機の仕様に従って最適な値に設定する。
Although the field control magnetic flux of the strong field is not short-circuited via the
図6(b)では第二延長部19側から磁性体突極22側へ界磁制御磁束が流れ,磁性体突極21側から第一延長部18側に界磁制御磁束が流れる場合である。永久磁石板24,25,26,27の磁化方向と界磁制御磁束の流れる方向は同じとなるので永久磁石板24,25,26,27が発生する磁束は第一延長部18,第二延長部19,界磁制御磁気ヨーク1c等で構成する磁路側に分流する。番号63は第一延長部18,第二延長部19,界磁制御磁気ヨーク1c側に分流する永久磁石板25,26の分流磁束を示す。永久磁石板25,26は磁気的にほぼ飽和しているので発生する総磁束量の変化は小さく,この分流磁束63量にほぼ比例して界磁磁束42は減少する。番号64,65は界磁磁束42の減少分を磁性体歯14と磁性体突極21,22間を流れる等価的な界磁制御磁束として示している。
In FIG. 6B, the field control magnetic flux flows from the
図7は回転子の縦断面を拡大して示す図であり,磁束分流制御手段1dの構成及び動作を説明する。界磁磁束の磁路は界磁磁束42を例に挙げれば,永久磁石板26,中間磁性体突極23,永久磁石板25,磁性体突極21,磁性体歯14,磁性体突極22である。しかし,磁性体突極21,22は第一延長部18,第二延長部19,界磁制御磁気ヨーク1c等で形成する磁路にも並列に接続されているのでかなりの界磁磁束が界磁制御磁気ヨーク1c側の磁路にも分流する。界磁制御磁気ヨーク1cを通る磁路が全て磁性体で形成された場合には,電機子の磁性体歯14と磁性体突極21,22間には空隙が有るので界磁制御磁気ヨーク1c側への分流磁束が支配的となって磁性体歯14側への界磁磁束41,42は微小となる。
FIG. 7 is an enlarged view of the longitudinal section of the rotor, and the configuration and operation of the magnetic flux shunt control means 1d will be described. For example, the magnetic flux of the field
本発明では第一延長部18,第二延長部19,界磁制御磁気ヨーク1c等で形成する磁路中に磁気抵抗を大とする磁束分流制御手段を配置して永久磁石板24,25,26,27が発生する界磁磁束を電機子14側に集中させている。磁束分流制御手段は磁路の一部の断面積を小とする,磁路の一部の素材を比透磁率の小さい磁性体で形成する,磁路の一部に空隙を設ける等種々の方法で実現出来る。しかし,上記磁束分流制御手段は同時に界磁制御磁束の発生効率を低下させる。第一の実施例では磁束分流制御手段として界磁制御磁気ヨーク1cを含む磁路中に空隙を設け,界磁制御コイル1bに供給される電流に比例して界磁制御磁束が大になるとその空隙を小として界磁制御磁束の発生効率を向上させる構造を採用している。
In the present invention, magnetic flux shunt control means for increasing the magnetic resistance is arranged in the magnetic path formed by the
磁束分流制御手段1dは図7に縦断面図を示すように第二延長部19内の環状磁性体板32,円筒状磁気コア34と軸方向に空隙を挟んで対向する可動環状鉄板71と可動環状鉄板71を前記空隙を大にする方向に付勢するスプリング72,非磁性のステンレススチールで構成されたケース73とから構成されている。
As shown in a longitudinal sectional view in FIG. 7, the magnetic flux shunt control means 1d is movable with a movable annular iron plate 71 facing the annular
界磁制御磁束が無い場合は永久磁石板24,25,26,27が発生する界磁磁束が存在してもスプリング72の力が勝って環状磁性体板32及び円筒状磁気コア34と可動環状鉄板71間の空隙を大にするようスプリング72を設定する。界磁制御磁束が大の場合は可動環状鉄板71をスプリング72に抗して磁気的に吸引して環状磁性体板32及び円筒状磁気コア34と可動環状鉄板71間の空隙を小にし,界磁制御磁束が小の場合はスプリング72の力が勝って環状磁性体板32及び円筒状磁気コア34と可動環状鉄板71間の空隙を大にする。可動環状鉄板71を磁気的に吸引する力は界磁制御磁束の方向によらず,絶対量に比例して強め或いは弱め界磁の双方の場合に動作する。
When there is no field control magnetic flux, even if the field magnetic flux generated by the
界磁制御コイル1bが発生させる界磁制御磁束が小の場合,環状磁性体板32及び円筒状磁気コア34と可動環状鉄板71間の空隙は大で有るので永久磁石板24,25,26,27の発生する磁束は磁性体歯14側に集中し,磁石励磁が支配的となる。界磁制御磁束が大の場合,環状磁性体板32及び円筒状磁気コア34と可動環状鉄板71間の空隙は小で有るので永久磁石板24,25,26,27の発生する磁束は第一延長部18,第二延長部19,界磁制御磁気ヨーク1c等で形成する磁路で短絡されるが,界磁制御磁束発生の効率を大として電流励磁が支配的となり,電機子コイル16と鎖交する磁束量の制御範囲を拡大出来る。
When the field control magnetic flux generated by the field control coil 1b is small, the space between the annular
図1から図7までを用いて構成を説明した回転電機装置に於いて,回転軸11が外力により回転させられると,永久磁石板24,25,26,27による界磁磁束は磁性体突極21,22から磁性体歯14に順次流入し,電機子コイル16と鎖交し,電機子コイル16は三相に結線されているので三相の電力を出力する。
In the rotating electrical machine apparatus described with reference to FIGS. 1 to 7, when the
同時にブラシ1f,スリップリング1eを介して界磁制御コイル1bに電流を供給して界磁制御磁束を発生させると,界磁制御磁束は回転に応じて磁性体突極21,22から対向する磁性体歯14に順次流入して電機子コイル16と鎖交する。電機子コイル16には永久磁石板24,25,26,27による界磁磁束及び界磁制御コイル1bによる界磁制御磁束が鎖交し,双方の鎖交磁束の和に対応する電力を出力する。
At the same time, when a current is supplied to the field control coil 1b through the brush 1f and the slip ring 1e to generate a field control magnetic flux, the field control magnetic flux sequentially flows from the magnetic
上記の回転電機装置を電動機とする場合,回転子の磁性体突極21,22,中間磁性体突極23の位置に応じて電機子コイル16に駆動電流を供給することでリラクタンストルクと磁石トルクとを利用して高効率で回転駆動させる事が出来る。更に第一の実施例では界磁制御コイル1bに供給する電流により電機子コイル16と鎖交する磁束量を変える事が出来,高速回転域での弱め界磁,低速回転域での強め界磁等の界磁制御を実現して常に最適な回転条件とする事が出来る。
When the above-described rotating electrical machine apparatus is an electric motor, a reluctance torque and a magnet torque are supplied by supplying a driving current to the
図8は弱め及び強め界磁制御を行う回転電機システムのブロック図を示す。回転電機81は入力82,出力83を有するとし,制御装置85は回転電機81の出力83及び回転子の位置を含む状態信号84を入力として制御信号86を介して回転電機81を制御する。回転電機81が発電機として用いられるのであれば,入力82は回転力であり,出力83は発電電力となる。回転電機81が電動機として用いられるのであれば,入力82は電機子コイル16に供給される電流であり,出力83は回転トルク,回転速度となる。更に制御装置85は電動機を駆動する駆動回路を含むとする。
FIG. 8 is a block diagram of a rotating electrical machine system that performs field weakening and field strengthening control. The rotating
以下に回転電機81を発電機として用い,界磁制御を行って定電圧発電機システムとする例を説明する。発電機81は入力82を回転力として出力83を発電出力とし,制御装置85は出力83である発電電圧を所定の電圧と比較し,発電電圧が所定の値より大であれば制御信号86により回転子の磁性体突極21,22と電機子の磁性体歯14間の界磁強度を小とする電流を界磁制御コイル1bに供給し,発電電圧が所定の値より小であれば制御信号86により回転子の磁性体突極21,22と電機子の磁性体歯14間の界磁強度を大とする電流を界磁制御コイル1bに供給し,出力83である発電電圧を所定の値に制御する。
An example in which the rotating
更に回転電機81を電動機として用いて弱め或いは強め界磁制御を行って回転力制御を行う電動機システムの場合,入力82を電機子コイル16に供給する電流として,出力83を回転力,回転速度とする。制御装置85は出力83である回転速度が所定の値より大となり弱め界磁とする時には制御信号86により回転子の磁性体突極21,22と電機子の磁性体歯14間の界磁強度を小とする電流を界磁制御コイル1bに供給し,回転速度が所定の値より小となり強め界磁とする時には回転子の磁性体突極21,22と電機子の磁性体歯14間の界磁強度を大とする電流を界磁制御コイル1bに供給する。
Further, in the case of an electric motor system in which the rotating
以上,図1から図8までを用いて説明したように第一実施例では強め界磁とする場合に界磁制御磁束の流れる方向は界磁用永久磁石板の磁化と逆であり界磁用永久磁石板は界磁制御磁束の磁性体突極間の短絡を妨げる磁束バリアとして界磁制御磁束を磁性体突極内を伝搬させるが,磁性体突極及び磁性体歯より構成される界磁磁束の磁路は常に存在するので界磁用永久磁石板が減磁されることは無い。また弱め界磁とする場合には界磁用永久磁石板には磁化方向と同じ方向の磁界を加えて界磁用永久磁石板の磁束を界磁制御磁気ヨーク側に分流させ,界磁用永久磁石板を損傷させることなく界磁制御を可能とする。 As described above with reference to FIGS. 1 to 8, in the first embodiment, the field control magnetic flux flows in the direction opposite to the magnetization of the field permanent magnet plate in the case of using a strong field magnet. The plate propagates the field control magnetic flux in the magnetic salient pole as a magnetic flux barrier that prevents short circuit between the magnetic salient poles of the field control magnetic flux, but the magnetic path of the field magnetic flux composed of the magnetic salient pole and magnetic teeth is always Therefore, the field permanent magnet plate is not demagnetized. When a field weakening is used, a magnetic field in the same direction as the magnetization direction is applied to the field permanent magnet plate to divert the magnetic flux of the field permanent magnet plate to the field control magnetic yoke side. It is possible to control the field without damaging it.
軸長方向に長い回転電機では磁性体突極に供給した界磁制御磁束の分布を均一とする事は難しいが,回転電機の特性としては全体量で規定されるので大きな問題とはならない。ただ,磁性体突極の断面積が小さい場合には伝搬させ得る界磁制御磁束の量が制限され,制御範囲が限定される。磁性体突極の界磁制御磁束の伝搬に寄与出来る部分の断面積を大とする事は制御範囲を拡大する為に重要であり,その場合には本実施例で配置した制御磁束磁路のように第一,第二磁性体突極をそれぞれ径方向の内周側に延長して断面積を大にする事は有効である。 In a rotating electrical machine that is long in the axial direction, it is difficult to make the distribution of the field control magnetic flux supplied to the magnetic salient pole uniform. However, since the characteristics of the rotating electrical machine are defined by the total amount, this does not pose a major problem. However, when the cross-sectional area of the magnetic salient pole is small, the amount of field control magnetic flux that can be propagated is limited, and the control range is limited. Increasing the cross-sectional area of the magnetic salient pole that can contribute to the propagation of the field control magnetic flux is important for expanding the control range. In that case, as in the control magnetic flux magnetic path arranged in this embodiment, It is effective to extend the first and second magnetic salient poles to the inner peripheral side in the radial direction to increase the cross-sectional area.
本発明による第二実施例を図9,図10を用いて説明する。第二の実施例は第一の実施例に於いて,磁束分流制御手段の構造を変えたのみでその他の構成は同じである。以下では第一の実施例と異なっている部分に集中して説明する。図9は回転電機の縦断面図,図10は回転子の構成を示す斜視図である。 A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The second embodiment is the same as the first embodiment except that the structure of the magnetic flux shunt control means is changed. In the following, the explanation will be focused on the parts different from the first embodiment. FIG. 9 is a longitudinal sectional view of the rotating electrical machine, and FIG. 10 is a perspective view showing the configuration of the rotor.
図9は第二の実施例である回転電機を示し,回転軸11がベアリング13を介してハウジング12に回動可能に支持されている。電機子はハウジング12に固定された円筒状磁気ヨーク15と,円筒状磁気ヨーク15から径方向に延びる複数の磁性体歯14と,磁性体歯14に巻回された電機子コイル16とから構成されている。回転子は磁性体歯14と径方向に対向する磁極部17,更に磁極部17を構成する磁性体突極を磁化方向により2グループに分けてそれぞれの磁性体突極グループの延長部である第一延長部18,第二延長部91,回転軸11外周の界磁制御磁気ヨーク1c,回転子の支持体1a,界磁制御磁気ヨーク1cに巻回された界磁制御コイル1bとから構成されている。
FIG. 9 shows a rotating electrical machine according to a second embodiment, in which a
第一延長部18は界磁制御磁気ヨーク1cと結合され,第二延長部91は界磁制御磁気ヨーク1cと分流制御空隙92を介して配置されている。番号1eはスリップリングを,番号1fはブラシをそれぞれ示し,ブラシ1f,スリップリング1eは回転子内に配置された界磁制御コイル1bへの電流供給に用いられる。番号1gは回転子に固定された冷却ファンを示す。
The
電機子及び界磁回転子の磁極構成は図2に示した第一の実施例と同じであるので説明は省略する。 The magnetic pole configurations of the armature and the field rotor are the same as those in the first embodiment shown in FIG.
図10は回転子の構成を示す斜視図である。理解を容易にする為に磁性体突極21,22等を有する中心部と磁性体突極の第一延長部18,第二延長部91とを離して示してある。番号11’は回転軸11を通す穴を示す。第一延長部18は鉄を鍛造して磁性体突極21の延長部分となる磁性体突部31を有して界磁制御磁気ヨーク1cと結合する環状磁性体部33と一体として構成されている。非磁性体部35は磁性を持たないステンレススチールで形成されている。第二延長部91は鉄を鍛造して磁性体突極22の延長部分となる磁性体突部101と環状磁性体板102と一体として構成されている。番号103は非磁性体部を示す。界磁制御磁気ヨーク1cは図9で示したように分流制御空隙92として非磁性体を挟んで環状磁性体板102に対向配置されている。
FIG. 10 is a perspective view showing the configuration of the rotor. In order to facilitate understanding, the central portion having the magnetic
界磁制御部は第一の実施例と同じくブラシ1f,スリップリング1e,回転軸11を周回する界磁制御磁気ヨーク1c及び界磁制御コイル1bとより構成されている。界磁制御コイル1bはブラシ1f,スリップリング1eより電流を供給されて界磁制御磁束を発生させ,円筒状の界磁制御磁気ヨーク1cに結合された第一延長部18の環状磁性体部33,磁性体突部31を介して磁性体突極21に,及び界磁制御磁気ヨーク1cから分流制御空隙92,第二延長部91の環状磁性体板102,磁性体突部101を介して磁性体突極22に界磁制御磁束を供給している。
As in the first embodiment, the field control unit includes a brush 1f, a slip ring 1e, a field control magnetic yoke 1c that circulates around the rotating
界磁磁束の磁路は図4に示した界磁磁束42を例に挙げれば,永久磁石25,磁性体突極21,磁性体歯14,磁性体突極22,永久磁石26,中間磁性体突極23である。しかし,磁性体突極21,22は第一延長部18,第二延長部91,界磁制御磁気ヨーク1c等で構成する磁路にも並列に接続されているのでかなりの界磁磁束が界磁制御磁気ヨーク1c側の磁路にも分流する。界磁制御磁気ヨーク1cを通る磁路が全て磁性体で形成された場合には,電機子の磁性体歯14と磁性体突極21,22間には空隙が有るので界磁制御磁気ヨーク1c側への分流磁束が支配的となって磁性体歯14側への界磁磁束42は微小となる。
For example, the field
本実施例では第一延長部18,第二延長部91,界磁制御磁気ヨーク1c等で形成する磁路中に磁気抵抗を大とする分流制御空隙92を配置して永久磁石25,26が発生する界磁磁束を電機子14側に集中させている。分流制御空隙92の長さを大にすれば,永久磁石25,26が発生する界磁磁束を電機子14側に集中させる事が出来るが,界磁制御コイル1bが発生させる界磁制御磁束の生成効率が落ちる。分流制御空隙92で管理すべきパラメータは分流制御空隙92の空隙長及び断面積であり,永久磁石25,26が発生する界磁磁束を磁性体歯14側及び界磁制御磁気ヨーク1c側に分割する比率,界磁制御磁束の発生効率等を勘案して決定する。
In this embodiment, the
分流制御空隙92のパラメータを適切に決める事により,常時は永久磁石25,26が発生する界磁磁束により回転電機を動作させ,界磁磁束に過不足が有る場合に界磁制御コイル1bに電流を供給して弱め界磁或いは強め界磁として回転電機が最適な条件で動作出来るよう制御する。
By appropriately determining the parameters of the
以上に図9,図10を用いて説明したように第二の実施例と第一の実施例とは界磁制御部の構成が異なるのみで電機子及び界磁回転子の磁極部構造は同一であり,第二実施例で示した回転電機は第一実施例と同様に強め或いは弱め界磁制御を行う電動機システム等を実現出来る。 As described above with reference to FIGS. 9 and 10, the second embodiment and the first embodiment are the same in the structure of the field control unit, but the magnetic pole part structure of the armature and the field rotor is the same. The rotary electric machine shown in the second embodiment can realize an electric motor system or the like that performs strong or weak field control as in the first embodiment.
本発明による第三実施例を図11から図14を用いて説明する。第三の実施例は第一の実施例に於いて,磁性体突極の構造を変えたのみでその他の構成は同じである。以下では第一の実施例と異なっている部分に集中して説明する。図11は電機子と回転子との構成を示す断面図,図12は界磁磁束の流れる方向を示す回転子の断面図,図13は界磁磁束の流れる方向を示す永久磁石近傍の断面図,図14は界磁磁束と界磁制御磁束の流れる方向を示す永久磁石近傍の断面図である。 A third embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. The third embodiment is the same as the first embodiment except that only the structure of the magnetic salient pole is changed. In the following, the explanation will be focused on the parts different from the first embodiment. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of the armature and the rotor, FIG. 12 is a cross-sectional view of the rotor showing the direction of flow of the field magnetic flux, and FIG. 13 is a cross-sectional view of the vicinity of the permanent magnet showing the direction of flow of the field magnetic flux. FIG. 14 is a cross-sectional view of the vicinity of the permanent magnet showing the flow direction of the field magnetic flux and the field control magnetic flux.
図11は電機子及び回転子の断面図を示す。磁性体突極を除く回転子の構成及び電機子の構成は図2に示した第一の実施例とほぼ同じであり,機能形状の同じ部材には同一の番号を付している。同一部分の詳細な説明は省略する。 FIG. 11 shows a sectional view of the armature and the rotor. The configuration of the rotor and the configuration of the armature excluding the magnetic salient poles are almost the same as those in the first embodiment shown in FIG. 2, and the same reference numerals are given to the members having the same functional shape. Detailed description of the same part is omitted.
図11に示した回転子の磁極部構造は図2に示した第一の実施例の構造とは異なる。回転子は磁性体歯と径方向に空隙を挟んで対向し,軸方向に伸び,周方向に配列された複数の磁性体突極及び磁性体突極の側面間に永久磁石を配置して構成される磁極部を有し,相互の関係を説明する為にそれらの一部に番号を付して示している。回転子の主要部は隣接する磁性体突極111,112と,磁性体突極間の永久磁石113と,磁性体突極を構成する磁性体間の磁性体結合部114と,磁気空隙115と,制御磁束磁路116とから構成され,図1に図示した回転子の磁極部17に対応している。永久磁石113中に示した矢印は磁化方向を示している。
The magnetic pole part structure of the rotor shown in FIG. 11 is different from the structure of the first embodiment shown in FIG. The rotor is composed of a plurality of magnetic salient poles that are opposed to the magnetic teeth with a gap in the radial direction, extend in the axial direction, and are arranged in the circumferential direction, and permanent magnets are arranged between the sides of the magnetic salient poles. In order to explain the mutual relationship, some of them are numbered and shown. The main part of the rotor includes adjacent magnetic
磁性体突極111,112の先端部は隣接する磁性体突極111,112で異なる磁化が現れるように隣り合う永久磁石113は周方向の磁化方向を反転させて配置されている。更に磁性体突極111,112を磁化方向により2グループに分け,磁性体突極111を含むグループの磁性体突極は第一延長部18とし,磁性体突極112を含むグループの磁性体突極は第二延長部19として軸方向の異なる方向に延長している。
The
磁性体突極111,112,磁性体結合部114は珪素鋼板を型で打ち抜いた後,積層して構成している。磁性体結合部114は永久磁石113の磁束により容易に磁気飽和して磁性体突極111,112を磁気的に分離するよう径方向の長さを小さく設定している。磁気空隙115は電気抵抗の大きな非磁性材料である樹脂を充填している。
The magnetic
制御磁束磁路116は等方性で飽和磁束密度の高い鉄板で形成している。磁性体突極111,112を形成する珪素鋼板は軸方向に積層するので軸方向の磁気抵抗は高いので制御磁束磁路116として鉄板を内径側に配置して軸方向の磁気抵抗を減少させ,空きスペースを利用して断面積を大にして界磁制御磁束の通過を容易にしている。
The control magnetic flux
図12は回転子の断面図と界磁磁束の流れる方向を示している。但し,回転子が単独で存在する場合の界磁磁束の流れる方向であって,回転電機として組み込まれて外周側に電機子が存在する場合は,電機子の磁性体歯14は磁性体で構成されるので界磁磁束の分布は電機子側に偏り,さらに電機子と回転子の相対位置に応じて磁束の分布は変化する。同図に於いて,番号121,122は界磁磁束を示し,矢印が界磁磁束の流れる方向を示す。矢印は磁束が永久磁石のN極から出てS極に入ると規定して磁束の流れるする方向を示している。磁性体突極111,112間に配置された永久磁石113は周方向の磁化を持ち,隣接する永久磁石113毎に磁化方向は反転されているので永久磁石113から漏洩する磁束は番号121,122で示すように隣り合う磁性体突極111,112で先端部の磁化方向を反転させている。
FIG. 12 shows a sectional view of the rotor and the direction in which the field magnetic flux flows. However, in the case where the field magnetic flux flows in the case where the rotor is present alone and is incorporated as a rotating electric machine and the armature is present on the outer peripheral side, the armature
図13は永久磁石113近傍に於ける界磁磁束の流れる方向を示す。界磁磁束は番号122で示す他に番号131で示すように磁性体結合部114を通る界磁磁束が存在し,磁性体結合部114を磁気的に飽和させる。磁性体結合部114は径方向に短く設定してあるので界磁制御磁束の方向に拘わらず磁気的な飽和状態を維持し,飽和状態にある磁性体の比透磁率は空気とほぼ同じになるので隣接する磁性体突極111,112間を磁気的に短絡することはない。磁性体突極111,112間の永久磁石113を含む間隔は磁性体歯14と磁性体突極111,112間の空隙より十分に大として界磁制御磁束の漏洩量を少なく抑える。
FIG. 13 shows the direction in which the field magnetic flux flows in the vicinity of the
回転子の磁極部は主に珪素鋼板の積層体で構成され,珪素鋼板に形成されたスロットを磁束バリアとなる磁気空隙115とし,永久磁石113を埋め込んでいるので機械的には強固に形成されている。磁性体突極111,112は珪素鋼板で占められて周方向に磁束が通りやすく,磁性体突極111,112間の磁気空隙115は周方向に磁束の通りにくい磁束バリアとしてリラクタンストルクを利用する電動機に適した構造である。磁気空隙115のほぼ全体を永久磁石113が占める構造としてさらに磁束バリアの効果を高める構造も可能である。
The magnetic pole part of the rotor is mainly composed of a laminated body of silicon steel plates, and slots formed in the silicon steel plates are used as
図14は界磁制御磁束の流れる方向と永久磁石113の磁化方向との関係を示す為の図で隣接する磁性体突極111,112及び永久磁石113の断面図を示す。図14(a)は界磁制御磁束が界磁磁束122を強める場合,図14(b)は界磁制御磁束が界磁磁束122を弱める場合を示す。
FIG. 14 is a diagram for illustrating the relationship between the flow direction of the field control magnetic flux and the magnetization direction of the
図14(a)では界磁制御磁気ヨーク1c側から磁性体突極111側へ界磁制御磁束が流れ,磁性体突極112側から界磁制御磁気ヨーク1c側に界磁制御磁束が流れる場合である。界磁制御磁束の方向は永久磁石113を逆励磁する方向であるので番号141,142で示すように電機子側に流れて界磁磁束122を強めることになる。永久磁石113は界磁制御磁束141,142を分離する役割を果たしている。永久磁石113は逆励磁されることになるが,永久磁石113は界磁磁束122で示す磁路を常に有するので減磁される懸念は無い。
In FIG. 14A, the field control magnetic flux flows from the field control magnetic yoke 1c side to the magnetic
永久磁石113を介して強め界磁の界磁制御磁束が短絡される事はないが,永久磁石113の比透磁率はほぼ空気と同じであり,永久磁石113の周方向長さが小の場合はその間を界磁制御磁束が漏洩する可能性がある。回転電機の仕様によって異なるが,例えば磁性体歯14と磁性体突極111,112間の径方向空隙は0.3ないし0.5ミリメートル程度に設定されるので永久磁石113の周方向長さを5ミリメートル程度に設定して界磁制御磁束の漏洩を無視出来る程度とする。ただ,上記の永久磁石113の周方向長さ設定は望ましい実施例であって上記の数値より小の周方向長さの永久磁石で性能が得られない訳ではない。
Although the field control magnetic flux of the strong field is not short-circuited via the
図13を参照して説明したように磁気的に飽和させられている磁性体結合部114に界磁制御磁束が流れようとするが,界磁制御磁束は界磁磁束131と同じ方向で更に磁気的な飽和を深める方向であり,磁性体結合部114が界磁制御磁束を短絡させることはない。
As described with reference to FIG. 13, the field control magnetic flux tends to flow through the magnetically saturated
図14(b)では界磁制御磁気ヨーク1c側から磁性体突極112側へ界磁制御磁束が流れ,磁性体突極111側から界磁制御磁気ヨーク1c側に界磁制御磁束が流れる場合である。永久磁石113の磁化方向と界磁制御磁束の流れる方向は同じとなるので永久磁石113が発生する磁束は界磁制御磁気ヨーク1c側に分流する。番号143は界磁制御磁気ヨーク1c側に分流する分流磁束を示し,永久磁石113は磁気的にほぼ飽和しているので発生する総磁束量の変化は小さく,この分流磁束143量にほぼ比例して界磁磁束122は減少する。番号144,145は界磁磁束122の減少分を界磁制御磁束として等価的に示している。
In FIG. 14B, the field control magnetic flux flows from the field control magnetic yoke 1c side to the magnetic
以上に図11から図14を用いて説明したように第三の実施例と第一の実施例とは磁極部構造が異なるのみで界磁制御部の構成は同一であり,第三実施例で示した回転電機は第一実施例と同様に図8に示したブロック図にしたがって,定電圧発電機システム,強め或いは弱め界磁制御を行う電動機システム等を実現出来る。 As described above with reference to FIGS. 11 to 14, the third embodiment is different from the first embodiment only in the structure of the magnetic pole portion, and the configuration of the field control unit is the same, and is shown in the third embodiment. As in the first embodiment, the rotating electrical machine can realize a constant voltage generator system, an electric motor system that performs strong or weak field control, and the like according to the block diagram shown in FIG.
第一,第三実施例に於いて,磁性体突極及び磁性体突極周辺の形状,永久磁石形状等が異なるが,第三実施例に於ける永久磁石と,第一実施例に於ける両側面に永久磁石板を持つ中間磁性体突極とは界磁磁束及び界磁制御磁束に関する磁気回路の観点からはほぼ等価である。両者の形状,寸法等の差はリラクタンストルクを如何に効率よく利用出来る形状とするか,或いは回転子を如何に製造しやすい形状とするかの差に帰結する。また第一の実施例に於いて中間磁性体突極の両側面に配置した永久磁石板はV字状に配置したが,永久磁石板の間の交差角度は磁束バリアの効果に影響し,それぞれ回転電機システムの仕様により最適な値は存在する。第三実施例の磁性体突極間の空隙部までを永久磁石とする構成も可能であり,上記の第一,第三の実施例に関する記述が本発明の範囲を限定する訳ではない。 In the first and third embodiments, the magnetic salient pole, the shape around the magnetic salient pole, the shape of the permanent magnet, etc. are different, but the permanent magnet in the third embodiment and the first embodiment are different. An intermediate magnetic salient pole having permanent magnet plates on both sides is substantially equivalent from the viewpoint of a magnetic circuit related to a field magnetic flux and a field control magnetic flux. The difference in shape and size between the two results in a difference in how efficiently the reluctance torque can be used, or how the rotor can be easily manufactured. In the first embodiment, the permanent magnet plates arranged on both side surfaces of the intermediate magnetic salient pole are arranged in a V shape. However, the crossing angle between the permanent magnet plates affects the effect of the magnetic flux barrier. There is an optimum value depending on the system specifications. A configuration in which the gap between the magnetic salient poles of the third embodiment is a permanent magnet is also possible, and the description relating to the first and third embodiments does not limit the scope of the present invention.
本発明による第四実施例を図15から図18を用いて説明する。第一の実施例では界磁制御部を回転子内に配置したが,第四の実施例は界磁制御部を回転子の両端のハウジング側に配置している。第四の実施例は第一の実施例に於いて界磁制御部の構成を変えたのみでその他の構成は同じである。以下では第一の実施例と異なっている部分に集中して説明する。図15は第四の実施例の回転電機の縦断面図,図16は電機子と回転子との構成を示す断面図,図17は回転子と界磁制御部を示す斜視図,図18は界磁制御磁束の流れる方向を示す回転子と界磁制御部を示す斜視図である。 A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the first embodiment, the field control unit is disposed in the rotor, but in the fourth embodiment, the field control unit is disposed on the housing side at both ends of the rotor. The fourth embodiment is the same as the first embodiment except that the configuration of the field controller is changed. In the following, the explanation will be focused on the parts different from the first embodiment. 15 is a longitudinal sectional view of a rotating electric machine according to the fourth embodiment, FIG. 16 is a sectional view showing the configuration of the armature and the rotor, FIG. 17 is a perspective view showing the rotor and the field control unit, and FIG. 18 is a field control magnetic flux. It is a perspective view which shows the rotor and field controller which show the direction which flows.
図15は永久磁石励磁及び電流励磁を併用する界磁部を回転子とする回転電機を示し,回転軸11がベアリング13を介してハウジング12に回動可能に支持されている。電機子はハウジング12に固定された円筒状磁気ヨーク15と,該円筒状磁気ヨーク15から径方向に延びる複数の磁性体歯14と,該磁性体歯14に巻回された電機子コイル16とから構成されている。回転子は磁極部17が回転軸11と一体的に回転するよう支持体157を介して回転軸11に固着されている。磁極部17は珪素鋼板の積層体で構成され,軸方向に延び,図16に示すように6個の磁性体突極から成る。更に磁性体突極を磁化方向により2グループに分けてそれぞれの磁性体突極グループの第一延長部151及び第二延長部152を形成されている。ハウジング12に固定され,回転軸11を周回する界磁制御磁気ヨーク153,154と,界磁制御コイル155,156とで界磁制御部が構成されている。界磁制御磁気ヨーク153,154の内周端はそれぞれ回転子の第一延長部151及び第二延長部152と空隙を挟んで対向し,界磁制御磁気ヨーク153,154の外周端は円筒状磁気ヨーク15にそれぞれ結合されている。
FIG. 15 shows a rotating electrical machine having a rotor with a field part that uses both permanent magnet excitation and current excitation. A rotating
図16は図15のB−B’に沿う電機子及び回転子の断面図を示す。電機子の構成及び回転子の磁極部の構成は図2に示した第一の実施例とほぼ同じであり,機能形状の同じ部材には同一の番号を付している。同一部分の詳細な説明は省略する。 FIG. 16 is a sectional view of the armature and the rotor along B-B ′ in FIG. 15. The structure of the armature and the structure of the magnetic pole part of the rotor are almost the same as those of the first embodiment shown in FIG. 2, and the same reference numerals are given to members having the same functional shape. Detailed description of the same part is omitted.
図2に示す第一の実施例との主な相違点は番号157で示す回転子の支持体である。図15を用いて説明したように界磁制御部を構成する界磁制御磁気ヨーク及び界磁制御コイルは回転子両端のハウジング側に配置されている。界磁制御部の構成は更に図15,図17を用いて説明される。
The main difference from the first embodiment shown in FIG. 2 is the support for the rotor indicated by
図17は第四実施例の回転電機システムに於ける回転子及び界磁制御部の構成を示す斜視図である。理解を容易にする為に磁性体突極21,22等を有する中心部と第一延長部151,第二延長部152を離して示し,ハウジング側に配置された界磁制御部を構成する界磁制御磁気ヨーク153,154,界磁制御コイル155を示している。
FIG. 17 is a perspective view showing the configuration of the rotor and the field controller in the rotating electrical machine system of the fourth embodiment. In order to facilitate understanding, a field control magnetic yoke constituting a field control unit disposed on the housing side is shown by separating the central portion having the magnetic
第一延長部151は磁性体突極21の延長部分となる磁性体突部171と環状磁性体部172とを有し,環状磁性体部172は界磁制御磁気ヨーク153の内周部と空隙を介して対向している。第二延長部152は磁性体突極22の延長部分となる磁性体突部173と環状磁性体部174とを有し,環状磁性体部174は界磁制御磁気ヨーク154の内周部と空隙を介して対向している。番号175は非磁性体部分を示す。
The
第一延長部151の磁性体突部171及び環状磁性体部172,第二延長部152の磁性体突部173及び環状磁性体部174は鉄板から鍛造で形成し,非磁性体部分175は磁性を持たないステンレススチールで構成している。
The
界磁制御部は回転子両端のハウジング12側に配置され,回転軸11を周回する界磁制御磁気ヨーク153,154と界磁制御コイル155,156とで構成されている。界磁制御磁気ヨーク153,154の内周部は回転子の第一延長部151の環状磁性体部172,第二延長部152の環状磁性体部174とそれぞれ空隙を挟んで対向し,界磁制御磁気ヨーク153,154の外周部は円筒状磁気ヨーク15の両端にそれぞれ結合されている。界磁制御コイル155,156は図15,17に示されるよう界磁制御磁気ヨーク153,154に巻回されている。すなわち,界磁制御磁気コイル155は界磁制御磁気ヨーク153,磁性体歯14,磁性体突極21,第一延長部151で構成する磁路と鎖交し,界磁制御磁気コイル156は界磁制御磁気ヨーク154,磁性体歯14,磁性体突極22,第二延長部152で構成する磁路と鎖交している。
The field control unit is disposed on the
図18は界磁制御部が発生させる界磁制御磁束の流れる方向を示す図で図17に示した回転子と界磁制御部を示す斜視図に界磁制御磁束181及び界磁制御磁束182の流れる方向を示している。界磁制御磁束181は界磁制御磁気ヨーク153の内周部から第一延長部151の環状磁性体部172及び磁性体突部171,磁性体突極21,磁性体歯14,円筒状磁気ヨーク15,界磁制御磁気ヨーク153の外周部へと流れ,界磁制御磁束182は界磁制御磁気ヨーク154の外周部から円筒状磁気ヨーク15,磁性体歯14,磁性体突極22,第二延長部152の磁性体突部173及び環状磁性体部174,界磁制御磁気ヨーク154の内周部へと流れる事が示されている。それぞれの矢印が界磁制御磁束の流れる方向を示す。
18 is a diagram showing the flow direction of the field control magnetic flux generated by the field control unit. The perspective view of the rotor and the field control unit shown in FIG. 17 shows the flow direction of the field control
磁性体突極21,22を含む磁極部の構成は図2に示した第一の実施例と同じであり,弱め界磁及び強め界磁を実現する場合に永久磁石板24,25,26,27が界磁制御磁束の流れる方向を制御する役割も同じであり,再度の説明は省略する。
The configuration of the magnetic pole portion including the magnetic
磁性体突極21,22から磁性体歯14に出入りする界磁制御磁束の流れる方向が互いに逆方向となるよう界磁制御コイル155,156は直列接続される。界磁制御コイル155,156によって生成される界磁制御磁束181,182は隣接する磁性体突極21,22内を互いに逆方向に流れるが,永久磁石板24,25,26,27は常に磁性体突極及び中間磁性体突極及び電機子の磁性歯等で構成する磁路を有しているので永久磁石板24,25,26,27が減磁されることは無い。
Field control coils 155 and 156 so that the direction of flow of a magnetic material
永久磁石板24,25,26,27には磁性体突極21,磁性体突極22,中間磁性体突極23,磁性体歯14を含む磁路と,磁性体突極21,第一延長部151,界磁制御磁気ヨーク153,円筒状磁気ヨーク15,界磁制御磁気ヨーク154,第二延長部152,磁性体突極22を含む磁路とが並列に接続されているので,永久磁石板24,25,26,27が発生する磁束は双方の磁路に流れる。それぞれの磁路の磁気抵抗は磁性体部分より空隙部分が支配的であるとして近似的に界磁制御部の空隙に於ける磁気抵抗が磁性体歯と磁性体突極間の空隙に於ける磁気抵抗より大に設定している。すなわち,界磁制御磁気ヨーク153と第一延長部151との間の空隙,界磁制御磁気ヨーク154と第二延長部152との間の空隙を分流制御空隙とし,界磁制御部の一部として分流制御空隙の長さ及び対向面積を規制して界磁磁束を磁性体歯側に集中させる手段としている。
The
空隙部に於ける磁気抵抗は空隙長を空隙部で対向する面積で除した値に比例するので界磁制御磁気ヨーク153と第一延長部151間の軸方向空隙長を界磁制御磁気ヨーク153と第一延長部151との対向面積で除した値を第一分流制御空隙磁気抵抗とし,界磁制御磁気ヨーク154と第二延長部152間の軸方向空隙長を界磁制御磁気ヨーク154と第二延長部152との対向面積で除した値を第二分流制御空隙磁気抵抗とし,磁性体突極21,22と磁性体歯14間の空隙長を磁性体突極21,22が磁性体歯14と対向する面積の総和で除した値の4倍を界磁空隙磁気抵抗として第一分流制御空隙磁気抵抗と第二分流制御空隙磁気抵抗との和が界磁空隙磁気抵抗より大になるよう分流制御空隙の長さ及び対向面積を設定し,永久磁石板24,25,26,27が発生する磁束が界磁制御磁気ヨーク153,154を含む磁路への分流量を小としている。上記の界磁空隙磁気抵抗は磁性体突極21,22それぞれが磁性体歯14と対向する面積は等しく,界磁磁束は磁性体突極21,22と磁性体歯14間の空隙の空隙を往復するとして規定している。
Since the magnetic resistance in the air gap is proportional to the value obtained by dividing the air gap length by the area facing the air gap, the axial air gap length between the field control
以上に図15から図18を用いて説明したように第四実施例は界磁制御磁束を発生させ,磁性体突極に供給する構成が第一実施例と異なるが,磁性体突極を磁化方向により隣接する磁性体突極21,22で代表する2グループに分けて磁性体突極21,22それぞれに方向の異なる界磁制御磁束を供給する趣旨は同一であり,回転電機を発電機とする動作,或いは電動機とする動作は同じであるので詳細な説明は省略する。
As described above with reference to FIGS. 15 to 18, the fourth embodiment differs from the first embodiment in that the field control magnetic flux is generated and supplied to the magnetic salient pole. The purpose of supplying field control magnetic fluxes having different directions to the magnetic
本発明による第五実施例を図19から,図21を用いて説明する。第一の実施例では界磁制御部を回転子内に配置したが,第五の実施例は界磁制御部を回転子の一端のハウジング側に配置している。第五の実施例は第一の実施例に於いて,界磁制御部の構成を変えたのみでその他の構成は同じである。以下では第一の実施例と異なっている部分に集中して説明する。図19は第五の実施例の回転電機の縦断面図,図20は電機子と回転子との構成を示す断面図,図21は回転子と界磁制御部を示す斜視図である。 A fifth embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the first embodiment has been arranged field control section in the rotor, the fifth embodiment is arranged to field control unit on the housing side of the one end of the rotor. The fifth embodiment is the same as the first embodiment except that the configuration of the field controller is changed. In the following, the explanation will be focused on the parts different from the first embodiment. FIG. 19 is a longitudinal sectional view of a rotating electric machine according to a fifth embodiment, FIG. 20 is a sectional view showing the structure of the armature and the rotor, and FIG. 21 is a perspective view showing the rotor and the field control unit.
図19は永久磁石励磁及び電流励磁を併用する界磁部を回転子とする回転電機を示し,回転軸11がベアリング13を介してハウジング12に回動可能に支持されている。電機子はハウジング12に固定された円筒状磁気ヨーク15と,該円筒状磁気ヨーク15から径方向に延びる複数の磁性体歯14と,該磁性体歯14に巻回された電機子コイル16とから構成されている。回転子は磁極部17,環状磁性体板191から構成される。界磁制御部はハウジング12側に配置された界磁制御磁気ヨーク193,界磁制御コイル194とから構成され,界磁制御磁気ヨーク193は環状磁性体板191と空隙を介して軸方向に対向している。番号192は磁極部17と一体に構成されて回転軸11に固定された円筒状磁性体部を,番号195は非磁性体部分を示す。
FIG. 19 shows a rotating electrical machine having a rotor with a field part that uses both permanent magnet excitation and current excitation. A rotating
図20は図19のC−C’に沿う電機子及び回転子の断面図を示す。電機子の構成及び回転子の磁極部17の構成は図2に示した第一の実施例とほぼ同じであり,機能形状の同じ部材には同一の番号を付している。同一部分の詳細な説明は省略する。
FIG. 20 shows a cross-sectional view of the armature and the rotor along C-C ′ of FIG. 19. Configuration of the armature structure and the rotor
図2に示す第一の実施例との主な相違点は番号201で示す磁性体突極22の延長部であり,界磁制御部である。界磁制御部の構成は図19,図21を用いて説明される。
The main difference from the first embodiment shown in FIG. 2 is an extension of the magnetic
図21は第五実施例の回転電機システムに於ける回転子及び界磁制御部の構成を示す斜視図である。理解を容易にする為に磁性体突極21,22等を有する中心部と環状磁性体板191を離して示し,ハウジング側に配置された界磁制御磁気ヨーク193,界磁制御コイル194を示している。番号11’は回転軸11を通す穴を示す。
FIG. 21 is a perspective view showing the configuration of the rotor and the field controller in the rotating electrical machine system of the fifth embodiment. In order to facilitate understanding, the central portion having the magnetic
環状磁性体板191は磁性体突極21の延長部分である磁性体突部211,磁性体突部211と一体の環状磁性体部212,円筒状磁性体部192と結合する円筒状磁気コア213,非磁性体部分214とから構成されている。
The annular
磁性体突極を磁化方向により磁性体突極21,22で代表する2グループに分けて磁性体突極21の第一延長部は一体として形成された磁性体突部211と環状磁性体部分212に相当し,磁性体突極22の第二延長部は延長部201及び円筒状磁性体部192及び環状磁性体板191の内周部の円筒磁気コア213に相当する。界磁制御磁気ヨーク193は外周部で環状磁性体部212と,内周部で円筒磁気コア213とそれぞれ空隙を挟んで対向し,界磁制御コイル194は環状磁性体部212,界磁制御磁気ヨーク193,円筒磁気コア213とで構成する磁路と鎖交するよう配置されている。
The magnetic body salient poles are divided into two groups represented by the magnetic body
回転子は磁性体突極21,22,磁性体結合部29,延長部201,円筒状磁性体部192は一体で,珪素鋼板を型で打ち抜いた後,積層して構成している。非磁性体部分195は熱硬化性の樹脂が充填されている。
In the rotor, the magnetic
制御磁束磁路28は飽和磁束密度の高い鉄板で形成している。環状磁性体板191は磁性体突部211及び環状磁性体部212,円筒磁気コア213はそれぞれ鉄を鍛造で加工し,非磁性体部分214を磁性を持たないステンレススチールで構成している。
The control magnetic flux
界磁制御部はハウジング12に固定され,内外周部分をそれぞれ円筒磁気コア213,環状磁性体部212と空隙を挟んで対向する界磁制御磁気ヨーク193と界磁制御コイル194とで構成されている。界磁制御磁束は界磁制御コイル194に電流を供給して発生され,界磁制御磁気ヨーク193の内外周端に対向する円筒磁気コア213,環状磁性体部212を介してそれぞれ磁性体突極22,21に供給される。
The field control unit is fixed to the
磁性体突極21,22を含む磁極部の構成は図2に示した第一の実施例と同じであり,弱め界磁及び強め界磁を実現する場合に永久磁石板24,25,26,27が界磁制御磁束の流れる方向を制御する役割も同じであり,再度の説明は省略する。
The configuration of the magnetic pole portion including the magnetic
永久磁石板24,25,26,27には磁性体突極21,磁性体突極22,中間磁性体突極23,磁性体歯14を含む磁路と,磁性体突極21,環状磁性体部212,界磁制御磁気ヨーク193,円筒磁気コア213,磁性体突極22を含む磁路とが並列に接続されているので,永久磁石板24,25,26,27が発生する磁束は双方の磁路に流れる。それぞれの磁路の磁気抵抗は磁性体部分より空隙部分が支配的であるとして近似的に界磁制御部の空隙に於ける磁気抵抗が磁性体歯と磁性体突極間の空隙に於ける磁気抵抗より大に設定している。すなわち,界磁制御磁気ヨーク193と環状磁性体部212間の空隙を分流制御空隙とし,界磁制御部の一部として分流制御空隙の長さ及び対向面積を規制して界磁磁束を磁性体歯側に集中させる手段としている。
The
空隙部に於ける磁気抵抗は空隙長を空隙部で対向する面積で除した値に比例するので界磁制御磁気ヨーク193と環状磁性体板191間の空隙長を界磁制御磁気ヨーク193と環状磁性体部212との対向面積で除した値及び界磁制御磁気ヨーク193と円筒磁気コア213間の空隙長を界磁制御磁気ヨーク193と円筒磁気コア213との対向面積で除した値との和を分流制御空隙磁気抵抗とし,磁性体突極21,磁性体突極22と磁性体歯14間の空隙長を磁性体突極21,磁性体突極22が磁性体歯14と対向する面積の総和で除した値の4倍を界磁空隙磁気抵抗とし,分流制御空隙磁気抵抗が界磁空隙磁気抵抗より大に設定して永久磁石板24,25,26,27が発生する磁束が界磁制御磁気ヨーク193を含む磁路への分流量を小としている。
Field control magnetic yoke 193 a gap length between the field control
第五の実施例では界磁制御磁気ヨーク193の内外周端と円筒磁気コア213,環状磁性体部212間に働く磁気吸引力により回転子は図19の右方向への力を受けるが,第四の実施例に比して界磁制御コイルが一つで済む利点がある。更に第四の実施例では第一延長部,第二延長部と界磁制御磁気ヨーク間の空隙長の差により第一延長部,第二延長部に供給される界磁制御磁束がアンバランスとなる可能性があるが,第五の実施例では界磁制御磁束がアンバランスとなる事は無い。
In the fifth embodiment, the rotor receives a force in the right direction in FIG. 19 due to the magnetic attractive force acting between the inner and outer peripheral ends of the field control
以上に図19から図21を用いて説明したように第五実施例は第一実施例と界磁制御磁束を発生させ,磁性体突極に供給する構成が異なるが,磁性体突極を磁化方向により磁性体突極21,22で代表する2グループに分けて磁性体突極21,22それぞれに方向の異なる界磁制御磁束を供給する趣旨は同一であり,回転電機を発電機とする動作,或いは電動機とする動作は同じであるので詳細な説明は省略する。
As described above with reference to FIGS. 19 to 21, the fifth embodiment differs from the first embodiment in that the field control magnetic flux is generated and supplied to the magnetic salient pole, but the magnetic salient pole depends on the magnetization direction. The purpose of supplying field control magnetic fluxes having different directions to the magnetic
本発明による第六実施例を図22を用いて説明する。第六実施例は第一実施例の回転電機装置をハイブリッドカーの発電機兼電動機として用いた回転電機システムである。 A sixth embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. The sixth embodiment is a rotating electrical machine system using the rotating electrical machine apparatus of the first embodiment as a generator / motor of a hybrid car.
同図に於いて,番号221は第一の実施例で示した回転電機装置を示し,回転電機装置221はハイブリッドカーのエンジン222とベルトで回転力を伝達するよう結合された回転軸229を持ち,回転軸229の回転力はトランスミッション223を介して駆動軸22aに伝えられる。制御装置224は上位制御装置からの指令22bを受け,電動機駆動回路225を介して回転電機装置221を電動機として駆動し,界磁制御回路226を介して回転電機装置221の界磁強度を制御する。更に制御装置224は上位制御装置からの指令22bを受け,電機子コイル16の引き出し線22cに現れる発電電力を整流回路227を介して整流し,バッテリー228を充電する構成としている。
In the figure,
制御装置224は指令22bの指示により電動機駆動回路225を介して回転電機装置221を電動機として駆動し,エンジン222の回転をアシスト或いは単独で回転軸229を回転駆動させ,トランスミッション223,駆動軸22aを介してハイブリッドカーの駆動力に寄与する。起動直後の低回転速度域で磁石トルクを強化する必要がある場合は制御装置224が界磁制御回路226を介して電機子の磁性体歯14,回転子の磁性体突極21,22間の界磁強度を大とする電流を界磁制御コイル1bに供給し,高回転速度域で弱め界磁とする場合には制御装置224が界磁制御回路226を介して電機子の磁性体歯14,回転子の磁性体突極21,22間の界磁強度を小とする電流を界磁制御コイル1bに供給する。
The
エンジン222の回転力のみでハイブリッドカーを駆動できる時は,指令22bにより電機子コイル16の引き出し線22cに現れる発電電力を整流回路227を介して直流に変え,バッテリー228を充電させる。その場合に制御装置224はバッテリー228を充電する最適な電圧になるよう界磁制御回路226を介して界磁制御コイル1bに供給する電流を制御する。バッテリー228に充電する場合に回転電機装置を定電圧発電機とする事で発電電圧を変換するコンバータは不要である。また,更にバッテリー228が電圧の種類の異なる複数種のバッテリーで構成される場合でも切り替え回路を付け加えてそれぞれのバッテリーに最適の発電電圧に制御する事で高価なコンバータを不要に出来る。
When the hybrid car can be driven only by the rotational force of the
第六実施例はまたハイブリッドカーの制動時に於けるエネルギー回収システムとしても有効に機能する。指令22bを通じて回生制動の指示を受けると,制御装置224は電機子の磁性体歯14,回転子磁性体突極21,22間の界磁強度を大とする電流を界磁制御コイル1bに供給し,発電電力でバッテリー228に充電させる。複数のバッテリー228を有する場合には最も充電余力のあるバッテリー228の充電電圧に合わせた発電電圧が得られるよう界磁制御回路226を介して界磁制御コイル1bに供給する電流を制御して電機子の磁性体歯14,回転子磁性体突極21,22間の界磁強度を制御する。回転電機装置221は駆動用電動機として用いられる体格であるので回生制動用の発電機として十分な制動力を発生できる。
The sixth embodiment also functions effectively as an energy recovery system during braking of the hybrid car. When receiving the regenerative braking instruction through the
以上,実施例を用いて詳細に構成及び動作を説明したように,本発明の趣旨は磁石励磁と電流励磁の併用を可能にして回転子と電機子間の界磁強度を容易に制御可能とする回転電機システムを提供する事である。提案した回転電機システムで界磁制御磁束は回転子に配置された界磁用永久磁石の特性を損なうこと無く,電機子と回転子間の界磁強度を制御出来,磁石トルク及びリラクタンストルクを利用する広範な回転電機システムに適用可能でこれらの回転電機システムを最適の条件で運用することを可能にした。 As described above in detail with reference to the embodiment, the gist of the present invention is that the magnet strength and the current excitation can be used together to easily control the field strength between the rotor and the armature. To provide a rotating electrical machine system. In the proposed rotating electrical machine system, the field control magnetic flux can control the field strength between the armature and the rotor without impairing the characteristics of the permanent magnet for the field placed in the rotor, and can use a wide range of magnet torque and reluctance torque. It can be applied to various rotating electrical machine systems, and these rotating electrical machine systems can be operated under optimum conditions.
磁石トルク及びリラクタンストルクを利用する従来の電動機では弱め界磁をソフト制御により実現しているが,本発明による回転電機では同じソフト制御により弱め界磁を実現出来,さらに界磁制御コイルへの電流制御を併用して弱め界磁制御範囲の拡大及び強め界磁制御を実現出来る。また,従来のソフトによる弱め界磁制御では電機子部での渦電流損による発熱を招き,各種パラメータの監視も含めてソフトの肥大化と不安定性は大きな問題であったが,本発明の趣旨により界磁制御を界磁制御コイルへの電流制御のみとすればソフトの肥大化及び不安定性の問題は解決出来る。また,さらにコストの高い回転位置検出器を排してセンサレス駆動導入を容易に出来る利点がある。 Is realized by software control field weakening in the conventional motor using a magnet torque and reluctance torque, but in the rotating electrical machine according to the present invention can realize the field weakening by the same software control, current control to the further field control coil In combination, the field-weakening control range can be expanded and field-enhancing control can be realized. In addition, conventional field-weakening control by software causes heat generation due to eddy current loss in the armature, and the enlargement and instability of the software, including monitoring of various parameters, have been a major problem. If only the current control to the field control coil is used, the problem of soft enlargement and instability can be solved. Further, there is an advantage that it is possible to easily introduce a sensorless drive by eliminating a costly rotational position detector.
上記実施例は、本発明の趣旨,目的の範囲内で種々の改善,変更は可能であり,上記の実施例が発明の範囲を限定する訳では無い。例えば,上記実施例では界磁回転子を電機子の内側に配置したが,界磁回転子を電機子の外周側に配置する構造も可能である。電機子コイルに関しては,上記実施例で6個の磁性体突極,9個の磁性体歯と電機子コイルの構成を採用したが,これは一例を示したのみで種々の組み合わせが可能である。また,上記実施例で電機子コイルはそれぞれの磁性体歯に集中的に巻回されていたが,電機子コイルが複数の磁性体歯にまたがって巻回されてもよく,目的とする電動機,発電機の仕様に従って多様な構成が可能である。 The above examples spirit of the present invention, various improvements in the range of interest, modifications are possible, not necessarily above embodiments to limit the scope of the invention. For example, in the above embodiment, the field rotor is disposed inside the armature, but a structure in which the field rotor is disposed on the outer peripheral side of the armature is also possible. Regarding the armature coil, the configuration of 6 magnetic salient poles, 9 magnetic teeth and armature coil is adopted in the above embodiment, but this is only an example and various combinations are possible. . In the above embodiment, the armature coil is intensively wound around each magnetic tooth, but the armature coil may be wound across a plurality of magnetic teeth, Various configurations are possible according to the generator specifications.
本発明による回転電機システムは従来の磁石トルク,リラクタンストルクを利用する回転電機の構造を変えて回転子と電機子間の界磁強度を容易に制御可能とした。同回転電機システムは従来の回転電機と同様に高出力の電動機として利用できる事に加えて実用出来る回転速度範囲を拡大し,更に発電機能を改善し,またその発電機能を制御できる。 The rotary electric machine system according to the present invention was readily controlled field strengthening degree between conventional magnet torque, the rotor and by changing the structure of the rotary electric machine that utilizes reluctance torque armature. In addition to being able to be used as a high-output motor like the conventional rotating electrical machine, the rotating electrical machine system can expand the practical rotational speed range, further improve the power generation function, and control the power generation function.
移動体の発電機兼電動機システムに用いて,駆動用電動機としては従来以上の回転速度範囲での使用が期待できる他に制動時のエネルギー回収を可能として総合的なエネルギー消費量を改善できる。 It can be used in a generator / motor system for a moving body, and it can be expected to be used in a range of rotational speeds higher than that of a conventional driving motor. In addition, it can recover energy during braking and improve overall energy consumption.
更に定電圧発電機システムとして広い回転速度範囲で発電電圧を一定に制御できるので定電圧制御回路を不要とし,更に電圧の異なる複数種のバッテリー充電にもコンバータを不要に出来,全体のシステムコストを低減出来る。 In addition, the constant voltage generator system can control the generated voltage uniformly over a wide rotational speed range, eliminating the need for a constant voltage control circuit, and eliminating the need for a converter for charging multiple types of batteries with different voltages, reducing the overall system cost. It can be reduced.
11・・・回転軸, 12・・・ハウジング,
13・・・ベアリング, 14・・・磁性体歯,
15・・・円筒状磁気ヨーク, 16・・・電機子コイル,
17・・・磁極部, 18・・・第一延長部,
19・・・第二延長部, 1a・・・支持体,
1b・・・界磁制御コイル, 1c・・・界磁制御磁気ヨーク,
1d・・・磁束分流制御手段, 1e・・・スリップリング,
1f・・・ブラシ, 1g・・・冷却ファン
21,22・・磁性体突極, 23・・・中間磁性体突極,
24,25,26,27・・永久磁石板,
28・・・制御磁束磁路, 29・・・磁性体結合部,
2a・・・磁気空隙, 2b・・・可飽和磁性体結合部
31・・・磁性体突部, 32・・・環状磁性体板,
33・・・環状磁性体部, 34・・・円筒状磁気コア,
35・・・非磁性体部
41,42・・界磁磁束
51・・・界磁磁束, 52・・・磁気空隙
61,62,64,65・・界磁制御磁束,
63・・・分流磁束
71・・・可動環状鉄板, 72・・・スプリング,
73・・・ケース
81・・・回転電機, 82・・・入力,
83・・・出力, 84・・・状態信号,
85・・・制御装置, 86・・・制御信号
91・・・第二延長部, 92・・・分流制御空隙
101・・・磁性体突部, 102・・・環状磁性体部,
103・・・非磁性体部
111,112・・磁性体突極, 113・・・永久磁石,
114・・・磁性体結合部, 115・・・磁気空隙,
116・・・制御磁束磁路
121,122・・界磁磁束
131・・・界磁磁束
141,142,144,145・・界磁制御磁束,
143・・・分流磁束
151・・・第一延長部, 152・・・第二延長部,
153,154・・界磁制御磁気ヨーク, 155,156・・界磁制御コイル,
157・・・支持体
171,173・・磁性体突部, 172,174・・環状磁性体部,
175・・・非磁性体部分
181,182・・界磁制御磁束
191・・・環状磁性体板, 192・・・円筒状磁性体部,
193・・・界磁制御磁気ヨーク, 194・・・界磁制御コイル,
195・・・非磁性体部分
201・・・延長部
211・・・磁性体突部, 212・・・環状磁性体部,
213・・・円筒状磁気コア, 214・・・非磁性体部分
221・・・第一の実施例で示した回転電機装置,
222・・・ハイブリッドカーのエンジン,
223・・・トランスミッション, 224・・・制御装置,
225・・・電動機駆動回路, 226・・・界磁制御回路,
227・・・整流回路, 228・・・バッテリー,
229・・・回転軸, 22a・・・駆動軸,
22b・・・上位制御装置からの指令, 22c・・・電機子コイルの引き出し線
11 ... rotating shaft, 12 ... housing,
13 ... Bearings, 14 ... Magnetic teeth,
15 ... cylindrical magnetic yoke, 16 ... armature coil,
17 ... magnetic pole part, 18 ... first extension part,
19 ... second extension, 1a ... support,
1b: field control coil, 1c: field control magnetic yoke,
1d: magnetic flux shunt control means, 1e: slip ring,
1f ... brush, 1g ... cooling
24, 25, 26, 27 ... Permanent magnet plate,
28 ... Control magnetic flux magnetic path, 29 ... Magnetic material coupling part,
2a ... magnetic gap, 2b ... saturable magnetic
33 ... Annular magnetic body part, 34 ... Cylindrical magnetic core,
35...
63 ... Diverted magnetic flux 71 ... Moving annular iron plate, 72 ... Spring,
73 ...
83 ... Output, 84 ... Status signal,
85 ...
103...
114 ... magnetic material coupling part, 115 ... magnetic gap,
116: control magnetic flux
143 ... shunt
153, 154 .. Field control magnetic yoke, 155, 156 .. Field control coil,
157...
175...
193 ... Field control magnetic yoke, 194 ... Field control coil,
195:
213... Cylindrical magnetic core, 214...
222 ... Hybrid car engine,
223 ... transmission, 224 ... control device,
225 ... electric motor drive circuit, 226 ... field control circuit,
227 ... Rectifier circuit, 228 ... Battery,
229 ... rotating shaft, 22a ... drive shaft,
22b: Command from host controller, 22c: Armature coil lead wire
Claims (32)
The rotating electrical machine system is composed of at least a field rotor and an armature arranged concentrically with each other in the radial direction concentrically with a shaft and relatively rotatably arranged, and the armature is a cylindrical shape arranged and fixed on the stationary side. The magnetic rotor is composed of a magnetic yoke, a plurality of magnetic teeth extending in a radial direction from the cylindrical magnetic yoke, and an armature coil wound around the magnetic teeth. The teeth are opposed to each other with a gap in the radial direction and extend in the axial direction. Magnetic salient poles and permanent magnets or aggregated permanent magnets are alternately arranged in the circumferential direction, and adjacent magnetic salient poles are opposite to each other. A rotating electrical machine system in which the magnetization directions in the substantially circumferential direction of the permanent magnet or the assembly permanent magnet are alternately reversed so that the magnets are magnetized in the directions, and adjacent magnetic salient poles are magnetically independent from each other. First magnets with different magnetization directions The body salient poles and the second magnetic salient poles are alternately arranged in the circumferential direction, and each of the first magnetic salient pole and the second magnetic salient pole has a first extension part and a second extension part extending in different axial directions. And a field control magnetic yoke disposed on the outer periphery of the rotating shaft and comprising a field control magnetic yoke that contacts the first and second extensions at both ends of the field rotor, and a field control magnetic coil wound around the field control magnetic yoke. Magnetic flux shunt control means for limiting the shunting of the magnetic flux from the permanent magnet to the magnetic path by increasing the magnetic resistance of the magnetic path constituted by the first extension portion and the second extension portion and the field control magnetic yoke And a controller for controlling the field strength between the armature and the rotor by changing the current supplied to the field control coil in accordance with the output of the rotating electrical machine system and optimizing the output.
2. The rotating electrical machine system according to claim 1, wherein the magnetic flux shunt control means is a magnetic gap provided in a magnetic path formed by the first extension portion, the second extension portion, and the field control magnetic yoke. Electric system
2. The rotating electrical machine system according to claim 1, wherein the magnetic flux shunt control means includes a magnetic body and a movable magnetic body piece constituting a magnetic path in a magnetic path constituted by the first extension portion, the second extension portion, and the field control magnetic yoke. And a spring that urges the movable magnetic piece so that the gap becomes large, and magnetically attracts the movable magnetic piece in proportion to the amount of current flowing through the field control coil. rotating electric machine system, characterized in that the magnetic gap is disposed in the magnetic path so that a small and
2. The rotating electrical machine system according to claim 1, wherein the control magnetic flux magnetic path made of an isotropic magnetic material having a saturation magnetic flux density larger than the magnetic salient pole is in series with either the first extension portion or the second extension portion. A rotating electrical machine system characterized in that it extends in the axial direction adjacent to a portion of the magnetic salient pole away from the armature so as to be connected to
12. The rotary electric machine system according to claim 11, wherein a value obtained by dividing an axial gap length between the first extension portion and the field control magnetic yoke by a facing area between the first extension portion and the field control magnetic yoke, and the second extension portion and the field control. The sum of the axial gap length between the magnetic yokes divided by the facing area between the second extension and the field control magnetic yoke is the sum of the radial gap length between the magnetic salient pole and the magnetic teeth as the magnetic salient pole. A magnetic path composed of a first extension, a field control magnetic yoke, and an armature, and a second extension and a field control magnetic yoke are set to be greater than four times the value divided by the sum of the opposing areas of the magnetic teeth. And a magnetic flux diversion control means for restricting the magnetic flux from the permanent magnet to be diverted to a magnetic path formed by the armature and the armature
12. The rotating electrical machine system according to claim 11, wherein the control magnetic flux magnetic path composed of an isotropic magnetic material having a saturation magnetic flux density larger than that of the magnetic material salient pole is in series with either the first extension portion or the second extension portion. A rotating electrical machine system characterized in that it extends in the axial direction adjacent to a portion of the magnetic salient pole away from the armature so as to be connected to
21. The rotating electrical machine system according to claim 20, wherein a value obtained by dividing an axial gap length between the first extension and the field control magnetic yoke by a facing area between the first extension and the field control magnetic yoke, and the second extension and the field control. The sum of the axial gap length between the magnetic yokes divided by the facing area between the second extension and the field control magnetic yoke is the sum of the radial gap length between the magnetic salient pole and the magnetic teeth as the magnetic salient pole. The magnetic flux from the permanent magnet is set in a magnetic path constituted by the first extension part, the second extension part, and the field control magnetic yoke, and is set to be larger than four times the value divided by the sum of the opposing areas to the magnetic teeth. rotating electric machine system but which is characterized in that the magnetic flux shunt control means for limiting that to divert
21. The rotating electrical machine system according to claim 20, wherein the control magnetic flux magnetic path composed of an isotropic magnetic material having a saturation magnetic flux density larger than that of the magnetic material salient pole is in series with either the first extension portion or the second extension portion. A rotating electrical machine system characterized in that it extends in the axial direction adjacent to a portion of the magnetic salient pole away from the armature so as to be connected to
The rotating electrical machine system is composed of at least a field rotor and an armature arranged concentrically with each other in the radial direction concentrically with a shaft and relatively rotatably arranged, and the armature is a cylindrical shape arranged and fixed on the stationary side. The magnetic rotor is composed of a magnetic yoke, a plurality of magnetic teeth extending in a radial direction from the cylindrical magnetic yoke, and an armature coil wound around the magnetic teeth. The magnetic permanent magnets and the magnetic permanent magnets are alternately arranged in the circumferential direction, facing the teeth and extending in the axial direction, and the magnetic permanent magnets are adjacently magnetized in opposite directions. A rotating electrical machine system in which the magnetized directions in the substantially circumferential direction of the magnet are alternately reversed. The assembled permanent magnet is composed of an intermediate magnetic material salient pole and two permanent magnet plates perpendicular to the plate surface and having the same magnetization direction. The two permanent magnet plates are intermediate magnetic salient poles. The intermediate magnetic salient poles are arranged on both sides in the circumferential direction, and the intermediate magnetic salient poles have a shorter circumferential length on the side closer to the armature than the circumferential length on the far side from the armature. First magnetic salient poles and second magnetic salient poles that are magnetically independent and have different magnetization directions are alternately arranged in the circumferential direction, and each of the first magnetic salient pole and the second magnetic salient pole has a different axis. A field control magnetic yoke having a first extension portion and a second extension portion extending in the direction, arranged on the outer periphery of the rotating shaft and in contact with the first and second extension portions at both ends of the field rotor, and a field control magnetic yoke A magnetic field control unit composed of a wound field control magnetic coil, and a magnetic flux from the collective permanent magnet is shunted to a magnetic path composed of a first extension part, a second extension part, and a field control magnetic yoke. Magnets that increase the magnetic resistance of the magnetic path to limit Further comprising an air gap, to control the field strengthening degree between the armature and the rotor by changing the current supplied to the field control coil according to the output of the rotary electric machine system, a rotating electrical machine and a control device for optimizing the output system
The rotating electrical machine system is composed of at least a field rotor and an armature arranged concentrically with each other in the radial direction concentrically with a shaft and relatively rotatably arranged, and the armature is a cylindrical shape arranged and fixed on the stationary side. The magnetic rotor is composed of a plurality of magnetic teeth extending in a radial direction from a magnetic yoke and a cylindrical magnetic yoke, and an armature coil wound around the magnetic teeth. The field rotor is opposed to the magnetic teeth. The permanent magnet has a magnetic pole structure that extends in the axial direction and in which magnetic salient poles and permanent magnets or collective permanent magnets are alternately arranged in the circumferential direction, and adjacent magnetic salient poles are magnetized in opposite directions. Alternatively, in a rotating electrical machine system in which the magnetization directions in the substantially circumferential direction of the assembly permanent magnets are alternately reversed, the adjacent magnetic salient poles are magnetically independent from each other and the first magnetic salient poles having different magnetization directions from each other. And second magnetic salient poles alternate in the circumferential direction Sequence, group of a field control magnetic coil around the rotating shaft first magnetic salient pole field control magnetic coil to supply a field control magnetic flux of the different directions groups for each group of second magnetic body salient The magnetic path of the magnetic path for supplying the field control magnetic flux is made large to restrict the magnetic flux from the permanent magnet from being shunted to the magnetic path, and the first magnetic salient pole and the second magnetic body Magnetic field projection is performed by supplying field control magnetic flux in the direction of reverse excitation of the permanent magnet between the salient poles between the first magnetic salient pole and the second magnetic salient pole and superimposing the field control magnetic flux on the field flux generated by the permanent magnet. The magnetic flux flowing in the magnetic path composed of the poles and the magnetic teeth is increased, and the field control magnetic flux in the direction for exciting the permanent magnet between the first magnetic salient pole and the second magnetic salient pole in the forward direction Between the pole and the second magnetic salient pole By using the permanent magnet as the magnetic path of the field control magnetic flux, and changing the magnetic path through which the magnetic field flux generated by the permanent magnet flows, the magnetic salient pole Method for controlling magnetic flux between magnetic teeth
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