JP6589282B2 - Rotating electric machine - Google Patents
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Description
本発明は、ロータ側に交流電流を生成して界磁電流とする整流素子を配置する回転電機に関する。 The present invention relates to a rotating electrical machine in which a rectifying element that generates an alternating current to generate a field current is disposed on a rotor side.
回転電機は、各種駆動装置に駆動源として搭載されている。例えば、車載用の回転電機として、ロータ側に埋め込まれた永久磁石によるマグネットトルクを利用して大出力(大トルク)を得られるようにするIPMモータ( HYPERLINK "http://www.weblio.jp/content/Interior+Permanent+Magnet+Motor" \o "Interior Permanent Magnet Motorの意味" Interior Permanent Magnet Motor)が知られている。このようなIPMモータは、小型化や高出力化(高エネルギー密度化)の要求から、残留磁束密度が高く、耐熱性を確保できるネオジウム磁石を採用することが行われている。このネオジウム磁石は、Dy(ジスプロシウム)やTb(テルビウム)のように高価な希土類を添加するものであることからコスト高の要因になる。また、台数の増加に伴い将来に渡って供給を確保することが不安定になる可能性がある。 The rotating electrical machine is mounted as a drive source in various drive devices. For example, an IPM motor (HYPERLINK "http://www.weblio.jp") that can obtain a large output (large torque) using a magnet torque of a permanent magnet embedded on the rotor side as a rotating electrical machine for vehicles. / content / Interior + Permanent + Magnet + Motor "\ o" Meaning of Interior Permanent Magnet Motor "Interior Permanent Magnet Motor) is known. Such IPM motors employ a neodymium magnet that has a high residual magnetic flux density and can ensure heat resistance, in response to demands for miniaturization and high output (high energy density). This neodymium magnet is a high-cost factor because it adds expensive rare earth elements such as Dy (dysprosium) and Tb (terbium). Moreover, securing the supply for the future may become unstable as the number increases.
このことから、近年の回転電機では、永久磁石を電磁石に置き換えた巻線界磁同期モータが提案されており、この巻線界磁同期モータには、ロータ側コイルで発生させた誘導電流を界磁電流とする自励式が提案されている。 For this reason, in recent rotating electrical machines, a wound field synchronous motor in which a permanent magnet is replaced with an electromagnet has been proposed. In this wound field synchronous motor, an induced current generated by a rotor side coil is applied to the field. A self-excited type using a magnetic current has been proposed.
この自励式の巻線界磁同期モータ(回転電機)としては、例えば、特許文献1に記載されているように、ステータ側の電機子コイルに供給する交流の駆動電流の基本周波数よりも高い周波数の漏れ磁束(高調波磁束)をロータ側に配置するコイルに鎖交させるようになっている。 As this self-excited winding field synchronous motor (rotary electric machine), for example, as described in Patent Document 1, a frequency higher than the fundamental frequency of the AC drive current supplied to the armature coil on the stator side The leakage magnetic flux (harmonic magnetic flux) is linked to a coil arranged on the rotor side.
この特許文献1に記載の回転電機では、漏れ磁束を鎖交させる第1のコイルで交流の誘導電流を発生させつつ整流素子で半波整流して、別の第2のコイルを自己励磁させることにより電磁石を備えることができ、永久磁石に代えてマグネットトルクを利用することができる。 In the rotating electrical machine described in Patent Document 1, half-wave rectification is performed by a rectifying element while an alternating induction current is generated by a first coil that links leakage magnetic flux, and another second coil is self-excited. Thus, an electromagnet can be provided, and a magnet torque can be used instead of a permanent magnet.
しかしながら、この特許文献1に記載のような回転電機にあっては、直流電流で電磁石を形成するために、2つのダイオードを用いて複数個所に設置する第2のコイルをそれぞれ直列接続する回路構成としている。この回路構成では、ダイオードに対する負荷が大きいとともに、誘起電圧や巻線抵抗が高くなり、銅損が大きくなって変換効率が低下してしまう、という問題があった。 However, in the rotating electric machine as described in Patent Document 1, in order to form an electromagnet with a direct current, a circuit configuration in which second coils installed in a plurality of locations are connected in series using two diodes. It is said. In this circuit configuration, there is a problem that the load on the diode is large, the induced voltage and the winding resistance are high, the copper loss is increased, and the conversion efficiency is lowered.
そこで、本発明は、基本周波数の磁束に重畳してロータ側に鎖交する漏れ磁束を、損失を少なく有効活用して電磁力を発生させ、高効率に回転駆動する回転電機を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention provides a rotating electrical machine that generates a magnetic force by effectively utilizing a leakage magnetic flux linked to the rotor side by being superimposed on a magnetic flux of a fundamental frequency with little loss and rotationally driving. It is aimed.
上記課題を解決する回転電機の発明の一態様は、通電により磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、前記磁束の通過により回転するロータと、を備える回転電機であって、前記ロータは、前記磁束に重畳する高調波成分が鎖交することにより誘導電流が発生する複数の誘導コイルと、前記誘導電流を整流する複数の整流素子と、前記整流素子により整流された前記誘導電流が流れる界磁コイルと、前記ロータの軸方向端部に設けられるカバーと、を有し、前記誘導コイルおよび前記界磁コイルは、回転軸の周りに配置されて、前記整流素子と閉回路を形成しており、前記カバーの外面には、前記整流素子を収容し、前記閉回路を構成する接続用接点が設けられた複数のホルダが形成され、前記整流素子は、前記接続用接点に接続される接続ピンを有し、前記接続ピンが前記接続用接点に接続された状態で締付部材により前記ホルダに固定されており、前記界磁コイルは、前記ロータの径方向に延伸されている突極に巻かれており、前記誘導コイルは、前記突極の間に形成されるスロット内に配置されている補極に巻かれており、前記補極は、前記誘導コイルが巻かれる本体部と、前記補極に隣接する前記突極に支持される一対の脚部とを備える。 One aspect of the invention of a rotating electrical machine that solves the above problems is a rotating electrical machine that includes a stator having an armature coil that generates a magnetic flux when energized, and a rotor that rotates by the passage of the magnetic flux. A plurality of induction coils that generate an induced current by interlinking of harmonic components superimposed on the magnetic flux, a plurality of rectifier elements that rectify the induced current, and a field through which the induced current rectified by the rectifier element flows. A magnetic coil and a cover provided at an axial end of the rotor, and the induction coil and the field coil are arranged around a rotation axis to form a closed circuit with the rectifying element. A plurality of holders are formed on the outer surface of the cover, which accommodate the rectifier element and are provided with connection contacts that form the closed circuit, and the rectifier element is connected to the connection contact Has a connecting pin which, butt the connecting pin is fixed to the holder by fastening members in a state of being connected to the connection contacts, the field coil is being stretched in the radial direction of the rotor The induction coil is wound around an auxiliary pole disposed in a slot formed between the salient poles, and the auxiliary pole includes a body portion around which the induction coil is wound. And a pair of legs supported by the salient poles adjacent to the complementary poles .
このように本発明の一態様によれば、誘導コイル、界磁コイル、整流素子のそれぞれを、複数の閉回路が形成されるように配置して(セグメント化して)、それぞれの閉回路で同数のN極とS極の電磁石を備えるようにしているので、電流の誘導と電磁力の発生とを別にして効率よく機能させることができる。また、閉回路毎に整流して整流素子に対する負荷を小さく抑えつつ、誘起電圧や巻線抵抗を無用に高くすることを回避して銅損を小さく抑えることができる。 Thus, according to one aspect of the present invention, each of the induction coil, the field coil, and the rectifying element is arranged (segmented) so as to form a plurality of closed circuits, and the same number is provided in each closed circuit. Since the N-pole and S-pole electromagnets are provided, current induction and generation of electromagnetic force can be performed separately and function efficiently. Further, while rectifying each closed circuit to keep the load on the rectifying element small, it is possible to avoid making the induced voltage and the winding resistance unnecessarily high and to keep the copper loss small.
したがって、ロータ側に鎖交する漏れ磁束を、損失を少なく有効活用して電磁力を発生させることができ、高効率に回転駆動させることのできる回転電機を提供することができる。 Therefore, it is possible to provide a rotating electrical machine that can generate electromagnetic force by effectively utilizing the leakage magnetic flux linked to the rotor side with little loss and can be driven to rotate with high efficiency.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図1〜図7は本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1-7 is a figure which shows the rotary electric machine which concerns on one Embodiment of this invention.
図1および図2において、回転電機100は、後述するように、外部からロータ21にエネルギー入力する必要のない構造を有しており、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載するのに好適な性能を有している。
1 and 2, the rotating
回転電機100は、概略円筒形状に形成されたステータ(固定子)11と、図6および図7に示す駆動軸として回転するシャフト(回転軸)101に固定されてステータ11内に収納されるロータ(回転子)21と、を備えており、ロータ21は、シャフト101に軸心を一致させて一体回転するように取り付けられている。
A rotating
ステータ11には、ロータ21のロータティース22の外周面22aにエアギャップGを介して内周面12a側を近接対面させるように、径方向に延伸されて突極形状に形成されている複数本のステータティース12が周方向に均等配置されている。ステータティース12には、隣接する側面間に形成される空間であるステータスロット13を利用して、相毎の3相巻線をそれぞれ個々に集中巻きすることにより電機子コイル14が形成されている。ステータティース12は、電機子コイル14に3相交流の駆動電流を入力することにより、内部に対面収納されているロータ21を回転させる磁束を発生する電磁石として機能する。
The
ロータ21には、ステータティース12と同様に径方向に延伸されて突極形状に形成されている複数本のロータティース(突極)22が周方向に均等配置されている。ロータティース22は、ステータティース12と全周方向の本数を異ならせて、相対回転時に外周面22aがステータティース12の内周面12aに適宜近接対面するように形成されている。
In the
これにより、回転電機100は、ステータ11のステータスロット13内の電機子コイル14が通電されることにより磁束が発生し、その磁束をステータティース12の内周面12aから対面するロータティース22の外周面22aに鎖交させることができる。この回転電機100では、ステータティース12との間で鎖交する磁束が通過する磁路を最短にしようとするリラクタンストルク(主回転力)によりロータ21を相対回転させる。この結果、回転電機100は、ステータ11内で相対回転するロータ21と軸心を一致させつつ一体回転するシャフト101から通電入力する電気的エネルギーを機械的エネルギーとして出力することができる。すなわち、回転電機100は、リラクタンスモータとして構築されている。
As a result, the rotating
このとき、回転電機100では、ステータティース12の内周面12aからロータティース22の外周面22aに鎖交する磁束には高調波成分が重畳している。このため、ロータ21側でも、ステータ11側から鎖交する磁束の高調波成分の磁束密度の変化を利用して、内蔵するコイルに誘導電流(補助電流)を発生させ電磁力を得ることができる。
At this time, in the rotating
詳細には、ステータ11の電機子コイル14に基本周波数の駆動電力を供給するだけでは、ロータ21(ロータティース22)をその基本周波数で変動する主磁束で回転させるだけであることから、ロータ21側にコイルを単に配置しても鎖交する磁束に変化はなく誘導電流が生じることはない。
Specifically, simply supplying the driving power of the fundamental frequency to the
その一方で、磁束には高調波成分が重畳しており、その高調波成分は基本周波数と異なる周期で時間的に変化しつつロータティース22に外周面22a側から鎖交する。このことから、基本周波数の磁束に重畳する高調波成分は、ロータティース22の外周面22aの近傍にコイルを設置することにより、別途入力することなく、効率よく誘導電流を発生させることができる。この結果、鉄損の原因となる高調波磁束は自己励磁するためのエネルギーとして回収することができる。
On the other hand, a harmonic component is superimposed on the magnetic flux, and the harmonic component interlinks with the
そこで、本実施形態の回転電機100では、ロータ21側において、補極コア材(補極)25に集中巻した誘導コイル27の全体をロータティース22間のロータスロット23内に収容して回転方向に並列配置するとともに、集中巻して直列接続した界磁コイル28(281、282)がロータティース22の全体で1段(1固まり)となるように配置されている。
Therefore, in the rotating
補極コア材25は、ロータ21の軸心と平行なシャフト101やエンドカバーなどにネジ止め等する形態に代えて、ロータティース22で対面する両側面22bに脚部(支持部)35を支持させるようになっており、誘導コイル27を巻き付けた本体部31をその脚部35で連結支持してロータティース22の側面22b間のロータスロット23内に位置決め保持するようになっている。
The
補極コア材25の本体部31は、シャフト101と平行に延伸されつつ、ロータ21のロータティース22の両側面22bに対面して誘導コイル27を巻き付け可能な板状になるように電磁鋼板を積層することにより形成されており、この本体部31は、ロータティース22間のロータスロット23内で、軸心からロータ21の径方向外方に延伸して誘導コイル27が巻き付けられ、その径方向外端部32の外端面32aをステータ11のステータティース12の内周面12aに対面させるようにロータ21に組み付けられている。なお、この補極コア材25の本体部31は、ロータ21の外周面側の外端部32がロータ21の軸心側よりも厚くなるように形成されており、巻き付けた誘導コイル27が回転時の遠心力でずれてしまうことを抑制するようになっている。ここで、ロータ21の径方向外方とは、軸心を通る直線上において軸心から外周面の外側に向かう方向を意味する。
The
補極コア材25の脚部35は、シャフト101と平行に延長され、電磁鋼板を積層することにより形成されている。この補極コア材25の脚部35は、本体部31のロータ21の径方向内方端部31iからロータティース22の両側面22bに向かって支持するように延伸された板状になるように形成されている。また、この脚部35は、先端部36を、ロータティース22の両側面22bに形成されている支持溝39内に嵌め込むことにより組み付けて(連結させて)本体部31を支持するようになっている。これにより、補極コア材25は、脚部35の先端部36をロータティース22の支持溝39内に回転軸方向の端面側から嵌め込んでスライドさせることにより組み付けるようになっている。ここで、ロータ21の径方向内方とは、軸心を通る直線上において外周面から軸心側に向かう方向を意味する。
The
この補極コア材25の脚部35は、本体部31を支持する十分な強度を確保し、幅をできるだけ狭く形成した電磁鋼板を積層して形成されており、例えば、積層する電磁鋼板の2枚分の厚さ以下の幅で回転軸方向に延伸される形状に形成されている。すなわち、この脚部35は、本体部31とロータティース22との間を通過する磁束量をできるだけ制限するように断面積の小さな板状にして、補極コア材25が、ロータティース22とは別個の磁極(補極)として機能するように、磁気的に独立した形態で支持するように形成されている。
The
これにより、ロータ21は、補極コア材25の脚部35を通過する磁束量が制限され、通過しようとする磁束線が直ちに密になるため、簡単に磁気飽和する。このような構造から、補極コア材25とロータティース22との磁気結合を抑制することができ、補極コア材25をロータティース22から磁気的に十分に独立した状態で支持することができる。このため、ロータティース22と補極コア材25のそれぞれに鎖交する磁束が干渉しあって誘導電流や電磁力の発生効率を低下させてしまうことを回避することができ、ロータ21を大トルクで高効率回転させることができる。
As a result, the amount of magnetic flux passing through the
また、この構造により、ロータ21は、補極コア材25をロータティース22に支持させる前に、そのロータティース22の軸心側内方またはロータティース22の全体に、界磁コイル28の一部または全部を巻き付けることができ、この後に、補極コア材25の脚部35をロータティース22の支持溝39に嵌め込んで支持させることができる。
Further, with this structure, the
このとき、誘導コイル27は、ロータティース22に補極コア材25の脚部35を支持させる前に、あるいは、支持させた後に、本体部31に巻き付ければよい。また、界磁コイル28は、補極コア材25の脚部35よりも径方向内方の第1の界磁コイル281と、補極コア材25の脚部35よりも径方向外方の第2の界磁コイル282とに分割した状態でロータティース22に巻き付けられており、この第1、第2の界磁コイル281、282は直列接続されて界磁コイル28を構成している。
At this time, the
このように補極コア材25の脚部35によって支持させることで、ロータ21は、誘導コイル27を補極コア材25の本体部31に巻き付けてロータ21の外周面側に位置させることができる。また、補極コア材25の脚部35をロータティース22の支持溝39に嵌め込んで支持させるため、その補極コア材25の脚部35に妨げられることなく、界磁コイル28の第1、第2の界磁コイル281、282をロータティース22の全体に巻き付けることができる。本発明に係る実施形態によれば、このような構成により、ロータスロット23内の空間を有効利用して、効率よく誘導コイル27で誘導電流を発生させ、また、その誘導電流を界磁コイル28に供給して効果的に電磁力を発生させることができる。
In this way, the
なお、界磁コイル28の第1、第2の界磁コイル281、282は、ロータティース22の全体(径方向内方と径方向外方の両側)に一工程で巻き付ける際には、補極コア材25の脚部35がロータスロット23内をスライドする空間を残した状態で巻き付ければよい。また、ロータティース22に補極コア材25を支持させる前後に第1、第2の界磁コイル281、282をそれぞれ巻き付ける際には、そのロータティース22の軸心側内方(径方向内方)に第1の界磁コイル281を巻き付けた後に、補極コア材25の本体部31に誘導コイル27を巻き付ける前に、あるいは、その本体部31に誘導コイル27が巻き付けられた状態で、そのロータティース22の外周側外方(径方向外方)に第2の界磁コイル282を巻き付ければよい。
When the first and second field coils 281 and 282 of the
そして、誘導コイル27は、電磁鋼(磁性体)からなる補極コア材25を採用することにより、透磁率を高めて磁束を高密度に鎖交可能にしており、ステータティース12の内周面12aに極力小さなエアギャップGを介して対面する磁路上に位置させることで、より多くの高調波磁束を鎖交させるようになっている。この誘導コイル27は、ステータティース12の内周面12aからロータティース22の外周面22a側に鎖交する磁束の第3次の時間高調波成分を有効利用するように磁界解析を行って厳密に高調波磁路を確認することにより、効率よく誘導電流を発生させることができるように設置している。なお、誘導コイル27は、界磁コイル28との間に必要十分な空隙を確保するようにロータティース22の間に位置するように配置されている。
The
このように、集中巻構造を採用することにより、誘導コイル27や界磁コイル28では、複数スロットに亘って周方向に巻線をする必要がなく、全体的に小型化することができる。また、誘導コイル27では、1次側での銅損損失を低減しつつ、回転座標(dq軸)における第3次の時間高調波磁束の鎖交による誘導電流を効率よく発生させて、回収可能な損失エネルギーを増加させることができる。
ここで、回転座標(dq軸)における第3次の時間高調波は、静止座標においては第2次の空間高調波である。
Thus, by adopting the concentrated winding structure, the
Here, the third-order temporal harmonic in the rotational coordinates (dq axis) is the second-order spatial harmonic in the stationary coordinates.
また、誘導コイル27には、回転座標における第2次の時間高調波磁束よりも、時間的変化や振幅の大きな第3次の時間高調波磁束を利用することにより、効果的に鎖交させて誘導電流を発生させることができ、効率よく回収することができる。
Further, the
このように、誘導コイル27および界磁コイル28は、磁束経路が干渉し合わないように分割されて、ロータティース22の全長と同等の長さ(幅)にわたって巻線することにより全体を有効利用して磁束を発生させているので、磁気的干渉を低減しつつ、効率よく誘導電流を発生させることができるとともに、効果的に電磁石として機能させて磁束を発生させることができる。
Thus, the
そして、回転電機100は、回転座標における3f次の時間高調波磁束(f=1、2、3・・・)を主に利用する構造として、ロータ21側の突極(ロータティース22)の数P:ステータ11側のステータスロット13の数Sが2:3になる構造に作製されている。例えば、3次の時間高調波磁束は、電機子コイル14に入力する基本周波数よりも周波数が高いために短周期で脈動する。このため、ロータ21は、ロータティース22間の誘導コイル27に鎖交する磁束強度が変化することにより、効率的に誘導電流を発生させることができ、基本周波数の磁束に重畳する高調波成分の損失エネルギーを効率よく回収して回転することができる。
The rotating
また、このように、回転電機100は、ロータ21側とステータ11側の間での相対的な磁気的作用の品質を決定する構造として、ロータティース突極数Pとステータスロット数Sの比としてP/S=2/3を採用するのは、電磁振動を低減して電磁騒音の小さな回転を実現するためである。
Further, as described above, the rotating
詳細には、上記と同様に磁束密度分布の磁界解析をすると、ロータティース突極数Pとステータスロット数Sの比に応じて、機械角360度内の周方向に磁束密度分布も分散化されるため、ステータ11に働く電磁力分布にも偏在が認められることになる。
Specifically, when the magnetic field analysis of the magnetic flux density distribution is performed in the same manner as described above, the magnetic flux density distribution is also distributed in the circumferential direction within a mechanical angle of 360 degrees in accordance with the ratio of the number of salient teeth P and the number of status lots S. Therefore, uneven distribution is also recognized in the electromagnetic force distribution acting on the
これに対して、回転電機100では、ロータティース突極数P/ステータスロット数S=2/3となる構造を採用することにより、機械角360度の全周に亘って均等な密度分布となる磁束を鎖交させることができ、ロータ21をステータ11内で高品質に回転させることができる。
On the other hand, in the rotating
これにより、回転電機100では、高調波磁束を利用して、回転動作させることができるため、損失エネルギーを効率よく回収しつつ、電磁振動を大幅に低減し静寂性高く回転させることができる。
As a result, the rotating
このように、回転電機100は、ステータ11の電機子コイル14以外に電力供給することなく、ロータ21側のq軸に配置する誘導コイル27に誘導電流を効率よく発生させて、d軸に配置する界磁コイル28に界磁電流として供給し、自己励磁電磁石として機能させることができ、電機子コイル14への電力供給による主回転力を補助する補助回転力(電磁力)を得て高効率回転させることができる。すなわち、この回転電機100では、q軸の高調波磁束も界磁エネルギー源として利用できるようにしており、q軸に補極を配置しない構造よりも相互インダクタンス係数を高くして自励によるマグネットトルク密度を向上させることができている。
Thus, the rotating
そして、誘導コイル27は、ロータ21の径方向に対して同一の周回巻線となる集中巻に形成されて、ロータ21の周方向に配列されて並列接続されている。また、界磁コイル281、282が直列接続されて1段にされている界磁コイル28は、ロータ21の径方向に対して隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻に形成されて、直列接続されている界磁コイル281、282の両端部がさらにロータ21の周方向の外周側と軸心側とを直列接続されている。
And the
これら誘導コイル27と界磁コイル28は、隣接位置のロータティース22とロータスロット23との2組を1セットとして、ダイオード(整流素子)29A、29Bと共に閉回路30(図3を参照)を構成している。
The
閉回路30は、図3に示すように、直列接続されている2つの界磁コイル28(2組の界磁コイル281、282)の両端部が、並列接続されている2つの誘導コイル27の両端部にそれぞれダイオード29A、29Bを介して接続されている。
As shown in FIG. 3, the
具体的に、閉回路30は、逆向きの周回方向に集中巻きされて直列接続されている2つの界磁コイル28の一方側の第1接続端部28aと、同一の周回方向に集中巻きされて並列接続されている2つの誘導コイル27の2つの第1接続端部27aとが1つの接続点で接続されている。また、直列接続されている2つの界磁コイル28の反対側の第2接続端部28bはダイオード29A、29Bの双方のカソード側の接続ピン29cに接続され、また、並列接続されている2つの誘導コイル27の2つの第2接続端部27bはダイオード29A、29Bのそれぞれのアノード側の接続ピン29cに接続されている。
Specifically, the
このダイオード29A、29Bは、一般的なHブリッジ型の全波整流回路を形成するのではなく、それぞれ180度位相差になるように結線して、一方の誘導電流を反転させて半波整流出力する中性点クランプ型の半波整流回路を形成している。
The
これにより、回転電機100では、誘導コイル27の透磁率の高い電磁鋼の補極コア材25に、界磁コイル28との干渉を極力少なく(誘導電流の減少を少なく)、ステータティース12の内周面12aからロータティース22の外周面22a側に鎖交磁束に重畳する高調波成分を通過させることにより、誘導電流を効率よく発生させて回収することができる。誘導コイル27の個々に発生させる誘導電流は、ダイオード29A、29Bで整流させた後に合流させて、直列接続させている界磁コイル28の個々に流して有効利用することができ、その界磁コイル28を効果的に自己励磁させて大きな磁束(電磁力)を発生させることができる。
As a result, in the rotating
また、この回転電機100では、隣接する誘導コイル27と界磁コイル28の2組ずつとダイオード29A、29Bとの1セットで閉回路30を構成するが、閉回路30における誘導コイル27は同一の周回方向に巻かれる集中巻きにされて並列されているとともに、界磁コイル28はロータ21の全周方向に亘って巻かれる周回方向が交互になるように巻き付けられている。
Further, in this rotating
このため、回転電機100では、直流電力の通電により界磁コイル28で発生する電磁石の磁化方向は周方向に向かって交互にされており、ステータ11のステータティース12に対してN極とS極とが交互に対面するようになっている。すなわち、回転電機100は、閉回路30毎の界磁コイル28の一方がステータ11に対してN極を対面させる第1の電磁石として機能し、また界磁コイル28のもう一方がステータ11に対してS極を対面させる第2の電磁石として機能し、それぞれ同数のN極またはS極を対面させる電磁石として機能するように界磁コイル28が配置されている。
For this reason, in the rotating
この結果、回転電機100は、励起用と界磁用とで分割して独立させる誘導コイル27および界磁コイル28で、互いに干渉して弱め合ってしまうことを回避しつつ、発生する磁束を有効かつ平滑化させて利用することができ、効率よくエネルギーとして回収して出力することができる。すなわち、ロータティース22が界磁コイル28を巻き付ける突極を構成して、補極コア材25が誘導コイル27を巻き付ける補極を構成している。
As a result, the rotating
また、この回転電機100は、図3に示す閉回路30の6セットが、図6に示すようにロータ21の周方向に並列するように配置されており、ロータティース突極数P/ステータスロット数S=2/3となる構造を採用することにより、それぞれの閉回路30の誘導コイル27に鎖交する高調波磁束の波形を共通にすることができる。このため、位相差なく誘導コイル27で発生させる誘導電流は、ダイオード29A、29Bで整流した同程度の界磁電流として界磁コイル28に供給することができ、発生する電磁力を損失なく有効利用してロータ21を効率よくかつ高品質に回転駆動させることができる。
Further, in this rotating
このような回路構成により、例えば、図4に示すように、ロータ21の全ての誘導コイル27および界磁コイル28を2つのダイオード29A、29Bで整流してそれぞれ電磁石として機能させる直列回路とする場合よりも、図3に示す閉回路30毎の6セットにセグメント化させているので、巻線抵抗が積算されて高抵抗値になってしまうことを回避することができる。
With such a circuit configuration, for example, as shown in FIG. 4, when all the induction coils 27 and the field coils 28 of the
このため、例えば、車両を低速走行させるためにロータ21を低速回転させるような場合では、誘導コイル27に鎖交する磁束量の変化が小さくなって発生する誘導電流も小さくなるが、回転電機100では、その誘導コイル27や界磁コイル28の巻線抵抗での浪費を少なくして(制限抵抗値を小さくして)界磁コイル28を無駄な電力浪費なく励磁させることができる。これにより、効率よく電磁力を発生させてステータ11の電機子コイル14により発生させる回転力を有効に補助させることができる。
For this reason, for example, in the case where the
このとき、誘導コイル27で発生させる誘導電圧や界磁コイル28で発生する界磁電圧も分散させて低電圧に抑えることができ、巻線に通電することにより発生する銅損も低減することができる。そのため、誘導コイル27の誘導電圧や界磁コイル28の界磁電圧の積算値が上限を超えてしまわないように考慮する必要がなく、電圧値が高くなり過ぎるために所望のトルクを得ることができなくなってしまうことを回避することができる。
At this time, the induction voltage generated by the
ところで、誘導コイル27や界磁コイル28の低抵抗化や低電圧化は、図5に示すように、その誘導コイル27と界磁コイル28の個々をそれぞれ並列接続することでも達成することができる。しかしながら、両端部を接続されて並列接続されている誘導コイル27と界磁コイル28のそれぞれでは、磁束の発生(変化)を打ち消す方向の磁束を発生させる誘起電圧が発生するので、誘導コイル27や界磁コイル28の並列回路内で循環する電流が発生してしまい磁束(磁力)の発生を妨げてしまう。このため、回転電機100の整流回路としては、ロータ21に閉回路30を6セット配置するのが好適である。
By the way, lowering the resistance and lowering the voltage of the
そして、この回転電機100は、図6および図7に示すように、ステータ11の電機子コイル14やロータ21の誘導コイル27と界磁コイル28を、巻線作業した後の圧力成型により形状を一定にするようになっており、シャフト101の軸方向外側の形状を一定にしたロータ21の外端面に、コイルエンドカバー110を取り付けて覆うようになっている。
As shown in FIGS. 6 and 7, the rotating
コイルエンドカバー110は、後述するシャフト(駆動軸)101の連結端部101a側に取り付けられようになっており、その軸方向外側の外面110aに、複数組のダイオード29A、29Bが閉回路30毎に設置されるようになっている。このダイオード29A、29Bは、ケース(パッケージ)121内に収容されており、コイルエンドカバー110の外面110aに形成されている複数のホルダ111内にそのケース121を容易に嵌め込んで接続ピン29cを接続用接点112に接続することにより閉回路30を形成するようになっている。
The
ホルダ111は、コイルエンドカバー110の外面110aの周方向において閉回路30に対応して均等間隔になる位置に配置されており、接続ピン29cを含むケース121を嵌め込み可能で周方向に同一形状で連続する穴形状に形成されている。
The
これにより、コイルエンドカバー110は、ホルダ111が外面110aの周方向(回転軸を中心にする円周上)に均等配置されることで重心をシャフト101の軸心に一致させることができ、ロータ21の回転品質を劣化させないようにしている。なお、本実施形態では、ロータ21の外端面側のコイルエンドカバー110にホルダ111を均等間隔に配置する場合を一例にして説明するが、これに限るものではない。例えば、ホルダ111は、ロータ21の外周面側に配列させてもよく、また、重心が軸心に一致するように、不均等な回転対称となる位置に配置してもよい。
Thereby, the
詳細には、ダイオード29A、29Bは、2つ1組にしてケース121内に収納されており、それぞれのカソード側の接続ピン29c同士を接続して外部に露出させるとともに、それぞれのアノード側の接続ピン29cをそのまま外部に露出させるカソードコモン型にパッケージ化されている。
Specifically, the
コイルエンドカバー110は、回路基板115をロータ21の外端面との間に挟み込むようにして、後述するバランス修正板および放熱板として機能する端板116をさらに外側に位置させつつ締結六角ボルト118によりシャフト101にネジ止めするようになっている。
The
回路基板115は、図示することは省略するが、誘導コイル27、界磁コイル28およびダイオード29A、29Bを接続して閉回路30を形成する導通パターンが形成されている。なお、回路基板115は、ロータ21側の誘導コイル27および界磁コイル28をそれぞれ接続する接点115aが形成されており、また、コイルエンドカバー110にセットするダイオード29A、29Bの接続ピン29cを接続するようにホルダ111内に形成されている接続用接点112に導通されている導線113を接続する接点115bも形成されている。
Although not shown, the
端板116は、コイルエンドカバー110と略同径の円盤形状に非磁性金属板、例えば、真鍮板を成形することにより、稼動時における磁路の形成等に影響しないように作製されている。この端板116は、後述するケース121の一面側に形成されている放熱面(例えば、アルミニウムベース面)121aに密接してダイオード29A、29Bの機能時の発熱を熱交換して外部に放出する放熱板として機能するようになっている。また、この端板116は、回転電機100に設置する各種構成部品に応じたシャフト101(回転軸周り)の偏りを修正するようにも形成されており、バランス修正板として機能して全体の回転バランスを確保するようになっている。
The
ケース121は、ホルダ111内にセットした状態で締付ボルト119によりコイルエンドカバー110に端板116と一緒にネジ止めするようになっており、その端板116が放熱面121aに密接する状態になるようになっている。
The
ここで、回転電機100は、ローレット形状に形成されているシャフト101の一端側の連結端部101aを、例えば、車両側の動力伝達経路を構成する機構側に設けられている不図示の結合穴内に相対回転不能に差し込んで連結するようになっており、ステータ11の全体を覆う形状に形成されているハウジング(不図示)をその車両側にネジ止めするなどして取り付けて設置するようになっている。
Here, the rotating
この回転電機100の回転は、ハウジング内に位置するようにシャフト101の連結端部101aの反対側の回転端部101bに取り付けるレゾルバ(回転検出素子)131で検出するようになっており、このレゾルバ131は、ロータレゾルバ132をシャフト101の回転端部101bに押さえリング139で一体回転するように固定するとともに、レゾルバステータ133をハウジング側に回転不能に固定することによりシャフト101の回転を検出するようになっている。
The rotation of the rotating
このため、回転電機100では、レゾルバ131が設置される回転端部101bの反対側の連結端部101a側に配置されるコイルエンドカバー110にダイオード29A、29B(ケース121)が設置されており、このダイオード29A、29Bの稼動時に発生するノイズがレゾルバ131に影響して検出精度を低下させてしまうことを回避することができる。
For this reason, in the rotating
以上で説明するように、本実施形態の回転電機100においては、補極コア材25の誘導コイル27とロータティース22の界磁コイル28とダイオード29A、29Bとによって閉回路30を複数形成し、隣接する2つのロータティース22の外周面22a側をN極またはS極にする電磁石として機能させるので、電流の誘導(誘起)と電磁力の発生(界磁)とを別にして効率よく機能させることができる。
As described above, in the rotating
また、複数の閉回路30のそれぞれにおいて誘導電流を発生させ整流することにより界磁電流としているので、ダイオード29A、29Bで整流する電流値(負荷)を小さく抑えるとともに、誘起電圧や巻線抵抗が無用に高くなってしまうことを回避することができる。これにより、銅損を抑えて効率よく電磁力(マグネットトルク)を発生させることができる。
In addition, since the induced current is generated and rectified in each of the plurality of
したがって、ステータ11側からロータ21側に鎖交する漏れ磁束(高調波)を、損失を少なく有効活用して電磁力を発生させることができ、高効率に回転駆動させることのできる回転電機100を提供することができる。
Therefore, the rotating
さらに、ダイオード29A、29Bは、シャフト101における回転端部101b側のレゾルバ131から軸方向に離隔する連結端部101a側に取り付けるコイルエンドカバー110のホルダ111内にセットされるので、誘導電流の整流に伴い発生するノイズがレゾルバ131の回転検出に影響してしまうことを少なくすることができ、回転品質を低下させてしまうことを回避することができる。
Further, since the
また、ダイオード29A、29Bは、ケース121内にパッケージ化してコイルエンドカバー110の外面110a側のホルダ111内にセットするだけで接続ピン29cを閉回路30に接続することができるので、端板116を外すだけで交換等の作業を容易に完了することができる。
In addition, the
このコイルエンドカバー110は、外面110a側のホルダ111を、複数の閉回路30に対応するように軸心を中心とする円周上の周方向に均等配置するので、ダイオード29A、29B(ケース121)をセットした状態でも重心を軸心に一致させることができ、ダイオード29A、29Bのレイアウトによって回転品質が低下してしまうことを回避している。
In this
ここで、本実施形態の他の態様としては、図示することは省略するが、本実施形態では、誘導コイル27をロータスロット23内に設置する補極コア材25に配置する場合を一例にして説明するが、これに限るものではない。例えば、ロータティース22のステータ11に近接する外周面22a側に誘導コイル27を配置するとともにシャフト101(軸心)側に界磁コイル28を配置する2段構造にしてもよい。この場合にも、本実施形態と同様に、閉回路30毎にセグメント化して、ダイオード29A、29Bで整流する電流値を小さく抑えるとともに、誘起電圧や巻線抵抗が無用に高くなってしまうことを回避することができ、銅損を抑えて効率よく電磁力を発生させることができる。
Here, as another aspect of the present embodiment, although illustration is omitted, in the present embodiment, the case where the
さらに、回転電機100のように径方向にエアギャップGを形成するラジアルギャップ構造に限らずに、回転軸方向にギャップを形成するアキシャルギャップ構造に適用することも可能である。この場合にも、閉回路30毎にセグメント化すればよい。
Further, the present invention is not limited to the radial gap structure in which the air gap G is formed in the radial direction as in the rotary
また、ステータ11やロータ21は、電磁鋼板の積層構造で形成することに限定されず、例えば、鉄粉などの磁性を有する粒子の表面を絶縁被覆処理した軟磁性複合粉材(Soft Magnetic Composites)をさらに鉄粉圧縮成形および熱処理製造した圧粉磁心、所謂、SMCコアを採用してもよい。このSMCコアは、成形が容易であることからアキシャルギャップ構造に好適である。
In addition, the
また、誘導電流の整流処理はダイオード29A、29Bに限るものではなく、他の半導体素子、例えば、スイッチング素子を実装してもよい。
Further, the rectification processing of the induced current is not limited to the
また、マグネットトルクの獲得は界磁コイル28に限るものではなく、永久磁石を併用してもよい。
The acquisition of magnet torque is not limited to the
また、回転電機100は、車載用に限定されるものではなく、例えば、風力発電や、工作機械などの駆動源として好適に採用することができる。
Moreover, the rotary
本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。 While embodiments of the invention have been disclosed, it will be apparent to those skilled in the art that changes may be made without departing from the scope of the invention. All such modifications and equivalents are intended to be included in the following claims.
11 ステータ
12 ステータティース
13 ステータスロット
14 電機子コイル
21 ロータ
22 ロータティース(突極)
23 ロータスロット
25 補極コア材(補極)
27 誘導コイル
28、281、282 界磁コイル
29A、29B ダイオード(整流素子)
30 閉回路
100 回転電機
101 シャフト(回転軸)
110 コイルエンドカバー
110a 外面(外端面)
111 ホルダ
115 回路基板
116 端板
121 ケース(パッケージ)
121a 放熱面
131 レゾルバ(検出素子)
G エアギャップ
11
23
27 Inductive coils 28, 281, 282 Field coils 29A, 29B Diode (rectifier element)
30
110 Coil end cover 110a Outer surface (outer end surface)
121a Heat dissipation surface 131 Resolver (detection element)
G Air gap
Claims (4)
前記ロータは、前記磁束に重畳する高調波成分が鎖交することにより誘導電流が発生する複数の誘導コイルと、前記誘導電流を整流する複数の整流素子と、前記整流素子により整流された前記誘導電流が流れる界磁コイルと、前記ロータの軸方向端部に設けられるカバーと、を有し、
前記誘導コイルおよび前記界磁コイルは、回転軸の周りに配置されて、前記整流素子と閉回路を形成しており、
前記カバーの外面には、前記整流素子を収容し、前記閉回路を構成する接続用接点が設けられた複数のホルダが形成され、
前記整流素子は、前記接続用接点に接続される接続ピンを有し、前記接続ピンが前記接続用接点に接続された状態で締付部材により前記ホルダに固定されており、
前記界磁コイルは、前記ロータの径方向に延伸されている突極に巻かれており、
前記誘導コイルは、前記突極の間に形成されるスロット内に配置されている補極に巻かれており、
前記補極は、前記誘導コイルが巻かれる本体部と、前記補極に隣接する前記突極に支持される一対の脚部とを備える、回転電機。 A rotating electrical machine comprising: a stator having an armature coil that generates magnetic flux by energization; and a rotor that rotates by passage of the magnetic flux,
The rotor includes a plurality of induction coils in which an induced current is generated by interlinking of harmonic components superimposed on the magnetic flux, a plurality of rectifier elements that rectify the induced current, and the induction rectified by the rectifier element A field coil through which a current flows, and a cover provided at an axial end of the rotor,
The induction coil and the field coil are arranged around a rotation axis to form a closed circuit with the rectifying element,
The outer surface of the cover is formed with a plurality of holders that accommodate the rectifying element and are provided with connection contacts that form the closed circuit,
The rectifying element has a connection pin connected to the connection contact, and the connection pin is fixed to the holder by a fastening member in a state where the connection pin is connected to the connection contact ;
The field coil is wound around salient poles extending in the radial direction of the rotor,
The induction coil is wound around an auxiliary pole disposed in a slot formed between the salient poles;
The auxiliary pole includes a main body around which the induction coil is wound, and a pair of legs supported by the salient pole adjacent to the auxiliary pole .
前記整流素子は、長手方向が周方向を向くように前記ホルダに収容されている請求項1または請求項2に記載の回転電機。 The plurality of holders are arranged in the circumferential direction at equal intervals on the outer surface of the cover,
The rotating electrical machine according to claim 1, wherein the rectifying element is accommodated in the holder such that a longitudinal direction thereof faces a circumferential direction .
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