(57)【要約】【課題】電気自動車に使用すると始動時のトルクが大きくかつ高速時の効率が高い電動機となり、風力発電に使用すると、風速の変化に応じて変動する風車の最大出力点で多くの時間運転できる発電機となる可変磁束界磁型同期機は、直流励磁装置が必要となるため、その励磁損失を小さくすることと製造原価を低減することが大きな課題となる。【解決手段】界磁を回転軸方向に２分割し、その中央部を抉り強磁性体からなる回転軸に近い空間部に直流励磁コイルを配し、そのコイルの支持部材を電機子鉄心の中央内径部に設けた突起によって軸方向の方向位置決めをすると共にその近傍の電機子鉄心内径部に接合し、隣り合う界磁の磁極は永久磁石と励磁電磁石の組み合わせとして同一極性とし、外被は放熱性に優れた非磁性軽金属とすることを特徴とするインナーロータ形可変磁束界磁型同期機を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インナーロータ式ラジアルエアギャップ形同期機において、電磁鋼板を打ち抜き積層して形成した電機子鉄心に集中巻巻線を施した電機子を固定子とし、電磁鋼板を打ち抜き積層した界磁鉄心に永久磁石をＳＰＭ状に埋め込むとともに直流励磁電磁石を併用してなる界磁を回転子とし、界磁は中央部において軸方向に２分割され、向かい合う二つの界磁鉄心の中央部を円筒状に抉り空間を設け、その空間に強磁性体からなる回転軸を巻回するように直流励磁巻線を設け、その巻線は電気絶縁物を介して非磁性体からなる円板状の支持部材に固定し、その支持部材は電気子鉄心の内径部に接合され、２分割された界磁はそれぞれ回転軸に固定され、回転軸を支持する二つの軸受と電気子鉄心は非磁性体の軽金属製の外被によって支持固定され、回転部である界磁鉄心、永久磁石、直流励磁電磁石および回転軸のグループと、固定部である直流励磁巻線、電気絶縁物、支持部材および電気子鉄心のグループとの間には空隙を設け、分割された一方の界磁の磁極においては、Ｎ極は直流励磁電磁石としＳ極は界磁鉄心の外径部に空間を設けてＳＰＭ状に永久磁石を埋め込んで形成し、分割された他方の界磁の磁極においては、Ｓ極は直流励磁電磁石としＮ極は界磁鉄心の外径部に空間を設けてＳＰＭ状に永久磁石を埋め込んで形成し、二つの界磁は互いに同極の永久磁石と直流励磁電磁石が隣り合うように配置され、直流励磁巻線に直流電流を流すことによって、直流励磁磁束は、強磁性体からなる回転軸⇒一方の界磁のバックヨーク⇒一方の直流励磁電磁石⇒一方のラジアルエアギャップ⇒電機子鉄心⇒他方のラジアルエアギャップ⇒他方の直流励磁電磁石⇒他方の界磁のバックヨーク⇒回転軸へと流れて直流励磁電磁石を形成し、これに対し永久磁石の磁束の流れは、他方の界磁の永久磁石のＮ極→磁極端→他方のラジアルエアギャップ→電機子鉄心→一方のラジアルエアギャップ→一方の界磁の磁極端→一方の界磁の永久磁石のＳ極→一方の界磁のバックヨーク→回転軸→他方の界磁のバックヨーク→他方の界磁の永久磁石へと流れ、片側ｐ個の永久磁石と片側ｐ個の直流励磁電磁石により、２ｐの極数を有する界磁を形成するラジアルエアギャップ形可変磁束界磁型同期機
【請求項２】
請求項１において、電機子鉄心の内径のほぼ中央部に、回転軸方向に単列または複列に、回転角方向の数等分の位置に、内径側に向かって電磁鋼板の突起を設け、その突起に直流励磁巻線を支持する非磁性体の支持部材を接合し、軸方向と回転方向を固定してなるラジアルエアギャップ形可変磁束界磁型同期機
【請求項３】
請求項１において、界磁の極数を２ｐとし、電機子の歯にはすべて集中巻巻線を施してその数を３×（２ｑ＋１）とし、界磁の極数と電機子の歯の数の関係３×（２ｑ＋１）＝２ｐ±１として、電機子の巻線の各相の数を（２ｑ＋１）とし、それらを３相に接続したラジアルエアギャップ形可変磁束界磁型同期機
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】この発明はラジアルエアギャップ形可変磁束界磁型同期発電機および同期電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】可変磁束界磁型同期機は、風力発電用発電機として使用すると、風速に応じて風車の最大出力近傍において発電できるよう容易に制御できるとともに、電気自動車の駆動用電動機として使用すると、始動時には高トルクを発生し、高速時には高効率を維持しながら高速化を可能とすることができる電動機となるなど、可変磁束界磁型同期機は高機能なエネルギー変換機械となる。とりわけラジアルエアギャップ形同期機は磁気吸引力の副作用が少ない点においてアキシャルエアギャップ形同期機より優れており、その性能品質と経済性の向上が望まれている。
【先行技術文献】
【０００３】
【特許文献】
【特許文献１】特開２０１７−９３２７４
【特許文献２】特開２０１１−６７０４８
【特許文献３】特開２００４−７２８２７
【特許文献４】特開２００４−３５０４１４
【特許文献５】特開２０００−４１３６７
【特許文献６】特開平６−３５１２０６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】アキシャルエアギャップ形同期機は回転軸方向に大きな磁気的引力と斥力が作用し、界磁、電機子、軸受、および外被などの構成部品に大きな力がかかるため、それらの強度を大きくしたりする必要があり経済性に劣る。他方、ラジアルエアギャップ形同期機は磁気的引力や斥力は半径方向に働くため合成の力はキャンセルされそのような弊害はない。そこで、低コストでかつ高性能な直流励磁装置を有するラジアルエアギャップ形可変磁束界磁型同期機を創出することが課題となる。【０００５】特許文献１の技術は、励磁鉄心を設けているためサイズが大きくなるとともに、界磁鉄心との間にエアギャップが２ヶ所発生するため、励磁損失が大きくなるという欠点がある。【０００６】特許文献２の技術は、特許文献１の技術と同様、励磁鉄心を設けているためサイズが大きくなるとともに、界磁鉄心との間にエアギャップが２ヶ所発生するため、励磁損失が大きくなるという欠点がある。【０００７】特許文献３の技術は、モータケースおよび蓋の材料は強磁性体を使用する必要があるため放熱が悪くなり、巻線の温度上昇が上がったり、全体のサイズが大きくなったりすることになり、品質や経済性が損なわれる虞れがある。【０００８】特許文献４の技術は、励磁コアを使用するため、界磁コアとの間にエアギャップを必要とするため励磁磁束が減少したり、励磁コアのスペースが増えたり、あるいは界磁鉄心を鉄などの強磁性体の外被で囲うことになるため放熱が悪くなり電機子コイルの温度上昇が高くなったり、電機子コイルを外気にさらしたりするなどして、信頼性を低下させるという欠点がある。【０００９】特許文献５の技術は、インナーロータタイプでなく、アウターロータタイプであり、電機子を支持する大きな励磁鉄心が必要となり、コストが高くなる欠点がある。【００１０】特許文献６の技術は、励磁コイルの周長が長くなり銅損が増えたり線径を太くしたりすることになったり、電機子鉄心を二つに分割したりするため、製造コストが増加したりする欠点がある。【００１１】以上の技術の欠点を改善するためには、次のようなことが基本的課題となる。
▲１▼直流励磁磁気回路には、励磁鉄心を使用せず、当該磁気回路におけるエアギャップ    を少なくし、励磁損失を少なくするとともに機器のサイズを小さくできること。
▲２▼界磁は、永久磁石による磁気回路と直流励磁電磁石による磁気回路が互いに独立し    て並列に形成できること。
▲３▼直流励磁コイルの周長を短くし、巻線抵抗を小さくすること。
▲４▼電機子鉄心と界磁の間のエアギャップの面積は極力広くすること
▲５▼外被材料は非磁性体で、放熱のよいアルミニウム合金を使用できること。
▲６▼信頼性を確保し、構造を簡略化して製造コストを極力低減できること。
【課題を解決するための手段】
【００１２】本願はインナーロータ構造の可変磁束界磁型ラジアルエアギャップ形の同期機に関する発明である。
本願の第１発明は、インナーロータ構造のラジアルエアギャップ形同期機において、電磁鋼板を打ち抜き積層して形成した電機子鉄心に集中巻巻線を施した電機子を固定子とし、電磁鋼板を打ち抜き積層した界磁鉄心に永久磁石をＳＰＭ状に埋め込むとともに直流励磁電磁石を併用してなる界磁を回転子とし、界磁は中央部において軸方向に２分割され、向かい合う二つの界磁鉄心の中央部を円筒状に抉り空間を設け、その空間に強磁性体からなる回転軸を巻回するように直流励磁巻線を設け、その巻線は電気絶縁物を介して非磁性体からなる円板状の支持部材によって電気子鉄心の内径部に接合され、２分割された界磁はそれぞれ回転軸に固定され、回転軸を支持する二つの軸受と電気子鉄心は非磁性体の軽金属製の外被で支持固定され、回転部である界磁鉄心、永久磁石、直流励磁電磁石および回転軸のグループと、固定部である直流励磁巻線、電気絶縁物、支持部材および電気子鉄心のグループの間には空隙を設け、分割された一方の界磁の磁極は、Ｎ極は直流励磁電磁石としＳ極は界磁鉄心の外径部に空間を設けてＳＰＭ状に永久磁石を埋め込んで形成し、分割された他方の界磁の磁極は、Ｓ極は直流励磁電磁石としＮ極は界磁鉄心の外径部に空間を設けてＳＰＭ状に永久磁石を埋め込んで形成し、二つの界磁は互いに同極の永久磁石と直流励磁電磁石が隣り合うように配置され、直流励磁巻線に直流電流を流すことによって、直流励磁磁束は、強磁性体からなる回転軸⇒一方の界磁のバックヨーク⇒一方の直流励磁電磁石⇒一方のラジアルエアギャップ⇒電機子鉄心⇒他方のラジアルエアギャップ⇒他方の直流励磁電磁石⇒他方の界磁のバックヨーク⇒回転軸へと流れて直流励磁電磁石を形成し、これに対し永久磁石の磁束の流れは、他方の界磁の永久磁石のＮ極→磁極端→他方のラジアルエアギャップ→電機子鉄心→一方のラジアルエアギャップ→一方の界磁の磁極端→一方の界磁の永久磁石のＳ極→一方の界磁のバックヨーク→回転軸→他方の界磁のバックヨーク→他方の界磁の永久磁石へと流れ、片側ｐ個の永久磁石と片側ｐ個の直流励磁電磁石により、２ｐの極数を有する界磁を形成するラジアルエアギャップ形可変磁束界磁型同期機を形成する。【００１３】本願の第２の発明は、直流励磁巻線の支持部材を電気子鉄心に固定することによる、界磁と電機子との対向面積の減少量を少なくする方法に関するものである。
請求項１において、電機子鉄心の内径のほぼ中央部に、回転軸方向に単列または複列に、ならびに回転角方向の数等分の位置に、内径側に向かって電磁鋼板の複数の突起を設け、その突起に直流励磁巻線を支持する非磁性体の支持部材を接合し、軸方向の位置決めをするとともに支持部材を固定してなるラジアルエアギャップ形可変磁束界磁型同期機を形成する。突起と支持部材の接合の形態としては、支持部材を突起で挟み込む方法と突起を支持部材で囲み込む方法があり、接合の方法としては接着、溶着、溶接、圧入、圧着、圧接、ねじ止め、リベット止めなどがある。【００１４】本願の第３の発明は、風力発電用発電機として利用する場合コギングトルクが大きな障害になるので、これを小さくする技術に関するものである。請求項１において、界磁の極数を２ｐとし、電機子の歯にはすべて集中巻巻線を施してその数を３×（２ｑ＋１）とし、界磁の極数と電機子の歯の数の関係は３×（２ｑ＋１）＝２ｐ±１として、電機子の巻線の各相の数を（２ｑ＋１）とし、それらを３相に接続したラジアルエアギャップ形可変磁束界磁型同期機とし、コギングトルクを小さくするものである。
【発明の効果】
【００１５】  直流励磁磁気回路には、励磁鉄心を使用せず構造を簡略化し、励磁回路におけるエアギャップの数を少なくすると共に、直流励磁コイルの周長を短くして巻線抵抗を小さくすることによって、励磁損失を少なくすることができる。界磁は永久磁石による磁気回路と直流励磁電磁石による磁気回路が並列に形成できるので、永久磁石の種類や性能ならびに使用量などの選択の巾を広く取ることができ経済設計が可能となる。外被材料は放熱のよいアルミニウム合金を使用し、巻線温度や軸受温度など内部の温度を低くできるので、機器のサイズを小さくできるとともに、アキシャルエアギャップ形のように永久磁石による磁気引力や斥力の弊害も少なく、信頼性の高い低コストのラジアルエアギャップ形可変磁束界磁型同期機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の同期機全体の横断面図を示す。
【図２】（ａ）図１における界磁のＡ矢視図を示す。（ｂ）図１における界磁のＢ矢視図を示す。
【図３】界磁の磁気回路と直流励磁回路全体の模式的磁気回路を示す。
【図４】図１における中央部から見た全体の正面断面図を示す。
【図５】電機子巻線全体の接続図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】図１〜５を参照して、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１８】図１にもとづいて、第１の発明について説明する。
軸方向に２分割された非磁性体からなるブラケット４０の両端中心部には軸受４１を介して強磁性体からなる回転軸４２を通し、ブラケットの中心部内径側には固定子となる電機子２０を取り付け、その電機子の内径側には、軸方向に２分割にした界磁１０は圧入や焼き嵌めなどの方法で回転軸に固定され、二つの界磁の対向面の回転軸近傍は抉られて円筒状の空間を設けており、その空間の回転軸近傍の中央部には回転軸を巻回する直流励磁コイル３０を配置し、励磁コイル絶縁物３２を介してコイル保持部３１で固定し、そのコイル保持部は円形の、厚さの薄い保持部材によって電機子鉄心の内径に接合され、これによって電機子鉄心２１と界磁１０のエアギャップ面積Ｇ１、Ｇ２が広いインナーロータ形のラジアルエアギャップ形可変磁束界磁型同期機１を形成できる。
【００１９】図２にもとづいて、界磁について説明する。２分割された界磁１０の一方の界磁（図２（ａ））の永久磁石１３の極性をＮ極とすると、他方の相対する界磁（図２（ｂ））の直流励磁電磁石１２の極性を同様にＮ極とし、次に４５°ずれた位置における一方の界磁の直流励磁電磁石の極性をＳ極とすると相対する他方の界磁の永久磁石の極性も同様にＳ極とし、さらにその次の９０°ずれた位置における一方の界磁の永久磁石の極性をＮ極とすると相対する他方の界磁の直流励磁電磁石の極性をＮ極とするように、図３に示す通り一方の界磁の直流励磁電磁石の極性はＮ極としそれらの間に位置する永久磁石の極性はＳ極とし、他方の界磁の磁石は一方の界磁の磁石と異なる磁石を対向させ、直流励磁電磁石には永久磁石、そして永久磁石には直流励磁電磁石を対向させ、極性は同じになるように配列して界磁の磁極を構成する。
【００２０】図３にもとづいて磁束の流れについて説明する。二つの界磁は互いに同極の永久磁石１３と直流励磁電磁石１２が向かい合うように配置され、直流励磁巻線３０に直流電流を流すことによって、直流励磁磁束は、強磁性体からなる回転軸４２⇒一方の界磁のバックヨーク１１⇒一方の直流励磁電磁石１２⇒一方のラジアルエアギャップＧ１⇒電機子鉄心２１⇒他方のラジアルエアギャップＧ２⇒他方の直流励磁電磁石１２⇒他方の界磁のバックヨーク１１⇒回転軸４２へと流れて直流励磁電磁石を形成し、永久磁石の磁束の流れは、他方の界磁の永久磁石１３のＮ極⇒磁極端１４⇒他方のラジアルエアギャップＧ２⇒電機子鉄心２１⇒一方のラジアルエアギャップＧ１⇒一方の界磁の磁極端１４⇒一方の界磁の永久磁石１３のＳ極⇒一方の界磁のバックヨーク１１⇒回転軸４２⇒他方の界磁のバックヨーク１１⇒他方の界磁の永久磁石１３のＮ極へと流れ、片側ｐ個の永久磁石１３と片側ｐ個の直流励磁電磁石１２により、２ｐの極数を有する界磁を形成するインナーロータ形のラジアルエアギャップ形可変磁束界磁型同期機を形成する。
【００２１】第２の発明を図１と図４を用いて説明する。電機子鉄心２１は電磁鋼板を自動積層プレス金型で打ち抜く方式で製作し、回転軸方向のほぼ中央部の内径に、回転軸方向については単列または複列に、そして回転角方向については数等分の位置に、内径側に向かって電磁鋼板の突起２１１を設け、その突起に直流励磁巻線を支持する非磁性体軽合金もしくは合成樹脂からなる円形状の支持部材３１を接合し、軸方向の位置決めをするとともに支持部材を電機子鉄心の内径部に固定する方法に関するものである。
第１の例は、回転軸方向のほぼ中央部の内径に回転軸方向に２列にわたって、回転角方向の数等分の位置に、内径側に向かって電磁鋼板の突起２１１を設け、支持部材の外径外周部には、電機子鉄心内径部数等分の位置に設けた一列の突起と同じ回転角の位置に、突起を通り抜けられるような逃げ溝３１１を設け、支持部材３１を電機子鉄心内径部にはめ込み、片側一列の突起２１１を通り抜けたのち支持部材３１を少し回転させ、図４のようにその逃げ溝３１１を突起２１１と突起２１１の間に位置させて軸方向にずれないようにして、支持部材３１を電機子鉄心内径部に接合固定させる方法である。
第２の例は、回転軸方向のほぼ中央部の内径に回転軸方向に１列にわたって回転角方向の数等分の位置に、内径側に向かって電磁鋼板の突起を設け、直流励磁巻線の支持部材はアルミ合金の３枚の円板状薄板で形成し、その中間の円板の外径は電機子鉄心の突起が接触しない程度に小さめにし、両側の支持部材の円板の外径は第１の例の外径並とし、突起を逃げられるような逃げ溝を設け、第１の例と同様支持部材を電機子鉄心内径部にはめ込み、１枚目の円板の逃げ溝が突起を通り抜けた後支持部材を少し回転させ、すべての突起を両側円板で囲い込むようにした状態で、電機子鉄心と３枚の円板からなる支持部材を接合し固定する方法である。接合の方法は接着、溶接、圧着、或は圧接などの方法を採用する。この技術によって、インナーロータ形のラジアルエアギャップ形可変磁束界磁型同期機をつくることができる。
【００２２】第３の発明を図４と図５を使って説明する。風力発電において風速が小さいとき発電機のコギングトルクが大きいため起動せず、発電しないことがある。そのためコギングトルクを小さくする必要がある。電機子の歯の数と界磁の極数の最少公倍数を大きくするとコギングトルクが小さくなるので、界磁の極数を２ｐとし、電機子の歯にはすべて集中巻巻線２２を施してその数を３×（２ｑ＋１）とし、界磁の極数と電機子の歯の数の関係３×（２ｑ＋１）＝２ｐ±１として、電機子の巻線の各相の数を（２ｑ＋１）とし、それらを３相に接続する。例としてｐ＝４、ｑ＝１とした場合の、電機子は図４、その３相巻線は図５に示すとおりである。ここで、アルファベット記号の上線は巻線の方向が上線のないものと比べ反対方向であることを表わしている。この技術によってコギングトルクの小さいラジアルエアギャップ形可変磁束界磁型発電機を得ることができる。
【符号の説明】
【００２３】１      同期機、電動機、発電機
１０    界磁
１１    界磁鉄心
１２    励磁磁極
１３    永久磁石
１４    磁極端
２０    電機子
２１    電気子鉄心
２１１  突起
２２    電気子巻線
２２１  Ｕ相巻線
２２２  Ｖ相巻線
２２３  Ｗ相巻線
３０    直流励磁コイル
３１    励磁コイル支持部材
３１１  逃げ溝
３２    励磁コイル絶縁物
４０    ブラケット（非磁性体軽金属、アルミニウム合金など）
４１    軸受
４２    回転軸（強磁性体）
Ｇ１    一方の界磁と電機子の間のエアギャップ
Ｇ２    他方の界磁と電機子の間のエアギャップ
⇒      直流励磁磁束の流れの方向
→      永久磁石の磁束の流れの方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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