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JP2016111751A - Rotary electric machine - Google Patents

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JP2016111751A
JP2016111751A JP2014244752A JP2014244752A JP2016111751A JP 2016111751 A JP2016111751 A JP 2016111751A JP 2014244752 A JP2014244752 A JP 2014244752A JP 2014244752 A JP2014244752 A JP 2014244752A JP 2016111751 A JP2016111751 A JP 2016111751A
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JP
Japan
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magnetic
rotor
stator
winding
poles
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Pending
Application number
JP2014244752A
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Japanese (ja)
Inventor
真大 青山
Masahiro Aoyama
真大 青山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzuki Motor Corp
Original Assignee
Suzuki Motor Corp
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Publication date
Application filed by Suzuki Motor Corp filed Critical Suzuki Motor Corp
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Publication of JP2016111751A publication Critical patent/JP2016111751A/en
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Abstract

【課題】銅損の少ない、小型化が可能なフラックススイッチングモータ構造の回転電機を提供すること。【解決手段】回転軸101側に延伸して配置された複数の磁極121を有するステータ120と、磁極側に延伸して配置された複数の突極111を有するロータ110と、を備える回転電機100であって、ステータには、磁極に集中巻きされた電機子巻線125と界磁巻線126が交互に配置され、ロータは、非磁性体からなる複数の突極と、その突極の間に保持される磁性体からなるロータコア115を有する。ロータコアは、隣接する磁極の少なくとも2つ分の幅の外周面111aを有する。【選択図】図1A rotating electrical machine having a flux switching motor structure with less copper loss and capable of being miniaturized. A rotating electrical machine including: a stator having a plurality of magnetic poles arranged to extend toward a rotating shaft; and a rotor having a plurality of salient poles arranged to extend toward the magnetic pole. In the stator, the armature windings 125 and the field windings 126 concentratedly wound on the magnetic poles are alternately arranged, and the rotor includes a plurality of non-magnetic salient poles and the salient poles. And a rotor core 115 made of a magnetic material held by the rotor. The rotor core has an outer peripheral surface 111a having a width corresponding to at least two adjacent magnetic poles. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、フラックススイッチングモータとして機能する回転電機に関する。   The present invention relates to a rotating electrical machine that functions as a flux switching motor.

ロータの表面に永久磁石を設けた表面磁石型の同期モータ(SPMSM:Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)が知られているが、この表面磁石型の同期モータの永久磁石をステータ側に配置し、鉄心のみのロータにして堅牢性を向上させたフラックススイッチングモータが提案されている。   A surface magnet type synchronous motor (SPMSM: Surface Permanent Magnet Synchronous Motor) with a permanent magnet on the surface of the rotor is known, but the permanent magnet of this surface magnet type synchronous motor is arranged on the stator side and only the iron core Flux switching motors with improved robustness have been proposed.

さらに、このフラックススイッチングモータの永久磁石を電磁石に置き換えて界磁調整可能にした巻線界磁型のフラックススイッチングモータが提案されている。この巻線界磁型のフラックススイッチングモータは、直流電流を供給されて直流励磁される界磁巻線と、交流電流を供給されて交流励磁される電機子巻線と、をステータの突極に配置してそれぞれに電力供給することにより、ロータを回転駆動させるようになっている(例えば、特許文献1を参照)。   Furthermore, a winding field type flux switching motor has been proposed in which the permanent magnet of the flux switching motor is replaced with an electromagnet so that field adjustment is possible. This winding field type flux switching motor uses a field winding which is supplied with a direct current and is excited by direct current excitation, and an armature winding which is supplied with an alternating current and is excited by alternating current as a salient pole of the stator. By arranging and supplying electric power to each, the rotor is driven to rotate (see, for example, Patent Document 1).

特開2013−201869号公報JP 2013-2018869 A

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、特に、電機子巻線が複数の突極を跨ぐように巻き付けられる分布巻き構造を採用することから、コイル長が長くなって銅損が増加する、という不都合が発生していた。   However, in the rotary electric machine as described in Patent Document 1, since the distributed winding structure in which the armature winding is wound so as to straddle a plurality of salient poles is adopted, the coil length becomes long. There was an inconvenience that copper loss increased.

また、このような巻線コイルの分布巻き構造では、回転軸方向のコア材の両端面側に巻き付けられているコイルエンドが重なって高く(回転軸方向に厚く)なってしまい小型化の妨げになる、という不都合が発生していた。   Further, in such a distributed winding structure of winding coils, coil ends wound around both end surfaces of the core material in the direction of the rotation axis overlap and become higher (thickness in the direction of the rotation axis), which hinders downsizing. Inconvenience occurred.

そこで、本発明は、銅損の少ない、小型化が可能なフラックススイッチングモータ構造の回転電機を提供することを目的としている。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a rotating electrical machine having a flux switching motor structure that has a small copper loss and can be miniaturized.

上記課題を解決する回転電機の発明の一態様は、回転軸側に延伸して配置された複数の磁極を有するステータと、前記磁極側に延伸して配置された複数の突極を有するロータと、を備える回転電機であって、前記ステータには、前記磁極に集中巻きされた電機子巻線と界磁巻線が交互に配置され、前記ロータは、非磁性体からなる前記複数の突極と、前記突極の間に保持される磁性体からなるロータコアと、を有するものである。   An aspect of the invention of a rotating electrical machine that solves the above problems includes a stator having a plurality of magnetic poles arranged to extend toward the rotating shaft, and a rotor having a plurality of salient poles arranged to extend toward the magnetic pole. The armature winding and the field winding concentratedly wound on the magnetic poles are alternately arranged on the stator, and the rotor includes the plurality of salient poles made of a non-magnetic material. And a rotor core made of a magnetic material held between the salient poles.

このように本発明の一態様によれば、ステータ側の電機子巻線と界磁巻線は集中巻きにされ、ロータコアはロータ側の非磁性体の突極間に保持される構造を採用するので、コイル長を短くするとともに、コイルエンドを小さくすることができる。   As described above, according to one aspect of the present invention, the armature winding and the field winding on the stator side are concentrated and the rotor core is held between the salient poles of the nonmagnetic material on the rotor side. Therefore, the coil end can be shortened and the coil end can be reduced.

したがって、銅損の少ない、小型化が可能なフラックススイッチングモータ構造の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 having a flux switching motor structure that has a small copper loss and can be miniaturized.

図1は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、その全体構成を示す回転軸に直交する断面図である。FIG. 1 is a view showing a rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view perpendicular to a rotating shaft showing the overall configuration. 図2は、電機子巻線と界磁巻線に電力供給する電源の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a power supply for supplying power to the armature winding and the field winding. 図3は、ロータとステータとの間で形成される磁気回路を示す一部拡大概念モデル図である。FIG. 3 is a partially enlarged conceptual model diagram showing a magnetic circuit formed between the rotor and the stator. 図4は、ロータとステータとが図3の状態から相対回転したときに形成される磁気回路を示す一部拡大概念モデル図である。FIG. 4 is a partially enlarged conceptual model diagram showing a magnetic circuit formed when the rotor and the stator are relatively rotated from the state of FIG. 図5は、ロータとステータとの間で受け渡される磁束により形成される磁束密度分布を示す磁束線図である。FIG. 5 is a magnetic flux diagram showing a magnetic flux density distribution formed by the magnetic flux transferred between the rotor and the stator. 図6は、電機子巻線と界磁巻線への電力供給時に発生するトルクを説明するグラフである。FIG. 6 is a graph for explaining the torque generated when power is supplied to the armature winding and the field winding. 図7は、本実施形態の回転電機と比較する比較例の回転電機を示す図であり、その全体構成を示す回転軸に直交する断面図である。FIG. 7 is a view showing a rotating electrical machine of a comparative example compared with the rotating electrical machine of the present embodiment, and is a cross-sectional view orthogonal to the rotating shaft showing the overall configuration. 図8は、図3に対応する、図7の回転電機のロータとステータとの間で形成される磁気回路を示す一部拡大概念モデル図である。FIG. 8 is a partially enlarged conceptual model diagram showing a magnetic circuit formed between the rotor and the stator of the rotating electrical machine of FIG. 7 corresponding to FIG. 図9は、図4に対応する、図7の回転電機のロータとステータとが図8の状態から相対回転したときに形成される磁気回路を示す一部拡大概念モデル図である。FIG. 9 is a partially enlarged conceptual model diagram showing a magnetic circuit formed when the rotor and the stator of the rotating electrical machine of FIG. 7 relatively rotate from the state of FIG. 8 corresponding to FIG.

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6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. 1-6 is a figure which shows the rotary electric machine which concerns on one Embodiment of this invention.

図1において、回転電機100は、回転軸101を中心にして一体回転する円筒形状のロータ110と、このロータ110を回転自在に収容する概略円筒形状のステータ120と、を備えている。回転電機100は、例えば、コストダウンや小型化と共に大出力を要求されるハイブリッド自動車や電気自動車に駆動源として好適に搭載される。   In FIG. 1, a rotating electrical machine 100 includes a cylindrical rotor 110 that rotates integrally around a rotation shaft 101, and a substantially cylindrical stator 120 that rotatably accommodates the rotor 110. The rotating electrical machine 100 is suitably mounted as a drive source in, for example, a hybrid vehicle and an electric vehicle that are required to have high output as well as cost reduction and downsizing.

回転電機100は、所謂、フラックススイッチングモータと同様に、ステータ120側に配置する電機子巻線125および界磁巻線126に電力供給してロータ110側を経由する磁気回路を形成することにより電磁石トルクを発生させて回転駆動させるようになっている。   The rotating electrical machine 100 supplies an electric power to the armature winding 125 and the field winding 126 arranged on the stator 120 side to form a magnetic circuit passing through the rotor 110 side in the same manner as a so-called flux switching motor. Torque is generated and driven to rotate.

ここで、フラックススイッチングモータは、モータ駆動用周波数の2倍の周波数で励磁させるため、リラクタンストルク、すなわち、所謂、d軸インダクタンスやq軸インダクタンスと同期させることができない。このことから、フラックススイッチングモータは、リラクタンストルクで駆動するのではなく、ステータ側から励磁させる直流磁界(静止磁界)を利用した電磁石(マグネット)トルクで駆動する。すなわち、フラックススイッチングモータは、永久磁石モータとして駆動する構造としては、SPM(表面磁石型)モータと対比する同等の構造となっている。   Here, since the flux switching motor is excited at twice the frequency for driving the motor, it cannot be synchronized with reluctance torque, that is, so-called d-axis inductance or q-axis inductance. Therefore, the flux switching motor is not driven by reluctance torque, but is driven by electromagnet (magnet) torque using a DC magnetic field (static magnetic field) excited from the stator side. That is, the flux switching motor has an equivalent structure as compared with an SPM (surface magnet type) motor as a structure for driving as a permanent magnet motor.

ロータ110は、回転軸101を固定するハブ119と、ハブ119と一緒の同一部材に形成されて回転軸101の軸心から離隔する方向に延伸されている複数の突極111と、隣接する突極111間に嵌め込まれて保持されている複数のロータコア115と、を備えて構築されている。   The rotor 110 includes a hub 119 that fixes the rotating shaft 101, and a plurality of salient poles 111 that are formed on the same member together with the hub 119 and extend away from the axis of the rotating shaft 101. And a plurality of rotor cores 115 fitted and held between the poles 111.

このロータ110は、突極111とロータコア115が回転軸101を中心にするハブ119周りの10箇所に均等配置された10極の形態で作製されており、その突極111とロータコア115の外周面側が滑らかに連続する円筒形状に外形を形成されて回転軸101と一体回転するようになっている。   The rotor 110 is manufactured in the form of 10 poles in which the salient poles 111 and the rotor core 115 are evenly arranged at 10 locations around the hub 119 centered on the rotation shaft 101, and the outer peripheral surfaces of the salient poles 111 and the rotor core 115. The outer shape is formed in a cylindrical shape that smoothly continues on the side, and rotates integrally with the rotary shaft 101.

ロータコア115は、例えば、磁性体の電磁鋼板を回転軸101の延長方向に積層して作製されている。突極111およびハブ119は、例えば、非磁性体のアルミ材料を切削加工または成型加工して、あるいは、アルミ板を回転軸101の延長方向に積層して一体形状に作製されている。   The rotor core 115 is produced, for example, by laminating magnetic electromagnetic steel plates made of a magnetic material in the extending direction of the rotating shaft 101. The salient poles 111 and the hub 119 are made in one piece, for example, by cutting or molding a non-magnetic aluminum material, or by laminating aluminum plates in the extending direction of the rotating shaft 101.

ステータ120は、ロータ110の円筒形状の外周面に向かう突極形状に延伸されて電機子巻線125と界磁巻線126とを配置される複数の磁極121を備えている。このステータ120は、例えば、ロータコア115と同様に、磁性体の電磁鋼板を回転軸101の延長方向に積層して作製されている。   The stator 120 includes a plurality of magnetic poles 121 that are extended in a salient pole shape toward the cylindrical outer peripheral surface of the rotor 110 and in which an armature winding 125 and a field winding 126 are arranged. The stator 120 is produced by, for example, laminating magnetic electromagnetic steel plates in the extending direction of the rotating shaft 101 in the same manner as the rotor core 115.

磁極121は、円筒形状の外周面側のヨーク129と一緒の同一部材に形成されている。この磁極121は、ロータ110の突極111やロータコア115の外周面111a、115aに対して内周面側の端面121aが微小のギャップGを介して対面するように形成されており、ヨーク129からロータ110の外周面側に向かって延伸されている突極形状に形成されて並列されている。   The magnetic pole 121 is formed on the same member as the yoke 129 on the outer peripheral surface side of the cylindrical shape. The magnetic pole 121 is formed so that the end surface 121a on the inner peripheral surface side faces the salient pole 111 of the rotor 110 and the outer peripheral surfaces 111a and 115a of the rotor core 115 via a minute gap G. It is formed in parallel and formed in a salient pole shape extending toward the outer peripheral surface side of the rotor 110.

この磁極121は、ヨーク129の内周面側の24箇所に均等配置されており、ロータコア115が回転軸101周りの10極を構成するのに対して、電機子巻線125や界磁巻線126として機能する巻線コイルを巻き付ける際に利用する24箇所のスロット122を磁極121間に形成している。   The magnetic poles 121 are evenly arranged at 24 locations on the inner peripheral surface side of the yoke 129, and the rotor core 115 constitutes 10 poles around the rotating shaft 101, whereas the armature winding 125 and the field winding Twenty-four slots 122 are formed between the magnetic poles 121 to be used when winding the winding coil functioning as 126.

電機子巻線125と界磁巻線126とは、1つ置きの磁極121にそれぞれが位置するように、巻線コイルを集中巻きになるように巻き付けて設置されており、相対回転するロータ110のロータコア115に対して交互に対面するように構築されている。   The armature winding 125 and the field winding 126 are installed by winding the winding coil so as to be concentrated winding so that each of the armature winding 125 and the field winding 126 is located on every other magnetic pole 121, and the rotor 110 rotates relatively. It is constructed so as to alternately face the rotor core 115.

電機子巻線125は、3相の交流電力を供給して交流励磁させるようになっており、界磁巻線126は、直流電流を供給して直流励磁させるようになっている。このため、ステータ120では、U相用電機子巻線125uと、V相用電機子巻線125vと、W相用電機子巻線125wと、が1つ置きの磁極121に順次に配置されて、それぞれの間の磁極121に界磁巻線126が位置するように配置されている。   The armature winding 125 supplies three-phase AC power to be excited by AC, and the field winding 126 supplies DC current to be DC excited. Therefore, in the stator 120, the U-phase armature winding 125u, the V-phase armature winding 125v, and the W-phase armature winding 125w are sequentially arranged on every other magnetic pole 121. The field winding 126 is disposed on the magnetic pole 121 between them.

これに対して、ロータ110は、回転軸101と直交する断面形状において、突極111の外周面111a側とハブ119側とが同一幅に形成されて、その突極111の側面111bのハブ119側に近接する箇所を突出させることにより、ハブ119側に近接する側面111b間を狭くする突出形状部112が形成されている。   On the other hand, in the rotor 110, the outer peripheral surface 111 a side of the salient pole 111 and the hub 119 side are formed to have the same width in the cross-sectional shape orthogonal to the rotation shaft 101, and the hub 119 on the side surface 111 b of the salient pole 111. By projecting a portion that is close to the side, a protruding shape portion 112 that narrows the space between the side surfaces 111b that are close to the hub 119 side is formed.

そして、ロータコア115は、突極111間の空間に一致する形状に形成されており、突極111の側面111bの突出形状部112を嵌め込み可能な窪み形状の受け形状部116が形成されている。   The rotor core 115 is formed in a shape that coincides with the space between the salient poles 111, and a recess-shaped receiving shape part 116 into which the projecting shape part 112 of the side surface 111 b of the salient pole 111 can be fitted is formed.

この結果、ロータコア115は、外周面115a側から回転軸101に向かって、突極111の側面111b間の幅が狭くなるのに合わせて、回転方向の厚さが徐々に薄くなる形状に形成されており、受け形状部116の最深部116aを越えた箇所からハブ119側に至るまでは反対に徐々に厚くなる形状に形成することによりクサビとして機能するクサビ部117が設けられている。   As a result, the rotor core 115 is formed in a shape in which the thickness in the rotation direction gradually decreases as the width between the side surfaces 111b of the salient pole 111 decreases from the outer peripheral surface 115a toward the rotation shaft 101. A wedge portion 117 that functions as a wedge is provided by forming the receiving shape portion 116 so as to gradually increase in thickness from the position beyond the deepest portion 116a of the receiving shape portion 116 to the hub 119 side.

この構造により、ロータ110は、ロータコア115を回転軸101の延長方向の一端側から突極111間の空間に差し込んでスライドさせ嵌め込むことにより、外周面111a、115aが滑らかに連続する円筒形状にすることができる。また、ロータ110は、回転時に突極111間から離脱させようとする遠心力がロータコア115に掛かったとしても、そのロータコア115のクサビ部117が突極111の突出形状部112の頂部112aまでの斜面112bに突き当たって保持されるように形成されている。   With this structure, the rotor 110 is inserted into the space between the salient poles 111 from one end side in the extending direction of the rotating shaft 101 and is slid into the cylindrical shape so that the outer peripheral surfaces 111a and 115a are smoothly continuous. can do. Further, even if the rotor 110 is subjected to centrifugal force to be separated from between the salient poles 111 during the rotation, the wedge part 117 of the rotor core 115 reaches the top part 112 a of the projecting shape part 112 of the salient pole 111. It is formed so as to abut against the inclined surface 112b.

また、ロータコア115は、ステータ120側に開口する突極111間の開口幅に一致する外周面115aがステータ120の隣接する磁極121の2つに同時に対面することができる幅(厚さ)を有するように形成されている。このロータコア115は、外周面115aの外側のエッジ間距離と、その外周面115aに対面する2つの磁極121の端面121aの外側のエッジ間距離とが一致するように、回転軸101側よりも外周面115a側を厚く形成されている。   In addition, the rotor core 115 has a width (thickness) that allows an outer peripheral surface 115 a that coincides with the opening width between the salient poles 111 that open toward the stator 120 to simultaneously face two adjacent magnetic poles 121 of the stator 120. It is formed as follows. The rotor core 115 has an outer periphery that is closer to the outer periphery than the rotary shaft 101 side so that the distance between the outer edges of the outer peripheral surface 115a matches the distance between the outer edges of the end surfaces 121a of the two magnetic poles 121 facing the outer peripheral surface 115a. The surface 115a side is formed thick.

ここで、電機子巻線125および界磁巻線126に電力供給する電源として、例えば、車両に搭載する回転電機100の場合には、図2に示すように、車載されている直流バッテリ301にインバータ302とコンバータ303とがそれぞれに電力供給可能に並列接続されている。   Here, as a power source for supplying power to the armature winding 125 and the field winding 126, for example, in the case of the rotating electrical machine 100 mounted on a vehicle, as shown in FIG. The inverter 302 and the converter 303 are connected in parallel so as to be able to supply power to each.

具体的には、インバータ302には、U相用電機子巻線125uと、V相用電機子巻線125vと、W相用電機子巻線125wとを、それぞれ各相毎に直列接続することにより、直流バッテリ301に蓄電されている直流電力を、直流(DC)/交流(AC)変換した交流電力として供給し、それぞれ交流励磁するようになっている。また、コンバータ303には、界磁巻線126を直列接続することにより、直流バッテリ301の直流電力を、直流(DC)/直流(DC)変換して電圧調整をした後に供給し、それぞれ直流励磁するようになっている。   Specifically, the U-phase armature winding 125u, the V-phase armature winding 125v, and the W-phase armature winding 125w are connected to the inverter 302 in series for each phase. Thus, the direct current power stored in the direct current battery 301 is supplied as alternating current power obtained by direct current (DC) / alternating current (AC) conversion, and each is subjected to alternating current excitation. Further, the field winding 126 is connected in series to the converter 303 so that the direct current power of the direct current battery 301 is supplied after direct current (DC) / direct current (DC) conversion and voltage adjustment, and direct current excitation is performed. It is supposed to be.

この構造により、回転電機100は、ステータ120の電機子巻線125に交流電力を供給して回転駆動させつつ界磁巻線126にその回転駆動を補助するタイミングに直流電力を供給することにより、所謂、フラックススイッチングモータと同様にロータ110を回転させることができる。   With this structure, the rotating electrical machine 100 supplies the AC power to the armature winding 125 of the stator 120 to rotate and supply the DC power to the field winding 126 at a timing that assists the rotational driving. The rotor 110 can be rotated similarly to a so-called flux switching motor.

このとき、図3に示すように、電機子巻線125や界磁巻線126に電力供給することにより発生させる磁束(図中には直流励磁により発生させる直流磁束φdcを図示)は、1つの磁極121からロータコア115の外周面115aの端辺側から鎖交した後にはその外周面115aの反対側端辺側から隣接する磁極121に鎖交してステータ120のヨーク129側を迂回する磁気回路を形成することができる。   At this time, as shown in FIG. 3, the magnetic flux generated by supplying power to the armature winding 125 and the field winding 126 (the DC magnetic flux φdc generated by DC excitation is shown in the figure) is one. After interlinking from the magnetic pole 121 from the end side of the outer peripheral surface 115a of the rotor core 115, the magnetic circuit bypasses the yoke 129 side of the stator 120 by interlinking with the adjacent magnetic pole 121 from the opposite end side of the outer peripheral surface 115a. Can be formed.

このため、磁極121毎に電機子巻線125と界磁巻線126とを交互に集中巻きして電力供給する回転電機100でも、図4に示すように、ステータ120に対してロータ110が相対回転した場合にも、隣接する磁極121に磁束の通過する磁路を形成して磁気回路を維持することができる。   Therefore, even in the rotating electrical machine 100 that supplies power by alternately concentrating the armature winding 125 and the field winding 126 for each magnetic pole 121, the rotor 110 is relative to the stator 120 as shown in FIG. Even in the case of rotation, a magnetic path through which magnetic flux passes can be formed in the adjacent magnetic pole 121 to maintain the magnetic circuit.

したがって、回転電機100は、図5の磁束線図に示すように、トルク発生面Tとして図示する箇所において、ロータコア115内で磁束線FLが集中する磁束線密度に差を生じさせて回転力として機能する電磁石トルクを発生させることができ、図6のグラフに示すように、その回転力として機能する電磁石トルクを途切れることなく発生させることができる。なお、図6に示すトルク波形は、電機子巻線125や界磁巻線126への電力供給のタイミング等を調整することにより滑らかに連続する高品質な特性にして出力させることができる。   Therefore, as shown in the magnetic flux diagram of FIG. 5, the rotating electrical machine 100 produces a difference in the magnetic flux line density where the magnetic flux lines FL are concentrated in the rotor core 115 at the portion illustrated as the torque generation surface T as the rotational force. A functioning electromagnet torque can be generated, and as shown in the graph of FIG. 6, the electromagnet torque functioning as the rotational force can be generated without interruption. The torque waveform shown in FIG. 6 can be output with smooth and continuous high quality characteristics by adjusting the timing of power supply to the armature winding 125 and the field winding 126.

(比較例)
これに対して、図7に示すような回転電機200では、ロータ210とステータ220とを、それぞれ磁性体の電磁鋼板を回転軸201の延長方向に積層して作製されている。ステータ220には、24箇所のスロット222を形成する複数の磁極221が形成されている。また、ロータ210は、回転軸201を固定するハブ219と一体に軸心から離隔する方向に延伸される突極211を備えており、その突極211は均等配置される10極として機能するように構築されている。
(Comparative example)
On the other hand, in the rotating electrical machine 200 as shown in FIG. 7, the rotor 210 and the stator 220 are each formed by laminating magnetic electromagnetic steel plates in the extending direction of the rotating shaft 201. A plurality of magnetic poles 221 forming 24 slots 222 are formed in the stator 220. The rotor 210 includes a salient pole 211 that extends integrally with a hub 219 that fixes the rotating shaft 201 and is separated from the axis, and the salient pole 211 functions as 10 poles that are evenly arranged. Has been built.

ロータ210の突極211は、回転軸201と直交する断面形状において、回転電機100のように突出形状部112が形成されることなく、外周面211a側からハブ219側まで同一幅(厚さ)に形成されている。この突極211は、外周面211aがステータ220の磁極221の端面221aに一致する幅で対面するように形成されている。   The salient pole 211 of the rotor 210 has the same width (thickness) from the outer peripheral surface 211a side to the hub 219 side in the cross-sectional shape orthogonal to the rotating shaft 201 without forming the protruding shape portion 112 unlike the rotary electric machine 100. Is formed. The salient pole 211 is formed so that the outer peripheral surface 211 a faces with a width that matches the end surface 221 a of the magnetic pole 221 of the stator 220.

このため、ロータ210は、ステータ220の隣接する2つの磁極221の端面221aに、隣接する2つの突極211の外周面211aを同時に対面させることができない形状に形成されている。   For this reason, the rotor 210 is formed in a shape in which the outer peripheral surfaces 211a of the two adjacent salient poles 211 cannot simultaneously face the end surfaces 221a of the two adjacent magnetic poles 221 of the stator 220.

このことから、回転電機200のステータ220は、電機子巻線225および界磁巻線226が1つのスロット222を挟む2つの磁極221に巻線コイルを巻き掛ける分布巻きをすることによりそれぞれ配置されている。すなわち、電機子巻線225および界磁巻線226は、1つの磁極221だけずらして重なる状態となる分布巻きにして周方向に交互に位置するように配置されている。   Therefore, the stator 220 of the rotating electrical machine 200 is disposed by performing distributed winding in which the armature winding 225 and the field winding 226 wind the winding coil around the two magnetic poles 221 sandwiching one slot 222. ing. That is, the armature winding 225 and the field winding 226 are arranged so as to be alternately positioned in the circumferential direction in a distributed winding that is shifted by one magnetic pole 221 and overlapped.

このため、ステータ220は、1つ置きの磁極221が、言い換えると、1つの磁極221を挟む両側の2つの磁極221が、ロータ210の隣接する突極211に同時に対面するように形成されており、ロータ210は、2つの突極211とハブ219とを介して1つ置きの磁極221との間で磁束を鎖交させて磁気回路を形成するように構築されている。   For this reason, the stator 220 is formed so that every other magnetic pole 221, in other words, two magnetic poles 221 on both sides sandwiching one magnetic pole 221 are simultaneously facing the salient poles 211 adjacent to the rotor 210. The rotor 210 is constructed so as to form a magnetic circuit by interlinking magnetic flux between every other magnetic pole 221 via two salient poles 211 and a hub 219.

ここで、回転電機200でも、回転電機100と同様に、電機子巻線225に3相の交流電力を供給して交流励磁させるとともに、界磁巻線226に直流電流を供給して直流励磁させるようになっている。   Here, in the rotating electrical machine 200 as well, as with the rotating electrical machine 100, three-phase AC power is supplied to the armature winding 225 for AC excitation, and a DC current is supplied to the field winding 226 for DC excitation. It is like that.

このため、ステータ220では、U相用電機子巻線225uと、V相用電機子巻線225vと、W相用電機子巻線225wと、が1つ置きのスロット222を共通使用して巻線コイルを隣接する2つの磁極221に巻き掛ける分布巻きとして順次に周方向に連続するように配置されている。また、界磁巻線226は、空いているスロット222を利用して隣接する2つの磁極221に巻線コイルを巻き掛ける分布巻きとして周方向に連続するように配置されている。   For this reason, in the stator 220, the U-phase armature winding 225u, the V-phase armature winding 225v, and the W-phase armature winding 225w are wound by using every other slot 222 in common. The wire coils are arranged so as to be successively continuous in the circumferential direction as distributed windings wound around two adjacent magnetic poles 221. Further, the field winding 226 is disposed so as to be continuous in the circumferential direction as a distributed winding in which a winding coil is wound around two adjacent magnetic poles 221 using the vacant slot 222.

この構造では、図8に示すように、電機子巻線225や界磁巻線226に電力供給することにより発生させる磁束(図中には直流励磁により発生させる直流磁束φdcを図示)は、1つの磁極221からロータ210の突極211に鎖交した後にはハブ219をヨークとして迂回して隣の突極211から1つ飛ばした磁極221に鎖交させてステータ220のヨーク229側を迂回する磁気回路を形成することができる。   In this structure, as shown in FIG. 8, the magnetic flux generated by supplying power to the armature winding 225 and the field winding 226 (the DC magnetic flux φdc generated by DC excitation is shown in the figure) is 1 After interlinking from one magnetic pole 221 to the salient pole 211 of the rotor 210, the hub 219 is detoured as a yoke and is interlinked with the magnetic pole 221 that is skipped from the adjacent salient pole 211 to detour the yoke 229 side of the stator 220. A magnetic circuit can be formed.

このため、電機子巻線225と界磁巻線226とを分布巻きして電力供給する回転電機200でも、図9に示すように、ステータ220に対してロータ210が相対回転した場合でも、1つ置きの磁極221に磁束の通過する磁路を形成して磁気回路を維持することができ、回転力として機能する電磁石トルクを発生させることができる。   Therefore, even in the rotating electrical machine 200 that distributes the armature windings 225 and the field windings 226 to supply electric power, even when the rotor 210 rotates relative to the stator 220 as shown in FIG. A magnetic path through which magnetic flux passes can be formed in the alternate magnetic pole 221 to maintain the magnetic circuit, and an electromagnet torque that functions as a rotational force can be generated.

(比較結果)
このように、回転電機100と回転電機200とでは、フラックススイッチングモータとして同様に、交流電力と直流電力を電機子巻線125、225と界磁巻線126、226とに供給することによりそれぞれ回転駆動させることができる。
(Comparison result)
As described above, the rotating electrical machine 100 and the rotating electrical machine 200 rotate similarly by supplying AC power and DC power to the armature windings 125 and 225 and the field windings 126 and 226, respectively, as flux switching motors. It can be driven.

しかしながら、回転電機200は、電機子巻線225と界磁巻線226のいずれも隣接する2つの磁極221を跨ぐように巻線コイルを分布巻きにして形成している。これに対して、回転電機100は、電機子巻線125と界磁巻線126を磁極121毎に巻線コイルを集中巻きにして形成している。   However, in the rotating electric machine 200, the winding coil is formed by distributed winding so that both the armature winding 225 and the field winding 226 straddle two adjacent magnetic poles 221. On the other hand, in the rotating electrical machine 100, the armature winding 125 and the field winding 126 are formed by concentrating winding coils for each magnetic pole 121.

このため、回転電機100は、回転電機200よりも使用するコイル長を短くすることができ、銅損が大きくなることを抑えることができている。また、回転電機100は、磁極121毎の集中巻きにするため巻線コイルを重ねる必要がないことから、回転電機200の分布巻きのように重なる巻線コイルが存在することによって、ステータ220の回転軸201の両端側端面に露出するコイルエンドが高く(回転軸方向に厚く)なり、小型化を妨げる形態になってしまうといったことを回避することができる。   For this reason, the rotary electric machine 100 can shorten the coil length to be used compared with the rotary electric machine 200, and can suppress that a copper loss becomes large. In addition, since the rotating electrical machine 100 does not need to overlap winding coils for concentrated winding for each magnetic pole 121, the presence of overlapping winding coils as in the distributed winding of the rotating electrical machine 200 causes rotation of the stator 220. It can be avoided that the coil ends exposed on the end faces on both ends of the shaft 201 are high (thick in the direction of the rotation axis), and the size is prevented from being reduced.

このため、回転電機100は、回転電機200よりも使用するコイル長を短くすることができ、銅損が大きくなることを抑えることができている。また、回転電機100は、磁極121毎の集中巻きするため巻線コイルを重ねる必要がないことから、回転電機200の分布巻きのように重なる巻線コイルが存在することによってステータ220の回転軸201の両端側端面に露出するコイルエンドが高く(回転軸方向に厚く)なり、小型化を妨げる形態になってしまうといったことを回避することができる。   For this reason, the rotary electric machine 100 can shorten the coil length to be used compared with the rotary electric machine 200, and can suppress that a copper loss becomes large. In addition, since the rotating electrical machine 100 does not need to overlap winding coils because concentrated winding is performed for each magnetic pole 121, the rotating shaft 201 of the stator 220 is present due to the presence of overlapping winding coils such as distributed winding of the rotating electrical machine 200. It can be avoided that the coil ends exposed to the end faces on both ends of the metal plate are high (thick in the direction of the rotation axis) and prevent the size from being reduced.

さらに、回転電機200では、ロータ210の突極211とハブ129とを経由する磁路により磁気回路を形成している。これに対して、回転電機100では、ロータ110の突極111で保持させているロータコア115内に磁路を形成させることにより磁気回路を形成している。   Further, in the rotating electrical machine 200, a magnetic circuit is formed by a magnetic path that passes through the salient pole 211 of the rotor 210 and the hub 129. On the other hand, in the rotating electrical machine 100, a magnetic circuit is formed by forming a magnetic path in the rotor core 115 held by the salient pole 111 of the rotor 110.

このため、回転電機100は、ステータ120の磁極121との間で受け渡す磁束をロータ110側の1つのロータコア115内の磁路を経由させて鎖交させることができる。これにより、回転電機100は、回転電機200のようにロータ210の1つの突極211に鎖交させて進入させた磁束がハブ219を経由することにより複数の突極211に分散してしまうことがなく、効果的に磁束をロータコア115のトルク発生面T(図5)に集中させて効率よく電磁石トルクを発生させることができる。   For this reason, the rotating electrical machine 100 can link the magnetic flux transferred to and from the magnetic pole 121 of the stator 120 via the magnetic path in one rotor core 115 on the rotor 110 side. As a result, in the rotating electrical machine 100, the magnetic flux that is linked to and enters one salient pole 211 of the rotor 210 as in the rotating electrical machine 200 is dispersed to the plurality of salient poles 211 via the hub 219. Therefore, the magnetic flux can be effectively concentrated on the torque generation surface T (FIG. 5) of the rotor core 115, and the electromagnet torque can be generated efficiently.

また、このロータコア115は、ハブ119や突極111と別部材として電磁鋼板などを打ち抜くことで作製することができ、無駄になってしまう面積をできるだけ小さくするように並列させて打ち抜いくことができ、安価な材料費で作製することができる。   In addition, the rotor core 115 can be manufactured by punching a magnetic steel sheet or the like as a separate member from the hub 119 or the salient pole 111, and can be punched in parallel so as to minimize the wasted area. It can be produced at a low material cost.

すなわち、本実施形態においては、ステータ120の磁極121毎に電機子巻線125と界磁巻線126とを集中巻きにして交互に配置するとともに、ロータ110の非磁性体の突極111に保持させるロータコア115をステータ120の隣接する2つの磁極121に対面させている。このため、回転電機100は、銅損の少ない電機子巻線125と界磁巻線126とにより磁極121毎に磁気回路を形成して、フラックススイッチングモータと同様に、効率よく稼動することができ、小型化の妨げにならない安価な構造で作製することができる。   That is, in the present embodiment, the armature winding 125 and the field winding 126 are alternately arranged in a concentrated manner for each magnetic pole 121 of the stator 120 and are held on the non-magnetic salient pole 111 of the rotor 110. The rotor core 115 to be made is opposed to two adjacent magnetic poles 121 of the stator 120. For this reason, the rotating electrical machine 100 can operate efficiently as in the flux switching motor by forming a magnetic circuit for each magnetic pole 121 by the armature winding 125 and the field winding 126 with less copper loss. It can be manufactured with an inexpensive structure that does not hinder downsizing.

ここで、本実施形態の他の態様としては、ラジアルギャップ構造に限らすに、アキシャルギャップ構造のフラックススイッチングモータにも適用して、同様の作用効果を得ることができる。   Here, as another aspect of the present embodiment, the present invention is not limited to the radial gap structure, but can be applied to a flux switching motor having an axial gap structure to obtain the same function and effect.

また、ロータコア115やステータ120は、電磁鋼板の積層構造で作製するばかりでなく、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も好適である。また、アルミ導体を用いてロータ110やステータ120を作製しても同様に機能させることができる。   In addition, the rotor core 115 and the stator 120 are not only made of a laminated structure of electromagnetic steel plates, but also, for example, a soft magnetic composite material (Soft Magnetic Composites) in which the surface of magnetic particles such as iron powder is subjected to insulation coating is further provided. A powder magnetic core produced by iron powder compression molding and heat treatment, a so-called SMC core may be employed. This SMC core is suitable for an axial gap structure because it is easy to mold. Moreover, even if the rotor 110 and the stator 120 are manufactured using an aluminum conductor, the same function can be achieved.

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。   The rotating electrical machine 100 is not limited to being mounted on a vehicle, and can be suitably employed as a drive source for wind power generation, machine tools, and the like.

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.

100 回転電機
101 回転軸
110 ロータ
111 突極
111a 外周面
112 突出形状部
115 ロータコア
116 受け形状部
117 クサビ部
120 ステータ
121 磁極
121a 端面
125 電機子巻線
126 界磁巻線

DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Rotating electrical machine 101 Rotating shaft 110 Rotor 111 Salient pole 111a Outer peripheral surface 112 Projection shape part 115 Rotor core 116 Reception shape part 117 Wedge part 120 Stator 121 Magnetic pole 121a End face 125 Armature winding 126 Field winding

Claims (2)

回転軸側に延伸して配置された複数の磁極を有するステータと、
前記磁極側に延伸して配置された複数の突極を有するロータと、を備える回転電機であって、
前記ステータには、前記磁極に集中巻きされた電機子巻線と界磁巻線が交互に配置され、
前記ロータは、非磁性体からなる前記複数の突極と、前記突極の間に保持される磁性体からなるロータコアと、を有する回転電機。
A stator having a plurality of magnetic poles arranged extending on the rotating shaft side;
A rotating electric machine comprising: a rotor having a plurality of salient poles arranged extending on the magnetic pole side;
In the stator, armature windings and field windings concentrated on the magnetic poles are alternately arranged,
The rotor is a rotating electrical machine having the plurality of salient poles made of a non-magnetic material and a rotor core made of a magnetic material held between the salient poles.
前記ロータコアは、少なくとも隣接する2つの前記磁極の双方に対面する幅の外周面を有する請求項1に記載の回転電機。
The rotating electrical machine according to claim 1, wherein the rotor core has an outer peripheral surface having a width that faces at least two adjacent magnetic poles.
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