JP2016208780A - Field winding type rotating electrical machine - Google Patents
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Abstract
【課題】界磁巻線型回転電機において、高トルク出力時における力率を向上させるとともに、低トルク出力時における出力効率を向上させることを主たる目的とする。
【解決手段】ステータコイル32を有するステータ30と、ステータ30の内周においてステータ30の軸線を中心として回転自在に設けられ、周方向に配列された複数のロータティース部26aを有するロータコア22aと、ロータティース部26aに巻回されたロータコイル23と、を有するロータ20と、を備える界磁巻線型回転電機10において、ロータティース部26aの先端部261aに、ロータコア22aの周方向においてロータティース部26aの根元部263aの幅よりも狭い幅を有する主突極264aと、主突極264aの幅よりも狭い幅を有する補助突極265aと、が設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図6A main object of a field winding type rotary electric machine is to improve the power factor at the time of high torque output and to improve the output efficiency at the time of low torque output.
A stator 30 having a stator coil 32, a rotor core 22a having a plurality of rotor teeth portions 26a arranged on the inner circumference of the stator 30 so as to be rotatable around the axis of the stator 30 and arranged in the circumferential direction; In a field winding type rotary electric machine 10 including a rotor coil 20 having a rotor coil 23 wound around a rotor tooth portion 26a, a rotor tooth portion is provided at a distal end portion 261a of the rotor tooth portion 26a in a circumferential direction of the rotor core 22a. A main salient pole 264a having a width narrower than the width of the root portion 263a of the head 26a and an auxiliary salient pole 265a having a width narrower than the width of the main salient pole 264a are provided.
[Selection] Figure 6
Description
本発明は、界磁巻線型回転電機に関するものであり、特に、ロータの磁極の形状に関するものである。 The present invention relates to a field winding type rotating electrical machine, and more particularly to the shape of a magnetic pole of a rotor.
従来、界磁巻線型回転電機のロータコアとして、軸方向に垂直な断面の形状がT字状のロータティース部を有するものが用いられている。T字状のロータティース部に対して界磁巻線を巻回し、界磁巻線に直流電圧を印加することで、界磁磁束を生じさせる(特許文献1)。 2. Description of the Related Art Conventionally, a rotor core of a field winding type rotary electric machine has a rotor tooth portion having a T-shaped cross section perpendicular to the axial direction. A field magnetic flux is generated by winding a field winding around the T-shaped rotor teeth and applying a DC voltage to the field winding (Patent Document 1).
ロータティース部がT字状の場合、回転電機の駆動時において、ロータコアにおけるq軸インダクタンスにより磁束が歪む。このため、電機子巻線に流れる電流と電圧との間に位相差が生じ、力率が低下する。界磁巻線型回転電機では、界磁巻線に流れる電流を大きくし、界磁磁束を強める強め界磁制御を行うか、または、ロータコアの構造を変更し、q軸インダクタンスを減少させることで、力率を改善できる。 When the rotor teeth portion is T-shaped, the magnetic flux is distorted by the q-axis inductance in the rotor core when the rotating electrical machine is driven. For this reason, a phase difference arises between the current and voltage flowing through the armature winding, and the power factor decreases. In a field winding type rotating electrical machine, the power factor is increased by increasing the current flowing through the field winding and increasing the field flux, or by changing the rotor core structure and reducing the q-axis inductance. Can be improved.
ここで、ロータティース部の先端部の面積を狭くすることでq軸インダクタンスを減少させると、力率改善効果を得られる一方で、ロータティース部の先端部に生じる磁束が減少する。ロータティース部の先端部に生じる磁束が減少することで、特に低トルク出力時において、トルクの電機子電流に対する出力効率が低下するという問題が生じる。 Here, if the q-axis inductance is reduced by narrowing the area of the tip portion of the rotor teeth portion, the power factor improvement effect can be obtained, while the magnetic flux generated at the tip portion of the rotor teeth portion is reduced. Since the magnetic flux generated at the tip of the rotor teeth portion is reduced, there is a problem that the output efficiency of the torque with respect to the armature current is lowered particularly at the time of low torque output.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、界磁巻線型回転電機において、高トルク出力時における力率を向上させるとともに、低トルク出力時における出力効率を向上させることを主たる目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and in a field winding type rotary electric machine, the main object is to improve the power factor at the time of high torque output and to improve the output efficiency at the time of low torque output. To do.
本発明は、電機子巻線(32)を有するステータ(30)と、前記ステータの内周において前記ステータの軸線を中心として回転自在に設けられ、周方向に配列された複数のロータティース部(26a,26d)を有するロータコア(22a,22d)と、前記ロータティース部に巻回された界磁巻線(23)と、を有するロータ(20)と、を備える界磁巻線型回転電機(10)において、前記ロータティース部の先端部(261a,261d)に、前記ロータコアの周方向において前記ロータティース部の根元部(263a,263d)の幅よりも狭い幅を有する主突極(264a,264d)と、前記主突極の幅よりも狭い幅を有する補助突極(265a,265d)と、が設けられていることを特徴とする。 The present invention provides a stator (30) having an armature winding (32), and a plurality of rotor teeth portions arranged in the circumferential direction and rotatably provided around an axis of the stator on the inner periphery of the stator ( 26a, 26d) and a rotor (20) having a field winding (23) wound around the rotor teeth portion, a field winding type rotating electrical machine (10) ), The main salient poles (264a, 264d) having a width smaller than the width of the root portions (263a, 263d) of the rotor teeth portion in the circumferential direction of the rotor core at the tip portions (261a, 261d) of the rotor teeth portion. ) And auxiliary salient poles (265a, 265d) having a width narrower than the width of the main salient pole.
電機子巻線に流れる電流が大きく、磁束が強い場合、補助突極が磁気飽和する。これによりq軸インダクタンスが減少し、電機子巻線に印加される電圧と電機子巻線に流れる電流との位相が近づき、力率を向上させることができる。このため、高トルク出力時における効率を向上させることが可能となる。また、電機子巻線に流れる電流が小さく、磁束が弱い場合、主突極及び補助突極の両方において界磁磁束が生じるため、主突極及び補助突極の両方がトルクに寄与する。これにより、効率よくトルクを出力することが可能となる。よって、高トルク出力時における力率を向上させるとともに、低トルク出力時における出力効率を向上させることが可能となる。 When the current flowing through the armature winding is large and the magnetic flux is strong, the auxiliary salient pole is magnetically saturated. As a result, the q-axis inductance decreases, the phase of the voltage applied to the armature winding and the current flowing through the armature winding approaches, and the power factor can be improved. For this reason, the efficiency at the time of high torque output can be improved. Further, when the current flowing through the armature winding is small and the magnetic flux is weak, field magnetic flux is generated in both the main salient pole and the auxiliary salient pole, so that both the main salient pole and the auxiliary salient pole contribute to the torque. This makes it possible to output torque efficiently. Therefore, it is possible to improve the power factor at the time of high torque output and improve the output efficiency at the time of low torque output.
(第1実施形態)
以下、本発明を車両の走行動力発生用の走行モータを含む回転電機装置として具現化した場合の一実施の形態について説明する。
(First embodiment)
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment in which the present invention is embodied as a rotating electrical machine apparatus including a traveling motor for generating traveling power of a vehicle will be described.
まず、従来技術における走行モータ(界磁巻線型回転電機)の構成について図1〜3を用いて説明する。図1に示すように、従来技術における走行モータ10は、ハウジング11、ロータ20、ステータ30を含んで構成されている。 First, the structure of the traveling motor (field winding type rotating electrical machine) in the prior art will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the traveling motor 10 according to the related art includes a housing 11, a rotor 20, and a stator 30.
ロータ20は、シャフト21、ロータコア22及びロータコイル23(界磁巻線)を含んで構成されている。ロータコア22はシャフト21に固定されている。また、シャフト21は一組の軸受12,13を介してハウジング11に回転自在に支持されている。 The rotor 20 includes a shaft 21, a rotor core 22, and a rotor coil 23 (field winding). The rotor core 22 is fixed to the shaft 21. The shaft 21 is rotatably supported by the housing 11 via a pair of bearings 12 and 13.
ロータコイル23は、シャフト21に設けられた金属製のリング、及び、その金属製のリングと接触するブラシを備えるスリップリング部15を介して、界磁回路51と接続されており、界磁回路51によって直流電圧が印加可能とされている。界磁回路51は、バッテリ50から入力される直流電圧を昇降圧することで、ロータコイル23に印加する直流電圧を操作し、ロータコイル23に流れる界磁電流Ifを調整する。 The rotor coil 23 is connected to the field circuit 51 via a metal ring provided on the shaft 21 and a slip ring portion 15 including a brush that contacts the metal ring. A direct current voltage can be applied by 51. The field circuit 51 adjusts the field current If flowing in the rotor coil 23 by operating the DC voltage applied to the rotor coil 23 by stepping up and down the DC voltage input from the battery 50.
シャフト21には磁性輪板24が固定されており、この磁性輪板24の外周には一定の間隔で磁気突極が設けられている。磁性輪板24の外周面に対向する位置には回転位置センサ14が設けられている。回転位置センサ14は磁気突極の通過を検出することによりロータ20の回転位置を検出し、検出結果をコントローラ40に送信する。 A magnetic ring plate 24 is fixed to the shaft 21, and magnetic salient poles are provided on the outer periphery of the magnetic ring plate 24 at regular intervals. A rotational position sensor 14 is provided at a position facing the outer peripheral surface of the magnetic ring plate 24. The rotational position sensor 14 detects the rotational position of the rotor 20 by detecting the passage of the magnetic salient pole, and transmits the detection result to the controller 40.
図2に示すように、ロータコア22の外周側には、複数のロータコイル収容溝25がロータコア22の軸方向に貫通して設けられている。周方向に隣り合うロータコイル収容溝25間にはロータティース部26が周方向に配列して形成されている。そして、その最外周部分にはロータコイル収容溝25を狭窄するように周方向両側に延在するつば部27が設けられている。ロータコイル収容溝25には、ロータコイル23が巻回されている。ロータコイル23はロータティース部26に界磁磁束φfを形成すべくその周りにロの字状に巻回されている。なお、ロータコイル23の巻回方法はロの字状の他、つづら折り状等に巻回してもよい。 As shown in FIG. 2, a plurality of rotor coil housing grooves 25 are provided on the outer peripheral side of the rotor core 22 so as to penetrate in the axial direction of the rotor core 22. Rotor teeth portions 26 are arranged in the circumferential direction between the rotor coil housing grooves 25 adjacent in the circumferential direction. The outermost peripheral portion is provided with a flange portion 27 extending on both sides in the circumferential direction so as to narrow the rotor coil housing groove 25. A rotor coil 23 is wound around the rotor coil housing groove 25. The rotor coil 23 is wound in a square shape around the rotor tooth portion 26 so as to form a field magnetic flux φf. In addition, the winding method of the rotor coil 23 may be wound in a zigzag folded shape or the like in addition to the square shape.
ステータ30は、ロータ20の外径側に配置されている。ステータ30は、ステータコア31とステータコイル32(電機子巻線)とにより構成されている。ステータコア31は円筒状であり、ハウジング11の内周壁面に固定されている。言い換えると、ロータ20は、ステータ30の内周においてステータ30の軸線を中心として回転自在に設けられている。ステータコア31の内周側には、複数のスロット33がステータコア31の軸方向に貫通して設けられている。周方向に隣り合うスロット33間にはステータティース部34が形成されている。ステータコイル32は3相の相コイルU32,V32,W32により形成され、各相コイルU32,V32,W32は隣接するスロット33に順次巻回されている。そして、ステータコイル32に電流が流れることにより、ステータティース部34が磁化されて磁気突極を形成される。 The stator 30 is disposed on the outer diameter side of the rotor 20. The stator 30 includes a stator core 31 and a stator coil 32 (armature winding). The stator core 31 has a cylindrical shape and is fixed to the inner peripheral wall surface of the housing 11. In other words, the rotor 20 is provided to be rotatable about the axis of the stator 30 on the inner periphery of the stator 30. On the inner peripheral side of the stator core 31, a plurality of slots 33 are provided penetrating in the axial direction of the stator core 31. A stator tooth portion 34 is formed between the slots 33 adjacent in the circumferential direction. The stator coil 32 is formed by three-phase coils U32, V32, and W32, and each phase coil U32, V32, and W32 is sequentially wound around the adjacent slot 33. Then, when a current flows through the stator coil 32, the stator teeth portion 34 is magnetized to form a magnetic salient pole.
図3に示すように、ステータコイル32は、U相コイル32UとV相コイル32VとW相コイル32Wとを中性点Nで接続することによりY結線されている。バッテリ50と各相コイル32U,32V,32Wの外部引き出し端子との間には、昇圧回路60及びインバータ70(3相インバータ)が接続されている。インバータ70は3つの上アーム素子71と3つの下アーム素子72とを有し、各アーム素子はそれぞれIGBT73とフライホイールダイオード74とにより構成されている。なお、各アーム素子をMOS−FETとしてもよい。 As shown in FIG. 3, the stator coil 32 is Y-connected by connecting a U-phase coil 32U, a V-phase coil 32V, and a W-phase coil 32W at a neutral point N. A booster circuit 60 and an inverter 70 (three-phase inverter) are connected between the battery 50 and the external lead terminals of the phase coils 32U, 32V, 32W. The inverter 70 has three upper arm elements 71 and three lower arm elements 72, and each arm element includes an IGBT 73 and a flywheel diode 74. Each arm element may be a MOS-FET.
インバータ70は、昇圧回路60を介してバッテリ50に接続されている。昇圧回路60は、バッテリ50から入力される第1電圧V1を第2電圧V2まで昇圧するためのものである。本実施形態の昇圧回路60は、昇圧用スイッチ61のオン動作によりインダクタ62にてエネルギーが蓄積され、オフ動作によりエネルギーがダイオード63を通じて放出される昇圧チョッパ方式の昇圧回路60である。本実施形態では、第1電圧V1は200V、第2電圧V2は600Vに設定されている。すなわち、昇圧回路60により第1電圧V1を3倍の第2電圧V2に昇圧する。昇圧回路60で昇圧された電圧はインバータ70に入力される。 The inverter 70 is connected to the battery 50 via the booster circuit 60. The booster circuit 60 is for boosting the first voltage V1 input from the battery 50 to the second voltage V2. The booster circuit 60 of the present embodiment is a booster chopper type booster circuit 60 in which energy is accumulated in the inductor 62 when the booster switch 61 is turned on and is released through the diode 63 when the switcher is turned off. In the present embodiment, the first voltage V1 is set to 200V, and the second voltage V2 is set to 600V. That is, the booster circuit 60 boosts the first voltage V1 to the second voltage V2 that is three times higher. The voltage boosted by the booster circuit 60 is input to the inverter 70.
コントローラ40は回転位置センサ14からロータ20の回転位置情報を取得する。そして、ロータ20の回転位置に対応した電機子電流I(同期電流)をステータコイル32に通電すべくインバータ70を断続制御するとともに、界磁電流Ifを調整すべく界磁回路51を制御する。ロータ20の回転位置に対応させてインバータ70を断続制御することにより、ロータ20にトルクを生じさせる。 The controller 40 acquires the rotational position information of the rotor 20 from the rotational position sensor 14. Then, the inverter 70 is intermittently controlled so as to energize the stator coil 32 with an armature current I (synchronous current) corresponding to the rotational position of the rotor 20, and the field circuit 51 is controlled so as to adjust the field current If. Torque is generated in the rotor 20 by intermittently controlling the inverter 70 in correspondence with the rotational position of the rotor 20.
図4に従来技術におけるロータコア22を有する場合の磁束密度のコンター図(等高線図)を示す。図4では濃淡及び等高線の密度により磁束密度の大小を表している。色の濃度が濃い箇所、及び、等高線の間隔の狭い箇所が磁束密度の大きい箇所であり、色の濃度が薄い箇所、及び、等高線の間隔の広い箇所が磁束密度の小さい箇所である。 FIG. 4 shows a contour diagram (contour map) of magnetic flux density in the case of having the rotor core 22 in the prior art. In FIG. 4, the magnitude of the magnetic flux density is represented by the density of light and shade and contour lines. A portion having a high color density and a portion having a narrow interval between contour lines are portions having a high magnetic flux density, and a portion having a low color density and a portion having a wide interval between contour lines are portions having a low magnetic flux density.
図4において、ロータ20は逆時計回りに回転している。ロータコア22は軟磁性体であり、ロータティース部26の内部において、磁気抵抗の低い箇所に磁束φが集中する。具体的には、ロータティース部26のつば部27のうち、ロータ20の回転方向前方に磁束φが集中する。これにより、ロータ20において、磁束φがd軸からq軸方向に進角し、トルクに寄与する磁束φが減少する。 In FIG. 4, the rotor 20 rotates counterclockwise. The rotor core 22 is a soft magnetic material, and the magnetic flux φ is concentrated in a portion having a low magnetic resistance inside the rotor teeth portion 26. Specifically, the magnetic flux φ is concentrated on the front side in the rotation direction of the rotor 20 in the collar portion 27 of the rotor teeth portion 26. As a result, in the rotor 20, the magnetic flux φ advances from the d-axis to the q-axis direction, and the magnetic flux φ contributing to the torque decreases.
図5にdq軸モデルにおける電機子電流I及び電機子電圧Vとの位相差を図示する。d軸電流Idの寄与が十分に小さいとすると、電機子電圧Vのq方向成分は、ω・φfであり、d方向成分は、ω・Lq・Iqであり、大きさ(絶対値)は、ω・φである。電機子電圧Vと電機子電流Iの位相差はθであり、cosθが力率に相当する。cosθを1に近づけることで、出力トルクを増加させることができる。ここで、q軸方向のインダクタンスであるq軸インダクタンスLqを減少させることで、電機子電圧Vのq軸磁束による電圧成分(ω・Lq・Iq)を減少させ、cosθを1に近づけることができる。そこで、ロータコア22の形状を変更することで、q軸インダクタンスLqを減少させる。 FIG. 5 illustrates the phase difference between the armature current I and the armature voltage V in the dq axis model. If the contribution of the d-axis current Id is sufficiently small, the q-direction component of the armature voltage V is ω · φf, the d-direction component is ω · Lq · Iq, and the magnitude (absolute value) is ω · φ. The phase difference between the armature voltage V and the armature current I is θ, and cos θ corresponds to the power factor. By making cos θ close to 1, the output torque can be increased. Here, by reducing the q-axis inductance Lq that is the inductance in the q-axis direction, the voltage component (ω · Lq · Iq) due to the q-axis magnetic flux of the armature voltage V can be reduced, and cos θ can be made close to 1. . Therefore, the q-axis inductance Lq is reduced by changing the shape of the rotor core 22.
q軸インダクタンスLqを減少させるようなロータコアの形状を図6に示す。図6(b),(c)のロータコア22b,22cのロータティース部26b,26cの先端部261b,261cは、ロータティース部26b,26cのヨーク側である根元部263b,263cと比べて狭くなるように設けられている。 The shape of the rotor core that reduces the q-axis inductance Lq is shown in FIG. The tip portions 261b and 261c of the rotor teeth portions 26b and 26c of the rotor cores 22b and 22c in FIGS. 6B and 6C are narrower than the root portions 263b and 263c on the yoke side of the rotor teeth portions 26b and 26c. It is provided as follows.
具体的には、図6(b)に示すロータコア22bのロータティース部26bの先端部261bの端面と側壁部262bの側面とが交差する領域にはテーパ264bが設けられている。また、側壁部262bは平面状に設けられ、2つの側壁部262b同士の間隔は一定とされている。また、図6(c)に示すロータコア22cのロータティース部26cの先端部261cでは、周方向の両端において、それぞれL字型の切欠き264cが軸方向に延びるように設けられている。また、側壁部262cは平面状に設けられ、2つの側壁部262c同士の間隔は一定とされている。 Specifically, a taper 264b is provided in a region where the end surface of the tip portion 261b of the rotor teeth portion 26b of the rotor core 22b and the side surface of the side wall portion 262b shown in FIG. 6B intersect. Moreover, the side wall part 262b is provided in a planar shape, and the interval between the two side wall parts 262b is constant. In addition, at the tip portion 261c of the rotor teeth portion 26c of the rotor core 22c shown in FIG. 6C, L-shaped notches 264c are provided at both ends in the circumferential direction so as to extend in the axial direction. Moreover, the side wall part 262c is provided in a planar shape, and the interval between the two side wall parts 262c is constant.
ロータティース部26b,26cのように先端部261b,261cを根元部263b,263cより狭くすると、q軸インダクタンスLqが減少するため、q軸磁束成分(Lq・Iq)を低減できる。このため、θが0に近づき、力率(cosθ)が向上する。 When the tip portions 261b and 261c are narrower than the root portions 263b and 263c like the rotor teeth portions 26b and 26c, the q-axis inductance Lq is reduced, so that the q-axis magnetic flux component (Lq · Iq) can be reduced. For this reason, θ approaches 0 and the power factor (cos θ) is improved.
ここで、低トルク出力時では、q軸電流Iqが小さいため、磁束φのq軸方向成分、及び、電機子電圧Vのq軸磁束による電圧成分は小さくなる。このため、q軸インダクタンスLqを減少させない場合であっても、適正なd軸磁束成分を確保できれば、力率cosθは1に近づく。また、低トルク出力時では、上記図6(b),(c)に示したようなq軸インダクタンスLqを減少させるようなロータティース部の構造にすると、ロータティース部の先端部に生じる界磁磁束が減少するため、かえってトルクが減少するという問題が生じる。 Here, at the time of low torque output, since the q-axis current Iq is small, the q-axis direction component of the magnetic flux φ and the voltage component of the armature voltage V due to the q-axis magnetic flux are small. For this reason, even if the q-axis inductance Lq is not decreased, the power factor cos θ approaches 1 if an appropriate d-axis magnetic flux component can be secured. Further, at the time of low torque output, if the structure of the rotor teeth part is configured to reduce the q-axis inductance Lq as shown in FIGS. 6B and 6C, the field generated at the tip part of the rotor teeth part. Since the magnetic flux is reduced, there arises a problem that the torque is reduced.
つまり、低トルク出力時では、ロータコア22b,22cの周方向においてロータティース部の先端部の幅が広いことが望ましく、高トルク出力時では、ロータティース部の先端部の幅が狭いことが望ましいと言える。そこで、本願の発明者は、図6(a)に示すロータコア22aの構造を着想した。 That is, when the torque output is low, it is desirable that the width of the tip portion of the rotor tooth portion is wide in the circumferential direction of the rotor cores 22b and 22c, and when the torque output is high, the width of the tip portion of the rotor tooth portion is desirably narrow. I can say that. Therefore, the inventor of the present application has conceived the structure of the rotor core 22a shown in FIG.
図6(a)のロータコア22aのロータティース部26aの先端部261aには、ロータコア22aの周方向において中央部に主突極264a、両端部に補助突極265aが設けられている。言い換えると、ロータティース部26aの先端部261aには、ロータコア22aの周方向において両端部の近傍にコの字型の切欠き(断面矩形の溝)が軸方向に延びるように設けられている。また、側壁部262aは平面状に設けられ、ロータコア22aの周方向において2つの側壁部262a同士の間隔は一定とされている。 6A, the tip 261a of the rotor teeth portion 26a of the rotor core 22a is provided with a main salient pole 264a at the center and an auxiliary salient pole 265a at both ends in the circumferential direction of the rotor core 22a. In other words, a U-shaped notch (groove having a rectangular cross section) is provided in the distal end portion 261a of the rotor tooth portion 26a so as to extend in the axial direction in the vicinity of both end portions in the circumferential direction of the rotor core 22a. Moreover, the side wall part 262a is provided in a planar shape, and the interval between the two side wall parts 262a is constant in the circumferential direction of the rotor core 22a.
主突極264aの幅は、ロータコア22aの周方向において、ロータティース部26aの根元部263aよりも狭い幅を有する。補助突極265aは、ロータコア22aの周方向において、主突極264aよりも狭い幅を有する。より具体的には、補助突極265aの幅は、主突極264aの略1/15に設定されている。また、ロータコア22aの周方向において、主突極264a及び補助突極265aは、根元部263aの幅の範囲内に設けられている。また、ロータコア22aの径方向において、主突極264aの長さと、補助突極265aの長さとは、略同一である。 The width of the main salient pole 264a is narrower than the root portion 263a of the rotor teeth portion 26a in the circumferential direction of the rotor core 22a. The auxiliary salient pole 265a has a narrower width than the main salient pole 264a in the circumferential direction of the rotor core 22a. More specifically, the width of the auxiliary salient pole 265a is set to approximately 1/15 of the main salient pole 264a. Further, in the circumferential direction of the rotor core 22a, the main salient pole 264a and the auxiliary salient pole 265a are provided within the range of the width of the root portion 263a. Further, in the radial direction of the rotor core 22a, the length of the main salient pole 264a and the length of the auxiliary salient pole 265a are substantially the same.
軟磁性体を素材とするロータコア22aは、所定の飽和磁束密度において磁気飽和する。磁気飽和は、磁束φが通過する磁路の断面積に依存するため、磁束φの量が同じであれば、磁路の断面積が小さいほど磁気飽和を起こしやすい。このため、ロータティース部26aの先端部261aにおいて、断面積の小さい補助突極265aが、断面積の大きい主突極264aより少ない量の磁束φで磁気飽和を起こす。つまり、ステータコイル32に流れる電機子電流Iが所定値となる場合に、補助突極265aが磁気飽和するようにロータコア22aの周方向における補助突極265aの幅が設定され、主突極264aが磁気飽和しないようにロータコア22aの周方向における主突極264aの幅が設定されている。 The rotor core 22a made of a soft magnetic material is magnetically saturated at a predetermined saturation magnetic flux density. Since the magnetic saturation depends on the cross-sectional area of the magnetic path through which the magnetic flux φ passes, if the amount of the magnetic flux φ is the same, the smaller the cross-sectional area of the magnetic path, the easier the magnetic saturation occurs. For this reason, at the tip 261a of the rotor tooth portion 26a, the auxiliary salient pole 265a having a small cross-sectional area causes magnetic saturation with a smaller amount of magnetic flux φ than the main salient pole 264a having a large cross-sectional area. That is, when the armature current I flowing through the stator coil 32 reaches a predetermined value, the width of the auxiliary salient pole 265a in the circumferential direction of the rotor core 22a is set so that the auxiliary salient pole 265a is magnetically saturated, and the main salient pole 264a The width of the main salient pole 264a in the circumferential direction of the rotor core 22a is set so as not to cause magnetic saturation.
磁気飽和が生じると、補助突極265aの透磁率が真空の透磁率とほぼ等しくなり、主突極264aの透磁率に比べて極めて小さくなる。磁気抵抗は透磁率に反比例するため、補助突極265aの磁気抵抗が、主突極264aの磁気抵抗に比べて極めて大きくなり、補助突極265aに磁束φが流れにくくなる。よって、磁束φが大きい場合、つまり、トルクが高い場合、補助突極265aの磁気飽和によって、図6(a)のロータコア22aの先端部261aは、図6(c)のロータコア22cの先端部261cと等価になる。 When magnetic saturation occurs, the magnetic permeability of the auxiliary salient pole 265a becomes substantially equal to the permeability of the vacuum, and becomes extremely smaller than the permeability of the main salient pole 264a. Since the magnetic resistance is inversely proportional to the magnetic permeability, the magnetic resistance of the auxiliary salient pole 265a is extremely larger than the magnetic resistance of the main salient pole 264a, and the magnetic flux φ does not easily flow through the auxiliary salient pole 265a. Therefore, when the magnetic flux φ is large, that is, when the torque is high, the leading end portion 261a of the rotor core 22a in FIG. 6A becomes the leading end portion 261c of the rotor core 22c in FIG. 6C due to the magnetic saturation of the auxiliary salient pole 265a. Is equivalent to
また、磁束φが小さい場合、つまり、トルクが低い場合、補助突極265aにおいて、磁気飽和は生じない。このため、主突極264aと補助突極265aとの両方に界磁磁束φfが生じるため、図6(c)のロータコア22cと比べて、多くの界磁磁束φfが生じることになる。このため、トルクが低い場合に、トルクを効率よく発生させることができる。 Further, when the magnetic flux φ is small, that is, when the torque is low, no magnetic saturation occurs in the auxiliary salient pole 265a. For this reason, the field magnetic flux φf is generated in both the main salient pole 264a and the auxiliary salient pole 265a, so that more field magnetic flux φf is generated as compared with the rotor core 22c in FIG. 6C. For this reason, when the torque is low, the torque can be generated efficiently.
以下の説明において、図6(a)のロータコア22aを「本実施形態のロータコア」、図2のロータコア22を「比較例1」、図6(b)のロータコア22bを「比較例2」、図6(c)のロータコア22cを「比較例3」と呼ぶ。 In the following description, the rotor core 22a in FIG. 6A is referred to as “the rotor core of the present embodiment”, the rotor core 22 in FIG. 2 is referred to as “Comparative Example 1”, and the rotor core 22b in FIG. The rotor core 22c of 6 (c) is referred to as “Comparative Example 3”.
電機子電流Iを最大値とした場合において、比較例1〜3、及び、本実施形態のロータコアをそれぞれ用いた場合のトルクを比較する。比較例1のトルクを1とすると、比較例2のトルクは1.12、比較例3のトルクは1.10、本実施形態のトルクは1.13となった。 When the armature current I is set to the maximum value, the torques in the case of using Comparative Examples 1 to 3 and the rotor core of the present embodiment are compared. When the torque of Comparative Example 1 is 1, the torque of Comparative Example 2 is 1.12, the torque of Comparative Example 3 is 1.10, and the torque of the present embodiment is 1.13.
図7に、3通りの電機子電流Iを流した場合に、比較例3及び本実施形態において、それぞれ生じたトルクを表す。ここで、比較例1のトルクを1としている。 FIG. 7 shows torques generated in the comparative example 3 and the present embodiment when three types of armature current I are supplied. Here, the torque of Comparative Example 1 is set to 1.
電機子電流Iが小程度(補助突極265aにおける磁気飽和が生じない程度)の場合、本実施形態のトルクは1.01、比較例3のトルクは0.98となる。また、電機子電流Iが中程度(補助突極265aにおける磁気飽和が生じ始める程度)の場合、本実施形態のトルクは1.02、比較例3のトルクは0.99となる。電機子電流Iが大程度(補助突極265aが完全に磁気飽和する程度)の場合、本実施形態のトルクは1.07、比較例のトルクは1.06となる。 When the armature current I is small (so that magnetic saturation does not occur in the auxiliary salient pole 265a), the torque in this embodiment is 1.01 and the torque in Comparative Example 3 is 0.98. Further, when the armature current I is medium (the degree at which magnetic saturation at the auxiliary salient pole 265a starts to occur), the torque of the present embodiment is 1.02 and the torque of Comparative Example 3 is 0.99. When the armature current I is large (the degree that the auxiliary salient pole 265a is completely magnetically saturated), the torque of the present embodiment is 1.07 and the torque of the comparative example is 1.06.
このように、電機子電流Iが大程度の場合、本実施形態のロータコア22aは、比較例1のT字型のロータティース部26を有するロータコア22と比較して、力率改善効果によって高いトルクを出力することが可能となっている。また、電機子電流Iが小程度及び中程度の場合、本実施形態のロータコア22aは、比較例3の凸型ティースを有するロータコア22cと比較して、ロータティース部26aの先端部261aの面積が大きくなり、トルクに寄与する界磁磁束φfが大きくなることで、高いトルクを出力することが可能となっている。 Thus, when the armature current I is large, the rotor core 22a of the present embodiment has a higher torque due to the power factor improvement effect than the rotor core 22 having the T-shaped rotor teeth portion 26 of Comparative Example 1. Can be output. Further, when the armature current I is small and medium, the rotor core 22a of the present embodiment has an area of the tip portion 261a of the rotor tooth portion 26a as compared with the rotor core 22c having the convex teeth of the comparative example 3. As the field magnetic flux φf contributing to the torque increases and increases, a high torque can be output.
以下、本実施形態の効果を述べる。 The effects of this embodiment will be described below.
電機子電流Iが大きい場合、補助突極265aが磁気飽和する。これによりq軸インダクタンスLqが減少し、電機子電圧Vと電機子電流I(=Iq)との位相が近づき、力率を向上させることができる。このため、高トルク出力時における効率を向上させることが可能となる。また、電機子電流Iが小さい場合、主突極264a及び補助突極265aの両方に界磁磁束φfが生じるため、主突極264a及び補助突極265aの両方がトルクに寄与する。これにより、効率よくトルクを出力することが可能となる。よって、高トルク出力時における力率を向上させるとともに、低トルク出力時における効率を向上させることが可能となる。 When the armature current I is large, the auxiliary salient pole 265a is magnetically saturated. As a result, the q-axis inductance Lq decreases, the phases of the armature voltage V and the armature current I (= Iq) approach, and the power factor can be improved. For this reason, the efficiency at the time of high torque output can be improved. Further, when the armature current I is small, the field magnetic flux φf is generated in both the main salient pole 264a and the auxiliary salient pole 265a, so that both the main salient pole 264a and the auxiliary salient pole 265a contribute to the torque. This makes it possible to output torque efficiently. Therefore, it is possible to improve the power factor at the time of high torque output and improve the efficiency at the time of low torque output.
主突極264a及び補助突極265aは、ロータコア22aの周方向において根元部26daの幅の範囲内に設けられているため、ロータティース部26aにロータコイル23を巻回する工程において、ロータコイル23が主突極264a及び補助突極265aに干渉することを抑制することができる。 Since the main salient pole 264a and the auxiliary salient pole 265a are provided within the width of the root portion 26da in the circumferential direction of the rotor core 22a, in the step of winding the rotor coil 23 around the rotor tooth portion 26a, the rotor coil 23 Can be prevented from interfering with the main salient pole 264a and the auxiliary salient pole 265a.
ロータコア22aの径方向において、主突極264aの長さと、補助突極265aの長さとは、略同一である。このため、主突極264aとステータティース部34(磁気突極)との距離と、補助突極265aとステータティース部34との距離と、が等しくなる。これにより、補助突極265aに生じる界磁磁束φfが、出力トルクに有効に寄与する。 In the radial direction of the rotor core 22a, the length of the main salient pole 264a and the length of the auxiliary salient pole 265a are substantially the same. For this reason, the distance between the main salient pole 264a and the stator teeth portion 34 (magnetic salient pole) is equal to the distance between the auxiliary salient pole 265a and the stator teeth portion 34. Thereby, the field magnetic flux φf generated in the auxiliary salient pole 265a effectively contributes to the output torque.
(第2実施形態)
図8に本実施形態のロータコア22dの横断面図を示す。ロータコア22dは、一方向のみ(反時計回り)に回転する。本実施形態のロータコア22dのロータティース部26dの先端部261dには、1つの主突極264dと、1つの補助突極265dとが設けられている。また、側壁部262dは平面状に設けられ、2つの側壁部262d同士の間隔は一定とされている。補助突極265dは、主突極264dに対して、回転方向前方のみに設けられている。言い換えると、先端部261dにおいて、回転方向前方の端部にコの字状の切欠き(断面矩形の溝)が軸方向に延びるように設けられており、回転方向後方の端部にL字状の切欠き(段差)が軸方向に延びるように設けられている。
(Second Embodiment)
FIG. 8 shows a cross-sectional view of the rotor core 22d of this embodiment. The rotor core 22d rotates only in one direction (counterclockwise). One main salient pole 264d and one auxiliary salient pole 265d are provided at the tip 261d of the rotor teeth portion 26d of the rotor core 22d of the present embodiment. Moreover, the side wall part 262d is provided in a planar shape, and the interval between the two side wall parts 262d is constant. The auxiliary salient pole 265d is provided only in front of the main salient pole 264d in the rotational direction. In other words, the front end portion 261d is provided with a U-shaped notch (groove with a rectangular cross section) at the front end in the rotational direction so as to extend in the axial direction, and an L-shape at the rear end in the rotational direction. The notch (step) is provided so as to extend in the axial direction.
主突極264dの幅は、ロータコア22dの周方向において、ロータティース部26dの根元部263dよりも狭い幅を有する。補助突極265dは、ロータコア22dの周方向において、主突極264dよりも狭い幅を有する。より具体的には、補助突極265dの幅は、主突極264dの略1/15に設定されている。 The width of the main salient pole 264d is narrower than the root portion 263d of the rotor teeth portion 26d in the circumferential direction of the rotor core 22d. The auxiliary salient pole 265d has a narrower width than the main salient pole 264d in the circumferential direction of the rotor core 22d. More specifically, the width of the auxiliary salient pole 265d is set to approximately 1/15 of the main salient pole 264d.
また、主突極264d及び補助突極265dは、ロータコア22dの周方向において、根元部263dの幅の範囲内に設けられている。また、ロータコア22dの径方向において、主突極264dの長さと、補助突極265dの長さとは、略同一である。 Further, the main salient pole 264d and the auxiliary salient pole 265d are provided within the range of the width of the root portion 263d in the circumferential direction of the rotor core 22d. In the radial direction of the rotor core 22d, the length of the main salient pole 264d and the length of the auxiliary salient pole 265d are substantially the same.
ステータコイル32による磁束φは、主としてq軸方向に生じる。つまり、磁束φは、界磁磁束φfに対して進角方向に生じる。このため、ステータコイル32に流れる電流が小さい場合、主として、ロータティース部26dのうち回転方向前方の部分がトルクに寄与する。つまり、補助突極265dを前方のみに設ける構成とした場合であっても、ステータコイル32に流れる電流が小さいときに効率よくトルクを出力することが可能になる。 The magnetic flux φ generated by the stator coil 32 is mainly generated in the q-axis direction. That is, the magnetic flux φ is generated in the advance direction with respect to the field magnetic flux φf. For this reason, when the electric current which flows into the stator coil 32 is small, the part ahead of the rotation direction of the rotor teeth part 26d mainly contributes to a torque. That is, even when the auxiliary salient pole 265d is provided only in the front, it is possible to efficiently output torque when the current flowing through the stator coil 32 is small.
(他の実施形態)
・上記構成では、界磁回路51からロータコイル23に電流を流す構成とした。これを変更し、ステータコイル32に生じる磁束を用いて、ロータコイル23に流れる電流を生じさせる構成としてもよい。
(Other embodiments)
In the above configuration, a current is passed from the field circuit 51 to the rotor coil 23. It is good also as a structure which changes this and produces the electric current which flows into the rotor coil 23 using the magnetic flux which a stator coil 32 produces | generates.
・主突極264a,264d及び補助突極265a,265dは、ロータコア22a,22dの周方向において根元部263a,263dの幅の範囲外に設けられていてもよい。 The main salient poles 264a and 264d and the auxiliary salient poles 265a and 265d may be provided outside the range of the width of the root portions 263a and 263d in the circumferential direction of the rotor cores 22a and 22d.
・ロータコア22a,22dの径方向において、主突極264a,264dの長さと、補助突極265a,265dの長さとは、異なるものであってもよい。 In the radial direction of the rotor cores 22a and 22d, the length of the main salient poles 264a and 264d may be different from the length of the auxiliary salient poles 265a and 265d.
・第2実施形態のロータティース部26dにおいて、回転方向後方の端部に設けたL字状の切欠き(段差)を省略する構成としてもよい。 -In the rotor teeth part 26d of 2nd Embodiment, it is good also as a structure which abbreviate | omits the L-shaped notch (step) provided in the edge part of the rotation direction back.
10…走行モータ、20…ロータ、22a,22d…ロータコア、23…ロータコイル(界磁巻線)、26a,26d…ロータティース部、30…ステータ、32…ステータコイル(電機子巻線)、261a,261d…先端部、263a,263d…根元部、264a,264d…主突極、265a,265d…補助突極。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Traveling motor, 20 ... Rotor, 22a, 22d ... Rotor core, 23 ... Rotor coil (field winding), 26a, 26d ... Rotor teeth part, 30 ... Stator, 32 ... Stator coil (armature winding), 261a , 261d ... tip portion, 263a, 263d ... root portion, 264a, 264d ... main salient pole, 265a, 265d ... auxiliary salient pole.
Claims (6)
前記ステータの内周において前記ステータの軸線を中心として回転自在に設けられ、周方向に配列された複数のロータティース部(26a,26d)を有するロータコア(22a,22d)と、前記ロータティース部に巻回された界磁巻線(23)と、を有するロータ(20)と、
を備える界磁巻線型回転電機(10)において、
前記ロータティース部の先端部(261a,261d)に、前記ロータコアの周方向において前記ロータティース部の根元部(263a,263d)の幅よりも狭い幅を有する主突極(264a,264d)と、前記主突極の幅よりも狭い幅を有する補助突極(265a,265d)と、が設けられていることを特徴とする回転電機。 A stator (30) having an armature winding (32);
A rotor core (22a, 22d) having a plurality of rotor teeth portions (26a, 26d) arranged in the inner periphery of the stator so as to be rotatable about the axis of the stator and arranged in the circumferential direction; A rotor (20) having a wound field winding (23);
In a field winding type rotating electrical machine (10) comprising:
Main salient poles (264a, 264d) having a width narrower than the width of the root portions (263a, 263d) of the rotor teeth portion in the circumferential direction of the rotor core at the tip portions (261a, 261d) of the rotor teeth portion; A rotating electrical machine comprising an auxiliary salient pole (265a, 265d) having a width narrower than the width of the main salient pole.
前記補助突極(265d)が、前記ロータの回転方向において、前記主突極(264d)に対して前方のみに設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の回転電機。 The rotor rotates in only one direction,
The auxiliary salient pole (265d) is provided only in front of the main salient pole (264d) in the rotational direction of the rotor. Rotating electric machine.
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