專利名稱：旋轉(zhuǎn)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可變速永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)。
背景技術(shù)：
以往，作為可變速永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，提供的是將電樞分別設(shè)置在轉(zhuǎn)子的內(nèi)周側(cè)和外周側(cè)使其夾著轉(zhuǎn)子，使各電樞的電角度位置可以相對(duì)改變的雙電樞方式的電機(jī)(比如，參照專利文獻(xiàn)1日本專利公開特開2003-9486號(hào)公報(bào))。
就是說，在此專利文獻(xiàn)1中，是在轉(zhuǎn)子的內(nèi)周側(cè)和外周側(cè)分別以同心形狀配置電樞，這些電樞在圓周方向上的相對(duì)位置可變，通過控制使在電樞上交鏈的磁場(chǎng)的合成值不變成最大值而是互相變?nèi)?，即通過所謂的磁場(chǎng)削弱控制，將在高速區(qū)中在電樞繞組中感應(yīng)的合成電壓下降而可以在不超過可施加的電壓值的情況下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，由此，在容易進(jìn)行變速運(yùn)轉(zhuǎn)控制的同時(shí)，使電制約減小而提高設(shè)計(jì)的自由度。

發(fā)明內(nèi)容
以往，就這種具有兩個(gè)電樞的雙電樞方式的旋轉(zhuǎn)電機(jī)而言，因?yàn)椴粌H在轉(zhuǎn)子的外周側(cè)，而且在內(nèi)周側(cè)也存在定子側(cè)的電樞，所以通常是單臂支持轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。因此，難以保持轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定。就是說，在轉(zhuǎn)子的軸長(zhǎng)短時(shí)，容易應(yīng)用這種單臂支持結(jié)構(gòu)(支撐結(jié)構(gòu))，但在轉(zhuǎn)子的軸長(zhǎng)變長(zhǎng)時(shí)，很難保持穩(wěn)定。于是，在以往的技術(shù)中，為了保持轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定，也曾經(jīng)嘗試在轉(zhuǎn)子的兩端設(shè)置軸承等支座的支持結(jié)構(gòu)，但存在支持結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的問題。
本發(fā)明就是為了解決上述問題而完成的，其目的在于提供一種通過使多個(gè)電樞的電角度位置相對(duì)改變而使變速控制變得容易，同時(shí)可以以比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)可靠地支承轉(zhuǎn)子的兩端而提高剛性的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。
與本發(fā)明有關(guān)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)是一種使用永久磁鐵的變速旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于其構(gòu)成包括分別具有多相的電樞繞組的多個(gè)電樞和具有永久磁鐵的轉(zhuǎn)子，上述各電樞，互相配置成同心形狀同時(shí)被設(shè)置成在圓周方向上的電角度位置相對(duì)改變，并且上述各相每一個(gè)的電樞繞組在電樞間串聯(lián)連接起來，上述轉(zhuǎn)子較這些電樞還靠?jī)?nèi)側(cè)呈同心形狀進(jìn)行配置。
根據(jù)本發(fā)明，由于通過使配置為同心形狀的多個(gè)電樞的圓周方向上的電角度位置相對(duì)改變使變速控制容易進(jìn)行，同時(shí)采用在轉(zhuǎn)子的兩軸中使用軸承支座等的支持結(jié)構(gòu)，所以轉(zhuǎn)子的剛性變高，即便對(duì)于作為一般的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的軸長(zhǎng)較長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)也可以容易地進(jìn)行適用。


圖1為示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的變速永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的橫剖圖。
圖2為同一旋轉(zhuǎn)電機(jī)的縱剖圖。
圖3為示出在本發(fā)明的實(shí)施方式1中，在使第1、第2電樞的圓周方向上的電相位相對(duì)變化時(shí)的各相的電樞繞組中感應(yīng)出的電壓進(jìn)行合成的合成電壓的特性圖。
圖4為示出在本發(fā)明的實(shí)施方式1中，針對(duì)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，對(duì)第2電樞承受的轉(zhuǎn)矩反作用力的大小在有無樞齒(鐵芯)時(shí)進(jìn)行調(diào)查的結(jié)果的特性圖。
圖5為示出本發(fā)明的實(shí)施方式2的變速永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的橫剖圖。
圖6為示出在圖5所示的8極6槽結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，第2電樞2的樞齒從相對(duì)電角度為0度起移動(dòng)至180度時(shí)的狀態(tài)的橫剖圖(a)以及作為比較例示出在8極12槽的旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，第2電樞2的樞齒從相對(duì)電角度為0度起移動(dòng)至180度時(shí)的狀態(tài)的橫剖圖(b)。
圖7為針對(duì)8極6槽和8極12槽的情況分別示出在使第1、第2電樞的圓周方向上的電相位相對(duì)改變時(shí)的各相的電樞繞組中感應(yīng)出的電壓進(jìn)行合成的合成電壓的特性圖。
圖8為示出本發(fā)明的實(shí)施方式3的變速永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一部分的橫剖圖。
圖9為示出在電磁鋼板中相對(duì)于磁通密度的相對(duì)磁導(dǎo)率變化的關(guān)系的特性圖。
圖10為示出相對(duì)于永久磁鐵產(chǎn)生的磁通，通過第2電樞的樞齒的磁通的比的關(guān)系的曲線圖。
圖11為示出本發(fā)明的實(shí)施方式3的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的變形例的橫剖圖。
圖12為示出在本發(fā)明的實(shí)施方式4中，在第1、第2電樞兩者具有樞齒時(shí)，相對(duì)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的的轉(zhuǎn)矩，對(duì)第1、第2電樞分別承受的轉(zhuǎn)矩反作用力的大小進(jìn)行調(diào)查的結(jié)果的特性圖。
圖13為概略示出在本發(fā)明的實(shí)施方式5中，轉(zhuǎn)子的永久磁鐵產(chǎn)生的磁通和第1、第2電樞的各電樞的電樞繞組分別交鏈的狀態(tài)的說明圖。
圖14為分別示出在本發(fā)明的實(shí)施方式5中，在第1電樞繞組的圈數(shù)(匝數(shù))比第2電樞繞組的圈數(shù)多的情況下和兩電樞繞組的圈數(shù)相同的情況下，在使第1、第2電樞的圓周方向上的電相位相對(duì)變化時(shí)的各相的電樞繞組中感應(yīng)出的電壓進(jìn)行合成的合成電壓的特性圖。
圖15為示出在本發(fā)明的實(shí)施方式6中，(a)電樞繞組為集中繞組時(shí)及(b)作為比較例電樞繞組為分布繞組時(shí)的縱剖圖。
具體實(shí)施例方式
下面就將本發(fā)明應(yīng)用于變速永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)情況下的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
實(shí)施方式1圖1為示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的變速永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的橫剖圖。圖2為同一旋轉(zhuǎn)電機(jī)的縱剖圖。
此實(shí)施方式1的變速永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，具有第1電樞1和其內(nèi)側(cè)的第2電樞2，這些電樞1、2中間隔著很小的間隙3互相配置成為同心形狀的同時(shí)，還在這些電樞1、2的內(nèi)側(cè)隔著磁隙4以同心形狀配置轉(zhuǎn)子5。另外，此處所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)是8極6槽的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，但本發(fā)明并不限定于這樣的極數(shù)及槽數(shù)。
第1電樞1的結(jié)構(gòu)為具有沿著圓筒狀的鐵心背部11a的內(nèi)周面的圓周方向上以規(guī)定的間距形成樞齒11b的電樞鐵心11，在各樞齒11b之間針對(duì)每一相相配置電樞繞組12。于是，此第1電樞1固定在機(jī)殼6的內(nèi)周面。
另外，第2電樞2，具有多相的電樞繞組22，這些電樞繞組22，比如，是以模塑樹脂等非磁性非導(dǎo)電材料一體化而制成。于是，此第2電樞2，固定在設(shè)置在機(jī)殼6內(nèi)的由塑料等非磁性非導(dǎo)電體制作的支持圓筒7的外周面。于是，此支持圓柱7，由設(shè)置在機(jī)殼6左右的軸承架61上的軸承8以可自由轉(zhuǎn)動(dòng)方式進(jìn)行支持的同時(shí)，安裝以規(guī)定的機(jī)械角度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的平面齒輪9。另外，此平面齒輪9與設(shè)置在機(jī)殼6的外部的正齒輪15嚙合，在此正齒輪15上安裝驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)16。
所以，當(dāng)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)16經(jīng)正齒輪15使平面齒輪9轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)定的機(jī)械角度時(shí)，與此同時(shí)，第2電樞2和支持圓柱7一起轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)定的角度，其結(jié)果，使第1、第2電樞1、2之間的圓周方向上的電角度相對(duì)變化，另外，通過改變第1、第2電樞1、2之間的圓周方向上的相對(duì)電角度，可以改變這些合成電壓，因?yàn)檫@已經(jīng)是公知技術(shù)，此處省略其詳細(xì)說明。
此外，第1、第2電樞1、2的電樞繞組12、22，針對(duì)各相的每一相在電樞1、2中串聯(lián)連接。另外，在這種情況下，用來連接第1、第2電樞1、2之間的每一相的電樞繞組12、22的未圖示的纜線設(shè)定為保有一定程度的余量的長(zhǎng)度，使得即便第2電樞2在圓周方向上以規(guī)定的角度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也不會(huì)被切斷。
另外，上述轉(zhuǎn)子5，在勵(lì)磁鐵心51的中央設(shè)置轉(zhuǎn)軸52的同時(shí)，在外周面上沿著圓周方向以規(guī)定的間距安裝永久磁鐵53。于是，轉(zhuǎn)軸的兩端，由安裝在機(jī)殼6的軸承架61上的軸承17支持使其可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，由軸承17支持固定轉(zhuǎn)子5的轉(zhuǎn)軸52的兩端的結(jié)構(gòu)，是與一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)同樣的支持結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠錂C(jī)械強(qiáng)度好，所以也可以應(yīng)用于具有一般軸長(zhǎng)較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)子5的情況。
圖3為示出在圖1及圖2所示的結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，在使第1、第2電樞1、2的圓周方向上的電角度位置相對(duì)改變時(shí)，把利用電磁場(chǎng)解析求出的各相的電樞繞組12、22中感應(yīng)出的電壓進(jìn)行合成后的合成電壓的特性圖。其中，橫軸表示第1、第2電樞1、2之間的圓周方向上的相對(duì)電角度，縱軸表示第1、第2電樞1、2的標(biāo)準(zhǔn)化的合成電壓。
從圖3可知，在具有此實(shí)施方式1的結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，通過改變第1、第2電樞1、2之間的相對(duì)電角度就可以改變合成電壓。因此，利用弱磁場(chǎng)控制可以很容易進(jìn)行變速運(yùn)轉(zhuǎn)控制，而且可以減小電制約而提高設(shè)計(jì)的自由度。
另外，如圖3所示，在兩個(gè)電樞1、2配置成為同心形狀的情況下，為了使合成電壓大致為零，必須使第1電樞1和第2電樞2之間的相對(duì)電角度為180°。比如，在3個(gè)電樞配置成為同心形狀的結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合，如果相鄰電樞間的相對(duì)電角度分別為120°時(shí)，可以使矢量和大致為零。
另外，在此實(shí)施方式1中，如圖1及圖2所示，由于第1電樞1位于徑向方向最外邊并且具有電樞鐵心11，所以與第2電樞2相比較重量重。為了使第1、第2電樞1、2之間的相對(duì)電角度迅速改變，使重量輕的第2電樞2轉(zhuǎn)動(dòng)是因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)慣量小而有利。所以，如本實(shí)施方式1這樣，把重量重的第1電樞1固定而使第2電樞2轉(zhuǎn)動(dòng)是在這方面有利的。
圖4為示出在針對(duì)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，對(duì)第2電樞2承受的轉(zhuǎn)矩反作用力的大小在第2電樞2中無樞齒(鐵芯)時(shí)和有樞齒時(shí)分別進(jìn)行調(diào)查后的結(jié)果的特性圖。其中，橫軸表示在轉(zhuǎn)子5中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，而縱軸表示第2電樞2承受的轉(zhuǎn)矩反作用力。另外，因?yàn)榈?電樞2承受的轉(zhuǎn)矩反作用力因第1、第2電樞1、2之間的相對(duì)電角度不同而異，在圖中利用以斜線示出的范圍表示這些轉(zhuǎn)矩反作用力。
從圖4可知，在第2電樞2中不具有樞齒的情況，與具有樞齒的情況相比，第2電樞2承受的轉(zhuǎn)矩反作用力的絕對(duì)值相對(duì)小。在此實(shí)施方式1中，如圖1及圖2所示，因?yàn)樵诘?電樞1中形成樞齒11b而在第2電樞2中未設(shè)置樞齒(鐵心)，所以第2電樞2承受的轉(zhuǎn)矩反作用力小是有利的，與將重量重的第1電樞1固定這一點(diǎn)相結(jié)合，就可以得到可以使第2電樞2的支持結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的效果。
這樣，利用本實(shí)施方式1的變速永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，就可以具有通過使第1、第2電樞1、2的圓周方向上的電角度位置相對(duì)改變來使合成電壓改變而容易進(jìn)行變速運(yùn)轉(zhuǎn)控制的優(yōu)點(diǎn)。并且，即使是利用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，由于可以利用軸承17支持轉(zhuǎn)子5的兩端，轉(zhuǎn)子5的剛性提高，可以容易地適用于作為一般的軸長(zhǎng)較長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。
另外，在本實(shí)施方式1中，因?yàn)槭菍⒌?電樞1固定，使第2電樞2轉(zhuǎn)動(dòng)，并且在第2電樞2中是采用省略樞齒的結(jié)構(gòu)，所以具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及轉(zhuǎn)矩反作用力小，可以使第1、第2電樞1、2之間的相對(duì)電角度迅速改變的優(yōu)點(diǎn)。
另外，在本實(shí)施方式1中，說明的是兩個(gè)電樞1、2以同心形狀配置的結(jié)構(gòu)，但本發(fā)明并不限定于此，在3個(gè)或多于3個(gè)的電樞配置成為同心形狀的結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的情況下，也可以得到同樣的效果。
實(shí)施方式2圖5為示出本發(fā)明的實(shí)施方式2的變速永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的橫剖圖，對(duì)于與圖1及圖2所示的實(shí)施方式1相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)部分賦予相同的符號(hào)。
此實(shí)施方式2的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的特征為在第2電樞2中設(shè)置多相的電樞繞組22的同時(shí)，在這些電樞繞組22之間設(shè)置樞齒(鐵心)23。而且，這些電樞繞組22和樞齒23，比如，可以利用模塑樹脂等非磁性非導(dǎo)電材料一體化而制成。
如本實(shí)施方式2所示，在第1、第2電樞1、2兩者之中都設(shè)置樞齒11b、23的情況下，與如實(shí)施方式1(圖1)所示的在第2電樞2中不設(shè)置樞齒的情況相比，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)子5中設(shè)置的永久磁鐵53產(chǎn)生的磁通通過的低磁阻的磁路容易形成，所以第1電樞1和第2電樞2交鏈的磁通變大。
因?yàn)樵谵D(zhuǎn)子5中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與永久磁鐵53產(chǎn)生的磁通和樞齒繞組的磁通勢(shì)之積成比例，所以永久磁鐵53產(chǎn)生的磁通越大，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就可以越大。所以，如本實(shí)施方式2這樣，在第1、第2電樞1、2兩者之中都設(shè)置樞齒11b、23的結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合，磁阻變得最小而磁通容易通過，可以得到在轉(zhuǎn)子5上產(chǎn)生很大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn)。
下面，如本實(shí)施方式2所示，對(duì)以第1、第2電樞1、2兩者之中都設(shè)置樞齒11b、23的旋轉(zhuǎn)電機(jī)為前提的情況的永久磁鐵53的極數(shù)和各電樞1、2的槽數(shù)的關(guān)系進(jìn)行如下說明。
圖6(a)為示出在本實(shí)施方式2(參照?qǐng)D5)的8極6槽的旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，第2電樞2的樞齒23從與第1電樞1的相對(duì)電角度為0度起移動(dòng)至180度時(shí)的狀態(tài)的橫剖圖。圖6(b)為示出在把8極12槽的旋轉(zhuǎn)電機(jī)作為比較例的情況下，第2電樞2的樞齒23從與第1電樞1的相對(duì)電角度為0度起移動(dòng)至180度時(shí)的狀態(tài)的橫剖圖。
其中，在8極的場(chǎng)合，電角度180度為機(jī)械角度45度。另外，在圖6(a)中，因?yàn)榈?、第2電樞1、2是6槽的，樞齒間的機(jī)械間距角度為60度。另一方面，在圖6(b)中，第1、第2電樞1、2為12槽的，樞齒間的機(jī)械間距角度為30度。
在如圖6(a)所示的6槽的情況下，在第2電樞2的樞齒23從正對(duì)第1電樞1的樞齒11b的相對(duì)電角度為0度的位置(以虛線表示的位置)移動(dòng)到180度的位置(以實(shí)線表示的位置)為止時(shí)，此第2電樞2的樞齒23，移動(dòng)到離開第1電樞1的機(jī)械間距角60度的相鄰的樞齒11b前面的位置。與此相對(duì)，在如圖6(b)所示的12槽的場(chǎng)合，在第2電樞2的樞齒23從正對(duì)第1電樞1的樞齒11b的相對(duì)電角度為0度的位置(以虛線表示的位置)移動(dòng)到180度的位置(以實(shí)線表示的位置)為止時(shí)，此第2電樞2的樞齒23，移動(dòng)到越過離開第1電樞1的機(jī)械間距角30度的相鄰的樞齒11b的位置上。
圖7為示出分別針對(duì)8極6槽的情況和8極12槽的情況利用電磁場(chǎng)解析求出，所述合成電壓合成使第1、第2電樞1、2的圓周方向上的電角度位置相對(duì)改變時(shí)合成電壓的特性圖的各相的電樞繞組12、22中感應(yīng)出的電壓。其中，橫軸表示第1、第2電樞1、2之間的圓周方向上的相對(duì)電角度，縱軸表示第1、第2電樞1、2的標(biāo)準(zhǔn)化的合成電壓。
從圖7可知，在第2電樞2的樞齒23從相對(duì)電角度0度移動(dòng)到180度之際，在6槽的情況下，隨著第1、第2電樞1、2之間的相對(duì)電角度的變大，合成電壓平緩減小。與此相對(duì)，在12槽的情況下，相對(duì)第1、第2電樞1、2之間的相對(duì)電角度的變化合成電壓沒有平緩減小的傾向，在相對(duì)電角度為90度的區(qū)域，即使是第1、第2電樞1、2之間的相對(duì)電角度發(fā)生變化，合成電壓也幾乎不改變而成為比較平坦的曲線。
其中，因?yàn)檫M(jìn)行使第1、第2電樞1、2之間的相對(duì)電角度成為可變而改變合成電壓的弱磁場(chǎng)控制，所以如圖6(b)所示的8極12槽的結(jié)構(gòu)所示，在相對(duì)電角度為90度附近的區(qū)域中，對(duì)于第1、第2電樞1、2的相對(duì)電角度的變化的合成電壓的變化量很小這一點(diǎn)對(duì)于進(jìn)行變速控制不是優(yōu)選。
這樣，本實(shí)施方式2的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，由于槽數(shù)設(shè)定為小于極數(shù)，第1、第2電樞1、2之間的相對(duì)電角度和合成電壓的關(guān)系可以使用近似一次函數(shù)表現(xiàn)。就是說，因?yàn)閷?duì)于第1、第2電樞1、2之間的相對(duì)電角度而言合成電壓平緩減小，所以可以很容易進(jìn)行利用弱磁場(chǎng)控制的變速運(yùn)轉(zhuǎn)控制。
并且，在此實(shí)施方式2中，因?yàn)閷?duì)第1、第2電樞1、2兩者設(shè)置樞齒11b、23，磁阻變得最小而使磁通易于通過，所以具有可以在轉(zhuǎn)子5上產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn)。
上述實(shí)施方式2的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，是具有兩個(gè)電樞1、2的結(jié)構(gòu)的情況，但即使是對(duì)于具有大于等于3個(gè)電樞的結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，也可以同樣確定極數(shù)和槽數(shù)的關(guān)系。關(guān)于這一點(diǎn)下面將進(jìn)行更詳細(xì)的說明。
現(xiàn)在，假設(shè)以同心形狀配置的電樞個(gè)數(shù)為N，矢量和為零的最大相對(duì)電角度為θe，則下式的關(guān)系成立θe＝2π/N (1)設(shè)極數(shù)為Np，將最大相對(duì)電角度θe改寫成最大相對(duì)機(jī)械角度θm，則(1)變成如下形式θm＝2θe/Np(2)另一方面，在槽數(shù)為Ns時(shí)，槽間角度θs可以用下式表示θs＝2π/Ns (3)因?yàn)楹铣呻妷浩骄彍p小的條件是槽間角度θs比最大相對(duì)機(jī)械角度θm大，即θm＜θs，所以根據(jù)上述公式(1)～(3)的關(guān)系可以得出下面的條件Ns＜N·Np/2 (4)因此，不僅是在具有兩個(gè)電樞的結(jié)構(gòu)的情況，即使是在具有大于等于3個(gè)的電樞的一般結(jié)構(gòu)的情況下，在各電樞中設(shè)置有樞齒時(shí)，如果確定極數(shù)Np和槽數(shù)Ns使其滿足上述式(4)的條件，則可以得到隨著相對(duì)電角度變大合成電壓可以平緩減小的現(xiàn)象，就可以很好地進(jìn)行變速控制。
實(shí)施方式3圖8為示出本實(shí)施方式3的變速永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一部分的橫剖圖，對(duì)于與圖1及圖2所示的實(shí)施方式1相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)部分賦予相同的符號(hào)。另外，為了不使圖面變得繁雜，圖示中省略了電樞繞組及轉(zhuǎn)子。
此實(shí)施方式3的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的特征為以同心形狀配置的第1、第2電樞1、2分別具有樞齒11b、21b，第2電樞2的樞齒21b由磁性環(huán)21a連接。
就是說，對(duì)于第1電樞1，與實(shí)施方式1、2的場(chǎng)合一樣，沿著圓柱狀的鐵心背部11a的內(nèi)周面的圓周方向形成樞齒11b，在樞齒11b互相之間配置未圖示的電樞繞組。另外，對(duì)于第2電樞2，具有在作成圓筒狀的磁性環(huán)21a的外周面?zhèn)戎醒刂鴪A周方向以規(guī)定的間距形成樞齒21b的電樞鐵心21，在相鄰的樞齒21b之間配置未圖示的電樞繞組。另外，在本實(shí)施方式3中，磁性環(huán)21a和樞齒21b是通過沖壓成型一體成形而提高了剛性，不過21a和21b也可以采用使用模塑樹脂等分別分開成型再使其一體化的結(jié)構(gòu)。
如本實(shí)施方式3，在第2電樞2中，對(duì)于與樞齒21b一起設(shè)置磁性環(huán)21a的優(yōu)點(diǎn)說明如下。
現(xiàn)在，設(shè)轉(zhuǎn)子5的外徑為D，永久磁鐵53的極數(shù)為Np，則第2電樞2的極間距寬度W由下式給出W＝π·D/Np (5)另外，因?yàn)橛谰么盆F53在轉(zhuǎn)子5的表面產(chǎn)生的磁通密度(峰值B0)，通常設(shè)計(jì)為相對(duì)圓周方向以近似正弦波方式分布，所以其平均值Ba為Ba＝2B0/π。通常，因?yàn)樵陔姌欣@組12、22為集中繞組的場(chǎng)合，設(shè)計(jì)成為永久磁鐵53的大致1極大小的磁通與樞齒21b交鏈，所以在設(shè)第2電樞2的樞齒21b的前端部的磁通密度為Bt，樞齒21b的圓周方向上的寬度為S1時(shí)，下式成立S1/W＝Ba/Bt (6)對(duì)式(5)、(6)進(jìn)行整理，可得到下式S1＝(2D·B0)/(Np·Bt)(7)其中，如圖8中所示，在以永久磁鐵53產(chǎn)生的磁通為φ0，流過第2電樞2的樞齒21b的磁通為φ1，流過磁性環(huán)21a的磁通為φ2，并且作為漏磁通可以容許通過磁性環(huán)21a的漏磁通的比為1/K時(shí)，下式成立φ1＞K·φ2 (8)因?yàn)榇磐ㄅc剖面面積和相對(duì)磁導(dǎo)率成正比，與長(zhǎng)度成反比，所以式(8)可以表示如下μs1·S1/L1＞μs2·S2/L2 (9)
其中，μs1是第1、第2電樞1、2之間的間隙3的相對(duì)磁導(dǎo)率，μs2是第1、第2電樞1、2的電樞鐵心11、21的相對(duì)磁導(dǎo)率，L1是第1、第2電樞1、2的各樞齒11b、21b的對(duì)向間距離，L2是第2電樞2的各樞齒21b的圓周方向上的互相間的距離，而S2是磁性環(huán)21a的厚度。
因?yàn)長(zhǎng)2是從槽間距寬度減去圓周方向的樞齒寬度S1的長(zhǎng)度，所以在設(shè)槽數(shù)為Ns時(shí)，有L2＝πD/Ns-S1。另外，因?yàn)榈?、第2電樞1、2之間的間隙3，通常是非磁性體或空氣層，所以μs1＝1。因此，在將式(9)對(duì)S2進(jìn)行整理時(shí)，可得到以下公式S2＜2B0·D2·{π/Ns-2B0/(Np·Bt)}/(μs2·L1·K·Np·Bt)(10)圖9為示出在代表性的電磁鐵板中相對(duì)于磁通密度的相對(duì)磁導(dǎo)率的變化的特性圖。其中，橫軸表示磁通密度，縱軸表示相對(duì)磁導(dǎo)率。另外，圖中示出的2根曲線之一是Si添加量為3％，另一根是Si添加量為零時(shí)的曲線。
通常，由于在磁路中使用的磁性材料的Si添加量大都小于等于上述的3％，當(dāng)磁通密度超過2T，在相對(duì)磁導(dǎo)率急劇下降到小于等于“10”時(shí)，就會(huì)飽和。
在本實(shí)施方式3的結(jié)構(gòu)的情況下，因?yàn)榈?電樞2的磁性環(huán)21a是在完全磁飽和的狀態(tài)下使用，從圖9的關(guān)系可知相對(duì)磁導(dǎo)率小于等于“10”左右。因此，此處設(shè)定相對(duì)磁導(dǎo)率μs為“10”進(jìn)行以下的計(jì)算。
另外，圖10為示出對(duì)于永久磁鐵53產(chǎn)生的磁通φ0通過第2電樞2的樞齒的磁通的比的關(guān)系的曲線圖。從圖中可知，從大約K＝3以下左右通過樞齒的磁通急劇下降?？梢哉f在大約K＝3以上時(shí)，可以容許漏磁部分。此處考慮到余量，設(shè)K＝4。另外，通常，在永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，設(shè)計(jì)中一般大致取1T作為B0，大致取2T作為Bt。此處使用B0＝1，Bt＝2。
于是，將這些數(shù)值代入到式(10)，可得到以下公式
S2＜D2·{(π/Ns)-(1/Np)}/(40·L1·Np) (11)所以，通過將磁性環(huán)21a的厚度S2設(shè)定為滿足式(11)所示的條件，就可以使向著磁性環(huán)21a漏磁通φ2處于容許范圍之內(nèi)。
這樣，本實(shí)施方式3的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，因?yàn)樵诘?電樞2中形成滿足式(11)所示的條件的厚度S2的磁性環(huán)21a，所以可以得到在將磁性環(huán)21a中的漏磁通納入到容許范圍的同時(shí)，加大第2電樞2的機(jī)械強(qiáng)度而提高其剛性的這樣的優(yōu)點(diǎn)。
另外，在本實(shí)施方式3中，如圖8所示，磁性環(huán)21a是設(shè)置在樞齒21b的內(nèi)側(cè)，但并不限定于此種結(jié)構(gòu)，比如，如圖11所示，在將磁性環(huán)21a設(shè)置在樞齒21b的外側(cè)的場(chǎng)合也可以獲得幾乎同樣的效果。另外，在本實(shí)施方式3中，根據(jù)在第1、第2電樞1、2兩者之中都具有樞齒11b、21b，通過將極數(shù)Np和槽數(shù)Ns確定為可以滿足上述的式(4)的條件，就可以與實(shí)施方式2的場(chǎng)合一樣很好地進(jìn)行變速控制。
實(shí)施方式4圖12為示出，比如，如實(shí)施方式3(圖8)中所示，在第1、第2電樞兩者具有樞齒11b、21b的場(chǎng)合，相對(duì)在轉(zhuǎn)子5中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，對(duì)第1、第2電樞分別承受的轉(zhuǎn)矩反作用力的大小進(jìn)行調(diào)查的結(jié)果的特性圖。其中，橫軸表示在轉(zhuǎn)子5中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，而縱軸表示第2電樞2承受的轉(zhuǎn)矩反作用力。另外，因?yàn)榈?、第2電樞1、2間的轉(zhuǎn)矩反作用力因第1、第2電樞1、2之間的相對(duì)電角度不同而異，所以在圖中利用以斜線示出的范圍來表示這些轉(zhuǎn)矩反作用力。
從圖12可知，在第1、第2電樞1、2兩者之中都具有樞齒11b、21b時(shí)，第2電樞2承受的轉(zhuǎn)矩反作用力的絕對(duì)值，比第1電樞1承受的轉(zhuǎn)矩反作用力大。所以，在第1、第2電樞1、2兩者之中都設(shè)置樞齒11b、21b時(shí)，從使第1、第2電樞1、2之間的相對(duì)電角度迅速改變這一點(diǎn)考慮，與實(shí)施方式1的場(chǎng)合不同，固定轉(zhuǎn)矩反作用力的絕對(duì)值大的第2電樞2，而使轉(zhuǎn)矩反作用力的絕對(duì)值小的第1電樞1轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)所需要的外力很小即可，在可以使支持結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化這一點(diǎn)上是有利的。
作為用于這一目的的結(jié)構(gòu)，比如，一方面經(jīng)支持圓筒7將第2電樞2固定在機(jī)殼6上，另一方面在第2電樞2的外側(cè)設(shè)置可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的另一個(gè)支持圓筒，這可以在將第1電樞1安裝在支持圓筒上的同時(shí)，通過利用設(shè)置在機(jī)殼6的外部的驅(qū)動(dòng)電機(jī)使安裝此第1電樞1的支持圓筒進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)。
這樣，在第1、第2電樞1、2兩者之中都存在樞齒11b、21b時(shí)，從使第1、第2電樞1、2之間的相對(duì)電角度改變這一點(diǎn)考慮，固定第2電樞2，使轉(zhuǎn)矩反作用力的絕對(duì)值小的第1電樞1轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)所需要的外力很小即可所以是有利的。
另外，關(guān)于這一點(diǎn)，如上述實(shí)施方式2(圖5)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣，對(duì)于在第1電樞1中設(shè)置樞齒11b，在第2電樞2中設(shè)置樞齒23的結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)也同樣適用。另外，在此說明的是具有兩個(gè)電樞1、2的結(jié)構(gòu)的情況，但對(duì)于具有3個(gè)或多于3個(gè)電樞的結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)也同樣可以適用。
實(shí)施方式5圖13為概略示出轉(zhuǎn)子5的永久磁鐵53產(chǎn)生的磁通和第2電樞2的電樞繞組22及第1電樞1的電樞繞組12分別交鏈的狀態(tài)的說明圖。另外，以下將設(shè)置在第1電樞1中的電樞繞組12單稱為第1電樞繞組，將設(shè)置在第2電樞2中的電樞繞組22單稱為第2電樞繞組。
設(shè)置在轉(zhuǎn)子5中的永久磁鐵53產(chǎn)生的磁通，分別與電樞繞組22及電樞繞組12交鏈。此時(shí)，如圖13所示，永久磁鐵53產(chǎn)生的磁通，除了與電樞繞組12交鏈的磁通Φa之外，存在與此電樞繞組12幾乎不交鏈而返回到轉(zhuǎn)子5的磁通Φb。就是說，如果第1、第2電樞繞組12、22的繞組相同，則與電樞繞組12交鏈的磁通少，其結(jié)果，此電樞繞組12的感應(yīng)電壓比電樞繞組22的感應(yīng)電壓低。因此，假如，即使第1電樞1和第2電樞2的圓周方向上的相對(duì)電角度為180度，合成電壓也不會(huì)近似為零。
圖14為分別示出在第1電樞繞組12的圈數(shù)比第2電樞繞組22的圈數(shù)多的場(chǎng)合和兩電樞繞組12、22的圈數(shù)相同的場(chǎng)合，在使第1、第2電樞1、2的圓周方向上的電角度位置相對(duì)變化時(shí)的各相的電樞繞組12、22中感應(yīng)出的電壓進(jìn)行合成的合成電壓的特性圖。其中，橫軸表示第1、第2電樞1、2之間的圓周方向上的相對(duì)電角度，縱軸表示第1、第2電樞1、2的標(biāo)準(zhǔn)化的合成電壓。
從圖14可知，在電樞繞組12的圈數(shù)比第2電樞2的電樞繞組22的圈數(shù)多時(shí)，可以使合成電壓近似為零，在兩電樞繞組12、22的圈數(shù)相同時(shí)，合成電壓不會(huì)近似為零。
因?yàn)閳D14示出的是標(biāo)準(zhǔn)化的合成電壓，對(duì)橫軸為180度的標(biāo)準(zhǔn)化的合成電壓的倒數(shù)為合成電壓的最大可變比。在第1電樞繞組12的圈數(shù)比第2電樞繞組22的圈數(shù)多時(shí)，最大可變比約為30，在兩電樞繞組12、22的圈數(shù)相同時(shí)最大可變比約為5.6。因此，因?yàn)樵谑沟?電樞繞組12的圈數(shù)大于第2電樞繞組22的圈數(shù)的場(chǎng)合，最大可變比變大，所以可以依照相對(duì)角度使合成電壓的可變范圍增大。因此，可以更加容易地進(jìn)行利用弱磁場(chǎng)控制的變速運(yùn)轉(zhuǎn)控制。
另外，在圖13中，與實(shí)施方式1一樣，示出的是在第2電樞2中沒有樞齒的結(jié)構(gòu)的情況，如實(shí)施方式2、3所示，如果是在第2電樞2中存在樞齒的結(jié)構(gòu)時(shí)，也可以得到同樣的效果。另外，即使是在具有大于等于3個(gè)的電樞的結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，因?yàn)樘幱谙蛑鴱较蚍较蛲鈧?cè)越遠(yuǎn)離永久磁鐵53的位置上的電樞繞組，永久磁鐵53產(chǎn)生的磁通的交鏈量越小，所以位于外側(cè)的電樞繞組，如果其圈數(shù)相應(yīng)地增加時(shí)，也可以得到同樣的效果。
實(shí)施方式6圖15(a)為示出利用本發(fā)明的實(shí)施方式6，在第1、第2電樞1、2的各電樞繞組12、22為集中繞組時(shí)的縱剖圖，而圖15(b)為作為比較例的第1、第2電樞1、2的各電樞繞組12、22為分布繞組時(shí)的縱剖圖。另外，在此將轉(zhuǎn)子等進(jìn)行了省略。另外，只示出軸對(duì)稱部的單側(cè)。
從這些附圖可知，在電樞繞組12、22為分布繞組時(shí)的線圈端部12b、22b，與集中繞組時(shí)的線圈端部12a、22a相比，非常大。因此，在使第1、第2電樞1、2之間的相對(duì)電角度改變時(shí)，因?yàn)榧欣@組的線圈端部12a、22a比分布繞組的線圈端部12b、22b重量輕，所以在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小和移動(dòng)迅速這方面有利。因此，即使是使第1、第2電樞1、2中的任意一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，優(yōu)選是采用重量輕的集中繞組作為電樞繞組12、22。
在上述各實(shí)施方式1～6中，對(duì)將本發(fā)明應(yīng)用于變速永磁式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的情況進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不限定于這種旋轉(zhuǎn)電機(jī)，也可以應(yīng)用于變速永磁式發(fā)電機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種使用了永久磁鐵的可變速的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于，包括分別具有多個(gè)相的電樞繞組的多個(gè)電樞，和具有上述永久磁鐵的轉(zhuǎn)子，其中，上述各電樞互相呈同心形狀進(jìn)行配置，同時(shí)設(shè)置成使其圓周方向的電角度位置相對(duì)進(jìn)行變化，且上述各相的每一相的電樞繞組在各電樞間串聯(lián)連接起來，上述轉(zhuǎn)子比這些電樞還靠?jī)?nèi)側(cè)呈同心形狀進(jìn)行配置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于固定最外側(cè)的電樞，并可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置其他電樞，以使這些電樞的電角度相對(duì)變化之際的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于僅位于最外側(cè)的電樞具有樞齒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于上述多個(gè)電樞全部具有樞齒。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于上述電樞的個(gè)數(shù)為2，內(nèi)側(cè)的電樞的樞齒用磁性環(huán)連接起來，進(jìn)行設(shè)定以使得此磁性環(huán)的厚度S2，在設(shè)槽數(shù)為Ns，極數(shù)為Np，轉(zhuǎn)子的外徑為D，兩電樞的間隙的徑向方向上的距離為L(zhǎng)1時(shí)，滿足下述條件S2＜D2·{(π/Ns)-(1/Np)}/(40·L1·Np)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于上述內(nèi)側(cè)的電樞的樞齒和磁性環(huán)被一體化。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于進(jìn)行設(shè)定以使得在槽數(shù)為Ns，電樞數(shù)為N，極數(shù)為Np時(shí)，Ns＜N·Np/2的關(guān)系成立。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于固定最內(nèi)側(cè)的電樞，并可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置其他電樞，以使這些電樞的電角度相對(duì)變化之際的轉(zhuǎn)矩反作用力減小。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求8中任何一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于進(jìn)行設(shè)定以使得在上述多個(gè)電樞之內(nèi)、越是位于徑向外側(cè)的電樞、電樞繞組的圈數(shù)越多。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求8中任何一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于各電樞的繞組采用集中繞組。
全文摘要
本發(fā)明提供一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)，通過使配置成為同心形狀的多個(gè)電樞的相位相對(duì)改變而使變速控制變得容易，同時(shí)可以以比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)可靠地支持轉(zhuǎn)子的兩端而提高剛性。其構(gòu)成包括具有多個(gè)相的電樞繞組(12、22)的多個(gè)電樞(1、2)和永久磁鐵(53)的轉(zhuǎn)子(5)，其中，各電樞(1、2)互相呈同心形狀配置，同時(shí)設(shè)置成使其圓周方向的電角度位置相對(duì)變化，且各相的每一相的電樞繞組(12、22)在電樞(1、2)之間串聯(lián)連接起來，轉(zhuǎn)子(5)以同心形狀配置于這些電樞(1、2)的內(nèi)側(cè)。
文檔編號(hào)H02K1/14GK1838508SQ20061000576
公開日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2006年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月23日
發(fā)明者守田正夫, 仲興起, 井上正哉, 橋本昭 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社