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公開番号2024150379
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-23
出願番号2023071874
出願日2023-04-10
発明の名称可変磁力式同期機
出願人個人
代理人
主分類H02K 19/10 20060101AFI20241016BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】磁気回路部品の少ない可変磁力式同期電動機および同期発電機を提供する。
【解決手段】磁気回路部品が固定子鉄心即ち電機子鉄心ならびに回転子鉄心即ち界磁鉄心の二つのみからなり、固定子鉄心の溝に電磁子巻線と界磁巻線を巻込むとともに、回転子が回転しても界磁の磁極の極性が変らないことを特徴とする可変磁力式同期電動機および同期発電機である。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項１】
可変磁力式同期電動機において、２φｎ個の溝を有する固定子鉄心と、２ｎ極の突極型構造の回転子鉄心を有し、固定子鉄心の溝には電機子巻線と界磁巻線を巻込み、電機子巻線と界磁巻線にはそれぞれインバータによってφ相の多相交流を供給し、界磁巻線とそのインバータには界磁の回転角が変化しても界磁磁極が常に同一極性の電磁石を発生させるサブシステムを有し、この界磁に電機子側のインバータによって電機子巻線に多相交流電圧を印加し、２ｎ極の回転磁界を加えることによってトルクを発生させる、磁気回路部品が固定子鉄心と回転子鉄心の二つのみからなる可変磁力式同期電動機
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
請求項１において、界磁巻線とそのインバータには界磁の回転角が変化しても界磁磁極が常に同一極性の電磁石を発生させるサブシステムとして、インバータに使用するトランジスタは全て光で作動トランジスタもしくは光で作動するトランジスタとパワートランジスタを組み合わせた複合型トランジスタを用い、回転軸に円形のシールド板を取り付け、その外径側に円弧角１２０°の円弧状の外側スリットを設けるとともに、内径側にも外側スリットの端部と接する半径線に接して互いに円周方向の反対側に円弧状の内側スリットを設け、シールド板の固定子鉄心側にはトランジスタを固定する受光板を設け、外側スリットの中心線の直径に沿って上段トランジスタ３個を等分に配置させ、内側スリットの中心線の直径に沿って下段トランジスタ３個を上段トランジスタ３個の中間に等分に配置させ、シールド板の固定子鉄心と反対側にはスリット全体を照射する光源を設けることによって、回転子が回転するとシールド板も回転し上段と下段のトランジスタが光を受けることによってそれぞれ１つずつ順次動作し、回転子の回転と同じ方向に同期しながら界磁磁極を励磁するので界磁磁極の極性は変らず電磁石による界磁として機能させ、電機子巻線に電機子側のインバータにより多相交流電流を印加して回転磁界を加えることによって作動する可変磁力式同期電動機
【請求項３】
請求項１、及び請求項２において、電機子巻線に加えるインバータの電圧を不等パルス巾ＰＷＭ波形として流れる電流を正弦波形に近づける一方、界磁巻線に加えるインバータにおいては、電流波形を正弦波に近づけるため、不等パルス巾ＰＷＭ式インバータを使用するか、もしくは電流波形を矩形波に近づけるためＰＡＭ式インバータまたは等パルス巾ＰＷＭ式インバータを使用するようにした可変磁力式同期電動機
【請求項４】
請求項１、請求項２、及び請求項３において、電機子巻線と界磁巻線の励磁磁極の極数は同一とし、この二つの巻線の励磁磁極の中心同士は電気角で６０°～１２０°離し、そして二つの巻線のピッチは異なるようにした可変磁力式同期電動機
【請求項５】
請求項１、請求項２、請求項３、及び請求項４において、円周方向に着磁した永久磁石を界磁磁極間にＩＰＭ状に配置した複合界磁型可変磁力式同期電動機
【請求項６】
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、及び請求項５において、固定子鉄心など全体を覆う外被に非鉄金属で熱伝導率の高い軽金属合金を利用した可変磁力式同期電動機
【請求項７】
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、及び請求項６において、回転軸に動力を与え、電機子巻線から電力を出力させる可変磁力式同期発電機

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
この発明は界磁巻線を有する可変磁力式同期電動機及び同期発電機に関する。
続きを表示（約 2,800 文字）【背景技術】
【０００２】
電動機によって駆動する自動車においては、始動時から高速に至るまで高効率でスムーズに運転出来る電動機が要求されており、風力発電機においては低風速から高風速に至るまで風車の能力を有効に活用し高出力で運転出来る発電機が要求されている。現在大量に使用されている永久磁石型同期機はこの要求を満たすことができないため、可変磁力式同期機が開発されている途上にあるが、界磁の構造が複雑となり、高コストとなるという課題がある。本願の可変磁力式同期機においては、このような課題を解決し、高品質低コストの可変磁力式同期電動機及び発電機を提供するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開平６―３５１２０６
特表２００３―５１６７０８
【非特許文献】
【０００４】
平成２２年３月２５日ＮＥＤＯプレスリリース１～１７名古屋工業大学大学院工学研究科小坂卓『ＳＭＣコアを利用したハイブリッド界磁モータの研究開発』
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術を応用する電動機は、界磁磁束は直流励磁電磁石による磁束と永久磁石による磁束の２種類の界磁磁束が用いられ、電機子と界磁が対面するメインエアギャップにおいて、これらの２種類の磁束はそれぞれメインエアギャップ全面積の半分を利用することになり、電磁石による出力をより多く使用する場合ＳＰＭ状に配置された永久磁石は大きな磁気抵抗となるため、出力や効率が低くなるとともに、永久磁石を使用しないとこの同期機は成立しないという欠点を有する。また、ヨークを強磁性体にする必要があり、放熱に有利なアルミニウムを使用できないので巻線や軸受の温度上昇の低減において不利となる。さらに電機子鉄心を二分割しその中央部に励磁巻線を巻込むため、構造が複雑になるという欠点を有する。
【０００６】
特許文献２の技術は、ハウジングを強磁性体とし、その軸受近傍にリップ部を設けて直流励磁巻線を収納し、一方界磁のロータの端部を突出させて、ハウジングのリップ部と短いエアギャップを介して対面させて直流励磁磁束を通すため強磁性体の材料を使用せざるを得ず構造も複雑となり、その上外被に放熱性のよいアルミニウム合金を使用できないので、巻線や軸受の温度が上昇するという問題が発生し、その上リップ部に励磁巻線を巻き込み、軸受ハウジングを設ける必要があるため構造が複雑となり、さらにはロータ部分も構造や材料が複雑となり、かつ高精度の構造となるため高コスト低信頼性という欠点を有する。
【０００７】
非特許文献１の技術を応用する電動機は、次のような欠点を有する。
第一の欠点は、エアギャップの磁束密度を一定と仮定すると、ロータコアが中央部で軸方向に二分割されており、それぞれのロータコアはＮ極またはＳ極となるのでロータコアとステータコアとの間の実効的エアギャップ面積は半分となり同一磁束密度においてトルクは半減することになり、トルクを同一にしようとするとサイズが大きくなり高コストになるという欠点を有する。
第二の欠点は、ＳＭＣコアの材料である鉄粉はすべて絶縁被覆されているので、圧縮成形したＳＭＣコアの熱伝導性が電磁鋼板より低くなり、しかもステータコア、ロータコア、ステータ巻線そしてトロイダル巻線全体をＳＭＣコアで覆うので、外被にアルミニウム合金を使用できないため、巻線や軸受の温度上昇が高くなるという欠点を有する。
【０００８】
以上の技術上の欠点ならびに関連する問題点を改善するため、次の課題を解決するものとする。
（１）界磁鉄心に軸方向からの磁束の授受をなくし、磁気回路部品は電機子鉄心と界磁鉄心のみとし、電機子巻線と界磁巻線はすべて電機子鉄心の溝にのみ収納するものとする。
（２）界磁鉄心の磁極の電磁石の極性は界磁鉄心が回転しても変化しないこと。
（３）磁気回路部品は電磁鋼板を打ち抜き積層したものが使用できること。
（４）永久磁石と電磁石を併用しハイブリッド磁石界磁を形成する場合には、永久磁石はＩＰＭ構造で配置可能であること。
（５）外被はアルミニウム合金製とし固定子鉄心や軸受に直接接触させて覆うことができること。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本願の第１の発明は、可変磁力式同期電動機において、２φｎ個の溝を有する固定子鉄心と、２ｎ極の突極型構造の回転子鉄心を有し、固定子鉄心の溝には電機子巻線と界磁巻線を巻込み、電機子巻線と界磁巻線にはそれぞれインバータによってφ相の多相交流を供給し、界磁巻線とそのインバータには界磁の回転角が変化しても界磁磁極が常に同一極性の電磁石を発生させるサブシステムを有し、この界磁に電機子側のインバータによって電機子巻線に多相交流電圧を印加し、２ｎ極の回転磁界を加えることによってトルクを発生させる、磁気回路部品が固定子鉄心と回転子鉄心の二つのみからなる可変磁力式同期電動機である。
【００１０】
本願の第２の発明は、請求項１において、界磁巻線とそのインバータには界磁の回転角が変化しても界磁磁極が常に同一極性の電磁石を発生させるサブシステムとして、インバータに使用するトランジスタは全て光で作動トランジスタもしくは光で作動するトランジスタとパワートランジスタを組み合わせた複合型トランジスタを用い、回転軸に円形のシールド板を取り付け、その外径側に円弧角１２０°の円弧状の外側スリットを設けるともに、内径側にも外側スリットの端部と接する半径線に接して互いに円周方向の反対側に円弧状の内側スリットを設け、シールド板の固定子鉄心側にはトランジスタを固定する受光板を設け、外側スリットの中心線の直径に沿って上段トランジスタ３個を等分に配置させ、内側スリットの中心線の直径に沿って下段トランジスタ３個を上段トランジスタ３個の中間に等分に配置させ、シールド板の固定子鉄心と反対側にはスリット全体を照射する光源を設けることによって、回転子が回転するとシールド板も回転し上段と下段のトランジスタが光を受けることによってそれぞれ１個ずつ順次動作し、回転子の回転と同じ方向に同期しながら界磁磁極を励磁するので界磁磁極の極性は変らず電磁石による界磁として機能させ、電機子巻線に電機子側のインバータにより多相交流電流を印加して回転磁界を加えることによって作動する可変磁力式同期電動機である。
（【００１１】以降は省略されています）

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