JPH09135546A - 外転型回転電機 - Google Patents

外転型回転電機

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JPH09135546A
JPH09135546A JP7288361A JP28836195A JPH09135546A JP H09135546 A JPH09135546 A JP H09135546A JP 7288361 A JP7288361 A JP 7288361A JP 28836195 A JP28836195 A JP 28836195A JP H09135546 A JPH09135546 A JP H09135546A
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stator
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Fumio Tajima
文男 田島
Shoichi Kawamata
昭一 川又
Haruo Oharagi
春雄 小原木
Suetaro Shibukawa
末太郎 渋川
Seikichi Masuda
誠吉 増田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】小形軽量な外転型回転電機及びそれを備えた電
動車両を提供すること。 【解決手段】低速時の最大トルク領域はほぼ定トルクで
電圧を変える制御で、また高速ではほぼ同出力でかつ電
圧はほぼ一定で制御運転される回転電機であって、かつ
内周に固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子
と、その外周に空隙を介して積層された鉄心と固体鉄心
とを備えた回転子とを有する外転型回転電機において、
前記低速時に最大トルクを与える回転数、トルク領域の
積層回転子鉄心の磁束密度を25KG以上にした構成と
する。 【効果】外転型回転電機及びそれを備えた電動車両の小
形軽量化が達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は外転型回転電機に係
わり、特に小形軽量な外転型回転電機及びそれを備えた
電動車両を提供するものである。
【0002】
【従来の技術】電気自動車等の電動車両用に用いる電動
機としては小形軽量であることが望まれる。一方、電気
自動車の駆動方法としては各駆動輪の中に回転機を分散
配置する方法がある。この分散配置する方法では車輪を
直接駆動することができ、ギヤが不要になって高効率に
なること、及び4輪を独立に制御できるのでその場での
旋回ができる等の種々の長所を有する。この場合、電動
機としては構造上外転型回転電機が最適となる。この外
転型回転電機を用いた場合、加速する場合にイナーシャ
が大きいので一層回転電機を小形軽量に製作することが
求められる。
【0003】従来の外転型回転電機では、積層回転子鉄
心の外周の厚みを十分とって磁気的な飽和を極力少なく
する方式を採用していた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】これは、従来の外転型
回転電機が使用される用途は家庭用回転電機等であり、
常に一定の電圧や周波数で使われるため、積層回転子鉄
心の外周の磁気的な飽和を極度に取ると回転電機の特性
を著しく悪くするためである。
【0005】本発明の対象とする回転電機は、例えば電
気自動車用あるいは電気機関車等の駆動電動機として使
用されるものを対象としている。これらの電動機におい
ては、電動機は制御装置によって可変周波数,可変電圧
運転されるものであり、特に低回転数領域では一定大ト
ルクを発生する領域と、高速時には一定の出力を要求さ
れる領域とで運転され、かつ定常状態の時はその内側の
領域で運転するものである。最大の磁束を発生し、最大
のトルク領域で運転するのはほんのわずかな登坂並びに
加速期間のみである。したがって、このわずかな期間の
ために磁束密度が十分低くしたのでは回転電機の体格を
十分小さくすることができず、小形軽量化することがで
きない欠点があった。
【0006】本発明の目的は、以上述べた従来例の欠点
を除き、小形軽量な外転型回転電機及びそれを備えた電
動車両を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の特徴とするところは、低速時の最大トルク
領域ではほぼ一定トルクで電圧を変えて制御運転され、
高速時ではほぼ同出力でかつ電圧がほぼ一定の状態で制
御運転される回転電機であって、かつ内周に固定子巻線
を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、その外周に空
隙を介して積層された回転子鉄心固体からなる回転子鉄
心を備えた回転子とを有する外転型回転電機において、
低速時に最大トルクを与える回転数のうち最大の回転数
Nb(rpm)での電源周波数をFm(Hz),高速時の回転電
機の最大相電圧をVb(V),一相の固定子巻線のターン
数をW,積層された回転子鉄心の軸長及び幅をそれぞれ
Wc(cm)及びHc(cm)としたとき、
【0008】なる関係を満たすよう構成したことを特徴
とする外転型回転電機にある。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について説
明する。
【0010】図1に本発明の外転型回転電機の構造を、
図2にその断面を示す。本実施例では誘導電動機につい
て説明する。
【0011】図1,図2において、外転型回転電機1は
固定子2とその固定子2の外周を回転する回転子3とか
らなる。ここで、固定子2は固定子巻線5を備えた固定
子鉄心4とこれを支持する固定子支持板6とからなる。
回転子3は固体回転子鉄心7とその内周に積層回転子鉄
心8とを有し、積層回転子鉄心8にはスロット83が設
けられており、ここには回転子巻線のバー9が備えられ
ている。回転子巻線のバー9の軸端にはエンドリング1
0を備え、回転子巻線のバー9を短絡接続してカゴ型巻
線を形成する構成である。固体の回転子鉄心7は分割も
しくは一体の構成で図示のようにシャフト11の上にマ
ウントされてベアリング12を介して固定子支持板6に
回転可能に支持される。また、固定子支持板6は回転電
機支持板13に固定,保持される。ここでは、固定子鉄
心4は歯部41とコア部42とからなり、歯部41とコ
ア部42で作られる空間のスロット部43とからなる。
スロット部43には固定子巻線5が挿入される。ここ
で、固定子鉄心4の巻線構成は一般の3相の電動機の巻
線構成と同じである。
【0012】図3に外転型回転電機の運転特性を示す。
【0013】電気自動車や電気機関車等の電動車両の駆
動装置としては、最大トルクの運転範囲は、低速時での
一定でかつ大トルクを要する期間と、高速時において
は、回転電機の制御装置の容量を少なくするために出力
一定の制御、つまり直巻電動機と同じトルク特性の制御
をする区間とがある。この場合、低速領域の最大トルク
範囲では図示のようにベース回転数に至るまで電圧を直
線的に変化させる制御を行う。したがって、この領域に
おいては、電動機の磁束量は最大でほぼ一定に保たれた
制御が行われる。この最大トルクでの運転は、登坂時や
急加速時等の短時間の間の使用となる。平地走行等の場
合には一般にこの中の領域の所要トルクの小さい所で運
転され、磁束量もそれに伴って少ない領域で運転するの
が一般である。そこでは、効率を最大にする運転の選択
が行われる。つまり最適な磁束量の選定が成されて制御
が続行される。回転電機の回転数がベース回転数よりも
高くなった場合にはトルクは図示のように回転数に反比
例して回転数と共に減少し、定出力曲線となるように制
御する、この時、電動機の磁束はトルクに応じて減少さ
せる制御つまり弱め界磁制御を行う。高速時において
も、平地走行等の場合には一般にこの中の領域の所要ト
ルクの小さい所で運転され、磁束量もそれに伴ってさら
に少ない領域で運転するのが一般である。そこでもまた
効率を最大にする運転の選択が行われる。つまり最適な
磁束量の選定が成されて制御が続行される。
【0014】低速時の最大トルク領域では、ベース回転
数Nbにおける電源周波数Fmは、(数1)で与えられ
る。
【0015】
【数1】 Fm=Nb・P・/(1−s)/120 …(数1) ここで、Pは電動機の極数、sは滑りである。
【0016】以上の電源周波数より、低速時の最大トル
ク領域での磁束量Φmは(数2)で計算できる。
【0017】
【数2】
【0018】ここで、Fm(Hz)はその時の電源周波
数、Vb(V)は高速時の回転電機の最大相電圧、Wは一
相の固定子巻線のターン数である。
【0019】以上の磁束の計算式より、回転電機の積層
回転子鉄心部の磁束密度は(数3)によって算出でき
る。
【0020】
【数3】
【0021】ここで、Wc(cm)は積層回転子鉄心の軸
長、Hc(cm)は積層回転子鉄心のコア部の幅である。
【0022】積層回転子鉄心における磁束密度の最大は
一般にそれに使用される珪素鋼板の磁束密度の最大値に
よって限定され、約21kGである。上式で算出した値
において、積層回転子鉄心に置ける磁束密度の最大は約
21kGより大きな25kGとすることで、積層回転子
鉄心の飽和度を高め、機械を小形軽量化することが可能
である。実際には積層回転子鉄心の中の磁束密度が25
kGになることは無く、その分、固体の回転子鉄心の方
に流れる。磁束が固体回転子鉄心内を流れるとここでは
渦電流が発生するが、ここで使用される運転が登坂や加
速のほんのわずかな時間であることや、回転子内の磁束
はわずかなすべり周波数のみの変動であるのでその渦電
流もごく小さいものとなるため、大きく特性を損なうこ
とはない。以上強度部材である固体の回転子鉄心を磁気
回路に積極的に使用した構成とすることによって、回転
電機の体格を著しく小さくすることが可能になる。これ
によって、外転型回転電機の欠点である回転イナーシャ
が大きいという点を修正することができる。
【0023】これは、一般に使用されている内転型回転
電機と大きく違うところである。内転型回転電機の場合
には電動機の容量によって回転子の外周がほぼ決まり、
そのために積層回転子鉄心の磁束密度は大きくは成らな
い。積層回転子磁束密度を大きくしても回転電機の体格
を小さくすることが構成上、できない。一方、外転型回
転電機では積層回転子鉄心の磁束密度がすぐ小形軽量化
に結び付くものである。特に、回転子のイナーシャは回
転子外周の4乗に比例するためにその影響は非常に大き
いものがある。
【0024】図4に本発明の他の実施例を示す。
【0025】図1〜図3では誘導電動機の例を示した。
本実施例では本発明をリラクタンス型回転電機に適用し
た例について示す。図において固定子2の構成は図1で
示した誘導電動機の外転型回転電機の構成と同じであ
る。回転子3は固体の回転子鉄心7と積層回転子鉄心8
とで構成される。積層回転子鉄心8は、図示のように円
周方向に4個の突起上の磁極を有する構成である。回転
子に生じた磁極間の空間は必要に応じて樹脂及び非磁性
の絶縁物で充填される構成とすることができる。ここ
で、積層回転子鉄心8で構成されるコア部の磁束密度は
図3で示した運転条件においては、リラクタンス電動機
でも全く同様になるので、(数3)と同じように表現で
きる。したがって、積層回転子鉄心で構成されるコア部
の磁束密度を25kG以上とすることによって、誘導電
動機の場合と全く同じ効果を得ることができる。
【0026】以上の構成の外転型回転電機では、外周部
をソリッドの回転ヨークで構成することで、機械的な強
度を増すとともに回転子の外径を大きくする必要がない
構成とすることができる。なお、以上では固定子として
非突極性の固定子を用いた場合の例を示したが、突極状
の固定子を用いた場合にも有効である。さらに図3で示
した運転では、回転数に対して直線状に上がる電圧に制
御する例を示したが、回転数に対して折線状、もしくは
放物線状に上昇する場合にも有効である。この場合には
ベース回転数に近い領域でかつ原点からのVb/Fmが
最大になる点の磁束密度が25kGを超える点を規定す
るものとする。
【0027】
【発明の効果】本発明によれば、小形軽量な外転型回転
電機及びそれを備えた電動車両を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の外転型回転電機の構造図を示す。
【図2】本発明の外転型回転電機の断面図を示す。
【図3】本発明の外転型回転電機の特性を示す。
【図4】本発明の外転型回転電機の他の実施例を示す。
【符号の説明】
1…外転型回転電機、2…固定子、3…回転子、4…固
定子鉄心、5…固定子巻線、6…固定子支持板、7…固
体回転子鉄心、8…積層回転子鉄心、9…回転子巻線の
バー、10…エンドリング、11…シャフト、12…ベ
アリング、13…回転電機支持板、41…歯部、42…
コア部、43…スロット部、81…積層回転子鉄心の歯
部、82…積層回転子鉄心のコア部、83…積層回転子
鉄心のスロット部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渋川 末太郎 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 増田 誠吉 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】低速時の最大トルク領域ではほぼ一定トル
    クで電圧を変えて制御運転され、高速時ではほぼ同出力
    でかつ電圧がほぼ一定の状態で制御運転される回転電機
    であって、かつ内周に固定子巻線を巻回した固定子鉄心
    を有する固定子と、その外周に空隙を介して積層された
    回転子鉄心固体からなる回転子鉄心を備えた回転子とを
    有する外転型回転電機において、 低速時に最大トルクを与える回転数のうち最大の回転数
    Nb(rpm)での電源周波数をFm(Hz),高速時の回転
    電機の最大相電圧をVb(V),一相の固定子巻線のター
    ン数をW,積層された回転子鉄心の軸長及び幅をそれぞ
    れWc(cm)及びHc(cm)としたとき、 なる関係を満たすよう構成したことを特徴とする外転型
    回転電機。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記回転子としてカゴ
    型回転子を有する誘導電動機であることを特徴とする外
    転型回転電機。
  3. 【請求項3】請求項1において、前記回転子としてリラ
    クタンス鉄心を有するリラクタンス電動機であることを
    特徴とする外転型回転電機。
  4. 【請求項4】請求項1に記載の外転型回転電機を備えた
    ことを特徴とする電動車両。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2003041244A1 (en) * 2001-11-08 2003-05-15 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Motor
JP2015523044A (ja) * 2012-05-22 2015-08-06 ヴォッベン プロパティーズ ゲーエムベーハーWobben Properties Gmbh 変速機をもたない風力発電装置の発電機

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