JP2004215483A - Motor generator - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、PEV(Pure Electric Vehicle:純粋電気自動車)や、HEV(Hybrid Electric Vehicle:ハイブリッド電気自動車)、FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle:燃料電池自動車)等の電気自動車に好適なモータジェネレータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、エンジンと電気モータを駆動部とするハイブリッド電気自動車には、電気モータ駆動のための高電圧系バッテリと、ランプ、オーディオ等の補機用低電圧系バッテリの2種を備えている。車両に搭載されるバッテリは、メンテナンスを考慮し、バッテリの充電は車両に搭載されたモータジェネレータで充電する構成を採用している。
【0003】
図16に従来のハイブリッド電気自動車の構成を示す。8はエンジン、9は電気モータで、10の動力切替機構を介してタイヤにエンジンもしくは電気モータあるいはエンジンと電気モータ両方の動力を伝達している。電気モータ9は高電圧バッテリ70から、電力変換装置30を介して制御される。80はオルタネータでエンジン回転により、低電圧バッテリ90を充電するシステム構成をとっている。高電圧バッテリの充電は、電気モータ9を発電機として動作させ、電力変換装置30を介して高電圧バッテリ70を充電する仕組みを採用している。
【0004】
また、図17は別の従来のハイブリッド電気自動車の構成図である。図16と異なるのは、低電圧バッテリ90を充電するには、オルタネータ80ではなく、高電圧バッテリ70からDC−DCコンバータ100を介して充電する構成をとっている点である(非特許文献1参照)。
【0005】
なお、モータジェネレータに関しては、界磁巻線方式のモータジェネレータが数多く提案されており、高電圧系バッテリに接続される巻線と低電圧系バッテリに接続される巻線との2つの巻線を有したものが知られている(特許文献1参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開平6−105512号公報(第1頁、第3頁、図1)
【0007】
【非特許文献1】
「TOYOTA ESTIMA HYBRID 新型車解説書 品番61994」,トヨタ自動車株式会社サービス部,2001年6月発行,p0−9,p1−31
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような従来の電気自動車駆動システムの場合、メインの高圧系と補機用の低圧系とモータジェネレータを2種類備えるか、もしくは1種のモータジェネレータにDC/DCコンバータを別途備える必要がある。従って、取付けスペースが大きくなるほか、コストが高くなるといった問題がある。
【0009】
さらに界磁巻線方式で2巻線で構成した場合、車両の動力用とし巻線を卷回した場合、モータジェネレータの体格が非常に大きくなり、車両に搭載できないといった問題がある。さらに、界磁巻線方式のため、それぞれの巻線を同時に制御することは難しいという問題も有していた。
【0010】
そこで、本発明は、磁石界磁方式で、2種類のモータジェネレータを一体化して、省スペース、低コストな電気自動車駆動システムを提供することを目的とするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明のモータジェネレータは、複数の永久磁石を保持したロータと、複数のティースを有するステータとを備え、前記複数のティースに別々に卷回されてなる、互いに機械的、電気的に独立した構成の巻線群を2つ以上有することを特徴としている。そして、前記複数のティースは第1のティースと第2のティースとに区分され、前記複数の巻線群は第1の巻線群と第2の巻線群とに区分され、前記第1の巻線群を卷回した前記複数の第1のティース複数個を構成したグループが前記ステータ全体において複数グループ設けられている。さらに、同じグループ内にある前記複数の第1のティースには、同相の電圧が印加される第1の巻線群が、隣接するものとは卷回方向が互いに逆方向となるようにそれぞれ卷回され、隣接する前記複数のグループにはそれぞれ異相の電圧が印加されるとともに、グループとグループの間には前記第2の巻線群を卷回した前記第2のティースが配置されている。
【0012】
このとき、第2の巻線群の巻線仕様を第1の巻線群の巻線仕様とは相違なる仕様とし、ターン数を第1の巻線群よりも少なくすることによって、第2の巻線群における回生時の発電電圧を第1の巻線群における回生時の発電電圧よりも低くすることができる。よって、例えば、定格回転時において発生する発電電圧を、第1の巻線群では高圧系の高電圧バッテリの電圧とし、第2の巻線群では低圧系の低電圧バッテリの電圧とするようにできる。従って、従来のように高電圧バッテリのためのモータジェネレータの他に、低電圧バッテリのための別のモータジェネレータを備える必要がなく、1種の電圧のみを回生時に発電するモータジェネレータに、DC/DCコンバータを別途備える必要もなくなる。
【0013】
また、高電圧バッテリによって第1の巻線群の方で力行をし、モータジェネレータを駆動させ、第2の巻線群の方で回生をし、低電圧バッテリを充電することも可能である。
【0014】
また、前記2つ以上の巻線群を有するモータジェネレータであって、各々独立した電力変換装置のうち少なくとも2つの電力変換装置が、スイッチング素子で構成されたインバータと、前記インバータのスイッチング素子を駆動するゲートドライブ回路と、前記インバータを制御する制御部と、モータ電流を検出する電流検出センサと、モータの磁極位置を検出する磁極位置検出センサと、電源部とを備え、前記少なくとも2つの電力変換装置が、前記制御部と前記磁極位置検出センサと前記電源部とを共有する。
【0015】
また、低電圧巻線の発電電圧を最高回転時に定格電圧となるよう設定し、かつ各々の巻線の出力端に接続された電力変換装置を昇圧モードで駆動させる。
【0016】
また、低電圧巻線の発電電圧を最高回転数の略半分の回転数時に定格電圧となるよう設定し、かつ各々の巻線の出力端に接続された電力変換装置を弱め界磁と強め界磁とを切り替えて駆動させる。
【0017】
さらに、磁石からの磁路形成部に巻線される制御巻線によって、少なくとも1つの巻線群の出力端に発生する発電電圧を制御する。
【0018】
さらには、第1の巻線群でモータの回転数を可変し、第2の巻線群の出力端に発生する発電電圧を制御する。
【0019】
なお、本発明のモータジェネレータは、永久磁石埋込型のロータを用いており、その構造上逆突極性を具備しているので、通電する電流の電流位相を進角させることによって、マグネットトルクに加えて、リラクタンストルクを発生させることができ、より高トルクなモータジェネレータとしている。すなわち、同一出力のモータジェネレータでは、より小型化することができる。
【0020】
さらに、1つ1つの巻線を集中巻の巻線としており、コイルエンドを分布巻のものに比べて大幅に小さくすることが可能であり、モータジェネレータをより小型化することができる。
【0021】
また、本発明モータジェネレータの第1の巻線群に発生する電圧については、U・V・W相のそれぞれのグループ内においてその巻線仕様が、隣接する第1のティースと互いに異なる極性となるよう卷回されているので、磁界分布の偏重を緩和することができ、モータジェネレータ駆動時に主巻線に誘起される逆起電圧の波形の歪を低減することができる。このため、ステータコアやロータコアにおける鉄損を低減することができ、また、ロータコア中の永久磁石についても、渦電流の発生が抑えられるため、それによる熱発生が軽減され、永久磁石の減磁を抑止することができ、効率のよいモータジェネレータを実現することができる。
【0022】
さらに、本発明のモータジェネレータにおいて、前記複数のグループが、それぞれ第1の巻線群を卷回したn個(ただし、n≧2の整数)の第1のティースにて構成されており、さらに前記ロータの極数をp、前記第1のティースの総数をtとし、U・V・Wの3相の第1の巻線群1式を1組とした巻線組数をs(ただし、p、t、sはともに正の整数)としたときに、
p=2×s×(±1+3×k) かつ p>t (ただし、k≧0の整数)となる関係を満たす構成とすることで、前記第1の巻線群にて構成される各グループ内において隣接する前記複数の第1のティースのそれぞれの巻線が互いに異なる極性となり、磁界分布の偏重を緩和することができ、モータジェネレータ駆動時の第1の巻線群の端子間発生電圧波形の歪を低減することができる。したがって、鉄損の発生を抑制することができ、モータジェネレータの効率を向上させることができる。
【0023】
さらに、本発明のモータジェネレータにおいて、上記に基づきロータ極数を10q極、前記第1のティース同士の間に形成されるスロット総数を9q個、前記第2のティース同士の間に形成されるスロット総数を3q個として(ただし何れも、q=正の整数)、前記第1のティースのロータ対向部角度をθ1[rad]、前記第2のティースのロータ対向部角度をθ2[rad]とした場合に、
π/10q<θ1<π/5q および
π/45q<θ2<π/10q
の関係を満たすことを構成とすることによって、磁束が飽和も少なくより流れやすくなり、トルクがより向上し、一方、巻線に誘起される逆起電圧の波形歪も低減することができ、鉄損を低減し、かつ、永久磁石での渦電流による発熱も抑えて永久磁石の減磁を抑止することができ、モータジェネレータの効率を向上させることができる。
【0024】
さらにまた本発明のモータジェネレータにおいて、前記ロータのステータ対向面に対向する、前記複数の第1のティースの先端部の周方向端部の近傍に、前記ロータのステータ対向面から離れるように、切除部がそれぞれ設けられた構成とする。このような構成とすることによって、それぞれのティースにおいて急激な磁界変化を緩和することができ、モータジェネレータ駆動時に巻線に発生する逆起電圧の波形を一層正弦波に近づけることが可能となり、トルクリップルおよびコギングトルクを低減させることができる。
【0025】
本発明のモータジェネレータにおいて、さらにまた、前記第1の巻線群を卷回した前記第1のティースにて構成されるそれぞれのグループにおいて、グループ内の1つ以上の第1のティースの先端部に、1つ以上の凹部を設けた構成とする。また、凹部の形状をほぼ矩形状あるいは円弧状とする。無論、それ以外の形状としてもよい。
【0026】
この構成によって、第1のティースの先端部における磁極が、見掛け上S極,N極,S極というように細分化されるため、高トルクが得られるとともに、トルクリップルを小さく抑えることができる。
【0027】
同様に前記第2の巻線群を卷回した前記第2のティースの先端部に、1つ以上の凹部を設けた構成とすることもできる。また、前記第1の巻線群を卷回した前記複数の第1のティースにて構成されたグループとグループの間に、前記複数の第2のティースがロータの磁極ピッチに合った間隔で設けられた構成、あるいは、前記第1の巻線群を卷回した前記複数の第1のティースにて構成されたグループとグループの間に、前記第2の巻線群を卷回した前記複数の第2のティースが等間隔に配置された構成として、第1のティースを多ティース化することで、磁束を有効に活用することができ、高トルク化すなわち高出力化することが可能となる。
【0028】
さらにまた本発明のモータジェネレータにおいて、前記ロータを、前記複数の永久磁石と、前記永久磁石とほぼ同じ形状を有し、かつ、前記永久磁石の厚さより小さな幅を有する複数のスリットが前記複数の永久磁石のステータ側とは反対側に設けられたロータコアとからなる構成とする。
【0029】
この構成によって、スリット部において永久磁石により生じる磁束を通過させにくくし、すなわち磁気抵抗を高め、磁気抵抗の低いところとの差をより大きくし、より大きなリラクタンストルクを生じさせることになり、発生トルクを向上させることができる。
【0030】
さらにまた本発明のモータジェネレータにおいて、前記ロータに備えられる前記複数の永久磁石のそれぞれのステータ側側面と前記ロータのステータ対向面との間の距離が、前記複数の永久磁石のそれぞれの端部よりも中央部の方が大きい形状となる構成として、前記ロータを構成する前記複数の永久磁石の形状を、前記ロータの前記ステータ対向面側とは反対の方向に突出したほぼV字状としたり、前記ロータの半径方向に垂直な直線状としたり、前記ロータのステータ対向面側とは反対の方向に突出した円弧状としたりするほか、前記ロータの半径よりも大きな半径を有して前記ロータのステータ対向面側に突出した円弧状とすることもできる。
【0031】
この構成によって、ロータのステータ対向部において磁束の通りやすい部分と通りにくい部分、すなわち磁気抵抗の比較的低い部分とそれに比べて磁気抵抗の高い部分とを設けることによって、リラクタンストルクを発生させることができ、発生トルクを向上することができる。
【0032】
また、本発明のモータジェネレータを用いた電気自動車を構成することで、従来のように高圧系と低圧系の2種類のモータジェネレータを備える必要や、1種の電圧のみを回生時に発電するモータジェネレータにDC/DCコンバータを別途備える必要がないので、省スペースでかつ低コストな電気自動車駆動システムを構成することができ、従って、低コストで、車室内をより広く活用することのできる電気自動車を提供することができる。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【0034】
(実施の形態1)
図1〜図3は、本発明の実施の形態1のモータジェネレータを説明するための図であり、図1はモータ主要部を説明するための回転中心軸に垂直な面で断面にした主要部断面図、図2は第1の巻線群のティースに卷回される巻線の卷回方向を説明する展開図、図3は第1および第2の巻線群のそれぞれの結線状態を表す結線図である。
【0035】
図1において、電磁鋼板を積層して構成したステータコア1は、第1の巻線群4を卷回したティース2と第2の巻線群5を卷回したティース3とを具備している。一方、電磁鋼板を積層して構成したロータコア6に永久磁石7が埋め込まれており、ロータを構成しており、回転中心Oの周りに自由に回転可能な状態で第1および第2のティース2,3と僅かなギャップを介して配置されている。このとき、永久磁石7の向きは、それぞれ隣り合うものと異なる磁界方向を向くようにそれぞれ配置されている。
【0036】
そして、第1の巻線群4を卷回した第1のティース2は全部で9個あるが、U相の電圧が印加されるグループI、V相の電圧が印加されるグループII、W相の電圧が印加されるグループIIIに分けられており、各グループI,II,IIIにはそれぞれ3個の第1のティース2が設けられている。また、各グループI,II,IIIの間には、第2の巻線群5を卷回した第2のティース3が設けられている。図2において、各グループにおける第1の巻線群4の卷回方向を示す。グループ内両端に位置する第1のティース2に卷回される第1の巻線群4の卷回方向21に対して、グループ内真中の第1のティース2に卷回される第1の巻線群4の卷回方向22が逆方向になるようにしている。すなわち、各グループI,II,III内の第1のティース2に巻かれる第1の巻線群4の卷回方向は、その属するグループ内において、隣接する第1のティース2とは互いに逆方向になるように第1の巻線群4が卷回され、隣接する第1のティース2の第1の巻線群の極性が互いに反転するようになっている。それぞれの第1のティース2に対する第1の巻線群4は直列に接続されているが、並列に接続することも可能である。同様に、他のグループのそれぞれの第1のティース2に対しても同じ方法で第1の巻線群4が卷回され、各グループは各々U相,V相およびW相の3相巻線を形成し、電気角で120度の位相差で配置されており、スター結線がなされている。よって、U相,V相,W相それぞれのグループI,II,III内において、互いに隣接する第1のティース2が互いに異なる極性となっているため、磁界分布の偏重を緩和することができ、モータ駆動時に端子間に発生する逆起電圧の波形の歪を低減することができ、したがって、鉄損を低減することができる。
【0037】
本実施の形態1においては、各グループI,II,IIIはそれぞれ第1の巻線群4を卷回した第1のティース2を3個ずつ備え(つまり、第1のティース2が3叉となり)、U相・V相・W相の巻線一式を1組とした巻線組数が1組となっている。
【0038】
上記構成において、1つのグループ内における第1のティース2の数(叉数)をn(ただし、n≧2の整数)、巻線組数をs(ただし、s≧1の整数)、第1のティース2の総本数をt、ロータの極数をpとすると、
p=2×s(±1+3×k) ただし p>t ・・・(1)
の関係が成り立つ。
【0039】
上記(1)式を用いると、本実施の形態1のロータ極数pは、
p=2×1(−1+3×k)
となり、k=2とすると、
p=2×1(−1+3×2)
=10
となる。このときのロータ極数pと、第1の巻線群4を卷回した第1のティース2の総本数tとの関係が
p(=10)>t(=9)
となることから、本実施の形態1のモータジェネレータは上記(1)式を満たす構成であることがわかる。
【0040】
ここで、第1の巻線群4を卷回した第1のティース2の1個あたりの角度は、10極ロータの磁極1個分の角度に合わせて36度としている。従って、各グループ内には第1のティース2が3個並んでいるので、グループ1つで108度となり、それぞれのグループの間には12度の隙間ができることになる。そこで、この隙間に第2の巻線群5を卷回した第2のティース3を配置した構成としているが、第1の巻線群4によるモータ基本特性の低下は特に起こらない。
【0041】
第2の巻線群5は、第1の巻線群4の各相の間に電気角で120度の位相差で配置され、スター結線がなされており、第1の巻線群4とは独立した状態で、こちらも3相巻線を形成している。しかし、その巻線仕様は第1の巻線群4とは相違なる仕様とし、ターン数を第1の巻線群4よりも少なくし、例えば、第1の巻線群4のターン数を288ターン、第2の巻線群5のターン数を12ターンとし、それぞれの出力は第1の巻線群4においては10〜30kW、第2の巻線群5においては1〜3kWとなるように設定する。
【0042】
なお、本実施の形態1における、第1の巻線群4および第2の巻線群5の結線状態を図3に示す。図3において、15u・15v・15wはそれぞれ第1の巻線群4のU・V・W相の各出力点であり、15r・15s・15tはそれぞれ第2の巻線群5のU・V・W相の各出力点である。第1の巻線群4は、第1の巻線群4同士が配線17aで接続され、第2の巻線群5は、第2の巻線群5同士が配線17bで接続されていることにより、第1の巻線群4と第2の巻線群5はそれぞれ機械的にも電気的にも独立した構成となっている。なお図中の16a、16bは各中性点を示す。
【0043】
このような構成とすることにより、高電圧バッテリによって第1の巻線群4の方で力行をし(電圧を印可して)、モータジェネレータを駆動させ、第2の巻線群5の方で回生をし(電圧を発生させ)、低電圧バッテリを充電することも可能である。
【0044】
ここで、第2の巻線群5は第1の巻線群4と比較して、巻線を卷回した第2のティース3の数が少なく設定されているが、第1の巻線群4と比較して出力が小さいので、発電特性は十分確保できる。
【0045】
また、第1の巻線群4と第2の巻線群5の双方を回生用としたときにも、回生時の発電電圧が第1の巻線群4で高電圧の場合でも、第2の巻線群5の方は低電圧にすることができ、例えば、定格回転時において発生する発電電圧を、第1の巻線群4では高圧系の高電圧バッテリの電圧とし、第2の巻線群5を低圧系の低電圧バッテリの電圧とするようにできる。従って、従来のように低電圧バッテリのためのモータジェネレータを別途備える必要や、モータジェネレータに加えDC/DCコンバータを別途備える必要がない。
【0046】
また、第2の巻線群5を卷回した第2のティース3のティース幅を適切な幅に設定することで、第2のティース3内の磁束がある程度まで大きくなると、磁気飽和により磁束量が抑えられるので、高速回転時でも第2の巻線群5に発生する発電電圧を低く抑えることができる。
【0047】
さらに、より高速回転の時でも、第1の巻線群4の方で弱め界磁制御をすることにより、第1の巻線群4の電圧を高圧系の高電圧バッテリの許容電圧まで抑えるとともに、第2の巻線群5の電圧を低電圧バッテリの許容電圧まで抑えることも可能である。
【0048】
なお、本実施の形態1においては、ロータ極数(p)が10極、第1の巻線群4を卷回した第1のティース総本数(t)が9(すなわち、9個のスロット)、第2の巻線群5を卷回した第2のティース総本数が3の場合で説明したが、本発明はその場合に限るものではなく、第1のティース総本数(t)とロータの極数(p)の組み合わせは、後述の表1の組み合わせの構成をとってもよい。
【0049】
さらに、第1の巻線群4を卷回した第1のティース2にて構成される各グループI,II,III間の隙間に設ける第2の巻線群5を卷回した第2のティース3の数を、本実施の形態1の構成にて説明したような1個とすることに限らず、複数個備えた構成とする組み合わせも考えられる。その際、第1のティース2同士のピッチを磁石ピッチに合わせるとともに、第2のティース3同士のピッチも磁石ピッチに合わせることも可能であるが、この構成の場合には、互いに隣接し合う第1のティース2と第2のティース3との間隔が、必ずしも磁石ピッチと同一のピッチになるとは限らない。あるいは、第1のティース2同士の間隔、第2のティース同士の間隔、および隣接し合う第1のティース2と第2のティース3との間隔の全てを等間隔に分割することも可能である。
【0050】
第1の巻線群4を卷回した第1のティース2総本数(t)と、第2の巻線群5を卷回した第2のティース3の総本数と、磁石極数(p)との組み合わせは、第1の巻線群4における電力と、第2の巻線群における電力とのバランスに応じて、最適な組み合わせを設計すればよい。なお、組み合わせの一例を表1に示す。
【0051】
【表1】
【0052】
図4は、第1のティース2をそれぞれ5個備えたグループI,II,IIIの間に、それぞれ2個の第2のティース3が設けられた構成の、第1および第2のティース2,3全てが等間隔のピッチに分割されたモータジェネレータの主要部概略断面図である。なお、この図4においては、第1および第2の巻線群は省略されているが、上述の構成のモータジェネレータと同様に、U相の電圧が印可されるグループとV相の電圧が印可されるグループとW相の電圧が印可されるグループとに分けられており、第1の巻線群と第2の巻線群は機械的にも電気的にも独立した構成となっている。ここで図示した構成は、上記表1におけるNo.15の組み合わせであるが、磁石の極数(p)を大きくした結果、各グループ間の隙間が大きくなり、第2のティース3を設けるためのスペースを大きく取れることがわかる。
【0053】
本実施の形態1において、ロータ極数は10極であり、第1の巻線群4を卷回した第1のティース2同士の間に形成されるスロット総数は9個(すなわち第1のティースの総本数)であり、第2の巻線群5を卷回した第2のティース3同士の間に形成されるスロット総数は3個(すなわち第2のティースの総本数)である。
【0054】
この構成をさらに検討した結果、ロータ極数を10q極、第1のティース2同士の間に形成されるスロット総数を9q個、第2のティース3同士の間に形成されるスロット総数を3q個として(ただし何れも、q=正の整数)、第1のティース2のロータ対向部角度をθ1[rad]、第2のティース3のロータ対向部角度をθ2[rad]とした場合に、
π/10q<θ1<π/5q
π/45q<θ2<π/10q ・・・(2)
となる関係を満足するように設定すれば、磁束が飽和も少なくより流れやすくなり、トルクがより向上するほか、巻線に誘起される逆起電圧の波形歪も低減することができ、鉄損を低減し、かつ、永久磁石での渦電流による発熱も抑えて永久磁石の減磁を抑止することができ、モータジェネレータの効率を向上させることができる。
【0055】
(実施の形態2)
図5〜図6は、本発明の実施の形態2のモータジェネレータを説明するための図であり、図5は回転中心軸に垂直な面で断面にしたステータコアとその内周面に対向するロータの概略断面図、図6はステータコアを構成するティース形状を説明するためのステータコアの部分拡大図である。
【0056】
図5に示すように、前述の実施の形態1と同様に、ステータコア31は、第1の巻線群34を卷回した第1のティース32と、第2の巻線群35を卷回した第2のティース33とを具備している。第1の巻線群34を卷回した第1のティース32は全部で9個あるが、U相の電圧が印可されるグループI、V相の電圧が印可されるグループII、W相の電圧が印可されるグループIIIに分けられており、各グループI,II,IIIの間には、第2の巻線群35を卷回した第2のティース33が設けられている。また、前述の実施の形態1と同様に、各グループI,II,IIIの第1のティース32に卷回される第1の巻線群34の卷回方向は、その属するグループ内において、隣接する第1のティース32とは互いに逆方向になるように第1の巻線群34が卷回され、隣接する第1のティース32の第1の巻線群の極性が互いに反転するようになっている。このとき、それぞれの第1のティース32に対する第1の巻線群34は直列に接続されているが、並列に接続することも可能である。同様に、他のグループのそれぞれの第1のティース32に対しても同じ方法で第1の巻線群34が卷回され、各グループは各々U相,V相およびW相の3相巻線を形成し、電気角で120度の位相差で配置されており、スター結線がなされている。そして、永久磁石埋込型ロータ36が回転中心Oの周りに自由に回転可能な状態で第1および第2のティースと僅かなギャップを介して配置されている。なお、このとき、永久磁石7の向きはそれぞれ隣り合うものと異なる磁界方向を向くようにそれぞれ配置されている。
【0057】
そして、前述の実施の形態1と同様に、ロータ極数を10q極、第1のティース32同士の間に形成されるスロット総数を9q個、第2のティース33同士の間に形成されるスロット総数を3q個として(ただし何れも、q=正の整数)、第1のティース32のロータ対向部角度をθ1[rad]、第2のティース33のロータ対向部角度をθ2[rad]とした場合に、前述の(2)式を満足するように設定されている。
【0058】
図6は、図5の第1のティース32の部分拡大図であり、図6について説明する。ステータコア31を構成する第1のティース32の先端部41のそれぞれの周方向端部において、ロータ36のステータ対向面42に対向する第1のティース32の先端部41のロータ対向面が、それぞれの周方向端部の近傍でロータ36のステータ対向面42から離れるような切除部43,44を有する形状に形成されている。なお、切除部43と切除部44のそれぞれの大きさはほぼ同等になるように形成するのがよい。
【0059】
本実施の形態2においては、第1のティース32のすべて先端部が同様な形状を有するように形成されてステータコア31を構成している。第1のティース32のそれぞれの先端部をこのような形状にすることにより、それぞれの第1のティース32における急激な磁界変化を緩和することができるため、逆起電圧の波形を一層正弦波に近づけることになり、トルクリップルおよびコギングトルクを低減させる。
【0060】
以上のように本実施の形態2によれば、第1のティースの先端部のロータ対向面が、その先端部のそれぞれの周方向端部近傍においてロータ36のステータ対向面から離れるような形状を有するように形成することによって、それぞれの第1のティース32における急激な磁界変化を緩和することができるため、高トルクを発生させることができると同時に、発生電圧の波形をより正弦波に近づけ、トルクリップルおよびコギングトルクを低減させることができ、さらに、発生電圧の歪を抑えることができ、したがって、鉄損も抑えられ、非常に効率のよいモータジェネレータを実現することができる。
【0061】
このような構成とすることにより、上記実施の形態1と同様に、高電圧バッテリによって第1の巻線群34の方で力行をし(電圧を印可して)、モータジェネレータを駆動させ、第2の巻線群35の方で回生をし(電圧を発生させ)、低電圧バッテリを充電することも可能である。
【0062】
ここで、第2の巻線群35は第1の巻線群34と比較して、巻線を卷回した第2のティース33の数が少なく設定されているが、第1の巻線群34と比較して出力が小さいので、発電特性は十分確保できる。
【0063】
また、第1の巻線群34と第2の巻線群35の双方を回生用としたときにも、回生時の発電電圧が第1の巻線群34で高電圧の場合でも、第2の巻線群35の方は低電圧にすることができ、例えば、定格回転時において発生する発電電圧を、第1の巻線群34では高圧系の高電圧バッテリの電圧とし、第2の巻線群35を低圧系の低電圧バッテリの電圧とするようにできる。従って、従来のように低電圧バッテリのためのモータジェネレータを別途備える必要や、モータジェネレータに加えDC/DCコンバータを別途備える必要がない。
【0064】
また、第2の巻線群35を卷回した第2のティース33のティース幅を適切な幅に設定することで、第2のティース33内の磁束がある程度まで大きくなると、磁気飽和により磁束量が抑えられるので、高速回転時でも第2の巻線群35に発生する発電電圧を低く抑えることができる。
【0065】
さらに、より高速回転の時でも、第1の巻線群34の方で弱め界磁制御をすることにより、第1の巻線群34の電圧を高圧系の高電圧バッテリの許容電圧まで抑えるとともに、第2の巻線群35の電圧を低電圧バッテリの許容電圧まで抑えることも可能である。
【0066】
(実施の形態3)
図7(a),(b),(c)は、本発明の実施の形態3のモータを説明するための図であり、ステータコアの概略上面図である。
【0067】
図7(a)に示すように、前述の実施の形態1と同様に、ステータコア51は、第1の巻線群54を卷回した第1のティース52と、第2の巻線群55を卷回した第2のティース53とを具備している。第1の巻線群54を卷回した第1のティース52は全部で9個あるが、U相の電圧が印可されるグループI、V相の電圧が印可されるグループII、W相の電圧が印可されるグループIIIに分けられており、各グループI,II,IIIの間には、第2の巻線群55を卷回した第2のティース53が設けられている。また、前述の実施の形態1と同様に、各グループI,II,IIIの第1のティース52に卷回される第1の巻線群54の卷回方向は、その属するグループ内において、隣接する第1のティース52とは互いに逆方向になるように第1の巻線群54が卷回され、隣接する第1のティース52の第1の巻線群の極性が互いに反転するようになっている。このとき、それぞれの第1のティース52に対する第1の巻線群54は直列に接続されているが、並列に接続することも可能である。同様に、他のグループのそれぞれの第1のティース52に対しても同じ方法で第1の巻線群54が卷回され、各グループは各々U相,V相およびW相の3相巻線を形成し、電気角で120度の位相差で配置されており、スター結線がなされている。そして、永久磁石埋込型ロータ(図示せず)が回転中心Oの周りに自由に回転可能な状態で第1および第2のティースと僅かなギャップを介して配置されている。なお、このとき、永久磁石(図示せず)の向きは、前記実施の形態1および2と同様に、それぞれ隣り合うものと異なる磁界方向を向くようにそれぞれ配置されている。
【0068】
そして、前述の実施の形態1と同様に、ロータ極数を10q極、第1のティース52同士の間に形成されるスロット総数を9q個、第2のティース53同士の間に形成されるスロット総数を3q個として(ただし何れも、q=正の整数)、第1のティース52のロータ対向部角度をθ1[rad]、第2のティース53のロータ対向部角度をθ2[rad]とした場合に、前述の(2)式を満足するように設定されている。
【0069】
ここで、第1のティース52の先端部の形状について詳細を説明する。各グループI,II,IIIの中央部にある第1のティース52の先端部のロータ(図示せず)に対向する面に、そのロータ対向面の周方向の長さが概略3等分されるような形でほぼ矩形形状の凹部56が、略3等分された対向面の中央部分に形成されている。第1のティース52に凹部56を形成することによって、第1のティース52に巻かれた第1の巻線群54によって第1のティース52がたとえばS極に励磁されたとき、凹部56は見掛け上N極であるかのように振舞う。したがって、凹部56によって第1のティース52の先端部における磁極が、見掛け上S極,N極およびS極に細分化されたものとなる。他のグループのそれぞれ中央部にある第1のティース52にも同様の凹部が形成されており、それぞれについても、それら第1のティースの先端部における磁極が見掛け上S極,N極,S極に細分化される。これによって、高トルクを発生させると同時に、トルクリップルを小さく抑えることができる。
【0070】
なお、凹部の数は1個に限ることはなく、図7(b)に示すように、第1のティース57の先端部に2個の凹部58a,58bを形成してもよいし、さらに、3個以上であってもよい。また、凹部の形状は、矩形形状に限るものではなく、図7(c)に示すように、たとえば円弧状の凹部59であってもよく、当然複数個の円弧状凹部でもよい。また、凹部が形成される第1のティース52は、それぞれのグループの中央部に位置するものだけに限ることはなく、1つのグループ内の他の第1のティース52に同様の凹部を設けた構成としてもよいし、第1のティースのみならず、第2のティースの先端部にも同様に凹部を設けた構成としてもよい。
【0071】
また、前述の実施の形態2における、第1のティース先端部の周方向端部に設けた切除部を、本実施の形態3のそれぞれの第1のティース52の先端部に凹部と併せて形成することも可能である。
【0072】
以上のように本実施の形態3によれば、3つのグループI,II,IIIのそれぞれの中央部にある第1のティース52の先端部に1個または複数の矩形状あるいは円弧状の凹部を形成することによって、前述の実施の形態1と同様に、マグネットトルク以外にリラクタンストルクも活用して、高トルクを発生させることができ、同時に、トルクリップルも抑えることができ、さらに、発生電圧の歪を抑えることができ、したがって、鉄損を抑え、永久磁石の減磁も抑止することができて、非常に効率のよいモータジェネレータを実現することができる。
【0073】
このような構成とすることにより、上記実施の形態1ならびに実施の形態2と同様に、高電圧バッテリによって第1の巻線群54の方で力行をし(電圧を印可して)、モータジェネレータを駆動させ、第2の巻線群55の方で回生をし(電圧を発生させ)、低電圧バッテリを充電することも可能である。
【0074】
ここで、第2の巻線群55は第1の巻線群54と比較して、巻線を卷回した第2のティース53の数が少なく設定されているが、第1の巻線群54と比較して出力が小さいので、発電特性は十分確保できる。
【0075】
また、第1の巻線群54と第2の巻線群55の双方を回生用としたときにも、回生時の発電電圧が第1の巻線群54で高電圧の場合でも、第2の巻線群55の方は低電圧にすることができ、例えば、定格回転時において発生する発電電圧を、第1の巻線群54では高圧系の高電圧バッテリの電圧とし、第2の巻線群55を低圧系の低電圧バッテリの電圧とするようにできる。従って、従来のように低電圧バッテリのためのモータジェネレータを別途備える必要や、モータジェネレータに加えDC/DCコンバータを別途備える必要がない。
【0076】
また、第2の巻線群55を卷回した第2のティース53のティース幅を適切な幅に設定することで、第2のティース53内の磁束がある程度まで大きくなると、磁気飽和により磁束量が抑えられるので、高速回転時でも第2の巻線群55に発生する発電電圧を低く抑えることができる。
【0077】
さらに、より高速回転の時でも、第1の巻線群54の方で弱め界磁制御をすることにより、第1の巻線群54の電圧を高圧系の高電圧バッテリの許容電圧まで抑えるとともに、第2の巻線群55の電圧を低電圧バッテリの許容電圧まで抑えることも可能である。
【0078】
(実施の形態4)
図8(a),(b),(c),(d)はそれぞれロータコアに埋め込まれる永久磁石の形状およびロータコアの他の例を示す断面図である。
【0079】
上記実施の形態1〜3において、ロータは、ロータコアとロータコアに周方向に等間隔に埋め込まれた複数のほぼV字状の永久磁石とで構成され、ロータのステータ対向面がステータのロータ対向面(つまり第1および第2のティースのそれぞれの先端部のロータ対向面)に僅かなギャップを有して、回転軸中心Oの周りに回転可能な状態で配置されている。
【0080】
永久磁石の形状は、たとえば、図8(a)に示すような、半径方向に垂直な直線状の永久磁石61、図8(b)に示すような、ステータ側とは反対側の方向に突出した円弧状の永久磁石62、あるいは、図8(c)に示すような、ステータ側に突出して、かつ、ロータコア63の半径以上の半径を有する円弧状の永久磁石64であってもよい。またロータは、図8(d)に示すように、ロータコア63に埋め込まれる永久磁石65と、永久磁石65の位置よりもステータ(図示せず)側とは反対側に永久磁石65にほぼ同じような形状で、かつ、永久磁石65の厚さより小さな幅を有するスリット66が設けられたロータコア63からなるように構成されてもよい。
【0081】
図8(d)に示すように、永久磁石65の近傍にスリット66を配設することによって、スリット部66によって磁束を通過させにくくし、d軸インダクタンスを減少させて、q軸インダクタンスとの差をより大きくし、より大きなリラクタンストルクを生じさせることになり、モータとしての発生トルクを増加させることができる。そして、このスリット付ロータコア63の場合においても、永久磁石の形状は、図8(a)〜図8(c)にそれぞれ示された直線状、ステータ側とは反対側の方向に突出した円弧状、あるいは、ステータ側に突出した円弧状であってもよい。
【0082】
以上のように本実施の形態4によれば、ステータのそれぞれのティースおよびそれに卷回された第1の巻線群をU相,V相およびW相の3グループに分け、同じグループ内の隣接する巻線の極性が異なる構成とし、さらに、ロータのステータ対向面とステータ側側面との距離がステータ側側面の端部よりも中央部の方が大きくなるような形状の永久磁石が埋め込まれたロータの構成とすることによって、マグネットトルク以外にリラクタンストルクも活用することになり、高トルクを発生させることができ、同時に、発生電圧の歪を抑え、したがって、鉄損を抑え、永久磁石の減磁も抑止することができ、非常に効率のよいモータジェネレータを実現することができる。
【0083】
このような構成とすることにより、上記実施の形態1〜実施の形態3と同様に、高電圧バッテリによって第1の巻線群(図示せず)の方で力行をし(電圧を印可して)、モータジェネレータを駆動させ、第2の巻線群(図示せず)の方で回生をし(電圧を発生させ)、低電圧バッテリを充電することも可能である。
【0084】
このとき、上記第2の巻線群を卷回した第2のティース(図示せず)の数を、上記第1の巻線群を卷回した第1のティース(図示せず)の数と比較して少なく設定しても、上記第2の巻線群は上記第1の巻線群と比較して出力が小さいので、発電特性は十分確保できる。
【0085】
また、上記第1の巻線群と上記第2の巻線群の双方を回生用としたときにも、回生時の発電電圧が上記第1の巻線群で高電圧の場合でも、上記第2の巻線群の方は低電圧にすることができ、例えば、定格回転時において発生する発電電圧を、上記第1の巻線群では高圧系の高電圧バッテリの電圧とし、上記第2の巻線群を低圧系の低電圧バッテリの電圧とするようにできる。従って、従来のように低電圧バッテリのためのモータジェネレータを別途備える必要や、モータジェネレータに加えDC/DCコンバータを別途備える必要がない。
【0086】
また、上記第2の巻線群を卷回した上記第2のティースのティース幅を適切な幅に設定することで、上記第2のティース内の磁束がある程度まで大きくなると、磁気飽和により磁束量が抑えられるので、高速回転時でも上記第2の巻線群に発生する発電電圧を低く抑えることができる。
【0087】
さらに、より高速回転の時でも、上記第1の巻線群の方で弱め界磁制御をすることにより、上記第1の巻線群の電圧を高圧系の高電圧バッテリの許容電圧まで抑えるとともに、上記第2の巻線群の電圧を低電圧バッテリの許容電圧まで抑えることも可能である。
【0088】
(実施の形態5)
また、上述の実施の形態1〜実施の形態3においては、ロータがステータの内側にある構造のいわゆるインナロータ型モータジェネレータについて説明しているが、ロータがステータの外側にあるいわゆるアウタロータ型モータジェネレータの構造としてもよいのは言うまでもない。以下、図9を用いて、永久磁石埋込型アウタロータ型モータジェネレータについて説明する。
【0089】
図9において、ステータは、第1の巻線群114を卷回した第1のティース112を9個備えており、これら第1のティース112は3個ずつを1つのグループとしてステータ全体において合計3つのグループが形成されている。各グループには、前述の実施の形態1〜実施の形態3と同様に、1つのグループにU相の電圧が印可され、2つ目のグループにV相の電圧が印可され、3つ目のグループにはW相の電圧が印可されるとともに、各グループ内における第1のティース112に卷回させる第1の巻線群114の卷回方向は、隣接し合うもの同士が逆方向に卷回される構成となっている。さらに、各グループ間には、第2の巻線群115を卷回した第2のティース113が形成されており、電気角で120度の位相差で配置され、スター結線がなされている。
【0090】
そしてこのステータにおける第1および第2のティース112,113のそれぞれの先端部と僅かなギャップを有して、ステータの半径方向外側にほぼV字上の形状をした永久磁石117が埋め込まれたロータコア116が設けられており、回転中心Oの周りに自由に回転可能な状態で配置されている。
【0091】
このような構成のアウタロータ型モータジェネレータを用いれば、上記実施の形態1〜実施の形態3と同様に、高電圧バッテリによって第1の巻線群114の方で力行をし(電圧を印可して)、モータジェネレータを駆動させ、第2の巻線群115の方で回生をし(電圧を発生させ)、低電圧バッテリを充電することも可能である。
【0092】
このとき、第2の巻線群115を卷回した第2のティース113の数を、第1の巻線群114を卷回した第1のティース112の数と比較して少なく設定しても、第2の巻線群115は第1の巻線群114と比較して出力が小さいので、発電特性は十分確保できる。
【0093】
また、第1の巻線群114と第2の巻線群115の双方を回生用としたときにも、回生時の発電電圧が第1の巻線群114で高電圧の場合でも、第2の巻線群115の方は低電圧にすることができ、例えば、定格回転時において発生する発電電圧を、第1の巻線群114では高圧系の高電圧バッテリの電圧とし、第2の巻線群115を低圧系の低電圧バッテリの電圧とするようにできる。従って、従来のように低電圧バッテリのためのモータジェネレータを別途備える必要や、モータジェネレータに加えDC/DCコンバータを別途備える必要がない。
【0094】
また、第2の巻線群115を卷回した第2のティース113のティース幅を適切な幅に設定することで、第2のティース113内の磁束がある程度まで大きくなると、磁気飽和により磁束量が抑えられるので、高速回転時でも第2の巻線群115に発生する発電電圧を低く抑えることができる。
【0095】
さらに、より高速回転の時でも、第1の巻線群114の方で弱め界磁制御をすることにより、第1の巻線群114の電圧を高圧系の高電圧バッテリの許容電圧まで抑えるとともに、第2の巻線群115の電圧を低電圧バッテリの許容電圧まで抑えることも可能である。
【0096】
なお、第1のティース112の先端部の周方向端部に上記実施の形態2にて説明したのと同様の切除部を設けた構成とすることも可能であり、同先端部に上記実施の形態3にて説明したのと同様の凹部を設けることも可能である。またロータを、上記実施の形態4にて説明したような直線状や円弧状といった形状の永久磁石を備えた構成としてもよい。
【0097】
(実施の形態6)
図10は本発明の実施の形態6における、機械的・電気的に独立した構造の2種類の巻線を備えたモータジェネレータを搭載したハイブリッド自動車の構成を示す概略図である。
【0098】
図10において、8はエンジン、110は電気モータで、動力切替機構10を介してタイヤにエンジン8もしくは電気モータ110あるいはエンジン8と電気モータ110両方の動力を伝達している。電気モータ110は2つの独立した巻線を有するモータで、当該モータとしては既に述べた実施の形態1〜5に記載の各モータジェネレータを用いることができる。前記機械的・電気的に独立した2種類の巻線のうち、1つの巻線の端部は電力変換装置121を介して高電圧バッテリ70に接続されており、もう1つの巻線の端部は電力変換装置122を介して低電圧バッテリ90に接続されているが、モータの構造上、2種類の巻線は機械的・電気的に独立していることから、絶縁は容易に確保できる。
【0099】
1つの巻線は高電圧バッテリ70に接続されており、この巻線による動力で車両を走行させる。もう1つの巻線は低電圧バッテリ90に接続されており、低電圧バッテリ70を充電する発電機として制御する。
【0100】
このように接続することで、モータで走行中であっても、低電圧バッテリ90を充電することも可能となり、オルタネータ、DC−DCコンバータ等の別部品を用意しなくても低電圧バッテリ90を充電することが可能となり、低コスト、省スペース化に寄与できる。
【0101】
また、図17に示す従来構成のものにあるように、高電圧バッテリ70からDC−DCコンバータ100を介して低電圧バッテリ90を充電するシステムでは、高電圧バッテリ70が何らかの原因で故障した場合、低電圧バッテリ90の負荷状況によっては、低電圧バッテリ90が放電されてしまい、車両の走行が不能となる可能性がある。しかしながら、本実施の形態6によれば、高電圧系と低電圧系が独立しているため、高電圧系の故障が発生しても、安定して低電圧を供給できるため、低電圧電源のバックアップとしての機能も併せ持つことになる。
【0102】
図10は機械的・電気的に独立した巻線が2つ(2種)の形態で説明したが、図11は機械的・電気的に独立した巻線が3つ(3種)の形態についての説明図である。図10において、90は12Vの電源、130は42Vの電源、70は240Vの電源であり、これらの複数の異なる電源を搭載した車両において、一番高い電圧の240Vは車両駆動用のモータとしての電源、42Vはエアコン、パワーステアリング等の比較的消費電力の大きい負荷用の電源、12Vはランプ、オーディオ等の比較的消費電力の小さな負荷用の電源である。負荷容量に応じた電源を設定することで、各機器の効率の良い領域で使用することができ、機器の小型・軽量化につながる。
【0103】
各電源に専用の発電機を搭載したのでは、その発電機の搭載スペースや重量増加となり、電源電圧を多様にもつメリットがなくなる。しかし、本実施の形態6によれば、発電機用のスペースを個別に確保する必要がなく、12V系、42V系、および240Vを個々に充電制御することが可能となる。
【0104】
ここで、機械的・電気的に独立した3つの巻線のうち2つの巻線は、前述の2種類の巻線を備えたモータの構成と同様に、ステータに設けられた2種類のティースに巻線を施し、残りの1巻線を前記機械的・電気的に独立した2つの巻線のうちのいずれかと重ねて巻くものとする。
【0105】
(実施の形態7)
図12は本発明の実施の形態7における、モータジェネレータを搭載したハイブリッド自動車の構成を示す概略図である。
【0106】
図12において、8はエンジン、110は電気モータで、動力切替機構10を介してタイヤにエンジン8もしくは電気モータ110あるいはエンジン8と電気モータ110両方の動力を伝達している。電気モータ110は2つの独立した巻線を有するモータで、当該モータとしては既に述べた実施の形態1〜4に記載の各モータジェネレータを用いることができる。2つの独立した巻線のうち、1つの巻線の端部は電力変換装置126を介して高電圧バッテリ70に接続されている。もう1つの巻線の端部は電力変換装置127を介して低電圧バッテリ90に接続されている。
【0107】
図12のように構成された本実施の形態7のシステムにおいて、それぞれの電力変換装置はインバータで構成されている。本システムは図13に示したように、スイッチング素子で構成されたインバータ141、142と、インバータのスイッチング素子を駆動するゲートドライブ回路151、152と、インバータを制御する制御部160と、モータ電流を検出する電流検出センサ171、172と、モータの磁極位置を検出する位置検出センサ180と、電源部190とを備えている。
【0108】
入出力インターフェイス200よりモータへの指令が入力され、モータに流れる電流、モータの磁極位置、を電流検出センサ171,172、位置検出センサ180より制御部160へ入力し、上記各センサ入力に応じて、先の指令通りにモータを制御するための演算を制御部160で行い、その結果をゲートドライブ回路151,152を介して、インバータ141,142を構成するスイッチング素子を駆動してモータを制御する。制御部160がマイクロプロセッサで構成されていれば、2つ目以上の巻線、すなわちモータを制御するため、図11のように、制御部160と磁極位置センサ180と電源部190とを共有することができ、2つのモータを独立に制御する場合に比べて構成部品点数が削減でき、コスト低減、サイズの小型化に寄与できる。
【0109】
(実施の形態8)
以下、本発明の実施の形態8について説明する。先に述べた実施の形態6,7のシステム構成を前提に説明する。
【0110】
モータが発生する発電電圧はモータの回転数に応じて発生する。例えば、1000r/minで10V、モータに電圧が発生していれば、10000r/minで100Vの電圧が発生することになる。車両駆動用のメインモータ、すなわち高電圧用巻線は車両の高速性能を確保するため、10000r/min近くまで回転させなければいけない。一方、低電圧用巻線発電機は一定電圧、例えば、14Vとなるように制御する必要がある。そこで、10000r/min時に定格電圧14Vを発生するように低電圧巻線を設計し、電力変換装置をインバータで構成する。そうすれば、10000r/minより低い回転数では、14V以下の発電電圧しか発生しない。そこで、インバータを昇圧モードで制御することで、一定電圧14Vを確保する。図14に電力変化装置をインバータで構成した一例の構成図を示す。
【0111】
上記のように構成することで、インバータのスイッチング素子が従来6個必要としたものが3個で構成でき、部品点数の削減、コスト削減、小型化に寄与することができる。
【0112】
(実施の形態9)
以下、本発明の実施の形態9について説明する。先に述べた実施の形態6,7のシステム構成を前提に説明する。
【0113】
モータが発生する発電電圧はモータの回転数に応じて発生する。例えば、1000r/minで10V、モータに電圧が発生していれば、10000r/minで100Vの電圧が発生することになる。車両駆動用のメインモータ、すなわち高電圧用巻線は車両の高速性能を確保するため、10000r/min近くまで回転させなければいけない。一方、低電圧用巻線発電機は一定電圧、例えば、14Vとなるように制御する必要がある。しかし、0〜10000r/min程度に変化する回転数の中で、仮に1000r/minで10V発生するよう低電圧巻線を設計すれば0V〜100Vの電圧が発生しその電圧を一定電圧14Vに制御する必要がある。一定電圧に制御するためには、発生電圧のダイナミックレンジは小さいほど制御性がよい。そこで、略半分の回転数5000r/minで、定格電圧14Vが発生するように巻線を設計し、電力変換装置をインバータで構成する。
【0114】
定格電圧を超える回転範囲では弱め界磁制御、下回る回転範囲では強め界磁制御を行う。このように制御状態を切り替えることで、発生電圧が定格電圧より低い範囲では、強め界磁を行って発生電圧を高くし、発生電圧が定格電圧より高い範囲では弱め界磁を行って発生電圧を低く制御することで、ダイナミックレンジを見かけ上半分に抑え、制御性を向上させる。
【0115】
ここでは、発生電圧の制御にインバータを用いて界磁制御を行う方法について説明したが、制御巻線に電流を通電して磁石からの磁気抵抗を変化させ、その結果、第2の巻線に発生する電圧を制御しても、同様な効果を得ることができる。
【0116】
(実施の形態10)
以下、本発明の実施の形態10について説明する。図15において、4は第1の巻線群で、電力変換装置30を介して高電圧バッテリ70へ接続される。5は第2の巻線群で整流器300を介して低電圧バッテリ90へと接続されている。
【0117】
第1の巻線群4をモータ(力行)、第2の巻き線群5をジェネレータ(回生)として動作させ、低電圧バッテリ90の電圧が一定になるように、第1の巻線群4の電力を制御してモータの回転数を調整することで、低電圧バッテリ90の負荷状況にかかわらず、一定電圧に制御することが可能となる。
【0118】
なお、第1の巻線群4でモータを回転(力行)させ、回転のエネルギーを利用して発電電力を制御できるため、高速で回転させればさせるほど、小型化できるモータジェネレータを提供することができる。
【0119】
なお、上記実施の形態1〜10のモータジェネレータをPEV(Pure Electric Vehicle:純粋電気自動車)や、HEV(Hybrid Electric Vehicle:ハイブリッド電気自動車)、FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle:燃料電池自動車)等の自動車駆動用モータとして使用することにより、従来のように高圧系と低圧系の2種類のモータジェネレータを備える必要やDC−DCコンバータを別途備える必要がなくなるので、省スペースでかつ低コストな電気自動車駆動システムにすることができ、従って、低コストで、車室内をより広く活用することのできる電気自動車を提供することができる。
【0120】
【発明の効果】
以上のように本発明のモータジェネレータは、互いに電気的・機械的に独立した第1の巻線群と第2の巻線群とがそれぞれ卷回された第1のティースと第2のティースを有するステータと、ロータコアに複数の永久磁石が埋め込まれてなるロータとを備え、第1の巻線群を卷回した複数の第1のティースを1つのグループとしてステータ全体において複数のグループに区分し、同じグループ内において隣接する第1のティースの巻線の卷回方向を互いに逆方向とした構成を有する。そして、第2のティースに卷回される第2の巻線群を第1の巻線群とは相違なる巻線仕様にすることによって、回生時の発電電圧が第1の巻線群で高電圧の場合でも、第2の巻線群の方は低電圧にすることができ、例えば、定格回転時において発生する発電電圧を、第1の巻線群では高圧系の高電圧バッテリの電圧とし、第2の巻線群では低圧系の低電圧バッテリの電圧とするようにできるので、高電圧バッテリ用と低電圧バッテリ用の2つのモータジェネレータを備える必要や、単体のモータジェネレータにDC−DCコンバータを別途備えた構成とする必要がなくなり、省スペース、低コストな駆動システムを提供することができる。
【0121】
また、高電圧バッテリによって第1の巻線群の方で力行をし、モータジェネレータを駆動させ、第2の巻線群の方で回生をし、低電圧バッテリを充電することも可能である。
【0122】
ここで、第2の巻線群を卷回した第2のティースの数は、第1の巻線群を卷回した第1のティースの数と比較して少なく設定されているが、第2の巻線群は第1の巻線群と比較して出力が小さいので、発電特性は十分確保できる。
【0123】
また、第1の巻線群を卷回した第1のティースの数と、ロータの磁極数の組み合わせを選択的に最適化することで、第1の巻線群を卷回した第1のティースにて構成される各グループ同士の隙間を大きくとれ、第2の巻線を卷回した第2のティースのティース幅を大きくあるいは、第2のティ−スの数を増やすことができる。このような構成にすることで、第2の巻線群での電力を大きく取り出すことが可能となる。
【0124】
また、第2の巻線群を卷回した第2のティースのティース幅を適切な幅に設定することで、高速回転時でも第2の巻線群に発生する発電電圧を低く抑えることができる。
【0125】
さらに、より高速回転の時でも、第1の巻線群の方で弱め界磁制御をすることにより、第1の巻線群の電圧を高圧系の高電圧バッテリの許容電圧まで抑えるとともに、第2の巻線群の電圧も低電圧バッテリの許容電圧まで抑えることも可能である。
【0126】
さらにまた、永久磁石埋込型集中巻きモータとして高トルクを発生させるとともに、第1の巻線群を卷回した第1のティースを複数個備えた各グループ内において、隣接する第1のティース同士が互いに異なる極性であるため、磁界分布の偏重を緩和することができ、モータ駆動時の端子間発生電圧の歪を抑えることができ、鉄損を低減させることができる。また、永久磁石における渦電流による熱発生が小さくなり、永久磁石の減磁も抑止することができ、非常に効率の高いモータジェネレータを提供することができる。
【0127】
また、本発明のモータジェネレータは、機械的・電気的に独立した巻線群を2つ以上有する構成であって、各々独立した電力変換装置のうち少なくとも2つの電力変換装置が、制御部と磁極位置検出センサと電源部とを共有し、また電力変換装置にインバータを用いることで、部品の共有化が図れ、コスト低減、サイズの小型化に寄与できる。
【0128】
また、低電圧用の巻線の発電電圧を高速回転数で定格電圧を発生するよう設計することで、インバータを昇圧モードで構成でき、スイッチング素子数を半減でき、コスト低減、サイズの小型化に寄与できる。
【0129】
また、低電圧用の巻線の発電電圧を最高回転数の略半分で定格電圧を発生するよう設計することで、弱め界磁、強め界磁と制御を切り替えることで制御するレンジを見かけ上半分にすることができ、発電電圧を一定値に制御しやすく制御性向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1におけるモータジェネレータ主要部を説明するための主要部概略断面図
【図2】同実施の形態における巻線の卷回方向を説明するための概略展開図
【図3】同実施の形態における各巻線群同士の結線状態を示す結線図
【図4】ティース数の組み合わせの一例を示すモータジェネレータの主要部概略断面図
【図5】本発明の実施の形態2におけるモータジェネレータ主要部を説明するための主要部概略断面図
【図6】同実施の形態におけるステータコアを説明するための部分拡大図
【図7】(a)は本発明の実施の形態3におけるステータコアを説明するための概略断面図
(b)は同実施の形態における凹部の形成方法の一例を示す部分図
(c)は同実施の形態における凹部の形状の一例を示す部分図
【図8】(a)は本発明の実施の形態4における永久磁石の形状の一例を説明するためのロータの概略断面図
(b)は同実施の形態における永久磁石の別の形状を説明するためのロータの概略断面図
(c)は同実施の形態における永久磁石のさらに別の形状を説明するためのロータの概略断面図
(d)は同実施の形態におけるロータコアの形状の一例を示すロータの概略断面図
【図9】本発明の実施の形態5におけるアウタロータ型モータジェネレータを説明するための主要部概略断面図
【図10】本発明の実施の形態6におけるハイブリッド自動車の構成を示す概略図
【図11】同実施の形態における別のハイブリッド自動車の構成を示す概略図
【図12】本発明の実施の形態7におけるハイブリッド自動車の構成を示す概略図
【図13】同実施の形態における電力変換装置の構成を示すブロック図
【図14】本発明の実施の形態8における電力変換装置の構成を示すブロック図
【図15】本発明の実施の形態10における各巻線群の接続状態を示すブロック図
【図16】モータジェネレータを搭載した従来のハイブリッド自動車の構成を示す概略図
【図17】モータジェネレータとDC−DCコンバータを搭載した従来のハイブリッド自動車の構成を示す概略図
【符号の説明】
1 ステータコア
2 第1のティース
3 第2のティース
4 第1の巻線群
5 第2の巻線群
6 ロータコア
7 永久磁石
21 第1の巻線群の卷回方向を示す矢印
22 別の第1の巻線群の卷回方向を示す矢印
41 ティース先端部
42 ロータにおけるステータとの対向面
43 切除部
44 切除部
56 第1のティース先端部における矩形形状の凹部
59 第1のティース先端部における円弧状の凹部
66 スリット
8 エンジン
10 動力切替機構
70 高電圧バッテリ(240V)
90 低電圧バッテリ(12V)
110 モータジェネレータ
121〜127 電力変換装置
130 高電圧バッテリ(42V)
141、142 インバータ
151、152 ゲートドライブ回路
160 制御部
171、172 電流検出センサ
180 磁極位置検出センサ
190 電源部
200 入出力インターフェイス
300 整流器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a motor generator suitable for an electric vehicle such as a PEV (Pure Electric Vehicle: pure electric vehicle), an HEV (Hybrid Electric Vehicle: hybrid electric vehicle), and an FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle: fuel cell vehicle). is there.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a hybrid electric vehicle having an engine and an electric motor as driving units includes two types of batteries: a high-voltage battery for driving the electric motor, and a low-voltage battery for accessories such as lamps and audio. The battery mounted on the vehicle adopts a configuration in which the battery is charged by a motor generator mounted on the vehicle in consideration of maintenance.
[0003]
FIG. 16 shows a configuration of a conventional hybrid electric vehicle.
[0004]
FIG. 17 is a configuration diagram of another conventional hybrid electric vehicle. 16 is different from FIG. 16 in that the low-
[0005]
With respect to the motor generator, many field winding type motor generators have been proposed, and two windings, a winding connected to a high-voltage battery and a winding connected to a low-voltage battery, are provided. What is possessed is known (see Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-6-105512 (
[0007]
[Non-patent document 1]
"TOYOTA ESTIMA HYBRID New Model Manual Part No. 61994", Toyota Motor Corporation Service Department, June 2001, p0-9, p1-31
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the case of the conventional electric vehicle drive system as described above, it is necessary to provide two types of main high-voltage system, low-voltage system for auxiliary equipment, and a motor generator, or separately provide a DC / DC converter for one type of motor generator. . Therefore, there are problems that the mounting space is increased and the cost is increased.
[0009]
Further, in the case where two windings are used in the field winding system, when the windings are wound for powering a vehicle, the size of the motor generator becomes very large, and there is a problem that the motor generator cannot be mounted on the vehicle. Further, there is also a problem that it is difficult to control each winding simultaneously because of the field winding method.
[0010]
Therefore, an object of the present invention is to provide a space-saving and low-cost electric vehicle drive system by integrating two types of motor generators by a magnet field method.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, a motor generator according to the present invention includes a rotor holding a plurality of permanent magnets, and a stator having a plurality of teeth, and is mutually wound around the plurality of teeth. And two or more winding groups having independent and electrically independent configurations. The plurality of teeth are divided into a first tooth and a second tooth, and the plurality of winding groups are divided into a first winding group and a second winding group. A plurality of groups each including the plurality of first teeth formed by winding a winding group are provided in the entire stator. Furthermore, a first winding group to which a voltage of the same phase is applied is respectively applied to the plurality of first teeth in the same group so that winding directions of the first winding group are opposite to those of an adjacent one. The plurality of adjacent groups are applied with voltages having different phases, respectively, and the second teeth having the second winding group wound thereon are arranged between the groups.
[0012]
At this time, the winding specification of the second winding group is set to a specification different from the winding specification of the first winding group, and the number of turns is made smaller than that of the first winding group. The power generation voltage during regeneration in the winding group can be lower than the power generation voltage during regeneration in the first winding group. Therefore, for example, the generated voltage generated at the time of rated rotation is set to the voltage of the high-voltage high-voltage battery in the first winding group, and to the voltage of the low-voltage low-voltage battery in the second winding group. it can. Therefore, it is not necessary to provide another motor generator for the low-voltage battery in addition to the motor generator for the high-voltage battery as in the related art, and a DC / DC generator that generates only one kind of voltage during regeneration is provided. There is no need to separately provide a DC converter.
[0013]
It is also possible to charge the low-voltage battery by powering the first winding group by the high-voltage battery, driving the motor generator, and regenerating by the second winding group.
[0014]
Further, the motor generator having the two or more winding groups, wherein at least two of the independent power converters drive an inverter including a switching element and a switching element of the inverter. A gate drive circuit, a control unit for controlling the inverter, a current detection sensor for detecting a motor current, a magnetic pole position detection sensor for detecting a magnetic pole position of the motor, and a power supply unit. An apparatus shares the control unit, the magnetic pole position detection sensor, and the power supply unit.
[0015]
In addition, the power generation voltage of the low-voltage winding is set to be the rated voltage at the maximum rotation, and the power converter connected to the output terminal of each winding is driven in the boost mode.
[0016]
In addition, the power generation voltage of the low-voltage winding is set to be the rated voltage when the rotation speed is approximately half of the maximum rotation speed, and the power converters connected to the output terminals of the windings are weakened and strengthened. Drive by switching between magnetism.
[0017]
Further, a control voltage generated at an output terminal of at least one winding group is controlled by a control winding wound around a magnetic path forming portion from the magnet.
[0018]
Further, the number of rotations of the motor is varied by the first winding group, and the generated voltage generated at the output terminal of the second winding group is controlled.
[0019]
In addition, the motor generator of the present invention uses a permanent magnet embedded type rotor and has a reverse saliency due to its structure. In addition, a reluctance torque can be generated, and the motor generator has a higher torque. That is, a motor generator having the same output can be further downsized.
[0020]
Furthermore, since each winding is a concentrated winding, the coil end can be made much smaller than that of the distributed winding, and the motor generator can be further downsized.
[0021]
Further, the voltage generated in the first winding group of the motor generator of the present invention is such that the winding specification in each group of the U, V, W phases has polarities different from those of the adjacent first teeth. As a result, the bias of the magnetic field distribution can be reduced, and the waveform of the back electromotive voltage induced in the main winding when the motor generator is driven can be reduced. As a result, iron loss in the stator core and the rotor core can be reduced, and the generation of eddy current is also suppressed in the permanent magnet in the rotor core, thereby reducing heat generation and suppressing demagnetization of the permanent magnet. Thus, an efficient motor generator can be realized.
[0022]
Further, in the motor generator according to the present invention, the plurality of groups are each constituted by n (where n ≧ 2 is an integer) first teeth wound with the first winding group, respectively. The number of poles of the rotor is p, the total number of the first teeth is t, and the number of winding sets in which one set of a three-phase U, V, W first winding group is s (where, p, t, and s are all positive integers)
Each of the groups constituted by the first winding group has a configuration satisfying a relationship of p = 2 × s × (± 1 + 3 × k) and p> t (where k is an integer of 0). The windings of the plurality of first teeth adjacent to each other have different polarities from each other, so that the bias of the magnetic field distribution can be reduced, and the voltage waveform generated between the terminals of the first winding group when the motor generator is driven. Can be reduced. Therefore, generation of iron loss can be suppressed, and the efficiency of the motor generator can be improved.
[0023]
Further, in the motor generator according to the present invention, the number of rotor poles is 10q, the total number of slots formed between the first teeth is 9q, and the number of slots formed between the second teeth is based on the above. Assuming that the total number is 3q (both q is a positive integer), the rotor facing portion angle of the first teeth is θ1 [rad], and the rotor facing portion angle of the second teeth is θ2 [rad]. In case,
π / 10q <θ1 <π / 5q and
π / 45q <θ2 <π / 10q
By satisfying the relationship, the magnetic flux is less saturated and flows more easily, the torque is further improved, and the waveform distortion of the back electromotive voltage induced in the winding can be reduced. Loss can be reduced, and heat generation due to eddy currents in the permanent magnet can also be suppressed, demagnetization of the permanent magnet can be suppressed, and the efficiency of the motor generator can be improved.
[0024]
Still further, in the motor generator of the present invention, a cut is made near the circumferential end of the tip of each of the plurality of first teeth facing the stator facing surface of the rotor so as to be separated from the stator facing surface of the rotor. It is assumed that each unit is provided. With such a configuration, it is possible to alleviate a sudden magnetic field change in each tooth, and it is possible to make the waveform of the back electromotive voltage generated in the windings when the motor generator is driven closer to a sine wave, thereby reducing the torque. Ripple and cogging torque can be reduced.
[0025]
In the motor generator according to the present invention, further, in each group constituted by the first teeth wound with the first winding group, a tip portion of one or more first teeth in the group. And one or more concave portions. Further, the shape of the recess is substantially rectangular or arcuate. Of course, other shapes may be used.
[0026]
With this configuration, the magnetic pole at the tip of the first tooth is subdivided into apparently S pole, N pole, and S pole, so that high torque can be obtained and torque ripple can be reduced.
[0027]
Similarly, a configuration may be adopted in which one or more recesses are provided at the tip of the second tooth around which the second winding group is wound. Further, the plurality of second teeth are provided at intervals corresponding to the magnetic pole pitch of the rotor, between groups formed by the plurality of first teeth wound around the first winding group. Between the group constituted by the plurality of first teeth formed by winding the first winding group, or the plurality of groups formed by winding the second winding group between the groups. As the configuration in which the second teeth are arranged at equal intervals, by increasing the number of the first teeth, the magnetic flux can be effectively used, and the torque can be increased, that is, the output can be increased.
[0028]
Still further, in the motor generator of the present invention, the rotor may include the plurality of permanent magnets, the plurality of slits having substantially the same shape as the permanent magnet, and the plurality of slits having a width smaller than the thickness of the permanent magnet. The permanent magnet has a rotor core provided on the side opposite to the stator side.
[0029]
This configuration makes it difficult for the magnetic flux generated by the permanent magnet to pass through the slit portion, that is, increases the magnetic resistance, increases the difference from a low magnetic resistance, and generates a larger reluctance torque. Can be improved.
[0030]
Still further, in the motor generator according to the present invention, a distance between each stator side surface of the plurality of permanent magnets provided on the rotor and a stator facing surface of the rotor is greater than an end of each of the plurality of permanent magnets. Also, as a configuration in which the central portion has a larger shape, the shape of the plurality of permanent magnets constituting the rotor may be substantially V-shaped protruding in a direction opposite to the stator facing surface side of the rotor, In addition to being a straight line perpendicular to the radial direction of the rotor or an arc shape protruding in a direction opposite to the stator facing surface side of the rotor, the rotor having a radius larger than the radius of the rotor An arc shape protruding toward the stator facing surface may also be used.
[0031]
With this configuration, it is possible to generate a reluctance torque by providing a portion where the magnetic flux easily passes through and a portion where the magnetic flux does not easily pass, that is, a portion having a relatively low magnetic resistance and a portion having a high magnetic resistance in comparison with the portion. As a result, the generated torque can be improved.
[0032]
Further, by configuring an electric vehicle using the motor generator of the present invention, it is necessary to provide two types of motor generators, a high-voltage system and a low-voltage system, as in the related art, or a motor generator that generates only one type of voltage during regeneration. Since there is no need to separately provide a DC / DC converter, a space-saving and low-cost electric vehicle drive system can be configured. Therefore, an electric vehicle that can be used at low cost and that can use the vehicle interior more widely can be provided. Can be provided.
[0033]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0034]
(Embodiment 1)
FIGS. 1 to 3 are views for explaining a motor generator according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a sectional view taken along a plane perpendicular to a rotation center axis for explaining a main part of a motor. FIG. 2 is a development view illustrating the winding direction of the winding wound around the teeth of the first winding group, and FIG. 3 shows the respective connection states of the first and second winding groups. It is a connection diagram.
[0035]
In FIG. 1, a
[0036]
There are a total of nine
[0037]
In the first embodiment, each of the groups I, II, and III has three
[0038]
In the above configuration, the number (foreign number) of the
p = 2 × s (± 1 + 3 × k) where p> t (1)
Holds.
[0039]
Using the above equation (1), the number of rotor poles p in the first embodiment is
p = 2 × 1 (−1 + 3 × k)
And if k = 2,
p = 2 × 1 (−1 + 3 × 2)
= 10
It becomes. At this time, the relationship between the number of rotor poles p and the total number t of the
p (= 10)> t (= 9)
From this, it can be seen that the motor generator of the first embodiment has a configuration satisfying the above expression (1).
[0040]
Here, the angle per one of the
[0041]
The second winding group 5 is arranged with a phase difference of 120 degrees in electrical angle between the respective phases of the first winding group 4 and is star-connected. In an independent state, this also forms a three-phase winding. However, the winding specification is different from that of the first winding group 4, and the number of turns is smaller than that of the first winding group 4. For example, the number of turns of the first winding group 4 is 288. The number of turns and the number of turns of the second winding group 5 are 12 turns, and the respective outputs are 10 to 30 kW in the first winding
[0042]
FIG. 3 shows a connection state of the first winding group 4 and the second winding group 5 in the first embodiment. In FIG. 3, 15u, 15v, and 15w are output points of the U, V, and W phases of the first winding group 4, respectively, and 15r, 15s, and 15t are U, V, and V of the second winding group 5, respectively. -Each output point of W phase. In the first winding group 4, the first winding groups 4 are connected to each other by a wiring 17a, and in the second winding group 5, the second winding groups 5 are connected to each other by a
[0043]
With this configuration, the first winding group 4 is powered by the high-voltage battery (by applying a voltage), the motor generator is driven, and the second winding group 5 is driven. It is also possible to regenerate (generate a voltage) and charge the low-voltage battery.
[0044]
Here, the number of the
[0045]
Further, even when both the first winding group 4 and the second winding group 5 are used for regeneration, even if the generated voltage during regeneration is high in the first winding group 4, The winding group 5 of the first winding group 4 can be set to a lower voltage. For example, the power generation voltage generated at the time of rated rotation is set to the voltage of the high-voltage battery of the high-voltage system in the first winding group 4, The line group 5 can be set to the voltage of the low-voltage low-voltage battery. Therefore, it is not necessary to separately provide a motor generator for a low-voltage battery as in the related art, and it is not necessary to separately provide a DC / DC converter in addition to the motor generator.
[0046]
Also, by setting the teeth width of the
[0047]
Further, even at higher rotation speeds, the field of the first winding group 4 is subjected to field weakening control to suppress the voltage of the first winding group 4 to the allowable voltage of the high-voltage high-voltage battery. It is also possible to suppress the voltage of the second winding group 5 to the allowable voltage of the low-voltage battery.
[0048]
In the first embodiment, the number of rotor poles (p) is 10 poles, and the total number of first teeth (t) wound around the first winding group 4 is 9 (that is, 9 slots). The case where the total number of second teeth wound around the second winding group 5 is 3 has been described, but the present invention is not limited to this case, and the total number of first teeth (t) and the number of rotors are not limited to three. The combination of the number of poles (p) may be a combination shown in Table 1 below.
[0049]
Further, a second tooth wound with a second winding group 5 provided in a gap between each group I, II, III constituted by the
[0050]
The total number of
[0051]
[Table 1]
[0052]
FIG. 4 shows a configuration in which two
[0053]
In the first embodiment, the number of rotor poles is ten, and the total number of slots formed between the
[0054]
As a result of further study of this configuration, the number of rotor poles was 10q, the total number of slots formed between the
π / 10q <θ1 <π / 5q
π / 45q <θ2 <π / 10q (2)
If the relationship is satisfied, the magnetic flux is less saturated and flows more easily, the torque is further improved, and the waveform distortion of the back electromotive voltage induced in the winding can be reduced, and the iron loss , And heat generation due to eddy currents in the permanent magnets can be suppressed to suppress demagnetization of the permanent magnets, thereby improving the efficiency of the motor generator.
[0055]
(Embodiment 2)
5 and 6 are views for explaining a motor generator according to a second embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram illustrating a stator core having a cross section taken along a plane perpendicular to a rotation center axis and a rotor facing an inner peripheral surface thereof. FIG. 6 is a partially enlarged view of the stator core for explaining the teeth shape forming the stator core.
[0056]
As shown in FIG. 5, the
[0057]
As in the first embodiment, the number of rotor poles is 10q, the total number of slots formed between
[0058]
FIG. 6 is a partially enlarged view of the
[0059]
In the second embodiment, the
[0060]
As described above, according to the second embodiment, the shape in which the rotor facing surface at the tip of the first tooth is separated from the stator facing surface of
[0061]
With such a configuration, similarly to the first embodiment, the first winding
[0062]
Here, the number of the
[0063]
In addition, even when both the first winding
[0064]
Also, by setting the teeth width of the
[0065]
Further, even at higher rotation speeds, the field weakening control is performed in the first winding
[0066]
(Embodiment 3)
FIGS. 7A, 7B, and 7C are views for explaining a motor according to a third embodiment of the present invention, and are schematic top views of a stator core.
[0067]
As shown in FIG. 7A, the
[0068]
As in the first embodiment, the number of rotor poles is 10q, the total number of slots formed between
[0069]
Here, the shape of the tip of the
[0070]
Note that the number of recesses is not limited to one, and two
[0071]
Further, the cutout portion provided at the circumferential end of the first tooth tip in the second embodiment is formed together with the concave portion at the tip of each
[0072]
As described above, according to the third embodiment, one or a plurality of rectangular or arc-shaped concave portions are formed at the distal ends of the
[0073]
With such a configuration, similarly to the first and second embodiments, the first winding group 54 is powered (by applying a voltage) by the high-voltage battery, and the motor generator is driven. , And the second winding group 55 regenerates (generates a voltage) to charge the low-voltage battery.
[0074]
Here, the second winding group 55 is set to have a smaller number of the
[0075]
Further, even when both the first winding group 54 and the second winding group 55 are used for regeneration, even if the generated voltage during regeneration is high in the first winding group 54, In the first winding group 54, the voltage of the high voltage battery of the high voltage system is used as the voltage of the high voltage battery. The line group 55 can be set to the voltage of the low-voltage low-voltage battery. Therefore, it is not necessary to separately provide a motor generator for a low-voltage battery as in the related art, and it is not necessary to separately provide a DC / DC converter in addition to the motor generator.
[0076]
Also, by setting the teeth width of the
[0077]
Further, even at a higher rotation speed, the voltage of the first winding group 54 is suppressed to the allowable voltage of the high voltage battery of the high voltage system by performing the field weakening control in the first winding group 54, The voltage of the second winding group 55 can be suppressed to the allowable voltage of the low-voltage battery.
[0078]
(Embodiment 4)
FIGS. 8A, 8B, 8C, and 8D are cross-sectional views showing another example of the shape of the permanent magnet embedded in the rotor core and another example of the rotor core.
[0079]
In the first to third embodiments, the rotor is constituted by the rotor core and the plurality of substantially V-shaped permanent magnets embedded at equal intervals in the circumferential direction in the rotor core, and the stator facing surface of the rotor is the rotor facing surface of the stator. (That is, the rotor opposing surfaces at the respective tips of the first and second teeth) are provided so as to be rotatable around the rotation axis center O with a slight gap.
[0080]
The shape of the permanent magnet is, for example, a linear
[0081]
As shown in FIG. 8D, by disposing a
[0082]
As described above, according to the fourth embodiment, each tooth of the stator and the first winding group wound therearound are divided into three groups of U-phase, V-phase, and W-phase, and adjacent groups in the same group. And a permanent magnet embedded such that the distance between the stator facing surface and the stator side surface of the rotor is larger at the center portion than at the end portion of the stator side surface. By adopting a rotor configuration, reluctance torque can be utilized in addition to magnet torque, and high torque can be generated. At the same time, distortion of the generated voltage is suppressed, thus reducing iron loss and reducing permanent magnets. Magnetism can also be suppressed, and a very efficient motor generator can be realized.
[0083]
With this configuration, similarly to the first to third embodiments, the first winding group (not shown) is powered by the high-voltage battery (by applying a voltage, ), Drive the motor generator, regenerate (generate voltage) in the second winding group (not shown), and charge the low-voltage battery.
[0084]
At this time, the number of second teeth (not shown) wound around the second winding group is determined by the number of first teeth (not shown) wound around the first winding group. Even if the number is set to be relatively small, the output of the second winding group is smaller than that of the first winding group, so that sufficient power generation characteristics can be secured.
[0085]
Further, even when both the first winding group and the second winding group are used for regeneration, even when the generated voltage during regeneration is high in the first winding group, The second winding group can be set to a lower voltage. For example, the power generation voltage generated at the time of rated rotation is set to the voltage of the high-voltage high-voltage battery in the first winding group, and The winding group can be set to the voltage of the low-voltage low-voltage battery. Therefore, it is not necessary to separately provide a motor generator for a low-voltage battery as in the related art, and it is not necessary to separately provide a DC / DC converter in addition to the motor generator.
[0086]
In addition, by setting the teeth width of the second teeth on which the second winding group is wound to an appropriate width, when the magnetic flux in the second teeth increases to a certain extent, the magnetic flux amount is increased due to magnetic saturation. Is suppressed, so that the generated voltage generated in the second winding group can be kept low even during high-speed rotation.
[0087]
Further, even at a higher rotation speed, the field weakening control is performed in the first winding group to suppress the voltage of the first winding group to an allowable voltage of a high-voltage high-voltage battery. It is also possible to suppress the voltage of the second winding group to the allowable voltage of the low-voltage battery.
[0088]
(Embodiment 5)
Further, in the above-described first to third embodiments, the so-called inner rotor type motor generator having a structure in which the rotor is inside the stator is described. However, the so-called outer rotor type motor generator in which the rotor is outside the stator is described. Needless to say, the structure may be used. Hereinafter, the permanent magnet embedded outer rotor type motor generator will be described with reference to FIG.
[0089]
In FIG. 9, the stator includes nine
[0090]
A rotor core in which a
[0091]
When the outer rotor type motor generator having such a configuration is used, similarly to the first to third embodiments, the first winding group 114 is powered by a high-voltage battery (by applying a voltage, ), It is also possible to drive the motor generator, regenerate (generate a voltage) in the second winding
[0092]
At this time, even if the number of the
[0093]
Further, even when both the first winding group 114 and the second winding
[0094]
Also, by setting the teeth width of the
[0095]
Furthermore, even at higher rotation speeds, the field of the first winding group 114 is subjected to field weakening control to suppress the voltage of the first winding group 114 to the allowable voltage of the high-voltage high-voltage battery. The voltage of the second winding
[0096]
In addition, it is also possible to adopt a configuration in which a cutout portion similar to that described in the second embodiment is provided at the circumferential end of the distal end of the
[0097]
(Embodiment 6)
FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration of a hybrid vehicle equipped with a motor generator having two types of windings having mechanically and electrically independent structures according to a sixth embodiment of the present invention.
[0098]
In FIG. 10,
[0099]
One of the windings is connected to the high-
[0100]
By connecting in this manner, it is possible to charge the low-
[0101]
Further, as in the conventional configuration shown in FIG. 17, in a system for charging the low-
[0102]
FIG. 10 has been described in the form of two mechanically and electrically independent windings (two types), but FIG. 11 shows the case of three mechanically and electrically independent windings (three types). FIG. In FIG. 10, 90 is a 12V power supply, 130 is a 42V power supply, and 70 is a 240V power supply. In a vehicle equipped with a plurality of different power supplies, the highest voltage 240V is used as a motor for driving the vehicle. A power supply, 42V, is a power supply for a load having relatively high power consumption such as an air conditioner and a power steering, and a 12V is a power supply for a load having relatively low power consumption, such as a lamp and an audio. By setting the power supply according to the load capacity, each device can be used in an area where the efficiency of the device is high, and the size and weight of the device can be reduced.
[0103]
If a dedicated generator is mounted on each power supply, the mounting space and weight of the generator increase, and the advantage of having various power supply voltages is lost. However, according to the sixth embodiment, it is not necessary to separately secure a space for the generator, and it is possible to individually control the charging of the 12 V system, the 42 V system, and the 240 V.
[0104]
Here, two of the three mechanically and electrically independent windings are connected to two types of teeth provided on the stator in the same manner as in the configuration of the motor having the two types of windings described above. Winding is performed, and the remaining one winding is wound around one of the two mechanically and electrically independent windings.
[0105]
(Embodiment 7)
FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration of a hybrid vehicle equipped with a motor generator according to Embodiment 7 of the present invention.
[0106]
In FIG. 12,
[0107]
In the system according to the seventh embodiment configured as shown in FIG. 12, each power conversion device is configured by an inverter. As shown in FIG. 13, the present system includes
[0108]
A command to the motor is input from the input /
[0109]
(Embodiment 8)
Hereinafter, an eighth embodiment of the present invention will be described. The following description is based on the premise of the system configurations of the sixth and seventh embodiments described above.
[0110]
The generated voltage generated by the motor is generated according to the number of rotations of the motor. For example, if a voltage of 10 V is generated at 1000 r / min and a voltage of the motor is generated, a voltage of 100 V is generated at 10,000 r / min. The main motor for driving the vehicle, that is, the winding for high voltage, must be rotated to nearly 10,000 r / min in order to ensure high-speed performance of the vehicle. On the other hand, it is necessary to control the low-voltage winding generator to have a constant voltage, for example, 14V. Therefore, a low-voltage winding is designed so as to generate a rated voltage of 14 V at 10,000 r / min, and the power converter is constituted by an inverter. Then, at a rotation speed lower than 10,000 r / min, only a generated voltage of 14 V or less is generated. Therefore, a constant voltage of 14 V is secured by controlling the inverter in the boost mode. FIG. 14 shows a configuration diagram of an example in which the power changing device is configured by an inverter.
[0111]
With the configuration described above, three switching elements of the inverter conventionally required six can be configured, which can contribute to a reduction in the number of parts, a reduction in cost, and a reduction in size.
[0112]
(Embodiment 9)
Hereinafter, a ninth embodiment of the present invention will be described. The following description is based on the premise of the system configurations of the sixth and seventh embodiments described above.
[0113]
The generated voltage generated by the motor is generated according to the number of rotations of the motor. For example, if a voltage of 10 V is generated at 1000 r / min and a voltage of the motor is generated, a voltage of 100 V is generated at 10,000 r / min. The main motor for driving the vehicle, that is, the winding for high voltage, must be rotated to nearly 10,000 r / min in order to ensure high-speed performance of the vehicle. On the other hand, it is necessary to control the low-voltage winding generator to have a constant voltage, for example, 14V. However, if the low-voltage winding is designed so that 10 V is generated at 1000 r / min in a rotational speed varying from about 0 to 10000 r / min, a voltage of 0 V to 100 V is generated and the voltage is controlled to a constant voltage of 14 V. There is a need to. In order to control to a constant voltage, the smaller the dynamic range of the generated voltage, the better the controllability. Therefore, the winding is designed so that a rated voltage of 14 V is generated at approximately half the number of revolutions of 5000 r / min, and the power converter is constituted by an inverter.
[0114]
Weak field control is performed in the rotation range exceeding the rated voltage, and strong field control is performed in the rotation range below the rated voltage. By switching the control state in this manner, in the range where the generated voltage is lower than the rated voltage, the generated voltage is increased by performing stronger field, and in the range where the generated voltage is higher than the rated voltage, the generated field is reduced by lowering the generated voltage. By lowering the control, the dynamic range is apparently reduced to half and the controllability is improved.
[0115]
Here, a method of performing field control using an inverter to control the generated voltage has been described. However, a current is applied to the control winding to change the magnetic resistance from the magnet, and as a result, a voltage is generated in the second winding. Even if the voltage is controlled, a similar effect can be obtained.
[0116]
(Embodiment 10)
Hereinafter, a tenth embodiment of the present invention will be described. In FIG. 15, reference numeral 4 denotes a first winding group, which is connected to the high-
[0117]
The first winding group 4 is operated as a motor (power running), the second winding group 5 is operated as a generator (regeneration), and the first winding group 4 is controlled so that the voltage of the low-
[0118]
In addition, since the motor can be rotated (powered) by the first winding group 4 and the generated power can be controlled by using the energy of the rotation, it is possible to provide a motor generator which can be reduced in size as it is rotated at a higher speed. Can be.
[0119]
It should be noted that the motor generators of the first to tenth embodiments may be a vehicle such as a pure electric vehicle (PEV), a hybrid electric vehicle (HEV), a hybrid electric vehicle (FCV), or a fuel cell vehicle (FCEV). The use as a drive motor eliminates the need to provide two types of motor generators, a high-voltage system and a low-voltage system, and a separate DC-DC converter as in the past, so that a space-saving and low-cost electric vehicle drive can be used. It is possible to provide an electric vehicle that can be used as a system and that can use the interior of the vehicle more widely at low cost.
[0120]
【The invention's effect】
As described above, the motor generator of the present invention includes the first tooth and the second tooth on which the first winding group and the second winding group, which are electrically and mechanically independent from each other, are respectively wound. And a rotor in which a plurality of permanent magnets are embedded in a rotor core. The plurality of first teeth formed by winding the first winding group are divided into a plurality of groups in the entire stator as one group. In the same group, the winding directions of the windings of the adjacent first teeth are opposite to each other. The second winding group wound around the second teeth has a winding specification different from that of the first winding group, so that the power generation voltage during regeneration is higher in the first winding group. Even in the case of voltage, the second winding group can be set to a lower voltage. For example, the generated voltage generated at the time of rated rotation is set to the voltage of a high-voltage high-voltage battery in the first winding group. In the second winding group, the voltage of the low-voltage system low-voltage battery can be set. Therefore, it is necessary to provide two motor generators for the high-voltage battery and the low-voltage battery. There is no need to provide a configuration having a separate converter, and a space-saving and low-cost drive system can be provided.
[0121]
It is also possible to charge the low-voltage battery by powering the first winding group by the high-voltage battery, driving the motor generator, and regenerating by the second winding group.
[0122]
Here, the number of the second teeth wound around the second winding group is set smaller than the number of the first teeth wound around the first winding group. Since the output of the winding group is smaller than that of the first winding group, sufficient power generation characteristics can be secured.
[0123]
Also, by selectively optimizing the combination of the number of the first teeth wound around the first winding group and the number of magnetic poles of the rotor, the first teeth wound around the first winding group can be obtained. The gap between the groups constituted by the above can be made large, and the teeth width of the second teeth on which the second winding is wound can be increased, or the number of the second teeth can be increased. With such a configuration, it is possible to extract a large amount of power in the second winding group.
[0124]
Further, by setting the teeth width of the second teeth on which the second winding group is wound to an appropriate width, it is possible to suppress the generated voltage generated in the second winding group even during high-speed rotation. .
[0125]
Further, even at a higher rotation speed, the field weakening control is performed in the first winding group, so that the voltage of the first winding group is suppressed to the allowable voltage of the high voltage battery of the high voltage system. The voltage of the winding group can be suppressed to the allowable voltage of the low-voltage battery.
[0126]
Furthermore, in the group having a plurality of first teeth wound with the first winding group, the first teeth adjacent to each other are generated as a high torque as a permanent magnet embedded type concentrated winding motor. Have different polarities, the bias of the magnetic field distribution can be reduced, the distortion of the voltage generated between the terminals when the motor is driven can be suppressed, and the iron loss can be reduced. Further, heat generation due to eddy currents in the permanent magnet is reduced, demagnetization of the permanent magnet can be suppressed, and a highly efficient motor generator can be provided.
[0127]
Also, the motor generator of the present invention has a configuration having two or more mechanically and electrically independent winding groups, and at least two of the independent power conversion devices each include a control unit and a magnetic pole. By sharing the position detection sensor and the power supply unit and using an inverter for the power converter, parts can be shared, which contributes to cost reduction and size reduction.
[0128]
In addition, by designing the generated voltage of the low-voltage winding to generate the rated voltage at a high speed, the inverter can be configured in the boost mode, the number of switching elements can be reduced by half, and the cost and size can be reduced. Can contribute.
[0129]
Also, by designing the generated voltage of the low-voltage winding to generate the rated voltage at approximately half of the maximum rotation speed, the range of control by switching between weak field and strong field is apparently in the upper half. It is easy to control the generated voltage to a constant value, which can contribute to improvement in controllability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a main part for describing a main part of a motor generator according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic development view for explaining a winding direction of a winding in the embodiment.
FIG. 3 is a connection diagram showing a connection state between respective winding groups in the embodiment.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a main part of a motor generator showing an example of a combination of the number of teeth.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a main part for describing a main part of a motor generator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a partially enlarged view for explaining a stator core in the embodiment.
FIG. 7A is a schematic cross-sectional view illustrating a stator core according to a third embodiment of the present invention.
(B) is a partial view showing an example of a method of forming a concave portion in the embodiment.
(C) is a partial view showing an example of the shape of the concave portion in the embodiment.
FIG. 8A is a schematic sectional view of a rotor for explaining an example of a shape of a permanent magnet according to a fourth embodiment of the present invention;
(B) is a schematic sectional view of the rotor for explaining another shape of the permanent magnet in the embodiment.
(C) is a schematic sectional view of a rotor for explaining still another shape of the permanent magnet in the embodiment.
(D) is a schematic cross-sectional view of the rotor showing an example of the shape of the rotor core in the embodiment.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a main part for describing an outer rotor type motor generator according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration of a hybrid vehicle according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is an exemplary diagram showing a configuration of another hybrid vehicle according to the embodiment;
FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration of a hybrid vehicle according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a block diagram showing a configuration of a power converter according to the embodiment.
FIG. 14 is a block diagram showing a configuration of a power conversion device according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a block diagram showing a connection state of each winding group according to the tenth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional hybrid vehicle equipped with a motor generator.
FIG. 17 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional hybrid vehicle equipped with a motor generator and a DC-DC converter.
[Explanation of symbols]
1 Stator core
2 First teeth
3 Second teeth
4 First winding group
5 Second winding group
6 rotor core
7 permanent magnet
21 Arrow indicating the winding direction of the first winding group
22 Arrow indicating the winding direction of another first winding group
41 Teeth tip
42 Face of rotor facing stator
43 Resection
44 Resection
56 rectangular recess at the tip of the first tooth
59 Arc-shaped recess at the tip of the first tooth
66 slit
8 Engine
10 Power switching mechanism
70 High voltage battery (240V)
90 Low voltage battery (12V)
110 Motor generator
121-127 power converter
130 High voltage battery (42V)
141, 142 Inverter
151, 152 Gate drive circuit
160 control unit
171, 172 Current detection sensor
180 Magnetic pole position detection sensor
190 power supply
200 I / O interface
300 rectifier
Claims (29)
前記複数のティースに別々に卷回されてなる、互いに機械的、電気的に独立した構成の巻線群を2つ以上有することを特徴とするモータジェネレータ。A rotor holding a plurality of permanent magnets, a stator having a plurality of teeth,
A motor generator comprising two or more winding groups that are separately wound around the plurality of teeth and have a configuration that is mechanically and electrically independent from each other.
p=2×s×(±1+3×k) かつ p>t (ただし、k≧0の整数)
となる関係を満たす構成であることを特徴とする請求項2または請求項3のいずれかに記載のモータジェネレータ。The number of poles of the rotor is p, the total number of the first teeth is t, and the number of winding sets in which one set of a three-phase U, V, W first winding group is s (where, p, t, and s are all positive integers)
p = 2 × s × (± 1 + 3 × k) and p> t (however, an integer of k ≧ 0)
The motor generator according to claim 2, wherein the motor generator has a configuration satisfying the following relationship.
π/10q<θ1<π/5q および
π/45q<θ2<π/10q
の関係を満たすことを特徴とする請求項2〜請求項4のいずれかに記載のモータジェネレータ。The number of rotor poles is 10q poles, the total number of slots formed between the first teeth is 9q, and the total number of slots formed between the second teeth is 3q (in each case, q = A positive integer), when the rotor facing portion angle of the first teeth is θ1 [rad] and the rotor facing portion angle of the second teeth is θ2 [rad],
π / 10q <θ1 <π / 5q and π / 45q <θ2 <π / 10q
The motor generator according to any one of claims 2 to 4, wherein the following relationship is satisfied.
各々独立した電力変換装置のうち少なくとも2つの電力変換装置が、スイッチング素子で構成されたインバータと、前記インバータのスイッチング素子を駆動するゲートドライブ回路と、前記インバータを制御する制御部と、モータ電流を検出する電流検出センサと、モータの磁極位置を検出する磁極位置検出センサと、電源部とを備え、
前記少なくとも2つの電力変換装置が、前記制御部と前記磁極位置検出センサと前記電源部とを共有したことを特徴とする請求項23に記載のモータジェネレータ。A motor generator having the two or more winding groups,
At least two power converters among the independent power converters each include an inverter configured with a switching element, a gate drive circuit that drives a switching element of the inverter, a control unit that controls the inverter, and a motor current. A current detection sensor for detecting, a magnetic pole position detection sensor for detecting a magnetic pole position of the motor, and a power supply unit,
24. The motor generator according to claim 23, wherein the at least two power converters share the control unit, the magnetic pole position detection sensor, and the power supply unit.
少なくとも1つの巻線群に対しては、当該巻線群の出力端に発生する発電電圧を最高回転時に定格電圧となるよう設定し、かつ各々の巻線の出力端に接続された電力変換装置を昇圧モードで駆動させることを特徴とする請求項23に記載のモータジェネレータ。A motor generator having the two or more winding groups,
For at least one winding group, a power generation device that sets a generated voltage generated at an output terminal of the winding group to be a rated voltage at a maximum rotation, and is connected to an output terminal of each winding. 24. The motor generator according to claim 23, wherein the motor generator is driven in a step-up mode.
少なくとも1つの巻線群に対しては、当該巻線群の出力端に発生する発電電圧を最高回転数の略半分の回転数時に定格電圧となるよう設定し、かつ各々の巻線の出力端に接続された電力変換装置を弱め界磁と強め界磁とを切り替えて駆動させることを特徴とする請求項23または請求項24のいずれかに記載のモータジェネレータ。A motor generator having the two or more winding groups,
For at least one winding group, the generated voltage generated at the output terminal of the winding group is set to be the rated voltage when the rotation speed is substantially half of the maximum rotation speed, and the output terminal of each winding is set. 25. The motor generator according to claim 23, wherein the power converter connected to the motor generator is driven by switching between a weak field and a strong field.
永久磁石からの磁路形成部に巻線される制御巻線によって、少なくとも1つの巻線群の出力端に発生する発電電圧を制御することを特徴とする請求項23に記載のモータジェネレータ。A motor generator having the two or more winding groups,
24. The motor generator according to claim 23, wherein a generated voltage generated at an output terminal of at least one winding group is controlled by a control winding wound around a magnetic path forming unit from a permanent magnet.
少なくとも1つの巻線群に印加する電圧を調整してモータの回転数を制御し、その結果に応じて他の巻線群の出力端に発生する発電電圧を制御することを特徴とする請求項23に記載のモータジェネレータ。A motor generator having the two or more winding groups,
The voltage applied to at least one winding group is adjusted to control the number of revolutions of the motor, and the generated voltage generated at the output terminal of another winding group is controlled according to the result. A motor generator according to claim 23.
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