JP2005176598A

JP2005176598A - 永久磁石と組み合わされた巻線界磁コイルを使用する永久磁石ブラシタイプモータのための磁束変更装置

Info

Publication number: JP2005176598A
Application number: JP2004360453A
Authority: JP
Inventors: Andrew Lakerdas; レイカーダスアンドリュー; Attila Simofi-Ilyes; シモフィ−イーイェスアッティラ; John E Makaran; イーマカランジョン; Corneliu Dragoi; ドラゴイコルネリュー; Peter A Kershaw; エーカーショウピーター; Martin Volkening; フォルケニングマーティン
Original assignee: Siemens VDO Automotive Inc
Current assignee: Continental Tire Canada Inc
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2005-06-30
Also published as: US7112907B2; DE102004054862A1; US20050127772A1; US6995490B2; US20050253479A1

Abstract

【課題】所望のレベルの磁束を発生させるために永久磁石と磁界巻線形コイルとを組み合わせる。
【解決手段】積層鉄心１４及び巻線１５を有する電機子１３と、電機子１３に関連した固定子構造体１６とが設けられており、電機子が、固定子構造体に対して回転するように構成及び配置されており、固定子構造体１６に、所定の磁束を提供する少なくとも１つの永久磁石２２，２４と、少なくとも１つの巻線鉄心構造体１７とが設けられており、巻線鉄心構造体１７が、永久磁石２２，２４とは逆の極性を規定するために、鉄心１８と、鉄心の周囲に巻き付けられたコイル１９とを有しており、これにより、コイル１９への電流を制御することにより、固定子構造体１６における磁束が所定の磁束に対して増減させられるようになっている。
【選択図】図３

Description

本出願は、２００３年１２月１２日に出願された米国特許仮出願第６０／５２９１９１号に基づき、優先権目的のためにこの米国特許の利益を請求する。

発明の分野
本発明は、永久磁石ブラシタイプＤＣモータ、特に、固定子構造体における永久磁石と組み合わされた巻線形界磁コイルに関する。

永久磁石ＤＣブラシタイプモータの大きな挑戦は、様々な作動速度を達成することである。巻線形界磁タイプモータは概して、磁束を変化させることによって制御される速度を有する。このことは、電流、又は界磁巻線のコイルの巻き数を変更することによって行われる。永久磁石モータは一定の界磁磁石を有しているので、永久磁石モータは、磁束変化によって速度制御を達成することができない。

しばしば、自動車分野において使用される永久磁石モータは、２つ以上の速度、通常は一般的目的作動のためのより遅い速度と、最悪の場合の作動のための最大速度とを使用する必要がある。例えば、車両冷却システムモジュールの多重速度動作は、エンジン温度及び動作を最適化し、その結果燃料経済性が改良される。

永久磁石ＤＣブラシタイプモータのために、歴史的に、より低い速度（多重速度動作）は以下の方法によって達成されてきた：
−抵抗器をモータと直列に付加する
−ブラシをスイッチアウトする（重ね巻きモータ）
−二重整流器を備えた二重電機子巻線
−付加的な第３のブラシを付加する（コイルをショートアウトする）
−ＳＳＲ（ソリッドステートリレー）
リニア制御
ＰＷＭ（パルス幅変調）
から成るがこれらに限定されない外部又は内部電子制御。

図１Ａ、１Ｂ及び１Ｃはそれぞれ、２極、４極及び６極式の慣用のブラシタイプ永久磁石ＤＣモータの磁気回路を示している。力線は、Ｎ極磁石から出て空隙に入るように形成されている。力線は、モータのロータの積層体に入り、できるだけ短い経路に沿って逆の極性の磁石へ延びている。力線は再び空隙を通り、逆の極性の磁石に入る。次いで、力線は、第２の磁石から出て、元の磁石へ戻る。したがって、力線は、閉ループ回路において動作すると理解される。磁石とロータ積層体との間の空隙に存在する磁束が、モータの動作特性を決定する。

磁束は、巻線形界磁固定子又は永久磁石固定子を使用して発生されることができる。図２は２極式巻線形界磁モータの磁気回路を示しており、この場合、極片１０の周囲の（Ｎ）巻線コイルが磁束を発生する。１つの懸念は、永久磁石を備えたモータが一定レベルの磁束（又は固定子磁束）を有しており、ひいては１つの速度でしか動作しないということである。巻線形界磁固定子の利点は、磁束又は固定子磁束のレベルを変化させるために様々な巻線が適用されることができるということである。巻線形界磁固定子を使用することの欠点は、十分な磁束を発生するために、それぞれの界磁コイルに対して著しく多数のコイルの巻き数が必要とされるということである。この要求により固定子が大きく、重くかつ比較的高価になる。

慣用の速度制御方法を試験した結果、モータ磁束を変化させるための別の方法は、所望のレベルの磁束を発生させるために永久磁石を界磁巻線形コイルと組み合わせることである。

したがって、本発明の課題は、所望のレベルの磁束を発生させるために永久磁石と界磁巻線形コイルとを組み合わせることである。

本発明の課題は上記必要性を満たすことである。本発明の原理によれば、この課題は、永久磁石ＤＣモータのための固定子及び電機子アセンブリを提供することによって達成される。アセンブリは、積層鉄心及び巻線を有する電機子と、電機子に関連した固定子構造体とを有している。電機子は、固定子構造体に対して回転するように構成及び配置されている。固定子構造体は、所定の磁束を提供する少なくとも１つの永久磁石と、少なくとも１つの巻線形鉄心構造体とを有しており、この巻線形鉄心構造体は、鉄心と、この鉄心の周囲に巻き付けられたコイルとを有しており、これにより、永久磁石とは逆の極性を規定している。コイルへの電流が制御されると、固定子構造体の磁束が固定子磁束に対して増減されることができる。このように、モータは様々な速度で動作することができる。

本発明の別の態様によれば、永久磁石ＤＣモータの速度を制御する方法が提供される。モータは、積層鉄心及び巻線を有する電機子と、電機子に関連した固定子構造体とを有している。電機子は、固定子構造体に対して回転するように構成及び配置されている。固定子構造体は、所定の磁束を提供する、同じ極性の少なくとも２つの永久磁石と、同じ極性の少なくとも２つの巻線形鉄心構造体とを有している。それぞれの巻線形鉄心構造体は、鉄心と、鉄心の周囲に巻き付けられたコイルとを有している。巻線形鉄心構造体は、永久磁石とは逆の極性を規定している。

この方法はモータ及びコイルと作用的に関連したスイッチを提供する。スイッチは以下のように制御される。すなわち、（１）電機子が永久磁石の所定の磁束に基づいて所定の速度で回転するように電流がコイルに提供されないように、又は（２）磁束が所定の磁束に対して増大するように電流がコイルに一方向で提供され、これにより電機子が例えば所定の速度よりも低い速度で回転するように、又は（３）磁束が所定の磁束よりも減少するように電流がコイルに１つの方向とは反対の方向で提供され、これにより電機子が例えば所定の速度よりも高い速度で回転するように、である。

本発明のその他の課題、特徴及び特性、構造体の関連するエレメントの動作方法及び機能、部材の組み合わせ、並びに製造の経済性は、添付の図面を参照した以下の詳細な説明及び添付された請求項を考慮することにより明らかになるであろう。全ての添付の図面は本明細書の一部を構成している。

本発明は、添付の図面に関連した発明の有利な実施形態の以下の詳細な説明からさらによく理解されるであろう。図面においては同一の参照符号は同一の部材を示している。

図３は、４極永久磁石ＤＣブラシタイプモータ１１（図７に概略的に示されている）のための、本発明の原理に基づいて設けられた、概して１２で示された、４極固定子及び電機子アセンブリを示している。アセンブリ１２は、積層鉄心１４及び巻線１５を有する、概して１３で示された慣用の電機子と、電機子１３を包囲した、概して１６で示された固定子構造体とを有している。電機子１３は、巻線１５が通電された場合に固定子構造体に対して回転するように構成及び配置されている。モータ１１は、米国特許第５９７７６６６号明細書に開示されたタイプであることができ、この米国特許明細書の開示内容は引用により本明細書に記載されたものとする。モータ１１は有利には、自動車用途、例えばエンジン冷却用途において使用される。４極アセンブリが示されているが、本発明は、２極、６極、８極等のモータに適用可能であることが認められるであろう。

図３に示したように、固定子構造体１６において、交互の極片は、概して１７で示された巻線形鉄心構造体である。巻線形鉄心構造体１７は、図４に示されており、鉄心１８と、鉄心１８の周囲に巻き付けられた巻線若しくはコイル１９とを有している。図５に示されているように、鉄心１８は、ベース２０と、ベース２０から延びたボビン部材２１とを有している。ボビン部材２１及びベース２０は、コイル１９の部分を収容するためのポケット２５を規定するように構成及び配置されている。ボビン部材２１は、周面２３を有しており、この周面２３上にコイル１９が巻き付けられている。周面２３は、コイル１９と鉄心１８との間の電気的絶縁を提供するためにエポキシ樹脂又はその他の物質でコーティングされていることができる。

図３に示したように、固定子構造体１６の主磁束は、同じ極性を有する２つの永久磁石２２，２４によって供給される。隣接する極（鉄心）１８は、永久磁石２２，２４と同様の寸法の、鉄材料から形成されている。２つの鉄心１８はそれぞれ、線材のコイル１９が鉄心１８の周囲に巻き付けられるように形成されており、コイル１９に通電することにより余分な磁束がアセンブリ１２に提供される。コイル１９によって形成されるこの付加的な磁束は、永久磁石２２，２４によって提供される主磁束を増大又は低減するために使用される。

２つのコイル１９は、巻線形界磁モータと同様に巻成されている。コイル１９はそれぞれ、“Ｘ”ゲージワイヤの“Ｎ”巻き数で巻き付けられており、同じ方向で巻き付けられており、コイルが通電された場合に同じ極性を有する。巻線形鉄心の極性は、コイル１９における巻線の巻き方向と、コイル１９を流れる電流の方向とによって決定される。コイル１９は、時計回り（ＣＷ）又は逆時計回り（ＣＣＷ）に巻き付けられている。コイル１９は、永久磁石２２，２４と交互の位置においてフェライト鉄心１８の周囲に装備されている。

モータ及び永久磁石回路は、モータの磁界が、閉ループ磁気回路のための磁気飽和点よりも著しく低くなるように形成されている。これは、永久磁石の数が慣用の永久磁石モータと比較して半分に減じられているからである。したがって、それぞれの磁気回路（極）は、慣用の永久磁石モータのように２つではなく１つの永久磁石によってしか支持されていない。これにより、（磁石負荷ライン、Ｐｃラインにおけるより低いスロープにより）磁石のためのより低い動作点を生じる。

固定子コイル１９からの磁束介入がない場合、モータ１１は所定の速度（中間速度）で動作する。モータ動作特性は図６に示されている。界磁コイル１９によって発生される余分な磁束を加えることによって磁束レベルを増大することができる。付加的な磁束はモータ１１を減速させ、ひいては、磁束がモータに加えられた場合「低速」を規定する。界磁コイル１９を逆方向で通電することによって永久磁石モータからの磁束を減じるために、界磁コイル１９が使用される。このことの効果は、モータの動作速度を増大することである（高速）。

したがって、３つの異なる動作速度（中速、低速、高速）を得ることができる。３速動作のための切換えスキームは図９の表に示されており、Ｋ１〜Ｋ３は、例えば電磁リレー又はＭＯＳＦＥＴ等の電力開閉器である。さらに、コイル１９は、互いに並列に（図７）又は直列に（図８）電気的に接続されることができる。図７及び図８は、車両電気システム３０と、車両のエンジン冷却モジュール３２との電気的な接続を示している。図７及び図８において、ＣＯＮは巻線界磁コイルへの電力接続であり、Ｍ＋はモータの正の接続であり、Ｍ−はモータの負の接続である。図６は、本発明のモータのモータ動作特性のグラフである。図７及び図８において、コイルは通電されていない。Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３スイッチはオフ位置を占めている。モータ磁束は、磁石のみによるものである。

コイル１９を互いに独立して又は直列及び並列接続での組み合わせにおいて一緒に選択的に通電する（切り替える）ことによって、付加的な速度変化を得ることができる。この切換え方法の例は、図１１の表に示されており、図１０に概略的に示されている。この場合コイルは通電されていない。Ｋ１〜Ｋ６スイッチはオフ位置を占めている。モータ磁束は磁石によるもののみである。コイル１９への電流を選択的に制御することによって７つまでの異なる速度を得ることができる。Ｋ１〜Ｋ６は、例えば電磁リレー又はＭＯＳＦＥＴ等の電力開閉器である。図１０において、スイッチは、モータの一部であると考えられるが、モータとは別個であることができる。

鉄心１８は、固定子構造体ハウジングに組み付けられ、その後に巻き付けられる別個の部分であることができる。択一的に、別個の鉄心１８は、巻き付けられ、次いで固定子構造体ハウジングに取り付けられることができる。別の選択肢は、固定子構造体ハウジングの壁部と一体的なコアを形成し、次いでこの鉄心の周囲にコイルを巻き付けることである。

すなわち、固定子構造体１６の全体的な磁束レベルを生ぜしめるために、永久磁石が界磁巻線コイルと組み合わされている。さらに、基本的なモータ１１は、２つの永久磁石２２，２４と２つの界磁巻線コイル１９とによる一定の磁束レベルを有する。コイルが通電されると、コイルは、固定子構造体１６における磁束を増強するか又は打ち消すことができる。モータにおける磁束変化は、可変動作速度を提供する。

固定子構造体１６の利点は：
１．モータ速度が界磁コイル１９によって制御される
２．モータの主磁束が、永久磁石２２，２４によって発生される
３．界磁コイル１９における電流レベルが低く、これにより、より小さなリレーの使用が可能となる
４．低速でのモータ効率が優れている
５．巻線界磁コイルへの電力を制御するために、車両のリレーシステムを使用することができる。

固定子構造体１６のその他の特徴は：
１．モータ動作を得るために巻線界磁コイル１９と永久磁石とが組み合わされる
２．“ｎ”磁石を“ｎ”巻線界磁コイル１９と置換し、コイル１９をオン、オフ及びリバース・オンで切り替えることによって、モータ速度が変化される
３．磁束又はモータ速度を変化させるために、電力開閉器（リレー／ＭＯＳＦＥＴ）と直列又は並列に接続された１つのコイルが使用される
４．磁束又はモータ速度を変化させるために、電力開閉器（リレー／ＭＯＳＦＥＴ）と直列又は並列に予備接続された界磁巻線コイルが使用される
５．コイルが独立した部材又はハウジング構成部材／アセンブリの一体的な部分である。
６．電力開閉器は、モータアセンブリの部分であるか、外部のボックスに組み込まれているか、自動車のエンジンコンピュータユニットの部分であるか、車両の電気系統の部分であることができる
７．ストール保護における使用のために電機子速度変化を同時に又は独立して測定するために、少なくとも１つのコイル１９の電圧を検出することができる。択一的に、電機子速度を検出するために付加的な巻線を加えることができる。

前記有利な実施形態は、本発明の構造的及び機能的原理を示すために及び有利な実施形態を採用した方法を示すために図示及び説明されており、このような原理から逸脱することなく変更されることができる。したがって、本発明は、別紙の請求項の思想の範囲に含まれる全ての変化形態を含んでいる。

慣用の２極ブラシタイプ永久磁石モータのための磁気回路を示している。慣用の４極ブラシタイプ永久磁石モータのための磁気回路を示している。慣用の６極ブラシタイプ永久磁石モータのための磁気回路を示している。慣用の２極巻線形界磁モータの磁気回路を示している。本発明の原理に基づく４極固定子及び電機子アセンブリの平面図である。図３の固定子及び電機子アセンブリの巻線形鉄心構造体の平面図である。図４の巻線形鉄心構造体の鉄心の斜視図であり、ワイヤコイルを備えずに示されている。本発明のモータのモータ動作特性のグラフである。並列に接続された本発明のモータのコイルを示す概略図である。直列に接続された本発明のモータのコイルを示す概略図である。図７及び図８のモータの３つの速度切換え動作を示す表である。本発明の別の実施形態によるモータのコイル切換え配列を示す概略図である。図１０の回路の７つの速度切換え動作の表である。

符号の説明

１１モータ、１２固定子及び電機子アセンブリ、１３電機子、１４積層鉄心、１５巻線、１６固定子構造体、１７巻線形鉄心構造体、１８鉄心、１９コイル、２０ベース、２１ボビン部材、２２，２４永久磁石、２３周面、２５ポケット、３０車両電気システム、３２エンジン冷却モジュール

Claims

永久磁石ＤＣモータのための固定子及び電機子アセンブリにおいて、
積層鉄心及び巻線を有する電機子と、
該電機子に関連した固定子構造体とが設けられており、前記電機子が、固定子構造体に対して回転するように構成及び配置されており、
前記固定子構造体に、
所定の磁束を提供する少なくとも１つの永久磁石と、少なくとも１つの巻線鉄心構造体とが設けられており、該巻線鉄心構造体が、永久磁石とは逆の極性を規定するために、鉄心と、該鉄心の周囲に巻き付けられたコイルとを有しており、これにより、コイルへの電流を制御することにより、固定子構造体における磁束が所定の磁束に対して増減させられるようになっていることを特徴とする、永久磁石ＤＣモータのための固定子及び電機子アセンブリ。
前記鉄心が鉄材料から形成されておりかつ周面を有しており、該周面の周囲にコイルが巻き付けられている、請求項１記載のアセンブリ。
前記鉄心が、永久磁石と概して同じ寸法を有している、請求項１記載のアセンブリ。
前記鉄心が、ベースと、該ベースから延びたボビン部材とを有しており、ボビン部材とベースとが、コイルの一部を収容するためのポケットを規定するように構成及び配置されている、請求項１記載のアセンブリ。
前記ボビン部材が周面を有しており、該周面の周囲にコイルが巻き付けられている、請求項４記載のアセンブリ。
前記周面が電気的に絶縁されている、請求項５記載のアセンブリ。
前記固定子構造体がハウジングを有しており、前記鉄心が、ハウジングとは別個でありかつ該ハウジングに取り付けられている、請求項１記載のアセンブリ。
前記固定子構造体がハウジングを有しており、前記鉄心がハウジングと一体的である、請求項１記載のアセンブリ。
永久磁石ＤＣモータのための固定子構造体において、
所定の磁束を提供する少なくとも１つの永久磁石と、
少なくとも１つの巻線鉄心構造体とが設けられており、該巻線鉄心構造体が、永久磁石とは逆の極性を規定するために、鉄心と、該鉄心の周囲に巻き付けられたコイルとを有しており、これにより、コイルへの電流を制御することによって、固定子構造における磁束が所定の磁束に対して増減させられるようになっていることを特徴とする、永久磁石ＤＣモータのための固定子構造体。
前記鉄心が鉄材料から形成されておりかつ周面を有しており、該周面の周囲にコイルが巻き付けられている、請求項９記載の構造体。
前記鉄心が、永久磁石と概して同じ寸法を有している、請求項９記載の構造体。
前記固定子構造体がハウジングを有しており、前記鉄心が、ハウジングとは別個でありかつ該ハウジングに取り付けられている、請求項１１記載の構造体。
前記固定子構造体がハウジングを有しており、前記鉄心がハウジングと一体的である、請求項１１記載の構造体。
永久磁石ＤＣモータのための固定子構造体において、
同じ極性を有しかつ所定の磁束を提供する少なくとも２つの永久磁石と、
同じ極性を有する少なくとも２つの巻線鉄心構造体とが設けられており、それぞれの巻線鉄心構造体が、鉄心と、該鉄心の周囲に巻き付けられたコイルとを有しており、巻線鉄心構造体が、永久磁石とは逆の極性を規定しており、これにより、コイルへの電流を制御することにより、固定子構造体における磁束が所定の磁束に対して増減させられるようになっていることを特徴とする、永久磁石ＤＣモータのための固定子構造体。
それぞれの鉄心が、鉄材料から形成されておりかつ周面を有しており、該周面の周囲にコイルが巻き付けられている、請求項１４記載の構造体。
それぞれの鉄心が、それぞれの永久磁石と概して同じ寸法を有している、請求項１４記載の構造体。
積層鉄心と巻線とを有しておりかつ固定子構造体に対して回転するように構成及び配置された電機子と組み合わされている、請求項１４記載の構造体。
前記固定子構造体がハウジングを有しており、鉄心が、ハウジングとは別個でありかつ該ハウジングに取り付けられている、請求項１４記載の構造体。
前記固定子構造体がハウジングを有しており、鉄心が前記ハウジングと一体的である、請求項１４記載の構造体。
永久磁石ＤＣモータにおいて、
積層鉄心と巻線とを有する電機子と、
該電機子に関連した固定子構造体とが設けられており、前記電機子が、固定子構造体に対して回転するように構成及び配置されており、
固定子構造体に、
同じ極性を有しておりかつ所定の磁束を提供する少なくとも２つの永久磁石が設けられており、
同じ極性を有する少なくとも２つの巻線鉄心構造体が設けられており、それぞれの巻線鉄心構造体が、鉄心と、該鉄心の周囲に巻き付けられたコイルとを有しており、巻線鉄心構造体が、永久磁石とは逆の極性を規定しており、これにより、コイルへの電流を制御することにより、固定子構造体における磁束が所定の磁束に対して増減させられるようになっていることを特徴とする、永久磁石ＤＣモータ。
前記コイルが、並列に電気的に接続されている、請求項２０記載のモータ。
前記コイルが、直列に電気的に接続されている、請求項２０記載のモータ。
電機子、ひいてはモータを様々な速度で回転させるためにコイルへの電流ひいては固定子構造体における磁束を制御するように選択的に制御されるように、モータ及びコイルに対して構成及び配置されたスイッチと組み合わされている、請求項２０記載のモータ。
前記スイッチが、
（１）コイルに電流が供給されていない場合に電機子が所定の速度で回転し、
（２）電流がいずれかのコイルに一方向で提供された場合に、磁束が増大し、可動子を所定の速度よりも低い速度で回転させ、
（３）電流がいずれかのコイルに前記一方向とは反対方向で提供された場合に、磁束が減少し、可動子を所定の速度よりも高い速度で回転させる
ように構成及び配置されている、請求項２０記載の組み合わせ。
前記スイッチがモータとは別個である、請求項２３記載の組み合わせ。
前記スイッチがモータと一体的である、請求項２３記載の組み合わせ。
前記固定子構造体がハウジングを有しており、前記鉄心がハウジングとは別個でありかつ該ハウジングに取り付けられている、請求項２０記載のモータ。
前記固定子構造体がハウジングを有しており、前記鉄心がハウジングと一体的である、請求項２０記載のモータ。
永久磁石ＤＣモータの速度を制御する方法において、
前記モータが、積層鉄心と巻線とを有する電機子と、該電機子に関連した固定子構造体とを有しており、前記電機子が、固定子構造体に対して回転するように構成及び配置されており、固定子構造体が、所定の磁束を提供する、同じ極性を有する少なくとも２つの永久磁石と、同じ極性を有する少なくとも２つの巻線形鉄心構造体とを有しており、それぞれの巻線形鉄心構造体が、鉄心と、該鉄心の周囲に巻き付けられたコイルとを有しており、巻線形鉄心構造体が永久磁石とは逆の極性を規定しており、前記方法が、
モータ及びコイルに作用的に関連したスイッチを提供し、
（１）コイルに電流が供給されないようにスイッチを切り換え、永久磁石の所定の磁束に基づき電機子が所定の速度で回転するようにするか、
（２）電流がいずれかのコイルに一方向で提供されるようにスイッチを切り換え、これにより、磁束が所定の磁束よりも増大し、電機子を所定の速度よりも低い速度で回転させるか、又は、
（３）電流がいずれかのコイルに前記一方向とは逆方向で提供されるようにスイッチを切り換え、これにより、磁束が所定の磁束よりも減少し、電機子を所定の速度よりも高い速度で回転させる
ことを含むことを特徴とする、永久磁石ＤＣモータの速度を制御する方法。
ストール条件を決定する場合に使用するために電機子の速度を測定するためにコイルのうちの少なくとも１つのコイルの電圧を検出する、請求項２９記載の方法。