JP2007267452A

JP2007267452A - 電動機

Info

Publication number: JP2007267452A
Application number: JP2006086115A
Authority: JP
Inventors: Satoru Niizaki; 知新崎; Hirobumi Shin; 博文新
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-27
Also published as: JP5085875B2

Abstract

【課題】特性を可変とすることができるだけでなく、各回転子における相対的な位相のうち、強め界磁位相と弱め界磁位相との間の位相での高調波起電力を低減させて運転効率を向上させることができ、しかも、円滑且つ確実に各回転子間の位相を変更することができる電動機を提供する。
【解決手段】第１回転子３と第２回転子４とを回転軸８の周囲に同心円状に設ける。第２回転子４と同軸に回動自在の第３回転子５を第２回転子４の軸方向に並列に配置して設ける。第２回転子４及び第３回転子５を第１回転子３に対して周方向に回動させる回動手段１６を設ける。回動手段１６は、第２回転子４を回動させると同時に第２回転子４と反対方向に第３回転子５を回動させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転子に永久磁石を備えて永久磁石の界磁特性を変更可能な電動機に関する。

従来、永久磁石を備える第１及び第２回転子が同心円状に配設され、第１回転子と第２回転子との何れか一方を他方に対して周方向に回動させることにより第１回転子と第２回転子との相対的な位相を変更する電動機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この電動機では、電動機の回転速度に応じて両回転子における相対的な位相を変更する場合には、遠心力の作用により径方向に沿って変位する部材によって、第１回転子と第２回転子との何れか一方を他方に対して周方向に回動させる。また、固定子に発生する回転磁界の速度に応じて両回転子における相対的な位相を変更する場合には、各回転子が慣性により回転速度を維持する状態で固定子巻線に制御電流を通電して回転磁界速度を変更することによって、第１及び第２回転子の周方向の相対位置を変更する。
特開２００２−２０４５４１号公報

ところで、上記従来技術の電動機によれば、第１回転子と第２回転子との相対的な位相を変更することにより電動機の特性（誘起電圧／回転数の比）を可変とすることができるが、その反面、強め界磁位相と弱め界磁位相との中間位相時での誘起電圧波形が左右非対称となって高調波成分を多く含むという問題が生じる。この結果、高調波に起因する電流損失の増加、固定子巻線への通電を制御するインバータの耐電圧に達する電動機の回転数の低下、更には、電動機への通電制御が困難となる不都合がある。

また、電動機の回転速度に応じて第１および第２回転子の位相差を制御する場合には、電動機の作動状態、即ち回転速度に応じた遠心力が作用する状態でのみ第１および第２回転子の相対的な位相の変更が可能であり、電動機の停止状態を含む適宜のタイミングで位相を変更することができない。しかも、この場合には、電動機に対する電源での電源電圧の変動に拘わらずに位相が変更されることから、例えば電源電圧と電動機の誘起電圧との大小関係が逆転するおそれがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、特性を可変とすることができるだけでなく、各回転子における相対的な位相のうち、強め界磁位相と弱め界磁位相との間の位相での高調波起電力を低減させて運転効率を向上させることができ、しかも、円滑且つ確実に各回転子間の位相を変更することができる電動機を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、複数の永久磁石が周方向に配設された第１及び第２回転子を回転軸の周囲に同心円状に備え、第１回転子に対して第２回転子を周方向に回動させて第１回転子と第２回転子との間の相対的な位相を変更する回動手段を備える電動機であって、前記第２回転子の軸方向に並列に配置され、複数の永久磁石が周方向に配設されて第２回転子と同軸に回動自在の第３回転子を備え、前記回動手段は、第２回転子を回動させると同時に第２回転子と反対方向に第３回転子を回動させて第１回転子と第３回転子との間の相対的な位相を変更することを特徴とする。

本発明の電動機は、前記回動手段により、第２回転子を回動させると同時に第３回転子を第２回転子と反対方向に回動させことで、各回転子の位相が変更される。即ち、例えば、第１回転子の永久磁石と第２回転子の永久磁石とを異極の磁極同士で対向させ、且つ、第１回転子の永久磁石と第３回転子の永久磁石とを異極の磁極同士で対向させることで、第１回転子の永久磁石による界磁磁束が固定子巻線を鎖交する鎖交磁束量が、第２及び第３回転子の永久磁石による界磁磁束によって強められた状態となる（強め界磁位相）。この状態から、前記回動手段により、第２回転子と第３回転子とを互いに相反する方向に回動させて、第１回転子の永久磁石と第２回転子の永久磁石とを同極の磁極同士で対向させ、且つ、第１回転子の永久磁石と第３回転子の永久磁石とを同極の磁極同士で対向させることで、第１回転子の永久磁石による界磁磁束が固定子巻線を鎖交する鎖交磁束量が、第２及び第３回転子の永久磁石による界磁磁束によって弱められる（弱め界磁位相）。

ここで、各回転子間相互の位相が強め界磁位相から弱め界磁位相に変更されるまでの中間位相では、互いに反対方向に回動してきた第２回転子の永久磁石と第３回転子の永久磁石とが異極の磁極同士で並列した状態となる。このとき、第１回転子の複数の永久磁石のうちの一つについてみると、第２回転子の互いに隣り合う異極の磁極の永久磁石の一部と同極の磁極の永久磁石の一部とが第１回転子の当該永久磁石に対向する。一方、同時に、第３回転子の互いに隣り合う同極の磁極の永久磁石の一部と異極の磁極の永久磁石の一部とが第１回転子の当該永久磁石に対向する。このように、第１回転子の当該永久磁石には異極の磁極の永久磁石の一部と同極の磁極の永久磁石の一部とが互い違いに対向することになり、中間位相における誘起電圧の急激な変化が抑制される。これによって、中間位相における誘起電圧波形が左右対称となり、高調波成分が低減する。そして、高調波成分が低減することによって、高調波に起因する電流損失を防止することができると共に、インバータ耐電圧に達する電動機の回転数を増加させることができ、更に、電動機への通電制御を容易とすることができる。

また、本発明において、前記回動手段は、回転軸の外周面に対応してスプライン係合する内周面を有すると共に回転軸の軸線方向に沿って互いに接離自在の一対のリングギヤと、回転軸の軸線に沿って両リングギヤを互いに接離する方向に移動させるギヤ接離駆動手段とを備え、前記第２回転子と第３回転子とは、各リングギヤの外周面に対応してスプライン係合する内周面を有して夫々のリングギヤに各別に支持され、回転軸の外周面と各リングギヤの外周面との少なくとも一方がヘリカルスプラインとされており、前記ギヤ接離駆動手段による両リングギヤ同士の接離により第２回転子と第３回転子とが互いに反対方向に回動されることを特徴とする。

本発明における回動手段は、第２回転子の内周面が一方のリングギヤの外周面にスプライン係合し、第３回転子の内周面が他方のリングギヤの外周面にスプライン係合する。また、両リングギヤは、回転軸の軸線方向に沿って互いに接離自在とされた状態でその内周面が回転軸の外周面にスプライン係合されている。そして、両リングギヤは、ギヤ接離駆動手段によって回転軸の軸線方向に沿って互いに接近・離反される。このとき、回転軸の外周面と各リングギヤの外周面との少なくとも一方をヘリカルスプラインとしたことにより、ギヤ接離駆動手段による両リングギヤ同士の接離駆動の際には、各リングギヤが互いに相反する方向に回動しつつ回転軸の軸線方向に沿って移動する。これにより、第１回転子、第２回転子及び第３回転子の同期運転の実行状態、或いは電動機の停止状態であっても、第１回転子と第２回転子との相対的な位相及び第１回転子と第３回転子との相対的な位相を容易且つ適切に変更することができる。

また、前記ギヤ接離駆動手段は、前記両リングギヤ間に形成された圧力室と、前記回転軸に形成されて圧力室に連通する流体路とを備え、流体路を介して圧力室に流体を供給することにより両リングギヤを接離移動させることが好ましい。

これによれば、流体路を介して圧力室に流体を供給するだけで両リングギヤ間を拡開させることができるので、構造を簡単として第１回転子と第２回転子との相対的な位相及び第１回転子と第３回転子との相対的な位相を円滑に変更することができる。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る電動機の第１回転子及び第２回転子と固定子とを示す断面説明図、図２は本実施形態に係る電動機の概略構成を示す断面説明図、図３は本実施形態に係る電動機の各回転子の強め界磁位相状態であって、図３（ａ）は第１回転子の永久磁石と第２回転子の永久磁石とが同極配置された状態を模式的に示す説明図、図３（ｂ）は第１回転子の永久磁石と第３回転子の永久磁石とが同極配置された状態を模式的に示す説明図、図４は本実施形態に係る電動機の各回転子の弱め界磁位相状態であって、図４（ａ）は第１回転子の永久磁石と第２回転子の永久磁石とが対極配置された状態を模式的に示す説明図、図４（ｂ）は第１回転子の永久磁石と第３回転子の永久磁石とが対極配置された状態を模式的に示す説明図、図５は本実施形態に係る電動機の各回転子の中間位相状態であって、図５（ａ）は第１回転子に対する第２回転子の中間位相状態を模式的に示す説明図、図５（ｂ）は第１回転子に対する第３回転子の中間位相状態を模式的に示す説明図、図６は強め界磁位相と弱め界磁位相とその中間位相とにおける誘起電圧を示すグラフ図である。

本実施形態の電動機１は、図１に示すように、環状の固定子２と、固定子２の内側に配置された環状の第１回転子３とを備え、更に、第１回転子３の内側に同心円状に配置された環状の第２回転子４と、第２回転子４と同様にして第１回転子３の内側に同心円状に配置され且つ第２回転子４に並列に配置された環状の第３回転子５とを備えている。なお、図１においては、説明の便宜上第２回転子４の一部を破断して示しており、第３回転子５の一部を露出させて示している。

第１回転子３は、図２に示すように、略円盤状のドライブプレート６に連設された円筒状の支持ドラム７の外周に支持され、ドライブプレート６を介して中空の回転軸８に連結されている。回転軸８は出力軸９に外挿され、回転軸８と出力軸９とは一体に回転する。

また、第１回転子３は、図１に示すように、略円筒状の第１ロータ鉄心１０と、第１ロータ鉄心１０の周方向に等間隔に配列されて第１ロータ鉄心１０に埋設保持された複数の第１永久磁石１１とを備えている。第１永久磁石１１は、何れも第１ロータ鉄心１０の径方向を厚み方向とした板状に形成されており、その厚み方向に磁化されている。そして、周方向に隣り合う第１永久磁石１１同士は、互いに磁化方向が異方向となるように配設されている。即ち、一方の第１永久磁石１１は外周側がＮ極となるように設けられ、他方の第１永久磁石１１は外周側がＳ極となるように設けられて、外周側がＮ極の第１永久磁石１１と外周側がＳ極の第１永久磁石１１とが周方向に交互に配列されている。

第２回転子４は、図１に示すように、略円筒状の第２ロータ鉄心１２と、第２ロータ鉄心１２の周方向に等間隔に配列されて第２ロータ鉄心１２に埋設保持された複数の第２永久磁石１３とを備えている。第２永久磁石１３は、第１永久磁石１１と同様に、何れも第２ロータ鉄心１２の径方向を厚み方向とした板状に形成されており、その厚み方向に磁化されている。そして、互いに隣り合う一方の第２永久磁石１３は外周側がＮ極となるように設けられ、他方の第２永久磁石１３は外周側がＳ極となるように設けられて、外周側がＮ極の第２永久磁石１３と外周側がＳ極の第２永久磁石１３とは周方向に交互に配列されている。

そして、第２回転子４は、図２に示すように、回転軸８の軸線に沿った幅寸法が、第１回転子３の幅寸法の約１／２とされ、第１回転子３の軸方向の一方半部の位置に内包されている。

第３回転子５は、第２回転子４と同様の構成であり、図１に示すように、略円筒状の第３ロータ鉄心１４と、第３ロータ鉄心１４の周方向に等間隔に配列されて第３ロータ鉄心１４に埋設保持された複数の第３永久磁石１５とを備えている。そして、互いに隣り合う一方の第３永久磁石１５は外周側がＮ極となるように設けられ、他方の第３永久磁石１５は外周側がＳ極となるように設けられて、外周側がＮ極の第３永久磁石１５と外周側がＳ極の第３永久磁石１５とは周方向に交互に配列されている。また、第３回転子５は、図２に示すように、回転軸８の軸線に沿った幅寸法が、第１回転子３の幅寸法の約１／２とされ、第２回転子４と軸方向に隣り合って第１回転子３の他方半部に内包されている。

更に、第２回転子４及び第３回転子５は、図２に示すように、回動手段１６を介して回転軸８に連結されている。回動手段１６は、詳しくは後述するが、第２回転子４を回動させることによって第１回転子３と第２回転子４との間の相対的な位相を変更し、同時に、第３回転子５を第２回転子４と反対方向に回動させることによって第１回転子３と第３回転子５との間の相対的な位相を変更する。

固定子２は、第１回転子３の外周部に対向配置される略円筒状に形成されており、第１回転子３と第２回転子４及び第３回転子５とを回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子巻線１７を備えている。

本実施形態の電動機１は、以上のように所謂ブラシレスＤＣモータを構成しており、例えばハイブリッド車両や電動車両等の車両に駆動源として搭載される。このとき、電動機１は固定子２が例えば車両のトランスミッションのハウジング（図示しない）等に固定され、出力軸９はトランスミッション（図示しない）の入力軸に接続されて、電動機１の駆動力がトランスミッションを介して車両の駆動輪（図示しない）に伝達される。なお、車両の減速時に駆動輪側から電動機１に駆動力が伝達されると、電動機１は発電機として機能して回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギー（回生エネルギー）として回収する。更に、例えばハイブリッド車両においては、電動機１の出力軸９が内燃機関（図示しない）のクランクシャフトに連結されており、内燃機関の出力が電動機１に伝達された場合にも電動機１は発電機として機能して発電エネルギーを発生する。

次に、本実施形態の電動機１における前記回動手段１６について説明する。図２に示すように、回動手段１６は、回転軸８と第２回転子４との間に設けられた第１リングギヤ１８と、回転軸８と第３回転子５との間に設けられた第２リングギヤ１９とを備えている。第１リングギヤ１８と第２リングギヤ１９とは、回転軸８の軸線に沿って互いに接離移動可能（即ち、互いに近接する方向と離反する方向とに選択的に移動することが可能）とされている。回転軸８の外周面にはヘリカルスプラインが形成されており、第１リングギヤ１８の内周面及び第２リングギヤ１９の内周面には、回転軸８のヘリカルスプラインに対応するヘリカルスプラインが形成されている。これにより、第１リングギヤ１８及び第２リングギヤ１９は回転軸８にスプライン係合されている。

第１リングギヤ１８の外周面及び第２リングギヤ１９の外周面には、回転軸８のヘリカルスプラインと逆ピッチのヘリカルスプラインが形成されている。そして、第２回転子４の内周面には、第１リングギヤ１８の外周面のヘリカルスプラインに対応するヘリカルスプラインが形成されており、第２回転子４と第１リングギヤ１８とは互いにスプライン係合されている。同じく、第３回転子５の内周面には、第２リングギヤ１９の外周面のヘリカルスプラインに対応するヘリカルスプラインが形成されており、第３回転子５と第２リングギヤ１９とは互いにスプライン係合されている。

また、第１リングギヤ１８と第２リングギヤ１９との間には圧力室２０が形成されている。回転軸８には、圧力室２０に連通する連通口２１（流体路）が形成されており、連通口２１には出力軸９に形成された給油路２２が接続されている。なお、給油路２２には、図示しない強制給油手段が接続されており、連通口２１を介して圧力室２０内に油を加圧供給することができるようになっている。なお、圧力室２０、連通口２１、給油路２２、及び強制給油手段は、本発明のギヤ接離駆動手段を構成している。また、図２において符号２３で示すものは、第２回転子４及び第３回転子５の軸方向への移動を規制しつつ回動方向へ案内する環状のキーであり、符号２４で示すものは、第２回転子４及び第３回転子５の回動を円滑に行わしめるためのスラストベアリングである。

次に、以上の構成による回動手段１６の作動を説明する。先ず、図２に示すように、第１リングギヤ１８と第２リングギヤ１９とが互いに近接した状態（当接状態）のとき、第１回転子３と第２回転子４及び第３回転子５とは同期回転し、第１回転子３と第２回転子４及び第３回転子５との間の相対的な位相は変化せずに維持される。このとき、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、第２回転子４の第２永久磁石１３と第３回転子５の第３永久磁石１５とを同一の磁化方向のもの同士で軸線方向に一致して並んだ状態とし、更に、第２永久磁石１３及び第３永久磁石１５と第１回転子３の第１永久磁石１１とが異極の磁極同士で対向するように配置（即ち同極配置）しておくことにより強め界磁状態となる。

一方、圧力室２０内に油を加圧供給すると、図２において仮想線で示すように、第１リングギヤ１８と第２リングギヤ１９とが回転軸８に沿って互いに離反する。回転軸８と第１リングギヤ１８とはヘリカルスプラインによる係合なので、回転軸８に沿って移動しつつ回動する。同時に、第２リングギヤ１９は、回転軸８に沿って第１リングギヤ１８と反対方向に移動する。これにより、第１リングギヤ１８と同一のヘリカルスプラインに係合された第２リングギヤ１９は、移動しつつ第１リングギヤ１８と反対方向に回動する。

更に、第１リングギヤ１８の回動により、第１リングギヤ１８の外周面のヘリカルスプラインに係合された第２回転子４が回動し、同時に、第２リングギヤ１９の外周面のヘリカルスプラインに係合された第３回転子５が第２回転子４と反対方向に回動する。このとき、第１リングギヤ１８の外周面及び第２リングギヤ１９の外周面のヘリカルスプラインは、回転軸８の外周面のヘリカルスプラインに対して逆ピッチとされていることにより、第１リングギヤ１８と第２リングギヤ１９とが回転軸８に沿って互いに離反する際の移動距離が比較的少なくても、第３回転子５と第２回転子４との回動量を十分に得ることができると共に迅速に回動させることができる。

そして、このとき、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、第２回転子４の第２永久磁石１３と第３回転子５の第３永久磁石１５とは、同一の磁化方向のもの同士で軸線方向に一致して並んだ状態となり、更に、第２永久磁石１３及び第３永久磁石１５と第１回転子３の第１永久磁石１１とが同極の磁極同士で対向する状態（即ち対極配置）になることにより弱め界磁状態となる。

なお、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す各永久磁石１１，１３，１５が同極配置とされる強め界磁状態では、図６に波形ａで示すように、誘起電圧の大きさが変化する。一方、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す各永久磁石１１，１３，１５が対極配置とされる弱め界磁状態では図６に波形ｂで示すように、誘起電圧の大きさが変化する。

また、各回転子３，４，５による強め界磁状態と弱め界磁状態との中間となる中間位相においては、例えば、各回転子間３，４，５相互の位相が強め界磁位相から弱め界磁位相に変更される間の中間位相では、図５（ａ）に示すように、第２回転子４の互いに隣り合う同士で異極の磁極とされている一対の第２永久磁石１３の一部が、第１回転子３の第１永久磁石１１に対向する。一方、図５（ｂ）に示すように、第２回転子４と反対方向に回動してきた第３回転子５の互いに隣り合う同士で異極の磁極とされている一対の第３永久磁石１５の一部が、第１回転子３の第１永久磁石１１に対向する。これによって、第１回転子３の第１永久磁石１１には、異極の磁極となっている第２回転子４の第２永久磁石１３の一部及び第３回転子５の第３永久磁石１５の一部と、同極の磁極となっている第２回転子４の第２永久磁石１３の一部及び第３回転子５の第３永久磁石１５の一部とが互い違いに対向する。これにより、図６に示すように、中間位相における誘起電圧波形ｃが電気角９０°及び２７０°を介して左右対称となる。図５において比較のために示す従来の電動機における中間位相での誘起電圧波形ｄでは、電気角９０°及び２７０°を介して左右非対称となるが、本実施形態の電動機１の中間位相における誘起電圧波形ｃは左右対称であることにより、高調波成分が低減する。そして、本実施形態の電動機１では、高調波成分が低減することによって、高調波に起因する電流損失を防止することができると共に、固定子巻線１７への通電を制御するインバータ（図示せず）の耐電圧に達する電動機１の回転数を増加させることができ、更に、電動機１への通電制御を容易とすることができる。

なお、本実施形態の回動手段１６においては、回転軸８への第１リングギヤ１８及び第２リングギヤ１９のスプライン係合と、第１リングギヤ１８及び第２リングギヤ１９への第２回転子４及び第３回転子５のスプライン係合とを、共にヘリカルスプラインによる係合としたが、第１リングギヤ１８及び第２リングギヤ１９の移動によって、第２回転子４及び第３回転子５の相反する回動に十分な回動量が得られれば、回転軸８への第１リングギヤ１８及び第２リングギヤ１９のスプライン係合と、第１リングギヤ１８及び第２リングギヤ１９への第２回転子４及び第３回転子５のスプライン係合との何れか一方をヘリカルスプラインによる係合とし、他方を軸線方向にのみ移動自在とする通常のスプライン係合としてもよい。

本発明の一実施形態に係る電動機の第１回転子及び第２回転子と固定子とを示す断面説明図。本実施形態に係る電動機の概略構成を示す断面説明図。本実施形態に係る電動機の各回転子の強め界磁位相状態を模式的に示す説明図。本実施形態に係る電動機の各回転子の弱め界磁位相状態を模式的に示す説明図。本実施形態に係る電動機の各回転子の中間位相状態を模式的に示す説明図。強め界磁位相と弱め界磁位相とその中間位相とにおける誘起電圧を示すグラフ図。

符号の説明

１…電動機、３…第１回転子、４…第２回転子、５…第３回転子、８…回転軸、１１…第１永久磁石、１３…第２永久磁石、１５…第３永久磁石、１６…回動手段、１８…第１リングギヤ、１９…第２リングギヤ、２０…圧力室、２１…連通口（流体路）。

Claims

複数の永久磁石が周方向に配設された第１及び第２回転子を回転軸の周囲に同心円状に備え、第１回転子に対して第２回転子を周方向に回動させて第１回転子と第２回転子との間の相対的な位相を変更する回動手段を備える電動機であって、
前記第２回転子の軸方向に並列に配置され、複数の永久磁石が周方向に配設されて第２回転子と同軸に回動自在の第３回転子を備え、
前記回動手段は、第２回転子を回動させると同時に第２回転子と反対方向に第３回転子を回動させて第１回転子と第３回転子との間の相対的な位相を変更することを特徴とする電動機。
前記回動手段は、回転軸の外周面に対応してスプライン係合する内周面を有すると共に回転軸の軸線方向に沿って互いに接離自在の一対のリングギヤと、回転軸の軸線に沿って両リングギヤを互いに接離する方向に移動させるギヤ接離駆動手段とを備え、
前記第２回転子と第３回転子とは、各リングギヤの外周面に対応してスプライン係合する内周面を有して夫々のリングギヤに各別に支持され、
回転軸の外周面と各リングギヤの外周面との少なくとも一方がヘリカルスプラインとされており、前記ギヤ接離駆動手段による両リングギヤ同士の接離により第２回転子と第３回転子とが互いに相反する方向に回動されることを特徴とする請求項１記載の電動機。
前記ギヤ接離駆動手段は、前記両リングギヤ間に形成された圧力室と、前記回転軸に形成されて圧力室に連通する流体路とを備え、流体路を介して圧力室に流体を供給することにより両リングギヤを接離移動させることを特徴とする請求項２記載の電動機。