本発明は、回転電機に係り、特に、巻線が巻回された固定子と、異なる極性が周方向に交互に配置された界磁用磁石を有する回転子と、を備える回転電機に関する。
The present invention relates to a rotary electric machine, and more particularly, to a rotary electric machine including a stator around which a winding is wound and a rotor having field magnets in which different polarities are alternately arranged in a circumferential direction.
従来、巻線が巻回された固定子と、異なる極性が周方向に交互に配置された界磁用磁石を有する回転子と、を備える回転電機が知られている(例えば、特許文献1参照)。この回転電機において、回転子の界磁用磁石は、回転軸方向に2つ並んで配置されており、互いに周方向に相対回転可能である。かかる回転電機においては、電動機として機能するときは、界磁用磁石の同極同士が回転軸方向に並び、また、発電機として機能するときは、その同極同士が回転軸方向にずれる。すなわち、回転子のトルク方向に応じて、界磁用磁石の磁極中心が変化される。そして、かかる機能を実現するために、回転子側に電磁的なサーボ機構が設けられている。
特開2001−69609号公報
2. Description of the Related Art Conventionally, a rotating electrical machine including a stator around which a winding is wound and a rotor having field magnets in which different polarities are alternately arranged in the circumferential direction is known (see, for example, Patent Document 1). ). In this rotating electrical machine, two field magnets of the rotor are arranged side by side in the direction of the rotation axis and are relatively rotatable in the circumferential direction. In such a rotating electrical machine, when functioning as an electric motor, the same poles of the field magnets are aligned in the rotation axis direction, and when functioning as a generator, the same poles are shifted in the rotation axis direction. That is, the magnetic pole center of the field magnet is changed according to the torque direction of the rotor. In order to realize this function, an electromagnetic servo mechanism is provided on the rotor side.
JP 2001-69609 A
ところで、低回転領域において高トルク定数を得かつ高回転領域において低トルク定数を得るうえでは、回転電機のトルク定数を回転領域に応じて可変することが必要である。しかしながら、トルク定数を可変するのに上記の如く電磁的なサーボ機構を設け或いは制御による弱め界磁を行うものとすると、構造が複雑となり、無駄な電力が消費される不都合が生じ得る。
By the way, in order to obtain a high torque constant in the low rotation region and to obtain a low torque constant in the high rotation region, it is necessary to vary the torque constant of the rotating electrical machine according to the rotation region. However, if the electromagnetic servo mechanism is provided as described above or the field weakening by the control is performed to vary the torque constant, the structure becomes complicated and there is a problem that wasteful power is consumed.
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、トルク定数の可変を機械的に実現した回転電機を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a rotating electrical machine that mechanically realizes variable torque constants.
上記の目的は、巻線が巻回された固定子と、異なる極性が周方向に交互に配置された界磁用磁石を有する回転子と、を備える回転電機であって、前記界磁用磁石を、回転軸方向に並んでかつ周方向への相対回転可能に2つ設けると共に、前記回転子に、少なくとも一つの前記界磁用磁石を回転軸方向に隣り合う前記界磁用磁石と同極同士が周方向にずれるように付勢する付勢手段を設けた回転電機により達成される。
The above object is a rotating electrical machine comprising a stator around which a winding is wound and a rotor having field magnets in which different polarities are alternately arranged in the circumferential direction, and the field magnet Are arranged side by side in the rotation axis direction and can be rotated relative to each other in the circumferential direction, and at least one of the field magnets on the rotor has the same polarity as that of the field magnet adjacent in the rotation axis direction. This is achieved by a rotating electrical machine provided with an urging means for urging each other so as to be displaced in the circumferential direction.
この態様の発明において、回転軸方向に並んでかつ周方向への相対回転が可能な2つの界磁用磁石のうち少なくとも一つは、隣り合うものと同極同士が周方向にずれるように付勢手段により付勢されている。互いに隣り合う2つの界磁用磁石の同極同士が付勢手段による付勢力により周方向にずれれば、回転子側と固定子側との間で鎖交する磁束量が比較的少なくなり、弱め界磁効果を得ることができる。一方、互いに隣り合う2つの界磁用磁石の同極同士が付勢手段による付勢力に抗して回転軸方向に隣接して並べば、回転子側と固定子側との間で鎖交する磁束量が比較的多くなり、高いトルク定数を得ることができる。従って、トルク定数の可変を機械的に実現することができる。
In this aspect of the invention, at least one of the two field magnets arranged in the direction of the rotation axis and capable of relative rotation in the circumferential direction is attached such that the same polarity as the adjacent magnet is displaced in the circumferential direction. It is energized by the energizing means. If the same poles of two adjacent field magnets are displaced in the circumferential direction by the urging force of the urging means, the amount of magnetic flux linked between the rotor side and the stator side is relatively small, A field weakening effect can be obtained. On the other hand, if the same poles of two adjacent field magnets are arranged adjacent to each other in the rotational axis direction against the biasing force of the biasing means, the rotor side and the stator side are linked. The amount of magnetic flux becomes relatively large, and a high torque constant can be obtained. Therefore, the variable torque constant can be realized mechanically.
この場合、上記した回転電機において、前記付勢手段は、各界磁用磁石に対応してそれぞれ設けられていることとしてもよい。
In this case, in the rotating electric machine described above, the urging means may be provided corresponding to each field magnet.
また、上記した回転電機において、前記付勢手段により付勢される前記界磁用磁石は、前記巻線に流れる電流が所定値以上であるとき、前記付勢手段による付勢力に抗して、回転軸方向に隣り合う前記界磁用磁石と同極同士の周方向のずれが小さくなるように回転されることとすればよい。
Further, in the rotating electrical machine described above, the field magnet biased by the biasing means resists the biasing force by the biasing means when the current flowing through the winding is equal to or greater than a predetermined value. What is necessary is just to rotate so that the shift | offset | difference of the circumferential direction of the same pole as the said field magnet adjacent to a rotating shaft direction may become small.
尚、上記した回転電機において、2つの前記界磁用磁石の間に生ずる周方向のずれ角を検出するずれ角検出手段と、前記回転子の回転時、前記ずれ角検出手段により検出される前記ずれ角に応じて、前記巻線に流す電流を補正する電流制御手段と、を備えることとすれば、2つの界磁用磁石の磁極中心のずれを考慮した電流制御を行うことができる。
In the rotating electric machine described above, a deviation angle detecting means for detecting a circumferential deviation angle generated between the two field magnets, and the deviation angle detecting means detected when the rotor rotates. If current control means for correcting the current flowing through the winding according to the deviation angle is provided, current control can be performed in consideration of deviation between the magnetic pole centers of the two field magnets.
また、上記した回転電機において、2つの前記界磁用磁石の間に生ずる周方向のずれ角を検出するずれ角検出手段と、前記ずれ角検出手段により検出される前記ずれ角が所定角以上であるとき、異常が生じていると判定する異常判定手段と、を備えることとすれば、検出される2つの界磁用磁石の磁極中心のずれが所望の範囲を超えることとなるモータの断線や各種センサの異常,回転子からの界磁用磁石の剥離異常を検出することができる。
Further, in the rotating electric machine described above, a deviation angle detection means for detecting a circumferential deviation angle generated between the two field magnets, and the deviation angle detected by the deviation angle detection means is a predetermined angle or more. If there is an abnormality determination means for determining that an abnormality has occurred at a certain time, the motor disconnection or the deviation of the magnetic pole center between the two detected field magnets exceeds a desired range. It is possible to detect abnormalities in various sensors and separation abnormalities of the field magnet from the rotor.
本発明によれば、トルク定数の可変を機械的に実現することができる。
According to the present invention, the variable torque constant can be mechanically realized.
以下、図面を用いて、本発明の具体的な実施の形態について説明する。
Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1及び図2はそれぞれ、本発明の第1実施例である回転電機10の構成図を示す。尚、図1には回転子に小トルクが作用する際の状況を、また、図2には回転子に大トルクが作用する際の状況を、それぞれ示す。本実施例において、回転電機10は、例えば車両に搭載される電気パワーステアリング装置や車両の動力装置などに用いられる、低回転で高トルクをかつ高回転で低トルクを出力させる電動モータである。
1 and 2 each show a configuration diagram of a rotating electrical machine 10 according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a situation when a small torque acts on the rotor, and FIG. 2 shows a situation when a large torque acts on the rotor. In this embodiment, the rotating electrical machine 10 is an electric motor that is used in, for example, an electric power steering device mounted on a vehicle, a vehicle power device, or the like and outputs a high torque at a low rotation and a low torque at a high rotation.
図1に示す如く、回転電機10は、ハウジングに固定された固定子(ステータ)12と、固定子12に対して回転可能な回転子(ロータ)14と、を備えている。ステータ12は、略円筒状に形成されたステータコアと、ステータコアに巻回された巻線(固定子巻線)と、を有している。この固定子巻線には、制御部から例えば位相差120°の三相交流電流が供給される。
As shown in FIG. 1, the rotating electrical machine 10 includes a stator (stator) 12 fixed to a housing, and a rotor (rotor) 14 that can rotate with respect to the stator 12. The stator 12 includes a stator core formed in a substantially cylindrical shape, and windings (stator windings) wound around the stator core. For example, a three-phase alternating current having a phase difference of 120 ° is supplied to the stator winding from the control unit.
また、ロータ14は、ステータ12の内周側に空隙を介して回転軸を中心にして回転可能に配設されている。ロータ14は、回転し得るシャフト16に固定されており、そのシャフト16の外周を囲むように設けられている。シャフト16は、シャフト本体部16aと2つのフランジ部16b,16cとにより構成されている。シャフト本体部16aは、丸棒状に回転軸方向に延びており、その軸方向両端において軸受装置により回転可能に支持されている。また、フランジ部16b,16cはそれぞれ、シャフト本体部16aに一体的に固定されており、シャフト本体部16aから径方向に突出して円盤状に形成されており、回転軸方向に所定の厚さを有している。2つのフランジ部16b,16cは、互いに軸方向に所定距離だけ離れている。
In addition, the rotor 14 is disposed on the inner peripheral side of the stator 12 so as to be rotatable about a rotation axis via a gap. The rotor 14 is fixed to a rotatable shaft 16 and is provided so as to surround the outer periphery of the shaft 16. The shaft 16 includes a shaft main body portion 16a and two flange portions 16b and 16c. The shaft main body 16a extends in the direction of the rotation axis in the shape of a round bar, and is rotatably supported by bearing devices at both ends in the axial direction. Each of the flange portions 16b and 16c is integrally fixed to the shaft main body portion 16a, protrudes in the radial direction from the shaft main body portion 16a, is formed in a disk shape, and has a predetermined thickness in the rotation axis direction. Have. The two flange portions 16b and 16c are separated from each other by a predetermined distance in the axial direction.
ロータ14は、回転軸方向に略均等に2分割された第1のロータ18と第2のロータ20とを有している。第1及び第2のロータ18,20は、シャフト16における2つのフランジ部16b,16cの間に配置されている。第1及び第2のロータ18,20はそれぞれ、両者の軸方向厚さを足し合わせた長さが2つのフランジ部16b,16cを軸方向に結んだ直線距離よりも僅かに短くなるように形成されている。
The rotor 14 includes a first rotor 18 and a second rotor 20 that are divided into two substantially equally in the rotation axis direction. The first and second rotors 18 and 20 are disposed between the two flange portions 16 b and 16 c of the shaft 16. The first and second rotors 18 and 20 are each formed such that the sum of the axial thicknesses of the first and second rotors 18 and 20 is slightly shorter than the linear distance connecting the two flange portions 16b and 16c in the axial direction. Has been.
第1のロータ18は、シャフト16のフランジ部16bに固定されており、シャフト16と一体に回転することが可能である。また、上記したシャフト16の本体部16aには、その外周面(特にフランジ部16c側)に雄ねじが形成されている。第2のロータ20には、その内周面にシャフト本体部16aの雄ねじと螺合する雌ねじが形成されている。すなわち、第2のロータ20は、シャフト16の本体部16aに螺合しており、シャフト本体部16aの回りに回転しつつ回転軸方向に向けて変位することが可能である。第2のロータ20は、回転軸方向に向けて、シャフト16のフランジ部16cに当接する状態と第1のロータ18に当接する状態との間で変位することが可能である。
The first rotor 18 is fixed to the flange portion 16 b of the shaft 16, and can rotate integrally with the shaft 16. The main body portion 16a of the shaft 16 is formed with a male screw on the outer peripheral surface (particularly on the flange portion 16c side). The second rotor 20 is formed with an internal thread that is engaged with the external thread of the shaft main body portion 16a on the inner peripheral surface thereof. That is, the second rotor 20 is screwed into the main body portion 16a of the shaft 16, and can be displaced in the direction of the rotation axis while rotating around the shaft main body portion 16a. The second rotor 20 can be displaced between the state in contact with the flange portion 16c of the shaft 16 and the state in contact with the first rotor 18 in the direction of the rotation axis.
第1のロータ18には、異なる極性(N極とS極)の磁極が周方向に所定角度(例えば90°)ごとに交互に配置された磁石22が取り付けられている。また、第2のロータ20には、異なる極性(N極とS極)の磁極が周方向に所定角度(例えば90°)ごとに交互に配置された磁石24が取り付けられている。これら2つの磁石22と磁石24とは、回転軸方向に並んでかつ互いに周方向への相対回転可能に設けられている。これら磁石22,24の取り付けは、ロータ18,20の外周表面への接着剤による接着固定であってもよいし、また、ロータ18,20の内部への埋め込みであってもよい。尚、磁石22における上記の所定角度と磁石24における上記の所定角度とは同一である。
The first rotor 18 is attached with magnets 22 in which magnetic poles having different polarities (N pole and S pole) are alternately arranged at predetermined angles (for example, 90 °) in the circumferential direction. In addition, the second rotor 20 is provided with magnets 24 in which magnetic poles having different polarities (N pole and S pole) are alternately arranged at predetermined angles (for example, 90 °) in the circumferential direction. These two magnets 22 and 24 are provided so as to be aligned in the rotation axis direction and relatively rotatable in the circumferential direction. The attachment of the magnets 22 and 24 may be an adhesive fixing to the outer peripheral surfaces of the rotors 18 and 20 by an adhesive, or may be embedded in the rotors 18 and 20. The predetermined angle in the magnet 22 and the predetermined angle in the magnet 24 are the same.
シャフト16のフランジ部16cには、第2のロータ20へ面する側に回転軸方向に向けて空いた溝26が形成されている。溝26は、円柱状に設けられており、軸中心からオフセットした位置に一箇所だけ形成されている。溝26には、回転軸方向に伸縮可能なスプリングバネ28が配設されている。スプリングバネ28の一端は、溝26の底面に固定されている。また、スプリングバネ28の他端には、ある程度の重さを有する球形のボール30が固定されている。ボール30は、スプリングバネ28の回転軸方向への伸縮に応じて回転軸方向に変位する。
In the flange portion 16 c of the shaft 16, a groove 26 vacated in the direction of the rotation axis is formed on the side facing the second rotor 20. The groove 26 is provided in a cylindrical shape, and is formed only at one position at a position offset from the axis center. A spring spring 28 that can expand and contract in the direction of the rotation axis is disposed in the groove 26. One end of the spring spring 28 is fixed to the bottom surface of the groove 26. A spherical ball 30 having a certain weight is fixed to the other end of the spring spring 28. The ball 30 is displaced in the direction of the rotation axis in accordance with the expansion and contraction of the spring spring 28 in the direction of the rotation axis.
また、第2のロータ20には、回転軸方向に向けて空いた溝32が形成されている。溝32は、フランジ部16cに面して設けられており、そのフランジ部16cの溝26と対面するように軸中心からオフセットした位置に一箇所だけ形成されている。溝32は、径方向に上記したボール30の直径程度の幅を有していると共に、周方向にボール30の直径よりも長い長さを有している。溝32は、その回転軸方向への深さが周方向位置に応じて異なり、ロータ14が回転する方向にいくに従って徐々に(直線状に)深くなるように形成されている。
Further, the second rotor 20 is formed with a groove 32 vacant in the direction of the rotation axis. The groove 32 is provided so as to face the flange portion 16c, and is formed at one position at a position offset from the axis center so as to face the groove 26 of the flange portion 16c. The groove 32 has a width about the diameter of the ball 30 described above in the radial direction and a length longer than the diameter of the ball 30 in the circumferential direction. The groove 32 is formed so that the depth in the direction of the rotation axis varies depending on the circumferential position, and gradually becomes deeper (linearly) as the rotor 14 rotates.
溝32には、上記したボール30が相対回転可能に嵌っている。ボール30は、その位置が溝32の中に規制されるようになっている。尚、スプリングバネ28は、ボール30が溝32の最深部に位置してもその回転軸方向の長さが自然長よりも短くなるように構成されている。
The ball 30 is fitted in the groove 32 so as to be relatively rotatable. The position of the ball 30 is regulated in the groove 32. The spring spring 28 is configured such that the length in the direction of the rotation axis is shorter than the natural length even when the ball 30 is positioned at the deepest portion of the groove 32.
ボール30と溝32とが相対的に回転する角度と第2のロータ20が回転軸方向に変位する距離とは互いに対応しており、溝32に嵌ったボール30が溝32の一端から他端に相対的に回転すると、第2のロータ20がシャフト16のフランジ部16c又は第1のロータ18に当接する状態から第1のロータ18又はフランジ部16cに当接する状態まで回転軸方向に変位する(図1及び図2参照)。
The angle at which the ball 30 and the groove 32 relatively rotate and the distance by which the second rotor 20 is displaced in the direction of the rotation axis correspond to each other, and the ball 30 fitted in the groove 32 moves from one end of the groove 32 to the other end. 2, the second rotor 20 is displaced in the rotational axis direction from the state in which the second rotor 20 abuts on the flange portion 16 c or the first rotor 18 of the shaft 16 to the state in which the second rotor 20 abuts on the first rotor 18 or the flange portion 16 c. (See FIGS. 1 and 2).
尚、ボール30と溝32とが相対的に回転できる最大(一端から他端まで)の角度(以下、最大ずれ角度と称す)は、回転電機10のトルク脈動を効果的に低減できる角度(例えば15°)に設定される。また、第1のロータ18の磁石22と第2のロータ20の磁石24とは、ボール30が溝32の最浅部に位置する際には、同極同士の周方向のずれが比較的小さくなって同極同士が回転軸方向に対向して並んで配置されるようになり(図2参照)、一方、ボール30が溝32の最深部に位置する際には、同極同士が周方向に上記の最大ずれ角度だけずれるようになる(図1参照)。
Note that the maximum angle (from one end to the other end) at which the ball 30 and the groove 32 can rotate relative to each other (hereinafter referred to as the maximum deviation angle) is an angle that can effectively reduce the torque pulsation of the rotating electrical machine 10 (for example, 15 °). Further, the magnet 22 of the first rotor 18 and the magnet 24 of the second rotor 20 have a relatively small circumferential shift between the same poles when the ball 30 is located at the shallowest portion of the groove 32. The same poles are arranged to face each other in the direction of the rotation axis (see FIG. 2). On the other hand, when the ball 30 is located at the deepest portion of the groove 32, the same poles are in the circumferential direction. Therefore, the maximum deviation angle is shifted (see FIG. 1).
次に、本実施例の回転電機10の動作について説明する。
Next, operation | movement of the rotary electric machine 10 of a present Example is demonstrated.
本実施例の回転電機10において、スプリングバネ28は、上記の如く、ボール30が溝32の最深部に位置してもその回転軸方向の長さが自然長よりも短くなるように構成されているので、ボール30を溝32の最深部に位置させる弾性力を発生する。かかるバネ力は、溝32の形成されている第2のロータ20をシャフト16のフランジ部16c側に変位させて当接させる力となり、磁石22と磁石24との同極同士を周方向にずらす力となる。また、磁石22,24の同極同士が回転軸方向に隣り合うように対向して並ぶと、N極同士の間に回転軸方向へ向かう大きな反発力が作用する。この反発力は、磁石24を磁石22から回転軸方向へ離間させる力であるので、第2のロータ20をシャフト16のフランジ部16c側に変位させて当接させる力となり、磁石22と磁石24との同極同士を周方向にずらす力となる。
In the rotating electrical machine 10 of the present embodiment, the spring spring 28 is configured so that the length in the direction of the rotation axis is shorter than the natural length even when the ball 30 is positioned at the deepest portion of the groove 32 as described above. Therefore, an elastic force that causes the ball 30 to be positioned at the deepest portion of the groove 32 is generated. This spring force is a force that causes the second rotor 20 in which the groove 32 is formed to be displaced to the flange portion 16c side of the shaft 16 to come into contact therewith, and shifts the same poles of the magnet 22 and the magnet 24 in the circumferential direction. It becomes power. When the same poles of the magnets 22 and 24 are arranged to face each other so as to be adjacent to each other in the rotation axis direction, a large repulsive force acting in the rotation axis direction acts between the N poles. Since the repulsive force is a force that separates the magnet 24 from the magnet 22 in the direction of the rotation axis, the second rotor 20 is displaced to the flange portion 16c side of the shaft 16 and comes into contact therewith. This is the force that shifts the same poles in the circumferential direction.
ステータ12の巻線に制御部から電流が流されないと、ステータ12とロータ14との間にロータ14を回転させる回転磁界が発生しないため、シャフト16が回転することはない。この場合には、磁石24が取り付けられている第2のロータ20にスプリングバネ28によるバネ力や磁石22,24のN極同士による反発力に抗した力は作用しないため、かかるバネ力や反発力によって、第2のロータ20はシャフト16のフランジ部16cに当接する。この当接の際、第1のロータ18と第2のロータ20とは、磁石22,24の同極同士が周方向にずれた状態となる(図1)。
If no current is supplied to the windings of the stator 12 from the control unit, a rotating magnetic field that rotates the rotor 14 is not generated between the stator 12 and the rotor 14, so that the shaft 16 does not rotate. In this case, the spring force by the spring spring 28 or the force against the repulsive force between the N poles of the magnets 22 and 24 does not act on the second rotor 20 to which the magnet 24 is attached. Due to the force, the second rotor 20 abuts against the flange portion 16 c of the shaft 16. At the time of this contact, the first rotor 18 and the second rotor 20 are in a state where the same poles of the magnets 22 and 24 are displaced in the circumferential direction (FIG. 1).
一方、ステータ12の巻線に制御部から電流が流されると、ステータ12とロータ14との間にロータ14を図1に示す矢印方向に回転させる回転磁界が発生するため、シャフト16がその方向に回転する。この際、第2のロータ20は、その溝32においてフランジ部16c側のボール30の相対回転を規制しないので、スプリングバネ28によるバネ力及び磁石22,24のN極同士による反発力に抗した力(トルク)が作用して、シャフト本体部16aに対して周方向に相対回転する。この場合、ボール30は溝32内を各力の釣り合う位置まで最深部側から最浅部側へ移動するので、第2のロータ20は、シャフト本体部16aに対する相対回転を、上記のバネ力及び反発力に抗した力の大きさに応じた量だけ、フランジ部16c側から第1のロータ18側へ向けて離間しつつ実現する。
On the other hand, when a current flows through the winding of the stator 12 from the control unit, a rotating magnetic field is generated between the stator 12 and the rotor 14 to rotate the rotor 14 in the direction of the arrow shown in FIG. Rotate to. At this time, since the second rotor 20 does not restrict the relative rotation of the ball 30 on the flange portion 16c side in the groove 32, the second rotor 20 resisted the spring force by the spring spring 28 and the repulsive force by the N poles of the magnets 22 and 24. A force (torque) acts to rotate relative to the shaft body 16a in the circumferential direction. In this case, since the ball 30 moves from the deepest portion side to the shallowest portion side in the groove 32 to a position where each force is balanced, the second rotor 20 performs relative rotation with respect to the shaft main body portion 16a with the above-described spring force and An amount corresponding to the magnitude of the force resisting the repulsive force is realized while being separated from the flange portion 16c side toward the first rotor 18 side.
ステータ12に流れる電流があまり大きくないときは、ステータ12とロータ14との間に発生する回転磁界は比較的小さいため、ボール30が溝32内を最浅部まで移動することはできない。この場合、第2のロータ20はフランジ部16cからあまり離間せず、シャフト本体部16aに対する相対回転量はあまり多くない。一方、ステータ12に流れる電流が所定値にまで達して比較的大きいときは、ステータ12とロータ14との間に発生する回転磁界は比較的大きいため、ボール30が溝32内を最浅部まで移動する。この場合、第2のロータ20はフランジ部16cから大きく離間し、シャフト本体部16aに対する相対回転量が多くなり、第2のロータ20は第1のロータ18に当接する。この当接の際、第1のロータ18と第2のロータ20とは、磁石22,24の同極同士の周方向のずれが小さくなってその同極同士が回転軸方向に対向して並んだ状態となる(図2)。
When the current flowing through the stator 12 is not so large, the rotating magnetic field generated between the stator 12 and the rotor 14 is relatively small, so that the ball 30 cannot move in the groove 32 to the shallowest portion. In this case, the second rotor 20 is not so far away from the flange portion 16c, and the relative rotation amount with respect to the shaft main body portion 16a is not so large. On the other hand, when the current flowing through the stator 12 reaches a predetermined value and is relatively large, the rotating magnetic field generated between the stator 12 and the rotor 14 is relatively large, so that the ball 30 reaches the shallowest portion in the groove 32. Moving. In this case, the second rotor 20 is greatly separated from the flange portion 16 c, the relative rotation amount with respect to the shaft main body portion 16 a is increased, and the second rotor 20 is in contact with the first rotor 18. At the time of this contact, the first rotor 18 and the second rotor 20 are arranged so that the circumferential displacement between the same poles of the magnets 22 and 24 is small and the same poles face each other in the rotation axis direction. (Figure 2).
また、ステータ12に流れる電流がなくなると、第2のロータ20にスプリングバネ28によるバネ力や磁石22,24のN極同士による反発力に抗する力がなくなることで、そのバネ力や反発力によりボール30が溝32内を最深部まで移動する。この際、第2のロータ20は、シャフト本体部16aに対して逆方向に相対回転しつつ第1のロータ18から離間して、その後、フランジ部16cに当接する。この当接の際、第1のロータ18と第2のロータ20とは、磁石22,24の同極同士が周方向にずれた元の状態となる(図1)。
Further, when the current flowing through the stator 12 disappears, the second rotor 20 loses the spring force due to the spring spring 28 or the force against the repulsive force due to the N poles of the magnets 22 and 24. As a result, the ball 30 moves in the groove 32 to the deepest portion. At this time, the second rotor 20 moves away from the first rotor 18 while rotating in the opposite direction relative to the shaft main body portion 16a, and then comes into contact with the flange portion 16c. At the time of this contact, the first rotor 18 and the second rotor 20 are in an original state in which the same poles of the magnets 22 and 24 are displaced in the circumferential direction (FIG. 1).
第1のロータ18の磁石22と第2のロータ20の磁石24との同極同士が図2に示す如く回転軸方向に対向隣接して並んでいるときは、ロータ14とステータ12との間で鎖交する磁束量が比較的多く、トルク定数は比較的大きい。一方、磁石22と磁石24との同極同士が図1に示す如く周方向にずれているときは、ロータ14とステータ12との間で鎖交する磁束量が比較的少なく、トルク定数は比較的小さく、そのずれが大きくなるほど小さくなる。
When the same poles of the magnet 22 of the first rotor 18 and the magnet 24 of the second rotor 20 are arranged adjacent to each other in the rotational axis direction as shown in FIG. The amount of magnetic flux interlinked is relatively large, and the torque constant is relatively large. On the other hand, when the same poles of the magnet 22 and the magnet 24 are shifted in the circumferential direction as shown in FIG. 1, the amount of magnetic flux linked between the rotor 14 and the stator 12 is relatively small, and the torque constant is compared. The smaller it is, the smaller it becomes.
上記した所定値以上の電流がステータ12に流されるのは、回転電機10が始動時など低速で回転する領域にあるときであり、一方、上記した所定値未満の電流がステータ12に流されるのは、回転電機10が高速で回転する領域にあるときである。従って、本実施例の回転電機10によれば、始動時などの低回転領域においては、上記した所定値以上の電流がステータ12に流されることで、トルク定数が大きくされるので、これにより、大トルクを出力することができる。また、高回転領域においては、上記した所定値未満の電流がステータ12に流されることで、トルク定数が小さくされるので、これにより、弱め界磁効果を得ることができ、回転電機10の高速回転を実現することができる。
The current exceeding the predetermined value flows through the stator 12 when the rotating electrical machine 10 is in a region where it rotates at a low speed such as at the start, while the current less than the predetermined value flows through the stator 12. Is when the rotating electrical machine 10 is in a region rotating at high speed. Therefore, according to the rotating electrical machine 10 of the present embodiment, in a low rotation region such as at the time of start-up, the torque constant is increased by flowing a current equal to or greater than the predetermined value to the stator 12, so that A large torque can be output. Further, in the high rotation region, a current less than the predetermined value described above is caused to flow through the stator 12, so that the torque constant is reduced, so that a field-weakening effect can be obtained, and the high speed of the rotating electrical machine 10 can be increased. Rotation can be realized.
このように、本実施例の構成によれば、回転電機10のトルク定数を可変することが可能となっている。そして、ロータ14を第1のロータ18と第2のロータ20とに2分割すると共に、それら両ロータ18,20をねじ機構及びスプリングバネ28により相対回転可能に構成することで、上記したトルク定数の可変を、回転電機10の回転域に応じた電流制御に伴う機械的動作により実現することができる。この点、本実施例によれば、電磁的なサーボ機構をロータ14側に設ける必要はなく、また、制御による弱め界磁を行う必要はないので、回転電機10の構造が複雑化するのを回避することができると共に、無駄な電力が消費されるのを回避することができる。
Thus, according to the configuration of the present embodiment, the torque constant of the rotating electrical machine 10 can be varied. The rotor 14 is divided into the first rotor 18 and the second rotor 20, and the rotors 18 and 20 are configured to be relatively rotatable by a screw mechanism and a spring spring 28. Can be realized by a mechanical operation accompanying current control in accordance with the rotation range of the rotating electrical machine 10. In this respect, according to the present embodiment, it is not necessary to provide an electromagnetic servomechanism on the rotor 14 side, and it is not necessary to perform field weakening by control, so that the structure of the rotating electrical machine 10 is complicated. In addition to being able to avoid this, it is possible to avoid wasting power.
尚、上記の第1実施例においては、磁石22,24が特許請求の範囲に記載した「界磁用磁石」に、スプリングバネ28が特許請求の範囲に記載した「付勢手段」に、それぞれ相当している。
In the first embodiment, the magnets 22 and 24 are used for the “field magnet” described in the claims, and the spring spring 28 is used for the “biasing means” described in the claims. It corresponds.
上記した第1実施例では、ロータ14が一方向に回転するときにトルク定数が可変されるが、他方向に回転するときにはトルク定数は不変である。これに対して、本発明の第2実施例においては、ロータ14が何れの方向に回転するときにもトルク定数が可変されることとしている。
In the first embodiment described above, the torque constant is varied when the rotor 14 rotates in one direction, but the torque constant is unchanged when it rotates in the other direction. On the other hand, in the second embodiment of the present invention, the torque constant is variable when the rotor 14 rotates in any direction.
図3乃至図5はそれぞれ、本発明の第2実施例である回転電機100の構成図を示す。尚、図3には回転子に小トルクが作用する際の状況を、図4には回転子に一方の回転方向へ大トルクが作用する際の状況を、また、図5には回転子に他方の回転方向へ大トルクが作用する際の状況を、それぞれ示す。更に、図3乃至図5において、上記図1に示す構成部分と同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。
FIG. 3 to FIG. 5 each show a configuration diagram of a rotating electrical machine 100 that is a second embodiment of the present invention. 3 shows the situation when a small torque acts on the rotor, FIG. 4 shows the situation when a large torque acts on the rotor in one direction of rotation, and FIG. 5 shows the situation when the rotor acts on the rotor. The situation when a large torque acts in the other rotational direction is shown respectively. Further, in FIGS. 3 to 5, the same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
本実施例の回転電機100は、上記した第1実施例の回転電機10と同様に、ステータ12とロータ14とを備えている。ロータ14は、回転し得るシャフト102に固定されており、そのシャフト102の外周を囲むように設けられている。シャフト102は、シャフト本体部102aと2つのフランジ部102b,102cとにより構成されている。シャフト本体部102aは、丸棒状に回転軸方向に延びており、その軸方向両端において軸受装置により回転可能に支持されている。また、フランジ部102b,102cはそれぞれ、シャフト本体部102aに一体的に固定されており、シャフト本体部102aから径方向に突出して円盤状に形成されており、回転軸方向に所定の厚さを有している。2つのフランジ部102b,102cは、互いに軸方向に所定距離だけ離れている。
The rotating electrical machine 100 according to the present embodiment includes a stator 12 and a rotor 14 as with the rotating electrical machine 10 according to the first embodiment described above. The rotor 14 is fixed to a shaft 102 that can rotate, and is provided so as to surround the outer periphery of the shaft 102. The shaft 102 includes a shaft main body portion 102a and two flange portions 102b and 102c. The shaft main body 102a extends in the direction of the rotation axis in the shape of a round bar, and is rotatably supported by a bearing device at both ends in the axial direction. Each of the flange portions 102b and 102c is integrally fixed to the shaft main body portion 102a, protrudes in the radial direction from the shaft main body portion 102a, is formed in a disk shape, and has a predetermined thickness in the rotation axis direction. Have. The two flange portions 102b and 102c are separated from each other by a predetermined distance in the axial direction.
ロータ14は、回転軸方向に略均等に2分割された第1のロータ104と第2のロータ106とを有している。第1及び第2のロータ104,106は、シャフト102における2つのフランジ部102b,102cの間に配置されている。第1及び第2のロータ104,106はそれぞれ、両者の軸方向厚さを足し合わせた長さが2つのフランジ部102b,102cを結んだ直線距離よりも僅かに短くなるように形成されている。
The rotor 14 includes a first rotor 104 and a second rotor 106 that are divided into two substantially equally in the rotation axis direction. The first and second rotors 104 and 106 are disposed between the two flange portions 102 b and 102 c in the shaft 102. Each of the first and second rotors 104 and 106 is formed such that the sum of the axial thicknesses of the first and second rotors 104 and 106 is slightly shorter than the linear distance connecting the two flange portions 102b and 102c. .
シャフト本体部102aには、その外周面に雄ねじが形成されている。第1及び第2のロータ104,106にはそれぞれ、その内周面にシャフト本体部102aの雄ねじと螺合する雌ねじが形成されている。すなわち、第1及び第2のロータ104,106はそれぞれ、シャフト102の本体部102aに螺合しており、シャフト本体部102aの回りに回転しつつ回転軸方向に向けて変位することが可能である。第1のロータ104は、回転軸方向に向けて、シャフト102のフランジ部102bに当接する状態と第2のロータ106に当接する状態との間で変位することが可能である。また、第2のロータ106は、回転軸方向に向けて、フランジ部102cに当接する状態と第1のロータ104に当接する状態との間で変位することが可能である。
A male thread is formed on the outer peripheral surface of the shaft main body 102a. Each of the first and second rotors 104 and 106 is formed with an internal thread that engages with an external thread of the shaft main body 102a on the inner peripheral surface thereof. That is, the first and second rotors 104 and 106 are screwed into the main body portion 102a of the shaft 102, respectively, and can be displaced toward the rotation axis while rotating around the shaft main body portion 102a. is there. The first rotor 104 can be displaced between the state in contact with the flange portion 102b of the shaft 102 and the state in contact with the second rotor 106 in the rotation axis direction. In addition, the second rotor 106 can be displaced between the state of contact with the flange portion 102 c and the state of contact with the first rotor 104 in the rotation axis direction.
第1のロータ104には、異なる極性(N極とS極)の磁極が周方向に所定角度(例えば90°)ごとに交互に配置された磁石22が取り付けられている。また、第2のロータ106には、異なる極性(N極とS極)の磁極が周方向に所定角度(例えば90°)ごとに交互に配置された磁石24が取り付けられている。
The first rotor 104 is attached with a magnet 22 in which magnetic poles having different polarities (N pole and S pole) are alternately arranged at predetermined angles (for example, 90 °) in the circumferential direction. Further, the second rotor 106 is attached with magnets 24 in which magnetic poles having different polarities (N pole and S pole) are alternately arranged at predetermined angles (for example, 90 °) in the circumferential direction.
シャフト102のフランジ部102bには、第1のロータ104へ面する側に回転軸方向に向けて空いた溝110が、また、フランジ部102cには、第2のロータ106へ面する側に回転軸方向に向けて空いた溝112が、それぞれ形成されている。各溝110,112は、円柱状に設けられており、軸中心からオフセットした位置に一箇所だけ形成されている。
The flange portion 102b of the shaft 102 has a groove 110 vacated in the direction of the rotation axis on the side facing the first rotor 104, and the flange portion 102c rotates on the side facing the second rotor 106. Grooves 112 vacated in the axial direction are respectively formed. Each of the grooves 110 and 112 is provided in a columnar shape, and is formed at one position at a position offset from the axis center.
溝110,112には、回転軸方向に伸縮可能なスプリングバネ114,116が配設されている。スプリングバネ114の一端は溝110の底面に、また、スプリングバネ116の一端は溝112の底面に、それぞれ固定されている。スプリングバネ114の他端にはある程度の重さを有する球形のボール118が、また、スプリングバネ116の他端にはボール118と同程度の重さを有する球形のボール120が、それぞれ固定されている。各ボール118,120は、スプリングバネ114,116の回転軸方向への伸縮に応じて回転軸方向に変位する。
In the grooves 110 and 112, spring springs 114 and 116 that can expand and contract in the direction of the rotation axis are disposed. One end of the spring spring 114 is fixed to the bottom surface of the groove 110, and one end of the spring spring 116 is fixed to the bottom surface of the groove 112. A spherical ball 118 having a certain weight is fixed to the other end of the spring spring 114, and a spherical ball 120 having a weight similar to that of the ball 118 is fixed to the other end of the spring spring 116, respectively. Yes. The balls 118 and 120 are displaced in the rotation axis direction in accordance with the expansion and contraction of the spring springs 114 and 116 in the rotation axis direction.
また、第1のロータ104には回転軸方向に向けて空いた溝122が、第2のロータ106には回転軸方向に向けて空いた溝124が、それぞれ形成されている。溝122は、フランジ部102bに面して設けられており、そのフランジ部102bの溝110と対面するように軸中心からオフセットした位置に一箇所だけ形成されている。また、溝124は、フランジ部102cに面して設けられており、そのフランジ部102cの溝112と対面するように軸中心からオフセットした位置に一箇所だけ形成されている。
Further, the first rotor 104 is formed with a groove 122 vacated in the direction of the rotation axis, and the second rotor 106 is formed with a groove 124 vacated in the direction of the rotation axis. The groove 122 is provided so as to face the flange portion 102b, and is formed at only one position at a position offset from the axial center so as to face the groove 110 of the flange portion 102b. Further, the groove 124 is provided so as to face the flange portion 102c, and is formed at only one position at a position offset from the axial center so as to face the groove 112 of the flange portion 102c.
溝122,124は、径方向に上記したボール118,120の直径程度の幅を有していると共に、周方向にボール118,120の直径よりも長い長さを有している。各溝122,124は、その回転軸方向への深さが周方向位置に応じて異なり、ロータ14が回転する一方向にいくに従って徐々に(直線状に)深くなるように形成されている。尚、溝122の深さが深くなる周方向と溝124の深さが深くなる周方向とは、互い逆方向であり異なる。
The grooves 122 and 124 have a width approximately equal to the diameter of the balls 118 and 120 in the radial direction and a length longer than the diameter of the balls 118 and 120 in the circumferential direction. Each of the grooves 122 and 124 has a depth in the rotation axis direction that varies depending on a circumferential position, and is formed so as to gradually become deeper (in a straight line) as the rotor 14 rotates in one direction. Note that the circumferential direction in which the depth of the groove 122 is deep and the circumferential direction in which the depth of the groove 124 is deep are opposite to each other and are different.
溝122には、上記したボール118が相対回転可能に嵌っている。また、溝124には、上記したボール120が相対回転可能に嵌っている。各ボール118,120は、その位置が溝122,124の中に規制されるようになっている。尚、各スプリングバネ114,116は、ボール118,120が溝122,124の最深部に位置してもその回転軸方向の長さが自然長よりも短くなるように構成されている。
The above-described ball 118 is fitted in the groove 122 so as to be relatively rotatable. Further, the above-described ball 120 is fitted in the groove 124 so as to be relatively rotatable. The positions of the balls 118 and 120 are restricted in the grooves 122 and 124. The spring springs 114 and 116 are configured such that the length in the direction of the rotation axis is shorter than the natural length even when the balls 118 and 120 are located at the deepest portions of the grooves 122 and 124.
ボール118と溝122とが相対的に回転する角度と第1のロータ104が回転軸方向に変位する距離とは互いに対応しており、溝122に嵌ったボール118が溝122の一端から他端に相対的に回転すると、第1のロータ104がシャフト102のフランジ部102b又は第2のロータ106に当接する状態から第2のロータ106又はフランジ部102bに当接する状態まで回転軸方向に変位する(図3及び図5参照)。また、ボール120と溝124とが相対的に回転する角度と第2のロータ106が回転軸方向に変位する距離とは互いに対応しており、溝124に嵌ったボール120が溝124の一端から他端に相対的に回転すると、第2のロータ106がシャフト102のフランジ部102c又は第1のロータ104に当接する状態から第1のロータ104又はフランジ部102cに当接する状態まで回転軸方向に変位する(図3及び図4参照)。
The angle at which the ball 118 and the groove 122 rotate relative to each other and the distance by which the first rotor 104 is displaced in the direction of the rotation axis correspond to each other. When the first rotor 104 rotates relative to the first rotor 104, the first rotor 104 is displaced in the rotational axis direction from a state where the first rotor 104 abuts against the flange portion 102b or the second rotor 106 of the shaft 102 to a state where the first rotor 104 abuts against the second rotor 106 or the flange portion 102b. (See FIGS. 3 and 5). Further, the angle at which the ball 120 and the groove 124 rotate relative to each other and the distance by which the second rotor 106 is displaced in the direction of the rotation axis correspond to each other. When the second rotor 106 rotates relative to the other end, the rotational direction of the second rotor 106 from the state in which the second rotor 106 abuts on the flange portion 102c or the first rotor 104 of the shaft 102 to the state in which the second rotor 106 abuts on the first rotor 104 or flange portion 102c. Displace (see FIGS. 3 and 4).
尚、ボール118と溝122とが相対的に回転できる最大(一端から他端まで)の角度、及び、ボール120と溝124とが相対的に回転できる最大(一端から他端まで)の角度(以下、最大ずれか角度)はそれぞれ、回転電機100のトルク脈動を効果的に低減できる角度(例えば15°)に設定される。また、第1のロータ104の磁石22と第2のロータ106の磁石24とは、ボール118が溝122の最浅部に位置しかつボール120が溝124の最深部に位置する際(図5に示す状況)、及び、ボール118が溝122の最深部に位置しかつボール120が溝124の最浅部に位置する際(図4に示す状況)には、同極同士の周方向のずれが比較的小さくなって同極同士が回転軸方向に対向して並んで配置されるようになり(図4及び図5参照)、一方、ボール118が溝122の最深部に位置しかつボール120が溝124の最深部に位置する際には、同極同士が周方向に上記の最大ずれ角度だけずれるようになる(図3参照)。
Note that the maximum angle (from one end to the other end) at which the ball 118 and the groove 122 can rotate relative to each other and the maximum angle (from one end to the other end) at which the ball 120 and the groove 124 can rotate relative to each other (from the other end). Hereinafter, the maximum deviation or angle) is set to an angle (for example, 15 °) that can effectively reduce the torque pulsation of the rotating electrical machine 100. Further, the magnet 22 of the first rotor 104 and the magnet 24 of the second rotor 106 are configured such that the ball 118 is positioned at the shallowest portion of the groove 122 and the ball 120 is positioned at the deepest portion of the groove 124 (FIG. 5). ) And when the ball 118 is located at the deepest part of the groove 122 and the ball 120 is located at the shallowest part of the groove 124 (situation shown in FIG. 4), the circumferential shift between the same poles Becomes relatively small, and the same poles are arranged to face each other in the direction of the rotation axis (see FIGS. 4 and 5), while the ball 118 is located at the deepest portion of the groove 122 and the ball 120 Are located at the deepest part of the groove 124, the same poles are shifted in the circumferential direction by the maximum shift angle (see FIG. 3).
次に、本実施例の回転電機100の動作について説明する。
Next, operation | movement of the rotary electric machine 100 of a present Example is demonstrated.
回転電機100において、各スプリングバネ114,116は、上記の如く、ボール118,120が溝122,124の最深部に位置する際にその回転軸方向の長さが自然長よりも短くなるように構成されているので、ボール118,120を溝122,124の最深部に位置させる弾性力を発生する。かかるスプリングバネ114によるバネ力は、溝122の形成されている第1のロータ104をシャフト102のフランジ部102b側に変位させて当接させる力となり、また、スプリングバネ116によるバネ力は、溝124の形成されている第2のロータ106をシャフト102のフランジ部102c側に変位させて当接させる力となって、両バネ力は共に磁石22と磁石24との同極同士を周方向にずらす力となる。
In the rotating electrical machine 100, the spring springs 114 and 116 are arranged such that when the balls 118 and 120 are located at the deepest portions of the grooves 122 and 124, the length in the rotation axis direction is shorter than the natural length, as described above. Since it is configured, an elastic force for generating the balls 118 and 120 at the deepest portions of the grooves 122 and 124 is generated. The spring force by the spring spring 114 is a force for displacing the first rotor 104 in which the groove 122 is formed toward the flange portion 102b side of the shaft 102, and the spring force by the spring spring 116 is the groove force. The second rotor 106 in which 124 is formed is displaced to the flange portion 102c side of the shaft 102 and comes into contact with each other. Both spring forces cause the same poles of the magnets 22 and 24 to move in the circumferential direction. It becomes the power to shift.
また、磁石22,24の同極同士が回転軸方向に隣り合うように対向して並ぶと、N極同士の間に回転軸方向へ向かう大きな反発力が作用する。この反発力は、磁石22と磁石24とを互いに回転軸方向へ離間させる力であるので、第1のロータ104をシャフト102のフランジ部102b側にかつ第2のロータ106をフランジ部102c側にそれぞれ変位させて当接させる力となり、磁石22と磁石24との同極同士を周方向にずらす力となる。
When the same poles of the magnets 22 and 24 are arranged to face each other so as to be adjacent to each other in the rotation axis direction, a large repulsive force acting in the rotation axis direction acts between the N poles. Since the repulsive force is a force that separates the magnet 22 and the magnet 24 from each other in the rotation axis direction, the first rotor 104 is placed on the flange portion 102b side of the shaft 102 and the second rotor 106 is placed on the flange portion 102c side. Each force is displaced and brought into contact, and is a force that shifts the same poles of the magnets 22 and 24 in the circumferential direction.
ステータ12の巻線に制御部から電流が流されないと、ステータ12とロータ14との間にロータ14を回転させる回転磁界が発生しないため、シャフト102が回転することはない。この場合には、磁石22が取り付けられている第1のロータ104にスプリングバネ114によるバネ力や磁石22,24のN極同士による反発力に抗した力は作用しないため、かかるバネ力や反発力によって、第1のロータ104はシャフト102のフランジ部102bに当接する。また、磁石24が取り付けられている第2のロータ106にスプリングバネ116によるバネ力や磁石22,24のN極同士による反発力に抗した力は作用しないため、かかるバネ力や反発力によって、第2のロータ106はシャフト102のフランジ部102cに当接する。この当接の際、第1のロータ104と第2のロータ106とは、磁石22,24の同極同士が周方向にずれた状態となる(図3)。
If no current is supplied to the windings of the stator 12 from the control unit, a rotating magnetic field that rotates the rotor 14 is not generated between the stator 12 and the rotor 14, so that the shaft 102 does not rotate. In this case, the spring force due to the spring spring 114 and the force against the repulsive force between the N poles of the magnets 22 and 24 do not act on the first rotor 104 to which the magnet 22 is attached. The first rotor 104 abuts on the flange portion 102b of the shaft 102 by force. Further, since the spring force due to the spring spring 116 and the force against the repulsive force due to the N poles of the magnets 22 and 24 do not act on the second rotor 106 to which the magnet 24 is attached, The second rotor 106 abuts on the flange portion 102 c of the shaft 102. At the time of this contact, the first rotor 104 and the second rotor 106 are in a state in which the same poles of the magnets 22 and 24 are displaced in the circumferential direction (FIG. 3).
一方、ステータ12の巻線に制御部から一方の回転方向(具体的には、図3に示す回転電機100を右方から見て右回転方向)にロータ14を回転させる電流が流されると、ステータ12とロータ14との間にロータ14をその回転方向に回転させる回転磁界が発生するため、シャフト102がその方向に回転する。
On the other hand, when a current for rotating the rotor 14 in the one rotation direction (specifically, the right rotation direction when the rotating electrical machine 100 shown in FIG. 3 is viewed from the right side) is supplied to the winding of the stator 12 from the control unit, Since a rotating magnetic field that rotates the rotor 14 in the rotation direction is generated between the stator 12 and the rotor 14, the shaft 102 rotates in that direction.
この際には、第1のロータ104は、その溝122においてフランジ部102b側のボール118の相対回転を規制するので、スプリングバネ114によるバネ力及び磁石22,24のN極同士による反発力に抗した力(トルク)が作用せず、シャフト本体部102aと一体的に回転して、そのシャフト本体部102aに対する相対回転を行わない。これに対して、第2のロータ106は、その溝124においてフランジ部102c側のボール120の相対回転を規制しないので、スプリングバネ116によるバネ力及び磁石22,24のN極同士による反発力に抗した力(トルク)が作用して、シャフト本体部102aに対して周方向に相対回転する。この場合、ボール120は溝124内を各力の釣り合う位置まで最深部側から最浅部側へ移動するので、第2のロータ106は、シャフト本体部102aに対する相対回転を、上記のバネ力及び反発力に抗した力の大きさに応じた量だけ、フランジ部102c側から第1のロータ104側へ向けて離間しつつ実現する。
At this time, the first rotor 104 restricts the relative rotation of the ball 118 on the flange portion 102b side in the groove 122, so that the spring force by the spring spring 114 and the repulsive force by the N poles of the magnets 22 and 24 are affected. The resisted force (torque) does not act and rotates integrally with the shaft body 102a, and does not rotate relative to the shaft body 102a. On the other hand, since the second rotor 106 does not restrict the relative rotation of the ball 120 on the flange portion 102c side in the groove 124, the second rotor 106 has a spring force by the spring spring 116 and a repulsive force by the N poles of the magnets 22 and 24. The resisted force (torque) acts to rotate relative to the shaft body 102a in the circumferential direction. In this case, since the ball 120 moves from the deepest portion side to the shallowest portion side in the groove 124 to a position where each force is balanced, the second rotor 106 performs relative rotation with respect to the shaft main body portion 102a with the above spring force and An amount corresponding to the magnitude of the force against the repulsive force is realized while being separated from the flange portion 102c side toward the first rotor 104 side.
また、ステータ12の巻線に制御部から上記した一方の回転方向とは逆の他方の回転方向(具体的には、図3に示す回転電機100を左方から見て右回転方向)にロータ14を回転させる電流が流されると、ステータ12とロータ14との間にロータ14をその回転方向に回転させる回転磁界が発生するため、シャフト102がその方向に回転する。
Further, the rotor of the stator 12 is wound in the other rotation direction opposite to the one rotation direction described above from the control unit (specifically, in the right rotation direction when the rotating electrical machine 100 shown in FIG. 3 is viewed from the left). When a current that rotates 14 is applied, a rotating magnetic field that rotates the rotor 14 in the rotation direction is generated between the stator 12 and the rotor 14, so that the shaft 102 rotates in that direction.
この際には、第2のロータ106は、その溝124においてフランジ部102c側のボール120の相対回転を規制するので、スプリングバネ116によるバネ力及び磁石22,24のN極同士による反発力に抗した力(トルク)が作用せず、シャフト本体部102aと一体的に回転して、そのシャフト本体部102aに対する相対回転を行わない。これに対して、第1のロータ104は、その溝122においてフランジ部102b側のボール118の相対回転を規制しないので、スプリングバネ114によるバネ力及び磁石22,24のN極同士による反発力に抗した力(トルク)が作用して、シャフト本体部102aに対して周方向に相対回転する。この場合、ボール118は溝122内を各力の釣り合う位置まで最深部側から最浅部側へ相対移動するので、第1のロータ104は、シャフト本体部102aに対する相対回転を、上記のバネ力及び反発力に抗した力の大きさに応じた量だけ、フランジ部102b側から第2のロータ106側へ向けて離間しつつ実現する。
At this time, the second rotor 106 restricts the relative rotation of the ball 120 on the flange portion 102c side in the groove 124, so that the spring force by the spring spring 116 and the repulsive force by the N poles of the magnets 22 and 24 are affected. The resisted force (torque) does not act and rotates integrally with the shaft body 102a, and does not rotate relative to the shaft body 102a. On the other hand, since the first rotor 104 does not restrict the relative rotation of the ball 118 on the flange portion 102b side in the groove 122, the first rotor 104 is not affected by the spring force by the spring spring 114 and the repulsive force by the N poles of the magnets 22 and 24. The resisted force (torque) acts to rotate relative to the shaft body 102a in the circumferential direction. In this case, since the ball 118 relatively moves from the deepest portion side to the shallowest portion side in the groove 122 to a position where each force is balanced, the first rotor 104 performs relative rotation with respect to the shaft main body portion 102a. And it implement | achieves, separating | separating from the flange part 102b side toward the 2nd rotor 106 side by the quantity according to the magnitude | size of the force resisting the repulsive force.
ステータ12に流れる電流があまり大きくないときは、ステータ12とロータ14との間に発生する回転磁界は比較的小さいため、ボール118,120が溝122,124内を最浅部まで移動することはできない。この場合には、第1又は第2のロータ104,106はフランジ部102b,102cからあまり離間せず、シャフト本体部102aに対する相対回転量はあまり多くない。一方、ステータ12に流れる電流が所定値にまで達して比較的大きいときは、ステータ12とロータ14との間に発生する回転磁界は比較的大きいため、ボール118,120が溝122,124内を最浅部まで移動する。この場合には、第1又は第2のロータ104,106はフランジ部102b,102cから大きく離間し、シャフト本体部102aに対する相対回転量が多くなり、第1又は第2のロータ104,106は第2又は第1のロータ106,104に当接する。この当接の際、第1のロータ104と第2のロータ106とは、磁石22,24の同極同士の周方向のずれが小さくなってその同極同士が回転軸方向に対向して並んだ状態となる(図4,図5)。
When the current flowing through the stator 12 is not so large, the rotating magnetic field generated between the stator 12 and the rotor 14 is relatively small, so that the balls 118 and 120 move in the grooves 122 and 124 to the shallowest portion. Can not. In this case, the first or second rotor 104, 106 is not so far away from the flange portions 102b, 102c, and the amount of relative rotation with respect to the shaft main body portion 102a is not so large. On the other hand, when the current flowing through the stator 12 reaches a predetermined value and is relatively large, the rotating magnetic field generated between the stator 12 and the rotor 14 is relatively large, so that the balls 118 and 120 move in the grooves 122 and 124. Move to the shallowest part. In this case, the first or second rotor 104, 106 is largely separated from the flange portions 102b, 102c, the amount of relative rotation with respect to the shaft main body portion 102a is increased, and the first or second rotor 104, 106 is 2 or the first rotor 106, 104. At the time of this contact, the first rotor 104 and the second rotor 106 are arranged so that the circumferential displacement between the same poles of the magnets 22 and 24 is small and the same poles face each other in the rotation axis direction. It will be in a state (FIGS. 4, 5).
また、ステータ12に流れる電流がなくなると、第1又は第2のロータ104,106にスプリングバネ114,116によるバネ力や磁石22,24のN極同士による反発力に抗する力がなくなることで、そのバネ力や反発力によりボール118,120が溝122,124内を最深部まで移動する。この際、第1又は第2のロータ104,106は、シャフト本体部102aに対して逆方向に相対回転しつつ第2又は第1のロータ106,104から離間して、その後、フランジ部102b,102cに当接する。この当接の際、第1のロータ104と第2のロータ106とは、磁石22,24の同極同士が周方向にずれた元の状態となる(図3)。
Further, when the current flowing through the stator 12 is eliminated, the first or second rotor 104, 106 has no force to resist the spring force of the spring springs 114, 116 and the repulsive force of the N poles of the magnets 22, 24. The balls 118 and 120 move in the grooves 122 and 124 to the deepest portion by the spring force and the repulsive force. At this time, the first or second rotor 104 or 106 moves away from the second or first rotor 106 or 104 while rotating relative to the shaft main body portion 102a in the opposite direction, and then the flange portion 102b or 102c. At the time of this contact, the first rotor 104 and the second rotor 106 are in an original state in which the same poles of the magnets 22 and 24 are displaced in the circumferential direction (FIG. 3).
第1のロータ104の磁石22と第2のロータ106の磁石24との同極同士が図4又は図5に示す如く回転軸方向に対向隣接して並んでいるときは、ロータ14とステータ12との間で鎖交する磁束量が比較的多く、トルク定数は比較的大きい。一方、磁石22と磁石24との同極同士が図3に示す如く周方向にずれているときは、ロータ14とステータ12との間で鎖交する磁束量が比較的少なく、トルク定数は比較的小さく、そのずれが大きくなるほど小さくなる。
When the same poles of the magnet 22 of the first rotor 104 and the magnet 24 of the second rotor 106 are arranged adjacent to each other in the rotational axis direction as shown in FIG. 4 or FIG. 5, the rotor 14 and the stator 12 There is a relatively large amount of magnetic flux interlinked with and a relatively large torque constant. On the other hand, when the same poles of the magnet 22 and the magnet 24 are shifted in the circumferential direction as shown in FIG. 3, the amount of magnetic flux linked between the rotor 14 and the stator 12 is relatively small, and the torque constant is compared. The smaller it is, the smaller it becomes.
上記した所定値以上の電流がステータ12に流されるのは、回転電機100が始動時など低速で回転する領域にあるときであり、一方、上記した所定値未満の電流がステータ12に流されるのは、回転電機100が高速で回転する領域にあるときである。従って、本実施例の回転電機100によれば、始動時などの低回転領域においては、上記した所定値以上の電流がステータ12に流されることで、トルク定数が大きくされるので、これにより、大トルクを出力することができる。また、高回転領域においては、上記した所定値未満の電流がステータ12に流されることで、トルク定数が小さくされるので、これにより、弱め界磁効果を得ることができ、回転電機100の高速回転を実現することができる。
The current exceeding the predetermined value flows through the stator 12 when the rotating electrical machine 100 is in a region where the rotating electrical machine 100 rotates at a low speed such as at the start, while the current less than the predetermined value flows through the stator 12. Is when the rotating electrical machine 100 is in a region rotating at high speed. Therefore, according to the rotating electrical machine 100 of the present embodiment, in a low rotation region such as at the time of start-up, the torque constant is increased by flowing a current equal to or greater than the predetermined value to the stator 12, thereby A large torque can be output. Further, in the high rotation region, a current less than the predetermined value described above is caused to flow through the stator 12, so that the torque constant is reduced. Thus, a field weakening effect can be obtained, and the high speed of the rotating electrical machine 100 can be obtained. Rotation can be realized.
このように、本実施例の構成によれば、回転電機100のトルク定数を可変することが可能となっている。そして、ロータ14を第1のロータ104と第2のロータ106とに2分割すると共に、それら両ロータ104,106をねじ機構及びスプリングバネ114,116により相対回転可能に構成することで、上記したトルク定数の可変を、回転電機100の回転域に応じた電流制御に伴う機械的動作により実現することができる。この点、本実施例によれば、電磁的なサーボ機構をロータ14側に設ける必要はなく、また、制御による弱め界磁を行う必要はないので、回転電機100の構造が複雑化するのを回避することができると共に、無駄な電力が消費されるのを回避することができる。
Thus, according to the configuration of the present embodiment, the torque constant of the rotating electrical machine 100 can be varied. The rotor 14 is divided into two parts, the first rotor 104 and the second rotor 106, and both the rotors 104, 106 are configured to be relatively rotatable by a screw mechanism and spring springs 114, 116, as described above. The variable torque constant can be realized by a mechanical operation accompanying current control according to the rotation range of the rotating electrical machine 100. In this regard, according to the present embodiment, it is not necessary to provide an electromagnetic servomechanism on the rotor 14 side, and it is not necessary to perform field weakening by control, so that the structure of the rotating electrical machine 100 is complicated. In addition to being able to avoid this, it is possible to avoid wasting power.
更に、本実施例において、回転電機100のトルク定数の可変は、上記第1実施例の回転電機10とは異なり、一方の回転方向だけでなく、その一方の回転方向とは逆の回転方向についても実現される。従って、本実施例の回転電機100は、片方向にのみ回転する電動モータに適用するだけでなく、双方向に回転する電動モータ(例えば電気パワーステアリング装置に用いられる電動モータ)にも適用することが可能となっている。
Further, in this embodiment, the variable torque constant of the rotating electrical machine 100 is different from the rotating electrical machine 10 of the first embodiment, not only in one rotating direction but also in the rotating direction opposite to the rotating direction of one. Is also realized. Therefore, the rotating electrical machine 100 of this embodiment is not only applied to an electric motor that rotates only in one direction, but also applied to an electric motor that rotates in both directions (for example, an electric motor used in an electric power steering device). Is possible.
尚、上記の第2実施例においては、スプリングバネ114、116が特許請求の範囲に記載した「付勢手段」に相当している。
In the second embodiment, the spring springs 114 and 116 correspond to “biasing means” described in the claims.
ところで、上記の第1及び第2実施例においては、第1のロータ18,104と第2のロータ20,106との磁石22,24の同極同士を回転軸方向に対向して並ばせて、トルク定数を大きくするためには、第1のロータ18,104と第2のロータ20,106とを当接させることが必要であるが、この当接は、第1のロータ18,104と第2のロータ20,106とが相対的に回転しながら近づくことにより実現される。しかし、かかる当接の際には、第1のロータ18,104と第2のロータ20,106とがダブルナットの如く締まる事態が生じ得、磁石22,24の同極同士を周方向にずれた元の状態に戻すときにその締結を外すのに大きな力が必要となることがある。そこで、かかる事態が生じるのを防止するために、第1のロータ18,104と第2のロータ20,106との間にゴムや樹脂などの弾性体を挿入する。例えば、第1のロータ18,104の当接面又は第2のロータ20,106の当接面に弾性体を焼き付け等により貼り付ける。かかる構成によれば、第1のロータ18,104と第2のロータ20,106とがダブルナットの如く締まる事態を回避することができ、これにより、磁石22,24同士の位置関係を元の状態にスムースに戻すことが可能となる。
In the first and second embodiments described above, the same poles of the magnets 22 and 24 of the first rotor 18 and 104 and the second rotor 20 and 106 are arranged opposite to each other in the rotational axis direction. In order to increase the torque constant, it is necessary to bring the first rotors 18 and 104 and the second rotors 20 and 106 into contact with each other. It implement | achieves when the 2nd rotors 20 and 106 approach relatively rotating. However, during such contact, the first rotor 18 and 104 and the second rotor 20 and 106 may be tightened like a double nut, and the same poles of the magnets 22 and 24 are displaced in the circumferential direction. When returning to the original state, a large force may be required to remove the fastening. Therefore, in order to prevent such a situation from occurring, an elastic body such as rubber or resin is inserted between the first rotors 18 and 104 and the second rotors 20 and 106. For example, an elastic body is attached to the contact surface of the first rotor 18 or 104 or the contact surface of the second rotor 20 or 106 by baking or the like. According to such a configuration, it is possible to avoid a situation in which the first rotors 18 and 104 and the second rotors 20 and 106 are tightened like a double nut, whereby the positional relationship between the magnets 22 and 24 is restored to the original. It becomes possible to return to the state smoothly.
また、上記の第1及び第2実施例においては、ボール30,118,120と溝32,122,124とが相対的に回転できる最大ずれ角度を、回転電機10,100のトルク脈動を効果的に低減できる角度に設定する。
In the first and second embodiments, the maximum deviation angle at which the balls 30, 118, 120 and the grooves 32, 122, 124 can rotate relative to each other is effective for the torque pulsation of the rotating electrical machines 10, 100. Set to an angle that can be reduced.
例えば、ロータ14の極数が“4”でありかつステータ12のスロット数が“6”である回転電機10,100においては、一回転当たりに“12”山のコギングが発生するので、そのコギング成分を打ち消すべく、ボール30,118,120が溝32,122,124の最深部に位置する際の第1のロータ18,104の磁石22と第2のロータ20,106の磁石24との同極同士のずれ角度が360/12/2=15°となるように、第1のロータ18,104と第2のロータ20,106とを配置する。かかる構成によれば、第1のロータ18,104の磁石22で発生するコギング成分と第2のロータ20,106の磁石24で発生するコギング成分とが互いに打ち消し合うので、トルク脈動を効果的に低減することができる。
For example, in the rotating electrical machines 10 and 100 in which the number of poles of the rotor 14 is “4” and the number of slots of the stator 12 is “6”, cogging of “12” peaks occurs per revolution. In order to cancel out the components, the magnets 22 of the first rotor 18 and 104 and the magnet 24 of the second rotor 20 and 106 when the balls 30, 118 and 120 are located at the deepest part of the grooves 32, 122 and 124 are the same. The first rotors 18 and 104 and the second rotors 20 and 106 are arranged so that the deviation angle between the poles is 360/12/2 = 15 °. According to this configuration, the cogging component generated by the magnet 22 of the first rotor 18 and 104 and the cogging component generated by the magnet 24 of the second rotor 20 and 106 cancel each other, so that torque pulsation is effectively reduced. Can be reduced.
ところで、上記した第1及び第2実施例では、回転電機10,100は、制御部により回転制御される。これら回転電機10,100においては、2分割されたロータ14の磁石22,24の同極同士の配置が周方向にずれた状態(図6(A)に示す状態)と回転軸方向に並んだ状態(図6(B)に示す状態)との間で変化するため、磁石22,24全体における仮想的な磁極の中心が変化することとなる(図6において一点鎖線で示すX0とX1との間)。この点、磁界により回転角を検出する回転角センサにおける磁界と回転角との位相関係がずれるので、ロータ14側の回転角が誤検出されるおそれがあり、回転制御が適切に行われない可能性がある。従って、回転電機10,100の回転制御を適切に行うためには、ロータ14側のモータ回転角を検出してフィードバックを行う際に、上記した磁極中心のずれに応じてステータ12の巻線に流す電流を補正する必要がある。
By the way, in the first and second embodiments described above, the rotating electrical machines 10 and 100 are rotationally controlled by the control unit. In these rotating electrical machines 10 and 100, the magnets 22 and 24 of the rotor 14 divided into two are arranged in the same direction in the circumferential direction (state shown in FIG. 6A) and in the rotational axis direction. The center of the imaginary magnetic pole in the entire magnets 22 and 24 is changed (the state of X0 and X1 indicated by the one-dot chain line in FIG. 6). while). In this regard, since the phase relationship between the magnetic field and the rotation angle in the rotation angle sensor that detects the rotation angle by the magnetic field is deviated, the rotation angle on the rotor 14 side may be erroneously detected, and rotation control may not be performed properly. There is sex. Therefore, in order to appropriately control the rotation of the rotating electrical machines 10 and 100, when detecting the motor rotation angle on the rotor 14 side and performing feedback, the winding of the stator 12 is applied according to the deviation of the magnetic pole center. It is necessary to correct the flowing current.
そこで、本発明の第3実施例は、かかる点を考慮して回転電機10,100の回転制御を示すものであることに第1の特徴を有している。以下、図7及び図8を参照して、本実施例の上記した特徴部について説明する。尚、回転電機10の回転制御と回転電機100の回転制御とは、回転方向が一方向のみであるか双方向であるかを除いてほとんど異なるところがないため、以下では、回転電機100の回転制御についてのみ説明する。
Therefore, the third embodiment of the present invention has a first feature in that the rotation control of the rotary electric machines 10 and 100 is shown in consideration of such points. Hereinafter, with reference to FIG. 7 and FIG. 8, the above-described features of the present embodiment will be described. Note that the rotation control of the rotating electrical machine 10 and the rotation control of the rotating electrical machine 100 have almost no difference except that the rotation direction is only one direction or bidirectional. Only will be described.
図7は、本実施例の回転電機100を回転制御する制御装置200の構成図を示す。図7に示す如く、本実施例の制御装置200は、回転角センサ202及びコントロールユニット204を備えている。回転角センサ202は、回転電機100のシャフト102のシャフト本体部102aに固定されたロータに配設されたマグネットと、磁界の強さに応じて抵抗値が変化しかつ出力信号の位相差が90°になるように配置された2つの磁気回路と、を有している。回転角センサ202は、シャフト102のモータ回転角に応じた信号を出力する。
FIG. 7 is a configuration diagram of a control device 200 that controls the rotation of the rotating electrical machine 100 according to the present embodiment. As shown in FIG. 7, the control device 200 of this embodiment includes a rotation angle sensor 202 and a control unit 204. The rotation angle sensor 202 has a magnet that is disposed on a rotor fixed to the shaft main body 102a of the shaft 102 of the rotating electrical machine 100, a resistance value that changes according to the strength of the magnetic field, and an output signal phase difference of 90. And two magnetic circuits arranged so as to be at 0 °. The rotation angle sensor 202 outputs a signal corresponding to the motor rotation angle of the shaft 102.
コントロールユニット204は、指令電流算出部206、インバータ制御部208、モータ駆動部210、及び電流センサ212を有している。指令電流算出部206は、車両に取り付けられた所定のセンサの出力信号に基づいて、回転座標系の電流指令値I*を算出しインバータ制御部208へ出力する。電流センサ212は、U,V,Wの各相の巻線に流れる電流を検出しその電流検出信号をインバータ制御部208へ出力する。インバータ制御部208には、上記した回転角センサ202の出力が入力される。
The control unit 204 includes a command current calculation unit 206, an inverter control unit 208, a motor drive unit 210, and a current sensor 212. The command current calculation unit 206 calculates a current command value I * of the rotating coordinate system based on the output signal of a predetermined sensor attached to the vehicle, and outputs it to the inverter control unit 208. The current sensor 212 detects the current flowing through the windings of the U, V, and W phases and outputs the current detection signal to the inverter control unit 208. The output of the rotation angle sensor 202 described above is input to the inverter control unit 208.
インバータ制御部208は、回転角センサ202の出力などに基づく回転角を用いて軸変換した電流センサ212の出力に基づく2軸電流と指令電流算出部206の出力に基づく2軸電流指令値I*との偏差に基づいて2軸の電圧指令値を算出してモータ駆動信号を生成しモータ駆動部210へ出力する。モータ駆動部210は、FET等のパワー素子で構成され、インバータ制御部208で生成されたモータ駆動信号に基づいてパワー素子をスイッチングして回転電機100に電流指令値I*に応じた電流を通電する。
The inverter control unit 208 is configured to output a biaxial current command value I * based on the output of the current sensor 212 converted based on the rotation angle based on the output of the rotation angle sensor 202 and the command current calculation unit 206. The two-axis voltage command value is calculated based on the deviation between the two and a motor drive signal is generated and output to the motor drive unit 210. The motor drive unit 210 is composed of a power element such as an FET, and switches the power element based on the motor drive signal generated by the inverter control unit 208 to energize the rotating electrical machine 100 with a current corresponding to the current command value I *. To do.
図8は、本実施例において制御装置200のインバータ制御部208が実行する制御ルーチンの一例のフローチャートを示す。インバータ制御部208は、回転角センサ202の出力等に基づくシャフト102の回転速度(モータ回転速度)が所定の回転速度Aを超えるか否かを判別する(ステップ100)。尚、この所定の回転速度Aは、各相の逆起電圧からモータ回転角を検出できるか否かを示すモータ回転速度の境界値である。
FIG. 8 shows a flowchart of an example of a control routine executed by the inverter control unit 208 of the control device 200 in the present embodiment. The inverter control unit 208 determines whether or not the rotation speed (motor rotation speed) of the shaft 102 based on the output of the rotation angle sensor 202 exceeds a predetermined rotation speed A (step 100). The predetermined rotational speed A is a motor rotational speed boundary value indicating whether or not the motor rotational angle can be detected from the back electromotive voltage of each phase.
上記した判別の結果、モータ回転速度が所定の回転速度Aを超えるときは、検出される各相の逆起電圧からモータ回転角を求め、そのモータ回転角を用いて電圧指令値を算出し、モータ駆動信号をモータ駆動部210へ出力することにより、電流指令値I*に応じた電流を通電する処理を行う(ステップ102)。
As a result of the above determination, when the motor rotation speed exceeds a predetermined rotation speed A, the motor rotation angle is obtained from the detected back electromotive force of each phase, and the voltage command value is calculated using the motor rotation angle. By outputting a motor drive signal to the motor drive unit 210, a process of applying a current corresponding to the current command value I * is performed (step 102).
一方、モータ回転速度が上記した所定の回転速度Aを超えないときは、次に、電流センサ212の出力に基づく検出電流値Iが所定の電流値Bを超えるか否かを判別する(ステップ104)。尚、この所定の電流値Bは、ロータ14側の第1のロータ104の磁石22と第2のロータ106の磁石24とが、その同極同士が周方向に最大限ずれた状態から、ステータ巻線への電流流通に基づく回転磁界により発生したスプリングバネ116によるバネ力及び磁石22,24のN極同士による反発力に抗した力により相対的に回転し始めると判断される電流値の最小値である。
On the other hand, when the motor rotation speed does not exceed the predetermined rotation speed A, it is next determined whether or not the detected current value I based on the output of the current sensor 212 exceeds the predetermined current value B (step 104). ). The predetermined current value B is obtained when the magnet 22 of the first rotor 104 and the magnet 24 of the second rotor 106 on the rotor 14 side are shifted from each other in the circumferential direction to the maximum in the circumferential direction. Minimum current value that is judged to start to rotate relatively by the force against the spring force generated by the rotating magnetic field generated by the rotating magnetic field based on the current flow to the windings and the repulsive force caused by the N poles of the magnets 22 and 24 Value.
上記した判別の結果、検出電流値が所定の電流値Bを超えないときは、磁石22,24の同極同士が周方向に最大限ずれた状態にあると判断できるので、通常どおり、回転角センサ202の出力に基づいて検出したシャフト102のモータ回転角をそのまま用いて電圧指令値を算出し、電流指令値I*に応じた電流を通電する処理を行う(ステップ106)。
As a result of the above determination, when the detected current value does not exceed the predetermined current value B, it can be determined that the same poles of the magnets 22 and 24 are shifted to the maximum in the circumferential direction. A voltage command value is calculated using the motor rotation angle of the shaft 102 detected based on the output of the sensor 202 as it is, and a process of applying a current corresponding to the current command value I * is performed (step 106).
一方、検出電流値が所定の電流値Bを超えるときは、磁石22,24が同極同士が周方向に最大限ずれた状態から周方向に相対回転していると判断できるので、通常とは異なり、回転角センサ202の出力に基づいて検出したシャフト102のモータ回転角を線形補間し(具体的には、回転角センサ202の出力に基づくモータ回転角に、次式(1)により算出される両磁石22,24の初期位置からのずれ角度Yを加算し)、その線形補間して得られたモータ回転角を用いて電圧指令値を算出し、電流指令値I*に応じた電流を通電する処理を行う(ステップ108)。
On the other hand, when the detected current value exceeds the predetermined current value B, it can be determined that the magnets 22 and 24 are rotating relative to each other in the circumferential direction from a state where the same poles are deviated to the maximum in the circumferential direction. In contrast, the motor rotation angle of the shaft 102 detected based on the output of the rotation angle sensor 202 is linearly interpolated (specifically, the motor rotation angle based on the output of the rotation angle sensor 202 is calculated by the following equation (1). The voltage command value is calculated using the motor rotation angle obtained by linear interpolation, and the current corresponding to the current command value I * is calculated. Processing to energize is performed (step 108).
Y=(X1−X0)/(最大電流Imax−B)×(検出電流値I−B)・・・(1)
但し、(X1−X0)は磁石22,24の同極同士が周方向に最大限ずれた状態(図6に一点鎖線で示すX0)と回転軸方向に並んだ状態(図6に一点鎖線で示すX1)とでの角度差であり、Imaxは磁石22,24の同極同士を周方向に最大限ずれた状態から回転軸方向に並ばせるうえで必要なステータに流すべき電流値であり、Bは上記した磁石22,24が相対的に回転し始めると判断される電流値の最小値であり、また、Iは電流センサ212の出力に基づく検出電流値である。
Y = (X1-X0) / (maximum current Imax-B) × (detection current value IB) (1)
However, (X1-X0) is a state in which the same poles of the magnets 22 and 24 are displaced to the maximum in the circumferential direction (X0 indicated by a one-dot chain line in FIG. 6) and a state in which they are aligned in the rotation axis direction (one-dot chain line in FIG. And Imax is a current value to be passed through the stator necessary to align the same poles of the magnets 22 and 24 in the direction of the rotation axis from the state where they are shifted to the maximum in the circumferential direction. B is the minimum value of the current value at which it is determined that the magnets 22 and 24 start to rotate relatively, and I is the detected current value based on the output of the current sensor 212.
かかる処理によれば、2分割されたロータ14(第1のロータ104と第2のロータ106と)の磁石22,24の同極同士が周方向にずれた状態と回転軸方向に並んだ状態とに位置変化することにより、それら磁石22,24全体における磁極の中心が位置変化する場合にも、その位置変化に追従して回転角センサ202の出力に基づくモータ回転角を線形補間することができ、これにより、上記した磁石22,24の磁極中心の位置ずれに応じてステータ12の巻線に流す電流を補正することができる。このため、本実施例によれば、ロータ14側の磁石22,24の磁極中心の位置ずれに対応して、回転電機100の電流制御を精度よく適切に行うことが可能となっている。
According to this processing, the same poles of the magnets 22 and 24 of the rotor 14 divided into two (the first rotor 104 and the second rotor 106) are shifted in the circumferential direction and aligned in the rotation axis direction. Therefore, even when the center of the magnetic pole in the whole of the magnets 22 and 24 changes in position, the motor rotation angle based on the output of the rotation angle sensor 202 can be linearly interpolated following the change in position. Thus, the current flowing through the windings of the stator 12 can be corrected in accordance with the positional deviation of the magnetic pole centers of the magnets 22 and 24 described above. For this reason, according to the present embodiment, it is possible to accurately and appropriately perform the current control of the rotating electrical machine 100 corresponding to the positional deviation of the magnetic pole centers of the magnets 22 and 24 on the rotor 14 side.
また、ところで、上記した第1及び第2実施例では、回転電機10,100の2分割されたロータ14の磁石22,24の同極同士が周方向にずれた状態と回転軸方向に並んだ状態との間で位置変化するが、その最大位置変化の寸法(最大ずれ角度)は予め規定されている。この点、第1のロータ104と第2のロータ106とがその最大ずれ角度を超えて相対回転することはないので、仮に両者104,106がその最大ずれ角度を超えて相対回転することが検出されるときは、回転角センサ202における断線が生じ、或いは、第1又は第2のロータ104,106からの磁石22,24の剥がれ落ちによるロータ14の空回りが生じたと判断することができる。従って、回転電機10,100に生ずる異常を、第1のロータ104と第2のロータ106との相対回転に基づいて検出することが可能である。
In the first and second embodiments described above, the same polarity of the magnets 22 and 24 of the rotor 14 divided into two parts of the rotating electrical machines 10 and 100 are aligned in the circumferential direction and aligned in the rotational axis direction. Although the position changes between states, the dimension of the maximum position change (maximum deviation angle) is defined in advance. In this regard, since the first rotor 104 and the second rotor 106 do not rotate relative to each other beyond the maximum deviation angle, it is detected that both the 104 and 106 rotate relative to each other beyond the maximum deviation angle. When the rotation angle sensor 202 is disconnected, it can be determined that a disconnection has occurred in the rotation angle sensor 202 or that the rotor 14 has run idle due to the magnets 22 and 24 coming off from the first or second rotor 104 or 106. Therefore, it is possible to detect an abnormality occurring in the rotating electrical machines 10 and 100 based on the relative rotation between the first rotor 104 and the second rotor 106.
そこで、本実施例は、かかる点を考慮して回転電機10,100に生ずる異常を検出するものであることに第2の特徴を有している。以下、図9を参照して、本実施例の上記した特徴部について説明する。尚、回転電機10の異常検出と回転電機100の異常検出とは、回転方向が一方向のみであるか双方向であるかを除いてほとんど異なるところがないため、以下では、回転電機100の異常検出についてのみ説明する。
In view of this, the present embodiment has a second feature in that an abnormality occurring in the rotating electrical machines 10 and 100 is detected in consideration of such points. Hereinafter, with reference to FIG. 9, the above-described features of the present embodiment will be described. The abnormality detection of the rotating electrical machine 10 and the abnormality detection of the rotating electrical machine 100 have almost no difference except that the rotation direction is only one direction or bidirectional. Only will be described.
図9は、本実施例において制御装置200のインバータ制御部208が実行する制御ルーチンの一例のフローチャートを示す。インバータ制御部208は、まず、各相の逆起電圧から求められるモータ回転角と回転角センサ202の出力から求められるモータ回転角との差に基づいて、第1のロータ104と第2のロータ106との初期状態(X0)からの相対的なずれ角度αを算出する。そして、そのずれ角度αの絶対値(左右の回転を考慮した)がボール118,120と溝122,124との関係から予め規定されている第1のロータ104と第2のロータ106との最大ずれ角度βmaxの絶対値を超え、かつ、その差が所定値γを超えているか否かを判別する(ステップ200)。尚、この所定値γは、ロータ14の構造上生じ得る最大ずれ角度βmaxの角度誤差である。
FIG. 9 shows a flowchart of an example of a control routine executed by the inverter control unit 208 of the control device 200 in the present embodiment. The inverter control unit 208 first determines the first rotor 104 and the second rotor based on the difference between the motor rotation angle obtained from the back electromotive voltage of each phase and the motor rotation angle obtained from the output of the rotation angle sensor 202. The relative deviation angle α from the initial state (X0) with 106 is calculated. The absolute value of the deviation angle α (considering left and right rotation) is the maximum between the first rotor 104 and the second rotor 106 that is defined in advance from the relationship between the balls 118 and 120 and the grooves 122 and 124. It is determined whether or not the absolute value of the shift angle βmax exceeds the predetermined value γ (step 200). The predetermined value γ is an angle error of the maximum deviation angle βmax that can occur in the structure of the rotor 14.
上記した判別の結果、|α|−|βmax|>γが成立しないときは、検出される第1のロータ104と第2のロータ106との初期位置(X0)からの角度ずれが規定のものを上回らないことで何ら異常は生じていないとして、上記図8に示すルーチンに従って通常どおりモータ角度を検出して回転電機100の電流制御を行いその回転を制御する(ステップ202)。
If | α | − | βmax |> γ is not satisfied as a result of the above determination, the detected angular deviation of the first rotor 104 and the second rotor 106 from the initial position (X0) is specified. Assuming that no abnormality has occurred by not exceeding the value, the motor angle is detected as usual according to the routine shown in FIG. 8 and the current of the rotating electrical machine 100 is controlled to control its rotation (step 202).
一方、|α|−|βmax|>γが成立するときは、第1のロータ104と第2のロータ106との初期状態(X0)からの角度ずれが規定のものを上回ることで回転角センサ202における断線や第1又は第2のロータ104,106からの磁石22,24の剥がれ落ちなどの異常が生じているとして、フェールフラグをオンして上記した回転電機100の電流制御を中止する処理を行う(ステップ204)。この場合には、回転電機100を用いた例えば電気パワーステアリング装置によるアシストトルクの発生が停止され、或いは、回転電機100において異常が生じている旨が使用者(車両運転者など)に情報提供される。
On the other hand, when | α | − | βmax |> γ is satisfied, the angle deviation from the initial state (X0) between the first rotor 104 and the second rotor 106 exceeds a specified value, and thus the rotation angle sensor. Processing for turning on the fail flag and canceling the current control of the rotating electrical machine 100 described above, assuming that an abnormality such as disconnection at 202 or peeling off of the magnets 22 and 24 from the first or second rotor 104 or 106 has occurred. (Step 204). In this case, for example, the generation of assist torque by the electric power steering device using the rotating electrical machine 100 is stopped, or information indicating that an abnormality has occurred in the rotating electrical machine 100 is provided to the user (vehicle driver or the like). The
かかる処理によれば、2分割されたロータ14の磁石22,24が初期状態から所望の範囲を超えた角度ずれを起こす異常(例えば、モータ断線異常やセンサ異常,磁石22,24の剥離異常など)を検出することができる。このため、本実施例によれば、異常時に回転電機100の電流制御が行われるのを回避することができ、その電流制御を適切に行うことが可能となっている。
According to such processing, the magnets 22 and 24 of the rotor 14 divided into two parts have an abnormality that causes an angle shift exceeding a desired range from the initial state (for example, motor disconnection abnormality or sensor abnormality, magnets 22 and 24 separation abnormality, etc. ) Can be detected. For this reason, according to the present embodiment, it is possible to avoid current control of the rotating electrical machine 100 during an abnormality, and it is possible to appropriately perform the current control.
尚、上記の第3実施例においては、インバータ制御部208が、上記図8に示すルーチン中ステップ108において上記(1)式により両磁石22,24の初期位置からのずれ角度Yを算出することにより特許請求の範囲の請求項4に記載した「ずれ角度検出手段」が、ステップ108において線形補間して得られたモータ回転角を用いて電圧指令値を算出し、電流指令値I*に応じた電流を通電する処理を行うことにより特許請求の範囲に記載した「電流制御手段」が、逆起電圧から求められるモータ回転角と回転角センサ202の出力から求められるモータ回転角との差に基づいて、第1のロータ104と第2のロータ106との初期状態(X0)からの相対的なずれ角度αを算出することにより特許請求の範囲の請求項5に記載した「ずれ角度検出手段」が、上記図9に示すルーチン中ステップ200,204の処理を実行することにより特許請求の範囲に記載した「異常判定手段」が、それぞれ実現されている。
In the third embodiment, the inverter control unit 208 calculates the deviation angle Y from the initial position of both magnets 22 and 24 by the above equation (1) at step 108 in the routine shown in FIG. Thus, the “deviation angle detection means” described in claim 4 of the claims calculates the voltage command value using the motor rotation angle obtained by linear interpolation in step 108, and responds to the current command value I *. By performing the process of energizing the current, the “current control means” described in the claims determines the difference between the motor rotation angle obtained from the back electromotive voltage and the motor rotation angle obtained from the output of the rotation angle sensor 202. On the basis of this, the relative deviation angle α from the initial state (X0) between the first rotor 104 and the second rotor 106 is calculated, and then, according to claim 5 of the claims. Re angle detecting means ", described in the claims by performing the processing routine in step 200 and 204 shown in FIG. 9," abnormality determining means "is realized, respectively.
本発明の第1実施例である回転電機の構成図である。It is a block diagram of the rotary electric machine which is 1st Example of this invention.
本実施例の回転電機の構成図である。It is a block diagram of the rotary electric machine of a present Example.
本発明の第2実施例である回転電機の構成図である。It is a block diagram of the rotary electric machine which is 2nd Example of this invention.
本実施例の回転電機の構成図である。It is a block diagram of the rotary electric machine of a present Example.
本実施例の回転電機の構成図である。It is a block diagram of the rotary electric machine of a present Example.
本発明の第3実施例である回転電機の磁極中心がずれる状況を表した図である。It is a figure showing the condition where the magnetic pole center of the rotary electric machine which is 3rd Example of this invention has shifted | deviated.
本実施例の回転電機を回転制御する制御装置の構成図である。It is a block diagram of the control apparatus which controls rotation of the rotary electric machine of a present Example.
本実施例の制御装置において実行される制御ルーチンの一例のフローチャートである。It is a flowchart of an example of the control routine performed in the control apparatus of a present Example.
本実施例の制御装置において実行される制御ルーチンの一例のフローチャートである。It is a flowchart of an example of the control routine performed in the control apparatus of a present Example.
符号の説明Explanation of symbols
10,100 回転電機
12 固定子(ステータ)
14 回転子(ロータ)
16,102 シャフト
18,104 第1のロータ
20,106 第2のロータ
22,24 磁石
28,114,116 スプリングバネ
30,118,120 ボール
10,100 Rotating electric machine 12 Stator
14 Rotor
16, 102 Shaft 18, 104 First rotor 20, 106 Second rotor 22, 24 Magnet 28, 114, 116 Spring spring 30, 118, 120 Ball