JP2008131684A - Driving system of electric motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電動機の回生エネルギーを回収して再利用する電動機の駆動システムに関し、さらに詳しく言えば、そのシステムの加速、定速、減速、制動、慣性(下り坂走行など)および停止などの運転走行を繰り返す際に生じる回生エネルギーの回収量を増大させるとともに、始動時などの放電量を減らすことができる電動機の駆動システムに関する。 The present invention relates to an electric motor drive system that recovers and reuses regenerative energy of an electric motor, and more specifically, operation of the system, such as acceleration, constant speed, deceleration, braking, inertia (downhill traveling, etc.), and stopping. The present invention relates to a drive system for an electric motor that can increase the amount of regenerative energy recovered when traveling is repeated and reduce the amount of discharge at the time of starting.
輸送機器の分野において、電動機は自動車やバイクなどに用いられているが、最近では、ガソリンエンジンと併用するハイブリッド自動車や、自転車の駆動系の一部に電動機を設けて人力をアシストする電動アシスト機能付き自転車がよく見られる。 In the field of transportation equipment, electric motors are used in automobiles and motorcycles. Recently, hybrid motors that are used in combination with gasoline engines, and electric assist functions that assist human power by installing electric motors in part of the drive system of bicycles. Bicycles are often seen.
例えば特許文献1に示すように、この種の電動アシスト自転車は、ブラシ付き直流モータやラジアルエアギャップ型ブラシレスDCモータからなる電動機が用いられるのが主流であった。 For example, as shown in Patent Document 1, this type of electrically assisted bicycle has been mainly used for an electric motor including a DC motor with a brush or a radial air gap brushless DC motor.
しかしながら、ブラシ付き直流モータやラジアルエアギャップ型ブラシレスDCモータを用いた場合には、次のような問題があった。すなわち、ブラシ付き直流モータは、ブラシや整流子の寿命が短く、かつ、ブラシにより短絡されるステータ巻線があるためにエネルギー効率が悪く、そのためにバッテリーの放電持続時間も短くなる。 However, when a brushed DC motor or a radial air gap type brushless DC motor is used, there are the following problems. That is, the brushed DC motor has a short life of the brush and the commutator, and has a stator winding that is short-circuited by the brush, so that the energy efficiency is poor, and therefore the discharge duration of the battery is also shortened.
これに対して、ラジアルエアギャップ型ブラシレスDCモータは、インバータ回路によってステータ巻線に流れる電流を切り換えているため、寿命は長く、エネルギー変換効率や信頼性が高い。 On the other hand, since the radial air gap type brushless DC motor switches the current flowing through the stator winding by the inverter circuit, it has a long life and high energy conversion efficiency and reliability.
しかしながら、ラジアルエアギャップ型ブラシレスDCモータは、バッテリーの放電持続時間が十分長いとは言えない。また、ラジアルエアギャップ型ブラシレスDCモータを高出力化するためには、ステータとロータの寸法を大型化しなくてはならず、電動アシスト付き自転車を小型化する妨げとなっている。 However, the radial air gap type brushless DC motor cannot be said to have a sufficiently long discharge duration of the battery. Further, in order to increase the output of the radial air gap type brushless DC motor, the dimensions of the stator and the rotor must be increased, which hinders the miniaturization of the bicycle with electric assist.
そこで、本発明は上述した課題を解決するため、電動機の回生エネルギーの回収量を増大させることができ、かつ、始動時などの電流を小さくして、バッテリーの放電持続時間を延ばすことがことができる電動機の駆動システムを提供することにある。 Therefore, in order to solve the above-described problems, the present invention can increase the recovery amount of the regenerative energy of the electric motor, and can reduce the current at the time of starting and extend the discharge duration of the battery. An object of the present invention is to provide an electric motor drive system that can be used.
上述した課題を解決するため、本発明は以下に示すいくつかの特徴を備えている。請求項1に記載の発明は、バッテリー電源とキャパシタとを並列に接続してなる直流電源回路と、フライホイールダイオードを逆並列に接続したスイッチング素子からなる多相インバータ回路と、上記多相インバータ回路を介して上記電源回路に接続される電動機とを含み、上記電動機のロータの位置信号を上記多相インバータ回路の上記スイッチング素子に帰還して、上記電動機の巻線に流れる電流を切り換えることにより、回転磁界を作り界磁のロータにトルクを発生させる電動機の駆動システムにおいて、上記電動機として、1つのステータと、上記ステータの両側に配置される2つのロータとをロータ出力軸の軸線方向に沿って所定の空隙をもって対向的に配置してなる2ロータ2エアギャップ型のアキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータを用い、上記電動機は、トルクを発生するトルク発生モードまたは電気エネルギーを発生する発電モードで断続的に動作し、上記発電モードのときは、上記スイッチング素子をOFFして、上記ロータの回転により発電した電気エネルギーを上記バッテリー電源および上記キャパシタに帰還することを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, the present invention has several features described below. The invention according to claim 1 is a DC power supply circuit in which a battery power supply and a capacitor are connected in parallel, a multiphase inverter circuit comprising switching elements in which flywheel diodes are connected in antiparallel, and the multiphase inverter circuit An electric motor connected to the power supply circuit through the feedback of the position signal of the rotor of the electric motor to the switching element of the multi-phase inverter circuit, by switching the current flowing through the winding of the electric motor, In an electric motor drive system that generates a rotating magnetic field and generates torque in a field rotor, the electric motor includes one stator and two rotors disposed on both sides of the stator along the axial direction of the rotor output shaft. 2-rotor 2-air-gap axial air-gap brush arranged oppositely with a predetermined gap The DC motor is used, and the motor operates intermittently in a torque generation mode for generating torque or a power generation mode for generating electric energy. In the power generation mode, the switching element is turned off to The electric energy generated by the rotation is fed back to the battery power source and the capacitor.
請求項2に記載の発明は、上記請求項1または2において、上記アキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータは、上記各ロータの他方の側面に第2のステータが所定の空隙をもってさらに対向的に配置してなる2ロータ4エアギャップ型のアキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータからなることを特徴としている。 A second aspect of the present invention is the axial air gap type brushless DC motor according to the first or second aspect, wherein the second stator is further disposed opposite to the other side surface of the rotor with a predetermined gap. 2 rotor 4 air gap type axial air gap type brushless DC motor.
請求項3に記載の発明は、上記請求項1または2において、上記ロータは、焼結式希土類磁石またはボンド式希土類磁石からなるマグネットが用いられていることを特徴としている。 A third aspect of the present invention is characterized in that, in the first or second aspect, a magnet made of a sintered rare earth magnet or a bonded rare earth magnet is used for the rotor.
請求項4に記載の発明は、上記請求項1ないし3のいずれか1項において、上記ステータは分数スロットを有し、上記分数スロットに巻線が集中巻で巻回されていることを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the stator has a fractional slot, and a winding is wound around the fractional slot in concentrated winding. Yes.
請求項5に記載の発明は、上記請求項1において、上記ステータのステータコアおよび/または上記ロータのバックヨークには、JIS−C−2552の50A400あるいは35A360より低級となる磁束密度が高く透磁率の低い電磁鋼板あるいは冷延鋼板や熱延鋼板が用いられていることを特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect, the stator core of the stator and / or the back yoke of the rotor has a high magnetic flux density lower than 50A400 or 35A360 of JIS-C-2552 and has a high permeability. A low electromagnetic steel plate, a cold-rolled steel plate, or a hot-rolled steel plate is used.
請求項6に記載の発明は、上記請求項1において、上記ロータのバックヨークは、円盤状の冷延鋼板または熱延鋼板を1枚もしくは複数枚軸方向に積層したものからなることを特徴としている。 A sixth aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the back yoke of the rotor is formed by laminating one or a plurality of disk-shaped cold-rolled steel plates or hot-rolled steel plates in the axial direction. Yes.
請求項1に記載の発明によれば、アキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータを用いることにより、回生時に発電機として動作する際の同期リアクタンスが小さくなり、リアクタンスによる電圧降下を低く抑え、出力電圧を高くして、回生エネルギーをより多く電源側に帰還させることができる。 According to the first aspect of the present invention, by using the axial air gap type brushless DC motor, the synchronous reactance when operating as a generator during regeneration is reduced, the voltage drop due to the reactance is suppressed, and the output voltage is increased. Thus, more regenerative energy can be returned to the power supply side.
また、1つのステータの両面に2つのロータを配置した2ロータ2エアギャップ型のアキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータを用いることにより、磁気抵抗が大きくなり、同期リアクタンスをさらに小さくすることができる。 Further, by using a 2-rotor 2-air gap type axial air gap type brushless DC motor in which two rotors are arranged on both sides of one stator, the magnetic resistance is increased and the synchronous reactance can be further reduced.
請求項2に記載の発明によれば、ロータの他方の側面にさらに第2のステータを配置することにより、エアギャップが合計で4カ所の2ロータ4エアギャップ型となり、さらに磁気抵抗が大きくでき、同期リアクタンスをさらに小さくすることができる。 According to the second aspect of the present invention, the second stator is further arranged on the other side surface of the rotor, so that a total of four air gaps of two rotors and four air gaps can be obtained, and the magnetic resistance can be further increased. The synchronous reactance can be further reduced.
請求項3に記載の発明によれば、ロータマグネットとして焼結式希土類磁石やボンド式希土類磁石が用いられることにより、よりトルク定数を大きくすることができ、始動電流の低減や始動時間を短くすることができ、始動時の大電流によるバッテリーの容量低減を抑えることができる。 According to the third aspect of the present invention, by using a sintered rare earth magnet or a bonded rare earth magnet as the rotor magnet, the torque constant can be further increased, and the starting current can be reduced and the starting time can be shortened. Therefore, it is possible to suppress the battery capacity reduction due to the large current at the start.
請求項4に記載の発明によれば、分数スロットを有するステータコアに集中巻で巻線を施すことにより、ステータの巻線抵抗を小さくでき、エネルギー変換効率を高めることができる。ここで、本発明の言う「分数スロット」とは、〔ステータのスロット数〕÷〔相数×極数〕=分数となるスロットを言う。 According to the fourth aspect of the present invention, the winding resistance of the stator can be reduced and the energy conversion efficiency can be increased by winding the stator core having fractional slots with concentrated winding. Here, the “fractional slot” referred to in the present invention means a slot where [number of stator slots] / [number of phases × number of poles] = fraction.
請求項5に記載の発明によれば、透磁率が低く、磁束密度の高い電磁鋼板あるいは冷延鋼板や熱延鋼板をステータコアやバックヨークに用いることにより、同期リアクタンスを小さくでき、発電機として動作するときの出力電圧を高くすることができる。 According to the invention described in claim 5, by using an electromagnetic steel sheet, a cold-rolled steel sheet, or a hot-rolled steel sheet having a low magnetic permeability and a high magnetic flux density for the stator core and the back yoke, the synchronous reactance can be reduced and the generator operates. When doing so, the output voltage can be increased.
請求項6に記載の発明によれば、ロータバックヨークとして円盤状の冷延鋼板や熱延鋼板を1枚ないし複数枚を軸方向に積層したものを用いることにより、永久磁石の直流磁束の透過性がよい反面、ステータから発生する交流磁束が渦電流などにより通過しにくくなり、磁気抵抗を大きくし同期リアクタンスを小さくすることができる。 According to the invention described in claim 6, by using a disk-shaped cold rolled steel sheet or hot rolled steel sheet laminated in the axial direction as a rotor back yoke, transmission of DC magnetic flux of the permanent magnet is achieved. On the other hand, the AC magnetic flux generated from the stator is difficult to pass due to eddy currents, and the magnetic resistance can be increased and the synchronous reactance can be reduced.
次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る電動機の駆動システムの回路構成図であり、図2は、本発明の電動機の駆動システムに用いられるアキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータの模式図である。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit configuration diagram of an electric motor drive system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram of an axial air gap type brushless DC motor used in the electric motor drive system of the present invention.
図1に示すように、本発明の電動機の駆動システムは、バッテリー電源110と電動機の回生エネルギーが充電されるキャパシタ120とを並列に接続してなる電源回路100と、フライホイールダイオード210を逆並列に接続したスイッチング素子220からなる多相インバータ回路200と、多相インバータ回路200を介して電源回路10に接続される電動機300とを備えている。
As shown in FIG. 1, the electric motor drive system of the present invention includes a
バッテリー電源110は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池などに代表される一般的な直流電源としての商用電池が用いられる。本発明において、バッテリー電源110の容量や電圧などは、駆動システムの仕様に応じて任意に変更可能である。
As the
キャパシタ120は、電解コンデンサや大容量の電気二重層キャパシタが用いられており、これに高周波数特性のよいセラミックキャパシタやフィルムキャパシタなどをさらに併用したものであってもよい。
As the
キャパシタ120の容量は、電動機300が運転走行−慣性走行−制動停止の1サイクルにおける平均の回生エネルギーをPr、コンデンサ電圧をVcとした場合、
C・Vc2/2=Pr
より求められるCの値よりも大きく設定されていることが好ましい。
The capacity of the
C · Vc 2/2 = Pr
It is preferable that the value is set to be larger than the required C value.
多相インバータ回路200は、フライホイールダイオード210を逆並列に接続した例えばパワートランジスタやMOSFETなどスイッチング素子220を電流方向に沿って上流側と下流側となるように一対に設けた直列回路を有し、この直列回路がU相,V相,W相の3相分備えている。
The
直列回路のスイッチング素子220の相互接続点には、電動機300の各相巻線の非結線端が各相毎に接続されている。この電動機300の回転制御は、PWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)もしくはPAM(Pulse Amplitude Modulatio:パルス振幅変調)、あるいは、120°通電や180°通電により制御されている。
A non-connection end of each phase winding of the
図2に示すように、電動機300は、円盤状に形成されたステータ310と、ステータ310の両側面に所定の空隙(ギャップ)をもって対向的に配置される一対のロータ320,320とを備える、いわゆるアキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータが用いられている。各ロータ320,320は回転駆動力を出力するロータ出力軸330に同軸的に固定されている。
As shown in FIG. 2, the
アキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータ300には、ブラシレスDCモータの通電制御用としてロータ320の図示しない位置センサを備えている。位置センサは、ホール素子や光センサなどの一般的な位置センサが用いられるが、センサレス方式であってもよい。
The axial air gap type
ステータ310には、ロータ出力軸4の回転軸線を中心軸として環状に配置された複数個(この例では9個(9スロット))のステータコア311が含まれており、各ステータコア311の外周に巻線が多重に巻回されている。
The
ステータ310の各ステータコア311の間には、巻線が巻回されるスロットが設けられているが、本発明において、ステータ310のスロットは分数スロットであり、分数スロットに巻線が集中巻で巻回されている
Slots around which the windings are wound are provided between the
これによれば、分数スロットを有するステータコアに集中巻で巻線を施すことにより、ステータの巻線抵抗を小さくでき、エネルギー変換効率を高めることができる。ここで、本発明のいう「分数スロット」とは、〔ステータのスロット数〕÷〔相数×極数〕=分数となるスロット数をいう。 According to this, the winding resistance of the stator can be reduced and the energy conversion efficiency can be increased by winding the stator core having fractional slots with concentrated winding. Here, the “fractional slot” referred to in the present invention refers to the number of slots where [number of stator slots] / [number of phases × number of poles] = fraction.
ステータコア330は、同期リアクタンスを小さくしトルク定数を大きくするため、磁束密度が高く透磁率の低い材料が用いられていることが好ましい。すなわち、珪素の含有量の少ない低級な電磁鋼板(好ましくはJIS−C−2552の50A400あるいは35A360より低級な電磁鋼板、例えば50A1300)の冷延鋼板や熱延鋼板のほか、粉体成型された圧粉鉄心などが用いられる。
The
ロータ320,320は、それぞれ同一の構成であるため、以下の説明ではいずれか一方のみを説明し、いずれか他方の説明は省略する。ロータ320は、円盤状のロータバックヨーク321を有し、同ロータバックヨーク321には、上記ステータコア330に対向するようにロータマグネット322が配置されている。
Since the
ロータバックヨーク321は、上述したステータコア330と同じく同期リアクタンスを小さくしトルク定数を大きくするため、磁束密度が高く透磁率の低い材料が用いられていることが好ましく、より好ましくは、円盤状の冷延鋼板または熱延鋼板を1枚もしくは複数枚軸方向に積層したものからなる
The rotor back
すなわち、ロータバックヨーク321は、珪素の含有量の少ない低級な電磁鋼板(好ましくはJIS−C−2552の50A400あるいは35A360より低級な材料、例えば50A1300)や、冷延鋼板や熱延鋼板のほか、粉体成型された圧粉鉄心などが用いられる。
That is, the rotor back
ロータマグネット322は、焼結式希土類磁石および/またはボンド式希土類磁石からなる。より具体的には、ネオジウム−鉄−ボロン系磁石,サマリウム−コバルト系磁石,サマリウム−鉄−窒素系などの希土類磁石が好ましく用いられるが、これ以外にフェライト系磁石などの永久磁石であってもよい。
The
本発明において、ロータ300は、ロータマグネット322がステータコア330のティース面に対向する構造、いわゆるSPM(Surface Permanent Magnet)構造であり、かつ、q軸インダクタンスとd軸インダクタンスの差が±10%以内に抑えられている。
In the present invention, the
この例において、アキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータ300は、1つのステータ310の両側面に2個のロータ320を配置してなる、いわゆる2ロータ2エアギャップ型のアキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータであるが、これ以外に、図3に示すように、ロータ320の他方の外側面(反ステータ310対向面)にさらに、第2のステータとしての補助ステータ340を配置してもよい。
In this example, the axial air gap type
これによれば、ロータ320の両面にエアギャップが形成された、いわゆる2ロータ4エアギャップ型のアキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータ300Aが構築されることにより、エアギャップが増えた分、磁気抵抗が大きくなり、同期リアクタンスをさらに小さくすることができ、ひいては回生エネルギーが増大する。
According to this, by constructing a so-called two-rotor 4-air gap type axial air gap type
ただし、このようにエアギャップを増やした場合は、ギャップ長さが大きくなり、磁束が通りにくくなるので、ロータマグネット322の厚さを厚くして、磁束密度を補償することが好ましい。
However, when the air gap is increased in this way, the gap length increases and it becomes difficult for the magnetic flux to pass. Therefore, it is preferable to increase the thickness of the
このアキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータ300を例えば電動アシスト付き自転車やハイブリッド自動車などの電動機の駆動システムに用いた場合、慣性走行や制動時には、電動機300は発電機として回生エネルギーを生成し、回生エネルギーはキャパシタ110に蓄えられ、さらにはバッテリーに充電される。図4は、回生動作時における本システムの等価回路である。
When this axial air gap type
図5(a)はラジアルエアギャップ型電動機の電圧ベクトル図であり、図5(b)は、アキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータの電圧ベクトル図である。これによれば、アキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータ300は、ラジアルエアギャップ型電動機に比べて、同期リアクタンスXaが小さいため、同一電流iを流した場合であっても、電圧降下Xa・iが低くなり、出力電圧Vtaが高くなる。
FIG. 5A is a voltage vector diagram of a radial air gap type electric motor, and FIG. 5B is a voltage vector diagram of an axial air gap type brushless DC motor. According to this, since the axial air gap type
換言すれば、電動機内部で誘起される電圧が同じであっても、同期リアクタンスXr,Xaによる電圧降下Xr・i,Xa・iの大小が出力電圧Vtr・Vtaの高低に直接的な影響を与えるため、アキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータは、同期リアクタンスXaが小さいので、電圧降下Xa・iが小さくなる。その結果、出力電圧が高くなり、回生エネルギーが大きくなる。また、ステータ巻線のインダクタンスが小さいということは、過渡応答特性も良好になるので、すばやく回生エネルギーを電源側に帰還させることもできる。 In other words, even when the voltages induced in the motor are the same, the magnitudes of the voltage drops X r · i and X a · i due to the synchronous reactances X r and X a become high and low in the output voltage V tr · V ta . since a direct impact, axial airgap brushless DC motor, because synchronous reactance X a is small, the voltage drop X a · i decreases. As a result, the output voltage increases and the regenerative energy increases. Further, since the inductance of the stator winding is small, the transient response characteristic is also improved, so that the regenerative energy can be quickly returned to the power supply side.
これは以下の数式からも明らかである。図6(a)および(b)を参照して、本発明の駆動システムに用いられるアキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータは、アンペアの周回積分の法則から、以下の式(1)ように表される。 This is also clear from the following formula. Referring to FIGS. 6A and 6B, the axial air gap type brushless DC motor used in the drive system of the present invention is expressed by the following equation (1) from the law of ampere-round integration. .
ここで、2NaIは〔起磁力〕、2lt/μ1S1は〔ステータコア部分の磁気抵抗〕、2ly1/μ2S2は〔ロータコアの磁気抵抗〕、4(g+m)/μ0S3は〔磁石とギャップ部分の磁気抵抗〕である。
また、Nrは〔巻数/ティース〕、Iは〔電流〕、ltは〔ティース磁路長〕、ly1は〔ロータヨーク磁路長〕、ly2は〔ステータヨーク磁路長〕、μ0は〔エアギャップとマグネットの透磁率〕、μ1は〔ティースの透磁率〕、μ2は〔バックヨークの透磁率〕、S0は〔ロータマグネットに対するステータティース先端部の面積〕、S1は〔ティースの断面積〕、S2は〔バックヨークの磁路断面積〕、gは〔ギャップ長さ〕、mは〔マグネット厚さ〕、Φは〔磁束〕である。
Here, 2NaI is [magnetomotive force], 2lt / μ 1 S 1 is [magnetic resistance of stator core part], 2ly 1 / μ 2 S 2 is [magnetic resistance of rotor core], 4 (g + m) / μ 0 S 3 is [Magnetic resistance of magnet and gap portion].
Further, the N r [turns / tooth], I is [current], l t is [teeth magnetic path length], l y1 is [yoke magnetic path length], l y2 is [stator yoke magnetic path length], mu 0 the [permeability of the air gap and the magnet], the mu 1 [permeability of the tooth], the mu 2 [permeability of the back yoke], S 0 is [area of stator teeth tip with respect to the rotor magnet], S 1 is [cross-sectional area of the teeth], S 2 is [path cross-sectional area of the back yoke], g is [a gap length], m is [magnet thickness], [Phi is [flux].
μ1>>μ0,μ2>>μ0,μ0=1,S1≒S2≒S3≒Saとした場合、式(1)は、以下の式(2)のように表される。
さらに、〔磁束鎖交数〕をψ,〔インダクタンス〕をLaとした場合、式(3)および式(4)となる。
その結果、同期リアクタンスXaは、以下に示す式(5)となる。
ここで、Pは〔極数〕,nは〔回転速度(rpm)〕である。
As a result, synchronous reactance X a is a formula (5) shown below.
Here, P is [number of poles] and n is [rotational speed (rpm)].
同様にラジアルエアギャップ型電動機の場合は、以下の式(6)のように表される。
ここで、2NrIは〔起磁力〕、〈2ly/μ1S1+ly1/μ1S2〉は、〔ステータコア部分の磁気抵抗〕、ly2/μ2S3は〔ロータコアの磁気抵抗〕、4(g+m)/μ0S4は〔磁石とギャップ部分の磁気抵抗〕であり、Nrは〔巻数/ティース〕、Iは〔電流〕、ltは〔ティース磁路長〕、ly1は〔ロータヨーク磁路長〕、ly2は〔ステータヨーク磁路長〕、μ0は〔エアギャップとマグネットの透磁率〕、μ1は〔ティースの透磁率〕、μ2は〔バックヨークの透磁率〕、S0は〔ロータマグネットに対するステータティース先端部の面積〕、S1は〔ティースの断面積〕、S2は〔バックヨークの磁路断面積〕、gは〔ギャップ長さ〕、mは〔マグネット厚さ〕、Φは〔磁束〕である。
Similarly, in the case of a radial air gap type electric motor, it is expressed as the following formula (6).
Here, 2NrI is [magnetomotive force], <2ly / μ 1 S 1 + ly 1 / μ 1 S 2 > is [magnetic resistance of stator core portion], and ly 2 / μ 2 S 3 is [magnetic resistance of rotor core], 4 (g + m) / μ 0 S 4 are [magnetoresistive the magnet and the gap portion], the N r [turns / tooth], I is [current], the l t [teeth magnetic path length], l y1 is [Rotor yoke magnetic path length], ly2 is [stator yoke magnetic path length], μ 0 is [air permeability of the air gap and magnet], μ 1 is [magnetic permeability of the teeth], and μ 2 is [magnetic permeability of the back yoke]. ], S 0 is [area of stator teeth tip with respect to the rotor magnet], S 1 is [cross-sectional area of the teeth], S 2 is [path cross-sectional area of the back yoke], g is [a gap length], m is [Magnet thickness] and Φ are [magnetic flux].
ここで、μ1>>μ0,μ2>>μ0,μ0=1,S1≒S2≒S3≒Saとした場合と、式(6)は、以下の式(7)のように表される。
さらに、〔磁束鎖交数〕をψ,〔インダクタンス〕をLrとすると、式(8)および式(9)となる。
その結果、同期リアクタンスXrは、以下に示す式(10)となる。
ここで、Pは〔極数〕,nは〔回転速度(rpm)〕である。
As a result, the synchronous reactance Xr is expressed by the following equation (10).
Here, P is [number of poles] and n is [rotational speed (rpm)].
図8(a),(b)を参照して、ラジアルエアギャップ型電動機のトルクTrは、次の式(11)で表される。
ここで、Kは〔定数〕、Drは〔ステータコアの外径〕、Dgは〔ロータの外径〕、lは〔ステータコア長さ〕、Acは〔アンペア導体数〕、Bは〔磁束密度〕である。
Referring to FIGS. 8A and 8B, the torque Tr of the radial air gap type motor is expressed by the following equation (11).
Here, K is [constant], Dr is [outer diameter of stator core], Dg is [outer diameter of rotor], l is [stator core length], Ac is [number of ampere conductors], and B is [magnetic flux density]. is there.
これに対し、図9(a),(b)を参照して、アキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータのトルクTaは、次の式(12)で表される。
ここで、Kは〔定数〕、Drは〔ステータコアの外径〕、Dgは〔ロータの外径〕、lは〔ステータコア長さ〕、Acは〔アンペア導体数〕、Bは〔磁束密度〕である。
On the other hand, referring to FIGS. 9A and 9B, the torque Ta of the axial air gap type brushless DC motor is expressed by the following equation (12).
Here, K is [constant], Dr is [outer diameter of stator core], Dg is [outer diameter of rotor], l is [stator core length], Ac is [number of ampere conductors], and B is [magnetic flux density]. is there.
DoとDgおよびDiとDgの間には経験的に、それぞれ以下のような相関関係がある。
Dg=γ・Dr(γ=0.6〜0.8≒0.7)
Di=δ・Do(δ=0.5〜0.7≒0.6)
ただし、Dr=Doとする
There is an empirical correlation between Do and Dg and Di and Dg, respectively.
Dg = γ · Dr (γ = 0.6 to 0.8≈0.7)
Di = δ · Do (δ = 0.5 to 0.7≈0.6)
However, Dr = Do
ここで、図8に示すラジアルエアギャップ型ブラシレスDCモータと、図9に示すアキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータとは、いずれもスロット数が6で極数が4であり、かつ、同じトルク(Tr=Ta)を発生させるため、電流は等しく、アンペア導体数(Ac)や磁束密度(B)も等しいものとする。また、外形寸法をDo=Dr=100(mm)、ラジアルモータの軸方向のコア積層寸法l=50(mm)とし、式(5)および式(10)から、リアクタンスXa,Xrを比較すると、
Xa/Xr=Na 2・Sa/2Nr 2Sr≒1/4
となり、アキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータの同期リアクタンスXaは、ラジアルエアギャップ型電動機の同期リアクタンスXrと比較して、約数分の1になることが分かる。これにより、アキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータの方が、高い出力電圧を電源側に供給することができる。
Here, the radial air gap type brushless DC motor shown in FIG. 8 and the axial air gap type brushless DC motor shown in FIG. 9 both have 6 slots and 4 poles, and the same torque (Tr = Ta), the currents are equal, and the number of ampere conductors (Ac) and magnetic flux density (B) are also equal. Further, when the external dimensions are Do = Dr = 100 (mm), the core lamination dimension l = 50 (mm) in the axial direction of the radial motor, and the reactances Xa and Xr are compared from the equations (5) and (10),
Xa / Xr = N a 2 · S a / 2N r 2 S r ≈1 / 4
Next, synchronous reactance X a of the axial air gap type brushless DC motor, as compared with the synchronous reactance X r of the radial air gap type electric motor, it can be seen to be approximately a fraction of. Thereby, the axial air gap type brushless DC motor can supply a higher output voltage to the power supply side.
次に、図7に示すように、通常、バッテリー容量(Ah)は、放電電流に対して一定ではなく、放電電流が大きくなるにつれ、その容量が低減される。一般に、電動機は始動時に流れる電流が最も大きく、その始動電流を小さくすることにより、バッテリーの容量の低減防止に大きな効果がある。 Next, as shown in FIG. 7, the battery capacity (Ah) is usually not constant with respect to the discharge current, and the capacity is reduced as the discharge current increases. In general, an electric motor has the largest current flowing at the time of starting, and reducing the starting current has a great effect in preventing a reduction in battery capacity.
ここで、アキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータのトルクTaが、ラジアルエアギャップ型電動機のトルクTrよりも大きくなる条件は、式(13)で表される。
したがって、Ta/Tr>1の条件を満たすためには、式(14)に示すようになる。
これによれば、モータコア外径(Do)/軸方向コア積層寸法(l)>2となるような寸法条件を満たした場合に、アキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータの方が同一電流に対して大きなトルクを出力することができる。その結果、トルク定数(=トルク/電流)を大きくすることができ、同じトルクを得るのに必要な始動電流を軽減したり、始動時間を短くすることができるため、バッテリーの放電持続時間を延ばすことができる。 According to this, the axial air gap type brushless DC motor is larger for the same current when the dimensional condition such that the motor core outer diameter (Do) / axial core stacking dimension (l)> 2 is satisfied. Torque can be output. As a result, the torque constant (= torque / current) can be increased, the starting current required to obtain the same torque can be reduced, and the starting time can be shortened, thus extending the battery discharge duration. be able to.
以上説明したように、本発明によれば、電動機の駆動システムに2ロータ型のアキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータを用いることにより、
(1)電動機の回生エネルギーをより多く発生させることができるため、回生エネルギーを効率的に利用した電動機の駆動システムが得られる。
(2)電動機の始動電流を低く抑えることができるため、バッテリーの放電時間を長くすることができ、1回の充電による電動機の駆動時間を延ばすことができる。
As described above, according to the present invention, by using a 2-rotor type axial air gap type brushless DC motor for a drive system of an electric motor,
(1) Since more regenerative energy of the electric motor can be generated, an electric motor drive system that efficiently uses the regenerative energy can be obtained.
(2) Since the starting current of the electric motor can be kept low, the discharge time of the battery can be lengthened, and the driving time of the electric motor by one charge can be extended.
本発明の電動機の駆動システムは、電動アシスト式自転車やハイブリッド自動車、電車などへの適用が好適であるが、これ以外に、電動機が組み込まれているシステムの一部に組み込んで使用してもよい。 The electric motor drive system of the present invention is preferably applied to electric assist type bicycles, hybrid cars, trains, etc., but may be used by being incorporated in a part of the system in which the electric motor is incorporated. .
100 電源回路
110 バッテリー
120 キャパシタ
200 多相インバータ回路
210 フライホイールダイオード
220 スイッチング素子
300 電動機
310 ステータ
320,320 ロータ
340 補助ステータ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
上記電動機として、1つのステータと、上記ステータの両側に配置される2つのロータとをロータ出力軸の軸線方向に沿って所定の空隙をもって対向的に配置してなる2ロータ2エアギャップ型のアキシャルエアギャップ型ブラシレスDCモータを用い、
上記電動機は、トルクを発生するトルク発生モードまたは電気エネルギーを発生する発電モードで断続的に動作し、上記発電モードのときは、上記スイッチング素子をOFFして、上記ロータの回転により発電した電気エネルギーを上記バッテリー電源および上記キャパシタに帰還することを特徴とする電動機の駆動システム。 A DC power supply circuit formed by connecting a battery power supply and a capacitor in parallel, a multiphase inverter circuit composed of switching elements in which flywheel diodes are connected in antiparallel, and the power supply circuit connected via the multiphase inverter circuit. A position signal of the rotor of the motor is fed back to the switching element of the multi-phase inverter circuit, and a current flowing through the winding of the motor is switched, thereby creating a rotating magnetic field to the field rotor. In an electric motor drive system that generates torque,
As the electric motor, a two-rotor, two-air-gap axial arrangement in which one stator and two rotors arranged on both sides of the stator are arranged opposite each other with a predetermined gap along the axial direction of the rotor output shaft. Using an air gap type brushless DC motor,
The electric motor operates intermittently in a torque generation mode for generating torque or in a power generation mode for generating electric energy. In the power generation mode, the electric energy generated by the rotation of the rotor is turned off by turning off the switching element. Is fed back to the battery power source and the capacitor.
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