JP2008301551A

JP2008301551A - 電動機

Info

Publication number: JP2008301551A
Application number: JP2007141661A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Tanimoto; 勉谷本; Takashi Kato; 崇加藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2027-05-29
Also published as: JP5061726B2

Abstract

【課題】トルクの低下を招くことなく、磁性体を通過する磁束の高調波成分による鉄損を効果的に低減させる。
【解決手段】磁性体からなる固定子２や回転子３を通過する磁束と鎖交し、磁性体の一部を内包するように巻回された磁束フィルタ用巻線８を有する磁束フィルタ回路を備える。磁束フィルタ回路は、遮断周波数が永久磁石型同期電動機１のトルクに寄与する基本周波数よりも高く、且つ、インバータのスイッチング周波数等の高周波より低くなるように設定されることで、磁束の高調波成分のみを減衰させることができる。これにより、磁性体部分における鉄損を低減することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ制御により運転周波数が変化する電動機に関し、特に、固定子および可動子を構成する磁性体における鉄損を低減させる技術に関する。

電動機の鉄損は、固定子や可動子を構成する磁性体（コア材）を磁化したときに失われる電気エネルギであり、巻線の抵抗によって失われるエネルギ（銅損）と合わせて、電動機の効率低下の要因となることが知られている。鉄損は、ヒステリシス損失と渦電流損失の和として表されるが、特に渦電流損失は磁性体を通過する磁束の周波数が高くなるほど損失の比率が大きくなる。また、鉄損は磁性体の熱エネルギとして消費されるため、鉄損が大きくなると磁性体の発熱量が大きくなり、例えば永久磁石を備えた電動機では永久磁石の減磁による性能低下につながる。

そこで、磁性体を通過する磁束の高調波成分による鉄損を低減させる技術が種々検討されており、例えば特許文献１においては、集中巻の巻線を備えた回転電機において、固定子の突極部（ステータティース）の半径方向に沿って、例えばギャップを介在させる、或いは透磁率の低い部材を設置するなどの手法で磁気抵抗障壁を設けることで、ひとつの突極内で短絡してトルクに寄与しない磁束成分を低減させ、鉄損を低減させるという技術が提案されている。
特表２００３−５１８９０４号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている技術では、磁気抵抗を増大させる磁気抵抗障壁を磁路中に設けるようにしているため、磁路を通過する磁束のトルクに寄与する基本波磁束成分までも低下させてしまい、トルクの低下を招くという問題点があった。

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、トルクの低下を招くことなく、磁性体を通過する周波数の高い磁束の高調波成分による鉄損を効果的に低減させることができる電動機を提供することを目的としている。

本発明に係る電動機は、固定子や回転子などの磁性体を通過する磁束と鎖交し、磁性体の一部を内包するように巻回された磁束フィルタ用巻線を有する磁束フィルタ回路を設けて、この磁束フィルタ回路により所定周波数以上の磁束の高調波成分を減衰させることによって前記課題を解決する。このような磁束フィルタ回路を備える電動機では、磁性体を通過する磁束の高調波成分のエネルギが磁束フィルタ用巻線に蓄えられ、その一部は磁束フィルタ用巻線のジュール損失として消費される。

本発明によれば、磁性体を通過する磁束のトルクに寄与する基本波成分を低下させることなく高調波成分のみを低下させることができるので、トルクの低下を招くことなく磁性体における鉄損を効果的に低減させることができる。また、磁束の高調波成分によるエネルギが磁束フィルタ用巻線に蓄えられるので、磁性体の発熱を磁束フィルタ用巻線の発熱として集約することができ、磁性体の熱を放熱するための機構を簡素化することが可能となり、また、永久磁石を備えた電動機では永久磁石の減磁抑制の効果が期待できる。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、ここでは永久磁石型同期電動機に本発明を適用した例について説明するが、本発明は、永久磁石型同期電動機に限らず、巻線と、磁性体で構成される固定子および可動子とを備え、巻線の電流がインバータにより制御される構成のあらゆるタイプの電動機に対して広く適用可能である。

［第１の実施形態］
図１は、本発明を適用した永久磁石型同期電動機の一例を示す図であり、同永久磁石型同期電動機の回転軸方向に対して垂直な方向の断面図である。

この図１に示す永久磁石型同期電動機１は、磁性体の電磁鋼板を積層して構成された固定子２と、固定子２を格納するケース３と、磁性体の電磁鋼板を積層して内部に永久磁石５を埋め込んで構成された回転子４と、固定子２の回転子４側に突出する複数の突極部（ステータティース）２ａに各々巻回され、インバータ制御により通電して磁束を発生させる固定子巻線６とを備える。そして、特に本発明を適用した永久磁石型同期電動機１に特徴的な構成として、固定子２の複数の突極部２ａをその基端側で連結するバックヨーク部２ｂに、図２に示す磁束フィルタ回路７を構成する磁束フィルタ用巻線８が巻回されている。

磁束フィルタ回路７は、磁気回路を形成する固定子２や回転子４の磁性体を通過する磁束の高調波成分を減衰させるためのものであり、図２に示すように、固定子２のバックヨーク部２ｂに巻回された磁束フィルタ用巻線８と、この磁束フィルタ用巻線８を含む回路全体の導体抵抗９とから構成されている。

図３は、固定子２や回転子４の磁性体により形成される磁気回路と磁束フィルタ回路７との関係を模式的に示す図である。以下、この図３を用いて、磁束フィルタ回路７の作用を説明する。

固定子巻線６及び永久磁石５によって発生した磁束をΦ_ｅとし、固定子２内の磁束の変化によって磁束フィルタ用巻線８に発生した誘起電圧に基づいて生じた磁束をΦ_Ｌとすると、固定子２内を通過する磁束Φは、下記式（１）により表される。
Φ＝Φ_ｅ−Φ_Ｌ・・・（１）
また、各パラメータは下記式（２）〜（４）で表される。
Φ_Ｌ＝Ｌｉ・・・（２）
（Ｌ：磁束フィルタ用巻線８のインダクタンス、ｉ：磁束フィルタ用回路７の電流）
ｖ_Ｌ＝ｄΦ／ｄｔ・・・（３）
ｖ_Ｌ＝Ｒｉ・・・（４）
（ｖ_Ｌ：磁束フィルタ用巻線８の誘起電圧、Ｒ：導体抵抗９）

式（２）〜（４）より、固定子２内を通過する磁束Φは、下記式（５）のようになる。

式（５）より、磁束フィルタ回路７を設けた場合の、固定子巻線６及び永久磁石５によって発生した磁束をΦｅに対する、固定子２内を通過する磁束Φのゲイン特性ｇは、下記式（６）のように表される。

ゲイン特性ｇの一例を図４に示す。このようにゲイン特性ｇは１次遅れ要素のゲイン特性となるため、遮断周波数ωｃ付近より高い周波数で磁束Φが減衰する。この特性を利用し、遮断周波数ωｃが永久磁石型同期電動機１のトルクに寄与する基本周波数よりも高く、且つ、インバータのスイッチング周波数等の高周波より低くなるように、磁束フィルタ回路７によるゲイン特性ｇを設定する。これにより、トルクを維持したまま磁束Φの高調波成分のみを減衰させることができ、固定子２や回転子４の磁性体部分における鉄損を低減することが可能となる。また、永久磁石５を内蔵する回転子４での鉄損が低減すれば、この回転子４の発熱に伴う永久磁石５の温度上昇も抑制することができ、永久磁石５の温度上昇による減磁を抑制する効果も期待できる。

磁束フィルタ回路７で吸収した磁束Φの高調波成分によるエネルギは、磁束フィルタ用巻線８に蓄えられ、一部は磁束フィルタ用巻線８のジュール損失として消費される。つまり、磁束フィルタ回路７は、これまで固定子２や回転子４の磁性体部分に分布していた鉄損による熱エネルギを磁束フィルタ用巻線８に集約する機能を有している。したがって、例えば図１に示すように、固定子２を格納するケース３に冷媒流路１０を設け、この冷媒流路１０内を流れる冷媒との熱交換により磁束フィルタ用巻線８の熱を放熱できるようにすれば、永久磁石型同期電動機１の運転に伴う熱を効率よく放熱することが可能となり、放熱機構の構造を簡素化することが可能となる。

なお、図１に示した例では、磁束フィルタ回路７の磁束フィルタ用巻線８を固定子２のバックヨーク部２ｂに巻回しているが、磁束フィルタ用巻線８は、磁気回路を形成する固定子２や回転子４の磁性体を通過する磁束Φと鎖交し、磁性体の一部を内包するように巻回されていればよく、様々な配置のバリエーションが考えられる。例えば図５に示すように、固定子２の突極部２ａの先端に磁束フィルタ用巻線８を巻回するようにしてもよいし、図６に示すように、固定子２の突極部２ａとバックヨーク部２ｂとの境界部分に磁束フィルタ用巻線８を巻回するようにしてもよい。また、図７に示すように、回転子４側に磁束フィルタ用巻線８を巻回することもできる。これら図５乃至図７の例のように、磁性体を内包するように磁束フィルタ用巻線８を巻回することで、図１に示した例と同様に、磁束Φの高調波成分を減衰させて、磁性体部分における鉄損を低減させることができる。

また、図５や図６の例のように、固定子２側に磁束フィルタ用巻線８を巻回した場合には、磁束Φの高調波成分による熱エネルギが固定子２側の磁束フィルタ用巻線８に集約されるので、図１に示した例と同様、固定子２を格納するケース３に冷媒が流通する冷媒流路１０を設けて磁束フィルタ用巻線８の熱を放熱できるようにすれば、永久磁石型同期電動機１の運転に伴う熱を効率よく放熱することが可能となり、放熱機構の構造を簡素化することが可能となる。

一方、図７に示す例のように、回転子４側に磁束フィルタ用巻線８を巻回した場合には、磁束Φの高調波成分による熱エネルギが回転子４側の磁束フィルタ用巻線８に集約されるので、例えば、回転子４の中央に連結されたシャフト１１内などに冷媒流路１２を設けて、この冷媒流路１２内を流れる冷媒との熱交換により磁束フィルタ用巻線８の熱を放熱できるようにすれば、上述した例と同様に、永久磁石型同期電動機１の運転に伴う熱を効率よく放熱することが可能となり、放熱機構の構造を簡素化することが可能となる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図８は、本実施形態の磁束フィルタ回路７を示す簡易回路図であり、図９は、固定子２や回転子４の磁性体により形成される磁気回路と本実施形態の磁束フィルタ回路７との関係を模式的に示す図である。これら図８及び図９に示すように、本実施形態では、上述した第１の実施形態で説明した磁束フィルタ回路７に、抵抗値に温度依存性がある抵抗体２０を追加して、回路全体の導体抵抗９を抵抗体２０に置き換えている。なお、永久磁石型同期電動機１の基本構成は第１の実施形態で説明した構成（図１、図５乃至図７参照）と同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

永久磁石型同期電動機１のトルクに寄与する基本周波数は、永久磁石型同期電動機１の運転状態（回転速度）に応じて変化するので、永久磁石型同期電動機１の広い運転範囲で磁束フィルタ回路７による鉄損低減の効果を適切に発揮させるためには、磁束フィルタ回路７によるゲイン特性ｇを永久磁石型同期電動機１の運転状態に合わせて変化させて、遮断周波数ωｃを最適な値に設定できるようにすることが望ましい。

ここで、磁束フィルタ回路７のゲイン特性ｇを永久磁石型同期電動機１の運転状態に合わせて変化させるには、例えば磁束フィルタ用巻線８自体の抵抗値を変化させることで、磁束フィルタ用巻線８のインダクタンスＬと抵抗値Ｒとの比率を調整してゲイン特性ｇを変化させることが考えられるが、磁束フィルタ用巻線８自体の抵抗値を変化させることは実際には困難である。そこで、本実施形態では、図８及び図９に示すように、温度によって抵抗値が変化する抵抗体２０を磁束フィルタ回路７の磁束フィルタ用巻線８に直列に接続して、この抵抗体２０の温度を温度調整機構によって調整することで抵抗値Ｒを変化させて、磁束フィルタ回路７によるゲイン特性ｇを永久磁石型同期電動機１の運転状態に合わせて変化させるようにしている。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、抵抗体２０の抵抗値Ｒに応じた磁束フィルタ回路７によるゲイン特性ｇの変化を示したものである。これら図１０（ａ）と図１０（ｂ）とを対比すると分かるように、抵抗体２０の抵抗値Ｒが大きいと遮断周波数ωｃが高くなり、抵抗体２０の抵抗値Ｒが小さくなれば遮断周波数ωｃは低くなる。これを利用して、永久磁石型同期電動機１の運転状態に応じて抵抗体２０の温度を調整し、低速回転時には抵抗体２０の抵抗値Ｒを小さくして遮断周波数ωｃを低く設定し、高速回転時には抵抗体２０の抵抗値Ｒを大きくして遮断周波数ωｃを高く設定することにより、トルクに寄与する基本周波数の磁束を維持したまま、広い運転範囲で磁性体内の高調波成分のみを減衰させることが可能となる。

図１１は、抵抗体２０を含む磁束フィルタ回路７の具体的な配置例を示す図であり、図１２は、抵抗体２０の温度調整を行うための温度調整機構を含む制御系のブロック図である。これら図１１及び図１２に示す例では、ケース３に設けられた冷媒流路１０を流れる冷媒との熱交換により、抵抗体２０の温度調整を行うようにしている。なお、抵抗体２０の温度調整を行う機構は、これら図１１及び図１２に示す例に限らず、適宜変更が可能である。また、これら図１１及び図１２に示す例では、磁束フィルタ回路７の抵抗体２０としてサーミスタを用いているが、抵抗体２０としては、抵抗値が温度依存性を持つものであれば、サーミスタ以外のものも利用可能である。

図１１に示すように、ケース３には、冷媒流路１０の近傍の位置にサーミスタ埋め込み用の溝２１が設けられている。そして、磁束フィルタ回路７の配線がこのサーミスタ埋め込み用の溝２１まで引き伸ばされて、この溝２１内にサーミスタ（抵抗体）２０が収容されている。この溝２１内に収容されたサーミスタ（抵抗体）２０の温度は随時モニタリングされ、図１２に示すヒータ温度制御部２２に入力される。

冷媒流路１０の経路中には、図１２に示すように、ヒータ２３及びラジエータ２４が配置されており、ヒータ２３で加熱された冷媒でサーミスタ（抵抗体）２０の温度を上昇させ、或いはラジエータ２４で冷却された冷媒でサーミスタ（抵抗体）２０の温度を低下させる構成となっている。

永久磁石型同期電動機１は、モータ制御部２５からのスイッチング素子駆動信号に応じて、インバータ２６により電源２７から固定子巻線６へと通電される通電電流が制御されることで、運転状態が制御される。モータ制御部２５は、固定子巻線６の電流値や回転子角度検出部２８で検出された回転子４の回転角度をモニタリングして、永久磁石型同期電動機１の運転状態を常時把握しており、所望の運転状態が維持されるようにフィードバック制御を行う。

また、ヒータ温度制御部２２は、モータ制御部２５から回転子回転速度を示す信号及び巻線電流指令値を示す信号を入力し、これらの信号をもとに永久磁石型同期電動機１の運転状態を把握し、それに基づいてサーミスタ（抵抗体）２０の温度を決定する。そして、ヒータ温度制御部２２は、サーミスタ（抵抗体）２０の温度をモニタリングしながら、決定した温度になるように、ヒータ電源２９に対してヒータ電流指令値を出力し、ヒータ２３による冷媒の加熱量を制御する。

以上のような温度調整機構を備えることで、永久磁石型同期電動機１の運転状態に応じて、磁束フィルタ回路７のサーミスタ（抵抗体）２０の温度を調整して遮断周波数ωｃを最適な値に設定することができ、永久磁石型同期電動機１の広い運転範囲で、トルクに寄与する基本周波数の磁束を維持したまま高調波成分のみを減衰させて、磁性体部分における鉄損を効果的に低減させることができる。また、本実施形態では、磁束フィルタ回路７の磁束フィルタ用巻線８で吸収した磁束の高調波成分によるエネルギがサーミスタ（抵抗体）２０に伝達され、一部がサーミスタ（抵抗体）２０においてジュール損失として消費されるので、上述した温度調整機構がそのまま放熱機構として機能することになり、永久磁石型同期電動機１の運転に伴う熱を効率よく放熱することが可能となる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図１３は、本実施形態の磁束フィルタ回路７を示す簡易回路図であり、図１４は、固定子２や回転子４の磁性体により形成される磁気回路と本実施形態の磁束フィルタ回路７との関係を模式的に示す図である。これら図１３及び図１４に示すように、本実施形態では、上述した第２の実施形態で説明した磁束フィルタ回路７に対して、磁束フィルタ用巻線８や抵抗体２０と並列に接続されたコンデンサ素子３０を追加している。なお、永久磁石型同期電動機１の基本構成は第１の実施形態で説明した構成（図１、図５乃至図７参照）と同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

磁束フィルタ回路７に対してコンデンサ素子３０を追加した場合のゲイン特性ｇを上述した第１の実施形態と同様の手法で算出したものを図１５に示す。この図１５に示すように、磁束フィルタ回路７によるゲイン特性ｇは、磁束フィルタ用巻線８や抵抗体２０に対してコンデンサ素子３０を並列接続することで２次遅れ系の周波数特性となるため、第１の実施形態で説明したゲイン特性ｇ（図４参照）と比べて、遮断周波数ωｃより高い周波数での減衰が強く、磁束の高調波成分の抑制により効果的であることが分かる。したがって、このような磁束フィルタ回路７を設けることによって、永久磁石型同期電動機１のトルクに寄与する基本周波数の磁束を維持したまま高調波成分のみをより効果的に減衰させて、固定子２や回転子４の磁性体部分における鉄損をさらに効果的に低減させることができる。

また、磁束フィルタ回路７のコンデンサ素子３０として、静電容量に温度依存性があるものを使用し、第２の実施形態で説明したような温度調整機構によってコンデンサ素子３０の温度調整を行うようにすれば、抵抗体２０の場合と同様に、永久磁石型同期電動機１の運転状態に応じて磁束フィルタ回路７によるゲイン特性ｇを最適な状態に可変させることもできる。

以上、本発明の具体的な適用例として第１乃至第３の実施形態を例示したが、本発明の技術的範囲は、以上の各実施形態の説明で開示した内容に限定されるものではなく、これらの開示から容易に導き得る様々な代替技術も含まれることは勿論である。例えば、以上の各実施形態は永久磁石型同期電動機に対して本発明を適用した例であるが、本発明は様々なタイプの電動機に対して有効に適用可能であり、磁束フィルタ回路７の構成や磁束フィルタ用巻線８、抵抗体２０の配置などの詳細については、適用対象となる電動機の構造の違いなどに応じて適宜変更することが可能である。

本発明を適用した永久磁石型同期電動機の一例を示す図であり、同永久磁石型同期電動機の回転軸方向に対して垂直な方向の断面図である。第１の実施形態における磁束フィルタ回路を示す簡易回路図である。固定子や回転子の磁性体により形成される磁気回路と第１の実施形態における磁束フィルタ回路との関係を模式的に示す図である。第１の実施形態における磁束フィルタ回路によるゲイン特性の一例を示す図である。磁束フィルタ用巻線の配置のバリエーションを示す図である。磁束フィルタ用巻線の配置のバリエーションを示す図である。磁束フィルタ用巻線の配置のバリエーションを示す図である。第２の実施形態における磁束フィルタ回路を示す簡易回路図である。固定子や回転子の磁性体により形成される磁気回路と第２の実施形態における磁束フィルタ回路との関係を模式的に示す図である。抵抗体の抵抗値に応じた磁束フィルタ回路によるゲイン特性の変化を示す図であり、（ａ）は抵抗体の抵抗値が大きいときのゲイン特性、（ｂ）は抵抗体の抵抗値が小さいときのゲイン特性を示す図である。抵抗体を含む磁束フィルタ回路の具体的な配置例を示す図である。抵抗体の温度調整を行うための温度調整機構を含む制御系のブロック図である。第３の実施形態における磁束フィルタ回路を示す簡易回路図である。固定子や回転子の磁性体により形成される磁気回路と第３の実施形態における磁束フィルタ回路との関係を模式的に示す図である。第３の実施形態における磁束フィルタ回路によるゲイン特性の一例を示す図である。

符号の説明

１永久磁石型同期電動機
２固定子
３ケース
４回転子
５永久磁石
６固定子巻線
７磁束フィルタ回路
８磁束フィルタ用巻線
９導体抵抗
１０，１２冷媒流路
２０サーミスタ（抵抗体）
２２ヒータ制御部
２３ヒータ
３０コンデンサ素子

Claims

巻線と、磁性体で構成される固定子および可動子とを備え、前記巻線の電流がインバータにより制御される電動機において、
前記磁性体を通過する磁束と鎖交し、前記磁性体の一部を内包するように巻回された磁束フィルタ用巻線を有する磁束フィルタ回路を備え、当該磁束フィルタ回路により、前記磁性体を通過する磁束のうち所定の遮断周波数以上の高調波成分を減衰させることを特徴とする電動機。
前記磁束フィルタ回路は、前記遮断周波数が電動機の運転状態に応じて可変とされていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
前記磁束フィルタ回路は、前記フィルタ用巻線と直列に接続された抵抗体を有し、
前記抵抗体の抵抗値が変化することにより、前記遮断周波数が可変とされていることを特徴とする請求項２に記載の電動機。
前記抵抗体がサーミスタで構成されていることを特徴とする請求項３に記載の電動機。
前記抵抗体の温度を調整する温度調整機構を備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の電動機。
前記磁束フィルタ回路は、前記磁束フィルタ用巻線又は前記抵抗体と並列に接続されたコンデンサ素子を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の電動機。