JP2009254005A - Motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転子に設けられる永久磁石の界磁特性を変更できるようにした電動機に関する。 The present invention relates to an electric motor capable of changing the field characteristics of a permanent magnet provided in a rotor.
例えば、従来の電動機として、回転軸の周囲に互いに同心に設けられた、内周側永久磁石を具備する内周側回転子と外周側永久磁石を具備する外周側回転子とを備え、内周側回転子と外周側回転子との間の位相を変更することにより、永久磁石による界磁特性を制御するようにしたものが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。この特許文献1に記載の電動機では、遠心力の作用により径方向に沿って変位する部材を使用することで、或いは、各回転子が慣性により回転速度を維持した状態で固定子巻線に回転磁界を発生させることで、各回転子の位相を変更している。
ところで、電動機では、低速域においては、界磁を強く制御することでトルクを大きく出せるようにし、また、高速域においては、界磁を弱く制御して、固定子巻線に発生する誘起電圧を小さくして、回転数をアップできることが望ましい。 By the way, in the electric motor, the torque can be increased by controlling the field strongly in the low speed region, and the induced voltage generated in the stator winding is controlled by weakly controlling the field in the high speed region. It is desirable that the number of rotations can be increased by reducing the speed.
特許文献1に記載の電動機では、高速域にて弱め界磁位相に設定することが記載されているが、内周回転子の永久磁石による発生磁束よりも外周側回転子の永久磁石による発生磁束の方が強い場合には、固定子に及ぼす磁束を弱め切れず、結果的に誘起電圧を十分に低減できないという課題があった。
In the electric motor described in
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低速域において強め界磁位相に設定した場合に大きなトルクを出すことができると共に、高速域において弱め界磁位相に設定した場合に誘起電圧を十分に小さくすることができるようにした電動機を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to set a strong field phase in the low speed range and to set a weak field phase in the high speed range. It is an object of the present invention to provide an electric motor that can sufficiently reduce the induced voltage.
前述した目的を達成するために、請求項1に係る発明は、その着磁方向が周方向に向くように周方向に所定間隔で配置された複数の外周側永久磁石(例えば、実施形態における外周側永久磁石9A)を具備する外周側回転子(例えば、実施形態における外周側回転子5)と、該外周側回転子と同心に設けられ、その着磁方向が径方向に向くように周方向に所定間隔で配置された複数の内周側永久磁石(例えば、実施形態における内周側永久磁石9B)を具備する内周側回転子(例えば、実施形態における内周側回転子6)と、前記外周側回転子と前記内周側回転子の少なくとも一方を回動させることで、前記外周側回転子と前記内周側回転子との間の相対的な位相を変更可能な位相変更手段(例えば、実施形態における位相変更手段12)と、を備える電動機であって、前記内周側永久磁石の着磁方向長さ(例えば、実施形態における着磁方向長さWin)は、前記外周側永久磁石の着磁方向長さ(例えば、実施形態における着磁方向長さWout)と同一であり、前記内周側永久磁石の磁束発生面の面積(例えば、実施形態における面積Lin)は、前記外周側永久磁石の磁束発生面の面積(例えば、実施形態における面積Wout)の2倍であることを特徴とする。
In order to achieve the above-described object, the invention according to
請求項2に係る発明は、請求項1に係る電動機において、前記各内周側永久磁石は、同一寸法の一対の永久磁石によって構成されることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the electric motor according to the first aspect, each inner peripheral permanent magnet is constituted by a pair of permanent magnets having the same dimensions.
請求項3に係る発明は、その着磁方向が周方向に向くように周方向に所定間隔で配置された複数の外周側永久磁石を具備する外周側回転子と、該外周側回転子と同心に設けられ、その着磁方向が径方向に向くように周方向に所定間隔で配置された複数の内周側永久磁石を具備する内周側回転子と、前記外周側回転子と前記内周側回転子の少なくとも一方を回動させることで、前記外周側回転子と前記内周側回転子との間の相対的な位相を変更可能な位相変更手段と、を備える電動機であって、前記内周側永久磁石の着磁方向長さは、前記外周側永久磁石の着磁方向長さと同一であり、前記内周側永久磁石の磁束発生面の面積は、前記外周側永久磁石の磁束発生面の面積の1.6〜2倍であることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided an outer peripheral rotor including a plurality of outer peripheral permanent magnets arranged at predetermined intervals in the circumferential direction so that the magnetization direction thereof is in the circumferential direction, and concentric with the outer rotor. An inner peripheral rotor having a plurality of inner peripheral permanent magnets arranged at predetermined intervals in the circumferential direction so that the magnetization direction thereof is in the radial direction, the outer peripheral rotor, and the inner periphery A phase changing means capable of changing a relative phase between the outer peripheral rotor and the inner peripheral rotor by rotating at least one of the side rotors, The magnetizing direction length of the inner peripheral side permanent magnet is the same as the magnetizing direction length of the outer peripheral side permanent magnet, and the area of the magnetic flux generating surface of the inner peripheral side permanent magnet is the same as that of the outer peripheral side permanent magnet. It is characterized by being 1.6 to 2 times the surface area.
請求項1に記載の電動機によれば、強め界磁位相に設定した場合に大きなトルクを出すことができると共に、弱め界磁位相に制御した際の誘起電圧をほぼゼロにすることができ、モータ鉄損を十分に下げることができる。 According to the electric motor of the first aspect, a large torque can be produced when the strong field phase is set, and the induced voltage when the weak field phase is controlled can be made substantially zero, Iron loss can be reduced sufficiently.
請求項2に記載の電動機によれば、外周側回転子と内周側回転子で全部同じ永久磁石を使用することができ、生産性を向上することができる。 According to the electric motor of the second aspect, the same permanent magnet can be used for the outer peripheral side rotor and the inner peripheral side rotor, and productivity can be improved.
請求項3に記載の電動機によれば、強め界磁位相に設定した場合に大きなトルクを出すことができると共に、弱め界磁位相に制御した際の誘起電圧を強め界磁位相に制御した際の誘起電圧の10%以下に抑えることができ、モータ鉄損を十分に下げることができる。 According to the electric motor of the third aspect, when a strong field phase is set, a large torque can be output, and an induced voltage when controlling to the weak field phase is controlled to the strong field phase. It can be suppressed to 10% or less of the induced voltage, and the motor iron loss can be sufficiently reduced.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態に係る電動機について図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態の電動機1は、図1および図2に示すように、円環状の固定子2の内周側に回転子ユニット3が配置されたインナロータ型のブラシレスDCモータであり、例えば、ハイブリッド車両や電動車両等の走行駆動源として用いられる。固定子2は複数相の固定子巻線2aを有し、回転子ユニット3は軸芯部に回転軸4を有している。この電動機1を車両の走行駆動源として用いる場合、電動機1の回転力はトランスミッション(図示せず)を介して車輪の駆動軸(図示せず)に伝達される。この場合、電動機1を車両の減速時に発電機として機能させれば、発電電力を回生エネルギーとして蓄電器に回収することができる。また、ハイブリッド車両においては、電動機1の回転軸4をさらに内燃機関のクランクシャフト(図示せず)に連結することにより、内燃機関による発電にも利用することができる。
(First embodiment)
Hereinafter, the electric motor which concerns on 1st Embodiment of this invention is demonstrated in detail based on drawing. As shown in FIGS. 1 and 2, the
回転子ユニット3は、円環状の外周側回転子5と、この外周側回転子5の内側に同心に配置される円環状の内周側回転子6とを備え、外周側回転子5と内周側回転子6が設定角度の範囲で相対回動可能とされている。
The
外周側回転子5と内周側回転子6では、回転子本体である円環状のロータ鉄心7、8が、例えば、複数の電磁鋼板を回転軸4に沿う方向に積層してなる積層鋼板によって形成されており、各ロータ鉄心7、8に軸方向に延出する複数の磁石装着スロット7a、8aが円周方向に沿って設けられている。
In the outer
各磁石装着スロット7a、8aには、厚み方向に磁化された平板状の外周側永久磁石9Aと内周側永久磁石9Bがそれぞれ装着されている。この場合、図3(a)、(b)にも示すように、複数の外周側永久磁石9Aは、着磁方向(厚み方向)が周方向に向くように周方向に所定間隔(本実施形態では、22.5°)で配置され、複数の内周側永久磁石9Bは、着磁方向(厚み方向)が径方向に向くように周方向に所定間隔(本実施形態では、22.5°)で配置されている。
Each of the
外周側永久磁石9Aと内周側永久磁石9Bは同数(本実施形態では、8極対)設けられており、外周側回転子5上において周方向に隣接する外周側永久磁石9Aの磁極の向きは逆に設定され、内周側回転子6上において周方向に隣接する内周側永久磁石9Bの磁極の向きも逆に設定されている。
The same number of outer peripheral side
図2に示すように、内周側永久磁石9Bの着磁方向長さWinは、外周側永久磁石9Aの着磁方向長さWoutと同一に設定されている。また、内周側永久磁石9Bの周方向における長さLinは、外周側永久磁石9Aの径方向における長さLoutの2倍に設定されている。このため、外周側永久磁石9Aと内周側永久磁石9Bの軸方向における長さが略同一であることから、内周側永久磁石9Bの磁束発生面の面積は、外周側永久磁石9Aの磁束発生面の面積の2倍に設定されている。
As shown in FIG. 2, the magnetization direction length Win of the inner peripheral
そして、図3(a)に示すように、隣接する外周側永久磁石9Aの対向N極(またはS極)間に、内周側永久磁石9Bの同極つまりN極(またはS極)が対峙するように、外周側回転子5と内周側回転子6の相対回転角度を調整したときには、回転子ユニット3全体の界磁が最も強められる強め界磁位相の状態とすることができる。一方、図3(b)に示すように、隣接する外周側永久磁石9Aの対向N極(またはS極)間に、内周側永久磁石9Bの異極つまりS極(またはN極)が対峙するように、外周側回転子5と内周側回転子6の相対回転角度を調整したときには、回転子ユニット3全体の界磁が最も弱められる弱め界磁位相の状態とすることができる。
As shown in FIG. 3A, the same polarity of the inner peripheral
また、回転子ユニット3は、外周側回転子5と内周側回転子6を相対回動させるための回動機構11を備えている。この回動機構11は、両回転子5、6の相対位相を任意に変更するための位相変更手段12を構成するものであり、非圧縮性の作動流体である作動液の圧力によって操作されるようになっている。位相変更手段12は、上記の回動機構11と、この回動機構11に対する作動液の給排を制御する液圧制御装置(図示せず)とを主要な要素として構成されている。
The
回動機構11は、回転軸4の外周に一体回転可能にスプライン嵌合されるベーンロータ14と、ベーンロータ14の外周側に相対回動可能に配置される環状ハウジング15とを備え、この環状ハウジング15が内周側回転子6の内周面に一体に嵌合固定されると共に、ベーンロータ14が、環状ハウジング15と内周側回転子6の軸方向の両側の端面を跨ぐ円板状の一対のドライブプレート16A、16B(端板)を介して外周側回転子5に一体に結合されている。従って、ベーンロータ14は回転軸4と外周側回転子5とに一体化され、環状ハウジング15は内周側回転子6と一体化されている。なお、図中22は、ドライブプレート16A、16Bとベーンロータ14を結合するボルトであり、23は、ドライブプレート16A、16Bと外周側回転子5を結合するボルトである。
The
ベーンロータ14は、回転軸4にスプライン嵌合される円筒状のボス部17の外周に、径方向外側に突出する複数のベーン18が円周方向等間隔に設けられたものである。一方、環状ハウジング15は、内周面に円周方向等間隔に複数の凹部19が設けられ、これら各凹部19にベーンロータ14の対応するベーン18が収容配置されている。各凹部19は、ベーン18の先端部の回転軌道にほぼ合致する円弧面を有する底壁20と、隣接する凹部19同士を画成する仕切壁21によって構成され、ベーンロータ14と環状ハウジング15の相対回動時に、ベーン18が一方の仕切壁21と他方の仕切壁21の間を移動する。なお、各ベーン18の先端部には、底壁20と軸方向に沿うように摺接するシール31aと、シール31aを底壁20に向けて押圧するスプリング31bからなるシール部材31が設けられており、ベーン18と底壁20との間を液密にシールする。また、各仕切壁21の先端部にも、ボス部17の外周面と軸方向に沿うように摺接するシール32aと、シール32aをボス部17の外周面に向けて押圧するスプリング32bからなるシール部材32が設けられており、仕切壁21とボス部17の外周面との間を液密にシールする。
In the
外周側回転子5とベーンロータ14を連結する両側のドライブプレート16A、16Bは、環状ハウジング15の両側面(軸方向の端面)に摺動自在に密接し、環状ハウジング15の各凹部19の側方をそれぞれ閉塞する。従って、環状ハウジング15の各凹部19は、ベーンロータ14のボス部17と両側のドライブプレート16A、16Bと共にそれぞれ独立した空間を形成し、この空間は、作動液が導入される導入空間となっている。各導入空間内は、ベーンロータ14の対応する各ベーン18によってそれぞれ2室に隔成され、一方の室が進角側作動室24とされ、他方の室が遅角側作動室25とされている。
The
進角側作動室24は、内部に導入された作動液の圧力によって内周側回転子6を外周側回転子5に対して進角方向に相対回動させ、遅角側作動室25は、内部に導入された作動液の圧力によって内周側回転子6を外周側回転子5に対して遅角方向に相対回動させる。この場合、「進角」とは、内周側回転子6を外周側回転子5に対して図2中の矢印Rで示す電動機1の主回転方向に進めることを言い、「遅角」とは、内周側回転子6を外周側回転子5に対して、電動機1の主回転方向Rと逆側に進めることを言うものとする。
The advance
また、各進角側作動室24と遅角側作動室25に対する作動液の給排は回転軸4を通して行われるようになっている。具体的に、進角側作動室24は、回転軸4に形成された通路孔26aと、通路孔26aと接続される外周面に形成された環状溝26bと、ベーンロータ14のボス部17に略径方向に形成された複数の導通孔26cとを介して液圧制御装置と接続される。また、遅角側作動室25は、回転軸4に形成された通路孔27aと、通路孔27aと接続される外周面に形成された環状溝27bと、ベーンロータ14のボス部17に略径方向に形成された複数の導通孔27cとを介して液圧制御装置と接続される。
Further, the supply and discharge of the hydraulic fluid to and from each of the advance
以上の構成において、この電動機1の界磁特性を変更する場合、液圧制御装置による作動液の給排により、進角側作動室24と遅角側作動室25の一方に作動液を供給すると共に他方から作動液を排出する。そして、こうして作動液の給排が制御されると、ベーンロータ14と環状ハウジング15が相対的に回動し、それにともなって外周側回転子5と内周側回転子6の相対位相が操作される。
In the above configuration, when the field characteristics of the
外周側回転子5と内周側回転子6の相対位相が操作されると、図3(a)に示す強め界磁の状態と図3(b)に示す弱め界磁の状態の間で、固定子2に及ぼす磁界の強さが変化する。磁界の強さが変化すると、それに伴って誘起電圧定数が変化し、その結果、電動機1の特性が変更される。即ち、強め界磁によって誘起電圧定数が大きくなると、電動機1として運転可能な許容回転速度は低下するものの、出力可能な最大トルクは増大し、逆に、弱め界磁によって誘起電圧定数が小さくなると、電動機1の出力可能な最大トルクは減少するものの、運転可能な許容回転速度は上昇する。
When the relative phase of the outer
特に本電動機1においては、外周側回転子5の外周側永久磁石9Aを着磁方向が周方向を向くように配置し、内周側回転子6の内周側永久磁石9Bを着磁方向が径方向を向くように配置し、しかも、内周側永久磁石9Bの着磁方向長さWinと外周側永久磁石9Aの着磁方向長さWoutとを同一に設定すると共に、内周側永久磁石9Bの磁束発生面の面積を外周側永久磁石9Aの磁束発生面の面積の2倍(即ち、Lin:Lout=2:1)に設定している。このため、図3(a)に示すように、強め界磁位相に設定した場合には、強い界磁を固定子2に及ぼすことができ、図3(b)に示すように、弱め界磁位相に設定した場合には、界磁の影響を固定子2にほとんど及ぼさないようにすることができる。即ち、低速域において強め界磁位相に設定した場合には、大きなトルクを取り出すことができ、高速域において弱め界磁位相に設定した場合には、誘起電圧をほぼゼロにすることができる。よって、モータ鉄損を十分に下げることができる。
In particular, in the present
例えば、図4に示す比較例のように、強いトルクを得るために外周側永久磁石9Bの磁束発生面の面積を大きくした場合(即ち、軸方向長さが一定なので、径方向の長さを大きくすれば)、図示のように弱め界磁位相の状態においても、固定子2側に界磁の影響が大きく及ぶために、誘起電圧が大きくなってしまう。
For example, as in the comparative example shown in FIG. 4, when the area of the magnetic flux generation surface of the outer peripheral
図5は、内周側永久磁石9Bの磁束発生面の面積と外周側永久磁石9Aの磁束発生面の面積の比率、即ち、互いの周方向長さLin:Loutの比率を変えた場合の、内周側回転子と外周側回転子の相対角変化に対する誘起電圧の大きさの変化を示している。この場合、回転数は1000rpmである。このグラフから、Lin:Lout=1:2、Lin:Lout=1:1のときは、弱め界磁位相、即ち、電気角が180°の場合において、誘起電圧の低減効果が小さいことが分かる。一方、Lin:Lout=3:1やLin:Lout=4:1のときは、弱め界磁位相において、誘起電圧がゼロを超えて反転してしまう。それに対して、Lin:Lout=2:1のときは、弱め界磁位相において、誘起電圧をゼロにすることができる。また、Lin:Lout=1.6:1の場合は、誘起電圧を強め界磁位相の誘起電圧の10%以下に抑えられることが分かる。
FIG. 5 shows a case where the ratio of the area of the magnetic flux generation surface of the inner peripheral side
従って、本実施形態の電動機1によれば、内周側永久磁石9Bの着磁方向長さWinは、外周側永久磁石9Aの着磁方向長さWoutと同一とし、内周側永久磁石9Bの磁束発生面の面積を外周側永久磁石9Aの磁束発生面の面積の1.6〜2倍とすることで、強め界磁位相に設定した場合に大きなトルクを出すことができると共に、弱め界磁位相に制御した際の誘起電圧を強め界磁位相の誘起電圧の10%以下に抑えることができ、モータ鉄損を十分に下げることができる。特に、内周側永久磁石9Bの磁束発生面の面積を外周側永久磁石9Aの磁束発生面の面積の2倍とすることで、弱め界磁位相に制御した際の誘起電圧をゼロにすることができる。また、本実施形態の電動機1を、ロックアップ機構を有するシリーズハイブリッド車両に適用する場合には、ロックアップ時の各回転子の引き摺り損失をゼロ近くにすることができる。
Therefore, according to the
(第2実施形態)
図6は、第2実施形態に係る電動機1Aを軸線方向から見た断面図である。この電動機1Aでは、内周側永久磁石9Bを、同一寸法の一対の永久磁石9B1,9B2によって構成している。このようにすることで、外周側永久磁石9Aと内周側永久磁石9Bの永久磁石9B1,9B2とで全て同じ永久磁石を使用することができ、磁石の生産性を向上することができる。なお、その他の構成及び作用については、第1実施形態のものと同様である。
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a cross-sectional view of the
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。
また、本実施形態では、位相変更手段12が内周側回転子6を回動させることで、外周側回転子5と内周側回転子6との間の相対的な位相を変更可能としているが、外周側回転子5を回動させることで、これら回転子5,6との間の相対的な位相を変更可能としてもよい。
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A deformation | transformation, improvement, etc. are possible suitably.
Further, in the present embodiment, the
1 電動機
5 外周側回転子
6 内周側回転子
9A 外周側永久磁石
9B 内周側永久磁石
12 位相変更手段
Win 内周側永久磁石の着磁方向長さ
Wout 外周側永久磁石の着磁方向長さ
Lin 内周側永久磁石の周方向の長さ
Lout 外周側永久磁石の径方向の長さ
DESCRIPTION OF
Claims (3)
該外周側回転子と同心に設けられ、その着磁方向が径方向に向くように周方向に所定間隔で配置された複数の内周側永久磁石を具備する内周側回転子と、
前記外周側回転子と前記内周側回転子の少なくとも一方を回動させることで、前記外周側回転子と前記内周側回転子との間の相対的な位相を変更可能な位相変更手段と、
を備える電動機であって、
前記内周側永久磁石の着磁方向長さは、前記外周側永久磁石の着磁方向長さと同一であり、
前記内周側永久磁石の磁束発生面の面積は、前記外周側永久磁石の磁束発生面の面積の2倍であることを特徴とする電動機。 An outer peripheral rotor comprising a plurality of outer peripheral permanent magnets arranged at predetermined intervals in the circumferential direction so that the magnetization direction thereof is in the circumferential direction;
An inner circumferential rotor that is provided concentrically with the outer circumferential rotor and has a plurality of inner circumferential permanent magnets arranged at predetermined intervals in the circumferential direction so that the magnetization direction thereof is in the radial direction;
Phase changing means capable of changing a relative phase between the outer circumferential rotor and the inner circumferential rotor by rotating at least one of the outer circumferential rotor and the inner circumferential rotor; ,
An electric motor comprising:
The magnetization direction length of the inner peripheral side permanent magnet is the same as the magnetization direction length of the outer peripheral side permanent magnet,
The area of the magnetic flux generation surface of the inner peripheral permanent magnet is twice the area of the magnetic flux generation surface of the outer peripheral permanent magnet.
該外周側回転子と同心に設けられ、その着磁方向が径方向に向くように周方向に所定間隔で配置された複数の内周側永久磁石を具備する内周側回転子と、
前記外周側回転子と前記内周側回転子の少なくとも一方を回動させることで、前記外周側回転子と前記内周側回転子との間の相対的な位相を変更可能な位相変更手段と、
を備える電動機であって、
前記内周側永久磁石の着磁方向長さは、前記外周側永久磁石の着磁方向長さと同一であり、
前記内周側永久磁石の磁束発生面の面積は、前記外周側永久磁石の磁束発生面の面積の1.6〜2倍であることを特徴とする電動機。 An outer peripheral rotor comprising a plurality of outer peripheral permanent magnets arranged at predetermined intervals in the circumferential direction so that the magnetization direction thereof is in the circumferential direction;
An inner circumferential rotor that is provided concentrically with the outer circumferential rotor and has a plurality of inner circumferential permanent magnets arranged at predetermined intervals in the circumferential direction so that the magnetization direction thereof is in the radial direction;
Phase changing means capable of changing a relative phase between the outer circumferential rotor and the inner circumferential rotor by rotating at least one of the outer circumferential rotor and the inner circumferential rotor; ,
An electric motor comprising:
The magnetization direction length of the inner peripheral side permanent magnet is the same as the magnetization direction length of the outer peripheral side permanent magnet,
The area of the magnetic flux generating surface of the inner peripheral side permanent magnet is 1.6 to 2 times the area of the magnetic flux generating surface of the outer peripheral side permanent magnet.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20110607 |