JP2009254006A

JP2009254006A - 電動機

Info

Publication number: JP2009254006A
Application number: JP2008094838A
Authority: JP
Inventors: Jiro Kuroki; 次郎黒木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-04-01
Filing date: 2008-04-01
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2028-04-01
Also published as: JP5286588B2

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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９Ａを具備する外周側回転子５と、外周側回転子と同心に設けられるとともに、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第１内周側永久磁石９Ｂと、隣接する第１内周側永久磁石の間で、且つ、第１内周側永久磁石より径方向外側に位置し、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第２内周側永久磁石９Ｃと、を具備する内周側回転子６と、外周側回転子と内周側回転子の少なくとも一方を回動させることで、外周側回転子と内周側回転子との間の相対的な位相を変更可能な手段と、を備える。
【選択図】図２

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。

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、例えば、図７に示すように、固定子１００の内側で、回転軸１０１に固定された内周側回転子１０２の内周側永久磁石１０３が径方向に着磁され、内周側回転子１０２に対して回転可能な外周側回転子１０４の外周側永久磁石１０５が円周方向に着磁されている。そして、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１０２，１０４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１０２，１０４の位相を変更している。
特開２００２−２０４５４１号公報

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。

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。

例えば、図７に示すように、径方向に着磁された内周側永久磁石１０３と、周方向に着磁された外周側永久磁石１０５との組み合わせによる電動機では、低速回転域でのトルク増大のために、回転子側の永久磁石から固定子１００に及ぶ磁束を大きくしようとすると、外周側永久磁石１０５の径方向の長さ（磁束発生面の面積）を大きくする必要がある。その場合、外周側永久磁石１０５に対して内周側永久磁石１０３の周方向の長さが小さくなり、弱め界磁位相時に磁束が固定子１００にまで大きく及ぶことになり、誘起電圧を十分に弱められなくなるという課題がある。

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。

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るとともに、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第１内周側永久磁石（例えば、実施形態における第１内周側永久磁石９Ｂ）と、隣接する前記第１内周側永久磁石間で、且つ、前記第１内周側永久磁石より径方向外側に位置し、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第２内周側永久磁石（例えば、実施形態における第２内周側永久磁石９Ｃ）と、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、後述する実施形態の位相変更手段１２）と、を備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る電動機において、前記外周側永久磁石の磁束発生面の面積をＡ、前記第１内周側永久磁石の磁束発生面の面積をＢ、前記第２内周側永久磁石の磁束発生面の面積をＣとしたとき、２Ａ＝Ｂ＋２Ｃの関係が成立するように前記各永久磁石の寸法が設定されることを特徴とする。

請求項１に記載の電動機によれば、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、モータ鉄損を十分に下げることができる。

請求項２に記載の電動機によれば、弱め界磁位相に設定した場合に誘起電圧をより確実に十分小さくすることができ、モータ鉄損を十分に下げることができる。

以下、本発明の一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。

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。

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、８ｂが円周方向に沿って設けられている。

各磁石装着スロット７ａ、８ａ、８ｂには、厚み方向に磁化された平板状の外周側永久磁石９Ａと第１、第２の内周側永久磁石９Ｂ、９Ｃがそれぞれ装着されている。この場合、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、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°）で配置されている。

また、第１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、第２内周側永久磁石９Ｃは、隣接する第１内周側永久磁石９Ｂ間で、且つ、第１内周側永久磁石９Ｂより径方向外側に位置させて、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°）で配置されている。従って、内周側回転子６では、隣接する第１内周側永久磁石９Ｂと第２内周側永久磁石９Ｃとが側面視コの字状にそれぞれ配置されている。

また、外周側永久磁石９Ａと第１及び第２の内周側永久磁石９Ｂ，９Ｃ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第１内周側永久磁石９Ｂと第２内周側永久磁石９Ｃの磁極の向きも、それぞれ逆に設定されている。また、第１内周側永久磁石９Ｂは、その外周側の磁極が、隣接する第２内周側永久磁石９Ｃの互いに対向する磁極と同極となるように設定されている。

各永久磁石９Ａ、９Ｂ、９Ｃは、着磁方向の寸法（厚さ）を同一に設定されている。また、外周側永久磁石９Ａの径方向長さをａ、第１内周側永久磁石９Ｂの周方向長さをｂ、第２内周側永久磁石９Ｃの径方向長さをｃとするとき、「２ａ＝ｂ＋２ｃ」の関係が成立するように各永久磁石９Ａ、９Ｂ、９Ｃの長さａ、ｂ、ｃが設定されている。このため、外周側永久磁石９Ａ、第１内周側永久磁石９Ｂ、及び第２内周側永久磁石９Ｃの軸方向における長さが略同一であることから、外周側永久磁石９Ａの磁束発生面の面積をＡ、第１内周側永久磁石９Ｂの磁束発生面の面積をＢ、第２内周側永久磁石９Ｃの磁束発生面の面積をＣとするとき、「２Ａ＝Ｂ＋２Ｃ」の関係が成立するように各永久磁石９Ａ、９Ｂ、９Ｃの寸法が設定されている。

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、第１内周側永久磁石９Ｂおよび第２内周側永久磁石９Ｃ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、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。また、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、第１内周側永久磁石９Ｂおよび第２内周側永久磁石９Ｃ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、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ようになっている。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）に示す強め界磁位相の状態と、図３（ｂ）に示す弱め界磁位相の状態の間で、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。

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の内周側永久磁石として、着磁方向が径方向を向く第１内周側永久磁石９Ｂと、その外周側の着磁方向が周方向を向く第２内周側エッジ９Ｃとを配置し、しかも、各永久磁石９Ａ、９Ｂ、９Ｃの長さを上述のように設定している。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、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、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、モータ鉄損を十分に下げることができる。

例えば、図４に示す比較例のように、外周側回転子５の外周側永久磁石９Ａが円周方向に着磁された磁石で、内周側回転子６の内周側永久磁石が径方向に着磁された永久磁石９Ｂ（本実施形態の第１内周側永久磁石に相当）だけの組み合わせでは、低速回転域でのトルク増大のために、外周側永久磁石９Ａの径方向の長さ（磁束発生面の面積）を単純に大きくする（本実施形態の外周側永久磁石と第２内周側永久磁石の径方向の長さの合計）と、それに対して内周側永久磁石９Ｂの周方向の長さが相対的に小さくなり、図示のように、弱め界磁位相時に磁束が固定子２にまで大きく及ぶことになり、誘起電圧を十分に弱められなくなってしまう。

図５は、本実施形態と比較例を比べた場合の、内周側回転子６と外周側回転子５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。回転数は１０００ｒｐｍである。このグラフから、弱め界磁位相にしたとき、本実施形態は比較例と比べて、十分に誘起電圧を下げられることが分かる。

従って、本実施形態の電動機１によれば、外周側回転子５が、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９Ａを具備し、内周側回転子６が、外周側回転子５と同心に設けられるとともに、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第１内周側永久磁石９Ｂと、隣接する第１内周側永久磁石９Ｂ間で、且つ、第１内周側永久磁石９Ｂより径方向外側に位置し、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第２内周側永久磁石９Ｃと、を具備するので、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、モータ鉄損を十分に下げることができる。

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。

例えば、図６に示す電動機１Ａのように、第１内周側永久磁石９Ｂを、同一寸法の一対の永久磁石９Ｂ１，９Ｂ２を並べることで構成してもよい。
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。

本発明の一実施形態の電動機の断面図で、図２のＩ−Ｉ矢視断面図に相当する図である。同電動機の軸線方向から見た断面図である。（ａ）は強め界磁位相のときの磁束の状態を示す図、（ｂ）は弱め界磁位相のときの磁束の状態を示す図である。比較例における弱め界磁位相のときの磁束の状態を示す図である。本実施形態と比較例の、内周側回転子と外周側回転子の相対角度変化に対する誘起電圧の大きさの変化を示すグラフである。本発明の変形例に係る電動機の軸線方向から見た断面図である。従来の電動機を示す断面図である。

符号の説明

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第１内周側永久磁石
９Ｃ第２内周側永久磁石
１２位相変更手段

Claims

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るとともに、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第１内周側永久磁石と、隣接する前記第１内周側永久磁石間で、且つ、前記第１内周側永久磁石より径方向外側に位置し、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第２内周側永久磁石と、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、
を備えることを特徴とする電動機。
前記外周側永久磁石の磁束発生面の面積をＡ、前記第１内周側永久磁石の磁束発生面の面積をＢ、前記第２内周側永久磁石の磁束発生面の面積をＣとしたとき、２Ａ＝Ｂ＋２Ｃの関係が成立するように前記各永久磁石の寸法が設定されることを特徴とする請求項１に記載の電動機。