JP2009303373A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】始動に十分な始動トルクを確保できる回転電機を提供することを課題とする。
【解決手段】ロータ２の始動時に、対向する永久磁石５Ｎ、５Ｓとステータ１のティース３とが反磁界となるように励磁電流を供給して励磁する一方、非対向の永久磁石５Ｎ、５Ｓとステータ１のティース３に対しては回転トルクの方向に対応した励磁電流を供給して励磁することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流損失が少なく小型化された回転電機に関する。

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１、２参照）。各文献には、それぞれの回転子まわりの磁極数が異なる永久磁石の組に相当する複数の磁石磁束を合算して発生させる磁束発生部材を持つ回転子を備え、高調波磁束が発生するように永久磁石を配置した同期電動機の技術が記載されている。
特開２００５−１５１２３６ 特開２００５−１７４８８５

上記従来の同期電動機においては、高調波磁束が含まれたＢａｃｋＥＭＦ（誘起電圧）を有する電動機に基本波に重畳して高調波電流を通電する際に、電動機で発生するトルクは脈動的となり、瞬時最大トルクは非常に大きくなる一方、瞬時最小トルクはほぼ０となる場合がある。

このため、瞬時最小トルクがほぼ０になるときには、一般的な電流の通電方法では、電動機を始動するに十分な始動トルクが得られないといった問題があった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、始動に十分な始動トルクを確保できる回転電機を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、電動機の始動時に、対向する永久磁石とステータティースとが反磁界となるように励磁電流を供給して励磁する一方、非対向の永久磁石とステータティースに対しては回転トルクの方向に対応した励磁電流を供給して励磁することを特徴とする。

本発明によれば、電動機の始動時に、永久磁石の端部に磁束を収集させ、かつ永久磁石の両端で異なる大きさの磁束密度を得ることが可能となり、これにより始動トルクを向上させることができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る回転電機の構成を示す断面図であり、全体の１／８モデルを示している。図１に示す実施例１の回転電機は、円筒状のステータ（固定子）１の内側に所定の隙間を介してロータ（回転子）２が同軸に回転可能に配置され、同期型の電動機として構成され、Ｎ極及びＳ極の永久磁石の磁束発生部の中心が、駆動電流の基本波１極あたりの長さの中心に対して互いに異なる方向にずれて構成されている。

ステータ１は、例えば２４個のティース３のそれぞれに巻線４が集中的に巻かれている。この巻線４は、８個おきに配置されている３個が１セット（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、トータル８セット）となっており、直列あるいは並列に接続され、その一方が中性点として他の相の一方と接続され、他方は電動機に駆動電流を供給するインバータの内部で、電源ラインの＋側・−側にスイッチング素子を介して接続されている。このインバータは８相を制御する構成となっている。なお、巻線４は集中巻に限らず分布巻でも適用可能である。

ロータ２は、この実施例では極数が１６で、永久磁石５Ｎ，５Ｓがロータに埋め込まれた埋め込み磁石型で構成されている。ロータ２にはＮ極となる１対の永久磁石５ＮとＳ極となる１対の永久磁石５Ｓが、ロータコア６を挟んでそれぞれＶ字形に配置され、ロータ２の磁束を増加させている。ロータ２の内側には電動機の負荷と連結されるシャフト７が同軸に配置されている。

このような電動機において、永久磁石５Ｎ，５Ｓとティース３が対向するところと、ティース３が永久磁石５Ｎ，５Ｓと対向しないところがあり、ロータ２がフリーの状態においては図１に示す状態でロータ２がステータ１に対して停止する。このような状態においては、磁気エネルギーが最も低く安定した状態となり、ロータ２を始動することが困難となる。

図１に示す電動機は基本波電流と２次高調波電流とを重畳した、図２に示すような複合電流を通電して駆動するが、ロータ２の永久磁石５Ｎ，５Ｓとステータ１のティース３とが対向するところでは、複合電流あたりのトルクが小さく、電流はほぼ０となり始動するに十分なトルクが得られない。

そこで、図１に示すようなＮ極の永久磁石５Ｎ、Ｓ極の永久磁石５Ｓに対向したティースにはそれぞれの永久磁石５Ｎ，５Ｓ対して反発力（反磁界）が作用するように巻線４に複合電流を供給して励磁し、対向していないティース３の巻線４をトルクの向きによって決まる電流、すなわち始動トルクの方向と同方向となる電流で励磁する。これにより、図１に示すように。Ｕ相のティース３における励磁方向は符号Ｕで示す方向となり、Ｖ相のティース３における励磁方向は符号Ｖで示す方向となり、Ｗ相のティース３における励磁方向は符号Ｗで示す方向となる。

このように励磁することで、永久磁石５Ｎ，５Ｓの端部に磁束が集中し、さらに加えてこれらの磁束の密度の大きさが永久磁石５Ｎ，５Ｓの端部左右で異なるため、電動機を回転始動させるに十分な始動トルクを発生させることが可能となり、この始動トルクは図１に示す場合では時計方向に発生する。

また、ロータ２とステータ１の位置関係が磁気エネルギー的に安定したところで上述した複合電流を通電することで、最低トルクを向上することが可能となり、トルクリップルを低減することができる。これにより、このような電動機を車両用の走行用主モータに適用した場合には、振動や、この振動による振動音を抑制することが可能となり、乗り心地を向上させることができる。

上記で採用した励磁手法では、各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）すべてを励磁したが、図３に示すように所定の２相だけを励磁するようにしても、同様に始動トルクを確保することが可能である。

すなわち、図３（ａ）に示す励磁では、Ｕ相のみに反磁界が作用するように励磁しているがＶ相は励磁していない。このような励磁では、Ｕ相、Ｗ相の励磁方向は符号Ｕ、符号Ｗで示す方向となり、巻線４の通電による励磁方向は符号Ｃ３ａで示すようになり、永久磁石５Ｓにより発生した磁束は符号Ｍ３ａで示すようになり、反時計方向の始動トルクが発生する。

一方、図３（ｂ）に示す励磁では、Ｖ相のみに反磁界が作用するように励磁しているがＵ相は無励磁である。このような励磁では、Ｖ相、Ｗ相の励磁方向は符号Ｖ、符号Ｗで示す方向となり、巻線４の通電による励磁方向は符号Ｃ３ｂで示すようになり、永久磁石５Ｎで発生した磁束は符号Ｍ３ｂで示すようになり、時計方向の始動トルクが発生する。

図４はこの発明の実施例２に係る回転電機の構成を示す断面図である。この実施例２の特徴とするところは、図１に示す構成に対して、ロータ２に磁性体８を配置したことにある。磁性体８は、Ｎ極の永久磁石５ＮとＳ極の永久磁石５Ｓとの間のロータコア６内であって、ロータコア６と対向するステータ１におけるティース３の中心線９に対してＮ極の永久磁石５Ｎ側（もしくはＳ極の永久磁石５Ｓ側）に偏りティース３と対向し、ロータコア６の外側表層に配置されている。このように配置された磁性体８は、その透磁率が周囲のロータコア６の透磁率よりも低く設定されている。

このような磁性体８を設けることで、磁性体８により透磁率が段階的に変化する面（透磁率の不連続な面）に力が生じ、例えば先に説明した図３（ａ）に示すように励磁された場合には、その力は符号１０で示すように始動トルクと同方向（反時計方向）に作用する。これにより、実施例１に比べて始動トルクのさらなる増大を図ることが可能となる。

なお、上記磁性体８に代えて、磁性体８が設けられたと同じ部位のロータコア６を削除して空間（エアースリット、切り欠き部）１１としてもよい。このような構成では、この空間の部位の透磁率がμ０となるので、発生する力は大きくなり、より一層始動トルクを増大させることが可能となる。

図６はこの発明の実施例３に係る回転電機の構成を示す断面図である。この実施例３の電動機は、極数６でＵ相、Ｖ相、Ｗ相を１セットとする６セットの６相駆動タイプの電動機であり、６極数の２倍の１２極数を等価的に実現した電動機であり、その特徴とするところは、ロータコア１２に配置された一対の永久磁石１３Ｎ、１３Ｓの内、Ｓ極の永久磁石１３Ｓの左右片側に空気層で形成されたフラックスバリア１４を延長することで他方に比べて大きく形成し、フラックスバリアを非対称化したことにある。

このような特徴的な構成においては、フラックスバリア１４を非対称化したことで先の図４、図５で説明したと同様の力が発生し、この力により始動トルクを増大させることが可能となる。また、永久磁石の漏れ磁束を低減することができる。

なお図６では、Ｎ極の永久磁石１３ＮならびにＳ極の永久磁石１３Ｓは１つの棒状の磁石で構成していたが、図７に示すように、それぞれの極を２つの永久磁石をＶ字型に配置して構成するようにしてもよい。このような構成を採用することで、磁束をさらに増加させることが可能となり、始動トルクをさらに増大させることができる。

図８はこの発明の実施例４に係る回転電機の始動開始時ならびにその後の回転を制御する制御回路の構成を示す図である。この制御回路は、目標始動電圧指令部２１、目標電流切替部２２、ならびにＭＶＣ制御（ベクトル制御）部２３を備えて構成されている。

目標始動電圧指令部２１は、ロータ回転センサ（図示せず）で検出されたロータが回転しているか停止しているかを示すロータ回転信号、ならびにロータ位置センサ（図示せず）で検出されたロータの位置信号を受けて、これらの信号に基づいて始動時のロータの停止位置に応じた目標始動電圧を得る際のＰＷＭ制御時の最大の目標始動電圧デューティを出力する。目標始動電圧指令部２１は、ロータが停止している状態において、例えば先に説明した図３（ａ）に示すようにステータ１の巻線４を励磁してロータ２を回転始動させる場合には、同図に示すようにＵ相とＷ相を励磁する一方Ｖ相を無励磁とするために、Ｕ相とＷ相の目標始動電圧が最大となる目標始動電圧デューティを出力し、Ｖ相の目標始動電圧デューティを０とする。

目標始動電圧指令部２１は、ロータが回転始動された後は、各相の目標始動電圧デューティはすべて０に設定して出力する。

目標電流切替部２２は、ロータ回転信号によりロータが停止している場合には、電動機をベクトル制御して駆動する際の目標電流を０に設定して選択する一方、ロータが回転始動された後は、駆動電流の基本波成分ならびに２次の高調波成分のｄ軸とｑ軸の外部から与えられた目標電流を選択し、選択した目標電流をＭＶＣ制御部２３に与える。

ＭＶＣ制御部２３は、目標電流切替部２２で選択された目標電流を受けて、ロータの始動後に、電動機の各相をｄ軸電流ならびにｑ軸電流で制御して電動機の回転を制御するベクトル制御を実施する際の各相の目標電圧デューティを出力する。

このような構成において、ロータが停止している状態から始動するときには、停止時のロータ位置に応じて励磁する相の目標始動電圧デューティが目標始動電圧指令部２１から出力される一方、始動時の目標電流は０に設定され、目標始動電圧指令部２１から出力された目標始動電圧デューティが目標電圧デューティとして設定され、この目標電圧デューティに基づいて電動機を停止状態から始動する際の目標電圧が生成されて電動機に与えられ、これによりロータの始動時にステータは最大電流で励磁される。

一方、ロータが始動されて回転すると、回転信号に基づいて各相の目標始動電圧指令部２１から出力される目標始動電圧デューティは０に設定される一方、目標電流切替部２２で外部から与えられる目標電流が選択され、この目標電流に基づいてＭＶＣ制御部２３で目標電圧デューティが生成され、生成された目標電圧デューティに基づいて電動機が回転した後のトルク制御が実施される。

このように、この実施例４では、ロータの停止位置に応じて最適な励磁により始動トルクを増大させて始動することが可能となり、始動後は円滑に回転時のトルク制御に移行することができる。

本発明の実施例１に係る回転電機の構成を示す図である。 図１に示す回転電機に供給される複合電流ならびに磁束波形を示す図である。 図１に示す回転電機の励磁方法を示す図である。 本発明の実施例２に係る回転電機の構成を示す図である。 本発明の実施例２に係る他の回転電機の構成を示す図である。 本発明の実施例３に係る回転電機の構成を示す図である。 本発明の実施例３に係る回転電機の他の構成を示す図である。 回転電機の駆動制御回路の構成を示す図である。

符号の説明

１…ステータ
２…ロータ
３…ティース
４…巻線
５Ｎ，５Ｓ，１３Ｎ，１３Ｓ…永久磁石
６…ロータコア
７…シャフト
８…磁性体
１２…ロータコア
１４…フラックスバリア
２１…目標始動電圧指令部
２２…目標電流切替部
２３…ＭＶＣ制御部

Claims (6)

1. ロータに配置されたＮ極及びＳ極の永久磁石の磁力発生部の中心が励磁電流の基本波における磁極１極あたりの長さの中心に対して互いに異なる方向にずれている回転電機において、
   ロータの始動時に前記永久磁石と対向するステータティースの巻線に、対向する前記永久磁石に対して反磁界となる励磁電流を供給して励磁し、かつ前記永久磁石と対向していないステータティースの巻線に回転トルクの方向に対応した励磁電流を供給して励磁する励磁手段
   を有することを特徴とする回転電機。
2. 前記ステータティースに対向するロータコアに、前記ステータティースの中心線に対して左右いずれか一方側に偏って、周囲のロータコアの透磁率よりも低い透磁率の磁性体を配置した
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ステータティースに対向するロータコアに、前記ステータティースの中心線に対して左右いずれか一方側に偏ってエアースリットを設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
4. 前記永久磁石は、前記ロータ内に埋め込まれて配置され、前記永久磁石の左右両側にフラックスバリアが設けられ、前記左右のフラックスバリアが非対称化されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
5. 前記永久磁石は、Ｖ字型に配置されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 前記永久磁石数当たりのステータティース数は１．５である
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機。

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