JP2010081678A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる複数の磁極数に相当する磁石磁束を表面に合算して発生させる回転子と、複数の磁極数に対応した複数の電流磁界を合算しかつ回転させることができるように電流を与えられる固定子とを備えた回転電機におけるトルクを向上させることを課題とする。
【解決手段】ロータ２の空間磁束密度成分の基本波と複数の高調波を用いてマグネットトルクを発生させ、かつ永久磁石５Ｎ，５Ｓの磁束湧き出し部の幅がステータ１のティース幅に概ね等しい回転電機において、永久磁石５Ｎ，５Ｓとステータ１の電機子コイルとの間で吸引力のみと反発力のみが交互に発生するように電機子コイルを励磁することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、小型で高効率の回転電機に関する。

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１参照）。この文献１には、１つの固定子に給電することで２つの回転子をそれぞれ独立に回転させ、１つのモータ体格で２つのモータ分のトルクを発生させることが可能となり、加えて両回転子に合わせて固定子に与えられる電流の平均値は、単純に２つのモータに電流を与えた場合の平均値より小さくなるので、電流による損失を低減した回転電機の技術が記載されている。
特許３４８０３０１号

上記従来のモータの電機子コイルに供給される電流は、先の文献１に記載されているように複合電流を用いる。複合電流は正弦波電流と比べて電流平均値を下げることができるが、電流ピーク値が増加してしまう。

このため、モータに電流を供給するインバータを構成するＩＧＢＴ（絶縁ゲート型のバイポーラトランジスタ）のスイッチング素子に通電可能な最大電流値を最大負荷時の複合電流ピーク値で規定した場合に、パルス状の電流（矩形波電流）を最大電流で通電することによりモータのトルクを向上させることが望める。

しかし、一般的なブラシレスＤＣモータに矩形波電流を通電する場合は、等間隔のパルス電流でよいが、上述した異なる複数の磁極を合算させたモータに矩形波電流を通電すると、１つの磁極のみに対応したトルクしか発生できないため、トルクが減少してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、異なる複数の磁極数に相当する磁石磁束を表面に合算して発生させる回転子と、複数の磁極数に対応した複数の電流磁界を合算しかつ回転させることができるように電流を与えられる固定子とを備えた回転電機におけるトルクを向上させることを目的とする。

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、永久磁石と電機子コイルとの間で吸引力のみと反発力のみが交互に発生するように電機子コイルを励磁することを特徴とする。

本発明によれば、励磁電流を複合電流とした場合に比べてトルクを増加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に係る回転電機本体の構成を示す断面図である。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ている。ステータ１は、例えば１８個の分割されたコア３で構成され、１８個の分割されたコア３には、それぞれ巻線４が集中的に巻かれている。この巻線４は、６個おきに配置されている３個が１セット（トータル６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、他方は後述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６相を制御する構成となっている。

なお、ステータ１は分割されたコア３で記述されているが、分割されないコアでも同様の動作ができることは周知のとおりである。また、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１では３極対と６極対の２種類の極対数を備えるものとなっている。

図２は図１のロータ２が永久磁石を埋め込んで構成された埋め込み磁石型のロータで構成された同期電動機の一部断面図であり、全体の１／８モデルを示している。図２において、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。

図２に示す電動機では、例えば８極対と１６極対の２種類の極対数を備えるものとなっており、したがって図２に示す１／８モデルは８極対の磁極の電気角１周期を示している。

次に、図２に示す同期電動機に通電される複合電流について説明する。

図２において、ステータ１におけるコア３に巻線４が巻かれたティース１Ｕ、１Ｖ、１ＷをそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相とすると、ロータ２が図２の位置から反時計方向に４５度回転したときのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電機子コイルに発生する誘起電圧波形を図３に示す。

通電によりマグネットトルクを発生させるためには、図３に示す誘起電圧波形と同位相の図４（ａ）に示すような励磁電流を電機子コイルに通電すればよい。さらにこのマグネットトルクに加えて、通電によりリラクタンストルクを発生させて合算させるためには、同図（ｂ）に示すような励磁電流を通電する必要がある。図４（ｂ）の励磁電流は同図（ａ）の励磁電流よりも進んだ電流位相となる。

図５は先の図２に示す１／８ラジアルモデルを直線的に図示したラジアルモデルに置き換えた図である。図５において、符号Ａ１，Ａ１’とＡ２，Ａ２’の位置は図２で示す同符号の位置と対応している。また、図５において、符号Ｂはトルク方向を示しており、符号Ｃ、Ｄは電機子コイルの励磁によるティースの着磁方向を示し、符号Ｅ，Ｆは永久磁石の着磁方向を示している。

ここで、図５（ａ）はＵ，Ｖ相のティースがすべての永久磁石５Ｎ，５Ｓに対して符号Ｂで示すトルク方向に向けて反発力を作用させる場合を示し、同図（ｂ）はＶ，Ｗ相のティースがすべての永久磁石５Ｎ，５Ｓに対して符号Ｂで示すトルク方向に向けて吸引力を作用させる場合を示している。

永久磁石を用いた通常の同期電動機は、永久磁石の配置が均一であるため、各々のステータのティースが永久磁石に対して吸引力と反発力を同時に与える位置関係を常にとっている。これに対して、この実施例１では、図２に示すように永久磁石５Ｎ，５Ｓの配置が不均一であるため、図５に示すように、吸引のみ（図５（ｂ））と反発のみ（同図（ａ））を交互に繰り返す励磁パターンを採用している。

すなわち、ロータ２の空間磁束密度成分でマグネットトルクを発生させ、かつ永久磁石５Ｎ，５Ｓの磁束湧き出し部の幅がステータ１のティース幅に概ね等しい回転電機において、永久磁石のＮ極ならびにＳ極とティースの着磁との吸引のみと、永久磁石のＮ極ならびにＳ極とティースの着磁との反発のみとを交互に繰り返すように、電機子コイルを励磁する励磁手段を採用することで、トルクが最大となるような駆動電流を同期電動機に供給することが可能となり、従来のように複合電流を供給する場合に比べてトルクを向上させることができる。

図５（ｂ）に示す励磁パターンでは、Ｖ相のティース１ＶとＷ相のティース１Ｗのみが励磁されていたが、さらに加えて図６に示すようにＵ相のティース１Ｕに符号Ｇで示す着磁が発生するように励磁電流を通電することで、Ｖ相に対して吸引力が作用している永久磁石５Ｎに対して逆の反発力を作用させることが可能となる。

このような励磁パターンを採用することで、すなわち先に説明したようにＮ極とＳ極の永久磁石５Ｎ，５Ｓがともに電機子コイルに対して吸引力が作用している状態において、一方の磁極の永久磁石に対して反発力が作用するように電機子コイルを励磁することで、さらにトルクを増加させることができる。

また、図５（ａ）に示す励磁パターンでは、Ｕ相のティース１ＵとＶ相のティース１Ｖのみの励磁であったが、さらに加えて図７に示すようにＷ相に符号Ｈで示す着磁が発生するように励磁電流を通電している。これにより、Ｗ、Ｕ相間で符号Ｉで示す磁束が発生するため、永久磁石５Ｎとこれに対向するティース１Ｕとの透磁率の差によりリラクタンストルクが発生する。

すなわち、電動機の１極対当たりのステータ１のティース数が３の場合に、永久磁石５Ｎ、５Ｓの磁束湧き出し部がステータ１の２つのティースと対向し、永久磁石の２つの磁極（Ｎ極とＳ極）がともに反発される励磁状態にあるときに、残り１つのティースを励磁することで、リラクタンストルクを発生させてトルクを増大させることが可能となる。

図８は本発明に係る回転電機に駆動電流を供給制御するインバータの構成を示す図である。図８に示すインバータは、バッテリなどの電源から与えられる直流電流を交流電流に変換し、得られた交流電流を図２に示す電動機の巻線４（電機子コイル）に供給して励磁する。インバータは、トランジスタとダイオードからなるフルブリッジ型のインバータを３セット（３相）備えて構成され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対応した巻線４の電機子コイル４ａ、４ｂ、４ｃがインバータの対応したセットに接続され、３相の励磁電流を６本の給電線で並列に給電している。これにより、各相はそれぞれ独立して励磁電流を制御することが可能である。

図８に示すようにインバータを接続して電動機を励磁制御し駆動する際の、励磁電流のパターンを図９に示す。図９に示すパターンは、図２に示す電動機の８極対に対応した電気角１周期分の励磁電流波形である。したがって、１６極対では電気角２周期分の励磁電流波形となる。

図９において、符号９ａ、９ｂで示す励磁パターンは、先の図５（ａ）、図５（ｂ）に示す吸引力／反発力の作用を実現する際の励磁電流であり、同様に符号１０、１１で示す励磁パターンは、先の図６、図７に示す吸引力／反発力の作用を実現する際の励磁電流である。このような励磁電流のパターンが８極対に対応する電気角１周期当たり３回繰り返される。なお、図９に示す励磁電流は離散的な５段階の電流値により表現されているが、連続的に変化する励磁電流であっても同様である。

図１０に本発明の駆動電流と従来の複合電流とを対比して示す。このような駆動電流の違いにおいて、例えばインバータを構成するスイッチング素子のＩＧＢＴに通電可能な最大電流密度を両者の間で同じとすると、本発明の駆動電流によるトルク平均値は複合電流によるトルク平均値よりも概ね２０％程度増加するものと推定される。

図１１は本発明の回転電機を励磁制御して駆動するインバータの他の実施例の構成を示す図である。この実施例２の特徴とするところは、図１１に示すように３相のインバータに図２に示す電動機の各３相の電機子コイル４ａ、４ｂ、４ｃを接続し、３相の励磁電流を３本の給電線で給電している。したがって、すべての相はインバータの中性点に接続されており、すべての相電流の和はゼロとなる。

図１１に示すように接続されたインバータを用いて図２に示す電動機を励磁制御して駆動する際の、励磁電流のパターンを図１２に示す。図１２に示すパターンは、図２に示す電動機の８極対に対応した電気角１周期分の励磁電流波形である。したがって、１６極対では電気角２周期分の励磁電流波形となる。

図１２において、符号１２ａ、１２ｂで示す励磁パターンは、先の図５（ａ）、図５（ｂ）に示す駆動パターンを実現する際の励磁電流であり、同様に符号１３、１４で示す励磁パターンは、先の図６、図７に示す駆動パターンを実現する際の励磁電流である。図１１に示す励磁パターンが図９に示す励磁パターンと異なる点は、符号１２ｂ、１３，１４で示す励磁パターンのときに全相の電流和がゼロなることである。

このように、図１１に示す接続構成で電動機を駆動制御することで、図８に示す構成に比べてインバータを構成する素子の数、ならびに電動機に励磁電流を供給する給電線の数を削減して、構成を小型化することができる。

図１３は本発明に係る回転電機に励磁電流を供給制御するインバータをスイッチング制御して、回転電機を駆動制御する制御装置の構成を示す図である。

図１３において、制御装置は、電流指令値演算部２１、電流次数成分演算部２２、電流制御部２３、インバータ駆動信号生成部２４、インバータ２５、電流センサ２６ならびにロータ位置センサ２７を備えて構成されている。

電流指令値演算部２１は、ベクトル制御を用いて図２に示す３相の電動機２８を駆動制御する際に、トルク指令（目標トルク）に基づいてｄ軸電流（ｉｄ：励磁電流成分）とｑ軸電流（ｉｑ：トルク寄与電流成分）の指令値を演算し、得られたｄ軸電流、ｑ軸電流を電流次数成分演算部２２に与える。

電流次数成分演算部２２は、電動機の回転速度の指令値（目標速度）に基づいて、電流指令値演算部２１から与えられたｄ軸、ｑ軸電流の指令値のそれぞれに対して高調波成分の電流値を演算する。図９および図１１で示した駆動電流パターンをフーリエ解析すると、８極対、１６極対に対応する電流成分の他に高調波成分（ｉｄ１、ｉｄ２、ｉｄ３、…、ｉｑ１、ｉｑ２、ｉｑ３、…）が抽出される。

図１３に図９に示す励磁電流をフーリエ解析した結果を示す。図９に示す励磁電流は、目標トルクや目標速度に応じて変化するため、実験等により予めトルク、速度と電流次数成分との関係を取得し、この関係をマップ等で用意しておき、このマップ等を参照することでｄ軸、ｑ軸電流の高次成分を演算する。この演算の際に、どの程度の次数の高調波成分までを制御に含めるかは、電流次数成分演算部２２の演算速度、電動機制御の速度、電動機のロータ回転数などによって適宜設定される。

電流制御部２３は、電動機の回転速度の指令値（目標速度）、電流センサ２６で検出された各相の電流、ロータ位置センサ２７で検出された電動機２８のロータの位置に基づいて、電流次数成分演算部２２で得られた高調波成分を含むｄ軸、ｑ軸電流から電動機各相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを生成する。電流制御部２３は、例えば特開２００２−２２３６００で提案されている技術を高調波成分まで拡張することで電圧指令値を生成している。

インバータ駆動信号生成部２４は、電流制御部２３から与えられた各相の電圧指令値
Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに基づいて、インバータ２５のスイッチング素子をスイッチング制御して駆動制御するスイッチング信号を生成する。

インバータ２５は、インバータ駆動信号生成部２４から与えられるスイッチング信号に基づいてインバータ２５を構成するスイッチング素子をスイッチング制御して電動機２８の各相に図９、図１２に示すような駆動電流を供給する。

このように、この実施例３においては、主に電流指令値演算部２１、電流次数成分演算部２２ならびに電流制御部２３をマイクロコンピュータで構成した場合には、各部の動作を制御して全体を統御する制御ロジック（制御ソフトウェア）を適宜変更することで、図９や図１２に示す励磁電流パターンを容易に実現することが可能となる。

図１５は本発明に係る回転電機に励磁電流を供給制御するインバータをスイッチング制御して、回転電機を駆動制御する制御装置の構成を示す図である。

図１５において、制御装置は、電流指令値制御部３１、インバータ駆動信号生成部３２、ならびに先の図１３で示したと同様のインバータ２５、電流センサ２６ならびにロータ位置センサ２７を備えて構成されている。

電流指令値制御部３１は、トルク指令値（目標トルク）、電流センサ２６で検出され各相の駆動電流ならびにロータ位置センサ２７で検出されたロータ位置に基づいて、ヒステリシスコンパレータ方式により電動機の駆動電流を制御するべく電動機２８の各相の電流駆動パターンを決定し、電流通電開始ロータ位置θｏｎ、電流通電終了ロータ位置θｏｆｆ、電流（励磁電流）上限値ｉｔ、電流（励磁電流）下限値ｉｂを演算し、得られた演算結果をインバータ駆動信号生成部３２に与える。

インバータ駆動信号生成部３２は、電流指令値制御部３１から与えられた電流通電開始ロータ位置θｏｎ、電流通電終了ロータ位置θｏｆｆ、電流上限値ｉｔ、電流下限値ｉｂ、ならびに電流センサ２６で検出され各相の駆動電流ならびにロータ位置センサ２７で検出されたロータ位置に基づいて、インバータ２５のスイッチング素子をスイッチング制御して駆動制御するスイッチング信号を生成する。

生成されたスイッチング信号によりインバータ２５がスイッチング制御され、例えば図１６に示すような励磁電流がインバータ２５から電動機２８に供給されて駆動制御される。

このように、この実施例４においては、応答性の良好な所望の矩形波の励磁電流を生成して電動機に与えることが可能となり、これにより電動機の制御性を向上することができる。

なお、上記各実施例１〜４において、例えば図１２に示す励磁電流波形を図１７に示す励磁電流波形のように、励磁電流の時間変化率に上限を設定して抑制することで、ロータの永久磁石に鎖交する磁束の変化率を抑えることが可能となり、永久磁石に生じる渦電流損を低減することができる。なお、励磁電流の時間変化率に上限を設定して抑制することは、図１３に示す電流制御部２３や図１５に示す電流指令値制御部３１の機能として実現することが可能である。

また、ロータの永久磁石の温度を検出する温度センサ等を設けることで永久磁石の温度を監視し、永久磁石の温度が上昇して高温になる程励磁電流波形の時間変化率を低下させるようにしてもよい。このような手法を採用することで、永久磁石を貫通する磁束の変化率を制限することが可能となり、永久磁石に生じる渦電流損を低減することができる。

本発明の実施例１に係る回転電機の構成を示す断面図である。 埋め込み磁石型のロータを備えた回転電機の構成を示す断面図である。 各相の電機子コイルに発生する誘起電圧の変化を示す図である。 励磁電流となる複合電流の変化を示す図である。 ロータの永久磁石とステータの電機子コイルとの間に発生する吸引力または反発力の様子を示す図である。 ロータの永久磁石とステータの電機子コイルとの間に発生する吸引力または反発力の他の様子を示す図である。 ロータの永久磁石とステータの電機子コイルとの間に発生する吸引力または反発力の他の様子を示す図である。 回転電機とインバータの接続構成を示す図である。 図８に示す接続構成における励磁電流のパターンを示す図である。 本発明の励磁電流と従来の複合電流との変化を示す図である。 回転電機とインバータの他の接続構成を示す図である。 図１１に示す接続構成における励磁電流のパターンを示す図である。 本発明の回転電機を駆動制御する制御装置の構成を示す図である。 図１３に示す制御装置における励磁電流のフーリエ解析の結果を示す図である。 本発明の回転電機を駆動制御する制御装置の他の構成を示す図である。 図１５に示す制御装置における励磁電流を示す図である。 図１２に示す励磁電流の時間変化率を抑制したパターンを示す図である。

符号の説明

１…ステータ
１Ｕ…ティース
１Ｖ…ティース
１Ｗ…ティース
２…ロータ
３…コア
４…巻線
４ａ，４ｂ，４ｃ…電機子コイル
５Ｎ，５Ｓ…永久磁石
６…ロータコア
７…シャフト
２１…電流指令値演算部
２２…電流次数成分演算部
２３…電流制御部
２４…インバータ駆動信号生成部
２５…インバータ
２６…電流センサ
２７…ロータ位置センサ
２８…電動機
３１…電流指令値制御部
３２…インバータ駆動信号生成部

Claims (9)

1. ロータの空間磁束密度成分の基本波と複数の高調波を用いてマグネットトルクを発生させ、かつ永久磁石の磁束湧き出し部の幅がステータのティース幅に概ね等しい回転電機において、
   前記永久磁石と前記電機子コイルとの間で吸引力のみと反発力のみが交互に発生するように電機子コイルを励磁する励磁手段
   を有することを特徴とする回転電機。
2. 前記励磁手段は、２つの前記永久磁石に吸引力が作用している状態において、前記２つの永久磁石の内いずれか一方の永久磁石に反発力を作用させるように前記電機子コイルを励磁する
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記励磁手段は、前記回転電機の１極対当たりのステータのティース数が３の場合に、２つの前記永久磁石の磁束湧き出し部が前記ステータの２つのティースと対向して２つの前記永久磁石に反発力が作用している状態において、前記残りの１つのティースに対応した前記電機子コイルを励磁する
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
4. 前記回転電機の１極対当たりの前記電機子コイルがＮ（自然数）相である場合に、各相に独立してインバータを接続して、前記インバータから各相に独立して駆動電流を供給する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 前記回転電機の１極対当たりの前記電機子コイルがＮ（自然数）相である場合に、Ｎ相のインバータを接続して、前記Ｎ相のインバータから各相に駆動電流を供給する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 前記励磁手段は、複数の高次高調波の励磁電流成分をベクトル制御する
   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。
7. 前記励磁手段は、ヒステリシスコンパレータ方式に基づいて励磁電流を制御する
   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。
8. 前記励磁手段は、励磁電流の変化率に上限値を設定する
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転電機。
9. 前記上限値は、前記永久磁石の温度が高くなるほど小さく設定される
   ことを特徴とする請求項８に記載の回転電機。

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