JP2010148257A

JP2010148257A - モータ

Info

Publication number: JP2010148257A
Application number: JP2008323429A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Michioka; 力道岡
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-07-01

Abstract

【課題】ロータが発生する界磁の磁束により周囲の金属体を誘導加熱しない小型で新規な構造により、高速回転時のステータの磁界と交錯するロータの界磁磁束を低減して励磁電流の増加を防止する。
【解決手段】ロータ３のコア外周部３１に周方向に永久磁石４ｎ、４ｓを配設し、ロータ３のコア外周部３１より内側のコア部分を、モータ軸５を支持する軟磁性材のシャフトフランジ３２と、シャフトフランジ３２の内側に出入り自在に嵌入し、移動制御部１４の制御によりモータ軸５の軸方向に移動する軟磁性材の磁束調整用のバックヨーク３２とにより形成、高速回転時にバックヨーク３２を引抜き方向に移動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石界磁のロータを備えたモータに関し、詳しくは、高速回転時の界磁制御に関する。

近年、電気自動車やハイブリッドカーの駆動モータには、埋込構造永久磁石型同期モータ（交流モータ）が使用されている。この埋込構造永久磁石型同期モータは、ステータの内側にロータを備え、そのコア外周部に周方向にＮ磁極とＳ磁極を交互に形成するように永久磁石が埋め込んで配設されている。そして、ステータの電機子電流の磁界とロータの永久磁石の界磁とによってロータが回転し、ロータの軸心のモータ軸から出力が取り出される。

この種のモータは回転が速くなると誘起電圧が上昇する。そのため、弱め界磁制御を行い、図３（ａ）に示すように、モータが高速回転になる弱め界磁領域では図中の破線の電圧ゲインを定トルク領域の定ゲインから低減し、実線のモータ端子電圧が上限電圧（一点破線のシステム電圧）を上回らないようにしている。このとき、モータの回転数するモータ端子電流（ステータのコイルに給電される電流）を図３（ｂ）の実線ｑのトルク電流Ｉｑと実線ｄの励磁電流Ｉｄで示すと、高速回転領域ではロータの界磁と交錯するステータの磁界を減少するため、弱め界磁制御によって負の励磁電流Ｉｄが増大し、その結果、トルク電流Ｉｑが減少してモータの効率が低下する。

そこで、弱め界磁制御を行なう代わりに、高速回転時にロータをステータから引抜き出すようモータ軸方向に移動することで、ステータの磁界と交錯するロータの界磁磁束を低減することが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００８−１２５２３４号公報

とくに、電気自動車やハイブリッドカーの駆動モータ等の大出力のこの種のモータの場合、特許文献１のモータのように高速回転しているロータ全体をモータ軸の軸方向に移動してステータ外に引抜き出すと、ロータが発生する界磁の大きな磁束がより周囲のありとあらゆる金属体が渦電流で誘導加熱されて発熱し、例えば、ステータのコイルエンド部分の金属導体をはじめとして、金属性のモータケースやカバーなどロータの磁束が届く限りの金属体すべてが加熱される問題がある。そして、ロータ全体をステータの内側から引抜き出しても前記のコイルエンドの金属体やモータケース等がロータの界磁磁束で誘導加熱されないたようにするため、それらの金属体とロータとの距離を大きくすると、その分、モータが大型する。

本発明は、ロータが発生する界磁の磁束により周囲の金属体を誘導加熱しない小型で新規な構造により、高速回転時のステータの磁界と交錯するロータの界磁磁束を低減して励磁電流の増加を防止することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明のモータは、ステータと、該ステータの内側のロータと、該ロータの軸心のモータ軸とを備え、前記ロータのコア外周部に周方向に永久磁石が配設されたモータであって、前記ロータの前記コア外周部より内側のコア部分が、
前記モータ軸の軸方向断面がコ字形に形成された軟磁性材のシャフトフランジと、前記シャフトフランジの内側に出入り自在に嵌入し、移動機構の制御により前記モータ軸の軸方向に移動する軟磁性材の磁束調整用のバックヨークとにより形成されていることを特徴としている（請求項１）。

請求項１に係る本発明のモータの場合、ロータはコア外周部に界磁を発生する永久磁石が配設され、コア外周部の内側のコア部分が、シャフトフランジとそれに出入り自在に嵌入したバックヨークとで構成され、従来であれば弱め界磁制御が必要になる高速回転時、移動機構の制御により、ロータのバックヨークだけがモータ軸の軸方向にステータから引抜き出されように移動する。このとき、コア外周部に周方向に配置された永久磁石によりロータに発生した界磁の磁束は、バックヨークの引抜きにより減少するが、ステータの内側に留まるコア外周部を通り、外部にはほとんど漏れ出さず、周囲の金属体を不用意に誘導加熱することがない。したがって、ロータが発生する界磁の磁束により周囲の金属体を誘導加熱しない小型で新規な構造により、高速回転時にステータの磁界と交錯するロータの界磁磁束を低減して励磁電流の増加を抑制し、その分トルク電流を増加して効率を向上することができる。

つぎに、本発明をより詳細に説明するため、一実施形態について、図１および図２を参照して詳述する。図１は本実施形態の埋込構造永久磁石型同期モータ（以下、永久磁石型交流モータという）１をモータ軸方向に切断した断面図、図２は図１のステータ２の内側のロータ３のコアの斜視図である。

図１に示すように、永久磁石型交流モータ１のステータ２は、従来モータのステータと同様、例えば珪素鋼板等を軸方向に重ねた積層鋼板により形成された軟磁性体のコア２１に、Ｎ相（単相、３相等）のコイル２２を集中巻き又は分布巻きして形成されている。

一方、ロータ３は従来のロータとは異なり、図２に示すように、軟磁性体の円筒状のコア外周部３１と、その内側のコア部分としての機械構造用炭素鋼や圧粉鉄心等により形成された軟磁性体のシャフトフランジ３２、バックヨーク３３との三重構造である。

コア外周部３１は例えば珪素鋼板を軸方向に重ねた積層鋼板３１ａをホルダ３１ｂに収容して形成され、それぞれ４個のＮ磁極の永久磁石４ｎ、Ｓ磁極の永久磁石４ｓが周方向に等間隔に交互に埋め込むように配置され、ステータ２の内側に固定されている。

シャフトフランジ３２は、コア外周部３１の内側に嵌入し、図１に示すように中心を貫通したモータ軸５を支持する円板状の蓋部３２ａと、蓋部３２ａからモータ軸５の軸方向に突出した外側円筒部３２ｂと、外側円筒部３２ｂより短い同心状の内側円筒部３２ｃとを一体に形成した形状であり、蓋部３２ａの外周端部はコア外周部３ａの一方の端面（図の左端面）の外側に当接して抜け止めを形成する。また、外側円筒部３２ｂの内周側には円周方向に複数個（図では８個）の凹部６が等間隔に形成されている。

シャフトフランジ３２の内側の磁束調整用のバックヨーク３３は、コア外周部３１の他方の端面（図の右端面）側の円板状の蓋部３３ａと、蓋部３３ａからステータ２の内側に向かって突出した外側円筒部３３ｂと、外側円筒部３３ｂと同心状に蓋部３３ａの中央部に形成されモータ軸が貫通する内側円筒部３３ｃとを一体に形成した形状であり、さらに、外側円筒部３３ｂの外周側には各凹部６に嵌入する凸部７が周方向に等間隔に形成されている。

そして、シャフトフランジ３２とバックヨーク３３とは、コア外周部３１の各永久磁石４ｎ、４ｓの磁力により吸引されてステータ２の内側にコア外周部３１に同心状に引き止められるが、バックヨーク３３は後述する移動機構の制御により前記磁力に抗してモータ軸５の軸方向に移動し、シャフトフランジ３２の内側に出入り自在に嵌入する。

つぎに、図１に示すようにモータ軸５の端部にＡＴＦ（オートマチック・トランスミッション・フルード）の注入部（中空部）５１が形成され、注入部５１は連通孔５２を介してシャフトフランジ３２の内側円筒部３２ｃの内側とバックヨーク３３の内側円筒部３３ｃの外側と間隙の増減変化するシリンダ部８に繋がっている。シリンダ部８は内側円筒部３３ｃ、モータ軸５に嵌められたＯリング９１、９２により液密に保たれている。

また、モータ軸５の前記端部は少なくともモータ軸５側が回転自在のパイプ継ぎ手等からなる連結部１１、油圧ポンプ１２を介してＡＴＦの油圧系統に接続されている。

さらに、モータ軸５の前記端部はレゾルバ等の回転センサ１３が取付けられ、回転検出器１３の回転検出信号はマイクロコンピュータ構成の移動制御部１４に取り込まれる。

そして、注入部（中空部）５１、連通孔５２、シリンダ部８、連結部１１、油圧ポンプ１２、回転センサ１３、移動制御部１４により本発明の移動機構が形成される。

移動制御部１４は、前記回転検出信号から交流モータ１の図３の弱め界磁領域の高速回転を検出すると、シリンダ部８が弱め界磁量に応じたＡＴＦの適当な油圧になるように油圧ポンプ１２を制御する。そして、図１の矢印線に示す油圧でバックヨーク３３をステータ２の外側に引き出されるようにモータ軸５の軸方向に移動する。このとき、界磁の磁路の一部を形成するバックヨーク３３の凸部７がロータ３から引き出されるので、高速回転時にロータ３の界磁の磁路を減少してモータ端子電圧が上限電圧を上回らないようにすることができる。なお、ＡＴＦの油圧が下がると、各永久磁石４ｎ、４ｓの磁力によりバックヨーク３３は元の状態に引き戻される。

したがって、本実施形態の場合、永久磁石型交流モータ１の高速回転時、ロータ３のコア全体をステータ２から引き出すのではなく、ロータ３の界磁の磁路を形成するコア外周部３１はステータ２の内側に留め、それより内側のバックヨーク３３をステータ２から引き出して界磁の磁路をその分少なくしてモータ端子電圧が上限電圧を上回らないようにし、高速回転時にステータの磁界と交錯するロータの界磁磁束を低減して励磁電流の増加を抑制し、その分トルク電流を増やしてモータの効率を向上することができる。

そして、コア外周部３１に周方向に配置された永久磁石４ｎ、４ｓによりロータ３に発生した界磁の磁束は、バックヨーク３３の引抜きにより減少するが、内側に留まるコア外周部３１を通り、外部にはほとんど漏れ出さないため、ロータ３と周囲の金属体との距離を大きくしなくても、ロータ３の界磁磁束が周囲の金属体を不用意に誘導加熱することがない。そのため、ロータ３が発生する界磁の磁束により周囲の金属体を誘導加熱しない小型で新規な構造により、従来の弱め界磁制御を行なうことなく、高速回転時にステータの磁界と交錯するロータの界磁磁束を低減して励磁電流の増加を抑制し、モータ効率の低下を防止することができる。

なお、ロータ３全体をモータ軸５の軸方向に動かしてロータ３をステータ２とずらす方法と比べると、回転センサ１３の固定子側をロータ３と連動させて動かす必要がないので、その点でも本実施形態の交流モータ１は機構が簡単である。また、ロータ３の代わりにステータ２をモータ軸５の方向に動かして、ステータ２をロータ３とずらすことも考えられるが、この方法では質量が大きなステータ２を動かすため、機構が極めて大型化し、しかも、ステータ２の移動に極めて大きな力が必要になるだけでなく、ステータ２のコイル２２に給電する給電線を可動に耐えるものとするとともに、その端子台およびリード部をステータ２と一体で動かす工夫をしなければならず、実用的でない。

そして、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行なうことが可能であり、例えば、シャフトフランジ３２やバックヨーク３３の形状や構造および材質は実施形態のものに限られない。そして、シャフトフランジ３２の凹部６、バックヨーク３３の凸部７の形状や大きさ、個数等は、界磁磁路を減少するものであればどのようであってもよく、界磁磁束の調整効果を高めるため、例えば、バックヨーク３３の外周とシャフトフランジ３２の内周がセレーションにより嵌合する構造であってもよい。また、バックヨーク３３の軸方向の移動量も、界磁磁路の必要な減少量に応じて設定すればよい。さらに、ＡＴＦの注入部５１への注入は、前記実施形態のようにモータ軸５から行なうものに限るものではなく、例えば蓋部３２ａの適当な個所に注入孔を形成し、その注入孔から行うようにしてもよい。

つぎに、バックヨーク３３の移動機構はＡＴＦを用いた油圧アクチュエータ構造の機構に限るものではなく、どのような構成であってもよく、例えば、回転センサ１３の検出信号に基づいて電磁制御でバックヨーク３３を移動する電磁ソレノイド機構であってもよい。

そして、本発明は、ロータに永久磁石を配設した構造の種々の交流のモータに適用することができ、そのモータの用途も電気自動車やハイブリッドカーの駆動モータ等に限るものではない。

本発明の一実施形態のモータの断面図である。図１のステータおよびロータの斜視図である。弱め界磁を説明するためのモータ端子電圧および電流の回転速度に対する変化特性図である。

符号の説明

１埋込構造永久磁石型同期モータ（永久磁石型交流モータ）
２ステータ
３ロータ
４ｎ、４ｓ永久磁石
５モータ軸
８シリンダ部
１１連結部
１２油圧ポンプ
１３回転センサ
１４移動制御部
３１コア外周部
３２シャフトフランジ
３３バックヨーク
５１注入部
５２連通孔

Claims

ステータと、該ステータの内側のロータと、該ロータの軸心のモータ軸とを備え、前記ロータのコア外周部に周方向に永久磁石が配設されたモータであって、
前記ロータの前記コア外周部より内側のコア部分が、
前記モータ軸を支持する軟磁性材のシャフトフランジと、
前記シャフトフランジの内側に出入り自在に嵌入し、移動機構の制御により前記モータ軸の軸方向に移動する軟磁性材の磁束調整用のバックヨークとにより形成されていることを特徴とするモータ。