JP2010200482A - ハイブリッド励磁ｉｐｍモータ - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転域及び低速回転域の双方にて高トルクを発生すること。
【解決手段】環状の軟鋼性ディスク１２に励磁巻線１３及び三相巻線１５を巻装して成るステータ１６と、励磁巻線１３を空隙Ｇ１を介して凹状に包囲し当該励磁巻線１３に磁気的に連接した環形状で当該環形状の内周部が回転軸２２に固定された軟鋼性ドラム部２１を有し、この軟鋼性ドラム部２１の外周面に空隙Ｇ２を介して三相巻線１５に対向する環状積層鉄心２３が固定されて成るロータ２４とを備える。環状積層鉄心２３の三相巻線１５への対向面に、当該三相巻線１５の極数に対応する数の凸部２５を周方向に沿って設け、当該環状積層鉄心２３の環状面に、前記凸部２５の一つ置きに希土類磁石による永久磁石２６を埋め込み、この埋め込み時に当該永久磁石２６の外側の環状面に所定領域のセグメント領域２７ａが形成されるようにし、前記励磁巻線１３を正又は負の電流を流して励磁する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド車両や電気自動車等の車両に用いられるハイブリッド励磁ＩＰＭモータに関する。

従来、ハイブリッド励磁ＩＰＭ（埋め込み磁石式）モータと類似構造の装置としては、例えば特許文献１に記載の円筒型インダクタ回転機がある。この構成は、三相電機子巻線を有する固定子鉄心と、この鉄心と第１のギャップを介して対向して回転するインダクタ回転子（ロータ）と、この回転子と上記の固定子鉄心とを第２のギャップを介して磁気的に連接する界磁磁気回路とからなる回転磁気回路において、上記の回転子は、第１のギャップを外周に、また第２のギャップを内周に有しており、かつその内周と外周とを残してその間に磁気誘導通路と非磁気誘導通路を形成すると共に、誘導子（インダクタ）は、２磁極ピッチにて磁束が回転子の中心から外側へ流れるように同極性磁石を収納したスロットを有している。

この構成によって、回転子は、その内外周がギャップ面となる円筒状のインダクタのみの構成となるので慣性が最も小さくなるが、特にその円筒の内部も打ち抜きつつ、かつ内外径部は連接しトラス構造の回転子に構成しているので、頑丈で軽量の回転子、すなわち薄く低慣性の回転子とすることができる。また、誘導子は、２磁極ピッチにて形成したスロットに磁束が回転子の中心から外側へ流れるように同極性磁石を収納しているので、誘導子だけだと磁束の変化が小さいが、磁石を添えることによりその振幅が約２倍となり出力が大きくなる。

特許第３８３８１４６号公報

従来のＩＰＭモータは、ロータに磁力の強い永久磁石のマグネットトルクと、その永久磁石で磁極に作用させるリラクタンストルクとの作用によって高トルクとなる特長を持つ。しかし、高速回転域ではその永久磁石による発生電圧の妨げによって駆動電流が流し込めずトルクが小さくなる。そこで電圧を抑制すべく永久磁石を小さくすると低速回転域でのトルクが減少してしまうという問題がある。特許文献１では、モータとして見た場合、ロータの永久磁石のステータ側（前記文献１の図５にλとしてその幅を示す部分）及びこの逆側の領域（同文献同図５にεとしてその幅を示す部分）が狭く磁気通路としての作用が殆ど無いほどに狭いので、リラクタンストルクを発生させる磁束が流れず、その分、モータトルクが減少することになる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高速回転域及び低速回転域の双方にて高トルクを発生することができるハイブリッド励磁ＩＰＭモータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、環状の軟鋼性ディスクに突き出して励磁巻線を巻装すると共に三相巻線を巻装して成るステータと、前記励磁巻線を第１の空隙を介して凹状に包囲し当該励磁巻線に磁気的に連接した環形状で当該内周部が回転軸に固定された軟鋼性ドラム部を有し、この軟鋼性ドラム部の外周面に第２の空隙を介して前記三相巻線に対向する環状積層鉄心が固定されて成るロータとを備え、前記ロータの環状積層鉄心の前記三相巻線への対向面に、当該三相巻線の極数に対応する数の凸部を周方向に沿って設け、当該ロータの環状面に、前記凸部の一つ置きに希土類磁石による永久磁石を埋め込み、この埋め込み時に当該永久磁石の外側の環状面に所定領域のセグメント領域（いわゆる横軸磁束が流せる磁束通路の領域）が形成されるようにし、前記励磁巻線を正又は負の電流を流して励磁するようにしたことを特徴とする。

この構成によれば、励磁巻線を正の電流で励磁した際に、ロータの永久磁石同士の間の前記凸部の領域において、永久磁石のＮ極からＳ極方向に流れる磁束と例えば同方向に第１磁束が流れ、また、負の電流で励磁した際にその逆方向に第２磁束が流れる。第１磁束の場合は前記凸部において永久磁石の磁束と合成され、また前記第２磁束の場合は前記凸部において永久磁石の磁束と打ち消す状態となるので、励磁巻線の励磁制御でロータに流れる磁束量を制御することができる。従って、高速回転域では、第２磁束を流して永久磁石の磁束を所定量打消して磁束量を減少させれば、永久磁石による発生電圧を抑制して駆動電流を制限値まで流し込めるので、高トルクを発生させることができる。一方、低速回転域では、逆に第１磁束を流して永久磁石の磁束と合成して磁束量を増加させれば、高トルクを発生させることができる。

また、ロータの永久磁石の外側の環状面にいわゆる横軸磁束を流しやすくするセグメント領域が形成されているので横軸インダクタンスが大きくでき、他方そのセグメント領域の直軸方向には透磁率が空気と同様の永久磁石が介在されているので直軸インダクタンスが低くなり、その結果三相巻線の励磁時にそれら両インダクタンスの差が大きくできてその差に因るリラクタンストルクを大きくできてこの結果、ロータのトルクを増加させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のハイブリッド励磁ＩＰＭモータにおいて、前記ロータの環状積層鉄心の環状面に、前記永久磁石の外側のセグメント領域に加え、当該環状面の内側に永久磁石の磁束が隣接する磁石のない磁極部へ沢山流れるような磁束通路が大きく確保・形成されるように、当該永久磁石を埋め込んだことを特徴とする。

この構成によれば、内側のセグメント領域によっては永久磁石の磁束の量が増加するので、トルクのうち磁束に比例するところのマグネットトルクを増加させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のハイブリッド励磁ＩＰＭモータにおいて、前記励磁巻線を励磁する正又は負の電流の量を可変制御することを特徴とする。

この構成によれば、正又は負の電流の量の可変に応じて第１又は第２磁束の量が変化するので、この変化量に応じて永久磁石の磁束との合成によるロータの磁束量が変化する。この磁束量の変化に応じてロータのトルクを増減させることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッド励磁ＩＰＭモータにおいて、前記ロータの環状積層鉄心の凸部の各々に、当該凸部の外周面の中央部分に周方向と直交状態に窪む窪みを設けたことを特徴とする。

この構成によれば、前記横軸磁束が前記凸部略中央においてステータの方に漏れにくくなり横軸磁束におもには左右されるリラクタンストルクをより増加させ、総合トルクを高めることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のハイブリッド励磁ＩＰＭモータにおいて、前記ロータの環状積層鉄心の環状面に凸部の一つ置きに配置された永久磁石に代え、一対の永久磁石をＶ字状に埋め込んだことを特徴とする。

この構成によれば、永久磁石の長さを長くすることができるので、発生磁束の量が多くなる。また、外側のセグメント領域の面積が広がるので、その分、リラクタンストルクを発生させる磁束の量を増加させることができる。従って、ロータの磁束量を増加させ、より高トルクを発生させることができる。

以上説明したように本発明によれば、高速回転域及び低速回転域の双方にて高トルクを発生することができるハイブリッド励磁ＩＰＭモータを提供することができるという効果がある。

本発明の実施形態に係るハイブリッド励磁ＩＰＭモータの構成を示し、（ａ）はハイブリッド励磁ＩＰＭモータの断面図、（ｂ）はハイブリッド励磁ＩＰＭモータのロータの一部表面図である。 本実施形態のハイブリッド励磁ＩＰＭモータの三相巻線及び励磁巻線に電流を流す電気回路の回路図である。 本実施形態のハイブリッド励磁ＩＰＭモータのロータの環状積層鉄心の他の構成を示す図である。 本実施形態のハイブリッド励磁ＩＰＭモータのロータの環状積層鉄心のその他の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。

図１は、本発明の実施形態に係るハイブリッド励磁ＩＰＭモータの構成を示し、（ａ）はハイブリッド励磁ＩＰＭモータの断面図、（ｂ）はハイブリッド励磁ＩＰＭモータのロータの一部表面図である。但し、（ａ）は環状のハイブリッド励磁ＩＰＭモータ１０を直径で切断し、この切断面の上半分を見た図である。（ｂ）はロータの環状の表面の約１／４を抜き取って見た図である。

図１に示すハイブリッド励磁ＩＰＭモータ１０は、電気自動車等の車両に搭載されており、固定部材１１に固定された環状の軟鋼性ディスク１２の内周側の側面に環状に突き出る状態に励磁巻線１３を巻装すると共に、軟鋼性ディスク１２の外周側の側面に固定された積層鉄心１４に三相巻線１５を巻装して成るステータ１６を備える。また、ステータ１６の軟鋼性ディスク１２の側面に環状に突き出た励磁巻線１３を第１の空隙Ｇ１を介して凹状に包囲する環形状であり励磁巻線１３に磁気的に連接した外周部２１ａ、及び外周部２１ａから内周側に延びた延長部２１ｂが回転軸２２に固定されて成る軟鋼性ドラム部２１を有し、この軟鋼性ドラム部２１の外周部２１ａに、第２の空隙Ｇ２を介してステータ１６の三相巻線１５と離間状態に環状の鉄心を積層した環状積層鉄心２３が固定されて成るロータ２４を備える。

更に、ロータ２４の環状積層鉄心２３におけるステータ１６の三相巻線１５への対向面に、図１（ｂ）に示すように、三相巻線１５の極数に対応する数の凸部２５を周方向に沿って設け、更には、環状積層鉄心２３の環状面に凸部２５の一つ置きに希土類磁石による永久磁石２６を埋め込み、この永久磁石２６を挟む環状面の外側及び内側に所定領域のセグメント領域２７ａ，２７ｂが形成されるように構成した。但し、各セグメント領域２７ａ，２７ｂは、外側のセグメント領域２７ａのみの形成でも良い。

また、三相巻線１５及び励磁巻線１３に電流を流す電気回路は、図２に示すように、車両の直流電源３１にインバータ３２を介して三相巻線１５が接続され、また、直流電源３１にトランジスタ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄを用いたスイッチ回路３３を介して励磁巻線１３が接続されて構成されている。

この電気回路３０では、直流電源３１からの直流電力をインバータ３２で三相電力に変換し、この三相電力で三相巻線１５を励磁制御すると共に、直流電力をスイッチ回路３３で励磁巻線１３に供給してその励磁を制御する。この励磁巻線１３の励磁を制御する場合、トランジスタ３３ａと３３ｄをオン、３３ｂと３３ｃをオフとして正の電流ｉ１を励磁巻線１３に流すと、図１（ｂ）に示すように、ロータ２４の永久磁石２６間において、ロータ２４の中心から外側へ向かう磁束φ１が流れる状態に励磁巻線１３が励磁される。この逆に、トランジスタ３３ｂと３３ｃをオン、３３ａと３３ｄをオフとして負の電流ｉ２を励磁巻線１３に流すと、ロータ２４の外側から中心に向かう磁束φ２が流れる状態に励磁巻線１３が励磁される。

ロータ２４には永久磁石２６のＮ極からＳ極方向に磁束φ３が流れるが、上記のように励磁巻線１３の励磁によってロータ２４に流れる磁束φ１又はφ２の方向を変えれば、磁束φ１の場合は磁束φ３と合成され、磁束φ２の場合は磁束φ３と打ち消す状態となる。従って、三相巻線１５による弱め界磁制御を行なわずとも、励磁巻線１３の励磁制御でロータ２４に流れる磁束量を制御することができる。

従って、高速回転域では、励磁巻線１３を励磁してロータ２４に磁束φ２を流して永久磁石２６の磁束φ３を所定量打消して磁束量を減少させれば、永久磁石２６による発生電圧を抑制して駆動電流を制限値まで流し込めるので、高トルクが発生する。一方、低速回転域では、逆に励磁巻線１３を励磁してロータ２４に磁束φ１を流して永久磁石２６の磁束φ３と合成して磁束量を増加させれば、高トルクが発生する。

また、ロータ２４の永久磁石２６を挟む環状面の外側及び内側にセグメント領域２７ａ，２７ｂが形成されているので、外側のセグメント領域２７ａでは、三相巻線１５の励磁時にリラクタンストルクを発生させる磁束φ４が流れる。また、内側のセグメント領域２７ｂによっては、永久磁石２６の磁束φ３の量を増加させることができる。これらの要因によってもロータ２４のトルクが増加する。

このような本実施形態のハイブリッド励磁ＩＰＭモータ１０は、環状の軟鋼性ディスク１２の内周側の側面に突き出して励磁巻線１３を巻装すると共に、同軟鋼性ディスク１２の外周側の側面に三相巻線１５を巻装して成るステータ１６と、励磁巻線１３を第１の空隙Ｇ１を介して凹状に包囲し当該励磁巻線１３に磁気的に連接した環形状で当該環形状の内周部が回転軸２２に固定された軟鋼性ドラム部２１を有し、この軟鋼性ドラム部２１の外周面に第２の空隙Ｇ２を介して三相巻線１５に対向する環状積層鉄心２３が固定されて成るロータ２４とを備え、このロータ２４の環状積層鉄心２３の三相巻線１５への対向面に、当該三相巻線１５の極数に対応する数の凸部２５を周方向に沿って設け、当該ロータ２４の環状面に、前記凸部２５の一つ置きに希土類磁石による永久磁石２６を埋め込み、この埋め込み時に当該永久磁石２６の外側の環状面に所定領域のセグメント領域２７ａ，２７ｂが形成されるようにし、前記励磁巻線１３を正又は負の電流を流して励磁するようにした。

これによって、励磁巻線１３を正の電流ｉ１で励磁した際に、ロータ２４の永久磁石２６同士の間の凸部２５の領域において、永久磁石２６のＮ極からＳ極方向に流れる磁束φ３と例えば同方向に第１磁束φ１が流れ、また、負の電流ｉ２で励磁した際にその逆方向に第２磁束φ２が流れる。第１磁束φ１の場合は凸部２５において永久磁石２６の磁束φ３と合成され、第２磁束φ２の場合は凸部２５において永久磁石２６の磁束φ３と打ち消す状態となるので、励磁巻線１３の励磁制御でロータ２４に流れる磁束量を制御することができる。従って、高速回転域では、第２磁束φ２を流して永久磁石２６の磁束を所定量打消して磁束量を減少させれば、永久磁石２６による発生電圧を抑制して駆動電流を制限値まで流し込めるので、高トルクを発生させることができる。一方、低速回転域では、逆に第１磁束φ１を流して永久磁石２６の磁束φ３と合成して磁束量を増加させれば、高トルクを発生させることができる。

また、ロータ２４の永久磁石２６の外側の環状面にいわゆる横軸磁束を流しやすくするセグメント領域２７ａが形成されているので横軸インダクタンスが大きくでき、他方そのセグメント領域２７ａの直軸方向には透磁率が空気と同様の永久磁石２６が介在されているので直軸インダクタンスが低くなり、その結果三相巻線２５の励磁時にそれら両インダクタンスの差が大きくできてその差に因るリラクタンストルクを大きくできてこの結果、ロータ２４のトルクを増加させることができる。

また、ロータ２４の環状面に、永久磁石２６の外側のセグメント領域２７ａに加え、当該環状面の内側にも所定領域のセグメント領域２７ｂが形成されるように、永久磁石２６を埋め込んでもよい。言い換えれば、ロータ２４の環状積層鉄心２３の環状面に、永久磁石２６の外側のセグメント領域２７ａに加え、当該環状面の内側に永久磁石２６の磁束が隣接する磁石のない磁極部へ沢山流れるような磁束通路が大きく確保・形成されるように、当該永久磁石２６を埋め込む。

この構成によれば、内側のセグメント領域２７ｂによっては永久磁石２６の磁束φ３の量が増加するので、結果的にロータ２４のトルクを増加させることができる。

また、励磁巻線１３を正又は負の電流ｉ１又はｉ２で励磁する際に、電流ｉ１又はｉ２の量を可変するようにしても良い。

この場合、電流ｉ１又はｉ２の量の可変に応じて磁束φ１，φ２の量が変化するので、この変化量に応じて永久磁石２６の磁束φ３との合成によるロータ２４の磁束量が変化する。この磁束量の変化に応じてロータ２４のトルクを増減させることができる。

また、図３に示すロータ２４−１のように、環状積層鉄心２３の各凸部２５に、各凸部２５の各々の外周面の中央部分に周方向と直交状態に窪む窪み２５ａを設けても良い。

この構成の場合、横軸磁束が凸部２５略中央においてステータ１６の方に漏れにくくなり横軸磁束におもには左右されるリラクタンストルクをより増加させ、総合トルクを高めることができる。

更には、図４に示すロータ２４−２のように、環状積層鉄心２３の環状面に凸部２５の一つ置きに希土類磁石による一対の永久磁石２６ａ，２６ｂをＶ字状に埋め込んでも良い。

この構成によれば、永久磁石２６ａ，２６ｂの長さを長くすることができるので、発生磁束φ３ａ，φ３ｂの量が多くなる。また、外側のセグメント領域２７ａの面積が広がるので、その分、リラクタンストルクを発生させる磁束φ４の量を増加させることができる。従って、ロータ２４−２の磁束量を増加させ、より高トルクを発生させることができる。

１０ ハイブリッド励磁ＩＰＭモータ
１１ 固定部材
１２ 軟鋼性ディスク
１３ 励磁巻線
１４ 積層鉄心
１５ 三相巻線
１６ ステータ
２１ 軟鋼性ドラム部
２１ａ 軟鋼性ドラム部の外周部
２１ｂ 軟鋼性ドラム部の延長部
２２ 回転軸
２３ 環状積層鉄心
２４，２４−１，２４−２ ロータ
２５ 凸部
２５ａ 窪み
２６，２６ａ，２６ｂ 永久磁石
２７ａ，２７ｂ セグメント領域
３０ 電気回路
３１ 直流電源
３２ インバータ
３３ スイッチ回路
３３ａ〜３３ｄ トランジスタ
φ１〜φ４，φ３ａ，φ３ｂ 磁束
Ｇ１ 第１の空隙
Ｇ２ 第２の空隙
ｉ１ 正の電流
ｉ２ 負の電流

Claims (5)

1. 環状の軟鋼性ディスクに突き出して励磁巻線を巻装すると共に三相巻線を巻装して成るステータと、
   前記励磁巻線を第１の空隙を介して凹状に包囲し当該励磁巻線に磁気的に連接した環形状で当該内周部が回転軸に固定された軟鋼性ドラム部を有し、この軟鋼性ドラム部の外周面に第２の空隙を介して前記三相巻線に対向する環状積層鉄心が固定されて成るロータとを備え、
   前記ロータの環状積層鉄心の前記三相巻線への対向面に、当該三相巻線の極数に対応する数の凸部を周方向に沿って設け、当該ロータの環状面に、前記凸部の一つ置きに希土類磁石による永久磁石を埋め込み、この埋め込み時に当該永久磁石の外側の環状面に所定領域のセグメント領域が形成されるようにし、前記励磁巻線を正又は負の電流を流して励磁するようにしたことを特徴とするハイブリッド励磁ＩＰＭモータ。
2. 前記ロータの環状積層鉄心の環状面に、前記永久磁石の外側のセグメント領域に加え、当該環状面の内側に永久磁石の磁束が隣接する磁石のない磁極部へ沢山流れるような磁束通路が大きく確保・形成されるように、当該永久磁石を埋め込んだことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド励磁ＩＰＭモータ。
3. 前記励磁巻線を励磁する正又は負の電流の量を可変制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド励磁ＩＰＭモータ。
4. 前記ロータの環状積層鉄心の凸部の各々に、当該凸部の外周面の中央部分に周方向と直交状態に窪む窪みを設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッド励磁ＩＰＭモータ。
5. 前記ロータの環状積層鉄心の環状面に凸部の一つ置きに配置された永久磁石に代え、一対の永久磁石をＶ字状に埋め込んだことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のハイブリッド励磁ＩＰＭモータ。

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