JP2012105390A - 永久磁石型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】充電時に車両側から家庭用電源系統(外部交流電源)に電流が流れ込むような事態を生じさせない永久磁石型電動機を提供する。
【解決手段】永久磁石を有するロータ１０と、ステータ２０と、を備えた永久磁石型電動機において、ステータ２０には、直流交流変換器７を介してバッテリ８に接続される駆動用コイル２２が巻回されたティースと、交流電源に接続される給電用コイル２３が巻回されたティースとを有する。
【選択図】図２

Description

この発明は、永久磁石型電動機に関する。

特許文献１では、モーター及びインバーターをそれぞれ２つずつ用いて、モーターの中性点から別部品の配線を用いて外部電源からバッテリーへ充電する。

特開２００９−２７８３１号公報

しかしながら、特許文献１では、充電時には車両側から家庭用電源系統に電流が流れ込む可能性を否定できず、家庭用電源系統に悪影響を与える可能性がある、ということが本件発明者らによって知見された。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、充電時に車両側から家庭用電源系統(外部交流電源)に電流が流れ込むような事態を生じさせない永久磁石型電動機を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、永久磁石を有するロータと、ステータと、を備えた永久磁石型電動機に関する。そして前記ステータには、直流交流変換器を介してバッテリに接続される駆動用コイルが巻回されたティースと、交流電源に接続される給電用コイルが巻回されたティースとを有することを特徴とする。

本発明によれば、交流電源がバッテリーとは構造的には絶縁されるようになるので、充電時に車両側から家庭用電源系統(外部交流電源)に電流が流れ込むような事態を生じさせない。

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１は、本発明による永久磁石型電動機の第１実施形態の概略構成を示す断面図である。 図２は、本発明による永久磁石型電動機を使用するシステムを示す図である。 図３は、永久磁石型電動機をデフォルメして、３相２極３スロットの永久磁石型三相交流モーターを示した図である。 図４は、本実施形態の永久磁石型電動機においてバッテリーを充電するメカニズムについて説明する図である。 図５は、本発明による永久磁石型電動機の第２実施形態の概略構成を示す断面図である。 図６は、本発明による永久磁石型電動機の第３実施形態の概略構成を示す結線図である。 図７は、本発明による永久磁石型電動機の第４実施形態の概略構成を示す結線図である。 図８は、本発明による永久磁石型電動機の第５実施形態の概略構成を示す結線図である。 図９は、本発明による永久磁石型電動機の第６実施形態の概略構成を示す図である。 図１０は、本発明による永久磁石型電動機の第７実施形態の概略構成を示す断面図である。

（第１実施形態）
図１は、本発明による永久磁石型電動機の第１実施形態の概略構成を示す断面図である。

ここでは、永久磁石型電動機１として、３相６極９スロットの永久磁石型三相交流モーターを例に挙げて説明する。

永久磁石型電動機１は、ローター１０と、ステーター２０と、を含む。

ローター１０は、永久磁石１１を含む。

永久磁石１１は、ローター１０の外周面に形成される。永久磁石１１は、ローター１０のほぼ全長に渡って延設される。永久磁石１１は隣接する永久磁石の磁極が互いに相違するよう配置される。

ステーター２０は、ステーター鉄心２１と、駆動コイル２２と、給電コイル２３と、を含む。ステーター２０は、ローター１０の外周側に配置される。

ステーター鉄心２１は、薄い鋼板が多数積層されて形成される。ステーター鉄心２１の内周側にはティース２１１が形成される。

駆動コイル２２及び給電コイル２３は、ティース２１１に絶縁層を介して形成される。

詳細は後述するが、駆動コイル２２は、直流交流変換器のＶ相交流電力線に接続されるＶ相駆動コイルと、直流交流変換器のＷ相交流電力線に接続されるＷ相駆動コイルがあるが、直流交流変換器のＵ相交流電力線に接続されるＵ相駆動コイルは無い。駆動コイル２２に電流が流れると磁束が発生して永久磁石１１に反発力／吸引力が発生し、ローター１０が回転する。

給電コイル２３は、駆動コイル２２が形成されていないティース２１１に形成される。上述のように、駆動コイル２２は、Ｖ相駆動コイルと、Ｗ相駆動コイルがあるが、Ｕ相駆動コイルは無い。そして駆動コイル２２が形成されていないティース２１１に給電コイル２３が形成される。すなわち通常の３相６極９スロットの永久磁石型三相交流モーターのＵ相駆動コイルに代えて給電コイル２３が形成されている。給電コイル２３は、交流電源に接続される。

なお本実施形態では、図１で左回りに、給電コイル→Ｖ相駆動コイル→Ｗ相駆動コイル→給電コイル→・・・が繰り返されるように配置されている。

図２は、本発明による永久磁石型電動機を使用するシステムを示す図である。

システムＳは、永久磁石型電動機１と、直流交流変換器(インバーター)７と、バッテリー８と、電力回路９と、を含む。

直流交流変換器７は、永久磁石型電動機１とバッテリー８との間に設けられる。直流交流変換器７は、バッテリー８からの直流電力を交流に変換するインバーター機能と、永久磁石型電動機１からの交流電力を直流に変換するコンバーター機能と、を併せ持つ。直流交流変換器７は、正側直流電力線７１ｐと、負側直流電力線７１ｎと、Ｕ相交流電力線７２ｕと、Ｖ相交流電力線７２ｖと、Ｗ相交流電力線７２ｗと、を有する。

正側直流電力線７１ｐは、バッテリー８の正極に接続される。負側直流電力線７１ｎは、バッテリー８の負極に接続される。正側直流電力線７１ｐと負側直流電力線７１ｎとの間には、バッテリー８に並列にコンデンサー７５が接続される。コンデンサー７５は、直流電力を平滑化する。

Ｖ相交流電力線７２ｖは、永久磁石型電動機１の所定の駆動コイル２２に接続される。Ｖ相交流電力線に接続される駆動コイル２２がＶ相駆動コイルになる。またＷ相交流電力線７２ｗは、永久磁石型電動機１のＶ相駆動コイルとは別の駆動コイル２２に接続される。Ｗ相交流電力線に接続される駆動コイル２２がＷ相駆動コイルになる。

直流交流変換器７は、直流電力線と交流電力線との間に６つのＩＧＢＴモジュール(正側Ｕ相ＩＧＢＴモジュール，負側Ｕ相ＩＧＢＴモジュール，正側Ｖ相ＩＧＢＴモジュール，負側Ｖ相ＩＧＢＴモジュール，正側Ｗ相ＩＧＢＴモジュール，負側Ｗ相ＩＧＢＴモジュール)を有する。

各ＩＧＢＴモジュール(スイッチングモジュール)は、スイッチング素子ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor；絶縁ゲート型バイポーラトランジスター)と、ＩＧＢＴに逆方向に並列接続された整流素子(整流ダイオード；Free Wheeling Diode;以下「ＦＷＤ」と称す)を含む。各ＩＧＢＴモジュールは、コントローラーのパルス幅変調(Pulse Width Modulation；ＰＷＭ)信号に基づいてオンオフする。

給電コイル２３は、電力回路９に接続され、差込口を介して最終的には車外の交流電源に接続される。

このようなシステムにおいて、永久磁石型電動機１を駆動して走行するときは、バッテリー８の電力を直流交流変換器７で交流に変換して永久磁石型電動機１に供給する。すると永久磁石型電動機１が回転駆動する。

車両が停止した状態で、交流電源を使用してバッテリー８を充電するときは、給電コイル２３を、差込口を介して交流電源に接続する。すると、交流電源の交流電力が給電コイル２３に伝わり、バッテリー８を充電できる。これについては以下で詳述する。

図３及び図４を参照して、本実施形態の永久磁石型電動機においてバッテリーを充電するメカニズムについて説明する。

図３は、永久磁石型電動機をデフォルメして、３相２極３スロットの永久磁石型三相交流モーターを示した図である。

交流電源の交流電流が給電コイル２３に流れると、図３に示すように磁束Φが発生する。そしてその磁束の相互誘導作用によって、ローター(永久磁石)の回転位置によって経路は必ずしも一定ではないが、Ｖ相駆動コイル２２ＶやＷ相駆動コイル２２Ｗにも交流が流れる。すなわち給電コイル２３がトランス一次コイルとして機能し、Ｖ相駆動コイル２２ＶやＷ相駆動コイル２２Ｗがトランス二次コイルとして機能するのである。

図４は、本実施形態の永久磁石型電動機においてバッテリーを充電するメカニズムについて説明する図である。

基本的には、上記の通りであり、本実施形態の永久磁石型電動機においても同様のメカニズムで、交流電源の交流電流が給電コイル２３に流れると、Ｖ相駆動コイル２２ＶやＷ相駆動コイル２２Ｗにも交流が流れる。

すなわち、交流電源の交流電流が給電コイル２３に流れると、図４に示すように磁束Φが発生する。そしてその磁束の相互誘導作用によって、ローター(永久磁石)の回転位置によって経路は必ずしも一定ではないが、Ｖ相駆動コイル２２ＶやＷ相駆動コイル２２Ｗにも交流が流れる。

そしてＶ相駆動コイル２２ＶやＷ相駆動コイル２２Ｗに流れた交流は、直流交流変換器７の整流素子(整流ダイオード)で直流に変換されてコンデンサー７５で平滑化されてバッテリー８に充電される。

本実施形態によれば、交流電源は、バッテリー８とは構造的には絶縁されている。したがって、充電時に車両側から外部交流電源に電流が流れ込むような事態を生じさせない。

また特許文献１では、モーター及びインバーターがそれぞれ２つずつ必要であったので、モーター及びインバーターをそれぞれ２つずつ使用するシステムにしか採用できないが、本実施形態によれば、１つの電動機及び直流交流変換器があればよい。すなわち電動機及び直流交流変換器をそれぞれ２つずつ使用するシステムでなくても適用できる。

さらに、本実施形態によれば、トランス機能が永久磁石型電動機の内部に組み込まれて永久磁石型電動機に一体化されている。永久磁石型電動機を駆動制御する回路と充電回路とは、同時には使用されないので、このような構造にすることが可能であり、このようにすることでシステムをコンパクトにできるのである。

（第２実施形態）
図５は、本発明による永久磁石型電動機の第２実施形態の概略構成を示す断面図である。

本実施形態では、電気角１周期(電気角３６０度)ごとに異なる相の駆動コイルが形成されないようにした。そして、そこの少なくともひとつに給電コイル２３を形成するようにした。なお電気角とは、図５でいうＵ相、Ｖ相、Ｗ相をひとつとすることを言う。図５では、機械角としては１２０度ごとになる。

図５では、第１周期部分には、Ｖ相駆動コイル２２Ｖ１及びＷ相駆動コイル２２Ｗ１が形成されるが、Ｕ相駆動コイルは形成されない。そしてＵ相駆動コイルに代えて給電コイル２３が形成される。第２周期部分には、Ｕ相駆動コイル２２Ｕ２及びＷ相駆動コイル２２Ｗ２が形成されるが、Ｖ相駆動コイルは形成されない。第３周期部分には、Ｕ相駆動コイル２２Ｕ３及びＶ相駆動コイル２２Ｖ３が形成されるが、Ｗ相駆動コイルは形成されない。

このように構成すれば、各相が電動機全体としてバランスよく配置される。そして電気角毎にトルクリプル及び電圧リプルの位相が異なるので、電動機全体としてトルクリプル及び電圧リプルが打ち消しあう。したがって、このように構成することで、トルクリプル及び電圧リプルを低減できる。

（第３実施形態）
図６は、本発明による永久磁石型電動機の第３実施形態の概略構成を示す結線図である。

第３実施形態から第５実施形態では、第２実施形態(図５)の電動機の各駆動コイルの接続方法が相違する。

まず第３実施形態では、Ｕ相交流電力線にＵ相駆動コイル２２Ｕ２及びＵ相駆動コイル２２Ｕ３を直列に接続する。Ｖ相交流電力線にＶ相駆動コイル２２Ｖ１及びＶ相駆動コイル２２Ｖ３を直列に接続する。Ｗ相交流電力線にＷ相駆動コイル２２Ｗ１及びＷ相駆動コイル２２Ｗ２を直列に接続する。

このように構成すれば、少ない電流で磁束が発生するので低回転高トルクタイプの電動機を実現できる。また本実施形態のように各相の交流電力線に同数の駆動コイルが接続されるので、電動機全体としてトルクリプル及び電圧リプルが打ち消しあう。したがって、このように構成することで、トルクリプル及び電圧リプルを低減できる。

（第４実施形態）
図７は、本発明による永久磁石型電動機の第４実施形態の概略構成を示す結線図である。

第４実施形態では、Ｕ相交流電力線は３本に分岐する。そしてそのうちのひとつの分岐線にＵ相駆動コイル２２Ｕ２が接続される。別の分岐線にＵ相駆動コイル２２Ｕ３が接続される。残りの分岐線は、Ｖ相駆動コイル２２Ｖ１及びＷ相駆動コイル２２Ｗ１が接続される中性点に、接続される。

Ｖ相交流電力線も３本に分岐する。そしてそのうちのひとつの分岐線にＶ相駆動コイル２２Ｖ１が接続される。別の分岐線にＶ相駆動コイル２２Ｖ３が接続される。残りの分岐線は、Ｕ相駆動コイル２２Ｕ２及びＷ相駆動コイル２２Ｗ２が接続される中性点に、接続される。

Ｗ相交流電力線も３本に分岐する。そしてそのうちのひとつの分岐線にＷ相駆動コイル２２Ｗ１が接続される。別の分岐線にＷ相駆動コイル２２Ｗ２が接続される。残りの分岐線は、Ｕ相駆動コイル２２Ｕ３及びＶ相駆動コイル２２Ｖ３が接続される中性点に、接続される。

このように構成すれば、電流が各コイルに分散し、誘起電圧が発生しにくく、高回転低トルクタイプの電動機を実現できる。また本実施形態のように電気角１周期ごとに並列に駆動コイルを接続することで、電動機全体としてトルクリプル及び電圧リプルが打ち消しあうので、トルクリプル及び電圧リプルを低減できる。

（第５実施形態）
図８は、本発明による永久磁石型電動機の第５実施形態の概略構成を示す結線図である。

第５実施形態では、Ｕ相交流電力線は２本に分岐する。そしてそのうちのひとつの分岐線にＵ相駆動コイル２２Ｕ２が接続される。もうひとつの分岐線にＵ相駆動コイル２２Ｕ３が接続される。Ｖ相交流電力線も２本に分岐する。そしてそのうちのひとつの分岐線にＶ相駆動コイル２２Ｖ１が接続される。もうひとつの分岐線にＶ相駆動コイル２２Ｖ３が接続される。Ｗ相交流電力線も２本に分岐する。そしてそのうちのひとつの分岐線にＷ相駆動コイル２２Ｗ１が接続される。もうひとつの分岐線にＷ相駆動コイル２２Ｗ２が接続される。

そして、Ｖ相駆動コイル２２Ｖ１及びＷ相駆動コイル２２Ｗ１が接続される中性点と、Ｕ相駆動コイル２２Ｕ２及びＷ相駆動コイル２２Ｗ２が接続される中性点と、Ｕ相駆動コイル２２Ｕ３及びＶ相駆動コイル２２Ｖ３が接続される中性点と、が、接続される。

各相の駆動コイル数が均等になるように配置され、電気角毎のコイルを並列に接続した電動機では、各コイル毎で移相されてしまう。

これに対して本実施形態では、各中性点を接続して給電コイルに置き換えられた相を開放することで移相を抑制できるのである。

（第６実施形態）
図９は、本発明による永久磁石型電動機の第６実施形態の概略構成を示す図であり、図９(Ａ)は断面図、図９(Ｂ)は駆動コイルの結線図である。

第６実施形態の断面図(図９(Ａ))は、基本的には第２実施形態(図５)に類似する。ただし、第２実施形態の第１周期部分のＶ相駆動コイル２２Ｖ１に代えて、Ｗ相駆動コイル２２Ｗ２invを配置する。なおＷ相駆動コイル２２Ｗ２invは、Ｗ相駆動コイル２２Ｗ２に対して巻線方向が逆である。

また第２実施形態の第２周期部分のＷ相駆動コイル２２Ｗ２に代えて、Ｕ相駆動コイル２２Ｕ３invを配置する。なおＵ相駆動コイル２２Ｕ３invは、Ｕ相駆動コイル２２Ｕ３に対して巻線方向が逆である。

さらに第２実施形態の第３周期部分のＵ相駆動コイル２２Ｕ３に代えて、Ｖ相駆動コイル２２Ｖ１invを配置する。なおＶ相駆動コイル２２Ｖ１invは、Ｖ相駆動コイル２２Ｖ１に対して巻線方向が逆である。

そして、各駆動コイルの結線は、図７と同様に行う。

すなわち、Ｕ相交流電力線は３本に分岐し、そのうちのひとつの分岐線にＵ相駆動コイル２２Ｕ２が接続され、別の分岐線にＵ相駆動コイル２２Ｕ３invが接続される。そして残りの分岐線は、Ｖ相駆動コイル２２Ｖ１inv及びＷ相駆動コイル２２Ｗ１が接続される中性点に、接続される。

Ｖ相交流電力線も３本に分岐し、そのうちのひとつの分岐線にＶ相駆動コイル２２Ｖ１invが接続され、別の分岐線にＶ相駆動コイル２２Ｖ３が接続される。そして残りの分岐線は、Ｕ相駆動コイル２２Ｕ２及びＷ相駆動コイル２２Ｗ２invが接続される中性点に、接続される。

Ｗ相交流電力線も３本に分岐し、そのうちのひとつの分岐線にＷ相駆動コイル２２Ｗ１が接続され、別の分岐線にＷ相駆動コイル２２Ｗ２invが接続される。そして残りの分岐線は、Ｕ相駆動コイル２２Ｕ３inv及びＶ相駆動コイル２２Ｖ３が接続される中性点に、接続される。

各相の駆動コイル数が均等になるように配置され、電気角毎のコイルを並列に接続した電動機では、各コイル毎で移相されてしまう。

これに対して本実施形態のように、コイル位置及び巻方向を変えることで、同一方向へ移相するようになる。そして同方向に移相するので、制御時に移相を補償すれば、トルクロスを減らし且つトルクリプル及び電圧リプルを低減できるのである。

（第７実施形態）
図１０は、本発明による永久磁石型電動機の第７実施形態の概略構成を示す断面図である。

本実施形態では、永久磁石型電動機１として、３相１２極１８スロットの永久磁石型三相交流モーターを例に挙げて説明する。

本実施形態の永久磁石型電動機１は、１２極であるので極対数は６である。そしてその極対数(６極対)が相数(３相)で割り切れるタイプである。そして、電気角１周期(電気角３６０度)ごとに異なる相の駆動コイルが形成されないようにした。そして、そこの少なくともひとつに給電コイル２３を形成するようにした。なお電気角とは、上述の通り、図１０でいうＵ相、Ｖ相、Ｗ相をひとつとすることを言う。ただし図１０では、機械角としては６０度ごとになり、この点が図５と相違する。

そして図１０では、第１周期部分には、Ｖ相駆動コイル２２Ｖ１及びＷ相駆動コイル２２Ｗ１が形成されるが、Ｕ相駆動コイルは形成されない。そしてＵ相駆動コイルに代えて給電コイル２３が形成される。第２周期部分には、Ｖ相駆動コイル２２Ｖ２及びＷ相駆動コイル２２Ｗ２が形成されるが、Ｕ相駆動コイルは形成されない。第３周期部分には、Ｕ相駆動コイル２２Ｕ３及びＷ相駆動コイル２２Ｗ３が形成されるが、Ｖ相駆動コイルは形成されない。第４周期部分には、Ｕ相駆動コイル２２Ｕ４及びＶ相駆動コイル２２Ｖ４が形成されるが、Ｗ相駆動コイルは形成されない。第５周期部分には、Ｕ相駆動コイル２２Ｕ５及びＶ相駆動コイル２２Ｖ５が形成されるが、Ｗ相駆動コイルは形成されない。第６周期部分には、Ｕ相駆動コイル２２Ｕ６及びＷ相駆動コイル２２Ｗ６が形成されるが、Ｖ相駆動コイルは形成されない。

本実施形態のように電動機の極対数が相数で割切れる場合は、電気角毎に駆動コイルが形成されない相を変えるように構成した。このように構成することで、電気角毎にトルクリプル及び電圧リプルの位相が３６０[°]／相数ずつ異なり、電動機全体としてトルクリプル及び電圧リプルが完全に打ち消しあう。したがって、このように構成することで、トルクリプル及び電圧リプルをキャンセルできる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

たとえば、上記実施形態においては、３相６極９スロットの永久磁石型三相交流モーターや３相１２極１８スロットの永久磁石型三相交流モーターを例に挙げて説明したが、これには限られない。相数、極数、スロット数が異なってもよい。

また給電コイルは、少なくともひとつ構成されていればよく、たとえば第１実施形態において給電コイルがひとつであったり、第２〜７実施形態において給電コイルが複数であってもよい。.

１ 永久磁石型電動機
１０ ローター
２０ ステーター
２１ ステーター鉄心
２１１ ティース
２２ 駆動コイル
２３ 給電コイル
７ 直流交流変換器
８ バッテリー
９ 電力回路

Claims (5)

1. 永久磁石を有するロータと、ステータと、を備えた永久磁石型電動機において、
   前記ステータには、直流交流変換器を介してバッテリに接続される駆動用コイルが巻回されたティースと、交流電源に接続される給電用コイルが巻回されたティースとを有する、
   ことを特徴とする永久磁石型電動機。
2. 請求項１に記載の永久磁石型電動機において、
   前記複数の駆動用コイルは、すべて、前記直流交流変換器の特定の交流相の電力線には接続されずそれ以外の交流相の電力線に接続される、
   ことを特徴とする永久磁石型電動機。
3. 請求項１に記載の永久磁石型電動機において、
   前記複数の駆動用コイルは、電気角１周期ごとに異なる特定の交流相の電力線には接続されずそれ以外の交流相の電力線に接続される、
   ことを特徴とする永久磁石型電動機。
4. 請求項３に記載の永久磁石型電動機において、
   前記ロータの極対数は、前記直流交流変換器の交流相数の整数倍であり、
   前記複数の駆動用コイルは、前記直流交流変換器の各交流相の電力線に同数ずつ接続される、
   ことを特徴とする永久磁石型電動機。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の永久磁石型電動機において、
   前記複数の駆動用コイルは、前記直流交流変換器の各交流相の電力線に同数ずつ並列に、かつ移相方向が統一されるように接続される、
   ことを特徴とする永久磁石型電動機。

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