JP2015126609A - Rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、可変界磁型の回転電機に関する。 The present invention relates to a variable field type rotating electrical machine.
下記特許文献1の可変界磁型の回転電機では、ロータは、軸方向に分割され互いに相対回転可能な第1及び第2ロータ要素を含み、第1及び第2ロータ要素の位相関係を変化させることで、ステータに作用するロータの界磁磁束を変化させる。第1及び第2ロータ要素のそれぞれは、複数の電磁鋼板が軸方向に積層されたロータコアと、ロータコアに配設された磁石とを含み、周方向に互いに間隔をおいて配置された複数のリベットの各々が電磁鋼板を貫通することで、積層された複数の電磁鋼板が固定されている。 In the variable field type rotating electrical machine disclosed in Patent Document 1 below, the rotor includes first and second rotor elements that are axially divided and rotatable relative to each other, and changes the phase relationship between the first and second rotor elements. Thus, the magnetic field flux of the rotor acting on the stator is changed. Each of the first and second rotor elements includes a rotor core in which a plurality of electromagnetic steel plates are laminated in the axial direction and a magnet disposed in the rotor core, and a plurality of rivets that are spaced apart from each other in the circumferential direction. Each of these penetrates through the electromagnetic steel sheet, so that a plurality of laminated electromagnetic steel sheets are fixed.
特許文献1において、第1及び第2ロータ要素のロータコアを構成する電磁鋼板には、磁石の同方向磁束による相互斥力作用で、軸方向外側に開こうとする力が作用する。特許文献1では、電磁鋼板の軸方向外側への開きを複数のリベットにより抑制しているものの、各リベットが電磁鋼板を貫通しているため、ロータコアの磁気特性が悪化するおそれがある。 In Patent Document 1, the electromagnetic steel sheet constituting the rotor cores of the first and second rotor elements is subjected to a force to open outward in the axial direction by the mutual repulsive action of the magnetic flux in the same direction. In patent document 1, although the opening to the axial direction outer side of an electromagnetic steel plate is suppressed by the some rivet, since each rivet has penetrated the electromagnetic steel plate, there exists a possibility that the magnetic characteristic of a rotor core may deteriorate.
本発明は、第1及び第2ロータ要素のロータコアの磁気特性の悪化を抑制しつつ、ロータコアを構成する電磁鋼板の開きを抑制することを目的とする。 An object of this invention is to suppress the opening of the electromagnetic steel plate which comprises a rotor core, suppressing the deterioration of the magnetic characteristic of the rotor core of a 1st and 2nd rotor element.
本発明に係る回転電機は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。 The rotating electrical machine according to the present invention employs the following means in order to achieve the above-described object.
本発明に係る回転電機は、ステータコイルが配設されたステータと、軸方向に並んだ状態でステータと対向配置された第1及び第2ロータ要素を含むロータと、を備え、第1ロータ要素は、第1ロータシャフトとともに回転し、第2ロータ要素は、第1ロータシャフトに対し相対回転可能な第2ロータシャフトとともに回転し、第1ロータ要素は、周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第1磁石と、複数の電磁鋼板が軸方向に積層された第1ロータコアとを有し、第2ロータ要素は、周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第2磁石と、複数の電磁鋼板が軸方向に積層された第2ロータコアとを有し、第1ロータ要素が軸方向において第1ロータシャフトに固定された非磁性の第1拘束板と第2拘束板間に挟まれ、第2ロータ要素が軸方向において第2ロータシャフトに固定された非磁性の第3拘束板と第4拘束板間に挟まれ、第1拘束板と第3拘束板が接触し、第1拘束板と第3拘束板の接触面に低摩擦処理が施されていることを要旨とする。 A rotating electrical machine according to the present invention includes a stator in which a stator coil is disposed, and a rotor including first and second rotor elements arranged to face the stator in an axially aligned state, and the first rotor element Rotates with the first rotor shaft, the second rotor element rotates with the second rotor shaft rotatable relative to the first rotor shaft, and the first rotor elements have polarities arranged alternately in the circumferential direction. A plurality of different first magnets and a first rotor core in which a plurality of electromagnetic steel plates are laminated in the axial direction, and the second rotor element includes a plurality of second magnets having different polarities arranged alternately in the circumferential direction A second rotor core in which a plurality of electromagnetic steel plates are laminated in the axial direction, and the first rotor element is fixed between the nonmagnetic first restraint plate and the second restraint plate fixed to the first rotor shaft in the axial direction. Sandwiched between the second rotor An element is sandwiched between a non-magnetic third restraint plate and a fourth restraint plate fixed to the second rotor shaft in the axial direction, the first restraint plate and the third restraint plate are in contact, and the first restraint plate and the third restraint plate The gist is that the contact surface of the restraint plate is subjected to a low friction treatment.
本発明によれば、第1及び第2ロータ要素の位相関係を変化させることでステータに作用するロータの界磁磁束を変化させる可変界磁型の回転電機において、第1及び第2ロータ要素のロータコアの磁気特性の悪化を抑制しつつ、ロータコアを構成する電磁鋼板の開きを抑制することができる。 According to the present invention, in a variable field type rotating electrical machine that changes the field magnetic flux of the rotor acting on the stator by changing the phase relationship between the first and second rotor elements, the first and second rotor elements While suppressing the deterioration of the magnetic properties of the rotor core, it is possible to suppress the opening of the electrical steel sheet constituting the rotor core.
以下、本発明を実施するための形態(以下実施形態という)を図面に従って説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
図1,2は、本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。図1は回転電機の軸方向と直交する方向から見た断面図を示し、図2は図1のA−A断面に相当する図を示す。回転電機は、ケーシングに固定されたステータ24と、径方向においてステータ24と所定の空隙(磁気的ギャップ)を空けて対向し、ステータ24に対し相対回転可能なロータ28とを有する。図1の例では、ロータ28がステータ24の内周側(径方向内側)の位置でステータ24と対向配置されている。
1 and 2 are diagrams showing a schematic configuration of a rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a cross-sectional view seen from a direction orthogonal to the axial direction of the rotating electrical machine, and FIG. 2 shows a view corresponding to the AA cross-section of FIG. The rotating electrical machine includes a
ステータ24は、ステータコア36と、ステータコア36にその周方向に沿って配設された複数相であるU相、V相、W相の3相のステータコイル38u,38v,38wとを含む。3相のステータコイル38u,38v,38wに3相の交流電流が流れることで、ステータ周方向に回転する回転磁界がステータ24に発生する。
The
ロータ28は、軸方向に並んだ状態でステータ24と径方向に対向配置された主ロータ(第1ロータ要素)40及び副ロータ(第2ロータ要素)42を含む。主ロータ40と副ロータ42は、軸方向に磁気的ギャップを空けて対向配置されている。図1の例では、主ロータ40が副ロータ42より軸方向一方側(図の左側)に配置され、主ロータ40がステータコア36の軸方向一方側部分(図の左側部分)と径方向に対向し、副ロータ42がステータコア36の軸方向他方側部分(図の右側部分)と径方向に対向する。
The
主ロータ40は、複数の電磁鋼板が軸方向に積層された主ロータコア46と、主ロータコア46にその周方向に沿って互いに等間隔で配設された複数の主永久磁石48n,48sとを含む。図2では、主ロータ40の主永久磁石48n,48sを透視して示している。図2の例では、主永久磁石48n,48sは、主ロータコア46の周方向複数個所に2つを1組としてV字形に埋設されているが、必ずしもV字形に配置する必要はない。主永久磁石48nは外周側がN極であり、主永久磁石48sは外周側がS極であり、主永久磁石48nと主永久磁石48sが周方向に交互に配置されることで、主永久磁石48n,48sの極性が周方向に交互に異なる。
The
副ロータ42は、複数の電磁鋼板が軸方向に積層された副ロータコア54と、副ロータコア54にその周方向に沿って互いに等間隔で配設された複数の副永久磁石56n,56sとを含む。図2の例では、副永久磁石56n,56sは、副ロータコア54の周方向複数個所に2つを1組としてV字形に埋設されているが、必ずしもV字形に配置する必要はない。副永久磁石56nは外周側がN極であり、副永久磁石56sは外周側がS極であり、副永久磁石56nと副永久磁石56sが周方向に交互に配置されることで、副永久磁石56n,56sの極性が周方向に交互に異なる。副永久磁石56n,56sの周方向間隔は、主永久磁石48n,48sの周方向間隔に等しい。
The
主ロータシャフト26には、非磁性の拘束板61,62が例えば溶接等により接合されることで固定されている。拘束板61,62の非磁性材料としては、例えばステンレス等を用いることが可能である。拘束板61,62は、軸方向に互いに間隔をおいて配置され、拘束板62が拘束板61より軸方向一方側に配置され、主ロータ40(主ロータコア46)が軸方向において拘束板61と拘束板62間に挟み込まれている。さらに、主ロータ40(主ロータコア46)は、主ロータシャフト26と例えばキー溝やスプライン等により係合していることで、主ロータ40が主ロータシャフト26及び拘束板61,62とともに一体で回転する。あるいは、主ロータ40(主ロータコア46)と主ロータシャフト26を例えば焼き嵌め等による圧入で組み付けることも可能である。
副ロータシャフト52には、非磁性の拘束板63,64が例えば溶接等により接合されることで固定されている。拘束板63,64の非磁性材料についても、例えばステンレス等を用いることが可能である。拘束板63,64は、軸方向に互いに間隔をおいて配置され、拘束板63が拘束板64より軸方向一方側に配置され、副ロータ42(副ロータコア54)が軸方向において拘束板63と拘束板64間に挟み込まれている。さらに、副ロータ42(副ロータコア54)は、副ロータシャフト52と例えばキー溝やスプライン等により係合していることで、副ロータ42が副ロータシャフト52及び拘束板63,64とともに一体で回転する。あるいは、副ロータ42(副ロータコア54)と副ロータシャフト52を例えば焼き嵌め等による圧入で組み付けることも可能である。副ロータシャフト52は、ベアリング50により主ロータシャフト26に対し相対回転可能に支持されていることで、副ロータ42が主ロータ40に対し相対回転可能である。ただし、主ロータシャフト26に対する副ロータシャフト52の軸方向移動は拘束されていることで、主ロータ40に対する副ロータ42の軸方向移動は拘束される。
本実施形態では、軸方向において主ロータ40と副ロータ42間に、互いに相対回転可能な非磁性の拘束板61,63が設けられ、拘束板61と拘束板63が接触する。さらに、拘束板61と拘束板63の接触面に低摩擦処理が施されている。つまり、拘束板61における拘束板63との接触面、及び拘束板63における拘束板61との接触面に、低摩擦材がコーティングされている。低摩擦材としては、例えばDLC(ダイヤモンドライクカーボン)、ポリアミドイミド樹脂、あるいはフッ素樹脂等を用いることが可能である。主ロータ40と副ロータ42間の軸方向磁気的ギャップが、ステータ24とロータ28(主ロータ40及び副ロータ42)間の径方向磁気的ギャップの2倍より小さくなるように、拘束板61,63の軸方向厚さの合計が、ステータ24とロータ28間の径方向磁気的ギャップの2倍より小さく設定される。一方、拘束板62,64を軸方向に撓みにくくするために、拘束板62,64の軸方向厚さは、拘束板61,63の軸方向厚さより十分厚いことが好ましい。
In the present embodiment,
本実施形態に係る回転電機では、主ロータ40と副ロータ42の位相関係が変化することで、ステータ24に作用するロータ28の界磁磁束量である有効磁束量が変化する。「有効磁束量」は、主ロータ40と副ロータ42の合成磁束によりステータ24に対し実質的に作用する磁束量をいう。例えば、主ロータ40と副ロータ42で同一極性の主永久磁石48nと副永久磁石56n(主永久磁石48sと副永久磁石56s)が周方向の同位相に配置される極性同一状態の場合、有効磁束量が最大となる。この場合、有効磁束量は100%となる。なお、有効磁束量を%で表す場合、極性同一状態の場合を100%として、それに対する有効磁束量の割合をいう。一方、副ロータ42が主ロータ40に対し相対回転し、主ロータ40と副ロータ42で同一極性の主永久磁石48nと副永久磁石56n(主永久磁石48sと副永久磁石56s)の周方向の位置ずれが生じると有効磁束量が減少する。例えば、主ロータ40と副ロータ42で同一極性の主永久磁石48nと副永久磁石56n(主永久磁石48sと副永久磁石56s)が電気角で180度ずれて、逆極性の主永久磁石48nと副永久磁石56s(主永久磁石48sと副永久磁石56n)が周方向の同位相に配置される極性逆転状態の場合、有効磁束量は0となる。このように、本実施形態に係る回転電機は、ステータ24に作用するロータ28の界磁磁束量を変化させる可変界磁型の回転電機として機能する。なお、主ロータ40と副ロータ42を互いに相対回転させる方法については後述する。
In the rotating electrical machine according to the present embodiment, the amount of effective magnetic flux, which is the amount of field magnetic flux of the
主ロータコア46を構成する電磁鋼板には、図3に示すように、主永久磁石48n,48sの同方向磁束による相互斥力作用で、軸方向外側に開こうとする力が作用する。同様に、副ロータコア54を構成する電磁鋼板にも、副永久磁石56n,56sの同方向磁束による相互斥力作用で、軸方向外側に開こうとする力が作用する。主ロータコア46を構成する電磁鋼板や、副ロータコア54を構成する電磁鋼板が軸方向外側に開くと、主ロータ40と副ロータ42間で磁束が作用しにくくなり、ステータ24に作用するロータ28の有効磁束量の制御性が低下する。
As shown in FIG. 3, the electromagnetic steel sheet constituting the
これに対して本実施形態によれば、軸方向において、主ロータコア46を構成する電磁鋼板が拘束板61と拘束板62間に挟まれ、副ロータコア54を構成する電磁鋼板が拘束板61に接触する拘束板63と拘束板64間に挟まれていることで、主ロータコア46を構成する電磁鋼板、及び副ロータコア54を構成する電磁鋼板の軸方向外側への開きを抑制することができる。その結果、ステータ24に作用するロータ28の有効磁束量の制御性を向上させることができる。その際には、特許文献1のような電磁鋼板を貫通する複数のリベットを用いることなく電磁鋼板の開きを抑制できるとともに、非磁性材料である拘束板61,62,63,64への漏れ磁束も少ない。したがって、主ロータコア46及び副ロータコア54の磁気特性の悪化を招くこともない。さらに、複数のリベットを用いることなく部品点数及びリベット加工工程を減らすことができるとともに、電磁鋼板の開きをリベットのように局所的ではなくロータコア全面で抑えているため、電磁鋼板の開きを均一且つ確実に抑えることができる。
On the other hand, according to the present embodiment, in the axial direction, the electrical steel sheet constituting the
また、本実施形態によれば、拘束板61と拘束板63の接触面には低摩擦処理が施されていることで、ステータ24に作用するロータ28の有効磁束量を変化させるために、主ロータ40と副ロータ42を互いに相対回転させるときの抵抗力(摩擦力)を低減することができる。さらに、主ロータ40と副ロータ42間の吸引力が拘束板61と拘束板63の接触面の全面に作用するため、拘束板61と拘束板63の接触面の面圧を低下させることができ、拘束板61,63の耐磨耗性を向上させることができる。また、拘束板61,63は溶接等により接合されているため、ボルトやリベット等の頭部のためのスペースを設ける必要もない。
Further, according to the present embodiment, the contact surface between the
次に、ステータ24に作用するロータ28の界磁磁束量を変化させるために、主ロータ(第1ロータ要素)40と副ロータ(第2ロータ要素)42を互いに相対回転させる方法について説明する。第1ロータ要素40と第2ロータ要素42を互いに相対回転させるために、例えば特許文献1の油圧機構や、特許文献2の磁束可変装置や、特許文献3のハブ及びスライダ等を適用することも可能であるが、ここでは、外部アクチュエータを用いずにステータコイル38u,38v,38wの電流制御により第1ロータ要素40と第2ロータ要素42を互いに相対回転させる方法について説明する。
Next, a method of rotating the main rotor (first rotor element) 40 and the sub rotor (second rotor element) 42 relative to each other in order to change the field magnetic flux of the
第2ロータ要素42(副ロータシャフト52)と第1ロータ要素40(主ロータシャフト26)との間には一方向クラッチが設けられる。ここでの一方向クラッチは、第1ロータ要素40に対する第2ロータ要素42の一方向である図1、図2の矢印αとは逆方向の回転のみを許容し、矢印α方向の回転を阻止する。矢印α方向は、主ロータシャフト26の正トルク発生方向である。
A one-way clutch is provided between the second rotor element 42 (sub rotor shaft 52) and the first rotor element 40 (main rotor shaft 26). The one-way clutch here allows only rotation in the direction opposite to the arrow α in FIGS. 1 and 2, which is one direction of the
図4の制御装置70において、ロータ間位相取得部72は、回転角センサから取得した第1ロータ要素40の回転角及び第2ロータ要素42の回転角から、第1ロータ要素40に対する第2ロータ要素42の相対位相の差であるロータ間位相θeを取得する(図2参照)。相対位相の差とは、後述するように正負で、ずれの方向も区別する意味である。
In the
有効磁束量設定部74は、予め設定された所定条件にしたがって有効磁束量を設定する。例えばロータ28の回転速度が高い場合、有効磁束量が高すぎると、ステータコイル38u,38v,38wにロータ28から作用する逆起電圧が大きくなり、出力低下を招く場合があるので、有効磁束量を予め設定した所望値に減少させることで出力低下を抑制できる。
The effective magnetic flux
電流ベクトル制御部76は、有効磁束量設定部74で設定された有効磁束量に応じてステータコイル電流を電流ベクトル制御で制御する。この場合、電流ベクトル制御部76は、各ロータ要素40,42の磁石48n,48s,56n,56sの位置関係に対応して、任意の有効磁束量で磁界を発生させることを可能とする。この場合、電流ベクトル制御部76は、第1ロータ要素40に対し第2ロータ要素42を回転させるトルクを発生させて、2つのロータ要素40,42の間のロータ間位相θeを遷移させるようにステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。「ロータ間位相θe」は、第1ロータ要素40に対する第2ロータ要素42の相対位相差を電気角で表すものである。ロータ間位相θeは、第1ロータ要素40のN極磁石またはS極磁石が配置される位置を基準として、第2ロータ要素42側から第1ロータ要素40を軸方向に見た場合に、第2ロータ要素42の基準の磁石と同極性のN極磁石またはS極磁石が図2の反時計方向に位置ずれする場合を正とする。一方、第2ロータ要素42のN極磁石またはS極磁石が図2の時計方向に位置ずれする場合を負とする。ロータ間位相θeが0°である場合、極性同一状態が成立し、正負いずれかの方向に180度ずれた場合に、極性逆転状態が成立する。電流ベクトル制御部76は、ロータ間位相θeの遷移によって、ロータ28の有効磁束量を変化させる。次に、有効磁束量の制御のための電流ベクトル制御の考え方とその制御方法とを説明する。
The current
図5は、図2において、第1ロータ要素40及び第2ロータ要素42を外径側から見て示している。図6は、図5のロータ28を軸方向に見た模式図で、第2ロータ要素42側から第1ロータ要素40側に見た図である。図6では、第2ロータ要素42の後側に配置される第1ロータ要素40側の磁石48n,48sを(N)(S)で示している。また、図6では、磁石48n,48s,56n,56sの数を実際の数よりも少なく簡略化して示している。図5、図6は、各ロータ要素40,42の逆極性の磁石48n,48s,56n,56s同士の周方向の位相が一致する極性逆転状態を示している。図5及び後述する図7では、互いに離れる向きの矢印で吸引力が作用することを表し、互いに近づく向きの矢印で反発力が作用することを表す。この場合、図5に示すように、2つのロータ要素40,42の磁石48n,48s,56n,56s間で、軸方向に対向する逆極性の磁石同士の間で吸引力が作用し、軸方向に対し傾斜した方向に対向する同極性の磁石同士の間で反発力が作用する。しかしながら、軸方向に対向する逆極性の磁石同士の吸引力が強いので、結果として、極性逆転状態でロータ要素40,42間の位相関係であるロータ位相関係が最も安定した状態となる。
FIG. 5 shows the
次に、この状態において、ロータ要素40,42間のロータ位相関係を異なる位相関係に遷移させるための制御として、図6で示すd軸方向位置に見かけ上のN極及びS極の磁極が配置されるステータ磁界を考える。この場合、第2ロータ要素42では図における左上側にS極が位置しているので、ステータ磁束による磁気的吸引力で第2ロータ要素42がβ方向に回転する。一方、第1ロータ要素40では、図における右下側にS極が位置しているため、ステータ磁束による磁気的吸引力で第1ロータ要素40はγ方向に回転する。この場合、両ロータ要素40,42同士で逆方向に回転するので、ロータ28全体に対し回転に寄与しないトルクが作用する。このような考えから、制御装置70は、第1ロータ要素40及び第2ロータ要素42に対し互いに逆方向に回転させる方向にトルクを発生させ、ロータ28全体に対し回転に寄与しないトルクを発生させるようにステータコイル電流をベクトル制御する。例えば、このようなトルクを発生させる位置に磁束を発生させるようにステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。この構成により、第2ロータ要素42が第1ロータ要素40に対し回転する。この場合、両ロータ要素40,42の合成磁束に対して、図6のd軸方向にステータ磁束が発生するようにステータ磁界を決定して、第2ロータ要素42を第1ロータ要素40に対して回転させるトルクを発生させる。このようなステータ磁界は、d−q座標系で電流指令を決定する電流ベクトル制御で決定できる。図6ではd軸磁束が発生するが、q軸磁束は発生しない場合を示しており、d軸電流のみが発生する。しかしながらロータ28の正方向である図1、図2のα方向にロータ28を回転させる場合にq軸磁束を発生させるためのq軸電流をd軸電流に合わせて発生させることもできる。
Next, in this state, apparent N-pole and S-pole poles are arranged at positions in the d-axis direction shown in FIG. 6 as control for changing the rotor phase relation between the
図7は、このようにステータ磁界を生成した場合の図5に対応する模式図を示している。図7の破線枠で示すように、第1ロータ要素40のNS間の外径側と第2ロータ要素42のSN間の外径側とに共通の見かけ上のN極が形成され、周方向両側の外径側に見かけ上のS極が形成されるようにステータ磁界が生成される。これにより、第1ロータ要素40は図7の上方であるγ方向に変位し、第2ロータ要素42は図7の下方であるβ方向に変位し、互いに逆方向に回転させるトルクが発生する。制御装置70は、このトルクを発生させることで、ロータ位相関係を極性逆転状態から極性同一状態に向けて遷移させる。この場合、上記のロータ間位相θe(図2)が遷移する。
FIG. 7 shows a schematic diagram corresponding to FIG. 5 when the stator magnetic field is generated in this way. As shown by the broken line frame in FIG. 7, a common apparent N pole is formed on the outer diameter side between the NS of the
例えば、図8に示すように、ロータ位相関係には、極性逆転状態と極性同一状態とがある。極性同一状態は、各ロータ要素40,42の同極性の磁石同士の間で周方向の位相が一致する状態である。制御装置70は、ロータ位相関係が極性逆転状態と極性同一状態との間にある場合に、各ロータ要素40,42に互いに逆方向に回転させる方向にトルクを発生させ、ロータ28全体に対し回転に寄与しないトルクを発生させるように、ステータコイル電流をベクトル制御で制御する。例えば、このようなトルクを発生させる位置に磁束が発生するステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。この場合、制御装置70は、ロータ間位相θeが極性逆転状態から極性同一状態に向かって遷移するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。
For example, as shown in FIG. 8, the rotor phase relationship includes a polarity reversal state and a polarity identical state. The same polarity state is a state in which the phases in the circumferential direction match between the magnets of the same polarity of the
図8では、ロータ間位相θeと、ロータ要素40,42間に作用するロータ間磁石トルクとの関係を示している。「ロータ間磁石トルク」は、図9のように正方向を規定する。図8で示すように、ロータ間位相θeが−180°<θe<0°である場合、ロータ間磁石トルクは「負」となり、各ロータ要素40,42同士のN極磁石48n,56nとS極磁石48s,56sとの間の吸引力により、負方向のトルク、すなわちθe=−180°の状態に向かう方向のトルクがロータ要素40,42に作用する。この場合、各ロータ要素40,42は、図9で示す方向と逆方向にトルクが作用する。このため、θeを正方向に変化させる場合、これと逆方向である図9の矢印方向のトルクを発生させる必要がある。
FIG. 8 shows the relationship between the rotor phase θe and the rotor magnet torque acting between the
一方、ロータ間位相θeが0°<θe<180°である場合、ロータ間磁石トルクは「正」となり、各ロータ要素40,42同士のN極磁石48n,56nとS極磁石48s,56sとの間の吸引力により、正方向のトルク、すなわちθe=+180°の状態に向かう方向のトルクがロータ要素40,42間に作用する。この場合、各ロータ要素40,42は、図9で示す方向と同方向にトルクが作用する。このため、θeを正方向に変化させる場合、θe=0°の状態から少なくとも一時的でもθe>0°の状態にすれば、正のロータ間磁石トルクによって外部から駆動トルクを加えることなく、θe=+180°の状態にまで変化させることが可能となる。
On the other hand, when the inter-rotor phase θe is 0 ° <θe <180 °, the inter-rotor magnet torque becomes “positive”, and the N-
まず、−180°≦θe<0°の場合にθeが正方向に遷移するようにロータ位相関係を遷移させる制御を説明する。図10、図11の(a)から(d)では、−180°≦θe≦0°でのθeの正方向の遷移を示している。θe=−180°の極性逆転状態では、所定の方向に磁極を形成するステータ磁界を発生させるように、3相のステータコイル38u,38v,38wに流れる電流であるステータコイル電流をベクトル制御する。この場合、第1ロータ要素40及び第2ロータ要素42の同極性の磁石48s、56sの周方向間隔を2等分する方向として、第1ロータ要素40の第1磁石48sを基準として位相がθe/2ずれた方向に、その基準の磁石48sと同方向の磁束が生じるようにステータ磁界を発生させる。これによって、ステータ磁界と各ロータ要素40,42の磁石磁束との間に磁気吸引力が発生し、各ロータ要素40,42間に同極性の磁石48s,56s同士を近づけるトルクである、正方向のトルクを発生させることができる。上記では、磁石48s、56sに対応するステータ磁束を説明したが、磁石48n、56nに対応するステータ磁束の場合も方向が逆になるだけで同様である。図10では、ステータ磁界が発生させる矢印N,Sで示す磁束とロータ28の磁石48n,48s,56n,56sとの間で作用するように示す両方向の矢印δで、吸引力が発生することを示している。
First, control for changing the rotor phase relationship so that θe changes in the positive direction when −180 ° ≦ θe <0 ° will be described. FIGS. 10 and 11 (a) to (d) show the positive transition of θe when −180 ° ≦ θe ≦ 0 °. In the polarity reversal state of θe = −180 °, the stator coil current, which is the current flowing through the three-
上記の正方向のトルクによって、θeを正方向に遷移させることが可能となる。この際、ベクトル制御により発生するステータ磁界の磁束方向はθeの遷移に同期して制御する必要があるので、各ロータ要素40,42の回転角度を検出する2つの回転角センサの検出値を随時、制御装置70で取得、すなわち受信して、その検出値に応じた方向に磁束を発生するステータ磁界が生成されるように制御する。
With the torque in the positive direction, θe can be shifted in the positive direction. At this time, since the magnetic flux direction of the stator magnetic field generated by the vector control needs to be controlled in synchronization with the transition of θe, the detection values of the two rotation angle sensors for detecting the rotation angles of the
なお、ステータ磁界によってロータ要素40,42間にトルクが発生するが、ステータ磁界は2つのロータ要素40,42の同極性の磁石の磁束の位相中心である、2つのロータ要素40,42の合成磁束のd軸方向の磁界のみとなるので、主ロータシャフト26を介して外部に作用するトルクは発生しない。
Note that torque is generated between the
上記の方法でロータ位相関係をθeの正方向に遷移させる「正トルク発生動作」を行うことで、ロータ28の有効磁束量が所望値となった状態で、ステータ磁界を0とする。例えば、ステータ磁界で生じるd軸磁束及びq軸磁束のうち、d軸磁束のみを0とするようにステータ電流をベクトル制御してもよい。この場合、θe=−180°の状態に戻そうとするトルクとして、ロータ要素40,42間に図8の負方向のロータ間磁石トルクが作用する。しかしながら、第2ロータ要素42と主ロータシャフト26との間に設けられた一方向クラッチの機能により、θeが負方向に変化することなく、「位相固定動作」として、ロータ間位相θeを一定としてロータ位相関係を維持することができる。
By performing the “positive torque generation operation” in which the rotor phase relationship is shifted in the positive direction of θe by the above method, the stator magnetic field is set to 0 in a state where the effective magnetic flux amount of the
図12は、ロータ間位相θeとロータ位相関係の安定性との関係を概念的に示している。点P1の極性逆転状態から点P2の極性同一状態に向かってロータ間位相θeが正方向に遷移する場合に、上記のようにd軸磁束が発生するステータ磁界が生成されるように制御することで、ロータ間位相θe及び安定性は矢印Q1方向に変化する。この場合、有効磁束量の所望値でステータ磁界を0とすると、位相安定方向であるR方向に移動させる負方向のロータ間磁石トルクが作用する。しかしながら、一方向クラッチの機能により所望状態、例えば点P3,P4の状態で保持することが可能となる。この状態で、極性逆転状態の有効磁束0状態から、ロータ28の有効磁束量が増大する。
FIG. 12 conceptually shows the relationship between the rotor phase θe and the stability of the rotor phase relationship. Control is performed so that the stator magnetic field that generates the d-axis magnetic flux is generated as described above when the inter-rotor phase θe transitions in the positive direction from the polarity reversal state at the point P1 toward the same polarity state at the point P2. Thus, the inter-rotor phase θe and the stability change in the direction of the arrow Q1. In this case, if the stator magnetic field is set to 0 with a desired value of the effective magnetic flux amount, negative rotor magnet torque that moves in the R direction, which is the phase stabilization direction, acts. However, it can be held in a desired state, for example, at the points P3 and P4, by the function of the one-way clutch. In this state, the effective magnetic flux amount of the
さらに有効磁束量を大きくする場合、上記の正トルク発生動作と位相固定動作とを繰り返す。上記の動作により、ロータ間位相を磁束0%状態から磁束100%状態に遷移させることが可能となる。
When the effective magnetic flux amount is further increased, the positive torque generation operation and the phase fixing operation are repeated. By the above operation, the phase between the rotors can be changed from the magnetic flux 0% state to the
次に、0°≦θe<+180°の場合にθeが正方向に遷移するようにロータ位相関係を遷移させる制御を説明する。図13、図14の(a)から(c)では、0°≦θe≦+180°でのθeの正方向の遷移を示している。θe=0°の極性同一状態から正方向に遷移させる場合、少なくとも初期時である第2ロータ要素42の駆動初期において、各ロータ要素40,42間に位相差、すなわち正のロータ間位相θeを発生させるステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。この場合、第2ロータ要素42の駆動初期において、2つのロータ要素40,42の同極性の磁石同士の間で位相差を大きくするステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。例えば、駆動初期に一時的にロータ28に矢印β(図13)方向にトルクを与える所定の大きさのq軸磁束が発生するようにステータ磁界を生成する。
Next, control for changing the rotor phase relationship so that θe changes in the positive direction when 0 ° ≦ θe <+ 180 ° will be described. FIGS. 13 and 14 (a) to 14 (c) show the positive direction transition of θe when 0 ° ≦ θe ≦ + 180 °. When transitioning from the same polarity state of θe = 0 ° to the positive direction, at least at the initial driving stage of the
この場合、所定の方向に磁束を発生させるステータ磁界が形成されるように、ステータコイル電流をベクトル制御する。このステータ磁界では、図13、図14の(a)で示すように、同位相となっている2つのロータ要素40,42の同極性の磁石の磁束と同方向のステータ磁束が、ロータ間位相θeの正方向にずれた位置、例えば図13(a)で矢印Nの位置に形成されるようにする。これによって、ステータ磁界が各ロータ要素40,42に同じ大きさのβ方向のトルクを発生させるが、主ロータシャフト26と一体構造の第1ロータ要素40は回転慣性が大きく、主ロータシャフト26と一体構造でない第2ロータ要素42は第1ロータ要素40よりも回転慣性が小さい。このため、第2ロータ要素42に作用する図9の正方向のトルクによって、第2ロータ要素42を第1ロータ要素40に対して、β方向に回転させることができる。
In this case, the stator coil current is vector-controlled so that a stator magnetic field that generates magnetic flux in a predetermined direction is formed. In this stator magnetic field, as shown in FIGS. 13 and 14 (a), the stator magnetic flux in the same direction as the magnetic flux of the magnets of the same polarity of the two
この正方向のトルクによって、ロータ間位相を、θe=+180°となる状態に向かって遷移させることができる。 With this torque in the positive direction, the phase between the rotors can be shifted toward a state where θe = + 180 °.
この場合、図12で、点P2の極性同一状態において、上記のようにステータ磁界が発生するように制御することで、ロータ間位相θe及び安定性は矢印Q2方向に変化する。この場合、0°<θe<+180°の範囲で常に、図8の正のロータ間磁石トルクが作用するので、外部から駆動トルクを加えることなく、位相安定状態である極性逆転状態に遷移させることができる。 In this case, in FIG. 12, the rotor phase θe and the stability change in the direction of the arrow Q2 by controlling the stator magnetic field to be generated as described above in the same polarity state at the point P2. In this case, since the positive rotor-to-rotor magnet torque of FIG. 8 always acts in the range of 0 ° <θe <+ 180 °, transition to the polarity reversal state, which is the phase stable state, is not applied from the outside. Can do.
上記のように極性同一状態で所定の方向に磁極を形成するステータ磁界を発生させる場合に、制御装置70は、2つのロータ要素40,42の両方に同方向に回転させるように、ステータコイル電流をベクトル制御して、第2ロータ要素42を第1ロータ要素40に対し回転させる構成を採用してもよい。例えば、2つのロータ要素40,42の両方に同方向に回転させる位置にパルス状に磁束が発生するステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御してもよい。
When generating a stator magnetic field that forms a magnetic pole in a predetermined direction with the same polarity as described above, the
なお、一方向クラッチに代えて(あるいは加えて)、例えば図15に示すようなディテント機構96を設けることも可能である。ディテント機構96は、有効磁束量が100%となる場合で、第1ロータ要素40及び第2ロータ要素42のロータ間位相が極性同一状態である場合に、極性同一状態を保持する。ディテント機構96は、主ロータシャフト26の軸方向側面に設けられた凹部と副ロータシャフト52の軸方向側面の凹部とにボールを係合させるように、このボールにバネでバネ力を付与して、2つのロータ要素40,42間の位相を維持する。ディテント機構96は、ロータ間磁石トルクではロックが解除されず、ステータ磁界によるロータ位相関係を遷移させるための駆動力でロックが解除されるように所定の固定力を発生させる。また、制御装置70は、ロータ間位相が、有効磁束量の0%の極性逆転状態と極性同一状態との2つの切替状態のいずれかのみで保持されるように、ステータコイル電流をベクトル制御する。
Instead of (or in addition to) the one-way clutch, for example, a
また、以下の方法により第1ロータ要素40と第2ロータ要素42を互いに相対回転させることも可能である。ステータ磁界により第2ロータ要素42に発生させるトルク及びロータ間磁石トルクと、ロータ間位相θeとの関係を図16に示す。制御装置70は、ロータ間位相θeが、有効磁束量の0%の極性逆転状態と、有効磁束量が100%の極性同一状態との2つの切替状態のいずれかのみで保持されるように、ステータコイル電流をベクトル制御する。この場合、極性逆転状態から極性同一状態にロータ間位相θeを遷移させる場合に、θe=−180°の状態で、θe=0°に遷移できるだけのエネルギを発生させるようにベクトル制御する。この場合、θe=−180°からθe=0°までの遷移全体でロータ28に作用するロータ間磁石トルクによる吸引力エネルギと、第2ロータ要素42を回転移動させる慣性エネルギとに見合う吸引力エネルギを、第2ロータ要素42の駆動初期に瞬間的に付与するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。また、極性同一状態から極性逆転状態に遷移させる場合に、2つのロータ要素40,42の両方に同方向に回転させるように、ステータコイル電流をベクトル制御する。例えば、2つのロータ要素40,42の両方に同方向に回転させる位置に矩形波または三角波のパルス状に磁束が発生するステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。この場合のステータ磁界による発生トルクは、極性逆転状態から遷移させる場合に加えるトルクよりも小さくできる。上記構成によれば、ロータ位相関係の遷移動作領域全域ではロータ間位相θeに基づいたステータ磁束を発生するベクトル制御を行う必要がなくなる。
In addition, the
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, this invention is not limited to such embodiment at all, and it can implement with a various form in the range which does not deviate from the summary of this invention. Of course.
24 ステータ、26 主ロータシャフト、28 ロータ、36 ステータコア、38u,38v,38w ステータコイル、40 主ロータ(第1ロータ要素)、42 副ロータ(第2ロータ要素)、46 主ロータコア、48n,48s 主永久磁石、50 ベアリング、52 副ロータシャフト、54 副ロータコア、56n,56s 副永久磁石、61,62,63,64 拘束板、70 制御装置、72 ロータ間位相取得部、74 有効磁束量設定部、76 電流ベクトル制御部、96 ディテント機構。 24 stator, 26 main rotor shaft, 28 rotor, 36 stator core, 38u, 38v, 38w stator coil, 40 main rotor (first rotor element), 42 sub rotor (second rotor element), 46 main rotor core, 48n, 48s main Permanent magnet, 50 bearing, 52 subrotor shaft, 54 subrotor core, 56n, 56s subpermanent magnet, 61, 62, 63, 64 constraining plate, 70 control device, 72 rotor phase acquisition unit, 74 effective magnetic flux amount setting unit, 76 Current vector controller, 96 detent mechanism.
Claims (1)
軸方向に並んだ状態でステータと対向配置された第1及び第2ロータ要素を含むロータと、
を備え、
第1ロータ要素は、第1ロータシャフトとともに回転し、
第2ロータ要素は、第1ロータシャフトに対し相対回転可能な第2ロータシャフトとともに回転し、
第1ロータ要素は、周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第1磁石と、複数の電磁鋼板が軸方向に積層された第1ロータコアとを有し、
第2ロータ要素は、周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第2磁石と、複数の電磁鋼板が軸方向に積層された第2ロータコアとを有し、
第1ロータ要素が軸方向において第1ロータシャフトに固定された非磁性の第1拘束板と第2拘束板間に挟まれ、
第2ロータ要素が軸方向において第2ロータシャフトに固定された非磁性の第3拘束板と第4拘束板間に挟まれ、
第1拘束板と第3拘束板が接触し、第1拘束板と第3拘束板の接触面に低摩擦処理が施されている、回転電機。 A stator provided with a stator coil;
A rotor including first and second rotor elements disposed opposite to the stator in an axially aligned state;
With
The first rotor element rotates with the first rotor shaft;
The second rotor element rotates with a second rotor shaft rotatable relative to the first rotor shaft;
The first rotor element has a plurality of first magnets having different polarities arranged alternately in the circumferential direction, and a first rotor core in which a plurality of electromagnetic steel plates are laminated in the axial direction,
The second rotor element has a plurality of second magnets having different polarities arranged alternately in the circumferential direction, and a second rotor core in which a plurality of electromagnetic steel plates are laminated in the axial direction,
The first rotor element is sandwiched between a non-magnetic first restraint plate and a second restraint plate fixed to the first rotor shaft in the axial direction;
The second rotor element is sandwiched between a non-magnetic third restraining plate and a fourth restraining plate fixed to the second rotor shaft in the axial direction;
A rotating electrical machine in which the first restraining plate and the third restraining plate are in contact with each other, and the contact surface between the first restraining plate and the third restraining plate is subjected to a low friction process.
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