JP2015159691A - Permanent magnet rotary electric machine and control apparatus of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、最大トルク位相可変の永久磁石回転電機及び永久磁石回転電機制御装置に関する。 The present invention relates to a permanent magnet rotating electrical machine having a variable maximum torque phase and a permanent magnet rotating electrical machine control device.
近年、トルクが可変な回転電機として、埋め込み永久磁石(IPM)モータに対して弱め磁束制御を行うものが知られている。希土類元素の永久磁石は従来の数十倍の磁力を生じるため、高出力で高効率のモータが得られる。そのような永久磁石を用いたIPMモータでは、バッテリや架線電圧のような最大電源電圧が制限される条件下で、中〜高速回転域でモータを駆動するため弱め磁束制御が適用される。弱め磁束制御はインバータ制御を用いてモータの電機子巻線に負のd軸電流を流して、永久磁石の鎖交磁束と逆方向の鎖交磁束を作ることにより、全鎖交磁束を減少させて高速時に過電圧が発生するのを抑制する。IPMモータはこの制御が効果的に作用する磁気的構造を持つ永久磁石回転電機である。 2. Description of the Related Art In recent years, as a rotating electric machine having a variable torque, one that performs flux-weakening control on an embedded permanent magnet (IPM) motor is known. Since the rare earth element permanent magnet generates a magnetic force several tens of times that of the conventional magnet, a high output and high efficiency motor can be obtained. In such an IPM motor using a permanent magnet, flux weakening control is applied to drive the motor in a medium to high speed rotation range under conditions where the maximum power supply voltage such as a battery or overhead wire voltage is limited. Weak magnetic flux control uses inverter control to cause negative d-axis current to flow in the motor armature winding to create a linkage flux in the opposite direction to the linkage flux of the permanent magnet, thereby reducing the total linkage flux. Suppresses the occurrence of overvoltage at high speed. The IPM motor is a permanent magnet rotating electric machine having a magnetic structure in which this control works effectively.
ところが、従来の永久磁石回転電機にも、次のような問題点があった。すなわち、埋め込み永久磁石(IPM)モータのトルクは永久磁石トルク(PMトルク)成分とリラクタンストルク(Reトルク)成分から成る。そしてトルクが最大となる電流位相角はPMトルク成分とReトルク成分とで異なる。PMトルクの電流位相に対してReトルクの電流位相は周波数が2倍であり、逆位相である。そのため、モータ全体としての総トルクは、2つのトルク成分の最大値の合計値よりも低下する。すなわち、モータとしての最大トルク点では永久磁石の磁束が有効に活用されていない。むしろ、モータの最大トルク点では永久磁石の一部は負のトルクを生じている。 However, the conventional permanent magnet rotating electrical machine also has the following problems. That is, the torque of the embedded permanent magnet (IPM) motor is composed of a permanent magnet torque (PM torque) component and a reluctance torque (Re torque) component. The current phase angle at which the torque becomes maximum differs between the PM torque component and the Re torque component. The current phase of Re torque is twice the frequency and opposite to the current phase of PM torque. Therefore, the total torque of the entire motor is lower than the sum of the maximum values of the two torque components. That is, the magnetic flux of the permanent magnet is not effectively utilized at the maximum torque point as a motor. Rather, a part of the permanent magnet generates a negative torque at the maximum torque point of the motor.
そこで、PMトルク成分の波形とReトルク成分の波形の電流位相差が可変なモータが創出できれば、PMトルク成分とReトルク成分とを共に有効に活用でき、モータ性能の向上が期待できる。 Therefore, if a motor having a variable current phase difference between the waveform of the PM torque component and the waveform of the Re torque component can be created, both the PM torque component and the Re torque component can be effectively used, and improvement in motor performance can be expected.
本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたもので、回転子に埋め込まれている永久磁石それぞれの磁化分布状態を非対称に変化させることによってPMトルク成分の電流位相角特性を変化させ、PMトルク成分とReトルク成分とを共に有効にモータトルクに変換できる最大トルク位相可変の永久磁石回転電機及び永久磁石回転電機制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and by changing the magnetization distribution state of each permanent magnet embedded in the rotor asymmetrically, the current phase angle characteristic of the PM torque component is changed, It is an object of the present invention to provide a permanent magnet rotating electrical machine and a permanent magnet rotating electrical machine control device capable of effectively converting both PM torque component and Re torque component into motor torque and having a variable maximum torque phase.
本発明は、複数の極数の回転磁界を生じる電機子巻線を有する固定子と、永久磁石を有する回転子から構成され、前記永久磁石の一部を外部磁界により不可逆的に磁化することにより、各磁極における永久磁石の磁化分布を対称状態から非対称状態の分布に変化させる永久磁石回転電機を特徴とする。 The present invention includes a stator having an armature winding that generates a rotating magnetic field having a plurality of poles and a rotor having a permanent magnet, and irreversibly magnetizes a part of the permanent magnet with an external magnetic field. The permanent magnet rotating electrical machine changes the magnetization distribution of the permanent magnet in each magnetic pole from a symmetric state to an asymmetric state distribution.
また本発明は、上記永久磁石回転電機の回転を制御する制御装置であって、運転状況に応じて前記永久磁石における磁化状態を不可逆的に変化させる磁石の量を変化させることを特徴とする。 The present invention is also a control device for controlling the rotation of the permanent magnet rotating electric machine, characterized in that the amount of magnets that irreversibly changes the magnetization state of the permanent magnets is changed according to operating conditions.
本発明の永久磁石回転電機及び永久磁石回転電機制御装置によれば、回転子の永久磁石それぞれの磁化分布状態を不可逆的に変化させることによってPMトルク成分の電流位相角特性を変化させて、PMトルク成分とReトルク成分とを共に有効にモータトルクに変換できる。 According to the permanent magnet rotating electrical machine and the permanent magnet rotating electrical machine control device of the present invention, the current phase angle characteristic of the PM torque component is changed by irreversibly changing the magnetization distribution state of each permanent magnet of the rotor, and the PM Both the torque component and the Re torque component can be effectively converted into motor torque.
まず、本発明における最大トルク位相可変の永久磁石モータ(VTPS−PM)の原理について説明する。Reトルク成分は回転子鉄心形状で決まるため可変にするのは困難である。そこで、PMトルク成分の電流位相を可変にすることを考える。回転子における永久磁石の配置によりd−q軸が決まってしまう。そのため、VTPS−PMでは、各磁極の永久磁石の一部を不可逆的に減磁又は不可逆的に磁化反転させることによって永久磁石の位置を変えずにPMトルク波形の位相を可変にする。そして、所定の電流、電圧の電源によって低速回転域では高トルク回転でき、高速回転が必要な場合には弱め磁束制御により高速回転域まで回転速度を上昇させることができるようにするのである。 First, the principle of the permanent magnet motor (VTPS-PM) having a variable maximum torque phase according to the present invention will be described. Since the Re torque component is determined by the rotor core shape, it is difficult to make it variable. Therefore, consider making the current phase of the PM torque component variable. The dq axes are determined by the arrangement of the permanent magnets in the rotor. Therefore, in VTPS-PM, the phase of the PM torque waveform is made variable without changing the position of the permanent magnet by irreversibly demagnetizing or irreversibly reversing the magnetization of a part of the permanent magnet of each magnetic pole. Then, high-torque rotation can be performed in a low-speed rotation region by a power source of a predetermined current and voltage, and when high-speed rotation is required, the rotation speed can be increased to the high-speed rotation region by weakening magnetic flux control.
尚、本願において「磁化状態を不可逆的に変化させる」ことの意味は、通常運転時に発生する磁界よりも数倍大きい磁界を短時間(瞬間的に)かけることによって永久磁石の一部を他の部分とは異なる磁化状態を変化させ、外部磁界をかけない限りその変化した磁化状態を維持することをいう。しかしながら、いったん不可逆的に磁化状態を変化させた後でも、さらに別の磁界、例えば逆方向の磁界をかけたり、より大きな磁界をかけることによって磁化の度合いを小さく(減磁)したり、磁化方向を反転させたり、元の磁化状態に戻したり、さらには磁化の度合いを大きく(増磁)したりすることができる。 In the present application, the meaning of “irreversibly changing the magnetization state” means that a part of the permanent magnet is applied to another part of the permanent magnet by applying a magnetic field several times larger than the magnetic field generated during normal operation (instantaneously). This means that the magnetization state different from the part is changed and the changed magnetization state is maintained unless an external magnetic field is applied. However, even after irreversibly changing the magnetization state, it is possible to reduce the degree of magnetization (demagnetization) by applying another magnetic field, for example, a magnetic field in the reverse direction, or by applying a larger magnetic field. Can be reversed, returned to the original magnetization state, and the degree of magnetization can be increased (magnetization).
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図1にVTPS−PMの原理を採用した埋め込み永久磁石(IPM)モータ1を示している。図1に示すIPMモータ1は4極同期モータ(IPMSM)である。このIPMモータ1は、4極の回転磁界を生じる電機子巻線11を有する固定子10と、4個の永久磁石21を回転子鉄心22中に周方向に等角度間隔で埋め込んだ構造の回転子20から構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embedded permanent magnet (IPM)
固定子10では、円筒形の固定子鉄心12の内周側にここでは24個のスロット13を放射状に形成し、3相の電機子巻線11を4極の回転磁界を形成するように巻き付けてある。
In the
図2に示すように、回転子20では、回転子鉄心22を円柱状に形成し、その中心部に非磁性材の回転軸23を通している。回転子鉄心22の中に板状の永久磁石21を4枚、周方向が幅方向となり、かつ周方向に当角度間隔の配置になるように埋め込んでいる。ここで4枚の永久磁石21は、磁化方向は半径方向(厚み方向)であり、かつ隣り合う永久磁石21同士が互いにN,S極が逆向きになるように配置してある。さらに、回転子20において、回転子鉄心22には磁気障壁のための空隙24が各永久磁石21の両端部それぞれから外周近くまでほぼ半径方向に形成してある。
As shown in FIG. 2, in the
この回転子20に用いる永久磁石21は、通常の回転運転時に電機子巻線11に流す電流よりも3倍〜6倍程度大きい大電流を例えば0.03秒という短時間、ほぼ瞬間的に流すことにより形成される外部磁界により不可逆的に増磁され、減磁され、無磁化され、あるいは極性反転する可変磁力特性を持っている。その材料としては、希土類磁石、特にサマリウムコバルト磁石が望ましい。サマリウムコバルト磁石は、ネオジム磁石に比べて残留磁束密度及び保磁力の温度係数が小さく、優れた熱安定性を有している。用途と定格により適切な保磁力のものが採用されるが、例えば、保磁力が500kA/m以下のものを採用することができる。
The
また、回転子20において、減磁や磁極反転させない通常状態で永久磁石21の周方向(幅方向)の中心を半径方向に通る線がd軸方向であり、磁気障壁のための空隙24において半径方向を通る線がq軸方向である。そして、図示実施の形態では、4極の回転子20が構成されている。
In the
そして、これらの永久磁石21は上述したような可変磁力特性を有しており、その幅方向の端部から任意の割合で減磁し、増磁し、磁化反転させ、また無磁化することができる。これにより、各永久磁石21は幅方向の中心における厚み方向を対称軸として、その幅方向において非対称な磁化分布状態に不可逆的に変化させることができる。そして磁化分布状態を不可逆的に変化させるには、回転子20の所定の回転位置になったタイミングで、電機子巻線11に通常の運転時よりも数倍大きな正又は負の大電流を極短時間通電し、その大電流によって生じる強い外部磁界をかけることよって行う。
These
図3に上記構造のIPMモータ(IPMSM)1の制御装置50を示している。この制御装置50は、速度制御部51、電流ベクトル制御部52、電流フィードバック制御部53、PWMインバータ54、IPMモータ1の回転子20の回転位置を検出するためのパルスジェネレータ、レゾルバ等の位置センサ55、ロータ位置検出部56、速度検出部57で構成されている。そして実施の形態のIPMモータ1に対して、この制御装置50により電機子巻線11に負のd軸電流を流す制御を行うことでd軸方向の磁束を減少させる弱め磁束制御を行う。
FIG. 3 shows a
制御装置50の制御動作は次の通りである。IPMモータ1の回転子20の回転に比例した周期のパルスを位置センサ55にて発生させ、これをロータ位置検出部56と速度検出部57に出力する。ロータ位置検出部56は位置センサ55の信号から回転子20の回転位置θを検出して電流フィードバック制御部53に出力する。速度検出部57は回転子20の回転速度ωを検出し、速度制御部51と電流ベクトル制御部52に出力する。
The control operation of the
速度制御部51は、例えばアクセルの踏み込み量、マイコンのノッチ指令等の速度指令ω*と速度検出部57からの速度検出値ωとを比較し、速度偏差からq軸電流指令iq*を算出する。速度制御部51は、このq軸電流指令値iq*を電流ベクトル制御部52、電流フィードバック制御部53に出力する。電流ベクトル制御部52は、速度検出部57からの速度検出値ωと速度制御部51からのq軸電流指令値iq*とを用いて、電流ベクトル制御アルゴリズムによりd軸電流指令値id*を算出し、電流フィードバック制御部53に出力する。
The
電流フィードバック制御部53は、d軸電流指令値id*、q軸電流指令値iq*、回転子回転位置θ、さらにインバータ出力に対する電流検出器58からの電流検出値Iu,Ivを入力し(IwはIu,Ivから算出できるので入力しなくてもよい)、これらに基づいて電流ベクトル指令値I*を決定する。さらに電流フィードバック制御部53は、電流ベクトル指令値I*から電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を求め、PWMインバータ54に出力する。PWMインバータ54は、電流フィードバック制御部53からの電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に対してPWM(パルス幅変調)を行い、IPMモータ1の3相各相の電機子巻線11に必要な電流Iu,Iv,Iwを流し、このIPMモータ1の回転子20を速度指令ω*に一致する速度で回転させる。
The current
本実施の形態の永久磁石回転電機1の制御装置50は、さらに、位相シフト制御部59を備えている。この位相シフト制御部59は、図4のフローチャートに示すように、速度指令ω*、ロータ回転位置検出値θ、速度検出値ωを入力する(ステップS1)。
The
そして、速度指令ω*が切り替えられた時に、自身の記憶している最大トルク指令規準テーブルを参照し、その速度指令ω*に対応する位相シフト最大トルクが基底最大トルクに対して何%であるかを判断する(ステップS2)。また、速度指令ω*と速度検出値ωとの差から加速か減速かを判断する。現状速度維持の場合にはそのままリターンする(ステップS3)。 When the speed command ω * is switched, the maximum torque command standard table stored therein is referred to, and the phase shift maximum torque corresponding to the speed command ω * is what percentage of the base maximum torque. Is determined (step S2). Further, it is determined whether to accelerate or decelerate from the difference between the speed command ω * and the detected speed value ω. If the current speed is maintained, the process returns as it is (step S3).
そして加速であり、かつ、位相シフト最大トルク(要求トルク)が基底最大トルクに対して例えば90%であれば、現状の位相での最大トルク状態から10%トルク抑制と判断し、次のように第一段階の磁化反転制御を行う(ステップS41,S411)。また基底最大トルクに対して80%、つまり20%トルク抑制と判断すれば第二段階の反転制御を行う(ステップS41,S412)。 And if it is acceleration and the phase shift maximum torque (requested torque) is 90% of the base maximum torque, for example, it is determined that the torque is suppressed by 10% from the maximum torque state in the current phase, as follows: First-stage magnetization reversal control is performed (steps S41 and S411). On the other hand, if it is determined that 80%, that is, 20% torque suppression with respect to the base maximum torque, the second-stage reversal control is performed (steps S41 and S412).
逆にステップS3で減速、かつ、位相シフト最大トルク(要求トルク)が基底最大トルクに対して例えば90%であり、現状のトルク状態が基底最大トルクに対して80%であれば一段トルク増加と判断し、次のように第一段階の磁化再反転制御を行う(ステップS42,S421)。また要求トルクが基底最大トルク(つまり、100%)であり、現状のトルク状態が基底最大トルクに対して80%であれば二段トルク増加と判断し、第二段階の磁化再反転制御を行う(ステップS42,S422)。 Conversely, if the speed is reduced in step S3 and the phase shift maximum torque (required torque) is, for example, 90% of the base maximum torque and the current torque state is 80% of the base maximum torque, the torque increases by one step. Judgment is made, and the first-stage magnetization reinversion control is performed as follows (steps S42 and S421). If the required torque is the base maximum torque (that is, 100%) and the current torque state is 80% with respect to the base maximum torque, it is determined that the two-stage torque is increased, and the second-stage magnetization reinversion control is performed. (Steps S42 and S422).
この磁化反転、磁化再反転制御は、固定子10の電機子巻線11に瞬間的に通常よりも大きな電流を流すと共にその流すタイミングをも制御することによって行う。加速時の磁化反転制御を図5、図6を用いて説明する。本来のd軸位置よりも回転角θ′だけ位相をずらせたタイミングにて電機子巻線11に大電流を瞬間的に流す。この位相差θ′はIPMモータ1の定格特性、永久磁石21の磁気特性、また反転磁化部の割合によって異なる。また電流値についても、用いられている永久磁石21の材質等により異なるが、通常のモータ駆動電流の3〜6倍の大電流である。そして容量、最大電圧が限られているバッテリや架線の電源によってこのような大電流を継続的に流すのは無理ではあっても、1秒以下の短時間、例えば0.03秒という瞬間的に大電流を発生させる場合には、そのような電源に対してもダメージとはならない。さらに反転磁化部分を増加させるためにはθ″(>θ′)だけより大きく位相をずらせたタイミングにて電機子巻線11に大電流を瞬間的に流すことになる。
This magnetization reversal and magnetization reinversion control is performed by instantaneously flowing a larger current than usual in the armature winding 11 of the
尚、反転磁化部分を20%から10%に減らす場合には、θ′のタイミングにて磁化反転のために大電流を流すか、または、本来のd軸位置のタイミングにて磁化再反転のための電流を流した後にθ′のタイミングにて再度磁化反転のための大電流を流す二段階の制御を行う。そして反転磁化部分を10%から0%に減らす場合には、本来のd軸位置のタイミングにて磁化再反転のために上とは逆の大電流を流す。 When the reversal magnetization portion is reduced from 20% to 10%, a large current is flowed for magnetization reversal at the timing of θ ′, or remagnetization is performed at the original d-axis position timing. Two-stage control is performed in which a large current is applied again for magnetization reversal at the timing of θ ′ after the current of. When the reversal magnetization portion is reduced from 10% to 0%, a large current opposite to the above is applied to reinvert magnetization at the original d-axis position timing.
このような磁化反転電流を流すことにより、図6における第1象限に対応する位置の永久磁石21−1の一部、ここでは右端部が磁化反転させられる。また図6における第2象限に対応する位置の永久磁石21−2の一部、ここでも右端部が磁化反転させられる。これにより、永久磁石21−1は、例えば90%の磁化非反転部21A−と10%の磁化反転部21B+、永久磁石21−2には90%の磁化非反転部21A+と10%の磁化反転部21B−が発生する。そして20%の磁化反転の場合には、永久磁石21−1は、80%の磁化非反転部21A−と20%の磁化反転部21B+、永久磁石21−2には80%の磁化非反転部21A+と20%の磁化反転部21B−が発生する。尚、図6には示されていないが、回転軸23を介して点対称な第3象限に対応する位置の永久磁石21−3は第1象限に対応する位置の永久磁石21−1と同様に一部に磁化反転部21B+が発生し、第4象限に対応する位置の永久磁石21−4は第2象限に対応する位置の永久磁石21−2と同様に一部に磁化反転部21B−が発生する。
By passing such a magnetization reversal current, a part of the permanent magnet 21-1 at the position corresponding to the first quadrant in FIG. Further, a part of the permanent magnet 21-2 at the position corresponding to the second quadrant in FIG. Thereby, for example, the permanent magnet 21-1 has a 90%
一方、減速時には磁化再反転制御により要求トルクの増加に対応する必要がある。いま20%の磁化反転により低トルク、高速回転の運転状態にあってブレーキが踏まれる、ノッチが下げられる等により減速指令があれば、上述の制御により永久磁石21の磁化反転部を10%だけ再反転させる、あるいは20%再反転させる。これにより、いままでの磁化反転部の磁化方向が10%だけ、あるいは20%全部、残りの磁化部と同じ向きに磁化方向が戻されることになる。
On the other hand, at the time of deceleration, it is necessary to cope with an increase in the required torque by the magnetization reinversion control. If there is a deceleration command such as when the brake is depressed, the notch is lowered, etc. in a low torque, high speed operation state due to 20% magnetization reversal, the magnetization reversal part of the
モータでの発電(回生)動作するとき、又は、発電機として適用するときは、前記で説明した図では、磁石において前記と反対側の左端部を磁化反転して同様に行うことにより発電動作時にも同様な作用や効果を得る。 When performing power generation (regeneration) with a motor, or when applying as a generator, in the figure described above, by performing magnetization reversal on the left end of the magnet opposite to the above, Get the same action and effect.
次に、図7の諸元を持つモータモデルについて、可変磁化によるトルク位相とモータ特性について説明する。このモータモデルは、4極永久磁石同期モータであり、固定子10の外径120mm、スロット数24、回転子20の外径60mm、鉄心長さは60mm、磁気空隙は0.5mmである。電機子巻線の数12、巻き数35、定格電流3.5Arms、永久磁石21は100〜300kA/mの低保磁力のサマリウムコバルト磁石であり、幅22mm、厚み3.5mmを4個、図1に示すように断面がほぼ正方形状になるように配置している。
Next, the torque phase and motor characteristics by variable magnetization will be described for the motor model having the specifications shown in FIG. This motor model is a four-pole permanent magnet synchronous motor, and has an outer diameter of the
上記モータモデルに対して、図5に示すように各磁極の永久磁石21をその一端部より部分的に磁化反転させ、磁化反転させた比率%をパラメータとし、磁界解析を行った。得られたモータ特性は次の通りであった。
With respect to the motor model, as shown in FIG. 5, the
1.トルク対電流位相特性
電流位相を変化させた時の最大トルク点の電流位相角を図8に示し、トルク特性を図9に示す。電流は3.5Aである。
1. Torque vs. Current Phase Characteristics FIG. 8 shows the current phase angle at the maximum torque point when the current phase is changed, and FIG. 9 shows the torque characteristics. The current is 3.5A.
磁化反転が不可能な通常のIPMモータでは最大トルク点の電流位相角は115°になる。これは、永久磁石トルク(PMトルク)成分の最大トルク点はd軸方向である90°であるのに対して、リラクタンストルク(Reトルク)成分が合成されるためである。 In a normal IPM motor in which magnetization reversal is impossible, the current phase angle at the maximum torque point is 115 °. This is because the reluctance torque (Re torque) component is synthesized while the maximum torque point of the permanent magnet torque (PM torque) component is 90 ° in the d-axis direction.
これに対して、9%(A1の曲線)、18%(A2の曲線)、27%(A3の曲線)、36%(A4の曲線)、45%(A5の曲線)と永久磁石21の一部を非対称な磁化分布状態になるように磁化反転させると、最大トルク点の電流位相角が大きくなる方向(進み位相)にシフトする。磁化反転部分の磁石割合が約45%では、最大トルクとなる電流位相角は157°までシフトする。
In contrast, 9% (A1 curve), 18% (A2 curve), 27% (A3 curve), 36% (A4 curve), 45% (A5 curve) and one of the
2.可変速特性
部分的に任意の範囲で磁化反転した場合の可変速特性を磁界解析した。磁化反転領域を0〜45%まで変化させた時のトルク対回転速度(T−N)特性を図10に示す。通常IPMモードでは曲線A1に示すように最大トルクは2.8Nm、基底速度は3200rpm、弱め磁束制御による最高回転速度は5600rpmである。曲線A2に示す9%磁化反転では、最大トルクは2.3Nm、基底速度は3800rpm、弱め磁束制御による最高回転速度は8800rpm、曲線A3に示す18%磁化反転では、最大トルクは1.7Nm、基底速度は4400rpm、弱め磁束制御による最高回転速度は15000rpmとなる。磁化反転して最大トルク位相角を進み方向にシフトすると、中〜高速回転域の出力が向上し、最高回転速度が約3倍までに高くできることがわかった。
2. Variable speed characteristics Magnetic field analysis was performed on the variable speed characteristics when magnetization was partially reversed within an arbitrary range. FIG. 10 shows torque versus rotational speed (TN) characteristics when the magnetization reversal region is changed from 0 to 45%. In the normal IPM mode, the maximum torque is 2.8 Nm, the base speed is 3200 rpm, and the maximum rotation speed by the flux-weakening control is 5600 rpm as shown by the curve A1. In the 9% magnetization reversal indicated by the curve A2, the maximum torque is 2.3 Nm, the base speed is 3800 rpm, the maximum rotation speed by the flux weakening control is 8800 rpm, and in the 18% magnetization reversal indicated by the curve A3, the maximum torque is 1.7 Nm, the base The speed is 4400 rpm, and the maximum rotation speed by the flux weakening control is 15000 rpm. It was found that when the magnetization is reversed and the maximum torque phase angle is shifted in the advance direction, the output in the medium to high speed rotation region is improved and the maximum rotation speed can be increased up to about three times.
基底速度以上の中〜高速域では、過電圧抑制のための弱め磁束制御や高力率化のための進み位相制御を行う。この中〜高速域での出力性能向上の要因は、本実施例のIPMモータが電流進み位相に応じて最大トルク位相角をシフトできるので有効に磁束を利用できることにある。そのため、可変速運転に応じて最大トルク位相を可変すると中〜高速域での出力が大幅に向上できることが確認できた。 In the middle to high speed range above the base speed, the weak flux control for suppressing overvoltage and the lead phase control for increasing the power factor are performed. The reason for the improvement in output performance in the medium to high speed range is that the IPM motor of this embodiment can shift the maximum torque phase angle in accordance with the current advance phase, so that the magnetic flux can be used effectively. For this reason, it was confirmed that the output in the medium to high speed range could be greatly improved by varying the maximum torque phase according to the variable speed operation.
尚、本発明の実施の形態では、永久磁石回転電機としてIPMモータを例示して説明したが、モータでの発電(回生)動作や永久磁石回転電機として発電機に適用することもできる。また、永久磁石モータに特化して適用する場合には、図1に示したような瞬間的な大電流により磁極を不可逆的に反転させることができる可変磁力特性の永久磁石21ではなく、図11に示すように、幅方向の一部にそのような可変磁力特性を持つ永久磁石212、残りの部分はそのような瞬間的な大電流によっても不可逆的に減磁も磁化反転もしない固定磁力特性を持つ永久磁石211で構成される永久磁石21′を採用することができる。その場合、可変磁力特性を持つ永久磁石212に対して磁極反転制御をすることにより、本実施の形態のIPMモータ1と同様に、最大トルク位相可変の永久磁石モータ(VTPS−PM)を構成することができる。
In the embodiment of the present invention, the IPM motor is exemplified as the permanent magnet rotating electric machine. However, the power generation (regeneration) operation by the motor and the permanent magnet rotating electric machine can be applied to the generator. Further, when the present invention is applied specifically to a permanent magnet motor, it is not the
また、図12に示すように、幅方向の両端部それぞれが可変磁力特性を持つ永久磁石212,212、中央の部分が瞬間的な大電流によっても不可逆的に減磁も磁化反転もしない固定磁力特性を持つ永久磁石211で構成される永久磁石21″を採用することもできる。その場合、可変磁力特性を持つ永久磁石212に対して磁極反転制御をすることにより、本実施の形態のIPMモータ1と同様に、最大トルク位相可変の永久磁石モータ(VTPS−PM)を構成することができる。また同時に、発電機のような永久磁石回転電機に対しても適用できる。
Further, as shown in FIG. 12,
加えて、上記実施の形態では永久磁石21の端部の磁化方向を不可逆的に反転させることによって高速回転域への対応を行うようにしたが、永久磁石21の端部だけその磁力を不可逆的に減磁させることによりPMトルク成分の最大トルクの電流位相角を変化させることもできる。また、永久磁石21の端部だけその磁力を不可逆的に0にすることによりPMトルク成分の最大トルクの電流位相角を変化させることもできる。さらには、永久磁石の端部の磁化方向の不可逆的な反転、無磁化、減磁を組み合わせることによってPMトルク成分の最大トルクの電流位相角を細かに変化させるようにすることも可能である。
In addition, in the above embodiment, the magnetization direction of the end portion of the
さらに、上記実施の形態では、永久磁石4極同期モータ(IPMSM)について説明したが、極数、スロット数、電源の相数について限定されることはない。また直流、交流についても限定されることはない。さらに、可変磁力永久磁石の配置は、回転子鉄心内に正四角形状に配置するものにとどまらない。例えば、各一対の可変磁力磁石を回転子の外周側に開く逆八の字の配置にした構成でもよい。 Furthermore, although the permanent magnet quadrupole synchronous motor (IPMSM) has been described in the above embodiment, the number of poles, the number of slots, and the number of phases of the power source are not limited. Further, there is no limitation on direct current and alternating current. Furthermore, the arrangement of the variable magnetic force permanent magnets is not limited to that arranged in a regular square shape in the rotor core. For example, a configuration may be adopted in which each pair of variable magnetic magnets is arranged in an inverted 8-character shape that opens to the outer peripheral side of the rotor.
こうして本発明の永久磁石回転電機によれば、PMトルク成分の波形とReトルク成分の波形の電流位相差を変化させることができ、PMトルク成分とReトルク成分とを共に有効に活用でき、回転性能を向上させることができる。 Thus, according to the permanent magnet rotating electric machine of the present invention, the current phase difference between the waveform of the PM torque component and the waveform of the Re torque component can be changed, and both the PM torque component and the Re torque component can be effectively utilized. Performance can be improved.
本発明は、ハイブリッド自動車・電気自動車、鉄道等の交通システム、風力発電、海流発電等のエネルギーシステム、エレベータ、エアコン等の家電機器等の社会システム・家電機器分野に広く応用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be widely applied to the fields of social systems and home appliances such as hybrid vehicles / electric vehicles, transportation systems such as railways, energy systems such as wind power generation and ocean current power generation, home appliances such as elevators and air conditioners.
1 IPMモータ(永久磁石モータ)
10 固定子
11 電機子巻線
12 固定子鉄心
20 回転子
21 永久磁石
21A± 磁化非反転部
21B± 磁化反転部
22 回転子鉄心
23 回転軸
24 (磁気障壁としての)空隙
1 IPM motor (permanent magnet motor)
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記永久磁石の一部を外部磁界により不可逆的に磁化することにより、各磁極における永久磁石の磁化分布を対称状態から非対称状態の分布に変化させることを特徴とする永久磁石回転電機。 A stator having an armature winding that generates a rotating magnetic field having a plurality of poles, and a rotor having a permanent magnet,
A permanent magnet rotating electrical machine characterized in that a part of the permanent magnet is irreversibly magnetized by an external magnetic field to change the magnetization distribution of the permanent magnet in each magnetic pole from a symmetric state to an asymmetric state distribution.
前記永久磁石は外部磁界により不可逆的に磁化することにより、各磁極における前記永久磁石の片側端部の磁化の大きさを可変にしたことを特徴とする永久磁石回転電機。 A stator having an armature winding that generates a rotating magnetic field having a plurality of poles, and a rotor having a permanent magnet,
A permanent magnet rotating electrical machine characterized in that the permanent magnet is irreversibly magnetized by an external magnetic field, whereby the magnitude of magnetization at one end of the permanent magnet at each magnetic pole is variable.
前記永久磁石は外部磁界により不可逆的に磁化することにより、各磁極における前記永久磁石の片側端部の極性を部分的に反転させたことを特徴とする永久磁石回転電機。 A stator having an armature winding that generates a rotating magnetic field having a plurality of poles, and a rotor having a permanent magnet,
A permanent magnet rotating electrical machine characterized in that the permanent magnet is irreversibly magnetized by an external magnetic field to partially reverse the polarity of one end of the permanent magnet in each magnetic pole.
前記永久磁石は外部磁界により不可逆的に磁化することにより、各磁極における永久磁石の片側端部の磁化の度合いの増減又は極性の反転が可能であり、かつ前記磁化の度合いを増減し又は極性を反転する磁石の量を可変にしたことを特徴とする永久磁石回転電機。 A stator having an armature winding that generates a rotating magnetic field having a plurality of poles, and a rotor having a permanent magnet,
The permanent magnet is irreversibly magnetized by an external magnetic field, so that the degree of magnetization at one end of the permanent magnet at each magnetic pole can be increased or decreased, or the polarity can be reversed, and the degree of magnetization can be increased or decreased. A permanent magnet rotating electrical machine characterized in that the amount of magnet to be reversed is variable.
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