JP2019080438A - 二軸出力誘導機 - Google Patents

Abstract

【課題】効率のよい二軸出力誘導機を得る。【解決手段】二軸出力誘導機１０は、回転磁束を生成するための巻線を有する固定子１４と、前記巻線により生じる磁束により誘起される誘導電流を流す誘導導体を備えた第１回転子１６と、前記巻線により生じる磁束により誘起される誘導電流を流す誘導導体を備えた第２回転子１２と、前記巻線による生じる磁束に鎖交する永久磁石を備えた磁石回転子１８と、第１回転子に接続された第１出力軸２４と、第２回転子に接続された中空軸２０と、を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、２つの出力軸を有する二軸出力誘導機に関する。

特許文献１には、固定子の内側に回転子を配置するモータにおいて、回転子の内側に、外周に複数の永久磁石を取り付けた磁石ロータを設けたものが開示されている。このモータによれば、磁石ロータが固定子の回転磁界に同期して回転することで、モータの効率を改善することができる。また、非特許文献１には、特許文献１とほぼ同様の構成を持つモータが示されている。

特許文献２には、上述のような磁石ロータを有するモータにおいて、磁石ロータの回転遅れを防止するために、ラチェット機構を設けることが開示されている。

特開平０８−１０３０５８号公報 特開平０８−２８９５１５号公報

柴田他、「回転マグネットを内蔵する高トルク誘導電動機」、電気学会論文誌 Ｄ部門誌 Ｖｏｌ．１１５、Ｎｏ．１１、１９９５

特許文献１および非特許文献１のモータでは出力は一つの軸のみであり、二つの軸を独立に駆動する機能を有していない。また、すべりを大きくしていくとトルク脈動が大きくなり、効率の良い部分を使えないという問題がある。

特許文献２では、ラチェット機構によって、磁石ロータを同期回転することができるが、誘導機では、同期速度でトルクを生じないので効果が少ない。また、ラチェット機構は、静粛性・耐久性・コスト面で不利となる。なお、磁石ロータの回転遅れがトルク脈動の主要因ではないと思われる。すなわち、回転磁界と磁石ロータの磁極の位相差が大きくなるとトルクが大きくなる。このため、位相差が大きくなってトルクが静止摩擦を超えると磁石ロータが回転し、行き過ぎて停止し、また位相差が大きくなると動く、ということを繰り返しているものと思われる。

本発明は、二軸出力の誘導機において、より効率のよいものを提供する。

本発明に係る二軸出力誘導機は、回転磁束を生成するための巻線を有する固定子と、前記巻線により生じる磁束により誘起される誘導電流を流す誘導導体を備えた第１回転子と、前記巻線により生じる磁束により誘起される誘導電流を流す誘導導体を備えた第２回転子と、前記巻線により生じる磁束に鎖交する永久磁石を備えた磁石回転子と、第１回転子に接続された第１出力軸と、第２回転子に接続された第２出力軸と、を含む。

また、第１回転子の回転速度＞回転磁束の回転速度＞第２回転子の回転速度の関係を有するとよい。

また、第１回転子と、第２回転子とは、径方向に一方が固定子に対し内側、他方が外側に配置されるとよい。

また、第１回転子と、第２回転子とは、軸方向に隣接して配置されるとよい。

また、第１回転子および第２回転子の少なくとも一方と、磁石回転子との間に、粘性抵抗を有する軸受けを配置するとよい。

本発明によれば、効率のよい二軸出力誘導機が得られる。

二軸出力誘導機（２回転子２重配置）の構成を示す図（軸方向から見た図）である。 二軸出力誘導機（２回転子２重配置）の構成を示す図（径方向から見た図）である。 誘導機におけるすべりとトルクの関係を示す図である。 実施形態に係る動力システムの全体構成を示すブロック図である。 誘導機おける回生電流、力行電流、これらを合成したインバータ電流を示す図である。 インバータ出力の角速度ωiと、トルクの関係を示す図である。 エンジン回転数とトルクの関係および最適燃費運転の範囲を示す図である。 二軸出力誘導機（２回転子並列配置）の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

＜二軸出力誘導機（２回転子２重配置）＞
図１には、２重回転子を用いる二軸出力誘導機の構成例の軸方向から見た断面図、図２には、径方向から見た断面図を示してある。

二軸出力誘導機１０は、中心に第１出力軸である回転軸２４を有する。回転軸２４の外周には磁石回転子１８が軸受けを介し回転自在に取り付けられる。この磁石回転子１８は、その周面に複数の永久磁石１８ａが配置されており、周方向にＮ極、Ｓ極が交互に配置されている。この例では、Ｎ極２つ、Ｓ極２つであり、４極の磁石回転子１８となっている。

磁石回転子１８の外側には、所定の微小間隙をおいてかご形導体を備える円筒状の内側回転子１６が配置されている。この内側回転子１６も、回転軸２４に回転自在に支持されている。この内側回転子１６には、軸方向に伸びる第２出力軸である中空軸２０が取り付けられ、この周囲に出力ギヤ２２が固定されている。従って、内側回転子１６の回転が、中空軸２０、出力ギヤ２２を介し出力される。

磁石回転子１８、内側回転子１６を取り囲んで、複数相の固定子巻線を備える円筒状の固定子１４が配置されている。固定子１４を取り囲んで、かご形導体を備える外側回転子１２が配置されている。固定子１４は、誘導機のケースなどに固定され、外側回転子１２は、回転軸２４に固定されている。

このような二軸出力誘導機１０において、固定子１４の固定子巻線に所定の電流を供給することで、その外側および内側に回転磁界が形成される。外側回転子１２、内側回転子１６は、かご形導体を備えるものであり、固定子１４によって形成された回転磁界により、外側回転子１２、内側回転子１６上に配置された導体に誘導電流が流れてそれらが回転する。また、磁石回転子１８は自由に回転できるため、回転磁界によって回転する。

磁石回転子１８が回転することで、磁石回転子１８による磁界が生じ、固定子１４における励磁電流を減少することができ、誘導機の効率を上昇することができる。また、磁石回転子１８を介して、内側回転子１６と、外側回転子１２間で磁束によるトルクの伝達がなされるため、電気的な損失を低減できる。

また、磁石回転子１８と、内側回転子１６、外側回転子１２との間に粘性抵抗を有する軸受けを設けることが好適である。すなわち、図２における磁石回転子１８と回転軸２４との間に軸受け２６ａ、および内側回転子１６と回転軸２４との間の軸受け２６ｂについて、適当な粘性抵抗を有するものにする。回転軸２４には、外側回転子１２が固定されているため、磁石回転子１８は、軸受け２６ａ，２６ｂを介し、内側回転子１６と外側回転子１２の両方と接続されることになる。従って、軸受け２６ａ，２６ｂに適当な粘性抵抗を与えることで、静止摩擦と動摩擦の差を小さくし、急に回転することを防止することができる。これによって、回転磁界と磁石ロータの磁極の位相差が大きくなってトルクが静止摩擦を超えると磁石ロータが回転し、回転によって行き過ぎて停止し、また位相差が大きくなると動く、ということを防止し、トルクリプルの発生を防止することができる。なお、軸受け２６ａ，２６ｂのいずれか一方にのみ粘性抵抗を付与してもよい。

＜２つの回転子の運転制御＞
ここで、本実施形態の二軸出力誘導機は、大出力の電動車両の駆動用電動機に好適である。車両の電動機は、その使用状態として、力行と回生の２状態が存在する。また、ハイブリッド車においては、車両の減速のための回生状態だけでなく、発電のために電動機を回生状態とする。特に、ＳＨＶ（シリーズハイブリッド）モードでは、２つの電動機の一方を力行、他方を回生として運転される。

本実施形態では複数の誘導機について、一方を力行、他方を回生として運転する際に適切な制御を行う。

一般的に、誘導機は図３に示すような特性を示す。すなわち、すべりが正か負かで力行と回生が切り替わる。２つの回転子（第１回転子および第２回転子：外側回転子１２および内側回転子１６）の回転数の関係を
第１回転子の回転速度（角速度）ωme＞回転磁束の回転速度（角速度）ωi＞第２回転子の回転速度（角速度）ωge
に維持するよう制御すれば、本実施形態の二軸出力誘導機の二軸出力を力行と回生として使用できる。なお、第１回転子を外側回転子１２、第２回転子を内側回転子１６としてもよいし、第１回転子を内側回転子１６、第２回転子を外側回転子１２としてもよい。また、回転磁束の回転速度ωiの位置と供給電圧を制御することで、二軸の出力トルクも制御することができるが、これについては後述する。

＜システム構成＞
図４に、本実施形態の二軸出力誘導機１０を用いる動力システムの構成を示す。このシステムにおいて、固定子は誘導発電機ＩＧと誘導電動機ＩＭで共通であり、外側回転子１２、内側回転子１６のいずれか一方が誘導発電機ＩＧの回転子（ＩＧ回転子）、他方が誘導電動機ＩＭの回転子（ＩＭ回転子）として機能する。そして、共通の固定子にインバータＩＮＶからの電力を供給することで、誘導電動機ＩＧと、誘導電動機ＩＭが駆動される。

内燃機関であるエンジンＥ／Ｇは、燃料を燃焼させて動力を出力する。エンジンＥ／Ｇは入力エネルギーを動力に変換する原動機の１つである。エンジンＥ／Ｇの回転軸には、誘導発電機ＩＧの回転軸の一方側が接続されている。なお、エンジンＥ／Ｇと誘導発電機ＩＧの回転軸はクラッチを介し接続することが好適である。

誘導発電機ＩＧはエンジンＥ／Ｇからの動力により発電を行うが、モータとしても機能し、電力を供給することで動力を出力する。すなわち、モータとして機能する場合には、固定子に電力を供給し、これによって作られる回転磁界により、電気伝導体の回転子に誘導電流が発生し、すべりに対応した回転トルクが発生する。発電機として機能する場合には、回転子をエンジンＥ／Ｇの出力によって回転することで、固定子から発電電力が出力される。

また、システムは誘導電動機ＩＭを有しており、この誘導電動機ＩＭの出力軸は機械負荷としての車輪Ｔｉｒｅに接続されている。誘導電動機ＩＭは、誘導発電機ＩＧと同様に電力によって動力を出力し、動力の入力によって発電を行う。

バッテリＢＡＴには電力変換装置であるインバータＩＮＶの入力側が接続されており、バッテリＢＡＴとインバータＩＮＶは直流電力を授受する。インバータＩＮＶの出力側には、誘導発電機ＩＧと、誘導電動機ＩＭの共通の固定子に接続されており、インバータＩＮＶと誘導発電機ＩＧ、誘導電動機ＩＭの両方との間で交流電力が授受される。

制御装置Ｃｏｎｔは、アクセル、ブレーキ操作に従い要求トルクを計算し、要求トルクに見合ったトルクが車輪Ｔｉｒｅに供給されるように、エンジンＥ／Ｇ、誘導発電機ＩＧ、誘導電動機ＩＭを制御する。また、制御装置Ｃｏｎｔは、バッテリＢＡＴの充電状態から発電量を制御する。

＜ＳＨＶ（シリーズハイブリッド）＞
ここで、このシステムでは、ＳＨＶモードで動作が可能であり、二軸出力誘導機１０の外側回転子１２、内側回転子１６の一方を誘導発電機ＩＧとして回生、他方を誘導電動機ＩＭとして力行状態とする。

ＳＨＶモードの際の誘導発電機ＩＧと、誘導電動機ＩＭの動作について説明する。誘導発電機ＩＧに流れる回生電流と、誘導電動機ＩＭに流れる力行電流の和（合成電流）がインバータＩＮＶに流れるインバータ電流となる。誘導発電機ＩＧと誘導電動機ＩＭの電力が釣り合っている場合でも力率の影響でインバータ電流は０にはならない。このインバータ電流は無効電力分の電流である。無効電力は、電圧と電流との位相差が９０度となり有効な電力成分を持たない成分である。従って、バッテリＢＡＴへの（平均）電流は０となるが、インバータ素子に流れる電流は存在するのでインバータ損失は０にはならない。ただし、単純に両電流を二つのインバータで制御する場合より全体としては損失は減少する。

そして、より高力率な動作点で利用できればインバータ電流を小さくでき、さらに損失を減少させることができる。

図５（ａ）に誘導発電機ＩＧ、図５（ｂ）に誘導電動機ＩＭ、図５（ｃ）にインバータＩＮＶにおける電圧と、電流を示す（３相であれば１相分）。電圧はすべて同一である。誘導発電機ＩＧでは、図５（ａ）に示すように電圧と（１８０−θ_１）度異なる回生電流が流れ、誘導電動機ＩＭでは、図５（ｂ）に示すように電圧と＋θ_２度異なる回生電流が流れ、インバータＩＮＶでは、図５（ｃ）に示すように回生電流と力行電流が合算された合成電流が流れる。θ_１，θ_２は力率角である

＜ＳＨＶモードでのトルク制御＞
車両の場合、車速を計測することができ、アクセル等の操作に応じて要求トルクも決定される。そこで、誘導電動機ＩＭの回転速度と力行トルクは与えられるものとする。そして、この点を維持しながら誘導発電機ＩＧにおける回生トルク（＝発電電力）を可変にする制御方法を説明する。

誘導機のすべりとトルクの関係は、図３に示したとおりである。また、誘導機のトルク特性は比例推移特性と呼ばれる周波数（＝角速度）と電圧の大きさに比例して変化する特性を示すことが一般に知られている。一方、インバータＩＮＶで交流電圧を供給する場合、２つの誘導機に供給する周波数と電圧の大きさは自由に設定できる。

図６に実線で示すように、電圧の角速度ωiが誘導電動機ＩＭの角速度ωmeと、誘導発電機ＩＧの角速度ωgeの中央にあり、力行トルクと、回生トルクは釣り合っているとする。

ここで、誘導発電機ＩＧにおいてより大きな回生トルクを得るためには、誘導発電機ＩＧのすべりを大きくする必要があるので、電圧の角速度ωiを誘導発電機ＩＧの角速度ωgeから離す（図における左側に移動する）。これにより、誘導発電機ＩＧにおいてより大きな回生トルクが得られる。しかし、そのままでは力行トルクが小さくなってしまう。そこで、電圧の大きさを大きくする。これによって、図６に点線で示すように、誘導電動機ＩＭの力行トルクを維持しつつ、回生トルクを大きくすることができる。すなわち、インバータＩＮＶを操作し電圧の角速度ωiを誘導電動機ＩＭの角速度ωmeに近づけるとともに、電圧の大きさを制御することで、力行トルクを要求トルクに維持しつつ、回生トルク（発電電力）を増加することができる。

逆に、誘導発電機ＩＧにおいてより小さい回生トルクを得る場合は、電圧を小さくし、インバータＩＮＶの角速度ωiを誘導発電機ＩＧの角速度ωgeに近づける。これによって、図６に一点鎖線で示すように、誘導電動機ＩＭの力行トルクを維持しつつ、回生トルクを小さくすることができる。ただし、力行トルクを維持するのに必要な電圧以下にすることはできないので、力行トルクに依存して一定の発電電力が生じる。

このとき、エンジンＥ／Ｇにおいてもスロットルや燃料噴射量等の制御を併用する必要がある。すなわち、誘導発電機ＩＧの発電量は、エンジンＥ／Ｇの出力に対応するものであり、両者が均衡するようにエンジンＥ／Ｇの動作を制御する。ここで、一般にＨＶ用のエンジンＥ／Ｇでは、通常要求パワーに対して最良効率となる最適動作線上で運転するように制御する。図７にエンジンＥ／Ｇのエンジン最適動作線（実線）を示す。この最適動作線上に点線で示す燃費の最もよい動作点とすることが好適である。なお、駆動電力と発電電力の差分は電池に充放電することで吸収される。

＜二軸出力誘導機の他の例（２回転子並列配置）＞
図８には、固定子の内側に、２つの回転子を軸方向に並べた二軸出力誘導機３０の構成例（径方向から見た断面図）を示す。

回転軸４４には、エンジンＥ／Ｇの出力軸が接続される。回転軸４４の外周には円筒状のＩＧ回転子３２が固定されている。

回転軸４４の周囲には誘導電動機ＩＭのＩＭ回転子３６がＩＧ回転子３２と軸方向に並んで配置されている。ＩＭ回転子３６は、回転軸４４に軸受けなどで回転可能に支持されている。

ＩＭ回転子３６には、軸方向に伸びる中空軸４０が取り付けられ、この周囲に出力ギヤ４２が固定されている。従って、ＩＭ回転子３６の回転が、中空軸４０、出力ギヤ４２を介し出力される。

そして、ＩＧ回転子３２、ＩＭ回転子３６を取り囲んで、円環状の固定子３４が配置されている。固定子３４によって、ＩＧ回転子３２、ＩＭ回転子３６に同様の回転磁界が印加される。

さらに、固定子３４を取り囲んで円環状の磁石回転子３８が配置されている。この磁石回転子３８は、回転軸４４に回転自在に取付られている。

このように、この二軸出力誘導機３０では、１つの固定子３４をＩＧ回転子３２、ＩＭ回転子３６で共有し、それぞれが出力軸として回転軸４４、中空軸４０を有する。

このような二軸出力誘導機３０においても、図１，２の二軸出力誘導機と同様の作用効果が得られる。なお、この二軸出力誘導機３０においても、回転軸４４と、磁石回転子３８、ＩＭ回転子３６、との間の軸受け４６ａ，４６ｂに適切な粘性抵抗を付与することが好適である。

＜実施形態の効果＞
誘導機はすべりを変えることでトルクが変わる。このとき、トルクは正負どちらでもよい。誘導発電機ＩＧと、誘導電動機ＩＭを同じ周波数、電圧で駆動し、一方を発電、他方を力行とする。このとき、電力は発電側から力行側へ流れ、バランスしたとき、有効電力分の電流は打ち消し合い、無効電力分のみインバータから供給することになる。従って、インバータ電流を少なくして、インバータＩＮＶでの損失を低減できる。特に、誘導発電機ＩＧ、誘導電動機ＩＭを高力率で運転することで、無効電流を小さくして、インバータ損失を小さくすることができる。また、誘導発電機ＩＧと誘導電動機ＩＭを１つのインバータＩＮＶで駆動することで、素子数低減によるコスト低減ができる。

そして、本実施形態では、二軸出力誘導機１０が、磁石回転子１８を有する。従って、磁石回転子１８が固定子１４の回転磁界と同期して回転し、二軸出力誘導機１０の効率を改善することができる。

１０，３０ 二軸出力誘導機、１２ 外側回転子、１４，３４ 固定子、１６ 内側回転子、１８，３８ 磁石回転子、１８ａ 永久磁石、２０，４０ 中空軸、２２，４２ 出力ギヤ、２４ 回転軸、３２ ＩＧ回転子、３６ ＩＭ回転子、ＢＡＴ バッテリ、Ｃｏｎｔ 制御装置、Ｅ／Ｇ エンジン、ＩＧ 誘導発電機、ＩＭ 誘導電動機、ＩＮＶ インバータ、Ｔｉｒｅ 車輪。

Claims (5)

1. 回転磁束を生成するための巻線を有する固定子と、
   前記巻線により生じる磁束により誘起される誘導電流を流す誘導導体を備えた第１回転子と、
   前記巻線により生じる磁束により誘起される誘導電流を流す誘導導体を備えた第２回転子と、
   前記巻線による生じる磁束に鎖交する永久磁石を備えた磁石回転子と、
   第１回転子に接続された第１出力軸と、
   第２回転子に接続された第２出力軸と、
   を含む、
   二軸出力誘導機。
2. 請求項１に記載の二軸出力誘導機であって、
   第１回転子の回転速度＞回転磁束の回転速度＞第２回転子の回転速度の関係を有する、
   二軸出力誘導機。
3. 請求項１または２に記載の二軸出力誘導機であって、
   第１回転子と、第２回転子とは、径方向に一方が固定子に対し内側、他方が外側に配置される、
   二軸出力誘導機。
4. 請求項１または２に記載の二軸出力誘導機であって、
   第１回転子と、第２回転子とは、軸方向に隣接して配置される、
   二軸出力誘導機。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の二軸出力誘導機であって、
   第１回転子および第２回転子の少なくとも一方と、磁石回転子との間に、粘性抵抗を有する軸受けを配置する、
   二軸出力誘導機。