JP2021175342A - Rotary motor-driven device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、表面磁石型モータ(SPMモータ)などの電気モータおよびそのトルクを制御する装置を含む回転電動装置に関するものである。 The present invention relates to an electric motor such as a surface magnet type motor (SPM motor) and a rotary electric device including a device for controlling the torque thereof.
ロータに永久磁石を設けてある電気モータ(以下、単にモータと記す)は、回転磁界をステータコイルによってロータの周囲に形成することにより、ロータが回転しトルクを出力する。出力トルクは、ステータコイルに印加する電圧およびロータの永久磁石による磁力に応じたトルクとなるから、磁束密度の高い永久磁石を用いることによりモータを小型化することができる。 In an electric motor provided with a permanent magnet in the rotor (hereinafter, simply referred to as a motor), a rotating magnetic field is formed around the rotor by a stator coil, so that the rotor rotates and outputs torque. Since the output torque is a torque corresponding to the voltage applied to the stator coil and the magnetic force generated by the permanent magnet of the rotor, the motor can be miniaturized by using a permanent magnet having a high magnetic flux density.
一方、永久磁石の磁束密度と保磁力とはいわゆるトレードオフの関係にあり、磁束密度が高い永久磁石は保磁力が低くなる。そのため、磁力の大きい永久磁石を採用して小型化したモータでは、その保磁力が低いことにより、モータの使用中の反磁界によって永久磁石による磁力が次第に低下して出力できるトルクが早期に低下する可能性が高い。このような反磁界による磁力の低下を抑制して小型化および高出力化を図るように構成した表面磁石型モータが特許文献1に記載されている。 On the other hand, the magnetic flux density of a permanent magnet and the coercive force are in a so-called trade-off relationship, and a permanent magnet having a high magnetic flux density has a low coercive force. Therefore, in a motor that has been miniaturized by using a permanent magnet with a large magnetic force, the coercive force is low, so that the magnetic force generated by the permanent magnet gradually decreases due to the demagnetic field during use of the motor, and the torque that can be output decreases at an early stage. Probability is high. Patent Document 1 describes a surface magnet type motor configured to suppress a decrease in magnetic force due to such a demagnetic field to achieve miniaturization and high output.
特許文献1に記載されたモータは、ロータにおける永久磁石の保磁力を、反磁界の影響の度合いに応じて変化させて大きい磁力を維持するように構成したモータである。特許文献1の記載によれば、ロータの表面側に設けた永久磁石を、内層と外層および外層における磁極の変わり目に分けた場合、反磁界による影響は、内層で最も小さく、外層および磁極の変わり目の順に大きくなるとされ、したがって保磁力は、この反磁界による影響の度合いの順、すなわち内層<外層<磁極の変わり目の順に設定している。 The motor described in Patent Document 1 is a motor configured to maintain a large magnetic force by changing the coercive force of a permanent magnet in a rotor according to the degree of influence of a demagnetizing field. According to the description of Patent Document 1, when the permanent magnet provided on the surface side of the rotor is divided into the transition between the magnetic poles in the inner layer, the outer layer and the outer layer, the influence of the demagnetic field is the smallest in the inner layer, and the transition between the outer layer and the magnetic poles. Therefore, the coercive force is set in the order of the degree of influence of this demagnetizing field, that is, in the order of inner layer <outer layer <magnetic pole transition.
そのため、保磁力が相対的に小さく、それに伴って磁力を大きくできる内層は、反磁界の影響が少ないことにより磁力を維持しやすくなり、また外層や磁極の変わり目は、保磁力を相対的に大きくしてあるので、反磁界による影響が大きくても磁力を維持できる。その結果、特許文献1に記載されたモータによれば、ロータの全体あるいはモータの全体として、大きい磁力を維持できて、モータの小型化および高出力化を図ることができる、とされている。 Therefore, the inner layer, which has a relatively small coercive force and can increase the coercive force accordingly, can easily maintain the coercive force because the influence of the demagnetic field is small, and the outer layer and the transition of the magnetic poles have a relatively large coercive force. Therefore, the magnetic force can be maintained even if the influence of the demagnetic field is large. As a result, according to the motor described in Patent Document 1, it is said that a large magnetic force can be maintained as a whole of the rotor or the motor as a whole, and the size and output of the motor can be increased.
特許文献1に記載されている構成では、ロータにおける永久磁石による磁力を大きくでき、また維持できる。しかしながら、ロータが回転することにより逆起電圧が生じるので、ロータの回転数の増大に応じて出力トルクが低下する。すなわち、ロータの磁力を単に増大させたのでは、回転数が低い状態で高トルクを出力できるが、回転数が増大するのに従って逆起電圧が増大し、それに伴って出力可能なトルクが低トルクになってしまう。その場合、ステータコイルに印加する電圧を高くすることにより、出力トルクを維持することができるが、そうすると、例えば同期モータではインバータの端子電圧が高くなってしまうなどの不都合が生じる。あるいは弱め磁界制御によってトルクを維持することも可能であるが、その制御のために電力を消費することになるから、エネルギ効率が低下する可能性がある。 In the configuration described in Patent Document 1, the magnetic force due to the permanent magnet in the rotor can be increased and maintained. However, since the counter electromotive voltage is generated by the rotation of the rotor, the output torque decreases as the rotation speed of the rotor increases. That is, if the magnetic force of the rotor is simply increased, a high torque can be output at a low rotation speed, but the counter electromotive voltage increases as the rotation speed increases, and the torque that can be output is low torque accordingly. Become. In that case, the output torque can be maintained by increasing the voltage applied to the stator coil, but doing so causes inconveniences such as an increase in the terminal voltage of the inverter in a synchronous motor, for example. Alternatively, it is possible to maintain the torque by weakening the magnetic field control, but since power is consumed for the control, the energy efficiency may decrease.
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであって、逆起電圧による制約を抑制して、低回転数時に高出力化するとともに、高回転数化でき、さらには高効率化できる回転電動装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made by paying attention to the above technical problems, and suppresses the restriction due to the counter electromotive voltage to increase the output at a low rotation speed, increase the rotation speed, and further improve the efficiency. It is an object of the present invention to provide a rotary electric device capable of providing a rotary electric device.
この発明は、上記の目的を達成するために、コイルを有する円筒状のステータの内部に、外表面部に永久磁石が配列されたロータが、ステータと同軸上に回転可能に配置され、前記コイルに通電して回転磁界を生成することにより前記ロータを回転させる回転電動装置において、前記永久磁石は、前記ロータの外表面側に配置されている外層永久磁石と、前記ロータの半径方向で前記外層永久磁石の内側に配置されている内層永久磁石とを有し、前記外層永久磁石と前記内層永久磁石とのうちの一方の永久磁石の保磁力が他方の永久磁石の保磁力より小さく、保磁力の小さい前記他方の永久磁石の磁力を減少させ、また増大させる磁力変更部を更に備えていることを特徴としている。 In the present invention, in order to achieve the above object, a rotor in which permanent magnets are arranged on an outer surface is rotatably arranged inside a cylindrical stator having a coil, and the coil is rotatably arranged. In a rotary electric device that rotates the rotor by energizing the rotor to generate a rotating magnetic field, the permanent magnets are an outer layer permanent magnet arranged on the outer surface side of the rotor and the outer layer in the radial direction of the rotor. It has an inner layer permanent magnet arranged inside the permanent magnet, and the coercive force of one of the outer layer permanent magnet and the inner layer permanent magnet is smaller than the coercive force of the other permanent magnet. It is characterized in that it further includes a magnetic force changing portion that reduces and increases the magnetic force of the other permanent magnet having a small size.
この発明のモータでは、ステータのコイルに通電して回転磁界を生成させることにより、ロータが回転し、トルクを出力する。その場合の回転数は回転磁界に応じた回転数になり、またトルクはロータの磁力およびコイルに印加する電圧に応じたトルクとなる。そのロータの磁力は、外層永久磁石および内層永久磁石による磁力となるが、保磁力の小さい一方の永久磁石は、磁力変更部によって減磁(もしくは消磁)され、また着磁される。 In the motor of the present invention, the rotor is rotated and torque is output by energizing the coil of the stator to generate a rotating magnetic field. In that case, the rotation speed becomes the rotation speed according to the rotating magnetic field, and the torque becomes the torque according to the magnetic force of the rotor and the voltage applied to the coil. The magnetic force of the rotor is the magnetic force of the outer layer permanent magnet and the inner layer permanent magnet, but one permanent magnet having a small coercive force is demagnetized (or demagnetized) and magnetized by the magnetic force changing portion.
減磁(もしくは消磁)した場合には、ロータの全体としての磁力が小さくなるので、ロータが回転することによる逆起電圧が小さくなる。したがって、ロータを高回転数で回転させることができ、あるいは高回転数で回転している場合であっても所定のトルクを出力することができる。なお、その場合、ロータの磁力が小さくなっているので、回転数を増大させる際の弱め磁界電流を特には流す必要がなく、したがって弱め磁界のための電流を削減できる分、効率を向上させることができる。これに対して、保磁力の小さい永久磁石を磁力変更部で着磁すれば、ロータの磁力が大きくなるので、ロータの回転数が低回転数の場合の出力トルクを大きくすることができる。すなわち、大型化することなく、高出力化することができる。 When demagnetized (or degaussed), the magnetic force of the rotor as a whole becomes small, so that the counter electromotive voltage due to the rotation of the rotor becomes small. Therefore, the rotor can be rotated at a high rotation speed, or a predetermined torque can be output even when the rotor is rotating at a high rotation speed. In that case, since the magnetic force of the rotor is small, it is not necessary to flow a weak magnetic field current when increasing the rotation speed. Therefore, the efficiency can be improved by the amount that the current for the weak magnetic field can be reduced. Can be done. On the other hand, if a permanent magnet having a small coercive force is magnetized at the magnetic force changing portion, the magnetic force of the rotor becomes large, so that the output torque can be increased when the rotation speed of the rotor is low. That is, the output can be increased without increasing the size.
この発明を図に示す実施形態に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施形態はこの発明を具体化した場合の一例に過ぎないのであって、この発明を限定するものではない。 The present invention will be described based on the embodiments shown in the figure. It should be noted that the embodiments described below are merely examples of cases where the present invention is embodied, and do not limit the present invention.
この発明の実施形態としてのモータは、ロータあるいはその永久磁石の構造に特徴を有し、したがって全体的な構造は、ロータを除いて、他の一般的な永久磁石型モータの構造とほぼ同様である。図1および図2にモータ1の構造を説明するための模式図を示してある。円筒状のステータ2は、多数枚の電磁鋼板を積層して構成されたステータコア3を有し、その内周面に中心部に向けて突出している複数のティース4にコイル5が巻き付けられている。二次電池やインバータなどからなるコントローラ6からそのコイル5に流す電流を、マイクロコンピュータを主体として構成されている電子制御装置(ECU)7によって制御することにより、回転磁界を生じさせるように構成されている。
The motor as an embodiment of the present invention is characterized by the structure of the rotor or its permanent magnet, so the overall structure is similar to that of other common permanent magnet motors, except for the rotor. be. 1 and 2 show a schematic diagram for explaining the structure of the motor 1. The cylindrical stator 2 has a stator core 3 formed by laminating a large number of electromagnetic steel sheets, and a
ステータ2の内部には、ティース4との間に僅かなエアギャップをあけた状態でロータ8が回転可能に配置されている。ロータ8はその外表面部に永久磁石9を備えている。永久磁石9は、N極とS極とがロータ8の円周方向に交互に位置するように複数設けられている。さらに、永久磁石9は、ロータ8の半径方向で二層に分けて設けられており、ロータ8の外表面側の外層永久磁石9aと、ロータ8の半径方向で外層永久磁石9aの内側に設けられている内層永久磁石9bとは、保磁力が異なるように構成されている。
Inside the stator 2, the
図2には、外層永久磁石9aを高保磁力磁石とし、内層永久磁石9bを低保磁力磁石とした例を模式的な部分断面図として示してある。これら外層と内層とは共に円筒状であって、それぞれ異なる磁石素材で円筒状に形成して一体化するように嵌合させた構成、あるいはそれぞれ異なる磁石素材を内層と外層との二層に配置して成形することにより一体的に形成した構成のいずれであってもよい。なお、それらの磁石素材は、従来知られているものから適宜に選択すればよい。
FIG. 2 shows a schematic partial cross-sectional view of an example in which the outer layer
さらに、保磁力の小さい永久磁石(図2に示す例では内層永久磁石9b)の磁力を大小に変化させる磁力変更部が設けられている。磁力変更部は、内層永久磁石9bに対して、既に着磁されて生じている磁束とは反対方向の反磁界を付与して内層永久磁石9bの磁力を減少させ、また同方向の磁界(仮に正磁界という)を付与して内層永久磁石9bの磁力を増大させ、あるいは内層永久磁石9bに着磁するためのものである。
Further, a magnetic force changing portion for changing the magnetic force of a permanent magnet having a small coercive force (inner layer
このような減磁(もしくは消磁)および着磁は、前述したコントローラ6およびECU7によって行ってもよい。例えばd軸電流を制御して内層永久磁石9bに対して反磁界や正磁界を作用させ、これによって内層永久磁石9bを減磁(もしくは消磁)あるいは着磁することとしてもよい。その場合、コントローラ6およびECU7がこの発明の実施形態における磁界変更部に相当することになる。なお、上記のように反磁界や正磁界を生じさせた場合、外層永久磁石9aにもその磁界が作用するが、外層永久磁石9aは保磁力が大きい永久磁石であるから、保磁力の小さい内層永久磁石9bが優先的に減磁(あるいは消磁)され、また着磁される。
Such demagnetization (or demagnetization) and magnetization may be performed by the
図3に、上記のモータ1の回転数と逆起電圧との関係を線図で示してある。外層永久磁石9aと内層永久磁石9bとを共に同様に着磁してあるフル着磁の状態では、これら両方の永久磁石9a,9bの磁力がトルクを発生させる磁力となる。したがって、フル着磁の状態では、回転数の増大に伴う逆起電圧の増大勾配が大きくなる。これに対して、保磁力の小さい永久磁石(内層永久磁石9b)の磁力を減磁し、あるいは消磁してある部分減磁の状態では、内層永久磁石9bの磁力が少なくなっている分、トルクの発生に関与する磁束あるいはステータ2のコイル5を横切る磁束が少なくなる。したがって、部分減磁の状態では、回転数の増大に伴う逆起電圧の増大勾配が、フル着磁の場合に比較して小さくなる。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the rotation speed of the motor 1 and the counter electromotive voltage. In a fully magnetized state in which both the outer layer
なお、逆起電圧が高くなると、出力できるトルクが実用にならない程度に小さくなり、あるいはインバータの端子電圧が過度に高くなったりする。そのため、実用上許容できる逆起電圧には上限があり、図3には、フル着磁の状態で逆起電圧が上限に達する回転数(モータ回転数もしくはロータ8の回転数)を切替回転数として記載してある。
When the counter electromotive voltage becomes high, the torque that can be output becomes small enough to be impractical, or the terminal voltage of the inverter becomes excessively high. Therefore, there is an upper limit to the counter electromotive voltage that can be practically allowed, and in FIG. 3, the rotation speed at which the counter electromotive voltage reaches the upper limit in the fully magnetized state (motor rotation speed or
上述したモータ1を車両などの何らかの装置の駆動力源として使用する場合、回転数が切替回転数以下の状態では、内層永久磁石9bを外層永久磁石9aと同様に着磁したフル着磁の状態で使用する。したがって、その場合は、トルクの発生に関与する磁力が大きくなるので、大きいトルクを得ることができる。例えば、車両の駆動力源としてモータ1を使用した場合には、発進時やその直後の駆動力を大きくして発進加速性を向上させることができる。
When the motor 1 described above is used as a driving force source for some device such as a vehicle, when the rotation speed is equal to or less than the switching rotation speed, the inner layer
このようないわゆるフル着磁の状態では、図3に実線で示すように、逆起電圧が大きく増大し、切替回転数での逆起電圧が上限に達する。その時点で、前述した磁力変更部によって内層永久磁石9bに反磁界を作用させて減磁(もしくは消磁)を行い、内層永久磁石9bの磁力を低下させる。このような部分減磁の状態では、コイル5を横切る磁束が低下するので、切替回転数における逆起電圧は上限より低い電圧になる。したがって、逆起電圧による制約がなくなることにより、回転数を更に増大させることができる。その状態を図3に実線で示してある。
In such a so-called fully magnetized state, as shown by the solid line in FIG. 3, the counter electromotive voltage greatly increases, and the counter electromotive voltage at the switching rotation speed reaches the upper limit. At that time, a demagnetizing force is applied to the inner layer
すなわち、上述したモータ1の構成によれば、低回転数状態での高出力化を図り、また逆起電圧による制約を減じて高回転数化を図ることができる。言い換えれば、高回転数時における逆起電圧を抑制するようにロータ8の磁力を低下させても、低回転数の状態ではロータ8の磁力を増大できるので、高トルクを出力できる。また、ロータ8の磁力の変更は、一時的に反磁界を生じさせ、あるいは正磁界を生じさせることにより行うことができる。すなわち、従来弱め磁界を生じさせるように電流を流し続けるのとは異なり、磁力変更のための電流は一時的でよいから、電力の消費を少なくしてエネルギ効率を向上させることができる。さらに、逆起電圧を抑制できることに伴って、例えばインバータの端子電圧を下げることができるので、その点でのコストを低下させ、ひいては回転電動装置を全体として低コスト化することができる。
That is, according to the configuration of the motor 1 described above, it is possible to increase the output in a low rotation speed state and reduce the restriction due to the counter electromotive voltage to increase the rotation speed. In other words, even if the magnetic force of the
なお、この発明は上述した実施形態に限定されないのであって、磁力変更部は、トルクを発生させるための電流を流すコイルとは別に設けたコイルによって構成してもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the magnetic field changing unit may be configured by a coil provided separately from the coil through which a current for generating torque is passed.
また、上述した実施形態では、内層永久磁石9bを保磁力の小さい永久磁石としたので、モータ1を回転させている際における保磁力の小さい永久磁石に対する反磁界の影響を少なくして、意図しない磁力の低下を抑制することができる。しかし、この発明では、このような構成に限らず、外層永久磁石9aを保磁力の小さい永久磁石としてもよい。さらに、上述した実施形態では、保磁力の小さい永久磁石の減磁(もしくは消磁)や着磁を行うこととしたが、この発明では、そのような減磁(もしくは消磁)や着磁は適宜に行ってよいのであり、したがって回転数以外の適宜に選択したパラメータに基づいて減磁(もしくは消磁)や着磁を行う構成としてもよい。
Further, in the above-described embodiment, since the inner layer
1 モータ
2 ステータ
3 ステータコア
4 ティース
5 コイル
6 コントローラ
7 電子制御装置(ECU)
8 ロータ
9 永久磁石
9a 外層永久磁石
9b 内層永久磁石
1 Motor 2 Stator 3 Stator core 4
8
Claims (1)
前記永久磁石は、前記ロータの外表面側に配置されている外層永久磁石と、前記ロータの半径方向で前記外層永久磁石の内側に配置されている内層永久磁石とを有し、
前記外層永久磁石と前記内層永久磁石とのうちの一方の永久磁石の保磁力が他方の永久磁石の保磁力より小さく、
保磁力の小さい前記他方の永久磁石の磁力を減少させ、また増大させる磁力変更部を更に備えている
ことを特徴とする回転電動装置。 Inside a cylindrical stator having a coil, a rotor in which permanent magnets are arranged on the outer surface is rotatably arranged coaxially with the stator, and the rotor is energized to generate a rotating magnetic field. In a rotating electric device that rotates
The permanent magnet has an outer layer permanent magnet arranged on the outer surface side of the rotor and an inner layer permanent magnet arranged inside the outer layer permanent magnet in the radial direction of the rotor.
The coercive force of one of the outer layer permanent magnet and the inner layer permanent magnet is smaller than the coercive force of the other permanent magnet.
A rotary electric device further comprising a magnetic force changing portion that reduces and increases the magnetic force of the other permanent magnet having a small coercive force.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2020080033A JP2021175342A (en) | 2020-04-30 | 2020-04-30 | Rotary motor-driven device |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2020080033A JP2021175342A (en) | 2020-04-30 | 2020-04-30 | Rotary motor-driven device |
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2020
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