JP2022115549A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】出力トルクを維持しつつ、第1ロータと第２ロータとの間に出力トルクとは逆向きの回動トルクを発生させることができる回転電機を提供する。
【解決手段】ステータ１２に対して相対的に回転可能であり、互いに分離して配置された第１ロータ１６及び第２ロータ１８と、を備え、第１ロータ１６は周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第１磁石を備え、第２ロータ１８は周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第２磁石を備え、第１ロータ１６の第１磁石と第２ロータ１８の第２磁石の周方向に沿った位相を変更可能であり、第１磁石と第２磁石との周方向に沿った磁極の位相が一致しない構成とされている回転電機とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に関する。

一般的な回転電機では、ロータ磁力を増大させることによってモータの最大トルクを増加させることができる。しかしながら、発生する誘起電圧も増大し、モータ制御の上限電圧を超えてしまい、高速回転ができなくなる。

そこで、周方向に沿って複数箇所にステータコイルが配置されたステータと、ステータに対して回転可能であり、回転軸方向に分離して配置された第１ロータと第２ロータと、を備え、第１ロータに対する第２ロータの相対位相差であるロータ間の位相を遷移させるようにステータコイルの電流をベクトル制御する回転電機制御システムが開示されている（特許文献１，２）。当該構成では、第１ロータと第２ロータとの磁性が同相（同極）の状態と逆相（逆極）の状態とを切り替えることで、低速時は同相として最大トルクを増加させ、高速時は逆相として誘起電圧を低下させることが可能となる。

例えば、モータを搭載した車両においてアクセルを踏んでトルクを掛けながら加速する際、ある回転数以上となったときに第１ロータと第２ロータとを相対的に回動させて磁石の位相を変更する。このとき、第１ロータと第２ロータとを連続的に相対的に回動させるためには、回動中も第１ロータから出力軸にトルクを出力し続けながら、第１ロータと第２ロータとの間に回動トルクを発生させる必要がある。

特開２０１４－２０４５１７号公報 特開２０１８－０４２４３３号公報

出力軸に接続された第１ロータに対して相対的に回動可能な第２ロータを設けた構成において、同相（同極）及び逆相（逆極）のときに第２ロータに発生するトルクが第１ロータ及び出力軸に伝達される構成となっている。第２ロータは第１ロータと機械的に（例えば、ロックピン等で係止されることで）接続され、第２ロータに発生するトルクが第１ロータ及び出力軸に伝達されると共に、機械的に開放されることで第２ロータは回動可能となる。しかしながら、同極、逆極時にトルクを出力するためには、例えば、図５（ａ）に示すように、同極時はロックピン３４を使って第２ロータ３２のトルクを第１ロータ３０に伝達させる必要があるが、トルクが掛かっている状態でロックピン３４を抜いて開放することは摩擦等の関係で困難である。これに対して、図５（ｂ）に示すように、ロックピン３４を使わず第２ロータ３２のトルクを第１ロータ３０に直接伝える構成とすることでロックピン３４に力が加わらなくなり、ロックピン３４を抜くことが可能となる。ただし、当該構成にする場合、出力トルクの方向とは逆の方向に第２ロータ３２を回動させる必要がある。

しかしながら、従来の回転電機では、同相（同極）の場合に、出力軸に対する出力トルクの方向と、第１ロータと第２ロータとの間の相対的な回動トルクの方向が一致するので、トルクを出力しながら、それとは反対の方向に第１ロータと第２ロータとの間に回動トルクを発生することができない。

本発明の１つの態様は、周方向複数箇所に配置されたステータコイルを有するステータと、前記ステータに対して相対的に回転可能であり、互いに分離して配置された第１ロータ及び第２ロータと、を備え、前記第１ロータは、周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第１磁石を備え、前記第２ロータは、周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第２磁石を備え、前記第１ロータの前記第１磁石と前記第２ロータの前記第２磁石の周方向に沿った位相を変更可能であり、前記第１磁石と前記第２磁石との周方向に沿った磁極の位相が一致しない構成とされていることを特徴とする回転電機である。

ここで、前記第１ロータと前記第２ロータとがいわゆる同相時において前記第１ロータの前記第１磁石と前記第２ロータの前記第２磁石の周方向に沿った位相の差を示す位相差角γ、前記ステータコイルに流れる電流Ｉ、前記第１ロータ及び前記第２ロータに対する電流進角θ、前記第２ロータに対する摩擦トルクＴｆである場合、前記第１ロータに生ずるトルクＴ１（Ｉ，θ）と前記第２ロータに生ずるトルクＴ２（Ｉ，θ＋γ）とが逆方向であり、前記第２ロータに生ずるトルクＴ２（Ｉ，θ＋γ）が前記摩擦トルクＴｆを超える値を有する条件を満たすように前記第１磁石と前記第２磁石との周方向に沿った磁極の位相差角γとすることが好適である。

また、前記第１ロータと前記第２ロータとがいわゆる同相時において、前記第１ロータに対して前記第２ロータを相対的に回転させる際に、前記ステータコイルに流れる電流Ｉは、当該電流Ｉが発生させる磁束の中心が前記第１ロータの磁極の中心と前記第２ロータの磁極の中心の間に位置するように制御されることが好適である。

また、前記第１ロータと前記第２ロータは、回転軸方向に互いに分割されていることが好適である。

本発明によれば、出力トルクを維持しつつ、第1ロータと第２ロータとの間に出力トルクとは逆向きの回動トルクを発生させる回転電機を提供することができる。

本発明の実施の形態における回転電機システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における第１ロータと第２ロータとの位相差を説明する図である。 本発明の実施の形態における電流進角と第１ロータ及び第２ロータに発生するトルクの関係を示す図である。 本発明の実施の形態における位相差角と最大トルクの減少率との関係を示す図である。 従来技術の課題を説明するための図である。

本実施の形態における回転電機システム１００は、図１に示すように、回転電機１０２、駆動回路１０４、電源１０６及び制御装置１０８を含んで構成される。回転電機システム１００は、例えばハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車等に搭載される。回転電機システム１００は、駆動力を発生させるモータとして使用可能であると共に、発電機、モータ及び発電機の両方の機能をもつモータジェネレータとしても使用可能である。

回転電機１０２は、筐体１０、ステータ１２、回転軸１４、第１ロータ１６、第２ロータ１８、ロック機構２０、軸受２２及び回転角センサ２４を含んで構成される。なお、軸受２２を設けず、回転軸１４に対して第２ロータ１８を摺動させるような構成としてもよい。本実施の形態では、センサレス制御として１つの回転角センサ２４のみを設けた構成としたが、第１ロータ１６及び第２ロータ１８のそれぞれに回転角センサ２４を設けた構成としてもよい。

回転電機１０２は、制御装置１０８に制御される駆動回路１０４によって、電源１０６から供給される電力を用いて回転軸１４に対して駆動力を発生させる。また、回転軸１４に与えられた回転エネルギーを駆動回路１０４によって電力に変換して電源１０６へ回生させる。駆動回路１０４は、電源１０６からの電力を交流に変換するインバータを含んで構成することができる。電源１０６は、例えば二次電池を含む蓄電システムを含んで構成することができる。

筐体１０は、回転電機１０２を機械的に支持するための構成である。筐体１０内に、ステータ１２、回転軸１４、第１ロータ１６、第２ロータ１８、ロック機構２０、軸受２２及び回転角センサ２４が収納される。

ステータ１２は、ステータコアとステータコイルを備える。ステータコアは、電磁鋼板を回転軸１４の軸方向に積層した積層体からなる中空円筒形状の部材である。ステータコイルは、ステータコアの内周面に設けられた複数のティースに巻回されたコイルである。駆動回路１０４を介して電源１０６からステータコイルに電流を流すことによって、ステータコイルに磁場を発生させることができる。

回転軸１４には、第１ロータ１６及び第２ロータ１８が軸方向に沿って間隔をおいて配置される。本実施の形態における回転電機システム１００では、２つに分割された第１ロータ１６ａ，１６ｂの間に第２ロータ１８が配置される。

第１ロータ１６ａ，１６ｂは、回転軸１４に固定されている。また、第２ロータ１８は、回転軸１４に対して回転方向において移動可能に設置されている。すなわち、第２ロータ１８は、回転軸１４に対して相対的に回転可能とされている。例えば、第２ロータ１８は、軸受２２を介して回転軸１４に取りつけられており、軸受２２によって回転軸１４に対して回転可能とされている。

さらに、第２ロータ１８は、回転軸１４に対して固定できるようにロック機構２０が設けられる。例えば、図５に示したように、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）及び第２ロータ１８との間にギアを設け、ロックピンを用いたロック機構２０によって回転軸１４に対して第２ロータ１８が回転しないようにロックすることが可能な構成とされている。ただし、第２ロータ１８に設けられるロック機構は、これに限定されるものではなく、第２ロータ１８を回転軸１４に固定できる機構を有するものであればよい。

第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）は、回転軸１４に固定される基部と、基部の外周側に電磁鋼板を軸方向に積層した積層体を備える。当該積層体には、複数の第１磁石が周方向に沿ってＮ極及びＳ極を交互に外側に向けて間隔をおいて埋め込まれて磁極が構成されている。第２ロータ１８は、上記のロック機構２０及び軸受２２を介して回転軸１４に設置された基部と、基部の外周側に電磁鋼板を軸方向に積層した積層体を備える。当該積層体には、複数の第２磁石が周方向に沿ってＮ極及びＳ極を交互に外側に向けて間隔をおいて埋め込まれて磁極が構成されている。

第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）及び第２ロータ１８の磁石の配置は、基本的に同一である。すなわち、周方向に沿って、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）の第１磁石の配置（磁極としての位相）と、第２ロータ１８の第２磁石の配置（磁極としての位相）が同一（同相）になった場合、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）と第２ロータ１８を合わせた界磁が最大となる。一方、周方向に沿って、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）の第１磁石の配置と第２ロータ１８の第２磁石の配置がちょうど反対になった場合、すなわち磁極としての位相が逆相になった場合、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）と第２ロータ１８を合わせた界磁が最小となる。

回転電機システム１００の通常の運転時は、ロック機構２０によって第２ロータ１８を回転軸１４に対して回転しないような状態として、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）及び第２ロータ１８の両方が回転軸１４の回転に寄与する状態とする。一方、界磁調整時は、ロック機構２０を開放して第２ロータ１８を回転軸１４に対して回転可能として、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）に対して第２ロータ１８を相対的に回転させ、周方向の位置を調整することで、ロータ全体としての界磁を調整することができる。

第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）と第２ロータ１８とが同相となったときの界磁に対して逆相となったときの界磁が半減するようにするためには、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）に設けた第１磁石の磁力が第２ロータ１８に設けた第２磁石の磁力が３倍となるように設定すればよい。例えば、回転軸１４の軸方向にロータ全体を４分割し、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）の合計の軸長が第２ロータ１８の軸長の３倍となるように構成すればよい。

このような構成において、ロック機構２０を結合状態として回転軸１４に対して第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）及び第２ロータ１８が回転しない状態（通常運転状態）でステータ１２のステータコイルに電流を流して回転磁界を形成することでステータ１２に対して回転軸１４を回転させる出力トルクを発生させることができる。また、逆に、回転軸１４の回転エネルギーをステータ１２のステータコイルに流れる電流に変換して回生させることができる。

また、ロック機構２０を開放状態して回転軸１４に対して第２ロータ１８が回転可能な状態（調整状態）でステータ１２のステータコイルに電流を流して回転磁界を形成することで、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）から回転軸１４へ出力トルクを発生させつつ、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）と第２ロータ１８との磁極の位相差を調整することができる。

このとき、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）及び第２ロータ１８に回転角センサ２４を設け、回転角センサ２４から出力される第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）の回転角及び第２ロータ１８の回転角を受けた制御装置１０８によって磁極の位相差の調整を行う。すなわち、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）と第２ロータ１８の磁極の位相差を調整する場合、まずロック機構２０を開放状態して回転軸１４に対して第２ロータ１８が回転可能な状態（調整状態）とする。調整状態において、ステータ１２のステータコイルの電流を流すことによって第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）と第２ロータ１８との磁極の位相差を変更する。そして、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）と第２ロータ１８との位相差が所望の値となった状態でロック機構２０を結合状態にして回転軸１４に第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）及び第２ロータ１８が固定された状態に戻すことができる。

従来の回転電機システムでは、図２（ａ）に示すように、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）の磁極の位相と第２ロータ１８の磁極の位相とが完全に一致する状態となり得る構成とされていた。これに対して、本実施の形態における回転電機システム１００では、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）と第２ロータ１８とを同極にした際に、図２（ｂ）に示すように、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）の磁極の位相と第２ロータ１８の磁極の位相とが完全に一致しないように構成される。例えば、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）の磁極の位相と第２ロータ１８の磁極の位相とが完全に一致した状態ではクラッチ機構が機能しないようにロック機構２０を構成し、少なくとも所定の位相角以上ずれた状態でしか第２ロータ１８が回転軸１４に固定されないようにする。

例えば、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）と第２ロータ１８とが完全に同相（同極）となった状態を０°とし、逆相（逆極）となった状態を１８０°とした場合、従来の回転電機システムでは０°～１８０°の位相範囲をとることが可能な構成としていたが、本実施の形態における回転電機システム１００では初期の位相角差γを４°とすると４°～１８０°の位相範囲で制御する。

これによって、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）と第２ロータ１８とが完全な同相（同極：０°）ではない初期の位相角差γだけ位相差を有する時において、回転軸１４に対して出力トルクを出力した状態を維持しつつ、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）が出力する出力トルクとは逆方向に第２ロータ１８を回転させる回動トルクを発生させることができる。なお、本発明では、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）と第２ロータ１８とが完全な同相（同極：０°）ではない初期の位相角差γだけ位相差を有する時をいわゆる同相（同極）時とする。以下、当該作用について説明する。

第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）に生じるトルクの電流進角特性をＴ１（Ｉ，θ）とし、第２ロータ１８に生ずるトルクの電流進角特性をＴ２（Ｉ，θ）とする。ここで、Ｉはステータ１２の電流実効値、θはステータ１２の電流進角（以下、電気角として示す）である。第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）と第２ロータ１８に対してステータ１２は共通であるので、電流実効値Ｉと電流進角θも共通である。

ロック機構２０を開放して回転軸１４に対して第２ロータ１８が回転可能な状態において、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）に対して第２ロータ１８を回転させる制御を行う場合について検討する。以下、いわゆる同相（同極）時における第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）に対する第２ロータ１８の初期の位相差角γ（以下、電気角として示す）、回転軸１４に対する第２ロータ１８の摩擦トルクＴｆとする。この状態で、第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）で出力できるトルクＴ１（Ｉ，θ）が出力トルクとなる。そして、第２ロータ１８に生ずるトルクＴ２（Ｉ，θ＋γ）が第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）のトルクＴ１（Ｉ，θ）と逆向きであり、かつ、トルクＴ２（Ｉ，θ＋γ）が摩擦トルクＴｆを超える値であれば第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）に対して第２ロータ１８を相対的に逆向きに回転させることができる。

なお、いわゆる同相（同極）時においてステータ１２のステータコイルに流す電流は、当該電流が発生させる磁束の中心が第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）の磁極の中心と第２ロータ１８の磁極の中心の間に位置するようにベクトル制御することが好適である。

以下、具体例を示す。回転電機システム１００のトルクが磁石トルク主体である場合、トルクＴの電流進角依存性は数式（１）で表される。ここで、Ｐｎは極対数、φａは磁石磁束、Ｉａは電流である。そこで、単純にトルクＴ＝Ｉｃｏｓθとおくとする。

第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）の磁力（軸長）が第２ロータ１８の磁力（軸長）の３倍であるとすると、それぞれのトルクの電流進角特性は第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）のトルクＴ１＝３Ｉｃｏｓ（θ）及び第２ロータ１８のトルクＴ２＝Ｉｃｏｓ（θ＋γ）と表すことができる。

図３は、いわゆる同相（同極）時における初期の位相差角γ＝１０°とした場合の第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）のトルクＴ１及び第２ロータ１８のトルクＴ２の関係を示す。この場合、電流進角θが８２°～９０°の範囲で摩擦トルクＴｆに打ち勝って第１ロータ１６（１６ａ，１６ｂ）に対して第２ロータ１８を逆方向に回転させることができる。

ここで、初期の位相差角γを大きくすることで電流進角の幅（上記例では８２°～９０°）を大きくすることができる。さらに、トルクＴ２を大きくすることができる。一方、初期の位相差角γを大きくすることで、いわゆる同相（同極）時における最大トルクが減少してしまう。

図４は、初期の位相差角γと回転電機システム１００が出力できる最大トルクとの関係を示す。例えば、トルクの減少を０．５％程度まで抑える必要がある場合に許容できる初期の位相差角γは１２°以下とすることが好適である。

１０ 筐体、１２ ステータ、１４ 回転軸、１６ 第１ロータ、１８ 第２ロータ、２０ ロック機構、２２ 軸受、２４ 回転角センサ、１００ 回転電機システム、１０２ 回転電機、１０４ 駆動回路、１０６ 電源、１０８ 制御装置。

Claims (4)

1. 周方向複数箇所に配置されたステータコイルを有するステータと、
   前記ステータに対して相対的に回転可能であり、互いに分離して配置された第１ロータ及び第２ロータと、を備え、
   前記第１ロータは、周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第１磁石を備え、前記第２ロータは、周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第２磁石を備え、
   前記第１ロータの前記第１磁石と前記第２ロータの前記第２磁石の周方向に沿った位相を変更可能であり、前記第１磁石と前記第２磁石との周方向に沿った磁極の位相が一致しない構成とされていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記第１ロータと前記第２ロータとがいわゆる同相時において前記第１ロータの前記第１磁石と前記第２ロータの前記第２磁石の周方向に沿った位相の差を示す位相差角γ、前記ステータコイルに流れる電流Ｉ、前記第１ロータ及び前記第２ロータに対する電流進角θ、前記第２ロータに対する摩擦トルクＴｆである場合、
   前記第１ロータに生ずるトルクＴ１（Ｉ，θ）と前記第２ロータに生ずるトルクＴ２（Ｉ，θ＋γ）とが逆方向であり、前記第２ロータに生ずるトルクＴ２（Ｉ，θ＋γ）が前記摩擦トルクＴｆを超える値を有する条件を満たすように前記第１磁石と前記第２磁石との周方向に沿った磁極の位相差角γとすることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１又は２に記載の回転電機であって、
   前記第１ロータと前記第２ロータとがいわゆる同相時において、前記第１ロータに対して前記第２ロータを相対的に回転させる際に、前記ステータコイルに流れる電流Ｉは、当該電流Ｉが発生させる磁束の中心が前記第１ロータの磁極の中心と前記第２ロータの磁極の中心の間に位置するように制御されることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の回転電機であって、
   前記第１ロータと前記第２ロータは、回転軸方向に互いに分割されていることを特徴とする回転電機。

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