JP2022142631A

JP2022142631A - 回転電機

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Publication number: JP2022142631A
Application number: JP2021042880A
Authority: JP
Inventors: 健二平本; Kenji Hiramoto; 雅史難波; Masafumi Namba; 紀男米澤; Norio Yonezawa; 信也浦田; Shinya Urata; 宏之服部; Hiroyuki Hattori; 大和西嶋; Yamato Nishijima
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2022-09-30
Anticipated expiration: 2041-03-16
Also published as: JP7534995B2

Abstract

【課題】容易にロータの極数切り換えを行う。
【解決手段】所定の磁界を形成するステータ２２と、内径部に所定数の内ロータ磁極が形成され、外径部に内径部とは異なる数の外ロータ磁極が形成されるロータ４０と、ステータコアおよび前記ロータの側方に位置する界磁ヨーク３２と、ロータ４０とステータ２２と前記界磁ヨーク３２により形成される経路を周回する界磁磁束を発生させる界磁コイル３４と、を有する。界磁コイル３４に一方向の直流電流を流すことで内ロータ磁極からの磁界を打ち消し、界磁コイルに他方向の直流電流を流すことで外ロータ磁極からの磁界を打ち消して、ロータの磁極数を切り換え可能とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁極数（極数）切り換えが可能な回転電機に関する。

ロータ極数を増加し、磁気ギア効果によって、トルクを増加する表面磁石バーニアモータが知られている。このモータは、３相コイルが生成する基本波回転磁界ではなく、スロット数と極数に応じた高調波回転磁界を活用する。高調波回転磁界は、回転速度が遅いため、基本波回転磁界を活用するモータに比べると、３相コイルに通電する電流の駆動周波数を増加させる必要がある（５次高調波を活用する場合、駆動周波数は５倍）。その結果、低速域でトルクが増加できるが、駆動周波数の限界から、高速回転できず出力増加に限界がある。

基本波と高調波を切り換える、すなわち極数切り換えができれば、高トルクと高出力の両立が実現できる。そこで、極数切り換えができるモータについての提案があり、極数を変更する技術としていくつかの手法がある。

特許文献１～３ではロータの着磁を変更し、特許文献４ではロータ磁石を機械的に移動し、特許文献５，６ではステータの相数を変更して、極数を切り換えている。

特開２０１５－１６３０２８号公報特開２０１４－１６８３２０号公報特開２０１４－１６８３３１号公報特開２０１２－１３０２２３号公報特開平８－２２３９９９号公報特開２０１２－９５４１０号公報

ロータの着磁を変更するためには、瞬間的なパルス電流を通電する必要があり、３相電流を供給するインバータが大型化する。

ロータ磁石を機械的に移動させるためには、その移動機構およびアクチュエータが必要になり大型化する。

ステータの相数変更のためには、３相以上の多相インバータが必要になるため、インバータが大型化する。

本発明では、アクチュエータの追加や、３相電流を供給するインバータを大型化させずに、極数切り換えが実現できるモータを提供する。

本発明に係る回転電機は、複数のステータスロットを有するステータコアと、ステータスロットに配置される３相コイルを有し、所定の磁界を形成するステータと、内径部に所定数の内ロータ磁極が形成され、外径部に内径部とは異なる数の外ロータ磁極が形成されるロータと、前記ステータコアおよび前記ロータの側方に位置する界磁ヨークと、前記ロータと前記ステータと前記界磁ヨークにより形成される経路を周回する界磁磁束を発生させる界磁コイルと、を有し、界磁コイルに一方向の直流電流を流すことで内ロータ磁極からの磁界を打ち消し、界磁コイルに他方向の直流電流を流すことで外ロータ磁極からの磁界を打ち消して、ロータの磁極数を切り換え可能とする。

前記ロータは、外径部に円周方向に第１の間隔をおいて配置した永久磁石と永久磁石間に形成された突極を有し、内径部に円周方向に第２の間隔をおいて配置した永久磁石と永久磁石間に形成された突極を有するとよい。

前記第１の間隔が、前記第２の間隔より狭く、外径部の磁極数が内径部の磁極数より大きいとよい。

前記ステータによって、基本波と、高調波が生成され、前記内ロータ磁極または外ロータ磁極の一方の磁極数が基本波による磁極数に対応し、前記内ロータ磁極または外ロータ磁極の他方の磁極数が高調波の磁極数に対応しているとよい。

低速域では、高調波が大きくなるように界磁電流を調整し、高速域では、基本波が大きくなるように界磁電流を調整するとよい。

本発明によれば、界磁コイルへ流す電流の方向を切り換えるだけで、ロータの極数切り換えが行える。従って、アクチュエータの追加や、３相電流を供給するインバータを大型化させずに、極数切り換えが実現できる。

実施形態に係る回転電機（モータ）を含む回転電機システムを示す回路図である。モータ２０についてその回転軸を通る面での断面図である。モータ２０の分解図を含む全体構成を示す図である。モータ２０についてその回転軸と直交する面での断面図である。ロータ４０およびステータ２２について周方向１／４の構成を示す図である。図５に構成における、界磁電流磁束の状態を示す図である。図５の構成において、界磁電流を０とした状態の磁束の状態を示す図である。ロータ４０、ステータ２２、および界磁ヨーク３２の軸方向断面（半分）を示す図である。図６において、界磁電流＋を流したことによる磁束の状態を矢印で示す図である。図８の界磁電流＋が流れた状態の磁束の状態を示す図である。図８の界磁電流－が流れた状態の磁束の状態を示す図である。界磁電流－を流したことによる磁束の状態を示す図である。図８の界磁電流－が流れた状態の磁束の状態を示す図である。シミュレーションにより、界磁電流を変化させたときの無負荷鎖交磁束の時間波形を示す図であり、（ａ）は界磁電流マイナス（－）、（ｂ）は界磁電流０、（ｃ）は界磁電流（＋）を示す。図１４における基本波と５次高調波の振幅を示す図である。シミュレーションにより、基本波駆動と、５次高調波駆動についての、回転数－トルク特性を計算した結果を示す図である。

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。

「システム構成」
図１は、実施形態に係る回転電機を含む回転電機システムを示す回路図である。なお、実施形態では、電気エネルギーと機械エネルギーの変換を行う回転電機についてモータと称する。

直流電源１０は、例えばリチウムイオン電池などの二次電池であり、その出力は３相インバータ１２に接続される。３相インバータ１２は、モータ２０に接続されている。このモータ２０は、永久磁石モータであり、ステータ２２はスター接続の３相ステータコイル２４（２４ｕ，２４ｖ，２４ｗ）を有し、３相インバータ１２の３つの出力がステータコイル２４ｕ，２４ｖ，２４ｗの一端に接続されており、ステータコイル２４ｕ，２４ｖ，２４ｗの他端は中性点で共通接続されている。３相インバータ１２により所定の３相交流がステータコイル２４ｕ，２４ｖ，２４ｗに供給され、これによって生じる回転磁界に応じてロータが回転する。

そして、直流電源１０には、界磁回路３０を介し、界磁コイル３４が接続されている。界磁回路３０から供給される直流電流によって、界磁コイル３４によって所定の磁界がステータおよびロータに印加され、これによって後述するようなロータの磁極数（以下、極数という）切り換えが行われる。

「モータ２０の構成」
図２は、モータ２０についてその回転軸を通る面での断面図である。モータ２０は、円筒状のロータ４０と、ロータ４０を、ギャップを介して取り囲むように配置された円環状のステータ２２を有する。そして、ロータ４０の中心には回転軸２８がロータ４０を貫通するように配置されている。

ロータ４０には、複数の永久磁石が周方向に離散的には配置されており、これによってその外周に沿って複数の磁極が形成されている。ステータ２２は、ステータコア２２ａと、ステータコア２２ａのスロットに配置されて、スロット間のティースに巻回された複数相のステータコイル２４を有している。図においては、ステータコイル２４のコイルエンドが示してある。

そして、本実施形態では、ロータ４０と、ステータ２２の軸方向の両側端面を覆うように界磁ヨーク３２が設けられている。この界磁ヨーク３２は、中央部が開いた円環状であり、かつステータコイル２４のコイルエンドを避けるようにロータ４０およびステータ２２から離れる方向に向けて凹んだ円環状の凹部３２ａを有している。この凹部３２ａのステータコイル２４のコイルエンドの径方向内側には、円環状に巻回された界磁コイル３４が収容されている。

図３は、モータ２０の分解図を含む全体構成を示す図である。このように、ステータ２２の軸方向の両側に界磁ヨーク３２が配置される。界磁ヨーク３２は、凹部３２ａを有しており、凹部３２ａの比較的内側に円環状に巻回された界磁コイル３４が配置されている。

図４は、モータ２０についてその回転軸と直交する面での断面図である。この図においては、界磁ヨーク３２は見えていない。ステータコア２２ａは、外周側のヨーク２２ａ－１と、ヨーク２２ａ－１から内方に周方向等間隔で突出するティース２２ａ－２とを有する。隣接するティース２２ａ－２の間がスロットであり、ここにステータコイル２４が挿入されている。

ロータ４０には、磁極を構成するために、複数の永久磁石が配置されている。まず、外周部には、外ロータ磁極を構成する第１磁石４２が等間隔（第１の間隔）で配置され、隣接する第１磁石４２間が第１突極４４となっている。この例では、２０個の第１磁石４２が設けられ、例えば第１磁石４２がＮ極であればここがＮ極となり、第１磁石４２間の第１突極４４は界磁電流の正負に応じた極性（Ｎ,Ｓ）になる。

また、ロータ４０には、内ロータ磁極を構成する第２磁石４６が等間隔（第２の間隔）で配置されている。この第２磁石４６は、略円弧状（外向きのハの字状）の磁石孔４６ａ，４６ｂに挿入された複数（図においては２つ）の永久磁石から構成されている。円周方向に等間隔で４か所に設けられた第２磁石４６によって、４つの磁極が形成され、周方向に隣接する第２磁石４６間が４つの第２突極４８となっている。例えば、第２磁石４６による磁極がＳ極であればここがＳ極となり、第２突極４８は界磁電流の正負に応じた極性（Ｎ，Ｓ）になる。

「極数切り換え」
＜界磁電流０＞
図５は、ロータ４０およびステータ２２について周方向１／４の構成を示す図である。この場合電気角３６０度分であり、６個のティース２２ａ－２に巻回される３相のステータコイル２４ｕ，２４ｖ，２４ｗの１セットが設けられている。ロータ４０は、５個の第１磁石４２およびその間の第１突極４４と、１つの第２磁石４６およびその間の第２突極４８が位置する。

図６には、図５に構成における、界磁電流磁束の状態を示してある。第１磁石４２は、それぞれＮ極となり、その間の第１突極４４が磁束０となる。また、第２磁石４６はＳ極となり、その間の第２突極４８は磁束０となる。

図７には、図５の構成において、界磁電流を０とした状態の磁束の状態を示してある。このように、５つの第１磁石４２により、５つのＮ極が形成される。また、第２磁石４６により、１つのＳ極が構成される。界磁電流が０でありその磁束がないため、第１磁石４２と、第２磁石４６の両方の磁束を足し合わした合計の磁束は、第１磁石４２による磁束が第２磁石４６による磁束によってシフトした形になる。

＜界磁電流＋＞
図８は、ロータ４０、ステータ２２、および界磁ヨーク３２の軸方向断面（半分）を示す図である。界磁コイル３４は、回転軸２８を回る円環状であり、ここに界磁電流（界磁電流＋）として一方向の直流電流が流れる。図における黒丸が紙面手前に向けて流れることを示し、×が紙面奥向きに流れることを示している。軸方向の両側の界磁コイル３４において反対方向の電流が流れる。

これによって、図に矢印で示すように、ロータ４０から界磁ヨーク３２、ステータ２２を回ってロータ４０に戻る界磁電流磁束が形成される。

図９には、図６において、界磁電流＋を流したことによる磁束の状態を矢印で示してある。この場合、第１磁石４２間の第１突極４４を磁束が通過することになるが、第２突極４８においては、第２磁石４６がないので界磁電流磁束が比較的大きくなり、一方第２磁石４６が配置された部分においては第２磁石４６があるため磁束が通りにくく、その部分の磁束は小さくなる。

図１０には、図８の界磁電流（界磁電流＋）が流れた状態の磁束の状態を示してある。このように、５つの第１磁石４２および１つ第２磁石４６により形成される磁束は変化ないが、界磁電流磁束が新たに加わっている。

この界磁磁束は、Ｓ極を形成するものであり、磁石の部分で通りにくいため、磁石のない第１突極４４と第２突極４８の両方を通る経路が最も磁束が大きくなる。次に、第１突極４４と第２磁石４６を通る経路、その次に第１磁石４２と第２突極４８を通る経路、そして一番小さいのが第１磁石４２と第２磁石４６を通る経路となる。

そして、これらの磁束を合計すると、第１磁石４２による磁束を大きく引き伸ばし、Ｓ側にシフトしたような磁束になる。

＜界磁電流－＞
図１１は、図８の界磁電流マイナス（－）が流れた状態の磁束の状態を示す図である。界磁電流―によって、図８の場合とは反対方向（他方向）の界磁電流磁束が形成される。

図１２には、界磁電流－を流したことによる磁束の状態を矢印で示してある。この場合、図９と磁束の方向は反対となるが、磁束の大きさについては、同じになる。

図１３には、図８の界磁電流（界磁電流－）が流れた状態の磁束の状態を示してある。このように、５つの第１磁石４２および１つ第２磁石４６により形成される磁束は変化ないが、界磁電流磁束が図１０の場合とは反対方向になり、Ｎ極を形成する磁束になる。

そして、これらの磁束を合計すると、第２磁石による磁束を大きく引き伸ばし、Ｎ側にシフトしたような磁束になる。

＜まとめ＞
このように、界磁コイル３４に界磁電流＋を流すことで、第１磁石４２の磁束と同様の磁束が得られ、界磁コイル３４に界磁電流－を流すことで、第２磁石４６の磁束と同様の磁束が得られる。

従って、界磁コイル３４に流す直流電流の方向により、ロータにおける極対数を５×４＝２０（４０極）と、１×４＝４（８極）に切り換えることができる。

図２～４に示すステータ２２は、２４スロットで、８極の基本波回転磁界と４０極の高調波回転磁界を生成する３相コイルと、環状の界磁コイル３４を有する。ロータ４０は４０極を形成する第１磁石４２と、８極を形成する第２磁石４６を有する。そして、界磁電流磁束が流れることで磁化される第１突極４４をロータ４０表面に有し、界磁電流が流れることで磁化される第２突極４８をロータ４０の内径部に有する。

従って、ステータ２２において、８極の基本波回転磁界と４０極の高周波回転磁界を生成し、界磁電流マイナス（－）を界磁コイル３４に流すことで、ロータ極数８極での基本波駆動が行え、界磁電流プラス（＋）を界磁コイル３４に流すことでロータ極数４０極での５次高調波駆動を行うことができる。

すなわち、界磁コイル３４に流す直流電流の方向を切り換えることで、ロータ４０の極数を、基本波駆動と５次高調波駆動の極数に切り換えることができ、それぞれの回転磁界でトルクを発生できる。

「鎖交磁束波形」
図１４は、シミュレーションにより、界磁電流を変化させたときの無負荷鎖交磁束の時間波形を示す図であり、（ａ）は界磁電流マイナス（－）、（ｂ）は界磁電流０、（ｃ）は界磁電流（＋）を示す。また、図１５は、そのときの基本波と５次高調波の振幅を示す図であり、図中丸印●は、界磁電流マイナス（－）、四角印□は、界磁電流プラス（＋）を示す。

このように、界磁コイル３４に界磁電流マイナス（－）を流すと、基本波が増加してその波形が主となり、界磁電流プラス（＋）の界磁電流を流すと５次高調波が増加してその波形は主となる。

「極数について」
上述の実施形態では、ステータ２２のスロットで８極の３相コイル（ステータコイル２４）に対して、ロータ４０を８極（基本波）と４０極（５次高調波）の極数切り換えをしたが、スロット数、３相コイルの極数とロータの極数が以下の関係を満たせば、上述した極数切り換えを行うことができる。
Ｚ_２＝Ｚ_１±ｐ
Ｚ_１：ステータスロット数
Ｚ_２：ロータ外径部の極対数
ｐ：３相コイルの極対数（ロータ内径部の極対数）

上述の実施形態は、Ｚ_１＝２４，Ｚ_２＝２０，ｐ＝４であり、界磁電流によりＺ_２とｐとの切り換えが可能になっている。

「出力トルクについて」
図１６は、シミュレーションにより、基本波駆動と、５次高調波駆動についての、回転数－トルク特性を計算した結果を示す図であり、界磁電流マイナス（－）を流し、３相コイルにロータ回転と同期する駆動周波数の３相電流を流したときの特性（基本波駆動）と、界磁電流プラス（＋）を流し、３相コイルにロータ回転に対し５倍の駆動周波数の３相電流を流したときの特性（５次高調波駆動）である。

これより、界磁電流の電流方向の切り換えにより、低速域での高トルクと、高速域での高出力が両立できることが確認できる。

「その他」
ここで、５次高調波回転磁界の回転方向は、基本波回転磁界の回転方向（ロータ回転方向と一致）とは逆になるため、５次高調波駆動の電流指令値の回転方向は、基本波駆動時の回転方向とは逆方向である。また、基本波駆動における最高回転数における駆動周波数を、駆動周波数の上限とすると、５次高調波駆動の場合には、基本波駆動に対して１／５の回転数までしか駆動できない。

「本実施形態の効果」
本実施形態によれば、界磁コイル３４の界磁電流を調整する（方向を切り換える）ことで、ロータ４０の作る磁束のギャップ中の磁束密度分布について、基本波と高調波（例えば５次高調波）を切り換えることができる。

従って、高調波を増加させ、ステータコイル２４の駆動電流の周波数をロータ同期周波数に対して増加させることで、磁気ギア効果により高トルクにできる。一方、基本波を増加させることで、ステータコイル２４の駆動電流の周波数がロータ同期周波数になるので、高速回転でき、高出力にできる。

１０直流電源、１２３相インバータ、２０モータ、２２ステータ、２４ステータコイル、２８回転軸、３０界磁回路、３２界磁ヨーク、３４界磁コイル、４０ロータ、４２第１磁石、４４第１突極、４６第２磁石、４８第２突極。

Claims

複数のステータスロットを有するステータコアと、ステータスロットに配置される３相コイルを有し、所定の磁界を形成するステータと、
内径部に所定数の内ロータ磁極が形成され、外径部に内径部とは異なる数の外ロータ磁極が形成されるロータと、
前記ステータコアおよび前記ロータの側方に位置する界磁ヨークと、
前記ロータと前記ステータと前記界磁ヨークにより形成される経路を周回する界磁磁束を発生させる界磁コイルと、
を有し、
界磁コイルに一方向の直流電流を流すことで内ロータ磁極からの磁界を打ち消し、界磁コイルに他方向の直流電流を流すことで外ロータ磁極からの磁界を打ち消して、ロータの磁極数を切り換え可能とする、
回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、
前記ロータは、外径部に円周方向に第１の間隔をおいて配置した永久磁石と永久磁石間に形成された突極を有し、内径部に円周方向に第２の間隔をおいて配置した永久磁石と永久磁石間に形成された突極を有する、
回転電機。
請求項２に記載の回転電機であって、
前記第１の間隔が、前記第２の間隔より狭く、外径部の磁極数が内径部の磁極数より大きい、
回転電機。
請求項１～３のいずれか１つに記載の回転電機であって、
前記ステータによって、基本波と、高調波が生成され、前記内ロータ磁極または外ロータ磁極の一方の磁極数が基本波による磁極数に対応し、前記内ロータ磁極または外ロータ磁極の他方の磁極数が高調波の磁極数に対応している、
回転電機。
請求項１～４のいずれか１つに記載の回転電機であって、
低速域では、高調波が大きくなるように界磁電流を調整し、高速域では、基本波が大きくなるように界磁電流を調整する、
回転電機。