JP3837851B2

JP3837851B2 - 同期回転機

Info

Publication number: JP3837851B2
Application number: JP19089297A
Authority: JP
Inventors: 裕章梶浦; 慶一郎伴在
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-07-16
Filing date: 1997-07-16
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2017-07-16
Also published as: JPH1141888A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、使用回転数範囲の広い電気自動車用の回転機に用いられる同期回転機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、モータの発生するトルクはロータからステータ側へ発生する磁束と、ステータ巻線に流れる電流により決定される。永久磁石型同期回転機の場合、ロータ磁束は永久磁石で作られ、永久磁石および磁気回路寸法により前記磁束が決定される。ステータ巻線に流れる電流は、低回転時にはオームの法則に従いステータ巻線への印加電圧をステータ巻線抵抗で除した分流れるが、回転数が上昇すると、ロータ磁束により巻線に反作用誘起電圧が印加電圧を打ち消す向きに発生するため、ステータ巻線に流れる電流が減少する。これによりモータとして駆動できる回転数は、逆起電圧が印加電圧以下までの回転数となる。（図１５）
そこで、一般にはステータ巻線にロータ磁束を打ち消す電流を流し反作用誘起電圧の発生を抑えることにより、高回転数域までモータ駆動することが可能となる。ただし、この時ステータ巻線に流れる電流は、トルク発生分のトルク電流Ｉq に加えて磁束打ち消し分の弱め界磁電流Ｉd （Ｉq 及びＩd の量は、ステータ巻線に流れる電流の量と、ロータ磁極位置に対する位相によって設定することができる。）が必要である。従って、高回転数域では磁石の磁束を打ち消すといった本来無駄な電流を流す必要があり、この分の銅損が効率を低下させるため、モータのＴ−Ｎカーブ（トルク−回転数カ−ブ）における効率マップは回転数の増加とともに急激に低下することとなる。また、磁束打ち消し電流は永久磁石に加わる反作用磁界となるため、高温での不可逆減磁に注意する必要があり、その防止のため永久磁石を厚くし高価な磁石量を増やす必要がある。
【０００３】
また、永久磁石形同期回転機を電気自動車用走行モータに適用する場合の問題の一つに、坂道下降時タイヤから回転機が回されるモードになったとき、回転機誘起電圧がそれに繋がる電力変換器素子の耐電圧以下になるように設定する必要がある。これにより回転機設計自由度が下がり、そのため必要以上に大きな体格の回転機或いは電力変換器が必要となってくる。
【０００４】
また、永久磁石形同期回転機を発電機として使用するとき、発電量の調整はステータ巻線からの反作用起磁力で制御する必要がある。この場合無制御の状態が出力最大となり安全上問題となるため、永久磁石同期形回転機は一般に発電機として使用されない。また永久磁石には常に反作用磁界が減磁界として加わり、不可逆減磁が生じ易い。
【０００５】
上記問題を解決する手段として特開平６ー３５１２０６号公報に示されるように、ハイブリッド励磁形の永久磁石形同期回転機が提案されている。これは永久磁石部と鉄心部を設けたロータを、ステータ側から直流励磁し、鉄心部をN 極またはS 極に励磁することで、ステータ上で永久磁石の磁束の方向を変えて、ステータ巻線に鎖交する量を調整することで誘起電圧量を制御している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法ではステータ内の磁束が電磁鋼板シートを貫通する方向に鎖交し、鉄損を増やすことになる。
そこで、本発明は、これらの問題点を解決するためになされたもので、永久磁石同期回転機の回転子側に界磁巻線を設け、永久磁石による回転子から固定子への磁束を調整することができる同期回転機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用する。
請求項１記載の構成によれば、磁性体よりなり、第１の回転子コアの突出部間の空間を覆う第２の回転子コアに、Ｎ極及びＳ極の磁極の表面から固定子に磁束を供給するように設けられた磁石を設けることで、第１の回転子コアの突出部間の空間に巻装される界磁巻線の広がりを第２の回転子コアにて抑えて耐遠心力強度を向上しつつ、かつ第２の回転子コアにて磁石の保持をおこなうことで、組付けが容易となる。
【０００８】
また、界磁巻線への電流量を調整することで、磁石から固定子への磁束量を増減させるものであり、例えば、発電機としての作動時には固定子への磁束量が制御可能なため、高効率な発電出力調整が容易に実現でき、一方モータ駆動時には、低回転数域で磁束量を増加し、高回転数域で磁束を減少させることで、固定子巻線への必要入力電流を抑えることができる。そのため回転機効率が向上し、更に小型の電力変換器が使用できる。
【０００９】
請求項２および３に記載の構成によれば、第２の回転子コアに複数の軸方向の穴を設けることで、磁石の保持を確実に行うことができる。
請求項４に記載の構成によれば、第２の回転子コアと固定子との間の径方向ギャップが、磁極中心部で最小かつ磁極両端部で最大かつその間が滑らかに変化する回転子コア形状を有することで、第２の回転子による固定子の磁束上の磁束を滑らかに変化させ、磁束の歪による磁気音と効率悪化を防ぐことができる。
【００１０】
請求項５に記載の構成によれば、第２の回転子コアは、第１の回転子コアの外周に設けられた円環状コアとすることで、第２の回転子コアの第１の回転子コアへの固定が簡単にできる。また、請求項６に記載の構成によれば、第２の回転子コアには、内径側でかつ軸方向に延びる複数の凹形状溝と第１の回転子コアの突出部との結合により固定できる。
【００１１】
請求項８に記載の構成によれば、第１の回転子コアは鉄塊であり、第２の回転子コアは磁性体よりなる薄板の積層体とすることで、交番磁界の影響を抑えることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１ないし図４に本発明の第１実施例を示す。
回転機１００は、フロントフレーム１９０内に固定された固定子に相当するステ−タ１１０と、フロントフレ−ム１９０およびエンドフレーム１９１で囲まれた空間内に設けられ、前記ステ−タ１１０の内側にエアギャップを介して回転可能に設けられた回転子に相当するロータ１２０とを有している。
【００１３】
ステータ１１０は、回転磁界を作る３相コイル１１１及び電磁鋼板を積層したステータコア１１２で構成され、ステータコア１１２は３相コイル１１１を挿入するスロット１１３、ティース１１４およびコアバック１１５により構成される。
ロータ１２０は、鉄心コア１２１、電磁鋼板を積層して構成された円環状の積層コア１２２、鉄心コア１２１から放射状に伸びた１６個の極部１２３（突出部）、これら極部１２３間の空間に巻装された界磁巻線１２４ならびに鉄心コア１２１が圧入されたシャフト１２５を有している。ここで、鉄心コア１２１および極部１２３により、第１の回転子コアを構成しており、円環状の積層コア１２２が第２の回転子コアを構成している。
【００１４】
シャフト１２５は、先端側にスプライン１２６、後端側にスリップリング１３２を有しており、このスリップリング１３２には、シャフト１２５内部に樹脂モールド等の絶縁部１３３を介して設けられているリード部１３４を介して界磁巻線１２４に接続されている。そして、スリップリング１３２上には、ブラシホルダ１３０によりブラシ１３１が摺動自在に設けられている。また、シャフト１２５は、フロントフレーム１９０およびエンドフレーム１９１に設けられたベアリング１９２、１９３により回転可能に支持されている。
【００１５】
なお、１９４は、ロータ１２０の回転位置を検出する回転位置センサである。そして、回転機１００の３相コイル１１１は電力変換器２００に、電力変換器２００はバッテリ３００に結線される。また、ブラシ１３１は界磁回路４００に、回転位置センサ１９４は信号処理回路５００に接続される。さらに、電力変換器２００、界磁回路４００、信号処理回路５００を制御する制御回路６００を有する。
【００１６】
図１は図２のＢ−Ｂ断面を示したものであり、積層コア１２２は円環状電磁鋼板を積層したもので、磁石挿入穴１２６が周方向に等間隔で設けられ、周方向に着磁された磁石１２８は鉄心コア１２１の軸方向長と同一の軸長を有し、隣り合う磁極が同極となるように挿入されている。また、隣り合う２つの磁石挿入穴１２６の周方向中央部内径側に軸方向に設けられた溝１２７が設けられている。
【００１７】
また、鉄心コア１２１はその中心軸より径方向に放射状に伸びた極部１２３を有し、極部１２３には界磁巻線１２４が図３および図４に示すように各極部１２３間の空間内に波巻きされている。そして、極部１２３と界磁巻線１２４との間および積層コア１２２内径側と界磁巻線１２４との間には絶縁材１２９が設けられ、それぞれ巻線、コア間の絶縁を確保している。なお、図３はロータ１２０のＰ矢視図であり、図４は巻線部外径側よりのＱ矢視図である。
【００１８】
そして、鉄心コア１２１の外径側には積層コア１２２が圧入される。このとき、溝１２７と極部１２３が係合することで積層コア１２２の鉄心コア１２１に対する軸方向への回動を防止でき、また積層コア１２２内周部により界磁巻線１２４を外周から押さえ込み、界磁巻線１２４の飛散を防止することができる。さらに、ステータ１１０とロータ１２０のエアギャップ磁気抵抗が互いの回転位置に対して正弦波状に滑らかに変化するように、積層コア１２２の外周は磁極単位で凸形状となっている。
【００１９】
そして、ロータ１２０外周はロータ１２０に挿入された磁石１２８により、Ｎ磁極、Ｓ磁極の各磁極を構成しているが、Ｎ磁極の磁束はＮ磁極側溝１２７と噛み合う極部１２３、鉄心コア１２１、Ｓ磁極側溝１２７と噛み合う極部１２３を通ってＳ磁極に短絡している。これにより、ステータ１１０側への有効磁束を分流、短絡し減少させている。
【００２０】
次に、磁気回路ブロックの磁気回路を図５に示す。ステータ１１０側の磁気抵抗Ｒｓ、エアギャップ磁気抵抗Ｒｇ，磁石部磁気抵抗Ｒｍ，短絡部磁気抵抗Ｒｒ，磁石起磁力Ｆｍ，界磁巻線起磁力Ｆｃとすると、ステータ側に流れる有効磁束量Φ１は次式で表わせる。
【００２１】
【数１】

各パラメータの設定により有効磁束量Φ１は任意に設定できる。例えば界磁巻線に電流を流さないとき（Ｆｃ＝０）、
Φ１０＝ＲｒＦｍ／（ＲｒＲｍ＋Ｒｍ（Ｒｇ＋Ｒｓ）＋（Ｒｇ＋Ｒｓ）Ｒｒ）
となり、短絡部磁気抵抗Ｒｒが小のときはΦ１０≒０となる。短絡部磁気抵抗Ｒｒは積層コア１２２、鉄心コア１２１円環部、極部１２３および各部材の接合部の磁気抵抗により決定されるため、前記各部の断面積および長さを設定することで、界磁巻線１２４に電流を流さない時の有効磁束量Φ１０を調整することができる。ここではロータ１２０からステータ１１０への磁路が構成磁性体のＢ−Ｈカーブ線形領域で使用できる様、磁束密度を１T 以下に設定する。界磁巻線に通電した場合は、界磁巻線起磁力Ｆｃ分の磁束Φ１c
【００２２】
【数２】
Φ１c ＝ＲｍＦｃ／（ＲｒＲｍ＋Ｒｍ（Ｒｇ＋Ｒｓ）＋（Ｒｇ＋Ｒｓ）Ｒｒ）
が加算され、有効磁束量Φ１１は
【００２３】
【数３】
Φ１１＝Φ１０＋Φ１c
となり、界磁巻線通電電流により有効磁束量を調整することが可能である。
次に、本発明の回転機を例えば電気自動車用走行モータの様な広範囲の使用回転数域のモータに適用した場合について記載する。
【００２４】
弱め界磁制御が不要なモータ低回転数域においては、界磁巻線への通電電流を増加し、作用磁束量Φ１を増加する。モータ発生トルクは作用磁束量Φ１とトルク電流に比例するため、作用磁束量Φ１を増加することでステータ巻線に流れるトルク電流を低減することが可能である。また、反作用誘起電圧が印加電圧を超えるため、モータ駆動に弱め界磁制御が必要な高回転数域においては、界磁巻線への通電電流をゼロとし磁石による磁束Φ１０のみにすることで、トルク電流とは別な本来必要無い弱め界磁電流を減少させることができる。これにより、ステータ最大電流を減らすことができるため、巻線部の発熱が抑えられ回転機の小型化が可能となる。また、電力変換器の電流容量も低減することができるため、電力変換器の小型化と低コスト化が実現可能である。更に界磁巻線部の銅損はステータ巻線の銅損に比べてわずかであるため、本発明のような界磁巻線部で弱め界磁を行う制御方法は、ステータ巻線のみからの弱め界磁を行う従来の永久磁石式回転機の制御方法に比べて銅損が少ないため効率が良い。
【００２５】
また一般にステータ巻線はスロットに集中的に巻装されるため、例えステータ巻線に歪のない正弦波電流が流れた場合でも、ある瞬間を見れば、ステータ内周およびロータ外周間のエアギャップにおけるステータ側からロータ側への発生界磁（ステータ界磁）は、ステータの周方向位置に対して空間的に階段状である。この階段状磁界により例えば空間的に正弦波分布をしたロータ磁界を打ち消す場合、ロータ磁界の波長に相当する基本波レベルで打ち消せてもその差の高調波磁界が残り、これがエアギャップ、ステータコアおよびロータコアに交番する高調波磁束となる（図６）。この高調波磁束は周波数が高いことからステータ鉄損及びロータ表面鉄損を大幅に増加する原因となり好ましくない。これに対し本発明では、ロータからの起磁力を直接減らす制御法であるため、ステータ巻線の弱め界磁電流がわずか或いはゼロでよい（但しステータ巻線にはトルク電流分の電流は流れている）ため高調波磁束の発生が抑えられ、それによるステータおよびロータ表面に発生する鉄損を最小限に抑えることが可能である。
【００２６】
また、界磁巻線起磁力Ｆｃ＝０のときの有効磁束量Φ１０を有効磁路内構成部材磁気特性のＢ−Ｈカーブの線形領域で設定した理由は、有効磁束量Φ１０による反作用誘起電圧が印加電圧以上となる高回転数域でモータ駆動する必要が生じたとき、ステータからの弱め界磁に必要なステータ電流を最小限に抑えることが可能であるためである。図７において説明すると、ステータ磁界により有効磁束をΦ１からΦ２に減少させる場合、Ｂ−Ｈカーブが線形であるときの必要ＡＴをＡＴa ，非線形であるときの必要ＡＴをＡＴb とするとＡＴa ＜ＡＴb となって、ステータ巻線の巻数が同じである場合、その差はステータ巻線電流の差となるためである。
【００２７】
図８に示すように、従来の永久磁石式回転機をモータとして動作させた時のＴ−Ｎカーブにおける効率マップに対して、本発明の回転機を上記制御方法にて駆動した場合のＴ−Ｎカーブにおける効率マップは図９のようになり、効率マップ上の最大効率範囲が拡大する。
本発明の回転機を車両用発電機として使用する場合は、Φ１０を車両用常用負荷のレベルに設定しておき、それ以上の出力が要求されるときのみ界磁巻線に通電すれば、界磁巻線の銅損が低減でき高効率の発電が可能である。
【００２８】
従来、ロータからの界磁をコントロールできる同期回転機として突極形同期機、クローポール形同期機があげられる。両者は共に界磁巻線のみにより、有効磁束を得ており、必要最小限を界磁巻線で補う本発明に対して界磁巻線での抵抗損が大きくなる。また、クローポール形同期機に対しては、ロータ磁極表面が積層電磁鋼板により構成されるため、ロータ磁極表面での鉄損を抑えることが可能である。
【００２９】
図１０に本発明回転機の第２実施例を示す。図１０は第１の実施例に対してロータ磁極数を６極と減らしたものである。磁極数が少ない場合に第１の実施例の様な波巻き界磁巻線を適用すると、鉄心コア１２１ａの軸方向からの巻線のはみ出しが多くなりロータ体格が大きくなる。そこで、第２実施例では、界磁巻線１２４ａを図１１の様な２層の波巻きとすることで巻線のはみ出しを抑えることが可能となる。
【００３０】
図１２に本発明回転機の第３実施例を示す。この第３実施例では予め集中巻された界磁巻線１２４ｂを極部１２３ｂの外径側より挿入したものである。集中巻することで巻線の占積率が向上すると共に、鉄心コア１２１ｂ軸方向からの巻線のはみ出しを極力抑えることが可能となる。積層コア１２２ｂは内径側に磁石１２８ｂが挿入された突出部を有し、隣り合う２つの界磁巻線１２４ｂ間のデッドスペースに入り込むことで界磁巻線１２４ｂを外径側より拘束しロータ回転による界磁巻線１２４ｂの飛び出しを防止することが可能となる。なお、界磁巻線１２４ｂと積層コア１２２ｂ間には絶縁材１２９ｂが設けられ、絶縁が確保されている。
【００３１】
図１３に本発明回転機の第４実施例を示す。図１３は第３実施例の積層コアを１磁石ごと分割して積層コアを構成する電磁鋼板の歩留りを向上したものである。
つまり、分割積層コア１２２ｃの中央部には磁石挿入穴１２６ｃが設けられ、周方向に着磁された磁石１２８ｃが挿入されている。分割積層コア１２２ｃは隣り合う磁石磁極が同極となる様に鉄心コア１２１ｃの極部１２３ｃ間に配置され、極部１２３ｃに楔状のかん合部で結合され一体のロータとなる。
【００３２】
なお、第２、第３、第４実施例において、磁石の磁束をロータ内にて短絡する原理、有効磁路に有効磁束を発生する原理および基本効果については第１実施例と同様である。
図１４に本発明回転機の第５実施例を示す。図１４は第１の実施例の積層コアに挿入される磁石を廃止したものである。この場合、積層コア１２２ｄに軸方向に貫通された穴１２６ｄを設けることによって界磁巻線１２４ｄにより発生する磁束の積層コア１２２ｄ内の漏れを減少させ、固定子１１０ｄへの磁束量を確保することが可能となる。
なお第１ないし第５実施例に記載の鉄心コア１２１ａ〜１２１ｄは積層鋼板もしくは鍛造鉄心のどちらでもよい。
【００３３】
以上説明した様に、本発明によれば、埋込み磁石形回転子の中に有効磁束をコントロール可能な界磁巻線を設けることにより、回転機の全回転数領域において効率最大となる制御が可能となる。また、界磁巻線を外径部より積層コアで拘束する構造であるため耐遠心力強度を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る回転機の縦断面図である。
【図２】第１実施例に係る回転機の横断面図である。
【図３】図２におけるＰ矢視図である。
【図４】図３におけるＱ矢視図である。
【図５】回転機の磁気回路を説明する回路図である。
【図６】各部の磁界を表すための特性図である。
【図７】Ｂ−Ｈカ−ブを表す特性図である。
【図８】従来の回転機のトルク−回転数の関係を表す特性図である。
【図９】本発明の回転機のトルク−回転数の関係を表す特性図である。
【図１０】本発明の第２実施例に係る回転機の縦断面図である。
【図１１】図１０におけるＱ矢視図である。
【図１２】本発明の第３実施例に係る回転機の縦断面図である。
【図１３】本発明の第４実施例に係る回転機の縦断面図である。
【図１４】本発明の第５実施例に係る回転機の縦断面図である。
【図１５】従来の永久磁石式回転機におけるトルク−回転数の関係を表す特性図である。
【符号の説明】
１００回転機
１１０ステ−タ
１２０ロ−タ
１２１鉄心コア
１２２積層コア
１２３極部（突出部）
１２４界磁巻線
１２６磁石挿入穴
１２８磁石

Claims

固定子巻線が巻装された固定子と、
磁性体よりなり、径方向外周側に延びる複数の突出部を有する第１の回転子コアと、
磁性体よりなり、前記第１の回転子コアの突出部間の空間を覆う第２の回転子コアと、
この第２の回転子コアにＮ極及びＳ極の磁極の表面から前記固定子に磁束を供給するように設けられた磁石と、
前記第１の回転子コアの突出部間の空間に巻装される界磁巻線とを備え、
前記第１の回転子コアは、前記第２の回転子コアのＮ極及びＳ極を前記第１の回転子コア内径側で磁気的に短絡すると共に、
前記界磁巻線は前記第１の回転子コアに流れる磁束量を制御するようにしたことを特徴とする同期回転機。
前記第２の回転子コアに複数の軸方向の穴を設けると共に、
前記磁石は前記穴に挿入することで、前記第２の回転子コア上にＮ極及びＳ極の磁極を構成したことを特徴とする請求項１に記載の同期回転機。
前記第１の回転子コアには、この第１の回転子コアを回転自在に支持するシャフトを有し、かつ
前記第２の回転子コアの穴は、前記シャフトの軸から放射状に伸びた矩形穴であり、
前記第２の回転子コアの磁極は、前記穴間に形成されると共に、
前記矩形穴の外径側及び内径側に設けられた前記磁極間を接続する接続部とを有し、
着磁の方向が前記第２の回転子コアに周方向に沿い、かつ隣り合う前記磁石の対向し合う極が同極となるように挿入されたことを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の同期回転機。
前記第２の回転子コアと前記固定子との間の径方向ギャップが、前記磁極中心部で最小かつ前記磁極両端部で最大かつその間が滑らかに変化する回転子コア形状を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の同期回転機。
前記第２の回転子コアは、前記第１の回転子コアの外周に設けられた円環状コアであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の同期回転機。
前記第２の回転子コアには、内径側でかつ軸方向に延びる複数の凹形状溝を有し、
前記第１の回転子コアの突出部と前記凹形状溝の結合により前記第１の回転子コアと前記第２の回転子コアを固定することを特徴とする請求項５に記載の同期回転機。
前記第２の回転子コアは、前記第１の回転子コアに互いに拘束固定される楔状コアであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の同期回転機。
前記第１の回転子コアは鉄塊であり、前記第２の回転子コアは磁性体よりなる薄板の積層体であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の同期回転機。
前記界磁巻線は前記第１の回転子コアの外径側より巻装された波巻巻線であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の同期回転機。