JP4483899B2

JP4483899B2 - アキシャルギャップ型回転電機の交流制御装置

Info

Publication number: JP4483899B2
Application number: JP2007164089A
Authority: JP
Inventors: 孝志福重
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2027-06-21
Also published as: US7876063B2; CN101330267A; EP2006999A2; EP2006999B1; JP2009005502A; CN101330267B; US20080315818A1; EP2006999A3

Description

本発明は、ステータとロータとを軸線方向で対向配置したアキシャルギャップ型回転電機に関し、ロータが軸線方向に変形する面モード振動を防止乃至軽減する制御に関するものである。

電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車などの動力源として搭載される交流回転電機は大出力に設計されるため、このような大出力交流回転電機から発生する磁気音が問題となる。また、交流回転電機の使用回転数領域が、低回転数領域から高回転数領域まで幅広いため、交流回転電機のロータ回転に伴うロータの振動が問題となる。このような問題を解消する発明としては従来、例えば特許文献１に記載のごときものが知られている。
特許文献１に記載の技術は、多相の交流回転電機の電機子コイルを流れる多相交流電流につき、基本周波数成分の次数を１とする場合に、前記基本周波数成分に対して逆の相順をもつｎ−１次（ｎは自然数）の高調波成分を前記多相交流電流に重畳することにより、ｎ次の磁気音を増加または低減するというものである。このような特許文献１に記載の技術によれば、交流回転電機に発生する径方向磁気加振力のうちｎ次の高調波成分を減衰させることができるというものである。特許文献１に記載の技術を適用可能な交流回転電機のロータのみを図１３の斜視図に示す。図１３中、Ｒはロータ、Ｓはシャフト、矢は径方向磁気加振力の向きを示す。図１３の斜視図に示す交流回転電機は、図示しないステータが、ロータＲの外周を、径方向に開いた隙間であるエアギャップ（ラジアルギャップ）を介して包囲するラジアルギャップ型回転電機である。
特開２００５−３０４２３７号公報

ところで近年、モータのトルク密度を向上させるべく、ロータとステータとを軸線方向に対向配置したアキシャルギャップ型回転電機を多極化する研究を本願出願人は鋭意進めている。具体的には図１の斜視図に示すように、ロータ１の軸線（一点鎖線）方向厚みを薄くし、径方向（一点鎖線に直角な方向）長さを大きくし、ロータ１に複数の永久磁石を周方向に多数配設してロータ１の極数を多くするというものである。あるいは、図１に示すような円盤形状のロータを２枚具え、これら２枚のロータを共通する軸に取り付けて、これら２枚のロータ間にステータを配設した２ロータ１ステータ方式にするというものである。

このようなアキシャルギャップ型回転電機で特に問題となる特有の振動は、ロータが図１に矢で示す軸線方向に変形する面モード振動である。理解を容易にするため、２ロータ１ステータ方式のアキシャルギャップ型回転電機を例に、この面モード振動を誇張して図２に例示する。図２中、１はロータであり、低次の面モード振動により変形中である。なお図には例示しなかったが、面モード振動は高次であるほど、屈曲箇所が多くなる。図１に示したロータの振動は、２次モードの面モード振動であり、ロータが鞍型に変形する．２はロータ１の軸である。３はロータ１のエアギャップ表面に貼り付けた永久磁石であり、永久磁石３は周方向に複数配設され、永久磁石３の数が極数となる。回転電機のトルク密度が向上するほど、図２に示すような、軸３の軸線に直角な平面から見てロータ２が変形する低次の面モード振動が顕著になるという問題があった。具体的には、１次〜４次程度の面モード振動が問題となる．

しかし、上記従来のような引用文献１の技術をこのような多極化されたアキシャルギャップ型回転電機に適用する場合、以下に説明するような問題を生ずる。つまり上記従来の技術では、ロータの多極化により次数ｎが高くなるとｎ−１次の高調波を生成しなければならないところ、高次の高調波は制御が困難であって高調波の周波数が制御可能な周波数を上回ってしまい、実際には引用文献１の技術を多極化されたモータに適用することは大きく制限されていた。したがってアキシャルギャップモータ特有の面モード振動を解消することができない。

しかも、引用文献１の技術は実際には、ロータが椀型に変形する、０次モードの面モード振動にしか効果が得られない。図１に示したような、アキシャルギャップ型回転電機で問題となる振動は、１次〜４次程度の面モード振動であるため、アキシャルギャップモータ特有の面モード振動を解消することができない。

本願出願人は、鋭意研究を進めた結果、次数差が２となる１対の周波数成分を、２対重畳した交流電流を同期回転電機のコイルに流すことで、上述した面モード振動を解消乃至好適に軽減する効果が得られることを見出した。本発明は、かかる研究結果に基づいて、アキシャルギャップ型回転電機の面モード振動を効果的に防止することができる技術を提案するものである。

この目的のため本発明によるアキシャルギャップ型回転電機の交流制御装置は、請求項１に記載のごとく、
コイルを巻かれたステータ鉄心を周方向に複数個配設したステータと、複数の極数を具えたロータとを軸線方向で対向配置したアキシャルギャップ型回転電機にあって、前記コイルを流れる単相あるいは多相交流を制御するアキシャルギャップ型回転電機の交流制御装置を前提とし、
１次となる基本波成分と、該基本波成分の整数倍の周波数であって前記整数倍の値に等しい次数となる複数の高調波成分と、からなる複数の周波数成分を重畳して前記単相あるいは多相交流を生成する重畳手段と、
前記複数の周波数成分の関係を、次数が２だけ異なる１対の周波数成分が２対揃うよう規定する高周波成分制御手段とを具えたことを特徴としたものである。

かかる本発明の交流制御装置によれば、ステータコイルを重畳して流れる複数の周波数成分の関係を、次数が２だけ異なる１対の周波数成分が２対揃うよう規定することから、上述した面モード振動を好適に軽減することができる。しかも、面モード振動の次数が高い場合であっても、高調波成分の次数を低くすることが可能であり、当該高調波成分の制御が容易になる。したがって、多極化されたアキシャルギャップ型回転電機であっても面モード振動を解消乃至効果的に低減することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
図３は本発明の一実施例になる交流制御装置を具えた２ロータ１ステータのアキシャルギャップ型回転電機を、軸線Ｏを含む平面で切断して見た状態を模式的に示す縦断面図である。円盤形状のロータ１は一点鎖線で示す軸線Ｏに沿って延在するロータ軸２に相対回転不能に結合する。軸２は回転自在に支持される。ロータ２の前面は、軸線方向に開いた空隙になるエアギャップ（アキシャルギャップ）４を介して、モータケース５に固定されたステータ６と対向する。ステータ６は中央部に孔７を具えた円環形状である。ロータ軸２は孔７を貫通し、ステータ６からみて軸線Ｏ方向両側でロータ１，１とそれぞれ結合する。

ステータ６には、軸線Ｏ方向に延在するステータ鉄心８を周方向に複数設ける。それぞれのステータ鉄心８にはコイル９を巻回する。ステータ６と向き合うロータ１前面のうち、鉄心８の先端と向き合う部位には、永久磁石３を周方向に複数配設する。

なお図には示さなかったが、ステータ６にスロットを周方向に複数穿設することにより、隣り合うスロット同士間にステータ鉄心８を形成することができる。

あるいは、本実施例の他、１ロータ１ステータのアキシャルギャップ型回転電機であれば、ステータにティースを周方向に複数配設することにより、ティースがステータ鉄心となる。つまり、ステータ鉄心８は、ステータ６自体の種類・形状により、スロットと称呼を変えたり、ティースと称呼を変えたりするが、いずれにせよ、ステータ鉄心８の個数が意味するところは、回転電機ステータの規格を表すスロット数に等しいと理解されたい。

図３に示すアキシャルギャップ型回転電機は、単相回転電機であってもよく、あるいは３相以上といった多相回転電機であってもよい。コイル９に電流が流れるとステータ鉄心８を通過する磁束が発生し、この磁束がエアギャップ４を貫通してステータ６の両側にあるロータ１，１の永久磁石３と磁気回路を形成する。コイル９に流れる交流電流（または交流電圧）の周波数成分を制御することにより、ロータ１が回転する。コイル９に流れる交流は複数の周波数成分を重畳したものであり、周波数成分は正弦波の基本波成分の他、高周波成分を含む。

ところで、アキシャルギャップ型回転電機にあっては、ロータ１が軸線Ｏ方向に変形する面モード振動が発生し、あるロータ回転数でこの面モード振動が顕著になって面モード共振が発生する。この面モード振動は、例えば、周方向に配設したステータ鉄心８を１８個具備し永久磁石３を２０個具備する１８スロット２０極のアキシャルギャップ型回転電機にあっては、その差分になる２に等しい次数になる。２次の面モード振動は図２に示す通りである。ＳスロットＰ極のアキシャルギャップ型回転電機にあっては、｜Ｐ−Ｓ｜次の面モード振動で共振する。なお共振するロータ１の回転数（回転速度）は、アキシャルギャップ型回転電機の体格によって異なる。

モータのトルク密度の向上のため、およびモータ効率の向上のため、スロット数Ｓと極数Ｐは近い方が望ましい。そうすると、｜Ｐ−Ｓ｜が小さくなってしまい、図２に示すような低次の面モード共振が問題となる。面モードの変形が大きければ、エアギャップ４を必要十分に確保できないためである。

本実施例では、図４に太線で例示するように、ロータ回転数が約５６００[rpm]のとき、ロータ１の変形量（振幅）が細線で例示する許容変形の約１００倍になる面モード共振が発生する。
そこで、このロータ１の面モード共振の変形量（振幅）を許容変形以下におさえるべく、
１次となる基本波成分と、この基本波成分の整数倍の周波数であって前記整数倍の値に等しい次数となる複数の高調波成分と、からなる複数の周波数成分を重畳してコイル９の交流電流を生成し、
これら複数の周波数成分の関係を、次数が２だけ異なる１対の周波数成分が２対揃うよう規定する交流制御を行う。

本実施例では、面モード共振が発生する５６００[rpm]付近で、上述した交流制御を行う。具体的には、図４に示すように面モード共振の変形量（振幅）が許容変形を超える約３９００[rpm]から約７０００[rpm]までの回転数領域で、上述した交流制御を行う。

上述した図３に示す基本構成の下、本実施例の交流制御の対象となるアキシャルギャップ型回転電機はスロット数１８、極数２０、７相の多相回転電機であるとして、説明を進める。

実施例１では、正弦波の基本波成分と、この基本波成分の３倍の周波数である３次高調波成分と、この基本波成分の５倍の周波数である５次高調波成分と、を重畳して、コイル９に流れる多相交流電流Ｉ（ｔ）を生成する。これら高周波成分はいずれも、基本波成分のｎ（整数）倍の周波数であるｎ次好調波成分である。式で規定すると以下のようになる。
Ｉ（ｔ）＝Ａ_１×ｓｉｎ（ωｔ＋β_１）＋Ａ_３×ｓｉｎ（３ωｔ＋β_３）
＋Ａ_５×ｓｉｎ（５ωｔ＋β_５）｝・・・（１）
ここで、ｔは時間、ωは角速度、Ａ_１は基本波成分の振幅になる係数、β_１は基本波成分の位相になる係数、Ａ_３は３次高周波成分の振幅になる係数、β_３は３次高周波成分の位相になる係数、Ａ_５は５次高周波成分の振幅になる係数、β_５は５次高周波成分の位相になる係数である。

このように実施例１では１次の基本波成分と、３次高調波成分と、５次高調波成分とを重畳して、コイル９に流れる多相交流電流Ｉ（ｔ）を生成することから、これら１、３、５次の周波数成分の関係を、次数が２だけ異なる１次および３次の周波数成分と、次数が２だけ異なる３次および５次の周波数成分が揃うよう規定するものである。

つまり実施例１では、次数が２だけ異なる１対の周波数成分が２対揃うよう規定するものであるから、低次の面振動共振を解消乃至軽減することができる。

次に、係数Ａ_１、β_１、Ａ_３、β_３、Ａ_５およびβ_５について説明する。
図５〜図１０は、スロット数（ステータ鉄心８の数でもある）Ｓかつ極数Ｐのアキシャルギャップ型回転電機の上記係数の値を決定するためのマップであり、これら図５〜図１０のマップはいずれも、横軸がスロット数を、縦軸が極数を表す。なおスロット数は、図３に示すステータ鉄心８の個数に等しい。
図５のマップを参照して面モード振動の低減効果が所定以上となる係数Ａ_１を決定する。
図６のマップを参照して面モード振動の低減効果が所定以上となる係数β_１を決定する。
図７のマップを参照して面モード振動の低減効果が所定以上となる係数Ａ_３を決定する。
図８のマップを参照して面モード振動の低減効果が所定以上となる係数β_３を決定する。
図９のマップを参照して面モード振動の低減効果が所定以上となる係数Ａ_５を決定する。
図10のマップを参照して面モード振動の低減効果が所定以上となる係数β_５を決定する。
これらマップは実験またはシミュレーション演算により得られる。これらマップに基づき係数Ａ_１、β_１、Ａ_３、β_３、Ａ_５およびβ_５を決定すると、面モード振動の変形（振幅）を所定以上（例えば１００分の１）に低減する効果が得られる。なお、アキシャルギャップ型回転電機の体格が変更した場合は、これらマップも実験またはシミュレーション演算により改めて求める必要がある。

図１１は、実施例１のアキシャルギャップ型回転電機において得られる面モード振動の変形（振幅）低減効果を、ロータ回転数につき示す説明図であり、縦軸は、ロータ１の回転数を、縦軸が変形量（振幅）の低減効果を表す。図１１中、１次基本波成分のみで交流電流を生成したときの変形量（振幅）を黒丸で示す。これに対し、１次基本波成分と、３次高調波成分と、５次高調波成分と、を重畳して交流電流を生成したときの変形量（振幅）を白丸で示す。図１１には、同一回転数で黒丸と白丸が１対をなす実験データを多数示す。実施例１では、図１１に破線で包囲したロータ回転数６６００[rpm]において、面モード振動が効果的に最も低減することがわかる。

したがって実施例１の交流制御によれば、面モード共振が生じるロータ回転数（５９００[rpm]）付近で変形量（振幅）を効果的に低減することができる。

より好ましくは、ロータ１の半径および軸線方向厚みを適切に選定して、面モード共振が発生するロータ回転数を、通常使用する回転数領域のうち低い側の低回転数領域にするよう、前記アキシャルギャップ型回転電機の体格を設計するとよい。
これにより、高調波周波数を低くすることが可能となり、制御が容易となる。

図１２は、（１）式の交流制御により生成した交流電流を示す波形であり、図１２の横軸は電気角を、縦軸は電流を表す。また図１２の細線は１次基本波成分を示し、太線は１次基本波成分と、３次高周波成分と、５次高周波成分とを重畳したコイル９の多相交流電流を示す。

次に、前述した図３に示す基本構成の下、スロット数１８、極数２０、３相の多相回転電機に係る交流制御の実施例として、説明を進める。

実施例２では、正弦波の基本波成分と、この基本波成分の５倍の周波数である５次高調波成分と、この基本波成分の７倍の周波数である７次高調波成分と、この基本波成分の１１倍の周波数である１１次高調波成分と、この基本波成分の１３倍の周波数である１３次高調波成分と、を重畳して、コイル９に流れる多相交流電流を生成する。

このように実施例２では１次の基本波成分と、５次高調波成分と、７次高調波成分と、１１次高調波成分と、１３次高調波成分とを重畳して、コイル９に流れる多相交流電流を生成することから、これら５、７、１１、１３次の周波数成分の関係を、次数が２だけ異なる５次および７次の周波数成分と、次数が２だけ異なる１１次および１３次の周波数成分が揃うよう規定するものである。

つまり実施例２では、次数が２だけ異なる１対の周波数成分が２対揃うよう規定するものであるから、低次の面振動共振を解消乃至軽減することができる。

なお各周波数成分の係数については、面モード振動の変形（振幅）を所定以上（例えば１００分の１）に低減する効果が得られるよう決定するとよい。

上述した実施例２の交流制御は、スロット数１８、極数２０、３相交流回転電機の他にも、単相交流や、５、７、１１および１３の倍数を除く多相交流のアキシャルギャップ型回転電機にも適用可能である。

ところで、これまで説明してきた実施例１および実施例２の交流制御は、本願出願人が鋭意進めた研究結果を公開するのものである。本願出願人は、面モード振動を効果的に軽減する高調波成分の組合せを発見した。つまり、次数差が２となる１対の周波数成分を、２対重畳した交流電流を同期回転電機のコイルに流すことで、上述した面モード振動を解消乃至好適に軽減する特異な効果が得られることを発見したのである。

実施例１および実施例２では、コイル９を巻かれたステータ鉄心８を周方向に複数個配設したステータ６と、複数個の極数を具えたロータ１とを軸線O方向で対向配置したアキシャルギャップ型回転電機（図１〜図３）にあって、コイル９を流れる単相あるいは多相交流を制御するアキシャルギャップ型回転電機の交流制御装置に関し、１次となる基本波成分と、基本波成分の整数倍の周波数であって前記整数倍の値に等しい次数となる複数の高調波成分と、からなる複数の周波数成分を重畳して前記単相あるいは多相交流を生成する。そして、前記複数の周波数成分の関係を、次数が２だけ異なる１対の周波数成分が２対揃うよう規定することから、面モード振動を解消乃至好適に軽減することができる。

これにより、多極化されたアキシャルギャップ型回転電機や、スロット数と極数との差が少ないアキシャルギャップ型回転電機であっても面モード振動を解消乃至効果的に低減することができる。また、図２に示す２次面モード振動の他、４次乃至多次の面モード振動も解消することができる。

具体的には実施例１のように、上述した高周波成分は、３次および５次である。このように低次高調波を用いることで交流制御が容易になる。また、高調波成分が２つに過ぎないことからも、交流制御が容易になる。上述した交流制御の対象はスロット数１８、極数２０、７相の多相回転電機であるとしたが、この他にも、単相交流や、３および５の倍数を除く多相交流のアキシャルギャップ型回転電機にも適用可能である。また、スロット数１８と極数２０との差分２に等しい次数である次面モード振動（図２）の他、スロット数と極数との差分が４以上であっても４次乃至多次の面モード振動も解消することができる。

より具体的にはコイル９の交流電流Ｉ（ｔ）を（１）式で規定する。そしてロータ１が軸線O方向に変形する面モード振動（図２）のうち、ステータ鉄心８の個数（スロット数）とロータ１の極数との差分に等しい次数となる面モード振動の低減効果が所定以上となるよう、これら係数Ａ_１およびβ_１、係数Ａ_３およびβ_３、係数Ａ_５およびβ_５の値を決定する。このように本実施例の電流制御は、図５〜図１０に示すように様々なスロット数および極数のアキシャルギャップ型回転電機に適用可能である。

あるいは実施例２のように、上述した高周波成分は、５次、７次、１１次および１３次である。このように低次高調波を用いることで３相交流回転電機の面モード振動を解消乃至低減できる。また実施例２も、スロット数１８と極数２０との差分２に等しい次数である２次面モード振動（図２）の他、スロット数と極数との差分が４以上であっても４次乃至多次の面モード振動も解消することができる。

好ましくは、ロータ１が共振するロータ回転数のうち、ロータ軸線方向に変形する面モード共振が発生するロータ回転数付近で、これら実施例１、２による交流制御を実行するのがよい。これにより、アキシャルギャップ型回転電機の運転状態に応じて適宜、面モード振動を解消乃至軽減することができる。

より好ましくは、面モード共振が発生するロータ回転数を、通常使用する回転数領域のうち低い側の低回転数領域にするよう、ロータ１の軸線O方向厚みおよび径を選定してアキシャルギャップ型回転電機の体格を設計するのがよい。これにより、面モード振動の発生を抑制することができる。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり、本発明はその主旨に逸脱しない範囲において種々変更が加えられうるものである。

アキシャルギャップ型回転電機のロータのみを取り出して示す斜視図である。アキシャルギャップ型回転電機の面モード振動を模式的に示す斜視図である。本発明の一実施例になる交流制御装置を具えたアキシャルギャップ型回転電機を模式的に示す縦断面図である。ロータ回転数と面モード振動の変形量（振幅）との関係を示すグラフである。交流制御の周波数成分の係数を決定するためのマップである。交流制御の周波数成分の係数を決定するためのマップである。交流制御の周波数成分の係数を決定するためのマップである。交流制御の周波数成分の係数を決定するためのマップである。交流制御の周波数成分の係数を決定するためのマップである。交流制御の周波数成分の係数を決定するためのマップである。同交流制御による面モード振動の変形（振幅）低減効果を、ロータ回転数につき示す説明図である。同交流制御により生成した交流電流を示す波形である。径方向磁気加振力の説明のため、ラジアルギャップ型回転電機のロータのみを取り出して示す斜視図である。

符号の説明

１回転電機ロータ
２ロータ軸
３永久磁石
４アキシャルギャップ（エアギャップ）
５モータケース
６ステータ
８ステータ鉄心
９ステータコイル

Claims

コイルを巻かれたステータ鉄心を周方向に複数個配設したステータと、複数の極数を具えたロータとを軸線方向で対向配置したアキシャルギャップ型回転電機にあって、前記コイルを流れる単相あるいは多相交流を制御するアキシャルギャップ型回転電機の交流制御装置において、
１次となる基本波成分と、該基本波成分の整数倍の周波数であって前記整数倍の値に等しい次数となる複数の高調波成分と、からなる複数の周波数成分を重畳して前記単相あるいは多相交流を生成する重畳手段と、
前記複数の周波数成分の関係を、次数が２だけ異なる１対の周波数成分として２対規定する周波数成分制御手段とを具え、
前記周波数成分制御手段は、
前記ロータが軸線方向に変形する面モード振動のうち前記ステータ鉄心の個数と前記ロータの極数との差分に等しい次数となる面モード振動の低減効果が所定以上となるよう、前記重畳手段により重畳した前記交流電流における各周波数成分の振幅と位相とを、スロット数（ステータ鉄心数）と極数とに応じて決定することを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機の交流制御装置。
請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機の交流制御装置において、
前記高周波成分は、３次および５次であることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機の交流制御装置。
請求項２に記載のアキシャルギャップ型回転電機の交流制御装置において、
前記重畳手段により重畳した前記コイルの交流電流Ｉ（ｔ）を、時間ｔ、角速度ω、前記基本波成分の係数Ａ_１およびβ_１、前記３次高周波成分の係数Ａ_３およびβ_３、前記５次高周波成分の係数Ａ_５およびβ_５からなる以下の式で規定し、
Ｉ（ｔ）＝Ａ_１×ｓｉｎ（ωｔ＋β_１）＋Ａ_３×ｓｉｎ（３ωｔ＋β_３）
＋Ａ_５×ｓｉｎ（５ωｔ＋β_５）｝
前記周波数成分制御手段は、前記ロータが軸線方向に変形する面モード振動のうち、前記ステータ鉄心の個数と前記ロータの極数との差分に等しい次数となる面モード振動の低減効果が所定以上となるよう、前記係数Ａ_１およびβ_１、前記係数Ａ_３およびβ_３、前記係数Ａ_５およびβ_５の値を決定することを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機の交流制御装置。
請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転電機の交流制御装置において、
前記高周波成分は、５次、７次、１１次および１３次であることを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機の交流制御装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型回転電機の交流制御装置において、
前記ロータが共振するロータ回転数のうち、ロータ軸線方向に変形する面モード共振が発生するロータ回転数付近で、前記重畳手段および前記周波数成分制御手段による交流制御を実行することを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機の交流制御装置。
請求項５に記載のアキシャルギャップ型回転電機の交流制御装置において、
前記面モード共振が発生するロータ回転数を、通常使用する回転数領域のうち低い側の低回転数領域にするよう、前記アキシャルギャップ型回転電機の体格を設計することを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機の交流制御装置。