JP6344144B2 - Reluctance motor - Google Patents
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Description
本発明は、リラクタンスモータに関し、詳しくは、自己励磁機能を備えて高効率の回転を実現するものに関する。 The present invention relates to a reluctance motor, and more particularly to a motor that has a self-excitation function and realizes high-efficiency rotation.
リラクタンスモータは、各種駆動装置に駆動源として搭載されている。リラクタンスモータは、ロータ側に永久磁石を埋め込んでマグネットトルクを利用することにより駆動するタイプのモータ(電動機)と比較して、リラクタンストルクのみを利用するタイプの場合には、大トルクが得られ難いという課題がある。 The reluctance motor is mounted as a drive source in various drive devices. A reluctance motor is difficult to obtain a large torque in the case of a type that uses only reluctance torque, compared to a motor (electric motor) that is driven by embedding a permanent magnet on the rotor side and using magnet torque. There is a problem.
特に、大トルクを必要とする、ハイブリッド自動車(Hybrid Electric Vehicle)や電気自動車(Electric Vehicle)に搭載する場合には、マグネットトルクと共に、リラクタンストルクを効果的に利用するように、磁力の強いネオジム磁石(Neodymium magnet)などの永久磁石をロータ(回転子)内にV字に埋め込む、IPM(Interior Permanent Magnet)構造を採用するモータが多用されている。 In particular, when mounted on hybrid electric vehicles and electric vehicles that require large torque, a neodymium magnet with strong magnetic force is used to effectively use reluctance torque along with magnet torque. A motor employing an IPM (Interior Permanent Magnet) structure in which a permanent magnet such as (Neodymium magnet) is embedded in a V-shape in a rotor (rotor) is often used.
ところで、リラクタンスモータでも、例えば、非特許文献1に記載されているような自己励磁機能を採用することにより効率を向上させることが提案されている。車載モータとしては、安価に作製可能なリラクタンスモータでのトルク向上等の特性改善が望まれている。
Incidentally, it has been proposed to improve the efficiency of a reluctance motor by adopting a self-excitation function as described in
この非特許文献1に記載の自己励磁式では、ステータ側の駆動コイルに供給する駆動電流の基本周波数よりも高い周波数の磁束をロータ側に鎖交させて、そのロータ側に配置する自己励磁用コイル(誘導子極コイル)に誘導電流を発生させる。この自己励磁式では、その誘導電流を半波整流した後に自己励磁用コイルに供給する(戻す)ことにより、自己励磁用コイルを電磁石極コイルとしても機能させている。
In the self-excitation method described in
しかしながら、非特許文献1に記載の自己励磁機能では、自己励磁用コイルを電磁石極コイルとしても機能させるように兼用させることから、磁気的な干渉が生じて誘導電流を効率よく発生させることができず、また、発生させる電磁力も弱めてしまう。
However, in the self-excitation function described in
また、非特許文献1に記載の構造では、ロータの外面から離隔する深部まで自己励磁用コイルを配置するが、磁束の高周波成分(空間高調波成分)はロータ深部まで進入する(鎖交する)ことができずに、自己励磁用コイルに非常に小さな誘導電流しか発生させることができない。
In the structure described in
ここで、特許文献1には、ステータ側のコイルに高周波電流を別途入力することによりロータ側の自己励磁用コイルに励磁電流を発生させることが提案されている。
Here,
この特許文献1に記載のリラクタンスモータにあっては、駆動電流に加えて、ステータ側の駆動コイルに高周波電流を別途入力するにしても、励磁エネルギを外部入力する必要があり、高効率な駆動を望むことができない(効率低下は免れない)。また、高周波電流を常時入力するのでは、重畳するタイミングによっては、誘導電流を減少させてしまう場合もある。
In the reluctance motor described in
また、このようなリラクタンスモータにあっては、ロータ側の誘導子極コイルに誘導電流を発生させて供給先の電磁石極コイルを形成する突極を界磁極として機能させるが、その誘導子極コイルに誘導電流を発生させる磁束量は回転速度に依存する。このため、低速回転時には界磁量が少なく十分なトルクが得られない、という課題がある。 Further, in such a reluctance motor, the inductor pole coil on the rotor side is caused to generate an induction current and the salient pole that forms the electromagnetic pole coil of the supply destination functions as the field pole. The amount of magnetic flux that generates an induced current depends on the rotational speed. For this reason, there is a problem that a sufficient amount of torque cannot be obtained due to a small amount of magnetic field during low-speed rotation.
そこで、本発明は、損失エネルギを回収して自己励磁する機能を有効利用して、低速回転時におけるトルクを向上させるリラクタンスモータを提供することを目的としている。 Therefore, an object of the present invention is to provide a reluctance motor that improves the torque during low-speed rotation by effectively utilizing the function of recovering lost energy and self-exciting.
上記課題を解決する回転電機の発明の一態様は、複数相の駆動電流を入力する駆動コイルが設けられているステータと、前記駆動コイルに発生する磁束を鎖交させることで主回転力を受ける複数の突極が設けられているロータと、を備えるリラクタンスモータであって、前記ロータは、周方向に隣り合う前記突極の間に設けられている誘導子極と、前記誘導子極に設けられており、前記駆動コイルの生成する前記磁束に重畳する高調波成分が前記ロータ側に鎖交する磁路上に配置されて該磁束の高調波成分により誘導電流を発生させる誘導子極コイルと、前記誘導子極コイルで発生した前記誘導電流を整流する整流素子と、前記突極に設けられており、前記整流素子で整流された前記誘導電流を界磁電流として通電され自己励磁することにより前記主回転力を補助する補助回転力となる電磁力を発生させる電磁石極コイルと、を有しており、前記駆動コイルに接続する電源から前記駆動電流として電気角の予め定められている区間に高周波パルス電流を重畳させて供給する電源制御部を備えることを特徴とするものである。 According to one aspect of the invention of a rotating electrical machine that solves the above problems, a main rotational force is received by interlinking a stator provided with a driving coil for inputting a driving current of a plurality of phases and a magnetic flux generated in the driving coil. A reluctance motor provided with a plurality of salient poles, wherein the rotor is provided between the salient poles adjacent in the circumferential direction and the inductor poles. is in and, wherein the inductor poles harmonic component you superimposed on magnetic flux to generate an induced current by harmonic components disposed in magnetic flux interlinked on the magnetic path on the rotor side that generates the driving coil A coil, a rectifying element for rectifying the induced current generated in the inductor pole coil, and a salient pole, and the self-excitation is conducted by using the induced current rectified by the rectifying element as a field current. By An electromagnetic pole coil that generates an electromagnetic force serving as an auxiliary rotational force for assisting the main rotational force, and from a power source connected to the drive coil to a predetermined section of an electrical angle as the drive current A power supply control unit is provided that supplies a high-frequency pulse current in a superimposed manner.
このように本発明の一態様によれば、ロータ側の誘導子極コイルにはステータ側の駆動コイルに駆動電流が入力されて発生する磁束の高調波成分により誘導電流が発生し、ロータ側の電磁石極コイルにはその誘導電流が整流素子で整流されて界磁電流として入力(通電)されて自己励磁することにより電磁力を発生させる。この電磁力がロータを回転させる主回転力に加える補助回転力となって、ロータは効率よく回転駆動させることができる。
According to one aspect of the present invention as described above, induced by harmonic component of the magnetic flux in the inductor pole coils on the rotor side that occurs is input drive current to the stator side of the drive coil current is generated, the rotor side The electromagnetic current is rectified by a rectifying element and input (energized) as a field current to generate self-excited electromagnetic force. This electromagnetic force becomes an auxiliary rotational force added to the main rotational force that rotates the rotor, and the rotor can be efficiently rotated.
このとき、ステータ側の駆動コイルに入力する駆動電流には、電源から、電気角の予め定められている区間に高周波パルス電流を重畳させて供給することにより、積極的に、ロータ側の誘導子極コイルに鎖交させる磁束に高調波成分を重畳することができ、発生させる誘導電流を増量することができる。このため、適宜、ステータ側の駆動コイルに入力する駆動電流に高周波パルス電流を重畳させて供給することにより、ロータ側の電磁石極コイルに入力する界磁電流(誘導電流)を増量して自己励磁させることができ、例えば、低速回転時にも大きな電磁力を発生させて大トルクで回転させることができる。 At this time, a high-frequency pulse current is superimposed on a predetermined section of the electrical angle from the power source and supplied to the drive current input to the stator-side drive coil. Harmonic components can be superimposed on the magnetic flux linked to the pole coil, and the induced current generated can be increased. For this reason, by appropriately superimposing and supplying a high-frequency pulse current to the drive current input to the stator side drive coil, the field current (inductive current) input to the rotor side electromagnetic pole coil is increased and self-excited. For example, a large electromagnetic force can be generated and rotated with a large torque even during low-speed rotation.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図1〜図10は本発明に係るリラクタンスモータの一実施形態を説明するための図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIGS. 1-10 is a figure for demonstrating one Embodiment of the reluctance motor based on this invention.
図1において、リラクタンスモータ10は、後述するように、外部からロータ21にエネルギ入力する必要のない構造に作製されており、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載するのに好適な性能を有している。
In FIG. 1, as will be described later, a
(リラクタンスモータ10の基本構造)
まず、リラクタンスモータ10は、概略円筒形状に形成されたステータ(固定子)11と、このステータ11内に回転自在に収納されて軸心に一致する回転軸としてシャフト101が固定されるロータ(回転子)21と、を備えている。
(Basic structure of the reluctance motor 10)
First, a
ステータ11には、ロータ21のロータティース22の外周面22aにエアギャップGを介して内周面12a側を近接対面させるように、径方向に延長される突極形状に形成されている複数本のステータティース12が周方向に均等配置されている。ステータティース(突極)12には、隣接する側面間に形成される空間のスロット13を利用して、相毎の3相巻線をそれぞれ個々に集中巻きすることにより駆動コイル14が形成されている。ステータティース12は、駆動コイル14に駆動電流を入力することにより、内部に対面収納されているロータ21を回転させる磁束を発生する電磁石として機能する。
The
ロータ21には、ステータティース12と同様に径方向に延長される突極形状に形成されている複数本のロータティース22が周方向に均等配置されている。ロータティース22は、ステータティース12と全周方向の本数を異ならせて、相対回転時に外周面22aがステータティース12の内周面12aに適宜近接対面するように形成されている。
In the
これにより、リラクタンスモータ10は、図2に示す後述の電源システム150から電力供給してステータ11のスロット13内の駆動コイル14に通電することにより磁束を発生させ、その磁束をステータティース12の内周面12aから対面するロータティース22の外周面22aに鎖交させることができる。このリラクタンスモータ10では、その鎖交する磁束が通過する磁路を最短にしようとするリラクタンストルク(主回転力)によりロータ21を相対回転させる。この結果、リラクタンスモータ10は、ステータ11内で相対回転するロータ21と一体回転するシャフト101から通電入力する電気的エネルギを機械的エネルギとして出力することができる。
Thereby, the
このとき、リラクタンスモータ10では、ステータティース12の内周面12aからロータティース22の外周面22aに鎖交する磁束には空間高調波成分が重畳している。このため、ロータ21側でも、ステータ11側から鎖交する磁束の空間高調波成分の磁束密度の変化を利用して、内蔵するコイルに誘導電流(補助電流)を発生させ電磁力を得ることができる。
At this time, in the
詳細には、ステータ11の駆動コイル14に基本周波数の駆動電力を供給するだけでは、ロータ21(ロータティース22)をその基本周波数で変動する主磁束で回転させるだけであることから、ロータ21側にコイルを単に配置しても鎖交する磁束に変化はなく誘導電流が生じることはない。
Specifically, simply supplying the driving power of the fundamental frequency to the driving
その一方で、磁束には空間高調波成分が重畳しており、その空間高調波成分は基本周波数と異なる周期で時間的に変化しつつロータティース22に外周面22a側から鎖交する。このことから、別途入力することなく、基本周波数の磁束に重畳する空間高調波成分は、ロータティース22の外周面22aの近傍にコイルを設置すれば効率よく誘導電流を発生させる。この結果、鉄損の原因となる空間高調波磁束は自己励磁するためのエネルギとして回収することができる。
On the other hand, a spatial harmonic component is superimposed on the magnetic flux, and the spatial harmonic component is linked to the
ところで、リラクタンスモータとしては、図示することは省略するが、ロータティース22の隣接する側面間に形成される空間をスロット23として利用して、そのロータティース22に巻線を巻き付けて径方向2段の集中巻を形成することにより、外周面22a側に誘導子極コイルを形成し、その軸心側に電磁石極コイルを配置することが考えられる。
By the way, although illustration is abbreviate | omitted as a reluctance motor, winding is wound around the
この構造では、誘導子極コイルは、ステータティース12の内周面12aからロータティース22の外周面22aに鎖交する磁束の空間高調波成分(磁束密度の変化)により誘導電流を発生させて電磁石極コイルに供給することができる。このため、電磁石極コイルは、その誘導子極コイルから受け取った誘導電流を界磁電流として自己励磁することにより、磁束(電磁力)を発生させることができる。要するに、ロータティース22自体に誘導子極コイルと電磁石極コイルを、誘導電流を界磁電流として利用可能な独立回路内に組み込むだけで、主回転力を発生する駆動コイル14の磁束とは別に鎖交する磁束が通過磁路を最短にしようとするリラクタンストルク(補助回転力)を得て、ロータ21の相対回転を補助することができ、また、損失要因となっていた磁束の空間高調波成分をエネルギとして回収して利用することができる。
In this structure, the inductor coil generates an induced current by a spatial harmonic component (change in magnetic flux density) of magnetic flux interlinking from the inner
ここで、このようにロータティース22にコイルを巻くことは、野中作太郎著「自励形単相同期電動機」電気学会雑誌78巻842号、1958年11月、P.18−26にも記載されている。この文献に記載のリラクタンスモータは、基本周波数よりも高い周波数の磁束がロータ側コイルに鎖交することで誘導電流を発生させるものであり、その誘導電流を整流素子(ダイオード)で半波整流して戻すことにより、そのロータ側コイルを自己励磁式の電磁石として機能させるようになっている。
Here, winding a coil around the
しかしながら、この文献に記載の自己励磁技術には、次のような課題がある。
1.ロータ側のコイルとしては、誘導電流を発生させるコイルおよび整流した誘導電流を界磁電流として流すコイルとして兼用するので、磁気的な干渉が生じて効率よく誘導電流を発生させることができず、また、起磁力も非常に小さくなってしまう。
2.基本周波数よりも高い高次の磁束の高周波成分は、ロータ21(ロータティース22)に鎖交するにしても外周面22a付近に分布するのに留まるため、軸心側にコイルを配置してしまうと非常に小さな誘導電流しか発生しない。なお、ロータ側コイルは、ロータティース22の外周面22a付近に設置するにしても、現実的には無理がある。例えば、線径の細い導線の極少量を巻いてコイルとしても、導体抵抗が高くなって、その結果、銅損が増加して効率のよい電磁石として機能させるのは難しい。また、ロータ表面では、ステータ側に接触してしまう懸念も生じてしまう。
3.ステータ11側のコイルとしては、分布巻にしてしまうと、高次の高調波が磁束に重畳する傾向にあり、上述するように、高次の磁束の高周波成分ではより小さな誘導電流しか期待できない。要するに、コイルの巻き方としては、分布巻は不適当である。
4.この文献では、基本周波数の2倍の高調波磁束でロータ側コイルを励磁するように説明するが、2次の高調波磁束で発生する誘導電流は整流合成したときに谷ができてしまう。また、誘導電流は磁束の時間変化が大きいほど大電流となるので、高くなり過ぎない3次程度の高調波磁束の方が有利である。
However, the self-excitation technique described in this document has the following problems.
1. As the coil on the rotor side, it is also used as a coil that generates an induced current and a coil that flows the rectified induced current as a field current, so that magnetic interference occurs and the induced current cannot be generated efficiently. The magnetomotive force will be very small.
2. Even if the high-frequency component of higher-order magnetic flux higher than the fundamental frequency is linked to the rotor 21 (rotor teeth 22), it remains distributed in the vicinity of the outer
3. If the coil on the
4). In this document, it is explained that the rotor side coil is excited with a harmonic magnetic flux that is twice the fundamental frequency. However, the induced current generated by the second harmonic magnetic flux forms a valley when rectified and synthesized. Further, since the induced current becomes larger as the time change of the magnetic flux is larger, a third-order harmonic magnetic flux that is not too high is more advantageous.
そこで、リラクタンスモータ10は、ロータ21側において、コア材25に集中巻線した誘導子極コイル27の全体をロータティース22間のスロット23内に収容して回転方向に並列配置するとともに、ロータティース22の全体に1段の集中巻を形成することにより電磁石極コイル28が配置されている。
Therefore, in the
誘導子極コイル27は、電磁鋼(磁性体)からなるコア材25を採用することにより、透磁率を高めて磁束を高密度に鎖交可能にしており、ステータティース12の内周面12aに極力小さなエアギャップGを介して対面する磁路上に位置させることで、より多くの空間高調波磁束を鎖交させるようになっている。この誘導子極コイル27は、ステータティース12の内周面12aからロータティース22の外周面22aに鎖交する磁束の3次の空間高調波成分を有効利用するように磁界解析を行って厳密に空間高調波磁路を確認することにより、効率よく誘導電流を発生させることができるように設置している。なお、誘導子極コイル27は、電磁石極コイル28との間に必要十分な空隙を確保するようにロータティース22の間に位置するように配置されている。
The
このように、集中巻構造を採用することにより、誘導子極コイル27や電磁石極コイル28では、複数スロットに亘って周方向に巻線をする必要がなく、全体的に小型化することができる。また、誘導子極コイル27では、1次側での銅損損失を低減しつつ、低次である3次の空間高調波磁束の鎖交による誘導電流を効率よく発生させて、回収可能な損失エネルギを増加させることができる。
Thus, by adopting the concentrated winding structure, the
また、誘導子極コイル27には、3次の空間高調波磁束を利用することにより、上述の文献(電気学会雑誌)で説明する2次の空間高調波磁束を利用する場合よりも、効果的に誘導電流を発生させることができる。具体的には、誘導電流は2次よりも3次の空間高調波磁束を利用する方が磁束の時間変化を大きくして大電流にすることができ、効率よく回収することができる。なお、この文献では、ロータの軸心側深部に巻線したコイルが図示されており、空間高調波の鎖交領域が考慮されておらず、有効利用できる構造になっていない。
Moreover, the
そして、誘導子極コイル27は、ロータティース22の外周面22aの間で磁気的に独立する形態でスロット23内に配置されている。
また、電磁石極コイル28は、ロータティース22の全長に亘って巻線することにより全体を有効利用して磁束を発生させる。
このように、誘導子極コイル27および電磁石極コイル28は、磁束経路が干渉し合わないように分割されているので、磁気的干渉を低減することができ、効率よく誘導電流を発生させることができるとともに、効果的に電磁石として機能させて磁束を発生させることができる。
The
In addition, the
Thus, the
さらに、誘導子極コイル27は、ロータ21の径方向に対して同一の周回巻線となる集中巻に形成されて、かつ、ロータ21の周方向に配列されており、図3に示すように、1つおきの誘導子極コイル27がそれぞれ全直列接続されている。また、電磁石極コイル28は、ロータ21の径方向に対して隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻に形成されて、ロータ21の周方向の外周側と軸心側とを交互に接続する全直列接続にされている。
Further, the
電磁石極コイル28は、図3に示すように、全直列接続されている両端部が、並列接続されている誘導子極コイル27の両端部にそれぞれダイオード(整流素子)29A、29Bを介して接続されている。すなわち、電磁石極コイル28は、巻線の巻き方向毎のコイル28A1〜28An(n:極数/2)とコイル28B1〜28Bnが全直列接続されており、その電磁石極コイル28A1〜28An、28B1〜28Bnに対応するように直列接続されている誘電子極コイル27A1〜27An、27B1〜27Bnの両端部に並列接続されている。
As shown in FIG. 3, the
ダイオード29A、29Bは、誘導子極コイル27や電磁石極コイル28を多極化させる場合でも、そのうちの電磁石極コイル28を全直列させることで使用数を抑えている。このダイオード29A、29Bは、大量使用を回避するために、一般的なHブリッジ型の全波整流回路を形成するのではなく、それぞれ180度位相差になるように結線して、一方の誘導電流を反転させて半波整流出力する中性点クランプ型の半波整流回路(整流素子)を形成している。
The diodes 29 </ b> A and 29 </ b> B suppress the number of use by making all of the electromagnet pole coils 28 in series even when the
これにより、リラクタンスモータ10では、誘導子極コイル27の透磁率の高い電磁鋼のコア材25に、電磁石極コイル28との干渉なく(誘導電流の減少なく)、ステータティース12の内周面12aからロータティース22の外周面22aに鎖交する磁束の空間高調波成分を通過させることにより、誘導電流を効率よく発生させて回収することができる。誘導子極コイル27の個々に発生させる誘導電流は、ダイオード29A、29Bで整流させた後に合流させて、直列接続させている電磁石極コイル28の個々に流し有効利用することができ、その電磁石極コイル28を効果的に自己励磁させて大きな磁束(電磁力)を発生させることができる。
Thereby, in the
この結果、リラクタンスモータ10は、励磁用と電磁石用とで分割して独立させる誘導子極コイル27および電磁石極コイル28で、互いに干渉して弱め合ってしまうことなく、発生する磁束を有効かつ平滑化させて利用することができ、効率よくエネルギとして回収して出力することができる。すなわち、電磁石極コイル28がロータティース22と共に突極を構成して、誘電子極コイル27がコア材25と共に補極を構成している。
As a result, the
また、誘導子極コイル27および電磁石極コイル28は、ロータ21の周方向に複数配置して多極化しているので、上述の文献(電気学会雑誌)に記載のような2極モータの場合よりも、ロータティース22の1歯当たりの鎖交する磁束量を周方向に分散化させることができ、個々のロータティース22に作用する電磁力(リラクタンストルク)も周方向に分散化させて電磁振動を抑えることができ、静寂化させることができる。
Moreover, since the
具体的に、誘導子極コイル27および電磁石極コイル28は、駆動コイル14も含めて、銅導体よりなる電線材を採用して巻線形成されており、銅導体の採用により電気伝導率を高くして損失を低減することにより、効率よく誘導電流を発生させて界磁電流として利用することができる。このコイル27、28、14の電線材として銅導体を採用する場合には、平角銅線を採用するのが好ましく、これにより、コイル抵抗に起因する銅損や発熱損失を低減することができる。さらに、コイル27、28、14の形態としては、短辺側を内径面側になるように縦に巻いたエッジワイズコイルとすることにより、分布容量(浮遊容量)を小さくして周波数特性を向上させることができ、また、電線材の周囲長が長いため表皮効果による抵抗増加を抑えて効率が低下してしまうことを抑制することができる。この結果、コイル27、28、14では、少ない銅導体量で、より多くの損失エネルギを回収可能になっている。なお、コイル27、28、14の電線材は、銅導体に限るものではなく、他の目的を持って選択してもよく、例えば、比重が銅の1/3のアルミバー導体を採用して軽量化を図ってもよい。
Specifically, the
また、ステータ11は、ステータティース12の内周面12a側を正逆双方の周方向に突出させた鍔形状部12bを有するオープンタイプのスロット13に形成することにより、空間高調波磁束を効率よく誘導子極コイル27内に鎖交させるようにしている。なお、この鍔形状部12bを設けるオープンタイプにすることで、急峻なサージ電圧を発生させてしまうことを抑制することができる。
Further, the
このように、リラクタンスモータ10は、ロータ21側に誘導子極コイル27と電磁石極コイル28を設置することで、3次空間高調波磁束をステータ11側のステータティース12から効果的に鎖交させて効率よくリラクタンストルクを発生させることができる。例えば、図4に示すように、3次空間高調波磁束の磁界解析により求めた磁束線FLを図示すると、電磁石極コイル28のロータティース22の外周面22aに誘導子極コイル27のコア材25の外周面を加えて、ステータ11とロータ21との間で磁束を鎖交させることができる。このため、ロータティース22の外周面22aのみの場合よりも、ロータ21の外周面側での磁束の鎖交面積を大きくして(鎖交位置を分散化させて)、磁気飽和してしまうことなく(磁気抵抗なく)鎖交させて効率よくリラクタンストルクを発生させることができる。また、誘導子極コイル27は、コア材25の外周面をロータ21の外周側に位置させていることから、磁束を直交方向から鎖交させることができ、効率よく誘導電流を発生させることができる。
In this way, the
このため、リラクタンスモータ10では、電磁石極コイル28と周方向に並列させて誘電子極コイル27を設置することで、その誘電子極コイル27内に磁束を効果的に誘導して誘導電流を発生させ電磁石極コイル28に供給することができる。
For this reason, in the
これにより、リラクタンスモータ10では、3次空間高調波磁束(磁束ベクトル)をロータティース22の外周面22a側に高密度に発生させつつ、誘導子極コイル27を含めて、ステータティース12の間の全体で鎖交させることができ、周方向の広範囲にリラクタンストルクを効果的に発生させて駆動コイル14による駆動力を補助することができる。
Thereby, in the
この結果、3次空間高調波磁束は、磁気飽和近くになってエアギャップG間を介して鎖交することが抑えられることはなく、より多くを誘導子極コイル27に鎖交させて大容量の誘導電流を発生させることができる。
As a result, the third-order spatial harmonic magnetic flux is not close to the magnetic saturation and interlinked via the air gap G, and more is interlinked with the
ここで、誘導子極コイル27は、周囲との間の磁気抵抗が小さいと、例えば、ロータティース22に磁束が大量に流れ込んで突極比を低下させてしまうことになり、リラクタンストルクを著しく減少させてしまう。また、ロータティース22に磁束が大量に流れ込むと、ステータ11とロータ21との相対的な位置関係によっては、負(逆回転)方向へのトルクが働いたり、磁気的干渉が生じてトルク低下の要因となってしまうことがある。
Here, if the magnetic resistance between the
このため、誘導子極コイル27は、ロータティース22に磁気的に結合することによる不都合を回避するために、そのロータティース22間に空隙やアルミニウムや樹脂などの非磁性材料で磁気的に独立させてスロット23内に配置されている。
For this reason, in order to avoid inconvenience due to magnetic coupling to the
このことから、リラクタンスモータ10は、誘導子極コイル27を電磁石極コイル28間に磁気的に独立させつつ並列させることにより、並列させていない場合に比べて、ロータ21の回転を開始するのに伴って、鎖交する3次空間高調波磁束が増加して、誘導子極コイル27に誘導電流を効率よく発生させることにより損失エネルギを回収できる。また、このリラクタンスモータ10では、誘導子極コイル27を電磁石極コイル28間に並列させることで、発生させる誘導電流の波形を安定させることができ、定常トルクを向上させるとともに、トルクリプルを低減させて、トルク特性を高品質に向上させることができる。
From this, the
そして、リラクタンスモータ10は、3f次の空間高調波磁束(f=1、2、3・・・)を主に利用する構造として、ロータ21側の突極(ロータティース22)の数P:ステータ11側のスロット13の数Sが2:3になる構造に作製されている。例えば、3次の空間高調波磁束は、駆動コイル14に入力する基本周波数よりも周波数が高いために短周期で脈動する。このため、ロータ21は、ロータティース22間の誘導子極コイル27に鎖交する磁束強度が変化することにより、効率的に誘導電流を発生させて、基本周波数の磁束に重畳する空間高調波成分の損失エネルギを効率よく回収して回転することができる。
The
また、このように、リラクタンスモータ10は、ロータ21側とステータ11側の間での相対的な磁気的作用の品質を決定する構造として、ロータティース突極数Pとステータスロット数Sの比としてP/S=2/3を採用するのは、電磁振動を低減して電磁騒音の小さな回転を実現するためである。
In addition, as described above, the
詳細には、上記と同様に磁束密度分布の磁界解析をすると、ロータティース突極数Pとステータスロット数Sの比に応じて、機械角360度内の周方向に磁束密度分布も分散化されるため、ステータ11に働く電磁力分布にも偏在が認められることになる。
Specifically, when the magnetic field analysis of the magnetic flux density distribution is performed in the same manner as described above, the magnetic flux density distribution is also distributed in the circumferential direction within a mechanical angle of 360 degrees in accordance with the ratio of the number of salient teeth P and the number of status lots S. Therefore, uneven distribution is also recognized in the electromagnetic force distribution acting on the
これに対して、リラクタンスモータ10では、ロータティース突極数P/ステータスロット数S=2/3となる構造を採用することにより、機械角360度の全周に亘って均等な密度分布となる磁束を鎖交させることができ、ロータ21をステータ11内で高品質に回転させることができる。
On the other hand, in the
これにより、リラクタンスモータ10では、空間高調波磁束を損失とすることなく利用して、回転動作させることができ、損失エネルギを効率よく回収して、電磁振動を大幅に低減し静寂性高く回転させることができる。
As a result, the
このように、リラクタンスモータ10は、ステータ11の駆動コイル14以外に電力供給することなく、ロータ21側に配置する誘導子極コイル27に誘導電流を効率よく発生させて電磁石極コイル28に界磁電流として供給し自己励磁電磁石として機能させることができ、駆動コイル14への電力供給による主回転力を補助する補助回転力(電磁力)を得て高効率回転させることができる。
As described above, the
(リラクタンスモータ10の電源)
ここで、リラクタンスモータ10は、モデル化すると、図5に示す巻線界磁モータモデルとして図示することができる。このモデルは、3相の巻線毎のU相磁束φs−u、V相磁束φs−v、W相磁束φs−wを用いる3相電機子磁束φs−3φの静止座標系3相(UVW)を、直交座標の静止座標系2相(αβ軸)に変換した後に、図6に示す突極モデルとして図示する回転2軸(dq軸)に換算することができる。
(Power source for the reluctance motor 10)
Here, when modeled, the
この突極モデルは、磁束が鎖交することにより誘導電流を発生する電機子極コイル27(I-poleコイル)をq軸とし、その誘導電流を界磁電流として磁束を発生する電磁石極コイル28(E-poleコイル)をd軸としている。また、この突極モデルでは、回転座標(dq軸)がωt(ω:角速度、t:時間)で回転している。
In this salient pole model, an armature pole coil 27 (I-pole coil) that generates an induced current by interlinking of magnetic flux is a q-axis, and an
そして、この突極モデルでは、q軸の電機子極コイル27で発生する誘導電流を全波整流して電磁石極コイル28の界磁電流とすることで電磁石として機能させることができ、その全波整流された誘導電流を突極モデルのRL回路に印加したときの過渡現象を解くと、その電磁石極コイル28に流れる界磁電流を求めることができ、その界磁電流は角速度ωと時間tの関数であることが分かる。すなわち、角速度ω(=2πf、f:モータ駆動周波数)が高くなると界磁電流も増加することを意味し、逆に、角速度ωが低いと界磁電流も低くなって十分な界磁を得られないことを意味する。
In this salient pole model, the induction current generated in the q-axis
また、界磁電流とする誘導電流は、鎖交する磁束の基本波成分に重畳する空間高調波成分によって発生することから、駆動コイル14に入力する駆動電流に高周波電流を重畳させると、その高周波電流に相当する項も発生して、時間高調波によっても界磁エネルギを供給できる。すなわち、静止座標系だと空間的な位相θで空間高調波である成分が、回転座標系dq軸に座標変換されるとωtの時間成分に換算されるため、回転座標系では空間高調波も時間高調波も同じ物理量(同じ高調波)となる。
In addition, since the induced current as the field current is generated by the spatial harmonic component superimposed on the fundamental wave component of the interlinkage magnetic flux, when the high frequency current is superimposed on the drive current input to the
そこで、駆動コイル14に入力する駆動電流に高周波電流を常時重畳しようとすると、脈動(ハンチング)が発生して界磁電流の平均値としては大差なくリップル(ripple)が発生してしまうだけである。要するに、高周波電流を常時入力するのでは、誘導電流を減少させてしまう場合もある。
Therefore, if an attempt is made to constantly superimpose a high-frequency current on the drive current input to the
このことから、リラクタンスモータ10は、図2に戻って、駆動コイル14を電源システム150に接続させている。電源システム150は、例えば、車載のバッテリ151から出力される直流電力をインバータ152を介して3相の交流電力に変換して駆動コイル14に供給(入力)するようになっている。
Therefore, the
この電源システム150は、電源制御装置(電源制御部)50を介在させて、3相の交流電流を駆動電流として駆動コイル14に供給するようになっており、電源制御装置50は、駆動電流に重畳する高周波パルス電流を生成するパルス電流発生部51と、駆動電流を中継する際に、交流電流における電気角の予め定められている区間に生成高周波パルス電流を重畳して出力するタイミングを調整するタイミング制御部55と、を備えている。
The
ここで、リラクタンスモータ10では、駆動電流に特定区間だけ高周波パルス電流を重畳して駆動コイル14に入力するシミュレーションをすると、例えば、図7に示すタイミングに高周波パルスを印加(入力)するのが有効であることが分かる。
Here, in the
具体的には、電源制御装置50のタイミング制御部55は、誘導子極コイル27から電磁石極コイル28に入力する誘導電流をダイオード29A、29Bを介して全波整流する際の正負の切替タイミングに高周波パルス電流を印加するように設定(調整)されている。すなわち、タイミング制御部55は、誘導電流をダイオード29A、29Bを介して全波整流する際の正負の切替タイミングを、印加区間になるように設定されており、その切替タイミング(区間)に高周波パルス電流を3相の各相(UVW)のそれぞれに印加して界磁電流に重畳するようになっている。
Specifically, the
これにより、誘導子極コイル27で発生する誘導電流は、図8に示すように、高周波パルス電流の印加のない正弦波形に比べて、立ち上がり時に高周波パルス電流が追加され、図9に示すように、電流量を増加させた界磁電流として電磁石極コイル28に供給することができ、図10に示すように、ロータ21を回転させるトルクも大きくすることができる。
As a result, the induction current generated in the
このように、本実施形態においては、誘導子極コイル27で発生する誘導電流の正負が切り換わるタイミング(区間)に、駆動コイル14に供給する駆動電流の各相に高周波パルス電流を印加(重畳)するので、特に、ダイオード29A、29Bによる正負の切替タイミング時のように電流量が少なくなる区間に電磁石極コイル28に供給される界磁電流の電流量を増加させることができる。したがって、電磁石極コイル28の自己励磁により発生させる電磁力(回転補助力)を増強することができ、例えば、低速回転時にも大きな電磁力を発生させて大トルクで回転させることができる。
As described above, in this embodiment, the high-frequency pulse current is applied (superimposed) to each phase of the drive current supplied to the
本実施形態の他の態様としては、リラクタンスモータ10のように径方向にエアギャップGを形成するラジアルギャップ構造に限らずに、回転軸方向にギャップを形成するアキシャルギャップ構造に作製してもよい。この場合にも、ステータ側とロータ側とで対面する軸方向端面に駆動コイルと共に誘電子極コイルや電磁石極コイルを配置すればよい。
Other aspects of the present embodiment are not limited to the radial gap structure in which the air gap G is formed in the radial direction as in the
さらに、扁平の大径モータ構造に作製する場合には、インナーステータとアウターステータとの間に回転自在にロータを収容するダブルギャップ型モータ構造を採用してもよい。この場合には、インナーステータ側に損失エネルギを回収する誘電子極コイルを配置するとともに、アウターステータ側にトルクを発生する電磁石極コイルを配置することで、大幅にトルクを増大させることができる。 Furthermore, when producing a flat large-diameter motor structure, a double-gap motor structure in which a rotor is rotatably accommodated between an inner stator and an outer stator may be employed. In this case, the torque can be greatly increased by arranging the dielectric pole coil for recovering the loss energy on the inner stator side and the electromagnetic pole coil for generating torque on the outer stator side.
また、リラクタンスモータ10のようなラジアルギャップ構造の場合には、ステータ11やロータ21を電磁鋼板の積層構造で作製するばかりでなく、例えば、鉄粉などの磁性を有する粒子の表面を絶縁被覆処理した軟磁性複合粉材(SoftMagnetic Composites)をさらに鉄粉圧縮成形および熱処理製造した圧粉磁心、所謂、SMCコアを採用してもよい。このSMCコアは、成形が容易であることからアキシャルギャップ構造に好適である。
Further, in the case of a radial gap structure such as the
また、リラクタンスモータ10は、車載用に限定されるものではなく、例えば、風力発電や、工作機械などの駆動源として好適に採用することができる。
Moreover, the
本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、各請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。 The scope of the present invention is not limited to the illustrated and described exemplary embodiments, but includes all embodiments that provide the same effects as those intended by the present invention. Further, the scope of the invention is not limited to the combinations of features of the invention defined by the claims, but may be defined by any desired combination of particular features among all the disclosed features. .
10 リラクタンスモータ
11 ステータ
12 ステータティース
13、23 スロット
14 駆動コイル
21 ロータ
22 ロータティース
25 コア材
27、27A1〜27An、27B1〜27Bn 誘導子極コイル
28、28A1〜28An、28B1〜28Bn 電磁石極コイル
29、29A、29B ダイオード(整流素子)
50 電源制御装置
51 パルス電流発生部
55 タイミング制御部
101 シャフト
G エアギャップ
10
50
Claims (4)
前記ロータは、
周方向に隣り合う前記突極の間に設けられている誘導子極と、
前記誘導子極に設けられており、前記駆動コイルの生成する前記磁束に重畳する高調波成分が前記ロータ側に鎖交する磁路上に配置されて該磁束の高調波成分により誘導電流を発生させる誘導子極コイルと、
前記誘導子極コイルで発生した前記誘導電流を整流する整流素子と、
前記突極に設けられており、前記整流素子で整流された前記誘導電流を界磁電流として通電され自己励磁することにより前記主回転力を補助する補助回転力となる電磁力を発生させる電磁石極コイルと、
を有しており、
前記駆動コイルに接続する電源から前記駆動電流として、電気角の予め定められている区間に高周波パルス電流を重畳させて供給する電源制御部を備えることを特徴とするリラクタンスモータ。 A stator provided with a drive coil for inputting a drive current of a plurality of phases, and a rotor provided with a plurality of salient poles for receiving a main rotational force by interlinking magnetic fluxes generated in the drive coil. A reluctance motor,
The rotor is
An inductor pole provided between the salient poles adjacent in the circumferential direction;
The inductor is provided on the pole, induced by harmonic components disposed in magnetic flux harmonic component you overlap the magnetic flux the rotor side interlinked on the magnetic path to generate the drive coil current An inductor pole coil for generating
A rectifying element that rectifies the induced current generated in the inductor pole coil;
Electromagnetic pole provided on the salient pole and generating an electromagnetic force serving as an auxiliary rotational force that assists the main rotational force by energizing the self-excited current rectified by the rectifying element as a field current and performing self-excitation. Coils,
Have
A reluctance motor comprising: a power supply control unit that supplies a high-frequency pulse current superimposed on a predetermined section of an electrical angle as the drive current from a power supply connected to the drive coil.
前記リラクタンスモータの前記ロータは、
周方向に隣り合う前記突極の間に設けられている誘導子極と、
前記誘導子極に設けられており、前記駆動コイルの生成する前記磁束に重畳する高調波成分が前記ロータ側に鎖交する磁路上に配置されて該磁束の高調波成分により誘導電流を発生させる誘導子極コイルと、
前記誘導子極コイルで発生した前記誘導電流を整流する整流素子と、
前記突極に設けられており、前記整流素子で整流された前記誘導電流を界磁電流として通電され自己励磁することにより前記主回転力を補助する補助回転力となる電磁力を発生させる電磁石極コイルと、
を有しており、
前記駆動コイルに前記駆動電流として電気角の予め定められている区間に高周波パルス電流を重畳させて供給することを特徴とするリラクタンスモータ用電源制御装置。 A stator provided with a drive coil for inputting a drive current of a plurality of phases, and a rotor provided with a plurality of salient poles for receiving a main rotational force by interlinking magnetic fluxes generated in the drive coil. A power supply control device for inputting the drive current to a reluctance motor,
The rotor of the reluctance motor is
An inductor pole provided between the salient poles adjacent in the circumferential direction;
The inductor is provided on the pole, induced by harmonic components disposed in magnetic flux harmonic component you overlap the magnetic flux the rotor side interlinked on the magnetic path to generate the drive coil current An inductor pole coil for generating
A rectifying element that rectifies the induced current generated in the inductor pole coil;
Electromagnetic pole provided on the salient pole and generating an electromagnetic force serving as an auxiliary rotational force that assists the main rotational force by energizing the self-excited current rectified by the rectifying element as a field current and performing self-excitation. Coils,
Have
A reluctance motor power control apparatus, wherein a high-frequency pulse current is superimposed on a predetermined section of an electrical angle as the drive current and supplied to the drive coil.
置。 The reluctance motor power control device according to claim 3, wherein a timing at which the polarity of the induced current before rectification by the rectifying element is switched is adjusted to be in the section.
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