JP6823318B2 - 回転電気機械装置 - Google Patents
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Description
図1は、実施形態による回転電気機械装置(1)の構成を例示している。この回転電気機械装置(1)は、回転電気機械(2)と制御部(3)とを備えている。この例では、回転電気機械(2)は、電動機の一種であるハイブリッド界磁フラックススイッチングモータ(HEFSM)を構成している。そして、電動機を構成する回転電気機械(2)は、例えば、自動車や空気調和装置などに用いることができ、後述する回転子(10)に設けられた駆動軸(12)によって自動車のトランスミッションや空気調和機の圧縮機などを駆動する。
回転電気機械(2)は、回転子(10)と固定子(20)とを備え、ケーシング(図示を省略)に収容されている。固定子(20)は、回転子(10)と所定のエアギャップ(G)を挟んで対向している。
回転子(10)は、回転子コア(11)と駆動軸(12)とを有している。回転子コア(11)は、軟磁性体によって構成されている。この例では、回転子コア(11)は、電磁鋼板をプレス加工によって打ち抜いて作製した多数のコア部材を軸方向に積層した積層コアによって構成されている。回転子コア(11)の中心部には、駆動軸(12)が挿入される貫通孔(111)が設けられている。また、回転子コア(11)には、外周側へ向けて突出する複数(この例では10個)の突部(112)が設けられている。複数の突部(112)は、回転子コア(11)の周方向に等ピッチで並んでいる。すなわち、回転子コア(11)は、軸方向から見て歯車状に形成されている。なお、複数の突部(112)は、固定子(20)に対する回転子(10)の相対的位置により磁気抵抗を異ならせるため設けられたものである。したがって、複数の突部(112)は、必ずしも厳密に等間隔(等ピッチ)で並んでいなくてもよい。また、回転子(10)の形状(軸方向から見た場合の形状)は、歯車状となっていなくてもよい。例えば、回転子コア(11)の凹部(突部(112)の間の部分)に薄肉の回転子コアを設けて回転子(10)の形状を真円状としてもよい。
固定子(20)は、固定子コア(21)と、永久磁石(22)と、外側界磁巻線(23)と、内側界磁巻線(24)と、電機子巻線(25)とを有している。この例では、固定子コア(21)には、12個の永久磁石(22)と12個の外側界磁巻線(23)と12個の内側界磁巻線(24)が設けられている。
固定子コア(21)は、軟磁性体によって構成されて円環状に形成されている。この例では、固定子コア(21)は、電磁鋼板をプレス加工によって打ち抜いて作製した多数のコア部材を軸方向に積層した積層コアによって構成されている。
永久磁石(22)は、固定子コア(21)に設けられ、その発生磁束方向が径方向と交差(この例では直交)するように構成されている。この例では、12個の永久磁石(22)が12個の界磁スロット(213a)の中央部にそれぞれ配置されている。
外側界磁巻線(23)は、固定子コア(21)において永久磁石(22)よりも径方向の外側に設けられ、直流の外側界磁電流(i23)が供給されて永久磁石(22)を通過する外側界磁磁束(M23)を発生させるように構成されている。外側界磁巻線(23)は、永久磁石(22)の磁束を制御するための巻線である。
内側界磁巻線(24)は、固定子コア(21)において永久磁石(22)よりも径方向の内側に設けられ、直流の内側界磁電流(i24)が供給されて永久磁石(22)を通過する内側界磁磁束(M24)を発生させるように構成されている。内側界磁巻線(24)は、永久磁石(22)の磁束を制御するための巻線である。
電機子巻線(25)は、固定子コア(21)に設けられ、交流の電機子電流(i25)が供給されて回転子(10)を回転させるための回転磁界を発生させるように構成されている。すなわち、電機子巻線(25)は、回転磁界を形成するための巻線である。
制御部(3)は、外側界磁電流(i23)と内側界磁電流(i24)と電機子電流(i25)とを制御して回転電気機械(2)の動作を制御するように構成されている。特に、制御部(3)は、外側界磁電流(i23)と内側界磁電流(i24)とを個別に制御するように構成されている。この例では、制御部(3)は、電源(31)と制御回路(32)とを有している。
図4に示すように、磁界停止制御では、制御部(3)は、外側界磁磁束(M23)が発生しないように外側界磁電流(i23)を制御し、内側界磁磁束(M24)が発生しないように内側界磁電流(i24)を制御する。具体的には、制御部(3)は、外側界磁電流(i23)および内側界磁電流(i24)の供給を停止する。
図5に示すように、内外磁界生成制御では、制御部(3)は、永久磁石(22)を通過する外側界磁磁束(M23)の向きが永久磁石(22)の磁束方向の逆方向となるように外側界磁電流(i23)を制御し、永久磁石(22)を通過する内側界磁磁束(M24)の向きが永久磁石(22)の磁束方向と同方向となるように内側界磁電流(i24)を制御する。具体的には、制御部(3)は、図5に示すような外側界磁磁束(M23)および内側界磁磁束(M24)が発生するように、外側界磁巻線(23)および内側界磁巻線(24)に外側界磁電流(i23)および内側界磁電流(i24)をそれぞれ供給する。なお、図5では、外側界磁磁束(M23)および内側界磁磁束(M24)の図示を省略して外側界磁磁束(M23)と内側界磁磁束(M24)とを合成して得られる合成磁束(M20)を図示している。
図6に示すように、外側磁界生成制御では、制御部(3)は、永久磁石(22)を通過する外側界磁磁束(M23)の向きが永久磁石(22)の磁束方向の逆方向となるように外側界磁電流(i23)を制御し、内側界磁磁束(M24)が発生しないように内側界磁電流(i24)を制御する。具体的には、制御部(3)は、図6に示すような外側界磁磁束(M23)が発生するように外側界磁巻線(23)に外側界磁電流(i23)を供給し、内側界磁電流(i24)の供給を停止する。
図7に示すように、内側磁界生成制御では、制御部(3)は、外側界磁磁束(M23)が発生しないように外側界磁電流(i23)を制御し、永久磁石(22)を通過する内側界磁磁束(M24)の向きが永久磁石(22)の磁束方向と同方向となるように内側界磁電流(i24)を制御する。具体的には、制御部(3)は、外側界磁電流(i23)の供給を停止し、図7に示すような内側界磁磁束(M24)が発生するように内側界磁巻線(24)に内側界磁電流(i24)を供給する。
図8に示すように、順磁界生成制御では、制御部(3)は、永久磁石(22)を通過する外側界磁磁束(M23)の向きが永久磁石(22)の磁束方向と同方向となるように外側界磁電流(i23)を制御し、永久磁石(22)を通過する内側界磁磁束(M24)の向きが永久磁石(22)の磁束方向と同方向となるように内側界磁電流(i24)を制御する。具体的には、制御部(3)は、図8に示すような外側界磁磁束(M23)および内側界磁磁束(M24)が発生するように、外側界磁巻線(23)および内側界磁巻線(24)に外側界磁電流(i23)および内側界磁電流(i24)をそれぞれ供給する。なお、図8では、外側界磁磁束(M23)と内側界磁磁束(M24)との合成磁束(M20)の図示を省略している。
図9に示すように、逆磁界生成制御では、制御部(3)は、永久磁石(22)を通過する外側界磁磁束(M23)の向きが永久磁石(22)の磁束方向の逆方向となるように外側界磁電流(i23)を制御し、永久磁石(22)を通過する内側界磁磁束(M24)の向きが永久磁石(22)の磁束方向の逆方向となるように内側界磁電流(i24)を制御する。具体的には、制御部(3)は、図9に示すような外側界磁磁束(M23)および内側界磁磁束(M24)が発生するように、外側界磁巻線(23)および内側界磁巻線(24)に外側界磁電流(i23)および内側界磁電流(i24)をそれぞれ供給する。なお、図9では、外側界磁磁束(M23)と内側界磁磁束(M24)との合成磁束(M20)の図示を省略している。
次に、図10を参照して、制御部(3)の動作について説明する。この例では、制御部(3)は、回転電気機械(2)の運転状態に応じて外側界磁電流(i23)と内側界磁電流(i24)とを個別に制御するように構成されている。すなわち、制御部(3)は、回転電気機械(2)の運転状態に応じて各種の制御を切り換えて行うように構成されている。例えば、制御部(3)は、以下の処理を行う。
まず、制御部(3)は、回転子(10)の回転トルク(具体的には回転トルク指令、以下同様)と回転速度を取得する。また、制御部(3)は、永久磁石(22)の温度を取得する。例えば、制御部(3)は、回転子(10)の回転速度を検出するように構成された回転速度センサ(図示を省略)の検出結果に基づいて回転子(10)の回転速度を取得する。また、制御部(3)は、永久磁石(22)の温度を検出するように構成された温度センサ(図示を省略)の検出結果に基づいて永久磁石(22)の温度を取得する。
次に、制御部(3)は、回転子(10)の回転トルクが予め定められた回転トルク閾値を上回るか否かを判定する。回転子(10)の回転トルクが回転トルク閾値を上回る場合には、ステップ(ST13)へ進み、そうでない場合には、ステップ(ST16)へ進む。
回転子(10)の回転トルクが回転トルク閾値を上回る場合、制御部(3)は、永久磁石(22)の温度が予め定められた温度閾値を上回るか否かを判定する。なお、温度閾値は、永久磁石(22)において減磁が発生しないとみなせるときの永久磁石(22)の温度に設定されている。永久磁石(22)の温度が温度閾値を上回る場合(すなわち永久磁石(22)において減磁が発生する可能性がある場合)には、ステップ(ST14)へ進み、そうでない場合には、ステップ(ST15)へ進む。
回転子(10)の回転トルクが回転トルク閾値を上回り、且つ、永久磁石(22)の温度が温度閾値を上回る場合、制御部(3)は、内側磁界生成制御を行う。なお、内側界磁生成制御は、回転子(10)の回転トルクが比較的に高くなるように回転電気機械(2)を制御する場合に有用である。さらに、内側界磁生成制御は、永久磁石(22)の温度が比較的に高くなっている場合(すなわち永久磁石(22)において減磁が発生する可能性がある場合)に有用である。したがって、内側磁界生成制御を効果的に行うことができる。
一方、回転子(10)の回転トルクが回転トルク閾値を上回り、且つ、永久磁石(22)の温度が温度閾値を上回らない場合、制御部(3)は、内外磁界生成制御を行う。なお、内外磁界生成制御は、回転子(10)の回転トルクが比較的に高くなるように回転電気機械(2)を制御する場合に有用である。したがって、内外磁界生成制御を効果的に行うことができる。
また、ステップ(ST12)において回転子(10)の回転トルクが回転トルク閾値を上回らないと判定された場合、制御部(3)は、回転子(10)の回転速度が予め定められた回転速度閾値を上回るか否かを判定する。回転子(10)の回転速度が回転速度閾値を上回る場合には、ステップ(ST17)へ進み、そうでない場合には、ステップ(ST18)へ進む。
回転子(10)の回転トルクが回転トルク閾値を下回り、且つ、回転子(10)の回転速度が回転速度閾値を上回る場合、制御部(3)は、逆磁界生成制御を行う。なお、逆磁界生成制御は、回転子(10)の回転トルクが比較的に低く且つ回転子(10)の回転速度が比較的に高くなるように回転電気機械(2)を制御する場合に有用である。したがって、逆磁界生成制御を効果的に行うことができる。なお、ステップ(ST17)において、逆磁界生成制御の代わりに、磁界停止制御が行われてもよい。
一方、回転子(10)の回転トルクが回転トルク閾値を下回り、且つ、回転子(10)の回転速度が回転速度閾値を下回る場合、制御部(3)は、外側磁界生成制御を行う。なお、外側界磁生成制御は、回転子(10)の回転トルクが比較的に低く且つ回転子(10)の回転速度が比較的に低くなるように回転電気機械(2)を制御する場合に有用である。したがって、外側界磁生成制御を効果的に行うことができる。なお、ステップ(ST18)において、外側界磁生成制御の代わりに、磁界停止制御が行われてもよい。
以上のように、固定子(20)に永久磁石(22)と外側界磁巻線(23)と内側界磁巻線(24)とを設けて外側界磁巻線(23)に供給される外側界磁電流(i23)と内側界磁巻線(24)に供給される内側界磁電流(i24)とを個別に制御することにより、固定子(20)に永久磁石(22)と1種類の界磁巻線とが設けられている場合(例えば特許文献1の場合)よりも、回転電気機械(2)における制御の自由度を向上させることができる。これにより、回転電気機械(2)の制御を多様化させることができる。
図11に示すように、制御部(3)において、電源(31)は、図3に示した外側界磁電源部(311)と内側界磁電源部(312)とに代えて、内外界磁電源部(300)を有していてもよい。内外界磁電源部(300)は、共通電源部(310)と外側界磁スイッチ(S1)と内側界磁スイッチ(S2)とを有している。
なお、図4〜図9に示した各種の磁束(具体的には永久磁石(22)の磁束(M22)と外側界磁磁束(M23)と内側界磁磁束(M24))の流れは、あくまで一例であり、回転子(10)の回転位置(突部(112)の位置)に応じて各種の磁束経路(磁束が流れる経路)が異なり得る。ただし、回転子(10)の回転位置が変化しても各種の磁束は、回転子(10)を経由して流れて界磁磁束として回転子(10)に作用する。
2 回転電気機械
3 制御部
10 回転子
11 回転子コア
12 駆動軸
20 固定子
21 固定子コア
22 永久磁石
23 外側界磁巻線
24 内側界磁巻線
25 電機子巻線
31 電源
32 制御回路
211 固定子ヨーク
212 ティース
212a 界磁ティース
212b 電機子ティース
213 スロット
213a 界磁スロット
213b 電機子スロット
Claims (9)
- 回転子(10)と、該回転子(10)と所定のエアギャップをおいて対向する固定子(20)とを有する回転電気機械(2)と、
制御部(3)とを備え、
上記固定子(20)は、
円環状に形成された固定子コア(21)と、
上記固定子コア(21)に設けられ、その発生磁束方向が径方向と交差するように構成された永久磁石(22)と、
上記固定子コア(21)において上記永久磁石(22)よりも上記径方向の外側に設けられ、直流の外側界磁電流(i23)が供給されて該永久磁石(22)を通過する外側界磁磁束(M23)を発生させるように構成された外側界磁巻線(23)と、
上記固定子コア(21)において上記永久磁石(22)よりも上記径方向の内側に設けられ、直流の内側界磁電流(i24)が供給されて該永久磁石(22)を通過する内側界磁磁束(M24)を発生させるように構成された内側界磁巻線(24)と、
上記固定子コア(21)に設けられ、交流の電機子電流(i25)が供給されて上記回転子(10)を回転させるための回転磁界を発生させるように構成された電機子巻線(25)とを有し、
上記制御部(3)は、上記外側界磁電流(i23)と上記内側界磁電流(i24)とを個別に制御するように構成されている
ことを特徴とする回転電気機械装置。 - 請求項1において、
上記制御部(3)は、上記回転電気機械(2)の運転状態に応じて上記外側界磁電流(i23)と上記内側界磁電流(i24)とを個別に制御するように構成されている
ことを特徴とする回転電気機械装置。 - 請求項1または2において、
上記制御部(3)は、上記永久磁石(22)を通過する上記外側界磁磁束(M23)の向きが該永久磁石(22)の磁束方向の逆方向となるように上記外側界磁電流(i23)を制御し、上記内側界磁磁束(M24)が発生しないように上記内側界磁電流(i24)を制御する外側磁界生成制御を行うように構成されている
ことを特徴とする回転電気機械装置。 - 請求項3において、
上記制御部(3)は、上記回転子(10)の回転トルクが予め定められた回転トルク閾値を下回り且つ該回転子(10)の回転速度が予め定められた回転速度閾値を下回る場合に、上記外側磁界生成制御を行うように構成されている
ことを特徴とする回転電気機械装置。 - 請求項1または2において、
上記制御部(3)は、上記外側界磁磁束(M23)が発生しないように上記外側界磁電流(i23)を制御し、上記永久磁石(22)を通過する上記内側界磁磁束(M24)の向きが該永久磁石(22)の磁束方向と同方向となるように上記内側界磁電流(i24)を制御する内側磁界生成制御を行うように構成されている
ことを特徴とする回転電気機械装置。 - 請求項5において、
上記制御部(3)は、上記回転子(10)の回転トルクが予め定められた回転トルク閾値を上回り且つ上記永久磁石(22)の温度が予め定められた温度閾値を上回る場合に、上記内側磁界生成制御を行うように構成されている
ことを特徴とする回転電気機械装置。 - 請求項1または2において、
上記制御部(3)は、上記永久磁石(22)を通過する上記外側界磁磁束(M23)の向きが該永久磁石(22)の磁束方向と同方向となるように上記外側界磁電流(i23)を制御し、上記永久磁石(22)を通過する上記内側界磁磁束(M24)の向きが該永久磁石(22)の磁束方向と同方向となるように上記内側界磁電流(i24)を制御する順磁界生成制御を行うように構成されている
ことを特徴とする回転電気機械装置。 - 請求項1または2において、
上記制御部(3)は、上記永久磁石(22)を通過する上記外側界磁磁束(M23)の向きが該永久磁石(22)の磁束方向の逆方向となるように上記外側界磁電流(i23)を制御し、上記永久磁石(22)を通過する上記内側界磁磁束(M24)の向きが該永久磁石(22)の磁束方向の逆方向となるように上記内側界磁電流(i24)を制御する逆磁界生成制御を行うように構成されている
ことを特徴とする回転電気機械装置。 - 請求項8において、
上記制御部(3)は、上記回転子(10)の回転トルクが予め定められた回転トルク閾値を下回り且つ該回転子(10)の回転速度が予め定められた回転速度閾値を上回る場合に、上記逆磁界生成制御を行うように構成されている
ことを特徴とする回転電気機械装置。
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