JP6984164B2 - Rotating machine - Google Patents
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Description
本発明は、回転電機に関する。 The present invention relates to a rotary electric machine.
ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両の駆動源に用いられる回転電機として、永久磁石型同期モータが知られている。永久磁石型同期モータは、車両の走行状態によって動作点が異なる。例えば、車両の発進時は高トルク領域の動作点を用い、車両の市街地走行時は低トルク領域の動作点を用い、車両の高速走行時は高速領域の動作点が用いられる。 Permanent magnet type synchronous motors are known as rotary electric machines used as drive sources for vehicles such as hybrid vehicles and electric vehicles. The operating point of the permanent magnet type synchronous motor differs depending on the running condition of the vehicle. For example, the operating point in the high torque region is used when the vehicle starts, the operating point in the low torque region is used when the vehicle is traveling in the city, and the operating point in the high speed region is used when the vehicle is traveling at high speed.
従来のこの種の回転電機として、特許文献1に記載されたものが知られている。特許文献1に記載のものは、回転子が形成する1つの磁極から他の磁極へ永久磁石の磁石磁束をバイパスさせるバイパス路を備えている。
As a conventional rotary electric machine of this kind, the one described in
ところで、特許文献1に記載の回転電機のようにバイパス路を備える回転電機においては、所望の動作点を得ることができるよう、バイパス路を通る永久磁石の磁束量を電機子コイルの磁束で強める強め界磁制御を行うことが考えられる。
By the way, in a rotary electric machine provided with a bypass path like the rotary electric machine described in
しかしながら、特許文献1に記載の回転電機にあっては、永久磁石の磁石磁束は正弦波状にステータに鎖交するため、電機子コイルに電流を流していない無負荷状態での高速回転時に電機子コイルに誘起電圧が発生してしまう。電機子コイルに誘起電圧が発生すると、この誘起電圧がインバータの電源電圧を超えないようにモータ回転数を制限しなければならず、モータの動作点が狭くなってしまう。
However, in the rotary electric machine described in
また、特許文献1に記載の回転電機にあっては、d軸上に磁気抵抗が高い永久磁石を配置し、q軸上に外側磁気的空隙部を配置しているので、d軸とq軸の磁気抵抗が同等になり、d軸とq軸の磁気抵抗比率である突極比が低下し、リラクタンストルクが低下してしまう。
Further, in the rotary electric machine described in
したがって、特許文献1に記載の回転電機にあっては、モータの動作点が狭くなってしまい、リラクタンストルクを有効に活用することができず、出力トルク及び効率が低下してしまう。
Therefore, in the rotary electric machine described in
本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、動作点を広くすることができ、リラクタンストルクを大きくすることができる回転電機を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a rotary electric machine capable of widening an operating point and increasing a reluctance torque.
本発明は、上記目的を達成するため、電機子コイルを有するステータと、ロータコアおよび前記ロータコアにおける前記ステータへの対向面に設けられた複数の突極を有するロータと、を備える回転電機であって、前記ロータは、隣り合う前記突極同士を接続する第1バイパス路と、前記第1バイパス路に、該第1バイパス路の延伸方向に磁極を向くように軸芯に最も近い位置に配置された第1永久磁石と、前記ロータコアと前記第1バイパス路との間に形成される第1フラックスバリアと、を備えることを特徴とする。 The present invention is a rotary electric machine including a stator having an armature coil and a rotor having a rotor core and a plurality of salient poles provided on a surface of the rotor core facing the stator in order to achieve the above object. The rotor is arranged in the first bypass path connecting the adjacent salient poles and the first bypass path at a position closest to the axis so as to face the magnetic pole in the extending direction of the first bypass path. It is characterized by comprising a first permanent magnet and a first flux barrier formed between the rotor core and the first bypass path.
本発明によれば、動作点を広くすることができ、リラクタンストルクを大きくすることができる。 According to the present invention, the operating point can be widened and the reluctance torque can be increased.
本発明の一実施の形態に係る回転電機は、電機子コイルを有するステータと、ロータコアおよびロータコアにおけるステータへの対向面に設けられた複数の突極を有するロータと、を備える回転電機であって、ロータは、隣り合う突極同士を接続する第1バイパス路と、第1バイパス路に、該第1バイパス路の延伸方向に磁極を向くように配置された第1永久磁石と、ロータコアと第1バイパス路との間に形成される第1フラックスバリアと、を備えることを特徴とする。これにより、本発明の一実施の形態に係る回転電機は、動作点を広くすることができ、リラクタンストルクを大きくすることができる。 The rotary electric machine according to the embodiment of the present invention is a rotary electric machine including a stator having an armature coil and a rotor core and a rotor having a plurality of salient poles provided on facing surfaces of the rotor core with respect to the stator. The rotor includes a first bypass path connecting adjacent salient poles, a first permanent magnet arranged in the first bypass path so as to face a magnetic pole in the extending direction of the first bypass path, a rotor core, and a first rotor. It is characterized by including a first flux barrier formed between the bypass path and the bypass path. As a result, the rotary electric machine according to the embodiment of the present invention can have a wide operating point and can increase the reluctance torque.
以下、本発明に係る回転電機の一実施例について、図面を用いて説明する。 Hereinafter, an embodiment of the rotary electric machine according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1、図2、図3に示すように、本実施例に係る回転電機1は、永久磁石をロータ内部に埋め込んだ埋込磁石同期回転電機(IPMSM:Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)である。回転電機1は、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。
As shown in FIGS. 1, 2, and 3, the rotary
回転電機1は、環状に形成されたステータ10と、ステータ10内に回転自在に収容されたロータ20とを備えている。ロータ20は、軸心Oを中心に回転する回転軸2に固定されており、回転軸2と一体回転するようになっている。
The rotary
ステータ10は、図示しないモータケースに固定されている。ステータ10は、高透磁率の磁性材料からなる環状のステータコア11を備えている。ステータコア11は、回転軸2の軸線に沿った軸方向に電磁鋼板を積層したものからなる。
The
ステータコア11には、径方向の内方側に突出したステータティース12が周方向に沿って複数(本実施例では48)設けられている。周方向に隣り合うステータティース12の間には、溝状の空間であるスロット13が形成されている。
The
ここで、径方向とは、上述の軸方向と直交する方向を示す。径方向の内方側とは、径方向において回転軸2に近い側を示し、径方向の外方側とは、径方向において回転軸2から遠い側を示す。周方向とは、回転軸2を中心とする円周方向を示す。 Here, the radial direction indicates a direction orthogonal to the above-mentioned axial direction. The radial inner side indicates the side closer to the rotating shaft 2 in the radial direction, and the radial outer side indicates the side farther from the rotating shaft 2 in the radial direction. The circumferential direction indicates a circumferential direction about the rotation axis 2.
ステータコア11の各スロット13には、ステータコア11の周方向に沿ってW相、V相、U相の三相の電機子コイル14がそれぞれ配置されている。W相、V相、U相の各電機子コイル14は、それぞれのステータティース12に分布巻されている。
In each
ステータ10は、電機子コイル14に三相交流が供給されることで、周方向に回転する回転磁界を発生させる。ステータ10で発生した磁束は、ロータ20に鎖交するようになっている。これにより、ステータ10は、ロータ20を回転させることができる。
The
電機子コイル14には、この電機子コイル14に流れる電流を制御するためのインバータ(不図示)が接続されており、インバータは、電機子コイル14に供給される三相交流、すなわち供給電機子電流の振幅および位相を制御する。
An
電機子電流の振幅および位相は、要求される動作点を満たす範囲で適切に制御される。モータの電力効率に応じて、そのときどきで振幅および位相のいずれか一方のみを制御してもよいし、その両方を制御してもよい。 The amplitude and phase of the armature current are appropriately controlled within the range that meets the required operating point. Depending on the power efficiency of the motor, only one of the amplitude and the phase may be controlled at any given time, or both may be controlled.
ロータ20は、環状のロータコア21を備えている。ロータコア21は、回転軸2の軸線に沿った軸方向に、高透磁率の磁性材料である電磁鋼板を積層したものからなる。
The
ロータコア21の外周面には、ロータ20の周方向に沿って複数(8つ)の突極22が等間隔で形成されている。突極22は、径方向外方、すなわちステータ10方向に突出している。隣り合う突極22は、周方向に機械角で45[deg]離れている。
A plurality (eight)
ここで、ロータコア21と突極22とは、一体で構成されており磁気的にも結合されている。このため、本実施例におけるロータコア21はヨーク部として機能し、複数の突極22の基部を機械的および磁気的に結合している。
Here, the
本実施例において、突極22を通る軸をd軸とし、このd軸と電気的および磁気的に直交する軸(電気角で90[deg]離れた軸)をq軸としている。q軸は、d軸から周方向に機械角で22.5[deg]離れており、周方向に隣り合う突極22の中間を通過している。突極22は磁束が通過する磁路であり、突極22のことを以下、突極磁路またはd軸磁路ともいう。
In this embodiment, the axis passing through the
本実施例に係る回転電機1において、ロータ20は、隣り合う突極22同士を接続する第1バイパス路BP1を備えている。
In the rotary
第1バイパス路BP1は、突極22におけるロータコア21側の基端部同士を接続しており、ロータ20の接線と平行に直線状に延伸している。
The first bypass path BP1 connects the base ends of the
ロータ20は、第1バイパス路BP1に、この第1バイパス路BP1の延伸方向に磁極を向くように配置された第1永久磁石PM1を備えている。第1永久磁石PM1は、本実施例は分割されていない1つの永久磁石からなる。
The
ロータ20は、ロータコア21と第1バイパス路BP1との間に形成される第1フラックスバリアFB1を備えている。
The
第1フラックスバリアFB1および後述する第2フラックスバリアFB2、第3フラックスバリアFB3、第4フラックスバリアFB4、第5フラックスバリアFB5は、磁束の回り込みを防止するものであり、透磁率の低い物質(本実施例では空気)から構成されている。 The first flux barrier FB1, the second flux barrier FB2, the third flux barrier FB3, the fourth flux barrier FB4, and the fifth flux barrier FB5, which will be described later, prevent the wraparound of the magnetic flux, and are substances having a low magnetic permeability (the present). In the embodiment, it is composed of air).
突極22の基端部には第2フラックスバリアFB2が設けられている。この第2フラックスバリアFB2は、突極22の基端部におけるロータコア21との連結部に配置されている。第2フラックスバリアFB2は、突極22の基端部がロータコア21に対して斜めに連結されるように、三角形に形成されている。
A second flux barrier FB2 is provided at the base end of the
隣り合う突極22の間であって第1バイパス路BP1よりステータ10側には、ロータ20のステータ10との対向面における一方の突極22の近傍からq軸を跨いで他方の突極22の近傍に向かって延伸する第2バイパス路BP2が設けられている。
Between adjacent
第2バイパス路BP2は、ロータ20の外周面における一方の突極22の先端部の近傍において、突極22と平行に径方向内方に延伸した後、q軸を跨いで他方の突極22に向かうようにU字状に湾曲して延伸し、他方の突極22の先端部の近傍に到達している。
The second bypass path BP2 extends radially inward in parallel with the
言い換えれば、第2バイパス路BP2は、隣り合う一方の突極22の先端の側部から、ロータコア21の内周側を経て、他方の突極22の先端の側部に向かうように、U字状に湾曲している。
In other words, the second bypass path BP2 is U-shaped so as to go from the side of the tip of one of the adjacent
ここで、本実施例のロータ20はインナロータ型のラジアルギャップロータであるため、ロータ20のステータ10との「対向面」は、ロータ20の外周面を意味している。仮にロータ20がアウタロータ型のラジアルギャップロータである場合、ロータ20の内周面がステータ10との対向面を構成する。また、ロータ20がアキシャルギャップロータである場合、ステータ10に軸方向に対向する面が対向面を構成する。
Here, since the
また、突極22の「近傍」の範囲は、隣り合う突極22同士の間であって、d軸である突極22からq軸の間である。すなわち、一方または他方の突極22の近傍とは、当該突極22とq軸との間の空間を意味する。
Further, the range of the “nearby” of the
また、第2バイパス路BP2には、この第2バイパス路BP2の延伸方向に磁極を向くように第2永久磁石PM2が配置されている。第2永久磁石PM2は、q軸を挟んで対向配置される1組の永久磁石である。 Further, in the second bypass path BP2, the second permanent magnet PM2 is arranged so as to face the magnetic pole in the extending direction of the second bypass path BP2. The second permanent magnet PM2 is a set of permanent magnets arranged so as to face each other across the q-axis.
また、第1バイパス路BP1と第2バイパス路BP2との間には第3フラックスバリアFB3が設けられている。 Further, a third flux barrier FB3 is provided between the first bypass path BP1 and the second bypass path BP2.
ステータ10の近傍における第3フラックスバリアFB3の幅をWbとし、q軸の近傍における第3フラックスバリアFB3の幅をWqとし、ステータ10におけるロータ20への対向部のティース間隔をWsとしたとき、Wb<Ws、かつ、Wb<Wqを満たしている。ここで、ティース間隔とは、スロット13の開口幅、すなわち隣り合うステータティース12の間隔のことである。
When the width of the third flux barrier FB3 in the vicinity of the
ここで、q軸の近傍における第2バイパス路BP2の幅を、磁気飽和を引き起こさない程度に狭めることで、幅Wqを所望のサイズに拡大することができる。 Here, by narrowing the width of the second bypass path BP2 in the vicinity of the q-axis to such an extent that magnetic saturation is not caused, the width Wq can be expanded to a desired size.
隣り合う突極22の間であって第2バイパス路BP2よりステータ10側には、ロータ20のステータ10との対向面における一方の突極22の近傍からq軸を跨いで他方の突極22の近傍に向かって延伸する第3バイパス路BP3が設けられている。また、第2バイパス路BP2と第3バイパス路BP3との間には第4フラックスバリアFB4が設けられている。
Between adjacent
第3バイパス路BP3は、ロータ20の外周面における一方の突極22の先端部の近傍において、突極22と平行に径方向内方に延伸した後、q軸を跨いで他方の突極22に向かうようにU字状に湾曲して延伸し、他方の突極22の先端部の近傍に到達している。
The third bypass path BP3 extends radially inward in parallel with the
言い換えれば、第3バイパス路BP3は、隣り合う一方の突極22の先端の側部から、ロータコア21の内周側を経て、他方の突極22の先端の側部に向かうように、U字状に湾曲している。
In other words, the third bypass path BP3 is U-shaped so as to go from the side of the tip of one of the adjacent
隣り合う突極22の間であって第3バイパス路BP3よりステータ10側には、ロータ20のステータ10との対向面における一方の突極22の近傍からq軸を跨いで他方の突極22の近傍に向かって延伸する第4バイパス路BP4が設けられている。
Between adjacent
第4バイパス路BP4は、ロータ20の外周面における一方の突極22の先端部の近傍において、突極22と平行に径方向内方に延伸した後、q軸を跨いで他方の突極22に向かうようにU字状に湾曲して延伸し、他方の突極22の先端部の近傍に到達している。
The fourth bypass path BP4 extends radially inward in parallel with the
言い換えれば、第4バイパス路BP4は、隣り合う一方の突極22の先端の側部から、ロータコア21の内周側を経て、他方の突極22の先端の側部に向かうように、U字状に湾曲している。
In other words, the fourth bypass path BP4 is U-shaped so as to go from the side of the tip of one of the adjacent
また、第3バイパス路BP3と第4バイパス路BP4との間には第5フラックスバリアFB5が設けられている。 Further, a fifth flux barrier FB5 is provided between the third bypass path BP3 and the fourth bypass path BP4.
また、第4バイパス路BP4には、この第4バイパス路BP4の延伸方向に磁極を向くように第3永久磁石PM3が配置されている。第3永久磁石PM3は、q軸を挟んで対向配置される1組の永久磁石である。 Further, in the fourth bypass path BP4, a third permanent magnet PM3 is arranged so as to face the magnetic pole in the extending direction of the fourth bypass path BP4. The third permanent magnet PM3 is a set of permanent magnets arranged so as to face each other across the q-axis.
また、第4バイパス路BP4は、q軸上にロータ20の外周面からロータコア21に向かって凹む凹部25を有する。この凹部25は、第4バイパス路BP4におけるロータ20の外周面を形成する部位に配置されている。
Further, the fourth bypass path BP4 has a
第4バイパス路BP4におけるステータ10側の端部には、ロータ20の外周面への接線に対して所定角度をなす切欠き部24が形成されている。この切欠き部24は、第5フラックスバリアFB5におけるステータ10側の端部を鉤爪形状に突出する形状とすることで、この鉤爪形状に対応する凹状の形状にされている。
At the end of the fourth bypass path BP4 on the
隣り合う突極22の一方を挟んで隣り合う一対の第2永久磁石PM2および一対の第3永久磁石PM3は、何れもロータ20の外周側がN極になるように配置されている。また、隣り合う突極22の他方を挟んで隣り合う一対の第2永久磁石PM2および一対の第3永久磁石PM3は、何れもロータ20の外周側がS極の他方になるように配置されている。したがって、ロータ20には、N極の突極22とS極の突極22とが周方向に交互に配置されている。
The pair of second permanent magnets PM2 and the pair of third permanent magnets PM3 that are adjacent to each other with one of the adjacent
ロータ20の表面近傍における第4バイパス路BP4に囲まれる部位には、q軸を挟んで一対の空気層23が設けられており、この空気層23によって磁束の回り込みが防止される。
A pair of air layers 23 are provided in the vicinity of the surface of the
ここで、第1永久磁石PM1、第2永久磁石PM2、第3永久磁石PM3は、直方体の形状に形成されている。本実施例では、永久磁石PM1の着磁方向に直交する方向の長さよりも、第2永久磁石PM2の着磁方向に直交する方向の長さの方が大きくなっている。また、第2永久磁石PM2の着磁方向に直交する方向の長さよりも、第3永久磁石PM3の着磁方向に直交する方向の長さの方が大きくなっている。また、第2永久磁石PM2の着磁方向の長さよりも、第3永久磁石PM3の着磁方向の長さの方が小さくなっている。 Here, the first permanent magnet PM1, the second permanent magnet PM2, and the third permanent magnet PM3 are formed in the shape of a rectangular parallelepiped. In this embodiment, the length in the direction orthogonal to the magnetizing direction of the second permanent magnet PM2 is larger than the length in the direction orthogonal to the magnetizing direction of the permanent magnet PM1. Further, the length in the direction orthogonal to the magnetizing direction of the third permanent magnet PM3 is larger than the length in the direction orthogonal to the magnetizing direction of the second permanent magnet PM2. Further, the length of the third permanent magnet PM3 in the magnetizing direction is smaller than the length of the second permanent magnet PM2 in the magnetizing direction.
次に、本実施例に係る回転電機1の動作と作用効果について説明する。
Next, the operation and action / effect of the rotary
このように、本実施例では、永久磁石を備えたバイパス路である第1バイパス路BP1、第2バイパス路BP2および第4バイパス路BP4を、3層の層構造にしている。これにより、第1永久磁石PM1の磁石磁束、第2永久磁石PM2の磁石磁束および第3永久磁石PM3の磁石磁束が、第1バイパス路BP1、第2バイパス路BP2および第4バイパス路BP4をそれぞれ通って流れやすくなり、これらの磁石磁束をロータ20内で短絡しやすくできる。なお、第1永久磁石PM1の磁石磁束、第2永久磁石PM2の磁石磁束および第3永久磁石PM3の磁石磁束を総称して、単に磁石磁束ともいう。
As described above, in this embodiment, the first bypass path BP1, the second bypass path BP2, and the fourth bypass path BP4, which are bypass paths provided with permanent magnets, have a three-layer structure. As a result, the magnetic flux of the first permanent magnet PM1, the magnetic flux of the second permanent magnet PM2, and the magnetic flux of the third permanent magnet PM3 form the first bypass path BP1, the second bypass path BP2, and the fourth bypass path BP4, respectively. It becomes easy to flow through, and these magnet magnetic fluxes can be easily short-circuited in the
第1のフラックスバリアFB1、第3のフラックスバリアFB3、第4のフラックスバリアFB4はq軸を跨いでおり、第1永久磁石PM1はq軸上に配置されている。このため、q軸方向においては磁束が通過しにくい。一方、突極22のあるd軸においては磁束が通過しやすい。
The first flux barrier FB1, the third flux barrier FB3, and the fourth flux barrier FB4 straddle the q-axis, and the first permanent magnet PM1 is arranged on the q-axis. Therefore, it is difficult for the magnetic flux to pass in the q-axis direction. On the other hand, the magnetic flux easily passes through the d-axis having the
すなわち、突極22を通るd軸方向のインダクタンス(d軸インダクタンスLd)は、q軸方向のインダクタンス(q軸インダクタンスLq)よりも大きい。したがって、ロータ20は順突極性)(Ld>Lq)を有する構造(以下、順突極構造ともいう)であり、ハイブリッド車両等において今日一般的に用いられている逆突極性(Ld<Lq)を有する構造(以下、逆突極構造ともいう)の回転電機とは異なっている。
That is, the inductance in the d-axis direction (d-axis inductance Ld) passing through the
このようにロータ20を順突極構造とすることで、本実施例の回転電機1は、第1永久磁石PM1、第2永久磁石PM2、第3永久磁石PM3が発生するマグネットトルクに加えて、d軸インダクタンスLdとq軸インダクタンスLqとの差に応じたリラクタンストルクを発生することができる。
By forming the
本実施例の回転電機1は、順突極性(Ld>Lq)の構造のロータ20を備えているため、d−q座標上に電機子電流(id)およびq軸電流(iq)を表したベクトル図において、d軸電流(id)が正の値かつ、q軸電流(iq)が正の値となる第1象限(+idかつ+iq)に電流ベクトルを配置するようにして駆動される。
Since the rotary
すなわち、この回転電機1では、磁石磁束ベクトルと同方向に、ロータ界磁電流としてd軸電流(id)を通電することで、強め界磁を行いながらトルクを発生できる。すなわち、d軸電流(id)の振幅を調整することによって、ロータ界磁量を調整できる。
That is, in this rotary
一方、逆突極構造においては、負のd軸電流(−id)によって、ロータ20の磁石磁束ベクトルに対して反磁界になるようにd軸電流ベクトルを大きくさせて磁束の打ち消し合いによって弱め界磁を実現している。
On the other hand, in the reverse salient pole structure, the negative d-axis current (-id) increases the d-axis current vector so that it becomes a countermagnetic field with respect to the magnet magnetic flux vector of the
しかし、逆突極性を有する回転電機は、弱め界磁のためにトルクに寄与しない負のd軸電流(−id)を用いているため効率が悪化してしまう。また、逆突極性を有する回転電機は、磁束波形が大きく歪むことにより鉄損が大幅に増加してしまう。また、逆突極性を有する回転電機は、磁束波形の歪によって、空間高調波が増加し、トルクリプル、電磁振動および振動が増加してしまう。 However, the rotary electric machine having the reverse polarity uses a negative d-axis current (-id) that does not contribute to the torque due to the field weakening, so that the efficiency deteriorates. Further, in the rotary electric machine having the reverse polarity, the iron loss is greatly increased due to the large distortion of the magnetic flux waveform. Further, in a rotary electric machine having a reverse polarity, spatial harmonics increase due to distortion of the magnetic flux waveform, and torque ripple, electromagnetic vibration and vibration increase.
これに対し、本実施例の回転電機1は、順突極性を有することから、正のd軸電流(+id)を減少させる(q軸側に進角させる、もしくは振幅を減少させる)ことによって、d軸磁化量を調整できる。このため、トルクに直接寄与しないd軸電流が減少し、効率を増加させることができる。
On the other hand, since the rotary
また、正のd軸電流(+id)を減少させるよりも負のd軸電流(−id)による弱め界磁で駆動した方が効率の良い場合、弱め界磁で駆動してもよい。弱め界磁で駆動しても、漏れ磁束の効果により従来技術よりも負のd軸電流(−id)の電流値を低減できるため、効率が向上する。 If it is more efficient to drive with a field weakening with a negative d-axis current (-id) than to reduce the positive d-axis current (+ id), it may be driven with a field weakening. Even if it is driven by a weak field, the current value of the negative d-axis current (-id) can be reduced by the effect of the leakage flux as compared with the conventional technique, so that the efficiency is improved.
また、第2バイパス路BP2と第4バイパス路BP4の間に第3バイパス路BP3が設けられているため、ロータ20は多層磁石磁路と多層突極磁路とが交互に形成された構造となっている。ここで、回転電機1において、電機子コイル14の各相の線間電圧は直流バス電圧により制約される。
Further, since the third bypass path BP3 is provided between the second bypass path BP2 and the fourth bypass path BP4, the
本実施例では、線間電圧が電圧制限に達した場合に、負のd軸電流(−id)による逆磁界により磁石磁束が突極磁路に漏れ、ロータ20内に短絡磁路が形成される。これにより、電機子コイル14に鎖交する磁束量を大幅に低減でき、広い可変界磁特性を得ることができる。
In this embodiment, when the line voltage reaches the voltage limit, the magnetic flux leaks to the salient pole magnetic path due to the reverse magnetic field due to the negative d-axis current (-id), and a short-circuit magnetic path is formed in the
また、本実施例では、第1永久磁石PM1、第2永久磁石PM2、第3永久磁石PM3の磁極が図2、図3に示すように配置されているため、N極の突極22とS極の突極22とがロータ20の周方向に交互に配置される。
Further, in this embodiment, since the magnetic poles of the first permanent magnet PM1, the second permanent magnet PM2, and the third permanent magnet PM3 are arranged as shown in FIGS. The
このような回転電機1において、正のd軸電流(+id)となる強め界磁領域で駆動する場合、最もインダクタンスが大きいd軸磁路に、ステータ10の電機子コイル14で発生した磁束(以下、電機子磁束ともいう)が多く鎖交し、磁石磁路をバイパス路として磁気回路が構成される。
In such a rotary
一方、負のd軸電流(−id)となる弱め界磁領域で回転電機1を駆動する場合、最もインダクタンスが大きいd軸磁路に、磁石磁束ベクトルとは逆方向の電機子磁束が鎖交する。そして、負のd軸電流(−id)によって作り出された逆磁界が発生しているステータ10よりも磁気抵抗が小さくなる突極磁路に、磁石磁束の漏れ磁束経路が形成される。
On the other hand, when the rotary
このため、ロータ20内で磁石磁束が短絡する。このような漏れ磁束効果によって、ロータ20からステータ10に鎖交する磁束(以下、電機子鎖交磁束ともいう)を低減でき、可変界磁効果を得ることができる。
Therefore, the magnet magnetic flux is short-circuited in the
また、本実施例では、突極磁路におけるロータ20の最内径部分に、磁石磁路のバイパス経路が設けられている。
Further, in this embodiment, a bypass path for the magnetic magnetic path is provided at the innermost inner diameter portion of the
これにより、正のd軸電流(+id)となる強め界磁駆動時は、+d軸磁束による磁束アシスト効果によって、電機子コイル14に鎖交する磁束量が増加するように強め界磁が行われる。
As a result, when the field is driven to have a positive d-axis current (+ id), the field is strengthened so that the amount of magnetic flux interlinking with the
一方、負のd軸電流(−id)となる弱め界磁駆動時は、−id軸磁束による逆界磁効果によって、磁石バイパス路上の磁石磁束が、突極磁路におけるロータ20の最内径部分に短絡するように短絡磁路が形成される。
On the other hand, when the field is weakened to have a negative d-axis current (-id), the magnet magnetic flux on the magnet bypass path is caused by the reverse field effect due to the -id axis magnetic flux, and the innermost portion of the
このため、磁石磁路のバイパス路を形成しない場合と比較し、強め界磁時はトルクの向上を実現でき、弱め界磁時は電機子鎖交磁束の大幅な低減を実現できる。 Therefore, as compared with the case where the bypass path of the magnetic magnetic path is not formed, the torque can be improved at the time of strong field, and the armature interlinkage magnetic flux can be significantly reduced at the time of weak field.
また、本実施例では、ロータ20の外周のq軸上に凹部25を設けたことで、q軸における磁気抵抗を増大でき、図4に示すように磁束が形成される。このため、q軸インダクタンスを低減でき、d軸インダクタンスとの差(Ld−Lq)を向上させることができる。この結果、突極比を大きくでき、リラクタンストルクを向上できる。
Further, in this embodiment, by providing the
また、本実施例では、第4バイパス路BP4におけるステータ10側の端部に、ロータ20の外周面への接線に対して所定角度をなす切欠き部24を形成している。この切欠き部24が形成されていることで、図5に示すように、第4バイパス路BP4からステータ10へ向かう磁束の向きを径方向外方から周方向に変えることができ、周方向の電磁力を向上させることができ、トルクを向上できる。
Further, in this embodiment, a
また、本実施例では、図6に示すように第1バイパス路BP1にブリッジ部27を設け、第2バイパス路BP2にブリッジ部26を設けている。
Further, in this embodiment, as shown in FIG. 6, a
無負荷時において磁石磁束は、第1バイパス路BP1のブリッジ部27、および第2バイパス路BP2のブリッジ部26を介して、突極磁路に短絡する。ブリッジ部27、26は、それぞれ第1バイパス路BP1、第2バイパス路BP2における第1永久磁石PM1、第2永久磁石PM2の外径側に配置されており、第1バイパス路BP1、第2バイパス路BP2の機械強度を確保する機能を有する。
When there is no load, the magnetic flux is short-circuited to the assault magnetic path via the
すなわち、これらのブリッジ部27、26により第1永久磁石PM1および第2永久磁石PM2を径方向に支持できる。このため、第1永久磁石PM1および第2永久磁石PM2に作用する遠心力をブリッジ部27、26に受け持たせることができ、遠心力に対する第1永久磁石PM1および第2永久磁石PM2の耐力を向上できる。
That is, the first permanent magnet PM1 and the second permanent magnet PM2 can be supported in the radial direction by these
本実施例では、ブリッジ部26、27を介して磁石磁束が突極磁路に短絡するので、ステータに鎖交する磁束量を低減でき、無負荷時において、鉄損を低減でき、コギングトルクを低減でき、誘起電圧を低減できる。
In this embodiment, since the magnet magnetic flux is short-circuited to the assault magnetic path via the
第1永久磁石PM1、第2永久磁石PM2において渦電流により発生した熱は、第1永久磁石PM1、第2永久磁石PM2の内径側の開放面において放熱することができる。また、渦電流により発生した熱は、第1永久磁石PM1、第2永久磁石PM2の外径側のブリッジ部27、28を介して放熱することができる。
The heat generated by the eddy currents in the first permanent magnet PM1 and the second permanent magnet PM2 can be dissipated on the open surface on the inner diameter side of the first permanent magnet PM1 and the second permanent magnet PM2. Further, the heat generated by the eddy current can be dissipated through the
また、本実施例では、図7に示すように第1バイパス路BP1に鉤爪形状の係止部30を設け、第2バイパス路BP2に鉤爪形状の係止部29を設け、第4バイパス路BP4に鉤爪形状の係止部28を設けている。これにより、第1永久磁石PM1、第2永久磁石PM2、第3永久磁石PM3の組付性を向上でき、特別な治具を用いることなく第1永久磁石PM1、第2永久磁石PM2、第3永久磁石PM3の位置決めを容易に行うことができる。
Further, in this embodiment, as shown in FIG. 7, a claw-shaped
また、本実施例では、図2に示すように第3フラックスバリアFB3、第4フラックスバリアFB4、第5フラックスバリアFB5の幅(Wb)を、スロット13の開口幅(Ws)よりも小さくしている。例えばWsが1.8mmのとき、Wbを1.0mmとする。
Further, in this embodiment, as shown in FIG. 2, the width (Wb) of the third flux barrier FB3, the fourth flux barrier FB4, and the fifth flux barrier FB5 is made smaller than the opening width (Ws) of the
このようにすることで、図2、図8に示すように、強め界磁時はLd>Lqの突極比を高めてリラクタンストルクを向上できる。また、スロット13の開口幅(Ws)がフラックスバリアの幅(Wb)よりも大きいため、図2、図9に示すように、弱め界磁時は、磁石磁束がステータ10とのギャップを介してステータ10に鎖交するよりもロータ20内で第3フラックスバリアFB3、第4フラックスバリアFB4、第5フラックスバリアFB5を通り抜けて漏れ磁束になりやすくなる。その結果、弱め界磁領域で駆動する際に磁石磁束をロータ20内に多く漏らすことができ、ステータ10に鎖交する磁束を大幅に削減できる。
By doing so, as shown in FIGS. 2 and 8, the reluctance torque can be improved by increasing the salient pole ratio of Ld> Lq at the time of strong field. Further, since the opening width (Ws) of the
以上のように、本実施例に係る回転電機1において、ロータ20は、隣り合う突極22同士を接続する第1バイパス路BP1と、第1バイパス路BP1に、該第1バイパス路BP1の延伸方向に磁極を向くように配置された第1永久磁石PM1と、ロータコア21と第1バイパス路BP1との間に形成される第1フラックスバリアFB1と、を備える。
As described above, in the rotary
これにより、図9に示すように、隣り合う突極22と第1バイパス路BP1とロータコア21とにより、第1フラックスバリアFB1の周囲を周回するような磁石磁束のバイパス回路が形成される。
As a result, as shown in FIG. 9, the adjacent
このため、第1永久磁石PM1の磁石磁束がロータ20内で短絡しやすくなるため、ステータ10側に鎖交する磁石磁束量を低減することができる。さらに、電機子コイル14に通電していない無負荷状態でロータ20が高速回転しているときに、電機子コイル14に発生する誘起電圧を低減でき、無負荷状態での許容回転数を広げることができる。このため、動作点を広くすることができる。
Therefore, the magnetic flux of the first permanent magnet PM1 is likely to be short-circuited in the
また、電機子コイル14の磁束が、図1に破線の矢印Aで示すように、隣り合う一方の突極22からロータ20のコア21のある深部まで回り込んでから他方の突極22へ到達することができるため、リラクタンストルクを大きくすることができる。ここで、ロータ20の「深部」とは、第1フラックスバリアFB1よりも軸心O(図1参照)側の位置のことである。言い換えれば、ロータ20の「深部」とは、ロータ20のコア21のうち、ステータ10から見て遠い側の部位のことである。本発明をアウタロータ型のラジアルギャップロータに適用した場合、アウタロータのコアのうち、ステータから見て外周方向に遠い側の部位が深部となる。また、本発明をアキシャルギャップロータに適用した場合、アキシャルギャップロータのコアのうち、ステータから見て軸線方向に遠い側の部位が深部となる。
Further, as shown by the broken line arrow A in FIG. 1, the magnetic flux of the
この結果、動作点を広くすることができ、リラクタンストルクを大きくすることができる。 As a result, the operating point can be widened and the reluctance torque can be increased.
また、本実施例に係る回転電機1において、突極22の基端部には第2フラックスバリアFB2が設けられている。
Further, in the rotary
このように突極22の基端部に第2フラックスバリアFB2を設けたことで、突極22の基端部が第2フラックスバリアFB2を境に周方向に分岐する構造となる。このため、突極22を挟んで周方向に隣り合う2つの第1バイパス路BP1の第1永久磁石PM1の各磁束短絡経路を、磁気的に分離することができる。
By providing the second flux barrier FB2 at the base end portion of the
したがって、2つの磁束短絡経路が重なる範囲を低減しようとして各磁束短絡経路を通る磁束同士が突極22の基端部で衝突および干渉してしまうことを防止できる。このため、磁束同士の衝突および干渉により突極22の基端部において磁束短絡経路の磁気抵抗が高くなって短絡磁束量が減ってしまうことを抑制できる。また、短絡できなかった磁束が、他の箇所で短絡したり、ステータ10側に鎖交したりすることを抑制できる。
Therefore, it is possible to prevent the magnetic fluxes passing through the respective magnetic flux short-circuit paths from colliding and interfering with each other at the proximal end portion of the
また、図8に示すように、電機子コイル14の磁束が、突極22の基端部においてスムーズに合流することができる。このため、電機子コイル14の磁束が突極22の基端部で衝突してしまって磁気抵抗が高くなってしまうことや、電機子磁束が流れにくくなってしまうことを防止できる。
Further, as shown in FIG. 8, the magnetic flux of the
また、本実施例に係る回転電機1において、隣り合う突極22の間であって第1バイパス路BP1よりステータ10側に、ロータ20のステータ10との対向面における一方の突極22の近傍からq軸を跨いで他方の突極22の近傍に向かって延伸する第2バイパス路BP2が設けられている。
Further, in the rotary
また、第2バイパス路BP2に、該第2バイパス路BP2の延伸方向に磁極を向くように第2永久磁石PM2が配置されている。また、第1バイパス路BP1と第2バイパス路BP2との間に第3フラックスバリアFB3が設けられている。 Further, in the second bypass path BP2, the second permanent magnet PM2 is arranged so as to face the magnetic pole in the extending direction of the second bypass path BP2. Further, a third flux barrier FB3 is provided between the first bypass path BP1 and the second bypass path BP2.
これにより、ロータ20に第1永久磁石PM1に加えて第2永久磁石PM2が設けられているため、永久磁石数が多くなり、回転電機1の負荷時にマグネットトルクを大きくすることができる。
As a result, since the
また、回転電機1の無負荷時に、ロータ20内で短絡する第2永久磁石PM2の磁石磁束を、第2バイパス路BP2および突極22を経て第1永久磁石PM1の短絡経路内で短絡させることができるので、無負荷時にステータ10に鎖交する磁石磁束を低減することができる。
Further, when the rotary
また、本実施例に係る回転電機1において、ステータ10の近傍における第3フラックスバリアFB3の幅をWbとし、q軸の近傍における第3フラックスバリアFB3の幅をWqとし、ステータ10におけるロータ20への対向部のティース間隔をWsとしたとき、Wb<Ws、かつ、Wb<Wqを満たす。
Further, in the rotary
このように、Wb<Wsとすることで、回転電機1の無負荷時に磁石磁束をロータ20内で短絡しやすくできる。また、Wb<Wqとすることで、回転電機1の負荷時に、トルクに寄与しない第1バイパス路BP1と第2バイパス路BP2の間の磁束の短絡を防止でき、かつ、突極比を向上させることができるため、リラクタンストルクを向上させることができる。
By setting Wb <Ws in this way, it is possible to easily short-circuit the magnetic flux of the magnet in the
また、本実施例に係る回転電機1において、隣り合う突極22の間であって第2バイパス路BP2よりステータ10側に、ロータ20のステータ10との対向面における一方の突極22の近傍からq軸を跨いで他方の突極22の近傍に向かって延伸する第3バイパス路BP3が設けられている。また、第2バイパス路BP2と第3バイパス路BP3との間に第4フラックスバリアFB4が設けられている。
Further, in the rotary
これにより、第2永久磁石PM2の磁石磁束が第3バイパス路BP3からも短絡することができ、回転電機1の無負荷時に第2永久磁石PM2の磁石磁束がステータ10側に短絡してしまうことを防止できる。また、回転電機1の負荷時に電機子磁束が第3バイパス路BP3を通ることで、リラクタンストルクを大きくできる。
As a result, the magnet magnetic flux of the second permanent magnet PM2 can also be short-circuited from the third bypass path BP3, and the magnet magnetic flux of the second permanent magnet PM2 is short-circuited to the
また、本実施例に係る回転電機1において、隣り合う突極22の間であって第3バイパス路BP3よりステータ10側に、ロータ20のステータ10との対向面における一方の突極22の近傍からq軸を跨いで他方の突極22の近傍に向かって延伸する第4バイパス路BP4が設けられている。
Further, in the rotary
また、第3バイパス路BP3と第4バイパス路BP4との間に第5フラックスバリアFB5が設けられている。また、第4バイパス路BP4に、該第4バイパス路BP4の延伸方向に磁極を向くように第3永久磁石PM3が配置され、この第3永久磁石PM3は、q軸を挟んで対向配置される1組の永久磁石である。また、第4バイパス路BP4は、q軸上にロータコア21に向かって凹む凹部25を有する。
Further, a fifth flux barrier FB5 is provided between the third bypass path BP3 and the fourth bypass path BP4. Further, a third permanent magnet PM3 is arranged on the fourth bypass path BP4 so as to face the magnetic pole in the extending direction of the fourth bypass path BP4, and the third permanent magnet PM3 is arranged so as to face each other with the q-axis interposed therebetween. A set of permanent magnets. Further, the fourth bypass path BP4 has a
このように第4バイパス路BP4、第5フラックスバリアFB5、第3永久磁石PM3を設けたことで、回転電機1の負荷時にマグネットトルクを大きくできる。また、第3永久磁石PM3をq軸を挟んで対向配置される1組の永久磁石とし、第4バイパス路BP4がq軸上にロータコア21に向かって凹む凹部25を有することで、突極性を向上でき、リラクタンストルクを大きくできる。
By providing the fourth bypass path BP4, the fifth flux barrier FB5, and the third permanent magnet PM3 in this way, the magnet torque can be increased when the rotary
また、本実施例に係る回転電機1において、第4バイパス路BP4におけるステータ10側の端部に、ロータ20の外周面への接線に対して所定角度をなす切欠き部24が形成されている。
Further, in the rotary
これにより、電機子磁束に対する第3永久磁石PM3の磁気反発力をロータ20の接線方向に作用させることができ、マグネットトルクを大きくすることができる。
As a result, the magnetic repulsive force of the third permanent magnet PM3 with respect to the armature magnetic flux can be applied in the tangential direction of the
本発明の実施例を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。 Although embodiments of the present invention have been disclosed, it will be apparent to those skilled in the art that modifications may be made without departing from the scope of the invention. All such modifications and equivalents are intended to be included in the following claims.
本実施例では、インナロータ型のラジアルギャップロータに本発明を適用したが、アウタロータ型のラジアルギャップロータや、アキシャルギャップロータにも本発明を適用できる。 In this embodiment, the present invention has been applied to an inner rotor type radial gap rotor, but the present invention can also be applied to an outer rotor type radial gap rotor and an axial gap rotor.
また、本実施例では、各パイパス路に配置した複数の永久磁石をq軸に対して斜めに配置したが、永久磁石の磁極がq軸と直行する方向に向くように永久磁石を配置してもよいし、永久磁石をクロスポール状に配置してもよい。 Further, in this embodiment, a plurality of permanent magnets arranged in each bypass path are arranged diagonally with respect to the q-axis, but the permanent magnets are arranged so that the magnetic poles of the permanent magnets are oriented in the direction perpendicular to the q-axis. Alternatively, the permanent magnets may be arranged in a cross pole shape.
本実施例では、極数が8極の回転電機を例示したが、6極や10極などの、8極以外の極数の場合においても、同様の磁気回路構成を採用することができる。 In this embodiment, a rotary electric machine having 8 poles is illustrated, but the same magnetic circuit configuration can be adopted even in the case of a number of poles other than 8 poles such as 6 poles and 10 poles.
1 回転電機
10 ステータ
11 ステータコア
12 ステータティース
14 電機子コイル
20 ロータ
21 ロータコア
22 突極
24 切欠き部
25 凹部
BP1 第1バイパス路
BP2 第2バイパス路
BP3 第3バイパス路
BP4 第4バイパス路
FB1 第1フラックスバリア
FB2 第2フラックスバリア
FB3 第3フラックスバリア
FB4 第4フラックスバリア
FB5 第5フラックスバリア
PM1 第1永久磁石
PM2 第2永久磁石
PM3 第3永久磁石
1 Rotating
Claims (8)
前記ロータは、
隣り合う前記突極同士を接続する第1バイパス路と、
前記第1バイパス路に、該第1バイパス路の延伸方向に磁極を向くように軸芯に最も近い位置に配置された第1永久磁石と、
前記ロータコアと前記第1バイパス路との間に形成される第1フラックスバリアと、を備えることを特徴とする回転電機。 A rotary electric machine comprising a stator having an armature coil and a rotor core and a rotor having a plurality of salient poles provided on a surface of the rotor core facing the stator.
The rotor is
The first bypass path connecting the adjacent salient poles and the
A first permanent magnet arranged in the first bypass path at a position closest to the axis so as to face the magnetic pole in the extending direction of the first bypass path.
A rotary electric machine including a first flux barrier formed between the rotor core and the first bypass path.
前記ロータは、
隣り合う前記突極同士を接続する第1バイパス路と、
前記第1バイパス路に、該第1バイパス路の延伸方向に磁極を向くように配置された第1永久磁石と、
前記ロータコアと前記第1バイパス路との間に形成される第1フラックスバリアと、を備え、
前記突極の基端部に第2フラックスバリアを設けたことを特徴とする回転電機。 A rotary electric machine comprising a stator having an armature coil and a rotor core and a rotor having a plurality of salient poles provided on a surface of the rotor core facing the stator.
The rotor is
The first bypass path connecting the adjacent salient poles and the
A first permanent magnet arranged in the first bypass path so as to face a magnetic pole in the extending direction of the first bypass path,
A first flux barrier formed between the rotor core and the first bypass path is provided.
A rotary electric machine characterized in that a second flux barrier is provided at the base end of the salient pole.
前記第2バイパス路に、該第2バイパス路の延伸方向に磁極を向くように第2永久磁石が配置され、
前記第1バイパス路と前記第2バイパス路との間に第3フラックスバリアが設けられていることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項に記載の回転電機。 Between the adjacent salient poles, on the stator side from the first bypass path, from the vicinity of one salient pole on the surface of the rotor facing the stator to the vicinity of the other salient pole across the q-axis. A second bypass path extending towards is provided,
A second permanent magnet is arranged in the second bypass path so as to face the magnetic pole in the extending direction of the second bypass path.
The rotary electric machine according to any one of claims 1 to 3, wherein a third flux barrier is provided between the first bypass path and the second bypass path.
Wb<Ws、かつ、Wb<Wqを満たすことを特徴とする請求項4に記載の回転電機。 When the width of the third flux barrier in the vicinity of the stator is Wb, the width of the third flux barrier in the vicinity of the q-axis is Wq, and the tooth spacing of the portion of the stator facing the rotor is Ws.
The rotary electric machine according to claim 4, wherein Wb <Ws and Wb <Wq are satisfied.
前記第2バイパス路と前記第3バイパス路との間に第4フラックスバリアが設けられていることを特徴とする請求項4に記載の回転電機。 Between the adjacent salient poles, on the stator side from the second bypass path, from the vicinity of one salient pole on the surface of the rotor facing the stator to the vicinity of the other salient pole across the q-axis. A third bypass path extending towards is provided,
The rotary electric machine according to claim 4, wherein a fourth flux barrier is provided between the second bypass path and the third bypass path.
前記第3バイパス路と前記第4バイパス路との間に第5フラックスバリアが設けられ、
前記第4バイパス路に、該第4バイパス路の延伸方向に磁極を向くように第3永久磁石が配置され、
前記第3永久磁石は、q軸を挟んで対向配置される1組の永久磁石であり、
前記第4バイパス路は、q軸上に前記ロータコアに向かって凹む凹部を有することを特徴とする請求項6に記載の回転電機。 Between the adjacent salient poles, on the stator side from the third bypass path, from the vicinity of one salient pole on the surface of the rotor facing the stator to the vicinity of the other salient pole across the q-axis. A fourth bypass path extending towards is provided,
A fifth flux barrier is provided between the third bypass path and the fourth bypass path.
A third permanent magnet is arranged in the fourth bypass path so as to face the magnetic pole in the extending direction of the fourth bypass path.
The third permanent magnet is a set of permanent magnets arranged opposite to each other across the q-axis.
The rotary electric machine according to claim 6, wherein the fourth bypass path has a recess on the q-axis that is recessed toward the rotor core.
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