JP7039322B2 - Variable field motor - Google Patents
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Description
本発明は、ステータと、このステータに対しギャップを介して対向するように配置され複数の磁石を含むロータとを有する、可変界磁モータに関する。 The present invention relates to a variable field motor having a stator and a rotor including a plurality of magnets arranged so as to face the stator with a gap.
ロータに永久磁石を設けた磁石モータにおいては、高速回転時の逆起磁束があまり大きくならないようにしたいという要求がある。 In a magnet motor provided with a permanent magnet in the rotor, there is a demand that the countercurrent magnetic flux at high speed rotation does not become too large.
特許文献1では、永久磁石を有するロータの端部に磁性材を配置するモータの製造方法が開示されている。ロータの端部に配置した磁性材からなる端板の厚みを変えることで電動機の最高回転数を調整する。すなわち、端板を使用することで、永久磁石から発生する磁束の一部をロータ内部で短絡させて、その端板の厚みを変えることで、巻線に鎖交する磁束を微調整して、最高回転数の微調整を行っている。
特許文献2では、永久磁石が設けられたロータを有するモータにおいて、ロータの少なくとも一方の軸方向端部に磁気短絡部材を設けている。そして、アクチュエータにより磁気短絡部材を永久磁石に対して近接または離間させて永久磁石による界磁を制御することが示されている。
In
特許文献3では、複数の磁極を有するロータの軸方向の少なくとも一方の端部に、磁極に近接して配置される複数の近接部とこれら複数の近接部を連結する連結部を備えた短絡部材を備える。そして、ロータと短絡部材との周方向の相対位置を変更することで、短絡部材によるロータの磁束を制御している。 In Patent Document 3, a short-circuit member provided with a plurality of proximity portions arranged close to the magnetic poles and a connecting portion connecting the plurality of proximity portions at at least one end in the axial direction of a rotor having a plurality of magnetic poles. To prepare for. Then, the magnetic flux of the rotor due to the short-circuit member is controlled by changing the relative position of the rotor and the short-circuit member in the circumferential direction.
特許文献4では、永久磁石が設けられた電動機のロータにおいて、ロータの回転数が上昇することにより、その位置がロータコアに近接する方向に変化して磁路を形成する可動鉄心を有することが示されている。高回転時に可動鉄心がロータコアに近接することで、ロータによる界磁磁束を弱めることができる。 Patent Document 4 shows that a rotor of an electric motor provided with a permanent magnet has a movable iron core whose position changes in a direction close to the rotor core to form a magnetic path as the rotation speed of the rotor increases. Has been done. Since the movable iron core is close to the rotor core at high rotation speed, the field magnetic flux generated by the rotor can be weakened.
特許文献1では、端板の厚みを変えて磁束の短絡量を制御する。しかし、実駆動状態で端板の厚みを変更することは難しい。
In
特許文献2では、アクチュエータを用いてロータ上部の磁気短絡部材(鉄板)を引き離す。しかし、弱め界磁時などで磁気短絡部材への短絡磁束量が増えた時には、磁気短絡部材の吸引力は大きくなる。このため、磁気短絡部材を引き離すための力が大きくなり、そのためアクチュエータが大型化する。
In
特許文献3では、アクチュエータを用いてロータ上部の短絡部材(鉄片)を周方向にスキューさせることにより、磁石からの磁束の短絡量を制御する。しかし、スキューさせるためのアクチュエータの構造が複雑になる。 In Patent Document 3, the short-circuit amount of the magnetic flux from the magnet is controlled by skewing the short-circuit member (iron piece) on the upper part of the rotor in the circumferential direction by using an actuator. However, the structure of the actuator for skewing becomes complicated.
特許文献4では、高回転時、遠心力で可動鉄心をロータ外側に移動させ、これによって磁束短絡させる。しかし、可動鉄心とロータとの間にばねを設け、遠心力に応じた可動鉄心の移動を制御しており、可動鉄心をロータに接近・接触させるために、ロータ内部にばねを収容する空間が必要であり、構造が複雑になる。 In Patent Document 4, the movable iron core is moved to the outside of the rotor by centrifugal force at high rotation speed, thereby short-circuiting the magnetic flux. However, a spring is provided between the movable iron core and the rotor to control the movement of the movable iron core according to the centrifugal force, and in order to bring the movable iron core closer to and in contact with the rotor, there is a space inside the rotor to accommodate the spring. It is necessary and the structure is complicated.
本発明は、構造が簡単で、高速回転時の逆起磁束を減少しつつ、有効にトルクを発生できる可変界磁モータを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a variable field motor having a simple structure and capable of effectively generating torque while reducing a countercurrent magnetic flux during high-speed rotation.
本発明は、ステータと、このステータに対しギャップを介して対向するように配置され複数の磁石を含むロータとを有する、可変界磁モータであって、前記ロータの軸方向端面上に、磁石からの磁束を短絡させる磁性材を配置し、無負荷時の前記磁性材内における磁石からの磁束の平均磁束密度が、飽和磁束密度の7~8割に設定されることで、無負荷時における前記磁性材の磁場に対する平均磁束密度が線形領域と飽和領域の過渡領域に設定され、所定以上の有負荷時の前記磁性材の平均磁束密度が飽和領域に設定される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is a variable field motor having a stator and a rotor including a plurality of magnets arranged so as to face the stator with a gap, from a magnet on an axial end surface of the rotor. By arranging a magnetic material that short-circuits the magnetic flux of the above, and setting the average magnetic flux density of the magnetic flux from the magnet in the magnetic material to 70 to 80% of the saturated magnetic flux density, the said at the time of no load. The average magnetic flux density with respect to the magnetic field of the magnetic material is set in the transient region of the linear region and the saturation region, and the average magnetic flux density of the magnetic material under a predetermined load or more is set in the saturation region .
また、前記磁性材を、前記ロータの軸方向端面に対し相対移動させる移動機構を有し、前記磁性材と前記ロータの軸方向端面との距離が調整可能であるとよい。 Further, it is preferable that the magnetic material has a moving mechanism for relatively moving the magnetic material with respect to the axial end surface of the rotor, and the distance between the magnetic material and the axial end surface of the rotor can be adjusted.
また、前記移動機構により、前記磁性材が前記軸方向端面に近接する状態1と、前記軸方向端面から離れる状態2とに推移することができるとよい。
Further, it is preferable that the moving mechanism can change the
また、前記磁性材を移動するときは、前記ステータに供給する電流の位相角を、損失最小となる電流進角よりも進めて、前記磁性材の磁束密度を増加させるとよい。 Further, when moving the magnetic material, it is preferable to advance the phase angle of the current supplied to the stator from the current advance angle that minimizes the loss to increase the magnetic flux density of the magnetic material.
また、前記ロータの外周側にギャップを介し前記ステータが配置され、前記ステータと、前記ロータ間のギャップと磁石との間にコアが存在する、IPMの構造であるとよい。 Further, it is preferable to have an IPM structure in which the stator is arranged on the outer peripheral side of the rotor via a gap and a core exists between the stator, the gap between the rotors and the magnet.
また、前記磁性材は、円環状であって、その外径は前記ロータの外径より小さいとよい。 Further, it is preferable that the magnetic material has an annular shape and its outer diameter is smaller than the outer diameter of the rotor.
本発明によれば、無負荷時の磁性材の磁束密度を適切に設定することで、無負荷時の逆起磁束を減少しつつ、有負荷時は磁性材の磁気飽和によって電流による磁束が磁性材に渡ることを抑制して、有効にトルクを発生することができる。 According to the present invention, by appropriately setting the magnetic flux density of the magnetic material when there is no load, the magnetic flux due to the current is magnetic due to the magnetic saturation of the magnetic material while reducing the countercurrent magnetic flux when there is no load. It is possible to effectively generate torque by suppressing the transfer to the material.
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described here.
「全体構成」
図1(a)は、実施形態に係る可変界磁モータ10の全体構成を模式的に示す説明図であり、図1(b)は可変界磁モータ10の軸方向から見た機械的構成を示す模式図である。可変界磁モータ10は、円環状のステータ12を有する。ステータ12は、ステータコア12aと、ステータコア12aのティースに巻回された複数相(例えば、3相)のステータコイル12bを有し、ここに所定の電流を供給することで回転磁界を形成する。図においては、ティースは示しておらず、ステータコイル12bはコイルエンドの部分のみを示してある。
"overall structure"
FIG. 1A is an explanatory diagram schematically showing the overall configuration of the
制御装置14は、可変界磁モータ10の出力トルク(要求トルク)に応じて、ステータコイル12bへの電流供給を制御する。なお、可変界磁モータ10が車両駆動用のモータであれば、アクセルの操作量などに応じて要求トルクが決定され、制御装置14は、PWM制御などによりステータコイル12bへの供給電流を制御する。
The
円環状のステータ12の内側には、所定のギャップをおいて円筒状のロータ16が配置され、このロータ16の中心に回転軸18が配置されている。ロータ16は、その周辺側に、周方向に所定数の磁極を構成する磁石(永久磁石)20が配置されている。従って、ステータ12によって形成される回転磁界に応じて、ロータ16が回転し、回転軸18がその出力軸となる。
A
そして、本実施形態では、ロータ16の軸方向端面に円環状の磁性材22が配置されている。磁性材22は、複数の磁石20の磁束を短絡するように、ロータ16の周辺部に複数の磁石20の軸方向端面を覆う。なお、磁性材22は、磁性体であればどのようなものを採用してもよいが、軟質磁性体が好適である。
In the present embodiment, the annular
この例において、磁石20は、周方向に間隔をおいて配置され軸方向に伸びる磁石孔内に挿入固定される。従って、磁石20の外径がロータ16の外径より小さく、磁石20の外側と、ロータ16の外周面との間にロータコアの一部が存在する。すなわち、可変界磁モータ10は、ロータ16の内部に磁石20を埋め込んだ構造をもつ、言い換えればステータ12と、ロータ16間のギャップと磁石との間にロータコアが存在する、IPM(Interior Permanent Magnet)モータである。
In this example, the
この磁性材22は、ロータ16の軸方向端面に固定してもよい。この場合、接着剤やボルト締めなどが利用できる。磁性材22を直接接触させて固定してもよいし、非磁性材料を介して固定してもよい。
The
そして、この例では、磁性材22は、ロータ16の軸方向端面に固定されてはおらず、アクチュエータ24によって、ロータ16の軸方向端面に対し相対移動することができる。すなわち、アクチュエータ24によって磁性材22を移動することによって、ロータ16の軸方向端面と磁性材22の距離が調整可能である。例えば、アクチュエータ24によって、磁性材22が前記軸方向端面に近接する状態1と、前記軸方向端面から離れる状態2とに推移することができる。なお、制御装置14がモータ回転数などに応じて、アクチュエータ24を制御する。なお、図1では、磁性材22の移動を矢印で示し、磁性材22がロータ16の端面から離れた状態を点線で示してある。
In this example, the
磁性材22は、ロータ16の軸方向端面に支持材を設け、支持材に軸方向移動自在に支持するとよい。この場合には、アクチュエータ24をロータ16に固定するとよい。また、回転軸18内部の通路を介し、流体の供給、排出を制御することで、磁性材22を移動させてもよい。
The
また、磁性材22を回転軸18に対し、一緒に回転するが、軸方向移動自在に固定してもよい。これによって、磁性材22の移動機構が比較的簡単なものとできる。
Further, although the
さらに、磁性材22は、ケース等に固定し、非回転としてもよい。この場合、磁性材22は、機械的にはロータ16に連結されることがなく、可変界磁モータ10の駆動に対する機械的な影響がない。また、磁性材22の移動機構も各種のものが容易に採用できる。ロータ16の回転によって、磁石20の軸方向端部が磁性材22に対し回転するが、ロータ16の磁極は周方向にその極性が交互に存在しており、磁性材22による磁束の短絡に問題はない。
Further, the
「磁石20の配置」
ここで、1つの磁極を構成する磁石20は、図2(a)に示すように、2枚とすることが好適である。2枚の磁石20を外方に向けて線対称で広がるV字状に配置し、周方向に隣接する磁極が交互にN極、S極となるように配置する。
"Arrangement of
Here, as shown in FIG. 2A, it is preferable that the number of
また、図3(a)に示すように、1つの磁極に1枚の磁石20でもよい。この場合、磁石20は径方向に直交するように配置し、外側に向けてN極またはS極の磁極となる。さらに、図3(b)に示すように、1つの磁極に3枚の磁石20を配置してもよい。図2(a)の2枚の磁石20の間隔を広げ、中間に図3(a)の1枚の磁石20を配置することで1つの磁極を構成する。
Further, as shown in FIG. 3A, one
「磁性材の作用」
そして、本実施形態においては、円環状の磁性材22が隣接する磁極からの磁束を短絡する。図2(b)に示すように、磁石20はロータ16を軸方向に貫通しており、ロータ16の軸方向の両側の軸方向端面に対向して磁性材22が配置されている。従って、1つの磁極(磁石20)からの磁束の少なくとも一部が隣接する磁極(磁石20)に短絡されることになる。
"Action of magnetic materials"
Then, in the present embodiment, the annular
図4には、磁性材22の磁化特性が示してある。横軸が磁場H(A/m)、縦軸が磁束密度B(T:テスラ)である。このように、磁場Hが0から増加すると、当初磁束密度Bは比例して増加する。この領域を線形領域という。そして、磁場Hがさらに増加して、飽和に達するとそれ以上は磁束密度が上昇しなくなる。この領域を飽和領域という。
FIG. 4 shows the magnetization characteristics of the
ここで、磁束密度が飽和磁束密度の7~8割程度の過渡領域(図4において2本の破線で挟んだグレーの領域)では、磁性材22内の磁束密度が飽和磁束密度に近くなるため、磁束密度の増加率が減少する。
Here, in the transient region where the magnetic flux density is about 70 to 80% of the saturated magnetic flux density (the gray region sandwiched between the two broken lines in FIG. 4), the magnetic flux density in the
図5には、無負荷状態における磁性材22の平均磁束密度Baveと、トルク、逆起磁束量、無負荷時における吸引力の関係を示す。横軸は、無負荷時における磁性材22内の平均磁束密度Baveである。このように、トルクは、磁束密度の増加に伴い、増加する。
FIG. 5 shows the relationship between the average magnetic flux density Babe of the
磁性材22における逆起磁束量は、当初変化しない。すなわち、磁性材22は線形領域にあり、短絡できる磁束量は磁束密度の増加に伴い増加する。しかし、磁性材22内の磁束密度が飽和磁束密度に近づくと、短絡する磁束が増加できにくくなり、逆起磁束量が増加し始める。そして、磁性材22内の磁束密度は飽和に達すると、短絡する磁束は増加しなくなり、これによって線形的に逆起磁束量が増加する。
The amount of countercurrent magnetic flux in the
また、磁性材22の磁石20による吸引力は、飽和磁束密度に近づく際の特性が、上述した逆起磁束量とはちょうど反対の特性となる。すなわち、当初磁性材22は線形領域にあり、吸引力も変化しない。すなわち、磁性材22の厚さを薄くすることで、磁束密度が増加するが、短絡する磁束量は同じなので、磁性材22の吸引力は変化しない。しかし、磁性材22の厚さをさらに薄くして磁束密度が飽和磁束密度に近づくと、短絡する磁束が減少し、吸引力が減少し始める。そして、磁性材22内の磁束密度は飽和に達すると、短絡する磁束は増加しなくなり、これによって磁石20からの磁束は磁性材22内を単に通過するだけとなり吸引力が小さくなる。
Further, the attractive force of the
そして、本実施形態においては、無負荷時の磁性材22の磁束密度を、飽和磁化の7割以上に設定する。特に、好ましくは7~8割程度に設定する。これによって、無負荷時の逆起磁束を減少しつつ、有負荷時は磁性材22が磁気飽和し、ステータコイルへの電流供給による磁束が磁性材22に渡ることを抑制することができ、有効にトルクを発生することができる。
Then, in the present embodiment, the magnetic flux density of the
ここで、磁性材22の磁束密度の調整は、磁性材22の厚さや内半径、外半径を変えるなどして行う。すなわち、磁性材22の透磁率、磁石20の端面を覆う面積、厚みなどを調整することによって、磁性材22の無負荷時の磁束密度を調整できる。
Here, the magnetic flux density of the
なお、磁性材22の外周端がステータ12に近づくとステータ12に鎖交する磁束に影響するため、磁性材22の外周端は、磁石20の外周端と同一またはそれより内側に設定することが好ましい。
When the outer peripheral end of the
「磁性材の移動」
本実施形態では、磁性材22を軸方向に移動するためにアクチュエータ24を設けている。アクチュエータ24には、各種のものが知られており、磁性材22を適切に移動することができれば、どのようなものでもよい。モータの回転や、流体圧を利用したものが比較的広く利用が可能であり、好適である。
"Movement of magnetic material"
In this embodiment, an
ロータ16の高回転時には、逆起電力が大きくなる。そこで、高回転時にトルクを出力するために、弱め界磁制御が行われる。本実施形態では、磁性材22を有しており、この磁性材22をロータ16の端面に近づけることで、磁石20による界磁を弱めることができる。そこで、回転数が所定値以上の場合に、弱め界磁制御に代えて磁性材22をロータ16に近づけるとよい。
When the
例えば、アクチュエータ24により、図6(a)に示す近接する状態1と、図6(b)に示す離れた状態2の2つの位置に磁性材22を推移できるように構成するとよい。これによって、回転数が所定値に至った時に、磁性材22を状態1とし、磁性材22についての無負荷時における磁束密度を飽和磁束密度に対し、7~8割程度とする。これによって、上述したように無負荷時における逆起磁束を減少しつつ、有負荷時において磁性材22が飽和して有効にトルクを発生することができる。
For example, the
そして、低回転数時には、アクチュエータ24により状態2とすることで、磁性材22をロータ16から離し、短絡磁束を少なくまたは0とすることで、磁石20による磁束を有効に使用することができる。
When the rotation speed is low, the
なお、図6(a)、(b)は、ステータ12、ロータ16の所定角度のみを取り出して示したものであり、図においては、ステータコイル12bの図示を省略し、これが巻回されるティース12cを示してある。また、ティース12cの両側がコイルが収容されるスロットである。
Note that FIGS. 6A and 6B show only predetermined angles of the
さらに、移動時において、ステータに供給する電流の位相角を、損失最小となる電流進角よりも進めて、d軸電流を増加させることが好適である。すなわち、d軸電流を流すことでステータ電流が作る磁束が増加するが、磁性材22が近接した状態では、磁性材22において短絡される磁束が増加する。従って、d軸電流を流すことで、磁性材の磁束密度が飽和になる。従って、磁性材22の吸着力が減少する。このため、小さな力で磁性材22をロータ16から離し、状態2とすることができる。これによって、アクチュエータ24に必要な力が小さくなり、アクチュエータ24を小型化することが可能となる。
Further, it is preferable to increase the d-axis current by advancing the phase angle of the current supplied to the stator from the current advance angle that minimizes the loss during movement. That is, the magnetic flux created by the stator current increases by passing the d-axis current, but the magnetic flux short-circuited in the
「実施形態の効果」
磁性材22を設けることで、無負荷時の逆起磁束を減少できるため、高回転時の弱め界磁が可能となる。すなわち、無負荷時は磁性材が飽和していないため、磁性材と磁石の間で多くの磁束を短絡させ、逆起磁束を減少できる。
"Effect of embodiment"
By providing the
無負荷時の磁性材磁束密度平均値を飽和磁化の7割以上にしておくことで、有負荷時にステータ電流による磁束が飽和状態の磁性材に渡らずロータに渡り、有効にトルクを発生する。すなわち、磁性材22の配置によるトルク低下を極力抑えることができる。
By setting the average value of the magnetic flux density of the magnetic material when there is no load to 70% or more of the saturation magnetization, the magnetic flux due to the stator current does not pass to the magnetic material in the saturated state but flows to the rotor when the load is applied, and torque is effectively generated. That is, the torque decrease due to the arrangement of the
無負荷時の磁性材22の磁束密度を高めに設定している。磁性材22が飽和状態になると、吸引力が小さくなるために、小さい力で磁性材を動かすことができ、アクチュエータ24への負荷を小さくできる。特に、磁性材の移動時にd軸電流を流すことで磁性材がより飽和して吸引力が減少し、磁性材の軸方向位置の調整に必要な力を小さくすることができる。
The magnetic flux density of the
10 可変界磁モータ、12 ステータ、12a ステータコア、12b ステータコイル、14 制御装置、16 ロータ、18 回転軸、20 磁石、22 磁性材、24 アクチュエータ。
10 variable field motor, 12 stator, 12a stator core, 12b stator coil, 14 controller, 16 rotor, 18 rotary shaft, 20 magnet, 22 magnetic material, 24 actuator.
Claims (6)
前記ロータの軸方向端面上に、磁石からの磁束を短絡させる磁性材を配置し、
無負荷時の前記磁性材内における磁石からの磁束の平均磁束密度が、飽和磁束密度の7~8割に設定されることで、無負荷時における前記磁性材の磁場に対する平均磁束密度が線形領域と飽和領域の過渡領域に設定され、所定以上の有負荷時の前記磁性材の平均磁束密度が飽和領域に設定される、
可変界磁モータ。 A variable field motor having a stator and a rotor comprising a plurality of magnets arranged to face the stator with a gap.
A magnetic material that short-circuits the magnetic flux from the magnet is placed on the axial end face of the rotor.
By setting the average magnetic flux density of the magnetic flux from the magnet in the magnetic material at no load to 70 to 80% of the saturated magnetic flux density, the average magnetic flux density with respect to the magnetic field of the magnetic material at no load is in a linear region. And is set in the transient region of the saturation region, and the average magnetic flux density of the magnetic material under a predetermined load or more is set in the saturation region .
Variable field motor.
前記磁性材を、前記ロータの軸方向端面に対し相対移動させる移動機構を有し、
前記磁性材と前記ロータの軸方向端面との距離が調整可能である、
可変界磁モータ。 The variable field motor according to claim 1 .
It has a moving mechanism that moves the magnetic material relative to the axial end face of the rotor.
The distance between the magnetic material and the axial end face of the rotor is adjustable.
Variable field motor.
前記移動機構により、前記磁性材が前記軸方向端面に近接する状態1と、前記軸方向端面から離れる状態2とに推移することができる、
可変界磁モータ。 The variable field motor according to claim 2 .
By the moving mechanism, the state 1 in which the magnetic material is close to the axial end face and the state 2 in which the magnetic material is separated from the axial end face can be changed.
Variable field motor.
前記磁性材を移動するときは、前記ステータに供給する電流の位相角を、損失最小となる電流進角よりも進めて、前記磁性材の磁束密度を増加させる、
可変界磁モータ。 The variable field motor according to claim 2 or 3 .
When moving the magnetic material, the phase angle of the current supplied to the stator is advanced beyond the current advance angle that minimizes the loss to increase the magnetic flux density of the magnetic material.
Variable field motor.
前記ロータの外周側にギャップを介し前記ステータが配置され、
前記ステータと、前記ロータ間のギャップと磁石との間にコアが存在する、IPMの構造である、
可変界磁モータ。 The variable field motor according to any one of claims 1 to 4 .
The stator is arranged on the outer peripheral side of the rotor via a gap.
An IPM structure in which a core exists between the stator, the gap between the rotors, and the magnet.
Variable field motor.
前記磁性材は、円環状であって、その外径は前記ロータの外径より小さい、
可変界磁モータ。 The variable field motor according to any one of claims 1 to 5 .
The magnetic material is annular and its outer diameter is smaller than the outer diameter of the rotor.
Variable field motor.
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