JP7181817B2

JP7181817B2 - モータシステム

Info

Publication number: JP7181817B2
Application number: JP2019041200A
Authority: JP
Inventors: 裕子大谷; 英雄中井; 真谷口
Original assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2022-12-01
Anticipated expiration: 2039-03-07
Also published as: JP2020145865A; WO2020179867A1

Description

本発明は、モータと電流供給回路を有するモータシステムに関する。

従来から、モータと当該モータに電流を供給する電流供給回路を備えたモータシステムが知られている。

例えば特許文献１には、電動機（モータ）とインバータ（電流供給回路）を備えた電動機システム（モータシステム）が記載されている。特許文献１に記載されるシステムにおいて、電動機は回転子と固定子を有しており、回転子には永久磁石が配置され、固定子には中性点で結線された多相巻線が設けられている。そして、特許文献１に記載されるシステムでは、インバータの直流側の電圧の中点と多相巻線が有する中性点のうちの１つとを接続する接続手段に零相電流が流れるようにインバータが制御される。これにより、特許文献１に記載されるシステムは、接続手段に零相電流を流すことにより発生する磁束と永久磁石に発生する磁束により、回転子に対して半径方向の力を発生させる。

特開２０１６－４２７６８号公報

特許文献１に記載されるシステムでは、零相電流を流すことで発生する磁界（零相磁界）により、回転子に対して半径方向の力を発生させているが、零相磁界により得られる力をトルク成分として利用できていない。

本発明は、零相磁界により得られる力をトルク成分として利用できるモータシステムを実現することにある。

本発明の具体例の一つであるモータシステムは、モータと電流供給回路を有するモータシステムであって、前記モータは、Ｎ相巻線（Ｎは自然数）を備えたステータと、永久磁石を備えたロータと、を有し、前記ロータによる前記ステータの鎖交磁束が基本波磁束成分とＮ×Ｋ次高調波磁束成分（Ｋは自然数）とを含み、前記電流供給回路は、回転磁界を発生させる基本波電流成分と零相磁界を発生させるＮ×Ｋ次高調波電流成分とを含んだ電流を前記Ｎ相巻線に供給することを特徴とする。

例えば、前記電流供給回路は、前記基本波電流成分の極値の絶対値よりも合成後の極値の絶対値が小さくなる位相関係で前記基本波電流成分と前記Ｎ×Ｋ次高調波電流成分を合成した電流を前記Ｎ相巻線に供給するようにしてもよい。

また、例えば、前記モータは、前記基本波電流成分による回転磁界と前記鎖交磁束の前記基本波磁束成分とにより得られる基本波トルク成分と、前記Ｎ×Ｋ次高調波電流成分による零相磁界と前記鎖交磁束の前記Ｎ×Ｋ次高調波磁束成分とにより得られるＮ×Ｋ次高調波トルク成分と、を含んだトルクを発生し、前記電流供給回路は、トルクの増加を必要とする動作期間において、前記基本波トルク成分と前記Ｎ×Ｋ次高調波トルク成分が互いに同じ方向となる位相関係で、前記基本波電流成分と前記Ｎ×Ｋ次高調波電流成分が合成された電流を、前記Ｎ相巻線に供給するようにしてもよい。

また、例えば、前記ロータの永久磁石の開角が前記ステータのＮ相巻線の巻幅よりも小さくてもよいし、前記ロータの突極の開角が当該ロータの永久磁石の開角よりも小さくてもよい。

本発明により、零相磁界により得られる力をトルク成分として利用できるモータシステムが実現される。

中性点を利用したモータシステムの具体例を示す図である。オープン巻線を利用したモータシステムの具体例を示す図である。モータの構成例１を示す図である。ロータ磁石鎖交磁束の具体例１を示す図である。Ｎ相巻線に供給される電流の具体例１を示す図である。モータが発生するトルクの具体例を示す図である。ロータの構造とロータ磁石鎖交磁束の関係を示す図である。磁石の開角とＮ相巻線の巻幅と突極の開角に関する具体例を示す図である。磁石の開角とＮ相巻線の巻幅と突極の開角に関する具体例を示す図である。モータの構成例２を示す図である。ロータ磁石鎖交磁束の具体例２を示す図である。Ｎ相巻線に供給される電流の具体例２を示す図である。

図１，図２は、本発明の具体的な実施態様の一例を示す図である。図１，図２には、モモータシステムに関するいくつかの具体例が図示されている。

図１，図２に示す各具体例のモータシステムは、モータ１０とインバータ２０と電池３０を備えている。モータ１０は、Ｎ相巻線（Ｎは自然数）を備えている。また、インバータ２０は、モータ１０が備えるＮ相巻線に電流を供給する電流供給回路の一例である。インバータ２０は、電池３０から電力を得てモータ１０のＮ相巻線に電流を供給する。インバータ２０は、回転磁界を発生させる電流成分と零相磁界を発生させる電流成分を含んだ電流をＮ相巻線に供給する。

図１は、中性点を利用したモータシステムの具体例を示す図である。図１には、３相巻線（Ｎ＝３）のモータ１０を備えた具体例Ａと、５相巻線（Ｎ＝５）のモータ１０を備えた具体例Ｂが例示されている。

図１に示す具体例Ａでは、モータ１０が備える３相巻線の中性点Ｇと零相用回路２２の間に、零相磁界を発生させる電流成分である零相電流が流れる。また、図１に示す具体例Ｂでは、モータ１０が備える５相巻線の中性点Ｇと零相用回路２２の間に零相電流が流れる。

図２は、オープン巻線を利用したモータシステムの具体例を示す図である。図２には、３相巻線（Ｎ＝３）のモータ１０を備えた具体例Ｃと、５相巻線（Ｎ＝５）のモータ１０を備えた具体例Ｄが例示されている。

図２に示す具体例Ｃでは、モータ１０が備える３相巻線の各巻線を介して、インバータ２０と第２インバータ２４の間に、零相磁界を発生させる電流成分である零相電流が流れる。また、図２に示す具体例Ｄでは、モータ１０が備える５相巻線の各巻線を介して、インバータ２０と第２インバータ２４の間に零相電流が流れる。

なお、図１，図２には、Ｎ相巻線の代表例として３相巻線と５相巻線のモータ１０を有するモータシステムを例示したが、３相巻線と５相巻線以外のＮ相巻線を備えたモータ１０によりモータシステムが実現されてもよい。

図３は、モータ１０の構成例１を示す図である。図３には、ステータ１２とロータ１４を備えたモータ１０の構成例が図示されている。ステータ１２はＮ相巻線（Ｎは自然数）を備えており、ロータ１４は磁石（永久磁石）を備えている。なお、図３（Ａ）は、モータ１０の回転軸を中心とする円周全体の構成例であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す円周全体を円周方向に８等分したうちの１つに対応した部分構成を示している。

図３に示す構成例のステータ１２は３相巻線（Ｎ＝３）を備えている。つまり、図３のステータ１２は、Ｕ相とＶ相とＷ相の３相に対応した巻線Ｃを備えている。また、図３に示す構成例のロータ１４は、図３（Ｂ）に示す部分構成ごとに、２つで１つの組を構成する磁石（永久磁石）を備えている。

図４は、ロータ磁石鎖交磁束の具体例１を示す図である。図４には、図３に示す構成例１のロータ１４によるステータ１２への鎖交磁束の具体例が図示されている。Ｎ相巻線（Ｎは自然数）を備えたステータ１２への鎖交磁束には、基本波磁束成分とＮ×Ｋ次高調波磁束成分（Ｋは自然数）が含まれている。

図４には、３相巻線（Ｎ＝３）を備えたステータ１２のロータ磁石鎖交磁束が実線で示されている。また、図４に実線で示されるロータ磁石鎖交磁束は、破線で示す基本波磁束成分と点線で示す３次高調波磁束成分（Ｎ＝３，Ｋ＝１）を含んでいる。

図５は、Ｎ相巻線に供給される電流の具体例１を示す図である。インバータ２０（図１，図２）は、回転磁界を発生させる基本波電流成分と零相磁界を発生させるＮ×Ｋ次高調波電流成分とを含んだ電流をＮ相巻線に供給する。図５には、３相巻線（Ｎ＝３）のロータ磁石鎖交磁束（図４）に対して同方向のトルクを発生させる基本波電流成分と３次高調波電流成分（Ｎ＝３，Ｋ＝１）の具体例が図示されている。

なお、インバータ２０は、基本波電流成分の極値の絶対値よりも、合成後の極値の絶対値が小さくなる位相関係で、基本波電流成分とＮ×Ｋ次高調波電流成分を合成した電流をＮ相巻線に供給するようにしてもよい。

例えば、図５に示す具体例のように、破線で示す基本波電流成分の極大値Ｐｆよりも、実線で示す合成後の相電流の極大値Ｐｃが小さくなる位相関係で、基本波電流成分と点線で示す３次高調波電流成分である零相電流を合成した相電流が供給されてもよい。これにより、実線で示す合成後の相電流のピークを減少させることができる。

図６は、モータ１０（図１～図３）が発生するトルクの具体例を示す図である。モータ１０は、基本波電流成分による回転磁界と鎖交磁束の基本波磁束成分とにより得られる基本波トルク成分と、Ｎ×Ｋ次高調波電流成分による零相磁界と鎖交磁束のＮ×Ｋ次高調波磁束成分とにより得られるＮ×Ｋ次高調波トルク成分を含んだトルクを発生する。

図６には、破線で示す基本波トルク成分と点線で示す３次高調波トルク成分（Ｎ＝３，Ｋ＝１）と、これらの２つのトルク成分を合成した実線で示す合成トルクの具体例が図示されている。

また、インバータ２０（図１，図２）は、トルクの増加を必要とする動作期間において基本波トルク成分とＮ×Ｋ次高調波トルク成分が互いに同じ方向となる位相関係で、基本波電流成分とＮ×Ｋ次高調波電流成分が合成された電流をＮ相巻線に供給してもよい。

例えば、図６に示す具体例のように、電流進角３０～９０ｄｅｇ．の動作期間（例えば弱め界磁の期間）において、基本波トルク成分と３次高調波トルク成分が共に正方向となる位相関係で合成されてもよい。

図７は、ロータ１４の構造とロータ磁石鎖交磁束の関係を示す図である。ステータ１２はＮ相巻線を備えており、ロータ１４は磁石（永久磁石）を備えている。図７には、ステータ１２が備えるＵ相巻線と、ロータ１４の磁石が角度Ａ，角度Ｂ，角度Ｃの順に回転方向に回転する様子が例示されている。

例えば、図７に例示するように、ロータ１４が備える磁石（永久磁石）の開角が、ステータ１２のＮ相巻線の巻幅よりも小さい構成例としてもよい。また、例えば、後に説明するロータ１４の突極の開角が、ロータ１４が備える磁石（永久磁石）の開角よりも小さい構成例としてもよい。

図８，図９は、磁石の開角とＮ相巻線の巻幅と突極の開角に関する具体例を示す図である。図８，図９には、ロータ１４が備える磁石（永久磁石）の開角θｍと、Ｎ相巻線の巻幅（角度）θｃと、ロータ１４の突極の開角θｔの具体例が示されている。なお、図８，図９に示す各角度は、ロータ１４の回転軸を中心とする回転方向の角度である。

磁石の開角θｍは、ロータ１４が備える磁石（永久磁石）の磁束がステータ１２に渡る部位の角度である。図８（Ａ）（Ｂ）に示す具体例では、ロータ１４が２つで１つの組を構成する磁石（永久磁石）を備えており、１つの組の磁石の磁束がステータ１２に渡る部位の角度が磁石の開角θｍとなる。図９に示す具体例では、ロータ１４が１つずつ個別に設けられた磁石（永久磁石）を備えており、個別に設けられた各磁石の磁束がステータ１２に渡る部位の角度が磁石の開角θｍとなる。

また、突極の開角θｔは、ロータ１４が備える各突極（１つの突極）の回転方向の幅に対応した角度であり、巻幅θｃは、ステータ１２が備えるＮ相巻線の巻幅に関する回転方向の角度である。例えば、図８（Ａ）（Ｂ）に示す具体例では、磁石の開角θｍがＮ相巻線の巻幅θｃよりも小さく、突極の開角θｔが磁石の開角θｍよりも小さい。

図１０は、モータ１０の構成例２を示す図である。図１０には、ステータ１２とロータ１４を備えたモータ１０の構成例が図示されている。ステータ１２はＮ相巻線（Ｎは自然数）を備えており、ロータ１４は磁石（永久磁石）を備えている。なお、図１０（Ａ）はモータ１０の回転軸を中心とする円周全体の構成例であり、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に示す円周全体を円周方向に４等分したうちの１つに対応した部分構成を示している。

図１０に示す構成例のステータ１２は５相巻線（Ｎ＝５）を備えている。つまり、図１０のステータ１２は、Ｕ相とＶ相とＷ相とＸ相とＹ相の５相に対応した巻線Ｃを備えている。また、図１０に示す構成例のロータ１４は、また、図１０に示す構成例のロータ１４は、図１０（Ｂ）に示す部分構成ごとに個別に設けられた１つの磁石（永久磁石）を備えている。

図１１は、ロータ磁石鎖交磁束の具体例２を示す図である。図１１には、図１０に示す構成例２のロータ１４によるステータ１２への鎖交磁束の具体例が図示されている。Ｎ相巻線（Ｎは自然数）を備えたステータ１２への鎖交磁束には、基本波磁束成分とＮ×Ｋ次高調波磁束成分（Ｋは自然数）が含まれている。

図１１には、５相巻線（Ｎ＝５）を備えたステータ１２のロータ磁石鎖交磁束が実線で示されている。また、図１１に実線で示されるロータ磁石鎖交磁束は、破線で示す基本波磁束成分と点線で示す５次高調波磁束成分（Ｎ＝５，Ｋ＝１）を含んでいる。

図１２は、Ｎ相巻線に供給される電流の具体例２を示す図である。インバータ２０（図１，図２）は、回転磁界を発生させる基本波電流成分と零相磁界を発生させるＮ×Ｋ次高調波電流成分とを含んだ電流をＮ相巻線に供給する。図１２には、５相巻線（Ｎ＝５）のロータ磁石鎖交磁束（図１１）に対して同方向のトルクを発生させる基本波電流成分と５次高調波電流成分（Ｎ＝５，Ｋ＝１）の具体例が図示されている。

例えば、図１２に示す具体例のように、破線で示す基本波電流成分の極大値Ｐｆよりも実線で示す合成後の相電流の極大値Ｐｃが小さくなる位相関係で、基本波電流成分と点線で示す５次高調波電流成分である零相電流を合成した相電流が供給されてもよい。これにより、実線で示す合成後の相電流のピークを減少させることができる。

また、モータ１０（図１～図３，図１０）は、基本波電流成分による回転磁界と鎖交磁束の基本波磁束成分とにより得られる基本波トルク成分と、Ｎ×Ｋ次高調波電流成分による零相磁界と鎖交磁束のＮ×Ｋ次高調波磁束成分とにより得られるＮ×Ｋ次高調波トルク成分を含んだトルクを発生する。

例えば、図１０に例示するモータ１０は、図１２に示す基本波電流成分による回転磁界と図１１に示す基本波磁束成分とにより得られる基本波トルク成分と、図１２に示す５次高調波電流成分による零相磁界と図１１に示す５次高調波磁束成分とにより得られる５次高調波トルク成分と、を合成した合成トルクを発生する。

インバータ２０（図１，図２）は、トルクの増加を必要とする動作期間において基本波トルク成分とＮ×Ｋ次高調波トルク成分が互いに同じ方向となる位相関係で、基本波電流成分とＮ×Ｋ次高調波電流成分が合成された電流をＮ相巻線に供給してもよい。これにより、例えば図１０から図１２を利用して説明した具体例であれば、トルクの増加を必要とする動作期間（例えば弱め界磁の期間）において、基本波トルク成分と５次高調波トルク成分が共に同方向となる位相関係で合成されてもよい。

以上、本発明の具体的な実施態様の一例を説明したが、上述した具体例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

１０モータ、１２ステータ、１４ロータ、２０インバータ、３０電池。

Claims

モータと電流供給回路を有するモータシステムであって、
前記モータは、
Ｎ相巻線（Ｎは自然数）を備えたステータと、
永久磁石を備えたロータと、
を有し、
前記ロータによる前記ステータの鎖交磁束が基本波磁束成分とＮ×Ｋ次高調波磁束成分（Ｋは自然数）とを含み、
前記ロータの永久磁石の開角が前記ステータのＮ相巻線の巻幅よりも小さく、前記ロータの突極の開角が当該ロータの永久磁石の開角よりも小さく、
前記電流供給回路は、
回転磁界を発生させる基本波電流成分と零相磁界を発生させるＮ×Ｋ次高調波電流成分とを含んだ電流を前記Ｎ相巻線に供給する、
ことを特徴とするモータシステム。
請求項１に記載のモータシステムにおいて、
前記電流供給回路は、
前記基本波電流成分の極値の絶対値よりも合成後の極値の絶対値が小さくなる位相関係で前記基本波電流成分と前記Ｎ×Ｋ次高調波電流成分を合成した電流を前記Ｎ相巻線に供給する、
ことを特徴とするモータシステム。
請求項１または２に記載のモータシステムにおいて、
前記モータは、
前記基本波電流成分による回転磁界と前記鎖交磁束の前記基本波磁束成分とにより得られる基本波トルク成分と、
前記Ｎ×Ｋ次高調波電流成分による零相磁界と前記鎖交磁束の前記Ｎ×Ｋ次高調波磁束成分とにより得られるＮ×Ｋ次高調波トルク成分と、
を含んだトルクを発生し、
前記電流供給回路は、
トルクの増加を必要とする動作期間において、前記基本波トルク成分と前記Ｎ×Ｋ次高調波トルク成分が互いに同じ方向となる位相関係で、前記基本波電流成分と前記Ｎ×Ｋ次高調波電流成分が合成された電流を、前記Ｎ相巻線に供給する、
ことを特徴とするモータシステム。