JP7342536B2 - 磁石温度情報出力装置及び回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、磁石温度情報出力装置と、当該磁石温度情報出力装置が設けられている回転電機と、に関する。

固定子と、永久磁石が配置されている回転子とを備えている回転電機が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０００－１３４８４２号公報

一般に、回転電機が駆動されると、永久磁石の温度が上昇する。永久磁石が所定温度以上である状態で永久磁石に磁界の変化が与えられると、永久磁石は減磁するおそれがある。永久磁石は、回転子に配置されているので、永久磁石の温度に関する温度情報は、正確に取得しがたい。このため、回転電機を設計する際に、永久磁石が上記所定温度以上になることを想定して、オーバースペックである、耐熱性の高い磁石が選定されることがある。
これに対し、永久磁石の温度に関する温度情報を取得し、永久磁石が上記所定温度に達しないように回転電機の駆動状態を制御する構成が考えられる。永久磁石は、回転子に配置されているので、たとえば、永久磁石の温度を検出する温度センサが回転子に設けられる構成を採用する場合でも、永久磁石の温度に関する温度情報を適切かつ簡易に出力することは困難である。

本発明の一つの態様は、回転子に配置されている永久磁石の温度に関する温度情報を適切かつ簡易に出力する磁石温度情報出力装置を提供することを目的とする。本発明の別の一つの態様は、上述した磁石温度情報出力装置が設けられている回転電機を提供することを目的とする。

一つの態様に係る磁石温度情報出力装置は、固定子と、永久磁石が配置されている回転子とを備えている回転電機に対して設けられており、永久磁石の温度に関する温度情報を出力する。この磁石温度情報出力装置は、磁束を検出し、検出した磁束に対応する電気信号を温度情報として出力する素子を備えている。上記素子は、固定子に設けられている。

上記一つの態様では、固定子に設けられている素子が、磁束を検出し、検出した磁束に対応する電気信号を温度情報として出力するので、回転子に配置されている永久磁石の温度に関する温度情報を適切かつ簡易に出力する。

上記一つの態様は、回転子に設けられており、永久磁石の温度に応じて電気抵抗が変化する感温素子と、回転子に設けられており、感温素子と電気的に接続されている第一コイルと、を更に備えていてもよい。上記素子は、第一コイルを励起する第二コイルと、第二コイルを流れる電流の大きさに対応する電気信号を出力する電流検出素子と、を含んでいてもよい。
この場合、第二コイルが第一コイルを励起することにより、第一コイルに電力が供給される。第一コイルに電気的に接続された感温素子の電気抵抗が、永久磁石の温度に応じて変化するので、感温素子の電気抵抗の変化に応じて、第二コイルを流れる電流が変化する。電流検出素子は、第二コイルを流れる電流の大きさに対応する電気信号を出力する。したがって、電流検出素子から出力される電気信号は、永久磁石の温度に応じて変化する。この結果、感温素子が回転子に設けられている構成でも、上記素子は、永久磁石の温度に関する温度情報をより一層適切かつ簡易に出力する。

上記一つの態様では、上記素子は、永久磁石の磁束を検出する感磁素子であってもよい。
この場合、永久磁石の温度に関する温度情報を適切かつ簡易に出力する磁石温度情報出力装置が容易に構成される。

別の一つの態様に係る回転電機は、上述した磁石温度情報出力装置が設けられている。
別の一つの態様では、上述した磁石温度情報出力装置が設けられているので、回転子に配置されている永久磁石の温度に関する温度情報が適切かつ簡易に出力される。

本発明の一つの態様によれば、回転子に配置されている永久磁石の温度に関する温度情報を適切かつ簡易に取得する磁石温度情報出力装置が提供される。本発明の別の一つの態様によれば、上述した磁石温度情報出力装置が設けられている回転電機が提供される。

一実施形態に係る磁石温度情報出力装置の構成を示す概略図である。 磁石温度情報出力装置の一例を示す回路図である。 本実施形態の変形例に係る磁石温度情報出力装置の構成を示す概略図である。 磁石温度情報出力装置の他の例を示す回路図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１及び図２を参照して、本実施形態に係る磁石温度情報出力装置１Ａの構成を説明する。図１は、本実施形態に係る磁石温度情報出力装置の構成を示す概略図である。図２は、磁石温度情報出力装置の一例を示す回路図である。
磁石温度情報出力装置１Ａは、図１に示されるように、回転電機ＭＴに対して設けられている。回転電機ＭＴは、たとえば、モータである。モータは、たとえば、ＩＰＭモータ又はＳＰＭモータを含む。回転電機ＭＴは、固定子１０と回転子２０とを有している。回転子２０は、固定子１０の内側に位置している。

回転子２０は、シャフト２１と、回転子コア２３と、複数の永久磁石２５とを含んでいる。シャフト２１は、円柱形状を呈している。回転子コア２３は、円筒形状を呈している。回転子コア２３には、シャフト２１が嵌め込まれる軸孔が形成されている。シャフト２１と回転子コア２３とは、シャフト２１の中心軸周りに一体的に回転する。各永久磁石２５は、その延在方向がシャフト２１の中心軸と平行になるように、回転子コア２３に配置されている。シャフト２１の中心軸は、回転子２０の回転軸線である。複数の永久磁石２５は、回転子２０の回転軸線に関して均等な角度間隔で配置されている。

回転電機ＭＴがＩＰＭモータである場合、複数の永久磁石２５は、回転子コア２３内に配置される。回転電機ＭＴがＳＰＭモータである場合、複数の永久磁石２５は、回転子コア２３の表面に配置される。各永久磁石２５は、希土類系永久磁石を含む。各永久磁石２５は、たとえば、ネオジム系焼結磁石である。各永久磁石２５は、希土類系永久磁石以外の焼結磁石であってもよく、焼結磁石以外の磁石（たとえば、ボンド磁石又は熱間加工磁石など）であってもよい。

固定子１０は、回転子２０の外周を囲むよう配置される円筒形状の固定子コア（不図示）と、複数のコイル１１とを含んでいる。固定子１０と回転子２０との間には、均一幅のエアギャップが設けられている。固定子コアは、複数のコイル１１を保持する。各コイル１１は、固定子コアの内周側に配置されている。複数のコイル１１は、回転子２０の回転軸線に関して均等な角度間隔で配置されている。

回転電機ＭＴは、制御回路４１に接続されている。制御回路４１は、電源４３に接続されている。制御回路４１は、電源４３からの駆動電流を調整し、各コイル１１に３相交流電流を供給する。制御回路４１は、各コイル１１に供給される３相交流電流の値を制御する。制御回路４１は、たとえば、インバータ回路を含む。３相交流電流が各コイル１１に供給されることにより、各コイル１１は、回転子２０を回転させる回転磁界を形成する。電源４３は、たとえば、蓄電デバイス（Electrical energy storage device）を含む。蓄電デバイスは、たとえば、二次電池又はキャパシタを含む。

磁石温度情報出力装置１Ａは、第一素子５０と、第二素子６０とを備えている。本実施形態では、第一素子５０の数は一つであり、第二素子６０の数も一つである。第一素子５０は、回転子２０に設けられている。第二素子６０は、固定子１０に設けられている。第二素子６０は、たとえば、固定子コアに設けられている。磁石温度情報出力装置１Ａは、永久磁石２５の温度に関する温度情報を出力する。第一素子５０と第二素子６０とは、回転子２０が所定の回転角度位置にあるときに、回転子２０の回転軸線と略平行な方向で互いに対向するように配置されている。

第一素子５０は、図２に示されるように、感温素子５１と、コイル５３とを含んでいる。感温素子５１とコイル５３とは、回転子２０に設けられている。感温素子５１は、複数の永久磁石２５のうち、少なくとも一つの永久磁石２５に設けられている。本実施形態では、感温素子５１は、一つの永久磁石２５のみに設けられている。感温素子５１は、永久磁石２５と接するように配置されている。感温素子５１は、永久磁石２５の近傍に配置されていてもよい。感温素子５１は、永久磁石２５の温度に応じて電気抵抗が変化する。感温素子５１は、永久磁石２５の温度が上昇するにつれて、電気抵抗が減少する。感温素子５１は、たとえば、サーミスタを含む。感温素子５１は、たとえば、ＮＴＣサーミスタを含む。コイル５３は、感温素子５１と電気的に接続されている。コイル５３の両端は、感温素子５１の両端に電気的に接続されている。

第二素子６０は、コイル６１と、電流検出素子６３とを含んでいる。コイル６１は、回転子２０が所定の回転角度位置にあるときに、コイル５３と対向するように、固定子１０（固定子コア）に配置されている。コイル６１には、交流電源６５が電気的に接続されている。コイル６１には、交流電源６５から所定周波数の交流信号（交流電圧）が印加される。電流検出素子６３は、コイル６１を流れる電流の大きさに対応する電気信号を出力する。電流検出素子６３は、たとえば、交流電流センサを含む。たとえば、コイル５３が、第一コイルを構成する場合、コイル６１が第二コイルを構成する。上記所定周波数は、回転電機ＭＴの駆動周波数より高い。上記所定周波数は、たとえば、回転電機ＭＴの駆動周波数の１０～２００倍である。

コイル６１には、交流電源６５から印加される交流電圧に対応する磁束が発生する。回転子２０が回転して、コイル６１とコイル５３とが近づくと、コイル６１に発生する磁束が、コイル５３を通る。コイル６１に発生する磁束が、コイル５３を通ると、コイル５３には、コイル５３を通る磁束に対応した電力が発生する。すなわち、コイル６１は、コイル５３を励起し、コイル５３に電力を供給する。

感温素子５１の電気抵抗が、永久磁石２５の温度に応じて変化するので、感温素子５１の電気抵抗の変化に応じて、コイル６１に発生する磁束が変化する。このため、コイル６１を流れる電流が変化する。永久磁石２５の温度が上昇し、感温素子５１の電気抵抗が減少すると、コイル６１に発生する磁束が増加する。このため、コイル６１を流れる電流が増加する。永久磁石２５の温度が下降し、感温素子５１の電気抵抗が増加すると、コイル６１に発生する磁束が減少する。このため、コイル６１を流れる電流が減少する。

電流検出素子６３は、コイル６１に発生する磁束を、コイル６１を流れる電流の変化として検出する。すなわち、電流検出素子６３は、コイル６１に発生する磁束を間接的に検出する。電流検出素子６３が検出する電流の変化は、感温素子５１の電気抵抗の変化、すなわち、永久磁石２５の温度の変化と対応する。したがって、電流検出素子６３から出力される電気信号、すなわち、電流検出素子６３の出力信号は、永久磁石の温度に関する温度情報を含む。第二素子６０は、発生している磁束を間接的に検出し、間接的に検出した磁束に対応する電気信号を上記温度情報として出力する。結果的に、第一素子５０と第二素子６０との間で、永久磁石２５の温度に関する情報が無線で伝達される。

電流検出素子６３から出力される電気信号は、制御回路４１に入力される。制御回路４１は、電流検出素子６３から出力される電気信号に基づいて、回転電機ＭＴの駆動状態を制御する。たとえば、制御回路４１は、回転電機ＭＴの駆動状態を以下のように制御する。制御回路４１は、電流検出素子６３から出力された電気信号が、永久磁石２５の温度が所定の第一閾値まで上昇したことを表していると判断した場合、制御回路４１は、回転電機ＭＴの回転速度を制限するよう供給電力を制御する。制御回路４１は、電流検出素子６３から出力された電気信号が、永久磁石２５の温度が所定の第二閾値（＜第一閾値）まで下降したことを表していると判断した場合、制御回路４１は、回転電機ＭＴの回転速度の制限を解除するよう供給電力を制御する。

制御回路４１は、回転電機ＭＴの駆動状態を以下のように制御してもよい。すなわち、制御回路４１は、たとえば、回転電機ＭＴに入力する駆動周波数を制御してもよい。制御回路４１は、電流検出素子６３から出力された電気信号が、永久磁石２５の温度が所定の第一閾値まで上昇したことを表していると判断した場合、制御回路４１は、回転電機ＭＴの回転速度を制限するよう駆動周波数を下げるように制御する。制御回路４１は、電流検出素子６３から出力された電気信号が、永久磁石２５の温度が所定の第二閾値（＜第一閾値）まで下降したことを表していると判断した場合、制御回路４１は、回転電機ＭＴの回転速度の制限を解除するよう駆動周波数を上げるように制御する。

以上のように、磁石温度情報出力装置１Ａでは、固定子１０に設けられている第二素子６０が、磁束を検出し、検出した磁束に対応する電気信号を温度情報として出力するので、回転子２０に配置されている永久磁石２５の温度に関する温度情報を適切かつ簡易に出力する。
回転電機ＭＴは、磁石温度情報出力装置１Ａが設けられているので、回転子に配置されている永久磁石の温度に関する温度情報が適切かつ簡易に出力される。

磁石温度情報出力装置１Ａは、感温素子５１とコイル５３とを含んでいる第一素子５０を備えている。第二素子６０は、コイル６１と、電流検出素子６３とを含んでいる。
コイル６１がコイル５３を励起することにより、コイル５３に電力が供給される。感温素子５１の電気抵抗が、永久磁石２５の温度に応じて変化するので、感温素子５１の電気抵抗の変化に応じて、コイル６１を流れる電流が変化する。電流検出素子６３は、コイル６１を流れる電流の大きさに対応する電気信号を出力する。したがって、電流検出素子６３から出力される電気信号は、永久磁石２５の温度に応じて変化する。この結果、感温素子５１が回転子２０に設けられている構成でも、第二素子６０は、永久磁石２５の温度に関する温度情報をより一層適切かつ簡易に出力する。

第一素子５０と第二素子６０とは、回転子２０が所定の回転角度位置にあるときに、回転子２０の回転軸線と略平行な方向で互いに対向するように配置されている。この場合、コイル１１に発生する磁束が、各コイル５３，６１に影響しがたい。

第一素子５０は、図４に示されるように、コンデンサ５５を含んでいてもよい。図４は、磁石温度情報出力装置の他の例を示す回路図である。コンデンサ５５は、回転子２０に設けられている。コイル５３とコンデンサ５５とは、ＬＣ共振回路を構成する。コンデンサ５５は、たとえば、コイル５３に並列接続されるように挿入される。第一素子５０がコンデンサ５５を含んでいる構成は、感温素子５１の変化をより一層感度よく捉える。

回転子２０に設けられている感温素子５１の出力信号を取得する構成として、以下の構成が考えられる。感温素子５１の出力信号を送信する送信機が回転子２０に設けられ、送信機からの信号を受信する受信機が固定子１０に設けられる。この構成では、回転子２０に送信機を配置する必要があるので、回転電機ＭＴの小型化が妨げられる。送信機に電力供給する経路を構築する必要があるので、回転電機ＭＴの構成が複雑化する。
これに対し、磁石温度情報出力装置１Ａでは、回転電機ＭＴの小型化が妨げられることなく、回転電機ＭＴの構成が複雑化することはない。

次に、図３を参照して、本実施形態の変形例に係る磁石温度情報出力装置１Ｂの構成を説明する。図３は、本変形例に係る磁石温度情報出力装置の構成を示す概略図である。
磁石温度情報出力装置１Ｂは、図３に示されるように、回転電機ＭＴに対して設けられている。磁石温度情報出力装置１Ｂは、素子７０を備えている。本変形例では、素子７０の数は、一つである。素子７０は、固定子１０に設けられている。素子７０は、たとえば、固定子コアに設けられている。磁石温度情報出力装置１Ｂは、磁石温度情報出力装置１Ａと同じく、永久磁石２５の温度に関する温度情報を出力する。

素子７０は、永久磁石２５の磁束を検出する感磁素子である。素子７０は、回転子２０が所定の回転角度位置にあるときに、永久磁石２５と最近接するように、固定子１０（固定子コア）に配置されている。素子７０は、回転子２０が所定の回転角度位置にあるときに、永久磁石２５と対向するように、固定子１０（固定子コア）に配置されていてもよい。素子７０と永久磁石２５とは、回転子２０が所定の回転角度位置にあるときに、回転子２０の回転軸線と略平行な方向で互いに対向するように配置されている。素子７０は、たとえば、ホール素子又は磁気抵抗素子を含む。

素子７０は、永久磁石２５の磁束を直接的に検出する。永久磁石２５は、永久磁石２５の温度の上昇にともない、生じる磁束が減少する。素子７０が検出する永久磁石２５の磁束の変化は、永久磁石２５の温度の変化と対応する。したがって、素子７０から出力される電気信号、すなわち、素子７０の出力信号は、永久磁石の温度に関する温度情報を含む。素子７０は、永久磁石２５から発生している磁束を直接的に検出し、直接的に検出した磁束に対応する電気信号を上記温度情報として出力する。

素子７０から出力される電気信号は、制御回路４１に入力される。制御回路４１は、素子７０から出力される電気信号に基づいて、回転電機ＭＴの駆動状態を制御する。たとえば、制御回路４１は、回転電機ＭＴの駆動状態を以下のように制御する。制御回路４１は、素子７０から出力された電気信号が、永久磁石２５の温度が所定の第一閾値まで上昇したことを表していると判断した場合、制御回路４１は、回転電機ＭＴの回転速度を制限するよう供給電力を制御する。制御回路４１は、素子７０から出力された電気信号が、永久磁石２５の温度が所定の第二閾値まで下降したことを表していると判断した場合、制御回路４１は、回転電機ＭＴの回転速度の制限を解除するよう供給電力を制御する。

以上のように、磁石温度情報出力装置１Ｂでは、固定子１０に設けられている素子７０が、磁束を検出し、検出した磁束に対応する電気信号を温度情報として出力するので、永久磁石２５の温度に関する温度情報を適切かつ簡易に出力する。
素子７０が感磁素子であるので、温度情報を適切かつ簡易に出力する磁石温度情報出力装置１Ｂが容易に構成される。
磁石温度情報出力装置１Ｂでも、磁石温度情報出力装置１Ａと同様に、回転電機ＭＴの小型化が妨げられることなく、回転電機ＭＴの構成が複雑化することはない。
回転電機ＭＴは、磁石温度情報出力装置１Ｂが設けられているので、回転子に配置されている永久磁石の温度に関する温度情報が適切かつ簡易に出力される。

以上、本発明の実施形態及び変形例について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態及び変形例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

第一素子５０の数は、複数であってもよい。たとえば、第一素子５０の数は、永久磁石２５の数と同じでもよい。この場合でも、第二素子６０の数は一つでよい。
素子７０の数は、複数であってもよい。たとえば、素子７０の数は、永久磁石２５の数と同じでもよい。

１Ａ，１Ｂ…磁石温度情報出力装置、１０…固定子、２０…回転子、２５…永久磁石、４１…制御回路、５０…第一素子、５１…感温素子、５３…コイル、５５…コンデンサ、６０…第二素子、６１…コイル、６３…電流検出素子、６５…交流電源、７０…素子、ＭＴ…回転電機。

Claims (4)

1. 固定子と、永久磁石が配置されている回転子とを備えている回転電機に対して設けられ、前記永久磁石の温度に関する温度情報を出力する磁石温度情報出力装置であって、
   前記回転子に設けられている第一素子と、
   磁束を検出し、検出した磁束に対応する電気信号を前記温度情報として出力する第二素子と、を備え、
   前記第一素子は、
   前記永久磁石の温度に応じて電気抵抗が変化する感温素子と、
   前記感温素子と電気的に接続されている第一コイルと、を含み、
   前記第二素子は、
   前記第一コイルを励起する第二コイルと、
   前記第二コイルを流れる電流の大きさに対応する電気信号を出力する電流検出素子と、を含み、
   前記第一素子と前記第二素子とは、前記回転子が所定の回転角度位置にあるときに、前記回転子の回転軸線と略平行な方向で互いに対向するように配置されている、磁石温度情報出力装置。
2. 前記回転子に設けられており、前記第一コイルとでＬＣ共振回路を構成するコンデンサを更に備えている、請求項１に記載の磁石温度情報出力装置。
3. 固定子と、永久磁石が配置されている回転子とを備えている回転電機に対して設けられ、前記永久磁石の温度に関する温度情報を出力する磁石温度情報出力装置であって、
   前記回転子に設けられており、前記永久磁石の温度に応じて電気抵抗が変化する感温素子と、
   前記回転子に設けられており、前記感温素子と電気的に接続されている第一コイルと、
   前記回転子に設けられており、前記第一コイルとでＬＣ共振回路を構成するコンデンサと、
   磁束を検出し、検出した磁束に対応する電気信号を前記温度情報として出力する第二素子と、を備え、
   前記第二素子は、前記第一コイルを励起する第二コイルと、前記第二コイルを流れる電流の大きさに対応する電気信号を出力する電流検出素子と、を含むと共に、前記固定子に設けられている、磁石温度情報出力装置。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の磁石温度情報出力装置が設けられている、回転電機。

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