JPH11206084A - 永久磁石併用同期回転機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 第１の回転子コアの突出部および第２の回転
子コアの突出部の外径方向への拡がりを第３の回転子コ
アにて抑えて耐遠心力強度を向上しつつ、かつ第３の回
転子コアにて磁石の保持を行うことで組み付けが容易と
なると共に、漏洩磁束を低減できる。 【解決手段】 ロータは電磁鋼板を積層して構成された
積層コア１２２、放射状に伸びた極部（突出部）１２３
ａおよび１２３ｂ、巻装された界磁巻線１２４ならびに
シャフト１２５を有している。そして、ロータ１２０外
周はロータ１２０に挿入された磁石１２８により、Ｎ磁
極，Ｓ磁極の各磁極を構成しているが、Ｎ磁極の磁束は
Ｎ磁極側溝と噛み合う極部１２３ａ、鉄心コア１２１
ａ、鉄心コア１２１ｂ、Ｓ磁極側溝と噛み合う極部１２
３ｂを通ってＳ磁極に短絡している。これにより、ステ
ータ側への有効磁束を分流、短絡し減少させている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、永久磁石ロータを
有する同期回転機において、永久磁石ロータのステータ
への鎖交磁束量を調整可能な界磁巻線をロータ内に設
け、鎖交磁束量とステータへの通電電流を同時に制御す
ることにより高効率な同期回転機の駆動が可能となる、
永久磁石併用同期回転機に関し、主に、使用回転数範囲
の広い電気自動車用の回転機として利用できる。

【０００２】

【従来の技術】通常、モータの発生するトルクはロータ
からステータ側へ発生する磁束と、ステータ巻線に流れ
る電流により決定される。永久磁石型同期回転機の場
合、ロータ磁束は永久磁石で作られ、永久磁石および磁
気回路寸法により前記磁束が決定される。 ステータ巻
線に流れる電流は、低回転時にはオームの法則に従いス
テータ巻線への印加電圧をステータ巻線抵抗で除した分
流されるが、回転数が上昇すると、ロータ磁束により巻
線に反作用誘起電圧が印加電圧を打ち消す向きに発生す
るため、ステータ巻線に流れる電流が減少する。これに
よりモータとして駆動できる回転数は、逆起電圧が印加
電圧以下までの回転数となる。

【０００３】そこで、一般にはステータ巻線にロータ磁
束を打ち消す電流を流し反作用誘起電圧の発生を抑える
ことにより、高回転数域までモータ駆動することが可能
となる。ただし、この時ステータ巻線に流れる電流は、
トルク発生分のトルク電流Ｉq に加えて磁束打ち消し分
の弱め界磁電流Ｉd （Ｉq 及びＩd の量は、ステータ巻
線に流れる電流の量と、ロータ磁極位置に対する位相に
よって設定することができる。）が必要である。従っ
て、高回転数域では磁石の磁束を打ち消すといった本来
無駄な電流を流す必要があり、この分の銅損が効率を低
下させるため、モータのＴ−Ｎカーブ内の効率マップは
回転数の増加とともに急激に低下することとなる。また
磁束打ち消し電流は永久磁石に加わる反作用磁界となる
ため、高温での不可逆減磁に注意する必要があり、その
防止のため永久磁石を厚くし高価な磁石量を増やす必要
がある。

【０００４】また、永久磁石形同期回転機を電気自動車
用走行モータに適用する場合の問題の一つに、坂道下降
時タイヤから回転機が回されるモードになったとき、回
転機誘起電圧がそれに繋がる電力変換器素子の耐電圧以
下になるように設定する必要がある。これにより回転機
設計自由度が下がり、そのため必要以上に大きな体格の
回転機或いは電力変換器が必要となってくる。

【０００５】また、永久磁石形同期回転機を発電機とし
て使用するとき、発電量の調整はステータ巻線からの反
作用起磁力で制御する必要がある。この場合無制御の状
態が出力最大となり安全上問題となるため、永久磁石同
期形回転機は一般に発電機として使用されない。また永
久磁石には常に反作用磁界が減磁界として加わり、不可
逆減磁が生じ易い。

【０００６】上記問題を解決する手段として特開平６ー
３５１２０６に見られる様な、ハイブリッド励磁形の永
久磁石形同期回転機が提案されている。これは永久磁石
部と鉄心部を設けたロータを、ステータ側から直流励磁
し、鉄心部をN 極またはS 極に励磁することで、ステー
タ上で永久磁石の磁束の方向を変えて、ステータ巻線に
鎖交する量を調整することで誘起電圧量を制御してい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法では
ステータ内の磁束が電磁鋼板シートを貫通する方向に鎖
交し、鉄損を増やすことになる。そこで、本発明は、こ
れらの問題点を解決するためになされたもので、永久磁
石同期回転機の回転子側に界磁巻線を設け、永久磁石に
よる回転子から固定子への磁束を調整することができる
同期回転機を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は以下の手段を採用する。請求項１記載の構
成によれば、磁性体よりなり、第１の回転子コアおよび
第２の回転子コアの突出部間の空間を覆う第３の回転子
コアに、Ｎ極およびＳ極の磁極の表面から固定子に磁束
を供給するように設けられた磁石を設けることで、第１
の回転子コアの突出部および第２の回転子コアの突出部
の外径方向への拡がりを第３の回転子コアにて抑えて耐
遠心力強度を向上しつつ、かつ第３の回転子コアにて磁
石の保持を行うことで組み付けが容易となる。

【０００９】また、界磁巻線への電流量を調整すること
で、磁石から固定子への磁束量を増減させるものであ
り、例えば、発電機としての作動時には固定子への磁束
量が制御可能なため、高効率な発電出力調整が容易に実
現でき、一方モータ駆動時には、低回転数域で磁束量を
増加し、高回転数域で磁束を減少させることで、固定子
巻線への必要入力電流を抑えることができる。そのため
回転機効率が向上し、更に小型の電力変換器が使用でき
る。

【００１０】さらに、磁石を第３の回転子に装着するた
めの磁石装着部を有すると共に、この磁石装着部の内周
側の磁気回路を開放し、かつ磁石の内周面側に突出部を
有することで、磁石の漏洩磁束を少なくして、有効磁束
を多くすることができる。請求項２に記載の構成によれ
ば、固定子、回転子間の磁束の歪みを低減することがで
きる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１、図２および図３に本発明の
第１の実施例を示す。回転機１００は、フロントフレー
ム１９０およびエンドフレーム１９１内部に固定子に相
当するステータ１１０と、フロントフレーム１９０およ
びエンドフレーム１９１で囲まれた空間内に設けられ、
前記ステータ１１０の内側にエアギャップを介して回転
可能に設けられた回転子に相当するロータ１２０を有し
ている。

【００１２】ステータ１１０は回転磁界を作る３相コイ
ル１１１及び磁性体からなる鋼板を積層したステータコ
ア１１２で構成される。ロータ１２０は鉄心コア１２１
ａおよび１２１ｂ、電磁鋼板を積層して構成された積層
コア１２２、鉄心コア１２１ａおよび１２１ｂから放射
状に伸びた極部（突出部）１２３ａおよび１２３ｂ、鉄
心コア１２１ａおよび１２１ｂの間に巻装された界磁巻
線１２４ならびに鉄心コア１２１ａおよび１２１ｂが圧
入されたシャフト１２５を有している。ここで鉄心コア
１２１ａおよび極部１２３ａにより第１の回転子コア
を、鉄心コア１２１ｂおよび極部１２３ｂにより第２の
回転子コアを構成しており、円環状の積層コア１２２が
第３の回転子コアを構成している。

【００１３】シャフト１２５は、先端側にスプライン１
２６、後端側にスリップリング１３２を有しており、こ
のスリップリング１３２には、シャフト１２５内部に樹
脂モールド等の絶縁部１３３を介して設けられているリ
ード部１３４を介して界磁巻線１２４に接続されてい
る。そして、スリップリング１３２上には、ブラシホル
ダ１３０によりブラシ１３１が摺動自在に設けられてい
る。また、シャフト１２５は、フロントフレーム１９０
およびエンドフレーム１９１に設けられたベアリング１
９２、１９３により回転可能に支持されている。

【００１４】なお、１９４は、ロータ１２０の回転位置
を検出する回転位置センサである。そして、回転機１０
０の３相コイル１１１は電力変換器２００に、電力変換
器２００はバッテリ３００に結線される。また、ブラシ
１３１は界磁回路４００に、回転位置センサ１９４は信
号処理回路５００に接続される。さらに、電力変換器２
００、界磁回路４００、信号処理回路５００を制御する
制御回路６００を有する。

【００１５】図１は図２のＡ−Ａ断面を示したものであ
り、積層コア１２２は円環状の磁性鋼板を積層したもの
で、軸方向磁石装着部をなす挿入穴１２９が周方向に等
間隔で設けられ、周方向に着磁された磁石１２８が隣り
合う磁極が同極となるように挿入されている。また隣り
合う２つの磁石挿入穴１２９の周方向中央部内径側に軸
方向に設けられた溝１２７が設けられている。

【００１６】鉄心コア１２１ａおよび１２１ｂはその中
心軸より径方向に放射状に伸びた極部１２３ａおよび１
２３ｂを有し、それぞれの極部が干渉しないように交互
に配置されている。なお、図３は図１のＢ矢視図であ
る。鉄心コア１２１ａおよび１２１ｂの外径側には積層
コア１２２が圧入される。このとき溝１２７と極部１２
３ａおよび１２３ｂが噛み合うことで積層コア１２２の
鉄心コア１２１ａおよび１２１ｂに対する周方向への回
動を防止することが可能となる。また、ステ−タ１１０
と対向している積層コア１２２の外周形状は、磁石１２
８の挿入穴１２９とステ−タ１１０との間のギャップが
広く、磁極の中央（磁石間）でなめらかに狭くなるよう
に形成されている。

【００１７】そして、ロータ１２０の外周はロータ１２
０に挿入された磁石１２８により、Ｎ磁極，Ｓ磁極の各
磁極を構成しているが、Ｎ磁極の磁束はＮ磁極側溝１２
７と噛み合う極部１２３ａ、鉄心コア１２１ａ、鉄心コ
ア１２１ｂ、Ｓ磁極側溝１２７と噛み合う極部１２３ｂ
を通ってＳ磁極に短絡している。これにより、ステータ
１１０側への有効磁束を分流、短絡し減少させている。

【００１８】磁気回路ブロックの磁気回路を図４に示
す。ステータ側の磁気抵抗Ｒｓ、エアギャップ磁気抵抗
Ｒｇ，磁石部磁気抵抗Ｒｍ，短絡部磁気抵抗Ｒｒ，磁石
起磁力Ｆｍ，界磁巻線起磁力Ｆｃとすると、ステータ側
に流れる有効磁束量Φ１は次式で表わせる。

【００１９】

【数１】Φ１＝（ＲｍＦｃ＋ＲｒＦｍ）／（ＲｒＲｍ＋
Ｒｍ（Ｒｇ＋Ｒｓ）＋（Ｒｇ＋Ｒｓ）Ｒｒ） 各パラメータの設定により有効磁束量Φ１は任意に設定
できる。例えば界磁巻線に電流を流さないとき（Ｆｃ＝
０）、 Φ１０＝ＲｒＦｍ／（ＲｒＲｍ＋Ｒｍ（Ｒｇ＋Ｒｓ）＋
（Ｒｇ＋Ｒｓ）Ｒｒ） となり、短絡部磁気抵抗Ｒｒが小のときはΦ１０≒０と
なる。短絡部磁気抵抗Ｒｒは積層コア１２２、鉄心コア
１２１円環部、極部１２３および各部材の接合部の磁気
抵抗により決定されるため、前記各部の断面積および長
さを設定することで、界磁巻線１２４に電流を流さない
時の有効磁束量Φ１０を調整することができる。ここで
はロータ１２０からステータ１１０への磁路が構成磁性
体のＢ−Ｈカーブ線形領域で使用できる様、磁束密度を
１T 以下に設定する。界磁巻線に通電した場合は、界磁
巻線起磁力Ｆｃ分の磁束Φ１c

【００２０】

【数２】Φ１c ＝ＲｍＦｃ／（ＲｒＲｍ＋Ｒｍ（Ｒｇ＋
Ｒｓ）＋（Ｒｇ＋Ｒｓ）Ｒｒ） が加算され、有効磁束量Φ１１は

【００２１】

【数３】Φ１＝Φ１０＋Φ１c となり、界磁巻線通電電流により有効磁束量を調整する
ことが可能である。従来、ロータからの界磁をコントロ
ールできる同期回転機として突極形同期機、クローポー
ル形同期機があげられる。両者は共に界磁巻線のみによ
り、有効磁束を得ており、必要最小限を界磁巻線で補う
本発明に対して界磁巻線での抵抗損が大きくなる。これ
らに対して磁石併用同期回転機は、極間に磁石が配置さ
れているため、極間の洩れ磁束も少ない。

【００２２】また、クローポール形同期機に対しては、
ロータ磁極表面が積層電磁鋼板により構成されるため、
ロータ磁極表面での鉄損を抑えることが可能である。な
お、積層コア１２２は円環状の磁性鋼板を積層したもの
で、軸方向磁石装着部をなす挿入穴１２９が周方向に等
間隔で設けられ、周方向に着磁された磁石１２８が隣り
合う磁極が同極となるように挿入されている。そして、
挿入穴１２９の外周部は、耐遠心力の強度面から連結し
ており、積層コアは一体で構成されている。この連結部
は強度上は必要であるが、磁気回路上は短絡ル−プとな
り、漏洩磁束が発生するために、機械強度の許される範
囲で薄く設定される。また、挿入穴１２９の内側は機械
強度上からは必要とされない。

【００２３】よって、挿入穴１２９の内周側を開放する
ことで、漏洩磁束が減少できる。また、挿入穴１２９の
内周側を略Ｌ字形状として磁石１２８の内周側へ突出し
た突出部１２９ａを有している。この突出部１２９ａに
より、磁石１２８の挿入時のガイドとして利用できる。
さらに、ステ−タ１１０と対向している積層コア１２２
の外周形状は、磁石１２８の挿入穴１２９とステ−タ１
１０との間のギャップが広く、磁極の中央（磁石間）で
なめらかに狭くなるように形成されていることで、振動
・磁気音、効率悪化が改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる回転機の縦断面図である。

【図２】回転機の横断面図である。

【図３】図２におけるＢ矢視図である。

【図４】回転機の磁気回路を説明する回路図である。

【符号の説明】

１００ 回転機 １１０ ステータ １２０ ロータ １２１ 回転子コア １２２ 積層コア １２３ 極部 １２４ 界磁巻線 １２８ 磁石 １２９ 磁石挿入穴 １２９ａ突出部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伴在 慶一郎 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定子巻線が巻装された固定子と、 磁性体よりなり、径方向外周側に延びる複数の突出部を
   有する第１の回転子コアと、 磁性体よりなり、径方向外周側に延びる前記第１の回転
   子コアと同数の突出部を有し、前記第１の回転子コアに
   対して互いの突出部が交互になるように配置された第２
   の回転子コアと、 磁性体よりなり、前記第１の回転子コアおよび前記第２
   の回転子コアの突出部間の空間を覆う第３の回転子コア
   と、 この第３の回転子コアにＮ極及びＳ極の磁極の表面から
   前記固定子に磁束を供給するように設けられた磁石と、 前記第１の回転子コアと前記第２の回転子コア間に、第
   １の回転子コアと前記第２の回転子コア共通の回転軸上
   を中心に巻装される界磁巻線とを備え、 前記第１の回転子コアおよび前記第２の回転子コアは、
   前記第３の回転子コアのＮ極およびＳ極を前記第１の回
   転子コアおよび前記第２の回転子コア内径側で磁気的に
   短絡すると共に、 前記界磁巻線は前記第１の回転子コアおよび前記第２の
   回転子コアに流れる磁束量を制御するようにした永久磁
   石併用同期回転機において、 前記磁石を前記第３の回転子に装着するための磁石装着
   部を有すると共に、この磁石装着部の内周側の磁気回路
   を開放し、かつ前記磁石の内周面側に突出部を有するこ
   とを特徴とする永久磁石併用同期回転機。
2. 【請求項２】 前記第３の回転子コアの外周形状は、固
   定子との間の径方向のギャップが前記磁石の装着部で最
   大で、かつ磁石装着部間で最小となるように形成されて
   いることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石併用同
   期回転機。