KR20040012442A - 회전전기 및 그것을 탑재한 자동차 - Google Patents

회전전기 및 그것을 탑재한 자동차 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피탑재체에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있는 회전전기의 제공을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 하나의 해결수단은 권선을 가지는 고정자와, 고정자에 공극을 거쳐 회전 가능하게 배치되고, 회전축방향으로 2분할되어 각각에 극성이 다른 영구자석(21)이 회전방향으로 교대로 배치된 회전자(20)를 가지는 영구자석형 동기회전전기(2)에 있어서, 영구자석형 동기회전전기(2) 전동기로부터 발전기로 하는 경우, 제 1 회전자(20A)에 대한 제 2 회전자(20B)가 상대적인 회전축 방향위치를 영구자석(21A, 21B)의 합성자계값이 소정값보다도 작은 값이 되는 위치로 하고 나서 영구자석(21A, 21B)의 합성자계값이 소정값이 되는 소정위치로 한다.

Description

회전전기 및 그것을 탑재한 자동차{ROTARY ELECTRIC APPARATUS AND VECHILE EQUIPPED WITH THE SAME}
본 발명은 기계적으로 유효 자속량을 가변할 수 있는 회전전기 및 그것을 탑재한 자동차에 관한 것이다.
기계적으로 유효 자속량을 가변할 수 있는 회전전기로서는 종래 예를 들면 일본국 특개2001-69609호 공보에 기재된 것이 알려져 있다. 이 공보에 기재된 회전전기는 회전축방향으로 2분할되어, 각각에 극성이 다른 계자용 자석이 회전방향으로 교대로 배치된 회전자를 가진다. 그리고 회전전기를 전동기로서 동작시키는 경우는 2분할 회전자의 한쪽의 계자용 자석과 2분할 회전자의 다른쪽의 계자용 자석과의 사이의 자기작용력과 회전자의 토오크방향과의 균형에 의하여 2분할 회전자의 계자용 자석의 자극중심을 갖춘다. 회전전기를 발전기로서 동작시키는 경우는, 회전자의 토오크방향이 반대가 됨에 따라 2분할 회전자의 계자용 자석의 자극중심을 어긋나게 한다.
상기한 종래의 회전전기는 2분할 회전자의 다른쪽에 대하여 2분할 회전자의 한쪽을 가변할 수 있도록 구성되어 있다. 즉 2분할 회전자의 다른쪽이 회전축에 고정되어 있음과 동시에, 2분할 회전자의 한쪽이 회전축에 대하여 분리되어 구성되어 있다. 2분할 회전자의 한쪽 및 회전축은 서로 설치된 나사기구에 의하여 결합되어 있다. 2분할 회전자의 한쪽의 2분할 회전자의 다른쪽측과는 반대측의 옆쪽에는 2분할 회전자의 한쪽을 2분할 회전자의 다른쪽측과는 반대측에서 지지하는 지지기구가 설치되어 있다.
이와 같은 기계적인 가변기구를 사용하고 있는 회전전기에서는, 피탑재체, 예를 들면 자동차에 대한 신뢰성을 향상시키기 위하여 예를 들면 회전자의 토오크방향의 변화에 따라 2분할 회전자의 한쪽이 가변하였을 때에 2분할 회전자의 한쪽이나 기계적인 가변기구에 생기는 충격을 완화하여 2분할 회전자의 한쪽이나 기계적인 가변기구의 부담을 경감하는 것이 바람직하다. 예를 들면 전기자동차나 하이브리드자동차와 같이 토오크 어시스트동작과 회생동작이 빈번하게 반복되어 운전되는 자동차에서는 특히 요망된다.
본 발명은 피탑재체에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있는 회전전기를 제공한다. 또 본 발명은 신뢰성이 높은 회전전기를 탑재한 자동차를 제공한다. 구체적으로 본 발명은 회전자의 가변동작시에 회전자나 가변기구에 생기는 충격을 완화하여 그들의 부담을 경감시킬 수 있는 회전전기 및 그것을 탑재한 자동차를 제공한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예인 영구자석형 동기회전전기의 구성을 나타내는 단면도,
도 2는 도 1의 영구자석형 동기회전전기의 회전자의 동작을 설명하기 위한 도면으로, 회전자의 자극중심이 갖추어진 상태를 나타내는 도,
도 3은 도 1의 영구자석형 동기회전전기의 회전자의 동작을 설명하기 위한 도면으로, 회전자의 자극중심이 어긋난 상태를 나타내는 도,
도 4는 제 1 실시예의 하이브리트차의 구동장치의 배치구성을 나타내는 평면도로서, 엔진과 영구자석형 동기회전전기가 직결된 타입의 것을 나타내는 도,
도 5는 도 1의 영구자석형 동기회전전기의 회전각 속도(ω)에 대한 유도기전력(E)과 자속(Φ)의 관계를 나타내는 특성도,
도 6은 도 1의 영구자석형 동기회전전기의 회전각 속도(ω)에 대한 토오크 (τ)의 관계를 나타내는 특성도,
도 7은 도 1의 영구자석형 동기회전전기의 회전자의 동작을 설명하기 위한 도면으로, 회전자의 자극중심이 갖추어진 상태로부터 어긋난 상태의 변화를 나타내는 도,
도 8은 도 1의 영구자석형 동기회전전기의 전원계통의 구성을 나타내는 계통도,
도 9는 도 1의 영구자석형 동기회전전기의 제어장치의 구성을 나타내는 블록도,
도 10은 본 발명의 제 2 실시예인 영구자석형 동기회전전기의 구성을 나타내는 단면도,
도 11은 도 10의 영구자석형 동기회전전기의 회전자의 구성을 상세하게 나타내는 상세도,
도 12는 도 10의 영구자석형 동기회전전기의 전류제어를 설명하기 위한 설명도,
도 13은 본 발명의 제 3 실시예인 자동차의 구동장치의 배치구성을 나타내는 평면도이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 엔진 2 : 영구자석형 동기회전전기
3 : 트랜스미션 4 : 전력변환기
5 : 배터리 10 : 고정자 철심
11 : 전기자 권선 12 : 냉각수 유로
13 : 하우징 20 : 회전자
20A : 제 1 회전자 20B : 제 2 회전자
21A, 21B : 영구자석 22 : 샤프트
23A : 나사부 23B : 너트부재
24 : 스토퍼 25 : 엑츄에이터
이 때문에 본 발명은 회전축방향으로 2분할되어 각각에 극성이 다른 계자용 자석이 회전방향으로 교대로 배치된 2분할 회전자의 다른쪽에 대한 2분할 회전자의 한쪽의 상대적인 회전축방향위치를 계자용 자석의 합성 자계값이 작아지는 소정위치로 변화시키는 경우, 2분할 회전자의 다른쪽에 대한 2분할 회전자의 한쪽의 상대적인 회전축방향위치를 계자용 자석의 합성 자계값이 소정위치에 있어서의 계자용 자석의 합성 자계값보다도 작아지는 위치로 변화시키고 나서 소정위치로 변화시키는 것을 특징으로 한다. 또는 2분할 회전자의 다른쪽에 대한 2분할 회전자의 한쪽의 상대적인 회전축방향위치 및 2분할 회전자의 다른쪽의 계자용 자석의 자극위치에 대한 2분할 회전자의 한쪽의 계자용 자석의 자극위치를 계자용 자석의 합성 자계값이 작아지는 소정위치에 연동하여 변화시키는 경우, 2분할 회전자의 다른쪽에 대한 2분할 회전자의 한쪽의 상대적인 회전축방향위치 및 2분할 회전자의 다른쪽의 계자용 자석의 자극위치에 대한 2분할 회전자의 한쪽의 계자용 자석의 자극위치를 계자용 자석의 합성 자계값이 소정위치에 있어서의 계자용 자석의 합성 자계값보다도 작아지는 위치로 변화시키고 나서 소정위치로 변화시키는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 있어서, 회전축방향이란, 회전축의 중심축선이 연장되는 방향과 동일한 방향을 말한다.
본 발명의 제 1 실시예를 도 1 내지 도 9에 의거하여 설명한다. 도 4는 하이브리드자동차의 구동장치의 배치구성을 나타낸다. 하이브리드자동차의 구동장치는 차량의 구동력을 발생하는 내연기관인 엔진(1)과, 차량의 변속기인 트랜스미션(3)과의 사이에 영구자석형 동기회전전기(2)가 기계적으로 연결되어 구성되어 있다. 엔진 (1)과 영구자석형 동기회전전기(2)와의 연결에는 도시 생략한 엔진(1)의 출력축(클랭크축이라고도 한다)과 영구자석형 동기회전전기(2)의 회전축을 직결하는 방법, 또는 유성기어 감속기구 등으로 구성된 변속기를 거쳐 연결하는방법이 채용되고 있다.
트랜스미션(3)과 영구자석형 동기회전전기(2)와의 연결에는 도시 생략한 트랜스미션(3)의 입력축과 영구자석형 동기회전전기(2)의 회전축을 동력 차단수단인 클러치를 거쳐, 또는 유체를 이용한 유체커플링 또는 토오크컨버터를 거쳐 연결하는 방법이 채용되고 있다. 이와 같이 트랜스미션(3)과 영구자석형 동기회전전기(2)와의 연결에 클러치 또는 유체커플링 또는 토오크컨버터를 사용함으로써, 영구자석형동기회전전기(2)에 의하여 엔진(1)을 시동할 수 있음과 동시에, 엔진(1)의 시동후 엔진(1)의 구동력 또는 엔진(1)의 구동력과 영구자석형 동기회전전기(2)의 구동력을 트랜스미션(3)의 입력축에 전달할 수 있다.
영구자석형 동기회전전기(2)는 전동기 또는 발전기로서 동작하는 것이 가능한 것이다. 영구자석형 동기회전전기(2)에는 축전수단인 배터리(5)가 전력변환기(4)를 거쳐 전기적으로 접속되어 있다.
영구자석형 동기회전전기(2)를 전동기로서 사용하는 경우는, 배터리(5)로부터 출력된 직류전력을 전력변환기(4)(인버터)로 교류전력으로 변환하여 영구자석형 동기회전전기(2)에 공급한다. 이에 의하여 영구자석형 동기회전전기(2)는 구동된다. 영구자석형 동기회전전기(2)의 구동력은 엔진(1)의 시동용 또는 어시스트용으로서 사용된다. 영구자석형 동기회전전기(2)를 발전기로서 사용하는 경우는 영구자석형 동기회전전기(2)에 의하여 발전된 교류전력을 전력변환기(4)(컨버터)로 직류전력으로 변환하여 배터리(5)에 공급한다. 이에 의하여 변환된 직류전력은 배터리(5)에 축전된다.
도 1 내지 도 3은 영구자석형 동기회전전기(2)의 구성을 나타낸다. 도면에 있어서 13은 하우징(고정자프레임이라고도 한다)이다. 하우징(13)의 내부에는 축방향으로 연속함과 동시에 냉각수를 흘리는 냉각수 유로(12)가 둘레방향으로 복수 형성되어 있다. 하우징(13)의 안 둘레측에는 고정자 철심(10)이 수축끼워맞춤 또는 압입 등에 의하여 체결되어 있다. 고정자 철심(10)의 안 둘레부에는 축방향으로 연속하여 고정자 철심(10)의 안 둘레 표면에 개구한 슬롯(홈이라고 함)이 둘레방향으로 복수 형성되어 있다. 고정자 철심(10)의 복수의 슬롯의 각각에는 전기자 권선 (11)(고정자 권선 또는 1차 권선이라고도 함)이 장착되어 있다. 하우징(13)의 회전축방향 양쪽 끝부는 개방되어 있다. 또 본 실시예에서는 하우징(13)의 회전축방향양쪽 끝부를 개방한 예에 대하여 설명하였으나, 하우징(13)의 회전축방향 양쪽 끝부를 브래킷에 의하여 폐쇄하여도 좋다.
고정자 철심(10)의 안 둘레측에는 공극을 거쳐 회전자(20)가 회전 가능하게 설치되어 있다. 회전자(20)는 회전축방향으로 2분할되어 구성된 것으로, 샤프트 (22)(회전축이라고 함)에 고정된 제 1 회전자(20A)와, 샤프트(22)에 대하여 분리 가능하게 구성되어 소정방향의 토오크를 받아 샤프트(22) 위를 회전하면서 회전축방향으로 이동 가능한 제 2 회전자(20B)를 가지고 있다. 제 1 회전자(20A)에는 극성이 회전방향으로 차례로 다르도록(교대가 되도록), 영구자석(21A)이 복수 매립되어 있다. 제 2 회전자(20B)에는 극성이 회전방향으로 차례로 다르도록(교대가 되도록),영구자석(21B)이 복수 매립되어 있다. 샤프트(22)의 중심축방향 양쪽 끝부는 베어링장치(50)에 의하여 회전 가능하게 지지되어 있다. 베어링장치(50)는 엔진(1)이나 트랜스미션(3)의 박스체, 차체의 일부분 등에 설치되어 유지되어 있다. 또한 하우징(13)의 회전축방향 양쪽 끝이 브래킷에 의하여 폐쇄되어 있는 경우는, 브래킷에 의하여 베어링장치(50)를 유지하여도 좋다.
제 1 회전자(20A), 제 2 회전자(20B) 및 샤프트(22)는 볼트·너트의 관계에 있다. 즉 제 1 회전자(20A)는 볼트의 머리부(61)에 상당하고, 샤프트(22)는 볼트의 나사부(60)에 상당한다. 제 2 회전자(20B)는 너트(62)에 상당한다. 이 때문에 제 1 회전자(20A)는 샤프트(22)에 고정되어 있다. 샤프트(22)의 바깥 둘레면에는 수나사가 형성되어 있다. 제 2 회전자(20B)의 안 둘레면에는 샤프트(22)에 형성된 수나사와 나사결합하는 암나사가 형성되어 있다. 따라서 어느 회전방향에서는 제 2 회전자(20B)는 샤프트(22) 위를 회전하면서 회전축방향 한쪽측으로 이동하여 제 1 회전자(20A)로부터 떨어진다. 회전방향이 반대가 되면 제 2 회전자(20B)는 샤프트(22) 위를 회전하면서 회전축방향 다른쪽측으로 이동하여 제 1 회전자(20A)와 일체가 된다.
샤프트(22)의 한쪽측[제 2 회전자(20B)의 제 1 회전자(20A)측과는 반대측]에는 제 2 회전자(20B)의 제 1 회전자(20A)측과는 반대측의 옆쪽으로부터 제 2 회전자 (20B)의 회전을 정지하는 일 없이 제 2 회전자(20B)를 받아내고, 제 2 회전자 (20B)를 회전 가능하게 지지함과 동시에, 제 2 회전자(20B)의 제 1 회전자(20A)와의 상대적인 회전축방향위치를 변화시킬 수 있는 지지기구가 설치되어 있다. 지지기구는 제 2 회전자(20B)가 고정자 철심(10)의 회전축방향 끝부로부터 소정의 변위 이상밀려 나오지 않도록 하기 위한 이동방지기구로서의 기능도 겸비하고 있다.
지지기구는 제 1 회전자(20A)에 대한 제 2 회전자(20B)의 상대적인 회전축방향위치의 제어가 가능한 서보기구이고, 제 2 회전자(20B)의 제 1 회전자(20A)측과는 반대측의 옆쪽에 배치되어 회전축방향 양 방향으로 직선 가동이 가능한 스토퍼(24)와, 스토퍼(24)의 제 2 회전자(20B)측과는 반대측의 옆쪽에 배치되어 스토퍼(24)를 회전축방향 양 방향으로 직선 가동시키는 구동기구로 구성되어 있다. 구동기구는 스토퍼(24)를 회전축방향의 한방향으로 직선 가동시키는 엑츄에이터(25)와, 스토퍼 (24)를 회전축방향의 다른 방향으로 직선 가동시키는 스프링(45)으로 구성되어 있다.
스토퍼(24)는 지지부재이고, 제 2 회전자(20B)의 제 1 회전자(20A)측과는 반대측의 측면과 대향하는 면을 가지고, 샤프트(22)의 바깥 둘레면의 일부분을 둘러 싸도록 샤프트(22)의 바깥 둘레면에 대향하여 설치된 평판형상의 둥근 고리부재이다. 스토퍼(24)의 안 둘레면과 샤프트(22)의 바깥 둘레면과의 사이에는 회전하는 샤프트(22)에 의하여 스토퍼(24)가 샤프트(22)를 따라 회전축방향으로 가동 가능하도록 지지하는 베어링장치(47)가 설치되어 있다. 스토퍼(24)의 제 2 회전자(20B)와의 대향면에는 제 2 회전자(20B)의 제 1 회전자(20A)측과는 반대측의 옆쪽으로부터 제 2 회전자(20B)의 회전을 멈추는 일 없이 제 2 회전자(20B)를 받아내고, 제 2 회전자(20B)를 회전 가능하게 지지하는 베어링장치(42)가 설치되어 있다.
엑츄에이터(25)는 스토퍼(24)의 제 2 회전자(20B)측과는 반대측에 한쪽 끝이 기계적으로 접속되고, 회전축방향을 제 2 회전자(20B)의 방향으로 직선운동이 가능한 가동자 철심(25a)과, 고정자 철심에 감긴 코일의 여자에 의하여 가동자 철심(25a)에 대하여 반발하는 전자력을 생성하고, 회전축방향을 제 2 회전자(20B)의 방향으로 가동자 철심(25a)을 직선 가동시키는 구동부(25b)로 구성된 솔레노이드이고, 엔진(1)이나 트랜스미션(3)의 박스체, 차체의 일부분 등에 설치되어 유지되어 있다. 탄성체인 스프링(45)은 엑츄에이터(25)와 샤프트(22)와의 사이에 배치되고, 엔진(1)이나 트랜스미션(3)의 박스체, 차체의 일부분 등에 스토퍼(24)의 제 2 회전자(20B)측과는 반대측과의 사이에 접속되어 있다. 또한 하우징(13)의 회전축방향 양쪽 끝이 브래킷에 의하여 폐쇄되어 있는 경우는, 엑츄에이터(25)나 스프링(45)의 한쪽 끝을 브래킷에 설치하여도 좋다.
본 실시예에 의하면 엑츄에이터(25)의 구동부(25b)의 코일에 흐르는 전류를 제어하여 코일의 여자를 제어하여 엑츄에이터(25)의 구동력과 스프링(45)이 끌어들이는 힘과의 균형을 취함으로써 스토퍼(24)의 회전축방향위치를 임의로 제어하는 것이 가능하게 된다. 따라서 본 실시예에 의하면 지지기구에 의하여 제 1 회전자(20A)에 대한 제 2 회전자(20B)의 회전축방향위치를 임의의 위치로 변화시킬 수 있다. 또한 본 실시예에서는 지지기구의 구동기구로서 전자력에 의하여 가동철심(25a)을 구동하는 솔레노이드와 스프링(45)의 조합을 사용한 경우에 대하여 설명하였으나, 유압식 엑츄에이터나 전자클러치와 스프링의 조합을 사용하여도 좋고, 모터와 볼나사의 조합 또는 리니어모터를 사용하여도 좋다. 요는 위치를 제어할 수 있는 서보기구를 구성할 수 있으면 좋다.
다음에 본 실시예의 영구자석형 동기회전전기(2)의 동작에 대하여 설명한다. 계자용으로서 영구자석을 회전자에 구비한 회전전기에서는 전동기로서 동작하는 경우와 발전기로서 동작하는 경우의 회전자의 회전방향이 동일하면 회전자가 받는 토오크의 방향은 전동기로서 동작하는 경우와 발전기로서 동작하는 경우에서 반대가 된다. 또 회전자의 회전방향이 반대가 되면 토오크방향도 반대가 된다. 본 실시예에서는 기본적으로 상기 원리를 사용한 것으로, 엔진(1)의 시동시 등 회전전기의 저회전영역에서는 전동기로서, 회전전기의 고회전영역에서는 발전기로서 각각 다음과 같이 동작시킨다.
엔진(1)의 시동시 등 회전전기의 저회전영역에서는 도 2에 나타내는 바와 같이 제 1 회전자(20A)와 제 2 회전자(20B)를 회전자(20)에 발생하는 토오크방향과 영구자석(21A, 21B) 사이의 자기작용력과의 균형에 의하여 접근시켜 하나의 회전자로 하고, 영구자석(21A, 21B)의 동극성의 것 끼리를 축방향으로 나열하여 영구자석 (21A, 21B)의 자극의 중심을 갖춘다. 즉 너트(62)을 조여 볼트의 머리부(61)와 너트(62)를 접근시킨다. 이에 의하여 영구자석에 의한 유효 자속량이 최대가 되어 높은 토오크특성을 얻을 수 있다.
회전전기의 고회전영역에서는 상기한 전동기의 경우와 마찬가지로 회전방향은 동일하게 되나, 회전자가 받는 토오크방향은 상기한 전동기와는 반대로 된다. 이 때문에 도 3에 나타내는 바와 같이 전동기로서 동작시켰을 때와는 반대의 토오크방향에 의하여 제 2 회전자(20B)를 샤프트(22) 위를 회전시키면서 회전축방향의 한쪽 측[제 1 회전자(20A)측과는 반대측]으로 이동시켜 제 1 회전자(20A)로부터 떨어트려영구자석(21A, 21B)의 자극의 중심을 어긋나게 한다. 즉 너트(62)를 느슨하게 하여 볼트의 머리부(61)로부터 너트(62)를 푼다. 이에 의하여 영구자석에 의한유효 자속량이 감소한다. 바꾸어 말하면 약한 계자효과가 있다. 이 결과, 고출력 발전특성을 얻을 수 있다.
또한 약한 계자제어로서는 영구자석(21A, 21B)의 동극성의 것 끼리를 축방향으로 나열시켜 영구자석(21A, 21B)의 자극의 중심을 갖춘 상태에서 제 1 회전자 (20A)에 대한 제 2 회전자(20B)의 상대적인 회전축방향위치를 바꾸어도 가능하고, 제 1 회전자(20A)와 제 2 회전자(20B)를 접근시켜 하나의 회전자로 한 상태에서 영구자석(21A, 21B)의 자극의 중심을 어긋나게 하는 것으로도 가능하다.
다음에 회전영역을 따라서 회전전기를 상기한 바와 같이 동작시키는 것에 대하여 도 5에 의거하여 설명한다. 도 5(a), 도 5(b)는 영구자석형 동기회전전기(2)의 회전각 속도(ω)에 대한 유효자속(Φ), 유도기전력(E)의 특성을 나타낸다. 영구자석형 동기회전전기(2)의 유도기전력(E)은 회전자(20)에 설치되어 있는 영구자석 (21A, 21B)이 발생하는 유효자속(Φ)과 회전각 속도(ω)에 의하여 결정된다. 이 때문에 예를 들면 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 회전자(20)에 설치되어 있는 영구자석(21A, 21B)이 발생하는 유효자속(Φ1)을 일정하게 하여 회전각 속도(ω)(회전수)를 상승시키면, 유도기전력(E1)은 회전각 속도(ω)에 비례하여 상승한다.
그런나 영구자석형 동기회전전기(2)의 회전영역의 전역에 있어서 동일한 유효자속으로 전동기 또는 발전기로서 동작시켰을 경우, 예를 들면 엔진(1)의 고회전영역에 있어서 유효자속(Φ1)으로 발전기로서 동작시킨 경우, 영구자석형 동기회전전기(2)의 유도기전력(E1)은 배터리(5)의 충전전압 이상으로 상승한다. 이에 의하여 그 전력을 축전하는 배터리(5)는 파손되기 때문에 영구자석형 동기회전전기(2)의 유도기전력을 배터리(5)의 충전전압 이하로 억제할 필요가 있다. 이 때문에 영구자석형 동기회전전기(2)를 발전기로서 사용하는 경우, 소정의 회전수 이상의 영역에서는 영구자석(21A, 21B)이 발생하는 자속을 줄이는 제어, 이른바 약한 계자제어를 행할 필요가 있다.
따라서 본 실시예에서는 도 5(a)에 나타내는 바와 같이 회전각 속도(ω1)를 경계로 하여 그 저회전영역측에서는 영구자석(21A, 21B)이 발생하는 유효자속을 Φ1로 하여 유도기전력(E1)을 발생시킨다. 회전각 속도(ω1)인 고회전영역측에서는 영구자석(21A, 21B)이 발생하는 유효자속을 Φ2로 전환하여 유도기전력(E1)보다도 낮은 유도기전력(E2)을 발생시킨다. 이에 의하여 영구자석형 동기회전전기(2)의 유도기전력의 최대값을 제한할 수 있으므로 엔진(1)의 고회전영역에서 영구자석형 동기회전전기(2)를 발전기로서 사용하여도 배터리(5)의 충전전압 이하의 전압으로 배터리(5)를 충전할 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 배터리(5)의 파손을 방지할 수 있다.
또한 종래의 회전전기는 고정자권선에 약한 계자제어용 전류를 흘려 약한 계자제어를 행하고 있었다. 그러나 약한 계자제어용 전류는 회전각 속도에 비례하여 상승하는 유도기전력에 따라 상승시킬 필요가 있으므로, 고정자권선에 발생하는 열이 상승한다. 이 때문에 종래의 회전전기에서는 고회전영역에 있어서 회전전기의 효율의 저하, 냉각성능을 초과한 발열에 의한 영구자석의 감자 등이 일어날 수 있는 가능성이 있다. 이점 본 실시예의 영구자석형 동기회전전기(2)에서는 기계적인 제어, 즉 회전자 2분할에 의한 유효자속의 제어에 의하여 약한 계자 제어를 행하고있으므로 상기 문제는 일어날 수 없다.
또 본 실시예에 의하면 기계적인 약한 계자제어에 의하여 고회전영역에 있어서의 유도기전력을 억제하고, 영구자석형 동기회전전기(2)의 효율을 저하시키는 일이 없으므로, 고회전영역에 있어서 영구자석형 동기회전전기(2)를 효율이 좋은 상태에서 구동 어시스트용으로서 사용할 수도 있다.
또 본 실시예에서는 도 5(b)에 나타내는 바와 같이 유효자속(Φ)을 회전각 속도(ω)에 따라 더욱 세밀하게 변화시킴으로써, 즉 지지기구에 의하여 제 2 회전자 (20B)를 제 1 회전자(20A)로부터 서서히 떨어트림으로써 회전각 속도(ω1)의 고회전영역측에 있어서 영구자석형 동기회전전기(2)의 발생하는 유도기전력(E)을 대략 일정하게 유지할 수 있다.
그런데 본 실시예에서는 상기한 바와 같이 저회전영역에서는 영구자석형 동기회전전기(2)를 전동기로서 동작시켜 엔진시동을 행하고, 고회전영역에서는 영구자석형 동기회전전기(2)를 발전기로서 동작시켜 발전을 행하고 있으나, 이 때의 영구자석형 동기회전전기(2)의 회전각 속도(ω)에 대한 토오크특성은 도 6에 나타내는 바와 같이 된다. 도 6으로부터 분명한 바와 같이 전동기로서 동작할 때(①→부분)는 회전각 속도(ω)의 증가에 따라 정토오크(+τ)로 일정하게 변화한다. 전동기로부터 발전기로 변화할 때(②→부분)는 정토오크(+τ)로부터 부토오크(-τ)로 토오크방향이 반대로 변화한다. 발전기로서 동작할 때(③→부분)는 소정의 회전각 속도(ω)까지는 회전각 속도(ω)의 증가에 따라 부토오크(-τ)로 일정하게 변화하고, 어떤 회전각 속도(ω)를 지나고 나서는 회전각 속도(ω)의 증가에 따라 서서히토오크가 작아진다.
이 토오크의 변화에 따라 영구자석형 동기회전전기(2)는 제 1 회전자(20A)와 제 2 회전자(20B)가 근접하여 일체가 되어, 영구자석(21A, 21B)의 자극의 중심이 갖추어진 상태로부터 제 2 회전자(20B)가 샤프트(22) 위를 회전하면서 회전축방향의 한쪽측[제 1 회전자(20A)측과는 반대측]으로 이동하여 제 1 회전자(20A)로부터 떨어져 영구자석(21A, 21B)의 자극의 중심이 어긋난다. 이때 지지기구는 제 1 회전자 (20A)에 대한 제 2 회전자(20B)의 회전축방향위치를 영구자석(21A, 21B)의 합성 자계값이 소정값이 되는 소정위치로 하도록 제 2 회전자(20B)가 소정위치가 된 곳에서 제 2 회전자(20B)를 받아 내는 위치로 스토퍼(24)를 이동하여 제 2 회전자(20B)를 받아내는 바와 같이 제어한다. 그러나 회전자(20)에 발생하는 토오크방향이 정토오크(+τ)로부터 반대인 부토오크(-τ)로 되었을 때, 토오크변화량의 절대값이 최대가되기 때문에, 상기한 바와 같이 제어하면 제 2 회전자(20B), 제 1 회전자(20A)에 대한 제 2 회전자(20B)의 회전축방향위치를 바꾸는 기계적인 가변기구(볼트, 너트) 및 지지기구에 큰 충격이 생긴다. 따라서 이들에 생기는 충격을 완화하여 이들의 부담을 경감하는 것이 하이드로자동차 등의 피탑재품에 대한 회전전기의 신뢰성을 향상시키는 데에 있어서 바람직하다.
따라서 본 실시예에서는 도 7에 나타내는 바와 같이, 도 6의 토오크변화에 따라서 영구자석형 동기회전전기(2)를 동작시키고 있다. 즉 본 실시예에서는 도 7(a)의 상태로부터 도 7(c)상태로 할 때, 도 7(b)의 상태를 거치고 나서 도 7(c)의 상태로 하고 있다. 여기서 도 7(a)는 회전자(20)에 발생하는 토오크방향과 영구자석(21A, 21B) 사이의 자기작용력과의 균형에 의하여 제 1 회전자(20A)와 제 2 회전자(20B)를 근접시켜 일체로 하고, 영구자석(21A, 21B)의 동극성의 것 끼리를 회전축방향으로 나열하여 영구자석(21A, 21B)의 자극의 중심을 갖춘 초기의 상태이다.
이때 지지기구는 제 2 회전자(20B)를 제 1 회전자(20A)측과는 반대측으로부터 지지하고 있다. 즉 지지기구는 엑츄에이터(25)의 구동부(25b)의 코일에 흐르는 전류를 제어하여 코일의 여자를 제어하여 제 2 회전자(20B)가 제 1 회전자(20A)에 근접하여 일체가 된 곳에서 제 2 회전자(20B)를 지지할 수 있도록 스토퍼(24)를 이동시키고, 스토퍼(24)의 위치가 제 2 회전자(20B)를 지지할 수 있는 위치가 되었을 때에 스프링(45)이 끌어 들이는 힘과 엑츄에이터(25)의 구동력이 균형을 이루도록 한다.
한편, 도 7(b)는 회전자(20)에 발생하는 토오크방향이 도 7(a)의 상태에 있어서의 토오크방향과는 반대로 됨에 따라 제 2 회전자(20B)를 샤프트(22) 위를 회전시키면서 회전축방향의 한쪽측[제 1 회전자(20A)측과는 반대측]으로 이동시켜 제 1 회전자(20A)로부터 떨어트리고, 제 1 회전자(20A)에 대한 제 2 회전자(20B)가 상대적인 회전축방향위치를 영구자석(21A, 21B)의 합성 자계값이 소정값보다도 작은 값이 되는 위치[뒤에서 설명하는 도 7(c)의 제 1 회전자(20A)에 대한 제 2 회전자(20B)의 회전축방향위치보다도 제 1 회전자(20A)로부터 회전축방향으로 떨어진 위치]로 하여 영구자석(21A, 21B)의 자극의 중심을 어긋나게 한 중간의 상태이다.
이때 지지기구는 제 1 회전자(20A)에 대한 제 2 회전자(20B)의 회전축방향위치가 영구자석(21A, 21B)의 합성 자계값이 소정값보다도 작은 값이 되는 위치로 하 도록 제 2 회전자(20B)가 소기위치[영구자석(21A, 21B)의 합성 자계값이 소정값보다 도 작은 값이 되는 위치]가 된 곳에서 제 2 회전자(20B)를 스토퍼(24)로 받아낸다. 즉 지지기구는 엑츄에이터(25)의 구동부(25b)의 코일에 흐르는 전류를 제어하여 코일의 여자를 제어하고, 도 7(a)때보다도 엑츄에이터(25)의 구동력을 약화시켜 제 2 회전자(20B)를 받아내는 위치로 스토퍼(24)를 이동시켜 스토퍼(24)의 위치가 제 2 회전자(20B)를 받아내는 위치가 되었을 때에 스프링(45)이 끌어 들이는 힘과 엑츄에이터(25)의 구동력이 균형을 이루게 한다.
다른 한편 도 7(c)는 제 1 회전자(20A)에 대한 제 2 회전자(20B)의 상대적인 회전축방향위치가 영구자석(21A, 21B)의 합성 자계값이 소정값이 되는 소정위치가 되어 영구자석(21A, 21B)의 자극의 중심이 어긋나 있는 최종의 상태이다.
이때 지지기구는 제 1 회전자(20A)에 대한 제 2 회전자(20B)의 회전축방향위치를 영구자석(21A, 21B)의 합성 자계값이 소정값이 되는 소정위치로 하도록 제 2 회전자(20B)가 소정위치[영구자석(21A, 21B)의 합성 자계값이 소정값이 되는 위치]가 되는 곳까지 제 2 회전자(20B)를 스토퍼(24)로 이동한다. 즉 지지기구는 엑츄에이터(25)의 구동부(25b)의 코일에 흐르는 전류를 제어하여 코일의 여자를 제어하고, 도 7(b)때보다도 엑츄에이터(25)의 구동력을 강화하여 제 2 회전자(20B)가 소정위치가 되는 위치까지 스토퍼(24)를 이동시켜 스토퍼(24)의 위치가 제 2 회전자 (20B)를 소정위치로 하는 위치가 되었을 때에 스프링(45)이 끌어 들이는 힘과 엑츄에이터(25)의 구동력이 균형을 이루도록 한다.
이와 같이 본 실시예에 의하면 영구자석형 동기회전전기(2)를 전동기로부터 발전기로 하는 경우[도 7(a)의 상태로부터 도 7(c)의 상태로 하는 경우], 제 1 회전자(20A)에 대한 제 2 회전자(20B)가 상대적인 회전축방향위치를 영구자석(21A, 21B)의 합성 자계값이 소정값보다도 작은 값이 되는 위치로 하고 나서, 영구자석 (21A, 21B)의 합성 자계값이 소정값이 되는 소정위치로 하고 있기 때문에[도 7(b)의 상태를 거치고 있으므로], 영구자석 제 2 회전자(20B), 제 1 회전자(20A)에 대한 제 2 회전자(20B)의 회전축방향위치를 바꾸는 기계적인 가변기구(볼트, 너트) 및 지지기구에 생기는 충격을 완화하여 이들의 부담을 경감할 수 있다. 따라서 하이브리드자동차에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예의 상기 충격 완화수단은 캐치볼 놀이시에 빠른 속도로 날아 오는 볼을 그대로 받으면 손에 생기는 충격이 크기 때문에 볼이 글로브에 들어가는 순간에 글로브를 뒤쪽으로 빼면서 볼을 받아 손에 생기는 충격을 작게 한다고 하는 동작과 닮은 제어이다. 여기서 날아 오는 볼은 제 2 회전자(20B)에, 글로브는 스토퍼(24)에, 손은 엑츄에이터(25)에 각각 상당한다.
도 8은 영구자석형 동기회전전기(2)의 전원계통의 구성을 나타낸다. 엔진(1)과 기계적으로 연결된 영구자석형 동기회전전기(2)의 3상 교류단자에는 전력변환기(4)(인버터 및 컨버터)가 전기적으로 접속되어 있다. 전력변환기(4)의 직류측 단자는 배터리(5)(고전압용) 및 고전압계통과 전기적으로 접속되어 있다. 고전압계통에는 DC-DC 컨버터(30)를 거쳐 헤드램프, 오디오 등을 부하기기로 하는 저전압계통 및 배터리(9)(저전압용)가 전기적으로 접속되어 있다. 이에 의하여 저전압계통 및 배터리(9)에는 고전압계통으로부터 DC-DC 컨버터(30)에 의하여 강압된 전력이 공급된다.
하이브리드자동차에는 영구자석형 동기회전전기(2)의 구동을 제어하는 제어장치(31)와, 엔진(1)의 스로틀 개방도, 연료분사량 등을 제어하는 엔진제어장치(32)가 설치되어 있다. 제어장치(31)와 엔진제어장치(32) 사이에는 통신선 또는 통신망[예를 들면 차내 LAN (Local Area Network)] 또는 무선 등의 통신수단이 설치되어 있다. 이에 의하여 제어장치(31)와 엔진제어장치(32) 사이에서 정보전송 또는 다이렉트메모리엑세스 등을 행할 수 있다. 이와 같이 제어장치(31)와 엔진제어장치(32)와의 사이에서 정보통신를 행함으로써, 영구자석형 동기회전전기(2)와 엔진(1)을 협조제어할 수 있다.
도 9는 제어장치(31)의 구성을 나타낸다. 제어장치(31)는 영구자석형 동기회전전기(2)의 운전모드전환, 즉 구동모드(전동기)와 발전모드(발전기)를 전환과, 영구자석형 동기회전전기(2)의 구동을 제어하도록 지령값의 생성을 차량의 운전상태에 따라 행한다. 영구자석형 동기회전전기(2)의 구동제어는 제어장치(31)로부터 출력된 지령값에 의거하여 전력변환기(4)[인버터(104)]의 반도체스위칭소자의 온·오프를 제어함으로써 행하여진다. 영구자석형 동기회전전기(2)의 운전모드의 전환은 차량의 운전상태에 따라 스토퍼(24)를 구동하는 엑츄에이터(25)를 제어함으로써 행하여진다. 제어장치(31)에는 엔진제어장치(32) 및 차량탑재기기에 설치된 각종 센서로부터의 정보, 예를 들면 배터리 잔량, 차량의 운전모드, 스로틀 개방도 등의 상태신호가 입력되어 있다. 또 제어장치(31)에는 영구자석형 동기회전전기(2)의회전수와 자극위치 및 영구자석형 동기회전전기(2)에 공급되는 3상교류 전류 중의 2상분이 피드백되어 있다.
운전판단부(101)는 엔진제어장치(32) 및 차량탑재기기에 설치된 각종 센서로부터 출력된 신호와, 속도변환부(108)로부터 출력된 각속도(ω)를 입력으로 하고, 그들에 의거하여 영구자석형 동기회전전기(2)의 운전동작을 판단하여 회전좌표계 (d-q축)의 전류지령치(id*, iq*)를 출력한다. 회전좌표계는 회전전기의 자극위치(자속)의 방향을 d축으로 하고, d축에 전기적으로 직교하는 방향을 q축으로 한 좌표이다. 따라서 id*는 d축 전류지령값, iq*는 q축 전류지령값을 각각 나타낸다. 속도변환부(108)는 검출기(106)에 의하여 검출된 영구자석형 동기회전전기(2)의 회전수에 의거하여 각속도값(ω)을 출력한다. 영구자석형 동기회전전기(2)의 회전수 대신으로서 엔진회전수, 변속기가 있는 경우에는 엔진회전수의 체배한 값 등을 사용하여도 좋다.
전류제어부(102)는 속도변환부(108)로부터 출력된 각속도(ω)와, 운전판단부 (101)로부터 출력된 전류지령값(id*, iq*)과, 좌표변환부(105)로부터 출력된 전류값 (id, iq)을 입력으로 하고, 전류지령값(id*, iq*)과 전류값(id, iq)과의 차분을 취하여 이 차분과 각속도(ω)에 의거하여 전압지령값(id*, iq*)을 출력한다. 좌표변환부 (105)는 인버터(104)로부터 출력된 3상 교류전류 중 u상 전류(iu*), w상 전류(iw*)와, 자극위치변환부(107)로부터 출력된 자극위치(θ)에 의거하여전류값(id, iq)을 출력한다. 자극위치변환부(107)는 검출기(106)에 의하여 검출된 영구자석형 동기회전전기(2)의 자극위치에 의거하여 자극위치(θ)를 출력한다.
3상 변환부(103)는 자극위치변환부(107)로부터 출력된 자극위치(θ), 전류제어부(102)로부터 출력된 전압지령값(vd*, vq*)을 입력으로 하고, 그들에 의거하여 u상 전압지령값(vu), v상 전압지령값(vv), w상 전압지령값(vw)을 출력한다. u상 전압지령값(vu), v상 전압지령값(vv), w상 전압지령값(vw)은 인버터(104)에 입력되어 인버터(104)로부터 영구자석형 동기회전전기(2)에 공급되는 전류가 제어되고, 영구자석형 동기회전전기(2)의 구동이 제어된다.
본 발명의 제 2 실시예를 도 10 내지 도 12에 의거하여 설명한다. 도 10 내지 도 12는 본 실시예의 영구자석형 동기회전전기의 구성을 나타낸다. 본 실시예는 상기한 제 1 실시예의 개량예이다. 이하, 상기 예와 동일 부품에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략하고, 다른 부품만 설명한다. 본 실시예의 영구자석형 동기회전전기에서는 하우징(13)의 회전축방향 양쪽 끝부를 프레임부재인 고리형상의 엔드 브래킷(49)으로 폐쇄하고, 샤프트(22)를 회전 가능하게 지지하는 베어링장치 (50)를 엔드 브래킷(49)의 안 둘레측에 설치하여 유지하고 있다.
회전자(20)는 상기 예와 마찬가지로 회전축방향으로 2분할되어 있다. 제 2 회전자 (20B)의 내경은 샤프트(22)의 외경보다도 크게 형성되어 있다. 제 2 회전자(20B)의 안 둘레면에는 축방향으로 연속된 요철이 둘레방향으로 교대로 복수 형성되어 있다. 제 2 회전자(20B)의 안 둘레측에는 그 안 둘레면의 형상(요철)에 합치하는 형상, 즉 축방향으로 연속된 요철이 바깥 둘레면의 둘레방향으로 교대로 복수 형성된 슬리브(41)가 끼워 넣어져 있다. 슬리브(41)의 안 둘레측에는 안 둘레면에 암나사가 형성된 너트부재가 고정되어 있다. 너트부재(23B)는 샤프트(22)의 바깥 둘레면에 형성된 나사부(23A)(수나사)와 나사결합되어 있다. 즉 볼트·너트의 관계에 있다. 슬리브(41)의 안 둘레측에서 너트부재(23B)의 양측에는 고리형상의 지지부재 (40A, 40B)가 소정의 간격을 가지고 고정되어 있다. 지지부재(40A, 40B)는 제 2 회전자(20B)의 회전운동과 회전축방향의 왕복운동을 안내하는 것이다. 지지부재 (40A)와 제 1 회전자(20A) 사이에는 탄성체인 스프링(48)이 설치되어 있다. 스프링 (48)은 제 2 회전자(20B)를 제 1 회전자(20A)측과는 반대측으로 누르는 힘을 발생한다.
여기서 제 2 회전자(20B)의 안 둘레측에 슬리브(41)를 설치하는 것은 샤프트 (22)나 너트부재(23B) 등에 생기는 전식 등을 방지하기 위함이다. 즉 제 2 회전자 (20B)의 안 둘레측과 샤프트(22)와의 사이에 약간의 여유가 있으면 회전과 함께 제 2 회전자(20B)의 안 둘레측과 샤프트(22)와의 사이에 쇄교자속변화가 생겨 전식(電食) 등의 장해가 생긴다. 이 때문에 본 실시예에서는 제 2 회전자(20B)의 안 둘레측에 슬리브(41)를 설치하여 제 2 회전자(20B)의 안 둘레측과 샤프트(22)와의 사이를 자기적으로 차폐하고 있다. 슬리브(41)는 철보다 전기저항율이 높은 비자성체에 의하여 형성되어 있다. 슬리브(41)에는 전기적인 절연효과도 있다. 너트부재(23B)와 슬리브(41)는 일체화하여 제작하면 부품점수가 줄어 변환 메카니즘의 신뢰성이 향상하는 효과가 있다.
샤프트(22)의 한쪽측[제 2 회전자(20B)의 제 1 회전자(20A)측과는 반대측]에는 상기 예와 마찬가지로 지지기구가 설치되어 있다. 지지기구는 서보기구이고, 스토퍼(24)와 구동기구로 구성되어 있다. 구동기구는 엑츄에이터(25)와 스프링(45)으로 구성되어 있다. 본 실시예에서는 엑츄에이터(25)로서 전자클러치(44)를 사용하고 있다. 전자클러치(44)는 스토퍼(24)를 겸하는 가동철심과, 제 2 회전자(20B)측의 엔드 브래킷(49)의 측면에 설치된 고리형상의 요크(44)와, 요크(44)의 고리형상의 홈에 장착된 코일(46)로 구성되어 있다. 요크(44)와 코일(46)은 전자력 발생부이고, 코일(46)에 전류가 흘러 코일(46)이 여자되면 흡인하는 전자력을 발생한다. 이 흡인하는 전자력에 의하여 스토퍼(24)는 제 2 회전자(20B)측과는 반대측으로 이동할 수 있다.
스프링(45)은 엑츄에이터(25)의 요크(44)와 샤프트(22) 사이에 배치되고, 스토퍼(24)의 제 2 회전자(20B)측과는 반대측과 엔드 브래킷(49) 사이에 접속되어 있고, 스토퍼(24)를 제 2 회전자(20B)측으로 누르는 힘을 발생시키고 있다. 본 실시예에 있어서도 엑츄에이터(25)의 코일(46)에 흐르는 전류를 제어하여 코일(46)의 여자를 제어하고, 엑츄에이터(25)의 전자력과 스프링(45)이 누르는 힘과의 균형을 취함으로써 스토퍼(24)의 회전축방향위치를 임의로 제어하고 있다.
이상 설명한 본 실시예에서는 제 1 실시예와 마찬가지로 회전전기의 저회전영역에서는 전동기로서, 회전전기의 고회전영역에서는 발전기로서 영구자석형 동기회전전기를 동작시킬 수 있고, 그리고 본 실시예에서는 제 1 실시예와 마찬가지로 영구자석형 동기회전전기의 유도기전력의 최대값을 제한할 수 있으므로 엔진의 고회전영역에서 영구자석형 동기회전전기를 발전기로서 사용하여도 배터리의 충전전압 이하의 전압으로 배터리를 충전할 수 있어 배터리의 파손을 방지할 수 있다.
또 본 실시예에서는 제 1 실시예와 마찬가지로 영구자석형 동기회전전기를 전동기로부터 발전기로 하는 경우, 제 1 회전자(20A)에 대한 제 2 회전자(20B)의 상대적인 회전축방향위치를 영구자석(21A, 21B)의 합성 자계값이 소정값보다도 작은 값이 되는 위치로 하고 나서, 영구자석(21A, 21B)의 합성 자계값이 소정값이 되는 소정위치로 하도록 이른바 캐치볼제어를 행하고 있다. 또한 본 실시예에서는 엑츄에이터(25)의 구동력(전자력으로 흡인력) 및 스프링(45)의 힘의 방향이 상기 예와는 반대로 되어 있다. 따라서 본 실시예에서는 스토퍼(24)를 제 2 회전자(20B)측으로 이동시키는 경우는 코일(46)의 전자력이 약해지도록 스토퍼(24)를 제 2 회전자 (20B)측과는 반대측으로 이동시키는 경우는 코일(46)의 전자력이 강해지도록 코일 (46)에 흐르는 전류를 제어하여 코일(46)의 여자를 제어한다. 스토퍼(24)의 이동궤적 자체는 제 1 실시예와 동일하다. 따라서 본 실시예에서는 제 1 실시예와 마찬가지로 영구자석 제 2 회전자(20B), 제 1 회전자(20A)에 대한 제 2 회전자(20B)의 회전축방향위치를 바꾸는 기계적인 가변기구(볼트, 너트) 및 지지기구에 생기는 충격을 완화하여 그들의 부담을 경감할 수 있다. 따라서 하이브리드자동차에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또 본 실시예에서는 제 1 회전자(20A)에 대한 제 2 회전자(20B)의 회전축방향의 변위(L1, L2)를 변위측정기(64)로 검출하고, 검출된 변위(L1, L2)를 영구자석형 동기회전전기의 구동을 제어하는 제어장치에 피드백하고 있다. 즉 제 2 회전자(20B)가 제 1 회전자(20A)에 대하여 회전각(θ)으로 어긋나는 경우, 그 어긋남에 의거하여 영구자석형 동기회전전기에 공급되는 전류의 진각을 보정할 필요가 있다. 또 제 2 회전자(20B)의 회전각(θ)과 회전축방향의 변위량(ΔL)은 비례관계에 있다. 따라서 본 실시예에서는 제 1 회전자(20A)에 대한 제 2 회전자(20B)의 축방향의 변위(L1, L2)를 제어장치에 피드백하여 변위차(ΔL)를 구하고, 이 구해진 변위차 (ΔL)에 의거하여 전력변환기로부터 영구자석형 동기회전전기에 공급되는 전류의 진각을 보정하고 있다. 제 1 회전자(20A)에 대한 제 2 회전자(20B)의 회전각(θ)의 어긋남을 직접 검출할 수 있는 경우는 그 검출결과를 사용하여 영구자석형 동기회전전기에 공급되는 전류의 진각을 보정할 수도 있다. 본 실시예에 의하면 이 전류의 진각을 보정에 의하여 영구자석형 동기회전전기를 적절하게 제어할 수 있다.
본 발명의 제 3 실시예를 도 13에 의거하여 설명한다. 도 13은 제 1 실시예 또는 제 2 실시예의 회전전기가 탑재되는 자동차의 구동장치의 배치구성을 나타낸다. 본 실시예의 구동장치는 엔진(1)의 크랭크풀리(6)와, 영구자석형 동기회전전기 (2)의 샤프트에 결합된 풀리(8)가 금속벨트(7)로 연결된 것이다. 따라서 엔진(1) 영구자석형 동기회전전기(2)는 병렬로 설치되어 있다. 또한 크랭크풀리(6)와 풀리 (8)를 연결하는 것으로 하여 체인 또는 톱니부착 벨트를 사용하여도 좋다. 또 크랭크풀리(6)와 풀리(8) 대신에 기어를 거쳐 연결하여도 상관없다. 영구자석형 동기회전전기(2)로서는 제 1 실시예 또는 제 2 실시예의 회전전기를 사용하고 있다. 또한 도면 중 부호 3은 엔진(1)에 직결된 트랜스미션, 부호5는 전력변환기(4)를 거쳐 영구자석형 동기회전전기(2)와 전기적으로 접속된 배터리이다. 전력변환기(4)는 인버터와 컨버터의 양쪽의 기능을 구비한 것이다. 또 본 실시예의 자동차의 구동장치에 있어서는 영구자석형 동기회전전기(2)를 전동기 단체 또는 발전기 단체 또는 전동발전기의 어느 형으로 사용하여도 좋다.
본 실시예에 의하면 크랭크풀리(6), 금속벨트(7), 풀리(8)에 의하여 엔진(1)과 영구자석형 동기회전전기(2) 사이에 있는 속비를 가진 변속기구를 구성할 수 있다. 예를 들면 크랭크풀리(6)와 풀리(8)의 반경비를 2 : 1로 함으로써, 영구자석형 동기회전전기(2)를 엔진(1)의 2배의 속도로 회전시킬 수 있어 엔진(1)의 시동시 영구자석형 동기회전전기(2)의 토오크를 엔진(1)의 시동에 필요한 토오크의 1/2로 할 수 있다. 따라서 영구자석형 동기회전전기(2)를 소형화할 수 있다.
또한 제 1 및 제 2 실시예의 회전전기가 사용되는 자동차의 실시형태를 열거하면 다음과 같다.
차륜을 구동하는 내연기관과, 전력의 충방전을 행하는 배터리와, 내연기관의 랭크축과 기계적으로 연결되어 배터리로부터 공급된 전력에 의하여 구동되어 내연기관을 구동함과 동시에, 내연기관으로부터의 동력에 의하여 구동되어 발전하고, 배터리에 그 발전전력을 공급하는 모터·발전기와, 모터·발전기에 공급되는 전력 및 모터·발전기로부터 공급된 전력을 제어하는 전력변환장치와, 전력변환장치를 제어하는 제어장치를 가지고, 모터·발전기가 제 1 실시예 또는 제 2 실시예의 회전전기로 구성된 자동차. 이 자동차는 내연기관으로 차륜을 구동하는 통상의 자동차, 또는 내연기관과 모터·발전기로 차륜을 구동하는 하이브리드자동차이다.
차륜을 구동하는 내연기관과, 전력의 충방전을 행하는 배터리와, 배터리로부터 공급된 전력에 의하여 구동되어 차륜을 구동함과 동시에, 차륜으로부터의 구동력을 받아 발전하고, 배터리에 그 발전전력을 공급하는 모터·발전기와, 모터·발전기에 공급되는 전력 및 모터·발전기로부터 공급된 전력을 제어하는 전력변환장치와, 전력변환장치를 제어하는 제어장치를 가지고, 모터·발전기가 제 1 실시예 또는 제 2 실시예의 회전전기로 구성된 자동차. 이 자동차는 내연기관과 모터·발전기로 차륜을 구동하는 하이브리드자동차이다.
전력의 충방전을 행하는 배터리와, 배터리로부터 공급된 전력에 의하여 구동되어 차륜을 구동함과 동시에, 차륜으로부터의 구동력을 받아 발전하고, 배터리에 그 발전전력을 공급하는 모터·발전기와, 모터·발전기에 공급되는 전력 및 모터·발전기로부터 공급된 전력을 제어하는 전력변환장치와, 전력변환장치를 제어하는 제어장치를 가지고, 모터·발전기가 제 1 실시예 또는 제 2 실시예의 회전전기로 구성된 자동차. 이 자동차는 회전전기로 차륜을 구동하는 전기자동차이다.
본 발명에 의하면 피탑재체에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있는 회전전기를 제공할 수 있다. 또 본 발명은 신뢰성이 높은 회전전기를 탑재한 자동차를 제공할 수있다. 또한 본 발명은 회전자의 가변동작시에 회전자나 가변기구에 생기는 충격을 완화하여 그들의 부담을 경감시킬 수 있는 회전전기 및 그것을 탑재한 자동차를 제공할 수 있다.

Claims (14)

  1. 권선을 가지는 고정자와;
    상기 고정자에 공극을 거쳐 회전 가능하게 배치되고, 회전축방향으로 2분할되어 각각에 극성이 다른 계자용 자석이 회전방향으로 교대로 배치된 회전자와;
    상기 2분할 회전자의 한쪽의 상기 계자용 자석과 상기 2분할 회전자의 다른쪽의 상기 계자용 자석과의 사이의 자기작용력과 회전자의 토오크방향과의 균형에 따라 상기 2분할 회전자의 다른쪽에 대한 상기 2분할 회전자의 한쪽의 상대적인 회전축방향위치를 변화시키는 기구를 가지고,
    상기 2분할 회전자의 다른쪽에 대한 상기 2분할 회전자의 한쪽의 상대적인 회전축방향위치를 상기 계자용 자석의 합성 자계값이 작아지는 소정위치로 변화시키는 경우, 상기 2분할 회전자의 다른쪽에 대한 상기 2분할 회전자의 한쪽의 상대적인 회전축방향위치를 상기 계자용 자석의 합성 자계값이 상기 소정위치에 있어서의 상기계자용 자석의 합성 자계값보다도 작아지는 위치로 변화시키고 나서 상기 소정위치로 변화시키는 것을 특징으로 하는 회전전기.
  2. 권선을 가지는 고정자와;
    상기 고정자에 공극을 거쳐 회전 가능하게 배치되고, 회전축방향으로 2분할되어 각각에 극성이 다른 계자용 자석이 회전방향으로 교대로 배치된 회전자와;
    상기 2분할 회전자의 한쪽의 상기 계자용 자석과 상기 2분할 회전자의 다른쪽의 상기 계자용 자석과의 사이의 자기작용력과 회전자의 토오크방향과의 균형에 따라 상기 2분할 회전자의 다른쪽의 상기 계자용 자석의 자극위치에 대한 상기 2분할 회전자의 한쪽의 상기 계자용 자석의 자극위치, 및 상기 2분할 회전자의 다른쪽에 대한 상기 2분할 회전자의 한쪽의 상대적인 회전축방향위치를 연동시켜 변화시키는 기구를 가지고,
    상기 2분할 회전자의 다른쪽의 상기 계자용 자석의 자극위치에 대한 상기 2분할 회전자의 한쪽의 상기 계자용 자석의 자극위치, 및 상기 2분할 회전자의 다른쪽에 대한 상기 2분할 회전자의 한쪽의 상대적인 회전축방향위치를 상기 계자용 자석의 합성 자계값이 작아지는 소정위치로 연동시켜 변화시키는 경우, 상기 2분할 회전자의 다른쪽의 상기 계자용 자석의 자극위치에 대한 상기 2분할 회전자의 한쪽의 상기 계자용 자석의 자극위치, 및 상기 2분할 회전자의 다른쪽에 대한 상기 2분할 회전자의 한쪽의 상대적인 회전축방향위치를 상기 계자용 자석의 합성 자계값이 상기 소정위치에 있어서의 상기 계자용 자석의 합성 자계값보다도 작아지는 위치로 변화시키고 나서 상기 소정위치로 변화시키는 것을 특징으로 하는 회전전기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 2분할 회전자의 다른쪽은 회전축에 고정되어 있음과 동시에, 상기 2분할 회전자의 한쪽은 회전축으로부터 분리되어 구성되어 있고, 상기 2분할 회전자의 안 둘레측 및 상기 회전축에는 나사부가 설치되어 서로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 회전전기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 2분할 회전자의 다른쪽은 회전축에 고정되어 있음과 동시에, 상기 2분할 회전자의 한쪽은 회전축으로부터 분리되어 구성되어 있고, 상기 2분할 회전자의 안 둘레측에 비자성부재를 거쳐 설치한 고리형상부재의 안 둘레측 및 상기 회전축에는 나사부가 설치되어 서로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 회전전기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 2분할 회전자의 다른쪽은 회전축에 고정되어 있음과 동시에, 상기 2분할 회전자의 한쪽은 회전축으로부터 분리되어 구성되어 있고, 상기 2분할 회전자의 안 둘레측에 철보다도 전기저항율이 높은 파이프형상의 비자성부재를 거쳐 설치한 고리형상부재의 안 둘레측 및 상기 회전축에는 나사부가 설치되어 서로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 회전전기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 권선에 공급되는 전류를 제어하는 제어장치를 가지고, 상기 제어장치는 상기 2분할 회전자의 한쪽에 설치된 상기 계자용 자석과 상기 2분할 회전자의 다른쪽에 설치된 상기 계자용 자석과의 자극위치의 어긋남에 따라 상기 권선에 공급되는 전류의 진각을 보정하는 것을 특징으로 하는 회전전기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 권선에 공급되는 전류를 제어하는 제어장치를 가지고, 상기 제어장치는 상기 2분할 회전자의 다른쪽에 대한 상기 2분할 회전자의 한쪽의 회전축방향의 변위량에 따라 상기 권선에 공급되는 전류의 진각을 보정하는 것을 특징으로 하는 회전전기.
  8. 제 1항에 있어서,
    전동기로서 동작시키는 경우, 상기 2분할 회전자의 한쪽의 계자용 자석과 상기 2분할 회전자의 다른쪽의 계자용 자석과의 사이의 자기작용력과 회전자의 토오크방향과의 균형에 의하여 상기 2분할 회전자의 한쪽의 상기 계자용 자석과 상기 2분할 회전자의 다른쪽의 상기 계자용 자석과의 자극중심을 갖추어 발전기로서 동작시키는 경우, 상기 회전자의 토오크방향이 반대가 됨에 따라 상기 2분할 회전자의 한쪽의 상기 계자용 자석과 상기 2분할 회전자의 다른쪽의 상기 계자용 자석과의 자극중심을 어긋나게 하는 것을 특징으로 하는 회전전기.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 2분할 회전자의 한쪽을 지지하는 기구를 구비하고, 상기 지지기구는 상기 2분할 회전자의 한쪽의 상기 2분할 회전자의 다른쪽측과는 반대측을 회전 가능하게 지지함과 동시에, 회전축을 따라 회전축방향으로 가동 가능한 지지부재와, 상기 지지부재를 회전축을 따라 축방향으로 가동시키는 구동기구를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전전기.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 2분할 회전자의 한쪽을 지지하는 기구를 구비하고, 상기 지지기구는 상기 2분할의 다른쪽에 대한 상기 2분할 회전자의 한쪽의 상대적인 회전축방향위치의 제어가 가능한 서보기구이고, 상기 2분할 회전자의 한쪽의 상기 2분할 회전자의 다른쪽측과는 반대측을 회전 가능하게 지지함과 동시에, 회전축을 따라 회전축방향으로 가동 가능한 지지부재와, 상기 지지부재를 회전축을 따라 축방향으로 가동시키는 구동기구를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전전기.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 2분할 회전자의 한쪽과 상기 2분할 회전자의 다른쪽과의 사이에 탄성체를 개재시킨 것을 특징으로 하는 회전전기.
  12. 차륜을 구동하는 내연기관과;
    전력의 충방전을 행하는 배터리와;
    상기 내연기관의 랭크축과 기계적으로 연결되어 상기 배터리로부터 공급된 전력에 의하여 구동되어 상기 내연기관을 구동함과 동시에 상기 내연기관으로부터의 동력에 의하여 구동되어 발전하고, 상기 배터리에 그 발전전력을 공급하는 모터·발전기와;
    상기 모터·발전기에 공급되는 전력 및 상기 모터·발전기로부터 공급된 전력을 제어하는 전력변환장치와, 상기 전력변환장치를 제어하는 제어장치를 가지고,
    상기 모터·발전기는 제 1항에 기재된 회전전기로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차.
  13. 차륜을 구동하는 내연기관과;
    전력의 충방전을 행하는 배터리와;
    상기 배터리로부터 공급된 전력에 의하여 구동되어 상기 차륜을 구동함과 동시에, 상기 차륜으로부터의 구동력을 받아 발전하고, 상기 배터리에 그 발전전력을 공급하는 모터·발전기와;
    상기 모터·발전기에 공급되는 전력 및 상기 모터·발전기로부터 공급된 전력을 제어하는 전력변환장치와, 상기 전력변환장치를 제어하는 제어장치를 가지고,
    상기 모터·발전기는 제 1항에 기재된 회전전기로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차.
  14. 전력의 충방전을 행하는 배터리와;
    상기 배터리로부터 공급된 전력에 의하여 구동되어 차륜을 구동함과 동시에 상기 차륜으로부터의 구동력을 받아 발전하고, 상기 배터리에 그 발전전력을 공급하는 모터·발전기와;
    상기 모터·발전기에 공급되는 전력 및 상기 모터·발전기로부터 공급된 전력을 제어하는 전력변환장치와, 상기 전력변환장치를 제어하는 제어장치를 가지고,
    상기 모터·발전기는 제 1항에 기재된 회전전기로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차.
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