WO2013161474A1 - 永久磁石回転電機及びそれを用いた電動車両 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a permanent magnet rotating electric machine and an electric vehicle using the same.
- Rotating electrical machines for vehicles such as drive motors for hybrid electric vehicles, require acceleration performance such as starting and overtaking, so instantaneous acceleration torque is required for the motor.
- the torque component of a permanent magnet rotating electrical machine is roughly divided into a magnet torque represented by the product of the magnetic flux of the permanent magnet and the energized current, and a reluctance torque generated by the difference between the d-axis reluctance and q-axis reactance of the rotor.
- the improvement in torque characteristics of the permanent magnet rotating electrical machine can be said to be an improvement in these torque components.
- Patent Document 1 discloses a technique for utilizing reluctance torque and magnet torque.
- an object of the present invention is to provide a rotating electrical machine that can improve the torque characteristics of the rotating electrical machine. Moreover, it aims at reducing the environmental load discharged
- the present application includes a plurality of means for solving the above-described problems.
- a stator having armature windings in a plurality of slots formed in the stator core, a rotor core, A rotor having permanent magnets embedded in a plurality of permanent magnet insertion holes provided in the rotor core, and the rotor can be rotated by a rotating shaft through a gap on the inner peripheral side of the stator.
- the magnetic axis of the permanent magnet when the magnetic axis of the permanent magnet is d-axis, and the position separated from the d-axis by 90 ° in electrical angle is q-axis, there is a permanent magnet insertion hole on the q-axis.
- the permanent magnet insertion hole is embedded with a first permanent magnet magnetized so as to be orthogonal to the q axis, and a permanent magnet insertion hole is also disposed on the d axis, and the permanent magnet insertion hole Embeds a second permanent magnet magnetized in a direction parallel to the d-axis, Between the and the first permanent magnet second permanent magnet, the third permanent magnets embedded in the permanent magnet insertion holes, characterized in that it comprises at least one.
- the amount of magnetic flux of a permanent magnet can be increased in a limited rotor core cross section, performance improvement including compatibility of torque and output, and permanent magnet rotation
- the electric machine can be reduced in size.
- an electric vehicle equipped with this permanent magnet rotating electric machine it is possible to reduce the environmental load by reducing the fuel consumption of the electric vehicle.
- FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG. 2. It is the figure which showed the effect of this invention. It is sectional drawing of the rotary electric machine by Example 2 of this invention. It is the elements on larger scale of FIG. It is sectional drawing of the rotor by Example 3 of this invention. It is sectional drawing of the rotor by Example 4 of this invention. It is sectional drawing of the rotor by Example 5 of this invention. It is sectional drawing of the rotor by Example 6 of this invention. It is sectional drawing of the rotor by Example 7 of this invention. It is a system diagram for driving a rotating electrical machine. It is a block block diagram of the electric vehicle by the Example at the time of applying this invention to an electric vehicle.
- FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a rotating electrical machine 1 using a permanent magnet according to an embodiment of the present invention.
- a stator 2 of a rotating electrical machine 1 using a permanent magnet includes a stator core 4 and a three-phase or multiphase stator winding 5 wound around a slot formed in the stator core 4.
- the stator 2 is housed and held in a housing 11.
- the rotor 3 forms a rotor core 7 provided with a magnet insertion hole 6 for inserting a permanent magnet, and a magnetic pole of the rotor inserted into the magnet insertion hole 6 formed in the rotor core 7.
- a permanent magnet 400 and a shaft 8 are provided.
- the shaft 8 is rotatably supported by bearings 10 on end brackets 9 fixed to both ends of the housing 11.
- the rotating electrical machine 1 is provided with a magnetic pole position detector PS for detecting the magnetic pole position of the rotor 3.
- the magnetic pole position detector PS is composed of, for example, a resolver.
- a rotational speed detector E is provided for detecting the rotational speed of the rotor 3.
- the rotational speed detector E is an encoder, and is disposed on the side of the rotor 3. The rotational speed detector E generates pulses in synchronization with the rotation of the shaft 8, and the rotational speed can be measured by counting the pulses.
- the rotating electrical machine 1 detects the magnet position based on the signal of the magnetic pole position detector PS, detects the rotational speed based on the output signal of the rotational speed detector E, and sets the target torque of the rotating electrical machine 1 by a control device (not shown).
- An alternating current to be generated is supplied to the stator winding 5.
- the output torque of the rotating electrical machine is controlled by controlling the current supplied to the stator winding 5 by the control device.
- the permanent magnet 400 includes a first magnet 401 provided near the d-axis stator, a magnet 402 provided near the q-axis, and a permanent magnet provided between the permanent magnet 401 and the magnetic circuit of the permanent magnet 402. 403 (described in FIG. 3).
- FIG. 2 is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the rotation axis of the rotating electrical machine shown in FIG. In order to avoid complication, the illustration of the housing is omitted.
- FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG.
- the rotating electrical machine 1 includes a stator 2 and a rotor 3, and the stator 2 is formed over the entire circumference in the circumferential direction on the stator core 4 and the rotor side of the stator core 4.
- the stator winding 5 wound around the slot is provided.
- the stator core 4 has a substantially cylindrical yoke portion 21, which is also called a core back portion, and a teeth portion 22 having a shape protruding inward in the radial direction from the yoke portion 21. It is formed over the circumference.
- the slot is formed between the adjacent tooth portions 22, and the slot accommodates and holds the stator winding.
- a rotating magnetic field is generated in the stator by supplying a three-phase alternating current to the stator windings arranged over the entire circumference. Further, a magnetic flux generated by a rotor described later is linked to the stator winding, and an induced voltage is generated in the stator winding by changing the linkage flux by rotating the rotor.
- the rotor 3 includes a rotor core 7 made of electromagnetic steel plates stacked in a direction along the rotation axis, a permanent magnet 401, a permanent magnet 402, and a permanent magnet 403 for forming magnetic poles provided on the rotor core 7.
- a permanent magnet 401 that is, each magnetic pole is formed by the magnets 403 arranged in an arc shape.
- the magnets forming the magnetic poles are magnetized in the d-axis direction, and if one of the magnetic poles is magnetized so that the stator side is the N pole, the magnets constituting the adjacent magnetic poles are conversely the stator side is the S pole.
- each magnetic pole is formed by at least three sets of magnets.
- the third magnet is not necessarily arranged in an arc shape. It may be arranged in a V shape, or may be arranged in a combination of a V shape and a bathtub shape.
- FIG. 1 to FIG. 3 it is complicated to attach reference numerals to all corresponding parts or parts. Therefore, only one part of the same parts is given a reference numeral as a representative of the whole, and The reference numerals of the parts are omitted.
- the structure shown in each of the following examples is a rotating electrical machine (referred to as an embedded magnet type rotating electrical machine) having a structure in which magnets are arranged inside a rotor core.
- the permanent magnet that forms the magnetic pole has a structure in which the stator side of the rotor core is arranged on the outer peripheral surface (hereinafter referred to as a surface magnet type rotary electric machine), but the efficiency is reduced, but fluctuations in the generated rotational torque can be suppressed.
- the embedded magnet type rotary electric machine is suitable for a high-efficiency or small-sized and high-output rotary electric machine because the gap between the rotor and the stator can be reduced, and is suitable for a rotary electric machine for driving an automobile.
- Each of the following embodiments is suitable for a rotating electrical machine for running an automobile.
- the magnet insertion holes 6 for inserting and fixing the permanent magnets in the rotor core 7 are provided corresponding to the respective magnets, and provided corresponding to the respective magnetic poles.
- the magnet insertion holes 6 are arranged so as to open with respect to the stator side, and are arranged over the entire circumference corresponding to each magnetic pole.
- the magnet insertion hole 6 since the magnet insertion hole 6 also plays a role of preventing an increase in the d-axis inductance Ld, it also has a role of improving the reluctance torque generated by the difference between Lq and Lq. Therefore, the magnet insertion hole 6 does not necessarily need to be filled with a magnet, and any material may be used as long as the relative permeability is lower than that of the rotor core.
- Each magnet insertion hole 6 of the rotor core 7 is formed by punching, for example.
- the rotor core 7 formed of electromagnetic steel plates stacked in the direction of the rotation axis is fixed to a shaft 8 (not shown) and rotates together with the shaft 8.
- the rotor core 7 of the rotor 3 forms an auxiliary magnetic pole portion 33 for passing the q-axis magnetic flux ⁇ q generated by the stator over the entire circumference between adjacent magnetic poles in the circumferential direction. A part of it is shown in FIG. In a reverse view, in FIG. 3, a magnetic pole formed by a permanent magnet is provided between each adjacent auxiliary magnetic pole portion 33.
- each magnetic pole has a plurality of permanent magnets on the stator side. On the other hand, it is arranged in an open state. Since the permanent magnet housed and held in each magnet insertion hole also has a role of a flux barrier, a material having a low recoil permeability is desirable.
- a magnetic circuit 601 and a magnetic circuit 602 returning to 401 are created.
- the magnetic flux ⁇ d passing through the magnetic circuit passes through the stator 2, it acts on the current flowing through the stator winding 5 to generate rotational torque.
- a magnetic flux ⁇ d passing through the magnetic circuit is linked to the stator winding 5, and an induced voltage is applied to the stator winding 5 (see FIG. 1) based on the amount of change in the amount of flux linkage per unit time.
- the magnetic flux ⁇ d is along the magnetization direction inside the permanent magnets 401 to 403 and is perpendicular to the surface thereof. It goes in and out, and goes in and out perpendicular to the surface of the stator core 4 and the rotor core 7.
- Reluctance torque is generated based on the difference between the magnetic resistance of the q-axis magnetic flux ⁇ q passing through the auxiliary magnetic pole portion 33 and the magnetic resistance of a magnetic circuit having a permanent magnet through which the d-axis magnetic flux ⁇ d passes.
- the circumferential width of the auxiliary magnetic pole portion 33 is widened, so that the magnetic resistance of the magnetic circuit of the magnetic flux ⁇ q passing through the auxiliary magnetic pole portion 33 is small.
- the magnetic circuit through which the magnetic flux ⁇ d passes there are two sets of permanent magnets with low magnetic permeability, so the magnetic resistance is extremely high. For this reason, a large reluctance torque is generated in the present embodiment.
- the rotating electrical machine of the present embodiment Since the total torque required for the rotating electrical machine is the sum of the magnet torque and the reluctance torque, the magnet torque required when the reluctance torque is large may be reduced accordingly.
- the rotating electrical machine shown in FIG. 2 and FIG. 3 since there is a portion corresponding to the torque generated by the rotating electrical machine by the reluctance torque, for example, about half of the required magnet is covered by the reluctance torque, so the magnetic flux density Br of the magnet is small. Has a structure that can reduce the required torque of the magnet torque.
- a large ratio of reluctance torque indicates that the inductance is large, and there is a demerit that the power factor is deteriorated and the maximum output is reduced.
- the rotating electrical machine of the present embodiment is suitable for high-speed rotation because impedance can be reduced by having many magnets.
- a plurality of magnet insertion holes 6 arranged in a bathtub shape are formed in the rotor core 4, and a plurality of permanent magnets 401 to 403 are inserted in each magnet insertion hole 6.
- magnetic gaps 35 are formed at the ends of the permanent magnets 401 to 403 (the ends of the permanent magnets 402 are not shown).
- the magnetic gap 35 is a space having a magnetic resistance that is very close to that of vacuum or air, and is a space that is filled with a gap state, resin, or the like and does not have a paramagnetic material or a ferromagnetic material. In the following description, there are other magnetic gaps, but the structure is similar.
- Each magnet insertion hole 6 has a larger shape than the magnet to be inserted.
- the magnetic gap 35 has the following function.
- the bridge portion 501 is formed between the magnetic gaps 35 formed by the rotor core on the stator side of the permanent magnet.
- the bridge portion 501 functions to support the rotor 3 so that it is not scattered by centrifugal force.
- the shape of the bridge portion thin and long, for example, magnetic saturation occurs in the bridge portion 501, and the value of the leakage magnetic flux can be made small. Further, by adopting such a shape, the magnetic resistance of the bridge portion 501 can be increased, and as a result, the amount of magnetic flux passing through the bridge portion can be reduced, leading to improvement in mechanical reliability.
- the permanent magnet arranged in the bathtub shape as in the present embodiment. Since the magnetic air gap 35 is provided at the stator side end of each of the permanent magnet sets 401 to 403, the abrupt change in magnetic flux density at the boundary between the auxiliary magnetic pole 33 and the permanent magnet is reduced. This is effective in reducing torque ripple.
- permanent magnets are inserted into the magnet insertion holes 6, and each permanent magnet is disposed in a direction in which the easy magnetization axis of each permanent magnet follows the magnetic circuit of the magnetic flux ⁇ d.
- the easy magnetization axis of a permanent magnet is the direction in which the magnet is easily magnetized.
- the permanent magnet 401 to the permanent magnet 403 shown in FIG. 2 and FIG. 3 are made such that the short direction is the easy magnetization axis, and the easy magnetization axis is in the direction along the wavy arrow in FIG.
- Each permanent magnet is arranged.
- the direction along the wavy arrow is the direction of the d-axis magnetic flux ⁇ d601 as described above.
- FIG. 4 shows a comparison with the present embodiment in which a permanent magnet 401 and a permanent magnet 402 are not inserted and a motor composed only of a permanent magnet 403 of a ferrite magnet is used as a conventional example and similarly composed of a ferrite magnet.
- the motor performance of the Nd + Dy configuration is shown as 100%. As a result of comparison, it can be seen that the maximum output increased from 77% to 91% and the maximum torque increased from 81% to 89%.
- Example 2 show an embodiment in which a fourth magnet 404 is inserted.
- This is a bathtub structure so that it can mechanically withstand high-speed rotation, and a fourth magnet 404 is further inserted to further increase the magnetic flux.
- FIG. 7 shows a rotor of an embodiment in which a number of layers of magnets serving as flux barriers are stacked. This is a structure in which the bridge that causes an increase in Ld is thinned. In the case of low-speed rotation, since the problem of centrifugal force is reduced, it can be manufactured by performing two-color molding in which this shape is composed of a dust core and a magnet.
- FIG. 8 shows a part of the rotor of an embodiment in which the number of layers is reduced and the magnet is thickened to improve the demagnetization resistance of the magnet.
- FIG. 9 shows a part of the rotor of the embodiment in which the power factor is increased by further reducing the number of layers and increasing the ratio of the magnet to the core.
- Example 6 the magnet 403 is arranged in a V shape, the magnetic gap 35 is provided at both ends of the magnet while minimizing magnetic flux leakage, and the stress is distributed, and the core inner diameter on the inner diameter side of the magnet 402 is cut to reduce Ld.
- the part of the rotor of the Example which aimed at reducing the kind of magnet by making the dimension of the magnet 402 and the magnet 403 equal is shown.
- FIG. 11 shows a part of the rotor of the embodiment in which the magnet 402, the magnet 403, and the magnet 404 are configured in a bathtub shape, thereby increasing the magnetic flux and improving the strength against the centrifugal force.
- Example 1 is used as an example.
- the rotating electrical machine 1 includes the rotating electrical machine 1, a DC power source 51 that constitutes a driving power source of the rotating electrical machine 1, and a control device that controls driving by controlling electric power supplied to the rotating electrical machine 1.
- the rotating electrical machine 1 using a permanent magnet has the above-described configuration or the structure described later.
- the DC power source 51 may be configured by, for example, an AC power source and a converter unit that converts AC power from the AC power source into DC power, or may be a lithium ion secondary battery or a nickel hydride secondary battery mounted on a vehicle. May be.
- the control device is an inverter device that receives DC power from the DC power source 51 and converts it into AC power, and supplies the AC power to the stator winding 5 of the rotating electrical machine 1.
- the inverter device includes a power system inverter circuit 53 (power conversion circuit) electrically connected between the DC power supply 51 and the stator winding 5, and a control circuit 130 that controls the operation of the inverter circuit 53. ing.
- the inverter circuit 53 has a bridge circuit composed of a switching semiconductor element, for example, a MOS-FET (metal oxide semiconductor field effect transistor) or an IGBT (insulated gate bipolar transistor), and has a direct current from a smoothing capacitor module.
- the power is converted into AC power, or the AC power generated by the rotating electrical machine is converted into DC power.
- the bridge circuit includes a high-potential-side switch called an arm, a low-potential-side switch, and a series circuit that are electrically connected in parallel by the number of phases of the rotating electrical machine 1 to generate three-phase AC power. In this form, three sets are provided.
- the terminal of the high potential side switch of each arm is electrically connected to the positive electrode side of the DC power supply 51, and the terminal of the low potential side switch is electrically connected to the negative electrode side of the DC power supply 51.
- Electrically connected to the stator winding 5 so as to supply a phase voltage to the stator winding 5 of the rotating electrical machine 1 from a connection point between the upper switching semiconductor element and the lower switching semiconductor element of each arm.
- the phase current supplied from the inverter circuit 53 to the stator winding 5 is measured by current detectors 52 provided on the bus bars of the respective phases for supplying AC power to the rotating electrical machine.
- the current detector 52 is, for example, a current transformer.
- the control circuit 130 operates to control the switching operation of the switching semiconductor element of the inverter circuit 53 for obtaining the target torque based on input information including a torque command and a braking command. As input information, for example, a current command signal Is that is a required torque for the rotating electrical machine 1 and a magnetic pole position ⁇ of the rotor 3 of the rotating electrical machine 1 are input.
- the current command signal Is which is a required torque, is calculated by the control circuit 130 by a command sent from the host controller in accordance with a required amount such as an accelerator operation amount required by the driver in the case of a vehicle.
- the magnetic pole position ⁇ is detection information obtained from the output of the magnetic pole position detector PS.
- the speed control circuit 58 is an actual speed obtained through the F / V converter 61 that converts the frequency into voltage from the speed command ⁇ s generated by the request command of the host controller and the position information ⁇ 1 from the encoder.
- a speed difference ⁇ e is calculated from the speed ⁇ f, and a current command Is that is a torque command and a rotation angle ⁇ 1 of the rotor 3 are output to the difference by PI control.
- the PI control is a commonly used control method that uses a proportional term P and an integral term I that multiply a deviation value by a proportional multiplier.
- the phase shift circuit 54 shifts the phase of the rotation-synchronized pulse generated by the rotation speed detector E, that is, the position information ⁇ of the rotor 3 in accordance with the rotation angle ⁇ 1 command from the speed control circuit 58, and outputs it. .
- a combined vector of armature magnetomotive force generated by current flowing in the stator winding 5 is advanced by 90 degrees or more in electrical angle with respect to the direction of magnetic flux or magnetic field generated by the permanent magnet 400.
- the sine wave / cosine wave generation circuit 59 is based on the position detection PS for detecting the magnetic pole position of the permanent magnet 400 of the rotor 3 and the position information ⁇ of the phase shifted rotor from the phase shift circuit 54.
- a sine wave output is generated by shifting the induced voltage of each winding of the winding 5 in phase.
- the phase shift amount includes a case where the value is zero.
- the two-phase / three-phase conversion circuit 56 outputs current commands Isu, Isv, Isw for each phase in accordance with the current command IS from the speed control circuit 58 and the output of the sine wave / cosine wave generation circuit 59.
- Each phase has a current control system 55a, 55b, 55c, respectively, and sends current commands Isu, Isv, Isw and current detection signals Ifu, Ifv, Ifw from the current detector 52 to the inverter circuit 53.
- the switching operation of the switching semiconductor element is controlled, and each phase current of the three-phase alternating current is controlled.
- the current of each phase combination is controlled at a position perpendicular to the field magnetic flux or at a phase shifted position, so that a characteristic equivalent to that of a DC machine can be obtained without a commutator.
- the signals output from the current control systems 55a, 55b, and 55c for each phase of the alternating current described above are input to the control terminals of the switching semiconductors that constitute the corresponding phase arm.
- each switching semiconductor performs a switching operation that is an on / off operation, and the DC power supplied from the DC power source 51 via the smoothing capacitor module is converted into AC power, and the stator winding 5 corresponds to the switching power. Supplied to the phase winding.
- the resultant vector of the armature magnetomotive force flowing in the stator winding 5 is orthogonal to the direction of the magnetic flux or magnetic field generated by the permanent magnet 400, or is phase-shifted.
- a current flowing through the stator winding 5 (phase current flowing through each phase winding) is always formed.
- the field weakening current is such that the resultant vector of the armature magnetomotive force generated by the current flowing through the stator winding 5 advances 90 degrees (electrical angle) or more with respect to the direction of the magnetic flux or magnetic field generated by the permanent magnet 400.
- the current flowing through the stator winding 5 (phase current flowing through each phase winding) is always formed.
- the armature magnetomotive force generated by the current flowing through the stator winding 5 is fixed so that the resultant vector is orthogonal to the direction of the magnetic flux or magnetic field generated by the permanent magnet 400. If the current flowing through the child winding 5 (phase current flowing through each phase winding) is controlled based on the magnetic pole position of the rotor 3, the maximum torque can be continuously output from the rotating electrical machine 1.
- the resultant vector of the armature magnetomotive force generated by the current flowing through the stator winding 5 is advanced by 90 degrees (electrical angle) or more with respect to the direction of the magnetic flux or magnetic field generated by the permanent magnet 400.
- the current flowing through the stator winding 5 (phase current flowing through each phase winding) may be controlled based on the magnetic pole position of the rotor 3.
- the rotating electrical machine 1 further includes a magnetic flux detector 60, and a value representing the amount of magnetic flux output from the magnetic flux detector 60 and the actual speed ⁇ f output from the F / V converter 62 are input to the magnetization determination circuit 61. Then, the necessity of re-magnetization is determined. If a strong magnetic flux exceeding the range of reversible demagnetization is applied to the permanent magnet by applying a magnetic flux based on the field weakening current to the permanent magnet 400, the permanent magnet, particularly the second permanent magnet 402, is demagnetized. There is a risk that.
- the magnetization determination circuit 61 outputs a magnetization command to the phase shift circuit 54.
- FIG. 8 shows the relationship between the current phase and torque in the above-described rotating electrical machine having a built-in permanent magnet.
- the current phase 0 degree is the q axis.
- the resultant vector of the armature magnetomotive force generated by the current flowing through the stator winding 5 is set in the direction of the magnetic flux or magnetic field generated by the permanent magnet 400.
- the current flowing through the stator winding 5, that is, the phase current flowing through each phase winding is controlled so as to be delayed by about 90 degrees in electrical angle.
- the explanation is made on the inner rotating type rotating electric machine, but the present invention can also be applied to the outer rotating type rotating electric machine. Further, the present invention can be applied to both a distributed winding type rotating electrical machine and a concentrated winding type rotating electrical machine.
- FIG. 13 is a block diagram of an electric vehicle to which the present invention is applied.
- the body 100 of the electric vehicle is supported by four wheels 110, 112, 114, and 116. Since this electric vehicle is front-wheel drive, a rotating electrical machine 1 that generates traveling torque or braking torque is mechanically connected to the front axle 154, and the rotational torque generated by the rotating electrical machine 1 is generated. It is transmitted by a mechanical transmission mechanism. The rotating electrical machine 1 is driven by the three-phase AC power generated by the control device 130 and the inverter circuit 53 described with reference to FIG. 7, and the driving torque is controlled.
- a DC power source 51 composed of a high-voltage battery such as a lithium secondary battery is provided, and the inverter circuit 53 generates DC power from the DC power source 51 based on the control of the control device 130.
- a switching operation is performed, converted into AC power, and supplied to the rotating electrical machine 1.
- the wheels 110 and 114 are driven by the rotational torque of the rotating electrical machine 1, and the vehicle travels.
- the control device 130 reverses the phase of the AC power generated by the inverter circuit with respect to the magnetic pole of the rotor, so that the rotating electrical machine 1 acts as a generator and the regenerative braking operation is performed.
- the rotating electrical machine 1 generates rotational torque in a direction that suppresses traveling, and generates braking force for traveling of the vehicle 100.
- the kinetic energy of the vehicle is converted into electric energy, and the DC power supply 51 is charged with the electric energy.
- the rotating electric machine is described as being used for driving the wheels of an electric vehicle.
- the rotating electric machine can be used in a driving device for an electric vehicle, a driving device for an electric construction machine, and any other driving device. If the rotating electrical machine according to the present embodiment is applied to an electric vehicle, particularly an electric vehicle, the maximum number of rotations can be improved and an electric vehicle having a large output can be provided.
- this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
- the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
- a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
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Abstract
回転子鉄心中に設けた複数の永久磁石挿入孔に埋設した永久磁石を有する回転子を備え、回転子が固定子の内周側でギャップを介して回転軸により回転自在に支承され、永久磁石の磁束軸をd軸、d軸と電気角で90°隔てられた位置をq軸としたとき、q軸上には永久磁石挿入孔があり、永久磁石挿入孔にはq軸と直交するように着磁された第一の永久磁石を埋設し、d軸上にも永久磁石挿入孔を配置し、永久磁石挿入孔にはd軸と平行する方向に着磁された第二の永久磁石を埋設するとともに、第一の永久磁石と前記第二の永久磁石との間に、永久磁石挿入孔に埋設された第三の永久磁石を、少なくとも一つ以上備えるように構成し、電動車両から排出される環境負荷を軽減する永久磁石回転電機。
Description
本発明は、永久磁石回転電機及びそれを用いた電動車両に関する。
車両用の回転電機、例えばハイブリッド電気自動車の駆動用電動機などでは、発進、追い越し等、加速性能が必要となるため、モータには瞬時的な加速トルクが要求される。
自動車用途に用いられる回転電機の場合この瞬時的なトルクを発生させるため、電動機として永久磁石式の回転電機を採用し、大電流を通電することで高応答な瞬時トルク発生を実現している。ここで、大電流を用いる旨を記述したが、その際の問題点はインバータのスイッチング素子やバスバーに発生する回路損失が大となり、発熱対策の観点からインバータ体積が大きくなってしまうことにある。
そのため、瞬時トルク発生時のインバータ電流低減、すなわち永久磁石回転電機のトルク特性向上が望まれている。
永久磁石回転電機のトルク成分は、永久磁石の磁束と通電される電流との積で表わされる磁石トルクと、回転子のd軸リラクタンスとq軸リアクタンスとの差異で生じるリラクタンストルクとに大別される。永久磁石回転電機のトルク特性向上は、換言するとこれらトルク成分の向上と言える。
上述した磁石トルク成分を増加させるためには、永久磁石の表面積を増やすように構成し、永久磁石磁束を増加させることが近道である。つまり、回転電機の体格を増加させることが常套手段となる。
しかしながら、自動車の燃料消費量は車体重量に比例して増加することから、昨今の環境負荷軽減のためには、車体重量を軽くすることが必須となっている。つまり、車体に搭載される回転電機を含めたあらゆるコンポーネントには、実装スペースの制限も含め、小型・軽量化が強く望まれている。つまり、回転電機も体格増によるトルク向上は選択肢として成立しないことになる。
そこで、リラクタンストルクと磁石トルクとを活用する技術が特許文献1に開示されている。
リラクタンストルクを多用すると、機内のインダクタンスが増大するため、力率が悪化し、インバータ容量やバッテリ容量を増加させることとなり、回転電機以外のコンポーネントの重量が増え、燃料消費量、および環境負荷が増大するおそれがあった。
そこで、本発明は、回転電機のトルク特性を向上できる回転電機を提供することを目的とする。また本発明の回転電機を使用することにより、電動車両から排出される環境負荷を軽減することを目的とする。
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、固定子鉄心に形成された複数のスロット内に電機子巻線を有する固定子と、回転子鉄心と、該回転子鉄心中に設けた複数の永久磁石挿入孔に埋設した永久磁石とを有する回転子とを備え、前記回転子が、前記固定子の内周側でギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石回転電機において、前記永久磁石の磁束軸をd軸、該d軸と電気角で90°隔てられた位置をq軸としたとき、該q軸上には永久磁石挿入孔があり、該永久磁石挿入孔には該q軸と直交するように着磁された第一の永久磁石を埋設し、前記d軸上にも永久磁石挿入孔を配置し、該永久磁石挿入孔には該d軸と平行する方向に着磁された第二の永久磁石を埋設するとともに、前記第一の永久磁石と前記第二の永久磁石との間に、永久磁石挿入孔に埋設された第三の永久磁石を、少なくとも一つ以上具備していることを特徴とする。
本発明によれば、永久磁石回転電機において、限られた回転子鉄心断面の中で永久磁石の磁束量を増加させることができ、トルクと出力の両立をはじめとした性能向上、および永久磁石回転電機の小型化を図ることができる。またこの永久磁石回転電機を備えた電動車両においては、電動車両の低燃費化により、環境負荷低減を図ることができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、図面を用いて本発明の実施の形態(実施例)を説明する。
以下に説明の実施例では、上述の発明が解決しようとする課題の欄や発明の効果の欄に記載した内容に止まらず、製品の実施に向けての様々な課題を解決している。具体的には以下の実施の形態の中で説明する。
以下に説明の実施例では、上述の発明が解決しようとする課題の欄や発明の効果の欄に記載した内容に止まらず、製品の実施に向けての様々な課題を解決している。具体的には以下の実施の形態の中で説明する。
〔実施例1〕
本発明の実施例1について、図1~図4に基づいて説明する。図1は、本発明の実施の形態による永久磁石を使用した回転電機1の部分断面図である。永久磁石を使用した回転電機1の固定子2は、固定子鉄心4と、この固定子鉄心4に形成されたスロットに巻回された3相あるいは多相の固定子巻線5と、を備えており、前記固定子2はハウジング11に収納され保持されている。回転子3は、永久磁石を挿入するための磁石挿入孔6が設けられた回転子鉄心7と、前記回転子鉄心7に形成された前記磁石挿入孔6に挿入された回転子の磁極を形成するための永久磁石400と、シャフト8とを備えている。前記シャフト8は、ハウジング11の両端に固定されたエンドブラケット9にベアリング10によって回転可能に保持されている。
本発明の実施例1について、図1~図4に基づいて説明する。図1は、本発明の実施の形態による永久磁石を使用した回転電機1の部分断面図である。永久磁石を使用した回転電機1の固定子2は、固定子鉄心4と、この固定子鉄心4に形成されたスロットに巻回された3相あるいは多相の固定子巻線5と、を備えており、前記固定子2はハウジング11に収納され保持されている。回転子3は、永久磁石を挿入するための磁石挿入孔6が設けられた回転子鉄心7と、前記回転子鉄心7に形成された前記磁石挿入孔6に挿入された回転子の磁極を形成するための永久磁石400と、シャフト8とを備えている。前記シャフト8は、ハウジング11の両端に固定されたエンドブラケット9にベアリング10によって回転可能に保持されている。
回転電機1には、回転子3の磁極位置を検出するための磁極位置検出器PSが設けられている。前記磁極位置検出器PSは例えばレゾルバで構成される。さらに回転子3の回転速度を検出するため回転速度検出器Eが設けられている。前記回転速度検出器Eはここではエンコーダであり、回転子3の側部に配置され、シャフト8の回転に同期してパルスを発生し、該パルスを計数することで回転速度が計測できる。回転電機1は、磁極位置検出器PSの信号に基づき磁石位置を検知し、回転速度検出器Eの出力信号を基に回転速度を検出し、図示しない制御装置により、回転電機1の目標トルクを発生するための交流電流が固定子巻線5に供給される。制御装置により固定子巻線5に供給される電流が制御されることにより、回転電機の出力トルクが制御される。
前記永久磁石400は、d軸の固定子に近いところに設けられる第一の磁石401、q軸付近に設けられる磁石402、そして前記永久磁石401と永久磁石402の磁気回路間に設けられる永久磁石403を有している(図3に記載)。
図2は、図1に示す回転電機の回転軸に垂直な面での断面図である。なお煩雑さを避けるためにハウジングの図示は省略している。また図3は図2の部分拡大図である。これらの図において、回転電機1は固定子2と回転子3とを備えており、固定子2は固定子鉄心4と前記固定子鉄心4の回転子側に周方向において全周に渡って形成されたスロットに巻回された固定子巻線5を備えている。固定子鉄心4はコアバック部とも言われている略円筒状のヨーク部21と前記ヨーク部21から径方向における内側に突出する形状を成すティース部22とを有し、前記ティース部22は全周に渡って形成されている。隣接する前記ティース部22の間には前記スロットが形成され、前記スロットは前記固定子巻線を収納し保持する。全周に渡って配置された前記固定子巻線に3相交流電流が供給されることにより前記固定子には回転磁界を発生する。また後述する回転子が発生する磁束が前記固定子巻線に鎖交し、前記回転子が回転することにより前記鎖交磁束が変化することにより、前記固定子巻線に誘起電圧が発生する。
回転子3は、回転軸に沿う方向に積層された電磁鋼板からなる回転子鉄心7と、回転子鉄心7に設けられた磁極を形成するための永久磁石401と永久磁石402と永久磁石403を備えている。図2や図3の実施の形態では円弧形状に配置された磁石403で、1つの磁極即ち各磁極を形成する。磁極を形成する各磁石はd軸方向に磁化されており、一つの磁極において固定子側がN極となるように磁化されているとその両隣の磁極を構成する磁石は逆に固定子側がS極となるように磁化されている。なお本実施例1では上述のように各磁極は少なくとも3組の磁石によって形成されているが、必ずしも第三の磁石は円弧形状の配置とは限らない。V字形に配置しても良いし、V字形状とバスタブ形の組み合わせた形状に配置しても良い。各磁極を構成する磁石量を増やすと各磁極の磁束量が多くなり、発生する回転トルクが増大するあるいは誘起される誘起電圧が大きくなる傾向となる。
図1乃至図3において、該当する全ての部品または部分に参照符号を付すと煩雑となるので、同じ部品のいずれか一つをそれら全体の代表として一部にのみ参照符号を付し、他の部分の参照符号は省略する。以下の各実施例に示す構造は回転子鉄心の内部に磁石を配置している構造の回転電機(埋め込み磁石形回転電機と記す)である。磁極を形成する永久磁石は回転子鉄心の固定子側が外周面に配置する構造の回転電機(以下表面磁石形回転電機と記す)は、効率は低下するが、発生する回転トルクの変動を抑制できる効果が顕著であり、回転トルクの変動の抑制が必須とされる操舵力をアシストするためのモータに適している。一方埋め込み磁石形回転電機は回転子と固定子間のギャップを小さくできるために高効率あるいは小型で高出力の回転電機に適しており、自動車の走行用の回転電機に適している。以下の各実施例は何れも自動車の走行用の回転電機に適している。
図2および図3に記載の実施の形態では、回転子鉄心7に永久磁石を挿入し固定するための磁石挿入孔6が各磁石に対応して設けられており、各磁極に対応して設けられた磁石挿入孔6は固定子側に対して開く状態に配置されており、各磁極に対応して全周に渡って配置されている。また、磁石挿入孔6はd軸インダクタンスLdの増大を防ぐ役目も果たしているため、LqとLqの差で生じるリラクタンストルクの向上の役目もある。よって、磁石挿入孔6には必ずしも磁石を充填させる必要はなく、比透磁率が回転子鉄心と比較して低い材料であれば構わない。
回転子鉄心7の各前記磁石挿入孔6は例えばプレスの打ち抜き加工により形成される。回転軸方向に積層された電磁鋼板により形成される前記回転子鉄心7はシャフト8(図示せず)に固定されており、シャフト8と共に回転する。
回転子3の回転子鉄心7は、隣接する各磁極の周方向における間に、固定子が発生するq軸の磁束Φqを通すための補助磁極部33を全周に渡って形成しており、その一部を図3に記載する。また逆の見方では、図3において、各隣接する補助磁極部33の間に永久磁石により形成される磁極が設けられており、この実施の形態では各磁極は複数の永久磁石を固定子側に対して開く状態に配置して構成されている。各磁石挿入孔に収納し保持される永久磁石はフラックスバリアの役割もあるため、低リコイル透磁率の材料が望ましい。上記永久磁石401及び円弧状に配置された永久磁石403、永久磁石402とにより発生するd軸の磁束Φdが回転子外周との間の回転子鉄心7により形成される磁極片部34、回転子3と固定子4との間のギャップ36、を介して固定子2を通り、隣接する他の磁極の永久磁石401、永久磁石403、永久磁石402、永久磁石403を通って、元の永久磁石401に戻る磁気回路601および磁気回路602が作られる。前記磁気回路を通る磁束Φdが前記固定子2を通る際に固定子巻線5を流れる電流と作用して回転トルクを発生する。また前記磁気回路を通る磁束Φdが前記固定子巻線5と鎖交し、この鎖交磁束量の単位時間当たりの変化量に基づいて前記固定子巻線5(図1参照)に誘起電圧が発生する。なお、図2および図3の磁束の分布図の記載には正確に表現できない点があるが、磁束Φdは永久磁石401乃至永久磁石403の内部では磁化方向に沿っておりその表面においては垂直に出入りしており、また固定子鉄心4や回転子鉄心7の表面に対して垂直に出入りする。
補助磁極部33を通るq軸の磁束Φqの磁気抵抗と、d軸の磁束Φdが通る永久磁石を有する磁気回路の磁気抵抗との差に基づいてリラクタンストルクが発生する。図3に示すように本実施の形態では補助磁極部33の周方向の幅を広くしているので補助磁極部33を通る磁束Φqの磁気回路の磁気抵抗は小さい。一方磁束Φdが通る磁気回路には透磁率の低い永久磁石が2組存在するので磁気抵抗が極めて高い。このため本実施の形態では大きなリラクタンストルクが発生する。回転電機に要求される全トルクは磁石トルクとリラクタンストルクの合計となるので、リラクタンストルクの発生が大きいと要求される磁石トルクはその分小さくてよい。図2や図3に示す回転電機では、回転電機が発生するトルクに対しリラクタンストルクで対応する部分があるので、たとえば要求磁石の半分程度をリラクタンストルクで賄うので、磁石の磁束密度Brが小さくても磁石トルクの要求トルクを小さくできる構造を成している。ただし、リラクタンストルクがしめる割合が大きいということは、インダクタンスが大きいことを示しており、力率が悪化し、最大出力が低下するというデメリットもある。この点において、本実施の形態の回転電機は磁石を多く有することでインピーダンスが低減できているため高速回転にも適している。
図2および図3において、バスタブ形状に配置された複数の磁石挿入孔6が回転子鉄心4に形成され、各磁石挿入孔6には複数の永久磁石401乃至403が挿入されている。この実施の形態では、永久磁石401乃至永久磁石403の端部(永久磁石402の端部は図示省略)にそれぞれ磁気的な空隙35(以下磁気空隙と記す)が形成されている。上記磁気空隙35は磁気抵抗が極めて大きい真空や空気に近い特性を持つ空間であり、空隙状態や樹脂などが充填されている、常磁性体や強磁性体が存在しない空間である。以下の説明では磁気空隙が他にも存在するが同様の構造である。各磁石挿入孔6は挿入される磁石より大きい形状としている。
上記磁気空隙35は次に記載の作用を有する。磁気空隙35を有することで、永久磁石の固定子側の回転子鉄心により形成される各々の磁気空隙35の間にブリッジ部501を形成する。前記ブリッジ部501は、遠心力によって回転子3が飛散しないように支える作用を成す。このブリッジ部の形状を薄くまた長くすることにより、例えばブリッジ部501で磁気飽和が生じ、漏れ磁束量の値を小さい値とすることができる。またこのような形状とすることでブリッジ部501の磁気抵抗を大きくすることができ、結果としてブリッジ部を通る磁束量を少なくでき、機械的信頼性の向上にもつながる。
さらに補助磁極33と永久磁石との境界部分で急激に磁束密度が変化すると前記急激な磁束密度の変化によりトルクリプルが発生する恐れがあるが、本実施の形態の如くバスタブ形状に配置された永久磁石401乃至永久磁石403で構成される各永久磁石の組の固定子側端部に磁気空隙35を設けているので、補助磁極33と永久磁石との境部での急激な磁束密度の変化を低減でき、トルクリプルを低減する効果がある。
本実施の形態では、磁石挿入孔6の中に永久磁石が挿入されており、それぞれの永久磁石の磁化容易軸が前記磁束Φdの磁気回路に沿う方向に各永久磁石が配置されている。なお永久磁石の磁化容易軸とはその磁石における磁化し易い方向のことである。図2や図3に示す永久磁石401乃至永久磁石403はその短手方向を磁化容易軸となるように作られており、前記磁化容易軸が図3の波線矢印に沿う方向となるように、各永久磁石が配置されている。この波線矢印に沿う方向は上述の通り、d軸の磁束Φd601の方向である。
本実施の形態では、各磁石挿入孔6の中に永久磁石を挿入し固定しているので、回転子に占める磁石保持のために必要な体積を小さくでき、回転子の小型化につながる。
図4に永久磁石401及び永久磁石402を挿入せず、フェライト磁石の永久磁石403のみで構成されたモータを従来例とし、同様にフェライト磁石で構成された本実施例との比較を示す。Nd+Dy構成のモータ性能を100%として図示した。比較の結果、最大出力が77%から91%に上昇、最大トルクが81%から89%に増加したことが分かる。
〔実施例2〕
図5、図6に第四の磁石404を挿入した実施例を示す。これは高速回転にも機械的に耐えられるよう、バスタブ構造とし、更に第四の磁石404を挿入することで、更なる磁束の増加を図ったものである。
図5、図6に第四の磁石404を挿入した実施例を示す。これは高速回転にも機械的に耐えられるよう、バスタブ構造とし、更に第四の磁石404を挿入することで、更なる磁束の増加を図ったものである。
〔実施例3〕
図7にフラックスバリアとなる磁石を何層にも重ねて構成された実施例の回転子を示す。Ld増大の原因となるブリッジを薄くした構造である。低速回転の場合は、遠心力の問題が小さくなるため、本形状を圧粉磁心と磁石で構成する二色成形を行うことで製作可能である。
図7にフラックスバリアとなる磁石を何層にも重ねて構成された実施例の回転子を示す。Ld増大の原因となるブリッジを薄くした構造である。低速回転の場合は、遠心力の問題が小さくなるため、本形状を圧粉磁心と磁石で構成する二色成形を行うことで製作可能である。
〔実施例4〕
図8に層数を減らし、磁石を厚くして磁石の減磁耐力の向上を図った実施例の回転子の一部を示す。
図8に層数を減らし、磁石を厚くして磁石の減磁耐力の向上を図った実施例の回転子の一部を示す。
〔実施例5〕
図9に層数を更に減らし、コアに対する磁石の比率を増やすことで、力率増加を図った実施例の回転子の一部を示す。
図9に層数を更に減らし、コアに対する磁石の比率を増やすことで、力率増加を図った実施例の回転子の一部を示す。
〔実施例6〕
図10に磁石403をV字配置とし、磁石両端に磁束漏れを最小限にしつつ、応力分散を図った磁気空隙35を設け、磁石402の内径側のコア内径を削ることで、Ldを小さくし、磁石402、磁石403の寸法を等しくすることで、磁石種類を減らすことを図った実施例の回転子の一部を示す。
図10に磁石403をV字配置とし、磁石両端に磁束漏れを最小限にしつつ、応力分散を図った磁気空隙35を設け、磁石402の内径側のコア内径を削ることで、Ldを小さくし、磁石402、磁石403の寸法を等しくすることで、磁石種類を減らすことを図った実施例の回転子の一部を示す。
〔実施例7〕
図11に磁石402、磁石403、磁石404をバスタブ状に構成することで、磁石磁束を増やし、遠心力に対する強度向上を図った実施例の回転子の一部を示す。
図11に磁石402、磁石403、磁石404をバスタブ状に構成することで、磁石磁束を増やし、遠心力に対する強度向上を図った実施例の回転子の一部を示す。
次に、図12を用いて本発明の実施例に係る回転電機装置の構成を説明する。ここでは実施例1を例として用いる。回転電機1は、回転電機1と、回転電機1の駆動電源を構成する直流電源51と、回転電機1に供給される電力を制御して駆動を制御する制御装置とを備えている。
永久磁石を使用した回転電機1は前述した構成あるいは後述する構造を有している。直流電源51は、例えば交流電源と該交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ部で構成しても良いし、車両に搭載されるリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池であっても良い。制御装置はインバータ装置であり、直流電源51から直流電力を受け交流電力に変換して、その交流電力を回転電機1の固定子巻線5に供給している。インバータ装置は、直流電源51と固定子巻線5との間に電気的に接続された電力系のインバータ回路53(電力変換回路)と、インバータ回路53の動作を制御する制御回路130とを備えている。
インバータ回路53は、スイッチング用半導体素子、例えばMOS-FET(金属酸化膜半導体形電解効果トランジスタ)、あるいはIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)から構成されたブリッジ回路を有し、平滑用コンデンサモジュールからの直流電力を交流電力に変換し、あるいは回転電機が発生した交流電力を直流電力に変換する。上記ブリッジ回路は、アームと呼ばれる高電位側スイッチと低電位側スイッチと直列回路が回転電機1の相数分電気的に並列に接続されて構成されていて、三相交流電力を発生する本実施の形態では3組設けられている。各アームの高電位側スイッチの端子は直流電源51の正極側に電気的に接続され、低電位側スイッチの端子は直流電源51の負極側に電気的に接続されている。各アームの上側のスイッチング用半導体素子と下側のスイッチング用半導体素子との接続点から回転電機1の固定子巻線5に相電圧を供給するように前記固定子巻線5に電気的に接続されている。
インバータ回路53から固定子巻線5へ供給される相電流は、回転電機に交流電力を供給するための各相のバスバーにそれぞれ設けられた電流検出器52により計測される。電流検出器52は例えば変流器である。制御回路130は、トルク指令や制動指令を含む入力情報に基づいて目標トルクを得るためのインバータ回路53のスイッチング用半導体素子のスイッチング動作を制御する作用をする。入力情報としては例えば、回転電機1に対する要求トルクである電流指令信号Isと、回転電機1の回転子3の磁極位置θが入力されている。要求トルクである電流指令信号Isは、車両の場合に運転者から要求されるアクセル操作量などの要求量に応じて上位コントローラから送られてくる指令により制御回路130で演算して求められる。磁極位置θは、磁極位置検出器PSの出力から得られた検出情報である。
速度制御回路58は、上位コントローラの要求指令により作られた速度指令ωsと、エンコーダからの位置情報θ1から周波数を電圧に変換するF/V変換器61を介して得られる実際の速度である実速度ωfとから、速度差ωeを算出し、これにPI制御によってトルク指令である電流指令Isと回転子3の回転角θ1を出力する。上記PI制御は偏差値に比例乗数を乗ずる比例項Pと積分項Iを使用する一般に使用されている制御方式である。
位相シフト回路54は、回転速度検出器Eが発生する回転の同期したパルス、すなわち回転子3の位置情報θを、速度制御回路58からの回転角θ1の指令に応じて位相シフトして出力する。位相シフトは、例えば固定子巻線5に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石400が作る磁束又は磁界の方向に対して電気角で90度以上進むようにする。
正弦波・余弦波発生回路59は、回転子3の永久磁石400の磁極位置を検出する位置検出PSと、位相シフト回路54からの位相シフトされた回転子の位置情報θに基づいて、固定子巻線5の各巻線の誘起電圧を位相シフトした正弦波出力を発生する。ここで位相シフト量には値が零の場合も含む。
2相-3相変換回路56は、速度制御回路58からの電流指令ISと正弦波・余弦波発生回路59の出力とに応じて、各相の電流指令Isu、Isv、Iswを出力する。各相はそれぞれ個別に電流制御系55a、55b、55cを持ち、電流指令Isu、Isv、Iswと電流検出器52からの電流検出信号Ifu、Ifv、Ifwに応じた信号を、インバータ回路53に送ってスイッチング用半導体素子のスイッチング動作を制御し、3相交流の各相電流が制御される。この場合、各相合成の電流は、界磁磁束に直角、あるいは位相シフトした位置に制御され、これによって無整流子で、かつ直流機と同等の特性を得ることができる。
上述の交流電流の各相の電流制御系55a、55b、55cから出力された信号は、対応する相のアームを構成するスイッチング用半導体の制御端子に入力される。これにより、各スイッチング用半導体がオン・オフ動作であるスイッチング動作を行い、直流電源51から平滑用コンデンサモジュールを介して供給された直流電力が交流電力に変換され、固定子巻線5の対応する相巻線に供給される。
本実施例1のインバータ装置では、固定子巻線5に流れる電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石400が作る磁束又は磁界の方向に対して直交するように、或いは位相シフトするように、固定子巻線5に流れる電流(各相巻線に流れる相電流)を常に形成している。これにより、本実施例1の回転電機装置では、無整流子すなわちブラシレスの回転電機1を用いて、直流機と同等の特性を得ることができる。尚、弱め界磁電流は、固定子巻線5に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石400が作る磁束又は磁界の方向に対して90度(電気角)以上進むように、固定子巻線5に流れる電流(各相巻線に流れる相電流)を常に形成する制御である。
従って、本実施例1の回転電機装置では、固定子巻線5に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石400が作る磁束又は磁界の方向に対して直交するように、固定子巻線5に流れる電流(各相巻線に流れる相電流)を回転子3の磁極位置に基づいて制御すれば、回転電機1から連続的に最大トルクを出力できる。弱め界磁制御が必要な時には、固定子巻線5に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石400が作る磁束又は磁界の方向に対して90度(電気角)以上進むように、固定子巻線5に流れる電流(各相巻線に流れる相電流)を回転子3の磁極位置に基づいて制御すればよい。
次に、フェライト磁石などのように減磁しやすい永久磁石400を用いた場合の着磁判定及び着磁方法について説明する。回転電機1には、さらに磁束検出器60が備えられ、この磁束検出器60が出力する磁束量を表す値と前記F/V変換器62が出力する実速度ωfを着磁判定回路61に入力し、再着磁の要不要について判定する。永久磁石400に弱め界磁電流に基づく磁束を加えたことにより、仮に可逆減磁の範囲を超えた強い磁束が永久磁石に加えられると、永久磁石、特に第2永久磁石402、が減磁してしまう恐れがある。このように仮に不可逆減磁した場合には、永久磁石が発生する磁束量が減少するため、永久磁石の再着磁が必要となる。永久磁石の再着磁が必要判断された場合には着磁判定回路61から位相シフト回路54に着磁指令を出力する。
次に着磁判定回路61から位相シフト回路54に着磁指令を出力された場合の第2永久磁石402の着磁方法について説明する。着磁のために特別な着磁回路を使用しても良いことはもちろんであるが、特別な着磁回路を使用しなくても、上述の制御回路130を使用して、ある程度の再着磁が可能である。図8に永久磁石を内蔵した上述の回転電機における電流位相とトルクの関係を示す。ここで、電流位相0度はq軸である。永久磁石400、特に第2永久磁石402、が不可逆減磁した場合には、固定子巻線5に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石400が作る磁束又は磁界の方向に対して電気角で90度程度遅れるように、固定子巻線5に流れる電流すなわち各相巻線に流れる相電流を制御する。このように固定子巻線5に供給する相電流を制御することにより、固定子巻線5に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルが永久磁石400の磁化に対して増磁する方向となるため、永久磁石400、特に第2永久磁石402、を着磁することが、すなわち減磁された磁化状態を再び強くすることが可能となる。
以上の説明では、内転型の回転電機で説明したが、外転型の回転電機でも適用できる。また、本発明は、分布巻方式の回転電機、集中巻方式の回転電機の両者においても適用できる。
次に、上述の実施例が適用される電気自動車に適用した例について、図13を用いて説明する。図13は、本発明を適用した電気自動車のブロック構成図である。
電気自動車の車体100は、4つの車輪110、112、114、116によって支持されている。この電気自動車は、前輪駆動であるため、前方の車軸154には、走行トルクを発生しあるいは制動トルクを発生する回転電機1が機械的に接続されており、回転電機1により発生する回転トルクが機械的な伝達機構により伝達される。回転電機1は、図7により説明した制御装置130およびインバータ回路53によって発生した3相交流電力により駆動され、該駆動トルクが制御される。
制御装置130の動力源としては、リチウム二次電池などの高電圧バッテリで構成される直流電源51が備えられ、この直流電源51からの直流電力が制御装置130の制御に基づいてインバータ回路53がスイッチング動作し、交流電力に変換され、回転電機1に供給される。回転電機1の回転トルクにより車輪110、114が駆動され、車両が走行する。
また運転者のブレーキ操作により、制御装置130はインバータ回路が発生する交流電力の回転子の磁極に対する位相を反転することにより、回転電機1は発電機として作用し、回生制動運転が行われる。回転電機1は走行を抑える方向の回転トルクを発生して、車両100の走行に対して制動力を発生する。このとき車両の運動エネルギが電気エネルギに変換され、直流電源51に電気エネルギが充電される。
以上の実施例では、回転電機を電気自動車の車輪の駆動に用いるものとして説明したが、電動車両用の駆動装置、電動建機用の駆動装置及び他あらゆる駆動装置においても使用できるものである。なお、本実施の形態による回転電機を電動車両、特に電気自動車に適用すれば、最高回転数が向上でき、出力が大きな電気自動車を提供することができる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
1 回転電機
2 固定子
3 回転子
4 固定子鉄心
5 固定子巻線
6 磁石挿入孔
7 回転子鉄心
8 シャフト
9 エンドブラケット
10 ベアリング
11 ハウジング
21 固定子のヨーク部
22 ティース部
23 スロット
33 補助磁極部
34 磁極片部
35 磁気空隙
36 ギャップ
51 直流電源
52 電流検出器
53 インバータ回路
54 位相シフト回路
55a、55b、55c 各相の電流制御系
100 電気自動車の車両
110、112、114、116 車輪
130 電気自動車の制御装置
154 車軸
400 永久磁石
401 第一の永久磁石A
402 第二の永久磁石B
403 第三の永久磁石C
404 第四の永久磁石D
501 ブリッジ
601、602 磁束Φdの磁路
E 回転位置検出器
PS 回転速度検出器
2 固定子
3 回転子
4 固定子鉄心
5 固定子巻線
6 磁石挿入孔
7 回転子鉄心
8 シャフト
9 エンドブラケット
10 ベアリング
11 ハウジング
21 固定子のヨーク部
22 ティース部
23 スロット
33 補助磁極部
34 磁極片部
35 磁気空隙
36 ギャップ
51 直流電源
52 電流検出器
53 インバータ回路
54 位相シフト回路
55a、55b、55c 各相の電流制御系
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110、112、114、116 車輪
130 電気自動車の制御装置
154 車軸
400 永久磁石
401 第一の永久磁石A
402 第二の永久磁石B
403 第三の永久磁石C
404 第四の永久磁石D
501 ブリッジ
601、602 磁束Φdの磁路
E 回転位置検出器
PS 回転速度検出器
Claims (11)
- 固定子鉄心に形成された複数のスロット内に電機子巻線を有する固定子と、
回転子鉄心と、該回転子鉄心中に設けた複数の永久磁石挿入孔に埋設した永久磁石とを有する回転子とを備え、
前記回転子が、前記固定子の内周側でギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石回転電機において、
前記永久磁石の磁束軸をd軸、該d軸と電気角で90°隔てられた位置をq軸としたとき、
該q軸上には永久磁石挿入孔があり、該永久磁石挿入孔には該q軸と直交するように着磁された第一の永久磁石を埋設し、
前記d軸上にも永久磁石挿入孔を配置し、該永久磁石挿入孔には該d軸と平行する方向に着磁された第二の永久磁石を埋設するとともに、
前記第一の永久磁石と前記第二の永久磁石との間に、永久磁石挿入孔に埋設された第三の永久磁石を、少なくとも一つ以上具備したことを特徴とする永久磁石回転電機。 - 請求項1に記載の永久磁石回転電機において、
前記第一の永久磁石、前記第二の永久磁石のうち、いずれか一方の径方向面積が大となるように構成したことを特徴とする永久磁石回転電機。 - 請求項1又は請求項2に記載の永久磁石回転電機において、
前記第二の永久磁石は、前記回転子鉄心の外周側に設けたことを特徴とする永久磁石回転電機。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一つに記載の永久磁石回転電機において、
前記第一の永久磁石は、径方向に長、周方向に短、前記第二の永久磁石は、径方向に短、周方向に長となるように構成されていることを特徴とする永久磁石回転電機。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一つに記載の永久磁石回転電機において、
前記第三の永久磁石は、2つの永久磁石からなり、前記第二の永久磁石を挟み込むようにV字状に設けたことを特徴とする永久磁石回転電機。 - 請求項1に記載の永久磁石回転電機において、
前記d軸上の前記回転子鉄心外径側および内径側に永久磁石挿入孔を配置し、該永久磁石挿入孔には該d軸と平行する方向に着磁された第二、第四の永久磁石を埋設するとともに、
前記第一の永久磁石と前記第二の永久磁石、および前記第四の永久磁石との間に、永久磁石挿入孔に埋設された第三の永久磁石を、少なくとも一つ以上具備したことを特徴とする永久磁石回転電機。 - 請求項6に記載の永久磁石回転電機において、
前記第三の永久磁石は、前記第四の永久磁石の外径側且つ前記第二の永久磁石の内径側にあって、前記d軸と直交するとともに、前記第二、第四の永久磁石と同一方向に着磁された永久磁石Aと、
該永久磁石Aのq軸側周方向端部から、空隙を介して外径側に伸延する永久磁石Bとで形成されたことを特徴とする永久磁石回転電機。 - 請求項7に記載の永久磁石回転電機において、
前記第四の永久磁石および前記永久磁石Aが、d軸を境に周方向に2分割されている永久磁石回転電機。 - 請求項6記載の回転電機において、
前記第三の永久磁石は、前記第四の永久磁石の外径側且つ前記第二の永久磁石の内径側に複数均等に且つ外径側にいくに従い周方向の幅寸法が縮小されるように配置された永久磁石Aと、
該永久磁石Aのq軸側周方向端部から、外径側に伸びる複数均等に且つq軸最寄からd軸に行くに従い径方向の長さ寸法が縮小されるように配置された永久磁石Bとからなる、複数の凹字型になるように構成したことを特徴とする永久磁石回転電機。 - 電力を供給するバッテリと、
前記供給された電力により駆動トルクを出力する回転電機と、
前記駆動トルクを制御する制御装置とを備えた電動駆動システムにおいて、
前記回転電機は、請求項1乃至9のいずれか一つに記載の永久磁石回転電機であることを特徴とする電動駆動システム。 - 電力を供給するバッテリと、
前記供給された電力により車両を駆動する駆動トルクを出力する回転電機と、
前記駆動トルクを制御する制御装置からなる駆動システムを備えた電動車両において、 前記駆動システムは、請求項10に記載の駆動システムである電動車両。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 13782598 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 14396205 Country of ref document: US |
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NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 13782598 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |