(57)【要約】【課題】広い運転範囲で高効率運転ができ、且つ小型な回転電機を有する移動体を提供することである。【解決手段】巻線を有するステータ２１と、ステータ２１に空隙を介して回転可能に配設され、回転軸方向に第一の回転子２４と第二の回転子２５に二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子と、回転子の第一の回転子２４に対する回転子の第二の回転子２５の相対角度を可変する可変磁束機構１２と、を有する回転電機と、回転電機の回転数が予め定めた閾値以下の場合、その可変磁束機構へ第一の回転子２４と第二の回転子２５の相対角度を０とする制御信号を出力する磁束調整手段１８と、を有する移動体１０の構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻線を有する固定子と、
前記固定子に空隙を介して回転可能に配設され、回転軸方向に第一の回転子と第二の回転子に二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子と、
前記回転子の前記第一の回転子に対する前記回転子の前記第二の回転子の相対角度を可変する可変磁束機構と、を有する回転電機と、
前記回転電機の回転数が予め定めた閾値以下の場合、前記可変磁束機構へ前記第一の回転子と前記第二の回転子の相対角度を０とする制御信号を出力する磁束調整手段と、を有する移動体。
【請求項２】
請求項１記載の移動体において、
前記磁束調整手段は、前記回転電機の回転数が予め定めた閾値以下の場合、有効磁束を最大とする制御信号を出力する移動体。
【請求項３】
請求項１記載の移動体において、
前記閾値は、最大トルクを発生できる最高回転数以下に設定された回転電機システム。
【請求項４】
巻線を有する固定子と、
前記固定子に空隙を介して回転可能に配設され、回転軸方向に第一の回転子と第二の回転子に二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子と、
前記回転子の前記第一の回転子に対する前記回転子の前記第二の回転子の相対角度を可変する可変磁束機構と、を有する回転電機と、
前記回転電機の回転数が予め定めた閾値以上の場合、前記可変磁束機構へ前記第一の回転子と前記第二の回転子の相対角度を最大とする制御信号を出力する磁束調整手段と、を有する移動体。
【請求項５】
請求項４記載の移動体において、
前記磁束調整手段は、前記回転電機の回転数が予め定めた閾値以上の場合、有効磁束を最低とする制御信号を出力する移動体。
【請求項６】
請求項４記載の移動体において、
前記閾値は、移動体の予め定められた想定最高速度で定まる最高回転数以下に設定された回転電機システム。
【請求項７】
請求項１又は請求項４記載の移動体において、
前記回転電機の回転数を検知する回転数検知手段を有する移動体。
【請求項８】
請求項１記載の移動体において、
移動体に必要な駆動トルクを算出する制御手段と、
前記回転電機への電力を供給する直流電力供給手段と、を有し、
前記制御手段は、移動体の異常を検出した時、前記回転電機の回転数が前記閾値より小さい場合に前記第一回転子と前記第二回転子の相対角度が０にされた後に、前記回転電機へ供給する電力を止める指令信号を前記直流電力供給手段へ出力するシャットダウン手段を有する移動体。
【請求項９】
請求項４記載の移動体において、
移動体に必要な駆動トルクを算出する制御手段と、
前記回転電機への電力を供給する直流電力供給手段と、を有し、
前記制御手段は、移動体の異常を検出した時、前記回転電機の回転数が前記閾値より大きい場合に前記第一回転子と前記第二回転子の相対角度が最大にされた後に、前記回転電機へ供給する電力を止める指令信号を前記直流電力供給手段へ出力するシャットダウン手段を有する移動体。
【請求項１０】
請求項１又は請求項４記載の移動体において、
前記可変磁束機構は、機械的に回転子の回転速度を調速する調速機である移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
磁束を変化させる回転電機を有する移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の誘導電動機（ＩＭモータ）に代わり、効率に優れ、小型化や低騒音化も期待できる永久磁石同期電動機（ＰＭモータ）が普及し始めている。例えば、家電，鉄道車両，電気自動車向けの駆動モータとしてＰＭモータが利用されるようになってきている。ＩＭモータは、磁束自体をステータからの励磁電流によって作り出すため、励磁電流を流すことによる損失が発生する問題点がある。一方、ＰＭモータは、ロータに永久磁石を備え、その磁束を利用してトルクを出力するモータであるので、このようなＩＭモータの抱える問題はない。
【０００３】
しかしながら、ＰＭモータは、その永久磁石のために回転数に比例して電機子コイルに誘起電圧が発生する。鉄道車両や自動車など回転範囲が広い応用範囲では、最高回転数において生じる誘起電圧によって、ＰＭモータを駆動制御するインバータが過電圧によって破壊しないことが条件となる。かかる特性を有するＰＭモータにあって、電源電圧を一定として定出力運転を行う場合、前述の最高回転数をさらに上昇させて運転速度を広くするための方策として、電機子コイルに永久磁石による磁束を打ち消す電流を流して等価的に誘起電圧を下げるといういわゆる弱め界磁制御があるが、トルクに寄与しない電流を流すため効率の低下を招いていた。また、電機子コイルに大電流を流す必要があり、おのずとコイルの発生する熱が増大する。そのため、高回転領域における回転電機としての効率の低下、冷却能力を超えた発熱による永久磁石の減磁などが起こり得る可能性がある。
【０００４】
特許文献１に記載された構造の可変磁束モータは、上記の問題点を軽減するために考案されたものである。この公報に記載された回転電機は、回転軸方向にロータが二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子を有する。この回転電機は二分割されたロータの位相を変化させることにより有効磁束を変化させることができるため、高回転領域において効率の低下を伴う弱め界磁制御を必要としない。これにより、広い運転範囲で高効率駆動を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−６４９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述した回転電機は、有効磁束を操作するために外力を与える機構が必要であり、その機構分体格が大きくなる。車両などの移動体用途では搭載領域が限られるため、回転電機をできるだけ小さくすることが望ましい。
【０００７】
本発明の目的は、広い運転範囲で高効率運転ができ、且つ小型な回転電機を有する移動体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、巻線を有する固定子と、固定子に空隙を介して回転可能に配設され、回転軸方向に第一の回転子と第二の回転子に二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子と、回転子の第一の回転子に対する回転子の第二の回転子の相対角度を可変する可変磁束機構と、を有する回転電機と、回転電機の回転数が予め定めた閾値以下の場合、可変磁束機構へ第一の回転子と第二の回転子の相対角度を０とする制御信号を出力する磁束調整手段と、を有する移動体の構成とする。
【０００９】
また、巻線を有する固定子と、固定子に空隙を介して回転可能に配設され、回転軸方向に第一の回転子と第二の回転子に二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子と、回転子の第一の回転子に対する回転子の第二の回転子の相対角度を可変する可変磁束機構と、を有する回転電機と、回転電機の回転数が予め定めた閾値以上の場合、可変磁束機構へ第一の回転子と第二の回転子の相対角度を最大とする制御信号を出力する磁束調整手段と、を有する移動体の構成とする。
【発明の効果】
【００１０】
広い運転範囲で高効率運転ができ、且つ小型な回転電機を有する移動体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る回転電機を有する移動体の一実施例を示す図である。
【図２】本発明に係る回転電機の一構成例を示す図である。
【図３】本発明の磁束調整手段の一動作例を示す図である。
【図４】本発明の磁束調整手段における零速度近傍において有効磁束を最大にする理由を説明する図である。
【図５】本発明の制御手段のシャットダウン動作を説明する図である。
【図６】本発明に係る回転電機を有する移動体の他の実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図１は本発明による可変磁束モータ１１などの回転電機を有する移動体１０の全体図である。
【００１４】
移動体１０は、可変磁束モータ１１，可変磁束モータ１１の磁束を可変する可変磁束機構１２を有し、可変磁束機構１２は、電動アクチュエータや油圧アクチュエータなどのアクチュエータ，クラッチ，ブレーキなどにより実現できる。
【００１５】
また、可変磁束モータ１１などの回転電機の回転数を検知する回転数検知手段である回転数センサ１３を有し、例えばパルスエンコーダ，レゾルバによって実現できる。
【００１６】
また、制御手段１７からの指令信号に基づいて可変磁束モータ１１を駆動するインバータ１４，可変磁束モータ１１へ直流電力を供給する直流電力供給手段１５，可変磁束機構１２を操作する可変磁束機構操作手段１６，移動体１０に必要な駆動トルクを算出する制御手段１７，磁束調整手段１８を備える。その駆動トルクは、インバータ１４および可変磁束機構操作手段１６に指令信号として送出される。磁束調整手段１８は制御手段１７と可変磁束機構操作手段１６の間に配置される。磁束調整手段１８は回転数センサ１３から得られる回転数情報に基づき、可変磁束機構操作手段１６への指令信号を調整する。磁束調整手段１８の動作については図４で後述する。また差動機構１９は、可変磁束モータ１１から得られるトルクを車軸に伝達し、移動体１０に駆動力を与える。
【００１７】
図２は回転電機の可変磁束モータ１１の概要図である。特に可変磁束機構１２としてアクチュエータを有するものを例として図示した。
【００１８】
可変磁束モータ１１は、巻線（コイル２２）を有する固定子であるステータ２１，出力軸２３、その固定子であるステータ２１に空隙を介して回転可能に配設され、回転軸方向に第一の回転子２４と第二の回転子２５に二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子、を有し、また、第一の回転子２４は出力軸２３と接合し、出力軸２３の表面にはスプライン２６が設けられる。第二の回転子２５はスプライン２６に沿って運動するため、軸方向位置を調整すれば第一の回転子２４と第二の回転子２５の磁束方向を変化させることができる。
【００１９】
可変磁束機構１２は、第一の回転子２４に対する第二の回転子２５の相対角度を可変し、軸方向位置を調整する。また、可変磁束モータ１１は、プッシュプレート２７，スラスト軸受２８を有し、可変磁束機構１２がプッシュプレート２７を押す、または引くことにより、第二の回転子２５の出力軸２３方向の位置を変化させることができる。なお、本可変磁束モータの詳しい説明は前述の特許文献１に記載されている。
【００２０】
図３は磁束調整手段１８の動作を示す図である。ここで、横軸Ｎは可変磁束モータ１１の回転数、縦軸Ｔは要求トルクである。ここでΦは有効磁束を表す。ここでの有効磁束は、回転電機の回転トルクに寄与する磁束量である。回転電機の回転トルクと固定子の巻線に流れる電流から求められる。
【００２１】
磁束調整手段１８は、可変磁束モータ１１の回転数が予め定めた閾値以下の場合、可変磁束機構１２へ第一の回転子２４と第二の回転子２５の相対角度を０とする制御信号を出力する、つまり可変磁束モータ１１の回転数が零速度判定速度ω０以下で有効磁束Φを最大にするように制御信号を発生する。なお、零速度判定速度ω０は可変磁束モータ１１が静止しているか、駆動しているかを判定するための閾値として予め定められた回転数であり、最大トルク発生限界速度ωｎ以下に設定される。つまり、最大トルクを発生できる最高回転数以下に設定される。ここで、最大トルク発生限界速度ωｎは、可変磁束モータ１１が最大トルクを発生できる最高速度として定義する。
【００２２】
図４は、零速度近傍において有効磁束Φを最大にする理由について示した図である。ここで、横軸は可変磁束モータ１１の回転速度、縦軸は磁束を可変するために必要な可変磁束機構１２の推力である。モータ回転速度が０の時、有効磁束Φを操作するためには摩擦力に加え、モータの磁束により生じるコギングトルクに打ち勝つ推力を与える必要がある。しかし、一旦モータが回転し始めればコギングトルクの影響はほとんどなくなり、摩擦に打ち勝つ推力を与えるだけで有効磁束Φを変えることができる。
【００２３】
移動体においては、低速においては必ず最大トルクを発生できるように設定しておくことが望ましい。したがって、移動体１０が静止する間際に、必ず有効磁束Φが最大となるようにしておけば、零速度において有効磁束Φを操作する必要はなく、可変磁束機構１２は摩擦分に打ち勝つ推力を発生できるように設計すればよいことになる。
【００２４】
このことにより、可変磁束機構１２の必要とする推力を小さくすることができ、可変磁束機構１２の小型化を実現できる。つまり、回転数０の時に磁束を可変する必要がなくなるため、回転数０のときに問題となるコギングトルクの影響を無視することができる。その結果、可変磁束機構１２の体格を小さくすることができ、可変磁束モータ１１全体の小型化に寄与できるという効果がある。
【００２５】
また、磁束調整手段１８は、可変磁束モータ１１の回転数が予め定めた閾値以上の場合、可変磁束機構１２へ第一の回転子と第二の回転子の相対角度を最大とする制御信号を出力する。つまり可変磁束モータ１１の回転速度が高速判定速度ωｈより高い場合に強制的に有効磁束を最低とする。なお、高速判定速度ωｈは移動体１０の想定最高速度を実現する可変磁束モータ１１の回転数ωｍより低く設定する。ここで想定最高速度は、移動体１０の重量などの状態情報に基づいて予め定められるものであり、この想定最高速度で定まる最高回転数以下に閾値が設定される。
【００２６】
よって、高速走行において磁束が最小であることを保証するので、高速走行による誘起電圧が上がりすぎることを防ぎ、インバータ１４の耐圧を低く設定することが可能になる。インバータ１４の耐圧を低くすることで、インバータ素子などの電気系部品の小型化，低価格化に寄与し、回転電機及びそれを搭載した移動体１０を小型かつ安価に提供することができる。
【００２７】
移動体は、一般的に、走行中に異常が発見された場合、まず正常動作への復帰を図り、復帰が失敗した場合でも運転が継続できる場合には縮退運転モードに移行する。運転を継続できない場合には、被害の波及や制御不能状態を避けるために、シャットダウン動作を行い、システムを停止する。ここで、シャットダウンとは、動力源に対し、供給するエネルギーを止める指令信号を直流電力供給手段１５へ出力することである。
【００２８】
ここで、移動体の異常とは、検知した車両の状態変数（移動体の速度，アクセル開度など）及びモータの状態変数（回転数，回転速度，発生トルクなど）が、予め定めた状態変数と異なる場合である。例えば、検知した車速とモータ回転数との関係が、予め定められた車速におけるモータ回転数の関係と異なる場合などがこれに該当する。具体的には、例えば車速４０km／ｈのときに２０００rpmでモータが回転することが妥当であるにもかかわらず、移動体の制御手段が検知した車速が４０km／ｈ、モータ回転数が６０００rpmという状態になったときに異常と判断する。このような状態では、モータ軸から歯車が外れて、モータが無負荷状態になっていることが考えられ、この場合、モータは回転速度が急上昇し、軸受の破壊、それに伴う周辺機器の破壊にまで至る可能性がある。
【００２９】
図５に本発明による移動体１０に走行中異常が発見された場合のシャットダウンシーケンスを示す。なお、シャットダウンシーケンスとは、システムがシャットダウンを行うに際して実行する一連の手順のことを指す。
【００３０】
異常が発見された場合、制御手段１７は現在のモータ回転数ωを取得する。現在のモータ回転数ωはまず図３において説明した閾値である零速度判定速度ω０と比較される。ここで、もし現在のモータ回転数ωが予め定められた閾値の零速度判定速度ω０より小さければ、モータは図４に示したコギングトルクの影響を大きく受ける領域であるために、異常状態からの復帰時に最大トルクを発揮できるように磁束最大化処理を行った後、回転電機であるモータへ供給する電力を止める指令信号を直流電力供給手段１５へ出力し、シャットダウンを行う。なお、磁束最大化処理とは具体的には第一の回転子２４と第二の回転子２５の相対角度を０にすることをいう。このようなシャットダウン手段を制御手段１７は備える。
【００３１】
一方、もし現在のモータ回転数ωが零速度判定速度ω０を下回らない場合には、現在のモータ回転数ωは図３において説明した閾値である高速判定速度ωｈと比較される。ここで、もし現在のモータ回転数が予め定められた閾値である高速判定速度ωｈより大きい場合、モータは高速回転による高い誘起電圧の影響を緩和するため、磁束最小化処理を行った後、回転電機であるモータへ供給する電力を止める指令信号を直流電力供給手段１５へ出力し、シャットダウンを行う。なお、磁束最小化処理とは具体的には第一の回転子２４と第二の回転子２５の相対角度を最大にすることをいう。このようなシャットダウン手段を制御手段１７は備える。
【００３２】
上記のいずれでもない場合、特にモータに負担はかからないため、そのままシャットダウンを行うことができる。図５では説明の簡単化のために、そのままシャットダウンを行う構成としたが、モータ回転数を漸減させてω＜ω０の状態にした後に、磁束最大化処理を行い、シャットダウンする構成にすることもできる。
【００３３】
高速回転時に、有効磁束量が大きい状態でシャットダウンしてしまうと、誘起電圧を打ち消すような制御ができないために、回転電機は発生誘起電圧の最大値に耐えられるように設計しなければならず、その分体格が大きくなる。しかし、図５のようにシャットダウンシーケンスを設定することにより、高速回転時には有効磁束を最小にしてからシャットダウンすることができるため、想定される誘起電圧の最大値を小さく抑えることができ、体格の小型化が期待できる。また、モータ回転数が０の状態では有効磁束量を最大にしてからシャットダウンすることにより、修理後の再起動時に、磁束を変化させる必要がなくなるため、図４で説明したように、可変磁束機構１２を小型化できるという効果が得られる。言い換えれば、異常時のシャットダウンが必要な場合に適切に磁束を最大化、または最小化することができるため、異常時の設計余裕を小さくすることができる。その結果、電気系，機械系の小型化が実現できるという効果がある。
【００３４】
図６は本発明の回転電機を有する移動体の他の実施例を示す図である。本実施例では、図１の可変磁束機構１２に、機械的に回転子の回転速度を調速する調速機（ガバナ３１）を用いた場合の実施例である。ガバナ３１はバネ３２，おもり３３，リンク機構３４からなる。回転数が低い領域ではバネ３２の効果により、図２記載のプッシュプレート２７と第二の回転子２５が押し込まれ、有効磁束が最大となる。一方、高速回転時にはおもり３３に働く遠心力によりプッシュプレート２７と第二の回転子２５が引き出され、有効磁束が小さくなる。このように、磁束調整手段１８はガバナ３１のような機械的手段によっても実現可能である。
【００３５】
また、図１では回転数検知手段に回転数センサ１３を用いたが、センサレス制御手段を有する場合にはセンサレス制御手段が提供する速度推定値を用いても全く同様の効果が得られる。さらに、図１のような構成では可変磁束モータ１１と車両駆動軸とは直結されているために、可変磁束モータ１１の回転数と車速とは比例関係にある。したがって、車速センサを用いても同様の効果が得られる。
【００３６】
また、パラレルハイブリッド車のように、ガソリンエンジンと可変磁束モータ１１とが直結している場合には、エンジン回転数センサやクランク角センサを以って代用することもできる。
【００３７】
また、図１では制御手段１７と磁束調整手段１８を別体とした。この構成では、制御手段１７は例えば損失最小化制御により得られる有効磁束Φの量を設定し、磁束調整手段１８は図３に示したような磁束の制約を与える。しかし、実装上、１つのＣＰＵに制御手段１７と磁束調整手段１８を実装しても本発明の効果が得られる。１つのＣＰＵに実装する場合、制御手段１７と磁束調整手段１８の結果が互いに矛盾した場合には、磁束調整手段１８を優先するようにしておけばよい。
【符号の説明】
【００３８】
１０  移動体
１１  可変磁束モータ
１２  可変磁束機構
１３  回転数センサ
１４  インバータ
１５  直流電力供給手段
１６  可変磁束機構操作手段
１７  制御手段
１８  磁束調整手段
１９  差動機構
２１  ステータ
２２  コイル
２３  出力軸
２４  第一の回転子
２５  第二の回転子
２６  スプライン
２７  プッシュプレート
２８  スラスト軸受
３１  ガバナ
３２  バネ
３３  おもり
３４  リンク機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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