(57)【要約】【課題】低速回転域で高いトルクが得られ、かつ高速回転時でも効率よく運転可能で、かつ空転時の引き摺り損出を低減可能な永久磁石型回転電機を提供すること。【解決手段】ロータに界磁束を形成する永久磁石を埋設するとともに、永久磁石より軸芯側に空隙部を有し、この空隙部の中に移動可能な磁性材を備え、この磁性材の位置を機械的に調整して電機子巻線と鎖交する界磁束を制御する。回転子が低速回転の時、前記磁性体は前記空隙部の磁気抵抗が小さい位置にありロータ表面の界磁束が増加して、高トルクを得、回転子が高速回転になると磁気抵抗が大きい位置に移動しロータ表面の界磁束が減少し、電機子巻線に発生する逆起電圧を低減する。空転時には前記磁性体は前記空隙部の磁気抵抗が大きい位置にあり界磁束とともにステータの磁束密度が低減し、引き摺り損失を低減する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電機子巻線が巻装され回転磁界を形成するステータと、前記電機子巻線と鎖交する界磁束を形成する複数極の永久磁石を有して前記ステータの内周面と対面しつつ回転するロータとを備える永久磁石型回転電機において、前記ロータの永久磁石より軸芯側で隣り合う極の永久磁石の間に空隙部を有し、前記空隙内でラジアル方向に移動可能な磁性材を具備することを特徴とする永久磁石型回転電機。
【請求項２】
前記空隙部のロータ軸芯に直交する平面での断面形状が、軸芯側に開口したテーパ形状を含むことを特徴とした請求項１記載の永久磁石型回転電機。
【請求項３】
前記ロータの各極の永久磁石が、一対の平板状の永久磁石をＶ字型に組み合わせたものであり、そのＶ字型の頂点をロータの軸芯側に向けて配設することを特徴とする請求項１または請求項２記載の永久磁石型回転電機。
【請求項４】
前記磁性体の前記空隙内での位置を機械的に調整する機構を備えることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の永久磁石型回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、永久磁石を界磁に用いる永久磁石型回転電機に係り、特に弱め界磁制御を行う回転子構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の永久磁石型回転電機は、ステータの円周に沿って複数配置された電機子巻線に供給する電流を制御することにより発生する回転磁界と、ロータの円周に沿って複数配置された永久磁石が発生する界磁磁束との相互作用により所望の回転数でロータを回転させている。ところで、ロータ側の界磁形成に永久磁石を用いた場合、永久磁石によって形成される磁界磁束が一定であり、前記電機子巻線に鎖交する磁束が一定であるため、ロータの回転数に比例して電機子巻線に発生する逆起電圧が高くなる。ここで、電機子巻線に回転磁界を発生させる電源電圧に対して逆起電圧がある程度高くなると、電機子巻線に供給される電流が減少するためトルクが低下し、最高回転数が低く抑えられてしまう。従って、一般に永久磁石型回転電機の駆動最高回転数は電源電圧により制限されている。
【０００３】
電気自動車やハイブリッド自動車等の駆動用途に永久磁石型回転電機を使用する場合、高効率であることともに、前記電源電圧の制限下で高トルクかつ高速回転数での運転が要求される。
従来、このような基底回転数以上の高速回転を得るために、電流ベクトル制御によりｄ軸電流を電機子巻線に流して、界磁に逆向きの磁界を印加し界磁の磁束量を低減させる、いわゆる弱め界磁制御が行われている。この弱め界磁を行うことにより前記電機子巻線と鎖交する界磁束を減らすことで、電機子巻線で発生する逆起電圧を低減することが可能になり、前記電源電圧の制限下で電機子巻線に回転磁界を発生するための電流を流し続けることが可能になる。その結果、高速域までロータを回転させることができる。
【０００４】
電機子巻線に弱め界磁電流を通電することなく弱め界磁制御を行う方法がいくつか開示されている。特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４および特許文献５は、ロータの磁石装着部近くのスリットに、移動可能な磁気短絡部を形成して、回転子構造の変化により弱め界磁効果を得る永久磁石型電動機を開示している。この方法によると前記磁気短絡部の移動により永久磁石を通る磁束をロータ内部に閉じ込め、電機子巻線と鎖交する界磁束を減少させることができる。
【０００５】
特許文献６は、永久磁石を有した円筒形のロータの内周面に対面する外周面を有して回転自在に配設されて、前記径外側ロータに対する相対角度位置により界磁界調整を行う磁気突極型の径内側ロータを備えた永久磁石型回転電機を開示している。この径内側ロータは界磁束の経路をなし、径外側ロータに対する相対角度位置を調整することにより、電機子巻線と鎖交する界磁束を減少させることができる。
また、特許文献７は、ステータを通過する磁束の経路上の磁気抵抗調整用の開口部に内挿された回転可能な透磁率異方性を有する調整プラグを内挿して、ステータ構造の変化により弱め界磁効果を得る永久磁石型電動機を開示している。この調整プラグの角度を調整することにより、電機子巻線と鎖交する界磁束を減少させることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−９３８４６号公報
【特許文献２】
特開平１１−２７５７８７号公報
【特許文献３】
特開平１１−２７５７８８号公報
【特許文献４】
特開平１１−２７５７８９号公報
【特許文献５】
特開平１１−３５５９８８号公報
【特許文献６】
特開２００２−５８２２３号公報
【特許文献７】
特開平９−２３３８８７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の弱め界磁電流を流して弱め界磁を行う技術では、電機子巻線に弱め界磁電流分の銅損が発生してしまう。この銅損は、電機子巻線の抵抗値に比例し、また弱め界磁電流値の２乗に比例して大きくなるため、回転電機のエネルギ効率が低下するという問題があった。
【０００８】
電機子巻線に弱め界磁電流を通電することなく弱め界磁制御を行う従来の方法についても問題があった。上記の磁気短絡部を用いる技術では、磁気短絡状態と非短絡状態の磁気短絡部を流れる磁束の変化が大きく、磁気短絡状態から非短絡状態に変化させるためには、磁気短絡部の移動に大きな駆動力が必要であり、ロータが速度変動あるいは急加減速しながら回転するときには磁束量が変動又は振動してしまい、ハンチングを起こしやすいという問題があった。
【０００９】
また、上記の径内側ロータを用いる技術では、磁気突極型を有する径内側ロータと径外側ロータの間の磁気抵抗が両ロータの相対角度に対して線形な関係にないために、弱め界磁制御が複雑となりロータが速度変動あるいは急加減速しながら回転するときには磁束量が変動又は振動してしまい、ハンチングを起こしやすいという問題があった。
【００１０】
また、上記の調整プラグを用いる技術では、プラグに用いる透磁率異方性を有する材料の角度による透磁率差よりも、ロータとステータ間の空隙部の磁気抵抗が非常に大きいために、プラグの角度調整によるロータの永久磁石からステータを流れる磁束の磁気回路の磁気抵抗の変動が小さく、十分な弱め界磁を行うことができないという課題があった。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、動作信頼性に優れ、弱め界磁電流を電機子巻線に流すことなく弱め界磁制御が可能な永久磁石型回転電機を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の電機子巻線が巻装され回転磁界を形成するステータと、前記電機子巻線と鎖交する界磁束を形成する複数極の永久磁石を有して前記ステータの内周面と対面しつつ回転するロータとを備える永久磁石型回転電機において、前記ロータの永久磁石より軸芯側で隣り合う極の永久磁石の間に設けた空隙部を有し、前記空隙内でラジアル方向に移動可能な磁性材を具備することを特徴とする。
この構成によれば、Ｎ極の永久磁石により出た界磁束は電機子巻線およびステータコアを通過し、Ｓ極の永久磁石から、前記空隙部および空隙内の磁性体を経てＮ極の永久磁石に還流する磁気回路を形成する。空隙内の磁性体の位置を移動させて、空隙部および磁性体がなす磁気抵抗を調整することにより、前記磁気回路の磁気抵抗を変化させて、電機子巻線と鎖交する界磁束を調整することができる。
【００１３】
また、請求項２記載の構成によれば請求項１記載の永久磁石型回転電機において更に、前記空隙部のロータ軸芯に直交する平面での断面形状が、軸芯側に開口したテーパ形状を含むことができる。
この構成によれば、空隙内の当該テーパ面に接するように配設した磁性体を軸芯側に移動させることにより、テーパ面と磁性体との間の空気層の厚みを容易に増加させることができ、磁性体の移動距離に線形に磁気抵抗を調整できる。
【００１４】
また、請求項３記載の構成によれば請求項１〜２記載の永久磁石型回転電機において更に、前記ロータの各極の永久磁石が、一対の平板状の永久磁石をＶ字型に組み合わせたものであり、そのＶ字型の頂点をロータの軸芯側に向けて配設することができる。
この構成によれば、ロータの１極当りの表面積に対して永久磁石の表面積を増加させることにより界磁束を増加できるとともに、高速回転時には空隙内の磁性体の位置を調整して界磁束を電機子巻線に弱め界磁電流を流すことなく低減させることができ、電機自動車やハイブリッド自動車の駆動用途等に要求される回転電機の体格小型化および高トルク化が実現可能である。
【００１５】
また、請求項４記載の構成によれば請求項１〜３記載のいずれかの永久磁石型回転電機において更に、前記磁性体の前記空隙内での位置を機械的に調整する機構を備えることができる。
この構成によれば、回転電機の電源装置等の制御に従い、運転モードに合わせて空隙内の磁性体の位置を機械的に移動して、空隙部および磁性体がなす磁気抵抗を調整し、電機子巻線と鎖交する界磁束を調整することができる。例えば、回転電機を基底回転数以上の高速回転数に加速する場合には、磁気抵抗が増加する方向に空隙内の磁性体の位置を移動させ界磁束を減少させることで、電機子巻線で発生する逆起電圧を低減し、電源電圧の制限下で電機子巻線に回転磁界を発生するための電流を流し続けることが可能になり、高速域までロータを回転させることができる。逆に、回転電機を高速回転数から減速する場合には、磁気抵抗が減少する方向に空隙内の磁性体の位置を移動させ界磁束を増加させることで、同じ回転数に対するトルクを増加させることができる。
【００１６】
また、ハイブリッド自動車の駆動用途に応用した場合のエンジン駆動時等において、電機子巻線に回転電流を流さない状態で空転する時の引き摺り損失が問題となる場合には、界磁束を減少させる方向に空隙内の磁性体の位置を移動させ、ステータの磁束密度を低下させることによりステータに発生する鉄損を低減できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の永久磁石型回転電機の実施形態について、図面を参照して以下に説明する。
本発明の第１の実施形態である永久磁石型回転電機の構造を、図１の軸方向断面の模式説明図を参照して以下に示す。なお、永久磁石回転電機を運転するためには、電気配線、回転位置検出器、電源装置、制御装置等が必要であるが、図１では省略している。
【００１８】
まず構成について説明する。１はステータ、２はロータ、３はハウジング、４は軸受け、５はシャフト、１６は磁性体移動機構である。
ステータ１は、電磁鋼板を打抜き積層したステータコア６に電機子巻線７を巻装してなり、ハウジング３に対して固定されている。
ロータ２は、電磁鋼板を打抜き積層したロータコア８と、ロータコア８の内部に埋設された永久磁石９とにより構成されており、中間支持シリンダ１５およびロータ支持シリンダ１４を介してシャフト５に嵌合、固定されている。シャフト５は軸受け４を介してハウジング３に支持されている。ロータ２の軸方向両端には、非磁性材からなるロータエンドリング１３が装着されている。ロータ２の断面模式説明図を図２に示す。
【００１９】
ロータコア８の外周部には、ロータの径方向に着磁された８個の永久磁石９が、ロータ表面に沿って極性交互に並ぶように埋設されている。隣接する永久磁石９の間には、磁束の漏れを制限するフラックスバリア１２の穴が軸方向に貫設されている。
永久磁石９より軸芯側で、隣り合う極の永久磁石９の間に空隙部１０が軸方向に貫設されており、空隙部１０の中に移動磁性体１１が配設されている。移動磁性体１１は、磁性体移動機構１６の一部をなすアーム１９により中間支持シリンダ１４に支持されており、アーム１９の動きにより空隙部１０の内部を移動できる。磁性体移動機構１６を、図１で説明する。
【００２０】
磁性体移動機構１６は、移動磁性体１１と中間支持シリンダ１４とを回転自在に結合するアームｃ１９とアームｂ１８、移動磁性体１１と中間支持シリンダ１４およびシャフト５に沿って軸方向に移動可能なスライダ２２とを回転自在に結合するアームａ１７、スライダ２２にボールベアリングを介して接しハウジング３に軸方向に移動可能に支持された駆動ピン２０、駆動ピン２０とアクチュエータ２４を回転自在に結合する駆動アーム２１、およびアクチュエータ２４からなる。スライダ２２は、ロ−タ２およびシャフト５とともに回転するが、駆動アーム２０はハウジング３に支持されて回転しない。
【００２１】
次に基本動作について説明する。図１に記載されていない制御装置からの信号により、アクチュエータ２４が信号に指示された距離だけ駆動アーム２１を押圧すると、駆動ピン２０がスライダ２２を軸方向に変位させ、アームａ１７により移動磁性体１１を軸芯方向に移動させる。移動磁性体１１はアームａ１７、アームｂ１８およびアームｃ１９の作用により、パンタグラフの原理で軸方向に並行な状態で移動可能である。
【００２２】
ロータ２の表面に隣接して埋設された異極の永久磁石９の発生する界磁により、移動磁性体１１はロータ２の外周側に引き寄せられ、さらに遠心力により移動磁性体は外周側に引き寄せられるため、移動磁性体１１を軸芯側に移動させるためには強い牽引力が必要である。この強い牽引力をえるために、アームａ１７および駆動アーム２１には梃子の原理による増力構造を組み込んでいる。移動磁性体１１がロータ２の外周側に引き寄せられる結果、スライダ２２は常に駆動ピン２０に押圧力を作用させるため、スライダ２２を押圧しているバネ２３の力は強力でなくとも良い。
【００２３】
アクチュエータ２４が押圧力を発生していない時、移動磁性体１１は空隙部１０内で上記した界磁および遠心力により外周側に押し付けられ、ロータコア８との間の空気層は最小となる。隣接する異極の永久磁石９をつなぐ軸芯側の磁束の通り道（磁路）には、ロータコア８と移動磁性体１１との間の空隙が最小となっていることから、磁気抵抗が低い状態となり、界磁束は増加する。
【００２４】
一方、アクチュエータ２４が押圧力を発生した時、移動磁性体１１はアクチュエータの移動量に比例した距離を軸心側に引き寄せられ、隣接する異極の永久磁石９をつなぐ軸芯側の磁路には、ロータコア８との間に移動距離に応じた厚みの空気層が形成される。空気層の磁気抵抗はロータコア８を形成する電磁鋼板に比べて数千倍から数万倍高く、上記移動量に応じて磁気抵抗が増加し、界磁束は低減する。
このように、空隙部１０の中に配置した移動磁性材１１の位置を磁性体移動機構１６により調整することにより界磁束を調整することが可能である。
【００２５】
次に本発明の第２の実施形態を図３に示す。構成は図１と同様であるが、ロータ２の永久磁石９の埋設状態が異なるものである。
ロータコア８の外周部には、平板状の同じ方向に着磁された永久磁石９ａと９ｂをＶ字型に組み合わせてＶ字型の頂点をロータ２の軸芯側に向け、ロータ表面に沿って極性交互に並ぶように埋設されている。空隙部１０を間に挟み、実施例１と同様の８極の界磁を形成する。各永久磁石９ａと９ｂの間には、磁束の漏洩を制限するためのフラックスバリアの穴が軸方向に貫設されている。他の構成は第１の実施形態と同じである。
【００２６】
第２の実施形態の永久磁石９ａと９ｂを組み合わせた構成によれば、ロータ２の１極当りの表面積に対して永久磁石９の合計表面積を増加させることにより界磁束を増加でき、本発明による電機子巻線に弱め磁界電流を流すことなく弱め磁界制御が可能であることを活用して、同じトルクでは永久磁石式回転電機の小型化が可能であり、同じ回転電機体格では高トルク化が可能である。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、ロータに界磁束を形成する永久磁石を埋設するとともに、永久磁石より軸芯側に空隙部を有し、この空隙部の中に移動可能な磁性材を備え、この磁性材の位置を機械的に調整して電機子巻線と鎖交する界磁束を制御できる。従って、電機子巻線に弱め磁界電流を流すことなく弱め磁界制御が行われ、回転電機の基底回転数以上の高速回転時における銅損低減によるエネルギ効率向上が可能となる。
また、本発明によれば、電機子巻線に電流を流さない空転時においても弱め磁界制御が可能であり、引き摺り損失の低減が可能となる。
また、本発明によれば、弱め磁界電流によりエネルギ効率を劣化させることなく界磁束を増加することが可能となるため、回転電機の小型化あるいは高トルク化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態である永久磁石型回転電機の軸方向断面模式説明図。
【図２】第１の実施形態である永久磁石方回転電機のロータ断面模式説明図。
【図３】第２の実施形態である永久磁石方回転電機のロータ断面模式説明図。
【符号の説明】
１：ステータ、２：ロータ：、３：ハウジング、４：軸受け、５：シャフト、６：ステータコア、７：電機子巻線、８：ロータコア、９：永久磁石、１０：空隙部、１１：移動磁性体、１２：フラックスバリア、１３：ロータエンドリング、１４：ロータ支持シリンダ、１５：中間支持シリンダ、１６：磁性体移動機構、１７：アームａ、１８：アームｂ、１９：アームｃ、２０：駆動ピン、２１：駆動アーム、２２：スライダ、２３：バネ、２４：アクチュエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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