(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子巻線と固定子鉄心を設置した固定子と、界磁用磁石が設置された回転子と、前記回転子の回転位置検出器と、を有する回転電機において、
相対的に回動する２組の界磁磁極部の各々に回転位置検出のための信号発生手段を備え、
前記信号発生手段は、
両側の界磁磁極部の一方の側面に内側と外側とに隣接して設置されたことを特徴とする可変界磁回転電機。
【請求項２】
前記信号発生手段は、界磁磁極部と同数のＮ極とＳ極が交互にならぶよう設置した永久磁石であることを特徴とする請求項１記載の可変界磁回転電機。
【請求項３】
前記回転位置検出器は、２組の界磁磁極部の回転位置検出のための信号検出手段として２つのホール素子を用いた電気回路を有することを特徴とする請求項１記載の可変界磁回転電機。
【請求項４】
前記回転位置検出器の２つ出力信号より、２組の界磁磁極部の相対角度を検出することを特徴とする請求項１記載の可変界磁回転電機。
【請求項５】
回転速度とトルク指令より、２組の界磁磁極部の相対角度と電流と負荷角の目標値をマップ制御で再現することを特徴とする請求項１の可変界磁回転電機。
【請求項６】
２組の界磁磁極部の相対角度は、回転速度に対しては高回転ほど、トルク指令に対しては低トルクほど大きくするとともに、負荷角は、回転速度に対しては高回転ほど、トルク指令に対しては高トルクほど大きくすることを特徴とする請求項１記載の可変界磁回転電機。
【請求項７】
前記両側の界磁磁極部は、回転子の回転方向に回動することにより２組の界磁磁極部の相対角度を小さくすることを特徴とする請求項１記載の可変界磁回転電機。
【請求項８】
固定子巻線と固定子鉄心を設置した固定子と、界磁用磁石が設置された回転子と、前記回転子の回転位置検出器と、を有する回転電機において、
相対的に回動する２組の界磁磁極部の各々に回転位置検出のための信号発生手段を備え、
前記回転子の界磁磁極部は、軸方向に３分割され、シャフトに固定された中央の界磁磁極部に対し両側の界磁磁極部を回動させる構造となっており、
前記中央の界磁磁極部の回転位置検出のための信号発生手段は前記シャフトに固定され、前記両側の界磁磁極部の回転位置検出のための信号発生手段は前記両側の界磁磁極部の一方に固定されたことを特徴とする可変界磁回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変界磁回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の可変界磁回転電機には、埋込磁石構造の回転子の磁極部を軸方向に３分割し、各々を相対回動することで、回転子の界磁の強さを変化させるものがある（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の図１には、軸方向に３分割され、シャフトに固定された両側の磁極部と、前記磁極部に対し相対回動する中央の磁極部を有し、各々の磁極部には永久磁石が装着されている、従来の可変界磁回転電機が示されている。
反負荷側ブラケットの軸受部には、油圧制御部が設けられ、回転する回転子内部に設けられた油圧機構に油圧を供給し、界磁の強さを変化させることができる。
このように、特許文献１の可変界磁回転電機は、回転子の界磁の強さを変化させることで、可変速範囲の拡大とより高い効率での運転を可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０７４９７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、さらに広範囲高効率運転を推進するため、可変界磁回転電機の最大効率ベクトル制御を実現するには、特に負荷角と電流値の繊細な制御を要求される。そのための情報として、運転状態での界磁の強さは回転速度とトルク指令とともに正確に把握する必要がある。界磁の強さは２組の界磁磁極部の相対角度により決定されるため、前記相対角度を正確に検出することが必要になる。
【０００５】
上記可変界磁回転電機は、回転子の回転位置を検出する手段としてシャフトの端部にエンコーダが取り付けられているものの、２組の界磁磁極部の相対角度を直接検出していない。そのため、油圧制御をもって２組の界磁磁極部の相対角度を、目標値に精密に調整することは困難であった。
【０００６】
そこで、本発明は、２組の界磁磁極部の相対角度を正確に検出することで、さらなる広範囲高効率運転が達成できる可変界磁回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、固定子巻線と固定子鉄心を設置した固定子と、界磁用磁石が設置された回転子と、前記回転子の回転位置検出器と、を有する回転電機において、相対的に回動する２組の界磁磁極部の各々に回転位置検出のための信号発生手段を備え、前記信号発生手段は、両側の界磁磁極部の一方の側面に内側と外側とに隣接して設置されたことを特徴とする可変界磁回転電機が適用される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、２組の界磁磁極部の相対角度を正確に検出することで、さらなる広範囲高効率運転が達成できる可変界磁回転電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る可変界磁回転電機の軸方向断面図である。
【図２】同実施形態に係る中央の界磁磁極部における可変界磁回転電機の径方向断面図である。
【図３】回転子の構造を示す分解状態の斜視図である。
【図４】油圧制御により２組の界磁磁極部を相対的に回動させる構造の説明図である。
【図５】磁極の位置関係を示す説明図である。
【図６】２組の界磁磁極部の相対角度と界磁の強さとの特性図である。
【図７】固定センサマグネットから得られるホール素子の出力信号Ｓｓと回動センサマグネットから得られるホール素子の出力信号Ｓｍの時間軸に対する変化を示す特性図である。
【図８】本実施形態に係る可変界磁回転電機の最大効率ベクトル制御時の制御数値マップ測定例である。
【図９】最大効率ベクトル制御を再現するマップ制御の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、同一の構成については同一の符号を付することにより、重複説明を適宜省略する。
【００１１】
＜第１実施形態＞
まず、図１を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る可変界磁回転電機の構成について説明する。図１は、車両駆動用電動機または発電機に供する、本発明の第１実施形態に係る可変界磁回転電機の軸方向断面図である。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態に係る可変界磁回転電機は、固定子巻線１２と固定子鉄心１３を設置した固定子１０と、界磁用磁石が設置された回転子３０と、前記回転子の回転位置検出器２５とを有する。
固定子巻線１２への通電は、リード線１１を介して行う。固定子鉄心１３は、負荷側ブラケット１６に、固定子締結ボルト１４をもって締結され、反負荷側ブラケット１７は、フレーム１５とともに、図示しないボルトで、負荷側ブラケット１６に締結されている。
回転子３０は、回転子シャフト３４に設置された負荷側軸受１８と反負荷側軸受１９を介して、負荷側ブラケット１６と反負荷側ブラケット１７に回転自在に保持され、反負荷側ブラケット１７に設置された回転位置検出器２５をもって、回転子の回転位置を検出する。
【００１３】
回転子３０の界磁磁極部は、軸方向に３分割され、シャフトに固定された中央の界磁磁極部４５に対し負荷側界磁磁極部４６と反負荷側界磁磁極部４７を油圧で相対的に回動させる構造となっている。
反負荷側ブラケット１７と反負荷側軸受１９には、油圧制御部２２が設けられ、回転子のシャフト３４円筒形部品３５で構成される増磁側油導入路２３と減磁側油導入路２４を通して、負荷側プレート４０と反負荷側プレート４１の間に設けられた油圧室に油圧を供給する。油圧を制御し、負荷側プレート４０と反負荷側プレート４１とにボルト４２をもって連結された受圧プレート３９を円周方向に移動させることにより、両側の界磁磁極部４６，４７を中央の界磁磁極部４５に対し相対的に回動させ、界磁の強さを変化させることができる。
制御に用いられたオイルの一部は、軸受の潤滑に用いられる。負荷側オイルシール２０は、オイルの外部への流出を防ぐ。Ｏリング４３は、油圧室からのオイル漏れを防いでいる。スラストワッシャ４８は、中央の界磁磁極部４５と両側の界磁磁極部４６，４７とが密着することを防いでいる。
【００１４】
回転位置検出器２５への回転位置信号発生手段は、界磁磁極部と同数のＮ極とＳ極が交互にならぶよう設置した永久磁石からなる固定センサマグネット３１と回動センサマグネット３２をもって行う。
シャフトに固定された中央の界磁磁極部４５の回転位置検出のための信号発生手段である固定センサマグネット３１は、シャフトに固定されたセンサマグネットステイ３３に設置されている。回動する両側の界磁磁極部４６，４７の回転位置検出のための信号発生手段である回動センサマグネット３２は反負荷側界磁磁極部４７の側面に、固定センサマグネット３１の外側に隣接して設置されている。
【００１５】
回転位置検出器２５には、固定側と回動側の２組の界磁磁極部の回転位置検出のための信号検出手段として２つのホール素子が、固定センサマグネット３１と回動センサマグネット３２に対向する位置に設置され、２組の界磁磁極部の回転位置を正弦波信号として出力する簡易な電気回路が備えられている。
両側の磁極を中央の磁極に対し回動させる本実施形態によれば、相対的に回動する２組の界磁磁極部の各々に回転位置検出のための信号発生手段を設けることが容易になる。
【００１６】
図２は、本実施形態に係る中央の界磁磁極部における可変界磁回転電機の径方向断面図である。
図２に示すように、固定子１０は、１２個に分割された固定子鉄心１３の各々に空芯コイルである固定子巻線１２を装着して構成されている。
軸方向に３分割された各々の界磁磁極部は、回転子鉄心３８に設けられた略Ｖ字形状をなす永久磁石装着孔に永久磁石３６が着磁方向を対面、または背面するように、永久磁石の径方向外側に隣接する樹脂部品３７と共に装着され、１０極の磁極を構成している。
中央の界磁磁極部はシャフト３４の外周に固定されている。シャフト３４には油圧室３４a が設けられ、両側の界磁磁極部は油圧室に装着された移動自在の受圧プレート３９に一体に締結されているため、油圧室内に油圧を供給し受圧プレートを円周方向に移動させることにより、両側の磁極を中央の磁極に対し回動させることができる。
【００１７】
図３は、回転子の構造を示す分解状態の斜視図である。
図３に示すように、中央の界磁磁極部４５は回転子鉄心３８をもってシャフト３４に固定されている。
シャフトの油圧室３４ａ内に装着された受圧プレート３９と負荷側界磁磁極部４６と反負荷側界磁磁極部４７とは、１０本のボルト４２で一体に締結される。受圧プレート３９にはオイルをシールするためのオイルシール４４が装着されている。
反負荷側界磁磁極部４７には、回動磁極の回転位置検出のための信号発生手段である回動センサマグネット３２が装着され、シャフトには固定磁極の回転位置検出のための固定センサマグネット３１がセンサマグネットステイ３３を介して装着される。
【００１８】
図４は、油圧制御により２組の界磁磁極部を相対的に回動させる構造の説明図である。
界磁を弱める時は、（  a  ）に示すように減磁側油導入孔３４b より油圧室３４a に高圧のオイルを導入し受圧プレート３９を円周方向左周りに移動させることにより、２組の界磁磁極部の相対角度を増加させる。
界磁を強める時は、（  b  ）に示すように増磁側油導入孔３４c より油圧室３４a に高圧のオイルを導入し受圧プレート３９を円周方向右周りに移動させることにより、２組の界磁磁極部の相対角度を減少させる。
【００１９】
図５は、図４で示した各々の状態における磁極の位置関係を示す説明図である。
界磁を弱めた（  a  ）に示す状態では、負荷側界磁磁極部４６と反負荷側界磁磁極部４７は、中央の界磁磁極部４５に対し相対的に大きく回動しているため、磁極同士が相殺して固定子巻線を鎖交する界磁は小さくなる。界磁のＮ極の位置と大きさは、両側の界磁磁極部のＮ極と中央の固定磁極のＮ極の略中央に、２組の磁極の相対的な電気角の内積に相当する大きさで位置することと等価となる。Ｓ極も同様である。
界磁を強めた（  b  ）に示す状態では、負荷側界磁磁極部４６と反負荷側界磁磁極部４７は、中央の界磁磁極部４５と磁極を並べ、界磁は最も強い状態となっている。
【００２０】
固定センサマグネット３１と回動センサマグネット３２は、界磁磁極部と同数のＮ極とＳ極が交互にならぶよう設置した永久磁石である。
固定センサマグネット３１の磁極は中央の界磁磁極部４５に合わせて装着されている。回動センサマグネット３２の磁極は両側の界磁磁極部に合わせて装着されている。そのため、固定センサマグネット３１の磁極を検出すれば、中央の界磁磁極部の磁極の位置を検出でき、回動センサマグネット３２の磁極を検出すれば、両側の界磁磁極部の磁極の位置を検出できる。
【００２１】
両側の界磁磁極部は、回転子の回転方向に回動することにより２組の界磁磁極部の相対角度が小さくなるように設置されている。車両駆動用電動機または発電機に供する可変界磁回転電機の最大効率ベクトル制御を実現するには、後で示すように、小さなトルク指令状態では相対角度を大きくすることが要求され、大きなトルク指令状態では相対角度を小さくすることが要求される。
例えば、車両駆動用回転電機の回転子が右回りに電動機状態で運転している状態を図５に示したとすれば、無負荷に近い小さなトルク指令状態では、２組の界磁磁極部のＮ極とＳ極が引き合い、油圧を要さず（  a  ）に示した２組の界磁磁極部の相対角度が大きい状態に近づく。加速を要する大きなトルク指令状態では、固定子が発する回転電磁力に両側の回動可能な界磁磁極部が引かれるため、その分油圧を要さず（  b  ）に示した２組の界磁磁極部の相対角度が小さい状態となし得る。
【００２２】
図６は、２組の界磁磁極部の相対角度と界磁の強さとの特性図である。
２組の界磁磁極部が並んだ界磁が最も強い状態における誘起電圧定数の大きさを１００％とし、２組の界磁磁極部が相対的に回動した状態での誘起電圧定数の割合を界磁率と呼ぶことにすれば、２組の界磁磁極部の相対角度θに対する界磁率αの特性は、図６に示すようになる。２組の界磁磁極部の相対角度θを０〜１２０°まで変化させることで、界磁率αは１００〜３０％まで変化できることを示している。
【００２３】
図７は、固定センサマグネットから得られるホール素子の出力信号Ｓｓと回動センサマグネットから得られるホール素子の出力信号Ｓｍの時間軸に対する変化を示す特性図である。
図７に示すように、２つの出力信号は、おのおの精度の高い正弦波信号となるようにセンサマグネットの配置等をもって調整されているため、回転位置検出器で検出された信号の大きさにより、２組の界磁磁極部の現在の回転位置が検出できる。
また、信号の周期Ｔｐより回転速度が計算でき、信号の周期Ｔｐに対する回動センサマグネットから得られるホール素子の出力信号の固定センサマグネットから得られるホール素子の出力信号に対する遅れ時間Ｔｒの割合から、回転中の２組の界磁磁極部の相対角度が計算できる。
【００２４】
図８は、本実施形態に係る可変界磁回転電機の最大効率ベクトル制御時の制御数値マップ測定例である。
回転速度と出力割合をそれぞれ横軸と縦軸に取り、（  a  ）は、界磁率を示し、（  b  ）は、２組の界磁磁極部が総合して作り出す磁極位置に対する固定子巻線に通電する３相電流の負荷角を示している。負荷角が大きくなるほど、回転子の磁極に対し固定子が発する回転電磁力が進角するとともに、弱め界磁力が強まる。
図８に示すように、例えば１６０００rev/min，７０％出力時には、界磁率は６９％となるように２組の界磁磁極部の相対角度を調整し、負荷角は７８°で通電すれば、本実施例の回転電機の効率は最大となる。
このマップより次のことが明らかである。可変界磁回転電機効率を最大とするには、界磁率は回転速度に対しては高回転ほど、出力の大きさに対しては低出力ほど小さくするとともに、負荷角は回転速度に対しては高回転ほど、出力の大きさに対しては高出力ほど大きくする制御とすれば良い。
車両駆動用可変界磁回転電機の電気消費率を従来以上に向上するために、前記回転電機を最大効率で駆動することが重要であり、界磁率と負荷角とさらに電流を加えた目標値をマップ制御で再現している。
【００２５】
図９は、最大効率ベクトル制御を再現するマップ制御の説明図である。
車両駆動用可変界磁回転電機の実際の制御においては、便宜上出力をトルク指令に置き換えて、マップ制御を行う。アクセルペダルの踏込みの大きさをトルク指令の大きさに対応させて、回転電機の回転速度Ｎとトルク指令Ｔより、界磁率α，負荷角βと電流Ｉが読み出され、それを目標値としてフィードバック制御により設定された誤差以内に実現する。
具体的には、回転電機の回転速度がＮｍからＮｍ+1の間にあり、トルク指令がＴｎからＴｎ+1の間にあれば、Ｄｍｎの場所からデータが読み出される。Ｄｍｎは界磁率αｍｎ，負荷角βｍｎと電流Ｉｍｎの３つのデータを格納している。回転速度がＮｍ-1からＮｍの間に下がると、Ｄｍ-1ｎの場所からデータが読み出される。制御のためのデータは、回転電機が運転される全ての回転速度とトルク指令に対して準備されている。
界磁率，負荷角と電流の値のなかで、最大効率制御を実現するため繊細な制御を要求される項目は負荷角と電流値である。界磁率はおおよそ達成されれば良いが、界磁率の現状値は回転速度とトルク指令とともに正確に把握する必要があり、２つの磁極の相対的な回動角を検出することにより実現できる。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態に係る可変界磁回転電機は、相対的に回動する２組の界磁磁極部の各々に回転位置検出のための信号発生手段を設けることにより、２組の界磁磁極部の相対角度を正確に検出することができる。そのため、さらなる広範囲高効率運転が達成でき、車両駆動用可変界磁回転電機の電気消費率を従来以上に向上することができる。
【００２７】
以上、本発明の実施形態について説明した。ただし、いわゆる当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記実施形態から適宜変更が可能であり、また、上記実施形態と変更例による手法を適宜組み合わせて利用することも可能である。すなわち、このような変更等が施された技術であっても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない
【００２８】
例えば、上記実施形態では、回転位置検出のための信号発生手段として永久磁石からなる固定センサマグネット３１と回動センサマグネット３２を用いたが、光の透過を利用するもの、透磁率の変化を利用するもの等、他の信号発生手段を使用することも可能である。
また、その配置については、反負荷側界磁磁極部４７の側面に設置した例を示したが、２つの信号発生手段をシャフト上に軸方向に隣接して設置する場合もある。
【００２９】
本発明の可変界磁回転電機は、広範囲高効率運転が可能となるため、車両駆動用に限らず工作機主軸用を初めとする他の一般産業用回転電機用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００３０】
１０    固定子
１１    リード線
１２    固定子巻線
１３    固定子鉄心
１４    ボルト
１５    フレーム
１６    負荷側ブラケット
１７    反負荷側ブラケット
１８    負荷側軸受
１９    反負荷側軸受
２０    負荷側オイルシール
２１    結線部
２２    油圧制御部
２３    増磁側油導入路
２４    減磁側油導入路
２５    回転位置検出器
３０    回転子
３１    固定センサマグネット
３２    回動センサマグネット
３３    センサマグネットステイ
３４    シャフト
３５    円筒形部品
３６    永久磁石
３７    樹脂部品
３８    回転子鉄心
３９    受圧プレート
４０    負荷側プレート
４１    反負荷側プレート
４２    ボルト
４３    Ｏリング
４４    オイルシール
４５    中央の界磁磁極部
４６    負荷側界磁磁極部
４７    反負荷側界磁磁極部
４８    スラストワッシャ
【図１】
0005375858.tif 000002
【図２】
0005375858.tif 000003
【図３】
0005375858.tif 000004
【図４】
0005375858.tif 000005
【図５】
0005375858.tif 000006
【図６】
0005375858.tif 000007
【図７】
0005375858.tif 000008
【図８】
0005375858.tif 000009
【図９】
0005375858.tif 000010