JP2003009486A

JP2003009486A - 可変速電動機

Info

Publication number: JP2003009486A
Application number: JP2001193514A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Mizogami; 良一溝上
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2003-01-10

Abstract

(57)【要約】【課題】ダブルアーマチャ方式の各電機子上での相対
的周方向位置を可変にしてｄ軸電流無しの弱め界磁効果
を得ると共に、弱め界磁による電気的な制約を無くして
設計の自由度を高めること。【解決手段】各電機子に巻回された巻線群のうち各相
毎の巻線を該電機子間で直列接続し、かつ、該直列接続
された各相毎の巻線の各電機子上での回転磁界を発生す
るための周方向電気角位置を相対的に移動して配置する
ことによって、各電機子上で鎖交する磁界の合成値が、
最大値とならず互いに弱め合うように制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばダブルアー
マチャ方式の可変速永久磁石電動機に適用可能な、可変
速電動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】永久磁石を用いた可変速電動機では、誘
起電圧は回転数に比例して高くなる。全回転領域で一定
トルクあるいは回転数が上がるとトルクが大きくなるよ
うな負荷の場合、全領域あるいは最高回転時に負荷電流
が最も大きくなるので、最高回転時の端子電圧が印加可
能な電圧を超えないように設計することによって、最高
回転時に最大出力、最大電圧、最大電流となるような機
器構成にすることができる。つまり、必要となる電源容
量は電動機の最大容量とほぼ同程度にすることが可能で
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、回転が上がる
につれトルクが小さくなるような負荷、例えば電気自動
車のように高速回転領域では一定出力のような場合、一
般的に端子電圧の最大値は最高回転時になるが、負荷電
流の最大値は最高回転値とはならない。つまり、最大電
圧×最大電流で決まる電源容量は、電動機の最大容量に
対して大きくなってしまい、電源部のコストが大きくな
る。

【０００４】このことを避けるため、電動機にｄ軸電流
を通電し端子電圧を下げる「弱め界磁制御」を行うこと
がある。突極性や逆突極性を持つ埋め込み磁石式のよう
な電動機の場合、ｄ軸電流もある程度はトルクに関与す
るが、ほとんどの表面磁石式の電動機の場合、トルクに
関与するのは、ｑ軸電流のみであり、ｄ軸電流は「弱め
界磁」のためだけに用いられる。したがって、このｄ軸
電流は、電動機や電源部での損失を増加させ、効率を低
下せしめるものとなる。

【０００５】また、ｄ軸電流による弱め界磁では、効率
よく端子電圧を下げるためには、ｄ軸同期インダクタン
スに適切な範囲が存在するため、設計の制約になること
がある。

【０００６】そこで、本発明の目的は、ダブルアーマチ
ャ方式の各電機子上での相対的周方向位置を可変にして
ｄ軸電流無しの弱め界磁効果を得ると共に、弱め界磁に
よる電気的な制約を無くして設計の自由度を高めること
が可能な、可変速電動機を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、永久磁石を用
いた可変速電動機であって、前記永久磁石を有する回転
子と、前記回転子を回転させるための回転磁界を発生す
る複数相の巻線からなる巻線群を有する複数の電機子と
を具え、前記各電機子に巻回された巻線群のうち各相毎
の巻線を該電機子間で直列接続し、かつ、該直列接続さ
れた各相毎の巻線の各電機子上での回転磁界を発生する
ための周方向電気角位置を相対的に移動して配置するこ
とによって、各電機子上で鎖交する磁界の合成値が、最
大値とならず互いに弱め合うように制御することによっ
て、可変速電動機を構成する。

【０００８】ここで、前記磁界の合成値が最大値となら
ず互いに弱め合うように制御することによって、ｄ軸電
流無しの弱め界磁を行うことができる。

【０００９】直列接続された各相毎の巻線の一方又は両
方の電機子上での周方向電気角位置を、電気角δ＝０°
〜１８０°の範囲内で相対的に移動して配置してもよ
い。

【００１０】直列接続された各相毎の巻線の電機子上で
の周方向電気角位置が電気角δだけ移動したときの合成
電圧の大きさＶｏは、該電機子上での周方向電気角位置
が電気角δ＝０の重なっているときの合成電圧をＶとし
たとき、Ｖｏ＝２×ｃｏｓ（δ／２）×Ｖとしてあらわ
してもよい。

【００１１】回転子の回転数に応じて、前記直列接続さ
れた各相毎の巻線の電機子上での周方向電気角位置を相
対的に移動して配置してもよい。

【００１２】低速回転時では、前記直列接続された各相
毎の巻線の電機子上での周方向電気角位置を一致させて
相対的なずれを無くした状態で運転し、高速回転時で
は、各相毎の巻線の合成電圧が印加可能な電圧を越える
場合は、各相毎の巻線の電機子上での周方向電気角位置
を相対的に移動して合成電圧を下げ、印加可能な電圧値
を越えないような状態で運転してもよい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を詳細に説明する。

【００１４】［第１の例］本発明の第１の実施の形態
を、図１〜図７に基づいて説明する。

【００１５】（可変速電動機の構成）まず、本発明に適
用可能な可変速電動機の構成例について説明する。

【００１６】図５および図６は、可変速電動機として、
ダブルアーマチャ方式の永久磁石電動機の構成例を示
す。

【００１７】図５は、ラジアルギャップ機１であり、表
面磁石型となっている。

【００１８】１１は、外周側に配置される固定子鉄心
（以下、電機子という）である。１２は、内周側に配置
される固定子鉄心（以下、電機子という）である。１３
は、電機子１１，１２間に配置された回転子鉄心（以
下、回転子という）である。回転子１３の両面には、永
久磁石１５（Ｎ極、Ｓ極）が複数対取付けられている。

【００１９】電機子１１，１２の溝１１ａ，１２ａに
は、後述する図１に示すように、各相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ
相）毎の巻線２０が巻回されている。この場合、各電機
子１１，１２に巻回された巻線群のうち、各相毎の巻線
２０は、電機子１１，１２間で直列に接続され、かつ、
この直列に接続された各相毎の巻線２０の電機子１１，
１２上での周方向電気角位置は相対的に電気角δ（後述
する図１参照）だけずらして配置されている。

【００２０】図６は、軸方向に空隙面を持つアキシャル
ギャップ機２であり、表面磁石型となっている。この場
合にも、各Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相毎の巻線２０は電機子１
１，１２間で直列に接続され、かつ、電機子１１，１２
上での周方向電気角位置は相対的に電気角δ（後述する
図１参照）だけずらして配置されている。なお、基本的
な構成要素は、図５と同様であり、同一部分について
は、同一図番を使用し、その説明は省略する。

【００２１】（軸電流）図７は、本電動機と軸電流（ｄ
軸，ｑ軸）との関係を示す。図７（ａ）に示すように、
ｄ軸電流とは、永久磁石１５の中心軸上に磁束を発生さ
せる電流をいう。図７（ｂ）に示すように、ｑ軸電流と
は、永久磁石１５の間の軸上に磁束を発生させる電流を
いう。これらｄ軸電流、ｑ軸電流を、図５および図６中
に対応させて示しておく。

【００２２】（電機子巻線の配置）次に、上記ダブルア
ーマチャ方式の永久磁石電動機を用いて、本発明に係る
電機子巻線の配置について説明する。

【００２３】図１は、本発明に係る電機子巻線の周方向
電気角位置を相対的に電気角δだけずらした場合の配置
関係を示す。図２は、図１に対応した各相の電機子巻線
に誘起される電圧波形、および、合成電圧波形を示す。
また、本例では、説明を容易化するために、比較例とし
て図３および図４を用いる。図３は、周方向電気角位置
をずらさない一般的な電機子巻線の配置関係を示す。図
４は、図３に対応した各相の電機子巻線に誘起される電
圧波形、および、合成電圧波形を示す。

【００２４】以下、一般的な例である図３、図４につい
て説明し、その後、本発明に係る図１、図２について説
明する。

【００２５】図３は、２層巻きの場合の一般的な３相巻
線（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の配置例である。

【００２６】ダブルアーマチャ方式の場合、それぞれの
電機子１１（Ａ側）、電機子１２（Ｂ側）の巻線群は、
巻線効率を大きくするために、周方向Ｘで揃った位置に
配置するのが一般的である。例えば、Ｕ相巻線におい
て、Ａ側電機子１１の＋Ｕ巻線の配置位置と、Ｂ側電機
子１２の＋Ｕ巻線の配置位置とは、周方向電気角位置の
基準位置Ｘ１で一致している。

【００２７】図４（ａ）は、図３のＡ側電機子１１のＵ
相巻線の誘起電圧Ｕ_Ａの波形を示す。図４（ｂ）は、図
３のＢ側電機子１２のＵ相巻線の誘起電圧Ｕ_Ｂの波形を
示す。これにより、誘起電圧Ｕ_Ａ，Ｕ_Ｂのそれぞれの電
圧波形は、大きさ、位相ともに揃ったものとなる。

【００２８】このように電機子上での周方向電気角位置
（Ｘ方向）が一致し、かつ、Ａ側電機子１１のＵ相巻線
とＢ側電機子１２のＵ相巻線とが直列に接続された場合
における合成電圧Ｖｏは、図４（ｃ）のように、誘起電
圧（Ｕ_Ａ又はＵ_Ｂ）の２倍の大きさの電圧となる。

【００２９】また、この誘起電圧は回転数に比例した大
きさとなるため、回転数が高く誘起電圧が大きくなり過
ぎた際には、端子電圧を低くする「弱め界磁制御」をす
ることになるが、この制御の場合、永久磁石の磁束を打
ち消す向きにｄ軸電流を流す必要がある。

【００３０】図１は、Ａ側電機子１１，Ｂ側電機子１２
の巻線群を、電気角でδだけずらして配置した場合の構
成を示す。例えば、Ｕ相巻線において、Ａ側電機子１１
の＋Ｕ巻線の配置位置での基準位置Ｘ２と、Ｂ側電機子
１２の＋Ｕ巻線の配置位置での基準位置Ｘ３とは、周方
向電気角位置で電気角δだけずれている。

【００３１】図２（ａ）は、Ｕ相巻線の誘起電圧Ｕ_Ａを
示す。図２（ｂ）は、Ｕ相巻線の誘起電圧Ｕ_Ｂを示す。
このように電気角δだけずらしたことにより、誘起電圧
Ｕ_Ａ，誘起電圧Ｕ_Ｂは、大きさは同じであるが、位相が
δだけずれた波形となる。

【００３２】このように電機子上での周方向電気角位置
（Ｘ方向）が電気角δだけずれ、かつ、Ａ側電機子１１
のＵ相巻線とＢ側電機子１２のＵ相巻線とが直列接続さ
れた場合の合成電圧（端子電圧）Ｖｏは、図２（ｃ）に
示すように、Ｖｏ＝２×ｃｏｓ（δ／２）×Ｖｕの電圧
となる。ただし、電圧Ｖｕは、周方向電気角位置をずら
す前の一致した状態でのＵ相巻線の合成電圧（図４
（ｃ）参照）である。

【００３３】従って、直列接続された各相毎の巻線の一
方又は両方の電機子上での周方向電気角位置を、電気角
δ＝０〜１８０°の範囲内で移動できるような構造とす
ることによって、誘起電圧を片側の電機子巻線に誘起す
る電圧の０〜２倍の範囲で自由に調整することが可能と
なる。つまり、このことは、ｄ軸電流無しで、任意に
「弱め界磁制御」が可能であることを意味する。

【００３４】［第２の例］本発明の第２の実施の形態
を、図８に基づいて説明する。なお、前述した第１の例
と同一部分についてはその説明を省略し、同一符号を付
す。本例では、電機子１１，１２上での周方向電気角位
置における電気角δを、運転状態に応じて自由に可変す
る制御例である。

【００３５】図８は、一般的な電気自動車の負荷トルク
パターンを示す。低速領域では一定トルク運転となり、
高速領域では一定出力運転となる。

【００３６】従って、このような低速・高速の運転状態
を周知の検出装置を用いて検出し、この検出結果に基づ
いて、低速の一定トルク領域３０では、各相毎に各巻線
位置を揃えて巻線効率を大きくした状態で運転し、一
方、高速の一定出力領域３１では、巻線の端子電圧が印
加可能な電圧を越える場合は、各相毎に各巻線位置を電
気角δだけずらして端子電圧を下げ、印加可能な電圧値
を越えないように制御する。

【００３７】このような制御によって、ｄ軸電流を流さ
ずに弱め界磁効果を得ることができるので、電源の容量
を小さく抑え、ｄ軸電流による損失の増加も無くすこと
ができ、さらには、設計時の弱め界磁での同期インダク
タンスの制約も無い電動機を構成することが可能とな
る。

【００３８】また、変形例として、１つの直列回路の中
に、少なくとも１組以上のＡ側電機子１１とＢ側電機子
１２との間で巻線の直列接続を行うことにより、各相毎
に巻線の並列化接続を行うことが可能となる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
永久磁石を有する回転子と、回転子を回転させるための
回転磁界を発生する複数相の巻線からなる巻線群を有す
る複数の電機子とを備えたような例えばダブルアーマチ
ャ方式の可変速電動機において、各電機子に巻回された
巻線群のうち各相毎の巻線を該電機子間で直列接続し、
かつ、該直列接続された各相毎の巻線の各電機子上での
回転磁界を発生するための周方向電気角位置を相対的に
移動して配置することによって、各電機子上で鎖交する
磁界の合成値が、最大値とならず互いに弱め合うように
制御したので、ｄ軸電流を流さずに弱め界磁運転を行う
ことが可能となり、これにより、電源の容量を小さく抑
え、ｄ軸電流による損失を無くすと共に、弱め界磁によ
る同期インダクタンスの電気的制約を無くして設計の自
由度を高めることが可能となる。

【００４０】また、本発明によれば、低速回転時では、
直列接続された各相毎の巻線の電機子上での周方向電気
角位置を一致させて相対的なずれを無くした状態で運転
し、高速回転時では、各相毎の巻線の合成電圧が印加可
能な電圧を越える場合は、各相毎の巻線の電機子上での
周方向電気角位置を相対的に移動して合成電圧を下げ、
印加可能な電圧値を越えないような状態で運転するよう
にしたので、負荷の状態に応じて最適な運転制御を行う
ことができ、電力の利用効率を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態である、電機子巻線
の周方向電気角位置を相対的にずらした場合の配置関係
を示す断面図である。

【図２】図１に対応した各相の電機子巻線に誘起される
電圧波形、および合成電圧波形を示す波形図である。

【図３】周方向位置をずらさない一般的な電機子巻線の
配置関係を示す断面図である。

【図４】図３に対応した各相の電機子巻線に誘起される
電圧波形、および合成電圧波形を示す波形図である。

【図５】ダブルアーマチャ方式の永久磁石電動機として
のラジアルギャップ機を示す斜視図である。

【図６】ダブルアーマチャ方式の永久磁石電動機として
のアキシャルギャップ機を示す斜視図である。

【図７】軸電流を示す説明図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態である、一般的な電
気自動車の負荷トルクパターンを示す説明図である。

【符号の説明】

１ラジアルギャップ機２アキシャルギャップ機１１固定子鉄心Ａ（電機子）１１ａ溝１２固定子鉄心Ｂ（電機子）１２ａ溝１３回転子鉄心１４永久磁石２０巻線３０定トルク領域３１定出力領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】永久磁石を用いた可変速電動機であっ
て、前記永久磁石を有する回転子と、前記回転子を回転させるための回転磁界を発生する複数
相の巻線からなる巻線群を有する複数の電機子とを具
え、前記各電機子に巻回された巻線群のうち各相毎の巻線を
該電機子間で直列接続し、かつ、該直列接続された各相
毎の巻線の各電機子上での回転磁界を発生するための周
方向電気角位置を相対的に移動して配置することによっ
て、各電機子上で鎖交する磁界の合成値が、最大値とならず
互いに弱め合うように制御したことを特徴とする可変速
電動機。
【請求項２】前記磁界の合成値が最大値とならず互い
に弱め合うように制御して、ｄ軸電流無しの弱め界磁を
行うことを特徴とする請求項１記載の可変速電動機。
【請求項３】前記直列接続された各相毎の巻線の一方
又は両方の電機子上での周方向電気角位置を、電気角δ
＝０°〜１８０°の範囲内で相対的に移動して配置した
ことを特徴とする請求項１又は２記載の可変速電動機。
【請求項４】前記直列接続された各相毎の巻線の電機
子上での周方向電気角位置が電気角δだけ移動したとき
の合成電圧の大きさＶｏは、該電機子上での周方向電気
角位置が電気角δ＝０の重なっているときの合成電圧を
Ｖとしたとき、Ｖｏ＝２×ｃｏｓ（δ／２）×Ｖとして表されることを特徴とする請求項１ないし３のい
ずれかに記載の可変速電動機。
【請求項５】前記回転子の回転数に応じて、前記直列
接続された各相毎の巻線の電機子上での周方向電気角位
置を相対的に移動して配置したことを特徴とする請求項
１ないし４のいずれかに記載の可変速電動機。
【請求項６】低速回転時では、前記直列接続された各
相毎の巻線の電機子上での周方向電気角位置を一致させ
て相対的なずれを無くした状態で運転し、高速回転時では、各相毎の巻線の合成電圧が印加可能な
電圧を越える場合は、各相毎の巻線の電機子上での周方
向電気角位置を相対的に移動して合成電圧を下げ、印加
可能な電圧値を越えないような状態で運転したことを特
徴とする請求項５記載の可変速電動機。