【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石回転電機に関し、特に電機子巻線に発生する誘起起電力を制御するようにした永久磁石回転電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石発電機自体は、回転子に界磁手段として永久磁石を用いるため、界磁巻線による励磁回路が不要であるため構造が簡単であるが、誘起電圧が磁石の磁束量によって決まるため、負荷による端子電圧低下や回転数変動による電圧変動に対して電圧調整ができない。
【０００３】
従来の永久磁石発電機の端子電圧制御には、図８に示すように、インバータ回路による電流ベクトル制御が知られている（非特許文献１参照。）。
【０００４】
図８において、２１は発電機としての永久磁石回転電機、２２はバッテリ、２３はインバータ、２４は電流ベクトル制御を行うインバータ制御回路、２５はエンコーダ、２６は電流検知装置である。
【０００５】
永久磁石回転電機２１は、その回転子をエンジン等により駆動して回転磁界を発生し、電機子巻線に誘起電圧を発生させる。この誘起電圧は、インバータ２３を介してバッテリ２２を充電する。電機子巻線に発生する誘起電圧は回転数に比例するため、回転数が上昇すれば、誘起電圧は上昇し、バッテリ２２の電圧は上昇する。そのため、エンコーダ２５により磁石位置を検出し、電流センサなどの電流検知装置２６にて電機子に流れる電流を検出して、電流値と位相を検知し、バッテリ２２の電圧が一定になるように電機子巻線に流れる電流の位相を変化させるように構成されている。
【０００６】
図９に示すベクトル図を参照してこの動作を説明する。電機子巻線に流れる電流ｉｔ０の位相がｑ軸よりβ０ のとき、電機子反作用でのベクトルＬｄ ｉｄ０及びＬｑ ｉｑ０により、電機子巻線に鎖交する磁束は永久磁石からの磁束Ψａ からΨｔ０になる。電流ｉｔ０のｄ軸成分ｉｄ０は永久磁石磁束Ψａ を消磁させる方向に働く。この電機子巻線磁束Ψｔ０により電圧ｖｔ０が発生する。
【０００７】
電機子巻線電流位相をβ１ にすると、ｄ軸成分ｉｄ１は増加し、ｑ軸成分ｉｑ１は低下するため、電機子巻線磁束Ψｔ１に減少する。そのため、発生電圧ｖｔ１は低下する。これは電流ベクトル制御の一種で弱め磁束制御と呼ばれている。
【０００８】
インバータ制御回路２４はバッテリ２２の電圧を一定にするため、インバータ２３への駆動信号を電機子巻線電流位相を変化させるように制御する。電流位相が、ｄ軸（負）と同一位相のときが最小の発生電圧となる。
【０００９】
また、回転数が低下した場合は、発生電圧が低下し、バッテリ電圧を下回ることになるが、弱め磁束制御と反対方向に電機子巻線電流の位相を制御することで、ｄ軸成分が永久磁石磁束Ψａ を増磁させる方向に働き、発生電圧を上昇させることができる。しかし、この制御も電流位相がｄ軸（正）と同一位相のときが最大の発生電圧となり、実際には制御精度等によりここまでは制御できない。そのため、制御可能回転数が制約される。
【００１０】
【非特許文献１】
Ｔｈｏｍａｓ Ｊｏｈｎｓ 著、「Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｕｎｉｔ＃２ｃＳｔａｒｔｅｒ／Ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ」、ＭＩＴ／Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ ｏｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ／Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ 発行資料、２０００年１０月２４日、ｐ９
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例においては、インバータ２３を流れる電流は電機子巻線電流と同じ電流が流れるため、発電電流が大きくなると、インバータ２３を構成する半導体に電流耐量の大きなものが必要になり、そのため半導体が大型になり、また損失も増加し、しかも高価格でコスト高になるという問題がある。
【００１２】
また、電機子巻線電流位相による制御可能回転数に限界があり、回転数が低下した場合制御が困難になるという問題がある。
【００１３】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、大型の半導体を用いず、また回転数が低下した場合にも電機子巻線電流位相による制御可能回転数が制約されない、小型で、低損失、低コストの永久磁石回転電機を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本願の第１発明の永久磁石回転電機は、電機子巻線群を有する固定子と、永久磁石による界磁極を有する回転子と、電機子巻線群が巻線されている固定子歯部または固定子ヨーク部に巻線され電機子巻線群の巻線数よりも多い巻線数を有する制御巻線群と、制御巻線群に供給する電流を制御する制御回路とを備えたものである。
【００１５】
この構成によって、電機子巻線群の巻線数よりも多い巻線数を有する制御巻線群に供給する電流位相を制御することにより、少ない電流によって効率的に電機子巻線群端子電圧を制御することができ、永久磁石回転電機の電機子巻線の出力端子電圧を一定に制御する場合にも、大型の半導体を用いずに、電機子巻線電流位相による制御が可能となり、小型で、低損失、低コストの永久磁石回転電機を構成することができる。
【００１６】
また、本願の第２発明の永久磁石回転電機は、インバータにて駆動される電機子巻線群と他の電機子巻線群とを有する固定子と、永久磁石による界磁極を有する回転子と、前記他の電機子巻線群が巻線されている固定子歯部または固定子ヨーク部に巻線され前記他の電機子巻線群の巻線数よりも多い巻線数を有する制御巻線群と、制御巻線群に供給する電流を制御する制御回路とを備えたものである。
【００１７】
この構成によって、インバータにて駆動される電機子巻線群とは別に発電用の他の電機子巻線群とを有する永久磁石回転電機においても、他の電機子巻線群に対して制御巻線群と制御回路を設けることによって、上記と同様に大型の半導体を用いずに、また回転数が低下した場合にも、電機子巻線電流位相による制御可能回転数に制約されない制御が可能となり、小型で、低損失、低コストの永久磁石回転電機を構成することができる。
【００１８】
また、以上の永久磁石回転電機において、制御回路は、電機子巻線の出力電圧ピーク値を検出して制御巻線群に供給する電流を制御し、または電機子巻線出力に接続された整流平滑回路の出力電圧を検出して制御巻線群に供給する電流を制御するのが好適であり、また電機子巻線出力に接続された整流回路の出力電流を検出して制御巻線群に供給する電流を制御するのが好適である。
【００１９】
また、制御回路は、制御巻線群に供給する電流を、電流ベクトルにて制御するのが好適である。
【００２０】
また、制御回路が、制御巻線群に供給する電流を、制御巻線群と電機子巻線群とのトランス結合による電力変換にて制御するようにしても良く、そうすることで制御巻線群への電流ベクトル制御による制御範囲を超える場合に電力供給によって制御可能となり、制御範囲を拡大することができる。
【００２１】
また、制御巻線群が磁束の集中する固定子歯部の先端側に巻線されていることで制御性を高めることができる。
【００２２】
また、制御巻線群に供給する電流は、電機子巻線出力に整流回路を介して接続された蓄電部材より供給することもできる。
【００２３】
また、電機子巻線出力を経由する整流回路が制御機能を有するようにすると、電機子巻線群の発生電圧が、制御巻線群への電流制御による制御範囲を超えて過大となる場合に降圧して一定電圧を保持する制御幅を拡大することができる。
【００２４】
また、第２の発明の永久磁石回転電機において、電機子巻線群を駆動するインバータは高圧系バッテリを電源とし、他の電機子巻線出力は整流回路を介して低圧系バッテリに接続されている構成とすることができる。
【００２５】
また、以上の永久磁石回転電機を、車両や風力発電機システムやエンジン発電機に搭載すると、上記作用を奏することで大きな効果を発揮する。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の永久磁石回転電機の各実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２７】
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態の永久磁石回転電機について、図１〜図３を参照して説明する。
【００２８】
図１において、永久磁石回転電機１は、永久磁石５による界磁極を有する回転子４と、電機子巻線群３ａ、３ｂ、及び電機子巻線群３ａと同一部位に巻線される制御巻線６を有する固定子２にて構成されている。回転子４はエンジン８により回転するように構成されている。電機子巻線群３ａの出力端子は負荷９及び制御回路７に接続され、制御巻線群６は制御回路７に接続されている。電機子巻線群３ｂの出力端子は整流回路１０を介してバッテリ１１及び制御回路７に接続されている。
【００２９】
永久磁石回転電機１は、一定速度にて回転するエンジン８により回転子４を回転させる。回転子４に組み込まれた永久磁石５により回転磁界が発生し、固定子２に巻線されている電機子巻線群３ａに電圧が誘起される。電機子巻線群３ａの出力端子に接続された負荷９により電機子巻線群３ａに電流が流れ、電機子反作用により、電機子巻線群３ａの端子電圧は低下する。電機子巻線群３ａは、図２に示すように、固定子歯部２ａに巻回されているが、制御巻線群６も同様に固定子歯部２ａに巻線され、電機子巻線３ａより多い巻線数に設定されている。なお、図２においては、制御巻線群６は固定子歯部２ａの先端側に巻線されており、これにより磁束の集中する先端側に配置することによって制御性を高めることができる。もちろん、この配置に限定されるものではない。
【００３０】
制御回路７には、図８に示した従来例のインバータ２３及びインバータ制御回路２４の機能を有する制御巻線電流変更回路７ａが設けられ、バッテリ１１から制御巻線群６に電流を供給し、また制御巻線群６に供給する電流も検知している。この制御巻線群６に供給する電流は、電機子巻線群３ｂより整流回路１０を介してバッテリ１１に充電されたものである。バッテリ１１の電圧は制御巻線群６に電流を供給するために制御巻線群６の誘起電圧以上にする必要があるが、電機子巻線群３ｂの巻線数をその電圧以上に設定するか、整流回路１０に制御機能を持たせて電機子巻線群３ｂの電圧を昇圧させても良い。
【００３１】
図３のベクトル図を参照して説明する。電機子巻線群３ａに流れている電流ｉｔ１による電機子反作用ベクトルＬｄ ｉｄ１及びＬｑ ｉｑ１にて電機子巻線に鎖交する磁束は、Ψｔ１となり、発生電圧は電圧ｖｔ１となっている。発生電圧をｖｔ０にするには、従来例に電機子巻線電流を直接制御する方法では、電流位相をβ０ にすることで鎖交する磁束をΨｔ０にしているが、本実施形態では制御巻線群６に電流ｉｔｓを流すことで、ｄ軸成分ｉｄｓにより増磁され、鎖交する磁束をΨｔ０にし、この鎖交磁束Ψｔ０により発生電圧がｖｔ０に上昇する。
【００３２】
制御巻線群６に流す電流は、鎖交磁束の差、Ψｔ０−Ψｔ１の部分を発生させるだけでよい。また、制御巻線電流は電機子巻線電流にて制御するときと比較して、制御巻線の巻線数Ｎｓ 、電機子巻線の巻線数Ｎａ とすると、Ｎａ ／Ｎｓ の電流でよい。しかも、制御巻線電流での電機子反作用ベクトルＬｄｓｉｄｓおよびＬｑｓｉｑｓは、電機子巻線電流にて制御するときと比較してＮｓ ／Ｎａ 倍大きくなるため、さらに制御巻線電流は小さくてよい。このように電機子巻線群３ａの端子電圧を検知するピーク電圧検知回路７ｂからの信号及び制御巻線電流検知信号により、制御巻線群６に供給する電流をベクトル制御することで電機子巻線群３ａの端子電圧を一定に制御することができる。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態の永久磁石回転電機においては、従来例のように電機子巻線電流を直接ベクトル制御することなく、制御巻線電流をベクトル制御することで電機子巻線の出力端子電圧を一定に制御することができる。
【００３４】
したがって、永久磁石回転電機の電機子巻線出力端子電圧を一定制御する場合、制御巻線電流のみをベクトル制御することで可能であるため、大型の半導体を用いず、小型で低損失、低価格な永久磁石回転電機及びエンジン発電機を構成することができる。
【００３５】
また、本実施形態においては、永久磁石回転電機として三相集中巻き式の埋め込み磁石型同期電動機の例を説明したが、これに限定されるものではない。
【００３６】
また、本実施形態においては、永久磁石回転電機として１出力の三相集中巻き式の埋め込み磁石型同期電動機の例を説明したが、多出力巻線の場合にも実施可能であり、各々の出力巻線に対して制御回路を設ければ、各々独自に制御可能である。また、巻線界磁式回転電機の多出力巻線にて１出力を巻線界磁の磁束にて制御し、他の巻線を本実施形態の制御巻線電流のベクトル制御にて行うことも実施可能である。
【００３７】
また、本実施形態においては、永久磁石回転電機がエンジンにより回転される例を説明したが、電動機やガスタービンまたは風車にて回転される場合も同様である。
【００３８】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態の永久磁石回転電機について、図４〜図７を参照して説明する。なお、上記第１の実施形態と同じ機能、構成を有するものは同じ参照符号を付して説明を省略する。
【００３９】
図４において、永久磁石回転電機１は、永久磁石５による界磁極を有する回転子４と、インバータ１３により駆動される電機子巻線群３ｂ、整流回路１０を介して低圧系のバッテリ１１に接続された他の電機子巻線群３ａ、及び他の電機子巻線３ａと同一部位に巻線された制御巻線群６を有する固定子２にて構成されている。
【００４０】
回転子４は車両のエンジン８により回転され、若しくは逆にエンジン８を起動する。インバータ１３は高圧系バッテリ１２を電源としている。制御巻線群６は、制御回路７に接続されている。制御回路７は、バッテリ１１に接続された電圧検知回路７ｃと制御巻線群６に接続された制御巻線電流変更回路７ａを備えている。
【００４１】
永久磁石型回転電機１は、交叉点等でのアイドリングストップ後の始動や高速運転での加速力アップ時のエンジンアシスト動作時に、高圧系バッテリ１２を電源とし、インバータ１３により駆動される電機子巻線群３ｂにて電動機として動作する。また、ブレーキ時や高速回転時などには発電機として動作し、高圧系バッテリ１２に充電する。
【００４２】
他の電機子巻線群３ａは、回転子４からの回転磁界により常時発電機として動作し、整流回路１０を介して低圧系のバッテリ１１を充電する。その際、制御回路７の電圧検知回路７ｃにてバッテリ１１の電圧を検知し、その電圧が一定になるように制御巻線電流変更回路７ａにより高圧系バッテリ１２から制御巻線群６に流れる電流を制御する。この制御巻線電流をベクトル制御することで、他の電機子巻線群３ａの鎖交磁束及び発生電圧を変化させ、バッテリ１１の電圧を一定にしている。
【００４３】
図６のベクトル図を参照して説明する。電機子巻線群３ａに流れている電流ｉｔ０による電機子反作用ベクトルＬｄ ｉｄ０及びＬｑ ｉｑ０にて電機子巻線に鎖交する磁束は、Ψｔ０となり、発生電圧は電圧ｖｔ０となっている。回転数が上昇すると、発生電圧も比例して上昇するため、電圧ｖｔ１に低下させるには、従来例の電機子巻線電流を直接制御する方法では電流位相をβ１ にすることで鎖交する磁束をΨ１ にしている。本実施形態では制御巻線群６に流す電流をｉｔｓとすることで、ｄ軸成分ｉｄｓにより消磁され、鎖交する磁束をΨｔ１にする。この鎖交磁束Ψｔ１により発生電圧ｖｔ１に低下する。制御巻線群６に流す電流は、鎖交磁束の差Ψｔ０−Ψｔ１の部分を発生させるだけでよい。また、制御巻線電流は、電機子巻線電流にて制御するときと比較して、制御巻線の巻線数Ｎｓ 、電機子巻線の巻線数Ｎａ とすると、Ｎａ ／Ｎｓ の電流でよい。しかも、制御巻線電流での電機子反作用ベクトルＬｄｓｉｄｓおよびＬｑｓｉｑｓは、電機子巻線電流にて制御するときと比較してＮｓ ／Ｎａ 倍大きくなるため、さらに制御巻線電流は小さくてよい。
【００４４】
また、回転数が低下した場合は、第１の実施形態の図２のベクトル図で説明した方向に制御巻線電流を流すことで増磁され、電圧は上昇する。しかし、この制御巻線電流でのベクトル制御も、従来例と同様に電機子巻線電流と制御巻線電流の合成電流位相がｄ軸（正）と同一位相のときが最大の発生電圧となり、それ以上は制御できず、電圧は低下する。
【００４５】
しかし、本実施形態においては、制御巻線群６と電機子巻線群３ａが同一の固定子歯部２ａに巻線されているため、この固定子歯部２ａを磁性体としてトランス結合している。そのため、バッテリ１１の電圧を一定にするために高圧系バッテリ１２から、制御巻線電流変更回路７ａ、制御巻線群６と電機子巻線群３ａとのトランス結合を介してバッテリ１１に電流供給することが可能である。
【００４６】
図７は、回転数に応じた制御モード域を表している。このように回転数が上昇した場合には、バッテリ１１の電圧を検知する電圧検知回路７ｃからの検知信号及び制御巻線電流検知信号により、制御巻線群６に供給する電流をベクトル制御することで電機子巻線群３ａの端子電圧の上昇を抑えることができ、バッテリ１１の電圧を一定にする。回転数が低下した場合も、ある回転数までは制御巻線電流のベクトル制御によって電圧の低下を抑えてバッテリ１１の電圧を一定にする。それ以下の回転数では、トランス結合での電力供給にてバッテリ１１の電圧を一定にする。
【００４７】
なお、本実施形態においては、高圧系バッテリ１２、バッテリ１１を用いた例を示したが、コンデンサ、電気二重層コンデンサなどのエネルギー蓄積部品でも同様である。
【００４８】
また、整流回路１０の出力電流も検出しておけば、バッテリの過充電を防止することができる。
【００４９】
なお、整流回路１０は、整流動作のみでなく制御機能を持った構成にすれば、高回転数時に制御巻線群６による弱め磁束制御の制御限度を超え、電機子巻線群３ａの発生電圧がバッテリ１１の電圧を超えるようになった場合にも降圧してバッテリ１１の電圧を一定にでき、回転数に対する制御幅をさらに拡大できる。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態の永久磁石回転電機においては、従来例のように電機子巻線電流を直接ベクトル制御することなく、制御巻線電流をベクトル制御することで電機子巻線の出力端子電圧を一定に制御することができ、また回転数が低下し、ベクトル制御が不可能な場合はトランス結合での電力供給にて一定電圧に制御することができる。
【００５１】
したがって、永久磁石回転電機の電機子巻線出力端子電圧を一定制御する場合、制御巻線電流のみをベクトル制御することで可能であるため、大型の半導体を用いず、また回転数が低下した場合にも制御不可能回転数の制約のない小型で低損失、低価格な永久磁石回転電機及び車両を構成することができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、永久磁石回転電機の電機子巻線出力端子電圧を一定制御する場合、制御巻線電流のみをベクトル制御することで可能であるため、大型の半導体を用いず、小型で低損失、低価格な永久磁石回転電機を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の永久磁石回転電機及び周辺回路を含むエンジン発電機の構成を示すブロック図である。
【図２】同実施形態の永久磁石回転電機の断面図である。
【図３】同実施形態における永久磁石回転電機の動作を説明するベクトル図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の永久磁石回転電機及び周辺回路の車両搭載時の構成を示すブロック図である。
【図５】同実施形態の永久磁石回転電機の断面図である。
【図６】同実施形態における永久磁石回転電機の動作を説明するベクトル図である。
【図７】同実施形態における永久磁石回転電機の回転数に応じた制御モードの説明図である。
【図８】従来例の永久磁石回転電機の制御構成を示すブロック図である。
【図９】従来例の永久磁石回転電機の動作を説明するベクトル図である。
【符号の説明】
１ 永久磁石回転電機
２ 固定子
２ａ 固定子歯部
３ａ、３ｂ 電機子巻線群
４ 回転子
５ 永久磁石
６ 制御巻線群
７ 制御回路
７ａ 制御巻線電流変更回路
７ｂ ピーク電圧検知回路
７ｃ 電圧検知回路
１０ 整流回路
１１ バッテリ
１２ 高圧系バッテリ
１３ インバータ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a permanent magnet rotating electric machine, and more particularly to a permanent magnet rotating electric machine that controls induced electromotive force generated in an armature winding.
[0002]
[Prior art]
The permanent magnet generator itself uses a permanent magnet as a field means for the rotor, and therefore does not require an excitation circuit using field windings, so the structure is simple.However, since the induced voltage is determined by the amount of magnetic flux of the magnet, Voltage adjustment cannot be performed for a terminal voltage drop due to a load or a voltage change due to a rotation speed change.
[0003]
As a conventional terminal voltage control of a permanent magnet generator, as shown in FIG. 8, current vector control by an inverter circuit is known (see Non-Patent Document 1).
[0004]
In FIG. 8, 21 is a permanent magnet rotating electric machine as a generator, 22 is a battery, 23 is an inverter, 24 is an inverter control circuit for performing current vector control, 25 is an encoder, and 26 is a current detecting device.
[0005]
The permanent magnet rotating electric machine 21 generates a rotating magnetic field by driving its rotor by an engine or the like, and generates an induced voltage in the armature winding. This induced voltage charges the battery 22 via the inverter 23. Since the induced voltage generated in the armature winding is proportional to the rotation speed, if the rotation speed increases, the induced voltage increases, and the voltage of the battery 22 increases. Therefore, the position of the magnet is detected by the encoder 25, the current flowing through the armature is detected by the current detecting device 26 such as a current sensor, and the current value and the phase are detected. It is configured to change the phase of the current flowing through the slave winding.
[0006]
This operation will be described with reference to the vector diagram shown in FIG. When the phase of the current i t0 flowing through the armature windings of beta 0 from the q-axis, the vector L d i d0 and L q i q0 in armature reaction, magnetic flux interlinking the armature windings of a permanent magnet From the magnetic flux Ψ a of to Ψ t0 . D-axis component i d0 current i t0 acts in a direction to demagnetize the permanent magnet flux [psi a. The armature winding magnetic flux ｔ t0 generates a voltage v t0 .
[0007]
When the armature winding current phase to beta 1, d-axis component i d1 is increased, since the q-axis component i q1 decreases, decreasing the armature winding flux [psi t1. As a result, the generated voltage vt1 decreases. This is a kind of current vector control and is called weak magnetic flux control.
[0008]
The inverter control circuit 24 controls the drive signal to the inverter 23 to change the phase of the armature winding current in order to keep the voltage of the battery 22 constant. The minimum generated voltage is obtained when the current phase is the same as the d-axis (negative).
[0009]
Also, when the rotation speed decreases, the generated voltage decreases and falls below the battery voltage.However, by controlling the phase of the armature winding current in the opposite direction to the weak magnetic flux control, the d-axis component becomes permanent. serve the magnetic flux [psi a in a direction to Zo磁, it is possible to increase the generated voltage. However, this control also has the maximum generated voltage when the current phase is the same as the d-axis (positive), and cannot be controlled so far due to control accuracy or the like. Therefore, the controllable rotation speed is restricted.
[0010]
[Non-patent document 1]
Thomas Johns, "Research Unit # 2c Starter / Alternator", MIT / Industry Consortium on Advanced AutomobileElectrical / Electronic / Electronic Component, September 24, 2000
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above conventional example, the current flowing through the inverter 23 is the same as the armature winding current. Therefore, when the generated current is large, the semiconductor constituting the inverter 23 needs to have a large current withstand capability. There is a problem that the size of the semiconductor is increased, the loss is increased, and the cost is high and the cost is high.
[0012]
Further, there is a limit to the controllable rotation speed based on the armature winding current phase, and there is a problem that control becomes difficult when the rotation speed is reduced.
[0013]
In view of the above-mentioned conventional problems, the present invention does not use a large-sized semiconductor, and is not limited in the controllable rotation speed by the armature winding current phase even when the rotation speed is reduced. It is an object of the present invention to provide a low cost permanent magnet rotating electric machine.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
A permanent magnet rotating electric machine according to a first aspect of the present invention includes a stator having an armature winding group, a rotor having field poles formed by permanent magnets, and a stator tooth portion around which the armature winding group is wound. A control winding group wound around the stator yoke and having a larger number of windings than the number of windings of the armature winding group, and a control circuit for controlling current supplied to the control winding group. is there.
[0015]
With this configuration, by controlling the current phase supplied to the control winding group having a larger number of windings than the number of windings of the armature winding group, the terminal voltage of the armature winding group can be efficiently reduced with a small current. It is possible to control the output terminal voltage of the armature winding of the permanent magnet rotating electric machine at a constant level without using a large-sized semiconductor. Thus, a low-loss, low-cost permanent magnet rotating electric machine can be configured.
[0016]
The permanent magnet rotating electric machine according to the second aspect of the present invention includes a stator having an armature winding group driven by an inverter and another armature winding group, and a rotor having field poles formed by permanent magnets. A control winding wound around a stator tooth or a stator yoke on which the other armature winding group is wound and having a larger number of windings than the winding number of the other armature winding group. It comprises a group of wires and a control circuit for controlling the current supplied to the group of control windings.
[0017]
With this configuration, even in a permanent magnet rotating electric machine having another armature winding group for power generation in addition to the armature winding group driven by the inverter, control winding is performed on the other armature winding groups. By providing the wire group and the control circuit, it is possible to perform control that is not restricted by the controllable rotation speed by the armature winding current phase without using a large semiconductor as described above and even when the rotation speed is reduced. A small, low-loss, low-cost permanent magnet rotating electric machine can be configured.
[0018]
Further, in the above permanent magnet rotating electric machine, the control circuit detects the output voltage peak value of the armature winding and controls the current supplied to the control winding group, or the rectifier connected to the armature winding output. It is preferable to control the current supplied to the control winding group by detecting the output voltage of the smoothing circuit, and to detect the output current of the rectifier circuit connected to the armature winding output to control the control winding group. Preferably, the current supplied is controlled.
[0019]
Further, it is preferable that the control circuit controls the current supplied to the control winding group using a current vector.
[0020]
Further, the control circuit may control the current supplied to the control winding group by power conversion by transformer coupling between the control winding group and the armature winding group. When the control range is exceeded by the current vector control for the group, control becomes possible by supplying power, and the control range can be expanded.
[0021]
Further, since the control winding group is wound on the distal end side of the stator teeth where the magnetic flux concentrates, controllability can be improved.
[0022]
Further, the current supplied to the control winding group can be supplied from a power storage member connected to the armature winding output via a rectifier circuit.
[0023]
Also, if the rectifier circuit via the armature winding output has a control function, if the voltage generated by the armature winding group exceeds the control range of the current control for the control winding group and becomes excessive, It is possible to increase the control range for maintaining the constant voltage by decreasing the voltage.
[0024]
In the permanent magnet rotating electric machine according to the second aspect of the present invention, the inverter driving the armature winding group uses a high-voltage battery as a power source, and the other armature winding outputs are connected to the low-voltage battery via a rectifier circuit. Configuration.
[0025]
In addition, when the above-described permanent magnet rotating electric machine is mounted on a vehicle, a wind power generator system, or an engine generator, the above-described operation exerts a great effect.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a permanent magnet rotating electric machine according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0027]
(1st Embodiment)
First, a permanent magnet rotating electric machine according to a first embodiment will be described with reference to FIGS.
[0028]
In FIG. 1, a permanent magnet rotating electric machine 1 includes a rotor 4 having a field pole formed by a permanent magnet 5, armature winding groups 3 a and 3 b, and a control winding wound around the same portion as the armature winding group 3 a. It is composed of a stator 2 having a wire 6. The rotor 4 is configured to be rotated by the engine 8. The output terminal of the armature winding group 3a is connected to the load 9 and the control circuit 7, and the control winding group 6 is connected to the control circuit 7. The output terminal of the armature winding group 3b is connected to the battery 11 and the control circuit 7 via the rectifier circuit 10.
[0029]
The permanent magnet rotating electric machine 1 rotates the rotor 4 by the engine 8 rotating at a constant speed. A rotating magnetic field is generated by the permanent magnet 5 incorporated in the rotor 4, and a voltage is induced in the armature winding group 3 a wound on the stator 2. A current flows through the armature winding group 3a by the load 9 connected to the output terminal of the armature winding group 3a, and the terminal voltage of the armature winding group 3a decreases due to the armature reaction. As shown in FIG. 2, the armature winding group 3a is wound around the stator teeth 2a, and the control winding group 6 is similarly wound around the stator teeth 2a. The number of turns is set to be greater than 3a. In FIG. 2, the control winding group 6 is wound on the distal end side of the stator tooth portion 2a, so that the controllability can be enhanced by disposing the control winding group 6 on the distal end side where the magnetic flux concentrates. Of course, it is not limited to this arrangement.
[0030]
The control circuit 7 is provided with a control winding current changing circuit 7a having the functions of the inverter 23 and the inverter control circuit 24 of the conventional example shown in FIG. 8, and supplies a current from the battery 11 to the control winding group 6. Also, the current supplied to the control winding group 6 is detected. The current supplied to the control winding group 6 is obtained by charging the battery 11 from the armature winding group 3b via the rectifier circuit 10. The voltage of the battery 11 needs to be higher than the induced voltage of the control winding group 6 in order to supply current to the control winding group 6, and the number of windings of the armature winding group 3b is set to be equal to or higher than the voltage. Alternatively, the rectifier circuit 10 may be provided with a control function to increase the voltage of the armature winding group 3b.
[0031]
This will be described with reference to the vector diagram of FIG. Magnetic flux interlinking the armature windings in armature reaction vector L d i d1 and L q i q1 by the current i t1 flowing through the armature coil group 3a, [psi t1, and the generated voltage is a voltage v t1 It has become. In order to set the generated voltage to v t0 , in the conventional method of directly controlling the armature winding current, the current phase is set to β 0 and the interlinking magnetic flux is set to Ψ t0 , but in this embodiment, by supplying a current i ts the control winding group 6, is Zo磁by d-axis component i ds, the magnetic flux linking the [psi t0, the voltage generated by this flux linkage [psi t0 rises v t0.
[0032]
Current flowing through the control winding group 6, the difference in flux linkage, it is only necessary to generate a portion of Ψ t0 -Ψ t1. The control winding current as compared to when controlled by the armature winding current, the winding number N s of the control winding, when the winding number N a of the armature winding, N a / N s The current is sufficient. Moreover, armature reaction vector L ds i ds and L qs i qs of the control winding current, since the large N s / N a doubled as compared with the case of controlling by the armature winding current, further control winding The line current may be small. As described above, the current supplied to the control winding group 6 is vector-controlled by the signal from the peak voltage detection circuit 7b for detecting the terminal voltage of the armature winding group 3a and the control winding current detection signal. The terminal voltage of the line group 3a can be controlled to be constant.
[0033]
As described above, in the permanent magnet rotating electric machine of the present embodiment, the vector control of the control winding current is performed by directly controlling the armature winding current without directly controlling the armature winding current as in the conventional example. The output terminal voltage can be controlled to be constant.
[0034]
Therefore, when controlling the armature winding output terminal voltage of the permanent magnet rotating electric machine at a constant level, it is possible to perform vector control of only the control winding current. A simple permanent magnet rotating electric machine and an engine generator can be configured.
[0035]
Further, in the present embodiment, the example of the three-phase concentrated winding type embedded magnet type synchronous motor has been described as the permanent magnet rotating electric machine, but the present invention is not limited to this.
[0036]
Further, in the present embodiment, an example of a three-phase concentrated winding type embedded magnet type synchronous motor having one output as a permanent magnet rotating electric machine has been described. If a control circuit is provided for the winding, each can be independently controlled. In addition, one output is controlled by the magnetic flux of the winding field in the multi-output winding of the winding field type rotating electric machine, and the other winding is controlled by the vector control of the control winding current of the present embodiment. Is also feasible.
[0037]
Further, in the present embodiment, an example in which the permanent magnet rotating electric machine is rotated by the engine has been described, but the same applies to the case where the permanent magnet rotating electric machine is rotated by an electric motor, a gas turbine, or a windmill.
[0038]
(Second embodiment)
Next, a permanent magnet rotating electric machine according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Components having the same functions and configurations as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0039]
In FIG. 4, the permanent magnet rotating electric machine 1 is connected to a rotor 4 having a field pole by a permanent magnet 5, an armature winding group 3b driven by an inverter 13, and a low-voltage system battery 11 via a rectifier circuit 10. And a stator 2 having a control winding group 6 wound around the same portion as the other armature winding group 3a.
[0040]
The rotor 4 is rotated by the engine 8 of the vehicle, or starts the engine 8 on the contrary. The inverter 13 uses the high-voltage battery 12 as a power source. The control winding group 6 is connected to a control circuit 7. The control circuit 7 includes a voltage detection circuit 7c connected to the battery 11 and a control winding current changing circuit 7a connected to the control winding group 6.
[0041]
The permanent magnet type rotating electric machine 1 uses the high voltage system battery 12 as a power source and the armature winding driven by the inverter 13 at the time of starting after idling stop at an intersection or the like and at the time of engine assist operation at the time of increasing the acceleration force in high speed operation. The line group 3b operates as a motor. Also, it operates as a generator during braking, high-speed rotation, and the like, and charges the high-voltage battery 12.
[0042]
The other armature winding group 3a always operates as a generator by the rotating magnetic field from the rotor 4, and charges the low-voltage battery 11 via the rectifier circuit 10. At this time, the voltage of the battery 11 is detected by the voltage detection circuit 7c of the control circuit 7, and the current flowing from the high-voltage battery 12 to the control winding group 6 by the control winding current changing circuit 7a is controlled so that the voltage becomes constant. Control. By vector-controlling the control winding current, the linkage flux and the generated voltage of the other armature winding group 3a are changed, and the voltage of the battery 11 is kept constant.
[0043]
This will be described with reference to the vector diagram of FIG. Magnetic flux interlinking the armature winding at the armature reaction vector L d i d0 and L q i q0 by current i t0 flowing through the armature coil group 3a is, [psi t0, and the generated voltage is a voltage v t0 It has become. When the rotation speed increases, because the generated voltage also rises in proportion to the decrease in the voltage v t1, the method of controlling the armature winding current of the conventional example directly by the current phase to beta 1 linkage the magnetic flux that is to Ψ 1. The current in the embodiment to be supplied to the control winding group 6 With i ts, it is demagnetized by the d-axis component i ds, the magnetic fluxes interlinking the [psi t1. Due to this interlinkage magnetic flux Ψ t1 , the voltage is reduced to the generated voltage v t1 . Current flowing through the control winding group 6, it is only necessary to generate a partial difference Ψ t0 -Ψ t1 of flux linkage. The control winding current, as compared to when controlled by the armature winding current, the winding number N s of the control winding, when the winding number N a of the armature winding, N a / N The current of s may be sufficient. Moreover, armature reaction vector L ds i ds and L qs i qs of the control winding current, since the large N s / N a doubled as compared with the case of controlling by the armature winding current, further control winding The line current may be small.
[0044]
When the number of rotations decreases, the magnetism is increased by flowing the control winding current in the direction described in the vector diagram of FIG. 2 of the first embodiment, and the voltage increases. However, in the vector control using the control winding current, the maximum generated voltage occurs when the combined current phase of the armature winding current and the control winding current is the same as the d-axis (positive), as in the conventional example. No further control is possible and the voltage drops.
[0045]
However, in the present embodiment, since the control winding group 6 and the armature winding group 3a are wound on the same stator tooth portion 2a, the stator tooth portion 2a is transformer-coupled as a magnetic material. I have. Therefore, in order to make the voltage of the battery 11 constant, current is supplied from the high-voltage battery 12 to the battery 11 via the control winding current changing circuit 7a and the transformer coupling between the control winding group 6 and the armature winding group 3a. It is possible to do.
[0046]
FIG. 7 shows a control mode area according to the rotation speed. When the rotation speed increases in this manner, the current supplied to the control winding group 6 is vector-controlled by the detection signal from the voltage detection circuit 7c for detecting the voltage of the battery 11 and the control winding current detection signal. Thus, the rise in the terminal voltage of the armature winding group 3a can be suppressed, and the voltage of the battery 11 is kept constant. Even when the rotational speed decreases, the voltage of the battery 11 is kept constant by suppressing the voltage decrease by vector control of the control winding current up to a certain rotational speed. At a lower rotation speed, the voltage of the battery 11 is kept constant by the power supply by the transformer coupling.
[0047]
In the present embodiment, an example using the high-voltage battery 12 and the battery 11 has been described, but the same applies to energy storage components such as a capacitor and an electric double layer capacitor.
[0048]
If the output current of the rectifier circuit 10 is also detected, overcharging of the battery can be prevented.
[0049]
If the rectifier circuit 10 is configured to have not only a rectifying operation but also a control function, the control limit of the weak magnetic flux control by the control winding group 6 at a high rotation speed is exceeded, and the voltage generated by the armature winding group 3a is increased. When the voltage exceeds the voltage of the battery 11, the voltage is lowered to keep the voltage of the battery 11 constant, and the control range for the rotation speed can be further expanded.
[0050]
As described above, in the permanent magnet rotating electric machine of the present embodiment, the vector control of the control winding current is performed by directly controlling the armature winding current without directly controlling the armature winding current as in the conventional example. The output terminal voltage can be controlled to be constant, and when the rotation speed decreases and vector control is not possible, the voltage can be controlled to be constant by supplying power through a transformer coupling.
[0051]
Therefore, when controlling the armature winding output terminal voltage of the permanent magnet rotating electric machine at a constant level, it is possible to perform vector control of only the control winding current. In addition, a small, low-loss, low-cost permanent magnet rotating electric machine and a vehicle can be configured which are not restricted by uncontrollable rotation speeds.
[0052]
【The invention's effect】
According to the present invention, the constant control of the armature winding output terminal voltage of the permanent magnet rotating electric machine can be performed by vector control of only the control winding current. A low-cost, low-cost permanent magnet rotating electric machine can be configured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an engine generator including a permanent magnet rotating electric machine and peripheral circuits according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of the permanent magnet rotating electric machine of the embodiment.
FIG. 3 is a vector diagram illustrating an operation of the permanent magnet rotating electric machine according to the embodiment.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a permanent magnet rotating electric machine and peripheral circuits according to a second embodiment of the present invention when mounted on a vehicle.
FIG. 5 is a sectional view of the permanent magnet rotating electric machine of the embodiment.
FIG. 6 is a vector diagram illustrating an operation of the permanent magnet rotating electric machine according to the embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a control mode according to the rotation speed of the permanent magnet rotating electric machine according to the embodiment.
FIG. 8 is a block diagram showing a control configuration of a conventional permanent magnet rotating electric machine.
FIG. 9 is a vector diagram illustrating an operation of a conventional permanent magnet rotating electric machine.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 permanent magnet rotating electric machine 2 stator 2 a stator teeth 3 a, 3 b armature winding group 4 rotor 5 permanent magnet 6 control winding group 7 control circuit 7 a control winding current change circuit 7 b peak voltage detection circuit 7 c voltage detection Circuit 10 Rectifier circuit 11 Battery 12 High voltage battery 13 Inverter
