JP2007097284A - Magnet type motor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、磁石式電動機に関し、より特定的には、界磁用磁石を装着した回転子(ロータ)を備える磁石式電動機に関する。 The present invention relates to a magnet type motor, and more particularly to a magnet type motor including a rotor (rotor) equipped with a field magnet.
磁石式電動機として、界磁用の永久磁石を回転子に装着して、インバータからの交流電流によって固定子に回転磁界を発生させることによって回転駆動させる永久磁石型同期機が知られている。このような永久磁石型同期機は、他の形式の同期機に比較して高出力でコンパクト化を実現できるので、信頼性および小型軽量化が要求される車両用回転電機に用いられている。 2. Description of the Related Art A permanent magnet type synchronous machine is known as a magnet-type electric motor that is rotationally driven by attaching a permanent magnet for a field to a rotor and generating a rotating magnetic field in the stator by an alternating current from an inverter. Such a permanent magnet type synchronous machine can be made more compact with a higher output than other types of synchronous machines, and is therefore used in a rotating electrical machine for a vehicle that is required to be reliable and reduced in size and weight.
車両用回転電機は回転数の変化範囲が広いため、永久磁石型同期機等の磁石式電動機を車両用回転電機として用いると、高速回転時には固定子巻線に過大な誘起電圧が発生してしまう。このため、高速回転時には電流位相を進めることによって誘起電圧を低く押える「弱め界磁制御」という手法を用いることが一般的である。しかしながら、弱め界磁制御によればモータ損失が増大してしまうという問題がある。 Since a rotating electrical machine for a vehicle has a wide range of change in the number of rotations, if a magnetic motor such as a permanent magnet type synchronous machine is used as the rotating electrical machine for a vehicle, an excessive induced voltage is generated in the stator winding during high-speed rotation. . For this reason, it is common to use a technique called “field weakening control” that keeps the induced voltage low by advancing the current phase during high-speed rotation. However, there is a problem that the motor loss increases according to the field weakening control.
これに対して、特開平10−155262号公報(特許文献1)では、回転子による遠心力が大きい領域で、回転子からの界磁を機械的に弱める構造を備えた電動機の回転子構造が開示されている。具体的には、回転子をそれぞれの表面に界磁磁石が装着された2つの回転子コアに分割し、これらの回転子コアの磁極間に位相差を設けるための磁極ずれ機構としてガバナ機構を設けている。このガバナ機構は、ロータの遠心力により変形するばねによって、回転子コア間に回転位相差を設けるものである。これにより、電動機の高速回転領域において、回転子からの発生磁束が固定子側の界磁用巻線(固定子巻線)に到達する鎖交磁束量を減ずることができるので、界磁を減少させて固定子巻線の誘起電圧の上昇を抑えることが可能となる。 On the other hand, in Japanese Patent Laid-Open No. 10-155262 (Patent Document 1), there is a rotor structure of an electric motor having a structure that mechanically weakens the field from the rotor in a region where the centrifugal force by the rotor is large. It is disclosed. Specifically, a governor mechanism is used as a magnetic pole deviation mechanism for dividing a rotor into two rotor cores each having a field magnet mounted on each surface and providing a phase difference between the magnetic poles of these rotor cores. Provided. This governor mechanism provides a rotational phase difference between the rotor cores by a spring that is deformed by the centrifugal force of the rotor. As a result, in the high-speed rotation region of the motor, the amount of interlinkage magnetic flux that the magnetic flux generated from the rotor reaches the field winding (stator winding) on the stator side can be reduced, so the field is reduced. This makes it possible to suppress an increase in the induced voltage of the stator winding.
また、特開2004−242461号公報(特許文献2)には、磁石型回転子である固定回転子と回転軸に回動自在に嵌め込まれた磁石型回転子である可動回転子とを設けた上で、可動回転子を遠心力により固定回転子に対して相対回動させる相対回動機構を設ける構造が開示されている。電動機の動作中には、上記相対回動機構は、回転子の回転数変化に応じて固定回転子と可動回転子との相対角度を変更することにより、磁極ずれを発生させる。この結果回転子からの合成磁束量が変更されて、特許文献1と同様の原理により、電動機の高速回転領域において固定子巻線の誘起電圧の上昇を抑えることができる。
しかしながら、特許文献1に開示された構成では、ガバナ機構においてガバナが閉状態となるような遠心力が発生する回転数に達するまでは、磁極のずれを発生させることができない。同様に、特許文献2に開示される構成でも、可動回転子に対応する遠心力によるつるまきバネの変形によって可動回転子と固定回転子との間に位相のずれを与える機構であるため、遠心力が作用するまでの間は、磁極のずれを発生させることができない。
However, in the configuration disclosed in Patent Document 1, the magnetic pole cannot be shifted until the rotational speed at which the centrifugal force is generated so that the governor is closed in the governor mechanism is reached. Similarly, the configuration disclosed in
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、磁石装着型の回転子を備えた磁石式電動機において、低トルク領域で機械的に界磁を減少させる機構を備えることにより、電動機の運転領域を高速回転域へ拡大することである。 The present invention has been made in order to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a magnetic field motor with a magnet-mounted rotor in a mechanical field in a low torque region. By providing a mechanism for reducing the motor, the operating range of the electric motor is expanded to a high-speed rotation range.
この発明による磁石式電動機は、固定子と、第1および第2の回転子と。位相差設定手段とを備える。固定子と、複数の固定子磁極および固定子巻線を有し、固定子巻線は、電流の供給を受けて上記固定子磁極に回転磁界を発生する。第1および第2の回転子は、共通の回転軸に取り付けられ、各々には磁石が装着される。さらに、第1および第2の回転子は、装着された磁石と複数の固定子磁極との間に作用する磁気吸引力によって回転可能であり、かつ、磁気吸引力が回転軸に沿ったスラスト方向成分を有するように設けられる。位相差設定手段は、スラスト方向成分によるスラスト力に応じて、第1および第2の回転子の磁石間の回転位相差を設定する。 A magnet type electric motor according to the present invention includes a stator and first and second rotors. Phase difference setting means. The stator has a stator, a plurality of stator magnetic poles and a stator winding, and the stator winding receives a supply of current and generates a rotating magnetic field in the stator magnetic pole. The first and second rotors are attached to a common rotating shaft, and each is equipped with a magnet. Further, the first and second rotors can be rotated by a magnetic attractive force acting between the mounted magnet and the plurality of stator magnetic poles, and the magnetic attractive force is in a thrust direction along the rotation axis. Provided with components. The phase difference setting means sets the rotational phase difference between the magnets of the first and second rotors according to the thrust force due to the thrust direction component.
上記磁石式電動機によれば、モータトルクに応じて変化する磁気吸引力のスラスト方向成分に応じて、第1および第2の回転子に装着された磁石間に回転位相差(すなわち磁極ずれ)を発生させることができる。したがって、電動機の回転数に関係なく、電動機の出力トルクに応じて磁極ずれを発生させることにより、機械的に界磁を減少させて固定子巻線での誘起電圧上昇を抑制できる。これにより、出力トルクを考慮した電動機の運転領域拡大を図ることができる。 According to the magnet-type electric motor, a rotational phase difference (that is, magnetic pole deviation) is generated between the magnets attached to the first and second rotors according to the thrust direction component of the magnetic attractive force that changes according to the motor torque. Can be generated. Therefore, regardless of the number of rotations of the motor, by generating a magnetic pole deviation according to the output torque of the motor, it is possible to mechanically reduce the field and suppress an increase in induced voltage in the stator winding. Thereby, the driving | operation area | region expansion of the electric motor which considered output torque can be aimed at.
好ましくは、この発明による磁石式電動機では、位相差設定手段は、スラスト力の増加に応じて回転位相差を減少させる。 Preferably, in the magnet type electric motor according to the present invention, the phase difference setting means decreases the rotational phase difference in accordance with an increase in thrust force.
上記磁石式電動機によれば、スラスト力の大きい、すなわち電動機の出力トルクが高い領域では、回転子間の磁極ずれを減少させて鎖交磁束量を大きくすることができる。高トルク領域でモータ出力を確保できる。 According to the magnet type motor, in the region where the thrust force is large, that is, the output torque of the motor is high, the magnetic flux deviation between the rotors can be reduced and the amount of flux linkage can be increased. Motor output can be secured in the high torque range.
あるいは好ましくは、位相差設定手段は、付勢手段と、変換手段とを含む。付勢手段は、第1および第2の回転子間に回転位相差を与えるように付勢する。変換手段は、付勢手段への反力として与えられるスラスト力を、回転位相差を減少させる方向に作用する力に変換する。 Alternatively, preferably, the phase difference setting means includes an urging means and a conversion means. The urging unit urges the first and second rotors to give a rotational phase difference. The converting means converts a thrust force applied as a reaction force to the urging means into a force acting in a direction that reduces the rotational phase difference.
上記磁石式電動機によれば、スラスト力の小さい、すなわち電動機の出力トルクが低い領域では、付勢手段の付勢力によって回転子間の磁極ずれを発生させて、機械的に界磁を減少できる。この結果、低トルク領域では誘起電圧の上昇を抑制して高速回転域での運転領域を拡大することができる。 According to the magnet type motor, in the region where the thrust force is small, that is, the output torque of the motor is low, the magnetic field deviation between the rotors can be generated by the biasing force of the biasing means, and the field can be mechanically reduced. As a result, in the low torque region, an increase in the induced voltage can be suppressed and the operation region in the high speed rotation region can be expanded.
特にこのような構成では、保持手段は弾性体を含み、変換手段はカム機構を含む。弾性体は、スラスト力が零であるときに上記回転位相差を初期値とする付勢力を発生するように、第1および第2の回転子の間に設けられる。カム機構は、付勢力と反対方向に印加されるスラスト力に応じて、上記回転位相差が減少する方向に第1および第2の回転子を回転させる力を発生させるように構成される。 Particularly in such a configuration, the holding means includes an elastic body, and the conversion means includes a cam mechanism. The elastic body is provided between the first and second rotors so as to generate an urging force having the rotational phase difference as an initial value when the thrust force is zero. The cam mechanism is configured to generate a force for rotating the first and second rotors in a direction in which the rotational phase difference decreases in accordance with a thrust force applied in a direction opposite to the biasing force.
上記磁石式電動機によれば、カム機構によって、モータトルクに従って発生される磁気吸引力に応じて、回転子間の位相差(すなわち、磁極ずれの量)を調節することができる。 According to the magnet type motor, the phase difference between the rotors (that is, the amount of magnetic pole deviation) can be adjusted by the cam mechanism in accordance with the magnetic attraction force generated according to the motor torque.
また好ましくは、位相差設定手段は、スラスト力の印加に応じて、回転位相差を減少させる方向に弾性変形するように構成された弾性変形手段を含む。この弾性変形手段は、弾性変形前の状態において、第1および第2の回転子間に回転位相差を与えるように構成される。 Preferably, the phase difference setting means includes elastic deformation means configured to elastically deform in a direction to reduce the rotational phase difference in response to application of a thrust force. This elastic deformation means is configured to give a rotational phase difference between the first and second rotors before the elastic deformation.
上記磁石式電動機によれば、カム機構を用いることなく位相差設定手段をコンパクトに構成可能である。 According to the magnet type motor, the phase difference setting means can be configured in a compact manner without using a cam mechanism.
この発明による磁石式電動機は、固定子と、第1および第2の回転子と。位相差設定手段とを備える。固定子は、複数の固定子磁極および固定子巻線を有し、固定子巻線は、電流の供給を受けて該固定子磁極に回転磁界を発生する。第1および第2の回転子は、第1および第2の回転子は、共通の回転軸に取り付けられ、各々には磁石が装着される。さらに、第1および第2の回転子は、装着された磁石と複数の固定子磁極との間に作用する磁気吸引力によって回転可能であるように設けられる。位相差設定手段は、電動機の出力トルクに応じて、第1および第2の回転子の磁石間の回転位相差を設定するように構成される。特に、位相差設定手段は、出力トルクの増加に従って回転位相差を減少させる。 A magnet type electric motor according to the present invention includes a stator and first and second rotors. Phase difference setting means. The stator has a plurality of stator magnetic poles and a stator winding, and the stator winding receives a supply of current and generates a rotating magnetic field in the stator magnetic pole. As for the 1st and 2nd rotor, the 1st and 2nd rotor is attached to a common rotating shaft, and a magnet is attached to each. Further, the first and second rotors are provided so as to be rotatable by a magnetic attractive force acting between the mounted magnet and the plurality of stator magnetic poles. The phase difference setting means is configured to set the rotation phase difference between the magnets of the first and second rotors according to the output torque of the electric motor. In particular, the phase difference setting means decreases the rotational phase difference as the output torque increases.
上記磁石式電動機によれば、電動機の出力トルクの増加に従って、第1および第2の回転子間の磁極ずれを減少させるので、相対的に高トルク領域では鎖交磁束量を大きくして電動機出力を確保するとともに、低トルク領域では、磁極ずれを発生させて界磁を減少させることにより、高速回転領域での誘起電圧の上昇を抑制することができる。この結果、高トルク領域での運転領域を縮小させることなく、低トルク領域では高速回転域での運転領域を拡大できる。 According to the magnet type motor, since the magnetic pole deviation between the first and second rotors is reduced as the output torque of the motor increases, the amount of interlinkage magnetic flux is increased in the relatively high torque region to increase the motor output. In the low torque region, it is possible to suppress an increase in the induced voltage in the high speed rotation region by generating a magnetic pole shift and reducing the field. As a result, the operating region in the high-speed rotation region can be expanded in the low torque region without reducing the operating region in the high torque region.
この発明の磁石式電動機によれば、高トルク領域では鎖交磁束量を確保して高出力を可能とする一方で、低トルク領域では機械的に界磁を減少させる機構によって、電動機の運転領域を高速回転域で拡大することができる。 According to the magnet type motor of the present invention, in the high torque region, the interlinkage magnetic flux amount is ensured to enable high output, while in the low torque region, the operating region of the motor is mechanically reduced by the field. Can be enlarged in the high-speed rotation range.
以下において、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則として繰返さないものとする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated in principle.
図1は、本発明の実施の形態による磁石式電動機の概略構成を示す概念図である。
図1を参照して、磁石式電動機10は、固定子20と、回転子30a,30bと、回転軸40と、位相差設定機構50とを備える。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a schematic configuration of a magnet type electric motor according to an embodiment of the present invention.
Referring to FIG. 1, magnet type
固定子20には、複数の固定子磁極21が設けられ、固定子磁極には界磁用巻線(固定子巻線)22が巻回されている。固定子巻線22には、モータ制御回路60から回転磁界を発生させるためのモータ電流が供給される。代表的には、モータ制御回路60は、三相インバータを含んで構成され、モータ制御回路60は、動作指令(たとえば、モータトルク指令値やモータ回転数指令値)に従って磁石式電動機10を回転駆動するように制御した三相電流を、上記モータ電流として固定子巻線22へ供給する。
The
この発明の実施の形態による磁石式電動機10では、共通の回転軸40に対し複数の回転子30a,30bが取り付けられる。各回転子30a,30bは、強磁性の回転子コア32と、該回転子コアに装着された界磁用磁石35とを含んで構成される。界磁用磁石35は、回転子30a,30bの外周面の回転方向に交互に等間隔で異なった磁極が形成されるように配置される。あるいは、各回転子30a,30bの外周面にリング状磁石を装着することによって界磁用磁石35を構成することも可能である。
In the magnet type
回転軸40には、センサ磁石45が装着される。センサ磁石45は、回転軸40の回転位相を示すためのものであり、回転軸40に固定されているとともに、その外周面に磁極パターンを形成したセンサ磁石が装着されている。
A
回転子30a,30bは、ともに狭いエアギャップ25を隔てて固定子磁極21に対向配置されており、固定子磁極21に発生される回転磁界と、各回転子に装着される界磁用磁石35との間に作用する磁気吸引力により回転可能である。回転子30a,30bに発生する回転力は、回転軸40の回転力として出力される。
The
位相差設定機構50は、モータトルクに応じて、回転子30a,30bの対応する界磁用磁石間の相対角度を設定するために設けられる。以下ではこの相対角度を回転位相差θと称する。したがって、回転子30a,30bは、位相差設定機構50により設定された位相差θの磁極ずれが発生した状態で共に回転する。
The phase
図2には、回転子30aに装着された界磁用磁石35aおよび回転子30bに装着された界磁用磁石35bのうち、対応する1個ずつを例示している。また、固定子磁極21についても代表的に1個のみが記載されている。θ=0の場合には磁極ずれは発生せず、回転子30a,30b間で磁極の位相は一致することになる。位相差設定機構50によって回転位相差が設定されると(θ>0)、界磁用磁石35a,35bの間に磁極ずれが発生される。
FIG. 2 illustrates a corresponding one of the
図3は、回転子間の回転位相差と固定子巻線に到達する鎖交磁束量との関係を説明する概念図である。 FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating the relationship between the rotational phase difference between the rotors and the amount of interlinkage magnetic flux that reaches the stator winding.
図3(a)に示されるように、θ=0の場合には、界磁用磁石35aおよび35bの位相は一致している。この場合には、単一の回転子が設けられる通常の構造と同様に、界磁用磁石によって発生される磁束φは、基本的に全量が固定子巻線22へ導かれる。したがって、各界磁用磁石35a,35bによる発生磁束をφとすると、1組の各界磁用磁石35a,35bからの固定子巻線へ到達する鎖交磁束量Ψ=2φとなる。
As shown in FIG. 3A, when θ = 0, the phase of the
これに対して、位相差設定機構によって、回転子30a,30bに回転位相差が付与された場合(θ>0)には、界磁用磁石35a,35bからそれぞれ発生される磁束φの一部のみが固定子巻線22を通過する。この場合における鎖交磁束量Ψ=2φ・cos(θ/2)となり、位相差無(θ=0)の場合よりも小さくなる。したがって、位相差設定機構50によって回転位相差θを設けることにより、鎖交磁束量、すなわち界磁を減少させて、固定子巻線22の誘起電圧の上昇を抑えることが可能となる。
On the other hand, when a rotational phase difference is given to the
次に、位相差設定機構50の構成について詳細に説明する。
図4は、図2におけるIV−IV断面図である。
Next, the configuration of the phase
4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG.
図4を参照して、位相差設定機構50は、共通の回転軸40に装着された回転子30a,30bの間に設けられ、「変換手段」として機能する、カム機構51およびアウトプットディスク52を含む。さらに、図4の断面図には現れないが、位相差設定機構50は、初期状態(モータ静止状態)で回転子30a,30bに初期値となる所定の回転位相差θiを付与するための「付勢手段」として機能するさらばねをさらに有する。
Referring to FIG. 4, phase
図5は、図4に示した位相差設定機構50の動作を詳細に説明する図である。図5(a),(b)は、図2をVI方向から見た平面図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the phase
図5(a)には、モータ静止状態から低トルク状態における位相差設定機構50の動作が示される。
FIG. 5A shows the operation of the phase
図5(a)を参照して、カム機構51およびさらばね53は、アウトプットディスク52と回転子30a,30bとの間に設けられる。特に、回転子30a,30bに作用するモータ回転軸40に沿った方向のスラスト力Fs=0のとき、すなわち、さらばね53の弾性変形量=0である状態で、回転子30a,30bの間に初期位相差θiが付与されるように、カム機構51およびさらばね53は設けられる。
Referring to FIG. 5A, the
カム機構51は、さらばね53による付勢と反対方向に印加されるスラスト力Fsを、回転位相差θが初期位相差θiから減少する方向にアウトプットディスク52を回転させる回転力(位相変換力)Ftに変換するように構成される。すなわち、スラスト力Fsによるさらばね53の弾性変形に伴うスラスト方向の変位は、カム機構51によって、回転位相差θが初期位相差θiから減少する方向のアウトプットディスク52の回転変位に変換される。
The
ここで、スラスト力Fsは、回転子30a,30bに装着された界磁用磁石35a,35bに作用する、固定子磁極21への磁気吸引力Fmのうちの回転軸40に沿った方向の成分である。磁石式電動機10では、このようなスラスト力Fsは、複数の回転子30a,30bを共通の固定子磁極21および固定子巻線22に対向配置することにより、両者の中心軸が不一致となることにより発生される。
Here, the thrust force Fs is a component in the direction along the
モータ静止状態においては、固定子巻線22へモータ電流が供給されていないため、固定子磁極21への磁気吸引力は、界磁用磁石35a,35bに作用しない。このため、回転子30a,30bに作用するスラスト力Fs=0である。したがって、回転子30a,30bの間には、アウトプットディスク52を介してさらばね53による付勢力のみが作用して、両者の回転位相差θは所定の初期値θiとされる。
When the motor is stationary, since no motor current is supplied to the stator winding 22, the magnetic attractive force to the stator
モータ運転が開始されると、モータトルクに応じたモータ電流が固定子巻線22に供給され、複数の固定子磁極に回転磁界が発生される。これにより、回転子30a,30bに設けられた界磁用磁石35a,35bには、固定子磁極21への磁気吸引力Fmが発生する。磁気吸引力Fmのスラスト方向成分であるスラスト力Fsは、さらばね53の付勢力と反対方向に作用して、さらばね53を弾性変形させる。カム機構51は、スラスト力Fsに応じて、回転位相差θを減ずる方向にアウトプットディスク52を回転させる位相変換力Ftを発生させる。すなわち、この実施の形態では、さらばね53は、モータトルクの増加に伴って弾性変形される弾性体の代表例として示される。
When the motor operation is started, a motor current corresponding to the motor torque is supplied to the stator winding 22, and a rotating magnetic field is generated in the plurality of stator magnetic poles. As a result, a magnetic attractive force Fm to the stator
モータトルクの増大に従って、固定子磁極21に発生する回転磁界を大きくするようにモータ電流が増大される。このため、回転子30a,30bの界磁用磁石35a,35bに作用する磁気吸引力Fmは、モータトルクが大きくなるにつれて大きくなり、そのスラスト方向成分(スラスト力Fs)についても、モータトルクの増大につれて大きくなる。
As the motor torque increases, the motor current is increased so as to increase the rotating magnetic field generated in the stator
この結果、磁石式電動機10のモータトルクが増加するにつれてスラスト力Fsも増大する。カム機構51によって、スラスト力Fsの増大に応じてアウトプットディスク52が回転されて、回転子30a,30b間の回転位相差θが初期値θiから減少していく。すなわち、位相差設定機構50は、回転子30a,30bに装着された界磁用磁石35a,35b間の回転位相差θを、モータ静止時に最大値とするとともにモータトルクの増大に従って減少させる。モータ静止状態および低トルク状態では、スラスト力Fsが、さらばね53による付勢力より小さいので、回転子30a,30b間に磁極ずれが発生される。
As a result, the thrust force Fs increases as the motor torque of the
そして、図5(b)に示すように、高トルク状態でスラスト力FsがFsmに達すると、カム機構51によって発生される位相変換力FtがFtmに達して、回転子30a,30b間の回転位相差θ=0となる。
Then, as shown in FIG. 5B, when the thrust force Fs reaches Fsm in a high torque state, the phase conversion force Ft generated by the
このように、磁石式電動機10では、回転子に装着された界磁用磁石に作用する磁気吸引力の増大に応じて回転子30a,30b間の回転位相差θを減少させる構造とすることにより、高トルク領域では回転子間の磁極ずれを解消する一方で、低トルク領域では回転子に磁極ずれを発生することができる。
As described above, the magnet type
この結果、回転位相差θが付与される低トルク領域では、磁極ずれの発生による鎖交磁束量の減少により(図3(b))固定子巻線へ誘起される誘起電圧が過大にならないように抑制できる。これにより、図6に示されるように、θ=θi(最大値)の際の磁石式電動機10の運転領域100は、高速回転域で確保される。
As a result, in the low torque region to which the rotational phase difference θ is applied, the induced voltage induced in the stator winding does not become excessive due to the decrease in the amount of interlinkage magnetic flux due to the occurrence of the magnetic pole deviation (FIG. 3B). Can be suppressed. As a result, as shown in FIG. 6, the
一方、回転位相差θが解消される高トルク領域では、鎖交磁束量の確保により(図3(a))、モータを効率よく駆動して高出力を得ることが可能となる。これにより、θ=0の際の磁石式電動機10の運転領域は、高トルク領域で確保される。また、最大値である回転位相差θ=θiから、回転位相差θが徐々に減少していく過程では、中間領域120での磁石式電動機10の運転が可能となる。
On the other hand, in the high torque region where the rotational phase difference θ is eliminated, it is possible to obtain a high output by efficiently driving the motor by securing the amount of flux linkage (FIG. 3A). Thereby, the operation region of the magnet type
このように、本発明による磁石式電動機によれば、モータトルクに応じて回転子間の磁極ずれを設定することにより、高トルク領域において界磁を確保する一方で低トルク領域において機械的に界磁を減少させる機構を実現できる。この結果、磁石式電動機について、高トルク領域ではモータ出力を確保して運転領域を縮小させることなく、低トルク−高速回転域で運転領域を拡大することができる。 As described above, according to the magnet type electric motor of the present invention, by setting the magnetic pole deviation between the rotors according to the motor torque, the magnetic field is ensured in the high torque region while the field is mechanically applied in the low torque region. A mechanism for reducing magnetism can be realized. As a result, with respect to the magnet type electric motor, the operation region can be expanded in the low torque-high speed rotation region without securing the motor output in the high torque region and reducing the operation region.
なお、図6に示されるように、磁石式電動機10の運転領域は、モータトルク=0のときの初期値である回転位相差θiと、スラスト力Fsに対する回転位相差θの減少レートによって決定される。初期値θiは、カム機構51およびさらばね53の取付け形態によって決定され、回転位相差θの減少レートは、カム機構51の外溝形状や、さらばね53の弾性係数によって設計される。すなわち、磁石式電動機の運転領域は、これらの要素によって調整可能である。
As shown in FIG. 6, the operating range of the magnet-type
(実施の形態の変形例1)
図7に示すように、アウトプットディスク52および回転子30a,30bの間に、さらばね53に代えてコイルスプリング70を設ける構成としても、カム機構51およびコイルスプリング70によって、上記と同様の位相差設定機構50を得ることができる。
(Modification 1 of embodiment)
As shown in FIG. 7, even if the
なお、図8に示すように、コイルスプリング70は、長手方向に圧縮されるような力Fを受けると、両端には円周方向に広がる力Rが作用する特性を有する。この特性を利用して、図9に示すように、コイルスプリング75のみによって位相差設定機構50を構成することも可能である。
As shown in FIG. 8, when the
図9を参照して、コイルスプリング75は、両端81および82は、回転子30aおよびアウトプットディスク81と接続され、かつ、磁気吸引力Fmのスラスト方向成分であるスラスト力Fsによって、長手方向(図8のF方向)に圧縮されるように取付けられる。さらに、コイルスプリング75が弾性変形していない状態で、回転子30aおよびアウトプットディスク81の間に所定の初期位相差が設けられるように、両端81および82の取付けは調整される。
Referring to FIG. 9, both ends 81 and 82 of
このような構成とすることにより、コイルスプリング75は、スラスト力Fsに応じて、回転子30aおよびアウトプットディスク81の間の位相差を減少させる方向に弾性変形する。すなわち、上記位相差は、スラスト力Fs=0の状態で所定の初期値となり、スラスト力Fsの増大に従って減少する。
With such a configuration, the
したがって、回転子30bおよびアウトプットディスク81の間にも、図9と同様にコイルスプリングを設けることにより、カム機構を省略して位相差設定機構をコンパクトに構成することができる。
Therefore, by providing a coil spring between the
(実施の形態の変形例2)
また、図1〜9では、カム機構および/または弾性体を用いた位相差設定機構を例示したが、本発明による磁石式電動機において、位相差設定機構は、モータトルクに応じて変化するスラスト力Fsを回転子30a,30b間の回転位相差を変化する力に変換することが可能であれば、任意の機構を適用することができる。
(
1 to 9 exemplify a phase difference setting mechanism using a cam mechanism and / or an elastic body, but in the magnet type electric motor according to the present invention, the phase difference setting mechanism has a thrust force that changes according to the motor torque. Any mechanism can be applied as long as Fs can be converted into a force that changes the rotational phase difference between the
変形例の一例として、図10に示すように、油圧系により位相差設定機構50を構成することも可能である。
As an example of a modification, as shown in FIG. 10, the phase
図10を参照して、位相差設定機構50は、回転子30aとアウトプットディスク52の間に設けられた、シリンダ54aおよびピストン55a,56aを有する。さらに、位相差設定機構50は、回転子30bおよびアウトプットディスク52の間に設けられた、シリンダ54bおよびピストン55b,56bを有する。
Referring to FIG. 10, phase
図10では記載を省略しているが、図10の位相差設定機構においても、回転子30a,30bに初期値となる所定の回転位相差θiを付与するための「付勢手段(代表的には、図5(a)に示したさらばね53)」が設けられている。
Although not shown in FIG. 10, in the phase difference setting mechanism of FIG. 10 as well, “biasing means (typically, for applying a predetermined rotational phase difference θi as an initial value to the
ピストン55aは、回転子30aに作用する磁気吸引力のスラスト方向成分(スラスト力)Fsを受ける。ピストン55aに印加されたスラスト力Fsは、シリンダ54a内の油圧を媒介してピストン56aに伝搬され、アウトプットディスク52と回転子30aとの間の回転力Ftとして作用する。上記のように、この回転力Ftは、さらばね53によって付勢された回転位相差θを減ずる方向にさらばね53を弾性変形させるように作用する。
The
同様に、回転子30bに作用するスラスト力Fsは、ピストン55b、シリンダ54bおよびピストン56bを介して、アウトプットディスク52と回転子30bとの間の回転力Ftへ変換される。この回転力Ftも、さらばね53によって付勢された回転位相差θを減ずる方向にさらばね53を弾性変形させるように作用する。
Similarly, the thrust force Fs acting on the
このように、図9に示したような油圧系によっても、高トルク領域において界磁を確保する一方で低トルク領域において機械的に界磁を減少させるように、モータトルクに応じて回転子30a,30b間の回転位相差を設定する位相差設定機構を構成することができる。
As described above, even with the hydraulic system as shown in FIG. 9, the
また、図1〜10では、回転位相差を制御可能な2個の回転子30a,30bを備える磁石式電動機の構成を説明したが、回転子は、3以上の複数個設けることも可能である。
1 to 10, the configuration of the magnetic motor including the two
図11には、3個の回転子30x,30y,30zを設けた磁石式電動機の構成が例示される。
FIG. 11 illustrates a configuration of a magnet type electric motor provided with three
図11を参照して、回転子30xおよび30yの間、ならびに回転子30xおよび30zの間には、位相差設定機構50a,50bがそれぞれ設けられる。
Referring to FIG. 11, phase
図11の構成では、回転子30xは固定され、回転子30y,30xは、回転子30xに対して磁極ずれを発生可能に配置される。さらに、回転子30xに対する回転子30yの回転位相差θyが位相差設定機構50aによってモータトルクに応じて設定されるとともに、回転子30xに対する回転子30zの回転位相差θzは位相差設定機構50bによってモータトルクに応じて設定される。
In the configuration of FIG. 11, the
位相差設定機構50a,50bには、これまで説明した位相差設定機構50が適用されるの。これにより、高トルク領域では、回転子30x,30y,30z間の回転位相差θy,θz=0となって鎖交磁束量が確保される一方で、低トルク領域では回転位相差θy,θzを設けて磁極ずれを発生させることにより機械的に界磁を減少させることができる。この結果、3以上の複数個の回転子を備えた構成の磁石式電動機についても、高トルク領域でモータ出力を確保して運転領域を縮小させることなく、低トルク−高速回域で運転領域を拡大することができる
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
The phase
10 磁石式電動機、20 固定子、21 固定子磁極、22 固定子巻線、25 エアギャップ、30a,30b,30x,30y,30z 回転子(分割)、32 回転子コア、35,35a,35b 界磁用磁石、40 モータ回転軸、45 センサ磁石、50,50a,50b 位相差設定機構、51 カム機構、52 アウトプットディスク、54a,54b シリンダ、55a,55b,56a,56b ピストン、60 モータ制御回路、70,75 コイルスプリング、81,82 両端部(コイルスプリング)、100 運転領域(θ=0:高トルク時)、110 運転領域(θ=θi:モータ静止時)、120 中間領域、Fm 磁気吸引力、Fs スラスト力、Ft 位相変換力(回転力)、θ,θy、θz 回転子間位相差、θi 位相差初期値、φ 界磁用磁石発生磁束量、Ψ 鎖交磁束量。 10 Magnet motor, 20 Stator, 21 Stator magnetic pole, 22 Stator winding, 25 Air gap, 30a, 30b, 30x, 30y, 30z Rotor (split), 32 Rotor core, 35, 35a, 35b Magnet for magnet, 40 Motor rotating shaft, 45 Sensor magnet, 50, 50a, 50b Phase difference setting mechanism, 51 Cam mechanism, 52 Output disk, 54a, 54b Cylinder, 55a, 55b, 56a, 56b Piston, 60 Motor control circuit , 70, 75 Coil spring, 81, 82 Both ends (coil spring), 100 operation region (θ = 0: at high torque), 110 operation region (θ = θi: when the motor is stationary), 120 intermediate region, Fm Magnetic attraction Force, Fs thrust force, Ft phase conversion force (rotational force), θ, θy, θz phase difference between rotors, θi phase difference Period value, φ field magnet magnetic flux generated by the amount, Ψ flux linkage amount.
Claims (6)
共通の回転軸に取り付けられ、各々に磁石が装着された第1および第2の回転子とを備え、
前記第1および第2の回転子は、前記複数の固定子磁極と前記磁石との間に作用する磁気吸引力によって回転可能であり、かつ、前記磁気吸引力が前記回転軸に沿ったスラスト方向成分を有するように設けられ、
前記スラスト方向成分によるスラスト力に応じて、前記第1および第2の回転子の前記磁石間の回転位相差を設定する位相差設定手段をさらに備える、磁石式電動機。 A stator having a plurality of stator poles and a stator winding for generating a rotating magnetic field in the stator poles upon receiving a current;
A first and a second rotor mounted on a common rotating shaft and each having a magnet mounted thereon;
The first and second rotors can be rotated by a magnetic attractive force acting between the plurality of stator magnetic poles and the magnet, and the magnetic attractive force is in a thrust direction along the rotation axis. Provided to have ingredients,
A magnet type electric motor further comprising phase difference setting means for setting a rotational phase difference between the magnets of the first and second rotors according to a thrust force due to the thrust direction component.
前記第1および第2の回転子間に前記回転位相差を与えるように付勢する付勢手段と、
前記付勢手段への反力として与えられる前記スラスト力を、前記回転位相差を減少させる方向に作用する力に変換する変換手段とを含む、請求項1または2記載の磁石式電動機。 The phase difference setting means includes
Biasing means for biasing the rotational phase difference between the first and second rotors;
The magnet type electric motor according to claim 1, further comprising: conversion means for converting the thrust force applied as a reaction force to the urging means into a force acting in a direction to reduce the rotational phase difference.
前記変換手段は、前記付勢力と反対方向に印加される前記スラスト力に応じて、前記回転位相差が減少する方向に前記第1および第2の回転子を回転させる力を発生させるように構成されたカム機構を含む、請求項3記載の磁石式電動機。 The holding means includes an elastic body provided between the first and second rotors so as to generate an urging force having the rotational phase difference as the initial value when the thrust force is zero. Including
The converting means is configured to generate a force for rotating the first and second rotors in a direction in which the rotational phase difference decreases in accordance with the thrust force applied in a direction opposite to the biasing force. The magnet type electric motor according to claim 3, comprising a cam mechanism.
前記スラスト力の印加に応じて、前記回転位相差を減少させる方向に弾性変形するように構成された弾性変形手段を含み、
前記弾性変形手段は、弾性変形前の状態において、前記第1および第2の回転子間に前記回転位相差を与えるように構成される、請求項1または2記載の磁石式電動機。 The phase difference setting means includes
Elastic deformation means configured to elastically deform in a direction to reduce the rotational phase difference in response to the application of the thrust force;
The magnet type electric motor according to claim 1 or 2, wherein the elastic deformation means is configured to give the rotational phase difference between the first and second rotors in a state before elastic deformation.
共通の回転軸に取り付けられ、各々に磁石が装着された第1および第2の回転子とを備え、
前記第1および第2の回転子は、前記複数の固定子磁極と前記磁石との間に作用する磁気吸引力によって回転可能であり、
前記電動機の出力トルクに応じて、前記第1および第2の回転子の前記磁石間の回転位相差を設定するように構成された位相差設定手段をさらに備え、
前記位相差設定手段は、前記出力トルクの増加に従って前記回転位相差を減少させる、磁石式電動機。 A stator having a plurality of stator poles and a stator winding for generating a rotating magnetic field in the stator poles upon receiving a current;
A first and a second rotor mounted on a common rotating shaft and each having a magnet mounted thereon;
The first and second rotors are rotatable by a magnetic attractive force acting between the plurality of stator magnetic poles and the magnet;
A phase difference setting unit configured to set a rotation phase difference between the magnets of the first and second rotors according to an output torque of the electric motor;
The phase difference setting means is a magnet type electric motor that decreases the rotational phase difference as the output torque increases.
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