JP2013179757A - Ｔｆｍモータ及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低回転領域から高回転領域まで広速度域で使用できるＴＦＭモータを提供する。
【解決手段】各相の固定子１１は、多数枚の回転中心方向に開口するＣ型の固定子鉄心１１１を回転中心に対して放射状に配列し、全固定子鉄心の開口部にトーラス状の電機子コイル１１２を貫挿して構成し、各相の回転子１２は、多数枚の回転子鉄心１２１を回転中心にして放射状に配列し、多数枚の回転子鉄心の外周部に円周方向にＮ極、Ｓ極が交互に現れ、かつ軸方向に対向する２個についてＮ極、Ｓ極の対となって現れるように２列に複数個の永久磁石１４を配して構成し、永久磁石１４については、円周方向の所定の等間隔を開けた位置のＮ極、Ｓ極の対の永久磁石には可変磁力永久磁石１４２を用い、電機子コイル１１２に流すパルス的な通常運転時よりも大電流を流すことによって磁化方向及び着磁力を変化させ、かつ変化後の磁化方向及び着磁力を維持するようにしたＴＦＭモータ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁力可変永久磁石を備えたＴＦＭモータ及びその運転方法に関する。

電気自動車は走行距離の延長とバッテリ容量の低減のため、低消費電力が最重要である。これに適したモータとして、速度に応じて電圧を可変できる永久磁石モータがある（特開２００９−２０１３００号公報―特許文献１、特開２０１０−００４６７３号公報―特許文献２）。

また、永久磁石モータの中では、トーラス状コイルのＴｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｆｌｕｘ Ｍｏｔｏｒ （横方向磁束モータ。省略する時には、「ＴＦＭ」と記す。）が知られている（特表２００７−５００５００号公報―特許文献３）。

このＴＦＭモータについても、例えば自動車や電気車のように大トルク低回転領域から小トルク高回転領域まで広い回転速度領域で使用できるようにすることが望まれている。

特開２００９−２０１３００号公報 特開２０１０−００４６７３号公報 特表２００７−５００５００号公報

W. M. Arshad, T. Backstrom, C. Sadaragani："Analytical Design and Analysis Procedure for A Transverse Flux Machine", IEEE IEMDC, 17-20, 2001. 堺 和人, 他 ：「可変磁力メモリモータの原理と基本特性」, 電気学会論文誌D, vol.131-D, No.1, pp. 53-60, 2011 "Development of a new transverse flux motor", IEE Colloquium on New Topologies for Permanent Magnet Machines, 1997

本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたもので、永久磁石の磁化により電圧を可変でき、大トルク低回転領域から小トルク高回転領域まで広い回転速度領域で使用できるＴＦＭモータ（Ｖ−ＴＦＭモータ）及びその運転方法を提供することを目的とする。

本発明の１つの特徴は、円筒状の固定子の内周側にエアギャップを介して回転子を配して１相の相ユニットを構成し、前記相ユニットを複数ユニット、回転軸方向に所定の電気角ずつ回転方向にずらした位置関係にして配し、各回転子の中央に回転軸を通してＴＦＭモータとし、前記各相の固定子は、多数枚の回転中心方向に開口するＣ型の固定子鉄心を前記回転中心に対して放射状に配列し、全固定子鉄心の開口部にトーラス状の電機子コイルを貫挿して構成し、前記各相の回転子は、多数枚の回転子鉄心を前記回転中心にして放射状に配列し、前記多数枚の回転子鉄心の外周部に円周方向にＮ極、Ｓ極が交互に現れ、かつ軸方向に対向する２個についてＮ極、Ｓ極の対となって現れるように２列に複数個の永久磁石を配して構成し、前記永久磁石については、円周方向の所定の等間隔を開けた位置のＮ極、Ｓ極の対の永久磁石には可変磁力永久磁石を用い、前記電機子コイルに流すパルス的な通常運転時よりも大電流を流すことによって磁化方向及び着磁力を変化させ、かつ変化後の磁化方向及び着磁力を維持するようにしたＴＦＭモータである。

本発明の別の特徴は、円筒状の固定子の内周側にエアギャップを介して回転子を配して１相の相ユニットを構成し、前記相ユニットを複数ユニット、回転軸方向に所定の電気角ずつ回転方向にずらした位置関係にして配し、各回転子の中央に回転軸を通してＴＦＭモータとし、前記各相の固定子は、多数枚の回転中心方向に開口するＣ型の固定子鉄心を前記回転中心に対して放射状に配列し、全固定子鉄心の開口部にトーラス状の電機子コイルを貫挿して構成し、前記各相の回転子は、多数枚の回転子鉄心を前記回転中心にして放射状に配列し、前記多数枚の回転子鉄心の外周部に円周方向にＮ極、Ｓ極が交互に現れ、かつ軸方向に対向する２個についてＮ極、Ｓ極の対となって現れるように２列に複数個の永久磁石を配して構成し、前記永久磁石については、円周方向の所定の等間隔を開けた位置のＮ極、Ｓ極の対の永久磁石には可変磁力磁石を用い、前記電機子コイルに流すパルス的な通常運転時よりも大電流を流すことによって磁化方向及び着磁力を変化させ、かつ変化後の磁化方向及び着磁力を維持するようにしたＴＦＭモータを運転するＴＦＭモータの運転方法であって、低速度領域では、前記電機子コイルに流すパルス的な通常運転時よりも大電流を流すことによって磁化方向及び着磁力を変化させ、前記可変磁力永久磁石を所定の第１の磁力と向きに不可逆的に磁化させて運転し、中、高速度領域では、前記電機子コイルに流すパルス的な通常運転時よりも大電流を流すことによって磁化方向及び着磁力を変化させ、前記可変磁力永久磁石を所定の第２の磁力と向きに不可逆的に磁化させて運転するＴＦＭモータの運転方法である。

本発明のＴＦＭモータによれば、回転子の磁気的凹凸を形成する永久磁石の一部に可変磁力永久磁石を使用し、用いる速度域、必要なトルクに応じてその磁化方向及び着磁力を不可逆的に変化させることにより永久磁石の全鎖交磁束量を変化させ、低速領域から高速領域まで広範囲の速度域で使用できる。

また本発明のＴＦＭモータの運転方法によれば、低速度領域では、電機子コイルに流すパルス的な通常運転時よりも大電流を流すことによって磁化方向及び着磁力を変化させ、可変磁力永久磁石を所定の第１の磁力と向きに不可逆的に磁化させて運転し、中、高速度領域では、電機子コイルに流すパルス的な通常運転時よりも大電流を流すことによって磁化方向及び着磁力を変化させ、可変磁力永久磁石を所定の第２の磁力と向きに不可逆的に磁化させて運転することにより、ＴＦＭモータを低速領域から高速領域まで広範囲の速度域で運転することができる。

１つの実施の形態のＴＦＭモータの斜視図。 １つの実施の形態ＴＦＭモータの固定子と回転子の一部の斜め上側から見た斜視図。 １つの実施の形態のＴＦＭモータの固定子と回転子の一部の斜め下側から見た斜視図。 １つの実施の形態のＴＦＭモータの固定子、回転子及び回転軸の一部の斜視図。 １つの実施の形態のＴＦＭモータの固定子と回転子の一部の断面図。 １つの実施の形態のＴＦＭモータの固定磁力永久磁石と可変磁力永久磁石との磁化方向を相逆にした状態の磁化方向の配列を示す説明図。 １つの実施の形態のＴＦＭモータの固定磁力永久磁石と可変磁力永久磁石との磁化方向を同方向にした状態の磁化方向の配列を示す説明図。 実施例の３相ＴＦＭモータの諸元表。 比較例の３相ＴＦＭモータの一部を示す斜視図。 実施例の３相ＴＦＭモータの第１、第２の状態の誘起電圧と各次調波との対応を示す表。 比較例の３相ＴＦＭモータの磁束密度のシミュレーション結果の斜視図。 実施例の３相ＴＦＭモータの磁束密度のシミュレーション結果の斜視図。 比較例の３相ＴＦＭモータのトルク特性のグラフ。 実施例の３相ＴＦＭモータのトルク特性のグラフ。 実施例の３相ＴＦＭモータにおける可変磁力永久磁石の磁化方向と着磁力と磁化電流との関係を示すグラフ。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

図１は１つの実施の形態の横方向磁束モータ（ＴＦＭ）１の全体構成を示している。図２、図３は、ＴＦＭ１のＵ，Ｖ，Ｗ各相ユニット１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗにおける磁気構成と電流を示している。図４、図５は要部の永久磁石１４の配列を示している。

図１〜図３に示すように、ＴＦＭ１は、回転軸１３上に軸方向に並ぶように配置されたリング状のＵ相ユニット１０Ｕ、Ｖ相ユニット１０Ｖ、Ｗ相ユニット１０Ｗで構成されている。各相ユニット１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗは外周側の各相固定子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗと、各相固定子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの中央部に配置されている各相回転子１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗと、各相回転子１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの中央を貫通する回転軸１３にて構成されている。

各相固定子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗは、放射状に配置された多数枚の、軸方向に開口するＣ形状（門形、あるいはコの字形）の固定子鉄心１１Ｕ１，１１Ｖ１，１１Ｗ１と、各固定子鉄心１１Ｕ１，１１Ｖ１，１１Ｗ１の開口部を貫通するトーラス状の電機子コイル１１Ｕ２，１１Ｖ２，１１Ｗ２と、固定鉄心１１Ｕ１，１１Ｖ１，１１Ｗ１の外周部を共通に補強する外殻材１１Ｕ３，１１Ｖ３，１１Ｗ３にて構成されている。尚、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相固定子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗでは電気角は１２０°ずつずれるように固定子鉄心１１Ｕ１，１１Ｖ１，１１Ｗ１が配置してある。

各相回転子１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗは、各相固定子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの内周部それぞれに対向して、Ｕ相用、Ｖ相用、Ｗ相用に放射状に配置された回転子鉄心１２Ｕ１，１２Ｖ１，１２Ｗ１と、モータ円周方向にＮ極、Ｓ極が交互に並ぶようにして各回転子鉄心１２Ｕ１，１２Ｖ１，１２Ｗ１の外周部に２列に配置された永久磁石１４にて構成されている。

図２、図３において、符号２０は回転方向（トルク方向）、符号Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは電機子コイル１１Ｕ２，１１Ｖ２，１１Ｗ２に流れる電流の方向を示している。電流の方向とトルクの方向は一般のモータでは直角方向であるが、ＴＦＭ１では電流の方向Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗとトルクの方向２０は同方向であり、電流は回転方向２０に流れ、磁束の流れＢｕ，Ｂｖ，Ｂｗは回転軸方向である。

次に、図４、図５、図６を用いて、永久磁石１４の配列について説明する。以下の説明で必要な場合、永久磁石１４について、固定磁力永久磁石は１４１、可変磁力永久磁石は１４２と符号を付ける。また、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相用の永久磁石については、Ｕ，Ｖ，Ｗの符号を追加することによって区別する。さらに、Ｎ極、Ｓ極の向きを区別する必要がある時にはＮ，Ｓの符号を追加することによって区別する。例えば、１４１ＵＮは、固定磁力永久磁石であって、Ｕ相ユニット１０Ｕに用いられ、Ｎ極が固定子鉄心１１Ｕ１の端面に対向する向きであることを示している。また、１４２ＶＳは、可変磁力永久磁石であって、Ｖ相ユニット１０Ｖに用いられ、Ｓ極が固定子鉄心１１Ｖ１の端面に対向する向きであることを示している。

永久磁石１４は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相回転子１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの外周部において、回転軸方向にＮＳ相逆極が離間して２列に配置してある。そして、図６に示すように、永久磁石１４の円周方向の配列については、例えばＮ極固定磁力永久磁石１４１Ｎ、Ｓ極可変磁力永久磁石１４２Ｓ（ただし、磁力変更前の状態）、Ｎ極固定磁力永久磁石１４１Ｎで１組として配置し、その隣りには、逆にＳ極固定磁力永久磁石１４１Ｓ、Ｎ極可変磁力永久磁石１４２Ｎ（ただし、磁力変更前の状態）、Ｓ極固定磁力永久磁石１４１Ｓで１組として配置してある。これはＵ，Ｖ，Ｗ各相ユニット１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗにて共通の配列である。

これらの永久磁石１４による鎖交磁束を変化させるには、永久磁石１４自身の磁力を変化させることによって行う。そのため、固定磁力永久磁石１４１には高保磁力の永久磁石、例えば、ネオジム磁石を用い、磁力の増減調整ができるように可変磁力永久磁石１４２には低保磁力の永久磁石、例えば、サマリウム・コバルト磁石、アルニコ磁石、あるいはフェライト磁石を用いる。

上記構成のＴＦＭ１の動作について説明する。一般的なモータでは、電流の方向とトルクの方向とは直角であるが、ＴＦＭ１の場合、電流の方向とトルクの方向とが同一である。図２、図３に示すように、トーラス状コイルで成る電機子コイル１１Ｕ２，１１Ｖ２，１１Ｗ２に電流を流すことにより、磁束は回転軸１３方向に発生し、トルクは電流方向に発生して回転する。

始動時や低速回転域では大トルクを必要とする。このために、図６の状態で起動する。これにより、固定子鉄心１１Ｕ１，１１Ｖ１，１１Ｗ１の各１極に永久磁石１４が１個対応して高トルクを発生することができる。

中速、高速域では誘起電圧を低くすることによって周波数を上げることができ、高速回転が可能となるように、通常の運転電流よりも大電流の着磁電流をパルス的に電機子コイル１１Ｕ２，１１Ｖ２，１１Ｗ２に流すことにより大きな着磁界を発生させ、これによって可変磁力永久磁石１４２Ｕ，１４２Ｖ，１４２Ｗを低速域とは逆極性になるように着磁する。これにより、図７に示す着磁状態になり、各１極に永久磁石１４が３個対応し、誘起電圧が低減して高速域までの回転を可能にする。

ＴＦＭ１はトーラスコイルを用いた構成であり、３次元的に磁束が分布する。そこで、磁束の流れとモータ特性を把握するため３次元電磁解析を行った。図８の表１には解析対象のＴＦＭモータの諸元を示している。３相モータ、１２０極、モータ直径５５０ｍｍ、各相ユニットの長さ１４０ｍｍ、電流周波数５０Ｈｚ、定格電流６０Ａにした。

図９に比較例としてのＴＦＭの３次元解析モデルを示している。本実施例のＶ−ＴＦＭの解析モデルは、図４、図５のものである。実施例のＶ−ＴＦＭは、比較例のＴＦＭに対して、永久磁石の磁力を変化させて解析した。Ｖ−ＴＦＭモデルの節点数は１１６０５９、要素数は４９２５０６である。

無負荷時の誘導電圧波形の調波分析結果を図１０の表２に示す。３次成分は６．３％、５次成分は３．１％であることから、トルク脈動が小さく鉄損も少ないことがわかる。Ｖ−ＴＦＭの誘導電圧は比較例のＴＦＭの約４９％であり、永久磁石の磁化により４９％〜１００％の範囲で磁力を可変できることが確認できた。

比較例のＴＦＭの定格負荷時の磁束密度分布を図１１に示している。各相ユニット毎に回転軸方向磁束が分布していることがわかる。実施例のＶ−ＴＦＭは図１２に示すように永久磁石の磁化により分布が変化していることがわかる。

また、図１３にＴＦＭのトルク特性、図１４にＶ−ＴＦＭのトルク特性を示している。これらより、比較例のＴＦＭ、実施例のＶ−ＴＦＭ共に従来のモータ以上の高トルクを発生していることが確かめられた。また、トルク脈動は約８％であり、小さい。

Ｖ−ＴＦＭにおける永久磁石１４２の磁化特性を図１５に示す。３．５ｐ．ｕ．の磁化電流で可変磁力永久磁石１４２はＳ極からＮ極に８０％以上の磁化状態まで極性を反転させることができる。

この実施例により、可変磁力永久磁石１４２の磁力を変化させることでＶ−ＴＦＭの誘起電圧を変化させることができ、十分なトルクを発生でき、かつ、広い回転領域にて使用できることが確認できた。

１ ＴＦＭモータ
１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ 相ユニット
１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ 固定子
１１Ｕ１，１１Ｖ１，１１Ｗ１ 固定子鉄心
１１Ｕ２，１１Ｖ２，１１Ｗ２ 電機子コイル
１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗ 回転子
１２Ｕ１，１２Ｖ１，１２Ｗ１ 回転子鉄心
１４ＵＮ；１４ＵＳ，１４ＶＮ；１４ＶＳ，１４ＷＮ；１４ＷＳ 永久磁石
１３ 回転軸
１６ 外殻材

Claims (3)

1. 円筒状の固定子の内周側にエアギャップを介して回転子を配して１相の相ユニットを構成し、前記相ユニットを複数ユニット、回転軸方向に所定の電気角ずつずらした位置関係にして配し、各回転子の中央に回転軸を通してＴＦＭモータとし、
   前記各相の固定子は、多数枚の回転中心方向に開口するＣ型の固定子鉄心を前記回転中心に対して放射状に配列し、全固定子鉄心の開口部にトーラス状の電機子コイルを貫挿して構成し、
   前記各相の回転子は、多数枚の回転子鉄心を前記回転中心にして放射状に配列し、前記多数枚の回転子鉄心の外周部に円周方向にＮ極、Ｓ極が交互に現れ、かつ軸方向に対向する２個についてＮ極、Ｓ極の対となって現れるように２列に複数個の永久磁石を配して構成し、
   前記永久磁石については、円周方向の所定の等間隔を開けた位置のＮ極、Ｓ極の対の永久磁石には可変磁力永久磁石を用い、前記電機子コイルに流すパルス的な通常運転時よりも大電流を流すことによって磁化方向及び着磁力を変化させ、かつ変化後の磁化方向及び着磁力を維持するようにしたことを特徴とするＴＦＭモータ。
2. 前記可変磁力永久磁石には、所要トルク、回転速度に応じて必要な磁力及び磁化方向に不可逆的に磁化させることを特徴とする請求項１に記載のＴＦＭモータ。
3. 円筒状の固定子の内周側にエアギャップを介して回転子を配して１相の相ユニットを構成し、前記相ユニットを複数ユニット、回転軸方向に所定の電気角ずつずらした位置関係にして配し、各回転子の中央に回転軸を通してＴＦＭモータとし、前記各相の固定子は、多数枚の回転中心方向に開口するＣ型の固定子鉄心を前記回転中心に対して放射状に配列し、全固定子鉄心の開口部にトーラス状の電機子コイルを貫挿して構成し、前記各相の回転子は、多数枚の回転子鉄心を前記回転中心にして放射状に配列し、前記多数枚の回転子鉄心の外周部に円周方向にＮ極、Ｓ極が交互に現れ、かつ軸方向に対向する２個についてＮ極、Ｓ極の対となって現れるように２列に複数個の永久磁石を配して構成し、前記永久磁石については、円周方向の所定の等間隔を開けた位置のＮ極、Ｓ極の対の永久磁石には可変磁力磁石を用い、前記電機子コイルに流すパルス的な通常運転時よりも大電流を流すことによって磁化方向及び着磁力を変化させ、かつ変化後の磁化方向及び着磁力を維持するようにしたＴＦＭモータを運転するＴＦＭモータの運転方法であって、
   低速度領域では、前記電機子コイルに流すパルス的な通常運転時よりも大電流を流すことによって磁化方向及び着磁力を変化させ、前記可変磁力永久磁石を所定の第１の磁力と向きに不可逆的に磁化させて運転し、
   中、高速度領域では、前記電機子コイルに流すパルス的な通常運転時よりも大電流を流すことによって磁化方向及び着磁力を変化させ、前記可変磁力永久磁石を所定の第２の磁力と向きに不可逆的に磁化させて運転することを特徴とするＴＦＭモータの運転方法。