JP3506096B2 - 回転電機 - Google Patents
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Description
備えた複合型の回転電機に関し、特に一方のロータをジ
ェネレータとして動作させ、他方のロータをモータとし
て動作させる際に好適な構成に関する。
−275826号公報に記載された装置(本願出願人の
先願発明)ものがある。この回転電機は、中空円筒状の
ステータの内側と外側に所定のギャップをおいて中空円
筒状の外側ロータと内側ロータとが配置された構造にな
っている。そして外側ロータ軸と内側ロータ軸は同一軸
上に並ぶように配置され、外側ロータと内側ロータは同
軸上でそれぞれ独立に回転出来るようになっている(後
記図3で詳細後述)。そして上記ステータに設けたコイ
ルに流す複合電流を前記ロータの数と同数の回転磁場が
発生するように制御することにより、2個のロータを独
立に制御することが出来る。前記公報においては2個の
ロータの極対数比が1対1極対数比、3対1極対数比、
2対1極対数比の場合における回転電機として成立でき
る旨が記載されている。なお、極対数比とは一方のロー
タと他方のロータの磁極対(NとSで1対)の数の比を
示す。例えば、1対1極対数比とは一方のロータの磁極
対(NS)の数と他方のロータの磁極対の数とが同じ
(NS1組とNS1組やNS2組とNS2組)の場合、
3対1極対数比とは一方のロータがNS3組または6組
で他方ロータがNS1組または2組(極対数比は何れも
3:1)のような場合を示す。上記のごとき回転電機に
おいては、一方のロータをジェネレータとして、他方の
ロータをモータとして運転する場合、いわゆるハイブリ
ッドシステムとして動作させる場合に、発電電力とモー
タ駆動電力との差の分の電流を共通のコイルに流すだけ
でよいので、効率を大幅に向上させることができる。
において、1対1極対数比の構成では、磁気カップリン
グ効果が有るので、両方のロータを同速度(回転角速度
ω1=ω2)で回転させる(以下、同期状態と記す)場
合には、ステータのコイルに電流を流さないで直結状態
で駆動することも出来る(磁気カップリングモード:詳
細後述)という利点がある。しかし、ロータが逆転(2
個のロータが相互に逆方向に回る)する逆転モード(詳
細後述)もあるので、いわゆるハイブリット用モータと
して構成しにくいという問題があった。一方、n対1極
対数比の構成では、逆転モードはないが磁気カップリン
グ効果もないので、ステータのコイルに電流を流さない
で直結状態で駆動することは出来ない。また、大電流が
流れると誘起起電力が上昇し、その値が電源電圧の1/
2以上になると電源のインバータが駆動不能になり、電
力を供給することが出来なくなる、という問題もある。
になされたものであり、磁気カップリングで直結状態で
駆動できる機能と各ロータを独立に回転制御できる機能
とを合わせ持ち、2個のロータが同速度で回転する同期
状態における電力を大幅に低減出来る回転電機を提供す
ることを目的とする。
め、本発明においては特許請求の範囲に記載するように
構成している。すなわち、請求項1に記載の発明におい
ては、2個のロータは磁極を形成する永久磁石の数をn
対1極対数比(n=2以上の整数)とし、かつ、極対数
の多い方の磁極に強弱を設け、等価的に磁極数を少なく
することにより、極対数の少ない方の磁極と等価的に1
対1極対数比が可能となるようにし、前記ステータコイ
ルに流す電流を制御することによって1対1極対数比と
n対1極対数比とに切り換えて駆動可能に構成してい
る。例えばn対1極対数比の回転電機として動作させる
場合には、n対1に対応した複合電流をステータコイル
に流し、1対1極対数比で動作させる場合にはそれに対
応した電流を流せばよい。
には、例えば請求項2に記載のように、極対数の多い方
の磁極では磁石の起磁力に強弱を設けることにより、或
いは請求項3に記載のように、ロータとステータ間のギ
ャップに差を設けるか、若しくは強くしたい磁極のギャ
ップ近傍に透磁率の高い磁性材料を埋め込むことによ
り、実現することが出来る。
イブリッド駆動装置に適用した場合に、内燃機関始動時
や発進時には通常のn対1極対数比として複合電流で動
作させることにより、制御性を向上させることができ
る。また、同期状態で駆動側と被駆動側が同速度で回転
する場合には、磁気カップリングによって2個のロータ
間で直接にエネルギーの授受が行われるので、極めて低
電流、低損失で駆動することが出来る。そのため、同期
状態における損失の大幅な低減が可能になり、かつ誘起
起電力が減少するために、同期状態において高回転まで
運転領域を拡大できる。さらに、同期状態における供給
電流を小さくできるので鉄損、銅損、インバータロスを
大幅に低減することができる、等の効果が得られる。
の例として、本出願人が以前に出願した特開平11−2
75826号公報記載の回転電機の構造、およびその駆
動回路について説明する。
示す図であり、(a)は回転電機全体の概略断面図、
(b)はロータとステータ部分の断面図〔(a)のA−
A’断面図、ただし軸や外枠部分は除き、ロータとステ
ータのみを示す〕である。なお、図3は外側ロータの磁
極数が4、内側ロータの磁極数が2で、その比である磁
極数比が2:1の場合を示している。なお、ロータに設
けた磁極の対(NとSで1対)の数である極対数で示せ
ば、外側ロータは極対数が2、内側ロータは極対数が1
であり、両者の比である極対数比はやはり2:1とな
る。
外側と内側に所定のギャップをおいて中空円筒状の外側
ロータ3と内側ロータ4が配置され、3層構造になって
いる。また、内側ロータ軸9と外側ロータ軸10とは同
一の軸上に並ぶように設けられ、内側ロータ4と外側ロ
ータ3は同軸上でそれぞれ独立に回転出来るようになっ
ている。なお、軸受等は図示を省略している。
極とした一対の永久磁石で形成され、これに対して、外
側ロータ3は内側ロータ4の一極当たり2倍の極数を持
つように永久磁石が配置される。つまり、外側ロータ3
のS極、N極は各2個であり、90度毎にS極とN極が
入れ替わるように構成されている。このように各ロータ
3、4の磁極を配置すると、内側ロータ4の磁石は外側
ロータ3の磁石により回転力を与えられることがなく、
この逆に外側ロータ3の磁石が内側ロータ4の磁石によ
り回転力を与えられることもない。
タ3に及ぼす影響を考えてみる。簡単のため内側ロータ
4は固定して考える。まず、内側ロータ4のS極とこれ
に対峙する外側ロータ3の上側磁石SNとの関係におい
て、図示の状態で仮に内側ロータ4のS極が出す磁力を
受けて、外側ロータの上側磁石SNが時計方向に回転し
ようとしたとすると、内側ロータ4のN極とこれに対峙
する外側ロータ3の下側磁石SNとの関係においては、
内側ロータ4のN極により外側ロータ3の下側磁石SN
が反時計方向に回転しようとする。つまり、内側ロータ
4のS極が外側ロータ3の上側磁石に及ぼす磁力と内側
ロータ4のN極が外側ロータ3の下側磁石に及ぼす磁力
とがちょうど相殺することになり、外側ロータ3は内側
ロータ4と関係なく、ステータ2との関係だけで制御可
能となるわけである。このことは、後述するようにステ
ータコイルに発生する回転磁場とロータとの間でも同じ
である。
磁極当たり3個のコイル6で構成され、合計12個(=
3×4)のコイル6が同一の円周上に等分に配置されて
いる。丸で囲んだ数字はそれぞれコイルの巻線を示し、
例えば1と1とが1つのコイルを形成し、それぞれ電流
の方向が逆なことを示している。すなわち、1は紙面方
向へ電流の流れる巻線であり、1はその逆方向に電流の
流れる巻線である。この場合の巻線方法は集中巻であ
る。
イル6と同数のコア7が円周上に等分に所定の間隔(ギ
ャップ)8をおいて配列されている。なお、後述するよ
うに、12個のコイルは番号で区別しており、この場合
に6番目のコイルという意味でコイル6が出てくる。上
記のコイル6という表現と紛らわしいが、意味するとこ
ろは異なっている。
電流I1〜I12を流す。まず内側ロータ4に対する回
転磁場を発生させる電流(三相交流)を流すため、
[1,2]=[7,8]、[3,4]=[9,10]、
[5,6]=[11,12]の3組のコイルに120度
ずつ位相のずれた電流Id、If、Ieを設定する。こ
こで、番号の下に付けたアンダーラインは反対方向に電
流を流すことを意味させている。たとえば、1組のコイ
ル[1,2]=[7,8]に電流Idを流すとは、コイ
ル1からコイル7に向けてIdの半分の電流を、かつコ
イル2からコイル8に向けてIdのもう半分の電流を流
すことに相当する。1と2、7と8が円周上でそれぞれ
近い位置にあるので、この電流供給により、内側ロータ
4の磁極と同数(2極)の回転磁場を生じさせることが
可能となる。
生させる電流(三相交流)を流すため、[1]=[4]
=[7]=[10]、[2]=[5]=[8]=[1
1]、[3]=[6]=[9]=[12]の3組のコイ
ルに120度ずつ位相がずれた電流Ia、Ic、Ibを
設定する。たとえば、1組のコイル[1]=[4]=
[7]=[10]に電流Iaを流すとは、コイル1から
コイル4にIaの電流をかつコイル7からコイル10に
向けてもIaの電流を流すことに相当する。コイル1と
7、コイル4と10がそれぞれ円周上の180度ずつ離
れた位置にあるため、この電流供給により、外側ロータ
3の磁極と同数(4極)の回転磁場を生じさせることが
できる。この結果、12個のコイルには次の各複合電流
I1〜I12を流せばよいことになる。 I1=(1/2)Id+Ia I2=(1/2)Id+Ic I3=(1/2)If+Ib I4=(1/2)If+Ia I5=(1/2)Ie+Ic I6=(1/2)Ie+Ib I7=(1/2)Id+Ia I8=(1/2)Id+Ic I9=(1/2)If+Ib I10=(1/2)If+Ia I11=(1/2)Ie+Ic I12=(1/2)Ie+Ib ただし、電流記号の下につけたアンダーラインは逆向き
の電流であることを表している。
明すると、図4は、図3との比較のため、ステータ2の
内周側と外周側に各ロータに対して別々の回転磁場を発
生させる専用のコイルを配置したものである。つまり、
内周側コイルd、f、eの配列が内側ロータに対する回
転磁場を、また外周側コイルa、c、bの配列が外側ロ
ータに対する回転磁場を発生する。この場合に、2つの
専用コイルを共通化して、図3に示した共通のコイルに
再構成するには、内周側コイルのうち、コイルdに流す
電流の半分ずつをコイルdの近くにあるコイルaとcに
負担させ、同様にして、コイルfに流す電流の半分ずつ
をコイルfの近くにあるコイルbとaに、またコイルe
に流す電流の半分ずつをコイルeの近くにあるコイルc
とbに負担させればよいわけである。上記複合電流I1
〜I12の式はこのような考え方を数式に表したものあ
る。なお、電流設定の方法はこれに限られるものでな
く、前記特開平11−275826号公報に記載のよう
に、他の電流設定方法でもかまわない。
ルでありながら、内側ロータ4に対する回転磁場と外側
ロータ3に対する回転磁場との2つの磁場が同時に発生
するが、内側ロータ4の磁石は外側ロータ3に対する回
転磁場により回転力を与えられることがなく、また外側
ロータ3の磁石が内側ロータ4に対する回転磁場により
回転力を与えられることもない。この点は前記特開平1
1−275826号公報に記載のように、理論解析で証
明されている。
ータ4の回転に同期して、また上記Ia、Ic、Ibの
電流設定は外側ロータ3の回転に同期してそれぞれ行
う。トルクの方向に対して位相の進み遅れを設定する
が、これは同期モータに対する場合と同じである。
のブロック図である。上記複合電流I1〜I12をステ
ータコイルに供給するため、バッテリなどの電源11か
らの直流電流を交流電流に変換するインバータ12を備
える。瞬時電流の全ての和は0になるためこのインバー
タ12は、図6に詳細を示したように、通常の3相ブリ
ッジ型インバータを12相にしたものと同じで、24
(=12×2)個のトランジスタTr1〜Tr24とこ
のトランジスタと同数のダイオードから構成される。イ
ンバータ12の各ゲート(トランジスタのベース)に与
えるON、OFF信号はPWM信号である。
ロータ3、4の位相を検出する回転角センサ13、14
が設けられ、これらセンサ13、14からの信号が入力
される制御回路15では、外側ロータ3、内側ロータ4
に対する必要トルク(正負あり)のデータ(必要トルク
指令)に基づいてPWM信号を発生させる。
6号公報に記載の回転電機においては、2つのロータ
3、4と1つのステータ2を三層構造かつ同一の軸上に
構成すると共に、ステータ2に共通のコイル6を形成
し、この共通のコイル6にロータの数と同数の回転磁場
が発生するように複合電流を流すようにしたことから、
ロータの一方をモータとして、残りをジェネレータとし
て運転する場合に、モータ駆動電力と発電電力の差の分
の電流を共通のコイルに流すだけでよいので、効率を大
幅に向上させることができる。
1つでよくなり、さらにロータの一方をモータとして、
残りをジェネレータとして運転する場合には、上記のよ
うに、モータ駆動電力と発電電力の差の分の電流を共通
のコイルに流すだけでよくなることから、インバータの
電力スイッチングトランジスタのキャパシタンスを減ら
すことができ、これによってスイッチング効率が向上
し、より全体効率が向上する。
合について主に説明したが、極対数比が1:1の場合、
すなわち、外側ロータと内側ロータの極対数が同数の場
合には、特殊な動作特性が生じる。以下説明する。前記
特開平11−275826号公報の(8)式および
(9)式は下記のようになる。 f1=-μIm1{Im2・sin((ω2-ω1)t-α)-(3/2)n・Ic・sin(β)} …( 8) f2= μIm2{Im1・sin((ω1-ω2)t-α)-(3/2)n・Ic・sin((ω1-ω2)t-α-β) } …(9) ただし、f1:外側ロータの駆動力 f2:内側ロータの駆動力 Im1:外側ロータの磁石の等価直流電流 Im2:内側ロータの磁石の等価直流電流 Ic:ステータコイルの電流 ω1:外側ロータの回転角速度 ω2:内側ロータの回転角速度 α:2つのロータの磁極の位相角 β:電流の位相差 μ:透磁率 n:コイル定数 上記(8)式、(9)式において、まず、ステータコイ
ルに回転磁界を発生する電流Icを流した場合に、両ロ
ータの駆動力f1とf2を考察する。
る駆動力f1、f2は外側ロータと内側ロータとの位相
角αによって変化するので、以下、α=0の場合とα=
πの場合とに分けて説明する。なお、α=0とは図7
(a)に示すように、2個のロータの磁極が同極(N−
NとS−S)で対面している状態であり、α=πとは図
7(b)に示すように、2個のロータの磁極が異極(N
−S)で対面している状態である。
ば、(8)式、(9)式から、 f1=-μIm1{Im2・sin(-α)-(3/2)n・Ic・sin(β)} …(数1)式 f2= μIm2{Im1・sin(-α)-(3/2)n・Ic・sin(-α-β)} …(数2)式 α=0の場合 (数1)式、(数2)式においてα=0とすれば、下記(数3)式、(数4) 式のようになる。 f1=-μIm1{-(3/2)n・Ic・sin(β)} =μIm1・(3/2)n・Ic・sin(β)…(数3) 式 f2= μIm2{-(3/2)n・Ic・sin(-β)}=μIm2・(3/2)n・Ic・sin(β)…(数4) 式 よってμIm1=μIm2とすれば、f1=f2となる。上
記のように、α=0の場合にはf1=f2となるので、
2個のロータは同じ方向に駆動力を受け、同じ方向に回
転する。
上記のようにα=πの場合には、f1=−f2となるの
で、2個のロータは逆方向に駆動力を受け、相互に逆方
向に回転する。これが逆転モードである。上記のように
ステータコイルに電流を流して駆動する場合には、位相
角αの値に応じて、正転モードと逆転モードとがある。
合、すなわちIc=0の場合について説明する。Ic=
0の場合は前記(8)式、(9)式から下記(数7)
式、(数8)式のようになる。 f1=-μIm1{Im2・sin((ω2-ω1)t-α)} …(数7)式 f2= μIm2{Im1・sin((ω1-ω2)t-α)} …(数8)式 (数7)式、(数8)式において、ω1=ω2とすれ
ば、 f1=-μIm1{Im2・sin(-α)} …(数9)式 f2= μIm2{Im1・sin(-α)} …(数10)式 となり、常にf1=−f2となる。これは一見、逆方向
に回転するように見えるが、実際には2個のロータ間に
位相角αを与えた場合にα=0の位置に戻ろうする力を
示す。つまり一方のロータに外部から機械的な力を加え
ると、αが0からずれて、これを修正する力f1が発生
し、同様に他方のロータにも修正方向である反対側の力
f2が働くということである。したがって一方のロータ
を外部から機械的に回転させると他方のロータもα=0
を保つように同じ方向に回転することになる。これが磁
気カップリングであり、ステータコイルに電流を流さな
い状態で、例えば外側ロータを内燃機関で駆動すれば、
同方向に内側ロータを回転させることが出来る。
位相角α=0でステータコイルに電流を流さない状態で
一方のロータを外部から機械的に駆動すれば、磁気カッ
プリングモードとなり、ステータのコイルに電流を流さ
ないで、他方のロータを直結状態(同速度)で駆動する
ことが出来る。また、2つのロータの磁石の位相角α=
πの場合は逆転モードとなり、外側ロータと内側ロータ
とが逆方向に回転することになる。
ッド車両に搭載し、一方のロータを内燃機関で駆動して
発電し、その電力をステータコイルに流して他方のロー
タを回転させ、それで車両を駆動するシステムにおい
て、内燃機関の始動時に、上記の内燃機関に結合された
ロータをスタータモータとして始動を行うように構成し
た場合に、車両も内燃機関も停止している状態で、車両
に結合されたロータを回転して車両を駆動すると、内燃
機関に結合されたロータも回転してしまうおそれがあ
る。逆に、内燃機関の始動時に内燃機関に結合された方
のロータが回転すると、他方の車輪に結合されたロータ
も回転し、車両が動いてしまうおそれがある等の望まし
くない特性がある。本発明は電流を流さないで駆動出来
るという磁気カップリングの有利な特性を活かし、か
つ、望ましくない特性は押さえるように改良したもので
ある。
1は、本発明の第1の実施の形態に用いる回転電機のロ
ータとステータ部分の断面図であり、(a)は実際の構
成、(b)は等価的構成を示す。なお、回転電機全体の
概略断面図は前記図3(a)と同様である。図1(a)
に示すように、実際の構成は、外側ロータ21が3極
対、内側ロータ23が1極対で、3対1磁極対比の構成
になっている。しかし、外側ロータ21の磁石は、一方
が強いN極の両側に弱いS極があり、他方が強いS極の
両側に弱いN極がある構造になっている。上記の強い方
のN極またはS極の起磁力の強さが他の2個のS極また
はN極の起磁力の強さよりも大きければ、全体的には図
1(b)に示すように、一つのN極と一つのS極とがあ
るのと同等で1極対になる。そのため、等価的には外側
ロータ21と内側ロータ23が共に1極対で、1対1磁
極対比の構成になる。
2に設けたステータコイルに前に説明したごとき3対1
磁極対比に相当する複合電流を流せば、3対1磁極対比
の回転電機として動作し、外側ロータ21と内側ロータ
23を独立に制御することが出来る。また、前記のよう
に、磁気カップリング効果を利用して両方のロータを同
期して回転させる場合には、1対1磁極対数比の回転電
機として動作する。なお、上記の例は3対1磁極対比と
1対1磁極対数比とに両用出来る構成を示したが、一般
的にはn対1磁極対比(nは2以上の整数)と1対1磁
極対数比とに両用することが出来る。
性を切り換えて使用することが出来るので、いわゆるハ
イブリッド駆動の車両に適している。例えば、前記図3
(a)の外側ロータ軸10に内燃機関を接続して外側ロ
ータ3を駆動して発電機として動作させ、内側ロータ軸
9を車両の駆動系に接続して内側ロータ4を電動機とし
て車両を駆動する。このような構成において、上記3対
1磁極対比の回転電機として動作する場合には、外側ロ
ータ3で発電した電力で、内側ロータ4を回転させれ
ば、外側ロータ3の速度に拘束されない任意の速度で車
両を駆動することが出来る。また、上記1対1磁極対数
比の回転電機として動作する場合には、磁気カップリン
グ効果で外側ロータ3と同速度で内側ロータ4を回転さ
せることが出来る。この場合には磁気カップリング効果
を利用することにより、電力消費を極端に減少させるこ
とが出来る。
在させるには、次の3つの方法が考えられる。 (1)磁石の起磁力に差を持たせる方法 強い磁極とする部分の起磁力を大きくし、弱い磁極とす
る部分の起磁力を小さくすれば、強い磁極と弱い磁極を
形成できる。 (2)ギャップに差を設ける方法 起磁力が同じであってもロータとステータとのギャップ
の大きさを変えれば実用上磁極の強さは変わる。したが
って強くする磁極のギャップを小さく、弱くする磁極の
ギャップを大きくすれば、強い磁極と弱い磁極を構成で
きる。 (3)強くしたい磁極のギャップ近傍に透磁率の高い磁
性材料を埋め込む方法透磁率の高い磁性材料を埋め込む
ことにより、磁極を強くすることが出来る。
制御系を示すブロック図である。図2において、24は
外側ロータ21の位相(ロータ位置)を検出する回転角
センサ、25は内側ロータ23の位相を検出する回転角
センサである。また、トルク制御装置26は、ロータ間
トルク演算部27、トルク指令値演算部28、出力電流
演算部29、PWMパターン発生部30、ゲート信号作
成部31からなる。また、32はインバータ、33は電
流センサである。
においては、前記図1(a)に示したように、外側ロー
タ21の各磁極に強弱を設けている。そのため外側ロー
タ21と内側ロータ23とが異なった速度で回転する非
同期状態では、磁極の相互位置によって磁極の強弱に応
じたトルク変動が生じる。したがってトルク変動をなく
すためには、ステータコイルに流す電流をロータの回転
角に応じて制御する必要がある。
ンサ24、25で検出した2個のロータの位相(位置)
情報に基づいて、ロータ間トルク演算部27において2
個のロータ間トルクを演算する。次にトルク指令値演算
部28において、外部から与えられる内側ロータトルク
指令値S1、外側ロータトルク指令値S2と、上記の演
算したロータ間トルクとの差を求めることにより、実際
にステータの複合電流によって発生させるべきトルクに
相当したトルク指令値を求める。次に出力電流演算部2
9において、上記の演算されたトルク指令値に応じてス
テータコイルに供給する複合電流に相当する出力電流値
を演算する。次にゲート信号作成部31では、PWMパ
ターン発生部30から送られる信号(例えば三角波信
号)と上記の出力電流値とからPWMのゲート信号を作
成して出力する。上記のゲート信号でインバータ回路3
2のスイッチング素子をオン・オフ制御することによ
り、ステータ22に設けられたステータコイルに電流を
供給する。
期状態で外側ロータ21と内側ロータ23とを独立に制
御する際に、トルク変動を生じさせないで通常の3対1
極対数比の回転電機として動作させることが出来る。
が同速度で回転する同期状態においても、上記と同様の
制御を行うが、1対1磁極対数比で動作する場合には、
前記のごとき磁気カップリング効果が生じるので、ステ
ータコイルに流す電流を大幅に減少させることが出来
る。例えば、外側ロータ21を内燃機関で駆動し、内側
ロータ23で車両を駆動するような構成において、車両
を駆動するに必要とされるトルクが磁気カップリング効
果によるトルク(前記ロータ間トルク演算部27で求め
た2個のロータ間トルク)よりも小さい場合には、ステ
ータコイルに電流を流さずに内側ロータ23を回転させ
ることが出来る。内側ロータ23に必要とされる駆動ト
ルクが磁気カップリング効果によるトルクよりも大きく
なると、その分の電流がステータコイルに供給されるこ
とになる。
誘起起電力が上昇し、その値が電源電圧の1/2以上に
なると電源のインバータ回路が駆動不能になり、電力を
供給することが出来なくなるという問題が生じるが、本
発明においては、上記のように、供給される電流値が大
幅に小さくなるので、ステータコイルに流れる電流によ
る誘起起電力も減少する。そのため同期状態において高
回転域まで運転領域を拡大することが出来る。
れについて説明する。一方のロータが駆動源で、他方の
ロータが被駆動状態の場合、例えば前記のように外側ロ
ータ21を内燃機関で駆動し、内側ロータ23で車両を
駆動するような構成の場合であって、被駆動状態のロー
タのトルクを大きくする場合には、トルク指令値によら
ず、回転角センサ24、25で検出されたロータ位相情
報に基づいて回転速度を演算する。そして回転速度差が
有る場合には所定時間をかけてステータコイルの電流を
調節することで被駆動側のロータトルクを回転数差がゼ
ロとなるまで制御する。回転数差がゼロとなったところ
で、回転角センサ24、25で検出したロータ位置から
ロータ間トルク演算部27で被駆動側のトルクを演算
し、そのトルクが最大になる位置までステータコイルの
電流を調節し、位置決めを行う。その後は同期状態の制
御手法に従う。
くする場合には、トルク指令値によらず、回転角センサ
24、25で検出されたロータ位相情報に基づいて回転
速度を演算する。そして回転速度差が有る場合には所定
時間をかけてステータコイルの電流を調節することで被
駆動側のロータトルクを回転数差がゼロとなるまで制御
する。回転数差がゼロとなったところで、回転角センサ
24、25で検出したロータ位置からロータ間トルク演
算部27で被駆動側のトルクを演算し、そのトルクが最
小になる位置までステータコイルの電流を調節し、位置
決めを行う。その後は同期状態の制御手法に従う。
イブリッド駆動装置に適用した場合には、内燃機関始動
時や発進時には通常のn対1極対数比として複合電流で
動作させることにより、制御性を向上させることができ
る。また、同期状態で駆動側と被駆動側が同速度で回転
する場合には、磁気カップリングによって2個のロータ
間で直接にエネルギーの授受が行われるので、極めて低
電流、低損失で駆動することが出来る。そのため、同期
状態における損失の大幅な低減が可能になり、かつ誘起
起電力が減少するために、同期状態において高回転まで
運転領域を拡大できる。さらに、同期状態における供給
電流を小さくできるので鉄損、銅損、インバータロスを
大幅に低減することができる。
ロータとステータ部分の断面図であり、(a)は実際の
構成、(b)は等価的構成を示す図。
ク図。
図であり、(a)は回転電機全体の概略断面図、(b)
はロータとステータ部分の断面図。
置した回転電機本体の概略断面図。
ータ21と内側ロータ23との回転の位相角αを示す
図。
タ 23…内側ロータ 24…回転角
センサ 25…回転角センサ 26…トルク
制御装置 27…ロータ間トルク演算部 28…トルク
指令値演算部 29…出力電流演算部 30…PWM
パターン発生部 31…ゲート信号作成部 32…インバ
ータ回路 33…電流センサ S1…外側ロ
ータトルク指令値 S2…内側ロータトルク指令値
Claims (7)
- 【請求項1】磁気回路とステータコイルを共有する2個
のロータを備え、前記ステータコイルに各ロータに対応
する電流を加え合わせた複合電流を流し、前記ロータの
数と同数の回転磁場が発生するように制御する回転電機
であって、 前記2個のロータは磁極を形成する永久磁石の数をn対
1極対数比(n=2以上の整数)とし、かつ、極対数の
多い方の磁極に強弱を設け、等価的に磁極数を少なくす
ることにより、極対数の少ない方の磁極と等価的に1対
1極対数比が可能となるようにし、前記ステータコイル
に流す電流を制御することによって1対1極対数比とn
対1極対数比とに切り換えて駆動可能に構成したことを
特徴とする回転電機。 - 【請求項2】前記極対数の多い方の磁極は、磁石の起磁
力に強弱を設けることにより、等価的に極対数を少なく
するように構成したことを特徴とする請求項1に記載の
回転電機。 - 【請求項3】前記極対数の多い方の磁極は、前記ロータ
とステータ間のギャップに差を設けるか、若しくは強く
したい磁極のギャップ近傍に透磁率の高い磁性材料を埋
め込むことにより、等価的に極対数を少なくするように
構成したことを特徴とする請求項1に記載の回転電機。 - 【請求項4】前記2個のロータが同速度で回転する同期
状態においては、前記2個のロータの磁石により発生す
るロータ間トルクを、前記2個のロータ位置による関数
として計算し、必要とされるトルクの値と前記ロータ間
トルクとの差に相当するトルクを発生するようにステー
タコイルに供給する電力を制御する手段を備えたことを
特徴とする請求項1乃至請求項3の何れかに記載の回転
電機。 - 【請求項5】前記2個のロータが異なる速度で回転する
非同期状態においては、前記2個のロータの磁石により
発生するロータ間トルクを、前記2個のロータ位置によ
る関数として計算し、前記ロータ間トルクによって生ず
るトルク脈動を相殺するようにステータコイルに供給す
る電力を制御する手段を備えたことを特徴とする請求項
1乃至請求項4の何れかに記載の回転電機。 - 【請求項6】非同期状態から同期状態への引き入れは、
一方のロータが駆動源に接続され、他方のロータが被駆
動状態の場合であって、前記被駆動状態のロータのトル
クを大きくする場合には、ステータコイルの電流を調節
することで前記被駆動状態のロータトルクを回転数差が
ゼロとなるまで制御し、回転数差がゼロとなったところ
で、前記被駆動状態のロータトルクが最大になる位置ま
で前記ステータコイルの電流を調節して位置決めを行
い、位置決め完了後は位置決め制御を停止することで同
期状態とする手段を備えたことを特徴とする請求項1乃
至請求項5の何れかに記載の回転電機。 - 【請求項7】非同期状態から同期状態への引き入れは、
一方のロータが駆動源に接続され、他方のロータが被駆
動状態の場合であって、前記被駆動状態のロータのトル
クを小さくする場合には、ステータコイルの電流を調節
することで前記被駆動状態のロータトルクを回転数差が
ゼロとなるまで制御し、回転数差がゼロとなったところ
で、前記被駆動状態のトルクが最小になる位置まで前記
ステータコイルの電流を調節して位置決めを行い、位置
決め完了後は位置決め制御を停止することで同期状態と
する手段を備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項
5の何れかに記載の回転電機。
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JP2000066183A JP3506096B2 (ja) | 2000-03-10 | 2000-03-10 | 回転電機 |
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JP2001258218A JP2001258218A (ja) | 2001-09-21 |
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-
2000
- 2000-03-10 JP JP2000066183A patent/JP3506096B2/ja not_active Expired - Fee Related
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