JP4519928B2 - ハイブリッド励磁型同期機 - Google Patents

Description

本発明は、界磁コイル及び永久磁石を用いてロータの界磁束を形成するハイブリッド励磁型同期機に関する。

同期機として、ロータが発生する界磁束を励磁コイル（界磁コイルとも呼ぶ）により発生する界磁コイル型同期機、永久磁石が発生する磁石磁束を界磁束として利用する永久磁石型同期機、突極型ステータコアに対して回転する突極型ロータコアの磁気抵抗変化に基づくリラクタンストルクを発生するリラクタンスモータが知られている。永久磁石型同期機は、界磁束発生のための励磁損失が無い分だけモータ効率を向上できるため、高効率用途において広く採用されている。しかしながら、永久磁石型同期機では、使用するロータ回転数範囲が広い場合、高速時におけるステータコイルの逆起電力が問題となり、このため従来より種々の対策が講じられている。最も一般的な減磁対策は、磁石磁束トルクとリラクタンストルクを発生させるロータ構造を採用し、ｄ軸電流を調整してｄ軸電流磁束により磁石磁束を減らす方法である。しかしながら、このｄ軸電流減磁方式は、ｄ軸電流による損失が大きいという問題があった。

その他、磁石磁束が流れる磁気回路（以下、界磁束磁気回路とも言う）の磁路中に、励磁コイルが巻かれた磁路（励磁コイル磁路）を永久磁石を有する磁路（磁石磁路）と並列にを設け、励磁コイルの電流（励磁電流）を調整することによりこの界磁束磁気回路におけるロータとステータとの間の電磁ギャップの界磁束量を調整するハイブリッド励磁方式が提案されている（特許文献１）。永久磁石と励磁コイルとの両方を用いるこのハイブリッド励磁方式の同期機はハイブリッド励磁型同期機と呼ばれる。更に、上記特許文献１のハイブリッド励磁方式は、励磁コイル磁路と磁石磁路とが並列に設けられるため、以下において並列型ハイブリッド励磁方式と呼ばれる。
特開２００６−１４１１０６号公報

しかしながら、上記した並列型ハイブリッド励磁方式は、増減磁を行わない場合に、磁石磁束が励磁コイル磁路にバイパスするため、ステータコイルと鎖交する磁石磁束量が減り、トルクが減少するという問題をもつ。したがって、大きな界磁束量が必要な場合には励磁コイルに強め界磁用の励磁電流を流す必要があり、その結果として励磁損失が増大してしまう。

更に、従来の並列型ハイブリッド励磁方式の励磁コイル磁路は、ステータコアを通じてロータコアと磁束を授受するモータフレームを用いて形成されることが通常であり、その結果、大型のモータフレームをたとえばアルミニウムに比べて格段に重い軟鋼製とする必要があり、モータ重量が増大するという問題や、励磁コイル磁束の一部がたとえば軸受け部に漏れるなどの問題も有していた。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、磁路構成が簡素であり、かつ、並列型ハイブリッド励磁方式における上記問題を改善可能なハイブリッド励磁型同期機を提供することをその目的としている。

本発明のハイブリッド励磁型同期機は、モータフレームに固定されてステータコイルが巻装されたステータコアと、回転軸に固定されて前記ステータコアの内周面に対し微小ギャップを隔てて対面する軟磁性のロータコアと、前記ロータコアに周方向所定ピッチで極***互に固定されて前記ステータコイルと鎖交する磁石磁束を発生する偶数個の永久磁石と、前記ステータコイルと鎖交する界磁束量を調整する励磁コイルと、前記モータフレームに固定されて前記励磁コイルが巻装される静止磁路部材とを備える。永久磁石が形成する磁石磁束と、励磁コイルが形成する励磁コイル磁束とを利用して、ステータコイル鎖交磁束を形成するこの種のハイブリッド励磁型同期機は公知となっている。

この発明のハイブリッド励磁型同期機は特に、ロータコアが、回転軸に嵌着、固定された軟磁性の内筒部と、内筒部の径方向外側に位置して周方向に偶数個配列された軟磁性のロータ磁極部とを有し、永久磁石が、内筒部の外周面に対し所定ギャップ隔てて配置された偶数番目のロータ磁極部に固定されて偶数番目のロータ磁極部を第１極性に磁化する第１の永久磁石と、内筒部の外周面に密着して配置された奇数番目のロータ磁極部に固定されて奇数番目のロータ磁極部を第２極性に磁化する第２の永久磁石とを有し、静止磁路部材が、ロータコアの端面に近接配置されて内筒部と偶数番目のロータ磁極部とに対してそれぞれ所定ギャップを隔てて対面し、第２の永久磁石からステータコアに流れた磁石磁束が第１の永久磁石、偶数番目のロータ磁極、静止磁路部材及び内筒部を通じて奇数番目のロータ磁極部に還る磁気回路が形成され、第１の永久磁石と第２の永久磁石と励磁コイルとが、磁気回路内にて直列に配置されたことを特徴としている。

すなわち、この発明のハイブリッド励磁型同期機は、ロータコアの偶数番目のロータ磁極部を、バックヨークとしての内筒部から磁気的に分離し、この偶数番目のロータ磁極部の軸方向端部とバックヨークとしての内筒部とをロータコアの端面に近接する位置にて静止磁路部材により磁気的に結合し、この静止磁路部材に励磁コイルを巻装した点にその特徴がある。

このようにすれば、奇数番目のロータ磁極部の永久磁石からステータコアに流れた磁石磁束は、ステータコアから偶数番目のロータ磁極部の永久磁石、偶数番目のロータ磁極部、静止磁路部材、内筒部を通じて奇数番目のロータ磁極部に還る界磁束の磁気回路が形成される。つまり、この磁気回路では、静止磁路部材に巻かれた励磁コイルと永久磁石とが磁気的に直列に配置されることになる。

このため、この発明によれば、直列型ハイブリッド励磁型同期機を構成することができるため、下記の効果を奏することができる。

まず、本発明では、励磁コイルと永久磁石とが界磁束磁路において直列配置されるため、励磁コイルに通電せず、増減磁を行わない動作モードにおいて界磁束を増大することができる。つまり、磁石磁束を最大限利用する動作モードにおける励磁電流損失が無いため、それによる効率低下を防止することができる。たとえば、車両用モータにおいて、大部分の動作期間においてロータ回転数はそれほど大きくなく、減磁制御を必要としない。このため、本発明によれば、動作期間の大部分において励磁損失をなくすことができる。

次に、本発明では、界磁束の磁路は、ロータコアのバックヨークとしての内筒部から空間的（磁気的に）分離された偶数番目のロータ磁極部と、内筒部との間に介設する静止磁路部材を、ロータコアの端面側に近接配置する構成であるため、磁路長を短縮することができ、その結果として大比重の軟磁性部材重量を削減してモータを軽量化することもできる。

好適な態様において、静止磁路部材及び励磁コイルのペアは、ロータコアの両端面にそれぞれ近接配置される。これにより、界磁束の磁路長を短縮し、等価的な磁路断面積を増大できるため、界磁束の磁路を構成する軟磁性部材重量を軽減することができる。

好適な態様において、静止磁路部材は、内筒部と偶数番目のロータ磁極部とに対してそれぞれ軸方向に所定ギャップを隔てて対面する。これにより、モータの軸方向長を短縮することができる。

好適な態様において、静止磁路部材は、内筒部と偶数番目のロータ磁極部とに対してそれぞれ径方向に所定ギャップを隔てて対面する。これにより、ロータに作用する軸方向スラスト力を軽減することができる。

好適な態様において、ロータコアの端面に沿いつつリング状に形成されるとともに静止磁路部材に所定ギャップを隔てて対面する軟磁性のリング部材を有し、偶数番目のロータ磁極部の軸方向先端部は、リング部材に磁気的に結合されている。これにより、静止磁路部材に発生する渦電流損失を低減することができる。

好適な態様において、ロータコアは、内筒部と、偶数番目のロータ磁極部の径方向外側部分及び奇数番目のロータ磁極部をなす環状の軸方向積層鋼板と、軸方向積層鋼板の偶数番目のロータ磁極部の径方向内端面に接しつつ軸方向に延在する軟磁性の軸方向磁路部材とを有し、軸方向磁路部材の軸方向端部は、静止磁路部材に所定ギャップを隔てて対面する。これにより、内筒部に対して分離して設けられる偶数番目のロータ磁極部の支持が容易となる。

本発明のハイブリッド励磁型同期機の好適な実施形態を図面を参照して説明する。なお、下記の実施形態はインナーロータ式埋め込み磁石型同期モータを例として説明するが、これに限定解釈されるものではなく、磁石式同期機であれば本発明は適用可能である。また、埋め込み磁石方式としても、下記の実施形態記載以外の種々、公知の磁石配列方式を採用することができる。たとえば、径方向へ長く延在し、磁極面が周方向へ向いているいわゆるスポーク配列は本発明の実施に好適な磁石配列例の一つである。

（実施形態１）
実施形態１のハイブリッド励磁型同期機を図１及び図２を参照して説明する。図１はその軸方向模式断面図、図２は、図１のロータをA-A線矢視模式断面図である。なお、図１は、図２のB-B線にて矢視した図を示す。

１はステータ２を支持するモータフレームである。ステータ２は、モータフレーム１の内周面に固定された円筒状の軟磁性部材からなるステータコア３と、ステータコア３に巻装されたステータコイル４とを有する。５は回転軸６に嵌着、固定されてステータコア３の径方向内側に収容されるロータコア、７は一対の静止磁路部材、８は一対の励磁コイル、９はロータコア５に装着された８個の永久磁石である。ロータコア５の外周面とステータコア３の内周面との間には微小なギャップが確保されている。

一対の静止磁路部材７はモータフレーム１の両端面に個別に固定されてロータコア５の両端面に小ギャップを隔てて対面している。静止磁路部材７は、図１に断面図示するように、回転軸６に同軸に嵌着された厚輪板状の軟磁性部材である。励磁コイル８は、静止磁路部材７のロータ側の端面の径方向略中央部に凹設されたリング状の溝に収容されている。

ロータコア５の構造を次に説明する。

ロータコア５は、軟磁性円筒部材からなる内筒部５１と、環状の軸方向積層鋼板からなる外筒部５２と、外筒部５２に固定されて軸方向に延在する合計４個の軸方向磁路部材５３とにより構成されている。

外筒部５２は、周方向４５度ピッチで径方向に設けられたフラックスバリア５４により、周方向へ８つのロータ磁極部に区画されている。

奇数番目のロータ磁極部６Aは、略扇状の径方向断面形状を有する外筒部５２により構成されている。この外筒部５２のうち奇数番目のロータ磁極部６Ａの部分の径方向内端は内筒部５１の外周面に密着している。奇数番目のロータ磁極部６Ａの外周部にはこの奇数番目のロータ磁極部６Ａの外周面部をたとえばN極に磁化する奇数番目の永久磁石９が埋設されている。

偶数番目のロータ磁極部６Aは、略円弧状の径方向断面形状を有する外筒部５２と、この外筒部５２の径方向内端に固定されて軸方向に延在する軸方向磁路部材５３とにより構成されている。この外筒部５２のうち偶数番目のロータ磁極部６Bの部分の径方向内端は内筒部５１の外周面から大きく離れて配置されている。また、軸方向磁路部材５３の径方向内端面も内筒部５１の外周面から大きく離れて配置されている。偶数番目のロータ磁極部６Bの外周部にはこの偶数番目のロータ磁極部６Ｂの外周面部をたとえばS極に磁化する偶数番目の永久磁石９が埋設されている。

次に、軸方向磁路部材５３及び内筒部５１と静止磁路部材７との間の磁束授受について説明する。軸方向磁路部材５３及び内筒部５１は、外筒部５２よりも軸方向両側に所定距離だけ突出している。また、軸方向磁路部材５３及び内筒部５１は、静止磁路部材７に小さい軸方向所定ギャップを隔てて対面している。これにより、偶数番目のロータ磁極部６Ｂは、軟磁性の軸方向磁路部材５３、軟磁性の静止磁路部材７を順次経由して軟磁性の内筒部５１と磁束を授受する。結局、奇数番目のロータ磁極部６Ａの永久磁石９から出た磁束は、ステータコアを通じて偶数番目のロータ磁極部６Ｂの外周面の永久磁石９に達し、更に、軸方向磁路部材５３、静止磁路部材７及び内筒部５１を通じて奇数番目のロータ磁極部６Ａに戻る。磁石磁束が流れる上記磁気等価回路を図３に示す。

静止磁路部材７には励磁コイル８が巻かれているため、奇数番目のロータ磁極部６Ａの永久磁石９と、偶数番目のロータ磁極部６Ｂの永久磁石９と、励磁コイル８とは磁気回路内にて直列に配置されることになる。ただし、ロータコア５の両側の励磁コイル８は、この磁気回路内において並列に配置されることになる。

このようにすれば、励磁コイル８の電流調節により、ロータ磁極部６A、６Bからステータコア３に流れるロータ磁束（界磁束）を増加させたり、減少させたりすることができる。なお、減磁において、励磁コイル８に通電する励磁電流は、永久磁石９の永久減磁が生じない範囲に制限されることは当然である。

この実施形態によれば、たとえば低速回転時などステータコイル４に誘導される逆起電力が小さい場合などにおいて、励磁コイル８への励磁電流通電を行うことなく、永久磁石９の磁石磁束を最大限に利用することができる。これは、永久磁石９の磁石磁束が従来のようにバイパス磁気回路に分流しないためである。このため、モータ使用時間の大部分を占める運転状態において励磁電流損失を０とすることができる。

次に、この実施形態では、偶数番目のロータ磁極部６Ｂの磁石磁束を軸方向磁路部材５３によりロータコア５の端面に誘導し、静止磁路部材７を経由して内筒部５１に返す磁路構造を採用しているため、界磁束磁路の長さを短縮でき、この界磁束磁路を構成する軟磁性部材重量を軽減することができる。

また、この実施形態では、静止磁路部材７と励磁コイル８とのペアをロータコア５の両端面に近接配置されるので、偶数番目のロータ磁極部６Ｂの永久磁石９から軸方向磁路部材５３に流れた磁石磁束は、軸方向磁路部材５３中を軸方向両側に分流することができる。このため、軸方向磁路部材５３の磁路直角断面積を低減でき、界磁束磁路のコンパクト化を図ることができ、界磁束の磁路を構成する軟磁性部材重量を軽減することができる。

更に、永久磁石９の磁石磁束量よりも更に大きな界磁束を必要とする場合、たとえばモータ起動時には、励磁コイル８の磁化方向を永久磁石９のそれと一致させて界磁束を増大させることもできる。

（実施形態２）
実施形態２のハイブリッド励磁型同期機を図４を参照して説明する。図４はこのハイブリッド励磁型同期機の軸方向断面図である。

この実施形態は、既述した実施形態１の静止磁路部材７、内筒部５１及び軸方向磁路部材５３の形状を変更した点にその特徴がある。更に具体的に説明すると、内筒部５１及び軸方向磁路部材５３は、実施形態１よりも更に長く軸方向へ突出し、円筒状の静止磁路部材７の周面に径方向微小ギャップを隔てて対面している。このようにすれば、内筒部５１及び軸方向磁路部材５３と静止磁路部材７との間の磁気吸引力が径方向に作用するため、ロータコア５に作用する軸方向スラストを軽減することができる。

（実施形態３）
実施形態３のハイブリッド励磁型同期機を図５を参照して説明する。図５はこのハイブリッド励磁型同期機の軸方向断面図である。

この実施形態は、既述した実施形態１の静止磁路部材７の形状を変更した点にその特徴がある。更に具体的に説明すると、軟磁性の静止磁路部材７は、輪板部７１と、螺旋巻き鋼板部７２、７３により構成されている。ただし、実施形態３の静止磁路部材７の全体形状は、実施形態１の静止磁路部材７とほぼ同じである。螺旋巻き鋼板部７２は、励磁コイル８の径方向外側に位置して薄い電磁帯鋼板を螺旋巻きして構成されている。螺旋巻き鋼板部７３は、励磁コイル８の径方向内側に位置して薄い電磁帯鋼板を螺旋巻きして構成されている。

このようにすれば、静止磁路部材７の渦電流を低減することができる。

（変形態様）
なお、内筒部５１の端面には凹凸が無いため、螺旋巻き鋼板部７３を省略して、軟鋼製の輪板部７１と一体の軟鋼製としてもよい。

（変形態様）
図２に示すように、９０度ピッチで軸方向に突出する計４個の軸方向磁路部材５３の端面にリング状の軟鋼部材を接合し、このリング状の軟鋼部材と静止磁路部材７とを対面させてもよい。このようにすれば、このリング状の軟鋼部材と静止磁路部材７との間の空間的な磁束分布が均一となるため、螺旋巻き鋼板部７２を用いなくても渦電流を低減することができる。

実施形態１のハイブリッド励磁型同期機の軸方向模式断面図である。 図１のハイブリッド励磁型同期機のロータの径方向模式断面図である。 図１のハイブリッド励磁型同期機の界磁束磁路の磁気等価回路図である。 実施形態２のハイブリッド励磁型同期機の軸方向模式断面図である。 実施形態３のハイブリッド励磁型同期機の軸方向模式断面図である。

符号の説明

１ モータフレーム
２ ステータ
３ ステータコア
４ ステータコイル
５ ロータコア
６A ロータ磁極部
６B ロータ磁極部
６ 回転軸
７ 静止磁路部材
８ 励磁コイル
９ 永久磁石
５１ 内筒部
５２ 外筒部
５３ 軸方向磁路部材
５４ フラックスバリア
７１ 輪板部
７２ 螺旋巻き鋼板部
７３ 螺旋巻き鋼板部

Claims (6)

1. モータフレームに固定されてステータコイルが巻装されたステータコアと、
   回転軸に固定されて前記ステータコアの内周面に対し微小ギャップを隔てて対面する軟磁性のロータコアと、
   前記ロータコアに周方向所定ピッチで極***互に固定されて前記ステータコイルと鎖交する磁石磁束を発生する偶数個の永久磁石と、
   前記ステータコイルと鎖交する界磁束量を調整する励磁コイルと、
   前記モータフレームに固定されて前記励磁コイルが巻装される静止磁路部材とを備えるハイブリッド励磁型同期機において、
   前記ロータコアは、
   前記回転軸に嵌着、固定された軟磁性の内筒部と、
   前記内筒部の径方向外側に位置して周方向に偶数個配列された軟磁性のロータ磁極部と、
   を有し、
   前記永久磁石は、
   前記内筒部の外周面に対し所定ギャップ隔てて配置された偶数番目の前記ロータ磁極部に固定されて前記偶数番目のロータ磁極部を第１極性に磁化する第１の永久磁石と、
   前記内筒部の外周面に密着して配置された奇数番目の前記ロータ磁極部に固定されて前記奇数番目のロータ磁極部を第２極性に磁化する第２の永久磁石と、
   を有し、
   前記静止磁路部材は、
   前記ロータコアの端面に近接配置されて前記内筒部と前記偶数番目のロータ磁極部とに対してそれぞれ所定ギャップを隔てて対面し、
   前記第２の永久磁石から前記ステータコアに流れた磁石磁束が前記第１の永久磁石、前記偶数番目の前記ロータ磁極、前記静止磁路部材及び前記内筒部を通じて前記奇数番目の前記ロータ磁極部に還る磁気回路が形成され、
   前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石と前記励磁コイルとが、前記磁気回路内にて直列に配置されたことを特徴とするハイブリッド励磁型同期機。
2. 請求項１記載のハイブリッド励磁型同期機において、
   前記静止磁路部材及び前記励磁コイルのペアは、
   前記ロータコアの両端面にそれぞれ近接配置されるハイブリッド励磁型同期機。
3. 請求項１記載のハイブリッド励磁型同期機において、
   前記静止磁路部材は、
   前記内筒部と前記偶数番目のロータ磁極部とに対してそれぞれ軸方向に所定ギャップを隔てて対面するハイブリッド励磁型同期機。
4. 請求項１記載のハイブリッド励磁型同期機において、
   前記静止磁路部材は、
   前記内筒部と前記偶数番目のロータ磁極部とに対してそれぞれ径方向に所定ギャップを隔てて対面するハイブリッド励磁型同期機。
5. 請求項１記載のハイブリッド励磁型同期機において、
   前記ロータコアの端面に沿いつつリング状に形成されるとともに前記静止磁路部材に所定ギャップを隔てて対面する軟磁性のリング部材を有し、
   前記偶数番目のロータ磁極部の軸方向先端部は、前記リング部材に磁気的に結合されているハイブリッド励磁型同期機。
6. 請求項１乃至５のいずれか記載のハイブリッド励磁型同期機において、
   前記ロータコアは、
   前記内筒部と、
   前記偶数番目のロータ磁極部の径方向外側部分及び前記奇数番目のロータ磁極部をなす環状の軸方向積層鋼板と、
   前記軸方向積層鋼板の偶数番目のロータ磁極部の径方向内端面に接しつつ軸方向に延在する軟磁性の軸方向磁路部材と、
   を有し、
   前記軸方向磁路部材の軸方向端部は、前記静止磁路部材に所定ギャップを隔てて対面するハイブリッド励磁型同期機。

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