JP7039322B2 - 可変界磁モータ - Google Patents

Description

本発明は、ステータと、このステータに対しギャップを介して対向するように配置され複数の磁石を含むロータとを有する、可変界磁モータに関する。

ロータに永久磁石を設けた磁石モータにおいては、高速回転時の逆起磁束があまり大きくならないようにしたいという要求がある。

特許文献１では、永久磁石を有するロータの端部に磁性材を配置するモータの製造方法が開示されている。ロータの端部に配置した磁性材からなる端板の厚みを変えることで電動機の最高回転数を調整する。すなわち、端板を使用することで、永久磁石から発生する磁束の一部をロータ内部で短絡させて、その端板の厚みを変えることで、巻線に鎖交する磁束を微調整して、最高回転数の微調整を行っている。

特許文献２では、永久磁石が設けられたロータを有するモータにおいて、ロータの少なくとも一方の軸方向端部に磁気短絡部材を設けている。そして、アクチュエータにより磁気短絡部材を永久磁石に対して近接または離間させて永久磁石による界磁を制御することが示されている。

特許文献３では、複数の磁極を有するロータの軸方向の少なくとも一方の端部に、磁極に近接して配置される複数の近接部とこれら複数の近接部を連結する連結部を備えた短絡部材を備える。そして、ロータと短絡部材との周方向の相対位置を変更することで、短絡部材によるロータの磁束を制御している。

特許文献４では、永久磁石が設けられた電動機のロータにおいて、ロータの回転数が上昇することにより、その位置がロータコアに近接する方向に変化して磁路を形成する可動鉄心を有することが示されている。高回転時に可動鉄心がロータコアに近接することで、ロータによる界磁磁束を弱めることができる。

国際公開ＷＯ０２／０１９４９９号公報 特開２００１－２７５３２６号公報 特開２０１２－１４３０５５号公報 特開２００１－２５１９０号公報

特許文献１では、端板の厚みを変えて磁束の短絡量を制御する。しかし、実駆動状態で端板の厚みを変更することは難しい。

特許文献２では、アクチュエータを用いてロータ上部の磁気短絡部材（鉄板）を引き離す。しかし、弱め界磁時などで磁気短絡部材への短絡磁束量が増えた時には、磁気短絡部材の吸引力は大きくなる。このため、磁気短絡部材を引き離すための力が大きくなり、そのためアクチュエータが大型化する。

特許文献３では、アクチュエータを用いてロータ上部の短絡部材（鉄片）を周方向にスキューさせることにより、磁石からの磁束の短絡量を制御する。しかし、スキューさせるためのアクチュエータの構造が複雑になる。

特許文献４では、高回転時、遠心力で可動鉄心をロータ外側に移動させ、これによって磁束短絡させる。しかし、可動鉄心とロータとの間にばねを設け、遠心力に応じた可動鉄心の移動を制御しており、可動鉄心をロータに接近・接触させるために、ロータ内部にばねを収容する空間が必要であり、構造が複雑になる。

本発明は、構造が簡単で、高速回転時の逆起磁束を減少しつつ、有効にトルクを発生できる可変界磁モータを提供することを目的とする。

本発明は、ステータと、このステータに対しギャップを介して対向するように配置され複数の磁石を含むロータとを有する、可変界磁モータであって、前記ロータの軸方向端面上に、磁石からの磁束を短絡させる磁性材を配置し、無負荷時の前記磁性材内における磁石からの磁束の平均磁束密度が、飽和磁束密度の７～８割に設定されることで、無負荷時における前記磁性材の磁場に対する平均磁束密度が線形領域と飽和領域の過渡領域に設定され、所定以上の有負荷時の前記磁性材の平均磁束密度が飽和領域に設定される。

また、前記磁性材を、前記ロータの軸方向端面に対し相対移動させる移動機構を有し、前記磁性材と前記ロータの軸方向端面との距離が調整可能であるとよい。

また、前記移動機構により、前記磁性材が前記軸方向端面に近接する状態１と、前記軸方向端面から離れる状態２とに推移することができるとよい。

また、前記磁性材を移動するときは、前記ステータに供給する電流の位相角を、損失最小となる電流進角よりも進めて、前記磁性材の磁束密度を増加させるとよい。

また、前記ロータの外周側にギャップを介し前記ステータが配置され、前記ステータと、前記ロータ間のギャップと磁石との間にコアが存在する、ＩＰＭの構造であるとよい。

また、前記磁性材は、円環状であって、その外径は前記ロータの外径より小さいとよい。

本発明によれば、無負荷時の磁性材の磁束密度を適切に設定することで、無負荷時の逆起磁束を減少しつつ、有負荷時は磁性材の磁気飽和によって電流による磁束が磁性材に渡ることを抑制して、有効にトルクを発生することができる。

（ａ）は実施形態に係る可変界磁モータ１０のシステム構成を示す図であり、（ｂ）は可変界磁モータ１０の軸方向から見た機械的構成を示す図である。 （ａ）は磁石の配置を説明する図、（ｂ）はロータの側面図である。 （ａ）、（ｂ）は、磁石の配置の他の例を示す図である。 磁性材の磁化特性を示す図である。 磁性材の無負荷時の磁束密度とトルク、逆起磁束、吸引力の関係を示す図である。 （ａ）は磁性材がロータに近接した状態１、（ｂ）は磁性材がロータから離れた状態２を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

「全体構成」
図１（ａ）は、実施形態に係る可変界磁モータ１０の全体構成を模式的に示す説明図であり、図１（ｂ）は可変界磁モータ１０の軸方向から見た機械的構成を示す模式図である。可変界磁モータ１０は、円環状のステータ１２を有する。ステータ１２は、ステータコア１２ａと、ステータコア１２ａのティースに巻回された複数相（例えば、３相）のステータコイル１２ｂを有し、ここに所定の電流を供給することで回転磁界を形成する。図においては、ティースは示しておらず、ステータコイル１２ｂはコイルエンドの部分のみを示してある。

制御装置１４は、可変界磁モータ１０の出力トルク（要求トルク）に応じて、ステータコイル１２ｂへの電流供給を制御する。なお、可変界磁モータ１０が車両駆動用のモータであれば、アクセルの操作量などに応じて要求トルクが決定され、制御装置１４は、ＰＷＭ制御などによりステータコイル１２ｂへの供給電流を制御する。

円環状のステータ１２の内側には、所定のギャップをおいて円筒状のロータ１６が配置され、このロータ１６の中心に回転軸１８が配置されている。ロータ１６は、その周辺側に、周方向に所定数の磁極を構成する磁石（永久磁石）２０が配置されている。従って、ステータ１２によって形成される回転磁界に応じて、ロータ１６が回転し、回転軸１８がその出力軸となる。

そして、本実施形態では、ロータ１６の軸方向端面に円環状の磁性材２２が配置されている。磁性材２２は、複数の磁石２０の磁束を短絡するように、ロータ１６の周辺部に複数の磁石２０の軸方向端面を覆う。なお、磁性材２２は、磁性体であればどのようなものを採用してもよいが、軟質磁性体が好適である。

この例において、磁石２０は、周方向に間隔をおいて配置され軸方向に伸びる磁石孔内に挿入固定される。従って、磁石２０の外径がロータ１６の外径より小さく、磁石２０の外側と、ロータ１６の外周面との間にロータコアの一部が存在する。すなわち、可変界磁モータ１０は、ロータ１６の内部に磁石２０を埋め込んだ構造をもつ、言い換えればステータ１２と、ロータ１６間のギャップと磁石との間にロータコアが存在する、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータである。

この磁性材２２は、ロータ１６の軸方向端面に固定してもよい。この場合、接着剤やボルト締めなどが利用できる。磁性材２２を直接接触させて固定してもよいし、非磁性材料を介して固定してもよい。

そして、この例では、磁性材２２は、ロータ１６の軸方向端面に固定されてはおらず、アクチュエータ２４によって、ロータ１６の軸方向端面に対し相対移動することができる。すなわち、アクチュエータ２４によって磁性材２２を移動することによって、ロータ１６の軸方向端面と磁性材２２の距離が調整可能である。例えば、アクチュエータ２４によって、磁性材２２が前記軸方向端面に近接する状態１と、前記軸方向端面から離れる状態２とに推移することができる。なお、制御装置１４がモータ回転数などに応じて、アクチュエータ２４を制御する。なお、図１では、磁性材２２の移動を矢印で示し、磁性材２２がロータ１６の端面から離れた状態を点線で示してある。

磁性材２２は、ロータ１６の軸方向端面に支持材を設け、支持材に軸方向移動自在に支持するとよい。この場合には、アクチュエータ２４をロータ１６に固定するとよい。また、回転軸１８内部の通路を介し、流体の供給、排出を制御することで、磁性材２２を移動させてもよい。

また、磁性材２２を回転軸１８に対し、一緒に回転するが、軸方向移動自在に固定してもよい。これによって、磁性材２２の移動機構が比較的簡単なものとできる。

さらに、磁性材２２は、ケース等に固定し、非回転としてもよい。この場合、磁性材２２は、機械的にはロータ１６に連結されることがなく、可変界磁モータ１０の駆動に対する機械的な影響がない。また、磁性材２２の移動機構も各種のものが容易に採用できる。ロータ１６の回転によって、磁石２０の軸方向端部が磁性材２２に対し回転するが、ロータ１６の磁極は周方向にその極性が交互に存在しており、磁性材２２による磁束の短絡に問題はない。

「磁石２０の配置」
ここで、１つの磁極を構成する磁石２０は、図２（ａ）に示すように、２枚とすることが好適である。２枚の磁石２０を外方に向けて線対称で広がるＶ字状に配置し、周方向に隣接する磁極が交互にＮ極、Ｓ極となるように配置する。

また、図３（ａ）に示すように、１つの磁極に１枚の磁石２０でもよい。この場合、磁石２０は径方向に直交するように配置し、外側に向けてＮ極またはＳ極の磁極となる。さらに、図３（ｂ）に示すように、１つの磁極に３枚の磁石２０を配置してもよい。図２（ａ）の２枚の磁石２０の間隔を広げ、中間に図３（ａ）の１枚の磁石２０を配置することで１つの磁極を構成する。

「磁性材の作用」
そして、本実施形態においては、円環状の磁性材２２が隣接する磁極からの磁束を短絡する。図２（ｂ）に示すように、磁石２０はロータ１６を軸方向に貫通しており、ロータ１６の軸方向の両側の軸方向端面に対向して磁性材２２が配置されている。従って、１つの磁極（磁石２０）からの磁束の少なくとも一部が隣接する磁極（磁石２０）に短絡されることになる。

図４には、磁性材２２の磁化特性が示してある。横軸が磁場Ｈ（Ａ／ｍ）、縦軸が磁束密度Ｂ（Ｔ：テスラ）である。このように、磁場Ｈが０から増加すると、当初磁束密度Ｂは比例して増加する。この領域を線形領域という。そして、磁場Ｈがさらに増加して、飽和に達するとそれ以上は磁束密度が上昇しなくなる。この領域を飽和領域という。

ここで、磁束密度が飽和磁束密度の７～８割程度の過渡領域（図４において２本の破線で挟んだグレーの領域）では、磁性材２２内の磁束密度が飽和磁束密度に近くなるため、磁束密度の増加率が減少する。

図５には、無負荷状態における磁性材２２の平均磁束密度Ｂａｖｅと、トルク、逆起磁束量、無負荷時における吸引力の関係を示す。横軸は、無負荷時における磁性材２２内の平均磁束密度Ｂａｖｅである。このように、トルクは、磁束密度の増加に伴い、増加する。

磁性材２２における逆起磁束量は、当初変化しない。すなわち、磁性材２２は線形領域にあり、短絡できる磁束量は磁束密度の増加に伴い増加する。しかし、磁性材２２内の磁束密度が飽和磁束密度に近づくと、短絡する磁束が増加できにくくなり、逆起磁束量が増加し始める。そして、磁性材２２内の磁束密度は飽和に達すると、短絡する磁束は増加しなくなり、これによって線形的に逆起磁束量が増加する。

また、磁性材２２の磁石２０による吸引力は、飽和磁束密度に近づく際の特性が、上述した逆起磁束量とはちょうど反対の特性となる。すなわち、当初磁性材２２は線形領域にあり、吸引力も変化しない。すなわち、磁性材２２の厚さを薄くすることで、磁束密度が増加するが、短絡する磁束量は同じなので、磁性材２２の吸引力は変化しない。しかし、磁性材２２の厚さをさらに薄くして磁束密度が飽和磁束密度に近づくと、短絡する磁束が減少し、吸引力が減少し始める。そして、磁性材２２内の磁束密度は飽和に達すると、短絡する磁束は増加しなくなり、これによって磁石２０からの磁束は磁性材２２内を単に通過するだけとなり吸引力が小さくなる。

そして、本実施形態においては、無負荷時の磁性材２２の磁束密度を、飽和磁化の７割以上に設定する。特に、好ましくは７～８割程度に設定する。これによって、無負荷時の逆起磁束を減少しつつ、有負荷時は磁性材２２が磁気飽和し、ステータコイルへの電流供給による磁束が磁性材２２に渡ることを抑制することができ、有効にトルクを発生することができる。

ここで、磁性材２２の磁束密度の調整は、磁性材２２の厚さや内半径、外半径を変えるなどして行う。すなわち、磁性材２２の透磁率、磁石２０の端面を覆う面積、厚みなどを調整することによって、磁性材２２の無負荷時の磁束密度を調整できる。

なお、磁性材２２の外周端がステータ１２に近づくとステータ１２に鎖交する磁束に影響するため、磁性材２２の外周端は、磁石２０の外周端と同一またはそれより内側に設定することが好ましい。

「磁性材の移動」
本実施形態では、磁性材２２を軸方向に移動するためにアクチュエータ２４を設けている。アクチュエータ２４には、各種のものが知られており、磁性材２２を適切に移動することができれば、どのようなものでもよい。モータの回転や、流体圧を利用したものが比較的広く利用が可能であり、好適である。

ロータ１６の高回転時には、逆起電力が大きくなる。そこで、高回転時にトルクを出力するために、弱め界磁制御が行われる。本実施形態では、磁性材２２を有しており、この磁性材２２をロータ１６の端面に近づけることで、磁石２０による界磁を弱めることができる。そこで、回転数が所定値以上の場合に、弱め界磁制御に代えて磁性材２２をロータ１６に近づけるとよい。

例えば、アクチュエータ２４により、図６（ａ）に示す近接する状態１と、図６（ｂ）に示す離れた状態２の２つの位置に磁性材２２を推移できるように構成するとよい。これによって、回転数が所定値に至った時に、磁性材２２を状態１とし、磁性材２２についての無負荷時における磁束密度を飽和磁束密度に対し、７～８割程度とする。これによって、上述したように無負荷時における逆起磁束を減少しつつ、有負荷時において磁性材２２が飽和して有効にトルクを発生することができる。

そして、低回転数時には、アクチュエータ２４により状態２とすることで、磁性材２２をロータ１６から離し、短絡磁束を少なくまたは０とすることで、磁石２０による磁束を有効に使用することができる。

なお、図６（ａ）、（ｂ）は、ステータ１２、ロータ１６の所定角度のみを取り出して示したものであり、図においては、ステータコイル１２ｂの図示を省略し、これが巻回されるティース１２ｃを示してある。また、ティース１２ｃの両側がコイルが収容されるスロットである。

さらに、移動時において、ステータに供給する電流の位相角を、損失最小となる電流進角よりも進めて、ｄ軸電流を増加させることが好適である。すなわち、ｄ軸電流を流すことでステータ電流が作る磁束が増加するが、磁性材２２が近接した状態では、磁性材２２において短絡される磁束が増加する。従って、ｄ軸電流を流すことで、磁性材の磁束密度が飽和になる。従って、磁性材２２の吸着力が減少する。このため、小さな力で磁性材２２をロータ１６から離し、状態２とすることができる。これによって、アクチュエータ２４に必要な力が小さくなり、アクチュエータ２４を小型化することが可能となる。

「実施形態の効果」
磁性材２２を設けることで、無負荷時の逆起磁束を減少できるため、高回転時の弱め界磁が可能となる。すなわち、無負荷時は磁性材が飽和していないため、磁性材と磁石の間で多くの磁束を短絡させ、逆起磁束を減少できる。

無負荷時の磁性材磁束密度平均値を飽和磁化の７割以上にしておくことで、有負荷時にステータ電流による磁束が飽和状態の磁性材に渡らずロータに渡り、有効にトルクを発生する。すなわち、磁性材２２の配置によるトルク低下を極力抑えることができる。

無負荷時の磁性材２２の磁束密度を高めに設定している。磁性材２２が飽和状態になると、吸引力が小さくなるために、小さい力で磁性材を動かすことができ、アクチュエータ２４への負荷を小さくできる。特に、磁性材の移動時にｄ軸電流を流すことで磁性材がより飽和して吸引力が減少し、磁性材の軸方向位置の調整に必要な力を小さくすることができる。

１０ 可変界磁モータ、１２ ステータ、１２ａ ステータコア、１２ｂ ステータコイル、１４ 制御装置、１６ ロータ、１８ 回転軸、２０ 磁石、２２ 磁性材、２４ アクチュエータ。

Claims (6)

1. ステータと、このステータに対しギャップを介して対向するように配置され複数の磁石を含むロータとを有する、可変界磁モータであって、
   前記ロータの軸方向端面上に、磁石からの磁束を短絡させる磁性材を配置し、
   無負荷時の前記磁性材内における磁石からの磁束の平均磁束密度が、飽和磁束密度の７～８割に設定されることで、無負荷時における前記磁性材の磁場に対する平均磁束密度が線形領域と飽和領域の過渡領域に設定され、所定以上の有負荷時の前記磁性材の平均磁束密度が飽和領域に設定される、
   可変界磁モータ。
2. 請求項１に記載の可変界磁モータであって、
   前記磁性材を、前記ロータの軸方向端面に対し相対移動させる移動機構を有し、
   前記磁性材と前記ロータの軸方向端面との距離が調整可能である、
   可変界磁モータ。
3. 請求項２に記載の可変界磁モータであって、
   前記移動機構により、前記磁性材が前記軸方向端面に近接する状態１と、前記軸方向端面から離れる状態２とに推移することができる、
   可変界磁モータ。
4. 請求項２または３に記載の可変界磁モータであって、
   前記磁性材を移動するときは、前記ステータに供給する電流の位相角を、損失最小となる電流進角よりも進めて、前記磁性材の磁束密度を増加させる、
   可変界磁モータ。
5. 請求項１～４のいずれか１つに記載の可変界磁モータであって、
   前記ロータの外周側にギャップを介し前記ステータが配置され、
   前記ステータと、前記ロータ間のギャップと磁石との間にコアが存在する、ＩＰＭの構造である、
   可変界磁モータ。
6. 請求項１～５のいずれか１つに記載の可変界磁モータであって、
   前記磁性材は、円環状であって、その外径は前記ロータの外径より小さい、
   可変界磁モータ。

Images