JPH04331447A - 永久磁石電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は永久磁石電動機、特に
極数変換が可能な永久磁石電動機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、動力源として電動機が広く利
用されているが、この中に永久磁石電動機がある。この
永久磁石電動機は誘導電動機に比べて励磁電流が不要な
ことからエネルギー効率のよい運転が可能である。そこ
で、この永久磁石電動機をバッテリで駆動する電気自動
車に適用すると、１回の充電（バッテリの電気容量）当
たりの走行距離を延ばすことができるという利点がある
。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ここで、電気自動車が
走行する場合、発進加速時と登坂時を除いては、速度の
余り変化しない定常走行を行う場合が多く、この定常走
行時には電動機の出力トルクは小さい。図７は永久磁石
電動機の回転数とトルクの関係を示す特性図であるが、
電気自動車が平坦路を走行している場合、負荷はロード
ロードとなり図示のように比較的低トルクでよい。

【０００４】ところが、電動機は、自動車の発進時、登
坂時などを考慮して、大きなトルクを出力できるように
製作しなければならない。そして、回転数Ｎにおける最
大出力トルクはＡ点であり、ロードロードはＢ点であり
、大きな開きがある。そして、永久磁石電動機のエネル
ギー効率ηは、図８に示すように、高回転、高出力ほど
良く、低回転、低出力ほど悪くなっている。従って、低
回転、低出力領域において、効率が悪化するという問題
点があった。

【０００５】これは、低トルク領域においては、永久磁
石電動機においては、永久磁石で励磁しているため、磁
束密度が常に一定であり、永久磁石の励磁は最大出力ト
ルクに応じて決定しなければならないため、鉄損がＡ点
とＢ点で同じ値をとることとなり、出力に対する鉄損の
占める割合が大きくなってしまうからである。

【０００６】一方、鉄損Ｗを求める一般式は、次のよう
に表される。

【０００７】 　　Ｗ＝σｈ　・（ｆ／１００）・（Ｂ／１０，０００
）２　　　　　＋σｅ　・｛ｄ・（ｆ／１００）・（Ｂ
／１０，０００）｝２　ここで、Ｗは鉄損（Ｗ／ｋｇ）
、σｈ　，σｅ　は材料定数、ｆは周波数（Ｈｚ）、Ｂ
は磁束密度（Ｇ）、ｄは材料厚さ（ｍｍ）である。

【０００８】そこで、材料を変更せずに鉄損を変更する
ためには、磁束密度Ｂを変更するか、周波数ｆを変更す
るかのいずれかの方法を適用することになる。ところが
、上述のように、永久磁石電動機においては、磁束密度
Ｂを変更することが困難であり、また、周波数を変換す
るためには、ロータ、ステータの極数を変更することに
なるが、ロータの極数、すなわち永久磁石による極数を
変更することは困難であるという問題点があった。

【０００９】なお、誘導電動機の効率向上のために、電
動機の運転状態に応じて極数を変化させ、周波数を変更
する方法については、例えば特開昭６３−６４５５３に
示されている。

【００１０】この発明は上記問題点を解決することを課
題としてなされたものであり、永久磁石電動機のロータ
の極数を容易に変更可能とし、鉄損を低減して効率的な
運転が可能な永久磁石電動機を得ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、ロータの回転方向に所定間隙をおいて
複数個配置される永久磁石と、半径方向に移動すること
によって前記永久磁石間の間隙に挿入または引き抜き可
能であり間隙に挿入した状態で両側の永久磁石による磁
路を接続し、ロータの極数を変更する可動磁性体と、こ
の可動磁性体の移動によるロータの極数の変化に応じて
ステータの極数を変化させる制御手段とを備えることを
特徴とする。

【００１２】

【作用】上記手段において、この発明の永久磁石電動機
装置は、上述のような構成を有しており、可動磁性体を
半径方向に移動することによって、ロータの極数を変更
できる。そして、この時にステータの極数も制御手段に
よって変更するため、運転条件に応じて極数を切り替え
低トルク運転時の鉄損の低減を図ることができる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照しながらこの発明の実施例
を説明する。

【００１４】図１はこの発明の一実施例に係る永久磁石
電動機の電動機部の縦断面図であり、通常の極数が１２
極の構造を示すものである。図において、ステータ鉄心
１は、所定の磁極を形成するために、その内周側にコイ
ルが巻回されており、これによってステータ２４が構成
されている。ロータ鉄心３は、永久磁石４の磁路を形成
して所定のロータ２３側の磁極を構成するものであり、
永久磁石４がロータ鉄心３の所定の間隙に配置されてい
る（この例では、ロータ鉄心３の１２の間隙に１つおき
に永久磁石４が配置されている）。

【００１５】永久磁石４の挿入されていない間隙には、
可動形鉄心５が半径方向移動自在に配置されている。こ
のために、可動形鉄心５は非磁性体部材６に設けられた
孔部に内に保持されているとともに、スプリング７によ
って、内側（中心方向）に向けて付勢されている。また
、通路８は可動形鉄心５を半径方向外側に向かって動か
すための油圧を伝達するための通路である。

【００１６】次に、その動作を図２、図３の部分断面図
に従って説明する。ここで、図２は極数を１２極にした
場合、図３は極数を６極にした場合をそれぞれ示す。ま
ず、通路８から油圧をかけない場合、可動形鉄心５はス
プリング７の力によりロータ２３内の中心方向に向かっ
て付勢され、ロータ鉄心３とは離された状態にある。こ
の状態で永久磁石４からの磁束は図２の矢印に示すよう
に、永久磁石４、ロータ鉄心３、ステータ鉄心１、ロー
タ鉄心３の経路で形成され、永久磁石４の数に対応した
数の極数が得られる。

【００１７】これに対して、通路８に高圧の油を導入す
ると、可動形鉄心５は油圧でスプリング７の力に抗して
外側方向に向かって移動し、ロータ鉄心３間に挿入され
る。そして、可動形鉄心５はその両側のロータ鉄心３を
磁気的に接続してしまう。その結果、永久磁石４からの
磁束は図３の矢印に示すように、永久磁石４、ロータ鉄
心３、ステータ鉄心１、ロータ鉄心３、永久磁石４、可
動形鉄心５の経路で形成され、永久磁石４の数の半分の
数に対応した極数が得られることになる。つまり、磁極
の数を半分に減らすことができる。

【００１８】このようにして、ロータ２３側の磁極の数
を変化させることができるが電動機としての極数変換に
はステータ２４側の磁極の数も変化させる必要がある。

【００１９】図４はこの発明の一実施例に係る永久磁石
電動機の回路構成図であり、特にステータ２４側の磁極
の数を変化させるための回路を示す。図において、電動
機１２はステータ鉄心１に巻かれたコイル２に対してＵ
１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２の６つのターミナル
から電力供給できるように構成されている。そして、接
続切替器１１はそれぞれ記号ＭＣ１，ＭＣ２，ＭＣ３で
示される電磁コンタクタ１４，１５，１６によりスイッ
チングされるものであり、インバータ１０から電動機１
２に供給される電力のパスを切り替える。

【００２０】次に、この動作を次の電磁コンタクタ１４
，１５，１６の開閉状態を示す表を参照しながら説明す
る。

【００２１】 　　　　　　　　　　電磁コンタクタ　　　　　　　　
　　　　１２極　　　　　　　　　　　　６極　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　ＭＣ１　　　　　　　　　　　　　　　　　
　開　　　　　　　　　　　　　　　　閉　　　　　　
　　　　　　　　ＭＣ２　　　　　　　　　　　　　　
　　　　閉　　　　　　　　　　　　　　　　開　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　ＭＣ３　　　　　　　　　　　　　　　　　　
閉　　　　　　　　　　　　　　　　開　　　　　　さ
て、電磁コンタクタ１４（ＭＣ１）だけを開いて電磁コ
ンタクタ１５，１６（ＭＣ２、ＭＣ３）を閉じると、Ｕ
１からＶ２、Ｕ２に至る回路系とＶ１からＵ２、Ｗ２に
至る回路系と、Ｗ１からＷ２、Ｖ２に至る回路系が形成
され、１２極に対応したステータ側の極が形成される。 これに対して、電磁コンタクタ１４（ＭＣ１）だけを閉
じて電磁コンタクタ１５，１６（ＭＣ２、ＭＣ３）を開
くと、Ｖ２からＵ２に至る回路系とＵ２からＷ２に至る
回路系と、Ｗ２からＶ２に至る回路系が形成され、６極
に対応したステータ２４側の極が形成される。

【００２２】図５は図１の構成において、非磁性体部材
６内の通路８に油圧を与え可動形鉄心５を半径方向に動
かすための油圧系の系統図である。図において、電動機
ケース２２は電動機を構成するステータ２４とロータ２
３を収納するものである。回転軸２６はロータ２３が固
定されており、ロータ２３の回転力を外部に導出する。 オイル通路２５は回転軸２６内に設けられ非磁性体部材
６内の通路８に連通しており、ここに高圧のオイルを供
給する。油圧発生器１９はオイルタンク２０のオイルを
吸い込み高圧状態にして吐出するポンプである。また、
切替バルブ１７は油圧発生器１９から油圧ライン１８に
供給される油圧を電子制御装置２１からの指令により切
り替え、オイル通路２５に加える油圧を高圧、低圧に切
り替えるバルブである。ここで、油圧ライン１８はオイ
ル通路２５の端部に同軸状に接続されており、軸ケース
２７と回転軸２６の間はシールされている。そこで、回
転軸２６を回転させながら外部の油圧ライン１８からの
油圧がオイル通路２５に伝達される。

【００２３】このような構成において、ロータの極数を
６極とする場合には、電子制御装置２１からの指令で切
替バルブ１７を制御して、油圧ライン１８の油圧を所定
の高圧とし、この油圧を回転軸２６内のオイル通路２５
を通じて通路８に伝達する。通路８に伝達された油圧は
可動形鉄心５をスプリング７の付勢力に抗して外側方向
に移動させ、ロータ鉄心３の間をブリッジしてロータ２
３側の極数を１２極から６極に変化させる。一方、電子
制御装置２１からの指令で切替バルブ１７を切り替え、
油圧ライン１８を所定の低圧とすると、可動形鉄心５は
スプリング７の付勢力により中心に向かって移動し、ロ
ータ鉄心３から離れ非磁性体部材６中に収容されるので
ロータ２３側の極数は６極から１２極に変化する。

【００２４】従って、図７の回路でステータ側の極数を
ロータ側の極数に合わせて変化させることにより、電動
機の使用状態に応じて周波数を変化させることができる
ので、鉄損を低減して高効率な運転を行なうことができ
る。

【００２５】図６はこの発明の永久磁石電動機を適用さ
れる電気自動車の概略構成図である。図において、バッ
テリ９からの直流電力をインバータ１０により所定の３
相の交流電力に変換し電動機１２を駆動する。そして、
この駆動力がトランスアクスル１３を介し、タイヤに伝
達され、自動車が走行する。接続切替器１１によって、
インバータ１０からの３相交流電力を電動機１２に供給
するに当たり電動機１２のステータ側の極数を切り替え
ると共に、上述のようにロータ２３の極数を切り替える
。すなわち、電気自動車の発進加速時や登坂時のように
出力トルクを要する場合は接続切替器１１により電動機
１２のステータの極数を増加させると共に図示しない油
圧系によりロータ側の極数を増加させる。一方、電気自
動車の定常走行状態、つまり高速で低トルク運転を行な
う場合は接続切替器１１により電動機１２のステータの
極数を低減させると共に図示しない油圧系によりロータ
側の極数を減少させることにより、鉄損を低減させ、高
効率での運転を行なうように切り替える。

【００２６】以上のように、電気自動車の運転状態に応
じて電動機１２の極数を切り替えることにより、運転の
効率化が可能となるため、１回の充電当たりの電気自動
車の走行距離を延ばすことができる。

【００２７】なお、上記実施例では磁極の数を６極と１
２極の間で切り替える場合を例示したが、この発明の実
施はこれに限られるものではなく、他の極数間で切り替
えるようにしてもよいことは勿論である。また、上記実
施例ではロータ側の極数の切り替えに油圧を用いる構成
を例示したが、空気圧や他の駆動手段を用いて可動形鉄
心を移動させるように構成してもよい。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
ロータおよびステータの双方の磁極数の切り替えを可能
としたので、定常走行時の高速回転、低トルク運転に当
たっての磁極数の低減ができる。このため、この運転条
件における鉄損の低減が図れ、電動機効率を高くするこ
とができる。そこで、永久磁石電動機を用いた電気自動
車の電力消費を抑制でき１回の充電あたりの走行距離を
延ばすことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る永久磁石電動機のロ
ータ・ステータの縦断面図である。

【図２】図１の構成の動作を説明するための電動機部の
部分断面図である。

【図３】図１の構成の動作を説明するための電動機部の
部分断面図である。

【図４】この発明の一実施例に係る永久磁石電動機の回
路構成図である。

【図５】図１の構成においてロータ内部の通路に油圧を
与え可動形鉄心をラジアル方向に動かすための油圧系の
系統図である。

【図６】この発明の永久磁石電動機が適用される電気自
動車の概略構成図である。

【図７】永久磁石電動機の回転数とトルクの関係を示す
特性図である。

【図８】電動機の効率マップ図である。

【符号の説明】

１　　ステータ鉄心 ２　　コイル ３　　ロータ鉄心 ４　　永久磁石 ５　　可動形鉄心 ６　　非磁性体部材 ７　　スプリング ８　　通路 １１　　接続切替器 １２　　電動機 １７　　切替バルブ １８　　油圧ライン １９　　油圧発生器 ２０　　オイルタンク ２１　　電子制御装置 ２５　　オイル通路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロータの回転方向に所定間隙をおいて複数
   個配置される永久磁石と、半径方向に移動することによ
   って前記永久磁石間の間隙に挿入または引き抜き可能で
   あり、間隙に挿入した状態で両側の永久磁石による磁路
   を接続し、ロータの極数を変更する可動磁性体と、この
   可動磁性体の移動によるロータの極数の変化に応じてス
   テータの極数を変化させる制御手段と、を備えることを
   特徴とする永久磁石電動機。