JP2008079446A - Rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、出力特性の調整が自在な回転電機に関するものである。 The present invention relates to a rotating electrical machine that can freely adjust output characteristics.
従来、電動モータまたは発電機として用いられる回転電機であって例えば電動モータにおいて、ステータとロータとの対向面積を変化させることで出力を調整可能にしたものがあり、例えばロータを軸線方向に移動させてロータとステータとの間の互いに重なり合う面積を増減させるようにしたもの(例えば特許文献1・2参照)や、ロータとステータとの対向面間のギャップ(間隙)を調整するようにしたものがあった(例えば特許文献3参照)。
上記したような電動モータにあっては、ロータとステータとの対向面積の増減やギャップの増減だけで磁束を増減させるものであり、それによる出力特性の可変範囲は狭いという問題があった。また、回転電機としての発電機においても同様である。 In the electric motor as described above, the magnetic flux is increased / decreased only by increasing / decreasing the facing area of the rotor and the stator and increasing / decreasing the gap, and there is a problem that the variable range of the output characteristics is narrow. The same applies to a generator as a rotating electrical machine.
このような課題を解決して、ステータとロータとの間に通る磁束を増減させることで出力を調整可能にした回転電機における出力特性の可変範囲をより一層広くすることを実現するために本発明に於いては、ロータと、前記ロータに対して同軸に設けられたステータと、前記ロータと前記ステータとの間に通る磁束を増減させる磁束調整手段とを有する回転電機において、前記磁束調整手段が、前記ロータに対する前記ステータの位置を変えるステータ移動手段を有しており、加えて前記ステータに巻回数を少なくとも2段階に選択可能に巻線された電機子コイルと、前記電機子コイルの巻回数を選択するためのコイル巻回数選択手段とを有するものとした。 In order to solve such a problem, the present invention realizes further widening the variable range of output characteristics in a rotating electrical machine that can adjust the output by increasing or decreasing the magnetic flux passing between the stator and the rotor. In the rotating electrical machine having a rotor, a stator provided coaxially with respect to the rotor, and a magnetic flux adjusting means for increasing or decreasing a magnetic flux passing between the rotor and the stator, the magnetic flux adjusting means includes: A stator moving means for changing the position of the stator with respect to the rotor, and an armature coil wound around the stator so that the number of turns can be selected in at least two stages, and the number of turns of the armature coil And coil winding number selection means for selecting.
特に、前記ステータ移動手段が、前記ステータの前記ロータの磁極面に対する対向面を当該磁極面に対して軸線方向について略完全に重なる位置と当該軸線方向に所定量偏倚した位置との間で変位させるように前記ステータを移動すると良い。また、前記電機子コイルの同相のものが、前記ステータの同じティースに対して少なくとも2つに分けて巻回されていること、あるいは、前記電機子コイルの同相のものが、前記ステータの周方向に少なくとも2つに分けられた範囲毎に巻線されていること、さらに、前記範囲の1つが他の相における別の1つの範囲と隣り合わせになるように、前記電機子コイルの各相が巻線されていると良い。 In particular, the stator moving means displaces the surface of the stator that faces the magnetic pole surface of the rotor between a position that substantially completely overlaps the magnetic pole surface in the axial direction and a position that deviates by a predetermined amount in the axial direction. The stator may be moved as described above. Further, the same phase of the armature coil is wound in at least two parts on the same tooth of the stator, or the same phase of the armature coil is wound in the circumferential direction of the stator. Each of the phases of the armature coil is wound so that one of the ranges is adjacent to another range in the other phase. It is good that it is lined.
このように本発明によれば、ステータをロータに対して移動させて両者間に通る磁束を増減させると共に、ステータに巻線された電機子コイルの巻回数を少なくとも2段階に選択可能にしたことから、ステータの移動による磁束増減に、巻回数の違いによる有効導体数の変化を併せることができ、回転電機における回転数やトルクの調整範囲をより一層広くすることができる。電動モータや発電機などの特性を大幅に向上でき、1台の適用範囲がひろくなるため、定格の異なるものを多種用意する必要がなくなる。 As described above, according to the present invention, the stator is moved with respect to the rotor to increase or decrease the magnetic flux passing between them, and the number of turns of the armature coil wound around the stator can be selected in at least two stages. Therefore, the change in the number of effective conductors due to the difference in the number of windings can be combined with the increase / decrease in the magnetic flux due to the movement of the stator, and the adjustment range of the rotation speed and torque in the rotating electrical machine can be further widened. The characteristics of the electric motor, the generator, etc. can be greatly improved, and the range of application of one unit becomes wider, so there is no need to prepare various types of devices with different ratings.
特に、ステータのロータの磁極面に対する対向面をその磁極面に対して軸線方向に変位させることにより、ステータとロータとの間に磁束が通ることとなる対向面積をヨークの軸線方向変位に基づいて変化させることができ、制御が容易である。 In particular, by displacing the opposing surface of the stator to the magnetic pole surface of the rotor in the axial direction with respect to the magnetic pole surface, the opposing area where the magnetic flux passes between the stator and the rotor is based on the axial displacement of the yoke. It can be changed and is easy to control.
また、電機子コイルの同相のものがステータの同じティース(1つのティース)に対して例えば2つに分けて巻回されることにより、2つに分けたコイルの間にタップを設けると共に選択接続器を介して接続することにより、選択接続器を接続状態にして2つのコイルに直列に電流を流す場合と、選択接続器を解除状態にしてタップを介して1方のコイルのみに電流を流す場合とに分けることができ、簡単な巻線構造で電機子コイルの有効導体数を容易に変化させることができる。 In addition, the same phase of the armature coil is wound around the same teeth (one tooth) of the stator, for example, in two parts, so that a tap is provided between the two divided coils and selective connection is made. By connecting via a connector, the selective connector is connected and current is passed in series through the two coils, and when the selective connector is released and current is passed through only one coil via the tap. The number of effective conductors of the armature coil can be easily changed with a simple winding structure.
また、電機子コイルの同相のものがステータの周方向に少なくとも2つに分けられた範囲毎に巻線されていることであっても、上記と同様の効果を奏し得る。この場合には、さらに範囲の1つが他の相における別の1つの範囲に隣り合わせになるように巻線されていることにより、任意の相における範囲の1つに電流を流さない使用形態ではその範囲のティースに大きな鉄損が生じ得るが、他の相における別の1つの範囲に隣り合わせになるよう巻線されていることにより、任意の相の電流が流れない場合でも他の相の電流が流れて、その範囲に他の相による磁束が生じるため、上記ティースにおける鉄損を低減する事が可能になる。 Further, even if the in-phase armature coils are wound in at least two ranges divided in the circumferential direction of the stator, the same effects as described above can be obtained. In this case, the winding is wound so that one of the ranges is adjacent to another range in the other phase, so that in a use mode in which no current flows in one of the ranges in any phase, Large iron loss can occur in the teeth of a range, but by winding next to another range in another phase, even if the current in any phase does not flow, Since the magnetic flux due to other phases is generated in the range, the iron loss in the teeth can be reduced.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図1は電動自動車の駆動輪Wに適用された例を示す模式的断面図である。図において、車体1に固定支持軸2が突設かつ固定されており、その固定支持軸2には一対の軸受3a・3bを介してロータ4が回転自在に支持されている。ロータ4の外周部にはホイールを介して駆動輪Wが取り付けられている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example applied to drive wheels W of an electric automobile. In the figure, a
ロータ4は、支持軸2と同軸に大小径のボス部4a・4bが形成されており、両ボス部4a・4b間の空間が車体1側に開放されている。大径ボス部4aの内周面には、図2に示されるように周方向にN・S極を並べた複数のマグネット5が配設されている。また、両ボス部4a・4bによる空間に受容されるようにステータ6が設けられている。
The
ステータ6は、小径ボス部4b側に位置するようにされた環状部材7の外周面に固着されたステータコア8と、その複数のティース8aに巻回された電機子コイル9とを一体的に有する。このようにして構成されたステータ6と上記ロータ4とにより本発明が適用される回転電機としてのモータMが構成されている。
The
環状部材7は、車体1にロータ4に向けて突設固定されたガイド軸11によりスライド自在に支持されていると共に、車体1に取り付けられた例えばモータ駆動型のアクチュエータ12の駆動軸12aの出没運動により支持軸2(ロータ4)の軸線方向に往復動可能にされている。
The
これにより、アクチュエータ12を駆動することにより環状部材7すなわちステータ6が両ボス部4a・4b間の空間に出入りする。ステータ6の出入り方向はロータ4の軸線方向であり、その変位量は、マグネット5の磁極面5aに対して、図1に示されるように磁極面5aに対向するステータ6の対向面(ティース8aの突出端面)6aがロータ4の軸線方向について完全に重なる位置と、図の二点鎖線で示されるように完全外れた位置との2位置間であって良い。なお、完全に重なる位置からの変位量にあっては、図示例の完全に外れた位置までとすることに限られず、任意の所定量偏倚した位置であって良く、例えば完全に外れた位置までの変位量を100%とした場合に約50%とすることができる。なお、50%の位置の場合には磁極面5aと対向面6aとのロータ軸線方向についての重なり量が半分となる。
Thus, by driving the
次に、本発明に基づく制御要領について、図3のブロック回路図を参照して示す。なお、図示例のモータMにあっては3相のブラシレスモータと同様のものであって良い。 Next, the control procedure according to the present invention will be described with reference to the block circuit diagram of FIG. The illustrated motor M may be the same as a three-phase brushless motor.
図示例では、電源としての車載バッテリBTにトランジスタブリッジ回路を構成するインバータ21が接続されており、U相・V相・W相に対応する3本の出力線がコイル巻回数選択手段としての各相別のリレーRLu・RLv・RLwを介してモータMに接続されている。
In the illustrated example, an
図示例のモータMにあっては、電機子コイル9が相毎に第1の巻回数と第2の巻回数とに分けて巻回されており、各相はスター結線されている。各ティース8aに対する巻回状態を図2に示す。なお、図2は説明上U相のみ全周に渡って巻線状態を示しているが、V相・W相についてもU・V・Wの並びに合わせて巻線されている。したがって、以下の説明において、特に断らない限りU相について示し、他の相も同様(添字の違いで示す)として説明を省略する。
In the motor M of the illustrated example, the
図1及び図2に示されるように、外部接続用の第1端子U1に第1コイルLu1が接続れ、その第1コイルLu1と中性点端子Cとの間に直列に第2コイルLu2が接続されていると共に、両コイルLu1・Lu2のノードが外部接続用の第2端子U2として引き出されている。各端子U1・U2はリレーRLuの2位置選択接点であって良く、リレーRLuの励磁/非励磁に応じていずれか一方がインバータ21と接続される。第1端子U1が接続されている場合には両コイルLu1・Lu2に電流が流れ、第2端子U2が接続されている場合には第2コイルLu2のみに電流が流れるようになっている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the first coil Lu1 is connected to the first terminal U1 for external connection, and the second coil Lu2 is connected in series between the first coil Lu1 and the neutral point terminal C. In addition to being connected, the nodes of both coils Lu1 and Lu2 are drawn out as second terminals U2 for external connection. Each of the terminals U1 and U2 may be a two-position selection contact of the relay RLu, and one of the terminals U1 and U2 is connected to the
電機子コイル9を相毎に第1の巻回数と第2の巻回数とに分けて巻回する巻線方法にあっては種々考えられ、図2はその第1の例である。図2では、1つのティース8aに第1の巻回数で第1コイルLu1が巻回されかつ第2の巻回数で第2コイルLu2が巻回されている。巻き方としてはティース8aの突出方向に積み重ねるようにしたり、内側と外側とに二重に巻いたりすることができ、特に巻き方を限定するものではない。
Various winding methods for winding the
図2において、各相に対応して設けられた各リレーRLu・RLv・RLwの各コイルの電源側はバッテリBTの正端子に接続されているが、接地側はトランジスタQ1を介して接地されるようになっている。そのトランジスタQ1は、制御回路ECUの制御出力によりオン・オフする。なお、バッテリBTの正側ラインに電流検出センサ22が設けられ、モータMにはロータ4の回転速度(角度)を検出する回転速度(角度)センサ23が設けられており、電流検出信号が制御回路ECUの電流検出回路24に入力し、回転速度(角度)信号が制御回路ECUの回転速度検出回路25に入力するようになっている。
In FIG. 2, the power supply side of each coil of each relay RLu, RLv, RLw provided corresponding to each phase is connected to the positive terminal of the battery BT, but the ground side is grounded via the transistor Q1. It is like that. The transistor Q1 is turned on / off by the control output of the control circuit ECU. The
なお、制御回路ECU内には、それら検出信号に応じてモータMをPWM制御するPWM信号をインバータ21に出力する制御を行うために必要な各回路が図に示されるように設けられている。それらの回路を用いたPWM制御における公知の制御方法であって良く、図示された回路名称及び信号線により理解される部分についてはその詳しい説明を省略する。
In the control circuit ECU, each circuit necessary for performing a control to output a PWM signal for PWM controlling the motor M to the
運転操作入力回路26には例えば車両のアクセルペダルの踏み込み量に応じた信号が入力し、それに応じたデューティを制御目標値として良い。また、ステータ位置制御回路27にてステータ6の設定位置を算出し、それに応じた位置制御信号が位置駆動回路28からアクチュエータ12に出力され、アクチュエータ12によりステータ6を駆動しかつ上記設定位置で停止状態にする。これにより、上記したように磁極面5aと対向面6aとの重なり量(互いに対向する部分の面積;以下、対向面積と称する)が増減し、対向面積を通ることになる磁束が増減するため、モータMの特性を、対向面積を大きくした場合には低回転・高トルク型とし、対向面積を小さくした場合には高回転・低トルク型とすることができる。
For example, a signal corresponding to the depression amount of the accelerator pedal of the vehicle is input to the driving
さらに、リレーRLu・RLv・RLwを選択的に励磁・非励磁とすることにより、両コイルLu1・Lu2の両方または一方Lu2のみに電流を流す2状態に切り換えることができる。両コイルLu1・Lu2に電流を流す状態を選択した場合には高トルク・低回転速度型のモータ特性となり、一方Lu2のみに電流を流す状態を選択した場合には低トルク・高回転速度型のモータ特性となる。 Further, by selectively energizing / de-energizing the relays RLu, RLv, and RLw, it is possible to switch between two states in which current is supplied to both or only one of the coils Lu1 and Lu2. When the state of flowing current to both the coils Lu1 and Lu2 is selected, the motor characteristics of the high torque / low rotational speed type are obtained. On the other hand, when the state of flowing current only to Lu2 is selected, the low torque / high rotational speed type of motor is selected. It becomes a motor characteristic.
その切り換え制御は、制御回路ECU内のコイル結線切換回路29からの切り換え信号を図示例では遅延回路30を介してトランジスタQ1をオン・オフ制御して行うようにしている。なお、コイル結線切換回路29にあっては、外部の切換スイッチからのスイッチ信号に応じて切り換え信号を出力するものであって良いが、デューティ及び回転速度などを用いたマップ制御に応じて切り換え信号を出力するようにしても良い。
The switching control is performed by switching on / off the transistor Q1 via a delay circuit 30 in the illustrated example, from a switching signal from the coil
このコイル結線切り換え制御を上記対向面積の増減制御と組み合わせることにより、より一層広範囲な回転速度及びトルクの可変特性とすることができる。特に、電動自動車のように種々の外的条件が時々刻々と変化するような場合に、常にモータの最大特性を生かした制御を行うことができ、効率の良い制御となり、同じ容量のバッテリBTに対しては1回の充電走行距離が伸び、バッテリBTの小型化にも寄与し得る。 By combining this coil connection switching control with the increase / decrease control of the facing area, a wider range of rotational speed and torque variable characteristics can be obtained. In particular, when various external conditions change from moment to moment as in an electric vehicle, it is possible to perform control utilizing the maximum characteristics of the motor at all times, resulting in efficient control, and for the battery BT having the same capacity. On the other hand, the one-time charging travel distance is extended, which can contribute to downsizing of the battery BT.
なお、コイル結線切り換え制御と対向面積の増減制御とを共に高トルク型にすることにより、いずれか一方の制御を行うだけのものに対してより一層高トルク型モータとすることができ、発進時の高トルク化が可能となる。したがって、最大トルクを同じに設計する場合にはモータの小型化が可能になり、それに伴って車両の軽量化が促進され、モータの小型化と併せて高回転速度化が可能になる。 In addition, by making both the coil connection switching control and the opposing area increase / decrease control high torque type, it is possible to make a higher torque type motor for those that only perform one of the controls. The torque can be increased. Therefore, when the maximum torque is designed to be the same, the motor can be reduced in size, and accordingly, the weight reduction of the vehicle is promoted, and the high rotation speed can be increased together with the reduction in the size of the motor.
次に、電機子コイル9の巻線方法の第2の例を上記図2に対応する図4に示す。なお、上記図示例と同様の部分には同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。この第2の例にあっては、第2コイルLu2(Lv2・Lw2)をステータ6の周方向について第1の範囲Aに巻回し、第1のコイルLu1(Lv1・Lw1)を残りの範囲となる第2の範囲Bに巻回している。このようにしても、上記と同様の効果を奏し得る。
Next, a second example of the winding method of the
また、電機子コイル9の巻線方法の第3の例を上記図4に対応する図5に示す。この場合も、上記図示例と同様の部分には同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。この第3の例にあっては、各相については上記第2の例と同じに巻回しているが、各相の端子U1(V1・W1)・U2(V2・W2)・各中性点Cをステータ6の周方向に等分(図示例では120度ピッチ)した位置から引き出すようにしている。このようにすることにより、第2コイルLu2・Lv2・Lw2のみに電流を流す場合に、休んでいる第1コイルLu1・Lv1・Lw1が巻回されている各ティースが補極として作用して磁束が通るため、出力特性を向上することができる。
A third example of the winding method of the
本発明にかかる回転電機は、回転速度・トルクの可変範囲を大幅に広くすることができ、電動モータや発電機等として有用である。 The rotating electrical machine according to the present invention can greatly widen the variable range of the rotational speed and torque, and is useful as an electric motor, a generator, or the like.
4 ロータ
5 マグネット
6 ステータ
8a ティース
9 電機子コイル
12 アクチュエータ
Lu1・Lv1・Lw1 第1コイル
Lu2・Lv2・Lw2 第2コイル
RLu・RLv・RLw リレー
4
Claims (5)
前記磁束調整手段が、前記ロータに対する前記ステータの位置を変えるステータ移動手段を有しており、加えて前記ステータに巻回数を少なくとも2段階に選択可能に巻線された電機子コイルと、前記電機子コイルの巻回数を選択するためのコイル巻回数選択手段とを有することを特徴とする回転電機。 In a rotating electrical machine having a rotor, a stator provided coaxially with respect to the rotor, and magnetic flux adjusting means for increasing or decreasing a magnetic flux passing between the rotor and the stator,
The magnetic flux adjusting means has stator moving means for changing the position of the stator with respect to the rotor, and in addition, an armature coil wound around the stator so that the number of turns can be selected in at least two stages; A rotating electric machine comprising coil winding number selection means for selecting the number of turns of a child coil.
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