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JP2018011473A - Variable magnetic flux motor - Google Patents

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JP2018011473A
JP2018011473A JP2016140198A JP2016140198A JP2018011473A JP 2018011473 A JP2018011473 A JP 2018011473A JP 2016140198 A JP2016140198 A JP 2016140198A JP 2016140198 A JP2016140198 A JP 2016140198A JP 2018011473 A JP2018011473 A JP 2018011473A
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outer stator
motor
region
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藪見 崇生
Takao Yabumi
崇生 藪見
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Daido Electronics Co Ltd
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Daido Electronics Co Ltd
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  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a variable magnetic flux motor that can be used in a wide rotational frequency region and, moreover, indicates high efficiency over the wide rotational frequency region.SOLUTION: A variable magnetic flux motor 10 comprises: an inner rotor 20 having 2n pieces (n≥1) of magnetic poles; an outer stator 40; and relative moving means 50 that relatively moves the outer stator 40 in an axial direction of the inner rotor 20. The inner rotor 20 has a ring magnet 26 joined to a surface opposite to an inner peripheral surface of the outer stator 40. The ring magnet 26 is magnetized such that an N pole and an S pole alternate in a circumferential direction of the inner rotor 20. The axial length of the ring magnet 26 is two or more times as long as that of the outer stator 40. In addition, the ring magnet 26 comprises p pieces (p≥1) of high magnetic flux regions (A), in which 0°≤θ≤1° (θ is a skew angle), and q pieces (q≥1) of medium and low magnetic flux regions (B), in which 1°<θ≤180°/n.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、可変磁束モータに関し、さらに詳しくは、ステータ/ロータ間に流れる磁束の大きさを可変制御することによって、モータの回転に伴って発生する誘起電圧(逆起電力)の大きさを可変制御することが可能な可変磁束モータに関する。   The present invention relates to a variable magnetic flux motor. More specifically, the magnitude of an induced voltage (back electromotive force) generated with the rotation of the motor can be varied by variably controlling the magnitude of the magnetic flux flowing between the stator and the rotor. The present invention relates to a variable magnetic flux motor that can be controlled.

モータには、
(a)ロータに電気伝導体を用いるインダクションモータ(IM)、
(b)ロータの表面に永久磁石を貼り付けた表面磁石型(Surface Permanent Magnet; SPM)モータ、
(c)ロータの内部に永久磁石が埋め込まれた磁石埋込型(Interior Permanent Magnet; IPM)モータ
などの様々な構造を持つものが知られている。
The motor has
(A) an induction motor (IM) using an electric conductor for the rotor,
(B) a surface permanent magnet (SPM) motor having a permanent magnet attached to the surface of the rotor;
(C) Those having various structures such as an interior permanent magnet (IPM) motor in which a permanent magnet is embedded in a rotor are known.

このようなモータを、例えば電気自動車の駆動源として用いるためには、車両発進時(低速回転時)から高速走行時(高速回転時)までの広い速度範囲(回転数範囲)で所定のトルクが得られることが要求される。しかしながら、いずれの構造を備えたモータであっても、ロータの回転数の増加と共に誘起電圧(逆起電力)が増大する。そのため、ある回転数においてモータの電源電圧と誘起電圧が等しくなり、それ以上回転数を上げることができなくなる。この問題を解決するために、従来から、界磁コイルを通過する磁石磁束を低減させる大きさの電流を界磁コイルへ流し、界磁コイルを通過する磁束を低減することによって、逆起電力を小さくする方法(弱め界磁制御)が用いられている。   In order to use such a motor as a drive source of an electric vehicle, for example, a predetermined torque is applied in a wide speed range (rotational speed range) from when the vehicle starts (at low speed rotation) to high speed travel (at high speed rotation). It is required to be obtained. However, in any motor having any structure, the induced voltage (counterelectromotive force) increases as the rotor speed increases. Therefore, the motor power supply voltage and the induced voltage become equal at a certain rotational speed, and the rotational speed cannot be increased any more. In order to solve this problem, the counter electromotive force is conventionally reduced by flowing a current having a magnitude that reduces the magnetic flux passing through the field coil to the field coil and reducing the magnetic flux passing through the field coil. A method of making it small (field weakening control) is used.

例えば、特許文献1には、
内部に磁石が埋め込まれたロータと、
回転時にロータシャフトに+z軸方向の軸方向力が発生するように、スロットにスキューを設けたステータと、
ロータシャフトを−z軸方向に付勢するバネ機構と、
モータの回転数に応じて軸方向のロータシャフト保持位置を変えるガバナ機構と
を備えたラジアルモータが開示されている。
For example, Patent Document 1 discloses that
A rotor with magnets embedded inside,
A stator provided with a skew in the slot so that an axial force in the + z-axis direction is generated on the rotor shaft during rotation;
A spring mechanism for urging the rotor shaft in the -z-axis direction;
A radial motor is disclosed that includes a governor mechanism that changes a rotor shaft holding position in the axial direction in accordance with the rotational speed of the motor.

同文献には、
(a)低速回転時には、ロータシャフトの軸方向力(+z方向)がバネ機構のセット荷重(−z方向)より大きくなるため、ロータシャフトが+z方向に変位し、ロータシャフトの圧力板がバネホルダに接触したところで変位が停止する点、
(b)高速回転時には、ロータシャフトの軸方向力がバネ機構のセット荷重より小さくなり、かつ遠心力の増大によってガバナ機構が開くために、ロータシャフトが−z方向に変位する点、及び、
(c)高速回転時にロータシャフトが−z方向に変位することによって、ギャップ磁束が減少し、弱め界磁を実現できる点
が記載されている。
In the same document,
(A) During low-speed rotation, the axial force (+ z direction) of the rotor shaft becomes larger than the set load (−z direction) of the spring mechanism, so that the rotor shaft is displaced in the + z direction, and the pressure plate of the rotor shaft is The point where displacement stops when touched,
(B) During high-speed rotation, the axial force of the rotor shaft is smaller than the set load of the spring mechanism, and the governor mechanism opens due to an increase in centrifugal force, so that the rotor shaft is displaced in the −z direction, and
(C) It is described that the gap magnetic flux is reduced by the displacement of the rotor shaft in the -z direction during high-speed rotation, and a field weakening can be realized.

また、特許文献2には、弱め界磁制御を目的とするものではないが、
(a)円筒形を有する磁石面の外周面の円周方向に沿って、交互にN極とS極に着磁し、
(b)磁石本体の下側の端面寄りの部分に急峻な傾斜(スキュー)を付し、
(c)磁石本体の上側の端面寄りの部分及び中央の部分では穏やかな傾斜を設けた
リング型永久磁石が開示されている。
同文献には、ステータ及びロータの双方に傾斜の異なる領域を設けることによって、コギングトルクを低減することができる点が記載されている。
Patent Document 2 does not aim at field-weakening control,
(A) Magnetizing the N pole and the S pole alternately along the circumferential direction of the outer peripheral surface of the magnet surface having a cylindrical shape;
(B) A steep slope (skew) is attached to the portion near the lower end face of the magnet body,
(C) A ring-type permanent magnet is disclosed in which a gentle slope is provided at a portion near the upper end face of the magnet body and at a central portion.
This document describes that cogging torque can be reduced by providing regions having different inclinations on both the stator and the rotor.

さらに、特許文献3には、弱め界磁制御を目的とするものではないが、
(a)高保磁力部のスキュー角度を最適スキュー角度理論値もしくはそれ以上とし、
(b)低保磁力部のスキュー角度を最適スキュー角度理論値よりも小さいスキュー角度で
スキュー着磁をする円筒又はリング磁石の着磁方法が開示されている。
同文献には、
(A)円筒又はリング磁石は、軸方向の磁石特性が一様ではないため、一様にスキュー着磁してしまうと、コギングトルクを十分に低減できない点、及び、
(B)一様でない磁石特性に合わせて、スキュー角度を理論値に対して増減させると、コギングトルクを十分に低減できる点
が記載されている。
Further, Patent Document 3 is not intended for field-weakening control,
(A) The skew angle of the high coercive force portion is the optimum skew angle theoretical value or more,
(B) A method of magnetizing a cylindrical or ring magnet is disclosed in which the skew angle of the low coercive force portion is skewed with a skew angle smaller than the theoretical value of the optimal skew angle.
In the same document,
(A) Since cylindrical or ring magnets are not uniform in the axial magnet characteristics, if they are uniformly skew magnetized, the cogging torque cannot be reduced sufficiently, and
(B) It is described that the cogging torque can be sufficiently reduced by increasing or decreasing the skew angle with respect to the theoretical value in accordance with non-uniform magnet characteristics.

上述したように、弱め界磁制御を用いると、広い回転数範囲でモータを使用することが可能となる。しかしながら、従来のモータは、いずれも最高効率が得られる回転数とトルクの組み合わせが1点のみであり、最適な組み合わせ以外の領域では効率が低下する。そのため、従来のモータでは、広い回転数域での使用と高効率とを両立させるのは難しい。   As described above, when the field weakening control is used, the motor can be used in a wide rotational speed range. However, all the conventional motors have only one combination of the rotational speed and the torque that provides the highest efficiency, and the efficiency decreases in a region other than the optimal combination. For this reason, it is difficult for conventional motors to achieve both high-efficiency use in a wide rotational speed range.

特開2010−268571号公報JP 2010-268571 A 特開2003−169452号公報JP 2003-169552 A 特開2005−033879号公報JP 2005-033879 A

本発明が解決しようとする課題は、広い回転数域で使用することができ、しかも、広い回転数域に渡って高効率を示す可変磁束モータを提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is to provide a variable magnetic flux motor that can be used in a wide rotational speed range and exhibits high efficiency over a wide rotational speed range.

上記課題を解決するために、本発明に係る可変磁束モータは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)前記可変磁束モータは、
2n個(n≧1)の磁極を備えたインナーロータと、
前記インナーロータに対して回転磁界を作用させるためのコイルが内蔵されたアウターステータと、
前記アウターステータを前記インナーロータの軸方向に沿って相対移動させる相対移動手段と
を備えている。
(2)前記インナーロータは、前記アウターステータの内周面に対向する表面に接合されたリング磁石を備え、
前記リング磁石は、前記インナーロータの円周方向に沿って交互にN極又はS極に着磁されており、
前記リング磁石の軸方向の長さは、前記アウターステータの軸方向の長さの2倍以上である。
(3)前記リング磁石は、
0°≦θ≦1°(但し、θはスキュー角)であるp個(p≧1)の高磁束領域(Ap)と、
1°<θ≦180°/nであるq個(q≧1)の中・低磁束領域(Bq)と
を備えている。
但し、「前記スキュー角θ」とは、
(a)前記アウターステータを前記インナーロータの軸方向の任意の位置に固定し、
(b)前記アウターステータの上端を通り、かつ前記インナーロータの軸方向に対して垂直な平面と前記リング磁石の表面に形成された前記磁極間の1つの境界線との交点(A点)、並びに、前記アウターステータの下端を通り、かつ前記インナーロータの軸方向に対して垂直な平面と前記境界線との交点(B点)を求め、
(c)前記A点及び前記B点を前記インナーロータの軸方向に対して垂直な断面に投影した場合において、
前記インナーロータの中心(C点)と投影された前記A点とを結ぶ線(AC線)と、前記C点と投影された前記B点とを結ぶ線(BC線)とのなす角をいう。
In order to solve the above problems, the gist of a variable magnetic flux motor according to the present invention is as follows.
(1) The variable magnetic flux motor
An inner rotor having 2n (n ≧ 1) magnetic poles;
An outer stator having a built-in coil for applying a rotating magnetic field to the inner rotor;
Relative movement means for relatively moving the outer stator along the axial direction of the inner rotor.
(2) The inner rotor includes a ring magnet joined to a surface facing the inner peripheral surface of the outer stator,
The ring magnets are alternately magnetized to N or S poles along the circumferential direction of the inner rotor,
The axial length of the ring magnet is at least twice the axial length of the outer stator.
(3) The ring magnet is
P (p ≧ 1) high magnetic flux regions (A p ) where 0 ° ≦ θ ≦ 1 ° (where θ is a skew angle);
Q (q ≧ 1) medium / low magnetic flux regions (B q ) satisfying 1 ° <θ ≦ 180 ° / n.
However, “the skew angle θ” means
(A) fixing the outer stator to an arbitrary position in the axial direction of the inner rotor;
(B) an intersection (point A) between a plane passing through the upper end of the outer stator and perpendicular to the axial direction of the inner rotor and one boundary line between the magnetic poles formed on the surface of the ring magnet; In addition, an intersection (point B) between a plane passing through the lower end of the outer stator and perpendicular to the axial direction of the inner rotor and the boundary line is obtained.
(C) When the point A and the point B are projected on a cross section perpendicular to the axial direction of the inner rotor,
An angle formed by a line (AC line) connecting the center of the inner rotor (C point) and the projected A point (AC line) and a line connecting the C point and the projected B point (BC line). .

インナーロータ表面のリング磁石の軸方向長さをアウターステータの軸方向長さより長くし、かつ、リング磁石にスキュー角θの異なる複数の領域(高磁束領域、中・低磁束領域)を形成すると、アウターステータの位置を制御することによってモータの機器定数(すなわち、ギャップ磁束の大きさ)を可変制御することができる。
例えば、インナーロータの表面に、
(a)低速域で最高効率が得られる領域(第1高磁束領域(A1))、
(b)中速域で最高効率が得られる領域(第1中・低磁束領域(B1))、及び
(c)高速域で最高効率が得られる領域(第2中・低磁束領域(B2))
を設けた場合において、モータの回転数に応じてアウターステータの位置を制御すると、広い回転数域で使用することができ、かつ、広い回転数域に渡って高効率が得られる。
When the axial length of the ring magnet on the inner rotor surface is made longer than the axial length of the outer stator and a plurality of regions (high magnetic flux region, medium / low magnetic flux region) having different skew angles θ are formed in the ring magnet, By controlling the position of the outer stator, it is possible to variably control the motor device constant (that is, the magnitude of the gap magnetic flux).
For example, on the inner rotor surface,
(A) a region (first high magnetic flux region (A 1 )) where the highest efficiency is obtained in a low speed region;
(B) Region where the highest efficiency is obtained in the medium speed range (first medium / low magnetic flux region (B 1 )), and (c) Region where the highest efficiency is obtained in the high speed region (second medium / low magnetic flux region (B) 2 ))
If the position of the outer stator is controlled in accordance with the rotational speed of the motor, it can be used in a wide rotational speed range, and high efficiency can be obtained over a wide rotational speed range.

スキュー角θの定義を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the definition of skew angle (theta). 着磁方法の異なる種々のリング磁石の模式図である。It is a schematic diagram of the various ring magnets from which the magnetization method differs. 本発明の一実施の形態に係る可変磁束モータの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the variable magnetic flux motor which concerns on one embodiment of this invention. 可変磁束モータの制御方法を説明するためのブロック図である。It is a block diagram for demonstrating the control method of a variable magnetic flux motor.

従来のIPMモータの回転数(RPM)とトルク(Nm)との関係を示す図である(出展: Evaluation of the 2010 Toyota Prius hybrid synergy drive syste. Thecnical report, Oak Ridge National Laboratory (2011))。It is a figure which shows the relationship between the rotation speed (RPM) and torque (Nm) of the conventional IPM motor (exhibition: Evaluation of the 2010 Toyota Prius hybrid synergy drive syste. Thecnical report, Oak Ridge National Laboratory (2011)). IPMモータの回転数と電圧の関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the relationship between the rotation speed of an IPM motor, and a voltage. SPMモータ、IPMモータ、及び可変磁束モータのモータ回転数とモータトルクとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the motor rotation speed and motor torque of a SPM motor, an IPM motor, and a variable magnetic flux motor. IMモータ、SPMモータ、IPMモータ、及び可変磁束モータの回転数と効率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the rotation speed and efficiency of IM motor, SPM motor, IPM motor, and variable magnetic flux motor.

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 可変磁束モータ]
本発明に係る可変磁束モータは、以下の構成を備えている。
(1)前記可変磁束モータは、
2n個(n≧1)の磁極を備えたインナーロータと、
前記インナーロータに対して回転磁界を作用させるためのコイルが内蔵されたアウターステータと、
前記アウターステータを前記インナーロータの軸方向に沿って相対移動させる相対移動手段と
を備えている。
(2)前記インナーロータは、前記アウターステータの内周面に対向する表面に接合されたリング磁石を備え、
前記リング磁石は、前記インナーロータの円周方向に沿って交互にN極又はS極に着磁されており、
前記リング磁石の軸方向の長さは、前記アウターステータの軸方向の長さの2倍以上である。
(3)前記リング磁石は、
0°≦θ≦1°(但し、θはスキュー角)であるp個(p≧1)の高磁束領域(Ap)と、
1°<θ≦180°/nであるq個(q≧1)の中・低磁束領域(Bq)と
を備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Variable magnetic flux motor]
The variable magnetic flux motor according to the present invention has the following configuration.
(1) The variable magnetic flux motor
An inner rotor having 2n (n ≧ 1) magnetic poles;
An outer stator having a built-in coil for applying a rotating magnetic field to the inner rotor;
Relative movement means for relatively moving the outer stator along the axial direction of the inner rotor.
(2) The inner rotor includes a ring magnet joined to a surface facing the inner peripheral surface of the outer stator,
The ring magnets are alternately magnetized to N or S poles along the circumferential direction of the inner rotor,
The axial length of the ring magnet is at least twice the axial length of the outer stator.
(3) The ring magnet is
P (p ≧ 1) high magnetic flux regions (A p ) where 0 ° ≦ θ ≦ 1 ° (where θ is a skew angle);
Q (q ≧ 1) medium / low magnetic flux regions (B q ) satisfying 1 ° <θ ≦ 180 ° / n.

[1.1. インナーロータ]
[1.1.1. 磁極数]
インナーロータは、2n個(n≧1)の磁極を備えている。磁極の数は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な個数を選択することができる。一般に、磁極の数が多くなるほど、コイルに鎖交する磁束の切替回数が増える。各極における磁石量の減り分を考慮しても、同じ回転数では、磁極の数が多くなるほど、トルク、及び発電量が向上する。このような効果を得るためには、磁極の数は、4極以上が好ましい。磁極の数は、さらに好ましくは、8極以上である。
一方、磁極の数が多くなりすぎると、ステータ形状と巻線が複雑になり、モータ体格が肥大化するという問題があり、特に小型モータで顕著になる。従って、磁極の数は、16極以下が好ましい。磁極の数は、さらに好ましくは、12極以下である。
[1.1. Inner rotor]
[1.1.1. Number of magnetic poles]
The inner rotor has 2n (n ≧ 1) magnetic poles. The number of magnetic poles is not particularly limited, and an optimum number can be selected according to the purpose. Generally, as the number of magnetic poles increases, the number of times of switching of magnetic flux linked to the coil increases. Even when the decrease in the magnet amount in each pole is taken into consideration, at the same rotation speed, the torque and the power generation amount improve as the number of magnetic poles increases. In order to obtain such an effect, the number of magnetic poles is preferably four or more. More preferably, the number of magnetic poles is 8 or more.
On the other hand, if the number of magnetic poles is too large, there is a problem that the stator shape and the winding are complicated, and the motor size is enlarged, which is particularly noticeable in a small motor. Therefore, the number of magnetic poles is preferably 16 poles or less. More preferably, the number of magnetic poles is 12 poles or less.

[1.1.2. リング磁石]
インナーロータは、アウターステータの内周面に対向する表面に接合されたリング磁石を備えている。また、リング磁石は、インナーロータの円周方向に沿って交互にN極又はS極に着磁されている。
[1.1.2. Ring magnet]
The inner rotor includes a ring magnet joined to a surface facing the inner peripheral surface of the outer stator. The ring magnets are alternately magnetized to the N or S poles along the circumferential direction of the inner rotor.

[A. リング磁石の長さ]
本発明において、リング磁石の軸方向の長さ(HR)は、アウターステータの軸方向の長さ(HS)の2倍以上である。この点が、従来とは異なる。一般に、HRが長くなるほど、スキュー角θの可変制御が容易となる。HRは、好ましくは、HSの3倍以上である。
一方、HRを必要以上に大きくしても、実益がない。従って、HRは、HSの20倍以下が好ましい。HRは、さらに好ましくは、HSの10倍以下である。
[A. Ring magnet length]
In the present invention, the axial length (H R ) of the ring magnet is at least twice the axial length (H S ) of the outer stator. This point is different from the conventional one. In general, the more H R becomes longer, it becomes easy to variable control of the skew angle theta. H R is preferably at least 3 times H S.
On the other hand, even if unnecessarily large H R, there is no practical benefit. Therefore, H R is preferably 20 times or less of H S. H R is more preferably 10 times or less of H S.

[B. 高磁束領域、及び中・低磁束領域]
本発明において、リング磁石は、
(a)0°≦θ≦1°(但し、θはスキュー角)であるp個(p≧1)の高磁束領域(Ap)と、
(b)1°<θ≦180°/nであるq個(q≧1)の中・低磁束領域(Bq)と
を備えている。
[B. High magnetic flux region and medium / low magnetic flux region]
In the present invention, the ring magnet is
(A) p (p ≧ 1) high magnetic flux regions (A p ) where 0 ° ≦ θ ≦ 1 ° (where θ is a skew angle);
(B) q (q ≧ 1) medium / low magnetic flux regions (B q ) satisfying 1 ° <θ ≦ 180 ° / n.

ここで、本発明において、「スキュー角θ」とは、以下の方法により算出される角度をいう。図1に、スキュー角θの定義を説明するための模式図を示す。
(a)アウターステータ40をインナーロータ20の軸方向の任意の位置に固定する。
(b)アウターステータ40の上端を通り、かつインナーロータ20の軸方向に対して垂直な平面とリング磁石26の表面に形成された磁極間の1つの境界線26aとの交点(A点)、並びに、アウターステータ40の下端を通り、かつインナーロータ20の軸方向に対して垂直な平面と境界線26aとの交点(B点)を求める。
(c)A点及びB点をインナーロータ20の軸方向に対して垂直な断面に投影する。
(d)インナーロータ20の中心(C点)と投影されたA点とを結ぶ線(AC線)と、C点と投影されたB点とを結ぶ線(BC線)とのなす角を、スキュー角θと定義する。
Here, in the present invention, the “skew angle θ” refers to an angle calculated by the following method. FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the definition of the skew angle θ.
(A) The outer stator 40 is fixed at an arbitrary position in the axial direction of the inner rotor 20.
(B) An intersection (point A) between a plane passing through the upper end of the outer stator 40 and perpendicular to the axial direction of the inner rotor 20 and one boundary line 26a between the magnetic poles formed on the surface of the ring magnet 26; In addition, an intersection (point B) between a plane passing through the lower end of the outer stator 40 and perpendicular to the axial direction of the inner rotor 20 and the boundary line 26a is obtained.
(C) The points A and B are projected on a cross section perpendicular to the axial direction of the inner rotor 20.
(D) An angle formed by a line (AC line) connecting the center (C point) of the inner rotor 20 and the projected A point (AC line) and a line (BC line) connecting the C point and the projected B point, It is defined as a skew angle θ.

高磁束領域(Ap)は、ギャップ磁束が最大となる領域であり、主として高トルクが要求される低速回転域で用いられる。インナーロータは、1個の高磁束領域(Aq)を備えているものでも良く、あるいは、2個以上備えているものでも良い。
最大のギャップ磁束を得るためには、スキュー角θは、0°が好ましい。スキュー角θが0°より大きい場合であっても、相対的に大きなギャップ磁束が得られる。しかしながら、スキュー角θが過度に大きくなると、低速回転域において高トルクが得られない。従って、高磁束領域(Ap)のスキュー角θは、1°以下が好ましい。スキュー角θは、さらに好ましくは、0.5°以下である。
The high magnetic flux region (A p ) is a region where the gap magnetic flux is maximized, and is mainly used in a low-speed rotation region where high torque is required. The inner rotor may be provided with one high magnetic flux region (A q ), or may be provided with two or more.
In order to obtain the maximum gap magnetic flux, the skew angle θ is preferably 0 °. Even when the skew angle θ is larger than 0 °, a relatively large gap magnetic flux can be obtained. However, if the skew angle θ is excessively large, high torque cannot be obtained in the low speed rotation range. Therefore, the skew angle θ of the high magnetic flux region (A p ) is preferably 1 ° or less. The skew angle θ is more preferably 0.5 ° or less.

中・低磁束領域(Bq)は、ギャップ磁束が中〜低となる領域であり、主として中〜高速回転域で用いられる。インナーロータは、1個の中・低磁束領域(Bq)を備えているものでも良く、あるいは、2個以上備えているものでも良い。
誘起電圧(逆起電力)を小さくするためには、中・低磁束領域(Bq)のスキュー角θは大きいほど良い。具体的には、中・低磁束領域(Bq)のスキュー角θは、1°超が好ましい。スキュー角θは、さらに好ましくは、45°/n(=方形波着磁の最大誘起電圧が25%となる角度)以上である。
一方、スキュー角θが1個の磁極当たりの角度(=360°/2n)を超えると、ギャップ磁束がかえって増大する。従って、中・低磁束領域(Bq)のスキュー角θは、180°/n以下が好ましい。
The middle / low magnetic flux region (B q ) is a region where the gap magnetic flux becomes medium to low, and is mainly used in the medium to high speed rotation region. The inner rotor may be provided with one medium / low magnetic flux region (B q ), or may be provided with two or more.
In order to reduce the induced voltage (back electromotive force), it is better that the skew angle θ of the middle / low magnetic flux region (B q ) is larger. Specifically, the skew angle θ of the middle / low magnetic flux region (B q ) is preferably more than 1 °. The skew angle θ is more preferably 45 ° / n (= the angle at which the maximum induced voltage of square wave magnetization is 25%) or more.
On the other hand, when the skew angle θ exceeds the angle per magnetic pole (= 360 ° / 2n), the gap magnetic flux increases. Therefore, the skew angle θ of the middle / low magnetic flux region (B q ) is preferably 180 ° / n or less.

インナーロータの軸方向における高磁束領域(Ap)及び中・低磁束領域(Bq)の配列順序は、特に限定されない。磁束の可変制御を円滑に行うためには、リング磁石は、インナーロータの一端から他端に向かって、
(a)前記θが単調増加している単調増加領域、及び/又は、
(b)前記θが単調減少している単調減少領域
を備えているのが好ましい。
The arrangement order of the high magnetic flux region (A p ) and the middle / low magnetic flux region (B q ) in the axial direction of the inner rotor is not particularly limited. In order to smoothly perform variable control of magnetic flux, the ring magnet is moved from one end of the inner rotor to the other end.
(A) a monotonically increasing region in which the θ monotonously increases, and / or
(B) It is preferable to provide a monotonously decreasing region in which the θ monotonously decreases.

高磁束領域(Ap)及び中・低磁束領域(Bq)の個数、並びに、中・低磁束領域(Bq)のスキュー角θは、磁極の数及びモータの用途に応じて、最適な値を選択するのが好ましい。広い回転数域に渡って高効率を得るためには、リング磁石は、
0°≦θ≦1°である第1高磁束領域(A1)と、
1°<θ<120°/nである第1中・低磁束領域(B1)と、
120°/n≦θ≦180°/nである第2中・低磁束領域(B2)と、
を備えているのが好ましい。
第1中・低磁束領域(B1)のスキュー角θは、さらに好ましくは、60°/n≦θ<120°/nである。
The number of high flux region (A p) and medium and low flux regions (B q), as well as the skew angle θ of the medium and low flux regions (B q), depending on the number of poles and motor applications, optimum It is preferred to select a value. In order to obtain high efficiency over a wide rotational speed range, the ring magnet
A first high magnetic flux region (A 1 ) satisfying 0 ° ≦ θ ≦ 1 °;
A first medium / low magnetic flux region (B 1 ) where 1 ° <θ <120 ° / n;
A second medium / low magnetic flux region (B 2 ) satisfying 120 ° / n ≦ θ ≦ 180 ° / n;
Is preferably provided.
The skew angle θ of the first middle / low magnetic flux region (B 1 ) is more preferably 60 ° / n ≦ θ <120 ° / n.

ここで、「60°/n(=360°/(3×2n))」は、同一回転数で比較したときに、A1領域で発生する誘起電圧の約2/3の誘起電圧となるスキュー角を表す。
また、「120°/n(=2×360°/(3×2n))」は、同一回転数で比較したときに、A1領域で発生する誘起電圧の約1/3の誘起電圧となるスキュー角を表す。
Here, “60 ° / n (= 360 ° / (3 × 2n))” is a skew having an induced voltage of about 2/3 of the induced voltage generated in the A 1 region when compared at the same rotation speed. Represents a corner.
“120 ° / n (= 2 × 360 ° / (3 × 2n))” is an induced voltage that is about 1/3 of the induced voltage generated in the A 1 region when compared at the same rotation speed. Represents the skew angle.

例えば、磁極の数が8個(n=4)である場合、前記リング磁石は、
0°≦θ≦1°である第1高磁束領域(A1)と、
15°≦θ<30°である第1中・低磁束領域(B1)と、
30°≦θ≦45°である第2中・低磁束領域(B2)と、
を備えているものが好ましい。
For example, when the number of magnetic poles is 8 (n = 4), the ring magnet is
A first high magnetic flux region (A 1 ) satisfying 0 ° ≦ θ ≦ 1 °;
A first medium / low magnetic flux region (B 1 ) satisfying 15 ° ≦ θ <30 °;
A second medium / low magnetic flux region (B 2 ) satisfying 30 ° ≦ θ ≦ 45 °;
The thing provided with is preferable.

図2に、着磁方法の異なる種々のリング磁石の模式図を示す。
図2(a)は、スキュー角θがリング磁石26の上端から下端に向かって単調増加している例であり、磁極間の境界線26aは、曲線状に変化している。リング磁石26の上端の領域は、スキュー角θが最小となる高磁束領域(Ap)である。リング磁石26の下端の領域は、スキュー角θが最大となる中・低磁束領域(Bq)である。さらに、リング磁石26の中央の領域は、スキュー角θがApとBqの中間の値となる中・低磁束領域(Bq')である。
FIG. 2 shows schematic diagrams of various ring magnets having different magnetization methods.
FIG. 2A shows an example in which the skew angle θ monotonously increases from the upper end to the lower end of the ring magnet 26, and the boundary line 26a between the magnetic poles changes in a curved shape. The region at the upper end of the ring magnet 26 is a high magnetic flux region (A p ) where the skew angle θ is minimum. The lower end region of the ring magnet 26 is a middle / low magnetic flux region (B q ) where the skew angle θ is maximum. Further, the central region of the ring magnet 26 is a medium / low magnetic flux region (B q ′ ) in which the skew angle θ is an intermediate value between A p and B q .

図2(b)は、スキュー角θがリング磁石26の上端から中央に向かって単調増加し、かつ、中央から下端に向かって単調減少している例であり、磁極間の境界線26aは、曲線状に変化している。リング磁石26の上端及び下端の領域は、それぞれ、スキュー角θが最小となる高磁束領域(Ap)である。リング磁石26の中央から上の領域及び中央から下の領域は、スキュー角θがApより大きい中・低磁束領域(Bq)である。さらに、リング磁石26のほぼ中央の領域は、スキュー角θが最小となる高磁束領域(Ap')である。 FIG. 2B shows an example in which the skew angle θ monotonously increases from the upper end of the ring magnet 26 toward the center and monotonously decreases from the center toward the lower end. It changes in a curved line. The regions at the upper and lower ends of the ring magnet 26 are high magnetic flux regions (A p ) where the skew angle θ is minimum. Region under the region and center of the upper from the center of the ring magnet 26, the skew angle θ is A p larger in Low flux region (B q). Furthermore, the region at the center of the ring magnet 26 is a high magnetic flux region (A p ′ ) where the skew angle θ is minimum.

図2(c)は、スキュー角θがリング磁石26の上端から中央に向かって単調減少し、かつ、中央から下端に向かって単調増加している例であり、磁極間の境界線26aは、曲線状に変化している。リング磁石26の中央の領域は、スキュー角θが最小となる高磁束領域(Ap)である。リング磁石26の上端及び下端の領域は、スキュー角θがApより大きい中・低磁束領域(Bq)である。 FIG. 2C shows an example in which the skew angle θ monotonously decreases from the upper end of the ring magnet 26 toward the center and increases monotonously from the center toward the lower end. The boundary line 26a between the magnetic poles is It changes in a curved line. The central region of the ring magnet 26 is a high magnetic flux region (A p ) where the skew angle θ is minimum. Upper and lower ends of the region of the ring magnet 26, the skew angle θ is A p larger in Low flux region (B q).

図2(d)は、スキュー角θがリング磁石26の上端から下端に向かって単調増加している例であり、磁極間の境界線26aは、階段状に変化している。リング磁石26の上端から中央までの領域は、スキュー角θが最小となる高磁束領域(Ap)である。リング磁石26の中央から下端までの領域は、スキュー角θがApより大きい中・低磁束領域(Bq)である。 FIG. 2D shows an example in which the skew angle θ monotonously increases from the upper end to the lower end of the ring magnet 26, and the boundary line 26a between the magnetic poles changes in a stepped manner. The region from the upper end to the center of the ring magnet 26 is a high magnetic flux region (A p ) where the skew angle θ is minimum. Region from the center of the ring magnet 26 to the lower end, the skew angle θ is A p larger in Low flux region (B q).

[1.2. アウターステータ]
アウターステータは、中央にインナーロータを挿入するための貫通穴を備えており、貫通穴の内表面には、界磁コイルの鉄芯となるティースが放射状に配置されている。また、アウターステータは、インナーロータに対して回転磁界を作用させるためのコイルが内蔵されている。本発明において、アウターステータの構造(例えば、ティースの構造、コイルの巻き線方式など)は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な構造を選択することができる。
[1.2. Outer stator]
The outer stator is provided with a through hole for inserting the inner rotor at the center, and teeth serving as iron cores of field coils are radially arranged on the inner surface of the through hole. The outer stator has a built-in coil for causing a rotating magnetic field to act on the inner rotor. In the present invention, the structure of the outer stator (for example, the structure of teeth, the winding method of the coil, etc.) is not particularly limited, and an optimal structure can be selected according to the purpose.

[1.3. 相対移動手段]
本発明に係る可変磁束モータは、アウターステータをインナーロータの軸方向に沿って相対移動させる相対移動手段を備えている。相対移動手段の構造は、アウターステータを相対移動させることが可能な限りにおいて、特に限定されない。相対移動手段は、インナーロータの軸方向の移動を制限し、アウターロータをインナーロータの軸方向に沿って移動可能なものでも良い。あるいは、相対移動手段は、アウターロータの軸方向の移動を制限し、インナーロータを軸方向に移動させるものでも良い。インナーロータと負荷との接続を容易にするには、相対移動手段は、アウターステータをインナーロータの軸方向に沿って移動させるものが好ましい。
[1.3. Relative moving means]
The variable magnetic flux motor according to the present invention includes relative moving means for relatively moving the outer stator along the axial direction of the inner rotor. The structure of the relative movement means is not particularly limited as long as the outer stator can be relatively moved. The relative movement means may limit the movement of the inner rotor in the axial direction and move the outer rotor along the axial direction of the inner rotor. Alternatively, the relative movement means may limit the movement of the outer rotor in the axial direction and move the inner rotor in the axial direction. In order to facilitate the connection between the inner rotor and the load, it is preferable that the relative movement means move the outer stator along the axial direction of the inner rotor.

[2. 可変磁束モータの具体例]
[2.1. 構成]
図3に、本発明の一実施の形態に係る可変磁束モータの断面模式図を示す。図3において、可変磁束モータ10は、インナーロータ20と、アウターステータ40と、相対移動手段50とを備えている。インナーロータ20及びアウターステータ40は、可変磁束モータ10の主電動機を構成する。
[2. Specific example of variable magnetic flux motor]
[2.1. Constitution]
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a variable magnetic flux motor according to an embodiment of the present invention. In FIG. 3, the variable magnetic flux motor 10 includes an inner rotor 20, an outer stator 40, and relative movement means 50. The inner rotor 20 and the outer stator 40 constitute a main motor of the variable magnetic flux motor 10.

インナーロータ20は、シャフト(主電動機の出力回転軸)22と、シャフト22の外周に接合されたロータヨーク24と、ロータヨーク24の表面に接合されたリング磁石26とを備えている。リング磁石26は、インナーロータ20の円周方向に沿って交互にN極又はS極に着磁されており、合計2n個(n≧1)の磁極を備えている。また、リング磁石26の軸方向長さは、アウターステータ40の軸方向長さの2倍以上になっている。さらに、リング磁石26は、スキュー角θの異なる少なくとも1つの高磁束領域(Ap)と、少なくとも1つの中・低磁束領域(Bq)を備えている。 The inner rotor 20 includes a shaft (output rotating shaft of the main motor) 22, a rotor yoke 24 joined to the outer periphery of the shaft 22, and a ring magnet 26 joined to the surface of the rotor yoke 24. The ring magnet 26 is alternately magnetized with N or S poles along the circumferential direction of the inner rotor 20 and has a total of 2n (n ≧ 1) magnetic poles. Further, the axial length of the ring magnet 26 is at least twice the axial length of the outer stator 40. Further, the ring magnet 26 includes at least one high magnetic flux region (A p ) having different skew angles θ and at least one medium / low magnetic flux region (B q ).

ロータヨーク24の左側には、軸受28を備えたブラケット30が配置され、軸受28にはシャフト22の左端が挿入されている。また、ロータヨーク24の右側には、軸受32を備えたブラケット34が配置され、軸受32にはシャフト22の右側部分が挿入されている。さらに、シャフト22の右端は、負荷(図示せず)に接続されている。
左右のブラケット30、34は、リニア移動ガイド36、38で連結されている。リニア移動ガイド36、38は、アウターステータ40を軸方向に移動させる相対移動手段50の一部を構成する。
A bracket 30 having a bearing 28 is disposed on the left side of the rotor yoke 24, and the left end of the shaft 22 is inserted into the bearing 28. A bracket 34 having a bearing 32 is disposed on the right side of the rotor yoke 24, and the right portion of the shaft 22 is inserted into the bearing 32. Furthermore, the right end of the shaft 22 is connected to a load (not shown).
The left and right brackets 30 and 34 are connected by linear movement guides 36 and 38. The linear movement guides 36 and 38 constitute a part of relative movement means 50 that moves the outer stator 40 in the axial direction.

アウターステータ40は、電磁鋼板を積層したものからなる。アウターステータ40の内周面には、ティース(図示せず)が放射状に配置されており、ティースの周囲にはコイル(図示せず)が巻き付けられている。アウターステータ40には、リニア移動ガイド36、38を挿入するための貫通穴が設けられている。アウターステータ40は、リニア移動ガイド36、38に沿って左右方向に移動可能になっている。さらに、アウターステータ40の外周面には、雄ねじが形成されている。   The outer stator 40 is made of a laminate of electromagnetic steel plates. Teeth (not shown) are radially arranged on the inner peripheral surface of the outer stator 40, and a coil (not shown) is wound around the teeth. The outer stator 40 is provided with a through hole for inserting the linear movement guides 36 and 38. The outer stator 40 is movable in the left-right direction along the linear movement guides 36 and 38. Furthermore, a male screw is formed on the outer peripheral surface of the outer stator 40.

相対移動手段50は、補助電動機52と、回転ブラケット54とを備えている。補助電動機52は、回転ブラケット54を正回転及び逆回転させるためのものである。回転ブラケット54は、円筒状になっており、底面が補助電動機52の回転軸に接続されている。また、回転ブラケット54の先端の内周面には、アウターステータ40の雄ねじ部と螺合する雌ねじ部が形成されている。   The relative moving means 50 includes an auxiliary electric motor 52 and a rotating bracket 54. The auxiliary electric motor 52 is for rotating the rotating bracket 54 forward and backward. The rotating bracket 54 has a cylindrical shape, and the bottom surface is connected to the rotating shaft of the auxiliary motor 52. Further, an internal thread portion that is screwed with the external thread portion of the outer stator 40 is formed on the inner peripheral surface at the tip of the rotary bracket 54.

このような可変磁束モータ10において、補助電動機52を正回転又は逆回転させると、回転ブラケット54が回転し、雌ねじ部を介して回転力がアウターステータ40の外周面に伝達される。アウターステータ40は、回転ブラケット54の回転に伴って回転しようとするが、リニア移動ガイド36、38により回転が制限されている。そのため、アウターステータ40は、回転することなく、リニア移動ガイド36、38に沿って軸方向の任意の位置まで水平移動する。   In such a variable magnetic flux motor 10, when the auxiliary electric motor 52 is rotated forward or backward, the rotating bracket 54 is rotated, and the rotational force is transmitted to the outer peripheral surface of the outer stator 40 through the female screw portion. The outer stator 40 tends to rotate as the rotary bracket 54 rotates, but the rotation is limited by the linear movement guides 36 and 38. Therefore, the outer stator 40 moves horizontally to any position in the axial direction along the linear movement guides 36 and 38 without rotating.

[2.2. 制御]
図4に、可変磁束モータの制御方法を説明するためのブロック図を示す。まず、図示しない各種センサーを用いて、主電動機の現在の情報(例えば、主電動機の回転情報、主電動機の出力トルク情報、主電動機の固定子(アウターステータ40)の位置情報など)を取得し、コントローラに入力する。また、別のセンサー(図示せず)を用いて、主電動機の出力先操作情報(例えば、電気自動車の場合は、アクセルやブレーキの操作情報)を取得し、コントローラに入力する。
[2.2. control]
FIG. 4 is a block diagram for explaining a control method of the variable magnetic flux motor. First, using various sensors (not shown), current information of the main motor (for example, main motor rotation information, main motor output torque information, main motor stator (outer stator 40) position information, etc.) is acquired. , Input to the controller. Further, the output destination operation information of the main motor (for example, the operation information of the accelerator and the brake in the case of an electric vehicle) is acquired and input to the controller using another sensor (not shown).

コントローラは、取得した主電動機の現在の情報及び主電動機の出力先操作情報に基づいて、コイルに流す電流量、回転磁束の回転速度、最適な機器定数(スキュー角θ)等の制御パラメータを算出する。次いで、算出された制御パラメータを用いて主電動機インバータ及び補助電動機インバータを作動させる。補助電動機インバータに電力が供給されると、補助電動機52が正回転又は逆回転し、アウターステータ40がインナーロータ20の軸方向に沿って移動する。アウターステータ40が最適位置まで移動したところで、補助電動機52を停止させる。これと同時に、主電動機インバータに必要な電力が供給されると、主電動機のインナーロータ20が所定の回転速度で回転する。   The controller calculates control parameters such as the amount of current flowing through the coil, the rotational speed of the rotating magnetic flux, and the optimal device constant (skew angle θ) based on the acquired current information of the main motor and the output destination operation information of the main motor. To do. Next, the main motor inverter and the auxiliary motor inverter are operated using the calculated control parameters. When electric power is supplied to the auxiliary motor inverter, the auxiliary motor 52 rotates forward or backward, and the outer stator 40 moves along the axial direction of the inner rotor 20. When the outer stator 40 has moved to the optimum position, the auxiliary motor 52 is stopped. At the same time, when necessary electric power is supplied to the main motor inverter, the inner rotor 20 of the main motor rotates at a predetermined rotation speed.

[3. 作用]
図5に、従来のIPMモータの回転数(RPM)とトルク(Nm)との関係を示す(出展: Evaluation of the 2010 Toyota Prius hybrid synergy drive syste. Thecnical report, Oak Ridge National Laboratory (2011))。IPMモータは、広い回転数域で使用することができ、かつ、トルクも大きいことで知られている。しかしながら、従来のモータは、いずれも最高効率域が1箇所のみである。そのため、回転数及び/又はトルクが最高効率域を外れると、効率が低下するという問題がある。図5に示す例では、回転数が約5,000rpm、トルクが約60Nmである領域が最高効率域であり、ほぼ100%に近い効率が得られる。しかしながら、この領域を外れると、効率は低下する。
[3. Action]
FIG. 5 shows the relationship between the rotational speed (RPM) and torque (Nm) of a conventional IPM motor (exhibition: Evaluation of the 2010 Toyota Prius hybrid synergy drive syste. Thecnical report, Oak Ridge National Laboratory (2011)). The IPM motor is known for being able to be used in a wide rotational speed range and having a large torque. However, all conventional motors have only one maximum efficiency range. Therefore, there is a problem that the efficiency decreases when the rotation speed and / or torque deviates from the maximum efficiency range. In the example shown in FIG. 5, the region where the rotational speed is about 5,000 rpm and the torque is about 60 Nm is the highest efficiency region, and an efficiency close to 100% is obtained. However, outside this region, the efficiency decreases.

図6に、IPMモータの回転数と電圧の関係を示す。広い回転数域で使用可能なIPMモータは、磁石による界磁磁束により、ロータの回転数の増加と共に誘起電圧(逆起電力)が増大する。そのため、ある回転数においてモータの電源電圧と誘起電圧が等しくなり、それ以上回転数を上げることができなくなる。この問題を解決するために、誘起電圧が電源電圧に近づいたところで弱め界磁制御を開始し、最大回転数を向上させることが行われている。IPMモータの場合、弱め界磁制御は、一般に、界磁コイルを通過する磁石磁束を低減するように、界磁コイルを励磁し、発生する誘起電圧を低減することにより行われている。しかしながら、弱め界磁制御により誘起電圧を低減すること自体はトルクに寄与しないため、弱め界磁電流は損失となり、高い効率を得ることができない。さらに、IPMモータは、最高効率域が1箇所のみであり、その領域から離れた回転数では、大きく低下する。   FIG. 6 shows the relationship between the rotational speed of the IPM motor and the voltage. In an IPM motor that can be used in a wide rotational speed range, an induced voltage (counterelectromotive force) increases with an increase in the rotational speed of the rotor due to a field magnetic flux generated by a magnet. Therefore, the motor power supply voltage and the induced voltage become equal at a certain rotational speed, and the rotational speed cannot be increased any more. In order to solve this problem, field-weakening control is started when the induced voltage approaches the power supply voltage, and the maximum rotational speed is improved. In the case of an IPM motor, field weakening control is generally performed by exciting the field coil and reducing the induced voltage so as to reduce the magnetic flux passing through the field coil. However, reducing the induced voltage by field weakening control itself does not contribute to torque, so the field weakening current becomes a loss and high efficiency cannot be obtained. Further, the IPM motor has only one maximum efficiency region, and greatly decreases at the number of revolutions away from the region.

図7に、SPMモータ、IPMモータ、及び本発明に係る可変磁束モータのモータ回転数とモータトルクとの関係を示す。SPMモータは、磁石トルクのみを利用する。また、SPMモータであっても最高効率域は、1箇所のみである。さらに、SPMモータは、低速回転域ではIPMモータと同等のトルクが得られる。しかしながら、SPMモータは磁石トルクのみを利用するため、弱め界磁制御を行ったとしても、回転数は上がるが、トルクは減少する。   FIG. 7 shows the relationship between the motor speed and the motor torque of the SPM motor, the IPM motor, and the variable magnetic flux motor according to the present invention. SPM motors use only magnet torque. Even in the SPM motor, the maximum efficiency region is only one place. Further, the SPM motor can obtain the same torque as the IPM motor in the low speed rotation range. However, since the SPM motor uses only the magnet torque, even if the field weakening control is performed, the rotational speed increases, but the torque decreases.

一方、IPMモータは、マグネットトルクとリラクタンストルクの双方を利用している。そのため、弱め界磁制御を行うと、SPMモータと同様にマグネットトルクは減少するが、リラクタンストルクは逆に増大する。すなわち、IPMモータは、弱め界磁制御時に減少したマグネットトルクの一部をリラクタンストルクの増大で補填することができる。その結果、IPMモータは、SPMモータに比べて高い回転域において使用でき、しかも、SPMモータよりも大きなトルクが得られる。しかし、従来のIPMモータもまた、最高効率域は1箇所のみであるため、全回転数域において高い効率は得られない。   On the other hand, the IPM motor uses both magnet torque and reluctance torque. Therefore, when field weakening control is performed, the magnet torque decreases as in the SPM motor, but the reluctance torque increases conversely. That is, the IPM motor can compensate for a part of the magnet torque decreased during the field weakening control by increasing the reluctance torque. As a result, the IPM motor can be used in a higher rotation range than the SPM motor, and a larger torque can be obtained than the SPM motor. However, since the conventional IPM motor also has only one maximum efficiency region, high efficiency cannot be obtained in the entire rotational speed region.

これに対し、本発明に係る可変磁束モータは、インナーロータ20の表面にあるリング磁石26にスキュー角θの異なる複数の領域が形成されており、かつ、アウターステータ40がインナーロータ20の軸方向に移動可能になっている。そのため、モータの回転数に応じてモータの機器定数を可変することができる。これは、1個のモータが複数個の最高効率域を持つことに相当する。   On the other hand, in the variable magnetic flux motor according to the present invention, a plurality of regions having different skew angles θ are formed in the ring magnet 26 on the surface of the inner rotor 20, and the outer stator 40 is in the axial direction of the inner rotor 20. Can be moved to. Therefore, the motor device constant can be varied according to the rotational speed of the motor. This corresponds to one motor having a plurality of maximum efficiency ranges.

例えば、図7に示す可変磁束モータは、低速域と、中・高速域の2水準の機器定数を持つ例である。低速域においては、高トルクに特化した機器定数が選択されている。そのため、30km/h以下の低速域におけるトルクは、従来のSPMモータやIPMモータよりも高くなっている。
一方、中・高速域においては、高回転数に特化した機器定数が選択されている。そのため、30〜70km/h程度の中速域において、トルクはSPMモータよりも低くなっている。しかしながら、70km/h以上の高速域においては、従来のIPMモータよりも高いトルクが得られている。
For example, the variable magnetic flux motor shown in FIG. 7 is an example having two levels of device constants, a low speed region and a medium / high speed region. In the low speed range, equipment constants specialized for high torque are selected. Therefore, the torque in a low speed region of 30 km / h or less is higher than that of a conventional SPM motor or IPM motor.
On the other hand, in the middle / high speed range, equipment constants specialized for high speed are selected. Therefore, the torque is lower than that of the SPM motor in the medium speed range of about 30 to 70 km / h. However, at a high speed range of 70 km / h or higher, a higher torque than that of the conventional IPM motor is obtained.

図8に、IMモータ、SPMモータ、IPMモータ、及び本発明に係る可変磁束モータの回転数と効率との関係を示す。リラクタンストルクのみを用いるIMモータの効率は、全回転数域において他のモータよりも劣っている。また、SPMモータは、マグネットトルクのみを使用しているため、その効率は、全回転数域においてIPMモータより劣っている。
これに対し、本発明に係る可変磁束モータは、複数個の機器定数を持ち、回転数域に応じて最適な機器定数を選択することができる。そのため、機器定数の設定及び選択を最適化すると、その効率は、全回転数域においてIPMモータのそれを超える。
FIG. 8 shows the relationship between the rotational speed and efficiency of the IM motor, SPM motor, IPM motor, and variable magnetic flux motor according to the present invention. The efficiency of an IM motor that uses only reluctance torque is inferior to other motors in the entire rotational speed range. Further, since the SPM motor uses only the magnet torque, its efficiency is inferior to that of the IPM motor in the entire rotational speed range.
On the other hand, the variable magnetic flux motor according to the present invention has a plurality of device constants, and can select an optimal device constant according to the rotation speed range. Therefore, when the setting and selection of device constants are optimized, the efficiency exceeds that of the IPM motor in the entire rotation speed range.

以上のように、本発明に係る可変磁束モータは、インナーロータ表面のリング磁石の軸方向長さがアウターステータの軸方向長さより長く、かつ、リング磁石にスキュー角θの異なる複数の領域(高磁束領域、中・低磁束領域)が形成されているので、アウターステータの位置を制御することによってモータの機器定数(すなわち、ギャップ磁束の大きさ)を可変制御することができる。
例えば、インナーロータの表面に、
(a)低速域で最高効率が得られる領域(第1高磁束領域(A1))、
(b)中速域で最高効率が得られる領域(第1中・低磁束領域(B1))、及び
(c)高速域で最高効率が得られる領域(第2中・低磁束領域(B2))
を設けた場合において、モータの回転数に応じてアウターステータの位置を制御すると、広い回転数域で使用することができ、かつ、広い回転数域に渡って高効率が得られる。
As described above, in the variable magnetic flux motor according to the present invention, the axial length of the ring magnet on the inner rotor surface is longer than the axial length of the outer stator, and the ring magnet has a plurality of regions with different skew angles θ (high Since the magnetic flux region and the middle / low magnetic flux region are formed, the device constant (that is, the magnitude of the gap magnetic flux) of the motor can be variably controlled by controlling the position of the outer stator.
For example, on the inner rotor surface,
(A) a region (first high magnetic flux region (A 1 )) where the highest efficiency is obtained in a low speed region;
(B) Region where the highest efficiency is obtained in the medium speed range (first medium / low magnetic flux region (B 1 )), and (c) Region where the highest efficiency is obtained in the high speed region (second medium / low magnetic flux region (B) 2 ))
If the position of the outer stator is controlled in accordance with the rotational speed of the motor, it can be used in a wide rotational speed range, and high efficiency can be obtained over a wide rotational speed range.

(実施例1、比較例1)
[1. 試験方法]
リング磁石26を着磁する際に部位によってスキュー角θを変化させ、リング磁石26の表面に以下の3つの磁束領域を形成した。これを図3に示す可変磁束モータ10に組み込んだ。
(a)スキュー角θが0°である第1高磁束領域(A1)。
(b)スキュー角θが15°である第1中・低磁束領域(B1)。
(c)スキュー角θが30°である第2中・低磁束領域(B2)。
(Example 1, Comparative Example 1)
[1. Test method]
When the ring magnet 26 was magnetized, the skew angle θ was changed depending on the part, and the following three magnetic flux regions were formed on the surface of the ring magnet 26. This was incorporated into the variable magnetic flux motor 10 shown in FIG.
(A) A first high magnetic flux region (A 1 ) in which the skew angle θ is 0 °.
(B) A first medium / low magnetic flux region (B 1 ) having a skew angle θ of 15 °.
(C) A second medium / low magnetic flux region (B 2 ) having a skew angle θ of 30 °.

この可変磁束モータ10の最大トルク及び平均効率を評価した。評価手順は、以下の通りである。なお、評価の際には、弱め界磁制御を行わなかった。
(1)対応回転数域を4等分割し、低速側から数えて2、3、4番目に相当する回転数を選択する。例えば、対応回転数域が0〜5000rpmである場合、回転数として、1250rpm、2500rpm、及び3750rpmを選択する。以下、このようにして選択された回転数を「平均対象回転数」という。
(2)平均対象回転数におけるトルクの範囲(0トルクから最大トルクまで)を4等分割し、低トルク側から数えて2、3、4番目に相当するトルクを選択する。例えば、最大トルクが400Nmである場合(すなわち、平均対象回転数におけるトルクの範囲が0〜400Nmである場合)、トルクとして、100Nm、200Nm、及び300Nmを選択する。以下、このようにして選択したトルクを「平均対象トルク」という。
(3)平均対象回転数と平均対象トルクのマトリックス各9点の動作点における効率をそれぞれ求め、その平均値を「平均効率」とする。
The maximum torque and average efficiency of the variable magnetic flux motor 10 were evaluated. The evaluation procedure is as follows. In the evaluation, field weakening control was not performed.
(1) The corresponding rotation speed range is divided into four equal parts, and the rotation speeds corresponding to the second, third, and fourth positions are selected from the low speed side. For example, when the corresponding rotation speed range is 0 to 5000 rpm, 1250 rpm, 2500 rpm, and 3750 rpm are selected as the rotation speed. Hereinafter, the rotation speed selected in this way is referred to as “average target rotation speed”.
(2) The torque range (from 0 torque to the maximum torque) at the average target rotational speed is divided into four equal parts, and the torque corresponding to the second, third, and fourth counts from the low torque side is selected. For example, when the maximum torque is 400 Nm (that is, when the torque range at the average target rotational speed is 0 to 400 Nm), 100 Nm, 200 Nm, and 300 Nm are selected as the torque. Hereinafter, the torque thus selected is referred to as “average target torque”.
(3) The efficiency at each of the nine operating points in the matrix of the average target rotational speed and average target torque is obtained, and the average value is defined as “average efficiency”.

さらに、市販のIPMモータ(最大回転数:10,000rpm、最大トルク:100Nm)を用いて、実施例1と同様の試験を行った(比較例1)。   Furthermore, a test similar to Example 1 was performed using a commercially available IPM motor (maximum rotational speed: 10,000 rpm, maximum torque: 100 Nm) (Comparative Example 1).

[2. 結果]
表1に、結果を示す。表1より、以下のことがわかる。
(1)実施例1では、回転数に応じてアウターステータ40の位置を移動させ、スキュー角θを変化させた。そのため、実施例1は、いずれの回転数域においても、比較例1に比べて、最大トルク及び平均効率が高くなった。
(2)比較例1の回転数は、10,000rpmが上限であった。一方、実施例1の回転数は、10,000rpmを超えた。
[2. result]
Table 1 shows the results. Table 1 shows the following.
(1) In the first embodiment, the position of the outer stator 40 is moved according to the rotational speed, and the skew angle θ is changed. Therefore, in Example 1, the maximum torque and the average efficiency were higher than in Comparative Example 1 in any rotation speed range.
(2) The upper limit of the rotation speed of Comparative Example 1 was 10,000 rpm. On the other hand, the rotation speed of Example 1 exceeded 10,000 rpm.

Figure 2018011473
Figure 2018011473

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る可変磁束モータは、電気自動車やハイブリッドカーの駆動用モータとして使用することができる。   The variable magnetic flux motor according to the present invention can be used as a drive motor for an electric vehicle or a hybrid car.

10 可変磁束モータ
20 インナーロータ
26 リング磁石
40 アウターステータ
50 相対移動手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Variable magnetic flux motor 20 Inner rotor 26 Ring magnet 40 Outer stator 50 Relative moving means

Claims (3)

以下の構成を備えた可変磁束モータ。
(1)前記可変磁束モータは、
2n個(n≧1)の磁極を備えたインナーロータと、
前記インナーロータに対して回転磁界を作用させるためのコイルが内蔵されたアウターステータと、
前記アウターステータを前記インナーロータの軸方向に沿って相対移動させる相対移動手段と
を備えている。
(2)前記インナーロータは、前記アウターステータの内周面に対向する表面に接合されたリング磁石を備え、
前記リング磁石は、前記インナーロータの円周方向に沿って交互にN極又はS極に着磁されており、
前記リング磁石の軸方向の長さは、前記アウターステータの軸方向の長さの2倍以上である。
(3)前記リング磁石は、
0°≦θ≦1°(但し、θはスキュー角)であるp個(p≧1)の高磁束領域(Ap)と、
1°<θ≦180°/nであるq個(q≧1)の中・低磁束領域(Bq)と
を備えている。
但し、「前記スキュー角θ」とは、
(a)前記アウターステータを前記インナーロータの軸方向の任意の位置に固定し、
(b)前記アウターステータの上端を通り、かつ前記インナーロータの軸方向に対して垂直な平面と前記リング磁石の表面に形成された前記磁極間の1つの境界線との交点(A点)、並びに、前記アウターステータの下端を通り、かつ前記インナーロータの軸方向に対して垂直な平面と前記境界線との交点(B点)を求め、
(c)前記A点及び前記B点を前記インナーロータの軸方向に対して垂直な断面に投影した場合において、
前記インナーロータの中心(C点)と投影された前記A点とを結ぶ線(AC線)と、前記C点と投影された前記B点とを結ぶ線(BC線)とのなす角をいう。
A variable magnetic flux motor having the following configuration.
(1) The variable magnetic flux motor
An inner rotor having 2n (n ≧ 1) magnetic poles;
An outer stator having a built-in coil for applying a rotating magnetic field to the inner rotor;
Relative movement means for relatively moving the outer stator along the axial direction of the inner rotor.
(2) The inner rotor includes a ring magnet joined to a surface facing the inner peripheral surface of the outer stator,
The ring magnets are alternately magnetized to N or S poles along the circumferential direction of the inner rotor,
The axial length of the ring magnet is at least twice the axial length of the outer stator.
(3) The ring magnet is
P (p ≧ 1) high magnetic flux regions (A p ) where 0 ° ≦ θ ≦ 1 ° (where θ is a skew angle);
Q (q ≧ 1) medium / low magnetic flux regions (B q ) satisfying 1 ° <θ ≦ 180 ° / n.
However, “the skew angle θ” means
(A) fixing the outer stator to an arbitrary position in the axial direction of the inner rotor;
(B) an intersection (point A) between a plane passing through the upper end of the outer stator and perpendicular to the axial direction of the inner rotor and one boundary line between the magnetic poles formed on the surface of the ring magnet; In addition, an intersection (point B) between a plane passing through the lower end of the outer stator and perpendicular to the axial direction of the inner rotor and the boundary line is obtained.
(C) When the point A and the point B are projected on a cross section perpendicular to the axial direction of the inner rotor,
An angle formed by a line (AC line) connecting the center of the inner rotor (C point) and the projected A point (AC line) and a line connecting the C point and the projected B point (BC line). .
前記リング磁石は、前記インナーロータの一端から他端に向かって、
(a)前記θが単調増加している単調増加領域、及び/又は、
(b)前記θが単調減少している単調減少領域
を備えている請求項1に記載の可変磁束モータ。
The ring magnet is directed from one end of the inner rotor to the other end.
(A) a monotonically increasing region in which the θ monotonously increases, and / or
(B) The variable magnetic flux motor according to claim 1, further comprising a monotonously decreasing region in which the θ monotonously decreases.
前記リング磁石は、
0°≦θ≦1°である第1高磁束領域(A1)と、
1°<θ<120°/nである第1中・低磁束領域(B1)と、
120°/n≦θ≦180°/nである第2中・低磁束領域(B2)と、
を備えている請求項1又は2に記載の可変磁束モータ。
The ring magnet is
A first high magnetic flux region (A 1 ) satisfying 0 ° ≦ θ ≦ 1 °;
A first medium / low magnetic flux region (B 1 ) where 1 ° <θ <120 ° / n;
A second medium / low magnetic flux region (B 2 ) satisfying 120 ° / n ≦ θ ≦ 180 ° / n;
The variable magnetic flux motor according to claim 1, comprising:
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