JP3506096B2 - Rotating electric machine - Google Patents
Rotating electric machineInfo
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- JP3506096B2 JP3506096B2 JP2000066183A JP2000066183A JP3506096B2 JP 3506096 B2 JP3506096 B2 JP 3506096B2 JP 2000066183 A JP2000066183 A JP 2000066183A JP 2000066183 A JP2000066183 A JP 2000066183A JP 3506096 B2 JP3506096 B2 JP 3506096B2
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、2個のロータを
備えた複合型の回転電機に関し、特に一方のロータをジ
ェネレータとして動作させ、他方のロータをモータとし
て動作させる際に好適な構成に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composite type rotating electric machine having two rotors, and more particularly to a structure suitable for operating one rotor as a generator and the other rotor as a motor.
【0002】[0002]
【従来の技術】複合型の回転電機としては、特開平11
−275826号公報に記載された装置(本願出願人の
先願発明)ものがある。この回転電機は、中空円筒状の
ステータの内側と外側に所定のギャップをおいて中空円
筒状の外側ロータと内側ロータとが配置された構造にな
っている。そして外側ロータ軸と内側ロータ軸は同一軸
上に並ぶように配置され、外側ロータと内側ロータは同
軸上でそれぞれ独立に回転出来るようになっている(後
記図3で詳細後述)。そして上記ステータに設けたコイ
ルに流す複合電流を前記ロータの数と同数の回転磁場が
発生するように制御することにより、2個のロータを独
立に制御することが出来る。前記公報においては2個の
ロータの極対数比が1対1極対数比、3対1極対数比、
2対1極対数比の場合における回転電機として成立でき
る旨が記載されている。なお、極対数比とは一方のロー
タと他方のロータの磁極対(NとSで1対)の数の比を
示す。例えば、1対1極対数比とは一方のロータの磁極
対(NS)の数と他方のロータの磁極対の数とが同じ
(NS1組とNS1組やNS2組とNS2組)の場合、
3対1極対数比とは一方のロータがNS3組または6組
で他方ロータがNS1組または2組(極対数比は何れも
3:1)のような場合を示す。上記のごとき回転電機に
おいては、一方のロータをジェネレータとして、他方の
ロータをモータとして運転する場合、いわゆるハイブリ
ッドシステムとして動作させる場合に、発電電力とモー
タ駆動電力との差の分の電流を共通のコイルに流すだけ
でよいので、効率を大幅に向上させることができる。2. Description of the Related Art Japanese Unexamined Patent Application Publication No. H11-11011 discloses a composite type rotating electric machine.
There is an apparatus described in Japanese Patent Laid-Open No. 275826 (invention by the applicant of the present application). This rotary electric machine has a structure in which a hollow-cylindrical outer rotor and an inner rotor are arranged with a predetermined gap inside and outside a hollow-cylindrical stator. The outer rotor shaft and the inner rotor shaft are arranged so as to be aligned on the same axis, and the outer rotor and the inner rotor are coaxially rotatable independently of each other (details will be described later with reference to FIG. 3). The two rotors can be independently controlled by controlling the composite current flowing through the coils provided in the stator so that the same number of rotating magnetic fields as the number of the rotors are generated. In the above publication, the pole pair ratio of the two rotors is 1: 1 pole pair ratio, 3: 1 pole pair ratio,
It is described that it can be established as a rotating electrical machine in the case of a 2-to-1 pole-log ratio. The pole pair number ratio indicates the ratio of the number of magnetic pole pairs (one pair of N and S) of one rotor and the other rotor. For example, when the number of magnetic pole pairs (NS) of one rotor and the number of magnetic pole pairs of the other rotor are the same (1: 1 pole pair number ratio) (NS1 set and NS1 set or NS2 set and NS2 set),
The 3-to-1 pole pair ratio means a case where one rotor is NS3 or 6 pairs and the other rotor is NS 1 or 2 pairs (all pole pair ratios are 3: 1). In the above rotary electric machine, when one rotor is operated as a generator and the other rotor is operated as a motor, or when it is operated as a so-called hybrid system, a current corresponding to the difference between the generated power and the motor drive power is shared. Since it only has to be passed through the coil, the efficiency can be greatly improved.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】上記のごとき回転電機
において、1対1極対数比の構成では、磁気カップリン
グ効果が有るので、両方のロータを同速度(回転角速度
ω1=ω2)で回転させる(以下、同期状態と記す)場
合には、ステータのコイルに電流を流さないで直結状態
で駆動することも出来る(磁気カップリングモード:詳
細後述)という利点がある。しかし、ロータが逆転(2
個のロータが相互に逆方向に回る)する逆転モード(詳
細後述)もあるので、いわゆるハイブリット用モータと
して構成しにくいという問題があった。一方、n対1極
対数比の構成では、逆転モードはないが磁気カップリン
グ効果もないので、ステータのコイルに電流を流さない
で直結状態で駆動することは出来ない。また、大電流が
流れると誘起起電力が上昇し、その値が電源電圧の1/
2以上になると電源のインバータが駆動不能になり、電
力を供給することが出来なくなる、という問題もある。In the rotating electric machine as described above, in the structure of 1: 1 pole / log ratio, there is a magnetic coupling effect, so that both rotors are rotated at the same speed (rotational angular speed ω1 = ω2). In the case of (hereinafter, referred to as a synchronous state), there is an advantage that it is possible to drive in a direct connection state without passing a current through the coil of the stator (magnetic coupling mode: details will be described later). However, the rotor reverses (2
There is also a reverse rotation mode (details will be described later) in which individual rotors rotate in mutually opposite directions), so there is a problem that it is difficult to configure a so-called hybrid motor. On the other hand, in the configuration of n: 1 pole / log ratio, there is no reverse rotation mode, but there is no magnetic coupling effect, so it is not possible to drive in a direct connection state without passing a current through the stator coil. Also, when a large current flows, the induced electromotive force rises, and its value is 1/100 of the power supply voltage.
If the number is 2 or more, there is a problem that the power source inverter cannot be driven and power cannot be supplied.
【0004】本発明は上記のごとき問題を解決するため
になされたものであり、磁気カップリングで直結状態で
駆動できる機能と各ロータを独立に回転制御できる機能
とを合わせ持ち、2個のロータが同速度で回転する同期
状態における電力を大幅に低減出来る回転電機を提供す
ることを目的とする。The present invention has been made in order to solve the above problems, and has a combination of a function capable of being driven directly by a magnetic coupling and a function capable of independently controlling the rotation of each rotor, and two rotors. It is an object of the present invention to provide a rotating electric machine that can drastically reduce electric power in a synchronized state in which the two rotate at the same speed.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明においては特許請求の範囲に記載するように
構成している。すなわち、請求項1に記載の発明におい
ては、2個のロータは磁極を形成する永久磁石の数をn
対1極対数比(n=2以上の整数)とし、かつ、極対数
の多い方の磁極に強弱を設け、等価的に磁極数を少なく
することにより、極対数の少ない方の磁極と等価的に1
対1極対数比が可能となるようにし、前記ステータコイ
ルに流す電流を制御することによって1対1極対数比と
n対1極対数比とに切り換えて駆動可能に構成してい
る。例えばn対1極対数比の回転電機として動作させる
場合には、n対1に対応した複合電流をステータコイル
に流し、1対1極対数比で動作させる場合にはそれに対
応した電流を流せばよい。In order to achieve the above object, the present invention is constructed as described in the claims. That is, in the invention described in claim 1, the two rotors have a number n of permanent magnets forming magnetic poles.
Equivalent to the magnetic pole having the smaller number of pole pairs by setting the ratio of poles to one pole (n = an integer of 2 or more), and by setting the strength of the magnetic pole having the larger number of pole pairs to reduce the number of magnetic poles equivalently. To 1
A pole-to-pole ratio is enabled, and by controlling the current flowing through the stator coil, the pole-to-pole ratio can be switched between the pole-to-pole ratio and the pole-to-pole ratio. For example, when operating as a rotating electrical machine with an n: 1 pole / log ratio, a composite current corresponding to n: 1 is applied to the stator coil, and when operating with a 1: 1 pole / log ratio, a current corresponding to that is applied. Good.
【0006】上記のように等価的に極対数を少なくする
には、例えば請求項2に記載のように、極対数の多い方
の磁極では磁石の起磁力に強弱を設けることにより、或
いは請求項3に記載のように、ロータとステータ間のギ
ャップに差を設けるか、若しくは強くしたい磁極のギャ
ップ近傍に透磁率の高い磁性材料を埋め込むことによ
り、実現することが出来る。In order to equivalently reduce the number of pole pairs as described above, for example, as described in claim 2, the magnetomotive force of the magnet is increased or decreased in the magnetic pole having the larger number of pole pairs, or As described in No. 3, it can be realized by providing a difference in the gap between the rotor and the stator or by embedding a magnetic material having a high magnetic permeability in the vicinity of the gap of the magnetic pole to be strengthened.
【0007】[0007]
【発明の効果】本発明の回転電機においては、車両のハ
イブリッド駆動装置に適用した場合に、内燃機関始動時
や発進時には通常のn対1極対数比として複合電流で動
作させることにより、制御性を向上させることができ
る。また、同期状態で駆動側と被駆動側が同速度で回転
する場合には、磁気カップリングによって2個のロータ
間で直接にエネルギーの授受が行われるので、極めて低
電流、低損失で駆動することが出来る。そのため、同期
状態における損失の大幅な低減が可能になり、かつ誘起
起電力が減少するために、同期状態において高回転まで
運転領域を拡大できる。さらに、同期状態における供給
電流を小さくできるので鉄損、銅損、インバータロスを
大幅に低減することができる、等の効果が得られる。In the rotary electric machine of the present invention, when applied to a hybrid drive system for a vehicle, when the internal combustion engine is started or started, the controllability is improved by operating the compound current as a normal n: 1 pole / log ratio. Can be improved. Further, when the driving side and the driven side rotate at the same speed in a synchronized state, energy is directly transferred between the two rotors by the magnetic coupling, so driving with extremely low current and low loss must be performed. Can be done. Therefore, the loss in the synchronous state can be significantly reduced, and the induced electromotive force is reduced, so that the operating range can be expanded to high rotation in the synchronous state. Furthermore, since the supply current in the synchronized state can be reduced, iron loss, copper loss, inverter loss can be significantly reduced, and the like.
【0008】[0008]
【発明の実施の形態】まず、本発明を適用する回転電機
の例として、本出願人が以前に出願した特開平11−2
75826号公報記載の回転電機の構造、およびその駆
動回路について説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION First, as an example of a rotating electric machine to which the present invention is applied, Japanese Patent Laid-Open No. 11-2 filed by the present applicant before.
The structure of the rotary electric machine described in Japanese Patent No. 75826 and its drive circuit will be described.
【0009】図3は、上記公報記載の回転電機の構造を
示す図であり、(a)は回転電機全体の概略断面図、
(b)はロータとステータ部分の断面図〔(a)のA−
A’断面図、ただし軸や外枠部分は除き、ロータとステ
ータのみを示す〕である。なお、図3は外側ロータの磁
極数が4、内側ロータの磁極数が2で、その比である磁
極数比が2:1の場合を示している。なお、ロータに設
けた磁極の対(NとSで1対)の数である極対数で示せ
ば、外側ロータは極対数が2、内側ロータは極対数が1
であり、両者の比である極対数比はやはり2:1とな
る。FIG. 3 is a view showing the structure of the rotating electric machine described in the above publication, (a) is a schematic sectional view of the entire rotating electric machine,
(B) is a sectional view of the rotor and the stator portion [A- in (a)]
A'sectional view, but showing only the rotor and the stator, excluding the shaft and the outer frame part]. Note that FIG. 3 shows a case where the number of magnetic poles of the outer rotor is 4, the number of magnetic poles of the inner rotor is 2, and the ratio of the number of magnetic poles is 2: 1. The number of pole pairs, which is the number of magnetic pole pairs (one pair of N and S) provided on the rotor, indicates that the outer rotor has two pole pairs and the inner rotor has one pole pair.
And the ratio of the pole pairs, which is the ratio of the two, is also 2: 1.
【0010】図3において、中空円筒状のステータ2の
外側と内側に所定のギャップをおいて中空円筒状の外側
ロータ3と内側ロータ4が配置され、3層構造になって
いる。また、内側ロータ軸9と外側ロータ軸10とは同
一の軸上に並ぶように設けられ、内側ロータ4と外側ロ
ータ3は同軸上でそれぞれ独立に回転出来るようになっ
ている。なお、軸受等は図示を省略している。In FIG. 3, a hollow cylindrical outer rotor 3 and an inner rotor 4 are arranged with a predetermined gap between the outer and inner sides of a hollow cylindrical stator 2 to form a three-layer structure. The inner rotor shaft 9 and the outer rotor shaft 10 are provided so as to be aligned on the same shaft, and the inner rotor 4 and the outer rotor 3 are coaxially rotatable independently of each other. The bearings and the like are not shown.
【0011】内側ロータ4は半周をS極、もう半周をN
極とした一対の永久磁石で形成され、これに対して、外
側ロータ3は内側ロータ4の一極当たり2倍の極数を持
つように永久磁石が配置される。つまり、外側ロータ3
のS極、N極は各2個であり、90度毎にS極とN極が
入れ替わるように構成されている。このように各ロータ
3、4の磁極を配置すると、内側ロータ4の磁石は外側
ロータ3の磁石により回転力を与えられることがなく、
この逆に外側ロータ3の磁石が内側ロータ4の磁石によ
り回転力を与えられることもない。The inner rotor 4 has an S pole on one half and an N pole on the other half.
The outer rotor 3 is formed of a pair of permanent magnets, and the outer rotor 3 is arranged such that the inner rotor 4 has twice as many poles as one pole. That is, the outer rotor 3
There are two S poles and two N poles, and the S pole and the N pole are configured to be switched every 90 degrees. By arranging the magnetic poles of the rotors 3 and 4 in this way, the magnet of the inner rotor 4 is not given a rotational force by the magnet of the outer rotor 3,
On the contrary, the magnet of the outer rotor 3 is not given a rotational force by the magnet of the inner rotor 4.
【0012】たとえば、内側ロータ4の磁石が外側ロー
タ3に及ぼす影響を考えてみる。簡単のため内側ロータ
4は固定して考える。まず、内側ロータ4のS極とこれ
に対峙する外側ロータ3の上側磁石SNとの関係におい
て、図示の状態で仮に内側ロータ4のS極が出す磁力を
受けて、外側ロータの上側磁石SNが時計方向に回転し
ようとしたとすると、内側ロータ4のN極とこれに対峙
する外側ロータ3の下側磁石SNとの関係においては、
内側ロータ4のN極により外側ロータ3の下側磁石SN
が反時計方向に回転しようとする。つまり、内側ロータ
4のS極が外側ロータ3の上側磁石に及ぼす磁力と内側
ロータ4のN極が外側ロータ3の下側磁石に及ぼす磁力
とがちょうど相殺することになり、外側ロータ3は内側
ロータ4と関係なく、ステータ2との関係だけで制御可
能となるわけである。このことは、後述するようにステ
ータコイルに発生する回転磁場とロータとの間でも同じ
である。For example, consider the influence of the magnets of the inner rotor 4 on the outer rotor 3. For simplicity, consider the inner rotor 4 fixed. First, in the relationship between the S pole of the inner rotor 4 and the upper magnet SN of the outer rotor 3 facing it, the magnetic force generated by the S pole of the inner rotor 4 in the illustrated state causes the upper magnet SN of the outer rotor to move. If an attempt is made to rotate in the clockwise direction, in the relationship between the N pole of the inner rotor 4 and the lower magnet SN of the outer rotor 3 facing it,
Due to the N pole of the inner rotor 4, the lower magnet SN of the outer rotor 3
Tries to rotate counterclockwise. That is, the magnetic force exerted by the S pole of the inner rotor 4 on the upper magnet of the outer rotor 3 and the magnetic force exerted by the N pole of the inner rotor 4 on the lower magnet of the outer rotor 3 cancel each other, and the outer rotor 3 is The control can be performed only by the relationship with the stator 2 and not the relationship with the rotor 4. This is the same between the rotating magnetic field generated in the stator coil and the rotor as described later.
【0013】ステータ2のコイルは、外側ロータ3の1
磁極当たり3個のコイル6で構成され、合計12個(=
3×4)のコイル6が同一の円周上に等分に配置されて
いる。丸で囲んだ数字はそれぞれコイルの巻線を示し、
例えば1と1とが1つのコイルを形成し、それぞれ電流
の方向が逆なことを示している。すなわち、1は紙面方
向へ電流の流れる巻線であり、1はその逆方向に電流の
流れる巻線である。この場合の巻線方法は集中巻であ
る。The coil of the stator 2 is a coil of the outer rotor 3.
It consists of 3 coils 6 per magnetic pole, totaling 12 (=
3 × 4) coils 6 are evenly arranged on the same circumference. Circled numbers indicate the winding of the coil,
For example, 1 and 1 form one coil, and the directions of the currents are opposite to each other. That is, 1 is a winding wire through which a current flows, and 1 is a winding wire through which a current flows in the opposite direction. The winding method in this case is concentrated winding.
【0014】また、7はコイルが巻回されるコアで、コ
イル6と同数のコア7が円周上に等分に所定の間隔(ギ
ャップ)8をおいて配列されている。なお、後述するよ
うに、12個のコイルは番号で区別しており、この場合
に6番目のコイルという意味でコイル6が出てくる。上
記のコイル6という表現と紛らわしいが、意味するとこ
ろは異なっている。Reference numeral 7 denotes a core around which a coil is wound, and the same number of cores 7 as the coils 6 are arranged on the circumference of the core at regular intervals (gap) 8. As will be described later, the twelve coils are distinguished by numbers, and in this case, the coil 6 comes out to mean the sixth coil. Although it is confusing with the expression of the coil 6, the meaning is different.
【0015】これら12個のコイルには次のような複合
電流I1〜I12を流す。まず内側ロータ4に対する回
転磁場を発生させる電流(三相交流)を流すため、
[1,2]=[7,8]、[3,4]=[9,10]、
[5,6]=[11,12]の3組のコイルに120度
ずつ位相のずれた電流Id、If、Ieを設定する。こ
こで、番号の下に付けたアンダーラインは反対方向に電
流を流すことを意味させている。たとえば、1組のコイ
ル[1,2]=[7,8]に電流Idを流すとは、コイ
ル1からコイル7に向けてIdの半分の電流を、かつコ
イル2からコイル8に向けてIdのもう半分の電流を流
すことに相当する。1と2、7と8が円周上でそれぞれ
近い位置にあるので、この電流供給により、内側ロータ
4の磁極と同数(2極)の回転磁場を生じさせることが
可能となる。The following composite currents I 1 to I 12 are passed through these 12 coils. First, in order to flow a current (three-phase alternating current) that generates a rotating magnetic field for the inner rotor 4,
[1,2] = [7, 8], [3, 4] = [9,10],
Currents Id, If, and Ie whose phases are shifted by 120 degrees are set in three sets of coils of [5, 6] = [ 11 , 12 ]. Here, the underline under the number means that the current flows in the opposite direction. For example, letting a current Id flow through a pair of coils [1, 2] = [ 7 , 8 ] means that a half current of Id is directed from the coil 1 to the coil 7 and a current Id is directed from the coil 2 to the coil 8. It is equivalent to flowing the other half of the current. Since 1 and 2 and 7 and 8 are close to each other on the circumference, this current supply makes it possible to generate the same number (two poles) of rotating magnetic fields as the magnetic poles of the inner rotor 4.
【0016】次に、外側ロータ3に対する回転磁場を発
生させる電流(三相交流)を流すため、[1]=[4]
=[7]=[10]、[2]=[5]=[8]=[1
1]、[3]=[6]=[9]=[12]の3組のコイ
ルに120度ずつ位相がずれた電流Ia、Ic、Ibを
設定する。たとえば、1組のコイル[1]=[4]=
[7]=[10]に電流Iaを流すとは、コイル1から
コイル4にIaの電流をかつコイル7からコイル10に
向けてもIaの電流を流すことに相当する。コイル1と
7、コイル4と10がそれぞれ円周上の180度ずつ離
れた位置にあるため、この電流供給により、外側ロータ
3の磁極と同数(4極)の回転磁場を生じさせることが
できる。この結果、12個のコイルには次の各複合電流
I1〜I12を流せばよいことになる。
I1=(1/2)Id+Ia
I2=(1/2)Id+Ic
I3=(1/2)If+Ib
I4=(1/2)If+Ia
I5=(1/2)Ie+Ic
I6=(1/2)Ie+Ib
I7=(1/2)Id+Ia
I8=(1/2)Id+Ic
I9=(1/2)If+Ib
I10=(1/2)If+Ia
I11=(1/2)Ie+Ic
I12=(1/2)Ie+Ib
ただし、電流記号の下につけたアンダーラインは逆向き
の電流であることを表している。Next, a rotating magnetic field is generated for the outer rotor 3.
[1] = [to generate current (three-phase alternating current)Four]
= [7] = [10], [2] = [5] = [8] = [1
1], [3] = [6] = [9] = [12] 3 sets of carp
Currents Ia, Ic, and Ib that are out of phase by 120 degrees
Set. For example, a set of coils [1] = [Four] =
[7] = [10To flow the current Ia from the coil 1
coilFourCurrent from Ia and from coil 7 to coil10To
It is equivalent to flowing the current of Ia even when facing. With coil 1
7, coilFourWhen10Are 180 degrees apart on the circumference
The outer rotor is
It is possible to generate the same number (4 poles) of rotating magnetic field as 3 magnetic poles.
it can. As a result, the following composite currents are applied to the 12 coils.
I1~ I12It would be good if you shed.
I1= (1/2) Id + Ia
ITwo= (1/2) Id +I c
IThree= (1/2)If+ Ib
IFour= (1/2)If+Ia
I5= (1/2) Ie + Ic
I6= (1/2) Ie +Ib
I7= (1/2)Id+ Ia
I8= (1/2)Id+I c
I9= (1/2) If + Ib
I10= (1/2) If +Ia
I11= (1/2)Ie+I c
I12= (1/2)Ie+ Ib
However, the underline below the current symbol is in the opposite direction.
It indicates that the current is.
【0017】さらに図4を参照して複合電流の設定を説
明すると、図4は、図3との比較のため、ステータ2の
内周側と外周側に各ロータに対して別々の回転磁場を発
生させる専用のコイルを配置したものである。つまり、
内周側コイルd、f、eの配列が内側ロータに対する回
転磁場を、また外周側コイルa、c、bの配列が外側ロ
ータに対する回転磁場を発生する。この場合に、2つの
専用コイルを共通化して、図3に示した共通のコイルに
再構成するには、内周側コイルのうち、コイルdに流す
電流の半分ずつをコイルdの近くにあるコイルaとcに
負担させ、同様にして、コイルfに流す電流の半分ずつ
をコイルfの近くにあるコイルbとaに、またコイルe
に流す電流の半分ずつをコイルeの近くにあるコイルc
とbに負担させればよいわけである。上記複合電流I1
〜I12の式はこのような考え方を数式に表したものあ
る。なお、電流設定の方法はこれに限られるものでな
く、前記特開平11−275826号公報に記載のよう
に、他の電流設定方法でもかまわない。The setting of the composite current will be further described with reference to FIG. 4. In FIG. 4, for comparison with FIG. 3, separate rotating magnetic fields are provided to the inner and outer peripheral sides of the stator 2 for each rotor. It has a dedicated coil to generate it. That is,
The inner side coils d, f, e generate a rotating magnetic field for the inner rotor, and the outer side coils a, c, b generate a rotating magnetic field for the outer rotor. In this case, in order to reconfigure the two dedicated coils in common and reconfigure them into the common coil shown in FIG. 3, half of the current flowing through the coil d among the inner circumference side coils is near the coil d. The coils a and c are loaded, and in the same manner, half of the current flowing through the coil f is applied to the coils b and a near the coil f, and the coil e
Half of the current flowing in the coil c near the coil e
And b should be burdened. The composite current I 1
The formulas to I 12 represent the above idea in a mathematical formula. Note that the current setting method is not limited to this, and other current setting methods may be used as described in JP-A-11-275826.
【0018】このように電流設定を行うと、共通のコイ
ルでありながら、内側ロータ4に対する回転磁場と外側
ロータ3に対する回転磁場との2つの磁場が同時に発生
するが、内側ロータ4の磁石は外側ロータ3に対する回
転磁場により回転力を与えられることがなく、また外側
ロータ3の磁石が内側ロータ4に対する回転磁場により
回転力を与えられることもない。この点は前記特開平1
1−275826号公報に記載のように、理論解析で証
明されている。When the current is set in this manner, two magnetic fields, that is, a rotating magnetic field for the inner rotor 4 and a rotating magnetic field for the outer rotor 3, are simultaneously generated, although the common coil is used. The rotating magnetic field for the rotor 3 does not give a rotating force, and the magnet of the outer rotor 3 does not have a rotating force for the inner rotor 4. This point is described in JP-A-1
It has been proved by theoretical analysis as described in JP-A 1-275826.
【0019】上記Id、If、Ieの電流設定は内側ロ
ータ4の回転に同期して、また上記Ia、Ic、Ibの
電流設定は外側ロータ3の回転に同期してそれぞれ行
う。トルクの方向に対して位相の進み遅れを設定する
が、これは同期モータに対する場合と同じである。The currents Id, If, and Ie are set in synchronization with the rotation of the inner rotor 4, and the currents Ia, Ic, and Ib are set in synchronization with the rotation of the outer rotor 3. The phase lead and lag are set with respect to the torque direction, which is the same as for the synchronous motor.
【0020】図5は上記回転電機を制御するための回路
のブロック図である。上記複合電流I1〜I12をステ
ータコイルに供給するため、バッテリなどの電源11か
らの直流電流を交流電流に変換するインバータ12を備
える。瞬時電流の全ての和は0になるためこのインバー
タ12は、図6に詳細を示したように、通常の3相ブリ
ッジ型インバータを12相にしたものと同じで、24
(=12×2)個のトランジスタTr1〜Tr24とこ
のトランジスタと同数のダイオードから構成される。イ
ンバータ12の各ゲート(トランジスタのベース)に与
えるON、OFF信号はPWM信号である。FIG. 5 is a block diagram of a circuit for controlling the rotating electric machine. In order to supply the composite currents I 1 to I 12 to the stator coil, an inverter 12 that converts a direct current from a power source 11 such as a battery into an alternating current is provided. Since the sum of all the instantaneous currents becomes 0, this inverter 12 is the same as the normal 3-phase bridge type inverter with 12 phases, as shown in detail in FIG.
It is composed of (= 12 × 2) transistors Tr1 to Tr24 and the same number of diodes as these transistors. The ON and OFF signals given to each gate (base of the transistor) of the inverter 12 are PWM signals.
【0021】各ロータ3、4を同期回転させるため、各
ロータ3、4の位相を検出する回転角センサ13、14
が設けられ、これらセンサ13、14からの信号が入力
される制御回路15では、外側ロータ3、内側ロータ4
に対する必要トルク(正負あり)のデータ(必要トルク
指令)に基づいてPWM信号を発生させる。Rotation angle sensors 13 and 14 for detecting the phases of the rotors 3 and 4 in order to rotate the rotors 3 and 4 synchronously.
In the control circuit 15 in which the signals from the sensors 13 and 14 are input, the outer rotor 3 and the inner rotor 4 are provided.
A PWM signal is generated on the basis of the required torque (positive / negative) data (required torque command) for.
【0022】このように、前記特開平11−27582
6号公報に記載の回転電機においては、2つのロータ
3、4と1つのステータ2を三層構造かつ同一の軸上に
構成すると共に、ステータ2に共通のコイル6を形成
し、この共通のコイル6にロータの数と同数の回転磁場
が発生するように複合電流を流すようにしたことから、
ロータの一方をモータとして、残りをジェネレータとし
て運転する場合に、モータ駆動電力と発電電力の差の分
の電流を共通のコイルに流すだけでよいので、効率を大
幅に向上させることができる。In this way, the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 11-27582 is used.
In the rotating electric machine described in Japanese Patent Publication No. 6, two rotors 3 and 4 and one stator 2 are configured in a three-layer structure and on the same shaft, and a coil 6 common to the stator 2 is formed. Since the composite current is made to flow in the coil 6 so that the same number of rotating magnetic fields as the number of rotors are generated,
When one of the rotors is operated as a motor and the other is operated as a generator, it suffices to flow a current corresponding to the difference between the motor driving power and the generated power to a common coil, so that the efficiency can be significantly improved.
【0023】また、2つのロータに対してインバータが
1つでよくなり、さらにロータの一方をモータとして、
残りをジェネレータとして運転する場合には、上記のよ
うに、モータ駆動電力と発電電力の差の分の電流を共通
のコイルに流すだけでよくなることから、インバータの
電力スイッチングトランジスタのキャパシタンスを減ら
すことができ、これによってスイッチング効率が向上
し、より全体効率が向上する。Also, one inverter is sufficient for two rotors, and one of the rotors is used as a motor.
When the rest is operated as a generator, as described above, it suffices to pass a current corresponding to the difference between the motor drive power and the generated power to a common coil, so the capacitance of the power switching transistor of the inverter can be reduced. This can improve the switching efficiency and further improve the overall efficiency.
【0024】これまでの説明は、極対数比が2:1の場
合について主に説明したが、極対数比が1:1の場合、
すなわち、外側ロータと内側ロータの極対数が同数の場
合には、特殊な動作特性が生じる。以下説明する。前記
特開平11−275826号公報の(8)式および
(9)式は下記のようになる。
f1=-μIm1{Im2・sin((ω2-ω1)t-α)-(3/2)n・Ic・sin(β)} …(
8)
f2= μIm2{Im1・sin((ω1-ω2)t-α)-(3/2)n・Ic・sin((ω1-ω2)t-α-β)
}
…(9)
ただし、f1:外側ロータの駆動力
f2:内側ロータの駆動力
Im1:外側ロータの磁石の等価直流電流
Im2:内側ロータの磁石の等価直流電流
Ic:ステータコイルの電流
ω1:外側ロータの回転角速度
ω2:内側ロータの回転角速度
α:2つのロータの磁極の位相角
β:電流の位相差
μ:透磁率
n:コイル定数
上記(8)式、(9)式において、まず、ステータコイ
ルに回転磁界を発生する電流Icを流した場合に、両ロ
ータの駆動力f1とf2を考察する。In the above description, the case where the pole log ratio is 2: 1 has been mainly described, but when the pole log ratio is 1: 1,
That is, when the outer rotor and the inner rotor have the same number of pole pairs, a special operation characteristic occurs. This will be described below. The formulas (8) and (9) in the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 11-275826 are as follows. f 1 = -μIm 1 {Im 2・ sin ((ω 2 -ω 1 ) t-α)-(3/2) n ・ Ic ・ sin (β)} (8) f 2 = μIm 2 {Im 1・ Sin ((ω 1 -ω 2 ) t-α)-(3/2) n ・ Ic ・ sin ((ω 1 -ω 2 ) t-α-β)} (9) However, f 1 : outside Rotor drive force f 2 : Inner rotor drive force Im 1 : Outer rotor magnet equivalent DC current Im 2 : Inner rotor magnet equivalent DC current Ic: Stator coil current ω 1 : Outer rotor rotational angular velocity ω 2 : Rotational angular velocity of the inner rotor α: Phase angle of magnetic poles of the two rotors β: Phase difference of current μ: Permeability n: Coil constant In the above equations (8) and (9), first, a rotating magnetic field is applied to the stator coil. Considering the driving forces f 1 and f 2 of both rotors when the generated current Ic is passed.
【0025】ステータコイルの電流Ic・sinβによ
る駆動力f1、f2は外側ロータと内側ロータとの位相
角αによって変化するので、以下、α=0の場合とα=
πの場合とに分けて説明する。なお、α=0とは図7
(a)に示すように、2個のロータの磁極が同極(N−
NとS−S)で対面している状態であり、α=πとは図
7(b)に示すように、2個のロータの磁極が異極(N
−S)で対面している状態である。Since the driving forces f 1 and f 2 due to the current Ic · sin β of the stator coil change depending on the phase angle α between the outer rotor and the inner rotor, hereinafter, in the case of α = 0 and α =
Description will be made separately for the case of π. Note that α = 0 means that in FIG.
As shown in (a), the magnetic poles of the two rotors have the same pole (N-
N = SS), and α = π means that the magnetic poles of the two rotors are different (N) as shown in FIG. 7B.
-S) is a state of facing each other.
【0026】式を簡単にするために、ω1=ω2とすれ
ば、(8)式、(9)式から、
f1=-μIm1{Im2・sin(-α)-(3/2)n・Ic・sin(β)} …(数1)式
f2= μIm2{Im1・sin(-α)-(3/2)n・Ic・sin(-α-β)} …(数2)式
α=0の場合
(数1)式、(数2)式においてα=0とすれば、下記(数3)式、(数4)
式のようになる。
f1=-μIm1{-(3/2)n・Ic・sin(β)} =μIm1・(3/2)n・Ic・sin(β)…(数3)
式
f2= μIm2{-(3/2)n・Ic・sin(-β)}=μIm2・(3/2)n・Ic・sin(β)…(数4)
式
よってμIm1=μIm2とすれば、f1=f2となる。上
記のように、α=0の場合にはf1=f2となるので、
2個のロータは同じ方向に駆動力を受け、同じ方向に回
転する。To simplify the equation, if ω 1 = ω 2 , then from equations (8) and (9), f 1 = -μIm 1 {Im 2 · sin (-α)-(3 / 2) n ・ Ic ・ sin (β)} (Equation 1) Formula f 2 = μIm 2 {Im 1・ sin (-α)-(3/2) n ・ Ic ・ sin (-α-β)} ... (Equation 2) When α = 0 When (Equation 1) and (Equation 2) are set to α = 0, the following (Equation 3) and (Equation 4) are obtained. f 1 = -μIm 1 {-(3/2) n ・ Ic ・ sin (β)} = μIm 1・ (3/2) n ・ Ic ・ sin (β) ... (Equation 3) Formula f 2 = μIm 2 {-(3/2) n · Ic · sin (-β)} = μIm 2 · (3/2) n · Ic · sin (β) ... (Equation 4) If μIm 1 = μIm 2 , f 1 = f 2 . As described above, when α = 0, f 1 = f 2 , so that
The two rotors receive driving force in the same direction and rotate in the same direction.
【0027】
α=πの場合
(数1)式、(数2)式においてα=πとすれば、下記(数5)式、(数6)
式のようになる。
f1=μIm1・(3/2)n・Ic・sinβ …(数5)式
f2=μIm2・(3/2)n・Ic・sin(-π-β)=-μIm2・(3/2)n・Ic・sinβ …(数6)式
よってμIm1=μIm2とすれば、f1=−f2となる。
上記のようにα=πの場合には、f1=−f2となるの
で、2個のロータは逆方向に駆動力を受け、相互に逆方
向に回転する。これが逆転モードである。上記のように
ステータコイルに電流を流して駆動する場合には、位相
角αの値に応じて、正転モードと逆転モードとがある。When α = π When α = π in the equations (1) and (2), the following equations (5) and (6) are obtained. f 1 = μIm 1・ (3/2) n ・ Ic ・ sin β (Equation 5) f 2 = μIm 2・ (3/2) n ・ Ic ・ sin (-π-β) =-μIm 2・ ( 3/2) n · Ic · sin β (Equation 6) If μIm 1 = μIm 2 is established, then f 1 = −f 2 .
As described above, when α = π, f 1 = −f 2 , so that the two rotors receive driving force in opposite directions and rotate in opposite directions. This is the reverse mode. When the stator coil is driven by passing a current as described above, there are a normal rotation mode and a reverse rotation mode depending on the value of the phase angle α.
【0028】次に、ステータコイルに電流を流さない場
合、すなわちIc=0の場合について説明する。Ic=
0の場合は前記(8)式、(9)式から下記(数7)
式、(数8)式のようになる。
f1=-μIm1{Im2・sin((ω2-ω1)t-α)} …(数7)式
f2= μIm2{Im1・sin((ω1-ω2)t-α)} …(数8)式
(数7)式、(数8)式において、ω1=ω2とすれ
ば、
f1=-μIm1{Im2・sin(-α)} …(数9)式
f2= μIm2{Im1・sin(-α)} …(数10)式
となり、常にf1=−f2となる。これは一見、逆方向
に回転するように見えるが、実際には2個のロータ間に
位相角αを与えた場合にα=0の位置に戻ろうする力を
示す。つまり一方のロータに外部から機械的な力を加え
ると、αが0からずれて、これを修正する力f1が発生
し、同様に他方のロータにも修正方向である反対側の力
f2が働くということである。したがって一方のロータ
を外部から機械的に回転させると他方のロータもα=0
を保つように同じ方向に回転することになる。これが磁
気カップリングであり、ステータコイルに電流を流さな
い状態で、例えば外側ロータを内燃機関で駆動すれば、
同方向に内側ロータを回転させることが出来る。Next, the case where no current flows through the stator coil, that is, the case where Ic = 0, will be described. Ic =
In the case of 0, the following (Equation 7) is obtained from the equations (8) and (9).
The formula becomes like the formula (8). f 1 = -μIm 1 {Im 2 · sin ((ω 2 −ω 1 ) t-α)} (Equation 7) Formula f 2 = μIm 2 {Im 1 · sin ((ω 1 −ω 2 ) t- α)} (Equation 8) Equation (Equation 7) Equation (Equation 8) If ω 1 = ω 2 , f 1 = -μIm 1 {Im 2 · sin (-α)} (Equation 9) Expression f 2 = μIm 2 {Im 1 · sin (−α)} (Equation 10) Expression, and always f 1 = −f 2 . At first glance, this seems to rotate in the opposite direction, but in reality, when the phase angle α is given between the two rotors, it actually indicates the force to return to the position of α = 0. That is, when a mechanical force is externally applied to one rotor, α deviates from 0, and a force f 1 for correcting this is generated, and similarly, a force f 2 on the opposite side, which is the correction direction, is also applied to the other rotor. Is to work. Therefore, when one of the rotors is mechanically rotated from the outside, the other rotor also has α = 0.
Will rotate in the same direction to keep. This is the magnetic coupling, and when the outer rotor is driven by the internal combustion engine, for example, in the state where no current flows in the stator coil,
The inner rotor can be rotated in the same direction.
【0029】上記のように1対1極対数比の場合には、
位相角α=0でステータコイルに電流を流さない状態で
一方のロータを外部から機械的に駆動すれば、磁気カッ
プリングモードとなり、ステータのコイルに電流を流さ
ないで、他方のロータを直結状態(同速度)で駆動する
ことが出来る。また、2つのロータの磁石の位相角α=
πの場合は逆転モードとなり、外側ロータと内側ロータ
とが逆方向に回転することになる。In the case of the one-to-one pole logarithmic ratio as described above,
If one rotor is mechanically driven from the outside with the phase angle α = 0 and no current is applied to the stator coil, the magnetic coupling mode is reached, and the other rotor is directly connected without applying current to the stator coil. It can be driven at the same speed. Also, the phase angle α of the magnets of the two rotors =
In the case of π, the reverse rotation mode is set, and the outer rotor and the inner rotor rotate in opposite directions.
【0030】上記のような複合型の回転電機をハイブリ
ッド車両に搭載し、一方のロータを内燃機関で駆動して
発電し、その電力をステータコイルに流して他方のロー
タを回転させ、それで車両を駆動するシステムにおい
て、内燃機関の始動時に、上記の内燃機関に結合された
ロータをスタータモータとして始動を行うように構成し
た場合に、車両も内燃機関も停止している状態で、車両
に結合されたロータを回転して車両を駆動すると、内燃
機関に結合されたロータも回転してしまうおそれがあ
る。逆に、内燃機関の始動時に内燃機関に結合された方
のロータが回転すると、他方の車輪に結合されたロータ
も回転し、車両が動いてしまうおそれがある等の望まし
くない特性がある。本発明は電流を流さないで駆動出来
るという磁気カップリングの有利な特性を活かし、か
つ、望ましくない特性は押さえるように改良したもので
ある。A hybrid electric machine as described above is mounted on a hybrid vehicle, one rotor is driven by an internal combustion engine to generate electric power, and the electric power is supplied to a stator coil to rotate the other rotor. In the driving system, when the internal combustion engine is configured to start using the rotor coupled to the internal combustion engine as a starter motor when the internal combustion engine is started, the vehicle and the internal combustion engine are both stopped and coupled to the vehicle. When the rotor is rotated to drive the vehicle, the rotor coupled to the internal combustion engine may also rotate. Conversely, if the rotor coupled to the internal combustion engine rotates when the internal combustion engine is started, the rotor coupled to the other wheel also rotates, which may cause the vehicle to move, which is an undesirable characteristic. The present invention takes advantage of the advantageous characteristic of the magnetic coupling that it can be driven without passing an electric current, and is improved so as to suppress the undesirable characteristic.
【0031】以下、本発明の実施の形態を説明する。図
1は、本発明の第1の実施の形態に用いる回転電機のロ
ータとステータ部分の断面図であり、(a)は実際の構
成、(b)は等価的構成を示す。なお、回転電機全体の
概略断面図は前記図3(a)と同様である。図1(a)
に示すように、実際の構成は、外側ロータ21が3極
対、内側ロータ23が1極対で、3対1磁極対比の構成
になっている。しかし、外側ロータ21の磁石は、一方
が強いN極の両側に弱いS極があり、他方が強いS極の
両側に弱いN極がある構造になっている。上記の強い方
のN極またはS極の起磁力の強さが他の2個のS極また
はN極の起磁力の強さよりも大きければ、全体的には図
1(b)に示すように、一つのN極と一つのS極とがあ
るのと同等で1極対になる。そのため、等価的には外側
ロータ21と内側ロータ23が共に1極対で、1対1磁
極対比の構成になる。Embodiments of the present invention will be described below. 1A and 1B are cross-sectional views of a rotor and a stator portion of a rotary electric machine used in a first embodiment of the present invention, where FIG. 1A shows an actual configuration and FIG. 1B shows an equivalent configuration. The schematic sectional view of the entire rotating electric machine is similar to that shown in FIG. Figure 1 (a)
As shown in FIG. 3, the outer rotor 21 has a three-pole pair, the inner rotor 23 has a one-pole pair, and has a three-to-one magnetic pole contrast ratio. However, the magnet of the outer rotor 21 has a structure in which one side has a weak south pole on both sides of a strong north pole, and the other has weak north poles on both sides of a strong south pole. If the strength of the magnetomotive force of the stronger N pole or S pole is larger than the strength of the magnetomotive force of the other two S poles or N poles, as shown in FIG. , Which is equivalent to having one N pole and one S pole, and becomes one pole pair. Therefore, equivalently, both the outer rotor 21 and the inner rotor 23 have one pole pair, and have a 1: 1 magnetic pole contrast ratio.
【0032】上記のような構造においては、ステータ2
2に設けたステータコイルに前に説明したごとき3対1
磁極対比に相当する複合電流を流せば、3対1磁極対比
の回転電機として動作し、外側ロータ21と内側ロータ
23を独立に制御することが出来る。また、前記のよう
に、磁気カップリング効果を利用して両方のロータを同
期して回転させる場合には、1対1磁極対数比の回転電
機として動作する。なお、上記の例は3対1磁極対比と
1対1磁極対数比とに両用出来る構成を示したが、一般
的にはn対1磁極対比(nは2以上の整数)と1対1磁
極対数比とに両用することが出来る。In the structure as described above, the stator 2
The stator coil provided in No. 2 has a 3: 1 ratio as described above.
If a composite current corresponding to the magnetic pole contrast is passed, the rotor operates as a rotating electric machine having a 3: 1 magnetic pole contrast, and the outer rotor 21 and the inner rotor 23 can be independently controlled. Further, as described above, when both rotors are synchronously rotated by utilizing the magnetic coupling effect, they operate as a rotating electric machine having a 1: 1 magnetic pole pair number ratio. Although the above example shows a configuration that can be used for both a 3: 1 magnetic pole ratio and a 1: 1 magnetic pole number ratio, in general, an n: 1 magnetic pole ratio (n is an integer of 2 or more) and a 1: 1 magnetic pole are used. It can be used as a logarithmic ratio.
【0033】上記のように本発明の回転電機は2個の特
性を切り換えて使用することが出来るので、いわゆるハ
イブリッド駆動の車両に適している。例えば、前記図3
(a)の外側ロータ軸10に内燃機関を接続して外側ロ
ータ3を駆動して発電機として動作させ、内側ロータ軸
9を車両の駆動系に接続して内側ロータ4を電動機とし
て車両を駆動する。このような構成において、上記3対
1磁極対比の回転電機として動作する場合には、外側ロ
ータ3で発電した電力で、内側ロータ4を回転させれ
ば、外側ロータ3の速度に拘束されない任意の速度で車
両を駆動することが出来る。また、上記1対1磁極対数
比の回転電機として動作する場合には、磁気カップリン
グ効果で外側ロータ3と同速度で内側ロータ4を回転さ
せることが出来る。この場合には磁気カップリング効果
を利用することにより、電力消費を極端に減少させるこ
とが出来る。As described above, the rotary electric machine of the present invention can switch and use two characteristics, and is therefore suitable for a so-called hybrid drive vehicle. For example, in FIG.
(A) An internal combustion engine is connected to the outer rotor shaft 10 to drive the outer rotor 3 to operate as a generator, and the inner rotor shaft 9 is connected to a drive system of the vehicle to drive the vehicle by using the inner rotor 4 as an electric motor. To do. In such a configuration, when operating as a rotating electric machine with the above-mentioned 3: 1 magnetic pole ratio, if the inner rotor 4 is rotated by the electric power generated by the outer rotor 3, any speed not restricted by the speed of the outer rotor 3 is generated. The vehicle can be driven at speed. Further, when operating as a rotating electric machine having the above-mentioned 1: 1 magnetic pole pair ratio, the inner rotor 4 can be rotated at the same speed as the outer rotor 3 due to the magnetic coupling effect. In this case, the power consumption can be extremely reduced by utilizing the magnetic coupling effect.
【0034】上記のように、強い磁極と弱い磁極とを混
在させるには、次の3つの方法が考えられる。
(1)磁石の起磁力に差を持たせる方法
強い磁極とする部分の起磁力を大きくし、弱い磁極とす
る部分の起磁力を小さくすれば、強い磁極と弱い磁極を
形成できる。
(2)ギャップに差を設ける方法
起磁力が同じであってもロータとステータとのギャップ
の大きさを変えれば実用上磁極の強さは変わる。したが
って強くする磁極のギャップを小さく、弱くする磁極の
ギャップを大きくすれば、強い磁極と弱い磁極を構成で
きる。
(3)強くしたい磁極のギャップ近傍に透磁率の高い磁
性材料を埋め込む方法透磁率の高い磁性材料を埋め込む
ことにより、磁極を強くすることが出来る。As described above, in order to mix the strong magnetic pole and the weak magnetic pole, the following three methods can be considered. (1) Method of giving a difference in magnetomotive force of magnets By increasing the magnetomotive force of the portion forming the strong magnetic pole and decreasing the magnetomotive force of the portion forming the weak magnetic pole, a strong magnetic pole and a weak magnetic pole can be formed. (2) Method of providing a difference in the gap Even if the magnetomotive forces are the same, the strength of the magnetic pole changes in practice if the size of the gap between the rotor and the stator is changed. Therefore, a strong magnetic pole and a weak magnetic pole can be formed by reducing the magnetic pole gap for strengthening and increasing the magnetic pole gap for weakening. (3) Method of embedding a magnetic material having a high magnetic permeability near the gap of the magnetic pole to be strengthened By embedding a magnetic material having a high magnetic permeability, the magnetic pole can be strengthened.
【0035】次に、図2は、本発明の回転電機における
制御系を示すブロック図である。図2において、24は
外側ロータ21の位相(ロータ位置)を検出する回転角
センサ、25は内側ロータ23の位相を検出する回転角
センサである。また、トルク制御装置26は、ロータ間
トルク演算部27、トルク指令値演算部28、出力電流
演算部29、PWMパターン発生部30、ゲート信号作
成部31からなる。また、32はインバータ、33は電
流センサである。Next, FIG. 2 is a block diagram showing a control system in the rotating electric machine of the present invention. In FIG. 2, 24 is a rotation angle sensor that detects the phase (rotor position) of the outer rotor 21, and 25 is a rotation angle sensor that detects the phase of the inner rotor 23. Further, the torque control device 26 includes an inter-rotor torque calculation unit 27, a torque command value calculation unit 28, an output current calculation unit 29, a PWM pattern generation unit 30, and a gate signal generation unit 31. Further, 32 is an inverter, and 33 is a current sensor.
【0036】以下、作用を説明する。本発明の回転電機
においては、前記図1(a)に示したように、外側ロー
タ21の各磁極に強弱を設けている。そのため外側ロー
タ21と内側ロータ23とが異なった速度で回転する非
同期状態では、磁極の相互位置によって磁極の強弱に応
じたトルク変動が生じる。したがってトルク変動をなく
すためには、ステータコイルに流す電流をロータの回転
角に応じて制御する必要がある。The operation will be described below. In the rotary electric machine of the present invention, as shown in FIG. 1 (a), the magnetic force of each magnetic pole of the outer rotor 21 is set. Therefore, in an asynchronous state in which the outer rotor 21 and the inner rotor 23 rotate at different speeds, torque fluctuations depending on the strength of the magnetic poles occur depending on the mutual positions of the magnetic poles. Therefore, in order to eliminate the torque fluctuation, it is necessary to control the current flowing through the stator coil according to the rotation angle of the rotor.
【0037】図2において、非同期状態では、回転角セ
ンサ24、25で検出した2個のロータの位相(位置)
情報に基づいて、ロータ間トルク演算部27において2
個のロータ間トルクを演算する。次にトルク指令値演算
部28において、外部から与えられる内側ロータトルク
指令値S1、外側ロータトルク指令値S2と、上記の演
算したロータ間トルクとの差を求めることにより、実際
にステータの複合電流によって発生させるべきトルクに
相当したトルク指令値を求める。次に出力電流演算部2
9において、上記の演算されたトルク指令値に応じてス
テータコイルに供給する複合電流に相当する出力電流値
を演算する。次にゲート信号作成部31では、PWMパ
ターン発生部30から送られる信号(例えば三角波信
号)と上記の出力電流値とからPWMのゲート信号を作
成して出力する。上記のゲート信号でインバータ回路3
2のスイッチング素子をオン・オフ制御することによ
り、ステータ22に設けられたステータコイルに電流を
供給する。In FIG. 2, in the asynchronous state, the phases (positions) of the two rotors detected by the rotation angle sensors 24 and 25.
Based on the information, the inter-rotor torque calculation unit 27 determines 2
Calculate the torque between individual rotors. Next, in the torque command value calculation unit 28, the difference between the inner rotor torque command value S1 and the outer rotor torque command value S2 given from the outside and the above-described calculated inter-rotor torque is obtained, so that the composite current of the stator is actually obtained. The torque command value corresponding to the torque to be generated is calculated. Next, the output current calculator 2
In 9, the output current value corresponding to the composite current supplied to the stator coil is calculated according to the calculated torque command value. Next, the gate signal creation unit 31 creates and outputs a PWM gate signal from the signal (for example, a triangular wave signal) sent from the PWM pattern generation unit 30 and the above output current value. Inverter circuit 3 with the above gate signal
A current is supplied to the stator coil provided in the stator 22 by controlling ON / OFF of the second switching element.
【0038】上記のごとき制御を行うことにより、非同
期状態で外側ロータ21と内側ロータ23とを独立に制
御する際に、トルク変動を生じさせないで通常の3対1
極対数比の回転電機として動作させることが出来る。By performing the control as described above, when the outer rotor 21 and the inner rotor 23 are independently controlled in an asynchronous state, a normal 3-to-1 ratio is achieved without causing torque fluctuations.
It can be operated as a rotating electrical machine with a pole-log ratio.
【0039】次に、外側ロータ21と内側ロータ23と
が同速度で回転する同期状態においても、上記と同様の
制御を行うが、1対1磁極対数比で動作する場合には、
前記のごとき磁気カップリング効果が生じるので、ステ
ータコイルに流す電流を大幅に減少させることが出来
る。例えば、外側ロータ21を内燃機関で駆動し、内側
ロータ23で車両を駆動するような構成において、車両
を駆動するに必要とされるトルクが磁気カップリング効
果によるトルク(前記ロータ間トルク演算部27で求め
た2個のロータ間トルク)よりも小さい場合には、ステ
ータコイルに電流を流さずに内側ロータ23を回転させ
ることが出来る。内側ロータ23に必要とされる駆動ト
ルクが磁気カップリング効果によるトルクよりも大きく
なると、その分の電流がステータコイルに供給されるこ
とになる。Next, the same control as above is carried out even in the synchronous state in which the outer rotor 21 and the inner rotor 23 rotate at the same speed, but when operating at a 1: 1 magnetic pole pair ratio,
Since the magnetic coupling effect as described above occurs, the current flowing through the stator coil can be greatly reduced. For example, in a structure in which the outer rotor 21 is driven by an internal combustion engine and the vehicle is driven by the inner rotor 23, the torque required to drive the vehicle is the torque due to the magnetic coupling effect (the inter-rotor torque calculation unit 27). If the torque is smaller than the torque between the two rotors obtained in step 1, the inner rotor 23 can be rotated without passing a current through the stator coil. When the drive torque required for the inner rotor 23 becomes larger than the torque due to the magnetic coupling effect, the corresponding current is supplied to the stator coil.
【0040】また、ステータコイルに大電流が流れると
誘起起電力が上昇し、その値が電源電圧の1/2以上に
なると電源のインバータ回路が駆動不能になり、電力を
供給することが出来なくなるという問題が生じるが、本
発明においては、上記のように、供給される電流値が大
幅に小さくなるので、ステータコイルに流れる電流によ
る誘起起電力も減少する。そのため同期状態において高
回転域まで運転領域を拡大することが出来る。Further, when a large current flows through the stator coil, the induced electromotive force rises, and when the value becomes more than 1/2 of the power supply voltage, the inverter circuit of the power supply becomes inoperable and power cannot be supplied. However, in the present invention, the value of the supplied current is significantly reduced as described above, so the induced electromotive force due to the current flowing through the stator coil is also reduced. Therefore, in the synchronous state, the operating range can be expanded to the high speed range.
【0041】次に、非同期状態から同期状態への引き入
れについて説明する。一方のロータが駆動源で、他方の
ロータが被駆動状態の場合、例えば前記のように外側ロ
ータ21を内燃機関で駆動し、内側ロータ23で車両を
駆動するような構成の場合であって、被駆動状態のロー
タのトルクを大きくする場合には、トルク指令値によら
ず、回転角センサ24、25で検出されたロータ位相情
報に基づいて回転速度を演算する。そして回転速度差が
有る場合には所定時間をかけてステータコイルの電流を
調節することで被駆動側のロータトルクを回転数差がゼ
ロとなるまで制御する。回転数差がゼロとなったところ
で、回転角センサ24、25で検出したロータ位置から
ロータ間トルク演算部27で被駆動側のトルクを演算
し、そのトルクが最大になる位置までステータコイルの
電流を調節し、位置決めを行う。その後は同期状態の制
御手法に従う。Next, pulling from the asynchronous state to the synchronous state will be described. When one of the rotors is a drive source and the other rotor is in a driven state, for example, in the case where the outer rotor 21 is driven by the internal combustion engine and the vehicle is driven by the inner rotor 23 as described above, When increasing the torque of the driven rotor, the rotation speed is calculated based on the rotor phase information detected by the rotation angle sensors 24 and 25, regardless of the torque command value. When there is a difference in rotational speed, the current in the stator coil is adjusted over a predetermined time to control the rotor torque on the driven side until the rotational speed difference becomes zero. When the rotational speed difference becomes zero, the inter-rotor torque calculation unit 27 calculates the torque on the driven side from the rotor positions detected by the rotation angle sensors 24 and 25, and the stator coil current is increased to a position where the torque becomes maximum. Adjust and position. After that, the control method of the synchronous state is followed.
【0042】逆に、被駆動状態のロータのトルクを小さ
くする場合には、トルク指令値によらず、回転角センサ
24、25で検出されたロータ位相情報に基づいて回転
速度を演算する。そして回転速度差が有る場合には所定
時間をかけてステータコイルの電流を調節することで被
駆動側のロータトルクを回転数差がゼロとなるまで制御
する。回転数差がゼロとなったところで、回転角センサ
24、25で検出したロータ位置からロータ間トルク演
算部27で被駆動側のトルクを演算し、そのトルクが最
小になる位置までステータコイルの電流を調節し、位置
決めを行う。その後は同期状態の制御手法に従う。On the contrary, when reducing the torque of the driven rotor, the rotation speed is calculated based on the rotor phase information detected by the rotation angle sensors 24 and 25, regardless of the torque command value. When there is a difference in rotational speed, the current in the stator coil is adjusted over a predetermined time to control the rotor torque on the driven side until the rotational speed difference becomes zero. When the rotational speed difference becomes zero, the inter-rotor torque calculation unit 27 calculates the torque on the driven side from the rotor positions detected by the rotation angle sensors 24 and 25, and the stator coil current is calculated until the torque becomes minimum. Adjust and position. After that, the control method of the synchronous state is followed.
【0043】本発明の回転電機を前記のように車両のハ
イブリッド駆動装置に適用した場合には、内燃機関始動
時や発進時には通常のn対1極対数比として複合電流で
動作させることにより、制御性を向上させることができ
る。また、同期状態で駆動側と被駆動側が同速度で回転
する場合には、磁気カップリングによって2個のロータ
間で直接にエネルギーの授受が行われるので、極めて低
電流、低損失で駆動することが出来る。そのため、同期
状態における損失の大幅な低減が可能になり、かつ誘起
起電力が減少するために、同期状態において高回転まで
運転領域を拡大できる。さらに、同期状態における供給
電流を小さくできるので鉄損、銅損、インバータロスを
大幅に低減することができる。When the rotary electric machine of the present invention is applied to a hybrid drive system for a vehicle as described above, control is performed by operating the compound current as a normal n: 1 pole / log ratio when the internal combustion engine is started or started. It is possible to improve the sex. Further, when the driving side and the driven side rotate at the same speed in a synchronized state, energy is directly transferred between the two rotors by the magnetic coupling, so driving with extremely low current and low loss must be performed. Can be done. Therefore, the loss in the synchronous state can be significantly reduced, and the induced electromotive force is reduced, so that the operating range can be expanded to high rotation in the synchronous state. Furthermore, since the supply current in the synchronized state can be reduced, iron loss, copper loss, and inverter loss can be significantly reduced.
【図1】本発明の第1の実施の形態に用いる回転電機の
ロータとステータ部分の断面図であり、(a)は実際の
構成、(b)は等価的構成を示す図。FIG. 1 is a cross-sectional view of a rotor and a stator portion of a rotating electric machine used in a first embodiment of the present invention, (a) showing an actual configuration and (b) a diagram showing an equivalent configuration.
【図2】本発明の回転電機における制御系を示すブロッ
ク図。FIG. 2 is a block diagram showing a control system in the rotating electric machine of the present invention.
【図3】本発明を適用する回転電機の一例の構造を示す
図であり、(a)は回転電機全体の概略断面図、(b)
はロータとステータ部分の断面図。3A and 3B are diagrams showing a structure of an example of a rotating electric machine to which the present invention is applied, FIG. 3A is a schematic sectional view of the entire rotating electric machine, and FIG.
Is a sectional view of a rotor and a stator portion.
【図4】ステータ2の内周側と外周側に専用コイルを配
置した回転電機本体の概略断面図。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a rotating electric machine body in which dedicated coils are arranged on the inner peripheral side and the outer peripheral side of a stator 2.
【図5】回転電機を制御するための回路のブロック図。FIG. 5 is a block diagram of a circuit for controlling the rotating electric machine.
【図6】インバータの一例の回路図。FIG. 6 is a circuit diagram of an example of an inverter.
【図7】1対1磁極対数比の回転電機の場合に、外側ロ
ータ21と内側ロータ23との回転の位相角αを示す
図。FIG. 7 is a diagram showing a phase angle α of rotation between an outer rotor and an inner rotor in the case of a rotating electrical machine having a 1: 1 magnetic pole pair ratio.
21…外側ロータ 22…ステー
タ
23…内側ロータ 24…回転角
センサ
25…回転角センサ 26…トルク
制御装置
27…ロータ間トルク演算部 28…トルク
指令値演算部
29…出力電流演算部 30…PWM
パターン発生部
31…ゲート信号作成部 32…インバ
ータ回路
33…電流センサ S1…外側ロ
ータトルク指令値
S2…内側ロータトルク指令値21 ... Outer rotor 22 ... Stator 23 ... Inner rotor 24 ... Rotation angle sensor 25 ... Rotation angle sensor 26 ... Torque control device 27 ... Rotor torque calculation unit 28 ... Torque command value calculation unit 29 ... Output current calculation unit 30 ... PWM
Pattern generator 31 ... Gate signal generator 32 ... Inverter circuit 33 ... Current sensor S1 ... Outer rotor torque command value S2 ... Inner rotor torque command value
Claims (7)
のロータを備え、前記ステータコイルに各ロータに対応
する電流を加え合わせた複合電流を流し、前記ロータの
数と同数の回転磁場が発生するように制御する回転電機
であって、 前記2個のロータは磁極を形成する永久磁石の数をn対
1極対数比(n=2以上の整数)とし、かつ、極対数の
多い方の磁極に強弱を設け、等価的に磁極数を少なくす
ることにより、極対数の少ない方の磁極と等価的に1対
1極対数比が可能となるようにし、前記ステータコイル
に流す電流を制御することによって1対1極対数比とn
対1極対数比とに切り換えて駆動可能に構成したことを
特徴とする回転電機。1. A rotor comprising two rotors sharing a stator coil with a magnetic circuit, the stator coil corresponding to each rotor.
Is a rotating electric machine that controls to generate a rotating magnetic field of the same number as the number of the rotors by supplying a combined current that is added to the rotating rotors. The two rotors have n pairs of permanent magnets forming magnetic poles. One pole pair ratio (n = integer of 2 or more) is set, and the magnetic pole having the larger number of pole pairs is provided with strength and weakness, and the number of magnetic poles is reduced equivalently. The 1: 1 pole-logarithm ratio is made possible, and by controlling the current flowing through the stator coil, the 1: 1 pole-logarithm ratio and n
A rotating electric machine characterized in that it can be driven by switching to a pole ratio to one pole.
力に強弱を設けることにより、等価的に極対数を少なく
するように構成したことを特徴とする請求項1に記載の
回転電機。2. The rotation according to claim 1, wherein the magnetic pole having the larger number of pole pairs is configured to equivalently reduce the number of pole pairs by providing the magnetomotive force of the magnet with strength. Electric machinery.
とステータ間のギャップに差を設けるか、若しくは強く
したい磁極のギャップ近傍に透磁率の高い磁性材料を埋
め込むことにより、等価的に極対数を少なくするように
構成したことを特徴とする請求項1に記載の回転電機。3. The magnetic pole having the larger number of pole pairs is equivalently provided by providing a difference in the gap between the rotor and the stator or by embedding a magnetic material having a high magnetic permeability in the vicinity of the gap between the magnetic poles to be strengthened. The rotary electric machine according to claim 1, wherein the rotary electric machine is configured to reduce the number of pole pairs.
状態においては、前記2個のロータの磁石により発生す
るロータ間トルクを、前記2個のロータ位置による関数
として計算し、必要とされるトルクの値と前記ロータ間
トルクとの差に相当するトルクを発生するようにステー
タコイルに供給する電力を制御する手段を備えたことを
特徴とする請求項1乃至請求項3の何れかに記載の回転
電機。4. In a synchronous state in which the two rotors rotate at the same speed, the inter-rotor torque generated by the magnets of the two rotors is calculated as a function of the two rotor positions and required. 4. A means for controlling the electric power supplied to the stator coil so as to generate a torque corresponding to the difference between the value of the generated torque and the torque between the rotors, according to any one of claims 1 to 3. The rotating electric machine described in.
非同期状態においては、前記2個のロータの磁石により
発生するロータ間トルクを、前記2個のロータ位置によ
る関数として計算し、前記ロータ間トルクによって生ず
るトルク脈動を相殺するようにステータコイルに供給す
る電力を制御する手段を備えたことを特徴とする請求項
1乃至請求項4の何れかに記載の回転電機。5. In an asynchronous state in which the two rotors rotate at different speeds, the inter-rotor torque generated by the magnets of the two rotors is calculated as a function of the two rotor positions, 5. The rotating electric machine according to claim 1, further comprising means for controlling the electric power supplied to the stator coil so as to cancel the torque pulsation caused by the inter-torque.
一方のロータが駆動源に接続され、他方のロータが被駆
動状態の場合であって、前記被駆動状態のロータのトル
クを大きくする場合には、ステータコイルの電流を調節
することで前記被駆動状態のロータトルクを回転数差が
ゼロとなるまで制御し、回転数差がゼロとなったところ
で、前記被駆動状態のロータトルクが最大になる位置ま
で前記ステータコイルの電流を調節して位置決めを行
い、位置決め完了後は位置決め制御を停止することで同
期状態とする手段を備えたことを特徴とする請求項1乃
至請求項5の何れかに記載の回転電機。6. Pulling from an asynchronous state to a synchronous state comprises:
When one rotor is connected to a drive source and the other rotor is in a driven state and the torque of the rotor in the driven state is to be increased, the driven current is adjusted by adjusting the current of the stator coil. The rotor torque in the state is controlled until the rotational speed difference becomes zero, and when the rotational speed difference becomes zero, the current of the stator coil is adjusted to the position where the rotor torque in the driven state becomes the maximum. The rotary electric machine according to any one of claims 1 to 5, further comprising means for performing a synchronization control by stopping the positioning control after the completion of the positioning.
一方のロータが駆動源に接続され、他方のロータが被駆
動状態の場合であって、前記被駆動状態のロータのトル
クを小さくする場合には、ステータコイルの電流を調節
することで前記被駆動状態のロータトルクを回転数差が
ゼロとなるまで制御し、回転数差がゼロとなったところ
で、前記被駆動状態のトルクが最小になる位置まで前記
ステータコイルの電流を調節して位置決めを行い、位置
決め完了後は位置決め制御を停止することで同期状態と
する手段を備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項
5の何れかに記載の回転電機。7. Pulling from an asynchronous state to a synchronous state comprises:
When one rotor is connected to the drive source and the other rotor is in the driven state and the torque of the rotor in the driven state is reduced, the current in the stator coil is adjusted to drive the driven rotor. The rotor torque in the state is controlled until the rotational speed difference becomes zero, and when the rotational speed difference becomes zero, the current of the stator coil is adjusted to the position where the torque in the driven state is minimized to perform positioning. The rotating electric machine according to any one of claims 1 to 5, further comprising means for bringing the control into a synchronized state by stopping the positioning control after the completion of the positioning.
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