JP3719121B2

JP3719121B2 - 回転電機

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Publication number: JP3719121B2
Application number: JP2000294939A
Authority: JP
Inventors: 有満　　稔
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-09-28
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: JP2001169516A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のロータの回転を制御するための制御系を１系統に簡略化することができる回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、同期モータを独立に２つ設け、それぞれ個別に制御することで同期回転させるものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような同期モータにあっては、２つの同期モータを別々に同期回転させるために、インバータを２つ備えなければならなかった。
【０００４】
このため、２つの同期モータに対して、それぞれのインバータから電流を通電することで、インバータのスイッチング損失が大きくなり、さらに、インバータも２つ必要となるため制御系の構成が大型化するといった問題があった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、２つのロータの回転を制御するための制御系を１系統に簡略化することができる回転電機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、磁性体の凸極で形成された所定数の磁極を有する第１ロータと、所定数の磁極を有する第２ロータと、前記２つのロータと対峙するコア及び該コアに巻き回された複数のコイルから構成されたステータと、前記第１ロータの回転と同期回転する回転磁界を前記ステータに発生させる第１制御電流と、前記第２ロータの回転と同期回転する回転磁界を前記ステータに発生させる第２制御電流とを複合して得られる制御電流を前記コイルに供給する制御装置と、を有することを要旨とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記第２ロータの磁極が永久磁石で構成されていることを要旨とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、前記第２ロータの磁極が磁性体の凸極で構成されていることを要旨とする。
【０００９】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、前記第１ロータの磁極数と前記第２ロータの磁極数とを異ならせてあることを要旨とする。
【００１０】
請求項５記載の発明は、上記課題を解決するため、前記ステータを構成する前記コイルの数を、前記第１ロータの磁極数及び第２ロータの磁極数の自然数倍としたことを要旨とする。
【００１１】
請求項６記載の発明は、上記課題を解決するため、前記ステータは、一方の端面が前記第１ロータと対峙し他方の端面が前記第２ロータと対峙すると共に円周方向に互いに分離して配置された複数のコアと、前記各コアに巻き回されたコイルとから構成されていることを要旨とする。
【００１２】
請求項７記載の発明は、上記課題を解決するため、前記ステータは、前記第１ロータと対峙する第１コア及び前記第１コアに巻き回された複数のコイルから構成された第１ステータと、前記第２ロータと対峙する第２コア及び前記第２コアに巻き回され且つ前記第１ステータのコイルと同数のコイルから構成される第２ステータとに分離されており、前記第１ステータのコイルと前記第２ステータのコイルとが電気的に直列接続されていることを要旨とする。
【００１３】
請求項８記載の発明は、上記課題を解決するため、前記制御装置は、前記第１ロータの磁極数と同数の磁極を有する回転磁界を前記ステータに発生させる第１制御電流と、前記第２ロータの磁極数と同数の磁極を有する回転磁界を前記ステータに発生させる第１制御電流とを複合して得られる制御電流を前記コイルに供給するものであることを要旨とする。
【００１４】
請求項９記載の発明は、上記課題を解決するため、前記２つのロータの回転位相を検出する検出手段を備えると共に、前記制御装置が、前記検出手段が検出した各ロータの回転位相に応じて前記制御電流を生成することを要旨とする。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、第１、第２の２つロータと、これら２つのロータと対峙するコア及び該コアに巻き回された複数のコイルから構成されたステータとを備え、第１ロータ及び第２ロータの各回転と同期回転する回転磁界をステータに発生させる第１、第２の制御電流を複合して生成した制御電流を前記コイルに供給することで、２つのロータの回転を制御するための制御系を１系統に簡略化することができる。
【００１６】
また、請求項２記載の本発明によれば、前記第２ロータの磁極が永久磁石で構成されているが、第１ロータの磁極が磁性体の凸極で構成されていることで、磁気特性の劣化が防止される。すなわち、２つのロータの磁極がいずれも永久磁石で構成されていると、２つのロータの同磁極がステータを介して対向するときに磁石内の磁束密度が低下して減磁作用が働き、磁石の磁気特性が劣化する場合があるが、第１ロータの磁極が磁性体の凸極で形成されていることで、第２ロータの磁極が永久磁石で構成されていても、上記のような磁石劣化を回避することができる。
【００１７】
また、請求項３記載の本発明によれば、前記第２ロータの磁極が磁性体の凸極で構成されているので、上記のような磁石劣化の問題が生じない。
【００１８】
また、請求項４記載の本発明によれば、第１ロータの磁極数と前記第２ロータの磁極数とを異ならせてあることで、２つのモータをそれぞれ独立して回転させることができる。
【００１９】
また、請求項５記載の本発明によれば、前記ステータを構成する前記コイルの数を、第１ロータの磁極数及び第２ロータの磁極数の自然数倍としたことで、それぞれのステータとロータとの間で回転磁界を発生することができる。
【００２０】
また、請求項６記載の本発明によれば、ステータが、一方の端面が第１ロータと対峙し他方の端面が第２ロータと対峙すると共に円周方向に互いに分離して配置された複数のコアと、各コアに巻き回されたコイルとから構成されていることで、第１ロータと第２ロータに対して共用とされており、その条件で前記の複合して生成した制御電流を前記コイルに供給することで、２つのロータの回転を制御するための制御系を１系統に簡略化することができる。
【００２１】
また、請求項７記載の本発明によれば、ステータが、第１ロータと対峙する第１コア及び該コアに巻き回された複数のコイルから構成された第１ステータと、第２ロータと対峙する第２コア及び該コアに巻き回され且つ第１ステータのコイルと同数のコイルから構成される第２ステータとに分離されており、第１ステータのコイルと第２ステータのコイルとが電気的に直列接続されており、その条件で前記の複合して生成した制御電流を前記コイルに供給することで、２つのロータの回転を制御するための制御系を１系統に簡略化することができる。
【００２２】
また、請求項８記載の本発明によれば、第１ロータの磁極数と同数の磁極を有する回転磁界をステータに発生させる第１制御電流と、第２ロータの磁極数と同数の磁極を有する回転磁界をステータに発生させる第１制御電流とを複合して得られる制御電流をコイルに供給することで、２つのロータの回転を制御するための制御系を１系統に簡略化することができる。
【００２３】
また、請求項９記載の本発明によれば、各ロータの回転位相を検出するようにしておき、検出された回転位相に応じて複合電流を生成することで、それぞれのロータの回転位相において必要とされる電流をそれぞれのステータに複合電流として供給でき、２つのロータをそれぞれ独立して回転させることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図１（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る回転電機に適応可能なモータの構成を示す図である。
【００２６】
図１において、ケーシング１には、第１ステータ７と第１ロータ９を有しリラクタンスモータをなす第１モータ３と、第２ステータ１３と第２ロータ１５を有し同期モータをなす第２モータ５が納められている。
【００２７】
第１ステータ７及び第２ステータ１３は、全く同一な円筒形状のステータであり、第１ステータ７及び第２ステータ１３の内側に所定間隔をおいて第１ロータ９及び第２ロータ１５が配置されている。第１ロータ９及び第２ロータ１５は、全体を覆うケーシング１に対して回転可能なように同一軸上に隣接して設けられている。
【００２８】
第２ロータ１５は、４極（２極対）の永久磁石で形成され、機械的に一周回転したときに、９０度毎にＮ極，Ｓ極が入れ替わるように構成されている。また、第１ロータ９は、第２ロータ１５の極対数の半分の２極（１極対）の凸極を有する、永久磁石ではない磁性体や鉄芯等で構成されている。
【００２９】
第１ステータ７，第２ステータ１３の各コアに巻き回されているコイル１９、２１は、それぞれ全部で１２個が設けられており、位相差が３０度からなる１２相電流を流すことで１極対の回転磁界が発生し、位相差が６０度からなる６相電流を流すことで２極対の回転磁界が発生するようになっている。
【００３０】
また、図１（ｂ）は、１２個あるコイルの代表的な接続例である。第１ステータ７のコイル１９の一端１９ａは、後述するインバータ２９の出力端子に接続され、コイル１９の他端１９ｂはケーブルを介して直列に第２ステータ１３のコイル２１の一端２１ａに接続され、さらに、コイル２１の他端２１ｂは第２ステータ１３の他のコイルの終端と共通に接続されている。
【００３１】
次に、図２は、制御系を電機回路のブロック図である。
【００３２】
バッテリ３１から供給される直流電流を交流電流に変換するインバータ２９を備え、インバータ２９から第１ステータ７のそれぞれのコイル１９、第２ステータ１３のそれぞれのコイル２１に複合電流Ｉ１〜Ｉ１２を供給する。
【００３３】
この複合電流Ｉ１〜Ｉ１２の瞬時電流の全ての和は０になるため、この終端接続点２１ｂでの電流は０である。また、インバータ２９は、通常の３相ブリッジ型インバータを１２相に構成したものと同等であり、トランジスタとダイオードから構成されている。なお、図２に示すインバータ２９の内部回路は、代表的な回路構成例を示している。インバータ２９の各ゲート（トランジスタのべース）に与えるＯＮ、ＯＦＦ信号は制御部２７により生成されたＰＷＭ信号である。
【００３４】
第１モータ３，第２モータ５には、各ロータ９，１５をそれぞれ同期回転させるため、各ロータ９，１５の各回転位相θ1 ，θ2 で表されるロータ位置を検出する第１位置センサ２３、第２位置センサ２５が設けられ、これらセンサ２３，２５からのパルス信号が制御部２７に入力される。
【００３５】
制御部２７では、第１ロータ９及び第２ロータ１５のロータ位置θ1 ，θ2 に基づいて、第１ロータ９と第１ステータ７、第２ロータ１５と第２ステータ１３との間でそれぞれ回転磁界が発生するように複合電流指令値としてＰＷＭ信号を発生する。
【００３６】
次に、第１の実施の形態に係わる複合モータの制御部２７の動作について説明する。
【００３７】
ここで、一般的化して説明するために、第１ステータ７及び第２ステータ１３のそれぞれのコイル個数をｈ個、第１ロータ９の凸極対数をＰ1 個、回転角度をθ1 、第２ロータ１５の極対数をＰ2 個、回転角度をθ2 、電流の周波数をω、最大電流値をＩｍと仮定する。
【００３８】
まず、ステータをなすｈ個のコイルにより極対数Ｐｓの回転磁界を発生させるためには、
【数１】

となる電流ｉｎを流す必要がある。
【００３９】
また、第１ロータ９の凸極対数はＰ1 であるから各ステータをなすコイルの自己インダクタンスＬは、
【数２】

となる。
【００４０】
また、第２ロータ１５の永久磁石による各ステータのコイルの磁束鎖交数φは、
【数３】

となる。
【００４１】
ここで、（１）〜（３）式から第２ロータ１５に作用するトルクτ2 （瞬時トルク）を求めると、
【数４】

となる。
【００４２】
ここで、ステータのコイル個数ｈと、第２ロータ１５の極数Ｐ2 の２倍数（２Ｐ2 ）の剰余は、
mod（ｈ，２Ｐ2 ）＝０
となり、ステータのコイル個数ｈが第２ロータ１５の極数の倍数となるようにすれば、
【数５】

となり、電源周波数ωを第２ロータ１５の回転速度と同一にし、
Ｐ2 ＝Ｐｓ
すなわち、第２ロータ１５の極対数Ｐ2 と同じ回転磁界Ｐｓを作ることで、
【数６】

となる。
【００４３】
また、Ｐ2 ≠Ｐｓとすれば、トルクτ2 は、
τ2 ＝０
となる。従って、ステータのコイルによる回転磁界Ｐｓの極対数Ｐ2 を第２ロータ１５の極対数Ｐ2 に合わせた時のみ一定のトルクが生じる。
【００４４】
また、Ｐ2 ＝Ｐｓではないとき、上述した（５）式において、Σの中の部分は、
【数７】

となり、ここで、Ｐ2 ＝Ｐｓではないとし、例えばｈ＝１２、Ｐ2 ＝４、Ｐｓ＝２とすれば、
【数８】

となり、これは０になる。ただし、ｎは０〜１１までとする。
【００４５】
次に、第１ロータ９に発生するトルクτ1 （瞬時トルク）を求めると、
【数９】

となる。ここで、mod（ｈ，２Ｐ1 ）＝０、すなわち、スタータのコイル個数ｈは、凸極数Ｐ1 の倍数となるようにすれば、
【数１０】

となり、電源周波数ωを回転速度と同一にし、Ｐ1 ＝Ｐｓ、すなわち、第２ロータ１５の極対数Ｐ2 と同じ回転磁界を作ることで、（１０）式の第１項は、
【数１１】

となる。
【００４６】
また、Ｐ1 ≠Ｐｓとすれば、
τ1 ＝０
となる。
【００４７】
また、Ｐ1 ＝Ｐｓではないとき、上述した（１０）式において、Σの中の部分は、
【数１２】

となり、ここで、Ｐ2 ＝Ｐｓでないとし、例えばｈ＝１２、Ｐ1 ＝２、Ｐｓ＝４とすれば、
【数１３】

となり、これは０になる。ただし、ｎは０〜１１までとする。
【００４８】
以上のことから、複合電流Ｉとして、
【数１４】

を流すことで、第１ロータ９で発生するトルクτ1 は、
【数１５】

となる。これは第１ロータ９に発生するリラクタンストルクを示している。基本的には、（１０）式の複合電流Ｉと上述した（６）式から、ＩｍをＩｍ1 へ、βをβ1 へ変更すれば求められる。
【００４９】
一方、上述した（１４）式の複合電流Ｉを流すことで、第２ロータ１５で発生するトルクτ2 は、
【数１６】

なる。これは第２ロータ１５に発生する磁石トルクを示している。基本的には、同様に、（１０）式の複合電流Ｉと上述した（４）式から、ＩｍをＩｍ2 へ、βをβ2 へ変更すれば求められる。
【００５０】
このように、第１ロータ９のトルクは、複合電流Ｉを表す（１０）式の第１項の位相角β1 を用いて制御でき、第２ロータ１５のトルクは第２項の位相角β2 を用いて制御できる。
【００５１】
これを、図１に示す構成に適用すると、ステータのコイル数ｈ、第１ロータ９の凸極数Ｐ1 、第２ロータ１５の極対数Ｐ2 は、
ｈ＝１２，Ｐ1 ＝１，Ｐ2 ＝２
となるから、第１ロータ９のトルクτ1 、第２ロータ１５のトルクτ2 は、
τ1 ＝６Ｌ2Ｉｍ12sin２β1
τ2 ＝１２φｍＩｍ2sinβ2
となる。
【００５２】
このように、複数のコイルからなる第１ステータ７の内周に設けられ、磁性体の凸極対からなる第１ロータ９を有する第１モータ３と、第１ステータ７と同数のコイルからなる第２ステータ１３の内周に設けられ、永久磁石対からなる第２ロータ１５を有する第２モータ５とを備えておき、第１ステータ７のコイルから第２ステータ１３のコイルに直列に接続したコイル対に対し、制御部２７によりそれぞれのステータとロータとの間で回転磁界が発生するように複合電流Ｉを生成してインバータ２９から第１及び第２ステータに通電することで、２つのモータの回転を制御するための制御系を１系統に簡略化することができる。
【００５３】
また、制御部２７により第１及び第２ロータの凸極対数及び永久磁石対数と同数の極対数からなる回転磁界が発生するように複合電流Ｉを生成することで、生成された複合電流Ｉをインバータ２９から第１及び第２ステータに通電するようにしているので、２つのモータの回転を制御するための制御系を１系統に簡略化することができる。
【００５４】
また、第１及び第２ステータが有するコイル数を、第１及び第２ロータの凸極対数及び永久磁石対数極数の自然数倍に設定することで、それぞれのステータとロータとの間で回転磁界を発生することができる。
【００５５】
また、第１ロータの凸極対数と第２ロータの永久磁石対数との極対数比を、１を除く数値に設定することで、２つのモータをそれぞれ独立して回転させることができる。
【００５６】
また、第１及び第２のロータの回転位相を検出するようにしておき、検出された回転位相に応じて複合電流を生成することで、それぞれのロータの回転位相において必要とされる電流をそれぞれのステータに複合電流として供給でき、２つのモータをそれぞれ独立して回転させることができる。
【００５７】
この結果、エネルギー的に捉えられた場合、例えば一方のロータを発電機として、他方を電動機として作用させる場合には、インバータから供給されるまたは回生すべきエネルギーは発電分と駆動分の差分を供給すればよく、インバータの低容量化に寄与することができる。
【００５８】
また、２つのロータを１つのインバータを用いて駆動するため、スイッチングロスや、スナバ損等のインバータ固有の損失を抑えることができる。
【００５９】
（第２の実施の形態）
図３（ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る回転電機に適応可能なモータの構成を示す図である。
【００６０】
本実施の形態は、図１に示す第２モータ５に代わって、図３に示すように、別のタイプの第２モータ５３を設けたことにある。
【００６１】
第２モータ５３を構成する第２ロータ５７は、凸極対数２の永久磁石のない凸極性を有したもので、第２ステータ１３は第１実施形態のものと同様である。
【００６２】
なお、第２モータ５３の第２ロータ５７にトルクを発生させる原理は、上述したように、自己インダクタンスを求める（２）式で示される。
【００６３】
このように、複数のコイルからなる第１ステータ７の内周に設けられ、磁性体の凸極対からなる第１ロータ９を有する第１モータ３と、第１ステータ７と同数のコイルからなる第２ステータ１３の内周に設けられ、磁性体の凸極対からなる第２ロータ５７を有する第２モータ５３とを備えておき、第１ステータ７のコイルから第２ステータ１３のコイルに直列に接続したコイル対に対し、制御部２７によりそれぞれのステータとロータとの間で回転磁界が発生するように複合電流を生成し、インバータ２９から第１及び第２ステータに通電することで、２つのモータの回転を制御するための制御系を１系統に簡略化することができる。
【００６４】
また、第１及び第２ロータの凸極対数比が、１を除く数値に設定することで、２つのモータをそれぞれ独立して回転させることができる。
【００６５】
（第３実施形態）
図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の第３の実施の形態に係る回転電機に適応可能なモータの構成を示す図である。
【００６６】
このモータでは、ステータ１００と第１ロータ９とで第１モータを構成し、ステータ１００と第２ロータ１５とで第２モータを構成している。
【００６７】
ステータ１００は、リング状のバックコア部１０１ａの内側１２個所にティース部１０１ｂが形成されたステータコア１０１と、各ティース部１０１ｂに巻き回されたコイル１０３（図では１個所のみ示す）とから構成され、ティース部１０１ｂの内周側の端面が第１ロータ９と第２ロータ１５の両方にそれぞれ対峙している。
【００６８】
このモータでは、第１実施形態と同様の複合電流をコイル１０３に供給することで、第１ロータ９と第２ロータ１５の回転をそれぞれ独立に制御することができる。
【００６９】
（第４実施形態）
図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の第４の実施の形態に係る回転電機に適応可能なモータの構成を示す図である。
【００７０】
このモータでは、ステータ１１０と第１ロータ９とで第１モータを構成し、ステータ１１０と第２ロータ１５とで第２モータを構成している。
【００７１】
ステータ１１０は、１２個の分割コア１１１ａを円周方向に互いに分離して配置したステータコア１１１と、各分割コア１１１ａに巻き回されたコイル１１２（図では１個所のみ示す）とから構成され、分割コア１１１ａの軸方向一方側における端面が第１ロータ９と対峙し、軸方向他方側における端面が第２ロータ１５と対峙している。
【００７２】
コイル１１２に流される電流で発生した磁束は、図中の矢印のように、分割コア１１１ａ内を流れ、第２ロータ１５側まで伝達される。よって、このような構造においても、第１実施形態と同様の複合電流をコイル１１２に供給することにより、第１ロータ９と第２ロータ１５の回転をそれぞれ独立に制御することができる。
【００７３】
ここで、第１ロータ９の磁極を例えば永久磁石で形成した場合、２つのロータ９、１５の同一磁極が分割コア１１１ａを介して対向するときに磁石内の磁束密度が低下して減磁作用が働き、磁石の磁気特性が劣化する場合がある。しかし、この実施形態では、第１ロータ９の磁極を磁性体の凸極で構成しているので、上記のような磁石劣化を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る回転電機に適応可能なモータの構成を示す側面断面図（ａ）と上面断面図（ｂ）である。
【図２】制御系を含む電機回路のブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る回転電機に適応可能なモータの構成を示す側面断面図（ａ）と上面断面図（ｂ）である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る回転電機に適応可能なモータの構成を示す側面断面図（ａ）と正面図（ｂ）と背面図（ｃ）である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係る回転電機に適応可能なモータの構成を示す側面断面図（ａ）と正面図（ｂ）と背面図（ｃ）である。
【符号の説明】
７第１ステータ
９第１ロータ
１３第２ステータ
１５第２ロータ
１９，２１コイル
２３第１位置センサ
２５第２位置センサ
２７制御部
２９インバータ
３１バッテリ
１００，１１０ステータ
１０１，１１１ステータコア
１０３，１１２コイル

Claims

磁性体の凸極で形成された所定数の磁極を有する第１ロータと、
所定数の磁極を有する第２ロータと、
前記２つのロータと対峙するコア及び該コアに巻き回された複数のコイルから構成されたステータと、
前記第１ロータの回転と同期回転する回転磁界を前記ステータに発生させる第１制御電流と、前記第２ロータの回転と同期回転する回転磁界を前記ステータに発生させる第２制御電流とを複合して得られる制御電流を前記コイルに供給する制御装置と、
を有することを特徴とする回転電機。
前記第２ロータの磁極が永久磁石で構成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記第２ロータの磁極が磁性体の凸極で構成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記第１ロータの磁極数と前記第２ロータの磁極数とを異ならせてあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機。
前記ステータを構成する前記コイルの数を、前記第１ロータの磁極数及び第２ロータの磁極数の自然数倍とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回転電機。
前記ステータは、一方の端面が前記第１ロータと対峙し他方の端面が前記第２ロータと対峙すると共に円周方向に互いに分離して配置された複数のコアと、前記各コアに巻き回されたコイルとから構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の回転電機。
前記ステータは、前記第１ロータと対峙する第１コア及び前記第１コアに巻き回された複数のコイルから構成された第１ステータと、前記第２ロータと対峙する第２コア及び前記第２コアに巻き回され且つ前記第１ステータのコイルと同数のコイルから構成される第２ステータとに分離されており、前記第１ステータのコイルと前記第２ステータのコイルとが電気的に直列接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の回転電機。
前記制御装置は、前記第１ロータの磁極数と同数の磁極を有する回転磁界を前記ステータに発生させる第１制御電流と、前記第２ロータの磁極数と同数の磁極を有する回転磁界を前記ステータに発生させる第１制御電流とを複合して得られる制御電流を前記コイルに供給するものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の回転電機。
前記２つのロータの回転位相を検出する検出手段を備えると共に、前記制御装置が、前記検出手段が検出した各ロータの回転位相に応じて前記制御電流を生成することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の回転電機。