JPH0759310A

JPH0759310A - ハイブリッド型同期モータ

Info

Publication number: JPH0759310A
Application number: JP5195757A
Authority: JP
Inventors: Eiji Yamada; 英治山田; Yasumi Kawabata; 康己川端; Tetsuya Miura; 徹也三浦
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1993-08-06
Filing date: 1993-08-06
Publication date: 1995-03-03

Abstract

(57)【要約】【目的】永久磁石モータにおいてリラクタンストルク
を有効活用すると共に、モータの設計をより自由にす
る。【構成】ロータ２８を永久磁石モータ部分３０とリラ
クタンスモータ部分３２とに区分する。永久磁石モータ
部分３０及びリラクタンスモータ部分３２はロータ２８
の軸１００の方向に区分され、かつ非磁性体３４の共有
により一体回転する。ステータ４４上には非磁性体５０
が設けられ、これにより永久磁石モータ部分３０とリラ
クタンスモータ部分３２の磁気回路的結合が防止され
る。永久磁石モータ部分３０とリラクタンスモータ部分
３２とを独立して設計可能となる。リラクタンスモータ
部分３２の磁性体４０上に形成する突極部は、永久磁石
３８を設ける部位に対し、軸１００回りにずれた位置に
設ける。この角度を９０度とするとトルク脈動が低減さ
れ、４５度とすると最大トルク制御が簡単になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、永久磁石を界磁とする
同期モータに関し、特に界磁上に永久磁石を配置すると
ともに突極性を有するモータに関する。

【０００２】

【従来の技術】電気自動車の駆動用モータとしては、誘
導モータの他、永久磁石を界磁として使用した同期モー
タ、すなわち永久磁石モータを使用することができる。
永久磁石モータは、誘導モータに比べ界磁起磁力が大き
く小型軽量のモータであるため、電気自動車等に搭載す
るのに適している。

【０００３】図８には、モータの制御回路の一例が示さ
れている。この図に示される制御回路は、バッテリ１０
から供給される直流電力をインバータ１２によって三相
交流電力に変換し、モータ１４に供給する構成を有して
いる。インバータ１２からモータ１４に供給される電流
は、車両操縦者のアクセルペダル、ブレーキペダル等の
操作に応じ、かつ回転数センサ１６によって検出される
モータ１４の回転数Ｎに基づき、コントローラ１８によ
りベクトル制御される。コントローラ１８は、インバー
タ１２に対しパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を供給するこ
とにより、この制御を実行する。

【０００４】図９は、モータ１４として永久磁石モータ
を使用する場合のベクトル図である。この図において
は、モータ１４の端子電圧がＶにより、モータ電流がＩ
により、永久磁石からの主磁束がφにより、それぞれ示
されている。この主磁束φによってモータ１４のコイル
に誘起される電圧はωφで示されており、モータ１４の
端子電圧Ｖはこの誘起電圧ωφに逆起電圧ωＬＩをベク
トル加算した値を有している。ここに、ωは角周波数、
Ｌはモータ１４におけるインダクタンスである。従っ
て、端子電圧Ｖとモータ電流Ｉには、位相差ψが生じ
る。

【０００５】ここに、モータ電流Ｉが増加すると、逆起
電力ωＬＩが増大するため、端子電圧Ｖが増加し、ある
時点で電源電圧（バッテリ１０の電圧）を上回ることに
なる。そのため、永久磁石モータを図８のモータ１４と
して使用する場合、所定回転数以上においていわゆる弱
め界磁制御を実行する。この弱め界磁制御は、コントロ
ーラ１８によってインバータ１２のベクトル制御として
実行される制御であり、その場合のベクトル図は例えば
図１０に示されるようなものとなる。

【０００６】この図に示されるように、弱め界磁制御に
おいては、モータ電流Ｉが横軸電流Ｉｑ及び直軸電流Ｉ
ｄの各成分として扱われ、各成分毎に制御が行われる。
横軸電流Ｉｑは、コイルに鎖交する主磁束φと作用し、
トルクを発生させる。また、直軸電流Ｉｄは、横軸電流
Ｉｑと直交する位相を有する電流である。この電流Ｉｄ
を供給することにより、図においてωＬｄＩｄで示され
る逆起電圧が発生することとなるため、ちょうど永久磁
石による界磁が弱められたのと同等の効果が生じ、モー
タ電流Ｉの値が同一であっても、図９の場合に比べ端子
電圧Ｖが抑制される。なお、図中Ｌｑは横軸インダクタ
ンス、Ｌｄは直軸インダクタンスであり、ωＬｑＩｑは
図９におけるωＬＩに相当している。

【０００７】一方、モータ１４のトルクを増大させる手
法としては、例えば実開昭６２−８８４６３号に記載さ
れているように、直軸インダクタンスＬｄと横軸インダ
クタンスＬｑの差によって生じるリラクタンストルクを
有効活用する手法がある。図１１（ａ）〜（ｃ）には、
この従来技術に開示された永久磁石モータにおけるロー
タの構造が示されている。

【０００８】これらの図に示されるロータ構造は、いず
れもインナーロータ構造であり、磁性体から形成された
ヨーク２０と、ヨーク２０の表面に互いに所定電気角隔
てて配置された永久磁石２２とを有している。これらの
図に示されるロータ構造はいずれも４極構造であり、永
久磁石２２が４個設けられている。また、ヨーク２０
は、相隣接する永久磁石２２の中間位置、すなわち両永
久磁石２２の中間の電気角に相当する位置に、突極部２
４を有している。突極部２４は、図１１（ａ）に示され
る第１従来例においてはヨーク２０のコーナの部分とし
て設けられており、図１１（ｂ）に示される第２従来例
においてはヨーク２０のコーナ部分から突出する突起と
して設けられている。さらに、図１１（ｃ）に示される
第３従来例においては、ヨーク２０のコーナ部分に取り
付けられた別体の磁性体として設けられている。

【０００９】これらのロータ構造においては、いずれ
も、主磁束φによって生じるトルクの他、リラクタンス
トルクが有効活用されることとなる。すなわち、一般に
φ・ｉｑによって与えられる永久磁石２２に係るトルク
と、（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄ・ｉｑによって与えられるリ
ラクタンストルクとが、いずれも生じる構造であるた
め、トルクを有効活用できる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成を有する従来のモータにおいては、永久磁石と
突極部とが同一の磁気回路内に設けられているため、両
者の干渉が発生し、設計の自由度が抑制されていた。ま
た、図示されるような従来のロータ構造を軸２６を中心
として回転させたとき、ロータの周囲に設けられた図示
しないステータとの間隙が、永久磁石２２と突極部２４
の間で急変するため、いわゆるトルク脈動が発生しやす
いという問題点があった。

【００１１】本発明は、このような問題点を解決するこ
とを課題としてなされたものであり、永久磁石に係る磁
気回路と突極部に係る磁気回路とを分離することによ
り、設計の自由度を向上させるとともにトルク脈動を低
減可能にすることを目的とする。また、本発明は、電機
子と界磁の間の間隙の制限にもかかわらずリラクタンス
トルクを好適に増加可能にすることを目的とする。そし
て、本発明は、モータの最大出力トルクを増加させかつ
最大トルク制御を容易に実行可能にすることを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この様な目的を達成する
ために、本発明のハイブリッド型同期モータは、界磁
が、モータの軸周りに所定電気角隔てて配置された所定
個数の永久磁石を有する永久磁石モータ部分と、永久磁
石モータ部分とモータの軸方向に沿って区分され、モー
タの軸周りに所定電気角隔てて配置された所定個数の突
極部を有するリラクタンスモータ部分と、を有し、電機
子が、永久磁石モータ部分とリラクタンスモータ部分と
に亘るモータ軸方向の磁路の形成を防止する非磁性部材
を有し、永久磁石と突極部がモータの軸周りに互いに所
定電気角ずれた位置に配置されたことを特徴とする。

【００１３】また、本発明のハイブリッド型同期モータ
は、突極部が、電機子と間隔するようリラクタンスモー
タ部分の表面に形成された磁性体の突起と、突起に比べ
透磁率の低い材質により突起の内部に形成された磁気抵
抗部材と、を有することを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明のハイブリッド型同期モータにおいて
は、モータの軸方向に沿い、界磁が永久磁石モータ部分
とリラクタンスモータ部分とに区分される。永久磁石モ
ータ部分には、モータの軸周りに所定電気角隔てて所定
個数の永久磁石が配置されており、この永久磁石モータ
部分により、横軸電流と主磁束の積により定まるトルク
が発生する。また、リラクタンスモータ部分には、モー
タの軸周りにみた場合に所定電気角隔てるよう、所定個
数の突極部が形成される。このリラクタンスモータ部分
により、横軸インダクタンスと直軸インダクタンスの差
に応じて定まるリラクタンストルクが発生する。

【００１５】本発明においては、このような永久磁石モ
ータ部分とリラクタンスモータ部分とが、磁気的に分離
される。すなわち、永久磁石モータ部分とリラクタンス
モータ部分とに亘るモータ軸方向の磁路の形成が、ステ
ータに設けられた非磁性部材によって防止される。従っ
て、本発明においては、同一制御条件下で永久磁石トル
クとリラクタンストルクの両者を共に利用できると共
に、永久磁石と突極部の磁路及び形状が相互に干渉しな
いため、両者の形状を最適に構成でき高出力化及びトル
ク脈動の低減を図ることが可能になる。

【００１６】さらに、リラクタンストルクは、直軸イン
ダクタンスと横軸インダクタンスの差が大きいほど大き
くなる。突極部として、電機子と間隔するようリラクタ
ンスモータ部分の表面に形成された磁性体の突起を用い
た場合、直軸インダクタンスはリラクタンスモータ部分
表面における突起非形成部位と電機子の間隔によって定
まり、横軸インダクタンスは突起と電機子との間隔によ
って定まる。本発明においては、この突起の内部に磁気
抵抗部材が設けられる。この磁気抵抗部材は、突起に比
べ透磁率の低い材質により形成され、直軸インダクタン
スを定める磁路において磁気抵抗として機能する。従っ
て、構造設計上、電機子と突起の間隙と、電機子と突起
非形成部位の間隙との差が、制限される場合であって
も、磁気抵抗部材の設定によって直軸インダクタンスと
横軸インダクタンスの差を大きくすることが可能とな
る。これにより、リラクタンストルクが増大する。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例について図面に
基づき説明する。なお、図８〜図１１に示される従来例
と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。

【００１８】図１には、本発明の一実施例に係るハイブ
リッド型同期モータのモータ軸方向断面が示されてい
る。また、図２にはＡ−Ａ断面が、図３にはＢ−Ｂ断面
が、それぞれ示されている。

【００１９】これらの図に示されるように、本実施例に
おいては、ロータ２８が永久磁石モータ部分３０及びリ
ラクタンスモータ部分３２から構成される。永久磁石モ
ータ部分３０及びリラクタンスモータ部分３２は、ロー
タ２８の軸１００に沿って区分されており、筒状の非磁
性体３４により一体化されている。すなわち、永久磁石
モータ部分３０とリラクタンスモータ部分３２は軸１０
０を中心に一体として回転する。

【００２０】永久磁石モータ部分３０は、ヨークとして
機能する磁性体３６及び界磁として機能する永久磁石３
８から構成されている。磁性体３６は、炭素鋼、電磁鋼
板等から形成されており、永久磁石３８は磁性体３６の
表面に配設されている。本実施例のモータを４極モータ
として構成する場合、図２に示されるように、永久磁石
３８は４個設けられる。互いに隣接する永久磁石３８
は、ロータ２８の軸１００周りに電気角にて１８０°ず
れた位置に配設されている。以下、永久磁石３８の配置
電気角を示す線（永久磁石３８の中心と軸１００を結ぶ
線）を、磁極軸１０２と呼ぶ。

【００２１】また、リラクタンスモータ部分３２は、図
１に示されるように、磁性体４０を有している。この磁
性体４０も、磁性体３６と同様の素材から形成されてお
り、図３に示されるように突極部４２を有している。本
実施例を４極モータとして構成する場合には、図３に示
されるように突極部４２は４個設けられる。突極部４２
は、ロータ２８の軸１００周りに、前述の永久磁石３８
に対して電気角にて９０°ずれた位置に配設される。以
下、突極部４２と軸１００を結ぶ線を突極軸１０４と呼
ぶ。

【００２２】ステータ４４は、ロータ２８と間隙部４６
を介して相対向している。ステータ４４は、その内部に
形成されたスロットを渡されるコイル４８を有してい
る。また、ステータ４４は、非磁性体５０を有してい
る。

【００２３】この非磁性体５０は、ちょうど、ステータ
４４上の永久磁石モータ部分３０に対向する部位とリラ
クタンスモータ部分３２に対向する部位の中間位置に設
けられている。この非磁性体５０は、ステンレス、アル
ミニウム、銅等から形成されており、ロータ２８の軸１
００方向に沿った磁路、すなわち永久磁石モータ部分３
０とリラクタンスモータ部分３２にまたがる磁路を遮断
するため、ステータ４４の当該部位を非磁性とすること
によって形成されている。また、同様の目的で、磁性体
３６及び永久磁石３８と磁性体４０の間にも間隙部５２
が設けられている。間隙部５２は、非磁性体の嵌め込み
により置き換えてもよい。このような非磁性体５０及び
間隙部５２により、永久磁石モータ部分３０とリラクタ
ンスモータ部分３２は、互いに別の磁気回路を構成する
こととなる。この結果、図１に示される実施例を設計す
るに当たって、同一の電流振幅、位相の制御条件下で、
永久磁石モータ部分３０とリラクタンスモータ部分３２
を個別に設計することが可能になる。すなわち、永久磁
石モータ部分３０とリラクタンスモータ部分３２の干渉
がほとんど生じないため、このような設計作業が可能と
なり、より自由度の高い設計が可能となる。なお、非磁
性体５０によってステータ４４は２個の部位に区画され
ているが、コイル４８は両部位に共通である。

【００２４】また、本実施例においては、永久磁石モー
タ部分３０とリラクタンスモータ部分３２とが一体に構
成されているため、永久磁石モータ部分３０によるトル
クφ・ｉｑとリラクタンスモータ部分３２に係るトルク
（リラクタンストルク）（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄ・ｉｑと
を、併せ利用することができる。すなわち、｛φ＋Ｌｄ
−Ｌｑ）・ｉｄ｝・ｉｑというトルクを得ることがで
き、永久磁石モータに比べ大きなトルクを得ることがで
きる。

【００２５】図４には、永久磁石モータ部分３０におい
て必要な電流波形が示されている。この図に示されるよ
うに、永久磁石モータ部分３０においては、横軸電流ｉ
ｑとして、永久磁石３８のＮ極中心位置に対し回転方向
に電気角で９０度進んだ電流が必要となる。

【００２６】図５には、この実施例における直軸インダ
クタンスＬｄ及び横軸インダクタンスＬｑの調整手法が
示されている。この図は、リラクランスモータ部分３２
の一部断面を示したものである。

【００２７】この図に示されるように、突極部４２にお
けるステータ４４との間隔ｇ２は、突極部４２以外の部
位における間隔ｇ１よりも小さい。間隔ｇ１は直軸イン
ダクタンスＬｄを定める間隔であり、ｇ２は横軸インダ
クタンスＬｑを定める間隔である。従って、これら間隔
ｇ１及びｇ２を適宜設定することにより、永久磁石モー
タ部分３０の特性に影響を与えることなく、リラクタン
スモータ部分３２のモータ特性を最適に設計することが
可能となる。

【００２８】また、本実施例においては、永久磁石モー
タに比べ、永久磁石３８の体積を減らすことができるた
め、よりコストが低減されたモータが得られる。さら
に、リラクタンストルクを有効活用しているため永久磁
石モータに比べモータ電流Ｉを低減でき、従って制御装
置をより小規模なものとすることができる。加えて、永
久磁石３８をロータ２８の表面に設けているため、ロー
タ２８を中空にすることが可能となり、ロータ２８の径
を大きくしつつ軽量化を実現することができる。さら
に、構造が比較的簡素であるから生産性が良い。そし
て、従来に比べ突極形状を自由に設計できるため、いわ
ゆるトルク脈動を抑制する形状に構成することが極めて
容易になる。

【００２９】図６には、本発明の第２実施例に係るハイ
ブリッド型同期モータ、特にそのリラクタンスモータ部
分３２のＢ−Ｂ断面が示されている。この図に示される
実施例は、突極部４２の略中央部分に非磁性体５４を設
けたことを特徴としている。この非磁性体５４は、磁路
１０６の磁気抵抗を変化させることなく磁路１０８の磁
気抵抗を増大させる作用を有している。磁路１０６は横
軸インダクタンスＬｑを定める磁路であり、磁路１０８
は直軸インダクタンスＬｄを定める磁路である。このよ
うに磁路１０８上に非磁性体５４を設けると、磁路１０
８に係る磁気抵抗が増大するため、直軸インダクタンス
Ｌｄが増大する。

【００３０】直軸インダクタンスＬｄ及び横軸インダク
タンスＬｑは、前述のように間隔ｇ１及びｇ２によって
調整することができるが、この調整は、モータの構造設
計上制限されるため、ある限界を有している。本実施例
においては、このような限界の存在にも拘らず、直軸イ
ンダクダンスＬｄをより増大させることができる。直軸
インダクタンスＬｄの増大は、リラクタンストルクの増
大につながり、従って、第１従来例に比べより出力トル
クの大きなモータが得られることとなる。さらに、間隔
ｇ１の増大は磁気飽和を引き起こすことがあるが、本実
施例においてはこのような不具合も生じない。

【００３１】図７には、本発明の第３実施例に係るモー
タ、特にそのリラクタンスモータ部分３２のＢ−Ｂ断面
が示されている。この図に示されるように、本実施例に
おいては、突極軸１０４がロータ２８の回転方向に電気
角で４５度、磁極軸１０２に対してずれた位置にある。
すなわち、突極部４２が、永久磁石３８に対し、回転方
向に電気角で４５度進んだ位置に設けられている。

【００３２】突極軸１０４をこのように定めることによ
り、より簡素なアルゴリズムによって最大トルク制御を
することが可能になる。すなわち、永久磁石モータ部分
３０に係るトルクは前述のようにφ・ｉｑにより、リラ
クタンストルクは（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄ・ｉｑにより、
それぞれ表される。従って、磁極軸１０２と突極軸１０
４の間隔が前述の第１及び第２実施例のように電気角で
９０度の場合、最大トルクとなる電流位相角がモータ電
流Ｉの振幅に依存することとなるため、最大トルク運転
を行おうとする場合、モータ電流Ｉに応じて電流の位
相、すなわち直軸電流Ｉｄの値を変化させる必要があ
る。これに対し、本実施例のようにロータ２８の回転方
向にみて突極軸１０４が磁極軸１０２に対して４５度進
んだ位置にあるようにすると、永久磁石モータ部分３０
において発生するトルクがピークを迎える位相と、リラ
クタンスモータ部分３２によって生じるトルクがピーク
を迎える位相とが一致する。従って、最大トルクが発生
する位相が電流Ｉの値に応じて変化するといった複雑な
状況は生じないため、モータの出力を常に最大値にする
制御、すなわち最大トルク制御が容易に実行可能とな
る。また、最大トルク制御を行っている際、永久磁石モ
ータ部分３０に係るトルクもリラクタンスモータ部分３
２に係るトルクもピークを迎えているから、両トルクを
ほぼ完全に利用することができる。

【００３３】なお、以上の説明においては、突極性を与
える手段として磁性体の突起を用いていたが、その他の
手段も採用することができる。また、第２実施例におい
て非磁性体５４を用いていたが、この非磁性体５４は磁
気抵抗を増大させる機能を有していればよく、従って最
も簡単にはエアギャップでよい。なお、図６における非
磁性体５４は、図示の都合上強調して描いている。ま
た、以上の説明はインナーロータ形のモータ構造につい
てのものであったが、本発明はアウターロータ形にも適
用できる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
軸方向に沿って界磁を永久磁石モータ部分とリラクタン
スモータ部分とに区分すると共に、永久磁石モータ部分
とリラクタンスモータ部分とに亘るモータ軸方向の磁路
の形成を防止する非磁性材を電機子に設けるようにした
ため、永久磁石モータ部分によって発生するトルクとリ
ラクタンスモータ部分によって発生するトルクを共に利
用することが可能となり、例えば永久磁石モータに比べ
大きなトルクを得ることができる。さらに、永久磁石モ
ータ部分とリラクタンスモータ部分とが磁気回路上で分
離しているため、両部分を独立に設計することが可能と
なり、例えば永久磁石と突極部とが同一磁気回路上に存
在し両者の干渉が生ずる場合に比べ、設計の自由度が著
しく向上する。

【００３５】また、本発明によれば、突極部として機能
する磁性体の突起の内部に、突起に比べ透磁率の低い材
質から形成された磁気抵抗部材を設けるようにしたた
め、直軸インダクタンス及び横軸インダクタンスを定め
る間隙、すなわち界磁と電機子との間隙が構造上制約を
受ける場合であっても、直軸インダクタンスを好適に増
大させることができ、これによりリラクタンスモータ部
分によって生じるトルクを顕著に増大させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るハイブリッド型同期モ
ータの構成を示す軸方向断面図である。

【図２】この実施例における永久磁石モータ部分の構成
を示すＡ−Ａ断面図である。

【図３】第１実施例におけるリラクタンスモータ部分の
構成を示すＢ−Ｂ断面図である。

【図４】永久磁石モータ部分で必要とされる電流波形を
示す図である。

【図５】第１実施例における直軸インダクタンス及び横
軸インダクタンスの調整手法を示す図である。

【図６】本発明の第２実施例に係るハイブリッド型同期
モータ、特にそのリラクタンスモータ部分の構成を示す
Ｂ−Ｂ断面図である。

【図７】本発明の第３実施例に係るハイブリッド型同期
モータ、特にそのリラクタンスモータ部分の構成を示す
Ｂ−Ｂ断面図である。

【図８】同期モータの制御回路の一例構成を示すブロッ
ク図である。

【図９】永久磁石モータにおけるベクトル図である。

【図１０】弱め界磁制御を行った場合のベクトル図であ
る。

【図１１】一従来例に係る同期モータの構成を示す図で
あり、図１１（ａ）は第１従来例の、図１１（ｂ）は第
２従来例の、図１１（ｃ）は第３従来例の、ロータ構造
を示す図である。

【符号の説明】

２８ロータ３０永久磁石モータ部分３２リラクタンスモータ部分３４，５０，５４非磁性体３６，４０磁性体３８永久磁石４２突極部４４ステータ４６，５２間隙部４８コイル１００ロータの軸１０２磁極軸１０４突極軸１０６，１０８磁路ｇ１，ｇ２間隔Ｖモータ端子電圧Ｉモータ電流Ｉｄ直軸電流Ｉｑ横軸電流Ｌｄ直軸インダクタンスＬｑ横軸インダクタンス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コイルを有する電機子と、電機子と間隔しつつ所定の軸を中心に電機子に対して相
対的に回転可能な界磁と、を備え、界磁が、モータの軸回りに所定電気角隔てて配置された所定個数
の永久磁石を有する永久磁石モータ部分と、永久磁石モータ部分と上記軸方向に沿って区分され、モ
ータの軸回りに所定電気角隔てて配置された所定個数の
突極部を有するリラクタンスモータ部分と、を有し、電機子が、永久磁石モータ部分とリラクタンスモータ部
分とに亘るモータ軸方向の磁路の形成を防止する非磁性
部材を有し、永久磁石と突極部がロータの軸回りに互いに所定電気角
ずれた位置に配置されたことを特徴とするハイブリッド
型同期モータ。
【請求項２】請求項１記載のハイブリッド型同期モー
タにおいて、突極部が、電機子と間隔するようリラクタンスモータ部分の表面に
形成された磁性体の突起と、突起に比べ透磁率の低い材質により突起の内部に形成さ
れた磁気抵抗部材と、を有することを特徴とするハイブリッド型同期モータ。