2025-12986 電動機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025012986

(43)【公開日】2025-01-24

(54)【発明の名称】電動機

(51)【国際特許分類】

   H02K 21/14 20060101AFI20250117BHJP

   H02P 25/022 20160101ALI20250117BHJP

【ＦＩ】

H02K21/14 M

H02P25/022

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023116218

(22)【出願日】2023-07-14

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】北山 武志

(72)【発明者】

【氏名】服部 宏之

【テーマコード（参考）】

5H505

5H621

【Ｆターム（参考）】

5H505BB02

5H505DD08

5H505EE60

5H505FF08

5H621AA03

5H621PP10

(57)【要約】

【課題】 可動式のロータと弱め界磁制御の組み合わせによって銅損を低減する。
【解決手段】 電動機であって、ロータとステータと制御回路を有する。前記ロータが、シャフトと、ロータコアと、前記ロータの回転速度に応じて第１位置と第２位置の間で前記シャフトを中心に前記ロータコアに対して相対的に回動する可動部材を有する。前記可動部材が前記第２位置にあるときに、前記可動部材が前記第１位置にあるときよりも前記ロータコアの漏れ磁束が多い。前記可動部材が、前記回転速度が第１回転速度よりも小さいときに前記第１位置に配置され、前記回転速度が前記第１回転速度よりも大きいときに前記第２位置に配置されるように構成されている。前記制御回路が、前記回転速度が第２回転速度よりも大きいときに弱め界磁制御を実施する。前記第１回転速度が前記第２回転速度よりも小さい。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電動機であって、
ロータと、
ステータと、
前記ステータに供給する電力を制御する制御回路、
を有し、
前記ロータが、
シャフトと、
前記シャフトに固定されたロータコアと、
前記シャフトに取り付けられており、前記ロータの回転速度に応じて第１位置と第２位置の間で前記シャフトを中心に前記ロータコアに対して相対的に回動する可動部材、
を有し、
前記可動部材が前記第２位置にあるときに、前記可動部材が前記第１位置にあるときよりも前記ロータコアの漏れ磁束が多く、
前記可動部材が、前記回転速度が第１回転速度よりも小さいときに前記第１位置に配置され、前記回転速度が前記第１回転速度よりも大きいときに前記第２位置に配置されるように構成されており、
前記制御回路が、前記回転速度が第２回転速度よりも大きいときに弱め界磁制御を実施し、
前記第１回転速度が前記第２回転速度よりも小さい、
電動機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示の技術は、電動機に関する。

【0002】

特許文献１に開示のロータは、固定コアと可動コアを有している。可動コアは固定コアに対して相対的に回動可能とされている。可動コアには、半径方向に対して斜めに伸びる案内溝が設けられている。また、案内溝内には、ウェイトが配置されている。ロータの回転速度が高くなると、遠心力によってウェイトが半径方向外側に移動する。すると、案内溝の内面がウェイトによって押され、可動コアが固定コアに対して回動する。このように可動コアが固定コアに対して回動することで、ロータからステータまで伸びる磁束量（以下、ロータの磁束量という）が減少する。ロータの回転速度が高いときにロータの磁束量が減少することで、ステータで生じる逆起電圧が低減される。したがって、このロータを有する電動機は、高い回転速度で動作可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００４－２４２４６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ステータで生じる逆起電圧を低減する別の技術として、弱め界磁制御が知られている。弱め界磁制御では、ステータで生じる磁界によってロータの磁界が打ち消されるようにステータに流れる電流を制御することで、通常時（すなわち、弱め界磁制御を行っていない時）に比べてロータの磁界を弱める。これによって、ステータで生じる逆起電圧が低減され、ロータを高速で回転させることが可能となる。図３（ｂ）は、従来の弱め界磁制御を示している。図３（ｂ）に示すように、ロータの回転速度Ｗが上昇するのに従ってステータで生じる逆起電圧が上昇する。逆起電圧が上限値に達する回転速度Ｗ３で弱め界磁制御を実行することで、逆起電圧が低減される。したがって、回転速度Ｗ３よりも高い回転速度でロータを回転させることが可能となる。図示するように、弱め界磁制御を実行する直前（すなわち、逆起電圧が上限値に達する直前）の回転速度帯Ｗａおいては、ステータに流れる電流が高くなり、銅損が生じる。

【0005】

本明細書では、可動式のロータと弱め界磁制御の組み合わせによって銅損を低減する技術を提案する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本明細書が開示する電動機は、ロータと、ステータと、前記ステータに供給する電力を制御する制御回路、を有する。前記ロータが、シャフトと、前記シャフトに固定されたロータコアと、前記シャフトに取り付けられているとともに前記ロータの回転速度に応じて第１位置と第２位置の間で前記シャフトを中心に前記ロータコアに対して相対的に回動する可動部材、を有する。前記可動部材が前記第２位置にあるときに、前記可動部材が前記第１位置にあるときよりも前記ロータコアの漏れ磁束が多い。前記可動部材が、前記回転速度が第１回転速度よりも小さいときに前記第１位置に配置され、前記回転速度が前記第１回転速度よりも大きいときに前記第２位置に配置されるように構成されている。前記制御回路が、前記回転速度が第２回転速度よりも大きいときに弱め界磁制御を実施する。前記第１回転速度が前記第２回転速度よりも小さい。

【0007】

なお、漏れ磁束は、ロータコアから生じる磁束のうちで可動部材を介してロータコアに戻る磁束を意味する。

【0008】

この電動機では、可動部材が作動する第１回転速度が、弱め界磁制御が実行される第２回転速度よりも低い。したがって、ロータの回転速度が上昇するときに、弱め界磁制御よりも先に可動部材が作動する。すなわち、ロータの回転速度が上昇するときに、可動部材が作動し、その後に、弱め界磁制御が実行される。ロータの回転速度が上昇する場合には、可動部材が第１位置から第２位置へ移動する。これにより、ロータの磁界（すなわち、ロータからステータに達する磁界）が低減され、ステータで生じる逆起電圧が低減される。このため、ステータに流れる電流の増加が抑制され、銅損が抑制される。以上に説明したように、この電動機では、ロータの回転速度が上昇するときに、弱め界磁制御よりも先に可動部材が作動することで、弱め界磁制御の実行前において銅損が抑制される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】電動機１０の断面図。

【図2】回転軸に平行な方向に沿って見たときの可動部材４０の位置の説明図。

【図3】回転速度と逆起電圧とステータ電流の関係を示すグラフ。図３（ａ）は実施形態を示す。図３（ｂ）は比較例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１に示す電動機１０は、電動車に搭載されている。電動機１０は、ロータ２０とステータ５０と制御回路９０を備えている。制御回路９０は、ステータ５０に交流電力を供給することで、電動機１０を作動させる。電動機１０は、電動車の車輪を駆動する。ステータ５０は、円筒形状を有している。ロータ２０は、ステータ５０の径方向内側に配置されている。ロータ２０は、回転軸ＡＸを中心に回転可能に配置されている。

【0011】

ロータ２０は、シャフト２２、ロータコア２４、及び、２つの可動部材４０を有している。シャフト２２は、その中心軸が回転軸ＡＸと一致するように配置されている。ロータコア２４は、円筒形状を有している。ロータコア２４は、高透磁率を有する材料により構成されている。ロータコア２４の中心孔内にシャフト２２が挿通されている。ロータコア２４は、シャフト２２に固定されている。図示していないが、ロータコア２４の内部には複数の磁極が配置されている。磁極は、例えば永久磁石である。複数の磁極は、回転軸ＡＸに対して回転対称に配置されている。複数の磁極の間には、非磁極部が存在している。

【0012】

可動部材４０は、回転軸ＡＸに沿う方向においてロータコア２４の両側に配置されている。言い換えると、回転軸ＡＸに沿う方向において、２つの可動部材４０の間にロータコア２４が配置されている。各可動部材４０の構造は等しいので、以下では、一方の可動部材４０について説明する。

【0013】

可動部材４０は、円筒形状を有している。可動部材４０は、高透磁率を有する材料により構成されている。可動部材４０の中心孔内にシャフト２２が挿通されている。可動部材４０は、回転軸ＡＸを中心にしてシャフト２２に対して相対的に回動することができる。図２（ａ）に示すように、可動部材４０は、その外周面に複数の突出部４０ａを備えている。周方向において、複数の突出部４０ａはロータコア２４の複数の磁極と同じ間隔で設けられている。

【0014】

図１に示すように、可動部材４０を挟んでロータコア２４と反対側の位置に、ハウジング４２とフレーム４４が設置されている。フレーム４４は、可動部材４０とハウジング４２の間に配置されている。フレーム４４は、可動部材４０の側面に固定されている。したがって、フレーム４４は、可動部材４０と一体となってシャフト２２に対して回動する。ハウジング４２は、シャフト２２に固定されている。すなわち、ハウジング４２は、シャフト２２を介してロータコア２４に対して固定されている。このため、フレーム４４はハウジング４２に対して相対的に回動する。

【0015】

ハウジング４２のフレーム４４側の側面には、複数のガイド溝４２ａが設けられている。図２（ａ）に示すように、各ガイド溝４２ａは、半径方向に沿って伸びている。また、フレーム４４には、複数のガイド孔４４ａが設けられている。図１に示すように、各ガイド孔４４ａは、回転軸ＡＸと平行な方向においてフレーム４４を貫通している。図２（ａ）に示すように、各ガイド孔４４ａは、半径方向に対して傾斜する方向に沿って伸びている。すなわち、各ガイド孔４４ａは、半径方向外側に向かうにしたがって周方向に変位するように伸びている。図１に示すように、ロータ２０の内部には、ガイド溝４２ａからガイド孔４４ａに跨って棒状に伸びる錘４６が設けられている。錘４６は、ガイド溝４２ａ内を半径方向にスライドすることができる。各ガイド溝４２ａ内には、バネ４８が配置されている。バネ４８は、錘４６を半径方向内側（すなわち、回転軸ＡＸ側）に付勢している。したがって、ロータ２０が停止している状態では、図２（ａ）に示すように、各錘４６はガイド溝４２ａの内周側の端部に位置している。

【0016】

図２（ａ）は、各錘４６がガイド溝４２ａの内周側の端部に位置している状態を示している。また、図２（ｂ）は、各錘４６がガイド溝４２ａの外周側の端部に位置している状態を示している。図２（ａ）に示す状態から各錘４６がガイド溝４２ａ内を半径方向外側に向かって移動すると、各錘４６がガイド孔４４ａの内面を押すことによりフレーム４４がハウジング４２に対して回動する。したがって、図２（ｂ）に示すように、各錘４６がガイド溝４２ａの外周側の端部まで移動すると、フレーム４４のハウジング４２に対する角度が変化する。このように、ガイド溝４２ａ内を錘４６が移動することによって、フレーム４４がハウジング４２に対して回動する。上述したように、フレーム４４は可動部材４０に固定されており、ハウジング４２はロータコア２４に固定されている。したがって、フレーム４４がハウジング４２に対して回動すると、可動部材４０がロータコア２４に対して回動する。

【0017】

可動部材４０が図２（ａ）の位置に存在する状態では、軸方向において各突出部４０ａがロータコア２４の各磁極と重複しない。したがって、各磁極の間で積極的な短絡は生じず、漏れ磁束はほとんど発生しない。このため、図２（ａ）の状態では、ロータコア２４からステータ５０に到達する磁束が多い。可動部材４０が図２（ｂ）の位置に存在する状態では、軸方向において各突出部４０ａがロータコア２４の各磁極と重複する。したがって、突出部４０ａを介して磁路が形成され、各磁極の間で短絡が生じる。このため、図２（ｂ）の状態では、漏れ磁束が多く、ロータコア２４からステータ５０に到達する磁束が少ない。以下では、図２（ａ）に示す位置を非短絡位置といい、図２（ｂ）に示す位置を短絡位置という。

【0018】

電動機１０が駆動すると、ロータ２０の全体が回転軸ＡＸ回りに回転する。ロータ２０の回転速度が低いと、各錘４６に加わる遠心力が小さいので、バネ４８によって各錘４６は図２（ａ）の位置に支持されている。このため、可動部材４０は非短絡位置に配置されている。このため、ロータ２０の漏れ磁束が少なく、ロータ２０からステータ５０に到達する磁束が多い。

【0019】

ロータ２０の回転速度が上昇すると、各錘４６に加わる遠心力が増大する。ロータ２０の回転速度が一定値を超えると、図２（ｂ）に示すように、各錘４６がバネ４８に抗してガイド溝４２ａ内を外周側へ移動する。したがって、フレーム４４及び可動部材４０がハウジング４２及びロータコア２４に対して回動する。これにより、可動部材４０が短絡位置へ移動する。その結果、ロータ２０の漏れ磁束が増加し、ロータ２０からステータ５０に到達する磁束が減少する。その後、ロータ２０の回転速度が低下すると、バネ４８によって各錘４６が図２（ａ）の位置へ戻され、可動部材４０が非短絡位置へ戻される。

【0020】

以上に説明したように、実施形態のロータ２０では、高速回転時に漏れ磁束が増加し、低速回転時に漏れ磁束が減少する。高速回転時には、漏れ磁束が増加してステータ５０に達する磁束が減少するので、ステータ５０で生じる逆起電圧を低減することができる。したがって、ロータ２０の最高回転速度を向上させることができる。

【0021】

図３（ａ）の第１回転速度Ｗ１は、可動部材４０が非短絡位置と短絡位置との間で回動するときのロータ２０の回転速度を示している。ロータ２０の回転速度Ｗが第１回転速度Ｗ１よりも低いときは、可動部材４０は非短絡位置に配置される。ロータ２０の回転速度Ｗが第１回転速度Ｗ１以上のときは、可動部材４０は短絡位置に配置される。第１回転速度Ｗ１は、錘４６の質量とバネ４８のばね係数等によって調整することができる。

【0022】

制御回路９０は、ステータ５０に交流電流を供給してロータ２０を回転させる。制御回路９０は、ステータ５０に供給する交流電流の周波数と振幅を制御することで、ロータ２０に加わるトルクとロータ２０の回転速度を制御する。また、制御回路９０は、通常制御と弱め界磁制御を行うことができる。通常制御では、ロータ２０に対して高いトルクが加わるように電気角が制御される。弱め界磁制御では、ステータ５０で生じる磁界によってロータ２０の磁界が打ち消されるように電気角が制御される。このため、弱め界磁制御では、通常制御に比べてステータ５０で生じる逆起電力が小さい。したがって、弱め界磁制御を行うと、ロータ２０に加わるトルクが小さくなる一方で、ロータ２０をより高速で回転させることが可能となる。

【0023】

図３（ａ）の第２回転速度Ｗ２は、通常制御と弱め界磁制御の間で制御を切り換えるときのロータ２０の回転速度を示している。制御回路９０は、ロータ２０の回転速度Ｗが第２回転速度Ｗ２よりも低いときは、通常制御を実行する。制御回路９０は、ロータ２０の回転速度Ｗが第２回転速度Ｗ２以上のときは、弱め界磁制御を実行する。

【0024】

図３（ａ）は、実施形態の電動機１０の動作を示している。また、図３（ｂ）は、ロータが可動部材４０を有さない電動機の動作を示している。まず、比較例として、図３（ｂ）に示す電動機の動作について説明する。図３（ｂ）では、ロータの回転速度Ｗが回転速度Ｗ３以上のときに弱め界磁制御が実行される。図３（ｂ）に示すように、ロータの回転速度Ｗが上昇するのに従って、ステータで生じる逆起電圧が上昇する。逆起電圧が上限値に達するとそれ以上ロータの回転速度を上昇させることができなくなる。したがって、図３（ｂ）では、逆起電圧が上限値に達したタイミングで弱め界磁制御が開始される。弱め界磁制御が実行されると、逆起電圧が減少し、ロータの回転速度を上昇させることが可能となる。ステータに流れる電流は、逆起電圧が上限値に達する直前の回転速度帯Ｗａにおいて上昇する。このため、回転速度帯Ｗａにおいて高い銅損が発生する。このように、比較例では、弱め界磁制御を開始する前に高い銅損が発生するという問題が生じる。

【0025】

図３（ａ）に示すように、実施形態の電動機１０では、可動部材４０が作動する第１回転速度Ｗ１が、弱め界磁制御が開示される第２回転速度Ｗ２よりも小さい値に設定されている。したがって、ロータ２０の回転速度Ｗが上昇するときに、逆起電圧が上限値に達するよりも早い段階（すなわち、第１回転速度Ｗ１）で可動部材４０が非短絡位置から短絡位置へ移動し、ロータ２０の磁束が減少する。したがって、第１回転速度Ｗ１において逆起電圧が減少する。このため、第１回転速度Ｗ１からさらにロータ２０の回転速度Ｗを上昇させても、ステータ５０に流れる電流の増加が生じない。これにより、銅損が抑制される。ロータ２０の回転速度Ｗが第２回転速度Ｗ２に達すると、制御回路９０によって弱め界磁制御が実行される。したがって、ロータ２０をよりも高い回転速度で回転させることが可能となる。

【0026】

以上に説明したように、実施形態の電動機１０では、弱め界磁制御の実行前のタイミングでステータ５０に流れる電流の増加を抑制できる。したがって、銅損を抑制できる。このため、実施形態の電動機１０は、高効率で動作することができる。

【0027】

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0028】

１０ ：電動機
２０ ：ロータ
２２ ：シャフト
２４ ：ロータコア
４０ ：可動部材
４２ ：ハウジング
４４ ：フレーム
４６ ：錘
４８ ：バネ
５０ ：ステータ
９０ ：制御回路

【図1】

【図2】

【図3】