(57)【要約】【課題】従来よりも簡単に精度の高いロータの位置検出を行うことが出来る永久磁石同期モータを提供することを目的とする。【解決手段】永久磁石同期モータが、外周に沿って複数の棒形状の永久磁石が円弧状に埋設された円筒形のロータと、当該ロータの外周面に対向するように配置されたステータと、前記ロータに固定された回転軸と、当該回転軸を回転自在に支持する軸受とを具備する永久磁石同期モータであって、前記ロータに前記永久磁石の前記ロータの外周側へ磁束の通過する通過路を挟んで一対の矩形状の非磁性層を設け、前記一対の非磁性層は、前記ロータの外周側の端部が接近するように所定の角度だけ傾けて配置されている【選択図】図３
2010004676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周に沿って複数の棒形状の永久磁石が円弧状に埋設された円筒形のロータと、当該ロータの外周面に対向するように配置されたステータと、前記ロータに固定された回転軸と、当該回転軸を回転自在に支持する軸受とを具備する永久磁石同期モータであって、
前記ロータに前記永久磁石の前記ロータの外周側へ磁束の通過する通過路を挟んで一対の矩形状の非磁性層を設け、前記一対の非磁性層は、前記ロータの外周側の端部が接近するように所定の角度だけ傾けて配置されていることを特徴とする永久磁石同期モータ。
【請求項２】
前記ステータから出力される誘導起電力の周波数分析に基づいて、前記誘導起電力の高調波の電力が最も低くなる傾きに前記角度が設定されることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石同期モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石同期モータは、永久磁石が埋め込まれたロータと、電機子巻線を含むステータから構成されており、ロータに埋め込まれた永久磁石の磁極位置に応じて電機子巻線に電流が流れることによってトルクが制御される。そして、この永久磁石同期モータでは、電機子巻線に流れる電流を制御する為にロータの位置検出が行われており、ロータの位置を検出する位置検出センサとしてエンコーダやレゾルバ等が設けられている。さらに、これら位置センサは、永久磁石同期モータの大型化・コストアップの要因となるし、また信頼性や耐環境性の面でも問題がある為、位置センサを不要にしたセンサレス制御方式の永久磁石同期モータの研究が盛んに行われている。
【０００３】
このような永久磁石同期モータにおける発明として、例えば下記特許文献１には、漏れ磁束を抑制することによってトルクを増大させることが出来る永久磁石同期モータが開示されている。この永久磁石同期モータでは、固定子と、回転子本体の外周域部分に円周方向に並んで配置される複数の磁石を備える回転子とを具備し、複数の磁石のうちの隣り合う磁石の対向する両端部の間に非磁性体である空間が形成されると共に回転子本体の外周に凹部を設けることによって、隣り合う磁石の漏れ磁束を減少することが出来るモータ久磁石同期モータが開示されている。
【特許文献１】特開２００８−５６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来技術におけるセンサレス制御方式の永久磁石同期モータには、ステータから出力される誘導起電力（ＥＭＦ：Electro Motive Force）の波形に基づいてロータの位置を検出する方法が存在する。この方法では、ステータから出力される誘導起電力の波形に応じて電機子巻線に供給される電流の制御が行われる。その為、永久磁石同期モータのステータから出力される誘導起電力の波形は、できるだけ基本波のみを含む正弦波であることが望まれる。しかしながら、ステータから出力される誘導起電力には高調波等も含まれ、その為に誘導起電力の波形が、台形波化してしまう。そして、誘導起電力に基づくロータの位置検出において、この誘導起電力の波形の台形波化が、簡単に精度の高いロータ位置の検出を行うことの妨げになっている。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも簡単に精度の高いロータの位置検出を行うことが出来る永久磁石同期モータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、永久磁石同期モータに係る第１の解決手段として、外周に沿って複数の棒形状の永久磁石が円弧状に埋設された円筒形のロータと、当該ロータの外周面に対向するように配置されたステータと、前記ロータに固定された回転軸と、当該回転軸を回転自在に支持する軸受とを具備する永久磁石同期モータであって、
前記ロータに前記永久磁石の前記ロータの外周側へ磁束の通過する通過路を挟んで一対の矩形状の非磁性層を設け、前記一対の非磁性層は、前記ロータの外周側の端部が接近するように所定の角度だけ傾けて配置されているという手段を採用する。
【０００７】
本発明では、永久磁石同期モータに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記ステータから出力される誘導起電力の周波数分析に基づいて、前記誘導起電力の高調波の電力が最も低くなる傾きに前記角度が設定されるという手段を採用する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、永久磁石同期モータが、外周に沿って複数の棒形状の永久磁石が円弧状に埋設された円筒形のロータと、当該ロータの外周面に対向するように配置されたステータと、前記ロータに固定された回転軸と、当該回転軸を回転自在に支持する軸受とを具備する永久磁石同期モータであって、前記ロータに前記永久磁石の前記ロータの外周側へ磁束の通過する通過路を挟んで一対の矩形状の非磁性層を設け、前記一対の非磁性層は、前記ロータの外周側の端部が接近するように所定の角度だけ傾けて配置されていることによって、ステータから出力される誘導起電力の波形が正弦波化される為、従来よりも簡単に精度の高いロータの位置検出を行うことが出来る。
【０００９】
さらに、低透磁層をロータの外周側の端部が接近するように傾けて配置することによって、隣の永久磁石また隣の永久磁石との間を通過してロータの内部方向へ向かう漏れ磁束が永久磁石の磁束から低減する為、トルクを増大することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。本発明の永久磁石同期モータに関する。図１は、本実施形態に係る永久磁石同期モータＡによって構成される永久磁石同期モータ制御装置の機能構成を示す機能ブロック図であり、図２は、本実施形態に係る永久磁石同期モータＡの回転中心軸Ｐに直交する横断面図である。
図１に示すように、永久磁石同期モータ制御装置は、永久磁石同期モータＡ、直流電源Ｂ、インバータＣ、誘導起電力（ＥＭＦ：electromotive force）検出部Ｄ及びモータ制御部Ｅから構成されている。
【００１１】
永久磁石同期モータＡは、図２に示すように、ロータ１、ステータ２、回転軸３及びケーシング４から構成されている。
ロータ１は、円筒状のロータコア１ａと８枚の永久磁石１ｂとによって構成されている。そして、ロータコア１ａは、中空円盤形状の鋼鈑を複数枚積層した積層鋼板であり、その中心軸上に設けられた貫通孔に回転軸３が圧入・固定されている。
【００１２】
そして、永久磁石１ｂは、棒形状に形成されており、ロータコア１ａの外周側にＮ極の極性を持つ永久磁石１ｂとＳ極の極性を持つ永久磁石１ｂとがそれぞれ４枚ずつ、ロータコア１ａの外周に沿って埋設されている。具体的には、ロータコア１ａの外周側にＮ極の極性を向けた永久磁石１ｂとＳ極の極性を向けた永久磁石１ｂとが交互に並ぶように埋設されている。
【００１３】
図３は、本実施形態に係る永久磁石同期モータＡの空気層１ｃ及び空気層１ｄを示すロータ１の横断面の拡大図である。この図３を参照して、空気層１ｃ及び空気層１ｄについて説明する。
図３に示すように、ロータコア１ａには、永久磁石１ｂ同士による磁束の短絡を防ぐことを主目的として、各永久磁石１ｂの周辺に台形状の一対の空気層１ｃ及び長方形状の空気層１ｄが設けられている。
【００１４】
空気層１ｃは、各永久磁石１ｂの両端に設けられており、空気層１ｄは、各永久磁石１ｂのロータコア１ａの外周側へ磁束の通過する通過路を挟んで設けられている。そして、この空気層１ｄは、外周側の端部が接近するように傾けて配置されている。なお、この空気層１ｄの傾き角度については、詳細を後術する。
【００１５】
ステータ２は、略円筒形状のステータコア２ａと当該ステータコア２ａに巻回された巻線２ｂとから構成されている。
ステータコア２ａは、複数の金属製のコアプレートが積層されて構成されており、円環状に形成されたヨーク２ａ‐１から内周側に突設されたティース２ａ‐２を等角度間隔に備えている。そして、このティース２ａ‐２の先端部は、全体として略円管状の内周面を形成している。
【００１６】
巻線２ｂは、ティース２ａ‐２に複数巻き回されており、モールド剤がティース２ａ‐２に対する巻線２ｂの位置を固定している。また、この巻線２ｂは、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線の３相の巻線から構成されており、インバータＣから供給される３相に応じたモータ駆動信号によって磁極の向きが切り替わる。このような構成のステータ２は、内周面が所定の隙間を介してロータ１の外周面に対向している。
【００１７】
回転軸３は、円柱状部材であって、複数の径を有して多段状に形成されたものである。この回転軸３の最大径を有する部位にロータコア１ａが固定されており、この最大径を有する部位を挟むように両側に一対の軸受（図示略）が圧入・固定されている。この軸受は、ボールベアリングであり、内輪が回転軸３に固定され、外輪がケーシング４に固定されて、回転軸３を回転自在に支持している。
【００１８】
ケーシング４は、回転中心軸Ｐを中心とする略円筒状に形成されており、内部空間にステータ２と上記一対の軸受によって回転中心軸Ｐが回転中心となるように回転自在に支持されたロータ１とを収容する。具体的に、ケーシング４は、回転中心軸Ｐを軸心とする円筒壁部と、この円筒壁部の両端に配置されると共に回転中心軸Ｐを中心とする略円形の一対の端壁部と、端壁部の中心近傍に各々設けられ、上記軸受が各々固定される一対の軸受取付部と，回転軸３の各端部が挿通される開口部を備えている。
【００１９】
そして、上記円筒壁部及上記各端壁部によって囲まれた空間に略円筒状のステータ２を、またこのステータ２の内側かつ上記一対の軸受取付部の間にロータ１を収容する。また、上記軸受取付部には、軸受の外輪が固定されている。このようなケーシング４において、円筒壁部内には、外部から供給される冷却水の流路（冷却流路４ａ）がステータ２の外周に沿って形成されている。
【００２０】
直流電源Ｂは、１つあるいは複数のバッテリを直列接続したものであり、所定の直流電源電圧をインバータＣへ出力する。
インバータＣは、モータ制御部Ｅから供給されるインバータ制御信号に基づいて直流電源Ｂから供給される直流電圧をスイッチングすることによって、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相のモータ駆動信号を生成して永久磁石同期モータＡに供給する。
誘導起電力検出部Ｄは、永久磁石同期モータＡのＵ相から出力される誘導起電力を検出するものであり、検出した誘導起電力をモータ制御部Ｅへ出力する。
【００２１】
モータ制御部Ｅは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）から構成される内部メモリ並びに上記インバータＣ及び誘導起電力検出部Ｄと信号の入出力をそれぞれ行うインタフェース回路等から構成されており、上記ＲＯＭに記憶された制御プログラム及び誘導起電力検出部Ｄが検出した誘導起電力に基づいてインバータＣへインバータ制御信号を出力することによって、永久磁石同期モータＡの動作を制御する。
【００２２】
次に、このように構成された永久磁石同期モータＡの動作について詳しく説明する。
まず、モータ制御部Ｅは、永久磁石同期モータ起動指示を受け付けると、インバータ制御信号を出力することによってインバータＣにモータ駆動信号を永久磁石同期モータＡへ出力させる。
永久磁石同期モータＡでは、インバータＣから供給されるモータ駆動信号を巻線２ｂが受け取ると、ステータコア２ａ、巻線２ｂ及び永久磁石１ｂによって磁気回路が形成され、ロータ１が回転を開始する。
【００２３】
この際、誘導起電力検出部Ｄは、ロータ１の回転によって、巻線２ｂのＵ相巻線に発生する誘導起電力を検出し、検出した誘導起電力をモータ制御部Ｅへ出力する。
モータ制御部Ｅは、永久磁石同期モータＡの巻線２ｂのＵ相巻線に発生した誘導起電力が誘導起電力検出部Ｄから入力されると、その誘導起電力の波形に基づいてロータ１の回転位置を判定し、判定したロータ１の回転位置に応じたインバータ制御信号をインバータＣへ出力することによって、インバータＣにロータ１の回転位置に応じたＵ相、Ｖ相及びＷ相の各モータ駆動信号を永久磁石同期モータＡへ出力させる。
【００２４】
このような、上記動作において誘導起電力検出部Ｄが検出した巻線２ｂのＵ相巻線に発生する誘導起電力の波形について、図４及び図５を参照して、詳細に説明する。
図４は、永久磁石のロータコアの外周側に設ける一対の空気層を平行に配置した場合の磁束及び誘導起電力の波形を示す図であり、図５は、本実施形態に係る永久磁石同期モータＡのロータコア１ａの外周側の端部が接近するように傾けて空気層１ｄを配置した場合の磁束及び誘導起電力の波形を示す図である。
【００２５】
なお、図４の（ａ）は、永久磁石に対してロータコアの外周側に設ける一対の空気層を平行に配置した場合の磁束を示し、図４の（ｂ）は、上記一対の空気層を平行に配置した場合の誘導起電力の波形を示す。また、図５の（ａ）は、永久磁石同期モータＡの空気層１ｄをロータコア１ａの外周側の端部が接近するように傾けて配置した場合の磁束を示し、図５の（ｂ）は、空気層１ｄをロータコア１ａの外周側の端部が接近するように傾けて配置した場合の誘導起電力の波形を示す。
【００２６】
空気層の空気は低い透磁率を有する、すなわち非磁性体である為、図４の（ａ）及び図５の（ａ）のように、永久磁石のロータコアの外周側に所定の間隔をあけて空気層を設けることによって、棒状の永久磁石からの磁束が、空気層の間を通って巻線の方向へ向かっていく。
しかしながら、図４の（ａ）に示すように、一対の空気層を平行に配置した場合には、永久磁石の中央部の磁束は、巻線の方向へ向かうが、永久磁石の端部、すなわち空気層近辺の磁束は、巻線の方向へ向かわずに隣の永久磁石また隣の永久磁石との間を通過してロータコアの内部方向へ向かう、すなわち漏れ磁束になってしまう。
【００２７】
そして、このように一対の空気層を平行に配置した場合には、測定の結果、図４の（ｂ）に示すように、巻線から発生する誘導起電力の波形は、正弦波形ではなく台形波形になってしまう。この誘導起電力の波形が台形波形になってしまう原因は、誘導起電力に基本波だけではなく、高調波等が含まれる為である。
【００２８】
また、図５の（ａ）に示すように、空気層１ｄをロータコア１ａの外周側の端部を接近させるように傾けて配置した場合には、永久磁石１ｂの磁束は、ロータコア１ａの外周側の一対の空気層１ｄの端部の間に集中して巻線２ｂの方向へ向かう為に、隣の永久磁石また隣の永久磁石との間を通過してロータコアの内部方向へ向かう漏れ磁束は低減する。そして、このようにロータコア１ａの外周側の端部を接近させるように傾けて配置した場合には、測定の結果、図５の（ｂ）に示すように、巻線２ｂから発生する誘導起電力の波形は、正弦波形になる。これは、高調波等の低減によって、誘導起電力が、ほぼ基本波のみによって構成される為である。
【００２９】
そして、永久磁石同期モータＡから発生する誘導起電力を正弦波化させるように配置された空気層１ｄの最適な傾き角度は、永久磁石１ｂの幅、ロータコア１ａの外径及び空気層１ｄの厚さ等の各要因によって変化する為、巻線２ｂから発生する誘導起電力を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）処理によって周波数分析を行い、高調波の電力が最も低くなる傾き角度に設定する。なお、測定の結果、空気層１ｄを約１０度以上傾けると、誘導起電力の波形が、正弦波化する。
【００３０】
以上のように、本実施形態に係る永久磁石同期モータＡでは、各永久磁石１ｂのロータコア１ａの外周側に設けられた長方形状の空気層１ｄを、外周側の端部が接近するように傾けて配置し、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）処理による誘導起電力の周波数分析によって高調波の電力が最も低くなる傾き角度に空気層１ｄを傾けることによって、永久磁石同期モータＡから出力される誘導起電力の波形が正弦波化するため為、従来よりも簡単に精度の高いロータ１の位置検出を行うことが出来る。
【００３１】
さらに、空気層１ｄをロータコア１ａの外周側の端部が接近するように傾けて配置することによって、隣の永久磁石１ｂまた隣の永久磁石１ｂとの間を通過してロータコア１ａの内部方向へ向かう漏れ磁束が永久磁石１ｂの磁束から低減する為、トルクを増大することが出来る。
【００３２】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では、ロータコア１ａの各永久磁石１ｂの周辺に台形状の一対の空気層１ｃ及び長方形状の空気層１ｄを設けたが、本発明はこれに限定されない。
空気層１ｃ及び１ｄは、永久磁石１ｂ同士による磁束の短絡を防ぐことを主目的としたものであり、透磁率の低い非磁性体であれば空気以外であってもよい。
例えば、空気層１ｃ及び１ｄの代わりに樹脂を圧入することによって樹脂層を形成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態に係る永久磁石同期モータＡによって構成される永久磁石同期モータ制御装置の機能構成を示す機能ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る永久磁石同期モータＡの回転中心軸Ｐに直交する横断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る永久磁石同期モータＡの空気層１ｃ及び空気層１ｄを示すロータ１の横断面の拡大図である。
【図４】永久磁石のロータコアの外周側に設ける一対の空気層を平行に配置した場合の磁束及び誘導起電力の波形を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る永久磁石同期モータＡのロータコア１ａの外周側の端部が接近するように傾けて空気層１ｄを配置した場合の磁束及び誘導起電力の波形を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
Ａ…永久磁石同期モータ、Ｂ…直流電源、Ｃ…インバータ、Ｄ…誘導起電力検出部、Ｅ…モータ制御部、１…ロータ、１ａ…ロータコア、１ｂ…永久磁石、１ｃ，１ｄ…空気層、２…ステータ、２ａ…ステータコア、２ａ‐１…ヨーク、２ａ‐２…ティース、２ｂ…巻線、３…回転軸、４…ケーシング、４ａ…冷却流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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