(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
回転子鉄心と、
前記回転子鉄心に周方向に関して等間隔に配置された永久磁石と、
を備えた永久磁石型回転電機の回転子において、
前記永久磁石の間に配置され前記回転軸の方向に延在する一対の第１導体と、前記一対の第１導体間を電気的に接続する一対の第２導体とを有し、前記永久磁石をそれぞれ取り囲む導通回路を備え、
前記一対の第１導体の内側の間隔は、所定の永久磁石の周方向の幅より大きく、前記所定の永久磁石と隣り合う両側の他の永久磁石の前記所定の永久磁石に対向する端面同士の間隔以下であるとともに、一の前記導通回路によって囲まれる空間の一部が、隣り合う他の前記導通回路によって囲まれる空間の一部と径方向で互いに対向するように、前記導通回路が配置されたことを特徴とする永久磁石型回転電機の回転子。
【請求項２】
回転軸中心と所定の距離にある導通回路と、前記回転軸中心との距離が前記導通回路より大きい他の導通回路とが、周方向に関して交互に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機の回転子。
【請求項３】
一対の第１導体の一方と回転軸中心との距離よりも、他方と前記回転軸中心との距離の方が大きくなるように導通回路が構成され、他方の前記第１導体は、前記導通回路と隣り合う他の導通回路の一方の前記第１導体側に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機の回転子。
【請求項４】
導通回路は、１つにつき複数ターン巻回されたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の永久磁石型回転電機の回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転子鉄心に永久磁石を備え、整流子を用いずに回転する永久磁石型回転電機の回転子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転子鉄心に永久磁石を備え、整流子を用いずに駆動する永久磁石型回転電機は、近年、様々な用途に採用されており、低コスト化、小型化が求められている。この要求に応えるために、回転電機の突極性を利用し、固定子巻線に高周波電流を印加することによって回転子の回転角度を検出し、エンコーダやレゾルバなどの回転角度検出装置を備えずに回転電機を駆動する、いわゆる「センサレス駆動」技術が開発されている。
【０００３】
回転子の回転角度検出の精度を向上させるためには、突極性の向上が求められ、様々な工夫がなされている。従来の永久磁石型回転電機では、回転子の外表面に、回転子のＮ極とＳ極とを区分する極間から、回転子の正回転方向と逆回転方向に例えば電気角８０〜１００°の角度区間に渡って、導電性の非磁性体層を形成している。（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
また、他の従来の永久磁石型回転電機では、センサレス駆動が目的ではないが、永久磁石からの漏洩磁界を低減し、突極性を向上させるために、永久磁石の一端または両端に非磁性電気導体を設けている。そして、永久磁石に発生する渦電流を抑制するために、永久磁石の周囲に接して非磁性電気導体を設けている。（例えば、特許文献２参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−５６１９３号公報（第３頁、図２）
【特許文献２】特開２００５−１１７８５８号公報（第４−８頁、図２、図４、図８、図９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような永久磁石型回転電機にあっては、非磁性体層が回転子の外表面に設けられているため、得られる突極性は不充分であるという問題点があった。
【０００７】
また、非磁性電気導体を永久磁石に接して設けた場合においても、永久磁石端部の近傍を通過する磁束に対してのみ有効であり、効果が限定的であった。このため、突極性が不充分であった。
【０００８】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、突極性を向上させることにより、回転子の回転角度の検出精度を向上させた永久磁石型回転電機の回転子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】
【０００９】
この発明に係る永久磁石型回転電機の回転子は、回転子鉄心に配置された複数の永久磁石をそれぞれ取り囲む導通回路を備え、回転子の周方向におけるこの導通回路の内側の幅を、永久磁石の周方向の幅よりも大きく、かつ、周方向に連続する永久磁石のうち所定の永久磁石に注目するとき、所定の永久磁石の両側で隣り合う他の永久磁石の、この所定の永久磁石と対向する端面同士の間隔以下に設定するとともに、一の前記導通回路によって囲まれる空間の一部が、隣り合う他の前記導通回路によって囲まれる空間の一部と径方向で互いに対向するように、前記導通回路が配置されたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、回転子の周方向における導通回路の内側の幅を、永久磁石の周方向の幅よりも大きく、かつ、この永久磁石と隣り合う両側の他の永久磁石の、この永久磁石に対向する端面同士の間隔以下にするとともに、一の前記導通回路によって囲まれる空間の一部が、隣り合う他の前記導通回路によって囲まれる空間の一部と径方向で互いに対向するように、前記導通回路が配置されたしたことにより、導通回路に鎖交する磁束を大きくすることができ、突極性が向上する。これにより、回転子の回転角度の検出精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１における永久磁石型回転電機を示す平面図である。
【図２】この発明の実施の形態１における回転子を示す斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態１における回転子を示す平面図である。
【図４】この発明の実施の形態１における導通回路を示す斜視図である。
【図５】この発明の実施の形態１における連続する３つの永久磁石および導通回路だけを取り出して示す平面図である。
【図６】この発明の実施の形態１における固定子巻線に印加された高周波電流のリサージュ波形を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１における永久磁石型回転電機の突極性の目安と駆動電流との関係を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態２における回転子を示す斜視図である。
【図９】この発明の実施の形態２における回転子を示す平面図である。
【図１０】この発明の実施の形態２における連続する３つの永久磁石および導通回路だけを取り出して示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における永久磁石型回転電機１を示す平面図である。まず、この発明の実施の形態１における永久磁石型回転電機１の構成の概略を説明する。図１において、永久磁石型回転電機１は固定子２０を備え、この固定子２０との間に所定の間隙をもって回転子３０ａが固定子２０の内周側に回転自在に設けられた構成となっている。
【００１３】
次に、固定子２０の構成について説明する。図１において、固定子２０は、固定子鉄心２１を備えている。この固定子鉄心２１は、環状のヨーク部２２と、このヨーク部２２の径方向内側に等間隔に突き出たティース部２３、ティース部２３同士の間の溝であるスロット２４を備えている。ティース部２３には固定子巻線２５が巻回されている。図１では、一例として、スロット２４を１２個設けた場合を示しているが、これに限られることはない。
【００１４】
次に、回転子３０ａの構成について説明する。図２はこの発明の実施の形態１における回転子３０ａを示す斜視図であり、図３はこの発明の実施の形態１における回転子３０ａを示す平面図である。図２、図３において、回転軸３１の外周側に回転子鉄心３２が取り付けられ、この回転子鉄心３２の外周表面に極性の異なる永久磁石３３が交互に周方向に関して等間隔に配置されている。そして、永久磁石３３を取り囲む導通回路３４がそれぞれ取り付けられている。図２、図３では、一例として、永久磁石３３を１０極設け、導通回路３４を全ての永久磁石３３に取り付けた場合を示しているが、これに限られることはない。
【００１５】
回転子鉄心３２の外周表面には、永久磁石３３の位置決め用突起部３５が設けられ、永久磁石３３は、この位置決め用突起部３５に挟まれて配置されている。このため、永久磁石３３の周方向の幅は、電気角１８０°よりも小さくなっている。
【００１６】
また、図１に示すように、永久磁石３３や導通回路３４を保護するために、例えばＳＵＳ製で円筒状の飛散防止部材３６を、この回転子３０ａの外周面を覆うように設けるが、図２、図３では省略している。
【００１７】
次に、導通回路３４の構成について説明する。図４はこの発明の実施の形態１における導通回路３４を示す斜視図であり、図５はこの発明の実施の形態１における連続する３つの永久磁石３３および導通回路３４だけを取り出して示す平面図である。図４、図５において、導通回路３４は、永久磁石３３の間に配置され回転軸３１の方向に延在する一対の第１導体４０を備え、これら一対の第１導体４０の端部同士が一対の第２導体４１によって電気的に接続されている。これら、第１導体４０と第２導体４１により構成される導通回路３４によって永久磁石３３が取り囲まれている。
【００１８】
第１導体４０と第２導体４１は、例えば銅、アルミニウム、真鍮などの導体により形成され、表面は皮膜で覆われるなどの絶縁処理が施されていることが好ましい。図４では、角状の断面形状をした導体を用いた例を示しているが、これに限られることはなく、円状でも楕円状でも他の形状でもよい。
【００１９】
図５において、一対の第１導体４０の内側４５同士の間隔Ａは、電気角１８０°より大きく構成されている。永久磁石３３の周方向の幅Ｂは電気角１８０°よりも小さくなっているので、一対の第１導体４０の内側４５同士の間隔Ａは、永久磁石３３の周方向の幅Ｂよりも大きくなっている。このため、第１導体４０の内側４５は永久磁石３３に接していない。さらに、一対の第１導体４０の内側４５同士の間隔Ａは、周方向に連続する３つの永久磁石３３のうち中央に位置する永久磁石３３に注目するとき、この中央に位置する永久磁石３３の両側で隣り合う永久磁石３３の、中央に位置する永久磁石３３と対向する端面４６同士の間隔Ｃ以下に設定される。
【００２０】
以上のように、一対の第１導体４０の内側４５同士の間隔Ａを設定することにより、導通回路３４によって囲まれる空間４７の一部４８が、隣り合う他の導通回路３４によって囲まれる空間４７の一部４８と径方向で互いに重なり合う構成となっている。
【００２１】
導通回路３４の形成方法としては、例えば、１本の銅線を巻き付けた後、銅線の端部同士を接合する方法や、パイプ状の銅管を拡管成形する方法などがある。これらの方法では、歩留りが高く、容易に導通回路３４を形成することができる。また、パイプ状の銅管を拡管成形する方法では、端部の接合なしで導通回路３４を形成できる。
【００２２】
次に、導通回路３４の配置について説明する。図３において、上述のように導通回路３４は、導通回路３４によって囲まれる空間４７の一部４８が、隣り合う他の導通回路３４によって囲まれる空間４７の一部４８と径方向で互いに重なり合うようにしてそれぞれの永久磁石３３の周囲に配置される。隣り合う導通回路３４において、導通回路３４によって囲まれる空間４７の一部４８同士が互いに重なり合うために、回転子鉄心３２と接して配置される導通回路３４と、この導通回路３４よりも回転軸３１の中心５０との距離が大きい導通回路３４とが、周方向に関して交互に配置されている。即ち、径方向内側に位置する導通回路３４と径方向外側に位置する導通回路３４とが、周方向に関して交互に配置されている。
【００２３】
次に、永久磁石型回転電機１の回転子３０ａの回転角度の検出動作について説明する。上述のように、回転子３０ａの回転角度の検出には、突極性、即ち、回転子３０ａの回転角度による固定子巻線２５のインピーダンスの差異を利用している。
【００２４】
固定子巻線２５に、永久磁石型回転電機１の駆動電流よりも高い周波数の高周波電流を印加し、交流磁束を発生させる。交流磁束が導通回路３４に鎖交すると、導通回路３４に誘導電流が流れる。この誘導電流によって発生する磁束により、高周波電流によって発生する磁束が打ち消され、固定子巻線２５のインピーダンスが小さくなる。
【００２５】
例えば、図３における、磁極方向と同じ向きであるｄ軸５１で交流磁束の振幅が最大になる場合は、導通回路３４に鎖交する磁束量は最大となり、固定子巻線２５のインピーダンス変化は最大となる。また、磁極方向と直交する向きであるｑ軸５２で交流磁束の振幅が最大になる場合は、導通回路３４に鎖交する磁束は互いに打ち消し合うため、誘導電流は流れず、固定子巻線２５のインピーダンスは変化しない。
【００２６】
このように、固定子巻線２５のインピーダンスの変化量は回転子３０ａの回転角度によって異なる。よって、固定子巻線２５に流れる電流を検出することにより、回転子３０ａの回転角度を検出することができる。
【００２７】
印加する高周波電流の周波数としては、駆動電流の周波数の２倍以上が必要であるが、検出精度を上げるためには、より高い周波数の電流を印加することが好ましく、駆動電流の１０〜１５倍以上の周波数を用いることが好ましい。例えば、駆動電流が１２５Ｈｚ以下であるような回転電機の場合は、１ｋＨｚ以上、より好ましくは３ｋＨｚ以上の周波数が用いられる。
【００２８】
この発明の実施の形態１では、導通回路３４の一対の第１導体４０の内側４５同士の間隔Ａが、永久磁石３３の周方向の幅Ｂよりも大きくなっているため、導通回路３４を永久磁石３３に接して配置した場合と比べて、導通回路３４に鎖交する磁束量が多くなる。このため、導通回路３４に流れる誘導電流が大きくなり、固定子巻線２５のインピーダンス変化が大きくなる、つまり、突極性が向上するという効果が得られる。
【００２９】
さらに、一対の第１導体４０の内側４５同士の間隔を電気角１８０°より大きくすることにより、導通回路３４によって囲まれる空間４７の一部４８が、隣り合う他の導通回路３４によって囲まれる空間４７の一部４８と径方向で互いに重なり合うようにしたことによる効果について説明する。
【００３０】
図６はこの発明の実施の形態１における固定子巻線２５に印加された高周波電流のリサージュ波形を示す図である。横軸はｄ軸電流、縦軸はｑ軸電流を示している。回転子３０ａの回転角度によって固定子巻線２５のインピーダンスが変化するため、ｄ軸電流とｑ軸電流に差異が生じ、リサージュ波形は楕円形状となる。突極性が高いほど、ｄ軸電流が大きく、即ち、リサージュ波形の長軸が長くなる。
【００３１】
図６において実線で示した駆動電流を流さない無負荷時のリサージュ波形５５は、長軸が横軸、短軸が縦軸に一致する楕円となる。図６において破線で示した駆動電流を大きくした高負荷時は、固定子鉄心２１の磁気飽和の影響により、リサージュ波形５６の軸が傾き、さらに、無負荷時のリサージュ波形５５よりも長軸が短くなる。これは、駆動電流を大きくしたときに突極性が低下することを示している。
【００３２】
図７はこの発明の実施の形態１における永久磁石型回転電機１の突極性の目安と駆動電流との関係を解析によって求めた図である。図７において、横軸は駆動電流の大きさを、縦軸は突極性の目安の大きさを示す。ただし、横軸の駆動電流の大きさは定格負荷時を１００％とし、縦軸の突極性の目安の大きさは駆動電流を流さない無負荷時の値で規格化している。ここで、突極性の目安とは、ｄ軸電流とｑ軸電流の比を示している。
【００３３】
図７において、この発明の実施の形態１における回転子３０ａを用いた場合、即ち、一対の第１導体４０の内側４５同士の間隔Ａを電気角１８０°より大きくすることにより、導通回路３４によって囲まれる空間４７の一部４８が、隣り合う他の導通回路３４によって囲まれる空間４７の一部４８と径方向で互いに重なり合うようにした場合の永久磁石型回転電機１の突極性の目安と駆動電流との関係６０を実線で示す。そして、導通回路３４を永久磁石３３に接して配置した場合、即ち、一対の第１導体４０の内側４５同士の間隔Ａと永久磁石３３の周方向の幅Ｂが等しい場合の従来の永久磁石型回転電機の突極性の目安と駆動電流との関係６１を破線で示す。
【００３４】
図７を見て分かるように、この発明の実施の形態１における回転子３０ａを用いた場合と、導通回路３４を永久磁石３３に接して配置した場合と、ともに駆動電流が大きくなるに従って突極性の目安は小さくなっている。しかし、この発明の実施の形態１における回転子３０ａを用いた場合は突極性の目安の低下が従来のものより抑えられている。つまり、駆動電流を大きくしたときの突極性の低下を抑える効果がある。
【００３５】
この発明の実施の形態１では、以上のように、導通回路３４の一対の第１導体４０の内側４５同士の間隔Ａを、永久磁石３３の周方向の幅Ｂよりも大きくしたことにより、突極性が向上するという効果が得られる。さらに、一対の第１導体４０の内側４５同士の間隔Ａを電気角１８０°より大きくすることにより、導通回路３４によって囲まれる空間４７の一部４８が、隣り合う他の導通回路３４によって囲まれる空間４７の一部４８と径方向で互いに重なり合うようにしたことによって、駆動電流を大きくしたときの突極性の低下を抑える効果がある。これにより、回転子３０ａの回転角度の検出精度が向上するという効果がある。
【００３６】
また、突極性が向上したため、固定子巻線２５に印加する高周波電流の振幅を小さくしても回転子３０ａの回転角度を検出できる。この高周波電流は、回転電機の振動や騒音の原因となるため、高周波電流の振幅を小さくすることにより、振動、騒音を小さく抑えることができる。
【００３７】
尚、この発明の実施の形態１では、導通回路３４は１回巻き付けただけの構成を示した。しかし、これに限られることはなく、複数ターン巻回し、両端を接合して形成してもよい。これにより、導通回路３４に流れる誘導電流が大きくなるため、突極性がさらに向上する効果が得られる。突極性がさらに向上することにより、回転子３０ａの回転角度の検出精度がさらに向上する。また、印加する高周波電流の振幅をさらに小さくしても回転角度を検出できるようになるため、振動、騒音をさらに低減できる。
【００３８】
さらに、この発明の実施の形態１では、径方向内側に位置する導通回路３４を回転子鉄心３２と接して配置した。しかし、導通回路３４と回転子鉄心３２が接している必要はなく、導通回路３４と回転子鉄心３２との間に間隔があいていてもよい。
【００３９】
加えて、この発明の実施の形態１では、径方向内側に位置する導通回路３４によって囲まれる空間４７の一部４８と径方向外側に位置する導通回路３４によって囲まれる空間４７の一部４８とが互いに重なり合うように配置した。しかし、重なり合っている必要はなく、間隔をあけて互いに対向している構成でもよい。
【００４０】
また、この発明の実施の形態１では、表面配置型永久磁石回転子の例により説明した。しかし、埋め込み型永久磁石回転子に同様の導通回路３４を用いても、突極性を向上させる効果が得られる。この場合は、回転子鉄心３１に形成された永久磁石３３の埋め込み孔に導通回路３４を挿入する、あるいは、回転子鉄心３１の外表面に導通回路３４を配置する方法がある。両者では、回転子鉄心３１の外表面に導通回路３４を配置する場合の方が、より突極性を向上させることができる。
【００４１】
実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２における回転子３０ｂを示す斜視図であり、図９はこの発明の実施の形態２における回転子３０ｂを示す平面図である。また、図１０はこの発明の実施の形態２における連続する３つの永久磁石３３および導通回路３４だけを取り出して示す平面図である。尚、図１０において、紙面の表方向が回転子３０ｂの外側、紙面の裏方向が回転子３０ｂの内側である。図８において図２と、図９において図３と、図１０において図５と同じ符号を付けたものは、同一または相当の構成を示しており、その説明を省略する。この発明の実施の形態１とは、導通回路３４の配置の仕方を変えた点が相違している。
【００４２】
即ち、この発明の実施の形態２においては、一対の第１導体４０の一方６５と回転軸３１の中心５０との距離よりも、他方６６と回転軸３１の中心５０との距離の方が大きくなるように導通回路３４が構成されている。つまり、一対の第１導体４０の一方６５が径方向内側、他方６６が径方向外側となっている。このようにして、導通回路３４によって囲まれる空間４７の一部４８が、隣り合う他の導通回路３４によって囲まれる空間４７の一部４８と径方向で互いに重なり合う構成となっている。
【００４３】
この実施の形態２では、以上のような構成としたことにより、全ての導通回路３４が同じ関係で配置されるので、導通回路３４に発生する誘導電流が全ての導通回路３４において均一にできる。このため、固定子巻線２５のインピーダンス変化のばらつきを低減できる効果がある。
【００４４】
また、導通回路３４同士が互いに端部を押さえ合っているため、導通回路３４が飛散しにくいという効果も得られる。
【００４５】
以上、この発明の実施の形態１および２について説明した。これらの、この発明の実施の形態１および２で説明した構成は互いに組合せることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１  永久磁石型回転電機
３０ａ、３０ｂ  回転子
３１  回転軸
３２  回転子鉄心
３３  永久磁石
３４  導通回路
４０  第１導体
４１  第２導体
４５  第１導体の内側
４６  永久磁石の端面
４７  導通回路によって囲まれる空間
４８  導通回路によって囲まれる空間の一部
５０  回転軸の中心
６５  一対の第１導体の一方
６６  一対の第１導体の他方
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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