(57)【要約】【課題】磁石トルクとリラクタンストルクの合計トルクのピーク値を大きくしてリラクタンストルクを更に有効に利用する。【解決手段】電動機は、相異なる磁極を交互に形成する永久磁石部１０ａ、１０ｂを有するロータ４と、電機子コイル６を有するステータ２とを備える。永久磁石部１０ａ、１０ｂの各々は複数の磁石１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂを有する。複数の磁石１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは、永久磁石部１０ａ、１０ｂが形成する磁極が進角側に移動するように、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ａ、１０ｂの各々の中心を通る直線に対して左右非対称な磁束分布を形成している。【選択図】図１
2014007853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相異なる磁極を交互に形成する永久磁石部を有するロータと、電機子コイルを有するステータとを備える電動機であって、
前記永久磁石部の各々は複数の磁石を有し、
前記複数の磁石は、前記永久磁石部が形成する前記磁極が進角側に移動するように、前記ロータの回転軸と前記永久磁石部の各々の中心を通る直線に対して左右非対称な磁束分布を形成していることを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記永久磁石部の各々の磁石軸が進角側に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
【請求項３】
前記複数の磁石には、磁束量が異なる磁石が含まれることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動機。
【請求項４】
前記複数の磁石には、ロータの半径方向に対する着磁方向が異なる磁石が含まれることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電動機。
【請求項５】
前記複数の磁石には、第１の磁石と、前記第１の磁石よりも遅角側に配置され、着磁方向がロータの半径方向外側に向かって進角側に傾斜した第２の磁石とを含むことを特徴とする請求項４に記載の電動機。
【請求項６】
前記複数の磁石には、ロータの半径方向に対する配置角度が異なる磁石が含まれることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電動機。
【請求項７】
前記複数の磁石には、前記電動機の運転条件に応じて、磁束量、前記電機子コイルに生じる誘起電圧、透磁率及び前記電機子コイルから見たインダクタンスを含む電動機定数のうち少なくともいずれか１つが変更される可変磁石が含まれ、
前記可変磁石は、前記ステータに対して一方の磁極を向けた前記永久磁石部と前記ステータに対して他方の磁極を向けた前記永久磁石部とで異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石を備える電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石を用いた同期モータ（永久磁石同期モータ）は、ロータ内部で２次銅損が発生する誘導モータに比べて、励磁損失もなく、トルク／電流、効率の面で優れている。永久磁石同期モータのうち、永久磁石がロータ内部に埋め込まれている埋込永久磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ）は、ステータ巻線が作る磁束が通る磁路の磁気抵抗の違いから、ｑ軸インダクタンス（Ｌｑ）がｄ軸インダクタンス（Ｌｄ）よりも大きくなる突極性を示す。埋込永久磁石同期モータは、この突極性によってリラクタンストルクを発生するため、磁石トルクに加えてリラクタンスも併用することにより、高トルク化が可能であることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】武田洋次、外３名、「埋込磁石同期モータの設計と制御」、株式会社オーム社、平成２３年１２月５日、第１版第１２刷発行、p. ２−８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ロータの回転軸に垂直な断面において、永久磁石が、ロータの回転軸と永久磁石の中心を通る直線に対して左右対称な磁束分布を形成している場合、リラクタンストルクの正のピークは、磁石トルクの正のピークから電気角で４５度進角側へずれる。よって、磁石トルクとリラクタンストルクの合計トルクのピーク値は、磁石トルクのピーク値とリラクタンストルクのピーク値とを合算した値よりも小さくなる。磁石トルクの正のピークが発生する電気角をリラクタンストルクの正のピークが発生する電気角に近づけることができれば、磁石トルクとリラクタンストルクの合計トルクのピーク値が大きくなるので、リラクタンストルクを更に有効に利用することができる。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、磁石トルクとリラクタンストルクの合計トルクのピーク値を大きくしてリラクタンストルクを更に有効に利用することが可能な電動機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の実施態様は、相異なる磁極を交互に形成する永久磁石部を有するロータと、電機子コイルを有するステータとを備える電動機である。永久磁石部の各々は複数の磁石を有する。複数の磁石は、永久磁石部が形成する磁極が進角側に移動するように、ロータの回転軸と永久磁石部の各々の中心を通る直線に対して左右非対称な磁束分布を形成している。
【発明の効果】
【０００７】
上記した電動機によれば、磁石トルクのピークが進角側に移動するため、磁石トルクのピークが発生する電気角をリラクタンストルクのピークが発生する電気角に近づけることができる。よって、磁石トルクとリラクタンストルクの合計トルクのピーク値を大きくしてリラクタンストルクを有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係わる電動機の１極分の構造を示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示した電動機における磁石トルクＴｍ２、リラクタンストルクＴｒ、及び磁石トルクＴｍ２とリラクタンストルクＴｒの合計トルクＴｔ２と、比較例に係わる磁石トルクＴｍ１、及び磁石トルクＴｍ１とリラクタンストルクＴｒの合計トルクＴｔ１とを示すグラフである。
【図３】図３は、図１の電動機の鎖交磁束を駆動周波数の次数毎に分離した磁石磁束Φａを示すグラフである。
【図４】図４は、図１に示した電動機を制御する制御装置の一例を示すブロック図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、それぞれ、本発明の第２の実施形態に係わる電動機の１極分の構造を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、それぞれ、本発明の第３の実施形態に係わる電動機の１極分の構造を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の第４の実施形態に係わる電動機の１極分の構造を示す断面図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は、それぞれ、本発明の第５の実施形態に係わる電動機の１極分の構造を示す断面図である。
【図９】図９（ａ）及び図９（ｂ）は、それぞれ、本発明の第６の実施形態に係わり、複数の磁石の配置が永久磁石部１０ａと永久磁石部１０ｂとの間で異なる電動機の１極分の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付している。
【００１０】
（第１の実施形態）
先ず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態に係わる電動機の構成を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係わる電動機の１極分の構造を示した部分断面図である。図１に示す電動機は、ロータ４の内部に永久磁石部１０ａ、１０ｂが埋め込まれた所謂、埋込永久磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ）と呼ばれる電動機である。
【００１１】
図１に示す電動機は、外周ケースに固定されたステータ２と、ステータ２の内周側にエアギャップを介して配置され、ロータシャフト３に固定されたロータ４とを備える。ステータ２は、例えば電磁鋼板を積層して形成されたステータコアを有する。電動機は、このステータコアの周方向に等間隔に設けられたスロット５に電機子コイル６が巻き込まれた構造を有する。
【００１２】
一方、ロータ４は、例えばロータシャフト３の軸周りに電磁鋼板を積層することで形成されたロータコア７を有し、ロータコア７の周方向に等間隔に、相異なる磁極を交互に形成する永久磁石部１０ａ、１０ｂが配置された構造を有する。永久磁石部１０ａ、１０ｂは、ステータ２に対してＮ極（一方の磁極）を向けた永久磁石部１０ａと、ステータ２に対してＳ極（他方の磁極）を向けた永久磁石部１０ｂが周方向に交互に配列された構成を有する。図１には、永久磁石部１０ａ、１０ｂの１周期分のみを示している。電機子コイル６に対してロータ４の極対数に対応した駆動周波数の交流を通電することで発生する回転磁界と、ロータ４の永久磁石部１０ａ、１０ｂによって発生する磁石磁界との相互作用により、ロータ４及びロータシャフト３が回転する。
【００１３】
永久磁石部１０ａは磁石１１ａ及び磁石１２ａを有し、永久磁石部１０ｂは磁石１１ｂ及び磁石１２ｂを有する。磁石１１ａ及び磁石１２ａは、永久磁石部１０ａが形成する磁極が進角側に移動するように、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ａの中心を通る直線に対して左右非対称な磁束分布を形成している。同様に、磁石１１ｂ及び磁石１２ｂは、永久磁石部１０ｂが形成する磁極が進角側に移動するように、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ｂの中心を通る直線に対して左右非対称な磁束分布を形成している。なお、図１におけるロータ４の回転方向は左回りである。
【００１４】
具体的には、永久磁石部１０ａ、１０ｂは、それぞれ、比較的保磁力が大きい磁石（以下、高保磁力磁石１１ａ、１１ｂという。）と、比較的保磁力が小さい磁石（以下、低保磁力磁石１２ａ、１２ｂという。）とを有する。高保磁力磁石１１ａ、１１ｂの磁束は、低保磁力磁石１２ａ、１２ｂの磁束よりも大きい。高保磁力磁石１１ａと低保磁力磁石１２ａは、ほぼ同じ断面形状を有し、ステータ２に対してＮ極を向けて、且つロータ４の半径方向外側の面が互いに向き合う方向に傾斜して配置されている。高保磁力磁石１１ａと低保磁力磁石１２ａは、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ａの中心とを通る直線に対して左右対称に配置されている。
【００１５】
同様に、高保磁力磁石１１ｂと低保磁力磁石１２ｂは、ほぼ同じ断面形状を有し、ステータ２に対してＳ極を向けて、且つロータ４の半径方向外側の面が互いに向き合う方向に傾斜して配置されている。高保磁力磁石１１ｂと低保磁力磁石１２ｂは、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ｂの中心とを通る直線に対して左右対称に配置されている。
【００１６】
高保磁力磁石１１ａと低保磁力磁石１２ａは磁束量が異なるため、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ａの中心を通る直線に対して左右非対称な磁束分布を形成している。更に、高保磁力磁石１１ａと低保磁力磁石１２ａはロータ４の半径方向に対する配置角度が異なり、且つ、高保磁力磁石１１ａの磁束が低保磁力磁石１２ａの磁束よりも大きいため、永久磁石部１０ａの磁石軸（ｄ軸）が進角側に傾斜している。同様に、高保磁力磁石１１ｂと低保磁力磁石１２ｂは磁束量が異なるため、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ｂの中心とを通る直線に対して左右非対称な磁束分布を形成している。更に、高保磁力磁石１１ｂと低保磁力磁石１２ｂはロータ４の回転方向に対する配置角度が異なり、且つ、高保磁力磁石１１ｂの磁束が低保磁力磁石１２ｂの磁束よりも大きいため、永久磁石部１０ｂの磁石軸（ｄ軸）が進角側に傾斜している。
【００１７】
図１には、高保磁力磁石１１ａと低保磁力磁石１２ａの磁束量及び高保磁力磁石１１ｂと低保磁力磁石１２ｂが磁束量がそれぞれ等しい場合のｄ軸ＤＡ１及びｑ軸ＤＱ１と、高保磁力磁石１１ａの磁束が低保磁力磁石１２ａの磁束よりも大きく、高保磁力磁石１１ｂの磁束が低保磁力磁石１２ｂの磁束よりも大きい場合のｄ軸ＤＡ２及びｑ軸ＤＱ２とを示す。図１に示すように高保磁力磁石１１ａ、１１ｂと低保磁力磁石１２ａ、１２ｂをＶ字状に配置した場合、遅角側に配置された高保磁力磁石１１ａ、１１ｂの磁束を進角側に配置された低保磁力磁石１２ａ、１２ｂの磁束よりも大きくすることにより、ｄ軸及びｑ軸を進角側に傾斜させることができる。このため、永久磁石部１０ａ、１０ｂが形成する磁極を進角側に移動させることができる。
【００１８】
なお、高保磁力磁石１１ａ、１１ｂとしては、例えばＮｄＦｅＢ磁石などを用いることができる。また、低保磁力磁石１２ａ、１２ｂとしては、起磁力が高く、保磁力の比較的小さい磁石、例えばサマリウムコバルト磁石（ＳｍＣｏ）或いはアルニコ磁石（Ａｌｎｉｃｏ）や、保磁力を高めるためのＤｙなどの元素を添加しないネオジウム磁石などを用いることができる。
【００１９】
図２のグラフは、図１に示した電動機における磁石トルクＴｍ２、リラクタンストルクＴｒ、及び磁石トルクＴｍ２とリラクタンストルクＴｒの合計トルクＴｔ２と、比較例に係わる磁石トルクＴｍ１、及び磁石トルクＴｍ１とリラクタンストルクＴｒの合計トルクＴｔ１とを示す。図２の横軸はｄ軸を０度とする電気角を示す。
【００２０】
比較例は、図１の電動機において高保磁力磁石１１ａと低保磁力磁石１２ａとの磁束量、及び高保磁力磁石１１ｂと低保磁力磁石１２ｂとの磁束量がそれぞれ等しい場合を示す。比較例では、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ａ、１０ｂの各々の中心とを通る直線に対して左右対称な磁束分布を形成する。よって、ｄ軸及びｑ軸は進角側に傾斜せず、永久磁石部１０ａ、１０ｂが形成する磁極は進角側に移動しない。したがって、比較例に係わる磁石トルクＴｍ１は、電気角が０度において正のピーク値をとる。
【００２１】
これに対して、図１の電動機の場合、永久磁石部１０ａ、１０ｂが形成する磁極が進角側に移動するため、磁石トルクＴｍ２は、０度よりも進角側において正のピーク値をとる。図２の例では、０度よりも進角側に４５度だけ移動した角度において正のピーク値をとる。
【００２２】
また、図１の電動機と比較例との間で、磁石１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの配置位置に変化は無いため、ｄ軸インダクタンス及びｑ軸インダクタンスに変化は無い。よって、リラクタンストルクＴｒも、図１の電動機と比較例との間で変化はない。
【００２３】
したがって、図１の電動機によれば、磁石トルクＴｍ２の正のピークが発生する電気角をリラクタンストルクＴｒの正のピークが発生する電気角（４５度）に近づけることができる。このため、比較例に係わる合計トルクＴｔ１のピーク値に比べて、図１の電動機に係わる合計トルクＴｔ２のピーク値が大きくなるので、リラクタンストルクＴｒを更に有効に利用することができる。
【００２４】
図３は、ロータ４の鎖交磁束を駆動周波数の次数毎に分離した磁石磁束Φａを示すグラフである。縦軸は、基本波成分で正規化した磁石磁束Φａを示す。低保磁力磁石１２ａ、１２ｂは、電動機の運転条件に応じて、磁束量が変更される可変磁石として機能する。具体的には、駆動周波数の基本波成分に対して駆動周波数の高調波成分を重畳した複合電流を電機子コイル６に通電し、低保磁力磁石１２ａ、１２ｂの着磁状態を複合電流の高調波成分によって制御することで、低保磁力磁石１２ａ、１２ｂの磁束を制御する。このように、図１に示す電動機は、低保磁力磁石１２ａ、１２ｂの着磁状態を制御することによる磁束の可変機構を有する。
【００２５】
図３には、低保磁力磁石１２ａ、１２ｂを高保磁力磁石１１ａ、１１ｂと同じ方向に着磁した場合と、低保磁力磁石１２ａ、１２ｂを高保磁力磁石１１ａ、１１ｂとは逆の方向に着磁した場合の駆動周波数の次数毎の磁石磁束Φａを示す。高保磁力磁石１１ａ、１１ｂの着磁方向を正の方向とした場合、前述した電動機の可変機構により低保磁力磁石１２ａ、１２ｂの磁束量を減少させることにより、各高調波成分も減少していることが分かる。よって、磁石磁束Φａの高調波成分の減少から、一意に電動機の可変機構による低保磁力磁石１２ａ、１２ｂの着磁状態を求めることができる。
【００２６】
次に、図４を参照して、上記した第１の実施形態に係わる電動機を制御する制御装置の構成を説明する。電動機１００はインバータ１０１を介して直流電源１０２に接続されている。制御装置は、図１の電動機１００を、駆動周波数の基本波及びｎ（ｎは２以上の自然数である）次高調波を用いて制御する。
【００２７】
制御装置は、インバータ１０１に対してＵ，Ｖ，Ｗ各相の電圧指令値を与えてインバータ１０１の各相アームのスイッチング動作を制御することで、電動機１００の各相の電機子コイル６に極対数に対応した駆動周波数の交流を通電し、電動機１００の動作を制御する。電流センサ１０３は、電機子コイル６へ通電する電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出する。ポジションセンサ１０４は、ロータ４の位置としての回転角θを検出する。ポジションセンサ１０４は、ロータ４の回転角θを微分してロータ４の電気角速度ωを算出する。電流センサ１０３による検出値は、後述する第１制御ブロック３０及び第２制御ブロック４０にフィードバックされる。また、ポジションセンサ１０４による演算値は、第１制御ブロック３０へフィードバックされる。
【００２８】
制御装置は、電動機１００の駆動周波数の基本波に対応した電流制御用の第１制御ブロック３０と、ロータ４が備える低保磁力磁石１２ａ、１２ｂの着磁状態を制御するための高調波成分に対応した電流制御用の第２制御ブロック４０と、加算器５０とを備える。
【００２９】
第１制御ブロック３０では、電動機１００に対する要求トルクに応じた基本波制御用の電流指令ｉｄ＊及び電流指令ｉｑ＊とフィードバック信号との差分を電流制御器３１に入力する。電流制御器３１は、電機子コイル６へ印加する電圧指令を生成する。電流制御器３１により生成された電圧指令は、非干渉制御部３４により生成された電圧指令と合算されて、電圧指令ｖｄ、ｖｑとなる。そして、電流ベクトル制御部３２ａは、電圧指令ｖｄ、ｖｑを、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相分の電圧指令ｖｕ、ｖｖ、ｖｗに座標変換し、基本波に対応した電圧指令として出力する。電流ベクトル制御部３２ｂは、電流センサ１０３の検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの基本波をｄｑ座標系に変換する。ローパスフィルタ３３は、ｄｑ座標系に変換された基本波の検出値ｉｄ、ｉｑから、高調波成分（ノイズ成分）を除去して、前述したフィードバック信号を生成する。
【００３０】
一方、第２制御ブロック４０では、電動機１００の運転状態（回転数）に応じたｎ次の高調波成分制御用の電流指令ｉｄ＿ｎ＊及び電流指令ｉｑ＿ｎ＊とフィードバック信号との差分を電流制御器４１に入力する。電流制御器４１は、電機子コイル６へ印加する電圧指令ｖｄ＿ｎ、ｖｑ＿ｎを生成する。そして、電流ベクトル制御部４２ａは、電流制御器４１にて生成された電圧指令ｖｄ＿ｎ、ｖｑ＿ｎを、Ｕ、Ｖ、Ｗ各相分の電圧指令ｖｕ＿ｎ、ｖｖ＿ｎ、ｖｗ＿ｎに座標変換し、ｎ次高調波成分に対応した電圧指令として出力する。電流ベクトル制御部４２ｂは、電流センサ１０３の検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗのｎ次高調波をｄｑ座標系の検出値ｉｄ＿ｎ、ｉｑ＿ｎに変換する。ローパスフィルタ４３は、ｄｑ座標系に変換されたｎ次高調波の検出値ｉｄ＿ｎ、ｉｑ＿ｎから基本波成分及びその他の次数の周波数成分（ノイズ成分）を除去して、前述したフィードバック信号を生成する。
【００３１】
ここで、「ｎ」は２以上の自然数である。また、第１の実施形態では、駆動周波数のｎ次高調波成分の制御ブロックとして、１つの制御ブロック（第２制御ブロック４０）のみを示すが、制御装置は、次数（ｎ）が異なる２つ以上の高調波成分の制御ブロック（第３制御ブロック、第４制御ブロック、・・・）を備えていても構わない。
【００３２】
図示は省略するが、電動機の制御装置は、電動機１００の基本波から永久磁石部１０ａ、１０ｂによる磁石磁束の基本波成分Φａ＿１ｓｔを演算する基本波磁束演算部と、電動機１００のｎ次高調波から磁石磁束のｎ次高調波成分Φａ＿ｎｓｔを演算するｎ次高調波磁束演算部とを備える。
【００３３】
「電動機１００の基本波」には、電機子コイル６に流れる電流、電機子コイル６に対して印加される電圧、電機子コイル６から見たインダクタンス、電動機１００に発生するトルク、及びロータ４の位置の基本波が含まれる。「電機子コイル６に流れる電流の基本波」には、電流ベクトル制御部３２ｂによりｄｑ座標系に変換された基本波の検出値ｉｄ、ｉｑが含まれる。「電機子コイル６に対して印加される電圧の基本波」には、電流制御器３１にて生成された電圧指令ｖｄ、ｖｑが含まれる。電機子コイル６から見たインダクタンス、電動機１００に発生するトルク、及びロータ４の位置の基本波は、電機子コイル６に流れる電流の基本波及び電機子コイル６に対して印加される電圧の基本波から、既知の演算手法により算出することができる。或いは、ロータ４の位置の基本波は、ポジションセンサ１０４により検出されたロータ４の回転角θから求めることも可能である。
【００３４】
基本波磁束演算部は、これらの電動機１００の基本波から、既知の演算手法により永久磁石部１０ａ、１０ｂの磁束の基本波成分Φａ＿１ｓｔを演算することができる。例えば（１）式に検出電流ｉｄ、ｉｑ、電圧指令ｖｄ、ｖｑを代入することにより、基本波成分Φａ＿１ｓｔを算出することができる。（１）式において、ｖｑはｑ軸の電圧を示し、Ｒ（ｔ）は電機子コイル６の抵抗、ｔは電機子コイル６の温度を示し、ｉｑはｑ軸の電流を示し、ωはロータ４の角速度を示し、Φａは磁石磁束を示し、Ｌｄは電機子コイル６から見たインダクタンスを示し、ｉｄはｄ軸の電流を示す。
【００３５】
【数１】
2014007853.tif 000003
【００３６】
「電動機１００のｎ次高調波」には、電機子コイル６に流れる電流、電機子コイル６に対して印加される電圧、電機子コイル６から見たインダクタンス、電動機１００に発生するトルク、及びロータ４の位置のｎ次高調波が含まれる。「電機子コイル６に流れる電流のｎ次高調波」には、電流ベクトル制御部４２ｂによりｄｑ座標系に変換されたｎ次高調波の検出値ｉｄ＿ｎ、ｉｑ＿ｎが含まれる。「電機子コイル６に対して印加される電圧のｎ次高調波」には、電流制御器４１にて生成された電圧指令ｖｄ＿ｎ、ｖｑ＿ｎが含まれる。電機子コイル６から見たインダクタンス、電動機１００に発生するトルク、及びロータ４の位置のｎ次高調波は、電機子コイル６に流れる電流のｎ次高調波及び電機子コイル６に対して印加される電圧のｎ次高調波から、既知の演算手法により算出することができる。或いは、ロータ４の位置のｎ次高調波は、ポジションセンサ１０４により検出されたロータ４の回転角θから求めることも可能である。
【００３７】
ｎ次高調波磁束演算部は、これらの電動機１００のｎ次高調波から、既知の演算手法により永久磁石部１０ａ、１０ｂの磁束のｎ次高調波成分Φａ＿ｎｓｔを演算することができる。例えば（１）式に電流検出値ｉｄ＿ｎ、ｉｑ＿ｎ、電圧指令ｖｄ＿ｎ、ｖｑ＿ｎを代入することにより、ｎ次高調波成分Φａ＿ｎｓｔを算出することができる。
【００３８】
このようにして、図４の電動機の制御装置は、図３に示したような磁石磁束Φａの基本波成分及びｎ次高調波成分を演算することができる。
【００３９】
第１の実施形態によれば、以下の作用効果が得られる。
【００４０】
相異なる磁極を交互に形成する永久磁石部１０ａ、１０ｂの各々が複数の磁石１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂを有する。そして、複数の磁石１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂが、永久磁石部１０ａ、１０ｂが形成する磁極が進角側に移動するように、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ａ、１０ｂの各々の中心を通る直線に対して左右非対称な磁束分布を形成している。これにより、永久磁石部１０ａ、１０ｂが形成する磁極が進角側に移動することにより、磁石トルクＴｍ２のピークも進角側に移動するため、磁石トルクＴｍ２のピークが発生する電気角をリラクタンストルクＴｒのピークが発生する電気角（４５度）に近づけることができる。よって、磁石トルクＴｍ２とリラクタンストルクＴｒの合計トルクＴｔ２のピーク値を大きくしてリラクタンストルクＴｒを更に有効に利用することが可能となる。
【００４１】
永久磁石部１０ａ、１０ｂの各々の磁石軸（ｄ軸ＤＡ２、ｑ軸ＤＱ２）を進角側に傾斜させることにより、永久磁石部１０ａ、１０ｂが形成する磁極が進角側に移動する。よって、磁石トルクＴｍ２のピークが発生する電気角も進角側に移動するため、磁石トルクＴｍ２のピークが発生する電気角をリラクタンストルクＴｒのピークが発生する電気角に近づけることができる。
【００４２】
複数の磁石に磁束量が異なる磁石１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂが含まれることにより、左右非対称な磁束分布を形成して、永久磁石部１０ａ、１０ｂが形成する磁極を進角側に移動させることができる。
【００４３】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、永久磁石部１０ａ、１０ｂの各々を構成する複数の磁石に、磁束量が異なる磁石１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂを含ませるその他の例を説明する。図１の電動機では、低保磁力磁石１２ａ、１２ｂと高保磁力磁石１１ａ、１１ｂとがＶ字状に配置されていたが、図５（ａ）及び図５（ｂ）の電動機では、低保磁力磁石１２ａ、１２ｂと高保磁力磁石１１ａ、１１ｂとが直線状に配置されている。また、ステータ２の構成は、図１と同じであるため、図示及び説明を省略する。図６〜図９についても同様である。
【００４４】
具体的には、高保磁力磁石１１ａと低保磁力磁石１２ａは、ほぼ同じ断面形状を有し、Ｓ極をロータ４の半径方向内側に向けて配置されている。高保磁力磁石１１ａと低保磁力磁石１２ａは、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ａの中心とを通る直線に対して左右対称に配置されている。高保磁力磁石１１ａ及び低保磁力磁石１２ａの着磁方向８１ａ、８２ａは、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ａの中心とを通る直線に対して平行である。
【００４５】
同様に、高保磁力磁石１１ｂと低保磁力磁石１２ｂは、ほぼ同じ断面形状を有し、Ｓ極をロータ４の半径方向外側に向けて配置されている。高保磁力磁石１１ｂと低保磁力磁石１２ｂは、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ｂの中心とを通る直線に対して左右対称に配置されている。高保磁力磁石１１ｂ及び低保磁力磁石１２ｂの着磁方向８１ｂ、８２ｂは、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ａの中心とを通る直線に対して平行である。
【００４６】
高保磁力磁石１１ａ、１１ｂと低保磁力磁石１２ａ、１２ｂをロータ４の回転方向に沿って配列した場合、遅角側に比較的磁束の小さい低保磁力磁石１２ａ、１２ｂを配置し、進角側に比較的磁束の大きい高保磁力磁石１１ａ、１１ｂを配置する。これにより、ｄ軸及びｑ軸を進角側に傾斜させることができる。このため、永久磁石部１０ａ、１０ｂが形成する磁極を進角側に移動させることができる。
【００４７】
図５（ａ）はロータ４内部に埋め込まれた永久磁石部１０ａ、１０ｂの両端部にフラックスバリア２１ａ、２１ｂが形成されている電動機の例を示し、図５（ｂ）は、永久磁石部１０ａと永久磁石部１０ｂの間のロータ４表面に、エアギャップ２２が形成されている電動機の例を示す。図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す電動機は、共に、電磁鋼板で形成されたロータコア７を有するため、リラクタンストルクを発生する。よって、これらの形式の電動機であっても、本発明を適用することにより、リラクタンストルクを更に有効に利用することができる。
【００４８】
（第３の実施形態）
第１及び第２の実施形態では、永久磁石部１０ａ、１０ｂを構成する複数の磁石についてその磁束量が異なることにより、ｄ軸及びｑ軸を傾斜させる例を説明した。第３の実施形態では、磁束量が異なるのみならず、複数の磁石の着磁方向をも異なる電動機について図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照して説明する。
【００４９】
図６（ａ）に示す電動機において、永久磁石部１０ａ、１０ｂは、それぞれ、高保磁力磁石１１ａ、１１ｂと、低保磁力磁石１２ａ、１２ｂとを有する。ロータ４内部に埋め込まれた永久磁石部１０ａ、１０ｂの両端部にフラックスバリア２１ａ、２１ｂが形成されている。
【００５０】
高保磁力磁石１１ａと低保磁力磁石１２ａは、ほぼ同じ断面形状を有し、直線状に配列されている。高保磁力磁石１１ａと低保磁力磁石１２ａは、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ａの中心とを通る直線に対して左右対称に配置されている。進角側に高保磁力磁石１１ａが配置され、遅角側に低保磁力磁石１２ａが配置されている。高保磁力磁石１１ａの着磁方向８１ａは、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ａの中心とを通る直線に対して平行であるが、低保磁力磁石１２ａの着磁方向８２ａは、その軸がロータ４の回転軸と永久磁石部１０ａの中心とを通る直線に対し、ロータ４の半径方向外側に向かって進角側に傾斜している。
【００５１】
一方、高保磁力磁石１１ｂと低保磁力磁石１２ｂは、ほぼ同じ断面形状を有し、直線状に配列されている。高保磁力磁石１１ｂと低保磁力磁石１２ｂは、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ｂの中心とを通る直線に対して左右対称に配置されている。進角側に高保磁力磁石１１ｂが配置され、遅角側に低保磁力磁石１２ｂが配置されている。高保磁力磁石１１ｂの着磁方向８１ｂは、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ｂの中心とを通る直線に対して平行であるが、低保磁力磁石１２ｂの着磁方向８２ｂは、その軸がロータ４の回転軸と永久磁石部１０ｂの中心とを通る直線に対し、ロータ４の半径方向外側に向かって進角側に傾斜している。
【００５２】
図６（ｂ）に示す電動機において、永久磁石部１０ａ、１０ｂは、それぞれ、高保磁力磁石１１ａ、１１ｂと、低保磁力磁石１２ａ、１２ｂとを有する。永久磁石部１０ａと永久磁石部１０ｂの間のロータ４表面に、エアギャップ２２が形成されている。
【００５３】
高保磁力磁石１１ａと低保磁力磁石１２ａは、ほぼ同じ断面形状を有し、直線状に配列されている。高保磁力磁石１１ａと低保磁力磁石１２ａは、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ａの中心とを通る直線に対して左右対称に配置されている。進角側に低保磁力磁石１２ａが配置され、遅角側に高保磁力磁石１１ａが配置されている。低保磁力磁石１２ａの着磁方向８２ａは、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ａの中心とを通る直線に対して平行であるが、高保磁力磁石１１ａの着磁方向８１ａは、その軸がロータ４の回転軸と永久磁石部１０ａの中心とを通る直線に対し、ロータ４の半径方向外側に向かって進角側に傾斜している。
【００５４】
一方、高保磁力磁石１１ｂと低保磁力磁石１２ｂは、ほぼ同じ断面形状を有し、直線状に配列されている。高保磁力磁石１１ｂと低保磁力磁石１２ｂは、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ｂの中心とを通る直線に対して左右対称に配置されている。進角側に低保磁力磁石１２ｂが配置され、遅角側に高保磁力磁石１１ｂが配置されている。低保磁力磁石１２ｂの着磁方向８２ｂは、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ｂの中心とを通る直線に対して平行であるが、高保磁力磁石１１ｂの着磁方向８１ｂは、その軸がロータ４の回転軸と永久磁石部１０ｂの中心とを通る直線に対し、ロータ４の半径方向外側に向かって進角側に傾斜している。
【００５５】
図６（ａ）及び図６（ｂ）の電動機によれば、ｄ軸及びｑ軸を進角側に傾斜させることができるので、永久磁石部１０ａ、１０ｂが形成する磁極を進角側に移動させることができる。よって、磁石トルクのピークが進角側に移動するため、磁石トルクのピークが発生する電気角をリラクタンストルクのピークが発生する電気角に近づけることができる。
【００５６】
以上説明したように、第３の実施形態によれば、永久磁石部１０ａ、１０ｂに着磁方向が異なる磁石１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂが含まれることにより、左右非対称な磁束分布を形成して、永久磁石部１０ａ、１０ｂが形成する磁極を進角側に移動させることができる。
【００５７】
また、図６（ａ）及び図６（ｂ）の電動機では、永久磁石部１０ａ、１０ｂに、進角側に配置された第１の磁石と、第１の磁石よりも遅角側に配置され、着磁方向の軸がロータ４の回転軸と永久磁石部１０ａ、１０ｂの中心とを通る直線に対し、ロータ４の半径方向外側に向かって進角側に傾斜した第２の磁石とを含んでいる。ここで、第１の磁石は、図６（ａ）の高保持力磁石１１ａ、１１ｂに相当し、図６（ｂ）の低保磁力磁石１２ａ、１２ｂに相当する。第２の磁石は、図６（ａ）の低保持力磁石１２ａ、１２ｂに相当し、図６（ｂ）の高保磁力磁石１１ａ、１１ｂに相当する。これにより、左右非対称な磁束分布を形成して、永久磁石部１０ａ、１０ｂが形成する磁極を進角側に移動させることができる。
【００５８】
（第４の実施形態）
第４の実施形態では、複数の磁石（１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ）の磁束量が異なるのみならず、ロータ４の半径方向に対する複数の磁石（１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ）の配置角度が異なる電動機について図７を参照して説明する。
【００５９】
図７に示す電動機において、永久磁石部１０ａ、１０ｂは、それぞれ、第１の高保磁力磁石１１ａ、１１ｂと、低保磁力磁石１２ａ、１２ｂと、第２の高保磁力磁石１３ａ、１３ｂと、を有する。第１の高保磁力磁石１１ａ、１１ｂ、及び低保磁力磁石１２ａ、１２ｂは、図１に示した高保磁力磁石１１ａ、１１ｂ、及び低保磁力磁石１２ａ、１２ｂと同じである。第１の高保磁力磁石１１ａと低保磁力磁石１２ａとは、ロータ４の半径方向に対する配置角度が異なる。同様に、第１の高保磁力磁石１１ｂと低保磁力磁石１２ｂとはロータ４の半径方向に対する配置角度が異なる。図７に示す電動機は、永久磁石部１０ａ、１０ｂを構成する複数の磁石として、更に、第２の高保磁力磁石１３ａ、１３ｂをそれぞれ有する。
【００６０】
第１の高保磁力磁石１１ａ、１１ｂの配置角度は、ロータ４の半径方向外側の面が進角側に傾斜し、低保磁力磁石１２ａ、１２ｂの配置角度はロータ４の半径方向外側の面が遅角側に傾斜している。更に、第２の高保磁力磁石１３ａ、１３ｂの配置角度はロータ４の半径方向に対して平行である。また、第２の高保磁力磁石１３ａ、１３ｂは、第１の高保磁力磁石１１ａ、１１ｂ、及び低保磁力磁石１２ａ、１２ｂよりもステータ２側に配置されている。第１の高保磁力磁石１１ａ、１１ｂの着磁方向８１ａ、８１ｂ及び低保磁力磁石１２ａ、１２ｂの着磁方向８２ａ、８２ｂは、ロータ４の半径方向に対して傾斜している。これに対して、第２の高保磁力磁石１３ａ、１３ｂの着磁方向８３ｂ、８３ｂは、ロータ４の半径方向に対して平行である。
【００６１】
このように、永久磁石部１０ａ、１０ｂを構成する複数の磁石は、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ａ、１０ｂの各々の中心とを通る直線に対して左右対称に配置されている。しかし、磁束量及びロータ４の半径方向に対する磁石の配置角度が異なるため、左右非対称な磁束分布を形成して、永久磁石部１０ａ、１０ｂの各々が形成する磁極を進角側に移動させることができる。
【００６２】
（第５の実施形態）
第５の実施形態では、磁束量、着磁方向、ロータ４の半径方向に対する複数の磁石の配置角度のうち２以上が異なる電動機のその他の例について説明する。図８（ａ）及び図８（ｂ）に示す電動機では、永久磁石部１０ａ、１０ｂを構成する複数の磁石（１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ）の磁束量、着磁方向、及びロータ４の半径方向に対する配置角度が異なる。
【００６３】
図８（ａ）に示す永久磁石部１０ａ、１０ｂは、それぞれ、第１の高保磁力磁石１１ａ、１１ｂと、第２の低保磁力磁石１４ａ、１４ｂと、第３の高保磁力磁石１５ａ、１５ｂと、を有する。
【００６４】
第１の高保磁力磁石１１ａ、１１ｂは、長手方向がロータ４の半径方向に直角に配置されている。これに対して、第２の低保磁力磁石１４ａ、１４ｂは、長手方向がロータ４の半径方向外側に向かって進角側に傾斜し、第３の高保磁力磁石１５ａ、１５ｂは、ロータ４の半径方向外側に向かって遅角側に傾斜している。また、いずれの磁石（１１ａ、１１ｂ、１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ）の着磁方向（８１ａ、８１ｂ、８４ａ、８４ｂ、８５ａ、８５ｂ）もその長手方向に対して直角である。
【００６５】
よって、図８（ａ）の永久磁石部１０ａ、１０ｂには、磁束量、着磁方向、及びロータ４の半径方向に対する配置角度が異なる磁石（１１ａ、１１ｂ、１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ）が含まれている。なお、第２の低保磁力磁石１４ａ、１４ｂ、及び第３の高保磁力磁石１５ａ、１５ｂは、図５（ａ）に示したフラックスバリア２１ａ、２１ｂが形成された領域に埋め込まれた磁石である。
【００６６】
一方、図８（ｂ）に示す永久磁石部１０ａ、１０ｂは、それぞれ、第１の高保磁力磁石１１ａ、１１ｂと、低保磁力磁石１２ａ、１２ｂと、第２の低保磁力磁石１４ａ、１４ｂと、第３の高保磁力磁石１５ａ、１５ｂと、を有する。図８（ａ）に示す永久磁石部１０ａ、１０ｂと比べて、第１の高保磁力磁石１１ａ、１１ｂが進角側に形成され、低保磁力磁石１２ａ、１２ｂが遅角側に形成されている点が相違する。第１の高保磁力磁石１１ａ、１１ｂ及び低保磁力磁石１２ａ、１２ｂの磁束量、着磁方向、及びロータ４の回転方向に対する配置角度は、図５（ａ）と同じであり、説明を省略する。
【００６７】
第１の高保磁力磁石１１ａ、１１ｂ及び低保磁力磁石１２ａ、１２ｂは直線状に配列され、第１の高保磁力磁石１１ａ、１１ｂ及び低保磁力磁石１２ａ、１２ｂの着磁方向はその長手方向に対して直角である。しかし、第１の高保磁力磁石１１ａ、１１ｂと低保磁力磁石１２ａ、１２ｂの磁束量は互いに異なる。また、第２の低保磁力磁石１４ａ、１４ｂの配置角度及び着磁方向、及び第３の高保磁力磁石１５ａ、１５ｂの配置角度は、図８（ａ）の電動機と同様である。
【００６８】
よって、図８（ｂ）の永久磁石部１０ａ、１０ｂには、磁束量、着磁方向、及びロータ４の半径方向に対する配置角度が異なる磁石（１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ）が含まれている。
【００６９】
このように、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示した永久磁石部１０ａ、１０ｂを構成する複数の磁石は、ロータ４の回転軸と永久磁石部１０ａ、１０ｂの各々の中心とを通る直線に対して左右対称に配置されている。しかし、複数の磁石の磁束量、着磁方向、及びロータ４の回転方向に対する配置角度が異なるので、左右非対称な磁束分布を形成して、永久磁石部１０ａ、１０ｂの各々が形成する磁極を進角側に移動させることができる。
【００７０】
（第６の実施形態）
第６の実施形態では、図９（ａ）及び図９（ｂ）を参照して、複数の磁石の配置が永久磁石部１０ａと永久磁石部１０ｂとの間で異なる電動機について説明する。
【００７１】
図９（ａ）の永久磁石部１０ａは図１と同様な構成を有する。つまり、遅角側に高保磁力磁石１１ａが配置され、進角側に低保磁力磁石１２ａが配置され、高保磁力磁石１１ａ及び低保磁力磁石１２ａはＶ字状に配列されている。
【００７２】
これに対して、永久磁石部１０ｂは図５（ａ）と同様な構成を有する。つまり、進角側に高保磁力磁石１１ｂが配置され、遅角側に低保磁力磁石１２ｂが配置され、高保磁力磁石１１ｂ及び低保磁力磁石１２ｂは直線状に配列されている。永久磁石部１０ｂの両端部にはフラックスバリア２１ｂが形成されている。
【００７３】
一方、図９（ｂ）の永久磁石部１０ａは図５（ｂ）と同じ構成を有し、永久磁石部１０ｂは図７と同様な構成を有する。
【００７４】
図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、複数の磁石（１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ）の配置角度及び着磁方向がロータ４の半径方向に対して傾斜しているか或いは平行であるかに応じて、磁束量が異なる高保磁力磁石１１ａ、１１ｂと低保磁力磁石１２ａ、１２ｂの並ぶ順序が逆になる。
【００７５】
図９（ａ）及び図９（ｂ）の中で、黒矢印の向きは、複数の磁石（１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１３ｂ）の着磁方向、つまり磁石磁束の基本波成分の符号を示し、白抜きの矢印の向きは、磁石磁束の２次高調波成分の符号を示す。図９（ａ）及び図９（ｂ）とでは２次高調波成分の位相が電気角で９０度異なる。図９（ａ）及び図９（ｂ）は、磁石磁束の基本波成分の１周期分を示すが、その中に、２次高調波成分は２周期分が含まれる。ロータ４中心から伸びる点線は、２次高調波成分の符号が切り替わる境界を示す。
【００７６】
図９（ａ）において、永久磁石部１０ａの中央よりも進角側及び永久磁石部１０ｂの中央よりも遅角側では、図中の「ＩＮＶ」で示すように、黒塗りの矢印と白抜きの矢印とは向きが異なる。図９（ｂ）において、永久磁石部１０ａの中央よりも遅角側及び永久磁石部１０ｂの中央よりも進角側では、図中の「ＩＮＶ」で示すように、黒塗りの矢印と白抜きの矢印とは向きが異なる。つまり、磁石磁束の基本波成分と２次高調波成分の符号が異なり、磁石磁束の基本波成分と２次高調波成分は逆相となる。低保磁力磁石１２ａ、１２ｂが着磁率１００％である場合、基本波成分の１周期において、逆相の領域は２つ形成され、磁石磁束の基本波成分と２次高調波成分の符号が同じになる同相の領域は２つ形成される。低保磁力磁石１２ａ、１２ｂを着磁率０％まで減磁した場合、同相は２つのままだが、逆相の領域は０になる。
【００７７】
低保磁力磁石１２ａ、１２ｂの位置が、ステータ２に対して一方の磁極（Ｎ極）を向けた永久磁石部１０ａとステータ２に対して他方の磁極（Ｓ極）を向けた永久磁石部１０ｂとで異なることにより、可変機構による減磁によって磁束の２次高調波成分を出現させることができる。
【００７８】
磁石磁束の２次の高調波成分が磁石磁束の基本波成分と逆の符号となる位置に低保磁力磁石部１２ａ、１２ｂが形成されていることにより、可変機構による減磁によって２次の高調波成分を容易に出現させることができる。
【００７９】
また、２次高調波成分は偶数次の高調波成分の一例であって、その他の偶数次の高調波成分（４次、６次、８次、・・・）であっても構わない。また、磁石磁束の基本波成分に対する偶数次の高調波成分の位相は、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示す場合に限定されず、他の位相であっても構わない。いずれの場合も、磁石磁束の基本波成分と高調波成分の符号が異なる位置に低保磁力磁石部１２ａ、１２ｂ（可変磁石）を形成することにより、可変機構による減磁によって磁石磁束の高調波成分を増減させることができる。
【００８０】
更に、電動機の運転条件に応じて、磁束量が変更される可変磁石について説明したが、本発明はこれに限定されない。電動機の運転条件に応じて、永久磁石部１０ａ、１０ｂの磁束量、電機子コイル６に生じる誘起電圧、永久磁石部１０ａ、１０ｂの透磁率或いは電機子コイル６から見たインダクタンスを含む電動機定数のうち少なくともいずれか１つが変更される可変磁石であればよい。
【００８１】
上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【符号の説明】
【００８２】
２…ステータ
４…ロータ
６…電機子コイル
１０ａ、１０ｂ…永久磁石部
１１ａ、１１ａ…高保磁力磁石
１２ａ、１２ｂ…低保磁力磁石
１３ａ、１３ｂ…第２の高保磁力磁石
１４ａ、１４ｂ…第２の低保磁力磁石
１５ａ、１５ｂ…第３の高保磁力磁石
８１ａ、８１ｂ、８２ａ、８２ｂ、８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂ、８５ａ、８５ｂ…着磁方向
Φａ…磁石磁束
Ｔｒ…リラクタンストルク
Ｔｍ１、Ｔｍ２…磁石トルク
【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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