(57)【要約】【課題】  フェライト磁石を適用した永久磁石同期機およびこれを用いた駆動システムにおいて、トルク向上、効率向上を可能にすることである。【課題を解決するための手段】  内部に複数極を構成するよう配備されたフェライト磁石を有する回転子と、該回転子に対して所定のギャップを介して配置される固定子と、を備えた永久磁石型電動機において、前記回転子の１極あたりのギャップ対向面は前記ギャップ側に凸となるような形状で、該凸部はθｐの周方向幅を有し、該θｐにおける前記回転子と前記固定子とのギャップが該θｐ以外におけるギャップよりも小さくなるよう構成するとともに、該θｐを電気角で８０°＜θｐ＜１３５°の関係となるよう構成することを特徴とする永久磁石同期機である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子巻線を巻回したティースを有する固定子と、
回転子鉄心からなる磁性体を有し、前記固定子と隙間を介して配置される回転子と、
前記磁性体に配置した複数の磁石挿入孔と、
前記複数の磁石挿入孔のそれぞれに埋設されたフェライト磁石と、を有する永久磁石同期機において、
前記回転子は、前記複数の磁石挿入孔のそれぞれに対応する位置に前記固定子側へ凸となる凸部が形成されることにより、該凸部と前記ティースとの隙間が前記凸部以外の外周部と前記ティースとの隙間よりも小さくなるように構成され、
前記凸部の周方向幅に対応する電気角をθｐとすると、８０°＜θｐ＜１３５°の関係となるよう構成することを特徴とする永久磁石同期機。
【請求項２】
請求項１に記載の永久磁石同期機において、
インバータから前記永久磁石同期機に通電する電流波形は前記永久磁石同期機の誘導起電力波形に近似した波形であること、又は該近似波形を生成可能な電圧パルスパターンが印加されることを特徴とする永久磁石同期機。
【請求項３】
請求項１に記載の永久磁石同期機において、
前記それぞれの複数の磁石挿入孔の周方向幅に対応する電気角をθｍとすると、θｐ＜θｍの関係となるように構成することを特徴とする永久磁石同期機。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の永久磁石同期機において、
前記固定子の前記ティースの周方向幅に対応する電気角をθｔとすると、θｐ＜θｔであり、かつ、９０°＜θｔ＜１２０°の関係となるように構成することを特徴とする永久磁石同期機。
【請求項５】
請求項１〜３の何れかに記載の永久磁石同期機において、
前記永久磁石同期機の前記固定子巻線に通電する電流の基本波周波数を３００Ｈｚ以下とすることを特徴とする永久磁石同期機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は永久磁石同期機、およびこれを用いた駆動システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石同期機では、回転子に永久磁石を埋設するＩｎｔｅｒｉｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ（以下、ＩＰＭ）構造が広く採用されている。ＩＰＭでは、磁石トルクに加えリラクタンストルクの活用が可能となるが、さらなるトルク増大を図るためには回転子ギャップ対向面の磁石磁束発生区間を増加する、すなわち、磁石磁束による誘導起電力波形を台形波状にすることが有効となる。
【０００３】
特許文献１では、磁束発生区間を増加できるように永久磁石を埋め込む収容孔が径方向内側に凸状である永久磁石埋め込み回転子を開示している。特許文献１によれば、誘導起電力波形を台形波状とし、磁束発生区間に合わせて１２０°通電制御を適用することで、トルクの増加を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許４６６６７２６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＩＰＭ構造の永久磁石同期機に埋設する永久磁石には安価でかつ安定調達が可能なフェライト磁石が採用され始めている。しかしながら、フェライト磁石の保持力はネオジウム磁石の約１／３であるため、磁石厚を増大し保持力の低下分をカバーする必要がある。ただし、これによって回転子のギャップ対向面の極間部分が磁束無発生区間となる。このため、特許文献１のような磁石配置を調整する方法では、磁石磁束発生区間を増加することができない。
【０００６】
そこで本発明の目的は、フェライト磁石を適用した永久磁石同期機およびこれを用いた駆動システムにおいて、トルク向上、効率向上を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するために本発明は、「固定子巻線を巻回したティースを有する固定子と、回転子鉄心からなる磁性体を有し、前記固定子と隙間を介して配置される回転子と、前記磁性体に配置した複数の磁石挿入孔と、前記複数の磁石挿入孔のそれぞれに埋設されたフェライト磁石と、を有する永久磁石同期機において、前記回転子は、前記複数の磁石挿入孔のそれぞれに対応する位置に前記固定子側へ凸となる凸部が形成されることにより、該凸部と前記ティースとの隙間が前記凸部以外の外周部と前記ティースとの隙間よりも小さくなるように構成され、前記凸部の周方向幅に対応する電気角をθｐとすると、８０°＜θｐ＜１３５°の関係となるよう構成すること」を特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば永久磁石同期機のトルクおよび効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施例による永久磁石同期機の１極分の部分断面図
【図２】永久磁石によるギャップの磁束密度分布図
【図３】集中巻２極３スロット系列のティース配置図
【図４】本発明の第１の実施例における構成の説明図
【図５】本発明の第１の実施例における構成の説明図
【図６】本発明の第１の実施例における効果図
【図７】本発明の第３の実施例における周波数―鉄損特性の説明図
【図８】４極６スロット三相モータの斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明する。以下の説明では、同一の構成要素には同一の記号を付してある。それらの名称および機能は同じであり、重複説明は避ける。また、以下の説明では内転型回転子を対象としているが、本発明の効果は内転型回転子に限定されるものではなく、同様の構成を有する外転型回転子にも適用可能である。
【実施例１】
【００１１】
図８は４極６スロット三相モータの斜視図であり、固定子９は固定子鉄心１０とティース１１に巻回された固定子巻線１２とで構成され、回転子１は回転子鉄心からなる磁性体を有し、固定子９と隙間（ギャップ）を介して配置され、回転自在に保持される。回転子１は磁石挿入孔４を備えた回転子鉄心２と、４極（極対数ｐ＝２）を構成するよう配備された永久磁石３とで構成される。固定子巻線１２は三相の巻線Ｕ、Ｖ、Ｗを順に周方向に配置することで構成され、直列に接続されたＵ相巻線１２ｕ１、１２ｕ２には、インバータから波高値Ｉ（このときの実行値をＩｒｍｓとする）の交流電流ｉｕが供給される。Ｖ相、Ｗ相に関しても同様であるが、各相の電流位相は電気角で１２０°ずつずれている。
【００１２】
図１に本発明の第１の実施例による永久磁石同期機の１極分の部分断面図を示す。本実施例は、複数極を構成するよう配備された永久磁石で構成される内転型回転子１を有する永久磁石同期機に係るものである。回転子１は、径方向内側に凸となるように磁性体に形成された磁石挿入孔４を複数有し、それぞれの磁石挿入孔４には永久磁石３（図示していない）が埋設される。磁石挿入孔４及び永久磁石３は１極につき周方向に２ヶ所の屈曲点を有するとともに、それぞれの屈曲点を始端として磁化方向に対して垂直方向かつ極の端部側に向けて伸びるように構成している。本実施例では永久磁石３には、フェライト磁石のような保持力、残留磁束密度が比較的低い永久磁石を使用する。
【００１３】
永久磁石３は、３カ所以上の複数の屈曲点および直線部分を有するように構成しても良いし、Ｕ字形としてもよい。このような磁石形状とすることで、磁石磁束発生面の表面積を大きくするとともに、永久磁石３の径方向外周部の鉄心断面積が大きくなるのでリラクタンストルクを積極的に活用することが可能となる。また、永久磁石３は１極につき周方向に分割されることなく一体で構成しても良いし、複数個を周方向に分割して配置しても良い。また、軸方向に複数個を分割して構成しても良いし、分割することなく一体で構成しても良い。回転子鉄心２は軸方向に積み重ねた積層鋼板で構成しても良いし、圧粉磁心などで構成しても良いし、アモルファス金属などで構成しても良い。
【００１４】
回転子鉄心２の１極あたりのギャップ対向面は、前記ギャップ側に凸となるような形状とし、この凸部は図１に示すように電気角θｐに対応する周方向幅を有する。つまり回転子１は、複数の磁石挿入孔４のそれぞれに対応する位置に固定子９の側（つまりティース１１側）へ凸となる凸部が形成され、この凸部の周方向幅は電気角θｐに対応する。この凸部により、該凸部とティース１１との隙間は、凸部以外の外周部とティース１１との隙間よりも小さくなるように構成される。そしてθｐの区間におけるギャップ２０がθｐ以外の区間におけるギャップ２１よりも小さくなるよう構成するとともに、該θｐを電気角で８０°＜θｐ＜１３５°の関係となるよう構成する。
【００１５】
上記の構成によって、磁石磁束による誘導起電力の５次、７次成分を増加することができる、すなわち肉厚のフェライト磁石を適用した場合でも台形波状の誘導起電力波形が得られるので、トルク向上、効率向上を図ることができる。
【００１６】
以下に、誘導起電力の５次、７次成分の理論式を導出し、このような効果が得られる原理を説明する。  
まず、永久磁石３によるギャップの磁束密度分布Ｂｐｍ（ｘｒ）は図２のようになる。ここで、ｘｒは回転子外周部の周方向位置（電気角、ｄｅｇ．）である。このとき、Ｂｐｍ（ｘｒ）の空間ν次成分は次式で表される。  
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【００１７】
回転子が角速度ω１で回転しているとき、固定子座標ｘｓと回転子座標ｘｒとの関係は
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なので、固定子座標系から見た永久磁石３によるギャップの磁束密度分布Ｂｐｍ（ｘｓ）は以下となる。  
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【００１８】
式（３）において、永久磁石３によるギャップ磁束密度分布の空間次数νと、時間次数μは同等となるため、両者ともμで表している。  
次に、集中巻２極３スロット系列を対象とする場合、一相コイルに鎖交する磁束量の時間μ次成分Φｃ、μは、図３に示すように−θｔ／２  〜θｔ／２の積分区間から求められる。なお、θｔは図３に示すようにティース１１に対応する電気角である。  
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ここで、ｌ：コア軸長  
【００１９】
したがって、磁石磁束による誘導起電力波形μ次成分ｕｃ、μは次式となる。  
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ここで、Ｎｃ：１コイルターン数
【００２０】
以上より、基本波成分に対するμ次成分の振幅比ｋμは次式となる。  
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【００２１】
集中巻では、ティース１１の電気角θｔは最大で１２０°なので、このときのθｐとｋμの関係を求めると図４のようになる。図４において、フェライト磁石を適用した永久磁石同期機では磁石を肉厚にする必要性があることから、θｐは１６０°よりも小さくなる場合が多い。
【００２２】
式（６）より、５次成分、７次成分の理論上の最大値はそれぞれ０．２００、０．１４３であるので、この平均値０．１７１に対して、５次成分と７次成分の和が上回るような構成とすることで、誘導起電力波形を台形波状に近づけることが可能となる。このためには、図４より、θｐを電気角で８０°＜θｐ＜１３５°とするのが好適であることがわかる。前記以外のθｐを採用した場合においても、５次、７次成分の和を大きくすることは可能であるが、例えば、θｐ＝３０°の場合は式（６）より明らかなように、基本波成分が著しく低下するため不適と言える。
【００２３】
なお、図４はθｔ＝１２０°の場合を示しているが、θｔ＝９０°の場合においても、図５に示すようにほぼ同等の傾向を示しており、８０°＜θｐ＜１３５°とするのが好適であることがわかる。ただし、θｔを小さくすると基本波成分が低下するため、θｔは９０°＜θｔ＜１２０°の範囲とし、１２０°に近いほうが望ましい。すなわち、固定子９のティース１１の周方向幅に対応する電気角θｔは、θｐ＜θｔであり、かつ、９０°＜θｔ＜１２０°の関係となるように構成するものである。また、本実施例ではそれぞれの複数の磁石挿入孔４の周方向幅に対応する電気角をθｍとすると、θｐ＜θｍの関係となるように構成するものである。
【００２４】
図６に本発明を適用した場合のθｐ＝１２３°における誘導起電力波形と、適用しない場合のθｐ＝６９°における波形とを示す。図６より、θｐ＝１２３°とすることで、台形波状の誘導起電力波形を生成できることがわかる。これにより、肉厚のフェライト磁石を適用した場合でもトルク向上、効率向上を図ることができる。
【００２５】
なお、本実施例では集中巻２極３スロット系を対象としたが、集中巻４極３スロット系などの分数スロットに対しても、式（６）に示すｓｉｎ第２項の値が異なるだけで、８０°＜θｐ＜１３５°とすることで、同様にして台形波状の誘導起電力波形を生成できる。また、分布巻に対しても、式（６）に示すｓｉｎ第２項の値が異なるだけで、８０°＜θｐ＜１３５°とすることで同様にして台形波状の誘導起電力波形を生成できる。
【実施例２】
【００２６】
本実施例では、８０°＜θｐ＜１３５°とすることで高調波５次、７次成分を含む台形波状の誘導起電力波形を生成できる。この５次、７次成分の影響により、インバータから永久磁石同期機に通電される電流波形にも高調波５次、７次成分が発生するため、１２０°通電制御のみならず、１５０°通電や１８０°通電制御においても、トルク向上、効率向上を図ることができる。
【００２７】
ただし、電流波形の５次、７次成分の大きさはｄ、ｑ軸インダクタンスの比、いわゆる突極比の影響により、誘導起電力波形の５次、７次成分の大きさよりも小さくなるため、誘導起電力波形と相似の電流波形を生成することが困難な場合がある。このような場合には、インバータから通電する電流波形を永久磁石同期機の誘導起電力波形に近似した波形とすること、または該近似波形を生成可能な電圧パルスパターンを印加することでトルク向上、効率向上を図ることができる。
【実施例３】
【００２８】
本実施例では、誘導起電力波形を台形波状に歪ませるとともに、電流波形も台形波状に歪ませるような構成としている。このような場合、トルク向上、効率向上を図れる反面、電流高調波成分によって磁束の高調波成分が発生し、これが鉄損の高調波成分を増加させる。
【００２９】
図７は電磁鋼板３５Ａ３００グレードの１．０Ｔ時における周波数−鉄損特性であるが、３００Ｈｚをクニック点として、それ以上の周波数では鉄損が急激に増加することがわかる。したがって、本実施例では永久磁石同期機の固定子巻線１２に通電する電流の基本波周波数を３００Ｈｚ以下とすることで鉄損の増加傾向が小さい範囲で使用することが可能となる。
【符号の説明】
【００３０】
１…回転子、２…回転子鉄心、３…永久磁石、４…磁石挿入孔、９…固定子、１０…固定子鉄心、１１…ティース、１２…固定子巻線１２、２０…θｐ区間のギャップ、２１…θｐ以外の区間のギャップ。
【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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