(57)【要約】  電圧利用率を向上させて、モータのトルクや出力を向上させることができるブラシレスモータおよびブラシレスモータの駆動方法を得る。  複数相の電機子巻線を有する電機子鉄心からなる電機子と、複数個の永久磁石を有する界磁極鉄心からなる界磁極と、を備えたブラシレスモータであって、電機子巻線には、印加電圧の１次基本波ピークを印加電圧ピークよりも大きくするために、電圧の１次基本波に対して、少なくとも５次高調波成分が所定の位相差条件および振幅条件で重畳された電圧が印加されるものである。
2013108726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数相の電機子巻線を有する電機子鉄心からなる電機子と、複数個の永久磁石を有する界磁極鉄心からなる界磁極と、を備えたブラシレスモータであって、
前記電機子巻線には、印加電圧の１次基本波ピークを印加電圧ピークよりも大きくするために、電圧の１次基本波に対して、少なくとも５次高調波成分が所定の位相差条件および振幅条件で重畳された電圧が印加される
ブラシレスモータ。
【請求項２】
複数相の電機子巻線を有する電機子鉄心からなる電機子と、複数個の永久磁石を有する界磁極鉄心からなる界磁極と、を備えたブラシレスモータであって、
前記電機子巻線には、印加電圧の１次基本波に対して、５次高調波成分および７次高調波成分の少なくとも一方が、印加電圧の１次基本波ピークを印加電圧ピークよりも大きくする所定の位相差条件および振幅条件で重畳された電圧が印加される
ブラシレスモータ。
【請求項３】
前記電機子巻線に重畳される高調波電圧は、５次高調波成分であり、
前記５次高調波成分は、高次高調波成分１周期を３６０°とした場合に、前記電圧の１次基本波に対して１５０°〜２１０°の位相差を有し、前記電圧の１次基本波の振幅に対する前記５次高調波成分の振幅の割合が２〜１２％である
請求項１または請求項２に記載のブラシレスモータ。
【請求項４】
前記電機子巻線に重畳される高調波電圧は、５次高調波成分および７次高調波成分であり、
前記５次高調波成分および７次高調波成分は、高次高調波成分１周期を３６０°とした場合に、前記電圧の１次基本波に対して１２０°〜２４０°の位相差を有し、前記電圧の１次基本波の振幅に対する前記５次高調波成分および７次高調波成分の振幅の和の割合が２〜３６％である
請求項１または請求項２に記載のブラシレスモータ。
【請求項５】
前記電機子巻線に印加される電圧は、外部交流電圧源から前記電機子巻線に供給することができる電圧のピーク値の最大値によって決定される
請求項１から請求項４までの何れか１項に記載のブラシレスモータ。
【請求項６】
前記電機子巻線が３相Δ結線である
請求項１から請求項５までの何れか１項に記載のブラシレスモータ。
【請求項７】
前記電機子巻線には、１台以上の直流電圧源と、それぞれ直流電圧を周波数可変の交流電圧に変換する２台以上の周波数変換装置との組み合わせから構成される外部交流電圧源によって電圧が印加される
請求項１から請求項６までの何れか１項に記載のブラシレスモータ。
【請求項８】
界磁極鉄心の表面に複数個の永久磁石が固定された界磁極を有しており、永久磁石の中央部分の厚さをｈ１、端部のｈ２としたとき、ｈ２／ｈ１が０．２〜１．０である
請求項１から請求項７までの何れか１項に記載のブラシレスモータ。
【請求項９】
界磁極鉄心は、永久磁石間に永久磁石の貼り付け面よりも界磁極鉄心の中心から電機子鉄心に向かう方向に突出している突起部を有している
請求項８に記載のブラシレスモータ。
【請求項１０】
界磁極鉄心の内部に永久磁石を挿入する磁石穴を有しており、複数個の永久磁石が磁石穴に挿入されて固定された界磁極を有しており、
界磁極鉄心の中心から界磁極鉄心の最遠点の距離をＲｃとしたとき、界磁極鉄心の外周部は大半の領域でほぼ半径Ｒｍの円弧状に沿っているとしたとき、Ｒｍ／Ｒｃが０．５〜１．０である
請求項１から請求項７までの何れか１項に記載のブラシレスモータ。
【請求項１１】
界磁極鉄心は、第一の界磁極となる永久磁石部と、前記第一の界磁極とは極性が逆の第二の界磁極となる突極部を有し、第一の界磁極と第二の界磁極をそれぞれ周方向に等間隔に発生させ、磁極のＮ極とＳ極とのペアの占める界磁極鉄心周方向の角度を電気角３６０°としたとき、巻線のコイルピッチを１８０°とした
請求項１から請求項１０までの何れか１項に記載のブラシレスモータ。
【請求項１２】
前記界磁極が回転することによって、前記ブラシレスモータに発生する誘起電圧は、誘起電圧の基本波に対して、ｍを１以上の整数として、基本波成分の２ｍ＋１倍の周波数成分を持つ２ｍ＋１次の高調波成分が、誘起電圧の基本波ピークを誘起電圧ピークよりも大きくする所定の位相差条件および振幅条件で重畳された波形を有する
請求項１から請求項１１までの何れか１項に記載のブラシレスモータ。
【請求項１３】
前記電機子巻線に発生する誘起電圧は、５次高調波成分が含まれており、
前記５次高調波成分は、高調波成分１周期を３６０°とした場合に、前記電圧の１次基本波に対して１５０°〜２１０°の位相差を有し、前記電圧の１次基本波の振幅に対する前記５次高調波成分の振幅の割合が２〜１２％である
請求項１２に記載のブラシレスモータ。
【請求項１４】
前記電機子巻線に発生する誘起電圧は、５次高調波成分および７次高調波成分が含まれており、
前記５次高調波成分および７次高調波成分は、高調波成分１周期を３６０°とした場合に、前記電圧の１次基本波に対して１２０°〜２４０°の位相差を有し、前記電圧の１次基本波の振幅に対する前記５次高調波成分および７次高調波成分の振幅の和の割合が２〜３６％である
請求項１２に記載のブラシレスモータ。
【請求項１５】
前記界磁極が回転することによって、前記ブラシレスモータの端子間の前記電機子巻線に鎖交する磁束は、磁束の１次基本波に対して、５次高調波成分および７次高調波成分が重畳された波形を有し、
前記電機子巻線には、前記電機子巻線に印加される電圧の高調波成分と、前記電機子巻線に鎖交する磁束の５次高調波成分および７次高調波成分との相互作用によって発生するトルクリップル６次高調波成分を打ち消すように、前記磁束の１次基本波に対する前記磁束の５次高調波成分および７次高調波成分の位相差および振幅の割合が、所定の条件で設定された磁束が鎖交される
請求項１から請求項１４までの何れか１項に記載のブラシレスモータ。
【請求項１６】
複数相の電機子巻線を有する電機子鉄心からなる電機子と、複数個の永久磁石を有する界磁極鉄心からなる界磁極と、を備えたブラシレスモータの駆動方法であって、
前記電機子巻線に、印加電圧の１次基本波ピークを印加電圧ピークよりも大きくするために、電圧の１次基本波に対して、少なくとも５次高調波成分が所定の位相差条件および振幅条件で重畳された電圧を印加するステップ
を備えたブラシレスモータの駆動方法。
【請求項１７】
複数相の電機子巻線を有する電機子鉄心からなる電機子と、複数個の永久磁石を有する界磁極鉄心からなる界磁極と、を備えたブラシレスモータの駆動方法であって、
前記電機子巻線に、印加電圧の１次基本波に対して、５次高調波成分および７次高調波成分の少なくとも一方が、印加電圧の１次基本波ピークを印加電圧ピークよりも大きくする所定の位相差条件および振幅条件で重畳された電圧を印加するステップ
を備えたブラシレスモータの駆動方法。
【請求項１８】
前記電機子巻線に重畳される高調波電圧は、５次高調波成分であり、
前記５次高調波成分は、高次高調波成分１周期を３６０°とした場合に、前記電圧の１次基本波に対して１５０°〜２１０°の位相差を有し、前記電圧の１次基本波の振幅に対する前記５次高調波成分の振幅の割合が２〜１２％である
請求項１６または請求項１７に記載のブラシレスモータの駆動方法。
【請求項１９】
前記電機子巻線に重畳される高調波電圧は、５次高調波成分および７次高調波成分であり、
前記５次高調波成分および７次高調波成分は、高次高調波成分１周期を３６０°とした場合に、前記電圧の１次基本波に対して１２０°〜２４０°の位相差を有し、前記電圧の１次基本波の振幅に対する前記５次高調波成分および７次高調波成分の振幅の和の割合が２〜３６％である
請求項１６または請求項１７に記載のブラシレスモータの駆動方法。
【請求項２０】
前記電機子巻線に印加される電圧は、外部交流電圧源から前記電機子巻線に供給することができる電圧のピーク値の最大値によって決定される
請求項１６から請求項１９までの何れか１項に記載のブラシレスモータの駆動方法。
【請求項２１】
前記電機子巻線が３相Δ結線である
請求項１６から請求項２０までの何れか１項に記載のブラシレスモータの駆動方法。
【請求項２２】
前記電機子巻線には、１台以上の直流電圧源と、それぞれ直流電圧を周波数可変の交流電圧に変換する２台以上の周波数変換装置との組み合わせから構成される外部交流電圧源によって電圧が印加される
請求項１６から請求項２１までの何れか１項に記載のブラシレスモータの駆動方法。
【請求項２３】
界磁極鉄心の表面に複数個の永久磁石が固定された界磁極を有しており、永久磁石の中央部分の厚さをｈ１、端部のｈ２としたとき、ｈ２／ｈ１が０．２〜１．０である
請求項１６から請求項２２までの何れか１項に記載のブラシレスモータの駆動方法。
【請求項２４】
界磁極鉄心は、永久磁石間に永久磁石の貼り付け面よりも界磁極鉄心の中心から電機子鉄心に向かう方向に突出している突起部を有している
請求項２３に記載のブラシレスモータの駆動方法。
【請求項２５】
界磁極鉄心の内部に永久磁石を挿入する磁石穴を有しており、複数個の永久磁石が磁石穴に挿入されて固定された界磁極を有しており、
界磁極鉄心の中心から界磁極鉄心の最遠点の距離をＲｃとしたとき、界磁極鉄心の外周部は大半の領域でほぼ半径Ｒｍの円弧状に沿っているとしたとき、Ｒｍ／Ｒｃが０．５〜１．０である
請求項１６から請求項２２までの何れか１項に記載のブラシレスモータの駆動方法。
【請求項２６】
界磁極鉄心は、第一の界磁極となる永久磁石部と、前記第一の界磁極とは極性が逆の第二の界磁極となる突極部を有し、第一の界磁極と第二の界磁極をそれぞれ周方向に等間隔に発生させ、磁極のＮ極とＳ極とのペアの占める界磁極鉄心周方向の角度を電気角３６０°としたとき、巻線のコイルピッチを１８０°とした
請求項１６から請求項２５までの何れか１項に記載のブラシレスモータの駆動方法。
【請求項２７】
前記界磁極が回転することによって、前記ブラシレスモータに発生する誘起電圧は、誘起電圧の基本波に対して、ｍを１以上の整数として、基本波成分の２ｍ＋１倍の周波数成分を持つ２ｍ＋１次の高調波成分が、誘起電圧の基本波ピークを誘起電圧ピークよりも大きくする所定の位相差条件および振幅条件で重畳された波形を有する
請求項１６から請求項２６までの何れか１項に記載のブラシレスモータの駆動方法。
【請求項２８】
前記電機子巻線に発生する誘起電圧は、５次高調波成分が含まれており、
前記５次高調波成分は、高調波成分１周期を３６０°とした場合に、前記電圧の１次基本波に対して１５０°〜２１０°の位相差を有し、前記電圧の１次基本波の振幅に対する前記５次高調波成分の振幅の割合が２〜１２％である
請求項２７に記載のブラシレスモータの駆動方法。
【請求項２９】
前記電機子巻線に発生する誘起電圧は、５次高調波成分および７次高調波成分が含まれており、
前記５次高調波成分および７次高調波成分は、高調波成分１周期を３６０°とした場合に、前記電圧の１次基本波に対して１２０°〜２４０°の位相差を有し、前記電圧の１次基本波の振幅に対する前記５次高調波成分および７次高調波成分の振幅の和の割合が２〜３６％である
請求項２７に記載のブラシレスモータの駆動方法。
【請求項３０】
前記界磁極が回転することによって、前記ブラシレスモータの端子間の前記電機子巻線に鎖交する磁束は、磁束の１次基本波に対して、５次高調波成分および７次高調波成分が重畳された波形を有し、
前記電機子巻線に、前記電機子巻線に印加される電圧の高調波成分と、前記電機子巻線に鎖交する磁束の５次高調波成分および７次高調波成分との相互作用によって発生するトルクリップル６次高調波成分を打ち消すように、前記磁束の１次基本波に対する前記磁束の５次高調波成分および７次高調波成分の位相差および振幅の割合が、所定の条件で設定された磁束を鎖交させるステップ
をさらに備えた請求項１６から請求項２９までの何れか１項に記載のブラシレスモータの駆動方法。
【請求項３１】
請求項１から請求項３０までの何れか１項に記載のブラシレスモータまたはブラシレスモータの駆動方法によってアシストトルクを発生させるようにした電動パワーステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば電動パワーステアリング装置等に用いられるブラシレスモータおよびブラシレスモータの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブラシレスモータにおいて、各相の誘起電圧を、１次基本波に奇数次高調波が重畳された台形波に調整することにより、トルクリップルを抑えつつ、トルクの向上を図る方法が知られている。【０００３】
しかしながら、誘起電圧に高調波を重畳し、各相の誘起電圧を台形波形状とした場合には、各相の相電流が正弦波形となるので、ピーク電流値を抑えることが難しいとされている。そのため、ブラシレスモータに流すことができる電流が制限され、その分、モータ出力が抑えられることとなる。【０００４】
そこで、電機子巻線の異なる２相間の相間誘起電圧波形を台形波形状とするブラシレスモータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このブラシレスモータでは、異なる２相間の相間誘起電圧波形を台形波形状とすることにより、相電流が台形波形状となり、同じ相電流ピーク値を持つ正弦波相電流と比較して、モータトルクに寄与する１次成分の電流ピーク値を大きくすることができる。そのため、ピーク電流値を抑えつつ、高トルクおよび高回転を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００８／０４７６９８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
ブラシレスモータの相電流波形について、１次基本波に対して、位相差θn,0（ｎ＝３，５，７・・・、ｎは高調波の次数）の高調波を含むようにして、１次基本波ピークが波形ピークよりも大きい略台形状とした場合には、モータの電機子巻線に電圧高調波成分が発生する。【０００７】
このとき、この電圧高調波成分は、モータの抵抗やインダクタンスの影響により、電圧の１次基本波に対する位相差がθn,0＋θn,1となるので、一般的に、電圧の１次基本波ピークが波形ピークよりも大きくなることはない。【０００８】
ここで、上述した略台形状の電流を通電するために、外部から印加される電圧について考えると、上述した電圧高調波成分と等しい電圧として、波形ピークが１次基本波ピークよりも大きい電圧が印加される必要がある。【０００９】
なお、モータに印加される電圧のうち、トルクや出力に影響する成分は、１次基本波成分であり、さらに、外部交流電圧源から電機子巻線に供給することができる印加電圧ピークには、限界が存在する。【００１０】
したがって、モータの電機子巻線に上述した電圧高調波成分が発生すると、印加電圧ピークに対して、トルクや出力に影響する電圧の１次基本波成分の割合が小さくなり、正弦波電流通電時と比較して、電圧利用率が低下するという問題がある。【００１１】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、電圧利用率を向上させて、モータのトルクや出力を向上させることができるブラシレスモータおよびブラシレスモータの駆動方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係るブラシレスモータは、複数相の電機子巻線を有する電機子鉄心からなる電機子と、複数個の永久磁石を有する界磁極鉄心からなる界磁極と、を備えたブラシレスモータであって、電機子巻線には、電圧の１次基本波に対して、５次高調波成分および７次高調波成分の少なくとも一方が、印加電圧の１次基本波ピークを印加電圧ピークよりも大きくする所定の位相差条件および振幅条件で重畳された電圧が印加されるものである。【００１３】
また、この発明に係るブラシレスモータの駆動方法は、複数相の電機子巻線を有する電機子鉄心からなる電機子と、複数個の永久磁石を有する界磁極鉄心からなる界磁極と、を備えたブラシレスモータの駆動方法であって、電機子巻線に、電圧の１次基本波に対して、５次高調波成分および７次高調波成分の少なくとも一方が、印加電圧の１次基本波ピークを印加電圧ピークよりも大きくする所定の位相差条件および振幅条件で重畳された電圧を印加するステップを備えたものである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明に係るブラシレスモータおよびブラシレスモータの駆動方法によれば、電機子巻線には、電圧の１次基本波に対して、５次高調波成分および７次高調波成分の少なくとも一方が、印加電圧の１次基本波ピークを印加電圧ピークよりも大きくする所定の位相差条件および振幅条件で重畳された電圧が印加される。
そのため、印加電圧の１次基本波ピークが印加電圧ピークよりも大きくなることで、ブラシレスモータの電圧利用率を向上させて、モータのトルクや出力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態１に係るブラシレスモータを外部交流電圧源とともに示すブロック図である。
【図２】図１に示したブラシレスモータの構成を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るブラシレスモータを実施するための構成の一例を示す断面図である。
【図４】図１に示した外部交流電圧源の各相間ＵＶ、ＶＷ、ＷＵの等価回路を示す回路図である。
【図５】図３に示した回路３相分をｄｑ軸２相変換して、電流をｑ軸方向に通電した場合のベクトル線図である。
【図６】この発明の実施の形態１において、図３に示した各相の電機子巻線に外部交流電圧源から印加される電圧の波形を示す説明図である。
【図７】この発明の実施の形態１において、１次基本波成分と５次高調波成分との位相差を１８０°として、１次基本波の振幅に対する５次高調波成分の振幅の割合を０〜０．１５の範囲で変化させた場合の、電圧ピークに対する電圧の１次基本波ピークの割合を示す説明図である。
【図８】この発明の実施の形態１において、１次基本波成分と５次高調波成分との位相差を１４０°〜２２０°の範囲で変化させ、かつ１次基本波の振幅に対する５次高調波成分の振幅の割合を０〜０．１５の範囲で変化させた場合の、電圧ピークに対する電圧の１次基本波ピークの割合の最大値を示す説明図である。
【図９】この発明の実施の形態１において、外部交流電圧源の高調波電圧印加方法を示すブロック図である。
【図１０】この発明の実施の形態１において、モータ端子間に印加される電圧を示す説明図である。
【図１１】この発明の実施の形態１において、モータ端子間に図１０に示した電圧を印加した場合のモータの各電機子巻線に流れる電流を示す説明図である。
【図１２】この発明の実施の形態１において、鎖交磁束を１次基本波成分のみとした場合に、モータの各電機子巻線に鎖交する磁束を示す説明図である。
【図１３】この発明の実施の形態１において、鎖交磁束を１次基本波成分のみとした場合のトルク波形を示す説明図である。
【図１４】この発明の実施の形態１において、電圧のピークよりも電圧の１次基本波ピークのほうが大きくなる波形を例示する説明図である。
【図１５】図１４に示した１２０°台形波において、鎖交磁束を１次基本波成分のみとした場合のトルク波形を示す説明図である。
【図１６】この発明の実施の形態１に係るブラシレスモータに、１１、１３次高調波電圧が１次基本波電圧のピークＶ1pに対してα％印加された場合のトルクリップルの６次成分および１２次成分を示すグラフである。
【図１７】この発明の実施の形態１に係るブラシレスモータに、１７、１９次高調波電圧が１次基本波電圧のピークＶ1pに対してβ％印加された場合のトルクリップルの６次成分および１８次成分を示づグラフである。
【図１８】この発明の実施の形態１におけるブラシレスモータの各相の電機子巻線の結線方法（Δ結線）を示す結線図である。
【図１９】この発明の実施の形態１に係るブラシレスモータに、３次高調波電圧が１次基本波電圧のピークＶ1pに対してδ％印加された場合の、図１８に示されるΔ結線に発生する循環電流の３次成分を示すグラフである。
【図２０】この発明の実施の形態２において、図３に示した各相の電機子巻線に外部交流電圧源から印加される電圧の波形を示す説明図である。
【図２１】この発明の実施の形態２において、１次基本波成分と５次高調波成分および７次高調波成分との位相差を１８０°として、１次基本波の振幅に対する５次高調波成分および７次高調波成分の振幅の和の割合を０〜０．４０の範囲で変化させた場合の、電圧ピークに対する電圧の１次基本波ピークの割合を示す説明図である。
【図２２】この発明の実施の形態２において、１次基本波成分と５次高調波成分および７次高調波成分との位相差を１２０°〜２４０°の範囲で変化させ、かつ１次基本波の振幅に対する５次高調波成分および７次高調波成分の振幅の和の割合を０〜０．１５の範囲で変化させた場合の、電圧ピークに対する電圧の１次基本波ピークの割合の最大値を示す説明図である。
【図２３】この発明の実施の形態２において、外部交流電圧源の高調波電圧印加方法を示すブロック図である。
【図２４】この発明の実施の形態３におけるブラシレスモータの各相の電機子巻線の結線方法（Ｙ結線）を示す結線図である。
【図２５】この発明の実施の形態４におけるブラシレスモータの回転数（回転速度）に対するトルク特性を示す説明図である。
【図２６】この発明の実施の形態４におけるブラシレスモータについて、回転数とトルク特性との関係を、同じ相間電圧ピークを有する外部交流電圧源を用いた場合の正弦波電圧駆動のものと比較して示す説明図である。
【図２７】この発明の実施の形態５に係るブラシレスモータを外部交流電圧源とともに示すブロック図である。
【図２８】この発明の実施の形態６におけるブラシレスモータの界磁極の１極分の構成を示す断面図である。
【図２９】この発明の実施の形態６において、１次基本波成分と５次高調波成分との位相差を１８０°として、１次基本波の振幅に対する５次高調波成分の振幅の割合を０〜１５％の範囲で変化させた場合の、誘起電圧ピークに対する誘起電圧の１次基本波ピークの割合を示す説明図である。
【図３０】この発明の実施の形態６において、１次基本波の振幅に対する５次高調波成分の振幅の割合を０〜１５％の範囲で変化させ、１次基本波の振幅に対する５次高調波成分の位相差を１４０〜２２０°の範囲で変化させた場合の、誘起電圧ピークに対する誘起電圧の１次基本波ピークの割合を示す説明図である。
【図３１】この発明の実施の形態６において、磁石厚ｈ１とｈ２の比率ｈ２／ｈ１に対する誘起電圧５次高調波成分のピークＥ5pの関係を示すグラフである。
【図３２】この発明の実施の形態６において、１次基本波成分と５次高調波成分および７次高調波成分との位相差を１８０°として、１次基本波の振幅に対する５次高調波成分および７次高調波成分の振幅の和の割合を０〜４０％の範囲で変化させた場合の、誘起電圧ピークに対する誘起電圧の１次基本波ピークの割合を示す説明図である。
【図３３】この発明の実施の形態６において、１次基本波の振幅に対する５次高調波成分および７次高調波成分の振幅との和の割合を０〜４０％の範囲で変化させ、１次基本波成分と５次高調波成分および７次高調波成分との位相差を１２０〜２４０°の範囲で変化させた場合の、誘起電圧ピークに対する誘起電圧の１次基本波ピークの割合を示す説明図である。
【図３４】この発明の実施の形態６において、界磁極鉄心が界磁極１となる永久磁石部と、この界磁極１とは極性が逆の界磁極２となる突極部を有し、界磁極１と界磁極２とをそれぞれ周方向に等間隔に発生させるブラシレスモータの構成を示す断面図である。
【図３５】この発明の実施の形態６において、磁石厚ｈ１とｈ２との比率ｈ２／ｈ１に対する単位トルクを発生させるために必要な磁石量を示すグラフである。
【図３６】この発明の実施の形態６において、磁石厚ｈ１とｈ２との比率ｈ２／ｈ１に対するコギングトルクの振幅を示すグラフである。
【図３７】この発明の実施の形態６において、磁石厚ｈ１とｈ２との比率ｈ２／ｈ１に対するトルクリップル成分の振幅を示すグラフである。
【図３８】この発明の実施の形態６において、界磁極鉄心の表面に磁石貼り付け面を有し、磁石貼り付け面には永久磁石が接着剤等を用いて貼り付けられており、界磁極鉄心は、永久磁石間に永久磁石の貼り付け面よりも界磁極鉄心の中心から、電機子鉄心に向かう方向に突出している突起部を有しており、磁石の中心の厚みがｈ１、磁石の端部の厚みがｈ２となるように設定されているブラシレスモータの構成を示す断面図である。
【図３９】この発明の実施の形態６において、図１５のブラシレスモータについて、磁石厚ｈ１とｈ２との比率ｈ２／ｈ１に対するリラクタンストルクの大きさを示すグラフである。
【図４０】この発明の実施の形態７におけるブラシレスモータの界磁極の１極分の構成を示す断面図である。
【図４１】この発明の実施の形態７において、円弧ＲｍとＲｃとの比率Ｒｍ／Ｒｃに対する誘起電圧５次高調波成分のピークＥ5pの関係を示すグラフである。
【図４２】この発明の実施の形態７において、界磁極鉄心が界磁極１となる永久磁石部と、この界磁極１とは極性が逆の界磁極２となる突極部を有し、界磁極１と界磁極２とをそれぞれ周方向に等間隔に発生させるブラシレスモータの構成を示す断面図である。
【図４３】この発明の実施の形態７において、円弧ＲｍとＲｃとの比率Ｒｍ／Ｒｃに対する単位トルクを発生させるために必要な磁石量を示すグラフである。
【図４４】この発明の実施の形態７において、円弧ＲｍとＲｃとの比率Ｒｍ／Ｒｃに対するコギングトルクの振幅を示すグラフである。
【図４５】この発明の実施の形態７において、円弧ＲｍとＲｃとの比率Ｒｍ／Ｒｃに対するトルクリップル成分の振幅を示すグラフである。
【図４６】この発明の実施の形態７において、円弧ＲｍとＲｃとの比率Ｒｍ／Ｒｃに対するリラクタンストルクの大きさを示すグラフである。
【図４７】この発明の実施の形態７において、円弧ＲｍとＲｃとの比率Ｒｍ／Ｒｃに対するインダクタンスのｄ軸成分の大きさを示すグラフである。
【図４８】この発明の実施の形態８において、モータ端子間に図１０に示した電圧を印加した場合のモータの各電機子巻線に流れる電流を示す別の説明図である。
【図４９】この発明の実施の形態８において、鎖交磁束を１次基本波成分と高調波成分との和とした場合に、モータの各電機子巻線に鎖交する磁束を示す説明図である。
【図５０】この発明の実施の形態８において、鎖交磁束を１次基本波成分と高調波成分との和とした場合のトルク波形を示す説明図である。
【図５１】この発明の実施の形態８において、界磁極鉄心および界磁極鉄心に設けられた電気角１周期分の永久磁石を直線状に展開して示す説明図である。
【図５２】この発明の実施の形態８において、界磁極−電機子間の空隙における径方向の空間磁束密度の波形を示す説明図である。
【図５３】この発明の実施の形態１〜８に記載されたブラシレスモータまたはブラシレスモータの駆動方法によってアシストトルクを発生させるようにした電動パワーステアリング装置を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明に係るブラシレスモータおよびブラシレスモータの駆動方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るブラシレスモータ１を外部交流電圧源２とともに示すブロック図である。図１において、ブラシレスモータ１は、外部交流電圧源２によって、３相Ｕ、Ｖ、Ｗの相間ＵＶ、ＶＷ、ＷＵに交流電圧（モータ印加電圧）Ｖが印加されて駆動される。なお、ブラシレスモータ１と外部交流電圧源２とを合わせたものも、ブラシレスモータとして扱う場合もあるものとする。
【００１８】
図２は、図１に示したブラシレスモータ１の構成を示す断面図である。図２において、ブラシレスモータ１の電機子は、３相の電機子巻線１１を有する電機子鉄心１２からなり、界磁極は、複数個の永久磁石１３を有する界磁極鉄心１４からなる。各相の電機子巻線１１は、結線された後、各端子Ｕ´、Ｖ´、Ｗ´が、それぞれ図１に示した外部交流電圧源２の各相Ｕ、Ｖ、Ｗと接続されている。
【００１９】
なお、図２に示したモータの構造は、一例であって、例えば、図３に示されるように、永久磁石１３が界磁極鉄心１４中に埋め込まれものであってもよく、上記永久磁石１３の数および電機子巻線１１の数も、図２のものに限る必要はない。
【００２０】
図４は、図１に示した外部交流電圧源２の各相間ＵＶ、ＶＷ、ＷＵの等価回路を示す回路図である。図４において、ブラシレスモータ１の電機子巻線１１に印加される電圧（モータ印加電圧）Ｖは、モータの界磁極が回転することによって端子間に発生する誘起電圧Ｅ＝ωφmと、モータの端子間の電機子巻線１１のインダクタンスＬ、および電機子巻線１１や外部交流電圧源２の抵抗Ｒによる電圧降下分との和である。なお、φmは、永久磁石１３から発生する磁束が、ブラシレスモータ１の各端子間Ｕ´Ｖ´、Ｖ´Ｗ´、Ｗ´Ｕ´の電機子巻線１１に鎖交する磁束とする。
【００２１】
図５は、図４に示した回路３相分をｄｑ軸２相変換して、電流をｑ軸方向に通電した場合のベクトル線図である。図５において、Ｌqをｑ軸インダクタンスとし、φmdを磁束φmのｄ軸成分とする。図５より、モータに電圧実効値Ｖを印加したときの値は、次式（１）で表される。
【００２２】
【数１】
2013108726.tif 000003
【００２３】
式（１）より、モータに印加される電圧Ｖおよび電流ｉqは、モータの抵抗成分やインダクタンス成分により位相が異なることがわかる。
【００２４】
また、モータのトルクは、磁束φmおよび電流ｉの大きさの積に比例する。ただし、モータの平均トルクに影響するのは、磁束φmや電流ｉの１次基本波成分であり、それぞれの高調波成分は、トルクリップルの原因となる。また、モータの出力は、モータトルクと回転数との積で表され、同じ回転数においてモータトルクが向上すれば、モータの出力も向上する。
【００２５】
図６は、この発明の実施の形態１において、図４に示した各相の電機子巻線１１に外部交流電圧源２から印加される電圧Ｖの波形を示す説明図である。図６において、電機子巻線１１には、略台形状電圧が印加され、電圧ＶのピークＶpよりも、電圧Ｖの１次基本波ピークＶ1pのほうが大きくなるように設定されている。
【００２６】
これは、図４に示した回路に印加される電圧の１次基本波は、電流の１次基本波となるので、電圧ピークＶpが一定の場合、１次基本波ピークＶ1pが大きくなるほど、トルクや出力が大きくなるためである。ここで、Ｖ1p／Ｖpは、正弦波電圧に対する電圧利用率を示し、この値が大きいほど、同じピークの電圧に対して大きなトルクや出力を得ることができる。
【００２７】
また、図６において、電機子巻線１１に印加される電圧Ｖは、１次基本波成分と５次高調波成分との和として、次式（２）で表される。
【００２８】
【数２】
2013108726.tif 000004
【００２９】
式（２）において、Ｖ1p、Ｖ5pは各次数波形のピークを示し、θ5は１次基本波成分と５次高調波成分との位相差を示している。図６では、θ5を１８０°とし、Ｖ5p／Ｖ1pを０．０６としている。このように設定した場合には、Ｖ1p／Ｖpが約１．０５となり、トルクや出力が向上する。
【００３０】
なお、Ｖ1p／Ｖpは、Ｖ1pに対するＶ5pの比率や、θ5を変えた場合にも向上する。まず、θ5を１８０°として、Ｖ5p／Ｖ1pを０〜０．１５の範囲で変化させた場合の、
電圧ピークＶpに対する電圧の１次基本波ピークＶ1pの割合を図７に示す。図７より、Ｖ5p／Ｖ1pを０．０２〜０．１２とした場合に、Ｖ1p／Ｖpが１．０２以上となることがわかる。
【００３１】
また、より望ましくは、Ｖ5p／Ｖ1pを０．０３〜０．１１とした場合に、Ｖ1p／Ｖpが１．０３以上となることがわかる。また、より望ましくは、Ｖ5p／Ｖ1pを０．０４〜０．０９とした場合に、Ｖ1p／Ｖpが１．０４以上となることがわかる。
【００３２】
次に、θ5を１４０°〜２２０°の範囲で変化させ、かつＶ5p／Ｖ1pを０〜０．１５の範囲で変化させた場合の、電圧ピークＶpに対する電圧の１次基本波ピークＶ1pの割合（Ｖ1p／Ｖp）の最大値を図８に示す。図８より、θ5を１５０°〜２１０°とした場合に、Ｖ1p／Ｖpが１．０２以上となることがわかる。
【００３３】
また、より望ましくは、θ5を１６０°〜２００°とした場合に、Ｖ1p／Ｖpが１．０３以上となることがわかる。また、より望ましくは、θ5を１７０°〜１９０°とした場合に、Ｖ1p／Ｖpが１．０４以上となることがわかる。
【００３４】
これらのことから、Ｖ1p／Ｖpを向上させて、同じ電圧ピークにおいてトルクや出力を向上させる波形を入力するには、Ｖ5p／Ｖ1pを０．０２〜０．１２、θ5を１５０°〜２１０°に設定することが望ましい。
【００３５】
また、Ｖ5p／Ｖ1pの範囲は、より望ましくは、Ｖ5p／Ｖ1pを０．０３〜０．１１、より望ましくは、０．０４〜０．０９とし、θ5の範囲は、１６０°〜２００°、より望ましくは、θ5を１７０°〜１９０°に設定することが望ましい。
【００３６】
図９は、この発明の実施の形態１において、外部交流電圧源２の高調波電圧印加方法を示すブロック図である。図９において、外部交流電圧源２は、１次基本波の電圧指令値に基づいて電機子巻線１１に１次基本波電圧を印加する基本波電圧印加部３１と、１次基本波の電圧指令値に基づいて５次高調波電圧指令値を演算する５次高調波電圧指令部３２と、５次高調波電圧指令値に基づいて電機子巻線１１に５次高調波電圧を重畳する５次高調波電圧重畳部３３とを備えている。
【００３７】
５次高調波電圧指令部３２における５次高調波電圧指令値の演算方法は、電圧の１次基本波指令値のピークＶ1psに対して、振幅Ｖ5psかつ１次基本波に対する位相差θ5の５次高調波成分指令値が所定値、望ましくはＶ5ps／Ｖ1psを０．０２〜０．１２、かつθ5を１５０°〜２１０°で重畳されるように、５次高調波電圧指令値が演算される。また、５次高調波電圧指令値に基づいて、５次高調波電圧重畳部３３で５次高調波電圧が重畳され、電機子巻線１１に５次高調波電圧を含む電圧Ｖが重畳される。
【００３８】
次に、この発明の実施の形態１におけるモータに発生するトルクリップルについて考える。上述したように、モータのトルクは、磁束φmおよび電流ｉの大きさの積に比例する。ただし、モータの平均トルクに影響するのは、磁束φmや電流ｉの１次基本波成分であり、それぞれの高調波成分は、トルクリップルの原因となる。すなわち、通常、モータの各端子間の電機子巻線１１に鎖交する磁束φmとしては、次式（３）で表されるような、１次基本波成分のみが与えられることが望ましい。
【００３９】
【数３】
2013108726.tif 000005
【００４０】
ここで、モータ端子間に、図１０に示される、この発明の実施の形態１の駆動方法における電圧Ｖを印加した場合を考える。なお、図１０に示した電圧Ｖにおいて、５次高調波成分は、１次基本波に対して１８０°の位相差を有し、１次基本波の振幅に対する５次高調波成分の振幅の割合が３．５〜４％程度である。
【００４１】
このような電圧Ｖを印加した場合、モータの各電機子巻線１１に流れる電流ｉは、図１１に示されるように、５次高調波成分または７次高調波成分を含む波形となる。また、上記式（３）の鎖交磁束が、モータの各電機子巻線１１に、図１２に示される位相関係で鎖交するように運転した場合、トルク波形は、図１３に示されるようになる。なお、図１３から、トルクリップル６次高調波成分のみが発生していることがわかる。
【００４２】
一方、電圧ＶのピークＶpよりも、電圧Ｖの１次基本波ピークＶ1pのほうが大きくなる波形は、この他にも、図１４に示される波形Ａ（１２０°矩形波）や波形Ｂ（１２０°台形波）等多数ある。しかしながら、これらの電圧の周波数分析結果である図１４に示されるように、このような電圧Ｖは、一般的に高次まで奇数次成分を含む波形となるので、このような電圧Ｖを印加した場合、モータの各電機子巻線１１に流れる電流ｉは、高次まで奇数次成分を含む波形となる。
【００４３】
そのため、例えば上記波形Ａ（１２０°矩形波）の電圧が印加され、かつ上記式（３）の鎖交磁束が、モータの各電機子巻線１１に、図１２に示される位相関係で鎖交するように運転した場合、トルク波形は、図１５に示されるように、この発明の実施の形態１で発生したトルクリップル６次高調波成分に加えて、高周波のトルクリップル（６ｎ次、ｎは２以上の整数）が発生した波形となる。
【００４４】
よって、この発明の実施の形態１では、電機子巻線１１に選択的に５次高調波成分のみを印加したので、図１４に示される略台形電圧に対して、６ｎ次成分（ｎは２以上の整数）のトルクリップルが発生しないことがわかる。
【００４５】
なお、上記の例では、上記式（３）に示した正弦波状の鎖交磁束がモータの各電機子巻線１１に鎖交した場合について説明したが、鎖交磁束や、巻線に鎖交する磁束によって巻線に発生する電圧に高調波を含む場合であっても、電圧に起因するトルクリップルに限れば、上記の説明が成立する。
【００４６】
なお、実際のモータでは、電圧の１次基本波指令値のピークＶ1psに対して、５次高調波電圧のみを重畳することは困難であり、付随して６ｎ±１次（ｎは２以上の整数）の高調波成分が印加される可能性がある。このような場合、上記で説明した波形Ａ（１２０°矩形波）や波形Ｂ（１２０°台形波）と同じく、トルクリップル６次高調波成分に加えて、高周波のトルクリップル６ｎ次（ｎは２以上の整数）が発生し、トルクリップル増加の原因となる。
【００４７】
図１６は、１１、１３次高調波電圧が１次基本波電圧のピークＶ1pに対してα％印加された場合のトルクリップルの６次成分および１２次成分である。この電圧は、次式のように表される。
【００４８】
Ｖ＝Ｖ1pｓｉｎ（ωｔ）＋γＶ1pｓｉｎ（５ωｔ＋θ５）
＋αＶ1p｛ｓｉｎ（１１ωｔ＋θ１１）＋ｓｉｎ（１３ωｔ＋θ１３）｝
【００４９】
ここで、θ11、θ13は１次基本波成分と１１次、１３次高調波成分との位相差を示している。ただし、１次基本波の振幅に対する５次高調波成分の振幅の割合γは、０．０３５〜０．０４程度とする。このとき、αが０〜０．０３程度までは、トルクリップル１２次成分が増加していないことがわかる。これは、モータの鎖交磁束に含まれる高調波によって発生するトルクリップル１２次成分と、上式の１１次、１３次高調波電圧に起因するトルクリップル１２次成分とが打ち消し合うためである。
【００５０】
また、同じくαが０〜０．０３程度までは、トルクリップル６次成分がトルクリップル１２次成分と比較して、３４０％程度と支配的なので、トルクリップル１２次成分がトルクリップルの合計に与える影響は小さい。以上より、電圧の１次基本波指令値のピークＶ1psに対して、１１、１３次高調波電圧が多少含まれても、トルクリップルへの影響は小さい。
【００５１】
次に、図１７は、１次基本波電圧のピークＶ1pに対して１７、１９次高調波電圧がβ％印加された場合のトルクリップルの６次成分および１８次成分である。このような電圧は、次式のように表される。
【００５２】
Ｖ＝Ｖ1pｓｉｎ（ωｔ）＋γＶ1pｓｉｎ（５ωｔ＋θ5）
＋βＶ1p｛ｓｉｎ（１７ωｔ＋θ17）＋ｓｉｎ（１９ωｔ＋θ19）｝
【００５３】
ここで、θ17、θ19は１次基本波成分と１７次、１９次高調波成分との位相差を示している。ただし、１次基本波の振幅に対する５次高調波成分の振幅の割合γは、０．０３５〜０．０４程度とする。このとき、βが０〜０．０３程度までは、トルクリップル１２次成分が増加していないことがわかる。これは、モータの鎖交磁束に含まれる高調波によって発生するトルクリップル１８次成分と、上式の１７次、１９次高調波電圧に起因するトルクリップル１８次成分とが打ち消し合うためである。
【００５４】
また、同じくαが０〜０．０３程度までは、トルクリップル６次成分がトルクリップル１８次成分と比較して、５００％程度と支配的なので、トルクリップル１８次成分がトルクリップルの合計に与える影響は小さい。以上より、電圧の１次基本波指令値のピークＶ1psに対して、１７、１９次高調波電圧が多少含まれても、トルクリップルへの影響は小さい。
【００５５】
また、上記の例では、１１、１３次および１７、１９次高調波電圧が印加された場合のトルクリップル１２、１８次成分への影響を示したが、同様に、６ｎ±１次（ｎは２以上の整数）の高調波電圧が多少印加されても、鎖交磁束によって発生するトルクと打ち消しあうこと、および６次トルクリップルに対して割合が小さいことから、トルクリップル６ｎ次（ｎは２以上の整数）への影響は小さいといえる。
【００５６】
また、図１４の波形Ｂ（１２０°台形波）には、３（２ｎ−１）次（ｎは１以上の整数）の電圧が含まれているが、この電圧は、図１８に示されるように、電機子巻線が３相Δ結線で結線されている場合において循環電流の原因となる。そのため、この発明の実施の形態１では、電機子巻線１１に選択的に５次高調波成分のみを印加したので、図１８に示されたΔ結線に発生する循環電流が発生しないことがわかる。
【００５７】
ただし、実際のモータでは、電圧の１次基本波指令値のピークＶ1psに対して、５次高調波電圧のみを重畳することは困難であり、付随して３（２ｎ−１）次（ｎは１以上の整数）の高調波成分が印加される可能性がある。
【００５８】
図１９は、１次基本波電圧のピークＶ1pに対して３次高調波電圧がδ％印加された場合の、図１８に示されるΔ結線に発生する循環電流の３次成分である。このとき、βが０〜０．１５程度までは、循環電流の３次成分が増加していないことがわかる。これは、モータの鎖交磁束に含まれる高調波によって発生する循環電流３次成分と、上式の３次高調波電圧に起因する循環電流３次成分とが打ち消し合うためである。以上より、Δ結線において、電圧の１次基本波指令値のピークＶ1psに対して、３次高調波電圧が多少含まれても、循環電流３次成分への影響は小さい。
【００５９】
また、上記の例では、３次高調波電圧が印加された場合の循環電流３次成分への影響を示したが、同様に、３（２ｎ−１）次（ｎは１以上の整数）の高調波電圧が多少印加されても、鎖交磁束によって発生する３（２ｎ−１）次（ｎは１以上の整数）循環電流と打ち消しあうことから、循環電流３（２ｎ−１）次（ｎは１以上の整数）への影響は小さいといえる。
【００６０】
以上のように、実施の形態１によれば、電機子巻線には、１次基本波に対して、５次高調波成分および７次高調波成分の少なくとも一方が、印加電圧の１次基本波ピークを印加電圧ピークよりも大きくする所定の位相差条件および振幅条件で重畳された電圧が印加される。
そのため、印加電圧の１次基本波ピークが印加電圧ピークよりも大きくなることで、ブラシレスモータの電圧利用率を向上させて、モータのトルクや出力を向上させることができ、さらに、印加電圧の１次基本波ピークを印加電圧ピークよりも大きくするために、選択的に５次高調波成分および７次高調波成分の少なくとも一方を印加したので、高調波の印加による６ｎ次成分（ｎは２以上の整数）のトルクリップルや、図１８に示されたΔ結線における循環電流の発生を抑えることができる。
【００６１】
すなわち、この発明の実施の形態１では、電機子巻線には、１次基本波に対して、５次高調波成分が重畳された略台形状電圧が印加され、５次高調波成分は、高次高調波成分１周期を３６０°とした場合に、１次基本波に対して１５０°〜２１０°の位相差（θ5）を有し、１次基本波の振幅に対する５次高調波成分の振幅の割合（Ｖ5p／Ｖ1p）が２〜１２％である。
【００６２】
これにより、ブラシレスモータに印加される略台形状電圧の１次基本波ピークＶ1pを、略台形状電圧のピークＶpよりも２％以上増加させることができるので、正弦波電圧に対する電圧利用率を向上させて、ブラシレスモータのトルクや出力を向上させることができる。
【００６３】
また、このようなブラシレスモータを電動パワーステアリング装置に適用した場合、ブラシレスモータのトルクや出力が向上するので、電動パワーステアリング装置を小型化、軽量化することができ、電動パワーステアリング装置が搭載された車両を小型化、軽量化することができる。
【００６４】
実施の形態２．
図２０は、この発明の実施の形態２において、図４に示した各相の電機子巻線１１に外部交流電圧源２から印加される電圧Ｖの波形を示す説明図である。図２０において、電機子巻線１１には、略台形状電圧が印加され、電圧ＶのピークＶpよりも、電圧Ｖの１次基本波ピークＶ1pのほうが大きくなるように設定されている。
【００６５】
また、図２０において、電機子巻線１１に印加される電圧Ｖは、１次基本波成分と５次高調波成分と７次高調波成分との和として、次式（４）で表される。
【００６６】
【数４】
2013108726.tif 000006
【００６７】
式（４）において、Ｖ1p、Ｖ5p、Ｖ7pは各次数波形のピークを示し、θ5は１次基本波成分と５次高調波成分との位相差を示し、θ7は１次基本波成分と７次高調波成分との位相差を示している。図２０では、θ5およびθ7を１８０°とし、Ｖ5p／Ｖ1pを０．１２６とし、Ｖ7p／Ｖ1pを０．０５４としている。このように設定した場合には、Ｖ1p／Ｖpが約１．０７７となり、トルクや出力が向上する。
【００６８】
なお、Ｖ1p／Ｖpは、Ｖ1pに対するＶ5pおよびＶ7pの比率や、θ5およびθ7を変えた場合にも向上する。まず、θ5およびθ7を１８０°として、（Ｖ5p＋Ｖ7p）／Ｖ1pを０〜０．４０の範囲で変化させた場合の、電圧ピークＶpに対する電圧の１次基本波ピークＶ1pの割合を図２１に示す。図２１より、（Ｖ5p＋Ｖ7p）／Ｖ1pを０．０２〜０．３６とした場合に、Ｖ1p／Ｖpが１．０２以上となることがわかる。
【００６９】
また、より望ましくは、（Ｖ5p＋Ｖ7p）／Ｖ1pを０．０４〜０．３２とした場合に、Ｖ1p／Ｖpが１．０４以上となることがわかる。また、より望ましくは、（Ｖ5p＋Ｖ7p）／Ｖ1pを０．０６〜０．３０とした場合に、Ｖ1p／Ｖpが１．０５以上となることがわかる。また、より望ましくは、（Ｖ5p＋Ｖ7p）／Ｖ1pを０．１０〜０．２６とした場合に、Ｖ1p／Ｖpが１．０６以上となることがわかる。また、より望ましくは、（Ｖ5p＋Ｖ7p）／Ｖ1pを０．１４〜０．２２とした場合に、Ｖ1p／Ｖpが１．０７以上となることがわかる。
【００７０】
次に、θ5およびθ7を１２０°〜２４０°の範囲で変化させ、かつ（Ｖ5p＋Ｖ7p）／Ｖ1pを０〜０．４０の範囲で変化させた場合の、電圧ピークＶpに対する電圧の１次基本波ピークＶ1pの割合（Ｖ1p／Ｖp）の最大値を図２２に示す。図２２より、θ5およびθ7を１２０°〜２４０°とした場合に、Ｖ1p／Ｖpが１．０２以上となることがわかる。
【００７１】
また、より望ましくは、θ5およびθ7を１４０°〜２２０°とした場合に、Ｖ1p／Ｖpが１．０３以上となることがわかる。また、より望ましくは、θ5およびθ7を１５０°〜２１０°とした場合に、Ｖ1p／Ｖpが１．０４以上となることがわかる。また、より望ましくは、θ5およびθ7を１６０°〜２００°とした場合に、Ｖ1p／Ｖpが１．０５以上となることがわかる。また、より望ましくは、θ5およびθ7を１７０°〜１９０°とした場合に、Ｖ1p／Ｖpが１．０６以上となることがわかる。
【００７２】
これらのことから、Ｖ1p／Ｖpを向上させて、同じ電圧ピークにおいてトルクや出力を向上させる波形を入力するには、（Ｖ5p＋Ｖ7p）／Ｖ1pを０．０２〜０．３６、θ5およびθ7を１２０°〜２４０°に設定することが望ましい。
【００７３】
また、（Ｖ5p＋Ｖ7p）／Ｖ1pの範囲は、より望ましくは０．０４〜０．３２、より望ましくは０．０６〜０．３０、より望ましくは０．１０〜０．２６、より望ましくは０．１４〜０．２２とし、θ5およびθ7の範囲は、より望ましくは１５０°〜２１０°、より望ましくは１６０°〜２００°、より望ましくは１７０°〜１９０°に設定することが望ましい。
【００７４】
図２３は、この発明の実施の形態２において、外部交流電圧源２の高調波電圧印加方法を示すブロック図である。図２３において、外部交流電圧源２は、１次基本波の電圧指令値に基づいて電機子巻線１１に１次基本波電圧を印加する基本波電圧印加部３１と、１次基本波の電圧指令値に基づいて５次高調波電圧指令値を演算する５次高調波電圧指令部３２と、５次高調波電圧指令値に基づいて電機子巻線１１に５次高調波電圧を重畳する５次高調波電圧重畳部３３と、１次基本波の電圧指令値に基づいて７次高調波電圧指令値を演算する７次高調波電圧指令部３４と、７次高調波電圧指令値に基づいて電機子巻線１１に７次高調波電圧を重畳する７次高調波電圧重畳部３５とを備えている。
【００７５】
５、７次高調波電圧指令部３２、３４における５、７次高調波電圧指令値の演算方法は、電圧の１次基本波指令値のピークＶ1psに対して、振幅Ｖ5psかつ１次基本波に対する位相差θ5の５次高調波成分指令値、および振幅Ｖ7psかつ１次基本波に対する位相差θ7の７次高調波成分指令値がそれぞれ所定値、望ましくは（Ｖ5ps＋Ｖ7ps）／Ｖ1psを０．０２〜０．３６、かつθ5およびθ7を１２０°〜２４０°で重畳されるように、５、７次高調波電圧指令値が演算される。また、５、７次高調波電圧指令値に基づいて、５、７次高調波電圧重畳部３３、３５で高調波電圧が重畳され、電機子巻線１１に高調波電圧を含む電圧Ｖが重畳される。
【００７６】
次に、この発明の実施の形態２におけるモータに発生するトルクリップルについて考える。この発明の実施の形態２のように、５次高調波成分および７次高調波成分が重畳された電圧Ｖを印加した場合、モータの各電機子巻線１１に流れる電流ｉは、上記実施の形態１と同様に、５次高調波成分または７次高調波成分を含む波形となる。したがって、トルクリップルは、上記実施の形態１と同様に、６次高調波成分のみが発生することになる。
【００７７】
よって、この発明の実施の形態２では、電機子巻線１１に選択的に５次高調波成分および７次高調波成分のみを印加したので、図１４に示される略台形電圧に対して、６ｎ次成分（ｎは２以上の整数）のトルクリップルが発生しないことがわかる。
【００７８】
また、実際のモータでは、電圧の１次基本波指令値のピークＶ1psに対して、５次、７次高調波電圧のみを重畳することは困難であり、付随して６ｎ±１次（ｎは２以上の整数）の高調波成分が印加される可能性がある。しかしながら、実施の形態１に示したように、６ｎ±１次（ｎは２以上の整数）の高調波電圧が多少印加されても、鎖交磁束によって発生するトルクと打ち消しあうこと、および６次トルクリップルに対して割合が小さいことから、トルクリップル６ｎ次（ｎは２以上の整数）への影響は小さい。
【００７９】
なお、上記の例では、上記式（３）に示した正弦波状の鎖交磁束がモータの各電機子巻線１１に鎖交した場合について説明したが、鎖交磁束に高調波を含む場合であっても、電圧に起因するトルクリップルに限れば、上記の説明が成立する。
【００８０】
また、この発明の実施の形態２では、電機子巻線１１に選択的に５次高調波成分および７次高調波成分のみを印加したので、図１８に示されたΔ結線において、３（２ｎ−１）次（ｎは１以上の整数）電圧に起因する循環電流を抑制することができる。
【００８１】
ただし、実際のモータでは、電圧の１次基本波指令値のピークＶ1psに対して、５次高調波電圧のみを重畳することは困難であり、付随して３（２ｎ−１）次（ｎは１以上の整数）の高調波成分が印加される可能性がある。しかしながら、３（２ｎ−１）次（ｎは１以上の整数）の高調波電圧が多少印加されても、鎖交磁束によって発生する３（２ｎ−１）次（ｎは１以上の整数）循環電流と打ち消しあうことから、循環電流３（２ｎ−１）次（ｎは１以上の整数）への影響は小さいといえる。
【００８２】
以上のように、実施の形態２によれば、電機子巻線には、１次基本波に対して、５次高調波成分および７次高調波成分の少なくとも一方が、印加電圧の１次基本波ピークを印加電圧ピークよりも大きくする所定の位相差条件および振幅条件で重畳された電圧が印加される。
そのため、印加電圧の１次基本波ピークが印加電圧ピークよりも大きくなることで、ブラシレスモータの電圧利用率を向上させて、モータのトルクや出力を向上させることができ、さらに、印加電圧の１次基本波ピークを印加電圧ピークよりも大きくするために、選択的に５次高調波成分および７次高調波成分の少なくとも一方を印加したので、高調波の印加による６ｎ次成分（ｎは２以上の整数）のトルクリップルや、図１８に示されたΔ結線における循環電流の発生を抑えることができる。
【００８３】
すなわち、この発明の実施の形態２では、電機子巻線には、１次基本波に対して、５次高調波成分および７次高調波成分が重畳された略台形状電圧が印加され、５次高調波成分および７次高調波成分は、高次高調波成分１周期を３６０°とした場合に、１次基本波に対して１２０°〜２４０°の位相差（θ5、θ7）を有し、１次基本波の振幅に対する５次高調波成分および７次高調波成分の振幅の和の割合（（Ｖ5p＋Ｖ7p）／Ｖ1p）が２〜３６％である。
【００８４】
これにより、ブラシレスモータに印加される略台形状電圧の１次基本波ピークＶ1pを、略台形状電圧のピークＶpよりも２％以上増加させることができるので、正弦波電圧に対する電圧利用率を向上させて、ブラシレスモータのトルクや出力を向上させることができる。
【００８５】
また、このようなブラシレスモータを電動パワーステアリング装置に適用した場合、ブラシレスモータのトルクや出力が向上するので、電動パワーステアリング装置を小型化、軽量化することができ、電動パワーステアリング装置が搭載された車両を小型化、軽量化することができる。
【００８６】
実施の形態３．
図１８は、この発明の実施の形態３におけるブラシレスモータ１の各相の電機子巻線１１の結線方法を示す結線図である。図１８において、各相の電機子巻線１１は、Δ結線されている。３相駆動されるブラシレスモータ１の電機子巻線１１の結線方法としては、図１８に示したものの他に、図２４に示されるＹ結線がある。この発明の実施の形態３では、端子間に外部交流電圧源２を接続し、上述した実施の形態１または２の駆動方法でブラシレスモータ１を駆動する。
【００８７】
ここで、図１８、２４のそれぞれにおける各相の電機子巻線１１について、線径およびターン数を同一とし、接続方法のみを変えることを考えると、各相の電機子巻線１１の抵抗およびインダクタンスは、図１８、２４で同一なので、図２４のＹ結線における各端子間の抵抗およびインダクタンスをそれぞれＲ、Ｌとすると、図１８のΔ結線では、抵抗およびインダクタンスがそれぞれ１／３Ｒ、１／３Ｌとなる。
【００８８】
なお、図１８、２４の各端子間の抵抗およびインダクタンスは、上述した図４におけるモータ端子間の抵抗ＲおよびインダクタンスＬに対応するので、Δ結線では、Ｙ結線と比較して、端子間のモータの損失や電圧降下が小さくなり、ブラシレスモータ１に流すことができる電流ｉを増加させることができる。したがって、上述した実施の形態１または２の駆動方法において、モータのトルクや出力を向上させることができる。
【００８９】
また、図１８、２４のそれぞれにおける各端子間の抵抗値を同等とし、各相の巻数ｗが同一となるように電機子巻線１１を巻回する場合、各相巻線の抵抗値は、モータの線径ｄの２乗に反比例し、次式（５）で表される。
【００９０】
【数５】
2013108726.tif 000007
【００９１】
したがって、各端子間の抵抗値を同等とした場合、上述したように、図１８のΔ結線では、図２４のＹ結線と比較して、各相の電機子巻線１１の抵抗値を３倍にすることができるので、Ｙ結線と比較して、線径を１／√３とすることができる。そのため、モータの抵抗値を同等としながらも、上述した実施の形態１または２の駆動方法を実現するモータの巻線作業の作業性を向上させることができる。
【００９２】
以上のように、実施の形態３によれば、各相の電機子巻線をΔ結線とすることにより、上述した実施の形態１または２の駆動方法において、モータのトルクや出力を向上させたり、駆動対象とするモータの巻線作業性を向上させたりすることができる。
【００９３】
実施の形態４．
図２５は、この発明の実施の形態４におけるブラシレスモータ１の回転数（回転速度）に対するトルク特性を示す説明図である。図２５より、ある回転数を境に、トルク特性の傾きが負方向に大きくなることがわかる。これは、変曲点を境に、モータに印加される電圧ＶのピークＶpが、外部交流電圧源２が出力できる最大の相間電圧ピークＶmaxによって制約され、モータに流れる電流が電圧によって制限されるためである。
【００９４】
なお、ブラシレスモータ１の外部交流電圧源２としては、直流電圧源と、直流電圧を周波数可変の交流電圧に変換する周波数変換装置とを組み合わせたものが用いられることが多く、外部交流電圧源２が出力できる最大の相間電圧ピークＶmaxは、直流電圧源の性能によって決定されることが多い。
【００９５】
そのため、ブラシレスモータ１の運転領域は、モータに印加される相間電圧Ｖが、外部交流電圧源２の相間電圧ピークＶmax未満であって、トルクが最大電流で制限される運転領域と、モータに印加される相間電圧Ｖが、外部交流電圧源２の相間電圧ピークＶmaxと等しく（電圧飽和）、トルクが電圧で制限される運転領域とに二分される。
【００９６】
この発明の実施の形態４では、ブラシレスモータ１を、印加される相間電圧ＶのピークＶpが、外部交流電圧源２の相間電圧ピークＶmaxと等しい運転領域において、上述した実施の形態１、２または３の駆動方法で駆動する。
【００９７】
上述した実施の形態１、２または３の駆動方法を用いてブラシレスモータ１を駆動することにより、電圧ピークＶpに対する電圧利用率Ｖ1p／Ｖpが１．０２以上となり、さらに、この運転領域では、電圧ピークＶpがＶmaxに等しいので、Ｖ1max／Ｖmaxを１．０２以上とすることができる。ここで、Ｖ1maxはＶmaxの電圧の１次基本波ピークの大きさとする。
【００９８】
図２６は、この発明の実施の形態４におけるブラシレスモータ１について、回転数とトルク特性との関係を、同じ相間電圧ピークＶmaxを有する外部交流電圧源２を用いた場合の正弦波電圧駆動のものと比較して示す説明図である。図２６より、印加される相間電圧Ｖが、外部交流電圧源２が出力できる最大の相間電圧ピークＶmaxと等しい運転領域において、正弦波電圧駆動と比較してトルクや出力を向上させることができることがわかる。
【００９９】
以上のように、実施の形態４によれば、印加電圧Ｖが、外部交流電圧源２が出力できる最大の相間電圧ピークＶmaxと等しい運転領域において、同じ相間電圧ピークＶmaxを有する外部交流電圧源２を用いながらも、Ｖ1max／Ｖmaxを１０２％以上とすることができ、モータのトルクや出力を向上させることができる。
【０１００】
実施の形態５．
図２７は、この発明の実施の形態５に係るブラシレスモータを外部交流電圧源とともに示すブロック図である。図２７において、電機子巻線１１に接続される外部交流電圧源２は、１台の直流電圧源２１と、それぞれ直流電圧を周波数可変の交流電圧に変換する２台の周波数変換装置２２、２３とから構成されている。
【０１０１】
また、周波数変換装置２２、２３の各相Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２について、Ｕ１、Ｕ２は、モータの電機子巻線１１の端子Ｕ´に接続され、Ｖ１、Ｖ２は、モータの電機子巻線１１の端子Ｖ´に接続され、Ｗ１、Ｗ２は、モータの電機子巻線１１の端子Ｗ´に接続されている。この発明の実施の形態５では、端子間に図２７に示される接続方法で外部交流電圧源２を接続し、上述した実施の形態１、２、３または４の駆動方法でブラシレスモータ１を駆動する。
【０１０２】
ここで、周波数変換装置２２、２３の各相からモータ端子までの交流部分には、スイッチング素子やリレー等による抵抗成分Ｒacが存在するが、図２７では、周波数変換装置２２、２３が２並列で接続されているので、周波数変換装置２２、２３の抵抗成分Ｒacが同等の場合、抵抗成分はＲac／２となる。
【０１０３】
なお、この抵抗成分は、上述した図４におけるモータ端子間の抵抗Ｒに含まれるので、周波数変換装置を１台のみ用いる場合と比較して、外部交流電圧源２の相間の損失や電圧降下が小さくなり、ブラシレスモータ１に流すことができる電流ｉを増加させることができる。したがって、上述した実施の形態１、２、３または４の駆動方法において、モータのトルクや出力を向上させることができる。
【０１０４】
以上のように、実施の形態５によれば、複数台の周波数変換装置を用いることにより、上述した実施の形態１、２、３または４の駆動方法において、モータのトルクや出力を向上させることができる。
【０１０５】
なお、上記実施の形態５では、外部交流電圧源が、１台の直流電圧源と、それぞれ直流電圧を周波数可変の交流電圧に変換する２台の周波数変換装置とから構成されると説明したが、これに限定されず、直流電圧源を１台以上、周波数変換装置を２台以上とした場合であっても、抵抗値を低減することができ、同様の効果を得ることができる。
【０１０６】
実施の形態６．
図２８は、この発明の実施の形態６に係るブラシレスモータの界磁極の１極分を示す拡大図である。図２８において、このブラシレスモータは、界磁極鉄心の表面に磁石貼り付け面を有し、磁石貼り付け面には、永久磁石が接着剤等を用いて貼り付けられており、磁石の中心の厚みがｈ１、磁石の端部の厚みがｈ２となるように設定されている。
【０１０７】
ここで、図２８のブラシレスモータについて、界磁極が回転することによって図４に示すモータの端子間に発生する誘起電圧Ｅは、モータが磁極毎に対称構造を有する場合、次式（６）で表される。
【０１０８】
【数６】
2013108726.tif 000008
【０１０９】
式（６）において、電圧Ｅは、１次基本波成分と、ｋを１以上の整数として２ｋ＋１次高調波成分との和で表される。また、Ｅ1pおよびＥ(2k+1)pは、各次数波形のピークを示し、θ(2k+1)eは、１次基本波成分と２ｋ＋１次高調波成分との位相差を示している。
【０１１０】
ここで、誘起電圧ピークをＥpとすると、図４からわかるように、Ｅpは、外部駆動電源の各相間に外部から加わる電圧の、時間軸上での最大値である。ここで、外部駆動電源の相間の耐圧の最大値は、外部交流源に使用されるスイッチング素子や回路素子等によって上限が決まっており、耐圧を超えると外部駆動電源の故障を招く可能性があるので、誘起電圧のピークは、上限電圧を考慮すると小さいことが望ましい。一方、ブラシレスモータのトルクＴは、次式（７）で表される。
【０１１１】
【数７】
2013108726.tif 000009
【０１１２】
ただし、ωをブラシレスモータの角速度とする。上記式（７）のように、ブラシレスモータのトルクは、誘起電圧Ｅの基本波成分Ｅ1pに比例するので、誘起電圧ピークを抑えながらもトルクの値を向上するには、誘起電圧ピークＥpに対する基本波ピークＥ1pの比率、すなわちＥ1p／Ｅpを向上させることが必要となる。
【０１１３】
ここで、この実施の形態６では、誘起電圧Ｅは次式（８）のように、１次基本波成分と５次高調波成分と他の高調波次数成分との和で表される値が印加される。
【０１１４】
【数８】
2013108726.tif 000010
【０１１５】
ここで、Ｅ1p、Ｅ5pは各次数波形のピーク、Ｅotherは他の高調波次数、θ5eは５次高調波成分と基本波との位相差である。次に、Ｅ5p／Ｅ1p、すなわち誘起電圧基本波に対する５次高調波印加率を変えた場合のＥ1p／Ｅpの変化について考える。θ5eを１８０°として、Ｅ5p／Ｅ1pを０〜１５％に設定した電圧が誘起されるとき、誘起電圧ピークＥpに対する電圧基本波Ｅ1pの割合を図２９に示す。この図から、Ｅ5p／Ｅ1pを２〜１２％としたとき、Ｅ1p／Ｅpが１．０２以上となり、約６％としたとき、Ｅ1p／Ｅpが最大となることがわかる。
【０１１６】
次に、θ5を１４０°〜２２０°に設定したとき、Ｅ5p／Ｅ1pを０〜１５％の間で変化させたときのＥ1p／Ｅpの最大値を図３０に示す。この図から、θ5を１５０°〜２１０°としたとき、Ｅ1p／Ｅpが１．０２以上となり、θ5を１８０°としたとき、Ｅ1p／Ｅpが最大となることがわかる。ただし、ここでは、他の高調波次数Ｅotherが、Ｅ1p、Ｅ5pに比べて十分小さいと仮定している。
【０１１７】
次に、この実施の形態６において、ｈ１とｈ２との比率ｈ２／ｈ１に対する誘起電圧５次高調波成分のピークＥ5pと位相差θ5eとの関係は、図３１のように示される。このような値となるようなｈ２／ｈ１の比率について図２９から考えると、ｈ２／ｈ１をほぼ０．７としたとき、Ｅ5p／Ｅ1pが約６％、θ5eが約１８０度となり、Ｅ1p／Ｅpが最大となることがわかる。以上より、Ｅ1p／Ｅpを向上させるためには、図２８のブラシレスモータについて、ｈ２／ｈ１をほぼ０．７と設定するのが望ましいといえる。
【０１１８】
また、上記の例では、誘起電圧Ｅが、上記式（８）のように、１次基本波成分と５次高調波成分と他の次数成分との和で表される値が印加される場合について述べたが、次式（９）のように１次基本波成分と５次高調波成分と７次成分と他の高調波次数成分との和で表される場合について考える。
【０１１９】
【数９】
2013108726.tif 000011
【０１２０】
ここで、Ｅ1p、Ｅ5p、Ｅ7pは各次数波形のピーク、θ5eは５次高調波成分と基本波との位相差、θ7eは７次高調波成分と基本波との位相差である。次に、（Ｅ5p＋Ｅ7p）／Ｅ1p、すなわち誘起電圧基本波に対する５次高調波印加率と７次高調波印加率との和を変えた場合のＥ1p／Ｅpの変化について考える。θ5e、およびθ7eを１８０°として、（Ｅ5p＋Ｅ7p）／Ｅ1pを０〜４０％の範囲で変化させた場合の、電圧ピークＥpに対する電圧の１次基本波ピークＥ1pの割合を図３２に示す。図３２より、（Ｅ5p＋Ｅ7p）／Ｅ1pを２％〜３６％とした場合に、Ｅ1p／Ｅpが１．０２以上となり、約１８％としたときＥ1p／Ｅpが最大となることがわかる。
【０１２１】
次に、θ5を１２０°〜２４０°に設定したとき、Ｅ5p／Ｅ1pを０〜４０％の間で変化させたときのＥ1p／Ｅpの最大値を図３３に示す。この図から、θ5を１２０°〜２４０°としたとき、Ｅ1p／Ｅpが１．０２以上となり、θ5を１８０°としたとき、Ｅ1p／Ｅpが最大となることがわかる。ただし、ここでは、他の高調波次数Ｅotherが、Ｅ1p、Ｅ5p、Ｅ7pに比べて十分小さいと仮定している。
【０１２２】
このような値になるようにｈ２／ｈ１を設定した場合についても、上記と同様の効果を得ることができる。また、上記では述べていないが、同様の効果は、ブラシレスモータに、ｍを１以上の整数として、２ｍ＋１次の高調波を印加した場合も得ることができる。印加される次数の例としては、３次や９次、１１次、１３次高調波等がある。ただし、誘起電圧に、ｋを１以上の整数として３（２ｋ−１）次高調波成分を含む場合、３相Δ結線としたときに循環電流が発生するといった問題があるので、Ｙ結線とすることが望ましい。
【０１２３】
また、図３４に示されるように、界磁極鉄心が界磁極１となる永久磁石部と、この界磁極１とは極性が逆の界磁極２となる突極部とを有し、界磁極１と界磁極２とをそれぞれ周方向に等間隔に発生させるブラシレスモータについては、磁極が回転することによって図４に示すモータの端子間に発生する誘起電圧Ｅは、次式（１０）で表される。
【０１２４】
【数１０】
2013108726.tif 000012
【０１２５】
そのため、界磁極のＮ極とＳ極とのペアを電気角３６０°としたとき、巻線のコイルピッチを１８０°として全節巻とすることで、次式（１１）で表される偶数次項を０とすることができる。したがって、上述した場合と同様の議論が成立する。また、偶数次誘起電圧に起因するトルク脈動、コギングを低減することができる。
【０１２６】
【数１１】
2013108726.tif 000013
【０１２７】
なお、この実施の形態６では、界磁極のＮ極とＳ極とのペアの界磁極周方向に占める角度を電気角３６０°としたとき、巻線のコイルピッチを１８０°とした全節巻としたので、高調波の巻線係数が向上し、ｈ２／ｈ１を変化させた場合の５次、７次高調波の印加率の変化量を向上させることができる。しかしながら、ティースに巻線を集中的に巻回する集中巻や、コイルピッチを１８０°以外の値に設定した場合も、上記と同様の効果を得ることができる。
【０１２８】
また、この実施の形態６では、ブラシレスモータの印加電圧に５次高調波成分Ｖ5pが印加されているが、図４の回路において、誘起電圧や印加電圧が電圧のインダクタンスＬやＲにおける降下分に比べて十分大きい場合には、誘起電圧と印加電圧とは、釣り合っていると考えてよい。
【０１２９】
したがって、誘起電圧の５高調波成分Ｅ5pの１次基本波成分Ｅ1pに対する割合Ｅ5p／Ｅ1pを、印加電圧の高調波成分の５高調波成分Ｖ5pの１次基本波成分Ｖ1pに対する割合Ｖ5p／Ｖ1pとほぼ等しい値とすることによって、電圧Ｅ5pおよびＶ5pが打ち消され、電流ｉに流れる高調波電流を抑制することができ、モータのトルクリップルを低減することができる。
【０１３０】
ここで、上記実施の形態１より、Ｖ5p／Ｖ1pを０．０２〜０．１２、より望ましくは０．０３〜０．１１、より望ましくは０．０４〜０．０９と設定したので、Ｅ5p／Ｅ1pについても、２％〜１２％、より望ましくは３％〜１１％、より望ましくは４％〜９％に設定するのが望ましい。
【０１３１】
ここで図２９から考えると、図２８のブラシレスモータについて、ｈ２／ｈ１を０．５〜１．０、より望ましくは０．５５〜０．９、より望ましくは０．６〜０．８と設定するのが望ましいといえる。また、上記では述べていないが、同様の効果は、ブラシレスモータに５次以外の次数の誘起電圧が発生し、かつこの誘起電圧と次数が同じ電圧を印加し、かつ誘起電圧の高調波成分の１次基本波成分に対する割合を、印加電圧の高調波成分の１次基本波成分に対する割合とほぼ等しい値とした場合にも得ることができる。
【０１３２】
次に、図３５には、同じくｈ２／ｈ１を変えたときに、単位トルクを発生させるために必要な磁石量が示されている。ただし、図３５の単位トルクを発生させるために必要な磁石量は、ｈ２／ｈ１が１．０のときの値で正規化している。図３５から、ｈ２／ｈ１をおよそ１．０とした場合に、単位トルクあたりの磁石量が最小となることがわかる。
【０１３３】
この理由としては、磁石の厚みｈ１がｈ２と等しくなると、電機子鉄心と界磁極鉄心との距離が相対的に近くなり、永久磁石が配置されている部分の磁気抵抗が低下し、誘起電圧が増加してモータトルクが向上するためである。したがって、単位トルクを発生させるために必要な磁石量を低減するためには、ｈ２／ｈ１をほぼ１．０と設定するのが望ましいといえる。
【０１３４】
次に、同じくｈ２／ｈ１を変えたときに、ブラシレスモータに発生するコギングトルクの振幅を図３６に示す。ただし、図３６のコギングトルクは、ｈ２／ｈ１が１．０のときの値で正規化している。図３６から、ｈ２／ｈ１をほぼ０．６５とすれば、コギングトルクが最小となっていることがわかる。したがって、ブラシレスモータに発生するコギングトルクを低減するには、ｈ２／ｈ１をほぼ０．６５に設定するのが望ましいといえる。
【０１３５】
次に、同じくｈ２／ｈ１を変えたときに、ブラシレスモータに発生するトルクリップルの振幅を図３７に示す。ただし、図３７のトルクリップルは、ｈ２／ｈ１が１．０のときの値で正規化している。図３７から、ｈ２／ｈ１をほぼ０．２とすれば、トルクリップルが最小となることがわかる。したがって、ブラシレスモータに発生するトルクリップルを低減するには、ｈ２／ｈ１をほぼ０．２に設定するのが望ましいといえる。
【０１３６】
また、図３８に示されるように、界磁極鉄心の表面に磁石貼り付け面を有し、磁石貼り付け面には、永久磁石が接着剤等を用いて貼り付けられており、界磁極鉄心は、永久磁石間に永久磁石の貼り付け面よりも界磁極鉄心の中心から、電機子鉄心に向かう方向に突出している突起部を有しており、磁石の中心の厚みがｈ１、磁石の端部の厚みがｈ２となるように設定されている場合についても、上記と同様の議論が成立する。ただし、界磁極がインダクタンスの突極性を有するので、リラクタンストルクが発生する点が異なる。
【０１３７】
ｈ２／ｈ１を変えたときのリラクタンストルクを図３９に示す。ただし、同４１のリラクタンストルクは、ｈ２／ｈ１が１．０のときの値で正規化している。図３９から、ｈ２／ｈ１を１．０とした場合に、リラクタンストルクが最大となることがわかる。
【０１３８】
したがって、図３８に示されるように、界磁極鉄心の表面に磁石貼り付け面を有し、磁石貼り付け面には、永久磁石が接着剤等を用いて貼り付けられており、界磁極鉄心は、永久磁石間に永久磁石の貼り付け面よりも界磁極鉄心の中心から、電機子鉄心に向かう方向に突出している突起部を有しているモータについて、リラクタンストルクを向上するためには、ｈ２／ｈ１を１．０に設定するのが望ましいといえる。
【０１３９】
モータのトルクは、永久磁石によって発生するマグネットトルクと、永久磁石によらず発生するリラクタンストルクとの和で表されるので、リラクタンストルクが向上すると、単位トルクを発生させるために必要な磁石量を低減することが可能となる。
【０１４０】
以上から、この実施の形態６では、ｈ２／ｈ１を適切に設定すれば、Ｅ1p／Ｅpを向上させて同じ誘起電圧ピークを抑えながらもモータトルクを向上したり、誘起電圧の高調波成分を印加電圧の高調波成分とほぼ等しい値とすることによって、電流ｉに流れる高調波電流を抑制したり、単位トルクを発生させるために必要な磁石量を低減したり、コギングトルクを低減したり、トルクリップルを低減したりすることができる。
【０１４１】
また、図３８に示されるように、界磁極鉄心の表面に磁石貼り付け面を有し、磁石貼り付け面には、永久磁石が接着剤等を用いて貼り付けられており、界磁極鉄心は、永久磁石間に永久磁石の貼り付け面よりも界磁極鉄心の中心から、電機子鉄心に向かう方向に突出している突起部を有しているモータについては、リラクタンストルクを向上でき、単位トルクを発生させるために必要な磁石量を低減することが可能となる。
【０１４２】
ただし、上記のように、それぞれの効果が顕著に現れるｈ２／ｈ１の値は、それぞれの効果で異なる。そこで、ブラシレスモータの性能を向上するには、望ましくは、ｈ２／ｈ１の値を、上記複数の効果を得るように設定すれば、より効果的であることはいうまでもない。一例としては、ｈ２／ｈ１を０．２〜１．０や０．２〜０．７や０．２〜０．６５や０．６５〜０．１や０．６５〜０．７や０・７〜１．０等に設定すれば、上記複数の効果を両立することができる。
【０１４３】
以上より、界磁極鉄心の表面に複数個の永久磁石が固定された界磁極を有しており、永久磁石の中央部分の厚さをｈ１、端部の厚さをｈ２としたとき、ｈ２／ｈ１が０．２〜１．０とすれば、上記の効果に加えて、Ｅ1p／Ｅpを向上させて誘起電圧ピークを抑えながらもモータトルクを向上できたり、誘起電圧の高調波成分を印加電圧の高調波成分とほぼ等しい値とすることによって、電流ｉに流れる高調波電流が抑制したり、単位トルクを発生させるために必要な磁石量を低減したり、コギングトルクを低減したり、トルク脈動が低減したりといった、従来にない効果を得ることができる。
【０１４４】
また、さらに界磁極鉄心が、永久磁石間に永久磁石の貼り付け面よりも界磁極鉄心の中心から、電機子鉄心に向かう方向に突出している突起部を有している場合は、上記に加えて、リラクタンストルクが向上して単位トルクを発生させるために必要な磁石量を低減するといった従来にない効果を得ることができる。
【０１４５】
また、さらに界磁極鉄心が、界磁極１となる永久磁石部と、上記界磁極１とは極性が逆の界磁極２となる突極部を有し、界磁極１と界磁極２とをそれぞれ周方向に等間隔に発生させ、磁極のＮ極とＳ極のペアの占める界磁極鉄心周方向の角度を電気角３６０°とし、巻線のコイルピッチを１８０°としたとき、偶数次誘起電圧を低減でき、Ｅ1p／Ｅpを向上させて同じ誘起電圧ピークを抑えながらもモータトルクが向上したり、偶数次誘起電圧に起因するコギング、リップルが低減したりといった、従来にない効果を得ることができる。
【０１４６】
また、さらに上記モータの界磁極が回転することによって、上記モータの端子間の上記電機子巻線に発生する誘起電圧について、ｍを１以上の整数として、２ｍ＋１次の高調波が、誘起電圧の１次基本波ピークを誘起電圧ピークよりも大きくする所定の位相差条件および振幅条件で重畳された波形を有するようにしたとき、Ｅ1p／Ｅpをさらに向上させて同じ誘起電圧ピークを抑えながらも、モータトルクが向上するといった従来にない効果を得ることができる。
【０１４７】
さらに、上記５次高調波成分は、高調波成分１周期を３６０°とした場合に、上記電圧の１次基本波に対して１５０°〜２１０°の位相差を有し、上記電圧の１次基本波の振幅に対する上記５次高調波成分の振幅の割合が２〜１２％であるようにしたとき、上記の場合と比較して、Ｅ1p／Ｅpをさらに向上させて同じ誘起電圧ピークを抑えながらも、モータトルクを向上させることができるといった従来にない効果を得ることができる。
【０１４８】
さらに、上記５次高調波成分および７次高調波成分は、高調波成分１周期を３６０°とした場合に、上記電圧の１次基本波に対して１２０°〜２４０°の位相差を有し、上記電圧の１次基本波の振幅に対する上記５次高調波成分および７次高調波成分の振幅の和の割合が２〜３６％であるようにしたとき、上記の場合と比較して、Ｅ1p／Ｅpをさらに向上させて同じ誘起電圧ピークを抑えながらも、モータトルクを向上させることができるといった従来にない効果を得ることができる。
【０１４９】
実施の形態７．
図４０は、この発明の実施の形態７に係るブラシレスモータの回転子の１極分を示す拡大図である。図４０において、このブラシレスモータは、界磁極鉄心に永久磁石が挿入される複数個の磁石穴を有しており、磁石穴には、永久磁石が挿入されており、界磁極鉄心の中心から界磁極鉄心の最遠点の距離をＲｃとしたとき、界磁極鉄心の外周部は、大半の領域でほぼ半径Ｒｍの円弧状に沿っている。
【０１５０】
このとき、図４０のブラシレスモータについて、界磁極が回転することによって図４に示すモータの端子間に発生する誘起電圧Ｅは、モータが磁極毎に対称構造を有する場合、上記式（６）で表される。
【０１５１】
ここで、この実施の形態７において、比率Ｒｍ／Ｒｃに対する誘起電圧５次高調波成分のピークＥ5pと位相差θ5eとの関係は、図４１のように示される。ここで、上記実施の形態６と同様に、誘起電圧Ｅ1p／Ｅpが向上するようなＲｍ／Ｒｃの比率について考えると、図２９より、Ｒｍ／Ｒｃをほぼ０．７としたとき、Ｅ5p／Ｅ1pが６％、θ5eが約１８０度となり、Ｅ1p／Ｅpがほぼ最大となることがわかる。以上より、図４０のブラシレスモータについて、Ｒｍ／Ｒｃをほぼ０．７と設定すると、Ｅ1p／Ｅpを向上させることができることがわかる。
【０１５２】
また、上記の例では、誘起電圧Ｅが、上記式（８）のように、１次基本波成分と５次高調波成分と他の次数成分との和で表される値が印加される場合について述べたが、上記式（９）のように１次基本波成分と５次高調波成分と７次成分と他の次数成分との和で表される場合についても、上記実施の形態６で説明したように、適切にＲｍ／Ｒｃを設定すれば同様の議論が成立する。
【０１５３】
また、上記では述べていないが、同様の効果は、ブラシレスモータに、ｍを１以上の整数として、２ｍ＋１次の高調波を印加した場合も得ることができる。印加される次数の例としては、３次や９次、１１次、１３次高調波等がある。ただし、誘起電圧に、ｋを１以上の整数として３（２ｋ−１）次高調波成分を含む場合、３相Δ結線としたときに循環電流が発生するといった問題があるので、Ｙ結線とすることが望ましい。
【０１５４】
また、図４２に示されるように、界磁極鉄心が界磁極１となる永久磁石部と、この界磁極１とは極性が逆の界磁極２となる突極部とを有し、界磁極１と界磁極２とをそれぞれ周方向に等間隔に発生させるブラシレスモータについては、磁極が回転することによって図４に示すモータの端子間に発生する誘起電圧Ｅは、上記式（１０）で表されるので、界磁極のＮ極とＳ極とのペアを電気角３６０°としたとき、巻線のコイルピッチを１８０°として全節巻とすることで、上記式（１１）に示す偶数次項を０とすることができる。したがって、上記の場合と同様の議論が成り立つ。
【０１５５】
なお、この実施の形態７では、界磁極のＮ極とＳ極とのペアの界磁極周方向に占める角度を電気角３６０°としたとき、巻線のコイルピッチを１８０°とした全節巻としたので、高調波の巻線係数が向上し、Ｒｍ／Ｒｃを変化させた場合の誘起電圧５次、７次高調波の印加率の変化量を向上させることができる。しかしながら、ティースに巻線を集中的に巻回する集中巻や、コイルピッチを１８０°以外の値に設定した場合も、上記と同様の効果が得られる。
【０１５６】
また、この実施の形態７では、ブラシレスモータの印加電圧に５次高調波成分Ｖ5pが印加されているが、図４の回路において、誘起電圧や印加電圧が電圧のインダクタンスＬやＲによる降下分に比べて十分大きい場合には、誘起電圧と印加電圧とは、釣り合っていると考えてよい。
【０１５７】
したがって、誘起電圧の５高調波成分Ｅ5pの１次基本波成分Ｅ1pに対する割合Ｅ5p／Ｅ1pを、印加電圧の高調波成分の５高調波成分Ｖ5pの１次基本波成分Ｖ1pに対する割合Ｖ5p／Ｖ1pとほぼ等しい値とすることによって、電圧Ｅ5pおよびＶ5pが打ち消され、電流ｉに流れる高調波電流を抑制することができ、モータのトルクリップルを低減することができる。
【０１５８】
ここで、上記実施の形態１より、Ｖ5p／Ｖ1pを０．０２〜０．１２、より望ましくは０．０３〜０．１１、より望ましくは０．０４〜０．０９と設定したので、Ｅ5p／Ｅ1pについても、２％〜１２％、より望ましくは３％〜１１％、より望ましくは４％〜９％に設定するのが望ましい。
【０１５９】
ここで図２９から考えると、図４０のブラシレスモータについて、Ｒｍ／Ｒｃを０．５〜１．０、より望ましくは０．５５〜１．０、より望ましくは０．６〜０．９５に設定するのが望ましいといえる。また、上記では述べていないが、同様の効果は、ブラシレスモータに５次以外の次数の誘起電圧が発生し、かつ上記誘起電圧と次数が同じ電圧を印加し、かつ誘起電圧の高調波成分の１次基本波成分に対する割合を、印加電圧の高調波成分の１次基本波成分に対する割合とほぼ等しい値とした場合にも得ることができる。
【０１６０】
次に、図４３には、同じくＲｍ／Ｒｃを変えたときに、単位トルクを発生させるために必要な磁石量を示した値も示されている。ただし、図４３の単位トルクを発生させるために必要な磁石量は、Ｒｍ／Ｒｃが１．０のときの値で正規化している。図４３から、Ｒｍ／Ｒｃを１．０とした場合に、単位トルクあたりの磁石量が最小となることがわかる。
【０１６１】
この理由としては、半径ＲｍがＲｃと等しくなると、電機子鉄心と界磁極鉄心との距離が相対的に近くなり、エアギャップの磁気抵抗が低下し、誘起電圧が増加してモータトルクが向上するためである。したがって、単位トルクを発生させるために必要な磁石量を低減するためには、Ｒｍ／Ｒｃをほぼ１．０に設定するのが望ましいといえる。
【０１６２】
次に、同じくＲｍ／Ｒｃを変えたときに、ブラシレスモータに発生するコギングトルクの振幅を図４４に示す。ただし、図４４のコギングトルクは、Ｒｍ／Ｒｃが１．０のときの値で正規化している。図４４から、Ｒｍ／Ｒｃを０．５とすれば、コギングトルクがほぼ最小となることがわかる。したがって、ブラシレスモータに発生するコギングトルクを低減するには、Ｒｍ／Ｒｃを０．５に設定するのが望ましいといえる。
【０１６３】
次に、同じくＲｍ／Ｒｃを変えたときに、ブラシレスモータに発生するトルクリップルの振幅を図４５に示す。ただし、図４５のトルクリップルは、Ｒｍ／Ｒｃが１．０のときの値で正規化している。図４５から、Ｒｍ／Ｒｃを０．５とすれば、トルクリップルがほぼ最小となることがわかる。したがって、ブラシレスモータに発生するトルクリップルを低減するには、Ｒｍ／Ｒｃを０．５に設定するのが望ましいといえる。
【０１６４】
次に、同じくＲｍ／Ｒｃを変えたときに、ブラシレスモータに発生するリラクタンストルクを図４６に示す。ただし、図４６のリラクタンストルクは、Ｒｍ／Ｒｃが１．０のときの値で正規化している。図４６から、Ｒｍ／Ｒｃを１．０とした場合に、リラクタンストルクがほぼ最大となることがわかる。したがって、リラクタンストルクを向上するためには、Ｒｍ／Ｒｃを１．０に設定するのが望ましいといえる。
【０１６５】
モータのトルクは、永久磁石によって発生するマグネットトルクと、永久磁石によらず発生するリラクタンストルクとの和で表されるので、リラクタンストルクが向上すると、単位トルクを発生させるために必要な磁石量を低減することが可能となる。
【０１６６】
次に、同じくＲｍ／Ｒｃを変えたときの、ブラシレスモータのｄ軸方向のインダクタンスＬｄを図４７に示す。ただし、図４７のインダクタンスＬｄは、Ｒｍ／Ｒｃが１．０のときの値で正規化している。図４７から、Ｒｍ／Ｒｃを１．０とした場合に、インダクタンスのｄ軸成分が最大となることがわかる。
【０１６７】
一般的に、インダクタンスのｄ軸成分が向上すると、ｄ軸電流を通電したときに界磁極が回転することによって、図４に示すモータの端子間に発生する誘起電圧Ｅを打ち消す効果を大きくすることが可能となり、モータに流れるトルクに寄与する電流を増加させて高回転領域のトルクを向上させることができるので、モータの無負荷駆動時の最大回転数や高回転時の出力が向上する。
【０１６８】
したがって、ブラシレスモータの無負荷駆動時の最大回転数や高回転時の出力向上のためには、インダクタンスは大きいことが望ましい。したがって、インダクタンスＬｄを向上するためには、Ｒｍ／Ｒｃを１．０に設定するのが望ましいといえる。
【０１６９】
以上から、この実施の形態７では、Ｒｍ／Ｒｃを適切に設定すれば、Ｅ1p／Ｅpを向上させて同じ誘起電圧ピークを抑えながらもモータトルクを向上したり、誘起電圧の高調波成分を印加電圧の高調波成分とほぼ等しい値とすることによって、電流ｉに流れる高調波電流を抑制したり、単位トルクを発生させるために必要な磁石量を低減したり、コギングトルクを低減したり、トルクリップルを低減したり、リラクタンストルクを向上したり、ｄ軸インダクタンスを向上させたりすることができる。
【０１７０】
ただし、上記のように、それぞれの効果が顕著に現れるＲｍ／Ｒｃの値は、それぞれの効果で異なる。そこで、ブラシレスモータの性能を向上するには、望ましくは、Ｒｍ／Ｒｃの値を、上記複数の効果を得るように設定すれば、より効果的であることは言うまでもない。一例としては、Ｒｍ／Ｒｃを０．５〜１．０や０．５〜０．７や０．７〜１．０等に設定すれば、上記複数の効果を両立することができる。
【０１７１】
以上より、界磁極鉄心の内部に永久磁石を挿入する磁石穴を有しており、複数個の永久磁石が磁石穴に挿入されて固定された界磁極を有しており、界磁極鉄心の界磁極鉄心の中心から界磁極鉄心の最遠点の距離をＲｃとしたとき、界磁極鉄心の外周部は、大半の領域でほぼ半径Ｒｍの円弧状に沿っており、Ｒｍ／Ｒｃが０．５〜１．０であるようにしたとき、Ｅ1p／Ｅpを向上させて誘起電圧ピークを抑えながらもモータトルクが向上したり、単位トルクを発生させるために必要な磁石量が低減したり、コギングトルクが低減したり、トルク脈動が低減したり、リラクタンストルクが向上して単位トルクを発生させるために必要な磁石量を低減したり、インダクタンスが向上してモータの無負荷駆動時の最大回転数や高回転時の出力が向上したりといった、従来にない効果を得ることができる。
【０１７２】
また、さらに界磁極鉄心が、界磁極１となる永久磁石部と、上記界磁極１とは極性が逆の界磁極２となる突極部を有し、界磁極１と界磁極２とをそれぞれ周方向に等間隔に発生させ、磁極のＮ極とＳ極のペアの占める界磁極鉄心周方向の角度を電気角３６０°とし、巻線のコイルピッチを１８０°としたとき、偶数次誘起電圧を低減でき、Ｅ1p／Ｅpを向上させて同じ誘起電圧ピークを抑えながらもモータトルクが向上したり、偶数次誘起電圧に起因するコギング、リップルが低減したりといった、従来にない効果を得ることができる。
【０１７３】
また、さらに上記モータの界磁極が回転することによって、上記モータの端子間の上記電機子巻線に発生する誘起電圧について、誘起電圧の１次基本波に対して、ｍを１以上の整数として、２ｍ＋１次の高調波が、誘起電圧の１次基本波ピークを誘起電圧ピークよりも大きくする所定の位相差条件および振幅条件で重畳された波形を有するようにしたとき、Ｅ1p／Ｅpをさらに向上させて同じ誘起電圧ピークを抑えながらも、モータトルクが向上するといった従来にない効果を得ることができる。
【０１７４】
さらに、上記５次高調波成分は、高調波成分１周期を３６０°とした場合に、上記電圧の１次基本波に対して１５０°〜２１０°の位相差を有し、上記電圧の１次基本波の振幅に対する上記５次高調波成分の振幅の割合が２〜１２％であるようにしたとき、上記の場合と比較して、Ｅ1p／Ｅpをさらに向上させて同じ誘起電圧ピークを抑えながらも、モータトルクを向上させることができるといった従来にない効果を得ることができる。
【０１７５】
さらに、上記５次高調波成分および７次高調波成分は、高調波成分１周期を３６０°とした場合に、上記電圧の１次基本波に対して１２０°〜２４０°の位相差を有し、上記電圧の１次基本波の振幅に対する上記５次高調波成分および７次高調波成分の振幅の和の割合が２〜３６％であるようにしたとき、上記の場合と比較して、Ｅ1p／Ｅpをさらに向上させて同じ誘起電圧ピークを抑えながらも、モータトルクを向上させることができるといった従来にない効果を得ることができる。
【０１７６】
実施の形態８．
上記実施の形態１で示したように、モータ端子間に、図１０に示した電圧Ｖを印加すると、モータの各電機子巻線１１に流れる電流ｉは、図１１に示されるように、５次高調波成分または７次高調波成分を含む波形となる。ここで、上記式（３）の鎖交磁束が、モータの各電機子巻線１１に、図１２に示される位相関係で鎖交するように運転した場合、トルク波形は、図１３に示されるように、電気角１周期に対するトルクリップル６次高調波成分を有する形状となる。
【０１７７】
一方、この発明の実施の形態８におけるブラシレスモータ１の界磁極が回転することによって、各モータ端子間の電機子巻線１１に鎖交する磁束φmを、次式（１２）に表す。
【０１７８】
【数１２】
2013108726.tif 000014
【０１７９】
式（１２）において、磁束φmは、１次基本波成分と５次高調波成分と７次高調波成分との和で表される。また、φm1、φm5、φm7は各次数波形のピークを示し、θm5、θm7はそれぞれ１次基本波成分と５次高調波成分または７次高調波成分との位相差を示している。
【０１８０】
このような電機子巻線１１に鎖交する磁束φmを有するブラシレスモータ１に、図１０に示した、上記実施の形態１の駆動方法における印加電圧である５次高調波成分を含む電圧Ｖを印加した場合、モータの各電機子巻線１１に流れる電流ｉは、上記式（１）の電圧方程式によって決定され、図４８に示されるような、５次高調波成分または７次高調波成分を含む波形となる。
【０１８１】
また、上記式（１２）の鎖交磁束が、モータの各電機子巻線１１に、図４９に示される位相関係で鎖交するように運転した場合、トルク波形は、図５０に示されるようになる。ここで、図５０には、スケールを等しくして、上記実施の形態１で示した図１３のトルク波形も記述している。図５０より、磁束φmにφm5やφm7を含むことで、電気角１周期に対するトルクリップル６次高調波成分を低減することができることがわかる。
【０１８２】
この理由としては、図１３に示したトルク波形では、磁束φmが１次基本波成分のみであり、電流ｉが５次、７次高調波成分を振幅ｉ5、ｉ7だけ含むので、磁束φmと電流ｉとの積に比例するトルクについて、トルクリップル６次高調波成分Ｔ6fが発生するのに対して、図５０に示したトルク波形では、磁束φmについても５次、７次高調波成分が存在するので、トルクリップル６次高調波成分Ｔ6fが打ち消されるためである。
【０１８３】
具体的には、図１３に示したトルク波形では、磁束φmと電流ｉとの積に比例するトルクについて、トルクリップル６次高調波成分Ｔ6fが、次式（１３）で表される。これに対して、図５０に示したトルク波形では、磁束φmと電流ｉとの積に比例するトルクについて、トルクリップル６次高調波成分Ｔ6fが、次式（１４）で表される。
【０１８４】
【数１３】
2013108726.tif 000015
【０１８５】
【数１４】
2013108726.tif 000016
【０１８６】
式（１３）、（１４）において、θi5、θi7は電流の１次基本波成分と電流５次、７次高調波成分との位相差を示し、βは磁束φmの１次基本波成分と電流ｉの１次基本波成分との位相差を示している。式（１４）より、第３項および第４項で、式（１３）のトルクリップル６次高調波成分Ｔ6fが打ち消されていることがわかる。
【０１８７】
すなわち、モータのトルクリップル６次高調波成分Ｔ6fを抑えるためには、モータのトルクリップル６次高調波成分Ｔ6fを低減するよう磁束φmが与えられることが望ましいといえる。また、磁束φmの与え方としては、φm5／φm1およびφm7／φm1、並びにθm5およびθm7を適切量与えることが望ましい。
【０１８８】
次に、上記のようなφm5／φm1およびφm7／φm1、並びにθm5およびθm7が適切量与えられた各モータ端子間の鎖交磁束φmを有するブラシレスモータの一例を図５１に示す。図５１は、この発明の実施の形態８における表面磁石型モータの界磁極鉄心１４および界磁極鉄心１４に設けられた永久磁石１３のうち、電気角１周期分を直線状に展開した展開図を示しており、永久磁石１３の表面において、基準面に対して複数個の凹凸部が設けられている。
【０１８９】
また、この磁石の界磁極−電機子間の空隙における径方向の空間磁束密度Ｂｒの波形を図５２に示す。図５２からわかるように、Ｂｒ波形は、次式（１５）の形で与えられる。
【０１９０】
【数１５】
2013108726.tif 000017
【０１９１】
式（１５）において、Ｂb1、Ｂb5、Ｂb7は電気角に対する各次数波形のピークを示し、θbは電気角位相を示し、θb5、θb7はそれぞれ５次高調波成分または７次高調波成分と１次基本波との位相差を示し、ωｔはモータの回転を示している。このような空隙Ｂｒ波形が与えられた場合、漏れ磁束等を無視すると、ブラシレスモータ１の各端子間の電機子巻線１１には、次式（１６）で表される磁束が鎖交すると考えてよい。
【０１９２】
【数１６】
2013108726.tif 000018
【０１９３】
式（１６）において、Ａは軸長や極スロットコンビ等で決まる比例係数とする。ここで、式（１５）のＢｒ波形は、三角関数の和として記述されており、積分を行っても時刻ｔに対する次数が変わらない。そのため、式（１６）のφmは、式（１２）に示す５次高調波成分および７次高調波成分の和として表すことができる。
【０１９４】
したがって、Ｂｒ波形のＢb5、Ｂb7、およびθb5、θb7を決定すれば、対応するφmの高調波成分を決定することができる。加えて、界磁極−電機子間のＢｒ波形は、永久磁石１３の起磁力に比例するため、式（１５）のＢｒ波形のＢb5、Ｂb7、およびθb5、θb7は、図５１に示す永久磁石１３表面の複数個の凹凸部である程度決定できる。以上より、図５１に示すモータ構造により、φm5／φm1およびφm7／φm1、並びにθm5およびθm7を適切量印加することが可能となる。
【０１９５】
以上のように、実施の形態８によれば、永久磁石表面に、基準面に対する複数個の凹凸部を設け、界磁極−電機子間の空隙における径方向の空隙磁束密度に高調波成分が含まれるようにしたので、電機子巻線には、電機子巻線に印加される電圧の高調波成分と、電機子巻線に鎖交する磁束の５次高調波成分および７次高調波成分との相互作用によって発生するトルクリップル６次高調波成分を打ち消すように、磁束の１次基本波に対する磁束の５次高調波成分および７次高調波成分の位相差および振幅の割合が、所定の条件で設定された磁束が鎖交される。
したがって、モータのトルクリップル６次高調波成分Ｔ6fを低減するよう磁束φmを与えたので、モータのトルクリップル６次高調波成分Ｔ6fを抑えることができ、モータのトルクや出力を向上させながらも、モータの振動や騒音を抑制することができる。
【０１９６】
なお、上記実施の形態８では、上述した実施の形態１のように、印加電圧に５次高調波成分が含まれる場合について説明したが、これに限定されず、上述した実施の形態２のように、印加電圧に７次高調波成分が含まれる場合であっても、同様の効果を得ることができる。
【０１９７】
また、上記実施の形態８では、φm5／φm1およびφm7／φm1、並びにθm5およびθm7を適切量印加するために、永久磁石１３表面に、基準面に対する複数個の凹凸部を設け、界磁極−電機子間の空隙における径方向の空隙磁束密度Ｂｒに高調波成分が含まれるようにした。しかしながら、これに限定されず、磁石の着磁方向や着磁量をコントロールしたり、ステータ、ロータ形状を変更してモータパーミアンスを変更させたりして、界磁極−電機子間の空隙における径方向の空隙磁束密度Ｂｒに高調波成分が含まれるようにする場合であっても、同様の効果を得ることができる。また、表面磁石型モータの例を示したが、埋込磁石型モータであっても、界磁極−電機子間の空隙における径方向の空隙磁束密度Ｂｒに高調波成分が含まれるようにすれば、同様の効果を得ることができる。
【０１９８】
また、上述した実施の形態３のように、各相の電機子巻線を、図２４に示したようにＹ結線とした場合であっても、同様の効果を得ることができる。
【０１９９】
また、上述した実施の形態４のように、印加電圧Ｖが、外部交流電圧源が出力できる最大の相間電圧ピークＶmaxと等しい運転領域においても、同様の効果を得ることができ、トルクリップル６次高調波成分を抑えることができる。
【０２００】
また、上述した実施の形態５のように、外部交流電圧源として、１台以上の直流電圧源と、直流電圧を周波数可変の交流電圧に変換する２台以上の周波数変換装置との組み合わせを用いた場合であっても、同様の効果を得ることができる。
【０２０１】
実施の形態９．
上記実施の形態１〜８では、ブラシレスモータおよびブラシレスモータの駆動方法について説明したが、このブラシレスモータおよびブラシレスモータの駆動方法によって、操舵トルクを補助するトルクを発生させるようにして、電動パワーステアリング装置を構成するようにしてもよい。
【０２０２】
図５３は、この実施の形態９のブラシレスモータおよびブラシレスモータの駆動方法によって、アシストトルクを発生させるようにした電動パワーステアリング装置を示す図である。運転手は、ハンドルを左右に回転させて前輪の操舵を行う。
【０２０３】
図５３において、トルク検出手段は、ステアリング系の操舵トルクを検出して検出トルクを制御手段に出力する。制御手段は、ブラシレスモータの駆動方法に従ってステアリング系の操舵トルクを補助するトルクをモータが発生するように電圧指令を演算し、電圧印加手段に出力する。電圧印加手段は、電圧指令に基づいてモータに電圧を印加し、モータはギアを介して操舵トルクを補助するトルクを発生する。
【０２０４】
この実施の形態９に記載したブラシレスモータを備えた電動パワーステアリング装置では、モータのトルク脈動が低減するので、ハンドルを操舵したときに感じる脈動を小さくしてドライバーの操舵フィーリングを向上させたり、操舵中の音を小さくしたりすることができる。
【０２０５】
また電圧印加器について、モータから印加される誘起電圧に対する耐圧を低くした設計を行うことができるので、電圧印加器を小型化、軽量化でき、電動パワーステアリング装置を小型化、軽量化することができる。
【０２０６】
また、モータ駆動装置の出力が向上し、かつ単位トルク当たりの磁石量を削減できるので、電動パワーステアリング装置を小型化、軽量化したり、端当て操舵時等に必要な定格トルクを向上させたりすることができる。
【符号の説明】
【０２０７】
１  ブラシレスモータ、２  外部交流電圧源、１１  電機子巻線、１２  電機子鉄心、１３  永久磁石、１４  界磁極鉄心、２１  直流電圧源、２２、２３  周波数変換装置、３１  基本波電圧印加部、３２  ５次高調波電圧指令部、３３  ５次高調波電圧重畳部、３４  ７次高調波電圧指令部、３５  ７次高調波電圧重畳部。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年2月12日(2014.2.12)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
この発明に係るブラシレスモータは、複数相の電機子巻線を有する電機子鉄心からなる電機子と、複数個の永久磁石を有する界磁極鉄心からなる界磁極と、を備えたブラシレスモータであって、電機子巻線には、印加電圧の１次基本波ピークを印加電圧ピークよりも大きくするために、電圧の１次基本波に対して、少なくとも５次高調波成分が所定の位相差条件および振幅条件で重畳された電圧が印加され、電機子巻線に重畳される高調波電圧は、５次高調波成分であり、５次高調波成分は、高次高調波成分１周期を３６０°とした場合に、電圧の１次基本波に対して１５０°〜２１０°の位相差を有し、電圧の１次基本波の振幅に対する５次高調波成分の振幅の割合が２〜１２％であるものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
また、この発明に係るブラシレスモータは、複数相の電機子巻線を有する電機子鉄心からなる電機子と、複数個の永久磁石を有する界磁極鉄心からなる界磁極と、を備えたブラシレスモータであって、前記電機子巻線には、印加電圧の１次基本波ピークを印加電圧ピークよりも大きくするために、電圧の１次基本波に対して、少なくとも５次高調波成分が所定の位相差条件および振幅条件で重畳された電圧が印加され、前記電機子巻線に重畳される高調波電圧は、５次高調波成分および７次高調波成分であり、前記５次高調波成分および７次高調波成分は、高次高調波成分１周期を３６０°とした場合に、前記電圧の１次基本波に対して１２０°〜２４０°の位相差を有し、前記電圧の１次基本波の振幅に対する前記５次高調波成分および７次高調波成分の振幅の和の割合が２〜３６％であるものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数相の電機子巻線を有する電機子鉄心からなる電機子と、複数個の永久磁石を有する界磁極鉄心からなる界磁極と、を備えたブラシレスモータであって、
前記電機子巻線には、印加電圧の１次基本波ピークを印加電圧ピークよりも大きくするために、電圧の１次基本波に対して、少なくとも５次高調波成分が所定の位相差条件および振幅条件で重畳された電圧が印加され、
前記電機子巻線に重畳される高調波電圧は、５次高調波成分であり、
前記５次高調波成分は、高次高調波成分１周期を３６０°とした場合に、前記電圧の１次基本波に対して１５０°〜２１０°の位相差を有し、前記電圧の１次基本波の振幅に対する前記５次高調波成分の振幅の割合が２〜１２％である
ブラシレスモータ。
【請求項２】
複数相の電機子巻線を有する電機子鉄心からなる電機子と、複数個の永久磁石を有する界磁極鉄心からなる界磁極と、を備えたブラシレスモータであって、
前記電機子巻線には、印加電圧の１次基本波ピークを印加電圧ピークよりも大きくするために、電圧の１次基本波に対して、少なくとも５次高調波成分が所定の位相差条件および振幅条件で重畳された電圧が印加され、
前記電機子巻線に重畳される高調波電圧は、５次高調波成分および７次高調波成分であり、
前記５次高調波成分および７次高調波成分は、高次高調波成分１周期を３６０°とした場合に、前記電圧の１次基本波に対して１２０°〜２４０°の位相差を有し、前記電圧の１次基本波の振幅に対する前記５次高調波成分および７次高調波成分の振幅の和の割合が２〜３６％である
ブラシレスモータ。
【請求項３】
複数相の電機子巻線を有する電機子鉄心からなる電機子と、複数個の永久磁石を有する界磁極鉄心からなる界磁極と、を備えたブラシレスモータであって、
前記電機子巻線には、印加電圧の１次基本波に対して、５次高調波成分および７次高調波成分の少なくとも一方が、印加電圧の１次基本波ピークを印加電圧ピークよりも大きくする所定の位相差条件および振幅条件で重畳された電圧が印加され、
前記電機子巻線に重畳される高調波電圧は、５次高調波成分であり、
前記５次高調波成分は、高次高調波成分１周期を３６０°とした場合に、前記電圧の１次基本波に対して１５０°〜２１０°の位相差を有し、前記電圧の１次基本波の振幅に対する前記５次高調波成分の振幅の割合が２〜１２％である
ブラシレスモータ。
【請求項４】
複数相の電機子巻線を有する電機子鉄心からなる電機子と、複数個の永久磁石を有する界磁極鉄心からなる界磁極と、を備えたブラシレスモータであって、
前記電機子巻線には、印加電圧の１次基本波に対して、５次高調波成分および７次高調波成分の少なくとも一方が、印加電圧の１次基本波ピークを印加電圧ピークよりも大きくする所定の位相差条件および振幅条件で重畳された電圧が印加され、
前記電機子巻線に重畳される高調波電圧は、５次高調波成分および７次高調波成分であり、
前記５次高調波成分および７次高調波成分は、高次高調波成分１周期を３６０°とした場合に、前記電圧の１次基本波に対して１２０°〜２４０°の位相差を有し、前記電圧の１次基本波の振幅に対する前記５次高調波成分および７次高調波成分の振幅の和の割合が２〜３６％である
ブラシレスモータ。
【請求項５】
前記電機子巻線に印加される電圧は、外部交流電圧源から前記電機子巻線に供給することができる電圧のピーク値の最大値によって決定される
請求項１から請求項４までの何れか１項に記載のブラシレスモータ。
【請求項６】
前記電機子巻線には、１台以上の直流電圧源と、それぞれ直流電圧を周波数可変の交流電圧に変換する２台以上の周波数変換装置との組み合わせから構成される外部交流電圧源によって電圧が印加される
請求項１から請求項５までの何れか１項に記載のブラシレスモータ。
【請求項７】
界磁極鉄心の表面に複数個の永久磁石が固定された界磁極を有しており、永久磁石の中央部分の厚さをｈ１、端部のｈ２としたとき、ｈ２／ｈ１が０．２〜１．０である
請求項１から請求項６までの何れか１項に記載のブラシレスモータ。
【請求項８】
界磁極鉄心は、永久磁石間に永久磁石の貼り付け面よりも界磁極鉄心の中心から電機子鉄心に向かう方向に突出している突起部を有している
請求項７に記載のブラシレスモータ。
【請求項９】
界磁極鉄心の内部に永久磁石を挿入する磁石穴を有しており、複数個の永久磁石が磁石穴に挿入されて固定された界磁極を有しており、
界磁極鉄心の中心から界磁極鉄心の最遠点の距離をＲｃとしたとき、界磁極鉄心の外周部は大半の領域でほぼ半径Ｒｍの円弧状に沿っているとしたとき、Ｒｍ／Ｒｃが０．５〜１．０である
請求項１から請求項６までの何れか１項に記載のブラシレスモータ。
【請求項１０】
界磁極鉄心は、第一の界磁極となる永久磁石部と、前記第一の界磁極とは極性が逆の第二の界磁極となる突極部を有し、第一の界磁極と第二の界磁極をそれぞれ周方向に等間隔に発生させ、磁極のＮ極とＳ極とのペアの占める界磁極鉄心周方向の角度を電気角３６０°としたとき、巻線のコイルピッチを１８０°とした
請求項１から請求項９までの何れか１項に記載のブラシレスモータ。
【請求項１１】
前記界磁極が回転することによって、前記ブラシレスモータに発生する誘起電圧は、誘起電圧の基本波に対して、ｍを１以上の整数として、基本波成分の２ｍ＋１倍の周波数成分を持つ２ｍ＋１次の高調波成分が、誘起電圧の基本波ピークを誘起電圧ピークよりも大きくする所定の位相差条件および振幅条件で重畳された波形を有し、
前記電機子巻線に発生する誘起電圧は、５次高調波成分が含まれており、
前記５次高調波成分は、高調波成分１周期を３６０°とした場合に、前記電圧の１次基本波に対して１５０°〜２１０°の位相差を有し、前記電圧の１次基本波の振幅に対する前記５次高調波成分の振幅の割合が２〜１２％である
請求項１から請求項１０までの何れか１項に記載のブラシレスモータ。
【請求項１２】
前記界磁極が回転することによって、前記ブラシレスモータに発生する誘起電圧は、誘起電圧の基本波に対して、ｍを１以上の整数として、基本波成分の２ｍ＋１倍の周波数成分を持つ２ｍ＋１次の高調波成分が、誘起電圧の基本波ピークを誘起電圧ピークよりも大きくする所定の位相差条件および振幅条件で重畳された波形を有し、
前記電機子巻線に発生する誘起電圧は、５次高調波成分および７次高調波成分が含まれており、
前記５次高調波成分および７次高調波成分は、高調波成分１周期を３６０°とした場合に、前記電圧の１次基本波に対して１２０°〜２４０°の位相差を有し、前記電圧の１次基本波の振幅に対する前記５次高調波成分および７次高調波成分の振幅の和の割合が２〜３６％である
請求項１から請求項１０までの何れか１項に記載のブラシレスモータ。
【請求項１３】
前記界磁極が回転することによって、前記ブラシレスモータの端子間の前記電機子巻線に鎖交する磁束は、磁束の１次基本波に対して、５次高調波成分および７次高調波成分が重畳された波形を有し、
前記電機子巻線には、前記電機子巻線に印加される電圧の高調波成分と、前記電機子巻線に鎖交する磁束の５次高調波成分および７次高調波成分との相互作用によって発生するトルクリップル６次高調波成分を打ち消すように、前記磁束の１次基本波に対する前記磁束の５次高調波成分および７次高調波成分の位相差および振幅の割合が、所定の条件で設定された磁束が鎖交される
請求項１から請求項１２までの何れか１項に記載のブラシレスモータ。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３までの何れか１項に記載のブラシレスモータに電圧を印加する外部交流電圧源であって、
直流電圧源と、直流電圧を周波数可変の交流電圧に変換する周波数変換装置との組み合わせから構成される
外部交流電圧源。
【請求項１５】
請求項１から請求項１３までの何れか１項に記載のブラシレスモータによってアシストトルクを発生させるようにした電動パワーステアリング装置。
【国際調査報告】
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