(57)【要約】  永久磁石同期電動機として高効率な駆動ができると共に、自己始動が可能な電動機を提案することを目的とする。本発明は、鉄心に永久磁石が取り付けられた回転子１００と、回転子の周囲に配置された多相巻線２０２を備えた固定子２００とで構成され、固定子２００の多相巻線２０２に多相交流が印加される永久磁石同期電動機に適用する。構成としては、少なくとも２個の永久磁石１１０ａ，１１０ｂを、固定子２００と対向する回転子１００の円筒面の所定位置に露出させて均等に配置する。そして、永久磁石１１０ａ，１１０ｂの配置位置とは別の位置の円筒面の円周方向に沿って、制動巻線（かご形巻線）１２１ａ，１２２ａ，１２１ｂ，１２２ｂを配置した。始動時には、制動巻線を使った誘導電動機として始動し、同期速度になると、永久磁石による同期電動機として回転する。
2011108363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄心に永久磁石が取り付けられた回転子と、前記回転子の周囲に配置された多相巻線を備えた固定子とで構成され、前記固定子の多相巻線に多相交流が印加される永久磁石同期電動機において、
少なくとも２個の永久磁石を、前記固定子と対向する前記回転子の円筒面の所定位置に露出させて均等に配置し、
前記少なくとも２個の永久磁石の配置位置とは別の位置の前記円筒面の円周方向に沿って、制動巻線としてのかご形巻線を配置したことを特徴とする永久磁石同期電動機。
【請求項２】
請求項１記載の永久磁石同期電動機において、
前記回転子に配置した制動巻線は、かご形巻線を前記円筒面の円周方向に沿って分割した分割かご形巻線で構成したことを特徴とする永久磁石同期電動機。
【請求項３】
請求項２記載の永久磁石同期電動機において、
分割かご形巻線は、一端及び他端の端絡環で全てのかご形巻線導体を短絡する構成とすることができることを特徴とする永久磁石同期電動機。
【請求項４】
請求項３記載の永久磁石同期電動機において、
永久磁石の一方及び他方の端部に隣接して、それぞれ独立もしくは並列に接続された個別の分割かご形巻線を配置し、永久磁石と同数の分割かご形巻線を配置したことを特徴とする永久磁石同期電動機。
【請求項５】
請求項４記載の永久磁石同期電動機において、
前記永久磁石の一方の端部を、その一方の端部と隣接した分割かご形巻線を構成する導体の端部で押え、前記永久磁石の他方の端部を、その他方の端部と隣接した分割かご形巻線を構成する導体の端部で押えることで、前記永久磁石を前記回転子に固定させ、さらに漏れ磁束を軽減させることを特徴とする永久磁石同期電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子に永久磁石が取り付けられた永久磁石同期電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、交流電動機として広く普及している電動機の１つに、かご形三相誘導電動機がある。かご形三相誘導電動機は、固定子側の巻線に三相交流を印加することで回転磁界を生じさせ、この回転磁界の中にかご形巻線を備えた回転子を配置することで、かご形巻線の導体に電流を誘導し、この電流と回転磁界との間でトルクを発生して、回転子を回転させるものである。【０００３】
この種の誘導電動機は、固定子側の巻線に交流を印加するだけで自己始動し、同期速度近くまで加速する。この誘導電動機で回転速度の制御を行うためには、インバータによる周波数制御が一般的であるが、周波数に対応した速度、すなわち同期速度よりも少し遅い速度で回転し、さらに負荷トルクに応じて回転速度が変動する。したがって、正確な速度制御を行うためには、回転子の回転速度を検出し、速度指令と、検出した回転速度とを使ったベクトル制御演算等を行って、印加する交流の周波数と電圧や位相を常に制御する必要がある。【０００４】
一方、誘導電動機とは異なる構造の電動機として、誘導電動機よりも小型で５〜１０％程度効率の高い電動機である、永久磁石同期電動機が近年注目され、普及しつつある。永久磁石同期電動機は、回転子に永久磁石を取り付け、固定子側の巻線に三相交流を印加することによる回転磁界と永久磁石による磁界との作用で、トルクを発生させて、回転子を回転させるものである。回転速度は前記同期速度であるため、速度制御が容易である。【０００５】
しかしながら、永久磁石同期電動機は、同期速度でしかトルクを発生しないので、商用周波数では静止時に自己始動できない欠点がある。また、同期はずれを起こさずに回転速度を制御するためには、一般には回転子の回転位置の情報を取得した上で、ベクトル制御演算等を行って、印加する交流の周波数と電圧や位相を制御する必要がある。このように自己始動できる誘導電動機の特徴と同期速度で回転する永久磁石同期電動機の特徴を併せ持ち、複雑なベクトル制御を行わなくても簡単な汎用の可変電圧可変周波数インバータで速度制御できる電動機への期待があった。【０００６】
永久磁石同期電動機が自己始動できない問題点を解決するために、従来から、誘導電動機として起動させるための巻線を永久磁石とは別に回転子に設けて、誘導電動機として起動させて、起動した後は、同期電動機として定速運転ができる構造の永久磁石同期電動機が、各種提案されている。例えば、文献１（日本国特許庁発行の特開２００９−１５３３５６号公報）には、回転子の外周側にかご形巻線を配置し、回転子の内周側に複数の永久磁石を配置する構造についての記載が、図１などにある。回転子外周側のかご形巻線により、誘導電動機としての起動を可能としている。また、起動して同期速度に近づいたときには、永久磁石による作用で、同期速度で回転し、同期電動機として定速運転を行うようにしてある。【０００７】
文献１以外にも、回転子に誘導電動機として作用させる巻線と同期電動機として作用させる永久磁石を組み込む構造は、各種提案されている。しかしながら従来から提案されている構造は、いずれも、永久磁石とかご形巻線の双方の回転子への配置が適正ではなかった。このため、特に固定子で発生させた回転磁界の流れがスムーズではなく誘導電動機としての特性が十分でなかったり、永久磁石による磁界の流れがスムーズではなく永久磁石同期電動機としての特性が十分に発揮できない問題があった。
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、永久磁石同期電動機として高効率な駆動ができると共に、自己始動が可能な電動機を提案することを目的とする。
【０００９】
本発明は、鉄心に永久磁石が取り付けられた回転子と、回転子の周囲に配置された多相巻線を備えた固定子とで構成され、固定子の多相巻線に多相交流が印加される永久磁石同期電動機に適用される。
その構成としては、少なくともこれら２個の永久磁石を、固定子と対向する回転子の円筒面の所定位置に露出させて均等に配置し、少なくとも２個の永久磁石の配置位置とは別の位置の円筒面の円周方向に沿って、制動巻線（かご形巻線）を配置したものである。
【００１０】
このように構成したことで、始動時には、制動巻線を使った誘導電動機として始動し、同期速度になると、永久磁石による同期電動機として動作する。
【００１１】
本発明によると、始動時には、制動巻線を使った誘導電動機として自己始動が可能であると共に、同期速度になると、永久磁石による同期電動機として動作するようなる。この場合、少なくとも２個の永久磁石を、回転子の円筒面に露出して配置して、固定子の鉄心に近接させた構成とし、制動巻線の部分も固定子の鉄心に対して近接させた構成としたため、永久磁石による磁界がスムーズに分布し、高効率の同期電動機が得られる。
【００１２】
この場合、回転子に配置した制動巻線は、かご形巻線を円筒面の円周方向に沿って分割した分割かご形巻線で構成することで、回転子の円筒面に永久磁石と制動巻線とを交互に効率よく配置できるようになる。
【００１３】
また、永久磁石の一方及び他方の端部に隣接して、それぞれ個別の分割かご形巻線を配置し、永久磁石と同数の分割かご形巻線を配置したことで、分割かご形巻線の部分はギャップを小さく保つことができるため、固定子巻線による回転磁界をスムーズに分布させることができる。従って、制動巻線を使った誘導電動機としての始動状態から、固定子を加速し，永久磁石による同期運転状態への切り替わりをスムーズに行えるようになる。
【００１４】
永久磁石の一方の端部を、その一方の端部と隣接した分割かご形巻線を構成する導体の端部で押え、永久磁石の他方の端部を、その他方の端部と隣接した分割かご形巻線を構成する導体の端部で押えることで、永久磁石を回転子に固定させることで、分割かご形巻線を構成する導体を使って永久磁石を固定させることができ、回転子の円筒面に永久磁石を固定することが確実かつ良好に行える効果を有する。この磁石抑えの役割をする導体は、永久磁石による磁界が固定子に行かずに回転子鉄心を通って回転子中の永久磁石の他極に戻る漏れ磁界を軽減する役割も担っている。
【００１５】
なお、前記かご形巻線は、前記分割かご形巻線を構成しなくても、通常の誘導電動機のかご形巻線のようにかご形巻線の全ての導体を回転子両端に配置した端絡環で短絡する構成とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態による電動機の断面構成の例を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態による電動機の回転子の構成例を示す斜視図である。
【図３】図２の回転子を分解して示す分解斜視図である。
【図４】本発明の一実施の形態による電動機の駆動回路構成例を示すブロック図である。
【図５】本発明の一実施の形態によるすべり特性とトルクの関係の例を示す特性図である。
【図６】本発明の一実施の形態によるすべり特性とトルクの関係の例を示す特性図である。
【図７】本発明の一実施の形態による固定子巻線による磁界の例を示す説明図である。
【図８】本発明の一実施の形態による永久磁石による磁界の例を示す説明図である。
【図９】本発明の一実施の形態の変形例による永久磁石を３個配置した６極構造の回転子を示す断面図である。
【図１０】本発明の一実施の形態の変形例による永久磁石を４個配置した８極構造の回転子を示す断面図である。
【図１１】本発明の一実施の形態の変形例による電動機の端絡環を用いた回転子の構成例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の一実施の形態を、以下の順序で説明する。
１．電動機の構成の説明（図１〜図３）
２．駆動回路の説明（図４）
３．回転動作の説明（図５〜図８）
４．変形例の説明（図９，図１０，図１１）
【００１８】
［１．電動機の構成の説明］
まず、図１〜図３を参照して、本実施の形態の電動機の構成について説明する。
本実施の形態の電動機は、図１に断面で示すように、鉄心１０２に永久磁石１１０ａ，１１０ｂが取り付けられた回転子１００と、回転子１００の周囲に配置された多相巻線（３相交流巻線２０２）を備えた固定子２００とで構成された永久磁石同期電動機としたものである。多相巻線である３相交流巻線２０２には、３相交流が印加されて、回転磁界が生成される。
【００１９】
固定子２００側の構成について説明すると、図１に示すように、固定子２００は、環状にスロット２０１を複数配置してあり、それぞれのスロット２０１内に３相交流巻線２０２を配置してある。この例では、図１にＵ相、Ｖ相、Ｗ相として各相の巻線の範囲を示すように、３相交流巻線２０２として、３０°ごとに別の相の交流を印加させるようにしてある。但し、二層分布短節巻を施す時のように、相の境界となる位置付近のスロット２０１については、１つのスロット２０１内に、隣接する２つの相の巻線が配置される場合もある。
【００２０】
次に、回転子１００の構成について説明する。
図２は、回転子１００を固定子２００から外した状態で示してあり、図３はさらにその回転子１００を構成する各部材を分解して示した図である。
図２に示すように、回転子１００は、回転軸１０１を、円筒形の鉄心１０２の中心に取り付けてある。円筒形の鉄心１０２の外周面である円筒面には、２つの永久磁石１１０ａ，１１０ｂを、等間隔に配置してある。２つの永久磁石１１０ａ，１１０ｂは、同一形状であり、回転軸１０１に取り付けられた鉄心１０２の長さとほぼ等しい長さの細長い短冊状としてあり、鉄心１０２の円筒面に沿って湾曲した形状としてある。そして、湾曲した永久磁石１１０ａ，１１０ｂの外周面が外側に露出し、図１に示した固定子２００側のスロット２０１と対向する。この例では、図１に示したように、各永久磁石１１０ａ，１１０ｂの外側をＮ極とし、内側（鉄心１０２と接する側）をＳ極としてある。
【００２１】
鉄心１０２の円筒面に配置される短冊状の永久磁石１１０ａ，１１０ｂの脇には、かご形巻線部１２０ａ，１２０ｂが配置してある。本実施の形態のかご形巻線部１２０ａ，１２０ｂは、２つに分割された分割かご形巻線としてある。
かご形巻線部１２０ａ，１２０ｂの形状としては、例えばかご形巻線部１２０ａは、図３に示すように、８本の導体棒１２１ａの一端及び他端を、導体枠１２２ａの２つの導体棒支持部１２３ａで支持する形状としてある。但し、図３ではかご形巻線部を鉄心１０２から離して示してあるが、実際には８本の導体棒１２１ａは、鉄心１０２の外周面から若干内側に入った位置の鉄心１０２に設けた透孔１０３内に配置してあり、導体棒１２１ａと導体枠１２２ａとが接合した状態で鉄心１０２から離すことはできない。
【００２２】
かご形巻線部１２０ａの導体枠１２２ａは、鉄心１０２の外周面に沿って湾曲した形状としてあり、永久磁石外周面１１１ａと連続して、鉄心１０２の外周面に配置される。なお、図３に示すように、鉄心１０２の外周面には段差部１０２ａを設けてあり、その段差部１０２ａに導体枠１２２ａが嵌る形状としてある。
【００２３】
かご形巻線部１２０ａの導体枠１２２ａの端面１２４ａは、永久磁石１１０ａの端面１１２ａと接合する形状としてある。この場合、導体枠１２２ａが上から永久磁石１１０ａを押えるように、端面１２４ａ及び１１２ａを斜めに傾斜させてある。導体枠１２２ａの反対側の端面１２４ａ（２つの導体棒支持部１２３ａの先端）は、永久磁石１１０ｂの端面１１２ｂと接合する形状としてある。
【００２４】
他のかご形巻線部１２０ｂについても、かご形巻線部１２０ａと同様の形状である。即ち、かご形巻線部１２０ｂは、８本の導体棒１２１ｂの一端及び他端を、導体枠１２２ｂの２つの導体棒支持部１２３ｂで支持する構成としてある。導体棒１２１ｂについても、鉄心１０２に設けた透孔１０３内に配置される。各導体棒１２１ａ，１２１ｂは、図１の断面で示されるように、等間隔で均等に配置してある。
【００２５】
このように構成したことで、回転子１００として組み立てられた状態では、図２に示すように、鉄心１０２の外周面の永久磁石１１０ａ配置位置の一方の脇に、かご形巻線部１２０ａが配置され、他方の脇に、かご形巻線部１２０ｂが配置される。また、もう１つの永久磁石１１０ｂ配置位置の一方の脇に、かご形巻線部１２０aが配置され、他方の脇に、かご形巻線部１２０ｂが配置される。
従って、回転子１００は、円筒面の配置状態が、永久磁石１１０ａ，かご形巻線部１２０ａ，永久磁石１１０ｂ，かご形巻線部１２０ｂの順序で配置され、永久磁石とかご形巻線とが円筒面に交互に配置された状態となる。
図１に示すように、かご形巻線部１２０ａ，１２０ｂの導体棒１２１ａ，１２１ｂが配置される角度範囲θ１，θ３と、各永久磁石１１０ａ，１１０ｂとその脇の導体枠１２２ａ，１２２ｂが配置される角度範囲θ２，θ４とは、ほぼ等しくしてある。即ち、図１に示すように、８本の導体棒１２１ａが配置された角度範囲を角度θ１とし、永久磁石１１０ｂとその左右の脇の導体枠１２２ａ，１２２ｂとが配置された角度範囲を角度θ２とし、８本の導体棒１２１ｂが配置された角度範囲を角度θ３とし、永久磁石１１０ａとその左右の脇の導体枠１２２ａ，１２２ｂとが配置された角度範囲を角度θ４とする。このとき、この４つの角度θ１〜θ４は、約９０°でほぼ等しくする。
【００２６】
そして、永久磁石１１０ａの一方及び他方の端面１１２ａが、かご形巻線部１２０ａの端面１２４a及びかご形巻線部１２０ｂの端面１２４ｂで押えられて、永久磁石１１０ａが、表面側（Ｎ極）を外側に露出させた状態で鉄心１０２に固定される。永久磁石１１０ｂについても、一方及び他方の端面１１２ｂが、かご形巻線部１２０aの端面１２４a及びかご形巻線部１２０ｂの端面１２４ｂで押えられて、永久磁石１１０ｂが、表面側（Ｎ極）を外側に露出させた状態で鉄心１０２に固定される。各かご形巻線部１２０ａ，１２０ｂについては、各導体棒１２１ａ，１２１ｂを鉄心１０２の透孔１０３に挿通させてあることで、鉄心１０２側に固定される。
このように構成した回転子１００で生成される磁界については後述する。
【００２７】
［２．駆動回路の説明］
図４は、本実施の形態の電動機の駆動回路構成例を示した図である。
電源入力部１から供給された電源に基づいて、電圧と周波数を変化できるインバータ回路２で３相交流を生成させる。インバータ回路２で生成される３相交流の周波数は、周波数指令生成部５からの指令で設定される。周波数指令生成部５での周波数指令は、速度指令入力端子４に得られる速度指令に基づいて生成される。
【００２８】
インバータ回路２で生成されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流は、電動機３に供給される。電動機３が図１に断面で示した電動機であり、固定子２００の３相交流巻線２０２にインバータ回路２から３相交流が供給されて、その３相交流の周波数に対応した回転磁界が生成される。
【００２９】
速度指令入力端子４からの起動指令として、比較的低い周波数の３相交流を与えたり、回転子の位置を検出しながら駆動する必要がなく、望みの速度に応じた電圧と周波数の３相交流を生成すれば良い。
【００３０】
［３．回転動作の説明］
次に、本実施の形態の電動機を回転させる際の動作例について、図５〜図９を参照して説明する。
電動機を回転駆動させる起動時には、一定の周波数の３相交流を３相交流巻線２０２に印加する。この３相交流巻線２０２への３相交流の印加で、回転磁界Ｈ２１，Ｈ２２，Ｈ２３，Ｈ２４が発生する。
図７は、この４つの回転磁界の生成状態の概要を示した図である。回転子１００が静止した状態で、固定子２００側で３相交流巻線２０２に３相交流電流を流すことで回転磁界Ｈ２１，Ｈ２２，Ｈ２３，Ｈ２４を生成させることができ、かご形巻線部１２０ａ，１２０ｂに電流Ｉ１１〜Ｉ１８が誘導される。図７の状態では，電流Ｉ１１，Ｉ１３，Ｉ１５，Ｉ１７と電流Ｉ１２，Ｉ１４，Ｉ１６，Ｉ１８の流れる方向は逆方向となる。
この４つの固定子巻線による回転磁界Ｈ２１，Ｈ２２，Ｈ２３，Ｈ２４と電流Ｉ１１〜Ｉ１８との間で電磁力が発生して回転子１００が回転をするようになり、誘導電動機として始動して加速する。
【００３１】
そして、回転速度が同期速度に近づくと、回転磁界Ｈ２１，Ｈ２２，Ｈ２３，Ｈ２４と永久磁石１１０ａ，１１０ｂによる磁界との間に引き入れトルクが発生して、常に同期速度で回転するようになる。
図８は、永久磁石１１０ａ，１１０ｂによる磁界を示したものであり、永久磁石１１０ａを中心として、２つの磁界Ｈ１１，Ｈ１２が生成され、もう１つの永久磁石１１０ｂを中心として、２つの磁界Ｈ１３，Ｈ１４が生成される。
同期運転状態では、この永久磁石１１０ａ，１１０ｂによる磁界が回転磁界と作用して、同期電動機として機能するようになる。
なお、負荷変動により速度が変化しても、制動巻線であるかご形巻線の効果で、同期はずれを起こすことなく直ぐに同期運転状態に復帰できる。また、高速回転で定電圧運転領域に入るとしばらくは進み電流で動作するが、トルクが不足すると誘導電動機として動作するようになり、周波数が増加すると弱め界磁運転が自動的に行われる。
【００３２】
図５は、本実施の形態の電動機のすべり特性とトルクを示したものである。すべりｓが０のときが同期運転している状態の特性であり、すべりｓが１から０までの間の曲線は、誘導電動機として運転しているときの特性である。
起動時の誘導電動機としては、回転速度が同期速度に近づくことで、すべりｓが０に近づき、ある程度０に近づいた値Ｔａになったとき、同期運転での値Ｔｂに引き込まれ、同期運転状態では、すべりｓが０で所定のトルクが発生した効率のよい運転状態となる。この特性曲線は、磁石の幅や厚さ、かご形巻線などの設計により自由に設定することができる。
【００３３】
図６は、磁石幅（角度）と磁石厚さを変化させた場合のすべり特性とトルクを示したものである。図６において、特性T１は、一般的な誘導電動機のトルク［N-m］とすべりｓを示したものである。特性T１として示す誘導電動機は、定格トルクが23.6N-mの例である。
特性Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４は、本実施の形態の例の電動機のトルク［N-m］とすべりｓを示したものであり、いずれも特性Ｔ１の誘導機と同じ定格トルクである、23.6N-mとなるように構成した例である。
特性Ｔ２は、磁石の配置角度３０度で磁石厚さ５mmの場合の特性例である。特性Ｔ３は、磁石の配置角度４０度で磁石厚さ２．３mmの場合の特性例である。特性Ｔ４は、磁石の配置角度５０度で磁石厚さ１．９mmの場合の特性例である。
本実施の形態の各例の場合、いずれも誘導機として始動し同期電動機として運転することができることがわかる。
【００３４】
同期速度での回転時の回転速度は、（１２０×周波数／極数）［ｒｐｍ］で示される。周波数は、３相交流巻線２０２に印加する３相交流の周波数である。極数は固定子巻線２０２と回転子１００の円周面の磁極の数であり、本例の場合には４極である。上述した式から判るように、３相交流巻線２０２に印加する３相交流の周波数に比例した回転速度が同期速度となる。
このため、インバータ回路２で生成させる３相交流の周波数を制御するだけで、回転速度を自由にかつ正確に制御できる。従来、同期電動機で回転速度制御をするためには回転位置を検出してベクトル制御演算等をして周波数と電圧や位相を制御する必要があったが、そのような複雑な構成は全く必要なく、３相交流の電圧と周波数だけを可変させれば対処でき、廉価な汎用インバータを使用したオープンループ運転が可能になる。
【００３５】
そして本実施の形態の同期電動機によると、永久磁石と制動巻線であるかご形巻線とを、回転子の円筒面に交互に配置したことで、磁石による磁界及び回転磁界を良好かつスムーズに分布させることが可能になる。従って、従来提案されている永久磁石と制動巻線を組み合わせた電動機に比べて、出力や効率を向上させることが可能になり、自己始動が可能で高効率の同期電動機が得られる。
【００３６】
しかも本実施の形態の場合には、鉄心の円筒面表面に露出状態で配置した磁石を、その両脇に配置したかご形巻線の導体で挟むことで、鉄心側に保持・固定させるようにしたので、永久磁石を鉄心の円筒面表面に配置した状態で保持させることが、簡単かつ良好に行える。従来提案されている永久磁石と制動巻線を組み合わせた回転子は、いずれも永久磁石を鉄心内部に埋め込んで固定させる構造であり、構成が複雑であると共に埋め込む作業に手間がかかる問題があったが、本実施の形態の場合には、そのような複雑な構造を必要としないで、良好な位置に永久磁石を配置できる効果を有する。なお、この永久磁石抑えの役割をする導体は、永久磁石１１０ａ，１１０ｂのＮ極から発生する磁界が固定子２００に行かずに回転子鉄心１０２を通って永久磁石のＳ極に戻る漏れ磁界を軽減する効果を併せ持つ。
【００３７】
［４．変形例の説明］
なお、図１〜図３に示した構成の回転子１００は、４極構造の回転子としたが、他の極数の構造の回転子として構成させてもよい。
図９は、３個の永久磁石を均等に配置した６極構成の回転子の例である。
図９に断面で示した回転子３００は、円周面に永久磁石３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃを均等に配置してあり、永久磁石３１０ａと永久磁石３１０ｂとの間に、かご形巻線部３２０ａを配置し、永久磁石３１０ｂと永久磁石３１０ｃとの間に、かご形巻線部３２０ｂを配置し、永久磁石３１０ｃと永久磁石３１０ａとの間に、かご形巻線部３２０ｃを配置して、合計で３個のかご形巻線部３２０ａ〜３２０ｃを配置した例である。
【００３８】
各かご形巻線部３２０ａ〜３２０ｃは、それぞれ導体棒３２１ａ，３２１ｂ，３２１ｃと、導体枠３２２ａ，３２２ｂ，３２２ｃとを備えて、図３に示したかご形巻線部と同様の形状としてある。各永久磁石３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃの保持固定についても、隣接したかご形巻線部３２０ａ〜３２０ｃで挟むことで行われるようにしてある。
この場合、図９に示すように、各永久磁石３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃとその脇の導体枠３２２ａ，３２２ｂ，３２２ｃが配置される角度範囲θ１１，θ１３，θ１５と、各かご形巻線部３２０ａ，３２０ｂ，３２０ｃの導体棒３２１ａ，３２１ｂ，３２１ｃが配置される角度範囲θ１２，θ１４，θ１６とは、ほぼ等しくしてある。
【００３９】
図１０は、４個の永久磁石を均等に配置した８極構成の回転子の例である。
図１０に断面で示した回転子４００は、円周面に永久磁石４１０ａ，４１０ｂ，４１０ｃ，４１０ｄを均等に配置してあり、永久磁石４１０ａと永久磁石４１０ｂとの間に、かご形巻線部４２０ａを配置し、永久磁石４１０ｂと永久磁石４１０ｃとの間に、かご形巻線部４２０ｂを配置し、永久磁石４１０ｃと永久磁石４１０ｄとの間に、かご形巻線部４２０ｃを配置し、永久磁石４１０ｄと永久磁石４１０ａとの間に、かご形巻線部４２０ｄを配置して、合計で４個のかご形巻線部４２０ａ〜４２０ｄを配置した例である。
【００４０】
各かご形巻線部４２０ａ〜４２０ｄは、それぞれ導体棒４２１ａ，４２１ｂ，４２１ｃ，４２１ｄと、導体枠４２２ａ，４２２ｂ，４２２ｃ，４２２ｄとを備えて、図３に示したかご形巻線部と同様の形状としてある。各永久磁石４１０ａ，４１０ｂ，４１０ｃ，４１０ｄの保持固定についても、隣接したかご形巻線部４２０ａ〜４２０ｄで挟むことで行われるようにしてある。
この場合、図１０に示すように、各永久磁石４１０ａ，４１０ｂ，４１０ｃ，４１０ｄとその脇の導体枠４２２ａ，４２２ｂ，４２２ｃ，４２２ｄが配置される角度範囲θ２１，θ２３，θ２５，θ２７と、各かご形巻線部４２０ａ，４２０ｂ，４２０ｃ，４２０ｄの導体棒４２１ａ，４２１ｂ，４２１ｃ，４２１ｄが配置される角度範囲θ２２，θ２４，θ２６，θ２８とは、ほぼ等しくしてある。
【００４１】
このように、種々の極数の回転子の構成が可能である。
なお、制動巻線であるかご形巻線は、図３に示したように複数本の導体棒と、その導体棒を支える導体枠で分割かご形巻線として構成させたが、分割せずに、図１１に示すように永久磁石１４１の長さを導体棒１２１ａ，１２１ｂと同じにし、各導体棒（例えば図２の場合の１２１ａ，１２１ｂ，１２２ａ，１２２ｂ）を、一端及び他端の端絡環１３４，１３５で短絡する形状としてもよい。この場合、永久磁石１４１と接するかご形巻線部の板状部分１３１，１３２についても、永久磁石１４１の長さと同じとして、端絡環１３４，１３５と接する構成としてある。あるいは、その他の形状の制動巻線でもよい。トルクリップルを抑えるためにスキューを施すこともできる。また、回転子のかご形巻線と永久磁石の円周方向に占める割合について、例えば図１のθ１、θ３とθ２、θ４がほぼ等しい場合を示しているが、用途に応じてこの割合を変えることにより誘導電動機の特性を強くしたり、永久磁石電動機の特性を強くすることができる。
固定子側で回転磁界を生成させる巻線についても、図１に示したスロット２０１に配置した３相巻線２０２は一例であり、集中巻線など，その他の巻線構造でもよい。モータ構造も回転形モータを例示したがリニアモータ構造でも良い。供給する交流信号についても、原理的には３相以外の多相交流を固定子の巻線に供給することでも可能であるが、現実的には汎用のインバータ回路で生成が可能な３相交流を使うのが一般的である。
なお、本実施の形態では、導体の数や寸法，形，永久磁石の数や寸法，形などの特定の実施形態が例証によって示されているものであり、この例示したものに本発明が制限される意味で示されたものではない。
【符号の説明】
【００４２】
１…電源入力部、２…インバータ回路、３…電動機、４…速度指令入力端子、５…周波数指令生成部、１００…回転子、１０１…回転軸、１０２…鉄心、１０２ａ，１０２ｂ…段差部、１０３…透孔、１１０ａ，１１０ｂ…永久磁石、１１１ａ，１１１ｂ…外周面、１１２ａ，１１２ｂ…端面、１２０ａ，１２０ｂ…かご形巻線部、１２１ａ，１２１ｂ…導体棒、１２２ａ，１２２ｂ…導体枠、１２３ａ，１２３ｂ…導体棒支持部、１２４ａ，１２４ｂ…端面、１３１，１３２…板状部分、１３４，１３５…端絡環、１４１…永久磁石、２００…固定子、２０１…スロット、２０２…３相交流巻線、３００…回転子、３０１…回転軸、３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃ…永久磁石、３２０ａ，３２０ｂ，３２０ｃ…かご形巻線部、３２１ａ，３２１ｂ，３２１ｃ…導体棒、３２２ａ，３２２ｂ，３２２ｃ…導体枠、４００…回転子、４０１…回転軸、４１０ａ，４１０ｂ，４１０ｃ，４１０ｄ…永久磁石、４２０ａ，４２０ｂ，４２０ｃ，４２０ｄ…かご形巻線部、４２１ａ，４２１ｂ，４２１ｃ，４２１ｄ…導体棒、４２２ａ，４２２ｂ，４２２ｃ，４２２ｄ…導体枠
【図１】
2011108363.tif 000003
【図２】
2011108363.tif 000004
【図３】
2011108363.tif 000005
【図４】
2011108363.tif 000006
【図５】
2011108363.tif 000007
【図６】
2011108363.tif 000008
【図７】
2011108363.tif 000009
【図８】
2011108363.tif 000010
【図９】
2011108363.tif 000011
【図１０】
2011108363.tif 000012
【図１１】
2011108363.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成23年6月2日(2011.6.2)
【手続補正１】
【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】
鉄心に永久磁石が取り付けられた回転子と、前記回転子の周囲に配置された多相巻線を備えた固定子とで構成され、前記固定子の多相巻線に多相交流が印加される永久磁石同期電動機において、
少なくとも２個の同極の永久磁石を、前記固定子と対向する前記回転子の円筒面の所定位置に露出させて均等に配置し、
前記少なくとも２個の同極の永久磁石の配置位置とは別の位置の前記円筒面の円周方向に沿って、制動巻線としてのかご形巻線を配置したことを特徴とする永久磁石同期電動機。
【請求項２】
請求項１記載の永久磁石同期電動機において、
前記回転子に配置した制動巻線は、かご形巻線を前記円筒面の円周方向に沿って分割した分割かご形巻線で構成したことを特徴とする永久磁石同期電動機。
【請求項３】
請求項２記載の永久磁石同期電動機において、
分割かご形巻線は、一端及び他端の端絡環で全てのかご形巻線導体を短絡する構成とすることができることを特徴とする永久磁石同期電動機。
【請求項４】
請求項３記載の永久磁石同期電動機において、
永久磁石の一方及び他方の端部に隣接して、それぞれ独立もしくは並列に接続された個別の分割かご形巻線を配置し、永久磁石と同数の分割かご形巻線を配置したことを特徴とする永久磁石同期電動機。
【請求項５】
請求項４記載の永久磁石同期電動機において、
前記永久磁石の一方の端部を、その一方の端部と隣接した分割かご形巻線を構成する導体の端部で押え、前記永久磁石の他方の端部を、その他方の端部と隣接した分割かご形巻線を構成する導体の端部で押えることで、前記永久磁石を前記回転子に固定させ、さらに漏れ磁束を軽減させることを特徴とする永久磁石同期電動機。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
はずれを起こさずに回転速度を制御するためには、一般には回転子の回転位置の情報を取得した上で、ベクトル制御演算等を行って、印加する交流の周波数と電圧や位相を制御する必要がある。このように自己始動できる誘導電動機の特徴と同期速度で回転する永久磁石同期電動機の特徴を併せ持ち、複雑なベクトル制御を行わなくても簡単な汎用の可変電圧可変周波数インバータで速度制御できる電動機への期待があった。
［０００６］
永久磁石同期電動機が自己始動できない問題点を解決するために、従来から、誘導電動機として起動させるための巻線を永久磁石とは別に回転子に設けて、誘導電動機として起動させて、起動した後は、同期電動機として定速運転ができる構造の永久磁石同期電動機が、各種提案されている。例えば、文献１（日本国特許庁発行の特開２００９−１５３３５６号公報）には、回転子の外周側にかご形巻線を配置し、回転子の内周側に複数の永久磁石を配置する構造についての記載が、図１などにある。回転子外周側のかご形巻線により、誘導電動機としての起動を可能としている。また、起動して同期速度に近づいたときには、永久磁石による作用で、同期速度で回転し、同期電動機として定速運転を行うようにしてある。
［０００７］
文献１以外にも、回転子に誘導電動機として作用させる巻線と同期電動機として作用させる永久磁石を組み込む構造は、各種提案されている。しかしながら従来から提案されている構造は、いずれも、永久磁石とかご形巻線の双方の回転子への配置が適正ではなかった。このため、特に固定子で発生させた回転磁界の流れがスムーズではなく誘導電動機としての特性が十分でなかったり、永久磁石による磁界の流れがスムーズではなく永久磁石同期電動機としての特性が十分に発揮できない問題があった。
発明の概要
［０００８］
本発明は、永久磁石同期電動機として高効率な駆動ができると共に、自己始動が可能な電動機を提案することを目的とする。
［０００９］
本発明は、鉄心に同極の永久磁石が取り付けられた回転子と、回転子の周囲に配置された多相巻線を備えた固定子とで構成され、固定子の多相巻線に多相交
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
流が印加される永久磁石同期電動機に適用される。
その構成としては、少なくともこれら２個の同極の永久磁石を、固定子と対向する回転子の円筒面の所定位置に露出させて均等に配置し、少なくとも２個の永久磁石の配置位置とは別の位置の円筒面の円周方向に沿って、制動巻線（かご形巻線）を配置したものである。
［００１０］
このように構成したことで、始動時には、制動巻線を使った誘導電動機として始動し、同期速度になると、永久磁石による同期電動機として動作する。
［００１１］
本発明によると、始動時には、制動巻線を使った誘導電動機として自己始動が可能であると共に、同期速度になると、永久磁石による同期電動機として動作するようなる。この場合、少なくとも２個の永久磁石を、回転子の円筒面に露出して配置して、固定子の鉄心に近接させた構成とし、制動巻線の部分も固定子の鉄心に対して近接させた構成としたため、永久磁石による磁界がスムーズに分布し、高効率の同期電動機が得られる。
［００１２］
この場合、回転子に配置した制動巻線は、かご形巻線を円筒面の円周方向に沿って分割した分割かご形巻線で構成することで、回転子の円筒面に永久磁石と制動巻線とを交互に効率よく配置できるようになる。
［００１３］
また、永久磁石の一方及び他方の端部に隣接して、それぞれ個別の分割かご形巻線を配置し、永久磁石と同数の分割かご形巻線を配置したことで、分割かご形巻線の部分はギャップを小さく保つことができるため、固定子巻線による回転磁界をスムーズに分布させることができる。従って、制動巻線を使った誘導電動機としての始動状態から、固定子を加速し，永久磁石による同期運転状態への切り替わりをスムーズに行えるようになる。
［００１４］
永久磁石の一方の端部を、その一方の端部と隣接した分割かご形巻線を構成する導体の端部で押え、永久磁石の他方の端部を、その他方の端部と隣接した分割かご形巻線を構成する導体の端部で押えることで、永久磁石を回転子に固定させることで、分割かご形巻線を構成する導体を使って永久磁石を固定させることができ、回転子の円筒面に永久磁石を固定することが確実か
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
発明を実施するための形態
［００１７］
本発明の一実施の形態を、以下の順序で説明する。
１．電動機の構成の説明（図１〜図３）
２．駆動回路の説明（図４）
３．回転動作の説明（図５〜図８）
４．変形例の説明（図９，図１０，図１１）
［００１８］
［１．電動機の構成の説明］
まず、図１〜図３を参照して、本実施の形態の電動機の構成について説明する。
本実施の形態の電動機は、図１に断面で示すように、鉄心１０２に同極の永久磁石１１０ａ，１１０ｂが取り付けられた回転子１００と、回転子１００の周囲に配置された多相巻線（３相交流巻線２０２）を備えた固定子２００とで構成された永久磁石同期電動機としたものである。多相巻線である３相交流巻線２０２には、３相交流が印加されて、回転磁界が生成される。
［００１９］
固定子２００側の構成について説明すると、図１に示すように、固定子２００は、環状にスロット２０１を複数配置してあり、それぞれのスロット２０１内に３相交流巻線２０２を配置してある。この例では、図１にＵ相、Ｖ相、Ｗ相として各相の巻線の範囲を示すように、３相交流巻線２０２として、３０°ごとに別の相の交流を印加させるようにしてある。但し、二層分布短節巻を施す時のように、相の境界となる位置付近のスロット２０１については、１つのスロット２０１内に、隣接する２つの相の巻線が配置される場合もある。
［００２０］
次に、回転子１００の構成について説明する。
図２は、回転子１００を固定子２００から外した状態で示してあり、図３はさらにその回転子１００を構成する各部材を分解して示した図である。
図２に示すように、回転子１００は、回転軸１０１を、円筒形の鉄心１０２の中心に取り付けてある。円筒形の鉄心１０２の外周面である円筒面には、２つの永久磁石１１０ａ，１１０ｂを、等間隔に配置してある。２つの永
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
久磁石１１０ａ，１１０ｂは、同極で同一形状であり、回転軸１０１に取り付けられた鉄心１０２の長さとほぼ等しい長さの細長い短冊状としてあり、鉄心１０２の円筒面に沿って湾曲した形状としてある。そして、湾曲した永久磁石１１０ａ，１１０ｂの外周面が外側に露出し、図１に示した固定子２００側のスロット２０１と対向する。この例では、図１に示したように、各永久磁石１１０ａ，１１０ｂの外側をＮ極とし、内側（鉄心１０２と接する側）をＳ極としてある。
［００２１］
鉄心１０２の円筒面に配置される短冊状の永久磁石１１０ａ，１１０ｂの脇には、かご形巻線部１２０ａ，１２０ｂが配置してある。本実施の形態のかご形巻線部１２０ａ，１２０ｂは、２つに分割された分割かご形巻線としてある。
かご形巻線部１２０ａ，１２０ｂの形状としては、例えばかご形巻線部１２０ａは、図３に示すように、８本の導体棒１２１ａの一端及び他端を、導体枠１２２ａの２つの導体棒支持部１２３ａで支持する形状としてある。但し、図３ではかご形巻線部を鉄心１０２から離して示してあるが、実際には８本の導体棒１２１ａは、鉄心１０２の外周面から若干内側に入った位置の鉄心１０２に設けた透孔１０３内に配置してあり、導体棒１２１ａと導体枠１２２ａとが接合した状態で鉄心１０２から離すことはできない。
［００２２］
かご形巻線部１２０ａの導体枠１２２ａは、鉄心１０２の外周面に沿って湾曲した形状としてあり、永久磁石外周面１１１ａと連続して、鉄心１０２の外周面に配置される。なお、図３に示すように、鉄心１０２の外周面には段差部１０２ａを設けてあり、その段差部１０２ａに導体枠１２２ａが嵌る形状としてある。
［００２３］
かご形巻線部１２０ａの導体枠１２２ａの端面１２４ａは、永久磁石１１０ａの端面１１２ａと接合する形状としてある。この場合、導体粋１２２ａが上から永久磁石１１０ａを押えるように、端面１２４ａ及び１１２ａを斜めに傾斜させてある。導体枠１２２ａの反対側の端面１２４ａ（２つの導体棒支持部１２３ａの先端）は、永久磁石１１０ｂの端面１１２ｂと接合する
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
ご形巻線とを、回転子の円筒面に交互に配置したことで、磁石による磁界及び回転磁界を良好かつスムーズに分布させることが可能になる。従って、従来提案されている永久磁石と制動巻線を組み合わせた電動機に比べて、出力や効率を向上させることが可能になり、自己始動が可能で高効率の同期電動機が得られる。
［００３６］
しかも本実施の形態の場合には、鉄心の円筒面表面に露出状態で配置した磁石を、その両脇に配置したかご形巻線の導体で挟むことで、鉄心側に保持・固定させるようにしたので、永久磁石を鉄心の円筒面表面に配置した状態で保持させることが、簡単かつ良好に行える。従来提案されている永久磁石と制動巻線を組み合わせた回転子は、いずれも永久磁石を鉄心内部に埋め込んで固定させる構造であり、構成が複雑であると共に埋め込む作業に手間がかかる問題があったが、本実施の形態の場合には、そのような複雑な構造を必要としないで、良好な位置に永久磁石を配置できる効果を有する。なお、この永久磁石抑えの役割をする導体は、永久磁石１１０ａ，１１０ｂのＮ極から発生する磁界が固定子２００に行かずに回転子鉄心１０２を通って永久磁石のＳ極に戻る漏れ磁界を軽減する効果を併せ持つ。
［００３７］
［４．変形例の説明］
なお、図１〜図３に示した構成の回転子１００は、４極構造の回転子としたが、他の極数の構造の回転子として構成させてもよい。
図９は、３個の同極の永久磁石を均等に配置した６極構成の回転子の例である。
図９に断面で示した回転子３００は、円周面に永久磁石３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃを均等に配置してあり、永久磁石３１０ａと永久磁石３１０ｂとの間に、かご形巻線部３２０ａを配置し、永久磁石３１０ｂと永久磁石３１０ｃとの間に、かご形巻線部３２０ｂを配置し、永久磁石３１０ｃと永久磁石３１０ａとの間に、かご形巻線部３２０ｃを配置して、合計で３個のかご形巻線部３２０ａ〜３２０ｃを配置した例である。
［００３８］
各かご形巻線部３２０ａ〜３２０ｃは、それぞれ導体棒３２１ａ，３２１ｂ，３２１ｃと、導体枠３２２ａ，３２２ｂ，３２２ｃとを備えて、図３に
【手続補正７】
【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】
示したかご形巻線部と同様の形状としてある。各永久磁石３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃの保持固定についても、隣接したかご形巻線部３２０ａ〜３２０ｃで挟むことで行われるようにしてある。
この場合、図９に示すように、各永久磁石３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃとその脇の導体枠３２２ａ，３２２ｂ，３２２ｃが配置される角度範囲θ１１，θ１３，θ１５と、各かご形巻線部３２０ａ，３２０ｂ，３２０ｃの導体棒３２１ａ，３２１ｂ，３２１ｃが配置される角度範囲θ１２，θ１４，θ１６とは、ほぼ等しくしてある。
［００３９］
図１０は、４個の同極の永久磁石を均等に配置した８極構成の回転子の例である。
図１０に断面で示した回転子４００は、円周面に永久磁石４１０ａ，４１０ｂ，４１０ｃ，４１０ｄを均等に配置してあり、永久磁石４１０ａと永久磁石４１０ｂとの間に、かご形巻線部４２０ａを配置し、永久磁石４１０ｂと永久磁石４１０ｃとの間に、かご形巻線部４２０ｂを配置し、永久磁石４１０ｃと永久磁石４１０ｄとの間に、かご形巻線部４２０ｃを配置し、永久磁石４１０ｄと永久磁石４１０ａとの間に、かご形巻線部４２０ｄを配置して、合計で４個のかご形巻線部４２０ａ〜４２０ｄを配置した例である。
［００４０］
各かご形巻線部４２０ａ〜４２０ｄは、それぞれ導体棒４２１ａ，４２１ｂ，４２１ｃ，４２１ｄと、導体枠４２２ａ，４２２ｂ，４２２ｃ，４２２ｄとを備えて、図３に示したかご形巻線部と同様の形状としてある。各永久磁石４１０ａ，４１０ｂ，４１０ｃ，４１０ｄの保持固定についても、隣接したかご形巻線部４２０ａ〜４２０ｄで挟むことで行われるようにしてある。
この場合、図１０に示すように、各永久磁石４１０ａ，４１０ｂ，４１０ｃ，４１０ｄとその脇の導体枠４２２ａ，４２２ｂ，４２２ｃ，４２２ｄが配置される角度範囲θ２１，θ２３，θ２５，θ２７と、各かご形巻線部４２０ａ，４２０ｂ，４２０ｃ，４２０ｄの導体棒４２１ａ，４２１ｂ，４２１ｃ，４２１ｄが配置される角度範囲θ２２，θ２４，θ２６，θ２８とは
【国際調査報告】
2011108363.tif 000014
2011108363.tif 000015