(57)【要約】【課題】セグメント形状の永久磁石の漏れ磁束を低減して高出力を得ることができる回転機を提供する。【解決手段】セグメント形状の永久磁石１ｂが外周面１ａ１に沿って複数埋設されたロータ１と、外周面１ａ１に対向するように配置されたステータとを有する永久磁石同期モータＡであって、ロータ１は、永久磁石１ｂと外周面１ａ１との間のロータコア１ａにおいて、永久磁石１ｂから外周面１ａ１に向かう磁束がロータコア１ａを通過する通過路を挟んだ位置に、一対の空気層１ｃを有するという構成を採用する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セグメント形状の永久磁石が外周面に沿って複数埋設されたロータと、前記外周面に対向するように配置されたステータとを有する回転機であって、
前記ロータは、前記永久磁石と前記外周面との間のロータコアにおいて、前記永久磁石から前記外周面に向かう磁束が前記ロータコアを通過する通過路を挟んだ位置に、一対の非磁性層を有することを特徴とする回転機。
【請求項２】
前記一対の非磁性層は、それぞれ矩形状を有しており、前記外周面側の端部が互いに近接するように所定角度傾いていることを特徴とする請求項１に記載の回転機。
【請求項３】
前記一対の非磁性層は、前記ステータから出力される誘導起電力の周波数分析に基づいて、前記誘導起電力の高調波成分の電圧が最も低くなる傾きに前記角度が設定されていることを特徴とする請求項２に記載の回転機。
【請求項４】
前記非磁性層は、空気層を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転機。
【請求項５】
電動機あるいは発電機であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機や発電機等の回転機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、回転機の一形態として永久磁石同期モータ（電動機）が開示されている。この永久磁石同期モータでは、ロータ内に複数の永久磁石を挿入配置し、極を形成させる。そして、ロータを取り囲むように配置したステータ側の電機子巻線に通電して、回転磁界を形成することで、ロータを回転駆動させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２２８８３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記永久磁石同期モータのロータ内に挿入される永久磁石としては、コストの観点から、ブロック形状（棒形状）の永久磁石が一般的に用いられている。しかしながら、ブロック形状の永久磁石は、ロータの外周面に沿って挿入配置すると、永久磁石と外周面との間に厚みが生まれて磁気抵抗が大きくなり、結果出力が小さくなる。そこで、出力の観点から、永久磁石と外周面との間の厚みを小さくできるセグメント形状（Ｃ形状、瓦形状）の永久磁石を用いることがなされている。
しかしながら、セグメント形状の永久磁石は、ロータの外周面に対向する面が円弧状になっており、ブロック形状の永久磁石と比べて磁束が広がり易く、ステータ側に向かわずにロータ内に回り込む所謂漏れ磁束が生まれ易いという問題がある。
【０００５】
また、上記永久磁石同期モータでは、ステータから出力される誘導起電力（ＥＭＦ：Electro Motive Force）の波形に基づいてロータの位置を検出するセンサレス制御方式を採用するものが存在する。この方式では、ステータから出力される誘導起電力の波形に応じて電機子巻線に供給される電流の制御が行われるため、永久磁石同期モータのステータから出力される誘導起電力の波形は、できるだけ基本波のみを含む正弦波であることが望ましい。
しかしながら、漏れ磁束が生じると、ステータから出力される誘導起電力に高調波成分（基本波より高周波数の成分）が多く含まれ、誘導起電力の波形が台形波化してしまう。そして、誘導起電力に基づくロータの位置検出において、この誘導起電力の波形の台形波化が、精度の高いロータ位置の検出を行うことの妨げになっているという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、セグメント形状の永久磁石の漏れ磁束を低減して高出力を得ることができる回転機を提供することを目的とする。また、第２の目的として、精度の高いロータの位置検出を行うことができる回転機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明は、セグメント形状の永久磁石が外周面に沿って複数埋設されたロータと、上記外周面に対向するように配置されたステータとを有する回転機であって、上記ロータは、上記永久磁石と上記外周面との間のロータコアにおいて、上記永久磁石から上記外周面に向かう磁束が上記ロータコアを通過する通過路を挟んだ位置に、一対の非磁性層を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、低い透磁率を有する非磁性層を、セグメント形状の永久磁石からロータ外周面に向かう磁束の通過路を挟むように配置することで、その通過路から逸れる磁束を磁気的に阻止して漏れ磁束を低減させて、ステータ側に磁束を多く流すことができる。
【０００８】
また、本発明においては、上記一対の非磁性層は、それぞれ矩形状を有しており、上記外周面側の端部が互いに近接するように所定角度傾いているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、外周面側の非磁性層の間が狭くなるので、セグメント形状の永久磁石からロータ外周面に向かう磁束を集中させてステータ側に流すことができるため、高出力を得ることができる。また、永久磁石側の非磁性層の間が広くなるので、セグメント形状の永久磁石からロータ外周面に向かう磁束をより多く、ステータ側に流すことができる。
【０００９】
また、本発明においては、上記ステータから出力される誘導起電力の周波数分析に基づいて、上記誘導起電力の高調波成分の電圧が最も低くなる傾きに上記角度が設定されているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、誘導起電力の周波数分析によって高調波成分の電圧が最も低くなる傾き角度に非磁性層を傾けて、出力される誘導起電力の波形を正弦波化させることで、精度の高いロータの位置検出を行う。
【００１０】
また、本発明においては、上記非磁性層は、空気層を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、ロータコアにスリットを設けて空気層を形成することで、非磁性層をコスト安で形成することが可能となる。
【００１１】
また、本発明においては、電動機あるいは発電機である先に記載の回転機を採用する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、セグメント形状の永久磁石が外周面に沿って複数埋設されたロータと、上記外周面に対向するように配置されたステータとを有する回転機であって、上記ロータは、上記永久磁石と上記外周面との間のロータコアにおいて、上記永久磁石から上記外周面に向かう磁束が上記ロータコアを通過する通過路を挟んだ位置に、一対の非磁性層を有するという構成を採用し、低い透磁率を有する非磁性層を、セグメント形状の永久磁石からロータ外周面に向かう磁束の通過路を挟むように配置することで、その通過路から逸れる磁束を磁気的に阻止して漏れ磁束を低減させて、ステータ側に磁束を多く流すことができる。
したがって、本発明では、セグメント形状の永久磁石の漏れ磁束を低減して高出力を得ることができる。また、高周波の電圧成分がなくなるため、高周波の電流成分がなくなり、鉄損を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る永久磁石同期モータによって構成される永久磁石同期モータ制御装置の機能構成を示す機能ブロック図である。
【図２】本実施形態に係る永久磁石同期モータの回転中心軸に直交する横断面図である。
【図３】本実施形態に係る永久磁石同期モータのロータの構成を示す部分拡大図である。
【図４】第２実施形態に係る永久磁石同期モータのロータの構成を示す部分拡大図である。
【図５】第２実施形態に係る永久磁石同期モータの誘導起電力の波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態の回転機について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、本実施形態の回転機として、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet:内部磁石埋込）型の永久磁石同期モータ（電動機）を適用した場合を例示して説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る永久磁石同期モータＡによって構成される永久磁石同期モータ制御装置の機能構成を示す機能ブロック図である。
図１に示すように、永久磁石同期モータ制御装置は、永久磁石同期モータＡ、直流電源Ｂ、インバータＣ、誘導起電力（ＥＭＦ：electromotive force）検出部Ｄ及びモータ制御部Ｅから構成されている。
【００１６】
直流電源Ｂは、１つあるいは複数のバッテリを直列接続したものであり、所定の直流電源電圧をインバータＣへ出力する。
インバータＣは、モータ制御部Ｅから供給されるインバータ制御信号に基づいて直流電源Ｂから供給される直流電圧をスイッチングすることによって、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相のモータ駆動信号を生成して永久磁石同期モータＡに供給する。
誘導起電力検出部Ｄは、永久磁石同期モータＡのＵ相から出力される誘導起電力を検出するものであり、検出した誘導起電力をモータ制御部Ｅへ出力する。
【００１７】
モータ制御部Ｅは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）から構成される内部メモリ並びに上記インバータＣ及び誘導起電力検出部Ｄと信号の入出力をそれぞれ行うインタフェース回路等から構成されており、上記ＲＯＭに記憶された制御プログラム及び誘導起電力検出部Ｄが検出した誘導起電力に基づいてインバータＣへインバータ制御信号を出力することによって、永久磁石同期モータＡの動作を制御する。
【００１８】
図２は、本実施形態に係る永久磁石同期モータＡの回転中心軸Ｐに直交する横断面図である。
永久磁石同期モータＡは、ロータ１と、ステータ２とを有する。ロータ１は、円筒状のロータコア１ａと４枚の永久磁石１ｂとを有する。ステータ２は、略円筒形状のステータコア２ａと当該ステータコア２ａに巻回された巻線（電機子巻線）２ｂとを有する。
【００１９】
ステータコア２ａは、複数の金属製のコアプレートが積層されて構成されており、円環状に形成されたヨーク２ａ１から内周側に突設されたティース２ａ２を等角度間隔に備えている。そして、このティース２ａ２の先端部は、全体として略円管状の内周面を形成している。
巻線２ｂは、ティース２ａ２に複数巻回されており、モールド剤がティース２ａ２に対する巻線２ｂの位置を固定している。また、この巻線２ｂは、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線の３相の巻線から構成されており、インバータＣから供給される３相に応じたモータ駆動信号によって磁極の向きが切り替わる。このような構成のステータ２は、内周面が所定の隙間を介してロータ１の外周面１ａ１に対向している。
【００２０】
ロータ１は、円筒状のロータコア１ａと４枚の永久磁石１ｂとによって構成されている。そして、ロータコア１ａは、中空円盤形状の鋼鈑を複数枚積層した積層鋼板であり、その中心軸上に設けられた貫通孔に回転軸３が圧入・固定されている。
永久磁石１ｂは、セグメント形状（Ｃ形状、瓦形状）に形成されており、ロータコア１ａの外周側にＮ極の極性を持つ永久磁石１ｂとＳ極の極性を持つ永久磁石１ｂとがそれぞれ２枚ずつ、ロータコア１ａの外周面１ａ１に沿って埋設されている。具体的には、ロータコア１ａの外周面１ａ１側にＮ極の極性を向けた永久磁石１ｂとＳ極の極性を向けた永久磁石１ｂとが交互に並ぶように埋設されている。
【００２１】
図３は、本実施形態に係る永久磁石同期モータＡのロータ１の構成を示す部分拡大図である。
ロータコア１ａには、セグメント形状の永久磁石１ｂによる磁束の短絡を防ぐことを主目的として、空気層（非磁性層）１ｃが設けられている。
空気層１ｃは、ロータ１の軸方向に向かって直線的に延在する中空空間であり、永久磁石１ｂと外周面１ａ１との間のロータコア１ａにおいて、永久磁石１ｂから外周面１ａ１に向かう磁束がロータコア１ａを通過する通過路を挟んだ位置に対となって設けられている。本実施形態の一対の空気層１ｃは、それぞれ矩形状を有しており、セグメント形状の永久磁石１ｂの中心部接線と直交する方向に沿って、それぞれ平行となるように配置されている。
【００２２】
続いて、このように構成された永久磁石同期モータＡの動作について説明する。
まず、モータ制御部Ｅは、永久磁石同期モータ起動指示を受け付けると、インバータ制御信号を出力することによってインバータＣにモータ駆動信号を永久磁石同期モータＡへ出力させる。
永久磁石同期モータＡでは、インバータＣから供給されるモータ駆動信号を巻線２ｂが受け取ると、ステータコア２ａ、巻線２ｂ及び永久磁石１ｂによって磁気回路が形成され、ロータ１が回転を開始する。
【００２３】
この際、誘導起電力検出部Ｄは、ロータ１の回転によって、巻線２ｂのＵ相巻線に発生する誘導起電力を検出し、検出した誘導起電力をモータ制御部Ｅへ出力する。
モータ制御部Ｅは、永久磁石同期モータＡの巻線２ｂのＵ相巻線に発生した誘導起電力が誘導起電力検出部Ｄから入力されると、その誘導起電力の波形に基づいてロータ１の回転位置を判定し、判定したロータ１の回転位置に応じたインバータ制御信号をインバータＣへ出力することによって、インバータＣにロータ１の回転位置に応じたＵ相、Ｖ相及びＷ相の各モータ駆動信号を永久磁石同期モータＡへ出力させる。
【００２４】
本実施形態のロータ１には、図３に示すように、空気層１ｃが設けられている。空気層１ｃ（空気）は、ロータコア１ａより低い透磁率を有する非磁性体であるため、永久磁石１ｂと外周面１ａ１との間のロータコア１ａにおいて、所定の間隔をあけて一対の空気層１ｃを設けることによって、セグメント形状の永久磁石１ｂからの磁束（図３中、実線矢印で示す）が、一対の空気層１ｃの間を通って巻線２ｂの方向へ向かっていく。このため、永久磁石１ｂの端部の磁束が、巻線１ｂの方向へ向かわずに隣の永久磁石１ｂまた隣の永久磁石１ｂとの間を通過してロータコア１ａの内部方向へ向かう、すなわち漏れ磁束（図３中、点線矢印で示す）になってしまうことを防止することが可能となる。
【００２５】
したがって、上述の本実施形態によれば、セグメント形状の永久磁石１ｂが外周面１ａ１に沿って複数埋設されたロータ１と、外周面１ａ１に対向するように配置されたステータ２とを有する永久磁石同期モータＡであって、ロータ１は、永久磁石１ｂと外周面１ａ１との間のロータコア１ａにおいて、永久磁石１ｂから外周面１ａ１に向かう磁束がロータコア１ａを通過する通過路を挟んだ位置に、一対の空気層１ｃを有するという構成を採用し、低い透磁率を有する空気層１ｃを、セグメント形状の永久磁石１ｂからロータ１の外周面１ａ１に向かう磁束の通過路を挟むように配置することで、その通過路から逸れる磁束を磁気的に阻止して漏れ磁束を低減させて、ステータ２側に磁束を多く流すことができる。
したがって、本実施形態では、セグメント形状の永久磁石１ｂの漏れ磁束を低減して高トルクを得ることができる永久磁石同期モータＡが得られる。また、電圧の高周波の成分がなくなるため、電流の高周波成分がなくなり、鉄損を低減できる。
【００２６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
図４は、第２実施形態に係る永久磁石同期モータＡのロータ１の構成を示す部分拡大図である。
【００２７】
第２実施形態における一対の空気層１ｃは、外周面１ａ１側の端部が互いに近接するように所定角度傾いている。
この構成によれば、外周面１ａ１側の空気層１ｃの間が狭くなるので、永久磁石１ｂの磁束（図４中、実線矢印で示す）は、ロータコア１ａの外周側の一対の空気層１ｃの端部の間に集中して巻線２ｂの方向へ向い、隣の永久磁石１ｂまた隣の永久磁石１ｂとの間を通過してロータコア１ａの内部方向へ向かう漏れ磁束（図４中、点線矢印で示す）が低減する。また、永久磁石１ｂから外周面１ａ１に向かう磁束を集中させてステータ２側に流すことができるため、トルクを効果的に伝達することができる。また、永久磁石１ｂ側の空気層１ｃの間が広くなるので、セグメント形状の永久磁石１ｂから外周面１ａ１に向かう磁束をより多く、ステータ２側に流すことができる。
【００２８】
この空気層１ｃの角度（セグメント形状の永久磁石１ｂの中心部接線と直交する方向に対する傾き）は、ステータ２から出力される誘導起電力の周波数分析に基づいて、誘導起電力の高調波成分の電圧が最も低くなる角度に設定されている。
図５は、第２実施形態に係る永久磁石同期モータＡの誘導起電力の波形を示す図である。なお、図５における実線の波形は、空気層１ｃの外周面１ａ１側の端部を互いに近接するように配置した場合（第２実施形態）の誘導起電力の波形を示し、図５における破線の波形は、空気層１ｃを傾けずに平行に配置した場合（第１実施形態）の誘導起電力の波形を示す。
図５に示すように、第１実施形態の巻線２ｂから発生する誘導起電力の波形は、正弦波形ではなく台形波形となっている。この誘導起電力の波形が台形波形になってしまう原因は、誘導起電力に基本波だけではなく、高調波が含まれるためである。
一方、図５に示すように、第２実施形態の巻線２ｂから発生する誘導起電力の波形は、正弦波形になる。これは、磁束が集中して漏れ磁束がより低減されるため、高調波成分が低減して、誘導起電力が、ほぼ基本波のみによって構成されるためである。
【００２９】
永久磁石同期モータＡから発生する誘導起電力を正弦波化させるように配置された空気層１ｃの最適な傾き角度は、永久磁石１ｂの幅、ロータコア１ａの外径及び空気層１ｃの厚さ等の各要因によって変化するため、巻線２ｂから発生する誘導起電力を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）処理によって周波数分析を行い、高調波成分の電圧が最も低くなる傾き角度に設定している。なお、測定の結果、空気層１ｃを約１０度傾けると、誘導起電力の波形が、正弦波化する。しかし、４５度以上傾けると歪みが生じ、９０度では０度（第１実施形態）と同じ形態となる。
【００３０】
以上のように、第２実施形態に係る永久磁石同期モータＡでは、各永久磁石１ｂのロータコア１ａの外周面１ａ１側に設けられた矩形状の空気層１ｃを、外周側の端部が接近するように傾けて配置し、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）処理による誘導起電力の周波数分析によって高調波の電力が最も低くなる傾き角度に空気層１ｃを傾けることによって、永久磁石同期モータＡから出力される誘導起電力の波形が正弦波化するため、従来よりも簡単に精度の高いロータ１の位置検出を行うことが出来る。
【００３１】
さらに、空気層１ｃをロータコア１ａの外周側の端部に接近するように傾けて配置することによって、隣の永久磁石１ｂまた隣の永久磁石１ｂとの間を通過してロータコア１ａの内部方向へ向かう漏れ磁束が永久磁石１ｂの磁束から低減するため、トルクを増大させることが出来る。
【００３２】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３３】
例えば、上記実施形態では、ロータ１に空気層１ｃを設けたが、本発明はこれに限定されない。空気層１ｃは、磁束の短絡を防ぐことを主目的としたものであり、透磁率の低い非磁性体であれば空気以外であってもよい。例えば、空気層１ｃ及び１ｄの代わりに樹脂を圧入することによって樹脂層を形成するようにしてもよい。
更に、回転バランスを修正するために樹脂圧入量を調整するが、樹脂層の量は本発明の主旨から逸脱しない範囲において種々変更可能である。
【００３４】
また、例えば、上記実施形態では、図２〜図４で一般的なセグメント型の永久磁石１ｂの形状を示して説明しているが、本発明は、この形状のセグメント型の永久磁石１ｂに限定されない。永久磁石１ｂの端部の形状は、製造工程の都合上、様々な形状となり得えるため、例えば永久磁石１ｂの端部の形状が先細りであっても多角形であっても本発明を適用でき、同様の作用効果が得られる。
【００３５】
また、例えば、上記実施形態では、永久磁石同期モータ（電動機）に本発明を適用した場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発電機に適用する構成であってもよい。
【符号の説明】
【００３６】
Ａ…永久磁石同期モータ（回転機）、１…ロータ、１ａ…ロータコア、１ａ１…外周面、１ｂ…永久磁石、１ｃ…空気層（非磁性層）、２…ステータ
【図１】
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【図２】
2011109734.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2011109734.tif 000007