(57)【要約】【課題】トルク制御の精度向上を図る。【解決手段】本発明に係るモータ１は、円筒状の固定子１０と、固定子１０に対して回転可能に設けられた回転子２０とを備え、回転子２０は、固定子１０の内周面に外周面がギャップを隔てて対向し、固定子１０に対して回転可能に設けられた回転子コア２１と、回転子コア２１の円周方向に沿って離間して回転子コア２１に埋設された複数の永久磁石２２とを備え、複数の永久磁石２２は、隣り合う永久磁石２２の極性が異なるように配置され、隣り合う永久磁石２２の間にはそれぞれ、回転子コア２１の軸方向に向かって延在し、回転子コア２１の外周側から径方向内側に向かって凹んだ溝部２５が設けられ、溝部２５には、溝部２５内において、回転子コア２１の径方向外側に向かって突出した突出部２６が設けられている。【選択図】図１
2019170128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の固定子と、
前記固定子に対して回転可能に設けられた回転子とを備え、
前記回転子は、
前記固定子の内周面に外周面がギャップを隔てて対向し、前記固定子に対して回転可能に設けられた回転子コアと、
前記回転子コアの円周方向に沿って離間して前記回転子コアに埋設された複数の永久磁石とを備え、
前記複数の永久磁石は、隣り合う永久磁石の極性が異なるように配置され、
前記隣り合う永久磁石の間にはそれぞれ、前記回転子コアの軸方向に向かって延在し、前記回転子コアの外周側から径方向内側に向かって凹んだ溝部が設けられ、
前記溝部には、前記溝部内において、前記回転子コアの径方向外側に向かって突出した突出部が設けられていることを特徴とするモータ。
【請求項２】
請求項１に記載のモータにおいて、
前記回転子の中心と前記突出部の周方向の一端部と結んだ線と、前記回転子の中心と前記突出部の周方向の他端部と結んだ線とがなす角をθｒｔとし、前記回転子の中心と前記固定子のティースの周方向の一端部とを結んだ線と、前記回転子の中心と前記固定子のティースの周方向の他端部とを結んだ線とがなす角をθｓｔとすると、
１．２×θｓｔ≧θｒｔ
であることを特徴とするモータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のモータの制御方法であって、
ｄ軸電流およびｑ軸電流の変化に対するｑ軸インダクタンス値と、前記ｄ軸電流および前記ｑ軸電流の変化に対するｄ軸インダクタンス値と、前記ｄ軸電流および前記ｑ軸電流の変化に対する永久磁石磁束とに基づき、前記モータのトルク制御に用いるｄ軸電流指令およびｑ軸電流指令を決定することを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石式のモータおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータは、電力を動力に変換する部品として、自動車、鉄道車両、家電、工作機械、ロボットなど種々の用途で利用されている。モータは一般に、固定子と、固定子に対して回転可能に設けられた回転子とからなる。このようなモータの１つとして、回転子に永久磁石を埋設したＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータがある。
【０００３】
上述したような種々の用途でモータを用いる場合、モータの出力トルクを高精度に制御する必要がある。特許文献１および特許文献２には、ＩＰＭモータにおいて、コギングトルクの低減を図る技術が記載されている。コギングトルクとは、非励磁状態で回転子を動かした際に発生する、磁石と固定子との間に働く磁気吸引力に起因する位置トルクである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２３１１９６号公報
【特許文献２】特開２０１５−２３３３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明者らが鋭意検討した結果、上述したＩＰＭモータでは、回転座標系（ｄ−ｑ座標系）におけるｄ−ｑ軸間の相互作用により、ＩＰＭモータの電気定数が変化し、この変化によってトルク制御の精度が低下することを見出した。特許文献１および特許文献２に記載されている技術では、このようなｄ軸インダクタンスおよびｑ軸インダクタンスの変化に起因するトルク制御の精度の低下については考慮されておらず、トルク制御の精度向上の余地があった。
【０００６】
上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、トルク制御の精度向上を図ることができるモータおよびその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係るモータは、円筒状の固定子と、前記固定子に対して回転可能に設けられた回転子とを備え、前記回転子は、前記固定子の内周面に外周面がギャップを隔てて対向し、前記固定子に対して回転可能に設けられた回転子コアと、前記回転子コアの円周方向に沿って離間して前記回転子コアに埋設された複数の永久磁石とを備え、前記複数の永久磁石は、隣り合う永久磁石の極性が異なるように配置され、前記隣り合う永久磁石の間にはそれぞれ、前記回転子コアの軸方向に向かって延在し、前記回転子コアの外周側から径方向内側に向かって凹んだ溝部が設けられ、前記溝部には、前記溝部内において、前記回転子コアの径方向外側に向かって突出した突出部が設けられている。
【０００８】
また、本発明に係るモータにおいて、前記回転子の中心と前記突出部の周方向の一端部と結んだ線と、前記回転子の中心と前記突出部の周方向の他端部と結んだ線とがなす角をθｒｔとし、前記回転子の中心と前記固定子のティースの周方向の一端部とを結んだ線と、前記回転子の中心と前記固定子のティースの周方向の他端部とを結んだ線とがなす角をθｓｔとすると、
１．２×θｓｔ≧θｒｔ
であることが好ましい。
【０００９】
また、上記課題を解決するため、本発明に係る制御方法は、上述したモータの制御方法であって、ｄ軸電流およびｑ軸電流の変化に対するｑ軸インダクタンス値と、前記ｄ軸電流および前記ｑ軸電流の変化に対するｄ軸インダクタンス値と、前記ｄ軸電流および前記ｑ軸電流の変化に対する永久磁石磁束とに基づき、前記モータのトルク制御に用いるｄ軸電流指令およびｑ軸電流指令を決定する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るモータによれば、トルク制御の精度向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係るモータの構成例を示す図である。
【図２】図１に示すモータおよび従来のＩＰＭモータの、ｑ軸電流に対するｄ軸磁束の変化を示す図である。
【図３】図１に示すモータの溝部およびティース近傍を拡大した図である。
【図４】従来のＩＰＭモータの構成例を示す図である。
【図５】従来のＩＰＭモータにおいて、ｄ軸電流およびｑ軸電流を０〜１００％まで変化させて、ｄ軸磁束を解析した結果を示す図である。
【図６】従来のＩＰＭモータにおいて、ｄ軸電流およびｑ軸電流を０〜１００％まで変化させて、ｑ軸磁束を解析した結果を示す図である。
【図７】従来のＩＰＭモータにおいて、ｄ軸電流を０％とした状態で、ｑ軸電流に対するｄ軸磁束を解析した結果を示す図である。
【図８Ａ】従来のＩＰＭモータにおける、無負荷時の磁束密度ベクトル、特に、ブリッジ部近傍の磁束密度ベクトルを示す図である。
【図８Ｂ】従来のＩＰＭモータにおける、永久磁石磁束の相互干渉が最も大きくなるｑ軸電流を通電した場合の磁束密度ベクトル、特に、ブリッジ部近傍の磁束密度ベクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
まず、ｄ軸インダクタンスおよびｑ軸インダクタンスの変化に起因するトルク制御の精度の低下について、図４から図８Ｂを参照して説明する。
【００１４】
図４は、従来のモータ１Ａの構成例を示す図である。
【００１５】
図４に示すモータ１Ａは、円筒状の固定子１０と、固定子１０の内周側に、固定子１０と所定のギャップ（エアギャップ）を隔てて、固定子１０に対して回転可能に設けられた回転子２０Ａとを備える。
【００１６】
固定子１０は、複数枚の固定子用鋼板を積層してなる円筒形状の固定子コア１１を有する。固定子コア１１には、複数のスロット１２が円周方向に等間隔に形成されている。各スロット１２は、固定子コア１１を軸方向（図４における紙面垂直方向）に貫通するとともに、固定子コア１１の内周面から径方向外側に向かって延在する。隣り合うスロット１２間のティース１３には、励磁コイル（不図示）が巻装されている。
【００１７】
回転子２０Ａは、積層鉄心で形成される回転子コア２１Ａを有する。回転子コア２１Ａは、円筒形状の固定子１０（固定子コア１１）の内周面に外周面がギャップを隔てて対向し、固定子１０に対して回転可能に設けられている。回転子コア２１Ａには、複数の永久磁石２２が埋設されている。より具体的には、複数の永久磁石２２が、隣り合う永久磁石２２の極性が異なるように、回転子コア２１Ａの円周方向に沿って離間して配置されている。永久磁石２２は、例えば、希土類磁石で構成される。モータ１Ａは、回転子２０Ａに永久磁石２２が埋設されたＩＰＭモータである。
【００１８】
複数の永久磁石２２それぞれの両端部（回転子コア２１Ａの周方向に沿った両端部）の近傍には、漏れ磁束の低減のために、回転子コア２１Ａを軸方向に貫通する空隙部２３が設けられている。１の永久磁石２２の一端の近傍に設けられた空隙部２３と、その永久磁石２２と隣り合う他の永久磁石２２の、１の永久磁石側の一端の近傍に設けられた空隙部２３とで挟まれる領域は、突極部２４を構成する。なお、空隙部２３は、回転子コア２１Ａの外周面から離間して設けられている。すなわち、空隙部２３と回転子コア２１Ａの外周面との間には、空隙部２３を回転子コア２１Ａの外周面から区画する部分が存在する。以下では、この部分をブリッジ部と称する。
【００１９】
永久磁石２２の中心を通る回転子コア２１Ａの径方向に沿ったｄ軸、および、ｄ軸から電気角で９０度進んだｑ軸からなる回転座標系（ｄ−ｑ座標系）における、モータ１Ａの電圧方程式は、以下の式（１）で示される。
【００２０】
【数１】
2019170128.tif 000003
【００２１】
ここで、ｖdはｄ軸電圧である。ｖqはｑ軸電圧である。ｉdはｄ軸電流である。ｉqはｑ軸電流である。Ｌdはｄ軸インダクタンスである。Ｌqはｑ軸インダクタンスである。Ｒはモータ１Ａの巻線抵抗である。φは永久磁石２２による巻線鎖交磁束（永久磁石磁束）である。ωは電気角速度である。
【００２２】
また、モータ１Ａの出力トルクＴは、以下の式（２）で示される。
【００２３】
【数２】
2019170128.tif 000004
【００２４】
ここで、ｐはモータ極数である。
【００２５】
一般に、ＩＰＭモータのトルク制御では、磁石トルク分とリラクタンストルク分とを有効に活用するために、トルク指令Ｔ*からｄ軸電流指令ｉd*およびｑ軸電流指令ｉq*が決定される。そして、決定されたｄ軸電流指令ｉd*およびｑ軸電流指令ｉq*に従い、ｄ軸電流ｉdおよびｑ軸電流ｉqが制御される。ここで、ｄ軸電流指令ｉd*は、ｄ軸電流ｉdとｑ軸電流ｉqとのベクトル和が最小となる値、あるいは、出力可能な電圧範囲に抑えるための弱め磁束電流指令により決定される。ｄ軸電流指令ｉd*が決定されると、ｑ軸電流指令ｉq*は、以下の式（３）に従い、決定される。
【００２６】
【数３】
2019170128.tif 000005
【００２７】
したがって、ｄ軸電流指令ｉd*およびｑ軸電流指令ｉq*の演算に用いる電気定数（永久磁石磁束φ、ｄ軸インダクタンスＬdおよびｑ軸インダクタンスＬq）に誤差が生じると、トルク指令Ｔ*に対して出力トルクＴに誤差が生じる。
【００２８】
ＩＰＭモータの電気定数を実験的に求める場合、ＩＰＭモータの運転状態から、ＩＰＭモータのｄ−ｑ座標系での定常状態の電圧方程式を用いて、電気定数を求める手法がある。実験では、巻線の磁束鎖交数を直接計測することができないため、この手法を用いる必要がある。一方、ＦＥＭ（Finite Element Method）解析では、磁束鎖交数を直接求めることができる。そのため、ｄ軸電流ｉdおよびｑ軸電流ｉqの変化に対するｄ軸磁束λdおよびｑ軸磁束λqの変化の割合から、ｄ軸インダクタンスＬdおよびｑ軸インダクタンスＬqを求めることができる。また、無通電時の磁束鎖交数から永久磁石磁束φを求めることができる。
【００２９】
本願発明者らは、図４に示す構成を有するＩＰＭモータを用いて、電気定数の解析を行った。解析に用いたＩＰＭモータ（以下、従来のＩＰＭモータと称する）の緒元を表１に示す。
【００３０】
【表１】
2019170128.tif 000006
【００３１】
従来のＩＰＭモータの固定子は、永久磁石としてのＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石を１極毎に１層埋設した６極構造を有する。固定子巻線は、各相１１ターンの全節巻である。永久磁石は、渦電流損を防ぐために、軸方向に複数に分割されている。従来のＩＰＭモータの定格トルクは、１５９．２Ｎ・ｍである。
【００３２】
図５は、従来のＩＰＭモータにおいて、ｄ軸電流ｉdおよびｑ軸電流ｉqを０〜１００％（定格電流）まで変化させて、ｄ軸磁束λdを解析した結果を示す図である。また、図６は、従来のＩＰＭモータにおいて、ｄ軸電流ｉdおよびｑ軸電流ｉqを０〜１００％（定格電流）まで変化させて、ｑ軸磁束λqを解析した結果を示す図である。
【００３３】
図５，６より、ｄ軸磁束λdおよびｑ軸磁束λqの両方が、ｄ軸電流ｉdおよびｑ軸電流ｉqの関数となっていることが分かる。これは、磁気飽和の影響で、ｄ−ｑ軸間の相互作用（相互干渉）が生じたためである。ｄ−ｑ軸間の相互干渉により磁束の増減が生じ、この磁束の増減により、電気定数が変化する。そのため、ｄ軸インダクタンスＬdおよびｑ軸インダクタンスＬqがそれぞれ、他軸の電流によって変化することを考慮しないと、トルク制御の精度の低下の原因となる。
【００３４】
以下では、相互干渉によるｄ軸磁束λdの変動のメカニズムについて説明する。
【００３５】
図５から分かるように、ｄ軸磁束λdは、負のｄ軸電流ｉdの増加に対し、ほぼ直線的に低下する。この傾き（ｄ軸インダクタンスＬdに相当）は、ｑ軸電流ｉqが増加するほど、固定子鉄心の磁気飽和が強くなるため、低下する。この傾きを精度よく計算するためには、ｑ軸電流ｉqによって永久磁石磁束φが変化すること（図５において、ｄ軸磁束軸の切片がｑ軸電流ｉqにより変動する現象）を考慮する必要がある。以下では、ｑ軸電流ｉqの増減に対し、永久磁石磁束φが変化する現象について説明する。
【００３６】
図７は、ｄ軸電流ｉdを０％とした状態で、ｑ軸電流ｉqに対するｄ軸磁束λdを解析した結果を示す図である。相互干渉が無ければ、永久磁石磁束φはｑ軸電流ｉqが変化しても一定であるため、ｄ軸磁束λdは一定となる。しかしながら、図７に示すように、ｄ軸磁束λd（永久磁石磁束φ）は、ｑ軸電流ｉqの増加に伴って増加した後、減少するという特性を有する。このような特性が生じる主要因は、遠心力による磁石飛散の防止のために用いているブリッジ部への永久磁石の漏れ磁束の挙動が、ｑ軸電流ｉqにより変化するためのである。
【００３７】
図８Ａは、従来のＩＰＭモータにおける、無負荷時の磁束密度ベクトル、特に、ブリッジ部近傍の磁束密度ベクトルを示す図である。また、図８Ｂは、従来のＩＰＭモータにおける、永久磁石磁束φの相互干渉が最も大きくなるｑ軸電流ｉqを通電した場合の、無負荷時の磁束密度ベクトル、特に、ブリッジ部近傍の磁束密度ベクトルを示す図である。なお、図８Ａ，８Ｂにおいて、点線四角で囲まれる領域の永久磁石磁束φは漏れ磁束に相当する。
【００３８】
図８Ｂから分かるように、ｑ軸電流ｉqの通電によって、ｑ軸磁束λqが増加し、突極部近傍のブリッジ部で非常に強い磁気飽和が生じていることが分かる。このため、ブリッジ部を介した永久磁石の漏れ磁束経路の磁気抵抗が高くなる。その結果、無負荷時では漏れ磁束であった永久磁石磁束が、より磁気抵抗の低い経路、すなわち、ギャップを通過して固定子側に渡る経路を通り巻線に鎖交するため、ｄ軸磁束λdが増加することになる。図８Ｂに示す状態からさらにｑ軸電流ｉqを大きくすると、永久磁石とギャップに挟まれた回転子コアでの磁気飽和レベルが上がり、永久磁石からみた磁気抵抗が全体的に増加して永久磁石の動作点が低下する。そのため、ｄ軸磁束λdが減少していく。
【００３９】
以上より、ブリッジ部を介した磁束経路を除去するように設計すれば、相互干渉による永久磁石磁束の変動が少なくなり、モータのトルク制御の精度向上を図ることができることが分かる。
【００４０】
図１は、本発明の一実施形態に係るモータ１の構成を示す図である。なお、図１において、図４と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００４１】
本実施形態に係るモータ１は、図４に示すモータ１Ａと比較して、回転子２０Ａを回転子２０に変更した点が異なる。すなわち、本実施形態に係るモータ１は、図１においては記載を省略しているが、図４に示す固定子１０を有する。
【００４２】
回転子２０は、固定子１０と所定のギャップを隔てて設けられ、固定子１０に対して回転可能に設けられた回転子コア２１を備える。
【００４３】
回転子コア２１は、積層鉄心で形成される。回転子コア２１は、円筒形状の固定子１０（固定子コア１１）の内周面に外周面がギャップを隔てて対向し、固定子１０に対して回転可能に設けられている。回転子コア２１には、図４に示す回転子コア２１Ａと同様に、複数の永久磁石２２が埋設されている。すなわち、複数の永久磁石２２が、隣り合う永久磁石２２の極性が異なるように、回転子コア２１の円周方向に沿って離間して配置されている。モータ１は、回転子２０Ａに永久磁石２２が埋設されたＩＰＭモータである。
【００４４】
本実施形態においては、回転子コア２１に、隣り合う永久磁石２２の間にそれぞれ、回転子コア２１の軸方向に延在し、回転子コア２１の外周側から径方向内側に向かって凹んだ溝部２５が設けられている。そして、溝部２５には、溝部２５の底部から突出した突出部２６が設けられている。より具体的には、溝部２５には、溝部２５内において、回転子コア２１の径方向外側に向かって突出した突出部２６が設けられている。
【００４５】
図１に示すモータ１においては、溝部２５は、図４に示すモータ１Ａにおける、漏れ磁束の低減のために設けられた空隙部２３として機能する。また、突出部２６は、図４に示すモータ１Ａにおける突極部２４として機能する。ここで、本実施形態に係るモータ１においては、溝部２５は、回転子コア２１の外周側から径方向内側に向かって凹んでいる。すなわち、本実施形態に係るモータ１は、図４に示すモータ１Ａにおける、空隙部２３を回転子コア２１Ａの外周面から区画するブリッジ部を有さないブリッジレス構造のモータである。そのため、本実施形態に係るモータ１においては、ブリッジ部を介した磁束経路が形成されないので、永久磁石磁束の変動が抑制される。
【００４６】
図２は、本実施形態に係るモータ１（ブリッジレス構造のモータ）および従来のＩＰＭモータの、ｑ軸電流ｉqに対するｄ軸磁束λdの変化を示す図である。図２に示すように、本実施形態に係るモータ１（ブリッジレス構造のモータ）の方が、従来のＩＰＭモータ（ブリッジ部を有するモータ）と比較して、相互干渉による永久磁石磁束φ（ｄ軸磁束λd）の変動が抑制されていることが分かる。
【００４７】
なお、本実施形態に係るモータ１においては、突出部２６および固定子１０のティース１３の寸法が所定の関係を満たす必要がある。図３は、回転子２０の突出部２６および固定子１０のティース１３近傍を拡大した図である。
【００４８】
図３に示すように、回転子２０の中心Ｃと突出部２６の周方向の一端部と結んだ線と、回転子２０の中心Ｃと突出部２６の周方向の他端部と結んだ線とがなす角をθｒｔとする。また、回転子２０の中心Ｃとティース１３の周方向の一端部と結んだ線と、回転子２０の中心Ｃとティース１３の周方向の他端部と結んだ線とがなす角をθｓｔとする。この場合、本実施形態に係るモータ１においては、以下の式（４）に示す条件を満たす必要がある。
１．２×θｓｔ≧θｒｔ  ・・・式（４）
【００４９】
なお、極数、スロット数などは特に限定されない。また、スロット１２は、オープンスロットであってもよいし、クローズドスロットであってもよい。
【００５０】
次に、本実施形態に係るモータ１の制御方法について説明する。
【００５１】
上述したように、ｄ−ｑ軸間の相互干渉により、永久磁石磁束φが変動する。この変動分を考慮して、モータ１を制御することで、トルク制御の精度向上を図ることができる。具体的には、ｄ軸電流ｉdおよびｑ軸電流ｉqの変化に対するｑ軸インダクタンスＬqと、ｄ軸電流ｉdおよびｑ軸電流ｉqの変化に対するｄ軸インダクタンスＬdと、ｄ軸電流ｉdおよびｑ軸電流ｉqの変化に対する永久磁石磁束φとに基づき、モータ１のトルク制御に用いるｄ軸電流指令ｉd*およびｑ軸電流指令ｉq*を決定する
【００５２】
このように本実施形態によれば、モータ１は、円筒状の固定子１０と、固定子１０に対して回転可能に設けられた回転子２０とを備える。回転子２０は、固定子１０の内周面に外周面がギャップを隔てて対向し、固定子１０に対して回転可能に設けられた回転子コア２１と、隣り合う磁極が異極性となるように、回転子コア２１の円周方向に沿って離間して回転子コア２１に埋設された複数の永久磁石２２とを備える。隣り合う永久磁石２２の間にはそれぞれ、回転子コア２１の軸方向に向かって延在し、回転子コア２１の外周側から径方向内側に向かって凹んだ溝部２５が設けられている。そして、溝部２５には、溝部２５内において、回転子コア２１の径方向外側に向かって突出した突出部２６が設けられている。
【００５３】
回転子２０の溝部２５は、回転子コア２１の外周側から径方向内側に向かって凹むように形成されているため、回転子コア２１には、図４に示すモータ１Ａのような、ブリッジ部が形成されない。そのため、ブリッジ部の近傍で生じたような、強い磁気抵抗の飽和が生じにくくなり、相互干渉による永久磁石磁束φの変動が抑制される。そのため、電気定数の変動も抑制され、トルク制御の精度向上を図ることができる。
【００５４】
上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換が可能であることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１    モータ
１０    固定子
１１    固定子コア
１２    スロット
１３    ティース
２０    回転子
２１    回転子コア
２２    永久磁石
２５    溝部
２６    突出部
【図１】
2019170128.tif 000007
【図２】
2019170128.tif 000008
【図３】
2019170128.tif 000009
【図４】
2019170128.tif 000010
【図５】
2019170128.tif 000011
【図６】
2019170128.tif 000012
【図７】
2019170128.tif 000013
【図８Ａ】
2019170128.tif 000014
【図８Ｂ】
2019170128.tif 000015