(57)【要約】【課題】弱め磁界制御を行わなくても、永久磁石埋め込み型の電動機において実質的に界磁磁束を弱める技術を提案し、以て回転速度に対する効率の変動を小さくする。【解決手段】空隙１３の複数が、回転子コア１１内部で、回転軸Ｑの周囲で環状に配置されて穿たれる。空隙１３のそれぞれは、回転軸Ｑを中心とした所定の中心角の範囲θで延在する。そして空隙１３は、その延在する方向に対する幅ｄ１，ｄ２（＞ｄ１）が相互に異なる第１領域１３１及び第２領域１３２を有する。空隙１３内において第１領域１３１と第２領域１３２との間で永久磁石１２が可動に設けられる。永久磁石１２が第１領域１３１側にある場合よりも第２領域１３２側にある場合の方が、永久磁石１２が発生する磁束に対する磁気抵抗が高くなる。よって高速回転時において永久磁石１２を第２領域１３２側に配置することによって、実質的な弱め界磁を得ることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸（Ｑ）の周囲で環状に配置され、それぞれ前記回転軸を中心とした所定の中心角の範囲（θ）で延在し、その延在する方向に対する幅（ｄ１，ｄ２）が相互に異なる第１領域（１３１）及び第２領域（１３２）を有する空隙（１３）の複数が、内部に穿たれた回転子コア（１１）と、
前記空隙内において前記第１領域と前記第２領域との間で可動に設けられ、前記界磁磁束を発生させる永久磁石（１２）と
を含む回転子（１）と、
前記回転軸とは反対側から前記回転子（１）に対向し、前記回転子に回転磁界を供給する電機子電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）が流れる電機子巻線（２３）を含む電機子（２）と
を備える電動機。
【請求項２】
第２領域（１３２）は前記第１領域（１３１）よりも前記電機子（２）側へと拡がる拡大部（１３０ａ）を有し、
前記回転子コア（１１）は前記第１領域と前記第２領域の間で段差（１１１）を有し、
前記永久磁石（１２）が前記第２領域側へ移動しても、前記永久磁石の前記第２領域への填り込みは前記段差（１１１）によって阻害される、請求項１記載の電動機。
【請求項３】
前記段差は前記回転子コア側から見て鈍角である、請求項２記載の電動機。
【請求項４】
前記第２領域（１３２）における前記幅（ｄ２）は前記第１領域（１３１）から遠ざかるにつれ漸増する、請求項３記載の電動機。
【請求項５】
前記第２領域（１３２）における前記幅（ｄ２）は前記第１領域（１３１）から遠ざかるにつれ一旦漸増してから漸減する、請求項３記載の電動機。
【請求項６】
第２領域（１３２）は前記第１領域（１３１）よりも前記回転軸（Ｑ）側へと拡がる拡大部（１３０ｂ）を有する、請求項１記載の電動機。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載の電動機を制御する方法であって、
前記電機子電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）の電流位相を、前記電機子巻線（２３）に発生する前記永久磁石（１２）による誘起電圧の位相に対して７０乃至１１０度進めて、前記永久磁石を前記第２領域側へと配置する、電動機の制御方法。
【請求項８】
前記電機子電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）の電流位相を、前記電機子巻線（２３）に発生する前記永久磁石（１２）による誘起電圧の位相に対して７０乃至１１０度遅らせて、前記永久磁石を前記第１領域側へと配置する、請求項７記載の電動機の制御方法。
【請求項９】
所定速度以下では前記永久磁石を前記第１領域側へと配置し、前記所定速度を越えると前記永久磁石を前記第２領域側へと配置する、請求項８記載の電動機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電動機及びその制御方法に関し、とくに永久磁石埋め込み型の電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１５は永久磁石埋め込み型の電動機の従来の構成を示す断面図である。当該電動機は回転子１と、回転子１と対向して配置される電機子２とを備えている。
【０００３】
電機子２はヨーク２１と、歯部２２と、電機子巻線２３とを有している。歯部２２には電機子巻線２３が巻回され、ヨーク２１は回転子１とは反対側で歯部２２を磁気的に接続する。電機子巻線２３に交流の電機子電流を流すことにより、回転子１に対して回転磁界を発生させ、当該回転磁界は回転子１に鎖交する。
【０００４】
回転子１は回転子コア１１と永久磁石１２とを有している。回転子コア１１にはシャフト孔１０と空隙１３とが穿たれている。シャフト孔１０には図示されない回転シャフトが挿入され、空隙１３には永久磁石１２が設けられている。永久磁石１２は回転子１の界磁磁束の発生源となり、界磁磁束は電機子２に鎖交する。永久磁石１２から発生した磁束が回転子コア１１内部で短絡的に流れることを防止すべく、空隙１３の両端は回転子コア１１の電機子２側の表面にまで得材している。回転子コア１１には更に、図示されるように、締結具貫挿孔１４、風穴１５が穿たれてもよい。
【０００５】
なお、本願に関連する文献として下記特許文献１乃至３を列挙する。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−７３４４４号公報
【特許文献２】特開２００２−２６２４９４号公報
【特許文献３】特開２００２−１３６０１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１５に例示される構成を有する永久磁石埋め込み型の電動機は、効率が高く、かつトルクと電機子電流との比がほぼ一定であるので、制御性に優れる。しかしながら、界磁磁束は永久磁石１２によって発生するので、界磁を電流で発生させる場合に容易であった弱め界磁を行うことが困難である。よって誘起電圧は回転数と共に上昇し、電機子電流を流し得る範囲が回転数によって限定され、最高回転数を変更したり、効率を最大化する電流を変更することは容易ではなかった。
【０００８】
かかる問題を解決するため、永久磁石１２が発生する磁束を実質的に弱める、いわゆる弱め磁界制御が提案されているが、この制御はモータの形状に大きく左右されるので、その用途は限定的であった。
【０００９】
そこで本発明は、弱め磁界制御を行わなくても、永久磁石埋め込み型の電動機において実質的に界磁磁束を弱める技術を提案し、以て回転速度に対する効率の変動を小さくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明にかかる電動機の第１の態様は、回転子（１）と電機子（２）とを備える電動機であって、前記回転子は、回転軸（Ｑ）の周囲で環状に配置され、それぞれ前記回転軸を中心とした所定の中心角の範囲（θ）で延在し、その延在する方向に対する幅（ｄ１，ｄ２）が相互に異なる第１領域（１３１）及び第２領域（１３２）を有する空隙（１３）の複数が、内部に穿たれた回転子コア（１１）と、前記空隙内において前記第１領域と前記第２領域との間で可動に設けられ、前記界磁磁束を発生させる永久磁石（１２）とを含む。また前記電機子は、前記回転軸とは反対側から前記回転子（１）に対向し、前記回転子に回転磁界を供給する電機子電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）が流れる電機子巻線（２３）を含む。
【００１１】
この発明にかかる電動機の第２の態様は、その第１の態様であって、第２領域（１３２）は前記第１領域（１３１）よりも前記電機子（２）側へと拡がる拡大部（１３０ａ）を有し、前記回転子コア（１１）は前記第１領域と前記第２領域の間で段差（１１１）を有し、前記永久磁石（１２）が前記第２領域側へ移動しても、前記永久磁石の前記第２領域への填り込みは前記段差（１１１）によって阻害される。
【００１２】
この発明にかかる電動機の第３の態様は、その第２の態様であって、前記段差は前記回転子コア側から見て鈍角である。
【００１３】
この発明にかかる電動機の第４の態様は、その第３の態様であって、前記第２領域（１３２）における前記幅（ｄ２）は前記第１領域（１３１）から遠ざかるにつれ漸増する。
【００１４】
この発明にかかる電動機の第５の態様は、その第３の態様であって、前記第２領域（１３２）における前記幅（ｄ２）は前記第１領域（１３１）から遠ざかるにつれ一旦漸増してから漸減する。
【００１５】
この発明にかかる電動機の第６の態様は、その第１の態様であって、第２領域（１３２）は前記第１領域（１３１）よりも前記回転軸（Ｑ）側へと拡がる拡大部（１３０ｂ）を有する。
【００１６】
この発明にかかる電動機の制御方法の第１の態様は、この発明にかかる電動機の第１乃至第６の態様の電動機を制御する方法であって、前記電機子電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）の電流位相を、前記電機子巻線（２３）に発生する前記永久磁石（１２）による誘起電圧の位相に対して７０乃至１１０度進めて、前記永久磁石を前記第２領域側へと配置する。
【００１７】
この発明にかかる電動機の制御方法の第２の態様は、その第１の態様であって、前記電機子電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）の電流位相を、前記電機子巻線（２３）に発生する前記永久磁石（１２）による誘起電圧の位相に対して７０乃至１１０度遅らせて、前記永久磁石を前記第１領域側へと配置する。
【００１８】
この発明にかかる電動機の制御方法の第３の態様は、その第２の態様であって、所定速度以下では前記永久磁石を前記第１領域側へと配置し、前記所定速度を越えると前記永久磁石を前記第２領域側へと配置する。
【発明の効果】
【００１９】
この発明にかかる電動機の第１の態様によれば、永久磁石が第１領域近傍に位置する状態と比較して、永久磁石が第２領域近傍に位置する状態では、永久磁石と回転子コアとの間に存在する空隙が広くなり、磁気抵抗が高くなる。よって永久磁石を界磁磁束発生源としながらも実質的に界磁磁束を変化させることができ、以て回転速度に対する効率の変動を小さくすることができる。
【００２０】
この発明にかかる電動機の第２の態様によれば、回転子コアの電機子に対向する側に発生する磁極の強さを効果的に変化させることができる。
【００２１】
この発明にかかる電動機の第３の態様及び第４の態様によれば、永久磁石が第１領域と第２領域との間で円滑に可動であり、実質的な界磁磁束の変化も滑らかとなる。
【００２２】
この発明にかかる電動機の第５の態様によれば、第２領域の、第１領域とは反対側における端部への永久磁石の移動を、緩衝しつつ阻止するので、永久磁石の破損を防止する。
【００２３】
この発明にかかる電動機の第６の態様によれば、回転子の回転に伴って発生する遠心力を受けても、永久磁石は不要に移動せず、安定して配置される。
【００２４】
この発明にかかる電動機の制御方法の第１の態様によれば、回転子が回転している状態でも容易に永久磁石の位置を第２領域側に配置することができる。
【００２５】
この発明にかかる電動機の制御方法の第２の態様によれば、回転子が回転している状態でも容易に永久磁石の位置を第１領域側に配置することができる。
【００２６】
この発明にかかる電動機の制御方法の第３の態様によれば、高速回転時において弱め界磁が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の基本的な考え方は、永久磁石から発生する磁束自身は制御できなくても、当該磁束についての磁気回路の磁気抵抗を制御することにより、電機子と鎖交する界磁磁束を実質的に制御しようとするものである。具体的には当該磁気抵抗の制御を、永久磁石を収納する空隙内で永久磁石を移動させることによって実現する。
【００２８】
第１の実施の形態．
図１はこの発明の第１の実施の形態にかかる電動機の構成を例示する断面図である。当該電動機は回転子１及び電機子２を有している。回転子１は界磁子として機能する。当該断面図は回転子１の回転軸Ｑに垂直な断面を示している。
【００２９】
電機子２は、回転軸Ｑとは反対側から回転子１に対向する。図１５の構成と同様にして、電機子２はヨーク２１、歯部２２、電機子巻線２３を含んでおり、電機子巻線２３に流れる電機子電流によって発生する回転磁界が回転子１に供給される。本実施例の形態は歯部２２に直接、電機子巻線２３を直巻きした形状であるが、電機子巻線２３が複数の歯部２２を跨ぐ分布巻の形状であってもよい。
【００３０】
回転子１は回転子コア１１と永久磁石１２とを含む。回転子コア１１の内部には空隙１３の複数が穿たれている。空隙１３は、その複数が回転軸Ｑの周囲で環状に配置される。そして永久磁石１２は空隙１３に収納されている。永久磁石１２は界磁磁束を発生させる。図１５の構成と同様にして、回転子１はシャフト孔１０が穿たれており、更に締結具貫挿孔１４、風穴１５が穿たれていてもよい。
【００３１】
図２は図１において、一つの空隙１３の近傍のみを拡大して示す断面図である。図面の繁雑を避けるため、締結具貫挿孔１４、風穴１５は省略されている。空隙１３の各々は、回転軸Ｑを中心とした所定の中心角の範囲θで延在し、第１領域１３１及び第２領域１３２を有する。
【００３２】
第１領域１３１及び第２領域１３２は、空隙１３が延在する方向に対するそれぞれの幅ｄ１，ｄ２（＞ｄ１）が、相互に異なる。そして永久磁石１２は空隙１３内において第１領域１３１と第２領域１３２との間で可動に設けられる。
【００３３】
空隙１３は第１領域１３１及び第２領域１３２側にそれぞれ突出部１３３，１３４をも有しており、これらは永久磁石１２から発生する磁束が回転子コア１１において短絡的に流れることを防止する。
【００３４】
図１は永久磁石１２が第１領域１３１近傍に位置する状態を示している。また図３は本実施の形態において永久磁石１２が第２領域１３２近傍に位置する状態を示す断面図である。
【００３５】
永久磁石１２が第１領域１３１近傍に位置する状態と比較して、永久磁石１２が第２領域１３２近傍に位置する状態では、永久磁石１２と回転子コア１１との間に存在する空隙１３が広くなる。これは第２領域１３２の方が、第１領域１３１と比較して拡大部１３０ａを有しているからである。よって永久磁石１２が発生する磁束の磁路についてみれば、永久磁石１２が第１領域１３１近傍に位置する状態と比較して、永久磁石１２が第２領域１３２近傍に位置する状態の方が、磁気抵抗は高くなる。
【００３６】
よって永久磁石１２を空隙１３内において第１領域１３１と第２領域１３２との間で可動に設けることにより、永久磁石１２を界磁磁束発生源としながらも実質的に界磁磁束を変化させることができる。即ち、実質的に弱め界磁を行うことができる。これにより、電動機の誘起電圧を変更できるので、最高回転数の変更が可能となる。例えば通常は最高回転速度を毎分３６００回転としつつ、高速運転が必要な状況になれば最高回転速度を毎分７２００回転に変更することができる。
【００３７】
図４は上記の効果を例示するグラフである。グラフＧ１，Ｇ２はそれぞれ永久磁石１２が第１領域１３１近傍に位置する状態と、永久磁石１２が第２領域１３２近傍に位置する状態とに対応している。永久磁石１２が第１領域１３１近傍に位置する状態では界磁磁束が大きく、効率のピークは比較的に低い回転速度において効率がピークを呈する。永久磁石１２が第２領域１３２近傍に位置する状態では界磁磁束が小さく、効率のピークは比較的に高い回転速度において効率がピークを呈する。このようにしてグラフＧ１，Ｇ２は交点を有しており、当該交点に対応する回転数以下ではグラフＧ１が、当該回転数以上ではグラフＧ２が、それぞれモータ効率の高いことを示している。よって所定速度以下では永久磁石１２を第１領域１３１側へと配置し、所定速度を越えると永久磁石１２を第２領域１３２側へと配置することにより、高速回転時において弱め界磁が実現される。これは、効率の回転数依存性をグラフＧ０の如くにしてモータ効率を高め、引いては回転速度に対する効率の変動を小さくすることができる。
【００３８】
ここでは空隙１３が四個設けられている場合を例示しており、θは９０度未満になる。また空隙１３の延在方向は空隙１３の中央と回転軸Ｑとを結ぶ方向に対して略垂直となっているが、上記方向に対して垂直である必要はない。また空隙１３の延在方向が湾曲していてもよい。但し上記界磁磁束を変化させるためには、空隙１３の延在方向は上記方向と平行であることは望ましくない。
【００３９】
更に、拡大部１３０ａは第１領域１３１よりも電機子２側へと拡がる。この故、回転子コア１１は第１領域１３１と第２領域１３２の間で段差１１１を有する。この段差１１１は、永久磁石１２が第２領域１３２側へ移動しても、永久磁石１２の第２領域１３２へと填り込むことを阻害する。これにより、回転子コアの電機子に対向する側に発生する磁極の強さを効果的に変化させることができる。換言すれば、空隙１３が延在する方向に沿っての第２領域１３２の長さは、永久磁石１２のそれよりも短いことが望ましい。
【００４０】
第２の実施の形態．
第２の実施の形態では、第１の実施の形態で説明された永久磁石１２の移動を行うための具体的手法を説明する。
【００４１】
図５は永久磁石埋込型の電動機について一般的な、トルクの電流位相に対する依存性を示すグラフである。ここで電流位相とは、前記電機子巻線（２３）に発生する前記永久磁石（１２）による誘起電圧の位相に対する電機子電流の位相である。
【００４２】
グラフＴｍはマグネットトルクを示し、電流位相が０度のときに最大値を採る。グラフＴｒはリラクタンストルクを示し、電流位相が進相のときに正を、遅相のときに負を、それぞれとり、電流位相が０度のときに０となる。グラフＴｔはマグネットトルクとリラクタンストルクとを総合して得られるトルクを示す。このように永久磁石埋込型の電動機では電流位相が進相のときに大きなトルクを得ることができるので、電動機の通常の運転時は電流位相は例えば−３０〜７０度、あるいは更に狭く０〜７０度に選択される。
【００４３】
図６は永久磁石１２が第１領域１３１側にあるときの運転状況を例示する断面図である。図の繁雑を避けるため、電機子巻線２３は実際には複数本の巻線であるが、１本として例示してあり、かつ、一つの歯部２２についてのみ、また永久磁石１２も一つのみ図示している。後に言及する図７乃至図９についても同様である。
【００４４】
また回転方向は図中では反時計回りであって、第１領域１３１よりも第２領域１３２の方が後進側にあるとしている。図中で円弧状の矢印は回転方向を、直線状の矢印は永久磁石１２が歯部２２に吸引されることを、それぞれ示している。
【００４５】
本実施の形態では、電流位相として通常は採用されない７０度を超えた角度、例えば９０度乃至１１０度を採用し、当該電流位相を有する電機子電流を用いて永久磁石１２を第１領域１３１側から第２領域１３２側へと移動させる。
【００４６】
図７は、上記の電流位相を有する電機子電流によって永久磁石１２が矢印の方向へと歯部２２に吸引される様子を示している。また図８はこのような吸引によって永久磁石１２が第１領域１３１側から第２領域１３２へと移動した後の様子を示している。図９は永久磁石１２が第２領域１３２側にあるときの運転状況を例示する断面図である。
【００４７】
図１０は永久磁石１２を移動させる場合の電機子電流の変化を示すグラフであり、電機子電流として三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを採用している場合を例示している。横軸の一目盛りが、電気角の１２０度分を示している。電流位相が変化する電流位相変化区間では各電機子電流の電流位相が進んでいることがわかる。
【００４８】
少なくとも電流位相変化区間では各電機子電流は永久磁石１２を吸引するに必要な値を採ることが望ましい。他方、通常運転において永久磁石１２が移動することは望ましくない。通常運転では電流位相は−３０〜７０度に選定されるので、永久磁石１２を移動させる程の吸引力は働きにくい。しかし通常運転時において電機子電流の大きさを、永久磁石１２が移動しない程度に小さくすることが望ましい。
【００４９】
なお、永久磁石１２を第２領域１３２側から第１領域１３１側へと移動させるには、電流位相として通常は採用されない−７０度乃至−１１０度を採用した電機子電流を用いる。
【００５０】
このように電機子電流を用いて永久磁石１２を空隙１３の内部で移動させることにより、回転子１が回転している状態でも容易に永久磁石１２の位置を第１領域１３１側や第２領域１３２側に配置することができる。
【００５１】
第３の実施の形態．
第３の実施の形態では、空隙１３の種々の変形について説明する。
【００５２】
図２に示されたように、第２領域１３２は電機子２側（ここでは外周側）へ拡がる。これは回転子コア１１の電機子２に対向する側に発生する磁極の強さを効果的に変化させることができる観点で望ましい。その観点からは、電機子２が回転子１の内側から対向する、いわゆるアウターロータタイプであれば、第２領域１３２は内周側（回転軸Ｑ側）に拡がることが望ましい。
【００５３】
但し、図１に示されるように電機子２が回転子１の外側から対向する、いわゆるインナーロータタイプであっても、第２領域１３２が内周側に拡がることが望ましい点もある。図１１はそのように変形された空隙１３の構成を示す断面図であり、第２領域１３２は第１領域１３１よりも回転軸Ｑ側へと拡がる拡大部１３０ｂを有している。このような構成によれば、回転子１の回転に伴って発生する遠心力を受けても、永久磁石１２は不要に移動せず、安定して配置される。
【００５４】
図１２乃至図１４は空隙１３の他の変形例を示す断面図である。いずれの変形においても段差１１１は回転子コア１１から見て鈍角である。特に図１３に示された構造では、第２領域１３２における幅ｄ２が第１領域１３１から遠ざかるにつれ漸増する。これにより永久磁石１２が第１領域１３１と第２領域１３２との間で円滑に可動となり、実質的な界磁磁束の変化も滑らかとなる。
【００５５】
図１４に示された構造では特に、第２領域１３２における幅ｄ２が第１領域１３１から遠ざかるにつれ一旦漸増してから漸減する。これにより第２領域１３２の、第１領域１３１とは反対側における端部への永久磁石１２の移動が、緩衝しつつ阻止される。これは永久磁石１２の破損を防止する観点で望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】この発明の第１の実施の形態にかかる電動機の構成を例示する断面図である。
【図２】この発明の第１の実施の形態における空隙１３の一つの近傍のみを拡大して示す断面図である。
【図３】この発明の第１の実施の形態における電動機の状態を示す断面図である。
【図４】この発明の第１の実施の形態の効果を例示するグラフである。
【図５】永久磁石埋込型の電動機について一般的な、トルクの電流位相に対する依存性を示すグラフである。
【図６】この発明の第２の実施の形態における電動機の状態を示す断面図である。
【図７】この発明の第２の実施の形態における電動機の状態を示す断面図である。
【図８】この発明の第２の実施の形態における電動機の状態を示す断面図である。
【図９】この発明の第２の実施の形態における電動機の状態を示す断面図である。
【図１０】この発明の第２の実施の形態における電機子電流の変化を示すグラフである。
【図１１】この発明の第３の実施の形態を示す断面図である。
【図１２】この発明の第３の実施の形態を示す断面図である。
【図１３】この発明の第３の実施の形態を示す断面図である。
【図１４】この発明の第３の実施の形態を示す断面図である。
【図１５】永久磁石埋め込み型の電動機の従来の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  回転子
１１  回転子コア
１１１  段差
１２  永久磁石
１３  空隙
１３０ａ，１３０ｂ  拡大部
１３１  第１領域
１３２  第２領域
２  電機子
２３  電機子巻線
ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ  電機子電流
ｄ１，ｄ２  幅
Ｑ  回転軸
θ  中心角の範囲
【図１】
2008148455.tif 000003
【図２】
2008148455.tif 000004
【図３】
2008148455.tif 000005
【図４】
2008148455.tif 000006
【図５】
2008148455.tif 000007
【図６】
2008148455.tif 000008
【図７】
2008148455.tif 000009
【図８】
2008148455.tif 000010
【図９】
2008148455.tif 000011
【図１０】
2008148455.tif 000012
【図１１】
2008148455.tif 000013
【図１２】
2008148455.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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