(57)【要約】【課題】リラクタンストルクを活用できる表面貼付永久磁石電動機を提供する。【解決手段】回転子２０の表面に、回転子中心に関して角度間隔をおいてＮ極、Ｓ極を対とする一対以上の第１の永久磁石２１を設けてなる表面貼付永久磁石同期電動機において、隣り合う第１の永久磁石２１の間に対応する回転子２０内の領域にそれぞれ、軸方向に延びかつ半径方向に平行になるように少なくとも１つのスリット２２を形成してこのスリット２２には第２の永久磁石２３を挿入配置した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子の表面に、該回転子中心に関して角度間隔をおいてＮ極、Ｓ極を対とする一対以上の第１の永久磁石を設けてなる表面貼付永久磁石同期電動機において、
隣り合う第１の永久磁石の間に対応する前記回転子内の領域にそれぞれ、軸方向に延びかつ半径方向に平行になるように少なくとも１つのスリットを形成したことを特徴とする表面貼付永久磁石同期電動機。
【請求項２】
請求項１に記載の表面貼付永久磁石同期電動機において、前記スリットには第２の永久磁石を挿入配置したことを特徴とする表面貼付永久磁石同期電動機。
【請求項３】
請求項２に記載の表面貼付永久磁石同期電動機において、前記第２の永久磁石の磁極の向きは、該第２の永久磁石に隣接する第１の永久磁石から回転子内部を経由して前記第２の永久磁石に隣接する前記第１の永久磁石に隣り合う第１の永久磁石に至る磁束を妨げない向きにされることを特徴とする表面貼付永久磁石同期電動機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の表面貼付永久磁石同期電動機において、隣り合う第１の永久磁石の間に対応する前記回転子内の領域にそれぞれ、前記スリットが２つ形成され、前記２つのスリットは、前記隣り合う第１の永久磁石の間と回転子中心とを結ぶ線分を間にして該線分から少し離して形成されることを特徴とする表面貼付永久磁石同期電動機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は同期電動機に関し、特に突極特性を有するように構成した表面貼付永久磁石同期電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４を参照して、一般的な同期電動機の構造について簡単に説明する。図４において、同期電動機は円筒状の固定子７０と回転子８０とから成る。固定子７０には、内周側に多数のスロット７１が設けられ、それぞれのスロット７１には固定子巻線が収容される。一方、回転子８０においては、表面側に回転子中心に関して角度間隔をおいて１対以上の永久磁石８１が配設されている。ここでは、Ｎ極、Ｓ極の組み合わせを対とする２対、つまり４個の永久磁石８１が配設された４極同期電動機を示している（例えば、特許文献１参照）。この種の同期電動機は、ＳＰＭモータとも呼ばれる。
【０００３】
このような同期電動機において、固定子７０から回転子８０におけるある永久磁石８１を通って回転子８０を経由し、更に隣り合う永久磁石８１を通って固定子７０に至るような磁路はｄ軸磁路と呼ぶことができる。一方、固定子７０から回転子８０におけるある隣り合う永久磁石８１の間及び回転子８０を経由し、更に隣り合う別の永久磁石８１の間を通って固定子７０に至るような磁路はｑ軸磁路と呼ぶことができる。そして、ｑ軸磁路用の磁束を生成するために固定子巻線に流れる電流はｑ軸電流と呼ばれ、ｄ軸磁路用の磁束を生成するために固定子巻線に流れる電流はｄ軸電流と呼ばれる。
【０００４】
ところで、上記のような同期電動機は、突極性を有していないためにリラクタンストルクを活用できない。以下に、リラクタンストルクの発生原理について説明する。
【０００５】
同期電動機におけるｄ軸−ｑ軸座標上での定常時の電圧方程式は次の数１で表される。
【０００６】
【数１】
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【０００７】
ただし、ｖｄ  、ｖｑ  はそれぞれｄ軸、ｑ軸の電圧を示し、Ｒａ  は抵抗、ωは回転角速度、Ｌｄ  、Ｌｑ  はそれぞれｄ軸、ｑ軸のインダクタンス、ｉｄ  、ｉｑ  はそれぞれｄ軸、ｑ軸の電流、ψａ  は永久磁石による鎖交磁束を示す。
【０００８】
また、トルクＴの方程式は上記数１より、
Ｔ＝Ｚｐ  ［ψａ  ｉｑ  ＋（Ｌｄ  −Ｌｑ  ）ｉｄ  ｉｑ  ］
で表される。ただし、Ｚｐ  は極対数である。
【０００９】
ここで、電機子電流Ｉａ  のｑ軸からの進み角βを導入する。すなわち、
ｉｑ  ＝Ｉａ  ｃｏｓβ
ｉｄ  ＝−Ｉａ  ｓｉｎβ
とすると、トルクＴを以下のトルク式で表すことができる。
【００１０】
Ｔ＝Ｚｐ  ［ψａ  Ｉａ  ｃｏｓβ＋（１／２）（Ｌｑ  −Ｌｄ  ）Ｉａ  ２  ｓｉｎ２β］
ここで、上記トルク式の第１項は永久磁石によるマグネットトルクであり、第２項はｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンスの差によって生じるリラクタンストルクを表わす。つまり、負のｄ軸電流を流すことにより正のトルクが発生することを意味する。負のｄ軸電流は電流位相角を進めることで得られる。
【００１１】
【特許文献１】
特開平５−２０７６８７号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような同期電動機は回転子形状が突極性を有していないため、ｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンスの差が無く（つまり、Ｌｄ  ＝Ｌｑ  ）、第２項のリラクタンストルクを活用することができなかった。
【００１３】
一方、同期電動機の駆動の際には、磁極位置検出のためのセンサを必要とする。回転子形状が突極性を有している場合は、この突極性を利用したセンサレス制御が可能である。このような突極性を利用した磁極位置推定法については周知であるので、ここでは説明は省略する。
【００１４】
そこで、本発明の主たる課題は、リラクタンストルクを活用できる表面貼付永久磁石電動機を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、回転子の表面に、該回転子中心に関して角度間隔をおいてＮ極、Ｓ極を対とする一対以上の第１の永久磁石を設けてなる表面貼付永久磁石同期電動機において、隣り合う第１の永久磁石の間に対応する前記回転子内の領域にそれぞれ、軸方向に延びかつ半径方向に平行になるように少なくとも１つのスリットを形成したことを特徴とする表面貼付永久磁石同期電動機が提供される。
【００１６】
なお、前記スリットには第２の永久磁石が挿入配置されるのが好ましい。
【００１７】
また、前記第２の永久磁石の磁極の向きは、該第２の永久磁石に隣接する第１の永久磁石から回転子内部を経由して前記第２の永久磁石に隣接する前記第１の永久磁石に隣り合う第１の永久磁石に至る磁束を妨げない向きにされる。
【００１８】
更に、隣り合う第１の永久磁石の間に対応する前記回転子内の領域にそれぞれ、前記スリットが２つ形成される場合、前記２つのスリットは、前記隣り合う第１の永久磁石の間と回転子中心とを結ぶ線分を間にして該線分から少し離して形成されるのが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は、永久磁石が回転子の表面に配設される表面貼付永久磁石同期電動機、いわゆるＳＰＭモータに適用される。
【００２０】
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態による同期電動機について説明する。本形態による同期電動機は、円筒状の固定子１０と回転子２０とを含み、回転子２０の表面には、回転子中心に関して角度間隔をおいてＮ極、Ｓ極を対とする一対以上の第１の永久磁石２１を設けてなる。ここでは、６０度の角度間隔をおいて三対の第１の永久磁石２１を備えた６極同期電動機を示している。
【００２１】
本形態では特に、隣り合う第１の永久磁石２１の間に対応する回転子２０内の領域にそれぞれ、軸方向に延びかつ半径方向に平行になるように２つのスリット２２を形成し、２つのスリット２２にはそれぞれ第２の永久磁石２３を挿入配置したことを特徴とする。特に、２つのスリット２２は、隣り合う第１の永久磁石２１の間と回転子中心とを結ぶ線分を間にしてこの線分から少し離して形成されている。
【００２２】
なお、第２の永久磁石２３の磁極の向きは、隣り合う２つの第１の永久磁石２１間で回転子２０を経由する磁束を妨げない向きにされる。つまり、図１の中央に位置する第１の永久磁石２１が回転子中心に向けてＳ極を有していれば、その右隣りの第１の永久磁石２１は回転子中心に向けてＮ極を有している。この場合、これらの間に配置される２つの第２の永久磁石２３は、図１の中央に位置する第１の永久磁石２１を向いた面がＮ極となり、右隣りの第１の永久磁石２１を向いた面はＳ極となる。これは、図１の中央に位置する第１の永久磁石２１とその左隣りの第１の永久磁石２１との間に配置された２つの第２の永久磁石２３についても同じである。従って、例えば図１の左側に位置する第１の永久磁石２１とその下側に位置すべき第１の永久磁石（図示せず）との間に対応する回転子２０内の領域にも２つのスリットが形成されて２つの永久磁石が挿入配置されるが、図１ではその１つのみを示している。そして、この場合の１つのみ示された第２の永久磁石２３の磁極の向きは、前に述べた第２の永久磁石２３の磁極の向きとは反対になっている。これは、図１の右側に１つのみ示された第２の永久磁石２３も同様である。
【００２３】
いずれにしても、上記のような構造によれば、固定子１０から回転子２０におけるある第１の永久磁石２１を通って回転子２０に入り、隣接する２つの第２の永久磁石２３及び回転子２０を経由して別の第１の永久磁石２１を通り固定子１０に至るようなｄ軸磁路が形成される。一方、固定子１０から回転子２０におけるある隣り合う第１の永久磁石２１の間及び隣接する２つの第２の永久磁石２３の間を通って回転子２０を経由し、更に隣りで隣接している２つの第２の永久磁石２３の間を通って隣り合う別の第１の永久磁石２１の間を通り固定子１０に至るようなｑ軸磁路が形成される。これとは別に、固定子１０から回転子２０におけるある隣り合う第１の永久磁石２１の間及び回転子２０の表面側を経由し、更に隣り合う別の第１の永久磁石２１との間を通って固定子１０に至るようなｑ軸磁路も形成される。なお、固定子１０の構造は従来の表面貼付永久磁石同期電動機のものと同じで良いので、説明は省略する。
【００２４】
図２は、図１の回転子構造による磁束の流れを示した図である。
【００２５】
このような構造にすることによって、ｑ軸磁路の磁気抵抗は第２の永久磁石２３を挿入配置する前と変化が無い。これに対してｄ軸磁路の磁気抵抗は、鉄心と比較して透磁率の小さなエリアが磁路中に存在するために磁気抵抗が大きくなる。それ故、ｄ軸磁路とｑ軸磁路の磁気抵抗に差が生じ、前に述べたｄ軸インダクタンスＬｄ  、ｑ軸インダクタンスＬｑ  に差が生じることにより突極性を有することが可能になる。
【００２６】
本形態のような回転子構造によれば永久磁石単体のトルクであるマグネットトルクに加え、リラクタンストルクを活用可能である。また、突極性を有することで、センサレス制御のために必要とされていた磁極検出用センサが不要となり、保守性の向上、コストダウンが可能である。更に、電流ベクトルの最適な進み制御による弱め界磁制御により、駆動回路や本体の電流・電圧を制限されても運転領域を拡大することができる。
【００２７】
以下に、図５、図６を参照して弱め界磁による運転領域の拡大について説明する。
【００２８】
電気角速度ωで回転するｄ軸−ｑ軸座標上で表したＰＭモータの定常時の電圧方程式は、前に述べた数１で与えられる。
【００２９】
数１より、ＰＭモータの基本ベクトル図は図５のようになる。
【００３０】
高速領域でのＰＭモータの特性を検討するため、電機子抵抗Ｒの電圧降下Ｖｄの影響は少ないと考えられる。そこで、以下の計算式ではこれを無視することにする。
【００３１】
数１式よりｄ軸及びｑ軸電圧は以下のように、数２により求まる。
【００３２】
【数２】
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【００３３】
ここで、前述同様に高速領域でのＰＭモータ特性を検討しているため、抵抗における電圧降下分は無視している。
【００３４】
また、ＰＭモータの電機子電流及び端子電圧の最大値には制限があり、それらの関係を以下の数３に示す。
【００３５】
【数３】
2004336828.tif 000005
【００３６】
以下の数４は電圧制限のみ考慮したものである。
【００３７】
【数４】
2004336828.tif 000006
【００３８】
数４において解の公式を用いると、以下の数５のようになる。
【００３９】
【数５】
2004336828.tif 000007
【００４０】
ここで、電機子電流Ｉがインバータの定格電流Ｉａｍと一致した場合に最大のトルクが出力される。
【００４１】
以上のように、電機子電流Ｉを入力したときに常に最大のトルクを出力するようにｄ軸、ｑ軸に電流を流すことで最小の電流で最大のトルクを出力することになり、銅損を考慮した制御となる。
【００４２】
ここで、速度の上昇に伴い端子電圧Ｖは増加してある速度ωｂａｓｅにおいて端子電圧の制限値であるＶｍａｘに達する。この速度ωｂａｓｅが定トルク制御の可能な最大速度となり、数４より次の数６のように与えられる。
【００４３】
【数６】
2004336828.tif 000008
【００４４】
更に、速度ωがωｂａｓｅより大きくなると電圧が飽和してモータ制御ができなくなる。そのため、ｄ軸に磁束を打ち消す方向に電流をかけることにより電圧の飽和をなくす。ただし、この弱め磁束制御を行ったとしても、出力限界がありその速度が入力電流の最大値Ｉａｍのすべてをｄ軸にかけたときである。ωｍａｘは以下の数７で与えられる。
【００４５】
【数７】
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【００４６】
図６は、ＰＭモータの特性を示す。
【００４７】
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。この形態は隣り合う第１の永久磁石２１の間に対応する回転子２０内の領域にそれぞれ、軸方向に延びかつ半径方向に平行になるように１つのスリット２２を形成し、スリット２２にはそれぞれ第２の永久磁石２３を挿入配置している。第２の永久磁石２３の磁極の向きは、第１の実施の形態と同様であり、隣り合う２つの第１の永久磁石２１間で回転子２０を経由する磁束を妨げない向きにされる。つまり、図３の中央に位置する第１の永久磁石２１が回転子中心に向けてＳ極を有していれば、その右隣りの第１の永久磁石２１は回転子中心に向けてＮ極を有している。この場合、これらの間に配置される第２の永久磁石２３は、図１の中央に位置する第１の永久磁石２１を向いた面がＮ極となり、右隣りの第１の永久磁石２１を向いた面はＳ極となる。
【００４８】
なお、本形態では、第２の永久磁石２３は、隣り合う第１の永久磁石２１の間と回転子中心とを結ぶ線分上に位置することになる。この場合、ｑ軸磁路は、固定子１０から回転子２０におけるある隣り合う第１の永久磁石２１の間及び回転子２０の表面側を経由し、更に隣り合う別の第１の永久磁石２１の間を通って固定子１０に至るように形成される。
【００４９】
本第２の実施の形態による回転子の作用、効果は第１の実施の形態と同じであるので、説明は省略する。
【００５０】
なお、いずれの実施の形態においても、第２の永久磁石２３は第１の永久磁石２１による磁力に対して補助的に作用し、しかもスリット２２のみの場合に比べ更に回転子２０の機械的強度の向上にも寄与する。しかし、スリット２２には第２の永久磁石を挿入配置せずにスリットのままとされても良い。この場合、半径方向に平行な本発明によるスリットは、平行ではないスリットに比べて突極比を大きくすることができ、ピークトルクを増加させることができる。つまり、半径方向に平行でないスリットの場合には、磁気抵抗のバランスをとるために必ず複数のスリットが必要になるが、本発明の場合には磁極間に１つずつスリットを設けるだけでも突極化が可能となる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明による表面貼付永久磁石同期電動機によれば、以下のような効果が得られる。
【００５２】
（１）永久磁石単体のトルクであるマグネットトルクに加え、リラクタンストルクを活用可能である。
【００５３】
（２）突極性を有することで、センサレス制御のために必要とされていた磁極検出用センサが不要となり、保守性の向上、コストダウンが可能である。
【００５４】
（３）電流ベクトルの最適な進み制御による弱め界磁制御により、駆動回路や本体の電流・電圧を制限されても運転領域を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による表面貼付永久磁石同期電動機の半断面図である。
【図２】図１の表面貼付永久磁石同期電動機におけるｄ軸磁路の磁束の流れを示した半断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態による表面貼付永久磁石同期電動機の半断面図である。
【図４】従来の一般的な同期電動機の構造を説明するための半断面図である。
【図５】同期電動機の基本ベクトル図である。
【図６】同期電動機における弱め界磁による運転領域の拡大を説明するための特性図である。
【符号の説明】
１０、７０    固定子
２０、８０    回転子
２１    第１の永久磁石
２２    スリット
２３    第２の永久磁石
【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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