(57)【要約】【課題】２ロータで順凸極特性と逆凸極特性を実現した構成では、順凸極タイプのモータはトルクを出す為に強め界磁を行う事で効率良く動作するが、高回転時の電圧が高くなる。【解決手段】１つのロータ(20)と、基本波がLd＞Lqとなるインダクタンス特性で、三相以外で駆動されるステータ(30)とを有し、前記基本波と３次成分とからなる複合電流で駆動し、基本波駆動モード、または、３次成分駆動モード、或いは、基本波及び３次成分による複合駆動モードで動作する、同期回転電機(10)を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石を用いた同期回転電機であって、１つのロータと、基本波がLd＞Lqとなるインダクタンス特性で、三相以外で駆動されるステータとを有し、前記基本波と３次成分とからなる複合電流で駆動し、前記基本波で駆動する基本波駆動モード、または、前記３次成分で駆動する３次成分駆動モード、或いは、前記基本波及び前記３次成分で駆動する複合駆動モードで動作する、ことを特徴とする同期回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の同期回転電機において、
高トルク領域では、前記複合駆動モードで動作する、
ことを特徴とする同期回転電機。
【請求項３】
請求項１または２に記載の同期回転電機において、
前記基本波駆動モード、前記３次成分駆動モード、及び、前記複合駆動モードの各動作が、電圧、または、モータ回転数及びトルクに応じて切り換えられる、
ことを特徴とする同期回転電機。
【請求項４】
請求項３に記載の同期回転電機において、
高回転領域では、前記３次成分駆動モード、または、前記複合駆動モードのいずれかで駆動する、
ことを特徴とする同期回転電機。
【請求項５】
請求項１に記載の同期回転電機において、
前記基本波駆動モード、前記３次成分駆動モード、及び、前記複合駆動モードの各動作が、磁石温度、或いは、前記磁石温度を代表する温度に応じて切り換えられる、
ことを特徴とする同期回転電機。
【請求項６】
請求項５に記載の同期回転電機において、
前記磁石温度に応じて前記３次成分の出力比を調整する制御装置を具える、
ことを特徴とする同期回転電機。
【請求項７】
請求項１に記載の同期回転電機において、
前記ロータは、磁極面角度θ１が磁極間角度θ２よりも小さいロータ構造を持つ、
ことを特徴とする同期回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は同期回転電機に関し、特に、基本波がLd＞Lqとなるインダクタンス特性である磁石型順凸極特性を持つ同期回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、順凸極特性のロータと逆凸極特性のロータとからなる２ロータ、１ステータで構成され複合電流で駆動されるモータが開発されている（特許文献１を参照されたい。）。
【特許文献１】特開2003-299330号公報（段落0006-0010、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来例は、２ロータで順凸極特性と逆凸極特性を実現した構成であるが、順凸極タイプのモータはトルクを出す為に強め界磁を行う事で効率良く動作する。この為、高回転時の電圧が高くなる課題が有る。 
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上述した諸課題を解決すべく、第１の発明による同期回転電機は、
磁石を用いた同期回転電機であって、１つのロータと、基本波がLd＞Lqとなるインダクタンス特性で、三相以外（即ち、ｎ磁極対数：３ｎ個ステータで無い組み合わせ）で駆動されるステータとを有し、前記基本波とその３次成分高調波とからなる複合電流で駆動し、前記基本波で駆動する基本波駆動モード、または、前記３次成分で駆動する３次成分駆動モード、或いは、前記基本波及び前記３次成分で駆動する複合駆動モードで動作する、ことを特徴とする。
即ち、これら３モードのいずれか１つで動作するようにステータへの供給電流の切り換えを制御する制御手段を具える。
【０００５】
また、第２の発明による同期回転電機は、
高トルク領域（即ち、所定トルク以上）では、前記複合駆動モードで動作する、
ことを特徴とする。
【０００６】
また、第３の発明による同期回転電機は、
前記基本波駆動モード、前記３次成分駆動モード、及び、前記複合駆動モードの各動作が、電圧、（実測値または計算値）、または、（この電圧を代表する）モータ回転数及びトルクに応じて切り換えられる、ことを特徴とする。
【０００７】
また、第４の発明による同期回転電機は、
高回転領域（即ち、所定モータ回転数以上）では、前記３次成分駆動モード、または、前記複合駆動モードのいずれかで駆動する、ことを特徴とする。
【０００８】
また、第５の発明による同期回転電機は、
前記基本波駆動モード、前記３次成分駆動モード、及び、前記複合駆動モードの各動作が、磁石温度、或いは、前記磁石温度を代表する温度（計測値、または、予測計算値）に応じて切り換えられる、
ことを特徴とする。
【０００９】
また、第６の発明による同期回転電機は、
前記磁石温度に応じて前記３次成分の出力比を調整する制御装置を具える、ことを特徴とする。
【００１０】
また、第７の発明による同期回転電機は、
前記ロータが、磁極面角度θ１（磁極面角度とは、物理的には“N”、“S”面の磁石中心角を表す。）が磁極間角度θ２よりも小さいロータ構造を持つ、
ことを特徴とする。
上述したように本発明の解決手段を装置として説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する方法としても実現し得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、Ld>Lqなる順凸極モータの磁石極対数とステータ数の比を１：３以外にすると、基本波を１次成分とした際の３次成分の磁束が発生する。ここで、順凸極タイプのモータにする事で磁極周りからの磁束の漏れ（角度をもつ漏れ）が減り、磁極間からの磁束の漏れがなくなり、結果として、３次成分を大きく取る事が出来る。この為、1次、もしくは3次もしくは１＋３次の磁束に同期する制御電流（複合電流）を与える事でモータを駆動する事が出来る。即ち、永久磁石を用いた順凸極モータで複合電流駆動を行う事により、高温駆動、電流損失の低減、高トルク駆動を行う事が出来る。即ち、本発明によれば、通常は駆動トルクに寄与せず、高調波ひずみを引き起こす原因となる３次成分高調波を複合電流の１つの成分として利用して、駆動トルクに寄与させ、高調波ひずみなどの弊害を除去することを可能にしたものである。
【００１２】
また、第２の発明によれば、トルクの大きな領域で複合電流駆動を行う事でインバータ素子損失の小さな効率の良く、かつ順凸極モータと逆凸極モータの特性を併せ持つ大きなトルク特性を得る事が出来る。
【００１３】
また、第３の発明によれば、簡便にDC側の耐電圧を越えること無く、高効率に駆動する事が出来る。
【００１４】
また、第４の発明によれば、回転数に応じて切り換える事によって、効率を向上する事が出来る。
【００１５】
また、第５または第６の発明によれば、磁石温度を代表する温度が高温の時に、３次成分駆動トルクを減少または、ゼロにして、磁石の減磁を回避する事が出来る。
【００１６】
また、第７の発明によれば、θ１をθ２よりも小さくする事で、磁極周りからの磁束の漏れ（角度をもつ漏れ）が減り、磁極間からの磁束の漏れがなくなり、結果として、３次成分を大きく取る事が出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以降、諸図面を参照しつつ、本発明の実施態様を詳細に説明する。図１は、本発明による同期回転電機（モータ）のシステム構成を示すブロック図である。図に示すように、本発明によるモータ10のシステムは、上記回路からのトルク指令値T*を受け、デバイス制御信号を出力するモータコントローラ11と、デバイス制御信号に基づき、バッテリ13から供給される直流電圧を変換して、電力線を介して複合電流をモータに与えるインバータ12とを具える。モータコントローラ11はモータに設けてある各種センサで計測された温度センサ信号やロータ位置信号などが入力される。本発明では、このデバイス制御信号に、各動作モードに設定するための動作モード決定信号が含まれる。そして、この動作モード決定信号に基づき、インバータが基本波（１次）駆動モード用の電流、３次成分駆動モード用信号、或いは、複合駆動モード用の電流をモータに供給する。
【００１８】
図２は、本発明による同期回転電機のモータ断面図である。ロータ20の磁石21の1極対に対して、ステータ30はステータコイル31を６個（U,V,WX,Y,Z）有する。また、ロータ20は、ロータコア（非磁性材料）22と電磁鋼板23とを含み、ステータ30は、ステータコア（電磁鋼板）32を含む。このようなモータにおいて、磁束の流れMPで示す経路で磁束が流れる。図に示すように、磁石21は、角度４５度の位置がN極の面で、０度及び９０度の位置がS極面を示す。本モータは、磁極面のステータに面する角度を狭くする事で順凸極特性を得た上で、３相駆動ステータでは無いもの、例えば６相にする事で基本波の３次成分駆動を可能にしている。
【００１９】
図３は、従来モータの磁石の特性を示す図である。磁石動作点Aから通常の弱め界磁を行うと高温時に永久減磁領域に入る。これにより、磁石磁力は減少するので高温で駆動（力行、発電を総じて駆動と表現している）する事は出来ない。つまり、従来モータでは、通常は、高温では磁石永久減磁を避ける為にモータを駆動する事は出来ない。図４は、本発明によるモータにおける磁石の特性を説明する図である。本発明による順凸極モータでは、強め界磁を行う事により最大トルクを得る（高効率駆動する事が出来る）事が出来るので減磁領域に入る事は無い。同じ高温状態に於いても１次成分である強め界磁により磁石動作点Aから磁石動作点Bへ移行するので、弱め界磁成分である３次成分駆動を行う事が出来る.
【００２０】
従来の一般的な磁石モータであるLd<Lq特性のモータでは、ｄ軸電流idがマイナスの時に高効率駆動（同じ電流でもトルクが最大に成るので高効率と等価）を行う事が出来、同時に電圧を抑える事が出来る。一方、本発明によるLd>Lq特性のモータでは、ｄ軸電流idがプラスの時に効率の良い動作点を得る事が出来る。しかしながら、電圧はｄ軸電流idがプラスの為、上昇する。
【００２１】
図５は、磁石温度と３次成分出力比との関係を示すグラフである。図に示すように、磁石温度を代表する部品温度Tpによる３次成分出力比を示す.温度が、T1度よりも低い時には、図３に示すような減磁特性に入る事は無く、３次成分出力比Rtは、１００％まで出力が可能である。.また、温度がT2の時には、３次成分による出力により減磁の可能性が有り、３次成分を“ゼロ”にする必要が有る。
【００２２】
図６は、本発明のモータで使用されるフローチャート（モータコントローラ内）である。図に示すようにステップS1で目標トルクT*と部品温度Tpを読み込む。ステップS2で３次成分出力比グラフMaptより出力比Rtを得る。出力比RtとT*、モータ回転数N[rpm]を成立するN-T特性マップ（図１０）をmapnから選択する。Mapnx（T*,N）では、T*が成立し得ない場合が有り、選択しうる最も大きなトルクT￣を選択する。
【００２３】
図７は、本発明によるモータの特性相（Ｕ相、Ｘ層）の無負荷誘起電圧特性を示す図である。図８は、本発明によるモータの周波数スペクトルを示す図である。.通常のモータには見られない基本波と同等の３次成分スペクトルが得られている。なお、従来の逆凸極性の一般的なモータでは、この１／３程度と成る。
【００２４】
図９は、本発明によるモータにおける磁極間角度を説明するための断面図である。図にに示す様に本発明の特徴である“N”、“S”極間（同極間）の角度θ１を狭く設計する事により、無負荷時にθ２間におけるステータ側に磁束が漏れない構成を得る事が出来る。これにより、3次成分を得る事が出来ている。
【００２５】
図１０は、本発明によるモータにおけるN-T特性（回転数Ｎ、トルクＴ）上の動作領域を示す図である。図に示すように、低回転の高トルク領域（複合駆動領域）は、１＋３次成分による複合駆動で駆動する事により大トルクが得られる。
【００２６】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各部材、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の部材、手段、ステップなどを１つに組み合わせたり或いは分割したりすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による同期回転電機（モータ）のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】本発明による同期回転電機のモータ断面図である。
【図３】従来モータの磁石の特性を示す図である。
【図４】本発明によるモータにおける磁石の特性を説明する図である。
【図５】磁石温度と３次成分出力比との関係を示すグラフである。
【図６】本発明のモータで使用されるフローチャート（モータコントローラ内）である。
【図７】本発明によるモータの特性相（Ｕ相、Ｘ層）の無負荷誘起電圧特性を示す図である。
【図８】本発明によるモータの周波数スペクトルを示す図である。
【図９】本発明によるモータにおける磁極間角度を説明するための断面図である。
【図１０】本発明によるモータにおけるN-T特性（回転数Ｎ、トルクＴ）上の動作領域を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
10  モータ
11  モータコントローラ
12  インバータ
13  バッテリ
20  ロータ
21  磁石
23  電磁鋼板
30  ステータ
31  ステータコイル
MP  磁束の流れ
A,B  磁石動作点
Rt  出力比
Tp  部品温度
θ１  磁極面角度
θ２  磁極間角度
【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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【図７】
2007244116.tif 000009
【図８】
2007244116.tif 000010
【図９】
2007244116.tif 000011
【図１０】
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