(57)【要約】【課題】電流損失が少なくさらに小型化された回転電動機の回転子の開発が求められている。【解決手段】それぞれの組が異なる磁極数で構成される複数の磁石の組に相当する複数の磁石磁束を合算して発生させる磁束発生部材であって、前記複数の磁石の組(N,S)に相当する前記磁石磁束の各々の間で、磁束の一部を相殺するように発生させ、磁束が相殺される箇所は、磁束が相殺されない箇所に比べて磁束量を少なくするように、前記複数の磁石の組を構成する磁石(N1-N3,S1-S6)を配置するか、もしくは配置しない、ような磁束発生部材を持つことを特徴とする同期電動機の回転子(14)を提供する。本構成によって、高価な永久磁石の使用量を抑えることができ、磁束相殺箇所の磁石削減によって回転子自体の重量が軽量化され、削除した磁石分の慣性の低減によるトルクの向上、モータの軽量化などの効果がある。さらにモータを小型化し、電流による損失を２つの回転子を独立に回転させる場合よりも低減することもできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれの回転子まわりの磁極数が異なる磁石の組で構成される複数の磁石の組に相当する複数の磁石磁束を合算して発生させる磁束発生部材であって、前記複数の磁石の組に相当する前記磁石磁束の各々の間で、磁束の一部を相殺するように発生させ、磁束が相殺される箇所は、磁束が相殺されない箇所に比べて磁束量を少なくするように、前記複数の磁石の組を構成する磁石を配置するか、もしくは配置しない、ような磁束発生部材を持つ同期電動機の回転子。
【請求項２】
請求項１に記載の同期電動機の回転子において、
前記複数の磁石の組が２組あり、これら各組の磁極数成分の磁束に所定の位相差を設ける、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【請求項３】
請求項２に記載の同期電動機の回転子において、
前記所定の位相差が、前記同期電動機を構成する固定子巻線に通電する巻線電流の絶対値のピーク値が最小になるように設定される、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【請求項４】
請求項２に記載の同期電動機の回転子において、
前記所定の位相差が、前記同期電動機を構成する固定子巻線に通電する巻線電流の絶対値の平均値が最小になるように設定される、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【請求項５】
請求項２に記載の同期電動機の回転子において、
前記所定の位相差が、前記同期電動機を構成する固定子巻線に通電する巻線電流の実効値が最小になるように設定される、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【請求項６】
請求項２に記載の同期電動機の回転子において、
前記所定の位相差が、前記２組の磁石に相当する２つの磁石磁束を合算した磁束のピーク値が最小になるように設定される、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【請求項７】
請求項２に記載の同期電動機の回転子において、
前記所定の位相差が、前記回転子の回転時に前記同期電動機を構成する固定子巻線に発生する誘起電圧のピーク値が最小になるように設定される、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【請求項８】
請求項２に記載の同期電動機の回転子において、
前記所定の位相差が、前記回転子の回転時に前記同期電動機を構成する固定子巻線に発生する誘起電圧のピーク値が最大になるように設定される、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の同期電動機の回転子において、
前記磁束発生部材は、
前記複数の磁石の組の少なくとも１つの組に相当する磁石磁束が、回転子円周方向に正弦波状に分布するように形成される、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の同期電動機の回転子において、
前記磁束発生部材における前記複数の磁石の組のうち少なくとも１つの組における磁極が、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとの間に差が生じるように配置されている、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【請求項１１】
請求項１に記載の同期電動機の回転子において、
前記磁束発生部材が永久磁石であり、前記永久磁石が、第１の永久磁石と第２の永久磁石によって構成され、
前記第１の永久磁石の残留磁束密度および／または保磁力が、前記第２の永久磁石のそれよりも大きい、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【請求項１２】
請求項１に記載の同期電動機の回転子において、
前記磁束発生部材が永久磁石であり、前記永久磁石が、第１の永久磁石と第２の永久磁石によって構成され、
前記第２の永久磁石の温度変化に対する磁石特性が、前記第２の永久磁石のそれよりも安定である、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【請求項１３】
請求項１に記載の同期電動機の回転子において、
前記複数の磁石の組が、低磁極数の第１の磁石の組と高磁極数の第２の磁石の組とからなり、
前記第１および第２の磁石の組を構成する磁石をそれぞれ配置するにあたり、前記第１の磁石の組を構成する磁石と、前記第２の磁石の組を構成する磁石を相殺する際に、前記第１の磁石の組の磁束が強まるように磁石を配置する、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【請求項１４】
請求項１に記載の同期電動機の回転子において、
前記複数の磁石の組が、低磁極数の第１の磁石の組と高磁極数の第２の磁石の組とからなり、
前記第１および第２の磁石の組を構成する磁石をそれぞれ配置するにあたり、前記第１の磁石の組を構成する磁石と、前記第２の磁石の組を構成する磁石を相殺する際に、前記第２の磁石の組を構成する磁石の磁束が強まるように磁石を配置する、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【請求項１５】
請求項１に記載の同期電動機の回転子において、
前記磁束発生部材が複数の永久磁石により構成され、前記複数の永久磁石の周方向の長さが全て同一である、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【請求項１６】
請求項１に記載の同期電動機の回転子において、
前記磁束発生部材が複数の永久磁石により構成され、前記複数の永久磁石の周方向の長さが磁石によって異なる、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【請求項１７】
請求項１に記載の同期電動機の回転子において、
前記磁束発生部材が複数の永久磁石により構成され、前記複数の永久磁石の半径方向の厚さが、磁石によって異なる、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は同期電動機の回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年自動車にも多数用いられている電動モータでは、自動車という用途上、小型化と効率に対して厳しい要求がある。現在、電動モータを走行用に搭載した自動車の多くは、エンジンの出力とモータの出力を組み合わせて走行するハイブリッド自動車であり、発電機用途と電動機用途の２つのモータを搭載したものが多く、このようなハイブリッド自動車用モータの小型化・高効率化を実現する手段として、本出願人は複合電流方式の２ロータモータ（特許文献１を参照されたい。）を開発した。
【０００３】
この発明によれば、２つの回転子に対応した電流を複合した１つの複合電流を１つの固定子に給電することで２つの回転子を独立に回転させることが可能であり、１つのモータ体格で別個の２つの出力・トルクを発生させることが可能であるとともに、両回転子に合わせて固定子に与えられる電流の平均値は、単純に２つのモータに電流を与えた場合の平均値より低く、電流による損失が低減するという効果がある。
【特許文献１】特許第３４８０３０１号（段落0010,0011、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の発明におけるモータは、例えば、自動車などでモータをタイヤの内側に搭載するホイールインモータのような場合、出力先はタイヤ（ホイール）のみを想定しているため、出力軸が２つは必要無く、冗長となる。また、２つの出力軸を結合して１軸にする機構が必要となるなどの問題もある。また、別個の２つのモータを組み合わせてモータ２つ分のトルクを機械的に結合した場合には、２つ分のモータ筐体があるため小型化できない。さらに、モータトルクを上げるために、単に「通常の従来モータ１台」を大型化しただけでは、モータ筐体も大きくなり、電流損失も大きくなるなどの問題があった。即ち、さらに電流損失が少なくさらに小型化された回転電動機の回転子の開発が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記の問題点に鑑み、複数に分かれている、異なる極対数の複数の回転子（そこに含まれる複数の磁石）を一体に統合し、１つのモータの体格に小型化し、電流の低損失化を図った同期電動機の回転子を提供する。
即ち、上述した諸課題を解決すべく、第１の発明に同期電動機の回転子は、
それぞれの組が異なる磁極数で構成される複数の磁石の組に相当する複数の磁石磁束を合算して発生させる磁束発生部材であって、前記複数の磁石の組に相当する前記磁石磁束の各々の間で、磁束の一部を相殺するように発生させ、磁束が相殺される箇所は、磁束が相殺されない箇所に比べて磁束量を少なくするように、前記複数の磁石の組を構成する磁石を配置するか、もしくは配置しない、ような磁束発生部材を持つことを特徴とする。
【０００６】
また、第２の発明に同期電動機の回転子は、
前記複数の磁石の組が２組あり、これら各組の磁極数成分の磁束（即ち、各組を構成する磁石の配置）に所定の位相差を設ける、
ことを特徴とする。
【０００７】
また、第３の発明に同期電動機の回転子は、
前記所定の位相差が、（前記複数の磁石の組の磁極数の組み合わせに基づき）前記同期電動機を構成する固定子巻線に通電する巻線電流の絶対値のピーク値が最小になるように設定される、
ことを特徴とする。
【０００８】
また、第４の発明に同期電動機の回転子は、
前記所定の位相差が、（前記複数の磁石の組の磁極数の組み合わせに基づき）前記同期電動機を構成する固定子巻線に通電する巻線電流の絶対値の平均値が最小になるように設定される、
ことを特徴とする。
【０００９】
また、第５の発明に同期電動機の回転子は、
前記所定の位相差が、（前記複数の磁石の組の磁極数の組み合わせに基づき）前記同期電動機を構成する固定子巻線に通電する巻線電流の実効値が最小になるように設定される、
ことを特徴とする。
【００１０】
また、第６の発明に同期電動機の回転子は、
前記所定の位相差が、（前記複数の磁石の組の磁極数の組み合わせに基づき）前記２組の磁石に相当する２つの磁石磁束を合算した磁束のピーク値が最小になるように設定される、
ことを特徴とする。
【００１１】
また、第７の発明に同期電動機の回転子は、
前記所定の位相差が、（前記複数の磁石の組の磁極数の組み合わせに基づき）前記回転子の回転時に前記同期電動機を構成する固定子巻線に発生する誘起電圧のピーク値が最小になるように設定される、
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
【００１２】
また、第８の発明に同期電動機の回転子は、
前記所定の位相差が、（前記複数の磁石の組の磁極数の組み合わせに基づき）前記回転子の回転時に前記同期電動機を構成する固定子巻線に発生する誘起電圧のピーク値が最大になるように設定される、
ことを特徴とする。
【００１３】
また、第９の発明に同期電動機の回転子は、
前記磁束発生部材（即ちこの部材における前記複数の磁石の組を構成する磁石）は、
前記複数の磁石の組の少なくとも１つの組に相当する磁石磁束が、回転子円周方向に正弦波状に分布するように形成される、
ことを特徴とする。
例えば、前記複数の磁石の組のうちの少なくとも１つの組の磁石の、前記同期電動機を構成する固定子に対向する表面形状（即ち、モータの軸心に種直な平面で切ったときの断面形状）を、回転子円周方向に対して、磁極ごとに、回転子軸心からの半径より小さい径の円弧形状とすることを想定した磁石の組を、他の通常の表面形状の磁石の組と、合体させた表面形状（この形状自体が曲線となる）にすることによって、簡易かつ簡便に、磁束を回転子円周方向に正弦波状に分布させることが可能となる。
【００１４】
また、第１０の発明に同期電動機の回転子は、
前記磁束発生部材における前記複数の磁石の組のうち少なくとも１つの組における磁極が、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとの間に差が生じるように配置されている、
ことを特徴とする。
【００１５】
また、第１１の発明に同期電動機の回転子は、
前記磁束発生部材が永久磁石であり、前記永久磁石が、第１の永久磁石と第２の永久磁石によって構成され、
前記第１の永久磁石の残留磁束密度および／または保磁力が、前記第２の永久磁石のそれよりも大きい（即ち、高残留磁束密度、かつ、高保磁力である第１の永久磁石と、第１の永久磁石よりも残留磁束密度および保磁力が小さい第２の永久磁石によって構成される）、
ことを特徴とする。
【００１６】
また、第１２の発明に同期電動機の回転子は、
前記磁束発生部材が永久磁石であり、前記永久磁石が、第１の永久磁石と第２の永久磁石によって構成され、
前記第２の永久磁石の温度変化に対する磁石特性が、前記第２の永久磁石のそれよりも安定である（即ち、第２の永久磁石の温度変化に対する磁石特性変化が、第１の永久磁石のそれより小さい）、
ことを特徴とする。
【００１７】
また、第１３の発明に同期電動機の回転子は、
前記複数の磁石の組が、低磁極数の第１の磁石の組と高磁極数の第２の磁石の組とからなり、
前記第１および第２の磁石の組を構成する磁石をそれぞれ配置するにあたり、前記第１の磁石の組（低磁極数）を構成する磁石と、前記第２の磁石の組（高磁極数）を構成する磁石を相殺する際に、前記第１の磁石の組（低磁極成分）の磁束が強まるように磁石を配置する、
ことを特徴とする。
【００１８】
また、第１４の発明に同期電動機の回転子は、
前記複数の磁石の組が、低磁極数の第１の磁石の組と高磁極数の第２の磁石の組とからなり、
前記第１および第２の磁石の組を構成する磁石をそれぞれ配置するにあたり、前記第１の磁石の組（低磁極数）を構成する磁石と、前記第２の磁石の組（高磁極数）を構成する磁石を相殺する際に、前記第２の磁石の組（高磁極成分）を構成する磁石の磁束が強まるように磁石を配置する、
ことを特徴とする。
【００１９】
また、第１５の発明に同期電動機の回転子は、
前記磁束発生部材が複数の永久磁石により構成され、前記複数の永久磁石の（回転子中心から見て）周方向の長さが全て同一である（前記永久磁石の磁石ピッチが、すべての磁石において同一の長さで構成する）、
ことを特徴とする。
【００２０】
また、第１６の発明に同期電動機の回転子は、
前記磁束発生部材が複数の永久磁石により構成され、前記複数の永久磁石の（回転子中心から見て）周方向の長さが磁石によって異なる（前記永久磁石の磁石ピッチを磁石によって異なる長さで構成する）、
ことを特徴とする。
【００２１】
また、第１７の発明に同期電動機の回転子は、
前記磁束発生部材が複数の永久磁石により構成され、前記複数の永久磁石の（回転子中心から見て）半径方向の厚さが、磁石によって異なる（即ち、半径方向の磁石厚を磁石によって異ならせる）、
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】
【００２２】
第１の発明によれば、複数の磁石磁束の一部を相殺するように発生させ、磁束が相殺されている箇所は磁束発生部材の量を少なく配置、もしくは配置しないので、高価な永久磁石の使用量を抑えることができる。また、本構成では、それぞれの組が異なる磁極数で構成される複数の磁石の組に相当する複数の磁石磁束を合算して発生させる磁束発生部材を用いているため、モータの小型化、電流による損失を２つの回転子を独立に回転させる場合よりも低減する効果ももちろん得られる。さらにまた、磁束相殺箇所の磁石削減によって回転子自体の重量が軽量化され、削除した磁石分の慣性の低減によるトルクの向上、モータの軽量化などでさらに効果がある。なお、電磁石を用いた場合でも、同様のコスト低減、トルク向上、モータ軽量化などの効果を得られる。
【００２３】
また、第２の発明によれば、各々の磁極数成分の磁束（即ち、各磁束を出す磁石の各組の間で）に所定の位相差を設けることで、巻線電流のピーク値、磁束ピーク値、誘起電圧ピーク値のいずれかを所望の値にできる。また、第３の発明によれば、同期電動機の固定子巻線に通電する巻線電流の絶対値のピーク値が最小となるので、インバータのスイッチング素子容量を低減する上で有利となる。また、第４の発明によれば、同期電動機の固定子巻線に通電する巻線電流の絶対値の平均値が最小となるので、一定電圧降下が生じるＩＧＢＴやダイオードの損失を低減する上で有利となる。
【００２４】
また、第５の発明によれば、同期電動機の固定子巻線に通電する巻線電流の実効値が最小となるので、巻線に生じる銅損を低減する上で有利となる。また、第６の発明によれば、２つの磁石磁束を合算した磁束のピーク値が最小となるので、磁気飽和の発生を抑える上で有利となる。また、第７の発明によれば、同期電動機の固定子巻線に発生する誘起電圧のピーク値が最小となるので、モータの高回転化が可能となる。また、第８の発明によれば、同期電動機の固定子巻線に発生する誘起電圧のピーク値が最大となるので、モータの高トルク化が可能となる。
【００２５】
また、第９発明によれば、前記磁束発生部材（即ちこの部材における前記複数の磁石の組を構成する磁石）について、複数の磁石の組の少なくとも１つの組に相当する磁石磁束を、回転子円周方向に正弦波状に分布するように形成することにって、回転子軸心と同心の円弧形状の磁束発生部材を配置する場合に比べて磁束の高調波成分が低下し、コギングトルクを低減することができる。
前記複数の磁石の組のうちの少なくとも１つの組の磁石の、前記同期電動機を構成する固定子に対向する表面形状（即ち、モータの軸心に対して直角をなす平面で切ったときの断面形状）を、回転子円周方向に対して、磁極ごとに、回転子軸心からの半径より小さい径の円弧形状とすることを想定した磁石の組を、他の通常の表面形状の磁石の組と、合体させた断面形状（この形状自体が曲線となる）にすることによって、簡易かつ簡便に、磁束を回転子円周方向に正弦波状に分布させることが可能となる。
【００２６】
また、第１０の発明によれば、複数の磁極のうち少なくとも一つが、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスに差が生じるように配置されているので、リラクタンストルクを得ることができ、請求項１から１０の効果に加え、磁束発生部材を増やすことなくトルクを増加させることができる。
【００２７】
また、第１１〜１８の発明によれば、複合磁束の生成が容易であって（単なる空隙ではないため、通過磁束がコントロールできる）、安価に複合磁束を生成できる回転子を提供することが可能となる。
【００２８】
また、第１１の発明によれば、磁束波形を歪ませ複数の次数成分の磁束を発生させることができる。また、第１２の発明によれば、磁束波形を歪ませ複数の次数成分の磁束を発生させることができ、尚且つ、回転子が高温になった場合においても減磁をすることがない回転電機を実現できる。また、第１３の発明によれば、低磁極数側の次数成分の磁束を強調した回転電機を実現できる。また、第１４の発明によれば、高磁極数側の次数成分の磁束を強調した回転電機を実現できる。また、第１５の発明によれば、第１１〜１４の発明が実現できるとともに同一体積の磁石を用意すればよい。また、第１６の発明によれば、磁石ピッチ（個々の磁石の周方向の長さ）を変えることにより磁束の基本波と高調波成分の含有比率を変えることができる。また、第１７の発明によれば、第１１〜１４の発明が実現できるとともに同一体積の磁石を用意すればよい。また、第１８の発明によれば、個々の磁石の厚さを変えることにより磁束の基本波と高調波成分の含有比率を変えることができる。
え
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
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。
第１の実施例
図１は、本発明の第１の実施例による回転子を用いた同期電動機の構成を示す断面図である。まず構成を説明する。１１は固定子であり、１８個の分割されたコア１２から構成され、１８個の分割されたコア１２には、それぞれ巻線１３が集中的に巻かれている。この巻線は、６個おきに配置されている３個が１セット（トータル６セット）となっており、直列、あるいは並列に接続され、その一方が中性点として他の相の一方と接続され、他方は図示しないインバータの内部で、電源ラインのＰ側・Ｎ側にスイッチング素子を介して接続されている。このインバータは６相を制御する構成となっている。なお、この固定子は分割されたコアで記述されているが、分割されないコアでも同様の動作ができること、或いはスロットレス型モータでも本発明を適用することが可能である。また、巻線は集中巻に限らず分布巻でも適用可能である。
【００３０】
１４は回転子であり、この実施例では、回転子１４は、Ｎ極の３つ磁石Ｎ１〜Ｎ３、Ｓ極の６つの磁石Ｓ１〜Ｓ６を含み、これらの磁石は３極対と６極対の２種類の極対数を備える２組の磁石として機能する。この場合の２組の磁石は、概念的なものであり、部材が明確に分離されているものではなく、固定子の巻線に供給される複合電流を構成する１つの電流に対して、３極対の磁石のセットとして振る舞う磁石の組が１つあり、複合電流を構成するもう１つの電流に対して、６極対の磁石のセットとして振る舞う磁石の組が１つあることを意味するものであり、各磁石Ｓ１〜Ｓ６、Ｎ１〜３が同時に双方の組の磁石として機能するものである。この詳細については図２を参照して説明する。以降、作図や説明の便宜上、回転子の磁石をＮ極、Ｓ極として図示・説明するが、Ｎ−Ｓ極の構成・配置を逆に置き換えても発明の作用・効果は同様であることに留意されたい。
【００３１】
図２は、第１の実施例の回転子生成説明図であり、図２の（Ａ）は、２回転子構造のモータの回転子であり、内側回転子が３極対、外側回転子が６極対の磁石を備える。この磁石を内側の回転子の表層に２層に配置したのが図２の（Ｂ）である。配置の際に、若干の位相調整をしているがその詳細は後述する。図２（Ｂ）を見ると、回転子１４Ａは着磁方向の異なる２種類の磁石（Ｎ極、Ｓ極）が幾つかの位置で互いに接している。周知のように着磁方向の異なる磁石を張り合わせた場合、双方の磁力が同じであれば磁石が無い物と等価である。
【００３２】
そこで、径方向に見て異なる着磁の磁石が張り合わせてある部分から磁石を排除したのが図２（Ｃ）であり、この回転子１４にはＮ極の磁石Ｎ１〜Ｎ３，Ｓ極の磁石Ｓ１〜Ｓ６が含まれる。この結果、周囲に曲線で示したような、３極対と６極対の複合磁束ＣＦを発生する回転子１４が完成する。なお、内側回転子と外側回転子とを一体にした構成である図２（Ｂ）の構成でもモータは機能する。つまり、回転子１４Ａは、インナーロータの第１の回転子とアウターロータの第２の回転子とを一体化した構成の回転子である。本発明は、さらに、このような構成に改良を加えた、不要な磁石を除去した図２（Ｃ）の構成を対象とするものであり、削除した磁石分の慣性の低減によるトルクの向上、モータの軽量化、削除した磁石の分の経費節減などの効果がある。
【００３３】
なお、図２（Ｃ）では、不要な磁石を除去した領域は空間となっており、空気がその領域を占めているが、この空気が占める領域は磁束を通さない機能を果たしている。即ち、磁石を除去したこの領域には、鉄などの磁束を通し易い素材以外の部材を置く必要があるが、通常は空間（空気）でこと足りる。もちろん、当該領域には空気以外の磁束を通しにくい部材が設置されていいてもかまわない。
【００３４】
図３は、３極対と６極対の回転子を駆動させるための正弦波（振幅１）の各電流、およびこれらを複合させた複合電流の一例としての各波形を示す。この両者を複合させる場合、双方の位相によって波形が変化することは容易に想像でき、位相を変化させた場合の絶対値のピーク、絶対値の平均値、二乗平均値を示したのが図４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）である。この正弦波の複合を回転磁束を発生させる電流に適用した場合には、絶対値のピークはインバータのスイッチング素子容量に関与し、絶対値の平均値は一定電圧降下を発生する、電力変換器の構成部材であるパワー素子（ＩＧＢＴなど）・ダイオードなどの損失に関与し、二乗平均値は巻線など一定抵抗での損失に関与する。
【００３５】
この図を見ると、双方の位相差が０（または３０°）場合に絶対値ピークと絶対値の平均値とが最小になり、二乗平均値は位相に関係なく一定となることが分る。また各図には３極対と６極対の、それぞれで求めた値の和が別の線で示されており、いずれも複合させた場合の方が小さくなっていることがわかる。したがって、電流を位相差が０となるように制御すれば、スイッチング素子の容量・ＩＧＢＴなどの損失・抵抗の損失、すべてに優位な条件といえる。電流をこの条件とするためには、回転子で発生する磁束は、３極対と６極対それぞれに対して１／４周期ずれていることが必要であり、３極対については３０°、６極対については１５°となるので、差し引き１５°ずれていれば良い。このことから図２（Ｂ）では両者の磁石の端が１５°となるように重ね合わせて、最も損失が少ないような構成にしてある。
なお、この位相差については、回転子の磁界の磁気飽和を緩和する目的で用いるならば、上記の位相差０での構成を回転子の磁石に適用することが考えられる。位相差に関してはこのように目的によって最適の位相差があり、それぞれ設定されるものとする。
【００３６】
次に動作を説明する。固定子には前述のように６相のインバータが接続されており、これによって３極対と６極対の回転子磁界に対応した複合正弦波磁束を発生するように電流を与えれば良い。回転子の位置に応じて電流指令を回転させるのは通常のモータと同じであるが、このモータでは両極対に対応する複合磁束を発生させるため、まず３極対の磁石の組（セット）に対しては、３周期の正弦波を発生させるので、インバータを６相と考え、正弦波１周期を６分割した各位置での電流値を各相の指令値として計算する。一方、６極対の磁石の組に対しては、６周期の正弦波を発生させるので、正弦波１周期を３分割した位置での電流指令値として求め、６相インバータ第１と第４相、第２と第５相、第３と第６相の指令値とする。この後、３極対と６極対の指令値それぞれを足し合わせ、６相インバータの指令値として電流制御を行う。このことで回転子がトルクを発生し回転する。
【００３７】
次に効果を説明する。上記の動作によりトルクを発生するが、トルクは界磁磁束(回転子で発生する磁束)と電流磁束(固定子で発生する回転磁束)の相互作用によって発生するが、これは各々の磁束の基本波成分（この実施例の場合には、３極対と６極対）に応じて発生する。今回の実施例では各々振幅１の正弦波を複合して得られた磁束を発生しているので、基本波成分は当然のごとく振幅１であり、従って振幅１で単独で回されるモータに対してほぼ２倍のトルクを１つのモータで発生させることが理論上可能となる。
【００３８】
さらに、その時に流れる電流で発生する損失は、前記のように複合された電流の絶対値平均・二乗平均、ともに単独の平均値の和より減少しているため、損失は明らかに小さい。以上より、１つ分の体格のモータでほぼ２つ分のトルクを発生しつつ、電流による損失はモータ２つ分より小さいという効果が得られる。
【００３９】
第２の実施例
図５は、本発明の第２の実施例による回転子を用いた同期電動機の構成を示す断面図である。この実施例は、２極対・４極対の回転子に１２スロット６相の固定子２１を組み合わせたものである。固定子２１は、１２個のコア２２、１２個の巻線２３を有する。図６の回転子２４Ａは、図５の回転子２４と等価のものである。回転子２４に設けてある磁石はＮ極の２つの磁石Ｎ２１、Ｎ２２、Ｓ極の２つの磁石Ｓ２１，Ｓ３２である。２極対と４極対の振幅１の磁束を複合させ、第１の実施例のように両者の位相を変化させた時の磁石磁束のピーク値を図７に示す。図７より、双方の位相差が０°（４５°、９０°）の場合に磁石磁束のピーク値が最小となる。磁石磁束のピークを最小化することで磁気飽和の発生しにくいモータを実現できる。このことから図６では磁石の端が０°となるように重ね合わせており、以降、実施例１と同様の過程（不要な磁石を除去）を経て、最終的には図５のような回転子構造が得られる。
【００４０】
第３の実施例
図８から図１２は、第３の実施例の関する図であり、２極対・６極対の回転子に１８スロット９相の固定子を組み合わせたものである。図８は、本発明の第３の実施例による回転子を用いた同期電動機の構成を示す断面図である。固定子３１は、１８個のコア３２、１８個の巻線３３を有する。図９の回転子３４Ａは、図５の回転子３４と等価のものである。回転子３４に設けてある磁石はＮ極の４つの磁石Ｎ３１〜Ｎ３４、Ｓ極の４つの磁石Ｓ２１〜Ｓ３４である。２極対と６極対の振幅１の磁束を複合させ、第１の実施例のように両者の位相を変化させた時の誘起電圧のピーク値を図１０に示す。図１０より、双方の位相差が０°（６０°）の場合に誘起電圧のピーク値が最大となり、３０°（９０°）の場合に誘起電圧のピーク値が最小となる。誘起電圧のピーク値を最大化することでモータの高トルク化が可能となり、逆に、誘起電圧のピーク値を最小化することでモータの高回転化が可能となる。このことから、図９では、磁石の端（磁極の異なる磁石の接触部）、即ち、位相ゼロ点同士を重ね合うようにして位相差０°に設定しており、以降、実施例１と同様の過程を経て図８のような回転子構造が得られる。また、図１２では磁石の端が３０°となるように重ね合わせており、図１１の回転子構造が得られる。固定子４１は、１８個のコア４２、１８個の巻線４３を有する。図１２の回転子４４Ａは、図１１の回転子４４と等価のものである。回転子４４に設けてある磁石はＮ極の２つの磁石Ｎ４１、Ｎ４２、Ｓ極の２つの磁石Ｓ４１、Ｓ４２である。
【００４１】
第４の実施例
図１３と図１４は第４の実施例に関する図であり、基本構成は第２の実施例の図５と同様である。図１３は、本発明の第４の実施例による回転子を用いた同期電動機の構成を示す断面図である。固定子５１は、１２個のコア５２、１２個の巻線５３を有する。図１４の回転子５４Ａは、図１３の回転子５４と等価のものである。回転子５４に設けてある磁石はＮ極の４つの磁石Ｎ５１〜Ｎ５４、Ｓ極の４つの磁石Ｓ５１〜Ｓ５４である。第２の実施例との違いは磁石表面形状である。第２の実施例における磁石表面は、回転子軸心と同心の円弧形状をしているが、本実施例においては、図１４のように４極対の磁石表面が回転子軸心からの半径より小さい径の円弧形状をなしている。図１４の２極対・４極対の磁石を実施例１と同様の過程を経て合算して図１３のような回転子構造が得られる。この回転子構造では、４極対の磁石の組に相当する磁束は略正弦波形状をなしているため、高調波磁束が少なく、不要なコギングトルクを低減することが可能となる。なお、本実施例では２つの磁極のうち一方のみ正弦波形状としたが、両方の磁極を正弦波形状とすることも可能である。
【００４２】
第５の実施例
図１５と図１６は第５の実施例に関する図であり、基本構成は第２の実施例の図５と同様である。図１３は、本発明の第４の実施例による回転子を用いた同期電動機の構成を示す断面図である。固定子６１は、１２個のコア６２、１２個の巻線６３を有する。図１６の回転子６４Ａは、図１５の回転子６４と等価のものである。回転子６４に設けてある磁石はＮ極の２つの磁石Ｎ６１、Ｎ６２、Ｓ極の２つの磁石Ｓ６１，Ｓ６２である。第２の実施例との違いは隣り合う磁石の間に間隔を空けている点である。第２の実施例における磁石は隣り合う磁石との間に間隔を空けることなく配置しているが、本実施例の磁石は図１６のように隣り合う磁石との間に２２．５度の間隔を空けており、その間は積層鋼板のような鉄心部材を配置している。これを合算し実施例１と同様の過程を経て図１５の回転子構造が得られる。この配置においては、各磁極のｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスに差が生じるので、磁石トルクに加えてリラクタンストルクが得られる。
【００４３】
第６の実施例（低磁極数側の磁束を強調する構成）
図１７および図１８は第６の実施例に関する図である。図１７は、本発明の第６の実施例による回転子を用いた同期電動機の構成を示す断面図である。固定子７１は、１８個のコア７２、１８個の巻線７３から構成され、１８個の分割されたコア７２には、それぞれ巻線７３が集中的に巻かれている。この巻線は、６個おきに配置されている３個が１セット（トータル６セット）となっており、直列、あるいは並列に接続され、その一方が中性点として他の相の一方と接続され、他方は図示しないインバータの内部で、電源ラインのＰ側・Ｎ側にスイッチング素子を介して接続されている。このインバータは前述したように６相を制御する構成となっている。なお、この固定子は分割されたコアで記述されているが、分割されないコアでも同様の動作ができることは周知のとおりである。また巻線は集中巻に限らず分布巻でも適用可能である。
【００４４】
回転子７４は、この実施例では３極対と６極対の２種類の極対数を備える。回転子７4の表面には永久磁石が配置されるが、その一部の永久磁石７５ａ〜７５ｄを例に構成を説明する。永久磁石７５ａ、７５ｂは、それぞれ同じ着磁方向であり、回転子７４の中心ＣＴＲから外側に向かって矢印ＡＲ１、ＡＲ２のように磁束を発生するように着磁された磁石である。一方、永久磁石７５ｃ、７５ｄは、それぞれ同じ着磁方向であり、外側から回転子７４の中心ＣＴＲに向かって矢印ＡＲ３、ＡＲ４のように磁束を発生するように着磁された磁石である。矢印ＡＲ１−４の線分の長さは、磁束の大きさを模したものである。従って、通常は、前者と後者の着磁方向を反対にすれば、前者と後者とで反対方向の磁束が発生する。
【００４５】
永久磁石７５ａ、７５ｃおよび永久磁石７５ｂ、７５ｄはそれぞれ同じ磁石で構成されており、磁石の磁束強さは永久磁石７５ａ、７５ｃの方が大きい。また，図１７は表面磁石形状であるが、埋め込み式磁石形状の回転子でも同様である。ところで、永久磁石７５ａ、７５ｃは保磁力・残留磁束密度が共に優れている希土類磁石で構成され、永久磁石７５ｂ、７５ｄは永久磁石７５ａ、７５ｃよりも保持力・残留磁束密度がどちらか一方もしくは両方劣っている磁石により構成される。例として、永久磁石７５ａ、７５ｂはネオジム磁石が考えられ、永久磁石７５ｂ、７５ｄには永久磁石７５ａ、７５ｂよりも磁石特性の劣るネオジム磁石やフェライト磁石、アルニコ磁石などが適用できると考えられる。よって、従来の回転子と比較して高価なネオジム系磁石のコストが低減できる。次にこのような磁石配置にする理由を図１８で詳細に説明する。
【００４６】
図１８は、低磁極数（２極）の電気角１周期の磁石領域に対して高磁極数（４極）の磁石（仮想ロータ）を組み合わせた場合に本発明で考えられる磁石配置をリニアモデルで表した図であり、ロータの円周に沿った展開図である。図１８（ａ）は、組み合わせる前の低磁極数（２極）の仮想ロータを示すものである。図１８（ｂ）は、組み合わせる前の高磁極数（４極）の仮想ロータを示すものである。また、永久磁石内の数字は磁石磁束の大きさを表し、±は磁石の極性（即ち、磁束が中心から外へ向かうか、中心に向かうかを示す）を表す。図１８では2極側の磁束を大きく設定している為、組み合わせた際には永久磁石７５ａ、７５ｂおよび永久磁石７５ｃ、７５ｄはそれぞれ隣合わせの配置となり、磁束波形は2極側の成分が強調され易い構成となる。
【００４７】
第７の実施例（高磁極数側の磁束を強調する構成）
図１９は、本発明の第７の実施例による回転子を用いた同期電動機の構成を示す断面図である。固定子８１は、１８個のコア８２、１８個の巻線８３から構成され、１８個の分割されたコア８２には、それぞれ巻線８３が集中的に巻かれている。回転子８４は、この実施例では３極対と６極対の２種類の極対数を備える。回転子８４の表面には永久磁石が配置されるが、その一部の永久磁石８５ａ〜７５ｄを例に構成を説明する。第７の実施例と第６の実施例との差異は、第７の実施例では、高磁極数側の磁束が強調され易い構成になっており、永久磁石８５ａ、８５ｄ、８５ｂ、８５ｃのようの隣接する磁石が、矢印ＡＲ５、ＡＲ８、ＡＲ６、ＡＲ７のように交互に磁束の方向がスイッチする構成になっている。このように磁束発生方向が磁石毎に交互になるような磁石の組の組み合わせを図２０に示す。
【００４８】
図２０は、低磁極数（２極）の電気角１周期の磁石領域に対して高磁極数（４極）の磁石（仮想ロータ）を組み合わせた場合に本発明で考えられる磁石配置をリニアモデルで表した図であり、ロータの円周に沿った展開図である。4極側の磁束を大きく設定している為、組み合わせた際には永久磁石８５ａ、８５ｄおよび永久磁石８５ｃ、８５ｂがそれぞれ隣合わせの配置となり、磁束波形は4極側の成分が強調され易い構成となる。
【００４９】
なお、図１８、図２０では組み合わせに使用した2極と4極の磁石位相は1種類であるが、これらの磁石に任意の位相差を持たせた場合も同じ考え方により様々な磁石配置が考えられる。また、この例では２極と４極の組み合わせを説明したが、別の極数の組み合わせでも同様に考えられる。
【００５０】
永久磁石７５ａ〜７５ｄ、８５ａ〜８５ｄの磁石の磁石幅は同じにする必要はない。図２１に、図１７の回転子の機械角120度のみ取り出した図を示す（幅を変えた例）。永久磁石７５ａ、７５ｃと永久磁石７５ｂ、７５ｄはそれぞれ同じ種類の磁石であり、永久磁石７５ａ、７５ｃの磁石最大幅がＷａ、永久磁石７５ｂ、７５ｄのの磁石最大幅がＷｂである。幅Ｗａ、幅Ｗｂの長さを変えることによって、これらを構成する磁極数の磁束レベル（強度）を変えることができる。「幅Ｗａ＞幅Ｗｂ」とすると2極側の磁束が大きくなり、「幅Ｗａ＜幅Ｗｂ」とすると4極側の磁束が大きくなる構成となる。
【００５１】
永久磁石７５ａ〜７５ｄの磁石厚についても同様に同じにする必要はない。図２２に図１７の回転子の機械角120度のみ取り出した図を示す（厚さを変えた例）。永久磁石７５ａ、７５ｃと永久磁石７５ｂ、７５ｄはそれぞれ同じ種類の磁石であり、永久磁石７５ａ、７５ｃの磁石最大厚さがＴａ、永久磁石７５ｂ、７５ｄの磁石最大厚さがＴｂである。アルニコなどの磁石は保持力が低いため磁石厚が薄すぎる場合は減磁し易くなど、それぞれの磁石特性に合わせた磁石厚を設定する必要がある。また磁石厚をある程度まで上げることによって磁石磁束を増加させることができるため、2極と4極の磁束レベルを変えることができる。ただし、磁石厚を厚くし過ぎても磁石磁束密度はしだいに飽和し、磁気抵抗が増加するため効果が得られないのは周知である。
【００５２】
次に、第６および第７の実施例による同期電動機の動作を説明する。固定子には先述のように６相のインバータが接続されており、これによって３極対と６極対の回転子磁界に対応した複合正弦波磁束を発生するように電流を与えれば良い。回転子の位置に応じて電流指令を回転させるのは通常のモータと同じであるが、このモータでは両極対に対応する複合磁束を発生させるため、まず３極対に対しては、３周期の正弦波を発生させるので、インバータを６相と考え、正弦波１周期を６分割した各位置での電流値を各相の指令値として計算する。一方、６極対に対しては、６周期の正弦波を発生させるので、正弦波１周期を３分割した位置での電流指令値として求め、６相インバータ第１と第４相、第２と第５相、第３と第６相の指令値とする。この後３極対と６極対の指令値それぞれを足し合わせ、６相インバータの指令値として電流制御を行う。このことで回転子がトルクを発生し回転する。
【００５３】
次に、第６および第７の実施例による同期電動機の効果を説明する。上記の動作によりトルクを発生するが、トルクは界磁磁束(回転子で発生する磁束)と電流磁束(固定子で発生する回転磁束)の相互作用によって発生するが、これは各々の磁束の基本波成分（この実施例の場合には、３極対と６極対）に応じて発生する。今回の実施例1では3極と6極のトルクが合算されたトルクが生じる。従来の回転子は１つの回転子内の磁石はすべて同じ特性の磁石を使用するが、本発明では磁石特性が低い磁石を入れることにより低コスト化を図り尚且つ従来通りのトルクを発生することができる。さらにその時に流れる電流で発生する損失は、前記のように複合された電流の絶対値平均・二乗平均、ともに単独の平均値の和より減少しているため、損失は明らかに小さい。以上より、１つ分の体格のモータで２つ分のトルクを発生しつつ、電流による損失はモータ２つ分より小さいという効果が得られる。
【００５４】
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。なお、実施例では、回転子に永久磁石を設ける形態で説明したが、電磁石でも本発明の実現することが可能である。また、実施例では、磁石の組は２組のものを説明したが、本発明は３組以上の組の磁石でも同様の作用・効果を達成できるものである。また、作図や説明の便宜上、回転子の磁石をＮ極、Ｓ極として図示・説明してある実施例があるが、Ｎ−Ｓ極の構成・配置を逆に置き換えても発明の作用・効果は同様であることに留意されたい。さらに、Ｎ極、Ｓ極の磁石は、磁力線の向きが、ロータ中心の半径方向となるように、着磁方向をそれぞれ半径方向（反対向きで）にした磁石を、例えば、Ｎ極を外側（固定子側）、Ｓ極を外側（固定子側）に配置したものである。また、幾つかの実施例では磁石は着磁方向を半径方向に配置したものを用いてあるが、この配置には限定されず、磁力線がほぼ半径方向に向いていれば問題なく、例えばＶ字型の磁石配置であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施例による回転子を用いた同期電動機の構成を示す断面図である。
【図２】第１の実施例の回転子生成説明図である。
【図３】２つの正弦波の複合状態の１例を示す図である。
【図４】２つの正弦波複合によるピーク・平均値等の変化説明図である。
【図５】本発明の第１の実施例による回転子を用いた同期電動機の構成を示す断面図である。
【図６】第２の実施例の回転子の説明図である。
【図７】第２の実施例における磁石磁束のピーク値の変化説明図である。
【図８】本発明の第３の実施例による回転子を用いた同期電動機の構成を示す断面図である。
【図９】第３の実施例の回転子の説明図である。
【図１０】第３の実施例における誘起電圧ピーク値の変化説明図である。
【図１１】第３の実施例による回転子（変形例）を用いた同期電動機の構成を示す断面図である。
【図１２】第３の実施例の回転子（変形例）の説明図である。
【図１３】本発明の第４の実施例による回転子を用いた同期電動機の構成を示す断面図である。
【図１４】第４の実施例の回転子の説明図である。
【図１５】本発明の第５の実施例による回転子を用いた同期電動機の構成を示す断面図である。
【図１６】第５の実施例の回転子の説明図である。
【図１７】本発明の第６の実施例による回転子を用いた同期電動機の構成を示す断面図である。
【図１８】低磁極数（２極）の電気角１周期の磁石領域に対して高磁極数（４極）の磁石（仮想ロータ）を組み合わせた磁石配置をリニアモデルで表した図である。
【図１９】本発明の第７の実施例による回転子を用いた同期電動機の構成を示す断面図である。
【図２０】低磁極数（２極）の電気角１周期の磁石領域に対して高磁極数（４極）の磁石（仮想ロータ）を組み合わせた磁石配置をリニアモデルで表した図である。
【図２１】図１７の回転子の機械角120度のみ取り出した図である（幅を変えた例）。
【図２２】図１７の回転子の機械角120度のみ取り出した図である（厚さを変えた例）。
【符号の説明】
【００５６】
１１  固定子
１２  コア
１３  巻線
１４、１４Ａ  回転子
２１  固定子
２２  コア
２３  巻線
２４、２４Ａ  回転子
３１  固定子
３２  コア
３３  巻線
３４、３４Ａ  回転子
４１  回転子
４２  コア
４３  巻線
４４、４４Ａ  回転子
５１  固定子
５２  コア
５３  巻線
５４、５４Ａ  回転子
６１  固定子
６２  コア
６３  巻線
６４、６４Ａ  回転子
Ｎ１-Ｎ３、Ｓ１-Ｓ６  磁石
Ｎ２１，Ｎ２２、Ｓ３１，Ｓ３２  磁石
Ｎ３１-Ｎ３４、Ｓ３１−Ｓ３４  磁石
Ｎ４１，Ｎ４２、Ｓ４１，Ｓ４２  磁石
Ｎ５１-Ｎ５４、Ｓ５１-Ｓ５４  磁石
Ｎ６１，Ｎ６２、Ｓ６１、Ｓ６２  磁石
７１  固定子
７２  コア
７３  巻線
７4  回転子
７４  回転子
７５ａ-７５ｄ  永久磁石
８１  固定子
８２  コア
８３  巻線
８４  回転子
８５ａ−８５ｄ  永久磁石
ＡＲ１−ＡＲ８  矢印
ＣＴＲ  中心
Ｗａ、Ｗｂ  幅
Ｔａ、Ｔｂ  厚さ
【図１】
2007174885.tif 000003
【図２】
2007174885.tif 000004
【図３】
2007174885.tif 000005
【図４】
2007174885.tif 000006
【図５】
2007174885.tif 000007
【図６】
2007174885.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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