(57)【要約】【課題】磁石量を低減した埋込磁石型電動機において、リラクタンストルクを増加させ、高速回転域において誘起電圧が過大とならずに、磁石全て有りの場合と同じ最大出力が得られる埋込磁石型電動機を提供する。【解決手段】ステータ１１は円筒状で内側に複数のティース１２が等間隔で設けられている。ティース１２には図示しないコイル（巻線）が分布巻で巻かれている。ロータ１３は、コアシートを複数枚積層したロータコア１４と、ロータコア１４の中心に貫挿されたロータ軸１５とを備えている。ロータコア１４内には、複数個の永久磁石１６が埋め込まれている。ロータコア１４は、電気角が３６０°毎に永久磁石１６がＶ字状に配置された部分と、Ｖ字状に形成されたフラックスバリア１７とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の永久磁石がロータコア内に埋め込まれたロータを備えた埋込磁石型電動機であって、
極数が４（ｎ＋１）（但し、ｎは１以上の整数）で、前記ロータは、電気角が３６０°毎に永久磁石がＶ字状又は円弧状に配置された部分と、Ｖ字状又は円弧状のフラックスバリアとを有することを特徴とする埋込磁石型電動機。
【請求項２】
ティースにコイルが分布巻で巻かれている請求項１に記載の埋込磁石型電動機。
【請求項３】
前記永久磁石は平板状に形成されている請求項１又は請求項２に記載の埋込磁石型電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、埋込磁石型電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
埋込磁石型電動機は、磁石トルク以外にリラクタンストルクを利用できるため、表面磁石型電動機と比較して合計トルクを大きくできることが知られている。さらに、弱め界磁制御をすることにより、磁石に反磁界をかけて誘起電圧定数を等価的に小さくし、運転範囲を高回転域まで広げた電動機が電気自動車や、ハイブリッド自動車、洗濯機等で使われている。
【０００３】
図６はＳＰＭ（表面磁石型電動機）とＩＰＭ（埋込磁石型電動機）の特性比較である。回転数が所定回転数までのＩで示す範囲では最大トルク制御を行い、インバータの最大電流でトルクが最も大きくなるように制御する。回転数が所定回転数を超えるIIで示す範囲では誘起電圧がインバータ入力電圧より大きくならないように、インバータ電流を下げながら弱め界磁制御を行う。
【０００４】
埋込磁石型電動機は、磁石トルクが小さくなるものの、リラクタンストルクも利用できるために結果的に最大トルクをＳＰＭと同等にできる場合が多い。また、表面磁石型電動機と異なり突極比があるため、弱め界磁電流（負のｄ軸電流）を流すことにより、誘起電圧を下げながらリラクタンストルクを大きくできるような磁束の流れを作っている。
【０００５】
従来、埋込磁石型電動機において、簡単なロータ構造でリラクタンストルクの割合を大きくできるものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１においては、図７に示すように、ロータコア５１における永久磁石５２の配置としては、リラクタンストルクを利用するのに最も効率的なＶ字配置としながら、Ｖ字の片方は永久磁石５２を抜いてフラックスバリア５３として利用している。
【特許文献１】特開２０００−２８７３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、図７のようにＶ字状に配置すべき２個の永久磁石５２のうちの一方の永久磁石５２を抜いてフラックスバリア５３とした場合は、永久磁石５２がすべてある場合と比較して、最大出力が下がってしまうという問題がある。
【０００７】
また、図７の鎖線で囲んだ部分Ａは鉄心の磁束密度が低くｑ軸インダクタンスを大きくできるという特徴がある。しかし、ｄ軸インダクタンスも増加するため誘起電圧も上昇し、結果的に永久磁石５２を抜かない場合と比較して、磁石トルクが少なくなった分だけ最大出力が下がってしまう。また、弱め界磁制御を行う運転範囲は永久磁石５２が全て有りの場合と変わらない。
【０００８】
巻線抵抗を無視した場合、ｄ−ｑ座標系における電圧等は以下の式となる。
Ｖｄ＝−ωｅ・Ｌｑ・Ｉｑ＋Ｌｄ・ｄＩｄ／ｄｔ・・・（１）
Ｖｑ＝ωｅ・（ψ＋Ｌｄ・Ｉｄ）＋Ｌｑ・ｄＩｑ／ｄｔ・・・（２）
Ｖ＝ωｅ・｛（ψ＋Ｌｄ・Ｉｄ）２＋（Ｌｑ・Ｉｑ）２｝０．５・・・（３）
Ｔ＝Ｐｎ・｛ψ・Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・Ｉｄ・Ｉｑ｝・・・（４）
Ｖｄ：ｄ軸電圧、ωｅ：電気角角周波数、Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス、Ｉｑ：ｑ軸電流
Ｖｑ：ｑ軸電圧、ψ：磁石磁束巻線鎖交数、Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス、Ｉｄ：ｄ軸電流
Ｖ：誘起電圧、Ｔ：トルク、Ｐｎ：極対数
Ｉｄが負のため、突極比：Ｌｑ／Ｌｄを大きくできれば、（４）式からリラクタンストルクの利用率が高くなる。しかし、特に電流が大きい電動機においては、（３）式における（Ｌｑ・Ｉｑ）２による誘起電圧上昇分が無視できないくらい大きくなるため、高速回転時において誘起電圧が過大になるという問題がある。
【０００９】
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、磁石量を低減した埋込磁石型電動機において、高速回転域において誘起電圧が過大とならずに、磁石全て有りの場合と同じ最大出力が得られる埋込磁石型電動機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、複数個の永久磁石がロータコア内に埋め込まれたロータを備えた埋込磁石型電動機であって、極数が４（ｎ＋１）（但し、ｎは１以上の整数）で、前記ロータは、電気角が３６０°毎に永久磁石がＶ字状又は円弧状に配置された部分と、Ｖ字状又は円弧状のフラックスバリアとを有する。
【００１１】
従って、この発明のロータ構造では、従来技術に比較して、高速回転域までフラットなトルク特性を実現できる。なぜならば、永久磁石が存在せずにフラックスバリアが存在する部分では、ステータ巻線による磁束しか存在しないため、最大電流においても鉄心の磁気飽和は発生せず、突極比を大きくできてリラクタンストルクの利用効率が高くなる。また、永久磁石が存在する部分では、従来技術に比較して突極比は小さいものの、インダクタンスが小さいため、誘起電圧が大きくならない。その結果、磁石量を低減した埋込磁石型電動機において、リラクタンストルクを増加させ、高速回転域において誘起電圧が過大とならずに、磁石全て有りの場合と同じ最大出力が得られる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、ティースにコイルが分布巻で巻かれている。この発明では、ギャップの部分における磁束の流れが理論どおり正弦波に近くなるので、正弦波電流駆動でロータを回転制御するのが容易になる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記永久磁石は平板状に形成されている。この発明では、円弧状の永久磁石を使用する場合に比較して、永久磁石の製造が簡単になり、ひいては埋込磁石型電動機の製造コストを低減することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、磁石量を低減した埋込磁石型電動機において、高速回転域において誘起電圧が過大とならずに、磁石全て有りの場合と同じ最大出力が得られる埋込磁石型電動機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を８極、即ち４（ｎ＋１）のｎを１とした数の極数を有する埋込磁石型電動機に具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。図１はロータ及びステータ全体の１／２の部分に対応する模式図である。
【００１６】
ステータ１１は円筒状で内側に複数、この実施形態では４８個（図示は２４個）のティース１２が等間隔で設けられている。ティース１２には図示しないコイル（巻線）が分布巻で巻かれている。
【００１７】
ロータ１３は、電磁鋼板等の高透磁率材からなる円板状のコアシートを複数枚（例えば数十枚）積層したロータコア１４と、ロータコア１４の中心に貫挿されたロータ軸１５とを備えている。コアシート同士は、必要に応じて接着剤等で一体固着されている。
【００１８】
ロータコア１４内には、複数個の永久磁石１６が埋め込まれている。ロータコア１４は、電気角が３６０°毎に永久磁石１６がＶ字状に配置された部分と、Ｖ字状に形成されたフラックスバリア１７とを有する。即ち、図１に図示された部分では、ロータコア１４の中心角９０°の範囲に２組４個の永久磁石１６が配置され、次の中心角９０°の範囲に２組４個のフラックスバリア１７が配置されている。
【００１９】
永久磁石１６は平板状に形成されており、Ｖ字を成すように４組８個（図示は２組４個）設けられている。隣接して配置される４個の永久磁石１６はロータコア１４の１／４の範囲の外周寄りに配置され、一方の組の永久磁石１６はＳ極がティース１２側となるように配置され、他方の組の永久磁石１６はＮ極がティース１２側となるように配置されている。
【００２０】
フラックスバリア１７は、ロータコア１４の中心を含む平面に対して永久磁石１６と対称に、かつ２組の永久磁石１６を挟んで配置されているフラックスバリア１７が点対称に配置されている。フラックスバリア１７も永久磁石１６と同じ形状の孔がＶ字を成すように４組８個（図示は２組４個）設けられている。即ち、フラックスバリア１７はＶ字を成すように配置すべき永久磁石１６を抜いた状態に形成されている。
【００２１】
次に前記のように構成された埋込磁石型電動機の作用を説明する。
通常、リラクタンストルクを増加させるためには、高速回転型電動機とした方が良い。しかし、高速化により、誘起電圧が上昇するため、特に埋込磁石型電動機においては通電時の誘起電圧を下げなければならない。
【００２２】
一般的に、誘起電圧定数を下げる方法は以下のものがある。
（１）ロータコア１４の積層厚を薄くする。
（２）磁石の磁束密度を下げる。
（３）ギャップを広げる。
（４）巻線のターン数を下げる。
【００２３】
例えば、磁石トルクのみを考えた場合、出力Ｐは次式で表されるので、Ｉｑが一定であれば磁石トルクは下がってしまう。但し、ＫＥは定数でトルクに比例する。
Ｐ＝Ｐｎ・ＫＥ・Ｉｑ・ωｅ
Ｉｑはインバータ定格の制約から最大電流が決定されるため、大きくできないことが多い。
【００２４】
そこで、通電時の誘起電圧を低くできるロータ構造で、高速回転域で常にリラクタンストルクのピーク点を利用できる電動機であれば、磁石トルクの低下分を補うことができるため、最大出力を低下させないようにできる。
【００２５】
この実施形態のロータ構造とした場合、フラックスバリア１７が存在する領域１９では永久磁石１６がないため、ステータ巻線による磁束のみ存在する状態となり、最大電流においても鉄心の磁気飽和は発生せず、突極比を大きくできる。また、永久磁石１６が存在する領域１８では、Ｖ字の一方にのみ永久磁石が存在する従来技術の構成に比較して突極比は小さいものの、インダクタンスが小さいため誘起電圧が大きくならない。
【００２６】
実施形態のロータ構造の発生トルクは、次の（５）式で表される。
Ｔ＝Ｐｎ／２・[{ψ・Ｉｑ＋（Ｌｄ１−Ｌｑ１）・Ｉｄ・Ｉｑ} ＋{（Ｌｄ２−Ｌｑ２）・Ｉｄ・Ｉｑ}]・・・（５）
但し、Ｌｄ１：永久磁石がある領域１８のｄ軸インダクタンス、Ｌｑ１：永久磁石がある領域１８のｑ軸インダクタンス  、Ｌｄ２：フラックスバリア１７が存在する領域１９のｄ軸インダクタンス、Ｌｑ２：フラックスバリア１７が存在する領域１９のｑ軸インダクタンス
Ｌｄ１＜Ｌｄ２、Ｌｑ１＜Ｌｑ２
ここで、Ｌｑ２＞Ｌｑ＞Ｌｑ１（Ｌｑは図７のｑ軸のインダクタンス）のため、誘起電圧上昇に寄与するインダクタンス成分を小さくしたまま、トルク発生に寄与するインダクタンス成分を大きくできる。
【００２７】
永久磁石１６を希土類磁石として、最高回転速度１００００ｒｐｍ、正弦波電流駆動で電動機を回転させた場合について、有限要素法で磁界解析を行った。図２に基底速度における無負荷誘起電圧の磁界解析結果を示し、図３に基底速度で最大電流を流した場合の誘起電圧の磁界解析結果を示す。なお、図２と図３とでグラフの目盛りの最小値と最大値は一致させている。
【００２８】
解析の際に、磁石全て有りと表現しているものは、実施形態の構成のフラックスバリア１７に全て永久磁石１６を入れてＶ字配置とした構成を意味し、従来技術と表現しているものは、図７と同様に、８組の全ての組を１個の永久磁石１６と１個のフラックスバリア１７でＶ字配置とした構成を意味する。
【００２９】
図２に示すように、無負荷誘起電圧は、一点鎖線で示す磁石全て有りの場合に比較して、細線で示す実施形態の場合及び太線で示す従来技術（磁石がＶ字の片側のみ）とも低くなる。しかし、図３に示すように、最大電流を流した時の誘起電圧は、従来技術の場合は磁石全て有りの場合殆ど変わらないのに対して、実施形態の場合は誘起電圧のピーク値が半分以下になっている。これは、従来技術と比較して、実施形態のロータ１３では、領域１９で磁気飽和が発生しないため、誘起電圧を小さいまま突極比が大きくできたことを裏付ける。
【００３０】
また、図４に回転数と出力及びトルクの関係をシミュレーションで求めた結果を示す。
出力に関しては、実施形態、従来技術及び磁石全て有りの場合とも、回転数の増加に伴って増加した後、低下する。そして、最大出力になる回転数が従来技術及び磁石全て有りの場合は、実施形態の場合より低い値でほぼ同じであり、従来技術の最大出力は磁石全て有りの場合の６割程度である。それに対して実施形態の場合は、最大出力が磁石全て有りの場合と同等以上になり、高回転数においても高い出力が得られる。この時の実施形態における出力は、従来技術の最大出力より大きな値である。
【００３１】
また、トルクに関しては、低速回転領域では、実施形態の出力が従来技術に比較して低い。しかし、従来技術の出力は磁石全て有りの場合と同様に、一定トルクの低速回転領域が狭く、最大トルク電流制御を行える範囲が狭い。一方、実施形態の場合は、誘起電圧の上昇が少ないため、トルクが一定の回転領域が広く、最大トルク電流制御を行える範囲が広くなり、基底速度を高くできることが分かる。高速回転領域においては、従来技術及び磁石全て有りの場合よりトルクが高くなる。
【００３２】
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）複数個の永久磁石１６がロータコア１４内に埋め込まれたロータ１３を備えた埋込磁石型電動機であって、極数が８で、ロータ１３は、電気角が３６０°毎に永久磁石１６がＶ字状に配置された部分と、Ｖ字状のフラックスバリアとを有する。従って、永久磁石１６が存在せずにフラックスバリア１７が存在する部分（領域１９）では、ステータ巻線による磁束しか存在しないため、最大電流においても鉄心の磁気飽和は発生せず、突極比を大きくできてリラクタンストルクの利用効率が高くなる。また、永久磁石１６が存在する部分（領域１８）では、従来技術に比較して突極比は小さいものの、インダクタンスが小さいため、誘起電圧が大きくならない。その結果、磁石量を低減した埋込磁石型電動機において、リラクタンストルクを増加させ、高速回転域において誘起電圧が過大とならずに、磁石全て有りの場合と同じ最大出力が得られる。また、従来技術に比較して、高速回転域までフラットなトルク特性を実現できるため、最大トルク電流制御を行える範囲が広くなり、基底速度を高くすることができる。その結果、従来は弱め界磁制御が必要な領域においても最大トルク制御で対応することが可能になる。さらに、弱め界磁制御時に進み角を、リラクタンストルクを最も効率良く利用できる角度に設定することにより、磁石磁束を減らすための余分なｄ軸電流を流す必要がなくなり、高効率になる。
【００３３】
（２）磁石全て有りの埋込磁石型電動機に比較して、永久磁石１６の量を半分にすることかできるため、高速回転領域において高出力の埋込磁石型電動機を安価に製造することができる。
【００３４】
（３）ティース１２にコイル（巻線）が分布巻で巻かれている。従って、ギャップの部分における磁束の流れが理論どおり正弦波に近くなるので、正弦波電流駆動でロータ１３を回転制御するのが容易になる。
【００３５】
（４）永久磁石１６は平板状に形成されている。従って、円弧状の永久磁石を使用する場合に比較して、永久磁石１６の製造が簡単になり、ひいては埋込磁石型電動機の製造コストを低減することができる。
【００３６】
（５）フラックスバリア１７は永久磁石１６と同様にＶ字状の配置となるように、かつ永久磁石１６と対称に配置されている。従って、ロータコア１４を構成するコアシートを積層する際に、永久磁石１６が挿入される孔と、フラックスバリア１７とを区別せずに積層しても差し支えないため、ロータコア１４の製造が簡単になる。
【００３７】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  永久磁石１６及びフラックスバリア１７の配置はＶ字状に限らない。例えば、図５（ａ）に示すように、フラックスバリア１７の形状をＶ字配置の２個のフラックスバリア１７に代えて１個の円弧状とし、２組４個のフラックスバリア１７に代えて２組２個のフラックスバリア１７、全体では４組４個のフラックスバリア１７としてもよい。また、永久磁石１６も平板状の２個の永久磁石１６をＶ字状に配置する代わりに、１個の円弧状の永久磁石１６を配置してもよい。磁束の流れ観点からは円弧状の方が好ましい。しかし、円弧状の永久磁石１６は、製作し難く、割れ易いため製造コストが高くなる。
【００３８】
○  ティース１２に対して巻線（コイル）を分布巻ではなく、図５（ｂ）に示すように、巻線２０を集中巻にした構成としてもよい。
○  ティース１２は等間隔でなくても良い。巻線の巻き方や制御に応じて変更しても良い。
【００３９】
○  埋込磁石型電動機の極数は８極に限らず、４（ｎ＋１）（但し、ｎは１以上の整数）であればよく、例えば、ｎを２とした４（２＋１）＝１２極であってもよい。１２極の場合、永久磁石１６はＶ字配置であればロータコア１４の中心角６０°の範囲に２組４個ずつ３箇所に合計６組１２個設けられ、円弧状の永久磁石１６の場合は２組２個ずつ３箇所に合計６組６個設けられる。
【００４０】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記永久磁石及びフラックスバリアはロータコアの軸方向から見た形状が同じに形成されるとともに、ロータコアの中心を含む平面に対して対称に形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】一実施形態のロータとステータの関係を示す模式部分平面図。
【図２】基底速度における無負荷誘起電圧を示すグラフ。
【図３】基底速度における最大電流を流した場合の誘起電圧を示すグラフ。
【図４】出力−回転数及びトルク−回転数の関係を示すグラフ。
【図５】（ａ），（ｂ）は別の実施形態におけるロータとステータの関係を示す模式部分平面図。
【図６】ＳＰＭ（表面磁石型電動機）とＩＰＭ（埋込磁石型電動機）の特性比較。
【図７】従来技術における埋込磁石型電動機の模式平面図。
【符号の説明】
【００４２】
１２…ティース、１３…ロータ、１４…ロータコア、１６…永久磁石、１７…フラックスバリア。
【図１】
2007288838.tif 000003
【図２】
2007288838.tif 000004
【図３】
2007288838.tif 000005
【図４】
2007288838.tif 000006
【図５】
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【図６】
2007288838.tif 000008
【図７】
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