(57)【要約】【課題】永久磁石式同期モータの界磁を該モータのコイル電流とは無関係に調整することが可能な界磁調整装置を提供する。【解決手段】永久磁石式同期モータの複数の永久磁石（１）にそれぞれ併設したコイル（２）と、各コイル（２）に直流電流を供給して、各コイル（２）から対応する永久磁石（１）の磁束（Φ１）の方向とは逆の方向の磁束（Φ２）を発生させる給電手段（３〜５）とを備える。各コイル（２）は、対応する永久磁石（１）の磁束（Φ１）がループ内を通る形態で配設されている【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石式同期モータに適用する界磁調整装置であって、
前記永久磁石式同期モータの複数の永久磁石にそれぞれ併設したコイルと、
前記各コイルに直流電流を供給して、該各コイルから対応する永久磁石の磁束の方向とは逆の方向の磁束を発生させる給電手段と、を備え、
前記各コイルは、対応する前記永久磁石の磁束がループ内を通る形態で配設されていることを特徴とする永久磁石式同期モータの界磁調整装置。
【請求項２】
前記コイルが、前記対応する永久磁石の外周に沿って巻かれていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式同期モータの界磁調整装置。
【請求項３】
前記永久磁石式同期モータが、内部磁石構造を有することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式同期モータの界磁調整装置。
【請求項４】
前記給電手段は、スリップリング機構を介して前記各コイルに前記直流電流を供給するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式同期モータの界磁調整装置。
【請求項５】
前記各コイルが直列接続もしくは並列接続されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式同期モータの界磁調整装置。
【請求項６】
前記給電手段から前記各コイルに供給される前記直流電流は、該各コイルの磁束によって対応する前記永久磁石の磁束が打ち消される大きさに設定されることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式同期モータの界磁調整装置。
【請求項７】
前記給電手段から前記各コイルに供給される前記直流電流は、前記永久磁石式同期モータが弱め界磁の状態になるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式同期モータの界磁調整装置。
【請求項８】
請求項１に記載の界磁調整装置を用いた永久磁石式同期モータの機械損の測定方法であって、
前記永久磁石式同期モータに設けられた各コイルの磁束によって対応する前記永久磁石の磁束を打ち消すステップと、
前記永久磁石の磁束を打ち消した状態で前記永久磁石式同期モータを外部動力によって回転させるステップと、
前記外部動力の大きさに基づいて前記機械損を測定するステップと、
を含むことを特徴とする永久磁石式同期モータの機械損の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石式同期モータの機械損を測定する場合や、該モータに弱め界磁を作用させる場合に好適に使用することができる永久磁石式同期モータの界磁調整装置およびこの界磁調整装置を使用した永久磁石式同期モータの機械損の測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石式同期モータ（以下、ＰＭモータと略称する）の鉄損評価試験を行う場合には、機械損を正確に測定する必要がある。しかし、回転子に永久磁石を使用したＰＭモータは、界磁の途切れがないことから該回転子の回転に伴って鉄損が発生し、このため、機械損を単独に測定することができない。
【０００３】
そこで、ＰＭモータの無負荷損から機械損を分離する方法が提案されている。この方法は、ＰＭモータを無負荷で運転し、端子電圧を変化させて、電機子電流の最低点および定格電流の点（電圧高めと電圧低めの２点）を含めた鉄損のＶ曲線を求め、このＶ曲線から機械損を分離するものである（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】電気学会  電気規格調査会テクニカルレポートJEC-TR 21001-2005
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の機械損の分離方法は、コイル電流による弱め界磁によって、永久磁石に起因する鉄心中の磁束密度がいずれの箇所においても同じ比率で小さくなる、ということを前提としている。しかし実際には、永久磁石に起因する磁束密度分布と、コイル電流による磁束密度分布は相異するのが一般的であり、この前提は成り立たない。特に、集中巻コイルを用いる場合や、回転子中に磁石を埋め込む場合には、ギャップ磁束密度の空間高調波が極めて大きくなるとともに、上記磁束密度分布の相異が大きくなる。
【０００５】
また、インバータ駆動時には、スイッチングによって発生する高周波リプル電流に起因して、コイルにより発生する回転磁界に同じ高周波成分が含まれるため、磁束がゼロまで低下する弱めの界磁モードが得られないことになる。
この結果、上記機械損の分離方法では、分離した機械損の精度が低下するという問題を生じる。
【０００６】
一方、ＰＭモータでは、永久磁石の磁束によって発生する無負荷誘導起電力（eｍf）を少なくするために、コイルに永久磁石の磁束を弱める電流成分を重畳する、いわゆる弱め界磁制御が一般的に実施される。しかし、界磁電流を制御する従来の弱め界磁制御では、弱め界磁のための電流成分を大きくするほどトルクに寄与する電流成分を減らす必要があるので、高速回転時にトルクが減少するという問題を生じる。
【０００７】
本発明は、このような状況に鑑み、永久磁石式同期モータの界磁を該モータのコイル電流とは無関係に調整することが可能な界磁調整装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記界磁調整装置を用いた永久磁石式同期モータの機械損の測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る界磁調整装置は、上記目的を達成するため、永久磁石式同期モータの複数の永久磁石にそれぞれ併設したコイルと、該各コイルに直流電流を供給して、該各コイルから対応する永久磁石の磁束の方向とは逆の方向の磁束を発生させる給電手段とを備える。前記各コイルは、対応する前記永久磁石の磁束がループ内を通る形態で配設される。
【０００９】
前記コイルは、前記対応する永久磁石の外周に沿って巻かれることが望ましい。本発明に係る界磁調整装置は、例えば、内部磁石構造を有する永久磁石式同期モータに適用することができる。また、前記給電手段は、例えば、スリップリング機構を介して前記各コイルに前記直流電流を供給するように構成される。前記給電手段の構成を簡単化するため、前記各コイルは直列接続もしくは並列接続することが望ましい。
【００１０】
機械損の測定に際しては、各コイルの磁束によって対応する永久磁石の磁束が打ち消されるように前記給電手段から前記各コイルに前記直流電流が供給される。また、前記直流電流を適宜な大きさに設定することによって、弱め界磁を実現することができる。
【００１１】
本発明は、上記の界磁調整装置を用いた永久磁石式同期モータの機械損の測定方法も提供する。この機械損の測定方法は、前記永久磁石式同期モータに設けられた各コイルの磁束によって対応する前記永久磁石の磁束を打ち消すステップと、前記永久磁石の磁束を打ち消した状態で前記永久磁石式同期モータを外部動力によって回転させるステップと、  前記外部動力の大きさに基づいて前記機械損を測定するステップと、を含んでいる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る界磁調整装置によれば、各永久磁石に対応して設けたコイルの打消し磁束によって、等価的に、永久磁石式同期モータの界磁を切ることができるので、該永久磁石式同期モータの機械損を上記永久磁石の影響を受けることなく直接かつ正確に測定することが可能になる。
さらに、本来は永久磁石式同期モータのコイルに通流すべき弱め界磁電流を低減あるいはゼロにすることが可能となるため、高速回転領域でより多くのトルクを得ることができる。
また、本発明に係る機械損の測定方法によれば、永久磁石式同期モータの界磁を切って、該モータの機械損を直接測定することが可能である
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
図１および図２は、永久磁石式同期モータの回転子６（図４参照）に設けられる永久磁石１を示している。なお、以下においては、永久磁石式同期モータをＰＭモータと略称する。
図１に示す永久磁石１は、上面側がＮ極となるように配置されているので上向きの磁束Φ１を発生する。一方、上面側がＳ極となるように配置された図２に示す永久磁石１は、下向きの磁束Φ１を発生する。
【００１４】
本発明に係る界磁調整装置では、上記永久磁石１に併設したコイル２が磁束打消し手段として使用される。このコイル２は、永久磁石１の磁束Φ１（ｙ軸方向に沿っている）がそのループ内を通る形態で設けられる。本実施形態におけるコイル２は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、永久磁石１の外周に沿って巻回されている。すなわち、永久磁石１のｙ軸方向中心軸線を軸線とする形態で該永久磁石１の外側面に沿って巻回されている。このような形態でコイル２を巻回すれば、漏れ磁束を抑制して後述する磁束の打ち消し作用を向上することができる。
【００１５】
いま、上記コイル２に直流電流Ｉを流すと、アンペアの法則にしたがって磁束Φ１に沿った方向（y軸方向）の磁束Φ２が生じる。そこで、上記磁束Φ２が磁束Φ１とは逆の向きになるようにコイル２に流れる電流Ｉの方向を設定し、かつ、磁束Φ２と磁束Φ１の磁束線数が同等になるように該電流Ｉの大きさを調整すれば、磁束Φ２によって磁束Φ１が打ち消されることになる。
【００１６】
図４は、上記永久磁石１を２個埋設した構造（内部磁石構造）を有するＰＭモータの回転子６を示している。各永久磁石１は、回転子６の回転軸７を挟む対称な位置に相対向するように、かつ、対向する面が共にＮ極もしくはＳ極となるように設けられている。
図４には示されていないが、各永久磁石１には、図１および図２に示した形態でコイル２が同一のターン数でそれぞれ巻回されている。
【００１７】
個々の永久磁石１に巻回されたコイル２は、回転軸７に設けられたスリップリング機構３，３およびスイッチ素子４を介して直流電源５に接続されている。したがって、回転子６が回転しているときにおいても、スイッチ素子４をオンすることによって上記コイル２に通電することができる。
【００１８】
個々の永久磁石１に巻回されたコイル２は、通電に伴って対応する永久磁石１の磁束（図１および図２のΦ１）とは逆の方向の磁束（図１および図２のΦ２）を発生するように直列接続または並列接続されている。そして、直流電源５は、個々のコイル２の磁束が対応する永久磁石１の磁束を打ち消すように、それらのコイル２に所定の電流を流す。
【００１９】
本実施形態に係る界磁調整装置は上記のように構成されているので、各コイル２に生じる打消し磁束によって、等価的に、ＰＭモータの界磁を切ることができる。この結果、ＰＭモータは、回転中において鉄損を発生せず、機械損だけを発生することになる。それゆえ、本実施形態に係る界磁調整装置を使用すれば、ＰＭモータの機械損を永久磁石１の影響を受けることなく直接かつ正確に測定することが可能になる。
なお、ＰＭモータの無負荷損は、前記非特許文献１等に記載の方法によって測定することができる。そして、ＰＭモータの鉄損は、上記無負荷損の測定結果から上記機械損の測定結果を差し引くことによって求めることができる。
【００２０】
ここで、本発明を適用して上記ＰＭモータの機械損を直接測定する方法について説明する。機械損を直接測定する場合には、図６に示すように、駆動用モータ１０の動力をトルクメータ１１を介して供試モータ１２に伝達する。なお、測定中において、供試ＰＭモータ１２の端子は開放される。
【００２１】
供試ＰＭモータ１２の前記磁束打消し用コイル２に通電しない場合を考える。この場合、供試ＰＭモータ１２は、駆動用モータ１０によって回転される度にその鉄心に磁束が作用することから、機械損を発生するばかりでなく、鉄損も発生することになる。したがって、トルクメータ１１の出力に基づいてその機械損を直接測定することはできない。
一方、磁束打消し用のコイル２に通電した場合には、該コイル２の発生磁束によって対応する前記永久磁石１の磁束が打ち消されるので、つまり、供試ＰＭモータ１２の界磁が切られるので、該供試ＰＭモータ１２が機械損のみを発生することになる。この結果、トルクメータ１１の出力に基づいて、供試ＰＭモータ１２の機械損を直接測定することが可能である。
【００２２】
ところで、上記コイル２は回転子６の磁極数と同数（本実施形態では２）設けられる。これらのコイル２は、それらに流れる電流が回転子６の回転角度に依存せず、しかも、直流であることから、上記したように、直列接続あるいは並列接続することが可能である。このように各コイル２を直列接続あるいは並列接続すれば、２つのスリップリング機構要素３を用いて該各コイル２に通電することが可能になる。
【００２３】
もちろん、各コイル２への個別給電も可能である。その場合、各コイル２の電流を個別に調整することができるので、原理的に該各コイルのターン数を同一にする必要がなくなるが、上記スリップリング機構３等を含む給電構造が複雑化することになる。なお、スイッチ４をオフすれば、コイル２から生じる磁束がゼロになるので、ＰＭモータを通常の駆動が可能な状態に戻すことができる。
【００２４】
ところで、ＰＭモータにおいては、永久磁石の磁束によって無負荷誘導起電力（eｍf）が発生する。この無負荷誘導起電力は、ＰＭモータの回転速度に比例するので、高速回転時に、この無負荷誘導起電力がインバータの供給可能電圧を越える場合がある。そこで、このような運転領域でもモータを駆動するために、コイルに永久磁石の磁束を弱める電流成分を重畳するという制御、すなわち、いわゆる弱め界磁制御が一般的に実施されている。
【００２５】
この公知の弱め界磁制御方式は、弱め界磁のための特別な装置が必要でないというメリットを有する反面、次のような問題点を有する。すなわち、インバータやＰＭモータには、発熱の観点から決まる電流の制限値が存在するので、弱め界磁のための電流成分を大きくするほどトルクに寄与する電流成分を減らす必要がある。したがって、弱め界磁制御方式を採用した場合、得られるトルクが減少するという問題を生じる。この問題は、弱め界磁をＰＭモータのコイル電流の制御によって実現することに起因して発生するものである。
【００２６】
本発明に係る界磁調整装置は、弱め界磁を実現する手段としても有効に適用することができ、その場合、図５に示す弱め界磁用直流電源８が使用される。
図５に示す実施形態によれば、スリップリング機構３を通して前記コイル２に電源８の出力電流を供給することにより、永久磁石１の磁束を弱めることができる。したがって、ＰＭモータのコイル電流によって弱め界磁制御を行う必要がなく、あるいは、弱め界磁のためにコイル電流を減らすことが可能となり、その結果、高速回転領域でより大きなトルクを得ることができるようになる。
なお、本発明は、磁極数が２よりも多いＰＭモータにも当然適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】Ｎ極が上面側に位置する永久磁石の磁束とコイルの発生磁束との関係を示す概略斜視図である。
【図２】Ｓ極が上面側に位置する永久磁石の磁束とコイルの発生磁束との関係を示す概略斜視図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ永久磁石とコイルの相対位置関係を示す平面図および断面図である。
【図４】機械損の測定に適用される本発明に係る界磁調整装置の実施形態を示す概略斜視図である。
【図５】弱め界磁制御に適用される本発明に係る界磁調整装置の実施形態を示す概略斜視図である。
【図６】永久磁石式同期モータの機械損を直接測定するための手段および手法を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  永久磁石
２  コイル
３  スリップリング機構
４  スイッチ素子
５  直流電源
６  回転子
７  回転軸
８  弱め界磁用直流電源
【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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