JP2000134891A - 同期電動機およびその制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のシンクロナスリラクタンスモータはｑ
軸電流によりｑ軸方向の磁束が変化しやすいため、力
率、効率が低く、界磁弱め制御の性能が低い。 【解決手段】 本発明同期電動機は、ロータのＮ極磁極
の磁極端に配置されたＮ極の永久磁石３５，４１と、ロ
ータのＳ極磁極の磁極端に配置されたＳ極の永久磁石３
８，３４と、ロータのＮ磁極中央部に軟磁性体の磁極部
４０と、ロータのＳ磁極中央部に軟磁性体の磁極部３９
と、を備える。さらに、前記各Ｎ極磁極、Ｓ極磁極をロ
ータ回転方向に相対的にステータスロットピッチのＮＮ
／ＮＲだけロータ回転方向にシフトした構造とする。こ
こで、ＮＮ、ＮＲは極数以下の整数。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は永久磁石を利用した
同期電動機とその制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の同期電動機には、図２０に示すよ
うなロータの表面にＮ極永久磁石ＰＭ１、Ｓ極永久磁石
ＰＭ２を配置した永久磁石型同期電動機がある。１はロ
ータ軸、２はロータのヨークである。ステータは特に図
示しないが、３相誘導電動機などで一般的に使用されて
いるステータである。

【０００３】特に図示しないが、電気学会論文誌Ｄ、１
１４巻６号、平成６年、ｐ６６８〜６７３、「埋込磁石
構造ＰＭモータの広範囲可変速制御」等に紹介されてい
る埋込磁石構造永久磁石電動機が、この種の従来のモー
タとして知られている。

【０００４】図２１に３相６極のシンクロナスリラクタ
ンスモータの例を示す。１４は磁極間を磁気的に接続す
る細い磁路であり、細い磁路１４の間は各空隙あるいは
非磁性体で構成されるスリット１０が配置されている。
１はロータ軸、１３はロータのヨークである。１５はラ
ジアル方向のつなぎ部であり、磁気的には不要であり、
モータの電磁気的動作上はむしろ漏れ磁束が通るため有
害な物であるが、ロータヨーク１３と各細い磁路とを機
械的に接続し構造的に補強している。ロータの外周の接
続部１６も同様にロータ全体を補強している。このロー
タは図２１の形状の電磁鋼板をロータ軸の方向へ積層し
た構造となっている。１２はステータであり、３相６極
の交流巻き線が各スロットに巻回されている。

【０００５】図２１の３相６極のシンクロナスリラクタ
ンスモータの動作を説明するために図２２にモデル化し
た２極のシンクロナスリラクタンスモータを示す。ＮＭ
Ｐは磁極間に磁束を通す細い磁路であり、ハッチングし
た部分ＳＧは各細い磁路ＮＭＰの間に配置された空隙か
らなるスリットである。図２２のロータは上下方向には
磁気抵抗が小さく、左右方向には磁気抵抗が大きい構造
となっている。７はステータを表している。ロータを励
磁するため励磁電流ｉｄが流され、ロータは図視する
Ｎ，Ｓに励磁され、磁束ＭＦｄがつくられる。この磁束
ＭＦｄの方向へトルク電流ｉｑが流され力Ｆ１を発生す
る。トルク電流ｉｑは同時に磁束ＭＦｑも同時に生成
し、励磁電流ｉｄと磁束ＭＦｑの積に比例する力Ｆ２も
同時に生成する。この動作の結果、モータは力（Ｆ１−
Ｆ２）に比例した回転トルクを発生する。

【０００６】図２２の動作をベクトル図で示すと図２３
となる。ただし、モータの巻き線抵抗、漏れインダクタ
ンス、鉄損及びその他の損失分は無視している。ｉ０は
励磁電流ｉｄとトルク電流ｉｑとを合成した電流であ
り、モータへはこの電流が通電されていることになる。
このモータが回転角周波数ωで回転しているとし、ｄ軸
方向インダクタンスＬｄ、ｑ軸方向インダクタンスＬｑ
とすると、励磁電流ｉｄを流した方向へは電圧Ｖｄ＝−
Ｌｑ・ｄｉｑ／ｄｔ＝−ω・Ｌｑ・ｉｑの電圧が発生
し、ｉｑを流した方向へは電圧Ｖｑ＝Ｌｄ・ｄｉｄ／ｄ
ｔ＝ω・Ｌｄ・ｉｄの電圧が発生する。電圧Ｖ０は前記
電圧Ｖｄ、Ｖｑの合成電圧である。モータの出力パワー
Ｐは、Ｐ＝ω・Ｌｄ・ｉｄ・ｉｑ−ω・Ｌｑ・ｉｑ・ｉ
ｄ＝ω・（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄ・ｉｑ＝ｖ０・ｉ０・Ｃ
ＯＳ（θＰＲ）として表される。ここで、θＰＲは電圧
Ｖ０と電流ｉ０との位相差であり、ＣＯＳ（θＰＲ）は
力率である。

【０００７】図２４は、２個の永久磁石を使用した電動
機機能と界磁巻き線よりなるハイブリッド型の３相６極
の同期電動機の縦断面図である。断面ＥＦ及び断面ＧＨ
のロータの横断面図を図２５に示す。２５，２６は２個
の電動機機能のそれぞれのステータＳＴ１，ＳＴ２であ
り、３相交流巻き線２８は両ステータを貫通し、その巻
き方法は通常の３相誘導電動機の３相交流巻き線と同様
である。２９は両ステータ、両ロータを介して矢印３０
で示される界磁磁束を励磁する界磁巻き線であり、ロー
タの回転方向に巻回されている。１はロータ軸である。
２２は、左側のロータＲＴ１のＮ極を構成する永久磁石
であり、ロータ回転方向に電気角で３６０度ごとに３個
配置されている。２３はロータＲＴ１の磁路である。３
２は右側のロータＲＴ２のＳ極を構成する永久磁石であ
り、ロータ回転方向に電気角で３６０度ごとに３個配置
されていて、その回転方向位置は前記永久磁石２２とは
回転方向に電気角で１８０度位相が異なる。２４，２７
はロータ軸方向に磁束を誘導するロータ側及びステータ
側のバックヨークである。

【０００８】３１、２１は軟磁性体で構成される磁極で
あり、その部分の磁束は界磁巻き線２９に通電される電
流により変化する。前記界磁巻き線２９の励磁電流ＩＦ
Ｓ＝０の時は磁極３１，２１へは磁束は励磁されず、永
久磁石２２，３２の間で磁束が形成される。励磁電流Ｉ
ＦＳが負の時、界磁磁束が矢印３０で示される方向に生
成されると仮定すると、磁極３１はＮ極となり、磁極２
１はＳ極となり、その磁束の大きさは界磁電流ＩＦＳの
大きさに比例する。励磁電流ＩＦＳが正の時、界磁磁束
が矢印３０で示される方向とは逆方向に生成され、磁極
３１はＳ極となり、磁極２１はＮ極となり、その磁束の
大きさは界磁電流ＩＦＳの大きさに比例する。

【０００９】励磁電流ＩＦＳが正の時にロータＲＴ１の
各磁極及びロータＲＴ２の各磁極はロータ回転方向にＮ
極およびＳ極が交互に形成され、図２０に示す永久磁石
電動機のように作用する。一方、励磁電流ＩＦＳが負の
時には、ロータＲＴ１の各磁極は全て同極のＮ極とな
り、電動機機能としては磁極２２の磁束と磁極３１の磁
束の差分が電動機として作用することになり、効果とし
ては界磁弱めを行ったと同じ効果となる。ロータＲＴ２
についても、各磁極は全て同極のＳ極となり、電動機機
能としては磁極３２の磁束と磁極２１の磁束の差分が電
動機として作用することになり、効果としては界磁弱め
を行ったと同じ効果となる。このように、励磁電流ＩＦ
Ｓを正から負まで制御することにより界磁の実効的磁束
を強めたり弱めたりできるので、この同期電動機の回転
数制御範囲を広く運転制御することが可能である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図２０に示す永久磁石
型同期電動機は、トルクの制御性が良く広く使用されて
いるが、界磁がほとんど永久磁石の特性で決まり、界磁
弱め制御ができないため、基底回転数以上において界磁
弱め制御による定パワー制御ができないという課題があ
る。

【００１１】磁石埋め込み構造永久磁石電動機は界磁磁
束を逆励磁する事により界磁を弱めることが可能である
が、界磁弱め制御のために常に大きな電流を要するた
め、高速回転で軽負荷運転をするとき効率を悪化させる
という課題がある。また、高速回転中に停電等の非常事
態が発生した場合、界磁弱め制御ができなくなるためモ
ータが大きな電圧を発生することになり、その安全対策
として、非常時にはモータと制御回路とを分離する安全
回路等が必要となるという課題がある。

【００１２】図２１，図２２に示すシンクロナスリラク
タンスモータは、トルク電流ｉｑが磁束ＭＦｑを生成す
るため、励磁電流ｉｄと磁束ＭＦｑの積に比例する出力
トルクと逆方向の力Ｆ２を発生し、モータの出力が低下
し、結果としてモータの効率、力率が低くなるという課
題がある。

【００１３】図２４のハイブリッド励磁型同期電動機
は、トルク電流が小さい範囲では理想に近い界磁制御が
可能であるが、現実にはトルク電流を流すと電機子反作
用が増加し、トルク電流が零の時に比較して磁極３１，
磁極２１の磁束分布に回転方向の偏りが発生し、特に基
底回転数以上の高速回転で発生トルクの低下、同期電動
機の端子電圧が増加するという課題がある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る同期電動機
は、ロータのＮ極磁極の少くとも一方の磁極端に配置さ
れたＮ極永久磁石ＰＭＮと、ロータのＳ極磁極の少くと
も一方の磁極端に配置されたＳ極永久磁石ＰＭＳと、ロ
ータのＮ磁極中央部にある軟磁性体の磁極部ＰＮと、ロ
ータのＳ磁極中央部にある軟磁性体の磁極部ＰＳと、を
備える。

【００１５】また、本発明に係る同期電動機は、各スロ
ットの電流ベクトルのステータの各スロットに多相の正
弦波電流が通電されるときの、ステータの各スロット内
の巻き回数と通電電流の積すなわちアンペア・ターン数
の振幅がほぼ等しく、電流ベクトルの位相がそれぞれの
スロットのロータ回転方向位置にほぼ一致するように各
相の巻き線が各スロットに巻回されているステータを備
える。

【００１６】また、本発明に係る同期電動機は、ステー
タの各相巻き線に正弦波の電流が供給される時、ステー
タのそれぞれの歯の間隔が各スロット内に配設されてい
る巻き線が作り出す電流ベクトルの大きさすなわち電流
最大値にほぼ比例しているステータを備える。

【００１７】また、本発明に係る同期電動機は、ロータ
に複数の磁極を持ち、その各磁極のロータ回転方向位置
が等間隔である位置に対してステータの１スロットピッ
チのＮＮ／ＮＲだけロータ回転方向にシフトした構造の
ロータをを備える。ここでＮＮは各磁極ごとにきめる整
数であり、そのロータの全磁極の中には２種類以上の整
数があり、ＮＲはロータの磁極をロータ回転方向にシフ
トする種類を表しそのロータに固有の１種類の整数であ
る。

【００１８】また、本発明に係る同期電動機は、ステー
タに巻き線を配設する複数のスロットが円周上に配置さ
れる多相の同期電動機において、ステータの磁極数をＮ
ＰＰとすると、ステータをロータ回転方向にＮＰＰ以下
の数ＮＰＰ１に機能的に分割し、分割されたステータの
機能ブロックがロータ回転方向位置に等間隔である位置
に対してステータの１スロットピッチのＮＰＰ２／ＮＰ
Ｐ１だけロータ回転方向にシフトした構造のステータを
備える。ここでＮＰＰ２は整数である。

【００１９】また、本発明に係る同期電動機は、前記磁
極部ＰＮあるいは前記磁極部ＰＳの近傍に、磁極の磁束
方向と垂直な方向へは磁束が存在しにくいような空気層
あるいは磁気絶縁体からなるスリット等の磁気絶縁体部
ＩＰを備える。

【００２０】また、本発明に係る同期電動機は、前記磁
極部ＰＮと前記磁極部ＰＳとの間に空気層あるいは磁気
絶縁体からなるほぼスリット状の磁気絶縁体部ＩＰＳ
と、前記磁気絶縁体部ＩＰＳを横断して接続された接続
部と、前記接続部の近傍に配置され接続部に磁束を供給
する永久磁石とを備える。

【００２１】本発明は、同期電動機の速度制御におい
て、少なくともそれぞれの回転速度ＶＥＬで最大のトル
ク制御を行う場合には、回転速度零から基底回転数まで
は界磁の励磁電流であるｄ軸電流をほぼ一定に通電し、
基底回転数から上の回転数領域ではほぼ（Ｋｆ１／ＶＥ
Ｌ−ＫＰＦ）となるｄ軸電流で制御するｄ軸電流制御手
段を備える制御装置とする。

【００２２】ここでＫｆ１はステータの巻き線数と界磁
磁束に関係した同期電動機固有の定数であり、ＫＰＦは
永久磁石ＰＭＮ、永久磁石ＰＭＳに関係した同期電動機
固有の定数である。

【００２３】本発明は更に、同期電動機の内部構成とし
て２組のステータＳＴ１，ＳＴ２とロータＲＴ１，ＲＴ
２及びそれらの間に界磁巻き線を有する同期電動機にお
いて、ロータＲＴ１の磁極に電気角で３６０度ごとに配
置されたＮ極永久磁石ＨＢＮと、ロータＲＴ１のＳ極磁
極の磁極端に配置されたＳ極の永久磁石ＨＢＰＭＳと、
ロータＲＴ１のＳ磁極中央部に配置された軟磁性体の磁
極部ＨＢＰＳと、ロータＲＴ２に前記ロータＲＴ１のＮ
極永久磁石ＨＢＮと電気角で１８０度回転方向にシフト
された位置に配置されたＳ極永久磁石ＨＢＳと、ロータ
ＲＴ２のＮ極磁極の磁極端に配置されたＮ極の永久磁石
ＨＢＰＭＮと、ロータＲＴ２のＮ磁極中央部に配置され
た軟磁性体の磁極部ＨＢＰＮと、を備える同期電動機と
する。

【００２４】

【作用】本発明は、同期電動機の構造を、界磁磁束の弱
め制御を行えるようにロータの磁極のほぼ中央部を軟磁
性体の磁極構造とする。トルク電流であるｑ軸電流が界
磁磁束を変動させにくいように、ｑ軸方向の磁極表面に
永久磁石を磁極の極性に従って配置する。

【００２５】前記解決手段により各磁極表面の磁束分布
が理想的分布である正弦波分布から大幅にはずれて、乱
れるためトルクリップルが増加するという新たな課題が
発生するため、次の解決手段を使う。すなわち、各スロ
ットの電流ベクトルのステータの各スロットに多相の正
弦波電流が通電されるときの、ステータの各スロット内
の巻き回数と通電電流の積すなわちアンペア・ターン数
の振幅がほぼ等しく、電流ベクトルの位相がそれぞれの
スロットのロータ回転方向位置にほぼ一致するように、
各スロットに各相の巻き線を巻回する。

【００２６】他の方法として、ステータのそれぞれの歯
の間隔が各スロット内に配設されている巻き線が作り出
す電流ベクトルの大きさすなわち電流最大値にほぼ比例
する構造とする。他の方法として、ステータの磁極数を
ＮＰＰとすると、ステータをロータ回転方向にＮＰＰ以
下の数ＮＰＰ１に機能的に分割し、分割されたステータ
の機能ブロックがロータ回転方向位置に等間隔である位
置に対してステータの１スロットピッチのＮＰＰ２／Ｎ
ＰＰ１だけロータ回転方向にシフトした構造のステータ
とする。ここでＮＰＰ２は整数である。

【００２７】ステータ内にスロットが離散的に配置され
ることに起因するトルクリップルを低減する方法とし
て、ロータに複数の磁極を持ち、その各磁極のロータ回
転方向位置が等間隔である位置に対してステータの１ス
ロットピッチのＮＮ／ＮＲだけロータ回転方向にシフト
した構造のロータとする。ここでＮＮは各磁極ごとにき
める整数であり、そのロータの全磁極の中には２種類以
上の整数があり、ＮＲはロータの磁極をロータ回転方向
にシフトする種類を表し、最大値はロータの極数であ
り、そのロータに固有の１種類の整数である。

【００２８】ｑ軸電流ｉｑによるロータ磁束分布の乱れ
を低減するため、ロータの軟磁性体部にスリット等の磁
気抵抗の大きい隔壁を設ける。

【００２９】前記スリット等の磁気的隔壁を設けること
によりロータが機械強度的に弱くなるため、前記スリッ
ト部等に接続部を設け、その接続部近傍に永久磁石を配
置し、前記接続部を磁気的に飽和させることにより前記
接続部からの漏れ磁束を低減させ、漏れ磁束による特性
劣化を低減する。

【００３０】界磁の励磁電流制御を回転速度零から基底
回転数までは界磁の励磁電流であるｄ軸電流をほぼ一定
に通電し、基底回転数から上の回転数領域ではほぼ（Ｋ
ｆ１／ＶＥＬ−ＫＰＦ）となるｄ軸電流で制御する。

【００３１】ここでＫｆ１はステータの巻き線数と界磁
磁束に関係した同期電動機固有の定数であり、ＫＰＦは
永久磁石ＰＭＮ、永久磁石ＰＭＳに関係した同期電動機
固有の定数である。

【００３２】同期電動機の内部構成として２組のステー
タＳＴ１，ＳＴ２とロータＲＴ１，ＲＴ２及びそれらの
間に界磁巻き線を有する同期電動機において、ロータＲ
Ｔ１の磁極に電気角で３６０度ごとに配置されたＮ極永
久磁石ＨＢＮと、ロータＲＴ１のＳ極磁極の磁極端に配
置されたＳ極の永久磁石ＨＢＰＭＳと、ロータＲＴ１の
Ｓ磁極中央部に配置された軟磁性体の磁極部ＨＢＰＳ
と、ロータＲＴ２に前記ロータＲＴ１のＮ極永久磁石Ｈ
ＢＮと電気角で１８０度回転方向にシフトされた位置に
配置されたＳ極永久磁石ＨＢＳと、ロータＲＴ２のＮ極
磁極の磁極端に配置されたＮ極の永久磁石ＨＢＰＭＮ
と、ロータＲＴ２のＮ磁極中央部に配置された軟磁性体
の磁極部ＨＢＰＮと、を備え、前記界磁巻き線に励磁電
流ＩＦＳを正から負まで制御することにより界磁の実効
的磁束を強めたり弱めたりし、トルク電流の悪影響を少
なく、回転数制御範囲を広く安定して運転制御する。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態である３相６極
の同期電動機の断面図を図１に示す。ロータの磁極は、
Pole１，pole２，pole３，pole４，pole５，pole６とし
て示されている。磁極pole５の両端にはＮ極永久磁石３
５，４１が配置され、磁極中央部４０は軟磁性体であ
る。この軟磁性体４０は電磁鋼板で構成され、ロータ軸
１の軸方向に積層されている。磁極pole６の両端にはＳ
極永久磁石３８，３４が配置され、磁極中央部３９は軟
磁性体である。７はステータであり、汎用的な誘導電動
機等のステータと類似の構造であり、各スロット１〜３
６の巻き線図の例を図２に示す。Ｕ，Ｖ，Ｗは同期電動
機の３相交流端子であり、Ｎはスター結線の中性点であ
り、巻き線の巻き方は全節巻きである。

【００３４】図１の同期電動機の電磁気的動作を説明す
るために、２極にモデル化した図を図３に示す。ステー
タの巻き線電流は、界磁の励磁電流であるｄ軸電流４
４，４５に、トルク電流であるｑ軸電流４２，４３にモ
デル化している。Ｎ極永久磁石４７，４６と軟磁性体の
磁極部４８とがロータのＮ極を構成している。Ｓ極永久
磁石４９，５０と軟磁性体の磁極部５１とがロータのＳ
極を構成している。

【００３５】各永久磁石を通る磁束はそれぞれの永久磁
石により規制され、磁束５３，５４として示される。軟
磁性体の磁極部４８，５１を通過する磁束は、ｄ軸電流
４４，４５により励磁され、磁束５５，５６，５７，５
８のように示される。この状態では図２０に示した永久
磁石電動機と同じ関係になっている。また、図２２に示
したシンクロナスリラクタンスモータともほぼ類似の関
係になっている。この状態でトルク電流であるｑ軸電流
４２，４３を通電すると、ｑ軸方向にｑ軸電流の起磁力
による磁束が増加するが、ｑ軸方向へは永久磁石４６，
４７，４９，５０が配置してあるため、ｑ軸方向の磁束
の変化が小さく、ｑ軸方向の磁束成分に起因するトルク
低減効果は小さい。

【００３６】また、破線で示したスリット５２を追加す
ることも有効である。スリット５２は、空隙あるいは磁
気抵抗の大きな材料であり、スリットへ垂直な方向へは
磁気抵抗が大きく、ｑ軸方向の磁束成分を妨げる効果が
ある。このスリットの数は１個から複数本まで可能であ
り、製造の容易さと特性の改善とのかねあいで選ぶこと
ができる。また、スリット５２ＥはＮ極永久磁石４７、
Ｓ極永久磁石５０と軟磁性体の磁極部４８，５１との間
に配置されており、両者を磁気的に分離する効果があ
る。このスリット５２Ｅの幅を広くすることにより、よ
り効果的に永久磁石磁極の特性と軟磁性体磁極の特性を
合成して得ることができる。ベクトル図である図２３で
説明すると、励磁電流ｉｄを流した方向へは電圧Ｖｄ＝
−Ｌｑ・ｄｉｑ／ｄｔ＝−ω・Ｌｑ・ｉｑの電圧が発生
するが、ｑ軸方向の磁束変化は前記永久磁石の効果によ
り低減しているのでＬｑは小さく、ベクトル（ω・Ｌｑ
・ｉｑ）は小さくできる。モータの出力パワーＰは、Ｐ
＝ω・Ｌｄ・ｉｄ・ｉｑ−ω・Ｌｑ・ｉｑ・ｉｄ＝ω・
（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄ・ｉｑ＝ｖ０・ｉ０・ＣＯＳ（θ
ＰＲ）として表され、第２項は小さい値であることか
ら、大きなトルク、大きな出力を得ることができる。同
時に、電圧Ｖ０と電流ｉ０との位相差であるθＰＲを小
さくすることができ、力率ＣＯＳ（θＰＲ）を改善する
ことができ、同期電動機の制御装置の駆動効率を改善す
ることができる。

【００３７】次に、基底回転数以上の高速な回転制御を
行う場合の界磁弱め制御について説明する。図３におい
て、ｄ軸電流４４，４５を徐々に小さくすると、軟磁性
体の磁極部４８，５１の磁束も徐々に小さくなってゆ
き、Ｎ極磁極である４６，４７，４８の合計磁束が小さ
くなってゆき、界磁弱め制御が実現できる。ｄ軸電流４
４，４５を零にすれば軟磁性体の磁極部４８，５１の磁
束はほぼ零になり、永久磁石部の磁束５３，５４だけと
なる。さらに、ｄ軸電流４４，４５を負の値にすれば図
４に示すように、軟磁性体の磁極部４８，５１の磁束は
５９，６０，６１，６２に示すように逆極性となり、Ｎ
極磁極４６，４７，４８の総磁束をさらに小さくするこ
とができる。このように、ｄ軸電流４４，４５を正の値
から負の値まで制御して界磁磁束の制御を自在に行うこ
とができる。また、この時重要なことは前述したよう
に、特に界磁弱め領域において、励磁電流ｉｄである電
流４４，４５の部分の界磁磁束がトルク電流であるｑ軸
電流４２，４３により影響されにくいように永久磁石４
６，４７，４９，５０が配置されていることである。こ
れら永久磁石により励磁電流ｉｄに鎖交する磁束が安定
化されている。

【００３８】なお、ｑ軸方向の磁束は特に高速回転の界
磁弱め領域でその弊害が大きく、その意味でｑ軸方向の
磁束を低減する効果のあるスリット５２は界磁弱め領域
において特に効果的である。

【００３９】トルクの発生方向は、図３，図４では反時
計回転方向ＣＣＷに発生するが、時計回転方向ＣＷにト
ルクを発生させる場合はｑ軸電流を負にすればよい。

【００４０】磁石はさらに複数に分割配置しても良い。
永久磁石４６，４７，４９，５０は、例えば高性能、高
価な希土類磁石と安価なフェライト磁石とを組み合わせ
て使用しても良い。ｑ軸電流の影響を受けにくくするた
めに永久磁石の起磁力を確保することが重要である。特
に磁極の境界部はモータトルク的にも大きな磁束密度で
ある必要はなく、例えば磁極境界部近傍のロータ外周形
状に凹みがあっても良い。

【００４１】図１，図３，図４においてロータの形状
は、永久磁石をその機械的保持のため電磁鋼板の内部に
配置しているが、ロータ表面に接着剤などで固着保持し
ても良い。

【００４２】またトルク発生方向が単一方向である用途
では、大幅な特性劣化をさせずに永久磁石を少なくする
こともできる。例えば、図３の場合では、永久磁石４
７，４９を除去することができる。この場合には、永久
磁石４６と５０がｑ軸電流４２，４３の起磁力の影響を
低減することができるので、ｄ軸電流４４，４５がモー
タトルクを低減させる効果を少なくすることができる。

【００４３】次に、図１の同期電動機を速度制御する制
御装置について説明する。図５は制御装置のブロックダ
イアグラムである。位置検出手段ＰＤＥＴにより同期電
動機ＭＯＴＯＲの回転位置ＰＯＳＤを検出し、速度検出
手段ＶＤＥＴにより速度信号ＶＥＬＤを検出する。速度
指令ＶＥＬＣと速度信号ＶＥＬＤとの差分を減算器ＡＤ
Ｄを求めその出力を速度制御器ＶＣＯＮに入力し、その
出力であるトルク指令をゲイン調整器ＧＣＯＮに入力す
る。

【００４４】一方、界磁磁束を制御する励磁電流である
ｄ軸電流ｉｄの制御は界磁制御手段ＦＣＯＮで行われ、
その入出力特性を図６に示す。横軸ＶＥＬは回転速度
[１／ｍｉｎ]で、縦軸は界磁電流指令ＩＤＣである。例
として、電動機の基底回転数を１０００[１／ｍｉｎ]、
界磁の最大励磁電流を２０[Ａ]とすると、誘導電動機等
の界磁電流制御は、特性Ｐ−ＣＯＮＳＴで示すように、
界磁電流指令ＩＤＣが０から基底回転数１０００[１／
ｍｉｎ]までは２０[Ａ]で、１０００[１／ｍｉｎ]以上
の回転速度では回転速度の逆関数（Ｋｆ／ＶＥＬ）とな
っている。Ｋｆは定数である。この理由は、電動機の制
御装置の電源が３相交流の２００[Ｖ]等、限られた電圧
で制御されるためモータ電圧を高速回転でも一定電圧以
下に押さえて制御するためである。モータ電圧は、一般
的に、界磁磁束と回転速度の積に比例するので、基底回
転速度以上では回転速度の逆数となるように界磁電流指
令ＩＤＣを制御する必要がある。但しこの特性は、電動
機の巻き線抵抗、各巻き線の漏れインダクタンス、その
他の非線形性などは無視した理想的な特性を示してお
り、実際にはそれらの特性を含めた特性とする必要があ
る。

【００４５】本発明の同期電動機の界磁電流制御は、永
久磁石を備えており、図６の特性Ｐ−ＣＯＮＳＴとは異
なる制御を行う必要がある。例として、基底回転数１０
００[１／ｍｉｎ]では界磁電流指令ＩＤＣを２０[Ａ]、
最高回転数４０００[１／ｍｉｎ]では界磁電流指令ＩＤ
Ｃを−２０[Ａ]となるように同期電動機が設計されてい
ると仮定する。特性Ｐ−ＣＯＮＳＴの説明と同様に、定
パワー制御領域での界磁弱め制御は、下記のように行
う。

【００４６】 （φ０＋φＸ）・ＶＥＬ＝ＫＰ２ ‐‐‐‐ （１） （φ０＋φＸ）／（φ０−φＸ）＝１０００／４０００ ∴ φ０＝５／３・φＸＭＡＸ ここで、φ０は永久磁石による磁束、φＸは界磁電流指
令ＩＤＣによる界磁磁束、ＫＰ２は定数、φＸＭＡＸは
界磁電流指令ＩＤＣが２０[Ａ]の最大値の時のその界磁
電流により増加した磁束φＸの値である。従って、各磁
極の磁束が最大になる基底回転数以下の場合、各磁極の
有効磁束の内、永久磁石で供給される磁束φ０は全磁束
の５／８であり、界磁電流指令ＩＤＣにより励起される
最大磁束φＸＭＡＸは全磁束の３／８である。

【００４７】磁束φＸが界磁電流指令ＩＤＣと磁束係数
ＫφＸの積で表されるとすると、（１）式より、 （５／３・φＸＭＡＸ＋ＩＤＣ・ＫφＸ）・ＶＥＬ＝ＫＰ２ （５／３・２０・ＫφＸ＋ＩＤＣ・ＫφＸ）・ＶＥＬ＝ＫＰ２ ∴ ＩＤＣ＝（ＫＰ２／ＫφＸ）／ＶＥＬ−３３．３３‐‐‐（２） となり、ＩＤＣ＝２０，ＶＥＬ＝１０００の点を通るの
であるから、常数Ｋｆ１＝ＫＰ２／ＫφＸ＝５３３３３
となる。（２）式の特性は図６の特性Ｐ−ＣＯＮＸであ
る。界磁電流指令ＩＤＣを（２）式のように制御すれば
本発明の同期電動機において、界磁弱め制御による定パ
ワー制御が可能となる。ただし、前記のように、漏れ磁
束成分、巻き線抵抗等は無視して示した。なお、特性Ｐ
−ＣＯＮＳＴは同期電動機の構造設計によりある程度の
自由度があり、例えば、高速回転領域で軽負荷な場合に
運転効率を上げる必要がある場合には、図１の永久磁石
３８，３４，３５，４１の幅を小さくすれば、最高回転
における界磁電流指令ＩＤＣの絶対値を小さく設計でき
る。また、界磁電流指令ＩＤＣは必ずしも図６の特性で
制御される必要はなく、モータの総合効率などを配慮し
た制御、あるいは例えば、減速時はモータ誘起電圧は通
電上有利に働くので磁束を強めに制御して、小さな電流
で大きなトルクが得られるように制御しても良い。

【００４８】ゲイン調整器ＧＣＯＮは、界磁制御手段Ｆ
ＣＯＮは、同期電動機のトルク定数が界磁の大きさに比
例して変化して速度制御感度が変化することを補償する
ため、速度制御ループのゲイン制御をするもので、界磁
電流指令ＩＤＣの値により適切なゲインを決定しトルク
電流の振幅信号であるＩＱＣを出力する。

【００４９】電流合成手段ＩＡＤは、トルク電流ＩＱＣ
と界磁電流指令ＩＤＣとをベクトル合成し、電流振幅信
号ＩＡＭＰと位相信号ＩＰＨとを出力する。３相電流指
令手段は、電流振幅信号ＩＡＭＰと位相信号ＩＰＨと同
期電動機の回転位置ＰＯＳＤを入力して３相電流指令Ｉ
ＵＣ，ＩＶＣ，ＩＷＣを出力する。

【００５０】電力増幅器ＡＭＰは同期電動機へ３相電流
ＩＵ，ＩＶ，ＩＷを供給する。このような図５に示した
制御により同期電動機の速度制御が実現される。なお、
これらの変形、応用は種々の方法が可能であり、例え
ば、電流の制御はｄ−ｑ軸制御を行う方法、加速度フィ
ードフォワードを追加する方法、電圧フィードフォワー
ドを追加する方法、各種オブザーバを追加する方法など
がある。

【００５１】前記図１，図３，図４の説明で、本発明構
造の同期電動機は力率が良く、効率も良く、かつ高速回
転域での界磁弱め制御も良好に行えることを説明した
が、トルクリップルの観点では新たな問題が発生する。
新たな問題とは、各磁極の磁束分布の乱れに起因するト
ルクリップルの増大である。通常、同期電動機及びその
電圧、電流の制御は３相交流理論に基づいて考えられて
おり、各磁極の磁束分布及び３相電流が正弦波であれば
トルクリップルの小さく良好な制御が実現し、良好な同
期電動機のトルク、パワーが得られる。逆に、各磁極の
磁束分布及び３相電流に大きな高調波を含んでいれば大
きなトルクリップルが発生するという問題が発生する。
本発明の同期電動機では、例えば図４に示すような界磁
弱めの領域において、Ｎ極である４６，４７，４８のう
ち中央部４８の部分が逆極性に励磁されており、このＮ
磁極の全体の磁束分布は正弦波分布にはほど遠い分布と
なり、大きな高調波を含んだ磁束分布となるということ
ができる。従ってこの時トルク電流であるｑ軸電流ｉｑ
を高調波の極めて小さな正弦波で制御しても大きなトル
クリップルが発生すると一般的には言える。

【００５２】このトルクリップルの問題を解決するた
め、本発明では、ステータスロットピッチ以上の周期の
トルクリップル成分を消去しトルクリップルを低減する
手法とステータスロットピッチ以下の周期のトルクリッ
プル成分を消去しトルクリップルを低減する手法とを提
案しており、以下に説明する。

【００５３】３相６極電動機の全節巻きの巻き線図の例
として図２を示したが、各３相巻き線に３相交流電流を
流したと仮定して、その各スロットに通電される電流は
図７に示す電流ベクトルで表現することができる。３相
をＵ，Ｖ，Ｗで、それぞれの逆相をＸ，Ｙ，Ｚで表して
いる。（１）、（２）等はスロット番号を表している。
各スロットの電流ベクトルの振幅はＲＲである。電動機
の電気角３６０度の間が６個の電流ベクトルで離散的に
駆動されている。離散的であることにより高調波成分も
持っており、より多相の電流ベクトルで駆動した方が高
調波が小さいと言える。

【００５４】次に短節巻きの巻き線図の例を図８に示
す。各スロットに流される電流ベクトルは図９の実線と
なる。例えばスロット（２）に巻回された巻き線は、Ｕ
相巻き線であるスロット（１）の半分の巻き回数のＵ相
巻き線とＺ相巻き線であるスロット（３）の半分の巻き
回数のＺ相巻き線とが巻回されており、それぞれの電流
ベクトルはＵ／２，Ｚ／２で振幅ＳＳ＝ＲＲ／２で表さ
れるのでそれらの電流ベクトルの合計は実線で示すＵＺ
Ｓとなる。ＵＺＳの振幅はＲＳであり、ＲＳ＝ＣＯＳ３
０°×ＲＲ＝０．８６６×ＲＲとスロット（１）のＵ相
電流ベクトルより小さい。同様に他のスロットにも各相
の巻き線が巻回されており、電動機の電気角３６０度の
間に１２相の電流ベクトルが配置され、各スロットの電
流ベクトルの振幅は１スロットおきに小さな電流ベクト
ル振幅となっている。図２に比較し、相数が６から１２
に増えたが電流振幅差に起因する高調波成分を持ってい
ると言える。

【００５５】この問題の解決策として、スロット（２）
の電流ベクトルが位相を変えずに振幅がスロット（１）
と同じになるように、スロット（２）に巻回されるＵ相
巻き線とＺ相巻き線の巻き回数を１／ＣＯＳ３０°＝
１．１５５倍に増加させることができる。同様にスロッ
ト（４）、（６）、（８）、（１０）、（１２）の巻き
回数も１．１５５倍に増加させることにより、電気角３
６０度の間に位相は３０度の等間隔で振幅の同じ１２相
の電流ベクトルが配置されたことになり、より高調波を
低減した起磁力分布を得ることができる。なお、巻き回
数の大きくなるスロットの広さは、図１のスロット部の
破線で示すように、他のスロットより広めにする方法も
実用的には有効である。この方式の考え方は、各スロッ
トの電流ベクトルが各スロットの位相角に合った位相で
あり振幅も同じ値に合わせるというものであるから、１
２個に離散的に配置されていることを除けば理想的な起
磁力分布であるといえる。従って、ロータのそれぞれの
磁極の形状が同じであり、ロータの極数は６極であるか
ら機械角で６０度ごとにロータの各磁極が正確に配置さ
れていれば、どのような形状のロータであろうともステ
ータのスロットピッチ以上の周期のトルクリップル成分
は発生しないということができる。

【００５６】また、スロット（２）に巻回されるべき電
流ベクトルの振幅と位相は前記の通りであるが、同じ電
流ベクトルをＵ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚの各相の巻き線を
用いて無数の種類の組み合わせで作り出すことが可能で
ある。前記の説明例は最も単純な１例にすぎない。本発
明には、同じ考え方の巻き線方法は全て含むものであ
る。

【００５７】３相、４極、３６スロットの場合は、２極
あたりのスロット数が６極電動機の図９の例の１２から
１８に増加する。この場合も、各スロットの電流ベクト
ルの合成値の位相を各スロット位置と一致する位相と
し、振幅を同じとすればよい。各スロットに巻回すべき
巻き線の外巻き回数の組み合わせは、前述のように無数
の組み合わせが考えられる。

【００５８】次に図８の巻き線図に示す短節巻きにおい
て、各スロットの電流ベクトルの振幅が異なる状態でト
ルクリップルを低減する他の方法を図１０で示す。図９
の電流ベクトル図に示したように、電流ベクトルＵＺＳ
の振幅ＲＳは電流ベクトルＵの振幅ＲＲに比較し、ＣＯ
Ｓ３０°＝０．８６６である。図１０に示す様に歯の間
隔を１：０．８６６＝３２．８５４°：２７．８４５°
にすれば、その間の電流密度は等価的に均一になったこ
とになる。このような方法で、各スロットの歯の間隔を
変えることにより電流ベクトルの振幅の不均一さに起因
するトルクリップルを改善することができる。なお、図
１０では各歯の中心線の位置が解りやすいように図示し
たためスロット１とスロット２の断面積が異なるように
図示しているが、歯のステータ内周部にあたる位置は変
えずに歯の中央部の位置を変えて各スロットの断面積を
均一にすることは容易にできる。

【００５９】図９，図１０で示した考え方は、種々のス
テータ形状の場合にも適用することができ、本発明に含
むものである。例えば、ステータコアとロータとの間の
空間に巻き線を配置したスロットの無い、いわゆるスロ
ットレス構造のステータの場合は、ステータの各相巻き
線を電流ベクトルの振幅に比例したロータ回転方向の回
転角に分布させればよい。図１０に対応した具体例で考
えてみると、スロット（１）に相当するＵ相巻き線は３
２．１５４度の間に均等分布させ、振幅の小さいスロッ
ト（２）に相当するＵＺＳの巻き線は２７．８４５度の
間に均等分布させ、その他の巻き線についても同様に分
布させればよい。

【００６０】次に、ステータのスロットピッチ以下の周
期のトルクリップル成分を低減する技術について説明す
る。一般的に、各磁極がステータとの間に相対的に同じ
トルクをそれぞれ生成し、そのそれぞれのトルクにはス
ロットピッチ以下の周期の同じトルクリップル成分が含
まれている。そこで、各ロータ磁極の位置をスロットピ
ッチの範囲内で均等にロータ回転方向へシフトして配置
すれば、スロットピッチ以下の周期のトルクリップル成
分の内低次のトルクリップル高調波成分をキャンセルし
て低減できるというものである。

【００６１】次に、本発明ロータの例を図１１に示す。
１はロータ軸、３はロータ軸近傍のロータ鋼板、４は磁
束を通す磁路、３３は空隙もしくは非磁性体、１５は前
記磁路４等をロータ鋼板３へ接続して固定するつなぎ部
である。このつなぎ部１５は、電動機の電磁気的動作に
は不要であり、むしろ有害であるが、ロータ強度を増す
という点で有効である。ロータ外周部３６も電磁鋼板で
接続されており、ロータ強度上有効である。電動機特性
が優先される場合はつなぎ部１５、ロータ外周部３６を
除去することもできる。

【００６２】なお、ロータ強度の強化という点では、接
着剤での固定など他の手法を採用することもできる。ま
た、ロータ外周部３６を作るなどの方法でロータが強固
であれば、スリット状の部分３３は非磁性の空間充填部
材で埋めることにより細い磁路４をより強固に固定する
ことができ、高速回転での遠心力に耐えられる構造とす
ることができる。３４，３５、３９等は永久磁石であ
る。

【００６３】６０°ごとのロータ中心線が１点鎖線で示
されており、各ロータの磁極中心は前記中心線に対して
それぞれ０°，１．６７°，５°，８．３３°、６．６
７°，３．３３°の位置にある。３相６極３６スロット
の図１に示すステータを想定しており、（１ステータス
ロットピッチ１０°／６極）＝１．６７°づつロータ回
転方向にシフトしてある。

【００６４】各磁極と各磁極の境界部との区別は明確で
はないが、強いて区別すると図１１で２点鎖線で示した
角度の範囲ＭＥＧが磁極の境界部であり、ＭＥＧの角度
はそれぞれの磁極境界部によって値が異なる。各磁極の
範囲は磁極境界部ＭＥＧを除いた部分である。図１１の
構成のトルクリップル低減の方法は、同一形状の各ロー
タ磁極をそれぞれ回転方向に前記の角度だけそれぞれシ
フトしてそれぞれの磁極が発生するトルクリップルをト
ータルでキャンセルし低減するものであるが、図１１に
示した実施形態では磁極境界部ＭＥＧが不明確でありそ
れぞれの磁極形状が不明確になっている。具体的に例を
あげて説明する。仮に、各磁極の角度幅は４０度で均等
であると仮定する。永久磁石３４，３８と、軟磁性体の
磁極部３９が一つのＮ極磁極を構成しているが、この磁
極に中心から左側の磁極境界までの角度は３１．６６度
であり、この場合この磁極境界部の幅の右半分の角度Ｍ
ＥＧ／２は（３１．６６−４０／２）＝１１．６６度と
なる。この磁極境界部の幅の左半分の角度ＭＥＧ／２も
同様に計算できて、１１．６度である。同様にそれぞれ
の磁極境界部の幅を計算することができる。この磁極境
界部ＭＥＧは磁極境界線に対して左右対称になるように
磁極境界線の位置を計算して求めてあり、その結果、磁
極境界部ＭＥＧは磁極境界部に左右対称にＮ，Ｓの永久
磁石がそれぞれの磁極に加えて余分に配置されていると
見ることもできる。従って、磁極境界部ＭＥＧの範囲
は、トルクリップルの観点では存在しなくても良いこと
になるが、トルクリップルへの影響は小さく、ロータ製
作上の容易さもあり配置している。なお、前記のよう
に、磁極境界部ＭＥＧはロータ形状を凹状にへこませ、
ロータ表面に磁気的には存在しないように構成しても良
く、その例を後で図１７の例で示す。

【００６５】図１１のような構成とすることによりロー
タ各磁極とステータとの電磁気的作用は前記シフト角分
づつロータ回転方向にシフトされており、１ステータス
ロットピッチ周期以下の周期のトルクリップルはキャン
セルされトルクリップルが低減する。具体的には、１ス
ロット周期と１／２スロット周期と１／３スロット周期
とのトルクリップルがキャンセルされ低減することは幾
何学的に容易に推測できる。なお、スロットピッチより
大きい周期のトルクリップル成分は、前記のステータの
巻き線方法を改良する技術で除去できることが示されて
いる。

【００６６】残りの１／３スロットピッチ周期以下の高
調波のトルクリップル成分は、残った高調波トルクリッ
プル成分の内最も低次の高調波成分の周期の角度だけロ
ータとステータとを相対的にスキューすることにより除
去できる。図１１のロータを１／６スロットピッチだけ
スキューし、それぞれの磁極をシフト量で０°，１．６
７°，３．３３°，５°，６．６７°，８．３３°の位
置にある円周上の各磁極中心線を部分的に取り出して横
軸に並べると、図１２のように表すことができる。それ
ぞれの磁極が１／６スロットピッチだけシフトされ、さ
らに、１／６スロットピッチだけスキューされた結果、
図１２より明らかなようにロータの全周を合計すると、
幾何学的には１スロットピッチだけスキューした関係に
なっている。従って、１スロットピッチ以下のトルクリ
ップル成分が除去されることになる。

【００６７】実際には、１／６スロットピッチだけしか
スキューしていないので、スキュー角が大きいとロータ
軸方向の磁束成分がロータ内に存在するようになるため
スキューの効果が薄れるという弊害も少なく、良好なト
ルクリップルの低減が可能である。

【００６８】なお、各磁極の回転方向へのシフト角の配
置は種々の組み合わせが可能である。また図１１より単
純な磁極のシフト方法でのトルクリップルの低減は可能
であり、図１１のシフト角０°，１．６７°，５°，
８．３３°、６．６７°，３．３３°に相当する値を、
０°，５°，０°，５°、０°，５°とする方法、ある
いは０°，−３．３３°，３．３３°，０°、−３．３
３°，３．３３°とする方法もある。これらのトルクリ
ップル低減構造ではそれぞれに低減されるトルクリップ
ル成分が変わるが、いづれの構造においても主要なトル
クリップル成分が低減される効果がある。

【００６９】また、図１１に示したトルクリップル低減
効果と同等の効果を得る方法として、円周方向へ各磁極
を等分に配置したロータをロータ軸方向に分割して複数
のブロックとし、各ブロックを図１１で示したようなシ
フト量だけ相対的にロータ回転方向へシフトする方法が
ある。前記各ブロックが発生するトルクリップル成分が
ロータトータルでキャンセルされ、トルクリップルが低
減される。さらに、前記各ブロックの間に磁気絶縁層を
設けて各ブロック間の磁束の出入りを低減する方法、ス
キューをする方法もトルクリップル低減に有効である。
なおこの手法は、ロータとステータとの相対的な角度で
あるから、ステータ側をシフトする方法、ロータとステ
ータの両方を相対的にシフトする方法もある。

【００７０】図１１の同期電動機は、磁極境界部へ永久
磁石３４，３５等を使用しており、図２１に示すシンク
ロナスリラクタンスモータに比較して、各磁極の磁束の
位置が変動しにくい構造となっている。その結果、ロー
タ外周部の接続部分の幅を広く設計することが可能とな
り、ロータ強度が向上するので強度的により高速回転ま
で駆動可能である。

【００７１】図１３にステータの構造を変形してスロッ
ト周期以下のトルクリップル成分を低減する方法につい
て、３相６極３６スロットのステータの例を示す。この
時ロータは、図１１のような部分的な回転方向へのシフ
トはせず、各磁極が等分に配置された構造である。スロ
ット１から１２までは従来と同じステータ構造であり、
例えば図１，図９で示したステータ及び電流である。こ
の１２０度の角度が電気角では３６０度であり、電動機
の作用としてまとまった機能単位として作用する。中心
線Ｌ２からＬ３までの１２０度の間は、スロット１４か
ら２４までが反時計回転方向に１スロットピッチの２／
３である６．６６度回転シフトしてある。スロット１３
は、その１／３がスロット１３Ｓに、その２／３がスロ
ット１３Ｍに分割して配置している。スロット１３Ｓと
１３Ｍとは約１２０度離れているが電気角的には約３６
０度であり、電動機作用的にはすぐ隣に配置したことと
同等になる。

【００７２】スロット１３をスロット１３Ｓと１３Ｍに
分割したことによる電動機作用の変化は、図１０の例で
示した作用と類似しており、ある角度の幅の中に角度に
見合った電流を通電することから（電流量／角度）で考
えられる電流密度は変化していないことになり、電動機
動作の概略としてはほぼ同等と考えることができる。中
心線Ｌ２とＬ３の間について、他の観点では、３相６極
３６スロットの電動機と３相６極７２スロットの電動機
と３相６極１０８スロットの電動機とを部分的に混在さ
せたと見ることもできる。

【００７３】中心線Ｌ３からＬ１までの１２０度の間
は、スロット２６から３６までが反時計回転方向に１ス
ロットピッチの１／３である３．３３度回転シフトして
ある。スロット２５は、その２／３がスロット２５Ｍ
に、その１／３がスロット２５Ｓに分割して配置してい
る。スロット２５Ｓと２５Ｍとは約１２０度離れている
が電気角的には約３６０度であり、電動機作用的にはす
ぐ隣に配置したことになる。このような図１３の構造と
することにより、各１２０度のステータブロックが生成
するトルクリップルがキャンセルされ低減するという効
果と、離散的に配置されているスロットの数が３６×３
＝１０８スロットに増加されてスロットが離散的に配置
されていることに起因するトルクリップルが低減される
という効果がある。

【００７４】なお、厳密には、各スロットには各スロッ
トの位置によって決められる位相の電流を流すべきであ
り、中心線Ｌ１とＬ２の１２０度の間の各スロット位置
と他のスロット位置とは６．６６度あるいは３．３３度
回転方向へシフトされているのであるから、各スロット
に巻回される巻き線は図９で示したような考え方で各３
相の巻き回数を決める必要がある。具体的な例として
は、スロット１から１２までの各スロットには図９で示
される巻き線を巻回し、スロット１３Ｓへはスロット１
より（３．３３°×３）位相の異なる電流を、スロット
１４から２４までの各スロットへはスロット１からスロ
ット１１までに流す電流より（−３．３３°×３）だけ
位相の異なる電流ベクトルを、スロット１３Ｍへはスロ
ット１２より（−１．６６°×３）位相の異なる電流
を、スロット２５Ｍへはスロット１より（１．６６°×
３）位相の異なる電流を、スロット２６から３６までの
各スロットへは（−６．６６°×３）だけ位相の異なる
電流を、スロット２５Ｓへはスロット１２より（−３．
３３°×３）位相の異なる電流を通電する。各位相の電
流は、図９で説明したように、それぞれ各３相電流の単
位ベクトルを合成して作ることができ、それぞれのスロ
ットについて各３相の巻き線の巻き数を計算して巻回す
れば良い。各電流ベクトルを作成する方法は前にも述べ
たように理論的には多くの種類がある。現実には、１ス
ロットに巻回される総合計巻き数は例えば２０ターンと
か有限の値であり、理想値に近く、巻き線作業的にも都
合の良い巻き回数を選択することになる。

【００７５】図１３の考え方をロータ軸方向に展開する
ことも可能である。図２１のステータに示すようなごく
普通の対称形のステータをロータ軸方向に分割して複数
ＮＳＢのブロックとし、各ブロックを（スロットピッチ
／ＮＳＢ）だけ互いに回転方向へシフトし、各ブロック
の各スロットへは、前記のように、各スロットへは各ス
ロットの位置によって決められる位相の電流を流すもの
である。前記各ブロックがスロットの離散性に起因して
発生するトルクリップル成分がトータルでキャンセルさ
れ、トルクリップルが低減される。さらに、前記各ブロ
ックの間に磁気絶縁層を設けて各ブロックの間に軸方向
に磁束が出入りしないような構成とし、十分なトルクリ
ップル低減効果が得られるようにする方法も有効であ
る。スキューをする方法もトルクリップル低減に有効で
ある。なおこの手法は、ロータとステータとの相対的な
角度であるから、ロータ側をシフトする方法、ロータと
ステータの両方を相対的にシフトする方法もある。さら
に各スロットの巻き線については、その電流ベクトルが
回転方向位置に適切な電流ベクトルになるように各相の
巻き線が配置されるべきである。

【００７６】次に、図１１のつなぎ部１５の問題点を解
決する方法を図１４、図１５，図１６に示し、説明す
る。図１１のつなぎ部１５は、ロータ強度を強化するた
めにはその幅を太くする必要があるが、一方、つなぎ部
１５の太さに比例して、ｑ軸電流の起磁力によりｑ軸方
向の漏れ磁束が増加しトルク低減、力率低減、効率低
減、特に界磁弱め領域のトルク低減などの現象をもたら
す。すなわち、つなぎ部１５の太さは、ロータ強度とｑ
軸方向の漏れ磁束に起因する電動機の特性劣化とのトレ
ードオフ関係となっている。

【００７７】図１４は本発明ロータの磁極境界部近傍の
部分を示したもので、６３はＮ極磁極の永久磁石、６４
は前記Ｎ極磁極の隣のＳ極磁極の永久磁石、６５はロー
タを強化するロータ外周部、７１，７２はｑ軸方向の磁
束を低減するための空隙あるいは磁気絶縁材、７０はｄ
軸方向の磁束を通す磁路、６８，６９はロータのｑ軸方
向の強度を得るためのつなぎ部、９２，９３はステータ
に通電されるｑ軸電流でありモデル化して示した電流で
ある。ステータに通電されるｄ軸電流は記載していな
い。６６，６７は前記ｑ軸電流９２，９３の起磁力の向
きとは逆方向に向けた極性に配置された永久磁石であ
り、つなぎ部６８，６９へ図１４の上方から下方へ磁束
を生成しつなぎ部６８，６９を磁気飽和させることによ
りｑ軸電流により生成されるｑ軸方向の漏れ磁束を低減
する作用がある。また、永久磁石６６，６７は、空隙部
７１，７１のｑ軸方向漏れ磁束を逆方向に補う効果、ロ
ータ外周部６５の部分のｑ軸方向漏れ磁束を逆方向に補
う効果もある。図１４の構造はｑ軸電流が図１４に示し
た方向に通電されるときに効果が大きく、片方向の回転
トルクのみを必要とする用途の電動機の構成に適してい
る。

【００７８】図１５は、図１４に比較して、永久磁石７
３，７４が９０度異なる磁気方向に配置したもので、つ
なぎ部６８，６９の磁気飽和によりｑ軸方向の漏れ磁束
を低減する効果がある。

【００７９】図１６は、つなぎ部７７，７８に並列して
永久磁石７５，７６をお互いに磁気的に逆方向に配置し
た構造であり、ｑ軸電流が正である時と負である時の両
方の場合にｑ軸方向の漏れ磁束を低減する効果がある。

【００８０】図１７は、本発明同期電動機のロータの例
であり、７９は空隙部あるいは磁気絶縁材である。ｑ軸
電流の起磁力が軟磁性体の磁極部３９に作用する電機子
反作用を低減するために前記空隙部７９を配置してい
る。ロータ軸１はステンレスなどの非磁性鋼である方が
より効果的である。図１１に比較して、空隙部７９が単
純な形状となっている。空隙部７９の外形側と内径側に
ｑ軸方向磁路がわずかに形成されており、ｑ軸電流起磁
力によりそれらの部分にｑ軸方向磁束が多少発生する
が、空隙部７９が存在しない場合に比較し軟磁性体の磁
極部３９の磁束分布はｑ軸電流起磁力の影響を受けにく
い構造となる。

【００８１】図１８は、本発明の同期電動機のロータの
他の実施形態である。図１１のロータに比較し、磁極の
外形形状が凹凸形状となっている。例えば、８０，８
１，８２がＮ極磁極を形成しており、隣接するＳ極磁極
の磁極形状と外形形状は同一である。８０，８２の部分
は特にＮ極磁石８３に強く励磁され、８１の軟磁性体の
磁極部はｄ軸電流により励磁される。８４はＳ極磁極用
の永久磁石である。概略としてトルク発生に有効な磁極
の幅はＰＷ×２の角度幅として示され、Ｎ，Ｓ極の各磁
極の外形形状、磁極幅は共通である。各磁極の境界部で
あるＤＰ１、ＤＰ２、ＤＰ３等で示される領域の幅はそ
れぞれに異なった値となっている。例えば、各磁極の有
効幅ＰＷ×２＝４０°とすると、ＤＰ２＝６０°―１．
６７°＋５°−４０°＝２３．３３°、ＤＰ３＝６０°
＋１．６７°−４０°＝２１．６７°となっている。磁
極の境界部は両隣の磁極中心の間の丁度中間に位置した
構成となっている。

【００８２】このように、各磁極の形状は同一である
が、各磁極の位置はロータ回転方向にステータスロット
ピッチの１／６の整数倍だけシフトされているので、各
磁極が生成するトルクリップルがトータルでキャンセル
され、トルクリップルが低減される構造となっている。

【００８３】次に、図２４で示したハイブリッド型の３
相６極の同期電動機の課題を解決した同期電動機のロー
タ断面図を図１９に示す。ステータは図２４と同じであ
る。図２５に比較し、軟磁性体で構成される磁極３１が
Ｓ極永久磁石８５，８７と軟磁性体の磁極８６で構成さ
ている。同様に軟磁性体で構成される磁極２１がＮ極永
久磁石８８，９０と軟磁性体の磁極８９で構成さてい
る。永久磁石８５，８７，８８，９０等の角度幅は図１
９で２０度としているが特に限定するものではない。こ
のような構成とすることにより、ｑ軸電流の起磁力によ
る軟磁性体磁極３１，２１の磁束分布の変化を大幅に低
減することが可能となる。界磁弱め制御は、前記界磁巻
き線２９により軟磁性体の磁極８６，８９を弱め、ある
いは逆極性に励磁することにより実現できる。また、図
１９の同期電動機のトルクリップル成分は、前記のトル
クリップル低減技術により低減することができる。な
お、図２４，図１９に示す同期電動機は、図１に示す同
期電動機より複雑な構造となり、界磁巻き線２９及びそ
の制御装置も必要である。しかし逆に特徴としては、界
磁制御が独立しており非常に簡単な制御で実現できるこ
と、特に発電機として使用する場合は界磁制御を行うだ
けで３相交流電流の制御装置を備えなくても発電機のシ
ステムを実現できるという特徴がある。

【００８４】なお、前記の本発明同期電動機は、直線上
に展開することによりリニアモータとして変形すること
も可能である。

【００８５】

【発明の効果】本発明の同期電動機は、ｑ軸電流に起因
するｑ軸方向の磁束変化を少なくできるので、大きなト
ルク出力ができ、効率、力率の優れた特性を実現できる
ので、同期電動機の小型化、低コスト化、及び駆動装置
の小型化、低コスト化ができる。

【００８６】また、ｑ軸方向の磁束変化を少なくｑ軸イ
ンダクタンスが小さいので、良好な界磁弱め制御が実現
でき、同期電動機の基底回転数以上の高速回転が実現で
きる。

【００８７】さらに、トルクリップル低減技術を適用す
ることにより、トルクリップルの小さな特性を得ること
ができ、高精密な制御の実現、低騒音、低振動な運転を
実現できる。また、ロータの外周部を強化し易いので、
強度的により高速回転まで駆動できる。図１に示す本発
明同期電動機の場合、ロータに大きな貫通穴をあけるこ
とが容易であり、貫通穴を必要とする用途では好まし
い。

【００８８】また、界磁巻き線と永久磁石とを併用した
ハイブリッド構造の同期電動機においては、界磁制御が
独立しており非常に簡単な制御で実現でき、特に発電機
として使用する場合は界磁制御を行うだけで３相交流電
流の制御装置を備えなくても発電機のシステムを実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明同期電動機の実施形態を示す要部断面
図である。

【図２】 同期電動機の全節巻き巻き線図の例である。

【図３】 本発明同期電動機を２極にモデル化した磁束
分布図である。

【図４】 本発明同期電動機を２極にモデル化した逆極
性励磁時の磁束分布図である。

【図５】 本発明同期電動機の制御装置の実施形態を示
すブロック図である。

【図６】 本発明同期電動機の界磁電流成分の制御特性
図である。

【図７】 図２の巻き線図のステータの各スロットに通
電される電流をベクトルで表した図である。

【図８】 同期電動機の短節巻き巻き線図の例である。

【図９】 図８の巻き線図のステータの各スロットに通
電されるべき電流をベクトルで表した図である。

【図１０】 本発明同期電動機のステータ構造の一例を
示す要部説明図である。

【図１１】 本発明同期電動機のロータ構造の一例を示
す要部説明図である。

【図１２】 本発明同期電動機のスキューされたロータ
構造を説明する図である。

【図１３】 本発明同期電動機のステータ構造の一例を
示す要部説明図である。

【図１４】 本発明同期電動機のロータ構造の一例を示
す要部説明図である。

【図１５】 本発明同期電動機のロータ構造の一例を示
す要部説明図である。

【図１６】 本発明同期電動機のロータ構造の一例を示
す要部説明図である。

【図１７】 本発明同期電動機のロータ構造の一例を示
す要部説明図である。

【図１８】 本発明同期電動機のロータ構造の一例を示
す要部説明図である。

【図１９】 本発明同期電動機のロータ構造の一例を示
す要部説明図である。

【図２０】 従来の永久磁石型同期電動機のロータを示
す図である。

【図２１】 従来のシンクロナスリラクタンスモータの
一例を示す要部断面図である。

【図２２】 図２１の電動機を２極にモデル化した図で
ある。

【図２３】 図２２の電動機の電流及び電圧をベクトル
で示した図である。

【図２４】 従来の永久磁石と界磁巻き線を備えたハイ
ブリッド型の同期電動機を示す図である。

【図２５】 図２４の同期電動機のロータ断面図であ
る。

【符号の説明】

１ ロータ軸、１〜３６ スロット、７ ステータ、３
５，４１ Ｎ極永久磁石、３４，３８ Ｓ極永久磁石、
３９，４０ 磁極中央部。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H576 BB04 DD02 DD07 EE01 EE02 GG02 LL01 LL41 5H619 AA01 BB01 BB06 BB13 BB15 PP01 PP02 PP08 PP14 PP31 5H621 AA02 BB07 BB10 GA01 HH01 5H622 AA02 CA02 CA10 CA11 CB01 PP03 PP11 PP19

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロータのＮ極磁極の少くとも一方の磁極端
   に配置されたＮ極永久磁石と、 ロータのＳ極磁極の少くとも一方の磁極端に配置された
   Ｓ極永久磁石と、 ロータのＮ磁極中央部にある軟磁性体の磁極部と、 ロータのＳ磁極中央部にある軟磁性体の磁極部と、 を備えることを特徴とする同期電動機。
2. 【請求項２】各スロットの電流ベクトルのステータの各
   スロットに多相の正弦波電流が通電されるときの、ステ
   ータの各スロット内の巻き回数と通電電流の積すなわち
   アンペア・ターン数の振幅がほぼ等しく、電流ベクトル
   の位相がそれぞれのスロットのロータ回転方向位置にほ
   ぼ一致するように各相の巻き線が各スロットに巻回され
   ているステータを備えることを特徴とする請求項１記載
   の同期電動機。
3. 【請求項３】ステータの各相巻き線に正弦波の電流が供
   給される時、ステータのそれぞれの歯の間隔が各スロッ
   ト内に配設されている巻き線が作り出す電流ベクトルの
   大きさすなわち電流最大値にほぼ比例しているステータ
   を備えることを特徴とする請求項１記載の同期電動機。
4. 【請求項４】ロータに複数の磁極を持ち、その各磁極の
   ロータ回転方向位置が等間隔である位置に対してステー
   タの１スロットピッチのＮＮ／ＮＲだけロータ回転方向
   にシフトした構造のロータを備えるＮＮは各磁極ごとに
   きめる整数であり、そのロータの全磁極の中には２種類
   以上の整数があり、ＮＲはロータの磁極をロータ回転方
   向にシフトする種類を表しそのロータに固有の１種類の
   整数であることを特徴とする請求項１記載の同期電動
   機。
5. 【請求項５】ステータに巻き線を配設する複数のスロッ
   トが円周上に配置される多相の同期電動機において、 ステータの磁極数をＮＰＰとすると、ステータをロータ
   回転方向にＮＰＰ以下の数ＮＰＰ１に機能的に分割し、
   分割されたステータの機能ブロックがロータ回転方向位
   置に等間隔である位置に対してステータの１スロットピ
   ッチのＮＰＰ２／ＮＰＰ１だけロータ回転方向にシフト
   した構造のステータを備えるＮＰＰ２は整数であること
   を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
6. 【請求項６】前記軟磁性体の磁極部の近傍に、磁極の磁
   束方向と垂直な方向へは磁束が存在しにくいような空気
   層あるいは磁気絶縁体からなるスリット等の磁気絶縁体
   部を備えることを特徴とする請求項１記載の同期電動
   機。
7. 【請求項７】前記軟磁性体の磁極部間に空気層あるいは
   磁気絶縁体からなるほぼスリット状の磁気絶縁体部と、 前記磁気絶縁体部を横断して接続された接続部と、 前記接続部の近傍に配置され接続部に磁束を供給する永
   久磁石とを備えることを特徴とする請求項１記載の同期
   電動機。
8. 【請求項８】同期電動機の速度制御において、 少なくともそれぞれの回転速度ＶＥＬで最大のトルク制
   御を行う場合には、回転速度零から基底回転数までは界
   磁の励磁電流であるｄ軸電流をほぼ一定に通電し、基底
   回転数から上の回転数領域ではほぼ（Ｋｆ１／ＶＥＬ−
   ＫＰＦ）となるｄ軸電流で制御するｄ軸電流制御手段を
   備えるＫｆ１はステータの巻き線数と界磁磁束に関係し
   た同期電動機固有の定数であり、ＫＰＦは永久磁石ＰＭ
   Ｎ、永久磁石ＰＭＳに関係した同期電動機固有の定数で
   あることを特徴とする請求項１記載の同期電動機および
   その制御装置。
9. 【請求項９】同期電動機の内部構成として２組のステー
   タと２組のロータ及びそれらの間に界磁巻き線を有する
   同期電動機において、 一方のロータの磁極に電気角で３６０度ごとに配置され
   たＮ極永久磁石と、 他方のロータのＳ極磁極の磁極端に配置されたＳ極の永
   久磁石と、 一方のロータのＳ磁極中央部に配置された軟磁性体の磁
   極部と、 他方のロータに前記一方のロータのＮ極永久磁石と電気
   角で１８０度回転方向にシフトされた位置に配置された
   Ｓ極永久磁石と、 他方のロータのＮ極磁極の磁極端に配置されたＮ極の永
   久磁石と、 他方のロータのＮ磁極中央部に配置された軟磁性体の磁
   極部と、 を備えることを特徴とする同期電動機。