JP2000139047A - 永久磁石形電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低速回転時と高速回転時で制御方法を変更す
ることなく、基底回転数以上の高速回転運転を効率よく
行うことのできる永久磁石形電動機を提供する。 【解決手段】 永久磁石形電動機のロータ１０の永久磁
石１４ａ〜１４ｄの発生する磁界を弱める磁界を発生す
る磁界調整コイル１８ａ〜１８ｄを有している。前記磁
界調整コイル１８ａ〜１８ｄは、ロータ１０の回転速度
の増加に応じて、ステータの回転磁界により誘起される
電流が増加し、その電流による磁界で永久磁石１４ａ〜
１４ｄの発生する磁界を弱める。その結果、ステータ側
のコイルに発生する逆起電圧を低減し、インバータ駆動
回路の出力電圧制限によるステータ側コイルの電流制限
がかかるタイミングを遅らせ、回転磁界を発生するため
の電流を流し続けて、ロータ１０の回転数をさらに上昇
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、永久磁石形電動
機、特に高速運転を効率よく行うことのできる永久磁石
形電動機の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の永久磁石形電動機は、ステータの
円周に沿って複数配置されたコイルに供給する電流を制
御することにより発生する回転磁界と、ロータの円周に
沿って配置された永久磁石が発生する磁界との相互作用
により所望の回転数（速度）でロータを回転させてい
る。ところで、ロータ側の磁界形成に永久磁石を用いた
場合、前記永久磁石によって形成される磁界による磁束
が一定であるためロータの回転数に比例して、ステータ
側コイルに発生する誘起電圧（逆起電圧）が増加する。
この逆起電圧とステータ側のコイルに回転磁界を発生さ
せるインバータ駆動回路の出力電圧との関係に基づい
て、定トルク領域（低速運転時）の最高回転数（基底回
転数）が決定される。

【０００３】ところで、永久磁石形回転機を基底回転数
以上（高速運転）で定出力駆動する場合、インバータ駆
動回路の出力電圧制限によりステータ側コイルに供給さ
れる電流が減少するためトルクが低下し、真の最高回転
数も低く抑えられてしまう。

【０００４】一般の産業機械等に用いる永久磁石形回転
電機は、極端な高速回転を要求されることは少ないが、
電気自動車や電気鉄道等のように電気推進を行うものに
永久磁石形電動機を使用する場合、基底回転数以上の最
高回転数が要求される。

【０００５】従来、このような基底回転数以上の高速回
転を得るために、定出力範囲で、ｄ軸電流により界磁に
逆向きの磁界を印加し界磁の磁束量を低減させる、いわ
ゆる弱め界磁制御が行われている。この弱め界磁を行う
ことにより永久磁石から受ける逆起磁束の交差数を減ら
すことができるので、ステータ側コイルの発生する逆起
電圧を低減することが可能になり、当該コイルに回転磁
界を発生するための電流を流し続けることが可能にな
り、結果的に、高速域までロータを回転させることがで
きる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記弱め界磁
を行うためには、相当量のｄ軸電流を界磁に同期して流
す必要があるため、効率が低下してしまうという問題が
ある。また、ロータの低速回転時と高速回転時とで制御
方法を変更する必要があり制御回路が複雑になるという
問題がある。なお、特開平９−２００９８５号公報に
は、界磁部の温度や応力等の環境変化を利用して弱め界
磁を行う構成が示されているが、周囲環境は安定しない
ため、それに基づく制御も安定度が低い。

【０００７】本発明は、上記課題に鑑みなされたもので
あり、低速回転時と高速回転時で制御方法を変更するこ
となく、基底回転数以上の高速回転運転を効率よく行う
ことのできる容易な構成の永久磁石形電動機を提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するために、第１の発明は、回転磁界を発生するための
複数のコイルを備えたステータと、所定の磁界を発生す
る複数の永久磁石を有し前記磁界と前記回転磁界との相
互作用により回転するロータと、を含む永久磁石形電動
機において、前記ロータは、前記永久磁石の発生する磁
界を弱める方向の磁界を発生する磁界調整コイルを前記
各永久磁石に対応する位置に有することを特徴とする。

【０００９】ここで、前記各磁界調整コイルは、ダイオ
ード等の直流化手段を有し、ステータ側の回転磁界と交
差することにより、対応する永久磁石の発生する磁界を
弱める方向の磁界を発生する電流を誘起する。この時磁
界調整コイルに流れる電流は、ロータが高速回転になる
程大きくなり、永久磁石の発生する磁界の打ち消し量も
増加する。この構成によれば、ロータの回転数に応じ
て、永久磁石が形成する磁界を弱くし、ステータ側のコ
イルに発生する逆起電圧を低減することが可能になる。
その結果、インバータ駆動回路の出力電圧制限によるス
テータ側コイルの電流制限がかかるタイミングが遅れ、
回転磁界を発生させるための電流を流し続けることが可
能になり、ロータの回転数をさらに上昇することができ
る。また、ロータの回転数上昇のために、ｄ軸電流等を
流す必要が無いので効率的に永久磁石形電動機を駆動す
ることができる。

【００１０】また、上記目的を達成するために、第２の
発明は、第１の発明において、前記磁界調整コイルは、
矩形コアに巻回され、ロータの永久磁石用スロットと平
行に形成されたコイル用スロットに挿入固定されること
を特徴とする。

【００１１】ここで、前記矩形コアはロータを形成する
ロータコアと同様に電磁鋼板を複数枚積層して形成され
ることが望ましく、磁界調整コイルは必要とするロータ
の最高回転数に応じて巻回数が決定される線材で、例え
ばエナメル線等である。また、矩形コアに巻回された磁
界調整コイルは、接着剤等によりコイル用スロット内に
固定される。この構成によれば、所望する永久磁石形電
動機の仕様に応じて磁界調整コイルを容易にチューニン
グして、ロータに組み付けることが可能になり、容易に
高速運転可能な永久磁石形電動機を作成することができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
（以下、実施形態という）を図面に基づき説明する。

【００１３】図１には、本発明の実施形態の永久磁石形
電動機のロータ１０の概念斜視図が示されている。略円
筒形のロータコア１２は、薄板状の電磁鋼板をポンチプ
レス等で打ち抜き加工したものを複数枚積層して形成さ
れている。積層された電磁鋼板は所定の位置を溶接され
略円筒状のロータコア１２となる。このロータコア１２
には、後述するステータ側のコイルで発生する回転磁界
との相互作用によりロータ１０を所定方向に回転させる
ための磁界を発生する永久磁石１４ａ〜１４ｄ（本実施
形態では、４個の永久磁石を有する場合を例に取る）を
収納するためのスロット１６が外周に沿って等ピッチで
形成されている。前記スロット１６に挿入固定されてい
る永久磁石１４ａ〜１４ｄは隣接するもの同士が逆向き
の磁界を発生するように配置されている。例えば、永久
磁石１４ａのロータ外周側がＳ極、中心側がＮ極の場
合、永久磁石１４ｂのロータ外周側がＮ極、中心側がＳ
極になる。同様に永久磁石１４ｃのロータ外周側がＳ
極、中心側がＮ極、永久磁石１４ｄのロータ外周側がＮ
極、中心側がＳ極に成るなるように配置されている。

【００１４】前記永久磁石１４ａ〜１４ｄによって形成
される磁界が図示しないステータコアの内周に突出した
ティースに装着されたコイル（ロータの永久磁石が４個
の場合、ステータのコイルは１２個）によって形成され
る回転磁界に引きずられる状態になり静止したステータ
に対して、ロータが回転することになる。

【００１５】本実施形態の特徴的事項は、ロータの回転
数（速度）に応じて、前記永久磁石１４ａ〜１４ｄの発
生するそれぞれの磁界を弱める方向の磁界を発生する磁
界調整コイル１８ａ〜１８ｄが前記永久磁石１４ａ〜１
４ｄの近傍に配置されているところである。

【００１６】前記磁界調整コイル１８ａ〜１８ｄは、図
２に示すように、薄板状の電磁鋼板２０ａを複数枚積層
し、溶接接合した略方形の矩形コア２０の側面にエナメ
ル線等で形成されるコイル２２を巻回して形成する。前
記コイル２２には、前記ステータ側の回転磁界と交差す
ることにより、コイル２２に誘起される電流を直流化す
るための直流化手段としてのダイオード２４が配置され
ている。このダイオード２４は、図１に示すように、永
久磁石１４ａ〜１４ｄの発生する磁界を弱める方向の磁
界を発生するような向きの電流を流すように挿入方向が
決定されている。すなわち、永久磁石１４ａ〜１４ｄと
同様に隣接する磁界調整コイル１８ａ〜１８ｄにそれぞ
れ逆向きの電流が流れるようにダイオード２４の向きも
隣接同士で逆向きになっている。

【００１７】前記磁界調整コイル１８ａ〜１８ｄは、図
１に示すようにロータコア１２の永久磁石１４ａ〜１４
ｄ用スロット１６の内側（中心側）に形成されたコイル
用スロット２６に収納される。コイル用スロット２６に
収納された磁界調整コイル１８ａ〜１８ｄは、永久磁石
１４ａ〜１４ｄと同様に、接着剤等の固定手段を用い
て、ロータコア１２に永久固定される。

【００１８】ステータ側で発生している回転磁界中を移
動する前記磁界調整コイル１８ａ〜１８ｄには、ロータ
１０の回転速度（単位時間当たりの回転数）に応じて電
流が誘起されるため、ロータ１０が低速で回転している
場合に比べて、高速で回転している方が流れる電流量は
多くなる。つまり、ロータ１０が高速で回転すればする
ほど、磁界調整コイル１８ａ〜１８ｄが発生する磁界が
強くなる。磁界調整コイル１８ａ〜１８ｄにより発生す
る磁界は、永久磁石１４ａ〜１４ｄで発生する磁界と逆
向きの磁界なので、永久磁石１４ａ〜１４ｄで発生する
磁界を打ち消すことになり、当該永久磁石１４ａ〜１４
ｄの磁力（磁界）を弱める。その結果、ステータ側のコ
イルに発生する逆起電圧を低減することが可能になり、
インバータ駆動回路の出力電圧制限によるステータ側コ
イルの電流制限がかかるタイミングが遅れる。その結
果、回転磁界を発生するための電流を流し続けることが
可能になり、ロータの回転数をさらに上昇することがで
きる。

【００１９】図３には、ロータ１０が低速回転（例え
ば、５０００ｒｐｍ以下）で回転している場合に、永久
磁石１４ａ〜１４ｄが形成する磁界による磁束の状態を
概念的に示したものである。一方、図４は、ロータ１０
が高速回転（例えば、１００００ｒｐｍ）で回転してい
る場合に、永久磁石１４ａ〜１４ｄが形成する磁界によ
る磁束の状態を概念的に示したものである。前述したよ
うに、ロータ１０の回転数が上昇すると磁界調整コイル
１８ａ〜１８ｄに誘起される電流が多くなり永久磁石１
４ａ〜１４ｄの磁力（磁界）を弱める。その結果、ステ
ータ２８に装着された回転磁界を発生させるコイル３０
に発生する逆起電圧を減少させ、コイル３０の電流制限
が係るタイミングが遅れ、回転磁界を発生するための電
流をコイル３０に流し続けることが可能になりロータ１
０の回転数をさらに上昇させることができる。

【００２０】図５には、本実施形態の磁界調整コイル１
８ａ〜１８ｄを適用した場合と適用しない場合の永久磁
石形回転機のトルクと回転数とステータ側コイルに現れ
る逆起電圧との関係が示されている。前記磁界調整コイ
ル１８ａ〜１８ｄが無い場合、永久磁石形電動機のステ
ータ側コイルに発生する逆起電圧は、ロータ１０の回転
数の増加に比例して増加する。その場合、永久磁石形電
動機は、トルク曲線で示すように、ロータ１０が基底回
転数に到達するまで、定トルクを発生し、基底回転数を
越えた付近から永久磁石による逆起電圧がインバータ駆
動回路の出力制限に影響を及ぼすようになりトルクが低
下し始める。その後、逆起電圧がインバータ駆動回路の
出力制限電圧と一致した時点で、トルクが無くなりロー
タ回転数の増加も停止し、最終的にはロータの回転が停
止する。

【００２１】一方、磁界調整コイル１８ａ〜１８ｄを備
えたロータ１０の場合、回転数が上昇すると永久磁石の
発生する磁界を弱める逆磁界を磁界調整コイル１８ａ〜
１８ｄが発生するので、ステータ側コイルに現れる逆起
電圧はロータ回転数に比例しなくなり、逆起電圧の増加
は緩やかになる。その結果、逆起電圧がインバータ駆動
回路の出力制限と一致するタイミングが遅れ、回転磁界
を発生するための電流を流し続けることが可能になり、
ロータをより高速回転することができる。

【００２２】ところで、磁界調整コイル１８ａ〜１８ｄ
には、ロータ１０が低速で回転している時でも電流が誘
起されるが、ロータ１０の低速回転時は、所望トルク
（高トルク）を発生させるために永久磁石１４ａ〜１４
ｄの磁力（磁界）を弱めることは好ましくない。そこ
で、磁界調整コイル１８ａ〜１８ｄのコイル２２の巻回
数や線径を適宜選択することにより、コイル抵抗を調節
し、図６に示すように、基底回転数以下では、ほとんど
磁界調整コイル１８ａ〜１８ｄに電流が誘起されないよ
うにすることが好ましい。

【００２３】このように、ロータ１０に磁界調整コイル
１８ａ〜１８ｄを設けるのみで、ロータの回転数に応じ
て、永久磁石１４ａ〜１４ｄの発生する磁界調整を行う
ことが可能になり、ステータ側コイルに現れる逆起電圧
を低減することができるので、永久磁石形電動機の運転
中に制御の切り換え等を行う必要が無く、シンプルな制
御回路でロータを高速回転させることができる。また、
従来のように弱め界磁制御を行うために、ｄ軸電流等を
流す必要が無いので効率的に永久磁石形電動機を駆動す
ることができる。

【００２４】なお、本実施形態では、永久磁石１４ａ〜
１４ｄの内側に磁界調整コイル１８ａ〜１８ｄを配置す
る例を説明したが、永久磁石１４ａ〜１４ｄの磁界を弱
める磁界を発生できる位置なら磁界調整コイル１８ａ〜
１８ｄの配置位置は任意である。また、本実施形態で
は、永久磁石を４個備える例を示したが、２個や６個以
上の場合でも同様の効果を得ることができる。また、さ
らに、ロータの回転数を上昇させたい場合には、磁界調
整コイル１８ａ〜１８ｄによる改善以降に従来の弱め界
磁制御を適用し、ロータ回転数を上昇させてもよい。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、ロータの回転数に応じ
て、永久磁石が形成する磁界を弱くし、ステータ側のコ
イルに発生する逆起電電圧を低減することが可能にな
り、インバータ駆動回路の出力電圧制限によるステータ
側コイルの電流制限がかからないため、ロータの回転数
をさらに上昇させることができる。また、通常の弱め界
磁のようにｄ軸電流等を流す必要が無いので効率的に永
久磁石形電動機を駆動することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態の永久磁石形電動機のロー
タの構成を説明する斜視図である。

【図２】 本発明の実施形態の永久磁石形電動機のロー
タに挿入する磁界調整コイルを説明する斜視図である。

【図３】 本発明の実施形態の永久磁石形電動機のロー
タの低速回転時に永久磁石の発生する磁界を説明する説
明図である。

【図４】 本発明の実施形態の永久磁石形電動機のロー
タの高速回転時に永久磁石の発生する磁界を説明する説
明図である。

【図５】 本発明の実施形態の磁界調整コイルを適用し
た場合としない場合の永久磁石形回転機のトルクと回転
数とステータ側コイルに現れる逆起電圧との関係を説明
する説明図である。

【図６】 本発明の実施形態の磁界調整コイルに誘起さ
れる電流とロータの回転数との関係を説明する説明図で
ある。

【符号の説明】

１０ ロータ、１２ ロータコア、１４ａ〜１４ｄ 永
久磁石、１６ スロット、１８ａ〜１８ｄ 磁界調整コ
イル、２０ 矩形コア、２０ａ 電磁鋼板、２４ ダイ
オード、２６ コイル用スロット、２８ ステータ、３
０ コイル。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転磁界を発生するための複数のコイル
   を備えたステータと、所定の磁界を発生する複数の永久
   磁石を有し前記磁界と前記回転磁界との相互作用により
   回転するロータと、を含む永久磁石形電動機において、 前記ロータは、 前記永久磁石の発生する磁界を弱める方向の磁界を発生
   する磁界調整コイルを前記各永久磁石に対応する位置に
   有することを特徴とする永久磁石形電動機。
2. 【請求項２】 請求項１記載の永久磁石形電動機におい
   て、 前記磁界調整コイルは、矩形コアに巻回され、ロータの
   永久磁石用スロットと平行に形成されたコイル用スロッ
   トに挿入固定されることを特徴とする永久磁石形電動
   機。