JP2004064981A - ブラシレスｄｃモータおよび圧縮機 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な回転子構造で磁石磁束によるトルクとリラクタンストルクを有効に使うことができ、しかも、誘起電圧を略正弦波状にするためのモータ設計を簡単に達成する。
【解決手段】永久磁石４を挿入する永久磁石収容空間３の端部から連続する回転子磁極間の磁束短絡を防止する磁束短絡防止空間５と、回転子内周側鉄芯と回転子外周側鉄芯７を連結する回転子リブ６とを備え、その回転子リブ６を回転子１極当たりの磁極角度の５％以上１５％以下とし、かつ、回転子外周側鉄芯７の角度を８０％以上とした。
【選択図】 図１
【解決手段】永久磁石４を挿入する永久磁石収容空間３の端部から連続する回転子磁極間の磁束短絡を防止する磁束短絡防止空間５と、回転子内周側鉄芯と回転子外周側鉄芯７を連結する回転子リブ６とを備え、その回転子リブ６を回転子１極当たりの磁極角度の５％以上１５％以下とし、かつ、回転子外周側鉄芯７の角度を８０％以上とした。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、永久磁石を回転子の内部に埋め込んでなるブラシレスＤＣモータおよび圧縮機に関し、特に、低損失でかつ、低振動・低騒音なブラシレスＤＣモータおよびこのブラシレスＤＣモータを駆動源とする圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、永久磁石を回転子の内部に埋め込んでなるブラシレスＤＣモータが知られている。
【０００３】
このようなブラシレスＤＣモータ、特にリラクタンストルクを併用する永久磁石を回転子に埋め込んでなるブラシレスＤＣモータにおいては、回転子鉄芯が回転子の表面に存在しているので、固定子と回転子の間の磁気的エアギャップが小さく、回転子の表面の鉄芯の形状に起因して磁束が流れる経路が複雑になり、ひいてはその磁束の急激な変化などに起因して高調波成分の磁束が発生する。そして、その高調波成分の磁束はトルク発生には寄与せず、単に高調波成分の鉄損として損失になってしまうので、モータ効率が悪くなる。
【０００４】
また、上記のように磁束の急激な変化などで発生する高調波成分の磁束は損失以外に、高調波のモータ加振力となり、振動・騒音の要因となっていた。
【０００５】
ブラシレスＤＣモータのこれらの問題点を考慮して、特開平１１−９８７３１号公報に記載されたブラシレスＤＣモータ、および特開２００１−１１２２０２号公報に記載されたブラシレスＤＣモータが提案されている。
【０００６】
具体的には、特開平１１−９８７３１号公報には、回転子表面の鉄芯磁極角度を６０°（約６７％）として、漏れ磁束を防止し、効率向上とコギングトルク（無負荷トルク脈動）を低減するようにしたブラシレスＤＣモータが記載されている。
【０００７】
また、特開２００１−１１２２０２号公報には、永久磁石の固定子側の面の周方向幅が回転子の軸に対してなす角度を２６°〜３６°（約５７％〜８０％）のあるポイントに設定することにより、誘起電圧の歪みを最小とすることができるブラシレスＤＣモータが記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１１−９８７３１号公報に記載されたブラシレスＤＣモータでは、磁束の高調波成分に関しては全く記載されておらず、磁束の集中により鉄損が増加してしまう可能性があり、また、鉄芯磁極角度が小さく、かつ、リブが小さいため、リラクタンストルクが大きく使えない。
【０００９】
換言すれば、コギングトルクを小さくし（振動・騒音を小さくし）、高効率化を図るためには、リラクタンストルクを犠牲にすることが必要になってしまう。
【００１０】
特開２００１−１１２２０２号公報に記載されたブラシレスＤＣモータ（永久磁石回転電機）では、永久磁石の固定子側の面の周方向幅が回転子の軸に対してなす角度の範囲内で誘起電圧の歪みが最小になるポイントを設定しなければならないので、ピンポイント設計が必要となり、実用性に欠けることになってしまう。
【００１１】
また、永久磁石の横幅を大きくとることができず、効率が悪化してしまう。
【００１２】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な回転子構造で磁石磁束によるトルクとリラクタンストルクを有効に使うことができ、しかも、誘起電圧を略正弦波状にするためのモータ設計を簡単に達成することができるブラシレスＤＣモータを提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１のブラシレスＤＣモータは、永久磁石を挿入する永久磁石収容空間端部から連続する回転子磁極間の磁束短絡を防止する磁束短絡防止空間と、回転子内周側鉄芯と回転子外周側鉄芯を連結する回転子リブとを備え、その回転子リブを回転子１極当たりの磁極角度の５％以上１５％以下とし、かつ、回転子外周側鉄芯の角度を８０％以上としたものである。
【００１４】
請求項２のブラシレスＤＣモータは、回転子磁極間の磁束短絡を防止する磁束短絡防止空間と、回転子内周側鉄芯と回転子外周側鉄芯を連結する回転子リブとを備え、磁束短絡防止空間を永久磁石の径方向の厚み以上に設定したものである。
【００１５】
請求項３のブラシレスＤＣモータは、固定子の歯に巻線を直巻きしてなるものである。
【００１６】
請求項４のブラシレスＤＣモータは、両側の磁束短絡防止空間に永久磁石を配置してなるものである。
【００１７】
請求項５のブラシレスＤＣモータは、片側のみの磁束短絡防止空間に永久磁石を配置してなるものである。
【００１８】
請求項６のブラシレスＤＣモータは、各磁極に対応する永久磁石として、平板の永久磁石をＶ字形状に埋め込んでなるものを採用するものである。
【００１９】
請求項７のブラシレスＤＣモータは、各磁極に対応する永久磁石として、板状の永久磁石を回転子外周側を中心とする円弧形状に埋め込んでなるものを採用するものである。
【００２０】
請求項８の圧縮機は、請求項１から請求項７の何れかのブラシレスＤＣモータを駆動源とするものである。
【００２１】
【作用】
請求項１のブラシレスＤＣモータであれば、永久磁石を挿入する永久磁石収容空間端部から連続する回転子磁極間の磁束短絡を防止する目的の磁束短絡防止空間と、回転子内周側鉄芯と回転子外周側鉄芯を連結する回転子リブとを備え、その回転子リブを回転子１極当たりの磁極角度の５％以上１５％以下とし、かつ、回転子外周側鉄芯の角度を８０％以上としているので、簡単な回転子構造で磁石磁束によるトルクとリラクタンストルクを有効に使うことができ、しかも、誘起電圧を略正弦波状にするためのモータ設計を簡単に達成することができる。
【００２２】
さらに説明する。
【００２３】
高調波加振力成分を低減するには１極当たりの回転子外周側鉄芯の割合を大きくすることが好ましく、特に磁極角度を７０％以上に設定することによって大きく電圧歪を低減できる。
【００２４】
また、回転子リブが回転子１極当たりの磁極角度の割合に対して、電圧歪率をみれば、１極当たりの磁極角度の割合が大きくなるほど、電圧歪率が大きくなる。したがって、高調波磁束成分を低減するには１極当たりの回転子外周側鉄芯の割合を小さくすることが好ましい。
【００２５】
さらに、回転子リブの役割としては、内周側鉄芯と外周側鉄芯とを接続し、回転子鉄芯を一体化させる役割と、リブを通る磁束（ｑ軸磁束）にてリラクタンストルクを発生させる役割とがある。そして、回転子リブ角度が大きくなるとモータトルクは増加し、モータ電流を低減でき、結果的に巻線に発生するモータ電流による銅損を低減できる。
【００２６】
したがって、回転子リブを回転子１極当たりの磁極角度の５％以上１５％以下とし、かつ、回転子外周側鉄芯の角度を８０％以上にすることによって、高調波磁束の発生を大幅に抑制し、しかも発生トルクを大きくすることができる。
【００２７】
この結果、簡単な回転子構造で磁石磁束によるトルクとリラクタンストルクを有効に使うことができ、しかも、誘起電圧を略正弦波状にするためのモータ設計を簡単に達成することができる。
【００２８】
請求項２のブラシレスＤＣモータであれば、回転子磁極間の磁束短絡を防止する磁束短絡防止空間と、回転子内周側鉄芯と回転子外周側鉄芯を連結する回転子リブとを備え、磁束短絡防止空間を永久磁石の径方向の厚み以上に設定したのであるから、請求項１の作用に加え、回転子内部の磁束の漏れを小さくして、トルクの低下を防止することができる。
【００２９】
請求項３のブラシレスＤＣモータであれば、固定子の歯に巻線を直巻きしてなるのであるから、請求項１または請求項２の作用に加え、巻線コイル長を小さくして銅損を大幅に低減し、ひいては一層の高効率化を達成することができる。
【００３０】
請求項４のブラシレスＤＣモータであれば、両側の磁束短絡防止空間に永久磁石を配置してなるのであるから、請求項１から請求項３の何れかの作用に加え、永久磁石を増加させてモータ電流を低減し、銅損を低減するとともに、回転子鉄芯のバリア付近に磁束が集中しやすい傾向を緩和して磁束の急激な変化を低減し、鉄損をも低減することができる。
【００３１】
請求項５のブラシレスＤＣモータであれば、片側のみの磁束短絡防止空間に永久磁石を配置してなるのであるから、請求項１から請求項３の何れかの作用に加え、永久磁石を増加させてモータ電流を低減し、銅損を低減するとともに、回転子鉄芯のバリア付近に磁束が集中しやすい傾向を緩和して磁束の急激な変化を低減し、鉄損をも低減することができる。
【００３２】
請求項６のブラシレスＤＣモータであれば、各磁極に対応する永久磁石として、平板の永久磁石をＶ字形状に埋め込んでなるものを採用するのであるから、請求項１から請求項
４の何れかの作用に加え、永久磁石の極当たりの枚数を２枚にすることができる。
【００３３】
請求項７のブラシレスＤＣモータであれば、各磁極に対応する永久磁石として、板状の永久磁石を回転子外周側を中心とする円弧形状に埋め込んでなるものを採用するのであるから、請求項１から請求項４の何れかの作用に加え、永久磁石の極当たりの枚数を１枚にし、かつ、円弧状に永久磁石を配置することで表面積を維持するととともにに生産性を向上することができる。
【００３４】
請求項８の圧縮機であれば、請求項１から請求項７の何れかのブラシレスＤＣモータを駆動源とするのであるから、騒音を低減することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、この発明のブラシレスＤＣモータおよび圧縮機の実施の形態を詳細に説明する。
【００３６】
図１はこの発明のブラシレスＤＣモータに適用される回転子の構成を示す概略図である。なお、固定子の構成は従来のブラシレスＤＣモータの固定子と同様であるから図示および説明を省略する。
【００３７】
この回転子は、回転子鉄芯１の中心部に回転軸を挿通するための軸穴２を有するとともに、回転子の仮想的な中心軸と平行に延び、かつ中心軸を基準とする所定の半径方向と直交する方向に所定長さだけ延びる磁石収容空間３を有し、しかも磁石収容空間３の中央部に板状の永久磁石４を収容している。なお、図１においては、９０°づつずれた半径のそれぞれと直交する方向に延びる４つの磁石収容空間３が示されている。
【００３８】
そして、各磁石収容空間３の、対応する半径方向と直交する方向の端部から回転子鉄芯１の外周縁に近接する所定位置まで延びる磁束短絡防止空間５を有している。
【００３９】
なお、隣り合う磁石収容空間３の互いに近接する磁束短絡防止空間５どうしの間に位置する回転子鉄芯１の部分をリブ６と称し、磁石収容空間３および対応する磁束短絡防止空間５を基準として軸穴２から離れている回転子鉄芯１の部分を回転子外周側鉄芯７と称する。
【００４０】
そして、リブ６を回転子１極当たりの磁極角度の５％以上かつ１５％以下の所定角度に設定し、仮想的な中心軸を基準とする回転子外周側鉄芯の角度θｐを回転子１極当たりの磁極角度の８０％以上の所定角度に設定している。なお、図１において、θｒ１は仮想的な中心軸を基準とする一方の側のリブ６の１／２の角度であり、リブ角度はθｒ１とθｒ２の和である。θｒ２は仮想的な中心軸を基準とする他方の側のリブ６の１／２の角度である。
【００４１】
そして、この構成の回転子を有するブラシレスＤＣモータであれば、簡単な回転子構造で磁石磁束によるトルクとリラクタンストルクを有効に使うことができ、しかも、誘起電圧を略正弦波状にするためのモータ設計を簡単に達成することができる。
【００４２】
さらに説明する。
【００４３】
ブラシレスＤＣモータ内部の磁束の総和は固定子巻線に鎖交される磁束で代表される。固定子巻線に鎖交される磁束の変化（Ｖ＝ｄφ／ｄｔ：ここでφは巻線に鎖交する磁束）がモータ巻線に電圧として現れる。ここで、モータトータルの磁束の変化をモータ電圧で評価することができる。すなわち、磁束の変化が基本波のみの正弦波であれば、基本波のみの磁束の変化によるモータ鉄損が発生するが、例えば、基本波と３次高調波成分が含まれた磁束の変化である場合には、モータ鉄損は基本波に起因する損失と３次高調波成分に起因する損失を含むことになる。以下、鉄損の評価を行う場合、この電圧の高調波成分に着目し、電圧歪率〔％］＝（基本波電圧／高調波電圧の総和）＊１００を用いる。
【００４４】
１）回転子外周側鉄芯の角度と高調波成分との関係
１極当たりの回転子外周側鉄芯の割合に対して電圧歪率を見ると、１極当たりの回転子外周側鉄芯の割合が大きくなるほど、電圧歪率が小さくなる。これはその割合が大きいほど、隣り合う極間の距離が小さくなり、回転子内部、またはエアギャップを通る漏れ磁束が発生し、極間のもれ磁束が固定子側に流れないため、発生するモータ電圧の波形が正弦波状に近くなるためである。よって、高調波加振力成分を低減するには１極当たりの回転子外周側鉄芯の割合を大きくする方が良い。磁極角度に対する電圧歪率を表す図２を参照すれば、磁極角度を７０％以上にすることにより、電圧歪を大幅に低減することができ、しいては高調波加振力成分を低減できる。
【００４５】
２）回転子リブの回転子１極当たりの磁極角度と高調波成分との関係
回転子リブの回転子１極当たりの磁極角度の割合に対して、電圧歪率をみると、１極当たりの磁極角度の割合が大きくなるほど、電圧歪率が大きくなる（図３参照）。これはその割合が大きいほど、隣り合う極間の距離が大きくなり、回転子内部、または磁束短絡防止空間（エアギャップ）を通る漏れ磁束が減少し、極間のもれ磁束が固定子側に急激に流れ、高調波の磁束成分が増加しているためである。よって、高調波磁束成分を低減するためには１極当たりの回転子リブの割合を小さくすればよく、しいては高調波加振力成分を低減できる。
【００４６】
しかしながら、回転子リブの役割としては、内周側鉄芯と外周側鉄芯とを接続し、回転子鉄芯を一体化させる役割と、回転子リブを通る磁束（ｑ軸磁束）にてリラクタンストルクを発生させる役割とがある。すなわち、磁石の径方向厚みに平行に流れる磁束をｄ軸磁束とし、磁石の径方向厚みに直角に流れる磁束＝（回転子表面の鉄芯に流れる磁束＋リブに流れる磁束）をｑ軸磁束とすると、ｑ軸磁束とｄ軸磁束との差がリラクタンストルクとなる。そして、リブに流れる磁束が増えればｑ軸磁束は増加し、ひいてはリラクタンストルクも増加する。その傾向を図４に示す。図４から分かるように、リブ角度が大きくなるとモータトルクは増加し、モータ電流を低減でき、結果的に巻線に発生するモータ電流による銅損を低減できる。
【００４７】
したがって、高調波磁束の発生とトルクの発生を考慮すれば、リブを回転子１極当たりの磁極角度の５％以上１５％以下の所定角度とし、かつ、回転子外周側鉄芯の角度を８０％以上の所定角度にすればよい。
【００４８】
例えば、固定子として３相６スロットの巻線を歯部に直巻きした形状のものを用いる場合には、リブを回転子１極当たりの磁極角度の６．９％に設定し、かつ、回転子外周側鉄芯の角度を８２％に設定することが最も好ましく、最も高調波成分が小さくすることができ、低騒音、高効率化を達成することができる。
【００４９】
上記の構成の回転子において、磁束短絡防止空間５の幅（磁束短絡防止空間幅：磁束短絡防止空間５の、延びる方向とほぼ直交する方向のサイズ）を永久磁石４の厚み（磁石厚み：永久磁石４の、半径方向のサイズ）以上に設定することが好ましい（図５参照）。
【００５０】
この構成を採用すれば、ロータ内部の磁極間の磁束の短絡を大幅に低減できる。
【００５１】
磁束バリア幅と磁石厚みとの比率を横軸にとり、トルクの傾向を見ると、磁束バリアと磁石厚みの比率が１以上である場合に発生トルクはほぼピーク値となることが分かる（図６参照）。
【００５２】
この理由は、磁束バリア幅と磁石厚みの比率が１以上であれば、磁石から発生する磁束のうち、磁束短絡防止空間５を通って隣の極に漏れる磁束の割合が大幅に減り、発生トルクに対して無視できるためである。
【００５３】
また、この場合には、永久磁石４の減磁耐力が大きいので、ブラシレスＤＣモータの性能を低下させることなく永久磁石４の体積を小さくすることができる。
【００５４】
例えば、３相６スロットの巻線を歯部に直巻きしてなる固定子を用いる場合、磁束バリア幅と磁石厚みとの比率を１．２に設定することができ、この場合には、回転子内部の磁束の漏れが小さくなり、しかもトルクの低下は発生しない。
【００５５】
また、上記のブラシレスＤＣモータにおいて、固定子の歯に巻線を直巻きしてなるものを採用することが好ましく、銅損を大幅に低減して低鉄損化を達成することができる。
【００５６】
さらに説明する。
【００５７】
ブラシレスＤＣモータを横成する固定子は大きく２つの種類に分類されることが知られている。すなわち、固定子の複数の歯を跨いで巻線を施す分布巻方式のものと、固定子の歯の各々に１つづつの巻線を施す直巻方式のものである。そして、分布巻方式は固定子の複数の歯を跨いで巻線を施すため、固定子に発生する電磁力が複数の歯に分散され低騒音にでき、ひいては磁束の流れもスムーズになり、鉄損が低減できる特長を有している。反面、直巻方式では固定子の各々の歯に集中して巻線を施すため、巻線コイル長を小さくして銅損を大幅に低減でき、高効率化できる特徴を有しているが、電磁力が各々の歯に集中して、騒音が増加し、かつ、磁束が集中するため鉄損も増加するという問題を有している。そのため、一般的には、低騒音、低鉄損の何れを重視するかによって何れの固定子を採用するかを選択することになるが、この発明のブラシレスＤＣモータでは上述の構成を採用して低騒音化を達成するようにしているので、直巻方式の固定子を採用することによって、低騒音、低鉄損なブラシレスＤＣモータを得ることができる。
【００５８】
３相６スロットの巻線を歯部に直巻きしてなる固定子を有するブラシレスＤＣモータを用いる場合、リブを回転子１極当たりの磁極角度の６．９％、回転子外周側鉄芯の角度を８２％、かつ、磁束バリア幅と磁石厚みとの比率を１．２に設定することが好ましく、同じ３相６スロットの巻線を歯部に直巻きしてなる固定子を用いた従来機（リブが３．５％、回転子外周側鉄芯の角度が５５％、比率が１．０）に比べ大幅に低騒音・低振動で、高効率な（図７参照）モータを実現することができる。
【００５９】
図８はブラシレスＤＣモータの回転子の他の実施の形態を示す概略図である。
【００６０】
この回転子が上記の回転子と異なる点は、各永久磁石収容空間３の両側に位置する磁束短絡防止空間５にも永久磁石８を配置した点のみである。
【００６１】
図９はブラシレスＤＣモータの回転子のさらに他の実施の形態を示す概略図である。
【００６２】
この回転子が図８の回転子と異なる点は、各永久磁石収容空間３の両側に位置する磁束短絡防止空間５のうち、一方のみに永久磁石８を配置した点のみである。
【００６３】
磁束短絡防止空間５は回転子磁極間の漏れ磁束を防止することを目的として設けられているが、これらの実施の形態では、比透磁率が空気とほぼ同等な特性を示す永久磁石８を磁束短絡防止空間５に配置することで、磁石の表面積を拡大しつつも、漏れ磁束を低減できる効果を併せ持たせることができる。このように永久磁石を増加させれば、モータ電流を低減し、銅損を低減する効果と、回転子鉄芯の磁束短絡防止空間５付近に磁束が集中しやすい傾向を磁束短絡防止空間５にある永久磁石８が緩和することによって磁束の急激な変化を低減し、鉄損も低減する効果とを得ることができる。
【００６４】
図１０は、何れの磁束短絡防止空間にも永久磁石を設けない場合、両磁束短絡防止空間に永久磁石を設けた場合、回転方向側の磁束短絡防止空間のみに永久磁石を設けた場合、反回転方向側の磁束短絡防止空間のみに永久磁石を設けた場合、のそれぞれについて、負荷点１（定格ポイント）、負荷点２（定格の１／２のポイント）でのモータ効率を示す図である。
【００６５】
尚、図中のバリアは磁束短絡防止空間のことである。
【００６６】
図１０から分かるように、磁束短絡防止空間に永久磁石を配置することでモータ効率が向上している。
【００６７】
図１１はブラシレスＤＣモータの回転子のさらに他の実施の形態を示す概略図である。
【００６８】
この回転子が上記の回転子と異なる点は、前記永久磁石収容空間３および対応する１対の磁束短絡防止空間５に代えて、Ｖ字状に形成された永久磁石収容兼磁束短絡防止空間９を設けた点、および各永久磁石収容兼磁束短絡防止空間９に１対の永久磁石１０を互いに対称な状態で収容した点のみである。
【００６９】
この構成の回転子を採用した場合には、図８の回転子と比較して、極当たりの永久磁石の枚数を３枚から２枚に減らすことができ、生産性を向上させることができるほか、図８の回転子を採用する場合と同様の作用を達成することができる。
【００７０】
図１２はブラシレスＤＣモータの回転子のさらに他の実施の形態を示す概略図である。
【００７１】
この回転子が図１１の回転子と異なる点は、Ｖ字状に形成された永久磁石収容兼磁束短絡防止空間９に代えて、回転子の外周側を中心とする円弧状の永久磁石収容兼磁束短絡防止空間１１を設けた点、および各永久磁石収容兼磁束短絡防止空間１１に円弧状に湾曲する１つの永久磁石１２を収容した点のみである。
【００７２】
この構成の回転子を採用した場合には、図１１の回転子と比較して、極当たりの永久磁石の枚数を２枚から１枚に減らすことができ、生産性を向上させることができるほか、円弧状に永久磁石を配置することで表面積を維持することができる。
【００７３】
図１３はブラシレスＤＣモータを駆動するための装置の構成を示すブロック図である。
【００７４】
この装置は、交流電源２１からの交流電圧をコンバータ２２により直流電圧に変換し、平滑コンデンサ２３により平滑化し、平滑化された直流電圧をインバータ２４に供給して交流電圧に変換し、ブラシレスＤＣモータ２５に供給している。
【００７５】
そして、電流検出部２６ａ、電圧検出部２６ｂにより検出されたモータ電流およびモータ電圧を入力とし、ブラシレスＤＣモータ２５の機器定数を用いて所定の演算を行って回転子位置および回転速度を出力する位置・速度検出部２７と、回転速度および速度指令を入力として速度制御演算を行って電流指令を出力する速度制御部２８と、電流指令および位相指令を入力として位相制御演算を行う位相制御部２９と、位相制御演算結果、回転子位置、およびモータ電流を入力として電流制御演算を行ってインバータ２４に供給すべき電圧指令を出力する電流制御部３０とを有している。
【００７６】
なお、前記機器定数は予め測定されていればよい。また、各部の構成は従来公知であるから、詳細な説明を省略する。
【００７７】
上記の装置を用いれば、エンコーダなどの回転子位置検出装置を用いることなくブラシレスＤＣモータ２５の回転子位置を検出してインバータ２４を制御することによって、ブラシレスＤＣモータ２５を駆動することができる。
【００７８】
さらに説明する。
【００７９】
ブラシレスＤＣモータを高温高圧環境などで使用するとき、ブラシレスＤＣモータの回転子位置を検出するためのセンサーを内蔵することが困難、もしくは不可能である。そこで回転子位置を検出するためのセンサーを内蔵しないブラシレスＤＣモータ駆動装置が必要となる。
【００８０】
具体的な手法の１つとしては、モータに発生する速度起電力に着目し、回転子の位置と速度を推定する方法がある。この方法は、制御部内部にモータの数式モデルを持ち、推定位置と推定速度起電力に基づいて演算された推定電流と実際に流れているモータ電流により、回転子の位置と速度を同定するものである。（「電流推定誤差に基づくセンサレスブラシレスＤＣモータ制御」：竹下他、参照）また、突極性を持つブラシレスＤＣモータの場合、巻線インダクタンスが回転子の位置により変化するため、位置推定が困難になるが、モータの数式モデルを突極型モータヘ拡張することで位置推定が可能となる（「速度起電力推定に基づくセンサレス突極形ブラシレスＤＣモータ制御」：竹下他、電気学会論文誌Ｄ ｖｏｌ．１１５−Ｄ，Ｎｏ．４，１９９５参照）。
【００８１】
本方式は、ブラシレスＤＣモータに電圧を印加する通電期間には影響を受けず、原理的には１８０度区間すべてにわたって回転子位置検出が可能となり、ひいては１８０度すべての区間において位相を制御できることになる。
【００８２】
この手法を用いることにより、高温高圧部にセンサーを内蔵することなしに、安価に、かつ高信頼性の回転子位置検出が可能となる。また、モータに供給する電流の通電期間を制限することがなくなるため、正弦波通電を達成することが可能となり、ブラシレスＤＣモータの高効率化に寄与する。また、電流位相を自由に進める制御を行うことができることにより、磁石トルクとリラクタンストルクの併用ができ、さらに高効率なブラシレスＤＣモータ駆動ができる。さらに、弱め磁界制御も行えるため、ブラシレスＤＣモータの運転範囲の拡大も達成することができる。
【００８３】
図１３の装置で回転子位置を正確に検出するためには、モータ電流、モータ電圧を正確に検出する必要がある。そして、この要請を考慮すれば、前記の何れかの実施の形態のブラシレスＤＣモータを採用することでモータ電圧の歪を著しく小さくすることができ、回転子位置の検出精度を著しく高めることができる。
【００８４】
高温高圧環境以外の環境で使用されるブラシレスＤＣモータの駆動にも適用できることはもちろんである。
【００８５】
冷凍・空調用の圧縮機の内部は高温高圧であり、上記のようにブラシレスＤＣモータの回転子位置を検出するためのセンサーを内蔵することが困難、もしくは不可能である。
【００８６】
したがって、図１３の装置を用いてブラシレスＤＣモータを駆動するようにすることによって、冷凍・空調用の圧縮機の密閉容器内にブラシレスＤＣモータを組み込むことができる。また、密閉容器などの部材とブラシレスＤＣモータの振動とが共振し、大きな騒音を発生するおそれがあるが、上記の何れかの実施の形態のブラシレスＤＣモータを用いることで騒音を大幅に低減することができる。
【００８７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、簡単な回転子構造で磁石磁束によるトルクとリラクタンストルクを有効に使うことができ、しかも、誘起電圧を略正弦波状にするためのモータ設計を簡単に達成することができるという特有の効果を奏する。
【００８８】
請求項２の発明は、請求項１の効果に加え、回転子内部の磁束の漏れを小さくして、トルクの低下を防止することができるという特有の効果を奏する。
【００８９】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の効果に加え、巻線コイル長を小さくして銅損を大幅に低減し、ひいては一層の高効率化を達成することができるという特有の効果を奏する。
【００９０】
請求項４の発明は、請求項１から請求項３の何れかの効果に加え、永久磁石を増加させてモータ電流を低減し、銅損を低減するとともに、回転子鉄芯のバリア付近に磁束が集中しやすい傾向を緩和して磁束の急激な変化を低減し、鉄損をも低減することができるという特有の効果を奏する。
【００９１】
請求項５の発明は、請求項１から請求項３の何れかの効果に加え、永久磁石を増加させてモータ電流を低減し、銅損を低減するとともに、回転子鉄芯のバリア付近に磁束が集中しやすい傾向を緩和して磁束の急激な変化を低減し、鉄損をも低減することができるという特有の効果を奏する。
【００９２】
請求項６の発明は、請求項１から請求項４の何れかの効果に加え、永久磁石の極当たりの枚数を２枚にすることができるという特有の効果を奏する。
【００９３】
請求項７の発明は、請求項１から請求項４の何れかの効果に加え、永久磁石の極当たりの枚数を１枚にし、かつ、円弧状に永久磁石を配置することで表面積を維持するとともにに生産性を向上することができるという特有の効果を奏する。
【００９４】
請求項８の発明は、騒音を低減することができるという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のブラシレスＤＣモータに適用される回転子の一実施の形態の構成を示す概略図である。
【図２】磁極角度に対する電圧歪率を表す図である。
【図３】リブ角度に対する電圧歪率を表す図である。
【図４】リブ角度に対するトルクを表す図である。
【図５】磁束短絡防止空間の幅を永久磁石４の厚み以上に設定した回転子を示す概略図である。
【図６】バリア幅／磁石厚みに対するトルクを表す図である。
【図７】巻線を歯に直巻きしてなる固定子を有する、この発明、および従来のブラシレスＤＣモータの回転数に対するモータ効率を表す図である。
【図８】ブラシレスＤＣモータの回転子の他の実施の形態を示す概略図である。
【図９】ブラシレスＤＣモータの回転子のさらに他の実施の形態を示す概略図である。
【図１０】磁束短絡防止空間に永久磁石を装着した場合、および装着しない場合におけるモータ効率を表す図である。
【図１１】ブラシレスＤＣモータの回転子のさらに他の実施の形態を示す概略図である。
【図１２】ブラシレスＤＣモータの回転子のさらに他の実施の形態を示す概略図である。
【図１３】ブラシレスＤＣモータ駆動装置の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
３ 永久磁石収容空間 ４、８、１０、１２ 永久磁石
５ 磁束短絡防止空間 ６ 回転子リブ
７ 回転子外周側鉄芯
【発明の属する技術分野】
この発明は、永久磁石を回転子の内部に埋め込んでなるブラシレスＤＣモータおよび圧縮機に関し、特に、低損失でかつ、低振動・低騒音なブラシレスＤＣモータおよびこのブラシレスＤＣモータを駆動源とする圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、永久磁石を回転子の内部に埋め込んでなるブラシレスＤＣモータが知られている。
【０００３】
このようなブラシレスＤＣモータ、特にリラクタンストルクを併用する永久磁石を回転子に埋め込んでなるブラシレスＤＣモータにおいては、回転子鉄芯が回転子の表面に存在しているので、固定子と回転子の間の磁気的エアギャップが小さく、回転子の表面の鉄芯の形状に起因して磁束が流れる経路が複雑になり、ひいてはその磁束の急激な変化などに起因して高調波成分の磁束が発生する。そして、その高調波成分の磁束はトルク発生には寄与せず、単に高調波成分の鉄損として損失になってしまうので、モータ効率が悪くなる。
【０００４】
また、上記のように磁束の急激な変化などで発生する高調波成分の磁束は損失以外に、高調波のモータ加振力となり、振動・騒音の要因となっていた。
【０００５】
ブラシレスＤＣモータのこれらの問題点を考慮して、特開平１１−９８７３１号公報に記載されたブラシレスＤＣモータ、および特開２００１−１１２２０２号公報に記載されたブラシレスＤＣモータが提案されている。
【０００６】
具体的には、特開平１１−９８７３１号公報には、回転子表面の鉄芯磁極角度を６０°（約６７％）として、漏れ磁束を防止し、効率向上とコギングトルク（無負荷トルク脈動）を低減するようにしたブラシレスＤＣモータが記載されている。
【０００７】
また、特開２００１−１１２２０２号公報には、永久磁石の固定子側の面の周方向幅が回転子の軸に対してなす角度を２６°〜３６°（約５７％〜８０％）のあるポイントに設定することにより、誘起電圧の歪みを最小とすることができるブラシレスＤＣモータが記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１１−９８７３１号公報に記載されたブラシレスＤＣモータでは、磁束の高調波成分に関しては全く記載されておらず、磁束の集中により鉄損が増加してしまう可能性があり、また、鉄芯磁極角度が小さく、かつ、リブが小さいため、リラクタンストルクが大きく使えない。
【０００９】
換言すれば、コギングトルクを小さくし（振動・騒音を小さくし）、高効率化を図るためには、リラクタンストルクを犠牲にすることが必要になってしまう。
【００１０】
特開２００１−１１２２０２号公報に記載されたブラシレスＤＣモータ（永久磁石回転電機）では、永久磁石の固定子側の面の周方向幅が回転子の軸に対してなす角度の範囲内で誘起電圧の歪みが最小になるポイントを設定しなければならないので、ピンポイント設計が必要となり、実用性に欠けることになってしまう。
【００１１】
また、永久磁石の横幅を大きくとることができず、効率が悪化してしまう。
【００１２】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な回転子構造で磁石磁束によるトルクとリラクタンストルクを有効に使うことができ、しかも、誘起電圧を略正弦波状にするためのモータ設計を簡単に達成することができるブラシレスＤＣモータを提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１のブラシレスＤＣモータは、永久磁石を挿入する永久磁石収容空間端部から連続する回転子磁極間の磁束短絡を防止する磁束短絡防止空間と、回転子内周側鉄芯と回転子外周側鉄芯を連結する回転子リブとを備え、その回転子リブを回転子１極当たりの磁極角度の５％以上１５％以下とし、かつ、回転子外周側鉄芯の角度を８０％以上としたものである。
【００１４】
請求項２のブラシレスＤＣモータは、回転子磁極間の磁束短絡を防止する磁束短絡防止空間と、回転子内周側鉄芯と回転子外周側鉄芯を連結する回転子リブとを備え、磁束短絡防止空間を永久磁石の径方向の厚み以上に設定したものである。
【００１５】
請求項３のブラシレスＤＣモータは、固定子の歯に巻線を直巻きしてなるものである。
【００１６】
請求項４のブラシレスＤＣモータは、両側の磁束短絡防止空間に永久磁石を配置してなるものである。
【００１７】
請求項５のブラシレスＤＣモータは、片側のみの磁束短絡防止空間に永久磁石を配置してなるものである。
【００１８】
請求項６のブラシレスＤＣモータは、各磁極に対応する永久磁石として、平板の永久磁石をＶ字形状に埋め込んでなるものを採用するものである。
【００１９】
請求項７のブラシレスＤＣモータは、各磁極に対応する永久磁石として、板状の永久磁石を回転子外周側を中心とする円弧形状に埋め込んでなるものを採用するものである。
【００２０】
請求項８の圧縮機は、請求項１から請求項７の何れかのブラシレスＤＣモータを駆動源とするものである。
【００２１】
【作用】
請求項１のブラシレスＤＣモータであれば、永久磁石を挿入する永久磁石収容空間端部から連続する回転子磁極間の磁束短絡を防止する目的の磁束短絡防止空間と、回転子内周側鉄芯と回転子外周側鉄芯を連結する回転子リブとを備え、その回転子リブを回転子１極当たりの磁極角度の５％以上１５％以下とし、かつ、回転子外周側鉄芯の角度を８０％以上としているので、簡単な回転子構造で磁石磁束によるトルクとリラクタンストルクを有効に使うことができ、しかも、誘起電圧を略正弦波状にするためのモータ設計を簡単に達成することができる。
【００２２】
さらに説明する。
【００２３】
高調波加振力成分を低減するには１極当たりの回転子外周側鉄芯の割合を大きくすることが好ましく、特に磁極角度を７０％以上に設定することによって大きく電圧歪を低減できる。
【００２４】
また、回転子リブが回転子１極当たりの磁極角度の割合に対して、電圧歪率をみれば、１極当たりの磁極角度の割合が大きくなるほど、電圧歪率が大きくなる。したがって、高調波磁束成分を低減するには１極当たりの回転子外周側鉄芯の割合を小さくすることが好ましい。
【００２５】
さらに、回転子リブの役割としては、内周側鉄芯と外周側鉄芯とを接続し、回転子鉄芯を一体化させる役割と、リブを通る磁束（ｑ軸磁束）にてリラクタンストルクを発生させる役割とがある。そして、回転子リブ角度が大きくなるとモータトルクは増加し、モータ電流を低減でき、結果的に巻線に発生するモータ電流による銅損を低減できる。
【００２６】
したがって、回転子リブを回転子１極当たりの磁極角度の５％以上１５％以下とし、かつ、回転子外周側鉄芯の角度を８０％以上にすることによって、高調波磁束の発生を大幅に抑制し、しかも発生トルクを大きくすることができる。
【００２７】
この結果、簡単な回転子構造で磁石磁束によるトルクとリラクタンストルクを有効に使うことができ、しかも、誘起電圧を略正弦波状にするためのモータ設計を簡単に達成することができる。
【００２８】
請求項２のブラシレスＤＣモータであれば、回転子磁極間の磁束短絡を防止する磁束短絡防止空間と、回転子内周側鉄芯と回転子外周側鉄芯を連結する回転子リブとを備え、磁束短絡防止空間を永久磁石の径方向の厚み以上に設定したのであるから、請求項１の作用に加え、回転子内部の磁束の漏れを小さくして、トルクの低下を防止することができる。
【００２９】
請求項３のブラシレスＤＣモータであれば、固定子の歯に巻線を直巻きしてなるのであるから、請求項１または請求項２の作用に加え、巻線コイル長を小さくして銅損を大幅に低減し、ひいては一層の高効率化を達成することができる。
【００３０】
請求項４のブラシレスＤＣモータであれば、両側の磁束短絡防止空間に永久磁石を配置してなるのであるから、請求項１から請求項３の何れかの作用に加え、永久磁石を増加させてモータ電流を低減し、銅損を低減するとともに、回転子鉄芯のバリア付近に磁束が集中しやすい傾向を緩和して磁束の急激な変化を低減し、鉄損をも低減することができる。
【００３１】
請求項５のブラシレスＤＣモータであれば、片側のみの磁束短絡防止空間に永久磁石を配置してなるのであるから、請求項１から請求項３の何れかの作用に加え、永久磁石を増加させてモータ電流を低減し、銅損を低減するとともに、回転子鉄芯のバリア付近に磁束が集中しやすい傾向を緩和して磁束の急激な変化を低減し、鉄損をも低減することができる。
【００３２】
請求項６のブラシレスＤＣモータであれば、各磁極に対応する永久磁石として、平板の永久磁石をＶ字形状に埋め込んでなるものを採用するのであるから、請求項１から請求項
４の何れかの作用に加え、永久磁石の極当たりの枚数を２枚にすることができる。
【００３３】
請求項７のブラシレスＤＣモータであれば、各磁極に対応する永久磁石として、板状の永久磁石を回転子外周側を中心とする円弧形状に埋め込んでなるものを採用するのであるから、請求項１から請求項４の何れかの作用に加え、永久磁石の極当たりの枚数を１枚にし、かつ、円弧状に永久磁石を配置することで表面積を維持するととともにに生産性を向上することができる。
【００３４】
請求項８の圧縮機であれば、請求項１から請求項７の何れかのブラシレスＤＣモータを駆動源とするのであるから、騒音を低減することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、この発明のブラシレスＤＣモータおよび圧縮機の実施の形態を詳細に説明する。
【００３６】
図１はこの発明のブラシレスＤＣモータに適用される回転子の構成を示す概略図である。なお、固定子の構成は従来のブラシレスＤＣモータの固定子と同様であるから図示および説明を省略する。
【００３７】
この回転子は、回転子鉄芯１の中心部に回転軸を挿通するための軸穴２を有するとともに、回転子の仮想的な中心軸と平行に延び、かつ中心軸を基準とする所定の半径方向と直交する方向に所定長さだけ延びる磁石収容空間３を有し、しかも磁石収容空間３の中央部に板状の永久磁石４を収容している。なお、図１においては、９０°づつずれた半径のそれぞれと直交する方向に延びる４つの磁石収容空間３が示されている。
【００３８】
そして、各磁石収容空間３の、対応する半径方向と直交する方向の端部から回転子鉄芯１の外周縁に近接する所定位置まで延びる磁束短絡防止空間５を有している。
【００３９】
なお、隣り合う磁石収容空間３の互いに近接する磁束短絡防止空間５どうしの間に位置する回転子鉄芯１の部分をリブ６と称し、磁石収容空間３および対応する磁束短絡防止空間５を基準として軸穴２から離れている回転子鉄芯１の部分を回転子外周側鉄芯７と称する。
【００４０】
そして、リブ６を回転子１極当たりの磁極角度の５％以上かつ１５％以下の所定角度に設定し、仮想的な中心軸を基準とする回転子外周側鉄芯の角度θｐを回転子１極当たりの磁極角度の８０％以上の所定角度に設定している。なお、図１において、θｒ１は仮想的な中心軸を基準とする一方の側のリブ６の１／２の角度であり、リブ角度はθｒ１とθｒ２の和である。θｒ２は仮想的な中心軸を基準とする他方の側のリブ６の１／２の角度である。
【００４１】
そして、この構成の回転子を有するブラシレスＤＣモータであれば、簡単な回転子構造で磁石磁束によるトルクとリラクタンストルクを有効に使うことができ、しかも、誘起電圧を略正弦波状にするためのモータ設計を簡単に達成することができる。
【００４２】
さらに説明する。
【００４３】
ブラシレスＤＣモータ内部の磁束の総和は固定子巻線に鎖交される磁束で代表される。固定子巻線に鎖交される磁束の変化（Ｖ＝ｄφ／ｄｔ：ここでφは巻線に鎖交する磁束）がモータ巻線に電圧として現れる。ここで、モータトータルの磁束の変化をモータ電圧で評価することができる。すなわち、磁束の変化が基本波のみの正弦波であれば、基本波のみの磁束の変化によるモータ鉄損が発生するが、例えば、基本波と３次高調波成分が含まれた磁束の変化である場合には、モータ鉄損は基本波に起因する損失と３次高調波成分に起因する損失を含むことになる。以下、鉄損の評価を行う場合、この電圧の高調波成分に着目し、電圧歪率〔％］＝（基本波電圧／高調波電圧の総和）＊１００を用いる。
【００４４】
１）回転子外周側鉄芯の角度と高調波成分との関係
１極当たりの回転子外周側鉄芯の割合に対して電圧歪率を見ると、１極当たりの回転子外周側鉄芯の割合が大きくなるほど、電圧歪率が小さくなる。これはその割合が大きいほど、隣り合う極間の距離が小さくなり、回転子内部、またはエアギャップを通る漏れ磁束が発生し、極間のもれ磁束が固定子側に流れないため、発生するモータ電圧の波形が正弦波状に近くなるためである。よって、高調波加振力成分を低減するには１極当たりの回転子外周側鉄芯の割合を大きくする方が良い。磁極角度に対する電圧歪率を表す図２を参照すれば、磁極角度を７０％以上にすることにより、電圧歪を大幅に低減することができ、しいては高調波加振力成分を低減できる。
【００４５】
２）回転子リブの回転子１極当たりの磁極角度と高調波成分との関係
回転子リブの回転子１極当たりの磁極角度の割合に対して、電圧歪率をみると、１極当たりの磁極角度の割合が大きくなるほど、電圧歪率が大きくなる（図３参照）。これはその割合が大きいほど、隣り合う極間の距離が大きくなり、回転子内部、または磁束短絡防止空間（エアギャップ）を通る漏れ磁束が減少し、極間のもれ磁束が固定子側に急激に流れ、高調波の磁束成分が増加しているためである。よって、高調波磁束成分を低減するためには１極当たりの回転子リブの割合を小さくすればよく、しいては高調波加振力成分を低減できる。
【００４６】
しかしながら、回転子リブの役割としては、内周側鉄芯と外周側鉄芯とを接続し、回転子鉄芯を一体化させる役割と、回転子リブを通る磁束（ｑ軸磁束）にてリラクタンストルクを発生させる役割とがある。すなわち、磁石の径方向厚みに平行に流れる磁束をｄ軸磁束とし、磁石の径方向厚みに直角に流れる磁束＝（回転子表面の鉄芯に流れる磁束＋リブに流れる磁束）をｑ軸磁束とすると、ｑ軸磁束とｄ軸磁束との差がリラクタンストルクとなる。そして、リブに流れる磁束が増えればｑ軸磁束は増加し、ひいてはリラクタンストルクも増加する。その傾向を図４に示す。図４から分かるように、リブ角度が大きくなるとモータトルクは増加し、モータ電流を低減でき、結果的に巻線に発生するモータ電流による銅損を低減できる。
【００４７】
したがって、高調波磁束の発生とトルクの発生を考慮すれば、リブを回転子１極当たりの磁極角度の５％以上１５％以下の所定角度とし、かつ、回転子外周側鉄芯の角度を８０％以上の所定角度にすればよい。
【００４８】
例えば、固定子として３相６スロットの巻線を歯部に直巻きした形状のものを用いる場合には、リブを回転子１極当たりの磁極角度の６．９％に設定し、かつ、回転子外周側鉄芯の角度を８２％に設定することが最も好ましく、最も高調波成分が小さくすることができ、低騒音、高効率化を達成することができる。
【００４９】
上記の構成の回転子において、磁束短絡防止空間５の幅（磁束短絡防止空間幅：磁束短絡防止空間５の、延びる方向とほぼ直交する方向のサイズ）を永久磁石４の厚み（磁石厚み：永久磁石４の、半径方向のサイズ）以上に設定することが好ましい（図５参照）。
【００５０】
この構成を採用すれば、ロータ内部の磁極間の磁束の短絡を大幅に低減できる。
【００５１】
磁束バリア幅と磁石厚みとの比率を横軸にとり、トルクの傾向を見ると、磁束バリアと磁石厚みの比率が１以上である場合に発生トルクはほぼピーク値となることが分かる（図６参照）。
【００５２】
この理由は、磁束バリア幅と磁石厚みの比率が１以上であれば、磁石から発生する磁束のうち、磁束短絡防止空間５を通って隣の極に漏れる磁束の割合が大幅に減り、発生トルクに対して無視できるためである。
【００５３】
また、この場合には、永久磁石４の減磁耐力が大きいので、ブラシレスＤＣモータの性能を低下させることなく永久磁石４の体積を小さくすることができる。
【００５４】
例えば、３相６スロットの巻線を歯部に直巻きしてなる固定子を用いる場合、磁束バリア幅と磁石厚みとの比率を１．２に設定することができ、この場合には、回転子内部の磁束の漏れが小さくなり、しかもトルクの低下は発生しない。
【００５５】
また、上記のブラシレスＤＣモータにおいて、固定子の歯に巻線を直巻きしてなるものを採用することが好ましく、銅損を大幅に低減して低鉄損化を達成することができる。
【００５６】
さらに説明する。
【００５７】
ブラシレスＤＣモータを横成する固定子は大きく２つの種類に分類されることが知られている。すなわち、固定子の複数の歯を跨いで巻線を施す分布巻方式のものと、固定子の歯の各々に１つづつの巻線を施す直巻方式のものである。そして、分布巻方式は固定子の複数の歯を跨いで巻線を施すため、固定子に発生する電磁力が複数の歯に分散され低騒音にでき、ひいては磁束の流れもスムーズになり、鉄損が低減できる特長を有している。反面、直巻方式では固定子の各々の歯に集中して巻線を施すため、巻線コイル長を小さくして銅損を大幅に低減でき、高効率化できる特徴を有しているが、電磁力が各々の歯に集中して、騒音が増加し、かつ、磁束が集中するため鉄損も増加するという問題を有している。そのため、一般的には、低騒音、低鉄損の何れを重視するかによって何れの固定子を採用するかを選択することになるが、この発明のブラシレスＤＣモータでは上述の構成を採用して低騒音化を達成するようにしているので、直巻方式の固定子を採用することによって、低騒音、低鉄損なブラシレスＤＣモータを得ることができる。
【００５８】
３相６スロットの巻線を歯部に直巻きしてなる固定子を有するブラシレスＤＣモータを用いる場合、リブを回転子１極当たりの磁極角度の６．９％、回転子外周側鉄芯の角度を８２％、かつ、磁束バリア幅と磁石厚みとの比率を１．２に設定することが好ましく、同じ３相６スロットの巻線を歯部に直巻きしてなる固定子を用いた従来機（リブが３．５％、回転子外周側鉄芯の角度が５５％、比率が１．０）に比べ大幅に低騒音・低振動で、高効率な（図７参照）モータを実現することができる。
【００５９】
図８はブラシレスＤＣモータの回転子の他の実施の形態を示す概略図である。
【００６０】
この回転子が上記の回転子と異なる点は、各永久磁石収容空間３の両側に位置する磁束短絡防止空間５にも永久磁石８を配置した点のみである。
【００６１】
図９はブラシレスＤＣモータの回転子のさらに他の実施の形態を示す概略図である。
【００６２】
この回転子が図８の回転子と異なる点は、各永久磁石収容空間３の両側に位置する磁束短絡防止空間５のうち、一方のみに永久磁石８を配置した点のみである。
【００６３】
磁束短絡防止空間５は回転子磁極間の漏れ磁束を防止することを目的として設けられているが、これらの実施の形態では、比透磁率が空気とほぼ同等な特性を示す永久磁石８を磁束短絡防止空間５に配置することで、磁石の表面積を拡大しつつも、漏れ磁束を低減できる効果を併せ持たせることができる。このように永久磁石を増加させれば、モータ電流を低減し、銅損を低減する効果と、回転子鉄芯の磁束短絡防止空間５付近に磁束が集中しやすい傾向を磁束短絡防止空間５にある永久磁石８が緩和することによって磁束の急激な変化を低減し、鉄損も低減する効果とを得ることができる。
【００６４】
図１０は、何れの磁束短絡防止空間にも永久磁石を設けない場合、両磁束短絡防止空間に永久磁石を設けた場合、回転方向側の磁束短絡防止空間のみに永久磁石を設けた場合、反回転方向側の磁束短絡防止空間のみに永久磁石を設けた場合、のそれぞれについて、負荷点１（定格ポイント）、負荷点２（定格の１／２のポイント）でのモータ効率を示す図である。
【００６５】
尚、図中のバリアは磁束短絡防止空間のことである。
【００６６】
図１０から分かるように、磁束短絡防止空間に永久磁石を配置することでモータ効率が向上している。
【００６７】
図１１はブラシレスＤＣモータの回転子のさらに他の実施の形態を示す概略図である。
【００６８】
この回転子が上記の回転子と異なる点は、前記永久磁石収容空間３および対応する１対の磁束短絡防止空間５に代えて、Ｖ字状に形成された永久磁石収容兼磁束短絡防止空間９を設けた点、および各永久磁石収容兼磁束短絡防止空間９に１対の永久磁石１０を互いに対称な状態で収容した点のみである。
【００６９】
この構成の回転子を採用した場合には、図８の回転子と比較して、極当たりの永久磁石の枚数を３枚から２枚に減らすことができ、生産性を向上させることができるほか、図８の回転子を採用する場合と同様の作用を達成することができる。
【００７０】
図１２はブラシレスＤＣモータの回転子のさらに他の実施の形態を示す概略図である。
【００７１】
この回転子が図１１の回転子と異なる点は、Ｖ字状に形成された永久磁石収容兼磁束短絡防止空間９に代えて、回転子の外周側を中心とする円弧状の永久磁石収容兼磁束短絡防止空間１１を設けた点、および各永久磁石収容兼磁束短絡防止空間１１に円弧状に湾曲する１つの永久磁石１２を収容した点のみである。
【００７２】
この構成の回転子を採用した場合には、図１１の回転子と比較して、極当たりの永久磁石の枚数を２枚から１枚に減らすことができ、生産性を向上させることができるほか、円弧状に永久磁石を配置することで表面積を維持することができる。
【００７３】
図１３はブラシレスＤＣモータを駆動するための装置の構成を示すブロック図である。
【００７４】
この装置は、交流電源２１からの交流電圧をコンバータ２２により直流電圧に変換し、平滑コンデンサ２３により平滑化し、平滑化された直流電圧をインバータ２４に供給して交流電圧に変換し、ブラシレスＤＣモータ２５に供給している。
【００７５】
そして、電流検出部２６ａ、電圧検出部２６ｂにより検出されたモータ電流およびモータ電圧を入力とし、ブラシレスＤＣモータ２５の機器定数を用いて所定の演算を行って回転子位置および回転速度を出力する位置・速度検出部２７と、回転速度および速度指令を入力として速度制御演算を行って電流指令を出力する速度制御部２８と、電流指令および位相指令を入力として位相制御演算を行う位相制御部２９と、位相制御演算結果、回転子位置、およびモータ電流を入力として電流制御演算を行ってインバータ２４に供給すべき電圧指令を出力する電流制御部３０とを有している。
【００７６】
なお、前記機器定数は予め測定されていればよい。また、各部の構成は従来公知であるから、詳細な説明を省略する。
【００７７】
上記の装置を用いれば、エンコーダなどの回転子位置検出装置を用いることなくブラシレスＤＣモータ２５の回転子位置を検出してインバータ２４を制御することによって、ブラシレスＤＣモータ２５を駆動することができる。
【００７８】
さらに説明する。
【００７９】
ブラシレスＤＣモータを高温高圧環境などで使用するとき、ブラシレスＤＣモータの回転子位置を検出するためのセンサーを内蔵することが困難、もしくは不可能である。そこで回転子位置を検出するためのセンサーを内蔵しないブラシレスＤＣモータ駆動装置が必要となる。
【００８０】
具体的な手法の１つとしては、モータに発生する速度起電力に着目し、回転子の位置と速度を推定する方法がある。この方法は、制御部内部にモータの数式モデルを持ち、推定位置と推定速度起電力に基づいて演算された推定電流と実際に流れているモータ電流により、回転子の位置と速度を同定するものである。（「電流推定誤差に基づくセンサレスブラシレスＤＣモータ制御」：竹下他、参照）また、突極性を持つブラシレスＤＣモータの場合、巻線インダクタンスが回転子の位置により変化するため、位置推定が困難になるが、モータの数式モデルを突極型モータヘ拡張することで位置推定が可能となる（「速度起電力推定に基づくセンサレス突極形ブラシレスＤＣモータ制御」：竹下他、電気学会論文誌Ｄ ｖｏｌ．１１５−Ｄ，Ｎｏ．４，１９９５参照）。
【００８１】
本方式は、ブラシレスＤＣモータに電圧を印加する通電期間には影響を受けず、原理的には１８０度区間すべてにわたって回転子位置検出が可能となり、ひいては１８０度すべての区間において位相を制御できることになる。
【００８２】
この手法を用いることにより、高温高圧部にセンサーを内蔵することなしに、安価に、かつ高信頼性の回転子位置検出が可能となる。また、モータに供給する電流の通電期間を制限することがなくなるため、正弦波通電を達成することが可能となり、ブラシレスＤＣモータの高効率化に寄与する。また、電流位相を自由に進める制御を行うことができることにより、磁石トルクとリラクタンストルクの併用ができ、さらに高効率なブラシレスＤＣモータ駆動ができる。さらに、弱め磁界制御も行えるため、ブラシレスＤＣモータの運転範囲の拡大も達成することができる。
【００８３】
図１３の装置で回転子位置を正確に検出するためには、モータ電流、モータ電圧を正確に検出する必要がある。そして、この要請を考慮すれば、前記の何れかの実施の形態のブラシレスＤＣモータを採用することでモータ電圧の歪を著しく小さくすることができ、回転子位置の検出精度を著しく高めることができる。
【００８４】
高温高圧環境以外の環境で使用されるブラシレスＤＣモータの駆動にも適用できることはもちろんである。
【００８５】
冷凍・空調用の圧縮機の内部は高温高圧であり、上記のようにブラシレスＤＣモータの回転子位置を検出するためのセンサーを内蔵することが困難、もしくは不可能である。
【００８６】
したがって、図１３の装置を用いてブラシレスＤＣモータを駆動するようにすることによって、冷凍・空調用の圧縮機の密閉容器内にブラシレスＤＣモータを組み込むことができる。また、密閉容器などの部材とブラシレスＤＣモータの振動とが共振し、大きな騒音を発生するおそれがあるが、上記の何れかの実施の形態のブラシレスＤＣモータを用いることで騒音を大幅に低減することができる。
【００８７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、簡単な回転子構造で磁石磁束によるトルクとリラクタンストルクを有効に使うことができ、しかも、誘起電圧を略正弦波状にするためのモータ設計を簡単に達成することができるという特有の効果を奏する。
【００８８】
請求項２の発明は、請求項１の効果に加え、回転子内部の磁束の漏れを小さくして、トルクの低下を防止することができるという特有の効果を奏する。
【００８９】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の効果に加え、巻線コイル長を小さくして銅損を大幅に低減し、ひいては一層の高効率化を達成することができるという特有の効果を奏する。
【００９０】
請求項４の発明は、請求項１から請求項３の何れかの効果に加え、永久磁石を増加させてモータ電流を低減し、銅損を低減するとともに、回転子鉄芯のバリア付近に磁束が集中しやすい傾向を緩和して磁束の急激な変化を低減し、鉄損をも低減することができるという特有の効果を奏する。
【００９１】
請求項５の発明は、請求項１から請求項３の何れかの効果に加え、永久磁石を増加させてモータ電流を低減し、銅損を低減するとともに、回転子鉄芯のバリア付近に磁束が集中しやすい傾向を緩和して磁束の急激な変化を低減し、鉄損をも低減することができるという特有の効果を奏する。
【００９２】
請求項６の発明は、請求項１から請求項４の何れかの効果に加え、永久磁石の極当たりの枚数を２枚にすることができるという特有の効果を奏する。
【００９３】
請求項７の発明は、請求項１から請求項４の何れかの効果に加え、永久磁石の極当たりの枚数を１枚にし、かつ、円弧状に永久磁石を配置することで表面積を維持するとともにに生産性を向上することができるという特有の効果を奏する。
【００９４】
請求項８の発明は、騒音を低減することができるという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のブラシレスＤＣモータに適用される回転子の一実施の形態の構成を示す概略図である。
【図２】磁極角度に対する電圧歪率を表す図である。
【図３】リブ角度に対する電圧歪率を表す図である。
【図４】リブ角度に対するトルクを表す図である。
【図５】磁束短絡防止空間の幅を永久磁石４の厚み以上に設定した回転子を示す概略図である。
【図６】バリア幅／磁石厚みに対するトルクを表す図である。
【図７】巻線を歯に直巻きしてなる固定子を有する、この発明、および従来のブラシレスＤＣモータの回転数に対するモータ効率を表す図である。
【図８】ブラシレスＤＣモータの回転子の他の実施の形態を示す概略図である。
【図９】ブラシレスＤＣモータの回転子のさらに他の実施の形態を示す概略図である。
【図１０】磁束短絡防止空間に永久磁石を装着した場合、および装着しない場合におけるモータ効率を表す図である。
【図１１】ブラシレスＤＣモータの回転子のさらに他の実施の形態を示す概略図である。
【図１２】ブラシレスＤＣモータの回転子のさらに他の実施の形態を示す概略図である。
【図１３】ブラシレスＤＣモータ駆動装置の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
３ 永久磁石収容空間 ４、８、１０、１２ 永久磁石
５ 磁束短絡防止空間 ６ 回転子リブ
７ 回転子外周側鉄芯
Claims (8)
- 永久磁石（４）を回転子の内部に埋め込んでなるブラシレスＤＣモータにおいて、永久磁石（４）を挿入する永久磁石収容空間（３）端部から連続する回転子磁極間の磁束短絡を防止する磁束短絡防止空間（５）と、回転子内周側鉄芯と回転子外周側鉄芯（７）を連結する回転子リブ（６）とを備え、その回転子リブ（６）を回転子１極当たりの磁極角度の５％以上１５％以下とし、かつ、回転子外周側鉄芯（７）の角度を８０％以上としたことを特徴とするブラシレスＤＣモータ。
- 磁束短絡防止空間（５）の幅が永久磁石（４）の径方向の厚み以上である請求項１に記載のブラシレスＤＣモータ。
- 固定子の歯に巻線を直巻きしてなる請求項１または請求項２に記載のブラシレスＤＣモータ。
- 両側の磁束短絡防止空間（５）に永久磁石（８）を配置してなる請求項１から請求項３の何れかに記載のブラシレスＤＣモータ。
- 片側のみの磁束短絡防止空間（５）に永久磁石（８）を配置してなる請求項１から請求項３の何れかに記載のブラシレスＤＣモータ。
- 各磁極に対応する永久磁石として、平板の永久磁石（１０）をＶ字形状に埋め込んでなるものを採用する請求項１から請求項４の何れかに記載のブラシレスＤＣモータ。
- 各磁極に対応する永久磁石として、板状の永久磁石（１２）を回転子外周側を中心とする円弧形状に埋め込んでなるものを採用する請求項１から請求項４の何れかに記載のブラシレスＤＣモータ。
- 請求項１から請求項７の何れかのブラシレスＤＣモータを駆動源とする冷凍もしくは空調用の圧縮機。
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2002
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006304446A (ja) * | 2005-04-19 | 2006-11-02 | Mitsubishi Electric Corp | 永久磁石モータ |
| WO2008062543A1 (fr) * | 2006-11-20 | 2008-05-29 | Hitachi, Ltd. | Machine électrique rotative à aimant permanent |
| JPWO2008062543A1 (ja) * | 2006-11-20 | 2010-03-04 | 株式会社日立製作所 | 永久磁石回転電機 |
| JP5002601B2 (ja) * | 2006-11-20 | 2012-08-15 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 永久磁石回転電機 |
| JPWO2008068876A1 (ja) * | 2006-12-08 | 2010-03-18 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 永久磁石回転電機 |
| JP4862049B2 (ja) * | 2006-12-08 | 2012-01-25 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 永久磁石回転電機 |
| JP2013207943A (ja) * | 2012-03-29 | 2013-10-07 | Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd | 永久磁石同期機 |
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