JP2013126272A

JP2013126272A - モータ

Info

Publication number: JP2013126272A
Application number: JP2011272661A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kitajima; 健二北島; Hiroshi Yamane; 太志山根
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2013-06-24
Also published as: CN103199642A; EP2605373A3; KR20130067218A; US20130147304A1; EP2605373A2

Abstract

【課題】比較的簡単な構成で、ロータの回転数に応じて磁束量を調整できるようにする。
【解決手段】ロータ２５には、周方向に間隔をあけて複数のフラックスバリア２６が形成されている。フラックスバリア２６の嵌合開口部２６ａには、板状の永久磁石２７が嵌合されている。ロータ２５におけるフラックスバリア２６よりも径方向外側の領域には、可変磁気抵抗部材２８が設けられている。可変磁気抵抗部材２８は、温度上昇に伴って磁気抵抗が高くなる特性を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータに関するものである。

従来より、複数のコイルを有するリング状の固定子と、固定子の内側に配設されて永久磁石が埋め込まれた回転子とを備え、コイルに発生した回転磁界と回転子の永久磁石による磁界との相互作用により、回転子を回転させるようにしたモータが知られている（例えば、特許文献１参照）。

界磁に永久磁石を用いたモータでは、界磁磁束が一定であるため、回転数に比例して誘起電圧が増加する。そして、誘起電圧とインバータ駆動回路の出力電圧との関係で、定トルク領域の最高回転数が決定される。具体的に、インバータ駆動回路の出力電圧制限により、モータに供給される電流が減少するためにトルクが低下し、最高回転数が低く抑えられてしまう。

そこで、特許文献１に記載のモータでは、磁石異極間のフラックスバリアにコイルを配置し、回転子の回転数に応じてコイルに流す電流量と方向を制御することで、磁束量と磁極の方向を制御している。これにより、高トルク、高出力を実現することができる、と記載されている。

特開２０１０−１５４７５５号公報

しかしながら、特許文献１に記載のモータでは、磁石異極間のフラックスバリアに配置したコイルに流す電流量を回転子の回転数に応じて制御するための構成が別途必要であり、制御が複雑化するとともにコストがかかってしまうという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的簡単な構成で、ロータの回転数に応じて磁束量を調整できるようにすることにある。

本発明は、コイルを有するステータと、該ステータに対して回転駆動するロータとを備えたモータを対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第１の発明は、前記ロータには、該ロータ内部での磁束の回り込みを抑えるために周方向に間隔をあけて複数のフラックスバリアが形成され、前記フラックスバリアには、永久磁石が嵌合され、前記ロータにおける前記フラックスバリアよりも前記ステータ側の領域には、温度上昇に伴って磁気抵抗が高くなる特性を有する可変磁気抵抗部材が設けられていることを特徴とするものである。

第１の発明では、ロータを高速回転させると、ロータの鉄損によってロータが発熱する。可変磁気抵抗部材は、ロータの発熱によって温度が上昇することで磁気抵抗が高くなる。その結果、可変磁束抵抗部材を通過する永久磁石の磁束量を低減することができ、誘起電圧が増加するのを抑えて運転領域の拡大や高効率化を図ることができる。また、永久磁石の磁束量を可変制御するために、複雑な制御回路を別途設ける必要が無く、モータの小型化やコストを削減することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記ステータのコイルに供給する電流に対して高調波成分を印加する制御装置を備えたことを特徴とするものである。

第２の発明では、ロータの温度が比較的低い場合に、高調波成分が印加された電流をステータのコイルに供給することで、ロータの鉄損によってロータの発熱を促進することができる。これにより、可変磁気抵抗部材の磁気抵抗を高めて磁束量を調整することができ、モータ性能を向上させることができる。なお、高調波成分を印加するための制御装置は、インバータ回路のスイッチング動作を制御するための既存のインバータ駆動システムを流用することができるので、追加コストが必要無い。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記フラックスバリアは、矩形状の嵌合開口部と、該嵌合開口部に連続してその両端部から前記ステータ側に向かってそれぞれ斜め外方に延びる傾斜開口部とを有し、少なくとも前記嵌合開口部には、板状の前記永久磁石が嵌合され、前記可変磁気抵抗部材は、少なくとも前記永久磁石の板面を前記ステータ側に投影させた領域内に設けられていることを特徴とするものである。

第３の発明では、永久磁石の磁束量を低減させるのに必要な領域にのみ可変磁気抵抗部材を設けるようにしたから、可変磁気抵抗部材の使用量を減らしてコストを削減することができる。また、ロータの外周部に切欠きを形成しておき、この切欠き部分に可変磁気抵抗部材を嵌め込むだけで、可変磁気抵抗部材をロータに対して容易に組み立てることができ、組み立て作業性が向上する。

第４の発明は、第１又は第２の発明において、前記フラックスバリアは、前記永久磁石が嵌合される矩形状にそれぞれ形成され且つ互いに直角又は鈍角をなすように配置された一対の嵌合開口部を有し、前記可変磁気抵抗部材は、少なくとも前記永久磁石のそれぞれの板面を前記ステータ側にそれぞれ投影させた領域内に設けられていることを特徴とするものである。

第４の発明では、一対の嵌合開口部にそれぞれ嵌合された永久磁石の磁束量をそれぞれ低減させるのに必要な領域にのみ可変磁気抵抗部材を設けるようにしたから、可変磁気抵抗部材の使用量を減らしてコストを削減することができる。

本発明によれば、ロータを高速回転させると、ロータの鉄損によってロータが発熱する。可変磁気抵抗部材は、ロータの発熱によって温度が上昇することで磁気抵抗が高くなる。その結果、可変磁束抵抗部材を通過する永久磁石の磁束量を低減することができ、誘起電圧が増加するのを抑えて運転領域の拡大や高効率化を図ることができる。また、永久磁石の磁束量を可変制御するために、複雑な制御回路を別途設ける必要が無く、モータの小型化やコストを削減することができる。

本発明の実施形態１に係るモータの構成を示す平面図である。モータに接続された制御装置の構成を示すブロック図である。モータの回転数とトルク及び効率との関係を示すグラフ図である。本実施形態２に係るモータの構成を示す平面図である。本実施形態３に係るモータの構成を示す平面図である。その他の実施形態に係るモータの構成を示す平面図である。その他の実施形態に係るモータの構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

《実施形態１》
図１は、本発明の実施形態１に係るモータの構成を示す平面図である。図１に示すように、このモータ２０は、リング状のステータ２１と、ステータ２１の内側に回転可能に配設されたロータ２５とを備えたインナーロータ型のモータである。

ステータ２１は、円環状に形成された電磁鋼板を積層した円筒状に構成されている。ステータ２１の内周側には、周方向に間隔をあけて径方向内側に突出し且つ軸方向に延びる複数のティース２２が設けられている。ティース２２には、回転磁界を発生させるためのコイル２３が巻回されている。

ロータ２５は、電磁鋼板を積層して構成されている。ロータ２５の軸心には、軸孔２５ａが形成されている。軸孔２５ａには、回転軸１５が嵌合されている。ロータ２５は、ステータ２１内を回転軸１５とともに回転する。

ロータ２５における軸孔２５ａの外周側には、周方向に間隔をあけて複数のフラックスバリア２６が形成されている。フラックスバリア２６は、矩形状の嵌合開口部２６ａと、嵌合開口部２６ａの両端部からステータ２１側に向かって斜め外方に延びる傾斜開口部２６ｂとを有する。

嵌合開口部２６ａには、板状の永久磁石２７が嵌合されている。傾斜開口部２６ｂは、エアギャップを構成し、隣接するフラックスバリア２６に向かって磁束が回り込まないようにしている。

このように構成されたモータ２０では、ステータ２１のコイル２３に順次、電流を供給することで、コイル２３に発生した回転磁界とロータ２５の永久磁石２７による磁界との相互作用により、ロータ２５を回転させている。そして、電流を流すコイル２３を順次切り替えていく速度に応じて、回転数を制御するようにしている。

ここで、永久磁石２７を有するロータ２５の回転により、ステータ２１には、ロータ２５の回転数に応じた誘導起電力が生じる。この誘導起電力は、ステータ２１のコイル２３に外部から印加される電圧を打ち消す方向に発生する。そのため、モータ２０の最大回転数は、誘起電圧が外部からコイル２３に印加する電圧以下となるように制限されてしまう。

そこで、本実施形態に係るモータ２０では、ロータ２５を高速回転させるときに、永久磁石２７の磁束量を低減させて誘起電圧が増加するのを抑えるような構成を採用している。

具体的に、ロータ２５におけるフラックスバリア２６よりも径方向外側の領域には、可変磁気抵抗部材２８が設けられている。可変磁気抵抗部材２８は、温度上昇に伴って磁気抵抗が高くなる特性を有している。

ここで、ロータ２５を高速回転させると、ロータ２５の鉄損やコイル２３のジュール損等によってロータ２５が発熱する。可変磁気抵抗部材２８は、ロータ２５の発熱によって温度が上昇することで磁気抵抗が高くなる。その結果、可変磁気抵抗部材２８を通過する永久磁石２７の磁束量を低減することができ、誘起電圧が増加するのを抑えて運転領域の拡大や高効率化を図ることができる。このような構成とすれば、永久磁石２７の磁束量を可変制御するために、複雑な制御回路を別途設ける必要が無く、モータ２０の小型化やコストを削減することができる。

ここで、モータ２０の運転開始時のように、ロータ２５の温度が比較的低い場合には、ステータ２１のコイル２３に供給する電流に対して高調波成分を印加するのが好ましい。以下、図２を用いて、高調波成分を印加するための制御装置５０の構成について説明する。

図２は、モータに接続された制御装置の構成を示すブロック図である。図２に示すように、この制御装置５０は、インバータ回路５４におけるスイッチング動作を制御するように構成されている。速度制御部５１は、モータ２０の回転角周波数と速度指令とに基づいて電流指令を出力する。高調波印加部５２は、速度制御部５１から出力された電流指令に対して高調波成分を印加する。電流制御部５３は、ｄ軸電流及びｑ軸電流に基づいて電圧指令を出力する。

インバータ回路５４は、整流された直流を三相交流に変換してモータ２０に供給する。回転座標変換部５５は、モータ電流を三相／二軸変換して得られた固定座標電流を座標変換してｄ軸及びｑ軸電流を出力する。エンコーダ５６は、ロータ２５の位置検出を行う。デジタル変換器５７は、エンコーダ５６の検出結果に基づいて、回転角周波数を求める。この回転角周波数は、速度制御部５１に入力される。

このようにすれば、モータ２０に供給される電流に印加された高調波成分によって、ロータ２５の鉄損によるロータ２５の発熱が促進される。なお、高調波成分を印加するための制御装置５０は、インバータ回路５４のスイッチング動作を制御するための既存のインバータ駆動システムを流用することができるので、追加コストが必要無い。

図３は、モータの回転数とトルク及び効率との関係を示すグラフ図である。図３に示すように、可変磁気抵抗部材２８を設けた本実施形態に係るモータ２０の方が、可変磁気抵抗部材２８を設けていない従来のモータに比べて、最大回転数が大きくなって運転領域が拡大できていることが分かる。また、モータ効率についても、本実施形態に係るモータ２０の方が、従来のモータに比べて効率が高いため、消費電力を低減する上で有利となっていることが分かる。

《実施形態２》
図４は、本実施形態２に係るモータの構成を示す平面図である。前記実施形態１とは、可変磁気抵抗部材２８の形状が異なっているため、以下、実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。

図４に示すように、ロータ２５における軸孔２５ａの外周側には、周方向に間隔をあけて複数のフラックスバリア２６が形成されている。フラックスバリア２６は、矩形状の嵌合開口部２６ａと、嵌合開口部２６ａの両端部からステータ２１側に向かって斜め外方に延びる傾斜開口部２６ｂとを有する。

ロータ２５におけるフラックスバリア２６よりも径方向外側の領域には、可変磁気抵抗部材２８が設けられている。具体的に、可変磁気抵抗部材２８は、永久磁石２７の板面をステータ２１側に投影させた領域内に設けられている。可変磁気抵抗部材２８は、温度上昇に伴って磁気抵抗が高くなる特性を有している。

このような構成とすれば、永久磁石２７の磁束量を低減させるのに必要な領域にのみ可変磁気抵抗部材２８を設けることで、可変磁気抵抗部材２８の使用量を減らしてコストを削減することができる。また、ロータ２５の外周部に切欠きを形成しておき、この切欠き部分に可変磁気抵抗部材２８を嵌め込むだけで、可変磁気抵抗部材２８をロータ２５に対して容易に組み立てることができ、組み立て作業性が向上する。

《実施形態３》
図５は、本実施形態３に係るモータの構成を示す平面図である。前記実施形態１とは、フラックスバリア２６の形状が異なっているため、以下、実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。

図５に示すように、ロータ２５における軸孔２５ａの外周側には、周方向に間隔をあけて複数のフラックスバリア２６が形成されている。フラックスバリア２６は、矩形状にそれぞれ形成され且つ互いに直角をなすように配置された一対の嵌合開口部２６ａを有している。嵌合開口部２６ａには、板状の永久磁石２７が嵌合されている。

ロータ２５におけるフラックスバリア２６よりも径方向外側の領域には、可変磁気抵抗部材２８が設けられている。具体的に、可変磁気抵抗部材２８は、一対の嵌合開口部２６ａにそれぞれ嵌合された永久磁石２７の板面をステータ２１側にそれぞれ投影させた領域内に設けられている。可変磁気抵抗部材２８は、温度上昇に伴って磁気抵抗が高くなる特性を有している。

このような構成とすれば、永久磁石２７の磁束量を低減させるのに必要な領域にのみ可変磁気抵抗部材２８を設けることで、可変磁気抵抗部材２８の使用量を減らしてコストを削減することができる。

《その他の実施形態》
前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

例えば、図６に示すように、矩形状の嵌合開口部２６ａと、嵌合開口部２６ａの両端部からステータ２１側に向かって斜め外方に延びる傾斜開口部２６ｂとを有するフラックスバリア２６において、嵌合開口部２６ａ及び傾斜開口部２６ｂのそれぞれに永久磁石２７を嵌合させた構成であってもよい。

また、図７に示すように、フラックスバリア２６を湾曲状の嵌合開口部２６ａで形成し、嵌合開口部２６ａに湾曲板状の永久磁石２７を嵌合させた構成であってもよい。

また、本実施形態では、ステータ２１の内周側にロータ２５が配設されたインナーロータ型のモータ２０について説明したが、ステータ２１の外周側でロータ２５が回転するアウターロータ型のモータ２０においても同様に適用可能である。

また、本実施形態３では、フラックスバリア２６を構成する一対の嵌合開口部２６ａを、互いに直角をなすように配置するようにしたが、鈍角をなすように配置しても構わない。

以上説明したように、本発明は、比較的簡単な構成で、ロータの回転数に応じて磁束量を調整することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

２０モータ
２１ステータ
２３コイル
２５ロータ
２６フラックスバリア
２６ａ嵌合開口部
２６ｂ傾斜開口部
２７永久磁石
２８可変磁気抵抗部材
５０制御装置

Claims

コイルを有するステータと、該ステータに対して回転駆動するロータとを備えたモータであって、
前記ロータには、該ロータ内部での磁束の回り込みを抑えるために周方向に間隔をあけて複数のフラックスバリアが形成され、
前記フラックスバリアには、永久磁石が嵌合され、
前記ロータにおける前記フラックスバリアよりも前記ステータ側の領域には、温度上昇に伴って磁気抵抗が高くなる特性を有する可変磁気抵抗部材が設けられていることを特徴とするモータ。
請求項１において、
前記ステータのコイルに供給する電流に対して高調波成分を印加する制御装置を備えたことを特徴とするモータ。
請求項１又は２において、
前記フラックスバリアは、矩形状の嵌合開口部と、該嵌合開口部に連続してその両端部から前記ステータ側に向かってそれぞれ斜め外方に延びる傾斜開口部とを有し、
少なくとも前記嵌合開口部には、板状の前記永久磁石が嵌合され、
前記可変磁気抵抗部材は、少なくとも前記永久磁石の板面を前記ステータ側に投影させた領域内に設けられていることを特徴とするモータ。
請求項１又は２において、
前記フラックスバリアは、板状の前記永久磁石が嵌合される矩形状にそれぞれ形成され且つ互いに直角又は鈍角をなすように配置された一対の嵌合開口部を有し、
前記可変磁気抵抗部材は、少なくとも前記永久磁石のそれぞれの板面を前記ステータ側にそれぞれ投影させた領域内に設けられていることを特徴とするモータ。