JP2013207980A - 電動機駆動システム及び電動機駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率良くトルクを発生させる。
【解決手段】
電動機４２は固定子２０と回転子３０を備える。磁極部２１ａは、磁性延伸部２３ａが永久磁石２２ａの周方向両側に配されてなるティースとティースに対して集中巻された巻線２４ａとを含む。回転軸に垂直な断面において一対の磁性延伸部２３ａが永久磁石２２ａの半径方向両側で連結されていない箇所を有する。回転子３０は、ヨーク部３１と突極部３２ａとを含む。駆動装置は、固定子２０の各巻線に電流を流さない状態で回転子３０を回転させた場合に各巻線に誘起される電圧の位相を基準としたとき、基準の位相よりも遅れた位相を有する電流を、固定子の各巻線に流す。
【選択図】図２

Description

本発明は、永久磁石を用いた電動機の駆動システム及び駆動方法に関する。

電動機は、コンプレッサ、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等に広く用いられている。
電動機９４２の例として、図１９に示すように、環状の固定子９２０と、固定子９２０の中心軸を回転軸として回転する回転子９３０とを備えるものがある（特許文献１参照）。

固定子９２０は、環状のヨーク部９２８と磁極部９２１ａ、９２１ｂ、９２１ｃ、９２１ｄ、９２１ｅ、９２１ｆとを含む。磁極部９２１ａは、周方向に着磁された永久磁石９２２ａと、軟磁性材からなり半径方向に延伸する一対の磁性延伸部９２３ａとを含むティースと、ティースに対して集中巻された巻線９２４ａとを備える。他の磁極部も同様の構成である。回転子９３０は、環状のヨーク部９３１と突極部９３２とを備える。この構成では、巻線９２４ａと永久磁石９２２ａとが分担して主磁束を発生させている。そのため、巻線のみで主磁束を発生させる構造に比べて、巻線の巻回数を低減させ、その結果、巻線のインダクタンスを低減させることができる（特許文献１：段落００１０、００４８等参照）。

特開２００２−１９９６７９号公報

しかしながら、特許文献１の電動機では、効率良くトルクを発生することができないという問題がある。つまり、電動機９４２では、永久磁石９２２ａのＮ極から出てＳ極に戻る磁路がヨーク部９２８により短絡されることになる。従って、永久磁石９２２ａのＮ極から出た磁束の多くは、ヨーク部９２８を通ってＳ極へと戻ってしまい、回転子９３０側へ流れる磁束が減少してしまう。このように、永久磁石９２２ａから出た磁束が有効に利用されにくいので、効率良くトルクを発生しているとは言えない。

そこで、本発明は、効率良くトルクを発生させることができる電動機駆動システム及び電動機駆動方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、電動機と前記電動機を駆動する駆動装置とを備える電動機駆動システムであって、前記電動機は、複数の磁極部を円周上に配置してなる固定子と、前記固定子の中心を回転軸として回転する回転子とを備え、前記磁極部は、磁性材からなり半径方向に延伸する一対の磁性延伸部が永久磁石の周方向両側に配されてなるティースと前記ティースに対して集中巻された巻線とを含み、前記回転軸に垂直な断面において、前記一対の磁性延伸部が前記永久磁石の半径方向両側で連結されていない箇所を有し、前記回転子は、環状の回転子ヨーク部と、当該回転子ヨーク部から前記固定子側に突出した複数の突極部とを含み、前記駆動装置は、前記固定子の各巻線に電流を流さない状態で前記回転子を回転させた場合に各巻線に誘起される電圧の位相を基準としたとき、前記基準の位相よりも遅れた位相を有する電流を、前記固定子の各巻線に流す。

上記構成によれば、磁極部は、回転軸に垂直な断面において、一対の磁性延伸部が永久磁石の半径方向両側で連結されていない箇所を有する。磁性延伸部が連結されていない箇所では、永久磁石から出た磁束を効率的に回転子側へ流すことができる。したがって、永久磁石から出た磁束を有効に利用することができ、その結果、効率良くトルクを発生させることができる。

第１の実施形態に係る電動機駆動システムの構成図 第１の実施形態に係る電動機の構造を示す断面図 第１の実施形態に係る電動機の分解斜視図 電動機４２の無通電回転時における誘起電圧を示す波形図 駆動装置４３から電動機４２に供給する電流を示す波形図 駆動装置４３の動作、特にＰＷＭ制御部４７の動作を示すフローチャート 電動機４２のトルクと電流位相の関係を示した図であり、（ａ）は永久磁石にフェライト磁石を用いた場合、（ｂ）は永久磁石に希土類磁石を用いた場合 第２の実施形態に係る電動機の構造を示す断面図 第２の実施形態に係る電動機の分解斜視図 電動機７２の回転子６０が回転している様子を示す図 電動機７２のトルクと電流位相の関係を示した図であり、（ａ）は永久磁石にフェライト磁石を用いた場合、（ｂ）は永久磁石に希土類磁石を用いた場合 駆動装置４３から電動機４２に供給する電流を示す波形図であり、（ａ）は電流位相が−１５ｄｅｇ、（ｂ）は電流位相が−２０ｄｅｇ、（ｃ）は電流位相が−３０ｄｅｇ 駆動装置４３の動作、特にＰＷＭ制御部４７の動作を示すフローチャート 電動機４２のトルクと電流位相の関係を示した図 変形例に係る電動機の構造を示す断面図 変形例に係る電動機の構造を示す断面図 変形例に係る電動機の構造を示す断面図 電動機５７２の回転子５６０が回転している様子を示す図 特許文献１に開示された電動機の構造を示す断面図

（本発明の一態様を得るに至った経緯）
図１９に示した電動機９４２では、永久磁石９２２ａの周方向両側にある磁性延伸部９２３ａが永久磁石９２２ａの半径方向外側においてヨーク部９２８で連結されている。そのため、永久磁石９２２ａのＮ極から出た磁束がヨーク部９２８を通じてＳ極に戻る磁路が形成されやすい。このような磁路が形成されると、回転子９３０側に向かう磁束が減少してしまい、磁束が有効に利用されなくなる。発明者は、この点に着目し、永久磁石の周方向両側にある磁性延伸部どうしを永久磁石の半径方向両側で連結しない構造を検討した。このようにすれば、永久磁石のＮ極とＳ極とを短絡する磁路が形成されにくいので、永久磁石のＮ極から出た磁束をできるだけ多く回転子側に向かわせることができる。そのため、効率良くトルクを発生させることができると考えられる。

発明者は、駆動方法の観点から、更なるトルクの向上について検討を進めた。その結果、通常、マグネットトルクを用いた電動機では、巻線に発生する誘起電圧の位相と電流の位相を一致させるとトルクが最大となるのに対して、本電動機では、誘起電圧の位相よりも電流の位相を遅らせたほうが、トルクが最大となることがわかった。
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
＜システム＞
図１は、第１の実施形態に係る電動機駆動システムの構成図である。
電動機駆動システム４０は、電動機４２と駆動装置４３とで構成される。
電動機４２は、３相電動機であり、３相巻線と位置センサＳとを備える。３相巻線は、Ｕ相の巻線２４ａ、２４ｄ、Ｖ相の巻線２４ｃ、２４ｆ、Ｗ相の巻線２４ｂ、２４ｅからなる。位置センサＳは、例えば、レゾルバ、エンコーダ、ホール素子などである。なお、センサレス制御を行う場合は、位置センサＳは不要である。

駆動装置４３は、３相インバータであり、直流電源４１の直流電流を３相交流電流に変換して電動機４２に供給する。具体的には、駆動装置４３は、スイッチ素子Ｔ１〜Ｔ６、電流検出部４４、位置検出部４５、速度検出部４６、ＰＷＭ制御部４７、ドライバ４８を含む。スイッチ素子Ｔ１〜Ｔ６は３相ブリッジを構成している。電流検出部４４は、Ｕ相配線とＷ相配線にそれぞれ設けられたカレントトランスＣＴを用いてＵ相、Ｖ相およびＷ相の電流を検出する。位置検出部４５は位置センサＳを用いて、電動機４２の回転子の固定子に対する位置関係（回転角）を検出する。速度検出部４６は、位置センサＳを用いて電動機４２の回転子の固定子に対する回転速度を検出する。ＰＷＭ制御部４７は、外部からの速度指令、電流検出値、位置検出値および速度検出値に基づいてＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を生成する。ドライバ４８は、ＰＷＭ信号に基づいてスイッチ素子Ｔ１〜Ｔ６を動作させるためのゲート信号を生成する。電流検出部４４、位置検出部４５、速度検出部４６およびＰＷＭ制御部４７の機能は、ハードウェアで実現されてもよいし、ソフトウェアで実現されてもよい。ソフトウェアの場合は、マイコン（マイクロコンピュータ）がソフトウェアを実行することで上記機能を実現する。

＜電動機の構造＞
図２は、第１の実施形態に係る電動機の構造を示す断面図である。同図は、回転軸に垂直な断面を示している。
電動機４２は、環状の固定子２０の外側に、固定子２０の中心軸を回転軸として回転する回転子３０が配置されたアウターロータ型の電動機である。

固定子２０は、円周上に等間隔に配置された磁極部２１ａ〜２１ｆを備える。磁極部２１ａは、ティースと、ティースに対して集中巻された巻線２４ａとを備える。ティースは、永久磁石２２ａと半径方向に延伸する一対の磁性延伸部２３ａとを含む。永久磁石２２ａは、断面矩形状であり、周方向に着磁されている。磁性延伸部２３ａは、軟磁性材からなり、永久磁石２２ａの周方向両側に配置されている。一対の磁性延伸部２３ａは、永久磁石２２ａの半径方向両側（符号２６ａ参照）において互いに連結されていない。即ち、永久磁石２２ａの半径方向両側が軟磁性材で覆われていない。これにより、永久磁石２２ａのＮ極とＳ極を短絡させる磁路が形成されにくくなっている。なお、永久磁石２２ａのＮ極とＳ極を短絡させる磁路が形成されにくくすればよいので、永久磁石２２ａの半径方向内周側の隙間２５ａは必ずしも空間である必要はなく、隙間２５ａに磁性延伸部２３ａを構成する磁性材よりも透磁率の低い材料からなる部材が存在してもよい。磁極部２１ａ以外の磁極部も同様の構成なので、説明を省略する。

隣り合う磁極部の磁性延伸部どうしは、周方向に延伸する磁性連結部２７で連結されている。磁性連結部２７は、軟磁性材からなり、巻線２４ａ〜２４ｆよりも半径方向内側に配されている。
巻線２４ａ〜２４ｆの巻回方向は、周方向に隣り合う磁極部間で同じ向きである。また、永久磁石２２ａ〜２２ｆの着磁方向は、周方向に隣り合う磁極部間で逆の向きである。本実施形態では、巻線２４ａ、２４ｄがＵ相巻線を構成し、巻線２４ｃ、２４ｆがＶ相巻線を構成し、巻線２４ｂ、２４ｅがＷ相巻線を構成している。

回転子３０は、環状のヨーク部３１とヨーク部３１の内周面に等間隔に配置された突極部３２ａ〜３２ｇとを含む。本実施形態では、磁極部が６個に対して突極部が７個の構成である。突極部３２ａ〜３２ｇの周方向の配置間隔は約５１．４ｄｅｇである。
また、本実施の形態では、永久磁石２２ａ〜２２ｆは、希土類磁石に比べて、エネルギー積が低いフェライト磁石を用いている。代表的な希土類磁石のエネルギー積は、３５０ｋＪ／ｍ³程度である。これに対し、フェライト磁石のエネルギー積は、４２ｋＪ／ｍ³程度である。

図３は、第１の実施形態に係る電動機の分解斜視図である。同図では、参照番号のアルファベットの添え字は省略されている。固定子２０の各磁極部は回転軸方向端部において円環部材２８に取り付けられている。また、回転子３０のヨーク部３１には回転軸方向端部において円環部材３３が取り付けられている。なお、図３に示すように、永久磁石２２の半径方向外側は、回転軸に沿う何れの箇所においても軟磁性材で覆われていない。図３では一部しか現れていないが、永久磁石２２の半径方向内側も、回転軸に沿う何れの箇所でも軟磁性材では覆われていないものとする。

＜駆動方法＞
図４は、電動機４２の無通電回転時における誘起電圧を示す波形図である。縦軸に相電圧、横軸に電気角を示す。Ｕ相電圧を実線、Ｖ相電圧を一点鎖線、Ｗ相電圧を二点鎖線で示す。
図５は、駆動装置４３から電動機４２に供給する電流を示す波形図である。縦軸に相電流、横軸に電気角を示す。Ｕ相電流を実線、Ｖ相電流を一点鎖線、Ｗ相電流を二点鎖線で示す。

本実施形態では、図５に示すように、無通電回転時の誘起電圧の位相を基準としたとき、電動機４２に供給する電流の位相を基準の位相に対して３０ｄｅｇ遅らせる（−３０ｄｅｇ）。
図６は、駆動装置４３の動作、特にＰＷＭ制御部４７の動作を示すフローチャートである。ＰＷＭ制御部４７は、図５の波形図に相当するテーブルを予め記憶しているものとする。

ＰＷＭ制御部４７は、外部から速度指令値を取得し（ステップＳ１０１）、速度検出部４６から速度検出値を取得し（ステップＳ１０２）、これらを用いて電動機４２に供給すべき電流の実効値を算出する（ステップＳ１０３）。次に、ＰＷＭ制御部４７は、位置検出部４５から位置検出値を取得し（ステップＳ１０４）、予め記憶しているテーブル（３０ｄｅｇ遅れ）を参照して、電動機４２に供給すべき電流の指令値を特定する（ステップＳ１０５）。この指令値は、実効値ではなく瞬時値である。次に、ＰＷＭ制御部４７は、電流検出部４４から電流検出値を取得し（ステップＳ１０６）、電流の指令値と電流検出値を用いて電圧指令値を求め、電圧指令値とキャリア信号を用いてＰＷＭ信号を生成する（ステップＳ１０７）。生成されたＰＷＭ信号は、ドライバ４８に供給される。ＰＷＭ制御部４７は、電源がオフされなければ（ステップＳ１０８：Ｎｏ）、一定期間が経過するのを待ってステップＳ１０１からＳ１０７までの処理を繰り返す（ステップＳ１０９：Ｙｅｓ）。ＰＷＭ制御部４７は、電源がオフされれば（ステップＳ１０８：Ｙｅｓ）、処理を終了する。

このような動作により、駆動装置４３は、図５の波形図に相当する電流を電動機４２に供給することができる。
＜トルク特性＞
図７は、電動機４２のトルクと電流位相の関係を示した図であり、（ａ）は永久磁石にフェライト磁石を用いた場合、（ｂ）は永久磁石に希土類磁石を用いた場合である。図７（ａ）図７（ｂ）共に縦軸にトルク、横軸に電流位相を示す。ここで、電流位相は、電動機の無通電回転時における誘起電圧の位相を基準としている。つまり電流位相が０ｄｅｇというのは、無通電回転時における誘起電圧の位相と電流位相を一致させた場合を示す。そして、電流位相がマイナスに大きくなるほど、電流位相の遅延量が大きくなることを示す。

図７（ｂ）に示すように、希土類磁石を用いた電動機において電流振幅を変えずに電流位相を変えた場合、電流位相を誘起電圧の位相と一致させると（０ｄｅｇ）、最大トルクとなる。そして、電流位相を誘起電圧の位相から遅らせるほどトルクは減少していく。例えば、電流位相を−３０ｄｅｇとすれば、電流位相０ｄｅｇの場合に比べてトルクが８０％に減少する。

これらは、次のことを示している。本電動機の構造で発生するトルクはマグネットトルクであり、リラクタンストルクは活用できない。そのため、電流位相が０ｄｅｇからずれると、トルクに作用する電流（ｑ軸電流）が減少し、これによりトルクが減少する。
一方、図７（ａ）に示すように、フェライト磁石を用いた電動機において電流振幅を変えずに電流位相を変えた場合、電流位相を誘起電圧の位相よりも遅らせるとトルクが向上する。具体的には、電流位相を−５ｄｅｇ〜−５０ｄｅｇとすればよい。そして、電流位相を−３０ｄｅｇとすれば、最大トルクが得られ、電流位相０ｄｅｇの場合に比べてトルクが１２０％に増加する。

マグネットトルクは、電流（ｑ軸電流）と磁束の積に比例する。そのため、マグネットトルクを高めるには、電流と磁束を高めることが有効である。本実施形態の電動機には、希土類磁石に比べて残留磁束密度の小さいフェライト磁石を用いている。したがって、フェライト磁石の磁束による界磁を強めるために、電流位相を誘起電圧の位相よりも遅らせることにより、トルクに作用する電流（ｑ軸電流）に対して位相が９０ｄｅｇ遅れた強め界磁電流（ｄ軸電流）を流すことが有効である。

本実施形態の電動機は、エネルギー積が小さく（概ね、１５０ｋＪ／ｍ³以下）、残留磁束密度の小さいフェライト磁石を用いることで永久磁石界磁に巻線界磁を合成できる構造としている。そのため、本電動機に流す電流位相を遅らせ、強め界磁を行うことでトルクを向上させることができる。具体的には、本実施形態では、図６に示すように、電流位相を−３０ｄｅｇとしている。したがって、最大トルクを得ることができる。なお、上記の通り、電流位相を−５ｄｅｇ〜−５０ｄｅｇとすればトルクを向上させることができるので、この範囲内の特定の電流位相で駆動することとしてもよい。

また、本実施形態の電動機はフェライト磁石を用いているので、希土類磁石を用いた高磁束密度の電動機に比べて鉄損が小さく高効率である。また、回転子が軟磁性体の突極構造なので、堅牢であり、高回転に向いた電動機駆動システムを構成することができる。
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、永久磁石のＮ極とＳ極を短絡する磁路が形成されにくい構造とすることで、永久磁石が発生する磁束を有効利用し、効率良くトルクを発生させることとしている。しかしながら、Ｎ極とＳ極を磁気的に短絡せずに永久磁石を外部磁場（ここでは、巻線から発生する磁場）に曝すこととすると、永久磁石が減磁するおそれがある。特に、フェライト磁石のような残留磁束密度の小さな永久磁石では、減磁の問題が顕著となる。そこで、第２の実施形態では、永久磁石が発生する磁束の有効利用を図りながら、耐減磁性能を向上させた電動機およびその駆動方法を提案する。

＜電動機の構造＞
図８は、第２の実施形態に係る電動機の構造を示す断面図であり、図９は、第２の実施形態に係る電動機の分解斜視図である。図８は、回転軸に垂直な断面を示している。
電動機７２は、固定子５０と、固定子５０の中心軸を回転軸とする回転子６０を備える。

固定子５０の構成は、磁極部の数量が異なるのと、各部材の形状が若干異なるのを除き、第１の実施形態と同様である。即ち、固定子５０は、円周上に等間隔に配置された磁極部５１ａ〜５１ｌを備える。磁極部５１ａは、ティースと、ティースに対して集中巻された巻線５４ａとを備える。ティースは、永久磁石５２ａと半径方向に延伸する一対の磁性延伸部５３ａとを含む。永久磁石５２ａは、断面矩形状であり、周方向に着磁されている。磁性延伸部５３ａは、磁性材からなり、永久磁石５２ａの周方向両側に配置されている。一対の磁性延伸部５３ａは、永久磁石５２ａの半径方向両側において互いに連結されていない。即ち、永久磁石５２ａの半径方向両側が軟磁性材で覆われていない。また、第１の実施形態と同様に、隣り合う磁極部の磁性延伸部どうしは、周方向に延伸する磁性連結部５７で連結されている。また、巻線の巻回方向の関係および永久磁石の着磁方向の関係も第１の実施形態と同様である。即ち、巻線の巻回方向は、周方向に隣り合う磁極部間で同じ向きである。また、永久磁石の着磁方向は、周方向に隣り合う磁極部間で逆の向きである。

回転子６０は、固定子５０よりも半径方向外側に配置された第１ヨーク部６１と、第１ヨーク部６１の内周面に等間隔に配置された第１突極部６２ａ〜６２ｎと、固定子５０よりも半径方向内側に配置された第２ヨーク部６３と、第２ヨーク部６３の外周面に等間隔に配置された第２突極部６４ａ〜６４ｎとを含む。第１ヨーク部６１と第２ヨーク部６３は回転軸方向の端面に配された円環部材６５により連結されている（図９参照）。そのため、第１ヨーク部６１と第２ヨーク部６３とが連動して回転する。

第１突極部の半径方向内側の周面の周方向の幅は、永久磁石の半径方向外側の周面の周方向の幅と略同じである。また、第２突極部の半径方向外側の周面の周方向の幅は、永久磁石の半径方向内側の周面の周方向の幅よりも大きい。そして、第１突極部と第２突極部とは、回転軸Ｃに垂直な断面において、周方向において隣り合う２つの第１突極部の中央部の各々と回転軸Ｃとを結ぶ２つの線分Ｌ１、Ｌ１の対称軸Ｌ２上に、第２突極部の中央部が位置するように配置されている。

ここで、磁極部５１ａに着目すると、磁性連結部５７は巻線５４ａよりも半径方向内側に配置されている。そのため、永久磁石５２ａおよび巻線５４ａにより発生した磁束は、磁性延伸部５３ａの半径方向外側に向けて出やすい構造となっている。したがって、第１突極部６２ａ〜６２ｎが主としてトルク発生に寄与するようになっている。
一方、第２突極部６４ａ〜６４ｎは、固定子５０の内周面に対向しており、また、その周方向の寸法が永久磁石５２ａの周方向の寸法よりも大きい。そのため、永久磁石の周方向両側にある磁性延伸部どうしを磁気的に短絡させる役割を果たす。例えば、図８では、第２突極部６４ａが永久磁石５２ａの周方向両側にある磁性延伸部どうしを磁気的に短絡させている。したがって、第２突極部６４ａ〜６４ｎが主として耐減磁性能に寄与するようになっている。

＜耐減磁性能＞
図１０は、電動機７２の回転子６０が回転している様子を示す図である。ここでは回転子６０が反時計周りに回転するものとする。
図１０（ａ）のタイミングでは、第２突極部６４ａが永久磁石５２ａのＮ極とＳ極を磁気的に短絡し始めている。符号ａ４の箇所において、第２突極部６４ａの周面における反時計方向の端部と磁性延伸部５３ａの半径方向内側の周面における時計方向の端部とが周方向において一致している。また、第２突極部６４ａの周面の幅が永久磁石５３ａの周面の幅よりも大きいので、符号ａ３の箇所において、第２突極部６４ａの周面と磁性延伸部５３ａの半径方向内側の周面とが半径方向において重複している。このとき、符号ａ２の箇所において、第１突極部６２ｂの周面と磁性延伸部５３ａの半径方向外側の周面とが半径方向に重複している。本実施形態では第２突極部６４ａが永久磁石５２ａのＮ極とＳ極を磁気的に短絡している。これにより、耐減磁性能を向上させることができる。

図１０（ｂ）のタイミングでは、回転子６０が反時計周りに回転し、第２突極部６４ａによる永久磁石５２ａのＮ極とＳ極の磁気的な短絡が解除され始めている。符号ａ３の箇所において、第２突極部６４ａの周面における時計方向の端部と磁性延伸部５３ａの半径方向内側の周面における反時計方向の端部とが周方向において一致している。一方、第１突極部６２ａの周面と磁性延伸部５３ａの半径方向外側の周面とが半径方向に重複していない（符号ａ１）。このタイミングでは、巻線５４ａに流れる電流が大きくなり、その結果、巻線５４ａにより生じる磁束が大きくなる。このような状況において、第２突極部６４ａの短絡が解除されるので、磁性延伸部５３ａから磁束を半径方向外側に向けて効率良く出すことができる。そのため、第１突極部６２ａに発生するトルクが大きくなる。

＜トルク特性＞
図１１は、電動機７２のトルクと電流位相の関係を示した図であり、（ａ）は永久磁石にフェライト磁石を用いた場合、（ｂ）は永久磁石に希土類磁石を用いた場合である。図１１（ａ）図１１（ｂ）共に縦軸にトルク、横軸に電流位相を示す。
図１１（ｂ）に示すように、希土類磁石を用いた電動機において電流振幅を変えずに電流位相を変えた場合、電流位相を誘起電圧の位相と一致させると（０ｄｅｇ）、最大トルクとなる。そして、電流位相を誘起電圧の位相から遅らせるほどトルクは減少していく。例えば、電流位相を−２０ｄｅｇとすれば、電流位相０ｄｅｇの場合に比べてトルクが８８％に減少する。

一方、図１１（ａ）に示すように、フェライト磁石を用いた電動機において電流振幅を変えずに電流位相を変えた場合、電流位相を誘起電圧の位相よりも遅らせるとトルクが向上する。具体的には、電流位相を−５ｄｅｇ〜−２５ｄｅｇとすればよい。そして、電流位相を−２０ｄｅｇとすれば、最大トルクが得られ、電流位相０ｄｅｇの場合に比べてトルクが１０６％に増加する。

本実施形態では、電流位相を−２０ｄｅｇとすることで、最大トルクを得ることができる。なお、上述の通り電流位相を−５ｄｅｇ〜−２５ｄｅｇとすればトルクを向上させることができるので、この範囲内の特定の電流位相で駆動することとしてもよい。
以上より、本実施形態では、永久磁石が発生する磁束の有効利用を図りながら、耐減磁性能を向上させることができる。

（第３の実施形態）
第１の実施形態では、電流位相の遅延量が固定的である。これに対し、第３の実施形態では、電流の大きさに応じて電流位相の遅延量を変化させる。これ以外の構成については第１の実施形態と同様なので説明を省略する。
＜駆動方法＞
図１２は、駆動装置４３から電動機４２に供給する電流を示す波形図であり、（ａ）は電流位相が−１５ｄｅｇ、（ｂ）は電流位相が−２０ｄｅｇ、（ｃ）は電流位相が−３０ｄｅｇである。縦軸に相電流、横軸に電気角を示す。Ｕ相電流を実線、Ｖ相電流を一点鎖線、Ｗ相電流を二点鎖線で示す。

図１３は、駆動装置４３の動作、特にＰＷＭ制御部４７の動作を示すフローチャートである。ＰＷＭ制御部４７は、図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の波形図に相当する３種類のテーブルを予め記憶しているものとする。
ＰＷＭ制御部４７は、外部から速度指令値を取得し（ステップＳ３０１）、速度検出部４６から速度検出値を取得し（ステップＳ３０２）、これらを用いて電動機４２に供給すべき電流の実効値を算出する（ステップＳ３０３）。次に、ＰＷＭ制御部４７は、算出された電流の実効値に応じて予め記憶している３種類のテーブルのうちの一つを選択する（ステップＳ３０４）。選択方法としては、例えば、電流の実効値が第１の範囲であれば、図１２（ａ）に相当するテーブルを選択し、電流の実効値が第１の範囲よりも大きな第２の範囲であれば、図１２（ｂ）に相当するテーブルを選択し、電流の実効値が第２の範囲よりも大きな第３の範囲であれば、図１２（ｃ）に相当するテーブルを選択する。即ち、電流の実効値が大きいほど電流位相の遅延量が大きなテーブルが選択される。次に、ＰＷＭ制御部４７は、位置検出部４５から位置検出値を取得し（ステップＳ３０５）、選択されたテーブルを参照して、電動機４２に供給すべき電流の指令値を特定する（ステップＳ３０６）。この指令値は、実効値ではなく瞬時値である。次に、ＰＷＭ制御部４７は、電流検出部４４から電流検出値を取得し（ステップＳ３０７）、電流の指令値と電流検出値を用いて電圧指令値を求め、電圧指令値とキャリア信号を用いてＰＷＭ信号を生成する（ステップＳ３０８）。生成されたＰＷＭ信号は、ドライバ４８に供給される。ＰＷＭ制御部４７は、電源がオフされなければ（ステップＳ３０９：Ｎｏ）、一定期間が経過するのを待ってステップＳ３０１からＳ３０８までの処理を繰り返す（ステップＳ３１０：Ｙｅｓ）。ＰＷＭ制御部４７は、電源がオフされれば（ステップＳ３０９：Ｙｅｓ）、処理を終了する。

このような動作により、駆動装置４３は、図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の波形図に相当する電流を選択的に電動機４２に供給することができる。
＜トルク特性＞
図１４は、電動機４２のトルクと電流位相の関係を示した図である。ここでは、永久磁石にフェライト磁石を用いた場合を示す。実線は電流が大きい場合のトルク特性を示し、破線は電流が小さい場合のトルク特性を示す。具体的には、実線の場合の電流は、破線の場合の電流の２倍である。図１４から電流振幅を変えずに電流位相を変えた場合、電流位相を誘起電圧の位相よりも遅らせるとトルクが向上することが分かる。さらに、実線では電流位相が−３０ｄｅｇで最大トルクが得られ、破線では電流位相が−１０ｄｅｇで最大トルクが得られることが分かる。即ち、電流が大きくなるほど、最大トルクが得られる電流位相の遅延量が大きくなる。

本実施形態では電流が大きいほど電流位相の遅延量を大きくするので、電流の大きさが変化しても効率良くトルクを発生させることができる。本実施形態は、例えば、回転速度や負荷が時間的に変動しやすいシステムに適用するのが有効である。このようなシステムとしては、電気自動車等が挙げられる。
＜変形例＞
（１）磁極部の数量と突極部の数量
第１の実施形態では、固定子の磁極部が６個、回転子の突極部が７個の構成である。磁極部と突極部の数量比が同じであれば、第１の実施形態と同じ位置関係が成立するので、効率良くトルクを発生させることができる。即ち、固定子の磁極部が６ｎ個、回転子の突極部が７ｎ個、（ｎは１以上の整数）であればよい。以下に、固定子の磁極部が１２個、回転子の突極部が１４個の電動機を例示する。

図１５および図１６は、変形例に係る電動機の構造を示す断面図である。
図１５に示す電動機３７２は、回転子３６０が固定子３５０の内側にあるインナーロータ型の電動機である。磁極部３５１ａは、永久磁石３５２ａと磁性延伸部３５３ａと巻線３５４ａとを含む。隣り合う磁極部は磁性連結部３５７で連結されている。磁性連結部３５７は、巻線３５４ａよりも半径方向外側に配置されている。回転子３６０は、固定子３５０の内側に配された環状のヨーク部３６１とヨーク部３６１の外周面に等間隔に配置された突極部３６２とを含む。電動機３７２において、固定子の磁極部が１２個、回転子の突極部が１４個である。

図１６に示す電動機４７２は、回転子４６０が固定子４５０の外側にあるアウターロータ型の電動機である。磁極部４５１ａは、永久磁石４５２ａと磁性延伸部４５３ａと巻線４５４ａとを含む。隣り合う磁極部は磁性連結部４５７で連結されている。磁性連結部４５７は、巻線４５４ａよりも半径方向内側に配置されている。回転子４６０は、固定子４５０の外側に配された環状のヨーク部４６１とヨーク部４６１の内周面に等間隔に配置された突極部４６２とを含む。電動機４７２において、固定子の磁極部が１２個、回転子の突極部が１４個である。

（２）主にトルクを発生させる突極部と主に磁路を短絡する突極部の関係
第２の実施形態では、固定子の外側にある第１突極部が主にトルクを発生させ、固定子の内側にある第２突極部が主に磁路を短絡する役割を果たしている。これは、固定子の磁性延伸部どうしを連結する磁性連結部が巻線よりも半径方向内側に配置されていることで、磁極部から磁束が半径方向外側に出やすい構造となっているからである。そのため、この関係が内側と外側で逆転した場合には、固定子の外側にある第１突極部が主に磁路を短絡し、固定子の内側にある第２突極部が主にトルクを発生させる役割を果たす。以下にこのような構造を例示する。

図１７は、変形例に係る電動機の構造を示す断面図である。
電動機５７２は、固定子５５０と回転子５６０を備える。
磁極部５５１ａは、永久磁石５５２ａと磁性延伸部５５３ａと巻線５５４ａとを含む。隣り合う磁極部は磁性連結部５５７で連結されている。回転子５６０は、固定子５５０の外側に配された環状の第１ヨーク部５６１と第１ヨーク部５６１の内周面に等間隔に配置された第１突極部５６２と、固定子５５０の内側に配された環状の第２ヨーク部５６３と第２ヨーク部５６３の外周面に等間隔に配置された第２突極部５６４とを含む。磁性連結部５５７が巻線５５４ａよりも半径方向外側に配置されている。そのため、この構造では、磁極部から磁束が半径方向内側に出やすい構造となっており、第２突極部が主にトルクを発生させ、第１突極部が主に磁路を短絡する役割を果たしている。

第１突極部の半径方向内側の周面の周方向の幅は、永久磁石の半径方向外側の周面の周方向の幅よりも大きい。また、第２突極部の半径方向外側の周面の周方向の幅は、永久磁石の半径方向内側の周面の幅と略同じである。
図１８は、電動機５７２の回転子５６０が回転している様子を示す図である。ここでは回転子５６０が反時計周りに回転するものとする。

図１８（ａ）のタイミングでは、第１突極部５６２ａが永久磁石５５２ａのＮ極とＳ極を磁気的に短絡し始めている。符号ａ２の箇所において、第１突極部５６２ａの周面における反時計方向の端部と磁性延伸部５５３ａの半径方向外側の周面における時計方向の端部とが周方向において一致している。また、第１突極部５６２ａの周面の幅が永久磁石５５３ａの周面の幅よりも大きいので、符号ａ１の箇所において、第１突極部５６２ａの周面と磁性延伸部５５３ａの半径方向外側の周面とが半径方向において重複している。このとき、符号ａ４の箇所において、第２突極部５６４ｂの周面と磁性延伸部５５３ａの半径方向内側の周面とが半径方向に重複している。この例では、第１突極部５６２ａが永久磁石５５２ａのＮ極とＳ極を磁気的に短絡している。これにより、耐減磁性能を向上させることができる。

図１８（ｂ）のタイミングでは、回転子５６０が反時計周りに回転し、第１突極部５６２ａによる永久磁石５５２ａのＮ極とＳ極の磁気的な短絡が解除され始めている。符号ａ１の箇所において、第１突極部５６２ａの周面における時計方向の端部と磁性延伸部５５３ａの半径方向外側の周面における反時計方向の端部とが周方向において一致している。一方、第２突極部５６４ａの周面と磁性延伸部５５３ａの半径方向内側の周面とが半径方向に重複していない（符号ａ３）。このタイミングでは、巻線５５４ａに流れる電流が大きくなり、その結果、巻線５５４ａにより生じる磁束が大きくなる。このような状況において、第１突極部５６２ａの短絡が解除されるので、磁性延伸部５５３ａから磁束を半径方向内側に向けて効率良く出すことができる。そのため、第２突極部５６４ａに発生するトルクが大きくなる。

（３）電流波形
上記実施形態では、ＰＷＭ制御に基づく正弦波電流（厳密には高調波を含む正弦波）を巻線に流すこととしているが、これに限らない。例えば、正弦波電流、矩形波電流でも構わない。
（４）ラジアルギャップ型とアキシャルギャップ型
上記実施形態では、エアギャップが半径方向にあるラジアルギャップ型の電動機を開示しているが、これに限らず、回転軸方向にエアギャップのあるアキシャルギャップ型の電動機としてもよい。

（５）スキュー配置
上記実施形態では、固定子の磁極部は回転軸方向に沿って配置されているが、回転軸方向に進むにつれて周方向にずれるスキュー配置を採用してもよい。
また、上記実施形態では、回転子の突極部は回転方向に沿って配置されているが、回転軸方向に進むにつれて周方向にずれるスキュー配置を採用してもよい。この場合、スキューは一定の滑らかなスキューでも、段階状のスキューでもよい。

（６）リニア電動機
上記実施形態では、固定子および回転子が環状の電動機を開示しているが、これに限らず、リニア電動機にも適用可能である。
（７）永久磁石の周方向両側の非連結箇所
上記実施形態では、永久磁石２２の半径方向両側が、回転軸に沿う何れの箇所でも軟磁性材では覆われていない。しかしながら、これに限らず、効率良くトルクを発生することさえできれば、部分的に軟磁性材で覆われていてもよい。

（８）永久磁石の種類
上記実施形態では、永久磁石にフェライト磁石を採用しているが、これには限られない。エネルギー積が比較的小さな（例えば、１５０ｋＪ／ｍ³以下）の永久磁石であれば、電流位相を遅らせることでトルクを向上させる効果を得ることができると考えられる。このような永久磁石としては、希土類磁石の粉末をゴムや樹脂に練り込んだボンド磁石等が挙げられる。

本発明の一態様は、コンプレッサ、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車、発電機等、広く利用可能である。

Ｔ１〜Ｔ６ スイッチ素子
２０、５０、３５０、４５０、５５０ 固定子
２１ａ〜２１ｆ、５１ａ〜５１ｌ、３５１ａ、４５１ａ、５５１ａ 磁極部
２２、２２ａ〜２２ｆ、５２ａ、３５２ａ、４５２ａ、５５２ａ 永久磁石
２３、２３ａ〜２３ｆ、５３ａ、３５３ａ、４５３ａ、５５３ａ 磁性延伸部
２４、２４ａ〜２４ｆ、５４ａ、３５４ａ、４５４ａ、５５４ａ 巻線
２５ａ 隙間
２７、５７、３５７、４５７、５５７ 磁性連結部
２８ 円環部材
３０、６０、３６０、４６０、５６０ 回転子
３１、３６１、４６１ ヨーク部
３２、３２ａ〜３２ｇ、３６２、４６２ 突極部
６１、５６１ 第１ヨーク部
６２ａ〜６２ｎ、５６２ 第１突極部
６３、５６３ 第２ヨーク部
６４ａ〜６４ｎ、５６４ 第２突極部
３３、６５ 円環部材
４０ 電動機駆動システム
４１ 直流電源
４２、７２、３７２、４７２、５７２ 電動機
４３ 駆動装置
４４ 電流検出部
４５ 位置検出部
４６ 速度検出部
４７ ＰＷＭ制御部
４８ ドライバ

Claims (14)

1. 電動機と前記電動機を駆動する駆動装置とを備える電動機駆動システムであって、
   前記電動機は、
   複数の磁極部を円周上に配置してなる固定子と、前記固定子の中心を回転軸として回転する回転子とを備え、
   前記磁極部は、磁性材からなり半径方向に延伸する一対の磁性延伸部が永久磁石の周方向両側に配されてなるティースと前記ティースに対して集中巻された巻線とを含み、前記回転軸に垂直な断面において、前記一対の磁性延伸部が前記永久磁石の半径方向両側で連結されていない箇所を有し、
   前記回転子は、環状の回転子ヨーク部と、当該回転子ヨーク部から前記固定子側に突出した複数の突極部とを含み、
   前記駆動装置は、
   前記固定子の各巻線に電流を流さない状態で前記回転子を回転させた場合に各巻線に誘起される電圧の位相を基準としたとき、前記基準の位相よりも遅れた位相を有する電流を、前記固定子の各巻線に流す、
   電動機駆動システム。
2. 前記駆動装置は、
   前記固定子の各巻線に流す電流が大きいほど位相の遅延量を大きくする、
   請求項１に記載の電動機駆動システム。
3. 前記回転子ヨーク部は、前記固定子よりも半径方向外側に配置された第１ヨーク部と、前記第１ヨーク部と連結され前記固定子よりも半径方向内側に配置された第２ヨーク部とを含み、
   前記突極部は、前記第１ヨーク部の内周面に配置された複数の第１突極部と、前記第２ヨーク部の外周面に配置された前記第１突極部と同数の第２突極部とを含み、
   前記第１突極部と前記第２突極部は、互いに周方向にずれた位置にある、
   請求項１または２に記載の電動機駆動システム。
4. 前記永久磁石の周方向一方側の磁性延伸部を第１磁性延伸部とし、周方向他方側の磁性延伸部を第２磁性延伸部としたとき、
   前記固定子は、さらに、隣り合う磁極部のうち周方向他方側の磁極部の第１磁性延伸部と周方向一方側の第２磁性延伸部とを連結する、磁性材からなる磁性連結部を含み、前記磁性連結部は、前記巻線よりも半径方向内側に配され、
   前記第２突極部が前記複数の磁極部の何れかに対向する場合に、前記回転軸に垂直な断面において、前記第２突極部の半径方向外側の周面における周方向一方側の端部と前記何れかの磁極部の第１磁性延伸部の半径方向内側の周面における周方向他方側の端部とが周方向において一致する場合に、前記第１突極部の半径方向内側の周面と前記何れかの磁極部の第１磁性延伸部の半径方向外側の周面とが半径方向において重複する、
   請求項３に記載の電動機駆動システム。
5. 前記永久磁石の周方向一方側の磁性延伸部を第１磁性延伸部とし、周方向他方側の磁性延伸部を第２磁性延伸部としたとき、
   前記固定子は、さらに、隣り合う磁極部のうち周方向他方側の磁極部の第１磁性延伸部と周方向一方側の第２磁性延伸部とを連結する、磁性材からなる磁性連結部を含み、前記磁性連結部は、前記巻線よりも半径方向内側に配され、
   前記第２突極部が前記複数の磁極部の何れかに対向する場合に、前記回転軸に垂直な断面において、前記第２突極部の半径方向外側の周面における周方向他方側の端部と前記何れかの磁極部の第２磁性延伸部の半径方向内側の周面における周方向一方側の端部とが周方向において一致する場合に、前記第１突極部の半径方向内側の周面と前記何れかの磁極部の第２磁性延伸部の半径方向外側の周面とが半径方向において重複しない、
   請求項３に記載の電動機駆動システム。
6. 前記永久磁石の半径方向内側の周面の周方向の幅が、前記第２突極部の半径方向外側の周面の周方向の幅よりも小さい、
   請求項４または５に記載の電動機駆動システム。
7. 前記永久磁石の周方向一方側の磁性延伸部を第１磁性延伸部とし、周方向他方側の磁性延伸部を第２磁性延伸部としたとき、
   前記固定子は、さらに、隣り合う磁極部のうち周方向他方側の磁極部の第１磁性延伸部と周方向一方側の第２磁性延伸部とを連結する、磁性材からなる磁性連結部を含み、前記磁性連結部は、前記巻線よりも半径方向外側に配され、
   前記第１突極部が前記複数の磁極部の何れかに対向する場合に、前記回転軸に垂直な断面において、前記第１突極部の半径方向内側の周面における周方向一方側の端部と前記何れかの磁極部の第１磁性延伸部の半径方向外側の周面における周方向他方側の端部とが周方向において一致する場合に、前記第２突極部の半径方向外側の周面と前記何れかの磁極部の第１磁性延伸部の半径方向内側の周面とが半径方向において重複する、
   請求項３に記載の電動機駆動システム。
8. 前記永久磁石の周方向一方側の磁性延伸部を第１磁性延伸部とし、周方向他方側の磁性延伸部を第２磁性延伸部としたとき、
   前記固定子は、さらに、隣り合う磁極部のうち周方向他方側の磁極部の第１磁性延伸部と周方向一方側の第２磁性延伸部とを連結する、磁性材からなる磁性連結部を含み、前記磁性連結部は、前記巻線よりも半径方向外側に配され、
   前記第１突極部が前記複数の磁極部の何れかに対向する場合に、前記回転軸に垂直な断面において、前記第１突極部の半径方向内側の周面における周方向他方側の端部と前記何れかの磁極部の第２磁性延伸部の半径方向外側の周面における周方向一方側の端部とが周方向において一致する場合に、前記第２突極部の半径方向外側の周面と前記何れかの磁極部の第２磁性延伸部の半径方向内側の周面とが半径方向において重複しない、
   請求項３に記載の電動機駆動システム。
9. 前記永久磁石の半径方向外側の周面の周方向の幅が、前記第１突極部の半径方向内側の周面の周方向の幅よりも小さい、
   請求項７または８に記載の電動機駆動システム。
10. 前記第１突極部および前記第２突極部は、更に、前記回転軸に垂直な断面において、周方向に隣り合う２つの第１突極部の中央部の各々と前記回転軸とを結ぶ２つの線分の対称軸上に前記第２の突極部の中央部が位置するように配置されている、
    請求項３に記載の電動機駆動システム。
11. 周方向に隣り合う巻線の巻回方向が互いに同じであり、
    周方向に隣り合う永久磁石の着磁方向が互いに逆である、
    請求項１に記載の電動機駆動システム。
12. 前記永久磁石のエネルギー積は、１５０ｋＪ／ｍ³以下である、
    請求項１に記載の電動機駆動システム。
13. 前記永久磁石は、フェライト磁石である、
    請求項１に記載の電動機駆動システム。
14. 電動機を駆動する電動機駆動方法であって、
    前記電動機は、
    複数の磁極部を円周上に配置してなる固定子と、前記固定子の中心を回転軸として回転する回転子とを備え、
    前記磁極部は、半径方向に延伸する一対の磁性延伸部が永久磁石の周方向両側に配されてなるティースと前記ティースに対して集中巻された巻線とを含み、前記回転軸に垂直な断面において、前記一対の磁性延伸部が半径方向両側で連結されていない箇所を有し、
    前記回転子は、環状の回転子ヨーク部と、当該回転子ヨーク部から前記固定子側に突出した複数の突極部とを含み、
    前記固定子の各巻線に電流を流さない状態で前記回転子を回転させた場合に各巻線に誘起される電圧の位相を基準としたとき、前記基準の位相よりも遅れた位相を有する電流を、前記固定子の各巻線に流す、
    電動機駆動方法。

Images