JP2014093821A - モータおよびロータ回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの回転角度を正確に検出可能にするとともに、コストの増大の防止に寄与すること。
【解決手段】永久磁石型同期モータ１０は、Ｎ極およびＳ極の磁石２４ｎ，２４ｓを磁極対とする複数の磁極対が周方向に配置されたロータ２０と、各磁石と鎖交する磁束を発生可能な多相のコイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗを有するステータ３０と、を備える。ロータ２０は、磁石の中心位置Ｐｎ，Ｐｓからロータ２０の外周面２０ａまでの距離Ｄｘが、少なくとも１つの磁極対２４ｎ，２４ｓに対応する範囲で回転角度毎に連続して異なる形状を有している。ロータ２０は、その一形態として、外周面２０ａがスパイラル曲線の形状に形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、センサレス制御技術を用いて特定するロータの磁極の位置からロータ回転角度を検出するよう適応されたモータおよびロータ回転角度検出装置に関する。

従来、センサレス制御技術は各種提案されており、特に、モータの起動時に磁極位置を特定する方法として、コイル巻線に高周波電圧や電流を印加する方法が知られている。この方法はモータの突極性を利用したものであり、例えば、ロータの鉄芯表面形状に凹凸を形成して突極性をもたせるものである。

磁極位置を特定するためには、モータの極性を判別する必要がある。この極性を判別する技術の一例として、Ｎ極とＳ極とで厚さの異なる磁石を配置して突極性をもたせたロータを備え、ロータの磁極位置の検出時にコイルの極数を切り替えてＮ極とＳ極に対向するコイルのインダクタンスに差を生じさせ、そのインダクタンスの差を基にモータの極性を判別するようにした検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−０６５４１５号公報

上記特許文献１に記載されているような従来の技術においては、Ｎ極とＳ極の磁極毎に磁石の厚さを異ならせる構成であるため、同じ磁極（Ｎ極またはＳ極）に対向するコイルにおいては、極性によるコイルのインダクタンスの差が生じない。すなわち、同じ磁極ではインダクタンスが一様となるので、同じ磁極間の識別を行うことができない。

このため、任意数の磁極対（Ｎ極およびＳ極）に対応する範囲において同じ磁極間でコイルがいずれの磁極に対向しているのかの極性判別（すなわち、磁極位置の特定）を正確に行うことができず、その結果、正確なロータ回転角度を検出することができないという問題があった。

また、コイル巻線の極数をロータの磁極位置検出用の極数に切り替えるための構成（例えば、切り替え回路や引き出し線等）が新たに必要となるため、コストアップを招くという問題があった。

本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、ロータの回転角度を正確に検出可能にするとともに、コストの増大の防止に寄与することができるモータおよびロータ回転角度検出装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係るモータは、上記目的を達成するため、（１）Ｎ極およびＳ極の磁石を磁極対とする複数の磁極対が周方向に配置されたロータと、前記磁石と鎖交する磁束を発生可能な多相のコイルを有するステータと、を備えたモータにおいて、前記ロータは、前記磁石の中心位置から前記ロータの外周面までの距離が、少なくとも１つの磁極対に対応する範囲で回転角度毎に連続して異なる形状を有しているものから構成されている。

このモータは、磁石の中心位置からロータの外周面までの距離が、少なくとも１つの磁極対に対応する範囲（すなわち、電気角３６０°に相当する１磁極対毎の周期性をもつ範囲）で回転角度毎に連続して異なっているので、この範囲内でロータとステータとの間のエアギャップの長さも連続して異なっている。

このため、同じ磁極（Ｎ極またはＳ極）内でもロータの回転角度毎にエアギャップ長が異なることにより磁気抵抗が異なり、その磁気抵抗の逆数に比例するインダクタンスも異なった値となる。

このような形状を有したロータに対し、ステータの多相のコイルに電圧を印加する（すなわち、励磁電流を通電する）と、回転角度毎に異なるインダクタンスによって各コイルに誘導される電流の値も回転角度毎に異なった値となる。したがって、この多相のコイルに誘導される電流の値から、ロータの回転角度を正確に検出することが可能となる。

また、本発明のモータは、上記特許文献１に記載されているような従来の技術で必要とされていた、コイル巻線の極数を切り替えるための構成が不要となるため、コストの増大を防止することができる。

本発明の他の形態に係るロータ回転角度検出装置は、上記目的を達成するため、（２）上記（１）に記載のモータと、前記少なくとも１つの磁極対に対応する範囲で前記ロータの回転角度毎に求めた前記多相の各コイルに生じる誘導電流の値と当該回転角度との対応関係を表したプロファイルを格納した記憶手段と、前記多相の各コイルに同じ大きさの電圧を同じ極性方向に印加する電圧印加手段と、前記電圧の印加によって前記各コイルに誘導される電流を検出する電流検出手段と、前記記憶手段に格納された前記プロファイルを参照して、前記電流検出手段により検出された前記各コイルの誘導電流の値から前記ロータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、を備えたものから構成されている。

このロータ回転角度検出装置は、上記（１）に記載のモータを用いているので、所定の電圧の印加によって各コイルに誘導される電流の検出値を、記憶手段に格納された所定のプロファイルと照合することで、ロータの回転角度を正確に検出することができる。

また、上記（１）に記載のモータを用いることで、従来の技術で必要とされていた極数切り替え用の構成が不要となり、コストの増大の防止に寄与することができる。

本発明によれば、ロータの回転角度を正確に検出可能にするとともに、コストの増大の防止に寄与することができるモータおよびロータ回転角度検出装置を提供することができる。

本発明に係るモータの一実施の形態を示す図であり、永久磁石型同期モータの概略構造を示す断面図である。 本発明に係るモータの一実施の形態を示す図であり、永久磁石型同期モータの一部（図１のＡ−Ａ線に沿って切り欠いた部分）の詳細構造を示す断面図である。 図１、図２に示す永久磁石型同期モータにおけるロータの磁極の極性判定を説明するための図であり、（ａ）は、１磁極対の範囲でのインダクタンスのプロファイルを示す図、（ｂ）は、１磁極対の範囲での誘導電流のプロファイルを示す図である。 本発明に係るロータ回転角度検出装置の一実施の形態を示す図であり、永久磁石型同期モータにおけるロータの回転角度を検出するための装置の概略構成を示す図である。 本発明に係るロータ回転角度検出装置の一実施の形態を示す図であり、ロータ回転角度検出装置が行うロータ回転角度検出処理を表したフロー図である。 本発明に係るモータの他の実施の形態を示す図であり、（ａ）は、ロータ外周面を２磁極対毎の周期性をもつスパイラル曲線とした場合の永久磁石型同期モータの概略構造を示す断面図、（ｂ）は、ロータ外周面を４磁極対毎の周期性をもつスパイラル曲線とした場合の永久磁石型同期モータの概略構造を示す断面図である。

以下、本発明に係るモータおよびロータ回転角度検出装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施の形態においては、本発明に係るモータを、ハイブリッド車両や電気自動車等の駆動源として用いた場合について説明している。

図１〜図３は、本発明に係るモータの一実施の形態を示したものである。このうち、図１は、本実施の形態の永久磁石型同期モータ１０の概略的な断面構造を示し、図２は、この永久磁石型同期モータ１０の一部（図１のＡ−Ａ線に沿って切り欠いた部分）の詳細な断面構造を示している。

まず、本実施の形態の永久磁石型同期モータ１０の構成について説明する。

図１、図２に示すように、本実施の形態の永久磁石型同期モータ１０は、円筒状に近い形状を有したロータ２０と、このロータ２０の周囲を囲むようにロータ２０と同軸上に設けられた筒状のステータ３０とを備えている。

この永久磁石型同期モータ１０は、例えば、ハイブリッド車両に搭載された場合、エンジンによって回転駆動されるクランクシャフトと自動変速機の変速機入力軸との動力伝達経路に介在されている。

ロータ２０は、円筒状に近い形状を有した鉄芯２２と、この鉄芯２２の周方向に沿って鉄芯２２中に埋め込まれたＮ極の永久磁石（以下、「Ｎ極磁石」、または単に「磁石」ともいう。）２４ｎおよびＳ極の永久磁石（以下、「Ｓ極磁石」、または単に「磁石」ともいう。）２４ｓとから構成されている。Ｎ極磁石２４ｎおよびＳ極磁石２４ｓは、図１に示すように交互に配置され、それぞれ４個ずつ（合計８個）設けられている。

ロータ２０を構成する鉄芯２２の材料としては、鉄損が少なく、飽和磁束密度および透磁率の大きい珪素鋼板が用いられる。

このロータ２０は、ステータ３０に対向する側の外周面２０ａと、これと反対側の内周面２０ｃとを有している。内周面２０ｃは、円弧状に形成されており、外周面２０ａは、スパイラル曲線の形状に形成されている。ここでいう「スパイラル曲線」とは、渦が巻くような、旋回するにつれ中心から遠ざかる曲線（あるいは逆向きにたどれば中心に近づく曲線）をいう。

本実施の形態の永久磁石型同期モータ１０は、図１、図２に示すように、ロータ２０の外周面２０ａが、電気角３６０°に相当する１磁極対（隣り合うＮ極磁石２４ｎおよびＳ極磁石２４ｓ）毎の周期性をもってそれぞれスパイラル曲線の形状をなすような構造を有している。

また、ロータ２０の外周面２０ａの近傍に参照符号２０ｂで指示される破線の部分は、現状技術の永久磁石型同期モータにおけるロータの外周面を表している。この外周面２０ｂは、ロータ２０の内周面２０ｃと同心円の円弧状に形成されている。

Ｎ極磁石２４ｎおよびＳ極磁石２４ｓは、それぞれ長方形の形状を有しており（図２参照）、各々の中心位置Ｐｎ，Ｐｓが、ロータ２０の半径方向において内周面２０ｃから等距離（あるいは現状技術のロータの外周面２０ｂから等距離）となるように鉄芯２２中に埋め込まれている。

したがって、Ｎ極磁石２４ｎ、Ｓ極磁石２４ｓの各々の中心位置Ｐｎ，Ｐｓからロータ２０の外周面２０ａまでの距離Ｄｘは、外周面２０ａがスパイラル曲線の形状に形成されていることにより、不均等となっている。すなわち、この距離Ｄｘは、１磁極対（＝電気角３６０°）に対応する範囲でロータ２０の回転角度毎に異なっている。これにより、ロータ２０とステータ３０との間のエアギャップも回転角度毎に異なっている。

本実施の形態の永久磁石型同期モータ１０（図１、図２）においては、ロータ２０は、Ｎ極、Ｓ極の各磁石２４ｎ，２４ｓの中心位置Ｐｎ，Ｐｓからロータ２０の外周面２０ａまでの距離Ｄｘが、１磁極対（＝電気角３６０°）に対応する範囲でロータ２０の回転角度が増大する方向（図示の例では、時計回りの方向）に連続的に増大する構造となっている。この構造により、エアギャップ長は、１磁極対（＝電気角３６０°）に対応する範囲で連続的に減少している。

一方、ステータ３０は、ロータ２０に対向する側の内周面に、周方向に等間隔をおいて２４個のスロット３２が設けられている。２４個のスロット３２は、６個ずつ単位でロータ２０の１磁極対に対応している（図１参照）。各スロット３２には、永久磁石型同期モータ１０に印加される三相交流電圧のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する各コイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗが収容されている。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗは、図１に示すように反時計回りの方向にこの順に交互に配置されている。

また、各相のコイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗは、２つおきに配置されたコイル（○の中に「×」を付したコイルＵ，Ｖ，Ｗと、○の中に「・」を付したコイル−Ｕ，−Ｖ，−Ｗ）によって１組のループ状のコイルが形成されている。○の中に「×」を付したコイルＵ，Ｖ，Ｗは、図面の手前側から向こう側へ電流が流れるコイルを表しており、○の中に「・」を付したコイル−Ｕ，−Ｖ，−Ｗは、図面の向こう側から手前側へ電流が流れるコイルを表している。

また、参照符号３６ｕを付してループ状に囲んだ部分は、Ｕ相コイル３４ｕ（Ｕ）を流れる電流によって形成される磁路をイメージ的に表している。同様に、参照符号３６ｖを付してループ状に囲んだ部分は、Ｖ相コイル３４ｖ（−Ｖ）を流れる電流によって形成される磁路をイメージ的に表している。また、参照符号３６ｗを付してループ状に囲んだ部分は、Ｗ相コイル３４ｗ（−Ｗ）を流れる電流によって形成される磁路をイメージ的に表している。

図２に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗを通過する各磁路３６ｕ，３６ｖ，３６ｗは、ロータ２０側のＮ極磁石２４ｎおよびＳ極磁石２４ｓが配置されている領域に及んでいる。すなわち、ステータ３０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗが、ロータ２０に設けられた各磁石２４ｎ，２４ｓと鎖交する磁束（磁路３６ｕ，３６ｖ，３６ｗ）を発生し得るように構成されている。

本実施の形態の永久磁石型同期モータ１０（図１、図２）においては、１磁極対（＝電気角３６０°）に対応する範囲でロータ回転角度毎にロータ２０とステータ３０との間のエアギャップ長が連続して変化している。このため、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗを通過する各磁路３６ｕ，３６ｖ，３６ｗのエアギャップ長（すなわち、Ｎ極磁石２４ｎに対向する箇所のエアギャップ長とＳ極磁石２４ｓに対向する箇所のエアギャップ長の和）は、必ず異なった値となる。

図２を参照すると、Ｕ相コイル３４ｕを通過する磁路３６ｕに含まれるエアギャップの全長は、Ｌｇｕｎ＋Ｌｇｕｓであり、Ｖ相コイル３４ｖを通過する磁路３６ｖに含まれるエアギャップの全長は、Ｌｇｖｎ＋Ｌｇｖｓであり、Ｗ相コイル３４ｗを通過する磁路３６ｗに含まれるエアギャップの全長は、Ｌｇｗｎ＋Ｌｇｗｓである。図２に示す例では、各磁路３６ｕ，３６ｖ，３６ｗのエアギャップ長は、Ｕ相のエアギャップ長（＝Ｌｇｕｎ＋Ｌｇｕｓ）＞Ｗ相のエアギャップ長（＝Ｌｇｗｎ＋Ｌｇｗｓ）＞Ｖ相のエアギャップ長（＝Ｌｇｖｎ＋Ｌｇｖｓ）の順に小さくなっている。すなわち、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各エアギャップ長は、互いに異なった値となっている。

本実施の形態の永久磁石型同期モータ１０は、図１、図２に示すようにロータ２０の外周面２０ａの形状がスパイラル曲線の形状となっているので、ロータ２０とステータ３０との間のエアギャップ長は、ロータ２０の１磁極対（＝電気角３６０°）に対応する範囲の外周面２０ａ全域に亘って不均等となっている。

これにより、ロータ２０の１磁極対（＝電気角３６０°）に対応する範囲の外周面２０ａ全域に亘って、ロータ回転角度毎に、ロータ２０のＮ極磁石２４ｎとＳ極磁石２４ｓの磁気抵抗に差をもたせることができる。すなわち、その磁気抵抗の逆数に比例するインダクタンスに差をもたせることができる。

このようにロータ２０の回転角度毎にインダクタンスに差をもたせているので、低磁束密度（＝小さな励磁電流）でも、Ｎ極磁石２４ｎに対向する各コイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗに誘導される電流と、Ｓ極磁石２４ｓに対向する各コイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗに誘導される電流との間に必ず差が生じる。

したがって、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗに誘導される電流の大きさから、ロータ２０の１磁極対（＝電気角３６０°）に対応する範囲において各コイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗがＮ極磁石２４ｎに対向しているのか、あるいはＳ極磁石２４ｓに対向しているのかの極性判定を正確に行うことができる。

図３は、その極性判定を行うためのプロファイルを示したものであり、（ａ）は１磁極対の範囲でのインダクタンスのプロファイルを示し、（ｂ）は１磁極対の範囲での誘導電流のプロファイルを示している。

図３（ａ），（ｂ）において、実線で示すプロファイルＰＲ１，ＰＲ３は、本実施の形態の永久磁石型同期モータ１０について求めたものである。これに対し、破線で示すプロファイルＰＲ２，ＰＲ４は、現状技術の一例としての、Ｎ極とＳ極とで磁気抵抗が同一、すなわち、インダクタンスが同一のロータを備えた永久磁石型同期モータについて求めたものである。

図３（ａ）に示す本実施の形態に係るインダクタンスのプロファイルＰＲ１は、１磁極対（＝電気角３６０°）に対応する範囲でロータ２０の回転角度毎に、ロータ２０とステータ３０の幾何学的形状および相対配置関係に基づいて算出したＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗのインダクタンスの値と当該回転角度との対応関係を表している。現状技術のインダクタンスのプロファイルＰＲ２についても、同様の方法により算出している。

また、図３（ａ）において、Ｌｄは、ロータ２０の磁極が作り出す磁束の方向、すなわち、Ｎ極、Ｓ極の各磁石２４ｎ，２４ｓの中心軸となるｄ軸（図２参照）の方向のインダクタンスを表しており、Ｌｑは、ｄ軸と電気的かつ磁気的に直交するｑ軸（図２参照）の方向のインダクタンスを表している。

図３（ｂ）に示す本実施の形態に係る誘導電流のプロファイルＰＲ３は、１磁極対（＝電気角３６０°）に対応する範囲でロータ２０の回転角度毎に、予め実験的な測定により求めたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗに生じる誘導電流の値と当該回転角度との対応関係を表している。現状技術の誘導電流のプロファイルＰＲ４についても、同様の方法により算出している。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、現状技術による永久磁石型同期モータにおいては、そのロータの形状に起因してＮ極とＳ極とでインダクタンスが等しくなっており（プロファイルＰＲ２）、これにより、ステータ側のコイルに誘導される電流もＮ極とＳ極とで等しくなっている（プロファイルＰＲ４）。

このため、１磁極対（＝電気角３６０°）に対応する範囲でコイルがＮ極に対向しているのか、あるいはＳ極に対向しているのかの極性判定を行うことができない。

これに対して、本実施の形態の永久磁石型同期モータ１０においては、そのロータ２０の外周面２０ａの形状（図１、図２）に起因して１磁極対（＝電気角３６０°）に対応する範囲で回転角度毎にインダクタンスが異なっている(図３（ａ）のプロファイルＰＲ１)。

これにより、Ｎ極に対向するコイルに誘導される電流と、Ｓ極に対向するコイルに誘導される電流との間に差が生じるため（図３（ｂ）のプロファイルＰＲ３）、１磁極対（＝電気角３６０°）に対応する範囲でコイルがいずれの磁極（Ｎ極またはＳ極）に対向しているのかの極性判定を確実に行うことができる。

また、この極性判定に基づいて、ロータ回転角度を正確に検出することができる。

以下、本実施の形態の永久磁石型同期モータ１０におけるロータ２０の回転角度を検出する方法について、図４および図５を参照しながら説明する。

図４は、一実施の形態としてのロータ回転角度検出装置４０の概略構成を示したものであり、図５は、このロータ回転角度検出装置４０が行うロータ回転角度検出処理を示している。

図４に示すように、このロータ回転角度検出装置４０は、上記の構成を有した永久磁石型同期モータ１０に加えて、ＭＣＵ（モータコントロールユニット）４１と、バッテリ４３と、コンバータ４４と、インバータ４５と、電流検出器４６と、を備えている。

バッテリ４３は、直流電源を構成し、充放電が可能となっている。コンバータ４４は、ＭＣＵ４１からの制御に基づいて、バッテリ４３の出力電圧（直流）を昇圧してインバータ４５に出力するよう構成されている。

インバータ４５は、ＭＣＵ４１からの制御に基づいて、永久磁石型同期モータ１０に印加されるパルス形状の駆動電圧の波形を形成するものであり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各駆動電圧を切り替え制御する電力スイッチング素子、ゲートドライバ、平滑キャパシタ等から構成されている。電流検出器４６は、永久磁石型同期モータ１０への電圧印加によってコイルに誘導される電流を検出するものであり、本発明に係る電流検出手段を構成する。

ＭＣＵ４１は、図示しないＣＰＵ（中央処理ユニット）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）等を備えており、さらに、本発明に係る記憶手段を構成する不揮発性のメモリ４２を備えている。このメモリ４２には、図３（ｂ）に示したような誘導電流のプロファイルＰＲ３のデータが予め格納されている。

ＭＣＵ４１は、その基本的な機能として、コンバータ４４による昇圧の大きさやインバータ４５によるスイッチングタイミング等を制御することにより、永久磁石型同期モータ１０の出力や回転速度を調節するようになっている。さらに、このＭＣＵ４１は、本発明に関連する機能として、ロータ２０の回転角度を検出するための処理を実行するようになっている。この処理を実行するため、ＭＣＵ４１は、図５に示すように３つの機能を有している。

先ず、ＭＣＵ４１は、永久磁石型同期モータ１０におけるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗ（図１、図２）に同じ大きさの電圧（特に、小さな励磁電流を通電するのに十分な程度の低電圧）を同じ極性方向に印加する電圧印加手段としての機能を有している（ステップＳ１）。

また、ＭＣＵ４１は、ステップＳ１での電圧の印加によって各コイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗに誘導される電流を、電流検出器４６と協働して検出する電流検出手段としての機能を有している（ステップＳ２）。

また、ＭＣＵ４１は、ステップＳ２において検出された各コイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗの誘導電流の値を、メモリ４２に格納された誘導電流のプロファイルＰＲ３と照合し、ロータ２０の回転角度を検出する回転角度検出手段としての機能を有している（ステップＳ３）。

本実施の形態の永久磁石型同期モータ１０およびロータ回転角度検出装置４０は、上述のような構成を備えることにより、以下の作用効果を奏する。

先ず、永久磁石型同期モータ１０において、ロータ２０の磁極（磁石２４ｎ，２４ｓ）の中心位置Ｐｎ，Ｐｓからロータ２０の外周面２０ａまでの距離Ｄｘが、１磁極対（＝電気角３６０°）に対応する範囲でロータ回転角度毎に連続して異なっているので、この１磁極対の範囲内でロータ２０とステータ３０との間のエアギャップ長も連続して異なっている。

このため、図２に示すように同じ磁極（Ｎ極磁石２４ｎまたはＳ極磁石２４ｓ）内でもロータ２０の回転角度毎にエアギャップ長が異なることにより磁気抵抗が異なり、この磁気抵抗の逆数に比例するインダクタンスも異なった値となる（図３（ａ）に示すプロファイルＰＲ１参照）。

このような形状を有したロータ２０に対し、ＭＣＵ４１からの制御に基づきインバータ４５から、ステータ３０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗに同じ大きさの低電圧を印加する（すなわち、小さな励磁電流を通電する）と、回転角度毎に異なるインダクタンスによって各コイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗに誘導される電流の値も回転角度毎に異なった値となる（図３（ｂ）に示すプロファイルＰＲ３参照）。

この回転角度毎に異なる誘導電流は、電流検出器４６によって検出され、デジタル信号に変換されてＭＣＵ４１に出力される。

したがって、ＭＣＵ４１は、電流検出器４６から出力された各コイル３４ｕ，３４ｖ，３４ｗの誘導電流の検出値を、メモリ４２に格納された誘導電流のプロファイルＰＲ３と照合することで、ロータ２０の回転角度を正確に検出することができる。

また、ロータ２０の磁極の極性判定に基づいたロータ回転角度の検出を行うのに必要とされる印加電圧（通電される励磁電流）は、比較的低い電圧（小さい励磁電流）で十分であるため、以下の利点が得られる。

すなわち、上述した図３（ａ）に関連して説明した現状技術においては、Ｎ極とＳ極とで磁気抵抗が同一（すなわち、インダクタンスが同一）のロータを備えた永久磁石型同期モータに対して、センサレス制御によりモータ起動時の磁極位置の極性判定を行う場合、コイルに比較的大きい電流が正方向および逆方向に誘導されるように電圧を印加し、磁気飽和によるＢ−Ｈ特性（ヒステリシス曲線）の非線形性により増磁方向と減磁方向とで誘導電流が異なることを利用して、極性判定を行っている。

このように比較的大きな電流を発生させて磁極の極性判定を行う方法では、大電流によるモータのトルク振動によって車両振動や騒音が大きくなるという問題が起こり得る。

これに対して、本実施の形態の永久磁石型同期モータ１０は、１磁極対（＝電気角３６０°）に対応する範囲でロータ回転角度毎にエアギャップ長を異ならせているので、Ｂ−Ｈ特性の磁気飽和域でなくてもＮ極とＳ極とで磁気抵抗（すなわち、インダクタンス）を異ならせることができる。

このため、永久磁石型同期モータ１０に誘導される磁気飽和に至らない比較的小さな誘導電流の大きさ（図３（ｂ）に示すプロファイルＰＲ３）から、１磁極対（＝電気角３６０°）に対応する範囲でコイルがいずれの磁極（Ｎ極またはＳ極）に対向しているのかの極性判定を正確に行うことができる。

このように、本実施の形態の永久磁石型同期モータ１０およびロータ回転角度検出装置４０は、Ｂ−Ｈ特性において磁気飽和が線形な非飽和領域、すなわち、小さい励磁電流でも極性判定を行うことができるので、ロータ回転角度検出時の永久磁石型同期モータ１０のトルク変動による車両振動や騒音を低減することができる。これは、モータ起動時のドライバビリティの向上に寄与する。

また、ロータ回転角度検出時に必要とされる印加電圧（通電される励磁電流）が比較的低い電圧（小さい励磁電流）で十分であるため、ロータ回転角度検出装置４０に対する熱負荷、特に、インバータ４５の電力スイッチング素子に対する熱負荷を低減することができる。これにより、電力スイッチング素子の温度上昇を抑制することができる。

また、本実施の形態の永久磁石型同期モータ１０は、従来技術（例えば、特許文献１）において必要とされていた、コイル巻線の極数を切り替えるための構成（引き出し線や切り替え回路等）を追加する必要がないので、コストの増大を防止することができる。

上述した一実施の形態の永久磁石型同期モータ１０は、そのロータ２０の外周面２０ａが１磁極対（電気角３６０°に相当）毎の周期性をもってそれぞれスパイラル曲線の形状をなすような構造（図１）を有しているが、ロータ２０の外周面２０ａがこの形態に限定されないことはもちろんである。

例えば、複数の磁極対（電気角７２０°、１０８０°、１４４０°、……に相当）の数が、ロータ２０に設けられる全磁極対の数の約数となる関係にあれば、その複数の磁極対毎に周期性をもったスパイラル曲線の形状とすることも可能である。

図６は、その複数の磁極対毎に周期性をもったスパイラル曲線の形状とした場合の実施の形態を示したものである。図６に示す構成のうち、上述した一実施の形態の永久磁石型同期モータ１０（図１）と同一の構成には同一の参照符号を付しており、重複する部分の説明は省略する。

図６において（ａ）に示す永久磁石型同期モータ１０Ａは、上述した一実施の形態の永久磁石型同期モータ１０（図１）と比べて、ロータ２０Ａの外周面２０ａが２磁極対毎の周期性をもつスパイラル曲線の形状をなすように構成した点で相違する。

また、図６において（ｂ）に示す永久磁石型同期モータ１０Ｂは、上述した一実施の形態の永久磁石型同期モータ１０（図１）と比べて、ロータ２０Ｂの外周面２０ａが４磁極対毎の周期性をもつスパイラル曲線の形状をなすように構成した点で相違する。

図６（ａ），（ｂ）に示す永久磁石型同期モータ１０Ａ，１０Ｂは、それぞれロータ２０Ａ，２０Ｂの外周面２０ａが、上述した一実施の形態の永久磁石型同期モータ１０におけるロータ２０の外周面２０ａの形状と同様のスパイラル曲線の形状をなしているので、
上述した一実施の形態の場合と同様の作用効果を奏することができる。

また、上述した一実施の形態の永久磁石型同期モータ１０（図１）は、そのロータ２０の外周面２０ａがスパイラル曲線の形状をなすような構造としているが、ロータ２０の外周面２０ａが必ずしもスパイラル曲線の形状に限定されないことはもちろんである。

本発明の要旨からも明らかなように、要は、ロータ２０の磁極（磁石２４ｎ，２４ｓの中心位置Ｐｎ，Ｐｓ）から外周面２０ａまでの距離Ｄｘが、任意数の磁極対に対応する範囲でロータ回転角度毎に連続して異なる形状を有していれば十分である。

例えば、ロータ２０の外周面２０ａを適当に凹凸状に成形することで、スパイラル曲線とは異なる凹凸曲線の形状とし、ロータ２０の磁極からその凹凸曲線の形状に成形されたロータ外周面までの距離が、任意数の磁極対に対応する範囲でロータ回転角度毎に連続的に異なるようにしてもよい。

以上説明したように、本発明に係るモータおよびロータ回転角度検出装置は、ロータの回転角度を正確に検出可能にするとともに、コストの増大の防止に寄与することができるという効果を有し、センサレス制御技術を用いて特定するロータの磁極の位置からロータ回転角度を検出するよう適応されたモータおよびロータ回転角度検出装置全般に有用である。

１０，１０Ａ，１０Ｂ…永久磁石型同期モータ、２０，２０Ａ，２０Ｂ…ロータ、２０ａ…ロータの外周面、２２…鉄芯、２４ｎ，２４ｓ…磁極（Ｎ極磁石、Ｓ極磁石）、３０…ステータ、３４ｕ，３４ｖ，３４ｗ…コイル、３６ｕ，３６ｖ，３６ｗ…磁路、４０…ロータ回転角度検出装置、４１…ＭＣＵ（電圧印加手段、電流検出手段、回転角度検出手段）、４２…メモリ（記憶手段）、４５…インバータ、４６…電流検出器（電流検出手段）、Ｐｎ，Ｐｓ…磁石の中心位置、Ｄｘ…磁石の中心位置からロータの外周面までの距離

Claims (2)

1. Ｎ極およびＳ極の磁石を磁極対とする複数の磁極対が周方向に配置されたロータと、前記磁石と鎖交する磁束を発生可能な多相のコイルを有するステータと、を備えたモータにおいて、
   前記ロータは、前記磁石の中心位置から前記ロータの外周面までの距離が、少なくとも１つの磁極対に対応する範囲で回転角度毎に連続して異なる形状を有していることを特徴とするモータ。
2. 請求項１に記載のモータと、
   前記少なくとも１つの磁極対に対応する範囲で前記ロータの回転角度毎に求めた前記多相の各コイルに生じる誘導電流の値と当該回転角度との対応関係を表したプロファイルを格納した記憶手段と、
   前記多相の各コイルに同じ大きさの電圧を同じ極性方向に印加する電圧印加手段と、
   前記電圧の印加によって前記各コイルに誘導される電流を検出する電流検出手段と、
   前記記憶手段に格納された前記プロファイルを参照して、前記電流検出手段により検出された前記各コイルの誘導電流の値から前記ロータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、
   を備えたことを特徴とするロータ回転角度検出装置。

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