JP4314816B2 - ブラシレスｄｃモータおよびブラシレスｄｃモータ制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ブラシレスＤＣモータおよびブラシレスＤＣモータ制御装置に関し、さらに詳細にいえば、高効率化および低騒音化を両立できる新規なブラシレスＤＣモータおよびブラシレスＤＣモータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、磁束バリアを、周方向のサイズが磁石厚さ以上になるように設定し、効率向上を図ることが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
また、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（以下、ＩＰＭと略称する）において、磁束バリアの角度により低騒音化を達成しようとすることが提案されている（特許文献２、および特許文献３参照）。
【０００４】
さらに、ＩＰＭにおいて、回転子の積層方向にスキューを施すことが提案されている（特許文献４参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−４４８８８号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平１１−９８７３１号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開２０００−２１７２８７号公報
【０００８】
【特許文献４】
特許第３０２８６６９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
極対数Ｐｎのモータにおいて、モータ回転数「ｒｐｓ］のＰｎ倍の周波数（以下、基本周波数と称する）に対して、基本周波数の整数倍の周波数（以下、その倍率を次数と称する）において、回転子と固定子の歯との間で、電磁吸引力（以下、電磁加振力とも称する）が発生しており、その次数の周波数の振動・騒音が発生している。
【００１０】
そして、その次数の振動が、モータやモータを保持しているフレームなどの固有振動数と一致した場合、共振によってさらに大きな振動・騒音となり問題になることがある。
【００１１】
ところで、運転時に回転子と固定子の間に働く電磁吸引力を、接線（局方向）方向成分と法線（半径方向）方向成分に分解したとき、接線成分は回転力として有効に利用されるが、法線成分は振動・騒音の問題を発生させるだけで、無駄な電磁吸引力である。しかも、法線成分は、接線成分に対して１桁違うくらい大きい。モータの発生トルクの滑らかさが求められる用途には従来の方法やスキューなどによって、コギングトルクあるいは、運転時トルクリプルを低減することが効果的だが、モータおよびモータが組み込まれている装置全体の振動・騒音を低減したいという要求に対しては、無駄で大きな電磁力である法線成分の電磁加振力を低減することが必要となる。
【００１２】
法線方向の電磁加振力を低減するためには、加振力自体の大きさを低減することが好ましいが、モータ効率の低下などの弊害を考慮すれば、このような対処を採用することは難しい場合が多い。そのため、特に問題となる特定の次数（回転数の整数倍の周波数）の振動・騒音の低減をめざして対策することが望まれる。
【００１３】
しかし、上記の従来技術では、次のような点で課題がある。
【００１４】
特許文献１では、磁極鉄芯の角度をしかるべき値にすることで、効率向上を実現できる。しかし、効率が高くかつ低騒音なモータが望まれており、しかも低騒音化の為に特定次数の騒音を低減したい場合、効率向上を実現できる範囲の角度すべてについて低騒音化が両立できるのではないため、その範囲内で最適な角度を選択し設定しなければならないが、このような設定を達成することは当業者といえども簡単にはできない。
【００１５】
また、特許文献１では、リブ幅寸法変化による影響を全く考慮していないので、高効率化と低騒音化とを両立させることはさらに困難である。さらに説明する。
【００１６】
リブは、磁石内側の回転子内部のコアとブリッジをつなぐ半径方向に伸びる部分であるが、その幅を大きくすることにより、q軸インダクタンスＬｑを大きくできる。トルクTｒｑは、
Tｒｑ＝Pｎ＊（φａ＊ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）＊ｉｄ＊ｉｑ）
Ｐｎ：極対数、ｉｄ、ｉｑ：それぞれｄ、ｑ軸電流、Ｌｄ、Ｌｑ：それぞれｄ軸インダクタンス、q軸インダクタンス、φａ：磁束鎖交数
で表され、Ｌｑを大きくできれば、Ｌｄ−Ｌｑの絶対値を大きくでき、リラクタンストルクを増やせる。このリブ幅寸法とそれに隣接する磁束バリア部の形状とは、電磁加振力の発生の仕方に大きく関係しているが、特許文献１では、このリブの幅寸法変化による影響を考慮できていない。
【００１７】
特許文献２では、トルクリプル低減を目的として、リブを含むバリア先端間のなす角度の設定もしくはリブ中心を基準にバリア先端までの角度の設定を開示しているが、リブの幅寸法が変化しても設定される角度は同じままである。すなわち、上述のように、このリブ幅寸法とそれに隣接する磁束バリア部の形状とは、電磁加振力の発生の仕方に大きく関係しているのであるから、特許文献２では、高効率化と低騒音化とを両立させることができない。
【００１８】
特許文献３では、同じくトルクリプル低減を目的として、磁極の角度の範囲を規定しているが、同様にリブの幅寸法の変化に対しては、何ら触れていない。すなわち、上述のように、このリブ幅寸法とそれに隣接する磁束バリア部の形状とは、電磁加振力の発生の仕方に大きく関係しているのであるから、特許文献３では、高効率化と低騒音化とを両立させることができない。
【００１９】
さらに、ＩＰＭでは、生産性を考慮し回転子コアを一体に保つ目的で、磁石磁束の短絡を承知の上で、薄肉厚のブリッジ部を設けている。これは、できるだけ薄くし磁束短絡を極力抑えたいが、遠心強度の必要性からある厚さ以上は必要であるが、ブリッジ部の存在による影響について考慮ができていない。したがって、高効率化と低騒音化とを両立させることができないことになる。
【００２０】
【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、高効率化と低騒音化とを簡単に両立させることができるブラシレスＤＣモータおよびブラシレスＤＣモータ制御装置を提供することを目的としている。
【００２１】
【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、回転子の内部に複数個の所定厚みの永久磁石を装着し、各永久磁石の周方向の端部に連続させて、回転子の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリアを有し、さらに磁極間にリブを有している回転子を含むものにおいて、
磁束バリアの磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブに接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ0を、（式１）の関係を満たす角度に設定し、磁束バリアの磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θ b が１８°以上２５°以下に設定されたものである。
【００２２】
請求項２のブラシレスＤＣモータは、回転子の内部に複数個の所定厚みの永久磁石を装着し、各永久磁石の周方向の端部に連続させて、回転子の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリアを有し、さらに磁極間にリブを有している回転子を含むものにおいて、
磁束バリアの磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブに接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ0を、（式１）の関係を満たす角度に所定値を加えた値に設定し、当該所定値は、前記磁束バリアの外周側のブリッジの厚さに対し比例関係にあり、当該比例関係は、前記ブリッジの厚さが０．７ｍｍのときに前記所定値が０．３５°となる関係であり、磁束バリアの磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θbが１８°以上２５°以下に設定されたものである。
請求項３のブラシレスＤＣモータは、回転子の内部に複数個の所定厚みの永久磁石を装着し、各永久磁石の周方向の端部に連続させて、回転子の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリアを有し、さらに磁極間にリブを有している回転子を含むものにおいて、
磁束バリアの磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブに接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ 0 を、（式１）の関係を満たす角度に設定し、磁束バリアの磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θ b が１８°以上２５°以下に設定されたものである。
請求項４のブラシレスＤＣモータは、回転子の内部に複数個の所定厚みの永久磁石を装着し、各永久磁石の周方向の端部に連続させて、回転子の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリアを有し、さらに磁極間にリブを有している回転子を含むものにおいて、
磁束バリアの磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブに接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ 0 を、（式１）の関係を満たす角度に所定値を加えた値に設定し、当該所定値は、前記磁束バリアの外周側のブリッジの厚さに対し比例関係にあり、当該比例関係は、前記ブリッジの厚さが０．７ｍｍのときに前記所定値が０．３５°となる関係であり、磁束バリアの磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θ b が１８°以上２５°以下に設定されたものである。
【００２３】
請求項５のブラシレスＤＣモータは、ｆ／ｆ0が偶数であるように周波数ｆを設定したものである。
【００２４】
請求項６のブラシレスＤＣモータは、ｆ／ｆ0が（ステータスロット数／Ｐｎ）の整数倍に一致するように周波数ｆを設定したものである。
【００２５】
請求項７のブラシレスＤＣモータは、式１において、角度θ0が（３０／Ｐｎ）°以上、かつ（６０／Ｐｎ）°以下になるようにｍを設定したものである。
【００２６】
請求項８のブラシレスＤＣモータは、前記リブの幅をブリッジの厚さの２倍以上に設定したものである。
【００２７】
請求項９のブラシレスＤＣモータは、前記ブリッジを補強する補強ブリッジをさらに含むものである。
【００２９】
請求項１０のブラシレスＤＣモータは、ステータスロット数が３６、極対数Ｐｎが２、ｆ／ｆ0が３６、式１のｍが７に、それぞれ設定されたものである。
【００３０】
請求項１１のブラシレスＤＣモータは、前記回転子としてスキューが施されてなるものを採用するものである。
【００３１】
請求項１２のブラシレスＤＣモータ制御装置は、請求項１から請求項１１の何れかのブラシレスＤＣモータの誘起電圧に対して電流位相を進めるべく制御されるインバータ装置を含むものである。
【００３２】
請求項１３のブラシレスＤＣモータ制御装置は、最大回転数のモータ端子電圧をインバータの電圧以上に設定したものである。
【００３３】
請求項１４のブラシレスＤＣモータ制御装置は、モータ印加電圧、モータ電流、モータの機器定数を用いて回転子位置を算出し、算出された回転子位置に基づいてモータ駆動電流またはモータ印加電圧を制御すべくインバータ装置を制御する制御手段をさらに含むものである。
【００３４】
請求項１５のブラシレスＤＣモータ制御装置は、前記ブラシレスＤＣモータとして圧縮機を駆動するものを採用するものである。
【００３５】
【作用】
請求項１のブラシレスＤＣモータであれば、回転子の内部に複数個の所定厚みの永久磁石を装着し、各永久磁石の周方向の端部に連続させて、回転子の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリアを有し、さらに磁極間にリブを有している回転子を含むものにおいて、
磁束バリアの磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブに接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ0を、（式１）の関係を満たす角度に設定したのであるから、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できる。
また磁束バリアの磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θ b が１８°以上２５°以下に設定されているのであるから、加振力およびトルクリプルを小さくできる。
【００３６】
請求項２のブラシレスＤＣモータであれば、回転子の内部に複数個の所定厚みの永久磁石を装着し、各永久磁石の周方向の端部に連続させて、回転子の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリアを有し、さらに磁極間にリブを有している回転子を含むものにおいて、
磁束バリアの磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブに接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ0を、（式１）の関係を満たす角度に、磁束バリアの外周側のブリッジの厚さに対し、ブリッジの厚さが０．７ｍｍのときに０．３５°となる比例関係にある所定値を加えた値に設定したのであるから、ブリッジの厚さを考慮して、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できる。
また磁束バリアの磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θ b が１８°以上２５°以下に設定されているのであるから、加振力およびトルクリプルを小さくできる。
請求項３のブラシレスＤＣモータであれば、回転子の内部に複数個の所定厚みの永久磁石を装着し、各永久磁石の周方向の端部に連続させて、回転子の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリアを有し、さらに磁極間にリブを有している回転子を含むものにおいて、
磁束バリアの磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブに接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ 0 を、（式１）の関係を満たす角度に設定したのであるから、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できる。
また磁束バリアの磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θ b が１８°以上２５°以下に設定されているのであるから、加振力およびトルクリプルを小さくできる。
請求項４のブラシレスＤＣモータであれば、回転子の内部に複数個の所定厚みの永久磁石を装着し、各永久磁石の周方向の端部に連続させて、回転子の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリアを有し、さらに磁極間にリブを有している回転子を含むものにおいて、
磁束バリアの磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブに接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ 0 を、（式１）の関係を満たす角度に、磁束バリアの外周側のブリッジの厚さに対し、ブリッジの厚さが０．７ｍｍのときに０．３５°となる比例関係にある所定値を加えた値に設定したのであるから、ブリッジの厚さを考慮して、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できる。
また磁束バリアの磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θ b が１８°以上２５°以下に設定されているのであるから、加振力およびトルクリプルを小さくできる。
【００３７】
請求項５のブラシレスＤＣモータであれば、ｆ／ｆ0が偶数であるように周波数ｆを設定したのであるから、請求項１または請求項２と同様の作用を達成することができる。
【００３８】
請求項６のブラシレスＤＣモータであれば、ｆ／ｆ0が（ステータスロット数／Ｐｎ）の整数倍に一致するように周波数ｆを設定したのであるから、請求項１から請求項４の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００３９】
請求項７のブラシレスＤＣモータであれば、式１において、角度θ0が（３０／Ｐｎ）°以上、かつ（６０／Ｐｎ）°以下になるようにｍを設定したのであるから、請求項１から請求項６の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００４０】
請求項８のブラシレスＤＣモータであれば、前記リブの幅をブリッジの厚さの２倍以上に設定したのであるから、請求項１から請求項７の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００４１】
請求項９のブラシレスＤＣモータであれば、前記ブリッジを補強する補強ブリッジをさらに含むのであるから、機械的強度を向上できるほか、請求項１から請求項８の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００４３】
請求項１０のブラシレスＤＣモータは、ステータスロット数が３６、極対数Ｐｎが２、ｆ／ｆ0が３６、式１のｍが７に、それぞれ設定されているので、請求項１から請求項４、請求項８、請求項９の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００４４】
請求項１１のブラシレスＤＣモータであれば、前記回転子としてスキューが施されてなるものを採用するのであるから、トルクリプルを低減できるほか、請求項１から請求項１０の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００４５】
請求項１２のブラシレスＤＣモータ制御装置であれば、請求項１から請求項１１の何れかのブラシレスＤＣモータの誘起電圧に対して電流位相を進めるべく制御されるインバータ装置を含むのであるから、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できる。
【００４６】
請求項１３のブラシレスＤＣモータ制御装置であれば、最大回転数のモータ端子電圧をインバータの電圧以上に設定したのであるから、運転範囲を拡大できるほか、請求項１２と同様の作用を達成することができる。
【００４７】
請求項１４のブラシレスＤＣモータ制御装置であれば、モータ印加電圧、モータ電流、モータの機器定数を用いて回転子位置を算出し、算出された回転子位置に基づいてモータ駆動電流またはモータ印加電圧を制御すべくインバータ装置を制御する制御手段をさらに含むのであるから、位置センサを用いることなくブラシレスＤＣモータを制御できるほか、請求項１２または請求項１３と同様の作用を達成することができる。
【００４８】
請求項１５のブラシレスＤＣモータ制御装置であれば、前記ブラシレスＤＣモータとして圧縮機を駆動するものを採用するのであるから、位置センサを用いることなく圧縮機を駆動することができるほか、請求項１４と同様の作用を達成することができる。
【００４９】
【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モータおよびブラシレスＤＣモータ制御装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００５０】
先ず、騒音低減と角度θ0の決め方を説明する。
【００５１】
図１は従来のブラシレスＤＣモータの構成を示す縦断面図であり、多数の歯１１が形成された固定子１と、内部に永久磁石２１を収容しているとともに、永久磁石２１の両端部から外表面に向かって延びる磁束短絡防止用のバリア２２を有している回転子２とを有している。
【００５２】
図２は、バリア２２の幅が永久磁石２１の厚さに近い回転子を有するブラシレスＤＣモータの運転時において、歯Ａにかかる加振力（法線成分）を示す図である。
【００５３】
図２から分かるように、回転子２の回転とともに、加振力は急激に増大し、その後徐々に減少していく。
【００５４】
図３は、バリア２２の幅が永久磁石２１の厚さより大きい回転子を有するブラシレスＤＣモータの構成を示す縦断面図であり、図１のブラシレスＤＣモータと異なる点は、バリア２２の形状のみである。
【００５５】
図４は、図３のブラシレスＤＣモータの運転時において、歯Ａにかかる加振力(法線成分)を示す図である。
【００５６】
図４から分かるように、回転子２の回転に伴って、山が２つ現れる。２つの山のうち、最初の低い山はリブの部分Ｂが歯Ａの位置にくるときであり、次の大きい山は、バリア先の磁極部分Ｃが歯Ａの位置にくるときである。
【００５７】
加振力の山と山がある位相差をもって発生している為、その位相差を所望の値に設定できれば、特定の周波数の加振力成分を打ち消すことができる。この考えに基づき、図３の回転子のみを拡大して示す図５の角度θ1（永久磁石の両端に対応するバリア２２により規定される磁極角度）を適切に決めればよいことが予想される。
【００５８】
ところで、電気角の周波数をｆ0とし、周波数ｆの振動を低減したい場合、図４の位相差φ(電気角)が、周波数ｆの半周期に一致すれば、この１つめの山で発生する周波数ｆの加振力成分と２つめの山で発生する周波数ｆの加振力成分が打ち消しあい、振動低減を実現することができる。
【００５９】
周波数ｆの１周期の角度は、電気角基本波周波数ｆ0の１周期を３６０度とするとき、３６０*ｆ0／ｆとなり、φはその半分であるから、
φ＝１８０*ｆ0／ｆ (式２)
となる。
【００６０】
また、位相差φは、図５のθ0の間隔（磁束バリアの磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブに接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度）で発生しており、極対数をＰｎとするとき、
となる。
【００６１】
なお、以上では、φを周波数ｆの半周期（０．５倍）として式３を導出したが、それに限らず、ｆの周期の１．５倍や２．５倍などでもよく、結局、
（ただし２θ0−θr＜９０°）、（ｍ＝１，３，５，・・・）
となるような角度θ0にすればよいことが分かる。
【００６２】
以上のように図５で示すように角度θ0の決め方を採用すれば、リブ幅寸法が変化しても、角度の決め方に変更はない。すなわち、リブ幅寸法を考慮していることになる。
【００６３】
なお、リブ２３の回転子の中心に対してなす角度をθrとするとき、θ0とθ1とは、
θ1＝（１８０／Ｐｎ）＋θr−２*θ0 (式５)
の関係にある。
【００６４】
なお、騒音低減を狙う周波数ｆは、任意の周波数でもよく、ｆ／ｆ０が偶数となるような周波数でもよく、ｆ／ｆ０が(ステータスロット数／Ｐｎ)の整数倍となるような周波数でもよい。
【００６５】
上記の構成のブラシレスＤＣモータを採用すれば、高効率化および低騒音化を両立することができる。
【００６６】
次いで、ブリッジ厚さの影響と角度θ0の補正を説明する。
【００６７】
ブラシレスＤＣモータの回転子には、ある寸法以上の半径方向厚さをもつブリッジ２４が必要であり、その存在により、上記のように決定されたθ0は、特定の周波数ｆの騒音低減のためには最適ではない。
【００６８】
例えば、周波数ｆの騒音を低減するために式１で決まる角度θ0が１７．５°である場合について、ブリッジ２４の半径方向厚さを変化させた時、固定子の歯加振力法線成分が最小となるθ0をプロットすると、図６に示すように、ブリッジ２４の半径方向厚さの増加に伴って増加する。具体的には、ブリッジ厚さが０．７ｍｍ付近では、式１で求まるθ0に対して、０．３５°大きく設定すべきことが分かる。これは僅かな角度であるが、低減したい周波数が高い場合には影響が大きい。例えば、ｆ／ｆ0が３６である場合、周波数ｆの１周期の角度が５°であるため、０．３５°は、３６次の周波数では２５°に相当し、角度に対する加振力の変化が正弦波状であると仮定すれば、加振力差は約１割に相当し影響は大きい。
【００６９】
したがって、図６に示す関係を式として保持し、またはテーブルとして保持しておいて、式１で求められたθ0を補正することにより、高効率化および低騒音化を両立することができる。
【００７０】
さらに説明する。
【００７１】
上記の実施形態の場合には、リブ幅が変化しても、θ0は式１を元に補正すれば最適な角度を算出することができる。具体的には、スロット数が３６、極数が４極、低減したい次数がｆ／ｆ0＝３６、ｍ＝７の場合には、式１で求められる角度θ0は１７．５°である。しかし、実際には、図７に示すように、若干大きめに補正した角度θ0において３６ｆの加振力が極小になる。また、リブ幅寸法が変わった場合であっても、最適な角度θ0に影響はない（図７参照）。なお、ブリッジの厚さは０．７ｍｍに設定している。
【００７２】
また、スロット数が３６、極数が４極、低減したい次数がｆ／ｆ0＝１８、ｍ＝３の場合には、角度θ0は、式１で求められる角度θ0＝１５°よりも若干大きくすることが好ましい（図８参照）。なお、ブリッジの厚さは０．７ｍｍに設定している。
【００７３】
以上から分かるように、ブリッジの厚さに応じて角度θ0はを大きくすることが好ましい。
【００７４】
さらに、最適なバリア先の形状を説明する。
【００７５】
バリア２２の磁極中心側の先端の角度（図９のθb参照）は、加振力とトルクリプルに影響を及ぼし、両者を最小にできる最適な角度が存在することを見出した。
【００７６】
θbを変化させた場合の３６次（＝ｆ／ｆ0）の加振力の変化は図１０に示すとおりであり、２０°付近に最適値がある（最も加振力が小さい）ことがわかる。角度が大きい側は、ある値で飽和傾向を示しており、どの角度を採用してもよいと思われるかもしれないが、このときの発生トルクリプルを見ると、図１１に示すように、２０°付近を最小とし、θbの増加に伴って増加する傾向を示している。したがって、θbを、１８°〜２５°の範囲に設定することが好ましい。
【００７７】
また、ブリッジ２４の長さが長くなれば、機械的強度の低下が懸念されることのなる。これに対しては、図１２、図１３に示すように、磁束バリア２２を、周方向に磁極中心に向かって延びる部分２２ｂと他の部分２２ａとに区分し、両部分２２ａ、２２ｂを区分する鉄心部分を補強ブリッジ部２４ａとすることにより、機械的強度を向上させることが例示できる。なお、図１３は、ｑ軸インダクタンスが磁気飽和の影響を受けないように永久磁石２１の外側の鉄部を大きくとるべく永久磁石２１を内側に置いた点において図１２と異なるだけであり、他の部分の構成は同一である。
【００７８】
図１４はこの発明のブラシレスＤＣモータ制御装置の一実施形態を示すブロック図である。
【００７９】
このブラシレスＤＣモータ制御装置は、直流電源を入力とするインバータ３１の出力をブラシレスＤＣモータ３２に供給している。そして、モータ電圧、およびモータ電流を入力とし、予め設定されたモータモデルを用いてブラシレスＤＣモータ３２の回転子の磁極位置を推定する位置検出部を有するとともに、推定された位置信号を基準として速度検出処理、速度制御演算処理、位相制御演算処理、電流制御演算処理などを行ってインバータ３１にスイッチング素子に対するスイッチング指令を出力するインバータ制御部３３を有している。なお、インバータ制御部３３の構成は従来公知であるから、詳細な構成は省略してある。
【００８０】
そして、インバータ制御部３３によって、モータ誘起電圧に対してモータ電流位相を進めるようにインバータ３１を制御することができ、この場合には、リラクタンストルクを有効に活用することができる。
【００８１】
また、最大回転数のモータ端子電圧をインバータの出力電圧以上に設定することが可能であり、この場合には、弱め磁束制御を行うことによってブラシレスＤＣモータの運転を達成することができる。
【００８２】
さらに、上記のインバータ制御部３３は、位置センサを用いることなく回転子の磁極位置を推定するのであるから、圧縮機のような過酷な環境下にブラシレスＤＣモータを簡単に組み込むことができ、圧縮機などを駆動することができる。
【００８３】
【発明の効果】
請求項１の発明は、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できるという特有の効果を奏する。また請求項１の発明は、加振力およびトルクリプルを小さくできる。
【００８４】
請求項２の発明は、ブリッジの厚さを考慮して、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できるという特有の効果を奏する。また請求項２の発明は、加振力およびトルクリプルを小さくできる。
請求項３の発明は、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できるという特有の効果を奏する。また請求項３の発明は、加振力およびトルクリプルを小さくできる。
請求項４の発明は、ブリッジの厚さを考慮して、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できるという特有の効果を奏する。また請求項４の発明は、加振力およびトルクリプルを小さくできる。
【００８５】
請求項５の発明は、請求項１または請求項２と同様の効果を奏する。
【００８６】
請求項６の発明は、請求項１から請求項４の何れかと同様の効果を奏する。
【００８７】
請求項７の発明は、請求項１から請求項６の何れかと同様の効果を奏する。
【００８８】
請求項８の発明は、請求項１から請求項７の何れかと同様の効果を奏する。
【００８９】
請求項９の発明は、機械的強度を向上できるほか、請求項１から請求項８の何れかと同様の効果を奏する。
【００９１】
請求項１０の発明は、請求項１から請求項４、請求項８、請求項９の何れかと同様の効果を奏する。
【００９２】
請求項１１の発明は、トルクリプルを低減できるほか、請求項１から請求項１０の何れかと同様の効果を奏する。
【００９３】
請求項１２の発明は、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できるという特有の効果を奏する。
【００９４】
請求項１３の発明は、運転範囲を拡大できるほか、請求項１２と同様の効果を奏する。
【００９５】
請求項１４の発明は、位置センサを用いることなくブラシレスＤＣモータを制御できるほか、請求項１２または請求項１３と同様の効果を奏する。
【００９６】
請求項１５の発明は、位置センサを用いることなく圧縮機を駆動することができるほか、請求項１４と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のブラシレスＤＣモータの構成を示す縦断面図である。
【図２】図１のブラシレスＤＣモータにおける回転子の回転角度に対する歯加振力法線成分を示す図である。
【図３】バリアの幅が永久磁石の厚さより大きい回転子を有するブラシレスＤＣモータの構成を示す縦断面図である。
【図４】図３のブラシレスＤＣモータにおける回転子の回転角度に対する歯加振力法線成分を示す図である。
【図５】図３のブラシレスＤＣモータの回転子のみを拡大して示す縦断面図である。
【図６】ブリッジの半径方向の厚さに対する固定子の歯加振力法線成分が最小になるθ0を示す図である。
【図７】θ0に対する歯加振力の一解析例を示す図である。
【図８】θ0に対する歯加振力の他の例を示す図である。
【図９】図５の回転子の１つの磁束バリアを拡大して示す縦断面図である。
【図１０】磁束バリア先端の角度に対する歯加振力３６次成分を示す図である。
【図１１】磁束バリア先端の角度に対するトルクリプルを示す図である。
【図１２】補強ブリッジ部を追加したブラシレスＤＣモータの回転子の縦断面図である。
【図１３】補強ブリッジ部を追加し、かつ永久磁石を内側に置いたブラシレスＤＣモータの回転子の縦断面図である。
【図１４】この発明のブラシレスＤＣモータ制御装置の一実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
２ 回転子 ２１ 永久磁石
２２ 磁束バリア ２３ リブ
２４ ブリッジ ３１ インバータ
３３ インバータ制御部
【発明の属する技術分野】
この発明は、ブラシレスＤＣモータおよびブラシレスＤＣモータ制御装置に関し、さらに詳細にいえば、高効率化および低騒音化を両立できる新規なブラシレスＤＣモータおよびブラシレスＤＣモータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、磁束バリアを、周方向のサイズが磁石厚さ以上になるように設定し、効率向上を図ることが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
また、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（以下、ＩＰＭと略称する）において、磁束バリアの角度により低騒音化を達成しようとすることが提案されている（特許文献２、および特許文献３参照）。
【０００４】
さらに、ＩＰＭにおいて、回転子の積層方向にスキューを施すことが提案されている（特許文献４参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−４４８８８号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平１１−９８７３１号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開２０００−２１７２８７号公報
【０００８】
【特許文献４】
特許第３０２８６６９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
極対数Ｐｎのモータにおいて、モータ回転数「ｒｐｓ］のＰｎ倍の周波数（以下、基本周波数と称する）に対して、基本周波数の整数倍の周波数（以下、その倍率を次数と称する）において、回転子と固定子の歯との間で、電磁吸引力（以下、電磁加振力とも称する）が発生しており、その次数の周波数の振動・騒音が発生している。
【００１０】
そして、その次数の振動が、モータやモータを保持しているフレームなどの固有振動数と一致した場合、共振によってさらに大きな振動・騒音となり問題になることがある。
【００１１】
ところで、運転時に回転子と固定子の間に働く電磁吸引力を、接線（局方向）方向成分と法線（半径方向）方向成分に分解したとき、接線成分は回転力として有効に利用されるが、法線成分は振動・騒音の問題を発生させるだけで、無駄な電磁吸引力である。しかも、法線成分は、接線成分に対して１桁違うくらい大きい。モータの発生トルクの滑らかさが求められる用途には従来の方法やスキューなどによって、コギングトルクあるいは、運転時トルクリプルを低減することが効果的だが、モータおよびモータが組み込まれている装置全体の振動・騒音を低減したいという要求に対しては、無駄で大きな電磁力である法線成分の電磁加振力を低減することが必要となる。
【００１２】
法線方向の電磁加振力を低減するためには、加振力自体の大きさを低減することが好ましいが、モータ効率の低下などの弊害を考慮すれば、このような対処を採用することは難しい場合が多い。そのため、特に問題となる特定の次数（回転数の整数倍の周波数）の振動・騒音の低減をめざして対策することが望まれる。
【００１３】
しかし、上記の従来技術では、次のような点で課題がある。
【００１４】
特許文献１では、磁極鉄芯の角度をしかるべき値にすることで、効率向上を実現できる。しかし、効率が高くかつ低騒音なモータが望まれており、しかも低騒音化の為に特定次数の騒音を低減したい場合、効率向上を実現できる範囲の角度すべてについて低騒音化が両立できるのではないため、その範囲内で最適な角度を選択し設定しなければならないが、このような設定を達成することは当業者といえども簡単にはできない。
【００１５】
また、特許文献１では、リブ幅寸法変化による影響を全く考慮していないので、高効率化と低騒音化とを両立させることはさらに困難である。さらに説明する。
【００１６】
リブは、磁石内側の回転子内部のコアとブリッジをつなぐ半径方向に伸びる部分であるが、その幅を大きくすることにより、q軸インダクタンスＬｑを大きくできる。トルクTｒｑは、
Tｒｑ＝Pｎ＊（φａ＊ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）＊ｉｄ＊ｉｑ）
Ｐｎ：極対数、ｉｄ、ｉｑ：それぞれｄ、ｑ軸電流、Ｌｄ、Ｌｑ：それぞれｄ軸インダクタンス、q軸インダクタンス、φａ：磁束鎖交数
で表され、Ｌｑを大きくできれば、Ｌｄ−Ｌｑの絶対値を大きくでき、リラクタンストルクを増やせる。このリブ幅寸法とそれに隣接する磁束バリア部の形状とは、電磁加振力の発生の仕方に大きく関係しているが、特許文献１では、このリブの幅寸法変化による影響を考慮できていない。
【００１７】
特許文献２では、トルクリプル低減を目的として、リブを含むバリア先端間のなす角度の設定もしくはリブ中心を基準にバリア先端までの角度の設定を開示しているが、リブの幅寸法が変化しても設定される角度は同じままである。すなわち、上述のように、このリブ幅寸法とそれに隣接する磁束バリア部の形状とは、電磁加振力の発生の仕方に大きく関係しているのであるから、特許文献２では、高効率化と低騒音化とを両立させることができない。
【００１８】
特許文献３では、同じくトルクリプル低減を目的として、磁極の角度の範囲を規定しているが、同様にリブの幅寸法の変化に対しては、何ら触れていない。すなわち、上述のように、このリブ幅寸法とそれに隣接する磁束バリア部の形状とは、電磁加振力の発生の仕方に大きく関係しているのであるから、特許文献３では、高効率化と低騒音化とを両立させることができない。
【００１９】
さらに、ＩＰＭでは、生産性を考慮し回転子コアを一体に保つ目的で、磁石磁束の短絡を承知の上で、薄肉厚のブリッジ部を設けている。これは、できるだけ薄くし磁束短絡を極力抑えたいが、遠心強度の必要性からある厚さ以上は必要であるが、ブリッジ部の存在による影響について考慮ができていない。したがって、高効率化と低騒音化とを両立させることができないことになる。
【００２０】
【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、高効率化と低騒音化とを簡単に両立させることができるブラシレスＤＣモータおよびブラシレスＤＣモータ制御装置を提供することを目的としている。
【００２１】
【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、回転子の内部に複数個の所定厚みの永久磁石を装着し、各永久磁石の周方向の端部に連続させて、回転子の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリアを有し、さらに磁極間にリブを有している回転子を含むものにおいて、
磁束バリアの磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブに接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ0を、（式１）の関係を満たす角度に設定し、磁束バリアの磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θ b が１８°以上２５°以下に設定されたものである。
【００２２】
請求項２のブラシレスＤＣモータは、回転子の内部に複数個の所定厚みの永久磁石を装着し、各永久磁石の周方向の端部に連続させて、回転子の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリアを有し、さらに磁極間にリブを有している回転子を含むものにおいて、
磁束バリアの磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブに接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ0を、（式１）の関係を満たす角度に所定値を加えた値に設定し、当該所定値は、前記磁束バリアの外周側のブリッジの厚さに対し比例関係にあり、当該比例関係は、前記ブリッジの厚さが０．７ｍｍのときに前記所定値が０．３５°となる関係であり、磁束バリアの磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θbが１８°以上２５°以下に設定されたものである。
請求項３のブラシレスＤＣモータは、回転子の内部に複数個の所定厚みの永久磁石を装着し、各永久磁石の周方向の端部に連続させて、回転子の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリアを有し、さらに磁極間にリブを有している回転子を含むものにおいて、
磁束バリアの磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブに接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ 0 を、（式１）の関係を満たす角度に設定し、磁束バリアの磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θ b が１８°以上２５°以下に設定されたものである。
請求項４のブラシレスＤＣモータは、回転子の内部に複数個の所定厚みの永久磁石を装着し、各永久磁石の周方向の端部に連続させて、回転子の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリアを有し、さらに磁極間にリブを有している回転子を含むものにおいて、
磁束バリアの磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブに接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ 0 を、（式１）の関係を満たす角度に所定値を加えた値に設定し、当該所定値は、前記磁束バリアの外周側のブリッジの厚さに対し比例関係にあり、当該比例関係は、前記ブリッジの厚さが０．７ｍｍのときに前記所定値が０．３５°となる関係であり、磁束バリアの磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θ b が１８°以上２５°以下に設定されたものである。
【００２３】
請求項５のブラシレスＤＣモータは、ｆ／ｆ0が偶数であるように周波数ｆを設定したものである。
【００２４】
請求項６のブラシレスＤＣモータは、ｆ／ｆ0が（ステータスロット数／Ｐｎ）の整数倍に一致するように周波数ｆを設定したものである。
【００２５】
請求項７のブラシレスＤＣモータは、式１において、角度θ0が（３０／Ｐｎ）°以上、かつ（６０／Ｐｎ）°以下になるようにｍを設定したものである。
【００２６】
請求項８のブラシレスＤＣモータは、前記リブの幅をブリッジの厚さの２倍以上に設定したものである。
【００２７】
請求項９のブラシレスＤＣモータは、前記ブリッジを補強する補強ブリッジをさらに含むものである。
【００２９】
請求項１０のブラシレスＤＣモータは、ステータスロット数が３６、極対数Ｐｎが２、ｆ／ｆ0が３６、式１のｍが７に、それぞれ設定されたものである。
【００３０】
請求項１１のブラシレスＤＣモータは、前記回転子としてスキューが施されてなるものを採用するものである。
【００３１】
請求項１２のブラシレスＤＣモータ制御装置は、請求項１から請求項１１の何れかのブラシレスＤＣモータの誘起電圧に対して電流位相を進めるべく制御されるインバータ装置を含むものである。
【００３２】
請求項１３のブラシレスＤＣモータ制御装置は、最大回転数のモータ端子電圧をインバータの電圧以上に設定したものである。
【００３３】
請求項１４のブラシレスＤＣモータ制御装置は、モータ印加電圧、モータ電流、モータの機器定数を用いて回転子位置を算出し、算出された回転子位置に基づいてモータ駆動電流またはモータ印加電圧を制御すべくインバータ装置を制御する制御手段をさらに含むものである。
【００３４】
請求項１５のブラシレスＤＣモータ制御装置は、前記ブラシレスＤＣモータとして圧縮機を駆動するものを採用するものである。
【００３５】
【作用】
請求項１のブラシレスＤＣモータであれば、回転子の内部に複数個の所定厚みの永久磁石を装着し、各永久磁石の周方向の端部に連続させて、回転子の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリアを有し、さらに磁極間にリブを有している回転子を含むものにおいて、
磁束バリアの磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブに接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ0を、（式１）の関係を満たす角度に設定したのであるから、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できる。
また磁束バリアの磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θ b が１８°以上２５°以下に設定されているのであるから、加振力およびトルクリプルを小さくできる。
【００３６】
請求項２のブラシレスＤＣモータであれば、回転子の内部に複数個の所定厚みの永久磁石を装着し、各永久磁石の周方向の端部に連続させて、回転子の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリアを有し、さらに磁極間にリブを有している回転子を含むものにおいて、
磁束バリアの磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブに接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ0を、（式１）の関係を満たす角度に、磁束バリアの外周側のブリッジの厚さに対し、ブリッジの厚さが０．７ｍｍのときに０．３５°となる比例関係にある所定値を加えた値に設定したのであるから、ブリッジの厚さを考慮して、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できる。
また磁束バリアの磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θ b が１８°以上２５°以下に設定されているのであるから、加振力およびトルクリプルを小さくできる。
請求項３のブラシレスＤＣモータであれば、回転子の内部に複数個の所定厚みの永久磁石を装着し、各永久磁石の周方向の端部に連続させて、回転子の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリアを有し、さらに磁極間にリブを有している回転子を含むものにおいて、
磁束バリアの磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブに接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ 0 を、（式１）の関係を満たす角度に設定したのであるから、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できる。
また磁束バリアの磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θ b が１８°以上２５°以下に設定されているのであるから、加振力およびトルクリプルを小さくできる。
請求項４のブラシレスＤＣモータであれば、回転子の内部に複数個の所定厚みの永久磁石を装着し、各永久磁石の周方向の端部に連続させて、回転子の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリアを有し、さらに磁極間にリブを有している回転子を含むものにおいて、
磁束バリアの磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブに接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ 0 を、（式１）の関係を満たす角度に、磁束バリアの外周側のブリッジの厚さに対し、ブリッジの厚さが０．７ｍｍのときに０．３５°となる比例関係にある所定値を加えた値に設定したのであるから、ブリッジの厚さを考慮して、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できる。
また磁束バリアの磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θ b が１８°以上２５°以下に設定されているのであるから、加振力およびトルクリプルを小さくできる。
【００３７】
請求項５のブラシレスＤＣモータであれば、ｆ／ｆ0が偶数であるように周波数ｆを設定したのであるから、請求項１または請求項２と同様の作用を達成することができる。
【００３８】
請求項６のブラシレスＤＣモータであれば、ｆ／ｆ0が（ステータスロット数／Ｐｎ）の整数倍に一致するように周波数ｆを設定したのであるから、請求項１から請求項４の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００３９】
請求項７のブラシレスＤＣモータであれば、式１において、角度θ0が（３０／Ｐｎ）°以上、かつ（６０／Ｐｎ）°以下になるようにｍを設定したのであるから、請求項１から請求項６の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００４０】
請求項８のブラシレスＤＣモータであれば、前記リブの幅をブリッジの厚さの２倍以上に設定したのであるから、請求項１から請求項７の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００４１】
請求項９のブラシレスＤＣモータであれば、前記ブリッジを補強する補強ブリッジをさらに含むのであるから、機械的強度を向上できるほか、請求項１から請求項８の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００４３】
請求項１０のブラシレスＤＣモータは、ステータスロット数が３６、極対数Ｐｎが２、ｆ／ｆ0が３６、式１のｍが７に、それぞれ設定されているので、請求項１から請求項４、請求項８、請求項９の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００４４】
請求項１１のブラシレスＤＣモータであれば、前記回転子としてスキューが施されてなるものを採用するのであるから、トルクリプルを低減できるほか、請求項１から請求項１０の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００４５】
請求項１２のブラシレスＤＣモータ制御装置であれば、請求項１から請求項１１の何れかのブラシレスＤＣモータの誘起電圧に対して電流位相を進めるべく制御されるインバータ装置を含むのであるから、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できる。
【００４６】
請求項１３のブラシレスＤＣモータ制御装置であれば、最大回転数のモータ端子電圧をインバータの電圧以上に設定したのであるから、運転範囲を拡大できるほか、請求項１２と同様の作用を達成することができる。
【００４７】
請求項１４のブラシレスＤＣモータ制御装置であれば、モータ印加電圧、モータ電流、モータの機器定数を用いて回転子位置を算出し、算出された回転子位置に基づいてモータ駆動電流またはモータ印加電圧を制御すべくインバータ装置を制御する制御手段をさらに含むのであるから、位置センサを用いることなくブラシレスＤＣモータを制御できるほか、請求項１２または請求項１３と同様の作用を達成することができる。
【００４８】
請求項１５のブラシレスＤＣモータ制御装置であれば、前記ブラシレスＤＣモータとして圧縮機を駆動するものを採用するのであるから、位置センサを用いることなく圧縮機を駆動することができるほか、請求項１４と同様の作用を達成することができる。
【００４９】
【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モータおよびブラシレスＤＣモータ制御装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００５０】
先ず、騒音低減と角度θ0の決め方を説明する。
【００５１】
図１は従来のブラシレスＤＣモータの構成を示す縦断面図であり、多数の歯１１が形成された固定子１と、内部に永久磁石２１を収容しているとともに、永久磁石２１の両端部から外表面に向かって延びる磁束短絡防止用のバリア２２を有している回転子２とを有している。
【００５２】
図２は、バリア２２の幅が永久磁石２１の厚さに近い回転子を有するブラシレスＤＣモータの運転時において、歯Ａにかかる加振力（法線成分）を示す図である。
【００５３】
図２から分かるように、回転子２の回転とともに、加振力は急激に増大し、その後徐々に減少していく。
【００５４】
図３は、バリア２２の幅が永久磁石２１の厚さより大きい回転子を有するブラシレスＤＣモータの構成を示す縦断面図であり、図１のブラシレスＤＣモータと異なる点は、バリア２２の形状のみである。
【００５５】
図４は、図３のブラシレスＤＣモータの運転時において、歯Ａにかかる加振力(法線成分)を示す図である。
【００５６】
図４から分かるように、回転子２の回転に伴って、山が２つ現れる。２つの山のうち、最初の低い山はリブの部分Ｂが歯Ａの位置にくるときであり、次の大きい山は、バリア先の磁極部分Ｃが歯Ａの位置にくるときである。
【００５７】
加振力の山と山がある位相差をもって発生している為、その位相差を所望の値に設定できれば、特定の周波数の加振力成分を打ち消すことができる。この考えに基づき、図３の回転子のみを拡大して示す図５の角度θ1（永久磁石の両端に対応するバリア２２により規定される磁極角度）を適切に決めればよいことが予想される。
【００５８】
ところで、電気角の周波数をｆ0とし、周波数ｆの振動を低減したい場合、図４の位相差φ(電気角)が、周波数ｆの半周期に一致すれば、この１つめの山で発生する周波数ｆの加振力成分と２つめの山で発生する周波数ｆの加振力成分が打ち消しあい、振動低減を実現することができる。
【００５９】
周波数ｆの１周期の角度は、電気角基本波周波数ｆ0の１周期を３６０度とするとき、３６０*ｆ0／ｆとなり、φはその半分であるから、
φ＝１８０*ｆ0／ｆ (式２)
となる。
【００６０】
また、位相差φは、図５のθ0の間隔（磁束バリアの磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブに接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度）で発生しており、極対数をＰｎとするとき、
【００６１】
なお、以上では、φを周波数ｆの半周期（０．５倍）として式３を導出したが、それに限らず、ｆの周期の１．５倍や２．５倍などでもよく、結局、
となるような角度θ0にすればよいことが分かる。
【００６２】
以上のように図５で示すように角度θ0の決め方を採用すれば、リブ幅寸法が変化しても、角度の決め方に変更はない。すなわち、リブ幅寸法を考慮していることになる。
【００６３】
なお、リブ２３の回転子の中心に対してなす角度をθrとするとき、θ0とθ1とは、
θ1＝（１８０／Ｐｎ）＋θr−２*θ0 (式５)
の関係にある。
【００６４】
なお、騒音低減を狙う周波数ｆは、任意の周波数でもよく、ｆ／ｆ０が偶数となるような周波数でもよく、ｆ／ｆ０が(ステータスロット数／Ｐｎ)の整数倍となるような周波数でもよい。
【００６５】
上記の構成のブラシレスＤＣモータを採用すれば、高効率化および低騒音化を両立することができる。
【００６６】
次いで、ブリッジ厚さの影響と角度θ0の補正を説明する。
【００６７】
ブラシレスＤＣモータの回転子には、ある寸法以上の半径方向厚さをもつブリッジ２４が必要であり、その存在により、上記のように決定されたθ0は、特定の周波数ｆの騒音低減のためには最適ではない。
【００６８】
例えば、周波数ｆの騒音を低減するために式１で決まる角度θ0が１７．５°である場合について、ブリッジ２４の半径方向厚さを変化させた時、固定子の歯加振力法線成分が最小となるθ0をプロットすると、図６に示すように、ブリッジ２４の半径方向厚さの増加に伴って増加する。具体的には、ブリッジ厚さが０．７ｍｍ付近では、式１で求まるθ0に対して、０．３５°大きく設定すべきことが分かる。これは僅かな角度であるが、低減したい周波数が高い場合には影響が大きい。例えば、ｆ／ｆ0が３６である場合、周波数ｆの１周期の角度が５°であるため、０．３５°は、３６次の周波数では２５°に相当し、角度に対する加振力の変化が正弦波状であると仮定すれば、加振力差は約１割に相当し影響は大きい。
【００６９】
したがって、図６に示す関係を式として保持し、またはテーブルとして保持しておいて、式１で求められたθ0を補正することにより、高効率化および低騒音化を両立することができる。
【００７０】
さらに説明する。
【００７１】
上記の実施形態の場合には、リブ幅が変化しても、θ0は式１を元に補正すれば最適な角度を算出することができる。具体的には、スロット数が３６、極数が４極、低減したい次数がｆ／ｆ0＝３６、ｍ＝７の場合には、式１で求められる角度θ0は１７．５°である。しかし、実際には、図７に示すように、若干大きめに補正した角度θ0において３６ｆの加振力が極小になる。また、リブ幅寸法が変わった場合であっても、最適な角度θ0に影響はない（図７参照）。なお、ブリッジの厚さは０．７ｍｍに設定している。
【００７２】
また、スロット数が３６、極数が４極、低減したい次数がｆ／ｆ0＝１８、ｍ＝３の場合には、角度θ0は、式１で求められる角度θ0＝１５°よりも若干大きくすることが好ましい（図８参照）。なお、ブリッジの厚さは０．７ｍｍに設定している。
【００７３】
以上から分かるように、ブリッジの厚さに応じて角度θ0はを大きくすることが好ましい。
【００７４】
さらに、最適なバリア先の形状を説明する。
【００７５】
バリア２２の磁極中心側の先端の角度（図９のθb参照）は、加振力とトルクリプルに影響を及ぼし、両者を最小にできる最適な角度が存在することを見出した。
【００７６】
θbを変化させた場合の３６次（＝ｆ／ｆ0）の加振力の変化は図１０に示すとおりであり、２０°付近に最適値がある（最も加振力が小さい）ことがわかる。角度が大きい側は、ある値で飽和傾向を示しており、どの角度を採用してもよいと思われるかもしれないが、このときの発生トルクリプルを見ると、図１１に示すように、２０°付近を最小とし、θbの増加に伴って増加する傾向を示している。したがって、θbを、１８°〜２５°の範囲に設定することが好ましい。
【００７７】
また、ブリッジ２４の長さが長くなれば、機械的強度の低下が懸念されることのなる。これに対しては、図１２、図１３に示すように、磁束バリア２２を、周方向に磁極中心に向かって延びる部分２２ｂと他の部分２２ａとに区分し、両部分２２ａ、２２ｂを区分する鉄心部分を補強ブリッジ部２４ａとすることにより、機械的強度を向上させることが例示できる。なお、図１３は、ｑ軸インダクタンスが磁気飽和の影響を受けないように永久磁石２１の外側の鉄部を大きくとるべく永久磁石２１を内側に置いた点において図１２と異なるだけであり、他の部分の構成は同一である。
【００７８】
図１４はこの発明のブラシレスＤＣモータ制御装置の一実施形態を示すブロック図である。
【００７９】
このブラシレスＤＣモータ制御装置は、直流電源を入力とするインバータ３１の出力をブラシレスＤＣモータ３２に供給している。そして、モータ電圧、およびモータ電流を入力とし、予め設定されたモータモデルを用いてブラシレスＤＣモータ３２の回転子の磁極位置を推定する位置検出部を有するとともに、推定された位置信号を基準として速度検出処理、速度制御演算処理、位相制御演算処理、電流制御演算処理などを行ってインバータ３１にスイッチング素子に対するスイッチング指令を出力するインバータ制御部３３を有している。なお、インバータ制御部３３の構成は従来公知であるから、詳細な構成は省略してある。
【００８０】
そして、インバータ制御部３３によって、モータ誘起電圧に対してモータ電流位相を進めるようにインバータ３１を制御することができ、この場合には、リラクタンストルクを有効に活用することができる。
【００８１】
また、最大回転数のモータ端子電圧をインバータの出力電圧以上に設定することが可能であり、この場合には、弱め磁束制御を行うことによってブラシレスＤＣモータの運転を達成することができる。
【００８２】
さらに、上記のインバータ制御部３３は、位置センサを用いることなく回転子の磁極位置を推定するのであるから、圧縮機のような過酷な環境下にブラシレスＤＣモータを簡単に組み込むことができ、圧縮機などを駆動することができる。
【００８３】
【発明の効果】
請求項１の発明は、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できるという特有の効果を奏する。また請求項１の発明は、加振力およびトルクリプルを小さくできる。
【００８４】
請求項２の発明は、ブリッジの厚さを考慮して、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できるという特有の効果を奏する。また請求項２の発明は、加振力およびトルクリプルを小さくできる。
請求項３の発明は、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できるという特有の効果を奏する。また請求項３の発明は、加振力およびトルクリプルを小さくできる。
請求項４の発明は、ブリッジの厚さを考慮して、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できるという特有の効果を奏する。また請求項４の発明は、加振力およびトルクリプルを小さくできる。
【００８５】
請求項５の発明は、請求項１または請求項２と同様の効果を奏する。
【００８６】
請求項６の発明は、請求項１から請求項４の何れかと同様の効果を奏する。
【００８７】
請求項７の発明は、請求項１から請求項６の何れかと同様の効果を奏する。
【００８８】
請求項８の発明は、請求項１から請求項７の何れかと同様の効果を奏する。
【００８９】
請求項９の発明は、機械的強度を向上できるほか、請求項１から請求項８の何れかと同様の効果を奏する。
【００９１】
請求項１０の発明は、請求項１から請求項４、請求項８、請求項９の何れかと同様の効果を奏する。
【００９２】
請求項１１の発明は、トルクリプルを低減できるほか、請求項１から請求項１０の何れかと同様の効果を奏する。
【００９３】
請求項１２の発明は、高効率化を達成できるとともに、周波数ｆの振動を低減して低騒音化を達成できるという特有の効果を奏する。
【００９４】
請求項１３の発明は、運転範囲を拡大できるほか、請求項１２と同様の効果を奏する。
【００９５】
請求項１４の発明は、位置センサを用いることなくブラシレスＤＣモータを制御できるほか、請求項１２または請求項１３と同様の効果を奏する。
【００９６】
請求項１５の発明は、位置センサを用いることなく圧縮機を駆動することができるほか、請求項１４と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のブラシレスＤＣモータの構成を示す縦断面図である。
【図２】図１のブラシレスＤＣモータにおける回転子の回転角度に対する歯加振力法線成分を示す図である。
【図３】バリアの幅が永久磁石の厚さより大きい回転子を有するブラシレスＤＣモータの構成を示す縦断面図である。
【図４】図３のブラシレスＤＣモータにおける回転子の回転角度に対する歯加振力法線成分を示す図である。
【図５】図３のブラシレスＤＣモータの回転子のみを拡大して示す縦断面図である。
【図６】ブリッジの半径方向の厚さに対する固定子の歯加振力法線成分が最小になるθ0を示す図である。
【図７】θ0に対する歯加振力の一解析例を示す図である。
【図８】θ0に対する歯加振力の他の例を示す図である。
【図９】図５の回転子の１つの磁束バリアを拡大して示す縦断面図である。
【図１０】磁束バリア先端の角度に対する歯加振力３６次成分を示す図である。
【図１１】磁束バリア先端の角度に対するトルクリプルを示す図である。
【図１２】補強ブリッジ部を追加したブラシレスＤＣモータの回転子の縦断面図である。
【図１３】補強ブリッジ部を追加し、かつ永久磁石を内側に置いたブラシレスＤＣモータの回転子の縦断面図である。
【図１４】この発明のブラシレスＤＣモータ制御装置の一実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
２ 回転子 ２１ 永久磁石
２２ 磁束バリア ２３ リブ
２４ ブリッジ ３１ インバータ
３３ インバータ制御部
Claims (15)
- 回転子（２）の内部に複数個の所定厚みの永久磁石（２１）を装着し、各永久磁石（２１）の周方向の端部に連続させて、回転子（２）の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石（２１）の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリア（２２）を有し、さらに磁極間にリブ（２３）を有している回転子を含むブラシレスＤＣモータにおいて、
磁束バリア（２２）の磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブ（２３）に接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ0を、低減したい振動の周波数をｆ、極対数をＰｎ、電気角周波数をｆ0＝Ｐｎ＊N、モータ回転数をN、ｍ＝１、３、５、・・・、リブが回転子中心に対してなす角度をθrとするとき、
θ0＝１８０°＊ｍ／（Ｐｎ＊ｆ／ｆ0） （ただし２θ0−θr＜９０°）
（式１）
の関係を満たす角度に設定し、
磁束バリア（２２）の磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θbが１８°以上２５°以下であることを特徴とするブラシレスＤＣモータ。 - 回転子（２）の内部に複数個の所定厚みの永久磁石（２１）を装着し、各永久磁石（２１）の周方向の端部に連続させて、回転子（２）の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石（２１）の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリア（２２）を有し、さらに磁極間にリブ（２３）を有している回転子を含むブラシレスＤＣモータにおいて、
磁束バリア（２２）の磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブ（２３）に接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ0を、低減したい振動の周波数をｆ、極対数をＰｎ、電気角周波数をｆ0＝Ｐｎ＊N、モータ回転数をN、ｍ＝１、３、５、・・・、リブが回転子中心に対してなす角度をθrととするとき、
θ0 ＝１８０°＊ｍ／（Ｐｎ＊ｆ／ｆ0） （ただし２θ0−θr＜９０°）
（式１）
の関係を満たす角度に所定値を加えた値に設定し、当該所定値は、前記磁束バリアの外周側のブリッジ（２４）の厚さに対し比例関係にあり、当該比例関係は、前記ブリッジ（２４）の厚さが０．７ｍｍのときに前記所定値が０．３５°となる関係であり、
磁束バリア（２２）の磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θbが１８°以上２５°以下であることを特徴とするブラシレスＤＣモータ。 - 回転子（２）の内部に複数個の所定厚みの永久磁石（２１）を装着し、各永久磁石（２１）の周方向の端部に連続させて、回転子（２）の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石（２１）の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリア（２２）を有し、さらに磁極間にリブ（２３）を有している回転子を含むブラシレスＤＣモータにおいて、
磁束バリア（２２）の磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブ（２３）に接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ 0 を、極対数をＰｎ、電気角周波数をｆ 0 ＝Ｐｎ＊N、モータ回転数をN、ｆ／ｆ 0 が偶数である周波数をｆ、ｍ＝１、３、５、・・、リブが回転子中心に対してなす角度をθ r とするとき、
θ 0 ＝１８０°＊ｍ／（Ｐｎ＊ｆ／ｆ 0 ） （ただし２θ 0 −θ r ＜９０°）
（式１）
の関係を満たす角度に設定し、
磁束バリア（２２）の磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θ b が１８°以上２５°以下であることを特徴とするブラシレスＤＣモータ。 - 回転子（２）の内部に複数個の所定厚みの永久磁石（２１）を装着し、各永久磁石（２１）の周方向の端部に連続させて、回転子（２）の表面近傍まで伸び、かつ永久磁石（２１）の厚みよりも大きい周方向の長さの非磁性部の磁束バリア（２２）を有し、さらに磁極間にリブ（２３）を有している回転子を含むブラシレスＤＣモータにおいて、
磁束バリア（２２）の磁極中心側の端部と、隣接する磁束バリアのリブ（２３）に接する側の端部とが、回転子中心に対してなす角度θ 0 を、極対数をＰｎ、電気角周波数をｆ 0 ＝Ｐｎ＊N、モータ回転数をN、ｆ／ｆ 0 が偶数である周波数をｆ、ｍ＝１、３、５、・・・、リブが回転子中心に対してなす角度をθ r とするとき、
θ 0 ＝１８０°＊ｍ／（Ｐｎ＊ｆ／ｆ 0 ） （ただし２θ 0 −θ r ＜９０°）
（式１）
の関係を満たす角度に所定値を加えた値に設定し、当該所定値は、前記磁束バリアの外周側のブリッジ（２４）の厚さに対し比例関係にあり、当該比例関係は、前記ブリッジ（２４）の厚さが０．７ｍｍのときに前記所定値が０．３５°となる関係であり、
磁束バリア（２２）の磁極中心側が、半径方向に漸縮する形状を有し、しかもこの半径方向漸縮形状部分の角度θ b が１８°以上２５°以下であることを特徴とするブラシレスＤＣモータ。 - ｆ／ｆ 0 が偶数であるように周波数ｆを設定してある請求項１または請求項２に記載のブラシレスＤＣモータ。
- ｆ／ｆ 0 が（ステータスロット数／Ｐｎ）の整数倍に一致するように周波数ｆを設定してある請求項１から請求項４の何れかに記載のブラシレスＤＣモータ。
- 式１において、角度θ 0 が（３０／Ｐｎ）°以上、かつ（６０／Ｐｎ）°以下になるようにｍを設定してある請求項１から請求項６の何れかに記載のブラシレスＤＣモータ。
- 前記リブ（２３）の幅をブリッジ（２４）の厚さの２倍以上に設定してある請求項１から請求項７の何れかに記載のブラシレスＤＣモータ。
- 前記ブリッジ（２４）を補強する補強ブリッジをさらに含む請求項１から請求項８の何れかに記載のブラシレスＤＣモータ。
- ステータスロット数が３６、極対数Ｐｎが２、ｆ／ｆ 0 が３６、式１のｍが７である請求項１から請求項４、請求項８、請求項９の何れかに記載のブラシレスＤＣモータ。
- 前記回転子（２）はスキューが施されてなる請求項１から請求項１０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１１の何れかのブラシレスＤＣモータの誘起電圧に対して電流位相を進めるべく制御されるインバータ装置（３１）を含むことを特徴とするブラシレスＤＣモータ制御装置。
- 最大回転数のモータ端子電圧をインバータの電圧以上に設定している請求項１２に記載のブラシレスＤＣモータ制御装置。
- モータ印加電圧、モータ電流、モータの機器定数を用いて回転子位置を算出し、算出された回転子位置に基づいてモータ駆動電流またはモータ印加電圧を制御すべくインバータ装置（３１）を制御する制御手段（３３）をさらに含む請求項１２または請求項１３に記載のブラシレスＤＣモータ制御装置。
- 前記ブラシレスＤＣモータは圧縮機を駆動するものである請求項１４に記載のブラシレスＤＣモータ制御装置。
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