JP5299029B2

JP5299029B2 - 永久磁石型電動機

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Publication number: JP5299029B2
Application number: JP2009085292A
Authority: JP
Inventors: 崇加藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2029-03-31
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Description

本発明は、ロータに永久磁石を備える永久磁石型電動機に関する。

ロータに永久磁石を備える永久磁石型電動機では、高回転域において電機子コイルに生じる誘起電圧が電圧制限値を超えることを防止するために、いわゆる弱め磁束制御によって減磁界を永久磁石に作用させ、永久磁石による鎖交磁束を減少させることが一般的に行われている。しかしながら、弱め磁束制御では、出力には寄与しないｄ軸電流を常時流して永久磁石に減磁界を作用させ続ける必要があるため、銅損が増加するなどの問題があり、従来、このような問題を回避するための改良技術が種々検討されている。例えば、下記特許文献１には、ロータに低保磁力永久磁石と高保磁力永久磁石とを配置し、高回転域においてはｄ軸電流により低保磁力永久磁石を減磁させて誘起電圧を抑制するという技術が記載されている。

特開２００６−２８０１９５号公報（図４、段落［００１９］等）

しかしながら、特許文献１に記載されている従来の技術は、低保磁力永久磁石の着磁状態をｄ軸電流で制御するため、この低保磁力永久磁石の着磁状態の制御によりｑ軸電流の制御範囲が制限されることとなり、トルク制御性に悪影響を及ぼす可能性がある。

本発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑みて創案されたものであって、トルク制御性へ悪影響を及ぼすことなく、回転数や負荷に応じて永久磁石による磁束量を適切に制御することが可能な永久磁石型電動機を提供することを目的としている。

本発明に係る永久磁石型電動機は、ロータの永久磁石を保磁力の異なる複数の磁石部により構成するとともに、駆動周波数の基本波成分と高調波成分とを含む複合電流を前記電機子コイルに通電し、永久磁石を構成する磁石部のうち保磁力が小さい低保磁力磁石部の着磁状態を前記複合電流の高調波成分により制御することで、上述した課題を解決する。

本発明に係る永久磁石型電動機によれば、複合電流の高調波成分により永久磁石の低保磁力磁石部の着磁状態が制御されるので、トルク制御とは独立に永久磁石の磁束量を制御することができ、界磁可変時のトルク制御性への悪影響を有効に回避することができる。

本発明を適用した永久磁石型電動機の１極分の構造を示した部分断面図である。（ａ）は低保磁力磁石部を持たない永久磁石の磁石配置を示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）の磁石配置の場合の永久磁石による起磁力の空間分布を示す図である。（ａ）はロータ周方向の中央部に配置された低保磁力磁石部を２つの高保磁力磁石部で挟み込んだ構成の永久磁石の磁石配置を示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）の磁石配置の場合の永久磁石による起磁力の空間分布を示す図である。（ａ）はロータ周方向の端部に低保磁力磁石部を配置した構成の永久磁石の磁石配置を示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）の磁石配置の場合の永久磁石による起磁力の空間分布を示す図である。通常の動作時に電機子コイルに基本波成分のみの駆動電流を通電したときの電機子コイルによる起磁力波形と永久磁石による起磁力波形との関係を模式的に示す図である。複合電流を通電したときの電機子コイルによる起磁力波形と永久磁石による起磁力波形との関係を模式的に示す図である。基本波成分に重畳する高調波の位相を反転させた複合電流を通電したときの電機子コイルによる起磁力波形と永久磁石による起磁力波形との関係を模式的に示す図である。ロータの極対数に対応した駆動周波数基本波成分の電流波形と高調波成分の電流波形と複合電流の電流波形との関係を示す図である。Ｕ，Ｖ，Ｗ各相における複合電流の電流波形を示す図である。本発明を適用した永久磁石型電動機におけるコントローラの機能を説明する図であり、本発明に関わる部分を抽出して示したブロック図である。主磁気回路中に高調波磁束抑制要素を設けた永久磁石型電動機の部分断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

［電動機の構成］
図１は、本発明を適用した永久磁石型電動機の１極分の構造を示した部分断面図である。

この図１に示す永久磁石型電動機は、外周ケース１に固定されたステータ２と、このステータ２の内周側にエアギャップを介して配置され、ロータシャフト３に固定されたロータ４とを備える。ステータ１は、例えば電磁鋼板を積層して形成されたステータコア５を有し、このステータコア５の周方向に等間隔に設けられたスロットに電機子コイル６が巻き込まれた構造である。一方、ロータ４は、例えばロータシャフト３の軸周りに電磁鋼板を積層することで形成されたロータコア７を有し、このロータコア７の周方向に等間隔に磁極を形成する永久磁石１０が配置された構造である。このように構成される永久磁石型電動機では、ステータ２の電機子コイル６に対してロータ４の極対数に対応した駆動周波数の交流を通電することで発生する回転磁界と、ロータ４の永久磁石１０によって発生する磁石磁界との相互作用により、ロータ４及びロータシャフト３が回転する。

ここで、特に本発明を適用した永久磁石型電動機では、ロータ４の磁極を形成する永久磁石１０が、比較的保磁力が大きい磁石（以下、高保磁力磁石部１１という。）と、比較的保磁力が小さい磁石（以下、低保磁力磁石部１２という。）とを組み合わせた構成とされている。そして、詳細を後述するコントローラによる制御のもとで、駆動周波数の基本波成分に高調波成分を重畳した複合電流を電機子コイル６に通電し、永久磁石１０の低保磁力磁石部１２の着磁状態を複合電流の高調波成分によって制御することで、永久磁石１０による磁束量を制御するようにしている。なお、高保磁力磁石部１１としては、例えばＮｄＦｅＢ磁石などを用いることができる。また、低保磁力磁石部１２としては、起磁力が高く、保磁力の比較的小さい磁石、例えばアルニコ磁石や、保磁力を高めるためのＤｙなどの元素を添加しないネオジム磁石などを用いることができる。

一般に、自動車用途など広域の可変速範囲を要求される永久磁石型電動機においては、低回転域では高トルクを得るために磁石磁束が大きい方が望ましいが、高回転域では磁石磁束による誘起電圧が大きくなり、電源電圧を超えると駆動できなくなるため、磁石磁束が小さいことが要求される。しかしながら、従来の永久磁石型電動機では、ロータコアに設置した永久磁石により発生する磁束量は回転数によらず一定であるため、高回転域において誘起電圧を抑制するためにトルクに寄与しないｄ軸電流を通電して磁石磁束を弱める、いわゆる弱め磁束制御が行われるが、これにより銅損が増加するという問題がある。また、ロータに低保磁力磁石を配置し、高回転域においてｄ軸電流（永久磁石にとっては減磁方向）を通電することにより、磁石を減磁させて誘起電圧を抑制する技術が提案されているが、この手法では、磁石の着磁状態をｄ軸電流により制御するので、ｑ軸電流の制御範囲が制限されることとなり、トルク制御性に悪影響を及ぼす可能性がある。また、機械的にステータとロータの空隙部を広げたり、磁気回路の磁気抵抗を変化させることにより誘起電圧を抑制する技術も提案されているが、機構が大掛かりになりやすく、また磁気抵抗の拡大により、電機子からみた磁気抵抗も増加するため、効率的ではない。

そこで、本発明では、ロータ４の永久磁石１０を高保磁力磁石部１１と低保磁力磁石部１２との組み合わせで構成し、ステータ２の電機子コイル６に駆動周波数の基本波成分と高調波成分とを含む複合電流を通電して、この複合電流の高調波成分により永久磁石１０の低保磁力磁石部１２の着磁状態を制御することで、永久磁石１０による磁束量を制御するようにしている。このように、本発明では、トルクを発生する基本波成分とは独立に、高調波成分によって低保磁力磁石部１２の着磁状態を制御するようにしているので、トルク制御性に影響を与えずに、回転数や負荷に応じて磁石磁束量を適切に制御することができる。なお、図１に示した永久磁石型電動機は、ロータコア７の内部に永久磁石１０を埋め込んだＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）型として構成されているが、本発明は、ロータコア７の表面に永久磁石１０を貼り付けたＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）型の電動機に対しても有効に適用できる。

［磁石配置の具体例］
ここで、複合電流により永久磁石１０による磁束量を制御するための最適な磁石配置について、図２乃至図４を参照して説明する。

図２（ａ）は、低保磁力磁石部１２を持たない２つの永久磁石１０を磁化方向が逆向きとなるように並べた磁石配置を示しており、このときの永久磁石１０による基本波磁束を正規化して１とする。この図２（ａ）の磁石配置の場合には、永久磁石１０による起磁力の空間分布として、図２（ｂ）のような空間分布が得られる。なお、図２（ｂ）の縦軸は永久磁石１０による起磁力の正規化指数を示し、横軸は図２（ａ）における横方向位置を示している。

図３（ａ）は、高保磁力磁石部１１と低保磁力磁石部１２とを組み合わせて構成された２つの永久磁石１０を磁化方向が逆向きとなるように並べた磁石配置を示しており、各永久磁石１０を、図の横方向（ロータ４の周方向に相当）の中央部に配置した低保磁力磁石部１２を２つの高保磁力磁石部１１で挟み込んだ構成とした例である。この図３（ａ）の磁石配置の場合、ステータ２の電機子コイル６に複合電流を通電して各永久磁石１０の中央に配置された低保磁力磁石部１２を減磁させると、永久磁石１０による起磁力の空間分布は図３（ｂ）のようになり、永久磁石１０による基本波磁束は０．５３にまで減少する。

図４（ａ）は、高保磁力磁石部１１と低保磁力磁石部１２とを組み合わせて構成された２つの永久磁石１０を磁化方向が逆向きとなるように並べた磁石配置を示しており、各永久磁石１０の低保磁力磁石部１２を磁石端部に配置した構成とした例である。この図４（ａ）の磁石配置の場合、ステータ２の電機子コイル６に複合電流を通電して各永久磁石１０の端部に配置された低保磁力磁石部１２を減磁させると、永久磁石１０による起磁力の空間分布は図４（ｂ）のようになり、永久磁石１０による基本波磁束は０．８８となる。

以上の結果から分かるように、複合電流により低保磁力磁石部１２の着磁状態を変化させることで永久磁石１０による主磁束量を効率よく制御するには、永久磁石１０の構成を図３（ａ）に示した構成、すなわち、ロータ周方向の中央部に低保磁力磁石部１２を配置してこの低保磁力磁石部１２を高保磁力磁石部１１により挟み込んだ構成とすることが望ましい。

なお、低保磁力磁石部１２は、高保磁力磁石部１１と比較して自己減磁しやすいため、複合電流の高調波成分による磁界以外の影響によっても着磁状態が変化してしまうことが懸念される。このような問題を回避するためには、低保磁力磁石部１２の厚みと高保磁力磁石部１１の厚みとを異ならせておくことが有効である。つまり、高保磁力磁石部１１と比較して低保磁力磁石部１２の厚みを大きくしておくことで、電機子コイル６に複合電流を通電したときのみ低保磁力磁石部１２の着磁状態を変化させることができ、磁石磁束の制御を精度良く行うことができる。

［動作］
次に、本発明を適用した永久磁石型電動機の動作について、図５乃至図７を参照して説明する。

図５は、通常の動作時に電機子コイル６に駆動周波数の基本波成分のみの駆動電流を通電したときの電機子コイル６による起磁力波形ＭＭＦ１と、永久磁石１０による起磁力波形ＭＭＦ２との関係を模式的に示す図である。なお、ここでは簡単のために、永久磁石１０がＳＰＭ型の磁石配置とされている場合を示し、低保磁力磁石部１２は減磁されていないものとする。この図５に示すように、電機子コイル６に対してロータ４の極対数に対応した駆動周波数の交流を通電（この図５の例では電流進角０度）することで、図中の左側に向かうトルクを発生してロータ４及びロータシャフト３が回転する。

図６は、駆動周波数の基本波成分に高調波成分を重畳した複合電流（複合電流の生成方法については、詳細を後述する。）を通電したときの電機子コイル６による起磁力波形ＭＭＦ３と、永久磁石１０による起磁力波形ＭＭＦ２との関係を模式的に示す図である。また、図７は、基本波成分に重畳する高調波の位相を反転させた場合の電機子コイル６による起磁力波形ＭＭＦ３と、永久磁石１０による起磁力波形ＭＭＦ２との関係を模式的に示す図である。なお、図６及び図７では、参考のために、基本波成分のみの駆動電流を通電したときの電機子コイル６による起磁力波形ＭＭＦ１も破線で示している。

これら図６及び図７に示すように、電機子コイル６に複合電流を通電することにより、電機子コイル６による起磁力の分布に部分的な反磁界部が形成される。そして、この部分的な反磁界部が形成される位置に永久磁石１０の低保磁力磁石部１２を配置することによって、低保磁力磁石部１２に対して、図６の例では反磁界を選択的に印加することができ、また図７の例では強め方向に磁界を作用させることができる。つまり、電機子コイル６に複合電流を通電することで、この複合電流の高調波成分により永久磁石１０の低保磁力磁石部１２の着磁状態を制御することができ、トルク制御性に影響を与えることなく、回転数や負荷に応じて磁石磁束量を適切に制御できることが分かる。

［複合電流の生成方法］
次に、磁石磁束量を制御するための複合電流の生成方法について、図８及び図９を参照して説明する。

図８は、ロータ４の極対数に対応した駆動周波数の基本波成分Ｃ１の電流波形と、高調波成分Ｃ２の電流波形と、複合電流Ｃ３の電流波形との関係を示している。この図８の例から分かるように、基本波成分Ｃ１に高調波成分Ｃ２を重畳することによって複合電流Ｃ３を得ることができる。

まずＵ相を例にとると、基本波成分Ｃ１の電流をｉ_ｕ１＝Ｉ_１ｃｏｓωｔとし、高調波成分Ｃ２の電流をｉ_ｕｎ＝Ｉ_ｎｓｉｎ（ｎωｔ＋ψ_ｎ）としたときに、電機子コイル６に通電する複合電流Ｃ３の電流波形は、ｉ_ｕ＝Ｉ_１ｃｏｓωｔ＋Ｉ_ｎｓｉｎ（ｎωｔ＋ψ_ｎ）で表すことができる。ここで、Ｉ_１及びＩ_ｎは基本波及び高調波電流の振幅、ｎは高調波の次数、ψ_ｎは高調波の位相差である。

同様に、Ｖ相における複合電流Ｃ３の電流波形は、ｉ_ｖ＝Ｉ_１ｃｏｓ（ωｔ＋２π／３）＋Ｉ_ｎｓｉｎ（ｎωｔ＋２π／３＋ψ_ｎ）で表すことができる。また、Ｗ相における複合電流Ｃ３の電流波形は、ｉ_ｗ＝Ｉ_１ｃｏｓ（ωｔ−２π／３）＋Ｉ_ｎｓｉｎ（ｎωｔ−２π／３＋ψ_ｎ）で表すことができる。以上のＵ，Ｖ，Ｗ各相における複合電流Ｃ２の電流波形をまとめると、図９のようになる。なお、図９中の実線で示す波形がＵ相における複合電流の電流波形であり、破線で示す波形がＷ相における複合電流の電流波形であり、一点鎖線で示す波形がＶ相における複合電流の電流波形である。

このような高調波成分を含む複合電流の電流波形は、基本波電流と高調波電流とを別々に生成して合成することで生成できるが、基本波電流と高調波電流とを別々に生成して合成する方法の他に、例えば高調波電流制御のような、もともと高調波を含んだ電流波形を生成する方法を採用してもよい。なお、永久磁石１０の低保磁力磁石部１２を減磁させる場合と着磁させる場合とでは、高調波電流位相差ψ_ｎを１８０度反転させればよい。

以上のように生成される複合電流との関係から、永久磁石１０の高保磁力磁石部１１と低保磁力磁石部１２との境界位置は、Ｉ_１ｃｏｓωｔ＋Ｉ_ｎｓｉｎ（ｎωｔ＋ψ_ｎ）＝０を満たすωｔ部近傍に設定される。このとき高調波の次数ｎは、１，３，５・・・で表される奇数である。ここで、高調波の次数ｎが大きくなればなるほど、複合電流の通電により形成される部分的な反磁界部（着磁時は強め磁界部）の周方向幅が狭くなり、１磁極内に複数生じるが、実機では高調波の制御上限や、永久磁石１０の組み立て性等の要件から、３次または５次程度の次数が適当である。また、高調波電流の振幅Ｉ_ｎは、永久磁石１０の低保磁力磁石部１２の保磁力に合わせて着減磁可能な値に設定すればよい。

以上のように、永久磁石１０の高保磁力磁石部１１と低保磁力磁石部１２との境界位置をｑ軸電流通電時に低保磁力磁石部１２に作用する反磁界の大きさと保磁力により設定し、この高保磁力磁石部１１と低保磁力磁石部１２との境界位置に応じて複合電流の基本波成分の位相と、高調波成分の次数、位相及び振幅とを決定することによって、永久磁石型電動機の各種パラメータに応じて低保磁力磁石部１２の着磁状態を精度良く制御することが可能となる。

［制御系の構成］
次に、本発明を適用した永久磁石型電動機における制御系の構成の具体例について、図１０を参照して説明する。

図１０は、本発明を適用した永久磁石型電動機におけるコントローラの機能を説明する図であり、本発明に関わる部分を抽出して示したブロック図である。

本発明を適用した永久磁石型電動機において、電動機本体１００はインバータ１０１を介して直流電源１０２に接続されている。コントローラは、インバータ１０１に対してＵ，Ｖ，Ｗ各相の電圧指令値を与えてインバータ１０１の各相アームのスイッチング動作を制御することで、電動機本体１００の各相の電機子コイル６に極対数に対応した駆動周波数の交流を通電し、電動機本体１００の動作を制御する。電動機本体１００の電機子コイル６への通電電流は電流センサ１０３により検出され、また、ロータ４の回転角はポジションセンサ１０４によって検出される。これら電流センサ１０３やポジションセンサ１０４による検出値はコントローラに随時入力される。

コントローラには、本発明に関わる機能構成として、電動機本体１００の駆動周波数（基本波）に対応した電流制御用の第１制御ブロック２０と、低保磁力磁石部１２の着磁状態を制御するための高調波成分に対応した電流制御用の第２制御ブロック３０と、加算器４０とが設けられている。

第１制御ブロック２０では、要求トルクに応じた基本波制御用のｄ１電流指令及びｑ１電流指令とフィードバック信号との差分を電流制御器２１に入力し、電流制御器２１において電機子コイル６へ印加する電圧の指令値を生成する。そして、電流制御器２１にて生成された電圧指令値を、電流ベクトル制御部２２によりＵ，Ｖ，Ｗ各相分の電圧指令に座標変換し、基本波に対応した電圧指令として出力する。フィードバック信号は、電流センサ１０３の検出値が電流ベクトル制御部２２で座標変換された後、ローパスフィルタ２３にてノイズ成分が除去されることで生成される。

一方、第２制御ブロック３０では、電動機本体１００の運転状態（回転数）に応じた高調波成分制御用のｄ２電流指令及びｑ２電流指令とフィードバック信号との差分を電流制御器３１に入力し、電流制御器３１において電圧指令値を生成する。そして、電流制御器３１にて生成された電圧指令値を、電流ベクトル制御部３２によりＵ，Ｖ，Ｗ各相分の電圧指令に座標変換し、高調波成分に対応した電圧指令として出力する。フィードバック信号は、電流センサ１０３の検出値が電流ベクトル制御部３２で座標変換された後、ローパスフィルタ３３にてノイズ成分が除去されることで生成される。

また、コントローラには、低保磁力磁石部１２の着磁状態をセンシングして電流フィードバック制御を行うために、着磁状態推定部５０が設けられている。この着磁状態推定部５０は、電動機本体１００からの誘起電圧信号とポジションセンサ１０４からのロータ４の回転信号とに基づき、鎖交磁束を逆算することにより低保磁力磁石部１２の着磁状態を推定する。

コントローラは、第１制御ブロック２０の電流ベクトル制御部２２から出力される基本波に対応した電圧指令と、第２制御ブロック３０の電流ベクトル制御部３２から出力される高調波に対応した電圧指令とを加算器４０にて合成することで、複合電流に対応した電圧指令を生成することができる。そして、この複合電流に対応した電圧指令をインバータ１０１に出力することで、電動機本体１００の電機子コイル６に複合電流を通電させて、永久磁石１０の低保磁力磁石部１２の着磁状態を制御することができる。

また、コントローラは、第１制御ブロック２０の電流ベクトル制御部２２から出力される電圧指令のみをインバータ１０１に出力することで、電動機本体１００の電機子コイル６に駆動周波数の基本波成分のみの駆動電流を通電させることができ、第２制御ブロック３０の電流ベクトル制御部３２から出力される電圧指令のみをインバータ１０１に出力することで、電動機本体１００の電機子コイル６に高調波成分のみの駆動電流を通電させることができる。つまり、電機子コイル６に複合電流を通電させるか、基本波成分のみの駆動電流を通電させるか、高調波成分のみの駆動電流を通電させるかの切り替えが可能とされている。

このような機能を持つコントローラでは、電動機本体１００の運転状態（回転数）に応じて、低保磁力磁石部１２の着磁状態を変化させて磁石磁束を制御する必要がある場合にのみ電機子コイル６に複合電流を通電させるようにすれば、低保磁力磁石部１２の着磁状態に関わらず、基本波電流位相を最適に制御することができるので、電動機本体１００の効率を向上させることができる。

また、永久磁石１０の低保磁力磁石部１２が減磁されている状態では、この永久磁石１０による起磁力分布に同期した３次高調波の駆動電流を電機子コイル６に通電することで、３次の成分でトルクが得られる場合もあり、基本波で駆動するよりも３次高調波で駆動する方が電動機本体１００の効率を高められる場合もある。このような観点から、コントローラは、電動機本体１００の運転状態（回転数）と、永久磁石１０の低保磁力磁石部１２の着磁状態と、複合電流が形成するギャップ磁束密度分布とに基づいて、電機子コイル６に複合電流を通電するか、基本波成分のみの駆動電流を通電するか、高調波成分のみの駆動電流を通電するかを切り替えるようにしてもよく、これにより電動機本体１００の効率をさらに向上させることができる。

［高調波磁束の抑制］
本発明を適用した永久磁石型電動機においては、駆動条件によって、永久磁石１０の低保磁力磁石部１２を減磁させた状態で駆動した場合、永久磁石１０による起磁力には高調波成分が含まれることになる。ここで、低保磁力磁石部１２を減磁させた状態で基本波駆動する際には、電機子コイル６に鎖交する主磁束に含まれる高調波成分は、全くトルクに寄与せず、鉄損を増加させる要因となる。そこで、図１１に示すように、例えばステータコア５などの主磁束が通過する主磁気回路中に高調波磁束抑制要素６０を設け、この高調波磁束抑制要素６０によって主磁束に含まれる高調波成分を抑制して、鉄損の増加を防止することが望ましい。

高調波磁束抑制要素６０は、例えば、コイルや抵抗、コンデンサなどからなる電気回路にて構成され、且つ、ＯＮ／ＯＦＦを切り替え可能なスイッチを有している。この高調波磁束抑制要素６０は、電機子コイル６に複合電流を通電して永久磁石１０の低保磁力磁石部１２の着磁状態を制御するときには、スイッチをＯＦＦに切り替えて動作を停止させる。なお、主磁気回路中に高調波磁束抑制要素６０を設けて主磁束に含まれる高調波成分を抑制する構成については、例えば特開２００８−３０１５５１号公報などに詳細が記載されている。

［効果］
以上、具体的な例を挙げながら説明したように、本実施形態の永久磁石型電動機によれば、ロータ４の永久磁石１０を高保磁力磁石部１１と低保磁力磁石部１２との組み合わせで構成とし、駆動周波数の基本波成分と高調波成分とを含む複合電流をステータ２の電機子コイル６に通電して、低保磁力磁石部１２の着磁状態を複合電流の高調波成分によって制御するようにしているので、トルク制御とは独立に永久磁石１０の磁束量を制御することができ、界磁可変時のトルク制御性への悪影響を有効に回避しながら、回転数や負荷に応じて永久磁石１０による磁束量を適切に制御することができる。

また、本実施形態の永久磁石型電動機によれば、電機子コイル６に通電する複合電流を、駆動周波数の基本波成分に奇数次高調波成分を重畳して生成することで、Ｎ極とＳ極の両極の低保磁力磁石部１２の着磁状態を同時に制御することが可能となり、磁石磁束を効率よく制御することができる。

また、本実施形態の永久磁石型電動機によれば、複合電流により形成されるロータ４側の部分的な反磁界部に永久磁石１０の低保磁力磁石部１２を配置することで、磁極全体を反磁界状態にすることなく低保磁力磁石部１２の着磁状態を制御することができ、磁石磁束を効率よく制御することができる。

また、本実施形態の永久磁石型電動機によれば、永久磁石１０の構成を、ロータ周方向における中央部に配置された低保磁力磁石部１２を高保磁力磁石部１１により挟み込んだ構成とすることで、磁石磁束の可変幅を大きくすることができ、磁石磁束を効率よく制御することができる。さらに、永久磁石１０の両端に高保磁力磁石部１１を配置した構成とすることで、ｑ軸電流による低保磁力磁石部１２の着磁状態への影響を回避でき、且つ、永久磁石１０を左右対称形状とすることで、力行及び回生時の左右いずれの回転方向にも制御内容を変更することなく対応可能となる。

また、本実施形態の永久磁石型電動機によれば、永久磁石１０を構成する高保磁力磁石部１１と低保磁力磁石部１２の厚みを異ならせ、低保磁力磁石部１２の厚みを高保磁力磁石部１１よりも大きくすることで、複合電流の高調波成分による磁界以外の影響で低保磁力磁石部１２の着磁状態が変化してしまう不都合を有効に回避することができる。

また、本実施形態の永久磁石型電動機によれば、永久磁石１０の高保磁力磁石部１１と低保磁力磁石部１２との境界位置をｑ軸電流通電時に低保磁力磁石部１２に作用する反磁界の大きさと保磁力により設定し、この高保磁力磁石部１１と低保磁力磁石部１２との境界位置に応じて複合電流の基本波成分の位相と、高調波成分の次数、位相及び振幅とを決定することにより、低保磁力磁石部１２の着磁状態の制御精度を高めることができる。

また、本実施形態の永久磁石型電動機によれば、電機子コイル６に鎖交する主磁束が通過する主磁気回路中に、永久磁石１０による磁束の高調波成分を抑制する高調波磁束抑制要素６０を設けることで、低保磁力磁石部１２が減磁した状態で基本波駆動した場合のトルクに寄与しない高調波磁束を高調波磁束抑制要素６０によりフィルタリングすることができ、鉄損を低減させることができる。

また、本実施形態の永久磁石型電動機によれば、電動機の運転状態に応じて磁石磁束を制御する必要がある場合にのみ電機子コイル６に複合電流を通電することで、低保磁力磁石部１２の着磁状態に関わらず、基本波電流位相を最適に制御することができ、電動機の効率を向上させることができる。

また、本実施形態の永久磁石型電動機によれば、電動機の運転状態と、低保磁力磁石部１２の着磁状態と、複合電流が形成するギャップ磁束密度分布とに基づいて、電機子コイル６に複合電流を通電するか、基本波成分のみの駆動電流を通電するか、高調波成分のみの駆動電流を通電するかを切り替えることで、電動機の効率をさらに向上させることができる。

なお、以上説明した実施形態は本発明の一適用例を例示的に示したものであり、本発明の技術的範囲が上記の実施形態として開示した内容に限定されることを意図するものではない。つまり、本発明の技術的範囲は、上記の実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

２ステータ
４ロータ
６電機子コイル
１０永久磁石
１１高保磁力磁石部
１２低保磁力磁石部
２０第１制御ブロック
３０第２制御ブロック
４０加算器
５０着磁状態推定部
６０高調波磁束抑制要素

Claims

永久磁石を有するロータと、電機子コイルを有するステータとを備えた永久磁石型電動機において、
前記ロータの永久磁石は、保磁力の異なる複数の磁石部により構成されているとともに、
駆動周波数の基本波成分と高調波成分とを含む複合電流を前記電機子コイルに通電し、前記永久磁石を構成する磁石部のうち保磁力が小さい低保磁力磁石部の着磁状態を前記複合電流の高調波成分により制御する制御手段を備えることを特徴とする永久磁石型電動機。
前記複合電流は、駆動周波数の基本波成分に奇数次高調波成分を重畳して生成されることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型電動機。
前記低保磁力磁石部は、前記複合電流により形成されるロータ側の部分的な反磁界部に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石型電動機。
前記永久磁石は、ロータ周方向における中央部に配置された低保磁力磁石部を当該低保磁力磁石部よりも保磁力の大きい高保磁力磁石部により挟み込んだ構成とされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の永久磁石型電動機。
前記低保磁力磁石部の厚みが、当該低保磁力磁石部よりも保磁力の大きい高保磁力磁石部の厚みと異なることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の永久磁石型電動機。
前記低保磁力磁石部と、当該低保磁力磁石部よりも保磁力の大きい高保磁力磁石部との境界位置は、ｑ軸電流通電時に前記低保磁力磁石部に作用する反磁界の大きさと保磁力により設定され、
前記制御手段は、前記低保磁力磁石部と前記高保磁力磁石部との境界位置に応じて、前記複合電流の基本波成分の位相と、高調波成分の次数、位相及び振幅とを決定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の永久磁石型電動機。
前記電機子コイルに鎖交する主磁束が通過する主磁気回路中に、前記永久磁石による磁束の高調波成分を抑制する高調波磁束抑制手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の永久磁石型電動機。
前記制御手段は、電動機の運転状態に基づいて、前記電機子コイルに前記複合電流を通電するか、前記電機子コイルに駆動周波数の基本波成分のみの駆動電流を通電するかを切り替えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の永久磁石型電動機。
前記制御手段は、電動機の運転状態と、前記低保磁力磁石部の着磁状態と、前記複合電流が形成するギャップ磁束密度分布とに基づいて、前記電機子コイルに前記複合電流を通電するか、前記電機子コイルに駆動周波数の基本波成分のみの駆動電流を通電するか、前記電機子コイルに高調波成分のみの駆動電流を通電するかを切り替えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の永久磁石型電動機。