JP5504637B2 - 電動機及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、可動子に永久磁石を備えた電動機及びその制御方法に関する。

永久磁石型可動子を備えた電動機において、電機子反作用の大きい減磁しやすい部位に保磁力が大きく起磁力の小さい磁石を配置し、電機子反作用の小さい部位に保磁力が小さく起磁力の大きい磁石を配置することで、減磁耐力を向上させ、電動機の最大トルク及び効率を高める技術が知られている（例えば、特許文献１，２）。

特開平１０−１１２９４６号公報 ＷＯ２００３／０７９５１６

しかしながら、上記従来の永久磁石型可動子を備えた電動機では、低速トルクを大きく取るために磁石量を増やしたり、起磁力の大きい磁石を用いた場合に、高速回転域において誘起電圧が電源電圧を超えるレベルになると、弱め磁束制御を行って誘起電圧を低減させる必要があり、効率低下の要因となっていた。巻線界磁型の電動機では高速回転域で磁束を弱めることができるが、常に界磁電流が必要であり、効率を向上させるのが難しかった。

上記課題を解決するために、本発明は、固定子と、突極比を有する永久磁石埋込型構造の可動子とを備えた電動機において、可動子に設けられるそれぞれの磁極は、異なる保磁力を有する複数の永久磁石を可動子の駆動方向に並べ、且つ駆動方向前側に配置した磁石の保磁力を、駆動方向後側に配置した磁石の保磁力より低くし、可動子に配置された永久磁石により固定子に誘起される電圧位相と、固定子の電流位相との差をβとし、最大推力または最大トルクが得られるβをβ０とした時に、前記高保磁力磁石と前記低保磁力磁石の境界位置を、各磁極の可動方向中央部から電気角でβ０程度、駆動方向前側に設けたことを特徴とする。

本発明によれば、ｄ軸電流を流さない状態では低保磁力側の磁石の減磁は発生せず、大きな磁束を得られ、高回転域においてｄ軸電流を付与することで低保磁力側の磁石に減磁が発生するので結果的に磁束が弱まり、誘起電圧を下げることができるので可変速範囲が拡大するという効果がある。

また資源が限られる希土類を用いたＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系などの高保磁力磁石の使用量を低減できるので、大幅なコスト削減効果が得られる。

本発明に係る電動機の実施例１の構造を示す模式断面図である。 （ａ）実施例１の減磁による磁束変化を説明する図、（ｂ）実施例１の減磁による磁束成分の変化を説明する図である。 （ａ）実施例１の電動機におけるβ＝０°の場合を説明する可動子模式断面図である。（ｂ）実施例１の電動機におけるβ＝４５°の場合の減磁の様子を説明する可動子模式断面図である。（ｃ）実施例１の電動機におけるβ＝９０°の場合の減磁の様子を説明する可動子模式断面図である。 （ａ）実施例２の電動機におけるβ＝０°の場合を説明する可動子模式断面図である。（ｂ）実施例２の電動機におけるβ＝４５°の場合の減磁の様子を説明する可動子模式断面図である。（ｃ）実施例２の電動機におけるβ＝９０°の場合の減磁の様子を説明する可動子模式断面図である。 （ａ）実施例３の電動機における正転時のβ＝０°の場合の減磁の様子を説明する可動子模式断面図である。（ｂ）実施例３の電動機における正転時のβ＝４５°の場合の減磁の様子を説明する可動子模式断面図である。 （ａ）実施例３の電動機における反転時のβ＝０°の場合の減磁の様子を説明する可動子模式断面図である。（ｂ）実施例３の電動機における反転時のβ＝４５°の場合の減磁の様子を説明する可動子模式断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施形態は、インナーロータ型電動機、アウターロータ型電動機やアキシャルギャップ型などの回転電動機に限らず、直線駆動型のリニアモータ装置にも適用される。

図１は、本発明に係る電動機の実施例１の模式断面図である。図１において、可動子１と固定子（電機子）２０とがエアギャップ１５を介して、対向して配置されている。可動子１は、Ｎ極２とＳ極３とが交互に可動子コア４に埋め込まれて形成されている。Ｎ極２は、比較的保磁力の高い高保磁力磁石２ａと比較的保磁力の低い低保磁力磁石２ｂとを備える。低保磁力磁石２ｂは、可動子１の駆動方向前側に配置され、低保磁力磁石２ｂより保磁力の高い高保磁力磁石２ａは、可動子１の駆動方向後側に配置されている。同様に、Ｓ極３は、比較的保磁力の高い高保磁力磁石３ａと比較的保磁力の低い低保磁力磁石３ｂとを備える。低保磁力磁石３ｂは、可動子１の駆動方向前側に配置され、低保磁力磁石３ｂより保磁力の高い高保磁力磁石３ａは、可動子１の駆動方向後側に配置されている。

高保磁力磁石２ａ、３ａには、例えば、ネオジム磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石）を用いる。低保磁力磁石２ｂ，３ｂには、ネオジム磁石より保磁力が低い、例えばフェライト磁石やアルニコ磁石などを用いる。

固定子２０は、固定子コア２１と、巻線２４とを備える。電磁鋼板を互いに絶縁して積層した固定子コア２１には、周期的にティース２２及びスロット２３が形成されている。スロット２３には、巻線２４が巻回されている。尚、図１は、本発明を回転電動機に適用した場合には、エアギャップ１５が直線状となるように展開した図である。

図２は、実施例１における減磁前と減磁後の磁束及び磁束成分スペクトルを示す図である。図２（ａ）に示すように、減磁前に磁束のピーク値が約±０．９３［Ｗｂ］であったものが、減磁後に磁束のピーク値が約±０．８２［Ｗｂ］へ低下している。

図３は、実施例１の可動子に対する電機子磁束密度分布による減磁作用を説明する模式断面図であり、可動子のみを図示し、固定子（電機子）の図示を省略している。尚、図１と同じ構成要素には、同じ符号を付与して、重複する説明を省略している。

また、以下の説明において、βは、可動子に配置された永久磁石により固定子に誘起される電圧位相と、固定子の電流位相との差を示す。図３（ａ）は、β＝０°の場合を示し、図３（ｂ）は、β＝４５°の場合を示し、図３（ｃ）は、β＝９０°の場合を示す。

図３（ａ）において、図１のギャップ１５における磁束密度分布５に対して、電気角で９０°進角した位置に、電機子磁束密度分布６ａが設定されている。このとき磁石が電機子反作用にさらされる部位を矢印７で示す。この電機子反作用は、高保磁力磁石２ａ及び３ａに作用するが、低保磁力磁石２ｂ及び３ｂは、電機子反作用による反磁界にさらされないので、減磁が生じない。

図３（ｂ）は、β＝４５°の状態を示す。電機子電流が進角されて電機子磁束密度分布６ｂとなると、矢印１８で示す範囲の低保磁力磁石２ｂ及び３ｂに電機子反作用が及ぶので減磁が生じ、結果的に磁石磁束が低下する。したがって通常の弱め磁束制御のように、高回転域においてトルクに寄与しないｄ軸電流が必要なくなり、効率が向上する。また低回転域では、通常の起磁力を有するので高トルクが得られる。

図３（ｃ）は、β＝９０°の状態を示す。さらに電機子電流が進角されて電機子磁束密度分布６ｃとなると、低保磁力磁石２ｂ及び３ｂに電機子反作用が及ぶ範囲１８が拡大し、減磁が生じる範囲が拡大する。

図３に示したように、突極比を有する磁石埋込型（Interior Permanent Magnet，ＩＰＭ）構造（またはインセット型ＳＰＭ（Serface Permanent Magnet））においては、最大トルク制御時にβ≠０°となることが一般的であるが、本発明の構成によれば進角により低保磁力磁石２ｂ及び３ｂに減磁が生じるので好ましくない。そこで高保磁力磁石２ａと低保磁力磁石２ｂとの境界位置１７を、その可動子の突極比から得られる最大トルク（直線駆動型の場合は最大推力）が発生するβであるβ０分だけ、あらかじめオフセットしておくことにより、最大トルク制御時の減磁を防止し、最大トルク低下を回避することができる。

以上説明した本実施例によれば、ｄ軸電流を流さない状態では低保磁力側の磁石の減磁は発生せず、大きな磁束を得られ、高回転域においてｄ軸電流を付与することで低保磁力側の磁石に減磁が発生するので結果的に磁束が弱まり、誘起電圧を下げることができるので可変速範囲が拡大するという効果がある。

また資源が限られる希土類を用いたネオジム磁石などの高保磁力磁石の使用量を低減できるので、大幅にコスト削減することができるという効果がある。

また本実施例によれば、最大トルクまたは最大推力動作点でのβに対して、高保磁力磁石と低保磁力磁石との境界位置の駆動方向位置を規定しているため、最大トルク状態で低保磁力磁石が減磁することを回避し、最大トルクまたは最大推力の低下を防止することができるという効果がある。

次に、本発明をＳＰＭ型電動機に適用した実施例２を説明する。図４（ａ）〜（ｃ）は、実施例２の可動子に対する電機子磁束密度分布による減磁作用を説明する模式断面図である。図４は、可動子のみを図示し、図１と同様な固定子（電機子）の図示を省略している。図４において、可動子１の図示しない固定子に対向する表面には、高保磁力磁石９ａと低保磁力磁石９ｂを備えたＮ極９と、高保磁力磁石１０ａと低保磁力磁石１０ｂを備えたＳ極１０とが交互に隙間無く形成されている。

高保磁力磁石９ａ、１０ａには、例えば、ネオジム磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石）を用いる。低保磁力磁石９ｂ，１０ｂには、ネオジム磁石より保磁力が低い、例えばフェライト磁石やアルニコ磁石などを用いる。

図４（ａ）は、β＝０°の場合を示し、図４（ｂ）は、β＝４５°の場合を示し、図４（ｃ）は、β＝９０°の場合を示す。図４（ａ）において、ギャップの磁束密度分布５に対して、電気角で９０°進角した位置に、電機子磁束密度分布６ａが設定されている。このとき磁石が電機子反作用にさらされる範囲を矢印７で示す。この電機子反作用は、高保磁力磁石９ａ及び１０ａに作用するが、低保磁力磁石９ｂ及び１０ｂは、電機子反作用による反磁界にさらされないので、減磁が生じない。

図４（ｂ）は、β＝４５°の状態を示す。電機子電流が進角されて電機子磁束密度分布６ｂとなると、磁石が電機子反作用にさらされる範囲７が拡大するとともに、矢印１８で示す範囲の低保磁力磁石９ｂ及び１０ｂに電機子反作用が及ぶ。これにより低保磁力磁石９ｂ及び１０ｂの減磁が生じ、結果的に磁石磁束が低下する。したがって通常の弱め磁束制御のように、高回転域においてトルクに寄与しないｄ軸電流が必要なくなり、効率が向上する。また低回転域では、通常の起磁力を有するので高トルクが得られる。

図４（ｃ）は、β＝９０°の状態を示す。さらに電機子電流が進角されて電機子磁束密度分布６ｃとなると、低保磁力磁石９ｂ及び１０ｂに電機子反作用が及ぶ範囲１８が拡大るとともに電機子反作用が強くなるので、減磁が生じる範囲が拡大して、さらに磁石磁束が低下する。

また本実施例では、高保磁力磁石９ａと１０ａとの間に、低保磁力磁石９ｂ及び１０ｂが配置されている。このため、図４の状態から電機子電流進角により低保磁力磁石９ｂ及び１０ｂの極性を反転させることで、可動子１の駆動方向が反転した場合にも、各磁極の駆動方向前側に低保磁力磁石を配置し、駆動方向後側に高保磁力磁石を配置する構成が得られる。

このとき、低保磁力磁石の極性反転に伴い、磁極中心位置が低保磁力磁石の駆動方向長さである電気角で９０°オフセットされるので、電機子の電流位相角の基準位置を磁極オフセットに追従させて、電気角で９０°オフセットするように制御する。

以上説明した本実施例によれば、高保磁力磁石と低保磁力磁石が交互に配置される構成なので、低保磁力磁石の極性を反転させることにより、可動子回転方向が反転する場合にも、ｄ軸電流を流さない状態では低保磁力側の磁石の減磁は発生せず、大きな磁束を得られ、高回転域においてｄ軸電流を付与することで低保磁力磁石に減磁が発生するので結果的に磁束が弱まり、誘起電圧を下げることができるので可変速範囲が拡大するという効果がある。

また本実施例によれば、資源が限られる希土類を用いたＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系などの高保磁力磁石の使用量を低減できるので、大幅にコスト削減することができるという効果がある。

また本実施例によれば、可動子の回転方向の反転に伴い、高保磁力磁石間に配置される低保磁力磁石の極性が反転されるので、磁極中心位置の位相が、可動子駆動方向に低保磁力磁石の長さ分だけオフセットする。これに追従して電流位相の基準位置を補正することで、駆動方向反転時にも各磁極の駆動方向前側に低保磁力磁石を配置し、駆動方向後側に高保磁力磁石を配置する構成が得られるという効果がある。

次に、図５、図６を参照して、本発明に係る電動機の実施例３を説明する。本実施例は、各磁極を保磁力の異なる３つの磁石で構成し、各磁極の駆動方向中央部に高保磁力磁石を配置し、各磁極の駆動方向前後の端部にそれぞれ低保磁力磁石を配置した例である。図５は回転電機の正転時、或いは直線駆動型装置の図中右方向駆動時を示す。図６は回転電機の逆転時、或いは直線駆動型装置の図中左方向駆動時を示す。

図５（ａ）、（ｂ）において、可動子１の図示しない固定子に対向する表面には、Ｎ極１１と、Ｓ極１２とが形成されている。Ｎ極１１は、高保磁力磁石１１ａと低保磁力磁石１１ｂ、１１ｃを備える。高保磁力磁石１１ａは、Ｎ極１１の駆動方向中央部に配置されている。低保磁力磁石１１ｃはＮ極１１の駆動方向前端部に配置され、低保磁力磁石１１ｂはＮ極１１の駆動方向後端部に配置されている。

同様に、Ｓ極１２は、高保磁力磁石１２ａと低保磁力磁石１２ｂ、１２ｃを備える。高保磁力磁石１２ａは、Ｓ極１２の駆動方向中央部に配置されている。低保磁力磁石１２ｃはＳ極１２の駆動方向前端部に配置され、低保磁力磁石１２ｂはＳ極１２の駆動方向後端部に配置されている。

高保磁力磁石１１ａ、１２ａには、例えば、ネオジム磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石）を用いる。低保磁力磁石１１ｂ，１１ｃ，１２ｂ，１２ｃには、ネオジム磁石より保磁力が低い、例えばフェライト磁石やアルニコ磁石などを用いる。

そして、Ｎ極１１とＳ極１２との間には、軟磁性体の可動子コア４が設けられ、インセットＳＰＭ構造またはＩＰＭ構造をなしている。

図５（ａ）は、正転時かつβ＝０°の場合を示す。図５（ａ）において、ギャップの磁束密度分布５に対して、電気角で９０°進角した位置に、電機子磁束密度分布６ａが設定されている。このとき磁石が電機子反作用にさらされる部位を矢印７で示す。この電機子反作用は、高保磁力磁石１１ａ及び１２ａ、低保磁力磁石１１ｂ及び１２ｂに作用する。そして、矢印１８で示す範囲の低保磁力磁石１１ｂ及び１２ｂに電機子反作用が及ぶので減磁が生じ、結果的に磁石磁束が低下する。したがって通常の弱め磁束制御のように、高回転域においてトルクに寄与しないｄ軸電流が必要なくなり、効率が向上する。また低回転域では、通常の起磁力を有するので高トルクが得られる。

図５（ｂ）は、正転時かつβ＝４５°の場合を示す。電機子電流が進角されて電機子磁束密度分布６ｂとなると、低保磁力磁石１１ｂ及び１２ｂに電機子反作用が及ぶ範囲１８において、は変わらず、減磁も同様である。

図６（ａ）は、反転時かつβ＝０°の場合を示し、図６（ｂ）は、反転時かつβ＝４５°の場合を示す。Ｎ極１１及びＳ極１２の構造が可動子駆動方向とその逆方向に関して対称となっているので、電機子磁束分布６ａ、６ｂが低保磁力磁石に及ぼす作用は、１１ｂと１１ｃが入れ替わり、１２ｂと１２ｃが入れ替わるだけで、図５の正転時と同様である。

本実施例によれば、突極比を有するＩＰＭ構造の電動機やインセットＳＰＭ構造の電動機の構成においても可動子の移動方向（または回転方向）の反転を可能としつつ、高回転域で電機子電流の位相進角により低保磁力磁石を減磁させた後、進角を戻してｄ軸電流を減少させることにより、トルクに寄与しないｄ軸電流を低減して効率を高めることができるという効果がある。

また資源が限られる希土類を用いたＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系などの高保磁力磁石の使用量を低減できるので、大幅にコスト削減することができるという効果がある。

１ 可動子
２ Ｎ極
２ａ 高保磁力磁石
２ｂ 低保磁力磁石
３ Ｓ極
３ａ 高保磁力磁石
３ｂ 低保磁力磁石
４ 可動子コア
２０ 固定子
２１ 固定子コア
２２ ティース
２３ スロット
２４ 巻線

Claims (3)

1. 固定子と、突極比を有する永久磁石埋込型構造の可動子とを備えた電動機において、
   可動子に設けられるそれぞれの磁極は、異なる保磁力を有する複数の永久磁石を可動子の駆動方向に並べることにより構成され、且つ駆動方向前側に比較的保磁力の低い低保磁力磁石を配置し、駆動方向後側に比較的保磁力の高い高保磁力磁石を配置し、
   可動子に配置された永久磁石により固定子に誘起される電圧位相と、固定子の電流位相との差をβとし、最大推力または最大トルクが得られるβをβ０とした時に、前記高保磁力磁石と前記低保磁力磁石の境界位置を、各磁極の可動方向中央部から電気角でβ０程度、駆動方向前側に設けたことを特徴とする電動機。
2. 磁極の駆動方向中央部に比較的保磁力の高い高保磁力磁石を配置し、磁極の駆動方向前後の両端部に比較的保磁力の低い低保磁力磁石を配置し、且つＮ極とＳ極との間には軟磁性体の可動子コアを設けたことを特徴とする請求項１記載の電動機。
3. 請求項２に記載の電動機を制御する電動機の制御方法であって、
   可動子に配置された永久磁石により固定子に誘起される電圧位相と、固定子の電流位相との差をβとしたとき、電機子駆動電圧よりも誘起電圧が大きくなるような高回転速度領域において、一旦βを大きく進角制御して低保磁力磁石を減磁させた後、βを減じることを特徴とする電動機の制御方法。

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