JP6568999B2 - 永久磁石同期モータ - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石同期モータに関し、特に可変の永久磁石（ＰＭ）磁化特性を有する永久磁石同期モータに関する。

電気自動車やハイブリッド車（ＨＥＶ）は、車両の駆動源として作動する電動機を有する。純粋な電気自動車では、電動機は唯一の駆動源として作動する。一方ＨＥＶは、状態に応じて電動機と従来の内燃機関とが車両の駆動源として作動されることが当該技術では知られている。

電気自動車とＨＥＶが、可変ＰＭ磁化特性を有する電動機を使用できることは当該技術では周知である。例えばモータトルクを増大させるため、モータのＰＭ磁化レベルを上げることができる。従って例えば運転者が他の車を追い越すために加速すると、モータ制御システムは、モータのトルク出力を上げるためパルス電流を印加して磁化レベルを変更することができ、車速が上がる。

保磁力の低い磁石と、保磁力の高い磁石とが互いに磁気的に直列に配置された回転子を備える電動機が当該技術では知られている（例えば日本国特許出願 特願２００８−１６２２０１を参照）。このモータは、その作動状態に応じて、低保磁力磁石の磁化レベルを変えることができるため、モータ効率が向上する。

上記のモータでは、低保磁力磁石と高保磁力磁石とを、互いに磁気的に直列に配置することで、完全磁化に必要な固定子電流を低減することができる。しかし上記モータでは、達成可能な磁化レベルの範囲が、モータ効率を十分向上させるほど広くない。例えば上記モータでは、高速かつ低トルク作動時の鉄損失を低減することは困難である。

本発明の目的は、モータ効率を適切に向上させる、永久磁石同期モータを提供することにある。

上記従来技術に鑑み、永久磁石同期モータの一態様は、固定子と、固定子に対して回転可能な回転子と、永久磁石同期モータの磁極組が形成されるように、互いに磁気的に直列に配置された低保磁力磁石と高保磁力磁石とを有する磁気構造とを備える。低保磁力磁石の磁化レベルは、固定子電流パルスにより変更可能であり、定格電流での固定子起磁力の値は、低保磁力磁石の完全な磁化のための磁場強度と、低保磁力磁石の厚さとの積以上である。

以下で参照される添付図面は、本開示の一部を構成する。

図１は、第一実施形態に係る永久磁石同期モータの部分断面図である。

図２Ａは、永久磁石同期モータの磁極を構成する、磁気構造の概略図である。

図２Ｂは、低保磁力磁石のＢ−Ｈ曲線と、永久磁石同期モータの等価な磁気回路に基づき取得したパーミアンス曲線との関係を示すグラフである。

図３は、固定子の起磁力と、磁気構造の全体の厚さに対して異なる厚さ比率を有する低保磁力磁石の磁化レベルとの関係を示すグラフである。

図４は、永久磁石同期モータのトルク−速度特性を有する、永久磁石同期モータのモータ効率を示す等高線図である。

図５は、第二実施形態に係る、永久磁石同期モータの電流、固定子鎖交磁束及び電圧の相対位相を示すベクトル図である。

図６は、第三実施形態に係る、固定子起磁力の空間分布と、永久磁石同期モータの磁石の相対位置との関係を示す図である。

選択された実施形態について、図面を参照して説明する。以下に記載する実施形態の開示は専ら例示目的であり、特許請求の範囲で定義された発明及び均等物の制限を目的とするものでないことは、当業者にとって明らかである。

（第一実施形態）
図１は、第一実施形態に係る、永久磁石同期モータ（永久磁石埋込型モータ（ＩＰＭ）とも呼ばれている）を示す。図１に示すように、モータ１０は基本的に回転子１２と固定子１４とを有する。モータ１０は、乗用車、トラック、ＳＵＶなど任意の種類の電気自動車又はＨＥＶや、当該技術では周知であるその他の装置に使用可能である。回転子１２及び固定子１４は、金属や、当該技術では周知の適正材料から形成される。図１に示す実施形態において、モータ１０は、ＩＰＭとして示されている。ただし当該技術では周知の表面永久磁石型同期モータ（ＳＰＭ）など、その他任意の種類の永久磁石同期モータとしても構成可能である。

図示の実施形態において、回転子１２は、固定子１４に対して回転可能であり、回転子コア１６を有する。モータ１０は、複数の（図示の実施形態では６個）磁石１８（例：磁気構造）を有し、回転子コア１６に堅固に取付けられている。回転子コア１６は、モータ１０の中心回転軸Ｏの周りを固定子１４に対して回転可能であり、固定子１４に対して、エアギャップ２０を挟んで半径方向内向きに配設されている。回転子コア１６は、複数の磁束バリア２４を有する。回転子コア１６は、基本的に一体型の単体部材として形成されている。図示の実施形態において、回転子コア１６は、エアギャップ２０を挟んで、固定子１４に対して半径方向内向きに配設されている。ただし回転子コア１６は、当該技術では周知のように、エアギャップを挟んで固定子１４に対して半径方向外向きに配設することもできる。図示の実施形態において、当該技術では周知の従来の回転子を回転子１２として使用することができるので、簡素化のため詳細な説明は省略する。例えば回転子１２は、その外周を部分的に構成する各磁束バリア２４の半径方向外向きの境界となる、サーフェスブリッジを更に有する。

図示の実施形態において、固定子１４は、モータ１０の中心回転軸Ｏを中心として、回転子１２と同心円上に配置されている。上記のように固定子１４は、エアギャップ２０を挟み、回転子１２について半径方向外向きに配設されている。特に図１に示すように、エアギャップ２０は、回転子１２の外周２８と、固定子１４の内周３０との間に形成されることで、回転子１２は、中心回転軸Ｏを中心として無制限に又は略無制限に回転可能となる。基本的に固定子１４は、複数の固定子ティース３２、複数の固定子スロット３４及び従来の方法で構成可能な他のコンポネントを有する。図示の実施形態では、固定子ティース３２は、当該技術で周知の幅広の固定子ティースとして構成されている。ただし固定子ティース３２は適正な任意のサイズを有し、ここに記載の実施形態の作動性を達成するため、固定子１４は任意の数の固定子ティース３２を有することができる。本実施例では、固定子ティース３２は、固定子１４の内周３０に対して開放されているが、必要に応じて閉じられた構成とすることもできる。固定子スロット３４には、固定子ティース３２の周囲に巻かれた銅製又はアルミニウム製ワイヤが挿入される。ただし、当該技術では周知の適正な任意の材料から固定子巻線を作ることができる。図示の実施形態において、固定子１４として、当該技術では周知の従来の固定子を使用することができるため、簡素化のため、これについての詳細な説明は省略する。

図示の実施形態において、磁石１８は、回転子１２の周囲において、隣接する一組の磁束バリア２４の間に配設される。図１に示すように、各磁石１８は、高保磁力磁石４０と低保磁力磁石４２とを有し、モータ１０の各磁極（磁極組）の極性が交互になるよう構成されている。図示の実施形態では、６組の磁石１８が、６箇所の磁束バリア２４の間に周方向に配置されている。ただし、磁束バリア２４の数の変更に応じて磁石１８の数を変更することができる。図示の実施形態では、図１に示すように、ｄ軸は各磁石１８の中心を通る。一方ｑ軸は、各磁束バリア２４を通る。即ちｑ軸は、隣接する一組の磁石１８の間を通る。上記実施形態の作動性を達成するため、磁石１８又は磁束バリア２４を、ｄ軸とｑ軸について任意の適正な位置に配置することができる。モータ１０において、当該技術では周知のように、固定子１４に印加された固定子電流パルスにより、低保磁力磁石４２の磁化レベルを変えることができる。

図２Ａをさらに参照して、各磁石１８の磁石構成について説明する。図１及び２Ａに示すように、各磁石１８は、互いに磁気的に直列に配置された高保磁力磁石４０と低保磁力磁石４２とを有し、モータ１０の単一のモータ磁極を定める。特に、図１と２Ａに示すように、低保磁力磁石４２と高保磁力磁石４０は、半径方向又はモータ１０のｄ軸に平行な厚さ方向に互いに積層され、モータ１０のモータ磁極を定める。また、図示の実施形態では、高保磁力磁石４０は、低保磁力磁石４２よりも、固定子１４と回転子１２の間のエアギャップ２０に近接して配設されている。この配置が好適であることは、当該技術では周知である。あるいは、当該技術では周知のように、低保磁力磁石４２を、高保磁力磁石４０よりも、固定子１４と回転子１２の間のエアギャップ２０に近接して配設させることも可能である。

図示の実施形態では、高保磁力磁石４０はＮｄＦｅＢ磁石を有し、低保磁力磁石４２は、ＳｍＣｏ磁石を有する。ただし、高保磁力磁石４０と低保磁力磁石４２を、当該技術では周知である任意の適正材料で作製することができる。

また、図示の実施形態において、図３を参照して後述するように、低保磁力磁石４２の磁極組当たりの厚さｔ_Ｌｏｗは、磁極組当たりの低保磁力磁石４２の厚さと高保磁力磁石４０との厚さの合計ｔ_{Ｔｏｔａｌ}（即ち、低保磁力磁石４２の厚さｔ_Ｌｏｗと高保磁力磁石４０の厚さｔ_Ｈｉｇｈとの合計）の７０％以上である。さらに、磁極組当たりの低保磁力磁石４２の厚さｔ_Ｌｏｗは、磁極組当たりの低保磁力磁石４２の厚さと、高保磁力磁石４０の厚さの合計ｔ_{Ｔｏｔａｌ}（即ち、低保磁力磁石４２の厚さｔ_Ｌｏｗと高保磁力磁石４０の厚さｔ_Ｈｉｇｈとの合計）の７５％以上であることがより好適である。特に図示の実施形態では、例えば磁極組当たりの低保磁力磁石４２の厚さｔ_Ｌｏｗは、磁極組当たりの低保磁力磁石４２と高保磁力磁石４０との厚さの合計ｔ_{Ｔｏｔａｌ}の７５％である。

図示の実施形態において、磁石１８の上述した磁石構成は、専ら例示目的であり、図２Ｂ及び３で説明する以下の方法で決められる他の任意の構成を採用することができる。特に、高保磁力磁石４０の厚さｔ_Ｈｉｇｈ、低保磁力磁石４２の厚さｔ_Ｌｏｗなどの所望固定子起磁力及び磁石構成は、以下の方法で決めることができ、低減電流における所望磁化状態を達成する。

図２Ｂは、低保磁力磁石４２のＢ−Ｈ曲線と、モータ１０の等価の磁気回路に基づき取得したパーミアンス曲線との関係を示す。図２Ｂを参照して当該技術では周知のように、低保磁力磁石４２を完全に磁化するためには、定格電流での固定子起磁力は、低保磁力磁石の厚さｔ_Ｌｏｗと、低保磁力磁石４２の完全磁化に必要な磁場強度１０３との積以上であることが要求される。特に図２Ｂに示すように、磁場強度１０３は、パーミアンス係数の勾配を有し、完全磁化での作動点を通るパーミアンス曲線と、パーミアンス係数の勾配を有し、無負荷で作動点を通る、パーミアンス曲線との間の磁場強度のことである。ここで定格電流とは、当該技術では周知のように、例えば過熱や機械的な過大応力を発生させることがないといった特定条件でモータ１０が保持可能な固定子電流である。従って定格電流は、例えばモータ１０について予め決められる。

図３は、固定子起磁力（「固定子ＭＭＦ」）と、磁気構造の全体の厚さについてそれぞれ異なる厚さ比を有する低保磁力磁石の磁化レベル（「磁化」）との関係を示すグラフであり、各磁気構造は、低保磁力磁石と高保磁力磁石を有する。特に図３は、固定子起磁力と、磁気構造の全体の厚さに対する厚さ比がそれぞれ５５％、７０％、８５％、１００％の低保磁力磁石の各磁化レベルとの関係を示す。当該技術では周知のように、低保磁力磁石の厚さ比が１００％の場合、磁気構造は、低保磁力磁石のみを含む。図示の実施形態において、異なる厚さ比を有する低保磁力磁石では、磁気構造の全体の厚さは一定である。図３において、低保磁力磁石の厚さ比が小さくなると、低保磁力磁石の完全磁化に必要な固定子起磁力は減少し、定格電流での最小磁化レベルは高くなる。従って、例えば磁石１８の磁石構成が、磁化特性１０４などの磁化特性を有する場合、固定子電流を低減しつつ所望磁化レベルの達成が可能である。

当該技術では周知のように、低保磁力磁石４２の完全磁化に必要な固定子起磁力は、以下の式（１）で表される。

ＭＭＦは、定格電流での磁極組当たりの固定子起磁力（固定子ＭＭＦ）、又は定格電流密度での磁極組当たりの固定子巻線で得られる固定子起磁力を示し、Ｈ_Ｍａｘは、低保磁力磁石４２を完全に磁化するための磁場強度を示し、ｔ_Ｌｏｗは、低保磁力磁石４２の厚さを示し、Ｊ_Ｈｉｇｈは、高保磁力磁石４０の磁化を示し、μ_０μ_ｒｈは、高保磁力磁石の透磁率を示し、μ_０μ_ｒｌは、低保磁力磁石の透磁率を示し、ｔ_Ｈｉｇｈは高保磁力磁石４０の厚さを示し、Ｊ_Ｍａｘは、完全に磁化された低保磁力磁石４２の磁化を示し、ｔ_ｇは、固定子１４と回転子１２の間のエアギャップ長を示す。

更に当該技術で周知のように、所望の最小磁化レベルを得るのに必要な固定子の起磁力は、以下の式（２）で表される。

ＭＭＦは、定格電流での磁極組当たりの固定子起磁力（固定子ＭＭＦ）を示し、Ｈ_Ｍｉｎは、低保磁力磁石４２を所望レベル（例：所望最小磁化レベル）まで消磁する磁場強度を示し、ｔ_Ｌｏｗは、低保磁力磁石４２の厚さを示し、Ｊ_Ｈｉｇｈは、高保磁力磁石４０の磁化を示し、μ_０μ_ｒｈは、高保磁力磁石の透磁率を示し、μ_０μ_ｒｌは、低保磁力磁石の透磁率を示し、ｔ_Ｈｉｇｈは高保磁力磁石４０の厚さを示し、Ｊ_Ｍｉｎは、低保磁力磁石４２を所望レベル（例：所望最小磁化レベル）まで消磁するための、低保磁力磁石４２の磁化を示し、ｔ_ｇは、固定子１４と回転子１２の間のエアギャップ長を示す。

図示の実施形態では、固定子１４、回転子１２及び磁石１８（例：磁気構造）は、固定子１４、回転子１２及び磁石１８が式（１）及び（２）を満足させる配置となるよう構成される。例えば図示の実施形態において、固定子１４の固定子ＭＭＦと、所望最小磁化レベルを満足させる磁石１８の磁石構成は、式（２）によって決まる。決められた固定子ＭＭＦと磁石構成が式（１）を満足させているか否かについても判断される。上記構成において、所望最小磁化レベルを満足させつつ、固定子ＭＭＦを最小化する磁石構成を得ることができる。

図示の実施形態において、所望磁化範囲（可変磁化状態能力）を得るための駆動モードの作動点及び損失低減という観点から、低保磁力磁石４２の所望最小磁化レベルは、低保磁力磁石４２の最大磁化レベルの半分以下又は略半分であることが好適である。従って、固定子１４、回転子１２及び磁石１８（例：磁気構造）は、これらがさらに以下の式（３）を満足させる構成となるよう定められる。

Ｊ_Ｍｉｎは、低保磁力磁石４２を所望レベル（例：所望最小磁化レベル）になるまで消磁する、低保磁力磁石４２の磁化を示し、Ｊ_Ｍａｘは、低保磁力磁石４２の完全な磁化を示す。

従って、磁石１８の磁石構成が、図３の磁化特性のうち、磁化特性１０４などの磁化特性を有する場合、所望固定子起磁力又は固定子電流の最小化が可能となる。特に低保磁力磁石４２の厚さが、磁石１８の全体の厚さの７０％に等しいとき、磁化特性１０４は、固定子起磁力（固定子ＭＭＦ）と低保磁力磁石４２の磁化レベルとの関係を示す。

上記構成において、所望の磁化範囲又は磁化レベル変更量も達成され、所望固定子起磁力又は固定子電流を最小化することができる。従って、低保磁力磁石４２の磁化状態制御による銅損失の増加が最小限となる。また、高速低トルク作動での鉄損失も低減され、モータ効率が向上する。

図示の実施形態において、図１、２Ａに示すように、低保磁力磁石４２は、ＳｍＣｏ磁石を有し、高保磁力磁石４０は、ＮｄＦｅＢ磁石を有し、例えば磁極組当たりの低保磁力磁石４２の厚さｔ_Ｌｏｗは、磁極組当たりの低保磁力磁石４２の厚さと高保磁力磁石４０の厚さとの合計ｔ_{Ｔｏｔａｌ}の７５％である。また、図１、２Ａに示すモータ１０において、低保磁力磁石４２と高保磁力磁石４０は、厚さ方向に互いに積層され、モータ１０の磁極組を形成し、高保磁力磁石４０は、低保磁力磁石４２よりも、固定子１４と回転子１２の間のエアギャップ２０に近接するように配設される。また、上記モータ１０において、固定子１４、回転子１２及び磁石１８は、さらに式（１）乃至（３）を満足させるように構成されている。図４は、トルク−速度特性を有するモータ１０のモータ効率を示す等高線図である。

モータ１０の上記構成により、低保磁力磁石４２の完全磁化及び完全磁化レベルの半分以下又は略半分の最小磁化レベルが達成可能である。また、図４に示すように、低保磁力磁石４２と高保磁力磁石４０との総起磁力で定められる等価の磁化レベル（ＭＳｅ）の最小値は、点線で切り離された領域（１００％ＭＳｅ、８０％ＭＳｅ、６０％ＭＳｅ）が示すように、低保磁力磁石４２の完全磁化レベルの約６０％である。また、図４に示すように、高速低トルク範囲を有するモータ１０に必要な全速度範囲では、その力率が０．７以上である。これは、同期モータに通常必要な値である。

また、図１、２Ａに示すモータ１０において、高保磁力磁石４０は、低保磁力磁石４２より、固定子１４と回転子１２の間のエアギャップ２０に近接して配設される。上記構成により、空間高調波を有する固定子起磁力が磁石１８に印加されても、高保磁力磁石４０は、瞬間的な消磁を防ぎ、モータ作動時のトルク低減も防ぐ。

さらに、このようなモータ１０では、高速低トルク作動でのモータ効率の向上に必要な磁化レベルの変更量を達成させると共に、低保磁力磁石４２の磁化状態制御に必要な固定子電流を最小化することができる。また、固定子起磁力の高調波による低保磁力磁石４２の部分消磁を抑制することもできる。従って、低保磁力磁石４２の磁化状態制御に伴う銅損失の増加を抑制することができ、トルク密度を最大化すると共にモータ効率の向上が可能である。

本出願の一態様によれば、定格電流での固定子ＭＭＦは、低保磁力磁石４２の完全磁化のための磁場強度Ｈ_Ｍａｘと、低保磁力磁石４２の厚さｔ_Ｌｏｗとの積に等しいか、これより大きい。この構成において、磁化の変更に必要な所望固定子電流を低減することができる。従って、高速低トルク作動での鉄損失を低減させると共に、磁化に伴う銅損失の増加を防ぐことで、モータ効率が向上する。

本出願の一態様によれば、低保磁力磁石４２と高保磁力磁石４０の厚さｔ_Ｌｏｗ、ｔ_Ｈｉｇｈ、低保磁力磁石４２と高保磁力磁石４０の保磁力、低保磁力磁石４２の最大磁化レベルＪ_Ｍａｘ、エアギャップ長ｔ_ｇ及び固定子ＭＭＦは、式（１）を満足させるように設定されている。上記構成では、低保磁力磁石４２の完全磁化に必要な電流が最小化される。従って、高速低トルク作動での鉄損失が低減されると共に、磁化工程に伴う銅損失の増加を防ぎ、モータ効率が向上する。

本出願の一態様によれば、低保磁力磁石４２と高保磁力磁石４０の厚さｔ_Ｌｏｗ、ｔ_Ｈｉｇｈ、低保磁力磁石４２と高保磁力磁石４０の保磁力、低保磁力磁石４２の最小磁化レベルＪ_Ｍｉｎ、エアギャップ長ｔ_ｇ及び固定子ＭＭＦは、式（２）を満足させるように設定されている。上記構成では、モータ効率向上に必要な最小磁化レベルが達成されると共に、固定子電流の増加が抑制される。従って、高速低トルク作動での鉄損失が低減されると共に、消磁に伴う銅損失の増加を防ぎ、モータ効率が向上する。

本出願の一態様によれば、低保磁力磁石４２の最大磁化レベルＪ_Ｍａｘと低保磁力磁石４２の最小磁化レベルＪ_Ｍｉｎとは、式（３）を満足させるように設定されている。上記構成では、高速低トルク作動での鉄損失が低減され、モータ効率が向上する。

本出願の一態様によれば、低保磁力磁石４２は、ＳｍＣｏ磁石を有し、高保磁力磁石４０は、ＮｄＦｅＢ磁石を有する。磁極組当たりの低保磁力磁石４２の厚さｔ_Ｌｏｗは、磁極組あたりの低保磁力磁石４２の厚さと高保磁力磁石４０の厚さの合計ｔ_{Ｔｏｔａｌ}の７５％以上である。上記構成では、高速低トルク作動での鉄損失の低減に必要な磁化レベルの変化量が確保され、低保磁力磁石４２の磁化状態制御に必要な固定子電流を最小化することができる。従って、低保磁力磁石４２の磁化状態制御に伴う銅損失を抑制することができる。また、高速低トルク作動での鉄損失が低減され、モータ効率が向上する。

本出願の一態様によれば、低保磁力磁石４２と高保磁力磁石４０は、厚さ方向に互いに積層され、モータ１０の磁極組を形成し、高保磁力磁石４０は、低保磁力磁石４２よりも固定子１４と回転子１２の間のエアギャップ２０に近接して配接される。上記構成では、固定子起磁力の高調波による低保磁力磁石４２の部分的な消磁を防ぐことができる。従ってモータ効率が向上すると共に、トルク密度が最大になる。

図示の実施形態において、モータ１０は、式（１）乃至（３）が満足されるよう構成されている。ただしモータ１０を、必要及び／又は要求に応じて、式（１）乃至（３）のうち一つのみ又は二つを満足させるように構成することもできる。

（第二実施形態）
図５を参照して、第二実施形態に係る永久磁石同期モータの実施例について説明する。第一実施形態と第二実施形態との類似性に鑑み、第二実施形態において、第一実施形態と同じ又は略同じ部分については、第一実施形態の部分と同じ参照番号を付すものとする。また第二実施形態において、第一実施形態と同じ部分の説明は、簡素化のため省略する。

第二実施形態に係るモータ１０は、さらに以下の式（４）を満足させるように構成されている点を除き、基本的に第一実施形態のモータ１０の構成と同じである。

ＭＭＦは定格電流での磁極組当たりの固定子起磁力（固定子ＭＭＦ）を示し、Ｊ_Ｍａｘは、完全に磁化された低保磁力磁石４２の磁化を示し、μ_０μ_ｒｈは、高保磁力磁石の透磁率を示し、μ_０μ_ｒｌは、低保磁力磁石の透磁率を示し、ｔ_Ｌｏｗは、低保磁力磁石４２の厚さを示し、Ｊ_Ｈｉｇｈは、高保磁力磁石４０の磁化を示し、ｔ_Ｈｉｇｈは、高保磁力磁石４０の厚さを示す。

特に高保磁力磁石４０及び低保磁力磁石４２の厚さｔ_Ｈｉｇｈ、ｔ_Ｌｏｗなどの所望固定子起磁力及び磁石構成は、所望出力能力を達成させるため、式（４）に基づいて定められる。

図５は、低保磁力磁石４２の厚さｔ_Ｌｏｗと最大磁化レベルＪ_Ｍａｘ、高保磁力磁石４０の厚さｔ_Ｈｉｇｈと磁化レベルＪ_Ｈｉｇｈ、及び固定子ＭＭＦが、式（４）を満足させる際の電流の相対位相、固定子鎖交磁束及び電圧を示すベクトル図である。特に図５は、固定子起磁力又は固定子電流２０１、磁石１８により誘起された固定子鎖交磁束２０２、固定子起磁力２０１により誘起された固定子鎖交磁束２０３、固定子鎖交磁束２０４の合計値、及び電圧２０５を示す。磁石１８の磁石構成と固定子ＭＭＦが式（４）を満足させると、固定子起磁力２０１により誘起された固定子鎖交磁束２０３は、磁石１８により誘起される固定子鎖交磁束２０２より小さくなる。電流２０１と電圧２０５の位相差は４５度以下、その力率は０．７以上であり、これは同期モータに通常求められる値である。

上記構成では、従来の同期モータと比較して、モータ駆動インバータの容量を増やすことなく、モータ効率の向上が可能である。

本出願の一態様によれば、低保磁力磁石４２の厚さｔ_Ｌｏｗと最大磁化レベルＪ_Ｍａｘ、高保磁力磁石４０の厚さｔ_Ｈｉｇｈと磁化レベルＪ_Ｈｉｇｈ、及び固定子ＭＭＦは、式（４）を満足させるよう設定されている。上記構成において、同期モータに通常求められる力率が達成可能となる。従って、モータ駆動インバータの容量を増やすことなく、モータ効率の向上が可能である。

図示の実施形態において、第二実施形態に係るモータ１０は、さらに式（４）を満足させるように構成されている点を除いて、第一実施形態に係るモータ１０と同じである。即ち図示の実施形態において、第二実施形態に係るモータ１０は、式（１）乃至（４）を満足させるよう構成されている。ただし第二実施形態に係るモータ１０を、必要及び／又は要求に応じて、式（４）のみが満足されるように構成させることもできる。また、必要及び／又は要求に応じて、第二実施形態に係るモータ１０を、式（１）乃至（３）の式のうちの一つのみ又は二つに加えて、式（４）を満足させるように構成することもできる。

（第三実施形態）
図６を参照して、第三実施形態に係る永久磁石同期モータの実施例について説明する。第一、第二及び第三実施形態の類似性に鑑み、第三実施形態において、第一又は第二実施形態の部分と同じ又は略同じ部分については、第一又は第二実施形態と同じ参照符号を付すものとする。 また第三実施形態において、第一又は第二実施形態と同じ部分の説明は、簡素化のため省略する。

第三実施形態に係るモータ１０は、低保磁力磁石４２と高保磁力磁石４０の幅が略等しく、以下の式（５）を満足させるように構成されている点を除き、第一実施形態又は第二実施形態に係るモータ１０と基本的に同じである。

ＭＭＦは、定格電流での磁極当たりの固定子起磁力（固定子ＭＭＦ）を示し、Ｐは、総磁極数を示し、ｍｗは、磁石の幅を示し、Ｒ_ｓｉは、固定子の内径を示し、Ｈ_{ｃ＿ｍｉｎ}は、完全に磁化された低保磁力磁石４２の保磁力を示し、ｔ_Ｌｏｗは、低保磁力磁石４２の厚さを示し、Ｊ_Ｈｉｇｈは、高保磁力磁石４０の磁化を示し、μ_０μ_ｒｈは、高保磁力磁石の透磁率を示し、μ_０μ_ｒｌは、低保磁力磁石の透磁率を示し、ｔ_Ｈｉｇｈは、高保磁力磁石４０の厚さを示し、Ｊ_Ｍａｘは、完全に磁化された低保磁力磁石４２の磁化を示し、ｔ_ｇは、固定子１４と回転子１２の間のエアギャップ長を示す。

特に固定子ＭＭＦと、磁石１８の幅ｍｗなどの磁石構成は、最大磁化状態で最大負荷条件でも、消磁を防ぐことで、低保磁力磁石４２の最大限の利用において、式（５）に基づきさらに決められる。

図６は、固定子ＭＭＦが略正弦波形を有するとき、電流位相βでの磁極組当たりの固定子起磁力の分布を示す。図６に示すように、高保磁力磁石４０と低保磁力磁石４２とを有する磁石１８の中心は、電気角０度に位置する。

図６に示すように、磁石１８の端部に印加された磁場３０１は、磁石１８の中央に印加された磁場３０２より大きい。特に図６に示すように、負の電気角の範囲では、磁場は、磁石１８を消磁する方向に印加される。この磁場強度が消磁限界を超える場合、磁石１８は、磁化レベルを維持できなくなり、消磁される。逆に、固定子ＭＭＦと磁石の幅ｍｗなどの磁石構成が、式（５）を満足させるよう設定されていると、磁石１８の端部に印加された磁場３０１は、低保磁力磁石４２を消磁せず、磁石１８の端部の部分消磁を防ぐことができる。

従って、低保磁力磁石４２を最大限に利用することができ、コスト増加を防ぎつつモータ効率が向上する。

本出願の一態様によれば、低保磁力磁石４２と高保磁力磁石４０の幅ｍｗは、互いに略等しく、また式（５）を満足させるよう設定されている。上記構成において、最大トルク作動時、固定子ＭＭＦによる消磁を防ぐことができる。従って、低保磁力磁石４２を最大限利用することができ、コスト増加を防ぎつつモータ効率が向上する。

図示の実施形態において、第三実施形態に係るモータ１０は、低保磁力磁石４２と高保磁力磁石４０のそれぞれの幅が略等しく、式（５）を満足させるようにさらに設定されている点を除き、第一又は第二実施形態に係るモータ１０と同じである。即ち、第三実施形態に係るモータ１０は、低保磁力磁石４２と高保磁力磁石４０のそれぞれの幅が略等しく、式（１）乃至（５）を満足させるように構成されている。ただし、第三実施形態に係るモータ１０を、必要及び／又は要求に応じて、低保磁力磁石４２と高保磁力磁石４０のそれぞれの幅が略等しく、式（５）を満足させるように構成することができる。また、第三実施形態に係るモータ１０を、必要及び／又は要求に応じて、低保磁力磁石４２と高保磁力磁石４０のそれぞれの幅が略等しく、式（１）乃至（４）のうちの一つのみ、二つ又は三つに加えて式（５）を満足させるように構成することができる。

（用語の一般的解釈）
本発明の範囲を理解するにあたり、ここに記載されている「備える」及びこの派生語は、記載されている特徴、要素、構成部、グループ、整数及び／又はステップの存在を示し、これらに制限されることのない用語であるが、ここに記載されていない特徴、要素、構成部、グループ、整数及び／又はステップの存在を除外することはない。上記は、「含む」、「持つ」及びこの派生語など、同様の意味を持つ言葉にも適用される。また、「部」、「セクション」、「部分」、「部材」又は「要素」が単数で使用されるときは、単数又は複数の二種類の場合が想定される。ここで使用されている、度合いを示す「略」、「約」、「おおよそ」などは、ある程度の量が逸脱しても、結果にはほとんど反映されないことを意味する。

実施形態は、本発明を説明するために選択されたもので、特許請求の範囲で定義されている発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更や修正が可能なことを上記開示から当業者は容易に理解できる。例えば、様々な構成部のサイズ、形状、位置又は方位は、必要及び／又は要求に応じて変更可能である。互いに直接接続又は接触している構成部同士の間に中間構造を設けることができる。一つの要素の機能を、二つの要素によって果たすこともできるし、その逆も可能である。一つの実施形態の構造及び機能を別の実施形態に取り入れることもできる。特定の実施形態に、発明の利点を全て同時に含める必要はない。従来技術とは異なる各特徴（単独又は他の特徴との組み合わせにおいて）は、出願人による更なる発明についての別の記載（上記特徴により具現化される構造的及び／又は機能的概念も含む）とみなすべきである。従って、本発明に係る実施形態の説明は、専ら例示を目的とし、特許請求の範囲及び均等物により定義される発明の制限を目的としていない。

Claims (10)

1. 永久磁石同期モータであって、
   固定子と、
   前記固定子に対して回転可能な回転子と、
   低保磁力磁石と高保磁力磁石とを互いに磁気的に直列に配置して、前記永久磁石同期モータの磁極組を形成する磁気構造を備え、
   前記低保磁力磁石の磁化レベルは、固定子電流パルスにより変更可能であり、
   定格電流での固定子起磁力の値は、前記低保磁力磁石の完全な磁化のための磁場強度と、前記低保磁力磁石の厚さとの積以上であること
   を特徴とする永久磁石同期モータ。
2. 請求項１に記載の永久磁石同期モータであって、
   前記固定子、前記回転子及び前記磁気構造は、さらに以下の式（１）を満足させるように構成されていること
   を特徴とする永久磁石同期モータ。
   

   

   ＭＭＦは、前記定格電流での磁極当たりの前記固定子起磁力を示し、Ｈ_Ｍａｘは、前記低保磁力磁石を完全に磁化するための前記磁場強度を示し、ｔ_Ｌｏｗは、前記低保磁力磁石の厚さを示し、Ｊ_Ｈｉｇｈは、前記高保磁力磁石の磁化を示し、μ_０μ_ｒｈは、前記高保磁力磁石の透磁率を示し、μ_０μ_ｒｌは、前記低保磁力磁石の透磁率を示し、ｔ_Ｈｉｇｈは前記高保磁力磁石の厚さを示し、Ｊ_Ｍａｘは、完全に磁化された前記低保磁力磁石の磁化を示し、ｔ_ｇは、前記固定子と前記回転子の間のエアギャップ長を示す。
3. 請求項１又は２に記載の永久磁石同期モータであって、
   前記固定子、前記回転子及び前記磁気構造が、さらに以下の式（２）を満足させるように構成されていること
   を特徴とする永久磁石同期モータ。
   

   

   ＭＭＦは、前記定格電流での磁極当たりの前記固定子起磁力を示し、Ｈ_Ｍｉｎは、前記低保磁力磁石を所望レベルまで消磁する磁場強度を示し、ｔ_Ｌｏｗは、前記低保磁力磁石の厚さを示し、Ｊ_Ｈｉｇｈは、前記高保磁力磁石の磁化を示し、μ_０μ_ｒｈは、前記高保磁力磁石の透磁率を示し、μ_０μ_ｒｌは、前記低保磁力磁石の透磁率を示し、ｔ_Ｈｉｇｈは前記高保磁力磁石の厚さを示し、Ｊ_Ｍｉｎは、前記低保磁力磁石を前記所望レベルまで消磁するための、前記低保磁力磁石の磁化を示し、ｔ_ｇは、前記固定子と前記回転子の間のエアギャップ長を示す。
4. 請求項１又は２に記載の永久磁石同期モータであって、
   前記固定子、前記回転子及び前記磁気構造が、さらに以下の式（３）を満足させるように構成されていること
   を特徴とする永久磁石同期モータ。
   

   

   Ｊ_Ｍｉｎは、前記低保磁力磁石を所望レベルまで消磁する、前記低保磁力磁石の磁化を示し、Ｊ_Ｍａｘは、前記低保磁力磁石の完全な磁化を示す。
5. 請求項１又は２に記載の永久磁石同期モータであって、
   前記固定子、前記回転子及び前記磁気構造が、さらに以下の式（４）を満足させるように構成されていること
   を特徴とする永久磁石同期モータ。
   

   

   ＭＭＦは前記定格電流での磁極当たりの前記固定子起磁力を示し、Ｊ_Ｍａｘは、完全に磁化された前記低保磁力磁石の磁化を示し、μ_０μ_ｒｈは、前記高保磁力磁石の透磁率を示し、μ_０μ_ｒｌは、前記低保磁力磁石の透磁率を示し、ｔ_Ｌｏｗは、前記低保磁力磁石の厚さを示し、Ｊ_Ｈｉｇｈは、前記高保磁力磁石の磁化を示し、ｔ_Ｈｉｇｈは、前記高保磁力磁石の厚さを示す。
6. 請求項１又は２に記載の永久磁石同期モータであって、
   前記低保磁力磁石の幅と前記高保磁力磁石の幅は略等しく、
   前記固定子、前記回転子及び前記磁気構造は、さらに以下の式（５）を満足させるように構成されていること
   を特徴とする永久磁石同期モータ。
   

   

   ＭＭＦは、前記定格電流での磁極当たりの前記固定子起磁力を示し、Ｐは、総磁極数を示し、ｍｗは、磁石の幅を示し、Ｒ_ｓｉは、固定子の内径を示し、Ｈ_{ｃ＿ｍｉｎ}は、完全に磁化された前記低保磁力磁石の保磁力を示し、ｔ_Ｌｏｗは、前記低保磁力磁石の厚さを示し、Ｊ_Ｈｉｇｈは、前記高保磁力磁石の磁化を示し、μ_０μ_ｒｈは、前記高保磁力磁石の透磁率を示し、μ_０μ_ｒｌは、前記低保磁力磁石の透磁率を示し、ｔ_Ｈｉｇｈは、前記高保磁力磁石の厚さを示し、Ｊ_Ｍａｘは、完全に磁化された前記低保磁力磁石の磁化を示し、ｔ_ｇは、前記固定子と前記回転子の間のエアギャップ長を示す。
7. 請求項１又は２に記載の永久磁石同期モータであって、
   前記低保磁力磁石はＳｍＣｏ磁石を有し、
   前記高保磁力磁石はＮｄＦｅＢ磁石を有し、
   磁極組当たりの前記低保磁力磁石の厚さは、磁極組当たりの前記低保磁力磁石と前記高保磁力磁石の厚さの合計値の７５％以上であること
   を特徴とする永久磁石同期モータ。
8. 請求項１又は２に記載の永久磁石同期モータであって、
   前記低保磁力磁石と前記高保磁力磁石が、厚さ方向に互いに積層されて、前記永久磁石同期モータの前記磁極組が形成され、
   前記高保磁力磁石は、前記低保磁力磁石よりも、前記固定子と前記回転子の間のエアギャップに近接して配設されていること
   を特徴とする永久磁石同期モータ。
9. 永久磁石同期モータであって、
   固定子と、
   前記固定子に対して回転可能な回転子と、
   低保磁力磁石と高保磁力磁石とを互いに磁気的に直列に配置し、前記低保磁力磁石及び前記高保磁力磁石を通って延びる前記回転子のｄ軸に沿う厚さ方向に互いに積層し、前記永久磁石同期モータの磁極組を形成する磁気構造とを備え、
   前記低保磁力磁石の磁化レベルは、固定子電流パルスにより変更可能であり、
   前記高保磁力磁石は、前記低保磁力磁石よりも、前記固定子と前記回転子の間のエアギャップに近接して配設されていること
   を特徴とする永久磁石同期モータ。
10. 請求項９に記載の永久磁石同期モータであって、
    前記低保磁力磁石はＳｍＣｏ磁石を有し、
    前記高保磁力磁石はＮｄＦｅＢ磁石を有し、
    磁極組当たりの前記低保磁力磁石の厚さは、磁極組当たりの前記低保磁力磁石の厚さと前記高保磁力磁石の厚さの合計値の７５％以上であること
    を特徴とする永久磁石同期モータ。

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