JP6636350B2

JP6636350B2 - 永久磁石モータおよびそれを用いた電動旋回ショベル

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Publication number: JP6636350B2
Application number: JP2016021507A
Authority: JP
Inventors: 政貴平田; 幸次守谷
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-02-08
Filing date: 2016-02-08
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2036-02-08
Also published as: JP2017143593A

Description

本発明は、永久磁石モータに関する。

永久磁石（ＰＭ：Permanent Magnet）モータは、界磁に永久磁石を利用した同期電動機であり、さまざまな用途に用いられている。永久磁石モータの運転可能な速度範囲は永久磁石による誘起電圧と電源設備の容量によって制限される。永久磁石の磁束量を増加させると、それに比例して大きなトルクを発生可能であるが、誘起電圧もこれに比例して増大するため、運転可能な速度は低下する。

この問題を解決するための従来として、弱め磁界制御が知られている。弱め磁界制御では、永久磁石の磁束を弱め、運転可能な速度範囲を拡大するものであるが、高速運転時において電流位相が大きくなり制御が不安定化するという問題がある。

特開２０１２−９５４１０号公報

特許文献１には、弱め磁界制御に代わる技術が開示される。この技術では、回転子に周方向に並べて埋め込まれた複数の永久磁石の間に鉄心突部を設け、鉄心突部の磁極を切りかえ、これにより極数を切りかえる。この技術は、弱め磁界制御の不安定性の問題を解消することができるが、その反面、モータの回転中に、鉄心突部に所望の極を形成するために常に励磁電流を流す必要があり、効率が低下するという問題がある。

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、特性が可変な永久磁石モータの提供にある。

本発明のある態様は永久磁石モータに関する。永久磁石モータは、ロータとステータを備える。ロータは、回転子鉄心と、回転子鉄心の内部または表面の径方向の第１位置に、周方向にスペースを隔てて配置された複数の高保磁力磁石と、回転子鉄心の内部または表面の径方向の第２位置に設けられた複数の低保磁力磁石であって、それぞれがスペースに対応する周方向の位置に配置された、複数の低保磁力磁石と、を備える。複数の高保磁力磁石は、周方向に磁化され、隣接する高保磁力磁石の極性が逆向きである。複数の低保磁力磁石は、径方向に磁化され、それぞれの極性が切りかえ可能である。

この永久磁石モータによれば、低保磁力磁石の磁極を変化させて、複数の高保磁力磁石および複数の低保磁力磁石が形成する磁路を切りかえることにより、モータの極数を切りかえることができる。したがって、低速運転時には多い極数を選択して高トルク特性を得ることができ、また低い極数を選択することにより、運転可能な速度範囲を高めることができる。この永久磁石モータは、複数の低保磁力磁石の極性の切りかえが短時間で完了し、極性を維持するための定常的な電流が不要であるため、高効率である。

より具体的には永久磁石モータは、（i）複数の低保磁力磁石が交互に逆極性である状態と、（ii）隣接する複数ｍ個（ｍは２以上の整数）の低保磁力磁石のセットが同じ極性であり、かつ隣接するセットが逆極性である状態と、が切りかえ可能であってもよい。

また永久磁石モータは、（i）複数の低保磁力磁石が交互に逆極性である状態と、（iii）隣接する複数ｎ個（ｎは２以上の整数）を１セットとするとき、同じセット内で隣接する低保磁力磁石同士は逆極性であり、セットを跨いで隣接する低保磁力磁石同士は同じ極性である状態と、が切りかえ可能であってもよい。

永久磁石モータはインナーロータ型であり、複数の高保磁力磁石は外周側に、複数の低保磁力磁石は内周側に配置されてもよい。

永久磁石モータはアウターロータ型であり、複数の高保磁力磁石は内周側に、複数の低保磁力磁石は外周側に配置されてもよい。

複数の低保磁力磁石の極性は、永久磁石モータの回転の所定期間、ステータのコイルに供給される交流電流にパルス電流を重畳することにより切りかえられてもよい。この構成によれば、ステータに追加の部品や構造が不要となるため、コストの増加を抑制できる。

ステータは、複数の低保磁力磁石を磁化するための着磁コイルを備えてもよい。この構成によれば、ステータコイルとは独立して、ステータコイルの位置に制約されずに着磁コイルを配置できるため、低保磁力磁石の極性の切りかえに有利である。

ロータは、複数の低保磁力磁石を磁化するための回転子鉄心に埋め込まれた着磁コイルを備えてもよい。この構成によれば、ステータコイルとは独立して、すなわちステータコイルの位置に制約されずに着磁コイルを低保磁力磁石に近接配置できるため、低保磁力磁石の極性の切りかえに有利である。

本発明の別の態様は、電動旋回ショベルに関する。電動旋回ショベルは、上部旋回体と、下部走行体と、上部旋回体を旋回させる上述のいずれかの永久磁石モータと、を備えてもよい。旋回時には、極数を減らして誘起電圧を抑制することで、高速旋回が可能となる。また、押しつけ時においては極数を増やすことにより高トルクを得ることができ、あるいは旋回開始時において極数を増やすことにより高トルクを得ることができ、目標の旋回速度まで短時間で到達することが可能となる。

本発明によれば、永久磁石モータの特性を可変にできる。

実施の形態に係る永久磁石モータの断面図である。１２極状態における低保磁力磁石の極性を示す図である。４極状態における低保磁力磁石の極性を示す図である。永久磁石モータおよびその駆動装置のブロック図である。４極状態と１２極状態における複数のスロットの巻線と、各巻線に流れる三相電流（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の関係の一例を示す図である。パルス電流Ｉｐが形成する磁束を示す図である。図７（ａ）は、パルス電流Ｉｐの位相を示す図であり、図７（ｂ）は、相電流を示す波形図である。図８（ａ）は、第１変形例に係る永久磁石モータの断面図であり、図８（ｂ）は、第２変形例に係る永久磁石モータの断面図である。第３変形例に係る永久磁石モータの断面図である。図１０（ａ）〜（ｃ）は、極数の切りかえパターンの変形例を示す図である。産業機械の一例である電導旋回ショベルの外観を示す斜視図である。実施の形態に係るショベルの電気系統や油圧系統などのブロック図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る永久磁石モータ１００の断面図である。この永久磁石モータ１００は、極数が切りかえ可能である。具体的には１２極で動作する状態と、４極で動作する状態が切りかえ可能となっている。図１には、周方向の略１２０°、すなわち全体の１／３に対応する部分の構成のみが示される。この永久磁石モータ１００は、インナーロータ型であり、アウターステータ（単にステータという）１１０およびインナーロータ（単にロータという）１２０を備える。

ステータ１１０は、円環状のヨーク１１２と、ヨーク１１２から内周側に突起した複数Ｎ個（Ｎは自然数）のティースＴ１〜ＴＮ、複数の巻線Ｗを備える。複数のティースＴの間には、複数（Ｎ個）のスロットＳＬが形成される。本実施の形態では、理解の容易化のためにＮ＝３６スロットを例とするが、本発明はそれに限定されない。

本実施の形態では、ひとつのスロットＳＬに複数の巻線Ｗが巻装される分布巻を例に説明する。ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）のスロットＳＬｉには、内周側の巻線（上口コイル）Ｗｉａと、外周側の巻線（下口コイル）Ｗｉｂが挿入されている。複数の巻線Ｗ１ａ〜Ｗ３６ａ、Ｗ１ｂ〜Ｗ３６ｂの接続形態は、後述する極性切りかえに関連して、図示しない回路ネットワーク（不図示）によって切りかえ可能となっている。

ロータ１２０は、回転子鉄心１２２、複数の高保磁力磁石１２４、複数の低保磁力磁石１２６を備える。本実施の形態において高保磁力磁石１２４および低保磁力磁石１２６の個数は、切りかえ可能な極数のうち大きい方（基本極数）と等しく、したがって高保磁力磁石１２４、低保磁力磁石１２６はそれぞれ、１２個ずつ設けられている。

ロータ１２０の中心（回転軸）を原点Ｏとして極座標系をとる。複数の高保磁力磁石１２４は、回転子鉄心１２２の内部または表面の径方向（ｒ方向）の第１位置ｒ１に、周方向（θ方向）にスペース１２８を隔てて配置される。高保磁力磁石１２４としてはネオジウム（Ｎｄ）磁石などを好適に用いることができるが、その材料は特に限定されない。複数の高保磁力磁石１２４は周方向に磁化されており、隣接する高保磁力磁石１２４の極性が逆向きである。

高トルク特性を得るために、インナーロータ型の永久磁石モータ１００においては、複数の高保磁力磁石１２４を外周側に、複数の低保磁力磁石１２６を内周側に配置するとよい。すなわちｒ１＞ｒ２とすることが好ましい。

複数の低保磁力磁石１２６は、回転子鉄心１２２の内部または表面の径方向の第２位置ｒ２に設けられる。複数の低保磁力磁石１２６はそれぞれ、スペース１２８に対応する周方向の位置に配置されている。複数の低保磁力磁石１２６は周方向に磁化され、低保磁力磁石１２６の極性は切りかえ可能となっている。低保磁力磁石１２６としては、アルニコ（Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｏ）磁石などが好適であるがそれには限定されず、外部からの励磁によって極性が切りかえ可能な材料を選ぶことができる。

以上が永久磁石モータ１００の構成である。続いてその動作を説明する。

図２は、１２極状態における低保磁力磁石１２６の極性を示す図である。図２では、（i）複数の低保磁力磁石１２６は、交互に逆極性となるように磁化されている。具体的には２つの高保磁力磁石１２４のＳ極に挟まれるスペース１２８に対応する低保磁力磁石１２６は、外側がＳ極、内側がＮ極となるように励磁される。反対に２つの高保磁力磁石１２４のＮ極に挟まれるスペース１２８に対応する低保磁力磁石１２６は、外側がＮ極、内側がＳ極となるように励磁される。矢印付きの実線は、高保磁力磁石１２４および低保磁力磁石１２６が形成する磁路ＭＰを示しており、ひとつの高保磁力磁石１２４ごとに、１個の磁路ＭＰのループが形成されており、したがって永久磁石モータ１００の極数は、高保磁力磁石１２４の個数と等しい１２極となる。

図３は、４極状態における低保磁力磁石１２６の極性を示す図である。図３では、（ii）隣接するｍ＝２個の低保磁力磁石のペアが同じ極性に磁化され、かつ隣接するペアが逆極性となるように磁化される。矢印付きの実線は、高保磁力磁石１２４および低保磁力磁石１２６が形成する磁路ＭＰを示している。高保磁力磁石１２４＿３と、その両端の低保磁力磁石１２６＿２，１２６＿３に着目すると、それらは、局所的な閉じ込められた内周側の磁路ＭＰａを形成する（消磁ともいう）が、ステータ１１０の界磁と相互作用しない。一方、高保磁力磁石１２４＿２および１２４＿４ならびに低保磁力磁石１２６＿１〜１２６＿２は、外周側にひとつの磁路ＭＰｂを形成する。永久磁石モータ１００全体としては、４個の磁路ＭＰｂが形成されるため、永久磁石モータ１００の極数は４極となる。

図４は、永久磁石モータ１００およびその駆動装置２００のブロック図である。駆動装置２００は、インバータ２０２および巻線セレクタ２０４を備える。インバータ２０２は、多相の交流の駆動信号を発生する。本明細書では理解の容易化のために、インバータ２０２は、三相出力を有するものとする。巻線セレクタ２０４は、入力側がインバータ２０２に接続され、出力側が永久磁石モータ１００の複数の巻線Ｗに接続される。巻線セレクタ２０４は、上述したネットワーク回路であり、４極状態と１２極状態とで、永久磁石モータ１００の巻線と駆動装置２００の出力の接続経路を切りかえる。巻線セレクタ２０４の構成は特に限定されず、複数の半導体スイッチあるいはリレーの組み合わせで構成することができる。

図５は、４極状態と１２極状態における複数のスロットの巻線と、各巻線に流れる三相電流（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の関係の一例を示す図である。複数の巻線の電流は、４極状態ではステータ１１０が４極の回転磁界を形成するように制御され、１２極状態ではステータ１１０が４極の回転磁界を形成するように制御される。上述したように、４極状態、１２極状態における巻線の接続状態は、図４の巻線セレクタ２０４によって制御される。

以上が永久磁石モータ１００の構成および動作である。図１の永久磁石モータ１００によれば、低保磁力磁石１２６の磁極を変化させて、複数の高保磁力磁石１２４および複数の低保磁力磁石１２６が形成する磁路を切りかえることにより、モータ１００の極数を切りかえることができる。したがって、低速運転時には多い極数を選択して高トルク特性を得ることができる。また低い極数を選択した場合には、運転可能な速度範囲を高めることができ、モータを高速回転させることができる。

続いて、ロータ１２０の極数の切りかえ、言い換えれば低保磁力磁石１２６の極性の制御について説明する。本実施の形態では、ステータコイル、すなわち巻線Ｗを利用して、低保磁力磁石１２６の極性を切りかえる。

１２極から４極への切りかえを説明する。極数の切りかえはロータ１２０が回転した状態で行うことができる。切りかえ前の状態において、複数の低保磁力磁石１２６は、図２に示す極性を有している。はじめにステータ１１０の状態を１２極から４極に切りかえる。そして、ロータ１２０の回転と同期して、強め界磁方向（ｄ軸正方向）となる電流パルスＩｐを、各相の電流に重畳する。図６は、パルス電流Ｉｐが形成する磁束を示す図である。図７（ａ）は、パルス電流Ｉｐの位相を示す図であり、図７（ｂ）は、相電流を示す波形図である。各相の電流は、正弦波状の駆動電流に、パルス電流Ｉｐを重畳した波形を有する。

パルス電流Ｉｐの振幅および重畳する回数は、低保磁力磁石１２６や回転子鉄心１２２の材料、ステータ１１０とロータ１２０のギャップなどに応じ、低保磁力磁石１２６が適切に着磁されるように決めればよい。典型的には低保磁力磁石１２６の極性切りかえは、数十ｍｓ〜数秒のオーダーで完了することができる。４極から１２極へは、上述したのと逆の処理によって切りかえることができる。

この永久磁石モータ１００は、複数の低保磁力磁石の極性の切りかえを、永久磁石モータ１００の回転中に短時間で行うことができる。また低保磁力磁石１２６の極性を維持するための定常的な電流が不要であるため、高効率であるという利点を有する。なお極性の切りかえは、ロータ１２０を停止した状態で行ってもよい。

極数の切りかえは、ロータ１２０の回転数に応じて行うことが望ましい。すなわち、回転数が所定のしきい値より低い領域では、高トルク特性が得られるように１２極が選択される。回転数がしきい値を超えると、さらに回転数を高めることができるように、４極に切りかえる。４極の状態において回転数がしきい値より低くなると、１２極に戻される。しきい値はヒステリシスを持っていてもよい。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（変形例１）
図８（ａ）は、第１変形例に係る永久磁石モータ１００ａの断面図である。この永久磁石モータ１００ａにおいて、ステータ１１０は、少なくともひとつの着磁コイル１４０をさらに備える。着磁コイル１４０は複数の低保磁力磁石１２６を磁化するために設けられる。着磁コイル１４０には、図７（ａ）、（ｂ）のパルス電流Ｉｐに相当する電流が供給され、駆動電流は流れない。着磁コイル１４０が発生する磁束の向きは、コイル１４０に流す電流の極性に応じて切りかえることができ、したがって複数の低保磁力磁石１２６の極性を独立に制御することができる。

この変形例によれば、ステータコイル（巻線Ｗ）とは独立して、ステータコイルの位置に制約されずに着磁コイル１４０を配置できるため、低保磁力磁石１２６の極性の切りかえに有利である。

（変形例２）
図８（ｂ）は、第２変形例に係る永久磁石モータ１００ｂの断面図である。この永久磁石モータ１００ｂにおいて、ロータ１２０は、複数の低保磁力磁石１２６に対応して設けられた複数の着磁コイル１５０をさらに備える。各着磁コイル１５０は、対応する低保磁力磁石１２６を磁化するために、低保磁力磁石１２６の近傍に設けられる。各着磁コイル１５０は、それが生成する磁束が低保磁力磁石１２６を径方向に横切るように配置することが望ましい。

着磁コイル１５０に供給される電流は、図７（ａ）、（ｂ）のパルス電流Ｉｐである必要は無く、定常的に流してもよい。着磁コイル１５０が発生する磁束の向きは、コイル１５０に流す電流の極性に応じて切りかえることができ、したがって低保磁力磁石１２６の極性を独立に制御することができる。

なお複数の低保磁力磁石１２６のうちいくつかは、極性を変化させる必要がない場合もある。この場合には、着磁コイル１５０の個数は、低保磁力磁石１２６の個数よりも少なくてよい。

第２変形例によれば、着磁コイル１５０に供給する電流を、ロータ１２０の位置に依存せずに生成できるため、制御が容易である。また第１変形例よりも着磁コイル１５０を低保磁力磁石１２６に近接配置できるため、低保磁力磁石１２６に強い磁束を印加でき、より短時間で極性を反転させることができる。

（変形例３）
図９は、第３変形例に係る永久磁石モータ１００ｃの断面図である。この永久磁石モータ１００ｃは、アウターロータ型であり、アウターロータ（単にロータという）１２０ｃのみが示され、インナーステータは省略される。高トルク特性を得るために、アウターロータ型においては、複数の高保磁力磁石１２４は内周側に、複数の低保磁力磁石１２６は外周側に配置することが望ましい。

（極性の切りかえのパターン）
図１０（ａ）〜（ｃ）は、極数の切りかえパターンを示す図である。ここでは１６極を例とする。図１０（ａ）は、極数が高保磁力磁石１２４の個数と等しい基本状態を示す。基本状態では、複数の低保磁力磁石１２６は、交互に反対の極性で着磁される。

図１０（ｂ）では、複数の低保磁力磁石１２６は、隣接するｍ＝３個のセット１３０が同じ極性であり、隣接するセット１３０同士は逆極性である。このとき極数は、高保磁力磁石１２４の個数の３／８倍となっている。一般化すると、ｍ個を１セットとしたとき、変更後の極数Ｐ’と基本状態の極数Ｐ_ＯＲＧの関係は式（１）で与えられる。
Ｐ’＝Ｐ_ＯＲＧ× …（１）
図３はＰ_ＯＲＧ＝１２，ｍ＝２の場合であり、極数Ｐ’は、基本状態の極数１２の倍の４極となり、式（１）と合致する。

図１０（ｃ）では、複数の低保磁力磁石１２６は、複数のｎ個（ｎは４以上かつ２の倍数）ごとのセット１３２に分けて考えることができ、同じセット１３０内で隣接する低保磁力磁石１２６同士は逆極性であり、セットを跨いで隣接する低保磁力磁石１２６同士は同じ極性である。図１０（ｃ）では、ｎ＝８であり、このとき極数は、高保磁力磁石１２４の個数の１／８倍となる。一般化するとｎ個を１セットとしたとき、変更後の極数Ｐ’と基本状態の極数Ｐ_ＯＲＧの関係は式（２）で与えられる。
Ｐ’＝Ｐ_ＯＲＧ× …（２）
図３はＰ_ＯＲＧ＝１２，ｎ＝１とみなすことができ、極数Ｐ’は、基本状態の極数１２の倍の４極となり、式（２）と合致する。

最後に永久磁石モータ１００の用途を説明する。永久磁石モータ１００は、産業機械に広く用いることができる。図１１は、産業機械の一例である電導旋回ショベルの外観を示す斜視図である。ショベル１は、主として下部走行体（ロワー、クローラともいう）２と、走行体２の上部に旋回装置３を介して回動自在に搭載された上部旋回体４と、を備えている。

上部旋回体４には、アタッチメント１２が取り付けられる。アタッチメント１２は、ブーム５と、ブーム５の先端にリンク接続されたアーム６と、アーム６の先端にリンク接続されたバケット１０とが取り付けられている。バケット１０は、土砂、鋼材などの吊荷を捕獲するための設備である。ブーム５、アーム６、及びバケット１０は、それぞれブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によって油圧駆動される。また、上部旋回体４には、バケット１０の位置や励磁動作および釈放動作を操作するオペレータ（運転者）を収容するための運転室４ａや、油圧を発生するためのエンジン１１といった動力源が設けられている。エンジン１１は、例えばディーゼルエンジンで構成される。

ショベル１は、上部旋回体４を旋回させる旋回装置（図１１に不図示）を備える。旋回装置は、図４に示すように、旋回モータである永久磁石モータ１００と、その駆動装置２００を備える。永久磁石モータ１００の回転軸は、ギア（減速機）を介して上部旋回体４と連結されている。

図１２は、実施の形態に係るショベル１の電気系統や油圧系統などのブロック図である。なお、図１２では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。

ショベル１は電動発電機１２および減速機１３を備えており、エンジン１１及び電動発電機１２の回転軸は、共に減速機１３の入力軸に接続されることにより互いに連結されている。エンジン１１の負荷が大きいときには、電動発電機１２が自身の駆動力によりエンジン１１の駆動力を補助（アシスト）し、電動発電機１２の駆動力が減速機１３の出力軸を経てメインポンプ１４に伝達される。一方、エンジン１１の負荷が小さいときには、エンジン１１の駆動力が減速機１３を経て電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が発電を行う。電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ（Interior Permanent Magnetic）モータによって構成される。電動発電機１２の駆動と発電との切りかえは、ショベル１における電気系統の駆動制御を行うコントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。

減速機１３の出力軸にはメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されており、メインポンプ１４には高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。コントロールバルブ１７は、ショベル１における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ１７には、図１１に示した走行機構２を駆動するための油圧モータ２Ａ及び２Ｂの他、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ１７は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。

パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６（操作手段）が接続されている。操作装置２６は、旋回用電動機２１、走行機構２、ブーム５、アーム６、及びバケット１０を操作するための操作装置であり、操作者によって操作される。操作装置２６には、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７が接続され、また、油圧ライン２８を介して圧力センサ２９が接続される。操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を操作者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。

圧力センサ２９は、操作装置２６に対して旋回機構３を旋回させるための操作が入力されると、この操作量を油圧ライン２８内の油圧の変化として検出する。圧力センサ２９は、油圧ライン２８内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ３０に入力され、旋回用電動機２１の駆動制御に用いられる。

コントローラ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び内部メモリを含む演算処理装置によって構成され、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。コントローラ３０は、各種センサ及び操作装置２６等からの操作入力を受けて、インバータ１８Ａ、１８Ｃ及び蓄電手段４０等の駆動制御を行う。

旋回用電動機２１は、図１１の旋回機構３に設けられ、上部旋回体４を回動させる。旋回用電動機２１は交流電動機であり、旋回体４を旋回させる旋回機構３の動力源である。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回減速機２４が接続される。旋回用インバータ１８Ｃは、蓄電手段４０からの電力を受け、旋回用電動機２１を駆動する。また旋回用電動機２１の回生運転時には、旋回用電動機２１からの電力を蓄電手段４０に回収する。

旋回用電動機２１が力行運転を行う際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が旋回減速機２４にて増幅され、旋回体４が加減速制御され回転運動を行う。また、旋回体４の慣性回転により、旋回減速機２４にて回転数が増加されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させる。

レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転位置及び回転角度を検出するセンサであり、旋回用電動機２１と機械的に連結することで回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出する。レゾルバ２２が回転軸２１Ａの回転角度を検出することにより、旋回機構３の回転角度及び回転方向が導出される。メカニカルブレーキ２３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、コントローラ３０からの指令によって、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させる。旋回減速機２４は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転速度を減速して旋回機構３に機械的に伝達する減速機である。

続いて電気系統について詳細に説明する。電気系統は主として、コントローラ３０、蓄電手段４０、インバータ１８Ａ，１８Ｃを備える。

（アシスト）
アシスト用のインバータ１８Ａの２次側（出力）端には、電動発電機１２が接続される。インバータ１８Ａは、コントローラ３０の一部であるアシスト用インバータコントローラからの指令にもとづき、電動発電機１２の運転制御を行う。

（旋回）
旋回用電動機２１、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、旋回減速機２４、旋回用インバータ１８Ｃおよびコントローラ３０の一部である旋回用のインバータコントローラは、電動旋回装置を構成する。
旋回用電動機２１は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御指令により旋回用インバータ１８Ｃによって交流駆動される。旋回用電動機２１としては、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータが好適である。

旋回用インバータコントローラは、操作入力に応じた回転速度指令を受け、レゾルバ２２により検出される旋回用電動機２１の旋回速度が、回転速度指令と一致するように、旋回用インバータ１８Ｃを制御する。

（電源）
蓄電手段４０とコントローラ３０の一部であるコンバータコントローラは、電源装置を構成する。蓄電手段４０は、例えば蓄電池であるバッテリと、バッテリの充放電を制御する昇降圧コンバータ（双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ）と、正極及び負極の直流配線からなるＤＣバスとを備えている（図示せず）。蓄電器としては、リチウムイオン電池等の充電可能な２次電池、キャパシタ、そのほか電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。ＤＣバスには、インバータ１８Ａ，１８Ｃそれぞれの１次側（直流入力）が接続されている。コントローラは、ＤＣバスに生ずるＤＣリンク電圧が所定の電圧レベルとなるように、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する。電源装置は、電動発電機１２等が力行運転する際には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを昇圧動作させ、電動発電機１２等が回生運転する際には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを降圧動作させ、電動発電機１２が発生した電力を蓄電器に回収する。

すなわち、インバータ１８Ａが電動発電機１２を力行運転させる際には、必要な電力をバッテリ及び昇降圧コンバータからＤＣバスを介して電動発電機に供給する。また、電動発電機１２を回生運転させる際には、電動発電機１２により発電された電力をＤＣバス及び昇降圧コンバータを介してバッテリに充電する。なお、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧値、バッテリ電圧値、及びバッテリ電流値にもとづき、コンバータコントローラによって行われる。これにより、ＤＣバスを、予め定められた一定電圧値に蓄電された状態に維持することができる。

ここでは実施の形態では、本発明に係るハイブリッド型建設機械の一例として、ショベル１を示したが、本発明のハイブリッド型建設機械の他の例としては、リフティングマグネット車両やクレーン等が挙げられる。

以上がショベル１の構成である。実施の形態に係る永久磁石モータ１００を用いることで、旋回時には、極数を減らして誘起電圧を抑制することで、高速旋回が可能となる。また、押しつけ時（つまり回転数が非常に低い状態）においては極数を増やすことにより高トルクを得ることができる。旋回開始時（つまり回転数が低い状態）において極数を増やすことにより高トルクを得ることができ、目標の旋回速度まで短時間で到達することが可能となる。

永久磁石モータ１００の用途は電動旋回ショベルには限定されず、クレーンなどの産業機械、工場などに導入される産業機器、エアコンや冷蔵庫などの家電製品、スキャナ、プリンタ、コピー機などのＯＡ機器、あるいは車載機器に用いることができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

１００…永久磁石モータ、１１０…ステータ、１１２…ヨーク、１１４…ティース、１１６…スロット、１１８…コイル、１２０…ロータ、１２２…回転子鉄心、１２４…高保磁力磁石、１２６…低保磁力磁石、１２８…スペース、１３０，１３２…セット、１４０，１５０…着磁コイル、２００…駆動装置、２０２…インバータ、２０４…巻線セレクタ。

Claims

ロータとステータを備え、
前記ロータは、
回転子鉄心と、
前記回転子鉄心の径方向の第１位置ｒ１に、周方向にスペースを隔てて配置された複数の高保磁力磁石と、
前記回転子鉄心の径方向の第２位置ｒ２（ｒ１＞ｒ２またはｒ１＜ｒ２）に設けられた複数の低保磁力磁石であって、周方向についてそれぞれが前記スペースに対応する位置に配置された、複数の低保磁力磁石と、
を備え、
前記複数の高保磁力磁石は、周方向に磁化され、隣接する高保磁力磁石の極性が逆向きであり、
前記複数の低保磁力磁石は、径方向に磁化され、それぞれの極性が切りかえ可能であり、
（i）前記複数の低保磁力磁石が交互に逆極性である状態と、（ii）隣接する複数ｍ個（ｍは２以上の整数）の低保磁力磁石のセットが同じ極性であり、かつ隣接するセットが逆極性である状態と、が切りかえ可能であることを特徴とする永久磁石モータ。
（i）前記複数の低保磁力磁石が交互に逆極性である状態と、（iii）隣接する複数ｎ個（ｎは２以上の整数）を１セットとするとき、同じセット内で隣接する低保磁力磁石同士は逆極性であり、セットを跨いで隣接する低保磁力磁石同士は同じ極性である状態と、が切りかえ可能であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石モータ。
ロータとステータを備え、
前記ロータは、
回転子鉄心と、
前記回転子鉄心の径方向の第１位置ｒ１に、周方向にスペースを隔てて配置された複数の高保磁力磁石と、
前記回転子鉄心の径方向の第２位置ｒ２（ｒ１＞ｒ２またはｒ１＜ｒ２）に設けられた複数の低保磁力磁石であって、周方向についてそれぞれが前記スペースに対応する位置に配置された、複数の低保磁力磁石と、
を備え、
前記複数の高保磁力磁石は、周方向に磁化され、隣接する高保磁力磁石の極性が逆向きであり、
前記複数の低保磁力磁石は、径方向に磁化され、それぞれの極性が切りかえ可能であり、
（i）前記複数の低保磁力磁石が交互に逆極性である状態と、（iii）隣接する複数ｎ個（ｎは２以上の整数）を１セットとするとき、同じセット内で隣接する低保磁力磁石同士は逆極性であり、セットを跨いで隣接する低保磁力磁石同士は同じ極性である状態と、が切りかえ可能であることを特徴とする永久磁石モータ。
インナーロータ型であり、ｒ１＞ｒ２であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の永久磁石モータ。
インナーロータ型の永久磁石モータであって、ロータとステータを備え、
前記ロータは、
回転子鉄心と、
前記回転子鉄心の径方向の第１位置ｒ１に、周方向にスペースを隔てて配置された複数の高保磁力磁石と、
前記回転子鉄心の径方向の第２位置ｒ２（ｒ１＞ｒ２）に設けられた複数の低保磁力磁石であって、周方向についてそれぞれが前記スペースに対応する位置に配置された、複数の低保磁力磁石と、
を備え、
前記複数の高保磁力磁石は、周方向に磁化され、隣接する高保磁力磁石の極性が逆向きであり、
前記複数の低保磁力磁石は、径方向に磁化され、それぞれの極性が切りかえ可能であることを特徴とするインナーロータ型の永久磁石モータ。
アウターロータ型であり、ｒ２＜ｒ１であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の永久磁石モータ。
前記複数の低保磁力磁石の極性は、前記永久磁石モータの回転の所定期間、前記ステータのコイルに供給される交流電流にパルス電流を重畳することにより切りかえられることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の永久磁石モータ。
前記ステータは、前記複数の低保磁力磁石を磁化するための着磁コイルを備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の永久磁石モータ。
上部旋回体と、
下部走行体と、
前記上部旋回体を旋回させる請求項１から８のいずれかに記載の永久磁石モータと、
を備えることを特徴とする電動旋回ショベル。