JP7461018B2

JP7461018B2 - 永久磁石型モータ

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Publication number: JP7461018B2
Application number: JP2020015300A
Authority: JP
Inventors: 敏彦野口
Original assignee: 株式会社アーミス
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2024-04-03
Anticipated expiration: 2040-01-31
Also published as: JP2020141554A

Description

特許法第３０条第２項適用平成３１年２月２７日電気学会会議室において開催されたモータドライブ／家電・民生合同研究会で発表

特許法第３０条第２項適用平成３１年２月２７日モータドライブ／家電・民生合同研究会論文集で発表

特許法第３０条第２項適用平成３１年３月１日平成３１年電気学会全国大会論文集ＤＶＤ－ＲＯＭで発表

特許法第３０条第２項適用平成３１年３月１２日～平成３１年３月１４日北海道科学大学において開催された平成３１年電気学会全国大会で発表

特許法第３０条第２項適用令和０１年８月６日ウェブサイトに掲載ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｇａｋｋａｉ－ｗｅｂ．ｎｅｔ／ｇａｋｋａｉ／ｊｉａｓｃ／ｈｐ１９／

特許法第３０条第２項適用令和０１年８月１１日～令和０１年８月１４日ＳｕｎＩｓｌａｎｄＧａｒｄｅｎＨｏｔｅｌにおいて開催されたＩＣＥＭＳ２０１９で発表

特許法第３０条第２項適用令和０１年８月２０日～令和０１年８月２２日長崎大学において開催された２０１９年電気学産業応用部門大会で発表

特許法第３０条第２項適用令和０１年９月９日～令和０１年９月１０日大同大学において開催された令和元年度電気・電子・情報関係学会東海支部連合大会で発表

特許法第３０条第２項適用令和０１年９月１２日半導体電力変換／モータドライブ合同研究会論文集で発表

特許法第３０条第２項適用令和０１年９月１２日～令和０１年９月１３日一関市岩手日報において開催された半導体電力変換／モータドライブ合同研究会で発表

特許法第３０条第２項適用令和０１年９月１８日～令和０１年９月１９日ＪａｖａＨｅｒｉｔａｇｅＨｏｔｅｌにおいて開催されたＩＣＥＴＩＲ２０１９で発表

特許法第３０条第２項適用令和０１年１２月１９日ＩＣＥＭＳ２０１９ＩＥＥＥｘｐｌｏｒｅｄａｔｅｂａｓｅで発表

本発明は、永久磁石型モータに関する。

永久磁石が設けられたロータと、回転磁界を発生させるステータと、を備え、永久磁石と回転磁界との間に生じる磁気的な吸引力や反発力によりロータが回転する永久磁石型モータが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１８－１８２９９９号公報

上述したような永久磁石型モータでは、高効率化のために、低速高トルク運転及び高速低トルク運転の双方が可能であることが好ましい。それらの双方を可能とするために、例えば、駆動コイルに負の電流を流して逆磁界を発生させることで、ロータからステータに鎖交する磁束量を調整することが考えられる。しかし、そのような方法では、負の電流を流すことにより駆動コイルで生じる損失（銅損）が大きいため、高効率化は難しい。

本発明は、高効率化を図ることができる永久磁石型モータを提供することを目的とする。

本発明の永久磁石型モータは、回転軸周りに回転するロータと、ステータと、を備え、ロータは、Ｎ極部が径方向外側に配置された第１永久磁石と、Ｓ極部が径方向外側に配置された第２永久磁石と、第１永久磁石と第２永久磁石との間の磁路上に配置された磁性部材と、を有し、ステータは、ロータを回転させるための回転磁界を発生させる複数の駆動コイルと、第１永久磁石及び第２永久磁石による磁束が磁性部材を通る方向と直交する成分を有し且つ磁性部材を通る磁束を発生させる透磁率変調コイルと、を有する。

この永久磁石型モータでは、ロータが、第１永久磁石と第２永久磁石との間の磁路上に配置された磁性部材を有し、ステータが、透磁率変調磁束を発生させる透磁率変調コイルを有している。透磁率変調磁束は、第１永久磁石及び第２永久磁石による磁石磁束が磁性部材を通る方向と直交する成分を有し、磁性部材を通る。透磁率変調磁束を磁性部材に通すと、磁性部材の透磁率が低下する。そのため、透磁率変調磁束の磁束量を調整することで、磁性部材の透磁率を調整することができる。磁性部材の透磁率が低下すると、第１永久磁石と第２永久磁石との間の磁路の磁気抵抗が増加する。これにより、第１永久磁石と第２永久磁石との間における漏れ磁束が減少し、第１永久磁石及び第２永久磁石からステータに鎖交する磁束が増加する。したがって、透磁率変調磁束を調整することで、ロータからステータに鎖交する磁束量を調整することができる。よって、この永久磁石型モータによれば、上述したような従来手法とは異なる方法でロータからステータに鎖交する磁束量を調整することができ、高効率化を図ることが可能となる。

磁性部材は、軟磁性材料により形成されていてもよい。この場合、磁性部材の透磁率を容易に調整することができる。

ロータは、ロータ本体を有し、第１永久磁石及び第２永久磁石は、ロータ本体に埋め込まれていてもよい。この場合、リラクタンストルクを利用することができ、一層の高効率化を図ることができる。また、ロータの小型化を図ることもできる。

磁性部材は、第１永久磁石と第２永久磁石とを互いに接続するようにロータ本体に形成された溝部内に配置されていてもよい。この場合、第１永久磁石と第２永久磁石との間の磁路の磁気抵抗を好適に変化させることができる。また、ロータの一層の小型化を図ることもできる。

ロータは、ロータ本体を有し、磁性部材は、ロータ本体に埋め込まれていてもよい。この場合、第１永久磁石と第２永久磁石との間の磁路の磁気抵抗を好適に変化させることができる。また、ロータの一層の小型化を図ることもできる。

磁性部材は、径方向において、第１永久磁石及び第２永久磁石よりも外側に配置されていてもよい。この場合、第１永久磁石と第２永久磁石との間の磁路の磁気抵抗を一層好適に変化させることができる。

ステータは、透磁率変調コイルを一対有し、一対の透磁率変調コイルは、それぞれ、回転軸に平行な軸方向における磁性部材の一方側と他方側とに配置されていてもよい。この場合、透磁率変調磁束を磁性部材に好適に通すことができる。

磁性部材は、回転軸に平行な軸方向において互いに向かい合う第１部分及び第２部分を含み、透磁率変調コイルは、軸方向において、第１部分と第２部分との間に配置されていてもよい。この場合、透磁率変調磁束を磁性部材に好適に通すことができる。

ロータは、回転軸に沿って延在するシャフトを有し、透磁率変調コイルは、シャフトを囲んでいてもよい。この場合、透磁率変調磁束を好適に発生させることができる。

本発明の永久磁石型モータは、複数の駆動コイルに多相交流電流を供給するインバータを更に備え、インバータは、インバータの零相電流が透磁率変調コイルに流れるように、透磁率変調コイルに電気的に接続されていてもよい。この場合、駆動コイルに多相交流電流を供給するインバータにより、透磁率変調コイルに電流を流すことができる。

本発明によれば、高効率化を図ることができる永久磁石型モータを提供することができる。

実施形態に係る永久磁石型モータ（ＰＭモータ）を示す断面図である。図１のII－II線に沿っての断面図である。ロータを示す斜視図である。（ａ）は、非磁気飽和状態におけるロータを示す模式的な断面図であり、（ｂ）は、磁気飽和状態におけるロータを示す模式的な断面図である。（ａ）及び（ｂ）は、透磁率変調方法を説明するための斜視図である。ロータに生じる磁界分布の例を示す図である。（ａ）及び（ｂ）は、透磁率変調コイルの起磁力を変化させたときの誘起電圧波形を示すグラフである。（ａ）は、誘起電圧の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）分析の結果を示すグラフであり、（ｂ）は、トルクのＦＦＴ分析の結果を示すグラフである。電流位相とトルクとの関係を示すグラフである。ＰＭモータの回路構成を示す図である。第１変形例に係るＰＭモータの断面図である。実施形態に係るＰＭモータについての誘起電圧波形を示すグラフである。第１変形例に係るＰＭモータについての誘起電圧波形を示すグラフである。（ａ）は、実施形態に係るＰＭモータについての誘起電圧のＦＦＴ分析の結果を示すグラフであり、（ｂ）は、第１変形例に係るＰＭモータについての誘起電圧のＦＦＴ分析の結果を示すグラフである。（ａ）は、実施形態に係るＰＭモータのトルク波形を示すグラフであり、（ｂ）は、第１変形例に係るＰＭモータのトルク波形を示すグラフである。（ａ）は、実施形態に係るＰＭモータについてのトルクのＦＦＴ分析の結果を示すグラフであり、（ｂ）は、第１変形例に係るＰＭモータについてのトルクのＦＦＴ分析の結果を示すグラフである。第２変形例に係るＰＭモータの断面図である。（ａ）は、第２変形例に係るＰＭモータのトルク波形を示すグラフであり、（ｂ）は、第２変形例に係るＰＭモータについてのトルクのＦＦＴ分析の結果を示すグラフである。（ａ）は、第２変形例に係るＰＭモータの６次トルクリプルを示すグラフであり、（ｂ）は、当該トルクリプルを低減するための零相電流の例を示すグラフである。（ａ）は、図１９（ｂ）の零相電流を用いた場合のトルク波形を示すグラフであり、（ｂ）は、（ａ）のトルクについてのＦＦＴ分析の結果を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
［ＰＭモータの構成］

図１～図４に示されるように、実施形態に係る永久磁石型モータ（以下、ＰＭモータともいう）１は、回転軸Ａ周りに回転するロータ１０と、ステータ２０と、を備えている。ＰＭモータ１は、永久磁石同期モータとも呼ばれる。ＰＭモータ１は、例えば、車両に搭載されて車両の動力源として用いられてもよいし、洗濯機等の他の機械に搭載されて用いられてもよい。

ロータ１０は、ロータ本体１１と、シャフト１２と、複数（この例では２つ）の第１永久磁石１３と、複数（この例では２つ）の第２永久磁石１４と、複数（この例では４つ）の磁性部材１５と、を有している。ロータ本体１１は、例えば、Ｚ軸方向（回転軸Ａに平行な軸方向）に積層された複数の電磁鋼板により構成されており、略円筒状の外形を有している。シャフト１２は、例えば、金属材料により円形の棒状に形成されている。シャフト１２は、回転軸Ａに沿って延在し、ロータ本体１１を貫通している。ロータ本体１１は、シャフト１２に固定されており、シャフト１２と共に回転軸Ａ周りに回転する。

第１永久磁石１３及び第２永久磁石１４の各々は、例えば、ネオジム磁石により矩形板状に形成されており、ロータ本体１１に形成された溝部１７内に配置されてロータ本体１１に埋め込まれている。第１永久磁石１３及び第２永久磁石１４は、周方向に交互に並んでいる。なお、周方向とは、回転軸Ａを中心とする円の周方向を意味する。

各第１永久磁石１３は、Ｎ極部１３ｎが径方向外側に位置し且つＳ極部１３ｓが径方向内側に位置するように、配置されている（図４）。一対の第１永久磁石１３は、互いに平行に延在している。一対の第１永久磁石１３のＳ極部１３ｓは、シャフト１２（回転軸Ａ）を介して向かい合っている。なお、径方向とは、回転軸Ａを中心とする円の径方向を意味する。

各第２永久磁石１４は、Ｎ極部１４ｎが径方向内側に位置し且つＳ極部１４ｓが径方向外側に位置するように、配置されている（図４）。一対の第２永久磁石１４は、互いに平行に延在している。一対の第２永久磁石１４のＮ極部１４ｎは、シャフト１２（回転軸Ａ）を介して向かい合っている。一対の第１永久磁石１３のＳ極部１３ｓが向かい合う方向と一対の第２永久磁石１４のＮ極部１４ｎが向かい合う方向とは、直交している。

第１永久磁石１３及び第２永久磁石１４においては、Ｎ極部１３ｎ，１４ｎ及びＳ極部１３ｓ，１４ｓが周方向に交互に並んでいる。各第１永久磁石１３及び第２永久磁石１４は、径方向に沿った磁界を発生させる。

各磁性部材１５は、例えば、ソフトフェライト等の軟磁性材料により、直方体状に形成されている。各磁性部材１５は、第１永久磁石１３と第２永久磁石１４との間の磁路上に配置されている。各磁性部材１５は、ロータ本体１１に形成された溝部１８内に配置され、ロータ本体１１に埋め込まれている。

溝部１８は、第１永久磁石１３と第２永久磁石１４とを互いに接続するように（換言すれば、第１永久磁石１３が配置される溝部１７と第２永久磁石１４が配置される溝部１７とを互いに接続するように）、ロータ本体１１に形成されている。溝部１８内は、例えば空隙となっている。溝部１８は、フラックスバリアとも呼ばれる。

各溝部１８は、溝部１７から延在する一対の延在部１８ａと、一対の延在部１８ａに接続され、磁性部材１５が配置された配置部１８ｂと、を有している。一対の延在部１８ａは、溝部１７から径方向外側に、互いに平行に延在している。配置部１８ｂは、平面視において（Ｚ軸方向から見た場合に）矩形状を呈している。磁性部材１５は、径方向において、第１永久磁石１３及び第２永久磁石１４よりも外側に配置されている。

ステータ２０は、ステータ本体２１と、複数（この例では６つ）の駆動コイル２２と、一対の透磁率変調コイル２３と、を有している。ステータ本体２１は、略円筒状に形成され、ロータ１０を囲んでいる。ステータ本体２１は、例えば、ＳＭＣ（Soft Magnetic composite）等の軟磁性複合材料により形成されている。この場合、ステータ本体２１の成形を容易化することができる。ステータ本体２１は、Ｚ軸方向に積層された複数の電磁鋼板により構成されてもよい。

ステータ本体２１には、径方向内側に突出した複数（この例では６つ）のティース２１ａが設けられており、これらのティース２１ａの各々に駆動コイル２２が巻回されている。駆動コイル２２は、一対のＵ相コイル２２Ａと、一対のＶ相コイル２２Ｂと、一対のＷ相コイル２２Ｃと、を含んでいる。一対のＵ相コイル２２Ａ、一対のＶ相コイル２２Ｂ、及び一対のＷ相コイル２２Ｃは、それぞれ、ロータ１０を介して互いに向かい合う一対のティース２１ａに巻回されている。Ｕ相コイル２２Ａ、Ｖ相コイル２２Ｂ及びＷ相コイル２２Ｃは、後述するインバータ３０から三相交流電流が供給されることにより、ロータ１０を回転させるための回転磁界を発生させる。図１及び図２では駆動コイル２２が簡略化して示されているが、各駆動コイル２２は、螺旋状に巻かれて円筒状の外形を有するコイルにより構成されている。

また、ステータ本体２１には、Ｚ軸方向内側に突出した一対の突出部２１ｂが設けられており、これらの突出部２１ｂの各々に透磁率変調コイル２３が巻回されている。各突出部２１ｂは、例えば、円環状に形成され、シャフト１２を囲んでいる。そのため、透磁率変調コイル２３も、シャフト１２を囲んでいる。一対の透磁率変調コイル２３は、それぞれ、Ｚ軸方向における磁性部材１５の一方側と他方側とに配置されている。一対の透磁率変調コイル２３は、Ｚ軸方向において、ロータ本体１１を介して互いに向かい合っている。図２では透磁率変調コイル２３が簡略化して示されているが、各透磁率変調コイル２３は、螺旋状に巻かれて円筒状の外形を有するコイルにより構成されている。

各透磁率変調コイル２３は、後述するインバータ３０から零相電流が供給されることにより、透磁率変調磁束（磁界）Ｓ１を発生させる（図２）。透磁率変調磁束Ｓ１は、径方向における外側から内側に向けて、磁性部材１５を通る。透磁率変調磁束Ｓ１が磁性部材１５を通る方向は、第１永久磁石１３及び第２永久磁石１４による磁石磁束Ｓ２が磁性部材１５を通る方向と直交する（交差する）。図４（ａ）に示されるように、磁石磁束Ｓ２は、周方向に沿って磁性部材１５を通る。磁石磁束Ｓ２は、溝部１８に沿って磁性部材１５を通るとみなすこともできる。
［ＰＭモータの動作］

図５は、ＰＭモータ１における透磁率変調の原理を説明するための図である。図５（ａ）に示されるように、透磁率変調磁束Ｓ１が磁性部材１５を通っていない場合、磁石磁束Ｓ２は、磁性部材１５を通り易い。一方、図５（ｂ）に示されるように、透磁率変調磁束Ｓ１が磁性部材１５を通っている場合、磁性部材１５の透磁率が低下し、磁石磁束Ｓ２が磁性部材１５を通り難くなる。したがって、透磁率変調磁束Ｓ１の磁束量を調整することで、磁性部材１５の透磁率を調整することができ、磁性部材１５を通る磁石磁束Ｓ２の磁束量を調整することができる。例えば、磁性部材１５が磁気飽和するように透磁率変調磁束Ｓ１を磁性部材１５に通すことで、磁性部材１５の透磁率を空気の透磁率と同程度にまで低下させることができる。なお、磁性部材を通る磁石磁束と直交する成分を有する磁束を磁性部材に通すことで、磁性部材を通る磁石磁束の磁束量を調整することができるとの知見は、本発明者が見出したものである。

図４（ａ）には、磁性部材１５が磁気飽和していない非磁気飽和状態におけるロータ１０が示されており、図４（ｂ）には、磁性部材１５が磁気飽和している磁気飽和状態におけるロータ１０が示されている。非磁気飽和状態では、透磁率変調コイル２３に励磁電流が印加されず、磁気飽和状態では、透磁率変調コイル２３に励磁電流が印加される。

非磁気飽和状態においては、第１永久磁石１３と第２永久磁石１４との間の磁路が短絡する（磁路の磁気抵抗が低い）。そのため、第１永久磁石１３と第２永久磁石１４との間における磁石磁束Ｓ２の漏れ量が多くなり、ステータ２０に鎖交する磁石磁束Ｓ２が少なくなる。その結果、非磁気飽和状態では、ＰＭモータ１の速度起電力定数が小さくなり、ＰＭモータ１が高速低トルク運転に適した状態となる。

磁気飽和状態においては、非磁気飽和状態と比べて、第１永久磁石１３と第２永久磁石１４との間の磁路の磁気抵抗が高くなる。磁気飽和状態では、第１永久磁石１３と第２永久磁石１４との間において磁石磁束Ｓ２が漏れず（磁石磁束Ｓ２の漏れ量が少なくなり）、そのため、ステータ２０に鎖交する磁石磁束Ｓ２が多くなる。その結果、磁気飽和状態では、非磁気飽和状態と比べて、ＰＭモータ１の速度起電力定数が大きくなり、ＰＭモータ１が低速高トルク運転に適した状態となる。ＰＭモータ１では、高速運転時に透磁率変調コイル２３に印加される励磁電流は、低速運転時に透磁率変調コイル２３に印加される励磁電流よりも小さくなる。

図６は、ロータ１０に生じる磁界分布の例を示す図である。解析には、JMAG-Designer 17.0（登録商標）を用いた。透磁率変調コイル２３の起磁力を１８００ＡＴとした。磁性部材１５をソフトフェライト（ＪＦＥ製ＭＢ１Ｈ）により形成した。図６から、透磁率変調コイル２３に電流を流すことにより、磁性部材１５の全域の磁界が５０００Ａ／ｍ程度になっていることが分かる。ＭＢ１Ｈの初期比透磁率は１６００であり、飽和磁束密度は０．５Ｔである。ＭＢ１Ｈでは、磁界が５０００Ａ／ｍのときに磁束密度が飽和磁束密度に達し、比透磁率が８０程度にまで低下する。以上の結果から、透磁率変調コイル２３の起磁力を利用することにより、磁性部材１５の透磁率変調が可能であることが分かる。

図７は、透磁率変調コイル２３の起磁力を変化させたときの無負荷誘起電圧波形を示すグラフである。図７（ａ）には、ロータ１０を１８００ｍｉｎ^－１で回転させ、透磁率変調コイル２３の起磁力を０ＡＴとしたときの起電圧波形が示されている。図７（ａ）には、ロータ１０を１８００ｍｉｎ^－１で回転させ、透磁率変調コイル２３の起磁力を１８００ＡＴとしたときの起電圧波形が示されている。図８（ａ）は、誘起電圧のＦＦＴ分析の結果を示すグラフであり、図８（ｂ）は、駆動コイル２２におけるｑ軸の起磁力（ｑ軸電機子起磁力）を６００ＡＴとしたときのトルクのＦＦＴ分析の結果を示すグラフである。図８中の「Ａｉｒ」は、磁性部材１５を空気に置き換えた場合の結果を示している。

図７（ａ）、図７（ｂ）及び図８（ａ）より、透磁率変調コイル２３の起磁力が１８００ＡＴのときには、起磁力が０ＡＴのときと比べて、誘起電圧の基本波成分が３０％程度大きくなっていることが分かる。また、図８（ｂ）より、透磁率変調コイル２３の起磁力が１８００ＡＴのときには、起磁力が０ＡＴのときと比べて、平均トルクが１７％程度大きくなっていることが分かる。以上の結果から、透磁率変調コイル２３の起磁力により、誘起電圧における基本波成分の調整が可能であることが分かる。

図９は、駆動コイル２２におけるｑ軸の起磁力が６００ＡＴである条件下で電流位相を１５度間隔で変化させて測定した電流位相－トルク特性を示すグラフである。図９より、ＰＭモータ１は、弱め界磁領域に最大トルク／電流制御（ＭＴＰＡ：Maximum torque per ampere）点が存在する逆突極性を有することが分かる。

図１０は、ＰＭモータ１の回路構成を示す図である。図１０に示されるように、ＰＭモータ１は、インバータ３０を更に備えている。インバータ３０は、複数（この例では２つ）の直流電源３１と、それらと電気的に接続された複数（この例では６つ）のスイッチング素子３２と、を有している。インバータ３０は、ステータ２０の駆動コイル２２に電気的に接続されており、駆動コイル２２に三相交流電流を供給する。インバータ３０では、３つの駆動コイル２２が接続された中性点３３と、直流電源３１同士を接続する直流バス部３４とを電気的に接続する電流経路３５が設けられている。透磁率変調コイル２３は、電流経路３５上に設けられている。これにより、インバータ３０から透磁率変調コイル２３に零相電流を流すことができる。

インバータ３０は、回転磁界を発生させるための三相平衡電流（正相電流）に加えて、零相電流ｉ_０を制御することができる。ＰＭモータ１では、零相電流ｉ_０と透磁率変調コイル２３（零相巻線）によって生じる零相起磁力が透磁率変調に利用される。図１０に示される回路の０軸、ｄ軸及びｑ軸に関する電圧方程式を以下に示す。

ここで、ｖ_０，ｖ_ｄ，ｖ_ｑはそれぞれ０ｄｑ軸上の電圧であり、ｉ_０，ｉ_ｄ，ｉ_ｑはそれぞれ０ｄｑ軸上の電流であり、Ｒ_ａは駆動コイル２２の巻線抵抗であり、Ｒ_０は透磁率変調コイル２３の巻線抵抗であり、Ｌ_０，Ｌ_ｄ，Ｌ_ｑは０ｄｑ軸上のインダクタンスであり、Ψ_ｆは０ｄｑ軸上の界磁磁石磁束鎖交数であり、pは微分演算子であり、ωは角速度である。式（１)より、０ｄｑ軸の各軸における電流を独立して制御できることが分かる。
［作用及び効果］

ＰＭモータ１では、ロータ１０が、第１永久磁石１３と第２永久磁石１４との間の磁路上に配置された磁性部材１５を有し、ステータ２０が、透磁率変調磁束Ｓ１を発生させる透磁率変調コイル２３を有している。透磁率変調磁束Ｓ１は、第１永久磁石１３及び第２永久磁石１４による磁石磁束Ｓ２が磁性部材１５を通る方向と直交する成分を有し、磁性部材１５を通る。透磁率変調磁束Ｓ１を磁性部材１５に通すと、磁性部材１５の透磁率が低下する。そのため、透磁率変調磁束Ｓ１の磁束量を調整することで、磁性部材１５の透磁率を調整（変調）することができる。磁性部材１５の透磁率が低下すると、第１永久磁石１３と第２永久磁石１４との間の磁路の磁気抵抗が増加する。これにより、第１永久磁石１３と第２永久磁石１４との間における漏れ磁束が減少し、第１永久磁石１３及び第２永久磁石１４からステータ２０に鎖交する磁束が増加する。したがって、透磁率変調磁束Ｓ１を調整することで、ロータ１０からステータ２０に鎖交する磁束量を調整することができる。すなわち、可変界磁を実現することができる。よって、このＰＭモータ１によれば、上述したような従来手法とは異なる方法でロータ１０からステータ２０に鎖交する磁束量を調整することができ、高効率化を図ることが可能となる。ＰＭモータ１では、軟磁性材料の磁気飽和特性を積極的に活用することにより、逆突極性を有しながら、純電磁気的に可変界磁を実現することができる。また、三次元磁路を利用した透磁率変調を実現することができる。

ＰＭモータ１における可変界磁方法は、制御性、電源電圧利用率及びスイッチング損の観点から優れている。以下、この点について説明する。可変界磁を実現するための他の手法として、界磁巻線から発生する静止磁界を用いて、ギャップ磁束の増減を可能する方法が検討されている。しかし、この方法には、界磁巻線用のＤＣ／ＤＣコンバータにおける損失や、増磁及び減磁を行うための界磁銅損による損失が大きいという課題がある。また、ダイオード及びＦＥＴ等のスイッチング素子数が多いため、スイッチング損が大きいという課題がある。これに対し、ＰＭモータ１における零相電流ｉ_０を利用する方法では、零相電流ｉ_０をコモンモード電圧によって制御できるため、インバータ３０のスイッチング回数は変化せず、スイッチング損への影響は僅かである。また、可変速特性の向上を目的として当該可変界磁方法を用いる場合、零相電流ｉ_０が直流電流として利用されるため、モータ中性点の電位変動は巻線抵抗による電圧降下分のみである。よって、零相電流ｉ_０を重畳することによる電源電圧利用率への影響もほとんど無く、従来手法と比べて銅損を低減することができる。更に、零相電流ｉ_０を透磁率変調コイル２３の起磁力源として利用する場合、三相巻線（駆動コイル２２）に零相電流ｉ_０が流れることによって生じる起磁力はトルク発生に直接寄与しないため、三相巻線に生じる零相分の銅損は無駄な損失となり得る。しかし、この損失は零相起磁力を零相巻線の巻数によって補い、零相電流ｉ_０の直流値を小さくすることにより最小限に抑えることができる。

可変界磁を実現するための他の手法として、回転子を軸方向に２分割し、それらの一方を他方に対して機械的に捻ることにより可変界磁を実現する方法が検討されている。しかし、この方法では、回転子の構造が極めて複雑になるとの課題や、捻転動作のために別のサーボモータを組み込まなければならないとの課題がある。これに対し、ＰＭモータ１における可変界磁制御方法によれば、構造を簡易化することができると共に、そのようなサーボモータを省略することができる。

ＰＭモータ１では、磁性部材１５が、軟磁性材料により形成されている。これにより、磁性部材１５の透磁率を容易に調整することができる。

ＰＭモータ１では、第１永久磁石１３及び第２永久磁石１４が、ロータ本体１１に埋め込まれている。これにより、リラクタンストルクを利用することができ、一層の高効率化を図ることができる。また、ロータ１０の小型化を図ることもできる。

ＰＭモータ１では、磁性部材１５が、第１永久磁石１３と第２永久磁石１４とを互いに接続するようにロータ本体１１に形成された溝部１８内に配置されている。これにより、第１永久磁石１３と第２永久磁石１４との間の磁路の磁気抵抗を好適に変化させることができる。また、ロータ１０の一層の小型化を図ることもできる。

ＰＭモータ１では、磁性部材１５が、ロータ本体１１に埋め込まれている。これにより、第１永久磁石１３と第２永久磁石１４との間の磁路の磁気抵抗を好適に変化させることができる。また、ロータ１０の一層の小型化を図ることもできる。

ＰＭモータ１では、磁性部材１５が、径方向において、第１永久磁石１３及び第２永久磁石１４よりも外側に配置されている。これにより、第１永久磁石１３と第２永久磁石１４との間の磁路の磁気抵抗を一層好適に変化させることができる。

ＰＭモータ１では、一対の透磁率変調コイル２３が、それぞれ、Ｚ軸方向における磁性部材１５の一方側と他方側とに配置されている。これにより、透磁率変調磁束Ｓ１を磁性部材１５に好適に通すことができる。

ＰＭモータ１では、透磁率変調コイル２３が、シャフト１２を囲んでいる。これにより、透磁率変調磁束Ｓ１を好適に発生させることができる。

ＰＭモータ１は、複数の駆動コイル２２に三相交流電流を供給するインバータ３０を備え、インバータ３０が、インバータ３０の零相電流が透磁率変調コイル２３に流れるように、透磁率変調コイル２３に電気的に接続されている。これにより、駆動コイル２２に三相交流電流を供給するインバータ３０により、透磁率変調コイル２３に電流を流すことができる。
［変形例］

図１１に示される第１変形例に係るＰＭモータ１Ａでは、磁性部材１５は、Ｚ軸方向において互いに向かい合う第１部分１５ａ及び第２部分１５ｂを有している。透磁率変調コイル２３は、一対ではなく１つ設けられ、Ｚ軸方向において第１部分１５ａと第２部分１５ｂとの間に配置されている。透磁率変調コイル２３は、シャフト１２を囲んでいる。透磁率変調コイル２３が発生させる透磁率変調磁束Ｓ１は、径方向における外側から内側に向けて第１部分１５ａを通り、径方向における内側から外側に向けて第２部分１５ｂを通る。ロータ本体１１、第１永久磁石１３及び第２永久磁石１４も、Ｚ軸方向に２分割されている。駆動コイル２２は、径方向内側に突出した一対のティース２１ａに巻回されている（共巻きされている）。一対のティース２１ａは、ステータ本体２１におけるＺ軸方向の両端に配置されている。

第１変形例に係るＰＭモータ１Ａによっても、上記実施形態と同様に、高効率化を図ることが可能となる。また、ＰＭモータ１Ａでは、透磁率変調コイル２３が第１部分１５ａと第２部分１５ｂとの間に配置されているため、Ｚ軸方向における小型化や、ステータ２０の構成の簡易化を図ることができる。駆動コイル２２が一対のティース２１ａに巻回されているため、巻線抵抗の低減及び構造の簡易化を図ることができる。

図１２は、実施形態に係るＰＭモータ１についての零相起磁力を０ＡＴ及び１８００ＡＴとしたときの誘起電圧波形を示すグラフであり、図１３は、第１変形例に係るＰＭモータ１Ａについての零相起磁力を０ＡＴ及び９００ＡＴとしたときの誘起電圧波形を示すグラフである。図１４（ａ）は、ＰＭモータ１についての誘起電圧のＦＦＴ分析の結果を示すグラフであり、図１４（ｂ）は、ＰＭモータ１Ａについての誘起電圧のＦＦＴ分析の結果を示すグラフである。なお、各部の材料、各コイルの巻数及び磁石体積については、ＰＭモータ１，１Ａ間で同一とした。

図１２～図１４より、零相起磁力の有無により、無負荷誘起電圧の基本波成分を４０％程度調整可能であることが分かる。また、第１変形例に係るＰＭモータ１Ａでは、無負荷誘起電圧に偶数次高調波が重畳しないことが分かる。実施形態に係るＰＭモータ１では、零相磁束が第１永久磁石１３及び第２永久磁石１４におけるＮ極部及びＳ極部の一方を強め、他方を弱めるため、偶数次高調波が重畳される。これに対し、第１変形例に係るＰＭモータ１Ａでは、図１１における上段においてはＮ極部及びＳ極部の一方を強め、下段においてはＮ極部及びＳ極部の他方を強めるように零相磁束が作用するので、全体として磁極の偏りがなく偶数次高調波が重畳されない。また、図１４より、ＰＭモータ１ＡではＰＭモータ１の半分の零相起磁力でＰＭモータ１と同等の可変界磁性能を得られることが分かる。これは、ＰＭモータ１Ａのような磁気回路とすることにより、ＰＭモータ１における上下２つの零相磁束の磁路を共通化できるためであると考えられる。

図１５（ａ）は、ＰＭモータ１のトルク波形を示すグラフであり、図１５（ｂ）は、ＰＭモータ１Ａのトルク波形を示すグラフである。図１６（ａ）は、ＰＭモータ１についてのトルクのＦＦＴ分析の結果を示すグラフであり、図１６（ｂ）は、ＰＭモータ１についてのトルクのＦＦＴ分析の結果を示すグラフである。回転速度は１８００ｍｉｎ^－１とし、駆動コイル２２におけるｑ軸の起磁力を６００ＡＴとした。

図１５及び図１６より、平均トルクについてはＰＭモータ１，１Ａ間でほとんど変わらないことが分かる。これは、ＰＭモータ１ＡではＰＭモータ１の半分の零相起磁力で同量の無負荷誘起電圧を得られたためであると考えられる。また、図１６より、ＰＭモータ１Ａではトルクリプルに含まれる３次成分を約８７％低減できることが分かる。これは、ＰＭモータ１Ａの磁気回路を採用することにより、無負荷誘起電圧の偶数次高調波を低減することができたためであると考えられる。ただし、ＰＭモータ１Ａの磁気回路を採用することによりトルクの３次成分は低減できるが、コンシークエントポール形モータと類似した運転特性になる可変界磁原理は変わらないため、磁性部材１５を空気に置き換えた理想状態と比べると平均出力トルクは若干小さくなる。

透磁率変調を利用した可変界磁手法の応用として、以下の応用例が挙げられる。
（１）可変速特性の向上が図られたＰＭモータ
上述した可変界磁手法によれば、運転領域に応じて速度起電力定数を連続的に調節することができる。この機能により、可変速特性を向上することができる。

（２）トルクリプルの低減が図られたＰＭモータ
従来のＰＭモータでは、トルクリプルの低減や負荷トルク変動への対応が電機子磁束の制御により行われる。これに対し、上述した可変界磁手法では零相電流の制御により、電機子磁束に加えて界磁磁束も変化させることができる。このような制御自由度の増大により、電機子磁束に高調波成分が含まれる場合でも、その高調波に同期する高調波を界磁磁束に重畳させることにより、平均トルクの増加と同時にトルクリプルを低減することができる。

（３）高効率運転領域拡大が図られたＰＭモータ
一般的に銅損と鉄損が拮抗する動作点がＰＭモータの最高効率点であるが、この最高効率は１つの性能指標として挙げられる。しかし、一般的なＰＭモータでは界磁を調整できないため、高効率領域は限られる。これに対し、上述した可変界磁手法では界磁を制御できるため、銅損と鉄損がバランスするように界磁磁束を制御することにより、高効率運転領域を拡大することができる。

図１７は、第２変形例に係るＰＭモータ１Ｂの断面図である。ＰＭモータ１Ｂでは、トルクリプルの低減のために、Ｚ軸方向に積層された複数の電磁鋼板によりティース２１ａが構成されている。これは、ティース２１ａに流れる磁束が２次元方向のみであるためである。その他の構造は、第１変形例に係るＰＭモータ１Ａと同様である。ただし、トルクリプルの低減が目標であるため、可変界磁幅と低減するトルクリプルの振幅が同程度になるように、磁性部材１５の形状が調整されている。第２変形例に係るＰＭモータ１Ｂによっても、上記実施形態と同様に、高効率化を図ることが可能となる。また、製造工程の簡素化及び渦電流損失の低減を図ることができる。また、バックヨークは電磁鋼板と圧粉磁心の両方により形成され、３次元磁気回路を構成している。

図１８（ａ）は、第２変形例に係るＰＭモータ１Ｂのトルク波形を示すグラフであり、図１８（ｂ）は、ＰＭモータ１ＢについてのトルクのＦＦＴ分析の結果を示すグラフである。回転速度は１８００ｍｉｎ^－１とし、駆動コイル２２におけるｑ軸の起磁力を６００ＡＴとし、零相起磁力を０ＡＴ及び９００ＡＴとした。図１８より、磁性部材１５の形状が調整されていることで、第１変形例に係るＰＭモータ１Ａと比べて、零相起磁力の有無による平均トルクの差が小さくなり、６次成分の振幅と同程度になっていることが分かる。

図１９（ａ）は、零相起磁力が０ＡＴである場合の６次成分（トルクリプル）を示すグラフであり、図１９（ｂ）は、当該トルクリプルを低減するための零相電流の例を示すグラフである。図１９に示される零相電流は、トルクが小さいときに絶対値が大きくなり、トルクが大きいときに絶対値が小さくなる電流波形を有する。

図２０（ａ）は、図１９（ｂ）の零相電流を用いた場合のトルク波形を示すグラフであり、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）のトルクについてのＦＦＴ分析の結果を示すグラフである。駆動コイル２２におけるｑ軸の起磁力を６００ＡＴとし、零相起磁力を９００ＡＴとした。図２０より、図１９（ｂ）に示されるような波形の零相電流を通電することにより、６次成分を約７５％低減できることが分かる。また、平均トルクも零相起磁力が900ＡＴの場合と比べて増加していることも分かる。

図１９（ｂ）に示されるような零相電流を通電することにより、同期座標系において界磁起磁力に６次高調波成分を発生させ、ステータ構造により不可避に発生する６次の電機子起磁力と同期させることができる。これにより、平均トルクに、交流零相電流実効値に応じた平均トルクの増加分に加え、６次成分の低減分を重畳させることができ、直流励磁時よりも小さな実効値でトルクリプルを抑制しながら平均トルクを増加させることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、各構成の材料、形状及び配置には、上述した例に限らず、様々な材料、形状及び配置を採用することができる。磁性部材１５は、必ずしも軟磁性材料により形成されていなくてもよく、軟磁性材料以外の磁性材料により形成されてもよい。この場合でも、磁性部材１５の透磁率を変調することができる。

上記実施形態では、透磁率変調磁束Ｓ１が径方向に沿って磁性部材１５を通っていたが、透磁率変調磁束Ｓ１は、第１永久磁石１３及び第２永久磁石１４による磁石磁束Ｓ２が磁性部材１５を通る方向と直交する成分を有していればよい。例えば、透磁率変調磁束Ｓ１は、Ｚ軸方向に沿って磁性部材１５を通ってもよい。透磁率変調磁束Ｓ１は、第１永久磁石１３及び第２永久磁石１４による磁石磁束Ｓ２が磁性部材１５を通る方向と交差してもよい。これらの場合でも、磁性部材１５の透磁率を変調することができる。

第１永久磁石１３及び第２永久磁石１４は、ロータ本体１１の表面上に配置されてもよい。すなわち、ロータ１０は、埋込磁石型ではなく、表面磁石型に構成されてもよい。磁性部材１５は、ロータ本体１１の表面上に配置されてもよい。

磁性部材１５の配置は上述した例に限られない。例えば、上述した磁性部材１５に代えて又は加えて、径方向における第１永久磁石１３及び第２永久磁石１４よりも内側に磁性部材が配置されてもよい。第１永久磁石１３と第２永久磁石１４との間に磁性部材が配置されてもよい。インバータ３０が透磁率変調コイル２３に電気的に接続されず、他の電源により透磁率変調コイル２３に電流が供給されてもよい。

１…永久磁石型モータ（ＰＭモータ）、１０…ロータ、１１…ロータ本体、１２…シャフト、１３…第１永久磁石、１４…第２永久磁石、１３ｎ，１４ｎ…Ｎ極部、１３ｓ，１４ｓ…Ｓ極部、１５…磁性部材、１５ａ…第１部分、１５ｂ…第２部分、２０…ステータ、２２…駆動コイル、２３…透磁率変調コイル、３０…インバータ、Ａ…回転軸、ｉ_０…零相電流。

Claims

回転軸周りに回転するロータと、ステータと、を備え、
前記ロータは、
Ｎ極部が径方向外側に配置された第１永久磁石と、
Ｓ極部が径方向外側に配置された第２永久磁石と、
前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間の磁路上に配置された磁性部材と、を有し、
前記ステータは、
前記ロータを回転させるための回転磁界を発生させる複数の駆動コイルと、
前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石による磁束が前記磁性部材を通る方向と直交する成分を有し且つ前記磁性部材を通る磁束を発生させる透磁率変調コイルと、を有し、
前記ロータは、ロータ本体を有し、
前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石は、前記ロータ本体に埋め込まれており、
前記磁性部材は、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とを互いに接続するように前記ロータ本体に形成された溝部内に配置されている、永久磁石型モータ。
前記磁性部材は、軟磁性材料により形成されている、請求項１に記載の永久磁石型モータ。
前記ロータは、ロータ本体を有し、
前記磁性部材は、前記ロータ本体に埋め込まれている、請求項１又は２に記載の永久磁石型モータ。
前記磁性部材は、前記径方向において、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石よりも外側に配置されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の永久磁石型モータ。
前記ステータは、前記透磁率変調コイルを一対有し、
前記一対の透磁率変調コイルは、それぞれ、前記回転軸に平行な軸方向における前記磁性部材の一方側と他方側とに配置されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の永久磁石型モータ。
磁性部材は、前記回転軸に平行な軸方向において互いに向かい合う第１部分及び第２部分を含み、
前記透磁率変調コイルは、前記軸方向において、前記第１部分と前記第２部分との間に配置されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の永久磁石型モータ。
前記ロータは、前記回転軸に沿って延在するシャフトを有し、
前記透磁率変調コイルは、前記シャフトを囲んでいる、請求項１～６のいずれか一項に記載の永久磁石型モータ。
前記複数の駆動コイルに多相交流電流を供給するインバータを更に備え、
前記インバータは、前記インバータの零相電流が前記透磁率変調コイルに流れるように、前記透磁率変調コイルに電気的に接続されている、請求項１～７のいずれか一項に記載の永久磁石型モータ。
回転軸周りに回転するロータと、ステータと、を備える永久磁石型モータであって、
前記ロータは、
Ｎ極部が径方向外側に配置された第１永久磁石と、
Ｓ極部が径方向外側に配置された第２永久磁石と、
前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間の磁路上に配置された磁性部材と、を有し、
前記ステータは、
前記ロータを回転させるための回転磁界を発生させる複数の駆動コイルと、
前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石による磁束が前記磁性部材を通る方向と直交する成分を有し且つ前記磁性部材を通る磁束を発生させる透磁率変調コイルと、を有し、
前記永久磁石型モータは、前記複数の駆動コイルに多相交流電流を供給するインバータを更に備え、
前記インバータは、前記インバータの零相電流が前記透磁率変調コイルに流れるように、前記透磁率変調コイルに電気的に接続されている、永久磁石型モータ。