JPH07336980A - ブラシレスｄｃモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電機子コイルに逆界磁電流を流し続けることな
く磁束低減が可能なブラシレスＤＣモータを提供する。 【構成】回転子鉄心２が小保持力の第１磁石部３ｂ及び
大保持力の第２磁石部３ａを有し、回転子鉄心２の磁極
２０の磁束量の削減を電機子コイル１ａへの通電により
小保持力の第１磁石部３ｂの磁化方向のみを反転させて
行う構成を採用しているので、電機子コイル１ａに減磁
中ずっと逆界磁電流を流すことなく磁束量を低減するこ
とができ、それに伴う損失低減により高効率、低発熱を
維持しつつ界磁磁束量を削減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、永久磁石ロータを有す
るブラシレスＤＣモータに関し、特に磁極強度を可変可
能なブラシレスＤＣモータに関する。本発明のブラシレ
スＤＣモータは、例えば電気自動車等の走行用モータに
適用される。

【０００２】

【従来の技術】例えば特開平４ー１８５２４５号公報は
電気自動車のブラシレスＤＣモータを開示している。こ
のブラシレスＤＣモータのロータは、電機子コイルが巻
装される電機子鉄心と、電機子鉄心に小ギャップを隔て
て回転自在に対面する回転子鉄心と、回転子鉄心の外周
面に小ギャップに面して配設される複数の永久磁石とを
有し、各永久磁石は回転方向に互いに反対極性となるよ
うに交互に配列されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た永久磁石ロータを有するブラシレスＤＣモータは分巻
特性を有し、図８に示す好適なトルク−回転数特性を得
るためには、永久磁石の磁束を弱めるための逆界磁電流
を流す必要があり、高回転域において効率が著しく低下
するという問題があった。

【０００４】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、電機子コイルに逆界磁電流を流し続けることなく
磁束低減が可能なブラシレスＤＣモータを提供すること
をその目的としている。本発明の他の目的は、各構成の
後述する作用効果を奏することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成は、
電機子コイルが巻装される電機子鉄心と、前記電機子鉄
心の磁極面に小ギャップを隔てて回転自在に対面する回
転子鉄心と、小保持力の第１磁石部及び大保持力の第２
磁石部から構成されて前記回転子鉄心に固定されるとと
もに、前記両磁石部の磁束により前記小ギャップに面す
る前記回転子鉄心の表面に互いに反対極性を有する複数
の磁極を回転方向に交互に形成する永久磁石と、前記電
機子コイルへの通電により前記第１磁石部の磁化方向の
みを反転させる第１磁石部磁化反転手段とを備え、前記
各磁極は、前記第１磁石部の磁化が所定の一方向の場合
に強化され、前記第１磁石部の磁化が反対方向の場合に
弱化されることを特徴とするブラシレスＤＣモータであ
る。

【０００６】本発明の第２の構成は、上記第１の構成に
おいて、前記回転子鉄心の角速度を検出する回転数検出
手段を有し、前記第１磁石部磁化反転手段が、前記回転
子鉄心が所定の回転数以上となる場合に前記第１磁石部
の磁化反転により前記各磁極を弱化させるものである点
を更なる特徴としている。本発明の第３の構成は、上記
第２の構成において、前記第１磁石部磁化反転手段は、
前記回転子鉄心が所定の回転数以上となり、かつ、前記
回転数の変化が少ない場合に、前記第１磁石部の磁化反
転により前記各磁極を弱化させるものである点を更なる
特徴としている。

【０００７】本発明の第４の構成は、上記第１の構成に
おいて、前記第１磁石部は、前記各磁極の境界部から求
心方向に延びる線上に配設されるとともに厚さ方向が周
方向に配設される永久磁石からなり、前記第２磁石部
は、前記各第１磁石部の間に配設されるとともに厚さ方
向が径方向に配設される永久磁石からなる点を更なる特
徴としている。

【０００８】本発明の第５の構成は、上記第１の構成に
おいて、前記第２磁石部は、前記各磁極の境界部から求
心方向に延びる線上に配設されるとともに厚さ方向が周
方向に配設される永久磁石からなり、前記第１磁石部
は、前記各第２磁石部の間に配設されるとともに厚さ方
向が径方向に配設される永久磁石からなることを更なる
特徴としている。

【０００９】本発明の第６の構成は、上記第１の構成に
おいて、前記第２磁石部の保持力の絶対値が前記第１磁
石部の保持力の絶対値より大きい場合に、前記第２磁石
部の磁束量は前記第１磁石部の磁束量の２倍より大きく
設定される点を更なる特徴としている。

【００１０】

【作用及び発明の効果】本発明の第１の構成によれば、
回転子鉄心が小保持力の第１磁石部及び大保持力の第２
磁石部を有し、回転子鉄心の磁束量の削減（減磁）は電
機子コイルへの通電により小保持力の第１磁石部の磁化
方向のみを反転させて行う構成を採用しているので、電
機子コイルに減磁中、ずっと逆界磁電流を流すことなく
磁束量を低減することができ、それに伴う損失低減によ
り高効率、低発熱を維持しつつ界磁磁束量を削減するこ
とができる。

【００１１】本発明の第２の構成によれば、第１の構成
において更に、回転子鉄心が所定の回転数以上となる場
合に第１磁石部の磁化反転による界磁磁束量の削減を実
施するので、好適なトルク−回転数特性を有するブラシ
レスＤＣモータを実現することができる。本発明の第３
の構成によれば、第２の構成において更に、回転数の変
化が少ない場合にのみ第１磁石部の磁化反転による界磁
磁束量の削減を実施するので、界磁磁束量の削減時の過
渡的なトルク変動の影響を軽減することができる。な
お、回転数の変化が少ないという条件の代わりにモータ
電流の変化が小さい場合にのみ上記界磁磁束量の削減を
実施しても同様の効果が得られる。

【００１２】本発明の第４の構成によれば、第１の構成
において更に、第１磁石部が回転子鉄心表面（小ギャッ
プ対向面）の各磁極の境界部から求心方向に延びる線上
に配設されるとともに厚さ方向が周方向に配設され、第
２磁石部が各第１磁石部の間に配設されるとともに厚さ
方向が径方向に配設されるので、上記機能を実現するこ
とができるとともに、第１磁石部及び第２磁石部を回転
子鉄心に埋設できるので、永久磁石の耐遠心力性能を向
上することができる。

【００１３】本発明の第５の構成によれば、上記第４の
構成と同様の効果を奏することができる。本発明の第６
の構成によれば、第１の構成において更に、第２磁石部
の保持力の絶対値が第１磁石部の保持力の絶対値より大
きい場合に、第２磁石部の磁束量は第１磁石部の磁束量
の２倍より大きく設定される。すなわち、回転子鉄心の
一磁極には二つの第１磁石部の磁束量の和をΦ１とし、
第１磁石部の磁束量をΦ２とすれば、第１磁石部の磁化
反転により、回転子鉄心の各磁極の磁束量は、Φ１＋Φ
２又はΦ１−Φ２となる。したがって、上記条件を設け
れば、第１磁石部の磁化反転により回転子鉄心の磁極の
極性が反転してしまうことによる不具合を防止すること
ができる。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）本実施例のブラシレスＤＣモータの断面図
を図１に示す。１は、三相の電機子コイル１ａが巻装さ
れた突極型の電機子鉄心であり、合計１２個の突極部１
０が等間隔に求心方向へ突設されている。各突極部１０
には三相の電機子コイル１ａの各相が順番に巻装されて
いる。なお、電機子鉄心１は非突極型に形成できること
はもちろんである。

【００１５】２は、電機子コイル１ａの回転磁界により
回転する回転子鉄心であり、３ａ及び３ｂは回転子鉄心
２内に埋め込まれた厚板状の永久磁石である。なお、電
機子鉄心１及び回転子鉄心２は電磁鋼板を積層して形成
されており、永久磁石３ａ、３ｂはその軸方向に形成さ
れた貫通孔に嵌入されて埋設されている。

【００１６】永久磁石（本発明でいう第２磁石部）３ａ
は、回転子鉄心２の外周面部に周方向に９０度間隔で形
成される各磁極２０の中心軸（ｄ軸という）を中心に板
厚方向が径方向へ向く姿勢で回転子鉄心２に埋設されて
おり、永久磁石（本発明でいう第１磁石部）３ｂは、上
記各磁極２０の境界部の径方向（ｑ軸という）に延在
し、その板厚方向が周方向（接線方向）に向く姿勢で回
転子鉄心２に埋設されている。永久磁石３ａ、３ｂの磁
化方向はその板厚方向とされており、互いに隣接する永
久磁石３ａ、３ａは互いに反対向きに磁化され、互いに
隣接する永久磁石３ｂ、３ｂは互いに反対向きに磁化さ
れている。これらの結果、回転子鉄心２の外周面部にお
いて互いに隣接する磁極２０、２０は互いに反対極性に
磁化されることになる。

【００１７】なお、他の態様として、上記永久磁石（本
発明でいう第１磁石部）３ａと永久磁石（本発明でいう
第２磁石部）３ｂとの配置を逆とすることもできる。ま
た、７は回転子鉄心２の回転角及び角速度を検出するレ
ゾルバやエンコーダ（回転数検出手段）であり、８はレ
ゾルバ７や図示しないアクセルペダルやブレーキペダル
の踏み量に応じた信号などに基づいて三相インバータ９
を制御するコントローラ（第１磁石部磁化反転手段）で
あり、三相インバータ９はバッテリから供給される直流
電圧から三相交流電圧を合成して電機子コイル１ａの各
相に個別に印加する。

【００１８】図１を参照して、回転子鉄心２の回転を簡
略に説明する。回転子鉄心２に付設されたレゾルバ７に
より検出された回転角により決定された位相と、角速度
により決定された周波数とを有する三相交流電圧が電機
子コイル１ａに印加され、電機子コイル１ａに流れる三
相交流電流により形成される回転磁界により同期モータ
の原理により回転子鉄心２が回転する。回転子鉄心２は
図示しないモータハウジング等に軸受けを介して回転自
在に保持されており、減速機（図示せず）等を介して電
気自動車の車輪に連結されている。

【００１９】漏れ磁束を無視すれば、図１では、回転子
鉄心２の各磁極２０は、永久磁石３ａの磁束Φａと、永
久磁石３ｂの磁束Φｂとの和の磁束を電機子コイル１ａ
と回転子鉄心２との間の小ギャップｇに形成している。
以下、永久磁石３ａの磁束量Φａおよび保磁力ｉＨｃａ
と永久磁石３ｂの磁束量Φｂ及び保磁力ｉＨｃｂとがｉ
Ｈｃａ＞ｉＨｃｂかつΦａ＞２Φｂの関係を有する場合
について説明する。

【００２０】低速高トルク領域での磁束と電流との位置
関係を図２に示す。ｉｃ，ｉｃ’は電機子コイル１ａに
流れる正弦波状電流の分布の中心を示す。この場合に
は、磁石３ａ、３ｂの磁束Φａ、Φｂの方向は同方向な
ので、磁極２０の磁束Φは漏れ磁束を無視すればΦａ＋
２Φｂとなり、高トルクを発生する。

【００２１】図３は、電機子コイル１ａに流れる正弦波
状電流の分布の中心ｉｃ，ｉｃ’を回転方向に角度Θだ
けずらせた磁束状態を示すものであり、このようにすれ
ば、磁石埋め込み構造においてｑ軸インダクタンス（Ｌ
ｑ）がｄ軸インダクタンス（Ｌｄ）より大きいことに起
因するリラクタンストルクを利用することにより更にト
ルクアップを図ることができる。

【００２２】図４は、高速低トルク領域での磁束と電流
との位置関係を示す図である。永久磁石３ｂの残留磁化
方向は図２と逆方向とされ、その結果、回転子鉄心２の
各磁極２０の磁束ΦはΦａ−２Φｂとなり、低トルク、
高回転を実現することができる。図５は、図２又は図３
の磁束状態（磁化状態）を図４の磁束状態（磁化状態）
に移行させる原理を示すものであって、ｑ軸すなわち、
回転子鉄心２の各磁極２０、２０の境界部位置が電機子
コイル１ａの電流分布の中心位置となる位相で電機子コ
イル１ａに通電するものである。

【００２３】このようにすれば、電機子コイル１ａに通
電される電流により形成される電流磁界Ｈβは、図５に
示すように、永久磁石３ａ、３ｂに対してそれらの残留
磁束を減少させる向きに作用する。ここで、電流磁界Ｈ
βの強さは、永久磁石３ａの磁化方向を反転させるには
弱いものの、永久磁石３ｂの磁化方向を反転させるには
充分の強さに設定されるので、永久磁石３ｂの磁化方向
は反転し、永久磁石３ａの磁化方向は反転されない。

【００２４】図６は、図４の磁束状態（磁化状態）を図
２又は図３の磁束状態（磁化状態）に移行させる原理を
示すものであって、図５と逆位相で電機子コイル１ａに
通電することにより形成される電流磁界Ｈｒは永久磁石
３ｂの磁化方向だけを反転させる。なお、この実施例で
は 電機子コイル１ａに印加される三相交流電圧の最大
振幅は通常のモータのＰＷＭ変調運転と等しく、バッテ
リの端子電圧に等しいとされる。但し、永久磁石３ｂの
磁化反転時のインバータ９のデューティ比は、モータの
ＰＷＭ変調運転のインバータ９のデューティ比より大き
く、その為に、この電流による起磁力が増加して、永久
磁石３ｂの磁化反転が実現される。当然、モータのＰＷ
Ｍ変調運転時のインバータ９のデューティ比は、通電電
流による電流磁界が永久磁石３ｂの磁化方向を反転させ
ない範囲に設定される。

【００２５】上記磁化反転時の永久磁石３ａ，３ｂの磁
界−磁束状態を示すＢ−Ｈカ−ブを図７に示す。実線で
示すＢーＨカーブは永久磁石３ｂのものであり、直線Ｂ
０〜Ｂ４はそれぞれ異なる磁界における永久磁石３ｂの
パーミアンスカーブを直線近似したものである。

【００２６】１点鎖線で示すＢーＨカーブは永久磁石３
ａのものであり、直線Ａ０、Ａ２はそれぞれ異なる磁界
における永久磁石３ａのパーミアンスカーブを直線近似
したものである。電機子電流が通常のモータＰＷＭ変調
範囲にある場合の永久磁石３ｂに対する電流磁界（電機
子反作用磁界）の最大強度をＨαとし、この磁界Ｈαで
は永久磁石３ｂは磁化反転はもちろん減磁もしないよう
に永久磁石３ｂの保持力を設定する。一方、永久磁石３
ｂの磁化方向を反転する場合には、永久磁石３ｂに永久
磁石３ｂを反対方向に磁気飽和させるに充分な逆磁界Ｈ
βをかける。この逆磁界Ｈβにより、永久磁石３ｂは逆
方向に磁化されるが、永久磁石３ａは保磁力ｉＨｃａが
大きいので減磁及び磁化反転しない。

【００２７】なお、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３はそれぞれの磁界
Ｈα、Ｈβ、Ｈγが作用した時のパーミアンスの変化を
示す。すなわち、電流磁界により永久磁石３ｂに磁界Ｈ
β又はＨｒ与えることにより、永久磁石３ｂの磁化方向
を反転することができる。以上により、回転子鉄心２を
低速運転から高速運転に変更する際、又は、高速運転か
ら低速運転に変更する際、短時間、逆磁界或いは増磁界
を与えるだけで回転子鉄心２の磁極２０の発生磁束量を
変更することができ、無駄な電流を長時間流す必要がな
く、低速から高速領域まで高効率の運転が実現する。

【００２８】また、上記した逆磁界Ｈβ、増磁界Ｈγは
ｄ軸を中心とする電流分布をもつので、トルクが短時間
０になるだけで、電気自動車が１瞬、ニュートラル状態
になるに等しく運転に違和感を与えない。図８は上述し
たように望ましいトルク−回転数カーブであり、図９は
本実施例の永久磁石３ｂの磁化反転によって得られるト
ルク−回転数カーブである。なお、切り換え直前と切り
換え直後での磁極２０の磁束量が急変するので、それに
よるトルクの急変があり、その区間においては逆界磁電
流を流して対応する必要があるが、この逆界磁電流を大
幅に減らすことができるので高効率運転が可能となる。 （実施例２）本発明の他の実施例のブラシレスＤＣモー
タの回転子構造を図１０に示す。

【００２９】回転軸２０には、回転子鉄心２１が相対回
転不能に嵌着、固定されており、回転子鉄心２の外周面
には４個の永久磁石３ｂが互いに周方向に９０度離れて
ボルト２２により固定されている。また、回転子鉄心２
の外周面には隣接する二つの永久磁石３ｂの間に位置し
て永久磁石３ａが固着されている。永久磁石３ｂの周方
向（回転子鉄心２の）両端部はＮ又はＳ極に磁化されて
いる。

【００３０】また、永久磁石３ａを挟んで互いに対向す
る両永久磁石３ｂの側面３５、３６は径外へ向かうにつ
れて次第に接近する形状となっており、同時に、これら
側面３５、３６に密接する永久磁石３ａの側面も径外へ
向かうにつれて次第に先細のテーパを有し、これにより
永久磁石３ｂの側面３５、３６が永久磁石３ａをその遠
心力に抗して保持している。もちろん、永久磁石３ａ、
３ｂの固定方式は上記方式以外に各種採用可能である。

【００３１】この実施例でも永久磁石３ｂの保持力は弱
く、永久磁石３ａの保持力は強く設定される。その結
果、互いに密接する両永久磁石３ａ、３ｂの極性が等し
くなる時、回転子鉄心２の磁極の磁束量は両者の磁束和
となり、互いに密接する両永久磁石３ａ、３ｂの極性が
反対になる時、回転子鉄心２の磁極の磁束量は両者の磁
束差となり、全体として減磁することが可能となる。ま
た、永久磁石３ｂの磁化反転も実施例１と同様の方法で
実施することができる。 （実施例３）他の実施例を図１１のフローチャートを参
照して説明する。

【００３２】このフローチャートは、図１のコントロー
ラ８による第１磁石部３ｂの磁化反転制御動作を示すも
のであって、まず回転数Ｎを入力し（１００）、回転数
Ｎが切り換えしきい値Ｎｔを超えたかどうかを調べ（１
０２）、超えたらフラグＦが１かどうかを調べ（１０
４）、フラグＦが１ならステップ１０６を迂回してステ
ップ１０８に進み、フラグＦが０ならフラグＦを１とし
て増磁タイマをリセットし、減磁タイマをスタートし、
ステップ１０８に進む。

【００３３】ステップ１０８では、減磁タイマのカウン
ト時間Ｔ１がしきい値Ｔｔ（ここでは１〜１０秒）を経
過したかどうかを調べ、経過しなければステップ１００
にリターンし、経過したら減磁指令を出して（１１
０）、第１磁石部３ｂを減磁方向に反転してステップ１
００にリターンする。一方、回転数Ｎが切り換えしきい
値Ｎｔ未満であればフラグＦが０かどうかを調べ（１１
２）、フラグＦが０ならステップ１１４を迂回してステ
ップ１１６に進み、フラグＦが１ならフラグＦを０とし
て増磁タイマをスタートし、減磁タイマをリセットし、
ステップ１１６に進む。

【００３４】ステップ１１６では、増磁タイマのカウン
ト時間Ｔ２がしきい値Ｔｔ（ここでは１〜１０秒）を経
過したかどうかを調べ、経過しなければステップ１００
にリターンし、経過したら増磁指令を出して（１１
８）、第１磁石部３ｂを増磁方向に反転してステップ１
００にリターンする。このようにすれば、車速又は回転
数に応じて適切にトルク制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のブラシレスＤＣモータの一実施例を示
す径方向断面図である。

【図２】図１のブラシレスＤＣモータにおいて電機子電
流の位置と磁束の位置との関係を示す径方向断面図であ
る。

【図３】図２のブラシレスＤＣモータの電機子電流の位
相をリラクタンストルク利用方向に変位した状態を示す
径方向断面図である。

【図４】図１のブラシレスＤＣモータにおいて永久磁石
（第１磁石部）３ｂを減磁方向に磁化した状態を示す径
方向断面図である。

【図５】図１のブラシレスＤＣモータにおいて、第１磁
石部３ｂを減磁方向に磁化反転する状態を示す径方向断
面図である。

【図６】図１のブラシレスＤＣモータにおいて、第１磁
石部３ｂを増磁方向に磁化反転する状態を示す径方向断
面図である。

【図７】図１のブラシレスＤＣモータの第１磁石部３ｂ
及び第２磁石部３ａの磁束と磁界又は保持力との関係を
示すＢ−Ｈカーブである。

【図８】ブラシレスＤＣモータの好ましい定出力特性を
示す回転数−トルク特性図である。

【図９】図１のブラシレスＤＣモータの回転数−トルク
特性図である。

【図１０】実施例２のブラシレスＤＣモータの回転子構
造を示す径方向断面図である。

【図１１】第１磁石部３ｂの増磁又は減磁を行う場合の
一実施例を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１は電機子鉄心、１ａは電機子コイル、ｇは小ギャッ
プ、２は回転子鉄心、３ａは永久磁石（第２磁石部）、
３ｂは永久磁石（第１磁石部）、２０は回転子鉄心２の
表面に誘起される磁極、８はコントローラ（第１磁石部
磁化反転手段）。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電機子コイルが巻装される電機子鉄心と、 前記電機子鉄心の磁極面に小ギャップを隔てて回転自在
   に対面する回転子鉄心と、 小保持力の第１磁石部及び大保持力の第２磁石部から構
   成されて前記回転子鉄心に固定されるとともに、前記両
   磁石部の磁束により前記小ギャップに面する前記回転子
   鉄心の表面に互いに反対極性を有する複数の磁極を回転
   方向に交互に形成する永久磁石と、 前記電機子コイルへの通電により前記第１磁石部の磁化
   方向のみを反転させる第１磁石部磁化反転手段とを備
   え、 前記各磁極は、前記第１磁石部の磁化が所定の一方向の
   場合に強化され、前記第１磁石部の磁化が反対方向の場
   合に弱化されることを特徴とするブラシレスＤＣモー
   タ。
2. 【請求項２】前記回転子鉄心の角速度を検出する回転数
   検出手段を有し、 前記第１磁石部磁化反転手段は、前記回転子鉄心が所定
   の回転数以上となる場合に前記第１磁石部の磁化反転に
   より前記各磁極を弱化させるものである請求項１記載の
   ブラシレスＤＣモータ。
3. 【請求項３】前記第１磁石部磁化反転手段は、前記回転
   子鉄心が所定の回転数以上となり、かつ、前記回転数の
   変化が少ない場合に、前記第１磁石部の磁化反転により
   前記各磁極を弱化させるものである請求項２記載のブラ
   シレスＤＣモータ。
4. 【請求項４】前記第１磁石部は、前記各磁極の境界部か
   ら求心方向に延びる線上に配設されるとともに厚さ方向
   が周方向に配設される永久磁石からなり、 前記第２磁石部は、前記各第１磁石部の間に配設される
   とともに厚さ方向が径方向に配設される永久磁石からな
   る請求項１記載のブラシレスＤＣモータ。
5. 【請求項５】前記第２磁石部は、前記各磁極の境界部か
   ら求心方向に延びる線上に配設されるとともに厚さ方向
   が周方向に配設される永久磁石からなり、 前記第１磁石部は、前記各第２磁石部の間に配設される
   とともに厚さ方向が径方向に配設される永久磁石からな
   る請求項１記載のブラシレスＤＣモータ。
6. 【請求項６】前記第２磁石部の保持力の絶対値が前記第
   １磁石部の保持力の絶対値より大きい場合に、前記第２
   磁石部の磁束量は前記第１磁石部の磁束量の２倍より大
   きく設定される請求項１記載のブラシレスＤＣモータ。