WO2017188143A1

WO2017188143A1 - モータ

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Publication number: WO2017188143A1
Application number: PCT/JP2017/016026
Authority: WO
Inventors: 梨木　政行
Original assignee: 梨木　政行
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2017-11-02
Also published as: JP2017200251A; JP6782000B2; US20190296594A1; US11283314B2

Abstract

【課題】　低速回転での高力率な大トルクと、高速回転での高力率な界磁弱め特性とを両立するモータ。　【解決手段】　ロータ磁極と円周方向に隣接するロータ磁極との間に長穴状のスリットと、前記スリットの中に配置する永久磁石ＭＧ１と、前記永久磁石ＭＧ１の磁束方向に密接して配置した非磁性体ＮＭＰ１とを備えることにより、大トルク時にはトルク電流成分によるロータの界磁磁束の変動を低減し、高速回転時には永久磁石の磁束が過大な界磁磁束とならないように抑制し、高力率な大トルクと高力率な界磁弱め特性とを両立させる。

Description

モータ

　電気自動車などの主機用モータ、産業用モータ、および、それの駆動技術などに関わるものであり、モータシステムの高効率化、小型化、低コスト化に関わるものである。

　ハイブリッド自動車用の主機モータ、産業用モータとして磁石内蔵型モータが使用されている。今後、電気自動車などが普及すると、その主機用のモータの高性能化、小型化、低コスト化の要求が強まると推測される。また、モータ駆動用のインバータも、モータの力率改善により、インバータ電流容量の低減、小型化、低コスト化が可能となる。

　図１４は４極の磁石内蔵型モータのロータ断面図例である。１４１はロータ、１４２はロータ軸である。１４３、１４４、１４５、１４６は永久磁石であり、図示するようにＮ極とＳ極の向きに配置している。各永久磁石の両端に配置する１４７、１４８はフラックスバリアとも言われ、空間部となっていて、フラックスバリアを横断して通過する方向の磁気抵抗を大きくしている。なお、図１４には、界磁磁束の方向などの説明のため、ｄ軸とｑ軸とを付記している。

　図１４で示すモータは、トルクを効率良く発生できるだけでなく、ロータ磁極の界磁磁束の大きさをステータの電流により可変できる特徴がある。すなわち、高速回転が可能となるように、高速回転領域において界磁磁束の大きさを減少することができる。しかし、界磁磁束の可変範囲には限界がある。

　電気自動車の主機用モータの回転数－トルク特性には、急坂道の登坂運転時に使用する低速回転での大トルク、高力率、および、高速回転時の弱め界磁特性との両方の特性が求められる。図１４で示す従来モータは、中程度の負荷トルクを効率良く出力することができる。しかし、急坂道の登坂運転時などで要する、連続定格トルクの3倍以上の大トルクを出力する場合には、ステータ電流が大きな値となるためその電機子反作用が大きくなり、力率が低下する問題がある。力率が低下すると、力率の逆数に比例して電流振幅が大きくなり、銅損は電流振幅の２乗に比例して発生して増加する。また、一方、高速回転ではモータ電圧を制限するために界磁磁束を低減する必要がある。そのために、弱め界磁電流成分を通電する必要があり、弱め界磁電流により銅損が増加する問題がある。いずれの問題も、モータ発熱となるため、モータが大型化する傾向にある。例えば、トルクと力率の向上策として永久磁石１４３、１４４、１４５、１４６の性能を向上させ場合、トルク特性は改善するが、他方の弱め界磁特性が悪化することになる。即ち、大トルク化・高力率化と高速回転での界磁弱め特性とは背反関係となっていて、両立が難しい。

　図１５は、他の４極の磁石内蔵型モータのロータ断面図例である。１５１、１５２は永久磁石である。図中にｄ軸とｑ軸を付記している。１５３、１５４、１５５は多層のフラックスバリアであり、空間である。これらのフラックスバリアはｑ軸方向の磁気抵抗を大きくしている。これらのフラックスバリアの間には、ｄ軸方向に向いた細い磁路ＭＭＰが多層に形成されている。従って、ｄ軸方向の磁気抵抗は小さい。前記永久磁石１５１と前記フラックスバリア１５４とは密接して配置されていない。前記永久磁石１５２と前記フラックスバリア１５５とは密接して配置されていない。

　前記フラックスバリア１５４、１５５には、前記永久磁石１５１、１５２が発生するｑ軸方向の磁束を抑制する効果がある。しかし、フラックスバリア間のｄ軸方向に向いた細い磁路がロータ磁極の磁路の大半を占め、永久磁石１５１、１５２が発生する磁束は前記の細い磁路ＭＭＰを通ってｄ軸方向のステータ側へ通過してしまう。すなわち、ｄ軸方向へ通過する局部的な磁束を抑制する効果は少ない。これは永久磁石と多層の各フラックスバリアとが密接しない構造となっているためである。また、この局部的な磁束は、電気角３６０°周期の正弦波磁束分布ではなく、高調波成分を多く含むためトルクリップルが増大するなどの問題がある。

特開平０５－２３６６８４（図１）特開２０００－１５２５３８（図１）

　電気自動車の主機用モータの回転数－トルク特性には、急坂道の登坂運転時に使用する低速回転での大トルク、高力率、および、高速回転領域での弱め界磁制御による定出力特性との両方の特性が求められる。本発明の課題は、背反関係にある前記の二つの特性を両立し、モータおよびインバータを小型化、低コスト化することである。

　請求項１に記載の発明は、永久磁石を備えるモータにおいて、ロータ磁極と円周方向に隣接するロータ磁極との磁極間に配置する長穴状のスリットと、前記スリットの中に配置する永久磁石ＭＧ１と、前記永久磁石ＭＧ１の磁束方向に密接して配置する非磁性体ＮＭＰ１とを備え、１個のロータ磁極に含まれる非磁性体ＮＭＰの厚みの総和がステータとロータとの間のエアギャップ長の最も小さい部分の値より大きいモータの構成である。
　この構成によれば、大トルクを高力率で実現し、かつ、電流負担の小さな弱め界磁特性を得ることができる。すなわち、前記両特性の背反関係を解消することができる。

　請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記スリットに永久磁石ＭＧ２を配置するフラックスバリア部ＦＢ２、あるいは、前記スリットに非磁性体ＮＭＰ２を配置するフラックスバリア部ＦＢ３を備えるモータの構成である。
　この構成によれば、高力率な大トルクと弱め界磁特性との背反関係を解消すると同時に、永久磁石や非磁性体を効果的に配置し、モータ特性をより適正化することができる。

　請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記の複数のスリットと、ロータ磁極に含まれる前記永久磁石ＭＧ１と前記非磁性体ＮＭＰ１とを配置するフラックスバリア部ＦＢＮの数が各ロータ磁極ごとに１であり、前記フラックスバリア部ＦＢＮは円周方向に隣接する２個のロータ磁極の間に配置するモータの構成である。この構成によれば、高力率な大トルクと弱め界磁特性との背反関係を解消すると同時に、簡素なモータ構成を実現できる。

　本発明の目的は、電気自動車などの主機用モータにおいて、急坂道の登坂運転時に使用する低速回転での大トルクを高力率で実現し、同時に、高速回転時の弱め界磁制御をも効率良く実現することである。本発明の効果は、永久磁石の磁気特性によりモータの電機子反作用を打ち消す構成として高力率な大トルクを実現し、同時に、樹脂あるいは空間などの非磁性体部を効果的に配置することにより永久磁石が過大な界磁磁束を生成しない構成とし、また、効率良く弱め界磁制御を実現する。その結果、モータの高効率化、小型化、軽量化、低コスト化を実現する。また、高力率化によりモータ駆動用インバータの電流容量を低減することができ、インバータの小型化、低コスト化も実現できる。

本発明モータの断面図本発明ロータの断面図速度－トルク特性２極の従来ロータの例界磁磁束のベクトル図２極の本発明ロータの断面図永久磁石の磁気特性永久磁石と非磁性体の断面形状の例４極の本発明ロータの断面図例永久磁石と非磁性体の断面形状の例４極の本発明ロータの断面図例２極の本発明ロータの断面図例４極の本発明ロータの断面図例従来モータの例従来モータの例

　図１に本発明のモータの断面図を示す。３相交流、４極、１２スロットで、巻線は全節巻きで、かつ、一つの相の巻線が一つのスロットに集中した集中巻きの例である。１Ｄはステータである。１１と１４、および、１７と１ＡはＵ相の巻線である。１１と１４へはＵ１巻線を巻回し、１７と１ＡへはＵ２巻線を巻回している。これらのスロット間の巻線接続を１Ｆなどのコイルエンド部の接続線で示している。１３と１６、および、１９と１ＣはＶ相の巻線である。１３と１６へはＶ１巻線を巻回し、１９と１ＣへはＶ２巻線を巻回している。１５と１８、および、１Ｂと１２はＵ相の巻線である。１５と１８へはＷ１巻線を巻回し、１Ｂと１２へはＷ２巻線を巻回している。

　図２に図１のロータ１Ｇを拡大した図を示す。４極のロータであり、ロータ磁極の方向を示すためｄ軸とｑ軸を付記している。２１は永久磁石で非磁性体２２が密接して配置した構成で、特有の磁気特性を示す磁気ユニットを構成している。同様に、２３は永久磁石で非磁性体２４が密接して配置した磁気ユニットを構成している。２５は永久磁石で非磁性体２６が密接して配置した磁気ユニットを構成している。２７は永久磁石で非磁性体２８が密接して配置した磁気ユニットを構成している。２Ｊは永久磁石で非磁性体２Ｈが密接して配置した磁気ユニットを構成している。永久磁石２１、２３、２５、２７、２Ｊなどは、それぞれ、図２の正のｄ軸方向から負のｄ軸方向へ、断面が円弧状をなす板状の永久磁石である。これらの永久磁石のＮ極とＳ極の極性方向は、付記したＮおよびＳの極性の方向である。非磁性体２２、２４、２６、２８、２Ｈは前記永久磁石の側面に密接に配置した樹脂などの非磁性体であり、断面が円弧状をなす板状の形状である。これらの非磁性体は空間であっても良い。また、永久磁石と非磁性体とは磁気的に直列に繋がっているので、その配置順は逆にしても磁気的に大差がない。図２の例では、非磁性体が空間であることを想定して、遠心力が作用する永久磁石２１、２３、２５、２７、２Ｊを外形側に配置している。

　２９、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄは前記の永久磁石と前記非磁性体で囲われた界磁磁束を通す界磁磁路であり、ステータのｄ軸電流により界磁磁束がｄ軸方向に通る。図２の紙面で上方がｄ軸である。ｄ軸から反時計回転方向ＣＣＷへ電気角で９０°の方向がｑ軸である。前記界磁磁路は電磁鋼板をロータ軸方向に積層している。なお、圧粉磁心などの軟磁性体で構成することもできる。また、前記非磁性体とは、樹脂あるいは空間などの比透磁率の低い状態である。永久磁石を挿入する電磁鋼板の長穴、および、非磁性体を配置する電磁鋼板の長穴は、その形状からスリットと言う。また、機能的には、前記非磁性体、および、永久磁石は、ステータ電流による電機子反作用などに起因する磁束を低減する。その機能的な意味でフラックスバリアと言われている。図2のロータ外周部は、例えば２Ｆ、２Ｇなどのように電磁鋼板が繋がっていて、遠心力に耐えられる構成としている。２Ｅはロータ軸である。図１、図２のモータの特性については、後に、図６と共に説明する。

　次に、電気自動車などの主機用モータに求められる速度－トルク特性の例を図３に示す。横軸は回転数Ｎ［ｒｐｍ］であり、縦軸はトルクＴ［Ｎｍ］である。電気自動車などの主機用モータにおいて、急坂道の登坂運転時に、図３の動作点３０の近辺の大きなトルクＴ４が求められる。しかも、高効率であるためには高い力率が求められる。なお、この時、回転数は低速である。動作点ＮＴ１の速度Ｎ１は基底回転数とも言われ、その回転数以下ではトルクＴ１が必要である。基底回転数Ｎ１から最大回転数Ｎ２までの領域では、回転数とともにトルクが低下するような特性である。３１で示す特性は、回転数とトルクの積が一定値に近い関係で、定出力特性が求められる。３１などの高速回転の領域では、モータ電圧がインバータの電源電圧より大きくならない程度に、モータの界磁磁束を小さくする必要がある。この時、弱め界磁を行うための電流負担をできるだけ小さくして、銅損が過大とならないような特性が求められる。以上のように、図３の動作点３０の近辺ではできるだけ大きな界磁磁束が求められ、３１のような高速回転の領域では小さな界磁磁束とする必要がある。

　その観点で、従来モータである図１４のモータを２極の構成に等価的に変形した図４でその問題点を説明する。４５はロータの外周表面である。図中にｄ軸とｑ軸を付記している。４１と４２は永久磁石で、その極性は図示するＮ極とＳ極の方向あり、紙面の左側がＳ極で右側がＮ極である。従って、永久磁石４１、４２はｑ軸の負の方向、即ち、紙面で左側から右側へ通過する磁束成分を作る。４３と４４などはスリットであり、空間である。

　４８と４９はステータのｄ軸電流成分Ｉｄであり、それぞれのシンボル方向に電流を通電した場合、ｄ軸方向に起磁力が作用し、ｄ軸方向の界磁磁束が生成する。４６と４７はステータのｑ軸電流成分Ｉｑであり、それぞれのシンボル方向に電流を通電した場合、負のｑ軸方向に起磁力が作用し、q軸方向、４Ａおよび４Ｂの方向の起磁力を生成する。なお、図４のステータは、図1に示すステータを2極の構成としたものであるが、図４では前記４８、４９のｄ軸電流成分Ｉｄと前記４６、４７のｑ軸電流成分Ｉｑだけを示し、ステータの軟鉄部、巻線を巻回するスロットなどは記載を省略している。

　図５はモータの界磁磁束Φａを説明する磁束のベクトル図である。磁束Φｍは永久磁石の磁束成分［Ｗｂ］である。Φｄは前記４８、４９のｄ軸電流成分Ｉｄにより励磁されたｄ軸方向磁束成分である。界磁磁束Φａは永久磁石の磁束成分Φｍとｄ軸方向磁束成分Φｄとのベクトル和と考えることができる。

　ここで、図４の従来モータが図３の３０の近辺で大きなトルクを発生する状態を考えると、トルクを発生する電流成分である前記４６、４７のｑ軸電流成分Ｉｑが大きな値となる。そして、ｑ軸電流成分Ｉｑは４Ａ、４Ｂの一点鎖線で示す起磁力を発生する。この起磁力４Ａ、４Ｂは電機子反作用とも言われ、永久磁石４１、４２の磁束の方向とは反対方向としている。そして、永久磁石４１、４２が起磁力４Ａ．４Ｂの電機子反作用を弱めている。この時、図５の磁束成分Φｍが減少している。

　一方では、図４の従来モータが図３のＮＴ２の近辺の高回転速度の領域で動作する場合には、モータ電圧をインバータの電源電圧以下に抑えるために、永久磁石の発生する磁束成分Φｍを減少させる必要がある。そのため、高回転速度では永久磁石の強さを弱めるための電流を通電する必要がある。従って、高トルク化のためには永久磁石を強める必要があり、高回転速度のためには永久磁石を弱める必要があり、矛盾する特性となる。即ち、両特性はトレードオフの関係となっていて、両立が困難であるという問題がある。また、永久磁石４１、４２は大きなｑ軸電流成分Ｉｑによって減磁してはならないので、減磁しない程度の強さが最低限必要でもある。

　本発明の図２の４極のロータ構成を、等価的に2極としたロータ構成を図６に示す。４極以上の多極のモータ構成の図より２極のモータ構成の方が、電磁気的な作用が解り易いので、本発明モータの電磁気的な作用を図６のモータ構成を使用して説明する。６１はロータの外周表面である。図中にｄ軸とｑ軸を付記している。６３と６５は永久磁石で、その極性は図示するＮ極とＳ極の方向あり、紙面の左側がＳ極で右側がＮ極である。従って、永久磁石６３、６５はｑ軸の負の方向、即ち、紙面で左側から右側へ通過する磁束成分を作る。６２と６４は非磁性体であり、例えば、樹脂あるいは空間などのように、非磁性で、かつ、電気的に抵抗の大きなものである。

　６９と６Ａはステータのｄ軸電流成分Ｉｄであり、それぞれのシンボル方向に電流を通電した場合、ｄ軸方向に起磁力が作用し、軟磁性体の磁路である６Ｂ、６Ｃ、６Ｄのそれぞれのｄ軸方向に界磁磁束が生成する。６７と６８はステータのｑ軸電流成分Ｉｑであり、それぞれのシンボル方向に電流を通電した場合、負のｑ軸方向で起磁力が作用し、q軸方向、一点鎖線で示す磁束経路６Ｅの方向および磁束経路６Ｆの方向に起磁力を生成する。なお、６７、６９のシンボル方向は、紙面の表側から裏側へ向かう電流方向である。６８、６Ａのシンボル方向は、紙面の裏側から表側へ向かう電流方向である。

　また、図1はモータの横断面図であり、３相巻線を配置するスロットなども示し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相などで表現する３相、４極の固定子座標の構成例である。これに対し、図６のステータは、図1に示す４極のステータを2極の構成に変形し、ｄ軸とｑ軸の回転座標系で示している。図６中にｄ軸とｑ軸を付記している。そして、図６では前記６９、６Ａのｄ軸電流成分Ｉｄと前記６７、６８のｑ軸電流成分Ｉｑだけを示し、ステータの軟鉄部、巻線を巻回するスロットなどは記載を省略している。

　次に、図６の作用を説明するために、図７に永久磁石ＰＭ１の磁気特性の例を示す。図７の縦軸は磁束密度［Ｔ］であり、横軸は磁界の強さ［Ａ／ｍ］である。永久磁石ＰＭ１の動作点７１のＢ１は残留磁束密度であり、この時の磁界の強さは０である。動作点７５の磁界の強さＨ５はこの永久磁石ＰＭ１の保磁力である。

　図４の従来モータの場合、永久磁石４１、４２の磁気回路は軟鉄である電磁鋼板と、ステータとロータ間のエアギャップＡＧＰであり、比較的磁気抵抗が小さいので、電流を通電していない時には動作点７２で比較的大きな磁束密度Ｂ２、磁界の強さＨ２となる。例えば、図３の速度－トルク特性において、回転速度は高速でＮ２の近傍であって、負荷トルクが０に近い小さな値の場合について考えてみる。この時、もし、モータの電流が０に近い値であるとすると、界磁磁束成分Φｍは図７のＢ２に比例するので大きな値となる。図５のｄ軸電流４Ｍ、４９を小さい値として、界磁磁束成分Φｄを０に近い値にできる。しかし、界磁磁束Φｍは大きい値となるため、各相巻線の誘起電圧は過大となるので、界磁磁束ΦｍおよびΦａを弱める電流として図４の４６、４７へｑ軸電流Ｉｑを通電する必要がある。この弱め界磁電流を通電することにより高速回転、軽負荷の領域のモータ効率が低下する問題がある。前記動作点７２の磁束密度Ｂ２では、永久磁石の界磁磁束成分Φｍが大きすぎるのである。

　そこで、界磁磁束成分Φｍを小さくするために、例えば、永久磁石４１、４２の厚みを薄くすることができる。その結果、軽負荷の場合には各相巻線の誘起電圧が低下するので、モータ電流が小さい場合には過電圧の問題は解消する。しかし、大トルクを発生する時には大きな電流が必要となり、図４に示す起磁力４Ａ、４Ｂが大きくなり、界磁磁束Φａの方向が変化して力率が低下し銅損が増加する問題がある。また、永久磁石４１、４２が大電流時に減磁する問題も発生する。

　従来モータである図１４、図４の磁石埋め込み型同期電動機において、これらの問題は低トルクから連続定格トルクの２００％トルク程度の範囲ではそれほど顕著ではないことが多い。従って、２００％トルク程度の範囲で使用する用途では、特に問題はなく、多くの用途に使用されている。しかし、電気自動車の主機用モータ、ハイブリッド自動車の主機用モータでは連続定格トルクの３００％、４００％という大きなトルクが急坂道の登坂運転などの低速回転で求められる。そのような領域で従来モータは力率が０．６程度に低下することがあり、力率が１．０場合に比較し（１／０．６）＝１．６６６７倍の電流が必要となり、銅損は二乗に比例するので２．７７７８倍に増加する問題がある。さらに、高速回転での界磁弱め電流の負担の問題もある。これらの結果、モータが大型化することになる。インバータも電流容量が増加し、大型化する。低速回転の大トルク特性と高速回転での弱め界磁特性の両立は容易ではない。

　図６の本発明モータの場合、永久磁石６３と非磁性体６２とが密接して磁気的に直列に配置している。永久磁石６５と非磁性体６４も同様である。従って、ステータ電流が流れていない時、紙面で左から右へ向かう磁束の磁束密度は低く抑えられる。なお、この磁石磁束の方向は、ｑ軸電流６７、６８の起磁力方向を示す前記磁束経路６Ｅおよび磁束経路６Ｆの方向とは逆方向である。そして、永久磁石６３、６５の磁束方向とは直交する方向に軟磁性体の磁路６Ｂ、６Ｃ、６Ｄがあり、ｄ軸電流６９、６Ａにより図５に示すｄ軸磁束を容易に生成することができ、界磁磁束Φａを大きな値とし、大トルクを発生することができる。

　図６の磁束密度の大きさの概略を、ステータとロータ間のエアギャップを０．５ｍｍ、非磁性体６２、６４の厚みｔｎを２ｍｍ、その他の軟磁性体の磁気抵抗を０と仮定して、図４の従来モータの場合と比較して説明する。永久磁石６３、６５は厚みｔｍで長さＬｍとする。永久磁石の長さＬｍとその磁束が通過するエアギャップ部の円周方向長さは、試算モデルを単純化するため同一長さと仮定する。図４のエアギャップも０．５ｍｍで、永久磁石４１、４２、６３、６４の厚みｔｍと長さは同じと仮定する。図６のモータの磁束経路６Ｅのエアギャップと非磁性体の磁束方向の長さはおおよそ、（０．５＋０．５＋２＋２）＝５ｍｍであるのに対し、図４のモータの磁束経路４Ａのエアギャップの長さは（０．５＋０．５）＝１ｍｍなので、磁気抵抗はおおよそ５倍になる。図７の永久磁石ＰＭ１の磁気特性の動作点では、図４のモータの動作点が７２であったのに対し、図６のモータの動作点は７３で、磁束密度Ｂ３、磁界の強さＨ３となる。ここで、（磁石の磁界の強さ）×（磁石の厚み）＝（非磁性体部の磁界の強さ）×（非磁性体部の磁路長）の関係から次のような関係となる。この時、ｄ軸電流Ｉｄである６９と６Ａ、ｑ軸電流Ｉｑである６７、６８は０とする。
　　Ｈ２×ｔｍ×２＝ＨＸ×０．００１　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
　　Ｈ３×ｔｍ×２＝ＨＹ×０．００５　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
　　Ｂ２＝μ×ＨＸ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
　　Ｂ３＝μ×ＨＹ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）
ＨＸは図４の従来モータのエアギャップ部の磁界の強さで、ＨＹは図６の本発明モータのエアギャップ部の磁界の強さである。μは透磁率である。（１）、（２）、（３）、（４）式より次式となる。
　　Ｈ３／Ｈ２＝ＨＹ／ＨＸ×５
　　　　　　　＝Ｂ３／Ｂ２×５　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）
永久磁石特性に依存するが、概略として、磁束密度Ｂ３がＢ２の１／２の場合は、磁界の強さＨ３はＨ２の２．５倍の値となる。非磁性体部の長さが１ｍｍから５ｍｍへ５倍になっても、磁束密度が１／５になるわけではない。以上の説明例のように、図６のモータでは、電流が０の時の磁束密度を、図４の従来モータに比較して低減することができる。図７の永久磁石の特性では、動作点が７２から７３へ変わる。

　次に、図６のモータに大きな電流を通電する場合について説明する。まず、前記６７、６８のｑ軸電流成分Ｉｑが０の場合には、図７の動作点７３にあり、磁界の強さはＨ３で２個の永久磁石が発生する起磁力は、２×Ｈ３×ｔｍである。永久磁石が発生する起磁力は、その動作点における磁石の起磁の強さと磁石厚みｔｍの積である。この起磁力が２箇所のエアギャップと非磁性体６２、６４の励磁に使われている。従って、磁束密度Ｂ３は（２）式よりと概略計算できる。
　　Ｂ３＝μ×ＨＹ
　　　　＝μ×（Ｈ３×ｔｍ×２）／０．００５　　　　　　　　　　　　　　　（６）
ここで、磁界の強さＨ３の単位は［Ａ／ｍ］で、磁束密度Ｂ３の単位は［Ｔ］で、μは透磁率で、エアギャップと非磁性体の長さの単位は［ｍ］である。

　前記６７、６８のｑ軸電流成分Ｉｑが大きな値Ｉｑｚである時、永久磁石６３、６５へ６Ｅの矢印方向の起磁力が発生し、図７の動作点は７３から７４へ移動する。永久磁石６３、６５の磁束密度がＢ３からＢ４へ低下し、磁界の強さはＨ３からＨ４へ増加する。この時、２箇所のエアギャップと非磁性体６２、６４の励磁に消費される起磁力は、磁束密度がＢ３からＢ４へ低下した分だけ減少する。その消費起磁力は、（Ｈ３×ｔｍ×２）から（Ｈ３×ｔｍ×２）×Ｂ４／Ｂ３に減少する。そして、永久磁石６３、６５が発生する起磁力の内、前記ｑ軸電流成分Ｉｑと相殺する起磁力ＨＴ４は次式となる。
　　ＨＴ４＝（Ｈ４×ｔｍ×２）－（Ｈ３×ｔｍ×２）×Ｂ４／Ｂ３　　　　　　（７）

　もし、永久磁石６３、６５が動作点７５の磁束密度が０の点まで減磁しない特性であり、その動作点７５までモータとして活用する場合、永久磁石６３、６５が前記ｑ軸電流成分Ｉｑと相殺する起磁力ＨＴ５は次式となる。
　　ＨＴ５＝（Ｈ５×ｔｍ×２）－（Ｈ３×ｔｍ×２）×０／Ｂ３　　　　　　　（８）
　　　　　＝（Ｈ５×ｔｍ×２）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（９）

　（９）式の結果、永久磁石の保磁力Ｈ５の全てを、前記６７、６８のｑ軸電流成分Ｉｑが発生する電機子反作用である起磁力を打ち消し、相殺するために使用できることを示している。そして、電機子反作用を打ち消すために活用可能な永久磁石の起磁力は、非磁性体６２、６４の厚みｔｎに影響されていない。即ち、非磁性体６２、６４の厚みｔｎが大きな値であっても、永久磁石６３、６５の保磁力の大半を電機子反作用を打ち消すために使用できることを示している。従って、モータ設計としては、前記６７、６８のｑ軸電流成分Ｉｑが発生する最大の起磁力に応じて永久磁石の厚みｔｍを決定し、モータが高速回転時の弱め界磁に都合の良いように非磁性体６２、６４の厚みｔｎを設定することが可能である。なお、大きなトルクを発生する時に力率を良くするためには、図７の動作点７５ではなく、動作点７４の方が良い。

　次に、図３の運転領域３０のような、低速回転で大きなトルクを発生する場合について説明する。図６のモータは、前記６９、６Ａのｄ軸電流成分Ｉｄを通電してｄ軸界磁磁束Φｄを作り、磁石磁束Φｍとのベクトル合成で界磁磁束Φａを得、前記６７、６８のｑ軸電流成分Ｉｑへ大きな電流を通電して大きなトルクを出力することができる。ここで、前記界磁磁束Φａと、ｄ軸電流成分Ｉｄとｑ軸電流成分Ｉｑとのベクトル和であるステータ電流Ｉａとの外積がトルクとなる。また、前述のように、永久磁石６３、６５の厚みは、ステータ電流Ｉａが発生する起磁力に負けないような厚みとすることにより、ステータ電流Ｉａの起磁力を相殺することができるので、電機子反作用によるトルク低下を防ぐことができる。それは力率を改善することでもある。

　そして、図３の運転領域３１のような、高速回転を行う場合について説明する。高速回転では、モータの電圧がインバータの電源電圧を越えないように、界磁磁束Φａを低減する必要がある。例えば、運転領域３１が定出力制御である場合で、最高回転数Ｎ２が基底回転数Ｎ１の４倍である時、動作点ＮＴ１での界磁磁束Φａ１に対して動作点ＮＴ２での界磁磁束Φａ２の大きさを１／４とする必要がある。

　そのために、非磁性体６２、６４の厚みｔｎを大きな値として、永久磁石の界磁磁束成分Φｍを小さな値とする必要がある。そして、高速回転領域では、指令回転数と指令トルクに応じて前記ｄ軸電流成分Ｉｄと前記ｑ軸電流成分Ｉｑを設定して制御することができる。このようにして、図２、図６のモータは、低速回転の大トルク特性と高速回転での弱め界磁特性とを両立させることができる。

　次に、前記非磁性体６２、６４の厚みｔｎについて説明する。複数の非磁性体の磁束方向の厚みの総和は、定出力範囲の広さ、最大トルク、モータサイズなどが関わる。少なくとも、磁気的に直列に配置する複数の非磁性体の厚みの総和は、ステータとロータ間のエアギャップ長Ｌｇよりは大きい。ここで、エアギャップ長が円周方向に変化する構造のモータの場合には、前記Ｌｇは一番小さくなる部分のエアギャップ長である。なお、電気自動車の主機用モータの場合、モータ容量は数ｋＷから数１００ｋＷとなり、エアギャップ長は０．３ｍｍから１．５ｍｍ程度である。また、磁気的に直列に配置する複数の非磁性体の厚みの総和は、磁気的に直列に配置する複数の永久磁石の厚みの総和の１／４以上でもある。なお、厚みに関するこれらの数値の根拠は、本発明モータの特性を種々パラメータで試算し、効果の有無で判断したものである。

　図６の本発明モータの構成と効果を要約すると次のように言える。永久磁石６３、６５は厚みｔｍの設定により必要な磁束密度を設定することができること、同時に、永久磁石に密接した非磁性体６２、６４の厚みｔｎの設定により過大な永久磁石の磁束密度を発生させないこと、また、ステータ電流の電機子反作用により永久磁石６３、６５が減磁しないように厚みｔｍを設定できること、永久磁石の磁束方向とは電気角的に直交する方向に軟磁性体の磁路６Ｂ、６Ｃ、６Ｄが構成されていてｄ軸電流によりｄ軸方向に界磁磁束成分Φｄを容易に生成できることである。界磁磁束Φａの可変が容易となり、大トルクと弱め界磁とを効率よく実現できる。

　次に、図２、図６に示した永久磁石と非磁性体の配置関係と形状の例を図８に示す。８１はロータを構成する電磁鋼板の一部であり、電磁鋼板は紙面の表裏の方向に積層している。８３は長穴でありスリットと言っている。スリット８３は空間であり、永久磁石を配置、固定する目的と、スリット配置部の磁気抵抗を高める目的とがある。８２は永久磁石であり、電磁鋼板８１の積層方向へ挿入している。永久磁石８２の着磁方向は記載するＮ、Ｓの方向であり、紙面の右側がＮ極、紙面の左側がＳ極である。永久磁石８２の厚みｔ３と長さｔ６は、モータの電機子反作用の大きさの電磁気的な作用により決める。スリットの長さｔ７も電磁気的な作用により決める。スリット８３の中の永久磁石８２との隙間ｔ８は、永久磁石８２を挿入して組み立てるために必要なスペースで、０．２ｍｍなどと小さい。８５は非磁性体であり、空間あるいは樹脂などである。その厚みｔ５は電磁気的な作用により決める。非磁性体８５が空間である場合はスリットと言っている。永久磁石８２と非磁性体８５との間の電磁鋼板部８４は、永久磁石８２の固定と非磁性体８５の固定のために設けている。電磁鋼板部８４の幅ｔ４は、ごく小さい値であり、永久磁石の磁束が電磁鋼板部８４を通って紙面の上下に漏れる量が無視できる程度である。例えば、ｔ４はｔ６の１／５以下である。このような電磁鋼板部８４の幅ｔ４が小さい値の場合は、永久磁石８２と非磁性体８５とがほぼ密着していると考えられ、本発明に含むものである。なお、図２、図６の構成は、電磁鋼板部８４の幅ｔ４が０の場合である。

　図９にすモータは、図２のロータに比較して磁石の数を半分の４個に減らし、磁石形状を平板状にしている。９１、９３、９５、９７は永久磁石である。９２、９４、９６、９８は非磁性体である。永久磁石形状は平板状の方が製作性が良い。簡素なロータ構成となり、ロータコストを低減できる。逆に、磁石と非磁性体の数を、図２のように２倍にすること、あるいは、３倍にすることもできる。また、図１０に示すような種々形状の永久磁石、非磁性体を組み合わせて適用することができる。

　図１０に永久磁石と非磁性体の形状を変形した永久磁石と非磁性体の断面形状の例を示す。紙面の表裏の方向がロータ軸方向である。それぞれ、図２、図６、図９、図１１、図１２、図１３などの本発明モータに適用することができる。なお、図８の８１に相当する電磁鋼板は、図１０では図示を省略している。図１０の（ａ）の１０１は永久磁石であり、紙面の右方向がＮ極で左方向がS極である。紙面の表裏の方向がロータ軸方向である。永久磁石１０１の形状は平板状の永久磁石である。図１０の他の形状も同様である。図１０の（ｂ）は永久磁石１０２と非磁性体１０３が密接して平行に配置した構成である。永久磁石１０２と非磁性体１０３の間には、細い電磁鋼板があり、永久磁石１０２、非磁性体１０３の固定に効果的である。図１０の（ｃ）は永久磁石１０４より非磁性体１０５が短い例である。

　図１０の（ｄ）は永久磁石１０６より非磁性体１０７の方が長い例である。また、永久磁石１０６と非磁性体１０７との間に電磁鋼板部１０Jがわずかに存在する。図１０の（ｅ）は永久磁石が１０８と１０９に分離され、非磁性体も１０Ａと１０Ｂに分離され、それぞれの間にｔ１の幅の電磁鋼板がある。このｔ１幅の電磁鋼板により、ロータの遠心力に対するロータ各部の強度を確保することができる。なお、電磁気的には漏れ磁束が通過するため好ましくはない。このｔ１幅の部分は、つなぎ部、リブ、あるいは、ブリッジとも言われ、永久磁石内臓形のモータでは多く使用されている。このつなぎ部に求められる強度は、モータサイズ、永久磁石の重量、モータ使用回転数により変わる。このつなぎ部は、本発明モータのロータ強度設計においても重要な要素である。

　図１０の（ｆ）はスリット１０Ｄの中に永久磁石１０Ｃを配置している。図１０の（ｇ）はスリット１０Ｆの中に永久磁石１０Ｅを配置していて、永久磁石１０Ｅが傾いている。　図１０の（ｆ）、（ｇ）では、永久磁石の左右に非磁性体部があり、電磁気的には図１０の（ｂ）に近い特性である。構造的には、例えば、スリットへ磁石を挿入し、樹脂を充填した構造である。また、磁石を樹脂で覆ってスリットへ挿入することもできる。図１０の（ｈ）は永久磁石１０Ｇと非磁性体１０Ｈが湾曲している。折れ曲がった形状でも良い。これらの例のように、本発明のモータにおいて、永久磁石と非磁性体の形状は種々の変形が可能である。

　次に、請求項２に関わる実施例を示す。図１１は、図２の本発明ロータの構成を部分的に変形した例である。図２の永久磁石２Ｊと非磁性体２２を取り除いている。このように、ロータの各磁極の構成を部分的に削除したり、付加するなどの変形も可能である。また、トルクリップルの低減などのために、非対称に変形することも可能である。

　次に、請求項３に関わる実施例を示す。図１２に示すモータは、図６の２極のモータ構成の永久磁石と非磁性体の数を２個から１個に減らし、より簡素化した構成の例である。１２１は永久磁石で、１２２は非磁性体である。図１２の紙面で上下方向の軟磁性他の磁路は１２３と１２４である。図１３は図１２のモータを４極化した構成である。１３１と１３３は永久磁石である。１３２と１３４は非磁性体である。モータ電流が０の時には、紙面で図１３右上側と左下側にＮ極磁束が生成され、左上側と右下側にＳ極磁束が生成される。簡素な４極のロータを構成することができ、部品点数が少ないのでコスト的には有利である。

　また、図１２、図１３の構成に、図１１で示した永久磁石２１、スリット２Ｈなどを付加することもできる。なお、原理的には、永久磁石と非磁性体で構成するフラックスバリアは、その層数が大きい方が離散性を少なくできるので電磁気的に優れているが、モータが複雑化する問題がある。

　以上本発明について説明したが、種々の変形、応用、組み合わせが可能である。モータの相数を５相、７相の変形でき、極数も選択できる。ステータ巻線を集中巻き、あるいは、分布巻き、短節巻き、トロイダル巻きなどの構成とすることができる。アウターロータ型モータ、アキシャルギャップ型モータ、あるいは、リニアモータなどのモータ形状を選択できる。内外径方向に、あるいは、ロータ軸方向に、複数のモータ要素とした複合モータの構成とすることができる。また、他の種類のモータ要素と組み合わせることも可能である。また、特開２０１５－６５８０３に記載したような界磁巻線をロータへ付加すること、界磁電力をステータ側からロータへ給電する機構などを付加することもできる。ロータの界磁巻線への給電方法は、ロータコアに巻回した巻線へステータ巻線側から非接触で給電する方法、別の回転トランスを付加して給電する方法、ブラシとスリップリングを付加して給電する方法などである。軟磁性体には、圧分磁心、アモルファス金属の鉄心、パーメンジュールなどの種々の材料が使える。また、種々の永久磁石が使用でき、使用時に磁石の磁気特性を可変することも可能である。モータ用電流での磁石可変、あるいは、専用の装置での磁石可変も可能である。また、各巻線の誘起電圧、磁気特性がロータの回転と共に変化することを利用したセンサレス位置検出技術の活用も可能である。また、モータのトルクリップル、振動、騒音を低減するために、一部のロータ磁極を円周方向に移動するような変形、すなわち、ロータ外周に近い永久磁石の電気角位置を円周方向に移動するような変形を行うこともできる。自動車用の主機モータは前進が主なので、片方向トルクを優先するモータ構造であっても良い。これらの応用、変形した技術についても本発明に含むものである。

１Ｇ　ロータ
２１、２３、２５、２７、２Ｊ　永久磁石
２２、２４、２６、２８、２Ｈ　非磁性体
２９、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ　磁路
２Ｅ　ロータ軸
２Ｆ、２Ｇ　ロータ外周部

Claims

　永久磁石を備えるモータにおいて、
　ロータ磁極と円周方向に隣接するロータ磁極との磁極間に配置する長穴状のスリットと、
　前記スリットの中に配置する永久磁石ＭＧ１と、
　前記永久磁石ＭＧ１の磁束方向に密接して配置する非磁性体ＮＭＰ１とを備え、
　１個のロータ磁極に含まれる非磁性体ＮＭＰの厚みの総和がステータとロータとの間のエアギャップ長の最も小さい部分の値より大きい
ことを特徴とするモータ。
　請求項１において、
　前記スリットに永久磁石ＭＧ２を配置するフラックスバリア部ＦＢ２、あるいは、前記スリットに非磁性体ＮＭＰ２を配置するフラックスバリア部ＦＢ３
を備えることを特徴とするモータ。　
　請求項１において、
　前記の複数のスリットと、
　ロータ磁極に含まれる前記永久磁石ＭＧ１と前記非磁性体ＮＭＰ１とを配置するフラックスバリア部ＦＢＮの数が各ロータ磁極ごとに１であり、
　前記フラックスバリア部ＦＢＮは円周方向に隣接する２個のロータ磁極の間に配置していることを特徴とするモータ。