同期回転電機
【課題】同期運転時において固定子の回転磁界と回転子の永久磁石の磁束との相互作用により発生するトルクよりトルクアップを図ることができる同期回転電機を提供する。
【解決手段】同期回転電動機１１は隣り合う永久磁石の磁極が交互に異なるように配置された複数の永久磁石１９を有する回転子１３を備えており、固定子巻線は集中巻である。回転子１３には永久磁石１９より内径側で永久磁石１９間と対応する位置にバー導体２０ａを配置し、全回転領域で常に同期運転を行うようにした。同期回転電動機１１はスロット数をＺ１、極対数をＺ２、相数をｍとした場合にｑ＝Ｚ１／（２Ｚ２ｍ）で表わされる毎極毎相のスロット数ｑが１／２より小さい分数スロットである。
【解決手段】同期回転電動機１１は隣り合う永久磁石の磁極が交互に異なるように配置された複数の永久磁石１９を有する回転子１３を備えており、固定子巻線は集中巻である。回転子１３には永久磁石１９より内径側で永久磁石１９間と対応する位置にバー導体２０ａを配置し、全回転領域で常に同期運転を行うようにした。同期回転電動機１１はスロット数をＺ１、極対数をＺ２、相数をｍとした場合にｑ＝Ｚ１／（２Ｚ２ｍ）で表わされる毎極毎相のスロット数ｑが１／２より小さい分数スロットである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期回転電機に係り、詳しくは回転子（ロータ）に永久磁石が設けられた同期回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転子に永久磁石を有する同期モータは、固定子に設けられた固定子巻線の回転磁界と回転子の永久磁石の磁束との相互作用によって回転子が回転磁界と同期速度で回転する。各相の固定子巻線のインダクタンスは回転子の回転位置に応じて変化し、回転子の回転に伴って固定子巻線のインダクタンスが増加するときに固定子巻線に励磁電流を供給すると、回転子を回転方向に回転させるトルク（正トルク）が発生する。一方、回転子の回転に伴って固定子巻線のインダクタンスが減少するときに固定子巻線に励磁電流を供給すると、回転子を回転方向と反対方向に回転させるトルク（負トルク）が発生する。そして、回転子の位置に対応して各相の固定子巻線への励磁電流の供給タイミングを制御する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、永久磁石式回転電機として、回転子に永久磁石の他に始動巻線を形成する導体を備えたものがある（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示された回転電機は、図７に示すように、回転子５１に複数の第１永久磁石５２と、第１永久磁石５２の間に第１永久磁石５２と同じ極性を電機子としての固定子５３に向け、固定子５３から見た背面までの距離を第１永久磁石５２よりも小さくなるように配置した第２永久磁石５４とから成る界磁極が設けられている。界磁極の間及び第２永久磁石５４の背面側に始動巻線を構成する導体５５が設けられている。始動巻線を設けた永久磁石式同期電機では、非同期制御で始動された後、同期制御となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２７８９８９号公報
【特許文献２】特開昭５７−１４５５５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
回転電機は小型化が望まれており、同じ消費電力においてトルクアップを図ることができれば回転電機の小型化も容易になる。しかし、特許文献１のように固定子の回転磁界と回転子の永久磁石の磁束との相互作用だけによって回転子を回転させる構成では、トルクアップを図るには消費電力が多くなる。
【０００６】
一方、特許文献２は始動巻線を設けることにより、非同期運転時である始動時のトルクは大きくなる。しかし、始動巻線を構成する導体５５は始動トルクを得るためのものであり、同期運転時のトルクアップに関しては何ら考慮されていない。
【０００７】
本発明は前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、全回転領域において固定子の回転磁界と回転子の永久磁石の磁束との相互作用により発生するトルクよりトルクアップを図ることができる同期回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、隣り合う永久磁石の磁極が交互に異なるように配置された複数の永久磁石を有する回転子を備えた同期回転電機であって、固定子巻線を集中巻とし、前記回転子には前記永久磁石より内径側又は前記永久磁石間に二次導体を配置した。
【０００９】
従来、二次導体を備えた永久磁石式同期回転電機はあるが、二次導体は始動トルクを得るために設けられており、始動時には非同期制御で運転が開始され、その後同期運転に移行される。一方、この発明の回転電機を、始動時から常に同期制御で運転すると、始動時以外の同期運転時にも、空間起磁力分布の高調波成分の一部が二次導体に作用することにより、二次導体から回転子の回転方向に対して正の誘導トルクが発生する。そして、固定子巻線が集中巻のため、分布巻に比べて高調波成分が多い。したがって、全回転領域において固定子の回転磁界と、回転子の永久磁石の磁束との相互作用により発生するトルクよりトルクアップを図ることができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、回転電機は全回転領域で同期運転を行う。したがって、全回転領域において固定子の回転磁界と、回転子の永久磁石の磁束との相互作用により発生するトルクよりトルクアップを図ることができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、スロット数をＺ１、極対数をＺ２、相数をｍとした場合にｑ＝Ｚ１／（２Ｚ２ｍ）で表わされる毎極毎相のスロット数ｑが１／２より小さい分数スロットである。分数スロットでは極数とスロット数を近づけることで極数とスロット数の最小公倍数が大きな組み合わせが実現できる。また、同相の固定子巻線に対応するティースであっても、ティースごとに回転子の永久磁石との対向具合が異なる配置となり、スキューなしでもコギングトルクやトルクリプルを小さくすることができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記スロット数が２４、磁極数が２８の３相交流電機である。したがって、一般に使用される３相回転電機において、トルクアップを図ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、全回転領域において固定子の回転磁界と回転子の永久磁石の磁束との相互作用により発生するトルクよりトルクアップを図ることができる同期回転電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）は同期回転電動機の模式断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図。
【図２】二次導体の斜視図。
【図３】同期回転電動機の制御構成を示すブロック図。
【図４】起磁力座標の定義を示す模式図。
【図５】Ｕ相単層巻起磁力分布を示す図。
【図６】二次導体に流れる電流を示す図。
【図７】従来技術の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を３相の同期回転電動機に具体化した一実施形態を図１〜図６にしたがって説明する。
図１（ａ）に示すように、同期回転電動機１１は、円筒状の固定子（ステータ）１２及び固定子１２の内側に配置された回転子１３を備えている。固定子１２は、内側に複数のティース１４が等間隔になるようにスロット１５が等間隔で設けられている。この実施形態ではティース１４及びスロット１５がそれぞれ２４個設けられている。ティース１４には、固定子巻線としてのＵ相巻線１６ｕ、Ｖ相巻線１６ｖ、Ｗ相巻線１６ｗがそれぞれ集中巻で巻回されている。Ｕ相巻線１６ｕ、Ｖ相巻線１６ｖ、Ｗ相巻線１６ｗは、図１において時計方向にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順で配置されるように、かつ、同相の巻線が直列で各ティース１４に巻き付けられた巻線の巻き付け方向がティース１４毎に交互に反対方向となるように単層巻で巻き付けられている。即ち、Ｕ相巻線１６ｕ、Ｖ相巻線１６ｖ、Ｗ相巻線１６ｗにそれぞれ電流が供給された際、同相の巻線が巻き付けられたティース１４の起磁力の向きが交互に反対方向となるように巻き付けられている。
【００１６】
回転子１３は、円板状の電磁鋼板を複数枚（例えば、数十枚）積層したロータコア１７と、ロータコア１７の中心に貫挿されたロータ軸（回転軸）１８とを備えている。そして、回転子１３は、ロータコア１７の外周面がティース１４と所定の間隔を置いた状態で、図示しないハウジングの軸受けにロータ軸１８を介して回転可能に支持されている。ロータコア１７には、ロータコア１７を周方向に等分割（この実施形態では２８分割）した各仮想領域に孔（フラックスバリア）が形成され、各孔内に断面略矩形の平板状に形成された永久磁石１９が装着されている。各永久磁石１９は、着磁方向（磁化方向）が厚さ方向となるように着磁されている。隣り合う永久磁石１９は、回転子１３の外周側が異なる極になるように、即ち、隣接する永久磁石１９のＮ極及びＳ極が交互に固定子１２側に向くように設けられている。この実施形態の同期回転電動機１１は、固定子１２のスロット数が２４で、回転子１３の磁極が２８の構成になっている。なお、図１（ａ）において、永久磁石１９の径方向内側に当該永久磁石１９のＮ極及びＳ極のいずれが固定子１２側に向くのかを示す符号Ｎ又はＳを付した（符号の図示は一部省略）。
【００１７】
したがって、この実施形態の同期回転電動機１１は、次式で表わされる毎極毎相のスロット数ｑを計算すると１／２より小さい分数になり、同期回転電動機１１は集中巻分数スロット埋込磁石同期モータとなる。
【００１８】
ｑ＝Ｚ１／（２Ｚ２ｍ）
但し、Ｚ１はスロット数、Ｚ２は極対数（磁極の数の１／２）、ｍは相数である。同期回転電動機１１は、スロット数Ｚ１が２４、極対数Ｚ２が１４（２８／２）、相数が３であるため、ｑ＝２４／（２×１４×３）＝２／７で分数スロットになる。
【００１９】
また、ロータコア１７には、各永久磁石１９よりロータ軸１８寄りで隣り合う永久磁石１９の中央と対向する位置に二次導体としてのバー導体２０ａがロータコア１７を貫通するように設けられている。図２に示すように、各バー導体２０ａの両端部はそれぞれエンドリング２０ｂに接続され、全体としてかご型の二次導体２０が回転子１３に一体回転可能に固定されている。
【００２０】
次に前記のように構成された同期回転電動機１１を車両に搭載される走行用モータに適用した場合の作用を説明する。図３に示すように、同期回転電動機１１の制御装置２１は、直流電源としてのバッテリ２２の直流電力をインバータ２３で３相交流に変換して、同期回転電動機１１の各相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の巻線１６ｕ，１６ｖ，１６ｗに供給すべき交流電流を供給するようにインバータ２３を制御する。各相に供給される電流は電流センサ２４で検出されて、その検出信号が制御装置２１に入力される。また、同期回転電動機１１には回転子１３の位置（磁極の位置）を検出する位置検出手段としての位置センサ２５が設けられ、その検出信号が制御装置２１に入力される。位置センサ２５には、例えば、レゾルバやロータリエンコーダが使用される。
【００２１】
制御装置２１はＣＰＵ２６及びメモリ２７を備え、アクセルの踏み角等のデータ及び位置センサ２５の検出信号に基づいて目的車速となるように各相の巻線１６ｕ，１６ｖ，１６ｗに供給すべき交流電流量及び周波数を演算して、その交流電流が各相の巻線１６ｕ，１６ｖ，１６ｗに供給されるようにインバータ２３を制御する。制御装置２１は低回転領域（低速領域）から高回転領域（高速領域）の全回転領域で常に同期運転を行うように、位置センサ２５による回転子１３の位置情報に基づいて同期制御によりインバータ２３を制御して同期回転電動機１１を駆動制御する。
【００２２】
固定子１２のＵ相巻線１６ｕ、Ｖ相巻線１６ｖ、Ｗ相巻線１６ｗに所定周波数の交流が供給されると固定子１２に回転磁界が発生し、回転子１３に回転磁界が作用する。そして、回転磁界と永久磁石１９の磁束との間の磁気的な吸引力及び反発力により回転子１３が回転磁界と同期して回転する。
【００２３】
分数スロットモータは同期回転磁界成分以外にも多数の回転磁界を含み、その非同期回転磁界成分がロータコア１７に挿入されたバー導体２０ａに作用して誘導トルクを発生させ、バー導体２０ａがない場合に比べて全回転領域でトルクアップされる。
【００２４】
以下、バー導体２０ａにより回転方向と同方向の正トルクが発生する理由を説明する。空間起磁力分布はＵ相、Ｖ相及びＷ相の空間起磁力分布を合成して成り立っている。１スロットで誘起される起磁力Ｆは巻線のターン数をＮ、電機子電流をＩとすると、Ｆ＝ＮＩと定義されている。固定子１２に発生する空間起磁力分布の座標定義を図４のように定め、定義にしたがってＵ相巻線の単層巻起磁力分布を図５に示す。図５より２４スロット単層巻でのＵ相起磁力分布は次のようになる。
【００２５】
【数１】
フーリエ級数展開は一般的に次式で与えられる。
【００２６】
【数２】
係数ａｎ，ｂｎは次式で示される。
【００２７】
【数３】
したがって、以上の条件からＵ相の起磁力分布ＦＵ（θｍ）は次式で表すことができる。θｍは機械角。
【００２８】
【数４】
このとき、ｎ＝４ｋ−２（ｋ＝１，２，３…）である。Ｖ相、Ｗ相の起磁力分布はＵ相の起磁力分布の位相を±２π／３ずらすことによって得られる。したがって、Ｖ相、Ｗ相の起磁力分布ＦＶ（θｍ）、ＦＷ（θｍ）は次式で表される。
【００２９】
【数５】
このとき、ＩＵ，ＩＶ，ＩＷは次式で表される。
【００３０】
【数６】
βは電流位相角、ωＳは電源角速度であり、ωｒｔ＝１４θｍで表される。ＦＵ（θｍ）、ＦＶ（θｍ）、ＦＷ（θｍ）にそれぞれ各相電流を代入し、足し合わせて合成することによってｋごとの空間起磁力成分Ｆｋ（θｍ）は次式で表される。
【００３１】
【数７】
このとき、Ｆｋは起磁力の振幅、ｓｋはすべりとする。また、ｔを自然数としてδｋはｋ＝３ｔのとき＋、ｋ＝３ｔ−２のとき−の符号を表し、ｋ＝３ｔ−１のときＦｋ（θｍ）は零になる。起磁力の振幅を定数と変数に分離し、Ｆｋ＝ＡＮＩとする。但し、Ａを起磁力振幅係数とする。ｋに対するすべりｓｋと起磁力振幅係数Ａとの関係を表１に示す。
【００３２】
【表１】
表１より空間起磁力分布がｋ＝４のとき、すべりが０となり、回転磁界に対しロータが静止していることから、同期磁界として作用していることが確認できる。ｋ＝４以外の空間起磁力分布は、回転速度に対し回転速度の１４θｍと比較したときのすべりを導出して、すべりが０より大きく１未満であれば回転方向に対し正のトルクが出ると考えられる。その上で表１よりｋ＝１のときすべりが６／７であり、正の誘導トルクが期待される。
【００３３】
バー導体２０ａの有無による最大トルクの増加を３次元有限要素法解析（３Ｄ−ＦＥＭ）により検証した。その結果、バー導体２０ａが無い場合の最大トルクを１とした場合に対して、バー導体２０ａが有る場合の最大トルクは１．０７になった。比較のため、バー導体２０ａを挿入するための孔のみを形成してバー導体２０ａを挿入せずに空気とした場合の最大トルクを求めたところ、最大トルクは１．０１であった。即ち、バー導体２０ａを設けることによりトルクアップされることが確認された。
【００３４】
また、電機子電流として正弦波状の電流を流した場合、バー導体２０ａに流れる電流は、図６に示すように、電源周期（１周期３６０°）を基準にすると、正トルクに寄与するｋ＝１のすべりから計算される周期である４２０°と同一であることが確認された。
【００３５】
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）同期回転電動機１１は、隣り合う永久磁石の磁極が交互に異なるように配置された複数の永久磁石１９を有する回転子１３を備え、Ｕ相巻線１６ｕ、Ｖ相巻線１６ｖ、Ｗ相巻線１６ｗを集中巻とし、回転子１３には一定間隔で設けられた永久磁石１９より内径側に二次導体（バー導体２０ａ）を配置した。したがって、全回転領域で常に同期運転を行うことにより、全回転領域において固定子１２の回転磁界と、回転子１３の永久磁石１９の磁束との相互作用により発生するトルクよりトルクアップを図ることができる。
【００３６】
（２）同期回転電動機１１は、スロット数をＺ１、極対数をＺ２、相数をｍとした場合にｑ＝Ｚ１／（２Ｚ２ｍ）で表わされる毎極毎相のスロット数ｑが１／２より小さい分数スロットとなるように構成されている。したがって、極数とスロット数を近づけることで極数とスロット数の最小公倍数が大きな組み合わせが実現できる。また、同相の固定子巻線に対応するティース１４であってもティース１４ごとに回転子１３の永久磁石１９との対向具合が異なる配置となり、スキューなしでもコギングトルクやトルクリプルを小さくすることができる。
【００３７】
（３）同期回転電動機１１は、スロット数が２４、磁極数が２８の３相交流電機である。したがって、一般に使用される３相回転電機において、トルクアップを図ることができる。
【００３８】
（４）各巻線１６ｕ，１６ｖ，１６ｗはそれぞれ単層巻で各ティース１４に巻き付けられている。したがって、二層巻で巻き付けた場合に比べてバー導体２０ａにより正の誘導トルクが発生し易い。
【００３９】
（５）同期回転電動機１１は、回転子１３の位置を検出する位置センサ２５を備え、制御装置２１は位置センサ２５により検出される回転子１３の位置情報に基づいて全回転領域において同期制御により同期回転電動機１１を駆動制御する。したがって、位置センサ２５を設けずに同期制御を行う場合に比べてＣＰＵ２６による制御が簡単になる。
【００４０】
（６）同期回転電動機１１は、車両に搭載される走行用モータに適用されている。走行用モータは小型化が望まれているが、同期回転電動機１１は全回転領域においてトルクアップされるため小型化に寄与する。また、走行用モータには一般に位置センサ２５が設けられるため、位置センサ２５を設けてもコストアップとはならない。
【００４１】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 同期回転電動機１１は、固定子１２のスロット数が２４で、回転子１３の磁極が２８の構成に限らず、スロット数と磁極の組み合わせが２４と２８以外の分数スロットの３相電動機であってもよい。但し、分数スロットの３相電動機であって、スロット数と磁極の組み合わせによってはバー導体２０ａに作用する高調波成分による誘導トルクが正トルクにならず負トルク（回転子１３の回転方向と反対方向のトルク）となる場合があるので、設計に際して空間起磁力成分Ｆｋ（θｍ）の式を用いてｋに対するすべりを計算し、正の誘導トルクが期待される組み合わせを採用する必要がある。
【００４２】
○ 同期回転電動機１１は分数スロットに限らない。
○ 同期回転電動機１１は埋込磁石型に限らず表面磁石型であってもよい。
○ 固定子巻線は二層巻であってもよい。
【００４３】
○ バー導体２０ａは、永久磁石１９と対向する位置で永久磁石１９より内径側に設けたり、永久磁石１９と同一円周上で永久磁石１９の間に設けたりしてもよい。
○ バー導体２０ａは永久磁石１９の数、即ち極数と同じ数ではなく、極数の自然数倍設けてもよい。例えば、永久磁石１９の間に２本ずつ設けたり、永久磁石１９間及び永久磁石１９の内径側にそれぞれ１本ずつ設けたりしてもよい。
【００４４】
○ 同期回転電動機１１は回転子１３の位置を検出する位置センサ２５が設けられていないセンサレス型の電動機、例えば、電流と電圧から回転子速度と磁極位置とを演算してそれに基づいてベクトル制御を行う電動機であってもよい。
【００４５】
○ 同期回転電動機１１は回転子が固定子の外側に設けられるアウターロータタイプの電動機としてもよい。
○ 電動機ではなく発電機に適用してもよい。
【００４６】
○ 予め試験により、バー導体２０ａに流れる電流に正の誘導トルクが発生する高調波成分が多く含まれる電機子電流の状態と、回転子１３の回転速度との関係データを求めておき、その関係データに基づいて制御装置２１が同期制御を行うようにしてもよい。
【００４７】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記固定子巻線は単層巻で巻き付けられている。
【００４８】
（２）請求項１〜請求項３及び前記技術的思想（１）のいずれか１項に記載の発明において、同期回転電機には回転子の位置を検出するセンサが設けられ、センサで検出された位置情報に基づいて同期運転が行われる。
【符号の説明】
【００４９】
１３…回転子、１６ｕ…固定子巻線としてのＵ相巻線、１６ｖ…同じくＶ相巻線、１６ｗ…同じくＷ相巻線、１９…永久磁石、２０ａ…二次導体としてのバー導体。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期回転電機に係り、詳しくは回転子（ロータ）に永久磁石が設けられた同期回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転子に永久磁石を有する同期モータは、固定子に設けられた固定子巻線の回転磁界と回転子の永久磁石の磁束との相互作用によって回転子が回転磁界と同期速度で回転する。各相の固定子巻線のインダクタンスは回転子の回転位置に応じて変化し、回転子の回転に伴って固定子巻線のインダクタンスが増加するときに固定子巻線に励磁電流を供給すると、回転子を回転方向に回転させるトルク（正トルク）が発生する。一方、回転子の回転に伴って固定子巻線のインダクタンスが減少するときに固定子巻線に励磁電流を供給すると、回転子を回転方向と反対方向に回転させるトルク（負トルク）が発生する。そして、回転子の位置に対応して各相の固定子巻線への励磁電流の供給タイミングを制御する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、永久磁石式回転電機として、回転子に永久磁石の他に始動巻線を形成する導体を備えたものがある（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示された回転電機は、図７に示すように、回転子５１に複数の第１永久磁石５２と、第１永久磁石５２の間に第１永久磁石５２と同じ極性を電機子としての固定子５３に向け、固定子５３から見た背面までの距離を第１永久磁石５２よりも小さくなるように配置した第２永久磁石５４とから成る界磁極が設けられている。界磁極の間及び第２永久磁石５４の背面側に始動巻線を構成する導体５５が設けられている。始動巻線を設けた永久磁石式同期電機では、非同期制御で始動された後、同期制御となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２７８９８９号公報
【特許文献２】特開昭５７−１４５５５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
回転電機は小型化が望まれており、同じ消費電力においてトルクアップを図ることができれば回転電機の小型化も容易になる。しかし、特許文献１のように固定子の回転磁界と回転子の永久磁石の磁束との相互作用だけによって回転子を回転させる構成では、トルクアップを図るには消費電力が多くなる。
【０００６】
一方、特許文献２は始動巻線を設けることにより、非同期運転時である始動時のトルクは大きくなる。しかし、始動巻線を構成する導体５５は始動トルクを得るためのものであり、同期運転時のトルクアップに関しては何ら考慮されていない。
【０００７】
本発明は前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、全回転領域において固定子の回転磁界と回転子の永久磁石の磁束との相互作用により発生するトルクよりトルクアップを図ることができる同期回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、隣り合う永久磁石の磁極が交互に異なるように配置された複数の永久磁石を有する回転子を備えた同期回転電機であって、固定子巻線を集中巻とし、前記回転子には前記永久磁石より内径側又は前記永久磁石間に二次導体を配置した。
【０００９】
従来、二次導体を備えた永久磁石式同期回転電機はあるが、二次導体は始動トルクを得るために設けられており、始動時には非同期制御で運転が開始され、その後同期運転に移行される。一方、この発明の回転電機を、始動時から常に同期制御で運転すると、始動時以外の同期運転時にも、空間起磁力分布の高調波成分の一部が二次導体に作用することにより、二次導体から回転子の回転方向に対して正の誘導トルクが発生する。そして、固定子巻線が集中巻のため、分布巻に比べて高調波成分が多い。したがって、全回転領域において固定子の回転磁界と、回転子の永久磁石の磁束との相互作用により発生するトルクよりトルクアップを図ることができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、回転電機は全回転領域で同期運転を行う。したがって、全回転領域において固定子の回転磁界と、回転子の永久磁石の磁束との相互作用により発生するトルクよりトルクアップを図ることができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、スロット数をＺ１、極対数をＺ２、相数をｍとした場合にｑ＝Ｚ１／（２Ｚ２ｍ）で表わされる毎極毎相のスロット数ｑが１／２より小さい分数スロットである。分数スロットでは極数とスロット数を近づけることで極数とスロット数の最小公倍数が大きな組み合わせが実現できる。また、同相の固定子巻線に対応するティースであっても、ティースごとに回転子の永久磁石との対向具合が異なる配置となり、スキューなしでもコギングトルクやトルクリプルを小さくすることができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記スロット数が２４、磁極数が２８の３相交流電機である。したがって、一般に使用される３相回転電機において、トルクアップを図ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、全回転領域において固定子の回転磁界と回転子の永久磁石の磁束との相互作用により発生するトルクよりトルクアップを図ることができる同期回転電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）は同期回転電動機の模式断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図。
【図２】二次導体の斜視図。
【図３】同期回転電動機の制御構成を示すブロック図。
【図４】起磁力座標の定義を示す模式図。
【図５】Ｕ相単層巻起磁力分布を示す図。
【図６】二次導体に流れる電流を示す図。
【図７】従来技術の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を３相の同期回転電動機に具体化した一実施形態を図１〜図６にしたがって説明する。
図１（ａ）に示すように、同期回転電動機１１は、円筒状の固定子（ステータ）１２及び固定子１２の内側に配置された回転子１３を備えている。固定子１２は、内側に複数のティース１４が等間隔になるようにスロット１５が等間隔で設けられている。この実施形態ではティース１４及びスロット１５がそれぞれ２４個設けられている。ティース１４には、固定子巻線としてのＵ相巻線１６ｕ、Ｖ相巻線１６ｖ、Ｗ相巻線１６ｗがそれぞれ集中巻で巻回されている。Ｕ相巻線１６ｕ、Ｖ相巻線１６ｖ、Ｗ相巻線１６ｗは、図１において時計方向にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順で配置されるように、かつ、同相の巻線が直列で各ティース１４に巻き付けられた巻線の巻き付け方向がティース１４毎に交互に反対方向となるように単層巻で巻き付けられている。即ち、Ｕ相巻線１６ｕ、Ｖ相巻線１６ｖ、Ｗ相巻線１６ｗにそれぞれ電流が供給された際、同相の巻線が巻き付けられたティース１４の起磁力の向きが交互に反対方向となるように巻き付けられている。
【００１６】
回転子１３は、円板状の電磁鋼板を複数枚（例えば、数十枚）積層したロータコア１７と、ロータコア１７の中心に貫挿されたロータ軸（回転軸）１８とを備えている。そして、回転子１３は、ロータコア１７の外周面がティース１４と所定の間隔を置いた状態で、図示しないハウジングの軸受けにロータ軸１８を介して回転可能に支持されている。ロータコア１７には、ロータコア１７を周方向に等分割（この実施形態では２８分割）した各仮想領域に孔（フラックスバリア）が形成され、各孔内に断面略矩形の平板状に形成された永久磁石１９が装着されている。各永久磁石１９は、着磁方向（磁化方向）が厚さ方向となるように着磁されている。隣り合う永久磁石１９は、回転子１３の外周側が異なる極になるように、即ち、隣接する永久磁石１９のＮ極及びＳ極が交互に固定子１２側に向くように設けられている。この実施形態の同期回転電動機１１は、固定子１２のスロット数が２４で、回転子１３の磁極が２８の構成になっている。なお、図１（ａ）において、永久磁石１９の径方向内側に当該永久磁石１９のＮ極及びＳ極のいずれが固定子１２側に向くのかを示す符号Ｎ又はＳを付した（符号の図示は一部省略）。
【００１７】
したがって、この実施形態の同期回転電動機１１は、次式で表わされる毎極毎相のスロット数ｑを計算すると１／２より小さい分数になり、同期回転電動機１１は集中巻分数スロット埋込磁石同期モータとなる。
【００１８】
ｑ＝Ｚ１／（２Ｚ２ｍ）
但し、Ｚ１はスロット数、Ｚ２は極対数（磁極の数の１／２）、ｍは相数である。同期回転電動機１１は、スロット数Ｚ１が２４、極対数Ｚ２が１４（２８／２）、相数が３であるため、ｑ＝２４／（２×１４×３）＝２／７で分数スロットになる。
【００１９】
また、ロータコア１７には、各永久磁石１９よりロータ軸１８寄りで隣り合う永久磁石１９の中央と対向する位置に二次導体としてのバー導体２０ａがロータコア１７を貫通するように設けられている。図２に示すように、各バー導体２０ａの両端部はそれぞれエンドリング２０ｂに接続され、全体としてかご型の二次導体２０が回転子１３に一体回転可能に固定されている。
【００２０】
次に前記のように構成された同期回転電動機１１を車両に搭載される走行用モータに適用した場合の作用を説明する。図３に示すように、同期回転電動機１１の制御装置２１は、直流電源としてのバッテリ２２の直流電力をインバータ２３で３相交流に変換して、同期回転電動機１１の各相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の巻線１６ｕ，１６ｖ，１６ｗに供給すべき交流電流を供給するようにインバータ２３を制御する。各相に供給される電流は電流センサ２４で検出されて、その検出信号が制御装置２１に入力される。また、同期回転電動機１１には回転子１３の位置（磁極の位置）を検出する位置検出手段としての位置センサ２５が設けられ、その検出信号が制御装置２１に入力される。位置センサ２５には、例えば、レゾルバやロータリエンコーダが使用される。
【００２１】
制御装置２１はＣＰＵ２６及びメモリ２７を備え、アクセルの踏み角等のデータ及び位置センサ２５の検出信号に基づいて目的車速となるように各相の巻線１６ｕ，１６ｖ，１６ｗに供給すべき交流電流量及び周波数を演算して、その交流電流が各相の巻線１６ｕ，１６ｖ，１６ｗに供給されるようにインバータ２３を制御する。制御装置２１は低回転領域（低速領域）から高回転領域（高速領域）の全回転領域で常に同期運転を行うように、位置センサ２５による回転子１３の位置情報に基づいて同期制御によりインバータ２３を制御して同期回転電動機１１を駆動制御する。
【００２２】
固定子１２のＵ相巻線１６ｕ、Ｖ相巻線１６ｖ、Ｗ相巻線１６ｗに所定周波数の交流が供給されると固定子１２に回転磁界が発生し、回転子１３に回転磁界が作用する。そして、回転磁界と永久磁石１９の磁束との間の磁気的な吸引力及び反発力により回転子１３が回転磁界と同期して回転する。
【００２３】
分数スロットモータは同期回転磁界成分以外にも多数の回転磁界を含み、その非同期回転磁界成分がロータコア１７に挿入されたバー導体２０ａに作用して誘導トルクを発生させ、バー導体２０ａがない場合に比べて全回転領域でトルクアップされる。
【００２４】
以下、バー導体２０ａにより回転方向と同方向の正トルクが発生する理由を説明する。空間起磁力分布はＵ相、Ｖ相及びＷ相の空間起磁力分布を合成して成り立っている。１スロットで誘起される起磁力Ｆは巻線のターン数をＮ、電機子電流をＩとすると、Ｆ＝ＮＩと定義されている。固定子１２に発生する空間起磁力分布の座標定義を図４のように定め、定義にしたがってＵ相巻線の単層巻起磁力分布を図５に示す。図５より２４スロット単層巻でのＵ相起磁力分布は次のようになる。
【００２５】
【数１】
フーリエ級数展開は一般的に次式で与えられる。
【００２６】
【数２】
係数ａｎ，ｂｎは次式で示される。
【００２７】
【数３】
したがって、以上の条件からＵ相の起磁力分布ＦＵ（θｍ）は次式で表すことができる。θｍは機械角。
【００２８】
【数４】
このとき、ｎ＝４ｋ−２（ｋ＝１，２，３…）である。Ｖ相、Ｗ相の起磁力分布はＵ相の起磁力分布の位相を±２π／３ずらすことによって得られる。したがって、Ｖ相、Ｗ相の起磁力分布ＦＶ（θｍ）、ＦＷ（θｍ）は次式で表される。
【００２９】
【数５】
このとき、ＩＵ，ＩＶ，ＩＷは次式で表される。
【００３０】
【数６】
βは電流位相角、ωＳは電源角速度であり、ωｒｔ＝１４θｍで表される。ＦＵ（θｍ）、ＦＶ（θｍ）、ＦＷ（θｍ）にそれぞれ各相電流を代入し、足し合わせて合成することによってｋごとの空間起磁力成分Ｆｋ（θｍ）は次式で表される。
【００３１】
【数７】
このとき、Ｆｋは起磁力の振幅、ｓｋはすべりとする。また、ｔを自然数としてδｋはｋ＝３ｔのとき＋、ｋ＝３ｔ−２のとき−の符号を表し、ｋ＝３ｔ−１のときＦｋ（θｍ）は零になる。起磁力の振幅を定数と変数に分離し、Ｆｋ＝ＡＮＩとする。但し、Ａを起磁力振幅係数とする。ｋに対するすべりｓｋと起磁力振幅係数Ａとの関係を表１に示す。
【００３２】
【表１】
表１より空間起磁力分布がｋ＝４のとき、すべりが０となり、回転磁界に対しロータが静止していることから、同期磁界として作用していることが確認できる。ｋ＝４以外の空間起磁力分布は、回転速度に対し回転速度の１４θｍと比較したときのすべりを導出して、すべりが０より大きく１未満であれば回転方向に対し正のトルクが出ると考えられる。その上で表１よりｋ＝１のときすべりが６／７であり、正の誘導トルクが期待される。
【００３３】
バー導体２０ａの有無による最大トルクの増加を３次元有限要素法解析（３Ｄ−ＦＥＭ）により検証した。その結果、バー導体２０ａが無い場合の最大トルクを１とした場合に対して、バー導体２０ａが有る場合の最大トルクは１．０７になった。比較のため、バー導体２０ａを挿入するための孔のみを形成してバー導体２０ａを挿入せずに空気とした場合の最大トルクを求めたところ、最大トルクは１．０１であった。即ち、バー導体２０ａを設けることによりトルクアップされることが確認された。
【００３４】
また、電機子電流として正弦波状の電流を流した場合、バー導体２０ａに流れる電流は、図６に示すように、電源周期（１周期３６０°）を基準にすると、正トルクに寄与するｋ＝１のすべりから計算される周期である４２０°と同一であることが確認された。
【００３５】
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）同期回転電動機１１は、隣り合う永久磁石の磁極が交互に異なるように配置された複数の永久磁石１９を有する回転子１３を備え、Ｕ相巻線１６ｕ、Ｖ相巻線１６ｖ、Ｗ相巻線１６ｗを集中巻とし、回転子１３には一定間隔で設けられた永久磁石１９より内径側に二次導体（バー導体２０ａ）を配置した。したがって、全回転領域で常に同期運転を行うことにより、全回転領域において固定子１２の回転磁界と、回転子１３の永久磁石１９の磁束との相互作用により発生するトルクよりトルクアップを図ることができる。
【００３６】
（２）同期回転電動機１１は、スロット数をＺ１、極対数をＺ２、相数をｍとした場合にｑ＝Ｚ１／（２Ｚ２ｍ）で表わされる毎極毎相のスロット数ｑが１／２より小さい分数スロットとなるように構成されている。したがって、極数とスロット数を近づけることで極数とスロット数の最小公倍数が大きな組み合わせが実現できる。また、同相の固定子巻線に対応するティース１４であってもティース１４ごとに回転子１３の永久磁石１９との対向具合が異なる配置となり、スキューなしでもコギングトルクやトルクリプルを小さくすることができる。
【００３７】
（３）同期回転電動機１１は、スロット数が２４、磁極数が２８の３相交流電機である。したがって、一般に使用される３相回転電機において、トルクアップを図ることができる。
【００３８】
（４）各巻線１６ｕ，１６ｖ，１６ｗはそれぞれ単層巻で各ティース１４に巻き付けられている。したがって、二層巻で巻き付けた場合に比べてバー導体２０ａにより正の誘導トルクが発生し易い。
【００３９】
（５）同期回転電動機１１は、回転子１３の位置を検出する位置センサ２５を備え、制御装置２１は位置センサ２５により検出される回転子１３の位置情報に基づいて全回転領域において同期制御により同期回転電動機１１を駆動制御する。したがって、位置センサ２５を設けずに同期制御を行う場合に比べてＣＰＵ２６による制御が簡単になる。
【００４０】
（６）同期回転電動機１１は、車両に搭載される走行用モータに適用されている。走行用モータは小型化が望まれているが、同期回転電動機１１は全回転領域においてトルクアップされるため小型化に寄与する。また、走行用モータには一般に位置センサ２５が設けられるため、位置センサ２５を設けてもコストアップとはならない。
【００４１】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 同期回転電動機１１は、固定子１２のスロット数が２４で、回転子１３の磁極が２８の構成に限らず、スロット数と磁極の組み合わせが２４と２８以外の分数スロットの３相電動機であってもよい。但し、分数スロットの３相電動機であって、スロット数と磁極の組み合わせによってはバー導体２０ａに作用する高調波成分による誘導トルクが正トルクにならず負トルク（回転子１３の回転方向と反対方向のトルク）となる場合があるので、設計に際して空間起磁力成分Ｆｋ（θｍ）の式を用いてｋに対するすべりを計算し、正の誘導トルクが期待される組み合わせを採用する必要がある。
【００４２】
○ 同期回転電動機１１は分数スロットに限らない。
○ 同期回転電動機１１は埋込磁石型に限らず表面磁石型であってもよい。
○ 固定子巻線は二層巻であってもよい。
【００４３】
○ バー導体２０ａは、永久磁石１９と対向する位置で永久磁石１９より内径側に設けたり、永久磁石１９と同一円周上で永久磁石１９の間に設けたりしてもよい。
○ バー導体２０ａは永久磁石１９の数、即ち極数と同じ数ではなく、極数の自然数倍設けてもよい。例えば、永久磁石１９の間に２本ずつ設けたり、永久磁石１９間及び永久磁石１９の内径側にそれぞれ１本ずつ設けたりしてもよい。
【００４４】
○ 同期回転電動機１１は回転子１３の位置を検出する位置センサ２５が設けられていないセンサレス型の電動機、例えば、電流と電圧から回転子速度と磁極位置とを演算してそれに基づいてベクトル制御を行う電動機であってもよい。
【００４５】
○ 同期回転電動機１１は回転子が固定子の外側に設けられるアウターロータタイプの電動機としてもよい。
○ 電動機ではなく発電機に適用してもよい。
【００４６】
○ 予め試験により、バー導体２０ａに流れる電流に正の誘導トルクが発生する高調波成分が多く含まれる電機子電流の状態と、回転子１３の回転速度との関係データを求めておき、その関係データに基づいて制御装置２１が同期制御を行うようにしてもよい。
【００４７】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記固定子巻線は単層巻で巻き付けられている。
【００４８】
（２）請求項１〜請求項３及び前記技術的思想（１）のいずれか１項に記載の発明において、同期回転電機には回転子の位置を検出するセンサが設けられ、センサで検出された位置情報に基づいて同期運転が行われる。
【符号の説明】
【００４９】
１３…回転子、１６ｕ…固定子巻線としてのＵ相巻線、１６ｖ…同じくＶ相巻線、１６ｗ…同じくＷ相巻線、１９…永久磁石、２０ａ…二次導体としてのバー導体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
隣り合う永久磁石の磁極が交互に異なるように配置された複数の永久磁石を有する回転子を備えた同期回転電機であって、
固定子巻線を集中巻とし、前記回転子には前記永久磁石より内径側又は前記永久磁石間に二次導体を配置したことを特徴とする同期回転電機。
【請求項２】
全回転領域で同期運転を行うことを特徴とする請求項１に記載の同期回転電機。
【請求項３】
スロット数をＺ１、極対数をＺ２、相数をｍとした場合にｑ＝Ｚ１／（２Ｚ２ｍ）で表わされる毎極毎相のスロット数ｑが１／２より小さい分数スロットである請求項１又は２に記載の同期回転電機。
【請求項４】
前記スロット数が２４、磁極数が２８の３相交流電機である請求項３に記載の同期回転電機。
【請求項１】
隣り合う永久磁石の磁極が交互に異なるように配置された複数の永久磁石を有する回転子を備えた同期回転電機であって、
固定子巻線を集中巻とし、前記回転子には前記永久磁石より内径側又は前記永久磁石間に二次導体を配置したことを特徴とする同期回転電機。
【請求項２】
全回転領域で同期運転を行うことを特徴とする請求項１に記載の同期回転電機。
【請求項３】
スロット数をＺ１、極対数をＺ２、相数をｍとした場合にｑ＝Ｚ１／（２Ｚ２ｍ）で表わされる毎極毎相のスロット数ｑが１／２より小さい分数スロットである請求項１又は２に記載の同期回転電機。
【請求項４】
前記スロット数が２４、磁極数が２８の３相交流電機である請求項３に記載の同期回転電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１７５７５２（Ｐ２０１２−１７５７５２Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３３２２９（Ｐ２０１１−３３２２９）
【出願日】平成２３年２月１８日（２０１１．２．１８）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１８日（２０１１．２．１８）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]