JP2013207979A - 回転機および電動機の駆動方法並びに電動機駆動システム - Google Patents

回転機および電動機の駆動方法並びに電動機駆動システム Download PDF

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Abstract

【課題】 永久磁石から出た磁束を有効に利用することができ、効率良くトルクを発生することができる回転機を提供する。
【解決手段】回転機１は複数の磁極部４を有する固定子２と回転子３を備え、各磁極部４は永久磁石５と一対の磁性部材６，７を有するティース８と巻線９を含み、各永久磁石５は固定子２の半径方向両側で開放され、回転子３は第１突極部１３と第２突極部１４を含み、第２突極部１４は、永久磁石５の反回転方向側に位置する磁性部材６に対して第１突極部１３が回転方向に沿って重ならない状態の少なくとも一部で磁性部材６に対して回転方向に沿って重なり、磁性部材６に対して第１突極部１３が回転方向に沿って重なる状態では反回転方向側に位置する磁性部材６に対して回転方向に沿って重ならないように設けられ、第２突極部１４と磁性部材６の間隔は第１突極部１３と磁性部材６の間隔よりも大きい。
【選択図】図２

Description

本発明は、永久磁石を用いた回転機および永久磁石を用いた電動機を駆動させる電動機の駆動方法並びに永久磁石を用いた電動機を含む電動機駆動システムに関する。
回転機の一つとして、コンプレッサ、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等に用いられる電動機がある。
電動機２０１の例として、図２１に示すように、円環状の固定子２０２と、固定子２０２の中心を回転中心軸として回転する回転子２０３とを備えるものがある（特許文献１参照）。
固定子２０２は、固定子コア２０４と永久磁石２０５と巻線２０６とからなる。
固定子コア２０４は、複数（図２１では６個）のティース２０７と、ティース２０７の外側（回転子２０３と反対側）を囲む円環状のヨーク２０８とを有する。ティース２０７には、回転子２０３側（中心軸側である。）が開口して固定子２０２の半径方向に延伸する溝２０９が周方向の略中央に形成されている。永久磁石２０５は、ティース２０７の溝２０９に収容され、この状態で、永久磁石２０５およびティース２０７が巻線２０６により集中巻きされている。ここでは、永久磁石２０５は周方向に着磁されている。
回転子２０３は、周方向に等間隔をおいて固定子２０２側へと突出する突極部２１０を複数有する（図２１では５個である。）。
特開２００２−１９９６７９号公報
しかしながら、図２１に示すような構造の電動機２０１では、効率良くトルクを発生することができないという問題がある。
つまり、上記電動機２０１では、各ティース２０７の周方向の中央に、周方向に着磁された永久磁石２０５を配置する構成を採用している。このため、永久磁石２０５のＮ極から出てＳ極に戻る磁路が、空気よりも透磁率の高い材料で形成されたヨーク２０８により短絡されることになる。
従って、永久磁石２０５のＮ極から出た磁束の多くは、透磁率の高い材料で形成されたヨーク２０８を通ってＳ極へと戻ってしまい、回転子２０３側へ流れる磁束が減少してしまう。
このように、永久磁石２０５から出た磁束は有効に利用されず、効率良くトルクを発生しているとは言えない。
本発明は、効率良くトルクを発生することができる回転機および電動機の駆動方法並びに電動機駆動システムを提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る回転機は、複数の磁極部を円周上に配置してなる固定子と、前記固定子の中心と同軸に配された回転子とを備える回転機において、前記各磁極部は、ティースと当該ティースに対して集中巻された巻線とを含み、前記ティースは、永久磁石と、前記固定子の周方向であって前記永久磁石の両側に配された一対の磁性部材とを有し、前記各永久磁石は、前記固定子の中心に垂直な断面において、前記固定子の半径方向両側で開放されており、前記回転子は、環状のヨーク部と、当該ヨーク部から前記固定子側に突出する第１突極部と、前記ヨーク部における前記第１突極部よりも回転方向側に位置する部位から前記固定子側に突出する第２突極部とを含み、前記第２突極部は、前記永久磁石の反回転方向側に位置する磁性部材に対して前記第１突極部が回転方向に沿って重ならない状態の少なくとも一部で前記反回転方向側に位置する磁性部材に対して回転方向に沿って重なり、前記反回転方向側に位置する磁性部材に対して前記第１突極部が回転方向に沿って重なる状態では前記反回転方向側に位置する磁性部材に対して回転方向に沿って重ならないように設けられ、前記第２突極部と前記反回転方向側に位置する磁性部材との半径方向の間隔は、前記第１突極部と前記反回転方向側に位置する磁性部材との半径方向の間隔よりも大きい。
本発明の一態様に係る電動機駆動方法は、電動機を駆動する電動機駆動方法であって、前記電動機は、複数の磁極部を円周上に配置してなる固定子と、前記固定子の中心と同軸に配された回転子とを備え、前記各磁極部は、ティースと当該ティースに対して集中巻された巻線とを含み、前記ティースは、永久磁石と、前記固定子の周方向であって前記永久磁石の両側に配された一対の磁性部材とを有し、前記各永久磁石は、前記固定子の中心に垂直な断面において、前記固定子の半径方向両側で開放されており、前記回転子は、環状のヨーク部と、当該ヨーク部から前記固定子側に突出する第１突極部と、前記ヨーク部における前記第１突極部よりも回転方向側に位置する部位から前記固定子側に突出する第２突極部とを含み、前記第２突極部は、前記永久磁石の反回転方向側に位置する磁性部材に対して前記第１突極部が回転方向に沿って重ならない状態の少なくとも一部で前記反回転方向側に位置する磁性部材に対して回転方向に沿って重なり、前記反回転方向側に位置する磁性部材に対して前記第１突極部が回転方向に沿って重なる状態では前記反回転方向側に位置する磁性部材に対して回転方向に沿って重ならないように設けられ、前記第２突極部と前記反回転方向側に位置する磁性部材との半径方向の間隔は、前記第１突極部と前記反回転方向側に位置する磁性部材との半径方向の間隔よりも大きく、前記固定子の各巻線に電流を流さない状態で前記回転子を回転させた場合に各巻線に誘起される電圧の位相を基準としたとき、前記基準の位相よりも遅れた位相を有する電流を、前記固定子の各巻線に流す。
本発明の一態様に係る電動機駆動システムは、電動機と前記電動機を駆動する駆動装置とを備える電動機駆動システムであって、前記電動機は、複数の磁極部を円周上に配置してなる固定子と、前記固定子の中心と同軸に配された回転子とを備え、前記各磁極部は、ティースと当該ティースに対して集中巻された巻線とを含み、前記ティースは、永久磁石と、前記固定子の周方向であって前記永久磁石の両側に配された一対の磁性部材とを有し、前記各永久磁石は、前記固定子の中心に垂直な断面において、前記固定子の半径方向両側で開放されており、前記回転子は、環状のヨーク部と、当該ヨーク部から前記固定子側に突出する第１突極部と、前記ヨーク部における前記第１突極部よりも回転方向側に位置する部位から前記固定子側に突出する第２突極部とを含み、前記第２突極部は、前記永久磁石の反回転方向側に位置する磁性部材に対して前記第１突極部が回転方向に沿って重ならない状態の少なくとも一部で前記反回転方向側に位置する磁性部材に対して回転方向に沿って重なり、前記反回転方向側に位置する磁性部材に対して前記第１突極部が回転方向に沿って重なる状態では前記反回転方向側に位置する磁性部材に対して回転方向に沿って重ならないように設けられ、前記第２突極部と前記反回転方向側に位置する磁性部材との半径方向の間隔は、前記第１突極部と前記反回転方向側に位置する磁性部材との半径方向の間隔よりも大きく、前記駆動装置は、前記固定子の各巻線に電流を流さない状態で前記回転子を回転させた場合に各巻線に誘起される電圧の位相を基準としたとき、前記基準の位相よりも遅れた位相を有する電流を、前記固定子の各巻線に流す。
上記構成によれば、磁極部の永久磁石は、固定子の半径方向の両端が開放しているため、永久磁石から出た磁束を有効に利用することができ、効率良くトルクを発生することができる。
第１の実施形態に係る電動機の分解斜視図 第１の実施形態に係る電動機の断面図 回転子の詳細図 第１の実施形態の電動機について通電における同等トルク時の永久磁石の磁束密度の変化を示した図 磁路確保と最大トルクの発生のタイミングを説明する図 図１９に示す電動機において巻線に通電してトルクを発生させた場合の電動機の内部の磁束の様子を示した図 第２の実施形態に係る電動機の断面図 回転子の詳細図 第２の実施形態の電動機について通電における同等トルク時の永久磁石の磁束密度の変化を示した図 第３の実施形態に係る電動機駆動システムの構成図 電動機の無通電回転時における誘起電圧を示す波形図 駆動装置から電動機に供給する電流を示す波形図 駆動装置の動作、特にＰＷＭ制御部の動作を示すフローチャート 電動機のトルクと電流位相の関係を示した図 駆動装置から電動機に供給する電流を示す波形図 駆動装置の動作、特にＰＷＭ制御部の動作を示すフローチャート 電動機のトルクと電流位相の関係を示した図 第２突極部の形状の変形例を示す図 発明者が検討した電動機の断面図 図１９に示す電動機において最大トルクを発生する直前の様子を示す図 従来の電動機の断面図
<本発明に係る一態様を得るに至った経緯＞
発明者は、図２１に示した電動機２０１における課題に鑑み、永久磁石から出た磁束の有効利用について鋭意研究を重ねた。
図１９は、検討した電動機の断面図である。
電動機２５１は、固定子２５２の内側にインナーロータ型の回転子２５３を備え、永久磁石２５４における回転子２５３側（内側）と回転子２５３の反対側（外側）とが固定子コア２５５に覆われずに開放された構成のものである。
この構成において、固定子２５２は、固定子コア２５５、永久磁石２５４および巻線２５６を備える。
固定子コア２５５は、半径方向に延伸する１対の延伸部２５７と、一対の延伸部２５７の回転子２５３と反対側の端部を連結する連結部２５８とを有する「Ｕ」字状をし、周方向に等間隔をおいて配されている。
永久磁石２５４は、横断面形状が矩形状をし、その長手方向が半径方向と一致するように、周方向に隣接する２つの固定子コア２５５間に配されている。
巻線２５６は、永久磁石２５４と、当該永久磁石２５４の両側に配された固定子コア２５５の延伸部２５７とに対して巻回されている。なお、固定子コア２５５の連結部２５８は、巻線２５６よりも外側で、一対の延伸部２５７を連結している。
回転子２５３は、軟磁性体からなり、横断面形状が円環状をしたヨーク部２６０と、ヨーク部２６０から固定子２５２側に突出する複数の突極部２６１とを備える。複数の突極部２６１は、周方向に等間隔をおいて形成されている。
この電動機２５１は、図２１に示す電動機２０１と異なり、固定子２５２の横断面において、永久磁石２５４を周方向から挟む２つの延伸部２５７同士が、永久磁石２５４の半径方向の両側で連結されていない。
このため、永久磁石２５４から、隣接する延伸部２５７の一方に進行した磁束は、他方の延伸部２５７に進行することができなくなる。つまり、固定子コア２５５が永久磁石２５４の磁路を短絡していない分、電動機２０１よりも、永久磁石２５４から回転子２５３へと流れる磁束を増加させることができる。
これにより、図２１に示す電動機２０１に比べて、永久磁石２５４の磁束を有効に利用することができ、回転子２５３で発生するトルクを高くすることができる。
しかしながら、発明者はさらに研究を進めた結果、上記した電動機２５１では、高トルクを発生させるために大電流を流すと、永久磁石が減磁しやすいという問題が生じることが判明した。
この様子を図２０に示す磁界の模式図を用いて説明する。
図２０は、図１９に示す電動機２５１において、回転子２５３の突極部２６１が回転して、固定子２５２の永久磁石２５４側に近接し、固定子コア２５５ａの延伸部２５７ａに対して最大トルクを発生する直前の様子である。
図２０に示すように、永久磁石２５４のＮ極に隣接した固定子コア２５５ａの延伸部２５７ａが、回転子２５３の突極部２６１と離れていて、永久磁石２５４の磁束が流れる磁路の磁気抵抗が大きいときに、巻線２５６に大電流が流れて永久磁石２５４の磁束を打ち消す成分の磁界（所謂、逆磁界である。）が作用すると、永久磁石２５４は減磁する可能性がある。
本明細書において開示される回転機もしくは電動機の駆動方法または電動機駆動システムによると、さらに耐減磁力の向上を図ることができる。
本発明に係る一形態を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態に係る電動機について、図１〜図３を参照して以下に説明する。
図１は第１の実施形態に係る電動機の分解斜視図であり、図２は第１の実施形態に係る電動機の断面図であり、図３は回転子の詳細図である。
１．全体構成
電動機１は、図１および図２に示すように、複数の磁極部４を円周上に配置してなる環状の固定子２と、固定子２の中心と同軸に配された回転子３とを備える。なお、固定子２の中心は回転子３の回転中心軸であり、以下、「回転中心軸」とし符号Ｏを用いる。
本実施形態における電動機１は、回転子３が固定子２の外側で回転するアウターロータ型であり、複数の磁極部４が発生する磁界により回転子３が所定の方向に回転する。
磁極部４は、ティース８とティース８に対して集中巻された巻線９とを有する。
本実施形態での電動機１は、例えば、３相巻線を備える３相電動機である。巻線９は、３相巻線を構成し、Ｕ層９ａ，９ｄ、Ｗ層９ｂ，９ｅ、Ｖ層９ｃ，９ｆの６個である。各層の巻線９ａ〜９ｆが巻回されているティースの符号を、その巻線の符号に含まれるアルファベットを「８」に付加して、例えば「８ａ」と表し、各層の巻線９ａ〜９ｆを含む磁極部の符号を、ティースと同様に、その巻線の符号に含まれるアルファベットを「４」に付加して、例えば「４ａ」と表す。
ティース８ａ〜８ｆは、永久磁石５ａ〜５ｆと、固定子２の周方向であって永久磁石５ａ〜５ｆの両側に配された一対の磁性部材６，７とを有する。永久磁石５ａ〜５ｆは、回転中心軸Ｏと直交する断面（横断面）において、固定子２の半径方向の両側が開放されている。つまり、横断面において、一対の磁性部材６，７は、固定子２の半径方向の両側（永久磁石５ａ〜５ｆの半径方向の延伸上）で連結されていない。なお、永久磁石の符号に含まれるアルファベットは、当該永久磁石が含まれている磁極部４ａ〜４ｆの符号に付されたアルファベットに対応している。
ここで、磁極部４ａ〜４ｆを構成する２つの磁性部材６，７について、磁性部材６，７が含まれる磁極部４ａ〜４ｆ内の永久磁石５ａ〜５ｆを基準にして、回転子３の回転方向（反時計回りの方向）に存する磁性部材の符号を「７」とし、回転子３の反回転方向（時計回りの方向）に存する磁性部材の符号を「６」とする。
また、固定子２の周方向に隣接する２つの構成（例えば、上記の２つの磁性部材である。）を説明する場合、周方向に沿って回転方向に移動したときに出会う構成（例えば、磁性部材６である。）がある側を「回転方向側」や「前方側」といい、反回転方向に移動したときに出会う構成（例えば、磁性部材７である。）がある側を「反回転方向側」や「後方側」という。
また、ある構成において半径方向を説明する場合において、回転中心軸Ｏに近い側を内側と、回転中心軸Ｏから離れる側を外側として説明することもある。
回転子３は、環状のヨーク部１２と、ヨーク部１２から固定子２側に突出する第１突極部１３と、ヨーク部１２における第１突極部１３よりも回転方向前方側に位置する部位から固定子２側に突出する第２突極部１４とを有する。
ここで、第２突極部１４は、永久磁石５ａ〜５ｆの反回転方向側に位置する磁性部材６に対して第１突極部１３が回転方向に沿って重ならない状態では前記反回転方向側に位置する磁性部材６に対して回転方向に沿って重なり、前記反回転方向側に位置する磁性部材６に対して第１突極部１３が回転方向に沿って重なる状態では前記反回転方向側に位置する磁性部材６に対して回転方向に沿って重ならないように設けられている。
なお、第１突極部１３と第２突極部１４との両方が磁性部材６に重ならい状態があることを考慮すると、第２突極部１４は、永久磁石５ａ〜５ｆの反回転方向側に位置する磁性部材６に対して第１突極部１３が回転方向に沿って重ならない状態の少なくとも一部で前記反回転方向側に位置する磁性部材６に対して回転方向に沿って重なる状態があれば良い。
また、第２突極部１４と永久磁石５ａ〜５ｆの反回転方向側に位置する磁性部材６との半径方向の間隔は、第１突極部１３と前記反回転方向側に位置する磁性部材６との半径方向の間隔よりも大きくなっている。
なお、図１に示すように、固定子２の各磁極部４ａ〜４ｆは、回転中心軸Ｏの延伸する方向（以下、「中心軸方向」ともいう。）の一方の端部において円環部材１５に取り付けられている。回転子３のヨーク部１２には、中心軸方向の他方の端部（ここでは円環部材１５が取り付けられている側と反対側の端部である。）において円環部材１６が取り付けられている。
２．各部構成
各部の構成について具体的に説明する。
本実施形態では、回転子３は回転中心軸Ｏの回りを反時計方向（図２の矢印Ａの方向である。）に回転する（反時計回りに回転するともいう。）。
（１）固定子
固定子２について、図２を参照して説明する。
固定子２は、固定子２の周方向に間隔をおいて配された偶数個の永久磁石５ａ〜５ｆと、周方向に隣接する永久磁石５ａ〜５ｆ間に配された偶数個の固定子コア１０と、偶数本（偶数個）の巻線９とを有する。
永久磁石５ａ〜５ｆと固定子コア１０の個数および巻線９ａ〜９ｆの個数（本数）は同じであり、ここでは、６個（６本）である。
（ａ）永久磁石
永久磁石５ａ〜５ｆは、希土類磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石等を利用することができる。永久磁石５ａ〜５ｆの着磁の向きは固定子２の周方向である。永久磁石５ａ〜５ｆの形状は特に限定するものではないが、着磁の向きを考慮すると、固定子２の半径方向に長い長尺状が好ましい。ここでは、永久磁石５ａ〜５ｆの横断面形状は矩形状をしている。永久磁石５ａ〜５ｆは、その長手方向が固定子２の半径方向と一致するように配される。つまり、永久磁石５ａ〜５ｆは、固定子２の半径方向に延伸するように配されている。
永久磁石５ａ〜５ｆの配置（向き）は、固定子２の周方向に隣接する２つの永久磁石５ａ〜５ｆが互いに同じ極を向い合わせように行われる。つまり、２つの永久磁石において対向する面の極性が同じになるように配される。
（ｂ）固定子コア
固定子コア１０は、固定子２の半径方向に延伸する２つの延伸部（６，７）を固定子２の周方向に間隔をおいて有する。具体的には、固定子２の周方向に隣接する２つの永久磁石５ａ〜５ｆにおいて、回転方向側に位置する永久磁石５ａ〜５ｆに沿って延伸する延伸部（６）と、反回転方向側に位置する永久磁石５ａ〜５ｆに沿って延伸する延伸部（７）とを有する。なお、延伸部は、ティース８ａ〜８ｆを構成する一対の磁性部材６，７を構成するため、延伸部の符号として「６」、「７」を用いる。
固定子コア１０は、さらに、２つの延伸部６，７における回転中心軸Ｏ側の端部を連結する連結部１１を有する。ここでは、固定子コア１０は、２つの延伸部６，７と連結部１１とを一体として備える１つの部材として構成されている。
本実施形態における固定子コア１０の断面形状は、回転子３側が開口する「Ｕ」字状をしている。
各延伸部６，７における回転子３側の端部は、永久磁石５ａ〜５ｆにおける回転子３側の端部よりも回転子３側（外側）に張り出している。換言すると、永久磁石５ａ〜５ｆの回転子３側の端面は、固定子２の外周縁よりも中心軸Ｏ側に位置している。
ここで、ティース８ａ〜８ｆは、永久磁石５ａ〜５ｆと、永久磁石５ａ〜５ｆの回転方向側に配された固定子コア１０の延伸部（磁性部材）６と、同じ永久磁石５ａ〜５ｆの反回転方向側に配された固定子コア１０の延伸部（磁性部材）７とから構成される。本実施形態では、ティース８ａ〜８ｆは、永久磁石５ａ〜５ｆの個数と同じ６個あり、延伸部（磁性部材）６，７は合計で１２個ある。
（ｃ）巻線
巻線９ａ〜９ｆは、各ティース８ａ〜８ｆに対して、磁性部材６，７および永久磁石５ａ〜５ｆを覆うように巻回されている。ここでの巻回方法は集中巻きである。巻線９は、固定子２の周方向に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順で配されている。
（２）回転子
回転子３は、図２に示すように、円環状の断面形状を有し、固定子２の外側に配されている。回転子３は、軟磁性材料で構成されている。
回転子３は、断面形状が円環状をしたヨーク部１２と、ヨーク部１２から回転子２側に突出する第１突極部１３と第２突極部１４とを有する。なお、第１突極部１３と第２突極部１４とは、ヨーク部１２の周方向に間隔をおいて設けられている。
第１突極部１３は、固定子２との磁気相互作用により、トルクを発生させるためのものである。第１突極部１３は、図２に示すように、ヨーク部１２の周方向に間隔をおいて複数個形成されている。ここでは、間隔は等間隔であり、合計で７個ある。第１突極部１３の個数は、永久磁石５ａ〜５ｆの個数や、磁性部材６，７等のピッチなどから決定される。
第２突極部１４は、第１突極部１３が磁性部材６に近づき（この第１突極部１３が近付いている磁性部材６を、以下、「対象の磁性部材」とする。）、第１突極部１３が対象の磁性部材６に回転方向に重なる直前に、対象の磁性部材６との間で磁路を確保するためのものである。
なお、上記の対象の磁性部材６は、特定の１つの磁性部材６を指すのではなく、すべての磁性部材６に対するものであり、複数個ある第１突極部１３の１つに注目して、この第１突極部１３が複数個ある磁性部材６のどれかに近づいた状態を指している。
第２突極部１４は、図２に示すように、ヨーク部１２の周方向に間隔をおいて複数個形成されている。ここでは、間隔は等間隔であり、第１突極部１３の個数と同じ個数であり、合計で７個ある。
第２突極部１４の個数は、特に限定するものではないが、第１突極部１３と同じ個数が好ましく、ヨーク部１２の周方向に隣接するすべての第１突極部１３間に存することが好ましい。
第１突極部１３と第２突極部１４とは上述のように機能が異なるため、ヨーク部１２からの固定子２側への突出量やヨーク部１２上での形成位置が異なる。
第１突極部１３および第２突極部１４の突出量および形成位置について、図３を参照して説明する。
（ａ）突出量
図３では、磁性部材６，７の外側端を最大外径とする円で示し、この円は固定子２の最外周と一致する。
第１突極部１３の突出先端（固定子２側の端である。）の内径と、固定子２の最外周（磁性部材６，７）の外径との差をエアギャップ寸法Ｇ１とし、第２突極部１４の突出先端（固定子２側の端である。）の内径と、固定子２の最外周（磁性部材６，７）の外径との差をエアギャップ寸法Ｇ２とし、第１突極部１３および第２突極部１４が存しないヨーク部１２の内径と、固定子２の最外周（磁性部材６，７）の外径との差をエアギャップ寸法Ｇ３とすると、Ｇ１ ＜ Ｇ２ ＜ Ｇ３ の関係がある。
なお、エアギャップ寸法Ｇ１は第１突極部１３と対象の磁性部材６との半径方向の間隔に相当し、エアギャップ寸法Ｇ２は第２突極部１４と磁性部材６との半径方向の間隔に相当する。
各エアギャップ寸法の関係について説明する。
まず、第１突極部１３は、トルク発生用であるため固定子２とのエアギャップ寸法Ｇ１は小さい。
第２突極部１４は磁路確保用であるため、固定子２とのエアギャップ寸法Ｇ２がエアギャップ寸法Ｇ１と同等である場合、第１突極部１３と磁極部４ａ〜４ｆとの間で生じるトルクを低下させるおそれがある。このため、エアギャップ寸法Ｇ２はエアギャップ寸法Ｇ１よりも大きい。逆に、エアギャップ寸法Ｇ２が、エアギャップ寸法Ｇ３と同等である場合、磁極部４ａ〜４ｆとの間で磁路を確保することができないため、エアギャップ寸法Ｇ２はエアギャップ寸法Ｇ３よりも小さい。
（ｂ）形成位置
第１突極部１３は、各磁極部４ａ〜４ｆに電流が流れ、最大電流又は最大電流値に近い電流値が流れた際に、磁極部４ａ〜４ｆに発生した磁気力により回転力が最大に促進される位置に存するように設けられている。
第１突極部１３が対象の磁性部材６と対向する領域を有しない状態では、第２突極部１４は対象の磁性部材６と対向する領域を有し、第１突極部１３が対象の磁性部材６と対向する領域を有する状態では、第２突極部１４が対象の磁性部材６と対向する領域を有しない。
実施形態では、第１突極部１３と、当該第１突極部１３の回転方向前方に位置する第２突極部１４との周方向の間隔は、磁性部材６における固定子２の周方向の長さよりも大きい。ここでの第１突極部１３と第２突極部１４との周方向の間隔は、第１突極部１３の回転方向側の端と、第２突極部１４の反回転方向側の端との間隔であって第１突極部１３の最内周上の周方向の長さである。磁性部材６の長さは、磁性部材６における反回転方向側の端と、回転方向側の端との間隔であって固定子２の最外周上の周方向の長さである。なお、第２突極部１４については、突出量が第１突極部１３よりも少ないが、第２突極部１４をそのまま固定子側に延伸させた最内周との交点が第２突極部１４の反回転方向の端に相当する。
角度の観点からは、第１突極部１３の回転方向側の端と回転中心軸Ｏとを結ぶ線分と第２突極部１４の反回転方向側の端と回転中心軸Ｏとを結ぶ線分との間の角度が、磁性部材６における反回転方向側の端と回転中心軸Ｏと回転方向側の端と回転中心軸Ｏとを結ぶ線分との間の角度よりも大きい。
本実施形態における第２突極部１４は、ヨーク部１２の周方向に隣接する２つの第１突極部１３間の中間に設けられている。つまり、ヨーク部１２の周方向に隣接する２つの第１突極部１３に対して、第２突極部１４と回転方向側の第１突極部１３との間の角度Ｘが、第２突極部１４と反回転方向側の第１突極部１３との間の角度Ｙと同じになっている。
なお、角度Ｘは、回転方向側の第１突極部１３の周方向の中央と回転中心軸Ｏとを結ぶ仮想線Ｋ１と、第２突極部１４の周方向の中央と回転中心軸Ｏとを結ぶ仮想線Ｋ２との間の角度である。角度Ｙは、反回転方向の第１突極部１３の周方向の中央と回転中心軸Ｏとを結ぶ仮想線Ｋ３と仮想線Ｋ２との間の角度である。
３．実施例
本実施形態に係る一例である実施例について説明する。
永久磁石５ａ〜５ｆは、フェライト磁石であり、エネルギー積が約４２[ｋＪ／ｍ3]である。固定子２の固定子コア１０には、電磁鋼板３５Ａ３００が用いられている。回転子３には、電磁鋼板３５Ａ３００が用いられている。
固定子２の最外周、つまり、磁性部材６，７の最大半径Ｒ１は、５５［ｍｍ］である。エアギャップ寸法Ｇ１は、０．５［ｍｍ］であり、エアギャップ寸法Ｇ２は１．７［ｍｍ］であり、エアギャップ寸法Ｇ３は５．５［ｍｍ］である。
第１突極部１３と第２突極部１４はそれぞれ７個ある。隣接する第１突極部１３間の角度および隣接する第２突極部１４の角度は約５１．４［ｄｅｇ］（３６０／７）である。第２突極部１４と第１突極部１３との配置位置は、角度Ｘ、角度Ｙとも約２５．７［ｄｅｇ］である。
４．回転動作について
（１）トルク発生
磁性部材６，７の先端部の反回転側に第１突極部１３が位置しており、巻線９ａ〜９ｆに通電することで当該第１突極部１３が磁極部４ａ〜４ｆに引きつけら、回転子３に回転方向のトルクが発生する。
永久磁石５ａ〜５ｆにおいて固定子２の半径方向の端面（永久磁石５ａ〜５ｆの外側および内側の端面）が開放された状態となっている。ここでの「開放された」とは、永久磁石５ａ〜５ｆの端面が、空気の透磁率よりも高い透磁率を有する材料と接触していないことを指す。
換言すると、固定子２の磁極部４ａ〜４ｆは、永久磁石５ａ〜５ｆをその長軸を固定子２の半径方向に延伸する状態で備え、横断面において、永久磁石５ａ〜５ｆの両側に配された２つの磁性部材６，７同士が別の固定子コア１０で構成されている。このため、磁性部材６，７同士は、半径方向の両側で連結されていない構造となる。
つまり、磁極部４ａ〜４ｆを構成する一対の磁性部材６，７同士が磁気的に結合していない構造をしている。ここでの「磁気的に結合していない」とは、磁性部材６，７が、固定子コア１０の透磁率と同等以上の透磁率を有する材料により結合されていないことを指す。
これにより、永久磁石５ａ〜５ｆの内側の端部側では、永久磁石５ａ〜５ｆから磁性部材６，７に出た磁束が当該永久磁石５ａ〜５ｆを挟んだ反対側の磁性部材６,７へと短絡する磁路がない。
従って、永久磁石５ａ〜５ｆの磁束がトルク発生に寄与しない方向ではなく、磁性部材６，７の先端側に流れ、永久磁石５ａ〜５ｆから出た磁束を有効に利用することができる。
（２）減磁
回転子３は、磁界形成用の磁性部材６の反回転側に第１突極部１３が近付いたときに、当該磁性部材６と回転方向に沿って重なる位置に、エアギャップ寸法Ｇ２がエアギャップ寸法Ｇ１より大きな第２突極部１４を有している。
これにより、磁極部４ａ〜４ｆに最大電流又は最大電流値に近い電流値の電流が流れる際に、磁性部材６の先端部と、第２突極部１４との間隔が近くなり、永久磁石５ａ〜５ｆの磁路の磁気抵抗が小さくなる（第２突極部１４が存しないものに比べて、磁路が形成されていると言える。）。このため、磁極部４ａ〜４ｆに最大電流又は最大電流値に近い電流が流れ、永久磁石５ａ〜５ｆに対して逆磁界が作用しても、永久磁石５ａ〜５ｆの減磁を抑制する（耐減磁特性を向上させる）ことができる。
なお、エアギャップ寸法Ｇ２は、磁性部材６から第２突極部１４へと磁束が流れるおそれもあるが、トルク発生に必要な磁束を確保するのに悪影響を及ぼさないように設定されている。
図４は、通電における同等トルク時の永久磁石の磁束密度の最小値の変化を示した図であり、（ａ）は本実施形態に係る電動機、（ｂ）は従来例における電動機を示す。
なお、（ａ）で示す拡大部分は実施形態の磁極部４ａであり、（ｂ）で示す拡大部分は実施形態の磁極部４ａに相当する部分である。
図４は、電流を電気角１周期通電したときの永久磁石の配向（Ｎ極Ｓ極の向き）中心の半径方向線上での磁束密度の最小値を磁界解析で計算したものである。なお、本実施形態に係る電動機では、定格電流で最大トルクとなる電流位相は誘起電圧の位相から３０ｄｅｇ遅れた−３０ｄｅｇとし、従来例における電動機では、同定格電流で最大トルクとなる電流位相は誘起電圧の位相から２０ｄｅｇ遅れた−２０ｄｅｇとした。
図４の縦軸は磁束密度、横軸は電気角とし、実線で磁束密度の最小値の変化を、破線で磁束密度の最小値の平均値を示す。なお、従来例は、本実施形態で説明した回転子３において第２突極部１４を有していない電動機である。
本実施形態では、図４の（ａ）に示すとおり、磁束密度の最小値が０．３１［Ｔ］、磁束密度の最小値の平均値が０．４１［Ｔ］である。これに対し、従来例では、図４の（ｂ）に示すとおり、磁束密度の最小値が０．２８Ｔ、磁束密度の最小値の平均値が０．３８Ｔである。
このように、永久磁石５ａ〜５ｆの磁束密度の最小値、最小値の平均値とも、本実施形態の方が高く、減磁に対して余裕（耐減磁性）があることがわかる。
従って、第２突極部１４は主に磁路を確保（磁気抵抗を小さく）し、永久磁石５ａ〜５ｆの逆磁界に対する耐減磁性の確保に寄与していると言える。
また、回転子３と対向した永久磁石５ａ〜５ｆの端面が、磁性部材６，７の外側端よりも回転子３から離れている（回転中心軸Ｏに近い）。このため、回転子３の第１突極部１３からの磁束が永久磁石５ａ〜５ｆに直接作用することがなく、磁性部材６，７側に流れるため、永久磁石５ａ〜５ｆの耐減磁性がさらに向上する。なお、ここでの永久磁石５ａ〜５ｆの端面と磁性部材６，７の外側端との間隔（固定子２の半径方向の距離である。）は、磁性部材６，７との間で磁路が形成されない距離である。
（３）磁路確保と最大トルクの発生について
図５は、磁路確保と最大トルクの発生のタイミングを説明する図である。
同図の（ａ−１）、（ａ−２）、（ａ−３）は本実施形態で説明した電動機１（実施形態例ともいう）であり、（ｂ−１）、（ｂ−２）、（ｂ−３）は本実施形態で説明した回転子３において第２突極部１４を有していない回転子２７１を備える電動機（従来例ともいう。）である。
（ａ−１）と（ａ−２）とは、回転子２，２７１の第１突極部１３，２７３が磁性部材６に対して最大トルクを発生する前の状態を示しており、第１突極部１３，２７３とも磁性部材６に対して同じ位置に存する。
（ｂ−１）と（ｂ−２）とは、巻線９に流れる電流値が最大値に近い状態（最大トルクを発する直前の状態）を示しており、回転子２，２７１の第１突極部１３，２７３は磁性部材６に対して、（ａ−１）、（ａ−２）よりも近づいている。なお、第１突極部１３，２７３とも磁性部材６に対して同じ位置に存する。
（ｃ−１）と（ｃ−２）とは、回転子２，２７１の第１突極部１３，２７３が磁性部材６に対して最大トルクを発生した状態を示しており、第１突極部１３，２７３とも磁性部材６に対して同じ位置に存する。
なお、図５では、特定箇所の磁極部を指しているのでないため、アルファベット「ａ」〜「ｆ」は付していない。
（ａ）実施形態例
まず、（ａ−１）に示すように、巻線９に通電されると共に第１突極部１３が磁性部材６に近づく。第１突極部１３は、（ｂ−１）に示すように、さらに磁性部材６に近づくと共に巻線９に流れる電流が大きくなる。
このとき、磁性部材６の先端部分と第２突極部１４との間隔が近くなり、永久磁石５ａ〜５ｆの磁路の磁気抵抗が小さくなる。このため、磁性部材６の先端部分から回転子３の第２突極部１４を通り、磁性部材６、永久磁石５へと磁束が流れる磁路が形成されるため、電流が増加し永久磁石５に逆磁界が作用しても永久磁石５ａ〜５ｆの減磁を抑制することができる。
そして、（ｃ−１）に示すように、磁性部材６の先端部分の第１突極部１３の引きつける力が最大となり、最大トルクを発生する。
なお、上述のように、永久磁石５ａ〜５ｆの耐減磁特性が向上すると、巻線９にさらに大きな電流を流すことができるようになる。このように、同じトルクを出力する場合は減磁特性を向上でき、同じ減磁特性とする場合は、通電できる電流を大きくできるので高いトルクを発生することができる。
（ｂ）従来例
まず、（ａ−２）に示すように、巻線９に通電されると共に第１突極部２７３が磁性部材６に近づく。第１突極部２７３は、（ｂ−２）に示すように、さらに磁性部材６に近づくと共に巻線９に流れる電流が大きくなる。
このとき、磁性部材６の先端部分と回転子２７１との間隔が広く、永久磁石５ａ〜５ｆの磁路の磁気抵抗が大きくなる。このため、磁性部材６の先端部分から回転子２７１側を通り、磁性部材６、永久磁石５へと磁束が流れる磁路が形成されない（空気への磁束の漏れは除く。）ため、電流が増加し永久磁石５に逆磁界が作用すると永久磁石５の減磁を抑制することができない。
５．その他
（１）永久磁石について
永久磁石は、エネルギー積が低い材質の磁石を使用した場合、高トルクを発生させるために巻線に大電流を流すと減磁しやすい特性を有する。この様子を図６に示す磁界解析の結果を用いて説明する。
図６の（ａ）は、図１９に示す電動機２５１において、永久磁石２５４として希土類磁石２５４Ａ（エネルギー積：３５０[ｋＪ／ｍ3]）を用いて巻線２５６に通電してトルクを発生させた場合の電動機２５１Ａの内部の磁束の様子を示し、図６の（ｂ）は、永久磁石２５４として、フェライト磁石２５４Ｂ（エネルギー積：４２[ｋＪ／ｍ3]）を用いて巻線２５６に通電してトルクを発生させた場合の電動機２５１Ｂ内部の磁束の様子を示す。なお、電動機２５１Ａと電動機２５１Ｂとは、永久磁石２５４の種類が異なり、永久磁石の符号に付されたアルファベットをそのまま電動機の符号の末尾に付している。
図６に示す状態において、例えば、永久磁石２５４Ａ２，２５４Ｂ２には、巻線２５６の通電で発生した磁界（図中の「Ａ１」である。）が加わっている。この巻線２５６の磁界は永久磁石２５４Ａ２，２５４Ｂ２の磁界と逆向きになる。
一方、例えば、永久磁石２５４Ａ４，２５４Ｂ４には、巻線２５６の通電で発生した磁界（図中の「Ａ２」である。）が加わっている。この巻線２５６の磁界は永久磁石２５４Ａ４，２５４Ｂ４の磁界と同じ向きになる。
永久磁石２５４Ａ２，２５４Ｂ２と、永久磁石２５４Ａ４、２５４Ｂ４を比べると、図６の（ａ）に示す希土類磁石２５４Ａを用いた電動機２５１Ａでは、逆向き磁界が加わった永久磁石の磁束線密度に大きな変化はない。これに対して、図６の（ｂ）に示すフェライト磁石を用いた電動機２５１Ｂでは、逆向き磁界が加わった永久磁石の磁束線密度が粗くなっていることがわかる。
つまり、図１９に示す構造の電動機２５１では、希土類磁石を用いた場合は希土類磁石の磁束に大きな変化がないが、フェライト磁石を用いた場合にはフェライト磁石に作用する逆磁界により減磁が発生してしまう。
従って、図１９に示す構造の電動機２５１では、希土類磁石に比べてエネルギー積の小さなフェライト磁石を用いて高トルクを出力するのは困難である。
しかしながら、本実施形態に係る電動機１では、エネルギー積が低い（４２[ｋＪ／ｍ3]）フェライト磁石を用いても、巻線９の通電による不可逆な減磁を防ぐことができ、小型で高トルクな電動機１を提供することができる。
換言すると、本実施形態に係る電動機は、エネルギー積が低い永久磁石を用いた場合に、減磁特性の抑制効果が高いと言える。
（２）その他
第１の実施形態では、ティース８ａ〜８ｆに集中巻の巻線９ａ〜９ｆを採用している。そのため固定子２の端面の巻線いわゆるコイルエンドの小型化を図ることができ、結果的に電動機１の小型化も図ることができる。巻線９ａ〜９ｆのコイルエンドは、電流を流してもトルクに寄与しない部分であり、通電時の巻線抵抗によるジュール損である銅損を低下することができ、高効率となる。
巻線９ａ〜９ｆのそれぞれは、固定子２の周方向において隣り合う巻線９ａ〜９ｆと巻回方向が同じであり、永久磁石５ａ〜５ｆは、固定子２の周方向で隣り合う永久磁石５ａ〜５ｆと着磁方向が逆としている。
これにより、巻線９ａ〜９ｆの巻回が容易となり、巻線９ａ〜９ｆをしっかりと巻回することができ、ティース８ａ〜８ｆ間での巻線９ａ〜９ｆの重なりが少ない高占積巻線や巻線工数低減等により信頼性を向上させることができる。
また、第１の実施形態では、いわゆるアウターロータ型を採用している。そのため同じ体積で比較した場合、回転子３が固定子２の内周側に配置されたインナーロータ型に比べて、回転子３の径を大きくすることができる。したがって、第１の実施形態のような極数が７となるような奇数の電動機１でも、回転子３の第１突極部１３、第２突極部１４およびこれらの突極部１３，１４が存在しないヨーク部１２の差を磁気的に明確にでき、有効磁束の低下を防ぐことができる。
＜第２の実施形態＞
１．構成
第２の実施形態に係る電動機２１について、図７、図８を参照して以下に説明する。
図７は第２の実施形態に係る電動機２１の断面図であり、図８は回転子２２の詳細図である
電動機２１は、固定子２は第１の実施形態と同じであり、回転子２２のみが異なる。このため、固定子２については、第１の実施形態に係る固定子２と同じ符号を用い、固定子２を構成する各部についても、第１の実施形態と同じ符号を用い、これら各部の説明は省略する。
回転子２２は、第１の実施形態と同様に、固定子２の外側に回転自在に配置されている。なお、第２の実施形態に係る電動機２１も、第１の実施形態と同様なアウターロータ型である。
回転子２２は、環状のヨーク部２３と、ヨーク部２３から固定子２側に突出する第１突極部２４と、ヨーク部１２における第１突極部２４よりも回転方向前方側に位置する部位から固定子２側に突出する第２突極部２５とを有する。
ここでも、第２突極部２５は、第１突極部２４が対象の磁性部材６に対して回転方向に沿って重ならない状態では対象の磁性部材６に対して回転方向に沿って重なり、第１突極部２４が対象の磁性部材６に対して回転方向に沿って重なる状態では対象の磁性部材６に対して回転方向に沿って重ならないように設けられている。
また、第２突極部２５と対象の磁性部材６との半径方向の間隔は、第１突極部２４と対象の磁性部材６との半径方向の間隔よりも大きくなっている。
回転子２２の材料は、第１の実施形態での回転子３と同じである。
第１突極部２４は、固定子２との磁気相互作用により、トルクを発生させるためのものである。第１突極部２４は、図７に示すように、ヨーク部２３の周方向に間隔をおいて複数個形成されている。ここでは、間隔は等間隔であり、合計で７個ある。第１突極部２４の個数は、永久磁石５ａ〜５ｆの個数や、磁性部材６，７等のピッチなどから決定される。
第２突極部２５は、第１突極部２４が固定子２（正確には、磁性部材６，７である。）に対して最大トルクを発する前に、対象の磁性部材６との間で磁路を確保するためのものである。
第２突極部２５は、図７に示すように、ヨーク部２３の周方向に間隔をおいて複数個形成されている。ここでは、間隔は等間隔であり、第１突極部２４の個数と同じ個数であり、合計で７個ある。
第２突極部２５の個数は、特に限定するものではないが、第１突極部２４と同じ個数が好ましく、周方向に隣接するすべての第１突極部２４間に存することが好ましい。
２．突出量および形成位置
第１突極部２４および第２突極部２５の突出量ならびに形成位置について、図８を参照して説明する。
（ａ）突出量
図８では、磁性部材６，７の外側端を最大外径とする円で示し、この円は固定子２の最外周と一致する。
第１突極部２４の突出先端（固定子２側の端である。）の内径と、固定子２の最外周（磁性部材６，７）の外径との差をエアギャップ寸法２Ｇ１とし、第２突極部２５の突出先端（固定子２側の端である。）の内径と、固定子２の最外周（磁性部材６，７）の外径との差をエアギャップ寸法２Ｇ２とし、第１突極部２４および第２突極部２５が存しないヨーク部２３の内径と、固定子２の最外周（磁性部材６，７）の外径との差をエアギャップ寸法２Ｇ３とすると、第１の実施形態と同様に、２Ｇ１ ＜ ２Ｇ２ ＜ ２Ｇ３ の関係がある。
なお、エアギャップ寸法２Ｇ１は第１突極部２４と対象の磁性部材６との半径方向の間隔に相当し、エアギャップ寸法２Ｇ２は第２突極部２５と対象の磁性部材６との半径方向の間隔に相当する。
各エアギャップ寸法の大小関係については、第１の実施形態と同じであるため、ここでの説明は省略する。
（ｂ）形成位置
第１突極部２４と第２突極部２５との形成位置は、第１突極部２４が対象の磁性部材６と対向する領域を有しない状態では、第２突極部２５は対象の磁性部材６と対向する領域を有し、第１突極部２４が対象の磁性部材６と対向する領域を有する状態では、第２突極部２５が対象の磁性部材６と対向する領域を有しないように設定されている。
第２突極部２５は、ヨーク部２３の周方向に隣接する２つの第１突極部２４間の中間よりも回転方向前方側に設けられている。つまり、周方向に隣接する２つの第１突極部２４に対して、第２突極部２５と反回転方向側の第１突極部２４との間の角度２Ｘが、第２突極部２５と回転方向側の第１突極部２４との間の角度２Ｙよりも大きくなっている。
なお、角度２Ｘは、回転方向側の第１突極部２４の周方向の中央と回転中心軸Ｏとを結ぶ仮想線２Ｋ１と、第２突極部２５の周方向の中央と回転中心軸Ｏとを結ぶ仮想線２Ｋ２との間の角度である。角度２Ｙは、反回転方向の第１突極部２４の周方向の中央と回転中心軸Ｏとを結ぶ仮想線２Ｋ３と仮想線２Ｋ２との間の角度である。
３．実施例
本第２の実施形態に係る一例である実施例について説明する。
固定子２２は、第１の実施形態で説明した固定子２と同じ構成あり、実施例においても第１の実施形態で説明した固定子２の実施例と同じである。このため、第２の実施形態における固定子２２の実施例の説明は省略する。
回転子２２と固定子２との間のエアギャップ寸法については、エアギャップ２Ｇ１は０．５［ｍｍ］であり、エアギャップ２Ｇ２は１．７［ｍｍ］であり、エアギャップ２Ｇ３は５．５［ｍｍ］である。
第１突極部２４と第２突極部２５はそれぞれ７個ある。隣接する第１突極部２４間の角度および隣接する第２突極部２５の角度は約５１．４［ｄｅｇ］（３６０／７）である。
第１突極部２４に対して回転方向側に存する第２突極部２５との配置については、第２突極部２５と反回転方向側の第１突極部２４との間の角度２Ｘが約３１［ｄｅｇ］であり、第２突極部２５と回転方向側の第１突極部２４との間の角度２Ｙが約２０．４［ｄｅｇ］である。
４．減磁特性
図９は、第２の実施形態の電動機について通電における同等トルク時の永久磁石の磁束密度の変化を示した図である。
同図において、縦軸は磁束密度、横軸は電気角とし、実線で磁束密度の最小値の変化を、破線で磁束密度の最小値の平均値を示す。
第２の実施形態では、図９に示す通り、磁束密度の最小値が０．３０［Ｔ］であり、最小値の平均値が０．４２［Ｔ］である。これに対し、第２突極部（２５）を有しない従来例では、図４の（ｂ）に示す通り、磁束密度の最小値が０．２８［Ｔ］、最小値の平均値が０．３８［Ｔ］である。
第２の実施形態においても、永久磁石（５）の磁束密度の平均値、最小値とも、比較例よりも高く、また、第１の実施形態に対しても若干高く、減磁に対して余裕（耐減磁性）があることがわかる。従って、第２突極部１４は主に磁路を確保し永久磁石５ａ〜５ｆの逆磁界に対する耐減磁性の確保に寄与していると言える。
＜第３の実施形態＞
第３の実施形態では、第１の実施形態に係る電動機１を利用した電動機駆動システムについて説明する。
第１の実施形態および第２の実施形態に係る電動機１，２１では、永久磁石５ａ〜５ｆのＮ極から出た磁束をできるだけ多く回転子３，２２側に向かわせることができる構成とした。発明者は、駆動方法の観点から更なるトルクの向上について検討を進めることとした。その結果、通常、マグネットトルクを用いた電動機では、巻線に発生する誘起電圧の位相と電流の位相を一致させるとトルクが最大となるのに対して、本電動機のトルク特性は誘起電圧の位相よりも電流位相を遅らせたほうが、トルクが最大となることがわかった。
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１０は、第３の実施形態に係る電動機駆動システムの構成図である。
１．構成
電動機駆動システム３０は、電動機３２と駆動装置３３とで構成される。
電動機３２は、第１の実施形態で説明した電動機１に位置センサＳを設けたものである。位置センサＳは、例えば、レゾルバ、エンコーダ、ホール素子などである。なお、センサレス制御を行う場合は、位置センサＳは不要である。
駆動装置３３は、３相インバータであり、直流電源３１の直流電流を３相電流に変換して電動機３２に供給する。具体的には、駆動装置３３は、スイッチ素子Ｔ１〜Ｔ６、電流検出部３４、位置検出部３５、速度検出部３６、ＰＷＭ制御部３７、ドライバ３８を含む。スイッチ素子Ｔ１〜Ｔ６は３相ブリッジを構成している。
電流検出部３４は、Ｕ相配線とＷ相配線にそれぞれ設けられたカレントトランスＣＴを用いてＵ相、Ｖ相およびＷ相の電流を検出する。位置検出部３５は位置センサＳを用いて、電動機３２の回転子の固定子に対する位置関係（回転角）を検出する。速度検出部３６は、位置センサＳを用いて電動機３２の回転子の固定子に対する回転速度を検出する。ＰＷＭ制御部３７は、外部からの速度指令、電流検出値、位置検出値および速度検出値に基づいてＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を生成する。ドライバ３８は、ＰＷＭ信号に基づいてスイッチ素子Ｔ１〜Ｔ６を動作させるためのゲート信号を生成する。電流検出部３４、位置検出部３５、速度検出部３６およびＰＷＭ制御部３７の機能は、ハードウェアで実現されてもよいし、ソフトウェアで実現されてもよい。ソフトウェアの場合は、マイコン（マイクロコンピュータ）がソフトウェアを実行することで上記機能を実現する。
２．駆動方法
図１１は、電動機３２の無通電回転時における誘起電圧を示す波形図である。縦軸に相電圧、横軸に電気角を示す。Ｕ相電圧を実線、Ｖ相電圧を一点鎖線、Ｗ相電圧を二点鎖線で示す。
図１２は、駆動装置３３から電動機３２に供給する電流を示す波形図である。縦軸に相電流、横軸に電気角を示す。Ｕ相電流を実線、Ｖ相電流を一点鎖線、Ｗ相電流を二点鎖線で示す。
第３の実施形態では、図１２に示すように、無通電回転時の誘起電圧の位相を基準としたとき、電動機３２に供給する電流の位相を基準の位相に対して４０［ｄｅｇ］遅らせた（−４０ｄｅｇ）電流を供給する。
図１３は、駆動装置３３の動作、特にＰＷＭ制御部３７の動作を示すフローチャートである。
ＰＷＭ制御部３７は、図１２の波形図に相当するテーブルを予め記憶しているものとする。ＰＷＭ制御部３７は、外部から速度指令値を取得し（ステップＳ１０１）、速度検出部３６から速度検出値を取得し（ステップＳ１０２）、これらを用いて電動機３２に供給すべき電流の実効値を算出する（ステップＳ１０３）。
次に、ＰＷＭ制御部３７は、位置検出部３５から位置検出値を取得し（ステップＳ１０４）、予め記憶しているテーブル（４０［ｄｅｇ］遅れ）を参照して、電動機３２に供給すべき電流の指令値を特定する（ステップＳ１０５）。この指令値は、実効値ではなく瞬時値である。
次に、ＰＷＭ制御部３７は、電流検出部３４から電流検出値を取得し（ステップＳ１０６）、電流の指令値と電流検出値を用いて電圧指令値を求め、電圧指令値とキャリア信号を用いてＰＷＭ信号を生成する（ステップＳ１０７）。生成されたＰＷＭ信号は、ドライバ３８に供給される。
ＰＷＭ制御部３７は、電源がオフされなければ（ステップＳ１０８：Ｎｏ）、一定期間が経過するのを待ってステップＳ１０１からＳ１０７までの処理を繰り返す（ステップＳ１０９：Ｙｅｓ）。ＰＷＭ制御部３７は、電源がオフされれば（ステップＳ１０８：Ｙｅｓ）、処理を終了する。
このような動作により、駆動装置３３は、図１２の波形図に相当する電流を電動機３２に供給することができる。
３．トルク特性
図１４は、電動機３２のトルクと電流位相の関係を示した図であり、（ａ）は永久磁石にフェライト磁石を用いた場合、（ｂ）は永久磁石に希土類磁石を用いた場合である。（ａ）、（ｂ）共に縦軸にトルク、横軸に電流位相を示す。
ここで、電流位相は、電動機の無通電回転時における誘起電圧の位相を基準としている。つまり電流位相が０［ｄｅｇ］というのは、無通電回転時における誘起電圧の位相と電流位相を一致させた場合を示す。そして、電流位相がマイナスに大きくなるほど、電流位相の遅延量が大きくなることを示す。
（１）フェライト磁石
図１４の（ａ）に示すように、フェライト磁石を用いた電動機において電流振幅を変えずに電流位相を変えた場合、電流位相を誘起電圧の位相よりも遅らせるとトルクが向上する。具体的には、電流位相を−０（０は含まない）［ｄｅｇ］〜−５０（−５０は含む）［ｄｅｇ］とすればよい。そして、例えば、電流位相を−４０［ｄｅｇ］とすれば、最大トルクが得られ、電流位相０［ｄｅｇ］の場合に比べてトルクが１７０［％］に増加する。
マグネットトルクは、電流（ｑ軸電流）と磁束の積に比例する。そのため、マグネットトルクを高めるには、電流と磁束を高めることが有効である。第３の本実施形態の電動機３２には、希土類磁石に比べて残留磁束密度の小さいフェライト磁石を用いている。したがって、フェライト磁石の磁束による界磁を強めるために、電流位相を誘起電圧の位相よりも遅らせることにより、トルクに作用する電流（ｑ軸電流）に対して位相が９０［ｄｅｇ］遅れた強め界磁電流（ｄ軸電流）を流すことが有効である。
第３の実施形態の電動機３２は、エネルギー積が小さく（概ね、１５０［ｋＪ／ｍ3］以下）、残留磁束密度の小さいフェライト磁石を用いることで永久磁石界磁に巻線界磁を合成できる構造としている。そのため、電動機３２に流す電流位相を遅らせ強め界磁を行うことでトルクを向上させることができる。
具体的には、第３の実施形態では、図１２に示すように、電流位相を−４０［ｄｅｇ］としている。したがって、このときは、永久磁石としてフェライト磁石を用いた場合の最大トルクを得ることができる。なお、上記の通り、電流位相を−０（０は含まない）［ｄｅｇ］〜−５０［ｄｅｇ］とすれば、電流位相０［ｄｅｇ］トルクを向上させることができる（図１４参照）ので、この範囲内の特定の電流位相で駆動することとしてもよい。
（２）希土類磁石
図１４の（ｂ）に示すように、希土類磁石を用いた電動機において電流振幅を変えずに電流位相を変えた場合、電流位相を誘起電圧の位相よりも遅らせるとトルクが向上する。具体的には、電流位相を−０（０は含まない）［ｄｅｇ］〜−２０（−２０は含まない）［ｄｅｇ］とすればよい。そして、例えば、電流位相を−１０［ｄｅｇ］とすれば、最大トルクが得られ、電流位相０［ｄｅｇ］の場合に比べてトルクが１０２［％］に増加する。
４．減磁特性
上記のように巻線に供給する電流の位相を遅らせることでトルクが向上する。従って、従来例と同等のトルクを発生させる場合には、供給する電流を小さくすることができ、結果的に耐減磁性を向上させることができる。
＜第４の実施形態＞
第３の実施形態では、電流位相の遅延量が固定的（例えば、−４０［ｄｅｇ］である。）である。これに対し、第４の実施形態では、電動機に供給する電流の大きさに応じて電流位相の遅延量を変化させる。これ以外の構成については第３の実施形態と同様なので説明を省略する。
１．駆動方法
図１５は、駆動装置３３から電動機３２に供給する電流を示す波形図であり、（ａ）は電流位相が−１５［ｄｅｇ］、（ｂ）は電流位相が−２０［ｄｅｇ］、（ｃ）は電流位相が−４０［ｄｅｇ］である。縦軸に相電流、横軸に電気角を示す。Ｕ相電流を実線、Ｖ相電流を一点鎖線、Ｗ相電流を二点鎖線で示す。
図１６は、駆動装置３３の動作、特にＰＷＭ制御部３７の動作を示すフローチャートである。ＰＷＭ制御部３７は、図１５（ａ），（ｂ），（ｃ）の波形図に相当する３種類のテーブルを予め記憶しているものとする。
ＰＷＭ制御部３７は、外部から速度指令値を取得し（ステップＳ３０１）、速度検出部３６から速度検出値を取得し（ステップＳ３０２）、これらを用いて電動機３２に供給すべき電流の実効値を算出する（ステップＳ３０３）。次に、ＰＷＭ制御部３７は、算出された電流の実効値に応じて予め記憶している３種類のテーブルのうちの一つを選択する（ステップＳ３０４）。
選択方法としては、例えば、電流の実効値が第１の範囲であれば、図１５（ａ）に相当するテーブルを選択し、電流の実効値が第１の範囲よりも大きな第２の範囲であれば、図１５（ｂ）に相当するテーブルを選択し、電流の実効値が第２の範囲よりも大きな第３の範囲であれば、図１５（ｃ）に相当するテーブルを選択する。即ち、電流の実効値が大きいほど電流位相の遅延量が大きなテーブルが選択される。
次に、ＰＷＭ制御部３７は、位置検出部３５から位置検出値を取得し（ステップＳ３０５）、選択されたテーブルを参照して、電動機３２に供給すべき電流の指令値を特定する（ステップＳ３０６）。この指令値は、実効値ではなく瞬時値である。次に、ＰＷＭ制御部３７は、電流検出部３４から電流検出値を取得し（ステップＳ３０７）、電流の指令値と電流検出値を用いて電圧指令値を求め、電圧指令値とキャリア信号を用いてＰＷＭ信号を生成する（ステップＳ３０８）。生成されたＰＷＭ信号は、ドライバ３８に供給される。ＰＷＭ制御部３７は、電源がオフされなければ（ステップＳ３０９：Ｎｏ）、一定期間が経過するのを待ってステップＳ３０１からＳ３０８までの処理を繰り返す（ステップＳ３１０：Ｙｅｓ）。ＰＷＭ制御部３７は、電源がオフされれば（ステップＳ３０９：Ｙｅｓ）、処理を終了する。
このような動作により、駆動装置３３は、供給する電流に対応させて、図１５（ａ），（ｂ），（ｃ）の波形図に相当する、位相の遅れた電流を選択的に電動機３２に供給することができる。
２．トルク特性
図１７は、電動機のトルクと電流位相の関係を示した図である。ここでは、永久磁石にフェライト磁石を用いた場合を示す。実線は電流が大きい場合のトルク特性を示し、破線は電流が小さい場合のトルク特性を示す。なお、実線は破線に比べて電流の大きさが３倍に相当する。
図１７から電流振幅を変えずに電流位相を変えた場合、電流位相を誘起電圧の位相よりも遅らせるとトルクが向上することが分かる。
さらに、実線では電流位相が−４０［ｄｅｇ］で最大トルクが得られ、破線では電流位相が−２０［ｄｅｇ］で最大トルクが得られることが分かる。即ち、電流が大きくなるほど、最大トルクが得られる電流位相の遅延量が大きくなる。
第４の実施形態では供給する電流が大きいほど電流位相の遅延量を大きくするので、電流の大きさが変化しても効率良くトルクを発生させることができる。第４の実施形態は、例えば、回転速度や負荷が時間的に変動しやすいシステムに適用するのが有効である。このようなシステムとしては、電気自動車等が挙げられる。
＜変形例＞
１．第２突極部
（１）形状
第１の実施形態、第２の実施形態において、回転子の第１突極部、第２の突極極ともに矩形の形状の例で説明した。回転子の第１突極部は主にトルク発生に寄与し、第２突極部は主に磁路を確保し永久磁石の逆磁界に対する耐減磁性の確保に寄与するので、第２突極部は矩形でなくても磁路を確保する形状であればよい。
図１８は第２突極部の形状の変形例を示す図である。
同図においては、各回転子４１，５１，６１，７１の第１突極部４３，５３，６３，７３は、ヨーク部４２，５２，６２，７２から第１の実施形態と同様に、矩形状の横断面を有するように突出している。また、回転子４１，５１，６１，７１の回転方向を反時計方向とし、同図では、回転子を回転軸方向から見た様子を示している。
図１８の（ａ）の例では、回転子４１の第２突極部４４の反回転方向側の部分は、矩形形状の１つの角と同様な形状（つまり、直角形状）をしているが、第２突極部４４の回転方向側に相当する部分が傾斜状（Ｃタイプの面取りされた形状）となっており、全体として台形形状で突出している。
図１８の（ｂ）の例では、回転子５１の第２突極部５４の回転方向側の部分は、矩形形状の１つの角と同様な形状（つまり、直角形状）を有しているが、第２突極部５４の反回転方向側に相当する部分が傾斜状（Ｃタイプの面取りされた形状）となっており、全体として台形形状で突出している。
図１８の（ｃ）の例では、回転子６１の第２突極部６４は、矩形形状に対して、ヨーク部６２側が広くなっており、全体して左右対称の台形形状で突出している。つまり、突出先端に向かって幅が狭くなるような台形形状で突出している。
図１８の（ｄ）の例では、回転子７１の第２突極部７４は、左右対称の台形形状の輪郭を曲線としたような、横断面形状が曲線状に突出している。つまり、上記（ｃ）の台形状の角をＲタイプの面取りをしたような形状で突出している。
このように、回転子の第２突極部は磁路を確保する形状であれば良いが、例えば、第２突極部を台形形状や曲線形状とすることで磁束の変化を滑らかとすることができ、低振動に効果がある。なお、この第２突極部は、第１の突極部の形状にも同様のことが言える。
また、一つの回転子に複数の第２突極部存する場合、上記の図１８で示すような形状を複数組合せてもよい。
さらに、１つの第２突極部を複数の小突極部分で構成しても良く、この場合、それぞれの突出量、角度が異なるようにしても良いし、すべての突出量を同じにしても良い。
（２）個数
第１の実施形態、第２の実施形態では、回転子３，２２の第１突極部１３，２４および第２突極部１４，２５の個数が７個、磁性部材６，７の合計の個数が１２個、巻線９ａ〜９ｆの数が６個の電動機１，２１である。
しかしながら、本構成を回転対称とした、第１及び第２突極部数のそれぞれが１４個、磁性部材の合計の個数が２４個、巻線数が１２個の組み合わせ、すなわち、各突極部数が７ｎ個、磁性部材の合計数が１２ｎ個、巻線数が６ｎ個、（ｎは１以上の整数）であれば、電気角で上記の関係が成立する配置関係とすることで、同様の効果が得られる。
（３）エアギャップ
（ａ）エアギャップ寸法
第２突極部の回転子の周方向の幅と、固定子の最大外径と第２突極部との半径方向の距離であるエアギャップ寸法Ｇ２は、磁極部に最大電流又は最大電流値に近い電流値の電流が流れる際に、磁性部材の先端部に集中する磁束の一部が磁性部材から第２突極部へと流れれば良く、第２突極部の幅やエアギャップ寸法Ｇ２を適宜変えて良い。
固定子の最大外径と回転子の第２突極部とのエアギャップ寸法Ｇ２は、回転子の第１突極部とのエアギャップ寸法Ｇ１の２倍以上が好ましい。
なお、回転子の第２突極部とのエアギャップ寸法Ｇ２を、回転子の第１突極部とのエアギャップ寸法Ｇ１の２倍以下では、第２突極部への漏れ磁束が多くなり、第２突極部がない従来例に比べてトルクが低下する場合がある。
（ｂ）その他
上記実施形態では、エアギャップが半径方向にあるラジアルギャップ型の電動機について説明した。しかしながら、本発明の思想は、軸方向にエアギャップのあるアキシャルギャップ型の電動機でも同様の適用できる。
２．固定子及び回転子
上記実施形態では、固定子の磁極部は回転軸方向に沿って配置されているが、回転軸方向に進むにつれて周方向にずれるスキュー配置を採用してもよい。
また、上記実施形態では、回転子の突極部は回転方向に沿って配置されているが、回転軸方向に進むにつれて周方向にずれるスキュー配置を採用してもよい。この場合、スキューは一定の滑らかなスキューでも、段階状のスキューでもよい。
３．回転機
実施形態では、電流を供給することによりトルクを発生させる電動機に本発明に係る回転機を適用した形態について説明したが、本発明に係る回転機は、回転子を回転駆動させることで、電磁誘導を利用して電力を得る発電機にも適用できる。さらには、電動機と発電機との両機能を有する回転機にも適用できる。ただし、発電機として利用する場合、トルクを吸収して発電するためトルクの向きと回転方向が逆になる。発電機では電動機で使用する場合の回転方向と逆回転方向の回転機と等価になる。
４．巻線への通電
実施形態では、巻線に通電する電流波形として正弦波を利用したが、他の電流波形でも良い。他の波形としては、例えば、三角波、矩形波やＰＷＭによる高調波を含んだ波形等でもよい。
５．その他
（１）本発明は、直動駆動されるリニア電動機、リニア発電機にも適用できる。
（２）本発明は、小型、高出力、低振動、低騒音、高効率な電動機を提供することができ、低振動、低騒音性が要求される自動車用途や風力、水力等の自然エネルギーを利用した環境に優しい発電用途等で特に有用である。
本発明は、コンプレッサ用、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等の電動機、発電機に利用可能である。
１ 電動機
２ 固定子
３ 回転子
４ 磁極部
５ 永久磁石
６ 磁性部材
７ 磁性部材
８ ティース
９ 巻線
１２ ヨーク部
１３ 第１突極部
１４ 第２突極部

Claims (14)

  1. 複数の磁極部を円周上に配置してなる固定子と、前記固定子の中心と同軸に配された回転子とを備える回転機において、
    前記各磁極部は、ティースと当該ティースに対して集中巻された巻線とを含み、前記ティースは、永久磁石と、前記固定子の周方向であって前記永久磁石の両側に配された一対の磁性部材とを有し、
    前記各永久磁石は、前記固定子の中心に垂直な断面において、前記固定子の半径方向両側で開放されており、
    前記回転子は、環状のヨーク部と、当該ヨーク部から前記固定子側に突出する第１突極部と、前記ヨーク部における前記第１突極部よりも回転方向側に位置する部位から前記固定子側に突出する第２突極部とを含み、
    前記第２突極部は、前記永久磁石の反回転方向側に位置する磁性部材に対して前記第１突極部が回転方向に沿って重ならない状態の少なくとも一部で前記反回転方向側に位置する磁性部材に対して回転方向に沿って重なり、前記反回転方向側に位置する磁性部材に対して前記第１突極部が回転方向に沿って重なる状態では前記反回転方向側に位置する磁性部材に対して回転方向に沿って重ならないように設けられ、
    前記第２突極部と前記反回転方向側に位置する磁性部材との半径方向の間隔は、前記第１突極部と前記反回転方向側に位置する磁性部材との半径方向の間隔よりも大きい回転機。
  2. 前記第１突極部は、周方向に等間隔をおいて複数存在し、
    前記第２突極部は、第１突極部間における周方向の中央位置に存在する
    請求項１に記載の回転機。
  3. 前記第１突極部は、周方向に等間隔をおいて複数存在し、
    前記第２突極部は、第１突極部間の中央位置よりも回転方向前方側に存在する
    請求項１に記載の回転機。
  4. 前記第２突極部と前記反回転方向側に位置する磁性部材との半径方向の間隔は、前記第１突極部と前記反回転方向側に位置する磁性部材との半径方向の間隔の２倍以上であり、前記ヨーク部と前記反回転方向側に位置する磁性部材との間隔未満である
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転機。
  5. 前記第２突極部は、前記複数の第１突極部のすべての第１突極部間に存在する
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転機。
  6. 前記第１突極部および前記第２突極部の横断面形状が矩形状をしている
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転機。
  7. 前記第１突極部の横断面形状は矩形状をし、前記第２突極部の横断面形状は台形状をしている
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転機。
  8. 前記第１突極部の横断面形状は矩形状をし、前記第２突極部の横断面形状は曲線状に突出する形状をしている
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転機。
  9. 少なくとも回転子側と対向した永久磁石の端面が前記磁性部材よりも前記回転子から離れている
    請求項１〜８のいずれか１項に記載の回転機。
  10. 前記巻線それぞれは、前記固定子の周方向において隣り合う巻線と巻回方向が同じであり、
    前記永久磁石は、前記固定子の周方向で隣り合う永久磁石と着磁方向が逆である
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の回転機。
  11. 前記永久磁石のエネルギー積は、１５０[ｋＪ／ｍ3]以下である
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の回転機。
  12. 前記永久磁石は、フェライト磁石である
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の回転機。
  13. 電動機を駆動する電動機駆動方法であって、
    前記電動機は、複数の磁極部を円周上に配置してなる固定子と、前記固定子の中心と同軸に配された回転子とを備え、
    前記各磁極部は、ティースと当該ティースに対して集中巻された巻線とを含み、前記ティースは、永久磁石と、前記固定子の周方向であって前記永久磁石の両側に配された一対の磁性部材とを有し、
    前記各永久磁石は、前記固定子の中心に垂直な断面において、前記固定子の半径方向両側で開放されており、
    前記回転子は、環状のヨーク部と、当該ヨーク部から前記固定子側に突出する第１突極部と、前記ヨーク部における前記第１突極部よりも回転方向側に位置する部位から前記固定子側に突出する第２突極部とを含み、
    前記第２突極部は、前記永久磁石の反回転方向側に位置する磁性部材に対して前記第１突極部が回転方向に沿って重ならない状態の少なくとも一部で前記反回転方向側に位置する磁性部材に対して回転方向に沿って重なり、前記反回転方向側に位置する磁性部材に対して前記第１突極部が回転方向に沿って重なる状態では前記反回転方向側に位置する磁性部材に対して回転方向に沿って重ならないように設けられ、
    前記第２突極部と前記反回転方向側に位置する磁性部材との半径方向の間隔は、前記第１突極部と前記反回転方向側に位置する磁性部材との半径方向の間隔よりも大きく、
    前記固定子の各巻線に電流を流さない状態で前記回転子を回転させた場合に各巻線に誘起される電圧の位相を基準としたとき、前記基準の位相よりも遅れた位相を有する電流を、前記固定子の各巻線に流す
    電動機駆動方法。
  14. 電動機と前記電動機を駆動する駆動装置とを備える電動機駆動システムであって、
    前記電動機は、複数の磁極部を円周上に配置してなる固定子と、前記固定子の中心と同軸に配された回転子とを備え、
    前記各磁極部は、ティースと当該ティースに対して集中巻された巻線とを含み、前記ティースは、永久磁石と、前記固定子の周方向であって前記永久磁石の両側に配された一対の磁性部材とを有し、
    前記各永久磁石は、前記固定子の中心に垂直な断面において、前記固定子の半径方向両側で開放されており、
    前記回転子は、環状のヨーク部と、当該ヨーク部から前記固定子側に突出する第１突極部と、前記ヨーク部における前記第１突極部よりも回転方向側に位置する部位から前記固定子側に突出する第２突極部とを含み、
    前記第２突極部は、前記永久磁石の反回転方向側に位置する磁性部材に対して前記第１突極部が回転方向に沿って重ならない状態の少なくとも一部で前記反回転方向側に位置する磁性部材に対して回転方向に沿って重なり、前記反回転方向側に位置する磁性部材に対して前記第１突極部が回転方向に沿って重なる状態では前記反回転方向側に位置する磁性部材に対して回転方向に沿って重ならないように設けられ、
    前記第２突極部と前記反回転方向側に位置する磁性部材との半径方向の間隔は、前記第１突極部と前記反回転方向側に位置する磁性部材との半径方向の間隔よりも大きく、
    前記駆動装置は、
    前記固定子の各巻線に電流を流さない状態で前記回転子を回転させた場合に各巻線に誘起される電圧の位相を基準としたとき、前記基準の位相よりも遅れた位相を有する電流を、前記固定子の各巻線に流す
    電動機駆動システム。
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CN113113982A (zh) * 2021-04-02 2021-07-13 南京师范大学 一种抑制永磁体退磁的磁通切换永磁电机结构

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