JP2016039774A - 永久磁石型モータ、位置推定装置及びモータ駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】突極性を有する永久磁石型モータを安価に作る。
【解決手段】複数相の電機子巻線を備える固定子と、前記固定子と対向する位置に永久磁石２３が配置された回転子と、を備え、前記永久磁石は、周方向に複数の磁極を有し、かつ前記固定子と対向する面に導電体により形成された導電部材２４を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、永久磁石型モータ、位置推定装置及びモータ駆動制御装置に関する。

従来から、界磁に電力を消費しない永久磁石型モータが高効率モータとして広く利用されている。永久磁石型モータにおいて、特に永久磁石を回転子の内部に埋め込んだ埋込磁石型（ＩＰＭ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータは、コイルインダクタンスが回転子角度に応じて変化する、突極性と呼ばれる特性を有する。このため、ＩＰＭモータは、永久磁石の磁束によるマグネットトルクだけでなく、突極性によるリラクタンストルクも利用でき、高効率かつ広い使用速度域をもつため、近年、利用範囲を拡大している。

さらに、ＩＰＭモータは、突極性を利用して回転センサを用いずに回転子角度を検出するセンサレス角度検出やセンサレス駆動にも利用されている。

ＩＰＭモータの回転子は、回転子を構成する鉄心内部に設けたスリットに永久磁石を挿入し、さらに突極性を示すよう、鉄心内部に磁束が通り難い空隙を適切に配置して設計する。このようなＩＰＭモータの構成は、例えば特許文献１に記載されている。

しかしながら、ＩＰＭモータの回転子の鉄心は、薄い電磁鋼板を回転子の断面形状に打ち抜き、少なくとも数十枚の打ち抜いた電磁鋼板をカシメ加工等により積層して製造するため、製造工数が多く高コストとなる問題がある。

開示の技術は、上記事情に鑑みてなされたものであり、突極性を有する永久磁石型モータを安価に作ることを目的としている。

開示の技術は、複数相の電機子巻線を備える固定子と、前記固定子と対向する位置に永久磁石が配置された回転子と、を備え、前記永久磁石は、周方向に複数の磁極を有し、かつ前記固定子と対向する面に導電体により形成された導電部材を備える永久磁石型モータである。

突極性を有する永久磁石型モータを安価に作ることができる。

第一の実施形態の永久磁石型モータを説明する第一の図である。 第一の実施形態の永久磁石型モータを説明する第二の図である。 第一の実施形態の永久磁石型モータを説明する第三の図である。 ＵＶＷ軸座標系とｄｑ軸座標系を示す図である。 ｄ軸の回路図を示す図である。 ｑ軸の回路図を示す図である。 第二の実施形態の導電部材を説明する図である。 第三の実施形態の導電部材を説明する第一の図である。 第三の実施形態の導電部材を説明する第二の図である。 第四の実施形態の導電部材を説明する図である。 第五の実施形態の永久磁石を説明する図である。 直列に接続されたコイルインダクタンスを示す図である。 第六の実施形態の永久磁石型モータを説明する図である。 第七の実施形態のモータ駆動制御装置を説明する図である。 第七の実施形態における座標系の定義を示す図である。 位置推定部を説明する図である。 第八の実施形態の永久磁石型モータを説明する図である。 Ａ相の回路図を示す図である。 第八の実施形態の導電部材を説明する第一の図である。 第八の実施形態の導電部材を説明する第二の図である。 第九の実施形態の導電部材を説明する図である。 第十の実施形態の導電部材を説明する図である。 第十の実施形態の導電部材の貼り付けを説明する図である。 第十一の実施形態の導電部材を説明する図である。 第十二の実施形態のモータ駆動制御装置を説明する図である。 第十二の実施形態における座標系の定義を示す図である。 第十三の実施形態のモータ駆動制御装置を説明する図である。

（第一の実施形態）
以下に図面を参照して第一の実施形態について説明する。図１ないし図３を参照して、第一の実施形態の永久磁石型モータを説明する。図１は、第一の実施形態の永久磁石型モータを説明する第一の図であり、永久磁石型モータの回転軸に垂直な面の断面図を示している。図２は、第二の実施形態の永久磁石型モータを説明する第二の図であり、回転子の備える永久磁石を示している。図３は、第一の実施形態の永久磁石型モータを説明する第三の図であり、回転子の備える導電部材を示している。

本実施形態の永久磁石型モータ１０は、回転子２０、回転軸２１、ステータ３０を有する。

本実施形態の回転子２０は、回転軸２１、ヨーク２２、永久磁石２３、導電部材２４を備え、回転軸２１について回転自在に設けられている。

回転軸２１は、回転子２０の回転中心となる軸であり、ベアリングなどの軸受け（図示せず）に、回転自在の状態で固定される。

ヨーク２２は、回転軸２１に固定され、回転軸２１に垂直な面を底面とする円筒形状であり、回転軸２１とともに回転する。

永久磁石２３は、図２に示すように、リング状に一体形成されたボンド磁石であり、ヨーク２２の外周に固定され、周方向に複数の磁極をもつよう着磁されている。

ボンド磁石は、プレス成型や射出成型により安価に製造できる。また、本実施形態のボンド磁石は、リング状に一体形成された形状であり、組み付け工数が少なく、さらに遠心力による飛散の可能性が少ないという利点がある。

本実施形態の導電部材２４は、永久磁石２３の外周表面に固定された非磁性の導電体であり、図３に示すように、永久磁石２３の各磁極の外縁部付近に環状に配置され、開口部をもつ形状であり、電気的な閉回路を形成している。尚、永久磁石２３の磁極位置に対する開口部の位置は、本実施形態に限るものではない。

本実施形態では、導電部材２４に非磁性の導電体を用いるため、導電部材２４を付加しても、永久磁石型モータ１０の磁気回路に大きな影響を与えることはない。また、後述するように、導電部材２４を付加することにより、永久磁石型モータ１０は、突極性を示す。

本実施形態のステータ３０（固定子）は、回転子２０の外周を囲むように配置され、ステータコア３１、固定子コイル３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗを備える。以下の説明では、固定子コイル３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗのそれぞれを区別しない場合には、単に固定子コイル３２と呼ぶ。

ステータコア３１は、薄い電磁鋼鈑を、回転軸２１の長さ方向に積層して形成されている。ステータコア３１は、回転子２０の外周を環状に囲み、その内周には、周方向に沿って、ティースと呼ばれるＴ字状の形状を複数備える。本実施形態におけるティースは９個とする。

固定子コイル３２（電機子巻線）は、ティースの周囲に巻かれたコイルである。本実施形態の固定子コイル３２は、電気的に互いに１２０度の位相差をもつ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相であり、１つのティースに１相の固定子コイル３２が、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、・・・と順番に巻かれている。本実施形態においては、１周で各相に３つの固定子コイル３２があり、相ごとに直列接続されているとする。

次に、導電部材２４の付加の効果について説明する。

一般的に、永久磁石がリング状の回転子をもつモータでは、コイルインダクタンスが回転子の角度に応じて変化する特性、つまり突極性を示さない。これは、永久磁石がリング形状のため、ステータとの間に存在する空隙が回転子の角度によって変化しないためである。

以下に、図４ないし図６を参照し、本実施形態における突極性の発現について説明する。図４は、ＵＶＷ軸座標系とｄｑ軸座標系を示す図である。ＵＶＷ軸は、互いに１２０度の位相差をもつ座標系であり、ｄｑ軸座標系は、永久磁石２３のＮ極の向きをｄ軸として、回転子２０の回転子位置（電気角）θｅだけ回転した、直交２軸回転座標系である。

このとき、本実施形態の永久磁石型モータ１０の回路をＵＶＷ軸からｄｑ軸へ変換した回路図について、図５及び図６を用いて説明する。

図５は、ｄ軸の回路図を示す図である。閉回路５−１はステータ３０の回路図である。以下に、固定子コイル３２のｄ軸の回路方程式を式１に示す。

尚、式１において、Ｒｓは固定子コイル３２の抵抗値であり、Ｌｓはコイルインダクタンスであり、Ｖｄはコイル端子（図示せず）への印加電圧のｄ軸成分であるｄ軸印加電圧であり、ｉｄは閉回路５−１を流れる電流のｄ軸成分であるｄ軸電流である。また、式１において、Ｅｄ（ωｅ）は回転子速度（電気角）ωｅに比例した起電力であるｄ軸起電力、Ｍは後述する導電部材２４の閉回路５−１との相互インダクタンスである。尚、回転子位置（電気角）θｅと回転子速度ωｅの関係は、以下の式２により示される。

閉回路５−２は、導電部材２４の閉回路の回路図である。閉回路５−２の回路方程式を以下の式３に示す。

尚、式３において、ｉｒは、閉回路５−２を流れる電流である導電部材電流であり、Ｌｒは、閉回路５−２の自己インダクタンスである。

図６は、ｑ軸の回路図を示す図である。本実施形態の導電部材２４は、磁極の中央に開口部を備える形としているため、導電部材２４の閉回路６−１はｑ軸へ影響しない。

以下に、ｄ軸の場合と同様にして、固定子コイル３２のｑ軸の回路方程式を以下の式４に示す。

式４において、Ｖｑはコイル端子（図示せず）への印加電圧のｑ軸成分であるｑ軸印加電圧であり、ｉｑは閉回路６−１を流れる電流のｑ軸成分であるｑ軸電流である。また、式４において、Ｅｑ（ωｅ）は、回転子速度（電気角）ωｅに比例した起電力であるｑ軸起電力である。尚、突極性がない場合は、ｄ軸とｑ軸の自己インダクタンスは等しい。

ところで、突極性を利用した回転子の位置の推定は、モータの回転速度が停止から低速の領域で利用する手法である。具体的には、突極性を利用した回転子の位置の推定では、モータの回転駆動用の電圧に高調波信号を重畳して、その応答であるコイル電流に含まれる高調波電流を検出して、高調波信号と高調波電流から、回転子の位置と速度を推定する。

よって、式１及び式４は、固定子コイル３２に印加される印加電圧が高調波信号であること、回転子速度（電気角）ωｅが小さい（低速）ことを踏まえると、それぞれ以下の式５及び式６に近似できる。

さらに、式３、式５、式６を整理すると、高調波信号が十分に高い周波数ならば、ｑ軸のインダクタンスとｄ軸のインダクタンスの比である突極比λは、以下の式７で示すことができる。

つまり、本実施形態では、ｄ軸について、固定子コイル３２と導電部材２４の閉回路と相互誘導が生じるため、ｄ軸のインダクタンスが変化して、突極性が発現する。

尚、本実施形態では、インナーローター型のモータを図示しているが、これに限るものではなく、アウターローター型でも同様である。

以上のように、本実施形態の永久磁石型モータ１０は、回転子２０に、リング状に一体形成したボンド磁石と、その表面に閉回路を構成する非磁性の導電部材２４を備えるよう構成したので、突極性を示す永久磁石型モータを安価に作ることができる。

（第二の実施形態）
以下に、図面を参照して第二の実施形態について説明する。第二の実施形態は、導電部材のみが第一の実施形態と相違する。よって、第二の実施形態の説明では、第一の実施形態と同様の構成を有するものには第一の実施形態の説明で用いた符号と同様の符号を付与し、その説明を省略する。

図７は、第二の実施形態の導電部材を説明する図である。本実施形態の導電部材２４Ａは、第一の実施形態の導電部材２４の有する各部に加え、導電部材２５を有する。

導電部材２５は、図７に示すように、導電部材２４と同様に、永久磁石２３の表面に設けられた導電体である。導電部材２５は、導電部材２４の開口部の内側に電気的に閉回路となる環状の形状とする。尚、導電部材２４の内側に設ける導電部材２５は、２つに限るものではなく、幾つでもよい。

この構成により、ｄ軸のインダクタンスの変化への影響が大きくなり、より大きい突極比を得ることができる。

尚、本実施形態における導電部材２５は、第一の実施形態の閉回路５−２となる形状に相当する。

以上のように、本実施形態では、電気的な閉回路を構成する環状の導電部材２４の内側に、さらに同様に環状の導電部材２５を設けるため、突極比の大きい永久磁石型モータを安価に作ることができる。

（第三の実施形態）
以下に、図面を参照して第三の実施形態について説明する。第三の実施形態は、導電部材のみが第一の実施形態と相違する。よって、第三の実施形態の説明では、第一の実施形態と同様の構成を有するものには第一の実施形態の説明で用いた符号と同様の符号を付与し、その説明を省略する。

図８は、第三の実施形態の導電部材を説明する第一の図である。図９は、第三の実施形態の導電部材を説明する第二の図である。

本実施形態の導電部材２４Ｂは、図８に示すように、１枚の金属箔シート２６に、永久磁石２３の磁極ピッチに合わせた開口部２７が設けられている。本実施形態の導電部材２４Ｂは、図９に示すように、永久磁石２３の外周に巻きつけられ、接着もしくは粘着性の部材を用いて固定される。導電部材２４Ｂが、磁極毎に閉回路を分割する形状の場合は、貼り付け後に金属箔シート２６を切断する。

本実施形態では、導電部材２４Ｂを、予め開口部２７を設けた１枚の金属箔シート２６を、回転子２０の永久磁石２３に巻きつけることにより作るため、安価に突極性を示す永久磁石型モータを作ることができる。

（第四の実施形態）
以下に、図面を参照して第四の実施形態について説明する。第四の実施形態は、導電部材が第一の実施形態と相違する。よって、第四の実施形態の説明では、第一の実施形態と同様の構成を有するものには第一の実施形態の説明で用いた符号と同様の符号を付与し、その説明を省略する。

図１０は、第四の実施形態の導電部材を説明する図である。

本実施形態の導電部材２４Ｃは、開口部とする部分にマスキング２９を設けた永久磁石２３に、導電性塗料２８を塗装して、塗装後にマスキング２９を除去することで作成される。

本実施形態では、導電部材２４Ｃを導電性塗料と塗装工程により作成するため、安価に突極性を示す永久磁石型モータを作ることができる。

（第五の実施形態）
以下に、図面を参照して第五の実施形態について説明する。第五の実施形態は、永久磁石のみが第一の実施形態と相違する。よって、第五の実施形態の説明では、第一の実施形態と同様の構成を有するものには第一の実施形態の説明で用いた符号と同様の符号を付与し、その説明を省略する。

図１１は、第五の実施形態の永久磁石を説明する図である。本実施形態の永久磁石２３Ａは、６極とした。図１１では、回転子２０と対向するステータ３０の１周分を、直線にして示した。

本実施形態では、ステータ３０を９スロット、永久磁石２３Ａを６極とした。このため、本実施形態では、例えばＵ相コイルをみると、直列に接続されている３つのＵ相コイルは、全てが永久磁石２３ＢのＮ極の中心と正対している。つまり、同じ相の全てのコイルは、永久磁石２３Ａ及び導電部材２４との位置関係が同じとなる。

第一の実施形態において説明したコイルインダクタンスは、固定子コイル３２と、永久磁石２３及び導電部材２４の位置関係により周期的に変化する。

ここで、図１２に示すように、直列に接続された３つのコイルのコイルインダクタンスをそれぞれＬ１、Ｌ２、Ｌ３とすると、合成インダクタンスＬａｌｌは、以下の式８に示すように全ての加算となる。図１２は、直列に接続されたコイルインダクタンスを示す図である。

式８からわかるように、本実施形態では、同じ相の３つのコイルのインダクタンスの変化は、互いに弱めあうことはなく、インダクタンスの変化の幅は大きくなる。したがって、本実施形態では、突極比が大きくなる。

以上のように、本実施形態では、３相の永久磁石型モータ１０において、永久磁石２３の磁極数を３ｎ（ｎは自然数）とすることにより、突極比の大きい永久磁石型モータを安価に作ることができる。

（第六の実施形態）
以下に、図面を参照して第六の実施形態について説明する。第六の実施形態は、永久磁石型モータを２相永久磁石型ステッピングモータとした。以下の第六の実施形態の説明では、第一の実施形態と同様の構成を有するものには第一の実施形態の説明で用いた符号と同様の符号を付与し、その説明を省略する。

図１３は、第六の実施形態の永久磁石型モータを説明する図である。本実施形態の永久磁石型モータ１０Ａは、２相永久磁石型ステッピングモータである。

回転子２０は、第一の実施形態と同様の構成であるが、磁極配置のピッチ角度は、後述するクローポール３５と同じとする。クローポール３５は、一定ピッチの爪形状の誘導子である。

本実施形態のステータ（固定子）３０Ａは、Ａ相、Ｂ相の２相が上下にスタックされた（積み重ねられた）構造となっている。図１３において、ステータ３０Ａの上側のＡ相は、紙面上の手前半分をカットして図示されており、下側のＢ相は手前１／３をカットして図示されている。ただし、Ｂ相は、後述するＢ相ヨーク３４Ｂの下面及び回転子を対向する内面は残して図示している。

以下に、本実施形態のステータ３０Ａの構造について説明する。

Ａ相コイル３２Ａは、Ａ相のコイルであり、それぞれ回転子２０の外周に円周方向にリング状に巻かれ、コイル端子３３Ａより、巻線の端部が外部へ引き出されている。尚、巻線の巻き方には、コイルを流れる電流の向きにより、ユニファイラ巻、バイファイラ巻が存在するが、本実施形態では、どちらかに限定するものではない。

Ｂ相コイル３２ＢもＡ相と同様であり、Ａ相コイル３２ＡとＢ相コイル３２Ｂとは互いに独立である。

Ａ相ヨーク３４Ａは、Ａ相コイル３２Ａの周囲を囲む中空のパイプ形状であり、Ａ相コイル３２Ａのケースの役割をする。また、Ａ相ヨーク３４Ａには、回転子２０と対向する面に空隙３６と、一定ピッチで上下でかみ合うような爪形状のクローポール３５とが設けられている。

Ｂ相ヨーク３４ＢはＡ相と同様であるが、クローポール３５が、Ａ相のクローポール３５と円周方向に１／４ピッチずれるように配置される。

以上のように、本実施形態では、クローポール構造のステータを用いることにより、電磁鋼鈑を積層したステータコアが不要となり、コイルも２つでよいことから、さらに安価に突極性を示す永久磁石型モータを作ることができる。

（第七の実施形態）
以下に、図面を参照して第七の実施形態について説明する。第七の実施形態は、第一の実施形態に記載した永久磁石型モータを有するモータ駆動制御装置である。以下の第七の実施形態の説明では、第一の実施形態と同様の構成を有するものには第一の実施形態の説明で用いた符号と同様の符号を付与し、その説明を省略する。

図１４は、第七の実施形態のモータ駆動制御装置を説明する図である。本実施形態のモータ駆動制御装置１００は、速度制御部６１と、電流制御部６２と、位置推定装置４０と、を有する。

本実施形態の位置推定装置４０は、永久磁石型モータ１０、座標変換部４１、座標逆変換部４２、転流駆動部４５、電流検出部４６、位置推定部５０、高調波重畳部５５を有する。

本実施形態の転流駆動部４５は、後述する相電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの値に基づいて、パルス幅変調された電圧をコイル端子３３へ印加して、固定子コイル３２へ電流を供給する。

本実施形態の電流検出部４６は、３相の固定子コイル３２に流れるコイル電流のうち、Ｕ相及びＶ相のコイル電流を検出してＡＤ変換し、検出電流データｄ＿Ｉｕ、ｄ＿Ｉｖとして出力する。

本実施形態の座標変換部４１は、検出したＵＶＷ相の検出電流データｄ＿Ｉｕ、ｄ＿Ｉｖを、図１５に示す互いに１２０度の位相差をもつＵＶＷ軸座標系から、推定位置ｔｈｅで回転した回転直交座標系であるｄｑ軸推定座標系へ座標変換し、ｄｑ軸検出電流データｄ＿Ｉｄ、ｄ＿Ｉｑとして出力する。図１５は、第七の実施形態における座標系の定義を示す図である。

本実施形態の座標逆変換部４２は、後述する高調波が重畳されたｄ軸の出力指令値Ｖｍｄ及びｑ軸の出力指令値Ｖｍｑを、図１５に示すｄｑ軸推定座標系からＵＶＷ軸座標系へ座標逆変換する。そして座標逆変換部４２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれのコイル端子３３に印加すべき電圧である、相電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを出力する。

本実施形態の位置推定部５０は、後述する高調波指令値Ｖｄ、Ｖｑ、ｄｑ軸検出電流データｄ＿Ｉｄ、ｄ＿Ｉｑ及びトルク指令値Ｔｅから回転子２０の推定位置ｔｈｅ（電気角相当）及び推定速度ｗｍ（機械角相当）を出力する。位置推定部５０の詳細は後述する。

本実施形態の高調波重畳部５５は、高調波生成部５６及び加算部５７を備え、高調波信号を生成し、後述する制御出力値Ｖｄ、Ｖｑに高調波信号を重畳して、出力指令値Ｖｍｄ、Ｖｍｑとして出力する。

高調波生成部５６は、ｄ軸及びｑ軸それぞれに提供される高調波指令値Ｖｃｄ、Ｖｃｑを生成する。加算部５７は、高調波指令値Ｖｃｄ、Ｖｃｑをそれぞれ制御出力値Ｖｄ、Ｖｑに加算して、出力指令値Ｖｍｄ、Ｖｍｑとして出力する。尚、本実施形態おける高調波指令値Ｖｃｄ、Ｖｃｑは、高調波信号に相当する。

本実施形態の速度制御部６１は、外部から入力される、または予め設定された速度目標値ｗｔｇｔと、推定速度（機械角相当）ｗｍに基づいて、発生すべきトルクの目標であるトルク目標値Ｔｅを出力する。

本実施形態の電流制御部６２は、トルク目標値Ｔｅに基づいて、ｄ軸及びｑ軸にそれぞれ流すべき電流目標値を生成する電流目標生成部（図示せず）と、ｄ軸及びｑ軸それぞれに比例積分制御器（図示せず）を備える。本実施形態の比例積分制御器は、ｄ軸及びｑ軸の電流目標値と検出電流データｄ＿Ｉｕ、ｄ＿Ｉｖから、ｄ軸及びｑ軸それぞれへ印加すべき電圧の指令値である、制御出力値Ｖｄ、Ｖｑを生成する。

以下に、図１６を参照して位置推定部５０について説明する。図１６は、位置推定部を説明する図である。

本実施形態の位置推定部５０は、復調部５１と、オブザーバ５２と、を有する。

本実施形態の復調部５１は、高調波指令値Ｖｃｄ、Ｖｃｑとｄｑ軸検出電流データｄ＿Ｉｄ、ｄ＿Ｉｑの乗算及びフィルタにより、ｄｑ軸検出電流データｄ＿Ｉｄ、ｄ＿Ｉｑに含まれる高調波の応答である、高調波電流成分を抽出する。そして、復調部５１は、回転子２０の位置（電気角）θｅと推定位置（電気角相当）ｔｈｅの誤差である推定誤差Ｄｉｆを抽出する。尚、推定誤差Ｄｉｆを検出するためには、突極性を示す永久磁石型モータ１０でなくてはならない。

オブザーバ５２は、推定誤差Ｄｉｆに基づいて、回転子２０の推定位置（電気角相当）ｔｈｅ及び推定速度（機械角相当）ｗｍを出力する。尚、本実施形態における高調波電流成分は、応答信号に相当する。

以上のように、本実施形態のモータ駆動制御装置１００及び位置推定装置４０では、第一の実施形態の永久磁石型モータ１０を用いるため、エンコーダ等のセンサを使用せずに、永久磁石型モータの回転子の位置を推定することができる。さらに、本実施形態では、位置推定装置４０を含むモータ駆動制御装置１００を安価に構成することができる。

尚、本実施形態のモータ駆動制御装置１００と位置推定装置４０では、第二ないし第六の実施形態の永久磁石型モータを用いても、同様の効果を得ることができる。

（第八の実施形態）
以下に、図面を参照して第八の実施形態について説明する。第八の実施形態では、第六の実施形態で説明した２相永久磁石型ステッピングモータの回転子２０に導電部材２４Ｄを設けた形態を示している。

図１７は、第八の実施形態の永久磁石型モータを説明する図である。本実施形態の導電部材２４Ｄは、永久磁石２３の外周表面に固定された非磁性の導電体である。本実施形態の導電部材２４Ｄは、図１７に示すように、永久磁石２３の外縁部付近のＡ相／Ｂ相の固定子それぞれと対抗する位置に、回転の周方向に周期的な形状で配置された導電部材２４ＤＡ、２４ＤＢを含む。導電部材２４ＤＡ、２４ＤＢは、それぞれが開口部２７Ａ、２７Ｂをもつ形状であり、電気的な閉回路を形成している。

尚、永久磁石２３の磁極位置に対する導電部材２４ＤＡ、２４ＤＢが配置される周方向の位置は、本実施形態に限るものではない。また、以下の説明では、導電部材２４ＤＡと導電部材２４ＤＢとを区別しない場合には、単に導電部材２４Ｄと呼ぶ。

本実施形態においては、非磁性の導電体を用いるため、導電部材２４ＤＡ、２４ＤＢを付加しても、永久磁石型モータの磁気回路に大きな影響を与えることはない。また、本実施形態の永久磁石型モータは、後述するように、導電部材２４ＤＡ、２４ＤＢを付加することにより、突極性を示す。

次に、導電部材２４ＤＡ、２４ＤＢを付加することの効果について、Ａ相を例として説明する。

一般的に、本実施形態のようにリング状の永久磁石２３を備える回転子をもつモータでは、コイルインダクタンスが回転子角度に応じて変化する特性、つまり突極性を示さない。これは、永久磁石がリング形状のため、ステータとの間に存在する空隙が回転子角度によって変化しないためである。

以下、本実施形態における突極性の発現について説明する。

まず、本実施形態における永久磁石型モータのＡ相の回路図について、図１８を用いて説明する。図１８は、Ａ相の回路図を示す図である。図１８において、左の回路は固定子の回路である。ここで、コイル３２Ａの回路方程式は、以下の式（９）で示される。

尚、式（９）において、Ｒｓはコイル３２Ａの抵抗値、Ｌｓはコイルインダクタンス、Ｖａはコイル端子３３Ａへの印加電圧、Ｉａは固定子の回路を流れるＡ相コイル電流である。また、式（９）において、Ｅａ（ωｅ、θｅ）は、回転子速度（電気角）ωｅに比例し、回転子角度（電気角）θｅについて周期的変化する起電力であるＡ相の起電力であり、Ｍａは、導電部材２４Ｄの閉回路との相互インダクタンスである。尚、回転子位置（電気角）θｅと回転子速度ωｅの関係は、以下の式（１０）に示す通りである。

図１８において、右の回路は導電部材２４Ｄの閉回路の回路図である。ここで、この閉回路の回路方程式は、以下の式（１１）により示される。

尚、式（１１）において、Ｉｒａは、閉回路を流れる電流である導電部材電流であり、Ｌｒは閉回路の自己インダクタンスである。

ここで、突極性を利用したセンサレス角度検出について概要を説明する。このセンサレス角度検出手法は、モータの回転速度が停止〜低速の領域で利用する手法であり、モータの回転駆動用の電圧に高調波信号を重畳して、その応答であるコイル電流に含まれる高調波電流を検出して、高調波信号と高調波電流から、回転子の位置と速度を推定する手法である。

よって、高調波信号であること、回転子速度（電気角）ωｅが小さい（低速）こと、さらに高調波信号の周波数が十分に高いことを踏まえると、式（９）及び式（１０）を近似して、２式から導電部材電流Ｉｒａを消去すると、以下の式（１２）となり、Ｌｄｕｍが見かけ上のインダクタンスとなる。

ここで、相互インダクタンスＭａの変化について説明する。

相互インダクタンスＭａは、固定子のクローポール３５と開口部２７Ａ、２７Ｂの位置関係により変化し、例えば以下の式（１３）に示す式で変化する。

なお、相互インダクタンス変化の振幅をＭ０、回転子の角度（機械角）をθ、周期的に配置された導電部材２４Ｄの回転子２０の１周あたりの個数をｎとする。

式（１２）においてＭａは２乗されているため、式（１３）を２乗した式を式（１４）に示す。

式（１４）は、回転子角度θを導電部材２４Ｄの回転子２０の１周あたりの個数をｎで除して２倍した周期で変化し、見かけのインダクタンスＬｄｕｍも同様の周期で変化する。つまり、固定子と導電部材２４Ｄによる閉回路との相互誘導により、Ａ相コイル３２Ａの見かけ上のインダクタンスが変化して、突極性が発現する。

Ｂ相においても同様であり、例えば、相互インダクタンス関数Ｍｂ（θ）は、以下の式（１５）で示すことができる。ただし、式（１５）において、Ａ相とＢ相における開口部配置の周方向の位相差（機械角）をρとする。

このように、本実施形態においては、Ａ相、Ｂ相の固定子に対抗する位置それぞれに、独立した開口部２７Ａ、２７Ｂを持つ導電部材２４ＤＡ、２４ＤＢを付加するため、Ａ相、Ｂ相の前記見かけ上のインダクタンスを互いに独立に生じさせることができる。

以上が、導電部材２４ＤＡ、２４ＤＢの付加の効果の説明である。

尚、本実施形態の永久磁石型モータにおいては、クローポール３５の形状及び配置により、突極性を示すことがあるが、望ましいインダクタンス変化は得られないため、本手法により望ましい変化波形に整形することが可能である。

また、本実施形態においては、インナーローター型のモータを図示しているが、これに限るものではなく、アウターローター型でも同様である。

以上の構成により、本実施形態では、突極性を示さない、もしくは望ましい突極性を示さない永久磁石型モータにおいて、望ましい突極性を獲得して、停止時から低速時における、センサレス角度検出に使用することができる。

次に、図１９を参照して本実施形態の導電部材２４Ｄについて説明する。図１９は、第八の実施形態の導電部材を説明する第一の図である。尚、図１９は、導電部材２４Ｄのうち、導電部材２４ＤＡを示した図である。

本実施形態導電部材２４ＤＡにおける開口部２７Ａの配置周期は、クローポール３５の配置ピッチの（２Ｎ−１）倍と相当する周期とする。このとき、Ｎは自然数とする。また、配置ピッチは、交互に噛み合う上側及び下側のクローポール３５間の周方向の長さとする。図１９では、Ｎ＝２の場合を示している。このとき、開口部２７Ａの配置周期は、交互に配置された上側のクローポール３５Ｎと下側のクローポール３５Ｓの配置ピッチの３倍の長さとなる。

図１９は、上下から交互に噛み合うクローポール３５Ｎ及び３５Ｓ、開口部２７Ａをもつ導電部材２４ＤＡを直線にして示した図であり、１相分のみを示す。

また、説明の便宜上、コイル電流により、上側のクローポール３５ＮはＮ極に、下側のクローポール３５ＳはＳ極に磁化されているものとする。

相互インダクタンスＭａの変化は、固定子電流ＩａによりＳ極からＮ極への磁束が生じ、開口部を通過する総本数（鎖交磁束）の変化により生じる。鎖交磁束は、開口部に対するＳ極とＮ極の非対称性から、回転子が回転してクローポール３５と開口部２７Ａの位相関係が変化すると、変化する。よって、相互インダクタンスＭａは、回転子角度θに応じて変化する。

次に、図２０を参照し、開口部２７Ａの配置周期が、クローポール３５の配置ピッチの２Ｎ倍（Ｎ＝１）について説明する。図２０は、第八の実施形態の導電部材を説明する第二の図である。

図２０の場合、回転子２０が回転してクローポール３５と開口部２７Ａの位相関係が変化しても、開口部２７Ａを通過する磁束数は増加分と減少分が等しく、鎖交磁束は変化しない。つまり、相互インダクタンスＭａは、回転子角度θに応じて変化しない。

このように、開口部２７Ａの配置周期をクローポール３５の配置ピッチの（２Ｎ−１）倍とするとき、鎖交磁束は変化が最も大きくなり、２Ｎ倍とするときに最も小さくなる（変化しない）。

以上のように、本実施形態では、導電部材２４Ｄの開口部２７Ａ，２７Ｂの配置周期を、クローポール３５の配置ピッチの（２Ｎ−１）倍に相当する周期とするよう構成した。したがって、本実施形態によれば、大きな突極性を示す永久磁石型モータを作ることができる。

特に、本実施形態によれば、永久磁石型モータ１０Ａのように、固定子を軸の長手方向にスタックする（積み重ねる）永久磁石型モータにおいて、安価に突極性を付加することができる。

（第九の実施形態）
以下に、図面を参照して第九の実施形態について説明する。第九の実施形態では、第八の実施形態で説明した導電部材２４Ｄに加えて、導電部材２５Ｄを設けた形態である。以下の第九の実施形態の説明では、第八の実施形態と同様の構成を有するものには、第八の実施形態の説明で用いた符号を付与し、その説明を省略する。

図２１は、第九の実施形態の導電部材を説明する図である。本実施形態では、導電部材２４Ｄの内側に、導電部材２５Ｄ（別の環状の開口形状）を設けた。

導電部材２５Ｄは、導電部材２４Ｄと同様に、永久磁石２３の表面に設けられた導電体であり、導電部材２４Ｄの開口部２７Ａ、２７Ｂの内側において、電気的に閉回路となる環状の形状とする。尚、導電部材２４ＤＡ、２４ＤＢのそれぞれにおいて、内側に設ける導電部材２５Ｄの数は、任意の数であって良い。

本実施形態では、この構成により、インダクタンス変化への影響が大きくなり、より大きな見かけ上のインダクタンスＬｄｕｍの変化を得ることができるため、センサレス角度検出のＳＮ比を改善することができる。また、本実施形態によれば、電気的な閉回路を構成する環状の導電部材２４Ｄの内側に、さらに同様に環状の導電部材２５Ｄを設けるため、見かけ上のインダクタンス変化の大きい永久磁石型モータを安価に作ることができる。

（第十の実施形態）
以下に、図面を参照して第十の実施形態について説明する。以下の第十の実施形態において、第八の実施形態と同様の構成を有するものには、第八の実施形態の説明で用いた符号を付与し、その説明を省略する。

図２２は、第十の実施形態の導電部材を説明する図である。本実施形態の導電部材２４Ｅは、１枚の金属箔シートから形成される。

本実施形態の導電部材２４Ｅは、図２２に示すように、１枚の金属箔シート２６に、開口部２７Ａ、２７Ｂを設け、図２３に示すように、永久磁石２３の外周に巻きつけ、接着もしくは粘着性の部材を用いて固定する。

図２３は、第十の実施形態の導電部材の貼り付けを説明する図である。このとき、開口部２７Ａ、２７Ｂは、それぞれ所定の周期ピッチで貼付け後に回転子２０の周方向に並ぶよう１列に形成され、かつ、それぞれがスタックされたＡ相、Ｂ相の固定子と対抗する位置となるよう、２列の間隔が設けられている。また、導電部材２４Ｅの形状が、開口部２７Ａ、２７Ｂを囲む形状毎に閉回路を分割する形状である場合は、貼り付け後に金属箔シート２６を切断する。

以上のように、本実施形態では、予め開口部２７Ａ、２７Ｂを設けた１枚の金属箔シート２６を、回転子２０の永久磁石２３に巻きつけることにより、導電部材２４Ｅを作成するため、安価に突極性を示す永久磁石型モータを作ることができる。

（第十一の実施形態）
以下に、図面を参照して第十一の実施形態について説明する。以下の第十一の実施形態において、第八の実施形態と同様の構成を有するものには、第八の実施形態の説明で用いた符号を付与し、その説明を省略する。

図２４は、第十一の実施形態の導電部材を説明する図である。本実施形態の導電部材２４Ｆは、図２４に示すように、開口部２７Ａ、２７Ｂとする部分にマスキング２９を設けた永久磁石２３に、導電性塗料２８を塗装して、塗装後にマスキング２９を除去することで作成される。

以上のように、本実施形態では、導電部材２４Ｆを、導電性塗料と塗装工程により作成するため、安価に突極性を示す永久磁石型モータを作ることができる。

（第十二の実施形態）
以下に図面を参照して第十二の実施形態について説明する。第十二の実施形態は、第八の実施形態に記載した永久磁石型モータを有するモータ駆動制御装置である。第十二の実施形態の説明では、第七及び第八の実施形態と同様の構成を有するものには第七及び第八の実施形態の説明で用いた符号と同様の符号を付与し、その説明を省略する。

図２５は、第十二の実施形態のモータ駆動制御装置を説明する図である。本実施形態のモータ駆動制御装置１００Ａは、速度制御部６１と、電流制御部６２と、位置推定装置４０Ａと、を有する。

本実施形態の位置推定装置４０Ａは、永久磁石型モータ１０Ａ、座標変換部４１Ａ、座標逆変換部４２Ａ、転流駆動部４５Ａ、電流検出部４６Ａ、位置推定部５０、高調波重畳部５５を有する。

転流駆動部４５Ａは、後述する相電圧指令値Ｖａ、Ｖｂの値に基づいて、パルス幅変調された電圧をコイル端子３３Ａ、３３Ｂへ印加して、Ａ相コイル３２Ａ、Ｂ相コイル３２Ｂへ電流を供給する。

電流検出部４６Ａは、Ａ相コイル３２Ａ、Ｂ相３２Ｂに流れるコイル電流Ｉａ、Ｉｂを検出して、ＡＤ変換し、検出電流データｄ＿Ｉａ、ｄ＿Ｉｂとして出力する。

座標変換部４１Ａは、検出したＡ相、Ｂ相の検出電流データｄ＿Ｉａ、ｄ＿Ｉｂを、図２６に示す直交するＡＢ軸座標系から、推定位置ｔｈｅで回転した回転直交座標系である、ｄｑ軸推定座標系へ座標変換して、ｄｑ軸検出電流データｄ＿Ｉｄ、ｄ＿Ｉｑとして出力する。図２６は、第十二の実施形態における座標系の定義を示す図である。

座標逆変換部４２Ａは、高調波が重畳されたｄ軸出力指令値Ｖｍｄ及びｑ軸出力指令値Ｖｍｑを、図２５に示すｄｑ軸推定座標系からＡＢ軸座標系へ座標逆変換する。そして、座標逆変換部４２Ａは、Ａ相、Ｂ相それぞれのコイル端子３３Ａ、３３Ｂに印加すべき電圧である、相電圧指令値Ｖａ、Ｖｂを出力する。

以上のように、本実施形態では、第六の実施形態の永久磁石型モータ１０Ａを用いるため、エンコーダ等の回転センサを使用せずに、永久磁石型モータ１０Ａの角度を検出する位置推定装置を構成できる。同様に、位置推定装置を含むモータ駆動制御装置も安価に構成することができる。

（第十三の実施形態）
以下に、図面を参照して第十三の実施形態について説明する。以下の第十一の実施形態において、第八の実施形態と同様の構成を有するものには、第八の実施形態の説明で用いた符号を付与し、その説明を省略する。

図２７は、第十三の実施形態のモータ駆動制御装置を説明する図である。本実施形態のモータ駆動制御装置１００Ｂは、位置推定装置４０Ｂを有する。

本実施形態の位置推定装置４０Ｂは、永久磁石型モータ１０Ａ、転流駆動部４５Ｂ、電流検出部４６Ａ、高調波重畳部５５Ａと、ＲＤ（レゾルバデジタル）変換部７０を有する。ＲＤ変換部７０は、回転子２０の角度を検出する。本実施形態の位置推定装置４０Ｂの詳細は後述する。

また、本実施形態のモータ駆動制御装置１００Ｂは、速度制御部６１、電流制御部６２、座標変換部４１Ａ、座標逆変換部４２Ｂ、角度換算部６６、速度算出部６７を有する。

本実施形態の永久磁石型モータ１０Ａは、第十二の実施形態と同様である。ただし、本実施形態では、Ａ相、Ｂ相に同じ高調波信号を入力した場合、１／４周期の位相差で電流が出力されるよう、導電部材２４を配置しているものとする。

本実施形態の座標逆変換部４２Ｂは、入力信号はｄ軸制御指令値Ｖｄ及びｑ軸制御指令値Ｖｑである以外は、第十二の実施形態の座標逆変換部４２Ａと同様である。

本実施形態の角度換算部６６は、推定角度（導電部材２４の１周期相当）φを推定角度（電気角相当）ｔｈｅに換算して出力する。推定角度（導電部材２４の１周期相当）φは、回転子２０の１回転当たりの開口部２７の数をｎとしたとき、ｎ周期であり、推定角度（電気角相当）ｔｈｅは、回転子２０の１回転当たりの極対数をｐとしたとき、ｐ周期の関係にある。

本実施形態の速度算出部６７は、推定角度（電気角相当）ｔｈｅを微分して、さらに永久磁石２３の磁極数の１／２である極対数ｐで除して、推定速度（機械角相当）ｗｍとして出力する。

次に、本実施形態の位置推定装置４０Ｂの有する各部について説明する。

本実施形態の高調波重畳部５５Ａは、高調波生成部５６Ａ及び加算部５７Ａを備え、高調波信号を生成して、制御出力値Ｖａ、Ｖｂに重畳し、出力指令を相電圧指令値Ｖｍａ、Ｖｍｂとして出力する。

高調波生成部５６Ａは、コイルに供給される駆動電流に対して十分に周波数が高い信号である、高調波指令値Ｖｈｆを生成する。加算部５７Ａは、高調波指令値Ｖｈｆを制御出力値Ｖａ及びＶｂに加算し、相電圧指令値Ｖｍａ、Ｖｍｂとして出力する。尚、本実施形態における高調波指令値Ｖｈｆは、高調波信号に相当する。

本実施形態の転流駆動部４５Ｂは、入力信号が相電圧指令値Ｖｍａ、Ｖｍｂである点以外は、第十二の実施形態と同様である。本実施形態の電流検出部４６Ａは、第十二の実施形態と同様である。

本実施形態のＲＤ変換部７０は、トラッキング型のＲＤ（レゾルバデジタル）変換器と同様の構成を有する。

本実施形態のＲＤ変換部７０は、フィルタ７１Ａ、７１Ｂ、ミキサ７２Ａ、７２Ｂ、減算器７３、同期検波部７４、制御器７５を備え、検出電流データｄ＿Ｉａ、ｄ＿Ｉｂ及び高調波指令値Ｖｈｆから、回転子２０の推定角度φを出力する。

フィルタ７１Ａ、７１Ｂは、それぞれＡ相、Ｂ相に備えられている。フィルタ７１Ａ、７１Ｂは、高調波指令値Ｖｈｆの周波数を通過帯域とする、ハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタであり、検出電流データｄ＿Ｉａ、ｄ＿Ｉｂから高調波成分を抽出して、変調電流データＩａ＿ａｃ、Ｉｂ＿ａｃとして出力する。

ミキサ７２Ａ、７２Ｂは、それぞれＡ相、Ｂ相に備えられており、変調電流データＩａ＿ａｃ、Ｉｂ＿ａｃに対して、それぞれ後述する推定角度φに基づく余弦値、正弦値を乗じて出力する。

減算器７３は、ミキサ７２Ａ、７２Ｂの出力同士を減算して出力する。減算器７３から出力される出力信号は、高調波信号で変調された、推定角度φと回転子角度θの差である推定誤差情報を含み、変調推定誤差Ｄｉｆ＿ａｃとして出力する。

同期検波部７４は、高調波指令値Ｖｈｆに基づいて、変調推定誤差Ｄｉｆ＿ａｃを復調し、推定誤差Ｄｉｆとして出力する。

制御器７５は、比例積分制御器を備え、比例積分制御器は、推定誤差Ｄｉｆが０となるよう、推定角度φを算出して出力する。

本実施形態のモータ駆動制御装置１００Ｂは、以上の構成から、永久磁石型モータを用いるため、エンコーダ等の回転センサを使用せずに、永久磁石型モータの角度を検出できる。また、本実施形態によれば、位置推定装置を含むモータ駆動装置を安価に構成することができる。

以上、各実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

１０、１０Ａ 永久磁石型モータ
２０ 回転子
２１ 回転軸
２２ ヨーク
２３ 永久磁石
２４、２４Ａ〜２４Ｆ、２５ 導電部材
２７
３０ ステータ
３１ ステータコア
３２ 固定子コイル
４０ 位置推定装置
１００ モータ駆動制御装置

特開平６−３３９２４１号公報

Claims (17)

1. 複数相の電機子巻線を備える固定子と、
   前記固定子と対向する位置に永久磁石が配置された回転子と、を備え、
   前記永久磁石は、
   周方向に複数の磁極を有し、かつ前記固定子と対向する面に導電体により形成された導電部材を備える永久磁石型モータ。
2. 前記電機子巻線は、３相巻線であり、永久磁石の磁極数は３ｎ(ｎは自然数)である請求項１に記載の永久磁石型モータ。
3. 前記永久磁石型モータは、永久磁石型ステッピングモータである請求項１又は２記載の永久磁石型モータ。
4. 回転軸に固定され、回転の周方向に複数の磁極を有する永久磁石を備える回転子と、
   前記回転軸の長手方向の異なる位置に配置され、それぞれが前記回転子を囲む電機子巻線を有する複数の固定子と、を備え、
   前記永久磁石の前記複数の固定子と対抗する位置に、導電体により構成される導電部材を備える永久磁石型モータ。
5. 前記導電部材は、前記回転軸の長手方向の、前記複数の固定子それぞれと相対する位置に、環状に開口した形状を有する請求項４記載の永久磁石型モータ。
6. 前記導電部材は、前記永久磁石の周方向に周期的な形状を備える請求項４又は５記載の永久磁石型モータ。
7. 前記導電部材の周期的な形状の１周期は、
   前記固定子が備えるステータコアの歯の（２Ｎ−１）個（Ｎは自然数）と相対する長さとする請求項６記載の永久磁石型モータ。
8. 前記複数の固定子は、前記回転子の周方向と平行に配置される複数の櫛歯を備えるステータコアを有し、
   前記永久磁石型モータは永久磁石型ステッピングモータである請求項４ないし７の何れか一項に記載の永久磁石型モータ。
9. 前記導電部材は、前記永久磁石の表面に配置され、電気的に第一の閉回路となる形状を備える請求項１ないし８の何れか一項に記載の永久磁石型モータ。
10. 前記導電部材は、前記永久磁石の周方向に前記第一の閉回路となる形状を複数備える請求項９に記載の永久磁石型モータ。
11. 前記導電部材は、前記第一の閉回路となる形状の内側に、第二の閉回路となる形状を備える請求項９又は請求項１０に記載の永久磁石型モータ。
12. 前記導電部材は、非磁性材料である請求項１ないし１１の何れか一項に記載の永久磁石型モータ。
13. 前記導電部材は、金属箔シートであり、前記永久磁石へ貼り付けることにより配置される請求項１ないし１２の何れか一項に記載の永久磁石型モータ。
14. 前記導電部材は、非磁性金属を含む導電性の液体、ペースト又はインクの何れかにより形成される請求項１ないし１３の何れか一項記載の永久磁石型モータ。
15. 前記永久磁石はボンド磁石である請求項１ないし１４の何れか一項に記載の永久磁石型モータ。
16. 請求項１から請求項１５の何れか一項に記載の永久磁石型モータと、
    前記永久磁石型モータの電機子巻線へ供給される高調波信号を生成する高調波生成部と、
    前記高調波信号の応答である高調波電流成分を検出する電流検出部と、
    前記高調波信号及び前記高調波電流成分に基づき、前記永久磁石型モータの有する前記回転子の位置を推定する位置推定部と、を有する位置推定装置。
17. 請求項１６の位置推定装置を有するモータ駆動制御装置。

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