JPWO2011102114A1 - 同期電動機駆動システム - Google Patents

Abstract

従来よりもトルク特性に関して設計の自由度を高める。同期電動機は回転子と固定子とを備える。少なくとも一組の隣接する２個の固定子ティースは、それぞれ先端にスリットを有する。複数の固定子ティースには、それぞれ集中巻に巻回された主巻線が配設されている。さらに、各固定子ティースのスリットには、隣接する２個の固定子ティース間を架け渡すように巻回された副巻線が配設されている。駆動装置は、前記主巻線に流す電流と前記副巻線に流す電流とを個別に制御する。

Description

本発明は、同期電動機とその駆動装置とから構成される同期電動機駆動システムに関し、特に、トルク特性に関する。

コンプレッサ、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等の種々の機器に、同期電動機およびその駆動装置から構成される同期電動機駆動システムが組み込まれている。

図１８は、特許文献１に記載された同期電動機の平面図である。

同期電動機は、回転子５２と固定子５３とから構成される。回転子５２は、回転子コア５４および４個の永久磁石５５を含む。固定子５３は、環状の固定子ヨーク５７および固定子ヨーク５７の周方向に間隔をあけて配置された６個の固定子ティース５８を含む。固定子ティース５８には、外径側の巻線Ｕｏ，Ｖｏ，Ｗｏと内径側の巻線Ｕｉ，Ｖｉ，Ｗｉとが集中巻に巻回されており、これらは電気角でπラジアンの位置関係にある。駆動装置としては、一台の３相インバータが開示されており、巻線Ｕｏ，Ｕｉには共通にＵ相の電流が流され、巻線Ｖｏ，Ｖｉには共通にＶ相の電流が流され、巻線Ｗｏ，Ｗｉには共通にＷ相の電流が流されている。

特開２００３−１５３５１４号公報

ところで、同期電動機の応用範囲は多岐にわたり、トルク特性に関して設計の自由度が高いことが望ましい。そこで、本発明は、従来よりもトルク特性に関して設計の自由度を高められる同期電動機駆動システムを提供することを目的とする。

本発明に係る同期電動機駆動システムは、同期電動機とその駆動装置とから構成される同期電動機駆動システムであって、前記同期電動機は、周方向に等間隔に配置された複数の磁極を含む回転子と、環状の固定子ヨークおよび当該固定子ヨークに周方向に間隔をあけて配置された複数の固定子ティースを含む固定子とを備え、少なくとも一組の隣接する２個の固定子ティースは、それぞれ先端にスリットを有し、前記複数の固定子ティースには、それぞれ集中巻に巻回された主巻線が配設され、さらに、各固定子ティースのスリットには、隣接する２個の固定子ティース間を架け渡すように巻回された副巻線が配設されており、前記駆動装置は、前記主巻線に流す電流と前記副巻線に流す電流とを個別に制御する。

上記構成では、主巻線に流す電流と副巻線に流す電流とが個別に制御されるので、従来よりもトルク特性に関して設計の自由度を高めることができる。

本発明の第１の実施形態に係る同期電動機の平面図 図１の同期電動機において主巻線および副巻線の配置および巻回方向を模式的に示す平面図 図１の同期電動機の部分的な詳細図 図１の同期電動機の各巻線への通電により生じる磁界の位相および大きさを示すベクトル図 本発明の第１の実施形態に係る同期電動機駆動システムの構成を示す図 出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４の波形を示す図 図５の制御回路の動作の一例を示すフローチャート 出力電流の変形例を示す図 出力電流の変形例を示す図 出力電流の変形例を示す図 出力電流の変形例を示す図 出力電流の変形例を示す図 シミュレーションに用いた出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４の波形を示す図 シミュレーションにより得られたトルクを示す図 本発明の第２の実施形態に係る同期電動機における、主巻線および副巻線の配置および巻回方向を模式的に示す平面図 図１５の同期電動機の各巻線への通電により生じる磁界の位相および大きさを示すベクトル図 スリットの形状について説明するための図 特許文献１に記載された同期電動機の平面図

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。
（第１の実施形態）
＜概略構成＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る同期電動機の平面図である。

同期電動機１は回転子２および固定子３から構成される。

回転子２は、回転子コア４および２０個の永久磁石５を含み、永久磁石５は回転子コア４に回転子の周方向に等間隔に配置されている。永久磁石５によって構成される磁極６は、固定子３に対してＮ極、Ｓ極が交互に配置された磁極対を構成している。磁極対Ｎ極、Ｓ極は電気角で２πラジアンとなり、隣り合う磁極の配置間隔は電気角でπラジアンとなる。本実施形態では、回転子の磁極は２０極であり、機械角に対して電気角が１０倍の関係となっている。

固定子３は、環状の固定子ヨーク７および固定子ヨーク７に周方向に間隔をあけて配置された１８個の固定子ティース８を含む。固定子ティース８は固定子ヨーク７の周方向に等間隔に配置されている。このように磁極の個数が２０であり固定子ティースの個数が１８であるため、固定子ティース８は円周に沿って半円あたり１０／９でずれて配置されており、隣り合う固定子ティース８の配置間隔は電気角で（π＋π／９）ラジアンとなっている。

固定子ティース８には集中巻に巻回された主巻線９が配設されている。また、各固定子ティースは、先端にスリット８ａを有している。各固定子ティースのスリットには、隣接する２個の固定子ティース間を架け渡すように巻回された副巻線１０が配設されている。主巻線９および副巻線１０については後で詳述する。

回転子磁極間１１，１２は、回転子２に配置された永久磁石５で構成された磁極Ｎと磁極Ｓとの間の磁気中立点の位置を意味する。ここでは、機械的にも磁石と磁石との間の位置となっている。反時計方向にみてＮ極からＳ極に変わる磁極間を１１、反時計方向にみてＳ極からＮ極に変わる磁極間を１２と示している。なお、１２’は、磁極間１２に対して、電気角２πラジアンで、磁極対の繰り返しのため電気角で同じ位置だが機械角で異なる位置の磁極間位置を示している。
＜固定子ティースの位置関係と固定子巻線の構成＞
図２は、図１の同期電動機において主巻線および副巻線の配置および巻回方向を模式的に示す平面図であり、図３は、図１の同期電動機の部分的な詳細図である。

図２では、主巻線９の巻回方向が黒矢印で、副巻線１０の巻回方向が白矢印で示されている。

主巻線９には、Ｕ相の主巻線Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ１’，Ｕ２’，Ｕ３’、Ｖ相の主巻線Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ１’，Ｖ２’，Ｖ３’、Ｗ相の主巻線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ１’，Ｗ２’，Ｗ３’がある。

副巻線１０には、Ｕ相の副巻線Ｕ４，Ｕ４’、Ｖ相の副巻線Ｖ４，Ｖ４’、Ｗ相の副巻線Ｗ４，Ｗ４’がある。

回転子２に配置された永久磁石５は、Ｎ極とＳ極が交互に固定子と対向するように並べられている。回転子の磁極で固定子に対してＮ極となるものがＮ、Ｓ極となるものがＳで示されている。

固定子ティースはＨ１〜Ｈ１８で示されている。

主巻線Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２に着目すると、主巻線Ｕ２が巻回された固定子ティースＨ２を基準としたとき、主巻線Ｖ２が巻回された固定子ティースＨ８は電気角で２π／３ラジアン反時計方向に進んだ位置にあり、主巻線Ｗ２が巻回された固定子ティースＨ５は電気角で２π／３ラジアン時計方向に遅れた位置にある。

また、主巻線Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３に着目すると（図３参照）、主巻線Ｕ２が巻回された固定子ティースＨ２の位置を基準としたとき、主巻線Ｕ３が巻回された固定子ティースＨ３は電気角で（π＋π／９）ラジアン反時計方向に進んだ位置にあり、主巻線Ｕ１が巻回された固定子ティースＨ１は電気角で（π＋π／９）ラジアン時計方向に遅れた位置にある。

さらに、主巻線Ｕ２と副巻線Ｕ４に着目すると（図３参照）、副巻線Ｕ４が巻回された固定子ティースＨ６，Ｈ７は、主巻線Ｕ２が巻回された固定子ティースＨ２から電気角でπラジアンずれた位置を挟んで等間隔の位置にある。これは、固定子ティースＨ２から電気角でπラジアンずれた位置に、副巻線Ｕ４が巻回された固定子ティース配置したことと等価であり、主巻線Ｕ２と副巻線Ｕ４とは電気角でπラジアンずれた位置関係にある。

なお、主巻線Ｕ１，Ｕ３および副巻線Ｕ４の巻回方向は、主巻線Ｕ２の巻回方向に対して逆である。

上記の主巻線Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３および副巻線Ｕ４の間の位置および巻回方向の関係は、主巻線Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３および副巻線Ｖ４の間でも同様に成り立ち、主巻線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３および副巻線Ｗ４の間でも同様に成り立つ。

マグネットトルクは、永久磁石５による界磁と電機子電流との位相差がπ／２ラジアンのときに最大となり、位相差が０ラジアンのときにゼロとなる。図２では、回転子２の反時計方向を正転とすると、主巻線Ｕ２が巻回された固定子ティースＨ２は、Ｓ極からＮ極に切り替わる磁極間１１と対向している。このとき、主巻線Ｕ２に黒矢印の巻回方向に通電すると、永久磁石と主巻線Ｕ２との間で発生するマグネットトルクが最大となる。

さらに、図２では、副巻線Ｕ４は、Ｎ極からＳ極に切り替わる磁極間１２に対向している。このとき、副巻線Ｕ４に白矢印の巻線方向に通電すると、永久磁石と副巻線Ｕ４との間で発生するマグネットトルクが最大となる。仮に、副巻線Ｕ４が存在しない場合は、主巻線Ｗ３が巻回された固定子ティースＨ６と主巻線Ｖ１が巻回された固定子ティースＨ７は、それぞれ、回転子２の磁極とほぼ対向した位置にあるので（電気角で位相差がπ／１８ラジアン）、主巻線Ｖ１，Ｗ３に電流を流してもマグネットトルクは殆ど発生しない。すなわち、この位置関係では永久磁石による界磁をトルクに活用できていないことになる。これに対し、本実施形態では、副巻線Ｕ４が存在するので（電気角で位相差がπ／２ラジアン）、永久磁石による界磁をトルクに活用することができる。

また、異なる副巻線が同じスリットに配設されると、それらの相間絶縁が必要となるが、本実施形態では、異なる副巻線が同じスリットには配設されない。すなわち、各固定子ティースのスリット内には、周方向の両隣の固定子ティースの一方との間に架け渡された副配線のみが配設されている。そのため、相間絶縁が不要となり、スリット内の巻線の占積率を向上でき、小型化および高信頼性に寄与することができる。

図４は、図１の同期電動機の各巻線への通電により生じる磁界の位相および大きさを示すベクトル図である。

主巻線Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２に着目すると、これらには位相差が２π／３ラジアンの磁界が生じる。また、主巻線Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３に着目すると、主巻線Ｕ１には主巻線Ｕ２に対して（π＋π／９）ラジアン進んだ位相の磁界が生じ、主巻線Ｕ３には主巻線Ｕ２に対して（π＋π／９）ラジアン遅れた位相の磁界が生じる。主巻線Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３にも同様の関係があり、主巻線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３にも同様の関係がある。これにより、永久磁石と各主巻線との間に生じるマグネットトルクがそれぞれ最大となる。

また、主巻線Ｕ２と副巻線Ｕ４に着目すると、副巻線Ｕ４には主巻線Ｕ２に対してπラジアンずれた位相の磁界が生じる。主巻線Ｖ２と副巻線Ｖ４にも同様の関係があり、主巻線Ｗ２と副巻線Ｗ４にも同様の関係がある。これにより、永久磁石と各副巻線との間に生じるマグネットトルクがそれぞれ最大となる。

以上より、全体として高トルク化を図ることができる。
＜同期電動機駆動システム＞
次に、同期電動機駆動システムの構成および動作について説明する。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る同期電動機駆動システムの構成を示す図である。

同期電動機駆動システム１００は、同期電動機１と駆動装置から構成されている。駆動装置は、直流電源１０１、インバータ１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄおよび制御回路１０３から構成されている。インバータ１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄは、それぞれ３相交流を生成して同期電動機１に供給する。インバータ１０２ａの出力電流Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１はそれぞれ２π／３ラジアンずつ位相がずれている。インバータ１０２ｂの出力電流Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２も同様の関係があり、インバータ１０２ｃの出力電流Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３も同様の関係があり、インバータ１０２ｄの出力電流Ｕ４，Ｖ４，Ｗ４も同様の関係がある。

また、出力電流Ｕ２を基準とすると、出力電流Ｕ１の位相はπ／９ラジアン進み、出力電流Ｕ３の位相はπ／９ラジアン遅れ、出力電流Ｕ４の位相は同じである。出力電流Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４にも同様の関係があり、出力電流Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４にも同様の関係がある。図６に、出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４の波形を示す。出力電流Ｕ１，Ｕ２の位相差はπ／９ラジアンであるが、主巻線Ｕ１，Ｕ２の巻回方向が逆のため、主巻線Ｕ１，Ｕ２により生じる磁界の位相差は（π＋π／９）ラジアンとなる。同様に、出力電流Ｕ２，Ｕ４の位相差は０ラジアンであるが、主巻線Ｕ１と副巻線Ｕ４の巻回方向が逆のため、主巻線Ｕ１および副巻線Ｕ４により生じる磁界の位相差はπラジアンとなる。

制御回路１０３は、インバータ１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄの動作を個別に制御する。具体的には、外部から入力されたトルク指令信号および回転数指令信号に基づいて各インバータのゲート駆動信号を生成し、生成されたゲート駆動信号をそれぞれのインバータに出力する。この構成により、駆動回路は、主巻線に流す電流と副巻線に流す電流を個別に制御することができる。

図７は、図５の制御回路の動作の一例を示すフローチャートである。

制御回路１０３は、外部から入力されたトルク指令信号を解析し（ステップＳ１）、要求トルクが所定値未満であれば（ステップＳ２：ＮＯ）、主巻線のみに通電し（ステップＳ３）、要求トルクが所定値以上であれば（ステップＳ２：ＹＥＳ）、主巻線および副巻線に通電する（ステップＳ４）。具体的には、ステップＳ３では、インバータ１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃを動作させ、インバータ１０２ｄの動作を停止させる。また、ステップＳ４では、インバータ１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄを動作させる。このように、最大トルクを向上させたいときに、副巻線にも通電するという使い方ができる。通常時に副巻線に通電しないようにすると副巻線の初期温度を低くできるので、短時間であれば通常よりも大きな電流を流すことができ、より小型で高トルクの同期電動機を提供することができる。
＜波形の変形例＞
以下に出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４の波形の変形例を示す。

図８の例では、出力電流Ｕ２に対して出力電流Ｕ４の位相がπラジアンずれている。これは主巻線Ｕ２の巻回方向と副巻線Ｕ４の巻回方向が同じ場合に有効である。

図９の例では、出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３はサイン波であるが、出力電流Ｕ４は矩形波である。これにより出力電流Ｕ４をサイン波とする場合に比べて、トルクを向上させることができる。なお、実際にパルス幅変調を用いてサイン波を形成しようとすると、純粋なサイン波の成分に多少の高調波成分が重畳されたものになる。本明細書で言う「サイン波」には、純粋なサイン波だけでなく、高調波成分を含有する現実的なサイン波も含むものとする。また、実際に矩形波を形成しようとすると、立ち上がりおよび立ち下がりに鈍りが生じたり、オーバーシュートあるいはアンダーシュートが重畳されたりする。本明細書で言う「矩形波」には、純粋な矩形波だけでなく、このような現実的な矩形波を含むものとする。

図１０の例では、出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４が同じ位相である。この場合には、出力電流に位相差を設ける必要がないのでインバータの数量を削減することができる。例えば、出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３が１台のインバータから共通に出力され、Ｕ４が別のインバータから出力されるとすると、インバータの数量が２台ですむ。

図１１（ａ）の例では、出力電流Ｕ４の大きさを出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３よりも小さくし、図１１（ｂ）の例では、出力電流Ｕ４の大きさを出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３と同じにし、図１１（ｃ）の例では、出力電流Ｕ４の大きさを出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３よりも大きくしている。このように、主巻線および副巻線にそれぞれ流される電流の大きさは必ずしも同じでなくてもよい。なお、出力電流Ｕ４は矩形波に限らずサイン波でもよい。

図１２（ａ）の例では、出力電流Ｕ４の位相を出力電流Ｕ２よりも進ませ、図１２（ｂ）の例では、出力電流Ｕ４の位相を出力電流Ｕ２と同じにし、図１２（ｃ）の例では、出力電流Ｕ４の位相を出力電流Ｕ２よりも遅らせている。このように、出力電流Ｕ４の位相は必ずしも出力電流Ｕ２と同じでなくてもよい。マグネットトルクに加えてリラクタンストルクも考慮すれば、出力電流Ｕ４の位相を出力電流Ｕ２からずらすのが好ましい場合があり、特にそのような場合に有用である。具体的には、以下の通りである。なお、出力電流Ｕ４は矩形波に限らずサイン波でもよい。

出力電流の位相をマグネットトルクが最大となる位相（以下、「基準の位相」という）よりも進めると、マグネットトルクは減少するがリラクタンストルクは増加する。出力電流が大きいほど、これらの合成トルクに対するリラクタンストルクの寄与が大きくなる。

出力電流Ｕ４が大きく、出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３が小さい場合は、出力電流Ｕ４によるリラクタンストルクの効果は期待できるものの、出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３によるリラクタンストルクの効果は期待できない。このような場合、出力電流Ｕ４の位相を基準の位相よりも進め、出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の位相を基準の位相とする。そうすると、出力電流Ｕ４による合成トルクを高めつつ出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３による合成トルクを高めることができ、結果、全体のトルクを高めることができる。

逆に、出力電流Ｕ４が小さく、出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３が大きい場合は、出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３によるリラクタンストルクの効果は期待できるものの、出力電流Ｕ４によるリラクタンストルクの効果は期待できない。このような場合、出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の位相を基準の位相よりも進め、出力電流Ｕ４の位相を基準の位相とする。そうすると、出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３のそれぞれの合成トルクを高めつつ出力電流Ｕ４による合成トルクを高めることができ、結果、全体のトルクを高めることができる。

また、出力電流の位相を基準の位相より進めると、永久磁石の界磁を弱める効果がある。電動機の回転速度を高速にすると電動機の端子電圧が上昇する。高速域で電動機の端子電圧が電源電圧以上となると電動機を駆動することができないが、弱め界磁制御を行うことで電動機の端子電圧を下げることができ、最高回転数を増加することができる。

例えば、出力電流Ｕ４の位相を基準の位相よりも大幅に進め、出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の位相を基準の位相とし、または、リラクタンストルクを活用するように基準の位相よりも進めることとする。この場合、出力電流Ｕ４による弱め界磁の効果で電動機の端子電圧を低減でき、その結果、回転数を増加して電動機出力の向上を図ることができる。トルクを大幅に低下させることなく、回転数を増加して電動機出力を向上するのに有効である。

逆に、出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の位相を基準の位相よりも大幅に進め、出力電流Ｕ４の位相を基準の位相とし、または、リラクタンストルクを活用できるように基準の位相よりも進めることとする。この場合、出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の弱め界磁の効果で電動機の端子電圧を低減でき、その結果、回転数を増加して電動機出力の向上を図ることができる。端子電圧を大幅に低減し回転数を増加するのに有効である。
＜トルク特性＞
次に、本実施形態の同期電動機のトルク特性について説明する。図１の構造の同期電動機を以下の３通りの場合で通電したときのトルクをシミュレーションで求めた。
（ａ）主巻線のみに通電する。
（ｂ）主巻線および副巻線に通電し、副巻線に流す電流をサイン波とする。
（ｃ）主巻線および副巻線に通電し、副巻線に流す電流を矩形波とする。

図１３（ａ）から（ｃ）に、それぞれ上記（ａ）から（ｃ）の場合の出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４の波形を示す。ここでは出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４を同じ位相としている。図１４中のａ，ｂ，ｃは、上記（ａ）から（ｃ）の場合で通電したときのトルクを示す。この結果から、主巻線のみに通電するよりも、主巻線および副巻線に通電したほうが、トルクが向上することが分かる。また、副巻線に通電する場合でも、サイン波の電流を流すよりも矩形波の電流を流すほうが、トルクが向上することが分かる。
＜補足説明＞
本実施形態の同期電動機では、固定子ティースが等間隔に配置されているが、不等間隔に配置されていてもよい。不等間隔だとしても、回転子の磁極と固定子の巻線との位置関係に応じた電流位相の電流をその巻線に流すことで、同様の効果を得ることができる。

また、固定子ティースおよび回転子の磁極のいずれか、または両者を回転軸方向で旋回した構成とすることで、磁束変化がより滑らかになり、より低振動な同期電動機とすることができる。

また、固定子の磁性材を圧粉鉄心材や、薄板の磁性材や、アモルファス磁性材を用いることで鉄損を大幅に低減することができ、より高効率な同期電動機とすることができる。

また、１極を構成する永久磁石を複数個で構成することにより永久磁石に発生する渦電流損を低減でき、より高効率な同期電動機とすることができる。

また、巻線に、細い径の線材や扁平な平角線を採用することで、巻線の表面積を拡大し、高周波駆動時の表皮効果を低減して高効率な同期電動機とすることができる。

なお、本実施形態では、永久磁石による発生するマグネットトルクのみを考慮していたので、固定子ティースと磁極間とが対向した位置関係において巻線に流れる電流が最大となるように電流の位相を調整している。しかしながら、本実施形態の同期電動機は、回転子コア内部に永久磁石を配置した、いわゆる磁石埋込み型同期電動機であり、磁石によるマグネットトルクに加えて、磁気抵抗の差によるリラクタンストルクを利用することができる。そのため、マグネットトルクとリラクタンストルクの両者を生かして最大トルクを得るために、固定子ティースと磁極間とが対向する位置で最大電流となる位相よりも電流位相を進めることが有効な場合もある。

また、本実施形態では、固定子ティースに主巻線および副巻線を巻回するのに集中巻を採用している。そのため固定子の端面の巻線いわゆるコイルエンドの小型化がはかれ、同期電動機の小型化ができる。また、コイルエンドは電流を流してもトルクに寄与しないにもかかわらず、通電時の巻線抵抗によるジュール損である銅損を生じさせる。コイルエンドの小型化を図ることで銅損を低減することができ、より高効率な同期電動機とすることができる。

また、本実施形態では、回転子が固定子の外周側に配置された、いわゆるアウターロータ型の同期電動機を採用している。同じ体積で比較した場合、アウターロータ型は、インナーロータ型に比べて、回転子の径を大きくすることができる。したがって本実施形態のような極数が２０となるような同期電動機でも、永久磁石の大きさを小さくする必要がないので有効磁束の低下を防ぐことができる。

また、本実施形態では、回転子磁極の数が２０個、固定子ティースの数が１８個の同期電動機を例に挙げているが、これに限らず、固定子ティースが９個や２７個といった９の倍数に対して、回転子の磁極数が１０の倍数の組み合わせ、すなわち１０ｑ極９ｑティース（ｑは正の整数）の組み合わせであれば、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。また、８ｑ極９ｑティース（ｑは正の整数）や１０ｑ極１２ｑティース（ｑは正の整数）でも同様の効果を得られる構成とすることができる。

また、本実施形態では、固定子ティースＨ１からＨ９までの組と、Ｈ１０からＨ１８までの組の２組が軸に対して対称な位置関係となる。そのため、固定子ティースによるラジアル方向の合成吸引力が０となる。したがって、軸受寿命に悪影響を与えることがなくなり、長寿命の同期電動機が得られる。３０極２７ティースの例でも同様に、固定子ティースの組が３組存在し、これらが機械角で１２０°ごとの位置関係となるため、固定子ティースによるラジアル方向の合成吸引力が０となる。

以上、本実施形態によれば、必要に応じて最大トルクを向上させることができ、しかも、小型、高出力、低振動、低騒音、高効率な同期電動機を提供することができる。
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、１８個の主巻線に対して６個の副巻線しか存在していないが、第２の実施形態では１８個の主巻線に対して１８個の副巻線が存在する。これ以外の構成については第１の実施形態と同様なので説明を省略する。

図１５は、本発明の第２の実施形態に係る同期電動機における、主巻線および副巻線の配置および巻回方向を模式的に示す平面図である。

同期電動機２１において、主巻線９には、Ｕ相の主巻線Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ１’，Ｕ２’，Ｕ３’、Ｖ相の主巻線Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ１’，Ｖ２’，Ｖ３’、Ｗ相の主巻線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ１’，Ｗ２’，Ｗ３’がある。

副巻線１０には、Ｕ相の副巻線Ｕ４，Ｕ５，Ｕ６，Ｕ４’，Ｕ５’，Ｕ６’、Ｖ相の副巻線Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ４’，Ｖ５’，Ｖ６’、Ｗ相の副巻線Ｗ４，Ｗ５，Ｗ６，Ｗ４’，Ｗ５’，Ｗ６’がある。

これにより、いずれの主巻線に対しても電気角でπラジアンずれた位置に副巻線が存在することになる。

図１６は、図１５の同期電動機の各巻線への通電により生じる磁界の位相および大きさを示すベクトル図である。

主巻線Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３と副巻線Ｕ４，Ｕ５，Ｕ６に着目すると、副巻線Ｕ４は主巻線Ｕ１に対してπラジアンずれた位相の磁界が生じ、副巻線Ｕ５は主巻線Ｕ２に対してπラジアンずれた位相の磁界が生じ、副巻線Ｕ６は主巻線Ｕ３に対してπラジアンずれた位相の磁界が生じる。主巻線Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３と副巻線Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６とにも同様の関係があり、主巻線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３と副巻線Ｗ４，Ｗ５，Ｗ６とにも同様の関係がある。これにより、永久磁石と各主巻線との間に生じるマグネットトルクがそれぞれ最大となる。

本実施形態では、各固定子ティースのスリットには、周方向の両隣の固定子ティースの一方との間に架け渡された副巻線と、他方との間に架け渡された副巻線とが配設されている。そのため、回転子の磁束を固定子ティースで最大限に有効活用することができ、小型で高トルクな同期電動機を提供することができる。

また、第１の実施形態では副巻線に３相の交流が供給されているが、本実施形態では副巻線に９相の交流が供給される。このように副巻線に供給される交流の相数を増加させることで、トルク脈動を低減させることができる。

以上、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明はこれらの実施形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。

（１）実施形態では主巻線および副巻線は固定子ティースに巻回されているが、本発明はこれに限らず、固定子ティースのない、いわゆるコアレスモータにも適用可能である。

（２）実施形態では特に挙げていないが、固定子巻線が回転子の軸方向に進むほど周方向に最大で固定子巻線の配置間隔だけずれていくスキュー配置を施すこととしてもよい。

（３）実施形態では、回転子が固定子の外側に配置されたアウターロータ型の同期電動機で説明しているが、回転子を固定子の内側に配置したインナーロータ型の同期電動機や、回転子と固定子とが軸方向に空隙を持って配置された、いわゆる面対向のアキシャルギャップ式同期電動機や、それらを複数組み合わせた構造の同期電動機でも同じ効果があることは言うまでもない。

（４）実施形態では、回転子の磁極を永久磁石により構成したが、磁気抵抗の差で構成したリラクタンストルクを利用した同期電動機、回転子に両者を組み合わせた同期電動機でも適用可能である。

（５）本発明は、同期回転機に限らず、同期発電機、また、直動駆動されるリニア同期電動機、リニア同期発電機にも適用できる。

（６）本発明は、小型、高出力、低振動、低騒音、高効率な同期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に特に有用である。

（７）実施形態では、主巻線のみに通電する場合と主巻線および副巻線に通電する場合とを切り替えているが、本発明はこれに限らない。主巻線および副巻線の両方に常時通電することとしてもよい。常時通電する場合においても、図６，８〜１２の何れの変形例も適用可能である。

（８）実施形態では、固定子ティースＨ１，Ｈ２，Ｈ３に生じる磁界の位相を（π＋π／９）ラジアンずつずらすために、３台のインバータを用いて出力電流Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の位相をπ／９ラジアンずつずらしている。しかしながら、本発明は、これに限らない。例えば、固定子ティースＨ２にはＵ相の主巻線のみを巻回し、固定子ティースＨ１にはＵ相の主巻線とＶ相の主巻線とを巻回し、固定子ティースＨ３にはＵ相の主巻線とＷ相の主巻線とを巻回することとしてもよい。固定子ティースＨ１，Ｈ３に２種類の主巻線を巻回することで、固定子ティースＨ２に対して磁界の位相をずらすことができる。なお、磁界の位相のずれ量は、２種類の主巻線の巻回比により調整することができる。このようにすれば、１台のインバータでも、固定子ティースＨ１，Ｈ２，Ｈ３に生じる磁界の位相を（π＋π／９）ラジアンずつずらすことができる。

（９）実施形態では、必要に応じてトルク特性を異ならせることとしているが、本発明は、これに限られない。常時、主巻線と副巻線の両方に電流を流し、電流の大きさ、位相、波形の少なくとも一つを主巻線と副巻線とで異ならせる、という例でも構わない。

（１０）実施形態では、全ての固定子ティースの先端にスリットが形成されている。これにより、全ての固定子ティースで同じ突極性をもたせることができ、その結果、トルク脈動を低下させることができる。ただし、本発明は、これに限らず、例えば、副巻線が配設される固定子ティースにはスリットを設け、副巻線が配設されない固定子ティースにはスリットを設けないこととしてもよい。スリットが無ければスリットが有る場合に比べて、固定子ティースの体積が大きく、その結果、磁気飽和が生じるのを抑制することができる。

なお、図１７に示すように、副巻線が配設される固定子ティースと副巻線が配設されない固定子ティースとでスリットの形状を異ならせることとしてもよい。図１７（ａ）は、副巻線が配設される固定子ティース８Ａを示し、図１７（ｂ），（ｃ）は、副巻線が配設されない固定子ティース８Ｂ，８Ｃを示す。

固定子ティース８Ｂ，８Ｃのスリットの断面積Ｓｂ，Ｓｃが、固定子ティース８Ａのスリットの断面積Ｓａよりも小さい。これにより、固定子ティース８Ｂ，８Ｃは固定子ティース８Ａに比べて体積が大きくなり、その結果、磁気飽和が生じるのを抑制することができる。

さらに、固定子ティース８Ｂ，８Ｃのスリットの開口幅Ｗｂ，Ｗｃは、固定子ティース８Ａのスリットの開口幅Ｗａと同じである。これにより、固定子ティース８Ｂ，８Ｃと固定子ティース８Ａとで同じ突極性をもたせることができ、その結果、トルク脈動を低下させることができる。

なお、固定子ティース８Ｂのスリットの深さＤｂは、固定子ティース８Ａのスリットの深さＤａと同じであり、固定子ティース８Ｃのスリットの深さＤｃは、固定子ティース８Ａのスリットの深さＤａよりも浅い。スリットの深さについては、同じ突極性をもたせることができる範囲であれば、固定子ティース８Ｃのように浅くしても構わない。

図１７では、固定子ティースの形状が同じでスリットの形状が異なるようにしているが、これに限らず、スリットを小さくした分だけ、固定子ティースの幅や先端の体積を小さくしてもよい。これにより、巻線を配置するスペースが増加するため、太い巻線を巻回して巻線抵抗を下げて銅損を低下させたり、巻回数を多くすることで同一電流に対するトルクを向上させたりすることができる。

本発明は、コンプレッサ、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等の種々の機器に組み込まれる同期電動機駆動システムに利用可能である。

１，２１ 同期電動機
２ 回転子
３ 固定子
４ 回転子コア
５ 永久磁石
６ 磁極
７ 固定子ヨーク
８ 固定子ティース
９ 主巻線
１０ 副巻線
１１，１２ 回転子磁極間
５２ 回転子
５３ 固定子
５４ 回転子コア
５５ 永久磁石
５７ 固定子ヨーク
５８ 固定子ティース
１００ 同期電動機駆動システム
１０１ 直流電源
１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ インバータ
１０３ 制御回路

Claims (20)

1. 同期電動機とその駆動装置とから構成される同期電動機駆動システムであって、
   前記同期電動機は、
   周方向に等間隔に配置された複数の磁極を含む回転子と、
   環状の固定子ヨークおよび当該固定子ヨークに周方向に間隔をあけて配置された複数の固定子ティースを含む固定子とを備え、
   少なくとも一組の隣接する２個の固定子ティースは、それぞれ先端にスリットを有し、
   前記複数の固定子ティースには、それぞれ集中巻に巻回された主巻線が配設され、
   さらに、各固定子ティースのスリットには、隣接する２個の固定子ティース間を架け渡すように巻回された副巻線が配設されており、
   前記駆動装置は、
   前記主巻線に流す電流と前記副巻線に流す電流とを個別に制御すること
   を特徴とする同期電動機駆動システム。
2. 前記駆動装置は、
   要求トルクが所定値未満の場合には前記主巻線のみに電流を流し、要求トルクが所定値以上の場合には前記主巻線および前記副巻線の両方に電流を流すこと
   を特徴とする請求項１に記載の同期電動機駆動システム。
3. 前記駆動装置は、前記主巻線にはサイン波の電流を流し、前記副巻線には矩形波の電流を流すこと
   を特徴とする請求項１に記載の同期電動機駆動システム。
4. 前記副巻線は、前記主巻線の何れかと電気角でπラジアンの位置関係にあり、
   前記副巻線の巻回方向と、前記副巻線と電気角でπラジアンの位置関係にある主巻線の巻回方向とが逆であり、
   前記駆動装置は、前記副巻線と電気角でπラジアンの位置関係にある主巻線に流す電流と同じ位相の電流を、前記副巻線に流すこと
   を特徴とする請求項１に記載の同期電動機駆動システム。
5. 前記副巻線は、前記主巻線の何れかと電気角でπラジアンの位置関係にあり、
   前記副巻線の巻回方向と、前記副巻線と電気角でπラジアンの位置関係にある主巻線の巻回方向とが同じであり、
   前記駆動装置は、前記副巻線と電気角でπラジアンの位置関係にある主巻線に流す電流との位相差がπラジアンの電流を、前記副巻線に流すこと
   を特徴とする請求項１に記載の同期電動機駆動システム。
6. 前記副巻線は、前記主巻線の何れかと電気角でπラジアンの位置関係にあり、
   前記駆動装置は、前記副巻線と電気角でπラジアンの位置関係にある主巻線に流す電流との位相差が０ラジアンまたはπラジアン以外の電流を、前記副巻線に流すこと
   を特徴とする請求項１に記載の同期電動機駆動システム。
7. 前記駆動装置は、前記副巻線に流す電流の位相を、前記副巻線と電気角でπラジアンの位置関係にある主巻線に流す電流の位相に対して遅らせること
   を特徴とする請求項６に記載の同期電動機駆動システム。
8. 前記駆動装置は、前記副巻線に流す電流の位相を、前記副巻線と電気角でπラジアンの位置関係にある主巻線に流す電流の位相に対して進ませること
   を特徴とする請求項６に記載の同期電動機駆動システム。
9. 各固定子ティースのスリットには、周方向の両隣の固定子ティースの一方との間に架け渡された副巻線のみが配設されていること
   を特徴とする請求項１に記載の同期電動機駆動システム。
10. 各固定子ティースのスリットには、周方向の両隣の固定子ティースの一方との間に架け渡された副巻線と、他方との間に架け渡された副巻線とが配設されていること
    を特徴とする請求項１に記載の同期電動機駆動システム。
11. 前記複数の固定子ティースは、いずれも先端にスリットを有すること
    を特徴とする請求項９または１０に記載の同期電動機駆動システム。
12. 前記複数の固定子ティースは、いずれも先端にスリットを有し、これらのスリットには、副巻線が配設されたスリットと、副巻線が配設されていないスリットとが存在し、
    前記副巻線が配設されていないスリットの断面積が、前記副巻線が配設されたスリットの断面積よりも小さいこと
    を特徴とする請求項１に記載の同期電動機駆動システム。
13. さらに、前記副巻線が配設されていないスリットの開口幅が、前記副巻線が配設されたスリットの開口幅と同じであること
    を特徴とする請求項１２に記載の同期電動機駆動システム。
14. いずれの主巻線も、電気角で２π／３ラジアンだけ進んだ位置にある主巻線と、電気角で２π／３ラジアンだけ遅れた位置にある主巻線とで３相巻線を構成しており、
    いずれの副巻線も、電気角で２π／３ラジアンだけ進んだ位置にある副巻線と、電気角で２π／３ラジアンだけ遅れた位置にある副巻線とで３相巻線を構成していること
    を特徴とする請求項１に記載の同期電動機駆動システム。
15. 前記複数の固定子ティースのうち少なくともひとつは、前記回転子の軸方向に進むほど周方向に最大で固定子ティースの配置間隔だけずれていくスキュー配置が施されていること
    を特徴とする請求項１に記載の同期電動機駆動システム。
16. 前記同期電動機は、インナーロータ型であること
    を特徴とする請求項１に記載の同期電動機駆動システム。
17. 前記同期電動機は、永久磁石埋め込み型であること
    を特徴とする請求項１に記載の同期電動機駆動システム。
18. 前記同期電動機は、自動車用であること
    を特徴とする請求項１に記載の同期電動機駆動システム。
19. 周方向に等間隔に配置された複数の磁極を含む回転子と、
    環状の固定子ヨークおよび当該固定子ヨークに周方向に間隔をあけて配置された複数の固定子ティースを含む固定子とを備え、
    前記複数の固定子ティースは、それぞれ先端にスリットを有し、
    前記複数の固定子ティースには、それぞれ集中巻に巻回された主巻線が配設され、
    さらに、前記複数の固定子ティースの中で一部の固定子ティースのスリットのみに、隣接する２個の固定子ティース間を架け渡すように巻回された副巻線が配設され、
    前記副巻線が配設されていないスリットの断面積は、前記副巻線が配設されているスリットの断面積よりも小さいこと
    を特徴とする同期電動機。
20. さらに、前記副巻線が配設されていないスリットの開口幅が、前記副巻線が配設されたスリットの開口幅と同じであること
    を特徴とする請求項１９に記載の同期電動機。

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