JP6033424B2 - 可変起磁力型回転電機、及び可変起磁力型回転電機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用モータ等に用いられる可変起磁力型回転電機、及び可変起磁力型回転電機の制御装置に関する。

ＩＰＭモータ（埋め込み磁石型モータ）に用いられる回転電機として、例えば、特許文献１（特開２００８−２９５１３８号公報）に記載されたものが知られている。該特許文献１では、固定子のｑ軸磁路上に複数のフラックスバリヤ（低透磁率層）を形成し、ｄ軸上に磁路を設けてＬｄ＞Ｌｑ（Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス）なる特性を持たせ、強め界磁制御を行ない、永久磁石への反磁界を抑制することで磁石量の低減を図ることが開示されている。

しかし、これらの電動機を高回転域で使用する場合には、弱め界磁制御は、通常のＦＷ−ＩＰＭ（flux-weakening interior permanent magnet）よりは少ないものの、依然として弱め界磁制御が必要になるため「Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ」（Ｎｄ；ネオジム、Ｆｅ；鉄、Ｂ；ホウ素）の合金に、Ｄｙ（ジスプロシウム）を添加した高価な高保磁力の磁石を用いる必要がある。

また、可変特性という観点から言えば、特許文献２（特開２００６−２８０１９５号公報）に開示された回転電機が提案されている。しかし、この回転電機では高保磁力磁石と低保磁力磁石を組み合わせる必要があり、高保磁力磁石の原材料の供給が難しくなった場合に適用が難しい。また、高負荷状態では低保磁力磁石の負荷逆減磁が発生するため、着磁状態を保つために強め界磁制御を行なう必要があったが、Ｌｄ＞Ｌｑで無い場合には、マグネットトルクと逆方向のリラクタンストルクが発生するため、高負荷域での効率が悪化するという問題があった。

本発明は、高回転域において弱め界磁制御を不要とし、また、高価な高保磁力の磁石を用いることなく安定したトルクを得ることができる可変起磁力型回転電機、可変起磁力型回転電機の制御装置を提供することを目的としている。

上記に鑑み、本発明の可変起磁力型回転電機は、固定子と回転子を備える。回転子は、ｄ軸磁路を形成するための少なくとも一つの永久磁石を含む。また、回転子は、一つの極のｄ軸磁路中に設けられた永久磁石と、これに隣接する異極磁石との間に磁気的空隙部を設けることにより、固定子巻線に電流を印加しない無負荷状態のときに、永久磁石により発生する磁石磁束を、隣接する磁石へ漏洩させるｄ軸バイパス路を形成する。更に、ｄ軸バイパス路を形成することにより、ｄ軸方向の磁気抵抗が該ｄ軸抵抗と直交するｑ軸方向の磁気抵抗よりも小さくなるように設定する。永久磁石は、電力供給用のインバータによって発生し得る電機子反作用以下の磁界によって完全着磁が可能となる保磁力を有する磁石である。更に、永久磁石は、磁石磁束が固定子側へ鎖交する部分の幅の、一極の回転子周長に対する比率が５０％以下である。磁気的空隙部は、ｑ軸磁路中に設けられ、該磁気的空隙部のｑ軸磁路方向の距離は、永久磁石の磁化方向距離よりも長く形成されている。

この可変起磁力型回転電機は、ティースに巻回された固定子巻線に通電しうる最大電流により得られる電機子反作用の最大値によって着磁及び減磁が可能となるように、永久磁石の保磁力、及び厚さを規定する。また、ｄ軸磁路に永久磁石を通過しないｄ軸バイパス路を設け、更に、ｑ軸磁路に磁気的空隙部を設けることにより、Ｌｄ＞Ｌｑなる特性を備える。また、永久磁石の極弧比を５０％以下とする。これにより、回転電機が駆動状態の場合に着磁状態を保持することができる。また、Ｌｄ＞Ｌｑなる特性を有することにより、高回転域において弱め界磁運転となった場合に再着磁が可能となり、保磁力の高い材料を使用する必要がなく、コストを低減することができる。

添付の図面を参照して、開示の一部とする。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機の構成を示す図である。

図２は、本発明の一実施形態に係る回転電機の、回転子主要部を示す図である。

図３は、本発明の一実施形態に係る回転電機の、回転子主要部を示す図である。

図４は、本発明の一実施形態に係る回転電機の、無負荷状態における磁束の流れを示す図である。

図５は、本発明の一実施形態に係る回転電機の、固定子巻線にｑ軸電流を通電したときの磁束の流れを示す図である。

図６は、ｑ軸電流値と固定子巻線の鎖交磁束との関係を示す特性図である。

図７は、本発明の一実施形態に係る回転電機の、回転子主要部を示す図である。

図８は、本発明の一実施形態に係る回転電機の、ｄ軸磁路に磁路間接続部を形成した場合の磁路の変化を示す図である。

図９は、本発明の一実施形態に係る回転電機の、固定子コアに設けられるティースを示す図である。

図１０は、回転電機に用いられる永久磁石の厚みと保磁力との関係を示す特性図である。

図１１は、永久磁石として、ニュークリエーション型磁石を用いた場合の、外部磁場と磁界強度との関係を示す特性図である。

図１２は、永久磁石として、ピンニング型磁石を用いた場合の、外部磁場と磁界強度との関係を示す特性図である。

図１３は、本発明の一実施形態に係る回転電機の、回転数とトルクの関係を、着磁率毎に示した特性図である。

図１４は、本発明の一実施形態に係る回転電機の制御装置の構成を示すブロック図である。

図１５は、本発明の一実施形態に係る回転電機の制御装置の、着磁状態保持限界線を示す特性図である。

選択した実施形態を、図面を参照して説明する。実施形態の記載は、当業者が明らかになる例示として提示したものに過ぎず、添付の特許請求の範囲に定義の本発明及びそれらの均等物を限定するものではない。

初めに、図１を参照して、本発明の一実施形態に係る回転電機について説明する。図１に示すように、この回転電機は、固定子コア２に複数のスロット１が形成されている。また、円環形状をなす固定子３と、該固定子３の内周側に配置された回転子６を備えている。
回転電機は、固定子３と同心円状である。また、固定子３と回転子６との間には、隙間となるエアーギャップが形成されている。

固定子３は、固定子コア２と、該固定子コア２から内周側に向けて突起する複数（例えば、３６個）のティース５１を有している。隣接するティース５１間の空間がスロット１とされている。そして、ティース５１に固定子巻線Ｃが巻回される。固定子コア２は、例えば、積層鋼板により形成されている。

回転子６は、回転子コア５を有している。該回転子コア５は、透磁率の高い金属製の鋼板を積層した、いわゆる積層鋼板構造により円筒形に形成されている。また、回転子コア５の、固定子３と対向する周辺部には、周方向に沿って６個の永久磁石４が設けられている。永久磁石４は、互いに等間隔で、且つ、互いに隣接する永久磁石４の極性が異極性となるように設けられている。

永久磁石４は、回転子コア５の対応部分に空隙を設け、この空隙内に嵌め込んで固定している。ここで、本実施形態では、幾何学的な磁石中心７をｄ軸とし、ｄ軸から電気角で９０度の位置８をｑ軸（本実施例では３極対なので機械角で３０度の位置）と定義する。

図２、図３は、回転子６の主要部分を示す説明図である。以下、図２、図３を参照して回転子６の詳細な構成について説明する。永久磁石４と、これに隣接する永久磁石４ａとの間には、回転子６の外周部の円弧とは反対の逆円弧状をなす内側磁気的空隙部１２が形成されている。「磁気的空隙部」とは樹脂や空気等の比透磁率が１に近い材質で構成される部位である。

更に、該内側磁気的空隙部１２の外周側には、周囲部が回転子６の外周部の円弧に沿った円弧状をなす外側磁気的空隙部１３が形成されている。そして、内側磁気的空隙部１２と外側磁気的空隙部１３との間は、内側ｄ軸バイパス路１０とされ、外側磁気的空隙部１３の外周部は、外側ｄ軸バイパス路１１とされている。従って、内側ｄ軸バイパス路１０は逆円弧状をなしており、外側ｄ軸バイパス路１１は円弧状をなしている。

ｄ軸磁路は、薄型の永久磁石４を経由する磁路９と、経路中に永久磁石４を含まない内側ｄ軸バイパス路１０、及び外側ｄ軸バイパス路１１からなる。従って、ｄ軸の磁気抵抗は、これらの磁路９，内側ｄ軸バイパス路１０，及び外側ｄ軸バイパス路１１により決定される。磁路９と内側ｄ軸バイパス路１０との間には内側磁気的空隙部１２が設けられており、内側ｄ軸バイパス路１０と外側ｄ軸バイパス路１１との間には、外側磁気的空隙部１３が設けられているので、磁路９と内側ｄ軸バイパス路１０との間、及び内側ｄ軸バイパス路１０と外側ｄ軸バイパス路１１との間での磁束の漏洩は抑制される。

また、ｄ軸磁路のうち、磁路９中に配置される永久磁石４は、システムのインバータによって発生し得る電機子反作用以下の磁界によって完全着磁が可能となる程度の小さな保磁力を持つ磁石が用いられる。具体的には、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｏ、Ｓｍ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ等の、保磁力が１００〜２００［ＫＡ／ｍ］程度の磁石材料を採用することができる。しかし、これらの保磁力は、インバータシステム及び磁気回路設計によって異なる。図３に示すように、永久磁石４の周方向の幅１４は、回転子６の１極当たりの周方向の幅１５に対して５０％以下となるように、その大きさが決定されている。例えば、図３に示すように、永久磁石４のそれぞれは、回転子６の周方向に測定された回転子６における１極（図３の円周長さ１５に対応する）の長さの５０％以下の幅を有する。この構成により、回転子６の円周上の、１極の幅に対する各永久磁石４の磁束が鎖交する部分の比率が、約５０％以下になる。鎖交する部分は、永久磁石４のそれぞれの磁束がステータ３と鎖交している部分である。

また、ｑ軸磁気抵抗に影響する内側磁気的空隙部１２の径方向の幅１７と、外側磁気的空隙１３の径方向の幅１８とを加算した加算値は、ｄ軸の磁気的空隙と等価となる永久磁石４の厚さ１６（即ち、永久磁石の着磁方向の長さ）よりも厚く設定される。これらの構成により、本実施形態に係る回転電機では、ｄ軸磁気抵抗がｑ軸磁気抵抗より小さくなっている。換言すれば、ｄ軸インダクタンスＬｄと、ｑ軸インダクタンスＬｑとの間には、Ｌｄ＞Ｌｑなる関係が設定されている。

本実施形態に係る回転電機では、保磁力の高い永久磁石や、厚さの大きい永久磁石を用いるといった高コストな永久磁石を使用しない。固定子巻線とシステムの電源制御で再着磁が可能となるように、厚みの薄い低保磁力の磁石を使用する。通常のモータで弱め界磁運転が必要な高回転域では磁力を減じさせて電圧を抑制する。低回転高トルクが必要な領域では再着磁を行なって所望の磁石磁束を得るものである。

通常のモータで保磁力の小さい磁石を用いると、トルク電流（ｑ軸電流）を印加した際にも電機子反作用により減磁が発生してしまう。この問題を解消するため、本実施形態ではｑ軸に磁気的空隙部１２，１３を設けることでｑ軸の磁気抵抗を高め、ｑ軸電流による永久磁石４への反磁界を低減すると共に、極弧比を５０％以下に抑えて、電機子反作用の比較的小さい部分にのみ永久磁石４を配置し、電機子反作用の影響を軽減する。

その結果、保磁力の小さい永久磁石４を用いた場合であっても、ｑ軸印加時（トルク電流印加時）に、該永久磁石４の着磁状態を保持することができる。更に、瞬間的に大きなトルクが要求される状況下では、一時的に定格よりも大きな電流を流すこともあるが、この場合には、正のｄ軸電流（増磁方向）を併せて通電することにより、永久磁石４の減磁を回避しながらトルクを発生させることができる。このとき、重要な点は、本実施形態に係る固定子３は、外側ｄ軸バイパス路１１、及びこれよりも幅の広い内側ｄ軸バイパス路１０を設けており、且つ、ｑ軸磁路上に内側磁気的空隙部１２、及び外側磁気的空隙部１３を備えていることにより、Ｌｄ＞Ｌｑなる特性を有しているということである。

例えば、文献「可変磁力メモリモータの原理と基本特性、平成２１年電気学会産業応用部門大会」では高負荷時に、正のｄ軸電流を通電して着磁状態を保つことが提案されているが、「Ｌｄ＜Ｌｑ」なる特性を有しているために、正のｄ軸電流を印加すると磁石トルクに対して逆方向のリラクタンストルクが発生してしまい、最大トルクが減少してしまう。

本実施形態では、上記の文献とは反対に「Ｌｄ＞Ｌｑ」なる特性を有しているので、磁石トルクと同じ方向のリラクタンストルクを得ることが可能であり、合成のトルクを増大させることができる。また、永久磁石４の着磁状態を保持しながら正のリラクタンストルクを得ることができるので、結果的にモータ効率を向上させることができる。

つまり、運転中に磁力を可変するモータで、「Ｌｄ＜Ｌｑ」なる特性を有する場合、磁石トルク、及びリラクタンストルクを有効に利用するためには、負のｄ軸電流を印加した際にも低保磁力の永久磁石４が減磁しないように、その保磁力を比較的高めに設定する必要がある。これは、着減磁制御に必要な電流が大きくなりエネルギーの損失が増加することを意味している。

これに対して、本実施形態に係る回転電機では、「Ｌｄ＞Ｌｑ」なる関係を有するので、増磁方向である正のｄ軸電流により正のリラクタンストルクが得られ、永久磁石４の保磁力は小さくて良く、着減磁に必要な電流容量も小さくて良い。即ち、高価な材料を使用することなく、安定した特性を得ることができる。

このように、本実施形態に係る回転電機では、ｑ軸磁気抵抗を高くしてＬｄ＞Ｌｑの特性とし、且つ永久磁石４の周方向比率（極弧比）を５０％以下にすることで、コストが安く、安定供給が可能な保磁力の小さい磁石を用いても、駆動状態においてその着磁状態を保持することができる。

また、通常の永久磁石モータでは高回転域において弱め界磁運転が用いられた際に、永久磁石４に減磁が生じないように、Ｄｙ等の高価で安定供給の難しい保磁力の高い材料を使用する必要があるが、本実施形態では、永久磁石の再着磁が可能であるので、低い保磁力の永久磁石４を使用することが可能である。

更に、瞬時に定格電流以上のトルクが必要な動作点においては、永久磁石４に対する電機子反作用が大きくなるが、遅れ位相電流制御（増磁方向）を行なうことで、着磁状態を保持可能であると共に、Ｌｄ＞Ｌｑの特性により正のリラクタンストルクが得られるため、従来の可変磁力型電動機に比べて高負荷時の効率を向上させることができる。

次に、回転電機に生じる磁束について説明する。図４は、電流を印加しない無負荷状態に生じる磁束の流れを示す説明図である。図４に示すように、永久磁石４から出力される磁束は、固定子３側に流れて固定子巻線（図示省略）に鎖交する磁束１９と、内側ｄ軸バイパス路１０を経由して隣接する左右の異極磁石へ漏洩する磁束２０に分かれる。つまり、無負荷状態で回転子６を回転させた場合には、固定子３に鎖交する磁束数が、漏れが存在しない場合（内側ｄ軸バイパス路１０を設けない場合）と対比して減少するので、固定子３内で発生する鉄損が低減されることとなる。

図５は、固定子巻線にｑ軸電流を通電したときの、磁束の流れを示す説明図である。図５に示すように、永久磁石４から出力される磁束２１は、固定子３側からの電機子反作用２２によって回転方向２３側へ傾斜する。このとき、電機子反作用２２は、磁石磁束が内側ｄ軸バイパス路１０側へ漏洩するのを妨げる向きに作用し、ｑ軸電流を大きくするに連れて、内側ｄ軸バイパス路１１及び外側ｄ軸バイパス路１０に連結されるバイパス路経由部２４を流れる磁束量が減少する。

図６は、ｑ軸電流値と固定子巻線の鎖交磁束との関係を示す特性図である。横軸がｑ軸電流Ｉｑ［Ａ］を示し、縦軸が鎖交磁束Ψｄ［Ｗｂ］を示している。

本実施形態において、無負荷時と定格負荷時の鎖交磁束を比較すると、ｑ軸電流の印加により約３０％の磁束を制御できていることが判る。つまり、大きなトルクが必要ない低負荷領域での永久磁石４の磁束は自動的に抑制されて固定子鉄損を低減し、大きなトルクが要求される高負荷領域では、ｑ軸電流の印加と共に内側ｄ軸バイパス路１０への磁束漏洩が抑制され、結果的に固定子３に鎖交する磁束が増大するので、要求トルクを満足することができる。なお、このときの永久磁石４の着磁状態は変化していないので、ｑ軸電流Ｉｑのみの制御により磁石磁束の鎖交量を約３０％可変できていることになる。磁石磁束の鎖交量を約３０％変化させることができるが、それは必要、希望に応じて磁石の磁束交磁の量は約１０％以上変化させることができることが本開示から明らかになるであろう。

また、機械強度的な観点から言えば、内側ｄ軸バイパス路１０及び外側ｄ軸バイパス路１１に生じる遠心力は、両端のバイパス路経由部２４により支持されることになる。しかし、このバイパス路経由部２４は、無負荷時においてある程度の磁束を漏洩させるために幅を大きく設定するので、結果的に機械強度も向上させることができる。

このように、本実施形態では、無負荷時及び要求トルクの小さい負荷電流の小さい領域においては、内側ｄ軸バイパス路１０を経由して磁石磁束が漏洩するので、固定子３に鎖交する磁束が減少する。このため、鉄損が減少して効率が向上する。

また、外側ｄ軸バイパス路１１を回転子６のエアギャップ近傍に設けているので、負荷電流を大きくするに連れて、バイパス路経由部２４における反磁界が増大して各ｄ軸バイパス路１０，１１へ漏洩する磁石磁束量が減少し、固定子３に鎖交する磁束が増加する。従って、高トルクでの回転時には十分な磁石磁束が得られる。加えて、各ｄ軸バイパス路１０，１１に作用する遠心力を支持するために必要な強度も得られる。

更に、本実施形態では、図７に示すように２つのｄ軸バイパス路１０，１１のうち、外側ｄ軸バイパス路１１は、回転子外形の円周形状２５に沿うように配置され、且つ、内側ｄ軸バイパス路１０は、回転子外形の円弧に対して略逆円弧となるｄ軸磁束線形状２６に沿うように配置される。そして、前述したように、内側ｄ軸バイパス路１０は、永久磁石４の磁束量制御のための漏洩路としての機能と、ｄ軸磁気抵抗を小さくするための機能を有する。一方で、回転子表面に設置される外側ｄ軸バイパス路１１は、突極比検出型のセンサレス制御特性とトルクリップル性能に影響を与える。

外側ｄ軸バイパス路１１の幅を大きくしていくと、固定子３側から見た回転子６上のｄ軸とｑ軸のパーミアンスの差が小さくなるので、この差を利用して磁極位置を推定するセンサレス制御では推定精度が低下する。このため、できるだけ外側ｄ軸バイパス路１１の幅を小さくすることが磁極位置の推定精度を向上させる上で望ましい。一方で、トルクリップルを低減するという観点からは、パーミアンス脈動を小さくすることが効果的であるので、ある程度のバイパス路幅を確保することが有効である。本実施形態に係る回転電機の固定子３では、トルクリップルを低減し、且つ、要求されるセンサレス制御の推定精度の双方を満足する幅であるということができる。

このように、本実施形態に係る回転電機では、外側ｄ軸バイパス路１１を設けることにより、Ｌｄ＞Ｌｑなる特性を確保しながらも、エアギャップ部での磁束変動を平滑化してトルクリップルを低減することができる。また、外側ｄ軸バイパス路１１の幅を小さく設定することで、回転子６の突極性を検出する方式のセンサレス制御の性能の低下を抑制しつつ、内側ｄ軸バイパス路１０を設けることによりＬｄ＞Ｌｑの特性や磁石磁束の漏洩特性を確保することができる。

更に、本実施形態では、図７に示すように回転子６の外側ｄ軸バイパス路１１と内側ｄ軸バイパス路１０との間には、外側磁気的空隙部１３が設けられ、内側ｄ軸バイパス路１０と永久磁石４による磁路９との間には、内側磁気的空隙部１２が設けられている。これらの配置により、各磁気回路はそれぞれが独立磁路を形成している。仮に、図８の符号２７，２８に示すような磁路間を接続する部位が配置された場合には、これらの部位２７，２８を経由して永久磁石４の磁束が磁石表面から磁石裏面へ回り込む漏洩磁束２９が増加することになる。そして、この漏洩磁束２９は前述したｑ軸電流による制御ができないので、単純に磁束の損失となってしまう。本実施形態では、各ｄ軸バイパス路１０，１１と磁路９とが回転子６の表面近傍でのみ連結される構成とされているので、このような損失が生じることを抑制することができる。

このように、外側ｄ軸バイパス路１１と、逆円弧形状をなす内側ｄ軸バイパス路１０の間には大きな外側磁気的空隙部１３が存在するため、固定子３側からの磁束が永久磁石４を有するｄ軸磁路に干渉を与えない。これにより、電機子反作用が着磁状態に与える影響を回避できる。また、永久磁石４を通過する磁路９と、これに隣接する各ｄ軸バイパス路１０，１１との間には、磁性体による磁気回路が存在しないので、磁石表面から同磁石の裏面に回る漏洩磁束を抑制できる。

また、本実施形態では、図９に示すように、固定子コア２に形成されるティース５１の幅Ａと、ティース先端部の幅Ｂの比率η（＝Ａ／Ｂ）を、０．７≦η＜１．０の範囲に設定している。そして、このような構成により、固定子コア２が磁気的に飽和した場合でも、磁界強度が低下することを抑制する。

即ち、固定子コア２に形成されるティース５１の幅Ａと、ティース５１先端部の幅Ｂの比率η（＝Ａ／Ｂ）が１の場合（ティース５１の幅が根本から先端まで一定である場合）には、ティース５１中における磁束密度分布は略一定となる。そして、この比率ηが小さくなるほど、固定子巻線を施す部分の磁束密度は増大する。ここで、磁束密度がそれほど高くない回転電機においては大きな問題にはならないが、固定子巻線を用いて運転中に着減磁を行なうような本実施形態に係る回転電機では注意が必要である。

特に、着磁工程においては、磁石内が着磁磁界となるまで磁界を印加する必要があるが、固定子コア２が磁気的に飽和することに伴って、該固定子コア２の透磁率が減少するので、所望の磁界強度が得られなくなってしまう。従って、本実施形態では、固定子巻線を用いて永久磁石４の着減磁を行なう際に、比率ηを０．７≦η＜１．０の範囲に設定することにより磁界強度が低下することを抑制している。

このように、従来の磁石では、固定子巻線に通電して着磁を行なう場合に、通常の定格電流よりも大きな着磁磁界を印加する必要があるので、ティース５１の最も狭い部分である巻線を施す部分の飽和が起こりやすい。そして、この部分が飽和すると透磁率が低下するので、印加電流を大きくしても着磁に必要な磁界が得られない。加えて、ティース５１先端部分の幅を巻線部よりも大きくするほど、ティース５１先端で捕捉する磁束量が増加して巻線部の飽和がより顕著になる。本実施形態では、比率ηを０．７≦η＜１．０の範囲に設定することにより、ティース５１の磁気飽和を軽減して必要な着磁磁界を得易くすることができる。

更に、本実施形態では、下記の手法で永久磁石４の厚さ、及び保磁力を決定する。即ち、固定子コア２のティース５１に巻回される固定子巻線の諸元、及び電源の最大電流値Ｉが決定されると、これらの条件で、着磁及び減磁を実現するために必要な永久磁石４の厚さ、及びその保磁力が決定される。

図１０は、永久磁石４の厚さと該永久磁石４の保磁力との関係を示す特性図である。永久磁石４が最低限必要な保磁力、及び厚さは、無負荷回転時のパーミアンス脈動において減磁が発生しないことが条件となる。図１０に示すグラフ中の符号３０に示す曲線よりも下側の条件が必要となる。符号３０に示す曲線は、永久磁石４の保磁力（Ｈcj［ＫＡ／ｍ］）と磁石厚（ｔｍ［ｍｍ］）とに基づいて、下記（１）式で示すことができる。

Ｈcj＝−（１．０５*ｔｍ）^２＋３３．８*ｔｍ−３５９ …（１）

また、許容できる永久磁石４の最大保磁力、及び厚さは、グラフ中３１に示す曲線より上側の条件が必要となる。符号３１に示す曲線は、下記（２）式で示すことができる。

Ｈcj＝（−２４３／ｔｍ）−１７ …（２）

従って、永久磁石４の保磁力（Ｈcj）と磁石厚（ｔｍ）との関係が、下記（３）式で表される範囲内に設定されることが望ましい。

−（１．０５*ｔｍ）^２＋３３．８*ｔｍ−３５９
＜Ｈcj＜（−２４３／ｔｍ）−１７ …（３）

勿論、（３）式の範囲以外での設計も可能であるが、この場合には、より大きな電流源が必要になりコスト高を招くことになる。

このように、基本的に永久磁石４をどのような保磁力及び磁石厚みとしても、固定子側の巻数及び電流容量に制限が無ければ、着磁状態を固定子電流で制御することは可能である。しかし、上記（３）式に示す範囲から逸脱する場合には着磁するために非常に大きな電流が必要となったり、負荷状態で着磁状態を保持することが難しくなる。本実施形態では、永久磁石４の保磁力と厚さ１６との関係が上記（３）式を満たすようにすることで、不必要にインバータ容量が大きくなることを防止することができる。

また、本実施形態では、永久磁石４として、ニュークリエーション型磁石ではなく、ピンニング型磁石を用いる構成としている。図１１は、ニュークリエーション型磁石の外部磁場と磁界強度との関係を示す特性図である。図１１に示すように、ニュークリエーション型磁石では、完全着磁に必要な磁界強度３２が、保磁力３３に対して大きく、結果的に大きな着磁電流が必要となる。一方、図１２は、ピンニング型磁石の外部磁場と磁界強度との関係を示す特性図である。図１２に示すように、ピンニング型磁石では、完全着磁に必要な磁界強度３４が保磁力３５とほぼ同程度と低い。且つ、そのマイナーループ特性も線形に近いので、着磁状態の制御が容易になる。

また、永久磁石４を着減磁するために流す電流は、トルク発生用の電流と異なり、着減磁に伴うエネルギーロスを抑制する観点から、できる限り短い時間だけ通電する（パルス状に電流を流す）ことが望ましい。しかし、このようなパルス状電流を通電すると、それによって得られる着磁磁界を妨げる向きの渦電流が永久磁石４内に発生する。これは着減磁性能を妨げ、着磁分布も不均一にする可能性がある。これらの反作用を克服して着減磁を行なうためには、更に大きな電流が必要となり、コスト増大を招く。

そこで、この問題を解決するためには、着減磁パルス電流による永久磁石４内の渦電流損失を低減するため、分割磁石を用いることがより望ましい、また、磁石粉を絶縁のバインダーでバインドしたボンド磁石等を用いることも効果的である。

このように、着磁状態を変化させるためには必要な磁界強度を与えればよいが、着磁電流は機械出力に対して寄与せずに損失となるため、できるだけ通電時間を短くしたい。ところが一方で通電時間を短くすると永久磁石４内に発生する渦電流によって着磁磁界が妨げられる。このため、着磁が不十分になったり、部位によって不均一な着磁状態となることがある。従って、永久磁石４を分割、或いはバインドにより高抵抗とすることで、磁石内の渦電流の発生を抑制して着減磁を容易にすることができる。また、エネルギー消費も抑えることができる。

また、本実施形態では、回転子６に設けられる永久磁石４が完全に着磁され、且つ、弱め界磁制御を行なわない場合には、システムの目標回転数における誘起電圧がシステムのＤＣ電圧を超えるように、固定子巻線の巻数を設定する。

図１３は、着磁率が１００％、８０％、６０％、４０％、２０％のときの、回転数とトルクとの関係を示す特性図である。図１３に示すように、システムの目標回転数が、符号３６に示す回転数である場合には、永久磁石が１００％着磁状態において誘起電圧がシステム電圧を超えるために、所望するトルクを発生することができない。

しかし、磁力を変化させることが可能な本実施形態に係る回転電機においては、１００％磁力で目標回転数３６まで出力可能に設計すると、低回転域でのトルク低下につながる。従って、低回転域のトルク向上のためには、少なくとも目標回転数（符号３７）以下で誘起電圧がシステムのＤＣ電圧を上回るように設計することが望ましい。この場合、図１３に示すように、着磁率を変化させながら駆動することにより、低速大トルクと、高速回転を両立して出力範囲を大きくとることが可能となる。

このように、完全着磁状態で高回転域における誘起電圧がシステムのＤＣ電圧を超えないように巻線数を設定すると、低回転域における最大トルクが制限を受けてしまう。着磁状態を可変できることを前提に巻線数を設定することで、低速大トルクと高速回転の両立が可能となる。

次に、本発明に係る回転電機の制御装置について説明する。図１４は、制御装置のブロック図である。図１４に示すように、ｄｑ軸指令値ｉｄ*，ｉｑ*が与えられると、この指令値とｄｑ軸電流値ｉｄ，ｉｑとの偏差が演算され、更に、演算された偏差は、ＰＩ-ｄｑ電流制御器５２に供給される。偏差は、ＰＩ-ｄｑ電流制御器５２にて補正される。ＰＩ-ｄｑ電流制御器５２では、補正された偏差に基づいて、ｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ*，Ｖｑ*を演算する。

また、非干渉制御部６１は、ｉｄ指令値ｉｄ*と、ｉｑ指令値ｉｑ*、及び電気角速度ωに基づいて、ｄｑ軸干渉電圧指令値ｖｄ’及びｖｑ’を求め、ｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ*，Ｖｑ*と加算することにより、補正後のｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ，Ｖｑを求めて、ｄｑ−３相変換部５３に出力する。

ｄｑ−３相変換部５３は、ｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ，Ｖｑと、モータの回転子位相角θに基づいて、３相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを演算する。更に変調率演算部５４にて、インバータ５６のＤＣ電圧Ｖdcに基づき、変調率ｍｕ，ｍｖ，ｍｗを求める。

三角波比較部５５は、変調率ｍｕ，ｍｖ，ｍｗと三角波を比較することにより、ＰＷＭ信号を生成する。このＰＷＭ信号をインバータ５６に出力する。そして、インバータ５６は、ＰＷＭ信号に基づいて、上アーム及び下アームからなるスイッチ回路（図示省略）を制御することにより、直流電圧から３相交流信号を生成し、モータＭに出力する。これにより、本実施形態に係る回転電機が適用されたモータＭを回転駆動させることができる。

また、インバータ５６出力のＵ相、及びＷ相には電流センサ５７が設けられている。電流センサ５７で検出された電流ｉｕ，ｉｗは、３相-ｄｑ変換部５８に供給される。モータＭには、レゾルバ等の回転角度センサ６０が設けられており、その検出信号は位相速度演算部５９に供給される。該位相速度演算部５９では、モータＭの位相角θを求めて３相-ｄｑ変換部５８、及びｄｑ-３相変換部５３に出力する。更に、モータＭの回転数ωを演算し、演算した回転数ωを磁束オブザーバ４０に出力する。

３相-ｄｑ変換部５８は、インバータ５６より出力されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗと、モータＭの位相角θに基づいて、ｄｑ軸電流値ｉｄ，ｉｑを算出する。この算出結果は、磁束オブザーバ４０に供給され、且つ、ｄｑ軸指令値ｉｄ*，ｉｑ*との偏差演算に用いられる。

磁束オブザーバ４０は、３相-ｄｑ変換部５８で求められたｄｑ軸電流値ｉｄ，ｉｑと、位相速度演算部５９で求められたモータＭの回転数ωに基づいて、着磁率Ψａを算出し、算出した着磁率Ψａを着磁状態保持制御部４１に出力する。着磁率Ψａは、固定子と鎖交する磁石の磁束の合計である。より具体的には、磁束オブザーバ４０は、ｄｑ軸電流値ｉｄ，ｉｑ、及び回転数ωに基づき、磁石温度を予測するために使用される従来公知の技術（特開２００４−２０１４２５号公報を参照）により予め求められるモータパラメータを含むモータ電圧方程式を取得し、着磁率Ψａを算出する。

着磁状態保持制御部４１は、目標トルクとなるトルク指令値Ｔ*、及び後述する磁束オブザーバ４０より出力されるΨａに基づいて、ｄｑ軸指令値ｉｄ*，ｉｑ*の組み合わせを生成して出力する。

本実施形態に係る回転電機は、保磁力の小さい永久磁石４を用いているので、動作点の要求に応じてその着磁状態を変化させる構成としている。この際、その着磁状態を保持することができる限界条件を常に把握しておかなければ、意図しない磁力変化が発生することになり制御が安定しない。

そこで、本実施形態に係る回転電機の制御装置では、従来より用いられている電流ベクトル制御ブロックに加えて、磁束オブザーバ４０、及び、着磁状態保持制御部４１とを備えている。磁束オブザーバ４０は、電流センサ５７で検出されるｄｑ軸電流ｉｄ，ｉｑと、モータＭの回転数ω、及びモータＭのパラメータに基づいて磁石磁束を推定する。着磁状態保持制御部４１は、磁石磁束に基づいて着磁状態を保持できるように、ｄｑ軸電流値ｉｄ，ｉｑを制御する。これにより、要求される駆動条件により磁石の着磁状態が意図せずに変化することを抑制でき、安定した制御が可能になる。図１４に示す着磁状態保持制御部４１は、図１５に示すように、ｉｄ−ｉｑ平面状にＩｑ＜α（Ψa）×ｉｄ＋β（Ψａ）の一次式にて表現される制御則に則って行なわれる。

例えば、着磁率ΨａがΨａ＝１００％である場合には、ｑ軸電流Ｉｑが着磁状態保持限界線４２を上回らないように制御される。また、Ψａ＝２０％の場合には、Ｉｑが着磁状態保持限界線４３を上回らないように制御される。基本的には着磁率Ψａが低い状態では着磁率保持限界線も上方向に移動する。

このように、各着磁状態における限界線を簡単に制御することができ、動作点が大きく変化するような使用条件において、どの条件において着磁状態を変化させるのかを、複雑な計算無しに制御することが可能となる。

なお、本実施形態では、６極の回転電機について説明したが、他の極数に代えても同様に適用することができる。

このように、選択した実施形態により本発明の説明を行ったが、添付の特許請求の範囲に定義の本発明の要旨を逸脱しない範囲で本開示から様々な変更や修正が可能であることは当業者なら言うまでもない。特定の実施形態において全ての効果を同時に奏する必要はない。また、先行技術にない各特徴は、単独或いは他の特徴との組み合わせで、本出願人による更なる発明の別個の記載として考えるべきであり、これらの特徴により具現化された構造的、機能的思想を含む。従って、本発明に係る上記実施形態の記載は、例示として提示したものに過ぎず、添付の特許請求の範囲及びその均等物に定義の本発明を限定するものではない。

Claims (12)

1. 円環形状をなし複数のティースに固定子巻線が巻回された固定子と、該固定子と同心円状をなしｄ軸磁路に少なくとも一つの永久磁石を備えた回転子とを備えた回転電機において、
   前記回転子は、一つの極のｄ軸磁路中に設けられた少なくとも一つの永久磁石と、これに隣接する異極磁石との間に磁気的空隙部を設けることにより、前記固定子巻線に電流を印加しない無負荷状態のときに、永久磁石により発生する磁石磁束を、隣接する磁石へ漏洩させるｄ軸バイパス路を形成し、且つ、該ｄ軸バイパス路を形成することにより、ｄ軸方向の磁気抵抗が該ｄ軸抵抗と直交するｑ軸方向の磁気抵抗よりも小さくなるように設定し、
   少なくとも一つの永久磁石は、電力供給用のインバータによって発生し得る電機子反作用以下の磁界によって完全着磁が可能となる保磁力を有する磁石であり、且つ、少なくとも一つの永久磁石は、磁石磁束が固定子側へ鎖交する部分の幅の、一極の回転子周長に対する比率が５０％以下であり、
   前記磁気的空隙部はｑ軸磁路中に設けられ、該磁気的空隙部のｑ軸磁路方向の距離は、少なくとも一つの永久磁石の磁化方向距離よりも長く形成された可変起磁力型回転電機。
   
   
2. 請求項１に記載の可変起磁力型回転電機であって、
   前記固定子巻線に電流を印加しない無負荷状態において、前記永久磁石から発生する磁石磁束のうち１０％以上の磁束が前記ｄ軸バイパス路を経由して、隣接する異極磁石へ漏洩するように構成し、前記ｄ軸バイパス路は、前記回転子と固定子との間の隙間であるエアギャップの近傍にて、ｄ軸磁路に連結される可変起磁力型回転電機。
3. 請求項１または２に記載の可変起磁力型回転電機であって、
   前記ｄ軸バイパス路は、回転子外形の円周形状に沿うように配置された円周形状のｄ軸バイパス路と、回転子外形の円弧に対して逆方向を向く円弧状となるｄ軸磁束線形状に沿うように配置された逆円弧形状のｄ軸バイパス路の２つが形成されている可変起磁力型回転電機。
4. 請求項３に記載の可変起磁力型回転電機であって、
   前記逆円弧形状のｄ軸バイパス路は、前記円周形状のｄ軸バイパス路よりも、路幅を大きくした可変起磁力型回転電機。
5. 請求項３または４に記載の可変起磁力型回転電機であって、
   前記円周形状のｄ軸バイパス路、及び、前記逆円弧形状のｄ軸バイパス路は、互いに前記磁気的空隙部により隔離されてそれぞれ独立磁路を形成し、このうち前記永久磁石を通るｄ軸磁路に隣接するｄ軸バイパス路は、回転子表面における接続部以外では、少なくとも一つの永久磁石を通過するｄ軸磁路とは、磁気的に隔離されている可変起磁力型回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の可変起磁力型回転電機であって、
   前記固定子に設けられるティースは、固定子巻線を巻回する主磁路となる部分の幅をＡとし、エアギャップに対向する部分の幅をＢとしたとき、これらの比率η（＝Ａ／Ｂ）が、０．７≦η＜１．０なる関係を有する形状である可変起磁力型回転電機。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の可変起磁力型回転電機であって、
   少なくとも一つの永久磁石の保磁力（Ｈcj［ＫＡ／ｍ］）と、磁石厚（ｔｍ［ｍｍ］）との関係が、下記式で表される範囲内に設定され、進角制御無しの状態で着磁状態を変化させることなく通電できる最大電流値をＩとした際に、着磁時に必要な最大電流振幅が２Ｉ以下、脱磁時に必要な最大電流振幅が０．５Ｉ以下とした可変起磁力型回転電機。
   −（１．０５*ｔｍ）^２＋３３．８*ｔｍ−３５９
   ＜Ｈｃｊ ＜（−２４３／ｔｍ）−１７
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の可変起磁力型回転電機であって、
   少なくとも一つの永久磁石は、ピンニング型の特性を有する磁石である可変起磁力型回転電機。
9. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の可変起磁力型回転電機であって、
   前記電動機に用いる永久磁石は少なくとも２つ以上のセグメント磁石を絶縁層を介して積層接合した分割磁石、或いは、磁粉間を絶縁材でバインドしたボンド磁石のうちのいずれかである可変起磁力型回転電機。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の可変起磁力型回転電機であって、
    前記回転子に設けられる少なくとも一つの永久磁石が完全に着磁され、且つ、弱め界磁制御を行なわない場合に、システムの目標回転数における誘起電圧がシステムのＤＣ電圧を超えるように、前記固定子巻線の巻数を設定する可変起磁力型回転電機。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載した可変起磁力型回転電機を制御する制御装置であって、
    回転電機に供給される電圧値、または電流値に基づいて、少なくとも一つの永久磁石の着磁状態を推定する磁束オブザーバ部と、
    前記着磁状態の情報と、予め設定したパラメータに基づいて、ｄｑ軸電流指令値と、ｄｑ軸電流値との偏差を補正する着磁状態保持制御部と、
    前記着磁状態保持制御部で補正された偏差に基づいて、電圧指令値を生成する電圧指令値生成部と、
    前記電圧指令値に基づいて生成されるＰＷＭ信号に基づいて、前記回転電機を駆動するインバータと、
    前記インバータより出力される電流値を測定する電流センサと、
    を有する可変起磁力型回転電機の制御装置。
12. 請求項１１に記載の可変起磁力型回転電機の制御装置であって、
    前記着磁状態保持制御部は、下記式に基づいてｑ軸電流Ｉｑを補正する可変起磁力型回転電機の制御装置。
    Ｉｑ＜α（Ψａ）×Ｉｄ＋β（Ψａ）
    （但し、Ｉｄはｄ軸電流、α、βは磁石の着磁率Ψａの関数）
    
    

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