JP2004096940A - 永久磁石形同期電動機 - Google Patents
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Abstract
【課題】高トルクを発生させ、電線の布線作業を容易にすることのできる永久磁石形同期電動機を得る。
【解決手段】円周方向に配置された複数の永久磁石を有する回転子と、各永久磁石に対向配置された複数の突極磁極を有する固定子鉄心と、各突極磁極に巻回された複数の巻線と、永久磁石の移動位置に応じて、各巻線に交流電流を通電させる制御装置とを備え、制御装置は、各永久磁石の磁極と各突極磁極の磁極との位置関係に対応した位相の種類数と同数の位相を持つ交流電流を各巻線に通電させる。
【選択図】 図１
【解決手段】円周方向に配置された複数の永久磁石を有する回転子と、各永久磁石に対向配置された複数の突極磁極を有する固定子鉄心と、各突極磁極に巻回された複数の巻線と、永久磁石の移動位置に応じて、各巻線に交流電流を通電させる制御装置とを備え、制御装置は、各永久磁石の磁極と各突極磁極の磁極との位置関係に対応した位相の種類数と同数の位相を持つ交流電流を各巻線に通電させる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、コンバータ、インバータを用いて変換された交流電力と直流電力とを相互に変換し、多相交流電力によって駆動される永久磁石形同期電動機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開昭６２−１１０４６８号公報に示されるように、永久磁石形同期電動機の駆動方法として、３相交流電源により駆動する方法は広く知られている。
【０００３】
図８は、特開昭６２−１１０４６８号公報に示された従来の永久磁石形同期電動機の永久磁石と突極磁極とを示す構成図であり、図９は、図８に示した永久磁石形同期電動機の永久磁石と突極磁極とを示す展開図である。
【０００４】
図８において、１Ｕ＋は３相交流電源のＵ相の接続個所、２は巻線（電機子巻線）を示す。なお、図８では、Ｕ相のみを示す。３は、リング状の固定子の円周方向に等間隔に配置され、かつ外側に突出する固定子鉄心を示し、４、５は、回転子の内側に固定された永久磁石を示す。
【０００５】
また、図８を展開した図９において、３Ｕ１、３Ｕ２、３Ｕ３、３Ｕ４は、固定子鉄心３の突極に巻線２が巻回された磁極（突極磁極）を示す。なお、３相交流電源のＶ相とＷ相は、Ｕ相と同様に巻線２が巻回され（図示せず）、突極磁極３Ｖ１〜３Ｗ３を構成する。
【０００６】
従来の永久磁石形同期電動機は以上のように構成され、永久磁石４、５の移動位置に応じた３相交流電流（固定子巻線電流）を巻線２に供給することにより、回転トルクを得ることができる。
【０００７】
エレベータなどに使用される永久磁石形同期電動機には、低回転である起動加速時に最大のトルクを発生させることが必要とされ、また、永久磁石形同期電動機が３相電力で駆動されることを前提に構成されていたため、定格回転数で各相間に誘起される電圧の最大値は、電源電圧によってそれを越えない値に決定されるために大きな電圧を発生させることができず、高トルク発生時には大電流を要すこととなる。
【０００８】
近年、これら電動機の制御には、高精度の制御性能を持ったＰＷＭインバータが使用されており、これらインバータを構成する半導体素子として、ＩＧＢＴが市販されているが、その定格は、６００Ａ、１２００Ｖ程度である。
【０００９】
したがって、この定格を越える大電流を必要とする永久磁石形同期電動機を駆動させるために、永久磁石形同期電動機を制御するためのインバータを、半導体素子を１相当り複数個並列に接続して３相インバータとすることにより、高トルクを発生させていた。
【００１０】
しかし、永久磁石形同期電動機の出力が大きくなるにつれて１相当たりに必要な電流量が大きくなり、それに伴って並列接続部６中の並列素子数を増やしていた。
【００１１】
図１０は、半導体素子を３個並列接続した３相インバータの回路を示す概略図である。
図１０において、半導体素子７が並列に接続された並列接続部６は、永久磁石形同期電動機のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の接続個所（例えば、Ｕ相は１Ｕ＋）にそれぞれ接続されている（図９参照）。
【００１２】
半導体素子７を並列に接続して駆動させるためには、それぞれの半導体素子７への電流が等しく分流される必要があるので、それぞれの半導体素子７を並列に接続した並列接続部６のインピーダンスを等しくしている。
【００１３】
図１１は、従来の永久磁石形同期電動機への印加電圧を説明する説明図である。
図１１において、複数（例えば４つ）の突極磁極３Ｕ１〜３Ｕ４に渡って１つの相について巻線２の巻回を行うと、１つの突極磁極への最大印加電圧は、電源の相電圧の１／４となる。
【００１４】
すなわち、電源の相電圧の１／４という低い電圧で一定の起磁力を得るためには、巻線２の巻数を減らし、通電電流量を増やして、巻線２を太くする必要があった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の永久磁石形同期電動機は以上のように、半導体素子７の並列接続部６のインピーダンスを等しくすることは、実装設計上の制約となるばかりでなく、インピーダンスのバラツキによる電流のアンバランス分も考慮して素子定格をディレーティングして設計する必要があり、また、永久磁石形同期電動機の出力を大きくするために半導体素子７の並列素子数を増やさなければならないので、永久磁石形同期電動機の制御装置であるインバータが大型かつ高価なものになってしまうという問題点があった。
【００１６】
また、１つの突極磁極当たりの電圧が低くなるため、巻線２の巻数が低く制限されてしまうため、固定子鉄心３が巻回された際の断面積における巻線２の割合（占積率）が低下してしまい、空隙の割合が大きくなるという問題点があった。
【００１７】
また、永久磁石形同期電動機とその制御装置とを接続する動力用配線も、通電電流量に応じて線径を増す（電線の太さ、つまり断面積を増加させて電流容量を増やす）必要があり、人手では電線の布線作業が困難となるという問題点があった。
【００１８】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、高トルクを発生させ、電線の布線作業を容易にすることのできる永久磁石形同期電動機を得ることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る永久磁石形同期電動機は、円周方向に配置された複数の永久磁石を有する回転子と、各永久磁石に対向配置された複数の突極磁極を有する固定子鉄心と、各突極磁極に巻回された複数の巻線と、永久磁石の移動位置に応じて、各巻線に交流電流を通電させる制御装置とを備え、制御装置は、各永久磁石の磁極と各突極磁極の磁極との位置関係に対応した位相の種類数と同数の位相を持つ交流電流を各巻線に通電させるものである。
【００２０】
また、この発明に係る永久磁石形同期電動機の制御装置は、突極磁極の磁極数を、永久磁石の磁極数と突極磁極の磁極数との最大公約数で除した値と同数の位相を持つ交流電流を各巻線に通電させるものである。
【００２１】
また、この発明に係る永久磁石形同期電動機は、永久磁石の磁極数をＰ、突極磁極の磁極数をＱとしたときに、各磁極数Ｐ、Ｑの比率は、Ｐ：Ｑ＝８ｎ：９ｎ（但し、ｎは、１以上の整数）を満たすように設定され、制御装置は、９種類の位相を持つ交流電流を各巻線に通電させるものである。
【００２２】
また、この発明に係る永久磁石形同期電動機は、永久磁石の磁極数をＰ、突極磁極の磁極数をＱとしたときに、各磁極数Ｐ、Ｑの比率は、Ｐ：Ｑ＝１０ｎ：９ｎ（但し、ｎは、１以上の整数）を満たすように設定され、制御装置は、９種類の位相を持つ交流電流を各巻線に通電させるものである。
【００２３】
また、この発明に係る永久磁石形同期電動機は、各巻線の一端を１つの中性点に接続し、各巻線の他端を各突極磁極に巻回し、各巻線を９相９線式のスター接続により構成したものである。
【００２４】
さらに、この発明に係る永久磁石形同期電動機は、各巻線の一端を各突極磁極に巻回し、各巻線の他端を３相３線の組に分けて中性点に接続したものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。
【００２６】
図１は、この発明の実施の形態１における永久磁石形同期電動機の永久磁石４、５の磁極と突極磁極３Ｕ１〜３Ｗ３、とを示す展開図であり、図２は、永久磁石形同期電動機の制御装置の回路を示す概略図である。
【００２７】
また、図３は、この発明の実施の形態１の永久磁石形同期電動機に供給される交流電流の位相を示すベクトル図である。
【００２８】
なお、図１において、前述（図９参照）と同様のものについては、同一符号を付して詳述を省略する。
【００２９】
図１において、固定子鉄心３の突極には、巻線２がそれぞれ独立して巻回され、巻線２の一端は、中性点Ｎに接続され、図３に示すように９相スター接続がなされている。
【００３０】
また、永久磁石磁極数を「Ｐ」、突極磁極数を「Ｑ」とすると、ＰとＱとは、以下の式（１）のような関係とする。
【００３１】
Ｐ：Ｑ ＝ ８ｎ：９ｎ （ｎは、１以上の整数）・・・ （１）
【００３２】
図２において、制御装置は、例えば９相の多相インバータにより構成されており、それぞれの半導体素子７は、接続個所１Ｕ１〜１Ｗ３を介して、永久磁石形同期電動機のそれぞれの巻線２に接続される。
【００３３】
なお、永久磁石同期電動機と制御装置とは、それぞれの接続個所１Ｕ１〜１Ｗ３において動力用配線（電線）（図示せず）を用いて接続される。
【００３４】
制御装置は、各接続個所１Ｕ１〜１Ｗ３から永久磁石形同期電動機の各巻線２に永久磁石形同期電動機を駆動させるための交流電流を供給する。
【００３５】
各巻線２に交流電流が供給されると、永久磁石４、５を配置した回転子が回転する。このとき、図１のように、突極磁極３Ｕ１〜３Ｗ３と、永久磁石４、５との位置関係は、９種（９パターン）の位置関係が存在する。
【００３６】
制御装置からの供給電流は、この位置関係の種類数と同数の位相を持ち、すなわち、図３に示すように、永久磁石磁極数Ｐと突極磁極数Ｑとの関係において、突極磁極数の比率分だけの異なる位相を持つ。
【００３７】
例えば接続個所１Ｕ１には
【数１】
の位相（ベクトル）を持つ交流電流が供給される。
【００３８】
また、その他の接続個所１Ｕ２〜１Ｗ３にも同様に、それぞれ異なる位相を持つ交流電流が対応する接続個所から供給され、図１の場合、制御装置は、永久磁石４、５の移動位置に応じた９種の位相を持つ交流電流を各巻線２に供給する。
【００３９】
例えば、永久磁石磁極数Ｐと突極磁極数Ｑとを、以下の式（２）のような関係とした場合、制御装置は、永久磁石磁極数Ｐと突極磁極数Ｑとの最大公約数で突極磁極数Ｑを除したｑと同数の種類（すなわちｑ種）の位相を持つ交流電流を各巻線２に供給し、永久磁石同期電動機を駆動させる。
【００４０】
Ｐ：Ｑ＝ｐｎ：ｑｎ （ｎ： ｐとｑとの最大公約数）・・・ （２）
【００４１】
図２に示すように、前述（図１０参照）の３相インバータを９相インバータにすることにより１相当たりの出力電流は１／３となるため、並列配線部６内の半導体素子７は１／３で済むことになる。
【００４２】
すなわち、図１０に示すように、並列配線部６内の半導体素子７が３つであるとすると、図２の構成では１つでよいことになる。また、永久磁石形同期電動機までの配線に使用する電線の断面積も１／３以下の電流容量の小さい電線にすることができる。
【００４３】
したがって、永久磁石形同期電動機までの配線本数自体は増えるが、電線が太すぎて人手で布線ができないほどの断面積を要していた電線は、断面積をおよそ１／３以下にすることができるので、作業性を向上させることができる。
【００４４】
また、永久磁石形同期電動機を駆動させるための供給電流の位相の数は、永久磁石４、５と突極磁極３Ｕ１〜３Ｗ３との位置関係で発生する位相の数と同一であるので、１つの突極磁極に独立した巻回が可能となり、１つの突極磁極に印加される電圧値は、電源電圧の値まで高めることができる。
【００４５】
それに応じて、巻線２の巻数も多くすることができ、相対的に占積率を高くすることができるので、巻線の電流密度が下がり、電動機の発熱を低下させることができる。
【００４６】
なお、永久磁石磁極数Ｐと突極磁極数Ｑとの比率が１でないのは、コギングトルクを低減させるためである。また、突極磁極数として９相が指定されているのは、３相交流の技術をベースとしたものであるため、多相化にあたって、３相を３倍して９相としたものである。なお、６相では、インバータのコストアップに対して、線径ダウンの効果が少なく、１２相以上では、インバータ相数増によるコストアップが大きい。
【００４７】
なお、上記実施の形態１では、制御装置を９相インバータで構成したが、従来の３相インバータを３台使用して９相として動作させてもよい。
【００４８】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２における永久磁石形同期電動機の永久磁石４、５の磁極と突極磁極３Ｕ１〜３Ｗ３とを示す展開図であり、図５は、この発明の実施の形態２の永久磁石形同期電動機に供給される交流電流の位相を示すベクトル図である。
【００４９】
図４において、前述（図１参照）と同様のものについては、同一符号を付して詳述を省略する。
【００５０】
各突極磁極３Ｕ１〜３Ｗ３の巻線２は、それぞれの突極磁極３Ｕ１〜３Ｗ３に独立して巻回され、その一端は、３つに分割された中性点Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３の何れかに接続されており、図５の（ａ）から（ｃ）に示すように３重３相スター接続がなされている。
【００５１】
また、巻線２の他端の接続個所１Ｕ１〜１Ｗ３には、前述（図２参照）の制御装置の各接続個所１Ｕ１〜１Ｗ３にそれぞれ接続されている。
【００５２】
また、図４の永久磁石形同期電動機の永久磁石磁極数Ｐと突極磁極数Ｑとは、前述の通り、式（１）の関係としている。
【００５３】
制御装置は、各接続個所１Ｕ１〜１Ｗ３から永久磁石形同期電動機の各巻線２に、図５に示すようなそれぞれに位相の異なる交流電流を供給し、永久磁石形同期電動機を駆動させる。
【００５４】
巻線２の一端を接続する中性点は、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３と３つに分割され、それぞれの中性点から見て３相として制御することもできる。
【００５５】
したがって、制御装置に３相インバータを３台使用して３重３相インバータとすることにより、９相として動作させることができ、従来の３相インバータを流用しても、９相インバータを構成したときと同様に、永久磁石形同期電動機に高トルクを発生させることができ、配線の作業性を向上させることができる。
【００５６】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態１、２では、永久磁石磁極数Ｐと突極磁極数ＱとをＰ：Ｑ＝８ｎ：９ｎとしたが、Ｐ：Ｑ＝１０ｎ：９ｎとしてもよい。
【００５７】
図６は、この発明の実施の形態３における永久磁石形同期電動機の永久磁石４、５の磁極と突極磁極３Ｕ１〜３Ｗ３とを示す展開図であり、図７は、この発明の実施の形態３の永久磁石形同期電動機に供給される交流電流の位相を示すベクトル図である。
【００５８】
図６および図７において、前述（図１〜５参照）と同様のものについては、同一符号を付して詳述を省略する。
【００５９】
図６において、固定子鉄心３の突極には、巻線２がそれぞれ独立して巻回され、巻線２の一端は中性点Ｎに接続され、図７に示すように９相スター接続がなされている。
【００６０】
また、巻線２の他端の接続個所１Ｕ１〜１Ｗ３には、対応する図２のそれぞれの接続個所１Ｕ１〜１Ｗ３が接続されている。
【００６１】
また、永久磁石磁極数を「Ｐ」、突極磁極数を「Ｑ」とすると、ＰとＱとは、以下の式（３）のような関係とする。
【００６２】
Ｐ：Ｑ ＝ １０ｎ：９ｎ （ｎは、１以上の整数）・・・ （３）
【００６３】
制御装置は、各接続個所１Ｕ１〜１Ｗ３から永久磁石形同期電動機の各巻線２に永久磁石形同期電動機を駆動させるための交流電流を供給する。
【００６４】
この供給電流は、図７に示すように、永久磁石磁極数Ｐと突極磁極数Ｑとの関係において、突極磁極数の比率分だけの異なる位相を持ち、永久磁石形同期電動機に供給させることにより、永久磁石形同期電動機を駆動させる。
【００６５】
以上のように、永久磁石形同期電動機の永久磁石磁極数と突極磁極数との比率を１０ｎ：９ｎにしても、８ｎ：９ｎの場合と同様に、永久磁石形同期電動機に高トルクを発生させることができ、配線の作業性を向上させることができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、円周方向に配置された複数の永久磁石を有する回転子と、各永久磁石に対向配置された複数の突極磁極を有する固定子鉄心と、各突極磁極に巻回された複数の巻線と、永久磁石の移動位置に応じて、各巻線に交流電流を通電させる制御装置とを備え、制御装置は、各永久磁石の磁極と各突極磁極の磁極との位置関係に対応した位相の種類数と同数の位相を持つ交流電流を各巻線に通電させるので、１相当たりの電流容量が小さくても高トルクを発生させることができ、また、電線の断面積を小さくして配線の作業性を向上させることのできる永久磁石形同期電動機が得られるという効果がある。
【００６７】
また、この発明によれば、制御装置は、突極磁極の磁極数を、永久磁石の磁極数と突極磁極の磁極数との最大公約数で除した値と同数の位相を持つ交流電流を各巻線に通電させるので、１相当たりの電流容量が小さくても高トルクを発生させることができ、また、電線の断面積を小さくして配線の作業性を向上させることのできる永久磁石形同期電動機が得られるという効果がある。
【００６８】
また、この発明によれば、永久磁石の磁極数をＰ、突極磁極の磁極数をＱとしたときに、各磁極数Ｐ、Ｑの比率は、Ｐ：Ｑ＝８ｎ：９ｎ（但し、ｎは、１以上の整数）を満たすように設定され、制御装置は、９種類の位相を持つ交流電流を各巻線に通電させるので、９相それぞれの電流容量が小さくても電圧を高くとることができ、高トルクを発生させることができ、また、動力用配線の電線の断面積も小さくして配線の作業性を向上させることのできる永久磁石形同期電動機が得られるという効果がある。
【００６９】
また、この発明によれば、永久磁石の磁極数をＰ、突極磁極の磁極数をＱとしたときに、各磁極数Ｐ、Ｑの比率は、Ｐ：Ｑ＝１０ｎ：９ｎ（但し、ｎは、１以上の整数）を満たすように設定され、制御装置は、９種類の位相を持つ交流電流を各巻線に通電させるので、９相それぞれの電流容量が小さくても電圧を高くとることができ、高トルクを発生させることができ、また、動力用配線の電線の断面積も小さくして配線の作業性を向上させることのできる永久磁石形同期電動機が得られるという効果がある。
【００７０】
また、この発明によれば、各巻線の一端を１つの中性点に接続し、各巻線の他端を各突極磁極に巻回し、各巻線を９相９線式のスター接続により構成したので、１相当たりの電流容量を小さくし、電圧を高くとることのできる永久磁石形同期電動機が得られるという効果がある。
【００７１】
さらに、この発明によれば、各巻線の一端を各突極磁極に巻回し、各巻線の他端を３相３線の組に分けて中性点に接続したので、従来の３相インバータを３台使用して３重３相インバータとすることにより、９相として動作させることのできる永久磁石形同期電動機が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１における永久磁石形同期電動機の永久磁石の磁極と突極磁極とを示す展開図である。
【図２】永久磁石形同期電動機の制御装置の回路を示す概略図である。
【図３】この発明の実施の形態１の永久磁石形同期電動機に供給される交流電流の位相を示すベクトル図である。
【図４】この発明の実施の形態２における永久磁石形同期電動機の永久磁石の磁極と突極磁極とを示す展開図である。
【図５】この発明の実施の形態２の永久磁石形同期電動機に供給される交流電流の位相を示すベクトル図である。
【図６】この発明の実施の形態３における永久磁石形同期電動機の永久磁石の磁極と突極磁極とを示す展開図である。
【図７】この発明の実施の形態３の永久磁石形同期電動機に供給される交流電流の位相を示すベクトル図である。
【図８】従来の永久磁石形同期電動機の永久磁石の磁極と突極磁極とを示す構成図である。
【図９】図８に示した永久磁石の磁極と突極磁極とを示す展開図である。
【図１０】半導体素子を３個並列接続した３相インバータで構成された従来の永久磁石形同期電動機の制御装置の回路を示す概略図である。
【図１１】従来の永久磁石形同期電動機への印加電圧を説明する説明図である。
【符号の説明】
１Ｕ１、１Ｕ２、１Ｕ３、１Ｖ１、１Ｖ２、１Ｖ３、１Ｗ１、１Ｗ２、１Ｗ３接続個所、２ 巻線、３ 固定子鉄心、３Ｕ１、３Ｕ２、３Ｕ３、３Ｖ１、３Ｖ２、３Ｖ３、３Ｗ１、３Ｗ２、３Ｗ３ 突極磁極、４、５ 永久磁石、６ 並列接続部、７ 半導体素子（ＩＧＢＴ）、Ｎ、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３ 中性点。
【発明の属する技術分野】
この発明は、コンバータ、インバータを用いて変換された交流電力と直流電力とを相互に変換し、多相交流電力によって駆動される永久磁石形同期電動機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開昭６２−１１０４６８号公報に示されるように、永久磁石形同期電動機の駆動方法として、３相交流電源により駆動する方法は広く知られている。
【０００３】
図８は、特開昭６２−１１０４６８号公報に示された従来の永久磁石形同期電動機の永久磁石と突極磁極とを示す構成図であり、図９は、図８に示した永久磁石形同期電動機の永久磁石と突極磁極とを示す展開図である。
【０００４】
図８において、１Ｕ＋は３相交流電源のＵ相の接続個所、２は巻線（電機子巻線）を示す。なお、図８では、Ｕ相のみを示す。３は、リング状の固定子の円周方向に等間隔に配置され、かつ外側に突出する固定子鉄心を示し、４、５は、回転子の内側に固定された永久磁石を示す。
【０００５】
また、図８を展開した図９において、３Ｕ１、３Ｕ２、３Ｕ３、３Ｕ４は、固定子鉄心３の突極に巻線２が巻回された磁極（突極磁極）を示す。なお、３相交流電源のＶ相とＷ相は、Ｕ相と同様に巻線２が巻回され（図示せず）、突極磁極３Ｖ１〜３Ｗ３を構成する。
【０００６】
従来の永久磁石形同期電動機は以上のように構成され、永久磁石４、５の移動位置に応じた３相交流電流（固定子巻線電流）を巻線２に供給することにより、回転トルクを得ることができる。
【０００７】
エレベータなどに使用される永久磁石形同期電動機には、低回転である起動加速時に最大のトルクを発生させることが必要とされ、また、永久磁石形同期電動機が３相電力で駆動されることを前提に構成されていたため、定格回転数で各相間に誘起される電圧の最大値は、電源電圧によってそれを越えない値に決定されるために大きな電圧を発生させることができず、高トルク発生時には大電流を要すこととなる。
【０００８】
近年、これら電動機の制御には、高精度の制御性能を持ったＰＷＭインバータが使用されており、これらインバータを構成する半導体素子として、ＩＧＢＴが市販されているが、その定格は、６００Ａ、１２００Ｖ程度である。
【０００９】
したがって、この定格を越える大電流を必要とする永久磁石形同期電動機を駆動させるために、永久磁石形同期電動機を制御するためのインバータを、半導体素子を１相当り複数個並列に接続して３相インバータとすることにより、高トルクを発生させていた。
【００１０】
しかし、永久磁石形同期電動機の出力が大きくなるにつれて１相当たりに必要な電流量が大きくなり、それに伴って並列接続部６中の並列素子数を増やしていた。
【００１１】
図１０は、半導体素子を３個並列接続した３相インバータの回路を示す概略図である。
図１０において、半導体素子７が並列に接続された並列接続部６は、永久磁石形同期電動機のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の接続個所（例えば、Ｕ相は１Ｕ＋）にそれぞれ接続されている（図９参照）。
【００１２】
半導体素子７を並列に接続して駆動させるためには、それぞれの半導体素子７への電流が等しく分流される必要があるので、それぞれの半導体素子７を並列に接続した並列接続部６のインピーダンスを等しくしている。
【００１３】
図１１は、従来の永久磁石形同期電動機への印加電圧を説明する説明図である。
図１１において、複数（例えば４つ）の突極磁極３Ｕ１〜３Ｕ４に渡って１つの相について巻線２の巻回を行うと、１つの突極磁極への最大印加電圧は、電源の相電圧の１／４となる。
【００１４】
すなわち、電源の相電圧の１／４という低い電圧で一定の起磁力を得るためには、巻線２の巻数を減らし、通電電流量を増やして、巻線２を太くする必要があった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の永久磁石形同期電動機は以上のように、半導体素子７の並列接続部６のインピーダンスを等しくすることは、実装設計上の制約となるばかりでなく、インピーダンスのバラツキによる電流のアンバランス分も考慮して素子定格をディレーティングして設計する必要があり、また、永久磁石形同期電動機の出力を大きくするために半導体素子７の並列素子数を増やさなければならないので、永久磁石形同期電動機の制御装置であるインバータが大型かつ高価なものになってしまうという問題点があった。
【００１６】
また、１つの突極磁極当たりの電圧が低くなるため、巻線２の巻数が低く制限されてしまうため、固定子鉄心３が巻回された際の断面積における巻線２の割合（占積率）が低下してしまい、空隙の割合が大きくなるという問題点があった。
【００１７】
また、永久磁石形同期電動機とその制御装置とを接続する動力用配線も、通電電流量に応じて線径を増す（電線の太さ、つまり断面積を増加させて電流容量を増やす）必要があり、人手では電線の布線作業が困難となるという問題点があった。
【００１８】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、高トルクを発生させ、電線の布線作業を容易にすることのできる永久磁石形同期電動機を得ることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る永久磁石形同期電動機は、円周方向に配置された複数の永久磁石を有する回転子と、各永久磁石に対向配置された複数の突極磁極を有する固定子鉄心と、各突極磁極に巻回された複数の巻線と、永久磁石の移動位置に応じて、各巻線に交流電流を通電させる制御装置とを備え、制御装置は、各永久磁石の磁極と各突極磁極の磁極との位置関係に対応した位相の種類数と同数の位相を持つ交流電流を各巻線に通電させるものである。
【００２０】
また、この発明に係る永久磁石形同期電動機の制御装置は、突極磁極の磁極数を、永久磁石の磁極数と突極磁極の磁極数との最大公約数で除した値と同数の位相を持つ交流電流を各巻線に通電させるものである。
【００２１】
また、この発明に係る永久磁石形同期電動機は、永久磁石の磁極数をＰ、突極磁極の磁極数をＱとしたときに、各磁極数Ｐ、Ｑの比率は、Ｐ：Ｑ＝８ｎ：９ｎ（但し、ｎは、１以上の整数）を満たすように設定され、制御装置は、９種類の位相を持つ交流電流を各巻線に通電させるものである。
【００２２】
また、この発明に係る永久磁石形同期電動機は、永久磁石の磁極数をＰ、突極磁極の磁極数をＱとしたときに、各磁極数Ｐ、Ｑの比率は、Ｐ：Ｑ＝１０ｎ：９ｎ（但し、ｎは、１以上の整数）を満たすように設定され、制御装置は、９種類の位相を持つ交流電流を各巻線に通電させるものである。
【００２３】
また、この発明に係る永久磁石形同期電動機は、各巻線の一端を１つの中性点に接続し、各巻線の他端を各突極磁極に巻回し、各巻線を９相９線式のスター接続により構成したものである。
【００２４】
さらに、この発明に係る永久磁石形同期電動機は、各巻線の一端を各突極磁極に巻回し、各巻線の他端を３相３線の組に分けて中性点に接続したものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。
【００２６】
図１は、この発明の実施の形態１における永久磁石形同期電動機の永久磁石４、５の磁極と突極磁極３Ｕ１〜３Ｗ３、とを示す展開図であり、図２は、永久磁石形同期電動機の制御装置の回路を示す概略図である。
【００２７】
また、図３は、この発明の実施の形態１の永久磁石形同期電動機に供給される交流電流の位相を示すベクトル図である。
【００２８】
なお、図１において、前述（図９参照）と同様のものについては、同一符号を付して詳述を省略する。
【００２９】
図１において、固定子鉄心３の突極には、巻線２がそれぞれ独立して巻回され、巻線２の一端は、中性点Ｎに接続され、図３に示すように９相スター接続がなされている。
【００３０】
また、永久磁石磁極数を「Ｐ」、突極磁極数を「Ｑ」とすると、ＰとＱとは、以下の式（１）のような関係とする。
【００３１】
Ｐ：Ｑ ＝ ８ｎ：９ｎ （ｎは、１以上の整数）・・・ （１）
【００３２】
図２において、制御装置は、例えば９相の多相インバータにより構成されており、それぞれの半導体素子７は、接続個所１Ｕ１〜１Ｗ３を介して、永久磁石形同期電動機のそれぞれの巻線２に接続される。
【００３３】
なお、永久磁石同期電動機と制御装置とは、それぞれの接続個所１Ｕ１〜１Ｗ３において動力用配線（電線）（図示せず）を用いて接続される。
【００３４】
制御装置は、各接続個所１Ｕ１〜１Ｗ３から永久磁石形同期電動機の各巻線２に永久磁石形同期電動機を駆動させるための交流電流を供給する。
【００３５】
各巻線２に交流電流が供給されると、永久磁石４、５を配置した回転子が回転する。このとき、図１のように、突極磁極３Ｕ１〜３Ｗ３と、永久磁石４、５との位置関係は、９種（９パターン）の位置関係が存在する。
【００３６】
制御装置からの供給電流は、この位置関係の種類数と同数の位相を持ち、すなわち、図３に示すように、永久磁石磁極数Ｐと突極磁極数Ｑとの関係において、突極磁極数の比率分だけの異なる位相を持つ。
【００３７】
例えば接続個所１Ｕ１には
【数１】
【００３８】
また、その他の接続個所１Ｕ２〜１Ｗ３にも同様に、それぞれ異なる位相を持つ交流電流が対応する接続個所から供給され、図１の場合、制御装置は、永久磁石４、５の移動位置に応じた９種の位相を持つ交流電流を各巻線２に供給する。
【００３９】
例えば、永久磁石磁極数Ｐと突極磁極数Ｑとを、以下の式（２）のような関係とした場合、制御装置は、永久磁石磁極数Ｐと突極磁極数Ｑとの最大公約数で突極磁極数Ｑを除したｑと同数の種類（すなわちｑ種）の位相を持つ交流電流を各巻線２に供給し、永久磁石同期電動機を駆動させる。
【００４０】
Ｐ：Ｑ＝ｐｎ：ｑｎ （ｎ： ｐとｑとの最大公約数）・・・ （２）
【００４１】
図２に示すように、前述（図１０参照）の３相インバータを９相インバータにすることにより１相当たりの出力電流は１／３となるため、並列配線部６内の半導体素子７は１／３で済むことになる。
【００４２】
すなわち、図１０に示すように、並列配線部６内の半導体素子７が３つであるとすると、図２の構成では１つでよいことになる。また、永久磁石形同期電動機までの配線に使用する電線の断面積も１／３以下の電流容量の小さい電線にすることができる。
【００４３】
したがって、永久磁石形同期電動機までの配線本数自体は増えるが、電線が太すぎて人手で布線ができないほどの断面積を要していた電線は、断面積をおよそ１／３以下にすることができるので、作業性を向上させることができる。
【００４４】
また、永久磁石形同期電動機を駆動させるための供給電流の位相の数は、永久磁石４、５と突極磁極３Ｕ１〜３Ｗ３との位置関係で発生する位相の数と同一であるので、１つの突極磁極に独立した巻回が可能となり、１つの突極磁極に印加される電圧値は、電源電圧の値まで高めることができる。
【００４５】
それに応じて、巻線２の巻数も多くすることができ、相対的に占積率を高くすることができるので、巻線の電流密度が下がり、電動機の発熱を低下させることができる。
【００４６】
なお、永久磁石磁極数Ｐと突極磁極数Ｑとの比率が１でないのは、コギングトルクを低減させるためである。また、突極磁極数として９相が指定されているのは、３相交流の技術をベースとしたものであるため、多相化にあたって、３相を３倍して９相としたものである。なお、６相では、インバータのコストアップに対して、線径ダウンの効果が少なく、１２相以上では、インバータ相数増によるコストアップが大きい。
【００４７】
なお、上記実施の形態１では、制御装置を９相インバータで構成したが、従来の３相インバータを３台使用して９相として動作させてもよい。
【００４８】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２における永久磁石形同期電動機の永久磁石４、５の磁極と突極磁極３Ｕ１〜３Ｗ３とを示す展開図であり、図５は、この発明の実施の形態２の永久磁石形同期電動機に供給される交流電流の位相を示すベクトル図である。
【００４９】
図４において、前述（図１参照）と同様のものについては、同一符号を付して詳述を省略する。
【００５０】
各突極磁極３Ｕ１〜３Ｗ３の巻線２は、それぞれの突極磁極３Ｕ１〜３Ｗ３に独立して巻回され、その一端は、３つに分割された中性点Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３の何れかに接続されており、図５の（ａ）から（ｃ）に示すように３重３相スター接続がなされている。
【００５１】
また、巻線２の他端の接続個所１Ｕ１〜１Ｗ３には、前述（図２参照）の制御装置の各接続個所１Ｕ１〜１Ｗ３にそれぞれ接続されている。
【００５２】
また、図４の永久磁石形同期電動機の永久磁石磁極数Ｐと突極磁極数Ｑとは、前述の通り、式（１）の関係としている。
【００５３】
制御装置は、各接続個所１Ｕ１〜１Ｗ３から永久磁石形同期電動機の各巻線２に、図５に示すようなそれぞれに位相の異なる交流電流を供給し、永久磁石形同期電動機を駆動させる。
【００５４】
巻線２の一端を接続する中性点は、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３と３つに分割され、それぞれの中性点から見て３相として制御することもできる。
【００５５】
したがって、制御装置に３相インバータを３台使用して３重３相インバータとすることにより、９相として動作させることができ、従来の３相インバータを流用しても、９相インバータを構成したときと同様に、永久磁石形同期電動機に高トルクを発生させることができ、配線の作業性を向上させることができる。
【００５６】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態１、２では、永久磁石磁極数Ｐと突極磁極数ＱとをＰ：Ｑ＝８ｎ：９ｎとしたが、Ｐ：Ｑ＝１０ｎ：９ｎとしてもよい。
【００５７】
図６は、この発明の実施の形態３における永久磁石形同期電動機の永久磁石４、５の磁極と突極磁極３Ｕ１〜３Ｗ３とを示す展開図であり、図７は、この発明の実施の形態３の永久磁石形同期電動機に供給される交流電流の位相を示すベクトル図である。
【００５８】
図６および図７において、前述（図１〜５参照）と同様のものについては、同一符号を付して詳述を省略する。
【００５９】
図６において、固定子鉄心３の突極には、巻線２がそれぞれ独立して巻回され、巻線２の一端は中性点Ｎに接続され、図７に示すように９相スター接続がなされている。
【００６０】
また、巻線２の他端の接続個所１Ｕ１〜１Ｗ３には、対応する図２のそれぞれの接続個所１Ｕ１〜１Ｗ３が接続されている。
【００６１】
また、永久磁石磁極数を「Ｐ」、突極磁極数を「Ｑ」とすると、ＰとＱとは、以下の式（３）のような関係とする。
【００６２】
Ｐ：Ｑ ＝ １０ｎ：９ｎ （ｎは、１以上の整数）・・・ （３）
【００６３】
制御装置は、各接続個所１Ｕ１〜１Ｗ３から永久磁石形同期電動機の各巻線２に永久磁石形同期電動機を駆動させるための交流電流を供給する。
【００６４】
この供給電流は、図７に示すように、永久磁石磁極数Ｐと突極磁極数Ｑとの関係において、突極磁極数の比率分だけの異なる位相を持ち、永久磁石形同期電動機に供給させることにより、永久磁石形同期電動機を駆動させる。
【００６５】
以上のように、永久磁石形同期電動機の永久磁石磁極数と突極磁極数との比率を１０ｎ：９ｎにしても、８ｎ：９ｎの場合と同様に、永久磁石形同期電動機に高トルクを発生させることができ、配線の作業性を向上させることができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、円周方向に配置された複数の永久磁石を有する回転子と、各永久磁石に対向配置された複数の突極磁極を有する固定子鉄心と、各突極磁極に巻回された複数の巻線と、永久磁石の移動位置に応じて、各巻線に交流電流を通電させる制御装置とを備え、制御装置は、各永久磁石の磁極と各突極磁極の磁極との位置関係に対応した位相の種類数と同数の位相を持つ交流電流を各巻線に通電させるので、１相当たりの電流容量が小さくても高トルクを発生させることができ、また、電線の断面積を小さくして配線の作業性を向上させることのできる永久磁石形同期電動機が得られるという効果がある。
【００６７】
また、この発明によれば、制御装置は、突極磁極の磁極数を、永久磁石の磁極数と突極磁極の磁極数との最大公約数で除した値と同数の位相を持つ交流電流を各巻線に通電させるので、１相当たりの電流容量が小さくても高トルクを発生させることができ、また、電線の断面積を小さくして配線の作業性を向上させることのできる永久磁石形同期電動機が得られるという効果がある。
【００６８】
また、この発明によれば、永久磁石の磁極数をＰ、突極磁極の磁極数をＱとしたときに、各磁極数Ｐ、Ｑの比率は、Ｐ：Ｑ＝８ｎ：９ｎ（但し、ｎは、１以上の整数）を満たすように設定され、制御装置は、９種類の位相を持つ交流電流を各巻線に通電させるので、９相それぞれの電流容量が小さくても電圧を高くとることができ、高トルクを発生させることができ、また、動力用配線の電線の断面積も小さくして配線の作業性を向上させることのできる永久磁石形同期電動機が得られるという効果がある。
【００６９】
また、この発明によれば、永久磁石の磁極数をＰ、突極磁極の磁極数をＱとしたときに、各磁極数Ｐ、Ｑの比率は、Ｐ：Ｑ＝１０ｎ：９ｎ（但し、ｎは、１以上の整数）を満たすように設定され、制御装置は、９種類の位相を持つ交流電流を各巻線に通電させるので、９相それぞれの電流容量が小さくても電圧を高くとることができ、高トルクを発生させることができ、また、動力用配線の電線の断面積も小さくして配線の作業性を向上させることのできる永久磁石形同期電動機が得られるという効果がある。
【００７０】
また、この発明によれば、各巻線の一端を１つの中性点に接続し、各巻線の他端を各突極磁極に巻回し、各巻線を９相９線式のスター接続により構成したので、１相当たりの電流容量を小さくし、電圧を高くとることのできる永久磁石形同期電動機が得られるという効果がある。
【００７１】
さらに、この発明によれば、各巻線の一端を各突極磁極に巻回し、各巻線の他端を３相３線の組に分けて中性点に接続したので、従来の３相インバータを３台使用して３重３相インバータとすることにより、９相として動作させることのできる永久磁石形同期電動機が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１における永久磁石形同期電動機の永久磁石の磁極と突極磁極とを示す展開図である。
【図２】永久磁石形同期電動機の制御装置の回路を示す概略図である。
【図３】この発明の実施の形態１の永久磁石形同期電動機に供給される交流電流の位相を示すベクトル図である。
【図４】この発明の実施の形態２における永久磁石形同期電動機の永久磁石の磁極と突極磁極とを示す展開図である。
【図５】この発明の実施の形態２の永久磁石形同期電動機に供給される交流電流の位相を示すベクトル図である。
【図６】この発明の実施の形態３における永久磁石形同期電動機の永久磁石の磁極と突極磁極とを示す展開図である。
【図７】この発明の実施の形態３の永久磁石形同期電動機に供給される交流電流の位相を示すベクトル図である。
【図８】従来の永久磁石形同期電動機の永久磁石の磁極と突極磁極とを示す構成図である。
【図９】図８に示した永久磁石の磁極と突極磁極とを示す展開図である。
【図１０】半導体素子を３個並列接続した３相インバータで構成された従来の永久磁石形同期電動機の制御装置の回路を示す概略図である。
【図１１】従来の永久磁石形同期電動機への印加電圧を説明する説明図である。
【符号の説明】
１Ｕ１、１Ｕ２、１Ｕ３、１Ｖ１、１Ｖ２、１Ｖ３、１Ｗ１、１Ｗ２、１Ｗ３接続個所、２ 巻線、３ 固定子鉄心、３Ｕ１、３Ｕ２、３Ｕ３、３Ｖ１、３Ｖ２、３Ｖ３、３Ｗ１、３Ｗ２、３Ｗ３ 突極磁極、４、５ 永久磁石、６ 並列接続部、７ 半導体素子（ＩＧＢＴ）、Ｎ、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３ 中性点。
Claims (6)
- 円周方向に配置された複数の永久磁石を有する回転子と、
前記各永久磁石に対向配置された複数の突極磁極を有する固定子鉄心と、
前記各突極磁極に巻回された複数の巻線と、
前記永久磁石の移動位置に応じて、前記各巻線に交流電流を通電させる制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記各永久磁石の磁極と前記各突極磁極の磁極との位置関係に対応した位相の種類数と同数の位相を持つ交流電流を前記各巻線に通電させることを特徴とする永久磁石形同期電動機。 - 前記制御装置は、
前記突極磁極の磁極数を、前記永久磁石の磁極数と前記突極磁極の磁極数との最大公約数で除した値と同数の位相を持つ前記交流電流を前記各巻線に通電させることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形同期電動機。 - 前記永久磁石の磁極数をＰ、前記突極磁極の磁極数をＱとしたときに、前記各磁極数Ｐ、Ｑの比率は、以下の式
Ｐ：Ｑ＝８ｎ：９ｎ（但し、ｎは、１以上の整数）
を満たすように設定され、
前記制御装置は、
９種類の位相を持つ交流電流を前記各巻線に通電させることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石形同期電動機。 - 前記永久磁石の磁極数をＰ、前記突極磁極の磁極数をＱとしたときに、前記各磁極数Ｐ、Ｑの比率は、以下の式
Ｐ：Ｑ＝１０ｎ：９ｎ（但し、ｎは、１以上の整数）
を満たすように設定され、
前記制御装置は、
９種類の位相を持つ交流電流を前記各巻線に通電させることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石形同期電動機。 - 前記各巻線の一端を１つの中性点に接続し、前記各巻線の他端を各突極磁極に巻回し、前記各巻線を９相９線式のスター接続により構成したことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の永久磁石形同期電動機。
- 前記各巻線の一端を前記各突極磁極に巻回し、前記各巻線の他端を３相３線の組に分けて中性点に接続したことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の永久磁石形同期電動機。
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