JP2012130223A

JP2012130223A - 同期モータ

Info

Publication number: JP2012130223A
Application number: JP2010281906A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kitajima; 健二北島; Yukinori Nakagawa; 幸典中川
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-07-05
Also published as: KR20120068667A; EP2466733A2; US20120153763A1; EP2466733A3

Abstract

【課題】ｑ軸電流を増加させることによる銅損増加を招くことなく鉄損低減を図り同期モータの効率を向上させる。
【解決手段】同期モータ１００であって、当該同期モータ１００を構成する１つの回転子３の極数を変更可能に構成していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、同期モータの効率向上に関するものである。

従来の同期モータとしては、特許文献１に示すように、駆動する負荷に応じて磁石の着磁量の調整を行うことによって効率の改善が出来る。例えば高速回転時では弱め界磁制御で磁束を弱める方法では高調波鉄損を含まず鉄損が低減される。またd軸電流が流れないので銅損が増加することなく効率向上が望める。

しかしながら、磁石の磁束量が減少させることにより、トルクも低下するため、それを補うため、一般的にｑ軸電流を増加させている。その結果、銅損が増加することにより、効果的な効率向上には至らない。

また、磁石の着磁量の加減による方法では、減磁と着磁をモータ内で行うことから、モータの負荷領域は減磁しない領域が前提となるため、要求される出力領域は、減磁しないモータ駆動領域に制限されてしまう。

特願２００８−２１１６９０号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであり、ｑ軸電流を増加させることによる銅損増加を招くことなく鉄損低減を図り、同期モータの効率を向上させることを主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る同期モータは、同期モータを構成する１つの回転子の極数を変更可能に構成していることを特徴とする。

鉄損＝Ｋ_ｈ×Ｂ^１．６×ｆ＋Ｋ_ｅ×Ｂ^２×ｆ^２
ここでＫ_ｈ：はヒステリシス損係数、Ｋ_ｅ：渦電流損係数、Ｂ：磁路の磁束密度、ｆ：駆動周波数である。

このようなものであれば、従来の磁石着磁量の加減による鉄損低減による効率向上に対して、極数の変更による駆動周波数の低周波化による鉄損低減を可能にし、着磁量を加減する従来の方法に比べて磁束量の増減がないため、ｑ軸電流の増加による銅損の増加の影響もなく、効果的に効率を向上することが出来る。また、磁石着磁量の加減による方法では、減磁と着磁をモータ内で行うことから、モータの出力領域は減磁しない領域に制限される。

回転子の極数を変更するための具体的な実施の態様としては、前記回転子の磁極が、永久磁石と極性が変更できる電磁石とから構成されており、前記電磁石の通電方向を切り替えることによって極数を変更することが望ましい。

前記永久磁石と前記電磁石が周方向において交互に設けられていることが望ましい。

前記電磁石に通電する電流を制御することによって磁極の磁束量を制御するものであることが望ましい。

前記回転子の磁極が、当該回転子に固定された固定永久磁石と、Ｎ極及びＳ極からなり前記回転子の軸方向に移動可能に設けられた可動永久磁石とから構成されており、前記可動永久磁石を前記回転子に対して軸方向に移動させるアクチュエータを備え、当該アクチュエータが前記可動永久磁石を軸方向に移動させることにより極数を変更することが望ましい。

前記固定永久磁石と前記可動永久磁石が周方向において交互に設けられていることが望ましい。

前記アクチュエータにより前記可動永久磁石のスライド量を制御することによって磁極の磁束量を制御するものであることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、ｑ軸電流を増加させることによる銅損増加を招くことなく鉄損低減を図り、同期モータの効率を向上させることができる。

第１実施形態に係る同期モータの構成（１／３モデル）を示す模式図。同実施形態の極数の切り替えを示す図。同実施形態の電磁石の構造を示す図。６極と４２極における１２００ｒｐｍ時の鉄損密度コンター図。従来のモータと本実施形態のモータとの洗濯機に用いた場合の効率を示す図。第２実施形態に係る同期モータの構成（１／３モデル）を示す模式図。同実施形態におけるグループ分けを示す図。第２実施形態に係る同期モータの極数の切り替えを示す図。同実施形態の保持体及びアクチュエータを示す図。

＜第１実施形態＞
以下に本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る同期モータ１００は、例えば３相駆動される洗濯機用のブラシレスＤＣモータであり、回転子３が固定子２の周りを回転するアウターローター型のものである。

具体的このものは、図１に示すように、複数の磁極２１および当該磁極２１間に形成された複数のスロット２２を有する固定子２と、固定子２の外側周面に対向して配置されており、複数の磁石３２が表面に設けられた回転子３と、固定子２の各磁極２１に巻線される３相励磁コイル（不図示）とを備えている。

固定子２は、概略円筒形状又は概略円柱形状をなす磁性体であり、その外側周面において軸方向に沿って周方向に略等間隔に設けられた複数の磁極２１を有する。この磁極２１は、固定子２の外側周面において径方向外側に突出した突極であり、磁石３２と対向する先端部が拡幅しており断面概略Ｔ字形状をなすものである。

回転子３は、固定子２の磁極２１先端部に対して所定の間隙を形成する内側周面を有する概略円筒形状をなすものである。この回転子３は固定子２に対して同軸上に配置されて、固定子２の周囲を回転する。この回転子３は、概略円筒形状をなす非磁性体からなる回転子本体３１と、当該回転子本体３１の内側周面において軸方向に沿って周方向に略等間隔に設けられた複数の永久磁石３２１と、極性が変更できる複数の電磁石３２２とを有する。

具体的には後述するが、複数の永久磁石３２１と電磁石３２２は回転子本体３１に対して周方向において交互に設けられている。そして、この回転子３は、電磁石３２２の通電方向を切り替えることによって極数が変更可能に構成されている。

励磁コイルは、固定子２の磁極２１に分布巻されている。なお、固定子の各磁極２１に集中巻したものであっても良い。

以下、分布巻の例として固定子２のスロット２２が１８スロットで、回転子３の極数が６極及び４２極の間で変更可能な同期モータ１００を例として示す。

回転子３の各極数と同期モータ１００の同期回転数とは、以下の関係式を有する。
Ｎ＝（ｆ／ｐ）×６０
ここでＮは回転数［ｒｐｍ］、ｆは駆動周波数、ｐは極対数（＝極数／２）である。

つまり、モータ回転数を１２００ｒｐｍと仮定すると、各極数と駆動周波数の関係は以下となる。
極数：４２極駆動周波数：４２０Ｈｚ
極数：６極駆動周波数：６０Ｈｚ
このように同じ回転数においても極数によって駆動周波数が異なることが分かる。

なお、例えば集中巻では固定子２のスロット２２が１２スロット、回転子３の極数が８極及び３２極の間で変更可能なものであっても良い。この同期モータ１００の各極数と駆動周波数の関係は以下となる。なおモータ回転数は１２００ｒｐｍとする。
極数：３２極駆動周波数：３２０Ｈｚ
極数：８極駆動周波数：８０Ｈｚ

しかして本実施形態の回転子３は、図２及び図３に示すように、（１）〜（６）のグループに分かれており、各グループはさらに７つの極数を形成できるように、永久磁石３２１と極性を自在に変更できる電磁石３２２とから構成されている。

グループ（１）、（３）、（５）は、回転子本体３１に周方向に固定された４つのＮ極の永久磁石３２１と、これら永久磁石３２１の間に１つずつ配置された極性が変更可能な３つの電磁石３２２とから構成される。

グループ（２）、（４）、（６）は、回転子本体３１に周方向に固定された４つのＳ極の永久磁石３２１と、これら永久磁石３２１の間に１つずつ配置された極性が変更可能な３つの電磁石３２２とから構成される。

そして、各グループに形成された電磁石３２２は、回転子本体３１の周面において各永久磁石３２１の間から外側に突出したティース３２２ａと、このティース３２２ａに巻回されたコイル３２２ｂとから構成されている。そして、グループ（１）、（３）、（５）の電磁石３２２とグループ（２）、（４）、（６）の電磁石３２２とは、図３に示すように、コイル３２２ｂの巻線方向が異なる。これにより、電磁石３２２のコイルに通電した際に、グループ（１）、（３）、（５）の電磁石３２２とグループ（２）、（４）、（６）の電磁石３２２とが互いに異なる極性を示すように構成されている。なお、コイル３２２ｂへの通電は図示しない電源装置を制御装置によって制御することにより行う。

このように構成された回転子３において、６極時は、グループ（１）、（３）、（５）において電磁石３２２は永久磁石３２１（Ｎ極）と同じ極性（Ｎ極）を示す（図２参照）。一方、グループ（２）、（４）、（５）において電磁石３２２は永久磁石３２１（Ｓ極）と同じ極性（Ｓ極）を示す（図２参照）。これにより、グループ（１）とグループ（２）とで１つの極対を形成し、結果として６極となる。

４２極時は、グループ（１）、（３）、（５）のグループにおいて電磁石３２２は永久磁石３２１（Ｎ極）と逆の極性（Ｓ極）を示す（図２参照）。一方、グループ（２）、（４）、（５）において電磁石３２２は永久磁石３２１（Ｓ極）と逆の極性（Ｎ極）を示す（図２参照）。これにより、グループ（１）とグループ（２）とで７つの極対を形成し、結果として４２極となる。

なお、電磁石３２２に供給する電力は、スリップリングや誘導給電等を用いて行う。本方式では、極数変更の他に、電磁石３２２の強弱を任意に制御できるため、極の磁束量を弱めて誘起電圧を抑制することもできる。

ここで同期モータ１００のモータ回転数１２００ｒｐｍにおける６極時と４２極時との鉄損密度コンター図のシミュレーション結果及び６極時と４２極時との鉄損及び効率を図４に示す。これらの結果から分かるように極数を４２極から６極に変更することによって鉄損が大幅に低減されているとともにモータ１００の効率も向上していることが分かる。

また本実施形態のモータ１００を洗濯機に使用する場合には、図５に示すように、洗濯時の効率と脱水時の効率との両方を向上させることができる。本実施形態の同期モータ１００により洗濯時から脱水時に移行する段階で極数を変更（少極化）して高効率のポイントを高速回転側に移動させることによって脱水時の効率を向上させることができる。つまり、極数の切り替えによって運転領域を拡大させることができる。

＜第１実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る同期モータ１００によれば、従来の磁石着磁量の加減による鉄損低減による効率向上に対して、極数の変更による駆動周波数の低周波化による鉄損低減を可能にし、着磁量を加減する従来の方法に比べて磁束量の増減がないため、ｑ軸電流の増加による銅損の増加の影響もなく、効果的に鉄損を低減できる。また、磁石着磁量の加減による方法では、減磁と着磁をモータ内で行うことから、モータの負荷領域は減磁しない領域が前提となるため、要求される出力領域は、減磁しないモータ駆動領域に制限される。

＜第２実施形態＞
次に本発明の第２実施形態について図面を参照して説明する。

第２実施形態に係る同期モータ１００は、前記実施形態とは異なるインナーローター型のものである。なお、前記実施形態と対応する部材には同一の符号を付している。

具体的にこのものは、図６に示すように、複数の磁極２１および当該磁極２１間に形成された複数のスロット２２を有する固定子２と、固定子２の内側周面に対向して配置されており、複数の磁石３２が表面に設けられた回転子３と、固定子２の各磁極２１に巻線される３相コイル４とを備えている。

固定子２は、概略円筒形状をなす磁性体であり、その内側周面において軸方向に沿って周方向に略等間隔に設けられた複数の磁極２１を有する。この磁極２１は、固定子２の内側周面において径方向内側に突出した突極であり、磁石３２と対向する先端部が拡幅しており断面概略Ｔ字形状をなすものである。

回転子３は、固定子２の磁極２１先端部に対して所定の間隙を形成する外側周面を有する概略円柱形状をなすものである。この回転子３は固定子２に対して同軸上に配置されて、固定子２の内部で回転する。この回転子３は、図７〜図９に示すように、概略円柱形状をなす非磁性体からなる回転子本体３１と、当該回転子本体３１の外側周面において軸方向に沿って周方向に略等間隔に固定された複数の固定永久磁石３２１と、Ｎ極とＳ極からなり前記回転子３の軸方向に移動可能に設けられた可動永久磁石３２３と、可動永久磁石３２３を回転子本体３１に対して軸方向に移動させるアクチュエータ３２４とを有する。

具体的には後述するが、複数の固定永久磁石３２１と可動永久磁石３２３は回転子本体３１に対して周方向において交互に設けられている。可動永久磁石３２３は、軸方向一方にＳ極、軸方向他方にＮ極を有するものである。そして、この回転子３は、可動永久磁石３２３のスライド位置を切り替えることによって極数が変更可能に構成されている。なお、回転子本体３１には、同軸上に回転シャフトが設けられている。

しかして本実施形態の回転子３は、図７及び図８に示すように、（１）〜（６）のグループに分かれており、各グループはさらに７つの極数を形成できるように、固定永久磁石３２１と可動永久磁石３２３とから構成されている。

グループ（１）、（３）、（５）は、図８に示すように、回転子本体３１に周方向に固定された４つのＮ極の固定永久磁石３２１と、これら固定永久磁石３２１の間に１つずつ配置された３つの可動永久磁石３２３とから構成される。

グループ（２）、（４）、（６）は、図８に示すように、回転子本体３１に周方向に固定された４つのＳ極の固定永久磁石３２１と、これら固定永久磁石３２１の間に１つずつ配置された３つの可動永久磁石３２３とから構成される。

そして、各グループに形成された複数の可動永久磁石３２３は、図８及び図９に示すように、共通の保持体４に保持されており、当該保持体４と回転子本体３１との間には、回転子本体３１に対して保持体４を相対的にスライド移動させるためのアクチュエータ３２４が設けられている。保持体４は、図９に示すように、回転子本体３１の一方側においてシャフト挿通部が形成された概略円環形状をなす第１保持体４１と、回転子本体３１の他方側においてシャフト挿通部が形成された概略円環形状をなす第２保持体４２と、第１保持体４１及び第２保持体４２を連結する連結体４３とを備えている。

第１保持体４１には、図８に示すように、グループ（１）、（３）、（５）においては可動永久磁石３２３のＳ極が、グループ（２）、（４）、（６）においては可動永久磁石３２３のＮ極が接続されており、第２保持体４２には、グループ（１）、（３）、（５）においては可動永久磁石３２３のＮ極が、グループ（２）、（４）、（６）においては可動永久磁石３２３のＳ極が接続されている。また連結体４３は、回転子本体３１に形成されたガイド孔にスライド可能に挿入されている。そして、第２保持体３２と回転子本体３１の間にアクチュエータ３２４が設けられている。

アクチュエータ３２４は、回転子本体３１に対して保持体４（及び保持体４に保持された可動永久磁石３２３）をスライド移動させるものであり、例えば、ソレノイド等の電磁気的に伸縮するアクチュエータや形状記憶合金バネ等の熱的に伸縮するアクチュエータ等を用いることができる。ここで、固定永久磁石３２１及び回転子本体３１と可動永久磁石３２３との間に滑りの良い樹脂を介在させることによりアクチュエータ３２４の駆動力（推力）を低減することができる。

このように構成された回転子３において、６極時は、アクチュエータ３２４が収縮して第２保持体４２が回転子本体３１側に移動することによって、グループ（１）、（３）、（５）においては、固定永久磁石３２１（Ｎ極）の間に可動永久磁石３２３のＮ極部が位置する（図７参照）。一方、グループ（２）、（４）、（５）においては、固定永久磁石３２１（Ｓ極）の間に可動永久磁石３２３のＳ極部が位置する（図７参照）。これにより、グループ（１）とグループ（２）とで１つの極対を形成し、結果として６極となる。

４２極時は、アクチュエータ３２４が伸びて第１保持体４１が回転子本体３１側に移動することによって、グループ（１）、（３）、（５）においては、固定永久磁石３２１（Ｎ極）の間に可動永久磁石３２３のＳ極部が位置する（図７参照）。一方、グループ（２）、（４）、（５）においては、固定永久磁石３２１（Ｓ極）の間に可動永久磁石３２３のＮ極部が位置する（図７参照）。これにより、グループ（１）とグループ（２）とで７つの極対を形成し、結果として４２極となる。

なお、電磁気的なアクチュエータ３２４に供給する電力は、スリップリング等を用いて行う。本方式では、極数変更の他に、可動永久磁石３２３のスライド量を任意に制御できるため、極の磁束量を弱めて誘起電圧を抑制することもできる。

また、アクチュエータ３２４として熱的に伸縮する形状記憶合金等からなるバネを用いた場合には、例えば洗濯機に使用されるモータであれば、洗濯時の大トルクが必要な状況では固定子２の励磁コイルにより生じる熱により形状記憶合金バネが伸び４２極となり、トルクを発生する。また脱水時のように低トルク高速回転のような使用状態では、空冷により冷却によって形状記憶合金バネが縮み６極となり、駆動周波数の低周波化となり鉄損を抑えることができる。

＜第２実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る同期モータ１００によれば、前記第１実施形態と同様に、従来の磁石着磁量の加減による鉄損低減による効率向上に対して、極数の変更による駆動周波数の低周波化による鉄損低減を可能にし、着磁量を加減する従来の方法に比べて磁束量の増減がないため、ｑ軸電流の増加による銅損の増加の影響もなく、効果的に鉄損を低減できる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、前記第１実施形態ではアウターローター型のものであったがインナーローター型としても良いし、第２実施形態ではインナーローター型のものであったがアウターローター型の者であっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・同期モータ
２・・・固定子
３・・・回転子
３２１・・・永久磁石
３２２・・・電磁石
３２３・・・可動永久磁石
３２４・・・アクチュエータ

Claims

同期モータであって、当該同期モータを構成する１つの回転子の極数を変更可能に構成している同期モータ。
前記回転子の磁極が、永久磁石と極性が変更できる電磁石とから構成されており、前記電磁石の通電方向を切り替えることによって極数を変更する請求項１記載の同期モータ。
前記永久磁石と前記電磁石が周方向において交互に設けられている請求項２記載の同期モータ。
前記電磁石に通電する電流を制御することによって磁極の磁束量を制御するものである請求項２又は３記載の同期モータ。
前記回転子の磁極が、当該回転子に固定された固定永久磁石と、Ｎ極とＳ極からなり前記回転子の軸方向に移動可能に設けられた可動永久磁石と、前記可動永久磁石を前記回転子に対して軸方向に移動させるアクチュエータを備え、当該アクチュエータが前記可動永久磁石を軸方向に移動させることにより極数を変更する請求項１記載の同期モータ。
前記固定永久磁石と前記可動永久磁石が周方向において交互に設けられている請求項５記載の同期モータ。
前記アクチュエータにより前記可動永久磁石のスライド量を制御することによって磁極の磁束量を制御するものである請求項５又は６記載の同期モータ。