JP2001286109A - 永久磁石式リラクタンス型回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型・高出力で広範囲の可変速運転が可能な
永久磁石式リラクタンス型回転電機を実現する。 【解決手段】 電機子巻線３を持つ固定子１と、この固
定子の内側にあって磁束の通りやすい部分（ｄ軸）と磁
束の通りにくい部分（ｑ軸）とが交互に形成されるよう
に空洞５による複数の磁気障壁が設けられ、空洞のうち
選択したいくつかの中に永久磁石６を配置した回転子４
とを有する永久磁石式とリラクタンス型との複合型の回
転電機を構成している。そして永久磁石６を挿入してい
ない空洞５は菱形あるいはそれに準ずる形状にして、磁
気抵抗がｑ軸中心で最大とし、ｑ軸に対し左右対称にな
るようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は小型・高出力で広範
囲の運転が可能な、永久磁石を複合した永久磁石式リラ
クタンス型回転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のリラクタンス型回転電機は回転子
に界磁を形成するコイルが不要であり、図１０に示すよ
うに回転子４は凹凸のある鉄心９のみで構成できる。こ
のため、リラクタンス型回転電機は構造が簡素であり、
かつ安価である特徴がある。

【０００３】このリラクタンス型回転電機の出力の発生
原理は、次の通りである。リラクタンス型回転電機は回
転子４に凹凸があることにより、その凸部で磁気抵抗が
小となり、凹部では磁気抵抗が大となる。すなわち、凸
部と凹部上の空隙部分で、電機子巻線３に電流を流すこ
とにより蓄えられる磁気エネルギーが異なる。この磁気
エネルギーの変化により、出力が発生する。また、凸部
と凹部は幾何的に凹凸する形状のみでなく、磁気的に凹
凸が形成できる形状（つまり、磁気抵抗、磁束密度分布
が回転子の位置により異なる形状）であればよい。

【０００４】他の高性能な回転電機として、永久磁石回
転電機がある。この永久磁石回転電機における電機子の
構成はリラクタンス型回転電機と同様であるが、回転子
にはそのほぼ全周にわたって永久磁石が配置されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の回転電機には、
次のような技術的課題があった。リラクタンス型回転電
機は回転子鉄心の表面の凹凸により回転子の位置で磁気
抵抗が異なり、空隙磁束密度も変化することになる。こ
の変化により磁気エネルギーが変化して出力が得られ
る。

【０００６】しかし、電流が増加するのに伴って磁極と
なる回転子鉄心の凸部（ｄ軸）において局部的な磁気飽
和が拡大する。これにより、磁極間となる鉄心の凹み部
分（ｑ軸）に漏れる磁束が増加して有効な磁束が減少
し、出力が低下する。これを磁気エネルギーの面から見
てみると、回転子鉄心の凸部の磁気飽和で生じる漏れ磁
束によって空隙磁束密度の変化が緩やかになり、磁気エ
ネルギー変化が小となる。このため、電流に対して出力
の増加率が低下し、やがて出力が飽和する。また、ｑ軸
の漏れ磁束は無効な電圧を誘起して力率を低下させる。

【０００７】一方、他の方式の高出力の回転電機として
高磁気エネルギー積の希土類永久磁石を適用した永久磁
石電動機の場合は、回転子鉄心の表面に高磁気エネルギ
ー積の永久磁石を配置することによって高磁界を電動機
の空隙に形成できるので、小型・高出力が可能である。

【０００８】しかし、永久磁石の磁束は一定であるの
で、電機子巻線に誘導される電圧は回転速度に比例して
大きくなる。したがって、高速回転までの広範囲の可変
速運転を行う場合、界磁磁束を減らすことができないた
め、電源電圧を一定とすると基底速度の２倍以上の定出
力運転は困難である。

【０００９】本発明はかかる従来の技術的課題を解決す
るためになされたもので、小型・高出力で広範囲の可変
速運転が可能な永久磁石式リラクタンス型回転電機を提
供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、電機
子巻線を持つ固定子と、この固定子の内側にあって磁束
の通りやすい部分（ｄ軸）と磁束の通りにくい部分（ｑ
軸）とが交互に形成されるように空洞により複数の磁気
障壁が設けられ、前記空洞のうち選択したいくつかの中
に永久磁石を配置した回転子とを有する永久磁石式リラ
クタンス型回転電機において、磁気抵抗を前記ｑ軸中心
で最大とし、前記ｑ軸に対し左右対称にしたものであ
る。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１の永久磁石式
リラクタンス型回転電機において、前記永久磁石の配置
されていない空洞を回転子の外周に開口させたものであ
る。

【００１２】請求項３の発明は、請求項１又は２の永久
磁石式リラクタンス型回転電機において、回転子中心を
中心にして前記ｄ軸に最も接近し対称に配置した２つの
永久磁石同士のなす角度をθとすると、当該角度θを
０．２８×３６０°／Ｐ≦θ≦０．４×３６０°／Ｐ
（Ｐは極数）としたものである。

【００１３】請求項４の発明は、請求項１〜３の永久磁
石式リラクタンス型回転電機において、前記固定子を、
各固定子鉄心歯を中心として導線を巻き付けた電機子巻
線で構成したものである。

【００１４】請求項５の発明は、請求項１〜４の永久磁
石式リラクタンス型回転電機において、前記回転子を軸
方向で前後に分割し、回転子分割体間で前記空洞と永久
磁石とをスロットピッチの１／４だけ周方向にずらした
ものである。

【００１５】請求項６の発明は、請求項１〜５の永久磁
石式リラクタンス型回転電機において、スロット数Ｎ
ｓ、極数Ｐ、ｑ＝Ｎｓ／（３×Ｐ）としたとき、ｑ＝ｎ
＋１／２としたものである。

【００１６】請求項７の発明は、請求項１〜６の永久磁
石式リラクタンス型回転電機において、前記永久磁石に
よる空隙磁束密度の基本波の振幅値を０．３〜０．６Ｔ
としたものである。

【００１７】請求項８の発明は、請求項１〜７の永久磁
石式リラクタンス型回転電機において、負荷時に前記ｑ
軸方向に対応する電機子巻線に鎖交する磁束を、電機子
電流が作る磁束の向きをプラスとしたとき、−０．３〜
＋０．３Ｔにしたものである。

【００１８】請求項９の発明は、請求項１〜８の永久磁
石式リラクタンス型回転電機において、固定子鉄心歯の
回転子側の付け根における幅Ｌｓを、スロット数Ｎｓ、
回転子直径Ｒｒとすると、０．４５×πＲｒ／Ｎｓ≦Ｌ
ｓ≦０．６５×πＲｒ／Ｎｓとしたものである。

【００１９】請求項１０の発明は、請求項１〜９の永久
磁石式リラクタンス型回転電機において、前記ｑ軸方向
に位置する空洞を、菱形もしくはそれに準ずる形状にし
たものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて詳説する。

【００２１】［第１の実施の形態］図１は、本発明の第
１の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機の
径方向断面図である。固定子１は電磁鋼板を積層した固
定子鉄心歯２と電機子巻線３から成る。図２に詳細に示
すように、回転子４には複数の空洞が形成してあり、そ
のうちのＶ字に配置された空洞に永久磁石６が挿入して
ある。そして永久磁石６の挿入されていない空洞５は断
面形状を菱形もしくはそれに準ずる形状にすることによ
り、磁束の通りにくいｑ軸方向で空洞幅が最大となり、
ｑ軸に対称に空洞幅が狭くなるようにしてある。

【００２２】次に、第１の実施の形態の永久磁石型リラ
クタンス型回転電機の動作について説明する。

【００２３】＜トルクの発生＞回転子４には空洞５によ
り磁気抵抗の凹凸が存在する。磁気抵抗の小さい個所で
は空隙磁束密度が高く、逆に磁気抵抗の大きい個所では
空隙磁束密度が小さくなる。この磁束密度変化によりリ
ラクタンストルクが発生する。

【００２４】このときｑ軸中心で磁気抵抗が最大となる
構造にすることにより、顕著に空隙磁束密度の差を大き
くすることができ、トルクを大きくできる。そのために
は、永久磁石６の挿入されていない空洞５の形状を上述
したように菱形もしくはそれに準ずる形状にするのが好
ましい。そしてさらに、図３に示したように、ｑ軸方向
の空洞５が回転子鉄心の外周を突き抜けて空隙に開口す
るようにしたとき、空隙磁束密度の差はいっそう大きく
でき、トルクも大きくできる。

【００２５】さらに、ｑ軸となる磁気抵抗の大きい個所
の回転子鉄心内には永久磁石６が配置されている。この
永久磁石６は、ｑ軸方向に分布するｑ軸電流による磁束
を永久磁石６の磁束で相殺する。そのため、磁気抵抗の
大きい個所では空隙磁束密度がさらに小さくなる。これ
により、磁気抵抗の大きい個所と小さい個所の空隙磁束
密度変化が大となり、リラクタンストルクが大きくなる
と共に力率も向上する。また、永久磁石６はＶ字状に配
置されていることからｑ軸中心に磁化方向が向き、これ
によりｑ軸電流の磁束に対する永久磁石６の磁化力を高
めることができる。

【００２６】本実施の形態の回転電機では、永久磁石６
の空隙磁束密度の基本波の振幅値を、０．３〜０．６
Ｔ、好ましくは、０．４〜０．５Ｔとする。このとき、
定格負荷時にｑ軸電流による磁束と永久磁石６による磁
束が相殺してｑ軸の鎖交磁束が０になる。これにより、
少ない磁束で出力を発生するので、力率が高くなり、鉄
損も減少する。同時に、磁気飽和も緩和されるので出力
も向上する。

【００２７】＜可変連運転と効率＞一般的な永久磁石電
動機、埋め込み型永久磁石電動機（ＩＰＭ）では永久磁
石の空隙磁束密度が約１Ｔ程度も高く、誘起電圧も高く
なる。また、鉄損も大である。これに対して本実施の形
態の回転電機では、永久磁石６の鎖交磁束は０．４Ｔ程
度であり、通常の永久磁石電動機の磁束の１／３〜１／
２でも大きな出力が得られる。このため、次のような利
点がある。

【００２８】高速回転で過大な誘起電圧が発生しないた
め、過電圧で電源であるインバータのパワー素子やコン
デンサを破損することはない。

【００２９】本回転電機では、ｄ軸電流が主に磁界を形
成する励磁電流であり、ｑ軸電流はトルク電流となる。
したがって、高速回転になるにつれて励磁電流であるｄ
軸電流を小さくすれば、一定電圧で高速回転まで容易に
運転でき、永久磁石電動機のように永久磁石の磁束によ
る過大な誘起電圧を打ち消すような弱め磁束のために大
きな電流を流す必要はない。また、弱め磁束で生じる高
周波鉄損も僅かである。

【００３０】また、本回転電機では、運転状態に応じて
ｄ軸の励磁電流とｑ軸のトルク電流を変化させることが
でき、最適な状態で運転できるので軽負荷から高負荷、
低速から高速回転まで広範囲で効率が向上する。例え
ば、軽負荷時は励磁電流は小さくするので、ｄ軸の磁束
量が減少して鉄損が減少する。

【００３１】＜信頼性＞永久磁石６は周囲を磁性材の回
転子鉄心で覆われているため、磁石６内の反磁界は小で
あり、パーミアンス係数の高い領域で永久磁石６は動作
している。このため永久磁石６は、電流による大きな減
磁界が作用しても減磁し難い。さらに、２００℃の高温
でもＮｄＦｅＢ磁石を不可逆減磁することなく適用でき
る。

【００３２】また、永久磁石６による電機子巻線３の鎖
交磁束は少ないので、巻線が電気的に短絡しても過大な
短絡電流が流れなくて巻線を焼損することがない。さら
に本回転電機を電気自動車、電車等の駆動電動機に適用
した場合でも、短絡故障時に急ブレーキが作用すること
がなく、また、回転時のブレーキ力が僅かであるので、
車両を牽引することができる。

【００３３】加えて、仮に永久磁石６が不可逆減磁して
も、本回転電機ではリラクタンストルクが主であるの
で、出力は低下するが、純粋なリラクタンス電動機とし
て駆動することができる。

【００３４】なお、上記実施の形態の永久磁石式リラク
タンス型回転電機において、永久磁石６を等量用い、図
２に示したように回転子中心Ｃを中心として、ｄ軸に最
も接近し対称に配置された２つの永久磁石６のなす角度
をθとし、極数Ｐと係数Ｋを用いてθ＝Ｋ×３６０°／
Ｐで表わしたとき、角度係数Ｋとトルクとの関係は図４
のようになる。

【００３５】この結果から、角度係数Ｋが０．２８≦Ｋ
≦０．４（好ましくは、０．３０≦Ｋ≦０．３５）にお
いてトルクが顕著に上昇していることが分かる。つま
り、角度θを０．２８×３６０°／Ｐ≦θ≦０．４×３
６０°／Ｐ（好ましくは、０．３０×３６０°≦θ≦
０．３５×３６０°／Ｐ）に設定することにより、大き
なトルクが得られるのである。

【００３６】なお、これは以下に説明する他の実施の形
態すべてに適用することができるものである。

【００３７】［第２の実施の形態］次に、本発明の第２
の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機につ
いて説明する。第２の実施の形態は、回転子４を分割構
造にしたことを特徴とする。

【００３８】固定子１において、電機子巻線３は各々の
固定子鉄心歯２に１個ずつ巻きつけられている。このよ
うな集中巻では、一般的に行われているスロットスキュ
ーが困難であり、大きなトルクリプルが生じる。またス
ロット数Ｎｓ、極数Ｐ、ｑ＝Ｎｓ／（３×Ｐ）としたと
き、ｑ＝ｎ＋１／２の場合、隣り合ったスロットのスロ
ット中心間距離（スロットピッチ）と同じ波長を持った
空隙磁束密度分布については打ち消すことができるが、
２次の調波成分を打ち消すことができない。

【００３９】そこで第２の実施の形態では、図５に示す
ように、回転子４を回転子Ａ７と回転子Ｂ８とに分割
し、両者間で永久磁石６や空洞５などをスロットピッチ
の１／４分だけ周方向にずらした構造にしている。

【００４０】これにより、図６のグラフに示すように２
次調波成分が打ち消され、トルクリプルが低減できる。

【００４１】［第３の実施の形態］第３の実施の形態の
永久磁石式リラクタンス型回転電機は、固定子１におけ
る固定子鉄心歯の形状に特徴を有する。

【００４２】図７に示すように、固定子鉄心歯２の回転
子側の付け根の幅をＬｓとする。そしてスロット数Ｎ
ｓ、回転子半径Ｒｒとし、Ｌｓ＝Ｊ×πＲｒ／Ｎｓ（Ｊ
は係数）としたときの、係数Ｊと発生トルクの関係につ
いて調べた。ただし、このときに電機子巻線３に流す電
流の電流密度は一定とした。

【００４３】図８はその結果を示している。係数Ｊにつ
いて、Ｊ＜０．４５では、固定子鉄心歯２が磁気飽和し
てしまってトルクが減少している。また逆にＪ＞０．６
５では、スロット内に流せる電流値の合計が小さくな
り、トルクが減少している。そして係数Ｊについて、
０．４５≦Ｊ≦０．６５のときに安定して高いトルクを
得ることができた。

【００４４】またこの結果は、図９に示すように固定子
鉄心歯２に固定子最近接部でチップ２Ａを付けた場合に
おいても、そのチップ２Ａの付け根部分の長さをＬｓと
すれば、同様の結果が得られる。

【００４５】

【発明の効果】以上のように本発明の永久磁石式リラク
タンス型回転電機では、回転子位置によりインダクタン
スの差が大きな回転電機が得られ、さらにｑ軸電流によ
る磁束を磁石で相殺してほぼ０にすることにより、高出
力、高力率が可能である。

【００４６】本発明の永久磁石式リラクタンス型回転電
機ではまた、永久磁石の磁束量が少なくても高出力が得
られ、励磁電流により回転電機内の磁束量を調整できる
ために負荷に合わせた最適な状態で駆動でき、軽負荷か
ら高負荷、低速から高速までの広範囲で効率の良い運転
ができる。

【００４７】本発明の永久磁石式リラクタンス型回転電
機ではさらに、永久磁石の減磁を抑えることができ、永
久磁石の誘起電圧により電源であるインバータの破損す
る恐れがなく、また電機子巻線の短絡故障時に急ブレー
キが作用することもなく、さらには永久磁石が減磁状態
になっても駆動が可能である等の多々の面で信頼性が高
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の永久磁石式リラク
タンス型回転電機の径方向断面図。

【図２】上記の実施の形態における回転子の径方向拡大
断面図。

【図３】上記の実施の形態における回転子の別の構造例
の径方向拡大断面図。

【図４】上記の実施の形態において、永久磁石の配置位
置による回転電機の発生するトルクの変化特性を示すグ
ラフ。

【図５】本発明の第２の実施の形態における回転子の斜
視図。

【図６】上記の実施の形態における回転子分割体それぞ
れの発生するトルクと回転子としての合成トルクの特性
グラフ。

【図７】本発明の第３の実施の形態における固定子の径
方向拡大断面図。

【図８】上記の実施の形態における固定子鉄心歯の幅と
トルクとの関係を示した特性グラフ。

【図９】上記の実施の形態における固定子の別の構造例
の径方向拡大断面図。

【図１０】従来のリラクタンス回転電機の径方向断面
図。

【符号の説明】

１…固定子 ２…固定子鉄心歯 ３…電機子巻線 ４…回転子 ５…空洞 ６…永久磁石 ７…回転子Ａ ８…回転子Ｂ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｋ 21/14 Ｈ０２Ｋ 21/14 Ｍ (72)発明者 堺 和人 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 Ｆターム(参考） 5H002 AA04 AA09 AB07 AC06 AE07 5H619 AA01 BB01 BB06 BB24 PP01 PP02 PP04 PP05 PP08 5H621 AA02 BB02 GA01 GA04 GA15 HH01 JK02 JK05 5H622 AA03 CA02 CA05 CB01 CB04 CB05 CB06 PP10 PP11 QB03 QB05

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電機子巻線を持つ固定子と、この固定子
   の内側にあって磁束の通りやすい部分（ｄ軸）と磁束の
   通りにくい部分（ｑ軸）とが交互に形成されるように空
   洞により複数の磁気障壁が設けられ、前記空洞のうち選
   択したいくつかの中に永久磁石を配置した回転子とを有
   する永久磁石式リラクタンス型回転電機において、 磁気抵抗を前記ｑ軸中心で最大とし、前記ｑ軸に対し左
   右対称にしたことを特徴とする永久磁石式リラクタンス
   型回転電機。
2. 【請求項２】 前記永久磁石の配置されていない空洞
   を、前記回転子の外周に開口させたことを特徴とする請
   求項１に記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機。
3. 【請求項３】 回転子中心を中心にして前記ｄ軸に最も
   接近し対称に配置した前記２つの永久磁石同士のなす角
   度をθとすると、当該角度θを０．２８×３６０°／Ｐ
   ≦θ≦０．４×３６０°／Ｐ（Ｐは極数）としたことを
   特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石式リラクタ
   ンス型回転電機。
4. 【請求項４】 前記固定子は、各固定子鉄心歯を中心と
   して導線を巻き付けた電機子巻線で成ることを特徴とす
   る請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石式リラクタ
   ンス型回転電機。
5. 【請求項５】 前記回転子を軸方向で前後に分割し、回
   転子分割体間で前記空洞と永久磁石とをスロットピッチ
   の１／４だけ周方向にずらしたことを特徴とする請求項
   １〜４のいずれかに記載の永久磁石式リラクタンス型回
   転電機。
6. 【請求項６】 スロット数Ｎｓ、極数Ｐ、ｑ＝Ｎｓ／
   （３×Ｐ）としたとき、ｑ＝ｎ＋１／２としたことを特
   徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の永久磁石式リ
   ラクタンス型回転電機。
7. 【請求項７】 前記永久磁石による空隙磁束密度の基本
   波の振幅値を０．３〜０．６Ｔとしたことを特徴とする
   請求項１〜６のいずれかに記載の永久磁石式リラクタン
   ス型回転電機。
8. 【請求項８】 負荷時に前記ｑ軸方向に対応する電機子
   巻線に鎖交する磁束は、電機子電流が作る磁束の向きを
   プラスとしたとき、−０．３〜＋０．３Ｔにしたことを
   特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の永久磁石式
   リラクタンス型回転電機。
9. 【請求項９】 固定子鉄心歯の回転子側の付け根におけ
   る幅Ｌｓは、スロット数Ｎｓ、回転子直径Ｒｒとする
   と、０．４５×πＲｒ／Ｎｓ≦Ｌｓ≦０．６５×πＲｒ
   ／Ｎｓとしたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか
   に記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機。
10. 【請求項１０】 前記ｑ軸方向に位置する空洞は、菱形
    もしくはそれに準ずる形状にしたことを特徴とする請求
    項１〜９のいずれかに記載の永久磁石式リラクタンス型
    回転電機。