JP2001339922A - 永久磁石式リラクタンス型回転電機 - Google Patents

永久磁石式リラクタンス型回転電機

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JP2001339922A JP2000153387A JP2000153387A JP2001339922A JP 2001339922 A JP2001339922 A JP 2001339922A JP 2000153387 A JP2000153387 A JP 2000153387A JP 2000153387 A JP2000153387 A JP 2000153387A JP 2001339922 A JP2001339922 A JP 2001339922A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】小型かつ高出力で低速から高速回転までの広範
囲の可変速運転を行なうこと。 【解決手段】スロット７の内部に収納された電機子巻線
３を有する固定子１と、固定子１の内側に位置して磁束
の通り易い部分（ｄ軸）と磁束の通り難い部分（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、かつ空洞５内に永久磁石６を配置してな
る回転子１０とを備えて構成される永久磁石式リラクタ
ンス型回転電機において、回転子１０は、ｑ軸方向に配
置された空洞５の回転子半径方向外側の回転子鉄心４の
平均肉厚をＷqave［ｍ］、空洞５の周方向の幅をＬ
［ｍ］、極数をＰ、回転子１０の半径をＲ［ｍ］とした
場合に、ＰＬ／２πＲＷqave≧１３０なる関係を満たす
ように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、永久磁石を複合し
て小型かつ高出力で低速から高速回転までの広範囲の可
変速運転を行なえるようにした永久磁石式リラクタンス
型回転電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１１は、従来のリラクタンス型回転電
機の構成例を示す径方向断面図である。
【０００３】図１１において、リラクタンス型回転電機
は、スロット７の内部に収納された電機子巻線３を有す
る電磁鋼板を積層した固定子鉄心２で形成された固定子
１と、この固定子１の内側に位置して凹凸のある回転子
鉄心４で形成された回転子１０とを備えて構成されてい
る。
【０００４】かかる従来のリラクタンス型回転電機は、
回転子１０に界磁を形成するコイルが不要であり、回転
子１０は凹凸のある回転子鉄心４のみで構成することが
できる。
【０００５】このため、リラクタンス型回転電機は、簡
素であり、かつ安価である。
【０００６】次に、この種のリラクタンス型回転電機の
出力の発生原理について述べる。
【０００７】リラクタンス型回転電機は、回転子１０に
凹凸があることにより、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。
【０００８】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。そして、この磁気エネルギーの変化に
よって出力が発生する。
【０００９】また、凸部と凹部は、幾何的のみでなく、
磁気的に凹凸を形成することができる（磁気抵抗、磁束
密度分布が、回転子１０の位置により異なる）形状であ
ればよい。
【００１０】一方、その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は、電
機子はリラクタンス型回転電機と同様であるが、回転子
は回転子鉄心と回転子のほぼ全周にわたって永久磁石が
配置されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来の回転電機においては、次のような解決すべき技術
課題がある。
【００１２】すなわち、リラクタンス型回転電機は、回
転子鉄心４表面の凹凸により、回転位置によって磁気抵
抗が異なり、磁束密度も変化することになる。そして、
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。
【００１３】しかしながら、電流が増加すると伴に、磁
極となる回転子鉄心４の凸部分（磁束の通り易い部分で
あり、以下ｄ軸と称する）において、局部的な磁気飽和
が拡大する。
【００１４】これにより、磁極間となる歯の凹の部分
（磁束の通り難い部分であり、以下ｑ軸と称する）に漏
れる磁束が増加して、有効な磁束は減少して出力が低下
する。
【００１５】または、磁気エネルギーから考えると、鉄
心歯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さく
なる。
【００１６】このため、電流に対して出力の増加率が低
下し、やがて出力は飽和する。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ことにな
る。
【００１７】一方、その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
永久磁石回転電機がある。
【００１８】この永久磁石回転電機は、回転子鉄心の表
面に永久磁石を配置していることから、界磁に高エネル
ギーの永久磁石を適用することにより、高磁界を回転電
機の空隙に形成できるため、小型でかつ高出力が可能と
なる。
【００１９】しかしながら、永久磁石の磁束は一定であ
ることから、高速回転時に電機子巻線に誘導される電圧
は比例して大きくなる。
【００２０】従って、低速から高速回転までの広範囲の
可変速運転を行なう場合に、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
以上に定出力運転を行なうことは困難である。
【００２１】本発明の目的は、小型かつ高出力で低速か
ら高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可
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
にある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に対応する発明では、スロットの内部に
収納された電機子巻線を有する固定子鉄心で形成された
固定子と、当該固定子の内側に位置して磁束の通り易い
部分（ｄ軸）と磁束の通り難い部分（ｑ軸）とが交互に
形成されるように空洞による複数の磁気障壁が設けら
れ、かつ空洞内に永久磁石を配置した回転子鉄心で形成
された回転子とを備えて構成される永久磁石式リラクタ
ンス型回転電機において、回転子は、ｑ軸方向に配置さ
れた空洞の回転子半径方向外側の回転子鉄心の平均肉厚
をＷqave［ｍ］、空洞の周方向の幅をＬ［ｍ］、極数を
Ｐ、回転子の半径をＲ［ｍ］とした場合に、ＰＬ／２π
ＲＷ qave≧１３０なる関係を満たすように構成してい
る。
【００２３】従って、請求項１に対応する発明の永久磁
石式リラクタンス型回転電機においては、回転子はＰＬ
／２πＲＷqave≧１３０なる関係を満たすことにより、
高いトルクを得ることができるため、高出力で低速から
高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能
となる。
【００２４】また、請求項２に対応する発明では、上記
請求項１に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回
転電機において、回転子は、ＰＬ／２πＲＷqave≧２０
０なる関係を満たすように構成している。
【００２５】従って、請求項２に対応する発明の永久磁
石式リラクタンス型回転電機においては、回転子はＰＬ
／２πＲＷqave≧２００なる関係を満たすことにより、
より一層高いトルクを得ることができるため、より一層
高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を
行なうことが可能となる。
【００２６】さらに、請求項３に対応する発明では、上
記請求項１または請求項２に対応する発明の永久磁石式
リラクタンス型回転電機において、ｑ軸方向に配置され
た空洞は、回転子半径方向外周部へ突抜けさせている。
【００２７】従って、請求項３に対応する発明の永久磁
石式リラクタンス型回転電機においては、ｑ軸方向に配
置された空洞を回転子半径方向外周部へ突抜けさせるこ
とにより、低速回転では特に高いトルクを得ることがで
きるため、より一層高出力で低速から高速回転までの広
範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。
【００２８】一方、請求項４に対応する発明では、スロ
ットの内部に収納された電機子巻線を有する固定子鉄心
で形成された固定子と、当該固定子の内側に位置して磁
束の通り易い部分（ｄ軸）と磁束の通り難い部分（ｑ
軸）とが交互に形成されるように空洞による複数の磁気
障壁が設けられ、かつ空洞内に永久磁石を配置した回転
子鉄心で形成された回転子とを備えて構成される永久磁
石式リラクタンス型回転電機において、回転子は、ｑ軸
方向に配置された空洞と永久磁石との間の最短距離をＷ
dmin、極数をＰ、回転子の半径をＲ［ｍ］とした場合
に、ＷdminＰ／２πＲ≧６５なる関係を満たすように構
成している。
【００２９】従って、請求項４に対応する発明の永久磁
石式リラクタンス型回転電機においては、回転子はＷ
dminＰ／２πＲ≧６５なる関係を満たすことにより、高
いトルクを得ることができるため、高出力で低速から高
速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能と
なる。
【００３０】また、請求項５に対応する発明では、上記
請求項４に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回
転電機において、回転子は、ＷdminＰ／２πＲ≧８７な
る関係を満たすように構成している。
【００３１】従って、請求項５に対応する発明の永久磁
石式リラクタンス型回転電機においては、回転子はＷ
dminＰ／２πＲ≧８７なる関係を満たすことにより、よ
り一層高いトルクを得ることができるため、より一層高
出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行
なうことが可能となる。
【００３２】一方、請求項６に対応する発明では、スロ
ットの内部に収納された電機子巻線を有する固定子鉄心
で形成された固定子と、当該固定子の内側に位置して磁
束の通り易い部分（ｄ軸）と磁束の通り難い部分（ｑ
軸）とが交互に形成されるように空洞による複数の磁気
障壁が設けられ、かつ空洞内に永久磁石を配置した回転
子鉄心で形成された回転子とを備えて構成される永久磁
石式リラクタンス型回転電機において、回転子は、ｑ軸
方向に配置された空洞と永久磁石との間の平均距離をＷ
dave、極数をＰ、回転子の半径をＲ［ｍ］とした場合
に、９５≦ＷdaveＰ／２πＲ≦１６０なる関係を満たす
ように構成している。
【００３３】従って、請求項６に対応する発明の永久磁
石式リラクタンス型回転電機においては、回転子は９５
≦ＷdaveＰ／２πＲ≦１６０なる関係を満たすことによ
り、高いトルクを得ることができるため、高出力で低速
から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが
可能となる。
【００３４】また、請求項７に対応する発明では、上記
請求項６に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回
転電機において、回転子は、１１０≦ＷdaveＰ／２πＲ
≦１３０なる関係を満たすように構成している。
【００３５】従って、請求項７に対応する発明の永久磁
石式リラクタンス型回転電機においては、回転子は１１
０≦ＷdaveＰ／２πＲ≦１３０なる関係を満たすことに
より、より一層高いトルクを得ることができるため、よ
り一層高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速
運転を行なうことが可能となる。
【００３６】一方、請求項８に対応する発明では、上記
請求項１、請求項２、請求項４乃至請求項７のいずれか
１項に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電
機において、ｑ軸方向の中心に近づくにつれて、ｑ軸方
向に配置された空洞の半径方向の幅を広くするようにし
ている。
【００３７】従って、請求項８に対応する発明の永久磁
石式リラクタンス型回転電機においては、ｑ軸方向の中
心に近づくにつれてｑ軸方向に配置された空洞の半径方
向の幅を広くすることにより、より一層高いトルクを得
ることができるため、より一層高出力で低速から高速回
転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能とな
る。
【００３８】また、請求項９に対応する発明では、上前
記請求項１、請求項２、請求項４乃至請求項７のいずれ
か１項に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転
電機において、ｑ軸方向に配置された空洞と永久磁石と
の間の距離が空洞のｑ軸方向の中心の内径側で最大とな
るように、永久磁石の角度を変化させるようにしてい
る。
【００３９】従って、請求項９に対応する発明の永久磁
石式リラクタンス型回転電機においては、ｑ軸方向に配
置された空洞と永久磁石との間の距離が空洞のｑ軸方向
の中心の内径側で最大となるように、永久磁石の角度を
変化させることにより、より一層高いトルクを得ること
ができるため、より一層高出力で低速から高速回転まで
の広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。
【００４０】一方、請求項１０に対応する発明では、ス
ロットの内部に収納された電機子巻線を有する固定子鉄
心で形成された固定子と、当該固定子の内側に位置して
磁束の通り易い部分（ｄ軸）と磁束の通り難い部分（ｑ
軸）とが交互に形成されるように空洞による複数の磁気
障壁が設けられ、かつ空洞内に永久磁石を配置した回転
子鉄心で形成された回転子とを備えて構成される永久磁
石式リラクタンス型回転電機において、固定子は、スロ
ットのピッチをτ［ｍ］、ティース幅をＷt［ｍ］とし
た場合に、０．４５≦Ｗt／τ≦０．８なる関係を満た
すように構成している。
【００４１】従って、請求項１０に対応する発明の永久
磁石式リラクタンス型回転電機においては、固定子は
０．４５≦Ｗt／τ≦０．８なる関係を満たすことによ
り、高いトルクを得ることができるため、高出力で低速
から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが
可能となる。
【００４２】また、請求項１１に対応する発明では、上
記請求項１、請求項２、請求項４乃至請求項１０のいず
れか１項に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回
転電機において、固定子は、スロットのピッチをτ
［ｍ］、ティース幅をＷt［ｍ］とした場合に、０．４
５≦Ｗt／τ≦０．８なる関係を満たすように構成して
いる。
【００４３】従って、請求項１１に対応する発明の永久
磁石式リラクタンス型回転電機においては、固定子は
０．４５≦Ｗt／τ≦０．８なる関係を満たすことによ
り、上記請求項１、請求項２、請求項４乃至請求項１０
のいずれか１項に対応する発明に比べて、より一層高い
トルクを得ることができるため、より一層高出力で低速
から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが
可能となる。
【００４４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。
【００４５】（第１の実施の形態：請求項１、請求項２
に対応）図１は、本実施の形態による永久磁石式リラク
タンス型回転電機の構成例を示す径方向断面図であり、
図１１と同一要素には同一符号を付して示している。 図１に示すように、本実施の形態の永久磁石式リラクタ
ンス型回転電機は、スロット７の内部に収納された電機
子巻線３を有する電磁鋼板を積層した固定子鉄心２で形
成された固定子１と、この固定子１の内側に位置してｄ
軸と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、このかつ空洞５内に永久磁石６
を配置した回転子鉄心４で形成された回転子１０とを備
えて構成している。
【００４６】なお、８は鉄心歯を示している。 図２は、図１における回転子１０の一部の詳細を示す径
方向拡大断面図である。
【００４７】図２に示すように、回転子１０の回転子鉄
心４には、複数の空洞５が存在し、そのうちのＶ字に配
置された箇所に永久磁石６を挿入している。
【００４８】図３は、図１における回転子１０の一部の
詳細を示す径方向拡大断面図である。
【００４９】図３に示すように、回転子１０は、ｑ軸方
向に配置された空洞５の回転子半径方向外側の回転子鉄
心４の平均肉厚をＷqave［ｍ］、空洞５の周方向の幅を
Ｌ［ｍ］、極数をＰ、回転子１０の半径をＲ［ｍ］とし
た場合に、 ＰＬ／２πＲＷqave≧１３０ なる関係を満たすように構成している。
【００５０】なお、回転子１０は、より好ましくは、Ｐ
Ｌ／２πＲＷqave≧２００なる関係を満たすように構成
する。
【００５１】次に、以上のように構成した本実施の形態
による永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、
回転子１０は、ＰＬ／２πＲＷqave≧１３０なる関係を
満たすようにしていることにより、高いトルクを得るこ
とができる。
【００５２】以下、かかる点について詳述する。 回転子１０には、空洞５により磁気抵抗の凹凸が存在す
る。磁気抵抗の小さい箇所（ｄ軸）では空隙磁束密度が
高く、逆に磁気抵抗の大きい箇所（ｑ軸）では空隙磁束
密度が小さくなる。そして、この磁束密度の変化によっ
てリラクタンストルクが発生する。
【００５３】極数がＰの時、図３に示すように、回転子
１０の半径Ｒ［ｍ］、ｑ軸方向に配置された空洞５の回
転子半径方向外側の回転子鉄心４の肉厚Ｗqの平均厚さ
Ｗqav e［ｍ］、同空洞５の周方向の幅Ｌ［ｍ］とした場
合、ｑ軸方向に配置された空洞５の回転子半径方向外側
の回転子鉄心４の肉厚における磁気抵抗は、ＰＬ／２π
ＲＷqaveに比例する。
【００５４】図４は、極数８、回転子１０の半径０．０
８［ｍ］で設計したモデルについて解析を行なった時の
ＰＬ／２πＲＷqaveとトルクとの関係について調べた結
果を示す依存特性図である。
【００５５】図４から、ＰＬ／２πＲＷqave≧１３０
で、今回得られた最大トルクの９５％以上と、従来設計
により得られたトルクよりも高いトルクを得ることがで
きることがわかる。
【００５６】また、より好ましくは、ＰＬ／２πＲＷ
qave≧２００で、最大トルクの９９％以上のトルクを発
生することができる。
【００５７】以上により、高いトルクを得ることがで
き、結果として高出力（出力＝トルク×回転速度）で低
速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうこと
が可能となる。 （変形例１：請求項３に対応）本実施の形態において、
ｑ軸方向に配置された空洞５は、回転子半径方向外周部
へ突抜けさせる構成としてもよい。
【００５８】かかる構成の永久磁石式リラクタンス型回
転電機においては、ｑ軸方向に配置された空洞５を回転
子半径方向外周部へ突抜けさせていることにより、低速
回転では特に高いトルクを得ることができる。
【００５９】以下、かかる点について詳述する。 ＰＬ／２πＲＷqaveが大きい設計ということは、極数が
多い、半径が小さい、ｑ軸方向に配置された空洞５の半
径方向外側の回転子鉄心４の肉厚の平均厚さＷqaveが薄
い、同空洞５の周方向の幅が広いということが考えられ
る。
【００６０】しかしながら、事実上、極数、回転子１０
の半径は、概ね設計仕様によって決定されてしまう。そ
のため、実際に操作できるのは、ＷqaveとＬとなる。
【００６１】図５は、トルクのＷqave依存特性について
調べた結果を示す図である。
【００６２】図５から、Ｗqave≦１ｍｍの時に、従来設
計よりも高トルクが得られた。これは、ｑ軸方向に配置
された空洞５の回転子半径方向外周部の回転子鉄心４部
においては、上記数値制限範囲の肉厚にすることによ
り、この部分に分布するｄ軸磁束に対するｑ軸磁束を最
小限にすることができる。
【００６３】この時、ｄ軸方向の磁束密度と、ｑ軸方向
の磁束密度との差が大きくなり、リラクタンストルクが
増加する。Ｗqave＝０の時、特に顕著にリラクタンスト
ルクが増加する。
【００６４】以上により、より一層高出力で低速から高
速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能と
なる。
【００６５】一方、高速回転領域においては、Ｗqave＝
０にした時、風損の問題が生じる。そのため、例えば高
速回転機等で利用する場合には、ｑ軸方向に配置された
空洞５は、回転子半径方向外周部に突抜けている構成
（Ｗqave＝０）よりも、回転子鉄心４の半径方向外周部
に、薄い肉厚（０＜Ｗqave≦１［ｍｍ］）を持たせる構
成の方がより好ましい。 （変形例２：請求項８に対応）本実施の形態（図３の構
成）において、ｑ軸方向の中心に近づくにつれて、ｑ軸
方向に配置された空洞５の半径方向の幅を広くする構成
としてもよい。かかる構成の永久磁石式リラクタンス型
回転電機においては、ｑ軸方向の中心に近づくにつれて
ｑ軸方向に配置された空洞５の半径方向の幅を広くして
いることにより、ｑ軸方向で磁気抵抗が最大となる。
【００６６】この時、ｄ軸方向の磁束密度と、ｑ軸方向
の磁束密度との差が大きくなり、リラクタンストルクが
最大となる。
【００６７】以上により、より一層高いトルクを得るこ
とができるため、より一層高出力で低速から高速回転ま
での広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。
【００６８】（変形例３：請求項９に対応）本実施の形
態（図３の構成）において、ｑ軸方向に配置された空洞
５と永久磁石６との間の距離が空洞５のｑ軸方向の中心
の内径側で最大となるように、永久磁石６の角度を変化
させる構成としてもよい。 かかる構成の永久磁石式リラクタンス型回転電機におい
ては、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間
の距離が空洞５のｑ軸方向の中心の内径側で最大となる
ように、永久磁石６の角度を変化させていることによ
り、磁石磁束が回転子外周部に出て行き易くなり、トル
クがより一層向上する。
【００６９】以上により、より一層高いトルクを得るこ
とができるため、より一層高出力で低速から高速回転ま
での広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。
【００７０】上述したように、本実施の形態による永久
磁石式リラクタンス型回転電機では、ｑ軸方向に配置さ
れた空洞５の回転子半径方向外側の回転子鉄心４の平均
肉厚をＷqave［ｍ］、空洞５の周方向の幅をＬ［ｍ］、
極数をＰ、回転子１０の半径をＲ［ｍ］とした場合に、
回転子１０を、ＰＬ／２πＲＷqave≧１３０、より好ま
しくはＰＬ／２πＲＷqave≧２００なる関係を満たすよ
うに構成しているので、小型かつ高出力で低速から高速
回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能とな
る。
【００７１】（第２の実施の形態：請求項４、請求項５
に対応）図６は、本実施の形態による永久磁石式リラク
タンス型回転電機における回転子１０の一部の詳細を示
す径方向拡大断面図であり、図１乃至図３と同一要素に
は同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる
部分についてのみ述べる。図６に示すように、本実施の
形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機の回転子１０
は、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間の
最短距離をＷdmin、極数をＰ、回転子１０の半径をＲ
［ｍ］とした場合に、 ＷdminＰ／２πＲ≧６５ なる関係を満たすように構成している。
【００７２】なお、回転子１０は、より好ましくは、Ｗ
dminＰ／２πＲ≧８７なる関係を満たすように構成す
る。
【００７３】次に、以上のように構成した本実施の形態
による永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、
回転子１０は、ＷdminＰ／２πＲ≧６５なる関係を満た
すようにしていることにより、より一層高いトルクを得
ることができる。
【００７４】以下、かかる点について詳述する。 図７は、図６に示すように、ｑ軸方向に配置された空洞
５と永久磁石６との間の距離をＷd、その最短距離をＷ
dmin、極数をＰ、回転子１０の半径をＲ［ｍ］とした場
合に、ＰＷdmin／２πＲとトルクとの関係について調べ
た結果を示す依存特性図である。
【００７５】図７から、ＰＷdmin／２πＲ≧６５を満た
す時に、今回得られた最大トルクの９５％以上と、従来
設計により得られたトルクよりも高いトルクを得ること
ができることがわかる。
【００７６】また、より好ましくは、ＰＷdmin／２πＲ
≧８７で、最大トルクの９９％以上のトルクを発生する
ことができる。
【００７７】ここで、設計仕様により、極数、回転子１
０の半径は概ね決められている。そのため、ＰＷdmin／
２πＲは、Ｗdminに比例すると考えてよい。
【００７８】すなわち、Ｗdminが大きい時、ｑ軸方向に
配置された空洞５と永久磁石６との間の回転子鉄心４部
で起こる磁気飽和が少なくなり、ｄ軸方向の磁束が増加
し、リラクタンストルクが高くなることを意味してい
る。
【００７９】以上により、より一層高いトルクを得るこ
とができ、結果として高出力（出力＝トルク×回転速
度）で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行
なうことが可能となる。 （変形例１：請求項８に対応）本実施の形態（図６の構
成）において、ｑ軸方向の中心に近づくにつれて、ｑ軸
方向に配置された空洞５の半径方向の幅を広くする構成
としてもよい。 かかる構成の永久磁石式リラクタンス型回転電機におい
ては、ｑ軸方向の中心に近づくにつれてｑ軸方向に配置
された空洞５の半径方向の幅を広くしていることによ
り、ｑ軸方向で磁気抵抗が最大となる。
【００８０】この時、ｄ軸方向の磁束密度と、ｑ軸方向
の磁束密度との差が大きくなり、リラクタンストルクが
最大となる。
【００８１】以上により、より一層高いトルクを得るこ
とができるため、より一層高出力で低速から高速回転ま
での広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。
【００８２】（変形例２：請求項９に対応）本実施の形
態（図６の構成）において、ｑ軸方向に配置された空洞
５と永久磁石６との間の距離が空洞５のｑ軸方向の中心
の内径側で最大となるように、永久磁石６の角度を変化
させる構成としてもよい。 かかる構成の永久磁石式リラクタンス型回転電機におい
ては、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間
の距離が空洞５のｑ軸方向の中心の内径側で最大となる
ように、永久磁石６の角度を変化させていることによ
り、磁石磁束が回転子外周部に出て行き易くなり、トル
クがより一層向上する。
【００８３】以上により、より一層高いトルクを得るこ
とができるため、より一層高出力で低速から高速回転ま
での広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。
【００８４】上述したように、本実施の形態による永久
磁石式リラクタンス型回転電機では、ｑ軸方向に配置さ
れた空洞５と永久磁石６との間の最短距離をＷdmin、極
数をＰ、回転子１０の半径をＲ［ｍ］とした場合に、回
転子１０を、ＷdminＰ／２πＲ≧６５、より好ましくは
ＷdminＰ／２πＲ≧８７なる関係を満たすように構成し
ているので、小型かつより一層高出力で低速から高速回
転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能とな
る。
【００８５】（第３の実施の形態：請求項６、請求項７
に対応）図６は、本実施の形態による永久磁石式リラク
タンス型回転電機における回転子１０の一部の詳細を示
す径方向拡大断面図であり、図１乃至図３と同一要素に
は同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる
部分についてのみ述べる。図６に示すように、本実施の
形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機の回転子１０
は、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間の
距離Ｗdの平均距離をＷdave、極数をＰ、回転子１０の
半径をＲ［ｍ］とした場合に、 ９５≦ＷdaveＰ／２πＲ≦１６０ なる関係を満たすように構成している。
【００８６】なお、回転子１０は、より好ましくは、１
１０≦ＷdaveＰ／２πＲ≦１３０なる関係を満たすよう
に構成する。
【００８７】次に、以上のように構成した本実施の形態
による永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、
回転子１０は、９５≦ＷdaveＰ／２πＲ≦１６０なる関
係を満たすようにしていることにより、より一層高いト
ルクを得ることができる。
【００８８】以下、かかる点について詳述する。 図８は、図６に示すように、ｑ軸方向に配置された空洞
５と永久磁石６との間の距離Ｗdの平均距離をＷdave、
極数をＰ、回転子１０の半径をＲ［ｍ］とした場合に、
ＰＷdave／２πＲとトルクとの関係について調べた結果
を示す依存特性図である。
【００８９】図８から、９５≦ＰＷdave／２πＲ≦１６
０を満たす時に、今回得られた最大トルクの９５％以上
と、従来設計により得られたトルクよりも高いトルクを
得ることができることがわかる。
【００９０】また、より好ましくは、１１０≦ＰＷdave
／２πＲ≦１３０で、最大トルクの９９％以上のトルク
を発生することができる。
【００９１】ここで、設計仕様により、極数、回転子１
０の半径は概ね決められている。そのため、ＰＷdave／
２πＲはＷdaveに比例すると考えてよい。
【００９２】すなわち、Ｗdaveが大きい時、ｑ軸方向に
配置された空洞５と永久磁石１０との間の回転子鉄心４
部で起こる磁気飽和が少なくなり、リラクタンストルク
が高くなるが、Ｗdaveが大きくなりすぎると、ｑ軸方向
の磁気抵抗が小さくなってしまい、逆にリラクタンスト
ルクが減少してしまうことを意味している。
【００９３】以上により、より一層高いトルクを得るこ
とができ、結果として高出力（出力＝トルク×回転速
度）で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行
なうことが可能となる。 （変形例１：請求項８に対応）本実施の形態（図６の構
成）において、ｑ軸方向の中心に近づくにつれて、ｑ軸
方向に配置された空洞５の半径方向の幅を広くする構成
としてもよい。 かかる構成の永久磁石式リラクタンス型回転電機におい
ては、ｑ軸方向の中心に近づくにつれてｑ軸方向に配置
された空洞５の半径方向の幅を広くしていることによ
り、ｑ軸方向で磁気抵抗が最大となる。
【００９４】この時、ｄ軸方向の磁束密度と、ｑ軸方向
の磁束密度との差が大きくなり、リラクタンストルクが
最大となる。
【００９５】以上により、より一層高いトルクを得るこ
とができるため、より一層高出力で低速から高速回転ま
での広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。
【００９６】（変形例２：請求項９に対応）本実施の形
態（図６の構成）において、ｑ軸方向に配置された空洞
５と永久磁石６との間の距離が空洞５のｑ軸方向の中心
の内径側で最大となるように、永久磁石６の角度を変化
させる構成としてもよい。 かかる構成の永久磁石式リラクタンス型回転電機におい
ては、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間
の距離が空洞５のｑ軸方向の中心の内径側で最大となる
ように、永久磁石６の角度を変化させていることによ
り、磁石磁束が回転子外周部に出て行き易くなり、トル
クがより一層向上する。
【００９７】以上により、より一層高いトルクを得るこ
とができるため、より一層高出力で低速から高速回転ま
での広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。
【００９８】上述したように、本実施の形態による永久
磁石式リラクタンス型回転電機では、ｑ軸方向に配置さ
れた空洞５と永久磁石６との間の距離Ｗdの平均距離を
Ｗdav e、極数をＰ、回転子１０の半径をＲ［ｍ］とした
場合に、回転子１０を、９５≦ＷdaveＰ／２πＲ≦１６
０、より好ましくは１１０≦ＷdaveＰ／２πＲ≦１３０
なる関係を満たすように構成しているので、小型かつよ
り一層高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速
運転を行なうことが可能となる。
【００９９】（第４の実施の形態：請求項１０に対応）
図９は、本実施の形態による永久磁石式リラクタンス型
回転電機における固定子１の一部の詳細を示す径方向拡
大断面図であり、図１および図２と同一要素には同一符
号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分につ
いてのみ述べる。 図９に示すように、本実施の形態の永久磁石式リラクタ
ンス型回転電機の固定子１は、スロット １１の
ピッチをτ［ｍ］、ティース幅（固定子鉄心歯幅）をＷ
t［ｍ］とした場合に、０．４５≦Ｗt／τ≦０．８なる
関係を満たすように構成している。
【０１００】次に、以上のように構成した本実施の形態
による永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、
固定子１は、０．４５≦Ｗt／τ≦０．８なる関係を満
たすようにしていることにより、高いトルクを得ること
ができる。
【０１０１】以下、かかる点について詳述する。 スロット１１のピッチτ［ｍ］、ティース幅Ｗt［ｍ］
とし、また発熱を所定値以下に抑えるために電流密度を
調整する。
【０１０２】一般的な永久磁石電動機、誘導電動機は、
高トルク、高出力を得るために、スロット内に導線をで
きるだけ多く挿入して、アンペアターンを大きくする。
その結果、ティース幅よりもスロット幅が広くなってい
る。
【０１０３】ティース幅を広くした場合には、スロット
内を流れる電流密度が上昇し、あるレベルでスロット内
に流れる通電電流の絶対値が減少して、トルクが減少す
る。
【０１０４】これに対して、本実施の形態の永久磁石式
リラクタンス型回転電機では、次のような逆の結果を示
す。
【０１０５】すなわち、ティース幅Ｗtが狭くなると、
ティース部分で磁気飽和が起こり、ティースの磁気抵抗
が大きくなり、電流から見た磁気抵抗は固定子１に占め
る磁気抵抗割合が高くなり、回転子１０の磁気抵抗差が
相対的に小さくなる。その結果、リラクタンストルクが
小さくなり、出力が低下してしまう。
【０１０６】一方、ティース幅Ｗtを広くすると、アン
ペアターンは減少するが、磁気抵抗の差がより大きくな
るため、結果的にはトルクが増加する。さらに、アンペ
アターンの減少によって、インダクタンスの絶対値が小
さくなるため、電圧源では高速領域での出力が増加す
る。
【０１０７】図１０は、Ｗt／τとトルクとの関係につ
いて調べた結果を示す依存特性図である。
【０１０８】図１０から、０．４５≦Ｗt／τ≦０．８
の領域で、高いトルクを得ることができることがわか
る。
【０１０９】以上により、高いトルクを得ることがで
き、結果として高出力（出力＝トルク×回転速度）で低
速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうこと
が可能となる。 上述したように、本実施の形態による永久磁石式リラク
タンス型回転電機では、スロット１１のピッチをτ
［ｍ］、ティース幅（固定子鉄心歯幅）をＷt［ｍ］と
した場合に、固定子１を、０．４５≦Ｗt／τ≦０．８
なる関係を満たすように構成しているので、小型かつ高
出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行
なうことが可能となる。
【０１１０】（その他の実施の形態）尚、本発明は、上
記各実施の形態に限定されるものではなく、実施段階で
はその要旨を逸脱しない範囲で、種々に実施することが
可能である。 また、各実施の形態は可能な限り適宜組合わせて実施し
てもよく、その場合には組合わせた作用効果を得ること
ができる。 例えば、回転子の構成に関する発明である上記第１乃至
第３の各実施の形態において、各実施の形態のうちの任
意のもの、あるいは全てのものを適宜組合わせて実施す
ることができる。 さらに、回転子の構成に関する発明である上記第１乃至
第３の各実施の形態、あるいはこれらを組合わせたもの
と、固定子の構成に関する発明である上記第４の実施の
形態を適宜組合わせて実施することもできる。 さらに、上記各実施の形態には種々の段階の発明が含ま
れており、開示される複数の構成要件における適宜な組
合わせにより、種々の発明を抽出することができる。 例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの
構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題
の欄で述べた課題（の少なくとも一つ）が解決でき、発
明の効果の欄で述べられている効果（の少なくとも一
つ）が得られる場合には、この構成要件が削除された構
成を発明として抽出することができる。
【０１１１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の永久磁石
式リラクタンス型回転電機によれば、回転子位置によっ
てインダクタンスの差が大きな回転電機が得られ、高い
トルクを得ることができるため、小型かつ高出力で低速
から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが
可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１乃至第３の実施の形態による永久
磁石式リラクタンス型回転電機の構成例を示す径方向断
面図。
【図２】図１における回転子の一部の詳細な構成例を示
す径方向拡大断面図。
【図３】図１における回転子の一部の詳細な構成例を示
す径方向拡大断面図。
【図４】同本発明の第１の実施の形態の永久磁石式リラ
クタンス型回転電機におけるトルクとＰＬ／２πＲＷ
qaveとの関係を示す依存特性図。
【図５】本発明の第１の実施形態の永久磁石式リラクタ
ンス型回転電機におけるトルクのＷqave依存
【図６】本発明の第２および第３の実施の形態による永
久磁石式リラクタンス型回転電機の構成例を示す径方向
拡大断面図。
【図７】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おけるトルクのＷdminＰ／２πＲ依
存特性を示す図。
【図８】本発明の第３の実施例の永久磁石式リラクタン
ス型回転電機におけるトルクのＷdaveＰ／２πＲ依存特
性を示す図。
【図９】本発明の第４の実施の形態による永久磁石式リ
ラクタンス型回転電機の構成例を示す径方向拡大断面
図。
【図１０】本発明の第４の実施の形態の永久磁石式リラ
クタンス型回転電機におけるトルクのＷt／τ依存特性
を示す図。
【図１１】従来のリラクタンス型回転電機の構成例を示
す径方向断面図。
【符号の説明】
１…固定子 ２…固定子鉄心 ３…電機子巻線 ４…回転子鉄心 ５…空洞 ６…永久磁石 ７…スロット ８…鉄心歯 ９…回転子鉄心 １０…回転子 １１…スロット Ｗqave…ｑ軸方向に配置された空洞５の回転子半径方向
外側の回転子鉄心４の平均肉厚 Ｌ…空洞５の周方向の幅 Ｐ…極数 Ｒ…回転子１０の半径 Ｗdmin…ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との
間の最短距離 Ｗdave…ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との
間の距離Ｗdの平均距離 τ…スロット１１のピッチ、 Ｗt…ティース幅（固定子鉄心歯幅）。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新 政憲 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） 5H619 AA01 BB01 BB06 BB24 PP02 PP05 PP06 PP08 5H621 GA01 GA04 HH01 5H622 AA03 CA02 CA07 CB01

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 スロットの内部に収納された電機子巻線
    を有する固定子鉄心で形成された固定子と、 前記固定子の内側に位置して磁束の通り易い部分（ｄ
    軸）と磁束の通り難い部分（ｑ軸）とが交互に形成され
    るように空洞による複数の磁気障壁が設けられ、かつ前
    記空洞内に永久磁石を配置した回転子鉄心で形成された
    回転子とを備えて構成される永久磁石式リラクタンス型
    回転電機において、 前記回転子は、前記ｑ軸方向に配置された空洞の回転子
    半径方向外側の回転子鉄心の平均肉厚をＷqave［ｍ］、
    前記空洞の周方向の幅をＬ［ｍ］、極数をＰ、回転子の
    半径をＲ［ｍ］とした場合に、 ＰＬ／２πＲＷqave≧１３０ なる関係を満たすように構成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】 前記請求項１に記載の永久磁石式リラク
    タンス型回転電機において、 前記回転子は、 ＰＬ／２πＲＷqave≧２００ なる関係を満たすように構成したことを特徴とする永久
    磁石式リラクタンス型電機。
  3. 【請求項３】 前記請求項１または請求項２に記載の永
    久磁石式リラクタンス型回転電機において、 前記ｑ軸方向に配置された空洞は、回転子半径方向外周
    部へ突抜けさせていることを特徴とする永久磁石式リラ
    クタンス型回転電機。
  4. 【請求項４】 スロットの内部に収納された電機子巻線
    を有する固定子鉄心で形成された固定子と、 前記固定子の内側に位置して磁束の通り易い部分（ｄ
    軸）と磁束の通り難い部分（ｑ軸）とが交互に形成され
    るように空洞による複数の磁気障壁が設けられ、かつ前
    記空洞内に永久磁石を配置した回転子鉄心で形成された
    回転子とを備えて構成される永久磁石式リラクタンス型
    回転電機において、 前記回転子は、前記ｑ軸方なる関係を満たすように構成
    した向に配置された空洞と前記永久磁石との間の最短距
    離をＷdmin、極数をＰ、回転子の半径をＲ［ｍ］とした
    場合に、 ＷdminＰ／２πＲ≧６５ なる関係を満たすように構成したことを特徴とする永久
    磁石式リラクタンス型電機。
  5. 【請求項５】 前記請求項４に記載の永久磁石式リラク
    タンス型回転電機において、 前記回転子は、 ＷdminＰ／２πＲ≧８７ なる関係を満たすように構成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。
  6. 【請求項６】 スロットの内部に収納された電機子巻線
    を有する固定子鉄心で形成された固定子と、 前記固定子の内側に位置して磁束の通り易い部分（ｄ
    軸）と磁束の通り難い部分（ｑ軸）とが交互に形成され
    るように空洞による複数の磁気障壁が設けられ、かつ前
    記空洞内に永久磁石を配置した回転子鉄心で形成された
    回転子とを備えて構成される永久磁石式リラクタンス型
    回転電機において、 前記回転子は、前記ｑ軸方向に配置された空洞と前記永
    久磁石との間の平均距離をＷdave、極数をＰ、回転子の
    半径をＲ［ｍ］とした場合に、 ９５≦ＷdaveＰ／２πＲ≦１６０ なる関係を満たすように構成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。
  7. 【請求項７】 前記請求項６に記載の永久磁石式リラク
    タンス型回転電機において、 前記回転子は、 １１０≦ＷdaveＰ／２πＲ≦１３０ なる関係を満たすように構成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。
  8. 【請求項８】 前記請求項１、請求項２、請求項４乃至
    請求項７のいずれか１項に記載の永久磁石式リラクタン
    ス型回転電機において、 前記ｑ軸方向の中心に近づくにつれて、前記ｑ軸方向に
    配置された空洞の半径方向の幅を広くするようにしたこ
    とを特徴とする永久磁石式リラクタンス型回転電機。
  9. 【請求項９】 前記請求項１、請求項２、請求項４乃至
    請求項７のいずれか１項に記載の永久磁石式リラクタン
    ス型回転電機において、 前記ｑ軸方向に配置された空洞と前記永久磁石との間の
    距離が前記空洞のｑ軸方向の中心の内径側で最大となる
    ように、前記永久磁石の角度を変化させるようにしたこ
    とを特徴とする永久磁石式リラクタンス型回転電機。
  10. 【請求項１０】 スロットの内部に収納された電機子巻
    線を有する固定子鉄心で形成された固定子と、 前記固定子の内側に位置して磁束の通り易い部分（ｄ
    軸）と磁束の通り難い部分（ｑ軸）とが交互に形成され
    るように空洞による複数の磁気障壁が設けられ、かつ前
    記空洞内に永久磁石を配置した回転子鉄心で形成された
    回転子とを備えて構成される永久磁石式リラクタンス型
    回転電機において、 前記固定子は、前記スロットのピッチをτ［ｍ］、ティ
    ース幅をＷt［ｍ］とした場合に、 ０．４５≦Ｗt／τ≦０．８ なる関係を満たすように構成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。
  11. 【請求項１１】 前記請求項１、請求項２、請求項４乃
    至請求項１０のいずれか１項に記載の永久磁石式リラク
    タンス型回転電機において、 前記固定子は、スロットのピッチをτ［ｍ］、ティース
    幅をＷt［ｍ］とした場合に、 ０．４５≦Ｗt／τ≦０．８ なる関係を満たすように構成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。
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