JP2008289300A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力で低速から高速までの広範囲での可変速運転を可能とし、広い運転範囲で効率向上、信頼性向上を実現する永久磁石式回転電機を提供する。
【解決手段】着磁コイルと電機子コイルを設けた固定子と回転子を有する。回転子は、エアギャップ面が凹凸形状で軸方向に２分割された回転子鉄心と、前記分割された鉄心間に挟まれた第１の永久磁石と、前記分割鉄心の凹部に埋め込まれた第２の永久磁石からなり、前記鉄心凸部と第２の永久磁石で磁極を構成する。第１の永久磁石は保磁力と磁化方向厚みの積が小とし、第２の永久磁石は保磁力と磁化方向厚みの積が大とする。着磁コイルで作る磁界により、前記保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石を不可逆的に磁化させることにより、全鎖交磁束量を変化させる。着磁コイルに極短時間の電流を流すことで、永久磁石を不可逆的に磁化させるので、着磁コイルに流す電流が少なくて済む。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石式回転電機に関するものであって、特に、高速回転時において着磁コイルにより減磁方向の磁界を発生させて永久磁石の鎖交磁束を低減させるようにした永久磁石式回転電機に係る。

一般に、永久磁石式回転電機は大きく分けて２種類のタイプがある。回転子鉄心の外周に永久磁石を貼り付けた表面磁石型永久磁石式回転電機と、永久磁石を回転子鉄心の中に埋め込んだ埋め込み型永久磁石式回転電機である。可変速駆動用モータとしては、埋め込み型永久磁石式回転電機が適している。

図１２を用いて、従来の埋め込み型永久磁石式回転電機の構成を説明する。回転子５１の回転子鉄心５２の外周部に長方形の空洞を等配で極数の数だけ設けている。図１２は４極の回転子５１であり、４個の空洞を設けてそれぞれに永久磁石５４を挿入している。永久磁石５４は回転子５１の半径方向、又は、永久磁石５４の断面の長方形におけるエアギャップ面に対向する辺（図１２では長辺）に直角方向に磁化される。

永久磁石５４は負荷電流により減磁しないように保磁力の高いＮｄＦｅＢ永久磁石等が主に適用されている。回転子鉄心５２は空洞を打抜いた電磁鋼板を積層して形成している。このような回転子５１は、固定子６０の内部に収容されている。この固定子６０は、電機子巻線６１を固定子鉄心６２の内側に形成されたスロットに収容することで構成されている。そして固定子６０の内周面と回転子１の外周面とは、エアギャップ６３を介して対向させている。

この種の永久磁石式回転電機の公知例としては、非特許文献１の記載のものや、埋め込み型の変形例としては特許文献１に記載されたものが知られている。また、可変速特性に優れた高出力の回転電機としては、特許文献２及び特許文献３に記載されたような永久磁石式リラクタンス型回転電機がある。

アルニコ磁石の埋め込み永久磁石モータでアルニコ磁石の磁力を変化させるモータは特許文献４に掲載されている。非特許文献２はアルニコ磁石を用いた永久磁石モータで、アルニコ磁石の磁束量を変化させているが、この構成ではアルニコ磁石を減磁できる反面、磁化させて元の磁化状態に戻すことが困難と思われる。

特許文献４は磁束集中型の埋め込み磁石モータタイプの構成であり、磁石にアルニコ磁石を用いている。非特許文献２の変形例であり、非特許文献２の考えと同様に磁界をかけてアルニコ磁石の磁束量を変化させる。しかし、単なるアルニコ磁石のモータなので十分な出力が得られないと思われる。また、トルク発生時に負荷電流によるアルニコ磁石の減磁が考えられ、負荷電流による減磁によりトルクが低下する問題がある。

そこで、エネルギー積の小さなアルニコ磁石で十分なトルクを得ようとするとアルニコ磁石の磁化方向厚みが厚くなる。磁石が厚くなるとアルニコ磁石を磁化するために必要な電流は大幅に増加するので、磁石の磁化が困難となり、永久磁石の磁束量変化はできなくなる。

励磁巻線と永久磁石を持った回転電機が、特許文献５及び特許文献６に開示されている。これは永久磁石の磁束と励磁コイルによる磁束の合計で界磁磁束を発生させる。永久磁石の磁束を固定分として励磁コイルの磁束を増減の変化分とし、鎖交磁束量を調整できる。しかし、励磁コイルの電流を常に流し続けなければならない。

励磁電流による損失が常時発生することになるので、総合運転効率は悪くなる。特に自動車や電車の駆動に適用するモータでは、軽負荷状態、高速走行で界磁磁束を低くして運転する時間も長いため、励磁電流を流し続ける必要があり、総合効率の悪化の原因となる。
特開平７-３３６９１９号公報 特開平１１−２７９１３号公報 特開平１１−１３６９１２号公報 米国特許第６８００９７７号明細書 特開平６-３５１２０６号公報 特開平６-３５１２１２号公報 埋込磁石同期モータの設計と制御，武田洋次・他，オーム社 A.Weschta, "Schachung des Erregerfelds bei einer dauermagneterregten Synchronmaschine", ETZ Archiv Vol.7,No3, pp79-84 (１９８５年)．

永久磁石式回転電機では、永久磁石の鎖交磁束が常に一定で発生しているので永久磁石による誘導電圧は回転速度に比例して高くなる。低速から高速まで可変速運転する場合、高速回転では永久磁石による誘導電圧（逆起電圧）が極めて高くなる。永久磁石による誘導電圧がインバータの電子部品に印加し、電子部品の耐電圧以上になると部品が絶縁破壊する。そのため、永久磁石の磁束量が耐電圧以下になるように削減された設計を行うことが考えられるが、永久磁石式回転電機の低速域での出力及び効率が低下する。

低速から高速まで定出力に近い可変速運転を行う場合、永久磁石の鎖交磁束は一定であるので、高速回転域では回転電機の電圧が電源電圧上限に達して出力に必要な電流が流れなくなる。その結果、高速回転域では出力が大幅に低下し、さらには高速回転までの広範囲で駆動できなくなる。最近では、可変速範囲を拡大する方法として弱め磁束制御（公知例としては非特許文献１参照）が適用されはじめた。弱め磁束制御は負のｄ軸電流による磁束を発生させることにより電機子巻線の総鎖交磁束量は前記負のｄ軸電流による磁束と永久磁石による磁束からなる。

この負のｄ軸電流による磁束で全鎖交磁束量を減少させる。また、弱め磁束制御においても高保磁力の永久磁石は磁気特性（Ｂ−Ｈ特性）の動作点が可逆の範囲で変化するようにする。このため、永久磁石は弱め磁束制御の減磁界により不可逆的に減磁しないように高保磁力のＮｄＦｅＢ磁石を適用する。

弱め磁束制御を適用した運転では、負のｄ軸電流による磁束で鎖交磁束が減少するので、鎖交磁束の減少分が電圧上限値に対する電圧の余裕分をつくる。そして、トルク成分となる電流を増加できるので高速域での出力が増加する。また、電圧余裕分だけ回転速度を上昇させることができ、可変速運転の範囲が拡大される。

しかし、出力には寄与しない負のｄ軸電流を常時流し続けるため銅損が増加して効率は悪化する。さらに、負のｄ軸電流による減磁界は高調波磁束を生じ、高調波磁束等で生じる電圧の増加は弱め磁束制御による電圧低減の限界をつくる。これらより埋め込み型永久磁石式回転電機に弱め磁束制御を適用しても基底速度の３倍以上の可変速運転は困難である。さらに、前記の高調波磁束により鉄損が増加し、中・高速域で大幅に効率が低下する。また、高調波磁束による電磁力で振動を発生することもある。

ハイブリッド自動車用駆動モータに埋め込み型永久磁石モータを適用した場合、エンジンのみで駆動される状態ではモータは連れ回される。中・高速回転ではモータの永久磁石による誘導電圧が上昇するので電源電圧以内に抑制するため、弱め磁束制御で負のｄ軸電流を流し続ける。この状態では、モータは損失のみを発生するので総合運転効率が悪化する。

電車用駆動モータに埋め込み型永久磁石モータを適用した場合、電車は惰行運転する状態があり、前記と同様に永久磁石による誘導電圧を電源電圧以下にするため弱め磁束制御で負のｄ軸電流を流し続ける。モータは損失のみを発生するので総合運転効率が悪化する。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、低速から高速までの広範囲で可変速運転を可能とし、低速回転域の高トルク化と中・高速回転域での高出力化、効率の向上、信頼性向上、製造性向上、材料の削減、希少材料の削減を提供することのできる永久磁石式回転電機を得ることを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の永久磁石式回転電機は、固定子に電機子巻線と磁化巻線を有し、形状または磁気特性の異なる２種類以上の永久磁石を用いて磁極を形成し、複数の前記磁極で回転子を構成し、前記固定子の磁化巻線を永久磁石の不可逆的な磁化に必要な時間励磁して発生した磁界により、各磁極で少なくとも１種類の永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させることを特徴とする。

また、電機子巻線と磁化巻線を有する固定子と、回転子とを備え、前記回転子には、永久磁石と回転子鉄心表面の凹凸形状を用いて磁極を形成し、前記固定子の磁化巻線を永久磁石の不可逆的な磁化に必要な時間励磁して発生した磁界により、前記永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させることも本発明の一態様である。

本発明によれば、低速から高速までの広範囲で可変速運転を可能とし、低速回転域の高トルク化と中・高速回転域での高出力化、効率の向上、信頼性向上、製造性向上、材料の削減、希少材料の削減が可能になる。

特に、着磁コイルで作る磁界により、前記保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石を不可逆的に磁化させることにより、全鎖交磁束量を変化させるに当たり、着磁コイルに極短時間の電流を流すことで、永久磁石を不可逆的に磁化させるので、着磁コイルに流す電流が少なくて済む。

（１）第１実施形態
(a) 実施形態の構成
以下、本発明に係る永久磁石式型回転電機の実施形態について、図１〜図９を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態における回転電機の軸方向断面、図２は、本発明の第１実施形態における回転子鉄心７の径方向断面であって、図２（Ａ）に図１のＡ−Ａ’断面における回転子鉄心７Ａの断面を、図２（Ｂ）にＢ−Ｂ’断面における回転子鉄心７Ｂの断面を示す。

本発明の第１実施形態の固定子１は、図１に示すように固定子鉄心２、電機子コイル３、着磁コイル４、固定子ヨーク５から構成される。着磁コイル４は２分割された固定子鉄心２の間に設けられる。固定子ヨーク５は固定子鉄心２の外部に設ける。

なお、本実施形態の回転電機は４極の場合で説明しており、他の極数でも同様に適用できる。また、着磁コイル４を固定子鉄心２の外周部及び固定子ヨーク５に設けても同様に実施できる。

回転子６は、図１に示すように軸方向に２分割された回転子鉄心７Ａ，７Ｂと、分割された回転子鉄心７Ａ，７Ｂの間に設けられた第１の永久磁石８から構成される。さらに、分割された各回転子鉄心７は、図２に示すように外周側が凹凸形状となり、その凹部には第２の永久磁石９が埋め込まれる。第２の永久磁石９と前記鉄心７の凸部１０が交互に配置されて磁極を構成する。

この場合、第２の永久磁石９と鉄心の凸部１０とは、図２の（Ａ）（Ｂ）に示す通り、第１の永久磁石８を挟んで軸方向に２分割された回転子鉄心７Ａ，７Ｂで、その回転方向に交互にずれた位置に配置される。また、回転子鉄心７Ａでは全ての第２の永久磁石９はエアギャップ面側がＳ極とし、回転子鉄心７Ｂでは全ての第２の永久磁石９はエアギャップ面側がＮ極とする。

ここで、第１の永久磁石８は保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石、第２の永久磁石は保磁力と磁化方向厚みの積が大となる永久磁石とし、例えば、第１の永久磁石８はアルニコ磁石を、第２の永久磁石９はＮｄＦｅＢ磁石を用いる。

(b) 実施形態の作用
次に、前記のような構成を有する本実施形態の作用について説明する。
初めの状態（本発明では増磁状態）では、第１の永久磁石８は左側がＮ極、右側がＳ極に磁化されているものとする。回転子鉄心７Ａでは、第１の永久磁石８により回転子鉄心７がＮ極に磁化され、鉄心の外周部の凸部１０にＮ極の磁極が形成される。

これにより、回転子鉄心７Ａでは第２の永久磁石９の磁極がＳ極、鉄心７の凸部１０の磁極がＮ極となり、これらの磁極が交互に形成される。同様に回転子鉄心７Ｂでは第２の永久磁石９の磁極がＮ極、鉄心７の凸部１０の磁極がＳ極となり、これらの磁極が交互に形成できる。したがって、電機子コイル３には第１の永久磁石８の磁束と第２の永久磁石９の磁束が鎖交することになり、この状態では磁束が加え合せとなり、増磁状態となる。

次に、永久磁石の鎖交磁束の減磁と増磁の作用について説明する。
図３に着磁コイル４による磁束と第１の永久磁石８による磁束を示す。着磁コイル４に極短時間に電流を流し、軸方向で、第１の永久磁石８の磁化方向とは逆方向に磁界を発生させる。着磁コイル４による磁界で第１の永久磁石８は磁化されて、磁力が低下する。さらに大きな磁化電流では、第１の永久磁石８の極性は反転させることができる。

図４に、第１の永久磁石８を磁化させて極性を反転させ、磁化電流を０にした状態の磁束の流れを示す。この状態での回転子鉄心７ＡのＡ−Ａ’断面と回転子鉄心７ＢのＢ−Ｂ’断面の極性を図５に示す。

回転子鉄心７ＡのＡ−Ａ’断面について述べる。
第２の永久磁石９は保磁力が大きいため初期の磁化方向を保っており、エアギャップ面はＳ極である。一方、保磁力の小さな第１の永久磁石８では極性が反転したので、回転子鉄心７はＳ極に磁化されて凸部１０はＳ極の磁極となる。したがって、全てＳ極が形成される。

回転子鉄心７ＢのＢ−Ｂ’断面について述べる。第２の永久磁石９は保磁力が大きいため初期の磁化方向を保っており、エアギャップ面はＮ極である。一方、保磁力の小さな第１の永久磁石８では極性が反転したので、回転子鉄心７はＮ極に磁化されて凸部１０はＮ極の磁極となる。したがって、全てＮ極が形成される。

固定子１の電機子コイル３は回転子鉄心７Ａと回転子鉄心７Ｂで発生する永久磁石による鎖交磁束で電圧が誘導される。前記の減磁状態では、回転子鉄心７ＡはＳ極、回転子鉄心７ＢはＮ極なので永久磁石による電機子コイル３の全鎖交磁束は大幅に減少することになり、０にすることも可能である。

次に、前記の減磁状態から大トルクを発生するために永久磁石の鎖交磁束を増加させる過程について説明する。
着磁コイル４に電流を流し、図６に示すように減磁状態とは逆方向の磁界を発生させ、第１の永久磁石８の磁力を弱くするか、さらに電流を大きくして第１の永久磁石８の極性を反転させる。

図７は着磁コイル４の電流を０になった状態で、第１の永久磁石８の極性が反転した磁束の流れを示す。この状態での回転子鉄心７ＡのＡ−Ａ’断面と回転子鉄心７ＢのＢ−Ｂ’断面の極性を図８に示す。

回転子鉄心７ＡのＡ−Ａ’断面について述べる。第２の永久磁石９のエアギャップ面はＳ極を保っており、保磁力の小さな第１の永久磁石８では極性が反転したので、回転子鉄心７はＮ極に磁化されて凸部１０はＮ極の磁極となる。したがって、回転子鉄心７Ａのエアギャップ面は第２の永久磁石９と鉄心の凸部１０の磁極によりＳ極とＮ極が交互に形成される。

回転子鉄心７ＢのＢ−Ｂ’断面においても同様に、第２の永久磁石９のエアギャップ面はＮ極を保ち、保磁力の小さな第１の永久磁石８では極性が反転したので、回転子鉄心７はＳ極に磁化されて凸部１０はＳ極の磁極となる。したがって、回転子鉄心７Ｂのエアギャップ面は第２の永久磁石９と鉄心の凸部１０の磁極によりＮ極とＳ極が交互に形成される。

固定子１の電機子コイル３は回転子鉄心７Ａと回転子鉄心７Ｂで発生する永久磁石による鎖交磁束で電圧が誘導される。前記の増磁状態では、回転子鉄心７ＡがＮ極の位置に対向する電機子コイル３では、回転子鉄心７ＢもＮ極になるので永久磁石による電機子コイルの全鎖交磁束は増加することになる。

(c) 可変速運転の動作
つぎに、可変速運転において、本発明の動作について説明する。
低速域で動作させる場合は、前記の述べた増磁状態とし、第１の永久磁石８と第２の永久磁石９による鎖交磁束が加え合せで最大になるので、トルクも最大になる。

中・高速域で動作させる場合は、着磁コイル４の磁界で第２の永久磁石９の磁束量を不可逆的に低下させるか、極性を反転させると、第１の永久磁石８と第２の永久磁石９による鎖交磁束が相殺して減少する。これにより回転電機の電圧は下がるので、電源電圧の上限値に対して余裕ができ、回転速度(周波数)をさらに高くすることが可能となる。

(d) 実施形態の効果
本実施形態の永久磁石式回転電機は、永久磁石の鎖交磁束を大幅に変化させることができるので、負荷状態、回転速度に応じて最適な永久磁石の鎖交磁束量にすることにより、全運転範囲で高効率が得られる。さらに着磁コイル４に流す電流は第１の永久磁石８を磁化させる瞬間のみなので、損失はほとんどない。

したがって、埋め込み磁石モータのように常時弱め磁束電流を流し続ける必要もないので、損失を大幅に低減できる。さらに弱め磁束制御を行う必要がないので高調波磁束による高調波鉄損も発生しない。

また、励磁巻線を持つモータでは磁化電流を常時流し続けるが、本実施形態の回転電機は永久磁石を磁化させる極短時間なので効率を高くできる。すなわち、界磁損失がほとんどなく、界磁調整のできる高効率の永久磁石式回転電機を得ることができる。

次にトルク発生時の負荷電流（ｑ軸電流）による永久磁石の減磁について述べる。保磁力の小さな永久磁石を適用する場合の問題点としては、外部磁界による減磁がある。モータでは、トルクを発生するために電機子コイルに電流（ｑ軸電流）を流すが、保磁力の小さな永久磁石はこのｑ軸電流による磁界により減磁する。

本実施形態の回転電機も同様にトルクを発生するときは、固定子の電機子コイル３にｑ軸電流を流すことにより、ｑ軸電流と永久磁石の磁束との磁気作用でトルクを発生させる。このときｑ軸電流による磁界が回転子に径方向に分布する。

一方、保磁力の小さい第１の永久磁石８は分割された回転子鉄心７の間にあり、さらに軸方向に磁化されている。ｑ軸電流による磁界は回転子鉄心内で径方向に分布し、第１の永久磁石８は鉄心間で軸方向に磁化されているので、第１の永久磁石８はｑ軸電流による磁界で不可逆減磁することはほとんどない。

したがって、最大トルク状態や小型・高出力化のため電機子巻線のアンペアターンを大きくしても、本発明の回転電機では耐減磁特性の優れた回転電機を得ることができる。

永久磁石による誘導電圧に関しては、第１の永久磁石８を着磁コイル４で磁化して永久磁石の全鎖交磁束量を小さくできるので、永久磁石の誘導電圧によるインバータ電子部品の破損がなくなり、信頼性が向上する。

従来の永久磁石モータでは、永久磁石による逆起電圧は回転速度に比例して高くなる。この逆起電圧はｄ軸電流を常時流し続けることによりインバータ電子部品の耐電圧や電源電圧以下に押さえ込まれている。しかし、制御不能時にはこの逆起電圧が過大になりインバータの電子部品等を絶縁破壊する。そのため、従来の永久磁石式回転電機では設計時に耐電圧により永久磁石の逆起電圧が制限され、永久磁石の磁束量が削減され、モータの低速域での出力及び効率が低下する。

本実施形態では、高速回転時になると着磁コイルにより減磁方向の磁界を発生させて第２の永久磁石を不可逆的に磁化させて永久磁石の鎖交磁束を低減させている。したがって、高速回転時において制御不能になっても過大な逆起電圧が発生することはない。

さらに、どのような運転状態において制御不能になっても、着磁コイルで第１の永久磁石８を不可逆的に磁化させることにより、鎖交磁束を最小にでき、０にもできる。したがって、誘導電圧がインバータ等での電子部品の耐圧以上にならないので、信頼性が向上する。

また、回転電機が無負荷で連れ回される状態では、永久磁石の全鎖交磁束量を最小にするか、ほぼ０にする。これより、誘導電圧は著しく低くなり、誘導電圧を下げるための弱め磁束電流を常時通電する必要がほとんどなくなり、総合効率が向上する。特に惰行運転時間が長くなる通勤電車に本実施形態の回転電機を搭載して駆動すると、総合運転効率は大幅に向上する。

また、電機子巻線等の電気的な短絡が生じた場合は、着磁コイルにより第１の永久磁石を不可逆的に磁化させて、永久磁石による鎖交磁束を最小か、０にする。これより短絡電流によるブレーキ力や短絡電流による加熱を防ぐ効果が得られる。

以上より、本実施形態の回転電機は、低速回転時での高トルク（高出力）を発生し、高出力で低速から高速までの広範囲の可変速運転を可能とし、広い運転範囲において高効率も可能となる。さらに高速回転時の逆起電圧を抑制でき、インバータを含めたシステムの信頼性を高めることができる。

（２）第１実施形態の変形例
(a) 永久磁石９を埋め込んだもの
図９は、前記第１実施形態の変形例を示すもので、その回転子鉄心７Ａまたは回転子鉄心７Ｂの断面を示している。この変形例では、第２の永久磁石９は回転子鉄心７に埋め込まれている。なお、この永久磁石９を回転子鉄心７に埋め込むには、回転子鉄心７の端面から軸方向に沿って空隙を形成し、その内部に棒状の永久磁石９を挿入したり、回転子鉄心７の表面に形成した凹部内に永久磁石９を挿入した後に蓋をしても良い。

このような構成を有する変形例においても、第２の永久磁石と回転子鉄心の凸部１０で磁極が交互に構成され、同様な作用、効果が得られる。また、永久磁石９を埋め込んだため、回転子６が高速で回転しても、回転子鉄心７Ａ，ＡＢから永久磁石９が遠心力で脱落するおそれもない。

(b) 極数の変更
第１実施形態では８極の回転電機を示したが、１６極等の多極の回転電機にも本発明を適用できるのは当然である。極数に応じて永久磁石の配置位置、形状が幾分変ることは勿論であり、作用と効果は同様に得られる。

(c) 永久磁石の定義
前記第１実施形態においては、磁極を形成する永久磁石において、保磁力と磁化方向の厚の積をもって永久磁石を区別する定義をしている。したがって、磁極には同じ種類の永久磁石で形成し、磁化方向厚みを異なるように形成しても同様な作用と効果が得られる。

（３）第２実施形態
本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態の軸方向断面を図１０に、回転子断面を図１１（Ａ）（Ｂ）に示す。これら図１０及び図１１（Ａ）（Ｂ）に示すように、この第２実施形態は、前記第１実施形態の永久磁石式回転電機において、第２の永久磁石９の替わりに空気層とし、回転子鉄心断面を凹凸形状としたものである。この場合、回転子鉄心７Ａ，７Ｂの凸部１０が第１の永久磁石８により、それぞれＮ極、Ｓ極に磁化されている。

このような構成を有する第２実施形態においては、界磁となる永久磁石の鎖交磁束は第１の永久磁石のみになり、着磁コイル４で第１の永久磁石８を磁化させることにより、永久磁石の鎖交磁束量を調整する。

特に、回転電機が電気的に短絡した場合や、インバータ駆動電源が制御不能になった場合に、着磁コイル４で第１の永久磁石８を本来の磁束方向と逆に磁化することにより、第１の永久磁石８による誘導電圧を０にして、回転電機の回転を停止することができる。

（４）第３実施形態
本発明の第３実施形態について説明する。
この第３実施形態の回転電機では、着磁コイル４に短時間の電流によるパルス的な磁界で第１の磁石を不可逆的に磁化して鎖交磁束量を変化させる。中速度回転域や高速度回転域では、さらに負のｄ軸電流による磁束を常時発生させることにより、負のｄ軸電流による磁束と永久磁石による磁束からなる鎖交磁束は、前記負のｄ軸電流による磁束で調整することができる。

すなわち、中・高速度域では、着磁コイルのｄ軸電流によるパルス的な磁界で第１の永久磁石の磁化状態を不可逆的に変化させることにより鎖交磁束量を大きく変化させて、常時通電させる負のｄ軸電流により鎖交磁束量を微調整する。このとき常時通電する負のｄ軸電流が微調整する鎖交磁束量は僅かなので、常時流し続ける負のｄ軸電流は僅かとなり、大きな損失は発生しない。

これらより本実施形態の回転電機は、電圧の基になる鎖交磁束量を広範囲で変化させるとともに微調整することができ、しかも高効率で可変できる。

（５）第４実施形態
第１実施形態または第２実施形態において、永久磁石８の保磁力と磁化方向厚みの積が小となる第１の永久磁石８として、Ｄｙ元素またはＴｂ元素が少ないＮｄＦｅＢ磁石で構成する。Ｄｙ元素とＴｂ元素はＮｄＦｅＢ磁石の高温時の耐減磁特性を向上させるために添加する。

永久磁石は高温環境下で減磁界を受けると永久磁石が不可逆減磁するため、前記の添加物を用いて不可逆減磁を抑制する。一般的なＮｄＦｅＢ磁石の保磁力は９５０ｋＡ/ｍに対して、本発明に適用するＮｄＦｅＢ磁石の保磁力は４００ｋＡ/ｍである。

本実施形態では永久磁石の磁束を不可逆的に可変するため温度による不可逆減磁を含めて制御することができる。また、Ｄｙ元素またはＴｂ元素が少なくなれば保磁力は減少し、少ないｄ軸電流でＮｄＦｅＢ磁石の磁化ができるようになる。

また、本実施形態のＮｄＦｅＢ磁石の保磁力は小さくなるが、残留磁束密度は高くなる。低保磁力のＮｄＦｅＢ磁石は２０℃において保磁力が約４００ｋＡ/ｍ、残留磁束密度１．４５Ｔである。本発明のＮｄＦｅＢ磁石では保磁力と磁化方向厚みの小さな永久磁石が得られるとともに、エアギャップ磁束密度を高くできる。

これより、本実施形態の回転電機は、低保磁力で高残留磁束密度のＮｄＦｅＢ磁石を適用することができるようになり、ＮｄＦｅＢ磁石によるエアギャップ磁束密度は高くなり、高出力が得られる。また、埋蔵量の少ないＤｙ元素やＴｂ元素をほとんど添加しないＮｄＦｅＢ磁石を適用できようになるので、将来的にも安定して製造できる。

本発明の第１実施形態における回転電機の軸方向断面図。 本発明の第１実施形態における回転子の径方向断面図。 本発明の第１実施形態における減磁作用時の着磁コイルと第１の永久磁石の磁束の流れを示す回転電機の軸方向断面図。 本発明の第１実施形態における減磁作用後の第１の永久磁石の磁束の流れ（着磁コイル電流は０）を示す回転電機の軸方向断面図。 本発明の第１実施形態における減磁作用後の回転子の極性（着磁コイル電流は０で減磁状態、鎖交磁束が最小）を示す径方向断面図。 本発明の第１実施形態における増磁作用時の着磁コイルと第１の永久磁石の磁束の流れを示す回転電機の軸方向断面図。 本発明の第１実施形態における増磁作用後の第１の永久磁石の磁束の流れ（着磁コイル電流は０）を示す回転電機の軸方向断面図。 本発明の第１実施形態における増磁作用後の回転子の極性（着磁コイル電流は０で増磁状態、鎖交磁束が最大）を示す径方向断面図。 本発明の第２実施形態の回転子の径方向断面図。 本発明の第３実施形態における回転電機の軸方向断面図。 本発明の第３実施形態の回転子の径方向断面図。 従来の埋め込み型永久磁石モータの回転子の径方向断面図。

符号の説明

１…固定子
２…固定子鉄心
３…電機子コイル
４…着磁コイル
５…固定子ヨーク
６…回転子
７，７Ａ，７Ｂ…回転子鉄心
８…第１の永久磁石
９…第２の永久磁石
１０…回転子鉄心の凸部

Claims (19)

1. 固定子に電機子巻線と磁化巻線を有し、形状または磁気特性の異なる２種類以上の永久磁石を用いて磁極を形成し、複数の前記磁極で回転子を構成し、
   前記固定子の磁化巻線を永久磁石の不可逆的な磁化に必要な時間励磁して発生した磁界により、各磁極で少なくとも１種類の永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させることを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、前記固定子の磁化巻線を励磁して発生させる磁界により少なくとも１種類の永久磁石を磁化させて永久磁石の極性を反転させることを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 請求項１〜２のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、前記固定子の磁化巻線を励磁して発生させる磁界により少なくとも１種類の永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させ、全ての永久磁石による電機子巻線の鎖交磁束量をほぼ０にすることを特徴とする永久磁石式回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、前記固定子の磁化巻線を励磁して発生させる磁界により前記永久磁石の一部を磁化させるか、永久磁石の極性を反転させて、永久磁石の鎖交磁束量の増減を制御することを特徴とする永久磁石式回転電機。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、前記永久磁石を２種類以上の保磁力の異なる永久磁石で構成することを特徴とする永久磁石式回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、前記永久磁石は、保磁力と磁化方向厚みの積が他の永久磁石と異なる永久磁石を含んでいることを特徴とする永久磁石式回転電機。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、保磁力と磁化方向厚みの積が他の永久磁石と比較して小さい永久磁石の磁束量を、前記固定子の磁化巻線を励磁して発生させる磁界で不可逆的に変化させるか、または前記永久磁石の極性を反転させることを特徴とする永久磁石式回転電機。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、回転子鉄心は軸方向で２つに分割され、前記分割された鉄心間に第１の永久磁石が設けられ、分割された各回転子鉄心には第２の永久磁石と軟磁性材の磁極が交互に配置されて全磁極を構成し、第１の永久磁石を挟んで２分割された回転子は１極分の角度で互いに周方向にずれた構成とすることを特徴とする永久磁石式回転電機。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、固定子の着磁コイルは軸方向に磁束を発生し、回転子に設けられた第１の永久磁石の磁化方向は回転子の軸方向とし、回転子鉄心にある第２の永久磁石の磁化方向はほぼ径方向とすることを特徴とする永久磁石式回転電機。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、固定子の着磁コイルは軸方向に磁束を発生し、回転子に設けられた第１の永久磁石の磁化方向は回転子の軸方向とし、軸方向に分割された各回転子鉄心においては、第２の永久磁石は全て同じ極性でほぼ径方向に磁化され、第１の永久磁石を挟んで配置された２分割されたもう一つの回転子鉄心に設けられた第２の永久磁石とは、極性は互いに逆の極性になることを特徴とする永久磁石式回転電機。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、分割された２つの回転子鉄心と第１の永久磁石を１組とし、軸方向に多数の組により回転子を構成することを特徴とする永久磁石式回転電機。
12. 電機子巻線と磁化巻線を有する固定子と、回転子とを備え、前記回転子には、永久磁石と回転子鉄心表面の凹凸形状を用いて磁極を形成し、
    前記固定子の磁化巻線を永久磁石の不可逆的な磁化に必要な時間励磁して発生した磁界により、前記永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させることを特徴とする永久磁石式回転電機。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、着磁コイルに電流を短時間流して発生させる磁界で永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させるか、前記磁界で永久磁石の極性を反転させ、さらにｑ軸電流によりトルクを制御することを特徴とする永久磁石式回転電機。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、最大トルク近傍、または定格トルク近傍で運転する場合は、磁極の永久磁石の鎖交磁束が加え合わせになるように保磁力と磁化方向厚みの積が他よりも小さな永久磁石を磁化させ、トルクの小さな軽負荷時または中速回転域と高速回転域で運転する場合は、前記の保磁力と磁化方向厚みの積が他よりも小さな永久磁石は、電流による磁界で磁化させて鎖交磁束を不可逆的に減少させるか、または前記磁界で前記永久磁石の極性を反転させることを特徴とする永久磁石式回転電機。
15. 請求項１〜１４のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、着磁コイルの電流を短時間流して発生させる磁界により各磁極で少なくとも１種類の永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させ、さらにトルクの小さな軽負荷時または中速回転域と高速回転域では、前記の永久磁石の磁束の不可逆変化動作に加えて電機子巻線に負のｄ軸電流を流すことを特徴とする永久磁石式回転電機。
16. 請求項１〜１５のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、保磁力が小さな永久磁石として、２０℃において６００ｋＡ/ｍ以下の保磁力を有する永久磁石とすることを特徴とする永久磁石式回転電機。
17. 請求項１〜１６のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、保磁力が小さな永久磁石はアルニコ磁石またはＦｅＣｒＣｏ磁石とし、保磁力と磁化方向厚みの積が大きな永久磁石は希土類永久磁石とすることを特徴とする永久磁石式回転電機。
18. 請求項１〜１７のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、保磁力が小さな永久磁石として、Ｄｙ元素、Ｔｂ元素をほとんど含まない希土類永久磁石から構成されることを特徴とする永久磁石式回転電機。
19. 請求項１〜１８のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、電気的な短絡が起こった場合、運転電源の制御が不能になった場合に、着磁コイルにより第１の永久磁石を磁化させることを特徴とする永久磁石式回転電機。

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