JP2010004673A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】減磁時及び増磁時の磁化電流の増加を抑止し、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する。
【解決手段】回転子１は、回転子鉄心２、保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石３、保磁力と磁化方向厚の積が大となる永久磁石４からなる。磁極の中心部に永久磁石３を配置し、磁極間側に永久磁石４を配置する。永久磁石４の外周には、磁気障壁となる空洞５を設け、内周側の磁路断面積Ｓを小さくする。永久磁石３の鎖交磁束を減少させる場合は、電機子巻線の電流により永久磁石３の磁化方向と逆方向の磁界を作用させる。永久磁石３の鎖交磁束を増加させる場合は、電機子巻線の電流により磁石磁化方向と同方向の磁界を作用させる。磁気障壁５及び小さい磁路断面積Ｓにより、磁化電流による磁界Ａや永久磁石４の磁界Ｃが永久磁石３増磁または減磁を妨げないようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、２種類以上の永久磁石を使用し、そのうちの少なくとも１つの永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させて、低速から高速までの広範囲での可変速運転を可能とした永久磁石式回転電機に関する。

特に、本発明は、磁束量を不可逆的に変化させる永久磁石を磁極の中心部に配置し、磁束量を固定（ほぼ固定も含む）とする永久磁石を磁極間側に配置すると共に、各永久磁石の周囲に磁気抵抗の大きな磁気障壁を設けるなどして、永久磁石の磁束量を効率良く変化させるようにしたものである。

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。

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。そのため、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されてその耐電圧以上になると、電子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、その場合には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、永久磁右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広範囲に可変速運転できなくなる。

最近では、可変速範囲を拡大する方法として、非特許文献１に記載されているような弱め磁束制御が適用され始めている。電機子巻線の総鎖交磁束量はｄ軸電流による磁束と永久磁石による磁束とから成る。弱め磁束制御では、負のｄ軸電流による磁束を発生させることによって、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滅磁界により不可逆的に滅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作る。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軸電流による滅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作る。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、前述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問題がある。また、高調波磁東による電磁力で振動を発生する可能性もある。

ハイブリッド自動車用駆動電動機に埋め込み型永久磁石電動機を適用した場合、エンジンのみで駆動される状態では電動機は連れ回される。中・高速回転では電動機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、電動機は損失のみを発生するので総合運転効率が悪化する。

電車用駆動電動機に埋め込み型永久磁石電動機を適用した場合、電車は惰行運転する状態があり、上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に弱め磁束制御で負のｄ軸電流を流し続ける。その場合、電動機は損失のみを発生するので総合運転効率が悪化する。

このような問題点を解決する技術として、特許文献１や特許文献２には、固定子巻線の電流で作る磁界により不可逆的に磁束密度が変化する程度の低保磁力の永久磁石と、低保磁力の永久磁石の２倍以上の保磁力を有する高保磁力の永久磁石を配置し、電源電圧の最大電圧以上となる高速回転域では低保磁力の永久磁石と高保磁力の大久磁石による全鎖交磁束が減じるように、電流による磁界で低保磁力の未久磁石を磁化させて全鎖交磁束量を調整する技術が記載されている。

この特許文献１の永久磁石式回転電機は、図７に記載のような構成の回転子１を備えている。すなわち、回転子１は、回転子鉄心２、８個の低保磁力永久磁石３及び８個の高保磁力永久磁石４から構成されている。回転子鉄心２は珪素鋼板を積層して構成され、低保磁力永久磁石３はアルニコ磁石またはＦｅＣｒＣｏ磁石であり、高保磁力磁石４はＮｄＦｅＢ磁石である。

低保磁力永久磁石３は回転子鉄心２の中に埋め込まれ、低保磁力永久磁石３の両端部には第１の空洞５が設けられている。低保磁力永久磁石３は磁極間の中心軸になるｑ軸と一致する回転子の半径方向に沿って配置され、半径方向に対して直角方向に磁化される。高保磁力永久磁石４は回転子鉄心２内に埋め込まれ、高保磁力永久磁石４の両端部には第２の空洞６が設けられている。高保磁力永久磁石４は、２個の低保磁力永久磁石３により回転子１内周側で挟まれるように回転子１のほぼ周方向に配置されている。高保磁力永久磁石４は回転子１の周方向に対してほぼ直角方向に磁化されている。

回転子鉄心２の磁極部７は２個の低保磁力永久磁石３と１個の高保磁力永久磁石４で取り囲まれるようにして形成されている。回転子鉄心２の磁極部７の中心軸方向がｄ軸、磁極間の中心軸方向がｑ軸となる。この回転子１を採用した特許文献１の永久磁石式回転電機では、固定子巻線に通電時間が極短時間（１００μｓ〜１ｍｓ程度）となるパルス的な電流を流して磁界を形成し、低保磁力永久磁石３に磁界を作用させる。着磁磁界を２５０ｋＡ／ｍとすると、理想的には低保磁力永久磁石３には十分な着磁磁界が作用し、高保磁力永久磁石４には着磁による不可逆減磁はない。

その結果、特許文献１の永久磁石式回転電機では、回転子１のｄ軸電流により低保磁力永久磁石３の鎖交磁束量を最大から０まで大きく変化でき、また磁化方向も正逆の両方向にできる。すなわち、高保磁力永久磁石４の鎖交磁束を正方向とすると、低保磁力永久磁石３の鎖交磁束を正方向の最大値から０、さらには逆方向の最大値まで広範囲に調整することができる。したがって、本実施の形態の回転子では、低保磁力永久磁石３をｄ軸電流で着磁することにより低保磁力永久磁石３と高保磁力永久磁石４を合わせた全鎖交磁束量を広範囲に調整することができる。

例えば、低速域では低保磁力永久磁石３は高保磁力永久磁石４の鎖交磁束と同方向（初期状態）で最大値になるようにｄ軸電流で磁化することにより、永久磁石によるトルクは最大値になるので、回転電機のトルク及び出力は最大にすることができる。中・高速域では、低保磁力永久磁石３の磁束量を低下させ、全鎖交磁束量を下げることにより、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。
特開２００６−２８０１９５号公報 特開２００８−４８５１４号公報

前記のような構成を有する特許文献１の永久磁石式回転電機は、回転子１のｄ軸電流により、低保磁力永久磁石３の鎖交磁束量を最大から０まで大きく変化でき、また磁化方向も正逆の両方向にできるという優れた特性を有する。その反面、低保磁力永久磁石３を増磁させる場合に大きな磁化電流が必要となり、電動機を駆動するためのインバータの大型化を招くことになる。

特に、永久磁石の特性上、減磁の場合よりも増磁の場合に大きな磁化電流が要求されるが、特許文献１の永久磁石式回転電機は、２種類の磁石が磁気的に並列に配置された構成のため、高保磁力永久磁石４の鎖交磁束の影響で、低保磁力永久磁石３の増磁に大きな磁界が必要となる。

図８（Ａ）から（Ｄ）は、そのことを説明する模式図である。特許文献１の永久磁石式回転電機では、図８（Ａ）のように、２つの低保磁力永久磁石３と１つの高保磁力永久磁石４とが、ｄ軸を中心としてＵ字形に配置されている。電動機の通常の運転状態では、各永久磁石３，４の磁束の方向は、中心の磁極部７の方を向いている。この状態で、ｄ軸電流をパルス的に流して、減磁用の磁界を発生すると、その磁束は図８（Ｂ）のように、回転子１の外周側から各永久磁石３，４を貫くように発生し、それによって、低保磁力永久磁石３は減磁される。このとき、高保磁力永久磁石４は、保磁力が高いため、減磁されることはない。

この減磁の場合、図８（Ｃ）のように、高保磁力永久磁石４の磁束は、ｄ軸方向と共に低保磁力永久磁石３の内側から外側に向かって、低保磁力永久磁石３の当初の磁束の向きとは逆に流れるので、ｄ軸電流の作る磁界による減磁作用を補助する。そのため、低保磁力永久磁石３の極性を反転させるまでの減磁が可能である。

一方、増磁の場合には、ｄ軸電流を再びパルス的に印加することで、前記とは逆方向の磁界を発生させ、その磁界を構成する逆方向の磁束によって、減磁した低保磁力永久磁石３の鎖交磁束を前記（Ａ）の通常運転時の状態に戻す。しかし、本来、減磁に比較して増磁のためのエネルギーが大きく必要な上、図８（Ｃ）のように、低保磁力永久磁石３には高保磁力永久磁石４の磁束が減磁方向に加わっているため、これに打ち勝つだけの大きな磁界を生成することのできる磁化電流が必要となる。

このように、特許文献１の永久磁石式回転電機は、２種類の磁石を磁気的に並列に配置したため、低保磁力永久磁石３の減磁量を大きくとることができ、磁力の変化幅を０〜１００％のように大きくすることができる利点はあるものの、増磁時に必要とする磁化電流が大きいという問題があった。

このような問題は、増磁時に限らず、低保磁力永久磁石３の減磁時においても少なからず発生するものであって、低保磁力永久磁石３の磁束量を効率よく行える永久磁石式回転電機の出現が望まれていた。

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、低保磁力永久磁石の増磁時における磁化電流を減少させることで、インバータの大型化を必要とすることなく、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、効率の向上を可能とした永久磁石式回転電機を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明の永久磁石式回転電機は、保磁力と磁化方向厚の積が他の永久磁石と異なる２種類以上の永久磁石を用いて回転子の磁極を形成し、磁極の中心部に保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を配置し、磁極間側に保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石を配置し、電機子巻線の電流が作る磁界により少なくとも１個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。

本発明の永久磁石式回転電機の他の特徴は、保磁力と磁化方向厚の積が他の永久磁石と異なる２種類以上の永久磁石を用いて回転子の磁極を形成し、前記永久磁石は半径方向位置では回転子のエアギャップ近傍部に配置し、周方向位置では回転子磁極の中心部に保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を配置し、磁極間側に保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石を配置し、電機子巻線の電流が作る磁界により少なくとも１個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にある。

本発明の永久磁石式回転電機の他の特徴は、保磁力と磁化方向厚の積が他の永久磁石と異なる２種類以上の永久磁石を用いて回転子の磁極を形成し、前記永久磁石は半径方向位置では回転子のエアギャップ近傍部に配置し、周方向位置では回転子磁極の中心部に保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を配置し、磁極間側に保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石を配置し、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石の磁束が通る磁路中に磁気抵抗の大きな磁気障壁を設け、電機子巻線の電流が作る磁界により少なくとも１個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にある。

また、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石と回転子鉄心のエアギャップ側鉄心部との間に磁気障壁を設けること、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石の磁束が流れる回転子鉄心部分の磁路断面積を永久磁石の磁路断面積より狭くすること、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石の磁束が流れる回転子鉄心部分の一部が無負荷時にほぼ磁気飽和する磁路断面積とすること、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石と保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石間に非磁性層を設けることも、本発明の一態様である。

更に、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石が配置された近傍のエアギャップ長は、保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石が配置された近傍のエアギャップ長よりも長くすること、ｑ軸近傍のエアギャップ長はｄ軸近傍のエアギャップ長よりも長くすること、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石の磁化方向を中心軸として前記永久磁石の磁路中に短絡コイルまたは導電性の板を設けることも、本発明の一態様である。

以上のような構成を有する本発明によれば、保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石の減磁時および増磁時の磁化電流の増加を抑止できるので、回転機の効率化を達成することができる。

以下、本発明に係る永久磁石式型回転電機の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施の形態の回転電機は１２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。

（１．第１の実施の形態）
（１−１．構成）
本発明の第１の実施の形態について、図１を用いて説明する。

本発明の第１の実施の形態の回転子１は、図１に示すように回転子鉄心２、保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石３、保磁力と磁化方向厚の積が大となる永久磁石４から構成する。回転子鉄心２は珪素鋼板を積層して構成し、前記の永久磁石３，４は回転子鉄心２内に埋め込む。保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石３は、回転電機のｄ軸に対向して設けた磁極７の中央部に配置し、前記永久磁石３の両端（磁極間側）に保磁力と磁化方向厚の積が大となる永久磁石４，４を配置する。いずれの磁石も磁化方向はｄ軸方向である。また、これらの永久磁石３，４は回転子２の外周側に配置する。

前記保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石３はフェライト磁石またはアルニコ磁石とし、本実施の形態ではフェライト磁石３を使用する。保磁力と磁化方向厚の積が大となる永久磁石４は、ＮｄＦｅＢ磁石４とする。本実施の形態では、フェライト磁石３の保磁力は２８０ｋＡ／ｍとし、ＮｄＦｅＢ磁石４の保磁力は１０００ｋＡ／ｍとする。

前記永久磁石３，４と回転子１の外周間には回転子鉄心２があり、この回転子鉄心２におけるＮｄＦｅＢ磁石４の外周側鉄心部にのみ、磁気障壁となる空洞５を設ける。すなわち、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石４と、回転子鉄心２のエアギャップ側鉄心部との間に磁気障壁となる空洞５を設ける。

また、ＮｄＦｅＢ磁石４の磁束が流れる回転子鉄心２部分の磁路断面積Ｓを、ＮｄＦｅＢ磁石４の磁路断面積より狭くする。すなわち、本実施の形態では、ＮｄＦｅＢ磁石４の内周側にも空洞５を設けて、その部分の回転子鉄心２の断面積を小さくする。この場合、断面積の大きさとしては、ＮｄＦｅＢ磁石４の磁束が流れる回転子鉄心２部分の一部が、回転電機の無負荷運転時にほぼ磁気飽和する磁路断面積とすることが好ましい。

更に、回転子鉄心２内に埋め込まれたＮｄＦｅＢ磁石４の磁化方向を中心軸として、ＮｄＦｅＢ磁石４を取り囲むように短絡コイル８を設ける。この短絡コイル８は、電機子巻線にｄ軸電流を通電させた場合に発生する磁束で、短絡電流が発生するものである。この短絡コイル８は、リング状の導電性部材から構成し、回転子鉄心２内に設けたリング状の孔にはめ込むように装着する。なお、回転子鉄心２の穴に高温で溶けた導電性物質を流し込んで鋳造して製作することも可能である。

短絡コイル８は、フェライト磁石３の磁化が変化する程度の短絡電流が１秒以内に流れ、その後１秒以内にその短絡電流を５０％以上減衰させるものであることが好ましい。また、前記短絡コイル８のインダクタンス値と抵抗値をフェライト磁石３の磁化が変化する程度の短絡電流が流れるような値とすると、効率が良い。

前記回転子２の外周には、エアギャップを介して固定子１０を設ける。この場合、ＮｄＦｅＢ磁石４が配置された近傍のエアギャップ長Ｌ１は、フェライト磁石３が配置された近傍のエアギャップ長Ｌ２よりも長くする、すなわち、ｑ軸近傍のエアギャップ長Ｌ１をｄ軸近傍のエアギャップ長Ｌ２よりも長くする。

固定子１０は、電機子鉄心１１と電機子巻線１２とを有する。この電機子巻線１２に流れる磁化電流により、前記短絡コイル８には誘導電流が誘起され、その誘導電流によって前記短絡コイル８を貫通する磁束が形成される。また、この電機子巻線１２に流れる磁化電流により、フェライト磁石３の磁化方向が可逆的に変化する。

すなわち、前記永久磁石３，４に対しては、永久磁石式回転電機の運転時において、ｄ軸電流による磁界で永久磁石３を磁化させて永久磁石３の磁束量を不可逆的に変化させる。その場合、永久磁石３を磁化するｄ軸電流を流すと同時にｑ軸電流により回転電機のトルクを制御する。

また、ｄ軸電流で生じる磁束により、電流（ｑ軸電流とｄ軸電流とを合成した全電流）と永久磁石３，４とで生じる電機子巻線の鎖交磁束量、すなわち、回転電機の全電流によって電機子巻線に生じる磁束と、回転子側の２種類以上の永久磁石によって生じる磁束とから構成される電機子巻線全体の鎖交磁束量をほぼ可逆的に変化させる。

特に、本実施の形態では、瞬時の大きなｄ軸電流による磁界で可変磁力用永久磁石３を不可逆変化させる。この状態で不可逆減磁がほとんど生じないか、僅かの不可逆減磁が生じる範囲のｄ軸電流を連続的に流して運転する。このときのｄ軸電流は電流位相を進めて端子電圧を調整するように作用する。

また、大きなｄ軸電流でフェライト磁石３の極性を反転させ、電流位相を進める運転制御方法を行う。このようにｄ軸電流でフェライト磁石３の極性を反転させているので、端子電圧を低下させるような負のｄ軸電流を流しても、フェライト磁石３にとっては減磁界ではなく増磁界となる。すなわち、負のｄ軸電流でフェライト磁石３は減磁することなく、端子電圧の大きさを調整することができる。

一般の磁石モータでは磁石の極性は反転していないので電流位相を進めることによりｄ軸電流が増加すると、磁石が不可逆減磁する問題があるが、本実施の形態においては、フェライト磁石３の極性を反転させて位相を進めることが可能である。

（１−２．基本的な作用）
つぎに、第１の実施の形態おいて、作用について説明する。
本発明では、固定子の電機子巻線に通電時間が極短時間（０．１ｍｓ〜１００ｍｓ程度）となるパルス的な電流を流して磁界を形成し、フェライト磁石３に磁界を作用させる。に永久磁石を磁化するための磁界を形成するパルス電流は固定子の電機子巻線のｄ軸電流成分とする。

２種類の永久磁石の厚みはほぼ同等するとｄ軸電流による作用磁界による永久磁石の磁化状態変化は保磁力の大きさにより変る。また、磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石（フェライト磁石３）は、磁極の中心のｄ軸近傍部に配置されているので、ｄ軸電流による磁界を強く受けることができる。

はじめに永久磁石の全鎖交磁束を減少させる動作について、図２に従って述べる。磁極の永久磁石の磁化方向とは逆方向の磁界を発生する負のｄ軸電流を電機子巻線にパルス的に通電させる。負のｄ軸電流によって変化した磁石内の磁界が−２８０ｋＡ／ｍになったとすると、フェライト磁石３の保磁力が２８０ｋＡ／ｍなのでフェライト磁石３の磁力は不可逆的に大幅に低下する。

一方、ＮｄＦｅＢ磁石４の保磁力が１０００ｋＡ／ｍなので磁力は不可逆的に低下しない。その結果、パルス的なｄ軸電流が０になるとフェライト磁石３のみが減磁した状態となり、全体の磁石による鎖交磁束量を減少することができる。さらに-２８０ｋＡ／ｍよりも大きな逆磁界をかけるとフェライト磁石３がは逆方向に磁化して極性は反転する。この場合、フェライト磁石３の磁束とＮｄＦｅＢ磁石４の磁束は打ち消しあうので永久磁石の全鎖交磁束は最小になる。

つぎに、永久磁石の全鎖交磁束を増加させて最大に復元させる過程を、図３に従って説明する。フェライト磁石３の極性は反転しており、反転した磁化とは逆方向（初期の磁化方向）の磁界を発生する正のｄ軸電流を電機子巻線に通電する。反転した逆極性のフェライト磁石３の磁力は前記磁界が増すに連れて減少し、０になる。

さらに正のｄ軸電流による磁界を増加させると極性は反転して初期の極性の方向に磁化される。ほぼ完全な着磁に必要な磁界である３５０ｋＡ／ｍをかけると、フェライト磁石３は着磁されてほぼ最大に磁力を発生する。尚、ｄ軸電流は連続通電で増加させる必要はなく、目標の磁力にする電流を瞬間的なパルス電流を流せばよい。

一方、ＮｄＦｅＢ磁石４の保磁力が１０００ｋＡ／ｍなのでｄ軸電流による磁界が作用してもＮｄＦｅＢ磁石４の磁力は不可逆的に変化しない。その結果、パルス的な正のｄ軸電流が０になるとフェライト磁石３のみが増磁した状態となり、全体の磁石による鎖交磁束量を増加することができる。これにより元の最大の鎖交磁束量に戻すことが可能となる。

以上のようにｄ軸電流による瞬時的な磁界をフェライト磁石３とＮｄＦｅＢ磁石４に作用させることにより、フェライト磁石３の磁力が不可逆的に変化させて、永久磁石の全鎖交磁束量を任意に変化させることが可能となる。

（１−３．磁気障壁の作用）
前記ＮｄＦｅＢ磁石４の外周部に設けられた磁気障壁の作用について、図２により、述べる。磁気障壁となる空洞５は、フェライト磁石３の外周部になく、ＮｄＦｅＢ磁石４外周部のみに設けられている。ＮｄＦｅＢ磁石４は磁気障壁があるので、ｄ軸電流による磁界は小さくなる。

一方、フェライト磁石３は磁気障壁がないのでｄ軸電流により生じる磁界は高くできる。これより、ｄ軸電流による磁界Ａを効果的にフェライト磁石３に作用させることができる。また、ｄ軸電流により増加する磁束に関しても、ＮｄＦｅＢ磁石４を通る磁束量の増加を抑制できるので、鉄心の磁気飽和を緩和でき、フェライト磁石３の磁化を変化させるためのｄ軸電流も低減できる。

また、図４に示すように、ｑ軸磁束Ｂが磁石外周部の鉄心を横切るように分布するが、磁気障壁となる空洞５があるので磁路断面積が狭くなって磁気抵抗が高くなる。したがって、ｑ軸インダクタンスを小さくすることができ、端子電圧を下げることができる。

（１−４．内周側の磁路断面積の作用）
つぎに、図３により、ＮｄＦｅＢ磁石４の内周側に設けられた空洞５の作用について述べる。本実施の形態で三角状の空洞５が設けられており、磁石による磁束の磁路断面積Ｓとしては狭くなる。本実施の形態では、ＮｄＦｅＢ磁石４の下部の鉄心部では三角状の空洞５により磁路面積Ｓが狭くなっている。前記下部鉄心の磁路断面積は、ＮｄＦｅＢ磁石４の磁化方向面（下面）の断面積の１／２程度である。したがって、ＮｄＦｅＢ磁石４の残留磁束密度は１．２程度であり、断面積の狭い鉄心部分の磁束密度は２Ｔ近傍になる。

したがって、ＮｄＦｅＢ磁石４の磁束だけで磁気飽和近傍まで高くなっている。この状態でさらにｄ軸電流による磁界Ａが作用しても、磁路断面積の狭い部分Ｓの鉄心は磁気飽和しているので、磁束の増加がほとんどない。すなわち、ｄ軸電流による磁界Ａは、ＮｄＦｅＢ磁石４よりはフェライト磁石３に強く作用させることができる。

（１−５．短絡コイルの作用）
つぎに、図５により、短絡コイル８の作用について述べる。フェライト磁石３とＮｄＦｅＢ磁石４は、回転子鉄心２内に埋め込まれて磁気回路を構成しているので、前記ｄ軸電流による磁界はフェライト磁石３のみでなく、ＮｄＦｅＢ磁石４にも作用する。本来、前記ｄ軸電流による磁界はフェライト磁石３の磁化を変化させるために行う。

そこで、前記ｄ軸電流による磁界がＮｄＦｅＢ磁石４に作用しないようにし、フェライト磁石３に集中するようにすればよい。本発明ではＮｄＦｅＢ磁石４の周囲に短絡コイルを配置する。短絡コイルはＮｄＦｅＢ磁石４の磁化方向を中心軸とし配置する。前記ｄ軸電流による磁界がＮｄＦｅＢ磁石４に作用すると、前記磁界を打ち消すような誘導電流が短絡コイルに流れる。したがって、ＮｄＦｅＢ磁石４中には前記ｄ軸電流による磁界と短絡電流による磁界で、磁界の増減はほとんど生じない。さらに短絡電流による磁界はフェライト磁石３にも作用し、ｄ軸電流による磁界と同方向になる。

したがって、フェライト磁石３を磁化させる磁界が強まり、少ないｄ軸電流でフェライト磁石３を磁化できることになる。また、短絡コイルによりｄＦｅＢ磁石は前記ｄ軸電流の影響を受けず、磁束の増加はほとんど生じないので、前記ｄ軸電流による電機子鉄心の１１磁気飽和も緩和できる。

なお、ＮｄＦｅＢ磁石４の下面（回転子の内周側）に、前記短絡コイル８に代えて導電性の板を設けることもできる。導電性の板として、銅板またはアルミ板を使用することが好ましい。また、導電性の板は、ＮｄＦｅＢ磁石４の下面に限らず、上面（回転子の外周側）に配置しても良いが、上面に設けると、電流高調波やスロット高調波で導電性板に誘導電流が生じて前記高調波を低減できるメリットがある。

このような構成では、磁化電流によって発生した磁界が導電性の板に加わると、導電性の板の表面には誘導電流（渦電流）が発生し、それによって、前記短絡コイル８と同様な磁界Ｂが発生する。その磁界Ｂにより、ＮｄＦｅＢ磁石４中には前記ｄ軸電流による磁界と短絡電流による磁界で、磁界の増減はほとんど生じない。さらに短絡電流による磁界はフェライト磁石３にも作用し、ｄ軸電流による磁界と同方向になる。同時に、電機子鉄心１１の磁気飽和を緩和する作用も発揮される。

（１−６．エアギャップ長の作用）
第１のに実施の形態では、図１に示すように、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石（ＮｄＦｅＢ磁石４）が配置された近傍のエアギャップ長Ｌ１は、保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石（フェライト磁石３）が配置された近傍のエアギャップ長Ｌ２よりも長くした構成とする。

本実施の形態では、ｄ軸電流による磁界は永久磁石３，４に作用させることを目的としているが、漏れ磁界も生じる。そのため、本実施の形態ではｑ軸近傍のエアギャップ長Ｌ２をｄ軸近傍のエアギャップ長Ｌ１よりも大きくしている。すなわち、エアギャップ長は保磁力とフェライト磁石３が配置された近傍で短くなっているので、エアギャップ部分の磁気抵抗が小さくなる。

したがって、磁石を磁化させるためのｄ軸電流による磁界は、ｄ軸部に配置されたフェライト磁石３に集中させることができ、同時に高い磁界を作用させることができ、少ないｄ軸電流でフェライト磁石３を効果的に磁化できる。また、ｑ軸方向の磁気抵抗を大きくするような非磁性部分を回転子鉄心内に設けてもよい。

（２．第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石４と保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石３間に非磁性層を設けることを特徴とする。すなわち、図６に示すように、本実施の形態では、ＮｄＦｅＢ磁石４，４とフェライト磁石３間に隙間９を空けることで、両永久磁石３，４間に回転子鉄心２の一部が非磁性層として存在することになる。

本発明のような構成の永久磁石式回転電機では、ＮｄＦｅＢ磁石４が形成する磁界はフェライト磁石３にも作用して、逆磁界がかかる。このためフェライト磁石３をＮｄＦｅＢ磁石４と同方向に磁化させる場合、前記の逆磁界Ｃが作用する。その結果、前記フェライト磁石３を磁化させるためｄ軸電流が大きくなる。

本実施の形態では、ＮｄＦｅＢ磁石４とフェライト磁石３間に隙間９が設けられているので、ＮｄＦｅＢ磁石４による磁界Ｃはこの隙間９部分を流れ、フェライト磁石３中では小さくすることができる。これによりフェライト磁石３を磁化するためのｄ軸電流を小さくすることができる。

（３．各実施の形態の効果）
前記各実施の形態においては、次の効果が得られる。
本発明の実施の形態では、ｄ軸電流でフェライト磁石３を不可逆的に変化させることにより、フェライト磁石３とＮｄＦｅＢ磁石４を合わせた永久磁石の全鎖交磁束量を広範囲に調整することができる。

フェライト磁石３に関しては、前記磁石３をｄ軸近傍に配置し、その近傍のエアギャップ長を狭くして磁界を高める。ＮｄＦｅＢ磁石４に関しては、エアギャップ側の鉄心２に磁気障壁である空洞５を設けること、及び、ＮｄＦｅＢ磁石４の磁路において磁路断面積の狭い部分を設けることにより、ＮｄＦｅＢ磁石４のｄ軸電流による磁界は小さくなる。

したがって、これらの技術によりｄ軸電流による磁界Ａは、フェライト磁石３に集中して作用し、高くできる。すなわち、少ないｄ軸電流で永久磁石の全鎖交磁束量３，４を変化させることができる。これより、ｄ軸電流を供給するインバータ電源の電気容量も小さくできる。

また、永久磁石の全鎖交磁束量の調整は、回転電機の電圧を広範囲に調整することを可能とし、また、着磁は極短時間のパルス的な電流で行うので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。また、従来のよう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。以上より、本発明の回転電機は、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。

（４．他の実施の形態）
本発明は、前記の各実施の形態に限定されるものではなく、つぎのような他の実施の形態も包含する。

(1) 前記各実施の形態では４極の回転電機を示したが、８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もちろんであり、作用と効果は同様に得られる。

(2) 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み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) 前記回転子鉄心２において、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石の外周側に、磁気障壁を構成するために設ける空洞の形状や位置、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石の内周側にその磁路断面積を決定するために設ける空洞の位置などは、使用する永久磁石の保磁力や磁化電流によって生じる磁界の強さなどに応じて、適宜変更できる。

(4) 運転時に極短時間のパルス的なｄ軸電流によ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、かつ、全磁石の誘起電圧に対して位相を進めた電流を連続的に通電させて、電流と永久磁石で生じる電機子巻線の鎖交磁束量を変化させる。

すなわち、パルス電流で永久磁石の磁束量を減少させ、さらに電流位相を進めると、磁石磁束に対して逆方向の電流で生じる磁束が発生するので、これを相殺して、全鎖交磁束を減少でき、端子電圧を低下させることができる。なお、電流位相を進めることは負のｄ軸電流成分を流していることと等価である。

このような電流位相進み制御においては、電流位相を進めるとｄ軸電流が流れて磁石は減磁して幾分磁束量は減る。しかし、パルス電流で大きく減磁させているので、磁束量の低下は比率的には小さい利点がある。

本発明の第１の実施の形態における回転子と固定子の断面図。 第１の実施の形態における減磁時の状態を示す断面図。 第１の実施の形態における増磁時の状態を示す断面図。 本発明における磁気障壁とｑ軸磁束との関係を示す断面図。 本発明における短絡コイルの作用を示す断面図。 本発明の第２の実施の形態を示す断面図。 特許文献１に記載の回転子の断面図。 特許文献１に記載の回転子の作用を示す模式図。

符号の説明

１…回転子
２…回転子鉄心
３…保磁力と磁化方向厚の積が小となる永久磁石
４…保磁力と磁化方向厚の積が大となる永久磁石
５…空洞（磁気障壁）
６…永久磁石端の空洞
７…磁極部
８…短絡コイル
９…非磁性層

Claims (14)

1. 保磁力と磁化方向厚の積が他の永久磁石と異なる２種類以上の永久磁石を用いて回転子の磁極を形成し、磁極の中心部に保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を配置し、磁極間側に保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石を配置し、電機子巻線の電流が作る磁界により少なくとも１個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. 保磁力と磁化方向厚の積が他の永久磁石と異なる２種類以上の永久磁石を用いて回転子の磁極を形成し、前記永久磁石は半径方向位置では回転子のエアギャップ近傍部に配置し、周方向位置では回転子磁極の中心部に保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を配置し、磁極間側に保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石を配置し、電機子巻線の電流が作る磁界により少なくとも１個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。
3. 保磁力と磁化方向厚の積が他の永久磁石と異なる２種類以上の永久磁石を用いて回転子の磁極を形成し、前記永久磁石は半径方向位置では回転子のエアギャップ近傍部に配置し、周方向位置では回転子磁極の中心部に保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を配置し、磁極間側に保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石を配置し、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石の磁束が通る磁路中に磁気抵抗の大きな磁気障壁を設け、電機子巻線の電流が作る磁界により少なくとも１個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。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項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の積が大の永久磁石と回転子鉄心のエアギャップ側鉄心部との間に磁気障壁を設けることを特徴とする永久磁石式回転電機。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項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の積が大の永久磁石の磁束が流れる回転子鉄心部分の磁路断面積を永久磁石の磁路断面積より狭くすることを特徴とする永久磁石式回転電機。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項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の積が大の永久磁石の磁束が流れる回転子鉄心部分の一部が無負荷時にほぼ磁気飽和する磁路断面積とすることを特徴とする永久磁石式回転電機。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項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の積が大の永久磁石と保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石間に非磁性層を設けることを特徴とする永久磁石式回転電機。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項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の積が大の永久磁石が配置された近傍のエアギャップ長は、保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石が配置された近傍のエアギャップ長よりも長くすることを特徴とする永久磁石式回転電機。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、
   ｑ軸近傍のエアギャップ長はｄ軸近傍のエアギャップ長よりも長くすることを特徴とする永久磁石式回転電機。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項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の積が大の永久磁石の磁化方向を中心軸として前記永久磁石の磁路中に短絡コイルまたは導電性の板を設けることを特徴とする永久磁石式回転電機。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、
    磁極の磁石を不可逆変化させて鎖交磁束を最小にした状態で回転子が最高回転速度になったときに、永久磁石による誘導起電圧を、回転電機の電源であるインバータ電子部品の耐電圧以下とすることを特徴とする永久磁石式回転電機。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、
    回転子を固定子に挿入して組み立てる時は保磁力と磁化方向厚の積が小さな永久磁石を不可逆変化させて、永久磁石による鎖交磁束を減少させた状態とすることを特徴とする永久磁石式回転電機。
13. 請求項１から請求項１２のいずれか１項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の積が小さな永久磁石をその極性が反転するまで減磁した状態において、電流位相を進める運転を行うことを特徴とする永久磁石式回転電機。
14. 請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、
    運転時に極短時間のパルス的なｄ軸電流によ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、かつ、全磁石の誘起電圧に対して位相を進めた電流を連続的に通電させて、電流と永久磁石で生じる電機子巻線の鎖交磁束量を変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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