JP2011223742A - 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、製造性向上を実現する回転電機を提供する。
【解決手段】可変磁力磁石５を磁極１の中央に設けられた磁石挿入孔に挿入し、固定磁力磁石４を可変磁力磁石５の幾何学的中心５ａに対して、非対称に配置された磁石挿入孔３Ａ，３Ｂに挿入する。これにより、磁極１の磁気的中心１ａと可変磁力磁石５の幾何学的中心５ａが周方向にずれるように構成される。さらに、このずれ量の異なる複数の磁極を周方向もしくは軸方向に並べることにより、永久磁石の減磁を緩和しつつ固定子巻線に誘起する電圧の高調波を低減するとともに、電機子巻線の電流が作る磁界により可変磁力磁石５を不可逆的に磁化させて永久磁石の全鎖交磁束量を変化させることにより高出力で広範囲の可変速運転が可能となり、同時に広い運転範囲で高効率が得られる。
【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。

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の強さ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）が極めて高くなり、電源電圧上限に達して出力に必要な電流を流すための励磁電圧を印加することができなくなる。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することができなくなる。これを避けるためには、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。

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が、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、高調波磁束による電磁力で振動を発生する可能性もある。

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（以下、可変磁力磁石という）と、可変磁力磁石の２倍以上の保磁力を有する高保磁力の永久磁石（以下、固定磁力磁石という）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可変磁力磁石と固定磁力磁石による全鎖交磁束が減じるように、電流による磁界で可変磁力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。

さらに特許文献３においては可変磁力磁石を磁化する際に、電流による磁界が可変磁力磁石に集中するように短絡コイルを配置する技術が記載されている。この特許文献３の技術を用いた永久磁石式回転電機は、例えば、図１７に記載のような構成の回転子を備えている。すなわち、回転子は、図示しない回転子軸、回転子鉄心２、可変磁力磁石５及び固定磁力磁石４Ａ，４Ｂおよび短絡コイル６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、可変磁力磁石５は回転子鉄心２の磁極１中央に設けられた磁石挿入孔３Ｃ挿入され、固定磁力磁石４Ａ，４Ｂは可変磁力磁石５の左右に設けられた磁石挿入孔３Ａ，３Ｂに挿入されている。この可変磁力磁石５の磁石挿入孔３Ｃの左右の空隙と固定磁力磁石の挿入孔３Ａ，３Ｂの可変磁力磁石５と反対側の空隙を利用して固定磁力磁石４Ａ，４Ｂを取り囲むように短絡コイル６が巻かれている。

このように構成された永久磁石式回転電機では、固定子巻線に極短時間となるパルス的な電流を流して磁界を形成し、可変磁力磁石５に磁界を作用させることで可変磁力磁石５の磁力を変化させることができる。この際に、短絡コイル６には磁界に侵入を防ぐように短絡電流が流れるため、固定子電流のつくる磁界はほぼ可変磁力磁石５のみに作用し、十分な着磁磁界が作用する。

その結果、本実施の形態の回転子では、可変磁力磁石５を着磁することにより可変磁力磁石５と固定磁力磁石4Ａ,4Ｂ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、低速域では可変磁力磁石５は固定磁力磁石４Ａ，４Ｂ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を最大にすることができる。中・高速域では、可変磁力磁石５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。

また、この種の回転子鉄心２内に永久磁石を埋め込むような永久磁石式回転電機では、発生トルクのリップルや誘起電圧の高調波成分を低減するために、図１８に示すように、磁極Ａの中心と磁極Ｂの中心の位置を周方向にずらした磁極を軸方向に配置する（段スキュー）が一般的に行われている。このような段スキューを行う永久磁石式回転電機においては、スキュー面近傍の磁石が不可逆減磁する課題があり、これを防止するため特許文献４においては、図１９に示すようにスキュー面において固定磁力磁石４及可変磁力磁石５の端面と鉄板の間にギャップまたは非磁性スペーサ９を設ける技術が記載されている。

また、この段スキューに代わる方法として、特許文献５においては回転子外径面を溝を設ける等によって非対称構造とし、幾何学的中心と磁気的中心を周方向にずらし、このずれ方向が異なる磁極を周方向に配置することで段スキューと同様の効果を得る技術が記載されている。

特開２００６−２８０１９５号公報 特開２００８−４８５１４号公報 特開２００８−２９６０８０号公報 特開２００９−１３６０４０号公報 特開２００８−３２２６１２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

しかしながら、特許文献３の発明の図１７、１８に示す構成を有する永久磁石式回転電機では、磁極をずらして配置しているので、互いの磁極における可変磁力磁石の位置もずれることになる。ずれた磁極の影響により、特にスキュー面近傍で可変磁力磁石が不可逆減磁しやすく、これを防止するためにはスキュー面に広いギャップを設ける必要があって、回転子の有効長が短くなり、永久磁石式回転電機の体格が大きくなる課題がある。

また、短絡コイルを設ける場合には、短絡コイルについても段スキューする必要があり、このため、スキュー面に短絡コイルが周方向に位置を変えることができるようなスペースが必要となり、これも回転子の有効長を短くする要因となる。さらに、このように短絡コイルをスキュー面でほぼ直角に曲げることは短絡コイルの製造性を著しく悪化させるとともにその信頼性を低減するという課題がある。

さらに、回転子の外周面を非対称とする方法では、磁極の幾何学的中心と磁気的中心の周方向のずれ量が十分でなく、スキュー効果が低減したり、従来の段スキューと併用しなければならないような課題がある。

そこで、本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、段スキューをおこなわずに同等の効果を得ることを目的とする。これにより、低速から高速までの全運転範囲で高効率にでき、インバータのパワー素子容量も低減できて、製造容易でかつ段スキューによる永久磁石の減磁の恐れのない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、磁極の左右および中央に磁石挿入孔を設け、このうち左右の磁石挿入孔に固定磁力磁石を配置し、中央の磁石挿入孔に可変磁力磁石を配置して磁極を形成し、この磁極を回転子鉄心内に複数個配置して回転子を形成し、この回転子の外周にエアギャップを介して固定子を配置し、この固定子に電機子鉄心と電機子巻線を設け、この電機子巻線が作る磁界により前記回転子の磁極を構成する可変磁力磁石を磁化させることにより、可変磁力磁石の磁束量を不可逆的に変化させ、前記の可変磁力磁石の幾何学的中心と磁極の磁気的中心が周方向にずれた２種類以上の磁極を有することを特徴とする。

なお、前記の可変磁力磁石の幾何学的中心と磁極の磁気的中心が周方向にずらすために、
(1)固定磁力磁石の寸法、形状及び位置
(2)固定磁力磁石または可変磁力磁石の磁石挿入孔の寸法、形状及び位置
のうち少なくとも１つを左右非対称としたり、
前記可変磁力磁石を挿入する磁石挿入孔を可変磁力磁石の幾何学的中心に対して非対称とし、当該磁石挿入孔の可変磁力磁石を挿入しないスペースに固定磁力磁石を挿入したり、
磁極外周部に磁極の磁気的中心と反対側で固定子との間のギャップを広く、同じ側でより狭くするような不均一のギャップを設けたり、
可変磁力磁石の幾何学的中心から見て磁極の磁気的中心と反対側に切欠きを設けたり、
可変磁力磁石の幾何学的中心から見て磁極の磁気的中心と反対側の磁気バリアを、同じ側の磁気バリアより大きくたしりすることも本発明の一態様である。

また、段スキューをおこなわずに同等の効果を得るために、可変磁力磁石の幾何学的中心と磁極の磁気的中心のずれが異なる複数の磁極を周方向に配置したり、Ｖスキューをおこなわずに同等の効果を得るために、軸方向に３分割以上で分割し、軸方向の両端の磁極を同一形状としたり、短絡コイルをスキューをおこなわずに同等の効果を得るために、軸方向に異なる位置の磁極において、短絡コイルの位置をそれぞれの可変磁力磁石の幾何学的中心からみて同一位置に配置したり、短絡コイルの可変磁力磁石に近い側を可変磁力磁石と一体化したりす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、固定磁力磁石の配置そのものを非対称とするために、可変磁力磁石の幾何学的中心と磁極の磁気的中心との周方向のずれ量を十分確保することができる。このずれ量の異なる磁極を周方向もしくは軸方向に配置することで可変磁力磁石および短絡コイルについてはスキューを行うことなく、段スキューと同様の効果を得ることができる。

また、本発明によれば、可変磁力磁石および短絡コイルはスキューしないため、製造性が向上すると共に、回転子の有効長の低減がおこらず体格の小さな回転電機を提供できる。さらに可変磁力磁石の不可逆減磁や短絡コイルの信頼性の低下の恐れがなく信頼性の高い回転電機を提供できる。

本発明の実施例１における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の展開断面図 本発明の実施例１における磁極の解析結果の磁石磁束分布を示した断面図 本発明の実施例１における永久磁石式回転電機の磁極の２極分の展開断面図 本発明の実施例２における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の展開断面図 本発明の実施例３における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の展開断面図 本発明の実施例３の変形例における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の展開断面図 本発明の実施例４における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の展開断面図 本発明の実施例５における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の展開断面図 本発明の実施例６における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の展開断面図 本発明の実施例７における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の展開断面図 本発明の実施例８における永久磁石式回転電機の１極分の磁極とその磁極を反転させた断面図 本発明の実施例８における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の斜視図 本発明の実施例９における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の斜視図 本発明の実施例１０における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の斜視図 本発明の実施例１１における永久磁石式回転電機の１極分の磁極とその磁極を反転させた磁極の断面図 本発明の実施例１２における永久磁石式回転電機の１極分の磁極とその磁極を反転させた磁極の断面図 従来技術の永久磁石式回転電機における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の断面図 従来技術の永久磁石式回転電機における段スキューを示す斜視図及び断面図 従来技術の永久磁石式回転電機における段スキュー拡大斜視図

以下、本発明に係る永久磁石式回転電機の実施例について、図面を参照して説明する。本実施例の回転電機は８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。

［１−１．１極分の構成］
図１を用いて本発明の実施例１を説明する。図１は本発明の実施例１における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の展開断面図である。図１の符号１は、実施例１の永久磁石式回転電機の磁極１における磁極である。この永久磁石式回転電機は、回転子鉄心２には、固定磁力磁石または可変磁力磁石を挿入する磁石挿入孔３Ａ〜３Ｃを設ける。この磁石挿入孔３Ａ〜３Ｃの配置としては、磁石挿入孔３Ｃの両側に磁石挿入孔３Ａ，３Ｂを配置する。本実施例では、磁石挿入孔３Ａと磁石挿入孔３Ｂの大きさは、磁石挿入孔３Ｂの方が大きくなるようにする。

この磁石挿入孔３Ａ，３Ｂには、保磁力と磁化方向の厚みの積が大となる固定磁力磁石４Ａ、４Ｂを挿入する。また、磁石挿入孔３Ｃは、保磁力と磁化方向の厚みの積が小となる可変磁力磁石５を挿入する。各磁石挿入孔３Ａ〜３Ｃには、磁石挿入孔のサイズにあった磁力磁石４，５を挿入する。すなわち、磁石挿入孔３Ａより大きい磁石挿入孔３Ｂには、固定磁力磁石４Ａより大きい固定磁力磁石４Ｂを挿入する。可変磁力磁石５の両側に配置する固定磁力磁石４Ａ，４Ｂの大きさが異なるために、固定磁力磁石４Ａ，４Ｂの磁気中心は、固定磁力磁石４Ａの側にずれることになる。これにより、磁石挿入孔３Ａ〜３Ｃと各磁石は、固定磁力磁石挿入孔３Ａと固定磁力磁石挿入孔３Ｂおよび固定磁石磁力４Ａと固定磁力磁石４Ｂとは、可変磁力磁石の幾何学的中心５ａに対して左右非対称な寸法、配置とする。

ここで配置した、固定磁力磁石４Ａ，４Ｂは、可変磁力磁石５に対して、磁気回路上で並列回路を構成する。すなわち、回転子鉄心２内を通過する磁束が可変磁力磁石５及び固定磁力磁石４Ａ，４Ｂの部分をその厚さ方向に通過するように、磁極部１を構成する。この磁極部１の中心軸方向がｄ軸、磁極間の中心軸方向がｑ軸となる。

また、可変磁力磁石５は、１個の可変磁力磁石のみで構成するのではなく、可変磁力磁石と固定磁力磁石とを組み合わせて作製した可変磁力磁石を用いてもよい。具体的には、可変磁力磁石５と固定磁力磁石４Ｃを各磁石の磁化方向に重ね合わせて１つの磁石を構成する。すなわち、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４Ｃの磁化方向を同じくして、磁気的に直列に配置する。この直列に重ねた磁石は、磁化方向がｄ軸方向（ここでは、ほぼ回転子の半径方向）となる位置で回転子鉄心２内に配置する。一方、可変磁力磁石５と固定磁力磁石４Ｃを直列に重ねた磁石の両側に、固定磁力磁石４Ａ，４Ｂを磁化方向がｄ軸方向となる位置で配置する。この横に配置した固定磁力磁石４Ａ，４Ｂは、前記直列に重ねた磁石に対して、磁気回路上で並列回路を構成する。すなわち、磁気回路上では、可変磁力磁石３に対して、直列に固定磁力磁石４ａを、並列に固定磁力磁石４Ａ，４Ｂを配置する。

本実施例では、可変磁力磁石３としてはフェライト磁石、固定磁力磁石４としてはＮｄＦｅＢ磁石を使用する。また、可変磁力磁石３としては、ＳｍＣｏ系磁石、ＣｅＣｏ系磁石、ＮｄＦｅＢ系磁石の中で保持力の弱い磁石を使用することもできる。一例として、可変磁力磁石３の保磁力を２８０ｋＡ／ｍ、固定磁力磁石４の保磁力は１５００ｋＡ／ｍとするが、必ずしもこのような値に限定されるものではない。可変磁力磁石３は負のｄ軸電流によって不可逆的に磁化されるものであればよく、固定磁力磁石４は負のｄ軸電流によって不可逆的に磁化されないものであれば良い。

［１−２．１極分の作用］
次に、前記のような構成を有する本実施例の永久磁石式回転電機の磁極の１極分の作用について説明する。図２は、本実施例の解析結果の磁石磁束分布を示したものである。

可変磁力磁石５の両側に配置する固定磁力磁石４Ａ，４Ｂの大きさが同じ場合には、固定磁力磁石４Ａ，４Ｂの磁気中心は、固定磁力磁石４Ａ，４Ｂの中央になる。これにより、可変磁力磁石５の中心である５ａと固定磁力磁石４Ａ，４Ｂの磁気的中心が一致する。しかしながら、本実施例では、可変磁力磁石５の両側に配置する固定磁力磁石４Ａ，４Ｂの大きさが異なる。そのため、図２に示すように、固定磁力磁石４Ａ，４Ｂの磁気的中心が、固定磁力磁石４Ａの側にずれ、可変磁力磁石５の磁気的中心である５ａから固定磁力磁石４Ｂ側の周方向にずれている。

［１−３．２極分の構成］
図３は本発明の実施例１における永久磁石式回転電機の磁極の２極分の展開断面図である。図中の磁極１Ａと磁極１Ｂでは、可変磁力磁石５の幾何学的中心５ａと磁極の磁気的中心１ａの周方向のずれ量が異なる。この互いに幾何学的中心５ａと磁極の磁気的中心１ａの周方向のずれ量が異なる２つの磁極１Ａと磁極１Ｂとを、それぞれの磁極の可変磁力磁石５の幾何学的中心５ａが極数で決まる磁極ピッチに等しくなるように配置する。すなわち、可変磁力磁石５の幾何学的中心５ａが平均的な磁極の磁気的中心１ａと一致するようにする。

［１−４．２極分の作用］
次に、前記のような構成を有する本実施形態の永久磁石式回転電機の磁極の２極分の作用について説明する。幾何学的中心５ａと磁極の磁気的中心１ａの周方向のずれ量が異なる２つの磁極Ａ，Ｂを磁極ピッチに等しくなるように配置した本実施例では、磁極１Ａの磁気的中心１Ａａと磁極１Ｂの磁極の磁気的中心１Ｂａが平均的な磁極の磁気的中心１ａに対して反対側にずれることになる。これによって図３に示すように平均的な磁極の磁気的中心１ａに対して反対側にずれた磁極と軸方向に配置する段スキューと同じ効果が得られる。

［１−５．実施例１の効果］
本実施例では、軸方向に段スキューが行わなくて済むため、スキュー面での永久磁石の減磁の恐れがなく、またそれを緩和するためにスキュー面にスペースを設ける必要がないため、回転子の有効長が減少することがなく、減磁の恐れのない信頼性が高く体格の小さな永久磁石式回転電機を提供できる。

［２−１．実施例２の構成］
図４を用いて本発明の実施例２を説明する。本実施例は、実施例１の固定磁力磁石４Ｂのサイズを変更したものである。

図４は本発明の実施例２における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の展開断面図である。実施例２の磁極１の磁石挿入孔３Ａ〜３Ｃでは、実施例１と同様に、磁石挿入孔３Ａ，３Ｂの大きさを、磁石挿入孔３Ｂの方が大きさが大きくなるようにする。一方、固定磁力磁石挿入孔３Ａ，３Ｂに挿入する固定磁力磁石４Ａと固定磁力磁石４Ｂについては、同一の寸法・形状とする。

［２−２．実施例２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。可変磁力磁石の幾何学的中心５ａと磁極の磁気的中心１ａの周方向のずれ量は、主として固定磁力磁石挿入孔３Ａと固定磁力磁石挿入孔３Ｂの寸法、配置によって決まるため、本実施例においても可変磁力磁石の幾何学的中心５ａと磁極の磁気的中心１ａの周方向のずれ量は実施例１から大きく変化することはない。

［２−３．実施例２の効果］
このような実施例２の効果としては、前記実施例１の効果に加え、固定磁力磁石４Ａと固定磁力磁石４Ｂについては同一の寸法・形状としているため、固定磁石挿入の際に２種類の固定磁石を判別する必要がなくなり、作業性が向上する。また、部品点数が減少するためにコストが低減でき、より安価な永久磁石式回転電機を提供できる。

［３−１．実施例３の構成］
図５，６を用いて本発明の実施例３を説明する。本実施例は、磁極の中心１ａに対して左右対称な磁石挿入孔３Ａ〜３Ｃに配置する可変磁力磁石５の配置位置を、磁石挿入孔３Ｃの幾何学的中心からずらして配置したものである。

図５は本発明の実施例３における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の展開断面図である。本実施例では、固定磁力磁石挿入孔３Ａ，３Ｂの大きさ及び固定磁力磁石４Ａ，４Ｂの大きさは、同一のものとする。この固定磁力磁石挿入孔３Ａと固定磁力磁石挿入孔３Ｂとを磁極の磁気的中心１ａに対して左右対称の形状とする。また、可変磁力磁石挿入孔３Ｃの幾何学的中心と固定磁力磁石挿入孔３Ａ，３Ｂの幾何学的中心が一致するように可変磁力磁石挿入孔３Ｃを設ける。そのため、固定磁力磁石挿入孔３Ａと固定磁力磁石挿入孔３Ｂおよび可変磁力磁石挿入孔３Ｃにより形成される磁石外径側鉄心２ｂがほぼ左右対称の形状となる。一方、可変磁力磁石挿入孔３Ｃの内部に配置する可変磁力磁石５は、可変磁力磁石挿入孔３Ｃの幾何学的中心からずらして配置する。

一方、図６は、本実施例における変形例を示す永久磁石式回転電機の磁極の１極分の展開断面図である。この変形例は、図５と同様に、可変磁力磁石挿入孔３Ｃの内部に配置する可変磁力磁石５を、可変磁力磁石挿入孔３Ｃの幾何学的中心からずらして配置する。一方、固定磁力磁石挿入孔３Ａ，３Ｂ及び固定磁力磁石４Ａ，４Ｂは、図５と異なり、固定磁力磁石挿入孔３Ａと固定磁力磁石挿入孔３Ｂおよび固定磁石磁力４Ａと固定磁力磁石４Ｂとは、可変磁力磁石の幾何学的中心５ａに対して左右非対称な寸法、配置とする。

［３−２．実施例３の作用］
次に、前記図５，６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。可変磁力磁石５を可変磁力磁石挿入孔３Ｃの幾何学的中心からずらして配置することにより、固定磁力磁石挿入孔３Ａ，３Ｂ及び固定磁力磁石４Ａ，４Ｂも可変磁力磁石５の幾何学的中心５ａに対して左右非対称な配置となり、可変磁力磁石の幾何学的中心５ａと磁極の磁気的中心１ａが周方向にずれる。本実施例においても可変磁力磁石の幾何学的中心５ａと磁極の磁気的中心１ａの周方向のずれ量は、実施例１から大きく変化することはない。

［３−３．実施例３の効果］
このような実施例３の効果としては、可変磁力磁石挿入孔３Ｃの内部に配置する可変磁力磁石５の位置をずらすという単純な方法のみで前記実施例１と同様な効果を発揮することができる。それだけでなく、固定磁力磁石挿入孔３Ａ，３Ｂの大きさ及び固定磁力磁石４Ａ，４Ｂの大きさを同一形状にした場合は、磁石外径側鉄心２ｂがほぼ左右対称の形状となるため、この部分に発生する遠心力もほぼ半径方向に働くことになり、固定磁力磁石挿入孔３Ａと可変磁力磁石挿入孔３Ｃ、および固定磁力磁石挿入孔３Ｂと可変磁力磁石挿入孔３Ｃにより形成される回転子鉄心のブリッジ部２ａで遠心力により発生する曲げ応力を低減することが出来、ブリッジ部の信頼性が向上する。また、ブリッジ部を細くできるためにブリッジ部を通るもれ磁束を低減でき、トルクが向上し、より信頼性が高く体格の小さな永久磁石式回転電機を提供できる。

［４−１．実施例４の構成］
図７を用いて本発明の実施例４を説明する。本実施例は、実施例３の磁石挿入孔３Ｃに固定磁力磁石４Ｃを追加したものである。

図７は本発明の実施例４における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の展開断面図である。本実施例では、固定磁力磁石挿入孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃ及び固定磁力磁石４Ａ，４Ｂの大きさ、配置は実施例３と同様である。可変磁力磁石５についても、実施例３と同様に、可変磁力磁石挿入孔３Ｃの幾何学的中心からずらして配置する。本実施例では、可変磁力磁石５を可変磁力磁石挿入孔３Ｃのの幾何学的中心からずらして配置することによりできる間隙部に固定磁力磁石４Ｃを配置する。

［４−２．実施例４の作用・効果］
このような構成を有する実施例４では、実施例３と同様に、可変磁力磁石の幾何学的中心５ａと磁極の磁気的中心１ａが周方向にずれる。また、磁石挿入孔３Ｃに固定磁力磁石Ｃを配置しているため、その分だけ磁石量が増える。これにより、前記実施例３の効果に加えて、トルクが向上し、より体格の小さな永久磁石式回転電機を提供できる。

［５−１．実施例５の構成］
図８を用いて本発明の実施例５を説明する。図８は本発明の実施例５における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の展開断面図である。本実施例は、実施例１の回転子の一部の形状を変更したものである。本実施例では、実施例１の構成に加えて、回転子の一部の形状を変更することにより、磁石外径側鉄心２ｂの形状が、磁極の磁気的中心１ａに対して左右非対称の形状となる。

［５−２．実施例５の作用・効果］
このような構成を有する実施例５では、実施例１と同様に、可変磁力磁石の幾何学的中心５ａと磁極の磁気的中心１ａが周方向にずれる。さらに、ギャップの不均一性によっても可変磁力磁石の幾何学的中心５ａと磁極の磁気的中心１ａが周方向にずれる効果があるため、同一のずれ量を実現するための固定磁石の配置の自由度がましてより体格の小さな永久磁石式回転電機を提供できる。

［６−１．実施例６の構成］
図９を用いて本発明の実施例６を説明する。図９は本発明の実施例６における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の展開断面図である。本実施例は、第５の実施例の回転子の一部の形状を変更したものである。本実施例では、回転子２の磁極の外径部分に切欠き部７を設けることにより固定子とのギャップが左右非対称としている。

［６−２．実施例６の作用・効果］
このような構成を有する実施例６では、実施例５の効果に加え、磁極外径部の形状の構成にノッチ型を使うような製造法が適用できるため、既存の設計を一部流用するようなことが可能となり、より安価な永久磁石式回転電機を提供できる。

［７−１．実施例７の構成］
図１０を用いて本発明の実施例７を説明する。図１０は本発明の実施例７における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の展開断面図である。本実施例は、実施例１の回転子の一部の形状を変更したものである。本実施例では、実施例１の構成に加えて、磁極の外径付近に設けられた磁気バリア８を左右非対称となるように配置する。

［７−２．実施例７の作用・効果］
このような構成を有する実施例７では、実施例１と同様に、可変磁力磁石の幾何学的中心５ａと磁極の磁気的中心１ａが周方向にずれる。磁気バリア８により、磁石外径側鉄心２ｂにおける磁路断面積が狭くなって磁気抵抗が高くなる。この磁気バリア８が左右非対称なことによっても可変磁力磁石の幾何学的中心５ａと磁極の磁気的中心１ａが周方向にずれる効果があるため、同一のずれ量を実現するための固定磁石の配置の自由度がましてより体格の小さな永久磁石式回転電機を提供できる。

［８−１．実施例８の構成］
図１１，１２を用いて本発明の実施例８を説明する。図１１は本発明の実施例８における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の断面図であり、図１２は本発明の第８の実施例における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の模式的な斜視図である。

本実施例では、図１１に示すように前記各実施例のように構成された磁極１Ａを軸方向に反転したものを磁極１Ｂとする。この磁極１Ａと磁極１Ｂとを、図１２に示すように、可変磁力磁石５の幾何学的中心５ａと磁極の磁気的中心１ａが周方向にずれるように構成された磁極１Ａを軸方向に反転したものを磁極１Ｂとし、磁極１Ａと磁極１Ｂを軸方向に配置する。また、磁極１Ａと磁極１Ｂはそれぞれの磁極の可変磁力磁石の幾何学的中心５ａが一致するように配置しており、即ち可変磁力磁石の幾何学的中心５ａが平均的な磁極の磁気的中心１ａと一致する。

［８−２．実施例８の作用・効果］
このような構成を有する実施例８では、磁極１Ａの磁極中心１Ａａと磁極１Ｂの磁極中心１Ｂａを軸方向にずらして配置するという点では、従来の段スキューと同じ構造であり、従来の段スキューと同じ効果が得られる。さらに本実施例ではそれぞれの磁極の可変磁力磁石の幾何学的中心５ａが一致しているため、可変磁力磁石５についてはスキューの必要がない。

可変磁力磁石５の位置が一致しているため可変磁力磁石５では減磁の恐れがなく、それを緩和するためにスキュー面にスペースを設ける必要がない。これにより、回転子の有効長が減少することがなく、減磁の恐れのない信頼性が高く体格の小さな永久磁石式回転電機を提供できる。

また、磁極１Ｂが磁極１Ａを軸方向に反転したものとなっているため、磁極１Ａを極数分並べた鉄心ブロックに固定磁石を挿入し、それを軸方向に反転することで磁極１Ｂの鉄心ブロックを形成し、両者の鉄心ブロックを所定の位置に配置した後から可変磁力磁石５を挿入するような製造方法が可能となり、部品点数を削減して製造工数を低減したより安価な永久磁石式回転電機を提供できる。

［９−１．実施例９の構成］
図１３を用いて本発明の第９の実施例を説明する。図１３は本発明の第９の実施例における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の模式的な斜視図である。本実施例ではそれぞれの磁極の可変磁力磁石の幾何学的中心５ａに対する磁極の磁気的中心１Ａａ、１Ｂａの周方向ずれ量が異なる磁極１Ａ、１Ｂを軸方向に１Ａ、１Ｂ、１Ａのように配置し、かつ磁極１Ａの軸方向の積厚を磁極１Ｂの半分としている。

［９−２．実施例９の作用・効果］
このような構成を有する実施例９では、実施例８と同様に、磁極１Ａの磁極中心１Ａａと磁極１Ｂの磁極中心１Ｂａを軸方向にずらして配置している。さらに、磁極１Ａ、１Ｂを軸方向に１Ａ、１Ｂ、１Ａのように配置することにより、従来のＶスキューと同じ構造となる。これにより、第７の実施例に加えてＶスキューと同様に磁気的な振動モードのうち軸方向に１次のモードの発生を抑制することができて、より信頼性が高く低騒音の永久磁石式回転電機を提供できる。

［１０−１．実施例１０の構成］
図１４を用いて本発明の第１０の実施例を説明する。図１４は本発明の第１０の実施例における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の模式的な斜視図である。

本実施例では軸方向に配置された第１の実施例のように構成された磁極１Ａを軸方向に反転したものを磁極１Ｂとし、磁極１Ａと磁極１Ｂを周方向に配置したものを極数の半分だけ周方向に並べて鉄心ブロック２ＡＢとし、この鉄心ブロックと同じものを周方向に極ピッチだけ回転したものを鉄心ブロック２ＢＡとして、鉄心ブロック２ＡＢと２ＢＡを軸方向に配置している。

［１０−２．実施例１０の作用・効果］
このような構成を有する実施例１０では、磁極１Ａの磁極中心１Ａａと磁極１Ｂの磁極中心１Ｂａを軸方向にずらして配置するという点では、従来の段スキューと同じ構造であり、さらに周方向にも磁極１Ａと磁極１Ｂが交互に配置されているため、両者の効果を併せることで従来のＶスキューと同じ効果が得られる。

また、鉄心ブロック２ＢＡが鉄心ブロック２ＡＢを１極分回転したものとなっているため、鉄心ブロック２ＢＡに固定磁石を挿入し、それを１極分回転することで鉄心ブロック２ＢＡを形成し、両者の鉄心ブロックを所定の位置に配置した後から可変磁力磁石５を挿入するような製造方法が可能となり、部品点数を削減して製造工数を低減したより安価な永久磁石式回転電機を提供できる。

［１１−１．実施例１１の構成］
図１５を用いて本発明の第１１の実施例を説明する。図１５は本発明の第１１の実施例における永久磁石式回転電機の１極分の磁極１Ａと磁極１Ａを反転させた磁極１Ｂの模式的な斜視図である。

本実施例では第７の実施例の構成に加えて、可変磁力磁石５ａの幾何学的中心に対して左右対称に短絡コイル６を設けている。短絡コイル６は可変磁力磁石５を着磁する際に着磁磁界を可変磁力磁石５部分に集中させるような位置に配置する必要があるため、必要に応じて短絡コイル挿入孔６ａを設けてそこに短絡コイル６を挿入してもよい。

［１１−２．実施例１１の作用・効果］
このような構成を有する実施例１１では、可変磁力磁石５ａの幾何学的中心に対して左右対称に短絡コイル６を設けているため、磁極１Ａと磁極１Ｂはそれぞれの磁極の可変磁力磁石の幾何学的中心５ａが一致するように配置する場合、短絡コイル６を配置する場所も一致する。そのため、磁極１Ａと磁極１Ｂを軸方向に配置する場合でも、短絡コイル６をスキューする必要がない。

このため、従来のようにスキュー面で短絡コイル６をスキューするためのスペースが必要ないため、その分の回転子の有効長が減少しない。また、短絡コイル６のスキュー作業が不要なため、工数の低減され、信頼性も向上する。そのため、実施例７の効果に加えて、短絡コイル６の効果により、より少ない磁化電流で可変磁力磁石５を磁化することができるため、磁化電流を供給するインバータの容量を小さくした永久磁石式回転電機を提供できる。

［１２−１．実施例１２の構成］
図１６を用いて本発明の第１２の実施例を説明する。図１６は本発明の第１２の実施例における永久磁石式回転電機の磁極の１極分の展開断面図である。本変形例においては、第１０の実施例において可変磁力磁石側の短絡コイル６を可変磁力磁石５と一体の構造としている。具体的には短絡コイル６を板状にして可変磁力磁石５の側面に貼り付けたり、可変磁力磁石５に溝や孔を設けてそこに短絡コイル６を挿入するような構造とする。

［１２−２．実施例１２の作用・効果］
このような構成を有する実施例１２では、実施例１１と同様に、可変磁力磁石５ａの幾何学的中心に対して左右対称に短絡コイル６を設けている。このため、磁極１Ａと磁極１Ｂを軸方向に配置する場合でも、短絡コイル６をスキューする必要がない。さらに、可変磁力磁石側の短絡コイル６を可変磁力磁石５と一体の構造としているので、両者を一体のまま挿入することで作業工数が低減でき、また可変磁力磁石５と一体化することで短絡コイル６の機械的信頼性が向上した永久磁石式回転電機を提供できる。

［他の実施例］
（ａ）前記各実施例では、固定磁力磁石４Ａ，４Ｂの寸法及び形状、若しくは、磁石挿入孔３Ａ〜３Ｃの寸法及び形状を変更することにより、可変磁力磁石５の磁力中心５ａを、可変磁力磁石挿入孔３Ｃの幾何学的中心からずらして配置する。それだけでなく、固定磁力磁石４Ａ，４Ｂの位置、若しくは、磁石挿入孔３Ａ〜３Ｃの位置を変更することにより、可変磁力磁石５の磁力中心５ａを、可変磁力磁石挿入孔３Ｃの幾何学的中心からずらしてもよい。

（ｂ）前記実施例７における、磁石外径側鉄心２ｂに配置する磁気バリア８は、左右非対称となるように配置するが、磁気バリア８の大きさや形状を変更することにより左右非対称とするだけでなく、磁気バリア８を配置する大きさ、形状及び位置のうち少なくとも１つを変更することにより左右非対称としても良い。また、磁気バリア８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、適宜変更することができることは言うまでも無い。

１…磁極
１Ａ…磁極
１Ｂ…磁極
１ａ…磁力中心
１Ａａ…磁力１Ａ中心
１Ｂａ…磁力１Ｂ中心
２ＡＢ…磁心ブロックＡＢ
２ＢＡ…磁心ブロックＢＡ
２…回転子鉄心
２ａ…ブリッジ部
２ｂ…磁石外径側鉄心
３Ａ〜３Ｂ…磁石挿入孔
４Ａ，４Ｂ…固定磁力磁石
５…可変磁力磁石
５ａ…可変磁力磁石磁力中心部
６…短絡コイル
７…切り欠き部
８…磁気バリア
９…ギャップまたは非磁性スペーサ

Claims (17)

1. 磁極の左右および中央に磁石挿入孔を設け、このうち左右の磁石挿入孔に固定磁力磁石を配置し、中央の磁石挿入孔に可変磁力磁石を配置して磁極を形成し、
   この磁極を回転子鉄心内に複数個配置して回転子を形成し、この回転子の外周にエアギャップを介して固定子を配置し、この固定子に電機子鉄心と電機子巻線を設け、この電機子巻線が作る磁界により前記回転子の磁極を構成する可変磁力磁石を磁化させることにより、可変磁力磁石の磁束量を不可逆的に変化させる永久磁石式回転電機において、
   前記の可変磁力磁石の幾何学的中心と磁極の磁気的中心が周方向にずれた２種類以上の磁極を有することを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 磁極の左右および中央に磁石挿入孔を設け、このうち左右の磁石挿入孔に固定磁力磁石を配置し、中央の磁石挿入孔に可変磁力磁石を配置して磁極を形成し、
   この磁極を回転子鉄心内に複数個配置して回転子を形成し、この回転子の外周にエアギャップを介して固定子を配置し、この固定子に電機子鉄心と電機子巻線を設け、この電機子巻線が作る磁界により前記回転子の磁極を構成する可変磁力磁石を磁化させることにより、可変磁力磁石の磁束量を不可逆的に変化させる永久磁石式回転電機において、
   前記の可変磁力磁石の幾何学的中心と磁極の磁気的中心が周方向にずれるように、
   (1)固定磁力磁石の寸法、形状及び位置
   (2)固定磁力磁石または可変磁力磁石の磁石挿入孔の寸法、形状及び位置
   のうち少なくとも１つを左右非対称とし、このずれの量が異なる２種類以上の磁極を有することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転電機。
3. 前記固定磁力磁石の寸法形状を左右対称とし、当該磁石挿入孔を磁極の磁気的中心に対して左右非対称としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
4. 前記可変磁力磁石を挿入する磁石挿入孔を可変磁力磁石の幾何学的中心に対して非対称とするとことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
5. 前記可変磁力磁石を挿入する磁石挿入孔を可変磁力磁石の幾何学的中心に対して非対称とするとともに、固定磁力磁石挿入孔を磁極の磁気的中心に対して左右対称としたことを特徴とする請求項４に記載の永久磁石式回転電機。
6. 前記可変磁力磁石を挿入する磁石挿入孔を可変磁力磁石の幾何学的中心に対して非対称とし、当該磁石挿入孔の可変磁力磁石を挿入しないスペースに固定磁力磁石を挿入するとともに固定磁力磁石挿入孔を磁極の磁気的中心に対して左右対称としたことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の永久磁石式回転電機。
7. 可変磁力磁石の幾何学的中心から見て磁極の磁気的中心と反対側で固定子との間のギャップを広く、同じ側でより狭くするような不均一のギャップを磁極外周部に設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
8. 可変磁力磁石の幾何学的中心から見て磁極の磁気的中心と反対側に切欠きを設けることによってギャップを不均一にしたことを特徴とする請求項７に記載の永久磁石式回転電機。
9. 可変磁力磁石の幾何学的中心から見て磁極の磁気的中心と反対側の磁気バリアを、同じ側の磁気バリアより大きくしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
10. 請求項１〜９のいずれかの永久磁石式回転電機において、可変磁力磁石の幾何学的中心と磁極の磁気的中心のずれが異なる複数の磁極を周方向に配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
11. 請求項１〜９のいずれかの永久磁石式回転電機において、可変磁力磁石の幾何学的中心と磁極の磁気的中心のずれが異なる複数の磁極を、それぞれの可変磁力磁石の幾何学的中心が一致するようにして軸方向に配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
12. 請求項１１に記載の永久磁石式回転電機において、軸方向に３分割以上で分割し、軸方向の両端の磁極を同一形状としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
13. 請求項１〜９のいずれかの永久磁石式回転電機において、可変磁力磁石の幾何学的中心と磁極の磁気的中心のずれが異なる複数の磁極を周方向に配置し、かつ可変磁力磁石の幾何学的中心と磁極の磁気的中心のずれが異なる複数の磁極をそれぞれの可変磁力磁石の幾何学的中心が一致するようにして軸方向に配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
14. 請求項１３に記載の永久磁石式回転電機において、周方向に磁極の磁気的中心のずれが異なる複数の磁極を配置した極数分の磁極を、磁極ピッチだけ回転したものを軸方向に配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
15. 請求項１１または請求項１３に記載の永久磁石式回転電機において、周方向に磁極の磁気的中心のずれが異なる複数の磁極を配置した極数分の磁極を、磁極を軸方向に反転したものを軸方向に配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
16. 請求項１１または請求項１３に記載の永久磁石式回転電機において、軸方向に異なる位置の磁極において、短絡コイルの位置をそれぞれの可変磁力磁石の幾何学的中心からみて同一位置に配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
17. 請求項１６に記載の永久磁石式回転電機において、短絡コイルの可変磁力磁石に近い側を可変磁力磁石と一体化したことを特徴とする永久磁石式回転電機。