JP2013042574A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】電機子巻線の結線の変更を必要とすることなく、回転子の極数を変更し、運転効率を向上可能な永久磁石式回転電機を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、永久磁石式回転電機は、固定子と回転子を有する。前記固定子は、電機子巻線を有する。前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心に埋め込まれた永久磁石とを有する。前記永久磁石式回転電機は、前記電機子巻線の結線を変更することなく前記電機子巻線の相順を切り替え、前記電機子巻線に通電して形成される磁界によって前記永久磁石の極性を変化させ、前記回転子の極数を変化させる。
【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、永久磁石式回転電機に関する。

一般に、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、永久磁石による逆起電圧（誘導電圧ともいう）は回転速度に比例して高くなる。しかしながら、低速から高速まで永久磁石式回転電機を可変速運転する場合、高速回転域では永久磁石による逆起電圧が極めて高くなる。そのため、永久磁石式回転電機では、逆起電圧が電源電圧上限値に達して、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、永久磁石式回転電機は、高速回転域では出力を大幅に低下するばかりではなく、高速回転域まで広範囲に可変速運転することができなくなる。このような問題点を解決するために永久磁石の磁束量が耐電圧以下になるように永久磁石式回転電機を設計した場合、永久磁石式回転電機は低速回転域での出力及び効率を低下する。

永久磁石式回転電機の可変速運転の範囲を拡大する方法としては、永久磁石式回転電機に対して弱め磁束制御を適用する方法がある。電機子巻線の全鎖交磁束量は、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、弱め磁束制御により負のｄ軸電流による磁束が発生することによって減少する。このような弱め磁束制御が適用される永久磁石式回転電機では、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源電圧上限値に対する電圧の余裕分を作る。そのため、このような弱め磁束制御が適用される永久磁石式回転電機は、トルク成分となる電流を増加できるので、高速回転域での出力を増加できると共に、電圧の余裕分だけ回転速度を上昇させることができるので、可変速運転の範囲を拡大できる。

しかしながら、このような弱め磁束制御が適用される永久磁石式回転電機は、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、銅損の増加によって効率を悪化させる。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。そのため、弱め磁束制御が適用される永久磁石式回転電機は、基底速度の３倍以上の可変速運転が困難である。さらに、弱め磁束制御が適用される永久磁石式回転電機は、高調波磁束により鉄損が増加するため、中・高速回転域で大幅に効率を低下させ、高調波磁束による電磁力で振動を発生させる。

上記問題点を解決するために、半径方向に可動する磁性体を配置し、回転子の極数を変更することで、回転電機周波数を変更し、高速域の鉄損を低減する永久磁石式回転電機がある。しかしながら、回転子は、磁性体を移動するには移動機構を設ける必要が生じるため、構造的に複雑になる。

また、上記問題点を解決するために、電機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ＮｄＦｅＢなどの高保磁力の永久磁石（以下、固定磁力磁石という）を配置した永久磁石式回転電機がある。このような永久磁石式回転電機は、電源電圧の最大電圧以上となる高速回転域では、可変磁力磁石の磁束の量、方向を調整することで可変磁力磁石と固定磁力磁石による全鎖交磁束を減じるように調整する。このような固定磁力磁石と可変磁力磁石が配置された永久磁石式回転電機は、可変磁力磁石の磁化方向を反転することによって回転子の極数を変更し、広い可変速運転を容易にすることができる。

特開２００６−２８０１９５号公報 特開２００８−４８５１４号公報 特開平４−３３１４４７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 極数変換メモリーモータに関する基礎研究，平成２３年電気学会全国大会 ５−０１７

しかしながら、固定磁力磁石と可変磁力磁石が配置された永久磁石式回転電機は、その搭載スペースが限られ、高出力密度、高トルク密度が求められる車載駆動用回転電機に適用されるケースがある。そのため、回転子の大きさ（断面積）は限られている。可変磁力磁石の磁力は固定磁力磁石に比べて小さいため、回転子は、電源電圧の最大電圧以上となる高速回転域で十分に鎖交磁束量を減ずるだけの可変磁力磁石を配置することができない。また、高速運転域において、鉄損は回転数（電気周波数）の２乗に比例して増大するため、永久磁石の可変磁力分で抑制できる鉄損は限られている。

また、可変磁力磁石の磁化方向を反転することによって回転子の極数を変更する従来の構成は、電機子巻線の結線も変更する必要がある。そのため、永久磁石式回電機は、電機子巻線の結線を変更するための切り替え器、切り替え制御手段など付属機器を追加する必要が生じる。このような付属機器の追加は、永久磁石式回転電機寸法の増加、及び付属機器の追加によるコスト増大などの課題を有する。

本発明は、電機子巻線の結線の変更を必要とすることなく、回転子の極数を変更し、運転効率を向上可能な永久磁石式回転電機を提供することである。

実施形態によれば、永久磁石式回転電機は、固定子と回転子を有する。前記固定子は、電機子巻線を有する。前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心に埋め込まれた永久磁石とを有する。前記永久磁石式回転電機は、前記電機子巻線の結線を変更することなく前記電機子巻線の相順を切り替え、前記電機子巻線に通電して形成される磁界によって前記永久磁石の極性を変化させ、前記回転子の極数を変化させる。

第1の実施形態に係る永久磁石式回転電機の半径断面図。 第1の実施形態に係る永久磁石式回転電機の制御系のブロック図。 第1の実施形態に係る永久磁石式回転電機における３相電流波形図。 第1の実施形態に係る永久磁石式回転電機の半径断面拡大図。 第1の実施形態に係る永久磁石式回転電機の半径断面拡大図。 第1の実施形態に係る永久磁石式回転電機における逆起電圧の波形図。 第２の実施形態に係る永久磁石式回転電機の半径断面拡大図。 第２の実施形態に係る永久磁石式回転電機の半径断面拡大図。 第３の実施形態に係る永久磁石式回転電機の半径断面拡大図。 第３の実施形態に係る永久磁石式回転電機の半径断面拡大図。 第４の実施形態に係る永久磁石式回転電機における逆起電圧の波形図。

以下、本実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
はじめに、第1の実施形態に係る永久磁石式回転電機（永久磁石式リラクタンス型回転電機）１の構成について説明する。図１は、第1の実施形態に係る永久磁石式回転電機１の半径方向の断面図である。永久磁石型回転電機１は、固定子１０と回転子２０を有する。固定子１０は、円筒状である。回転子２０は、円柱状であり、固定子１０の貫通孔の内側に固定子１０と同軸上に配置されている。回転子２０は、その外周面が固定子１０の内周面と若干の間隙（エアギャップ）を有するような半径方向のサイズである。

固定子１０は、固定子鉄心１０１、電機子巻線１０２を有する。固定子鉄心１０１は、電磁鋼板を積層して構成されている。固定子鉄心１０１は、内周側に固定子ティース１０１１と固定子スロット１０１２を有する。固定子ティース１０１１は、回転子１０に面し、固定子鉄心１０１から回転子１０側に半径方向に伸びる。固定子ティース１０１１は、固定子１０の周方向に等間隔で複数設けられている。なお、第１の実施形態では、固定子ティース１０１１の数は３６である。固定子スロット１０１２は、隣接する固定子ティース１０１１間に設けられた電機子巻線１０２を収容するための溝である。なお、第１の実施形態では、固定子スロット１０１２の数は、固定子ティース１０１１の数と等しい３６スロットである。なお、固定子スロット１０１２のスロット数は、後述するように回転子２０の極数に基づいて決まる。電機子巻線１０２は、各固定子ティース１０１１に集中巻されている。各電機子巻線１０２は、Ｕ相（図１に示すＵ）、Ｖ相（図１に示すＶ）、Ｗ相（図１に示すＷ）のいずれかの交流電流が印加される。

回転子２０は、回転子鉄心２０１、永久磁石２０２を有する。回転子鉄心２０１は、電磁鋼板を積層して構成されている。回転子鉄心２０１は、回転シャフト２０３を中心とした周方向に磁化容易方向と磁化困難方向とが交互に形成されている。回転子鉄心２０１は、外周面に磁気的な凹凸を形成するために、磁化容易方向に沿い回転シャフト２０３の軸方向に挿入孔２０１１を有する。挿入孔２０１１は、回転子鉄心２０１の周方向に等間隔で複数設けられている。なお、第１の実施形態では、挿入孔２０１１の数は、４８である。永久磁石２０２は、挿入孔２０１１に埋め込まれ、接着剤などで固定されている。永久磁石２０２は、回転子鉄心２０１の周方向に等間隔で複数埋め込まれている。回転子鉄心２０１に埋め込まれた各永久磁石２０２の磁化方向は、回転子２０から固定子１０に向う方向またはその逆方向のいずれかである。なお、第１の実施形態では、永久磁石２０２の数は、挿入孔２０１１の数と等しい４８である。永久磁石２０２は、固定磁力磁石２０２１、可変磁力磁石２０２２を含む。第1の実施形態では、永久磁石２０２の用語は、少なくとも固定磁力磁石２０２１、可変磁力磁石２０２２のいずれか一方を含む総称として使用する。

次に、固定磁力磁石２０２１、可変磁力磁石２０２２の配置について説明する。第１の実施形態では、回転子２０の極数が永久磁石２０２の数と等しい４８極または２４極となるように固定磁力磁石２０２１、可変磁力磁石２０２２が回転子鉄心２０１に配置されている例について説明する。２つの固定磁力磁石２０２１は、２つの可変磁力磁石２０２２と周方向に交互に回転子鉄心２０１に配置されている。さらに、各固定磁力磁石２０２１は、それぞれの磁化方向が周方向に隣り合う固定磁力磁石２０２１（２つの可変磁力磁石２０２２を間に挟んで周方向に隣り合う固定磁力磁石２０２１も含む）の磁化方向と逆方向になるように回転子鉄心２０１に配置されている。

次に、各電機子巻線１０２に対する３相交流電流の印加制御について説明する。図２は、第１の実施形態に係る永久磁石式回転電機１の制御系を示すブロック図である。永久磁石式回転電機１には、これを駆動するためのインバータ３０とその直流側に接続された直流電圧源４０、及び、要求されたトルク指令Ｔｍ^＊に合致したトルクが出力されるように制御するインバータ制御部５０が設けられている。

インバータ制御部５０は、要求されたトルク指令に合致したトルクが出力されるようにインバータ３０を制御するものである。トルク指令Ｔｍ^＊に応じて、ＤＱ軸電流指令演算部５０１は、ＤＱ軸電流指令を演算する。一方、永久磁石式回転電機１のロータ機械角θｍは、位置検出器６０によって検出される。電気角演算部５０２は、ロータ機械角θｍに極数を乗じ、基準となる位相角を調整するオフセット位相角θを加算し、電気角θｄｑを算出する。電気角θｄｑは、Ｕ相に対するＤ軸の位相角に相当する。永久磁石式回転電機１の電流Ｉｕ、Ｉｗは。電流検出器７０、８０により検出され、電気角θｄｑに応じて、座標変換器５０３でＤＱ座標系上の電流値へと変換される。電流制御部５０４は、ＤＱ軸電流が各々の電流指令値に一致するようにＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ^＊、Ｖｑ^＊を制御する。座標変換器５０５は、ＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ^＊、Ｖｑ^＊を三相電圧指令Ｖｕ^＊、 Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊に変換し、ＰＷＭ制御器５０６は、インバータ３０のスイッチング素子へのゲート信号を生成する。

さらに、極数切替設定部５０７は、永久磁石式回転電機１の回転数を入力として、回転子２０の極数をＡ極とＢ極とに切り替える。回転子２０の極数の変更については後述する。極数切替設定部５０７は、所定の切替回転数により、低速側をＡ極として、高速側をＢ極と決定する。極数切替設定部５０７は、より厳密に効率を最大化する場合には、回転数に加え、インバータ直流電圧やトルク指令に応じて、前記切替周波数を設定する。

インバータ制御部５０は、回転数演算部５０８で演算した回転数に基づいて極数切替設定部５０７が低速回転を選択した場合（ＦＬＧ＝０）、Ａ極のモータとみなして制御する。電気角演算部５０２は、検出したロータ機械角θｍに極対数（Ｎ／２）を乗じ、位相角の基準をオフセット位相角θαに加算して、電気角θdqとする。また、ＤＱ軸電流指令演算部５０１は、Ａ極のモータとみなした場合は、Ｎ極用ＤＱ電流指令演算部５０１ａを用いる。一方、インバータ制御部５０は、回転数演算部５０８で演算した回転数に基づいて極数切替設定部５０７が高速回転を選択した場合（ＦＬＧ＝１）、Ｂ極のモータとみなして制御する。なお、電気角演算部５０２は、極数を乗じる部分において、相順を逆にするために、ここで乗じる見かけの極対数を（−Ｂ/２）とする。これにより、Ａ極時とＢ極時とで、相順を逆にした永久磁石式回転電機１のインバータ運転が可能となる。回転子２０は、各電機子巻線１０２を流れる電流による回転磁界によって回転子シャフト２０３を中心に回転する。

なお、インバータ制御部５０は、極数設定が変化したことを検知し、その後、タイマー５０９によって設定された所定の間、極数切替励磁電流指令演算部５１０によって設定されたＤＱ軸電流指令を流すことにより、可変磁力磁石２０２２の磁化方向（極性）を切り替ることで、極数を変更する。つまり、インバータ３０は、電機子巻線１０２に通電する極短時間となるパルス的な磁化電流によって形成される磁界を可変磁力磁石２０２２に作用させ、可変磁力磁石２０２２の磁化方向を不可逆的に変化させることで、回転子２０の極数をＡ極からＢ極へ減らすように切り替えることができる。

図３は、第1の実施形態に係る永久磁石式回転電機１における３相電流波形を示すグラフである。図３は、インバータ３０が回転子２０の極数をＡ極からＢ極へ減らすように切り替える前後の３相電流波形を示している。図３に示すように、３相交流電流は、インバータ３０が回転子２０の極数をＡ極からＢ極へ切り替える前後で、周波数が異なり、相順が異なり、位相が異なり、電流振幅が異なる。なお、インバータ３０がＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相順からＵ相、Ｗ相、Ｖ相の相順に切り替える理由は、極数変更に伴い回転磁界の回転方向が反転するため、回転子２０の回転方向を極数変更前と同一とするために、電機子巻線１０２の相順を変更しなければならないからである。

次に、第１の実施形態に係る永久磁石式回転電機１の作用について説明する。図４は、図１における破線部分の拡大断面図である。図４は、回転子２０の極数が４８極となる場合における各可変磁力磁石２０２２の磁化状態を示している。図４中の矢印は、各固定磁力磁石２０２１、各可変磁力磁石２０２２の磁化方向を示している。各可変磁力磁石２０２２は、それぞれの磁化方向が隣接する永久磁石２０２の磁化方向と逆方向になるように、電機子巻線１０２の作用によって磁化される。回転子２０の1極は、固定磁力磁石２０２１または可変磁力磁石２０２２のいずれか１つで形成される。したがって、回転子２０の極数は、回転子鉄心２０１に配置されている永久磁石２０２の数と等しい４８極になる。なお、このとき、インバータ３０は、図３のＡ極時のように、各電機子巻線１０２にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相順で交流電流を印加する。各電機子巻線１０２に印加される交流電流は、図４にＵ（Ｕ相に対応）、Ｖ（Ｖ相に対応），Ｗ（Ｗ相に対応）で示している。

図５は、図１における破線部分の拡大断面図である。図５は、回転子２０の極数が４８極から２４極に減らすように変更される場合における各可変磁力磁石２０２２の磁化状態を示している。図５中の矢印は、各固定磁力磁石２０２１、各可変磁力磁石２０２２の磁化方向を示している。各可変磁力磁石２０２２は、隣接する固定磁力磁石２０２１の磁化方向と同方向になるように、電機子巻線１０２の作用によってそれぞれの磁化方向が反転するように磁化される。回転子２０の1極は、隣接する固定磁力磁石２０２１と可変磁力磁石２０２２で形成される。したがって、回転子２０の極数は、回転子鉄心２０１に配置されている永久磁石２０２の数の半分の４８極になる。なお、インバータ３０は、回転子２０の極数の変更に伴って、図３のＢ極時のように、各電機子巻線１０２にＵ相、Ｗ相、Ｖ相の相順で交流電流を印加するように切り替える。各電機子巻線１０２に印加される交流電流は、図５にＵ（Ｕ相に対応）、Ｗ（Ｗ相に対応）、Ｖ（Ｖ相に対応）で示している。

次に、回転子２０の極数の違いに応じた永久磁石２０２による逆起電圧の変化について説明する。図６は、第１の実施形態に係る永久磁石式回転電機１における電気角に対する逆起電圧の関係を示すグラフである。図６に示すＡ極は、回転子２０の極数が４８極の場合であり、Ｂ極は、回転子２０の極数が２４極の場合である。なお、回転子２０から固定子１０に向く方向の極性を有する任意の極の中心軸の位置を電気角０°とする。図６に示すグラフによれば、回転子２０の極数が２４極（Ｂ極）の場合は、回転子２０の極数が４８極（Ａ極）の場合と比較して、周期は１／２となり、永久磁石２０２による逆起電圧の振幅は半減する。

なお、第１の実施形態では、２つの固定磁力磁石２０２１が２つの可変磁力磁石２０２２と周方向に交互に回転子鉄心２０１に配置されている例について説明したが、固定磁力磁石２０２１、可変磁力磁石２０２の配置は、これに限定されない。固定磁力磁石２０２１、可変磁力磁石２０２２の配置、個数の組み合わせは、回転子２０の極数が４８極または２４極となるようなものであればいかなるものであってもよく限定されない。

また、回転子２０の極数が４８極または２４極、固定子スロット１０１２が３６スロットの永久磁石式回転電機１の構成を例に説明したが、第１の実施形態は、永久磁石２０２を用いた回転電機の種別、極数及びスロット数によらず適用できる。第１の実施形態では、固定子スロット１０１２のスロット数は、回転子２０の極数が２４極と４８極に可変の場合、（２４極＋４８極）／２＝３６スロットで固定子鉄心１０１に形成されている例について説明したが、これは、以下のように一般化できる。つまり、固定子スロット１０１２のスロット数は、回転子２０の極数が２ｎ極と４ｎ極に可変の場合、（２ｎ極＋４ｎ極）／２＝３ｎスロットで固定子鉄心１０１に形成されればよい。なおｎは、整数である。

第１の実施形態によれば、以下のような効果を奏する。永久磁石式回転電機１は、可変磁力磁石２０２２の磁化方向を変化させて回転子２０の極数を変更することにより、各電機子巻線１０２の結線を変更することなく、低速から高速までの広い運転範囲において高効率で可変速運転可能である。永久磁石式回転電機１は、低速運転域では回転子２０の極数を４８極（４ｎ極）として高トルクで運転し、中、高速運転域では回転子２０の極数を４８極（４ｎ極）から２４極（２ｎ極）に減らすように変更して高出力で運転することで、永久磁石２０２による逆起電圧を抑制できる。したがって、永久磁石式回転電機１は、電気周波数を半減することより、弱め磁束制御を適用して運転することなく鉄損を大幅に低減できるので、効率、信頼性が向上する。さらに、永久磁石式回転電機１は、回転子２０の極数を変更して運転する場合であっても、各電機子巻線１０２の配置自体は同一である。そのため、永久磁石式回転電機１は、各電機子巻線１０２の結線を変更するための切り替え器、切り替え制御手段などの付属機器を必要とせず、回転電機寸法の増加もないので、低コストで提供可能である。

（第２の実施形態）
はじめに、第２の実施形態に係る永久磁石式回転電機１の構成について説明する。図７及び図８は、第２の実施形態に係る永久磁石式回転電機１の半径方向の断面図である。なお、第1の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し説明を省略する。第２の実施形態では、固定子ティース１０１１の数は９、固定子スロット１０１２の数は、固定子ティース１０１１の数と等しい３６スロットである。なお、固定子スロット１０１２のスロット数は、後述するように回転子２０の極数に基づいて決まる。回転子鉄心２０１に設けられた挿入孔２０１１の数は、４０であり、永久磁石２０２の数は、挿入孔２０１１の数と等しい４０である。

固定磁力磁石２０２１、可変磁力磁石２０２２は、回転子２０の極数が１０極または８極となるように回転子鉄心２０１に配置されている。固定磁力磁石２０２１、可変磁力磁石２０２２の配置、個数の組み合わせは、いかなるものであってもよく限定されない。

次に、第２の実施形態に係る永久磁石式回転電機１の作用について説明する。図７は、回転子２０の極数が１０極となる場合を示している。図７中の矢印は、回転子２０の各極の極性を示している。各可変磁力磁石２０２２は、電機子巻線１０２の作用によって磁化される。回転子２０の極数は、各可変磁力磁石２０２２の磁化により、１０極となる。なお、このとき、インバータ３０は、図３のＡ極時のように、各電機子巻線１０２にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相順で交流電流を印加する。各電機子巻線１０２に印加される交流電流は、図７にＵ（Ｕ相に対応）、Ｖ（Ｖ相に対応）、−Ｖ（−Ｖ相に対応）、Ｗ（Ｗ相に対応）、−Ｗ（−Ｗ相に対応）で示している。

図８は、回転子２０の極数が８極の場合を示している。図８中の矢印は、回転子２０の各極の極性を示している。各可変磁力磁石２０２２は、電機子巻線１０２の作用によって磁化される。回転子２０の極数は、各可変磁力磁石２０２２の磁化方向が反転することにより、１０極から８極に減る。なお、インバータ３０は、図３のＢ極時のように、回転子２０の極数の変化に伴って、各電機子巻線１０２にＵ相、Ｗ相、Ｖ相の相順で交流流を印加するように切り替える。各電機子巻線１０２に印加される交流電流は、図８にＵ（Ｕ相に対応）、−Ｕ（−Ｕ相に対応）、Ｗ（Ｗ相に対応）、−Ｗ（−Ｗ相に対応）、Ｖ（Ｖ相に対応）、−Ｖ（−Ｖ相に対応）で示している。

なお、第２の実施形態では、固定子スロット１０１２のスロット数は、回転子２０の極数が８極と１０極に可変の場合、（８極＋１０極）／２＝９スロットで固定子鉄心１０１に形成されている例について説明したが、これは、以下のように一般化できる。つまり、固定子スロット１０１２のスロット数は、回転子２０の極数が８ｎ極と１０ｎ極に可変の場合、（８ｎ＋１０ｎ）＝９ｎスロットで固定子鉄心１０１に形成されればよい。なおｎは、整数である。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態で説明したのと同様に、回転子２０の極数が８ｎ極の場合は、回転子２０の極数が１０ｎ極の場合と比較して、周期は１／２となり、永久磁石２０２による逆起電圧の振幅は半減する。第２の実施形態によれば、第１の実施形態で説明した効果と同様の効果を奏する。さらに、第２の実施形態によれば、１０ｎ極９ｎスロット、８ｎ極９ｎスロットの組み合わせは、他の極数とスロット数の組合せに対して巻線係数が高いため、永久磁石式回転電機１は、高トルク化を実現できる。そのため、第２の実施形態によれば、より高効率、高出力密度、高トルク密度の永久磁石式回転電機１を提供できる。

（第３の実施形態）
はじめに、第３の実施形態に係る永久磁石式回転電機１の構成について説明する。図９及び図１０は、第３の実施形態に係る永久磁石式回転電機１の半径方向の断面図である。なお、第1の実施形態、第２の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し説明を省略する。第３の実施形態では、固定子ティース１０１１の数は１２、固定子スロット１０１２の数は、固定子ティース１０１１の数と等しい１２スロットである。なお、固定子スロット１０１２のスロット数は、後述するように回転子２０の極数に基づいて決まる。回転子鉄心２０１に設けられた挿入孔２０１１の数は、７０であり、永久磁石２０２の数は、挿入孔２０１１の数と等しい７０である。

固定磁力磁石２０２１、可変磁力磁石２０２２は、回転子２０の極数が１４極または１０極となるように回転子鉄心２０１に配置されている。固定磁力磁石２０２１、可変磁力磁石２０２２の配置、個数の組み合わせは、いかなるものであってもよく限定されない。

次に、第３の実施形態に係る永久磁石式回転電機１の作用について説明する。図９は、回転子２０の極数が１４極となる場合を示している。図９中の矢印は、回転子２０の各極の極性を示している。各可変磁力磁石２０２２は、電機子巻線１０２の作用によって磁化される。回転子２０の極数は、各可変磁力磁石２０２２の磁化により、１４極となる。なお、このとき、インバータ３０は、図３のＡ極時のように、各電機子巻線１０２にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相順で交流電流を印加する。各電機子巻線１０２に印加される交流電流は、図７にＵ（Ｕ相に対応）、Ｖ（Ｖ相に対応）、−Ｖ（−Ｖ相に対応）、Ｗ（Ｗ相に対応）、−Ｗ（−Ｗ相に対応）で示している。

図１０は、回転子２０の極数が１０極の場合を示している。図１０中の矢印は、回転子２０の各極の極性を示している。各可変磁力磁石２０２２は、電機子巻線１０２の作用によって磁化される。回転子２０の極数は、各可変磁力磁石２０２２の磁化方向が反転することにより、１４極から１０極に減る。なお、インバータ３０は、図３のＢ極時のように、回転子２０の極数の変化に伴って、各電機子巻線１０２にＵ相、Ｗ相、Ｖ相の相順で交流電流を印加するように切り替える。各電機子巻線１０２に印加される交流電流は、図８にＵ（Ｕ相に対応）、−Ｕ（−Ｕ相に対応）、Ｗ（Ｗ相に対応）、−Ｗ（−Ｗ相に対応）、Ｖ（Ｖ相に対応）、−Ｖ（−Ｖ相に対応）で示している。

なお、第３の実施形態では、固定子スロット１０１２のスロット数は、回転子２０の極数が１０極と１４極に可変の場合、（１０極＋１４極）／２＝１２スロットで固定子鉄心１０１に形成されている例について説明したが、これは、以下のように一般化できる。つまり、固定子スロット１０１２のスロット数は、回転子２０の極数が１０ｎ極と１４ｎ極に可変の場合、（１０ｎ極＋１４ｎ極）／２＝１２ｎスロットで固定子鉄心１０１に形成されればよい。なおｎは、整数である。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態で説明したのと同様に、回転子２０の極数が１０ｎ極の場合は、回転子２０の極数が１４ｎ極の場合と比較して、周期は１／２となり、永久磁石２０２による逆起電圧の振幅は半減する。第２の実施形態によれば、第２の実施形態で説明した効果と同様の効果を奏する。

（第４の実施の形態）
第１〜第３の実施形態では、回転子鉄心２０１における固定磁力磁石２０２１、可変磁力磁石２０２２のそれぞれの配置は、回転子２０の極数が異なる２つの極数に可変であれば特に限定していないが、第４の実施形態では、回転子鉄心２０１における固定磁力磁石２０２１、可変磁力磁石２０２２のそれぞれの配置の決定手法の一例を説明する。なお、第1〜第３の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し説明を省略する。

図１１は、一例として第３の実施形態で説明した回転子２０の極数が１４極と１０極に可変の永久磁石式回転電機１における電気角に対する無負荷逆起電圧の関係を示すグラフである。図１１に示す極数Ａは、回転子２０の極数が１４極の場合であり、極数Ｂは、回転子２０の極数が１０極の場合である。なお、回転子２０から固定子１０に向く極性を有する任意の極の中心軸の位置を電気角０°とする。また、図１１は、電気角対無負荷逆起電圧のグラフの下方に、電気角と対応づけるように回転子２０の周方向の配置されている各永久磁石２０２を示している。図１１は、回転子２０の極数がＡ極及びＢ極の場合における各永久磁石２０２の磁化方向を矢印で示している。なお、各永久磁石２０２は、図９または図１０に示すように回転子鉄心２０１の周方向に７０個配置されているので、回転子２０の極数がＡ極（１４極）の場合は、１極が５個の永久磁石２０２で形成されている。一方、回転子２０の極数がＢ極（１０極）の場合は、１極が７個の永久磁石２０２で形成されている。

図１１における斜線部分は、Ａ極の逆起電圧波形とＢ極の逆起電圧波形の正負が逆転する位置を示している。つまり、この斜線部分に含まれる永久磁石２０２の磁化方向は、極数Ａの場合と極数Ｂの場合で異なる。そのため、この斜線部分に相当する回転子２０の周方向の位置には、可変磁力磁石２０２２が配置される。逆に、この斜線部分以外の部分に相当する回転子２０の周方向の位置には、固定磁力磁石２０２１が配置される。なお、図１１は、電気角９００°までの無負荷逆起電圧波形しか示していないが、電気角９００°以降の波形も同様であるため省略する。永久磁石式回転電機１は、回転子２０の極数をＡ極からＢ極（またはＢ極からＡ極）へ変更する場合、第１〜第３の実施形態で説明したように、電機子巻線１０２の作用によって可変磁力磁石２０２２の極性を変化させればよい。

第４の実施形態では、永久磁石２０２が回転子鉄心２０１の周方向に７０個配置され、永久磁石２０２が７個または５個で１極を形成する例について説明したが、回転子鉄心２０１の周方向に配置される永久磁石２０２全体の個数は、これに限定されない。つまり、図１１の斜線部分に１以上の可変磁力磁石２０２２が配置されていれば、回転子鉄心２０１の周方向に配置される永久磁石２０２全体の個数、固定磁力磁石２０２１、可変磁力磁石２０２２それぞれの個数は限定されない。

第４の実施形態によれば、第１〜第３の実施形態で説明した効果と同様の効果を奏する。さらに、第４の実施形態によれば、極数の組合せを自由に選択でき、回転子鉄心２０１に配置する永久磁石２０２の個数も極数の組合せによって調整する必要がなく自由に選択できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…永久磁石式回転電機、１０…固定子、２０…回転子、３０…インバータ、５０…インバータ制御部、１０１…固定子鉄心、１０２…電機子巻線、２０１…回転子鉄心、２０２…永久磁石、１０１１…固定子ティース、１０１２…固定子スロット、２０１１…挿入孔、２０２１…固定磁力磁石、２０２２…可変磁力磁石。

Claims (7)

1. 電機子巻線を有する固定子と、
   回転子鉄心と、前記回転子鉄心に埋め込まれた永久磁石とを有する回転子とを有し、
   前記電機子巻線の結線を変更することなく前記電機子巻線の相順を切り替え、
   前記電機子巻線に通電して形成される磁界によって前記永久磁石の極性を変化させ、前記回転子の極数を変化させる永久磁石式回転電機。
2. 前記永久磁石は、可変磁力磁石を含み、
   前記回転子の極数は、前記可変磁力磁石の極性の変化に基づいて変化する請求項１記載の永久磁石式回転電機。
3. 前記回転子の極数がＡ極またはＢ極である場合、前記固定子のスロット数は、（Ａ＋Ｂ）／２である請求項２記載の永久磁石式回転電機。
4. 前記回転子の極数が２ｎ極（ｎは整数）または４ｎ極である場合、前記固定子のスロット数は、３ｎスロットである請求項３記載の永久磁石式回転電機。
5. 前記回転子の極数が８ｎ極（ｎは整数）または１０ｎ極である場合、前記固定子のスロット数は、９ｎスロットである請求項３記載の永久磁石式回転電機。
6. 前記回転子の極数が１０ｎ極（ｎは整数）または１４ｎ極である場合、前記固定子のスロット数は、１２ｎスロットである請求項３記載の永久磁石式回転電機。
7. 前記可変磁力磁石は、前記回転子の異なる極数による無負荷逆起電圧波形の正負が逆転する位置に配置されている請求項２〜６のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。

Images