JP3280896B2 - 永久磁石式リラクタンス型回転電機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、永久磁石式リラク
タンス型回転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】永久磁石式リラクタンス型回転電機は一
般に図１２に示すように、電機子コイル２を有する固定
子１と、突極回転子３とで構成されるもので、回転子３
に界磁を形成するコイルが不要であり、凹凸のある鉄心
４のみで構成できる点に特徴があり、それゆえに、永久
磁石式リラクタンス型回転電機は簡素な構造にして安価
に製造できる利点がある。

【０００３】この永久磁石式リラクタンス型回転電機の
出力の発生原理について説明する。回転子３に凹凸があ
ることにより、凸部で磁気抵抗が小となり、凹部で磁気
抵抗が大となる。すなわち、凸部と凹部上の空隙部分で
電機子コイル２に電流を流すことにより蓄えられる磁気
エネルギが異なる。この磁気エネルギの変化によって出
力が発生する。また凸部と凹部は物理幾何学的だけでな
く、磁気的にも凹凸を形成できる（磁気抵抗、磁束密度
分布が回転子３の位置により異なる）形状であればよ
い。

【０００４】他の高性能な回転電機として、永久磁石回
転電機がある。この場合、電機子は永久磁石式リラクタ
ンス型回転電機と同様であるが、回転子は鉄心と回転子
のほぼ全周にわたり永久磁石が配置されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の回転
電機では、次のような問題点があった。図１２に示した
ような永久磁石式リラクタンス型回転電機は、回転子鉄
心４の表面の凹凸により回転位置に依存して磁気抵抗が
異なる。この変化により磁気エネルギが変化して出力が
得られる。しかし、電流が増加するのに伴って鉄心の凸
部分において局部的な磁気飽和が拡大する。これによ
り、磁極間となる歯の凹の部分に漏れる磁束が増加して
有効な磁束は減少し、出力は低下してしまう、あるい
は、鉄心歯の磁気飽和で生じる漏れ磁束により、空隙磁
束密度の変化が緩やかになり、磁気エネルギの変化が小
となる。このため、電流に対して出力の増加率が低下
し、やがて出力は飽和してしまう。

【０００６】一方、他の方式の高出力の回転電機として
高磁気エネルギ積の希土類永久磁石を適用した永久磁石
電動機では、回転子鉄心の表面に永久磁石を配置してい
るので界磁に高エネルギの永久磁石を適用することによ
り、高磁界を電動機のエアギャップに形成できて小形、
高出力が可能となる。しかしながら、永久磁石の磁束は
一定であるので、高速回転時に電機子コイルに誘導され
る電圧は回転速度に比例して大きくなる。このため、高
速回転までの広範囲の可変速運転を行おうとしても、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
する基底速度の２倍以上の定出力運転は困難であった。

【０００７】本発明はこのような従来の問題点に鑑みて
なされたもので、小形、高出力にして広範囲の可変速運
転が可能な永久磁石式リラクタンス型回転電機を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、電機
子コイルを有する固定子と、円筒形で、複数の磁極部が
円周方向に等間隔に離間して形成され、かつ円周方向に
隣り合う磁極部間の離間部分を磁極間とする回転子鉄心
で成る回転子とから成る永久磁石式リラクタンス型回転
電機において、前記回転子鉄心は、前記磁極間の回転子
円周方向両端に形成され、それぞれが磁極軸に沿って細
長い長方形状の空洞部と、各空洞部に配置された永久磁
石とを備え、前記磁極間の回転子円周方向両端に位置す
る永久磁石は、その磁束が互いに加え合せになる方向に
磁化されていることを特徴とするものである。

【０００９】請求項１の発明の永久磁石式リラクタンス
型回転電機では、磁極軸に沿った空洞部に配置されてい
る永久磁石がほぼ磁極軸と直交する方向に磁化されてい
るので、磁極間の軸方向から侵入する電機子電流による
磁束を反発させ、さらにその比透磁率がほぼ１であるの
で永久磁石方向の磁気抵抗を高くするように作用する。
このため、電機子電流による磁束は磁極間をほとんど通
らずに磁極部の鉄心を通るように分布して空隙磁束分布
に凹凸ができ、磁気エネルギ変化によって大きなトルク
を発生する。なお、ここで磁気エネルギ積の高い希土類
永久磁石を使用することにより、磁極間で形成する電機
子電流の磁界よりも永久磁石の逆方向の磁界が強くする
ことができ、空隙磁束分布の凹凸をより急激なものにし
て出力をさらに増加することができるようになる。

【００１０】また磁極軸に沿った空洞部に永久磁石を配
置したことによって、回転子の表面のほぼ全周に永久磁
石が設けられている従来の永久磁石回転電機よりも永久
磁石の表面積が狭くなり、永久磁石による鎖交磁束量も
少なくなっている。そして永久磁石による鎖交磁束に、
電機子電流（リラクタンスモータの励磁電流成分とトル
ク電流成分）による鎖交磁束が加わって端子電圧を誘導
する。そこで、この励磁電流成分を調整することによ
り、端子電圧を幅広く調整することができ、定電圧電源
で広範囲の可変速運転が可能となる。

【００１１】請求項２の発明は、電機子コイルを有する
固定子と、円筒形で、複数の磁極部が円周方向に等間隔
に離間して形成され、かつ円周方向に隣り合う磁極部間
の離間部分を磁極間とする回転子鉄心で成る回転子とか
ら成る永久磁石式リラクタンス型回転電機において、前
記回転子鉄心は、前記磁極間の回転子円周方向両端に形
成され、それぞれが磁極軸に沿って細長い長方形状の第
１の空洞部と、当該第１の空洞部が前記磁極間の内周側
でつながるような位置に形成された第２の空洞部と、前
記第１の空洞部それぞれに配置された永久磁石とを備
え、前記磁極間の回転子円周方向両端に位置する永久磁
石は、その磁束が互いに加え合せになる方に磁化されて
いることを特徴とするものである。

【００１２】請求項２の発明の永久磁石式リラクタンス
型回転電機では、請求項１の永久磁石式リラクタンス型
回転電機と同様に、磁極軸に沿った第１の空洞部に配置
されている永久磁石がほぼ磁極軸と直交する方向に磁化
されているので、磁極間の軸方向から侵入する電機子電
流による磁束を反発させる作用をし、またその比透磁率
がほぼ１であるので永久磁石方向の磁気抵抗を高くする
ようにも作用する。さらに、回転子鉄心の磁極間の内周
部に形成された第２の空洞部により、磁極間の軸方向の
磁気抵抗も高くなる。このため、電機子電流による磁束
は磁極間をほとんど通らずに磁極部の鉄心を通るように
分布して空隙磁束分布に凹凸ができ、磁気エネルギ変化
によって大きなトルクを発生する。なお、ここで磁気エ
ネルギ積の高い希土類永久磁石を使用することにより、
磁極間で形成する電機子電流の磁界よりも永久磁石の逆
方向の磁界が強くすることができ、空隙磁束分布の凹凸
をより急激なものにして出力をさらに増加することがで
きるようになる。

【００１３】また広範囲の可変速運転特性については、
請求項１の永久磁石式リラクタンス型回転電機と同様で
あり、定電圧電源で広範囲の可変速運転が可能である。

【００１４】請求項３の発明は、請求項２の永久磁石式
リラクタンス型回転電機において、前記第２の空洞部が
前記回転子鉄心の中心方向にその基部が位置し、当該回
転子鉄心の外周方向に広がる扇形状をしたものであり、
第２の空洞部を扇形状にしたことによってこの空洞部を
半径方向に深くすることができ、それだけ磁気抵抗を大
きくすることができ、トルクを大きくすることができ
る。

【００１５】請求項４の発明は、請求項２の永久磁石式
リラクタンス型回転電機において、前記第２の空洞部が
長方形状をしたものであり、多極機では第１の空洞部が
多角形上に配置されるので、回転子鉄心のスペースを有
効に利用して半径方向の厚みを厚くすることができ、限
られた断面積の回転子鉄心内で有効に半径方向の磁気抵
抗を高くすることができる。

【００１６】請求項５の発明は、請求項２〜４の永久磁
石式リラクタンス型回転電機において、前記第２の空洞
部に永久磁石を配置したものであり、磁極間内周側の第
２の空洞部に配置された永久磁石が磁極間の軸方向から
侵入しようとする電機子電流による磁束を反発すること
ができ、空隙磁束分布の凹凸をさらに大きくし、出力を
増加することができる。

【００１７】請求項６の発明は、請求項５の永久磁石式
リラクタンス型回転電機において、前記第１の空洞部に
配置された永久磁石が高磁気エネルギ積のもの、前記第
２の空洞部に配置された永久磁石が低磁気エネルギ積の
ものとしたものである。

【００１８】請求項６の発明の永久磁石式リラクタンス
型回転電機では、電機子反作用による減磁界は回転子外
周ほど強く分布するので、回転子の外周に近い磁極に沿
った第１の空洞部の永久磁石は減磁に対して強い高磁気
エネルギ積のものを使用することにより、空隙磁束分布
の凹凸をより急激なものにして出力を増加することがで
きる。

【００１９】請求項７の発明は、請求項２〜６の永久磁
石式リラクタンス型回転電機において、前記第２の空洞
部が前記永久磁石との間にスペースを設けて配置された
ものであり、永久磁石の磁束の一部を回転子鉄心のスペ
ース部分を通して漏れさせ、永久磁石内の反磁界を小と
することができ、この結果、永久磁石のＢ−Ｈ特性であ
る減磁曲線上の動作点が高くなり（パーミアンス係数は
大となる）、温度、電機子反作用に対する耐減磁特性が
向上する。

【００２０】請求項８の発明は、請求項２〜７の永久磁
石式リラクタンス型回転電機において、前記永久磁石が
その外側端部が前記回転子鉄心の外周よりも内側に位置
し、磁気空隙と当該永久磁石の外側端部との間に回転子
鉄心の一部が介在する配置にしたものであり、この磁気
空隙と当該永久磁石の外側端部との間に介在する回転子
鉄心部分を通して永久磁石の磁束の一部を漏れさせ、永
久磁石内の反磁界を小とすることができ、この結果、永
久磁石の減磁曲線上の動作点が高くなり（パーミアンス
係数は大となる）、温度、電機子反作用に対する耐減磁
特性が向上する。これと同時に、第１の空洞部の永久磁
石は回転子鉄心内に完全に埋め込まれ、回転子鉄心によ
って保持される構造となるので機械的強度が向上し、さ
らに、回転子鉄心が電磁鋼板の積層体で成る場合には、
この鉄心の電気抵抗が高くなり、高調波磁束により永久
磁石に分布する渦電流を低減することができる。

【００２１】請求項９の発明は、請求項２〜８の永久磁
石式リラクタンス型回転電機において、前記第１の空洞
部には前記永久磁石を配置せず、前記第２の空洞部のみ
に前記永久磁石を配置したものである。

【００２２】請求項９の発明の永久磁石式リラクタンス
型回転電機では、磁極軸に沿った第１の空洞部には永久
磁石が存在していないので永久磁石の磁界はなく、高磁
気抵抗による作用のみが電機子磁束に影響を与える。す
なわち、電機子電流による磁極間軸方向の磁束が増える
ので空隙磁束密度の変化幅は小さくなり、出力が低下す
る。しかしながら、永久磁石の使用量が少なくできてコ
ストの低減が図れる。

【００２３】また永久磁石が回転子鉄心の内深くに配置
されることになり、回転子鉄心内を漏れる磁束も多くな
り、永久磁石の反磁界は小となる。永久磁石の減磁曲線
であるＢ−Ｈ特性で考えると、漏れ磁束の磁路も並列に
増えるので動作点は高くなり、磁気的に安定して減磁に
強くなる。また電機子反作用による減磁界は回転子外周
ほど強く分布するので、回転子鉄心の内深くに永久磁石
が位置することにより、電機子反作用の影響が緩和され
る。これらにより、温度及び電機子反作用による永久磁
石の減磁が防止され、長期に安定した特性で使用できる
ことになる。

【００２４】請求項１０の発明は、請求項２〜９の永久
磁石式リラクタンス型回転電機において、前記第２の空
洞部に配置された永久磁石が前記回転子鉄心の半径方向
に磁化されたものであり、これによって磁極間内周側の
第２の空洞部の永久磁石は磁極間軸方向の成分の電機子
磁束の方向と逆の方向に磁化されていて、磁極間軸方向
の空隙磁束を小さくできる。さらに、磁気エネルギ積の
高い希土類永久磁石を使用すれば、磁極間の軸方向の空
隙磁界を電機子電流の磁界と逆の方向にでき、これらに
より、空隙磁束密度分布の変化、すなわち、磁気エネル
ギ変化は大きくなり、出力が向上する。

【００２５】請求項１１の発明は、請求項１〜１０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
鉄心の磁極幅（磁極側面に配置した磁極に沿った第１の
空洞部で挟まれる回転子鉄心の幅）を磁極ピッチ幅（１
つの磁極中心から隣極の磁極中心までの距離）の０．３
〜０．５倍としたものであり、磁極幅の比率をこの範囲
に設定することによって、回転子位置に対する空隙磁束
密度分布の変化を効果的に大きくでき、高出力が得られ
る。

【００２６】請求項１２の発明は、請求項１〜１１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
鉄心の各磁極の中央部にスリットを形成したものであ
り、このスリットにより磁極を横切る方向の磁気抵抗を
高くし、磁極間の軸方向の成分の電機子電流の磁束を低
減し、また、永久磁石の磁束は磁極スリットで遮られる
ので、磁極部ではスリットに沿った方向に分布して、空
隙を介して固定子鉄心を通り、永久磁石に戻る磁路を形
成する。

【００２７】請求項１３の発明は、請求項１〜１２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
鉄心を電磁鋼板の積層構造としたものであり、電磁鋼板
に穴の型抜き加工を行い、積層することによって回転子
鉄心の組立と空洞部の形成ができ、製造性が向上する。
また高調波磁界で鉄心表面に生じる渦電流を減少させる
ことができる。

【００２８】請求項１４の発明は、請求項１〜１３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
鉄心の軸方向端部に磁性エンドリングが配置されたもの
である。

【００２９】請求項１５の発明は、請求項１４の永久磁
石式リラクタンス型回転電機において、前記回転子鉄心
の軸方向端面と前記磁性エンドリングとの間に空隙が形
成されたものである。

【００３０】請求項１４及び請求項１５の発明の永久磁
石式リラクタンス型回転電機では、電機子電流により、
回転子外周部の第２の空洞部に配置された永久磁石の磁
化方向と逆方向の電機子反作用磁界を与えたとき、この
永久磁石の磁束の一部は軸方向を通り、磁性エンドリン
グを通って回転子で閉じた磁路を形成する。すなわち、
効果的に漏れ磁束を生じさせることができ、電機子コイ
ルとの鎖交磁束量を調整できるので端子電圧を電機子電
流により容易に調整できる。そしてこの場合に、回転子
鉄心の端面と磁性エンドリングとの空隙長の調整によっ
て漏れ磁束と有効磁束との割合を調整することができ
る。

【００３１】請求項１６の発明は、請求項２〜１５の永
久磁石式リラクタンス型回転電機において、前記第１と
第２の空洞部のうち、前記永久磁石の配置されていない
空洞部に非磁性材が配置されたものであり、空洞部分を
構造物で充填することによって磁気特性を損なうことな
く、強度的に強くすることができる。

【００３２】請求項１７の発明は、請求項２〜１５の永
久磁石式リラクタンス型回転電機において、前記第１と
第２の空洞部のうち、前記永久磁石の配置されていない
空洞部に導電性材が配置されたものであり、導電性材に
生じる渦電流によって回転電機の自己起動が可能とな
り、また高調波磁界による影響を導電性材に生じる渦電
流により抑制することができる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて詳説する。図１は本発明の第１の実施の形態の
永久磁石式リラクタンス型回転電機の回転子の半径方向
断面を示している。この第１の実施の形態の永久磁石式
リラクタンス型回転電機は、４極の電機子コイル２を備
えた固定子１と、円筒形の回転子鉄心４で成る回転子３
とから構成される。

【００３４】本発明の特徴部分となる回転子３の構造は
次の通りである。回転子鉄心４は、円筒形状の軟鋼Ｓ４
５Ｃ、または積層した円形状の珪素鋼板などの磁性材で
構成されている。回転子鉄心４の各磁極軸に沿った方向
には、磁極幅の間隔をあけて長方形状の空洞部５が形成
されている。この実施の形態で４極電機子コイル２は４
つの磁極が十字状に配置されているので、空洞部５は各
磁極を両側から挟み込む位置に形成されることになる。

【００３５】空洞部５にはＮｄＦｅＢ系の永久磁石６が
挿入され、接着剤で固定されていて、磁極軸に沿った配
置となっている。この永久磁石６は磁極軸と直交する方
向に磁化されていて、磁極間において、磁極軸に沿った
永久磁石６が発生する磁束は互いに加え合せとなる方向
に配置されている。つまり、磁極部を中心として磁極の
両側面にある永久磁石６の関係は、磁化方向が同一であ
り、磁極と直角方向となる。また、磁極間を中心として
２つの永久磁石６を見たときの関係は、互いに磁化方向
は逆方向になるが、磁極間鉄心で周方向から半径方向に
分布して、互いに磁束が加え合せとなる配置である。

【００３６】磁極間において、磁極に沿って配置されて
いる空洞部５と鉄心４の内周側で連結するように扇形状
の空洞部７が４カ所形成されている。

【００３７】図２は、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を示している。この第２
の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、
磁極軸に沿って形成された空洞部５の鉄心外側端部位置
を鉄心４の外周部よりも内側の位置までに止め、この空
洞部５に第１の実施の形態と同様の永久磁石６を配置し
た構造に特徴を有する。したがって、永久磁石６の外側
端部と回転子３の外周との間には鉄心４の一部が介在す
るスペースが存在することになる。なお、磁極に沿って
配置されている空洞部５と鉄心４の内周側で連結するよ
うに扇形状の空洞部７が形成されている点は第１の実施
の形態と同じである。

【００３８】図３は、本発明の第３の実施の形態の永久
磁石式リラクタンス型回転電機を示している。この第３
の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、
磁極に沿って配置されている空洞部５とその中の永久磁
石６とは第２の実施の形態と同じであるが、この空洞部
５と鉄心４の内周側で連結するように扇形状に形成され
た空洞部７は、空洞部５の内側端部との間に鉄心４の一
部が介在するスペースを開けて配置されている点が異な
る。

【００３９】次に、これらの第１〜第３の実施の形態の
永久磁石式リラクタンス型回転電機の動作を、図４及び
図５により説明する。

【００４０】＜高トルク発生のメカニズム＞図４は電機
子電流による磁極軸に沿った方向の成分の磁束Ｂ１を示
しており、磁極部の回転子鉄心４を磁路とするために、
この方向の磁路では磁気抵抗がきわめて小であり、磁束
が流れやすい磁気的構成となっている。

【００４１】図５は電機子電流による磁極間を中心とし
た軸に沿った方向の成分の磁束Ｂ２を示している。この
磁極間の磁束Ｂ２は磁極軸に沿って配置されている永久
磁石６と磁極間の内周側の空洞部７を横断する磁路を形
成するが、永久磁石６の比透磁率はほぼ１であるので、
永久磁石６と空洞部７の高磁気抵抗の作用で電機子電流
による磁束は低下する。

【００４２】さらに、磁極軸に沿った空洞部５にある永
久磁石６は、ほぼ磁極軸と直交する方向に磁化されてお
り、永久磁石６の磁束Ｂ３は回転子３の磁極を横断し、
磁極間の鉄心から空隙を介して固定子１を通り、回転子
３の磁極間、永久磁石６に戻る磁路を形成する。この永
久磁石６の磁束Ｂ３は電機子電流による磁極間軸方向成
分の磁束Ｂ２と逆方向に分布して、磁極間から侵入する
電機子磁束を反発し、あるいは、磁極間上の空隙部にお
いては、永久磁石６の磁束Ｂ３により電機子電流が作る
空隙磁束密度が低下することになり、磁極上の空隙磁束
密度と比較して大きく変化することになる。すなわち、
回転子３の位置に対する空隙磁束密度の変化が大とな
り、磁気エネルギ変化が大となる。つまり、永久磁石に
より等価的な磁気抵抗が変化して高出力になると考える
ことができる。この結果、空隙磁束分布に凹凸ができて
磁気エネルギ変化により大きな出力が発生する。

【００４３】この作用は、永久磁石に低磁気エネルギ積
のフェライト磁石と、高磁気エネルギ積のＮｄＦｅＢ磁
石を使用した場合の空隙磁束密度分布の変化で具体的に
確認できる。以下に、実験データに基づき説明する。磁
極軸の方向の成分Ｂ１の空隙磁束密度は、フェライト磁
石とＮｄＦｅｂ磁石のいずれを使用しても、ほぼ同一の
０．７〜０．８［Ｔ］である。一方、磁極間軸方向の成
分Ｂ２の空隙磁束密度は、フェライト磁石の場合は０．
１［Ｔ］まで低下することができ、ＮｄＦｅＢ磁石では
−０．３［Ｔ］（逆極性）まで大きく変化する。つま
り、ＮｄＦｅＢ磁石は電機子電流の磁界と逆の磁界を形
成しており、回転子位置に対する空隙磁束分布の変化が
きわめて大きくなることが分かる。

【００４４】＜広範囲の可変速運転が得られる端子電圧
の調整幅＞上記の各実施の形態の永久磁石式リラクタン
ス型回転電機では、磁極軸に沿った空洞部５にのみ永久
磁石６を配置しているので、回転子３の表面に永久磁石
が貼付けられている従来の永久磁石回転電機よりも永久
磁石の表面積が狭くなり、永久磁石による鎖交磁束量も
少なくなっている。この永久磁石６による鎖交磁束に、
電機子電流（リラクタンスモータの励磁電流成分とトル
ク電流成分）による鎖交磁束が加わって端子電圧を誘導
する。そこで、この励磁電流成分を調整することによっ
て端子電圧を幅広く調整することができる。すなわち、
定電圧電源で広範囲の可変速運転が可能となるのであ
る。

【００４５】さらに、図２に示した第２の実施の形態の
ように永久磁石６の外側端部と回転子３の外周との間に
は鉄心４の一部が介在するスペースが存在する構造にし
た場合、永久磁石６を回転子鉄心４の内部に埋め込む形
となり、回転子鉄心４が永久磁石６の保持機構となり、
機械的強度を向上させる。

【００４６】さらに図３に示した第３の実施の形態のよ
うに永久磁石６の外側端部にも内側端部にも回転子鉄心
４の一部分が介在するスペースを設ける構造にすること
によって、永久磁石６の磁束Ｂ３の一部がスペース部分
で回転子鉄心４を通って漏れ出すため、永久磁石６内の
反磁界を小とすることができる。すなわち、永久磁石６
の減磁曲線上の動作点が高くなり（パーミアンス係数は
大となる）、温度、電機子反作用に対する耐減磁特性が
向上する。

【００４７】次に、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を、図６に基づいて説明す
る。第４の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転
電機は、図１に示した第１の実施の形態〜図３に示した
第３の実施の形態それぞれの永久磁石式リラクタンス型
回転電機の回転子３の構造として、回転子鉄心４におけ
る磁極間の内周側の空洞部７を扇形状ではなく、長方形
状に変更した点に特徴がある。

【００４８】多極機では磁極軸に沿った空洞部５は回転
子鉄心４内で多角形上に配置されるので、回転子３のス
ペースを有効に利用できる。そこで、空洞部７の形状を
長方形状とすることにより、その半径方向の厚みを厚く
することができ、限られた断面積の回転子鉄心４内で有
効に半径方向の磁気抵抗を高くすることができるように
なる。

【００４９】次に、本発明の第５の実施の形態の永久磁
石式リラクタンス型回転電機を、図７に基づいて説明す
る。第５の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転
電機は、図６に示した第４の実施の形態に対して、回転
子鉄心４における磁極間の内周側の長方形状の空洞部７
に永久磁石８を配置した点に特徴がある。この永久磁石
８は電機子電流による磁極間軸方向成分の磁界と逆の半
径方向に磁化された配置とする。

【００５０】この第５の実施の形態の永久磁石式リラク
タンス型回転電機では、磁極間の内周側の空洞部７内の
永久磁石８が電機子電流による磁極間軸方向成分の磁界
と逆の半径方向に磁化されているので、磁極間軸方向の
空隙磁束を小さくでき、さらに、磁気エネルギ積の高い
希土類永久磁石をこれに使用するならば、磁極間の軸方
向の空隙磁界を電機子電流による磁界と逆の方向にで
き、回転子３の位置に対する空隙磁束密度分布の変化を
大きくすることができる。これにより、空隙磁束密度分
布の変化、すなわち、磁気エネルギ変化が大となり、出
力が向上する。あるいは、永久磁石８が磁極間軸から侵
入しようとする電機子電流による磁束を反発するので、
さらに空隙磁束分布の凹凸を大きくし、出力が増加する
と考えることもできる。

【００５１】なお、図１〜図３に示したような、回転子
鉄心４における磁極間の内周側に形成された扇形状の空
洞部７に対しても永久磁石８を配置することができ、同
様の効果を期待することができる。

【００５２】また回転子鉄心４の磁極軸に沿った方向の
空洞部５の永久磁石６には高磁気エネルギ積の希土類永
久磁石、例えば、ＮｄＦｅＢ磁石を使用し、磁極間内周
側の空洞部７の永久磁石８に低磁気エネルギ積の永久磁
石、例えば、フェライト磁石を使用することができる。
これにより、電機子反作用による減磁界は回転子外周ほ
ど強く分布するものであり、回転子３の外周に近い磁極
に沿った空洞部５の永久磁石６は高磁気エネルギ積の希
土類永久磁石であるので減磁に対して強くなり、長期に
安定した特性を維持することができるようになる。

【００５３】次に、本発明の第６の実施の形態の永久磁
石式リラクタンス型回転電機を、図８に基づいて説明す
る。第６に実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転
電機は、回転子３の回転子鉄心４に対して、図６の第４
の実施の形態、図７の第５の実施の形態と同様の配置で
空洞部５，７を形成し、かつ、磁極間の内周側の空洞部
７のみに永久磁石８を配置し、磁極軸に沿った空洞部５
には永久磁石を配置しない構造とした点に特徴がある。

【００５４】この第６の実施の形態の永久磁石式リラク
タンス型回転電機では、磁極軸に沿った空洞部５には永
久磁石が存在しないために、図５に示したように永久磁
石による磁束Ｂ３が形成する磁界はなくなり、空洞部５
の高磁気抵抗による作用のみが電機子磁束に影響を与え
ることになる。このため、電機子電流による磁極軸方向
の磁束Ｂ２が増えるので、空隙磁束密度の変化幅は小さ
くなり、出力は低下することになる。しかしながら、回
転電機に使用する永久磁石の量が少なく（例えば、約１
／２以下に）抑えられることになり、コストの低減が図
れる。

【００５５】また永久磁石８が回転子鉄心４の内深くに
存在することになるので、回転子鉄心４内を漏れる磁束
も多くなり、永久磁石８の反磁界が小となる。減磁曲線
のＢ−Ｈ特性で考えると、漏れ磁束の磁路も並列に増え
るので動作点は高くなり、磁気的に安定して減磁に強く
なる。加えて、電機子反作用による減磁界は回転子外周
ほど強く分布するので、回転子鉄心４の内深くに永久磁
石８が存在する場合には、電機子反作用の影響を緩和す
ることができる。これにより、温度及び電機子反作用に
よる永久磁石の減磁を防止して、長期にわたり安定した
特性が得られることになる。

【００５６】なお、上記の場合、長方形状の空洞部７に
対して永久磁石８を配置したが、図１〜図３に示したよ
うな扇形状の空洞部７に対してのみ永久磁石８を配置し
た構造とすることも可能である。

【００５７】次に、本発明の第７の実施の形態の永久磁
石式リラクタンス型回転電機を、図９に基づいて説明す
る。この第７の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型
回転電機の特徴は、図３に示した第３の実施の形態の回
転子３の回転子鉄心４に対して、さらに磁極の鉄心中央
部にスリット状の半径方向に細長い空洞部９を設けた点
にある。

【００５８】このスリット状の空洞部９により、磁極を
横切る方向の磁気抵抗が高くなるので、電機子電流によ
る磁極間の軸方向の成分の磁束が低減する。また、磁極
軸に沿った空洞部５の永久磁石６の磁束は磁極のスリッ
ト状の空洞部９で遮られるので、永久磁石６の磁束Ｂ４
は磁極部では空洞部９に沿った方向に分布し、空隙を介
して固定子鉄心を通り、永久磁石６に戻る磁路を形成す
る。

【００５９】上記のスリット状の空洞部９は、図１、図
２に示した永久磁石式リラクタンス型回転電機において
も形成することができ、また図６、図７に示した永久磁
石式リラクタンス型回転電機においても等しく形成する
ことができるものである。

【００６０】なお、上記の各実施の形態の永久磁石式リ
ラクタンス型回転電機において、磁極ピッチ（１つの磁
極中心から隣極の磁極中心までの距離）に対する回転子
鉄心４の磁極幅（磁極軸方向において、磁極側面に配置
した磁極に沿った２つの空洞部５で挟まれる回転子鉄心
の幅）の比を０．３〜０．５倍とすることにより、回転
子位置に対する空隙磁束密度分布の変化を効果的に大き
くでき、高出力の回転電機を実現することができる。

【００６１】また、例えば、珪素鋼板のような電磁鋼板
を積層してかかる回転子鉄心４を構成する場合には、回
転子３の空洞部５，７（場合によっては空洞部９）の穴
を型抜きで加工することができるので製造性が良くな
る。また積層方向の電気抵抗が高くなるので、高調波磁
界で鉄心表面に生じる渦電流を減少させることができ、
同時に、高調波磁束により永久磁石に分布する渦電流も
低減することができる。

【００６２】さらに、上記の各実施の形態にあって、空
洞部５，７（場合によっては空洞部９）のうち、永久磁
石が配置されていない空洞部に対しては非磁性材を充填
しておくことにより、空洞部が中実となって強度補強が
できる。また永久磁石の配置されていない空洞部に導電
性の非磁性材を充填しておくことにより、導電物に生じ
る渦電流によって回転電機の自己始動が可能となり、ま
た高調波磁界による影響を導電物に生じる渦電流によっ
て抑制することもできるようになる。

【００６３】次に、本発明の第８の実施の形態の永久磁
石式リラクタンス型回転電機を、図１０に基づいて説明
する。第８の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回
転電機は、図１に示した第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対して、回転子鉄心４の軸方
向両端部に磁性エンドリング１０を配置した構造を特徴
とする。

【００６４】この第８の実施の形態の永久磁石式リラク
タンス型回転電機では、電機子コイル２の電流により回
転子鉄心４内の永久磁石６，８の磁化方向とは逆方向の
電機子反作用磁界を与えたとき、図１０に示すように永
久磁石６，８の磁束の一部は回転軸方向を通り、磁性エ
ンドリング１０を通って再び回転子鉄心４に戻る閉じた
磁路１１を構成する。すなわち、効果的に漏れ磁束を生
じさせることができて、電機子コイル２との鎖交磁束量
を調整することができ、端子電圧を電機子電流によって
容易に調整できるようになる。

【００６５】なお、磁性エンドリング１０は図１に示し
た第１の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電
機にしか使用できないというわけではなく、上述したい
ずれの実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機
に対して同様に適用することができるものである。

【００６６】次に、本発明の第９の実施の形態の永久磁
石式リラクタンス型回転電機を、図１１に基づいて説明
する。第９の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回
転電機は、図１に示した第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対して、回転子鉄心４の軸方
向両端部に磁性エンドリング１０を空隙１２をあけて配
置した構造を特徴とする。

【００６７】この第９の実施の形態の永久磁石式リラク
タンス型回転電機では、図１０に示した第８の実施の形
態と同様に、電機子コイル２の電流により回転子鉄心４
内の永久磁石６，８の磁化方向とは逆方向の電機子反作
用磁界を与えたとき、図１１に示すような永久磁石６，
８の磁束の一部は回転軸方向を通り、磁性エンドリング
１０を通って再び回転子鉄心４に戻る閉じた磁路１１を
構成し、効果的に漏れ磁束を生じさせることができて、
電機子コイル２との鎖交磁束量を調整することができ、
端子電圧を電機子電流によって容易に調整でき、さら
に、漏れ磁束と有効磁束との割合を回転子鉄心４とエン
ドリング１０との間の空隙１２の長さによって調整する
ことができる。

【００６８】なお、この第９の実施の形態でも、磁性エ
ンドリング１０は図１に示した第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しか使用できないとい
うわけではなく、上述したいずれの実施の形態の永久磁
石式リラクタンス型回転電機に対して同様に適用するこ
とができるものである。

【００６９】

【発明の効果】以上のように請求項１の発明によれば、
磁極軸に沿った空洞部に配置されている永久磁石がほぼ
磁極軸と直交する方向に磁化されているので、磁極間の
軸方向から侵入する電機子電流による磁束を反発させ、
さらにその比透磁率がほぼ１であるので永久磁石方向の
磁気抵抗を高くするように作用し、電機子電流による磁
束を磁極間をほとんど通らずに磁極部の鉄心を通るよう
に分布させて空隙磁束分布に凹凸を形成することがで
き、磁気エネルギ変化によって大きなトルクを発生する
ことができる。

【００７０】また磁極軸に沿った空洞部に永久磁石を配
置したことによって、回転子の表面のほぼ全周に永久磁
石が設けられている従来の永久磁石回転電機よりも永久
磁石の表面積が狭くなり、永久磁石による鎖交磁束量も
少なくなり、励磁電流成分を調整することによって端子
電圧を幅広く調整することができ、定電圧電源で広範囲
の可変速運転が可能である。

【００７１】請求項２の発明によれば、磁極軸に沿った
第１の空洞部に配置されている永久磁石がほぼ磁極軸と
直交する方向に磁化されているので、磁極間の軸方向か
ら侵入する電機子電流による磁束を反発させる作用を
し、またその比透磁率がほぼ１であるので永久磁石方向
の磁気抵抗を高くするようにも作用し、さらに回転子鉄
心の磁極間の内周部に形成された第２の空洞部により、
磁極間の軸方向の磁気抵抗も高くなり、これらの結果と
して、電機子電流による磁束を磁極間をほとんど通らず
に磁極部の鉄心を通るように分布させて空隙磁束分布に
凹凸を形成することができ、磁気エネルギ変化によって
大きなトルクを発生することができる。

【００７２】また広範囲の可変速運転特性については、
請求項１の発明と同様、定電圧電源で広範囲の可変速運
転が可能である。

【００７３】請求項３の発明によれば、第２の空洞部を
扇形状にしたことによってこの空洞部を半径方向に深く
することができ、それだけ磁気抵抗を大きくすることが
でき、トルクを大きくすることができる。

【００７４】請求項４の発明によれば、第２の空洞部が
長方形状をしたので、回転子鉄心のスペースを有効に利
用して半径方向の厚みを厚くすることができ、限られた
断面積の回転子鉄心内で有効に半径方向の磁気抵抗を高
くすることができる。

【００７５】請求項５の発明によれば、磁極間内周側の
第２の空洞部に配置された永久磁石が磁極間の軸方向か
ら侵入しようとする電機子電流による磁束を反発するこ
とができ、空隙磁束分布の凹凸をさらに大きくし、出力
を増加することができる。

【００７６】請求項６の発明によれば、電機子反作用に
よる減磁界は回転子外周ほど強く分布するものである
が、回転子の外周に近い磁極に沿った第１の空洞部の永
久磁石は減磁に対して強い高磁気エネルギ積のものを使
用することにより、空隙磁束分布の凹凸をより急激なも
のにして出力を増加することができる。

【００７７】請求項７の発明によれば、第２の空洞部が
永久磁石との間にスペースを設けて配置されたので、永
久磁石の磁束の一部を回転子鉄心のスペース部分を通し
て漏れさせ、永久磁石内の反磁界を小とすることがで
き、この結果、永久磁石の減磁曲線上の動作点が高くな
り、温度、電機子反作用に対する耐減磁特性が向上す
る。

【００７８】請求項８の発明によれば、磁極間の軸方向
に沿った第１の空洞部の永久磁石の外側端部が回転子鉄
心の外周よりも内側に位置し、磁気空隙と当該永久磁石
の外側端部との間に回転子鉄心の一部が介在する配置に
したので、この磁気空隙と当該永久磁石の外側端部との
間に介在する回転子鉄心部分を通して永久磁石の磁束の
一部を漏れさせ、永久磁石内の反磁界を小とすることが
でき、この結果、永久磁石の減磁曲線上の動作点が高く
なり、温度、電機子反作用に対する耐減磁特性が向上す
る。

【００７９】これと同時に、第１の空洞部の永久磁石は
回転子鉄心内に完全に埋め込まれ、回転子鉄心によって
保持される構造となるので機械的強度が向上する。

【００８０】請求項９の発明によれば、磁極間の軸方向
に沿った第１の空洞部には永久磁石を配置せず、磁極間
内周側の第２の空洞部のみに永久磁石を配置したので、
モータ特性を大きく損なうことなく、永久磁石の使用量
が少なくできてコストの低減が図れ、また永久磁石が回
転子鉄心の内深くに配置されることになり、温度及び電
機子反作用による永久磁石の減磁が防止され、長期に安
定した特性で使用できる。

【００８１】請求項１０の発明によれば、磁極間内周側
の第２の空洞部の永久磁石が磁極間軸方向の成分の電機
子磁束の方向と逆の方向に磁化されているので、磁極間
軸方向の空隙磁束を小さくできる。

【００８２】請求項１１の発明によれば、回転子鉄心の
磁極幅を磁極ピッチ幅の０．３〜０．５倍としたので、
回転子位置に対する空隙磁束密度分布の変化を効果的に
大きくでき、高出力が得られる。

【００８３】請求項１２の発明によれば、回転子鉄心の
各磁極の中央部にスリットを形成したので、このスリッ
トにより磁極を横切る方向の磁気抵抗を高くし、磁極間
の軸方向の成分の電機子電流の磁束を低減し、また、永
久磁石の磁束を磁極スリットで遮ることができ、磁極部
ではスリットに沿った方向に分布させ、空隙を介して固
定子鉄心を通り、永久磁石に戻る磁路を形成することが
できる。

【００８４】請求項１３の発明によれば、回転子鉄心を
電磁鋼板の積層構造としたので、電磁鋼板に穴の型抜き
加工を行い、積層することによって回転子鉄心の組立と
空洞部の形成ができ、製造性が向上する。また高調波磁
界で鉄心表面に生じる渦電流を減少させることができ
る。

【００８５】請求項１４及び請求項１５の発明によれ
ば、電機子電流により、回転子外周部の第２の空洞部に
配置された永久磁石の磁化方向と逆方向の電機子反作用
磁界を与えたとき、この永久磁石の磁束の一部は軸方向
を通り、磁性エンドリングを通って回転子で閉じた磁路
を形成することによって効果的に漏れ磁束を生じさせる
ことができ、電機子コイルとの鎖交磁束量を調整できる
ので端子電圧を電機子電流により容易に調整できる。そ
してこの場合に、回転子鉄心の端面と磁性エンドリング
との空隙長の調整によって漏れ磁束と有効磁束との割合
を調整することができる。

【００８６】請求項１６の発明によれば、第１と第２の
空洞部のうち、永久磁石の配置されていない空洞部に非
磁性材が配置されたので、空洞部分を構造物で充填する
ことによって磁気特性を損なうことなく、強度的に強く
することができる。

【００８７】請求項１７の発明によれば、第１と第２の
空洞部のうち、永久磁石の配置されていない空洞部に導
電性材が配置されたので、導電性材に生じる渦電流によ
って回転電機の自己起動が可能となり、また高調波磁界
による影響を導電性材に生じる渦電流により抑制するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の径方向の断面図。

【図２】本発明の第２の実施の形態の径方向の断面図。

【図３】本発明の第３の実施の形態の径方向の断面図。

【図４】上記の第３の実施の形態における電機子電流の
磁極軸方向成分の磁束の流れを示した径方向の断面図。

【図５】上記の第３の実施の形態における電機子電流の
磁極間の軸方向成分の磁束の流れを示した径方向の断面
図。

【図６】本発明の第４の実施の形態の回転子の径方向の
断面図。

【図７】本発明の第５の実施の形態の回転子の径方向の
断面図。

【図８】上記の第６の実施の形態の回転子の径方向の断
面図。

【図９】本発明の第７の実施の形態の径方向の断面図。

【図１０】本発明の第８の実施の形態の軸方向の断面
図。

【図１１】本発明の第９の実施の形態の軸方向の断面
図。

【図１２】従来例の径方向の断面図。

【符号の説明】

１ 固定子 ２ 電機子コイル ３ 回転子 ４ 回転子鉄心 ５ 空洞部 ６ 永久磁石 ７ 空洞部 ８ 永久磁石 ９ （スリット状の）空洞部 １０ 磁性エンドリング １１ 磁路 １２ 空隙

Claims (17)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電機子コイルを有する固定子と、円筒形
   で、複数の磁極部が円周方向に等間隔に離間して形成さ
   れ、かつ円周方向に隣り合う磁極部間の離間部分を磁極
   間とする回転子鉄心で成る回転子とから成る永久磁石式
   リラクタンス型回転電機において、 前記回転子鉄心は、前記磁極間の回転子円周方向両端に
   形成され、それぞれが磁極軸に沿って細長い長方形状の
   空洞部と、各空洞部に配置された永久磁石とを備え、 前記磁極間の回転子円周方向両端に位置する永久磁石
   は、その磁束が互いに加え合せになる方向に磁化されて
   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。
2. 【請求項２】 電機子コイルを有する固定子と、円筒形
   で、複数の磁極部が円周方向に等間隔に離間して形成さ
   れ、かつ円周方向に隣り合う磁極部間の離間部分を磁極
   間とする回転子鉄心で成る回転子とから成る永久磁石式
   リラクタンス型回転電機において、 前記回転子鉄心は、前記磁極間の回転子円周方向両端に
   形成され、それぞれが磁極軸に沿って細長い長方形状の
   第１の空洞部と、当該第１の空洞部が前記磁極間の内周
   側でつながるような位置に形成された第２の空洞部と、
   前記第１の空洞部それぞれに配置された永久磁石とを備
   え、 前記磁極間の回転子円周方向両端に位置する永久磁石
   は、その磁束が互いに加え合せになる方向に磁化されて
   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。
3. 【請求項３】 前記第２の空洞部は、前記回転子鉄心の
   中心方向にその基部が位置し、当該回転子鉄心の外周方
   向に広がる扇形状であることを特徴とする請求項２に記
   載の永久磁石式リラクタンス型回転電機。
4. 【請求項４】 前記第２の空洞部は、長方形状であるこ
   とを特徴とする請求項２に記載の永久磁石式リラクタン
   ス型回転電機。
5. 【請求項５】 前記第２の空洞部に永久磁石を配置して
   成ることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の
   永久磁石式リラクタンス型回転電機。
6. 【請求項６】 前記第１の空洞部に配置された永久磁石
   は、高磁気エネルギ積のもの、前記第２の空洞部に配置
   された永久磁石は低磁気エネルギ積のものとしたことを
   特徴とする請求項５に記載の永久磁石式リラクタンス型
   回転電機。
7. 【請求項７】 前記第２の空洞部は、前記永久磁石との
   間にスペースを設けて配置されていることを特徴とする
   請求項２〜６のいずれかに記載の永久磁石式リラクタン
   ス型回転電機。
8. 【請求項８】 前記永久磁石は、その外側端部が前記回
   転子鉄心の外周よりも内側に位置し、磁気空隙と当該永
   久磁石の外側端部との間に回転子鉄心の一部が介在する
   ことを特徴とする請求項２〜７のいずれかに記載の永久
   磁石式リラクタンス型回転電機。
9. 【請求項９】 前記第１の空洞部には前記永久磁石を配
   置せず、前記第２の空洞部のみに前記永久磁石を配置し
   たことを特徴とする請求項２〜８のいずれかに記載の永
   久磁石式リラクタンス型回転電機。
10. 【請求項１０】 前記第２の空洞部に配置された永久磁
    石は、前記回転子鉄心の半径方向に磁化されていること
    を特徴とする請求項２〜９のいずれかに記載の永久磁石
    式リラクタンス型回転電機。
11. 【請求項１１】 前記回転子鉄心の磁極幅を磁極ピッチ
    幅の０．３〜０．５倍としたことを特徴とする請求項１
    〜１０のいずれかに記載の永久磁石式リラクタンス型回
    転電機。
12. 【請求項１２】 前記回転子鉄心の各磁極の中央部にス
    リットを形成したことを特徴とする請求項１〜１１のい
    ずれかに記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機。
13. 【請求項１３】 前記回転子鉄心を電磁鋼板の積層構造
    としたことを請求項１〜１２のいずれかに記載の永久磁
    石式リラクタンス型回転電機。
14. 【請求項１４】 前記回転子鉄心の軸方向端部に磁性エ
    ンドリングが配置されたことを特徴とする請求項１〜１
    ３のいずれかに記載の永久磁石式リラクタンス型回転電
    機。
15. 【請求項１５】 前記回転子鉄心の軸方向端面と前記磁
    性エンドリングとの間に空隙が形成されていることを特
    徴とする請求項１４に記載の永久磁石式リラクタンス型
    回転電機。
16. 【請求項１６】 前記第１と第２の空洞部のうち、前記
    永久磁石の配置されていない空洞部に非磁性材が配置さ
    れたことを特徴とする請求項２〜１５のいずれかに記載
    の永久磁石式リラクタンス型回転電機。
17. 【請求項１７】 前記第１と第２の空洞部のうち、前記
    永久磁石の配置されていない空洞部に導電性材が配置さ
    れたことを特徴とする請求項２〜１５のいずれかに記載
    の永久磁石式リラクタンス型回転電機。