JP3967760B2 - 永久磁石式リラクタンス型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石を複合して小型かつ高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なえるようにした永久磁石式リラクタンス型回転電機に関するものである。

図１１は、従来のリラクタンス型回転電機の構成例を示す径方向断面図である。

図１１において、リラクタンス型回転電機は、スロット７の内部に収納された電機子巻線３を有する電磁鋼板を積層した固定子鉄心２で形成された固定子１と、この固定子１の内側に位置して凹凸のある回転子鉄心４で形成された回転子１０とを備えて構成されている。

かかる従来のリラクタンス型回転電機は、回転子１０に界磁を形成するコイルが不要であり、回転子１０は凹凸のある回転子鉄心４のみで構成することができる。

このため、リラクタンス型回転電機は、簡素であり、かつ安価である。

次に、この種のリラクタンス型回転電機の出力の発生原理について述べる。

リラクタンス型回転電機は、回転子１０に凹凸があることにより、凸部で磁気抵抗が小となり、凹部では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、電機子巻線３に電流を流すことにより蓄えられる磁気エネルギーが異なる。そして、この磁気エネルギーの変化によって出力が発生する。

また、凸部と凹部は、幾何的のみでなく、磁気的に凹凸を形成することができる（磁気抵抗、磁束密度分布が、回転子１０の位置により異なる）形状であればよい。

一方、その他の高性能な回転電機として、永久磁石回転電機がある。この永久磁石回転電機は、電機子はリラクタンス型回転電機と同様であるが、回転子は回転子鉄心と回転子のほぼ全周にわたって永久磁石が配置されている。

ところで、このような従来の回転電機においては、次のような解決すべき技術課題がある。

すなわち、リラクタンス型回転電機は、回転子鉄心４表面の凹凸により、回転位置によって磁気抵抗が異なり、磁束密度も変化することになる。そして、この変化により磁気エネルギーが変化して出力が得られる。

しかしながら、電流が増加すると伴に、磁極となる回転子鉄心４の凸部分（磁束の通り易い部分であり、以下ｄ軸と称する）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（磁束の通り難い部分であり、以下ｑ軸と称する）に漏れる磁束が増加して、有効な磁束は減少して出力が低下する。

または、磁気エネルギーから考えると、鉄心歯の磁気飽和で生じる漏れ磁束によって、空隙磁束密度の変化が緩やかになり、磁気エネルギー変化が小さくなる。

このため、電流に対して出力の増加率が低下し、やがて出力は飽和する。また、ｑ軸の漏れ磁束は、無効な電圧を誘起して力率を低下させることになる。

一方、その他の方式の高出力の回転電機として、高磁気エネルギー積の希土類永久磁石を適用した永久磁石回転電機がある。

この永久磁石回転電機は、回転子鉄心の表面に永久磁石を配置していることから、界磁に高エネルギーの永久磁石を適用することにより、高磁界を回転電機の空隙に形成できるため、小型でかつ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ことから、高速回転時に電機子巻線に誘導される電圧は比例して大きくなる。

従って、低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なう場合に、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と、基底速度の２倍以上に定出力運転を行なうことは困難である。

本発明の目的は、小型かつ高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうこと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にある。

前記の目的を達成するために、請求項１に対応する発明では、スロットの内部に収納された電機子巻線を有する固定子鉄心で形成された固定子と、当該固定子の内側に位置して磁束の通り易い部分（ｄ軸）と磁束の通り難い部分（ｑ軸）とが交互に形成されるように空洞による複数の磁気障壁が設けられ、かつ空洞内に永久磁石を配置した回転子鉄心で形成された回転子とを備えて構成される永久磁石式リラクタンス型回転電機において、回転子は、ｑ軸方向に配置された空洞の回転子半径方向外側の回転子鉄心の平均肉厚をＷ_qave［ｍ］、空洞の周方向の幅をＬ［ｍ］、極数をＰ、回転子の半径をＲ［ｍ］とした場合に、ＰＬ／２πＲＷ_qave≧１３０なる関係を満たすように構成している。

従って、請求項１に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、回転子はＰＬ／２πＲＷ_qave≧１３０なる関係を満たすことにより、高いトルクを得ることができるため、高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

また、請求項２に対応する発明では、上記請求項１に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、回転子は、ＰＬ／２πＲＷ_qave≧２００なる関係を満たすように構成している。

従って、請求項２に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、回転子はＰＬ／２πＲＷ_qave≧２００なる関係を満たすことにより、より一層高いトルクを得ることができるため、より一層高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

さらに、請求項３に対応する発明では、上記請求項１または請求項２に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、ｑ軸方向に配置された空洞は、回転子半径方向外周部へ突抜けさせている。

従って、請求項３に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、ｑ軸方向に配置された空洞を回転子半径方向外周部へ突抜けさせることにより、低速回転では特に高いトルクを得ることができるため、より一層高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

一方、請求項４に対応する発明では、スロットの内部に収納された電機子巻線を有する固定子鉄心で形成された固定子と、当該固定子の内側に位置して磁束の通り易い部分（ｄ軸）と磁束の通り難い部分（ｑ軸）とが交互に形成されるように空洞による複数の磁気障壁が設けられ、かつ空洞内に永久磁石を配置した回転子鉄心で形成された回転子とを備えて構成される永久磁石式リラクタンス型回転電機において、回転子は、ｑ軸方向に配置された空洞と永久磁石との間の最短距離をＷ_dmin、極数をＰ、回転子の半径をＲ［ｍ］とした場合に、Ｗ_dminＰ／２πＲ≧６５なる関係を満たすように構成している。

従って、請求項４に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、回転子はＷ_dminＰ／２πＲ≧６５なる関係を満たすことにより、高いトルクを得ることができるため、高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

また、請求項５に対応する発明では、上記請求項４に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、回転子は、Ｗ_dminＰ／２πＲ≧８７なる関係を満たすように構成している。

従って、請求項５に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、回転子はＷ_dminＰ／２πＲ≧８７なる関係を満たすことにより、より一層高いトルクを得ることができるため、より一層高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

一方、請求項６に対応する発明では、スロットの内部に収納された電機子巻線を有する固定子鉄心で形成された固定子と、当該固定子の内側に位置して磁束の通り易い部分（ｄ軸）と磁束の通り難い部分（ｑ軸）とが交互に形成されるように空洞による複数の磁気障壁が設けられ、かつ空洞内に永久磁石を配置した回転子鉄心で形成された回転子とを備えて構成される永久磁石式リラクタンス型回転電機において、回転子は、ｑ軸方向に配置された空洞と永久磁石との間の平均距離をＷ_dave、極数をＰ、回転子の半径をＲ［ｍ］とした場合に、９５≦Ｗ_daveＰ／２πＲ≦１６０なる関係を満たすように構成している。

従って、請求項６に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、回転子は９５≦Ｗ_daveＰ／２πＲ≦１６０なる関係を満たすことにより、高いトルクを得ることができるため、高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

また、請求項７に対応する発明では、前記請求項６に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、回転子は、１１０≦Ｗ_daveＰ／２πＲ≦１３０なる関係を満たすように構成している。

従って、請求項７に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、回転子は１１０≦Ｗ_daveＰ／２πＲ≦１３０なる関係を満たすことにより、より一層高いトルクを得ることができるため、より一層高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

一方、請求項８に対応する発明では、上記請求項１、請求項２、請求項４乃至請求項７のいずれか１項に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、ｑ軸方向の中心に近づくにつれて、ｑ軸方向に配置された空洞の半径方向の幅を広くするようにしている。

従って、請求項８に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、ｑ軸方向の中心に近づくにつれてｑ軸方向に配置された空洞の半径方向の幅を広くすることにより、より一層高いトルクを得ることができるため、より一層高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

また、請求項９に対応する発明では、上前記請求項１、請求項２、請求項４乃至請求項７のいずれか１項に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、ｑ軸方向に配置された空洞と永久磁石との間の距離が空洞のｑ軸方向の中心の内径側で最大となるように、永久磁石の角度を変化させるようにしている。

従って、請求項９に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、ｑ軸方向に配置された空洞と永久磁石との間の距離が空洞のｑ軸方向の中心の内径側で最大となるように、永久磁石の角度を変化させることにより、より一層高いトルクを得ることができるため、より一層高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

一方、請求項１０に対応する発明では、スロットの内部に収納された電機子巻線を有する固定子鉄心で形成された固定子と、当該固定子の内側に位置して磁束の通り易い部分（ｄ軸）と磁束の通り難い部分（ｑ軸）とが交互に形成されるように空洞による複数の磁気障壁が設けられ、かつ空洞内に永久磁石を配置した回転子鉄心で形成された回転子とを備えて構成される永久磁石式リラクタンス型回転電機において、固定子は、スロットのピッチをτ［ｍ］、ティース幅をＷ_t［ｍ］とした場合に、０．４５≦Ｗ_t／τ≦０．８なる関係を満たすように構成している。

従って、請求項１０に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、固定子は０．４５≦Ｗ_t／τ≦０．８なる関係を満たすことにより、高いトルクを得ることができるため、高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

また、請求項１１に対応する発明では、上記請求項１、請求項２、請求項４乃至請求項１０のいずれか１項に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、固定子は、スロットのピッチをτ［ｍ］、ティース幅をＷ_t［ｍ］とした場合に、０．４５≦Ｗ_t／τ≦０．８なる関係を満たすように構成している。

従って、請求項１１に対応する発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、固定子は０．４５≦Ｗ_t／τ≦０．８なる関係を満たすことにより、上記請求項１、請求項２、請求項４乃至請求項１０のいずれか１項に対応する発明に比べて、より一層高いトルクを得ることができるため、より一層高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

本発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機によれば、回転子位置によってインダクタンスの差が大きな回転電機が得られ、高いトルクを得ることができるため、小型かつ高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）図１は、本実施の形態による永久磁石式リラクタンス型回転電機の構成例を示す径方向断面図であり、図１１と同一要素には同一符号を付して示している。図１に示すように、本実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、スロット７の内部に収納された電機子巻線３を有する電磁鋼板を積層した固定子鉄心２で形成された固定子１と、この固定子１の内側に位置してｄ軸とｑ軸とが交互に形成されるように空洞５による複数の磁気障壁が設けられ、このかつ空洞５内に永久磁石６を配置した回転子鉄心４で形成された回転子１０とを備えて構成している。

なお、８は鉄心歯を示している。図２は、図１における回転子１０の一部の詳細を示す径方向拡大断面図である。

図２に示すように、回転子１０の回転子鉄心４には、複数の空洞５が存在し、そのうちのＶ字に配置された箇所に永久磁石６を挿入している。

図３は、図１における回転子１０の一部の詳細を示す径方向拡大断面図である。

図３に示すように、回転子１０は、ｑ軸方向に配置された空洞５の回転子半径方向外側の回転子鉄心４の平均肉厚をＷ_qave［ｍ］、空洞５の周方向の幅をＬ［ｍ］、極数をＰ、回転子１０の半径をＲ［ｍ］とした場合に、ＰＬ／２πＲＷ_qave≧１３０なる関係を満たすように構成している。

なお、回転子１０は、より好ましくは、ＰＬ／２πＲＷ_qave≧２００なる関係を満たすように構成する。

次に、以上のように構成した本実施の形態による永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、回転子１０は、ＰＬ／２πＲＷ_qave≧１３０なる関係を満たすようにしていることにより、高いトルクを得ることができる。

以下、かかる点について詳述する。回転子１０には、空洞５により磁気抵抗の凹凸が存在する。磁気抵抗の小さい箇所（ｄ軸）では空隙磁束密度が高く、逆に磁気抵抗の大きい箇所（ｑ軸）では空隙磁束密度が小さくなる。そして、この磁束密度の変化によってリラクタンストルクが発生する。

極数がＰの時、図３に示すように、回転子１０の半径Ｒ［ｍ］、ｑ軸方向に配置された空洞５の回転子半径方向外側の回転子鉄心４の肉厚Ｗ_qの平均厚さＷ_qave［ｍ］、同空洞５の周方向の幅Ｌ［ｍ］とした場合、ｑ軸方向に配置された空洞５の回転子半径方向外側の回転子鉄心４の肉厚における磁気抵抗は、ＰＬ／２πＲＷ_qaveに比例する。

図４は、極数８、回転子１０の半径０．０８［ｍ］で設計したモデルについて解析を行なった時のＰＬ／２πＲＷ_qaveとトルクとの関係について調べた結果を示す依存特性図である。

図４から、ＰＬ／２πＲＷ_qave≧１３０で、今回得られた最大トルクの９５％以上と、従来設計により得られたトルクよりも高いトルクを得ることができることがわかる。

また、より好ましくは、ＰＬ／２πＲＷ_qave≧２００で、最大トルクの９９％以上のトルクを発生することができる。

以上により、高いトルクを得ることができ、結果として高出力（出力＝トルク×回転速度）で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。（変形例１）本実施の形態において、ｑ軸方向に配置された空洞５は、回転子半径方向外周部へ突抜けさせる構成としてもよい。

かかる構成の永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、ｑ軸方向に配置された空洞５を回転子半径方向外周部へ突抜けさせていることにより、低速回転では特に高いトルクを得ることができる。

以下、かかる点について詳述する。ＰＬ／２πＲＷ_qaveが大きい設計ということは、極数が多い、半径が小さい、ｑ軸方向に配置された空洞５の半径方向外側の回転子鉄心４の肉厚の平均厚さＷ_qaveが薄い、同空洞５の周方向の幅が広いということが考えられる。

しかしながら、事実上、極数、回転子１０の半径は、概ね設計仕様によって決定されてしまう。そのため、実際に操作できるのは、Ｗ_qaveとＬとなる。

図５は、トルクのＷ_qave依存特性について調べた結果を示す図である。

図５から、Ｗ_qave≦１ｍｍの時に、従来設計よりも高トルクが得られた。これは、ｑ軸方向に配置された空洞５の回転子半径方向外周部の回転子鉄心４部においては、上記数値制限範囲の肉厚にすることにより、この部分に分布するｄ軸磁束に対するｑ軸磁束を最小限にすることができる。

この時、ｄ軸方向の磁束密度と、ｑ軸方向の磁束密度との差が大きくなり、リラクタンストルクが増加する。Ｗ_qave＝０の時、特に顕著にリラクタンストルクが増加する。

以上により、より一層高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

一方、高速回転領域においては、Ｗ_qave＝０にした時、風損の問題が生じる。そのため、例えば高速回転機等で利用する場合には、ｑ軸方向に配置された空洞５は、回転子半径方向外周部に突抜けている構成（Ｗ_qave＝０）よりも、回転子鉄心４の半径方向外周部に、薄い肉厚（０＜Ｗ_qave≦１［ｍｍ］）を持たせる構成の方がより好ましい。（変形例２）本実施の形態（図３の構成）において、ｑ軸方向の中心に近づくにつれて、ｑ軸方向に配置された空洞５の半径方向の幅を広くする構成としてもよい。かかる構成の永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、ｑ軸方向の中心に近づくにつれてｑ軸方向に配置された空洞５の半径方向の幅を広くしていることにより、ｑ軸方向で磁気抵抗が最大となる。

この時、ｄ軸方向の磁束密度と、ｑ軸方向の磁束密度との差が大きくなり、リラクタンストルクが最大となる。

以上により、より一層高いトルクを得ることができるため、より一層高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

（変形例３）本実施の形態（図３の構成）において、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間の距離が空洞５のｑ軸方向の中心の内径側で最大となるように、永久磁石６の角度を変化させる構成としてもよい。かかる構成の永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間の距離が空洞５のｑ軸方向の中心の内径側で最大となるように、永久磁石６の角度を変化させていることにより、磁石磁束が回転子外周部に出て行き易くなり、トルクがより一層向上する。

以上により、より一層高いトルクを得ることができるため、より一層高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

上述したように、本実施の形態による永久磁石式リラクタンス型回転電機では、ｑ軸方向に配置された空洞５の回転子半径方向外側の回転子鉄心４の平均肉厚をＷ_qave［ｍ］、空洞５の周方向の幅をＬ［ｍ］、極数をＰ、回転子１０の半径をＲ［ｍ］とした場合に、回転子１０を、ＰＬ／２πＲＷ_qave≧１３０、より好ましくはＰＬ／２πＲＷ_qave≧２００なる関係を満たすように構成しているので、小型かつ高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

（第２の実施の形態）図６は、本実施の形態による永久磁石式リラクタンス型回転電機における回転子１０の一部の詳細を示す径方向拡大断面図であり、図１乃至図３と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。図６に示すように、本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１０は、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間の最短距離をＷ_dmin、極数をＰ、回転子１０の半径をＲ［ｍ］とした場合に、Ｗ_dminＰ／２πＲ≧６５なる関係を満たすように構成している。

なお、回転子１０は、より好ましくは、Ｗ_dminＰ／２πＲ≧８７なる関係を満たすように構成する。

次に、以上のように構成した本実施の形態による永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、回転子１０は、Ｗ_dminＰ／２πＲ≧６５なる関係を満たすようにしていることにより、より一層高いトルクを得ることができる。

以下、かかる点について詳述する。図７は、図６に示すように、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間の距離をＷ_d、その最短距離をＷ_dmin、極数をＰ、回転子１０の半径をＲ［ｍ］とした場合に、ＰＷ_dmin／２πＲとトルクとの関係について調べた結果を示す依存特性図である。

図７から、ＰＷ_dmin／２πＲ≧６５を満たす時に、今回得られた最大トルクの９５％以上と、従来設計により得られたトルクよりも高いトルクを得ることができることがわかる。

また、より好ましくは、ＰＷ_dmin／２πＲ≧８７で、最大トルクの９９％以上のトルクを発生することができる。

ここで、設計仕様により、極数、回転子１０の半径は概ね決められている。そのため、ＰＷ_dmin／２πＲは、Ｗ_dminに比例すると考えてよい。

すなわち、Ｗ_dminが大きい時、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間の回転子鉄心４部で起こる磁気飽和が少なくなり、ｄ軸方向の磁束が増加し、リラクタンストルクが高くなることを意味している。

以上により、より一層高いトルクを得ることができ、結果として高出力（出力＝トルク×回転速度）で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。（変形例１）本実施の形態（図６の構成）において、ｑ軸方向の中心に近づくにつれて、ｑ軸方向に配置された空洞５の半径方向の幅を広くする構成としてもよい。かかる構成の永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、ｑ軸方向の中心に近づくにつれてｑ軸方向に配置された空洞５の半径方向の幅を広くしていることにより、ｑ軸方向で磁気抵抗が最大となる。

この時、ｄ軸方向の磁束密度と、ｑ軸方向の磁束密度との差が大きくなり、リラクタンストルクが最大となる。

以上により、より一層高いトルクを得ることができるため、より一層高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

（変形例２）本実施の形態（図６の構成）において、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間の距離が空洞５のｑ軸方向の中心の内径側で最大となるように、永久磁石６の角度を変化させる構成としてもよい。かかる構成の永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間の距離が空洞５のｑ軸方向の中心の内径側で最大となるように、永久磁石６の角度を変化させていることにより、磁石磁束が回転子外周部に出て行き易くなり、トルクがより一層向上する。

以上により、より一層高いトルクを得ることができるため、より一層高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

上述したように、本実施の形態による永久磁石式リラクタンス型回転電機では、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間の最短距離をＷ_dmin、極数をＰ、回転子１０の半径をＲ［ｍ］とした場合に、回転子１０を、Ｗ_dminＰ／２πＲ≧６５、より好ましくはＷ_dminＰ／２πＲ≧８７なる関係を満たすように構成しているので、小型かつより一層高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

（第３の実施の形態）図６は、本実施の形態による永久磁石式リラクタンス型回転電機における回転子１０の一部の詳細を示す径方向拡大断面図であり、図１乃至図３と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。図６に示すように、本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１０は、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間の距離Ｗ_dの平均距離をＷ_dave、極数をＰ、回転子１０の半径をＲ［ｍ］とした場合に、９５≦Ｗ_daveＰ／２πＲ≦１６０なる関係を満たすように構成している。

なお、回転子１０は、より好ましくは、１１０≦Ｗ_daveＰ／２πＲ≦１３０なる関係を満たすように構成する。

次に、以上のように構成した本実施の形態による永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、回転子１０は、９５≦Ｗ_daveＰ／２πＲ≦１６０なる関係を満たすようにしていることにより、より一層高いトルクを得ることができる。

以下、かかる点について詳述する。図８は、図６に示すように、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間の距離Ｗ_dの平均距離をＷ_dave、極数をＰ、回転子１０の半径をＲ［ｍ］とした場合に、ＰＷ_dave／２πＲとトルクとの関係について調べた結果を示す依存特性図である。

図８から、９５≦ＰＷ_dave／２πＲ≦１６０を満たす時に、今回得られた最大トルクの９５％以上と、従来設計により得られたトルクよりも高いトルクを得ることができることがわかる。

また、より好ましくは、１１０≦ＰＷ_dave／２πＲ≦１３０で、最大トルクの９９％以上のトルクを発生することができる。

ここで、設計仕様により、極数、回転子１０の半径は概ね決められている。そのため、ＰＷ_dave／２πＲはＷ_daveに比例すると考えてよい。

すなわち、Ｗ_daveが大きい時、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石１０との間の回転子鉄心４部で起こる磁気飽和が少なくなり、リラクタンストルクが高くなるが、Ｗ_daveが大きくなりすぎると、ｑ軸方向の磁気抵抗が小さくなってしまい、逆にリラクタンストルクが減少してしまうことを意味している。

以上により、より一層高いトルクを得ることができ、結果として高出力（出力＝トルク×回転速度）で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。（変形例１）本実施の形態（図６の構成）において、ｑ軸方向の中心に近づくにつれて、ｑ軸方向に配置された空洞５の半径方向の幅を広くする構成としてもよい。かかる構成の永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、ｑ軸方向の中心に近づくにつれてｑ軸方向に配置された空洞５の半径方向の幅を広くしていることにより、ｑ軸方向で磁気抵抗が最大となる。

この時、ｄ軸方向の磁束密度と、ｑ軸方向の磁束密度との差が大きくなり、リラクタンストルクが最大となる。

以上により、より一層高いトルクを得ることができるため、より一層高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

（変形例２）本実施の形態（図６の構成）において、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間の距離が空洞５のｑ軸方向の中心の内径側で最大となるように、永久磁石６の角度を変化させる構成としてもよい。かかる構成の永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間の距離が空洞５のｑ軸方向の中心の内径側で最大となるように、永久磁石６の角度を変化させていることにより、磁石磁束が回転子外周部に出て行き易くなり、トルクがより一層向上する。

以上により、より一層高いトルクを得ることができるため、より一層高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

上述したように、本実施の形態による永久磁石式リラクタンス型回転電機では、ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間の距離Ｗ_dの平均距離をＷ_dave、極数をＰ、回転子１０の半径をＲ［ｍ］とした場合に、回転子１０を、９５≦Ｗ_daveＰ／２πＲ≦１６０、より好ましくは１１０≦Ｗ_daveＰ／２πＲ≦１３０なる関係を満たすように構成しているので、小型かつより一層高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

（第４の実施の形態）図９は、本実施の形態による永久磁石式リラクタンス型回転電機における固定子１の一部の詳細を示す径方向拡大断面図であり、図１および図２と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。図９に示すように、本実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機の固定子１は、スロット １１のピッチをτ［ｍ］、ティース幅（固定子鉄心歯幅）をＷ_t［ｍ］とした場合に、０．４５≦Ｗ_t／τ≦０．８なる関係を満たすように構成している。

次に、以上のように構成した本実施の形態による永久磁石式リラクタンス型回転電機においては、固定子１は、０．４５≦Ｗ_t／τ≦０．８なる関係を満たすようにしていることにより、高いトルクを得ることができる。

以下、かかる点について詳述する。スロット１１のピッチτ［ｍ］、ティース幅Ｗ_t［ｍ］とし、また発熱を所定値以下に抑えるために電流密度を調整する。

一般的な永久磁石電動機、誘導電動機は、高トルク、高出力を得るために、スロット内に導線をできるだけ多く挿入して、アンペアターンを大きくする。その結果、ティース幅よりもスロット幅が広くなっている。

ティース幅を広くした場合には、スロット内を流れる電流密度が上昇し、あるレベルでスロット内に流れる通電電流の絶対値が減少して、トルクが減少する。

これに対して、本実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機では、次のような逆の結果を示す。

すなわち、ティース幅Ｗ_tが狭くなると、ティース部分で磁気飽和が起こり、ティースの磁気抵抗が大きくなり、電流から見た磁気抵抗は固定子１に占める磁気抵抗割合が高くなり、回転子１０の磁気抵抗差が相対的に小さくなる。その結果、リラクタンストルクが小さくなり、出力が低下してしまう。

一方、ティース幅Ｗ_tを広くすると、アンペアターンは減少するが、磁気抵抗の差がより大きくなるため、結果的にはトルクが増加する。さらに、アンペアターンの減少によって、インダクタンスの絶対値が小さくなるため、電圧源では高速領域での出力が増加する。

図１０は、Ｗ_t／τとトルクとの関係について調べた結果を示す依存特性図である。

図１０から、０．４５≦Ｗ_t／τ≦０．８の領域で、高いトルクを得ることができることがわかる。

以上により、高いトルクを得ることができ、結果として高出力（出力＝トルク×回転速度）で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。上述したように、本実施の形態による永久磁石式リラクタンス型回転電機では、スロット１１のピッチをτ［ｍ］、ティース幅（固定子鉄心歯幅）をＷ_t［ｍ］とした場合に、固定子１を、０．４５≦Ｗ_t／τ≦０．８なる関係を満たすように構成しているので、小型かつ高出力で低速から高速回転までの広範囲の可変速運転を行なうことが可能となる。

（その他の実施の形態）尚、本発明は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に実施することが可能である。また、各実施の形態は可能な限り適宜組合わせて実施してもよく、その場合には組合わせた作用効果を得ることができる。例えば、回転子の構成に関する発明である上記第１乃至第３の各実施の形態において、各実施の形態のうちの任意のもの、あるいは全てのものを適宜組合わせて実施することができる。さらに、回転子の構成に関する発明である上記第１乃至第３の各実施の形態、あるいはこれらを組合わせたものと、固定子の構成に関する発明である上記第４の実施の形態を適宜組合わせて実施することもできる。さらに、上記各実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合わせにより、種々の発明を抽出することができる。例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題（の少なくとも一つ）が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果（の少なくとも一つ）が得られる場合には、この構成要件が削除された構成を発明として抽出することができる。

本発明の第１乃至第３の実施の形態による永久磁石式リラクタンス型回転電機の構成例を示す径方向断面図。 図１における回転子の一部の詳細な構成例を示す径方向拡大断面図。 図１における回転子の一部の詳細な構成例を示す径方向拡大断面図。 同本発明の第１の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機におけるトルクとＰＬ／２πＲＷ_qaveとの関係を示す依存特性図。 本発明の第１の実施形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機におけるトルクのＷ_qave依存特性図。 本発明の第２および第３の実施の形態による永久磁石式リラクタンス型回転電機の構成例を示す径方向拡大断面図。 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におけるトルクのＷ_dminＰ／２πＲ依存特性を示す図。 本発明の第３の実施例の永久磁石式リラクタンス型回転電機におけるトルクのＷ_daveＰ／２πＲ依存特性を示す図。 本発明の第４の実施の形態による永久磁石式リラクタンス型回転電機の構成例を示す径方向拡大断面図。 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におけるトルクのＷ_t／τ依存特性を示す図。 従来のリラクタンス型回転電機の構成例を示す径方向断面図。

符号の説明

１…固定子
２…固定子鉄心
３…電機子巻線
４…回転子鉄心
５…空洞
６…永久磁石
７…スロット
８…鉄心歯
９…回転子鉄心
１０…回転子
１１…スロット
Ｗ_qave…ｑ軸方向に配置された空洞５の回転子半径方向外側の回転子鉄心４の平均肉厚
Ｌ…空洞５の周方向の幅
Ｐ…極数
Ｒ…回転子１０の半径
Ｗ_dmin…ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間の最短距離
Ｗ_dave…ｑ軸方向に配置された空洞５と永久磁石６との間の距離Ｗ_dの平均距離
τ…スロット１１のピッチ、
Ｗ_t…ティース幅（固定子鉄心歯幅）。

Claims (6)

1. スロットの内部に収納された電機子巻線を有する固定子鉄心で形成された固定子と、当該固定子の内側に位置して磁束の通り易い部分（ｄ軸）と磁束の通り難い部分（ｑ軸）とが交互に形成されるように空洞による複数の磁気障壁が設けられ、かつ空洞内に永久磁石を配置した回転子鉄心で形成された回転子とを備えて構成される永久磁石式リラクタンス型回転電機において、回転子は、ｑ軸方向に配置された空洞の回転子半径方向外側の回転子鉄心の平均肉厚をＷ_qave［ｍ］、空洞の周方向の幅をＬ［ｍ］、極数をＰ、回転子の半径をＲ［ｍ］とした場合に、ＰＬ／２πＲＷ_qave≧１３０なる関係を満たすように構成し、ｑ軸方向に配置された空洞と永久磁石との間の距離が空洞のｑ軸方向の中心の内径側で最大となるように、永久磁石の角度を変化させるようにした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. スロットの内部に収納された電機子巻線を有する固定子鉄心で形成された固定子と、当該固定子の内側に位置して磁束の通り易い部分（ｄ軸）と磁束の通り難い部分（ｑ軸）とが交互に形成されるように空洞による複数の磁気障壁が設けられ、かつ空洞内に永久磁石を配置した回転子鉄心で形成された回転子とを備えて構成される永久磁石式リラクタンス型回転電機において、回転子は、ｑ軸方向に配置された空洞の回転子半径方向外側の回転子鉄心の平均肉厚をＷ_qave［ｍ］、空洞の周方向の幅をＬ［ｍ］、極数をＰ、回転子の半径をＲ［ｍ］とした場合に、ＰＬ／２πＲＷ_qave≧２００なる関係を満たすように構成し、ｑ軸方向に配置された空洞と永久磁石との間の距離が空洞のｑ軸方向の中心の内径側で最大となるように、永久磁石の角度を変化させるようにした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. スロットの内部に収納された電機子巻線を有する固定子鉄心で形成された固定子と、当該固定子の内側に位置して磁束の通り易い部分（ｄ軸）と磁束の通り難い部分（ｑ軸）とが交互に形成されるように空洞による複数の磁気障壁が設けられ、かつ空洞内に永久磁石を配置した回転子鉄心で形成された回転子とを備えて構成される永久磁石式リラクタンス型回転電機において、回転子は、ｑ軸方向に配置された空洞と永久磁石との間の最短距離をＷ_dmin、極数をＰ、回転子の半径をＲ［ｍ］とした場合に、Ｗ_dminＰ／２πＲ≧６５なる関係を満たすように構成し、ｑ軸方向に配置された空洞と永久磁石との間の距離が空洞のｑ軸方向の中心の内径側で最大となるように、永久磁石の角度を変化させるようにしたことを特徴とする永久磁石式リラクタンス型回転電機。
4. スロットの内部に収納された電機子巻線を有する固定子鉄心で形成された固定子と、当該固定子の内側に位置して磁束の通り易い部分（ｄ軸）と磁束の通り難い部分（ｑ軸）とが交互に形成されるように空洞による複数の磁気障壁が設けられ、かつ空洞内に永久磁石を配置した回転子鉄心で形成された回転子とを備えて構成される永久磁石式リラクタンス型回転電機において、回転子は、ｑ軸方向に配置された空洞と永久磁石との間の最短距離をＷ_dmin、極数をＰ、回転子の半径をＲ［ｍ］とした場合に、Ｗ_dminＰ／２πＲ≧８７なる関係を満たすように構成し、ｑ軸方向に配置された空洞と永久磁石との間の距離が空洞のｑ軸方向の中心の内径側で最大となるように、永久磁石の角度を変化させるようにしたことを特徴とする永久磁石式リラクタンス型回転電機。
5. スロットの内部に収納された電機子巻線を有する固定子鉄心で形成された固定子と、当該固定子の内側に位置して磁束の通り易い部分（ｄ軸）と磁束の通り難い部分（ｑ軸）とが交互に形成されるように空洞による複数の磁気障壁が設けられ、かつ空洞内に永久磁石を配置した回転子鉄心で形成された回転子とを備えて構成される永久磁石式リラクタンス型回転電機において、回転子は、ｑ軸方向に配置された空洞と永久磁石との間の平均距離をＷ_dave、極数をＰ、回転子の半径をＲ［ｍ］とした場合に、９５≦Ｗ_daveＰ／２πＲ≦１６０なる関係を満たすように構成し、ｑ軸方向に配置された空洞と永久磁石との間の距離が空洞のｑ軸方向の中心の内径側で最大となるように、永久磁石の角度を変化させるようにしたことを特徴とする永久磁石式リラクタンス型回転電機。
6. スロットの内部に収納された電機子巻線を有する固定子鉄心で形成された固定子と、当該固定子の内側に位置して磁束の通り易い部分（ｄ軸）と磁束の通り難い部分（ｑ軸）とが交互に形成されるように空洞による複数の磁気障壁が設けられ、かつ空洞内に永久磁石を配置した回転子鉄心で形成された回転子とを備えて構成される永久磁石式リラクタンス型回転電機において、回転子は、ｑ軸方向に配置された空洞と永久磁石との間の平均距離をＷ_dave、極数をＰ、回転子の半径をＲ［ｍ］とした場合に、１１０≦Ｗ_daveＰ／２πＲ≦１３０なる関係を満たすように構成し、ｑ軸方向の中心に近づくにつれて、ｑ軸方向に配置された空洞と永久磁石との間の距離が空洞のｑ軸方向の中心の内径側で最大となるように、永久磁石の角度を変化させるようにしたことを特徴とする永久磁石式リラクタンス型回転電機。

Images