JP4138406B2 - 永久磁石式リラクタンス型回転電機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不可逆減磁することなく、小型かつ高出力でしかも高効率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。
【０００２】
【従来の技術】
従来のリラクタンス型回転電機は、回転子に界磁を形成するコイルが不要であり、回転子は凹凸のある回転子鉄心のみで構成することができる。
【０００３】
このため、リラクタンス型回転電機は、構成が簡素であり、かつ安価である。
【０００４】
図９は、この種の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。
【０００５】
図９において、リラクタンス型回転電機は、スロットの内部に収納された電機子コイル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５で形成された回転子４とを備えて構成されている。
【０００６】
なお、１０は回転子４の凸部（主磁極）、１３は回転子４の凹部をそれぞれ示している。
【０００７】
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。
【０００８】
リラクタンス型回転電機は、回転子４に凹凸があることにより、主磁極となる凸部１０で磁気抵抗が小となり、凹部１３では磁気抵抗が大となる。
【０００９】
すなわち、凸部１０と凹部１３上の空隙部分で、電機子コイル３に電流を流すことにより蓄えられる随伴磁気エネルギーが異なる。そして、この随伴磁気エネルギーの変化によって出力が発生する。
【００１０】
また、凸部１０と凹部１３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４の位置により異なる）形状であればよい。
【００１１】
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。
【００１２】
この永久磁石回転電機は、電機子は、前述したリラクタンス型回転電機と同様であるが、回転子４は、回転子鉄心５と回転子４のほぼ全周にわたって永久磁石が回転子鉄心５の表面に配置された表面配置型の回転電機（ＳＰＭ）と、回転子鉄心５内に永久磁石が埋め込まれた埋め込み型の永久磁石回転電機（ＩＰＭ）とがある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【００１４】
すなわち、リラクタンス型回転電機は、回転子鉄心５表面の凹凸により、回転位置によって磁気抵抗が異なり、空隙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。
【００１５】
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５の凸部１０（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。
【００１６】
これにより、磁極間となる回転子鉄心５の凹部１３（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。
【００１７】
または、磁気エネルギーから考えると、回転子鉄心５の凸部１０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、随伴磁気エネルギー変化が小さくなる。
【００１８】
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。
【００１９】
なお、磁極となる磁気抵抗の小さな回転子鉄心５の凸部１０の中心軸がｄ軸となり、磁気抵抗の高い回転子鉄心５の凹部１３の中心軸がｑ軸となる。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
しかしながら、可変速運転を考えた場合には、次のような問題点が生じる。
【００２３】
すなわち、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コイル３に誘導される電圧は、回転速度に比例して大きくなる。
【００２４】
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、表面磁石型の回転電機では、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倍以上の定出力運転を行なうことは困難である。
【００２５】
また、埋め込み型の永久磁石回転電機では、永久磁石の鎖交磁束が表面型永久磁石回転電機よりも少なくなるため、磁石の磁化方向と逆の減磁界を形成する電機子反作用を磁石に作用させて、磁石の鎖交磁束を減少させる方法がある。
【００２６】
しかしながら、大きな減磁界を永久磁石にかける必要があるため、減磁界を形成するための電流による損失が増加し、さらに永久磁石が不可逆減磁する場合もある。
【００２７】
また、空転時においても、上記の磁石の鎖交磁束を減少させるための電機子コイルに電流を流すため、ジュール損が発生して総合効率が低下することになる。
【００２８】
本発明の目的は、不可逆減磁することなく、小型かつ高出力でしかも高効率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、極めて信頼性が高く、かつ製造性に優れた永久磁石式リラククンス型回転電機を提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、スロットの内部に収納された電機子コイルを有する固定子鉄心で形成された固定子と、前記固定子の内側に位置して回転位置によって磁気抵抗が異なる構成の回転子鉄心で形成された回転子とを備えて成り、前記回転子鉄心に、当該回転子鉄心の外周部に第１の空洞を設け、前記回転子鉄心の前記第１の空洞の内周側に、永久磁石の遠心力を受けるように側面をテーパー状に形成した前記永久磁石を埋め込むための穴を設け、前記回転子鉄心と嵌合させるために、側面をテーパー状として前記永久磁石を前記穴に埋め込んで設け、前記第１の空洞と前記永久磁石との間に、前記回転子鉄心で形成されて磁路となる磁石用磁路を径方向に向かって設け、前記永久磁石の両端部近傍から前記回転子の外周側に向かって、第２の空洞を配置し、前記永久磁石は、前記回転子の磁気抵抗の高い部分である前記第１の空洞のある方向に分布する電機子電流の磁束を打ち消す方向に磁化し、互いに隣合う前記第１の空洞の間にあり、かつ２つの前記第２の空洞にも挟まれた回転子鉄心部を主磁極とし、前記主磁極の円周方向幅と、前記第１の空洞および第２の空洞に挟まれた前記磁石用磁路の幅との合計が、磁極ピッチの４０％〜６０％となるようにしている。
【００５３】
【発明の実施の形態】
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。
【００５４】
（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９と同一要素には同一符号を付して示している。
【００５５】
図１において、固定子１は、複数のスロットが設けられた電磁鋼板を積層した固定子鉄心２と、スロットの内部に収納された電機子コイル３とから形成している。
【００５６】
回転子４は、固定子１の内側に位置して、回転位置によって磁気抵抗が異なる電磁鋼板を積層した回転子鉄心５で形成している。
【００５７】
回転子鉄心５には、回転子鉄心５の外周部に、一定間隔で第１の空洞７を設けている。
【００５８】
第１の空洞７の内周側には、永久磁石６を回転子鉄心５内に埋め込んで設けている。
【００５９】
永久磁石６の側面は、テーパー形状として回転子鉄心５と嵌合させている。
【００６０】
第１の空洞７と永久磁石６との間には、回転子鉄心５で形成されて磁路となる磁石用磁路９を、径方向に向かって設けている。
【００６１】
永久磁石６の両端部近傍から回転子４の外周に向かって、第２の空洞８を配置している。
【００６２】
そして、永久磁石６は、第１の空洞７を中心軸とした磁気抵抗の高い部分を通る電機子電流の磁束（電流によるｑ軸磁束）を打ち消す方向、すなわち回転子４の磁気抵抗の高い部分である第１の空洞７のある方向に分布する電機子電流の磁束を打ち消す方向に、磁化するようにしている。
【００６３】
なお、図１中１０は、回転子鉄心５の主磁極である。
【００６４】
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の作用について説明する。
【００６５】
（ａ）トルク
第２の空洞８は、空気層となり、回転子４の外周部にあるため、電機子電流による漏れ磁束も少なくなるため、磁気抵抗はかなり高くすることができる。
【００６６】
一方、互いに隣合う第１の空洞７に挟まれた主磁極１０は鉄心であるため、ｄ軸磁束の磁路となり、磁気抵抗は極めて小である。
【００６７】
したがって、磁気抵抗の差が拡大されて、大きなリラクタンストルクが生じることになる。
【００６８】
永久磁石６の磁束は、磁石用磁路９を通って電機子コイル３と鎖交する。
【００６９】
また、磁石用磁路９は、一部のｄ軸磁束も通るため、主磁極１０に集中する磁束を幾分分散させることにより、磁気飽和を緩和してリラクタンストルクを増加することができる。
【００７０】
(ｂ)可変速運転と効率
一般的な永久磁石モータ、埋め込み型永久磁石モータ(ＩＰＭ)では、永久磁石のエアギャップ磁束密度の最大値は約１［Ｔ］程度と高く、誘起電圧も高くなる。
【００７１】
また、無負荷時の鉄損も大である。
【００７２】
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、永久磁石６によるエアギャップ磁束密度の最大値は０.３〜０.７[Ｔ]程度であるが、永久磁石６の磁束によるトルクと永久磁石６のトルクよりも大きなリラクタンストルクを併用する。
【００７３】
これにより、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、永久磁石６の磁束が永久磁石モータの０.３〜０.７倍でも大きな出力が得られるため、次のような利点が得られる。
【００７４】
すなわち、永久磁石６の磁束が少なく、高速回転で過大な誘起電圧を発生しないため、過電圧でインバータのパワー素子やコンデンサを破損するようなことはない。
【００７５】
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、ｄ軸電流が主に界磁を形成する励磁電流であり、ｑ軸電流はトルク電流となる。
【００７６】
従って、高速回転になるにつれて、励磁電流であるｄ軸電流を小さくすれば、一定電圧で高速回転まで容易に運転を行なうことができる。
【００７７】
従って、永久磁石モータのように、永久磁石の磁束による過大な誘起電圧を打ち消すような弱め磁束のための大きな電流を流す必要はない。
【００７８】
また、弱め磁束で生じる高周波鉄損も僅かである。
【００７９】
運転状態に応じて、ｄ軸の励磁電流とｑ軸のトルク電流を変化することができ、最適な状態で運転できるため、軽負荷から高負荷、低速から高速回転までの広範囲で効率が向上する。
【００８０】
特に、外部から回転電機が空転させられている状態がある場合、永久磁石回転電機、埋め込み型永久磁石回転電機は、中・高速回転時に永久磁石の誘起電圧を電源電圧以下に抑制するための弱め磁束の電流を流し続けなければならない。
【００８１】
すなわち、出力を発生してないにもかかわらず電流を流すため、発生したジュール損が積算されて総合運転効率が低下する。
【００８２】
一方、本実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、誘起電圧が従来の永久磁石回転電機の数分の一であるため、空転時に電流で誘起電圧を低減する回転速度領域が狭くできるため、電流によるジュール損の合計量を少なくすることができる。
【００８３】
したがって、総合運転効率を向上することができる。
【００８４】
（ｃ）信頼性
永久磁石６による巻線の鎖交磁束が少ないため、巻線が電気的に短絡した状態で回転しても、過大な短絡電流は流れなく、巻線を焼損することがない。
【００８５】
さらに、電気、自動車、電車等の駆動モータに適用した場合では、永久磁石６による誘起電圧が架線電圧以下となるように、永久磁石６の磁束を低く設定する。
【００８６】
これにより、短絡故障時に急ブレーキが作用することが無く、また回転時のブレーキ力は僅かであるため、牽引することができる。
【００８７】
仮に、永久磁石６が不可逆減磁しても、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、リラクタンストルクが主であるため、出力は低下するが、純粋なリラクタンスモータとして駆動することができる。
【００８８】
（ｄ）永久磁石６の保持
回転時には、永久磁石６には遠心力が作用するため、永久磁石６を保持する必要がある。
【００８９】
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、回転子鉄心５内の永久磁石６の側面、およびこれと接する回転子鉄心５の面はテーパー形状としていることにより、永久磁石６の遠心力は回転子鉄心５のテーパー部分で受けることになり、テーパー部の回転子鉄心５は応力集中を緩和することができ、回転子鉄心５が一体となって永久磁石６を強固に保持することができる。
【００９０】
（ｅ）耐減磁
永久磁石６は、磁気抵抗となる第１の空洞７を磁気障壁として回転子鉄心５の内部に配置され、さらに周囲に磁性材があるため、逆磁界に対して回転子鉄心５内で閉磁路を形成することができる。
【００９１】
これにより、電機子反作用による逆磁界が永久磁石６に作用しても減磁に対して強く、１４０〜２００℃の高温環境下でも、ＮｄＦeＢ磁石を不可逆減磁することなく、本実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機に適用することができる。
【００９２】
上述したように、本実施の形態では、不可逆減磁することなく、小型かつ高出力でしかも高効率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、極めて信頼性が高い永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【００９３】
（第２の実施の形態）
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は、前述した第１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において、互いに隣合う第１の空洞７の間にあり、かつ２つの第２の空洞８にも挟まれた回転子鉄心５部を主磁極１０とし、この主磁極１０の円周方向幅が、磁極ピッチの２５％〜４０％となるようにしている。
【００９４】
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、主磁極１０の円周方向幅を、磁極ピッチの２５％〜４０％としていることにより、ｄ軸とｑ軸のインダクタンスの差が最大となる、すなわちリラクタンストルクを最大にすることができる。
【００９５】
ここで、より好ましくは、主磁極１０の円周方向幅を、磁極ピッチの３０〜３３％とすることにより、ｄ軸とｑ軸のインダクタンスの差が最大となる。すなわち、リラクタンストルクを最大にすることができる。
【００９６】
上述したように、本実施の形態では、リラクタンストルクを最大にすることが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【００９７】
（第３の実施の形態）
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は、前述した第１または第２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において、互いに隣合う第１の空洞７の間にあり、かつ２つの第２の空洞８にも挟まれた回転子鉄心５部を主磁極１０とし、この主磁極１０の円周方向幅と、第１の空洞７および第２の空洞８に挟まれた磁石用磁路９の幅との合計が、磁極ピッチの４０％〜６０％となるようにしている。
【００９８】
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、主磁極１０の円周方向幅と、第１の空洞７および第２の空洞８に挟まれた磁石用磁路９の幅との合計を、磁極ピッチの４０％〜６０％としていることにより、ｄ軸とｑ軸のインダクタンスの差がほぼ最大となり、同時に磁石用磁路９から十分な永久磁石６の磁束を発生することができる、すなわちリラクタンストルクと永久磁石６によるトルクの総合トルクを最大にすることができる。
【００９９】
ここで、より好ましくは、主磁極１０の円周方向幅と磁石用磁路９の幅との合計を、磁極ピッチの４５〜５５％とすることにより、ｄ軸とｑ軸のインダクタンスの差がほぼ最大となり、同時に磁石用磁路９から十分な永久磁石６の磁束を発生することができる。
【０１００】
すなわち、リラクタンストルクと永久磁石６によるトルクの総合トルクを最大にすることができる。
【０１０１】
上述したように、本実施の形態では、リラクタンストルクと永久磁石６によるトルクの総合トルクを最大にすることが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【０１０２】
（第４の実施の形態）
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は、前述した第１乃至第３のいずれか一つ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において、電機子コイル３に鎖交するｑ軸の磁束において、最大トルク時に電流による磁束と永久磁石６による磁束とが相殺されてほぼ零となる状態で動作させるようにしている。
【０１０３】
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の作用について説明する。
【０１０４】
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トルクを式で表現すると、次のようになる。
【０１０５】
Ｔ(トルク)＝ｋ×ｐ×(Ｌｄ・Ｉｄ・Ｉｑ−(Ｌｑ・Ｉｑ−ψｍ)Ｉｄ)
ここで、
Ｌｄ、Ｌｑ:ｄ軸、ｑ軸のインダクタンス
Ｉｄ、Ｉｑ:ｄ軸、ｑ軸の電流
ψｍ：永久磁石６の鎖交磁束
ｐ:極対数
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、リラクタンストルクと永久磁石６によるトルクの比が６:４〜７:３であり、電流位相角がほぼ４５度の時に最大トルクを発生する。
【０１０６】
すなわち、ｑ軸電流Ｉｑは、最大電流Ｉｍａｘの１/√２の時に、次式の条件をほぼ満たしている。
【０１０７】
最大トルク時に、ｑ軸電流Ｉｑによる磁束を永久磁石６の磁束ψｍで相殺して、ｑ軸磁束λｑを零とする。
【０１０８】
λｑ＝Ｌｑ・Ｉｑ−ψm＝０
ｑ軸磁束λｑは０となるため、負荷時の電圧はｄ軸電圧のみとなり、力率を向上することができる。
【０１０９】
また、同時に、上記トルク式からわかるように、ｑ軸磁束λｑ＝Ｌｑ・Ｉｑ−ψmは負のトルクを発生しており、永久磁石６の磁束ψｍでｑ軸磁束λｑを減少させることにより、ｑ軸磁束λｑによる負のトルクを減少させて、全体トルクを増加させることができる。
【０１１０】
さらに、同時に、鉄心のコアバックを通る全磁束は少なくなるため、鉄心コアバックの磁気飽和も緩和されて、出力も向上することができる。
【０１１１】
上述したように、本実施の形態では、力率を向上できると同時に、全体トルクを増加させることができ、さらに鉄心コアバックの磁気飽和も緩和させて出力も向上することが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【０１１２】
（第５の実施の形態）
図２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回転子の構成例を示す径方向断面図であり、図１と同一部分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。
【０１１３】
すなわち、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は、図２に示すように、前記図１における磁石用磁路９と永久磁石６との間に、隙間１２を設ける構成としている。
【０１１４】
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の作用について説明する。
【０１１５】
永久磁石６と向い合う磁石用磁路９は、回転子鉄心５から構成され、永久磁石６が発生する磁束がこの磁石用磁路９を通り、永久磁石６の磁束が電機子コイル３と鎖交する。
【０１１６】
また、ｄ軸（磁気抵抗の低い磁極の中心軸に沿った方向）の磁束が周方向に通る磁路であり、磁気回路上では磁石用磁路９は主磁極１０と並列に配置されるため、電機子電流によるｄ軸磁束のバイパス磁路にもなる。
【０１１７】
なお、ｑ軸は磁気抵抗が高い領域となり、第１の空洞７の中心軸に沿った方向となる。
【０１１８】
本実施の形態では、永久磁石６とその外周側にある磁石用磁路９の鉄心との間に、隙間１２を設けていることにより、永久磁石６の遠心力が磁石用磁路９の鉄心に全くかかることがなく、テーパー形状の回転子鉄心５で遠心力を受けることになる。
【０１１９】
したがって、強度的に弱い磁石用磁路９の鉄心９を破損することなく、回転子鉄心５のテーパー部のみで永久磁石６を強固に保持することができる。
【０１２０】
上述したように、本実施の形態では、強度的に弱い磁石用磁路９の鉄心を破損することなく、回転子鉄心５のテーパー部のみで永久磁石６を強固に保持することが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【０１２１】
（第６の実施の形態）
図３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回転子の構成例を示す径方向断面図であり、図１および図２と同一部分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。
【０１２２】
すなわち、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は、図３に示すように、前記図１または図２における永久磁石６を、直方体形状とするようにしている。
【０１２３】
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、永久磁石６を直方体形状としていることにより、永久磁石６の加工が容易となり、直角方向寸法で加工できるため、精度も高くすることができる。
【０１２４】
上述したように、本実施の形態では、永久磁石６の加工が容易となり、加工精度も高くすることが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【０１２５】
（第７の実施の形態）
図４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回転子の構成例を示す径方向断面図であり、図１または図２と同一部分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。
【０１２６】
すなわち、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は、図４に示すように、前記図１または図２における永久磁石６を直方体形状とし、回転子鉄心５と永久磁石６との間に保持部材１１を配置し、かつこの保持部材１１は、回転子鉄心５と接触する部分を互いにテーパー形状とするようにしている。
【０１２７】
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、回転子鉄心５と永久磁石６との間に保持部材１１を配置していることにより、テーパー形状の保持部材１１が回転子鉄心５と嵌合することになるため、飛散しようとする永久磁石６を強固に固定することができる。
【０１２８】
また、永久磁石６を直方体形状としていることにより、加工・製造が容易であり、直角方向寸法であるため、加工精度も容易に高くすることができる。
【０１２９】
さらに、保持部材１１が非磁性で永久磁石６の磁化面と対向する面は薄くし、テーパー部を厚くすることにより、永久磁石６の漏れ磁束を低減することができる。
【０１３０】
上述したように、本実施の形態では、永久磁石６を強固に固定することができ、永久磁石６の加工が容易となり、加工精度も高くすることができ、永久磁石６の漏れ磁束を低減することが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【０１３１】
（第８の実施の形態）
図５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回転子の構成例を示す径方向断面図であり、図１乃至図４と同一部分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。
【０１３２】
すなわち、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は、図５に示すように、前記図１または図２または図３または図４における永久磁石６の表面と対向する磁石用磁路９の幅を、永久磁石６の対向する面の幅よりも狭くするようにしている。
【０１３３】
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、永久磁石６の表面と対向する磁石用磁路９の幅を、永久磁石６の対向する面の幅よりも狭くしていることにより、磁石用磁路９の幅が永久磁石６の対向面の幅よりも狭くなるため、磁石用磁路９から永久磁石側面のテーパー部の鉄心に漏れる磁束が低減される。
【０１３４】
この漏れ磁束の低減は、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスの差を大きくすることができ、ｑ軸のインダクタンスも小さくなるため、リラクタンストルクがより一層増加し、力率も向上することができる。
【０１３５】
上述したように、本実施の形態では、リラクタンストルクがより一層増加し、力率も向上することが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【０１３６】
（第９の実施の形態）
図６および図７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回転子の構成例をそれぞれ示す径方向断面図であり、図１乃至図５と同一部分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。
【０１３７】
すなわち、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は、図６および図７に示すように、前記図１または図２または図３または図４または図５における第１の空洞７に、磁性材を埋め込むか、または永久磁石を埋め込むか、もしくは鉄または珪素鋼板を埋め込む構成としている。
【０１３８】
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、第１の空洞７に、磁性材、または永久磁石、もしくは鉄または珪素鋼板を埋め込んでいることにより、永久磁石６の誘起電圧の影響が小さくなる可変速範囲の狭い範囲に限っては、前述した第１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と同様なトルクが得られる。
【０１３９】
すなわち、第１の空洞７に、磁性材、または永久磁石が埋め込まれた場合には、永久磁石６の磁束が増加して、永久磁石６によるトルクは増加する。
【０１４０】
また、第１の空洞７に、鉄または珪素鋼板で埋め込まれた場合には、永久磁石６の磁束は幾分増加するが、リラクタンストルクは低下する。
【０１４１】
したがって、永久磁石６の誘起電圧の影響が小さくなる可変速範囲の狭い範囲に限っては、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でも前述と同様なトルクを得ることができる。
【０１４２】
上述したように、本実施の形態では、永久磁石６の誘起電圧の影響が小さくなる可変速範囲の狭い範囲に限っては、大きなトルクを得ることが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【０１４３】
（第１０の実施の形態）
図８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回転子の構成例をそれぞれ示す径方向断面図であり、図１乃至図７と同一部分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。
【０１４４】
すなわち、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は、図８に示すように、前記図１または図２または図３または図４または図５または図６または図７における第１の空洞７を回転子鉄心５の外周部まで貫通させて、磁極間の回転子鉄心５の外周部を、完全に凹形状とするようにしている。
【０１４５】
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、磁極間の回転子鉄心５の外周部を、凹形状としていることにより、ｑ軸方向に回転子４の凹部１３が形成されることになる。
【０１４６】
これにより、回転子鉄心５の外周部が完全に窪むため、回転子鉄心５外周に沿って漏れる磁束がなくなり、電機子電流によるｑ軸磁束が減少する。
【０１４７】
したがって、ｄ軸とｑ軸インダクタンスの差を拡大することができる。
【０１４８】
また、同時に、ｑ軸インダクタンスも低下するため、力率も向上することができる。
【０１４９】
上述したように、本実施の形態では、ｄ軸とｑ軸インダクタンスの差を拡大できると同時に、力率も向上することが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【０１５０】
（第１１の実施の形態）
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は、前述した第１乃至第１０のいずれか一つ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において、樹脂と磁石紛とから構成した永久磁石６を、回転子鉄心５内に埋め込む構成としている。
【０１５１】
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、永久磁石６を、樹脂と磁石紛とから構成するようにしていることにより、永久磁石６は樹脂を型に流し込んで成形できるため、製造が容易となる。
【０１５２】
また、回転子組立後に回転子鉄心５の磁石が配置される穴に磁石紛を混ぜた樹脂を注入するようにしていることにより、永久磁石６の成形と挿入を同時に行なうことができる。
【０１５３】
これにより、永久磁石６の機械加工および回転子鉄心５への挿入が簡素化されて、さらに量産性を向上することができる。
【０１５４】
本永久磁石式リラクタンス型回転電機は、前述したように電機子反作用に対する耐減磁特性が優れているため、磁石紛を樹脂で成形した保磁力の小さな永久磁石でも、不可逆減磁することなく適用することができる。
【０１５５】
上述したように、本実施の形態では、製造が容易で、永久磁石６の成形と挿入を同時に行なうことができ、もって永久磁石６の機械加工および回転子鉄心５への挿入を簡素化して、さらに量産性を向上することが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【０１５６】
（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、種々に変形して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み合わせて実施してもよく、その場合には組み合わせた作用効果を得ることができる。
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み合わせにより、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。
【０１５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機によれば、回転子位置によりインダクタンスの差が大きな回転電機が得られ、永久磁石の磁束量が少なくても高出力が得られ、励磁電流成分により回転電機内の磁束量を調整できるため、負荷に合わせた最適な状態で駆動することができ、軽負荷から高負荷、低速から高速回転までの広範囲で効率の良い可変速運転を行なうことが可能となる。
【０１５８】
また、永久磁石は機械的に回転子鉄心に強固に固定できるため、高速回転が容易となる。
【０１５９】
さらに、誘起電圧が従来の数分の一程度であるため、空転時に誘起電圧を低減する弱め磁束の電流が不要となる範囲が拡大されて、システムの総合運転効率を向上することが可能となる。
【０１６０】
また、出力の低下を抑制しながら、永久磁石の誘起電圧によるインバータの破損、急ブレーキが生じることがない程度に、永久磁石の磁束を小とすることが可能となる。
【０１６１】
さらに、仮に永久磁石の磁力が全くなくなることがあっても、リラクタンストルクにより駆動が可能であり、多々の面で信頼性を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１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２】本発明の第５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回転子の構成例を示す径方向断面図。
【図３】本発明の第６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回転子の構成例を示す径方向断面図。
【図４】本発明の第７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回転子の構成例を示す径方向断面図。
【図５】本発明の第８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回転子の構成例を示す径方向断面図。
【図６】本発明の第９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回転子の構成例を示す径方向断面図。
【図７】本発明の第９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回転子の構成例を示す径方向断面図。
【図８】本発明の第１０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回転子の構成例を示す径方向断面図。
【図９】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…電機子コイル
４…回転子
５…回転子鉄心
６…永久磁石
７…第１の空洞
８…第２の空洞
９…磁石用磁路
１０…主磁極
１１…保持部材
１２…隙間
１３…回転子の凹部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、不可逆減磁することなく、小型かつ高出力でしかも高効率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。
【０００２】
【従来の技術】
従来のリラクタンス型回転電機は、回転子に界磁を形成するコイルが不要であり、回転子は凹凸のある回転子鉄心のみで構成することができる。
【０００３】
このため、リラクタンス型回転電機は、構成が簡素であり、かつ安価である。
【０００４】
図９は、この種の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。
【０００５】
図９において、リラクタンス型回転電機は、スロットの内部に収納された電機子コイル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５で形成された回転子４とを備えて構成されている。
【０００６】
なお、１０は回転子４の凸部（主磁極）、１３は回転子４の凹部をそれぞれ示している。
【０００７】
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。
【０００８】
リラクタンス型回転電機は、回転子４に凹凸があることにより、主磁極となる凸部１０で磁気抵抗が小となり、凹部１３では磁気抵抗が大となる。
【０００９】
すなわち、凸部１０と凹部１３上の空隙部分で、電機子コイル３に電流を流すことにより蓄えられる随伴磁気エネルギーが異なる。そして、この随伴磁気エネルギーの変化によって出力が発生する。
【００１０】
また、凸部１０と凹部１３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４の位置により異なる）形状であればよい。
【００１１】
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。
【００１２】
この永久磁石回転電機は、電機子は、前述したリラクタンス型回転電機と同様であるが、回転子４は、回転子鉄心５と回転子４のほぼ全周にわたって永久磁石が回転子鉄心５の表面に配置された表面配置型の回転電機（ＳＰＭ）と、回転子鉄心５内に永久磁石が埋め込まれた埋め込み型の永久磁石回転電機（ＩＰＭ）とがある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【００１４】
すなわち、リラクタンス型回転電機は、回転子鉄心５表面の凹凸により、回転位置によって磁気抵抗が異なり、空隙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。
【００１５】
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５の凸部１０（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。
【００１６】
これにより、磁極間となる回転子鉄心５の凹部１３（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。
【００１７】
または、磁気エネルギーから考えると、回転子鉄心５の凸部１０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、随伴磁気エネルギー変化が小さくなる。
【００１８】
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。
【００１９】
なお、磁極となる磁気抵抗の小さな回転子鉄心５の凸部１０の中心軸がｄ軸となり、磁気抵抗の高い回転子鉄心５の凹部１３の中心軸がｑ軸となる。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
しかしながら、可変速運転を考えた場合には、次のような問題点が生じる。
【００２３】
すなわち、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コイル３に誘導される電圧は、回転速度に比例して大きくなる。
【００２４】
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、表面磁石型の回転電機では、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倍以上の定出力運転を行なうことは困難である。
【００２５】
また、埋め込み型の永久磁石回転電機では、永久磁石の鎖交磁束が表面型永久磁石回転電機よりも少なくなるため、磁石の磁化方向と逆の減磁界を形成する電機子反作用を磁石に作用させて、磁石の鎖交磁束を減少させる方法がある。
【００２６】
しかしながら、大きな減磁界を永久磁石にかける必要があるため、減磁界を形成するための電流による損失が増加し、さらに永久磁石が不可逆減磁する場合もある。
【００２７】
また、空転時においても、上記の磁石の鎖交磁束を減少させるための電機子コイルに電流を流すため、ジュール損が発生して総合効率が低下することになる。
【００２８】
本発明の目的は、不可逆減磁することなく、小型かつ高出力でしかも高効率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、極めて信頼性が高く、かつ製造性に優れた永久磁石式リラククンス型回転電機を提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、スロットの内部に収納された電機子コイルを有する固定子鉄心で形成された固定子と、前記固定子の内側に位置して回転位置によって磁気抵抗が異なる構成の回転子鉄心で形成された回転子とを備えて成り、前記回転子鉄心に、当該回転子鉄心の外周部に第１の空洞を設け、前記回転子鉄心の前記第１の空洞の内周側に、永久磁石の遠心力を受けるように側面をテーパー状に形成した前記永久磁石を埋め込むための穴を設け、前記回転子鉄心と嵌合させるために、側面をテーパー状として前記永久磁石を前記穴に埋め込んで設け、前記第１の空洞と前記永久磁石との間に、前記回転子鉄心で形成されて磁路となる磁石用磁路を径方向に向かって設け、前記永久磁石の両端部近傍から前記回転子の外周側に向かって、第２の空洞を配置し、前記永久磁石は、前記回転子の磁気抵抗の高い部分である前記第１の空洞のある方向に分布する電機子電流の磁束を打ち消す方向に磁化し、互いに隣合う前記第１の空洞の間にあり、かつ２つの前記第２の空洞にも挟まれた回転子鉄心部を主磁極とし、前記主磁極の円周方向幅と、前記第１の空洞および第２の空洞に挟まれた前記磁石用磁路の幅との合計が、磁極ピッチの４０％〜６０％となるようにしている。
【００５３】
【発明の実施の形態】
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。
【００５４】
（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９と同一要素には同一符号を付して示している。
【００５５】
図１において、固定子１は、複数のスロットが設けられた電磁鋼板を積層した固定子鉄心２と、スロットの内部に収納された電機子コイル３とから形成している。
【００５６】
回転子４は、固定子１の内側に位置して、回転位置によって磁気抵抗が異なる電磁鋼板を積層した回転子鉄心５で形成している。
【００５７】
回転子鉄心５には、回転子鉄心５の外周部に、一定間隔で第１の空洞７を設けている。
【００５８】
第１の空洞７の内周側には、永久磁石６を回転子鉄心５内に埋め込んで設けている。
【００５９】
永久磁石６の側面は、テーパー形状として回転子鉄心５と嵌合させている。
【００６０】
第１の空洞７と永久磁石６との間には、回転子鉄心５で形成されて磁路となる磁石用磁路９を、径方向に向かって設けている。
【００６１】
永久磁石６の両端部近傍から回転子４の外周に向かって、第２の空洞８を配置している。
【００６２】
そして、永久磁石６は、第１の空洞７を中心軸とした磁気抵抗の高い部分を通る電機子電流の磁束（電流によるｑ軸磁束）を打ち消す方向、すなわち回転子４の磁気抵抗の高い部分である第１の空洞７のある方向に分布する電機子電流の磁束を打ち消す方向に、磁化するようにしている。
【００６３】
なお、図１中１０は、回転子鉄心５の主磁極である。
【００６４】
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の作用について説明する。
【００６５】
（ａ）トルク
第２の空洞８は、空気層となり、回転子４の外周部にあるため、電機子電流による漏れ磁束も少なくなるため、磁気抵抗はかなり高くすることができる。
【００６６】
一方、互いに隣合う第１の空洞７に挟まれた主磁極１０は鉄心であるため、ｄ軸磁束の磁路となり、磁気抵抗は極めて小である。
【００６７】
したがって、磁気抵抗の差が拡大されて、大きなリラクタンストルクが生じることになる。
【００６８】
永久磁石６の磁束は、磁石用磁路９を通って電機子コイル３と鎖交する。
【００６９】
また、磁石用磁路９は、一部のｄ軸磁束も通るため、主磁極１０に集中する磁束を幾分分散させることにより、磁気飽和を緩和してリラクタンストルクを増加することができる。
【００７０】
(ｂ)可変速運転と効率
一般的な永久磁石モータ、埋め込み型永久磁石モータ(ＩＰＭ)では、永久磁石のエアギャップ磁束密度の最大値は約１［Ｔ］程度と高く、誘起電圧も高くなる。
【００７１】
また、無負荷時の鉄損も大である。
【００７２】
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、永久磁石６によるエアギャップ磁束密度の最大値は０.３〜０.７[Ｔ]程度であるが、永久磁石６の磁束によるトルクと永久磁石６のトルクよりも大きなリラクタンストルクを併用する。
【００７３】
これにより、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、永久磁石６の磁束が永久磁石モータの０.３〜０.７倍でも大きな出力が得られるため、次のような利点が得られる。
【００７４】
すなわち、永久磁石６の磁束が少なく、高速回転で過大な誘起電圧を発生しないため、過電圧でインバータのパワー素子やコンデンサを破損するようなことはない。
【００７５】
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、ｄ軸電流が主に界磁を形成する励磁電流であり、ｑ軸電流はトルク電流となる。
【００７６】
従って、高速回転になるにつれて、励磁電流であるｄ軸電流を小さくすれば、一定電圧で高速回転まで容易に運転を行なうことができる。
【００７７】
従って、永久磁石モータのように、永久磁石の磁束による過大な誘起電圧を打ち消すような弱め磁束のための大きな電流を流す必要はない。
【００７８】
また、弱め磁束で生じる高周波鉄損も僅かである。
【００７９】
運転状態に応じて、ｄ軸の励磁電流とｑ軸のトルク電流を変化することができ、最適な状態で運転できるため、軽負荷から高負荷、低速から高速回転までの広範囲で効率が向上する。
【００８０】
特に、外部から回転電機が空転させられている状態がある場合、永久磁石回転電機、埋め込み型永久磁石回転電機は、中・高速回転時に永久磁石の誘起電圧を電源電圧以下に抑制するための弱め磁束の電流を流し続けなければならない。
【００８１】
すなわち、出力を発生してないにもかかわらず電流を流すため、発生したジュール損が積算されて総合運転効率が低下する。
【００８２】
一方、本実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、誘起電圧が従来の永久磁石回転電機の数分の一であるため、空転時に電流で誘起電圧を低減する回転速度領域が狭くできるため、電流によるジュール損の合計量を少なくすることができる。
【００８３】
したがって、総合運転効率を向上することができる。
【００８４】
（ｃ）信頼性
永久磁石６による巻線の鎖交磁束が少ないため、巻線が電気的に短絡した状態で回転しても、過大な短絡電流は流れなく、巻線を焼損することがない。
【００８５】
さらに、電気、自動車、電車等の駆動モータに適用した場合では、永久磁石６による誘起電圧が架線電圧以下となるように、永久磁石６の磁束を低く設定する。
【００８６】
これにより、短絡故障時に急ブレーキが作用することが無く、また回転時のブレーキ力は僅かであるため、牽引することができる。
【００８７】
仮に、永久磁石６が不可逆減磁しても、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、リラクタンストルクが主であるため、出力は低下するが、純粋なリラクタンスモータとして駆動することができる。
【００８８】
（ｄ）永久磁石６の保持
回転時には、永久磁石６には遠心力が作用するため、永久磁石６を保持する必要がある。
【００８９】
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、回転子鉄心５内の永久磁石６の側面、およびこれと接する回転子鉄心５の面はテーパー形状としていることにより、永久磁石６の遠心力は回転子鉄心５のテーパー部分で受けることになり、テーパー部の回転子鉄心５は応力集中を緩和することができ、回転子鉄心５が一体となって永久磁石６を強固に保持することができる。
【００９０】
（ｅ）耐減磁
永久磁石６は、磁気抵抗となる第１の空洞７を磁気障壁として回転子鉄心５の内部に配置され、さらに周囲に磁性材があるため、逆磁界に対して回転子鉄心５内で閉磁路を形成することができる。
【００９１】
これにより、電機子反作用による逆磁界が永久磁石６に作用しても減磁に対して強く、１４０〜２００℃の高温環境下でも、ＮｄＦeＢ磁石を不可逆減磁することなく、本実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機に適用することができる。
【００９２】
上述したように、本実施の形態では、不可逆減磁することなく、小型かつ高出力でしかも高効率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、極めて信頼性が高い永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【００９３】
（第２の実施の形態）
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は、前述した第１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において、互いに隣合う第１の空洞７の間にあり、かつ２つの第２の空洞８にも挟まれた回転子鉄心５部を主磁極１０とし、この主磁極１０の円周方向幅が、磁極ピッチの２５％〜４０％となるようにしている。
【００９４】
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、主磁極１０の円周方向幅を、磁極ピッチの２５％〜４０％としていることにより、ｄ軸とｑ軸のインダクタンスの差が最大となる、すなわちリラクタンストルクを最大にすることができる。
【００９５】
ここで、より好ましくは、主磁極１０の円周方向幅を、磁極ピッチの３０〜３３％とすることにより、ｄ軸とｑ軸のインダクタンスの差が最大となる。すなわち、リラクタンストルクを最大にすることができる。
【００９６】
上述したように、本実施の形態では、リラクタンストルクを最大にすることが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【００９７】
（第３の実施の形態）
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は、前述した第１または第２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において、互いに隣合う第１の空洞７の間にあり、かつ２つの第２の空洞８にも挟まれた回転子鉄心５部を主磁極１０とし、この主磁極１０の円周方向幅と、第１の空洞７および第２の空洞８に挟まれた磁石用磁路９の幅との合計が、磁極ピッチの４０％〜６０％となるようにしている。
【００９８】
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、主磁極１０の円周方向幅と、第１の空洞７および第２の空洞８に挟まれた磁石用磁路９の幅との合計を、磁極ピッチの４０％〜６０％としていることにより、ｄ軸とｑ軸のインダクタンスの差がほぼ最大となり、同時に磁石用磁路９から十分な永久磁石６の磁束を発生することができる、すなわちリラクタンストルクと永久磁石６によるトルクの総合トルクを最大にすることができる。
【００９９】
ここで、より好ましくは、主磁極１０の円周方向幅と磁石用磁路９の幅との合計を、磁極ピッチの４５〜５５％とすることにより、ｄ軸とｑ軸のインダクタンスの差がほぼ最大となり、同時に磁石用磁路９から十分な永久磁石６の磁束を発生することができる。
【０１００】
すなわち、リラクタンストルクと永久磁石６によるトルクの総合トルクを最大にすることができる。
【０１０１】
上述したように、本実施の形態では、リラクタンストルクと永久磁石６によるトルクの総合トルクを最大にすることが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【０１０２】
（第４の実施の形態）
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は、前述した第１乃至第３のいずれか一つ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において、電機子コイル３に鎖交するｑ軸の磁束において、最大トルク時に電流による磁束と永久磁石６による磁束とが相殺されてほぼ零となる状態で動作させるようにしている。
【０１０３】
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の作用について説明する。
【０１０４】
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トルクを式で表現すると、次のようになる。
【０１０５】
Ｔ(トルク)＝ｋ×ｐ×(Ｌｄ・Ｉｄ・Ｉｑ−(Ｌｑ・Ｉｑ−ψｍ)Ｉｄ)
ここで、
Ｌｄ、Ｌｑ:ｄ軸、ｑ軸のインダクタンス
Ｉｄ、Ｉｑ:ｄ軸、ｑ軸の電流
ψｍ：永久磁石６の鎖交磁束
ｐ:極対数
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、リラクタンストルクと永久磁石６によるトルクの比が６:４〜７:３であり、電流位相角がほぼ４５度の時に最大トルクを発生する。
【０１０６】
すなわち、ｑ軸電流Ｉｑは、最大電流Ｉｍａｘの１/√２の時に、次式の条件をほぼ満たしている。
【０１０７】
最大トルク時に、ｑ軸電流Ｉｑによる磁束を永久磁石６の磁束ψｍで相殺して、ｑ軸磁束λｑを零とする。
【０１０８】
λｑ＝Ｌｑ・Ｉｑ−ψm＝０
ｑ軸磁束λｑは０となるため、負荷時の電圧はｄ軸電圧のみとなり、力率を向上することができる。
【０１０９】
また、同時に、上記トルク式からわかるように、ｑ軸磁束λｑ＝Ｌｑ・Ｉｑ−ψmは負のトルクを発生しており、永久磁石６の磁束ψｍでｑ軸磁束λｑを減少させることにより、ｑ軸磁束λｑによる負のトルクを減少させて、全体トルクを増加させることができる。
【０１１０】
さらに、同時に、鉄心のコアバックを通る全磁束は少なくなるため、鉄心コアバックの磁気飽和も緩和されて、出力も向上することができる。
【０１１１】
上述したように、本実施の形態では、力率を向上できると同時に、全体トルクを増加させることができ、さらに鉄心コアバックの磁気飽和も緩和させて出力も向上することが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【０１１２】
（第５の実施の形態）
図２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回転子の構成例を示す径方向断面図であり、図１と同一部分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。
【０１１３】
すなわち、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は、図２に示すように、前記図１における磁石用磁路９と永久磁石６との間に、隙間１２を設ける構成としている。
【０１１４】
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の作用について説明する。
【０１１５】
永久磁石６と向い合う磁石用磁路９は、回転子鉄心５から構成され、永久磁石６が発生する磁束がこの磁石用磁路９を通り、永久磁石６の磁束が電機子コイル３と鎖交する。
【０１１６】
また、ｄ軸（磁気抵抗の低い磁極の中心軸に沿った方向）の磁束が周方向に通る磁路であり、磁気回路上では磁石用磁路９は主磁極１０と並列に配置されるため、電機子電流によるｄ軸磁束のバイパス磁路にもなる。
【０１１７】
なお、ｑ軸は磁気抵抗が高い領域となり、第１の空洞７の中心軸に沿った方向となる。
【０１１８】
本実施の形態では、永久磁石６とその外周側にある磁石用磁路９の鉄心との間に、隙間１２を設けていることにより、永久磁石６の遠心力が磁石用磁路９の鉄心に全くかかることがなく、テーパー形状の回転子鉄心５で遠心力を受けることになる。
【０１１９】
したがって、強度的に弱い磁石用磁路９の鉄心９を破損することなく、回転子鉄心５のテーパー部のみで永久磁石６を強固に保持することができる。
【０１２０】
上述したように、本実施の形態では、強度的に弱い磁石用磁路９の鉄心を破損することなく、回転子鉄心５のテーパー部のみで永久磁石６を強固に保持することが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【０１２１】
（第６の実施の形態）
図３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回転子の構成例を示す径方向断面図であり、図１および図２と同一部分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。
【０１２２】
すなわち、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は、図３に示すように、前記図１または図２における永久磁石６を、直方体形状とするようにしている。
【０１２３】
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、永久磁石６を直方体形状としていることにより、永久磁石６の加工が容易となり、直角方向寸法で加工できるため、精度も高くすることができる。
【０１２４】
上述したように、本実施の形態では、永久磁石６の加工が容易となり、加工精度も高くすることが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【０１２５】
（第７の実施の形態）
図４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回転子の構成例を示す径方向断面図であり、図１または図２と同一部分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。
【０１２６】
すなわち、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は、図４に示すように、前記図１または図２における永久磁石６を直方体形状とし、回転子鉄心５と永久磁石６との間に保持部材１１を配置し、かつこの保持部材１１は、回転子鉄心５と接触する部分を互いにテーパー形状とするようにしている。
【０１２７】
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、回転子鉄心５と永久磁石６との間に保持部材１１を配置していることにより、テーパー形状の保持部材１１が回転子鉄心５と嵌合することになるため、飛散しようとする永久磁石６を強固に固定することができる。
【０１２８】
また、永久磁石６を直方体形状としていることにより、加工・製造が容易であり、直角方向寸法であるため、加工精度も容易に高くすることができる。
【０１２９】
さらに、保持部材１１が非磁性で永久磁石６の磁化面と対向する面は薄くし、テーパー部を厚くすることにより、永久磁石６の漏れ磁束を低減することができる。
【０１３０】
上述したように、本実施の形態では、永久磁石６を強固に固定することができ、永久磁石６の加工が容易となり、加工精度も高くすることができ、永久磁石６の漏れ磁束を低減することが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【０１３１】
（第８の実施の形態）
図５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回転子の構成例を示す径方向断面図であり、図１乃至図４と同一部分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。
【０１３２】
すなわち、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は、図５に示すように、前記図１または図２または図３または図４における永久磁石６の表面と対向する磁石用磁路９の幅を、永久磁石６の対向する面の幅よりも狭くするようにしている。
【０１３３】
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、永久磁石６の表面と対向する磁石用磁路９の幅を、永久磁石６の対向する面の幅よりも狭くしていることにより、磁石用磁路９の幅が永久磁石６の対向面の幅よりも狭くなるため、磁石用磁路９から永久磁石側面のテーパー部の鉄心に漏れる磁束が低減される。
【０１３４】
この漏れ磁束の低減は、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスの差を大きくすることができ、ｑ軸のインダクタンスも小さくなるため、リラクタンストルクがより一層増加し、力率も向上することができる。
【０１３５】
上述したように、本実施の形態では、リラクタンストルクがより一層増加し、力率も向上することが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【０１３６】
（第９の実施の形態）
図６および図７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回転子の構成例をそれぞれ示す径方向断面図であり、図１乃至図５と同一部分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。
【０１３７】
すなわち、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は、図６および図７に示すように、前記図１または図２または図３または図４または図５における第１の空洞７に、磁性材を埋め込むか、または永久磁石を埋め込むか、もしくは鉄または珪素鋼板を埋め込む構成としている。
【０１３８】
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、第１の空洞７に、磁性材、または永久磁石、もしくは鉄または珪素鋼板を埋め込んでいることにより、永久磁石６の誘起電圧の影響が小さくなる可変速範囲の狭い範囲に限っては、前述した第１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と同様なトルクが得られる。
【０１３９】
すなわち、第１の空洞７に、磁性材、または永久磁石が埋め込まれた場合には、永久磁石６の磁束が増加して、永久磁石６によるトルクは増加する。
【０１４０】
また、第１の空洞７に、鉄または珪素鋼板で埋め込まれた場合には、永久磁石６の磁束は幾分増加するが、リラクタンストルクは低下する。
【０１４１】
したがって、永久磁石６の誘起電圧の影響が小さくなる可変速範囲の狭い範囲に限っては、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でも前述と同様なトルクを得ることができる。
【０１４２】
上述したように、本実施の形態では、永久磁石６の誘起電圧の影響が小さくなる可変速範囲の狭い範囲に限っては、大きなトルクを得ることが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【０１４３】
（第１０の実施の形態）
図８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回転子の構成例をそれぞれ示す径方向断面図であり、図１乃至図７と同一部分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。
【０１４４】
すなわち、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は、図８に示すように、前記図１または図２または図３または図４または図５または図６または図７における第１の空洞７を回転子鉄心５の外周部まで貫通させて、磁極間の回転子鉄心５の外周部を、完全に凹形状とするようにしている。
【０１４５】
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、磁極間の回転子鉄心５の外周部を、凹形状としていることにより、ｑ軸方向に回転子４の凹部１３が形成されることになる。
【０１４６】
これにより、回転子鉄心５の外周部が完全に窪むため、回転子鉄心５外周に沿って漏れる磁束がなくなり、電機子電流によるｑ軸磁束が減少する。
【０１４７】
したがって、ｄ軸とｑ軸インダクタンスの差を拡大することができる。
【０１４８】
また、同時に、ｑ軸インダクタンスも低下するため、力率も向上することができる。
【０１４９】
上述したように、本実施の形態では、ｄ軸とｑ軸インダクタンスの差を拡大できると同時に、力率も向上することが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【０１５０】
（第１１の実施の形態）
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は、前述した第１乃至第１０のいずれか一つ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において、樹脂と磁石紛とから構成した永久磁石６を、回転子鉄心５内に埋め込む構成としている。
【０１５１】
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、永久磁石６を、樹脂と磁石紛とから構成するようにしていることにより、永久磁石６は樹脂を型に流し込んで成形できるため、製造が容易となる。
【０１５２】
また、回転子組立後に回転子鉄心５の磁石が配置される穴に磁石紛を混ぜた樹脂を注入するようにしていることにより、永久磁石６の成形と挿入を同時に行なうことができる。
【０１５３】
これにより、永久磁石６の機械加工および回転子鉄心５への挿入が簡素化されて、さらに量産性を向上することができる。
【０１５４】
本永久磁石式リラクタンス型回転電機は、前述したように電機子反作用に対する耐減磁特性が優れているため、磁石紛を樹脂で成形した保磁力の小さな永久磁石でも、不可逆減磁することなく適用することができる。
【０１５５】
上述したように、本実施の形態では、製造が容易で、永久磁石６の成形と挿入を同時に行なうことができ、もって永久磁石６の機械加工および回転子鉄心５への挿入を簡素化して、さらに量産性を向上することが可能な永久磁石式リラククンス型回転電機を得ることが可能となる。
【０１５６】
（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、種々に変形して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み合わせて実施してもよく、その場合には組み合わせた作用効果を得ることができる。
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み合わせにより、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。
【０１５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機によれば、回転子位置によりインダクタンスの差が大きな回転電機が得られ、永久磁石の磁束量が少なくても高出力が得られ、励磁電流成分により回転電機内の磁束量を調整できるため、負荷に合わせた最適な状態で駆動することができ、軽負荷から高負荷、低速から高速回転までの広範囲で効率の良い可変速運転を行なうことが可能となる。
【０１５８】
また、永久磁石は機械的に回転子鉄心に強固に固定できるため、高速回転が容易となる。
【０１５９】
さらに、誘起電圧が従来の数分の一程度であるため、空転時に誘起電圧を低減する弱め磁束の電流が不要となる範囲が拡大されて、システムの総合運転効率を向上することが可能となる。
【０１６０】
また、出力の低下を抑制しながら、永久磁石の誘起電圧によるインバータの破損、急ブレーキが生じることがない程度に、永久磁石の磁束を小とすることが可能となる。
【０１６１】
さらに、仮に永久磁石の磁力が全くなくなることがあっても、リラクタンストルクにより駆動が可能であり、多々の面で信頼性を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１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２】本発明の第５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回転子の構成例を示す径方向断面図。
【図３】本発明の第６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回転子の構成例を示す径方向断面図。
【図４】本発明の第７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回転子の構成例を示す径方向断面図。
【図５】本発明の第８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回転子の構成例を示す径方向断面図。
【図６】本発明の第９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回転子の構成例を示す径方向断面図。
【図７】本発明の第９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回転子の構成例を示す径方向断面図。
【図８】本発明の第１０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回転子の構成例を示す径方向断面図。
【図９】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…電機子コイル
４…回転子
５…回転子鉄心
６…永久磁石
７…第１の空洞
８…第２の空洞
９…磁石用磁路
１０…主磁極
１１…保持部材
１２…隙間
１３…回転子の凹部。
Claims (11)
- スロットの内部に収納された電機子コイルを有する固定子鉄心で形成された固定子と、
前記固定子の内側に位置して回転位置によって磁気抵抗が異なる構成の回転子鉄心で形成された回転子とを備えて成り、
前記回転子鉄心に、当該回転子鉄心の外周部に第１の空洞を設け、
前記回転子鉄心の前記第１の空洞の内周側に、永久磁石の遠心力を受けるように側面をテーパー状に形成した前記永久磁石を埋め込むための穴を設け、
前記回転子鉄心と嵌合させるために、側面をテーパー状として前記永久磁石を前記穴に埋め込んで設け、
前記第１の空洞と前記永久磁石との間に、前記回転子鉄心で形成されて磁路となる磁石用磁路を径方向に向かって設け、
前記永久磁石の両端部近傍から前記回転子の外周側に向かって、第２の空洞を配置し、前記永久磁石は、前記回転子の磁気抵抗の高い部分である前記第１の空洞のある方向に分布する電機子電流の磁束を打ち消す方向に磁化し、
互いに隣合う前記第１の空洞の間にあり、かつ２つの前記第２の空洞にも挟まれた回転子鉄心部を主磁極とし、
前記主磁極の円周方向幅と、前記第１の空洞および第２の空洞に挟まれた前記磁石用磁路の幅との合計が、磁極ピッチの４０％〜６０％とな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。 - 前記請求項１に記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、
前記電機子コイルに鎖交するｑ軸磁束において、最大トルク時に電流による磁束と前記永久磁石による磁束とが相殺されてほぼ零となる状態で動作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。 - 前記請求項１または請求項２に記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、
前記磁石用磁路と前記永久磁石との間に、隙間を設け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。 - 前記請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、
前記回転子鉄心と前記永久磁石との間に、保持部材を配置し、
前記保持部材は、前記回転子鉄心と接触する部分を、前記回転子鉄心と嵌合するようにテーパー形状とす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。 - 前記請求項４に記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、
前記永久磁石は、側面をテーパー状にすることに代えて、直方体形状とす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。 - 前記請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、
前記永久磁石の表面と対向する前記磁石用磁路の幅を、前記永久磁石の対向する面の幅よりも狭くす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。 - 前記請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載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の空洞に、前記回転子鉄心と異なる磁性材を埋め込む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。 - 前記請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載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の空洞に、永久磁石を埋め込む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。 - 前記請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載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の空洞に、鉄、または珪素鋼板を埋め込む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。 - 前記請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、
前記磁極間の回転子鉄心の外周部を、凹形状とす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。 - 前記請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、
前記永久磁石を、樹脂と磁石紛とから構成す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。
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