JP5305753B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

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。特に、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るにあたり、他の永久磁石の磁束の影響で、前記少なくとも１つの磁石の磁束量の変化が抑制されることがないように、短絡コイルまたは導電性の板を回転子鉄心に配置した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は大きく分けて２種類のタイプがある。回転子鉄心の外周に永久磁石を貼り付けた表面磁石型永久磁石式回転電機と、永久磁石４を回転子鉄心２の中に埋め込んだ埋め込み型永久磁石式回転電機である。可変速駆動用モータとしては、埋め込み型永久磁石式回転電機が適している。

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)が極めて高くなる。永久磁石による誘導電圧がインバータの電子部品に印加されてその耐電圧以上になると、電子部品が絶縁破壊する。そのため、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。

低速から高速まで定出力に近い可変速運転を行う場合、永久磁右の鎖交磁束は一定であるので、高速回転域では回転電機の電圧が電源電圧上限に達して出力に必要な電流が流れなくなる。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できなくなる。

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。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、高調波磁東による電磁力で振動を発生する可能性もある。

ハイブリッド自動車用駆動電動機に埋め込み型永久磁石電動機を適用した場合、エンジンのみで駆動される状態では電動機は連れ回される。中・高速回転では電動機の永久磁石による誘導電圧が上昇するので、電源電圧以内に抑制するため、弱め磁束制御で負のｄ軸電流を流し続ける。この状態では、電動機は損失のみを発生するので総合運転効率が悪化する。

電車用駆動電動機に埋め込み型永久磁石電動機を適用した場合、電車は惰行運転する状態があり、上と同様に永久磁石による誘導電圧を電源電圧以下にするために弱め磁束制御で負のｄ軸電流を流し続ける。その場合、電動機は損失のみを発生するので総合運転効率が悪化する。

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と、低保磁力の永久磁石の２倍以上の保磁力を有する高保磁力の永久磁石を配置し、電源電圧の最大電圧以上となる高速回転域では低保磁力の永久磁石と高保磁力の大久磁石による全鎖交磁束が減じるように、電流による磁界で低保磁力の未久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。

この特許文献１の永久磁石式回転電機は、図９に記載のような構成の回転子１を備えている。すなわち、回転子１は、回転子鉄心２、８個の低保磁力永久磁石３及び８個の高保磁力永久磁石４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、低保磁力永久磁石３はアルニコ磁石またはＦｅＣｒＣｏ磁石であり、高保磁力磁石４はＮｄＦｅＢ磁石である。

低保磁力永久磁石３は回転子鉄心２の中に埋め込まれ、低保磁力永久磁石３の両端部には第１の空洞５が設けられている。低保磁力永久磁石３は磁極間の中心軸になるｑ軸と一致する回転子の半径方向に沿って配置され、半径方向に対して直角方向に磁化される。高保磁力永久磁石４は回転子鉄心２内に埋め込まれ、高保磁力永久磁石４の両端部には第２の空洞６が設けられている。高保磁力永久磁石４は、２個の低保磁力永久磁石３により回転子１内周側で挟まれるように回転子１のほぼ周方向に配置されている。高保磁力永久磁石４は回転子１の周方向に対してほぼ直角方向に磁化されている。

回転子鉄心２の磁極部７は２個の低保磁力永久磁石３と１個の高保磁力永久磁石４で取り囲まれるようにして形成されている。回転子鉄心２の磁極部７の中心軸方向がｄ軸、磁極間の中心軸方向がｑ軸となる。この回転子１を採用した特許文献１の永久磁石式回転電機では、固定子巻線に通電時間が極短時間（１００μｓ〜１ｍｓ程度）となるパルス的な電流を流して磁界を形成し、低保磁力永久磁石３に磁界を作用させる。着磁磁界を２５０ｋＡ／ｍとすると、理想的には低保磁力永久磁石３には十分な着磁磁界が作用し、高保磁力永久磁石４には着磁による不可逆減磁はない。

その結果、特許文献１の永久磁石式回転電機では、回転子１のｄ軸電流により低保磁力永久磁石３の鎖交磁束量を最大から０まで大きく変化でき、また磁化方向も正逆の両方向にできる。すなわち、高保磁力永久磁石４の鎖交磁束を正方向とすると、低保磁力永久磁石３の鎖交磁束を正方向の最大値から０、さらには逆方向の最大値まで広範囲に調整することができる。したがって、本実施の形態の回転子では、低保磁力永久磁石３をｄ軸電流で着磁することにより低保磁力永久磁石３と高保磁力永久磁石４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、低速域では低保磁力永久磁石３は高保磁力永久磁石４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は最大にすることができる。中・高速域では、低保磁力永久磁石３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。
特開２００６−２８０１９５号公報 特開２００８−４８５１４号公報

前記のような構成を有する特許文献１の永久磁石式回転電機は、回転子１のｄ軸電流により、低保磁力永久磁石３の鎖交磁束量を最大から０まで大きく変化でき、また磁化方向も正逆の両方向にできるという優れた特性を有する。その反面、低保磁力永久磁石３を増磁させる場合に大きな磁化電流が必要となり、電動機を駆動するためのインバータの大型化を招くことになる。

特に、永久磁石の特性上、減磁の場合よりも増磁の場合に大きな磁化電流が要求されるが、特許文献１の永久磁石式回転電機は、２種類の磁石が磁気的に並列に配置された構成のため、高保磁力永久磁石４の鎖交磁束の影響で、低保磁力永久磁石３の増磁に大きな磁界が必要となる。

図１０（Ａ）から（Ｄ）は、そのことを説明する模式図である。特許文献１の永久磁石式回転電機では、図１０（Ａ）のように、２つの低保磁力永久磁石３と１つの高保磁力永久磁石４とが、ｄ軸を中心としてＵ字形に配置されている。電動機の通常の運転状態では、各永久磁石３，４の磁束の方向は、中心の磁極部７の方を向いている。この状態で、ｄ軸電流をパルス的に流して、減磁用の磁界を発生すると、その磁束は図１０（Ｂ）のように、回転子１の外周側から各永久磁石３，４を貫くように発生し、それによって、低保磁力永久磁石３は減磁される。このとき、高保磁力永久磁石４は、保磁力が高いため、減磁されることはない。

この減磁の場合、図１０（Ｃ）のように、高保磁力永久磁石４の磁束は、ｄ軸方向と共に低保磁力永久磁石３の内側から外側に向かって、低保磁力永久磁石３の当初の磁束の向きとは逆に流れるので、ｄ軸電流の作る磁界による減磁作用を補助する。そのため、低保磁力永久磁石３の極性を反転させるまでの減磁が可能である。

一方、増磁の場合には、ｄ軸電流を再びパルス的に印加することで、前記とは逆方向の磁界を発生させ、その磁界を構成する逆方向の磁束によって、減磁した低保磁力永久磁石３の鎖交磁束を前記（Ａ）の通常運転時の状態に戻す。しかし、本来、減磁に比較して増磁のためのエネルギーが大きく必要な上、図１０（Ｃ）のように、低保磁力永久磁石３には高保磁力永久磁石４の磁束が減磁方向に加わっているため、これに打ち勝つだけの大きな磁界を生成することのできる磁化電流が必要となる。

このように、特許文献１の永久磁石式回転電機は、２種類の磁石を磁気的に並列に配置したため、低保磁力永久磁石３の減磁量を大きくとることができ、磁力の変化幅を０〜１００％のように大きくすることができる利点はあるものの、増磁時に必要とする磁化電流が大きいという問題があった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、低保磁力永久磁石の増磁時における磁化電流を減少させることで、インバータの大型化を必要とすることなく、低速から高速までの広範囲で可変速運転を可能とし、低速回転域の高トルク化と中・高速回転域での高出力化、効率の向上可能とした永久磁石式回転電機を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明の永久磁石式回転電機は、保磁力と磁化方向厚の積が他の永久磁石と異なる２種類以上の永久磁石を用いて磁極を形成し、この磁極を回転子鉄心内に複数個配置して回転子を構成し、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、この電機子巻線の電流が作る磁界により前記回転子の磁極を構成する永久磁石の少なくとも１個を磁化させて、永久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、前記不可逆的に変化させる永久磁石を除いた他の永久磁石の磁路部分に短絡コイルを設け、前記短絡コイルに発生する短絡電流は、永久磁石を不可逆変化させる方向とは逆方向の磁界を形成する電流を電機子巻線に流し、その後、永久磁石を不可逆変化させる方向に磁界を形成する電流を電機子巻線に流すことにより生成されることを特徴とする。

本発明において、前記短絡コイルを、前記不可逆的に変化させる永久磁石を除いた他の永久磁石の磁化方向を中心軸として前記他の永久磁石の周囲や、前記回転子鉄心の前記不可逆的に変化させる磁石以外に磁束が漏れる磁路部分に設けることもできる。前記短絡コイルに代えて、導電性の板を使用することも可能である。

また、前記電機子巻線にｄ軸電流を通電させて、その磁束で前記短絡コイルまたは導電性の板に短絡電流を発生させること、前記短絡コイルまたは導電性の板のインダクタンス値と抵抗値を、不可逆変化させる永久磁石の磁化が変化する程度の短絡電流が流れるような値とすること、前記短絡コイルまたは導電性の板が、不可逆変化させる永久磁石の磁化が変化する程度の短絡電流が１秒以内に流れ、その後１秒以内にその短絡電流を５０％以上減衰させるものであることも、本発明の一態様である。

更に、前記短絡コイルまたは導電性の板が、高速回転時の遠心力に対して回転子鉄心で保持されること、あるいは、前記短絡コイルまたは導電性の板は、回転子の鉄心の穴に高温で溶けた導電性物質を流し込んで鋳造で造ることも、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、磁束量を不可逆的に変化させる永久磁石を増磁する際の磁化電流によって磁界が発生すると、この発生した磁界により短絡コイルや導電性の板に誘導電流が流れ、磁束量を不可逆的に変化させる永久磁石に対して、この誘導電流によって発生した磁界により増磁方向の磁力が作用する。その結果、前記磁化電流による磁界と、この誘導電流による磁界とが加算されて、磁束量を不可逆的に変化させる永久磁石の増磁が効果的に行われる。

また、短絡コイルや導電性の板によって生じる磁界は、回転子のみならず、電機子鉄心においても、磁化電流によって発生する磁界を打ち消するように左右する。その結果、電機子鉄心における磁気飽和を緩和することにより、大きな磁化電流による強い磁界を磁束量を不可逆的に変化させる永久磁石に加えることが可能となり、その増磁を容易に行うことが可能となる。

このように、本発明によれば、少ない磁化電流で効果的に磁束量を不可逆的に変化させる永久磁石を増磁することができると共に、電機子鉄心の磁気飽和を抑止できるので、駆動用インバータの大型化を図ることなく、永久磁石式回転電機の効率化を達成することができる。

以下、本発明に係る永久磁石式回転電機の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施の形態の回転電機は１２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．第１の実施の形態）
（１−１．構成）
本発明の第１の実施の形態について図１〜図５を用いて説明する。なお、図１は回転子と固定子を示したが、図２以降においては、固定子部分は省略する。

本発明の第１の実施の形態の回転子１は、図１に示すように回転子鉄心２、保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石３、保磁力と磁化方向厚の積が大となる永久磁石４から構成される。回転子鉄心２は珪素鋼板を積層して構成し、前記の永久磁石は回転子鉄心２内に埋め込む。回転子鉄心２内を通過する磁束が永久磁石３，４の部分をその厚さ方向に通過するように、各永久磁石３，４の端部に空洞５を設ける。

本実施の形態では、保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石３はフェライト磁石３またはアルニコ磁石とし、この実施の形態ではフェライト磁石３を使用した。保磁力と磁化方向厚の積が大となる永久磁石４は、ＮｄＦｅＢ磁石を使用した。このフェライト磁石３の保磁力は２８０ｋＡ／ｍとし、ＮｄＦｅＢ磁石４の保磁力は１０００ｋＡ／ｍとする。フェライト磁石３は磁極間のｑ軸に沿って回転子鉄心２内に配置し、その磁化方向はほぼ周方向である。ＮｄＦｅＢ磁石４は磁化方向がｄ軸方向になるように回転子鉄心２内に配置する。

前記回転子鉄心２内に埋め込まれたＮｄＦｅＢ磁石４を取り囲むように、短絡コイル８を設ける。この短絡コイル８は、リング状の導電性部材から構成し、回転子鉄心２内に設けた空洞５の縁の部分にはめ込むように装着する。なお、回転子の鉄心の穴に高温で溶けた導電性物質を流し込んで鋳造して製作することも可能である。

この短絡コイル８は、電機子巻線にｄ軸電流を通電させた場合に発生する磁束で、短絡電流が発生するものである。そのため、この短絡コイル８は、前記不可逆的に変化させる永久磁石（フェライト磁石３）を除いた他の永久磁石（ＮｄＦｅＢ磁石４）の磁路部分に設ける。その場合、ＮｄＦｅＢ磁石４の磁化方向を中心軸として、ＮｄＦｅＢ磁石４周囲に短絡コイル８を設ける。

前記短絡コイルは、不可逆変化させる永久磁石３の磁化が変化する程度の短絡電流が１秒以内に流れ、その後１秒以内にその短絡電流を５０％以上減衰させるものであることが好ましい。また、前記短絡コイル８のインダクタンス値と抵抗値を、不可逆変化させる永久磁石（フェライト磁石３）の磁化が変化する程度の短絡電流が流れるような値とすると、効率が良い。

前記回転子２の外周には、エアギャップを介して固定子１０を設ける。この固定子１０は、電機子鉄心１１と電機子巻線１２とを有する。この電機子巻線１２に流れる磁化電流により、前記短絡コイル８には誘導電流が誘起され、その誘導電流によって短絡コイル８を貫通する磁束が形成される。また、この電機子巻線１２に流れる磁化電流により、フェライト磁石３の磁化方向が可逆的に変化する。

すなわち、前記永久磁石３，４に対しては、永久磁石式回転電機の運転時において、ｄ軸電流による磁界で永久磁石３を磁化させて永久磁石３の磁束量を不可逆的に変化させる。その場合、永久磁石３を磁化するｄ軸電流を流すと同時にｑ軸電流により回転電機のトルクを制御する。

また、ｄ軸電流で生じる磁束により、電流（ｑ軸電流とｄ軸電流とを合成した全電流）と永久磁石３，４とで生じる電機子巻線の鎖交磁束量、すなわち、回転電機の全電流によって電機子巻線に生じる磁束と、回転子側の２種類以上の永久磁石によって生じる磁束とから構成される電機子巻線全体の鎖交磁束量をほぼ可逆的に変化させる。

特に、本実施の形態では、瞬時の大きなｄ軸電流による磁界で可変磁力用永久磁石３を不可逆変化させる。この状態で不可逆減磁がほとんど生じないか、僅かの不可逆減磁が生じる範囲のｄ軸電流を連続的に流して運転する。このときのｄ軸電流は電流位相を進めて端子電圧を調整するように作用する。

また、大きなｄ軸電流で可変用磁石３の極性を反転させ、電流位相を進める運転制御方法を行う。このようにｄ軸電流で可変用磁石３の極性を反転させているので、端子電圧を低下させるような負のｄ軸電流を流しても、可変用磁石３にとっては減磁界ではなく増磁界となる。すなわち、負のｄ軸電流で可変用磁石３は減磁することなく、端子電圧の大きさを調整することができる。

一般の磁石モータでは磁石の極性は反転していないので電流位相を進めることによりｄ軸電流が増加すると、磁石が不可逆減磁する問題があるが、本実施の形態においては、可変用磁石３の極性を反転させて位相を進めることが可能である。

（１−２．減磁及び増磁作用）
つぎに、本実施の形態の作用について説明する。なお、各図中に、電機子巻線１２や短絡コイル８によって発生した磁力の方向を矢印により示す。

本実施の形態では、固定子１０の電機子巻線１２に通電時間が０．１ｍｓ〜１００ｍｓ程度の極短時間となるパルス的な電流を流して磁界を形成し、フェライト磁石３に磁界Ａを作用させる（図１参照）。永久磁石を磁化するための磁界Ａを形成するパルス電流は、固定子１０の電機子巻線１２のｄ軸電流成分とする。

２種類の永久磁石の厚みはほぼ同等するとｄ軸電流による作用磁界による永久磁石の磁化状態変化は保磁力の大きさにより変る。永久磁石の磁化方向とは逆方向の磁界を発生する負のｄ軸電流を電機子巻線１２にパルス的に通電する。負のｄ軸電流によって変化した磁石内の磁界Ａが-２８０ｋＡ／ｍになったとすると、フェライト磁石３の保磁力が２８０ｋＡ／ｍなのでフェライト磁石３の磁力は不可逆的に大幅に低下する。

一方、ＮｄＦｅＢ磁石４の保磁力が１０００ｋＡ／ｍなので磁力は不可逆的に低下しない。その結果、パルス的なｄ軸電流が０になるとフェライト磁石３のみが減磁した状態となり、全体の磁石による鎖交磁束量を減少することができる。さらに−２８０ｋＡ／ｍよりも大きな逆磁界をかけるとフェライト磁石３は逆方向に磁化して極性は反転する。この場合、フェライト磁石３の磁束とＮｄＦｅＢ磁石４の磁束は打ち消しあうので永久磁石の全鎖交磁束は最小になる（図２参照）。

なお、この場合、ＮｄＦｅＢ磁石４の磁力の方向は、図１のＢに示すように、ＮｄＦｅＢ磁石４からフェライト磁石３の方向となるので、前記電機子巻線１２による磁界の磁力の方向と一致するため、フェライト磁石３の減磁させる方向に強い磁力が作用する。同時に、短絡コイル８には、電機子巻線１２の磁界Ａを打ち消すような誘導電流が発生し、その誘導電流によって図１矢印Ｃで示すような磁力の方向を有する磁界が発生する。この短絡コイル８による磁力Ｃも、フェライト磁石３の磁化方向を逆方向に向けるように作用する。これらより、フェライト磁石３の減磁及び極性の反転が効率的に行われる。

つぎに、永久磁石の全鎖交磁束を増加させて最大に復元させる過程（増磁過程）を説明する。減磁完了の状態では、図２に示すように、フェライト磁石３の極性は反転しており、反転した磁化とは逆方向（図１に示す初期の磁化方向）の磁界を発生する正のｄ軸電流を電機子巻線１２に通電する。反転した逆極性のフェライト磁石３の磁力は前記磁界が増すに連れて減少し、０になる。さらに正のｄ軸電流による磁界を増加させると極性は反転して初期の極性の方向に磁化される。ほぼ完全な着磁に必要な磁界である３５０ｋＡ／ｍをかけると、フェライト磁石３は着磁されてほぼ最大に磁力を発生する（図３参照）。

なお、ｄ軸電流は連続通電で増加させる必要はなく、目標の磁力にする電流を瞬間的なパルス電流を流せばよい。一方、ＮｄＦｅＢ磁石４の保磁力が１０００ｋＡ／ｍなので、ｄ軸電流による磁界が作用してもＮｄＦｅＢ磁石４の磁力は不可逆的に変化しない。その結果、パルス的な正のｄ軸電流が０になるとフェライト磁石３のみが増磁した状態となり、全体の磁石による鎖交磁束量を増加することができる。これにより元の最大の鎖交磁束量に戻すことが可能となる（図５）。

以上のようにｄ軸電流による瞬時的な磁界をフェライト磁石３とＮｄＦｅＢ磁石４に作用させることにより、フェライト磁石３の磁力が不可逆的に変化させて、永久磁石の全鎖交磁束量を任意に変化させることが可能となる。

（１−３．短絡コイルの作用）
つぎに、短絡コイル８の作用について述べる。フェライト磁石３とＮｄＦｅＢ磁石４は回転子鉄心２内に埋め込まれて磁気回路を構成しているので、前記ｄ軸電流による磁界はフェライト磁石３のみでなく、ＮｄＦｅＢ磁石４にも作用する。本来、前記ｄ軸電流による磁界はフェライト磁石３の磁化を変化させるために行う。そこで、前記ｄ軸電流による磁界がＮｄＦｅＢ磁石４に作用しないようにし、フェライト磁石３に集中するようにすればよい。

本実施の形態では、ＮｄＦｅＢ磁石４の周囲に短絡コイル８を配置している。この場合、短絡コイル８は、ＮｄＦｅＢ磁石４の磁化方向を中心軸として配置する。図４に示す、不可逆的に変化させる磁石３の増磁方向の磁化を行う場合、前記ｄ軸電流による磁界ＡがＮｄＦｅＢ磁石４に作用すると、前記磁界Ａを打ち消すような誘導電流が短絡コイル８に流れる。したがって、ＮｄＦｅＢ磁石４中には、前記ｄ軸電流による磁界Ａと短絡電流による磁界Ｃが作用し両者が打ち消し合うために、磁界の増減はほとんど生じない。さらに、短絡電流による磁界Ｃはフェライト磁石３にも作用し、ｄ軸電流による磁界Ａと同方向になる（図４）。

したがって、フェライト磁石３を磁化させる磁界Ａが強まり、少ないｄ軸電流でフェライト磁石３を磁化できることになる。この点は、前記図４に示した増磁方向に限らず、図１の減磁方向においても同様である。図１において説明したように、減磁方向の磁化電流により、図４の増磁方向とは逆の磁界Ａが発生すると、この磁界Ａによって短絡コイル８に誘起された誘導電流により磁界Ｃが発生し、不可逆的に変化させる磁石３を貫通する部分においては、この磁界Ｃの方向が磁化電流による磁界Ａの方向と一致するので、減磁方向の磁化も効果的に行われる。

また、短絡コイル８によりＮｄＦｅＢ磁石４は前記ｄ軸電流の影響を受けなく、磁束の増加はほとんど生じないので、前記ｄ軸電流による電機子鉄心１１の磁気飽和も緩和できる。すなわち、電機子鉄心１１は、ｄ軸電流によって発生する磁界Ａが電機子巻線１２間に形成された磁路を通過することにより、その部分の磁気飽和が生じる可能性がある。しかし、本実施の形態では、短絡コイル８の磁界Ｃのうち、電機子鉄心１１の磁路を通過する部分が、ｄ軸電流による磁界Ａと逆方向に作用するので、電機子鉄心１１の磁路が磁気飽和することが緩和される。

（１−４．効果）
本実施の形態においては、次の効果が得られる。

本実施の形態では、ｄ軸電流でフェライト磁石３を不可逆的に変化させることにより、フェライト磁石３とＮｄＦｅＢ磁石４を合わせた永久磁石の全鎖交磁束量を広範囲に調整することができる。また、段落コイルを流れる誘導電流により、磁力を変化させる磁石(フェライト磁石３)へのｄ軸電流による磁界の影響を高めることができるので、少ないｄ軸電流でフェライト磁石３を磁化できる。これによりインバータの電気容量も低減できる。

短絡コイル８により磁化をさせる磁界を高めることができるので、不可逆的に磁束量を変化させる永久磁石として、保磁力の大きな永久磁石を利用することが可能となる。例えば、本発明では、アルニコ磁石（保磁力１２０ｋＡ／ｍ）よりも保磁力が大きなフェライト磁石３(保磁力２８０ｋＡ／ｍ)を磁化させて磁力を可変できる。

その結果、永久磁石の全鎖交磁束量の調整は回転電機の電圧を広範囲に調整することを可能とし、また、着磁は極短時間のパルス的な電流で行うので、常時弱め磁束電流を流し続ける必要もなく、損失を大幅に低減できる。また、従来のように弱め磁束制御を行う必要がないので高調波磁束による高調波鉄損も発生しない。

以上より、本実施の形態の回転電機は、高出力で低速から高速までの広範囲の可変速運転を可能とし、広い運転範囲において高効率も可能となる。

（２．第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施形態を示す回転子部分の断面図である。この第２の実施の形態では、前記短絡コイル８を、前記不可逆的に変化させる永久磁石（フェライト磁石３）を除いた他の永久磁石（ＮｄＦｅＢ磁石４）の磁化方向を中心軸として、前記他の永久磁石（ＮｄＦｅＢ磁石４）の周囲に設ける。

このような構成の第２の実施の形態でも、前記第１の実施の形態と同様に、磁化電流によって生じる磁界によって短絡コイル８に誘導電流が誘起する。そして、この誘導電流によって発生する磁界Ｃと、磁化電流によって生じる磁界Ａとによって、フェライト磁石３の増磁方向の磁化を行う。同時に、短絡コイル８の磁界Ｃによって、電機子鉄心１１内に生じる磁化電流による磁界Ａを打ち消すので、電機子鉄心１１の磁気飽和を緩和できる。

なお、第２の実施の形態は、図６中、符号８で示した短絡コイルをＮｄＦｅＢ磁石４の固定子側に配置したものであるが、短絡コイルの位置はそこに限るものではなく、符号（８）で示すように短絡コイルをＮｄＦｅＢ磁石４の回転子２の中心側に配置することもできる。また、ＮｄＦｅＢ磁石４の周囲ではなく、ＮｄＦｅＢ磁石４の外周側や内周側の鉄心に巻きつけても同じ効果が得られる。

（３．第３の実施の形態）
図７は、本発明の第３の実施の形態を示す回転子部分の断面図である。この第３の実施の形態は、不可逆的に変化させる磁石３を除いた他の永久磁石４の磁路部分に短絡コイルを設けたものであって、一例として、回転子鉄心２の前記不可逆的に変化させる磁石３以外に磁束が漏れる磁路部分に短絡コイルを設ける。すなわち、第３の実施の形態では、回転子鉄心２における不可逆的に変化させる磁石３の両端に設けた空洞５と、回転子鉄心２の内面または外面との間に形成した鉄心の狭い部分に、小径の短絡コイル８をそれぞれ設ける。

このような構成の第３の実施の形態では、磁化電流によって生じる磁界Ａに誘起されて誘導電流が短絡コイル８に流れると、短絡コイル８には、図７中符号Ｄで示す磁界が発生する。この磁界Ｄは、磁化電流によって生じる磁界Ａと反対方向に作用するので、この部分の磁気飽和が緩和される。その結果、回転機の駆動に有効な磁束の減少による出力低下を防止できる。

特に、図７に示すように、漏れ磁束が発生する部分は、不可逆的に変化させる磁石３に対して磁気回路としては並列回路になっている。したがって、短絡コイル８による漏れ磁束を打ち消すような磁界Ｄは、漏れ磁束部分と磁気的につながった不可逆的に変化させる磁石３にも作用する。この磁界Ｄは、磁化電流による磁界の方向Ａと同じであるので、不可逆的に変化させる磁石３の磁化が促進される効果を有する。。

（４．第４の実施の形態）
図８は、本発明の第４の実施の形態を示す回転子部分の断面図である。この第４の実施の形態では、ＮｄＦｅＢ磁石４の下面（回転子の内周側）に、前記短絡コイル８に代えて導電性の板９を設けたものである。

導電性の板９として、銅板またはアルミ板を使用することが好ましい。また、導電性の板９は、図７のようなＮｄＦｅＢ磁石４の下面に限らず、上面（回転子の外周側）に配置しても良いが、上面に設けると、電流高調波やスロット高調波で導電性板に誘導電流が生じて前記高調波を低減できるメリットがある。

このような構成の第４の実施の形態では、磁化電流によって発生した磁界が導電性の板９に加わると、導電性の板９の表面には誘導電流（渦電流）が発生し、それによって、前記短絡コイル８と同様な磁界Ｃが発生する。その磁界Ｃにより、フェライト磁石３の増磁方向に磁力が加わり、増磁が効果的に実施される。同時に、電機子鉄心１１の磁気飽和を緩和する作用も発揮される。

（５．他の実施の形態）
本発明は、前記の各実施の形態に限定されるものではなく、つぎのような他の実施の形態も包含する。

(1) 本実施の形態では極数を変えても本発明を適用できるのは当然である。極数に応じて永久磁石の配置位置、形状が幾分変ることは勿論であり、作用と効果は同様に得られる。

(2) 磁極を形成する永久磁石において、保磁力と磁化方向の厚みの積をもって永久磁石を区別する定義をしている。したがって、磁極には同じ種類の永久磁石で形成し、磁化方向厚みを異なるように形成しても同様な作用と効果が得られる。

(3) 前記第３の実施の形態と、前記第１、第２、第４の実施の形態とを組み合わせることも可能である。

(4) 転時に極短時間のパルス的なｄ軸電流による磁界で永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させ、かつ、全磁石の誘起電圧に対して位相を進めた電流を連続的に通電させて、電流と永久磁石で生じる電機子巻線の鎖交磁束量を変化させる。

すなわち、パルス電流で永久磁石の磁束量を減少させ、さらに電流位相を進めると、磁石磁束に対して逆方向の電流で生じる磁束が発生するので、これを相殺して、全鎖交磁束を減少でき、端子電圧を低下させることができる。なお、電流位相を進めることは負のｄ軸電流成分を流していることと等価である。

このような電流位相進み制御においては、電流位相を進めるとｄ軸電流が流れて磁石は減磁して幾分磁束量は減る。しかし、パルス電流で大きく減磁させているので、磁束量の低下は比率的には小さい利点がある。

本発明の第１の実施の形態において、磁化電流により減磁を開始した状態を示す回転子と固定子の部分断面図。 本発明の第１の実施の形態において、磁力が最小の状態を示す回転子の部分断面図。 本発明の第１の実施の形態において、磁化電流を流し始めた瞬間の状態を示す回転子の部分断面図。 本発明の第１の実施の形態において、磁化電流による磁界で短絡コイルに誘導電流が生じて新たな磁界が発生した状態を示す回転子の部分断面図。 本発明の第１の実施の形態において、磁化が終了して、磁化電流を０にした状態を示す回転子の部分断面図。 本発明の第２の実施の形態における磁力の方向を示す回転子の部分断面図。 本発明の第３の実施の形態における磁力の方向を示す回転子の部分断面図。 本発明の第４の実施の形態における磁力の方向を示す回転子の部分断面図。 特許文献１に記載の回転子の断面図。 特許文献１に記載の回転子の作用を示す模式図。

符号の説明

１…回転子
２…回転子鉄心
３…保磁力と磁化方向厚の積が小となる永久磁石（フェライト磁石）
４…保磁力と磁化方向厚の積が大となる永久磁石（ＮｄＦｅＢ磁石）
５，６…永久磁石端の空洞
７…磁極部
８…短絡コイル
９…導電性の板
１０…固定子
１１…電機子鉄心
１２…電機子巻線

Claims (11)

1. 保磁力と磁化方向厚の積が他の永久磁石と異なる２種類以上の永久磁石を用いて磁極を形成し、この磁極を回転子鉄心内に複数個配置して回転子を構成し、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、この電機子巻線の電流が作る磁界により前記回転子の磁極を構成する永久磁石の少なくとも１個を磁化させて、永久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、
   前記不可逆的に変化させる永久磁石を除いた他の永久磁石の磁路部分に短絡コイルを設け、
   前記短絡コイルに発生する短絡電流は、永久磁石を不可逆変化させる方向とは逆方向の磁界を形成する電流を電機子巻線に流し、その後、永久磁石を不可逆変化させる方向に磁界を形成する電流を電機子巻線に流すことにより生成されることを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 保磁力と磁化方向厚の積が他の永久磁石と異なる２種類以上の永久磁石を用いて磁極を形成し、この磁極を回転子鉄心内に複数個配置して回転子を構成し、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、この電機子巻線の電流が作る磁界により前記回転子の磁極を構成する永久磁石の少なくとも１個を磁化させて、永久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、
   前記不可逆的に変化させる永久磁石を除いた他の永久磁石の磁化方向を中心軸として前記他の永久磁石の周囲に短絡コイルを設け、
   前記短絡コイルに発生する短絡電流は、永久磁石を不可逆変化させる方向とは逆方向の磁界を形成する電流を電機子巻線に流し、その後、永久磁石を不可逆変化させる方向に磁界を形成する電流を電機子巻線に流すことにより生成されることを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 保磁力と磁化方向厚の積が他の永久磁石と異なる２種類以上の永久磁石を用いて磁極を形成し、この磁極を回転子鉄心内に複数個配置して回転子を構成し、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、この電機子巻線の電流が作る磁界により前記回転子の磁極を構成する永久磁石の少なくとも１個を磁化させて、永久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、
   前記回転子鉄心の前記不可逆的に変化させる磁石以外に磁束が漏れる磁路部分に短絡コイルを設け、
   前記短絡コイルに発生する短絡電流は、永久磁石を不可逆変化させる方向とは逆方向の磁界を形成する電流を電機子巻線に流し、その後、永久磁石を不可逆変化させる方向に磁界を形成する電流を電機子巻線に流すことにより生成されることを特徴とする永久磁石式回転電機。
4. 保磁力と磁化方向厚の積が他の永久磁石と異なる２種類以上の永久磁石を用いて磁極を形成し、この磁極を回転子鉄心内に複数個配置して回転子を構成し、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、この電機子巻線の電流が作る磁界により前記回転子の磁極を構成する永久磁石の少なくとも１個を磁化させて、永久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、
   前記不可逆的に変化させる永久磁石を除いた他の永久磁石の磁化方向と対向する面に導電性の板を設け、
   前記導電性の板に発生する短絡電流は、永久磁石を不可逆変化させる方向とは逆方向の磁界を形成する電流を電機子巻線に流し、その後、永久磁石を不可逆変化させる方向に磁界を形成する電流を電機子巻線に流すことにより生成されることを特徴とする永久磁石式回転電機。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、
   電機子巻線にｄ軸電流を通電させて、その磁束で前記短絡コイルまたは導電性の板に短絡電流を発生させることを特徴とする永久磁石式回転電機。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記短絡コイルまたは導電性の板のインダクタンス値と抵抗値を、不可逆変化させる永久磁石の磁化が変化する程度の短絡電流が流れるような値とすることを特徴とする永久磁石式回転電機。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記短絡コイルまたは導電性の板が、不可逆変化させる永久磁石の磁化が変化する程度の短絡電流が１秒以内に流れ、その後１秒以内にその短絡電流を５０％以上減衰させるものであることを特徴とする永久磁石式回転電機。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記短絡コイルまたは導電性の板が、高速回転時の遠心力に対して回転子鉄心で保持されることを特徴とする永久磁石式回転電機。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記短絡コイルまたは導電性の板は、回転子の鉄心の穴に高温で溶けた導電性物質を流し込んで鋳造で造ることを特徴とする永久磁石式回転電機。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、
    保磁力と磁化方向厚の積が小さな永久磁石をその極性が反転するまで減磁した状態において、電流位相を進める運転を行うことを特徴とする永久磁石式回転電機。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、
    運転時に極短時間のパルス的なｄ軸電流による磁界で永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させ、かつ、全磁石の誘起電圧に対して位相を進めた電流を連続的に通電させて、電流と永久磁石で生じる電機子巻線の鎖交磁束量を変化させることを特徴とする永久磁石式回転電機。

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