JP5390314B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転子内部に磁束量を不可逆的に変化させる永久磁石を内蔵した永久磁石式回転電機に関するもので、特に、前記永久磁石の動作点を磁気特性の減磁曲線におけるクニック点を基準に設定したものである。

回転子内に永久磁石を内蔵した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。これを防止するため、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、永久磁石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の広範囲で駆動できなくなる。

そこで、非特許文献１に記載の技術では、可変速範囲を拡大するために、弱め磁束制御が適用されている。すなわち、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、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。この弱め磁束制御において、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。このため、永久磁石は弱め磁束制御の減磁界により不可逆的に減磁しないように高保磁力のＮｄＦｅＢ磁石を使用する。

弱め磁束制御を使用した運転では、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つくる。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。

しかしながら、出力には寄与しない負のｄ軸電流を常時流し続ける方法では、銅損が増加して効率は悪化する問題点がある。さらに、負のｄ軸電流による減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の低減を妨げる。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、前記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したり、高調波磁束による電磁力で振動を発生することもある。

また、ハイブリッド自動車用駆動モータに埋め込み型永久磁石モータを適用した場合、エンジンのみで駆動される状態ではモータは連れ回される。中・高速回転ではモータ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、モータは損失のみを発生するので総合運転効率が悪化する。

さらに、電車用駆動モータに埋め込み型永久磁石モータを適用した場合、電車は惰行運転する状態があり、前記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弱め磁束制御で負のｄ軸電流を流し続けることになる。その場合、モータ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のような全鎖交磁束量を調整する技術が提案されている。これらの技術では、回転子内に、固定子巻線のｄ軸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高保磁力の永久磁石（以下、固定磁力磁石という）を配置する。そして、電源電圧の最大電圧以上となる高速回転域では、可変磁力磁石と固定磁力磁石による全鎖交磁束が減じるように、全鎖交磁束量を調整する。

特開２００６−２８０１９５号公報 特開２００８−２４５３６８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

ところで、この種の永久磁石式回転電機において、トルクを発生するときは、固定子の電機子巻線にｑ軸電流を流すことにより、ｑ軸電流と永久磁石の磁束との磁気作用でトルクを発生させる。このときｑ軸電流による磁界が発生し、この磁界も可変磁力磁石を減磁させ鎖交磁束量に影響を与えていた。そのため、ｑ軸電流による磁界による可変磁力磁石の減磁を低減するために、可変磁力磁石３の磁化方向とｑ軸電流による磁界とが直交する方向に可変磁力磁石を配置し、ｑ軸電流による磁界の影響を少なくしていた。

一方で、軽負荷時では電流が作る磁束量も少なくなるので、総磁束量は少なくてモータ電圧は高負荷時よりも小さくなる。さらに低速から中速回転では高速回転よりも電圧が低くなる。この場合、電源電圧に対してモータ電圧は小さくて余裕がある。モータ電圧が電源電圧になるまで磁束量を増加できれば、同じトルクでも必要な電流を少なくできる。しかし、現状の磁石モータでは最大トルク時よりも軽負荷時の永久磁石の磁束量を増加できるモータはない。

本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、可変磁力磁石と固定磁力磁石とを磁極に配置した永久磁石式回転電機において、可変磁力磁石の磁力を変化させることにより、最大トルク時よりも部分負荷や軽負荷時における永久磁石の鎖交磁束量を減少させる。これにより負荷電流が減少できて高効率となる久磁石式型回転電機を得ることを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の永久磁石式回転電機は、固定子鉄心に電機子コイルを設けた固定子と、回転子鉄心と前記回転子鉄心に設けた永久磁石からなる回転子から構成され、前記固定子の電機子コイルの電流が作る磁界で少なくとも１個の永久磁石を磁化させることにより永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させ、前記の不可逆変化させる永久磁石（可変磁力磁石）は、電流位相進み制御時における電流位相がｑ軸基準よりも進めた９０〜１８０度の範囲のある角度以上からは、減磁曲線上の動作点がクニック点より下になる磁気特性を有し、前記不可逆変化させる永久磁石を不可逆的に磁化する場合に、最大トルク時の可変磁力磁石の磁化と比較して、最大トルクよりも小さな軽負荷時の可変磁力磁石の磁化を高くすることを特徴とする。

前記の構成に加えて、可変磁力磁石の磁気特性及び回転子の構成を、次の１つまたは複数の組み合わせとすることも、本発明に包含される。
(1) 可変磁力磁石の磁気特性を、最大トルク時の動作点を減磁曲線のクニック点以上の値とする。
(2) 回転子鉄心を、不可逆変化させる永久磁石を有する複数の磁極部と、各磁極部間に永久磁石の存在しない鉄の磁極部とを備えた周方向に磁気抵抗変化が生じる形状とする。
(3) 可変磁力磁石の磁気特性を、最大トルク時の動作点を減磁曲線のクニック点以下の値とする。
(4) 可変磁力磁石の磁気特性を、最大トルク時の動作点を最大トルク後の動作点の近傍の値とする。

以上のような構成を有する本発明によれば、可変磁力磁石の磁気特性を電流位相進み制御時における電流位相がｑ軸基準よりも進めた９０〜１８０度の範囲のある角度以上からは、減磁曲線上の動作点がクニック点より下になる磁気特性とすることで、永久磁石式回転電機の電圧が上昇する高速回転域で、ｑ軸電流の電流位相を進めることにより、可変磁力磁石と固定磁力磁石による全鎖交磁束が減じるように、全鎖交磁束量を調整することができ、電圧の上昇を抑制できる永久磁石式回転電機を提供することができる。

本発明の実施例１における回転子の断面図 本発明の実施例１における減磁時の状態を示す断面図 本発明の実施例１における増磁時の状態を示す断面図 本発明の実施例１におけるｑ軸電流による磁界を示す断面図 本発明の実施例１における可変磁力磁石の動作点変化を示すグラフ

以下、本発明に係る永久磁石式型回転電機の実施例について、図面を参照して説明する。本実施例の回転電機は８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。

［１−１．構成］
本発明の実施例１について、図１を用いて説明する。実施例１の回転子１は、回転子鉄心２、保磁力と磁化方向の厚みの積が小となる永久磁石３（以下、可変磁力磁石という）、保磁力と磁化方向の厚みの積が大となる永久磁石４（以下、固定磁力磁石という）から構成する。

本実施例では、可変磁力磁石３としてはフェライト磁石、固定磁力磁石４としてはＮｄＦｅＢ磁石を使用する。また、可変磁力磁石３としては、ＳｍＣｏ系磁石、ＣｅＣｏ系磁石、ＮｄＦｅＢ系磁石の中でも保持力を低下させた磁石を使用することもできる。また、一例として、可変磁力磁石３の保磁力を２８０ｋＡ／ｍ、固定磁力磁石４の保磁力は１０００ｋＡ／ｍとするが、必ずしもこのような値に限定されるものではない。可変磁力磁石３は負のｄ軸電流によって不可逆的に磁化され、固定磁力磁石４は負のｄ軸電流によって不可逆的に磁化されないものであれば良い。

本実施例では、可変磁力磁石３として、次のような磁気特性を有する磁石を使用する。
(1) Ｂ−Ｈ特性を示す減磁曲線が、クニック点（屈曲点、折れ曲がり点）を有する。
(2) 回転電機の運転時において、最大トルク時の動作点を減磁曲線のクニック点以上の値になる。
(3) 電流位相進み制御時における電流位相がｑ軸基準よりも進めた９０〜１８０度の範囲のある角度以上からは、減磁曲線上の動作点がクニック点より下になる。

このような可変磁力磁石３は、磁石材料特性とモータ設計で製造する。すなわち、モータの各トルク成分は、
(1) 磁石トルク＝ｋ×Ｉｑ×磁石磁束
(2) リラクタンストルク＝ｋｒ×（Ｌｄ−Ｌｑ)×Ｉｄ×Ｉｑ
とあらわされる。リラクタンストルク成分を発生するために負のｄ軸電流が流すと、負のｄ軸電流による逆磁界により磁石の動作点が下がる。この場合、軽負荷時では電流も小さくなるのでｄ軸電流も小さくなる。一方、最大トルク時では電流が最大であり、負のｄ軸電流も最大になる。従って、負荷時の動作点の磁界は、無負荷時の磁石の動作点の磁界（マイナス側）＋負のｄ軸電流による磁界（マイナス）となり、動作点は磁界のマイナス側に移動する。これが動作点をこえないように、磁石のクニック点が上記磁界がよりもさらにマイナス側にあるようにする。

具体的には、永久磁石の保磁力を大きくするとマイナス側にずれる。この保磁力の調整は、磁石の材料を製造するときに加える熱処理等を調整することにより可能である。更に、保磁力のみで調整できない場合は、磁石の磁化方向厚みを厚くして、負のｄ軸電流による逆磁界を小さくする。磁石が厚くなると、磁気回路的にはｄ軸電流が作る起磁力からみると、磁路が長くなったことになり、磁界は小さくなる。

また、回転子鉄心２は珪素鋼板を積層して構成し、前記可変磁力磁石３及び固定磁力磁石４，４は回転子鉄心２内に埋め込む。本実施例の回転電機は８極であり、１つの磁極部５は、１つの可変磁力磁石３とこの両側に配置した２つ固定磁力磁石４，４とより構成する。可変磁力磁石３と固定磁力磁石４は磁気回路上では並列回路を構成するように回転子鉄心に埋め込んで配置する。図１では、ｄ軸中心部に可変磁力磁石３を配置し、その左右の両側に固定磁力磁石４を配置する。

したがって、回転子１内でｑ軸方向の磁路となる部分には磁石や磁気障壁となる穴は配置されてなく鉄心となっているので、磁気抵抗が極めて小さい部分がある。この部分が、負のｄ軸電流を流してリラクタンストルクを発生させた場合において、鉄の磁極部６となる。一方、ｄ軸方向の永久磁石の磁極となる部分には前記可変磁力磁石３と固定磁力磁石４を配置し、磁気抵抗が大きくしている。これにより、回転子の周方向に磁気抵抗が異なる回転子が構成できる。

前記回転子鉄心２内に埋め込まれた固定磁力磁石４を、そのｄ軸電流の磁化方向と平行に取り囲むように、短絡コイル７を設ける。短絡コイル７は、リング状の導電性部材から構成し、回転子鉄心２内に設けた空洞８の縁にはめ込むように装着する。短絡コイル７は、回転子１の鉄心に設けた穴に高温で溶けた導電性物質を流し込んで鋳造することも可能である。

この短絡コイル７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７は、可変磁力磁石３を除いた固定磁力磁石４の磁路部分に設ける。その場合、固定磁力磁石４の磁化方向を中心軸として、固定磁力磁石４周囲に短絡コイル７を設ける。

［１−２．ｄ軸電流による減磁及び増磁作用］
次に、前記のような構成を有する本実施例の永久磁石式回転電機における増磁時と減磁時の作用について説明する。なお、各図中に、固定子の電機子巻線や短絡コイル７によって発生した磁力の方向を矢印により示す。

図２は、永久磁石の全鎖交磁束を減少させる過程（減磁過程）を説明する図である。本実施例では、固定子の電機子巻線に通電時間が１０ｍｓ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、可変磁力磁石３に磁界Ａを作用させる。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、固定子の電機子巻線の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の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、可変磁力磁石３の保磁力が２８０ｋＡ／ｍなので可変磁力磁石３の磁力は不可逆的に大幅に低下する。

一方、固定磁力磁石４の保磁力は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になると可変磁力磁石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可変磁力磁石３は逆方向に磁化して極性は反転する。この場合、可変磁力磁石３の磁束と固定磁力磁石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。

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３に示すように、可変磁力磁石３の極性は反転しており、反転した磁化とは逆方向（図２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に通電する。反転した逆極性の可変磁力磁石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、可変磁力磁石３は着磁されてほぼ最大に磁力を発生する。

この場合、減磁時と同様に、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、固定磁力磁石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固定磁力磁石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になると可変磁力磁石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。

以上のようにｄ軸電流による瞬時的な磁界を可変磁力磁石３と固定磁力磁石４に作用させることにより、可変磁力磁石３の磁力を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．ｑ軸電流によるトルクの作用］
次に、前記のような構成を有する本実施例の永久磁石式回転電機では、永久磁石式回転電機を電流位相進み制御した場合において、図４のように固定子の電機子巻線に電流位相がｑ軸基準位置（電流位相角９０度）のｑ軸電流を流すことにより、永久磁石の鎖交磁束とｑ軸電流に基づくトルク（以下、磁石トルク）を発生させる。永久磁石式回転電機の軽負荷時にはｑ軸電流は小さく、大きなトルクを発生するときには大きなｑ軸電流が必要となる。

［１−４．可変磁力磁石の磁気特性］
次に、本実施例の可変磁力磁石３の作用について述べる。図５は、本実施例で使用する可変磁力磁石３の磁気特性（保磁力と磁束密度との関係）を示したグラフである。

この可変磁力磁石３の磁気特性の減磁曲線において、磁気特性は変曲点（クニック点）を境に、高磁束密度側と低磁束密度側にとに区別される。すなわち、可変磁力磁石３に磁化方向とは逆方向の磁界を発生させたとき、一定の磁界の強さまでは、可変磁力磁石３の保磁力はクニック点までは可逆的に変化する。一方、可変磁力磁石３にかかる磁界の強さがクニック点を越えて一定以上になると不可逆減磁し、さらに磁界を大きくしていくと、逆方向に磁化して極性も反転する。

本実施例においては、永久磁石式回転電機の最大トルク時の動作点をクニック点以上とする。これにより、永久磁石式回転電機の最大トルク時において、その動作点がクニック点以上であるので、可変磁力磁石３の不可逆減磁がないか、僅かである。また、クニック点近傍であれば、減磁界の強い箇所のみが部分的に減磁する。

すなわち、本実施例の永久磁石式回転電機において、電流位相進め制御を行う場合、電流位相がｑ軸基準位置（電流位相角９０度）のｑ軸電流により磁石トルクを発生させると、永久磁石式回転電機のトルクにかかわらず、可変磁力磁石３の動作点はクニック点以上の高磁束密度側の磁気特性が可逆的に変化する範囲（可変磁力磁石３の不可逆減磁がない範囲）内になる。

一方、回転電機に対して電流位相進め制御を行う場合、永久磁石式回転電機のトルクが最大になった後、低トルク・高速回転を行う場合には、ｑ軸電流の電流位相をｑ軸基準位置（電流位相角９０度）よりも進めて９０〜１８０度の範囲にする。この場合、ｑ軸電流の電流位相が進むため、磁石トルクとなるｑ軸電流成分以外に負のｄ軸電流成分が流れることになる。この負のｄ軸電流成分により、可変磁力磁石３の磁化方向とは逆方向の磁界が発生する。

この場合、本実施例では、上記範囲のある角度以上からは減磁曲線上の動作点がクニック点より下になるので、可変磁力磁石３の不可逆減磁が生じやすい。そのため、負のｄ軸電流成分による可変磁力磁石３の磁化方向とは逆方向の磁界が発生した場合に、定格電流くらいでも永久磁石による鎖交磁束量が減少することになる。

［１−５．効果］
この実施例１では、永久磁石式回転電機が最大トルクとなる場合には、ｑ軸電流の電流位相をｑ軸基準位置（電流位相角９０度）とすることで、可変磁力磁石３の磁束を有効に利用することができる。一方、永久磁石式回転電機の電圧が上昇する高速回転域では、ｑ軸電流の電流位相を進めることにより、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４による全鎖交磁束が減じるように、全鎖交磁束量を調整することができ、電圧の上昇を抑制できる。

［２−１．構成］
本発明の実施例２は、実施例１と同様の構成を有する永久磁石式回転電機において、永久磁石式回転電機のトルクとして磁石トルクのみを利用するのではなく、トルク発生時に負のｄ軸電流を通電させることにより、リラクタンストルクを発生させるものである。すなわち、図１の永久磁石式回転電機においては、可変磁力磁石３及び固定磁力磁石４を有する磁極部５と、各磁極部５，５の間に形成されている鉄の磁極部６とでは、その磁気抵抗が異なっている。すなわち、回転子１の周方向で磁気抵抗が異なる形状となっている。

［２−２．リラクタンストルクの作用］
前記実施例１では、低トルク・高速回転を行う場合に、ｑ軸電流の電流位相をｑ軸基準位置（電流位相角９０度）よりも進めて９０〜１８０度の範囲として、ｑ軸電流の電流位相がずれるため、磁石トルクとなるｑ軸電流成分以外に負のｄ軸電流成分が流れる現象を利用した。しかし、実施例２では、ｑ軸電流の電流位相をｑ軸基準位置（電流位相角９０度）とした場合、すなわち、最大トルクを含むトルク運転時においても、積極的に負のｄ軸電流を流す。

実施例２の永久磁石式回転電機では、回転子１の周方向で磁気抵抗が異なる形状となっているので、磁気抵抗で変化する磁気エネルギー変化によりリラクタンストルクを発生できる。但し、リラクタンストルクを発生させるためには磁石トルクとなるｑ軸電流以外に負のｄ軸電流を電機子巻線に通電させる。回転電機のトルクは磁石トルクとリラクタンストルクの総和になり、最大トルク点ではリラクタンストルクも発生する。

この時、最大トルク点では、負のｄ軸電流による磁界により可変磁力磁石３の磁化が弱まる。この２つの電流により可変磁力磁石３が減磁している状態においても、可変磁力磁石３は磁気特性の減磁曲線において最大トルク時の動作点がクニック点以上であるとする。

［２−３．効果］
このような実施例２においては、最大トルク時にリラクタンストルクも発生でき。最大トルク時にクニック点以上なので磁石はほとんど不可逆減磁しなくて大きな磁石トルクを維持できる。したがって、大きな最大トルクが得られる。また、電流位相がｑ軸基準よりも進めた（９０〜１８０度）ある角度以上からは減磁曲線上の動作点がクニック点より下になることから、電流位相制御で電流位相を進めて負のｄ軸電流を流して可変磁力磁石３の磁化を小さくすることができる。

以上より、最大トルク時にはリラクタンストルクを積極的に利用し、同時に永久磁石による鎖交磁束を十分に確保して磁石トルクを発生できるので、回転電機の総トルクを大きくできる。さらに電流位相制御で永久磁石の鎖交磁束量を不可逆的に減少でき、可変磁力磁石３の磁化に要する磁化電流を少なくできる。

本発明の実施例３は、前記実施例２と同様に、永久磁石式回転電機のトルクとして、磁石トルクとリラクタンストルクを利用するものである。本実施例では、回転電機の最大トルク時の可変磁力磁石３の磁化と比較して、軽負荷時の可変磁力磁石３の磁化を高くする。また、可変磁力磁石３の磁気特性を、最大トルク時の動作点がクニック点近傍とする。

すなわち、永久磁石式回転電機の最大トルク時には、負のｄ軸電流による減磁界が可変磁力磁石３に作用する。これにより、最大トルク時の動作点がクニック点近傍である場合、可変磁力磁石３の動作点の磁束密度はクニック点近傍から幾分低下する。

一方、永久磁石式回転電機の負荷が軽い時には、可変磁力磁石３にかかるｑ軸電流による磁界や負のｄ軸電流による磁界は僅かですむ。これにより、可変磁力磁石の保磁力の低下は、最大トルク時よりも少なくなる。

この実施例３は、最大トルク時にはクニック点近傍にある動作点は、軽負荷時ではクニック点よりも高い点にあるので、負荷状態でも磁化時の磁化を維持できる。特に、軽負荷時に磁化をして可変磁力磁石の動作点をクニック点よりも高くできるので、永久磁石による鎖交磁束量を最大にでき、少ない負荷電流で同出力を発生することができる。

本発明の実施例４は、前記実施例３の変形例であって、永久磁石式回転電機のトルクとして磁石トルクとリラクタンストルクを利用するものである。本実施例は、最大トルク時の動作点をクニック点以上としたものである。

すなわち、最大トルク時にリラクタンストルクも発生でき。最大トルク時にクニック点以上なので磁石はほとんど不可逆減磁しなくて大きな磁石トルクを維持できるも。したがって、大きな最大トルクが得られる。

この実施例４は、最大トルク時にはリラクタンストルクを積極的に利用し、同時に永久磁石による鎖交磁束を十分に確保して磁石トルクを発生できるので、回転電機の総トルクを大きくできる。

本発明の実施例５は、前記実施例３，４と同様に、永久磁石式回転電機のトルクとして磁石トルクとリラクタンストルクを利用するものである。本実施例は、最大トルク時の動作点を最大トルク時の動作点をクニック点以下とするものである。

すなわち、可変磁力永久磁石は磁気特性の減磁曲線において最大トルク時の動作点がクニック点以下になるようにする。動作点をクニック点以下としたので可変磁力磁石の磁化方向厚を薄くできるので増磁と減磁の磁化電流を大幅に減少できる。

このような実施例５は、最大トルク時にはリラクタンストルクを積極的に利用し、可変磁力磁石の磁化方向厚を薄くできるので、可変磁力磁石３を磁化変化させるために必要な磁界が小さくなる。これにより可変磁力磁石３を磁化するときの磁化電流を少なくできるので、磁化電流を通電するためにインバータや電源の容量を増加する必要がなくなる。

本発明の実施例６は、前記実施例３〜５と同様に、永久磁石式回転電機のトルクとして磁石トルクとリラクタンストルクを利用するものである。本実施例は、可変磁力磁石３の磁気特性の角型性を弱くすることにより、減磁曲線を動作点の範囲は直線状に変化するのではなく、曲線状に変化させるものである。

すなわち、部分負荷では最大トルクの負荷電流よりも小さくなるので、負のｄ軸電流も小さくなる。したがって、各負荷電流における可変磁力磁石の減磁曲線における動作点は負荷電流の減少とともに高くできる。これにより、部分負荷、軽負荷で可変磁力磁石の鎖交磁束量を増加し、少ない負荷電流で大きな出力を発生できる。

このような実施例６は、定常走行時には軽負荷になるので本発明の回転電機では負荷電流が少なくできるので、特に電気自動車やハイブリッド自動車や通勤電車などの消費電力量を低減できる。

本発明の実施例７は、実施例１と同様の構成を有する永久磁石式回転電機において、可変磁力磁石３の磁気特性を変更したものである。

すなわち、実施例１の可変磁力磁石３は、磁気特性の減磁曲線において最大トルク時の動作点がクニック点以上としたが、永久磁石式回転電機を最大トルクで運転する場合に磁気特性の減磁曲線上の動作点が最大トルク後の動作点の近傍の値になるようにしたものである。

磁石トルクのみの永久磁石式回転電機においては、最大トルク時の負のｄ軸電流による減磁界で可変磁力磁石３の動作点が低下する。このため、可変磁力磁石３の磁化を次のようにする。可変磁力磁石３は最大トルクが発生する場合に、可変磁力磁石３の磁化を最大にするのではなく、磁化後の減磁曲線上の動作点が最大トルク発生時の動作点近傍の値になるように、可変磁力磁石３を磁化する。

このような実施例７では、減磁曲線上の動作点が最大トルク発生時の動作点近傍になるので、可変磁力磁石３を磁化変化させるために必要な磁界が小さくなる。これにより可変磁力磁石３を磁化するときの磁化電流を少なくできるので、磁化電流を通電するためにインバータや電源の容量を増加する必要がなくなる。

［他の実施例］
本発明は、前記の各実施例に限定されるものではなく、つぎのような他の実施例も包含する。

(1) 前記各実施例では８極の回転電機を示したが、４極、１６極等の他の極数の回転電機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。また、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。

(2) 前記回転子鉄心２において、固定磁力磁石の外周側に磁気障壁を構成するために設ける空洞の形状や位置、また、固定磁力磁石の内周側にその磁路断面積を決定するために設ける空洞の位置などは、使用する永久磁石の保磁力や磁化電流によって生じる磁界の強さなどに応じて、適宜変更できる。

１… 回転子
２… 回転子鉄心
３… 可変磁力磁石
４… 固定磁力磁石
５… 磁石の磁極
６… リラクタンストルク発生の鉄心の磁極
７… 短絡コイル

Claims (9)

1. 固定子鉄心に電機子コイルを設けた固定子と、
   回転子鉄心と前記回転子鉄心に設けた永久磁石からなる回転子から構成され、
   前記固定子の電機子コイルの電流が作る磁界で少なくとも１個の永久磁石を磁化させることにより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、
   前記不可逆変化させる永久磁石は、電流位相進み制御時における電流位相がｑ軸基準よりも進めた９０〜１８０度の範囲のある角度以上からは、その動作点が減磁曲線上のクニック点より下になる磁気特性を有し、
   前記不可逆変化させる永久磁石を不可逆的に磁化する場合に、最大トルク時の可変磁力磁石の磁化と比較して、最大トルクよりも小さな軽負荷時の可変磁力磁石の磁化を高くすることを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 前記不可逆変化させる永久磁石は、最大トルク時の動作点が減磁曲線のクニック点以上となる磁気特性を有することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転電機。
3. 前記回転子鉄心を、不可逆変化させる永久磁石を有する複数の磁極部と、各磁極部間に永久磁石の存在しない鉄の磁極部とを備えた周方向に磁気抵抗変化が生じる形状とし、
   負のｄ軸が流れる際に発生する磁界により、不可逆変化させる永久磁石と永久磁石の存在しない鉄の磁極部との磁気抵抗の差によりリラクタンストルクを発生させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
4. 可変磁力磁石の磁気特性を、最大トルク時の動作点を最大トルク後の動作点の近傍の値とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
5. 前記不可逆変化させる永久磁石は、最大トルク時の動作点が減磁曲線のクニック点以下となる磁気特性を有することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転電機。
6. 前記回転子鉄心を、不可逆変化させる永久磁石を有する複数の磁極部と、各磁極部間に永久磁石の存在しない鉄の磁極部とを備えた周方向に磁気抵抗変化が生じる形状とし、
   負のｄ軸が流れる際に発生する磁界により、不可逆変化させる永久磁石と永久磁石の存在しない鉄の磁極部との磁気抵抗の差によりリラクタンストルクを発生させることを特徴とする請求項５に記載の永久磁石式回転電機。
7. 前記不可逆変化させる永久磁石は、最大トルクよりも小さな軽負荷時の動作点はクニック点以上の磁気特性を有することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の永久磁石式回転電機。
8. 前記不可逆変化させる永久磁石は、ｑ軸基準よりも電流位相を進めたときにリラクタンストルクが発生して、電流当りのトルクが最大になり、この各電流当りのトルクの最大点において、電流が小さい方が不可逆変化させる永久磁石の磁化が高くなることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の永久磁石式回転電機。
9. 可変磁力磁石の磁気特性を、最大トルク時の動作点を最大トルク後の動作点の近傍の値とする請求項５に記載の永久磁石式回転電機。

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