JP5605164B2 - 永久磁石型同期電動機及び永久磁石型同期電動機の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石型同期電動機及び永久磁石型同期電動機の運転方法に関し、特に、極数を変更する事で、低速回転から高速回転までの広い速度範囲で可変速運転することができるように工夫したものである。

コイルを備えた固定子と、永久磁石が配置された回転子を有する電動機（以下、「ＰＭモータ」と称する）は、固定子に備えた複数のコイルに電流を流して回転磁界を発生させ、回転子に配置された永久磁石の磁界（界磁磁束）との相互作用や鉄心との吸引により、回転力（トルク）を発生させることができる。

ＰＭモータは、永久磁石により界磁磁束を生ずるため、小型・高効率運転が可能であるが、その一方で界磁磁束によって誘起電圧が生じるため、低速回転から高速回転までの広い可変速範囲での定出力運転は不得手である。

そこで一般に、ＰＭモータは高速回転領域においては、モータ駆動装置の弱め界磁制御により永久磁石の磁束を弱めて広い速度範囲で可変速運転が行われる（例えば、特許文献１である特開２００８−９９５１１の段落［０００２］参照）。

また、電動機の巻線切替による鎖交磁束数を増減すること（非特許文献１に記載の「巻線切替方法」参照）や、電動機の回転子磁路を切り替えること（特許文献２である特開２００６−２８８１８３の段落［００１２］参照）により、広い速度範囲で可変速運転を実現している。

さらに、固定子巻線の接続を半導体スイッチで切り替えることで、極数や相数を可変させて低速回転から高速回転まで運転可能な電動機がある（特許文献３である特開２００５−６４００の段落［００１１］〜［００１２］参照）。

特開２００８−９９５１１の段落［０００２］ 特開２００６−２８８１８３の段落［００１２］ 特開２００５−６４００の段落［００１１］〜［００１２］

「永久磁石型同期電動機の電機子巻線切替による速度範囲の拡大方法」，前村他，平成１６年電気学会産業応用部門大会，３−１３，ｐｐ．III-187−III-190

しかしながら、モータ駆動装置による弱め界磁制御では、可変速範囲が広い場合には高速域での電流位相が極端な弱め界磁位相となって運転制御が不安定になったり、インバータ素子の耐圧を超えないような磁束量や巻線にする必要があるという制約が伴ったりすることにより、低速での大トルク出力時に大きな電流を要するなどの課題がある。

これらの問題点に対し、広い速度範囲で定出力運転を行うために、非特許文献１や、特許文献２、特許文献３が提案されているが以下の問題がある。

特許文献２に示される構造は強め界磁と弱め界磁を使い分けて定出力範囲を広く取るとして提案されているが、磁路の切り替えをするためには回転子に可動部品を備える必要があり、これにより回転子の構造が複雑となり、磁路の切り替えを精度高く実現するのが困難である。
また、極数が固定であるので、低速では低い電流周波数で回転位置制御を行う必要があり、また、高速回転に対応した高い電流周波数を実現しなければならず、インバータの負荷が増大する。

非特許文献１に示される巻線切替の方法は、高速回転時と低速回転時の巻線を切り替えるため電圧を抑制する効果はあるが、この方法においても極数が固定であるので、低速回転時の回転位置制御や高速回転時の高い電流周波数への対応が困難である。

特許文献３は、モータ極数を切り替え可能な駆動機構として提案されているが、特許文献３で切り替え可能なモータはＩＭ（誘導電動機）のような固定子側から励磁して回転子の磁極を形成するモータ構造に限定され、回転子に永久磁石を配置した構造で極数を切り替える方法についての言及はない。
通常のＰＭモータに、この特許文献３に示すモータ駆動装置を適用したとしても、永久磁石によって磁極が形成されるために極数切替は不可能である。

本発明は、ＰＭモータの極数を切り替えて運転し、低速域では多極で運転することで大トルクを発生し、高速域では極数を減らして運転することで、誘起電圧の増加や電流の周波数の増加を抑えることができる構造となっている、永久磁石型同期電動機及び永久磁石型同期電動機の運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の永久磁石型同期電動機の構成は、
回転子鉄心の周面に複数の永久磁石が配置された回転子と、固定子鉄心にコイルが備えられた固定子を有する永久磁石型同期電動機において、
前記回転子鉄心の周面には、周方向に沿う複数箇所に鉄心突部が形成されており、
前記回転子鉄心の周面のうち、各鉄心突部の間に位置する周面には、外周側と内周側に磁極が形成された永久磁石が少なくとも１つ配置されており、
しかも、前記永久磁石は複数個で１組となって周方向に沿い隣接して配置されている場合には、隣接する永久磁石同士の磁極が異なり、且つ、前記鉄心突部を間にして隣り合い配置されている場合には、前記鉄心突部を間にして隣り合う永久磁石同士の磁極が同じとなる状態で、前記磁石の磁極が形成されており、
前記固定子には、前記コイルに接続されて相数切替を行う複数の端子が設けられており、
ｎを２以上の正の偶数、ｍを１以上の正の整数、Ｌを３以上の正の整数とした場合に、
前記固定子では、Ｌ相と（２ｍ＋１）×Ｌ相の相数切替を行う端子を有し、
前記回転子では、前記固定子がＬ相から（２ｍ＋１）×Ｌ相に相数切替がされることによりｎ極から（２ｍ＋１）×ｎ極への極数切替を行うと共に、相数がＬの時には１つの極はｍ＋１個の磁石でｍ個の鉄心突部を交互に挟むように配置された構成とすることを特徴とする。

また本発明の永久磁石型同期電動機の構成は、
前記永久磁石の周方向に沿う長さと、前記鉄心突部の周方向に沿う長さが同一であることを特徴とする。

また本発明の永久磁石型同期電動機の構成は、
前記永久磁石の周方向に沿う長さと同一の周方向に沿う長さを有する磁性ブロックを、前記鉄心突部の代わりに配置したことを特徴とする。

また本発明の永久磁石型同期電動機の運転方法は、
前記の永久磁石型同期電動機を運転する運転方法であって、
前記固定子の前記コイルに流す励磁電流を、
前記回転子の前記鉄心突部または前記磁性ブロックが、両側に隣接する永久磁石と同じ極を形成するように、前記固定子の前記コイルに流す励磁電流と、
前記回転子の前記鉄心突部または前記磁性ブロックが、両側に隣接する永久磁石と異なる極を形成するように、前記固定子の前記コイルに流す励磁電流と、
に切替ることで固定子の相数を切替て前記回転子の極数切替を行うことを特徴とする。

また本発明の永久磁石型同期電動機の運転方法は、
前記回転子の極数切替は、
前記固定子の前記コイルに流す励磁電流を、
前記回転子の回転速度が予め決めた設定速度を超えた時には、前記回転子の前記鉄心突部または前記磁性ブロックが、両側に隣接する永久磁石と同じ極を形成するように、前記固定子の前記コイルに流す励磁電流に切り替え、
前記回転子の回転速度が予め決めた設定速度以下の時には、前記回転子の前記鉄心突部または前記磁性ブロックが、両側に隣接する永久磁石と異なる極を形成するように、前記固定子の前記コイルに流す励磁電流に切り替えることを特徴とする。

ＰＭモータは、永久磁石が固定の界磁磁束を有しているため、広い速度範囲での定出力運転が不得手である。しかし、本発明を適用して回転子の鉄心部の励磁をコントロールし、極数を切り替えることによって、低速域では多極構造で大トルクを発生させると共に、回転角度の制御性能を高めることができ、高速域では極数を減らすことで制御周波数を抑えて高速回転を実現することが可能である。

本発明の実施例１に係る永久磁石型同期電動機の回転子を示す構成図。 本発明の実施例１に係る永久磁石型同期電動機の１／４の領域を示す構成図。 本発明の実施例１に係る永久磁石型同期電動機を備えた極数切替システムを示す構成図。 本発明の実施例１において、固定子が４極の回転磁界を形成したときの、回転子の励磁状態を示す動作図。 ４極運転時のトルクと電流位相の関係を示す特性図。 本発明の実施例１において、固定子が１２極の回転磁界を形成したときの、回転子の励磁状態を示す動作図。 １２極運転時のトルクと電流位相の関係を示す特性図。 本発明の実施例２に係る永久磁石型同期電動機の回転子を示す構成図。 本発明の実施例３に係る永久磁石型同期電動機の回転子を示す構成図。 本発明の実施例３において、固定子が１０極の回転磁界を形成したときの、回転子の励磁状態を示す動作図。

以下、本発明を実施するための形態について、実施例に基づき詳細に説明する。

本発明の実施例１に係る永久磁石型同期電動機の構造を、回転子Ｒｔと固定子Ｓｔに分けて順に説明する。

図１は、実施例１に係る永久磁石型同期電動機の回転子Ｒｔを示す。
同図に示すように、回転子Ｒｔのシャフト１０には回転子鉄心２０が固定されている。回転子鉄心２０の周面には、周方向に沿う複数箇所（本例では４箇所）に鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが形成されている。鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、それぞれ回転子鉄心２０の径方向に沿い突出すると共に回転子鉄心２０の軸方向に沿い伸びており、且つ、周方向に沿う相互の間隔が等しくなるように形成されている。

回転子鉄心２０の周面のうち、各鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの間に位置する周面には、２つで１組となった永久磁石１１ａ〜１１ｈが周方向に沿い隣接して配置されている。
各永久磁石１１ａ〜１１ｈは、それぞれ回転子鉄心２０の軸方向に沿い伸びており、且つ、外周側と内周側に磁極（Ｎ極，Ｓ極）が位置する状態で取り付けられている。

各永久磁石１１ａ〜１１ｈの幅（周方向に沿う長さ）と、各鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの幅（周方向に沿う長さ）は、同一になっている。
また、各永久磁石１１ａ〜１１ｈの高さ（径方向に沿う長さ）と、各鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの高さ（径方向に沿う長さ）は、同一になっている。

更に、各永久磁石１１ａ〜１１ｈの配置状態について、
（１）２つで１組となった隣接した永久磁石の配置状態と、
（２）鉄心突部を間にして隣り合う永久磁石の配置状態と、
に分けて説明する。

２つで１組となった隣接した永久磁石の配置状態について具体的に説明すると、隣接する磁石は外周側の磁極が異なる状態になるように配置されている。
つまり、外周側の磁極について着目して具体的に説明すると、
永久磁石１１ｈ，１１ａでは、永久磁石１１ｈはＳ極、永久磁石１１ａはＮ極、
永久磁石１１ｂ，１１ｃでは、永久磁石１１ｂはＮ極、永久磁石１１ｃはＳ極、
永久磁石１１ｄ，１１ｅでは、永久磁石１１ｄはＳ極、永久磁石１１ｅはＮ極、
永久磁石１１ｆ，１１ｇでは、永久磁石１１ｆはＮ極、永久磁石１１ｇはＳ極、
となっている。

鉄心突部を間にして隣り合う永久磁石の配置状態について具体的に説明すると、隣り合う磁石は外周側の磁極が同じ状態になるように配置されている。
つまり、外周側の磁極について着目して具体的に説明すると、
鉄心突部２０ａを間にして隣接する永久磁石１１ａ，１１ｂでは、永久磁石１１ａ，１１ｂはＮ極、
鉄心突部２０ｂを間にして隣接する永久磁石１１ｃ，１１ｄでは、永久磁石１１ｃ，１１ｄはＳ極、
鉄心突部２０ｃを間にして隣接する永久磁石１１ｅ，１１ｆでは、永久磁石１１ｅ，１１ｆはＮ極、
鉄心突部２０ｄを間にして隣接する永久磁石１１ｇ，１１ｈでは、永久磁石１１ｇ，１１ｈはＮ極、
となっている。

このような回転子Ｒｔでは、各鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが、隣の磁石と同じ極に励磁されると、具体的には、鉄心突部２０ａ，２０ｃがＮ極に、鉄心突部２０ｂ，２０ｄがＳ極に励磁されると、回転子Ｒｔは４極の構造となる。
一方、各鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが、隣の磁石と異なる極に励磁されると、具体的には、鉄心突部２０ａ，２０ｃがＳ極に、鉄心突部２０ｂ，２０ｄがＮ極に励磁されると、回転子Ｒｔは１２極の構造となる。

なお、図１では図示していないが、高速回転用の電動機に適用する場合には、各永久磁石１１ａ〜１１ｈと各鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの外周面を囲う状態で、当該外周面に、円筒状の補強リングを嵌入・配置するようにしてもよい。

図２は、実施例１に係る永久磁石型同期電動機の回転子Ｒｔと固定子Ｓｔのうち、１／４の領域を示す。この図２を参照して、実施例１に係る永久磁石型同期電動機の固定子Ｓｔの構造を説明する。

固定子Ｓｔの固定子鉄心５０には、スロットが形成されている。実施例１では、回転子Ｒｔの極数が４極から１２極に切り替わること、つまり回転子Ｒｔの極数が３倍に切り替わることに伴って固定子側の回転磁界の状態を変更できるように、固定子鉄心５０のスロット数を３６として、固定子Ｓｔ側を９相から３相へと切り替えることができる構造にしている。

固定子鉄心５０の各スロットには、巻線（コイル）３１〜３９が挿入されている。なお、図２においては、巻線３１〜３９のうち、上側（内周側）スロットに挿入されている巻線には符号ａを付し、下側（外周側）スロットに挿入されている巻線には符号ｂを付している。
また、図２に図示していない領域においても、固定子鉄心５０のスロットに巻線が挿入されている。

巻線３１〜３９の渡り状態は、
巻線３１ａから巻線３５ｂに渡り、
巻線３２ａから巻線３６ｂに渡り、
巻線３３ａから巻線３７ｂに渡り、
巻線３４ａから巻線３８ｂに渡り、
巻線３５ａから巻線３９ｂに渡る、
という状態で渡る、分布巻き形状である。

しかも、巻線３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａ，３７ａ，３８ａ，３９ａに対して、異なる電流を電動機の外部から流せるような９個の端子（図示省略）を、固定子Ｓｔに設けている。つまり、巻線３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａ，３７ａ，３８ａ，３９ａに、相数切替のための９個の端子が接続されている。

なお、図２において示されていない３／４の領域の部分の構成は、図示した１／４の領域の部分の構成を反転した回転対象の構造となっており、それぞれの巻線と直列接続または並列接続されている。

図３は、実施例１に係る永久磁石型同期電動機を備えた極数切替システムの構成例を示す。図３に示すように、三相電源１００は商用の三相電力を供給し、インバータ１０１は商用の三相電力の周波数調整をして、三相のインバータ電力を出力する。
そして、切替器１０２は、インバータ電力を３相または９相の電力に切り替えて、切り替えた３相または９相の電力を、前述した固定子Ｓｔに備えた９個の端子に供給する。

次に、上述した構成となっている実施例１に係る永久磁石型同期電動機の動作状態（運転方法）を説明する。

上述した巻線状態となっている巻線に対して、表１に示すように電流（３相の電流）を流すと、即ち、
巻線３１ａと巻線３５ｂ、巻線３２ａと巻線３６ｂ、巻線３３ａと巻線３７ｂに対してＵ相電流を流し、
巻線３４ａと巻線３８ｂ、巻線３５ａと巻線３９ｂ、巻線３６ａと巻線３９ｂの１つ隣の巻線に対してＷ相の電流を流し、
巻線３７ａと巻線３９ｂの２つ隣の巻線、巻線３８ａと巻線３９ｂの３つ隣の巻線、巻線３９ａと巻線３９ｂの４つ隣の巻線に対してＶ相の電流を流す、
というようにすると、固定子Ｓｔは４極の回転磁界を形成する。

ここで、４極の磁束を図４に示すような位相で矢印Ａの方向に励磁すると、鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの極性は、隣の磁石と同じ極性になり、順突極電動機として機能する。
このように強め界磁運転によるトルク出力の例を、図５に示す。

次に、上述した巻線状態となっている巻線に対して、表２に示すように電流（９相の電流）を流すと、即ち、
巻線３１ａと巻線３５ｂ、巻線３４ａと巻線３８ｂに対してＵ相電流を流し、
巻線３２ａと巻線３６ｂ、巻線３５ａと巻線３９ｂに対してＷ相の電流を流し、
巻線３３ａと巻線３７ｂ、巻線３６ａと巻線３９ｂの１つ隣の巻線に対してＶ相の電流を流す、
というようにすると、固定子Ｓｔは１２極の回転磁界を形成する。

ここで、１２極の磁束を図６に示すような位相で矢印Ｂの方向に励磁すると、鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、結果的に、隣の磁石と異なる極として働き、コンシクエントポール型モータとして動作する。
このときのトルク出力の例を、図７に示す。

上述したように、本実施例１の永久磁石型同期電動機では、運転状態を変更することができるため、図３に示す極数切替システムにおいては、切替器１０２の切替動作をすることにより、
（１）永久磁石型同期電動機の回転子Ｒｔの回転数（回転速度）が予め決めた設定回転数（設定速度）を超えた時には、図４に示すように各鉄心突部が当該鉄心突部の両側に隣接する永久磁石と同じ極を形成するように、表１に示すような状態で固定子Ｓｔの巻線に３相電流を流し、
（２）永久磁石型同期電動機の回転子Ｒｔの回転数（回転速度）が予め決めた設定回転数（設定速度）以下の時には、図６に示すように各鉄心突部が当該鉄心突部の両側に隣接する永久磁石と異なる極を形成するように、表２に示すような状態で固定子Ｓｔの巻線に９相電流を流す。

このように固定子Ｓｔの相数の切替動作をすることにより、固定子Ｓｔ及び回転子Ｒｔの極数が切り替わって、広い速度範囲で可変速運転ができると共に、高速回転領域であっても低速回転領域であっても定出力運転をすることができる。

次に本発明の実施例２に係る永久磁石型同期電動機について説明する。
図８は本発明の実施例２に係る永久磁石型同期電動機の回転子Ｒｔを示す。なお図８において、実施例１と同一機能を果たす部分には、同一符号を付している。

この実施例２の回転子Ｒｔは次のような知見を基に、案出したものである。
上述した実施例１の回転子Ｒｔの構造では、磁石と磁石の間に、鉄心突部を設けていたが、高速回転までの運転を考えた場合には、耐遠心力性能を持たせる必要がある。
磁石に掛かる遠心力を支える補強リングには、実施例１では鉄心突部が接する部分と磁石が接する部分で異なる遠心力が働き、応力集中によって高い耐遠心力性は得られない。
そこで本実施例２では磁石と磁石の間に、磁石と同じ形状・材質（比重）となっているブロック状の磁性体（例えば圧粉鉄心で形成したもの）を配置するようにしたものである。
つまり実施例２の回転子Ｒｔは、実施例１の回転子Ｒｔにおける鉄心突部の代わりに磁性ブロックを配置した構造になっている。

図８を基に、実施例２の回転子Ｒｔを具体的に説明すると、次のような構造になっている。
同図に示すように、回転子Ｒｔのシャフト１０には回転子鉄心２０が固定されている。回転子鉄心２０の周面には、周方向に沿う複数箇所（本例では４箇所）に、磁石１１ａ〜１１ｈと同じ比重となっている磁性ブロック６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄが配置されている。磁性ブロック６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄは、磁性体により形成されており、それぞれ回転子鉄心２０の軸方向に沿い伸びており、且つ、周方向に沿う相互の間隔が等しくなるように形成されている。

回転子鉄心２０の周面のうち、各磁性ブロック６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄの間に位置する周面には、２つで１組となった永久磁石１１ａ〜１１ｈが周方向に沿い隣接して配置されている。
各永久磁石１１ａ〜１１ｈは、それぞれ回転子鉄心２０の軸方向に沿い伸びており、且つ、外周側と内周側に磁極（Ｎ極，Ｓ極）が位置する状態で取り付けられている。

各永久磁石１１ａ〜１１ｈの幅（周方向に沿う長さ）と、各磁性ブロック６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄの幅（周方向に沿う長さ）は、同一になっている。
また、各永久磁石１１ａ〜１１ｈの高さ（径方向に沿う長さ）と、各磁性ブロック６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄの高さ（径方向に沿う長さ）は、同一になっている。

更に、各永久磁石１１ａ〜１１ｈの配置状態についての、
（１）２つで１組となった隣接した永久磁石の配置状態と、
（２）磁性ブロックを間にして隣り合う永久磁石の配置状態は、
実施例１と同様になっている。

補強リング８０は、各永久磁石１１ａ〜１１ｈ及び各磁性ブロック６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄの外周面を囲う状態で、当該外周面に嵌入・配置されており、この補強リング８０により耐遠心力性を向上させている。

また実施例２において、固定子Ｓｔの構造及び固定子Ｓｔに流す電流制御状態は、実施例１と同様である。

かかる実施例２の永久磁石型同期電動機によれば、実施例１と同様な動作状態を得ることができる。

実施例２では、回転子Ｒｔの構造として、鉄心突部の代わりに磁性ブロック６０ａ〜６０ｄを採用することで、界磁状態によって磁性体部分に形成される磁極が切り替わると共に、磁石１１ａ〜１１ｈと同等の比重を持つ磁性ブロック６０ａ〜６０ｄを形成することにより、補強リング８０にはほぼ均等に遠心力が働き、高い耐遠心力性能を発揮することができる。

実施例２では、極数切替構造としたことによる最大のメリットである広い速度範囲での運転が可能であり、加えて高速側の遠心力による制限を取り除くことが可能である。

なお実施例２の回転子Ｒｔの動作は、コンシクエントポール型と同様の効果を得る構造であるが、特許文献４のように従来から存在するコンシクエントポール型モータは、すべての一方の極は永久磁石で形成され、もう一方の極が鉄心で形成されており、これに対して本発明は、交互に磁石と鉄心極が入れ替わる構造という差異がある。このような構造とすることで、極数の切替を可能とする励磁が可能になる。

次に本発明の実施例３に係る永久磁石型同期電動機の構造を、図９及び図１０を参照して説明する。

両図に示すように、回転子Ｒｔのシャフト１０には回転子鉄心２０が固定されている。回転子鉄心２０の周面には、周方向に沿う複数箇所（本例では４箇所）に鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが形成されている。鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、それぞれ回転子鉄心２０の径方向に沿い突出すると共に回転子鉄心２０の軸方向に沿い伸びている。
鉄心突部２０ａ，２０ｂ間の周方向に沿う間隔、及び、鉄心突部２０ｃ，２０ｄ間の周方向に沿う間隔に対して、鉄心突部２０ｂ，２０ｃ間の周方向に沿う間隔、及び、鉄心突部２０ｄ，２０ａ間の周方向に沿う間隔は、２倍の長さになっている。

回転子鉄心２０の周面のうち、鉄心突部２０ａ，２０ｂの間に位置する周面には１つの永久磁石１１ｂが配置され、鉄心突部２０ｃ，２０ｄの間に位置する周面には１つの永久磁石１１ｅが配置され、鉄心突部２０ｂ，２０ｃの間に位置する周面には２つで１組となった永久磁石１１ｃ，１１ｄが周方向に沿い隣接して配置され、鉄心突部２０ｄ，２０ａの間に位置する周面には２つで１組となった永久磁石１１ｆ，１１ａが周方向に沿い隣接して配置されている。
各永久磁石１１ａ〜１１ｆは、それぞれ回転子鉄心２０の軸方向に沿い伸びており、且つ、外周側と内周側に磁極（Ｎ極，Ｓ極）が位置する状態で取り付けられている。

各永久磁石１１ａ〜１１ｆの幅（周方向に沿う長さ）と、各鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの幅（周方向に沿う長さ）は、同一になっている。
また、各永久磁石１１ａ〜１１ｈの高さ（径方向に沿う長さ）と、各鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの高さ（径方向に沿う長さ）は、同一になっている。

更に、各永久磁石１１ａ〜１１ｈの配置状態について、
（１）２つで１組となった隣接した永久磁石の配置状態と、
（２）鉄心突部を間にして隣り合う永久磁石の配置状態と、
に分けて説明する。

２つで１組となった隣接した永久磁石の配置状態について具体的に説明すると、隣接する磁石は外周側の磁極が異なる状態になるように配置されている。
つまり、外周側の磁極について着目して具体的に説明すると、
永久磁石１１ｆ，１１ａでは、永久磁石１１ｆはＳ極、永久磁石１１ａはＮ極、
永久磁石１１ｃ，１１ｄでは、永久磁石１１ｃはＮ極、永久磁石１１ｄはＳ極、
となっている。

鉄心突部を間にして隣り合う永久磁石の配置状態について具体的に説明すると、隣り合う磁石は外周側の磁極が同じ状態になるように配置されている。
つまり、外周側の磁極について着目して具体的に説明すると、
鉄心突部２０ａを間にして隣接する永久磁石１１ａ，１１ｂでは、永久磁石１１ａ，１１ｂはＮ極、
鉄心突部２０ｂを間にして隣接する永久磁石１１ｂ，１１ｃでは、永久磁石１１ｃ，１１ｄはＮ極、
鉄心突部２０ｃを間にして隣接する永久磁石１１ｄ，１１ｅでは、永久磁石１１ｄ，１１ｅはＳ極、
鉄心突部２０ｄを間にして隣接する永久磁石１１ｅ，１１ｆでは、永久磁石１１ｅ，１１ｆはＳ極、
となっている。

このような回転子Ｒｔでは、各鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが、隣の磁石と同じ極に励磁されると、具体的には、鉄心突部２０ａ，２０ｂがＮ極に、鉄心突部２０ｃ，２０ｄがＳ極に励磁されると、回転子Ｒｔは２極の構造となる（図９参照）。
一方、各鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが、隣の磁石と異なる極に励磁されると、具体的には、鉄心突部２０ａ，２０ｂがＳ極に、鉄心突部２０ｃ，２０ｄがＮ極に励磁されると、回転子Ｒｔは１０極の構造となる（図１０参照）。

なお、高速回転用の電動機に適用する場合には、各永久磁石１１ａ〜１１ｆと各鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの外周面を囲う状態で、当該外周面に、円筒状の補強リングを嵌入・配置するようにしてもよい。

固定子Ｓｔの固定子鉄心５０には、スロットが形成されている。実施例３では、回転子Ｒｔの極数が２極から１０極に切り替わること、つまり回転子Ｒｔの極数が５倍に切り替わることに伴って固定子側の回転磁界の状態を変更できるように、固定子鉄心５０のスロット数を１５の倍数として、固定子Ｓｔ側を３相から１５相へと切り替えることができる構造にしている。

固定子鉄心５０の各スロット（図示省略）には、巻線（コイル）が挿入されている。
しかも、各巻線に対して、異なる電流を電動機の外部から流せるような１５個の端子（図示省略）を、固定子Ｓｔに設けている。つまり、各巻線に、相数切替のための１５個の端子が接続されている。

次に、上述した構成となっている実施例３に係る永久磁石型同期電動機の動作状態（運転方法）を説明する。

上述した実施例３の巻線に対して、３相の電流を流すと、図９に示すように、
固定子Ｓｔは２極の回転磁界を形成する。

ここで、２極の磁束を図９に示すような位相で矢印Ａの方向に励磁すると、鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの極性は、隣の磁石と同じ極性になり、順突極電動機として機能する。

次に、上述した実施例３の巻線に対して、１５相の電流を流すと、図１０に示すように、
固定子Ｓｔは１０極の回転磁界を形成する。

ここで、１０極の磁束を図１０に示すような位相で矢印Ｂの方向に励磁すると、鉄心突部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、結果的に、隣の磁石と異なる極として働き、コンシクエントポール型モータとして動作する。

このように固定子Ｓｔの相数の切替動作をすることにより、固定子Ｓｔ及び回転子Ｒｔの極数が切り替わって、広い速度範囲で可変速運転ができると共に、高速回転領域であっても低速回転領域であっても定出力運転をすることができる。

１０ シャフト
１１ａ〜１１ｈ 永久磁石
２０ 回転子鉄心
２０ａ〜２０ｄ 鉄心突部
３１ａ，３１ｂ〜３９ａ，３９ｂ 巻線
５０ 固定子鉄心
６０ａ〜６０ｄ 磁性ブロック
８０ 補強リング
１００ 三相電源
１０１ インバータ
１０２ 切替器

Claims (5)

1. 回転子鉄心の周面に複数の永久磁石が配置された回転子と、固定子鉄心にコイルが備えられた固定子を有する永久磁石型同期電動機において、
   前記回転子鉄心の周面には、周方向に沿う複数箇所に鉄心突部が形成されており、
   前記回転子鉄心の周面のうち、各鉄心突部の間に位置する周面には、外周側と内周側に磁極が形成された永久磁石が少なくとも１つ配置されており、
   しかも、前記永久磁石は複数個で１組となって周方向に沿い隣接して配置されている場合には、隣接する永久磁石同士の磁極が異なり、且つ、前記鉄心突部を間にして隣り合い配置されている場合には、前記鉄心突部を間にして隣り合う永久磁石同士の磁極が同じとなる状態で、前記磁石の磁極が形成されており、
   前記固定子には、前記コイルに接続されて相数切替を行う複数の端子が設けられており、
   ｎを２以上の正の偶数、ｍを１以上の正の整数、Ｌを３以上の正の整数とした場合に、
   前記固定子では、Ｌ相と（２ｍ＋１）×Ｌ相の相数切替を行う端子を有し、
   前記回転子では、前記固定子がＬ相から（２ｍ＋１）×Ｌ相に相数切替がされることによりｎ極から（２ｍ＋１）×ｎ極への極数切替を行うと共に、相数がＬの時には１つの極はｍ＋１個の磁石でｍ個の鉄心突部を交互に挟むように配置された構成とすることを特徴とする永久磁石型同期電動機。
2. 請求項１において、
   前記永久磁石の周方向に沿う長さと、前記鉄心突部の周方向に沿う長さが同一であることを特徴とする永久磁石型同期電動機。
3. 請求項１において、
   前記永久磁石の周方向に沿う長さと同一の周方向に沿う長さを有する磁性ブロックを、前記鉄心突部の代わりに配置したことを特徴とする永久磁石型同期電動機。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の永久磁石型同期電動機を運転する運転方法であって、
   前記固定子の前記コイルに流す励磁電流を、
   前記回転子の前記鉄心突部または前記磁性ブロックが、両側に隣接する永久磁石と同じ極を形成するように、前記固定子の前記コイルに流す励磁電流と、
   前記回転子の前記鉄心突部または前記磁性ブロックが、両側に隣接する永久磁石と異なる極を形成するように、前記固定子の前記コイルに流す励磁電流と、
   に切替ることで固定子の相数を切替て前記回転子の極数切替を行うことを特徴とする永久磁石型同期電動機の運転方法。
5. 請求項４において、
   前記回転子の極数切替は、
   前記固定子の前記コイルに流す励磁電流を、
   前記回転子の回転速度が予め決めた設定速度を超えた時には、前記回転子の前記鉄心突部または前記磁性ブロックが、両側に隣接する永久磁石と同じ極を形成するように、前記固定子の前記コイルに流す励磁電流に切り替え、
   前記回転子の回転速度が予め決めた設定速度以下の時には、前記回転子の前記鉄心突部または前記磁性ブロックが、両側に隣接する永久磁石と異なる極を形成するように、前記固定子の前記コイルに流す励磁電流に切り替える、
   ことを特徴とする永久磁石型同期電動機の運転方法。

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