JP6325857B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents
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Description
本発明は、可変磁力磁石を備えた永久磁石式回転電機に関する。
環境とエネルギー問題からプラグインハイブリッド車や電気自動車の実用化が急速に進められており、低消費電力量で高出力、全運転領域で高効率のモータが必要とされている。希土類元素の永久磁石は従来の数十倍の磁力を生じるため高出力で高効率のモータが得られる。そのようなモータでは、電源電圧の制限下で中〜高速回転域でモータを駆動するため、インバータ制御を用い、弱め磁束制御と言われる永久磁石の磁力（磁束）と逆方向の磁力を形成して磁力（電圧）を制御している。そして、埋め込み型永久磁石式モータ（ＩＰＭモータ）はこの制御が効果的に作用する磁気的構造を持つ永久磁石モータである。
このような弱め磁束制御を行う永久磁石モータでは、弱め磁束制御下でも減磁しないように高い保磁力（例えば、１８００ｋＡ／ｍ以上）の永久磁石を使用する必要がある。
電車や電気自動車など交通システムに適用するモータでは、低速回転域で大トルクが要求され、かつ、高速回転域まで広範囲の可変速特性が要求される。
大トルク運転時の大電流で生じる磁界に耐え得るために、ＩＰＭモータには特に高保磁力の永久磁石を採用する必要がある。永久磁石をそのような高保磁力とするためには、レアアースメタル（重希土類金属）を含む永久磁石が必要となるが、レアアースメタルには供給面で資源的な課題がある。
また、最近開発された可変磁力永久磁石モータでは、磁化を可変する永久磁石として低保磁力の永久磁石を採用する必要がある。ところが、低保磁力の永久磁石の場合、大トルク運転時の大電流による磁界に対する耐減磁性に劣る。そのため、耐減磁性と磁化電流の低減との二律背反する条件の下に最適な保磁力や許容電流を考慮して設計しなければならない設計上の課題がある。
他方、ＩＰＭモータには通常の逆突極性タイプ以外に、順突極性タイプがある。順突極性タイプのＩＰＭモータでは、高トルクを得るために強め磁束制御でリラクタンストルク成分も発生させて運転される。しかし、高速回転にするために弱め磁束制御を行うと逆に負のリラクタンストルクが生じてトルクが極端に低下して高速回転が困難になる課題がある。
松井信行編著、「省レアアース・脱レアアースモータ」、日刊工業新聞社（２０１３年）
N. Limsuwan, T. Fukushige, K. Akatsu, and R. D. Lorenz; "Design Methology for Variable-Flux, Flux-Intensifying Interior Permanent Magnet Machines for an Electric-Vehicle-Class Inverter Rating", IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) 2013, pp. 1547-1554 (2013)
本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたもので、可変磁力特性の永久磁石の極性を反転、再反転させることによって永久磁石式回転電機として順突極性と逆突極性を切り替えることができ、これら２つの異なる突極性を生かした運転ができる永久磁石式回転電機を提供することを目的とする。
本発明の特徴は、固定子鉄心と電機子巻線から成る固定子と、外部磁界により磁化が可変する特性の磁化可変の永久磁石と磁化が可変しない特性の磁化固定の永久磁石を持つ回転子から構成され、前記磁化可変の永久磁石と前記磁化固定の永久磁石が回転子鉄心に埋め込まれ、前記磁化可変の永久磁石と前記磁化固定の永久磁石の間に回転子鉄心の低磁気抵抗（磁気的突極性）の部分と、前記磁化可変の永久磁石と前記磁化固定の永久磁石の間の高磁気抵抗の部分が交互に形成される永久磁石式回転電機である。
本発明の別の特徴は、固定子鉄心と電機子巻線から成る固定子と、外部磁界により磁化が可変する特性の磁化可変の永久磁石と磁化が可変しない特性の磁化固定の永久磁石を持つ回転子から構成され、前記磁化可変の永久磁石と前記磁化固定の永久磁石が回転子鉄心にＶ字状に埋め込まれ、前記磁化可変の永久磁石と前記磁化固定の永久磁石の間でＶ字状外側に回転子鉄心の低磁気抵抗（磁気的突極性）の部分を設け、前記磁化可変の永久磁石と前記磁化固定の永久磁石で挟まれたＶ字内側の高磁気抵抗の部分が交互に形成される永久磁石式回転電機である。
本発明のさらに別の特徴は、固定子鉄心と電機子巻線から成る固定子と、外部磁界により磁化が可変する特性の磁化可変の永久磁石と磁化が可変しない特性の磁化固定の永久磁石を持つ回転子から構成され、前記磁化可変の永久磁石と前記磁化固定の永久磁石が回転子鉄心にＶ字状に埋め込まれ、前記磁化可変の永久磁石と前記磁化固定の永久磁石の間でＶ字状外側に回転子鉄心の低磁気抵抗（磁気的突極性）の部分を設け、前記磁化可変の永久磁石と前記磁化固定の永久磁石で挟まれたＶ字内側の高磁気抵抗の部分が交互に形成され、前記Ｖ字状に配置した永久磁石で挟まれたＶ字内側部分に非磁性部分を設ける永久磁石式回転電機である。
本発明の永久磁石式回転電機によれば、磁化可変の永久磁石の極性を反転、再反転させることによって永久磁石式回転電機として順突極性と逆突極性を切り替えて運転することができ、これら２つの異なる突極性を生かした運転により大トルクでは永久磁石の耐減磁性が向上し、高速回転域では弱め磁束制御でリラクタンストルク成分が加わって高出力となり、高出力で広範囲の可変速運転が可能である。また、レアアースメタル成分を減少させた永久磁石を適用できる利点がある。
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１に示すように、本実施の形態は永久磁石モータ１であり、固定子１０と回転子２０を備えている。そして固定子１０は、固定子鉄心１１と多数の適数個のスロット１２に収容された電機子巻線１３から構成される。一方、回転子２０は、回転子鉄心２１内にそれぞれＶ字状に２つ１組で、かつ回転方向に等角度間隔に４組の永久磁石２２，２３を配置して構成されている。回転子鉄心２１の中心側に四角く設けられているのは磁気遮蔽溝２４である。回転子２０の中心部には回転軸３０が挿通されている。
図２、図３に示すように、２つ１組、Ｖ字状配置の永久磁石２２，２３の組は、例えば、４極、８極等、極数相当の組数で周方向に等配に配置されている。図示の実施の形態では４極であるので、４組が９０°間隔に配置されている。そして隣り合うＶ字状配置の永久磁石２２，２３の組同士の間には回転子鉄心２１の磁極鉄心部２５を形成している。符号２６は磁極間部である。
各組のＶ字状配置の永久磁石２２，２３については、永久磁石２２が低保磁力の磁石特性（可変磁力特性）を備え、永久磁石２３が高保磁力の磁石特性（固定磁力特性）を備えている。低保磁力、高保磁力の磁石特性であるが、電機子巻線１３に流される瞬間的な大電流の磁化電流で生じる磁界により低保磁力の永久磁石２２は磁化状態が変化するが、この磁化電流による磁界によって高保磁力の永久磁石２３の磁化状態は変化しないという違いがある。例えば、高保磁力の永久磁石２３には１０００〜１８００ｋＡ／ｍの保磁力の永久磁石（例えば、ＮｄＦｅＢ永久磁石）、低保磁力の永久磁石２２にはサマリウムコバルト磁石やＡｌＮｉＣｏ永久磁石で１００〜５００ｋＡ／ｍの保磁力のものを採用することができる。
したがって、磁化電流を適切に設定することにより、その磁化電流による磁界によって低保磁力の永久磁石２２のＮ，Ｓ極性だけを反転させ、また逆向きの磁化電流による磁界によって再反転させることもできる。この磁化電流による低保磁力の永久磁石２２のＮ，Ｓ極性の反転、再反転により、回転子２０を図２及び図４に示す通常の逆突極性のものと図３及び図５に示す順突極性のものとの間で変換できる。
図４に示す逆突極性の状態では、回転子鉄心２１の磁気的突極のｄ軸方向ｄｍｇにはその両側の永久磁石２２，２３の磁気極性Ｎ，Ｓが互いに打ち消し合って永久磁石による磁極が現れない。そして、突極性のｄｍｇ方向成分の電流（ｑ軸電流）で生じる磁束が突極性のｄ軸方向ｄｍｇに生じ、ｄｍｇ方向の磁気抵抗は小なのでｄｍｇ方向成分電流による磁束は大きくなる。このｄｍｇ方向に電流が作る磁束には主磁束となる十字状の流れ以外にもＶ字磁石間の鉄心部分２６を横切るようにｄｍｇと同方向に流れる磁束ｄｍｇ’もある。他方、回転子鉄心２１の磁石磁束のｄ軸方向ｄｆｌにはその両側の１組の永久磁石２２，２３の同磁気極性Ｎ又はＳが増強し合い、Ｖ字中心軸方向に強い磁極Ｎ又はＳが現れている。この時、Ｖ字中心軸方向成分の電流（ｄ軸電流）で生じる磁束は磁石磁束のｄｆ１方向となるが、ｄｆ１方向は永久磁石の厚み部分も含む磁路なので磁気抵抗は大きくなり（磁石の透磁率は空気とほぼ同等）、結果的にＶ字中心軸方向成分の電流（ｄ軸電流）による磁束は小さくなる。前記の２成分の電流で生じる磁束の差が逆突極性のリラクタンストルクを発生し、電流と永久磁石によるトルクと前記逆突極リラクタンストルクが合成されてモータトルクとなる。
これに対して図５に示す順突極性の状態では、低保磁力の永久磁石２２の磁極が反転しており、回転子鉄心２１の磁石磁束のｄ軸方向ｄｆｌが９０°回転して回転子鉄心２１の磁気的突極のｄ軸方向ｄｍｇと一致し、この方向に強い磁極Ｎ又はＳが現れる。すなわち、永久磁石で生じる磁束ｄｆ１とｄｍｇ方向成分の電流で生じるｄｍｇ方向の磁束は強める関係となる。ｄｍｇ方向の磁気抵抗は小なのでｄｍｇ方向成分の電流で生じる突極性のｄｍｇ方向磁束は大となる。他方、逆突極では磁極Ｎ又はＳが現れていた各組の永久磁石２２，２３の中間のＶ字中心軸方向には磁極が現れなくなる。この時、Ｖ字中心軸方向成分の電流で生じる磁束は永久磁石の厚み部分も含む磁路を含み磁気抵抗は大きくなるので、Ｖ字方向成分の電流による磁束は小さくなる。前記の２成分の電流で生じる磁束の差が順突極性のリラクタンストルクを発生し、電流と永久磁石によるトルクと前記順突極リラクタンストルクが合成されてモータトルクとなる。
本実施の形態の永久磁石モータ１はこのように逆突極性、順突極性との間で相互に切り替えることができ、低速・大トルク時には順突極性に変換して運転し、高速回転域では逆突極性に変換して弱め磁束制御によって運転する。
次に、図６を用いて低保磁力の永久磁石２２の磁極極性を反転、再反転させるための制御回路について説明する。図６の永久磁石モータ制御回路１００において、符号１０１が上記実施の形態の永久磁石モータ１に対応している。この永久磁石モータ１０１は３相モータである。永久磁石モータ制御回路１００は、３相電源を整流する整流器１０２、整流器１０２の整流出力をＰＷＭによって所定周波数、所定電圧の３相交流に変換して永久磁石モータ１０１に供給するインバータ１０３を備えている。
さらに、永久磁石モータ制御回路１００は、モータ１０１の回転速度ωを検出するレゾルバのような回転速度検出器１０５、回転速度検出器１０５の出力を積分して回転角度θを得る積分器１０６、インバータ１０７の３相出力電流を検出する電流検出器１０７、電流検出器１０７の検出信号をｄｑ座標変換してｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑを出力するＤＱ変換器１０８を備えている。また、永久磁石モータ制御回路１００は、外部からの磁化モード切替信号により通常運転時のｄ軸電流指令ＩｄＮｏｒｍＲｅｆとｄ軸磁化電流指令ＩｄＭａｇＲｅｆを切り替えてｄ軸電流指令ＩｄＲｅｆとして出力するｄ軸電流指令切替器１４１、上記外部からの磁化モード切替信号により通常運転時のｑ軸電流指令ＩｑＮｏｒｍＲｅｆとｑ軸磁化電流指令ＩｑＭａｇＲｅｆを切り替えてｑ軸電流指令ＩｑＲｅｆとして出力するｑ軸電流指令切替器１４２、ＤＱ変換器１０８のｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑとｄ軸電流指令ＩｄＲｅｆ、ｑ軸電流指令ＩｑＲｅｆとのそれぞれの差、そしてモータ速度ωに基づき電流制御演算を行い、ｄ軸電圧指令ＶｄＲｅｆ、ｑ軸電圧指令ＶｑＲｅｆを求める電流制御器１０９、これら電流制御器１０９の出力するｄ軸電圧指令ＶｄＲｅｆ、ｑ軸電圧指令ＶｑＲｅｆをモータ回転角度θに基づいてＵＶＷ３相電圧指令に変換するＵＶＷ変換器１１０、そして、ＵＶＷ変換器１１０の３相電圧指令に対してＰＷＭ演算（パルス幅変調演算）を行い、インバータ１０３にゲート信号を出力するＰＷＭゲート演算器１１１を備えている。
この永久磁石モータ制御回路１００では、通常運転時には磁化モード切替信号が与えられず、通常の運転時には、ｄ軸電流指令切替器１４１、ｑ軸電流指令切替器１４２は「０」側にあり、入力される通常運転時の電流指令ＩｄＮｏｒｍＲｅｆ，ＩｑＮｏｒｍＲｅｆを出力する。これに対して、電流制御器１０９は、ＤＱ変換器１０８によるモータ電流Ｉｄ，Ｉｑが通常運転時の電流指令ＩｄＮｏｒｍＲｅｆ，ＩｑＮｏｒｍＲｅｆに一致するように電流制御演算を行い、電圧指令ＶｄＲｅｆ，ＶｑＲｅｆを出力する。そしてＵＶＷ変換器１１０は、ｄ軸電圧指令ＶｄＲｅｆ、ｑ軸電圧指令ＶｑＲｅｆをＵＶＷ３相電圧指令に変換し、この３相電圧指令に対してＰＷＭゲート演算器１１１がＰＷＭ演算を行い、インバータ１０３にゲート信号を出力する。インバータ１０３はこのＰＷＭゲート信号に基づいて所定周波数、所定電圧の３相交流を生成して永久磁石モータ１０１に給電し、所定速度で回転させる。
一方、磁化反転又は磁化再反転を行う場合には、磁化モード切替信号が入力され、これに応じてｄ軸電流指令切替器１４１、ｑ軸電流指令切替器１４２それぞれは「１」側、つまり磁化電流指令側に短時間（例えば１０ｍｓ間）だけ切り替わり、磁化反転時には正のＩｄＭａｇＲｅｆ，ＩｑＭａｇＲｅｆを出力し、磁化再反転時には負のＩｄＭａｇＲｅｆ，ＩｑＭａｇＲｅｆを出力する。これらのｄ軸磁化電流指令は可変磁力の低保磁力永久磁石２２の磁力を変化させる主電流の指令であり、ｑ軸磁化電流指令ＩｑＭａｇＲｅｆは磁化中のトルク不連続性を抑制するために必要に応じて設定される。これは通常運転時のｑ軸電流指令ＩｑＮｏｒｍＲｅｆに設定してもよい。
磁化モード時のｄ軸磁化電流指令ＩｄＭａｇＲｅｆにより、永久磁石モータ１では低保磁力の永久磁石２２が図４に示す磁化方向から図５に示す磁化方向に反転し、これによって回転子２０は図４に示す逆突極状態から図５の順突極状態に切り替えられる。図５の順突極状態から図４の逆突極状態に再反転させる場合には、ｄ軸磁化電流指令ＩｄＭａｇＲｅｆを逆向きに流す。
さらに、本実施の形態の永久磁石モータ制御回路１００では、ｄ軸磁化電流指令ＩｄＭａｇＲｅｆを大小変えて設定することもでき、それにより、低保磁力の永久磁石２２の磁化状態を増磁したり減磁したりする制御も可能である。
以上のように本実施の形態の永久磁石モータ１によれば、低保磁力の永久磁石２２と高保磁力の永久磁石２３を１組として回転子鉄心２１に埋め込み、隣り合う２組の永久磁石間には磁極鉄心部２５を形成できるように永久磁石２２，２３の組を配置したことにより、低保磁力の永久磁石２２は固定子１０の電機子電流で生じる磁界で磁化して極性を反転させ、また再反転させることができ、この極性反転によってこの永久磁石モータ１を順突極性と逆突極性との間で相互に切り替えることができ、２つの異なる突極性を活かして運転できる利点がある。また、大トルクでは永久磁石の耐減磁性が向上し、高速回転域では弱め磁束制御でリラクタンストルク成分が加わって高出力となり、高出力で広範囲の可変速運転が可能である。さらにレアアースメタル成分を減少させた永久磁石を適用できる。
本発明は、交通システムのハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道に利用可能であり、またエネルギーシステムの風力発電や海流発電、社会システムのエレベータ、エアコン等家電機器にも利用可能である。
１ 永久磁石モータ
１０ 固定子
１１ 固定子鉄心
１２ スロット
１３ 巻線
２０ 回転子
２１ 回転子鉄心
２２ 低保磁力の永久磁石
２３ 高保磁力の永久磁石
２４ 磁気遮蔽溝
２５ 磁極鉄心部
１００ 永久磁石モータ制御回路
１０ 固定子
１１ 固定子鉄心
１２ スロット
１３ 巻線
２０ 回転子
２１ 回転子鉄心
２２ 低保磁力の永久磁石
２３ 高保磁力の永久磁石
２４ 磁気遮蔽溝
２５ 磁極鉄心部
１００ 永久磁石モータ制御回路
Claims (12)
- 固定子鉄心と電機子巻線から成る固定子と、外部磁界により磁化が可変する特性の磁化可変の永久磁石と磁化が可変しない特性の磁化固定の永久磁石を持つ回転子から構成され、
前記磁化可変の永久磁石と前記磁化固定の永久磁石が回転子鉄心に埋め込まれ、前記磁化可変の永久磁石と前記磁化固定の永久磁石の間に回転子鉄心の低磁気抵抗（磁気的突極性）の部分と、前記磁化可変の永久磁石と前記磁化固定の永久磁石の間の高磁気抵抗の部分が交互に形成されることを特徴とする永久磁石式回転電機。 - 固定子鉄心と電機子巻線から成る固定子と、外部磁界により磁化が可変する特性の磁化可変の永久磁石と磁化が可変しない特性の磁化固定の永久磁石を持つ回転子から構成され、
前記磁化可変の永久磁石と前記磁化固定の永久磁石が回転子鉄心にＶ字状に埋め込まれ、前記磁化可変の永久磁石と前記磁化固定の永久磁石の間でＶ字状外側に回転子鉄心の低磁気抵抗（磁気的突極性）の部分を設け、前記磁化可変の永久磁石と前記磁化固定の永久磁石で挟まれたＶ字内側の高磁気抵抗の部分が交互に形成されることを特徴とする永久磁石式回転電機。 - 固定子鉄心と電機子巻線から成る固定子と、外部磁界により磁化が可変する特性の磁化可変の永久磁石と磁化が可変しない特性の磁化固定の永久磁石を持つ回転子から構成され、
前記磁化可変の永久磁石と前記磁化固定の永久磁石が回転子鉄心にＶ字状に埋め込まれ、前記磁化可変の永久磁石と前記磁化固定の永久磁石の間でＶ字状外側に回転子鉄心の低磁気抵抗（磁気的突極性）の部分を設け、前記磁化可変の永久磁石と前記磁化固定の永久磁石で挟まれたＶ字内側の高磁気抵抗の部分が交互に形成され、前記Ｖ字状に配置した永久磁石で挟まれたＶ字内側部分に非磁性部分を設けることを特徴とする永久磁石式回転電機。 - 前記非磁性部分が空洞であることを特徴とする請求項３に記載の永久磁石式回転電機。
- 前記電機子巻線の電機子電流により生じる磁界で前記外部磁界により磁化が可変する特性の永久磁石を磁化することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の永久磁石式回転電機。
- 前記磁化可変の永久磁石を低保磁力の永久磁石で構成し、前記磁化固定の永久磁石を高保磁力の永久磁石で構成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の永久磁石式回転電機。
- 前記電機子巻線の電機子電流で生じる磁界で前記低保磁力の永久磁石の極性を反転することを特徴とする請求項６に記載の永久磁石式回転電機。
- 前記電機子巻線の電機子電流で生じる磁界で前記低保磁力の永久磁石の極性を反転させて、順突極性又は逆突極性に変換し、大トルクでは順突極性とすることを特徴とする請求項６又は７に記載の永久磁石式回転電機。
- 前記電機子巻線の電機子電流で生じる磁界で前記低保磁力の永久磁石の極性を反転させて、順突極性又は逆突極性に変換し、低速・大トルクでは順突極性とし、高速・低トルクでは逆突極性とすることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の永久磁石式回転電機。
- 前記低保磁力の永久磁石の磁化を可変して前記永久磁石の鎖交磁束を可変することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の永久磁石式回転電機。
- 前記電機子巻線の電機子電流による磁界で前記低保磁力の永久磁石の磁化を可変して前記永久磁石の鎖交磁束を可変することを特徴とする請求項６〜１０のいずれかに記載の永久磁石式回転電機。
- 高速回転域や軽負荷時に前記低保磁力の永久磁石の磁化を可変して前記永久磁石の鎖交磁束を可変することを特徴とする請求項６〜１１のいずれかに記載の永久磁石式回転電機。
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