JP6524818B2 - 可変磁束型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、可変磁束型回転電機に関する。

従来、埋込磁石型同期電動機の回転子において、無負荷時に、永久磁石からでる漏れ磁束が主磁束とは逆方向に流れて回転子内部で循環するように形成された漏れ磁束路を有する回転子構造が知られている（特許文献１参照）。この埋込磁石型同期電動機は、該漏れ磁束路を有することで、無負荷時における主磁束成分の磁束量を低減させる。これにより、主磁束成分の影響により生じる固定子の鉄損が低減されるので、電動機の効率が向上する。

特開２０１０−２７３４１６号公報

しかしながら、電動機の効率を向上させることを目的として漏れ磁束路を設けたことで、主磁束成分の磁束量が低減されるため、出力が低下してしまうという問題があった。

本発明は、電動機としての機能を有する回転電機の出力を確保しながら、効率（力率）を向上させることができる技術を提供することを目的とする。

本発明による可変磁束型回転電機は、回転磁界を生成するための固定子巻線を有する固定子と、ｄ軸磁路を形成する複数の永久磁石と、永久磁石の磁極中心に対して略対称となる磁気回路形状と、固定子との間でエアギャップを形成する回転子とを備える。当該回転子は、ある一磁極を構成する永久磁石から出た磁束が隣接する他の永久磁石が構成する磁極側へ漏洩する経路となるバイパス路と、ｄ軸磁路と電気的に直交するｑ軸磁路上にあって、バイパス路とエアギャップとの間に設けられた第１の磁気的障壁と、ｄ軸磁路と電気的に直交するｑ軸磁路上にあって、バイパス路よりも回転子の回転中心側に設けられた第２の磁気的障壁と、第１の磁気的障壁とエアギャップとの間に磁束流入部と磁束流出部とに接続して配置されるブリッジ形状部とを有する。そして、永久磁石のｄ軸磁路方向の厚さは、回転子の外周面から最も深い永久磁石における回転子外周側の表面までの埋め込み深さ以上であって、固定子は、所定のターン数（Ｎ）巻き回された固定子巻線を有している。そして、ターン数（Ｎ）は、固定子巻線に作用するｄ軸鎖交磁束をλｄ（Ｎ）なる関数で表した場合に、磁石磁束をΨa、ｄ軸インダクタンスをＬｄ、ｄ軸電流をＩｄとする下記（１）式が成立し、且つ、Ｉｄが負の時に、下記（２）式、もしくは（３）式が成立するように設定される。
[数１]
λｄ（Ｎ）＝Ψa＋ＬｄＩｄ（Ｎ）＝０ …（１）
[数２]
λｄ（Ｎ）×λｄ（Ｎ＋１）≦０ …（２）
[数３]
λｄ（Ｎ）×λｄ（Ｎ−１）≦０ …（３）

本発明によれば、巻線電流によって漏れ磁束を制御可能な磁気回路形状を有するのに加えて、永久磁石の埋込深さを浅く設定することで、ｄ軸方向のインダクタンスＬｄ及びｑ軸方向のインダクタンスＬｑを低減するとともに、永久磁石の磁石厚を厚くすることでｄ軸方向のインダクタンスＬｄを更に低減する。これにより、電動機の出力を確保しつつ、力率を向上させることができる。

図１は、第1実施形態の可変磁束型回転電機を軸方向に垂直な平面から見た構成図である。 図２は、可変磁束漏れモータの作動の概要を説明するための図である。 図３は、図１を、図１中で示すｄ軸を中心に拡大した図である。 図４は、第1実施形態の可変磁束型回転電機においての固定子巻線に流れる電流とトルクとの関係を示す特性図である。 図５は、第1実施形態の可変磁束型回転電機においての固定子巻線に流れる電流とトルク定数との関係を示す特性図である。 図６は、回転電機の特性を示したｄ-ｑ座標系のベクトル平面図である。 図７は、固定子巻線の巻き数と、ｄ軸鎖交磁束との関係を表した図である。 図８は、第1実施形態の可変磁束型回転電機を軸方向に垂直な平面から見た構成図である。 図９は、第２実施形態の可変磁束型回転電機を軸方向に垂直な平面から見た構成図である。 図１０は、第２実施形態の可変磁束型回転電機を軸方向に垂直な平面から見た構成図である。

[第1実施形態]
図１は、第1実施形態の可変磁束型回転電機１００の軸方向に垂直な断面から見た構成図であって、構成全体の４分の１を示す図である。全体構成の残りの４分の３の部分は、図１で示す部分構成が連続的に繰り返される。本実施形態の可変磁束型回転電機は、円環形状をなす固定子１と、固定子１と同心円状をなし、かつ、固定子１との間にエアギャップ１３を有するように配置された回転子２と、回転子２に嵌装された複数の永久磁石３とを備え、電動機或いは発電機を構成する。

固定子１は、リング状の固定子コア１１と、固定子コア１１から内周側に向けて突起する複数のティース８と、隣接するティース８間の空間であるスロット９とからなる。ティース８には、固定子巻線１０が巻き回される。固定子コア１１は、例えば軟磁性材料である電磁鋼板により形成される。

回転子２は、回転子コア１２を有している。回転子コア１２は、透磁率の高い金属製の鋼板を円環状に打ち抜き加工して形成された多数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成された、いわゆる積層鋼板構造により円筒形に形成されている。また、回転子コア１２の、固定子１と対向する周辺部の近傍には、周方向に沿って、複数の永久磁石３が互いに等間隔で、且つ、互いに隣接する永久磁石の極性が異極性となるように設けられている。なお、本実施形態の可変磁束型回転電機に係る回転子コア１２は、図１で示す部分構成から推察されるとおり、周方向に沿って８個の永久磁石が設けられた８極構造を有する。

また、回転子２は、隣接する永久磁石３が構成する各磁極間に、回転子コア１２を形成する電磁鋼板を打ち抜き加工することで形成される空間部分である磁気的障壁４、５を有する。磁気的障壁４、５は、電磁鋼板よりも磁気抵抗が大きい。したがって、磁気的障壁４、５は、永久磁石３が回転子２上に構成する磁気回路において、磁石磁束に対する磁束障壁として作用する。図で示す通り、磁気的障壁４は回転子２の外周側よりも回転中心側の方が幅の狭い略三角形状に形成される。磁気的障壁５は、磁気的障壁４よりも回転中心側に、磁気的障壁４を覆うように略Ｕ字状に形成される。ただし、磁気的障壁４、５の形状は、後述する技術的効果を奏する限り、図で示す形状に限定されるものではない。また、回転子２には、磁気的障壁４、５が図のように形成されていることにより、ある一磁極を構成する永久磁石３から出た磁束が、隣接する他の永久磁石３が構成する磁極側へ漏洩する際の経路となる磁束バイパス路６が形成される。さらに、回転子２には、磁気的障壁４の外周側に、磁束バイパス路６と連結する幅狭のブリッジ形状部７が設けられている。

永久磁石３は、回転子コア１２の対応部分に形成された空隙に嵌め込まれることにより回転子コア１２に固定されている。また、永久磁石３は、回転子２の半径方向が磁化方向とされる。ここで、本実施形態では、永久磁石３の幾何学的な中心をｄ軸とし、当該ｄ軸と電気的に直交する位置をｑ軸と定義する。なお、本実施形態の可変磁束型回転電機は８極構造なので、ｄ軸から機械角で２２．５度の位置がｑ軸と定義される。なお、上述の磁気的障壁４、５は、ｑ軸上に形成される。

以上が、第１実施形態の可変磁束型回転電機の基本となる構成である。ここで、本実施形態の詳細な説明の前に、本発明の対象である可変磁束型回転電機の基本原理について説明する。

本発明が対象とする可変磁束型回転電機は、固定子巻線に印加される負荷電流（ステータ電流）の作用によって、回転子が備える永久磁石から出る磁束の一部（漏れ磁束）の磁路を変化させることができることを特徴とする。この特徴により、当該回転電機は、ステータ電流を制御することでステータ鎖交磁束を受動的に変化させることができるので、回転子が備える永久磁石の磁力を電流制御によって見かけ上可変にすることができる特性を有する。このような特性から、本発明の対象である可変磁束型回転電機は、可変漏れ磁束モータとも呼ばれる。

図２は、可変磁束漏れモータの一部分を示した構成図であって、可変磁束漏れモータの作動の概要を説明するための図である。ただし、図２で示す可変磁束漏れモータが有する各構成の形状および配置は、作動の概要を説明するために示した一般的なものであるので、基本的な構成を除く詳細部分は本願発明と異なる。

図２で示す可変磁束漏れモータは、固定子１０１と、固定子１０１との間にエアギャップを形成して配置される回転子１０２とを備える。そして、回転子１０２は、永久磁石１０３と、磁気的障壁１０４、１０５（フラックスバリアともいう）と、永久磁石１０３が構成する磁極側から隣接する永久磁石１０３が構成する磁極側へ磁気的障壁１０４、１０５間を経由して連結された磁束バイパス路１０６とを有する。なお、図の左側に示す矢印の指す方向は、回転子１０２の回転方向を示している。

図２で示す磁路方向１５は、固定子１０１が備える固定子巻線に電流を通電しないときの漏れ磁束の流れる方向を示している。図２で示すように、回転子内において、永久磁石１０３から出た磁束の一部は、磁束バイパス路１０６を通って、隣接する異極側へ漏洩する。

このため、永久磁石１０３から出る固定子１０１側への主磁束成分の磁束量、すなわちステータ鎖交磁束が相対的に低減されるので、永久磁石１０３の磁力が見かけ上弱くなる。これにより、ステータ鎖交磁束によって発生する鉄損を低減することができる。この効果は、特に、低負荷、高速領域における回転電機の効率を改善する上で有効となる。

他方、磁路方向２０は、固定子巻線に電流を通電しているときの磁束の流れる方向を示している。ステータ電流が流れることで、永久磁石１０３から出た磁束は、磁路方向２０が指し示すとおり、回転子１０２の回転方向の固定子側へ引き寄せられる。このため、固定子巻線に電流を通電しないときには漏れ磁束として回転子１０２内で漏洩していた磁束をステータ鎖交磁束へと効率よく変換できる。これにより、回転電機は、永久磁石１０３から出る磁束が漏洩していない状態と同等の高トルクを出力することができる。

このように、回転子に構成される磁極間に磁束バイパス路を設け、ステータ電流を制御することで回転子内漏れ磁束を変化させることで、ステータ鎖交磁束が受動的に変化する特性を有する回転電機を可変磁束型回転電機（可変漏れ磁束モータ）という。

以上が本発明の対象となる可変磁束型回転電機の基本原理である。以下、本発明に係る第１実施形態の可変磁束型回転電機１００が有する各構成の形状および配置の詳細について図面等を参照して説明する。

図３は、第1実施形態の可変磁束型回転電機１００の軸方向に垂直な断面から見た構成図であって、図１を、図１中で示すｄ軸を中心に拡大した図である。図３を参照して、本実施形態の可変磁束型回転電機が有する特性の前提となる構成について説明する。

磁束バイパス路６は、上述のとおり、ある一磁極を構成する永久磁石３から出た磁束が、隣接する他の永久磁石３が構成する磁極側へ漏洩する際の経路である。磁束バイパス路６の磁束流入部および磁束流出部（以下、磁束流入出部１４という）は、図のＣで表される幅を有し、エアギャップ１３の近傍に配置されている。また、回転子コア１２には、永久磁石３と磁気的障壁５との間に、幅Ａを有する幅狭の磁路１６が形成されている。磁路１６の幅Ａは、磁束バイパス路６の磁束流入出部１４の幅Ｃよりも小さく設定されている。すなわち、回転子コア１２上において、永久磁石３と磁気的障壁５とは、磁束バイパス路３の磁束流入出部１４の幅Ｃと磁路１６の幅Ａが、Ａ＜Ｃの関係を有するように相対配置されている。

この、「Ａ＜Ｃ」なる関係を有することにより、永久磁石３から出た磁束が、磁路１６を経由して該永久磁石３の異極側へ漏洩する際の磁気抵抗よりも、磁束バイパス路６を経由して隣接する他の永久磁石３の異極側へ漏洩する際の磁気抵抗の方が小さくなっている。このため、永久磁石３から出る磁束のうちの漏れ磁束の多くが磁束バイパス路６を経由する。

また、上述の通り、磁束バイパス路６の磁束流入出部１４は、エアギャップ１３の近傍に配置されている。これにより、固定子巻線に通電する電流制御により、磁束バイパス路６を流れる磁束を制御しやすい。

また、本実施形態に係る可変磁束型回転電機は、無負荷時或いは低負荷時のように固定子巻線に通電する電流Ｉが小さい場合には、磁束バイパス路６を経由して流れる漏れ磁束が発生するので、永久磁石３からの磁石磁束により生じる逆起電力を減少させ、回転子２に生じるトルクＴｒを低減させる。他方、回転電機を高速回転させるために固定子巻線に通電する電流Ｉを増大させると、漏れ磁束が低減され、固定子側に鎖交する主磁束成分が相対的に増加するので、トルクＴｒを高くすることができる。すなわち、本実施形態に係る可変磁束型回転電機の電流ＩとトルクＴｒは、図４の点線で示すように、電流Ｉの増加と共にトルクＴｒの変化率が増加する。

換言すれば、本実施形態に係る可変磁束型回転電機は、トルクＴｒが、トルク定数ＫＴと電流Ｉにより、Ｔｒ＝ＫＴ×Ｉで表されるときに、トルク定数ＫＴが電流Ｉの関数ＫＴ＝Ｋｔ（Ｉ）であって、固定子コア１１のコア材料の磁気飽和点以下の領域にて、「ｄ（Ｋｔ（Ｉ））／ｄＩ≧０」なる関係を備えている。

従って、固定子１に電流を印加すると、磁石磁束と固定子巻線との鎖交量（ステータ鎖交磁束）が増加して、トルク定数が大きくなる。このため、低トルク域ではステータ鎖交磁束が減少するので鉄損が低減され、誘起電圧も低下するので可変速範囲が拡大される。なお、回転子２における磁気回路は永久磁石３の磁極中心に対して略対称に形成されているので、回転子２の回転方向によらずほぼ同等の特性が得られる。

さらに、上記した「ｄ（Ｋｔ（Ｉ））／ｄＩ≧０」なる関係は、回転子２内での磁石磁束分布において無負荷状態における磁石磁束の異極への漏洩量が、固定子１が備える固定子巻線１０への電流印加により減少し、かつ、最小のトルク定数ＫＴ_ｍｉｎに対して最大のトルク定数ＫＴ_ｍａｘが１０％以上大きく設定されることを示す。すなわち、図５の点線で示す曲線のように、固定子巻線１０に電流Ｉが通電されない無負荷時には、トルク定数ＫＴは最小値ＫＴ_ｍｉｎに設定され、電流Ｉが大きくなるとトルク定数ＫＴは最大値ＫＴ_ｍａｘに設定される。そして、最小のトルク定数ＫＴ_ｍｉｎに対して最大のトルク定数ＫＴ_ｍａｘが１０％以上大きく設定される。このように設定することにより、追加の構造物や特別な制御方法を用いることなく、固定子１に対する通常の電流制御により磁石磁束を制御することができる。

またさらに、回転子コア１２上における磁気的障壁４、５と永久磁石３の配置により、ｄ軸の磁気抵抗の方がｑ軸の磁気抵抗よりも小さく設定されている。すなわち、本実施形態における回転子２は、ｄ軸方向のインダクタンスＬｄとｑ軸方向のインダクタンスＬｑとが、Ｌｄ＞Ｌｑなる関係を有する順突極特性を有している。

本願発明に係る可変磁束型回転電機は、上述したような構成及び特性を有する可変磁束型回転電機に対して、力率（皮相電力に対する有効電力の割合）および出力（回転速度とトルクとの積）の向上を目的とする種々の工夫を施してなされたものである。

ここで、力率を向上させるためには、図６中における力率角θを小さくする必要がある。図６は、回転電機の特性を示したｄ-ｑ座標系のベクトル図であって、Ｉは電流ベクトル、Ｖは電機子電圧ベクトル、Ψaは永久磁石３の磁石磁束、λは電機子鎖交磁束ベクトル（ステータ鎖交磁束ベクトル）を表している。そして、力率角θ[ｒａｄ]は、電機子電圧ベクトルＶに対する電流ベクトルＩの遅れ位相角であり、力率はｃｏｓθで表される。図６のベクトル図において、力率角θを出来るだけ０°（ｃｏｓθ＝１）に近づけて、電圧ベクトルＶの位相と電流ベクトルＩの位相差を小さくすることで、皮相電力と有効電力とがほぼ等しくなり、理想的な力率を得ることができる。

また、図中のδは、電機子鎖交磁束ベクトルλのｄ軸からの進み位相角[ｒａｄ]を表している。そして、電機子電圧ベクトルＶの位相は、図で示す通り、電機子鎖交磁束ベクトルλに対して常に９０°進む。したがって、上記の通り力率角θを小さくするためには、位相角δを小さくすることで電機子鎖交磁束ベクトルλを磁石磁束Ψａに近づければよく、そのためには、ｄ軸方向のインダクタンスＬｄ及びｑ軸方向のインダクタンスＬｑを小さくすればよい。

そのためになされた工夫について、以下、図面等を参照して説明する。

図３に戻って説明する。図３から分かるように、本実施形態における回転子２が備える永久磁石３の厚さＨｍａｇは、永久磁石３の埋込深さＨｅ以上である。すなわち、永久磁石３の厚さ、及び、回転子２における永久磁石３の配置は、Ｈｍａｇ≧Ｈｅなる関係が成立する。なお、埋込深さＨｅは、図で表すとおり、永久磁石３の回転子２における外周側側面においてエアギャップ１３から最も深い位置と回転子２の外周とを結ぶ最短距離である。本実施形態においては、永久磁石３の磁極中心と回転子２の回転中心とを結ぶ線（ｄ軸）上における回転子２の外周と永久磁石３の外周側側面までの距離が埋込深さＨＥとなる。

この、「Ｈｍａｇ≧Ｈｅ」なる関係を有することにより、本実施形態の回転子２における永久磁石３の埋込深さが浅く設定される。これにより、インダクタンスＬｄ、Ｌｑが低減される。また、永久磁石３の磁石厚を厚く設定されることでインダクタンスＬｄは更に低減される。この結果、図６における力率角θが小さくなり、力率を向上させることができる。

次に、本実施形態の回転子２の軸方向に垂直な端面における磁気的障壁４、５の面積と、永久磁石３の面積との関係においてなされた工夫について、図１を参照して説明する。

本実施形態における可変磁束型回転電機は、回転子２が備える回転子２の軸方向に垂直な端面において、ｑ軸上に形成されたある一つの磁気的障壁４、５の面積の和Ｓａｉｒと、ｄ軸上に配置されているある一つの永久磁石３の面積Ｓｍａｇとが、Ｓａｉｒ≧Ｓｍａｇなる関係を有する。

この、「Ｓａｉｒ≧Ｓｍａｇ」なる関係を有することにより、回転子コア１２上において、隣接する永久磁石３間に配置された磁気的障壁４、５が永久磁石３に対して相対的に大きくなる。これにより、ｄ軸インダクタンスＬｄが低減されるので、図６における力率角θが小さくなり、力率を向上させることができる。

次に、本実施形態の固定子巻線１０の巻き数（ターン数）に対してなされた工夫について図７を参照して説明する。

回転電機の一般的な性質として、回転子が回転すると、磁石磁束の作用による逆起電力が発生する。この逆起電力は、特に高速回転領域において回転子の回転方向に対する負荷成分として作用し、回転電機の出力の低下を招く。一方で、固定子巻線に通電することで固定子巻線に発生する磁束は、磁石磁束に対する反作用磁束となる。該反作用磁束の磁束量は、固定子巻線の巻き数と比例関係にあり、巻き数が多いほど、磁束量が大きくなる。したがって、固定子巻線の巻き数を最適化することで、固定子巻線に発生する磁束量を、磁石磁束を打ち消すことができる磁束量に設定することができれば、磁石磁束の影響による逆起電力を打ち消すことができる。すなわち、固定子巻線の巻き数を最適化することができれば、高速回転領域において定出力特性を実現することが可能となり、出力を上げることができる。

ここで、ｄ軸鎖交磁束をλｄ、磁石磁束をΨa、ｄ軸インダクタンスをＬｄ、ｄ軸電流をＩｄとした場合に、λｄ＝Ψa＋ＬｄＩｄなる関係が成立する。そして、固定子巻線の巻き数をＮとした場合に、ｄ軸鎖交磁束λｄは、固定子巻線の関数として、λｄ（Ｎ）＝Ψa＋ＬｄＩｄ（Ｎ）と表すことができる。してみれば、高速回転域における最大弱め界磁時において、λｄ（Ｎ）＝Ψa＋ＬｄＩｄ（Ｎ）＝０とすることで、固定子巻線に発生する磁束によって磁石磁束を打ち消すことができ、逆起電力を打ち消すことができる。なお、最大弱め界磁時なので、上記式中のｄ軸電流Ｉｄは負となる。

図７（ａ）、（ｂ）は、固定子巻線１０の巻き数（ターン数）と、ｄ軸鎖交磁束λｄとの関係を表した図である。横軸に固定子巻線１０の巻き数Ｎを表し、縦軸にｄ軸鎖交磁束λｄを表している。上述したように、最大弱め界磁時にλｄ（Ｎ）＝０となるような巻き数で固定子巻線１０を巻き回すことで逆起電力を打ち消すことができるが、図で示す通り、λｄ（Ｎ）＝０となる巻き数（Ｎ）によって固定子巻線１０を巻き回すことは現実的には難しい。したがって、本実施形態における可変磁束型回転電機の固定子巻線１０は、λｄ（Ｎ）を出来るだけ０に近づけるために、最大弱め界磁時において、λｄ（Ｎ）×λｄ（Ｎ＋１）≦０（図７（ａ）参照）もしくはλｄ（Ｎ）×λｄ（Ｎ−１）≦０（図７（ｂ）参照）なる関係を有するような巻き数で巻き回される。

以上の通り、本実施形態の可変磁束型回転電機は、固定子巻線１０の巻き数をＮとした場合に「λｄ（Ｎ）×λｄ（Ｎ±１）≦０」なる関係を有することにより、磁石磁束に起因して発生する逆起電力を抑制し、高速回転領域における定出力特性を実現することができる。この結果、回転電機の出力が向上し、入力電力に対する効率を上げることができる。

次に、本実施形態の回転子コア１２上において、磁束バイパス路６、ブリッジ形状部７の形状、及び、永久磁石３の配置等に対してなされた工夫について、図８を参照して説明する。

図８は、第1実施形態の可変磁束型回転電機の軸方向に垂直な平面から見た構成図であって、図１を、図１中で示すｄ軸を中心に拡大した図である。

図８中で示す幅Ｃは、磁束バイパス路６の磁束流入出部１４の、回転子２の径方向における幅を示す。

図８中で示す幅Ｂは、磁束バイパス路６において磁気的障壁４、５に挟まれた部分の幅を示す。

図８中で示す幅Ａは、回転子コア１２上において、磁気的障壁４の外周側にあって、磁束バイパス路６と連結して形成されるブリッジ形状部７の幅を示す。

図８中で示す幅Ｄは、回転子２の外周面から永久磁石３の回転子２の外周側の側面までの距離（埋め込み深さ）であって、永久磁石３の回転子２における周方向端部の埋め込み深さを示す。

以上を前提とすると、本実施形態における可変磁束型回転電機が有する磁気的障壁５は、永久磁石３の配置との関係において、永久磁石３の埋め込み深さＤと、磁束バイパス路６の磁束流入出部１４の幅Ｃは略同一である。換言すると、本実施形態に係る磁気的障壁５は、永久磁石３との関係において、Ｃ≒Ｄなる関係が成立するように配置されている。

この、「Ｃ≒Ｄ」なる関係を有することにより、永久磁石３から出る磁石磁束のうち、磁気的障壁５を通って漏洩してしまうｄ軸磁束の漏れ磁束量を減少させることができる。これにより、ｄ軸方向のインダクタンスＬｄを減少させることができるので、力率を向上させることができる。

また、本実施形態における可変磁束型回転電機が有する磁束バイパス路６の磁束流入出部１４の幅Ｃ、磁気的障壁４、５に挟まれた部分の幅Ｂ、ブリッジ形状部７の幅Ａは、Ａ＋Ｂ≦Ｃなる関係を有するように形成される。

ここで、永久磁石３から出る磁束のうち、隣接する他の永久磁石３が構成する異極側への漏れ磁束量は、磁束バイパス路６の磁束流入出部１４の幅Ｃによってほぼ決まる。してみれば、例えば、ブリッジ形状部７の幅Ａが大きく、Ａ＋Ｂ＞Ｃなる関係を有した場合は、ブリッジ形状部７の幅Ａが余計に大きい分、Ｌｑが増大し、リラクタンストルクが低減されるためトルクが低下する。したがって、上記の「Ａ＋Ｂ≦Ｃ」なる関係を有することにより、磁束バイパス路６の磁気的障壁４、５に挟まれた部分及びブリッジ形状部７において必要以上の磁路幅がなくなるので、例えば、ブリッジ形状部７の幅が大きくなることで生じるトルクや力率の低下を抑制することができる。

さらに、本実施形態における可変磁束型回転電機が有する磁束バイパス路６の磁気的障壁４、５に挟まれた部分の幅Ｂ及びブリッジ形状部７の幅Ａは、Ａ≦Ｂなる関係を有するように形成される。

この、「Ａ≦Ｂ」なる関係を有することにより、ブリッジ形状部７の幅が小さく設定され、インダクタンスＬｑの増加を防ぎ、インダクタンスＬｄとの突極比を高めることができるので、リラクタンストルクを向上させることができる。

以上、第１実施形態の可変磁束型回転電機１００は、回転磁界を生成するための固定子巻線１０を有する固定子１と、ｄ軸磁路を形成する複数の永久磁石３と、永久磁石３の磁極中心に対して略対称となる磁気回路形状と、固定子１との間でエアギャップ１３を形成する回転子２とを備える。当該回転子２は、ある一磁極を構成する永久磁石３から出た磁束が隣接する他の永久磁石３が構成する磁極側へ漏洩する経路となる磁束バイパス路６と、ｄ軸磁路と電気的に直交するｑ軸磁路上にあって、磁束バイパス路６とエアギャップ１３との間に設けられた磁気的障壁４と、ｄ軸磁路と電気的に直交するｑ軸磁路上にあって、前記バイパス路よりも回転子の回転中心側に設けられた磁気的障壁５と、磁気的障壁４とエアギャップ１３との間に磁束流入出部１４に接続して配置されるブリッジ形状部７とを有する。そして、永久磁石３のｄ軸磁路方向の厚さＨｍａｇは、回転子の外周面から最も深い永久磁石における回転子外周側の表面までの埋め込み深さＨｅ以上である。これにより、回転子２のｄ軸方向のインダクタンスＬｄとｑ軸方向のＬｑが低減されるので、力率を向上させることができる。

また、第１実施形態の可変磁束型回転電機１００は、回転子２の軸方向と垂直な平面において、一つのｑ軸磁路上に設けられた磁気的障壁４の面積と磁気的障壁５の面積との和Ｓａｉｒは、永久磁石の一極分の面積Ｓｍａｇ以上である。これにより、回転子２におけるｄ軸方向のインダクタンスＬｄが低減されるので、力率を向上させることができる。

また、第１実施形態の可変磁束型回転電機１００は、所定のターン数（Ｎ）巻き回された固定子巻線１０を有し、固定子巻線１０に作用するｄ軸鎖交磁束をλｄ（Ｎ）なる関数で表した場合に、固定子巻線１０は、最大弱め界磁時に「λ（Ｎ）×λｄ（Ｎ±１）≦０」なる関係が成立する巻き数で巻き回される。これにより、永久磁石３の磁石磁束に起因して発生する逆起電力を抑制し、高速回転領域における定出力特性を実現することができる。

また、第１実施形態の可変磁束型回転電機１００が有する磁束バイパス路６の磁束流入出部１４は、回転子２のエアギャップ１３近傍に配置され、且つ、磁気的障壁５の固定子１側端部とエアギャップとの間に形成される領域であって、磁束バイパス路６の磁束流入出部１４の幅Ｃと、回転子２の外周面から永久磁石３の回転子２の周方向端部における埋め込み深さＤとは略同一である。これにより、回転子２におけるｄ軸方向のインダクタンスＬｄを減少させることができるので、力率を向上させることができる。

また、第１実施形態の可変磁束型回転電機１００は、ブリッジ形状部７の幅Ａと、磁気的障壁４と５に挟まれた領域における磁束バイパス路６の幅Ｂとの和は、前記バイパス路の磁束流入出部の幅Ｃ以下である。これにより、例えば、ブリッジ形状部７の幅が大きくなることで生じるトルクや力率の低下を抑制することができる。

さらに、第１実施形態の可変磁束型回転電機１００が有するブリッジ形状部７の幅Ａは、磁気的障壁４と５とに挟まれた領域における磁束バイパス路６の幅Ｂ以下である。これにより、回転子２の突極比を高めることができるので、リラクタンストルクを向上させることができる。

[第２実施形態]
続いて、第２実施形態の可変磁束型回転電機について説明する。本実施形態の可変磁束型回転電機は、上述の第１実施形態と比べて、回転子２が備える永久磁石３の形状および配置が異なる。以下、図面等を参照して詳細を説明する。

図９は、第２実施形態の可変磁束型回転電機の軸方向に垂直な平面から見た構成図であって、永久磁石３の形状および配置を説明するための図である。

本実施形態における可変磁束型回転電機が備える永久磁石３は、図９で示す通り、回転子２の周方向に二つに分割されている。そして、分割された二つの永久磁石３ａ、３ｂ間に、回転子コア１２によるセンターリブが設けられている。

また、図９中の点線は、永久磁石３ａ、３ｂにより構成される磁極の磁極中心と、回転子２の回転中止とを結ぶ線である。図中の実線は、永久磁石３ｂにおける固定子２の外周側側面（外周側の磁束流入出面）の法線ベクトルである。

そして、永久磁石３ｂは、上記点線と実線とがなす角が０〜４５°の範囲内に収まるように配置される。また、永久磁石３ａは、永久磁石３ｂと点線に対して対称に配置されており、永久磁石３ａの外周側の磁束流入出面の法線ベクトル（不図示）と点線とがなす角も永久磁石３ａと同様に０〜４５°の範囲内に収まるように配置される。

このように、第２実施形態における永久磁石３ａ、３ｂは、回転子２内に、磁極中心部分が、回転子周方向における両端部分に比べて回転中心側へ凹むＶ字形状に配置される。このような配置にすることによりｑ軸方向の磁路を広げることができるので、リラクタンストルクが向上し、該リラクタンストルクを利用することで、最大トルクを向上させることができる。

なお、上述では、永久磁石３を永久磁石３ａ、３ｂの二つに分割した例を説明したが、必ずしも二つに限定されず、３つ以上に分割しても良い。その場合も、分割された各永久磁石は、分割された各永久磁石によって構成される一磁極の磁極中心と回転子２の回転中心とを結ぶ線と、各永久磁石の外周側の磁束流入出面の法線ベクトルとがなす角がそれぞれ０〜４５°に収まるように、Ｖ字形状に配置される。

続いて、第２実施形態の可変磁束型回転電機が備える永久磁石３ａ、３ｂの、回転子２の磁極数との関係における配置について、図１０を参照して説明する。

図１０は、第２実施形態の可変磁束型回転電機の軸方向に垂直な平面から見た構成図であって、構成全体の４分の１を示す図である。図中の角βは、永久磁石３ａ、３ｂの、回転子２の周方向においてｄ軸から遠い方の側面であって、且つ、エアギャップ１３に最も近い部位（一磁極を構成する永久磁石３ａ、３ｂの最外形部）と、回転子２の回転中心とを結んだ線（図中の一点鎖線）がなす角である。

そして、３６０を回転子２上に構成された磁極数で除した値をαとした場合に、本実施形態が備える永久磁石３ａ、３ｂは、β／αが、４０〜５０％の範囲内に収まるように配置される。なお、本実施形態における可変磁束型回転電機は８極構造を有するので、αは４５となる。したがって、永久磁石３ａ、３ｂは、角βが１８〜２２．５°の範囲内に収まるように配置される。

このように配置することで、回転子２の磁極数が大きくなるにしたがって、永久磁石３ａ、３ｂから磁束バイパス路６の磁束流入出部１４へと流れる漏れ磁路とｑ軸との距離が近づくので、固定子巻線１０への少ない印加電流で、漏れ磁束をステータ鎖交磁束へと効率よく変換することができる。

なお、上述では、永久磁石３を永久磁石３ａ、３ｂの二つに分割した場合に基づいて説明したが、必ずしも二つに分割されている必要はなく、分割されていなくても良いし、３つ以上に分割されていても良い。その場合であっても、一磁極を構成する永久磁石３の最外形部と回転子２の回転中心とを結んだ線がなす角、或いは、３つ以上に分割された各永久磁石のうち両端に位置する永久磁石の最外形部と回転子２の回転中心とを結んだ線がなす角が、角βとなる。

以上、第２実施形態の可変磁束型永久磁石２００は、一磁極を構成する永久磁石３が、回転子２の周方向において少なくとも２つ以上に分割されており、分割された永久磁石３ａ、３ｂは、一磁極の磁極中心と回転子２の回転中心とを結ぶ線と、永久磁石３ａ、３ｂの回転子外周側における磁束流入出面の法線ベクトルとがなす角が、０〜４５°に収まるように配置される。これにより、ｑ軸方向の磁路を広げることができるので、リラクタンストルクが向上し、該リラクタンストルクを利用することで、最大トルクを向上させることができる。

また、第２実施形態の可変磁束型永久磁石２００は、３６０を回転子２の磁極数で除した値をαとし、回転子２の周方向において、一磁極を構成する永久磁石３の磁極中心から遠い方の側面であって、且つ、エアギャップ１３に最も近い位置と、回転子２の回転中心とを結ぶ線がなす角をβとした場合に、永久磁石３ａ、３ｂは、β／αが４０〜５０％となるように配置される。これにより、永久磁石３ａ、３ｂから磁束バイパス路６の磁束流入出部１４へと流れる漏れ磁路とｑ軸との距離が近づくので、固定子巻線１０への少ない印加電流で、漏れ磁束をステータ鎖交磁束へと効率よく変換することができる。

本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。

１…固定子
２…回転子
３…永久磁石
４…磁気的障壁
５…磁気的障壁
６…バイパス路
７…ブリッジ形状部
１０…固定子巻線
１３…エアギャップ
１４…磁束流入部、磁束流出部

Claims (7)

1. 可変磁束型回転電機であって、
   回転磁界を生成するための固定子巻線を有する固定子と、
   ｄ軸磁路を形成する複数の永久磁石と、前記永久磁石の磁極中心に対して略対称となる磁気回路形状と、を有し、前記固定子との間でエアギャップを形成する回転子と、を備え、
   前記回転子は、
   ある一磁極を構成する前記永久磁石から出た磁束が隣接する他の永久磁石が構成する磁極側へ漏洩する経路となるバイパス路と、
   前記ｄ軸磁路と電気的に直交するｑ軸磁路上にあって、前記バイパス路と前記エアギャップとの間に設けられた第１の磁気的障壁と、
   前記ｄ軸磁路と電気的に直交するｑ軸磁路上にあって、前記バイパス路よりも前記回転子の回転中心側に設けられた第２の磁気的障壁と、
   前記第１の磁気的障壁と前記エアギャップとの間に配置され、前記バイパス路の磁束流入部と磁束流出部とを接続するブリッジ形状部と、を有し、
   前記永久磁石の前記ｄ軸磁路方向の厚さは、前記回転子の外周面から最も深い前記永久磁石における回転子外周側の表面までの埋め込み深さ以上であり、
   前記固定子は、所定のターン数（Ｎ）巻き回された前記固定子巻線を有し、
   前記ターン数（Ｎ）は、前記固定子巻線に作用するｄ軸鎖交磁束をλｄ（Ｎ）なる関数で表した場合に、磁石磁束をΨa、ｄ軸インダクタンスをＬｄ、ｄ軸電流をＩｄとする下記（１）式が成立し、且つ、前記Ｉｄが負の時に、下記（２）式、もしくは（３）式が成立するように設定される、
   ことを特徴とする可変磁束型回転電機。
   [数１]
   λｄ（Ｎ）＝Ψa＋ＬｄＩｄ（Ｎ）＝０ …（１）
   [数２]
   λｄ（Ｎ）×λｄ（Ｎ＋１）≦０ …（２）
   [数３]
   λｄ（Ｎ）×λｄ（Ｎ−１）≦０ …（３）
2. 請求項１に記載の可変磁束型回転電機であって、
   前記回転子の軸方向と垂直な平面において、一つの前記ｑ軸磁路上に設けられた前記第１の磁気的障壁の面積と前記第２の磁気的障壁の面積との和は、前記永久磁石の一極分の面積以上である、
   ことを特徴とする可変磁束型回転電機。
3. 請求項１または２に記載の可変磁束型回転電機であって、
   前記バイパス路の磁束流入部及び磁束流出部は、前記回転子のエアギャップ近傍に配置され、且つ、前記第２の磁気的障壁の固定子側端部と前記エアギャップとの間に形成される領域であって、
   前記バイパス路の磁束流入部及び磁束流出部の幅と、前記回転子の外周面から前記永久磁石の前記回転子の周方向端部における埋め込み深さとは略同一である、
   ことを特徴とする可変磁束型回転電機。
4. 請求項３に記載の可変磁束型回転電機であって、
   前記ブリッジ形状部の幅と、前記第１の磁気的障壁と前記第２の磁気的障壁とに挟まれた領域における前記バイパス路の幅との和は、前記バイパス路の磁束流入部及び磁束流出部の幅以下である、
   ことを特徴とする可変磁束型回転電機。
5. 請求項４に記載の可変磁束型回転電機であって、
   前記ブリッジ形状部の幅は、前記第１の磁気的障壁と前記第２の磁気的障壁とに挟まれた領域における前記バイパス路の幅以下である、
   ことを特徴とする可変磁束型回転電機。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の可変磁束型回転電機であって、
   前記一磁極を構成する前記永久磁石が、前記回転子の周方向において少なくとも２つ以上に分割されており、
   分割された各前記永久磁石は、前記一磁極の磁極中心と前記回転子の回転中心とを結ぶ線と、分割された各前記永久磁石の回転子外周側における磁束流入出面の法線ベクトルとがなす角が、０°以上、４５°以下の範囲に収まるように配置される、
   ことを特徴とする可変磁束型回転電機。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の可変磁束型回転電機であって、
   ３６０を前記回転子の磁極数で除した値をαとし、
   前記回転子の周方向において一磁極を構成する前記永久磁石の前記磁極中心から遠い方の側面であって、当該側面の前記エアギャップに最も近い位置と、前記回転子の回転中心とを結ぶ線がなす角をβとした場合に、
   前記永久磁石は、β／αが４０％以上、５０％以下となるように配置される、
   ことを特徴とする可変磁束型回転電機。

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