JP7284503B2 - 可変磁力モータ - Google Patents

Description

本発明は、可変磁力モータに関する。

埋込型永久磁石同期モータは、高い出力密度と高効率特性を有することから、ハイブリッド自動車や電気自動車等の駆動用モータとして幅広く使用されており、更なる高性能化に向けた研究が進められている。

電気自動車等の駆動用モータに主に求められる性能として、（１）低速回転域での高トルク密度、（２）高速回転域での高効率、及び、（３）広範囲の回転域での定出力運転がある。埋込型永久磁石同期モータでは、磁極部を形成するために保磁力の大きな永久磁石である固定磁力磁石が用いられている。このようなモータにおいて上記（１）の性能を高めるためには、回転子の各磁極部において、残留磁束密度の高い永久磁石を用いたり、永久磁石の使用量を増加させたりといった手法によって、磁極部から発生する磁束量を増加させることが有効である。しかし、そのような手法によって磁束量が増加すると、高速回転域での鉄損及び誘導電圧が増加するため、上記（２）と（３）の性能が低下する。そのため、上記（１）の性能と、上記（２）及び（３）の性能は、互いにトレードオフの関係にある。

上述のようなトレードオフを解消して上記（１）～（３）の性能を同時に向上させ得る可能性のある埋込型永久磁石同期モータとして、例えば下記の特許文献１～５に記載されているような可変磁力モータが知られている。これらの可変磁力モータの回転子には、固定磁力磁石と比較して相対的に保磁力が小さく、磁束印加、例えば固定子の巻線に電流を流して発生させた磁束の印加によって磁化を増減及び反転させることが可能な永久磁石である、可変磁力磁石がさらに設けられている。

この可変磁力磁石は、一方の方向に磁化している際には磁極部から発生する磁束量を増加させて高磁束状態を達成し、他方の方向に磁化している場合には磁極部から発生する磁束量を減少させて低磁束状態を達成するように、磁極部の固定磁力磁石に対して配置されている。モータの回転数等に応じて可変磁力磁石の磁化の大きさ及び極性を変化させて磁極部から発生する磁束量を適切に制御することによって、低速回転域での高トルク密度と、高速回転域での高効率並びに広範囲の回転域での定出力運転とを、同時に向上させることが可能となり得る。

特許第５０８５０７１号公報 特許第５１００１６９号公報 特許第５１３４８４６号公報 特許第５５０２５７１号公報 特許第５３６１２６０号公報

しかしながら、従来の可変磁力モータでは、以下のような理由により、磁極の磁束量の制御性を高めつつ、モータ性能を高めることが困難であるという問題があった。

例えば、上記特許文献１～４に記載の可変磁力モータでは、可変磁力磁石は、回転子のコアを介して固定磁力磁石と磁気的に並列に配置されている。そのため、固定磁力磁石から発生して可変磁力磁石に到達する磁束は、高磁束状態では可変磁力磁石の磁化を弱める磁界として働き、低磁束状態では、可変磁力磁石の磁化を強める磁界として働く。そのため、高磁束状態から低磁束状態に変化させる場合に必要な可変磁力磁石に印加する磁束の大きさは、低磁束状態から高磁束状態に変化させる場合に必要な可変磁力磁石に印加する磁束の大きさよりも小さくなる。

ゆえに、例えば固定子の巻線に電流を流して発生させた磁束の印加によって可変磁力磁石の磁化を変化させる構成を採用した場合、高磁束状態から低磁束状態に変化させるように磁化を反転させる場合の電流（低磁束化反転電流）と、低磁束状態から高磁束状態に変化させるように磁化を反転させる場合の電流（高磁束化反転電流）が、非対称（極性が逆で大きさが異なる）となる。その結果、可変磁力磁石の磁化の制御が不十分となったり、当該制御を十分に行おうとすると固定子の巻線に流す電流を制御するインバータの容量の増加や電圧利用率の低下に繋がったりする。そのため、磁極の磁束量の制御性を高めつつ、モータ性能を高めることが困難であるという問題があった。

また、上記特許文献５に記載の可変磁力モータでは、可変磁力磁石を、回転子のコアを介して固定磁力磁石と磁気的に直列に配置されているが、このような構成においても同様の問題が生じる。即ち、この場合、固定磁力磁石から発生して可変磁力磁石に到達する磁束は、高磁束状態では可変磁力磁石の磁化を強める磁界として働き、低磁束状態では、可変磁力磁石の磁化を弱める磁界として働く。そのため、高磁束状態から低磁束状態に変化させる場合に必要な可変磁力磁石に印加する磁束の大きさは、低磁束状態から高磁束状態に変化させる場合に必要な可変磁力磁石に印加する磁束の大きさよりも大きくなる。その結果、上記と同様の問題があった。

また、上記特許文献１～５に記載されているような従来の可変磁力モータでは、可変磁力磁石の磁化を変化させるために発生させた磁束は、可変磁力磁石だけでなく、固定磁力磁石にも印加されてしまう。そのため、発生させた磁束が、可変磁力磁石に十分には印加されなくなり易い。その結果、十分な磁束が印加されずに可変磁力磁石の磁化の制御が不十分となったり、当該制御を十分に行おうとすると大きな磁束を発生させる必要があるため、固定子の巻線に流す電流を制御するインバータの容量の増加や電圧利用率の低下に繋がったりする。そのため、磁極の磁束量の制御性を高めつつ、モータ性能を高めることが困難であるという問題があった。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、磁極の磁束量の制御性を高めつつ、モータ性能を高めることが可能な可変磁力モータを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の一態様に係る可変磁力モータは、回転軸を中心に回転可能に支持された回転子であって、回転子コアと、上記回転軸の周方向に沿って交互に極性が変化する複数の磁極部を形成する、上記回転子コア内に設けられた複数の永久磁石と、上記回転子コアの隣接する２つの磁極部間に設けられた、磁化方向の保磁力が上記複数の永久磁石よりも小さい可変磁力磁石と、を有する回転子と、上記回転軸に対する径方向に空隙を介して上記回転子と対向する固定子であって、上記回転子を上記回転軸を中心に回転させる回転磁界を発生させるための固定子と、を備え、上記複数の永久磁石は、各磁極部に設けられた第１永久磁石と第２永久磁石を含み、第１永久磁石は、上記可変磁力磁石に対して上記回転子コアを介して磁気的に直列の位置に設けられ、第２永久磁石は、上記可変磁力磁石に対して上記回転子コアを介して磁気的に並列の位置に設けられている。

本発明の一態様に係る可変磁力モータでは、第１永久磁石は、上記可変磁力磁石に対して上記回転子コアを介して磁気的に直列の位置に設けられ、第２永久磁石は、上記可変磁力磁石に対して上記回転子コアを介して磁気的に並列の位置に設けられているため、第１永久磁石によって生じ、第１永久磁石と可変磁力磁石との間の磁路を通る磁束と、第２永久磁石によって生じ、第２永久磁石と可変磁力磁石との間の磁路を通る磁束は、可変磁力磁石の近傍において少なくとも部分的に相殺される。

ゆえに、高磁束状態から低磁束状態に変化させる場合に必要な可変磁力磁石に印加する磁束の大きさと、低磁束状態から高磁束状態に変化させる場合に必要な可変磁力磁石に印加する磁束の大きさとを、同一にする又は近づけることができる。そのため、例えば固定子の巻線に電流を流して発生させた磁束の印加によって可変磁力磁石の磁化を変化させる構成を採用した場合、低磁束化反転電流と高磁束化反転電流の非対称性を低減させることができる。その結果、可変磁力磁石の磁化の制御が不十分となったり、当該制御を十分に行おうとする際に固定子の巻線に流す電流を制御するインバータの容量が増加したり電圧利用率が低下したりすることを抑制することができるため、磁極の磁束量の制御性を高めつつ、モータ性能を高めることができる。

また、上述の課題を解決するため、本発明の他の態様に係る可変磁力モータは、回転軸を中心に回転可能に支持された回転子であって、回転子コアと、上記回転軸の周方向に沿って交互に極性が変化する複数の磁極部を形成する、上記回転子コア内に設けられた複数の永久磁石と、上記回転子コアの隣接する２つの磁極部間に設けられた、磁化方向の保磁力が上記複数の永久磁石よりも小さい可変磁力磁石と、上記可変磁力磁石よりも上記回転軸に対する径方向の内側に設けられたフラックスバリアと、を有する回転子と、上記径方向に空隙を介して上記回転子と対向する固定子であって、上記回転子を上記回転軸を中心に回転させる回転磁界を発生させるための固定子と、を備え、上記複数の永久磁石は、各磁極部において上記可変磁力磁石に対して上記回転子コアを介して磁気的に並列の位置に設けられた永久磁石を含み、上記磁気的に並列の位置に設けられた永久磁石は、当該永久磁石の磁化方向に又は磁化方向とは反対方向に、上記フラックスバリアの少なくとも一部と対向する。

本発明の他の態様に係る可変磁力モータでは、上記磁気的に並列の位置に設けられた永久磁石は、当該永久磁石の磁化方向に又は磁化方向とは反対方向に、上記フラックスバリアの少なくとも一部と対向するため、可変磁力磁石の磁化を変化させるために発生させた磁束が固定磁力磁石に印加されることを上記フラックスバリアによって抑制することができる。その結果、発生させた磁束を十分に可変磁力磁石に印加することができるため、磁極の磁束量の制御性を高めつつ、モータ性能を高めることができる。

本発明に係る可変磁力モータによれば、磁極の磁束量の制御性を高めつつ、モータ性能を高めることが可能となる。

第１実施形態に係る可変磁力モータの断面を示す図である。 回転子の部分的に分解した斜視図である。 回転子の回転軸に垂直な断面を示す図である。 回転子の一部の回転軸に垂直な断面を示す図である。 回転子の一部の回転軸に垂直な断面を示す図である。 回転子の一部の回転軸に垂直な断面を示す図である。 回転子の一部の回転軸に垂直な断面を示す図である。 第２実施形態の回転子の一部の回転軸に垂直な断面を示す図である。 第３実施形態の回転子の一部の回転軸に垂直な断面を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。

図１は、第１実施形態に係る可変磁力モータの断面を示す図であり、回転子の回転軸に垂直な断面を示している。本実施形態の可変磁力モータ１は、回転子１０と、固定子２０と、シャフト３０とを備えている。

回転子１０は、回転軸１０Ｘに沿って延びる実質的に円筒状の部材であり、シャフト３０は、回転軸１０Ｘに略一致した中心軸を有する実質的に円柱状の部材である。回転子１０の内周面１０Ｉは、シャフト３０の外周面に固定されている。シャフト３０は、ハウジング（図示せず）に対して回転軸１０Ｘを中心に回転可能に支持されている。これにより、固定子２０は、当該ハウジングに対して回転軸１０Ｘを中心に回転可能に支持されている。

回転子１０には、回転軸１０Ｘの周方向（以下、単に「周方向」とする）に沿って交互に極性が変化する複数（本実施形態では８極）の磁極部（Ｎ磁極部１０Ｎ及びＳ磁極部１０Ｓ）が形成されている。Ｎ磁極部１０Ｎは、回転子１０の外周面１０ＥにおいてＮ極の磁極面を有する領域であり、Ｓ磁極部１０Ｓは、回転子１０の外周面１０ＥにおいてＳ極の磁極面を有する領域である。

固定子２０は、回転子１０と同軸状に配置された実質的に円筒状の部材であり、上記ハウジングに対して固定されている。固定子２０の内周面は、回転軸１０Ｘに対する径方向（以下、単に「径方向」とする）に空隙Ｇを介して回転子１０の外周面１０Ｅと対向する。固定子２０は、磁性材料で構成される固定子コア２１と、導電材料で構成されるコイル２２とを有する。固定子コア２１は、例えばケイ素鋼などの電磁鋼等の軟磁性材料で構成される。固定子コア２１は、実質的に円筒状のヨーク部と、ヨーク部の内周面から径方向内側に突出する複数の（本実施形態では４８個の）ティース部２３を有する。コイル２２は、ティース部２３の周りに、分布巻き方式又は集中巻き方式で巻き付けられている。

外部の電源（図示せず）からインバータ（図示せず）を介してコイル２２に界磁電流が供給されると、コイル２２は、回転子１０を回転軸１０Ｘの周りに回転させる回転磁界を発生する。可変磁力モータ１は同期モータであり、上記インバータは、上記外部の電源からの電流を、目的とする回転子１０の回転数に応じた周波数の三相交流に変換する。上記インバータによってコイル２２に供給される三相交流の周波数を変更することにより、回転子１０の回転数を変更することができる。

次に、回転子１０の構成の詳細について説明する。図２は、回転子の部分的に分解した斜視図であり、図３は、回転子の回転軸に垂直な断面を示す図である。

回転子１０は、磁性材料で構成される回転子コア２と、第１永久磁石としての固定磁力磁石３と、第２永久磁石としての固定磁力磁石５、６と、可変磁力磁石８と、フラックスバリア１１とを有する。固定磁力磁石３、５、６は、複数の磁極部１０Ｎ、１０Ｓのそれぞれにおいて、１個ずつ設けられている。図２では、１つの磁極における固定磁力磁石３、５、６、及び当該磁極に隣接する２つの可変磁力磁石８を、本来の位置から回転軸１０Ｘ方向に沿って上方に移動させて、回転子コア２とは分離して示している。

回転子コア２は、例えばケイ素鋼などの電磁鋼等の軟磁性材料で構成される。

固定磁力磁石３、５、６は、ネオジム焼結磁石、又は、ネオジム磁石等の永久磁石である。固定磁力磁石３、５、６は、Ｎ磁極部１０Ｎ及びＳ磁極部１０Ｓを形成するように、それぞれ所定の方向に着磁されて磁化されている。固定磁力磁石３、５、６の磁化方向の保磁力はそれぞれ、これらの磁石の磁化が、可変磁力モータ１の動作時に印加され得る磁界によっては実質的に不可逆減磁されない程度に十分に大きい。そのため、固定磁力磁石３、５、６の磁力は、可変磁力モータ１の動作時において実質的に不変である。

可変磁力モータ１は、埋込型永久磁石モータであり、固定磁力磁石３、５、６は、回転子コア２内に埋め込まれるように設けられている。具体的には、固定磁力磁石３、５、６は、それぞれ回転軸１０Ｘに沿って延びる板状の形状を有している。回転子コア２には、回転軸１０Ｘに沿って延びる形状のスリット３Ｓ、５Ｓ、６Ｓが、１つの磁極部ごとにそれぞれ１個ずつ形成されている。そして、固定磁力磁石３、５、６は、スリット３Ｓ、５Ｓ、６Ｓ内にそれぞれ埋め込まれている。そのため、固定磁力磁石３、５、６は、回転子１０の外周面１０Ｅに露出していない。

スリット３Ｓ、５Ｓ、６Ｓは、それぞれ、一部分（本実施形態では、スリット３Ｓ、５Ｓ、６Ｓの回転軸１０Ｘと垂直な断面における幅方向の端部）が固定磁力磁石３、５、６によって占められておらず、当該一部分は空洞となり、フラックスバリアとして機能する。スリット３Ｓ、５Ｓ、６Ｓは、それぞれ、固定磁力磁石３、５、６によって完全に占められていてもよい。

図３に示されるように、各磁極部では、回転軸１０Ｘから径方向に延びて固定磁力磁石３と交差する方向において、固定磁力磁石５及び固定磁力磁石６は、固定磁力磁石３よりも回転軸１０Ｘ側に設けられている。また、回転軸１０Ｘに沿った方向から見て、固定磁力磁石３の重心点は、固定磁力磁石５の重心点及び固定磁力磁石６の重心点と比較して、回転軸１０Ｘから径方向に、より大きく離間している。固定磁力磁石３の全体が、固定磁力磁石５の全体及び固定磁力磁石６の全体と比較して、回転軸１０Ｘから径方向に、より大きく離間していてもよい。

回転軸１０Ｘと垂直な断面において、固定磁力磁石３は、その厚さ方向が径方向に沿い、その幅方向が周方向の接線方向に沿うように設けられている。回転軸１０Ｘと垂直な断面において、固定磁力磁石５及び固定磁力磁石６は、共同して径方向の外側に向かって広がるＶ字状を成すように、それらの厚さ方向が径方向と鋭角を成して、径方向に対して略対称に設けられている。これにより、固定磁力磁石３、５、６は、共同してデルタ状を成している。

可変磁力磁石８は、アルニコ磁石、サマリウムコバルト（Ｓｍ－Ｃｏ）磁石、ネオジム（Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ）磁石等の永久磁石である。可変磁力磁石８の磁化方向の保磁力は、固定磁力磁石３、５、６の磁化方向の保磁力よりも小さい。可変磁力磁石８の当該保磁力は、後述の磁化の増減磁及び反転のための磁束印加部による磁束の印加によって、可変磁力磁石８の磁化方向が不可逆的に増減磁及び反転することが可能な程度の大きさである。そのため、可変磁力磁石８の磁力は、当該磁束印加部によって可変である。

可変磁力磁石８は、隣接する磁極部間において回転子コア２内に設けられている。具体的には、可変磁力磁石８は、それぞれ回転軸１０Ｘに沿って延びる板状の形状を有しており、可変磁力磁石８の厚さ方向が、周方向の接線方向に沿うように、可変磁力磁石８の幅方向が径方向に沿うように配置されている。回転子コア２には、回転軸１０Ｘに沿って延びる形状のスリット８Ｓが、隣接する磁極部間に１個ずつ形成されている。そして、そして、可変磁力磁石８は、スリット８Ｓ内に設けられている。スリット８Ｓは、外周面１０Ｅに露出しているため、可変磁力磁石８も外周面１０Ｅに露出しているが、外周面１０Ｅに露出しないように回転子コア２内に埋め込まれていてもよい。

フラックスバリア１１は、回転子コア２に設けられた、回転子コア２よりも透磁率の低い材料で構成される回転軸１０Ｘに沿って延びる領域である。本実施形態では、フラックスバリア１１は、回転子コア２に形成された空洞、即ち、空気で構成されている。フラックスバリア１１は、各可変磁力磁石８よりも径方向の内側に設けられており、より具体的には、可変磁力磁石８の径方向の内側の端面から、径方向内側に延びている。図３に示されるように、回転軸１０Ｘに沿った方向から見て、回転軸１０Ｘからフラックスバリア１１までの径方向の長さは、回転軸１０Ｘから固定磁力磁石５までの径方向の長さ及び回転軸１０Ｘから固定磁力磁石６までの径方向の長さよりも短くなっている。

次に、各磁石の磁化状態について、より詳細に説明する。図４は、回転子の一部の回転軸に垂直な断面を示す図であり、回転子１０のうち、１つのＮ磁極部１０Ｎと、それに隣接する２つのＳ磁極部１０Ｓの近傍の領域を示している。

図４に示すように、各磁石は、その厚さ方向に沿って各磁極部の極性に応じた方向に磁化されている。具体的には、Ｎ磁極部１０Ｎにおいては、固定磁力磁石３の磁化３Ｍは、外周面１０ＥにＮ磁極面を形成するように、下面３Ｌから上面３Ｈに向かう方向に向いている。なお、固定磁力磁石３の下面とは、固定磁力磁石３の径方向と交差する２つの面のうち、回転軸１０Ｘに近い方の面と意味し、固定磁力磁石３の上面とは、固定磁力磁石３の厚さ方向と交差する２つの面のうち、回転軸１０Ｘから遠い方の面を意味する。以下の固定磁力磁石５及び固定磁力磁石６の上面及び下面についても同様である。固定磁力磁石５の磁化５Ｍは、外周面１０ＥにＮ磁極面を形成するように、下面５Ｌから上面５Ｈに向かう方向に向いており、固定磁力磁石６の磁化６Ｍは、外周面１０ＥにＮ磁極面を形成するように、下面６Ｌから上面６Ｈに向かう方向に向いている。

また、Ｓ磁極部１０Ｓにおいては、固定磁力磁石３の磁化３Ｍは、外周面１０ＥにＳ磁極面を形成するように、上面３Ｈから下面３Ｌに向かう方向に向いており、固定磁力磁石５の磁化５Ｍは、外周面１０ＥにＳ磁極面を形成するように、上面５Ｈから下面５Ｌに向かう方向に向いており、固定磁力磁石６の磁化６Ｍは、外周面１０ＥにＳ磁極面を形成するように、上面６Ｈから下面６Ｌに向かう方向に向いている。

可変磁力磁石８は、周方向の接線方向に沿って、即ち、厚さ方向に沿って磁化可能である。図４に示す状態では、可変磁力磁石８は、実質的に最大残留磁化量まで磁化されており、可変磁力磁石８の磁化８Ｍは、Ｓ磁極部１０Ｓ側の表面８ＰＳからＮ磁極部１０Ｎ側の表面８ＰＮに向かう方向を向いている。表面８ＰＮ及び表面８ＰＳは、可変磁力磁石８の厚さ方向に直交又は交差する面であり、表面８ＰＮはＮ磁極部１０Ｎと周方向に対向し、表面８ＰＳはＳ磁極部１０Ｓと周方向に対向する。そのため、可変磁力磁石８の磁化８Ｍは、Ｎ磁極部１０Ｎ及びＳ磁極部１０Ｓの磁力を強めるため、可変磁力磁石８は、Ｎ磁極部１０Ｎから発生する磁束量及びＳ磁極部１０Ｓから発生する磁束量を増加させる状態（高磁束状態）を達成するように機能している。

固定磁力磁石３は、可変磁力磁石８に対して回転子コア２を介して磁気的に直列の位置に設けられている。即ち、回転子コア２において固定磁力磁石３と可変磁力磁石８とを磁気的に並列に繋ぐ磁路の磁気抵抗よりも、回転子コア２において固定磁力磁石３と可変磁力磁石８とを磁気的に直列に繋ぐ磁路の磁気抵抗の方が小さい。

より具体的には、Ｎ磁極部１０Ｎの固定磁力磁石３については、回転子コア２における固定磁力磁石３の上面３Ｈから可変磁力磁石８の表面８ＰＮまでの磁路の磁気抵抗よりも、回転子コア２における固定磁力磁石３の下面３Ｌから可変磁力磁石８の表面８ＰＮまでの磁路の磁気抵抗の方が小さい。また、Ｓ磁極部１０Ｓの固定磁力磁石３については、回転子コア２における固定磁力磁石３の上面３Ｈから可変磁力磁石８の表面８ＰＳまでの磁路の磁気抵抗よりも、回転子コア２における固定磁力磁石３の下面３Ｌから可変磁力磁石８の表面８ＰＳまでの磁路の磁気抵抗の方が小さい。

固定磁力磁石５、６は、それぞれ可変磁力磁石８に対して回転子コア２を介して磁気的に並列の位置に設けられている。即ち、回転子コア２において固定磁力磁石５と可変磁力磁石８とを磁気的に直列に繋ぐ磁路の磁気抵抗よりも、回転子コア２において固定磁力磁石５と可変磁力磁石８とを磁気的に並列に繋ぐ磁路の磁気抵抗の方が小さい。同様に、回転子コア２において固定磁力磁石６と可変磁力磁石８とを磁気的に直列に繋ぐ磁路の磁気抵抗よりも、回転子コア２において固定磁力磁石６と可変磁力磁石８とを磁気的に並列に繋ぐ磁路の磁気抵抗の方が小さい。

より具体的には、Ｎ磁極部１０Ｎの固定磁力磁石５については、回転子コア２における固定磁力磁石５の下面５Ｌから可変磁力磁石８の表面８ＰＮまでの磁路の磁気抵抗よりも、回転子コア２における固定磁力磁石５の上面５Ｈから可変磁力磁石８の表面８ＰＮまでの磁路の磁気抵抗の方が小さい。Ｓ磁極部１０Ｓの固定磁力磁石５については、回転子コア２における固定磁力磁石５の下面５Ｌから可変磁力磁石８の表面８ＰＳまでの磁路の磁気抵抗よりも、回転子コア２における固定磁力磁石５の上面５Ｈから可変磁力磁石８の表面８ＰＳまでの磁路の磁気抵抗の方が小さい。

同様に、Ｎ磁極部１０Ｎの固定磁力磁石６については、回転子コア２における固定磁力磁石６の下面６Ｌから可変磁力磁石８の表面８ＰＮまでの磁路の磁気抵抗よりも、回転子コア２における固定磁力磁石６の上面６Ｈから可変磁力磁石８の表面８ＰＮまでの磁路の磁気抵抗の方が小さい。Ｓ磁極部１０Ｓの固定磁力磁石６については、回転子コア２における固定磁力磁石６の下面６Ｌから可変磁力磁石８の表面８ＰＳまでの磁路の磁気抵抗よりも、回転子コア２における固定磁力磁石６の上面６Ｈから可変磁力磁石８の表面８ＰＳまでの磁路の磁気抵抗の方が小さい。

固定磁力磁石３は可変磁力磁石８に対して回転子コア２を介して磁気的に直列の位置に設けられているため、Ｎ磁極部１０Ｎの固定磁力磁石３で生じる磁束は、可変磁力磁石８から固定磁力磁石３の下面３Ｌに向かうように可変磁力磁石８と固定磁力磁石３の下面３Ｌとの間の磁気的に直列の磁路を通る磁束３Ｆを含み、Ｓ磁極部１０Ｓの固定磁力磁石３で生じる磁束は、固定磁力磁石３の下面３Ｌから可変磁力磁石８に向かうように、固定磁力磁石３の下面３Ｌと可変磁力磁石８との間の磁気的に直列の磁路を通る磁束３Ｆを含む。

固定磁力磁石５、６は、それぞれ可変磁力磁石８に対して回転子コア２を介して磁気的に並列の位置に設けられているため、Ｎ磁極部１０Ｎの固定磁力磁石５で生じる磁束は、固定磁力磁石５の上面５Ｈから可変磁力磁石８に向かうように固定磁力磁石５の上面５Ｈと可変磁力磁石８との間の磁気的に並列の磁路を通る磁束５Ｆを含み、Ｓ磁極部１０Ｓの固定磁力磁石５で生じる磁束は、可変磁力磁石８から固定磁力磁石５の上面５Ｈに向かうように可変磁力磁石８と固定磁力磁石５の上面５Ｈとの間の磁気的に並列の磁路を通る磁束５Ｆを含む。

同様に、Ｎ磁極部１０Ｎの固定磁力磁石６で生じる磁束は、固定磁力磁石６の上面６Ｈから可変磁力磁石８に向かうように固定磁力磁石６の上面６Ｈと可変磁力磁石８との間の磁気的に並列の磁路を通る磁束６Ｆを含み、Ｓ磁極部１０Ｓの固定磁力磁石６で生じる磁束は、可変磁力磁石８から固定磁力磁石６の上面６Ｈに向かうように可変磁力磁石８と固定磁力磁石６の上面６Ｈとの間の磁気的に並列の磁路を通る磁束６Ｆを含む。

そして、磁束３Ｆと磁束５Ｆは、可変磁力磁石８の近傍において、同一又は近接した磁路内を互いに反対方向に向かうため、可変磁力磁石８の近傍において少なくとも部分的に、好ましくは実質的に完全に相殺される。同様に、磁束３Ｆと磁束６Ｆは、可変磁力磁石８の近傍において、同一又は近接した磁路内を互いに反対方向に向かうため、可変磁力磁石８の近傍において部分的に、好ましくは実質的に完全に相殺される。

また、Ｎ磁極部１０Ｎの固定磁力磁石５は、その磁化５Ｍの方向とは反対方向に、フラックスバリア１１の一部と対向し、Ｎ磁極部１０Ｎの固定磁力磁石６は、その磁化６Ｍの方向とは反対方向に、フラックスバリア１１の一部と対向し、Ｓ磁極部１０Ｓの固定磁力磁石５は、その磁化５Ｍの方向に、フラックスバリア１１の一部と対向し、Ｓ磁極部１０Ｓの固定磁力磁石６は、その磁化６Ｍの方向に、フラックスバリア１１の一部と対向する。

次に、各磁極部から発生する磁束量を減少させる方法について説明する。図５、図６は、回転子の一部の回転軸に垂直な断面を示す図であり、図４と同じ領域を示している。各磁極部から発生する磁束量を減少させるために、本実施形態では固定子２０のコイル２２（図１参照）を磁束印加部として使用して、可変磁力磁石８の磁化８Ｍの向きを反転させる。

具体的には、図５に示すように、可変磁力磁石８に対して、高磁束状態（図４参照）の磁化８Ｍの向きとは反対向きに、可変磁力磁石８の磁化８Ｍを実質的に飽和させる大きさの磁束ＦＤが印加されるように、固定子２０のコイル２２（図１参照）に、上記インバータで制御した電流（低磁束化反転電流）を流す。この低磁束化反転電流は、例えばパルス状である。この低磁束化反転電流は、回転子１０を回転させるための界磁電流がコイル２２に供給されている際に、この界磁電流に重畳してコイル２２に供給されてもよいし、界磁電流がコイル２２に供給されていないときに、コイル２２に供給されてもよい。

磁束ＦＤを発生させる際、磁束印加部（本実施形態では固定子２０のコイル２２）からは、可変磁力磁石８には印加されずに第２永久磁石（本実施形態では固定磁力磁石５、６）に印加される磁束ＦＤＸも生じ得る。しかしながら、上述のような本実施形態の可変磁力モータ１の回転子１０はフラックスバリア１１を有し、固定磁力磁石５及び固定磁力磁石６は、それらの磁化５Ｍ及び磁化６Ｍの方向に又は磁化５Ｍ及び磁化６Ｍの方向とは反対方向に、フラックスバリア１１の一部と対向するため、磁束ＦＤＸが固定磁力磁石５及び固定磁力磁石６に印加されることを抑制することができる。その分、磁束印加部から生じる磁束は可変磁力磁石８近傍に集中するため、磁束ＦＤを大きくすることができる。

その結果、発生させた磁束を十分に可変磁力磁石８に印加することができるため、十分な磁束が印加されないことに起因して可変磁力磁石８の磁化８Ｍの制御が不十分となったり、当該制御を十分に行うために大きな磁束を発生させることに起因して、固定子２０のコイル２２に流す電流を制御するインバータの容量の増加や電圧利用率の低下に繋がったりすることを抑制することができる。ゆえに、Ｎ磁極部１０Ｎ及びＳ磁極部１０Ｓの磁束量の制御性を高めつつ、モータ性能を高めることができる。

磁束ＦＤの印加が終了すると、図６に示すように、可変磁力磁石８は、実質的に最大飽和磁化量まで磁化され、可変磁力磁石８の磁化８Ｍは、Ｎ磁極部１０ＮからＳ磁極部１０Ｓに向かう方向を向いている。この状態では、可変磁力磁石８の磁化８Ｍは、Ｎ磁極部１０Ｎ及びＳ磁極部１０Ｓの磁力を弱めるため、可変磁力磁石８は、Ｎ磁極部１０Ｎから発生する磁束量及びＳ磁極部１０Ｓから発生する磁束量を減少させる状態（低磁束状態）を達成するように機能している。

低磁束状態においても、高磁束状態における場合と同様に、磁束３Ｆと磁束５Ｆは、可変磁力磁石８の近傍において、同一又は近接した磁路内を互いに反対方向に向かうため、可変磁力磁石８の近傍において少なくとも部分的に、好ましくは実質的に完全に相殺される。同様に、磁束３Ｆと磁束６Ｆは、可変磁力磁石８の近傍において、同一又は近接した磁路内を互いに反対方向に向かうため、可変磁力磁石８の近傍において少なくとも部分的に、好ましくは実質的に完全に相殺される。

低磁束状態から高磁束状態への変更は、以下のように行う。図７は、回転子の一部の回転軸に垂直な断面を示す図であり、図４と同じ領域を示している。各磁極部から発生する磁束量を増加させるために、本実施形態では固定子２０のコイル２２（図１参照）を磁束印加部として使用して、可変磁力磁石８の磁化８Ｍの向きを反転させる。

具体的には、図７に示すように、可変磁力磁石８に対して、低磁束状態（図６参照）の磁化８Ｍの向きとは反対向きに、可変磁力磁石８の磁化８Ｍを実質的に飽和させる大きさの磁束ＦＭが印加されるように、固定子２０のコイル２２（図１参照）に、上記インバータで制御した電流（高磁束化反転電流）を流す。この高磁束化反転電流は、例えばパルス状である。この高磁束化反転電流は、回転子１０を回転させるための界磁電流がコイル２２に供給されている際に、この界磁電流に重畳してコイル２２に供給されてもよいし、界磁電流がコイル２２に供給されていないときに、コイル２２に供給されてもよい。磁束ＦＭの印加が終了すると、図４に示した高磁束状態となる。

図７で示すように磁束ＦＭを発生させる際、磁束印加部（本実施形態では固定子２０のコイル２２）からは、可変磁力磁石８には印加されずに第２永久磁石（本実施形態では固定磁力磁石５、６）に印加される磁束ＦＭＸも生じ得る。しかしながら、上述のような本実施形態の可変磁力モータ１の回転子１０はフラックスバリア１１を有し、固定磁力磁石５及び固定磁力磁石６は、それらの磁化５Ｍ及び磁化６Ｍの方向に又は磁化５Ｍ及び磁化６Ｍの方向とは反対方向に、フラックスバリア１１の一部と対向するため、磁束ＦＭＸが固定磁力磁石５及び固定磁力磁石６に印加されることを抑制することができる。その分、磁束印加部から生じる磁束は可変磁力磁石８近傍に集中するため、磁束ＦＤを大きくすることができる。

その結果、発生させた磁束を十分に可変磁力磁石８に印加することができるため、十分な磁束が印加されないことに起因して可変磁力磁石８の磁化の制御が不十分となったり、当該制御を十分に行うために大きな磁束を発生させることに起因して、固定子２０のコイル２２に流す電流を制御するインバータの容量の増加や電圧利用率の低下に繋がったりすることを抑制することができる。ゆえに、Ｎ磁極部１０Ｎ及びＳ磁極部１０Ｓの磁束量の制御性を高めつつ、モータ性能を高めることができる。

可変磁力モータ１では、磁束印加部としての固定子２０のコイル２２（図１参照）から可変磁力磁石８に印加する磁束ＦＤ（図５参照）又は磁束ＦＭ（図７参照）の大きさを適宜調節することによって、高磁束状態（図４参照）と低磁束状態（図６参照）との間の中間状態を実現することもできる。上述のような本実施形態に係る可変磁力モータ１によれば、例えば低速回転域では高磁束状態で回転動作させ、高速回転域では低磁束状態で回転動作させるなど、モータの回転数等に応じて可変磁力磁石８の磁化８Ｍの大きさ及び極性を変化させて各磁極部から発生する磁束量を適切に制御することによって、低速回転域での高トルク密度と、高速回転域での高効率並びに広範囲の回転域での定出力運転とを、同時に向上させることが可能となる。

その上、上述のような本実施形態に係る可変磁力モータ１では、第１永久磁石としての固定磁力磁石３は、可変磁力磁石８に対して回転子コア２を介して磁気的に直列の位置に設けられ、第２永久磁石としての固定磁力磁石５、６は、可変磁力磁石８に対して回転子コア２を介して磁気的に並列の位置に設けられているため、上述のように固定磁力磁石３から生じる磁束の一部である磁束３Ｆと固定磁力磁石５から生じる磁束の一部である磁束５Ｆは、可変磁力磁石８の近傍において、少なくとも部分的に相殺される（図４参照）。ゆえに、高磁束状態（図４参照）から低磁束状態（図６参照）に変化させる場合に必要な可変磁力磁石８に印加する磁束の大きさと、低磁束状態から高磁束状態に変化させる場合に必要な可変磁力磁石８に印加する磁束の大きさとを、同一にする又は近づけることができる。

そのため、回転子コア２が第１永久磁石及び第２永久磁石の一方のみを有する場合と比較して、高磁束状態から低磁束状態に変化させる場合の低磁束化反転電流と、低磁束状態から高磁束状態に変化させる場合の高磁束化反転電流の非対称性を低減させることができる。その結果、可変磁力磁石８の磁化８Ｍの制御が不十分となったり、当該制御を十分に行おうとする際に固定子２０のコイル２２に流す電流を制御するインバータの容量が増加したり電圧利用率が低下したりすることを抑制することができるため、Ｎ磁極部１０Ｎ及びＳ磁極部１０Ｓの磁束量の制御性を高めつつ、モータ性能を高めることができる。

次に、第２実施形態に係る可変磁力モータについて説明する。第２実施形態の可変磁力モータは、第１実施形態の可変磁力モータ１と回転子の構造が異なる。

図８は、第２実施形態の回転子の一部の回転軸に垂直な断面を示す図であり、第１実施形態の図４と同じ領域を示す図である。

第２実施形態の回転子１０Ａは、フラックスバリア１１を有しておらず、フラックスバリア１１に対応する領域も回転子コア２で構成されている点において、第１実施形態の回転子１０と異なる（図４参照）。

第２実施形態の回転子１０Ａを備える可変磁力モータにおいても、第１実施形態の可変磁力モータ１と同様の理由に基づき、固定磁力磁石３から生じる磁束の一部である磁束３Ｆと固定磁力磁石５から生じる磁束の一部である磁束５Ｆは、可変磁力磁石８の近傍において、少なくとも部分的に相殺されるため、Ｎ磁極部１０Ｎ及びＳ磁極部１０Ｓの磁束量の制御性を高めつつ、モータ性能を高めることができる。

次に、第３実施形態に係る可変磁力モータについて説明する。第３実施形態の可変磁力モータは、第１実施形態の可変磁力モータ１と回転子の構造が異なる。

図９は、第３実施形態の回転子の一部の回転軸に垂直な断面を示す図であり、第１実施形態の図４と同じ領域を示す図である。

第３実施形態の回転子１０Ｂは、第１永久磁石としての固定磁力磁石３を有しておらず、固定磁力磁石３に対応する領域も回転子コア２で構成されている点において、第１実施形態の回転子１０と異なる（図４参照）。第３実施形態の回転子１０Ｂを備える可変磁力モータにおいても、第１実施形態の可変磁力モータ１と同様の理由に基づき、回転子１０がフラックスバリア１１を有するため、磁束ＦＤ又は磁束ＦＭを発生させる際に磁束ＦＤＸ又は磁束ＦＭＸが固定磁力磁石５及び固定磁力磁石６に印加されることを抑制することができるため（図５及び図７参照）、Ｎ磁極部１０Ｎ及びＳ磁極部１０Ｓの磁束量の制御性を高めつつ、モータ性能を高めることができる。

本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。

例えば、上記第１～第３実施形態の可変磁力モータの回転子１０、１０Ａ、１０Ｂは、各磁極部に第２永久磁石として一対の固定磁力磁石５、６を有していたが（図４、図８及び図９参照）、各磁極部に第２永久磁石としての１個の固定磁力磁石を有していてもよい。この場合、当該第２永久磁石としての１個の固定磁力磁石は、例えば固定磁力磁石３と同様に回転軸１０Ｘに沿って延びる板状の形状を有し、その厚さ方向が径方向に沿い、その幅方向が周方向の接線方向に沿うように、固定磁力磁石３よりも回転軸１０Ｘ側に設けることができる。また、当該第２永久磁石としての１個の固定磁力磁石は、可変磁力磁石８に対して回転子コア２を介して磁気的に並列の位置に設けられている。

１…可変磁力モータ、２…回転子コア、３…固定磁力磁石、５…固定磁力磁石、６…固定磁力磁石、８…可変磁力磁石、１０…回転子、１０Ｘ…回転軸、１０Ｎ…Ｎ磁極部、１０Ｓ…Ｓ磁極部。

Claims (2)

1. 回転軸を中心に回転可能に支持された回転子であって、回転子コアと、前記回転軸の周方向に沿って交互に極性が変化する複数の磁極部を形成する、前記回転子コア内に設けられた複数の永久磁石と、前記回転子コアの隣接する２つの磁極部間に設けられた、磁化方向の保磁力が前記複数の永久磁石よりも小さい可変磁力磁石と、を有する回転子と、
   前記回転軸に対する径方向に空隙を介して前記回転子と対向する固定子であって、前記回転子を前記回転軸を中心に回転させる回転磁界を発生させるための固定子と、
   を備え、
   前記複数の永久磁石は、各磁極部に設けられた第１永久磁石と第２永久磁石を含み、
   前記第１永久磁石は、前記可変磁力磁石に対して前記回転子コアを介して磁気的に直列の位置に設けられ、前記第２永久磁石は、前記可変磁力磁石に対して前記回転子コアを介して磁気的に並列の位置に設けられている、可変磁力モータ。
2. 回転軸を中心に回転可能に支持された回転子であって、回転子コアと、前記回転軸の周方向に沿って交互に極性が変化する複数の磁極部を形成する、前記回転子コア内に設けられた複数の永久磁石と、前記回転子コアの隣接する２つの磁極部間に設けられた、磁化方向の保磁力が前記複数の永久磁石よりも小さい可変磁力磁石と、前記可変磁力磁石よりも前記回転軸に対する径方向の内側に設けられたフラックスバリアと、を有する回転子と、
   前記径方向に空隙を介して前記回転子と対向する固定子であって、前記回転子を前記回転軸を中心に回転させる回転磁界を発生させるための固定子と、
   を備え、
   前記複数の永久磁石は、各磁極部において前記可変磁力磁石に対して前記回転子コアを介して磁気的に並列の位置に設けられた永久磁石を含み、
   前記磁気的に並列の位置に設けられた永久磁石は、当該永久磁石の磁化方向に又は磁化方向とは反対方向に、前記フラックスバリアの少なくとも一部と対向する、可変磁力モータ。

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