JPH06351206A

JPH06351206A - ハイブリッド励磁形永久磁石同期回転機

Info

Publication number: JPH06351206A
Application number: JP5242475A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Mizuno; 孝行水野
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1993-04-14
Filing date: 1993-09-29
Publication date: 1994-12-22
Also published as: US5682073A; EP0620634A1; DE69406706T2; TW278267B; EP0620634B1; KR0140314B1; DE69406706D1

Abstract

(57)【要約】【目的】いわゆる減磁制御を行なうことなく運転可能
範囲を拡大し、効率良く鉄損も減少したハイブリッド励
磁形永久磁石同期回転機を提供する。【構成】永久磁石１３による磁束を直流励磁巻線５に
よる直流磁束の調整により、弱めたり強めたりするよう
にしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、永久磁石式電動機や発
電機（以下ＰＭ回転機と称する）に係り、特に励磁回路
に永久磁石（以下ＰＭと称する）のみならず電磁石を備
えたいわゆるハイブリッド励磁形ＰＭ回転機に関する。

【０００２】

【従来の技術】電動機を例にとると従来から存在するＰ
Ｍモータは、界磁極にＰＭを有する構造で、固定子側の
電機子に例えば三相巻線を備え、回転子側の界磁として
図３４（ａ）に示す界磁鉄心０１の表面に張付けたＰＭ
０２や、同図（ｂ）に示す界磁鉄心０１の内部に埋込ん
だＰＭ０２を備え、電機子に生ずる回転磁界とＰＭ０２
との相互作用にて同期機として運転されるものである。

【０００３】さて、これらの型式のＰＭモータをみる
に、ＰＭ０２による磁束は、そのＰＭ自体の特性および
磁気回路のパーミアンスにより決定され、回転数に関係
なく一定に保たれる。したがって、電機子巻線に誘起さ
れる電圧は回転数に比例して増加することになり、この
誘起電圧と一次インピーダンス降下の和となる端子電圧
と電源電圧の最大値とが一致したときの回転数が最高回
転数として定まることになる。かかる特性を有するＰＭ
モータにあって、電源電圧を一定として定出力運転を行
なう場合、前述の最高回転数を更に上昇させて運転速度
を広くするための方策として、電機子巻線にＰＭ０２に
よる磁束を打ち消す電流を流して等価的に誘起電圧を下
げるといういわゆる減磁制御が提案されている。図３５
はこの減磁制御を説明したもので、定トルク範囲では電
流一定電圧増加特性であり、モータ端子電圧と電源電圧
の最大値とが一致した最大速度（図では基底速度ｎ₀）
以後は、定出力範囲として回転数によって決まる電流を
流して減磁制御を行ない最高回転数の上昇を行なうもの
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本来、ＰＭモータはＰ
Ｍを用いるために励磁入力が不要となり高効率である特
長があるが、上述の減磁制御を行なうに当っては、図３
５にも示される如く、定出力運転範囲を広くする程減磁
のための電流が必要となり効率が低下するという問題が
生ずる。しかも、減磁のための電流は、図３５にも示す
ように無負荷であっても必要不可欠であり、効率の低下
は極めて大きい。また、高速運転のために誘起電圧を下
げれば良いとすれば、電機子巻線のターン数を減らすこ
とも考えられるが、この場合にはトルクを発生させる電
流がターン数の減少に伴って大きくなり、結局電源の電
流容量が大きくなってしまうという問題となる。更に、
電動機の鉄損に着目すると、高速になる程鉄損が大きく
なるのであるが、ＰＭモータでは磁束が一定であるため
一層鉄損が増大する。そして、減磁制御によりこの鉄損
はＰＭのみの場合より若干減少するが、なおこの損失は
無視できない。

【０００５】本発明は、いわゆる減磁制御を用いること
なく運転可能速度範囲を増大させ、効率を低下させるこ
となく、しかも鉄損も減少させるようにしたハイブリッ
ド励磁形ＰＭ回転機の提供を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成する本
発明は、（１）電機子内又は電機子外にて回転する回転子鉄心
に、ギャップを介して上記電機子に磁束を通す永久磁石
を備え、上記回転子鉄心の上記永久磁石が配置されない
部分を、上記永久磁石による磁束に影響を与える磁束を
通すよう上記ギャップを介して電機子と対峙させ、上記
回転子鉄心の上記永久磁石が配置されない部分を通る磁
束として直流可変磁束を与える直流励磁巻線を備えた、
ことを特徴とし、

【０００７】（２）回転子周方向に交互に等配に永久磁
石とこの永久磁石が配置されない回転子鉄心部分である
突極状部とを配列したものを、軸方向に沿って一対備
え、この一対の配列したもののうち軸方向に沿う同じ側
の永久磁石は同極異なる側の永久磁石は異極とし、しか
も上記永久磁石の軸方向に沿う位置には突極状部が位置
する回転子構造としたことを特徴とし、

【０００８】（３）回転子の永久磁石と突極状部との軸
方向位置に対応してヨークで磁気的に結合される電機子
鉄心を軸方向に沿い一対備え、これら電機子鉄心間にリ
ング状に卷回された直流励磁巻線を備えた電機子構造と
したことを特徴とし、

【０００９】（４）回転子の永久磁石と突極状部との軸
方向位置に対応してヨークで磁気的に結合される電機子
鉄心を軸方向に沿い一対備え、これら各電機子鉄心に片
方の電機子鉄心は全て同極性となり双方の電機子鉄心相
互としては逆極性となる直流励磁巻線をそれぞれ備えた
電機子構造としたことを特徴とし、

【００１０】（５）回転子の永久磁石と突極状部との軸
方向位置に対応してヨークで磁気的に結合される電機子
鉄心を軸方向に沿い一対備え、これら電機子鉄心間にリ
ング状に卷回された直流励磁巻線を複数個互いに逆極性
となるよう備えた電機子構造としたことを特徴とし、

【００１１】（６）回転子の永久磁石と突極状部に対応
して単一の電機子鉄心をフレームに備え、このフレーム
に連結され回転子を支える軸方向両端のブラケットにそ
れぞれ直流励磁巻線を備えたことを特徴とし、

【００１２】（７）突極状部には軸方向に沿ってダンパ
ー巻線及びエンドリングが備えられたことを特徴とし、

【００１３】（８）軸方向に沿って２分割された電機子
鉄心には別々に電機子巻線が施されたことを特徴とし、

【００１４】（９）軸方向に沿って２分割された電機子
鉄心において、各電機子鉄心には斜めスロットを施し、
かつ各電機子鉄心の斜めスロットがつながるように形成
したことを特徴とし、

【００１５】（１０）軸方向に沿って２分割された電機
子鉄心において、一方の電機子鉄心と他方の電機子鉄心
とを１／２スロットピッチだけずらしたことを特徴と
し、

【００１６】（１１）電機子鉄心を備えるフレーム、回
転子鉄心を回転自在に支えるシャフトおよびブラケット
の少なくとも一つを非磁性材料にて形成したことを特徴
とし、

【００１７】（１２）直流励磁巻線に流す電流は、電源
周波数や回転数、磁束指令のいずれかに従って予め設定
された励磁電流指令に基づき、制御された直流電流であ
る制御系を有することを特徴とし、

【００１８】（１３）回転子周方向に交互に等配に永久
磁石とこの永久磁石が配置されない回転子鉄心部分であ
る突極状部との配列したものを軸方向に沿って一対備え
た回転子にあっては、永久磁石を回転子鉄心内に埋込ん
だ構造とし、しかも回転子の軸方向に沿い複数枚の非磁
性補強板を備え、この非磁性補強板及び回転子鉄心にダ
ンパー巻線を施したことを特徴とし、

【００１９】（１４）永久磁石に相応する回転子鉄心中
央、突極状部の中央に軸方向に沿ってスリットを設けた
ことを特徴とし、

【００２０】（１５）くし形回転子鉄心にあって、一方
の極側に永久磁石を備え、他方の極側は永久磁石が配置
されない部分としてこの他方の極側に直流励磁巻線を備
えたことを特徴とし、

【００２１】（１６）くし形回転子鉄心にあって、一方
の極側及び他の極側それぞれにその極の鉄心長より短い
永久磁石を備え、しかも同一の極側は同極性異なる極側
は異極性の永久磁石を備えたことを特徴とし、

【００２２】（１７）くし形回転子鉄心にあって一方の
極側及び他方の極側それぞれの回転子鉄心間に同じ極側
が同極となるように永久磁石を配置したことを特徴と
し、

【００２３】（１８）回転子である回転板の周方向に沿
って永久磁石及び磁性材料を交互に配置し、この回転板
の両側に電機子を備え、回転板の表裏に磁束を通す直流
励磁巻線を備えたことを特徴とし、

【００２４】（１９）シャフトの軸方向に沿って複数個
の界磁を備え、この界磁に対応して複数の電機子を備え
たことを特徴とする。

【００２５】

【作用】永久磁石による磁束を直流励磁巻線による直流
磁束の調整により、弱めたり強めたりすることができ
て、電機子誘導電圧を調節できた。

【００２６】

【実施例】ここで、図１〜図２を参照して本発明の実施
例を説明する。図１〜図５は、一実施例を示しており、
図１において、１は固定子である電機子、２はこの電機
子の鉄心、３は電機子巻線、４は円筒形のヨークであ
る。このうち、電機子鉄心２は、軸方向に２分割された
成層鉄心であり、片側の部分を便宜上Ｎ極側鉄心２ａ、
他の片側の部分を便宜上Ｓ極側鉄心２ｂとした場合、Ｎ
極側鉄心２ａとＳ極側鉄心２ｂとはその間に図４に示す
リング状の直流の励磁巻線５を挾むように軸方向に沿っ
て備えられている。そして、Ｎ極側鉄心２ａとＳ極側鉄
心２ｂとは、ヨーク４によって磁気的に結合されかつ機
械的に支持されている。また、電機子巻線３は、Ｎ極側
鉄心２ａとＳ極側鉄心２ｂとをまたぐようにして備えら
れている。励磁巻線５は、図４の如くリング状に卷回さ
れた電線５ａを絶縁処理したもので、電源容量や機械寸
法に合わせて必要な起磁力を生ずるように十分なターン
数卷回される。

【００２７】他方、回転子１１は、回転子鉄心１２とＰ
Ｍ１３とを有し、このうち回転子鉄心１２はシャフト１
５に連結されたヨーク１４に支持固定されている。ここ
において、回転子鉄心１２は、部分的に突き出た構造で
突極状をなし、ＰＭ１３が備えられる部分以外の個所に
あって突極状部１２ａを形成する。そして、この突極状
部１２ａは、固定子のＮ極側鉄心２ａとＳ極側鉄心２ｂ
とに対応して設けられ、便宜上Ｎ極側突極状部１２ａＮ
とＳ極側突極状部１２ａＳとに分けられる。すなわち、
突極状部１２ａは、固定子のＮ極側鉄心２ａとＳ極側鉄
心２ｂとの軸方向の長さに対応して設けられ、しかも周
方向に一定幅を有してＮ極側突極状部１２ａＮ及びＳ極
側突極状部１２ａＳとして存在する。そして、Ｎ極側突
極状部１２ａＮには、周方向に隣り合ってＮ極ＰＭ１３
が図２（ａ）の如く配置され、またＳ極側突極状部１２
ａＳにも周方向に隣り合ってＳ極ＰＭ１３が図２（ｂ）
の如く配置される。しかも、軸方向には、Ｎ極側突極状
部１２ａＮとＳ極ＰＭ１３とが並び、またＮ極ＰＭ１３
とＳ極側突極状部１２ａＳとが並んでいる構造である。
この結果、回転子１１は、図３に示す如くＮ極側突極状
部１２ａＮとＮ極側ＰＭ１３とが周方向に交互に配置さ
れ、軸方向に励磁巻線５分隔たってＳ極側突極状部１２
ａＳとＳ極ＰＭ１３とが周方向に交互に配置され、しか
も軸方向には突極状部１２ａとＰＭ１３とが並んでいる
ものである。また、突極状部１２ａは、周方向にＰＭ１
３の極数と同じ数だけ形成されている。図２，図３に示
す例はＰＭ１３を６極配置した例を示しているが、極数
はこれに限らず８極等種々の極数が考えられる。また、
図１，図２では回転子鉄心１２の突極状部１２ａの表面
とＰＭ１３の表面とが同一円周面を形成するように構成
されているが、ギャップを小さくして突極状部１２ａを
通る有効磁束を多くするよう突極状部１２ａの突き出し
量をＰＭ１３の厚さより大きくできる。更に、図２，図
３ではＰＭ１３と突極状部１２ａの幅を同じ幅とした
が、上述と同様磁束を多くするため突極状部１２ａの幅
をＰＭ１３より広げるようにしてもよい。なお、回転子
鉄心１２は塊状鉄心でもよい。図１にあって、ＰＭ１３
は回転子鉄心１２の突極状部１２ａ以外の所定個所に張
り付けられて固定され、また、回転子鉄心１２は円筒形
のヨーク１４に挿着されて支持される。

【００２８】本実施例の構造は、図１〜図４の如くであ
るが、ここで、かかる構造により磁束の制御動作につい
て述べる。図１に示す直流の励磁巻線５に直流電流を流
した場合、例えば図１実線のように、電機子のヨーク４
→Ｓ極側鉄心２ｂ→ギャップ→Ｓ極側突極状部１２ａＳ
→回転子鉄心１２→回転子ヨーク１４→回転子鉄心１２
→Ｎ極側突極状部１２ａＮ→ギャップ→Ｎ極側鉄心２ａ
→ヨーク４という具合に閉磁路が形成される。この場
合、磁束の方向は、直流電流の向きにより制御でき、大
きさは電流の大きさにより制御できる。励磁巻線５によ
る直流磁束の発生を前提として、ＰＭ１３による磁束の
調整は次のようになる。

【００２９】＜直流励磁電流０の場合＞直流励磁電流に
よる磁束は存在せず、ＰＭ１３による磁束のみとなる。
つまり、Ｎ極ＰＭ１３からの磁束は、ギャップ→Ｎ極側
鉄心２ａ→電機子→ヨーク４→Ｓ極側鉄心２ｂ→ギャッ
プ→Ｓ極ＰＭ１３→回転子鉄心１２→回転子ヨーク１４
→回転子鉄心１２→Ｎ極ＰＭ１３からなる経路を辿る。
この場合、ギャップ磁束は、ＰＭ１３の残留磁束密度
（磁石の特性）と表面積で決まることになる。かかる状
態を回転子表面での磁束としてみると、図５（ｂ）に示
すようになり、Ｎ極ＰＭ１３から電機子ヨーク４を通り
Ｓ極ＰＭ１３に至り、Ｓ極ＰＭ１３から回転子ヨーク１
４を通りＮ極ＰＭ１３に至る。したがって、回転子の回
転によって電機子巻線３を構成する各コイルは、Ｎ極ま
たはＳ極のどちらか一方の極の磁束を切ることとなり、
この結果、電機子巻線３には回転数と極数とによって定
まる周波数の交流電圧が誘起される。なお、Ｉ _DCは直流
励磁電流を示す。こうして、本例のＩ_DC＝０の場合に
は、ＰＭ１３によって生ずる誘起電圧と電源電圧とによ
り決まる最大回転数が得られる。

【００３０】＜直流励磁電流による磁束がＰＭ１３の磁
束と同一方向となる場合、（Ｉ_DC＞０の場合＞ＰＭ１３
による磁束はＮ極ＰＭ１３とＳ極ＰＭ１３との間で作ら
れることに変りはない。一方、直流の励磁巻線による磁
束は、磁気抵抗が小さな経路を通り、Ｓ極側鉄心２ｂ→
ギャップ→Ｓ極側突極状部２ａＳ→回転子鉄心１２→回
転子ヨーク１４→回転子鉄心１２→Ｎ極側突極状部１２
ａＮ→ギャップ→Ｎ極側鉄心２ａ→電機子ヨーク４を通
る。この場合、ＰＭ１３による透磁率は空気に近く、磁
石の磁気抵抗が大きいため、直流磁束は突極状部１２ａ
を通る。この結果、回転子表面での合成磁束数をみる
と、図５（ａ）の如くＮ極側突極状部１２ａＮから出た
磁束が軸方向に並んでいるＳ極ＰＭ１３へ至り、Ｎ極Ｐ
Ｍ１３から出た磁束が軸方向に並んでいるＳ極側突極状
部１２ａＳへ至ることになる。したがって、電機子巻線
３を構成する軸方向に沿って配列された各コイルでは、
Ｎ極側で切る磁束の方向とＳ極側で切る磁束の方向が逆
となり、互いに反対方向の誘起電圧が生じ、全体として
誘起電圧は減少する。つまり、直流励磁電流の大きさに
よって、誘起電圧が小さくでき、その大きさによっては
誘起電圧を０とすることができる。こうして、ＰＭ１３
の磁束と同一方向の磁束を作ることによって、等価的に
界磁磁束を弱める（減磁する）こととなる。

【００３１】＜直流励磁電流による磁束がＰＭ１３の磁
束と異なる（反対）方向となる場合、（Ｉ_DC＜０の場
合）このケースについてもＰＭ１３による磁束は、Ｎ極ＰＭ
１３とＳ極ＰＭ１３とにより作られることに変りはな
い。一方、直流の励磁巻線による磁束は、やはり磁気抵
抗の小さな経路を通り、Ｎ極側鉄心２ａ→ギャップ→Ｎ
極側突極状部１２ａＮ→回転子鉄心１２→回転子ヨーク
１４→回転子鉄心１２→Ｓ極側突極状部１２ａＳ→ギャ
ップ→Ｓ極側鉄心２ｂ→電機子ヨーク４を通る。この結
果、回転子表面での合成磁束をみると、図５（ｃ）の如
くＮ極ＰＭ１３から出た磁束が周方向に隣り合うＮ極側
突極状部１２ａＮへ至り、またＳ極側突極状部１２ａＳ
から出た磁束が周方向に隣り合うＳ極ＰＭ１３へ至るこ
とになる。したがって、電機子巻線３を構成する軸方向
に沿ってスロット内を通る各コイルでは、Ｎ極側で切る
磁束の方向とＳ極側で切る磁束の方向とが同方向とな
り、同一方向の誘起電圧が生じ、全体として誘起電圧が
増加する。つまり、直流励磁電流の大きさによって誘起
電圧が高くできる。こうして、ＰＭ１３の磁束と反対方
向の磁束を作ることにより、等価的に界磁磁束を強める
（増磁する）こととなる。

【００３２】以上の結果、直流励磁電流の向きと大きさ
を連続的に変化させることにより、界磁磁束を増磁→０
→減磁の範囲で連続的に変化でき、結局最大回転数の増
減を連続的に変化させることができる。

【００３３】図６〜図８は、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）の
各磁束状態を有限要素法によって解析した例を示してい
る。この解析例は近似的に２次元で行ない、８極のもの
を前提としてＮ極ＰＭ１３とその隣り合うＮ極側突極状
部１２ａＮに着目し、直流励磁はギャップの周方向両端
にて直流電流を与えるようにした。また、電機子と回転
子それぞれのヨークを考慮して境界面は無拘束としてい
る。また、ＰＭは等価電流で与えた。図６は、図５
（ａ）に示す減磁を示しており、直流励磁巻線による磁
束とＰＭの磁束が同方向の場合を示す。すなわち、図６
（ａ）にて直流磁束φを加えたとき、Ｎ極ＰＭ１３より
電機子に磁束ＰＭφが通ると共に、Ｎ極側突極状部１２
ａＮより電機子に磁束φが通る。この関係を定量的に図
６（ｂ）にて示すとＮ極ＰＭ１３の磁束ＰＭφに対して
直流磁束φがＮ極側突極状部１２ａＮを通り（図６
（ｂ）上半分）、図６（ａ）の紙面の裏側に存在するＳ
極ＰＭ１３及びＳ極側突極状部１２ａＳにも磁束ＰＭφ
及びφが通る（図６（ｂ）下半分）。そして、直流電流
の増又は減によって図６（ａ）のＮ極側突極状部１２ａ
Ｎを通る磁束線数が密又は疎となり、図６（ｂ）のＮ極
側突極状部１２ａＮの磁束φの高さが高又は低となり、
これに対応してＳ極側突極状部１２ａＳの磁束φの高さ
も変化する。この結果、図６（ｂ）に示すように合成磁
束Ａとしてはわずかな値となり、殊にＰＭ１３の磁束Ｐ
Ｍφと突極状部の磁束φが同じになると合成磁束は０に
近づくことになる。

【００３４】図７は図５（ｂ）の磁束状態に対応し、直
流励磁電流が０の場合を示している。すなわち、磁束は
Ｎ極ＰＭ１３によるもののみ通っており、Ｎ極側突極状
部１２ａＮには磁束が通らない。この結果、図７（ｂ）
に示すようにＮ極ＰＭ１３の磁束ＰＭφ及び紙面の裏側
に存在するＳ極ＰＭ１３の磁束ＰＭφのみ存在すること
になり、電機子には一定の合成磁束Ａが通っている。

【００３５】図８は図５（ｃ）に示す増磁を示してお
り、直流励磁巻線による磁束とＰＭの磁束が異なる方向
（反対方向）である場合を示す。すなわち、図８（ａ）
にて直流磁束φを与えたとき、Ｎ極ＰＭから電機子に磁
束ＰＭφが通ると共に、Ｎ極側突極状部１２ａＮに電機
子からの磁束が通る。この関係を図８（ｂ）にて定量的
に示すと、Ｎ極ＰＭ１３の磁束ＰＭφに対してＮ極側突
極状部１２ａＮに磁束が通りＳ極側でも同様となる。こ
の結果、合成磁束Ａとしては、磁束ＰＭφより大きな磁
束となる。そして、直流磁束φを変化させることにより
突極状部の磁束φも上下に変化し、合成磁束も変化す
る。

【００３６】上述の解析を直流電流を変えて行ない、直
流励磁とギャップ磁束密度との関係を求めた場合、図９
に示す特性となり、直流励磁を０とした定常状態から増
磁していくと、合成ギャップ磁束密度も増大し、減磁し
ていくと、合成ギャップ磁束密度も減少することが判明
する。こうして、図９からも判明するように励磁巻線の
電流の向きと大きさを変化させることによって界磁磁束
の増減ができる。

【００３７】図１〜図４の構造に基づいて今まで説明し
てきたが、図１０以下にて変形例につき述べる。図１に
示す励磁巻線５としては、リング状のものを用いて直流
励磁を行なったのであるが、直流電流を流すことにより
直流磁束が通れば良いので、図１０（ａ）に示すように
電機子鉄心２のＮ極側鉄心２ａ及びＳ極側鉄心２ｂそれ
ぞれを亀甲形巻線５ａ，５ｂとして別々に形成してもよ
い。この場合、巻線法としては図１０（ｂ）に示すよう
な集中巻きでもよく、また図１０（ｃ）に示すような分
布巻きでもよい。この巻線法では巻線ピッチは任意に選
べるが、所望の直流磁束を得ると共に磁束変化を円滑に
するためにもこの巻線数は多い程良い。

【００３８】図１１は、直流の励磁巻線５を図１，図４
の如く単一でなく複数個（図では２個）備えた例を示し
ている。このように、二つの励磁巻線５ａ，５ｂを備え
て、それぞれ逆向きの磁界を作るようにすることによ
り、それぞれの巻線５ａ，５ｂの電圧の大きさを調整す
るだけで、図中左右連続の磁束制御ができる。この結
果、図１に示す単一巻線５のものの場合の如く方向を変
える必要なく、直流電源としての電源装置が簡単とな
る。

【００３９】図１２は、直流の励磁巻線５を電機子の軸
方向中央に配置せず、軸方向両端部に配置した例を示
す。ここでは電機子鉄心２は分割されない代り、Ｎ極側
とＳ極側との磁路を区別するため、ブラケット１６ａ，
１６ｂを用いて磁気回路を構成することになる。この場
合、励磁巻線５ａ，５ｂは、電機子鉄心２の外に存在し
例えばブラケット１６ａ，１６ｂに取付けられることに
なって巻線の形成が容易となる。また、ブラケット１６
ａ，１６ｂに磁気回路が形成される関係上、シャフト１
５等は非磁性材料にて形成する必要がある。

【００４０】図１では図３にも示される如く突極状部１
２ａは鉄心突き出し部であるが、この突極状部１２ａに
図１３に示すようにダンパー巻線１７を形成することも
できる。このダンパー巻線１７はエンドリングに接続さ
れ、アルミダイキャストとか銅バーと銅エンドリングと
のロー付けにより形成することができる。また、ダンパ
ー溝の形状は任意でよい。このダンパー巻線１７の付加
により通常の位置検出を必要としない同期電動機として
安定した運転ができる。

【００４１】図１４は、図１の如く電機子巻線をＮ極側
鉄心２ａとＳ極側鉄心２ｂとに橋架することなく、これ
ら各鉄心２ａ，２ｂに個別に３ａ，３ｂとして備えたも
のである。

【００４２】本発明の実施例においては、電機子鉄心２
の分割されたＮ極側鉄心２ａ及びＳ極側鉄心２ｂについ
ても図１５（ａ）に示すように斜めスロット６を形成
し、高周波磁束の低減を図ることができる。もっとも、
図１２に示す電機子鉄心２を分割しない場合には、従来
通りの斜めスロットが付加され得る。また、図１５
（ａ）と同様の効果をもたらす構造として図１５（ｂ）
に示す如くＮ極側鉄心２ａとＳ極側鉄心２ｂとを１／２
スロットピッチだけずらすことにより斜めスロットと同
様な効果を得ることができる。

【００４３】なお、図１２に示す例では、その構造上シ
ャフト１５を非磁性材にて形成したものを示している
が、図１に示す例においても直流励磁巻線５による磁束
が、図１６に示すようにブラケット１６ａ，１６ｂを介
してシャフト１５を通ることになるので、フレーム１
８、ブラケット１６ａ，１６ｂ、シャフト１５のうち少
なくとも一つを非磁性材料にて形成する必要がある。

【００４４】図１７は、１本のシャフト１５に複数個の
回転子１１と電機子１とを連続して配置した構成を有
し、鉄心長が長くなった場合などでは励磁巻線５やＰＭ
１３を分割配置することができて便利である。

【００４５】直流の励磁巻線５に接続される直流電源は
チョッパ回路により容易に構成することができる。この
場合、励磁巻線５の電流は、モータ回転数や電源周波数
の関数として流す必要があるので、電流指令回路や電流
検出回路が必要となる。図１８は、チョッパ回路例を示
したもので、トランジスタＴ_r1をスイッチングすること
により直流電流を調整することができ、この例では電流
方向は一方向（単極性）のみであるため、例えば図９に
示す特性の直流励磁０から−側又は＋側のみにて使用す
ることになる。一方、図１８（ｂ）はブリッジタイプの
チョッパであり、トランジスタＴ_r1，Ｔ_r4とトランジス
タＴ_r3，Ｔ_r2とをスイッチングすることにより、直流励
磁巻線５に双方向の電流を流すことができる。この場合
は、図９に示す特性上＋→０→−の全域にわたって使用
することができる。なお、図１８（ｂ）の極性を切換え
られる構造と等価のものとして、単極性のチョッパを用
いてマグネットスイッチや静止スイッチなどにて極性を
切換えることもできる。

【００４６】図１９はチョッパによる制御回路を示して
おり、電源周波数又はモータ回転数に基づく指令値ω^*
が入力されて対応する直流電流を出力する電流設定器５
０を備え、この電流設定器５０の出力電流ｉ_f ^*と検出
値ｉ_fとが比較されてＡＣＲアンプ（自動電流調整アン
プ）５１を介してチョッパ回路５２が駆動される。な
お、指令値ω^*はモータ制御にも用いられインバータ回
路（図示省略）にも入力される。

【００４７】図２０は、チョッパ回路の代りに三相ブリ
ッジや単相ブリッジなどの直流電源装置５３による電源
回路を示しており、また、図２０（ｂ）は周波数や回転
数の指令ω^*の代りに界磁磁束指令Λ^*を入力させても
よい。なお、磁束指令入力の場合には電流設定器５０の
設定パターンが回転数や周波数指令の場合と異なってく
るのは当然である。

【００４８】以上説明の上記実施例にあっては、界磁磁
束を自由に制御することができるため、回転数に反比例
して図２１に示すごとく磁束を減少させることにより、
界磁による誘起電圧は一定に保たれ最高回転数を高くと
ることができ、定出力範囲が広くなる。この場合、ＰＭ
の張り付け部と違って突極状部では電機子とのギャップ
を極力小さくすることにより、わずかな電流にて充分な
励磁ができ、全体の損失に対して無視できる程の励磁入
力で済み、効率が極めて良い。

【００４９】今までの説明は、ＰＭ電動機を前提として
述べたのであるが、このＰＭ電動機は発電機としても利
用することができ、図２２にて示すようにエンジンその
他の駆動源５６にＰＭ電動機５８を直結してＡＶＲ５７
により励磁電流制御を行なうことができる。

【００５０】図２３はＰＭ１３を埋込形とした構造の電
動機を示す。この図２３の構造では、図２４にも示すよ
うに回転子のヨーク１４上に周方向等配にＰＭ１３を直
接取付け、このＰＭ１３の上側に回転子鉄心１２を配置
したものである。この場合、ＰＭ１３は個別に形成され
てヨーク１４に取付けられるため、回転子鉄心１２も個
別にＰＭ１３上に載置されることになる。またこの結
果、ＰＭ１３間に配置される突極状部１２ａも別個にヨ
ーク１４上に取付けられる。こうして、スリット２０を
介してＰＭ、突極状部がばらばらに置かれることになる
ため、これらの連結と補強のため軸方向に沿って図２４
（ｃ）に示す円板状の非磁性補強板２１が複数個所介在
される。したがって、図２４（ａ）に示す如くＮ極側で
はＮ極ＰＭ１３及び回転子鉄心１２とＮ極側突極状部１
２ａＮとがそれぞれスリット２０を介して周方向に沿い
ヨーク１４上に置かれ、Ｓ極側ではＳ極ＰＭ１３及び回
転子鉄心１２とＳ極側突極状部１２ａＳとがそれぞれス
リット２０を介して周方向に沿いヨーク１４上に置かれ
る。そして、図２４（ｃ）の非磁性補強板２１が軸方向
複数個所に置かれ、スロット２２にアルミダイキャスト
によりまた銅バーを挿通させることにより、非磁性補強
板２１、突極状部１２ａ、回転子鉄心１２が一体化され
る。そして、このスロット２２内のアルミニウムや銅バ
ー自体ダンパー巻線を兼ねることになる。また、回転子
軸方向両端にはアルミダイキャストやロー付けによりエ
ンドリングが備えられる。かかる埋込形の構造にあって
は、スリット２０の存在により横軸リアクタンスが直軸
リアクタンスより大きくなって従来の埋込形ＰＭモータ
と同様となり、制御性が向上する。

【００５１】図２５は横軸リアクタンス低減のためスリ
ット２０を突極状部１２ａや回転子鉄心１２に設けた
り、突極状部１２ａの幅を変えたり、あるいはギャップ
幅を変える構造を示している。モータに印加される端子
電圧は、界磁磁束による誘起電圧と巻線インピーダンス
による電圧降下とのベクトル和であり、誘起電圧は直流
励磁巻線による磁束制御によって低減できるのである
が、運転範囲を拡大するためには、インピーダンスによ
る電圧降下分を極力小さくすることも有効である。この
ために、図２５（ａ）にあっては、表面張付形のＰＭ１
３において、ＰＭ１３を支える回転子鉄心１２及び突極
状部１２ａに軸方向に沿ってスリット２０を入れ、横軸
リアクタンスを低減している構造を示している。また、
図２５（ｂ）にあっては、埋込形のＰＭ１３において同
様にスリット２０を軸方向に形成する構造を示してい
る。なおこれらの場合、回転子のヨーク１４までスリッ
トを形成できれば更にリアクタンス低減を図ることがで
きる。横軸リアクタンス低減のためには、更に図２５
（ｃ）に示すように突極状部１２ａの幅を極ピッチより
小さくする方策とか、図２５（ｄ）に示すように突極状
部１２ａの幅方向両端のギャップをその中央部分よりも
大きくする方策がある。

【００５２】次に、本発明をくし形同期電動機（クロー
ポール形同期電動機）に適用した実施例を説明する。こ
のくし形タイプのものは、その回転子形状の特徴から軸
方向左右両極の回転子が交互に噛み合う構造を有するた
めに、図１に示すように回転子１１を軸方向に分割する
必要がない。図２６にて一例を示すにシャフト１５に固
定された図中左極側の回転子１２ｃの全表面に例えばＮ
極ＰＭ１３を張り付け、他方図中右極側の回転子１２ｄ
の表面は突極状部１２ａとする。そして、この右極側の
回転子１２ｄ側にのみ直流励磁巻線５を配置する。この
結果、図２７（ａ）（ｂ）に示すようにＮ極ＰＭ１３と
突極状部１２ａとが周方向に交互に並んだ構造となる。
そして、かかる回転子にあって界磁制御を行なうについ
ては、図２８（ａ）の如く直流励磁巻線５にＮ極ＰＭ１
３と同方向の磁束を突極状部１２ａに通すよう通電する
ことにより電機子巻線３への誘起電圧を低減でき、ま
た、図２８（ｂ）の如く直流励磁巻線５に通電しない状
態ではＰＭ１３の磁束が突極状部１２ａに入って電機子
巻線３に一定電圧を誘起させ、更に、図２８（ｃ）の如
く直流励磁巻線５にＮ極ＰＭ１３と異なる方向の磁束を
通すよう通電した場合には電機子巻線３の誘起電圧を増
大させることができる。こうして、直流励磁巻線５への
通電電流の大きさと方向を変化させることにより、界磁
磁束を連続的に変えることができる。

【００５３】図２９は、図２６に示すくし形タイプにあ
って、ＰＭ１３を回転子１２ｃ，１２ｄの半分まで設け
たものを示す。すなわち、図２９にあって左極側の回転
子１２ｃの軸方向表面の例えば１／２にＮ極ＰＭ１３を
張り付けると共に、右極側の回転子１２ｄの軸方向表面
例えば１／２にＳ極ＰＭ１３を張り付けたものである。
この場合、張り付ける長さは鉄心長より短かければよ
い。そして、この場合には左極側、右極側それぞれに直
流励磁巻線５ｃ，５ｄが備えられる。かかる構成は図３
０（ａ）（ｂ）に示す如くくし形タイプの回転子を左右
それぞれの極にてＮ極側、Ｓ極側に分けたもので、図３
０（ｃ）に示すように図３に示すＰＭ１３と突極状部１
２ａの配列をくし形タイプに適用した構造となる。

【００５４】図３１，図３２はくし形タイプのモータの
左極側及び右極側それぞれの回転子１２ｃ，１２ｄをい
わゆるＮ極側突極状部１２ａＮ及びＳ極側突極状部１２
ａＳとし、このくし形回転子間にＰＭ１３を挾み込んだ
構造を有している。そして、かかる構造にあっても左極
側と右極側との直流励磁巻線５ｃ，５ｄの電流を加減し
て図３２（ｃ）の如くＰＭ１３の磁束を弱めたり強める
ように制御することにより、誘起電圧の調整ができる。

【００５５】図３３は本発明をアキシャルギャップタイ
プのモータに適用したものである。この例では回転板１
１に周方向に沿ってＰＭ１３部と鉄心１２部とを交互に
配置し、直流励磁巻線５によりこのＰＭ１３の磁束を弱
めたり強めたりして回転板両側にある電機子巻線３への
誘起電圧を調整するものである。

【００５６】なお、図１０〜図２０及び図２５にて示し
た図１の変形例もしくは制御回路は、図２３に示す埋込
形、図２６，図２９，図３１のくし形タイプ、図３３の
アキシャルギャップタイプに適宜選択して適用すること
ができる。本発明では前記各種の電動機を発電機として
用いられること、前述したとおりである。

【００５７】

【発明の効果】以上説明した如く本発明によれば、従来
の減磁制御に比べて界磁の弱め強めが容易に行なうこと
ができ、定トルク範囲でのトルクの増大や定出力範囲で
の誘起電圧の低減が容易に行なえ、運転可能範囲が増大
する。また、従来の減磁制御に比べて直流励磁入力が極
めて小さくなり、効率の大幅な増大が図れ、高速域での
磁束の減少によって鉄損も大幅に減少する。また、この
ためにモータの小形化、安価につながる。更に、発電機
としてもハイブリッド構成としたことにより弱め界磁制
御を容易に行なうことができ、広範囲の回転数変化に対
し電圧を一定にでき、また永久磁石の使用により界磁電
流が小さくてすみ銅損少なく効率高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例の断面図。

【図２】回転子を図１のａ，ｂ方向からみた図。

【図３】回転子の斜視図。

【図４】直流励磁巻線の構成図。

【図５】磁束の流れを示す説明図。

【図６】有限要素法に基づく減磁特性線図。

【図７】有限要素法に基づく定常特性線図。

【図８】有限要素法に基づく増磁特性線図。

【図９】直流励磁に対する磁束密度の特性線図。

【図１０】電機子スロット内の直流励磁巻線法の説明
図。

【図１１】逆極性の直流励磁巻線を示す図。

【図１２】端部配置の直流励磁巻線の構成図。

【図１３】ダンパー巻線を加えた図。

【図１４】分割した電機子巻線を示す図。

【図１５】斜めスロット、ピッチ変更スロットを示す
図。

【図１６】非磁性部分を示す説明図。

【図１７】複数のモータをつなげた一例の構成図。

【図１８】チョッパ回路例を示す図。

【図１９】励磁回路例を示す図。

【図２０】他の励磁回路例を示す図。

【図２１】実施例の効果を示す特性線図。

【図２２】発電機として用いた場合の構成図。

【図２３】埋込形の例を示す断面構成図。

【図２４】回転子の各部を示す図。

【図２５】横軸リアクタンスを低減するための図。

【図２６】くし形モータの一例の構成図。

【図２７】図２６の回転子をａ，ｂ方向からみた図。

【図２８】磁束の流れを示す説明図。

【図２９】くし形モータの他の例の構成図。

【図３０】図２９の回転子をａ，ｂ平面各方向からみた
図。

【図３１】くし形モータのその他の例の構成図。

【図３２】図３１のくし形モータの回転子の構成図。

【図３３】アキシャルタイプのモータの構成図。

【図３４】従来の永久磁石電動機の回転子の構成図。

【図３５】減磁制御を説明するための特性図。

【符号の説明】

１電機子２電機子鉄心２ａＮ極側鉄心２ｂＳ極側鉄心３電機子巻線４，１４ヨーク５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ励磁巻線６，２２スロット１１回転子１２回転子鉄心１２ａ突極状部１２ａＮＮ極側突極状部１２ａＳＳ極側突極状部１２ｃ左極側の回転子１２ｄ右極側の回転子１３永久磁石（ＰＭ）１５シャフト１６ａ，１６ｂブラケット１７ダンパー巻線１８フレーム２０スリット２１非磁性補強板５０電流設定器５１ＡＣＲアンプ５２チョッパ回路５３直流電源装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電機子内又は電機子外にて回転する回転
子鉄心に、ギャップを介して上記電機子に磁束を通す永
久磁石を備え、上記回転子鉄心の上記永久磁石が配置されない部分を、
上記永久磁石による磁束に影響を与える磁束を通すよう
上記ギャップを介して電機子と対峙させ、上記回転子鉄心の上記永久磁石が配置されない部分を通
る磁束として直流可変磁束を与える直流励磁巻線を備え
た、ハイブリッド励磁形永久磁石同期回転機。
【請求項２】回転子周方向に交互に等配に永久磁石と
この永久磁石が配置されない回転子鉄心部分である突極
状部とを配列したものを、軸方向に沿って一対備え、こ
の一対の配列したもののうち軸方向に沿う同じ側の永久
磁石は同極異なる側の永久磁石は異極とし、しかも上記
永久磁石の軸方向に沿う位置には突極状部が位置する回
転子構造とした請求項１記載のハイブリッド励磁形永久
磁石同期回転機。
【請求項３】回転子の永久磁石と突極状部との軸方向
位置に対応してヨークで磁気的に結合される電機子鉄心
を軸方向に沿い一対備え、これら電機子鉄心間にリング
状に卷回された直流励磁巻線を備えた電機子構造とした
請求項２記載のハイブリッド励磁形永久磁石同期回転
機。
【請求項４】回転子の永久磁石と突極状部との軸方向
位置に対応してヨークで磁気的に結合される電機子鉄心
を軸方向に沿い一対備え、これら各電機子鉄心に片方の
電機子鉄心は全て同極性となり双方の電機子鉄心相互と
しては逆極性となる直流励磁巻線をそれぞれ備えた電機
子構造とした請求項２記載のハイブリッド励磁形永久磁
石同期回転機。
【請求項５】回転子の永久磁石と突極状部との軸方向
位置に対応してヨークで磁気的に結合される電機子鉄心
を軸方向に沿い一対備え、これら電機子鉄心間にリング
状に卷回された直流励磁巻線を複数個互いに逆極性とな
るよう備えた電機子構造とした請求項３記載のハイブリ
ッド励磁形永久磁石同期回転機。
【請求項６】回転子の永久磁石と突極状部に対応して
単一の電機子鉄心をフレームに備え、このフレームに連
結され回転子を支える軸方向両端のブラケットにそれぞ
れ直流励磁巻線を備えた請求項２記載のハイブリッド励
磁形永久磁石同期回転機。
【請求項７】突極状部には軸方向に沿ってダンパー巻
線及びエンドリングが備えられた請求項２記載のハイブ
リッド励磁形永久磁石同期回転機。
【請求項８】軸方向に沿って２分割された電機子鉄心
には別々に電機子巻線が施された請求項３，４又は５記
載のハイブリッド励磁形永久磁石同期回転機。
【請求項９】軸方向に沿って２分割された電機子鉄心
において、各電機子鉄心には斜めスロットを施し、かつ
各電機子鉄心の斜めスロットがつながるように形成した
請求項３，４又は５記載のハイブリッド励磁形永久磁石
同期回転機。
【請求項１０】軸方向に沿って２分割された電機子鉄
心において、一方の電機子鉄心と他方の電機子鉄心とを
１／２スロットピッチだけずらした請求項３，４又は５
記載のハイブリッド励磁形永久磁石同期回転機。
【請求項１１】電機子鉄心を備えるフレーム、回転子
鉄心を回転自在に支えるシャフトおよびブラケットの少
なくとも一つを非磁性材料にて形成した請求項１記載の
ハイブリッド励磁形永久磁石同期回転機。
【請求項１２】直流励磁巻線に流す電流は、電源周波
数や回転数、磁束指令のいずれかに従って予め設定され
た励磁電流指令に基づき、制御された直流電流である制
御系を有する請求項１記載のハイブリッド励磁形永久磁
石同期回転機。
【請求項１３】回転子周方向に交互に等配に永久磁石
とこの永久磁石が配置されない回転子鉄心部分である突
極状部との配列したものを軸方向に沿って一対備えた回
転子にあっては、永久磁石を回転子鉄心内に埋込んだ構
造とし、しかも回転子の軸方向に沿い複数枚の非磁性補
強板を備え、この非磁性補強板及び回転子鉄心にダンパ
ー巻線を施した請求項２，３，４，５，６，８，９，１
０又は１２記載のハイブリッド励磁形永久磁石同期回転
機。
【請求項１４】永久磁石に相応する回転子鉄心中央、
突極状部の中央に軸方向に沿ってスリットを設けた請求
項２又は１３記載のハイブリッド励磁形永久磁石同期回
転機。
【請求項１５】くし形回転子鉄心にあって、一方の極
側に永久磁石を備え、他方の極側は永久磁石が配置され
ない部分としてこの他方の極側に直流励磁巻線を備えた
請求項１，５，９，１０，１１又は１２記載のハイブリ
ッド励磁形永久磁石同期回転機。
【請求項１６】くし形回転子鉄心にあって、一方の極
側及び他の極側それぞれにその極の鉄心長より短い永久
磁石を備え、しかも同一の極側は同極性異なる極側は異
極性の永久磁石を備えた請求項１，６，９，１０，１１
又は１２記載のハイブリッド励磁形永久磁石同期回転
機。
【請求項１７】くし形回転子鉄心にあって一方の極側
及び他方の極側それぞれの回転子鉄心間に同じ極側が同
極となるように永久磁石を配置した請求項１，６，９，
１０，１１又は１２記載のハイブリッド励磁形永久磁石
同期回転機。
【請求項１８】回転子である回転板の周方向に沿って
永久磁石及び磁性材料を交互に配置し、この回転板の両
側に電機子を備え、回転板の表裏に磁束を通す直流励磁
巻線を備えた請求項１記載のハイブリッド励磁形永久磁
石同期回転機。
【請求項１９】シャフトの軸方向に沿って複数個の界
磁を備え、この界磁に対応して複数の電機子を備えた請
求項１，２，３，４，５，７，９，１０，１１，１２，
１３，１５又は１７記載のハイブリッド励磁形永久磁石
同期回転機。