WO2019073799A1 - 回転電機及び回転電機システム - Google Patents

回転電機及び回転電機システム Download PDF

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yoke
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permanent magnets
magnetic flux
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草瀬　新
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株式会社デンソー
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    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures

Definitions

  • the present disclosure relates to a surface magnet type rotating electrical machine and a rotating electrical machine system.
  • a surface magnet type motor (SPM motor) is known as a rotating electrical machine using permanent magnets, and the surface magnet type motor is widely used as a high performance motor because it can utilize the magnetization torque distributed over the entire magnetic pole by the permanent magnet. There is.
  • a magnetic circuit using a Halbach array is known as a technique for optimizing the direction of the magnetic pole.
  • Patent Document 1 as a rotor of a wheel drive rotating electrical machine, magnetic poles are disposed alternately in a circumferential direction at a predetermined pitch and magnetized in a substantially radial direction, and provided between magnetic pole magnets, respectively.
  • An arrangement is disclosed using a field element having a directionally magnetized yoke magnet.
  • the surface magnet type motor has a field element in which permanent magnets are attached to the rotor surface, and the magnetic resistance seen from the armature side is as large as that of air. Therefore, in general, it is difficult to control the field element from the armature side with a current at a rated level, and no examples have been found so far that have been studied from the practical technology viewpoint. Therefore, the existing surface magnet type motor has problems such as a decrease in output at a high speed at which the induced voltage increases and an increase in iron loss of the armature. In addition, it is thought that the rotary electric machine which employ
  • the present disclosure has been made in view of the above problems, and a main object thereof is to realize a variable field magnetic flux by suitably changing a field magnetic flux generated by a rotor in a surface magnet type rotating electrical machine. is there.
  • the first means is A rotatably supported rotor, An armature wound coaxially with the rotor and wound with an armature winding through which a polyphase alternating current is supplied;
  • a permanent magnet type rotating electric machine equipped with The rotor is A plurality of permanent magnets provided at mutually spaced positions in the circumferential direction such that the magnetization direction is a radial direction, and the poles facing the armature are alternately N poles and S poles;
  • a yoke member made of an iron core and connecting circumferential side surfaces of the permanent magnets adjacent to each other in the circumferential direction, and connecting the plurality of permanent magnets in an annular manner; And have By controlling the phase of energization in the armature winding, it is possible to change the strength of the field magnetic flux from the permanent magnet to the armature.
  • the rotor is radially separated from each other in the circumferential direction such that the magnetization direction (direction of the magnetic pole) is the radial direction and the poles facing the armature are alternately the N pole and the S pole. It has a plurality of permanent magnets provided at positions. The plurality of permanent magnets are connected (bridged) in a circumferential direction by means of a yoke member, which is an iron core, and are annularly connected.
  • the field magnetic flux flows through the radial end surface on the armature side and the circumferential side surface on the yoke member side, and in the case where the magnetomotive force is generated by the energization of the armature winding, According to the direction of the magnetomotive force and the magnetic pole of each permanent magnet, the distribution of the field magnetic flux generated by the permanent magnet differs. In this case, the field magnetic flux flowing through the circumferential side surfaces of the adjacent permanent magnets can be suitably changed. Thereby, in the surface magnet type rotating electrical machine, it is possible to suitably change the field magnetic flux generated by the rotor to realize the variable field magnetic flux.
  • the permanent magnet 101 and the yoke member 102 are linearly expanded in the rotor, and the upper side is the armature side, and the lower side is the opposite side of the armature.
  • a magnetomotive force is generated in a loop as shown by a broken line.
  • the position of magnetomotive force generation in the circumferential direction of the rotor that is, the direction of the magnetomotive force with respect to each permanent magnet 101 depends on the energization phase of the armature winding.
  • the permanent magnet 101 as shown in FIG.
  • the direction of the magnetic flux of the magnet (the direction of the magnet N ⁇ S) and the direction of the magnetomotive force of the armature winding are the same.
  • the direction of the magnet flux and the direction of the magnetomotive force of the armature winding are reversed, and in the case of (b), the field flux is weakened.
  • the directions of the internal magnetic flux are different between the side closer to the armature and the side farther from the armature in the radial direction, according to the directions of the magnetic flux of the two permanent magnets 101 on both sides thereof.
  • the strength of the field magnetic flux is different according to the magnetomotive force of the armature winding, that is, the conduction phase of the armature winding. .
  • a variable field rotary electric machine can be realized.
  • the Halbach arrangement is a special arrangement of permanent magnets for the flux concentration effect, devised in the 1980s by Klaus Halbach, a physicist of Lawrence Berkeley Lab, USA, for the purpose of focusing the beam of the particle accelerator.
  • the technology has been increasingly used in the fields of permanent magnet MRI, motor, linear motor, magnetic levitation railway, and undulator for free electron laser generation.
  • FIG. 13 One of the famous features of the Halbach arrangement is the single-sided fluxing phenomenon shown in FIG.
  • the pole magnets 111 and the yoke magnets 112 are alternately arranged so that the magnetization directions thereof are orthogonal to each other, and in such a configuration, the directions of the yoke magnets 112 and the directions of the pole magnets 111 in contact with each other.
  • the flux concentrates on either side of the array in relation to At this time, as shown in FIGS. 13A and 13B, if the direction of magnetization of the yoke magnet 112 is reversed, the side where the magnetic flux is concentrated is reversed.
  • magnetic flux can be concentrated only by the arrangement of permanent magnets, and it is known as a method of concentrating magnetic fields without using iron pieces or coils.
  • the magnet between the poles (yoke magnet 112) in FIG. 13 is changed to a yoke member 102 which is an iron core.
  • the yoke is a magnet and holds its own magnetomotive force (magnetization), but not in the case of an iron core. Therefore, this is only a means for side-shorting the pole magnet.
  • two adjacent permanent magnets 101 are side-shorted by the yoke member 102 (iron core), and in such a configuration, the field flux is controlled by phase control of energization in the armature winding as described above. It is possible to change the strength of the
  • a plurality of the yoke members are provided in the radial direction between the permanent magnets adjacent in the circumferential direction.
  • a plurality of yoke members are provided in the radial direction between the permanent magnets adjacent in the circumferential direction.
  • the magnetic flux circulates in the vicinity of the side surface of the magnet and the magnetic flux always leaks.
  • the magnetic flux leakage on the side surface of the magnet can be suppressed by dividing the yoke member in the radial direction.
  • a plurality of yoke members may be separated at least in the circumferential direction side surface or in the vicinity thereof.
  • a bridge portion may be provided at an intermediate portion between adjacent permanent magnets in the yoke member. .
  • the yoke member in the circumferential surface on the armature side, has a shape in which a circumferential intermediate portion is recessed in a radial direction with respect to a yoke end connected to the side surface of the permanent magnet. .
  • the yoke member has a shape in which the circumferential intermediate portion is recessed in the radial direction on the circumferential surface on the armature side. Therefore, the flow of magnetic flux can be promoted between the permanent magnets and the yoke member arranged in the circumferential direction, and the leakage magnetic flux from the yoke member to the armature can be reduced. This can improve the energy efficiency.
  • a yoke support extending to the opposite side to the armature is connected between the permanent magnets adjacent in the circumferential direction to the yoke member, and the yoke support for each yoke member is connected Are integrally connected by the connecting portion.
  • a yoke supporting portion extending to the opposite side to the armature is connected between the permanent magnets adjacent in the circumferential direction to the yoke member, and the yoke supporting portions for each yoke member are integrally connected by the connecting portion.
  • a fifth means is a rotary electric machine system including a rotary electric machine and a control unit for performing phase control of energization in the armature winding, wherein the control unit is configured to control a phase of an armature current as the rotor.
  • the field flux is weakened by advancing in the direction of rotation with respect to the q-axis of (4), and the field flux is strengthened by delaying the phase of the armature current in the direction of rotation with respect to the q-axis of the rotor.
  • the control section weakens or strengthens the field magnetic flux by advancing or delaying the phase of the armature current in the rotational direction with respect to the q-axis of the rotor. Thereby, torque etc. can be controlled as desired.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a rotating electrical machine
  • Figure 2 is a cross-sectional view showing the rotor and the armature
  • FIG. 3 is an enlarged view of the main part of the rotor
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the direction of excitation by the armature and the magnetic field distribution
  • FIG. 5 is an explanatory view of a study using an equivalent circuit for the rotating electrical machine of the embodiment
  • FIG. 6 is an explanatory view of a study using an equivalent circuit for a general surface magnet type motor
  • FIG. 7 is an explanatory view of the fact that the double layer yoke has an advantage over the single layer yoke;
  • FIG. 8 is a diagram showing a simulation result of the magnetic flux distribution in a state of outputting a torque;
  • FIG. 9 is a diagram showing simulation results of finite element magnetic field analysis,
  • FIG. 10 is a diagram showing magnetic flux density distributions at maximum torque and minimum magnetic flux by the finite element method magnetic field analysis simulation,
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a rotor and an armature in another example,
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the direction of excitation by the armature and the magnetic field distribution,
  • FIG. 13 is a diagram showing the concentration phenomenon of the magnetic field in the Halbach arrangement.
  • the rotating electrical machine in the present embodiment is, for example, used as a vehicle power source.
  • the rotary electric machine can be widely used for industrial use, for vehicles, for home appliances, for OA equipment, for game machines, and the like.
  • symbol is attached
  • the rotary electric machine 10 is a surface magnet type synchronous multiphase AC motor, and has an inner rotor structure (internal rotation structure).
  • summary of the rotary electric machine 10 is shown in FIG.1 and FIG.2.
  • FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view of the rotating electrical machine 10 in a direction along the rotation axis 11, and
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the rotor 12 and the armature 13 in the direction orthogonal to the rotation axis 11.
  • the direction in which the rotation shaft 11 extends is taken as the axial direction
  • the direction extending radially around the rotation shaft 11 is taken as the radial direction
  • the direction extending circumferentially around the rotation shaft 11 is taken as the circumferential direction.
  • the rotating electrical machine 10 includes a rotor 12 fixed to a rotating shaft 11, an armature 13 provided at a position surrounding the rotor 12, and a housing 14 for accommodating the rotor 12 and the armature 13. .
  • the rotor 12 and the armature 13 are coaxially arranged.
  • the housing 14 has a pair of bottomed cylindrical housing members 14a and 14b, and the housing members 14a and 14b are integrated by fastening the bolt 15 in a state where the opening members are joined with each other.
  • Bearings 16 and 17 are provided in the housing 14, and the rotary shaft 11 and the rotor 12 are rotatably supported by the bearings 16 and 17.
  • the armature 13 has an annular armature core 22 having a plurality of slots 21 in the circumferential direction, and three phases (U-phase, V-phase wound around each slot 21 of the armature core 22). And an armature winding 23 of the phase W).
  • the armature core 22 is configured by laminating a plurality of annular electromagnetic steel plates in the axial direction and fixing them by caulking or the like.
  • the armature core 22 has an annular yoke 24 and a plurality of teeth 25 protruding radially inward from the yoke 24 and arranged at a predetermined distance in the circumferential direction, and a slot 21 is formed between adjacent teeth 25. Is formed.
  • the teeth 25 are provided at equal intervals in the circumferential direction.
  • Each slot 21 is provided adjacent to each other for each phase of the armature winding 23. That is, the armature core 22 is formed with U-phase slots, V-phase slots, and W-phase slots that are repeatedly arranged two by two in the circumferential direction. An armature winding 23 is wound around each slot 21 so as to be wound around the teeth 25.
  • the armature winding 23 is configured, for example, by joining a plurality of conductor segments to one another.
  • the rotor 12 has a rotor core 31 fixed to the rotating shaft 11 and a plurality of permanent magnets 32 held by the rotor core 31.
  • the rotor core 31 connects (bridges) circumferential side surfaces of the permanent magnets 32 between the cylindrical central fixed portion 33 fixed to the rotation shaft 11 and the permanent magnets 32 adjacent in the circumferential direction.
  • a plurality of permanent magnets 32 are annularly connected to each other, and a plurality of yoke supporting portions 35 extending radially about the rotary shaft 11 and connecting the central fixing portion 33 and the rotor yoke 34.
  • the rotor yoke 34 is made of an iron core material, which corresponds to a "yoke member".
  • the central fixing portion 33, the rotor yoke 34, and the yoke supporting portion 35 are integrally formed of electromagnetic steel plates, and a plurality of electromagnetic steel plates are stacked in the axial direction and fixed by caulking or the like.
  • a child core 31 is configured.
  • a plurality of permanent magnets 32 are attached to the rotor yoke 34 at predetermined intervals. More specifically, the plurality of permanent magnets 32 are circumferentially arranged by the rotor yoke 34 at the same intervals as the pitch at which the armature winding 23 of the same phase is wound on the armature 13.
  • Each permanent magnet 32 has a magnetization direction (direction of the magnetic pole) in the radial direction, and is provided at mutually spaced positions in the circumferential direction so that the poles facing the armature 13 alternately become the N pole and the S pole. It is done.
  • the rotor yoke 34 is divided into two in the radial direction, and the outer peripheral side is an outer peripheral side yoke 34a, and the inner peripheral side is an inner peripheral side yoke 34b.
  • the outer peripheral side yoke 34a and the inner peripheral side yoke 34b are both provided to extend in the circumferential direction from the side surface of the permanent magnet 32 in the circumferential direction, and a space is provided between them.
  • a bridge portion connecting the two yokes 34a and 34b may be provided in the space between the outer peripheral yoke 34a and the inner peripheral yoke 34b.
  • the outer peripheral side yoke 34a is provided on the side closer to the armature 13 in the radial direction, and the inner peripheral side yoke 34b is provided on the side farther from the armature 13 in the radial direction.
  • the outer circumferential yoke 34a and the inner circumferential yoke 34b form two magnetic circuits divided in the radial direction.
  • the outer peripheral side yoke 34 a In the outer peripheral surface of the outer peripheral side yoke 34 a on the outer peripheral surface on the armature 13 side (upper side in the drawing), a circumferential intermediate portion is radially recessed with respect to a yoke end connected to the side surface of the permanent magnet 32. It has become.
  • the outer peripheral side yoke 34 a has a shape (a boot shape) in which the circumferential intermediate portion is radially reduced and the both end portions are enlarged between the permanent magnets 32 adjacent in the circumferential direction.
  • the circumferential intermediate portion is radial to the yoke end connected to the side surface of the permanent magnet 32 It is recessed and becomes a recess 37.
  • the inner peripheral side yoke 34 b has a shape (a boot shape) in which the circumferential middle portion is radially reduced and the both end portions are expanded between the permanent magnets 32 adjacent in the circumferential direction.
  • a yoke support portion 35 extending to the opposite side to the armature 13 is connected between the permanent magnets 32 adjacent in the circumferential direction to each inner peripheral side yoke 34 b, and the yoke support portion 35 for each inner peripheral side yoke 34 b is connected
  • a central fixing portion 33 as a connecting portion. Since the yoke supporting portion 35 is connected between the adjacent permanent magnets in each of the inner peripheral side yokes 34 b, soft magnetic fields such as electromagnetic steel plates are provided on the radial end surface of the permanent magnet 32 on the inner side (anti-armature side) The body does not exist, and even if it exists, it is about to cover the surface of the permanent magnet 32.
  • the rotating electrical machine system includes an inverter 41 and a control unit 42.
  • the inverter 41 is connected to the armature winding 23 of each phase in the rotary electric machine 10, and adjusts the conduction current for each phase.
  • the inverter 41 is a bridge circuit having upper and lower arms equal in number to the number of phases of the phase winding, and each arm is provided with a switch (semiconductor switching element).
  • the control unit 42 is a microcomputer having a CPU and various memories, and turns on and off each switch of the inverter 41 at a predetermined switching frequency (carrier frequency) based on, for example, a powering torque command value or a generated voltage command value. Feedback control is performed on each phase current of the rotating electrical machine 10. Further, the control unit 42 can control the phase of the current (phase current) of each phase of the armature winding 23.
  • the magnetomotive force is generated in the clockwise direction of the drawing, and the magnetic flux flows through the inner peripheral yoke 34 b on the side far from the armature 13. Further, in the case of (b), the magnetomotive force is generated in the counterclockwise direction in the drawing, and the magnetic flux flows through the outer peripheral side yoke 34 a closer to the armature 13.
  • the field magnetic flux is strengthened, and in the case of (b), the field magnetic flux is weakened. In such a case, the field magnetic flux can be changed according to the magnetomotive force of the armature winding, that is, the energization phase of the armature winding.
  • the rotor yoke 34 is connected to the side surface of the permanent magnet 32. In other words, the rotor yoke 34 is in close contact with the magnetization direction of the permanent magnet 32 substantially perpendicularly. Further, the rotor yoke 34 is connected to substantially the entire surface of the side surface of the magnet. Therefore, it is easy to change the flow of magnetic flux.
  • FIG. 5 and 6 are explanatory diagrams of a study using an equivalent circuit.
  • FIG. 5 shows an equivalent circuit assuming the rotary electric machine 10 of the present embodiment
  • FIG. 6 shows an equivalent circuit assuming a general surface magnet type motor having the same arrangement of magnets and amount as the present embodiment.
  • Show. Rg corresponds to an air gap between the armature 13 and the rotor 12
  • Ry corresponds to the outer peripheral yoke 34a and the inner peripheral yoke 34b, respectively
  • Rc corresponds to the rotor core C of a general surface magnet type motor Do.
  • (b) shows the time of energization of the armature
  • (c) shows the time of non-energization.
  • the state shown in FIG. 5 (b) corresponds to the state shown in FIG. 4 (a).
  • the magnetic flux of the permanent magnet 32 is fully used when the armature is energized, while the magnetic flux is shorted when the armature is not energized. Therefore, in the rotary electric machine 10 configured as described above, the working range of the permanent magnet 32 is relatively long in the magnetization direction when the armature is energized, and the working range of the permanent magnet 32 is relatively short in the magnetization direction when the armature is not energized. become. In this respect, the rotary electric machine 10 has an element that can be said to be a variable magnetic flux magnetic circuit.
  • the permanent magnet 32 is coupled to the rotor core C of the soft magnetic body on the side opposite to the armature (the lower side in the figure).
  • the magnetic flux path is the same at both time and non-energization. Therefore, it is difficult to change the field magnetic flux.
  • FIG. 7 shows a configuration in which the rotor yoke 34 is provided in a single layer without dividing it in and out in the radial direction, and (b) shows a configuration in which the rotor yoke 34 is separated in the inner and outer parts in the radial direction. .
  • the rotor yoke 34 since the rotor yoke 34 is connected to the side surface of the permanent magnet 32, the magnetic flux circulates in the vicinity of the side surface of the magnet, and the magnetic flux always leaks.
  • the efficiency since the magnetic flux always leaks at the side of the magnet, the efficiency may be reduced.
  • the circumferential range of the magnetic flux can be narrowed by dividing the rotor yoke 34 in the radial direction, so that the magnetic flux leakage on the side surface of the magnet can be reduced.
  • FIG. 8 shows the result of analysis of the flow of magnetic flux in the rotary electric machine 10 by FEA (finite element method) simulation. This shows the analysis result at the time of torque output.
  • FEA finite element method
  • FIG. 9 compares the weakening degree of the magnetic flux with respect to an armature current about the rotary electric machine 10 of this embodiment, and a general surface magnet type motor. It is understood that, in the rotating electrical machine 10 of the present embodiment, the magnetic flux can be suppressed to a magnetic flux equivalent to about half the current of a general surface magnet type motor. That is, it is understood that the magnetic flux can be largely changed with current saving.
  • FIG. 10 shows magnetic flux density distributions at maximum torque and minimum magnetic flux by the finite element method magnetic field analysis simulation.
  • A shows the simulation result at the time of maximum torque about the rotary electric machine 10 of this embodiment
  • (b) shows the simulation result at the time of magnetic flux minimum about the rotary electric machine 10 of this embodiment
  • (c) shows the general Shows a simulation result at the time of maximum torque for a typical surface magnet type motor
  • (d) shows a simulation result at the time of minimum magnetic flux for a general surface magnet type motor.
  • the magnet flux reaches the armature 13 fully in the case of FIG. 10A, and the magnet flux is short-cut by the rotor yoke 34 in the case of FIG. See that it is happening). Further, in the case of (d), it can be seen that the leakage flux to the armature side is greater in the case of (d) in the general surface magnet type motor than in the case of the rotating electrical machine 10 shown in (b).
  • the plurality of permanent magnets 32 are separated from each other in the circumferential direction so that the magnetization direction is the radial direction and the poles facing the armature 13 are alternately N and S poles.
  • the plurality of permanent magnets 32 are configured to connect the side surfaces of the magnets together and to connect them annularly by the rotor yoke 34 which is an iron core.
  • the field magnetic flux flows through the radial end surface on the armature 13 side and the circumferential side surface on the rotor yoke 34 side, and a magnetomotive force is generated by energization of the armature winding 23.
  • the distribution of the field magnetic flux generated in the permanent magnet 32 is different.
  • the field magnetic flux flowing through the circumferential side surface of the adjacent permanent magnet 32 can be suitably changed.
  • the field magnetic flux generated by the rotor 12 can be suitably changed to realize the variable field magnetic flux.
  • the rotor yoke 34 is divided into a plurality in the radial direction between the permanent magnets 32 adjacent in the circumferential direction.
  • the magnetic flux circulates in the vicinity of the side surface of the magnet and the magnetic flux always leaks.
  • the magnetic flux leakage on the side surface of the magnet can be suppressed by providing the rotor yoke 34 in a plurality in the radial direction.
  • the rotor yoke 34 has a shape in which the circumferential intermediate portion is recessed in the radial direction on the circumferential surface on the armature 13 side. Therefore, the flow of magnetic flux can be promoted between the permanent magnets 32 and the rotor yoke 34 aligned in the circumferential direction, and the leakage flux from the rotor yoke 34 to the armature 13 can be reduced. This can improve the energy efficiency.
  • a yoke supporting portion 35 extending to the opposite side to the armature 13 is connected between the permanent magnets 32 adjacent in the circumferential direction to the rotor yoke 34, and the plurality of yoke supporting portions 35 are integrated by the central fixing portion 33 (connecting portion).
  • the plurality of permanent magnets 32 and the plurality of rotor yokes 34 can be suitably coupled while being annularly arranged.
  • the yoke support portion 35 is connected to the opposite side of the armature 13 between the adjacent permanent magnets 32, the magnetic flux leakage via the yoke support portion 35 can be suppressed.
  • the control unit 42 weakens or strengthens the field magnetic flux by advancing or delaying the phase of the armature current in the rotational direction with respect to the q axis of the rotor 12. Thereby, torque etc. can be controlled as desired.
  • the rotor yoke 34 is divided into two inward and outward in the radial direction, and each of the outer yoke 34a and the inner yoke 34b is used.
  • this configuration may be changed.
  • the rotor yoke 34 may be divided into three or more in the radial direction.
  • the rotor yoke 34 may be provided without being divided in the radial direction.
  • the rotor 12 can also be configured as shown in FIG. In FIG. 11, it has the substantially disk-shaped insulating plate 51 fixed to the rotating shaft 11, and while the permanent magnets 32 are attached at predetermined intervals on the outer peripheral side of the insulating plate 51, between the permanent magnets 32. Each rotor yoke 34 is attached.
  • the insulating plate 51 is made of an insulating material such as a synthetic resin. In the present configuration, the insulating plate 51 is a holding member that holds the permanent magnet 32 and the rotor yoke 34.

Abstract

回転電機は、永久磁石型の回転電機であり、回転自在に支持された回転子（１２）と、前記回転子と同軸配置され、多相交流電流が通電される電機子巻線（２３）が巻装された電機子（１３）と、を備えている。前記回転子は、磁化方向を径方向とし、かつ前記電機子に対向する極が交互にＮ極、Ｓ極となるようにして周方向に互いに離間された位置に設けられた複数の永久磁石（３２）と、鉄心材よりなり、周方向に隣り合う前記永久磁石の間においてそれら永久磁石の周方向側面どうしを繋ぎ、かつ前記複数の永久磁石を環状に連結するヨーク部材（３４）と、を有している。そして、前記電機子巻線における通電の位相制御により、前記永久磁石から前記電機子へ向かう界磁磁束の強さを変更することが可能になっている。

Description

回転電機及び回転電機システム 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１７年１０月１０日に出願された日本出願番号２０１７－１９７２６６号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、表面磁石型の回転電機及び回転電機システムに関するものである。
　永久磁石を用いた回転電機として表面磁石型モータ（ＳＰＭモータ）が知られており、その表面磁石型モータは、永久磁石による磁極全体に分布する磁化トルクを利用できることから高性能モータとして普及している。
　また一方で、磁極の方向を最適化するための技術としてハルバッハ配列（Halbach Array）を用いた磁気回路が知られている。例えば特許文献１には、ホイール駆動回転電機の回転子として、周方向所定ピッチで極性交互に配置されて略径方向に磁化された磁極磁石と、各磁極磁石の間にそれぞれ設けられ、略周方向へ磁化されたヨーク磁石とを有する界磁子を用いた構成が開示されている。
特開２００６－１８７１１６号公報
　ところで、表面磁石型モータは、永久磁石が回転子表面に貼り付けられた界磁子を有し、電機子側から見た磁気抵抗が空気と同程度の大きなものとなっている。そのため、一般に、界磁子を電機子側から定格レベルの電流でコントロールすることは困難であり、これまでには実用技術視点で研究された例も見当たらない。ゆえに、既存の表面磁石型モータでは、誘起電圧が高くなる高速にて出力低下が生じたり、電機子の鉄損が増加したりするなどの問題を抱えるものとなっている。なお、上述したハルバッハ配列を採用した回転電機も、界磁磁界を可変とすることを実現できるものでないと考えられる。
　本開示は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、表面磁石型の回転電機において、回転子により生じる界磁磁束を好適に変化させて可変界磁磁束を実現することにある。
　以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。
　第１の手段は、
　回転自在に支持された回転子と、
　前記回転子と同軸配置され、多相交流電流が通電される電機子巻線が巻装された電機子と、
を備えた永久磁石型の回転電機であって、
　前記回転子は、
　磁化方向を径方向とし、かつ前記電機子に対向する極が交互にＮ極、Ｓ極となるようにして周方向に互いに離間された位置に設けられた複数の永久磁石と、
　鉄心材よりなり、周方向に隣り合う前記永久磁石の間においてそれら永久磁石の周方向側面どうしを繋ぎ、かつ前記複数の永久磁石を環状に連結するヨーク部材と、
を有しており、
　前記電機子巻線における通電の位相制御により、前記永久磁石から前記電機子へ向かう界磁磁束の強さを変更することが可能になっている。
　上記構成の回転電機において、回転子は、磁化方向（磁極の向き）を径方向とし、かつ電機子に対向する極が交互にＮ極、Ｓ極となるようにして周方向に互いに離間された位置に設けられた複数の永久磁石を有している。そして、その複数の永久磁石は、鉄心であるヨーク部材により、永久磁石の周方向側面どうしが繋がれ（橋絡され）、かつ環状に連結されている。ここで、永久磁石では、電機子側の径方向端面とヨーク部材側の周方向側面とを通じて界磁磁束が流れる構成となっており、電機子巻線の通電により起磁力が生じる場合に、その起磁力の向きと永久磁石ごとの磁極とに応じて、永久磁石にて生じる界磁磁束の分布が異なるものとなる。この場合、隣り合う永久磁石の周方向側面を通じて流れる界磁磁束を好適に変化させることができる。これにより、表面磁石型の回転電機において、回転子により生じる界磁磁束を好適に変化させて可変界磁磁束を実現することができる。
　上述した第１の手段について、図１２を用いて補足説明をする。図１２では、回転子において永久磁石１０１とヨーク部材１０２（鉄心）とを直線状に展開して示しており、上側が電機子側、下側が電機子の反対側である。電機子巻線に電流を流すと、破線で示すようにループ状に起磁力が生じる。なお、回転子の周方向における起磁力発生の位置、すなわち各永久磁石１０１に対する起磁力の向きは、電機子巻線の通電位相に依存したものとなっている。ここで、永久磁石１０１では、図１２（ａ）に示すように、磁石磁束の向き（磁石のＮ→Ｓの向き）と電機子巻線の起磁力の向きとが同じになる場合と、（ｂ）に示すように、磁石磁束の向きと電機子巻線の起磁力の向きとが逆になる場合とがあり、そのうち（ｂ）の場合には界磁磁束が弱められる。また、ヨーク部材１０２では、その両隣となる２つの永久磁石１０１の磁束の向きに応じて、径方向において電機子に近い側と遠い側とで内部磁束の向きが相違している。かかる場合、図１２の（ａ）、（ｂ）に示すように、電機子巻線の起磁力、すなわち電機子巻線の通電位相に応じて、界磁磁束の強さが相違することになる。これにより、可変界磁回転電機を実現することができる。
　ここで、ハルバッハ配列により磁石配置した技術との違いについて述べておく。なお、ハルバッハ配列は、１９８０年代に米国ローレンス・バークレー研の物理学者のKlaus Halbachが粒子加速器のビームを収束する目的で考案した、磁束集中効果のための永久磁石の特殊配列である。近年では、永久磁石式ＭＲＩや電動機、リニアモータ、磁気浮上式鉄道、自由電子レーザ発生用のアンジュレータなどの分野において利用が増えつつある技術である。
　ハルバッハ配列の有名な特徴の一つに図１３に示す磁束の片面集中現象がある。図１３では、極磁石１１１とヨーク磁石１１２とが互いの磁化方向が直交する関係に交互配列されており、かかる構成においては、ヨーク磁石１１２とその当接する極磁石１１１の向きとの相互の方向の関係で磁束が配列の上下のいずれかの側に集中する。このとき、図１３（ａ）、（ｂ）に示すようにヨーク磁石１１２の磁化の向きを逆転すると、磁束の集中する側が反転する。このように永久磁石の配列のさせ方のみで磁束を集中させることができ、鉄片やコイルを用いることない磁界の集中方法として知られている。
　図１２の構成（第１の手段での回転電機）は、図１３における極間の磁石（ヨーク磁石１１２）を、鉄心であるヨーク部材１０２に変更したものである。ハルバッハ配列ではヨークが磁石であり、自身が起磁力（磁化）を保有しているが、鉄心の場合はそれがない。したがって、このままだと極磁石を側面短絡する手段にしかなっていない。この点、図１２の構成では、隣り合う２つの永久磁石１０１がヨーク部材１０２（鉄心）により側面短絡されており、かかる構成では、上記のとおり電機子巻線における通電の位相制御により界磁磁束の強さを変更することが可能になっている。
　第２の手段では、前記ヨーク部材は、周方向に隣り合う前記永久磁石の間において径方向に複数設けられている。
　ヨーク部材を、周方向に隣り合う永久磁石の間において径方向に複数設ける構成とした。ここで、永久磁石の周方向側面にヨーク部材を連結する構成では、その磁石側面の付近において磁束が周回して磁束の常時漏れが生じる。ただし、ヨーク部材を径方向に複数に分けて設けることにより、磁石側面での磁束漏れを抑制することができる。
　なお、複数設けられたヨーク部材は、少なくとも周方向側面又はその付近にて複数に分離されていればよく、例えばヨーク部材において隣り合う永久磁石間の中間部分に橋渡し部が設けられていてもよい。
　第３の手段では、前記ヨーク部材は、前記電機子側の周面において、前記永久磁石の側面に接続されるヨーク端部に対して周方向中間部分が径方向に凹んだ形状となっている。
　ヨーク部材を、電機子側の周面において周方向中間部分が径方向に凹んだ形状とした。そのため、周方向に並ぶ永久磁石とヨーク部材との間で磁束の流れを促進するとともに、ヨーク部材から電機子への漏れ磁束を減らすことができる。これにより、エネルギ効率の改善を図ることができる。
　第４の手段では、前記ヨーク部材には、周方向に隣り合う前記永久磁石の間に前記電機子とは反対側に延びるヨーク支持部が接続されており、前記ヨーク部材ごとの前記ヨーク支持部が連結部により一体的に連結されている。
　ヨーク部材に、周方向に隣り合う永久磁石の間に電機子とは反対側に延びるヨーク支持部を接続し、ヨーク部材ごとのヨーク支持部を連結部により一体的に連結する構成とした。これにより、周方向に隣り合う永久磁石の間にそれぞれヨーク部材を設ける構成において、複数の永久磁石と複数のヨーク部材とを環状に配置しつつ好適に結合させることができる。この場合、ヨーク支持部は、隣り合う永久磁石の間において電機子の反対側に接続されているため、ヨーク支持部を介しての磁束漏れが抑制されるものとなっている。
　第５の手段では、回転電機と、前記電機子巻線における通電の位相制御を実施する制御部と、を備える回転電機システムであって、前記制御部は、電機子電流の位相を前記回転子のｑ軸に対して回転方向に進めることにより界磁磁束を弱め、電機子電流の位相を前記回転子のｑ軸に対して回転方向に遅らせることにより界磁磁束を強める制御を実施する。
　制御部により、電機子電流の位相を回転子のｑ軸に対して回転方向に進める又は遅らせることにより、界磁磁束を弱めたり強めたりするようにした。これにより、所望のとおりにトルク等を制御することができる。
　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、回転電機の縦断面図であり、 図２は、回転子と電機子とを示す横断面図であり、 図３は、回転子の要部を拡大して示す図であり、 図４は、電機子による励磁の向きと磁界分布との関係を示す図であり、 図５は、実施形態の回転電機について等価回路を用いた考察の説明図であり、 図６は、一般的な表面磁石型モータについて等価回路を用いた考察の説明図であり、 図７は、二層ヨークが単層ヨークに対して優位性を有することの説明図であり、 図８は、トルク出力をしている状態の磁束分布のシミュレーション結果を示す図であり、 図９は、有限要素法磁場解析のシミュレーション結果を示す図であり、 図１０は、有限要素法磁場解析シミュレーションによるトルク最大時と磁束最小時との磁束密度分布を示す図であり、 図１１は、別例における回転子と電機子とを示す横断面図であり、 図１２は、電機子による励磁の向きと磁界分布との関係を示す図であり、 図１３は、ハルバッハ配列における磁界の集中現象を示す図である。
　以下、実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態における回転電機は、例えば車両動力源として用いられるものとなっている。ただし、回転電機は、産業用、車両用、家電用、ＯＡ機器用、遊技機用などとして広く用いられることが可能となっている。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一又は均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。
　本実施形態に係る回転電機１０は、表面磁石型の同期式多相交流モータであり、インナロータ構造（内転構造）のものとなっている。回転電機１０の概要を図１及び図２に示す。図１は、回転電機１０の回転軸１１に沿う方向での縦断面図であり、図２は、回転軸１１に直交する方向での回転子１２及び電機子１３の横断面図である。以下の記載では、回転軸１１が延びる方向を軸方向とし、回転軸１１を中心として放射状に延びる方向を径方向とし、回転軸１１を中心として円周状に延びる方向を周方向としている。
　回転電機１０は、回転軸１１に固定された回転子１２と、回転子１２を包囲する位置に設けられる電機子１３と、これら回転子１２及び電機子１３を収容するハウジング１４とを備えている。回転子１２及び電機子１３は同軸に配置されている。ハウジング１４は、有底筒状の一対のハウジング部材１４ａ，１４ｂを有し、ハウジング部材１４ａ，１４ｂが開口部同士で接合された状態でボルト１５の締結により一体化されている。ハウジング１４には軸受け１６，１７が設けられ、この軸受け１６，１７により回転軸１１及び回転子１２が回転自在に支持されている。
　図２に示すように、電機子１３は、周方向に複数のスロット２１を有する円環状の電機子コア２２と、電機子コア２２の各スロット２１に巻装された３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電機子巻線２３とを備えている。電機子コア２２は、円環状の複数の電磁鋼板を軸方向に積層し、カシメ等により固定することで構成されている。電機子コア２２は、円環状のヨーク２４と、ヨーク２４から径方向内側へ突出し周方向に所定距離を隔てて配列された複数のティース２５とを有し、隣り合うティース２５の間にスロット２１が形成されている。各ティース２５は、周方向に等間隔でそれぞれ設けられている。
　各スロット２１は、電機子巻線２３の１相あたり２個ずつ隣り合わせにして設けられている。つまり、電機子コア２２には、周方向に繰り返し２個ずつ配置されたＵ相スロット、Ｖ相スロット及びＷ相スロットが形成されている。各スロット２１には、ティース２５に巻回されるようにして電機子巻線２３が巻装されている。電機子巻線２３は、例えば複数の導体セグメントが互いに接合されることで構成されている。
　回転子１２は、回転軸１１に固定される回転子コア３１と、その回転子コア３１に保持された複数の永久磁石３２とを有している。回転子コア３１は、回転軸１１に対して固定される筒状の中央固定部３３と、周方向に隣り合う永久磁石３２の間においてそれら永久磁石３２の周方向側面どうしを繋ぎ（橋絡し）、かつ複数の永久磁石３２を環状に連結するロータヨーク３４と、回転軸１１を中心にして径方向に延び、中央固定部３３及びロータヨーク３４を繋ぐ複数のヨーク支持部３５とを有している。ロータヨーク３４は鉄心材よりなり、これが「ヨーク部材」に相当する。本実施形態では、中央固定部３３とロータヨーク３４とヨーク支持部３５とを電磁鋼板にて一体に形成しており、複数の電磁鋼板を軸方向に積層し、カシメ等により固定することで、回転子コア３１が構成されている。
　ロータヨーク３４には、複数の永久磁石３２が所定間隔で組み付けられている。詳しくは、複数の永久磁石３２は、ロータヨーク３４により、電機子１３において同相の電機子巻線２３が巻装されるピッチと同じ間隔で、周方向にそれぞれ配置されている。また、各永久磁石３２は、磁化方向（磁極の向き）を径方向とし、かつ電機子１３に対向する極が交互にＮ極、Ｓ極となるように周方向に互いに離間された位置に設けられている。
　また、図３に示すように、ロータヨーク３４は、径方向において内外２つに分けて設けられており、外周側が外周側ヨーク３４ａ、内周側が内周側ヨーク３４ｂとなっている。外周側ヨーク３４ａ及び内周側ヨーク３４ｂは、いずれも永久磁石３２の周方向側面から周方向に延びるように設けられており、それらの間には空間部が設けられている。なお、外周側ヨーク３４ａと内周側ヨーク３４ｂとの間の空間部には、両ヨーク３４ａ，３４ｂを繋ぐ橋渡し部が設けられていてもよい。外周側ヨーク３４ａは、径方向において電機子１３に近い側に設けられ、内周側ヨーク３４ｂは、径方向において電機子１３から遠い側に設けられている。外周側ヨーク３４ａ及び内周側ヨーク３４ｂにより、径方向に分かれた２つの磁気回路が形成されるようになっている。外周側ヨーク３４ａの径方向の幅Ｌ１と内周側ヨーク３４ｂの径方向の幅Ｌ２とは、Ｌ１＞Ｌ２である。ただし、Ｌ１＝Ｌ２、又はＬ１＜Ｌ２であってもよい。
　外周側ヨーク３４ａは、電機子１３側（図の上側）の外周面において、永久磁石３２の側面に接続されるヨーク端部に対して周方向中間部分が径方向に凹んでおり、凹部３６となっている。この場合、外周側ヨーク３４ａは、周方向に隣り合う永久磁石３２の間において、周方向中間部分が径方向に縮小され、かつ両端部分が拡大された形状（ブーツ形状)となっている。
　また、内周側ヨーク３４ｂは、電機子１３の反対側（図の下側）の内周面において、永久磁石３２の側面に接続されるヨーク端部に対して周方向中間部分が径方向に凹んでおり、凹部３７となっている。この場合、内周側ヨーク３４ｂは、周方向に隣り合う永久磁石３２の間において、周方向中間部分が径方向に縮小され、かつ両端部分が拡大された形状（ブーツ形状)となっている。
　各内周側ヨーク３４ｂには、周方向に隣り合う永久磁石３２の間に電機子１３とは反対側に延びるヨーク支持部３５が接続されており、内周側ヨーク３４ｂごとのヨーク支持部３５が、連結部としての中央固定部３３により一体的に連結されている。各内周側ヨーク３４ｂには、隣り合う永久磁石間にヨーク支持部３５が接続されていることから、永久磁石３２の内側（反電機子側）の径方向端面には電磁鋼板等の軟磁性体が存在しない、仮に存在しても永久磁石３２の表面を覆う程度のものとなっている。
　図１に示すように、回転電機システムは、インバータ４１と制御部４２とを備えている。インバータ４１は、回転電機１０において各相の電機子巻線２３に接続され、相ごとに通電電流を調整する。インバータ４１は、周知のとおり相巻線の相数と同数の上下アームを有するブリッジ回路であり、各アームにはスイッチ（半導体スイッチング素子）がそれぞれ設けられている。制御部４２は、ＣＰＵや各種メモリを有するマイクロコンピュータよりなり、例えば力行トルク指令値や発電電圧指令値に基づいて、所定のスイッチング周波数（キャリア周波数）でインバータ４１の各スイッチをオンオフし、これにより回転電機１０の各相電流についてフィードバック制御を実施する。また、制御部４２は、電機子巻線２３の各相の電流（相電流）について位相を制御することが可能になっている。
　上記構成の回転電機１０での特徴的な作用は、図１２において説明したとおりであるが、図４を用いて、回転電機１０での特徴的な作用を再度説明しておく。
　電機子巻線２３に電流を流すと、電機子巻線２３の通電位相に応じて、破線で示すようにループ状に起磁力が生じる。ここで、永久磁石３２では、図４（ａ）に示すように、磁石磁束の向き（磁石のＮ→Ｓの向き）と電機子巻線２３の起磁力の向きとが同じになる場合と、（ｂ）に示すように、磁石磁束の向きと電機子巻線２３の起磁力の向きとが逆になる場合とがある。（ａ）の場合には、図の時計回り方向の向きで起磁力が生じており、電機子１３に対して遠い側の内周側ヨーク３４ｂを介して磁束が流れる。また、（ｂ）の場合には、図の反時計回り方向の向きで起磁力が生じており、電機子１３に対して近い側の外周側ヨーク３４ａを介して磁束が流れる。（ａ）の場合には界磁磁束が強められることになり、（ｂ）の場合には界磁磁束が弱められることになる。かかる場合、電機子巻線の起磁力、すなわち電機子巻線の通電位相に応じて、界磁磁束の変更が可能になっている。
　上記構成では、永久磁石３２の側面にロータヨーク３４が連結されており、換言すれば、永久磁石３２の磁化方向に対して略垂直にロータヨーク３４が密着する構成となっている。また、磁石側面の略全面にロータヨーク３４が連結されている。そのため、磁束の流れを変えやすいものとなっている。
　また、図５及び図６は、等価回路を用いた考察の説明図である。図５には、本実施形態の回転電機１０を想定した等価回路を示し、図６には、本実施形態と磁石配置と量とを揃えた一般的な表面磁石型モータを想定した等価回路を示す。Ｒｇは電機子１３と回転子１２との間のエアギャップに相当し、Ｒｙは外周側ヨーク３４ａ及び内周側ヨーク３４ｂにそれぞれ相当し、Ｒｃは一般的な表面磁石型モータのロータコアＣに相当する。図５及び図６では（ｂ）に電機子通電時を示し、（ｃ）に無通電時を示す。なお、図５（ｂ）の状態は図４（ａ）の状態に相当する。
　図５において、（ｂ）の電機子通電時には、磁石磁束は極間で殆ど漏れることなく電機子１３へ到達すると考えられる。より詳しくは、極間での漏れが生じても、それを上回る逆方向の磁束が電機子１３から供給され、差し引きの差分は低くなり、結局は外周側ヨーク３４ａ（電機子側ヨーク）の通過磁束量（漏れ磁束量）が減ることとなる。
　また、（ｃ）の無通電時には、ロータヨーク３４（３４ａ，３４ｂ）が永久磁石３２の側面に当接していることから、磁束がショートカットする。つまり換言すれば、永久磁石３２の起磁力がフルに使われない自己循環漏洩となると考えられる。
　この場合、電機子通電時には永久磁石３２の磁束がフルに使われるのに対し、無通電時には磁束がショートカットする。したがって、上記構成の回転電機１０では、電機子通電時に永久磁石３２の作用範囲が磁化方向に比較的長くなり、無通電時に永久磁石３２の作用範囲が磁化方向に比較的短くなる構成を有することになる。この点において、回転電機１０は、可変磁束磁気回路とでもいえる要素を持つものとなっている。
　なお、図６に示すように、一般的な表面磁石型モータでは、電機子とは逆側（図の下側）で永久磁石３２が軟磁性体のロータコアＣに結合されており、電機子通電時及び無通電時のいずれにおいても、磁束経路は同じになる。そのため、界磁磁束を変えることが困難なものとなっている。
　ここで、ロータヨーク３４を内周側及び外周側で２つに分けて設けていることの優位点を図７を用いて補足する。図７（ａ）は、ロータヨーク３４を径方向の内外に分けずに単層で設けた構成を示し、（ｂ）は、ロータヨーク３４を径方向の内外に分けて二層に設けた構成を示す。
　本実施形態では、永久磁石３２の側面にロータヨーク３４を連結する構成であるため、その磁石側面の付近において磁束が周回して磁束の常時漏れが生じる。ここで、図７（ａ）の場合には、磁石側面での磁束の常時漏れが大きいため、効率の低下が懸念される。これに対して、（ｂ）の場合には、ロータヨーク３４を径方向に分割することで、磁束の周回範囲が狭められるため、磁石側面での磁束漏れが軽減される。
　図８には、回転電機１０における磁束の流れをＦＥＡ（有限要素法）シミュレーションにて解析した結果を示す。これはトルク出力時の解析結果を示すものである。図８によれば、永久磁石３２の磁束は、外周側ヨーク３４ａを通って戻ってくるような漏れ方でなく、電機子１３に有効にわたっていることが分かる。なお、弱め界磁磁束を生じさせる場合には、磁石磁束が外周側ヨーク３４ａを介して多く漏洩することとなる。
　また、図９は、本実施形態の回転電機１０と一般的な表面磁石型モータとについて電機子電流に対する磁束の弱まり度合いを比較したものである。本実施形態の回転電機１０では、一般的な表面磁石型モータに対して約半分の電流で同等の磁束に抑制できることが分かる。すなわち、省電流で磁束を大きく変更できるものであることが分かる。
　また、図１０には、有限要素法磁場解析シミュレーションによるトルク最大時と磁束最小時との磁束密度分布を示す。（ａ）は、本実施形態の回転電機１０についてトルク最大時のシミュレーション結果を示し、（ｂ）は、本実施形態の回転電機１０について磁束最小時のシミュレーション結果を示し、（ｃ）は、一般的な表面磁石型モータについてトルク最大時のシミュレーション結果を示し、（ｄ）は、一般的な表面磁石型モータについて磁束最小時のシミュレーション結果を示す。
　本実施形態の回転電機１０では、図１０（ａ）の場合に磁石磁束が電機子１３にフルで到達し、（ｂ）の場合に磁石磁束がロータヨーク３４によりショートカットされている（自己循環漏洩が生じている）ことが分かる。また、一般的な表面磁石型モータでは、（ｄ）の場合に、（ｂ）に示す回転電機１０に比べて電機子側への漏れ磁束が多くなっていることが分かる。
　以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
　回転電機１０の回転子１２において、複数の永久磁石３２を、磁化方向を径方向とし、かつ電機子１３に対向する極が交互にＮ極、Ｓ極となるようにして周方向に互いに離間された位置に設けるとともに、その複数の永久磁石３２を、鉄心であるロータヨーク３４により、磁石側面どうしを繋ぎ、かつ環状に連結する構成とした。ここで、永久磁石３２では、電機子１３側の径方向端面とロータヨーク３４側の周方向側面とを通じて界磁磁束が流れる構成となっており、電機子巻線２３の通電により起磁力が生じる場合に、その起磁力の向きと永久磁石３２ごとの磁極とに応じて、永久磁石３２にて生じる界磁磁束の分布が異なるものとなる。この場合、隣り合う永久磁石３２の周方向側面を通じて流れる界磁磁束を好適に変化させることができる。これにより、表面磁石型の回転電機１０において、回転子１２により生じる界磁磁束を好適に変化させて可変界磁磁束を実現することができる。
　ロータヨーク３４を、周方向に隣り合う永久磁石３２の間において径方向に複数に分けて設ける構成とした。ここで、永久磁石３２の側面にロータヨーク３４を連結する構成では、その磁石側面の付近において磁束が周回して磁束の常時漏れが生じる。ただし、ロータヨーク３４を径方向に複数に分けて設けることにより、磁石側面での磁束漏れを抑制することができる。
　ロータヨーク３４を、電機子１３側の周面において周方向中間部分が径方向に凹んだ形状とした。そのため、周方向に並ぶ永久磁石３２とロータヨーク３４との間で磁束の流れを促進するとともに、ロータヨーク３４から電機子１３への漏れ磁束を減らすことができる。これにより、エネルギ効率の改善を図ることができる。
　ロータヨーク３４に、周方向に隣り合う永久磁石３２の間に電機子１３とは反対側に延びるヨーク支持部３５を接続し、複数のヨーク支持部３５を中央固定部３３（連結部）により一体的に連結する構成とした。これにより、周方向に隣り合う永久磁石３２の間にそれぞれロータヨーク３４を設ける構成において、複数の永久磁石３２と複数のロータヨーク３４とを環状に配置しつつ好適に結合させることができる。この場合、ヨーク支持部３５は、隣り合う永久磁石３２の間において電機子１３の反対側に接続されているため、ヨーク支持部３５を介しての磁束漏れを抑制できるものとなっている。
　制御部４２により、電機子電流の位相を回転子１２のｑ軸に対して回転方向に進める又は遅らせることにより、界磁磁束を弱めたり強めたりするようにした。これにより、所望のとおりにトルク等を制御することができる。
　（他の実施形態）
　上記実施形態を例えば次のように変更してもよい。
　・上記実施形態では、ロータヨーク３４を径方向の内外に２つに分けて、それぞれを外周側ヨーク３４ａ、内周側ヨーク３４ｂとしたが、この構成を変更してもよい。ロータヨーク３４を径方向の内外に３つ以上に分ける構成としてもよい。又は、ロータヨーク３４を径方向に分けずに設ける構成であってもよい。
　・回転子１２を図１１のように構成することも可能である。図１１では、回転軸１１に固定された略円板状の絶縁プレート５１を有し、その絶縁プレート５１の外周側に、所定間隔で永久磁石３２が取り付けられるとともに、各永久磁石３２の間にそれぞれロータヨーク３４が取り付けられている。絶縁プレート５１は、合成樹脂等の絶縁材料よりなる。本構成では、絶縁プレート５１が永久磁石３２及びロータヨーク３４を保持する保持部材となっている。
　・上記実施形態では、インナロータ式の回転電機での適用例を説明したが、これ以外にアウタロータ式の回転電機に適用することも可能である。
　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (5)

  1. 　回転自在に支持された回転子（１２）と、
    　前記回転子と同軸配置され、多相交流電流が通電される電機子巻線（２３）が巻装された電機子（１３）と、
    を備えた永久磁石型の回転電機（１０）であって、
    　前記回転子は、
    　磁化方向を径方向とし、かつ前記電機子に対向する極が交互にＮ極、Ｓ極となるようにして周方向に互いに離間された位置に設けられた複数の永久磁石（３２）と、
    　鉄心材よりなり、周方向に隣り合う前記永久磁石の間においてそれら永久磁石の周方向側面どうしを繋ぎ、かつ前記複数の永久磁石を環状に連結するヨーク部材（３４）と、
    を有しており、
    　前記電機子巻線における通電の位相制御により、前記永久磁石から前記電機子へ向かう界磁磁束の強さを変更することが可能になっている回転電機。
  2. 　前記ヨーク部材は、周方向に隣り合う前記永久磁石の間において径方向に複数設けられている請求項１に記載の回転電機。
  3. 　前記ヨーク部材は、前記電機子側の周面において、前記永久磁石の側面に接続されるヨーク端部に対して周方向中間部分が径方向に凹んだ形状となっている請求項１又は２に記載の回転電機。
  4. 　前記ヨーク部材には、周方向に隣り合う前記永久磁石の間に前記電機子とは反対側に延びるヨーク支持部（３５）が接続されており、前記ヨーク部材ごとの前記ヨーク支持部が連結部（３３）により一体的に連結されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機。
  5. 　請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電機と、
    　前記電機子巻線における通電の位相制御を実施する制御部（４２）と、
    を備える回転電機システムであって、
    　前記制御部は、電機子電流の位相を前記回転子のｑ軸に対して回転方向に進めることにより界磁磁束を弱め、電機子電流の位相を前記回転子のｑ軸に対して回転方向に遅らせることにより界磁磁束を強める制御を実施する回転電機システム。
PCT/JP2018/035730 2017-10-10 2018-09-26 回転電機及び回転電機システム WO2019073799A1 (ja)

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