JP2013051760A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】可変磁力磁石の増減磁時における回転子と固定子のギャップ磁束密度分布を略正弦波状に増減できる永久磁石式回転電機を提供する。
【解決手段】永久磁石式回転電機は、固定子と回転子を有する。前記固定子は、電機子巻線を有する。前記回転子は、回転子鉄心と、第１の永久磁石と、第２の永久磁石とを有する。前記第１の永久磁石は、前記回転子鉄心に埋め込まれている。前記第２の永久磁石は、前記電機子巻線を通電して形成される磁界で磁化状態が変化することで磁束量が不可逆的に変化し、前記第１の永久磁石の両側に配置されている。前記回転子鉄心は、前記第２の永久磁石の磁束が短絡する磁路を有し、前記磁路の磁束密度が前記回転子鉄心において飽和しない幅の外周ブリッジを前記第２の永久磁石近傍に有する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、永久磁石式回転電機に関する。

現在、保磁力と磁化方向厚さの積が小となる永久磁石（以降、可変磁力磁石という）と、保磁力と磁化方向厚さの積が可変磁石磁力よりも大となる永久磁石（以降、固定磁力磁石という）を使用した永久磁石式回転電機がある。このような永久磁石式回転電機では、可変磁力磁石の鎖交磁束は、磁化電流による磁界によって、不可逆的に変化する。そのため、可変磁力磁石の鎖交磁束量と固定磁力磁石の鎖交磁束量の和である総鎖交磁束量は、可変磁力磁石の鎖交磁束の量、方向を調整することで、可変である。可変磁力磁石が固定磁力磁石の鎖交磁束と同方向の鎖交磁束を生じるように磁化されることを増磁という。逆に、可変磁力磁石が固定磁力磁石の鎖交磁束と逆方向の鎖交磁束を生じるように磁化されることを減磁という。このような永久磁石式回転電機は、高出力で低速から高速までの広範囲での可変速運転を可能とする。

特開２００６−２８０１９５号公報 特開２００８−４８５１４号公報 特開２０１０−１２４６０８号公報

埋込磁石同期モータの設計と制御，武田洋次・他，オーム社

このような永久磁石式回転電機では、磁極１極分における回転子と固定子のギャップ磁束密度分布を見たとき、磁束密度分布の波形は、略正弦波形状となっているのが好ましい。その理由は、磁束密度分布の高調波成分が増加すると、回転子鉄心および固定子鉄心の鉄損が増加し、永久磁石式回転電機の出力効率が低下するためである。

しかしながら、磁極中央に可変磁力磁石が配置されている場合、磁極中央近傍の磁束密度は、可変磁力磁石が増磁または減磁することに応じて増減する。磁極中央近傍の磁束密度が減少すると、磁束密度分布の波形は、略正弦波形状から略矩形波形状となる。つまり、磁束密度分布の高調波成分は増加することになる。その結果、固定子鉄心、回転子鉄心で発生する鉄損が増加する。

本発明の課題は、可変磁力磁石の増減磁時における回転子と固定子のギャップ磁束密度分布を略正弦波状に増減できる永久磁石式回転電機を提供することである。

実施形態によれば、永久磁石式回転電機は、固定子と回転子を有する。前記固定子は、電機子巻線を有する。前記回転子は、回転子鉄心と、第１の永久磁石と、第２の永久磁石とを有する。前記第１の永久磁石は、前記回転子鉄心に埋め込まれている。前記第２の永久磁石は、前記電機子巻線を通電して形成される磁界で磁化状態が変化することで磁束量が不可逆的に変化し、前記第１の永久磁石の両側に配置されている。前記回転子鉄心は、前記第２の永久磁石の磁束が短絡する磁路を有し、前記磁路の磁束密度が前記回転子鉄心において飽和しない幅の外周ブリッジを前記第２の永久磁石近傍に有する。

第1の実施形態に係る永久磁石式回転電機における磁極１極分の展開断面図。 第1の実施形態に係る永久磁石式回転電機における可変磁力磁石の増磁時の磁束の流れを示す図。 第1に係る実施形態の永久磁石式回転電機における可変磁力磁石の減磁時の磁束の流れを示す図。 第２の実施形態に係る永久磁石式回転電機における磁極１極分の展開断面図。 第３の実施形態に係る永久磁石式回転電機における磁極１極分の展開断面図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第1の実施形態に係る永久磁石式回転電機１の磁極１極分の展開断面図である。磁極２の中心軸方向がｑ軸、磁極間の中心軸方向がｄ軸である。永久磁石式回転電機１は、固定子１０及び回転子２０を有する。固定子１０は、円筒状であり、エアギャップを介して回転子２０の外周に配置されている。回転子２０は、円柱状であり、固定子１０と同軸上に配置されている。

固定子１０は、固定子鉄心１０１及び電機子巻線１０２を有する。固定子鉄心１０１は、電機子巻線１０２が周方向に複数埋め込まれている。電機子巻線１０２は、三相交流を用いる場合、周方向にＵ相−Ｖ相−Ｗ相の順に巻かれている。回転子２０は、回転子鉄心２０１、固定磁力磁石２０２、可変磁石磁力２０３、２０４、短絡コイル２０５a、２０５ｂを有する。回転子鉄心２０１は、珪素鋼板を積層して構成されている。回転子鉄心２０１は、挿入孔２０１１、２０１２、２０１３を軸方向に有する。挿入孔２０１１は、磁極２の中央に設けられている。挿入孔２０１２、２０１３は、挿入孔２０１１の両側に設けられている。

固定磁力磁石２０２は、磁化方向がｑ軸方向となるように挿入孔２０１１に埋め込まれている。可変磁力磁石２０３は、磁化方向がｄ軸方向となるように挿入孔２０１２に埋め込まれている。可変磁力磁石２０４は、磁化方向がｄ軸方向となるように挿入孔２０１３に埋め込まれている。可変磁力磁石２０３、２０４は、電機子巻線１０２に通電する極短時間となるパルス的な磁化電流によって形成される磁界が作用し、磁化方向が不可逆的に変化する。上記のように回転子鉄心２０１に埋め込まれた固定磁力磁石２０２、可変磁力磁石２０３、２０４は、磁気回路上で並列回路を構成し、磁極２を形成する。なお、図1は、磁極２のみについて示しているが、回転子鉄心２０１には、複数の磁極が周方向に形成されている。他の磁極は、磁極２と同様に形成されているため、説明を省略する。

さらに、回転子鉄心２０１は、挿入孔２０１２と回転子鉄心２０１の外周の間、挿入孔２０１３と回転子鉄心２０１の外周の間それぞれに外周ブリッジ２０１４、２０１５を有する。外周ブリッジ２０１４は、磁極２端部（ｄ軸）近傍に設けられ、固定磁力磁石２０２、可変磁力磁石２０３の磁束が短絡する磁路である。同様に、外周ブリッジ２０１５は、磁極２端部近傍に設けられ、固定磁力磁石２０２、可変磁力磁石２０４の磁束が短絡する磁路である。外周ブリッジ２０１４、２０１５の作用については、後述する。

短絡コイル２０５a、２０５ｂは、挿入孔２０１１における固定磁力磁石２０２の左右の空隙を利用して回転子鉄心２０１の軸方向に配置されている。短絡コイル２０５a、２０５ｂは、互いに接続され、固定磁力磁石２０２を取り囲むように回転子鉄心２０１に巻かれている。短絡コイル２０５a、２０５ｂは、導電性の部材である。なお、短絡コイル２０５a、２０５ｂの代わりに、渦電流が流れる導電板を用いてもよい。

短絡コイル２０５a、２０５ｂの作用について説明する。短絡コイル２０５a、２０５ｂは、電機子巻線１０２に通電する磁化電流で発生する磁界によって短絡電流が発生する。短絡コイル２０５a、２０５ｂは、短絡電流により磁界を発生する。固定磁力磁石２０２内では、短絡コイル２０５a、２０５ｂで発生する磁束の方向は、電機子巻線１０２で発生する磁束の方向と逆方向である。そのため、固定磁力磁石２０２内では、電機子巻線１０２で発生する磁束は、短絡コイル２０５a、２０５ｂで発生する磁束によって打ち消される。したがって、固定磁力磁石２０２の磁束の増減はほとんど生じない。可変磁力磁石２０３、２０４内では、短絡コイル２０５a、２０５ｂで発生する磁束の方向は、電機子巻線１０２で発生する磁束の方向と同方向である。そのため、可変磁力磁石２０３、２０４内では、電機子巻線１０２で発生する磁束は、短絡コイル２０５a、２０５ｂで発生する磁束によって強められる。したがって、可変磁力磁石２０３、２０４は、少ない磁化電流で磁化する。

つまり、短絡コイル２０５a、２０５ｂは、電機子巻線１０２で発生する磁界を可変磁力磁石２０３、２０４に集中させるように作用する。なお、第１の実施形態では、回転子２０には、短絡コイル２０５a、２０５ｂが設けられている例について説明するが、回転子２０には、短絡コイル２０５a、２０５ｂが設けられていなくてもよい。

上記構成によれば、永久磁石式回転電機１は、可変磁力磁石２０３、２０４が電機子巻線１０２に通電する磁化電流による磁界で着磁することで、固定磁力磁石２０２の鎖交磁束量と可変磁力磁石２０３、２０４の鎖交磁束量の和である総鎖交磁束量を広範囲に調整できる。

低速域では、可変磁力磁石２０３、２０４は、鎖交磁束が固定磁力磁石２０２の鎖交磁束と同方向になるように増磁する。特に低速域の初期動作時は、可変磁力磁石２０３、２０４は、鎖交磁束が最大量となるように増磁するため、総鎖交磁束量は最大になる。そのため、永久磁石式回転電機１のトルク及び出力は、最大になる。

中・高速域では、可変磁力磁石２０３、２０４は、鎖交磁束が低速域における量よりも小さい量となるように増磁、または、鎖交磁束が固定磁力磁石２０２の鎖交磁束と逆方向になるように減磁するため、総鎖交磁束量は、低速域における量よりも減少する。そのため、永久磁石式回転電機１の回転電機の回転速度は、速くなる。

次に、外周ブリッジ２０１４、２０１５の作用について説明する。図２は、可変磁力磁石２０３、２０４の増磁時における回転子２０及び固定子１０のギャップにおける磁束の流れを示す断面図である。図３は、可変磁力磁石２０３、２０４の減磁時における回転子２０及び固定子１０のギャップにおける磁束の流れを示す断面図である。外周ブリッジ２０１４は、磁束密度が飽和しない程度の幅を有する。外周ブリッジ２０１５についても同様である。固定磁力磁石２０２の磁束は、外周ブリッジ２０１４近傍では、回転子鉄心２０１の外周側から固定子鉄心１０１へ流れるよりも、外周ブリッジ２０１４を流れて固定磁力磁石２０２に戻りやすい。可変磁力磁石２０３の磁束も、外周ブリッジ２０１４近傍では、回転子鉄心２０１の外周側から固定子鉄心１０１へ流れるよりも、外周ブリッジ２０１５を流れて可変磁力磁石２０３に戻りやすい。同様に、固定磁力磁石２０２の磁束は、外周ブリッジ２０１５近傍では、回転子鉄心２０１の外周側から固定子鉄心１０１へ流れるよりも、外周ブリッジ２０１５を流れて固定磁力磁石２０２に戻りやすい。可変磁力磁石２０４の磁束も、外周ブリッジ２０１５近傍では、回転子鉄心２０１の外周側から固定子鉄心１０１へ流れるよりも、外周ブリッジ２０１５を流れて可変磁力磁石２０４に戻りやすい。つまり、固定磁力磁石２０２、可変磁力磁石２０３、２０４の磁束が回転子鉄心２０１に閉じ込められるため、磁極２の両端における鎖交磁束は低減する。そのため、磁極１極分における回転子２０と固定子１０のギャップ磁束密度分布を見たときに、可変磁力磁石２０３、２０４の増磁、減磁時におけるギャップ磁束密度分布の波形は、いずれの時も磁極中央をピークとする略正弦波形状に近づく。なお、ギャップ磁束密度分布高調波成分を含むと、その高調波成分により鉄損増加する。そのため、ギャップ磁束密度分布の波形を略正弦波形状に近づけることは、減磁時よりも磁束密度が大きい増磁時の方がより効果的である。

第１の実施形態によれば、可変磁力磁石２０３、２０４の増磁、減磁時におけるギャップ磁束密度分布を略正弦波状に増減できるため、磁束密度高調波により永久磁石式回転電機１内部で発生する鉄損を低減することができ、高信頼性で、且つ高効率の永久磁石式回転電機１を提供できる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態における永久磁石式回転電機１の磁極の１極分の展開断面図である。なお、第1の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し説明を省略する。挿入孔２０１２には、可変磁力磁石２０６と固定磁力磁石２０７が、磁化方向が同じになるように積層（直列）配置されている。挿入孔２０１３には、可変磁力磁石２０８と固定磁力磁石２０９が、磁化方向が同じになるように積層（直列）配置されている。なお、可変磁力磁石２０６は、固定磁力磁石２０７よりも磁化方向における回転子鉄心２０１の外周側に配置されているが、固定磁力磁石２０７と逆に配置されていてもよい。また、可変磁力磁石２０６と固定磁力磁石２０７は、磁化直角方向に並べて配置されていてもよい。可変磁力磁石２０８と固定磁力磁石２０９の配置についても同様である。なお、図４は、磁極２のみについて示しているが、回転子鉄心２０１には、複数の磁極が周方向に形成されている。他の磁極は、磁極２と同様に形成されているため、説明を省略する。第２の実施形態に係る永久磁石式回転電機１は、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態における永久磁石式回転電機１の磁極の１極分の展開断面図である。なお、第1の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し説明を省略する。回転子鉄心２０１は、軸方向に挿入孔２０１６、２０１７を有する。挿入孔２０１６、２０１７は、磁極２を中心とした両側に、回転子鉄心２０１の磁極２の中央から外周側に向かってＶ字状に回転子鉄心２０１に設けられている。

挿入孔２０１６では、固定磁力磁石２１０が磁極２の中央側に配置されている。さらに、挿入孔２０１６では、可変磁力磁石２１１と固定磁力磁石２１２は、磁化方向が同じになるように、固定子鉄心２０１の外周側に積層配置されている。なお、可変磁力磁石２１１は、固定磁力磁石２１２よりも磁化方向における回転子鉄心２０１の外周側に配置されているが、固定子磁力磁石２１２と逆に配置されていてもよい。また、可変磁力磁石２１１と固定磁力磁石２１２は、磁化直角方向に並べて配置されていてもよい。また、固定磁力磁石２１２の代わりに可変磁力磁石が配置されていてもよい。

同様に、挿入孔２０１７では、固定磁力磁石２１３が磁極２の中央側に配置されている。挿入孔２０１７では、可変磁力磁石２１４と固定磁力磁石２１５が、磁化方向が同じになるように、固定子鉄心２０１の外周側に積層配置されている。

なお、可変磁力磁石２１４は、固定磁力磁石２１５よりも磁化方向における回転子鉄心２０１の外周側に配置されているが、固定子磁力磁石２１５と逆に配置されていてもよい。また、可変磁力磁石２１４と固定磁力磁石２１５は、磁化直角方向に並べて配置されていてもよい。また、固定磁力磁石２１４の代わりに可変磁力磁石が配置されていてもよい。

挿入孔２０１６では、短絡コイル２１６aは、固定磁力磁石２１０と可変磁力磁石２１１の間であって、回転子鉄心２０１の軸方向に配置されている。挿入孔２０１７では、短絡コイル２１６ｂは、固定磁力磁石２１３と可変磁力磁石２１４の間であって回転子鉄心２０１の軸方向に配置されている。短絡コイル２１６aと短絡コイル２１６ｂは、互いに接続されている。短絡コイル２１６a、コイル２１６ｂは、短絡コイル２０５a、２０５ｂと同様に作用するため、説明を省略する。

なお、図５は、磁極２のみについて示しているが、回転子鉄心２０１には、複数の磁極が周方向に形成されている。他の磁極は、磁極２と同様に形成されているため、説明を省略する。第３の実施形態に係る永久磁石式回転電機１は、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…永久磁石式回転電機、２…磁極、１０…固定子、２０…回転子、１０１…固定子鉄心、１０２…電機子巻線、２０１…回転子鉄心、２０２…固定磁力磁石、２０３…可変磁力磁石、２０４…可変磁力磁石、２０５a…短絡コイル、２０５ｂ…短絡コイル、２０６…可変磁力磁石、２０７…固定磁力磁石、２０８…可変磁力磁石、２０９…固定磁力磁石、２１０…固定磁力磁石、２１１…可変磁力磁石、２１２…固定磁力磁石、２１３…固定磁力磁石、２１４…可変磁力磁石、２１５…固定磁力磁石、２１６a…短絡コイル、２１６ｂ…短絡コイル、２０１１…挿入孔、２０１２…挿入孔、２０１３…挿入孔、２０１４…外周ブリッジ、２０１５…外周ブリッジ、２０１６…挿入孔、２０１７…挿入孔。

Claims (4)

1. 電機子巻線を有する固定子と、
   回転子鉄心と、前記回転子鉄心に埋め込まれた第１の永久磁石と、前記電機子巻線を通電して形成される磁界で磁化状態が変化することで磁束量が不可逆的に変化し、前記第１の永久磁石の両側に配置された第２の永久磁石とを有する回転子とを有し、
   前記回転子鉄心は、前記第２の永久磁石の磁束が短絡する磁路を有し、前記磁路の磁束密度が前記回転子鉄心において飽和しない幅の外周ブリッジを前記第２の永久磁石近傍に有する、
   永久磁石式回転電機。
2. 前記第１の永久磁石は、前記第２の永久磁石よりも保磁力と磁化方向厚さの積が大きい請求項１記載の永久磁石式回転電機。
3. 前記第１の永久磁石は、磁極中央近傍に配置されている請求項２記載の永久磁石式回転電機。
4. 前記回転子は、前記第２の永久磁石近傍に配置され、前記電機子巻線を通電して形成される磁界によって発生する電流によって、前記電機子巻線を通電して形成される磁界と反対方向の磁界を発生させる導電性部材を有する請求項３記載の永久磁石式回転電機。

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