JP2019154232A - 回転子および回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】損失低減、効率向上が可能な永久磁石型の回転電機を提供する。【解決手段】回転子は、複数の磁極と、それぞれｑ軸と外周面とが交差する部位から中心軸線Ｃに向かって延在する複数の空隙部と、円周方向に隣り合う一対の空隙部の一方の空隙部に面して形成された第１ブリッジ部４４ａと他方の空隙部に面して形成された第２ブリッジ部４４ｂと隣接して形成された磁石埋め込み孔３４ａ、３４ｂとを有し、磁極にｄ軸を横断して形成されたフラックスバリアバンドＦＢと、を具備する回転子鉄心と、保磁力と磁化方向厚との積が大きい固定磁力磁石で構成され、磁石埋め込み孔３４ａ内に第１ブリッジ部４４ａに隣接して配置された第１永久磁石２６と、保磁力と磁化方向厚との積が第１永久磁石２６よりも小さい可変磁力磁石で構成され、磁石埋め込み孔３４ｂ内に第２ブリッジ部４４ｂに隣接して配置された第２永久磁石２７と、を備えている。【選択図】図２Ｂ

Description

この発明の実施形態は、回転電機の回転子、およびこれを備える回転電機に関する。

近年、永久磁石の目覚しい研究開発により、高磁気エネルギー積の永久磁石が開発され、このような永久磁石を用いた永久磁石型の回転電機が電車や自動車の電動機あるいは発電機として適用されつつある。通常、永久磁石型の回転電機は、円筒状の固定子と、この固定子の内側に回転自在に支持された回転子と、を備えている。回転子は、回転子鉄心と、この回転子鉄心内に埋め込まれ、複数の磁極を形成する複数の永久磁石と、を備えている。

このような永久磁石型の回転電機は、可変速駆動回転電機に適している。永久磁石型の回転電機では、永久磁石の鎖交磁束が常に一定の強さで発生しているため、永久磁石による誘導電圧（逆起電圧）は回転速度に比例して高くなる。そのため、低速から高速まで可変速運転する場合、高速回転では永久磁石による誘導電圧が極めて高くなる。永久磁石による誘導電圧がインバータ等の電子部品に印加されてその耐電圧以上になると、電子部品が絶縁破壊する。そのため、永久磁石の磁束量が耐電圧以下になるように削減された設計を行うことが考えられるが、その場合には回転電機の低速域での出力及び効率が低下する。

低速から高速まで定出力に近い可変速運転を行う場合、永久磁石の鎖交磁束は一定であるため、高速回転域では回転電機の電圧が電源電圧上限に達し、出力に必要な電流が流れなくなる。その結果、高速回転域では出力が大幅に低下し、さらには高速回転まで広範囲に可変速運転することが困難となる。

最近では、可変速範囲を拡大する方法として、固定子巻線の電流で作る磁界により不可逆的に磁束密度が変化する程度の低保磁力の永久磁石（以下、可変磁力磁石という）と、可変磁力磁石の２倍以上の保磁力を有する高保磁力の永久磁石（以下、固定磁力磁石という）を配置し、電源電圧の最大電圧以上となる高速回転域では可変磁力磁石と固定磁力磁石による全鎖交磁束が減じるように、電流による磁界で可変磁力磁石を磁化させて全鎖交磁束量を調整する技術が提案されている。

国際公開２０１２／０１４２６０号 特開２０１３−１７６２９２号公報 国際公開２０１４／１８８７５７号 特開２０１５−１５９６９１号公報 特開２０１４−０７８５２号公報 特表２０１７−５２８１０７号公報 特表２０１８−５２２５２４号公報

永久磁石型の回転電機は、回転子のｄ軸電流により、可変磁力磁石の鎖交磁束量を最大から０まで大きく変化でき、また磁化方向も正逆の両方向にできるという優れた特性を有する。その反面、可変磁力磁石を増磁させる場合に大きな磁化電流が必要となり、電動機を駆動するためのインバータを大型化する必要がある。
永久磁石の特性上、減磁の場合よりも増磁の場合に大きな磁化電流が要求される。上記回転電機は、２種類の磁石が磁気的に並列に配置された構成のため、固定磁力磁石の鎖交磁束の影響で、可変磁力磁石の増磁に大きな磁界が必要となる。

永久磁石型の回転電機のトルクは、永久磁石トルク成分と、リラクタンストルク成分とを含んでいる。そして、トルクが最大となる電流位相角は、磁石トルク成分とリラクタンストルク成分とで異なる。磁石トルクの電流位相に対して、リラクタンストルクの電流位相は周波数が２倍であり、逆位相となる。そのため、回転電機の総トルクは、２つのトルク成分の最大値の合計値よりも低下する。すなわち、回転電機としての最大トルク点では、永久磁石の磁束が有効に活用されていない。むしろ、回転電機の最大トルク点では、永久磁石の一部は負のトルクを生じている。
正逆両方向に回転可能な回転電機が提案されているが、上記事情から、両方向に回転可能とすることは困難であり、実現には至っていない。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、広範囲で可変速運転を可能とし、損失低減、効率向上が可能な回転子、および回転電機を提供することにある。

実施形態によれば、回転子は、中心軸線の回りで円周方向に並んだ複数の磁極と、前記磁極の円周方向の端および前記中心軸線を通って放射方向に延びる軸をｑ軸とし、前記ｑ軸に対して円周方向に電気的に９０度離間した軸をｄ軸としたとき、それぞれ前記ｑ軸と外周面とが交差する部位から前記中心軸線に向かって延在する複数の空隙部と、前記円周方向に隣り合う一対の前記空隙部について見たときに、一方の空隙部に面して形成された第１ブリッジ部と他方の空隙部に面して形成された第２ブリッジ部と前記第１ブリッジ部および前記第２ブリッジ部に隣接して形成された磁石埋め込み孔とを有し、前記磁極に前記ｄ軸を横断して形成されたフラックスバリアバンドと、を具備する回転子鉄心と、
保磁力と磁化方向厚との積が大きい固定磁力磁石で構成され、前記磁石埋め込み孔内に前記第１ブリッジ部に隣接して配置された第１永久磁石と、
保磁力と磁化方向厚との積が前記第１永久磁石よりも小さい可変磁力磁石で構成され、前記磁石埋め込み孔内に前記第２ブリッジ部に隣接して配置された第２永久磁石と、
を備えている。

図１は、実施形態に係る永久磁石型の回転電機を示す断面図。 図２Ａは、前記回転電機の回転子を拡大して示す断面図。 図２Ｂは、前記回転子の複数磁極を拡大して示す断面図。 図３Ａは、前記回転電機の固定子の一部および回転子の一部を示す断面図。 図３Ｂは、前記回転電機の固定子の一部および回転子の一部を示す断面図。 図４は、第２の実施形態に係る永久磁石型の回転電機の回転子を示す断面図。 図５は、第３の実施形態に係る永久磁石型の回転電機の回転子を示す断面図。 図６は、第３の実施形態に係る回転子の一部を拡大して示す断面図。 図７は、第１変形例に係る回転子の一部を拡大して示す断面図。 図８は、第４の実施形態に係る永久磁石型の回転電機の固定子および回転子の一部を拡大して示す断面図。 図９は、第２変形例に係る永久磁石型の回転電機の固定子および回転子の一部を拡大して示す断面図。 図１０は、第３変形例に係る永久磁石型の回転電機の固定子および回転子の一部を拡大して示す断面図。 図１１は、第５の実施形態に係る永久磁石型の回転電機の回転子を示す断面図。 図１２は、トルクと電流位相との関係を示す図。 図１３は、本実施形態に係る永久磁石型の回転電機をハイブリッド電気自動車の発電機に適用した一例を示すブロック図。

以下に、図面を参照しながら、種々の実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る永久磁石型の回転電機の断面図、図２Ａは、回転電機の回転子を示す断面図、図２Ｂは、回転子の複数磁極を拡大して示す回転子の断面図である。
図１に示すように、回転電機１０は、例えば、インナーロータ型の回転電機として構成され、図示しない固定枠に支持された環状あるいは円筒状の固定子１２と、固定子１２の内側に中心軸線Ｃの回りで回転自在に、かつ固定子１２と同軸的に支持された回転子１４と、を備えている。回転電機１０は、例えば、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）において、発電機あるいは駆動モータに好適に適用される。

固定子１２は、円筒状の固定子鉄心１６と固定子鉄心１６に巻き付けられた電機子巻線１８とを備えている。固定子鉄心１６は、磁性材、例えば、ケイ素鋼などの円環状の電磁鋼板を多数枚、同芯状に積層して構成されている。固定子鉄心１６の内周部には、複数のスロット２０が形成されている。複数のスロット２０は、円周方向に等間隔を置いて並んでいる。各スロット２０は、固定子鉄心１６の内周面に開口し、この内周面から放射方向に延出している。また、各スロット２０は、固定子鉄心１６の軸方向の全長に亘って延在している。複数のスロット２０を形成することにより、固定子鉄心１６の内周部は、回転子１４に面する多数の固定子ティース２１を構成している。そして、複数のスロット２０に電機子巻線１８が埋め込まれ、固定子ティース２１に巻き付けられている。

図１および図２Ａに示すように、回転子１４は、両端が図示しない軸受により回転自在に支持された回転シャフト２２と、この回転シャフト２２の軸方向ほぼ中央部に固定された円筒形状の回転子鉄心２４と、回転子鉄心２４内に埋め込まれた複数の永久磁石２６、２７と、を有している。回転子１４は、固定子１２の内側に僅かな隙間を置いて同軸的に配置されている。すなわち、回転子１４の外周面は、僅かな隙間（ギャップ部）をおいて、固定子１２の内周面に対向している。回転子鉄心２４は中心軸線Ｃと同軸的に形成された内孔２５を有している。回転シャフト２２は内孔２５に挿通および嵌合され、回転子鉄心２４と同軸的に延在している。

回転子鉄心２４は、磁性材、例えば、ケイ素鋼などの円環状の電磁鋼板を多数枚、同芯状に積層した積層体として構成されている。回転子鉄心２４は、円周方向に並んだ複数、例えば、８極の磁極４０を有している。回転子鉄心２４において、それぞれ隣合う磁極間の境界（磁極の円周方向の端）および中心軸線Ｃを通り回転子鉄心２４の径方向あるいは放射方向に延びる軸をｑ軸、およびｄ軸に対して電気的に９０°離間した軸をｄ軸としている。ここでは、各磁極４０の円周方向の中心を通って延びる軸をｄ軸（磁極中心軸）とし、ｄ軸に対して電気的、磁気的に直角な方向をｑ軸としている。ｄ軸およびｑ軸は、回転子鉄心２４の円周方向に交互に、かつ、所定の位相で並んでいる。本実施形態の回転電機１０は、８極の場合で説明しており、８本のｄ軸および８本のｑ軸を有しているが、他の極数でも同様に適用できる。

図１および図２Ａに示すように、回転子鉄心２４に複数の永久磁石が設けられている。本実施形態では、複数の永久磁石は、回転子鉄心２４に埋め込まれ回転子鉄心２４の外周面近傍に配置されている。極数に合わせて、８つの第１永久磁石２６および８つの第２永久磁石２７が設けられている。回転子鉄心２４の１磁極に、第１永久磁石２６および第２永久磁石２７が設けられている。

図２Ａおよび図２Ｂに示すように、回転子鉄心２４の外周面に複数の空隙部、例えば、Ｖ字状の切欠き３５が形成されている。各切欠き３５は、ｑ軸上に形成され、回転子鉄心２４の軸方向全長に亘って延在している。切欠き３５は、回転子鉄心２４の外周面から中心軸線Ｃに向かって延在している。本実施形態において、各切欠き３５は、第１永久磁石２６および第２永久磁石２７の配設位置よりも中心軸線Ｃ側により深く形成されている。

回転子鉄心２４の各磁極４０は、円周方向に隣合う一対の切欠き３５の間にｄ軸を横断して形成されたフラックスバリアバンドＦＢを有している。フラックスバリアバンドＦＢは、一方の切欠き３５に面して形成された第１ブリッジ部４４ａと、他方の切欠き３５に面して形成された第２ブリッジ部４４ｂと、第１ブリッジ部４４ａおよび前記第２ブリッジ部４４ｂに隣接して形成された磁石埋め込み孔、すなわち、第１ブリッジ部と第２ブリッジ部との間に延在する少なくとも１つの磁石埋め込み孔と、を有している。本実施形態では、フラックスバリアバンドＦＢは、ｄ軸上に形成されたセンターブリッジ部（第３ブリッジ部）３６を有し、磁石埋め込み孔は、第１ブリッジ部４４ａとセンターブリッジ部３６との間に形成された第１磁石埋め込み孔３４ａと、第２ブリッジ部４４ｂとセンターブリッジ部３６との間に形成された第２磁石埋め込み孔３４ｂと、を含んでいる。

回転子鉄心２４の円周方向において、各ｄ軸の両側に第１磁石埋め込み孔３４ａおよび第２磁石埋め込み孔３４ｂが形成されている。各磁石埋め込み孔３４ａ、３４ｂは、回転子鉄心２４を軸方向に貫通して延びている。第１および第２磁石埋め込み孔３４ａ、３４ｂは、ほぼ矩形の断面形状を有し、それぞれｄ軸とほぼ直交する方向に延在している。第１および第２磁石埋め込み孔３４ａ、３４ｂは、ｄ軸上の幅の狭い磁路狭隘部（センターブリッジ部）３６を挟んで隣接対向し、直線状に並んでいる。

更に、回転子鉄心２４に複数の空隙孔（透孔）３０が形成されている。空隙孔３０は、それぞれ回転子鉄心２４を軸方向に貫通して延びている。空隙孔３０は、内孔２５の周囲に設けられ、それぞれｄ軸上に位置している。空隙孔３０は、例えば、円形の断面形状を有している。

図２Ａおよび図２Ｂに示すように、第１永久磁石２６は、第１磁石埋め込み孔３４ａ内に配置され、第１ブリッジ部４４ａに隣接して位置している。第２永久磁石２７は、第２磁石埋め込み孔３４ｂ内に配置され、第２ブリッジ部３３ｂに隣接して位置している。これにより、第１および第２永久磁石２６、２７は、回転子鉄心２４の各磁極４０に埋め込まれている。第１永久磁石２６および第２永久磁石２７は、例えば、断面が矩形状の細長い板状に形成され、回転子鉄心２４の軸方向長さとほぼ等しい長さを有している。第１永久磁石２６は、細長い矩形状の第１側面（表面）２６ａと、この第１側面２６ａとほぼ平行に対向する細長い矩形状の第２側面（裏面）２６ｂと、を有している。第２永久磁石２７は、細長い矩形状の第１側面（表面）２７ａと、この第１側面２７ａとほぼ平行に対向する細長い矩形状の第２側面（裏面）２７ｂと、を有している。第１永久磁石２６および第２永久磁石２７は、軸方向（長手方向）に複数に分割された磁石を組み合わせて構成されてもよく、この場合、複数の磁石の合計の長さが回転子鉄心２４の軸方向長さとほぼ等しくなるように形成される。
第１永久磁石２６および第２永久磁石２７は、回転子鉄心２４のほぼ全長に亘って埋め込まれている。第１永久磁石２６および第２永久磁石２７は、第１および第２磁石埋め込み孔３４ａ、３４ｂに装填され、接着剤等により回転子鉄心２４に固定されている。これにより、第１永久磁石２６および第２永久磁石２７は、第１および第２磁石埋め込み孔３４ａ、３４ｂ内に位置決めされている。第１永久磁石２６および第２永久磁石２７は、ｄ軸上のブリッジ部３６を挟んで隣接対向している。第１永久磁石２６および第２永久磁石２７は、それぞれｄ軸とほぼ直交する方向に延在し、互いに直線状に並んでいる。

第１永久磁石２６および第２永久磁石２７の磁化方向は、永久磁石の表面（第１側面）および裏面（第２側面）と直交する方向としている。各ｄ軸の両側に位置する第１永久磁石２６および第２永久磁石２７は、磁化方向が同一となるように配置され、また、ｑ軸の両側に位置する第２永久磁石２７および第１永久磁石２６は、磁化方向が逆向きとなるように配置されている。複数の永久磁石２６、２７を上記のように配置することにより、回転子鉄心２４の外周部において各ｄ軸上の領域は１つの磁極４０を中心に形成し、各ｑ軸上の領域は磁極間部４２を中心に形成している。本実施形態では、回転電機１０は、円周方向に沿ってＮ極とＳ極とを交互に配置した、８極（４極対）、４８スロットで、単層分布巻で巻線した永久磁石型の回転電機を構成している。

第１永久磁石２６および第２永久磁石２７は、保磁力と磁化方向厚との積が異なる２種類の永久磁石を用いている。例えば、第１永久磁石２６は、保磁力と磁化方向厚との積が大となる永久磁石（以下、固定磁力磁石という）で構成し、第２永久磁石２７は、保磁力と磁化方向厚との積が小となる、すなわち、第１永久磁石２６よりも小さい、永久磁石（以下、可変磁力磁石という）で構成している。
第１永久磁石（固定磁力磁石）２６は、例えば、ＮｄＦｅＢ磁石あるいは保磁力の高いＳｍＣｏ系磁石等を用いることができる。第２永久磁石（可変磁力磁石）２７は、例えば、フェライト磁石、アルニコ磁石または保磁力を小さく設定したＳｍＣｏ系磁石を使用することができる。

本実施形態では、可変磁力磁石２７として、例えば、保持力１５０〜４００ｋＡ／ｍ程度のＳｍＣｏ系磁石を用い、また、固定磁力磁石２６として、保磁力１５００ｋＡ／ｍ程度のＮｄＦｅＢ磁石を用いている。本実施形態において、固定磁力磁石２６と可変磁力磁石２７とは磁化方向厚さがほぼ等しいことから、固定磁力磁石２６は、最大使用温度範囲内の全範囲で、保磁力と磁化方向厚との積が、可変磁力磁石２７の保磁力と磁化方向厚との積よりも大きい。可変磁力磁石２７の保磁力は、固定磁力磁石２６の１／１０〜１／４であり、電機子巻線１８を流れる電流で作る磁界により不可逆的に磁束量が変化する程度の保持力としている。

このように、低保磁力の可変磁力磁石２７を用いることにより、外部磁界により永久磁石の磁化状態を変化させることができ、低速から高速までの広範囲で可変速運転を可能としている。また、第１永久磁石２６として保磁力の高い固定磁力磁石を用いることにより、優れた特性の回転電機を得ることが可能となる。

本実施形態において、回転電機１０は、回転子１４が１方向に回転する回転電機として構成されている。

図２Ａに示すように、回転子１４の回転方向を矢印Ａ方向（反時計方向）とし、１磁極４０で見た場合、矢印の方向を回転方向Ａの下流側ＤＳ、矢印と反対の方向を回転方向Ａの上流側ＵＳとしている。１磁極において、第１永久磁石（固定磁力磁石）２６は、ｄ軸に対して、回転方向Ａの下流側（磁極４０の一端側）ＤＳに配置され、また、第２永久磁石（可変磁力磁石）２７は、ｄ軸に対して、回転方向Ａの上流側（磁極４０の他端側）ＵＳに配置されている。本実施形態では、第１永久磁石２６および第２永久磁石２７は、ｄ軸と平行な方向に磁化されている。また、第１永久磁石２６および第２永久磁石２７は、隣合う磁極４０間で、磁化方向が逆向きとなるように、磁化されている。

これにより、回転子１４の中心軸線Ｃから合計した磁石磁束の向きである磁極方向（ｄ軸方向）に対して、２種類以上の第１永久磁石２６および第２永久磁石２７が非対称に配置されている。すなわち、第１永久磁石２６および第２永久磁石２７は、ｄ軸に対して、保磁力と磁化方向厚との積が左右非対称となるように配置されている。回転子鉄心２４の外周面と固定子鉄心１６の内周面との間の隙間をギャップ部とした場合、トルクを発生させる電流ベクトルと磁石磁界とが対向するギャップ部に近い箇所（＋矢印の箇所）に、保持力の高い第１永久磁石（固定磁力磁石）２６が配置され、電流ベクトルと磁石磁界とが対向しないギャップ部に近い箇所（−矢印の箇所）に、保持力の低い第２永久磁石（可変磁力磁石）２７が配置されている。

上記のように構成された回転電機１０の動作、作用を説明する。
本実施形態では、固定子１２の電機子巻線１８に通電時間が短時間(０．１ｍｓ〜１００ｍｓ程度)となるパルス的な電流を流して磁界を形成し、可変磁力磁石２７に磁界を作用させる。可変磁力磁石２７を磁化するための磁界を形成するパルス電流（磁化電流）は固定子１２の電機子巻線１８のｄ軸電流成分とする。

固定磁力磁石２６と可変磁力磁石２７の厚さがほぼ同等とすると、ｄ軸電流によって発生する作用磁界による永久磁石の磁化状態変化は、保磁力の大きさにより変わる。すなわち、作用磁界による永久磁石の磁化状態変化は、保磁力の大きさと永久磁石の厚みとの積で概算することができる。本実施形態では、可変磁力磁石（ＳｍＣｏ磁石）２７の保磁力は４００ｋＡ/ｍとし、固定磁力磁石（ＮｄＦｅＢ磁石）２６の保磁力は１５００ｋＡ/ｍとする。また、第１永久磁石２６、第２永久磁石２７の磁化方向の磁石厚みは同一で５ｍｍとしている。磁化に要する起磁力は磁化に要する磁界と永久磁石の厚みとの積で概算する。ＳｍＣｏ磁石（可変磁力磁石）の９０％の着磁磁界が約８００ｋＡ/ｍとすると、磁化に要する起磁力は８００ｋＡ/ｍ×５×０．００１=４０００Ａとなる。一方、ＮｄＦｅＢ磁石（固定磁力磁石）の９０％の着磁磁界が約３０００ｋＡ/ｍとすると、磁化に要する起磁力は３０００ｋＡ/ｍ×５×０．００１=１５０００Ａとなる。

可変磁力磁石２７であるＳｍＣｏ磁石の磁力可変に必要な起磁力は、固定磁力磁石２６であるＮｄＦｅＢ磁石の約２７％となる。従って、ＳｍＣｏ磁石の磁力を可変できる電流では、ＮｄＦｅＢ磁石の磁力は変わらずに維持される。これより、２種類の永久磁石を並列に並べて配置した構成とすると、ＮｄＦｅＢ磁石の磁力をベース分として維持して、ＳｍＣｏ磁石の磁力を変化させることにより、永久磁石の全鎖交磁束量を調整することができる。

初めに磁石の磁化方向とは逆方向の磁界を発生する負のｄ軸電流（磁化電流）を電機子巻線１８にパルス的に通電する。負のｄ軸電流によって変化した磁石内の磁界が４００ｋＡ／ｍ以上になったとすると、可変磁力磁石２７の保磁力は４００ｋＡ／ｍであるため、可変磁力磁石２７の磁力は不可逆的に大幅に低下する。一方、固定磁力磁石２６の保磁力は１５００ｋＡ／ｍであるため、磁力は不可逆的に低下しない。その結果、パルス的なｄ軸電流が０になると、可変磁力磁石２７のみが減磁した状態となり、磁極４０全体の永久磁石による鎖交磁束量を減少させることができる。これにより、無負荷運転（回生）時の損失低減、鉄損低減を図ることができる。

次に、第１および第２永久磁石２６、２７の磁化方向と同方向の磁界を発生する正のｄ軸電流を電機子巻線１８に通電する。可変磁力磁石（ＳｍＣｏ磁石）２７を着磁するために必要な磁界を発生させる。正のｄ軸電流（磁化電流）によって変化した可変磁力磁石２７内の磁界が６００ｋＡ／ｍであるとすると、減磁していた可変磁力磁石２７は着磁されて最大に磁力を発生する。一方、固定磁力磁石（ＮｄＦｅＢ磁石）２６の保磁力は１５００ｋＡ／ｍであるので磁力は不可逆的に変化しない。その結果、パルス的な正のｄ軸電流が０になると可変磁力磁石２７のみが増磁した状態となり、磁極４０全体の永久磁石２６、２７による鎖交磁束量を増加することができる。これにより元の最大の鎖交磁束量に戻すことが可能となる。従って、負荷運転（力行）時の損失低減、出力増加を図ることが可能となる。

以上のようにｄ軸電流による瞬時的な磁界を第２永久磁石（可変磁力磁石）２７と第１永久磁石（固定磁力磁石）２６に作用させることにより、可変磁力磁石２７の磁力を不可逆的に変化させて、磁極４０全体の永久磁石の全鎖交磁束量を任意に変化させることが可能となる。

この場合、回転電機１０の最大トルク発生時には磁極４０の第１、第２永久磁石２６、２７の磁束が加え合わさるように可変磁力磁石２７を磁化させ、トルクの小さな軽負荷時や、中速回転域と高速回転域では、電流による磁界で可変磁力磁石２７を磁化させて磁束を減少させる。また、磁極４０の第２永久磁石２７を不可逆変化させて鎖交磁束量を最小にした状態で回転子１４が最高回転速度になったときに、第１、第２永久磁石２６、２７による誘導起電圧が、回転電機１０の電源であるインバータの電子部品の耐電圧以下となるようにしている。

図３Ａおよび図３Ｂは、固定子および回転子の一部をそれぞれ示す断面図である。図３Ａに示すように、回転電機１０の回生運転時、電流ベクトルを磁極４０の磁極中心から電気的に９０°進めた位相に入力する。図３Ｂに示すように、回転電機１０の通常運転（力行）時、電流ベクトルを磁極４０の磁極中心から電気的に９０°遅れた位相に入れる。そのため、回生と力行とで、第１永久磁石２６および第２永久磁石２７に作用する反磁界の場所が相違している。図３Ａに示すように、回生運転時、ｄ軸に対して、回転方向Ａの下流側（左側）に大きな反磁界が作用し、回転方向Ａの上流側（右側）に作用する反磁界が小さくなる。そのため、少なくとも下流側だけに、反磁界に強い固定磁力磁石２６を用いることにより、反磁界による影響を受けなくすることができる。また、上流側（右側）に、反磁界に弱い可変磁力磁石２７を配置することにより、可変磁束メモリモータを実現することが可能となる。すなわち、可変磁力磁石２７に作用する反磁界が小さいため、可変磁力磁石２７を小さな磁化電流で容易に減磁あるいは磁化反転することができる。

図１３は、回転電機１０を備えたハイブリッド自動車の一例を概略的に示している。このハイブリッド自動車は、例えば、４つの車輪６０と、車軸６２ａ、６２ｂを介して車輪６０を支持したシャーシ６４と、を備えている。シャーシ６４上に、例えば、前輪の車軸６２ａを駆動する駆動電動機６８、本実施形態の回転電機１０を適用した発電機７０、発電機７０を駆動する内燃機関としてのエンジン７２、発電機７０で発電した電力を蓄えるリチウム二次電池などの高電圧バッテリ７４、および、高電圧バッテリ７４から供給される直流電流を交流電流に変換して駆動電動機６８を駆動するインバータ７５および制御装置７６が設けられている。

通常走行（ＥＶモード）時、ハイブリッド自動車は、高電圧バッテリ７４から供給される電力により、駆動電動機６８を駆動する。駆動電動機６８の駆動トルクは車軸６２ａを介して車輪６０を伝達され、これにより、自動車が走行する。高電圧バッテリ７４の蓄電量が低下した場合、エンジン７２を駆動し、エンジン７２からの出力により発電機７０を駆動する（ＨＥＶモード）。発電機７０で発電された電力は高電圧バッテリ７４に蓄電する。この場合、発電機７０の回転子１４は、エンジン７２の出力により回転駆動され、電機子巻線１８に起電力を発生させる。

このように、ＥＶモード時、発電機７０はゼロ出力であり、回転子１４は連れ回り回転した状態となる。この際、可変磁力磁石２７の磁化を減磁することにより、損失低減、鉄損低減を図り、低損失運転を実現することができる。また、ＨＥＶモード時、発電機７０は主に回生状態で運転される。この際、可変磁力磁石２７を増磁して磁極４０の磁束量を増加することにより、損失低減、発電出力増加を図ることが可能となる。
以上のように、第１の実施形態によれば、保磁力と磁化方向厚との積が異なる２種類以上の永久磁石を、磁極中心軸に対して、保磁力と磁化方向厚との積が左右非対称となるように配置した構成とすることにより、低速から高速までの広範囲で可変速運転を可能とし、損失低減、効率向上が可能な永久磁石型の回転電機を提供することができる。

次に、他の実施形態および変形例に係る回転電機について説明する。以下に説明する他の実施形態および変形例において、前述した第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略あるいは簡略化し、前述した第１の実施形態と異なる部分を中心に詳しく説明する。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る回転電機の回転子の一部を示す断面図である。
第２の実施形態によれば、第２永久磁石２７は、保磁力と磁化方向厚との積が異なる２種類の磁石を積層して構成されている。例えば、第２永久磁石２７は、保磁力と磁化方向厚との積が大きい固定磁力磁石２９ａと、保磁力と厚さとの積が小さい可変磁力磁石２９ｂとを組み合わせて構成されている。固定磁力磁石２９ａと可変磁力磁石２９ｂとは、同一の長さおよび同一の幅に形成されている。固定磁力磁石２９ａと可変磁力磁石２９ｂとは、同一の厚さでも、あるいは、異なる厚さに形成されていてもよい。

固定磁力磁石２９ａと可変磁力磁石２９ｂとは、回転子鉄心２４の径方向に積層された状態で、共通の磁石埋め込み孔３４ｂ内に装填されている。固定磁力磁石２９ａが外周側で、可変磁力磁石２９ｂが内周側に配置されている。すなわち、回転子鉄心２４の外周面と固定子鉄心の内周面との間の隙間をギャップ部とした場合、固定磁力磁石２９ａがギャップ部の近く（回転子鉄心２４の外周面の近く）に配置され、可変磁力磁石２９ｂがギャップ部から離れた位置に配置されている。

通常、永久磁石に作用する反磁界は、回転子１４の外周側（ギャップ部側）の方が、内周側よりも大きくなる。上記のように、第２永久磁石２７は、外周側に保磁力の大きい固定磁力磁石２９ａを配置することにより、反磁界の影響を受けにくい。また、可変磁力磁石２９ｂを内周側に配置することにより、回転子１４に大きな回生電流ベクトルを掛けた場合でも、可変磁力磁石２９ｂには大きな反磁界が作用しない。従って、一層、保磁力の小さい可変磁力磁石を用いることができ、より小さい磁化電流により可変磁力磁石２９ｂを減磁あるいは磁化反転することが可能となる。

なお、第１永久磁石２６と第２永久磁石２７とは、厚さが同一の場合に限らず、互いに異なる厚さに形成してもよい。第２の実施形態において、回転電機１０の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一である。
上記のように構成された第２の実施形態によれば、低速から高速までの広範囲で可変速運転を可能とし、損失低減、効率向上が可能な永久磁石型の回転電機が得られる。

（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係る回転電機の回転子の一部を示す断面図、図６は、上記回転子の１磁極部分を拡大して示す断面図である。
前述した第１の実施形態では、第１永久磁石２６および第２永久磁石２７は、磁極中心軸（ｄ軸）に対して、直角（磁極角度９０°）に設けられている。一方、第３の実施形態によれば、第１永久磁石２６および第２永久磁石２７の少なくとも一方は、合計磁石磁束の向き(磁極中心軸、ｄ軸)と第１側面２６ａあるいは２７ａとの成す角度（磁極角度θ）が、９０°より大きい磁極角度となるように配置されている。本実施形態では、第１永久磁石２６および第２永久磁石２７の両方が、９０°より大きい磁極角度θで配置されている。これにより、第１永久磁石２６および第２永久磁石２７間の配置角度αが１８０°よりも大きい角度となっている。
第１永久磁石２６のｄ軸側の端および第２永久磁石２７のｄ軸側の端は、回転子鉄心２４の外周面に接近して位置している。これらの端と回転子鉄心２４の外周面との間に、幅の狭い磁路狭隘部（ブリッジ部）３７が形成される。

上記のように第１永久磁石２６および第２永久磁石２７の少なくとも一方を９０°よりも大きい磁極角度θを付けて配置することにより、永久磁石を回転子鉄心２４の外周面に近づけ、表面磁石型とほぼ同様に、マグネットトルクを大きくすることができる。第２永久磁石２７と第１永久磁石２６との間に磁路狭隘部３７を形成することにより、回生電流ベクトルによる反磁界を流れ難くくし、第２永久磁石（可変磁力磁石）２７に作用する反磁界量を少なくすることが可能となる。従って、保磁力の小さい可変磁力磁石を用いることができ、より小さい磁化電流により可変磁力磁石２７を減磁あるいは磁化反転することが可能となる。更に、上記配置とした場合、第１永久磁石および第２永久磁石の厚さを大きくすることが可能となる。
第３の実施形態において、回転電機１０の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一である。上記のように構成された第３の実施形態によれば、低速から高速までの広範囲で可変速運転を可能とし、損失低減、効率向上が可能な永久磁石型の回転電機が得られる。

（第１変形例）
図７は、第３の実施形態の第１変形例に係る回転子の一部を示す断面図である。第１変形例によれば、第１永久磁石２６のみに９０°よりも大きい磁極角度θを付けて配置している。第２永久磁石２７は、９０°の磁極角度で配置している。この場合においても、第１永久磁石２６のｄ軸側端は、回転子鉄心２４の外周面の近傍に位置し、この外周面との間に磁路狭隘部３７を形成している。
第１変形例においても、マグネットトルクの向上、および、第２永久磁石（可変磁力磁石）２７に作用する反磁界量の低減を図ることができる。

（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態に係る回転電機の１磁極部分を拡大して示す断面図である。
前述したように、回生電流ベクトルにより発生する磁界は、回転子鉄心２４の磁路を介して、可変磁力磁石２７にも反磁界として作用する。そこで、本実施形態によれば、回転子鉄心２４において、第１および第２永久磁石２６、２７と回転子鉄心２４の外周面との間に形成された磁路に、磁束の流れを妨げる磁束壁（フラックスバリア）として作用する１つあるいは複数の空隙を設けている。

図８に示すように、第４の実施形態によれば、第１永久磁石２６と第２永久磁石２７との間で、磁極中心軸（ｄ軸）上に位置する１つの空隙５０が設けられている。空隙５０は、回転子鉄心２４の外周面から第１永久磁石２６と第２永久磁石２７との間のブリッジ部３６まで延在し、永久磁石間の磁路をほぼ完全に分断している。この空隙５０により、回生電流ベクトルにより発生する反磁界の流れを妨げ、第２永久磁石（可変磁力磁石）２７に作用する反磁界量を大幅に低減することができる。従って、一層、保磁力の小さい可変磁力磁石を用いることができ、より小さい磁化電流により可変磁力磁石２７を減磁あるいは磁化反転することが可能となる。
なお、空隙５０は、磁路を完全に分断している必要はなく、反磁界が永久磁石間をまたぎ難いように磁路が細くなるように形成されていれば良い。

（第２変形例）
図９は、第２変形例に係る回転電機の１磁極部分を拡大して示す断面図である。
第２変形例では、回転子鉄心２４において、第１および第２永久磁石２６、２７と回転子鉄心２４の外周面との間に形成された磁路に、磁束壁（フラックスバリア）として作用する複数の空隙５０を設けている。複数の空隙５０は、ｄ軸上、およびｄ軸の両側に複数ずつ設けられている。各空隙５０は、回転子鉄心２４の外周面に開口していても、あるいは、開口していなくても、いずれでもよい。複数の空隙５０は、ｄ軸に対して、左右対称に設けても、あるいは、左右非対称に設けても、いずれでもよい。

（第３変形例）
図１０は、第３変形例に係る回転電機の１磁極部分を拡大して示す断面図である。
第３変形例では、磁束壁として作用する複数の空隙５０を、ｄ軸の片側のみに設けている。ここでは、複数の空隙５０は、回転子鉄心２４の磁路において、ｄ軸から第１永久磁石２６側に並んで設けられている。あるいは、複数の空隙５０は、ｄ軸から第２永久磁石２７側に並んで設けてもよい。
上述した第２変形例および第３変形例のいずれにおいても、空隙５０により、回生電流ベクトルにより発生する反磁界の流れを妨げ、第２永久磁石（可変磁力磁石）２７に作用する反磁界量を大幅に低減することができる。

（第５の実施形態）
図１１は、第４の実施形態に係る回転電機の回転子の一部を示す断面図である。
第５の実施形態によれば、回転子鉄心２４において、ｑ軸近傍の鉄心磁路を増やすことで、左右非対称にリラクタンストルクを発生させる構成としている。図１１に示すように、ｄ軸に対して、左右非対称に鉄心磁路を増加している。ここでは、ｄ軸に対して、第２永久磁石２７側のみ鉄心磁路を増加している。回転子鉄心２４の外周部において、各ｑ軸の回転方向Ａの下流側に、すなわち、第２永久磁石（可変磁力磁石）２７側に、鉄心追加部４４を設けている。回転子鉄心２４は、各磁極４０において、フラックスバリアバンドＦＢは、第１永久磁石２６の一端側に位置し切欠き３５に面する第１ブリッジ部４４ａと、第２永久磁石２７の他端側に位置し他の切欠き３５に面する第２ブリッジ部４４ｂと、を有している。第２ブリッジ部４４ｂは、第１ブリッジ部４４ａよりも太く形成されている。言い換えると、回転子鉄心２４の外周部でｑ軸上に形成されている各切欠き３５の約半分の領域を鉄心で埋め、鉄心追加部（第２ブリッジ部）４４ｂとしている。これにより、各切欠き３５は、ｑ軸と、第１ブリッジ部４４ａと、の間のみに形成されている。

図１２は、マグネットトルクおよびリラクタンストルクと電流位相との関係を示している。図１２において、破線はマグネットトルクを示し、実線は、本実施形態のｄ軸に対して非対称に鉄心磁路を増加した回転子のリラクタンストルクを示し、更に、一点鎖線は、比較例として、ｄ軸に対して左右対称に鉄心磁路を増加した回転子のリラクタンストルクを示している。
図１２に一点鎖線で示すように、ｄ軸に対して左右対称に鉄心磁路を増加した場合、マグネットトルクとリラクタンストルクのそれぞれが最大となる電流位相が電気的に４５°ずれている。これに対して、本実施形態のように、第２永久磁石２７側のみに鉄心磁路を増加した非対称構造とした場合、実線で示すように、マグネットトルクが最大となる電流位相とリラクタンストルクが最大となる電流位相との差を小さくすることができる。特に、下側の回生トルクが最大となる電流位相の差を小さく（４５°よりも小さく）することができる。これにより、回生時のマグネットトルクとリラクタンストルクとの合計トルクが増大する。

第５の実施形態によれば、ｄ軸に対して左右非対称に鉄心磁路を増加させることにより、回生時の最大トルクを増大することが可能となる。同時に、鉄心追加部（第２ブリッジ部）４４ｂを設けることにより、回生電流ベクトルにより発生する反磁界量が低減する。これにより、第２永久磁石（可変磁力磁石）２７に作用する反磁界量を低減することができる。以上のことから、第５の実施形態においても、低速から高速までの広範囲で可変速運転を可能とし、損失低減、トルク向上、効率向上が可能な永久磁石型の回転電機を提供することができる。

なお、この発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、回転子の磁極数、寸法、形状等は、前述した実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。永久磁石は、上述した実施形態に限定されることなく、種々選択可能である。永久磁石は、保磁力と厚さとの積が異なる２種類以上の永久磁石を適用可能であり、前述した第１永久磁石および第２永久磁石の２つに限らず、３種類以上の永久磁石を使用可能である。回転子は、永久磁石埋め込み型に限らず、永久磁石を回転子鉄心の外周面上に配置した表面磁石型の回転子としてもよい。

１０…回転電機、１２…固定子、１４…回転子、１６…固定子鉄心、
１８…電機子巻線、２０…スロット、２２…回転軸、２４…回転子鉄心、
２６…第１永久磁石（固定磁力磁石）、２７…第２永久磁石（可変磁力磁石）、
２９ａ…固定磁力磁石、２９ｂ…可変磁力磁石、３４ａ、３４ｂ…埋め込み孔、
３５…切欠き、４４ａ…第１ブリッジ部、４４ｂ…第２ブリッジ部、５０…空隙

Claims (8)

1. 中心軸線の回りで円周方向に並んだ複数の磁極と、前記磁極の円周方向の端および前記中心軸線を通って放射方向に延びる軸をｑ軸とし、前記ｑ軸に対して円周方向に電気的に９０度離間した軸をｄ軸としたとき、それぞれ前記ｑ軸と外周面とが交差する部位から前記中心軸線に向かって延在する複数の空隙部と、前記円周方向に隣り合う一対の前記空隙部について見たときに、一方の空隙部に面して形成された第１ブリッジ部と他方の空隙部に面して形成された第２ブリッジ部と前記第１ブリッジ部および前記第２ブリッジ部に隣接して形成された磁石埋め込み孔とを有し、前記磁極に前記ｄ軸を横断して形成されたフラックスバリアバンドと、を具備する回転子鉄心と、
   保磁力と磁化方向厚との積が大きい固定磁力磁石で構成され、前記磁石埋め込み孔内に前記第１ブリッジ部に隣接して配置された第１永久磁石と、
   保磁力と磁化方向厚との積が前記第１永久磁石よりも小さい可変磁力磁石で構成され、前記磁石埋め込み孔内に前記第２ブリッジ部に隣接して配置された第２永久磁石と、
   を備える回転子。
2. 前記第１永久磁石は、前記第１ブリッジ部と前記ｄ軸との間に配置され、前記第２永久磁石は前記第２ブリッジ部と前記ｄ軸との間に配置されている請求項１に記載の回転子。
3. 前記空隙部の各々は、前記第１永久磁石および第２永久磁石の配設位置よりも前記中心軸線側に深く延在している請求項１又は２に記載の回転子。
4. 前記第２永久磁石は、保磁力と磁化方向厚との積が異なる２種類の磁石を積層して構成され、磁力と磁化方向厚との積が大きい方の磁石が前記回転子鉄心の外周側に位置するように配置されている請求項１から３のいずれか１項に記載の回転子。
5. 前記第１永久磁石および第２永久磁石は、前記回転子鉄心の外周方向に向いた第１側面をそれぞれ有し、
   前記第１永久磁石および第２永久磁石の少なくとも一方は、前記ｄ軸と前記第１側面との成す角度が９０度よりも大きい角度で配置されている請求項１から３のいずれか１項に記載の回転子。
6. 前記回転子鉄心の各磁極は、前記第１永久磁石および前記第２永久磁石と前記回転子鉄心の外周面との間に形成された磁路と、前記第１永久磁石と第２永久磁石との間に設けられたブリッジ部と、前記磁路において前記外周面から前記ブリッジ部まで延在する空隙と、を有している請求項１から３のいずれか１項に記載の回転子。
7. 前記第２ブリッジ部は、前記第１ブリッジ部よりも太く形成されている請求項１に記載の回転子。
8. 固定子鉄心および電機子巻線を有する固定子と、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の回転子と、
   を備える回転電機。