JP5787673B2 - 永久磁石型回転電機 - Google Patents

Description

この発明の実施形態は、回転子に界磁用の永久磁石が埋め込まれた永久磁石型回転電機に関する。

一般に、永久磁石型回転電機は大きく分けて２種類のタイプがある。回転子鉄心の外周に永久磁石を貼り付けた表面磁石型永久磁石型型回転電機と、永久磁石を回転子鉄心の中に埋め込んだ埋め込み永久磁石型回転電機である。可変速駆動用モータとしては、埋め込み型永久磁石型回転電機が適している。

永久磁石型回転電機では、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、その場合には永久磁石型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、永久磁右の鎖交磁束は一定であるので、高速回転域では回転電機の電圧が電源電圧上限に達して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できなくなる。

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。

この永久磁石型回転電機は、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。

特に、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が、上記永久磁石型回転電機は、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４の鎖交磁束の影響で、可変磁力磁石３の増磁に大きな磁界が必要となる。

このような問題を解決する技術として、保磁力と磁化方向厚の積が他の永久磁石と異なる２種類以上の永久磁石を用いて回転子の磁極を形成し、前記２種類以上の永久磁石を磁気回路上で直列に配置し、この直列に配置された２種類以上の永久磁石に対して、前記２種類以上の永久磁石のうち、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石を磁気回路上で並列に配置し、電機子巻線の電流が作る磁界により、前記直列に配置された２種類以上の永久磁石のうち、保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を磁化させて、磁極を構成する永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させる技術が提案されている。

特開２００６−２８０１９５号公報 特開２００８−０４８５１４号公報 特開２０１０−１２４６０８号公報 特開２０１０−１３０８５９号公報 特開２００９−０７２０２１号公報

上述した従来の永久磁石型回転電機において、前記２種類の永久磁石は磁気回路的に直列に配置されているため、磁化方向寸法を磁気回路的に並列配列された永久磁石よりも薄くなってしまう。また、通常保磁力と磁化方向厚さの積が大きな永久磁石にはＮｅＦｅＢ系の永久磁石が採用されているが、高温化ではその磁気特性が劣化することが知られているが、Ｄｙ元素を使用するなどして、回転電機の定格電流程度では不可逆減磁しないような設計がなされる。

しかし、永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させる可変磁力モータでは、通常の回転電機の定格電流以上の電流を流して磁化を行い、かつ、磁束量を不可逆的に変化させる磁石と磁気回路的に直列に配置された常不可逆的変化を起こさない永久磁石には、不可逆的に変化させる永久磁石同様大きな磁界が作用する。更に、磁化方向厚みが薄く設定されているため、高温状態で磁気特性が劣化するＮｄＦｅＢ系永久磁石では、高温状態での磁化時に不可逆減磁を起こし、回転子から発せられる総磁束量が減少し、結果的に回転電機の出力が低下してしまう。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、低速から高速までの広範囲で可変速運転を可能とし、低速回転域の高トルク化と中・高速回転域での高出力化、効率の向上を可能とした永久磁石型回転電機を提供することにある。

実施形態によれば、永久磁石型回転電機は、定子鉄心およびこの固定子鉄心に取り付けられた電機子巻線を有する固定子と、前記固定子に対して回転自在に設けられた回転子鉄心、およびこの回転子鉄心に埋設され複数の磁極を形成する複数の永久磁石を有する回転子と、を備え、運転中に、前記電機子巻線を流れる電流が作る磁界により前記回転子の磁極を構成する永久磁石の少なくとも１個を磁化させて、永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させる永久磁石型回転電機であって、
前記磁極を形成する複数の永久磁石は、磁束量を不可逆的に変化可能な可変磁力磁石と、前記磁極を形成するための磁気回路に関して前記可変磁力磁石と直列に配置され、磁束量を固定とする固定磁力磁石と、前記磁極を形成するための磁気回路に関して前記可変磁力磁石と並列に配置され磁束量を固定とする他の固定磁力磁石と、を含み、前記磁極を形成する可変磁力磁石および固定磁力磁石は、磁化方向に重ね合わせて配置され、前記可変磁力磁石および固定磁力磁石と前記他の固定磁力磁石とは絶縁体を挟んで並んで設けられて複合磁石を構成し、この複合磁石が前記磁極の中心軸の両側にそれぞれ配置され、前記固定磁力磁石は、最大使用温度範囲内の全範囲で、保磁力と磁化方向厚の積が、前記可変磁力磁石の保磁力と磁化方向厚の積よりも大きいことを特徴としている。

図１は、第１の実施形態に係る永久磁石型回転電機を示す断面図。 図２は、前記永久磁石型回転電機の回転子および固定子の一部を拡大して示す断面図。 図３は、前記回転電機における磁石磁化時の可変磁力磁石および固定磁力磁石４ａの作用を示す図。 図４は、永久磁石の減磁曲線の概念図。 図５は、低保磁力磁石の動作点変化と代表的磁石の磁気特性を示す図。 図６は、短絡コイルの作用を示す回転電機の断面図。 図７は、第２の実施形態に係る永久磁石型回転電機の回転子および固定子の一部を拡大して示す断面図。 図８は、第３の実施形態に係る永久磁石型回転電機の回転子および固定子の一部を拡大して示す断面図。

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の実施形態に係る埋め込み永久磁石型回転電機１０を示し、図２は、磁極部分を拡大して示す断面図である。
図１および図２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の、ここでは、円筒形状の固定子１２と、固定この内側に回転自在にかつ固定子と同軸的に支持された回転子１４と、を備えている。

固定子１２は、円筒状の固定子鉄心１６と固定子鉄心に埋め込まれた電機子巻線１８とを備えている。固定子鉄心１６は、磁性材、例えば、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、それぞれ軸方向に延びた複数のスロット２０が形成され、これにより、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が埋め込まれている。

図１および図２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軸２２と、この回転軸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、回転子鉄心内に埋め込まれた複数の永久磁石と、を有し、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。

回転子鉄心２４は、磁性材、例えば、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、それぞれ回転子鉄心の半径方向あるいは放射方向に延びる磁化容易軸（磁束の通りやすい部分）ｄ、および磁化困難軸（磁束が通り難い部分）ｑを有し、これらの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、所定の位相で形成されている。本実施の形態の回転電機１０は、８極の場合で説明しており、８本のｄ軸を有しているが、他の極数でも同様に適用できる。

回転子鉄心２４において、各ｄ軸の両側に２つの磁石埋め込み孔６ａが形成され、更に、各ｄ軸上に１つの磁石埋め込み孔６ｂが形成されている。各磁石埋め込み孔６ａ、６ｂは、回転子鉄心２４を軸方向に貫通して延びている。各ｄ軸の両側に形成された２つの磁石埋め込み孔６ａは、回転子鉄心２４の中心軸と直交する平面でみた場合、例えば、ほぼＶ字状に並んで配置されている。ここでは、磁石埋め込み孔６ａの内周側の端がｄ軸を挟んで隣接対向し、外周側の端が回転子鉄心２４の円周方向に沿って互いに離間して位置している。また、磁石埋め込み孔６ｂは、ｄ軸と直交して延びているとともに、２つの磁石埋め込み孔６ａの内周側端に隣接して設けられている。

永久磁石は、保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石３（以下、可変磁力磁石という）、保磁力と磁化方向厚の積が大となる永久磁石（以下、固定磁力磁石という）４ａ、４ｂから構成する。

２つの固定磁力磁石４ｂは、各磁石埋め込み孔６ａに挿入され、回転子鉄心２４に埋め込まれている。もう１つの固定磁力磁石４ａは、磁石埋め込み孔６ａに挿入され、回転子鉄心２４に埋め込まれている。可変磁力磁石３は、磁石埋め込み孔６ａに挿入され、回転子鉄心２４に埋め込まれている。可変磁力磁石３は、磁石埋め込み孔６ａにおいて、固定磁力磁石４ａと重ねて、かつ、密着して配置されている。

各永久磁石３、４ａ、４ｂは、例えば、断面が矩形状の細長い棒状に形成され、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。そして、各永久磁石３、４ａ、４ｂは回転子鉄心２４のほぼ全長に亘って埋め込まれている。

ｄ軸の両側に位置する２つの固定磁力磁石４ｂは、ほぼＶ字状に並んで配置されている。２つの固定磁力磁石４ｂは、回転子鉄心２４の円周方向において磁化方向が逆向きとなるように着磁されている。固定磁力磁石４ａおよび可変磁力磁石３は、ｄ軸と直交して配置されている。固定磁力磁石４ａおよび可変磁力磁石３は、磁化方向が同一となるように着磁され、ここでは、ｄ軸と平行な方向に磁化されている。

複数の永久磁石３、４ａ、４ｂ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軸上の領域は磁極７を形成し、各ｑ軸上の領域は磁極間部１１を形成している。

回転子鉄心２４内を通過する磁束が可変磁力磁石３及び固定磁力磁石４ａ、４ｂの部分をその厚さ方向に通過するように、可変磁力磁石３及び固定磁力磁石４ａ、４ｂの端部に空洞６を設ける。回転子鉄心２４の磁極７は１個の可変磁力磁石３と３個の固定磁力磁石４ａ、４ｂで取り囲まれるようにして形成する。回転子鉄心２４の磁極７の中心軸方向がｄ軸、磁極間の中心軸方向がｑ軸となる。

可変磁力磁石３は、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。固定磁力磁石４ａは保磁力の高いＳｍＣｏ系磁石、固定磁力磁石４ｂはＮｄＦｅＢ磁石、または、固定磁力磁石４ａと同じＳｍＣｏ系磁石とする。本実施形態では、フェライト磁石の保磁力は３００ｋＡ／ｍとし、保磁力の高いＳｍＣｏ系永久磁石及びＮｄＦｅＢ磁石の保磁力は１５００ｋＡ／ｍとする。

本実施形態において、可変磁力磁石３は、フェライト磁石を使用し、固定磁力磁石４ａは、本回転電機の最大使用温度の全範囲内、例えば、０〜１５０℃で、常時、可変磁力磁石３よりも大きな保磁力を有する磁石、例えば、ＳｍＣｏ系磁石を用いる。ここでは、固定磁力磁石４ａと可変磁力磁石３とは磁化方向厚さがほぼ等しいことから、固定磁力磁石４ａは、最大使用温度範囲内の全範囲で、保磁力と磁化方向厚の積が、可変磁力磁石３の保磁力と磁化方向厚の積よりも大きい。ＳｍＣｏ系磁石は、ＳｍＣｏ（Ｆｅ・Ｃｕ・Ｚｒ）磁石で、例えば、鉄の配分量を増やし、Ｃｏの配分量を低減したＳｍ鉄Ｃｏ系磁石又は希土類・鉄・窒素系磁石又はＳｍＦｅＮ系磁石（サマリウム・鉄窒・素系磁石）等を含んでいる。

可変磁力磁石３と固定磁力磁石４ａを各磁石の磁化方向に重ね合わせて１つの磁石を構成する。すなわち、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４ａは、磁化方向を同じくして、磁極を形成するための磁気回路に対して磁気的に直列に配置する。この直列に重ねた磁石は、磁化方向がｄ軸方向（ここでは、ほぼ回転子の半径方向）となる位置で回転子鉄心２４内に配置する。

一方、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４ａを直列に重ねた磁石の両側に、固定磁力磁石４ｂを磁化方向がｄ軸方向となる位置で配置する。２つの固定磁力磁石４ｂは、直列に重ねた永久磁石３、４ａに対して、磁気回路上で並列回路を構成する。すなわち、磁極を形成するための磁気回路上では、可変磁力磁石３に対して、直列に固定磁力磁石４ａを配置し、並列に固定磁力磁石４ｂを配置している。

図２に示すように、回転子鉄心２４の外周面側より見て、回転子鉄心２４内に埋め込まれた、可変磁力磁石３の磁化方向と直角を成す面以外を流れる磁束の全部若しくは一部が貫通するように短絡コイル８が設けられている。この時、短絡コイル８がｑ軸方向の中心軸線と直角をなすように配置する。短絡コイル８は、リング状の導電性部材から構成し、回転子鉄心２４内に設けた空洞６の縁の部分とｑ軸方向鉄心のほぼｑ軸線上の位置に設けた穴にはめ込むように装着する。なお、回転子鉄心２４の穴に高温で溶けた導電性部材を流し込んで鋳造して製作することも可能である。この短絡コイル８は、可変磁力磁石３を除いた磁路部分に設ける。

短絡コイル８は、固定子１２の電機子巻線１８にｄ軸電流を通電させた場合に発生する磁束により、短絡電流を発生するものである。短絡コイル８に流れる短絡電流は、不可逆変化させる可変磁力磁石３の磁化が変化する程度の強さで１秒以内に流れ、その後１秒以内に５０％以上減衰するものであることが好ましい。また、短絡コイル８のインダクタンス値と抵抗値を、可変磁力磁石３の磁化が変化する程度の短絡電流が流れるような値とすると、効率が良い。

固定子１２の電機子巻線１８に流れる磁化電流により、短絡コイル８には誘導電流が誘起され、その誘導電流によって短絡コイル８を貫通する磁束が形成される。また、この電機子巻線１８に流れる磁化電流により、可変磁力磁石３の磁化方向が不可逆的に変化する。

すなわち、可変磁力磁石３及び固定磁力磁石４ａに対しては、回転電機１０の運転時において、ｄ軸電流による磁界で可変磁力磁石３を磁化させて、その磁束量を不可逆的に変化させる。その場合、可変磁力磁石３を磁化するｄ軸電流を流すと同時にｑ軸電流により回転電機１０のトルクを制御する。

また、ｄ軸電流で生じる磁束により、電流（ｑ軸電流とｄ軸電流とを合成した全電流）と可変磁力磁石３及び固定磁力磁石４ａ、４ｂとで生じる電機子巻線１８の鎖交磁束量、すなわち、回転電機の全電流によって電機子巻線１８に生じる磁束と、回転子１４側の２種類以上の永久磁石４ａ、４ｂによって生じる磁束とから構成される電機子巻線全体の鎖交磁束量をほぼ可逆的に変化させる。

本実施形態では、瞬時の大きなｄ軸電流による磁界で可変磁力磁石３を不可逆変化させる。この状態で不可逆減磁がほとんど生じないか、僅かの不可逆減磁が生じる範囲のｄ軸電流を連続的に流して運転する。この際、ｄ軸電流は電流位相を進めて端子電圧を調整するように作用する。

また、大きなｄ軸電流で可変磁力磁石３の極性を反転させ、電流位相を進める運転制御方法を行う。このようにｄ軸電流で可変磁力磁石３の極性を反転させているため、端子電圧を低下させるような負のｄ軸電流を流しても、可変磁力磁石３にとっては減磁界ではなく増磁界となる。すなわち、負のｄ軸電流で可変磁力磁石３は減磁することなく、端子電圧の大きさを調整することができる。

一般の磁石モータでは、磁石の極性は反転していないため、電流位相を進めることによりｄ軸電流が増加すると、磁石が不可逆減磁する問題があるが、本実施形態においては、可変磁力磁石３の極性を反転させて位相を進めることが可能である。

（基本的な作用）
次に、第１の実施形態に係る回転電機の作用を説明する。
本実施形態では、固定子１２の電機子巻線１８に通電時間が極短時間(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３に磁界を作用させる。可変磁力磁石３を磁化するための磁界を形成するパルス電流は固定子１２の電機子巻線１８のｄ軸電流成分とする。

２種類の可変磁力磁石３、固定磁力磁石４ａの厚さがほぼ同等とすると、ｄ軸電流によ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（フェライト磁石）３の保磁力は３００ｋＡ/ｍとし、固定磁力磁石（ＳｍＣｏ磁石）４ａの保磁力は１５００ｋＡ/ｍとする。また、永久磁石３、４ａの磁化方向の磁石厚みは同一で５ｍｍとする。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の積で概算するが、フェライト磁石の９０％の着磁磁界は約６００ｋＡ/ｍとすると、磁化に要する起磁力は６００ｋＡ/ｍ×５×０．００１=３０００Ａとなる。一方、ＳｍＣｏ磁石の９０％の着磁磁界は約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３であるフェライト磁石の磁力可変に必要な起磁力は、固定磁力磁石４ａであるＳｍＣｏ磁石の約２０％となる。従って、フェライト磁石の磁力を可変できる電流では、ＳｍＣｏ磁石の磁力は変わらずに維持できる。これより、これらの磁石を直列に組み合わせて磁石を構成すると、ＳｍＣｏ磁石の磁力をベース分として維持して、フェライト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軸電流を電機子巻線１８にパルス的に通電させる。負のｄ軸電流によって変化した磁石内の磁界が３００ｋＡ／ｍ以上になったとすると、フェライト磁石の保磁力が３００ｋＡ／ｍなのでフェライト磁石の磁力は不可逆的に大幅に低下する。一方、ＳｍＣｏ磁石の保磁力が１５００ｋＡ／ｍなので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になるとフェライト磁石のみが減磁した状態となり、磁極全体の磁石による鎖交磁束量を減少させることができる。

次に、永久磁石３、４ａ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（フェライト磁石）３が着磁するために必要な磁界を発生させる。正のｄ軸電流によって変化した可変磁力磁石３内の磁界が６００ｋＡ／ｍとすると、減磁していた可変磁力磁石３は着磁されて最大に磁力を発生する。一方、固定磁力磁石（ＳｍＣｏ磁石）４ａ、４ｂの保磁力は１５００ｋＡ／ｍな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３のみが増磁した状態となり、磁極全体の磁石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。

以上のようにｄ軸電流による瞬時的な磁界を可変磁力磁石（フェライト磁石）３と固定磁力磁石（ＳｍＣｏ磁石）４ａ、４ｂに作用させることにより、可変磁力磁石３の磁力を不可逆的に変化させて、磁極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、永久磁石式回転電機の最大トルク時には磁極の永久磁石の磁束が加え合わせになるように可変磁力磁石３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、可変磁力磁石３は、電流による磁界で磁化させて磁束を減少させる。また、磁極の永久磁石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、永久磁石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電子部品の耐電圧以下としている。

（直列配置の作用）
磁気的に直列に配置された２種類の可変磁力磁石３、固定磁力磁石４ａの作用について詳細に説明する。
図３（ａ）は、減磁前の最大の鎖交磁束量を得ている場合の図である。この場合、２種類の可変磁力磁石３、固定磁力磁石４ａの磁化方向は同一であるため、両方の永久磁石３、４ａの磁束が加え合わせになって、最大の磁束量が得られる。

図３(ｂ)は、減磁時の状態を示すもので、電機子巻線１８によりｄ軸方向から両方の可変磁力磁石３、固定磁力磁石４ａの磁化方向とは逆方向の磁界を発生する負のｄ軸電流を電機子巻線にパルス的に通電させる。負のｄ軸電流によって変化した磁石内の磁界が１７５ｋＡ／ｍになったとすると、可変磁力磁石３（フェライト磁石）の保磁力が３００ｋＡ／ｍであるため、可変磁力磁石３の磁力は不可逆的に大幅に低下する。この場合、可変磁力磁石３には、それに積層した固定磁力磁石４ａからの磁界が加わっており、これが減磁のためのｄ軸方向から加わる磁界と打ち消し合うことになる。そのため、その分大きな磁化電流が必要となるが、減磁のための磁化電流は増磁時に比較して少なくて済むため、磁化電流の増加は少ない。

図３(ｃ)は、負のｄ軸電流により逆磁界での可変磁力磁石３の磁力が減少した状態を示すものである。可変磁力磁石３の磁力は不可逆的に大幅に低下するが、固定磁力磁石４ａ（ＳｍＣｏ磁石）の保磁力が１５００ｋＡ／ｍなので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３のみが減磁した状態となり、全体の磁石による鎖交磁束量を減少することができる。

図３（ｄ）は、負のｄ軸電流により逆磁界での可変磁力磁石３の磁力が逆方向に磁化し、全体の磁石による鎖交磁束が最小になった状態を示すものである。負のｄ軸電流の大きさが可変磁力磁石３が着磁するために必要な６００ｋＡ／ｍの磁界を発生しているならば、減磁していた可変磁力磁石３は着磁されて磁力を発生する。この場合、２種類の可変磁力磁石３、固定磁力磁石４ａの磁化方向が逆であるため、両方の永久磁石の磁束が減算され、磁束が最小となる。

図３（ｅ）は、負のｄ軸電流で極性が反転した可変磁力磁石３の磁力を減少させるために磁界を発生させた状態を示すものである。固定磁力磁石４ａの磁化方向の磁界を発生する正のｄ軸電流を電機子巻線１８にパルス的に通電させる。正のｄ軸電流によって変化した磁石内の磁界の極性が反転した可変磁力磁石３の磁力を不可逆的に大幅に低下する。この場合、可変磁力磁石３に積層されている固定磁力磁石４ａからの磁界が磁化電流による磁界と加え合わせになる（固定磁力磁石４ａからバイアス的な磁界が可変磁力磁石３に作用する）ため、可変磁力磁石３の減磁が容易に行われる。

図３（ｆ）は、正のｄ軸電流による磁界で極性反転した可変磁力磁石３の磁力が減少した状態を示すものである。可変磁力磁石３の磁力を不可逆的に低下させる正のｄ軸電流による磁界には、固定磁力磁石４ａによる磁界も加わっている。そのため、通常は大きな磁化電流を必要とする時においても、固定磁力磁石４ａの作用により、磁化電流の増大を抑止できる。

図３（ｇ）は、正のｄ軸電流により可変磁力磁石３が逆方向に磁化（極性が再度反転）し、全体の磁石による鎖交磁束が最大になった状態を示すものである。可変磁力磁石３、固定磁力磁石４ａの磁化方向は同一であるため、両方の永久磁石の磁束が加え合わせになって、最大の磁束量が得られる。

図４は、永久磁石に共通な減磁曲線の概念図であり、永久磁石はその温度によって保磁力が変化し、温度が高いほど保磁力が小さくなる傾向を持っている。磁束密度の高い希土類系の永久磁石ではＮｄＦｅＢ磁石がＤｙ元素を使用して保磁力の低下を抑制しているものの、当該永久磁石の温度上昇による保磁力の低減率はＳｍＣｏ系磁石の１．５倍程度にもなる。また、Ｄｙ元素は、レアアースの中でもその原産国が限られ非常に貴重な材料であり、Ｄｙ元素の使用量を削減すれば、その差は２倍以上にもなる。例えば、代表的なＮｄＦｅＢ磁石は、２０℃での保磁力が１５００ｋａ／ｍなのに対し、１５０℃では保磁力が５００ｋＡ／ｍに低下する。これに対して、代表的なＳｍＣｏ系磁石では、同じく２０℃の保磁力が１５００ｋＡ／ｍなのに対し、１５０℃では、保磁力が１１５０ｋＡ／ｍまでしか低下しない。

従って、固定磁力磁石４ａに保磁力低下の大きいＮｄＦｅＢ磁石を用いた場合、回転子鉄心２４あるいは固定磁力磁石４ａが高温状態で可変磁力磁石３の磁化を行うと、可変磁力磁石の保磁力３００ｋＡ／ｍに対し、高温状態での固定磁力磁石４ａの保磁力が５００ｋＡ／ｍと同等レベルになる。可変磁石の増減磁には保持力の２倍程度の磁界が必要な為、そのため、可変磁石の増減磁によって本来不可逆減磁してはならない固定磁力磁石４ａが不可逆減磁し、全磁石の発生磁束量が減少し回転電機の性能が低下する。

本実施形態によれば、固定磁力磁石４ａの磁石として、回転電機１０の最高使用温度、例えば、１５０℃の範囲内で、常時、可変磁力磁石３の保磁力よりも大きな保磁力を維持する永久磁石を用いている。例えば、固定磁力磁石４ａとして、温度による保磁力低下の影響の少ないＳｍＣｏ系永久磁石を用いている。これにより、回転子鉄心２４あるいは固定磁力磁石４ａが高温の状態で磁化を行った場合でも、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４ａでは、磁化方向厚さの寸法が同じでも保磁力が大きく異なるので、固定磁力磁石４ａが不可逆的に減磁することはない。従って、高温状態での磁化を容易に行うことが可能となる。

（可変磁力磁石の作用）
次に、可変磁力磁石３の作用について述べる。図５は、代表的な磁石であるＮｄＦｅＢ磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石、サマコバ(ＳｍＣｏ)磁石、低保磁力サマコバ磁石の磁気特性（保磁力と磁束密度との関係）をそれぞれ示したグラフである。この中で、本実施形態では、固定磁力磁石４ｂとしてＮｄＦｅＢ磁石を、固定磁力磁石４ａとしてＳｍＣｏ磁石を、可変磁力磁石３としてフェライト磁石、アルニコ磁石、保磁力を弱く設定したＳｍＣｏ磁石（サマリウムコバルト磁石）を使用することができる。なお、他の実施形態では、可変磁力磁石３としてフェライト磁石３を、固定磁力磁石４ａとしてＳｍＣｏ磁石、固定磁力磁石４ｂにＮｄＦｅＢ磁石を使用してもよい。

可変磁力磁石３は、低保磁力であっても、可変磁力磁石３のみの状態のときは高磁束密度であるが、固定磁力磁石４ｂを磁気的に並列に配置した状態では、その作用で可変磁力磁石３の動作点が低下し、その磁束密度が低下する。これに対して、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４ａを直列に積層配置した状態では、固定磁力磁石４ａの作用で、可変磁力磁石３の磁石の動作点は上昇し、磁束密度が上昇する。

すなわち、低保磁力で高磁束密度の磁石であるアルニコ磁石またはＳｍＣｏ系磁石の動作点は、可変磁力磁石３のみの状態では高磁束密度側（図５のＡ、Ｂ）にあるが、固定磁力磁石４ｂを並列に配置した状態では低磁束密度側（図５のＡ’、Ｂ’）に低下する。しかし、本実施形態のように、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４ａを直列に積層した状態では、並列に配置された固定磁力磁石４ｂと、直列に配置された固定磁力磁石４ａの磁界の向きが逆方向であるため、両者の磁界は相殺され、可変磁力磁石３の動作点は高磁束密度側（図５のＡ”、Ｂ”）に移動する。

このグラフから分かるように、可変磁力磁石３として、アルニコ磁石やＳｍＣｏ系磁石を単独で使用した場合には、動作点Ａ、Ｂ点から磁束密度を下げるためには、その保磁力に打ち勝つだけの磁力を電機子巻線１８のｄ軸電流による磁界を発生させる必要があり、大きなｄ軸電流が必要となる。

しかし、本実施形態のように、可変磁路磁石３に対して、磁気的に並列に配置された固定磁力磁石４ｂ、４ｂと、直列に配置された固定磁力磁石４ａによって、可変磁力磁石３の動作点は図中Ａ”に移動することになるので、磁界の強さをわずかに変化するだけでその磁束密度が急激に低下することになる。これにより、電機子巻線のｄ軸電流により逆磁界で可変磁力磁石３の磁力が減少した場合に、その磁束密度の変化を大きくすることができるので、少ないｄ軸電流によって、磁極内に配置された永久磁石全体による鎖交磁束量を大きく変化させることができる。

フェライト磁石は、アルニコ磁石と比較して保磁力が大きいため、永久磁石の鎖交磁束を増加させる方向に極性を反転させた場合に要する磁化電流が大きくなる。しかし、本実施形態では、直列に配置した固定磁力磁石４ａの作用により少ない磁化電流で磁力を反転できる。

この点は、図５に示すフェライト磁石を可変磁力磁石３として使用した場合も同様であり、アルニコ磁石やＳｍＣｏ磁石のような急激な変化は無いものの、フェライト磁石単独で使用した場合に比較すると、その動作点Ｃ”が低下するので、少ないｄ軸電流で磁束密度を低下させることができる。

（短絡コイルの作用）
図６を参照して、短絡コイル８の作用について述べる。
可変磁力磁石３と固定磁力磁石４ａ、４ｂは、回転子鉄心２４内に埋め込まれて磁気回路を構成している。そのため、前述したｄ軸電流による発生磁界は、可変磁力磁石３のみでなく、回転子鉄心２４のｑ軸の鉄心部分にも作用する。本来、ｄ軸電流による発生磁界は可変磁力磁石３の磁化を変化させるために行う。

そこで、ｄ軸電流による発生磁界が可変磁力磁石３の両側の回転子鉄心２４のｑ軸に相当する鉄心部分に作用しないようにし、可変磁力磁石３に集中するようにすればよい。本実施形態では、回転子鉄心２４のｑ軸部分に短絡コイル８を配置している。短絡コイル８は、可変磁力磁石３以外の箇所を囲むように配置する。ｄ軸電流による発生磁界が回転子鉄心２４のｑ軸相当部分に作用すると、前記磁界を打ち消すような誘導電流が短絡コイル８に流れる。従って、回転子鉄心２４のｑ軸相当部分にはｄ軸電流による磁界と短絡電流による磁界とが作用し、磁界の増減はほとんど生じない。更に、短絡電流による磁界は可変磁力磁石３にも作用し、ｄ軸電流による磁界と同方向になる。

従って、可変磁力磁石３を磁化させる磁界が強まり、少ないｄ軸電流で可変磁力磁石３を磁化できることになる。また、短絡コイルにより回転子鉄心２４のｑ軸相当部分は前記ｄ 軸電流の影響を受けず、磁束の増加はほとんど生じないので、前記ｄ 軸電流による電機子鉄心の磁気飽和も緩和できる。

以上のように構成された永久磁石型回転電機１０によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）回転子の磁極を構成するための磁気回路に関して可変磁力磁石と直列に配列した固定磁力磁石の保磁力が極めて高いため、回転子または永久磁石が高温の状態で磁化を行っても、固定磁力磁石が不可逆的減磁することがなくなり、高温時の磁化による出力低下を防止できる。

（２）増磁時の磁化電流の増加を抑止できるため、永久磁石式回転電機を駆動するためのインバータを大型化する必要がなく、現状のインバータをそのまま使用して、運転の効率化が可能となる。

（３）ｄ軸電流で可変磁力磁石３を不可逆的に変化させることにより、磁気回路的に直列に配置された可変磁力磁石３と固定磁力磁石４を合わせた複合磁石から発せられる全鎖交磁束量を広範囲に調整することができる。

（４）永久磁石の全鎖交磁束量の調整は回転電機の電圧を広範囲に調整することを可能とし、また、着磁は極短時間のパルス的な電流で行うことにより、常時弱め磁束電流を流し続ける必要もないので損失を大幅に低減できる。また、従来のように弱め磁束制御を行う必要がないので高調波磁束による高調波鉄損も発生しない。以上により、本実施の形態の回転電機は、高出力で低速から高速までの広範囲の可変速運転を可能とし、広い運転範囲において高効率も可能となる。

（５）永久磁石による誘導電圧に関しては、可変磁力磁石３を負のｄ軸電流で着磁して永久磁石の全鎖交磁束量を小さくできるため、永久磁石の誘導電圧によるインバータ電子部品の破損がなくなり、信頼性が向上する。

（６）回転電機が無負荷で連れ回される状態では、可変磁力磁石３を負のｄ軸電流で着磁して永久磁石の全鎖交磁束量を小さくできる。これより、誘導電圧は著しく低くなり、誘導電圧を下げるための弱め磁束電流を常時通電する必要がほとんどなくなり、総合効率が向上する。特に惰行運転時間が長くなる通勤電車に本実施の形態の回転電機を搭載して駆動すると、総合運転効率は大幅に向上する。

次に、他の実施形態に係る永久磁石型回転電機について説明する。
以下に述べる実施形態において、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する。

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係る永久磁石型回転電機における回転子および固定子の一部を示す断面図である。第２の実施形態によれば、図７に示すように、回転子鉄心２４において、ｄ軸の両側にほぼＶ字状に並んで２つの磁石埋め込み孔６ａが形成されている。各磁石埋め込み孔６ａの外周側部分に、固定磁力磁石４ｂが埋め込まれ、内周側部分に、可変磁力磁石３および固定磁力磁石４ａが磁気回路的に直列に重ねて埋め込まれている。これら可変磁力磁石３および固定磁力磁石４ａと、固定磁力磁石４ｂとの間に、絶縁板５が埋め込まれている。

絶縁板５は、可変磁力磁石３および固定磁力磁石４ａの磁化方向と平行な面に配置され、可変磁力磁石３および固定磁力磁石４ａと、固定磁力磁石４ｂとを磁気的に絶縁している。固定磁力磁石４ｂは、磁極７を構成するための磁気回路上において、可変磁力磁石３と並列に配置されている。そして、これら可変磁力磁石３、固定磁力磁石４ａ、絶縁板５、および固定磁力磁石４ｂにより、複合磁石９を構成している。２つの複合磁石９は、磁極７のほぼ中心軸となるｄ軸に対して、固定磁力磁石４ｂを外径側とするＶ字状に配置され、回転子１４の磁極７を構成している。可変磁力磁石３に直列に配置された固定磁力磁石４ａは、回転電機の最高使用温度範囲内において、常時、可変磁力磁石の保磁力よりも高い保磁力を有する磁石、例えば、ＳｍＣｏ系磁石を用いている。

このように構成した第２の実施形態では、磁極７内に可変磁力磁石３が配置されていること、可変磁力磁石３と磁気回路的に直列に固定磁力磁石４ａが配置され、それら磁石と磁気回路的に並列に固定磁力磁石４ｂが配置されていることから、基本的な構成は前述した第１の実施形態と同一である。このため、磁化により永久磁石の磁束量が不可逆的に可変でき高効率運転が可能である他、固定磁力磁石４ａをＳｍＣｏ系希土類磁石にすることにより、高温運転状態でも磁化を行うことができる。また、高温状態での磁化による、固定磁力磁石４ａの不可逆減磁などの不具合を発生することもない。更に、複数の磁石を一体の複合磁石９とすることにより、回転電機の組立が容易となり、また、回転子鉄心２４の磁石埋め込み孔６ａの加工数が少なくて済むなどの効果がある。

（第３の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係る永久磁石型回転電機における回転子および固定子の一部を示す断面図である。第２の実施形態によれば、図８に示すように、回転子鉄心２４において、ｄ軸の両側にほぼＶ字状に並んで２つの磁石埋め込み孔６ａが形成されている。各磁石埋め込み孔６ａの内周側部分に、固定磁力磁石４ｂが埋め込まれ、外周側部分に、可変磁力磁石３および固定磁力磁石４ａが磁気回路的に直列に重ねて埋め込まれている。これら可変磁力磁石３および固定磁力磁石４ａと、固定磁力磁石４ｂとの間に、絶縁板５が埋め込まれている。

絶縁板５は、可変磁力磁石３および固定磁力磁石４ａの磁化方向と平行な面に配置され、可変磁力磁石３および固定磁力磁石４ａと、固定磁力磁石４ｂとを磁気的に絶縁している。固定磁力磁石４ｂは、磁極７を構成するための磁気回路上において、可変磁力磁石３と並列に配置されている。そして、これら可変磁力磁石３、固定磁力磁石４ａ、絶縁板５、および固定磁力磁石４ｂにより、複合磁石９を構成している。２つの複合磁石９は、磁極７のほぼ中央ｄ軸に対して、固定磁力磁石４ｂを内径側とするＶ字状に配置され、回転子１４の磁極７を構成している。可変磁力磁石３に直列に配置された固定磁力磁石４ａは、回転電機の最高使用温度範囲内において、常時、可変磁力磁石の保磁力よりも高い保磁力を有する磁石、例えば、ＳｍＣｏ系磁石を用いている。

このように構成した第３の実施形態においても、前述した第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。更に、複合磁石９の内、比較的弱い磁石を外形側つまり磁極７の中心に対して、両端の位置に配置することにより、回転子１４と固定子１２との間のエアギャップ部において、周方向磁束密度分布が、磁極中央部が凸のより正弦波に近い分布となり、高調波鉄損を減少させることが可能となる。

なお、この発明は上記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、上記実施の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、永久磁石型回転電機は、インナーロータ型に限らず、アウターロータ型としてもよい。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。また、回転子鉄心内における永久磁石の配置は、Ｖ字形状に限らず、例えば、回転子鉄心の回転中心と同芯円の接線方向に並ぶように配置してもよい。

磁極を形成する永久磁石において、保磁力と磁化方向の厚みの積をもって永久磁石を区別する定義をしている。従って、磁極は同じ種類の永久磁石で形成し、磁化方向厚みを異なるように形成しても同様な作用と効果が得られる。

回転電機の運転時に極短時間のパルス的なｄ軸電流による磁界で永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させ、かつ、全磁石の誘起電圧に対して位相を進めた電流を連続的に通電させて、電流と永久磁石で生じる電機子巻線の鎖交磁束量を変化させる構成としてもよい。すなわち、パルス電流で永久磁石の磁束量を減少させ、さらに電流位相を進めると、磁石磁束に対して逆方向の電流で生じる磁束が発生するので、これを相殺して、全鎖交磁束を減少でき、端子電圧を低下させることができる。なお、電流位相を進めることは負のｄ軸電流成分を流していることと等価である。

このような電流位相進み制御においては、電流位相を進めるとｄ軸電流が流れて磁石は減磁して幾分磁束量は減る。しかし、パルス電流で大きく減磁させているので、磁束量の低下は比率的には小さい利点がある。

３…可変磁力磁石、４ａ、４ｂ…固定磁力磁石、６ａ…磁石埋め込み孔、
８…短絡コイル、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

Claims (3)

1. 固定子鉄心およびこの固定子鉄心に取り付けられた電機子巻線を有する固定子と、
   前記固定子に対して回転自在に設けられた回転子鉄心、およびこの回転子鉄心に埋設され複数の磁極を形成する複数の永久磁石を有する回転子と、を備え、
   運転中に、前記電機子巻線を流れる電流が作る磁界により前記回転子の磁極を構成する永久磁石の少なくとも１個を磁化させて、永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させる永久磁石型回転電機であって、
   前記磁極を形成する複数の永久磁石は、磁束量を不可逆的に変化可能な可変磁力磁石と、前記磁極を形成するための磁気回路に関して前記可変磁力磁石と直列に配置され、磁束量を固定とする固定磁力磁石と、前記磁極を形成するための磁気回路に関して前記可変磁力磁石と並列に配置され磁束量を固定とする他の固定磁力磁石と、を含み、前記磁極を形成する可変磁力磁石および固定磁力磁石は、磁化方向に重ね合わせて配置され、前記可変磁力磁石および固定磁力磁石と前記他の固定磁力磁石とは絶縁体を挟んで並んで設けられて複合磁石を構成し、この複合磁石が前記磁極の中心軸の両側にそれぞれ配置され、前記固定磁力磁石は、最大使用温度範囲内の全範囲で、保磁力と磁化方向厚の積が、前記可変磁力磁石の保磁力と磁化方向厚の積よりも大きいことを特徴とする永久磁石型回転電機。
2. 固定子鉄心およびこの固定子鉄心に取り付けられた電機子巻線を有する固定子と、
   前記固定子に対して回転自在に設けられた回転子鉄心、およびこの回転子鉄心に埋設され複数の磁極を形成する複数の永久磁石を有する回転子と、を備え、
   運転中に、前記電機子巻線を流れる電流が作る磁界により前記回転子の磁極を構成する永久磁石の少なくとも１個を磁化させて、永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させる永久磁石型回転電機であって、
   前記磁極を形成する複数の永久磁石は、磁束量を不可逆的に変化可能な可変磁力磁石と、前記磁極を形成するための磁気回路に関して前記可変磁力磁石と直列に配置され、磁束量を固定とする固定磁力磁石と、前記磁極を形成するための磁気回路に関して前記可変磁力磁石と並列に配置され磁束量を固定とする他の固定磁力磁石と、を含み、前記磁極を形成する可変磁力磁石および固定磁力磁石は、磁化方向に重ね合わせて配置され、前記可変磁力磁石および固定磁力磁石と前記他の固定磁力磁石とは絶縁体を挟んで並んで設けられて複合磁石を構成し、この複合磁石が前記磁極の中心軸の両側にそれぞれ配置され、前記固定磁力磁石は、最大使用温度範囲内の全範囲で、保磁力が前記可変磁力磁石の保磁力よりも大きいＳｍＣｏ系磁石又は希土類・鉄・窒素系磁石又はＳｍＦｅＮ系磁石（サマリウム・鉄窒・素系磁石）であることを特徴とする永久磁石型回転電機。
3. 前記可変磁力磁石および固定磁力磁石は、前記磁極の中心軸上に配置され、前記磁化方向が前記中心軸方向に沿っている請求項１又は２に記載の永久磁石型回転電機。

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