JPWO2012014260A1 - 回転電機及びそれを用いた電動車両 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、回転電機の高速運転状態の効率を向上できる回転電機を提供することである。また本発明の回転電機を使用することにより電動車両の高速運転状態の効率を改善することを目的とする。スロットを備えた固定子鉄心と固定子巻線とを有する固定子と回転子を備え、前記回転子は、積層された電磁鋼板を備えさらに周方向に配置された複数の磁極が形成された回転子鉄心と、前記複数の磁極のそれぞれを形成するための複数の第１永久磁石と複数の第２永久磁石とを有し、前記回転子の各磁極を形成するための前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とが互いに異なるリコイル透磁率を備えている。

Description

本発明は、回転電機及びそれを用いた電動車両に関する。

永久磁石によって回転子の磁極を形成する回転電機では、前記永久磁石が発生するｄ軸の磁束が一定であるため、回転速度にかかわらず略一定の磁束が固定子巻線と鎖交する。このため固定子に誘起される誘起電圧が回転速度の増加に伴って増大する。一方固定子巻線に交流電流を供給するための電源電圧は回転電機の回転速度に関係なく略一定であるため、上述のように回転電機の回転速度が増大して固定子巻線に誘起される誘起電圧が大きく成ると、電源電圧と固定子巻線の相間電圧との電圧差が減少し、固定子巻線に必要な電流を供給できなくなる。この結果回転電機の回転速度が増大すると必要な回転トルクを発生することが困難と成る。

回転電機の回転速度の増大に伴う誘起電圧をできるだけ低く抑えることにより、必要な電流が固定子巻線に供給され易くなり、高回転時の発生トルクをより増大させることができる。誘起電圧をできるだけ抑制するためにはｄ軸の磁束と固定子巻線との鎖交磁束を減少させることが一つの解決策であり、回転電機の高速運転時に磁極を形成する永久磁石が発生するｄ軸の磁束による固定子巻線との鎖交磁束量を抑制する。このために永久磁石が発生するｄ軸の磁束に対して逆極性の磁束を固定子巻線で発生するように固定子巻線に供給する電流を制御する（弱め界磁制御）。

弱め界磁制御によりｄ軸磁束を不可逆的に減磁させて、固定子巻線の鎖交磁束を減少させる技術が特許文献１に開示されている。

弱め界磁電流を利用する場合に、弱め界磁電流が大きいとモータの回転トルクに直接関係しないｄ軸電流を増大させることとなり、効率が低下することとなる。このため回転電機の高速運転状態の効率が低下する問題があった。

特開２００８−２４５３６７号公報

本発明の目的は、回転電機の高速運転状態の効率を向上できる回転電機を提供することである。また本発明の回転電機を使用することにより電動車両の高速運転状態の効率を改善することを目的とする。

請求項１に記載の特徴は次のとおりである。

スロットを備えた固定子鉄心と固定子巻線とを有する固定子と回転子を備え、前記回転子は、積層された電磁鋼板を備えさらに周方向に配置された複数の磁極が形成された回転子鉄心と、前記複数の磁極のそれぞれを形成するための複数の第１永久磁石と複数の第２永久磁石とを有し、前記回転子の各磁極を形成するための前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とが互いに異なるリコイル透磁率を備えていることである。

請求項２に記載の特徴は、上記請求項１に記載の構成において、前記回転子の各磁極を構成する前記第２永久磁石の磁化容易軸が、前記第１永久磁石によって作られるｄ軸の磁束に沿うように、前記第２永久磁石を配置することである。

請求項３に記載の特徴は次のとおりである。請求項１あるいは請求項２の内の一に記載の回転電機において、前記回転電機の前記回転子鉄心には、各磁極を形成するための永久磁石を挿入する磁石挿入孔が形成されており、前記磁石挿入孔には前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とが挿入されて保持されていることである。

請求項４に記載の特徴は次のとおりである。請求項１乃至請求項３の内の一に記載の回転電機において、前記第１永久磁石は前記第２永久磁石より高い保磁力の特性を備えており、前記第２永久磁石は前記第１永久磁石より高いリコイル透磁率を備えることである。

請求項５に記載の特徴は次のとおりである。請求項４に記載の回転電機において、前記第１永久磁石はネオジウム磁石あるいはフェライト磁石であり、前記第２永久磁石はアルニコ磁石であることである。

請求項６に記載の特徴は次のとおりである。請求項１乃至請求項３の内の一に記載の回転電機において、前記回転子には、周方向に沿って形成された複数の磁極の隣接する磁極の間にそれぞれ補助磁極が形成され、前記補助磁極を介して前記固定子巻線により発生したｑ軸の磁束が通る磁気回路が形成されることである。

請求項７に記載の特徴は次のとおりである。請求項６に記載の回転電機において、前記回転子には、周方向に配置された各磁極を形成する前記第１永久磁石および前記第２永久磁石を挿入するための周方向の長さが半径方向の長さより長い形状の磁石挿入孔がそれぞれ周方向に沿って各磁極に対応して形成されており、前記磁石挿入孔の回転子の外周側に位置する辺が回転子の中心側に位置する辺より長い形状をなし、前記各磁石挿入孔に前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とが回転子の半径方向において重なる状態で収納されて固定されており、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とは回転子の半径方向に沿って磁化されると共に、各磁極毎に前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との磁化極性が交互に反転するように磁化されており、前記各磁石挿入孔の内側において、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石の内の少なくとも外周側に位置する永久磁石の周方向の両端部に磁気的な空隙が設けられていることである。

請求項８に記載の特徴は次のとおりである。請求項７に記載の回転電機において、各磁極の磁石挿入孔の外周側と回転子鉄心の外周との間の回転子鉄心に磁極片部が形成され、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石で発生したｄ軸の磁束は前記磁極片部と前記固定子鉄心を通り、前記ｄ軸の磁束が前記固定子巻線と鎖交する磁気回路が形成されることである。

請求項９に記載の特徴は次のとおりである。請求項６に記載の回転電機において、前記回転子には、周方向に配置された各磁極に対応して、各磁極を形成するための前記第１永久磁石および前記第２永久磁石が少なくとも２組設けられており、前記２組の内の１組の第１永久磁石および第２永久磁石を挿入するための第１磁石挿入孔と前記２組の内の他の組の第１永久磁石および第２永久磁石を挿入するための第２磁石挿入孔とが各磁極に対応してそれぞれ形成されており、各磁極に対応して設けられた前記第１磁石挿入孔と前記第２磁石挿入孔はそれぞれの回転子の外周側の端部が前記それぞれの回転子の中心側の端部より離れた状態である外周側が中心側より開く状態で形成されており、前記第１磁石挿入孔と前記第２磁石挿入孔にはそれぞれ前記第１永久磁石と第２永久磁石とが積層状態で収納されて固定されていることである。

請求項１０に記載の特徴は次のとおりである。請求項９に記載の回転電機において、前記第１磁石挿入孔と前記第２磁石挿入孔の前記外周側の端部にそれぞれ磁気的な空隙が形成されていることである。

請求項１１に記載の特徴は次のとおりである。請求項１０に記載の回転電機において、前記第１磁石挿入孔と前記第２磁石挿入孔の外周側固定子鉄心に磁極片部が形成され、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石で発生したｄ軸の磁束は前記磁極片部と前記固定子鉄心を通り、前記ｄ軸の磁束が前記固定子巻線と鎖交する磁気回路が形成されることである。

請求項１２に記載の特徴は次のとおりである。請求項８乃至請求項１１の内の一に記載の回転電機において、隣接する前記磁極間に補助磁極がそれぞれ形成され、前記磁極片と隣接する補助磁極とをつなぐブリッジ部が前記磁気的な空隙の外周側に形成され、前記ブリッジ部により前記磁極片部から前記補助磁極への漏れ磁束が低減されることである。

請求項１３に記載の特徴は次のとおりである。請求項１乃至請求項１２の内の一に記載の回転電機を備える電動車両において、前記電動車両は前記回転電機を制御するための制御回路を備えており、前記制御回路は、前記第１と第２の永久磁石を可逆減磁範囲内で動作させることである。

請求項１４に記載の特徴は次のとおりである。請求項１３に記載の電動車両において、前記制御回路は前記回転電機の回転速度が所定回転速度より高い第１運転領域において、前記永久磁石が発生するｄ軸の磁束を減じる方向の磁束を発生するように前記固定子巻線に供給する交流電流を制御し、前記固定子巻線が発生する磁束が前記回転子の磁極を形成する第２の永久磁石に対して逆極性の磁束として作用することである。

本発明によれば回転電機の高速運転状態の効率を改善できる効果がある。また前記回転電機を備えた電動車両においては、電動車両の高速運転状態の効率を向上させることができる。

本発明の実施例１による回転電機の部分断面図である。 図１に示す回転電機の回転軸に垂直な断面図である。 図２の部分拡大図である。 高リコイル透磁率の永久磁石の磁気特性図である。 低リコイル透磁率の永久磁石の磁気特性図である。 高リコイル透磁率及び低リコイル透磁率の永久磁石の磁化容易軸方向の角度差と動作点の関係を説明する説明図。 回転電機を駆動するためのシステム図である。 永久磁石を用いる回転電機の電流位相とトルクの関係を示す説明図である。 本発明に基づく実施例２による回転子の断面図である。 本発明に基づく実施例３による回転子の断面図である。 本発明に基づく実施例４による回転子の断面図である 本発明に基づく実施例５による回転子の断面図である 本発明に基づく実施例６による回転子の断面図である。 本発明に基づく実施例７による回転子の断面図である。 本発明に基づく実施例８による回転子の断面図である。 本発明に基づく実施例９による回転子の断面図である。 本発明を電気自動車に適用した場合の実施例１０による電気自動車のブロック構成図である。

以下に説明の実施の形態（実施例）では、上述の発明が解決しようとする課題の欄や発明の効果の欄に記載した内容に止まらず、製品の実施に向けての様々な課題を解決している。具体的には以下の実施の形態の中で説明する。

（Ｖ字配置の永久磁石）
本発明の実施例１について、図１〜図８に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態による永久磁石を使用した回転電機１の部分断面図である。永久磁石を使用した回転電機１の固定子２は、固定子鉄心４と、この固定子鉄心４に形成されたスロットに巻回された３相あるいは多相の固定子巻線５と、を備えており、前記固定子２はハウジング１１に収納され保持されている。回転子３は、永久磁石を挿入するための磁石挿入孔６が設けられた回転子鉄心７と、前記回転子鉄心７に形成された前記磁石挿入孔６に挿入された回転子の磁極を形成するための永久磁石４００と、シャフト８とを備えている。前記シャフト８は、ハウジング１１の両端に固定されたエンドブラケット９にベアリング１０によって回転可能に保持されている。

回転電機１には、回転子３の磁極位置を検出するための磁極位置検出器ＰＳが設けられている。前記磁極位置検出器ＰＳは例えばレゾルバで構成される。さらに回転子３の回転速度を検出するため回転速度検出器Ｅが設けられている。前記回転速度検出器Ｅはここではエンコーダであり、回転子３の側部に配置され、シャフト８の回転に同期してパルスを発生し、該パルスを計数することで回転速度が計測できる。回転電機１は、磁極位置検出器ＰＳの信号に基づき磁石位置を検知し、回転速度検出器Ｅの出力信号を基に回転速度を検出し、図示しない制御装置により、回転電機１の目標トルクを発生するための交流電流が固定子巻線５に供給される。制御装置により固定子巻線５に供給される電流が制御されることにより、回転電機の出力トルクが制御される。

前記永久磁石４００は、低リコイル透磁率の特性を有するネオジウム磁石やフェライト磁石などの第１永久磁石４０１（図２に記載）、及び高リコイル透磁率の特性を有するアルニコ磁石などの第２永久磁石４０２（図２に記載）を有している。各磁極を形成する第１と第２の永久磁石は、上述のとおり、リコイル透磁率の異なる少なくとも２種の永久磁石によって構成されている。上述のとおり、低リコイル透磁率の第１永久磁石４０１はネオジウム磁石やフェライト磁石であり、ネオジウム磁石のリコイル透磁率は１.０５であり、フェライト磁石のリコイル透磁率は１.１５である。高リコイル透磁率の第２永久磁石４０２は例えばアルニコ磁石であり、アルニコ磁石のリコイル透磁率は３.６である。また磁石の保持力は第１永久磁石であるネオジウム磁石やフェライト磁石の方がアルニコ磁石の保持力より大きい。保持力の定義を永久磁石が発生する磁束密度をゼロにするのに必要とする反対方向の磁界とすると、ネオジウム磁石の保持力は８３６ｋＡ／ｍ〜９９５ｋＡ／ｍであり、フェライト磁石の保持力は２３９ｋＡ／ｍ〜２７０ｋＡ／ｍであり、アルニコ磁石の保持力は４７.７ｋＡ／ｍ〜５２.５ｋＡ／ｍである。なお上述のＡ／ｍは磁界の強さの単位であるアンペア毎メートルの略である。

図２は、図１に示す回転電機の回転軸に垂直な面での断面図である。なお煩雑さを避けるためにハウジングの図示は省略している。また図３は図２の部分拡大図である。これらの図において、回転電機１は固定子２と回転子３とを備えており、固定子２は固定子鉄心４と前記固定子鉄心４の回転子側に周方向において全周に渡って形成されたスロットに巻回された固定子巻線５を備えている。なお煩雑さを避けるために図２と図３は固定子巻線の図示を省略している。固定子鉄心４はコアバック部とも言われている略円筒状のヨーク部２１と前記ヨーク部２１から径方向における内側に突出する形状を成すティース部２２とを有し、前記ティース部２２は全周に渡って形成されている。隣接する前記ティース部２２の間には前記スロットが形成され、前記スロットは前記固定子巻線を収納し保持する。全周に渡って配置された前記固定子巻線に３相交流電流が供給されることにより前記固定子には回転磁界を発生する。また後述する回転子が発生する磁束が前記固定子巻線に鎖交し、前記回転子が回転することにより前記鎖交磁束が変化することにより、前記固定子巻線に誘起電圧が発生する。

回転子３は、回転軸に沿う方向に積層された電磁鋼板からなる回転子鉄心７と、回転子鉄心７に設けられた磁極を形成するための第１永久磁石４０１と第２永久磁石４０２を備えている。図２や図３の実施の形態ではＶ字形に配置された磁石で、１つの磁極即ち各磁極を形成する。磁極を形成する各磁石は半径方向に磁化されており、一つの磁極において固定子側がＮ極となるように磁化されているとその両隣の磁極を構成する磁石は逆に固定子側がＳ極となるように磁化されている。即ち磁極毎に磁極を構成する第１永久磁石４０１と第２永久磁石４０２の磁化方向が反転している。なお本実施例１では上述のように各磁極はＶ字形に配置された少なくとも２組の磁石によって形成されているが、各磁極を形成する磁石はＶ字形状の配置とは限らない。長方形に配置しても良いし、Ｖ字形状と長方形の組み合わせた形状に配置しても良い。各磁極を構成する磁石量を増やすと各磁極の磁束量が多くなり、発生する回転トルクが増大するあるいは誘起される誘起電圧が大きくなる傾向となる。

図１乃至図３において、該当する全ての部品または部分に参照符号を付すと非常に煩雑となるので、同じ部品の内の一部をそれら全体の代表として一部にのみ参照符号を付し、他の部分の参照符号は省略する。磁極を形成する永久磁石は回転子鉄心の固定子側が外周面に配置する構造の回転電機（以下表面磁石形回転電機と記す）にも本発明の技術思想が適用できるが、本出願の実施の形態に示す構造は回転子鉄心の内部に磁石を配置している構造の回転電機（埋め込み磁石形回転電機と記す）である。表面磁石形回転電機は発生する回転トルクの変動を抑制できる効果が顕著であるが、効率が低下する欠点があり、回転トルクの変動の抑制が必須とされる操舵力をアシストするためのモータに適している。一方埋め込み磁石形回転電機は回転子と固定子間のギャップを小さくできるために高効率あるいは小型で高出力の回転電機に適しており、自動車の走行用の回転電機に適している。本出願に記載されている実施の形態は何れも自動車の走行用の回転電機に適している。

図２および図３に記載の実施の形態では、回転子鉄心７に永久磁石を挿入し固定するための磁石挿入孔６が各磁極に対応して２組設けられており、各磁極に対応して設けられた２組の磁石挿入孔６は固定子側が開く状態に配置されており、各磁極に対応して全周に渡って配置されている。

前記各磁石挿入孔６には低リコイル透磁率の第１永久磁石４０１および高リコイル透磁率の第２永久磁石４０２の磁化方向が同一で、極性が互いに同方向になるように積層状態で収納され固定されている。上述のとおり、両隣の磁極を形成する第１永久磁石４０１と第２永久磁石４０２とは極性が反対方向となるように磁化されている。

回転子鉄心７の各前記磁石挿入孔６は例えばプレスの打ち抜き加工により形成される。回転軸方向に積層された電磁鋼板により形成される前記回転子鉄心７はシャフト８に固定されており、シャフト８と共に回転する。

回転子３の回転子鉄心７は、隣接する各磁極の周方向における間に、固定子が発生するｑ軸の磁束Φｑを通すための補助磁極部３３を全周に渡って形成しており、その一部を図３に記載する。また逆の見方では、図３において、各隣接する補助磁極部３３の間に永久磁石により形成される磁極が設けられており、この実施の形態では各磁極は２組の永久磁石をＶ字状の如く固定子側が開く状態に配置して構成されている。各磁石挿入孔に収納し保持される第１永久磁石と第２永久磁石は、それぞれは低リコイル透磁率の第１永久磁石４０１及び高リコイル透磁率の第２永久磁石４０２であり、各磁極を構成する上記２組の永久磁石の内の各組を構成する永久磁石はリコイル透磁率の異なる少なくとも２種の永久磁石で構成されている。例えば低リコイル透磁率の第１永久磁石４０１はネオジウム磁石あるいはフェライト磁石であり、高リコイル透磁率の第２永久磁石４０２はアルニコ磁石である。上記Ｖ字状に配置された２組の第１永久磁石４０１と第２永久磁石４０２とにより発生するｄ軸の磁束Φｄが第１永久磁石４０１と第２永久磁石４０２から、前記第１永久磁石４０１および第２永久磁石４０２と回転子外周との間の回転子鉄心７により形成される磁極片部３４、回転子３と固定子４との間のギャップ、を介して固定子２を通り、隣接する他の磁極の第１永久磁石４０１及び第２永久磁石４０２を通って、元の第１永久磁石４０１及び第２永久磁石４０２に戻る磁気回路が作られる。前記磁気回路を通る磁束Φｄが前記固定子２を通る際に固定子巻線５を流れる電流と作用して回転トルクを発生する。また前記磁気回路を通る磁束Φｄが前記固定子巻線５と鎖交し、この鎖交磁束量の単位時間当たりの変化量に基づいて前記固定子巻線５（図１参照）に誘起電圧が発生する。なお、図２および図３の磁束の分布図の記載には正確に表現できない点があるが、磁束Φｄは第１永久磁石４０１と第２永久磁石４０２の内部では磁化方向に沿っておりその表面においては垂直に出入りしており、また固定子鉄心４や回転子鉄心７の表面に対して垂直に出入りする。

補助磁極部３３を通るｑ軸の磁束Φｑの磁気抵抗と、ｄ軸の磁束Φｄが通る永久磁石を有する磁気回路の磁気抵抗との差に基づいてリラクタンストルクが発生する。図３に示すように本実施の形態では補助磁極部３３の周方向の幅を広くしているので補助磁極部３３を通る磁束Φｑの磁気回路の磁気抵抗は小さい。一方磁束Φｄが通る磁気回路には透磁率の低い永久磁石が２組存在するので磁気抵抗が極めて高い。このため本実施の形態では大きなリラクタンストルクが発生する。回転電機に要求される全トルクは磁石トルクとリラクタンストルクの合計となるので、リラクタンストルクの発生が大きいと要求される磁石トルクはその分小さくてよい。図２や図３に示す回転電機では、回転電機が発生するトルクに対しリラクタンストルクで対応する部分があるので、たとえば要求磁石の半分程度をリラクタンストルクで賄うので、磁石トルクの要求トルクを小さくでき、永久磁石の量を少なくできる構造を成している。永久磁石の量を少なくできることは固定子巻線５に鎖交する磁束鎖交量を少なくでき、回転速度の増加に対する誘起電圧の増大を抑えることができる。従って本実施の形態の回転電機は高速回転する回転電機に適した構造を有している。この点に加え以下で説明のごとく、本実施の形態ではリコイル透磁率の高い永久磁石を有しているので、高速回転時の誘起電圧の低減がさらに容易となる。

図２および図３において、Ｖ字形状に配置された２組の磁石挿入孔６が回転子鉄心４に形成され、各磁石挿入孔６にはリコイル透磁率が異なる２種類の第１永久磁石４０１及び第２永久磁石４０２が挿入されている。この実施の形態では、各磁石挿入孔６は２種類の第１永久磁石４０１及び第２永久磁石４０２より大きい形状を成し、第１永久磁石４０１及び第２永久磁石４０２の固定子側の端部にそれぞれ磁気的な空隙３５（以下磁気空隙と記す）が形成されている。少なくとも磁極片部３４の側に位置する永久磁石の端部に磁気空隙３５が設けられている。上記磁気空隙３５は磁気抵抗が極めて大きい真空や空気に近い特性を持つ空間であり、空隙状態や樹脂などが充填されている、常磁性体や強磁性体が存在しない空間である。以下の説明では磁気空隙が他にも存在するが同様の構造である。各磁石挿入孔６を挿入される磁石より大きい形状としているので上記磁気空隙の他に、第１永久磁石４０１及び第２永久磁石４０２の回転軸側の端部にも磁気空隙４１が形成されている。

上記磁気空隙３５や磁気空隙４１は次に記載の作用を有する。磁気空隙３５は回転子の外周に沿って周方向に伸びる辺を有している。磁気空隙３５が周方向に伸びる形状を有することで、永久磁石の固定子側の回転子鉄心により形成される磁極片部３４と補助磁極部３３との間にブリッジ部３９を形成する。前記ブリッジ部３９は、磁極片部３４からブリッジ部３９を介して補助磁極部３３に漏洩する漏洩磁束を減少する作用を成す。磁極片部３４と補助磁極部３３との間のブリッジ部３９を、上記磁気空隙３５の周方向に伸びる形状によって、周方向に沿って伸びる形状に形成できる。このブリッジ部の形状を径方向において薄くまた周方向に長くすることにより、例えばブリッジ部３９を磁気飽和が生じる磁束量の値を小さい値とすることができる。またこのような形状とすることでブリッジ部３９の磁気抵抗を大きくすることができ、結果としてブリッジ部を通る磁束量を少なくでき、漏洩磁束を減少させる効果がある。また前記磁石挿入孔６の固定子側の角に遠心力が集中するのを緩和でき、機械的信頼性の向上にもつながる。

さらに補助磁極３３と永久磁石との境界部分で急激に磁束密度が変化すると前記急激な磁束密度の変化によりトルクリプルが発生する恐れがあるが、本実施の形態の如くＶ字形状に配置された第１永久磁石４０１と第２永久磁石４０２で構成される各永久磁石の組の固定子側端部に磁気空隙３５を設けているので、補助磁極３３と永久磁石との境部での急激な磁束密度の変化を低減でき、トルクリプルを低減する効果がある。

本実施の形態では、磁石挿入孔６の中にリコイル透磁率が異なる２種類の永久磁石が挿入されており、それぞれの永久磁石の磁化容易軸が前記磁束Φｄの磁気回路に沿う方向に各永久磁石が配置されている。なお永久磁石の磁化容易軸とはその磁石における磁化し易い方向のことである。図２や図３に示す第１永久磁石４０１や第２永久磁石４０２はそれぞれ略直方体の形状を成しており、各永久磁石はその短手方向を磁化容易軸となるように作られており、前記磁化容易軸が図２の矢印Ｘに沿う方向となるように、各永久磁石が配置されている。この矢印Ｘに沿う方向は上述の通り、ｄ軸の磁束Φｄの方向である。

本実施の形態では、各磁石挿入孔６の中にリコイル透磁率が異なる２種類以上の永久磁石を挿入し固定しているので、回転子に占める磁石保持のために必要な体積を小さくでき、回転子の小型化につながる。またリコイル透磁率が異なる２種類の永久磁石を別々の場所に配置するのに比べ本実施の形態の構造の方が回転子の機械的な強度が向上し易い。さらに２種類の永久磁石の挿入作業が容易である。また本実施の形態の構造の場合に共通の磁石挿入孔６に磁化されていない第１永久磁石４０１と第２永久磁石４０２の材料を挿入固定子、２種類の永久磁石の材料の挿入後に磁化作業を一度に行うことができ、磁化作業が容易となる。

次に磁石挿入孔６に挿入固定されるリコイル透磁率が異なる永久磁石について説明する。図４は高リコイル透磁率の永久磁石の磁気特性を示す図であり、具体的にはアルニコ磁石の磁気特性を示す図である。なおリコイル透磁率は学術的に定義されている技術用語であるが、以下簡単に説明する。

図５は低リコイル透磁率の永久磁石の磁気特性を示す図であり、具体的にはネオジウム磁石の磁気特性の図である。図４および図５に記載の磁気特性において、直線性が保たれている部分の傾き５０１をリコイル透磁率といい、上述したが、図４に示すアルニコ磁石のリコイル透磁率は約３.６であり、図５に示すネオジウム磁石のリコイル透磁率は約１.０５である。なお、本出願では、リコイル透磁率が約１.０５程度のネオジウム磁石やリコイル透磁率が約１.１５程度のフェライト磁石を低リコイル透磁率の永久磁石という。一方リコイル透磁率が２以上、好ましくは３以上永久磁石、例えばリコイル透磁率が約３.６のアルコニ磁石を高リコイル透磁率の永久磁石という。

上記リコイル透磁率は、磁化と逆方向の磁界が加わった場合に、永久磁石の磁化が減少する割合のことである。従って、このリコイル透磁率が大きい程、永久磁石の磁束が減少しやすいことを意味する。また、これら永久磁石の磁気特性において、永久磁石の磁化方向と逆方向の磁界が加わった場合には、リコイル透磁率が直線性を保っている範囲においては、逆方向の磁界を止めると永久磁石の磁化は復元するが、直線性を保っていない範囲に至る大きさの逆方向の磁界が加わった場合には、逆方向の磁界を止めても永久磁石の磁化は完全には復元しない。これらの現象で、前者の復元する状態を可逆減磁といい、後者の復元しない状態を不可逆減磁という、上記直線性を保っている範囲とは完全な直線性の範囲に限定されるものではなく、直線性に近い範囲も含む。磁化と逆方向の磁界は、極中心軸をｄ軸とするとｄ軸に対して負の電流（以下、弱め界磁電流）を流すことで、加えることができる。この弱め界磁電流は、回転電機が高速運転する場合、回転数に比例して増加する誘起電圧を一定に保持，抑制するために用いる方法である。

上記実施例１によれば、磁石挿入孔内に高リコイル透磁率の永久磁石が挿入されている。これにより、高速運転時に弱め界磁電流を流した場合、高リコイル透磁率の永久磁石が発生する磁束が減少し、従来の弱め界磁電流に比べｄ軸の磁束Φｄの減少量が多くなり、結果としてｄ軸の磁束Φｄによる鎖交磁束が減少する。このため回転速度の増大に伴う誘起電圧の増加が抑えられ、回転電機を利用できる高速回転速度の限界を向上することができる。また従来の回転電機の高速運転に比べて弱め界磁電流を減少させることができるので、効率が向上する。

さらにまた、同一の磁石挿入孔内に低リコイル透磁率の永久磁石と高リコイル透磁率の永久磁石を配置することで、低リコイル透磁率の永久磁石の保持力が大きいために、高リコイル透磁率の永久磁石を補助することができ、高リコイル透磁率の永久磁石が受ける磁界が小さくなる。これにより、高リコイル透磁率の永久磁石は不可逆減磁しにくくなる。

図６は、高リコイル透磁率の第２永久磁石と低リコイル透磁率の第１永久磁石の磁化容易軸方向の角度差と磁石の動作点の関係を示す。磁石体積（縦軸）のピーク値が動作点（横軸）において、より０％に近い方にあればあるほど、永久磁石は不可逆減磁しにくいものとなることを示す。ここで、高リコイル透磁率の永久磁石と低リコイル透磁率の永久磁石との磁化容易軸方向の角度差をθ＝０度にしたときは磁石の動作点が０％付近の場合に磁石体積は約２４％でピークとなっている。また、高リコイル透磁率の永久磁石と低リコイル透磁率の永久磁石との磁化容易軸方向の角度差をθ＝４５度にしたときは磁石の動作点が３０％付近の場合に磁石体積は約２０％でピークとなっている。

この結果から、高リコイル透磁率の永久磁石と低リコイル透磁率の永久磁石との磁化容易軸方向の角度差をθ＝０度にする、言い換えれば、高リコイル透磁率の永久磁石と低リコイル透磁率の永久磁石の磁化容易軸方向を平行とすることで、高リコイル透磁率の永久磁石の動作点が小さくなり、不可逆減磁しにくくなっていることが分かる。この結果、再着磁するための着磁回路が不要となるため、システムとしての部品点数を少なくすることができる。ここで、高リコイル透磁率の永久磁石の平均半径が低リコイル透磁率の永久磁石の平均半径と比べ小さい位置に配置しているが、反対としても同様の効果がある。

次に、図７を用いて本実施例の回転電機装置の構成を説明する。本実施例１の回転電機１は、回転電機１と、回転電機１の駆動電源を構成する直流電源５１と、回転電機１に供給される電力を制御して駆動を制御する制御装置とを備えている。

永久磁石を使用した回転電機１は前述した通り構成あるいは後述する構造を有している。直流電源５１は、例えば交流電源と該交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ部で構成しても良いし、車両に搭載されるリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池であっても良い。制御装置はインバータ装置であり、直流電源５１から直流電力を受け交流電力に変換して、その交流電力を回転電機１の固定子巻線５に供給している。インバータ装置は、直流電源５１と固定子巻線５との間に電気的に接続された電力系のインバータ回路５３（電力変換回路）と、インバータ回路５３の動作を制御する制御回路１３０とを備えている。

インバータ回路５３は、スイッチング用半導体素子、例えばＭＯＳ―ＦＥＴ（金属酸化膜半導体形電解効果トランジスタ）、あるいはＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）から構成されたブリッジ回路を有し、平滑用コンデンサモジュールからの直流電力を交流電力に変換し、あるいは回転電機が発生した交流電力を直流電力に変換する。上記ブリッジ回路は、アームと呼ばれる高電位側スイッチと低電位側スイッチと直列回路が回転電機１の相数分電気的に並列に接続されて構成されていて、三相交流電力を発生する本実施の形態では３組設けられている。各アームの高電位側スイッチの端子は直流電源５１の正極側に電気的に接続され、低電位側スイッチの端子は直流電源５１の負極側に電気的に接続されている。各アームの上側のスイッチング用半導体素子と下側のスイッチング用半導体素子との接続点から回転電機１の固定子巻線５に相電圧を供給するように前記固定子巻線５に電気的に接続されている。

インバータ回路５３から固定子巻線５へ供給される相電流は、回転電機に交流電力を供給するための各相のバスバーにそれぞれ設けられた電流検出器５２により計測される。電流検出器５２は例えば変流器である。制御回路１３０は、トルク指令や制動指令を含む入力情報に基づいて目標トルクを得るためのインバータ回路５３のスイッチング用半導体素子のスイッチング動作を制御する作用をする。入力情報としては例えば、回転電機１に対する要求トルクである電流指令信号Ｉｓと、回転電機１の回転子３の磁極位置θが入力されている。要求トルクである電流指令信号Ｉｓは、車両の場合に運転者から要求されるアクセル操作量などの要求量に応じて上位コントローラから送られてくる指令により制御回路１３０で演算して求められる。磁極位置θは、磁極位置検出器ＰＳの出力から得られた検出情報である。

速度制御回路５８は、上位コントローラの要求指令により作られた速度指令ωｓと、エンコーダからの位置情報θ１から周波数を電圧に変換するＦ／Ｖ変換器６１を介して得られる実際の速度である実速度ωｆとから、速度差ωｅを算出し、これにＰＩ制御によってトルク指令である電流指令Ｉｓと回転子３の回転角θ１を出力する。上記ＰＩ制御は偏差値に比例乗数を乗ずる比例項Ｐと積分項Ｉを使用する一般に使用されている制御方式である。

位相シフト回路５４は、回転速度検出器Ｅが発生する回転の同期したパルス、すなわち回転子３の位置情報θを、速度制御回路５８からの回転角θ１の指令に応じて位相シフトして出力する。位相シフトは、例えば固定子巻線５に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石４００が作る磁束又は磁界の方向に対して電気角で９０度以上進むようにする。

正弦波・余弦波発生回路５９は、回転子３の永久磁石４００の磁極位置を検出する位置検出ＰＳと、位相シフト回路５４からの位相シフトされた回転子の位置情報θに基づいて、固定子巻線５の各巻線の誘起電圧を位相シフトした正弦波出力を発生する。ここで位相シフト量には値が零の場合も含む。

２相―３相変換回路５６は、速度制御回路５８からの電流指令ＩＳと正弦波・余弦波発生回路５９の出力とに応じて、各相の電流指令Ｉｓｕ，Ｉｓｖ，Ｉｓｗを出力する。各相はそれぞれ個別に電流制御系５５ａ，５５ｂ，５５ｃを持ち、電流指令Ｉｓｕ，Ｉｓｖ，Ｉｓｗと電流検出器５２からの電流検出信号Ｉｆｕ，Ｉｆｖ，Ｉｆｗに応じた信号を、インバータ回路５３に送ってスイッチング用半導体素子のスイッチング動作を制御し、３相交流の各相電流が制御される。この場合、各相合成の電流は、界磁磁束に直角、あるいは位相シフトした位置に制御され、これによって無整流子で、かつ直流機と同等の特性を得ることができる。

上述の交流電流の各相の電流制御系５５ａ，５５ｂ，５５ｃから出力された信号は、対応する相のアームを構成するスイッチング用半導体の制御端子に入力される。これにより、各スイッチング用半導体がオン・オフ動作であるスイッチング動作を行い、直流電源５１から平滑用コンデンサモジュールを介して供給された直流電力が交流電力に変換され、固定子巻線５の対応する相巻線に供給される。

本実施例１のインバータ装置では、固定子巻線５に流れる電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石４００が作る磁束又は磁界の方向に対して直交するように、或いは位相シフトするように、固定子巻線５に流れる電流（各相巻線に流れる相電流）を常に形成している。これにより、本実施例１の回転電機装置では、無整流子すなわちブラシレスの回転電機１を用いて、直流機と同等の特性を得ることができる。尚、弱め界磁電流は、固定子巻線５に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石４００が作る磁束又は磁界の方向に対して９０度（電気角）以上進むように、固定子巻線５に流れる電流（各相巻線に流れる相電流）を常に形成する制御である。

従って、本実施例１の回転電機装置では、固定子巻線５に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石４００が作る磁束又は磁界の方向に対して直交するように、固定子巻線５に流れる電流（各相巻線に流れる相電流）を回転子３の磁極位置に基づいて制御すれば、回転電機１から連続的に最大トルクを出力できる。弱め界磁制御が必要な時には、固定子巻線５に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石４００が作る磁束又は磁界の方向に対して９０度（電気角）以上進むように、固定子巻線５に流れる電流（各相巻線に流れる相電流）を回転子３の磁極位置に基づいて制御すればよい。

次に、高リコイル透磁率の第２永久磁石４０２が不可逆減磁の範囲で動作させる場合の着磁判定及び着磁方法について説明する。回転電機１には、さらに磁束検出器６０が備えられ、この磁束検出器６０が出力する磁束量を表す値と前記Ｆ／Ｖ変換器６２が出力する実速度ωｆを着磁判定回路６１に入力し、再着磁の要不要について判定する。永久磁石４００に弱め界磁電流に基づく磁束を加えたことにより、仮に可逆減磁の範囲を超えた強い磁束が永久磁石に加えられると、永久磁石、特に第２永久磁石４０２、が減磁してしまう恐れがある。このように仮に不可逆減磁した場合には、永久磁石が発生する磁束量が減少するため、永久磁石の再着磁が必要となる。永久磁石の再着磁が必要判断された場合には着磁判定回路６１から位相シフト回路５４に着磁指令を出力する。

次に着磁判定回路６１から位相シフト回路５４に着磁指令を出力された場合の第２永久磁石４０２の着磁方法について説明する。着磁のために特別な着磁回路を使用しても良いことはもちろんであるが、特別な着磁回路を使用しなくても、上述の制御回路１３０を使用して、ある程度の再着磁が可能である。図８に永久磁石を内蔵した上述の回転電機における電流位相とトルクの関係を示す。ここで、電流位相０度はｑ軸である。永久磁石４００、特に第２永久磁石４０２、が不可逆減磁した場合には、固定子巻線５に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石４００が作る磁束又は磁界の方向に対して電気角で９０度程度遅れるように、固定子巻線５に流れる電流すなわち各相巻線に流れる相電流を制御する。このように固定子巻線５に供給する相電流を制御することにより、固定子巻線５に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルが永久磁石４００の磁化に対して増磁する方向となるため、永久磁石４００、特に第２永久磁石４０２、を着磁することが、すなわち減磁された磁化状態を再び強くすることが可能となる。

次に、本発明の実施例２について、図９を用いて説明する。図９は、本発明の実施例２による回転電機の回転子３の回転軸に垂直な面の断面図である。ここで、固定子は上述の実施の形態と同じであり、省略している。実施例１と異なる点は、各磁極を構成する永久磁石が１組の第１永久磁石と第２永久磁石で構成されていることである。各磁極に対して磁石挿入孔が一つ形成されている。これらの永久磁石は、その磁化容易軸がｄ軸の磁気回路に沿っており、具体的にはそれぞれの永久磁石磁化容易軸が回転子３の半径方向となっている。本実施例２では、第１永久磁石と第２永久磁石が略直方体の形状を成しており、その周方向の両端部に磁気空隙３５が形成されており、上述のとおり第１永久磁石と第２永久磁石の外周側の回転子鉄心が磁極片部として作用し、また前記磁気空隙３５の外周側の回転子鉄心がブリッジ部として作用する。また隣接する各磁極の間に補助磁極が形成されている。前記磁極片部や磁気空隙３５、ブリッジ部，補助磁極部はそれぞれ実施例１で説明した構造であり、作用や効果も基本的に同じである。

図９に記載の実施例２では、各磁極を形成するための第１永久磁石４０１と第２永久磁石４０２を略長方形の形状としたが、円弧形状やカマボコ形状においても同様の作用や効果を奏する。ここで、高リコイル透磁率の永久磁石の平均半径が低リコイル透磁率の永久磁石の平均半径と比べ小さい位置に配置しているが、反対としても良い。

本実施例２によれば、磁石挿入孔６に高リコイル透磁率の永久磁石が収納されている。これにより、実施例１と作用や同様の効果が得られる。すなわち高速運転時に弱め界磁電流を流した場合、高リコイル透磁率の永久磁石による鎖交磁束が減少するため、誘起電圧の増加が抑えられ、最高回転数を向上することができる。さらに、同一の磁石挿入孔内に低リコイル透磁率の永久磁石と高リコイル透磁率の永久磁石を配置することで、両者の永久磁石が受ける磁界を分配することができ、永久磁石が不可逆減磁しにくくなる。これにより、再着磁するための着磁回路が不要となるため、システムとしての部品点数を少なくすることができる。

次に、本発明の実施例３について、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の実施例３による回転電機の回転子３の回転軸に垂直な断面図を示す。ここで、固定子は上述の実施例１と基本的に同様の構成および作用効果であり、図示および説明を省略する。実施例１と異なる点は、実施例１に示すＶ字形状の永久磁石である２組の第１永久磁石４０１と第２永久磁石４０２に加え、前記Ｖ字形状の永久磁石の固定子側にさらに第１永久磁石４０１を配置し、各磁極を構成する永久磁石量を増加した点である。また、本実施例３では、直方体の永久磁石を用いて説明したが、円弧形状やカマボコ形状においても基本的に同様の効果がある。ここで、高リコイル透磁率の永久磁石の平均半径が低リコイル透磁率の永久磁石の平均半径と比べ小さい位置に配置しているが、反対としても良い。なお、上記構成の基本動作は実施例１や実施例２で説明のとおりであり、実施例１や実施例２で説明した作用効果を奏する。さらに磁極片部や磁気空隙，ブリッジ部，補助磁極部についての説明は実施例１や実施例２と基本的に同じであり、説明を省略する。

上記実施例３によれば、磁石挿入孔内に高リコイル透磁率の永久磁石が挿入されている。これにより、高速運転時に弱め界磁電流を流した場合、高リコイル透磁率の永久磁石による鎖交磁束が減少するため、誘起電圧の増加が抑えられ、最高回転数を向上することができる。さらに、同一の磁石挿入孔内に低リコイル透磁率の永久磁石と高リコイル透磁率の永久磁石を配置することで、両者の永久磁石が受ける磁界を分配することができ、永久磁石が不可逆減磁しにくくなる。これにより、再着磁するための着磁回路が不要となるため、システムとしての部品点数を少なくすることができる。また、回転子外径方向外側に永久磁石を配置し、永久磁石の磁化容易軸方向をｄ軸と合致又は交差するように３方向としたことで、回転子が作る磁束密度を正弦波に近づけることができるため、トルク脈動，電磁騒音を低減することができる。

次に、本発明の実施例４について、図１１を用いて説明する。図１１は、本発明の実施例４による回転電機の回転子の断面図である。固定子の構成，作用，効果は上述の実施例１で説明の内容と同じであり、説明を省略する。実施例１と異なる点は、永久磁石のＶ字形状配置の固定子側にさらに永久磁石のＶ字形状配置設けた点である。各磁極を構成する磁石量を増やすことが可能となり、磁石トルクを増大させることができる。また、本実施例４では、内外周の両方の磁石挿入孔にリコイル透磁率が異なる永久磁石を挿入しているが、どちらか１つでも効果があり、上記構成の極が全極又は少なくとも１つ以上有していれば、効果がある。さらに言えば、本実施例４では、直方体の永久磁石を用いて説明したが、円弧形状やカマボコ形状においても同様の効果がある。ここで、高リコイル透磁率の永久磁石の平均半径が低リコイル透磁率の永久磁石の平均半径と比べ小さい位置に配置しているが、反対としても同様の効果がある。

上記実施例４によれば、磁石挿入孔内に高リコイル透磁率の永久磁石が挿入されている。これにより、高速運転時に弱め界磁電流を流した場合、高リコイル透磁率の永久磁石による鎖交磁束が減少するため、最高回転数を向上することができる。さらに、同一の磁石挿入孔内に低リコイル透磁率の永久磁石と高リコイル透磁率の永久磁石を配置することで、両者の永久磁石が受ける磁界を分配することができ、永久磁石が不可逆減磁しにくくなる。これにより、再着磁するための着磁回路が不要となるため部品点数が少なくすることができる。

さらに、Ｖ字となる磁石挿入孔を２層設けることで、リラクタンストルクが向上するため、回転電機を小型化することができる。

本発明の実施例５について、図１２を用いて説明する。図１２は、本発明の実施例５による回転電機の回転子の回転軸の垂直な面での断面図である。ここで、基本構成および作用効果が基本的に実施例１と同じであり、また固定子の構造や作用効果が実施例１と同じであるため、固定子の記載および説明を省略する。

実施例１と異なる点は、高リコイル透磁率の永久磁石と低リコイル透磁率の永久磁石を別々の磁石挿入孔内に配置した点である。さらに、高リコイル透磁率の永久磁石は、極中心付近に配置している。当然のことながら、上記構成の極は、全極又は少なくとも１つ以上有していれば、効果がある。また、本実施例５では、直方体の永久磁石を用いて説明したが、円弧形状やカマボコ形状においても同様の効果がある。ここで、高リコイル透磁率の永久磁石の平均半径が低リコイル透磁率の永久磁石の平均半径と比べ小さい位置に配置しているが、反対としても同様の効果がある。

上記実施例５によれば、磁石挿入孔内に高リコイル透磁率の永久磁石が挿入されている。これにより、高速運転時に弱め界磁電流を流した場合、高リコイル透磁率の永久磁石による鎖交磁束が減少するため、誘起電圧の増加が抑えられ、最高回転数を向上することができる。また、高リコイル透磁率の永久磁石を極中心付近に配置したことで、逆方向の磁界が印加されにくくなるため、不可逆減磁しにくくなる。さらに、別々の磁石挿入孔内に配置したことで、磁石間に鉄のブリッジ部を有するため、それぞれの磁石の磁化容易軸方向に対する反磁界係数が小さくなり、不可逆減磁しにくくなる。

また磁石挿入孔は第１と第２永久磁石で共通とし、実施例１では積層配置としているが、並べて配置しても良い。この場合にｄ軸の磁束は第１と第２永久磁石が発生する磁束で構成され、第１と第２永久磁石４０１と４０２のそれぞれの磁化容易軸がｄ軸の磁束に沿う方向となるように第１と第２永久磁石４０１と４０２が配置される。

本発明の実施例６について、図１３を用いて説明する。図１３は、本発明の実施例６による回転電機の回転子の回転軸に垂直な断面図である。ここで、基本構成および作用効果が基本的に実施例１や実施例２と同じであり、また固定子の構造や作用効果が実施例１と同じであるため、固定子の記載および説明を省略する。

図９を用いて説明した実施例２と異なる点は、高リコイル透磁率の永久磁石と低リコイル透磁率の永久磁石を別々の磁石挿入孔内に配置した点である。さらに、高リコイル透磁率の永久磁石は、極中心付近に配置している。当然のことながら、上記構成の極は、全極又は少なくとも１つ以上有していれば、効果がある。また、本実施例６では、直方体の永久磁石を用いて説明したが、円弧形状やカマボコ形状においても同様の効果がある。ここで、高リコイル透磁率の永久磁石の平均半径が低リコイル透磁率の永久磁石の平均半径と比べ小さい位置に配置しているが、反対としても同様の効果がある。

上記実施例６によれば、磁石挿入孔内に高リコイル透磁率の永久磁石が挿入されている。これにより、高速運転時に弱め界磁電流を流した場合、高リコイル透磁率の永久磁石による鎖交磁束が減少するため、誘起電圧の増加が抑えられ、最高回転数を向上することができる。また、高リコイル透磁率の永久磁石を極中心付近に配置したことで、逆方向の磁界が印加されにくくなるため、不可逆減磁しにくくなる。さらに、別々の磁石挿入孔内に配置したことで、磁石間に鉄のブリッジ部を有するため、それぞれの磁石の磁化容易軸方向に対する反磁界係数が小さくなり、不可逆減磁しにくくなる。

次に、本発明の実施例７について、図１４を用いて説明する。図１４は、本発明の実施例７による回転電機の回転子の断面図である。ここで、基本構成および作用効果が基本的に実施例１や実施例４と同じであり、また固定子の構造や作用効果が実施例１と同じであるため、固定子の記載および説明を省略する。

図１１に示す実施例７と異なる点は、高リコイル透磁率の永久磁石と低リコイル透磁率の永久磁石を別々の磁石挿入孔内に配置した点である。当然のことながら、上記構成の極は、全極又は少なくとも１つ以上有していれば、効果がある。また、本実施例７では、直方体の永久磁石を用いて説明したが、円弧形状やカマボコ形状においても同様の効果がある。ここで、高リコイル透磁率の永久磁石の平均半径が低リコイル透磁率の永久磁石の平均半径と比べ小さい位置に配置しているが、反対としても同様の効果がある。

上記実施例７によれば、磁石挿入孔内に高リコイル透磁率の永久磁石が挿入されている。これにより、高速運転時に弱め界磁電流を流した場合、高リコイル透磁率の永久磁石による鎖交磁束が減少するため、誘起電圧の増加が抑えられ、最高回転数を向上することができる。さらにまたＶ字となる磁石挿入孔を２層に設けることで、リラクタンストルクが向上するため、回転電機を小型化することができる。

次に、本発明の実施例８について、図１５を用いて説明する。図１５は、本発明の実施例８による回転電機の回転軸に垂直な断面図である。ここで、基本構成および作用効果が基本的に実施例１や実施例２と同じであり、また固定子の構造や作用効果が実施例１や実施例６と同じであるため、固定子の記載および説明を省略する。

図９に示す実施例６と異なる点は、高リコイル透磁率の永久磁石と低リコイル透磁率の永久磁石を別々の磁石挿入孔内に配置した点である。当然のことながら、上記構成の極は、全極又は少なくとも１つ以上有していれば、効果がある。また、本実施例８では、直方体の永久磁石を用いて説明したが、円弧形状やカマボコ形状においても同様の効果がある。ここで、高リコイル透磁率の永久磁石の平均半径が低リコイル透磁率の永久磁石の平均半径と比べ小さい位置に配置しているが、反対としても同様の効果がある。

上記実施例８によれば、磁石挿入孔内に高リコイル透磁率の永久磁石が挿入されている。これにより、高速運転時に弱め界磁電流を流した場合、高リコイル透磁率の永久磁石による鎖交磁束が減少するため、誘起電圧の増加が抑えられ、最高回転数を向上することができる。

さらに、２層の磁石挿入孔を形成することで、リラクタンストルクが向上するため、回転電機を小型化することができる。

また、以上の説明では、２次元断面構造について説明したが、回転軸の方向に回転子を複数に分割し、リコイル透磁率が異なる２種類以上の永久磁石を用いた実施例について、本発明の実施例９として、図１６を用いて説明する。図１６は、本発明の実施例９による回転電機の斜視図である。ここで、固定子はその構造や作用効果が第１実施例とほとんど同じであるため、図示および説明を省略している。

ここで、特徴とする点は、回転軸に沿う方向にリコイル透磁率が異なる２種類以上の永久磁石を用いた点である。当然のことながら、上記構成の極は、全極又は少なくとも１つ以上有していれば、効果がある。また、本実施例９では、直方体の永久磁石を用いて説明したが、円弧形状やカマボコ形状においても同様の効果がある。ここで、高リコイル透磁率の永久磁石の平均半径が低リコイル透磁率の永久磁石の平均半径と比べ小さい位置に配置しているが、反対としても同様の効果がある。

上記実施例９によれば、磁石挿入孔内に高リコイル透磁率の永久磁石が挿入されている。これにより、高速運転時に弱め界磁電流を流した場合、高リコイル透磁率の永久磁石による鎖交磁束が減少するため、誘起電圧の増加が抑えられ、最高回転数を向上することができる。また、以上の説明では、内転型の回転電機で説明したが、外転型の回転電機でも適用できる。また、本発明は、分布巻方式の回転電機，集中巻方式の回転電機の両者においても適用できる。

次に、上述の実施例１乃至実施例９が適用される電気自動車に適用した実施例１０について、図１７を用いて説明する。図１７は、本発明を適用した電気自動車のブロック構成図である。

電気自動車の車体１００は、４つの車輪１１０，１１２，１１４，１１６によって支持されている。この電気自動車は、前輪駆動であるため、前方の車軸１５４には、走行トルクを発生しあるいは制動トルクを発生する回転電機１が機械的に接続されており、回転電機１により発生する回転トルクが機械的な伝達機構により伝達される。回転電機１は、図７により説明した制御装置１３０およびインバータ回路５３によって発生した３相交流電力により駆動され、該駆動トルクが制御される。

制御装置１３０の動力源としては、リチウム二次電池などの高電圧バッテリで構成される直流電源５１が備えられ、この直流電源５１からの直流電力が制御装置１３０の制御に基づいてインバータ回路５３がスイッチング動作し、交流電力に変換され、回転電機１に供給される。回転電機１の回転トルクにより車輪１１０，１１４が駆動され、車両が走行する。

また運転者のブレーキ操作により、制御装置１３０はインバータ回路が発生する交流電力の回転子の磁極に対する位相を反転することにより、回転電機１は発電機として作用し、回生制動運転が行われる。回転電機１は走行を抑える方向の回転トルクを発生して、車両１００の走行に対して制動力を発生する。このとき車両の運動エネルギが電気エネルギに変換され、直流電源５１に電気エネルギが充電される。

なお、以上の実施例１０では、回転電機を電気自動車の車輪の駆動に用いるものとして説明したが、電動車両用の駆動装置，電動建機用の駆動装置及び他あらゆる駆動装置においても使用できるものである。なお、本実施の形態による回転電機を電動車両、特に電気自動車に適用すれば、最高回転数が向上でき、出力が大きな電気自動車を提供することができる。

１ 回転電機
２ 固定子
３ 回転子
４ 固定子鉄心
５ 固定子巻線
６ 磁石挿入孔
７ 回転子鉄心
８ シャフト
９ エンドブラケット
１０ ベアリング
１１ ハウジング
２１ 固定子のヨーク部
２２ ティース部
２３ スロット
３３ 補助磁極部
３４ 磁極片部
３５ 磁気空隙
５１ 直流電源
５２ 電流検出器
５３ インバータ回路
５４ 位相シフト回路
４００ 永久磁石
４０１ 第１永久磁石
４０２ 第２永久磁石
Ｅ 回転速度検出器

Claims (14)

1. 全周に渡ってスロットを備えた固定子鉄心と前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有する固定子と、
   前記固定子に対して回転自在に設けられ回転子と、を備え、
   前記回転子は、回転子の回転軸の沿う方向に積層された電磁鋼板を備えさらに周方向に配置された複数の磁極が形成された回転子鉄心と、前記複数の磁極のそれぞれを形成するための複数の第１永久磁石と複数の第２永久磁石とを有し、
   前記回転子の各磁極を形成するための前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とが互いに異なるリコイル透磁率を備えている、ことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記回転子の各磁極を構成する前記第２永久磁石の磁化容易軸が、前記第１永久磁石によって作られるｄ軸の磁束に沿うように、前記第２永久磁石を配置することを特徴とする回転電機。
3. 請求項１あるいは請求項２の内の一に記載の回転電機において、
   前記回転電機の前記回転子鉄心には、各磁極を形成するための永久磁石を挿入する磁石挿入孔が形成されており、前記磁石挿入孔には前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とが挿入されて保持されていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１乃至請求項３の内の一に記載の回転電機において、
   前記第１永久磁石は前記第２永久磁石より高い保磁力の特性を備えており、
   前記第２永久磁石は前記第１永久磁石より高いリコイル透磁率を備えることを特徴とする回転電機。
5. 請求項４に記載の回転電機において、
   前記第１永久磁石はネオジウム磁石あるいはフェライト磁石であり、前記第２永久磁石はアルニコ磁石であることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１乃至請求項３の内の一に記載の回転電機において、
   前記回転子には、周方向に沿って形成された複数の磁極の隣接する磁極の間にそれぞれ補助磁極が形成され、前記補助磁極を介して前記固定子巻線により発生したｑ軸の磁束が通る磁気回路が形成されることを特徴とする回転電機。
7. 請求項６に記載の回転電機において、
   前記回転子には、周方向に配置された各磁極を形成する前記第１永久磁石および前記第２永久磁石を挿入するための周方向の長さが半径方向の長さより長い形状の磁石挿入孔がそれぞれ周方向に沿って各磁極に対応して形成されており、
   前記磁石挿入孔の回転子の外周側に位置する辺が回転子の中心側に位置する辺より長い形状をなし、
   前記各磁石挿入孔に前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とが回転子の半径方向において重なる状態で収納されて固定されており、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とは回転子の半径方向に沿って磁化されると共に、各磁極毎に前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との磁化極性が交互に反転するように磁化されており、
   前記各磁石挿入孔の内側において、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石の内の少なくとも外周側に位置する永久磁石の周方向の両端部に磁気的な空隙が設けられていることを特徴とする回転電機。
8. 請求項７に記載の回転電機において、
   各磁極の磁石挿入孔の外周側と回転子鉄心の外周との間の回転子鉄心に磁極片部が形成され、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石で発生したｄ軸の磁束は前記磁極片部と前記固定子鉄心を通り、前記ｄ軸の磁束が前記固定子巻線と鎖交する磁気回路が形成されることを特徴とする回転電機。
9. 請求項６に記載の回転電機において、
   前記回転子には、周方向に配置された各磁極に対応して、各磁極を形成するための前記第１永久磁石および前記第２永久磁石が少なくとも２組設けられており、前記２組の内の１組の第１永久磁石および第２永久磁石を挿入するための第１磁石挿入孔と前記２組の内の他の組の第１永久磁石および第２永久磁石を挿入するための第２磁石挿入孔とが各磁極に対応してそれぞれ形成されており、
   各磁極に対応して設けられた前記第１磁石挿入孔と前記第２磁石挿入孔はそれぞれの回転子の外周側の端部が前記それぞれの回転子の中心側の端部より離れた状態である外周側が中心側より開く状態で形成されており、
   前記第１磁石挿入孔と前記第２磁石挿入孔にはそれぞれ前記第１永久磁石と第２永久磁石とが積層状態で収納されて固定されていることを特徴とする回転電機。
10. 請求項９に記載の回転電機において、
    前記第１磁石挿入孔と前記第２磁石挿入孔の前記外周側の端部にそれぞれ磁気的な空隙が形成されていることを特徴とする回転電機。
11. 請求項１０に記載の回転電機において、
    前記第１磁石挿入孔と前記第２磁石挿入孔の外周側固定子鉄心に磁極片部が形成され、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石で発生したｄ軸の磁束は前記磁極片部と前記固定子鉄心を通り、前記ｄ軸の磁束が前記固定子巻線と鎖交する磁気回路が形成されることを特徴とする回転電機。
12. 請求項８乃至請求項１１の内の一に記載の回転電機において、
    隣接する前記磁極間に補助磁極がそれぞれ形成され、前記磁極片と隣接する補助磁極とをつなぐブリッジ部が前記磁気的な空隙の外周側に形成され、前記ブリッジ部により前記磁極片部から前記補助磁極への漏れ磁束が低減されることを特徴とする回転電機。
13. 請求項１乃至請求項１２の内の一に記載の回転電機を備える電動車両において、前記電動車両は前記回転電機を制御するための制御回路を備えており、
    前記制御回路は、前記第１と第２の永久磁石を可逆減磁範囲内で動作させることを特徴とした電動車両。
14. 請求項１３に記載の電動車両において、
    前記制御回路は前記回転電機の回転速度が所定回転速度より高い第１運転領域において、前記永久磁石が発生するｄ軸の磁束を減じる方向の磁束を発生するように前記固定子巻線に供給する交流電流を制御し、前記固定子巻線が発生する磁束が前記回転子の磁極を形成する第２の永久磁石に対して逆極性の磁束として作用することを特徴とする電動車両。

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