JP2011172323A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】低速から高速までの広範囲で可変速運転を可能とし、低速から高速までの全運転範囲で高効率にでき、インバータのパワー素子容量も低減できる永久磁石式型回転電機を提供する。
【解決手段】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で形成される磁極を有する回転子と、コイルを有する固定子鉄心から成る固定子から構成される。前記コイルを通電して形成される磁界で前記永久磁石の少なくとも１個の永久磁石の磁化状態を変化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させる機能を有し、前記永久磁石は、磁化が飽和している状態から部分的な磁化状態にするために要する磁界に対して、前記部分的な磁化状態から磁化が飽和している状態に戻すときに要する磁界が小さくなる磁化特性とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、２種類以上の永久磁石を使用し、そのうちの少なくとも１つの永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させて、低速から高速までの広範囲での可変速運転を可能とした永久磁石式回転電機に関する。

回転子内に永久磁石を内蔵した永久磁石式回転電機では、永久磁石の鎖交磁束が常に一定の強さで発生しているので、永久磁石による誘導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（逆起電圧）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式回転電機の低速域での出力及び効率が低下する。

すなわち、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の広範囲で駆動できなくなる。

そこで、図１１のような可変速範囲を拡大する方法として弱め磁束制御を適用する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この弱め磁束制御は、負のｄ軸電流により発生させた磁束であり、回転子巻線の総鎖交磁束量は前記負のｄ軸電流により発生させた磁束と永久磁石による磁束からなる。また、弱め磁束制御においても高保磁力の永久磁石４は磁気特性（Ｂ−Ｈ特性）の動作点が可逆の範囲で変化するようにする。このため、永久磁石は弱め磁束制御の減磁界により不可逆的に減磁しないように高保磁力のＮｄＦｅＢ磁石を適用する。この弱め磁束制御を適用した運転では、負のｄ軸電流による磁束で鎖交磁束が減少するので、鎖交磁束の減少分が電圧上限値に対する電圧の余裕分が生まれる。そのため、トルク成分となる電流を増加できるので高速域での出力が増加する。また、電圧余裕分だけ回転速度を上昇させることができ、可変速運転の範囲が拡大される。

しかしながら、出力には寄与しない負のｄ軸電流を常時流し続けるため銅損が増加して効率は悪化するという問題点がある。さらに、負のｄ軸電流による減磁界は高調波磁束を生じ、高調波磁束等で生じる電圧の増加は弱め磁束制御による電圧低減の限界をつくる。これらより埋め込み型永久磁石回転電機に弱め磁束制御を適用しても基底速度の３倍以上の可変速運転は困難である。さらに、前記の高調波磁束により鉄損が増加し、中・高速域で大幅に効率が低下する。また、高調波磁束による電磁力で振動を発生することもある。

そこで、回転子内に、固定子巻線のｄ軸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、全鎖交磁束量を調整する技術が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。

特開２００６−２８０１９５号公報 特開２００８−２９６０８０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

しかしながら、特許文献１及び２ので使用される可変磁力磁石は、増磁時と減磁時において対称な磁化特性を有する磁石である。このような可変磁力磁石に外部から磁界を作用させた場合の磁気特性を、図８を用いて説明する。図８中の可変磁力磁石３の磁化状態は、以下に示すとおりになる。
（ａ）：可変磁力磁石３が完全に磁化した状態（仮にＮ極とする）を初期値。
（ｂ）：完全に磁化した状態の可変磁力磁石３に、外部から逆磁界を永久磁石に作用させると、永久磁石の磁化が一定値で推移する。
（ｃ）：さらに、外部から逆磁界を作用させると可変磁力磁石の磁化は０になった後、極性は反転し（Ｓ極）になる。その後、負の磁界を増すと逆極性方向でほぼ飽和の磁化状態まで変化する。
（ｄ）：可変磁力磁石３が逆極性方向(Ｓ極)に完全に磁化した状態。
（ｅ）：（ｄ）の状態より、正の磁界をかけて増やしていくと、磁化は一定状態で推移する。
（ｆ）：さらに正の磁界を増加すると磁化が減少して０になり、その後、極性は反転(Ｎ極)して開始時の元の極性方向で磁化が最大となるまで磁化する。
以上のように、可変磁力磁石３に外部から磁界を作用させることにより、（ａ）〜（ｆ）に変化する。この磁化の変化を磁化のメジャーループとすると、このメジャーループは、図８に示すように可変磁力磁石の増磁時と減磁時において対称な磁化特性を有する。

図８において、可変磁力磁石が最大磁化に要する磁界は、正極性方向（Ｎ極側）でも逆極性側（Ｓ極側）でも４００ｋＡ/ｍである。そのため、磁化電流の最大値は最大の磁化となるときの磁界（図８ではＨｍａｘ４００ｋＡ/ｍ）の発生に要する電流値となる。また、磁化電流の最大値は、磁化時の磁界が大きくなれば必要な磁化電流は大きくなる。

また、図８のような特性を持つ可変磁力磁石の磁化を部分変化させたときの磁化について図９，１０を用いて説明する。図９中の可変磁力磁石３の磁化状態は、以下に示すとおりになる。
（ａ）：可変磁力磁石３が完全に磁化した状態（仮にＮ極とする）を初期値とする。
（ｂ）：完全に磁化した状態の可変磁力磁石に、外部から逆磁界を永久磁石に作用させると、永久磁石の磁化が一定値で推移する。
（ｃ）：さらに、外部から逆磁界を作用させると可変磁力磁石の磁化は０になった後、永久磁石の極性は反転し(Ｓ極)になる。ここで、逆極性方向(Ｓ極)の磁化は最大にならない状態までとする。
（ｄ）：可変磁力磁石３が逆極性方向(Ｓ極)に飽和する手前で部分磁化した状態。
（ｅ）：（ｄ）の状態の可変磁力磁石３に、正の磁界をかけると、磁化は一定状態で推移する。（図９の(4)のマイナーループ）
（ｆ）：さらに正の磁界を増加すると磁化が減少して０になり、その後、極性は反転(Ｎ極)して開始時の元の極性方向で磁化が最大となるまで磁化する。
以上のように、可変磁力磁石３に外部から磁界を作用させることにより、（ａ）〜（ｆ）に変化する。この磁化の変化を磁化のマイナーループとすると、マイナーループにおいても、図９に示すように可変磁力磁石の増磁時と減磁時において対称な磁化特性を有する。

さらに、磁化のマイナーループは、可変磁力磁石に外部から作用させる磁化の強さにより変化する。すなわち、図１０の(3)のマイナーループは、可変磁力磁石３の磁化が０になるまで、磁化電流を加えた場合のマイナーループである。(1)と(2)のマイナーループでは、可変磁力磁石３の極性は反転せずに磁化が減少する範囲まで、磁化電量を加えた場合のマイナーループである。このマイナーループの変化範囲における磁化電流の最大値は、磁化が反転または、最小となった状態から開始時の最大の磁化状態に要する電流となる。

以上より、図９，１０に示すようにマイナーループ(1)〜(4)の部分的に変化させた磁化から最大磁化にするときの磁界(ｈ１，ｈ２，ｈ３，ｈ４)は、メジャーループ(5)の反転した最大磁化から開始時の最大磁化にするときの磁界(ｈ５)とほぼ同じ値（実施例における最大磁化に要する磁界は４００ｋＡ/ｍ）である。すなわち部分変化後に元の最大磁化に要する磁化電流は逆極性の最大変化で要する電流と同じになる。

そのため、このような特性の可変磁力磁石を使用する特許文献１及び２の永久磁石式回転電機では、可変磁力磁石に加える磁界の大きさは、増磁時と減磁時で同じ強さの磁界を作用させる必要があった。しかしながら、可変磁力磁石を増磁した場合には、固定子の鉄心も磁気飽和するため、可変磁力磁石の増磁動作での磁化電流は減磁動作時よりも大きくする必要がある。そのため、起磁力が費やされるので必要な磁化電流は増えるという問題点があった。この磁化電流のためのインバータのパワー素子の能力は、最大電流で決定されるので増磁または減磁のどちらかでも増えるとパワー素子の容量が大きくなる場合があり、増磁側で磁化電流が増加しない方が望ましくなる。

本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、非対称な磁化特性を有する可変磁力磁石を用いることにより、可変磁力磁石の増磁動作での磁化電流を低減させることを目的とする。これにより、低速から高速までの全運転範囲で高効率にでき、インバータのパワー素子容量も低減できる永久磁石式回転電機を得ることを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の永久磁石式回転電機は、固定子鉄心に電機子コイルを設けた固定子と、回転子鉄心と前記回転子鉄心に設けた永久磁石からなる回転子から構成され、前記固定子の電機子コイルの電流が作る磁界で永久磁石を磁化させることにより永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させ、前記不可逆変化させる永久磁石は、磁化の飽和状態から部分的な磁化状態にするために要する磁界に対して、前記部分的な磁化状態から磁化の飽和状態に戻すときに要する磁界が小さくなる磁化特性であることを特徴とする。

なお、本発明における磁化が飽和している状態とは、完全な飽和状態だけでなく飽和する直前の磁化状態も含むものとする。また、前記の構成に加えて、可変磁力磁石の磁気特性及び回転子の構成を、次の１つまたは複数の組み合わせとすることも、本発明に包含される。
（１）不可逆変化させる永久磁石は、磁化が飽和している状態から反転させて逆極性で磁化の飽和状態にするために要する磁界に対して、逆極性の磁化状態から再度極性反転させて開始時の磁化が飽和している状態に戻すときに要する磁界が小さくなる磁化特性。
（２）永久磁石を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で形成。
（３）不可逆的に変化する永久磁石は、ｑ軸電流で形成される磁界によって前記永久磁石の一部が磁化される磁気特性。

以上のような構成を有する本発明によれば、非対称な磁化特性を有する可変磁力磁石を用いることにより、可変磁力磁石の増磁動作での磁化電流を低減させることができる。これにより、同時に鎖交磁束量を可変するときに要する磁化電流（ｄ軸電流）を小さくできるので回転電機を運転するパワー素子や電源容量を小さくできる。

本発明の実施例１における回転子の断面図 本発明の実施例１における回転子において、可変磁力磁石と固定磁力磁石を直列に並べた断面図 本発明の永久磁石式回転電機の制御回路の一例を示すブロック図 本発明の実施例１における可変磁力磁石の磁気特性（極性反転まで変化）を示す図 本発明の実施例１における可変磁力磁石の磁気特性（同一極性で変化）を示す図 本発明の実施例１における可変磁力磁石の磁気特性（部分磁化での変化）を示す図 本発明の実施例２における可変磁力磁石の磁気特性を示す図 従来の永久磁石における磁気特性（メジャーループの変化）を示す図 従来の永久磁石における磁気特性（極性反転まで変化）を示す図 従来の永久磁石における磁気特性（同一極性で変化）を示す図 従来の固定磁力磁石を埋め込んだ永久磁石回転電機の回転子の断面図

以下、本発明に係る永久磁石式回転電機の実施例について、図面を参照して説明する。本実施例の回転電機は８極の場合で説明しており、他の極数でも同様に適用できる。

［１−１．構成］
本発明の実施例１について、図１を用いて説明する。実施例１の回転子１は、回転子鉄心２、保磁力と磁化方向の厚みの積が小となる可変磁力磁石３、保磁力と磁化方向の厚みの積が大となる固定磁力磁石４から構成する。

本実施例では、可変磁力磁石３として、図３に示すような磁気特性を有する磁石を使用する。すなわち、横軸の磁界と縦軸の磁束密度で表す磁化特性において部分変化時のマイナーループの磁化特性は縦軸と横軸の交点を中心として非対称な特性とする。一方、メジャーループの磁気特性は、縦軸と横軸の交点を中心として対称な特性とする。

具体的には、可変磁力磁石３は、最大磁化から逆磁界(負の磁界)をかけると、磁化は最大の一定状態からある点で低下するまでは、メジャーループに沿って変化する。この後、部分的な磁化状態から元の磁化に戻すため正の磁界を作用させると、永久磁石の磁化が一定値で推移した後に、磁化が大きく増加する。この時の磁界の変化は、メジャーループと一致せず、メジャーループにおいて、磁化が大きく増加する場合の正の磁界の大きさよりも十分に小さい値になる。また、この値は、可変磁力磁石３の保磁力よりも小さい値になる。すなわち、本発明の回転電機を構成する可変磁力磁石の磁化特性は、部分磁化の状態から磁化が大きく増加するときの磁界は保磁力よりも十分に小さい値となる。

このような可変磁力磁石３は、例えばＳｍＣｏ系磁石は、
Ｓｍ（Ｃｏ１−ｘ−ｙ−ｐＦｅｘＣｕｙＺｒｐ）Ｚ
（ｘ＝０．１６〜０．２０，ｙ＝０．０８〜０．１，ｐ＝０．０１〜０．０４，Ｚ＝７．２〜７．５）
とからなる組成を有する。この磁性粉末を磁場中プレス成形し、所定の温度で焼結することで焼結体を得る。この焼結体を溶体化処理の後、所定の温度で時効処理を行うことにより、非対称な磁化特性を有する磁石を作製する。

本実施例では、可変磁力磁石３としてはフェライト磁石、固定磁力磁石４としてはＮｄＦｅＢ磁石を使用する。また、可変磁力磁石３としては、ＳｍＣｏ系磁石、ＣｅＣｏ系磁石、ＮｄＦｅＢ系磁石の中でも保持力を低下させた磁石を使用することもできる。また、一例として、可変磁力磁石３の保磁力を３００ｋＡ／ｍ、固定磁力磁石４の保磁力は１０００ｋＡ／ｍとするが、必ずしもこのような値に限定されるものではない。可変磁力磁石３はインバータが許容できる電流値のｄ軸電流によって不可逆的に磁化され、固定磁力磁石４はｄ軸電流によって不可逆的に磁化されないものであれば良い。また、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。

低保磁力のＳｍＣｏ磁石の９０％の着磁磁界は約２９０ｋＡ/ｍなので磁化に要する起磁力は２９０ｋＡ/ｍ×５×１０−３=１４５０Ａとなる。ＮｄＦｅＢ磁石の９０％の着磁磁界は約１５００ｋＡ/ｍなので磁化に要する起磁力は１５００ｋＡ/ｍ×５×１０−３=７５００Ａとなる。可変磁力の磁石である低保磁のＳｍＣｏ磁石の磁力可変に必要な起磁力は、ＮｄＦｅＢ磁石の約２０％となる。したがって、ＳｍＣｏ磁石を可変できる電流では、ＮｄＦｅＢ磁石の磁力は変わらずに維持できる。これより、これらの磁石を組み合わせて回転電機を構成すると、ＮｄＦｅＢ磁石の磁力をベース分として維持して、ＳｍＣｏ磁石の磁力を可変することにより、永久磁石の総鎖交磁束量を調整できる。

回転子鉄心２は珪素鋼板を積層して構成し、前記の可変磁力磁石３及び固定磁力磁石４，４は回転子鉄心２内に埋め込む。本実施例の回転電機は８極であり、１つの磁石磁極５は、１つの可変磁力磁石３とこの両側に配置した２つの固定磁力磁石４，４とより構成する。可変磁力磁石３と固定磁力磁石４は磁気回路上では並列回路を構成するように回転子鉄心２に埋め込んで配置する。図１では、ｄ軸中心部に可変磁力磁石３を配置し、その左右の両側に固定磁力磁石４を配置する。

したがって、回転子１内でｑ軸方向の磁路となる部分には磁石や磁気障壁となる穴は配置されてなく鉄心となっているので、磁気抵抗が極めて小さい部分がある。この部分が、負のｄ軸電流を流してリラクタンストルクを発生させた場合において、鉄の磁極部６となる。一方、ｄ軸方向の永久磁石の磁極となる部分には前記可変磁力磁石３と固定磁力磁石４を配置し、磁気抵抗を大きくしている。これにより、回転子の周方向に磁気抵抗が異なる回転子が構成できる。

また、可変磁力磁石３は、１個の可変磁力磁石のみで構成するのではなく、図２に示すように、可変磁力磁石と固定磁力磁石とを組み合わせて作製した可変磁力磁石を用いてもよい。具体的には、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の磁化方向を同じくして、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２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４，４を磁化方向がｄ軸方向となる位置で配置する。この横に配置した固定磁力磁石４，４は、前記直列に重ねた磁石に対して、磁気回路上で並列回路を構成する。すなわち、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、並列に固定磁力磁石４，４を配置する。以上より、可変磁力磁石と固定磁力磁石とを組み合わせて作製した可変磁力磁石を用いた場合は、磁気回路上では可変磁力磁石に対して、直列と並列の両方に固定磁力磁石が配置されることになる。

さらに、前記回転子鉄心２内に埋め込まれた固定磁力磁石４を、そのｄ軸電流の磁化方向と平行に取り囲むように、短絡コイル７を設ける。短絡コイル７は、リング状の導電性部材から構成し、回転子鉄心２内に設けた空洞８の縁にはめ込むように装着する。短絡コイル７は、回転子１の鉄心に設けた穴に高温で溶けた導電性物質を流し込んで鋳造することも可能である。

この短絡コイル７は、電機子巻線にｄ軸電流を通電させた場合に発生する磁束で、短絡電流が発生するものである。そのため、この短絡コイル７は、可変磁力磁石３を除いた固定磁力磁石４の磁路部分に設ける。その場合、固定磁力磁石４の磁化方向を中心軸として、固定磁力磁石４周囲に短絡コイル７を設ける。

さらに、図示していないが、回転子鉄心２の外周には、エアギャップを介して固定子を設ける。この固定子は、電機子鉄心と電機子巻線とを有する。この電機子巻線に流れる電流により、回転子内の短絡コイル７に誘導電流が誘起される。また、この電機子巻線は、永久磁石式回転電機の外部に設けられた電源システムに接続される。電源システムでは、インバータを利用して、永久磁石式回転電機が駆動するのに必要な電力を供給する。

［１−２．制御回路の構成］
図３は、実施例１の永久磁石式回転電機を電動機として回転駆動するための制御回路の一例を示すブロック図である。この制御回路は、基本的には、前記特許文献２に示す回路と同様な構成を有するものであることから、ＰＷＭ制御部分に関する構成は省略してある。

運転指令とトルク指令を受け付ける運転制御部１２０には、可変磁力磁石を使用した永久磁石式回転電機に共通の可変磁束制御部１２１及びＰＷＭ回路１２３に加え、本発明に特有の誘導−同期運転の切替制御部１２２が設けられている。

一方、この運転制御部１２０により制御される本発明の永久磁石式回転電機１０１は、次のような構成を有している。電源である直流電源（例えば、バッテリー）１０２、直流電力を交流に変換するインバータ１０３と、電動機電力を検出するための交流電流する電流センサ１０４などの検出器である。これらの検出器は、すべて必要なものではなく、以下述べる各実施例に記載したように、１つあるいは複数の検出器を使用し、その検出情報に基づいて、前記運転制御部１２０が永久磁石式回転電機１０１を運転する。

検出器としては、例えば、次のようなものがある。
(1) 回転子１の回転速度を計測する速度センサ１０５
(2) 回転電機の駆動制御盤であるインバータの出力電流を計測する電流センサ１０４
(3) 電源システムの電源電圧（インバータの直流側電圧）を計測する電圧計１０７
(4) 永久磁石の磁極位置を検出する磁極位置センサ１０９
(5) 永久磁石の磁束により発生する固定子コイルに流れる誘起電圧を検出する検出器１１０

［１−３．可変磁力磁石と並列に配置された固定磁力磁石の作用］
可変磁力磁石と並列に配置された固定磁力磁石の作用について説明する。回転子１の固定磁力磁石４は固定子の電機子巻線に一定の鎖交磁束を発生する。可変磁力磁石３も同様に電機子巻線に鎖交磁束を発生する。可変磁力磁石３は電機子巻線に極短時間のｄ軸電流を流すことにより磁力を可変でき、磁束を増減できる。さらに可変磁力磁石３と固定磁力磁石４の磁力と逆方向になるように極性を反転もさせることができ。これにより固定磁力磁石と可変磁力磁石の合計の鎖交磁束量を大幅に減少する。

［１−４．可変磁力磁石と直列に配置された固定磁力磁石の作用］
可変磁石と直列に配置された固定磁力磁石４の作用について説明する。前記に述べた並列に配置された固定磁力磁石４は鎖交磁束を大きく変化させる作用がある。しかし、可変磁力磁石３に対しては並列配置された固定磁力磁石４は逆磁界を作用する。したがって、可変磁力磁石３の磁気的な動作点が下がって磁石の磁束密度が低下する。さらに負のｄ軸電流で可変磁力磁石３を不可逆減磁させた状態から増磁させる場合、極性を反転させた状態から元の極性に戻す場合では、並列に配置された固定磁力磁石４は可変磁力磁石３を変化させようとするｄ軸電流による磁界に対して逆方向の磁界を形成することになる。したがって、可変磁力磁石の磁力を変化させるときに要する磁化電流（ｄ軸電流）は大きくなる問題が生じる。

そこで、磁気回路上では、固定磁力磁石４を可変磁力磁石３に対して直列に設ける。本発明では、固定磁力磁石４を可変磁力磁石３に重ねて１つの磁石とする。固定磁力磁石４は磁化方向が同方向で直列に配置されるので、可変磁力磁石中に磁界を発生する。このとき、重ねた固定磁力磁石４の磁界は並列に配置された固定磁石の磁界と逆方向であり、互いに相殺するように作用する。したがって、可変磁力磁石３の磁気的な動作点が低下を抑制し、条件によっては動作点を高くできるので、可変磁力磁石３の磁束密度を増加できる。また、さらに負のｄ軸電流で可変磁力磁石を不可逆減磁させた状態から増磁させる場合、極性を反転させた状態から元の極性に戻す場合では、変化を妨げるような固定磁力磁石による磁界を小さくできるので、可変磁力磁石の磁力を変化させるときに要する磁化電流（ｄ軸電流）を低減できる。以上より、本発明の回転電機では、少ない磁化電流で永久磁石の鎖交磁束量を大幅に変化させることができ、同時に大きな出力を発生することができる。

［１−５．ｑ軸電流によるトルクの作用］
次に、前記のような構成を有する本実施例の永久磁石式回転電機では、永久磁石式回転電機を電流位相進み制御した場合において、固定子の電機子巻線に電流位相がｑ軸基準位置（電流位相角９０度）のｑ軸電流を流すことにより、永久磁石の鎖交磁束とｑ軸電流に基づくトルク（以下、磁石トルク）を発生させる。永久磁石式回転電機の軽負荷時にはｑ軸電流は小さく、大きなトルクを発生するときには大きなｑ軸電流が必要となる。

また、ｑ軸電流で形成される磁界の可変磁力磁石３の磁化方向成分により、可変磁力磁石２の減磁と増磁界が作用する。この状態で、永久磁石の磁化はｑ軸電流で形成する磁界分布の永久磁石の減磁界側では変化なく、増磁界側では増加する磁気特性とする。これにより、ｑ軸電流はトルクを発生させる成分の電流であるので、ｑ軸電流で増磁側の磁化が増すと磁束が増加してより大きなトルクを発生できる。さらにｑ軸電流の増加とともに永久磁石の磁化が進むと、トルクの増加に応じて磁束量が増す。すなわち、トルクに応じて永久磁石の磁束が変化するので効果的にトルクを発生できて高効率になる。

［１−６．可変磁力磁石の磁気特性の作用］
本実施例の可変磁力磁石３の作用について述べる。図４〜６は、本実施例で使用する可変磁力磁石３の磁気特性（保磁力と磁束密度との関係）を示したグラフである。

（極性反転を含む変化の場合）
図４は、可変磁力磁石３の極性が反転する場合の磁気特性を示す図である。図４の(4)において、可変磁力磁石３の磁気特性は、最大磁化から部分変化までの過程は、メジャーループと同じ軌跡を描く。つぎに正の磁界を増やすと、磁化は一定状態で推移した後、保磁力の絶対値よりも十分に小さな値に達した状態から（実施例では７０ｋＡ/ｍ以上）磁化は大きく変化し始める。磁化が減少して実施例では磁界が１２０ｋＡ/ｍで磁化は０になる。さらに正の磁界を大きくすると極性が反転(Ｎ極)して磁界が２００ｋＡ/ｍ程度(ｈ４)で磁化が最大となる。すなわち、可変磁力磁石３が極性反転を含む変化をする場合は、磁化が飽和している状態から部分的な磁化状態にするために要する磁界に対して、前記部分的な磁化状態から磁化が飽和している状態に戻すときに要する磁界が小さくなる磁化特性となる。

（同一極性での変化の場合）
図５は、可変磁力磁石３の極性が同一極性で変化する場合の磁気特性を示す図である。図５の(1)〜(3)において、可変磁力磁石３の磁気特性は、最大磁化から部分変化までの過程は、メジャーループと同じ軌跡を描く。図５の(3)のマイナーループでは磁化が０まで変化させた場合、(1)と(2)のマイナーループでは極性は反転せずに磁化が減少する範囲で変化させた場合を示す。いずれも部分的に磁化が変化した状態からほぼ初期の最大値になるときの磁界はｈ４(２００ｋＡ/ｍ)以下と小さくし、最大値から磁化を変化させるのに要する磁界ｈ５よりも小さな値になる。

以上により、図４と図５に示すようにマイナーループ(1)〜(4)の部分的に変化させた磁化から最大磁化にするときの磁界(ｈ１，ｈ２，ｈ３，ｈ４)は、メジャーループ(5)の反転した最大磁化から開始時の最大磁化にするときの磁界(ｈ５：４００ｋＡ/ｍ)と比較して大幅に小さくなる。そして、磁界が小さくなれば必要な磁化電流も小さくなるので、マイナーループの部分的に変化させた磁化から最大磁化にするときに要する本発明の磁石の磁化電流は、メジャーループに沿った変化となる従来の磁石の磁化電流よりも大幅に小さくなる。

（部分磁化での変化）
図６は、可変磁力磁石３の磁化の状態が、磁化が飽和している状態に満たない部分的な磁化状態から、さらに磁化量の減少または極性反転した部分的な磁化状態した場合の磁気特性を示す図である。図６では、部分磁化を順次行って磁化を小さくしていく過程の磁化の軌跡(ループ)を示している。この磁化の軌跡では、磁化量の減少または極性反転した部分的な磁化状態から前記の変化前の部分磁化状態に戻すときに要する磁界は、変化前の磁界よりも小さくする。このように磁化を小さくすると必要な磁界も小さくなり、また、磁化を増やすときに要する磁界は磁化を減らすときに要する磁界よりも少なくなる。

［１−７．永久磁石式回転電機の作用］
次に、永久磁石式回転電機の作用としては、永久磁石式回転電機の永久磁石として、マイナーループの場合に磁化を最大にするために必要な磁界は、最大まで磁化するメジャーループの磁界より小さくなる特性の可変磁力磁石３を使用する。そのため、回転電機においては鎖交磁束を減少後に最大鎖交磁束に戻す動作では、増磁状態になって鉄心が磁気飽和状態になるので磁化電流が増加するが、部分変化後から最大磁化に戻す増磁動作で磁化電流を低減できるので、磁気飽和による磁化電流増加の影響を緩和できる。

すなわち、従来の磁石を適用した可変磁束の回転電機では、鎖交磁束を減少させる減磁動作で要する磁化電流よりも、鎖交磁束が減少後に増加させる増磁動作で要する磁化電流がかなり大きくなる。一方、前記の非対称磁気特性の磁石を適用した可変磁束の回転電機は鎖交磁束が減少後に増加させる増磁動作で要する磁化電流を減少させることができるので、増磁動作で要する磁化電流は減磁動作で要する電流と同等レベルに低減できる。

回転電機の運転時で説明すると、例えば回転電機が高速域では鎖交磁束量は減少させた状態で運転し、低速から中速の回転域では電圧に余裕があるので鎖交磁束量を増加させる。すなわち、高速回転域では弱め磁束制御電流による銅損や鎖交磁束による鉄損を減少させ、周波数の低いため鉄損が小さくなる低速域では鎖交磁束量を大きくして最小の電流で最大のトルクを発生させる。これにより、低速から高速回転域まで高効率で運転できる。そして、このような場合に要する磁化電流を低減できる。

［１−８．効果］
この実施例１の効果としては、部分変化時のマイナーループの磁化特性が縦軸と横軸の交点を中心として非対称な磁気特性の可変磁力磁石を用いることで、部分変化後に元の最大磁化に要する磁化電流を大幅に小さくすることができる。これにより、増磁時の磁化電流を抑制することができ、磁化電流用のインバータのパワー素子容量も少なくすることができる。

［２−１．構成］
本発明の実施例２は、実施例１と同様の構成を有する永久磁石式回転電機において、可変磁力磁石３の磁気特性を変更したものである。本実施例の可変磁力磁石３としては、図７に示すような磁気特性を有する磁石を使用する。

本実施例の可変磁力磁石３は、磁化が飽和している状態から反転させて逆極性で磁化が飽和している状態にするために要する磁界に対して、前記逆極性の磁化状態から再度極性反転させて開始時の磁化が飽和している状態に戻すときに要する磁界が小さくなる磁化特性である。

［２−２．可変磁力磁石の磁気特性］
本発明の実施例の可変磁力用磁石の磁気特性を図７に示す。永久磁石が完全に磁化した状態（仮にＮ極とする）を初期値とする。この初期値の可変磁力磁石３に、外部から逆磁界を永久磁石に作用させると、永久磁石の磁化が一定値で推移した後に低下する領域に入る。さらに負の磁界が増加すると、減少して磁化は０になった後、永久磁石の極性は反転し（Ｓ極）になる。すなわち、負の磁界を増して逆極性方向でほぼ飽和まで磁化させる。

つぎに、逆極性方向でほぼ飽和まで磁化した可変磁力磁石３に対して、正の磁界を作用させると、可変磁力磁石３の磁化が一定値で推移した後に、正の磁界により磁化が大きく増加する。この磁化が大きく増加する磁界の値は、Ｎ極からＳ極に変化させる場合に磁化が大きく変化する場合の磁界の大きさよりも十分に小さい値になる。また、この値は、可変磁力磁石３の保磁力よりも小さい値になる。したがって、最大磁化の状態から逆極性の最大磁化まで変化するのに要する磁化電流と比較して、逆極性の最大磁化から元の最大磁化に戻すときに要する磁化電流は少なくなる。

［２−３．効果］
このような実施例２においては、可変磁力磁石３を磁化が飽和している状態から反転させて逆極性で磁化が飽和している状態にした場合においても、最大磁化に要する磁化電流を大幅に小さくすることができる。これにより、増磁時の磁化電流を抑制することができ、インバータのパワー素子容量も低減できる永久磁石式回転電機を得ることができる。

１…回転子
２…回転子鉄心
３…可変磁力磁石
４…固定磁力磁石
５…磁極部
６…リラクタンストルク発生の鉄心の磁極
７…短絡コイル
１０１… 永久磁石式回転電機
１０２… 直流電源
１０３… インバータ
１０４… 電流センサ
１０５… 速度センサ
１０６… 電圧計
１０７… 電圧計
１０８… 出力計
１０９… 磁極位置センサ
１１０… 誘起電圧検出器
１２０… 運転制御部
１２１… 可変磁束制御部
１２２… 誘導−同期切替制御部
１２３… ＰＷＭ回路

Claims (21)

1. 固定子鉄心に電機子コイルを設けた固定子と、
   回転子鉄心と前記回転子鉄心に設けた永久磁石からなる回転子から構成され、
   前記固定子の電機子コイルの電流が作る磁界で永久磁石を磁化させることにより永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させる永久磁石式回転電機において、
   前記不可逆変化させる永久磁石は、磁化が飽和している状態から部分的な磁化状態にするために要する磁界に対して、前記部分的な磁化状態から磁化が飽和している状態に戻すときに要する磁界が小さくなる磁化特性であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 前記不可逆的に変化する永久磁石は、磁化が飽和している状態に満たない部分的な磁化状態からさらに磁化量の減少または極性反転した部分的な磁化状態にするために要する磁界に対して、前記磁化量の減少または極性反転した部分的な磁化状態から、前記の変化前の部分磁化状態に戻すときに要する磁界が小さくなる磁化特性であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転電機。
3. 前記不可逆的に変化する永久磁石は、磁極の磁束が最大になる側の極性を基準として、極性を反転したときの磁化は飽和磁化である最大値よりも小さな範囲とし、
   磁化電流を低減する場合は変化させる磁化量を０近傍までとすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
4. 固定子鉄心に電機子コイルを設けた固定子と、
   回転子鉄心と前記回転子鉄心に設けた永久磁石からなる回転子から構成され、
   前記固定子の電機子コイルの電流が作る磁界で永久磁石を磁化させることにより永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させる永久磁石式回転電機において、
   前記不可逆変化させる永久磁石は、磁化が飽和している状態から反転させて逆極性で磁化が飽和している状態にするために要する磁界に対して、
   前記逆極性の磁化状態から再度極性反転させて開始時の磁化が飽和している状態に戻すときに要する磁界が小さくなる磁化特性であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
5. 前記永久磁石は、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で形成され、
   前記永久磁石のうち少なくとも１個の永久磁石の磁化状態を変化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
6. 前記不可逆的に変化する永久磁石は、ｑ軸電流で形成される磁界によって前記永久磁石の一部が磁化される磁気特性であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
7. 前記不可逆的に変化する永久磁石は、ｑ軸電流で形成される磁界によって永久磁石の磁化はｑ軸電流で形成する磁界分布の永久磁石の減磁界側では変化なく、増磁界側では増加する磁気特性であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
8. 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で磁極を形成し、前記２種類以上の永久磁石が磁気回路上で直列と並列に配置される回転子であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
9. 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で磁極を形成し、保磁力と磁化方向厚の積が大の磁石が保磁力と磁化方向厚の積が小の磁石に対して磁気回路上では直列回路と並列回路で配置される回転子であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
10. 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で磁極を形成し、前記の複数の磁極において、保磁力と磁化方向厚の積が大の磁石で構成される磁極と、
    保磁力と磁化方向厚の積が大の磁石と保磁力と磁化方向厚の積が小の磁石で構成される磁極を有する回転子であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
11. 保磁力と磁化方向厚の積が大の磁石で構成される磁極と、保磁力と磁化方向厚の積が大の磁石と保磁力と磁化方向厚の積が小の磁石で構成される磁極において、
    前記２種類の磁極は磁気回路上で直列に構成され、
    前記の保磁力と磁化方向厚の積が大の磁石と保磁力と磁化方向厚の積が小の磁石で構成される磁極において、
    保磁力と磁化方向厚の積が大の磁石と保磁力と磁化方向厚の積が小の磁石は磁気回路上で並列に構成され、
    電機子巻線の電流が作る磁界により少なくとも１個の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ることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
12. 電機子巻線の電流が作る磁界により前記永久磁石の一部を磁化させて永久磁石による鎖交磁束を不可逆的に減少させ、
    減少後に電流による磁界を前記と逆方向に発生させて前記永久磁石の一部を磁化させて鎖交磁束量を不可逆的に増加させることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
13. 電機子巻線の電流が作る磁界により保磁力と磁化方向厚の積が小の磁石を磁化させて永久磁石による鎖交磁束を不可逆的に減少させ、
    減少後に電流による磁界を前記と逆方向に発生させて前記保磁力と磁化方向厚の積が小の磁石を磁化させて鎖交磁束量を不可逆的に増加させることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
14. 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、永久磁石を磁化するｄ軸電流を流すと同時にｑ軸電流によりトルクを制御することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
15. 運転時に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る動作、ｄ軸電流で生じる磁束により電流と永久磁石で生じる電機子巻線の鎖交磁束量をほぼ可逆的に変化させる動作を有することを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
16. 最大トルク時には永久磁石の全鎖交磁束が大となるように保磁力と磁化方向厚みの積が他よりも小さな永久磁石を磁化させ、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、前記の保磁力と磁化方向厚みの積が他よりも小さな永久磁石は、電流による磁界で磁化させて、永久磁石の全鎖交磁束を減少させることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
17. 磁気回路上で直列に配置される保磁力と磁化方向厚の積が小の磁石と、保磁力と磁化方向厚の積が大の磁石において、前記２種類の磁石が重ねて配置されることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
18. 磁気回路上で並列に配置する磁石はほぼ一直線上か、Ｖ字上に配置されることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
19. 磁気回路上で並列に配置する磁石において、磁極の側面のほぼｑ軸上に配置される磁石と、磁極の中央部に配置される磁石から構成されることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
20. 磁極の磁石を不可逆変化させて鎖交磁束を最小にした状態で回転子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、回転電機の電源であるインバータ電子部品の耐電圧以下とすることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
21. 回転子を固定子に挿入して組み立てる時は、永久磁石による回転電機の鎖交磁束量が小になるように、保磁力と磁化方向厚の積が小さな永久磁石を不可逆変化させた状態とすることを特徴とする請求項１〜２０のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。