JP2011061933A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導機動作と同期機の動作のいずれかの動作を行うことを可能とした、総合効率は向上して消費電力量を低減できる永久磁石式型回転電機を提供する。
【解決手段】本発明の永久磁石式回転電機の磁石磁極５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２とこの回転子鉄心に設けた可変磁力磁石３及び固定磁力磁石４，４永久磁石からなる回転子１から構成される。回転子鉄心２には、外周表面近傍に銅バー７を配置する。回転子１の起動時には、永久磁石の鎖交磁束量を少なくし、回転子１の銅バー７に流れる誘導電流で生じるトルクにより、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子とを非同期で始動する。始動後は、前記永久磁石の鎖交磁束量を増加させて永久磁石と電流によるトルクにより、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子とを同期して駆動する。
【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、誘導機動作と同期機の動作のいずれかの動作を行うこと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。これを防止するため、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。

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、非特許文献１に記載の技術では、可変速範囲を拡大するために、弱め磁束制御が適用されている。すなわち、電機子巻線のｄ軸の総鎖交磁束量はｄ軸電流による磁束と永久磁石による磁束とから成る。弱め磁束制御では、負のｄ軸電流による磁束を発生させ、この負のｄ軸電流による磁束で全鎖交磁束量を減少させる。この弱め磁束制御において、永久磁石は磁気特性（Ｂ−Ｈ特性）の動作点が可逆の範囲で変化する。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磁石を使用する。

弱め磁束制御を使用した運転では、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をつくる。そして、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方法では、銅損が増加して効率は悪化する問題点がある。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の低減を妨げる。これらより埋め込み型永久磁石式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したり、高調波磁束による電磁力で振動を発生することもある。

また、ハイブリッド自動車用駆動モータに埋め込み型永久磁石モータを適用した場合、エンジンのみで駆動される状態ではモータは連れ回される。中・高速回転ではモータの永久磁石による誘導電圧が上昇するので電源電圧以内に抑制するため、弱め磁束制御で負のｄ軸電流を流し続ける。この状態では、モータは損失のみを発生するので総合運転効率が悪化する。

さらに、電車用駆動モータに埋め込み型永久磁石モータを適用した場合、電車は惰行運転する状態があり、前記と同様に永久磁石による誘導電圧を電源電圧以下にするため弱め磁束制御で負のｄ軸電流を流し続けることになる。その場合、モータは損失のみを発生するので、総合運転効率が悪化する。

このような問題点を解決する技術として、特許文献１や特許文献２のような全鎖交磁束量を調整する技術が提案されている。これらの技術では、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）を配置する。そして、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。

特開２００６−２８０１９５号公報 特開２００８−２４５３６８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の発明では、回転子の全鎖交磁束量を調整した場合でも、回転子を固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界に同期して回転させると誘導電圧が大きくなるという問題があった。また、ハイブリッド自動車や電気自動車ではバッテリーの電圧及び鉄道の架線電圧は変動の変動が大きく、電源電圧の電圧が低下することがある。そのため、電源電圧が不足して回転子の全鎖交磁束量をさらに弱め磁束電流を増加することになる。最悪の状態では電圧不足で回転できなくなるという問題点がある。

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、可変磁力磁石と固定磁力磁石とを磁極に配置した永久磁石式回転電機において、誘導機動作と永久磁石同期機の動作のいずれかの動作を行うことを可能とし、これにより、軽負荷から高負荷、低速から高速回転まで効率の良くなる動作で運転可能とし、総合効率は向上して消費電力量を低減できる永久磁石式型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、複数の永久磁石と表面付近に導電性部材とを設けた回転子と、コイルを設けた固定子からなり、前記固定子コイル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ることにより永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させ、起動時には、前記永久磁石の鎖交磁束量を少なくして前記回転子の導電性部材の誘導電流で生じるトルクにより、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子とを非同期で始動し、始動後は、前記永久磁石の鎖交磁束量を増加させて永久磁石と電流によるトルクにより、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子とを同期して駆動することを特徴とする。

以上のような構成を有する本発明によれば、回転子中の可変磁力磁石と固定磁力磁石の鎖交磁束を可変することにより、誘導機動作と永久磁石同期機の動作のいずれかの動作を行うことが可能となる。これにより、軽負荷から高負荷、低速から高速回転まで効率の良くなる動作で運転できるので、総合効率は向上して消費電力量を低減した永久磁石式回転電機を得ることができる。

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における減磁時の状態を示す断面図 本発明の実施例１における増磁時の状態を示す断面図 本発明の実施例１における変磁力磁石と固定磁力磁石との鎖交磁束が最小の状態を示す図 本発明の実施例１における変磁力磁石と固定磁力磁石との鎖交磁束が増加時の状態を示す図 本発明の実施例２における変磁力磁石と固定磁力磁石との鎖交磁束を図５の状態からさらに増加した状態を示す図 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

以下、本発明に係る永久磁石式型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］
本発明の実施例については図１を用いて説明する。本発明の実施例の回転子１は、図１に示すように回転子鉄心２、保磁力と磁化方向の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）、保磁力と磁化方向の厚みの積が大となる永久磁石４（以下、固定磁力磁石という）から構成する。

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２８０ｋＡ／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。

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。回転子鉄心２の外周部には導電性部材７を設けており、本実施例では、穴を設けて銅バーを埋め込み、この銅バーの端部を銅のリングで短絡したものを使用している。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くい部分がある。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、磁気抵抗が大きくしている。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、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、銅バー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７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．ｄ軸電流による減磁及び増磁作用］
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における増磁時と減磁時の作用について説明する。なお、各図中に、電機子巻線によって発生した磁力の方向を矢印により示す。

図２は、永久磁石の全鎖交磁束を減少させる過程（減磁過程）を説明する図である。本実施例では、固定子の電機子巻線に通電時間が１０ｍｓ程度の極短時間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Ａを作用させる。永久磁石を磁化するための磁界Ａを形成するパルス電流は、固定子の電機子巻線のｄ軸電流成分とする。

２種類の永久磁石の厚みはほぼ同等すると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る。永久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Ａが−２８０ｋＡ／ｍになったとすると、可変磁力磁石３の保磁力が２８０ｋＡ／ｍなので可変磁力磁石３の磁力は不可逆的に大幅に低下する。

一方、固定磁力磁石４の保磁力が１０００ｋＡ／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。さらに−２８０ｋＡ／ｍよりも大きな逆磁界をかけると可変磁力磁石３は逆方向に磁化して極性は反転する。この場合、可変磁力磁石３の磁束と固定磁力磁石４の磁束は打ち消しあうので永久磁石の全鎖交磁束は最小になる。

つぎに、永久磁石の全鎖交磁束を増加させて最大に復元させる過程（増磁過程）を説明する。減磁完了の状態では、図３に示すように、可変磁力磁石３の極性は反転しており、反転した磁化とは逆方向（図２に示す初期の磁化方向）の磁界を発生する正のｄ軸電流を電機子巻線に通電する。反転した逆極性の可変磁力磁石３の磁力は前記磁界が増すに連れて減少し、０になる。さらに正のｄ軸電流による磁界を増加させると極性は反転して初期の極性の方向に磁化される。ほぼ完全な着磁に必要な磁界である３５０ｋＡ／ｍをかけると、可変磁力磁石３は着磁されてほぼ最大に磁力を発生する。

この場合、減磁時と同様に、ｄ軸電流は連続通電で増加させる必要はなく、目標の磁力にする電流を瞬間的なパルス電流を流せばよい。一方、固定磁力磁石４の保磁力が１０００ｋＡ／ｍなので、ｄ軸電流による磁界が作用しても固定磁力磁石４の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、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３と固定磁力磁石４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、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。

［１−４．永久磁石式回転電機の作用］（請求項１，２）
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の作用について説明する。商用周波の電源で駆動する場合、図４に示すように、始動時には可変磁力磁石３を磁化して可変磁力磁石３と固定磁力磁石４との全鎖交磁束が最小に状態にする。負のｄ軸電流により逆磁界で可変磁力磁石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。この場合、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４，４と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。このとき、極性を反転させる可変磁力磁石３の磁束を大きくすれば可変磁力磁石３と固定磁力磁石４，４による鎖交磁束を０にすることも可能である。

この状態で電源電流を通電すると、固定子のコイルが形成する回転磁界が発生し、回転子の銅バー７のコイルに誘導電流が生じる。誘導機と同様な作用が生じて、銅バー７を流れる誘導電流と固定子のコイルに流れる励磁電流の磁界でトルクが発生して回転子１が起動する。

回転子１が起動した後は、図５に示すように、ｄ軸電流により可変磁力磁石３を増磁して可変磁力磁石３と固定磁力磁石４との全鎖交磁束が大きくなる状態にする。これにより、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４による同期引き入れの力が大きくなり、回転子１がすべって回転している状態から同期回転に引き入れることができる。すなわち、回転子１は銅バー７にながれる誘導電流によるトルクで回転する状態から、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４とによる鎖交磁束と、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界に同期して回転する状態に移行する。

一方、回転子１が同期回転している場合に、永久磁石式回転電機の出力に対して大きなブレーキ力が必要な状態では、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４との鎖交磁束量を小さくし、回転子１を非同期状態とする。これにより、回転子１の銅バー７に誘導電流が生じて誘導機としてトルクを発生する。この状態で回生動作にし、誘導電流で電力を回生する。

［１−５．効果］
この実施例１の効果としては、回転子１中の可変磁力磁石３と固定磁力磁石４の鎖交磁束を可変することにより、誘導機動作と永久磁石同期機の動作のいずれかの動作を行うことが可能となる。したがって、軽負荷から高負荷、低速から高速回転まで効率の良くなる動作で運転できるので、総合効率は向上して消費電力量を低減できる。

（請求項３，４に対応）
本発明の実施例２としては、実施例１の構成に、回転子１の回転速度を計測する速度センサ１０５を追加したものである。本実施例の永久磁石式回転電機では、速度センサ１０５により回転電機の回転速度を検出し、回転電機の回転速度に応じて誘導運転と同期運転との切替を行う。実施例２の永久磁石式回転電機の回転子１の起動時は、前記実施例１と同様である。

本実施例の永久磁石式回転電機の作用について説明する。回転子１が起動した後、回転子１の回転速度が速くなり、回転子１の同期速度近傍に到達したことを速度センサ１０５が検出したら、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４との全鎖交磁束を大きくして、同期引入れにより、回転子１がすべって回転している状態から同期回転に移行する。

さらに、回転子１が同期回転しながら高速回転する場合には、回転子１の速度に合わせてｄ軸電流により可変磁力磁石３を減磁して可変磁力磁石３と固定磁力磁石４との全鎖交磁束を小さくする。これにより、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４による固定子コイルに誘導される誘導電圧を低下することができる。さらに、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４との鎖交磁束を小さくすることにより、同期引き入れの力が小さくなり、同期回転からずれて回転子１の回転が遅くなり、非同期状態になる。この非同期状態になると回転子１の銅バー７と誘導電流が生じ、誘導機としてトルクを発生して駆動する。

高速回転で回転子１が同期回転している場合に、永久磁石式回転電機の出力に対して大きなブレーキ力が必要な状態では、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４との鎖交磁束量を小さくし、回転子１を非同期状態とする。これにより、回転子１の銅バー７に誘導電流が生じて誘導機としてトルク発生する。この状態で回生動作にし、誘導電流で電力を回生する。一方、インバータ上限電圧と回転電機の電圧差で磁石を磁化できる電圧を確保できる回転速度の場合は、可変磁力磁石３を磁化して磁石による鎖交磁束を大きくする。これにより磁石の鎖交磁束と電流でトルクが発生し、同期機として電力を回生する。

このような実施例２では、回転子１の速度を基準として、誘導機動作と同期機動作を切り換えることができる。このため、回転子１が低速回転から高速回転まで効率良く運転できるので、総合効率は向上して消費電力量を低減できる。

（請求項５に対応）
本発明の実施例３は、実施例１の構成に回転電機の発生電圧を計測する電圧計１０６を追加したものである。本実施例の永久磁石式回転電機では、回転電機の誘導発生電圧を検出するか、または、検出した電流とモータ定数から誘導電圧を推定して、回転電機の発生電圧が電源システムの電源電圧の近傍になると、同期運転と非同期（誘導）運転を切り換える。実施例３の永久磁石式回転電機の回転子１の起動時は、実施例１と同様である。

本実施例の永久磁石式回転電機の作用について説明する。回転子１が同期回転している状態で、回転子１の回転速度が速くなり永久磁石による誘導電圧が電源電圧上限の近傍になった場合、可変磁力磁石３を磁化して可変磁力磁石３と固定磁力磁石４による鎖交磁束を小さくする。これにより、同期引き入れの力が小さくなり、回転子１が同期回転からずれ非同期状態になる。非同期状態になると回転子１の銅バーコイルに誘導電流が生じて誘導機としてトルクを発生して駆動する。一方、電源電圧の変動を含めて回転電機の電圧と電源電圧上限に差がある運転状況では、可変磁力磁石３を磁化して可変磁力磁石３と固定磁力磁石４による鎖交磁束を大きくし、同期回転で永久磁石と電流によりトルクを発生する。

このような実施例３では、電源電圧に余裕がある運転状態では、回転子１を同期回転させ高トルクの磁石回転電機として運転し、回転電機の発生電圧が電源電圧制限にかかると、励磁電流成分を可変して回転電機の電圧を調整、低減できる誘導機として運転することができる。これにより、永久磁石式回転電機の総合効率を高くすることができると共に、消費電力量を低減することができる。

（請求項６，７，８に対応）
本発明の実施例４は、実施例１の構成に電源システムの電源電圧を計測するとつながるインバータの直流側の電圧を測定する。この直流電圧は電源電圧とともに変動するので、この直流電圧の変動に応じて回転子１の運転状況を変化させるものである。

本実施例の永久磁石式回転電機の作用について説明する。永久磁石式回転電機の電源システムの電源のインバータが、回転電機が必要とする電圧を発生できる状態では、可変磁力磁石３を磁化して可変磁力磁石３と固定磁力磁石４による鎖交磁束を大きくし、同期回転で永久磁石と電流によりトルクを発生する同期運転を行う。一方、永久磁石式回転電機の電源システムの電源に電圧変動があり、電源システムのインバータの最大出力電圧が回転電機の電圧以下になる場合は、回転子１を同期回転させることができなくなる。そこで、回転子１を同期回転させるのではなく、回転子１を非同期回転させる。これにより、回転子１の銅バーコイルに誘導電流が生じ、誘導機としてトルクを発生する。これにより電源電圧が低下しても、回転電機は運転することができる。

このような実施例４では、電源システムの電源に電圧変動があり、電源システムのインバータの最大出力電圧が回転電機の電圧以下になる場合でも、回転子１を非同期回転させ誘導機として運転することができる。

例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車の動力として本実施例の永久磁石式回転電機を使用した場合に、自動車に搭載したバッテリー電圧が基準電圧以下に低下した状態では、回転子を非同期回転で回転させ、前記バッテリー電圧が基準電圧以上の状態では、回転子を同期回転させる。これにより、バッテリー電圧が大きく変動しても、回転電機は運転することができる。

同様に、鉄道車両の動力として本実施例の永久磁石式回転電機を使用した場合に、電源として架線に流れる電圧を使用し、架線電圧が基準電圧以下に低下した状態では、回転子を非同期回転で回転させ、架線電圧が基準電圧以上の状態では、回転子を同期回転させる。これにより、架線の電圧が大きく変動しても、回転電機を安定して運転することができる。

（請求項９に対応）
本発明の実施例５は、実施例１の構成に永久磁石式回転電機の出力やトルクを推定する電流センサ１０４を追加したものである。本実施例の永久磁石式回転電機では、出力計１０８が検出した永久磁石式回転電機の出力の状態に応じて回転子１を同期状態に変化させる。実施例５の永久磁石式回転電機の回転子１の起動時は、前記実施例１と同様である。

本実施例の永久磁石式回転電機では、軽負荷で運転する状態では、可変磁力磁石３を磁化して永久磁石による鎖交磁束を小さくし、回転子１を非同期回転させる。これにより、回転子１の銅バーコイルに誘導電流が生じ、誘導機としてトルクを発生して運転する。一方、高負荷時では、可変磁力磁石３を磁化して永久磁石による鎖交磁束を大きくし、回転子１を同期回転させる。これにより、回転子１の永久磁石と固定子の電流によりトルクを発生して運転する。

このような実施例５では、軽負荷時で効率が良くなる誘導機としての動作、高負荷時でも効率が良くなる永久磁石同期機としての動作を、運転状況に応じて行えるので、総合効率が高くなり、消費電力量を低減できる。

（請求項１０に対応）
本発明の実施例６は、実施例２の構成に回転子１の永久磁石の磁極位置を検出する磁極位置センサ１０９を追加したものである。本実施例の永久磁石式回転電機では、回転子１の同期状態の切り替えを固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子１の永久磁石の磁極位置とにより行うものである。

本実施例の永久磁石式回転電機では、回転子１が起動した後、回転子１の同期速度近傍に到達したら、回転子１がすべって回転している状態から永久磁石による鎖交磁束を大きくして同期回転に引き入れる。このとき、電流ベクトルが同期機として最大トルクを発生できる電流位相角近傍になる瞬間を前記磁極位置センサ１０９により検出し、その信号に基づいて、可変磁力磁石３を磁化して永久磁石による鎖交磁束を大にして、回転子１を同期回転させる。

このような実施例６では、回転子１を非同期回転から同期回転に効率よく切り換えることができるので、総合効率が高くなり、消費電力量を低減できる。

（請求項１１に対応）
本発明の実施例７は、実施例６の構成を有する複数の永久磁石式回転電機に対して、１台のインバータで電力を供給する場合の実施例である。

本実施例のそれぞれの永久磁石式回転電機では、回転子１が起動した後、回転子１の同期速度近傍に到達したら、回転子１がすべって回転している状態から永久磁石による鎖交磁束を大きくして同期回転に引き入れる。しかしながら、複数の永久磁石式回転電機を使用する場合、回転中の回転子１の磁極磁位置と電流ベクトルの位相差は異なっている状態が多い。すなわち、電気的には各回転電機において磁石で生じる誘起電圧と電流の位相差が異なって回転している。そこで、前記の電流ベクトルが永久磁石同期機として最大トルクを発生できる電流位相角近傍になった回転電機から順に可変磁力磁石３を磁化して永久磁石による鎖交磁束を大にして同期回転で駆動する。

このような実施例７では、それぞれの永久磁石式回転電機において、回転子１を非同期回転から同期回転に効率よく切り換えることができるので、総合効率が高くなり、消費電力量を低減できる。これにより、鉄道車両の動力として複数の永久磁石式回転電機に１台のインバータで電力を供給した場合でも、回転子１を非同期回転から同期回転にスムースに移行することができる。

（請求項１２に対応）
本発明の実施例８は、実施例１の構成に回転子１の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を追加したものである。または、指令電圧、モータ定数、検出した電流と回転速度から誘起電圧をインバータの制御上で算出して処理してもよい。本実施例の永久磁石式回転電機では、前記検出器１１０による固定子コイルに流れる誘起電圧の検出結果を元に、回転子１の同期状態の切り替えを行うものである。

本実施例の永久磁石式回転電機の作用について説明する。始動後に回転速度が上昇すると永久磁石の磁束で生じる誘起電圧はノイズに対して十分大きな大きさになる。この誘起電圧を前記検出器１１０により検出し、回転子の磁極位置と回転速度の検出信号としてインバータの制御回路に取り込む。この信号を基に磁極位置を検出し、電流ベクトルが同期機として最大トルクを発生できる電流位相角近傍になる瞬間に、可変磁力磁石３を磁化して永久磁石による鎖交磁束を大にして、回転子を同期回転させる。

このような実施例８では、磁極位置センサと速度センサがなくても永久磁石式回転電機を始動し、同期後は誘起電圧を制御信号として出力制御して運転できる。

［他の実施例］
本発明は、前記の各実施例に限定されるものではなく、つぎのような他の実施例も包含する。

（請求項１３に対応）
（ａ）前記各実施例の回転電機において、回転電機の外部回路にコンデンサを設けてもよい。これにより、必要に応じてコンデンサに蓄えた電荷を固定子コイルに流して、前記コンデンサによる電流が作る磁界により可変磁力磁石３を磁化させることができる。

（請求項１４に対応）
（ｂ）前記各実施例の回転電機において、電気的な短絡事故による過電流や異常な磁石の温度上昇が生じて固定磁力磁石４が不可逆減磁することがある。その場合、可変磁力磁石３を磁化して永久磁石による鎖交磁束を減少させて非同期回転で回転子の導体の誘導電流により出力を発生させることができる。これにより、固定磁力磁石４が不可逆減磁して発生出力が不十分な状態生じた場合でも誘導機動作で十分な出力を発生できる。

（請求項１５に対応）
（ｃ）前記各実施例の回転電機において、回転電機の外部に設けられたインバータが故障した場合には、インバータを電気的に切り離して、発電機とモータを電気的に直結してもよい。これにより、発電機の電気出力をモータに直接入力することができる。これにより、同期起動は困難が困難な場合でも、非同期回転で回転子の導体の誘導電流によりトルクを発生して起動し、運転することができる。

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 … 磁石磁極
７ … 銅バー
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 (15)

1. 複数の永久磁石から成る磁石磁極を設けた回転子と、コイルを設けた固定子を備え、前記固定子コイルの電流が作る磁界により前記磁極中の少なくとも１個の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、
   前記回転子の表面付近に導電性部材を設け、
   起動時には、前記永久磁石の鎖交磁束量を少なくして前記回転子の導電性部材の誘導電流で生じるトルクにより、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子とを非同期で始動し、
   始動後は、前記永久磁石の鎖交磁束量を増加させて永久磁石と電流によるトルクにより、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子とを同期して駆動することを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 前記回転子の回生時には、前記回転子を非同期回転とすることにより、前記導電性部材に流れる誘導電流により生じる出力で回生させ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. 前記回転子に回転速度を計測する速度センサを備え、
   回転子の回転速度が低速から中速回転時には、回転子は固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界に同期して回転し、
   回転子の回転速度が高速回転時には、回転子は固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と非同期で誘導機として駆動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. 前記回転子の回生時において、
   前記回転子の回転速度が高速回転時には、回転子を非同期回転で前記回転子の導体の誘導電流により生じる出力で回生させ、
   前記回転子の回転速度が中速から低速回転域までの範囲では同期回転で永久磁石を磁化させて永久磁石の鎖交磁束量を増加させて永久磁石と電流により生じる出力で回生を行うことを特徴とする請求項３に記載の永久磁石式回転電機。
5. 前記回転子が回転することにより発生する発生電圧を計測する電圧計を備え、
   前記発生電圧が電源電圧の電圧制限上限の近傍になると、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子は非同期で回転し、
   前記発生電圧が電源電圧の電圧制限と差のある状態では、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子は同期で回転して駆動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。
6. 永久磁石式回転電機の電源電圧を計測する電圧計を備え、
   前記電源電圧の電源電圧が、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子とを同期に回転するのに必要な電圧以下に低下した場合は、
   固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子は非同期で回転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。
7. 前記電源としてバッテリーを使用し、
   前記バッテリー電圧が基準電圧値以下に低下した状態では、前記回転子を非同期回転で回転させ、
   前記バッテリー電圧が基準電圧値を超える状態では、前記回転子を同期回転させることを特徴とする請求項６に記載の永久磁石式回転電機。
8. 前記電源として架線に流れる電圧を使用し、
   前記架線電圧が基準電圧以下に低下した状態では、前記回転子を非同期回転で回転させ、
   前記架線電圧が基準電圧を超える状態では、前記回転子を同期回転させることを特徴とする請求項６に記載の永久磁石式回転電機。
9. 前記回転子にかかる負荷を推定する電流センサを備え、
   前記回転子に高負荷で運転する状態では、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子は非同期で回転し、
   回転子が軽負荷で運転する状態では、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子は同期で回転して駆動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。
10. 前記回転子に回転速度を計測する速度センサと、
    前記回転子の永久磁石の磁極位置を検出する磁極位置センサを備え、
    回転子の回転速度が低い場合は、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子は非同期で回転し、
    回転子が同期速度近傍に達すると、電流ベクトルが同期機として最大トルクを発生できる電流位相角近傍になる瞬間に、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子は同期で回転して駆動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。
11. 複数の永久磁石式回転電機に電源として１台のインバータで電圧を供給する場合に、
    それぞれの永久磁石式回転電機の回転子は、
    回転速度が低い場合は、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子は非同期で回転し、
    それぞれの回転子が同期速度近傍に達すると、電流ベクトルが同期機として最大トルクを発生できる電流位相角近傍になる瞬間に、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子は同期で回転して駆動することを特徴とする請求項１０に記載の永久磁石式回転電機。
12. 固定子コイルに流れる回転子の磁束による誘起電圧を検出するセンサ、または誘起電圧推定制御を備え、
    前記信号を基に磁極位置を検出して、
    回転子の磁束による誘起電圧が低い場合には、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子は非同期で回転し、
    回転子の磁束による誘起電圧が大きくなると、誘起電圧の信号を基に磁極位置を検出し、回転子の電流ベクトルが同期機として最大トルクを発生できる電流位相角近傍になる瞬間に、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子は同期で回転して駆動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。
13. 回転電機の外部回路にコンデンサを設け、必要に応じてコンデンサに蓄えた電荷を固定子コイルに流して、前記コンデンサによる電流が作る磁界により可変磁力磁石を磁化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. 不可逆変化をさせない永久磁石まで不可逆減磁した場合、不可逆減磁させる永久磁石を磁化により磁束を減少させて非同期回転で回転子の導体の誘導電流により出力を発生させ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. 外部に電力を供給する電源とインバータを備え、
    このインバータが故障した場合には、インバータを電気的に切り離して、電源を回転電機に電気的に直結し、
    この電源の電力により、固定子のコイルを流れる電流が生成する回転磁界と回転子は非同期で、回転子の導体の誘導電流によりトルクを発生して回転子を駆動することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。

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