JP5178488B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石の増磁及び減磁時の磁界により、誘導電流を発生する短絡コイルを回転子内部に内蔵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。

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提案されている。（特許文献１、特許文献２参照）

なお、永久磁石の磁束量は、保磁力と磁化方向厚の積によって決定されるため、実際に回転子鉄心内に可変磁力磁石と固定磁力磁石とを組み込む場合には、可変磁力磁石としては保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を、固定磁力磁石としては保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石を使用する。また、一般に、可変磁力磁石としては、アルニコ磁石やサマリウムコバルト磁石（サマコバ磁石）、フェライト磁石を使用し、固定磁力磁石としてはネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ磁石）を使用する。

特開２００６−２８０１９５号公報 特開２００８−４８５１４号公報

ところで、この種の永久磁石式回転電機において、高速回転域でいったん減磁した可変磁力磁石を増磁する場合に、可変磁力磁石に近接配置した固定磁力磁石の磁界が、ｄ軸電流が作る増磁用の磁界の妨げとなり、その分増磁のためのｄ軸電流（磁化電流）が増大する現象がある。

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、その目的は、固定磁力磁石の近傍に短絡コイルを配置し、この短絡コイルを貫通するｄ軸電流による磁界によって短絡コイルに誘導電流を発生させ、その誘導電流により前記固定磁力磁石に発生する磁界を打ち消すことにより、増磁時のｄ軸電流の増加を押さえた永久磁石式回転電機を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、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を用いて磁極を形成し、この磁極を回転子鉄心内に複数個配置して回転子を構成し、この回転子の外周にエアギャップを介して固定子を配置し、この固定子に電機子鉄心と電機子巻線を設け、この電機子巻線の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式回転電機において、前記不可逆的に変化させる永久磁石を除いた他の永久磁石と、この他の永久磁石に隣接する磁束が漏れる部分である前記回転子鉄心のブリッジ部分とを取り囲んだ短絡コイルを設け、前記電機子巻線に磁化電流を通電させて、その磁束で前記短絡コイルに短絡電流を発生させ、この短絡電流によって磁化電流による磁界と反対方向の磁力を有する磁界を発生させることを特徴とする。

本発明において、短絡コイルを前記他の永久磁石と鉄心のブリッジ部を取り囲むように配置すること、１本あるいは複数本の短絡コイルを他の永久磁石の表面と平行に設けること、１本あるいは複数本の短絡コイルを他の永久磁石に対して斜めに設けることも可能である。

以上のような構成を有する本発明によれば、短絡コイルに誘導電流を発生させ、その誘導電流により前記固定磁力磁石により発生する磁界を打ち消すことにより、増磁時のｄ軸電流の増加を押さえることができるので、回転子の磁極の減磁時および増磁時の磁化電流の増加を抑止でき、回転機の効率化を達成することができる。

以下、本発明に係る永久磁石式型回転電機の実施形態について、図１〜４を参照して説明する。本実施形態の回転電機は１２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．第１の実施形態）
（１−１．構成）
本発明の第１の実施形態について、図１，２を用いて説明する。図１は本実施形態の永久磁石式回転電機の回転軸と直交する方向の断面図で、減磁時の磁束の方向を示す図、図２は同じく増磁時の磁束の方向を示す図である。

本発明の第１の実施形態の回転子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）４，４から構成する。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。

回転子鉄心２内を通過する磁束が可変磁力磁石３と固定磁力磁石４の厚さ方向に通過するように、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４の端部に磁気障壁となる空洞５ａ，ｂを設ける。この空洞５ａ，５ｂには、それぞれ短絡コイル８をセットする為に空洞５に設けられた凹部である、短絡コイルの装着部５ｃを設ける。

本実施形態では、可変磁力磁石３はフェライト磁石またはアルニコ磁石とし、この実施形態ではフェライト磁石を使用した。固定磁力磁石４は、ＮｄＦｅＢ磁石を使用した。この可変磁力磁石の保磁力は２８０ｋＡ／ｍとし、固定磁力磁石の保磁力は１０００ｋＡ／ｍとする。可変磁力磁石３は磁極中央のｄ軸に沿って回転子鉄心２内に配置し、その磁化方向はほぼ周方向である。固定磁力磁石４は磁化方向がｄ軸方向に対して所定の角度を持つように、前記可変磁力磁石３の両側の回転子鉄心２内に配置する。

前記回転子鉄心２内に埋め込まれた固定磁力磁石４を固定磁石のｄ軸の電流の磁化方向と平行に取り囲むように、短絡コイル８を設ける。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２内に設けた空洞５の縁に形成した装着部５ｃにはめ込むように装着する。短絡コイル８は、回転子の鉄心の穴に高温で溶けた短絡コイルの装着部５ｃに導電性物質を流し込んで鋳造して制作することも可能である。

この短絡コイル８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８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８を設ける。

本実施形態では、この短絡コイル８は、固定磁力磁石４の上下にそれぞれ設けられているが、上下いずれか一方でも良い。また、固定磁力磁石の表面に密着して設ける以外に、図示のように固定磁力磁石、及び固定磁力磁石と可変磁力磁石との間のブリッジ部６を取り囲むように設ける。

短絡コイルは、可変磁力磁石３の磁化が変化する程度の短絡電流が１秒以内に流れ、その後１秒以内にその短絡電流を５０％以上減衰させ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。

前記回転子２の外周には、エアギャップ９を介して固定子１０を設ける。この固定子１０は、電機子鉄心１１と電機子巻線１２とを有する。この電機子巻線１２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。

この電機子巻線１２に流れる磁化電流により、可変磁力磁石３の磁化方向が可逆的に変化する。すなわち、可変磁力磁石と固定磁力磁石に対しては、永久磁石式回転電機の運転時において、ｄ軸電流による磁界で永久磁石３を磁化させて可変磁力磁石３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）と可変磁力磁石と固定磁力磁石とで生じる電機子巻線の鎖交磁束量（すなわち、回転電機の全電流によって電機子巻線に生じる磁束と、回転子側の可変磁力磁石と固定磁力磁石と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。

特に、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。このときの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。すなわち、大きなｄ軸電流で可変用磁石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軸電流で可変用磁石３の極性を反転させているので、端子電圧を低下させるような負のｄ軸電流を流しても、可変用磁石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軸電流で可変用磁石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。

（１−２．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形態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１２や短絡コイル８によって発生した磁力の方向を矢印により示す。

本実施形態では、固定子１０の電機子巻線１２に通電時間が０．１ｍｓ〜１００ｍｓ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（図１参照）。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１０の電機子巻線１２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１２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。

この場合、固定磁力磁石４の磁力の方向は、図１のＢに示すように、固定磁力磁石４から可変磁力磁石３の方向となるので、前記電機子巻線１２による磁界の磁力の方向と一致するため、可変磁力磁石３の減磁させる方向に強い磁力が作用する。同時に、短絡コイル８には、電機子巻線１２の磁界Ａを打ち消すような誘導電流が発生し、その誘導電流によって図１矢印Ｃで示すような磁力の方向を有する磁界が発生する。この短絡コイル８による磁力Ｃも、可変磁力磁石３の磁化方向を逆方向に向けるように作用する。これらより、可変磁力磁石３の減磁及び極性の反転が効率的に行われる。

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２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１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１２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。

（１−３．短絡コイル８の作用）
つぎに、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４は回転子鉄心２内に埋め込まれて磁気回路を構成しているので、前記ｄ軸電流による磁界は可変磁力磁石３のみでなく、固定磁力磁石４にも作用する。本来、前記ｄ軸電流による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、前記ｄ軸電流による磁界が固定磁力磁石４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、固定磁力磁石４とその周囲のブリッジ部６に短絡コイル８を配置している。この場合、短絡コイル８は、固定磁力磁石４の磁化方向を中心軸として配置する。図２に示す、可変磁力磁石３の増磁方向の磁化を行う場合、前記ｄ軸電流による磁界Ａ１が固定磁力磁石４に作用すると、前記磁界Ａを打ち消すような誘導電流が短絡コイル８に流れる。したがって、固定磁力磁石４中には、前記ｄ軸電流による磁界Ａ１と短絡電流による磁界Ｃが作用し両者が打ち消し合うために、磁界の増減はほとんど生じない。つまり磁界Ａ１≒０にできるので、少ない磁化電流により可変磁力磁石３を効果的に増磁することができる。

このとき、固定磁力磁石４は短絡コイル８により前記ｄ軸電流の影響を受けなく、磁束の増加はほとんど生じないので、ｄ軸電流による電機子鉄心１１の磁気飽和も緩和できる。すなわち、電機子鉄心１１は、ｄ軸電流によって発生する磁界Ａが電機子巻線１２間に形成された磁路を通過することにより、その部分の磁気飽和が生じる可能性がある。しかし、本実施形態では、短絡コイル８の磁界Ｃのうち、電機子鉄心１１の磁路を通過する部分が、ｄ軸電流による磁界Ａと逆方向に作用し、Ａ１≒０とできるので、電機子鉄心１１の磁路が磁気飽和することが緩和される。

また、本実施形態では、短絡コイル８がブリッジ部６を取り囲むように設けたので、ブリッジ部６に作用する磁界Ａ２によっても短絡コイル８に短絡電流が流れることになる。この場合、可変磁力磁石３の近傍に短絡コイル８を配置することになるため、可変磁力磁石以外に作用する磁界を効率よく打ち消すことが可能である。

さらに、固定磁力磁石４は短絡コイル８により前記ｄ軸電流の影響を受けなく、磁束の増加はほとんど生じないので、ｄ軸電流による電機子鉄心１１の磁気飽和も緩和できる。すなわち、電機子鉄心１１は、ｄ軸電流によって発生する磁界Ａが電機子巻線１２間に形成された磁路を通過することにより、その部分の磁気飽和が生じる可能性がある。しかし、本実施形態では、短絡コイル８の磁界Ｃは磁界Ａ１＋磁界Ａ２を打ち消し、磁界Ａ１＋磁界Ａ２≒０とできるので、電機子鉄心１１の磁路を通過する磁束の内、磁界Ａ１及び磁界Ａ２による成分が減少するので、電機子鉄心１１の磁路が磁気飽和することが緩和される。

以上のような構成を有する本発明の第１の実施形態によれば、短絡コイルに誘導電流を発生させ、その誘導電流により前記固定磁力磁石により発生する磁界を打ち消すことにより、増磁時のｄ軸電流の増加を押さえることができるので、回転子の磁極の減磁時および増磁時の磁化電流の増加を抑止できるので、回転機の効率化を達成することができる。また、ブリッジ部６も１つの短絡コイル８を取り囲んでいるので、磁化電流による磁界がブリッジ部６に進入することを防止する。その結果、磁界Ａを可変磁力磁石３に効果的に作用させることができる。

（２．第２の実施形態）
第２の実施形態では、短絡コイル８を固定磁力磁石の上下の面（磁化方向と直行する方向）と平行に設けたが、図３，４に示すように短絡コイルの対角線方向に１本あるいはＸ字状に２本設けることもできる。すなわち、固定磁力磁石４の磁化方向に対して一定の角度を保った方向で、前記固定磁力磁石４の回転子の軸方向と直交する方向の断面の対角に配置する。この時、短絡コイル８は固定磁力磁石４に密着して配置しても良い。短絡コイル８の一端を可変磁力磁石３の周辺まで延ばし、短絡コイル８の内側に固定磁力磁石４とブリッジ部６を含めることもできる。また、本実施形態では、この短絡コイル８は、固定磁力磁石４の上下にそれぞれ設けられているが、上下いずれか一方でも良い。

前記のような構成を有する本実施形態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。図３に示す、可変磁力磁石３の減磁方向の磁化を行う場合、前記ｄ軸電流による磁界Ａ，Ａ’が固定磁力磁石４に作用すると、第１の実施形態と同様に固定磁力磁石４の上側から下側に流れる前記磁界Ａを打ち消すような短絡電流が短絡コイル８に流れる。また、固定磁力磁石４の側面からから下側に作用する磁界Ａ’による短絡電流も固定磁力磁石４の内部に配置された短絡コイル８に流れることになる。

これとは逆の増磁を行う場合も、図４に示すように、固定磁力磁石４の下側から上側に流れる前記磁界Ａを打ち消すような短絡電流が固定磁力磁石４の内部の短絡コイル８に流れる。また、固定磁力磁石４の下側から側面に流れる磁界Ａ’による短絡電流も短絡コイル８に流れる。

そのため第２の実施形態では、前記各実施形態の効果に加えて、固定磁力磁石４の側面に作用する磁界Ａ’による短絡電流も短絡コイル８に流すことができる。これにより、固定磁力磁石４で上側と下側で発生する短絡電流に差が生じてしまうことが無くなるので、磁界の強さの調整を容易にすることが可能になる。

（３．他の実施形態）
本発明は、前記の各実施形態に限定されるものではなく、次のような他の実施形態も包含する。

（１）前記各実施形態では４極の回転電機を示したが、８極等の多極の回転電機にも本発明を適用できるのは当然である。極数に応じて永久磁石の配置位置、形状が幾分変ることはもちろんであり、作用と効果は同様に得られる。特に、前記各実施形態は、中央に可変磁力磁石を、その両側に固定磁力磁石を配置したものであるが、可変磁力磁石と固定磁力磁石との他の配置にも適用できる。

（２）前記回転子鉄心２において、固定磁力磁石の外周側に磁気障壁を構成するために設ける空洞の形状や位置、また、固定磁力磁石の内周側にその磁路断面積を決定するために設ける空洞の位置などは、使用する永久磁石の保磁力や磁化電流によって生じる磁界の強さなどに応じて、適宜変更できる。

本発明の第１の実施形態を示す回転子と固定子の部分断面図で、減磁時の磁束の向きを示す。 本発明の第１の実施形態を示す回転子と固定子の部分断面図で、増磁時の磁束の向きを示す。 本発明の第２の実施形態を示す回転子と固定子の部分断面図で、減磁時の磁束の向きを示す。 本発明の第２の実施形態を示す回転子と固定子の部分断面図で、増磁時の磁束の向きを示す。

符号の説明

１…回転子
２…回転子鉄心
３…可変磁力磁石
４…固定磁力磁石
５ａ，５ｂ…空洞（磁気障壁）
５ｃ…短絡コイルの装着部
６…永久磁石端の空洞（磁気障壁）
７…磁極部
８…短絡コイル

Claims (5)

1. 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磁極を形成し、
   この磁極を回転子鉄心内に複数個配置して回転子を構成し、この回転子の外周にエアギャップを介して固定子を配置し、この固定子に電機子鉄心と電機子巻線を設け、この電機子巻線の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式回転電機において、
   前記不可逆的に変化させる永久磁石を除いた他の永久磁石と、この他の永久磁石に隣接する磁束が漏れる部分である前記回転子鉄心のブリッジ部分とを取り囲んだ短絡コイルを設け、
   前記電機子巻線に磁化電流を通電させて、その磁束で前記短絡コイルに短絡電流を発生させ、この短絡電流によって磁化電流による磁界と反対方向の磁力を有する磁界を発生させることを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 前記短絡コイルを、前記他の永久磁石の磁化方向と直交する方向で、前記他の永久磁石の表面と平行に配置した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. 前記短絡コイルの複数個を、前記他の永久磁石の表裏両面に配置したことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
4. 前記短絡コイルを、前記他の永久磁石の磁化方向に対して一定の角度を保った方向で、前記他の永久磁石の回転子の軸方向と直交する方向の断面の対角に配置した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。
5. 前記短絡コイルの複数個を、前記他の永久磁石の回転子の軸方向と直交する方向の断面において、Ｘ字状に交差して配置したことを特徴とする請求項４に記載の永久磁石式回転電機。

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