JP5355055B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

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。

一般に、永久磁石式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式回転電機と、永久磁石を回転子鉄心の中に埋め込んだ埋め込み型永久磁石式回転電機である。可変速駆動用モータとしては、埋め込み型永久磁石式回転電機が適している。

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。

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、非特許文献１に記載されているような弱め磁束制御が適用され始めている。電機子巻線の総鎖交磁束量は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ることによって、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。また、弱め磁束制御においても高保磁力の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ようにする。このため、永久磁石は弱め磁束制御の滅磁界により不可逆的に滅磁しないように高保磁力のＮｄＦｅＢ磁石を適用する。

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を作る。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、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。さらに、負のｄ軸電流による滅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作る。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規定速度の３倍以上の可変速運転は困難である。さらに、前述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問題がある。また、高調波磁束による電磁力で振動を発生する可能性もある。

ハイブリッド自動車用駆動電動機に埋め込み型永久磁石電動機を適用した場合、エンジンのみで駆動される状態では電動機は連れ回される。中・高速回転では電動機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、電動機は損失のみを発生するので総合運転効率が悪化する。

電車用駆動電動機に埋め込み型永久磁石電動機を適用した場合、電車は惰行運転する状態があり、上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に弱め磁束制御で負のｄ軸電流を流し続ける。その場合、電動機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には、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記載されている。

この特許文献１の永久磁石式回転電機は、図１７に記載のような構成の回転子１を備えている。すなわち、回転子１は、回転子鉄心２、８個の可変磁力磁石３及び８個の固定磁力磁石４から構成されている。回転子鉄心２は珪素鋼板を積層して構成され、可変磁力磁石３はアルニコ磁石またはＦｅＣｒＣｏ磁石であり、固定磁力磁石４はＮｄＦｅＢ磁石である。

可変磁力磁石３は回転子鉄心２の中に埋め込まれ、可変磁力磁石３の両端部には第１の空洞５が設けられている。可変磁力磁石３は磁極間の中心軸になるｑ軸と一致する回転子の半径方向に沿って配置され、半径方向に対して直角方向に磁化される。固定磁力磁石４は回転子鉄心２内に埋め込まれ、固定磁力磁石４の両端部には第２の空洞６が設けられている。固定磁力磁石４は、２個の可変磁力磁石３により回転子１内周側で挟まれるように回転子１のほぼ周方向に配置されている。固定磁力磁石４は回転子１の周方向に対してほぼ直角方向に磁化されている。

回転子鉄心２の磁極部７は２個の可変磁力磁石３と１個の固定磁力磁石４で取り囲まれるようにして形成されている。回転子鉄心２の磁極部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。この回転子１を採用した特許文献１の永久磁石式回転電機では、固定子巻線に通電時間が極短時間（１００μｓ〜１ｍｓ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。着磁磁界を２５０ｋＡ／ｍとすると、理想的には可変磁力磁石３には十分な着磁磁界が作用し、固定磁力磁石４には着磁による不可逆減磁はない。

その結果、特許文献１の永久磁石式回転電機では、回転子１のｄ軸電流により可変磁力磁石３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。すなわち、固定磁力磁石４の鎖交磁束を正方向とすると、可変磁力磁石３の鎖交磁束を正方向の最大値から０、さらには逆方向の最大値まで広範囲に調整することができる。従って、本実施の形態の回転子では、可変磁力磁石３をｄ軸電流で着磁することにより可変磁力磁石３と固定磁力磁石４を合わせた全鎖交磁束量を広範囲に調整することができる。

例えば、低速域では可変磁力磁石３は固定磁力磁石４の鎖交磁束と同方向（初期状態）で最大値になるようにｄ軸電流で磁化することにより、永久磁石によるトルクは最大値になるので、回転電機のトルク及び出力を最大にすることができる。中・高速域では、可変磁力磁石３の磁束量を低下させ、全鎖交磁束量を下げることにより、回転電機の電圧は下がるので、電源電圧の上限値に対して余裕ができ、回転速度（周波数）をさらに高くすることが可能となる。

図１８（Ａ）から（Ｄ）は、そのことを説明する模式図である。特許文献１の永久磁石式回転電機では、図１８（Ａ）のように、２つの可変磁力磁石３と１つの固定磁力磁石４とが、ｄ軸を中心としてＵ字形に配置されている。電動機の通常の運転状態では、可変磁力磁石３及び固定磁力磁石４の磁束の方向は、中心の磁極部７の方を向いている。この状態で、ｄ軸電流をパルス的に流して、減磁用の磁界を発生すると、その磁束は図１８（Ｂ）のように、回転子１の外周側から可変磁力磁石３及び固定磁力磁石４を貫くように発生し、それによって、可変磁力磁石３は減磁される。このとき、固定磁力磁石４は、保磁力が高いため、減磁されることはない。

この減磁の場合、図１８（Ｃ）のように、固定磁力磁石４の磁束は、ｄ軸方向と共に可変磁力磁石３の内側から外側に向かって、可変磁力磁石３の当初の磁束の向きとは逆に流れるので、ｄ軸電流の作る磁界による減磁作用を補助する。そのため、可変磁力磁石３の極性を反転させるまでの減磁が可能である。

一方、増磁の場合には、ｄ軸電流を再びパルス的に印加することで、前記とは逆方向の磁界を発生させ、その磁界を構成する逆方向の磁束によって、減磁した可変磁力磁石３の鎖交磁束を前記（Ａ）の通常運転時の状態に戻す。

特開２００６−２８０１９５号公報 特開２００８−４８５１４号公報

前記のような構成を有する特許文献１の永久磁石式回転電機は、回転子１のｄ軸電流により、可変磁力磁石３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。ところが、ｄ軸電流によって可変磁力磁石３に作用させた磁界は、磁石内で均一な磁界に分布しないという問題点がある。すなわち、図２（ａ）に示すように、可変磁力磁石３の中央部分は上側と下側部分よりもｄ軸電流による磁界が弱くなる

可変磁力磁石３内で、このような磁界の不均一が起こるため、可変磁力磁石３に着磁する強さの磁界を作用させたとしても、周辺部分しか磁化せず、中央部分の磁化が十分に行われないため、鎖交磁束の変化量を大きくすることができなかった。そのため、磁界の不均一を防ぐために、可変磁力磁石３の厚さを制限するなどの工夫が必要であった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、回転子内に設置する可変磁力磁石として、保磁力が異なる複数の可変磁力磁石を組み合わせ、可変磁石の磁化を均一に行うことにより、可変磁力磁石の鎖交磁束の変化量を大きくすることを目的とする。また、本発明では、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式回転電機を提供することを目的とする。

本発明の永久磁石回転電機は、保磁力と磁化方向厚の積が異なる２種類以上の永久磁石を用いて回転子の磁極を形成し、電機子巻線の電流が作る磁界により、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、保磁力と磁化方向厚の積の値が異なる複数の永久磁石を積層して複合磁石を構成し、この複合磁石の中央部に位置する永久磁石の保磁力と磁化方向厚の積の値が、複合磁石の上層部または下層部の少なくとも一方に位置する永久磁石の保磁力と磁化方向厚の積の値よりも小さく設定されており、電機子巻線の電流が作る磁界により磁化させる前記保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を、前記複合磁石としたことを特徴とする。

本発明において、回転子の各磁極ごとに２種類以上の永久磁石を磁気回路上で直並列に配置すること、複数の磁極の間で２種類以上の永久磁石を磁気回路上で直並列に配置することも可能である。また、各磁極に、磁気障壁を設けたり、短絡コイルを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、回転子内に設置する可変磁力磁石として、保磁力が異なる複数の可変磁力磁石を組み合わせ、可変磁力磁石全体でその磁化を均一に行うことにより、可変磁力磁石の鎖交磁束の変化量を大きくすることができるので、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の形態について、図１，２を参照して説明する。本実施の形態の回転電機は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の実施の形態）
（１−１．構成）
本発明の第１の実施の形態について、図１を用いて説明する。

本発明の第１の実施の形態の回転子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（以下、可変磁力磁石という）３、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は回転子鉄心２内に埋め込む。可変磁力磁石３は、保磁力が異なる可変磁力磁石を積層させたものであり、保磁力が強い可変磁力磁石３ａ，３ｃを上層部と下層部に配置し、保磁力が可変磁力磁石３ａ，３ｃより弱い可変磁力磁石３ｂを中層部に配置する。

可変磁力磁石３はサマリウムコバルト磁石またはアルニコ磁石を使用することができる。固定磁力磁石４は、ＮｄＦｅＢ磁石を使用することができる。本実施の形態では、可変磁力磁石３ａ，３ｃは保磁力が３００ｋＡ／ｍのサマリウムコバルト磁石とし、可変磁力磁石３ｂは保磁力が２００ｋＡ／ｍのサマリウムコバルト磁石とし、固定磁力磁石４は保磁力が１０００ｋＡ／ｍのＮｄＦｅＢ磁石とする。

可変磁力磁石３ａ〜３ｃを各磁石の磁化方向に重ね合わせて１つの可変磁力磁石を構成する。すなわち、可変磁力磁石３ａ〜３ｃが磁化方向を同じくして、磁気的に直列に配置する。この直列に重ねた可変磁力磁石３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、積層した可変磁力磁石３に対して、磁気回路上で並列回路を構成する。

回転子鉄心２内を通過する磁束が可変磁力磁石３及び固定磁力磁石４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４の端部に空洞６を設ける。特に、磁束が可変磁力磁石３に集中するように、磁気障壁となる空洞５を、固定磁力磁石４の上下に設ける。回転子鉄心２の磁極部７は１個の可変磁力磁石３と２個の固定磁力磁石４で取り囲まれるようにして形成する。回転子鉄心２の磁極部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。

前記両側の固定磁力磁石４，４の上下面と平行に、固定磁力磁石４，４を取り囲むように、上側短絡コイル８ａ及び下側短絡コイル８ｂを設ける。この時、短絡コイル８ａ，８ｂが固定磁力磁石４の磁化方向が中心軸となるようにする。この短絡コイル８ａ，８ｂは、リング状の導電性部材から構成し、回転子鉄心２内に設けた空洞６の縁の部分にはめ込むように装着する。なお、回転子鉄心２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８ａ，８ｂ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。短絡コイル８ａ，８ｂに流れる短絡電流は、不可逆変化させる永久磁石３ａ，３ｂ，３ｃ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、前記短絡コイル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、前記短絡コイル８ａ，８ｂに誘導電流が誘起され、その誘導電流によって短絡コイル８ａ，８ｂを貫通する磁束が形成される。また、この電機子巻線１２に流れる磁化電流（ｄ軸電流）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３ａ〜３ｃ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３ａ〜３ｃ及び固定磁力磁石４，４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２種類以上の永久磁石３ａ〜３ｃ，４，４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不可逆的に変化させる。

特に、本実施の形態では、瞬時の大きなｄ軸電流による磁界で可変磁力磁石３ａ〜３ｃ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。

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ので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、本実施の形態においては、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。

（１−２．基本的な作用）
つぎに、第１の実施の形態の作用について説明する。
本実施の形態では、固定子の電機子巻線に通電時間が０．１ｍｓ〜１００ｍｓ程度の極短時間（本実施の形態では１０ｍｓ）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の電機子巻線のｄ軸電流成分とする。可変磁力磁石３と固定磁力磁石４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。

可変磁力磁石３と固定磁力磁石４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。前記のように本実施形態では、可変磁力磁石３ａ，３ｃの保磁力は３００ｋＡ/ｍ、可変磁力磁石３ｂの保磁力は２００ｋＡ／ｍ、固定磁力磁石４の保磁力は１０００ｋＡ/ｍと設定されている。

この時、固定磁力磁石４の保磁力は、可変磁力磁石３ａ〜３ｃの保磁力の３〜５倍となる。従って、可変磁力磁石３ａ〜３ｃの磁力を可変できる電流では、固定磁力磁石４の磁力は変わらずに維持できる。これより、これらの磁石を並列に組み合わせて磁石を構成すると、固定磁力磁石４の磁力をベース分として維持して、可変磁力磁石３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３５０ｋＡ／ｍになったとすると、可変磁力磁石３ａの保磁力が３００ｋＡ／ｍなので可変磁力磁石３ａ〜３ｃ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。

つぎに、永久磁石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に通電する。可変磁力磁石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磁石内の磁界が３５０ｋＡ／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４の保磁力が１０００ｋＡ／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、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。

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、前記可変磁力磁石３は、電流による磁界で磁化させて磁束を減少させるか、極性を反転させることにより永久磁石の鎖交磁束量を減少させる。また、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。

（１−３．直列配置の作用）
本実施の形態では、可変磁力磁石３として、可変磁力磁石３ａ〜３ｃを磁気的に直列に配置しているので、前記可変磁力磁石３の減磁及び増磁の際に、図２（ａ）で示した従来の単層の可変磁力磁石３とは異なる作用を有する。この点を図２（ｂ）により説明する。

図２（ｂ）は、磁化時の本実施の形態の可変磁力磁石３ａ〜３ｃ中の磁界の分布図である。単層の可変磁力磁石３と同様にｄ軸電流によって可変磁力磁石３に作用させた磁界は、磁石内で均一な磁界に分布せず、可変磁力磁石３の上下部分の磁界は中心部に比べかなり高くなる。

しかし、本実施の形態では、図２（ｂ）のように、上層部及び下層部に保磁力が３００ｋＡ／ｍの可変磁力磁石３ａ，３ｃを配置し、中層部に保磁力に２００ｋＡ／ｍの可変磁力磁石３ｂを配置する。これにより、ｄ軸電流によって可変磁力磁石３の上層部及び下層部に強い磁界が作用するので、保磁力が３００ｋＡ／ｍの可変磁力磁石３ａ，３ｃを磁化することができる。一方、可変磁力磁石３の中央部には比較的弱い磁界が作用するが、中層部に配置される可変磁力磁石３ｂは保磁力が２００ｋＡ／ｍと保磁力が小さいので、比較的弱い磁界でも中層部を十分に磁化することができる。

（１−４．磁気障壁の作用）
固定磁力磁石４，４の外周部に設けられた磁気障壁の作用について、図３について述べる。磁気障壁となる空洞５，６は、可変磁力磁石３を積層した磁石の外周部になく、並列に配置した固定磁力磁石４，４の外周部に設けられている。固定磁力磁石４，４は磁気障壁があるので、ｄ軸電流による磁界ａは小さくなる。

一方、可変磁力磁石３を積層した磁石の周りには磁気障壁がないのでｄ軸電流により生じる磁界は高くできる。これより、ｄ軸電流による磁界Ａを効果的に可変磁力磁石３を積層した磁石に作用させることができる。また、ｄ軸電流により増加する磁束に関しても、固定磁力磁石４，４を通る磁束量の増加を抑制できるので、鉄心の磁気飽和を緩和でき、可変磁力磁石３の磁化を変化させるためのｄ軸電流も低減できる。

また、図４に示すように、ｑ軸磁束Ｂが磁石外周部の鉄心を横切るように分布するが、磁気障壁となる空洞５，６があるので磁路断面積が狭くなって磁気抵抗が高くなる。従って、ｑ軸インダクタンスを小さくすることができ、端子電圧を下げることができる。

（１−５．短絡コイルの作用）
つぎに、図５により、短絡コイル８ａ，８ｂ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４，４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。本実施の形態では、固定磁力磁石４，４の上側と下側に短絡コイル８を配置する。短絡コイルは固定磁力磁石４，４の磁化方向を中心軸として配置する。前記ｄ軸電流による磁界が固定磁力磁石４，４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８ａ，８ｂに流れる。従って、固定磁力磁石４，４中には前記ｄ軸電流による磁界と短絡電流による磁界で、磁界の増減はほとんど生じない。さら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。この場合、本実施の形態では、短絡コイル８ａ，８ｂにより発生する磁界は、可変磁力磁石３の上下層に強く加わり、中層部には余り加わらないが、本実施の形態のでは、中層部の可変磁力磁石３ｂは保磁力が弱い磁石で構成されているため、磁化の不均一が生じることがない。また、短絡コイルにより固定磁力磁石４，４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。

なお、固定磁力磁石４，４の下面（回転子の内周側）に、前記短絡コイル８ｂに代えて導電性の板を設けることもできる。導電性の板として、銅板またはアルミ板を使用することが好ましい。また、導電性の板は、固定磁力磁石４，４の下面に限らず、上面（回転子の外周側）に配置しても良いが、上面に設けると、電流高調波やスロット高調波で導電性板に誘導電流が生じて前記高調波を低減できるメリットがある。

このような構成では、磁化電流によって発生した磁界が導電性の板に加わると、導電性の板の表面には誘導電流（渦電流）が発生し、それによって、前記短絡コイル８ａ，８ｂと同様な磁界が発生する。その磁界により、固定磁力磁石４，４中には前記ｄ軸電流による磁界と短絡電流による磁界で、磁界の増減はほとんど生じない。さら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。同時に、電機子鉄心１１の磁気飽和を緩和する作用も発揮される。

（１−６．エアギャップ長の作用）
第１の実施の形態では、図１に示すように、固定磁力磁石４が配置された近傍のエアギャップ長Ｌ１は、可変磁力磁石３が配置された近傍のエアギャップ長Ｌ２よりも長くした構成とする。

本実施の形態では、ｄ軸電流による磁界は可変磁力磁石３に作用させることを目的としているが、漏れ磁界も生じる。そのため、本実施の形態ではｑ軸近傍のエアギャップ長Ｌ２をｄ軸近傍のエアギャップ長Ｌ１よりも大きくしている。すなわち、エアギャップ長は可変磁力磁石３が配置された近傍で短くなっているので、エアギャップ部分の磁気抵抗が小さくなる。

従って、磁石を磁化させるためのｄ軸電流による磁界は、ｄ軸部に配置された可変磁力磁石３に集中させることができ、同時に高い磁界を作用させることができ、少ないｄ軸電流で可変磁力磁石３を効果的に磁化できる。また、ｑ軸側の磁気抵抗が大きくできるので、回転電機のインダクタンスを低減でき、力率を向上できる。他の実施例として、ｑ軸方向の磁気抵抗を大きくするような非磁性部分を回転子鉄心内に設けてもよい。

（１−７．効果）
以上のような構成並びに作用を有する本実施の形態においては、次の効果が得られる。
（１）ｄ軸電流によって可変磁力磁石３の中央部の可変磁力磁石３ｂにかかる磁界が、その上層部及び下層部の可変磁力磁石３ａ，３ｃに比べて弱くても、可変磁力磁石３の中央部分の磁化を確実に行うことができるので、鎖交磁束の変化量を大きくすることができる。すなわち、ｄ軸電流で可変磁力磁石３を不可逆的に変化させた場合の鎖交磁束量は、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４，４を合わせた全鎖交磁束量とすることができる。

（２）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。

（３）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ので、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。

（４）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。

（２．第２の実施の形態）
（２−１．構成）
本発明の第２の実施の形態について、図６を用いて説明する。

本発明の第２の実施の形態の構成は、第１の実施の形態の可変磁力磁石３として積層する永久磁石の種類を変えたものである。すなわち、第１の実施形態の可変磁力磁石３ａ〜３ｃの代りに、上層部に保磁力が強い可変磁力磁石３ａを配置し、中層部に保磁力が可変磁力磁石３ａより弱い可変磁力磁石３ｂを配置し、下層部に可変磁力磁石３ａの３倍〜５倍の保磁力の固定磁力磁石４’を配置した。してなる複合磁石を使用する。

すなわち、可変磁力磁石３ａ，３ｂと固定磁力磁石４’の磁化方向を同じくして、磁気的に直列に配置する。一方、可変磁力磁石３ａ，３ｂと固定磁力磁石４’を直列に積層した磁石の両側に、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３ａ，３ｂに対して、直列に固定磁力磁石４’を、並列に固定磁力磁石４，４を配置する。可変磁力磁石３ａ，３ｂはサマリウムコバルト磁石またはアルニコ磁石とし、固定磁力磁石４，４’は、ＮｄＦｅＢ磁石とすることができる。また、各磁石の保磁力は、前記第１の実施の形態と等しく設定する。

（２−２．直列配置の作用）
本実施の形態では、複数の磁石を磁気的に直列に配置しているので、複合磁石の減磁及び増磁の際に、前記特許文献１の永久磁石式回転電機とは異なる作用を有する。この点を図７〜１３により説明する。

図７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３ａ，３ｂと固定磁力磁石４’の磁化方向は同一であるため、３つの永久磁石３ａ，３ｂ，４’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８は、減磁時の状態を示すもので、電機子巻線によりｄ軸方向から２種類の可変磁力磁石３ａ，３ｂと固定磁力磁石４’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３５０ｋＡ／ｍになったとすると、保磁力の強い可変磁力磁石３ａの保磁力が３００ｋＡ／ｍなので可変磁力磁石３ａ，３ｂ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３ａ，３ｂには、それに積層した固定磁力磁石４’からの磁界が加わる。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ので、磁化電流の増加は少ない。

図９は、負のｄ軸電流により逆磁界での可変磁力磁石３ａ，３ｂ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３ａ，３ｂ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１０は、負のｄ軸電流により逆磁界での可変磁力磁石３ａ，３ｂ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軸電流の大きさの可変磁力磁石３ａが着磁するために必要な３５０ｋＡ／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３ａは着磁されて磁力を発生する。この時、複合磁石の中央部にかかる磁界は、３５０ｋＡ／ｍ以下になる。しかし、中央部に配置された可変磁力磁石３ｂの保磁力は、２００ｋＡ／ｍであり、着磁に必要な磁界の強さも低くなるので、可変磁力磁石３ｂも着磁されて磁力を発生する。この場合、可変磁力磁石３ａ，３ｂと固定磁力磁石４’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１１は、負のｄ軸電流で極性が反転した可変磁力磁石３ａ，３ｂ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４’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３ａ，３ｂ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４’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４’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３ａ，３ｂの減磁が容易に行われる。

図１２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３ａ，３ｂ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４’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４’の作用により、磁化電流の増大を抑止できる。

図１３は、正のｄ軸電流により可変磁力磁石３ａ，３ｂ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３ａ，３ｂと固定磁力磁石４’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。

（２−３．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１４は、代表的な磁石であるＮｄＦｅＢ磁石及びアルニコ磁石と、保磁力が３００ｋＡ／ｍと２００ｋＡ／ｍのサマリウムコバルト磁石の磁気特性（保磁力と磁束密度との関係）を示したグラフである。本実施の形態では、固定磁力磁石４，４’としてはＮｄＦｅＢ磁石を使用し、可変磁力磁石３ａ〜３ｃとして、保磁力が３００ｋＡ／ｍと２００ｋＡ／ｍのサマリウムコバルト磁石を使用する。

可変磁力磁石３ａ，３ｂは、低保磁力であっても、可変磁力磁石３ａ，３ｂのみの状態のときは高磁束密度であるが、固定磁力磁石４を並列に配置した状態では、その作用で可変磁力磁石３ａ，３ｂの動作点は低下し、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４’を直列に積層した状態では、直列に積層した固定磁力磁石４’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可変磁力磁石３ａ，３ｂの動作点は、可変磁力磁石３ａ，３ｂのみの状態では高磁束密度側（図１４のＡ，Ｂ）にあるが、固定磁力磁石４，４を並列に配置した状態では低磁束密度側（図１４のＡ’，Ｂ’）に低下する。しかし、本実施の形態のように、可変磁力磁石３と固定磁力磁石４’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４，４と、直列に配置された固定磁力磁石４’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１４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３ａ，３ｂ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のｄ軸電流による磁界で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、本実施の形態のように、並列に配置された固定磁力磁石４，４と、直列に配置された固定磁力磁石４’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。

また、アルニコ磁石もサマリウムコバルト磁石と同じ磁束特性の１５０ｋＡ／ｍの低保磁力で高磁束密度の可変磁石である。したがって、可変磁力磁石３として、可変磁力磁石３ａ〜３ｃを三層に積層する場合や、可変磁力磁石３ａ，３ｂと固定磁力磁石４’を積層する場合の中層の可変磁力磁石３ｂとして使用することができる。可変磁力磁石３ｂとしてアルニコ磁石を使用した場合でも、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。

（２−４．効果）
以上のような構成並びに作用を有する本実施の形態においては、次の効果が得られる。
（１）可変磁力磁石の磁気特性上の動作点を高い位置から低い位置まで変化させることができるので、永久磁石の全鎖交磁束量を広い範囲で変化させることができる。さらにｄ軸電流によって可変磁力磁石３の中央部にかかる磁界が、上層部及び下層部に比べて弱くても、可変磁力磁石３の中央部分の磁化を確実に行うことができるので、鎖交磁束の変化量を大きくすることができる。すなわち、ｄ軸電流で可変磁力磁石３を不可逆的に変化させた場合の鎖交磁束量は、可変磁力磁石３ａ，３ｂと固定磁力磁石４’と固定磁力磁石４，４を合わせた全鎖交磁束量とすることができる。
（２）増磁時の磁化電流の増加を抑止できるので、永久磁石式回転電機を駆動するためのインバータの大型化を必要とせず、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）本回転電機の永久磁石の全鎖交磁束が最大にした状態において、可変磁力磁石の磁気特性上の動作点を高くできるので（磁束密度が高くなる）、可変磁力磁石の磁束量を大きくできるので、最大トルクを増加できる。

（３．第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態について、図１５を用いて説明する。
本実施の形態は、図１５のように、１つの固定磁力磁石４を磁化方向がｄ軸方向（ここでは、ほぼ回転子の半径方向）となる位置（回転子の磁極中心軸）となるように、回転子鉄心２内に配置する。一方、可変磁力磁石３ａ，３ｂと固定磁力磁石４’を直列に重ねた複合磁石を固定磁力磁石４の両側に、磁化方向がｄ軸方向となる位置で配置する。この両側に配置した可変磁力磁石３ａ，３ｂと固定磁力磁石４’を積層した複合磁石は、前記磁極中心部の固定磁力磁石４に対して、磁気回路上で並列回路を構成する。

なお、複合磁石及び固定磁力磁石を構成する各磁石の保磁力は、前記第２の実施の形態と同様なものとする。

以上のような構成を有する本実施の形態では、前記の実施の形態と同様な作用効果に加えて、磁極に対して左右に可変磁力磁石３ａ，３ｂと固定磁力磁石４’を積層した磁石が配置されるので、左右の片側ずつ２回に分けて可変磁力磁石３の磁化が可能になる。その結果、可変磁力磁石３ａ，３ｂの極性変化を妨げることになる固定磁力磁石４は、並列に配置された１つだけになる。すなわち、固定磁力磁石４が２つ配置された前記実施の形態に比べ、可変磁力磁石３の極性変化を妨げる固定磁力磁石４による磁界を小さくできるので、可変磁力磁石３の磁力を変化させるときに要する磁化電流（ｄ軸電流）を低減することができる。

また、電機子巻線が集中巻の巻線や分数溝巻線などの特殊な巻線構造では、固定子と回転子の幾何的位置が磁極ごとにずれているので、分割して磁化することにより可変磁力磁石３の磁化が可能となる。
（４．第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態について、図１６を用いて説明する。
本実施の形態は、図１６のように、第１の実施の形態で使用した可変磁力磁石３ａ〜３ｃの両側に固定磁力磁石４ｂ，４ｂを並べて回転子の第１の磁極を構成する。一方、前記第１の磁極と隣接して、固定磁力磁石４ａを配置して第２の磁極を構成する。これら隣接する第１と第２の磁極における固定磁力磁石４ａ，４ｂの極性は、回転子の外周側及び内周側でそれぞれ異なった極性となるように配置する。

すなわち、可変磁力磁石３ａ〜３ｃの両側に固定磁力磁石４ｂ，４ｂを配置した第１の磁極と、この第１の磁極の両側に配置され、第１の磁極の固定磁力磁石４ｂ，４ｂとはその極性が異なる固定磁力磁石４ａを用いて構成された第２の磁極とから、回転子の磁極が形成される。また、第１の磁極内では、可変磁力磁石３ａ〜３ｃと固定磁力磁石４ｂ，４ｂが磁気回路上で並列に配置され、第１の磁極の可変磁力磁石３ａ〜３ｃと第２の磁極に配置された固定磁力磁石４ａが磁気回路上で直列に配置される。

以上のような構成を有する本実施の形態では、可変磁力磁石３ａ〜３ｃは回転子の１つの極内では、固定磁力磁石と直列に配置されていない。しかし、可変磁力磁石３ａ〜３ｃは隣接する極の固定磁力磁石４ａの磁界の影響を受けるので、前記実施の形態のように固定磁力磁石４ａを積層した場合と同様の効果を得ることができる。すなわち、隣接する回転子の極の固定磁力磁石４ａの磁界は、可変磁力磁石３内部では、可変磁力磁石３ａ〜３ｃに対して並列に配置された固定磁力磁石４ｂ，４ｂの磁界とは逆方向であり、互いに相殺するように作用する。これにより、可変磁力磁石３ａ〜３ｃを不可逆減磁させた状態から増磁させて元の極性に戻す場合に、変化を妨げるような隣接する固定磁力磁石４ｂ，４ｂによる磁界を小さくできるので、可変磁力磁石３ａ〜３ｃ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。

本実施形態においても、ｄ軸電流によって可変磁力磁石３の上層部及び下層部に強い磁界が作用するので、保磁力が３００ｋＡ／ｍの可変磁力磁石３ａ，３ｃを磁化することができる。一方、可変磁力磁石３の中央部には弱い磁界が作用するが、中層部に配置される可変磁力磁石３ｂは保磁力が２００ｋＡ／ｍと保磁力が小さいので、十分に磁化することができる。

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

（１）前記の可変磁力磁石は、保磁力の異なる可変磁力磁石を３層、あるいは保磁力の異なる可変磁力磁石を２層と固定磁力磁石を１層積層した複合磁石としたが、積層数はこれに限定されるものではなく、４層以上とすることもできる。また、磁気障壁や短絡コイルの配置により、可変磁力磁石に加わる磁束の強度を調整した場合には、調整された強度に合わせて、保磁力の強い可変磁力磁石と保磁力の弱い可変磁力磁石との配置を、可変磁力磁石に加わる磁束の強度に合わせて変更することも可能である。

（２）保磁力の弱い可変磁力磁石としては、実施の形態に記載した保磁力の弱いサマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石以外に、フェライト磁石を使用することも可能である。さらに低保磁力化したＮｄＦｅＢ磁石や他の低保磁力の磁石も適用できる。

（３）前記各実施の形態では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。

（４）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。

（５）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。

（６）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。

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。

（７）回転子を固定子に挿入して組み立てる時は、保磁力と磁化方向厚の積が小さな永久磁石を減磁するか、極性を反転させることにより永久磁石の鎖交磁束量を減少させた状態とすることができる。それにより、組立作業を容易に行うことができる。

本発明の第１の実施の形態における回転子と固定子の断面図 回転子内の可変磁力磁石を磁化したときの磁界分布を示した断面図 第１の実施の形態における減磁時の状態を示す断面図 本発明における磁気障壁とｑ軸磁束との関係を示す断面図 本発明における短絡コイルの作用を示す断面図 本発明の第２の実施の形態における回転子と固定子の断面図 第２の実施の磁石の鎖交磁束が最大の状態を示す断面図 第２の実施のコイルの電流で可変磁力磁石の磁力減少させる磁界を発生させ た状態を示す断面図 第２の実施の電流による逆磁界で可変磁力磁石の磁力が減少した状態を示す 断面図 第２の実施の電流による逆磁界で可変磁力磁石が逆方向に磁化し、磁石の 鎖交磁束が最小の状態を示す断面図 第２の実施のコイルの電流で極性反転した可変磁力磁石の磁力を減少させ る磁界を発生させた状態を示す断面図 第２の実施の電流による磁界で極性反転した可変磁力磁石の磁力を減少さ せた状態を示す断面図 第２の実施の電流による逆磁界で可変磁力磁石が逆方向に磁化し、磁石の 鎖交磁束が最大の状態を示す断面図 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 本発明の第３の実施の形態の構成を示す模式図 本発明の第４の実施の形態の構成を示す模式図 特許文献１に記載の回転子の断面図 特許文献１に記載の回転子の作用を示す模式図

符号の説明

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

Claims (18)

1. 保磁力と磁化方向厚の積が異なる２種類以上の永久磁石を用いて回転子の磁極を形成し、電機子巻線の電流が作る磁界により、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永久磁石式回転電機において、
   保磁力と磁化方向厚の積の値が異なる複数の永久磁石を積層して複合磁石を構成し、
   この複合磁石の中央部に位置する永久磁石の保磁力と磁化方向厚の積の値が、複合磁石の上層部または下層部の少なくとも一方に位置する永久磁石の保磁力と磁化方向厚の積の値よりも小さく設定されており、
   電機子巻線の電流が作る磁界により磁化させる前記保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を、前記複合磁石としたこと
   を特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 前記複合磁石が、保磁力と磁化方向厚の積が小の永久磁石を少なくとも３層積層したものであり、
   複合磁石の中央部に位置する永久磁石の保磁力と磁化方向厚の積の値が、複合磁石の上下層部に位置する永久磁石の保磁力と磁化方向厚の積の値よりも小さく設定されてい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. 前記複合磁石に対して、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石が積層され、
   複合磁石の中央部に位置する永久磁石の保磁力と磁化方向厚の積の値が、複合磁石の他の永久磁石の保磁力と磁化方向厚の積の値よりも小さく設定されてい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。
4. 前記回転子の同一磁極において、前記複合磁石と、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直列と並列に配置したものであって、
   前記磁極の中央部に前記複合磁石を配置し、その両側に保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石を配置したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
5. 前記回転子の同一磁極において、前記複合磁石と、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直列と並列に配置し、
   前記磁極の中央部に保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石を配置し、磁極間側に複合磁石を配置したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
6. 前記回転子の磁極を、保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石で構成される磁極と、前記複合磁石と保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石とで構成される磁極から構成し、
   保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石で構成される磁極の永久磁石と、前記複合磁石と保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石とで構成される磁極の複合磁石とを磁気回路的に直列に接続したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
7. 電機子巻線の電流が作る磁界により複合磁石を磁化させて永久磁石による鎖交磁束量を不可逆的に減少させ、また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複合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から請求項６のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
8. ｄ軸電流による磁界で複合磁石を磁化させてその磁束量を不可逆的に変化させ、複合磁石を磁化する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から請求項７のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
9. 運転時にｄ軸電流による磁界で複合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から請求項８のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
10. 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複合磁石を磁化させ、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、前記複合磁石は、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から請求項９のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
11. 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から請求項１０のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
12. 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軸上に配置される永久磁石と、磁極の中央部に配置される永久磁石から構成されることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
13. 保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石の磁路中に磁気抵抗が大きくなる部分を設けることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
14. 回転子に設けられた保磁力と磁化方向厚の積が大の永久磁石に、その磁化方向と直交する方向に短絡コイルを設けることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
15. ｑ軸方向の磁気抵抗が磁石部を除くｑ軸方向の磁気抵抗よりも大きくすることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
16. ｑ軸方向のエアギャップ長はｄ軸方向のエアギャップ長よりも大きくすることを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
17. 磁極の永久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から請求項１６のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
18. 回転子を固定子に挿入して組み立てる時は、保磁力と磁化方向厚の積が小さな永久磁石を減磁するか、極性を反転させることにより永久磁石の鎖交磁束量を減少させた状態とすることを特徴とする請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。