JP5921244B2 - 永久磁石型回転電機 - Google Patents

Description

本実施形態は、永久磁石型回転電機に関する。

先進国や新興国を含めて、世界規模で二酸化炭素とエネルギー消費が増加している。これらを改善するためには、システムの省エネルギーが効果的である。電気自動車、電車、エレベータ、家電機器などでは、高効率を得るために永久磁石モータが適用されている。例えば、自動車では、低速・高トルクの状態から、高速・低トルクの状態まで、幅広い運転領域を必要とする。したがって、永久磁石モータは、中・高速域や軽負荷時では、効率が低下する。そこで、運転状況に応じて永久磁石の磁力を直接的に変化させる可変磁力メモリモータや界磁コイル方式、巻線切り替え方式等の可変磁力モータが注目されている。

可変磁力メモリモータは、回転子に磁力、磁化方向が変化しない固定磁力磁石と、磁力、磁化方向が可変の可変磁力磁石とを配置しで磁界を発生する。可変磁力磁石の磁力が大きく変化すると、磁石全体による電機子コイルの鎖交磁束量も変化する。回転子内の可変磁力磁石の磁力、磁化方向は、固定子の外周側に配置された磁化コイルに極短時間のパルス状の磁化電流を通電させることで発生する磁化コイルの磁界によって変化する。

特開２００８−２８９３００号公報

しかしながら、磁化コイルが固定子の外周側に配置されている場合、磁化コイルは、固定子鉄心に挟み込む必要がある。固定子は、磁化コイルの分、軸長が長くなる。結果として、永久磁石型回転電機は大型化し、組み立て性は複雑化する。

この発明は、大型化することなく、組み立て性のよい永久磁石型回転電機を提供することを目的とする。

実施形態によれば、永久磁石型回転電機は、固定子と、磁化コイルと、回転子と、ケースとを備える。前記固定子は、駆動用の磁気回路を形成する電機子コイルを有する。前記磁化コイルは、磁化用の磁気回路を形成する。前記回転子は、固定磁力磁石と、前記固定磁力磁石が配置された回転子鉄心と、可変磁力磁石を有する。前記固定磁力磁石は、前記可変磁力磁石よりも前記駆動用の磁気回路近傍に配置される。前記可変磁力磁石は、前記固定磁力磁石よりも前記磁化用の磁気回路近傍に配置される。前記ケースは、前記固定子及び前記回転子を収容する。

第１の実施形態に係る永久磁石型回転電機の縦断面図。 第１の実施形態に係る端板の構成を概略的に示す図。 第１の実施形態に係る回転子鉄心の径方向の断面図。 第１の実施形態に係る永久磁石型回転電機の制御システムのブロック図。 第１の実施形態に係る永久磁石型回転電機の制御システムのブロック図。 第１の実施形態に係る永久磁石型回転電機の制御システムのブロック図。 第１の実施形態に係る永久磁石型回転電機における磁束の様子を示す図。 第１の実施形態に係る永久磁石型回転電機における磁束の様子を示す図。 第１の実施形態に係る端板の他の構成を概略的に示す図。 第１の実施形態に係る端板の他の構成を概略的に示す図。 第１の実施形態に係る永久磁石型回転電機の変形例を示す縦断面図。 第２の実施形態に係る永久磁石型回転電機の縦断面図。 第３の実施形態に係る永久磁石型回転電機の縦断面図。

以下に、図面を参照しながら、種々の実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は、実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

図１は、第１の実施形態に係る永久磁石型回転電機１ａの軸方向の縦断面図である。永久磁石型回転電機１ａは、回転子２、固定子３、ケース４を備える。第１の実施形態では、軸方向と直交する方向を径方向という。

回転子２は、回転軸２０１、端板２０２、回転子鉄心２０３、バッキングプレート２０４、回転子鉄心２０５、端板２０６を備える。回転子２は、空隙（エアギャップ）を隔てて固定子３と対向する。端板２０２、回転子鉄心２０３、バッキングプレート２０４、回転子鉄心２０５、端板２０６は、回転軸２０１に嵌るように開口が形成されている。回転子２は、端板２０２、回転子鉄心２０３、バッキングプレート２０４、回転子鉄心２０５、端板３０６の順で回転軸２０１に嵌められて（設けられて）いる。つまり、回転子２は、端板２０２（後述する可変磁力磁石２０２２）及び端板２０６（後述する可変磁力磁石２０６２）を回転子鉄心２０３及び回転子鉄心２０５よりも軸方向の端部に有する。

回転軸２０１は、軸方向にわたって均一な外径で構成された円柱状である。回転軸２０１は、軸方向の中央に、周方向にわたって形成された凸部２０１ａを備える。凸部２０１ａは、回転軸２０１に対する回転鉄心２０３、２０５の位置決め及び回転子２の組み立て性に寄与するものである。回転子２の組み立てについては後述する。回転軸２０１は、例えば鉄で構成されている。回転軸２０１は、磁路の一部を構成する。

端板２０２は、回転子鉄心２０３の接面全面に対して押圧を発生させる程度の大きさで構成されている。端板２０２は、軸方向のサイズが例えば10mm程度である。端板２０２の構成については後述する。

回転子鉄心２０３は、鉄にケイ素を添加することによって製造された電磁鋼板を積層して構成される。電磁鋼板は、例えば厚み0.3mm程度の環状薄板である。回転子鉄心２０３は、円柱形状である。回転子鉄心２０３は、一端側が凸部２０１ａと接するように回転軸２０１に嵌められている。回転子鉄心２０３は、複数の固定磁力磁石２０３１を備える。第１の実施形態では、固定磁力磁石とは、永久磁石型回転電機１ａの運転時に磁力を変化させない永久磁石をいう。例えば、固定磁力磁石は、保持力の大きな希土類永久磁石（ＮｄＦｅＢ系磁石等）である。回転子鉄心２０３における固定磁力磁石２０３１の配置は、後述する。

バッキングプレート２０４は、軸方向の幅が凸部２０１ａの幅と略同じである。バッキングプレート２０４は、径方向に凸部２０１ａと対向する位置に配置されている。バッキングプレート２０４は、回転子鉄心２０３と回転子鉄心２０５によって、軸方向の両側から挟まれることで、回転軸２０１に固定されている。バッキングプレート２０４は、端板２０２による押圧により回転子鉄心２０３が変形すること、端板２０６による押圧により回転子鉄心２０５が変形することを防止する。さらに、バッキングプレート２０４は、非磁性部材（例えばアルミ）で構成され、回転子鉄心２０３と回転子鉄心２０５とを磁気的に遮断（分断）するスペーサとして機能する。つまり、バッキングプレート２０４は、回転子鉄心２０３と回転子鉄心２０５が接触するのを防止する。

回転子鉄心２０５は、回転子鉄心２０３と同様に構成されている。回転子鉄心２０５は、一端側が凸部２０１ａと接するように回転軸２０１に嵌められている。回転子鉄心２０５は、複数の固定磁力磁石２０５１を備える。回転子鉄心２０５における固定磁力磁石２０５１の配置は、後述する。

端板２０６は、回転子鉄心２０５の接面全面に対して押圧を発生させる程度の大きさで構成されている。端板２０６は、軸方向のサイズが例えば10mm程度である。

図２は、端板２０２及び端板２０６の構成の一例を概略的に示す図である。端板２０２は、フレーム２０２１及び複数の可変磁力磁石２０２２を備える。同様に、端板２０６は、フレーム２０６１及び複数の可変磁力磁石２０６２を備える。フレーム２０２１及びフレーム２０６１は、例えばアルミで構成されている。端板２０２は、環状のフレーム２０２１に複数の可変磁力磁石２０２２が周方向に配置されている。複数の可変磁力磁石２０２２は、所定の隙間をあけた等間隔でフレーム２０２１に配置されている。第１の実施形態では、可変磁力磁石とは、磁界によって磁化の状態（磁力の大きさ、方向）が変化させられる永久磁石をいう。例えば、可変磁力磁石は、保持力が固定磁力磁石よりも小さく１００〜５００ｋＡ／ｍ程度である。例えば、可変磁力磁石は、サマリウム・コバルト磁石である。可変磁力磁石２０２２は、磁化容易方向が軸方向と一致するようにフレーム２０２１に配置されている。端板２０６についても同様である。なお、フレーム２０２１及びフレーム２０６１は、可変磁力磁石２０２２及び可変磁力磁石２０６２の磁路を阻害しないように、軸方向に可変磁力磁石２０２２及び可変磁力磁石２０６２とは対向しない。これは、フレーム２０２１及びフレーム２０６１が可変磁力磁石２０２２及び可変磁力磁石２０６２の磁路を阻害することによる永久磁石型回転電機１ａの性能の低下を防止するためである。

次に、回転軸２０１に対する端板２０２、回転子鉄心２０３、バッキングプレート２０４、回転子鉄心２０５、端板３０６の固定について説明する。

端板２０２は、軸方向に回転子鉄心２０３をバッキングプレート２０４と挟むように回転軸２０１に配置されている。端板２０２は、回転子鉄心２０３と接する面と逆側の面をナット５０１によって止められている。ナット５０１は、端板２０２が回転子鉄心２０３をバッキングプレート２０４及び凸部２０１ａに対して押し付ける力を発生させるために用いられる。また、ナット５０１は、容易に端板２０２及び回転子鉄心２０３を回転軸２０１に固定できる。端板２０２は、ナット５０１の押圧により、回転子鉄心２０３をバッキングプレート２０４及び凸部２０１ａに押し付けることで、回転軸２０１に固定する。なお、ナット５０１の外径は、端板２０２に配置された可変磁力磁石２０２２と対向しない程度の大きさである。これは、ナット５０１が可変磁力磁石２０２２の磁路を阻害することによる永久磁石型回転電機１ａの性能の低下を防止するためである。

一方、端板２０６は、軸方向に回転子鉄心２０５をバッキングプレート２０４と挟むように回転軸２０１に配置されている。端板２０６は、回転子鉄心２０５と接する面と逆側の面をナット５０２によって止められている。ナット５０２は、端板２０６が回転子鉄心２０５をバッキングプレート２０４及び凸部２０１ａに対して押し付ける力を発生させるために用いられる。また、ナット５０２は、容易に端板２０６及び回転子鉄心２０５を回転軸２０１に固定できる。端板２０６は、ナット５０２の押圧により、回転子鉄心２０５をバッキングプレート２０４及び凸部２０１ａに押し付けることで、回転軸２０１に固定する。なお、ナット５０２の外径は、端板２０６に配置された可変磁力磁石２０６２と対向しない程度の大きさである。これは、ナット５０１が可変磁力磁石２０６２の磁路を阻害することによる永久磁石型回転電機１aの性能の低下を防止するためである。

固定子３は、固定子鉄心３０１、電機子コイル３０２を備える。固定子３は、回転子２と同軸（同心状）にケース４に取り付けられている。

固定子鉄心３０１は、鉄にケイ素を添加することによって製造された電磁鋼板を積層して構成される。固定子鉄心３０１は、軸方向の大きさが回転子鉄心２０３及び回転子鉄心２０４５と対向する大きさで構成されている。固定子鉄心２０３は、軸方向に延びた複数のスロットが内部に形成されている。

電機子コイル３０２は、固定子鉄心３０１の内部に形成されたスロットに、Ｕ相−Ｖ相−Ｗ相の順に埋め込まれている。電機子コイル３０２は、コイルエンドが固定子鉄心３０１の軸方向の両端面から張り出している。電機子コイル３０２は、駆動用の磁気回路を形成する。

ケース４は、軸方向の両端が閉じた形状である。ケース４は、回転子２、固定子３を内部に収容する。ケース４は、磁性体（例えば鉄）で構成されている。ケース４は、磁路の一部を構成する。ケース４は、ケース本体４０１、蓋体４０２、軸受４０３、軸受４０４を備える。

ケース本体４０１は、径方向を覆う円筒部４０１１及び軸方向の一方（図１の左側）を塞ぐ環状部４０１２を備える。ケース本体４０１は、軸方向の他方（図１の右側）が開いた形状である。ケース本体４０１の軸方向の他方は、後述する蓋体５０２によって塞がれる。ケース本体４０１は、環状部４０１２の中心部に開口が形成されている。ケース本体４０１は、この開口部分に軸受４０３が配置されている。軸受４０３は、回転軸２０１の一端端を回転自在に受ける。

円筒部４０１１は、端板２０２と回転子鉄心２０３の接触位置と径方向に対向する位置に段差部４０１１ａを備える。段差部４０１１ａは、周方向にわたって円筒部４０１１に形成されている。円筒部４０１１は、段差部４０１１ａから一端側（環状部４０１２側）までの内径が段差部４０１１ａから他端側（蓋体４０２側）までの内径よりも小さくなるように構成されている。固定子３は、軸方向に段差部４０１１ａと接するように嵌め込まれることで、径方向に回転子２と対向するようにケース本体４０１に取り付けられる。段差部４０１１ａは、ケース本体４０１に対して固定子３を位置決めする。なお、固定子３は、段差部４０１１ａから他端側（蓋体４０２側）までの内径と略同じ外径で構成されている。固定子３は、例えば、ネジ５０３でケース本体４０１に固定される。なお、固定子３は、ネジ５０３を使用することなく焼ばめでケース本体４０１に固定されてもよく、ケース本体４０１に対する固定手法は限定されない。

環状部４０１２は、周方向にわたって軸方向に凹んだ溝部４０１２ａが内面（端板２０２と対向する面）に形成されている。溝部４０１２ａは、環状部５０１２において、端板２０２と対向する位置に形成されている。

溝部４０１２ａには、環状の磁化コイル５０４が嵌め込まれて配置されている。磁化コイル５０４は、直流電圧で励磁されることにより、可変磁力磁石２０２２を磁化する磁界を発生させる機能を有する。つまり、磁化コイル５０４は、磁化用の磁気回路を形成する。

さらに、環状部４０１２には、回転軸２０１と同心状に巻かれた環状のラミネート鉄心５０５が配置されている。ラミネート鉄心５０５は、可変磁力磁石２０２２と軸方向に対向するように環状部４０１２に配置されている。ラミネート鉄心５０５は、可変磁力磁石２０２２と軸方向に対向する環状部４０１２において渦電流が流れるのを防止する機能を有する。ケース本体４０１は、磁化コイル５０４及びラミネート鉄心５０５が配置された状態で、樹脂で含浸されている。

蓋体４０２は、環状であり、中心部に開口が形成されている。蓋体４０２は、この開口部分に軸受４０４が配置されている。軸受４０４は、回転軸２０１の他端端を回転自在に受ける。蓋体４０２は、ケース本体４０１の軸方向の他方を塞ぐ（閉じる）ように、ケース本体４０１に接合されている。例えば、蓋体４０２は、ネジ止めによってケース本体４０１に接合されるが、接合手法は限定されない。蓋体４０２は、周方向にわたって軸方向に凹んだ溝部４０２ａが内面（端板２０６と対向する面）に形成されている。溝部４０２ａは、蓋体４０２において、端板２０６と対向する位置に形成されている。

溝部４０２ａには、環状の磁化コイル５０６が嵌め込まれて配置されている。磁化コイル５０６は、直流電圧で励磁されることにより、可変磁力磁石２０６２を磁化する磁界を発生させる機能を有する。つまり、磁化コイル５０６は、磁化用の磁気回路を形成する。

さらに、蓋体４０２には、回転軸２０１と同心状に巻かれた環状のラミネート鉄心５０７が配置されている。ラミネート鉄心５０７は、可変磁力磁石２０６２と軸方向に対向するように蓋体４０２に配置されている。ラミネート鉄心５０７は、ラミネート鉄心５０５と同様に、可変磁力磁石２０６２と軸方向に対向する蓋体４０２において渦電流が流れるのを防止する機能を有する。蓋体４０２は、磁化コイル５０６及びラミネート鉄心５０７が配置された状態で、樹脂で含浸されている。

図３は、第１の実施形態に係る回転子鉄心２０３及び回転子鉄心２０５の径方向の断面図である。図３は、回転軸２０１に取り付けられた回転子鉄心２０３及び回転子鉄心２０５の相対的な位置関係を示している。回転子鉄心２０３は、周方向にわたって凹部２０３ａ及び凸部２０３ｂが交互に等間隔で形成されている。回転子鉄心２０３は、一例として、４つの凹部２０３ａ及び４つの凸部２０３ｂが形成されている。つまり、凹部２０３ａ同士、凸部２０３ｂ同士は、９０度間隔である。各凹部２０３ａは、固定磁力磁石２０３１が埋め込まれている（配置されている）。固定磁力磁石２０３１は、エアギャップ面が全てＮ極である。

回転子鉄心２０５は、周方方向にわたって凹部２０５ａと凸部２０５ｂが交互に等間隔で形成されている。回転子鉄心２０５は、一例として、４つの凹部２０５ａと４つの凸部２０５ｂが形成されている。つまり、凹部２０５ａ同士、凸部２０５ｂ同士は、９０度間隔である。各凹部２０５ａは、固定磁力磁石２０５１が埋め込まれている（配置されている）。固定磁力磁石２０５１は、エアギャップ面が全てＳ極である。回転子鉄心２０５の凸部２０５ｂは、回転子鉄心２０３の固定磁力磁石２０３１と軸方向に対向する。言い換えると、回転子鉄心２０５の固定磁力磁石２０５１は、回転子鉄心２０３の凸部２０３ｂと軸方向に対向する。つまり、回転子鉄心２０３と回転子鉄心２０５は、周方向に１極分（４５度）だけずらされた状態で回転軸２０１に配置されている。

以上より、回転子２は、固定磁力磁石２０３１、２０５１と、可変磁力磁石２０２２、２０６２を有する。そして、固定磁力磁石２０３１、２０５１は、可変磁力磁石２０２２、２０６２よりも電機子コイル３０２が形成する駆動用の磁気回路近傍に配置されている。一例として、固定磁力磁石２０３１、２０５１は、径方向において、可変磁力磁石２０２２、２０６２よりも電機子コイル３０２に近い。可変磁力磁石２０２２、２０６２は、固定磁力磁石２０３１、２０５１よりも磁化コイル５０４、５０６が形成する磁化用の磁気回路近傍に配置されている。一例として、可変磁力磁石２０２２、２０６２は、軸方向において、固定磁力磁石２０３１、２０５１よりも磁化コイル５０４、５０６に近い。なお、磁化コイルは、１つのみ永久磁石型回転電機１ａに配置されていてもよい。

次に、第１の実施形態に係る永久磁石型回転電機１ａの組み立て手順について説明する。なお、組み立て手順は、一例であり、本明細書に記載の変形例に応じて任意に変更可能である。はじめに、磁化コイル５０４及びラミネート鉄心５０５をケース本体４０１に嵌め込み、ケース本体４０１を樹脂で含浸する。同様に、磁化コイル５０６及びラミネート鉄心５０７を蓋体４０２に嵌め込み、蓋体４０２を樹脂で含浸する。次に、固定子３をケース本体４０１に嵌め込み、固定子３をネジ５０３でケース本体４０１に固定する。

次に、以下に示すように回転子２を構成する。はじめに、バッキングプレート２０４を回転軸２０１に挿入し、軸方向の両側から回転子鉄心２０３及び回転子鉄心２０５を回転軸２０１に挿入する。なお、回転子鉄心２０３及び回転子鉄心２０５は、図３で示したような相対的な位置関係で回転軸２０１に挿入される。次に、端板１０２及び端板２０６を軸方向の両側から回転軸２０１に挿入する。次に、ナット５０１を締め付けることにより、端板２０２を介して回転子鉄心２０３を回転軸２０１に固定する。同様に、ナット５０２を締め付けることにより、端板を２０６介して固定子鉄心２０５を回転軸２０１に固定する。

次に、回転軸２０１の一端側を軸受４０３に挿入する。次に、軸受４０４に回転軸２０１の他端側を挿入しつつ、蓋体４０２をケース本体４０１に接合する。

次に、第１の実施形態に係る永久磁石型回転電機１ａの制御系について説明する。図４Ａは、第１の実施形態に係る永久磁石型回転電機１ａの制御システムを示すブロック図である。図４Ａに示す制御システムは、バッテリー６００、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０１、インバータ６０２、スイッチング回路６０３を備える。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６０１は、バッテリー６００の直流電圧を所定の直流電圧に変換する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０１は、昇圧回路として機能する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０１は、インバータ６０２と接続されている。

インバータ６０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０１で変換された直流電圧が供給される。インバータ６０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０１からの直流電圧に基づく直流電力を３相の交流電力に変換する。インバータ６０２は、電機子コイル３０２と接続されている。インバータ６０２は、電機子コイル３０２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに３相の交流電力を供給する。

スイッチング回路６０３は、一端側がＤＣ／ＤＣコンバータ６０１の出力側（言い換えると、インバータ６０２の直流電源側）に接続されている。つまり、スイッチング回路６０３は、インバータ６０２に供給されるためのＤＣ／ＤＣコンバータ６０１で変換された直流電圧が供給される。スイッチング回路６０３は、他端側が磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６と接続されている。スイッチング回路６０３は、磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６にパルス状の直流電圧を供給し、磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６を励磁する。スイッチング回路６０３は、可変磁力磁石２０２２及び可変磁力磁石２０６２の磁化の状態を変化させる場合に一時的に磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６を励磁するように制御する。なお、磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６を励磁するための直流電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０１で昇圧される。

図４Ｂは、第１の実施形態に係る永久磁石型回転電機１ａの制御システムの変形例である。図４Ｂに示す制御システムは、バッテリー６００、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０１、インバータ６０２、スイッチング回路６０３を備える。スイッチング回路６０３は、図４Ａに示す例とは異なり、一端側がバッテリー６００に接続され、他端側が磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６と接続されている。

図４Ａまたは図４Ｂに示す制御システムは、磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６の励磁に複雑な構成を要しないため、駆動用制御と励磁用制御の両方をＤＣ／ＤＣコンバータ６０１で重畳してまかなえる。したがって、制御システムは、永久磁石型回転電機１ａを駆動するためのＤＣ／ＤＣコンバータ６０１、インバータ６０２にスイッチング回路６０３を加えるだけで、簡易に構成できる。

図４Ｃは、第１の実施形態に係る永久磁石型回転電機１ａの制御システムの他の変形例である。図４Ｃに示す制御システムは、バッテリー６００、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０１、インバータ６０２、スイッチング回路６０３に加えて、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０４を備える。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６０４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０１と同様に、バッテリー６００の直流電圧を所定の直流電圧に変換する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０４は、昇圧回路として機能する。スイッチング回路６０３は、一端側がＤＣ／ＤＣコンバータ６０４の出力側に接続されている。スイッチング回路６０３は、他端側が磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６と接続されている。

図４Ｃに示す制御システムは、図４Ａまたは図４Ｂに示す制御システムよりもＤＣ／ＤＣコンバータ６０４だけ構成が多い。しかしながら、図４Ａまたは図４Ｂに示す制御システムは、駆動用制御と励磁用制御の両方をＤＣ／ＤＣコンバータ６０１で重畳してまかなっているため、永久磁石型回転電機１ａの回転能力を最大限に活かせない可能性がある。さらに、図４Ａまたは図４Ｂに示す制御システムは、駆動用制御と励磁用制御の重畳制御による発熱を防止するため、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０１を大型化する必要がある。これに対して、図４Ｃに示す制御システムでは、励磁用のＤＣ／ＤＣコンバータ６０４は、駆動用のＤＣ／ＤＣコンバータ６０１と別個の構成であり、磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６の励磁に複雑な構成を要しない。そのため、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０４は、発熱対策をするために大型化する必要がない。したがって、図４Ｃに示す制御システムは、構成部材の数が増えたとしても、全体として小型化できる。さらに、駆動用のＤＣ／ＤＣコンバータ６０１は、励磁用のＤＣ／ＤＣコンバータ６０４と別個の構成であるため、図４Ｃに示す制御システムは、永久磁石型回転電機１ａの回転能力を最大限に活かせる。

次に、第１の実施形態に係る永久磁石型回転電機１ａの作用について説明する。図５及び図６は、第１の実施形態に係る永久磁石型回転電機１ａの軸方向の縦断面図である。はじめに、電機子コイル３０２の鎖交磁束の増磁について説明する。
図５は、電機子コイル３０２の鎖交磁束を最大化する場合（増磁状態）の磁化コイル５０４及び可変磁力磁石２０２２による磁束の様子（破線矢印）、磁化コイル５０６及び可変磁力磁石２０６２による磁束の様子（一点鎖線矢印）を示す。磁化コイル５０４は、可変磁力磁石２０２２が回転子鉄心２０３をＳ極に磁化する磁束（磁界）を発生させるように、可変磁力磁石２０２２を磁化する磁束（磁界）を一時的に破線矢印方向に発生させる。可変磁力磁石２０２２は、磁化コイル５０４による磁束（磁界）で磁化し、破線矢印方向に磁束（磁界）を発生させる。したがって、回転子鉄心２０３のエアギャップ面は、周方向にわたって凸部２０３ｂの極性（Ｓ極）と固定磁力磁石２０３１の極性（Ｎ極）が交互に形成される。

一方、磁化コイル５０６は、可変磁力磁石２０６２が回転子鉄心２０５をＮ極に磁化する磁束（磁界）を発生させるように、可変磁力磁石２０６２を磁化する磁束（磁界）を一時的に一点鎖線矢印方向に発生させる。可変磁力磁石２０６２は、磁化コイル５０６による磁束（磁界）で磁化し、一点鎖線矢印方向に磁束（磁界）を発生させる。したがって、回転子鉄心２０５のエアギャップ面は、周方向にわたって凸部２０５ｂの極性（Ｓ極）と固定磁力磁石２０５１の極性（Ｎ極）が交互に形成される。つまり、回転子鉄心２０３と回転子鉄心２０５の軸方向に対向する極性は、周方向にわたって同じである。

電機子コイル３０２の鎖交磁束は、回転子鉄心２０３からの磁束と回転子鉄心２０５からの磁束の方向が同じであるため増磁状態となり、永久磁石型回転電機１ａのトルクは、大きくなる。さらに、例えば、永久磁石型回転電機１ａの低速域では、スイッチング回路６０３は、磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６による磁束が電機子コイル３０２の鎖交磁束を増磁させるように磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６に連続的に電流を流すことによって、短時間にトルクを増大させるように磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６を励磁させてもよい。そうすると、永久磁石型回転電機１ａのトルクは、鉄道や電機自動車等の交通システムにおいて、最大負荷時の発進時、急勾配坂道発進時、障害物乗り越え時などの極短時間に最大トルクが必要な場合、可変磁力磁石２０２２及び可変磁力磁石２０６２による鎖交磁束が最大になる方向に磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６に最大許容電流を流した時に、仕様の最大トルクとなる。

次に、電機子コイル３０２の鎖交磁束の減磁について説明する。
図６は、電機子コイル３０２の鎖交磁束を最小化する場合（減磁状態）の磁化コイル５０４及び可変磁力磁石２０２２による磁束（磁界）の様子（破線矢印）、磁化コイル５０６及び可変磁力磁石２０６２による磁束（磁界）の様子（一点鎖線矢印）を示す。磁化コイル５０４は、可変磁力磁石２０２２が回転子鉄心２０３をＮ極に磁化する磁束（磁界）を発生させるように、可変磁力磁石２０２２を磁化する磁束（磁界）を一時的に破線矢印方向に発生させる。可変磁力磁石２０２２は、磁化コイル５０４による磁束（磁界）で磁化し、破線矢印方向に磁束（磁界）を発生させる。したがって、回転子鉄心２０３のエアギャップ面は、周方向にわたって凸部２０３ｂの極性（Ｎ極）と固定磁力磁石２０３１の極性（Ｎ極）が同極性に形成される。

一方、磁化コイル５０６は、可変磁力磁石２０６２が回転子鉄心２０５をＳ極に磁化する磁束（磁界）を発生させるように、可変磁力磁石２０６２を磁化する磁束（磁界）を一時的に一点鎖線矢印方向に発生させる。可変磁力磁石２０６２は、磁化コイル５０６による磁束（磁界）で磁化し、一点鎖線矢印方向に磁束（磁界）を発生させる。したがって、回転子鉄心２０５のエアギャップ面は、周方向にわたって凸部２０５ｂの極性（Ｓ極）と固定磁力磁石２０５１の極性（Ｓ極）が同極性に形成される。つまり、回転子鉄心２０３と回転子鉄心２０５の軸方向に対向する極性は、周方向にわたって異なる。そのため、永久磁石型回転電機１ａは、トルクが発生しない。言い換えると、電機子コイル３０２の鎖交磁束は、回転子鉄心２０３からの磁束と回転子鉄心２０５からの磁束が互いに打ち消し合うため減磁状態となる。

電機子コイル３０２に発生する鎖交磁束による誘起電圧は最小となり、永久磁石型回転電機１ａの回転数を高めてもインバータ６０２の許容電圧以下となる。そのため、永久磁石型回転電機１ａは、回転数を高めることができる。さらに、例えば、永久磁石型回転電機１ａの高速域では、スイッチング回路６０３は、磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６による磁束が電機子コイル３０２の鎖交磁束を減磁させるように磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６を励磁させてもよい。例えば、永久磁石型回転電機１ａは、鉄道や電機自動車等の交通システムにおいて、最高回転数で運転時に車輪やタイヤが空転した瞬間の場合、可変磁力磁石２０２２及び可変磁力磁石２０６２による鎖交磁束が減少する方向であって、永久磁石型回転電機１ａとインバータ６０２の許容過電圧以下になるように磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６に電流を流す。したがって、永久磁石型回転電機１ａは、回転数をさらに高めることができる。

次に、第１の実施形態の変形例について説明する。回転軸２０１は、凸部２０１ａが形成されていなくてもよい。これは、回転軸２０１に凸部２０１ａが形成されていなくても、バッキングプレオート２０４が端板２０２による押圧により回転子鉄心２０３が変形すること、端板２０６による押圧により回転子鉄心２０５が変形することを防ぎ、回転子鉄心２０３と回転子鉄心２０５が互いに接触することも防止できるためである。

また、ケース本体４０１における磁化コイル５０４の位置は、軸方向に端板２０３と対向する位置に限定されない。磁化コイル５０４は、発生させる磁束（磁界）が可変磁力磁石２０２２を通るように、ケース本体４０１に配置されていればよい。同様に、蓋体４０２における磁化コイル５０６の位置は、軸方向に端板２０６と対向する位置に限定されない。磁化コイル５０６は、発生させる磁束（磁界）が可変磁力磁石２０６２を通るように、蓋体４０２に配置されていればよい。

また、端板２０２及び端板２０６は、図２で示した例以外にも図７、図８で示すような構成であってもよい。図７に示す例では、端板２０２は、複数の可変磁力磁石２０２２が周方向にほとんど隙間なくフレーム２０２１に配置されている。端板２０６についても同様である。図８に示す例では、端板２０２は、周方向に分割されていない円環状の１つの可変磁力磁石２０２２がフレーム２０２１に配置されている。端板２０６についても同様である。端板２０２及び端板２０６が図７または図８に示すように構成されている場合、ラミネート鉄心５０５及びラミネート鉄心５０７は、ケース４に配置されていなくてもよい。これは、図７または図８に示すように構成された可変磁力磁石２０２２または可変磁力磁石２０６２と対向したケース４の部分では、回転子２が回転しても、通過する磁束の量が変化しないので、ケース４では、渦電流がほとんど流れないためである。

また、回転子鉄心２０３及び回転子鉄心２０５は、図９に示すように、固定磁力磁石２０３１及び固定磁力磁石２０５１が軸方向に対向するように、回転軸２０１に配置されていてもよい。なお、固定磁力磁石２０３１のエアギャップ面の極性は、固定磁力磁石２０５１のエアギャップ面の極性と同極性（Ｓ極であってもＮ極であってもよい）である。

図９に示すような回転子２を備える永久磁石型回転電機１ａにおける、電機子コイル３０２の差交磁束の増磁について説明する。磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６は、回転子鉄心２０３の凸部２０３ｂの極性及び回転子鉄心２０５の凸部２０５ｂの極性が同極性となるように、可変磁力磁石２０２２及び可変磁力磁石２０６２をそれぞれ磁化する磁束（磁界）を一時的に発生させる。回転子鉄心２０３及び回転子鉄心２０５の対向する極性は、周方向にわたって同じである。電機子コイル３０２の鎖交磁束は、回転子鉄心２０３からの磁束と回転子鉄心２０５からの磁束の方向が同じであるため増磁状態となる。

次に、図９に示すような回転子２を備える永久磁石型回転電機１ａにおける、電機子コイル３０２の鎖交磁束の減磁について説明する。磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６は、回転子鉄心２０３の凸部２０３ｂの極性及び回転子鉄心２０５の凸部２０５ｂの極性が逆極性となるように、可変磁力磁石２０２２及び可変磁力磁石２０６２をそれぞれ磁化する磁束（磁界）を一時的に発生させる。電機子コイル３０２の鎖交磁束は、回転子鉄心２０３の凸部２０３ｂからの磁束と回転子鉄心２０５の凸部２０５ｂからの磁束が互いに打ち消し合うため、減磁状態となる。

第１の実施形態によれば、永久磁石型回転電機１ａは、運転状況に応じて可変磁力磁石２０２２及び可変磁力磁石２０６２の磁力を直接的に変化させることで、低速・高トルクの状態から、高速・低トルクの状態まで、幅広い運転領域で動作可能となる。さらに、第１の実施形態によれば、永久磁石型回転電機１ａは、上記構成により、大型化することなく、組み立て性がよくなる。

次に、第２の実施形態について説明する。図１０は、第２の実施形態に係る永久磁石型回転電機１ｂの軸方向の縦断面図である。第２の実施形態では、回転軸２０１は、軸方向の中央よりも環状部４０１２側に、周方向にわたって形成された凸部２０１ｂを備える。凸部２０１ｂは、端板２０２と接する。端板２０６は、第１の実施形態と同様に、ナット５０２によって止められている。つまり、第２の実施形態では、端板２０２、回転子鉄心２０３、バッキングプレート２０４、回転子鉄心２０５、端板２０６は、軸方向の一端側から凸部２０１ｂで、他端側からナット６０２で挟むことで回転軸２０１に固定されている。凸部２０１ｂは、端板２０２に配置された可変磁力磁石２０２２と対向しない程度の大きさである。これは、凸部２０１ｂが可変磁力磁石２０２２の磁路を阻害することによる永久磁石型回転電機１ａの性能の低下を防止するためである。第２の実施形態は、凸部２０１ｂが第１の実施形態で説明したナット５０１と同様の機能を奏するので、第１の実施形態に比べて部品点数が減少し、凸部２０１ｂ側の固定強度が増す。

次に、第２の実施形態に係る永久磁石型回転電機１ｂの組み立てに手順ついて説明する。なお、以下に示す組み立て手順は、一例であり、本明細書に記載の変形例に応じて任意に変更可能である。はじめに、磁化コイル５０４及びラミネート鉄心５０５をケース本体４０１に嵌め込み、ケース本体４０１を樹脂で含浸する。同様に、磁化コイル５０６及びラミネート鉄心５０７を蓋体４０２に嵌め込み、蓋体４０２を樹脂で含浸する。

次に、固定子３をケース本体４０１に嵌め込み、固定子３をネジ５０３でケース本体４０１に固定する。次に、端板２０２、回転子鉄心２０３、バッキングプレート２０４、回転子鉄心２０５、端板２０６の順で回転軸２０１に挿入する。次に、ナット５０４を締め付けることにより、端板２０２、回転子鉄心２０３、バッキングプレート２０４、回転子鉄心２０５、端板２０６を回転軸２０１に固定する。次に、回転軸２０１の一端側を軸受４０３に挿入する。次に、軸受４０４に回転軸２０１の他端側を挿入しつつ、蓋体４０２をケース本体４０１に接合する。

第２の実施形態によれば、永久磁石型回転電機１ｂは、第１の実施形態に係る永久磁石型回転電機１ａと同様に動作し、さらに、大型化することなく、組み立て性がよくなる。

次に、第３の実施形態について説明する。図１１は、第３の実施形態に係る永久磁石型回転電機１ｃの軸方向の縦断面図である。第３の実施形態では、第１の実施形態と異なり、磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６は、ケース４にではなく、固定子３に配置されている。さらに、第３の実施形態では、バッキングプレート３０３が回転子３に設けられていない。

磁化コイル５０４は、固定子鉄心３０１において、端板２０２（言い換えると可変磁力磁石２０２２）と径方向に対向する位置に配置されている。同様に、磁化コイル５０６は、固定子鉄心３０１において、端板２０６（言い換えると可変磁力磁石２０６２）と径方向に対向する位置に配置されている。なお、磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６の固定子鉄心３０１における位置は、これに限定されない。磁化コイル５０４は、発生させる磁束（磁界）が可変磁力磁石２０２２を通るように、固定子鉄心３０１に配置されていればよい。例えば、磁化コイル５０４は、固定鉄心３０１において、回転子鉄心２０３と径方向に対向する位置に配置されていてもよい。磁化コイル５０６も同様に、固定鉄心３０１において、回転子鉄心２０５と径方向に対向する位置に配置されていてもよい。なお、磁化コイル５０４が電機子コイル３０２と近接して固定子鉄心３０１に配置されている場合、磁化コイル５０４と電機子コイル３０２の間には、紙などの絶縁材が配置されていてもよい。これは、磁化コイル５０４と電機子コイル３０２が直接接することによる永久磁石型回転電機１ｃの性能の低下を防止するためである。同様に、磁化コイル５０６と電機子コイル３０２の間にも絶縁材が配置されていてもよい。

第３の実施形態では、第１の実施形態と異なり、以下の理由により、回転子３にバッキングプレート２０４が設けられていない。第３の実施形態でも、第１の実施形態と同様に、回転軸２に凸部２０１ａが設けられている。回転軸２０１の凸部２０１ａは、バッキングプレート２０４と同様に、端板２０２による押圧により回転子鉄心２０３が変形すること、端板２０６による押圧により回転子鉄心２０５が変形することを防止できる。さらに、回転軸２０１の凸部２０１ａは、バッキングプレート２０４と同様に、回転子鉄心２０３と回転子鉄心２０５の間に隙間を形成するため、互いに接触することを防止できる。

次に、第３の実施形態に係る永久磁石型回転電機１ｃの組み立て手順について説明する。なお、以下に示す組み立て手順は、一例であり、本明細書に記載の変形例に応じて任意に変更可能である。はじめに、ラミネート鉄心５０５をケース本体４０１に嵌め込み、ケース本体４０１を樹脂で含浸する。同様に、ラミネート鉄心５０７を蓋体４０２に嵌め込み、蓋体４０２を樹脂で含浸する。

次に、固定子鉄心３０１に磁化コイル５０４及び磁化コイル５０６を配置し、固定子鉄心３０１を樹脂で含浸する。次に、固定子３をケース本体４０１に嵌め込み、固定子３をネジ５０３でケース本体４０１に固定する。次に、バッキングプレート２０４は回転軸２０１に挿入しないが、第１の実施形態と同様に回転子２０１を構成する。次に、回転子２が固定された回転軸２０１の一端側を軸受４０３に挿入する。次に、軸受４０４に回転軸２０１の他端側を挿入しつつ、蓋体４０２をケース本体４０１に接合する。

第３の実施形態によれば、永久磁石型回転電機１ｃは、第１の実施形態に係る永久磁石型回転電機１ａと同様に動作し、さらに、大型化することなく、組み立て性がよくなる。

上記第１の実施形態から第３の実施形態は、適宜組み合わせてもよい。本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ａ…永久磁石型回転電機、１ｂ…永久磁石型回転電機、１ｃ…永久磁石型回転電機、２…回転子、３…固定子、４…ケース、２０１…回転軸、２０１ａ…凸部、２０１ｂ…凸部、２０２…端板、２０３…回転子鉄心、２０３ａ…凹部、２０３ｂ…凸部、２０４…バッキングプレート、２０５…回転子鉄心、２０５ａ…凹部、２０５ｂ…凸部、２０６…端板、３０１…固定子鉄心、３０２…電機子コイル、４０１…ケース本体、４０２…蓋体、４０２ａ…溝部、４０３…軸受、４０４…軸受、５０１…ナット、５０２…ナット、５０３…ネジ、５０４…磁化コイル、５０５…ラミネート鉄心、５０６…磁化コイル、５０７…ラミネート鉄心、６００…バッテリー、６０１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、６０２…インバータ、６０３…スイッチング回路、６０４…ＤＣ／ＤＣコンバータ、２０２１…フレーム、２０２２…可変磁力磁石、２０３１…固定磁力磁石、２０５１…固定磁力磁石、２０６１…フレーム、２０６２…可変磁力磁石、４０１１…円筒部、４０１１ａ…段差部、４０１２…環状部、４０１２ａ…溝部。

Claims (3)

1. 回転子鉄心と、前記回転子鉄心の回転軸方向における端面に配置された可変磁力磁石と、前記回転子鉄心の外周面において周方向にわたって配置された固定磁力磁石とを有する回転子と、
   固定子鉄心と、前記固定子鉄心に設けられ、前記固定磁力磁石の磁束と作用して前記回転子を回転駆動させる磁気回路を形成する電機子コイルとを有する固定子と、
   前記固定子鉄心の外周面が内面に接するように前記固定子を収容し、前記回転子鉄心の外周面が前記固定子鉄心の内周面と対向するように前記回転子を収容し、前記回転子鉄心の前記回転軸方向における前記回転子の両端を覆う、磁性体のケースと、
   前記ケースに収容され、前記回転子鉄心の前記回転軸方向における前記端面と対向する前記ケースの面に配置され、前記可変磁力磁石、前記回転子鉄心、前記固定磁力磁石、前記固定子鉄心及び前記ケースで構成される磁気回路に磁束を発生させる磁化用の磁化コイルと、
   を備える永久磁石型回転電機において、
   前記固定磁力磁石は、前記可変磁力磁石よりも前記固定子に近い位置に配置され、
   前記可変磁力磁石は、前記回転軸方向において前記固定磁力磁石よりも前記ケースの近くに配置される、
   永久磁石型回転電機。
2. 前記可変磁力磁石と対向するように前記ケースに配置されたラミネート鉄心を備える、請求項１記載の永久磁石型回転電機。
3. 前記磁化コイルに連続的に電流を流すことによって、短時間にトルクを増大させる、請求項１記載の永久磁石型回転電機。

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