(57)【要約】【課題】高回転領域にてステータコイルに生じる誘起電圧が過剰となることを有効に抑制しながら、低回転領域から高回転領域に亘る広範囲の動作領域において高効率の運転を可能にする。【解決手段】ロータ２の永久磁石４端部に高透磁率の磁性材料よりなるコイル５を配置し、このコイル５に対して通電する電流の向き及び大きさを制御して洩れ磁束の磁気回路の磁気抵抗を変化させることで、主磁束量を制御する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を備えたロータと、
前記ロータと空隙を介して対向するように配置されたステータと、
前記ステータのスロットに巻かれたステータコイルと、
前記ステータコイルに鎖交する主磁束とは異なる漏れ磁束の磁気回路に設けられた磁性体よりなる通電部材とを備え、
前記通電部材への通電により前記漏れ磁束の磁気回路の磁気抵抗を変化させて前記主磁束量を制御することを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項２】
前記通電部材は、前記主磁束が流れる主磁気回路を構成する磁性体よりも透磁率の高い磁性体よりな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。
【請求項３】
前記漏れ磁束は前記永久磁石の短絡磁束であり、
前記通電部材は、前記永久磁石の端部に配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項４】
前記永久磁石の短絡磁束が流れる磁気回路の磁気抵抗をＲｍｃ＿ｌｅａｋ、前記主磁束が流れる主磁気回路の磁気抵抗をＲｍｃとしたときに、前記通電部材に通電していない状態で、Ｒｍｃ＿ｌｅａｋ≦Ｒｍｃの関係を満足する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。
【請求項５】
前記永久磁石の端部の周辺に、前記主磁気回路を構成する磁性体よりも飽和磁束密度の低い磁性体を配設して、Ｒｍｃ＿ｌｅａｋ≦Ｒｍｃの関係を満足させ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。
【請求項６】
前記永久磁石の端部の周辺に、前記永久磁石の短絡磁束が流れる磁気回路を構成する磁性体の体積を減少させる開口部を設けて、Ｒｍｃ＿ｌｅａｋ≦Ｒｍｃの関係を満足させ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。
【請求項７】
前記通電部材は、前記永久磁石を取り囲むように当該永久磁石の磁化方向に対して直交する面に巻かれたコイルであることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項８】
前記永久磁石は、同極を形成する２つの磁石がＶ字型に配置されたＶ字配置の永久磁石であり、
前記通電部材は、Ｖ字型に配置された２つの磁石のＶ字底部となる端部間に巻かれたコイルであることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項に記載の永久磁石式回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータに永久磁石を備える永久磁石式回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロータに永久磁石を備える永久磁石式回転電機では、高回転領域においてステータコイルに生じる誘起電圧が過剰となって電圧制限値を超えることを防止するために、ステータコイルに負のｄ軸電流を流して電機子反作用による減磁作用を発生させ、等価的な弱め磁界効果を得られるようにする、いわゆる弱め磁束制御が一般的に行われている。しかしながら、一般的な弱め磁束制御では、電機子反作用によって永久磁石自体に反磁界が直接加わることで永久磁石の減磁を招いて性能低下に繋がるといった問題や、減磁を避けるためには永久磁石としてレアメタルを多量に使用する高保磁力タイプのものを用いる必要がありコスト高になるといった問題、広い駆動範囲を実現できずに性能限界まで使用することができないといった問題などが指摘されており、従来、このような問題を回避するための改良技術が種々検討されている。例えば、下記特許文献１には、ステータスロットに高抵抗、高透磁率、高飽和磁束密度となる圧粉磁心により形成した磁性楔を取り付けた構造とすることで、高回転ほど磁性楔に磁束を多く通過させて短絡させ、ステータコイルに鎖交する主磁束を低減させる技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１７２７４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載されている従来の技術は、圧粉磁心により形成した磁性楔に磁束を通過させて短絡させることにより主磁束を低減させる構成であるため、高回転領域だけでなく低回転領域においても磁束の短絡が生じやすく、低回転領域での性能が低下するといった問題があった。
【０００５】
本発明は、以上のような従来技術の問題に鑑みて創案されたものであって、高回転領域にてステータコイルに生じる誘起電圧が過剰となることを有効に抑制しながら、低回転領域から高回転領域に亘る広範囲の動作領域において高効率の運転を可能とする永久磁石式回転電機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る永久磁石式回転電機は、主磁束とは異なる漏れ磁束の磁気回路に磁性体よりなる通電部材を設け、この通電部材に電流を通電することによって漏れ磁束の磁気回路の磁気抵抗を変化させて主磁束量を制御する構成とすることで、上述した課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る永久磁石式回転電機によれば、漏れ磁束の磁気回路に設けた通電部材への通電電流を制御することでステータコイルに鎖交する主磁束量を減少または増加させることができるので、高回転領域にてステータコイルに生じる誘起電圧が過剰となることを有効に抑制しながら、低回転領域から高回転領域に亘る広範囲の動作領域において高効率の運転を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の基本原理を説明するための簡易磁気回路モデルを示す図である。
【図２】コイルへの通電電流の向き及び大きさと主磁束量との関係を示すグラフ図である。
【図３】コイルへの通電電流の向き及び大きさと主磁束量との関係をＦＥＭ解析により検証した結果を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る永久磁石式回転電機の断面図である。
【図５】ロータの永久磁石端部の周辺に飽和磁束密度の低い磁性体を配設した構造を示すロータの部分展開図である。
【図６】ロータの永久磁石端部の周辺にコア材の体積を減少させる開口部を設けた構造を示すモータの部分展開図である。
【図７】第２の実施形態に係る永久磁石式回転電機の一部を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１０】
［原理説明］
まず、本発明の原理について説明する。本発明の適用対象となる永久磁石式回転電機は、高回転になるほどステータコイルに生じる誘起電圧が大きくなるので、端子電圧が電圧制限値を超えないようにするために、高回転領域ではステータコイルに鎖交する主磁束量を低減させる必要がある。その一方で、低回転で動作させる場合には、できるだけ主磁束量を多くすることが運転効率の向上に繋がるため、低回転領域では主磁束量を増加させることが求められる。本発明は、以上のような永久磁石式回転電機に求められる動作領域ごとの性能を、漏れ磁束の磁気回路における磁気抵抗を変化させて主磁束量を制御することによって実現することを基本とする。すなわち、漏れ磁束の磁気回路に磁性体よりなる通電部材を設け、この通電部材への通電を制御することにより、高回転時には漏れ磁束の磁気回路における磁気抵抗を小さくして漏れ磁束を増加させ、ステータコイルに鎖交する主磁束量を低減させる。一方、低回転時には漏れ磁束の磁気回路における磁気抵抗を大きくして漏れ磁束を減少させ、主磁束量を確保できるようにする。以下、このような基本原理を簡易な磁気回路モデルを用いて説明する。
【００１１】
図１は、Ｃ型形状のコア１００に永久磁石１０１を埋め込んで、その永久磁石１０１の左右両端に高透磁率の磁性材料よりなるコイル１０２を配置した構成の簡易磁気回路モデルを示す図である。この図１に示す簡易磁気回路モデルでは、永久磁石１０１が図中上向きの磁界を発生しており、Ｃ型形状のコア１００を流れてギャップＧを通過する磁束が主磁束、永久磁石１０１の端部で短絡する磁束が漏れ磁束である。
【００１２】
このような簡易磁気回路モデルにおいて、永久磁石１０１の左右両端に配置したコイル１０２に図１（ａ）に示す向きで電流を通電したとする。このとき、漏れ磁束の磁気回路となる永久磁石１０１左右の領域では、永久磁石１０１の短絡磁束とコイル１０２への通電により生じる磁束の向きが互いに逆向きとなって打ち消し合うため、通過している磁束が極めて少なく磁気抵抗が低い状態となっている。したがって、結果として磁束は少ない（飽和していない）状態であるが永久磁石１０１の短絡磁束が多く流れており、相対的に主磁束φ１が低減される。これを表したのが下記の式（１）である。  
【数１】
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【００１３】
なお、Ｒｍｃは主磁気回路を構成するコア１００の磁気抵抗［Ｗｂ／Ａ］、Ｒｍｃ＿ｌｅａｋは漏れ磁束の磁気回路における磁気抵抗［Ｗｂ／Ａ］、Ｒｍｍは永久磁石１０１の磁気抵抗［Ｗｂ／Ａ］、ｔは永久磁石１０１の厚さ［ｍ］、Ｍは永久磁石１０１の磁化力［Ｔ］、Ｈｃはコア１００内部の磁界強度［Ａ／ｍ］、Ｈｍは永久磁石１０１内部の磁界強度［Ａ／ｍ］、Ｂｃはコア１００内部の磁束密度［Ｔ］、Ｂｍは永久磁石１０１内部の磁束密度［Ｔ］、μはコア１００の透磁率［Ｈ／ｍ］、μ０は真空透磁率［Ｈ／ｍ］、Ｎはコイル１０２の巻数、Ｉはコイル１０２への通電電流［Ａ］である。
【００１４】
一方、永久磁石１０１の左右両端に配置したコイル１０２に図１（ｂ）に示す向きで電流を通電した場合には、漏れ磁束の磁気回路となる永久磁石１０１の左右両端では、コイル１０２への通電により生じる磁束の向きが永久磁石１０１の短絡磁束と同じ向きとなり、磁気抵抗が高い状態となる。したがって、永久磁石１０１の短絡磁束が小さくなり、相対的に主磁束φ２が増加する。これを表したのが下記の式（２）であり、漏れ磁束の磁気回路が磁気飽和した状態を示している。  
【数２】
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【００１５】
以上をまとめると、図２に示すようなコイル１０３への通電電流Ｉに対する主磁束φの関係が得られる。ここで、式（１）に示した漏れ磁束の磁気回路が磁気飽和していない状態での主磁束φ１と、式（２）に示した漏れ磁束の磁気回路が磁気飽和した状態での主磁束φ２との割合は、下記式（３）のようになる。  
【数３】
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【００１６】
また、コイル１０３への通電電流Ｉと主磁束φとの関係を有限要素法（ＦＥＭ）解析により検証すると、図３に示すような関係が得られる。
【００１７】
以上の結果から、コイル１０３への通電電流Ｉに応じて主磁束φが変化し、特に通電電流Ｉが０の付近で主磁束φが大幅に変化することが分かる。つまり、磁界を発生させている永久磁石１０１の短絡磁束（漏れ磁束）の磁気回路中に、高透磁率の磁性材料よりなるコイル１０３を配置し、このコイル１０３への通電電流Ｉを制御することによって、主磁束φを適切に制御することが可能となる。このような機能（界磁調整機能）を永久磁石式回転電機に適用すれば、高回転領域にてステータコイルに生じる誘起電圧が過剰となることを有効に抑制しながら、低回転領域から高回転領域に亘る広範囲の動作領域において高効率の運転を実現することが可能となる。
【００１８】
［第１の実施形態］
図４は、本発明を適用した永久磁石式回転電機の一例を示す図であり、同永久磁石式回転電機の回転軸方向に対して垂直な方向の断面図である。
【００１９】
この図４に示す永久磁石式回転電機は、断面がリング状のステータ１と、このステータ１の内周側にエアギャップを介して配置されたロータ２とを備える。ステータ１は、例えば電磁鋼板を積層して形成されており、ロータ２側に突出する複数の突極部（ステータティース）を有する。このステータ１の突極部間の隙間はスロットと呼ばれ、このスロットにステータコイル３が巻かれている。一方、ロータ２は、例えば回転軸の周りに電磁鋼板を積層することで形成されており、その内部に、複数の永久磁石４が周方向に等間隔となるように埋め込まれている。なお、図４に示す永久磁石式回転電機は１２極集中巻きモータとして構成されており、永久磁石４の数は１２個である。また、各永久磁石４は、図中の矢印の方向に着磁されている。
【００２０】
このような永久磁石式回転電機では、ステータコイル３に交流を通電することで発生する回転磁界と、ロータ２の永久磁石４によって発生する磁石磁界との相互作用によりロータ２が回転し、トルクを発生させる。
【００２１】
ここで、特に本実施形態の永久磁石式回転電機では、ロータ２の各永久磁石４の両端に隣接するようにして、高透磁率の磁性材料よりなるコイル５がそれぞれ配設されている。具体的には、この磁性材料よりなるコイル５は、ロータ２の各永久磁石４を取り囲むようにして、各永久磁石４の磁化方向に対して直交する面に各々巻回されており、図４の紙面に対して垂直な方向に電流が流れるようになっている。この永久磁石４両端に配設されるコイル５としては、例えば主材料としてＡｌやＦｅを使用した皮膜付のコイル等が考えられる。なお、コイル５を構成する磁性材料は特にＡｌやＦｅに限定されるものではなく、ロータ２のコアを構成する積層鋼板よりも透磁率の高い材料であればよい。
【００２２】
以上のように構成される本実施形態の永久磁石式回転電機において、ロータ２の永久磁石４が発生する磁界は、ロータ２のコアからステータ１の突極部を通過してステータコイル３に鎖交する主磁束と、永久磁石４端部にて短絡して主磁束とはならない漏れ磁束（短絡磁束）とに分けられる。永久磁石４両端に配設されるコイル５は、この永久磁石４端部から短絡する漏れ磁束の磁気回路に設けられていることになる。ここで、このコイル５に対して、図１（ｂ）のモデルを用いて説明したように漏れ磁束と同じ向きの磁束を発生させる方向で電流を流すと、その電流の大きさに応じて漏れ磁束の磁気回路の磁気抵抗を高くして漏れ磁束を低減させ、相対的に主磁束量を増加させることができる。一方、コイル５に対して、図１（ａ）のモデルを用いて説明したように漏れ磁束と逆向きの磁束を発生させる方向で電流を流すと、その電流の大きさに応じて漏れ磁束の磁気回路の磁気抵抗を低くして漏れ磁束を増加させ、相対的に主磁束量を低減させることができる。このように、本実施形態の永久磁石式回転電機においては、永久磁石４両端に配設したコイル５に通電する通電電流の向きや大きさを当該永久磁石式回転電機の動作点に応じて制御することによって、低回転領域から高回転領域に亘る広範囲の動作領域において高効率の運転を実現することが可能となる。
【００２３】
また、本実施形態の永久磁石式回転電機では、高回転領域での動作時にステータコイル３に鎖交する主磁束量を低減させる場合に、永久磁石４に対して反磁界を直接印加させるのではなく、漏れ磁束を大きくすることで相対的に主磁束量を低減させるようにしているので、永久磁石４の減磁カーブ上の動作点は安定であり、減磁耐力が大幅に向上する。また、大幅に向上した減磁耐力を考慮すれば、コイル５への通電による主磁束の制御と併用するかたちで、従来の一般的な弱め磁束制御を実施することも可能となり、これらの制御を協調して実施することによって、さらに高効率の運転を実現することが可能となる。
【００２４】
ところで、以上のようなコイル５への通電による界磁調整の機能は、漏れ磁束の磁気回路が磁気飽和していないときと磁気飽和したときとで主磁束量が大きく変化するような特性が得られるように永久磁石４周辺の磁性体の構成を定めておくことにより、より効果的に作用することとなる。ここで、漏れ磁束の磁気回路が磁気飽和していないときと磁気飽和したときとの主磁束量の変化率は上記の式（３）で示されており、この式（３）から、コイル５に対して電流を通電していない状態において、漏れ磁束の磁気回路（永久磁石４の両端の短絡磁束が流れる磁気回路）の磁気抵抗Ｒｍｃ＿ｌｅａｋが、主磁束が流れる主磁気回路の磁気抵抗Ｒｍｃ以下となるように（Ｒｍｃ＿ｌｅａｋ≦Ｒｍｃの関係を満足するように）永久磁石４周辺の磁性体の構成を定めておくことで、コイル５への通電による界磁調整の機能をより効果的に作用させることが可能となる。
【００２５】
図５は、Ｒｍｃ＿ｌｅａｋ≦Ｒｍｃの関係を満足させるための具体的な手法の一例を示す図であり、ロータ２の部分展開図である。この図５に示す例では、ロータ２の永久磁石４端部の周辺に、主磁気回路を構成するコア材（電磁鋼板）よりも飽和磁束密度の低い磁性体６を配設し、漏れ磁束の磁気回路（永久磁石４の両端の短絡磁束が流れる磁気回路）が、コイル５と磁性体６とで構成されるようにしている。これにより、コイル５に対して電流を通電していない状態でＲｍｃ＿ｌｅａｋ≦Ｒｍｃの関係を満足することとなり、コイル５への通電による界磁調整の機能をより効果的に作用させることが可能となる。
【００２６】
図６は、Ｒｍｃ＿ｌｅａｋ≦Ｒｍｃの関係を満足させるための具体的な手法の他の例を示す図であり、ロータ２の部分展開図である。この図６に示す例では、ロータ２の永久磁石４端部の周辺に開口部７を設けて、漏れ磁束の磁気回路（永久磁石４の両端の短絡磁束が流れる磁気回路）を構成するコア材の体積を減少させるようにしている。このように、漏れ磁束の磁気回路を構成するコア材の体積させることによっても、コイル５に対して電流を通電していない状態でＲｍｃ＿ｌｅａｋ≦Ｒｍｃの関係を満足させることが可能となり、コイル５への通電による界磁調整の機能をより効果的に作用させることが可能となる。
【００２７】
以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の永久磁石式回転電機によれば、ロータ２の永久磁石４端部に配置した高透磁率の磁性材料よりなるコイル５に対して通電する電流の向き及び大きさを制御し、洩れ磁束の磁気回路の磁気抵抗を変化させて主磁束量を制御することによって、低回転領域から高回転領域に亘る広範囲の動作領域において高効率の運転を実現することができる。また、ロータ２の永久磁石４に対して反磁界を直接印加させることなく、コイル５への通電制御により弱め磁束制御と同様の効果が得られるので、永久磁石４の減磁耐力を向上させて減磁による性能低下を有効に抑制することができる。
【００２８】
また、本実施形態の永久磁石式回転電機によれば、コイル５に対して電流を通電していない状態において、漏れ磁束の磁気回路の磁気抵抗Ｒｍｃ＿ｌｅａｋと主磁束が流れる主磁気回路の磁気抵抗ＲｍｃとがＲｍｃ＿ｌｅａｋ≦Ｒｍｃの関係を満足するように、永久磁石４周辺の磁性体が構成されているので、コイル５への通電による界磁調整の機能を極めて効果的に作用させることができる。特に主磁束を大きくするときに必要なコイル５への通電電流を低減させることが可能となりコイル５へ電流を通電する為のスリップリング容量低減や、損失低減に有効である。
【００２９】
［第２の実施形態］
次に、いわゆるＶ字配置構造の永久磁石式回転電機に本発明を適用した例について説明する。図７は、本実施形態の永久磁石式回転電機の一部を拡大して示す図であり、同永久磁石式回転電機の回転軸方向に対して垂直な方向の断面図である。
【００３０】
この図７に示す永久磁石式回転電機において、ロータ２の永久磁石４は、同極を形成する２つの磁石４ａ，４ｂがＶ字型に配置された構成である。このようなＶ字配置構造の永久磁石式回転電機では、Ｖ字の底の部分におけるロータ２のコアの体積を大きくすると、強度は向上するが主磁束が低減し、逆に、Ｖ字の底の部分におけるロータ２のコアの体積を小さくすると、主磁束が増加するが強度が低下するというトレードオフがある。
【００３１】
そこで、本実施形態では、Ｖ字型に配置された２つの磁石４ａ，４ｂのＶ字の底部側の端部間に、第１の実施形態と同様の高透磁率の磁性材料よりなるコイル５を巻回し、このコイル５へ通電する電流の向き及び方向を制御することによって、主磁束量を制御できるようにする。このような構成により、Ｖ字の底の部分におけるロータ２のコアの体積として機械的強度を確保できるだけの体積を確保しながら、永久磁石式回転電機の動作領域に応じて主磁束を調整することができる。
【００３２】
以上のように、本実施形態の永久磁石式回転電機によれば、Ｖ字型に配置された同極の２つの磁石４ａ，４ｂのＶ字底部の端部間に高透磁率の磁性材料よりなるコイル５を巻回しているので、このコイル５への通電電流の向き及び大きさを制御することによって主磁束量を制御することができ、ロータ２のコア強度を確保しながら、低回転領域から高回転領域に亘る広範囲の動作領域において高効率の運転を実現することができる。
【００３３】
なお、以上説明した実施形態は本発明の一適用例を例示的に示したものであり、本発明の技術的範囲が上記の実施形態として開示した内容に限定されることを意図するものではない。つまり、本発明の技術的範囲は、上記の実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。例えば、上述した実施形態では、洩れ磁束の磁気回路に磁性材料よりなるコイル５を配設しているが、コイル５に代えて積層構造の磁性体を配設し、この積層構造の磁性体へ通電する電流の向き及び大きさを制御することで主磁束量を制御する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１  ステータ
２  ロータ
３  ステータコイル
４  永久磁石
５  コイル
６  磁性体
７  開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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