(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子コイルを有する固定子と、円筒形の回転子鉄心の内部の所定箇所に永久磁石を挿入した回転子とから成る永久磁石式リラクタンス型回転電機であって、
前記回転子は、電機子磁束を容易に通過させ、磁気的に凸となる偶数の磁極部と電機子磁束を容易に通過させない磁気的に凹となる偶数の磁極間とを回転子回転方向に交互にかつ等幅に備え、
前記磁極部それぞれは、それぞれの位置に存在する前記回転子鉄心のみによって形成し、
前記磁極間それぞれは、その両側に位置し、隣接する磁極部それぞれの磁極軸に沿った方向に細長く形成された長方形状の第１の空洞部と、回転子の外周近くに位置し、回転子回転方向に細長く形成された長方形状の第２の空洞部とを有し、
前記第１の空洞部それぞれに、隣接する磁極部の磁極軸に直交する方向に磁化され、当該磁極間から隣接する磁極部に侵入する電機子磁束を反発する第１の永久磁石を挿入し、前記第２の空洞部に回転子の径方向に磁化され、電機子磁束を反発する第２の永久磁石を挿入し、
回転子回転方向の１つおきの磁極間それぞれにおいて、前記第１の永久磁石それぞれはＮ極同士を向かい合わせ、かつ前記第２の永久磁石はＳ極を回転子中心側に向かせ、前記回転子回転方向の残りの１つおきの磁極間それぞれにおいて、前記第１の永久磁石それぞれはＳ極同士を向かい合わせ、かつ前記第２の永久磁石はＮ極を回転子中心側に向かせることによって磁極間それぞれに配置された各永久磁石の磁束が互いに加え合せとなる方向にしたことを特徴とする永久磁石式リラクタンス型回転電機。
【請求項２】
前記第２の空洞部は、前記磁極間それぞれに回転子回転方向に複数個形成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リラクタンス型回転電機。
【請求項３】
前記磁極間それぞれにおける前記第１の空洞部それぞれの回転子中心側の端部同士を結ぶ線上の位置に、回転子回転方向に細長い長方形状の第３の空洞部が形成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リラクタンス型回転電機。
【請求項４】
前記磁極間それぞれにおける前記第１の空洞部それぞれの回転子中心側の端部同士を結ぶ線上の位置に、円形状の第３の空洞部が形成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リラクタンス型回転電機。
【請求項５】
前記第３の空洞部に非磁性材が配置されたことを特徴とする請求項３又は４に記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機。
【請求項６】
前記第３の空洞部に導電性材が配置されたことを特徴とする請求項３又は４に記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機。
【請求項７】
前記回転子鉄心は、電磁鋼板を積層したものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機。
【請求項８】
前記回転子鉄心の軸方向端部に磁性エンドリングが配置されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機。
【請求項９】
前記回転子鉄心の軸方向端面と前記磁性エンドリングとの間に空隙が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石式リラクタンス型回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リラクタンス型回転電機は一般に図１３に示すように、電機子コイル２を有する固定子１と、突極回転子３とで構成されるもので、回転子３に界磁を形成するコイルが不要であり、凹凸のある鉄心４のみで構成できる点に特徴があり、それゆえに、リラクタンス型回転電機は簡素な構造にして安価に製造できる利点がある。
【０００３】
このリラクタンス型回転電機の出力の発生原理について説明する。回転子３に凹凸があることにより、凸部で磁気抵抗が小となり、凹部で磁気抵抗が大となる。すなわち、凸部と凹部上の空隙部分で電機子コイル２に電流を流すことにより蓄えられる磁気エネルギが異なる。この磁気エネルギの変化によって出力が発生する。また凸部と凹部は物理幾何学的だけでなく、磁気的にも凹凸を形成できる（磁気抵抗、磁束密度分布が回転子３の位置により異なる）形状であればよい。
【０００４】
他の高性能な回転電機として、永久磁石回転電機がある。この場合、電機子はリラクタンス型回転電機と同様であるが、回転子は鉄心と回転子のほぼ全周にわたり永久磁石が配置されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の回転電機では、次のような問題点があった。図１３に示したようなリラクタンス型回転電機は、回転子鉄心４の表面の凹凸により回転位置に依存して磁気抵抗が異なる。この変化により磁気エネルギが変化して出力が得られる。しかしながら、電流が増加するのに伴って鉄心の凸部分において局部的な磁気飽和が拡大する。これにより、磁極間となる歯の凹の部分に漏れる磁束が増加して有効な磁束は減少し、出力は低下してしまい、高出力が得られなかった。
【０００６】
一方、他の方式の高出力の回転電機として高磁気エネルギ積の希土類永久磁石を適用した永久磁石回転電機では、回転子鉄心の表面に永久磁石を配置しているので界磁に高磁気エネルギ積の永久磁石を適用することにより、高磁界を電動機のエアギャップに形成できて小形、高出力が可能となる。しかしながら、永久磁石の磁束は一定であるので、高速回転時に電機子コイルに誘導される電圧は回転速度に比例して大きくなる。このため、高速回転までの広範囲の可変速運転を行おうとしても、界磁磁束を減らすことができないため、電源電圧を一定とする基底速度の２倍以上の定出力運転は困難であった。
【０００７】
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、小形、高出力にして広範囲の可変速運転が可能な永久磁石式リラクタンス型回転電機を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、電機子コイルを有する固定子と、円筒形の回転子鉄心の内部の所定箇所に永久磁石を挿入した回転子とから成る永久磁石式リラクタンス型回転電機であって、前記回転子は、電機子磁束を容易に通過させ、磁気的に凸となる偶数の磁極部と電機子磁束を容易に通過させない磁気的に凹となる偶数の磁極間とを回転子回転方向に交互にかつ等幅に備え、前記磁極部それぞれは、それぞれの位置に存在する前記回転子鉄心のみによって形成し、前記磁極間それぞれは、その両側に位置し、隣接する磁極部それぞれの磁極軸に沿った方向に細長く形成された長方形状の第１の空洞部と、回転子の外周近くに位置し、回転子回転方向に細長く形成された長方形状の第２の空洞部とを有し、前記第１の空洞部それぞれに、隣接する磁極部の磁極軸に直交する方向に磁化され、当該磁極間から隣接する磁極部に侵入する電機子磁束を反発する第１の永久磁石を挿入し、前記第２の空洞部に回転子の径方向に磁化され、電機子磁束を反発する第２の永久磁石を挿入し、回転子回転方向の１つおきの磁極間それぞれにおいて、前記第１の永久磁石それぞれはＮ極同士を向かい合わせ、かつ前記第２の永久磁石はＳ極を回転子中心側に向かせ、前記回転子回転方向の残りの１つおきの磁極間それぞれにおいて、前記第１の永久磁石それぞれはＳ極同士を向かい合わせ、かつ前記第２の永久磁石はＮ極を回転子中心側に向かせることによって磁極間それぞれに配置された各永久磁石の磁束が互いに加え合せとなる方向にしたものである。
【０００９】
請求項１の発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機では、その両側にそれら各々と隣接する磁極部の磁極軸に沿って長方形状の第１の空洞部を形成し、またその外周部近くに回転方向に沿って長方形状の第２の空洞部を形成し、第１の空洞部、第２の空洞部それぞれに永久磁石を配置し、磁極軸に沿って形成された第１の空洞部内の第１の永久磁石を磁極軸とほぼ直交する方向に磁化されたものとしているので、磁極間から磁極部に侵入する磁束を第１の永久磁石によって反発させ、さらに永久磁石の比透磁率がほぼ１であるので永久磁石方向の磁気抵抗を高くする働きをして、電機子コイルの磁束を磁極間はほとんど通らずに磁極部の回転子鉄心を通るように分布させる。また磁極間の外周に沿って形成された第２の空洞部内の第２の永久磁石も電機子コイルの磁束の侵入に反発し、磁極間への電機子コイルの磁束の侵入を阻止し、その大部分が回転子鉄心のみで構成される磁極部を主に通過するようにいっそう助長し、この結果、空隙磁束分布に磁気的に大きな凹凸を生じさせ、磁気エネルギ変化により大きなリラクタンストルクを発生する。また、磁極間の外周近くに位置する第２の永久磁石の磁束が電機子コイルと鎖交することによってトルクを発生することができ、これらのトルクの合計により高トルクを発生することができる。
【００１０】
他方、磁極軸に沿って形成された第１の空洞部に配置された永久磁石の磁束は回転子鉄心内で主に分布するため、電機子コイルと鎖交する磁束は回転子外周の第２の空洞部に配置された永久磁石による磁束がほとんど支配的である。したがって、本発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機では、磁極間の外周のみに永久磁石があることから従来の永久磁石回転電機よりも永久磁石の表面積が狭くなり、永久磁石による鎖交磁束量も少なくなっている。そして外周部の永久磁石による鎖交磁束に、電機子電流（リラクタンスモータの励磁電流成分とトルク電流成分）による鎖交磁束が加わって端子電圧を誘導する。そこで、この励磁電流成分を調整することによって端子電圧を幅広く調整することができ、定電圧電源で広範囲の可変速運転が可能となる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、前記第２の空洞部が前記磁極間それぞれに複数個形成されたものであり、第２の空洞部に配置される永久磁石も複数個に分割されたものとなるので、磁極軸に沿った第１の空洞部に配置された永久磁石とほぼ同寸法の永久磁石を第２の空洞部に配置することができ、製造性が向上する。また、磁極外周辺部の鉄心を漏れる磁束量を複数個の外周部の永久磁石の配置によって調整することができる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１又は２の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、前記磁極間それぞれにおける前記第１の空洞部それぞれの回転子中心側の端部同士を結ぶ線上の位置に、回転子回転方向に細長い長方形状の第３の空洞部が形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１又は２の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、前記磁極間それぞれにおける前記第１の空洞部それぞれの回転子中心側の端部同士を結ぶ線上の位置に、円形状の第３の空洞部が形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３及び４の発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機では、磁極軸に沿った第１の空洞部に配置されている永久磁石はほぼ磁極軸と直交する方向に磁化されているので磁極間から侵入する磁束を反発させ、さらに永久磁石の比透磁率がほぼ１であるので永久磁石方向の磁気抵抗を高くする作用をする。さらに、回転子鉄心の内周側にも第３の空洞部が形成されることによって、磁極間を中心軸とした磁束分布の磁路の磁気抵抗がさらに高くなる。したがって、電機子コイルの磁束は磁極間をほとんど通らずに磁極部の鉄心を通る分布となる。この結果、空隙磁束分布に凹凸ができるので、磁気エネルギ変化により大きなリラクタンストルクを発生する。また磁極間の周方向の第２の空洞部の永久磁石の磁束は電機子コイルと鎖交することによりトルクを生じる。したがって、これらのトルクの合計により高トルクを発生することができる。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項３又は４の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、前記第３の空洞部に永久磁石が配置され、当該永久磁石が前記磁極間にある永久磁石と磁束が加え合せになる方向に磁化されたものであるので、内周側の第３の空洞部の永久磁石による磁束が加わるために永久磁石によって生じる磁束が大きくなり、コイルと鎖交する磁束が増加するのでフレミングの左手の法則によるトルクが増加し、高トルクを発生することができる。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項３又は４の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、前記第３の空洞部に導電性材が配置されたことを特徴とするものであり、導電性材により生じる渦電流によって回転電機の自己起動が可能となり、また高調波磁界による影響を導電性材に生じる渦電流によって抑制できる。
請求項７の発明は、請求項１〜６の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、前記回転子鉄心は、電磁鋼板を積層したものを用いたことを特徴とするものであり、第１と第２の空洞部、そして第３の空洞部がある場合には第３の空洞部を形成する穴を型抜きで加工した電磁鋼板を積層するという製造方法を採用することができて製造性が向上し、また高調波磁界で鉄心表面に生じる渦電流をを減少させることができる。
【００１７】
請求項８の発明は、請求項１〜７の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、前記回転子鉄心の軸方向端部に磁性エンドリングが配置されたことを特徴とするものである。
【００１８】
請求項９の発明は、請求項８の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、前記回転子鉄心の軸方向端面と前記磁性エンドリングとの間に空隙が形成されていることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項８及び９の発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機では、電機子電流により、回転子外周部の第２の空洞部に配置された永久磁石の磁化方向と逆方向の電機子反作用磁界を与えたとき、この永久磁石の磁束の一部は軸方向を通り、磁性エンドリングを通って回転子で閉じた磁路を形成する。すなわち、効果的に漏れ磁束を生じさせることができ、電機子コイルとの鎖交磁束量を調整できるので端子電圧を電機子電流により容易に調整できる。そしてこの場合に、回転子鉄心の端面と磁性エンドリングとの空隙長の調整によって漏れ磁束と有効磁束との割合を調整することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は本発明の第１の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機の回転子の径方向断面を示している。この第１の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、４極の電機子コイル２を備えた固定子１と、円筒形の回転子鉄心４で成る回転子３とから構成される。
【００２１】
本発明の特徴部分となる回転子３の構造は次の通りである。回転子鉄心４は、円筒形状の軟鋼Ｓ４５Ｃ、または積層した円形状の珪素鋼板などの磁性材で構成されている。回転子鉄心４の各磁極軸に沿った方向には、磁極幅の間隔をあけて長方形状の空洞部５が形成されている。この実施の形態で４極電機子コイル２は４つの磁極が十字状に配置されているので、空洞部５は各磁極を両側から挟み込む位置に形成されることになる。さらに各磁極間の回転子鉄心４の外周に沿って長方形状の空洞部７が形成されている。これらの空洞部５，７にはＮｄＦｅＢ系の永久磁石６，８が挿入され、接着剤で固定されている。
【００２２】
これらの永久磁石６，８のうち、磁極軸に沿って配置される永久磁石６は磁極軸と直交する方向に磁化されており、磁極間外周に配置される永久磁石８は径方向に磁化されている。これらの磁化方向は、磁極間において、磁極軸に永久磁石６と回転子外周部の永久磁石８が発生する磁束が互いに加え合せとなる方向である。
【００２３】
この第１の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、次のように動作する。
【００２４】
＜高トルク発生のメカニズム＞
図２は磁極軸に沿った方向の電機子の磁束を示している。磁極部の回転子鉄心４を磁路とするために、この方向の磁路では磁気抵抗がきわめて小であり、磁束が流れやすい磁気的構成となっている。図３は磁極間の軸に沿った方向の電機子の磁束を示している。磁極軸に沿って形成された空洞部５に配置されている永久磁石６は、ほぼ磁極軸と直交する方向に磁化されているので、磁極間から侵入する磁束を反発する。磁極軸に沿った空洞部５にある永久磁石６は鉄心内周側で磁気的に短絡されているので、電機子磁束を反発する効果は大である。さらに、永久磁石の比透磁率がほぼ１であるので、このような永久磁石６を通過する磁路では磁気抵抗を高くする作用がある。したがって、電機子コイル２の磁束は磁極間をほとんど通らずに磁極部の鉄心を通るような分布となる。また磁極間の外周に配置された永久磁石８にも同様に電機子磁束の反発と高磁気抵抗にする作用がある。
【００２５】
この結果、空隙磁束分布に凹凸ができるので磁気エネルギ変化により大きなリラクタンストルクを発生する。これに加えて、磁極間の外周に配置された永久磁石８においては、永久磁石の磁束が電機子コイル２と鎖交することによりトルクを生じ、これらのトルクの合計により高トルクを発生することができるようになる。
【００２６】
＜広範囲の可変速運転が得られる端子電圧の調整幅＞
磁極軸に沿った永久磁石６の磁束は回転子鉄心４内で主に分布するため、電機子コイル２と鎖交する磁束は、回転子鉄心４の外周の永久磁石８による磁束がほとんど支配的である。したがって、本発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機では、磁極間の外周のみに永久磁石８があることから、従来の永久磁石回転電機よりも永久磁石の表面積が狭くなり、永久磁石による鎖交磁束量も少なくなっている。磁極間の外周の永久磁石８による鎖交磁束に、電機子電流（リラクタンスモータの励磁電流成分とトルク電流成分）による鎖交磁束が加わって端子電圧を誘導する。そこで、この励磁電流成分を調整することによって端子電圧を幅広く調整することができる。すなわち、定電圧電源で広範囲の可変速運転が可能となるのである。
【００２７】
なお、ここで永久磁石の素材として、磁極軸に沿って磁極間を通る磁束を反発する作用の永久磁石６には低磁気エネルギ積のフェライト磁石を使用し、電機子コイル２と鎖交してトルクを発生する作用をする回転子鉄心４の外周部の永久磁石８には高磁気エネルギ積の希土類永久磁石、例えば、ＮｄＦｅＢ磁石を使用することによって高トルクを効果的に得ることができる。また磁極軸に沿って磁極間を通る磁束を反発する作用をする永久磁石６にはフェライト磁石を使用すれば、磁極軸に沿った永久磁石６は内周側の鉄心部を磁路として磁気的に短絡になるので、磁気エネルギ積の小さなフェライト磁石でも大きな磁界を形成することができ、十分なリラクタンストルクが得られる。
【００２８】
またこの磁極軸に沿った永久磁石６にはフェライト磁石に代えて、ボンド磁石を使用することもできる。このボンド磁石は低磁気エネルギ積であるが、磁極間を通る電機子磁束を十分に反発することができ、フェライト磁石の場合と同様の作用効果を得ることができる。同時に、ボンド磁石の場合に磁石粉を樹脂で固めて製作するので、形状の自由度があり、かつ鉄心４に射出成形等で一体に成形でき、製造が容易となる。
【００２９】
次に、本発明の第２の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機を、図４に基づいて説明する。第２の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、回転子鉄心４の外周部に形成する空洞部７を複数の小空洞部７ａ，７ｂに分割し、これらの分割された小空洞部７ａ，７ｂそれぞれに永久磁石８ａ，８ｂを挿入して接着固定した構造に特徴がある。永久磁石８ａ，８ｂはいずれも磁極軸に沿った方向に配置された永久磁石６と同一の寸法である。
【００３０】
この第２の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機では、回転子鉄心４の外周部の空洞部７を小空洞部７ａ，７ｂに分割し、それぞれに永久磁石８ａ，８ｂを配置するようにしたので、これらの永久磁石８ａ，８ｂとして小形のものを使用することができ、これに磁極軸に沿った方向に配置された永久磁石６と同一のものを使用することにより、部品種を削減することができ、製造性が向上する。また永久磁石８ａ，８ｂの外周から回転子鉄心４の外周までの距離となる鉄心外周部の厚みは、小空洞部７ａ，７ｂのなす角度、そしてそこに配置される２個の永久磁石８ａ，８ｂのなす角度を変えることによって調整することができ、これによって外周鉄心の径方向の厚みを調整することにより、鉄心の磁極間の外周辺部を漏れる磁束量が調整できる。
【００３１】
次に、本発明の第３の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機を、図５に基づいて説明する。第３の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、図１に示した第１の実施の形態と同様、４極の電機子コイル２を備えた固定子１と、回転子３から成る。そして、本発明の特徴部分となる回転子３の構造は、図５に示したものである。すなわち、回転子鉄心４は、円筒形状の軟鋼Ｓ４５Ｃ、または積層した円形状の珪素鋼板などの磁性材で構成されている。回転子鉄心４の各磁極軸に沿った方向には、磁極幅の間隔をあけて長方形状の空洞部５が形成されている。この実施の形態で４極電機子コイル２は４つの磁極が十字状に配置されているので、空洞部５は各磁極を両側から挟み込む位置に形成されることになる。また各磁極間の回転子鉄心４の外周に沿って長方形状の空洞部７が形成されている。さらに、磁極軸に沿った方向の２つの空洞部５，５を磁極間の内周側でつなぐように長方形状の空洞部９が回転子鉄心４に形成されていて、これらの４つの空洞部５，７，９が取り囲む領域は近似的に四角形になるような位置関係になっている。
【００３２】
そしてこれらの空洞部５，７，９のうち、内周側の空洞部９を除いた空洞部５，７にはＮｄＦｅＢ系の永久磁石６，８が挿入され、接着剤で固定されている。これらの永久磁石６，８のうち、磁極軸に沿って配置される永久磁石６は磁極軸と直交する方向に磁化されており、磁極間外周に配置される永久磁石８は径方向に磁化されている。これらの磁化方向は、磁極間において、磁極軸に永久磁石６と回転子外周部の永久磁石８が発生する磁束が互いに加え合せとなる方向である。
【００３３】
この第３の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機の動作を説明する。図２に示した第１の実施の形態の場合と同様に、この方向の磁路では、第３の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機でも磁極の鉄心が磁路となるので磁気抵抗はきわめて小さく、電機子の磁束が流れやすい磁気的構造となっている。
【００３４】
また図３に示した第１の実施の形態の場合と同様に、磁極間の軸に沿った方向の磁路では、磁極軸に沿った空洞部５にある永久磁石６はほぼ磁極軸と直交する方向に磁化されているので、磁極間から侵入する磁束を反発する。さらに永久磁石の比透磁率がほぼ１であるので、このような永久磁石６を通過する磁路では磁気抵抗を高くする作用がある。さらに、磁極間の内周側にも第３の空洞部９を形成したことによって、磁極間中央部の磁気抵抗も大となる。すなわち、電機子コイル２の磁束は磁極間をほとんど通らずに磁極部の鉄心を通るように分布する。また磁極間の外周に配置された永久磁石８にも同様に電機子磁束の反発と高磁気抵抗にする作用がある。
【００３５】
この結果、空隙磁束分布に凹凸ができるので磁気エネルギ変化により大きなリラクタンストルクを発生する。これに加えて、磁極間の外周に配置された永久磁石８においては、永久磁石の磁束が電機子コイル２と鎖交することによりトルクを生じ、これらのトルクの合計により高トルクを発生することができるようになる。
【００３６】
なお、第３の実施の形態では磁極間の内周側に第３の空洞部９として長方形状のものを形成し、３種類の空洞部５，７，９によって近似的に四角形領域を囲繞する配置にしたが、これに限らず、図６に示すように、磁極軸に沿った方向の２つの空洞部５，５を磁極間の内周側でつなぐように円形状の空洞部１０を回転子鉄心４に形成し、これらの３種類の空洞部５，７，１０によって近似的に三角形領域を囲繞する配置とすることもできる。
【００３７】
このような構造は、特に、小径の回転子、また径に対して極数が多い場合、磁極軸に沿った空洞部５の内周側の距離が狭くなるので、円形の空洞部１０を形成することにより強度的に強くすることができる。そして磁気的特性は図５に示した第３の実施の形態と同様の特性が得られる。
【００３８】
次に、本発明の第４の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機を、図７に基づいて説明する。第４の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、図５に示した第３の実施の形態において、さらに第３の空洞部９に対しても永久磁石１１を配置したことを特徴としている。
【００３９】
これらの空洞部５，７，９それぞれに配置されている永久磁石６，８，１１はすべてＮｄＦｅＢ系の永久磁石であり、空洞部に挿入して接着剤で固定している。そして磁化の方向は、磁極軸に沿った永久磁石６は磁極軸と直交する方向に磁化されており、磁極間の外周に配置された永久磁石８と内周側に配置された永久磁石１１とは径方向に磁化されている。これらの永久磁石の磁化方向は、各永久磁石６，８，１１が発生する磁束が互いに加え合せとなる方向である。
【００４０】
この第４の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機では、図５に示した第３の実施の形態と同様に、空隙磁束分布に凹凸ができて磁気エネルギ変化により大きなリラクタンストルクを発生し、また磁極間の外周に配置された永久磁石８においては、永久磁石の磁束が電機子コイル２と鎖交することによりトルクを生じ、これらのトルクの合計により高トルクを発生することができる。そしてこの作用効果に加えて、回転子鉄心４の磁極間内周側の空洞部９に永久磁石を配置した構造により、内周側の永久磁石１１による磁束が加えられるために永久磁石による磁束が大きくなり、コイルと鎖交する磁束が増加するのでフレミングの左手の法則によるトルクが増加する。
【００４１】
なお、図４に示した第２の実施の形態〜図７に示した第４の実施の形態において、永久磁石の材料として第１の実施の形態と同様に希土類磁石とフェライト磁石、あるいは希土類磁石とボンド磁石を用いることができ、これによって高トルクを効果的に得ることができるようになる。
【００４２】
次に、本発明の第５の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機を、図８に基づいて説明する。図８に示す第５の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、図５に示した第３の実施の形態、図７に示した第４の実施の形態と同様の空洞部５，７，９の配置にして、磁極間の外周部の空洞部７のみに永久磁石８を配置し、他の位置の空洞部７，９には永久磁石を配置しない構成にしている。
【００４３】
この第５の実施の形態の場合、磁極軸に沿った空洞部５には永久磁石を配置していないために永久磁石の反発作用がなくなり、磁極間を通る電機子コイル２の磁束の低減は空洞部５の高磁気抵抗による作用のみとなる。これによってトルクは減少するが、磁極軸に沿った永久磁石６が不要となるので構造が簡素になり、それだけ製造が容易となる。
【００４４】
なお、図８では内周側の第３の空洞部９も形成された回転子鉄心４において、磁極間の外周部の空洞部７のみに永久磁石８を配置した構造を示したが、これに限定されず、この第３の空洞部９が形成されていない図１に示した第１の実施の形態のような構造の回転子鉄心４に対しても、同様にその磁極間の外周部の空洞部７のみに永久磁石８を配置する構造とすることができ、また、図６に示した構造の回転子鉄心４に対しても、同様の構造とすることができる。
【００４５】
また空洞部５，７，９（又は１０）のうち、永久磁石が配置されていないもの、この実施の形態では空洞部５，９（又は１０）に対しては非磁性材を充填しておくことにより、空洞部が中実となって強度補強ができる。また永久磁石の配置されていない空洞部５，９（又は１０）に導電性の非磁性材を充填しておくことにより、導電物に生じる渦電流によって回転電機の自己始動が可能となり、また高調波磁界による影響を導電物に生じる渦電流によって抑制することもできるようになる。
【００４６】
次に、本発明の第６の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機を、図９に基づいて説明する。第６の実施の形態の特徴の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、図５に示した第３の実施の形態、図７に示した第４の実施の形態と同様の空洞部５，７，９の配置にして、磁極軸に沿った空洞部５のみに永久磁石６を配置し、他の位置の空洞部７，９には永久磁石を配置しない構成にしている。
【００４７】
この第６の実施の形態の場合、永久磁石の磁束が電機子コイル２と鎖交して生じるトルクがほとんどなくなるので、リラクタンストルクが主となる。この結果、トルクは減少するが、回転子鉄心４の外周の永久磁石８が不要となって構造が簡素になり、それだけ製造が容易となる。
【００４８】
なお、図９では内周側の第３の空洞部９も形成された回転子鉄心４において、磁極軸に沿った空洞部５のみに永久磁石６を配置した構造を示したが、これに限定されず、この第３の空洞部９が形成されていない図１に示した第１の実施の形態のような構造の回転子鉄心４に対しても、同様にその磁極軸に沿った空洞部５のみに永久磁石６を配置する構造とすることができ、また、図６に示した構造の回転子鉄心４に対しても、同様の構造とすることができる。
【００４９】
またこの第６の実施の形態にあっても、空洞部５，７，９（又は１０）のうち、永久磁石が配置されていない空洞部７，９（又は１０）に対しては非磁性材を充填しておくことにより、空洞部が中実となって強度補強ができる。また永久磁石の配置されていない空洞部７，９（又は１０）に導電性の非磁性材を充填しておくことにより、導電物に生じる渦電流によって回転電機の自己始動が可能となり、また高調波磁界による影響を導電物に生じる渦電流によって抑制することもできるようになる。
【００５０】
次に、本発明の第７の実施の形態を図１０に基づいて説明する。第７の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、図１に示した第１の実施の形態における回転子３の回転子鉄心４を、図１０に示すように珪素鋼板を積層した構造に特徴がある。この実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機の場合、回転子３の空洞部５，７を形成するために各鋼板の該当個所に穴を型抜き加工しておき、それを積層する。これによって、空洞部５，７をくり抜き加工せずとも容易に形成することができ、製造性が向上する。また積層構造にすれば、積層方向の電気抵抗が高くなるので、高調波磁界で鉄心表面に生じる渦電流を減少させることもできる。
【００５１】
なお、このような積層構造は、図４〜図９に示した各実施の形態それぞれの回転子鉄心４に対しても、空洞部５，７，９（又は１０）それぞれに対応する位置に穴を型抜き加工した鋼板を積層した構造とすることによって、等しく適用することができる。
【００５２】
次に、本発明の第８の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機を、図１１に基づいて説明する。第８の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、図１に示した第１の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機に対して、回転子鉄心４の軸方向両端部に磁性エンドリング１２を配置した構造を特徴とする。
【００５３】
この第８の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機では、電機子コイル２の電流により回転子鉄心４の外周面の永久磁石８の磁化方向とは逆方向の電機子反作用磁界を与えたとき、図１１に示すように、永久磁石８の磁束の一部は回転軸方向を通り、磁性エンドリング１２を通って再び回転子鉄心４に戻る閉じた磁路１３を構成する。すなわち、効果的に漏れ磁束を生じさせることができて、電機子コイル２との鎖交磁束量を調整することができ、端子電圧を電機子電流によって容易に調整できるようになる。
【００５４】
なお、磁性エンドリング１２は図１に示した第１の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機にしか使用できないというわけではなく、図４の第２の実施の形態〜図１０の第７の実施の形態のいずれの回転電機に対して同様に適用することができるものである。
【００５５】
次に、本発明の第９の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機を、図１２に基づいて説明する。第９の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、図１に示した第１の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機に対して、回転子鉄心４の軸方向両端部に磁性エンドリング１２を空隙１４をあけて配置した構造を特徴とする。
【００５６】
この第９の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機では、図１１に示した第８の実施の形態と同様に、電機子コイル２の電流により回転子鉄心４の外周面の永久磁石８の磁化方向とは逆方向の電機子反作用磁界を与えたとき、図１２に示すように、永久磁石８の磁束の一部は回転軸方向を通り、磁性エンドリング１２を通って再び回転子鉄心４に戻る閉じた磁路１３を構成し、効果的に漏れ磁束を生じさせることができて、電機子コイル２との鎖交磁束量を調整することができ、端子電圧を電機子電流によって容易に調整できる。さらに、漏れ磁束と有効磁束との割合を回転子鉄心４とエンドリング１２との間の空隙１４の長さによって調整することができる。
【００５７】
なお、この第９の実施の形態でも、磁性エンドリング１２は図１に示した第１の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機にしか使用できないというわけではなく、図４の第２の実施の形態〜図１０の第７の実施の形態のいずれの回転電機に対して同様に適用することができるものである。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明によれば、磁極間それぞれにおいて、その両側にそれら各々と隣接する磁極部の磁極軸に沿って長方形状の第１の空洞部を形成し、またその外周部近くに回転方向に沿って長方形状の第２の空洞部を形成し、第１の空洞部、第２の空洞部それぞれに永久磁石を配置し、磁極軸に沿って形成された第１の空洞部内の第１の永久磁石を磁極軸とほぼ直交する方向に磁化されたものとしているので、磁極間から磁極部に侵入する磁束を第１の永久磁石によって反発させ、さらに永久磁石の比透磁率がほぼ１であるので永久磁石方向の磁気抵抗を高くする働きをして、電機子コイルの磁束を磁極間はほとんど通らずに磁極部の回転子鉄心を通るように分布させることができ、また磁極間の外周に沿って形成された第２の空洞部内の第２の永久磁石も電機子コイルの磁束の侵入に反発し、磁極間への電機子コイルの磁束の侵入を阻止し、その大部分が回転子鉄心のみで構成される磁極部を主に通過するようにいっそう助長することができ、この結果、空隙磁束分布に磁気的に大きな凹凸を生じさせることができ、磁気エネルギ変化により大きなリラクタンストルクを発生することができる。また、磁極間の外周近くに位置する第２の永久磁石の磁束が電機子コイルと鎖交することによってトルクを発生することができ、これらのトルクの合計により高トルクを発生することができる。
【００５９】
また、請求項１の発明によれば、磁極軸に沿って形成された第１の空洞部に配置された永久磁石の磁束は回転子鉄心内で主に分布するため、電機子コイルと鎖交する磁束は回転子外周の第２の空洞部に配置された永久磁石による磁束がほとんど支配的になり、したがって、磁極間の外周のみに永久磁石があることから従来の永久磁石回転電機よりも永久磁石の表面積が狭くなり、永久磁石による鎖交磁束量も少なくなるが、外周部の第２の永久磁石による鎖交磁束に、電機子電流（リラクタンスモータの励磁電流成分とトルク電流成分）による鎖交磁束が加わって端子電圧を誘導するので、この励磁電流成分を調整することによって端子電圧を幅広く調整することができ、定電圧電源で広範囲の可変速運転が可能である。
【００６０】
請求項２の発明によれば、磁極軸に沿った第１の空洞部に配置された永久磁石とほぼ同寸法の永久磁石を第２の空洞部に配置することができ、製造性が向上する。また、磁極外周辺部の鉄心を漏れる磁束量を複数個の外周部の永久磁石の配置によって調整することができる。
【００６１】
請求項３及び請求項４の発明によれば、回転子鉄心の内周側に第３の空洞部を形成することによって、磁極間を中心軸とした磁束分布の磁路の磁気抵抗をいっそう高くして、電機子コイルの磁束が磁極間をほとんど通らずに磁極部の鉄心を通る分布にし、この結果として、回転子の空隙磁束分布に大きな凹凸を生じさせて大きなリラクタンストルクを発生することができ、また磁極間の周方向の第２の空洞部の永久磁石の磁束は電機子コイルと鎖交することによりトルクを発生することができ、これらのトルクの合計により高トルクを発生することができる。
【００６２】
請求項５の発明によれば、永久磁石の配置されていない第３の空洞部に非磁性材を配置することにより、磁気特性を損なわずに、強度的に強くすることができる。
【００６３】
請求項６の発明によれば、永久磁石の配置されていない第３の空洞部に導電性材を配置することにより、導電性材に生じる渦電流によって回転電機の自己起動が可能となり、また高調波磁界による影響を導電性材に生じる渦電流によって抑制できる。
【００６４】
請求項７の発明によれば、回転子鉄心を電磁鋼板を積層した構造としたので、第１と第２の空洞部、そして第３の空洞部がある場合には第３の空洞部を形成する穴を型抜きで加工した電磁鋼板を積層するという製造方法を採用することができて製造性が向上し、また高調波磁界で鉄心表面に生じる渦電流をを減少させることができる。
【００６５】
請求項８及び９の発明によれば、電機子電流により、回転子外周部の第２の空洞部に配置された永久磁石の磁化方向と逆方向の電機子反作用磁界を与えたとき、この永久磁石の磁束の一部は軸方向を通り、磁性エンドリングを通って回転子で閉じた磁路を形成するので、効果的に漏れ磁束を生じさせることができ、電機子コイルとの鎖交磁束量を調整できるので端子電圧を電機子電流により容易に調整できる。また、回転子鉄心の端面と磁性エンドリングとの空隙長の調整によって漏れ磁束と有効磁束との割合を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の径方向の断面図。
【図２】上記の第１の実施の形態における電機子電流の磁極軸方向成分の磁束の流れを示した径方向の断面図。
【図３】上記の第１の実施の形態における電機子電流の磁極間の軸方向成分の磁束の流れを示した径方向の断面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の回転子の径方向の断面図。
【図５】本発明の第３の実施の形態の回転子の径方向の断面図。
【図６】上記の第３の実施の形態の変形例の回転子の径方向の断面図。
【図７】本発明の第４の実施の形態の回転子の径方向の断面図。
【図８】本発明の第５の実施の形態の回転子の径方向の断面図。
【図９】本発明の第６の実施の形態の回転子の径方向の断面図。
【図１０】本発明の第７の実施の形態の回転子の軸方向の断面図。
【図１１】本発明の第８の実施の形態の軸方向の断面図。
【図１２】本発明の第９の実施の形態の軸方向の断面図。
【図１３】従来例の径方向の断面図。
【符号の説明】
１  固定子
２  電機子コイル
３  回転子
４  回転子鉄心
５  空洞部
６  永久磁石
７  空洞部
７ａ，７ｂ  小空洞部
８  永久磁石
８ａ，８ｂ  永久磁石
９  空洞部
１０  空洞部
１１  永久磁石
１２  磁性エンドリング
１３  磁路
１４  空隙
【図１】
0003597821.tif 000002
【図２】
0003597821.tif 000003
【図３】
0003597821.tif 000004
【図４】
0003597821.tif 000005
【図５】
0003597821.tif 000006
【図６】
0003597821.tif 000007
【図７】
0003597821.tif 000008
【図８】
0003597821.tif 000009
【図９】
0003597821.tif 000010
【図１０】
0003597821.tif 000011
【図１１】
0003597821.tif 000012
【図１２】
0003597821.tif 000013
【図１３】
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