(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子鉄心内に複数Ｌ個（Ｌは整数）の固定磁力磁石を円周方向に等間隔で、かつ、回転子の外周に現れる磁極が全周で同極となる向きに埋め込み、かつ、磁化方向が前記固定磁力磁石と同じとする複数Ｌ個の可変磁力磁石を、前記隣り合う固定磁力磁石の間各々に埋め込んだ回転子と、
電機子巻線の結線を２Ｌ極と４Ｌ極の間で極数切替ができる固定子とを備え、
前記電機子巻線の結線を２Ｌ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記Ｌ個の可変磁力磁石それぞれを隣り合う固定磁力磁石と同一方向に不可逆的に磁化させ、前記可変磁力磁石と固定磁力磁石はＮ極Ｓ極のいずれか同極に揃え、隣り合う可変磁力磁石と固定磁力磁石との間の凸鉄心部に前記隣り合う可変磁力磁石及び固定磁力磁石の磁極とは反対の磁極のイメージポールを形成することにより磁石トルク主体の４Ｌ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２Ｌ極にして所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆の方向の第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記Ｌ個の可変磁力磁石を隣り合う前記固定磁力磁石とは逆方向に不可逆的に磁化させて磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２Ｌ極ＩＰＭモード状態とし、
前記４Ｌ極ＰＭモード状態と２Ｌ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて４Ｌ極ＰＭモードと２Ｌ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できるようにしたことを特徴とする永久磁石モータ。
【請求項２】
前記４Ｌ極ＰＭモードにする場合、前記電機子巻線の結線４Ｌ極にして第１の磁化電流を流すことによって発生する磁化により前記Ｌ個の可変磁力磁石それぞれを隣り合う固定磁力磁石と同一方向に不可逆的に磁化させ、前記可変磁力磁石と固定磁力磁石はＮ極Ｓ極のいずれか同極に揃え、隣り合う可変磁力磁石と固定磁力磁石との間の凸鉄心部に前記隣り合う可変磁力磁石及び固定磁力磁石の磁極とは反対の磁極のイメージポールを形成することにより磁石トルク主体の４Ｌ極ＰＭモード状態とすることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石モータ。
【請求項３】
前記固定磁力磁石、可変磁力磁石それぞれは、２個一対の小磁石にて構成し、かつ、２個一対の小磁石が外向きに広がる配置で前記回転子鉄心内に埋め込んだことを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石モータ。
【請求項４】
回転子鉄心内に複数Ｌ個（Ｌは整数）の固定磁力磁石を円周方向に等間隔で、かつ、回転子の外周に現れる磁極が全周で同極となる向きに埋め込み、かつ、磁化方向が前記固定磁力磁石と同じとする複数Ｌ個の可変磁力磁石を、前記隣り合う固定磁力磁石の間各々に埋め込んだ回転子と、電機子巻線の結線を２Ｌ極と４Ｌ極の間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石モータの運転方法であって、
低速回転（大トルク）域では、前記電機子巻線の結線を２Ｌ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記Ｌ個の可変磁力磁石それぞれを隣り合う固定磁力磁石と同一方向に不可逆的に磁化させ、前記可変磁力磁石と固定磁力磁石はＮ極Ｓ極いずれかの同極に揃え、隣り合う可変磁力磁石と固定磁力磁石との間の凸鉄心部に前記隣り合う可変磁力磁石と固定磁力磁石の磁極とは反対の磁極のイメージポールを形成することにより磁石トルク主体の４Ｌ極ＰＭモード状態にして運転し、
中速及び高速回転域では、前記電機子巻線を２Ｌ極にして所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆の方向の第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記Ｌ個の可変磁力磁石を隣り合う前記固定磁力磁石とは逆方向に不可逆的に磁化させて磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２Ｌ極ＩＰＭモード状態にして運転することを特徴とする永久磁石モータの運転方法。
【請求項５】
回転子鉄心内に複数Ｌ（Ｌは整数）の可変磁力磁石を円周方向に等間隔で、かつ、回転子の外周に現れる磁極が全周で周期的にＮＳ極の対になるように埋め込んだ回転子と、
各電機子コイルまたは複数の電機子コイル毎にパワー素子が接続され、前記各パワー素子をスイッチング切替することにより電機子巻線が形成する回転磁界が任意の極数になるように切替できる固定子とを備え、
前記電機子コイルに接続されたパワー素子のスイッチングを任意の極数Ｍ（Ｍは整数）になるように切り替え、所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記複数Ｌの可変磁力磁石うちの円周方向に等間隔ずつ離れたそれよりも少ない複数Ｋ（Ｋ＜Ｌ）の可変磁力磁石の磁化方向を逆向きに不可逆的に磁化して磁極数を変化させて第１の磁極数モードにし、
前記電機子コイルに接続されたパワー素子のスイッチングを切替えて所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記不可逆的に磁化方向を逆向きに変えた複数Ｋの可変磁力磁石を元の磁化方向にして磁極数を元に戻して第２の磁極数モードにし、
前記第１の磁極数モードと第２の磁極数モードとの間で相互に磁極数モード状態を切り替えていずれの磁極数モードでも運転できるようにしたことを特徴とする永久磁石モータ。
【請求項６】
回転子鉄心内に複数Ｌ（Ｌは整数）の可変磁力磁石を円周方向に等間隔で、かつ、回転子の外周に現れる磁極が全周で周期的にＮＳ極の対になるように埋め込んだ回転子と、各電機子コイルまたは複数の電機子コイル毎にパワー素子が接続され、前記各パワー素子をスイッチング切替することにより電機子巻線が形成する回転磁界が任意の極数になるように切替できる固定子とを備えた永久磁石モータの運転方法であって、
低速回転（大トルク）域では、前記電機子コイルに接続されたパワー素子のスイッチングを任意の極数Ｍ（Ｍは整数）になるように切り替え、所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記複数Ｌの可変磁力磁石うちの円周方向に等間隔ずつ離れたそれよりも少ない複数Ｋ（Ｋ＜Ｌ）の可変磁力磁石の磁化方向を逆向きに不可逆的に磁化して磁極数を変化させて第１の磁極数モードにし、
中速及び高速回転域では、前記電機子コイルに接続されたパワー素子のスイッチングを切替えて前記電機子巻線の結線を前記第１の磁極数モードにしたときと同様の結線にし、所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記不可逆的に磁化方向を逆向きに変えた複数Ｋの可変磁力磁石を元の磁化方向にして磁極数を元に戻して第２の磁極数モードにし、
前記第１の磁極数モードと第２の磁極数モードとの間で相互に磁極数モード状態を切り替えて運転することを特徴とする永久磁石モータの運転方法。
【請求項７】
回転子鉄心内に複数Ｌ（Ｌは整数）の可変磁力磁石と複数Ｍ（ＭはＬの２倍）の固定磁力磁石とを、１個の可変磁力磁石と２個の固定磁力磁石とを１組とし、回転子鉄心の全周に渡り、固定磁力磁石Ｎ極、可変磁力磁石、固定磁力磁石Ｎ極の順の配列の組と、固定磁力磁石Ｓ極、可変磁力磁石、固定磁力磁石Ｓ極の順の配列の組にして等間隔に埋め込んだ回転子と、
極数切替にて電機子巻線の結線をＬ極とＬ＋Ｍ極との間で切替できる固定子とを備え、
前記電機子巻線の結線を前記Ｌ極に切り替え、所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記Ｌ個の可変磁力磁石の磁化方向を隣り合う固定磁力磁石とは逆向きに不可逆的に磁化してＬ＋Ｍ極の磁極数の第１の磁極数モードにし、
前記電機子巻線の結線を前記第１の磁極数モードにしたときと同様の結線にし、所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記複数Ｌ個の可変磁力磁石の磁化方向を不可逆的に逆向きに変えてＬ極の磁極数の第２の磁極数モードにし、
前記電機子巻線の結線を前記第１の磁極数モードにしたときと同様の結線にし、所定の短時間だけ前記第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記不可逆的に磁化方向を逆向きに変えた複数Ｌ個の可変磁力磁石を元の磁化方向にして磁極数を元のＬ＋Ｍ極の前記第１の磁極数モードに戻し、
前記第１の磁極数モードと第２の磁極数モードとの間で相互に磁極数モード状態を切り替えていずれの磁極数モードでも運転できるようにしたことを特徴とする永久磁石モータ。
【請求項８】
前記回転子の磁極数をＬ＋Ｍ極の前記第１の磁極数モードに変換する場合、前記電機子巻線の結線をＬ＋Ｍ極に切り替え、所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記Ｌ個の可変磁力磁石の磁化方向を隣り合う固定磁力磁石とは逆向きに不可逆的に磁化して前記第１の磁極数モードに変換することを特徴とする請求項７に記載の永久磁石モータ。
【請求項９】
回転子鉄心内に複数Ｌ（Ｌは整数）の可変磁力磁石と複数Ｍ（ＭはＬの２倍）の固定磁力磁石とを、１個の可変磁力磁石と２個の固定磁力磁石とを１組とし、回転子鉄心の全周に渡り、固定磁力磁石Ｎ極、可変磁力磁石、固定磁力磁石Ｎ極の順の配列の組と、固定磁力磁石Ｓ極、可変磁力磁石、固定磁力磁石Ｓ極の順の配列の組にして等間隔に埋め込んだ回転子と、極数切替にて電機子巻線の結線をＬ極とＬ＋Ｍ極との間で切替できる固定子とを備え永久磁石モータの運転方法であって、
低速回転（大トルク）域では、前記電機子巻線の結線を前記Ｌ極に切り替え、所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記Ｌ個の可変磁力磁石の磁化方向を隣り合う固定磁力磁石とは逆向きに不可逆的に磁化してＬ＋Ｍ極の磁極数の第１の磁極数モードにし、
前記低速回転（大トルク）域から中速及び高速回転域に移るときには、前記電機子巻線の結線を前記第１の磁極数モードにしたときと同様の結線にし、所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記複数Ｌ個の可変磁力磁石の磁化方向を不可逆的に逆向きに変えてＬ極の磁極数の第２の磁極数モードにし、
前記中速及び高速回転域から低速回転（大トルク）域に移るときには、前記電機子巻線の結線を前記第１の磁極数モードにしたときと同様の結線にし、所定の短時間だけ前記第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記不可逆的に磁化方向を逆向きに変えた複数Ｌ個の可変磁力磁石を元の磁化方向にして磁極数を元のＬ＋Ｍ極の前記第１の磁極数モードに戻し、
前記第１の磁極数モードと第２の磁極数モードとの間で相互に磁極数モード状態を切り替えて運転することを特徴とする永久磁石モータの運転方法。
【請求項１０】
前記回転子の磁極数をＬ＋Ｍ極に変換する場合、前記電機子巻線の結線をＬ＋Ｍ極に切り替え、所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記Ｌ個の可変磁力磁石の磁化方向を隣り合う固定磁力磁石とは逆向きに不可逆的に磁化して前記第１の磁極数モードに変換することを特徴とする請求項９に記載の永久磁石モータの運転方法。
【請求項１１】
前記電機子巻線の各相それぞれにパワー半導体素子を介挿し、導通状態にするパワー半導体素子の組み合わせを切り替えることによって前記電機子巻線の結線を任意の極数になるように切り替え、所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流又は第２の電流を流すようにしたことを特徴とする請求項１〜３，５，７，８のいずれかに記載の永久磁石モータ。
【請求項１２】
前記電機子巻線の各相それぞれにパワー半導体素子を介挿し、導通状態にするパワー半導体素子の組み合わせを切り替えることによって前記電機子巻線の結線を任意の極数になるように切り替え、所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流又は第２の電流を流すことを特徴とする請求項４，６，９，１０のいずれかに記載の永久磁石モータの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極数変換、機器定数変更が可能な永久磁石モータとその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
世界的なエネルギー消費量の増加に伴い、省エネルギー化が求められている。ハイブリッド自動車、電車、エレベータ、家電機器では高出力、高効率を得るために永久磁石モータが適用されている。しかし、永久磁石モータは可変速運転では中速から高速回転域で過大な誘導電圧が発生して駆動不可能になる。そこで、この過大な誘導電圧を抑制するために弱め磁束制御が研究開発され実用化された。しかし、弱め磁束制御に要する電流は銅損と高周波鉄損を増加するので中速から高速域にかけて効率が大きく低下し、電源電圧制限下では広い可変速範囲の運転が困難などの問題がある。そこで、永久磁石の磁力を不可逆的に変化させて駆動する新概念のいわゆる可変磁力モータやメモリモータが提案されている。
【０００３】
このような可変磁力モータやメモリモータに対して、さらに省エネルギー、小型・高出力の理想的な可変速モータドライブシステムを得るには運転状態に応じてモータの機器定数や極数を可変にすることが鍵となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−７２０２１号公報
【特許文献２】特開２００９−２０１３００号公報
【特許文献３】特開２０１０−００４６７３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｋ．Ｓａｋａｉ，Ｔ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｅｓｈｉｍｏｍｕｒａ，Ｍ．Ａｒａｔａ，Ｙ．Ｎａｋａｚａｗａ  ａｎｄ  Ｔ．Ｔａｊｉｍａ：”Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  ｍａｇｎｅｔ  ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ  ｍｏｔｏｒ  ｓｕｉｔａｂｌｅ  ｆｏｒ  ｖａｒｉａｂｌｅ−ｓｐｅｅｄ  ｄｒｉｖｅ  ｆｏｒ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｖｅｈｉｃｌｅ”，Ｔ．ＩＥＥ  Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．１２３−Ｄ，Ｎｏ．６，６８１−６８８ページ（２００３年）．
【非特許文献２】Ｋ．Ｓａｋａｉ，Ｋ．Ｈａｇｉｗａｒａ  ａｎｄ  Ｙ．Ｈｉｒａｎｏ，”Ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ  ａｎｄ  ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  ｍａｇｎｅｔ  ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ  ｍｏｔｏｒ  ｆｏｒ  ｈｙｂｒｉｄ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｖｅｈｉｃｌｅ”，ＴＯＳＨＩＢＡ  ＲＥＶＩＥＷ，Ｖｏｌ．６０，Ｎｏ．１１，４１−４４ページ（２００５年）．
【非特許文献３】Ｋ．Ｓａｋａｉ，Ｋ．Ｙｕｋｉ，Ｙ．Ｈａｓｈｉｂａ，Ｎ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｋ．Ｙａｓｕｉ  ａｎｄ  Ｌ．Ｋｏｖｕｄｈｉｋｕｌｒｕｎｇｓｒｉ：“Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ  ａｎｄ  Ｂａｓｉｃ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  Ｖａｒｉａｂｌｅ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ−Ｆｏｒｃｅ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ｍｏｔｏｒｓ”，ＩＥＥＪ  Ｔｒａｎｓ．  ＩＡ，Ｖｏｌ．１３１，Ｎｏ．１，５３−６０ページ（２０１１年）．
【非特許文献４】Ｋ．Ｓａｋａｉ，Ｋ．Ｙｕｋｉ，Ｄ．Ｍｉｓｕ，Ｎ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｙ．Ｈａｓｈｉｂａ，Ｙ．Ｍａｔｓｕｏｋａ  ａｎｄ  Ｙ．Ｏｔｓｕｂｏ：”Ｖａｒｉａｂｌｅ−ｍａｇｎｅｔｉｃ−ｆｏｒｃｅ  ｍｏｔｏｒ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｂｙ  ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ  ｔｏｒｑｕｅ”，２０１０  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ  Ｒｅｃｏｒｄ，ＩＥＥＪ，５−０１２（２０１０年）．
【非特許文献５】Ｖ．Ｏｓｔｏｖｉｃ，  “Ｍｅｍｏｒｙ  ｍｏｔｏｒｓ”，ＩＥＥＥ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｍａｇａｚｉｎｅ，Ｊａｎ／Ｆｅｂ．，５２−６１ページ（２００３年）．
【非特許文献６】Ｖ．Ｏｓｔｏｖｉｃ，“Ｐｏｌｅ−ｃｈａｎｇｉｎｇ  ｐｅｒｍａｎｅｎｔ−ｍａｇｎｅｔ  ｍａｃｈｉｎｅｓ”，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．６，１４９３−１４９９ページ（２００２年）．
【非特許文献７】橋本尚宜・倉持暁・堺和人：「３種トルク発生と極数変換を可能とする新規永久磁石モータの原理」，平成２３年電気学会産業応用部門大会  Ｙ−１１２（２０１１年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような技術的な要望に鑑みてなされたもので、機器定数が可変で、かつ、極数変換も可能な永久磁石モータ（以下、「ＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータ」と称す。）とその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの特徴は、回転子鉄心内に複数Ｌ個（Ｌは整数）の固定磁力磁石を円周方向に等間隔で、かつ、回転子の外周に現れる磁極が全周で同極となる向きに埋め込み、かつ、磁化方向が前記固定磁力磁石と同じとする複数Ｌ個の可変磁力磁石を、前記隣り合う固定磁力磁石の間各々に埋め込んだ回転子と、極数切替にて電機子巻線の結線を２Ｌ極と４Ｌ極の間で切替ができる固定子とを備え、前記電機子巻線の結線を２Ｌ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記Ｌ個の可変磁力磁石それぞれを隣り合う固定磁力磁石と同一方向に不可逆的に磁化させ、前記可変磁力磁石と固定磁力磁石はＮ極Ｓ極のいずれか同極に揃え、隣り合う可変磁力磁石と固定磁力磁石との間の凸鉄心部に前記隣り合う可変磁力磁石及び固定磁力磁石の磁極とは反対の磁極のイメージポールを形成することにより磁石トルク主体の４Ｌ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２Ｌ極にして所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆の方向の第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記Ｌ個の可変磁力磁石を隣り合う前記固定磁力磁石とは逆方向に不可逆的に磁化させて磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２Ｌ極ＩＰＭモード状態とし、前記４Ｌ極ＰＭモード状態と２Ｌ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて４Ｌ極ＰＭモードと２Ｌ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できるようにした永久磁石モータである。
【０００８】
本発明の別の特徴は、回転子鉄心内に複数Ｌ個（Ｌは整数）の固定磁力磁石を円周方向に等間隔で、かつ、回転子の外周に現れる磁極が全周で同極となる向きに埋め込み、かつ、磁化方向が前記固定磁力磁石と同じとする複数Ｌ個の可変磁力磁石を、前記隣り合う固定磁力磁石の間各々に埋め込んだ回転子と、極数切替にて電機子巻線の結線を２Ｌ極と４Ｌ極の間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石モータの運転方法であって、低速回転（大トルク）域では、前記電機子巻線の結線を２Ｌ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記Ｌ個の可変磁力磁石それぞれを隣り合う固定磁力磁石と同一方向に不可逆的に磁化させ、前記可変磁力磁石と固定磁力磁石はＮ極Ｓ極いずれかの同極に揃え、隣り合う可変磁力磁石と固定磁力磁石との間の凸鉄心部に前記隣り合う可変磁力磁石と固定磁力磁石の磁極とは反対の磁極のイメージポールを形成することにより磁石トルク主体の４Ｌ極ＰＭモード状態にして運転し、中速及び高速回転域では、前記電機子巻線を２Ｌ極にして所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆の方向の第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記Ｌ個の可変磁力磁石を隣り合う前記固定磁力磁石とは逆方向に不可逆的に磁化させて磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２Ｌ極ＩＰＭモード状態にして運転する永久磁石モータの運転方法である。
【０００９】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に複数Ｌ（Ｌは整数）の可変磁力磁石を円周方向に等間隔で、かつ、回転子の外周に現れる磁極が全周で周期的にＮＳ極の対になるように埋め込んだ回転子と、各電機子コイルまたは複数の電機子コイル毎にパワー素子が接続され、前記各パワー素子をスイッチング切替することにより電機子巻線が形成する回転磁界が任意の極数になるように切替できる固定子とを備え、前記電機子コイルに接続されたパワー素子のスイッチングを任意の極数Ｍ（Ｍは整数）になるように切り替え、所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記複数Ｌの可変磁力磁石うちの円周方向に等間隔ずつ離れたそれよりも少ない複数Ｋ（Ｋ＜Ｌ）の可変磁力磁石の磁化方向を逆向きに不可逆的に磁化して磁極数を変化させて第１の磁極数モードにし、前記電機子コイルに接続されたパワー素子のスイッチングを切替えて所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記不可逆的に磁化方向を逆向きに変えた複数Ｋの可変磁力磁石を元の磁化方向にして磁極数を元に戻して第２の磁極数モードにし、前記第１の磁極数モードと第２の磁極数モードとの間で相互に磁極数モード状態を切り替えていずれの磁極数モードでも運転できるようにした永久磁石モータである。
【００１０】
本発明のさらに別の特徴は、回転子鉄心内に複数Ｌ（Ｌは整数）の可変磁力磁石を円周方向に等間隔で、かつ、回転子の外周に現れる磁極が全周で周期的にＮＳ極の対になるように埋め込んだ回転子と、各電機子コイルまたは複数の電機子コイル毎にパワー素子が接続され、前記各パワー素子をスイッチング切替することにより電機子巻線が形成する回転磁界が任意の極数になるように切替できる固定子とを備えた永久磁石モータの運転方法であって、低速回転（大トルク）域では、前記電機子コイルに接続されたパワー素子のスイッチングを任意の極数Ｍ（Ｍは整数）になるように切り替え、所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記複数Ｌの可変磁力磁石うちの円周方向に等間隔ずつ離れたそれよりも少ない複数Ｋ（Ｋ＜Ｌ）の可変磁力磁石の磁化方向を逆向きに不可逆的に磁化して磁極数を変化させて第１の磁極数モードにし、中速及び高速回転域では、前記電機子コイルに接続されたパワー素子のスイッチングを切替えて前記電機子巻線の結線を前記第１の磁極数モードにしたときと同様の結線にし、所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記不可逆的に磁化方向を逆向きに変えた複数Ｋの可変磁力磁石を元の磁化方向にして磁極数を元に戻して第２の磁極数モードにし、前記第１の磁極数モードと第２の磁極数モードとの間で相互に磁極数モード状態を切り替えて運転する永久磁石モータの運転方法である。
【００１１】
本発明のさらに別の特徴は、回転子鉄心内に複数Ｌ（Ｌは整数）の可変磁力磁石と複数Ｍ（ＭはＬの２倍）の固定磁力磁石とを、１個の可変磁力磁石と２個の固定磁力磁石とを１組とし、回転子鉄心の全周に渡り、固定磁力磁石Ｎ極、可変磁力磁石、固定磁力磁石Ｎ極の順の配列の組と、固定磁力磁石Ｓ極、可変磁力磁石、固定磁力磁石Ｓ極の順の配列の組にして等間隔に埋め込んだ回転子と、極数切替にて電機子巻線の結線をＬ極とＬ＋Ｍ極との間で切替できる固定子とを備え、前記電機子巻線の結線を前記Ｌ極に切り替え、所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記Ｌ個の可変磁力磁石の磁化方向を隣り合う固定磁力磁石とは逆向きに不可逆的に磁化してＬ＋Ｍ極の磁極数の第１の磁極数モードにし、前記電機子巻線の結線を前記第１の磁極数モードにしたときと同様の結線にし、所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記不可逆的に磁化方向を逆向きに変えた前記複数Ｌの可変磁力磁石を元の磁化方向に戻して磁極数を元のＬ極に戻して第２の磁極数モードにし、前記電機子巻線の結線を前記第１の磁極数モードにしたときと同様の結線にし、所定の短時間だけ前記第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記不可逆的に磁化方向を逆向きに変えた複数Ｌ個の可変磁力磁石を元の磁化方向にして磁極数を元のＬ＋Ｍ極の前記第１の磁極数モードに戻し、前記第１の磁極数モードと第２の磁極数モードとの間で相互に磁極数モード状態を切り替えていずれの磁極数モードでも運転できるようにした永久磁石モータである。
【００１２】
本発明のさらに別の特徴は、回転子鉄心内に複数Ｌ（Ｌは整数）の可変磁力磁石と複数Ｍ（ＭはＬの２倍）の固定磁力磁石とを、１個の可変磁力磁石と２個の固定磁力磁石とを１組とし、回転子鉄心の全周に渡り、固定磁力磁石Ｎ極、可変磁力磁石、固定磁力磁石の順の配列の組と、固定磁力磁石Ｓ極、可変磁力磁石、固定磁力磁石Ｓ極の順の配列の組にして等間隔に埋め込んだ回転子と、極数切替にて電機子巻線の結線をＬ極とＬ＋Ｍ極との間で切替できる固定子とを備え永久磁石モータの運転方法であって、低速回転（大トルク）域では、前記電機子巻線の結線を前記Ｌ極に切り替え、所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記Ｌの可変磁力磁石の磁化方向を隣り合う固定磁力磁石とは逆向きに不可逆的に磁化してＬ＋Ｍ極の磁極数の第１の磁極数モードにし、前記低速回転（大トルク）域から中速及び高速回転域に移るときには、前記電機子巻線の結線を前記第１の磁極数モードにしたときと同様の結線にし、所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記複数Ｌの可変磁力磁石の磁化方向を不可逆的に逆向きに変えてＬ極の磁極数の第２の磁極数モードにし、前記中速及び高速回転域から低速回転（大トルク）域に移るときには、前記電機子巻線の結線を前記第１の磁極数モードにしたときと同様の結線にし、所定の短時間だけ前記第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記不可逆的に磁化方向を逆向きに変えた複数Ｌ個の可変磁力磁石を元の磁化方向にして磁極数を元のＬ＋Ｍ極の第１の磁極数モードに戻し、前記第１の磁極数モードと第２の磁極数モードとの間で相互に磁極数モード状態を切り替えていずれの磁極数モードでも運転できる永久磁石モータの運転方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、機器定数が可変で、かつ、極数変換も可能な永久磁石モータを実現でき、それによって広い回転域での運転が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施の形態のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの速度、トルクとモードとの対応図。
【図２】第１の実施の形態のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの半分の断面図。
【図３】第１の実施の形態のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータのモード別の可変磁力磁石の着磁状態、着磁方向と極数の説明図。
【図４】実施例１のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの諸元表。
【図５】図５（ａ）は実施例１のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの８極永久磁石モータ（８ｐｏｌｅ  ＰＭ）モードでの磁束密度の分布と磁極分布を示す断面図、図５（ｂ）は実施例１のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの４極永久磁石・リラクタンスモータ（４ｐｏｌｅ  ＩＰＭ）モードでの磁束密度の分布と磁極分布を示す断面図。
【図６】実施例１のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの８極ＰＭモード時と４極ＩＰＭモード時の誘導電圧と調波成分を対比として示したグラフ。
【図７】実施例１のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの８極ＰＭモード時と４極ＩＰＭモード時の固定子鉄損を対比したグラフ。
【図８】実施例１の実施例１のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの８極ＰＭモード時と４極ＩＰＭモード時のトルク−電流位相特性のグラフ。
【図９】第２の実施の形態のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの８極ＰＭモード時の磁化状態の説明図。
【図１０】第２の実施の形態のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの４極ＩＰＭモード時の磁化状態の説明図。
【図１１】第２の実施の形態のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの断面図。
【図１２】第２の実施の形態のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの電機子巻線に対するパワー半導体素子の接続例を示す断面図。
【図１３】第２の施の形態のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの電機子巻線の８極接続例の回路図。
【図１４】第２実施の形態のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの電機子巻線の４極接続例の回路図。
【図１５】実施例２のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの諸元表。
【図１６】実施例２のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの８極モードでの磁束密度分布の説明図。
【図１７】実施例２のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの４極モードでの磁束密度分布の説明図。
【図１８】実施例２のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの８極モード時の誘導電圧と調波成分を対比として示したグラフ。
【図１９】実施例２のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの４極モード時の誘導電圧と調波成分を対比として示したグラフ。
【図２０】実施例２のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの８極モード時のトルク−電流特性のグラフ。
【図２１】実施例２のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの４極モード時のトルク−電流特性のグラフ。
【図２２】第３の実施の形態のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの断面図。
【図２３】第３の実施の形態のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの６極−２極のモード切替時の可変磁力磁石の磁化状態の変化の様子を示す説明図。
【図２４】実施例３のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの諸元表。
【図２５】図２５（ａ）は実施例３のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの電機子巻線の６極接続例の回路図、図２５（ｂ）は実施例３のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの電機子巻線の２極接続例の回路図。
【図２６】実施例３のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの６極モード時と４極モード時の磁束密度分布の説明図。
【図２７】実施例３のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの６極モード時と４極モード時との誘導電圧と調波成分との関係を示すグラフ。
【図２８】実施例３の６極／２極のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの６極、４極のモード別のトルク−電流特性のグラフ。
【図２９】実施例３のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータの６極モード時と４極モード時の固定子鉄損を対比したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。尚、以下の説明では、同一若しくは類似する構成要素には同一若しくは類似する符号を付して説明する。また、磁極数、用いる永久磁石数、巻線極数等については、あくまでも例示であり、その増減は任意であり、説明に用いるものに限定されるわけではない。
【００１６】
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態の特徴は、回転子鉄心内に複数Ｌ個（Ｌは整数）の固定磁力磁石を円周方向に等間隔で、かつ、回転子の外周に現れる磁極が全周で同極となる向きに埋め込み、かつ、磁化方向が固定磁力磁石と同じとする複数Ｌ個の可変磁力磁石を、隣り合う固定磁力磁石の間各々に埋め込んだ回転子と、極数切替にて電機子巻線の結線を２Ｌ極と４Ｌ極の間で極数切替ができる固定子とを備え、低速回転（大トルク）域では、電機子巻線の結線を２Ｌ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界によりＬ個の可変磁力磁石それぞれを隣り合う固定磁力磁石と同一方向に不可逆的に磁化させ、可変磁力磁石と固定磁力磁石はＮ極Ｓ極のいずれか同極に揃え、隣り合う可変磁力磁石と固定磁力磁石との間の凸鉄心部に隣り合う可変磁力磁石及び固定磁力磁石の磁極とは反対の磁極のイメージポールを形成することにより磁石トルク主体の４Ｌ極ＰＭモード状態とし、中速及び高速回転域では、電機子巻線を２Ｌ極にして所定の短時間だけ第１の磁化電流とは逆の方向の第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界によりＬ個の可変磁力磁石を隣り合う固定磁力磁石とは逆方向に不可逆的に磁化させて磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２Ｌ極ＩＰＭモード状態とし、４Ｌ極ＰＭモード状態と２Ｌ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて４Ｌ極ＰＭモードと２Ｌ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できるようにした永久磁石モータとその運転方法である。
【００１７】
本発明の第１の実施の形態のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータは、図１に示す様に低速回転域では８極の永久磁石トルクモータ（８極ＰＭ）として、中速から高速回転域では４極永久磁石トルクとリラクタンストルクのモータ（４極ＩＰＭ）として動作させることにより、モータとして常に効率の良い領域で運転する。
【００１８】
図２は本実施の形態のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータ１の半分の断面を示し、円筒状の固定子２１の内空部に回転子１１をそれらの間にエアギャップ３０を介して挿入した構造である。回転子１１の中心部には回転軸３１が嵌め込まれている。
【００１９】
ＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータ１の回転子１１は、低保磁力永久磁石１４（以下、「可変磁力磁石」と称す）と高保磁力永久磁石１３（以下、「固定磁力磁石」と称す）が回転子鉄心１２に埋め込まれた構成である。永久磁石の場合、その磁石材料によらず、減磁磁界の大小はあるとしても、大きな磁界により減磁あるいは増磁するものであるが、ここでは、想定している使用条件の下で磁力を変化させるものを可変磁力磁石、磁力を変化させないものを固定磁力磁石と称する。
【００２０】
図２に示すＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータ１は、可変磁力磁石１４が外向きに開く配置で２個１対として回転子鉄心１２内に、その回転方向に１８０度離れた位置それぞれに１対ずつ埋め込まれている。同様に、固定磁力磁石１３も外向きに開く配置で２個１対として回転子鉄心１２内に、その回転方向に１８０度離れた位置それぞれに１対ずつ埋め込まれている。これにより、これらの可変磁力磁石１４と固定磁力磁石１３とは、回転方向に９０度ずつ離れた位置に交互に埋め込まれている配置となっている。
【００２１】
１対の固定磁力磁石１３の中心を通る半径方向の線とそれに隣り合う１対の可変磁力磁石１４の中心を通る半径方向の線との間は回転角として９０度であり、隣り合う固定磁力磁石１３と可変磁力磁石１４との間は離間している。この離間部が凸鉄心部１５となっている。そして凸鉄心部１５の中心を通る半径方向の線とその両隣の磁石対の中心を通る半径方向の線との間の回転角は４５度である。
【００２２】
低保磁力の可変磁力磁石１４としては、高保磁力の固定磁力磁石１３であるネオジム磁石よりも低保磁力のもの、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石、サマリウム・コバルト磁石等を使用する。特に、今日、サマリウム・コバルト磁石が最適である。これは、他の実施の形態でも同様である。
【００２３】
ＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータ１の固定子２１は、円筒形の固定子鉄心２２の内周面に等間隔に形成されているスロットに電機子巻線２３を巻装した構成である。この固定子２１の電機子巻線２３は、３相交流入力に対して８極と４極に結線を切り替えることができる、一般的な誘導回転電機の極数切替回転電機と同様の仕組みである。
【００２４】
巻線の極数変換については、８極では２つのＹ結線が直列接続で４極では２つのＹ結線が並列接続の場合、または、８極では２つのＹ結線が並列接続で４極では２組の巻線が直列になったΔ接続の場合などがあり、回転電機が駆動する装置の運転要求に応じて極数変換する電機子巻線の接続パターンが適用される。
【００２５】
本実施の形態のＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータ１は、極数変換、機器定数変更のために、回転子に埋め込まれる可変磁力磁石１４を磁化して極数変換を行い、磁石トルク主体の８極ＰＭモード、磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する４極ＩＰＭモードで駆動する。その様子を、図３を用いて説明する。
【００２６】
図３（ａ）に示す回転子１１が８極になる場合（８極ＰＭモード）は、固定磁力磁石１３と可変磁力磁石１４は同極である。磁石間の凸鉄心部１５には、固定磁力磁石１３あるいは可変磁力磁石１４とは逆の磁極（イメージポール）が形成されて、回転子は８極となる。この８極ＰＭモードでは、電機子巻線２３は８極接続にして運転する。
【００２７】
図３（ｂ）に示すように、回転子１１の極数を８極ＰＭモードから４極ＩＰＭモードとする場合、電機子巻線２３を４極に切り替えて、極短時間のパルス状のｄ軸電機子電流を通電させ、その磁界を用いて保磁力が低く磁化されやすい可変磁力磁石１４を隣り合う固定磁力磁石１３と逆向き磁化する。可変磁力磁石１４の磁化方向は隣り合う固定磁力磁石１３の磁化方向と逆の極性となり、回転子１１の全体で４極となる。こうして４極ＩＰＭモードに変更して運転する場合、電機子巻線２３はそのまま４極接続で運転する。
【００２８】
逆に回転子１１の極数を図３（ｂ）の４極ＩＰＭモードから図３（ａ）の８極ＰＭモードとする場合、固定子２１を４極の状態とし、４極のｄ軸電機子電流による逆向きの磁界を発生させて可変磁力磁石１４を元の磁化方向に戻す。そして電機子巻線２３は８極接続に戻して運転する。
【実施例１】
【００２９】
基本的な変換特性の把握とモータの可能性を検証するために有限要素法磁界解析を行った。解析モデルの諸元を図４の表に示す。固定子２１の外径は１２０ｍｍ、回転子１１の外径は６７．４ｍｍ、最大電流は３．７Ａ、可変磁力磁石１３の保磁力は１９０ｋＡ／ｍである。
【００３０】
解析で得られた８極ＰＭモード、４極ＩＰＭモードそれぞれの時の磁束密度分布と磁束線を図５に示している。図５（ａ）では回転方向に４５度ずつＮ極、Ｓ極が交互に現れ、全周で８極が形成されていることが分かる。また図５（ｂ）では、回転方向に９０度ずつＮ極、Ｓ極が交互に現れ、全周で４極が形成されていることが分かる。
【００３１】
誘起電圧の調波成分を図６に示す。回転速度は３０００ｒｐｍである。誘起電圧の基本波成分は、８極から４極に極数変換すると１００％から５６％まで１／２程度低下している。このことは、４極の場合には回転数を２倍程度、つまり６０００ｒｐｍまで上げることができ、高速回転が弱め磁束制御なしに無理なく行えることを意味している。
【００３２】
さらに、モータの極数を変更することにより高速回転時の効率が改善される可能性を確認するために無負荷時の固定子２１の鉄損を解析した。解析結果を図７に示す。回転速度は６０００ｒｐｍである。８極ＰＭモードの鉄損を１００％とすると、４極ＩＰＭモードにすることによって鉄損を５３％低減することができる。これは、極数を低い方に切り換えることにより、高速回転域における鉄損を約１／２にできることを意味している。
【００３３】
最後に定格電流３．６Ａで電流位相を変化させたときのトルク対電流位相特性を図８に示す。８極ＰＭモードの場合の最大トルクは電流位相１０１ｄｅｇ．で３．３５Ｎｍ、４極ＩＰＭモードの場合の最大トルクは電流位相１１３ｄｅｇ．で２．４７Ｎｍとなる。最大トルク時の電流位相から、８極ＰＭモードでは主にＰＭトルク、４極ＩＰＭモードではＰＭトルクとリラクタンストルクの合成トルクを発生していることが分かる。こうして、誘起電圧とトルクの変化比からほぼ一定出力で可変速運転できることが確認できた。
【００３４】
尚、本発明にあっては、一般に４Ｌ極モードにする場合に、電機子巻線の結線を４Ｌ極にして第１の磁化電流を流すことによって発生する磁化によりＬ個の可変磁力磁石それぞれを隣り合う固定磁力磁石と同一方向に不可逆的に磁化させ、可変磁力磁石と固定磁力磁石はＮ極Ｓ極のいずれか同極に揃え、隣り合う可変磁力磁石と固定磁力磁石との間の凸鉄心部に隣り合う可変磁力磁石及び固定磁力磁石の磁極と反対の磁極のイメージポールを形成することにより磁石トルク主体の４Ｌ極ＰＭモード状態とすることもできる。
【００３５】
［第２の実施の形態］
回転速度に応じてモータの極数・機器定数を変換すると可変速の全運転領域で効率の向上が期待できる。本実施の形態は、パワー素子のスイッチングを利用して極数・機器定数を変更する永久磁石モータであり、回転子鉄心内に複数Ｌ（Ｌは整数）の可変磁力磁石を円周方向に等間隔で、かつ、回転子の外周に現れる磁極が全周で周期的にＮＳ極の対になるように埋め込んだ回転子と、各電機子コイルまたは複数の電機子コイル毎にパワー素子が接続され、各パワー素子をスイッチング切替することにより電機子巻線が形成する回転磁界が任意の極数になるように切替できる固定子とを備え、電機子コイルに接続されたパワー素子のスイッチングを任意の極数Ｍ（Ｍは整数）になるように切り替え、低速回転（大トルク）域では、所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により複数Ｌの可変磁力磁石うちの円周方向に等間隔ずつ離れたそれよりも少ない複数Ｋ（Ｋ＜Ｌ）の可変磁力磁石の磁化方向を逆向きに不可逆的に磁化して磁極数を変化させて第１の磁極数モードにし、中速及び高速回転域では、電機子コイルに接続されたパワー素子のスイッチングを切替えて所定の短時間だけ第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により不可逆的に磁化方向を逆向きに変えた複数Ｋの可変磁力磁石を元の磁化方向にして磁極数を元に戻して第２の磁極数モードにし、第１の磁極数モードと第２の磁極数モードとの間で相互に磁極数モード状態を切り替えていずれの磁極数モードでも運転できるようにした永久磁石モータとその運転方法である。
【００３６】
図９、図１０を用いて極数変換の原理を説明する。永久磁石モータ１Ａは、回転子鉄心１２Ａ内に放射状に多数枚の可変磁力磁石１４Ａを配置している。各可変磁力磁石１４Ａの磁化の方向は円周方向（回転方向）である。そして、各可変磁力磁石１４Ａの磁化は、固定子２１Ａの固定子鉄心２２Ａの内周部に形成されたスロットに巻装されている電機子巻線２３Ａに流す通常運転時の電流よりも大電流の短パルス電流で形成される磁界により行う。
【００３７】
図９は８極磁化状態、図１０は４極磁化状態を示している。図９の８極から図１０の４極に変換する場合、電機子巻線２３Ａを８極巻線から４極巻線に接続変換し、４極巻線が作る磁界を用いて回転子１１Ａの可変磁力磁石１４Ａの極性を反転させる。その逆に、図１０の４極から図９の８極に変換する場合、電機子巻線２３Ａの４極巻線が作る先とは逆方向の短パルス電流による磁界を用いて回転子１１Ａの可変磁力磁石１４Ａの極性を再反転させる。
【００３８】
図１１、図１２には、本実施の形態の永久磁石モータ１Ａの構成を示している。固定子２１Ａの固定子鉄心２２Ａに形成したスロット数は１２で、電機子コイル２３Ａｕ，２３Ａｖ，２３Ａｗは集中巻である。回転子１１Ａの回転子鉄心１２Ａ内には１６個の低保磁力永久磁石１４Ａを放射状に配置している。電機子コイル２３Ａｕ，２３Ａｖ，２３Ａｗそれぞれには、パワー素子ＰＷ１，ＰＷ２，…が一体に接続してある。（図１２ではパワー素子は２個だけ記載してあるが、各電機子コイルと一体に接続してある。）外部のスイッチング制御装置によりこれらのパワー素子ＰＷ１，ＰＷ２，…をスイッチングして極数と機器定数変換を行う。
【００３９】
電機子巻線回路を図１３、図１４に示す。図１３に示す８極スイッチング切替時の巻線構成はＹ結線の４並列接続、図１４に示す４極スイッチング切替時の巻線構成はＹ結線の２並列接続である。
【００４０】
これにより、極数と機器定数を変換することができ、それによって、極数変換による誘導電圧を広い範囲で可変にし、可変速の運転領域が広がる。
【実施例２】
【００４１】
本実施の形態の永久磁石モータ１Ａに対して、有限要素法電磁界解析を行って極数変換動作を検証し、モータ特性も確認した。諸元は、図１５の表に示したものである。
【００４２】
無負荷時の８極の磁束密度分布は図１６のように、無負荷時の４極の磁束密度分布図は図１７のように得られた。これらの磁束密度分布から巻線切替で８極と４極に切り換えられているのが分かる。
【００４３】
また、無負荷時の誘導電圧波形の調波解析結果を図１８、図１９に示す。図１８は８極の場合であり、８極の基本波成分の振幅値は１０６Ｖであった。図１９は４極の場合であり、４極の基本波成分は２６Ｖであった。また、８極と４極のトルク特性の解析結果を図２０、図２１に示す。図２０に示すように、８極のトルク平均値３．５５Ｎｍ、図２１に示すように４極の平均トルクは０．９７Ｎｍであった。
【００４４】
これらの解析結果により、４極に切り換えることによって電圧が低下し、電圧の逆比で可変速範囲の拡大が可能であり、８極に切り換えることによって高トルクの低速回転が可能であることが確認できた。
【００４５】
［第３の実施の形態］
本実施の形態の特徴は、回転子鉄心内に複数Ｌ（Ｌは整数）の可変磁力磁石と複数Ｍ（ＭはＬの２倍）の固定磁力磁石とを、１個の可変磁力磁石と２個の固定磁力磁石とを１組とし、回転子鉄心の全周に渡り、固定磁力磁石Ｎ極、可変磁力磁石、固定磁力磁石Ｎ極の順の配列の組と、固定磁力磁石Ｓ極、可変磁力磁石、固定磁力磁石Ｓ極の順の配列の組にして等間隔に埋め込んだ回転子と、極数切替にて電機子巻線の結線をＬ極とＬ＋Ｍ極との間で切替できる固定子とを備え、低速回転（大トルク）域では、電機子巻線の結線をＬ極に切り替え、所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界によりＬ個の可変磁力磁石の磁化方向を隣り合う固定磁力磁石とは逆向きに不可逆的に磁化してＬ＋Ｍ極の磁極数の第１の磁極数モードにし、中速及び高速回転域では、電機子巻線の結線を第１の磁極数モードにしたときと同様の結線にし、所定の短時間だけ第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により不可逆的に磁化方向を変えた複数Ｌの可変磁力磁石を不可逆的に逆向きに変えてＬ極の磁極数の第２の磁極数モードにし、第１の磁極数モードと第２の磁極数モードとの間で相互に磁極数モード状態を切り替えていずれの磁極数モードでも運転できるようにした永久磁石モータとその運転方法である。
【００４６】
尚、本実施の形態にあっては、一般に回転子の磁極数をＬ＋Ｍ極の第１の磁極数モードに変換する場合、電機子巻線の結線をＬ＋Ｍ極に切り替え、所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界によりＬ個の可変磁力磁石の磁化方向を隣り合う固定磁力磁石とは逆向きに不可逆的に磁化することによって変換することも可能である。
【００４７】
以下に、本実施の形態の永久磁石モータについて説明する。本実施の形態は、低速から高速まで高効率で可変速運転するため、２極−６極の３倍比の極数変換を可能とする永久磁石モータ１Ｂである。
【００４８】
本実施の形態の永久磁石モータ１Ｂの極数変換モータ構成と変換原理は次の通りである。図２２は本実施の形態の基本構成を示している。回転子１１Ｂの回転子鉄心１２Ｂには外部磁界で極性が反転する可変磁力磁石１４Ｂの２個と極性反転しない固定磁力磁石１３Ｂの４個とが、回転方向に等角度ずつ離して埋め込まれている。３６０度で合計６個であるので、磁石間の角度は６０度である。２個の可変磁力磁石１４Ｂと４個の固定磁力磁石１３Ｂとを、１個の可変磁力磁石１４Ｂと２個の固定磁力磁石１３Ｂとを１組とし、回転子鉄心１１Ｂの全周に渡り、固定磁力磁石Ｎ極、可変磁力磁石、固定磁力磁石Ｎ極の順の配列の組と、固定磁力磁石Ｓ極、可変磁力磁石、固定磁力磁石Ｓ極の順の配列の組にして等間隔に埋め込まれている。
【００４９】
これにより、６極モータの場合には、固定磁力磁石Ｓ極、可変磁力磁石Ｎ極、固定磁力磁石Ｓ極の１組、続いて、固定磁力磁石Ｎ極、可変磁力磁石Ｓ極、固定磁力磁石Ｎ極の１組となるように配置されて、回転子１１Ｂの周囲にはＮ極、Ｓ極が交互に出て全６極となる。他方、２極モータの場合には、可変磁力磁石１４Ｂのみが電機子電流による磁界で極性が反転し、固定磁力磁石Ｓ極、可変磁力磁石Ｓ極、固定磁力磁石Ｓ極の１組、続いて、固定磁力磁石Ｎ極、可変磁力磁石Ｎ極、固定磁力磁石Ｎ極の１組となるので、回転子１１Ｂには全体としてＮ極、Ｓ極が半分ずつ現れる。
【００５０】
本実施の形態の永久磁石モータ１Ｂにおける極数変換の動作原理を図２３に示す。可変磁力磁石１４Ｂは電機子巻線２３Ｂの磁界で磁化されて極性が反転し、図２３（ａ）の６極から図２３（ｂ）の２極に変換する。固定子２１Ｂの極数変換は電機子巻線２３ＢＵ，２３ＢＶ，２３ＢＷの接続変換で行う。図２５（ａ）、図２５（ｂ）に電機子巻線回路を示す。図２５（ａ）の６極はＹ結線の直列回路、図２５（ｂ）の２極はＹ結線の並列回路である。
【００５１】
本実施の形態の永久磁石モータ１Ｂでは、３倍比の極数変換の永久磁石モータが可能である。そして巻線の接続切替で形成した磁界で可変磁力磁石の極性のみを反転させることによって極数を変換でき、誘起電圧の大幅な可変により広い可変速運転が得られ、さらに高速回転域の鉄損も低減できる。
【００５２】
尚、本実施の形態にあっては、回転子１１Ｂの磁極数を６極のモータに変換する場合、電機子巻線２３Ｂの結線を６極に切り替え、所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい磁化電流を流すことによって発生する磁界により２個の可変磁力磁石１４Ｂの磁化方向を隣り合う固定磁力磁石１３Ｂとは逆向きに不可逆的に磁化することによって変換することも可能である。
【実施例３】
【００５３】
本実施の形態の永久磁石モータ１Ｂに対する極数変換を検証し、基本特性を把握するため２次元電磁界解析を行った。図２４の表にモータモデルの諸元を示す。
【００５４】
図２６に無負荷時の磁束密度分布と磁束線を示す。磁束分布から一部の磁石を磁化反転すると図２６（ａ）に示す６極から同図（ｂ）に示す２極に変換できることが確認できた。
【００５５】
図２７には、回転速度３６００ｒｐｍにおける誘導電圧の調波成分を示す。この図２７から、６極の基本波成分の振幅値は２４４．２Ｖ、２極の基本波成分の振幅値は９２．２Ｖであり、６極から２極に変換すると、誘起電圧は１００％から３７．８％まで６２％あまり変化できることが確認できた。これにより、電圧の逆比で可変速運転範囲を従来の２〜３倍に拡大でき、高効率で可変速運転を実現できる。
【００５６】
図２８に電流位相を変化させたときのトルク対電流位相特性を示す。図２６から６極時の最大トルクは電流位相１２０ｄｅｇｒｅｅで７．０１Ｎｍ、２極時の最大トルクは電流位相９０ｄｅｇｒｅｅで２．６４Ｎｍとなる。図２６より６極ではＰＭトルクとリラクタンストルクの合成トルク、２極ではＰＭトルクが主体でトルクが発生していることが分かる。
【００５７】
さらに、図２９に最高速度１４４００ｒｐｍにおける無負荷時の鉄損（磁気的損失）解析結果を示す。図２９から、６極の鉄損を１００％とすると２極に極数変換することで５７．５％も低減することができ、２極に極数変換すると高速回転時でも高効率で運転できることが確認できた。
【００５８】
尚、本発明にあっては、第２の実施の形態で説明したパワー素子による固定子巻線の極数変換の構成は、第１の実施の形態や第３の実施の形態においても利用することができる。さらに一般に、回転電機や誘導機においても、第２の実施の形態で用いたパワー素子による電機子巻線の極数変換が同様に適用できる。
【符号の説明】
【００５９】
１，１Ａ，１Ｂ  永久磁石モータ
１１，１１Ａ，１１Ｂ  回転子
１２，１２Ａ，１２Ｂ  回転子鉄心
１３，１３Ｂ  固定磁力磁石
１４，１４Ａ，１４Ｂ  可変磁力磁石
２１，２１Ａ，２１Ｂ  固定子
２２，２２Ａ，２２Ｂ  固定子鉄心
２３，２３Ａ，２３Ｂ  電機子巻線
３０，３０Ａ，３０Ｂ  エアギャップ
３１，３１Ａ，３１Ｂ  回転軸
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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