(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子巻線を有する固定子と、
複数の永久磁石を有する回転子とから構成され、
前記固定子巻線に印加される電流が形成する磁界の作用で前記永久磁石を磁化させることにより当該永久磁石の磁束密度を変化させる永久磁石式回転電機において、
前記永久磁石の磁化特性は、
当該永久磁石のヒステリシス曲線における第１象限内のマイナーループにおいて、前記磁界の磁界強度の増加に対する磁化変化率が最大となる点の磁界強度が、前記ヒステリシス曲線における第１象限内のメジャーループにおいて、前記磁化変化率が最大となる点の磁束密度と同じ磁束密度を得るために要する磁界強度よりも小さく、且つ、
最大残留磁束密度よりも小さい磁束密度を有する前記永久磁石に対して極性の反転を伴わずに増磁する場合の前記マイナーループが、当該増磁の開始時点における前記永久磁石の磁束密度の大きさに関わらず、前記磁化変化率が最大となる点を含む増磁領域において略同一の線上に収束する、
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の永久磁石式回転電機が備える永久磁石の磁束密度を制御する永久磁石式回転電機の制御方法であって、
最大残留磁束密度よりも小さい磁束密度を有する前記永久磁石に対する増磁制御において、
前記増磁制御は、前記永久磁石の磁化が飽和した状態を経ずに増磁する、
ことを特徴とする永久磁石式回転電機の制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載の永久磁石式回転電機が備える永久磁石の磁束密度を制御する永久磁石式回転電機の制御方法であって、
前記永久磁石に対する磁化は、当該永久磁石の極性符号が同一の領域でのみ行われる、
ことを特徴とする永久磁石式回転電機の制御方法。
【請求項４】
請求項２または３に記載の永久磁石式回転電機が備える永久磁石の磁束密度を制御する永久磁石式回転電機の制御方法であって、
前記永久磁石に対する増磁制御において、
初回時の前記増磁制御では、前記永久磁石に、当該永久磁石の飽和磁束密度を超える磁束密度を当該永久磁石に発生させる磁界を作用させ、
２回目以降の前記増磁制御では、前記永久磁石に、初回時の前記増磁制御における磁界よりも小さい磁界を作用させる、
ことを特徴とする永久磁石式回転電機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石式回転電機、及び、永久磁石式回転電機の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転電機の運転状態に応じて永久磁石の磁化状態を変化させる永久磁石式回転電機が知られている（特許文献１参照）。この永久磁石式回転電機は、非対称な磁化特性を有する永久磁石を備え、永久磁石への増磁制御時に必要な磁化電流を減磁制御時よりも低減することにより、回転電機の省エネルギー化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１７２３２３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に開示された回転電機が備える永久磁石は、増磁制御の開始時点における永久磁石の磁束密度（磁束量）の値によって当該増磁制御に伴う増磁曲線が異なるため、所望の磁束密度を得るために必要な磁界強度を予測することが困難である。したがって、所望の磁束密度を得るためには、一度メジャーループ上の磁化飽和点に達するまで磁界強度を増大させることで、永久磁石の磁束密度が予め知得可能な飽和磁束密度となるまで増磁する必要がある。このため、増磁制御に関わる磁化電流が過剰に必要となる。
【０００５】
本発明は、増磁制御の開始時点における永久磁石の磁束密度の値によらず、所望の磁束密度を得るために必要な磁界強度を予測可能な永久磁石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】
【０００６】
本発明による永久磁石式回転電機は、固定子巻線に印加される電流が形成する磁界の作用で永久磁石を磁化させることにより当該永久磁石の磁束密度を変化させる。この永久磁石は、永久磁石のヒステリシス曲線における第１象限内のマイナーループにおいて、磁界強度の増加に対する磁化変化率が最大となる点の磁界強度が、ヒステリシス曲線における第１象限内のメジャーループにおいて、磁化変化率が最大となる点の磁束密度と同じ磁束密度を得るために要する磁界強度よりも小さく、且つ、最大残留磁束密度よりも小さい磁束密度を有する永久磁石に対して極性の反転を伴わずに増磁する場合のマイナーループが、増磁の開始時点における当該永久磁石の磁束密度の大きさに関わらず、磁化変化率が最大となる点を含む増磁領域において略同一の線上に収束するような磁化特性を有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、永久磁石式回転電機が備える永久磁石のマイナーループが、少なくとも磁化変化率が最大となる点において一本の線上に収束するような増磁曲線を示す。これにより、増磁開始時点における永久磁石の磁束密度の値によらず、所望の磁束密度を得るために必要な磁界強度を予測することができるので、増磁制御に関わる磁化電流を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１実施形態の永久磁石式回転電機を軸方向に垂直な断面から見た構成図である。
【図２】図２は、第１実施形態の永久磁石式回転電機が備える低保磁力磁石の磁化特性を示す図である。
【図３】図３は、比較例１に係る永久磁石の磁化特性を説明するための図である。
【図４】図４は、第１実施形態の永久磁石式回転電機が備える低保磁力磁石の磁化特性を示す図である。
【図５】図５は、第１実施形態の永久磁石式回転電機が備える低保磁力磁石の増磁制御に伴う制御方法、及び、比較例２に係る低保磁力磁石の増磁制御に伴う制御方法を説明するための図である。
【図６】図６は、比較例３に係る永久磁石の磁化特性を説明するための図である。
【図７】図７は、実施例２における低保磁力磁石を増磁する際の制御方法を説明するための図である。
【図８】図８は、実施例２における低保磁力磁石を増磁する際の制御方法を説明するための図である。
【図９】図９は、第１実施形態の永久磁石式回転電機が備える低保磁力磁石の磁化特性を示す図である。
【図１０】図１０は、従来の低保磁力磁石の磁化特性を説明するための図である。
【図１１】図１１は、実施例４に係る初期着磁を説明するための図である。
【図１２】図１２は、低保磁力磁石に対して行った初期着磁の磁界強度を示す図である。
【図１３】図１３は、低保磁力磁石に対して行った初期着磁の磁界強度と、マイナーループの角型性との関係を示す測定結果を示す図である。
【図１４】図１４は、磁界強度１３．５[ｋＯｅ]で初期着磁を行った場合の、初期着磁後の増減磁に係るマイナーループを５回測定した測定結果である。
【図１５】図１５は、実施例４における初期着磁の磁界強度を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[第１実施形態]
図１は、第１実施形態の永久磁石式回転電機１（以下、単に回転電機１ともいう）を軸方向に垂直な断面から見た構成図であって、構成全体の一部を示した図である。本実施形態の回転電機１は、円環形状をなす固定子２と、固定子２と同心円状をなし、固定子２との間にエアギャップ６を有するように配置された回転子３と、永久磁石４ａ、４ｂを磁化方向に直列となるように重ね合わせた状態で回転子３の対応箇所に嵌装された永久磁石ユニット４と、を備え、電動機或いは発電機を構成する。この永久磁石式回転電機１は、例えば電動車両の駆動源として用いられる。
【００１０】
固定子２は、リング状の固定子コア１２と、固定子コア１２から内周側に向けて突出する複数のティース９と、ティース９に巻き回された固定子巻線７と、からなる。固定子コア１２は、例えば軟磁性材料である電磁鋼板を積層して形成される。
【００１１】
回転子３は、回転子コア１３を有している。回転子コア１３は、透磁率の高い金属製の鋼板を円環状に打ち抜き加工して形成された多数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成された、いわゆる積層鋼板構造により円筒形に形成されている。また、回転子コア１３の、固定子２と対向する外周部には、周方向に沿って、永久磁石ユニット４により構成される磁極が互いに等間隔で、且つ、互いに隣接する磁極の極性が異極性となるように設けられている。なお、本実施形態の回転電機１に係る回転子コア１３は、図１で示す部分構成から推察されるとおり、周方向に沿って６個の永久磁石ユニット４が設けられた６極構造を有する。
【００１２】
また、回転子３は、各磁極間に、回転子コア１３を形成する電磁鋼板を打ち抜き加工することで形成された空間部分である低透磁率層５を有する。低透磁率層５は、電磁鋼板よりも透磁率が低く、すなわち磁気抵抗が大きい。したがって、低透磁率層５は、永久磁石ユニット４が回転子３上に構成する磁気回路において、磁束（フラックス）が通りにくい磁気的障壁（フラックスバリア）として作用する。低透磁率層５は、回転子３の周方向に沿って一定の機械角毎に形成されており、上述の永久磁石ユニット４はこれら低透磁率層５の間に配置される。
【００１３】
永久磁石ユニット４は、永久磁石４ａ、４ｂを回転子３の中心方向に対して垂直に重ね合わせて配置される。この永久磁石ユニット４がつくる磁束の方向がｄ軸であり、ｄ軸に対して電気的磁気的に直交する方向がｑ軸である。すなわち、永久磁石ユニット４は、回転子３上において、二つのｑ軸に挟まれた範囲に配置される。
【００１４】
永久磁石ユニット４を構成する永久磁石４ａ、４ｂは、保磁力が異なる。永久磁石４ｂは、インバータ(不図示)が許容できる電流値のｄ軸電流を固定子巻線７に通電することにより形成される磁界によって、増磁又は減磁が可能な保磁力を有する永久磁石である。このような保磁力を有する永久磁石は、低保磁力磁石と定義される。永久磁石４ｂ（以下、低保磁力磁石４ｂと呼ぶ）の保磁力は、例えば室温で８ｋＯｅ未満であることが望ましいが、必ずしもこの値に限定されるものではない。他方、永久磁石４ａの保磁力は、インバータ(不図示)が許容できる電流値のｄ軸電流により形成される磁界によっては磁化されない値であればよく、例えば室温で１５．１ｋＯｅ以上である。なお、このような保磁力を有する永久磁石４ａは、高保磁力磁石と定義される。
【００１５】
本実施形態の回転電機１は、永久磁石ユニット４を構成する低保磁力磁石４ｂの磁化特性に特徴がある。ここで、本実施形態に係る低保磁力磁石４ｂの磁化特性の詳細を説明する前に、従来の低保磁力磁石の磁化特性について、図１０を参照して説明する。
【００１６】
従来、回転電機の運転状況に応じて低保磁力磁石の磁化状態を変化させる永久磁石式回転電機が知られている（特許文献１参照）。永久磁石の磁化状態、すなわち、永久磁石の磁束密度（磁束量）を変化させるためには、永久磁石に対して、所望の磁束密度に応じた強度の外部磁界を作用させる必要がある。所望の磁束密度が大きいほど、必要な磁界の強度も大きくなる。そして、磁化する際の磁界の強度が大きくなるほど、必要な磁化電流も大きくなり、エネルギー消費量が多くなる。そこで、特許文献１では、増磁制御時のエネルギー消費量を低減するために、図１０の縦軸と横軸の交点に対して非対称な磁化特性を有する低保磁力磁石を用いることで、増磁制御に要する磁化電流を減磁動作に要する磁化電流よりも低減し、省エネルギー化を図っている。
【００１７】
図１０は、従来の永久磁石式回転電機における低保磁力磁石の磁化特性に係るヒステリシス曲線を表した図である。横軸は、低保磁力磁石に与えられる外部磁界の磁界強度[ｋＯｅ]を表し、縦軸は、低保磁力磁石内部の磁束密度[ｋＧ]を表す。横軸と縦軸の交点を中心に非対称に描かれた実線で表される曲線は、低保磁力磁石の磁化を部分磁化させたときの、磁界強度[ｋＯｅ]に対する磁束密度[ｋＧ]の関係（磁化特性）を表した磁化曲線、いわゆるマイナーループである。横軸と縦軸の交点を中心に略対称に描かれた点線を含む曲線は、永久磁石の例えばＡを起点とする磁化が、逆極性において磁束密度が飽和した状態（図中のＢ）を経て変化する際の磁化特性を表した磁化曲線、いわゆるメジャーループ（フルループともいう）である。
【００１８】
図１０から分かるように、従来の低保磁力磁石は、特に第１象限に表された部分のマイナーループに係る磁化曲線（増磁曲線）が、同フルループで表された増磁曲線よりも小さい磁界強度[ｋＯｅ]により変化することを特徴とする。このため、従来の低保磁力磁石は、増磁制御に要する磁化電流を、図１０の特に第２象限に表される磁化曲線（減磁曲線）を辿る減磁動作に要する磁化電流よりも低減することができる。
【００１９】
しかしながら、従来の低保磁力磁石では、増磁制御の開始時点における磁束密度[ｋＧ]の大きさによって、増磁制御に伴う増磁曲線が異なる（図１０の第１象限参照）。このため、所望の磁束密度を有する磁化状態に磁化したい場合に必要な磁界強度を正確に予測することが困難となり、低保磁力磁石の磁束量を可変する際の正確性が低下する。したがって、部分的な磁化状態Ｂｒ１から、より磁化の大きい部分的な磁化状態Ｂｒ２へ磁束密度を変化させたい場合、正確性を担保するためには以下のような磁化経路を通る必要がある。すなわち、（ａ）磁化状態Ｂｒ１にある低保磁力磁石の磁束密度がフルループ上の磁化飽和点Ａに達するまで外部磁界の磁界強度を増大させる。（ｂ）低保磁力磁石に逆方向の磁界を作用させ、磁化状態Ａから磁化状態Ｂｒ２１まで推移させる。（ｃ）外部磁界を取り去ることにより、部分的な磁化状態Ｂｒ２の低保磁力磁石を得る。
【００２０】
このように、従来の永久磁石式回転電機が有する低保磁力磁石では、所望の磁束密度を有する磁化状態に増磁したい場合、正確性を担保するためには必ずメジャーループに達するまで磁界強度を増大させる必要がある。このため、増磁制御に関わる磁化電流がより多く必要となる。
【００２１】
本発明は、このような課題を解決するためになされた発明であり、増磁制御において、従来のような正確性を担保するための過剰な磁化電流を必要としない。以下、本発明に係る第１実施形態の低保磁力磁石４ｂの詳細について、図を参照しながら説明する。
【００２２】
図２は、第１実施形態の永久磁石式回転電機１が備える低保磁力磁石４ｂの磁化特性に係るヒステリシス曲線を示す図である。横軸は、低保磁力磁石に与えられる外部磁界の磁界強度[ｋＯｅ]を表し、縦軸は、低保磁力磁石内部の磁束密度[ｋＧ]を表す。実線で表される曲線は、低保磁力磁石４ｂが、磁化が飽和した状態に満たない部分的な磁化状態から、図中のＡで示す磁化飽和状態まで増磁した後に負の方向に磁化することで０ｋＧ以上の磁束密度を得る場合の、磁界の強度と磁束密度との関係を表すマイナーループである。点線で表される曲線は、低保磁力磁石４ｂが、逆の極性側において磁束密度が飽和した状態（不図示）を経て増磁される場合の、磁界の強度と磁束密度との関係を表すメジャーループである。
【００２３】
図２中の一点鎖線は、第１象限における一つのマイナーループを微分したものであって、傾きの大きさを表したものであり、すなわち、低保磁力磁石４ｂに係るマイナーループにおける磁化変化率ｄＢ／ｄＨを表す。マイナーループ上の任意の点における磁化変化率ｄＢ／ｄＨは、下記式（１）で表される。
【００２４】
【数１】
0006610209.tif 000002
【００２５】
ただし、Ｂは磁束密度[ｋＧ]、Ｈは外部磁界の強度[ｋＯｅ]を表す。また、（ｎ）はマイナーループ上の任意の点を表す。なお、（ｎ−１）の１は、マイナーループ上の任意の点における磁化変化率を算出する際の基準となる点を式で表す都合上用いた数字であり、整数に限定されるものではない。
【００２６】
図２から分かるように、本実施形態に係る低保磁力磁石４ｂは、第１象限において、磁化変化率ｄＢ／ｄＨが最大となる点における磁束密度[ｋＧ]を得られるマイナーループ上の磁界強度が、同じ磁束密度を得られるメジャーループ上の磁界強度[ｋＯｅ]よりも小さい値となるように構成されている。
【００２７】
すなわち、このような磁化特性を有する低保磁力磁石４ｂによれば、磁化が飽和した状態に満たない部分的な磁化状態から、より磁束密度の大きい部分的な磁化状態へ増磁する際に、メジャーループよりも少ない磁化電流により増磁することが可能となるため、増磁制御に関わる磁化電流を低減することができる。
【００２８】
また、このような磁化特性を有する低保磁力磁石４ｂは、例えば下記一般式（２）を満たすような、保磁力を低下させたＮｄＦｅＢ系磁石を使用することが望ましい。
【００２９】
【数２】
0006610209.tif 000003
【００３０】
なお、保磁力を低下させるためには、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ等のＲＥＥ（Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ）を用いてＮｄの一部を置換することが望ましい。また、磁気特性や耐食性向上の観点から、上記以外の添加元素を含ませてもよい。
【００３１】
低保磁力磁石４ｂの製造方法は特に限定しないが、磁化曲線がより四角形状に近い平坦なマイナーループ形状となることが望ましいことから、低保磁力磁石４ｂの製造過程において微小な結晶粒が得られる製造方法を選択することが望ましい。例えば、ＨＤＤＲ法により得られた微細結晶粒を持つ異方性磁粉を用いて、所望の磁化特性を有する低保磁力磁石を作製する。あるいは、超急冷法により得られた微細結晶粒を持つ等方性磁粉を１０００℃以下の温度で熱間加工成形することにより高密度化し、同時に異方性を付与することで所望の磁化特性を有する低保磁力磁石を作製しても良い。
【００３２】
また、上記の方法で作成した低保磁力磁石を形成した後、熱処理を施すことによって保磁力を調整してもよい。本実施形態に係る低保磁力磁石４ｂは、ＮｄＦｅＢ系磁石にＲＥＥとしてＬａを用いた母合金を超急冷法にて微細結晶を持つ粉末とし、熱間加工法にて成形及び配向させた、平均結晶粒系０．１〜１μｍの微細結晶磁石を使用する。なお、高保磁力を有する永久磁石４ａも、ＮｄＦｅＢ系の永久磁石を使用することが望ましい。
【００３３】
[比較例１]
上述したような磁化特性を有する低保磁力磁石４ｂに対する比較例を図３に示す。比較例として用いた永久磁石は、熱処理によって保磁力を８ｋＯｅ未満に調整したＳｍＣｏ系磁石である。図３は、図２と同様、横軸に外部磁界の磁界強度[ｋＯｅ]、縦軸に磁束密度[ｋＧ]を表す。図中の曲線は比較例に係る永久磁石の磁化特性に基づく磁化曲線を表す。そして、図中の一点鎖線は、上記式（１）に基づいて算出された磁化変化率ｄＢ／ｄＨを表す。
【００３４】
図から分かるように、比較例に係る永久磁石の磁化曲線は、点線で示すメジャーループと実線で示すマイナーループとの増磁領域に差異がなく、磁化変化率ｄＢ／ｄＨが最大となる点における磁界強度がマイナーループとメジャーループとでほぼ一致する。したがって、磁化が飽和した状態に満たない部分的な磁化状態から、より磁束密度の大きい部分的な磁化状態へ増磁する場合の磁化電流低減効果は少ない。
【００３５】
次に、第１実施形態の低保磁力磁石４ｂに特徴的な磁化特性について、図４を参照して説明する。図４は、図２と同様、横軸に外部磁界の磁界強度[ｋＯｅ]、縦軸に磁束密度[ｋＧ]を表す。図中の実線で示す曲線は低保磁力磁石４ｂの磁化特性に基づくマイナーループを表し、点線で示す曲線はメジャーループを表している。そして、図中の一点鎖線は、低保磁力磁石４ｂの、ある一つのマイナーループに係る増磁曲線に基づいて、上記式（１）を用いて算出された磁化変化率ｄＢ／ｄＨを表す。
【００３６】
本実施形態の低保磁力磁石４ｂは、その磁化特性を表した第１象限内のマイナーループにおいて傾きが最大となる点、すなわち、磁化変化率ｄＢ／ｄＨが最大となる点が、増磁制御の開始時点における磁束密度の大小によらず、同一線上（図中の線分ＥＦ上）に位置するような磁化特性を有することを特徴とする。なお、第１象限内における磁化曲線において、少なくとも磁化変化率ｄＢ／ｄＨが最大となる点を含んだ、縦軸に略並走して描かれた領域を増磁領域と定義する。
【００３７】
より具体的に言うと、０ｋＧ以上であって、且つ、最大残留磁束密度に満たない範囲の磁束密度を増磁制御の開始時点の磁束密度とするマイナーループを無数に描いた場合に、各マイナーループは、同一線上（図中の線分ＥＦ上）に収束する。換言すると、無数に描いた各マイナーループの増磁曲線における磁化変化率ｄＢ／ｄＨが最大となる点をそれぞれプロットすると、その点の集合が描く曲線は、マイナーループにおける増磁曲線上の一本の線（線分ＥＦ）となる。
【００３８】
また、磁化変化率ｄＢ／ｄＨが最大となる点の磁界の強度は、低保磁力磁石４ｂの保磁力に対して２０％程度の所定の磁界強度範囲に収まる。例えば、本実施形態の低保磁力磁石４ｂにおいては、約２．１ｋＯｅの保磁力に対して、磁化変化率ｄＢ／ｄＨが最大となる点が、０．４[ｋＯｅ]程度（約１．８[ｋＯｅ]〜２．２[ｋＯｅ]）の範囲内に収まるような磁化特性を有する。
【００３９】
なお、本実施形態に係る低保磁力磁石４ｂに係る増磁曲線における、特に線分ＥＦの部分は、同一の磁束密度における磁界強度が、出発の磁化の大きさ（例えばＢｒ１〜Ｂｒ４）に関わらず、±５％の範囲内に収まるような磁化特性を有する。
【００４０】
このように、低保磁力磁石４ｂが、マイナーループの増磁領域において略同一の線上に収束するような磁化特性を有することにより、増磁制御の開始時点における低保磁力磁石４ｂの磁束密度がいかなる値であっても、予め検知可能な線分ＥＦに係る増磁曲線を基準として、所望の磁束密度を得るのに必要な磁界強度を知得することができる。したがって、増磁制御開始時点における磁束密度の値によらず、所望の磁束密度に磁化するのに必要な磁界強度を正確に予測することが可能となる。
【００４１】
以上、第１実施形態に係る永久磁石式回転電機は、固定子巻線７に印加される電流が形成する磁界の作用で低保磁力磁石４ｂを磁化させることにより低保磁力磁石４ｂの磁束密度を変化させる。この低保磁力磁石４ｂは、低保磁力磁石４ｂのヒステリシス曲線（磁化曲線）における第１象限内のマイナーループにおいて、磁界強度[ｋＯｅ]の増加に対する磁化変化率ｄＢ／ｄＨが最大となる点の磁界強度が、ヒステリシス曲線における第１象限内のメジャーループにおいて、磁化変化率ｄＢ／ｄＨが最大となる点の磁束密度と同じ磁束密度を得るために要する磁界強度よりも小さい。また、最大残留磁束密度よりも小さい磁束密度[ｋＧ]を有する永久磁石に対して極性の反転を伴わずに増磁する場合のマイナーループが、増磁制御の開始時点における低保磁力磁石４ｂの磁束密度の大きさに関わらず、増磁領域において略同一の線上に収束する。
【００４２】
これにより、磁化が飽和した状態に満たない部分的な磁化状態から、より磁束密度の大きい部分的な磁化状態へ増磁する際に、メジャーループよりも少ない磁化電流により増磁することが可能となるため、増磁制御に関わる磁化電流を低減することができる。
【００４３】
また、増磁制御開始時点における磁束密度の値によらず、所望の磁束密度に磁化するのに必要な磁界強度を正確に予測することができ、増磁制御の度に磁化が飽和した状態まで増磁する必要がなくなるため、増磁制御に関わる磁化電流を大幅に低減することができる。
【００４４】
[第１実施形態に係る永久磁石式回転電機の制御方法]
[実施例１]
次に、これまで説明した磁気特性を有する低保磁力磁石４ｂを備える永久磁石式回転電機１において、低保磁力磁石４ｂの増磁制御に伴う制御方法について説明する。
【００４５】
図５は、低保磁力磁石４ｂの増磁制御に伴う制御方法を具体的に説明するための図である。本制御方法では、低保磁力磁石４ｂの磁化が飽和した状態を経ずに増磁することを特徴とする。ただし、本実施形態における「磁化が飽和した状態」とは、１００％の磁化状態、すなわち低保磁力磁石４ｂの磁束密度が飽和磁束密度となる図中のＡ点に限定されず、図中のＤ点で示す９０％の磁化状態以上の磁化状態を含むものとする。
【００４６】
したがって、本制御方法においては、磁化が飽和した状態に満たない部分的な磁化状態Ｂｒ１から、より磁束密度の大きい部分的な磁化状態Ｂｒ２へ増磁する場合の増磁制御は、その動作履歴が図５中の一点鎖線で示す矢印を辿るように制御される。
【００４７】
まず、磁化状態Ｂｒ１（磁束密度：４．９[ｋＧ]）にある低保磁力磁石４ｂに対して正の磁界を作用させることで、磁化状態を図中のｂ点まで推移させる。より具体的に言えば、増磁制御開始時点においてＢｒ１にある当該増磁制御における動作点は、低保磁力磁石４ｂに対して正の磁界を作用させることで、ａ点に向かって平坦な磁化曲線を辿りながら推移する。そして、a点にある動作点は、ｂ点に向かって急峻に立ち上がる。このａ点からｂ点に向かう動作点の軌跡は、上述の図４における線分ＥＦと重なる線であり、すなわち、磁化変化率ｄＢ／ｄＨが最大となる点を含む増磁領域である。
【００４８】
ｂ点は、磁束密度が１１．１[ｋＧ]であって、磁化状態Ｂｒ２の磁束密度と略同一であり、且つ、磁界の強度は２．２[ｋＯｅ]である。したがって、低保磁力磁石４ｂに対して２．２[ｋＯｅ]の磁界を作用させることで、磁化状態を図中のＢｒ１からｂ点まで推移させることができる。そして、低保磁力磁石４ｂに作用する外部磁界を取り去ることで（磁界強度を０[ｋＯｅ]にすることで）、動作点は再び平坦な磁化曲線を辿りながら磁化状態Ｂｒ２へ向かう。これにより、所望の磁束密度（１１．１[ｋＧ]）を有する低保磁力磁石４ｂを得ることができる。なお、当該磁化に要する磁界の磁界強度[ｋＯｅ]を、起磁力[ｋＡ／ｍ]に換算すると、磁化状態Ｂｒ１から磁化状態Ｂｒ２への増磁制御に要する起磁力は、２．２ｋＯｅ≒１７５．０ｋＡ／ｍとなる。
【００４９】
[比較例２]
一方で、同じ低保磁力磁石４ｂを備える永久磁石式回転電機１であっても、磁化状態Ｂｒ１から、磁化が９０％の磁化状態であるＤ点を経由して磁化状態Ｂｒ２へ増磁するように制御した場合は、以下のような増磁制御が必要となる。まず、磁化状態Ｂｒ１にある低保磁力磁石４ｂに対して、４．１７８[ｋＯｅ]の正の磁界を作用させ、磁化状態を図中のＤ点まで推移させる。次に、−１．４３[ｋＯｅ]の負の磁界を作用させることで、低保磁力磁石４ｂの磁化状態を磁束密度が磁化状態Ｂｒ２と略同一となるｃ点まで推移させる。そして、低保磁力磁石４ｂに作用する外部磁界を取り去ることで、磁化状態Ｂｒ２を有する低保磁力磁石４ｂを得る。
【００５０】
このような増磁方法に伴う総起磁力は、４．１７８[ｋＯｅ]（≒３３２．５ｋＡ／ｍ；正の方向）＋｜−１．４３[ｋＯｅ]｜（≒１１３．８ｋＡ／ｍ；負の方向）＝４４６．３ｋＡ／ｍとなる。したがって、比較例２に係る制御方法では、磁化が飽和した状態を経由せずに増磁する実施例１に係る制御方法に要した起磁力１７５．０ｋＡ／ｍに比べて、２倍以上の大きな起磁力を要することが分かる。
【００５１】
[比較例３]
図６を参照して、飽和状態を経由せずに増磁する上記制御方法と同様の制御を行った場合であっても、低保磁力磁石４ｂとは磁化特性の異なる永久磁石を使用した場合の比較例３について説明する。なお、本比較例で用いる永久磁石は、比較例１で使用したのと同じ、熱処理によって保磁力を８ｋＯｅ未満に調整したＳｍＣｏ系磁石である。
【００５２】
図６は、比較例３における永久磁石の制御方法を示す図である。本比較例において使用する永久磁石の磁化曲線は、比較例１で説明したとおり、メジャーループとマイナーループとで差異がなく、磁化変化率が最大となる点における磁界強度[ｋＯｅ]がマイナーループとメジャーループとでほぼ一致する。
【００５３】
したがって、図６に示す磁化状態Ｂｒ１（磁束密度：２．４[ｋＧ]）から磁化状態Ｂｒ２（磁束密度：６．３６[ｋＧ]）へ増磁させる場合は、磁界強度が２．２[ｋＯｅ]の正の磁界を作用させる必要がある。実施例１に係る制御方法では、磁界強度２．２[ｋＯｅ]により得られる磁束密度が１１．１[ｋＧ]であることを鑑みると、比較例３に係る単位起磁力あたりの磁化効率は、実施例１の制御方法に係る単位起磁力あたりの磁化効率のおよそ２／３である。なお、ここでの磁化効率とは、磁化の変化分を、作用させた磁界を形成するのに要する起磁力で除した値とする。各磁化効率は、下記表１に示す。
【００５４】
【表１】
0006610209.tif 000004
【００５５】
すなわち、実施例１は、磁化が飽和している状態に満たない部分的な磁化状態から、より磁束密度の大きい部分的な磁化状態へ、保磁力の低下を伴うことなく、かつ、磁化が飽和した状態を経ずに磁化を可変できる磁化特性を有する低保磁力磁石４ｂを用いることにより、部分的な磁化状態から部分的な磁化状態への磁化を繰り返しながら回転電機１を作動させる。これにより、磁化が飽和した状態を経由する比較例２と比べて、一回の増磁制御あたり約６０％の起磁力低減を実現することができる。
【００５６】
[実施例２]
続いて、第１実施形態に係る永久磁石式回転電機の制御方法において、低保磁力磁石４ｂの増磁制御に係る実施例２について説明する。
【００５７】
実施例２は、いかなる部分的な磁化状態からであっても、より磁束密度の大きい部分的な磁化状態へ、磁化が飽和した状態を経ずに、同一の増磁曲線上を経由して増磁制御を行う点に特徴がある。以下、図７を参照して具体的に説明する。
【００５８】
図７は、実施例２における低保磁力磁石４ｂを増磁する際の制御方法を具体的に説明するための図である。実施例２に係る制御方法では、図の実線で示す低保磁力磁石４ｂの磁化曲線に係るマイナーループにおいて、磁化状態Ｂｒ１から磁化状態Ｂｒ２へ磁化する場合、磁化状態Ｂｒ３から磁化状態Ｂｒ２へ磁化する場合、及び、磁化状態Ｂｒ３から磁化状態Ｂｒ１へ磁化する場合のいずれの場合であっても、同一の増磁曲線上（線分ＥＦ上）を経由して増磁するように制御する。このように制御することにより、線分ＥＦに係る増磁曲線を基準として、所望の磁束密度を得るのに必要な磁界強度を知得することができるので、いかなる磁化状態からであっても、所望の磁束密度を得るのに必要な磁界強度を正確に予測することが可能となる。
【００５９】
すなわち、実施例２に係る制御方法によれば、増磁制御の開始時点における低保磁力磁石の磁束密度の大きさに関わらず、増磁制御に伴う磁化電流を予測することができる。このため、増磁制御の開始時点における低保磁力磁石４ｂの磁束密度を知得できない場合であっても、所望の磁化状態に磁化するのに必要な磁化電流を正確に供給することができるので、低保磁力磁石４ｂの磁束密度を可変する際の正確性を担保でき、回転電機１の信頼性を向上することができる。
【００６０】
このような制御が可能となる理由としては、制御対象である低保磁力磁石４ｂが、係るマイナーループ上において、上記式（１）で示される磁化変化率ｄＢ／ｄＨが最大となる点における磁束密度を得られる外部磁界の磁界強度が、第１象限内のメジャーループにおいて、同じ磁束密度を得られる外部磁界の磁界強度よりも小さくなる磁気特性と、マイナーループにおいて磁化変化率ｄＢ／ｄＨが最大となる点を含む増磁領域が略同一の一本の線上に収束する磁化特性が挙げられる。このような磁気特性を得られる要因としては、第１実施形態に係る永久磁石式回転電機の説明において述べたとおり、低保磁力磁石４ｂが、微細且つ均一な結晶組織から構成されていることが挙げられる。
【００６１】
また、サブミクロンオーダーの微細な結晶粒子によって構成された永久磁石は、磁壁移動によりなされる磁化に一定値以上の磁界強度を有する磁場（磁界）が必要なピニング型の磁化変動を示すことが知られている（例えばＳｍＣｏ系磁石）。このような永久磁石が示すマイナーループは、傾きが小さい平坦な形状となる。しかしながら、外部磁界の印加に対する磁束密度の磁化変化率ｄＢ／ｄＨが最大となるときには、磁壁のピニングが外れて急激な磁壁移動が起きていると考えられる。このような急激な磁壁移動が起きる際は、磁化が急激に変化するとともに、マイナーループの傾きも大きくなる。
【００６２】
本実施形態に使用した低保磁力磁石４ｂの磁化機構は、上述のように結晶粒界（磁壁）によるピニングが支配的である。特に、ピニングが外れて急激に磁壁移動が起きる磁界強度は、第１象限内のメジャーループにおいて同一の磁束密度が得られる磁界強度よりも小さいことが特徴である。結晶粒径が小さくピニング力が強いと、磁化履歴（増磁制御開始時の磁化状態）に関わらず、マイナーループの傾きは小さくなり、形状は直線的になる。さらに、結晶の均一性が高いことから、磁化履歴が異なっても磁化変化率ｄＢ／ｄＨの最大値の軌跡は磁化と比例して増減すると予測でき、増磁曲線上の一本の線上に収束されると考えられる。
【００６３】
このような結晶組織を有する永久磁石を使用することにより、磁化履歴が異なる永久磁石であっても、所望の磁束密度に磁化するのに必要な磁界強度を予測して増磁を制御することが可能となるため、回転電機の信頼性を向上することができる。また、磁化履歴によらず制御が可能なため、増磁制御の度に磁化が飽和した状態まで増磁する必要がなくなるため、磁化電流を大幅に低減することができる。
【００６４】
一方で、焼結法によって製造された一般的なＮｄＦｅＢ（結晶粒径５〜１０μｍ）の場合は、ピニング力が弱く、磁壁移動が連続的に起こるため、磁化変化率ｄＢ／ｄＨの最大値の軌跡を増磁曲線上における一本の線上で近似することは難しい。
【００６５】
以上、第１実施形態に係る永久磁石式回転電機の制御方法は、最大残留磁束密度よりも小さい磁束密度を有する低保磁力磁石４ｂに対する増磁制御において、低保磁力磁石４ｂの磁化が飽和した状態を経ずに増磁する。これにより、低保磁力磁石４ｂの磁化を変化させたい場合に、部分的な磁化状態から部分的な磁化状態への磁化を磁化が飽和した状態を経ずに、推移させることができるので、一回の増磁制御あたりの起磁力を大幅に低減することができる。
【００６６】
[実施例３]
第１実施形態に係る永久磁石式回転電機の制御方法において、低保磁力磁石４ｂの増磁制御に係る実施例３について説明する。
【００６７】
実施例３は、低保磁力磁石４ｂの増磁制御に係る制御方法を具体的に示すものである。図９に示すように、実施例３では、低保磁力磁石４ｂの増磁制御を、極性反転を伴わない領域でのみ行うことを特徴とする。その理由について図８を参照して説明する。
【００６８】
図８は、実施例３における低保磁力磁石４ｂの制御方法を説明するための図である。図８で示す一点鎖線は、部分的な磁化状態Ｂｒ２から、逆の極性である部分的な磁化状態Ｂｒ４へ磁化を変化させた後に、再び極性を反転させて部分的な磁化状態Ｂｒ１へ磁化を変化させる場合の磁化履歴を示している。
【００６９】
このような磁化履歴を辿る場合の低保磁力磁石４ｂの磁化状態は、以下の通りである。すなわち、（ａ）部分的な磁化状態Ｂｒ２から部分的な磁化状態Ｂｒ４へ磁化するべく、負の方向の磁界を作用させ、磁界強度が磁化状態Ｂｒ４における磁束密度を得るのに必要な強度（磁界強度：約−３．５[ｋＯｅ]）に達した後、磁界を取り去る。（ｂ）部分的な磁化状態Ｂｒ４から部分的な磁化状態Ｂｒ１へ磁化するべく、正の方向の磁界を作用させ、磁界強度が磁化状態Ｂｒ１における磁束密度を得るのに必要な強度（磁界強度：約２．１５[ｋＯｅ]）に達した後、磁界を取り去る。
【００７０】
図から分かるように、極性反転を伴う領域を使用して低保磁力磁石４ｂの磁化を行うと、上記（ｂ）の増磁制御における増磁曲線が、極性反転を伴わない場合の増磁曲線（破線で示す線分ＥＦ）と、メジャーループとの間を通る。このため、上述の実施例１、２と同様、部分的な磁化状態からより大きな磁化状態へ、磁化が飽和した状態（Ａ、Ｂ）を経ずに増磁できる特徴は変わらないものの、増磁制御に伴う増磁曲線がよりメジャーループ側へシフトするので、実施例１、２に係る制御と比べて、磁化電流の低減効果が低下する。
【００７１】
また、極性反転を伴う領域を使用した場合の増磁曲線は、極性反転を伴わない場合の増磁曲線（点線で示す線分ＥＦ）と、メジャーループとの間のどの位置を通るのかが磁化履歴によって変わる。このため、磁化履歴が異なる永久磁石に対して増磁制御を行う際の増磁曲線を予測することが困難となり、すなわち、所望の磁束密度を得るのに要する外部磁界の強度を正確に予測することが困難となるので、磁束量を可変する際の正確性が損なわれ、回転電機１の信頼性が低下する。
【００７２】
したがって、低保磁力磁石４ｂに対する増磁を制御する際、低保磁力磁石４ｂの磁化曲線において、極性反転を伴わない領域のみを使用するように制御することが望ましい。
【００７３】
したがって、第１実施形態に係る永久磁石式回転電機の制御方法では、低保磁力磁石４ｂを磁化する際の磁化曲線は、図９の実線で示すマイナーループのとおりとなり、特に、増磁する際の極性反転を伴わない増磁曲線は、最大残留磁束密度未満のいかなる磁化履歴を起点とする場合であっても、当該マイナーループの線分ＥＦ上を通ることを特徴とする。
【００７４】
以上、実施例３に係る第１実施形態に係る永久磁石式回転電機の制御方法によれば、低保磁力磁石４ｂに対する磁化を、低保磁力磁石４ｂの極性符号が同一の領域でのみ行う。これにより、増磁制御の開始時点における低保磁力磁石４ｂの磁束密度[ｋＧ]の大きさに関わらず、増磁領域において略同一の線上に常に収束するので、所望の磁束密度を得るのに要する外部磁界の強度を正確に予測することが可能となり、磁束量を可変する際の正確性が担保される。
【００７５】
[実施例４]
次に、これまで説明した磁気特性を有する低保磁力磁石４ｂを備える永久磁石式回転電機１において、特に、無着磁の状態の低保磁力磁石４ｂに対して初めて着磁を行う初回時の着磁（以下、初期着磁と称する）の増磁制御について説明する。
【００７６】
上述の通り、本発明に係る永久磁石式回転電機１は、電動機或いは発電機を構成し、例えば電動車両の駆動源として用いられる。永久磁石式回転電機１が電動車両の駆動源として用いられる場合は、永久磁石式回転電機１は、いわゆる可変磁力モータ等と呼ばれる。可変磁力モータは、上述した実施例１から３で説明した制御方法により低保磁力磁石４ｂを増磁或いは減磁することにより、電動車両の走行中に、電動車両の走行状態に合わせて、低保磁力磁石４ｂの磁力を好適に変化させることができる。
【００７７】
しかしながら、本発明に係る低保磁力磁石４ｂでは、無着磁の状態からの初期着磁の際、低保磁力磁石４ｂの磁束が飽和しない程度の小さい磁界で増磁を行った場合には、マイナーループの角型性が悪くなるという問題がある。当該問題を図１１〜１３を用いて説明する。
【００７８】
なお、角型性とは、減磁曲線が四角形になる度合を表す言葉であり、第２象限に表される磁化曲線（減磁曲線）において、所定の割合以上（例えば９０％以上）の残留磁束密度（磁界の強さを０[ｋＯｅ]にした場合の磁束密度[ｋＧ]の値）に対応する磁界と保磁力との比率で表される永久磁石の特性である。
【００７９】
図１１は、初期着磁を説明するための図である。図中の実線で示す曲線は、実施例１から３で説明したのと同様のマイナーループを表す。初期着磁は、原則として、無着磁の状態の低保磁力磁石４ｂに対して初めて行う着磁なので、図中のＧが増磁の出発点となる。そして、初期着磁の増磁曲線は、図中のＧから設定した着磁磁界までの、低保磁力磁石４ｂのフルループ上を辿る曲線（Ｇ−Ａ）で表される。初期着磁後、２回目以降の増磁曲線は、実施例１から３で説明したのと同様に、フルループに係る磁界強度よりも小さい磁界で行われ、マイナーループのＦ−Ｅ上を辿る。なお、初期着磁は、モータ４の組立後、モータ４の組立前（ロータアッシーの状態）の何れに行っても良い。
【００８０】
図１２、１３は、低保磁力磁石４ｂに対して行った初期着磁の磁界強度と、マイナーループの角型性との関係を示す測定結果を説明するための図である。なお、当該測定結果は、φ２．５×４ｍｍの低保磁力磁石４ｂを使用して、パーミアンス係数７．９１に基づく反磁界補正を加えて測定されたものである。
【００８１】
図１２は、初期着磁の磁界強度を表した図である。測定は、４パターンの磁界強度で行われた。すなわち、低保磁力磁石４ｂに飽和磁束密度以下の磁束を発生させる磁界強度（３．７[ｋＯｅ]、５．６[ｋＯｅ]、８．５[ｋＯｅ]）と、図中には示されていないが、低保磁力磁石４ｂに飽和磁束密度以上の磁束密度を発生させる磁界強度（１３．５[ｋＯｅ]）である。
【００８２】
なお、ここで言う飽和磁束密度は、磁界を増加させたときに低保磁力磁石４ｂの磁束密度が飽和に達した時点における磁束密度を基準として、当該磁束密度の９０％以上、好ましくは９５％以上の磁束密度を示すものと定義する。
【００８３】
図１３は、図１２で示した磁界強度により初期着磁を行った場合の、それぞれのマイナーループの角型性を比較するための図であって、各マイナーループの第２象限を示す図である。図１３の測定結果から、低保磁力磁石４ｂの角型性は、低保磁力磁石４ｂに飽和磁束密度以上の磁束密度を発生させる磁界強度（１３．５[ｋＯｅ]）で初期着磁を行った場合がもっとも良く、初期着磁にかかる磁界強度が小さいほど、悪くなることが分かる。例えば、初期着磁を磁界強度３．７[ｋＯｅ]で行ったのち、車両の走行中等に低保磁力磁石４ｂに対して−１[ｋＯｅ]の逆磁界を作用させると、低保磁力磁石４ｂの磁束密度は、初期着磁を１３．５[ｋＯｅ]で行った場合に比べて、約１[ｋＧ]も低下している。これは、電動車両の走行中に減磁を行った場合に、角型性の悪化によって所望の磁束密度よりも過剰な減磁がなされてしまい、トルクが低下してしまう場合があることを意味する。実測したデータによれば、車両走行中の増磁磁界強度を２[ｋＯｅ]とした場合の最大トルク運転時では、車両走行中の増磁磁界強度よりも大きな磁界強度による初期着磁を行っていない低保磁力磁石４ｂは、飽和磁束密度以上の磁束を発生させる磁界強度（１０[ｋＯｅ]）により初期着磁を行った低保磁力磁石４ｂに比べて、３０％以上も減磁する。
【００８４】
一方で、初期着磁を１３．５[ｋＯｅ]の磁界強度で行った場合は、図１４で示す通り、マイナーループの角型性の悪化は生じない。
【００８５】
図１４は、磁界強度１３．５[ｋＯｅ]で初期着磁を行った場合の、初期着磁後の増減磁に係るマイナーループを５回測定した測定結果である。図で示す通り、５回の測定結果に係るマイナーループは重なっており、角型性の悪化は見られない。すなわち、マイナーループの角型性の観点から、低保磁力磁石４ｂの初期着磁は、低保磁力磁石４ｂに飽和磁束密度以上の磁束密度を発生させる磁界強度を作用させて行うことが好ましいことが分かる。
【００８６】
したがって、実施例４では、図１５で一例を示す通り、初期着磁の磁界強度を、低保磁力磁石４ｂに飽和磁束密度以上の磁束密度を発生させる磁界強度以上に設定する。
【００８７】
以上、実施例４に係る第１実施形態に係る永久磁石式回転電機の制御方法によれば、低保磁力磁石４ｂに対する増磁制御において、初回時の前記増磁制御（初期着磁）では、低保磁力磁石４ｂに、低保磁力磁石４ｂの飽和磁束密度を超える磁束密度を発生させる磁界を作用させ、２回目以降の増磁制御では、低保磁力磁石４ｂに、初期着磁における磁界よりも小さい磁界を作用させる。これにより、例えば車両走行中において低保磁力磁石４ｂが過剰に減磁されることを防止することができるので、トルクを向上させることができる。
【００８８】
本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、永久磁石式回転電機１は、低保磁力磁石４ｂ、４ａからなる永久磁石ユニット４により一磁極を構成しているが、必ずしも２種類の永久磁石からなる永久磁石ユニットにより構成する必要はなく、低保磁力磁石４ｂの上述した磁化特性と同様の磁化特性を有する一つの永久磁石により構成してもよい。また、低保磁力磁石４ｂは、電動車両用の回転電機への適用に限らず、洗濯機等、永久磁石を備える装置であって、使用中、もしくは製造中において永久磁石の磁化を変化させ得る種々の装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００８９】
１…永久磁石式回転電機
２…固定子
３…回転子
４…永久磁石ユニット
４ｂ…低保磁力磁石
７…固定子巻線
【図１】
0006610209.tif 000005
【図２】
0006610209.tif 000006
【図３】
0006610209.tif 000007
【図４】
0006610209.tif 000008
【図５】
0006610209.tif 000009
【図６】
0006610209.tif 000010
【図７】
0006610209.tif 000011
【図８】
0006610209.tif 000012
【図９】
0006610209.tif 000013
【図１０】
0006610209.tif 000014
【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】
0006610209.tif 000019