(57)【要約】【課題】高出力で低速から高速までの広範囲での可変速運転を可能とし、広い運転範囲で効率向上、信頼性向上、製造性向上を実現する回転電機を提供する。【解決手段】本発明の永久磁石式回転電機は、形状又は材料特性の異なる２種類の永久磁石を回転子鉄心に埋め込んで１つの磁極を形成し、前記磁極に配置された永久磁石は、保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石と保磁力と磁化方向厚みの積が大となる永久磁石で構成される。さらに電機子巻線の電流で作る磁界により、前記保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石を不可逆的に磁化させることにより全鎖交磁束量を変化させる。これにより高出力で広範囲の可変速運転が可能となり、同時に広い運転範囲で高効率が得られる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
形状又は材料特性の異なる２種類以上の永久磁石を用いて１つの磁極を形成し、各磁極において電機子巻線の電流が作る磁界により少なくとも１個の永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させることを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項２】
形状又は材料特性の異なる２種類以上の永久磁石を用いて１つの磁極を形成し、各磁極において電機子巻線の電流が作る磁界により少なくとも１個の永久磁石を磁化させて永久磁石の極性を反転させることを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項３】
形状又は材料特性の異なる２種類以上の永久磁石を用いて１つの磁極を形成し、各磁極において電機子巻線の電流が作る磁界により少なくとも１個の永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させ、全ての永久磁石による電機子巻線の鎖交磁束量をほぼ０にすることを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、磁極を形成する永久磁石の磁束が加え合わせになるように永久磁石を配置し、電機子巻線の電流が作る磁界により前記永久磁石の一部を磁化させて永久磁石による鎖交磁束を不可逆的に減少させ、減少後に電流による磁界を前記磁界とは逆方向に発生させて前記永久磁石の一部を磁化させて鎖交磁束量を不可逆的に増加させることを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、磁極を形成する永久磁石の磁束が加え合わせになるように配置し、電流の磁界により前記永久磁石の一部を磁化させて永久磁石の極性を反転させ、反転後に電流による磁界を前記磁界とは逆方向に発生させてさらに前記永久磁石の極性を反転させて元の極性にすることを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、少なくとも１個の永久磁石は磁化方向厚みが均一でない形状にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、前記永久磁石を２種類以上の保磁力の異なる永久磁石で構成したことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、前記磁極を構成する永久磁石は、保磁力と磁化方向厚みの積が他の永久磁石と異なる永久磁石を含んでいることを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、前記磁極を構成する永久磁石は、保磁力と磁化方向厚みの積が他の永久磁石と比較して小さい永久磁石の磁束量を、電機子巻線の電流が作る磁界で不可逆的に変化させるか、又は前記永久磁石の極性を反転させることを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、磁極中心方向のｄ軸電流による磁界で永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させるか、前記磁界で永久磁石の極性を反転させ、さらに磁極間部の中心方向のｑ軸電流によりトルクを制御することを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、運転時に磁極中心方向のｄ軸電流による磁界で永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させるか、永久磁石の極性を反転させる動作と、前記ｄ軸電流で生じる磁束により電流と永久磁石で生じる電機子巻線の鎖交磁束量をほぼ可逆的に変化させる動作をすることを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、最大トルク時には磁極の永久磁石の磁束が加え合わせになるように保磁力と磁化方向厚みの積が他よりも小さな永久磁石を磁化させ、トルクの小さな軽負荷時や、中速回転域と高速回転域では、前記保磁力と磁化方向厚みの積が他よりも小さな永久磁石は、電流による磁界で磁化させて磁束を減少させるか、又は前記磁界で前記永久磁石の極性を反転させることを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、各磁極において前記永久磁石の磁束が変化するか又は永久磁石の極性が反転する永久磁石は、他の永久磁石からバイアス的な磁界が作用するように配置されていることを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、各磁極の中で保磁力と磁化方向厚みの積が小さな永久磁石について、前記永久磁石の保磁力と磁化方向厚みの積が、保磁力と磁化方向厚みの積が大きな永久磁石の無負荷時の動作点における磁界の強さと磁化方向厚みの積にほぼ等しいか、又はそれ以上としたことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、２種類の永久磁石の磁化方向を異ならせたことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、各磁極を構成する永久磁石の中で保磁力と磁化方向厚みの積が小さな永久磁石について、前記永久磁石の磁化方向とｑ軸のなす角度が、他の保磁力と磁化方向厚みの積が大きな永久磁石の磁化方向とｑ軸のなす角度よりも大きくなる位置に配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、各磁極を構成する永久磁石の中で保磁力と磁化方向厚みの積が大きな永久磁石は、永久磁石の磁化方向がほぼｄ軸方向か、又は回転子の半径方向になる位置に配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、各磁極を構成する永久磁石の中で保磁力と磁化方向厚みの積が小さな永久磁石は、磁化方向が回転子の周方向になる位置に配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、各磁極を構成する永久磁石の中で保磁力と磁化方向厚みの積が大きな永久磁石は鉄心に埋め込まれ、前記永久磁石の中心部は端部よりもエアギャップ側に近くなるような形状としたことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、各磁極を構成する永久磁石の中で保磁力と磁化方向厚みの積が大きな永久磁石の中心部から回転子鉄心のエアギャップ面までの間隔は、前記永久磁石の中心部近傍の回転子鉄心が全ての永久磁石の磁束で磁気飽和しない程度にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項２１】
請求項１〜２０のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、保磁力と磁化方向厚みの積が大きな永久磁石に磁気回路で直列に配置された磁路について、その一部は永久磁石の磁束でほぼ磁気飽和するような断面積にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、保磁力と磁化方向厚みの積が大きな永久磁石として、２０℃において１．３３Ｔ以上の残留磁束密度を有する永久磁石を用いたことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項２３】
請求項１〜２２のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、保磁力と磁化方向厚みの積が大きな永久磁石として、Ｄｙ元素をほとんど含まないＮｄＦｅＢ系の永久磁石から構成したことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項２４】
請求項１〜２３のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、回転子が最高回転速度になったときの保磁力と磁化方向厚みの積が大きな永久磁石による逆起電圧が、回転電機の電源であるインバータ電子部品の耐電圧以下としたことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項２５】
請求項１〜２４のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、回転子鉄心は回転子の磁極中心軸となるｄ軸方向の磁気抵抗を小さくし、磁極間部中心軸になるｑ軸方向の磁気抵抗を大きくするような形状にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項２６】
請求項１〜２５のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、保磁力と磁化方向厚みの積が小さな永久磁石のエアギャップ側近傍で磁気抵抗が高くなる構成としたことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項２７】
請求項１〜２６のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、保磁力と磁化方向厚みの積が小さな永久磁石を磁極間部中心軸となるｑ軸近傍に配置し、前記ｑ軸近傍のエアギャップ側鉄心を回転子鉄心の最外周より窪ませた形状としたことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項２８】
請求項１〜２７のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、保磁力と磁化方向厚みの積が小さな永久磁石を磁極間中心軸になるｑ軸近傍に配置し、磁極中心軸になるｄ軸の中心となる回転子鉄心の磁極中央部を回転子の最外周部分とし、前記ｄ軸の中心の磁極中央部近傍から前記ｑ軸近傍部間の鉄心又は前記鉄心の一部分を回転子鉄心の最外周よりも窪ませた形状としたことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【請求項２９】
請求項１〜２８のいずれかに記載の永久磁石式回転電機の回転子において、回転子を固定子に挿入して組み立てる時は、保磁力と磁化方向厚みの積が小さな永久磁石による磁束と、保磁力と磁化方向厚みの積が大きな永久磁石による磁束が磁極又はエアギャップ面で互いに逆方向となるようにしたことを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
【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の回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、永久磁石式回転電機は大きく分けて２種類のタイプがある。回転子鉄心の外周に永久磁石を貼り付けた表面磁石型永久磁石式回転電機と、永久磁石を回転子鉄心の中に埋め込んだ埋め込み型永久磁石式回転電機である。可変速駆動用モータとしては、後者の埋め込み型永久磁石式回転電機が適している。
【０００３】
この後者の埋め込み型永久磁石式回転電機として、「『埋込磁石同期モータの設計と制御』、武田洋次・他、オーム社出版の文献」（非特許文献１）、また特開平７−３３６９１９号公報（特許文献１）に記載されたものが知られている。図９を用いて、このような従来の埋め込み型永久磁石モータの構成を説明する。回転子１の回転子鉄心２の外周部に長方形の空洞を極数Ｎに対して３６０°／Ｎ点対称な位置に極数Ｎの数だけ設ける。図９は４極の回転子１であり、（３６０°／４＝）９０°点対称な位置それぞれに、合計４個の空洞を設けてそれぞれに永久磁石４を挿入している。永久磁石４は回転子１の半径方向、又は永久磁石４の断面の長方形におけるエアギャップ面に対向する辺（図９では長辺）に直角方向に磁化されている。永久磁石４は負荷電流により減磁しないように保磁力の高いＮｄＦｅＢ永久磁石が主に適用される。回転子鉄心２は空洞を打抜いた電磁鋼板を積層して形成してある。このような回転子１は、固定子２０の内部に収容されている。この固定子２０は、電機子巻線２１を固定子鉄心２２の内側に形成されたスロットに収容することで構成されている。そして固定子２０の内周面と回転子１の外周面とは、エアギャップ２３を介して対向させている。
【０００４】
また、可変速特性に優れて高出力の回転電機としては、特開平１１−２７９１３号公報（特許文献２）に記載されている永久磁石型リラクタンス型回転電機がある。このような永久磁石式回転電機では、その構造特性上、永久磁石の鎖交磁束が常に一定で発生しているので永久磁石による誘導電圧は回転速度に比例して高くなる。そのため、低速から高速まで可変速運転する場合、高速回転では永久磁石による誘導電圧（逆起電圧）が極めて高くなる。この永久磁石による誘導電圧はインバータの電子部品に印加されるが、その印加電圧が電子部品の耐電圧以上になると部品が絶縁破壊する。そのため、永久磁石の磁束量が耐電圧以下になるように削減された設計が行うことが考えられるが、そのような設計にすると、永久磁石式回転電機の低速域での出力及び効率が低下する。
【０００５】
他方、低速から高速まで定出力に近い可変速運転を行う場合、永久磁石の鎖交磁束は一定であるので、高速回転域では回転電機の電圧が電源電圧上限に達して出力に必要な電流が流れなくなる。その結果、高速回転域では出力が大幅に低下し、さらには高速回転までの広範囲な可変速運転ができなくなる。
【０００６】
最近では、可変速範囲を拡大する方法として、上記非特許文献１に記載されているような弱め磁束制御が適用され始めている。永久磁石式回転電機の場合、総鎖交磁束量はｄ軸電流による磁束と永久磁石による磁束から成る。弱め磁束制御は、このことに着目し、負のｄ軸電流による磁束を発生させることによって、電機子巻線の総鎖交磁束量を減少させる制御を行う。この弱め磁束制御においては、高保磁力の永久磁石４は磁気特性（Ｂ−Ｈ特性）の動作点が可逆の範囲で変化するようにする。このため、永久磁石には、弱め磁束制御の減磁界により不可逆的に減磁しないように高保磁力特性をもつＮｄＦｅＢ磁石を適用する。
【０００７】
弱め磁束制御を適用した運転では、負のｄ軸電流による磁束で鎖交磁束が減少するので、鎖交磁束の減少分が電圧上限値に対する電圧の余裕分を作る。そして、トルク成分となる電流を増加できるので高速域での出力が増加する。また、電圧余裕分だけ回転速度を上昇させることができ、可変速運転の範囲が拡大される。
【０００８】
しかし、出力には寄与しない負のｄ軸電流を常時流し続けるため銅損が増加して効率は悪化する。さらに、負のｄ軸電流による減磁界は高調波磁束を生じ、高調波磁束等で生じる電圧の増加は弱め磁束制御による電圧低減の限界を作る。これらより埋め込み型永久磁石式回転電機に弱め磁束制御を適用しても基底速度の３倍以上の可変速運転は困難である。さらに、前記の高調波磁束により鉄損が増加し、中・高速域で大幅に効率が低下する。また、高調波磁束による電磁力で振動を発生することもある。
【０００９】
ハイブリッド自動車用駆動モータに埋め込み型永久磁石モータを適用した場合、エンジンのみで駆動される状態ではモータは連れ回される。中・高速回転ではモータの永久磁石による誘導電圧が上昇する。そこで誘導電圧の上昇を電源電圧以内に抑制するために、弱め磁束制御で負のｄ軸電流を流し続ける。この状態では、モータは損失のみを発生するので総合運転効率が悪化する問題点がある。
【００１０】
他方、電車用駆動モータに埋め込み型永久磁石モータを適用した場合、電車は惰行運転する状態があり、前記と同様に永久磁石による誘導電圧を電源電圧以下にするため弱め磁束制御で負のｄ軸電流を流し続ける。そしてこの状態では、モータは損失のみを発生するので総合運転効率が悪化する問題点がある。
【特許文献１】特開平７−３３６９１９号公報
【特許文献２】特開平１１−２７９１３号公報
【特許文献３】特開平１１−１３６９１２号公報
【非特許文献１】「埋込磁石同期モータの設計と制御」、武田洋次・他、オーム社出版
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、低速から高速までの広範囲で可変速運転が可能であり、低速回転域の高トルク化と中・高速回転域での高出力化、効率の向上、信頼性向上、製造性向上、材料の削減、希少材料の削減が図れる永久磁石式回転電機の回転子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】
【００１２】
本発明の１つの特徴は、形状又は材料特性の異なる２種類以上の永久磁石を用いて１つの磁極を形成し、各磁極において電機子巻線の電流が作る磁界により少なくとも１個の永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させる永久磁石式回転電機の回転子である。
【００１３】
本発明の別の特徴は、形状又は材料特性の異なる２種類以上の永久磁石を用いて１つの磁極を形成し、各磁極において電機子巻線の電流が作る磁界により少なくとも１個の永久磁石を磁化させて永久磁石の極性を反転させる永久磁石式回転電機の回転子である。
【００１４】
本発明のさらに別の特徴は、形状又は材料特性の異なる２種類以上の永久磁石を用いて１つの磁極を形成し、各磁極において電機子巻線の電流が作る磁界により少なくとも１個の永久磁石を磁化させて永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させ、全ての永久磁石による電機子巻線の鎖交磁束量をほぼ０にする永久磁石式回転電機の回転子である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の永久磁石式回転電機の回転子によれば、これを固定子に組み込むことで、低速から高速までの広範囲で可変速運転が可能であり、低速回転域の高トルク化と中・高速回転域での高出力化、効率の向上、信頼性向上、製造性向上、材料の削減、希少材料の削減が図れる永久磁石式回転電機が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。尚、以下の各実施の形態では、回転子に永久磁石を４極埋め込んだ永久磁石式回転電機を例示しているが、他の極数でも同様に適用できる。
【００１７】
（第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態の永久磁石式回転電機について、図１〜図５を用いて説明する。図１は本実施の形態の永久磁石式回転電機の構造を示していて、固定子２０の内部に回転子１をエアギャップ２３を介して対向するように収容した構造である。尚、固定子２０は、従来例と同様であり、図９と同様のものである。
【００１８】
本実施の形態における回転子１は、回転子鉄心２、保磁力と磁化方向厚みの積が小となる第１永久磁石３、保磁力と磁化方向厚みの積が大となる第２永久磁石４から構成される。回転子鉄心２は珪素鋼板を積層して構成し、第１、第２永久磁石３，４それぞれはこの回転子鉄心２内に埋め込まれている。保磁力と磁化方向厚みの積が小となる第１永久磁石３はアルニコ磁石であり、回転子鉄心２の径方向断面に４個埋め込んである。この第１永久磁石３にはＦｅＣｒＣｏ磁石を適用してもよい。保磁力と磁化方向厚みの積が大となる第２永久磁石４はＮｄＦｅＢ磁石であり、回転子鉄心２の径方向断面に４個埋め込んである。
【００１９】
第１永久磁石３はほぼ回転子１の径方向に沿って配置され、その断面は台形の形状である。また、第１永久磁石３の磁化方向は回転子１のほぼ周方向であり、磁化方向の平均厚みは３ｍｍである。第２永久磁石４は回転子１のほぼ周方向に配置され、その断面は長方形の形状である。また、第２永久磁石４の磁化方向は回転子１のほぼ径方向であり、磁化方向の厚みは２ｍｍである。
【００２０】
図２に、本実施の形態の永久磁石式回転電機に適用する、第１永久磁石３用のアルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ）、ＦｅＣｒＣｏ磁石、また第２永久磁石４用のＮｄＦｅＢ磁石の磁気特性を示してある。アルニコ磁石の保磁力（磁束密度が０になる磁界）は６０〜１２０ｋＡ／ｍであり、ＮｄＦｅＢ磁石の９５０ｋＡ／ｍの１／１５〜１／８になる。また、ＦｅＣｒＣｏ磁石の保磁力は約６０ｋＡ／ｍであり、ＮｄＦｅＢ磁石の９５０ｋＡ／ｍの１／１５になる。アルニコ磁石とＦｅＣｒＣｏ磁石は、ＮｄＦｅＢ磁石と比較してかなり低保磁力であることがわかる。
【００２１】
本実施の形態では、保磁力と磁化方向厚みの積が小となる第１永久磁石３には、保磁力が１２０ｋＡ／ｍのアルニコ磁石を適用する。本実施の形態において使用する第１永久磁石３のアルニコ磁石の保磁力と磁化方向厚みの積は、１２０ｋＡ／ｍ×３×１０−３＝３６０Ａである。また、保磁力と磁化方向厚みの積が大となる第２永久磁石４には、保磁力が１０００ｋＡ／ｍのＮｄＦｅＢ磁石を適用する。本実施の形態において使用する第２永久磁石４のＮｄＦｅＢ磁石の保磁力と磁化方向厚みの積は１０００ｋＡ／ｍ×２×１０−３＝２０００Ａである。これにより、本実施の形態において第２永久磁石４の保磁力と磁化方向厚みの積は、第１永久磁石３のそれの５．６倍も大となっている。
【００２２】
図１に示すように、第１永久磁石３は回転子鉄心２の中に埋め込まれ、この第１永久磁石３の両端部には空洞５が設けられている。さらに高速回転時の遠心力に十分に耐え得るようにするため、回転子鉄心２の磁極鉄心７の中央にボルト用穴６を設けている。これは、ボルトで回転子鉄心２を締め付けて回転子端版とシャフトに固定するためのものである。
【００２３】
第１永久磁石３は磁極間の中心軸になるｑ軸と一致する回転子１の半径方向に沿って配置されている。また、アルニコ磁石で成る第１永久磁石３の磁化容易方向は回転子１のほぼ周方向であり、回転子１の半径に対して直角方向（図１では第１永久磁石３の台形断面を２等分し回転中心を通る線に直角）方向とする。
【００２４】
高保磁力のＮｄＦｅＢ磁石で成る第２永久磁石４も回転子鉄心２内に埋め込まれ、その両端部には空洞５が設けられている。第２永久磁石４は、２個の第１永久磁石３により回転子１の内周部側で挟まれるように回転子１のほぼ周方向に配置されている。この第２永久磁石４の磁化容易方向は回転子１の周方向に対してほぼ直角（図１では第２永久磁石４の長方形断面の長辺に対して直角）方向である。
【００２５】
そして、回転子鉄心２の磁極鉄心７は２個の第１永久磁石３と１個の第２永久磁石４とで取り囲まれるようにして形成されている。図１と図３〜５に示すように、回転子鉄心２の磁極鉄心７の中心軸方向がｄ軸、磁極間の中心軸方向がｑ軸となる。したがって、第１永久磁石３は磁極間の中心軸となるｑ軸方向に配置され、その磁化方向はｑ軸に対して９０°、又は−９０°方向となる。隣り合う第１永久磁石３において、互いに向かい合う磁極面は同極になるようにしてある。また、第２永久磁石４は磁極鉄心７の中心軸となるｄ軸に対して直角方向に配置され、その磁化方向はｄ軸に対して０°、又は１８０°の方向となる。隣り合う第２永久磁石４において、互いに磁極の向きは逆極性とする。
【００２６】
上記構成の本実施の形態の永久磁石式回転電機の動作について説明する。磁化に要する起磁力は磁化に要する磁界と永久磁石の厚みの積で概算する。アルニコ８の永久磁石は２５０ｋＡ／ｍの磁界で１００％近くまで着磁できる。着磁磁界と磁石の厚みの積は、２５０ｋＡ／ｍ×３×１０−３＝７５０Ａとなる。一方、ＮｄＦｅＢ磁石は１５００ｋＡ／ｍの磁界で１００％近くまで着磁できる。着磁磁界と磁石の厚みの積は、１５００ｋＡ／ｍ×２×１０−３＝３０００Ａとなる。したがって、アルニコ磁石で成る第１永久磁石３は、ＮｄＦｅＢ磁石で成る第２永久磁石４の約１／４の磁界で着磁できる。
【００２７】
本実施の形態では、固定子２０の電機子巻線２１に通電時間が極短時間（０．１ｍｓ〜１０ｍｓ程度）となるパルス的な電流を流して磁界を形成し、第１永久磁石３に磁界を作用させる。永久磁石を磁化するための磁界を形成するパルス電流は固定子２０の電機子巻線２１のｄ軸電流成分とする。着磁磁界を２５０ｋＡ／ｍとすると、理想的には第１永久磁石３には十分な着磁磁界が作用し、第２永久磁石４には着磁による不可逆減磁はない。
【００２８】
図３は第１永久磁石３と第２永久磁石４との磁束が磁極及びエアギャップ面で加え合せになるように着磁磁界を作用させたときの各永久磁石３，４の磁束Ｂ３，Ｂ４を示している。図３では第１、第２永久磁石３，４による鎖交磁束は増加して増磁状態となる。着磁磁界は固定子２０の電機子巻線２１に極短時間のパルス的な電流を流して形成する。このとき通電する電流はｄ軸電流成分である。パルス電流はすぐに０になり、着磁磁界はなくなるが、第１永久磁石３は不可逆的に変化して着磁方向に磁束を発生する。尚、図３、図４、図５での磁束分布は１極のみを示している。
【００２９】
図４では鎖交磁束を減少させるときの作用を示す。固定子２０の電機子巻線２１に負のｄ軸電流を通電して形成する磁界は図３と逆方向の磁束Ｂ３ｉ，Ｂ４ｉを発生する。固定子２０の電機子巻線２１の負のｄ軸電流により作られる磁界Ｂｄは、回転子１の磁極中心から第１永久磁石３と第２永久磁石４に対して磁化方向とほぼ逆方向に作用している。各永久磁石３，４には図３の磁化方向とは逆方向の磁界が作用する。第１永久磁石３のアルニコ磁石は保磁力と磁化方向厚みの積を小さくしているため、この逆磁界によりその磁束は不可逆的に減少する。一方、第２永久磁石４のＮｄＦｅＢ磁石は保磁力と磁化方向厚みの積が大きいため逆磁界Ｂｄを受けても磁気特性は可逆範囲であり、負のｄ軸電流による着磁磁界が消えた後の磁化状態は変化なく、磁束量も変らない。したがって、第１永久磁石３のみが減磁することになり、鎖交磁束量を減少できる。
【００３０】
本実施の形態ではさらに大きな電流を通電させて強い逆磁界により第１永久磁石３の極性を反転させる。第１永久磁石３の極性を反転させることにより、鎖交磁束を大幅に減少でき、特に鎖交磁束を０にできる特徴がある。
【００３１】
上述したようにアルニコ磁石の着磁磁界と磁石の厚みの積はＮｄＦｅＢ磁石の約１／４なので、第１永久磁石３のアルニコ磁石のみ磁化できる磁界を作用させる。負のｄ軸電流による磁化（着磁）された後の状態を図５に示す。第２永久磁石４の磁束Ｂ４と逆方向に発生する第１永久磁石３の磁束Ｂ３は相殺されて、各磁石３，４の磁束量が同じ場合ではエアギャップ磁束をほぼ０にできる。このとき、第２永久磁石４の磁束は相殺されるとともに第１永久磁石３との磁気回路を構成できるので、多くの磁束は回転子１内に分布する。このような作用により、エアギャップ磁束密度の磁束分布は一様に０に分布させることができる。
【００３２】
従来の回転電機は、電機子巻線２１の負のｄ軸電流による磁束を発生させて回転子１の永久磁石の磁束を相殺させると、合成の基本波磁束は５０％程度までは低減できる。しかし、高調波磁束がかなり増加し、高調波電圧と高調波鉄損が生じて問題となる。また、鎖交磁束を０にすることは極めて困難であり、仮に基本波を０にできても高調波磁束は逆にかなり大きな値になる。
【００３３】
一方、本実施の形態の永久磁石式回転電機は回転子１においては、永久磁石３，４のみの磁束で一様に減少できるので高調波磁束は少なく、損失の増加はない。永久磁石の磁化に関しては、本実施の形態の永久磁石式回転電機においては、ｄ軸電流による磁界は第２永久磁石４には永久磁石２個分（Ｎ極とＳ極の２個の永久磁石）に作用することになり、この点だけでも第２永久磁石４に作用する磁界は第１永久磁石３に作用する磁界の約半分になる。したがって、本実施の形態の永久磁石式回転電機においては、保磁力と磁化方向厚みの積が小となる第１永久磁石３は、ｄ軸電流による磁界により磁化され易くなる。第２永久磁石４は、着磁磁界と磁石の厚みの積が第１永久磁石３の４倍であり、さらに配置構成の点では、第２永久磁石４に作用するｄ軸電流による磁界は第１永久磁石３の１／２になる。したがって、第２永久磁石４を着磁するには第１永久磁石３の８倍の起磁力を必要とする。つまり、第１永久磁石３を着磁する程度の磁界であれば、第２永久磁石４は可逆減磁状態であり、着磁後でも第２永久磁石４は着磁前の状態の磁束を維持できる。
【００３４】
アルニコ磁石の第１永久磁石３とＮｄＦｅＢ磁石の第２永久磁石４との相互的な磁気の影響について述べる。図５の減磁状態では、第２永久磁石４の磁界Ｂ４は第１永久磁石３にバイアス的な磁界として作用し、負のｄ軸電流による磁界と第２永久磁石４による磁界Ｂ４とが第１永久磁石３に作用して磁化し易くなる。また、第１永久磁石３の保磁力と磁化方向厚みの積が第２永久磁石４の無負荷時の動作点における磁界の強さと磁化方向厚みの積に等しいか、それ以上にすることにより鎖交磁束の増磁状態において第２永久磁石４の磁界Ｂ４に打ち勝ち、磁束量を発生する。
【００３５】
以上より、本実施の形態の永久磁石式回転電機では、ｄ軸電流により第１永久磁石３の鎖交磁束量Ｂ３を最大から０まで大きく変化でき、また磁化方向も正逆方向の両方向にできる。すなわち、第２永久磁石４の鎖交磁束Ｂ４を正方向とすると、第１永久磁石３の鎖交磁束Ｂ３を正方向の最大値から０、さらには逆方向の最大値まで広範囲に調整することができる。このため、本実施の形態の永久磁石式回転電機によれば、第１永久磁石３をｄ軸電流で磁化させることにより第１永久磁石３と第２永久磁石４とを合わせた全鎖交磁束量（Ｂ３＋Ｂ４）を広範囲に調整することができる。
【００３６】
（１）低速域では、第１永久磁石３は第２永久磁石４の鎖交磁束と同方向（図３で示した増磁状態）で最大値になるようにｄ軸電流で磁化する。第１、第２永久磁石３，４によるトルクは最大になるので、回転電機のトルク及び出力は最大にすることができる。
【００３７】
（２）中・高速域では、第１永久磁石３の磁束Ｂ３を低下させ（図４の減磁状態）、全鎖交磁束量を下げる。これにより回転電機の電圧は下がるので、電源電圧の上限値に対して余裕ができ、回転速度（周波数）をさらに高くすることが可能となる。
【００３８】
（３）可変速範囲をさらに拡大し、例えば、基底速度の５倍以上の可変速運転の範囲にするというように、最高速度を著しく高くするときには、第１永久磁石３は第２永久磁石４の鎖交磁束と逆方向になるように磁化させる（第１永久磁石３の磁束Ｂ３の向きは図５の状態で磁化は最大とする）。第１、第２永久磁石３，４の全鎖交磁束は、第２永久磁石４と第１永久磁石３の鎖交磁束の差となり、最も小さくできる。回転電機の電圧も最小となるので回転速度（周波数）を最高値まで上げることができる。
【００３９】
このようにして、本実施の形態の永久磁石式回転電機では、高出力で低速回転から超高速回転まで広範囲の可変速運転を実現できる。加えて、本実施の形態の永久磁石式回転電機では、鎖交磁束を変化させるときの着磁電流は極短時間のみ流すので損失を著しく低減できるので、広い運転範囲で高効率となる。
【００４０】
次に、本実施の形態の永久磁石式回転電機において、トルク電流の影響について述べる。回転電機が出力を発生するときは、固定子２０の電機子巻線２１にｑ軸電流を流すことにより、ｑ軸電流と第１、第２永久磁石３，４の磁束Ｂ３，Ｂ４との磁気作用でトルクを発生させる。このときｑ軸電流による磁界が発生する。しかし、第１永久磁石３はｑ軸方向に配置され、磁化方向はｑ軸方向と直角方向であることから、第１永久磁石３の磁化方向とｑ軸電流による磁界とは直交する方向になるので、ｑ軸電流による磁界の影響はわずかとなる。
【００４１】
次に、本実施の形態の永久磁石式回転電機において、第１、第２永久磁石３，４それぞれの両端部に設けた空洞５の作用について述べる。空洞５は、永久磁石３，４による遠心力が回転子鉄心２に作用した時の回転子鉄心２への応力集中と減磁界を緩和する。図１に示したように空洞５を設けることにより、回転子鉄心２は曲率のついた形状にでき、応力が緩和される。また、電流による磁界が永久磁石３，４の角部に集中して減磁界が作用し、角部が不可逆減磁する場合がある。本実施の形態では、永久磁石３，４それぞれの端部に空洞５を設けているため、永久磁石３，４の端部での電流による減磁界が緩和される。
【００４２】
次に、本実施の形態の永久磁石式回転電機における回転子１の構造的強度について述べる。回転子鉄心２内に第１永久磁石３と第２永久磁石４とが埋め込まれており、回転子鉄心２で永久磁石３，４を固定している。
【００４３】
以上の構成により、本実施の形態の永久磁石式回転電機は、次の効果を奏する。ＮｄＦｅＢ磁石の第２永久磁石４の鎖交磁束Ｂ４を正方向とすると、アルニコ磁石の第１永久磁石３の鎖交磁束Ｂ３を正方向の最大値から０、さらには逆方向の最大値まで広範囲に調整することができる。したがって、本実施の形態では、第１永久磁石３をｄ軸電流で磁化させることによって第１、第２永久磁石３，４を合わせた全鎖交磁束量を広範囲に調整することができる。また、第１、第２永久磁石３，４の全鎖交磁束量を広範囲に調整できることで、回転電機の電圧も広範囲に調整できる。また、着磁は極短時間のパルス的な電流で行うので、常時弱め磁束電流を流し続ける必要がなく、損失を大幅に低減できる。また、従来のように弱め磁束制御を行う必要がないので、高調波磁束による高調波鉄損も発生しない。以上より、本実施の形態の永久磁石式回転電機では、高出力で低速から高速までの広範囲の可変速運転を可能とし、広い運転範囲において高効率も可能となる。加えて、永久磁石による誘導電圧に関しては、第１永久磁石３をｄ軸電流で着磁して第１、第２永久磁石３，４の全鎖交磁束量を小さくできるので、永久磁石３，４の誘導電圧によるインバータ電子部品の破損がなくなり、信頼性が向上する。さらに、回転電機が無負荷で連れ回される状態では、第１永久磁石３を負のｄ軸電流で着磁して永久磁石３，４の全鎖交磁束量を小さくできる。これより、誘導電圧は著しく低くなり、誘導電圧を下げるための弱め磁束電流を常時通電する必要がほとんどなくなり、総合効率が向上する。特に惰行運転時間が長くなる通勤電車に本実施の形態の永久磁石式回転電機を搭載して駆動すると、総合運転効率は大幅に向上する。
【００４４】
さらに、本実施の形態では、第１永久磁石３の形状を、その断面が台形形状となるようにしている。このように、第１永久磁石３をその磁化方向厚みが一定でない形状とすることで、次のような効果がある。第１永久磁石３に用いているアルニコ磁石は、残留磁束密度が高く保磁力が小さいため、磁束密度が低い領域では磁界に対して磁束密度が急変する。したがって、磁界の強さのみで磁束密度を微調整するには、その磁界の強さの制御に高い精度が要求される。そこで、本実施の形態では、永久磁石の着磁に必要な磁化力が永久磁石の磁化方向厚みにより大きく変化することを応用し、第１永久磁石３を断面台形状とすることで磁化方向厚みを一定でないようにすることで、着磁磁界を作用させたときに各厚みの永久磁石部分で発生する磁束量を変えることができる。すなわち、着磁磁界の強さを永久磁石の厚みによる影響に大きく依存させることができる。これにより、本実施の形態によれば、ｄ軸電流による磁界に対する磁束量の調整が容易であり、外部条件変動による磁束量のばらつきを少なくできる。
【００４５】
尚、本発明の永久磁石式回転電機では、ｄ軸電流による磁界で第１永久磁石３を不可逆的に磁化して鎖交磁束量を変化させることができる。さらに負のｄ軸電流による磁束を常時発生させることにより、負のｄ軸電流による磁束と永久磁石３，４による磁束Ｂ３，Ｂ４から成る鎖交磁束は、前記負のｄ軸電流による磁束で調整することができる。すなわち、第１永久磁石３の磁化状態を不可逆的に変化させることによって鎖交磁束量を大きく変化させることができ、その上、常時通電させる負のｄ軸電流により鎖交磁束量を微調整することができる。このとき常時通電する負のｄ軸電流が微調整する鎖交磁束量は僅かなので、常時流し続ける負のｄ軸電流は僅かとなり、大きな損失は発生しない。これにより、本実施の形態の永久磁石式回転電機によれば、電圧の基になる鎖交磁束量を広範囲で変化させるとともに微調整することができ、しかも高効率で可変できるようになる。
【００４６】
（第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態の永久磁石式回転電機は、図１に示した第１の実施の形態の永久磁石式回転電機において、保磁力と磁化方向厚みの積が大となる第２永久磁石３として、Ｄｙ元素が少ないＮｄＦｅＢ磁石を採用したことを特徴とする。したがって、その他の構成は図１に示した第１の実施の形態と共通である。
【００４７】
Ｄｙ元素が少ないと永久磁石の残留磁束密度は高くなり、２０℃において１．３３Ｔ以上の残留磁束密度が得られる。
【００４８】
従来の回転電機は高速になると誘導電圧による電圧上昇を抑制するために負のｄ軸電流による弱め磁束制御を行っている。このとき永久磁石には過大な逆磁界が作用して永久磁石は不可逆減磁して出力が大幅に低下したままになる場合もある。この対策としてＮｄＦｅＢ磁石の中でも保磁力の大きな磁石を適用する。ＮｄＦｅＢ磁石の保磁力を大きくする方法としてＤｙ元素を添加するが、これにより永久磁石の残留磁束密度が低下して回転電機の出力も低下する。また、耐減磁を向上させるためにだけＮｄＦｅＢ磁石の磁化方向厚を厚くすることになる。
【００４９】
本実施の形態の永久磁石式回転電機では第１永久磁石３のアルニコ磁石を不可逆的に磁化させて電圧となる鎖交磁束量を調整している。したがって、ＮｄＦｅＢ磁石の第２永久磁石４に過大な逆磁界が作用するような弱め磁束制御は使用しない。微調整のための弱め制御を使用する場合もあるが、僅かな電流なので逆磁界も極めて小さくできる。これより、本実施の形態の永久磁石式回転電機は、従来の回転電機には減磁のため使用できなかった低保磁力で高残留磁束密度のＮｄＦｅＢ磁石を適用することができるようになり、ＮｄＦｅＢ磁石によるエアギャップ磁束密度は高くなり、高出力が得られる。
【００５０】
例えば、従来の回転電機に適用するＮｄＦｅ磁石の特性は保磁力Ｈｃｊ＝２２２８ｋＡ／ｍ、残留磁束密度Ｂｒ＝１．２３Ｔであり、本実施の形態に適用するＮｄＦｅＢ磁石の特性はＨｃｊ＝８７５ｋＡ／ｍ、残留磁束密度Ｂｒ＝１．４５Ｔである。このように保磁力は小さいが磁束密度は１．１７倍の磁石の適用が可能となり、約１．１７倍に高出力が期待できる。
【００５１】
また、従来の回転電機では出力に貢献せずに耐減磁のために磁石の厚みを増加していたが、本実施の形態の永久磁石式回転電機は減磁界が小さいのでＮｄＦｅＢ磁石の使用量を低減できる。また、埋蔵量の少ないＤｙ元素をほとんど添加しないＮｄＦｅＢ磁石を適用できようになるので、将来的にも安定して製造できる。
【００５２】
（第３の実施の形態）本発明の第３の実施の形態の永久磁石式回転電機について、図６の回転子１の構造図を用いて説明する。本実施の形態の永久磁石式回転電機は、図６に示す回転子１とそれを収容する固定子２０とで構成される。そして固定子２０は他の実施の形態と同様に、図１、図９に示す構成である。尚、図６において、図１に示した第１の実施の形態と共通する要素には同一の符号を付して示している。
【００５３】
図６に示すように、本実施の形態における回転子１は、外周側に凸になるように逆Ｕ字形状のＮｄＦｅＢ磁石の第２永久磁石４を回転子鉄心２内に埋め込んでいる。この第２永久磁石４の逆Ｕ字の中心軸がｄ軸と一致する位置にしてある。ｑ軸上にはアルニコ磁石の第１永久磁石３を回転子鉄心２内に回転子１の径方向に沿う姿勢に配置してある。
【００５４】
第２永久磁石４を逆Ｕ字形状にすることにより、２個の第１永久磁石３に挟まれた領域でこの第２永久磁石４の磁極の面積を広くすることができる。さらに、第２永久磁石４を逆Ｕ字状にすることにより、ｑ軸磁束の磁路を妨げるように逆Ｕ字形状の第２永久磁石４を配置しているので、ｑ軸インダクタンスを低減でき、これより回転電機の力率を向上できる。また、逆Ｕ字形状の第２永久磁石４の外周側先端（中央部）と回転子鉄心２の外周（エアギャップ面）の間隔Ｗｐを第１永久磁石３と第２永久磁石４の磁束でほぼ磁気飽和しない程度にする。この磁極鉄心７の中央部の磁束密度が最大でも１．９Ｔ程度にすれば、エアギャップの磁束分布が歪まず、永久磁石の磁束を有効に利用できる。
【００５５】
尚、本実施の形態にあっても、第２の実施の形態のように、保磁力と磁化方向厚みの積が大となる第２永久磁石３として、Ｄｙ元素が少ないＮｄＦｅＢ磁石を採用することができ、それによっていっそう高出力で、軽量の回転電機が実現できる。
【００５６】
（第４の実施の形態）本発明の第４の実施の形態の永久磁石式回転電機について、図７の回転子１の構造図を用いて説明する。本実施の形態の永久磁石式回転電機は、図７に示す回転子１とそれを収容する固定子２０とで構成される。そして固定子２０は他の実施の形態と同様に、図１、図９に示す構成である。尚、図７において、図１に示した第１の実施の形態と共通する要素には同一の符号を付して示している。
【００５７】
図７に示すように、本実施の形態における回転子１は、アルニコ磁石の第１永久磁石３はｑ軸で径方向に回転子鉄心２内に配置し、ＮｄＦｅＢ磁石の第２永久磁石４は周方向に接するようにｄ軸に直角に回転子鉄心２内に配置している。回転子１は回転子鉄心２の内周側で鉄のシャフト９に嵌め込んでいる。このシャフト９は４面をカットした形状とし、回転子鉄心２とシャフト９の間には空気層８を形成している。
【００５８】
永久磁石を磁化させるための固定子２０の電機子巻線２１の電流による磁界は、第１永久磁石３と第２永久磁石４に作用し、図７の矢印のように電流による磁束Ｂｉ３，Ｂｉ４が流れる。これら電流による磁束Ｂｉ３，Ｂｉ４は、空気層８があるのでシャフト９には通らずに、第２永久磁石４間の内周側の狭い鉄心部分を通ろうとする。しかし、狭い鉄心部分は容易に磁気飽和するため、電機子電流による磁界で生じる第２永久磁石４を通る磁束Ｂｉ４を少なくすることができる。
【００５９】
これにより、磁化させたい第１永久磁石３の電流による磁束Ｂｉ３は増加し、同時に第２永久磁石４を通る電流による磁束Ｂｉ４は少なくなり、磁極鉄心７及び固定子鉄心２２の磁気飽和も緩和される。したがって、第１永久磁石３を磁化させるためのｄ軸電流を少なくすることができる。
【００６０】
尚、本実施の形態にあっても、第２の実施の形態と同様に、保磁力と磁化方向厚みの積が大となる第２永久磁石３として、Ｄｙ元素が少ないＮｄＦｅＢ磁石を採用することができ、それによっていっそう高出力で、軽量の回転電機が実現できる。
【００６１】
（第５の実施の形態）本発明の第５の実施の形態の永久磁石式回転電機について、図８を用いて説明する。本実施の形態の永久磁石式回転電機は、図８に示す回転子１とそれを収容する固定子２０とで構成される。そして固定子２０は他の実施の形態と同様に、図１、図９に示す構成である。尚、図７において、図１に示した第１の実施の形態と共通する要素には同一の符号を付して示している。
【００６２】
図８に示すように、本実施の形態における回転子１は、磁極間の中心軸になるｑ軸と一致する回転子１の半径方向にアルニコ磁石の第１永久磁石３を回転子鉄心２内に配置する。そして、第１永久磁石３の端部の鉄心を除いたｑ軸近傍のエアギャップ側の回転子鉄心部分を回転子鉄心２の最外周より窪ませて窪み部１０を形成している。
【００６３】
次に、上記構成の本実施の形態の永久磁石式回転電機の作用について説明する。ｄ軸方向の電流の磁束（ｄ軸磁束）は第１永久磁石３と第２永久磁石４とを横断することになり、永久磁石３，４は空気の透磁率とほぼ等しいのでｄ軸インダクタンスは小さくなる。一方、ｑ軸方向の磁束は回転子鉄心２の磁極鉄心７を第１永久磁石３と第２永久磁石４の長手方向に沿うように流れる。回転子鉄心２の磁極鉄心７の透磁率は永久磁石の１０００〜１００００倍あるので、ｑ軸方向の回転子鉄心２に窪み部１０がなく回転子鉄心２外径が周方向で均一であれば、ｑ軸インダクタンスは大きくなる。そして、電流と磁束の磁気的作用でトルクを発生するためにｑ軸電流を流すが、ｑ軸インダクタンスは大きいのでｑ軸電流で生じる電圧は大きくなる。すなわち、ｑ軸インダクタンスが大きくなることにより、力率が悪くなる。
【００６４】
それに対して、本実施の形態の場合、第１永久磁石３のあるｑ軸近傍のエアギャップ側回転子鉄心部分は回転子鉄心２の最外周より窪ませて窪み部１０を持たせた形状にしているので、窪み部１０を通る磁束が減少する。すなわち、窪み部１０はｑ軸方向にあるのでｑ軸インダクタンスを小さくすることができる。これより、回転電機としての力率を向上できる。また、窪み部１０により第１永久磁石３の端部近傍では等価的にエアギャップ長が長くなるので、第１永久磁石３の端部近傍の平均的な磁界は低くなる。これより、トルクを発生するために必要なｑ軸電流による第１永久磁石３への減磁界の影響を小さくできる。
【００６５】
また、第１永久磁石３の端部と回転子鉄心２の磁極鉄心７の中央までとの間において、ｄ軸中心となる磁極鉄心７の中央部が回転子１の最外周部分となり、磁極鉄心７の中央部から第１永久磁石３の端部の外周側鉄心部分に至るにつれて、回転子１の軸中心からの回転子鉄心２外周までの距離が短くなる形状とする。これにより、前記同様にｑ軸インダクタンスを小さくでき、ｑ軸電流による第１永久磁石３の減磁を抑制できる。さらに、回転子１の全周に渡って滑らかに外周の窪み部１０が大きくなっているので、磁束の高調波成分を低減できて、トルクリプル、コギングトルクも低減できる。
【００６６】
尚、本実施の形態にあっても、第２の実施の形態と同様に、保磁力と磁化方向厚みの積が大となる第２永久磁石３として、Ｄｙ元素が少ないＮｄＦｅＢ磁石を採用することができ、それによっていっそう高出力で、軽量の回転電機が実現できる。
【００６７】
（変形例１）上記第１〜第５の実施の形態それぞれにおいて、回転子１を固定子２０に挿入して組み立てる製造時に、第１永久磁石３による磁束と第２永久磁石４による磁束とが、磁極鉄心７又はエアギャップ面で互いに逆方向となるように第１永久磁石３を磁化させた状態にすることができる。
【００６８】
製造工程で、着磁した回転子１を固定子２０に挿入して組立を行うには、永久磁石の磁気吸引力に対策が必要である。そこで、本例のように、第１永久磁石３の磁束と第２永久磁石４の磁束とが互いに逆方向になるように磁化することで、回転子１から発生する永久磁石の磁束量は少なくできる。この結果、回転子１と固定子２０との間で生じる磁気吸引力は小さくなり、組立作業性が向上する。さらに、第１永久磁石３と第２永久磁石４とにより発生する磁束量を０にすると、磁気吸引力はなくなり、回転子１を固定子２０に組み込む作業は極めて容易にできる。
【００６９】
（変形例２）上記の各実施の形態において、保磁力と磁化方向厚みの積が大となる第２永久磁石４はＮｄＦｅＢ磁石とし、保磁力と磁化方向厚みの積が小となる第１永久磁石３はアルニコ磁石で構成する。そして、最高回転速度時において、第２永久磁石４が発生する逆起電圧が回転電機の電源であるインバータ電子部品の耐電圧以下にする構成とする。
【００７０】
永久磁石による逆起電圧は回転速度に比例して高くなる。この逆起電圧がインバータの電子部品に印加し、電子部品の耐電圧以上になると電子部品が絶縁破壊する。そのため、従来の永久磁石式回転電機では、設計時に耐電圧により永久磁石の逆起電圧が制限され、永久磁石の磁束量が削減され、モータの低速域での出力及び効率が低下する問題点があった。
【００７１】
そこで、本例２のように、高速回転時になると負のｄ軸電流により減磁方向の磁界で永久磁石を不可逆的に磁化させて第１永久磁石３の磁束を０近傍まで小さくする。第１永久磁石３による逆起電圧はほぼ０にできるので、磁束量を調整できない第２永久磁石４による逆起電圧を最高回転速度で耐電圧以下にすればよい。すなわち、ＮｄＦｅＢ磁石の第２永久磁石４のみの磁束量を耐電圧以下までになるまで小さくすることになる。一方、低速回転時では、最大の磁束量となるように磁化された第１永久磁石３と第２永久磁石４とによる鎖交磁束量は増加できる。
【００７２】
さらには、実用上では、最高速域ではアルニコ磁石の第１永久磁石３は低速時とは逆方向に磁化されることになるので、総鎖交磁束量は第２永久磁石４のみの鎖交磁束よりも小さくなる。すなわち、本例の永久磁石式回転電機では、高速時の逆起電圧は第２永久磁石４のみによる逆起電圧よりも小さくなり、実質的には耐電圧と許容最高回転数は十分な余裕ができる。これにより、本例２の永久磁石式回転電機の構成にすれば、低速回転時での高出力と高効率を維持しながら、高速回転時の逆起電圧を抑制でき、インバータを含めたシステムの信頼性を高めることができる。
【００７３】
（変形例３）上記各実施の形態では、４極の永久磁石式回転電機について例示して説明したが、８極等の多極の回転電機も本発明を適用できるのは当然である。極数に応じて永久磁石の配置位置、形状が幾分変るが、作用と効果は同様に得られる。
【００７４】
また、磁極を形成する永久磁石において、保磁力と磁化方向の厚みの積をもって永久磁石を区別する定義をしている。したがって、磁極には同じ種類の永久磁石で形成し、磁化方向厚みを異なるように形成しても同様な作用と効果が得られる。
【００７５】
尚、本発明において、固定子２０の構造は図１、図９に示したものに限定されることはなく、一般的な回転電機と同様のものを採用することができ、分布巻線型に限らず、集中巻線型の固定子も採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１の実施の形態の永久磁石式回転電機の断面図。
【図２】上記実施の形態にて採用する低保磁力の第１永久磁石と高保磁力の第２永久磁石との磁気特性を示すグラフ。
【図３】上記実施の形態における回転子において、ｄ軸電流で永久磁石を不可逆的に磁化して増磁状態にしたときの永久磁石の磁束（鎖交磁束が最大）を示す断面図。
【図４】上記実施の形態における回転子において、負のｄ軸電流による減磁磁界の磁束を示す断面図。
【図５】上記実施の形態における回転子において、負のｄ軸電流による減磁磁界が作用した後の永久磁石の磁束（鎖交磁束が最小）を示す断面図。
【図６】本発明の第２の実施の形態の永久磁石式回転電機における回転子の断面図。
【図７】本発明の第３の実施の形態の永久磁石式回転電機における回転子の断面図。
【図８】本発明の第４の実施の形態の永久磁石式回転電機における回転子の断面図。
【図９】従来の埋め込み型永久磁石モータの断面図。
【符号の説明】
【００７７】
１…回転子
２…回転子鉄心
３…第１永久磁石
４…第２永久磁石
５…空洞
６…締結用ボルト穴
７…磁極鉄心
８…空隙
９…シャフト
１０…窪み部
２０…固定子
２１…電機子巻線
２２…固定子鉄心
２３…エアギャップ
【図１】
2008048514.tif 000003
【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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