(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、形状又は磁気特性の異なる２種類の永久磁石３，４を回転子鉄心２に埋め込んで１つの磁極６を形成し、磁極に配置された永久磁石は低保磁力の永久磁石３と高保磁力の永久磁石４で構成し、さらに電機子巻線の電流で作る磁界により低保磁力の永久磁石３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、高出力で広範囲の可変速運転が可能で、同時に広い運転範囲で高効率が得られるようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を用いた永久磁石電動機と、前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、前記永久磁石の磁束を制御するための磁化電流を流す磁化手段とを備え、
前記永久磁石電動機は、形状又は磁気特性の異なる２種類以上の保磁力の異なる永久磁石を回転子内径側に凸の形状に設置して１つの磁極を形成し、前記磁極を回転子鉄心内の外周部近くに等回転角度ずつ離れた複数箇所に形成して回転子を構成しており、
前記磁化手段は、前記永久磁石電動機の前記複数の磁極各々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前記永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させる磁化電流を流すことを特徴とする永久磁石電動機ドライブシステム。
【請求項２】
永久磁石を用いた永久磁石電動機と、前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、前記永久磁石の磁束を制御するための磁化電流を流す磁化手段とを備え、
前記永久磁石電動機は、形状又は磁気特性の異なる２種類以上の保磁力の異なる永久磁石を回転子内径側に凸の形状に設置して１つの磁極を形成し、前記磁極を回転子鉄心内の外周部近くに等回転角度ずつ離れた複数箇所に形成して回転子を構成しており、
前記磁化手段は、前記永久磁石電動機の前記複数の磁極各々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前記永久磁石の極性を反転させる磁化電流を流すことを特徴とする永久磁石電動機ドライブシステム。
【請求項３】
永久磁石を用いた永久磁石電動機と、前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、前記永久磁石の磁束を制御するための磁化電流を流す磁化手段とを備え、
前記永久磁石電動機は、形状又は磁気特性の異なる２種類以上の保磁力の異なる永久磁石を回転子内径側に凸の形状に設置して１つの磁極を形成し、前記磁極を回転子鉄心内の外周部近くに等回転角度ずつ離れた複数箇所に形成して回転子を構成しており、
前記磁化手段は、前記永久磁石電動機の前記複数の磁極各々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前記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にする磁化電流を流すことを特徴とする永久磁石電動機ドライブシステム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石電動機ドライブシステムにおいて、
前記永久磁石電動機は、前記回転子の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前記形状又は磁気特性の異なる２種類以上の保磁力の異なる永久磁石を配置し、
前記磁化手段は、前記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、また減少後に前記電機子巻線の電流が作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電動機ドライブシステム。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石電動機ドライブシステムにおいて、
前記永久磁石電動機は、前記回転子の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前記形状又は磁気特性の異なる２種類以上の保磁力の異なる永久磁石を配置し、
前記磁化手段は、前記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の極性を反転させ、また反転後に前記電機子巻線の電流が作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電動機ドライブシステム。
【請求項６】
前記永久磁石電動機の回転子における前記磁極を構成する複数種の永久磁石は、保磁力と磁化方向厚みの積が他の永久磁石のものとは異なる特性の永久磁石を含んでいることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の永久磁石電動機ドライブシステム。
【請求項７】
前記磁化手段は、前記磁極を構成する複数種の永久磁石のうち、保磁力と磁化方向厚みの積が他の永久磁石のものと比較して小さい永久磁石の磁束量を前記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、又は当該永久磁石の極性を反転させることを特徴とする請求項６に記載の永久磁石電動機ドライブシステム。
【請求項８】
前記磁化手段は、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ｑ軸電流によりトルクを制御する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電動機ドライブシステム。
【請求項９】
前記磁化手段は、前記永久磁石電動機の運転時に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、若しくは永久磁石の極性を反転させる動作と、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とを選択的に実行することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の永久磁石電動機ドライブシステム。
【請求項１０】
前記磁化手段は、前記永久磁石電動機の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請求項６又は７に記載の永久磁石電動機ドライブシステム。
【請求項１１】
前記永久磁石電動機は、前記複数の磁極各々において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したことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の永久磁石電動機ドライブシステム。
【請求項１２】
請求項６，７又は１０のいずれかに記載の永久磁石電動機ドライブシステムにおいて、前記永久磁石電動機は、前記複数の磁極各々の中で保磁力と磁化方向厚みの積が小さな永久磁石は、その保磁力と磁化方向厚みの積が、前記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電動機ドライブシステム。
【請求項１３】
形状又は磁気特性の異なる２種類以上の永久磁石を用いて１つの磁極を形成し、複数の前記磁極で回転子を構成し、該回転子の外周にエアギャップを介して電機子を配置した永久磁石式回転電機であって、
前記磁極を構成する永久磁石は、形状又は磁気特性の異なる２種類以上の保磁力の異なる永久磁石を回転子内径側に凸の形状に設置して１つの磁極を形成し、前記磁極を回転子鉄心内の外周部近くに等回転角度ずつ離れた複数箇所に形成して回転子を構成したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１４】
前記磁極を構成する複数種の永久磁石は、保磁力と磁化方向厚みの積が他の永久磁石のものとは異なる特性の永久磁石を含んでいることを特徴とする請求項１３に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項１５】
前記複数の磁極各々において、主たる回転方向に対して後方となる位置に前記保磁力と磁化方向厚みの積が大きな永久磁石を配置としたことを特徴とする請求項１４に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項１６】
請求項１３〜１５のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、前記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。
【請求項１７】
請求項１３〜１６のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、形状又は磁気特性の異なる２種類以上の保磁力の異なる永久磁石を磁極を成すように回転子内径側に凸の形状に配置する際に、ハの字又はＶ字型に設置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１８】
請求項１４又は１５に記載の永久磁石式回転電機において、前記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系の永久磁石を用いたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１９】
請求項１４，１５，１８のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子が最高回転速度になったときの前記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は、電源インバータの電子部品の耐電圧以下にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項２０】
請求項１４，１５，１８，１９のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子を前記電機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とが前記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。
【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電動機ドライブシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、適用範囲が拡大している永久磁石式回転電機は大きく２種類のタイプに分けられる。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回転電機と、特開平７−３３６９１９号公報（特許文献１）に記載されたような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回転電機である。近年、可変速駆動用モータとしては、この埋め込み型永久磁石回転電機の適用が多くなっている。
【０００３】
図１６に示す従来の埋め込み型永久磁石電動機は、内部に回転子１、その外周にエアギャップ２３を介して固定子２０を配置した構成である。回転子鉄心２の外周部に長方形の空洞を等配で極数の数だけ設けている。図１６に示した回転子１は８極のものであり、回転子鉄心２に８個の空洞を設けて永久磁石４をそれぞれの空洞に挿入している。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１６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ている。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。７は回転軸である。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】
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）、特開平１１−１３６９１２号公報（特許文献３）に記載されているような永久磁石式リラクタンス型回転電機が知られている。
【０００５】
さらに、低速から高速までの広範囲で可変速運転を可能とし、低速回転域の高トルク化と中・高速回転域での高出力化、効率の向上を図った回転電機としては、特開２００６−２８０１９５号公報（特許文献４）に記載されているような磁石磁束を可変とする永久磁石式回転電機が知られている。
【０００６】
一般に、永久磁石式回転電機では、永久磁石によって常に一定の鎖交磁束が発生しているので、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。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。永久磁石による誘導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、その場合には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。
【０００７】
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で駆動できなくなる。そこで最近では、可変速範囲を拡大する方法として、「『埋込磁石同期モータの設計と制御』、武田洋次・他、オーム社」（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。電機子巻線の総鎖交磁束量はｄ軸電流による磁束と永久磁石による磁束とから成る。弱め磁束制御では、負のｄ軸電流による磁束を発生させることによってこの負のｄ軸電流による磁束で全鎖交磁束量を減少させる。また、弱め磁束制御においても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のＮｄＦｅＢ磁石を適用する。
【０００８】
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。
【０００９】
しかし、弱め磁束制御をすると、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、前述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。
【００１０】
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電動機を適用した場合、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ので電源電圧以内に抑制するため、弱め磁束制御で負のｄ軸電流を流し続ける。しかし、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。また、電車用駆動モータに埋め込み型永久磁石電動機を適用した場合、電車は惰行運転する状態があり、上の場合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。その場合、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。
【００１１】
これらの課題を解決するものとして、本願発明者等の発明に係る特許出願、特願２００６−２２０５５７号には、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を用い、保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石を運転条件に応じて脱、着磁して固定子との鎖交磁束量を増減する回転電機が提案されている。この形式の回転電機では、保磁力と磁化方向厚みの積が小となる磁石の専有部分が増大し、構造が複雑となり高速回転が困難となり、また、保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石を、回転子中心軸を通る直線と平行な方向に磁石長手方向を設置するため、回転子内径を大きくしにくい等、製造性、信頼性、材料の削減の上で改善の余地がある。
【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
【特許文献４】特開２００６−２８０１９５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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上述した技術的課題を解決するためになされたものであり、低速から高速まで広範囲な可変速運転を可能とし、提案されているものと比較して、より高速での運転を可能とし、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、製造性向上、信頼性向上、材料の削減が図れる永久磁石式型回転電機及びそれを駆動する永久磁石電動機ドライブシステム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】
【００１３】
本発明の１つの特徴は、永久磁石を用いた永久磁石電動機と、前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、前記永久磁石の磁束を制御するための磁化電流を流す磁化手段とを備え、前記永久磁石電動機は、形状又は磁気特性の異なる２種類以上の保磁力の異なる永久磁石を回転子内径側に凸の形状に設置して１つの磁極を形成し、前記磁極を回転子鉄心内の外周部近くに等回転角度ずつ離れた複数箇所に形成して回転子を構成しており、前記磁化手段は、前記永久磁石電動機の前記複数の磁極各々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前記永久磁石の磁束量を不可逆的に変化させる磁化電流を流す永久磁石電動機ドライブシステムである。
【００１４】
本発明の別の特徴は、永久磁石を用いた永久磁石電動機と、前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、前記永久磁石の磁束を制御するための磁化電流を流す磁化手段とを備え、前記永久磁石電動機は、形状又は磁気特性の異なる２種類以上の保磁力の異なる永久磁石を回転子内径側に凸の形状に設置して１つの磁極を形成し、前記磁極を回転子鉄心内の外周部近くに等回転角度ずつ離れた複数箇所に形成して回転子を構成しており、前記磁化手段は、前記永久磁石電動機の前記複数の磁極各々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前記永久磁石の極性を反転させる磁化電流を流す永久磁石電動機ドライブシステムである。
【００１５】
本発明のまた別の特徴は、永久磁石を用いた永久磁石電動機と、前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、前記永久磁石の磁束を制御するための磁化電流を流す磁化手段とを備え、前記永久磁石電動機は、形状又は磁気特性の異なる２種類以上の保磁力の異なる永久磁石を回転子内径側に凸の形状に設置して１つの磁極を形成し、前記磁極を回転子鉄心内の外周部近くに等回転角度ずつ離れた複数箇所に形成して回転子を構成しており、前記磁化手段は、前記永久磁石電動機の前記複数の磁極各々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前記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にする磁化電流を流す永久磁石電動機ドライブシステムである。
【００１６】
本発明のさらに別の特徴は、形状又は磁気特性の異なる２種類以上の永久磁石を用いて１つの磁極を形成し、複数の前記磁極で回転子を構成し、該回転子の外周にエアギャップを介して電機子を配置した永久磁石式回転電機であって、前記磁極を構成する永久磁石は、形状又は磁気特性の異なる２種類以上の保磁力の異なる永久磁石を回転子内径側に凸の形状に設置して１つの磁極を形成し、前記磁極を回転子鉄心内の外周部近くに等回転角度ずつ離れた複数箇所に形成して回転子を構成した永久磁石式回転電機である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の永久磁石電動機ドライブシステムによれば、低速から高速まで広範囲な可変速運転が可能であり、従来提案のものと比較してより高速での運転が可能であり、かつ、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、製造性の向上、信頼性の向上、材料の削減が図れる。 
また、本発明の永久磁石式回転電機によれば、上記永久磁石電動機ドライブシステムに最適な永久磁石式回転電機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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、８極の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。
【００１９】
（第１の実施の形態）
［永久磁石式回転電機］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に示すように、本実施の形態における回転子１は、回転子鉄心２内に、保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石３と、保磁力と磁化方向厚みの積が大となる永久磁石４とを埋め込んだ構成である。回転子鉄心２は珪素鋼板を積層して構成し、前述の永久磁石３，４は回転子鉄心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永久磁石３はアルニコ磁石とし、回転子鉄心２の径方向断面に８個埋め込んである。この永久磁石３にはＦｅＣｒＣｏ磁石を適用してもよいし、アルニコ磁石とフェライト磁石との複合磁石、あるいは、ＦｅＣｒＣｏ磁石とフェライト磁石との複合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永久磁石４は、ＮｄＦｅＢ磁石とし、回転子鉄心２の径方向断面に８個埋め込んである。
【００２０】
アルニコ永久磁石３とＮｄＦｅＢ永久磁石４との８組それぞれは、回転子１の内径側に凸の形状に設置し、両永久磁石３，４の磁化方向はともにほぼ磁石寸法の小さい方向にしてある。これらの永久磁石３，４の両端部には必要に応じて、磁石の磁束短絡と、応力緩和のための空洞５を設けてもよい。
【００２１】
図２に、本実施の形態で採用するアルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ）、ＦｅＣｒＣｏ磁石、ＮｄＦｅＢ磁石の磁気特性を示す。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。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永久磁石３には、保磁力が１２０ｋＡ／ｍのアルニコ磁石を適用している。また、保磁力と磁化方向厚みの積が大となる永久磁石４には、保磁力が１０００ｋＡ／ｍのＮｄＦｅＢ磁石を適用している。
【００２２】
図１と図３〜図５に示すように、同極に着磁されたアルニコ永久磁石３とＮｄＦｅＢ永久磁石４との中間を通る中心軸方向が主磁極でありｄ軸となり、逆極性となる隣りの磁極との間の補助磁極を通る中心軸方向がｑ軸となる。
【００２３】
［永久磁石電動機ドライブシステム］
図６は、本発明の第１の実施の形態の永久磁石式回転電機を電動機として回転駆動するための永久磁石電動機ドライブシステム１００の制御ブロック図である。同図を説明する前に、永久磁石同期電動機（ＰＭ電動機）としての可変磁束電動機について説明する。可変磁束電動機１０１のイメージを図７に示す。ステータ側は従来の電動機と同様である。ロータ１５１側には永久磁石として、磁性体の磁束密度が固定の固定磁石ＦＭＧと、磁性体の磁束密度が可変の可変磁石ＶＭＧとがある。従来のＰＭ電動機は、前者の固定磁石ＦＭＧのみであるのに対して、本可変磁束電動機１の特徴は、可変磁石ＶＭＧが備わっていることにある。
【００２４】
ここで固定磁石や可変磁石について、説明を加える。永久磁石とは、外部から電流などを流さない状態において磁化した状態を維持するものであって、いかなる条件においてもその磁束密度が厳密に変化しないというわけではない。従来のＰＭ電動機であっても、インバータなどにより過大な電流を流すことで減磁したり、あるいは逆に着磁したりする。よって、永久磁石とは、その磁束量が一定不変なものではなく、通常の定格運転中に近い状態ではインバータ等から供給される電流によって磁束密度が概ね変化しないもののことを指す。一方、前述の磁束密度が可変である永久磁石、つまり、可変磁石とは、上記のような運転条件においてもインバータ等で流し得る電流によって磁束密度が変化するものを指す。
【００２５】
このような可変磁石ＶＭＧは、磁性体の材質や構造に依存してある程度の範囲で設計が可能である。例えば、最近のＰＭ電動機は、残留磁束密度Ｂｒの高いネオジム（ＮｄＦｅＢ）磁石を用いることが多い。この磁石の場合、残留磁束密度Ｂｒが１．２Ｔ程度と高いため、大きなトルクを小さい装置サイズにて出力可能であり、電動機の高出力小型化が求められるハイブリッド車（ＨＥＶ）や電車には好適である。従来のＰＭ電動機の場合、通常の電流によって減磁しないことが要件であるが、このネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）は約１０００ｋＡ／ｍの非常に高い保持力Ｈｃを有しているので、ＰＭ電動機用に最適な磁性体である。ＰＭ電動機用には、残留磁束密度が大きく保磁力の大きい磁石が選定されるためである。
【００２６】
ここで、残留磁束密度が高く、保持力Ｈｃの小さいアルニコＡｌＮｉＣｏ（Ｈｃ＝６０〜１２０ｋＡ／ｍ）やＦｅＣｒＣｏ磁石（Ｈｃ＝約６０ｋＡ／ｍ）といった磁性体を可変磁石とする。通常の電流量（インバータによって従来のＰＭ電動機を駆動する際に流す程度の電流量という意味）によって、ネオジム磁石の磁束密度（磁束量）はほぼ一定であり、アルニコＡｌＮｉＣｏ磁石などの可変磁石ＶＭＧの磁束密度（磁束量）は可変となる。厳密に言えば、固定磁石ＦＭＧとしているネオジム磁石も可逆領域で利用しているため、微小な範囲で磁束密度が変動するが、インバータ電流がなくなれば当初の値に戻る。他方、可変磁石ＶＭＧは不可逆領域まで利用するため、インバータ電流がなくなっても当初の値にならない。図７において、可変磁石ＶＭＧであるアルニコ磁石の磁束量も、ｄ軸方向の量が変動するだけで、ｑ軸方向はほぼ０である。
【００２７】
図８は、固定磁石ＦＭＧと可変磁石ＶＭＧのＢＨ特性（磁束密度−磁化特性）を例示している。また、図９は、図８の第２象限のみを定量的に正しい関係にて示したものである。ネオジム磁石とアルニコ磁石の場合、それらの残留磁束密度Ｂｒ１，Ｂｒ２には有意差はないが、保磁力Ｈｃ１，Ｈｃ２については、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）のＨｃ２に対し、アルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ）のＨｃ１は１／１５〜１／８、ＦｅＣｒＣｏ磁石のＨｃ１は１／１５になる。
【００２８】
従来の永久磁石電動機ドライブシステムにおいて、インバータの出力電流による磁化領域は、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）の保磁力より十分に小さく、その磁化特性の可逆範囲で利用されている。しかしながら、可変磁石は、保磁力が上述のように小さいため、インバータの出力電流の範囲において、不可逆領域（電流を０にしても、電流印加前の磁束密度Ｂに戻らない）での利用が可能で、磁束密度（磁束量）を可変にすることができる。
【００２９】
可変磁束電動機１の動特性の等価簡易モデルを、（１）式に示す。同モデルは、ｄ軸を磁石磁束方向、ｑ軸をｄ軸に直行する方向として与えたｄｑ軸回転座標系上のモデルである。
【数１】
2008245367.tif 000003
【００３０】
ここに、Ｒ１は巻線抵抗、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Φｆｉｘは固定磁石の磁束量、Φｖａｒは可変磁石の磁束量、ω１はインバータ周波数である。
【００３１】
図６は、第１の実施の形態の永久磁石電動機ドライブシステム１００の主回路１００Ａ及び制御回路１００Ｂを示している。主回路１００Ａは、直流電源１０３、直流電力を交流電力に変換するインバータ１０４、このインバータ１０４の交流電力にて駆動される可変磁束永久磁石電動機１０１にて構成されている。そして、主回路１００Ａには、電動機電力を検出するための交流電流検出器１０２、電動機速度を検出するための速度検出器１１８が設置されている。
【００３２】
次に、制御回路１００Ｂについて説明する。ここでの入力は、運転指令Ｒｕｎ＊とトルク指令Ｔｍ＊である。運転指令生成部１１６は、運転指令Ｒｕｎ＊と保護判定部１１７で判断された保護信号ＰＲＯＴとを入力とし、運転状態フラグＲｕｎを生成出力する。基本的には、運転指令が入った場合（Ｒｕｎ＊＝１）に、運転状態フラグＲｕｎを運転状態（Ｒｕｎ＝１）にし、運転指令が停止を指示した場合（Ｒｕｎ＊＝０）には、運転状態フラグＲｕｎを停止状態（Ｒｕｎ＝０）にする。さらに、保護検知の場合（ＰＲＯＴ＝１）には、運転指令Ｒｕｎ＊＝１であっても、運転状態は停止状態Ｒｕｎ＝０にする。
【００３３】
ゲート指令生成部１１５は、運転状態フラグＲｕｎを入力し、インバータ１０４に内在するスイッチング素子へのゲート指令Ｇｓｔを生成出力する。このゲート指令生成部１１５では、運転状態フラグＲｕｎが停止（Ｒｕｎ＝０）から運転（Ｒｕｎ＝１）に変わる場合、即時にゲートスタート（Ｇｓｔ＝１）とし、運転状態フラグＲｕｎが運転（Ｒｕｎ＝１）から停止（Ｒｕｎ＝０）に変わる場合、所定時間が経過した後に、ゲートオフ（Ｇｓｔ＝０）にするように作用する。
【００３４】
磁束指令演算部１１２は、運転状態フラグＲｕｎとインバータ周波数ω１、すなわち、ロータ回転周波数ωＲを入力として、磁束指令Φ＊を、例えば次の（２）式のように生成して出力する。すなわち、運転停止（Ｒｕｎ＝０）の場合には、磁束指令Φ＊を最小Φｍｉｎにして、運転状態（Ｒｕｎ＝１）であって、かつ、回転周波数ωＲが所定値より低い場合には、磁束指令Φ＊を最大Φｍａｘとし、また、速度が所定値より高い場合、磁束指令Φ＊を最小Φｍｉｎとする。
【数２】
2008245367.tif 000004
【００３５】
ここに、Φｍｉｎは可変磁束電動機１０１として取り得る最小磁束量（＞０）、Φｍａｘは可変磁束電動機１０１として取り得る最大磁束量、ωＡは所定の回転周波数である。尚、磁束量のΦｍｉｎ，Φｍａｘの設定については、後で可変磁束制御部１３のところで説明する。
【００３６】
電流基準演算部１１１では、トルク指令Ｔｍ＊と磁束指令Φ＊とを入力として、ｄ軸電流基準ＩｄＲとｑ軸電流基準ＩｑＲを次式（３），（４）のように演算する。
【数３】
2008245367.tif 000005
【００３７】
同（３），（４）式は、電動機のリラクタンストルクを用いないことを想定し、電動機極数も０とした演算式である。ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑの差異ΔＬがある突極形電動機であっても、差異のない非突極形の電動機であってもよい。
【００３８】
しかしながら、効率の最適化や所定電流での最大出力を考える場合、リラクタンストルクを考慮することが有効である。この場合、例えば、次式のように演算する。
【数４】
2008245367.tif 000006
【００３９】
ここに、Ｋはｄ軸電流とｑ軸電流との比率であり、前述の効率最適化や最大出力等、用途によって変わる値である。最適化を図るためには関数形をとり、その引数としてトルク、速度等を用いる。また、簡易な近似やテーブル化して用いることもできる。また、（５）式の磁束指令Φ＊は、後述する磁束推定値Φｈを用いても、動作は可能である。
【００４０】
磁化要求生成部１２９の詳細な構成を図９に示す。この図９のブロックは、制御マイコンによって所定時間ごとに制御がなされる。磁束指令Φ＊は、前回値の保持部１３１に入力され、その値が保持される。前回値の保持部１３１の出力は、前回に記憶した磁束指令Φ＊であり、今回の磁束指令値Φ＊と共に、変化判定部１３０に入力される。変化判定部１３０では、入力２つの変化があった場合には１を、変化がない場合には０を出力する。すなわち、磁束指令Φ＊が変化した場合にのみ１が立つ。上記同様な回路を、磁束指令Φ＊に代わり、運転状態フラグＲｕｎについても有し、前回値の保持部１３３に入力され、その値が保持される。前回値の保持部１３３の出力は、前回に記憶した運転状態フラグＲｕｎであり、今回の運転状態フラグＲｕｎと共に変化判定部１３４に入力される。２つの変化判定部１３０，１３４の出力が論理和演算部（ＯＲ）１３２に入力され、それらの論理和が磁化要求フラグＦＣｒｅｑとして出力される。
【００４１】
磁化要求生成部１２９の出力である磁化要求フラグＦＣｒｅｑは、磁束指令Φ＊が変化した場合、あるいは、運転状態フラグＲｕｎが変化した場合に磁化要求（ＦＣｒｅｑ＝１）となり、それ以外では要求なし（ＦＣｒｅｑ＝０）となる。尚、運転状態フラグＲｕｎが変化する状態とは、インバータが始動するとき、停止するとき、保護で停止するときなどである。また、ここでは磁束指令Φ＊を用いているが、後述する可変磁束制御部１１３の磁化電流指令Ｉｍ＊（磁化電流テーブル１２７の出力）の変化で磁化要求ＦＣｒｅｑを生成してもよい。
【００４２】
可変磁束制御部１１３の詳細な構成を図１０に示す。可変磁束制御部１１３は、磁束指令演算部１１２の出力である磁束指令Φ＊を入力し、ｄ軸電流基準ＩｄＲを補正するｄ軸磁化電流差分量ΔＩｄｍ＊を出力する。この磁化電流差分量ΔＩｄｍ＊の生成は、以下の演算処理による。
【００４３】
可変磁石ＶＭＧを磁化するためには、図８の可変磁石のＢＨ特性に則り、所定の磁化電流指令Ｉｍ＊を求めればよい。特に、磁化電流指令Ｉｍ＊の大きさは、図８中のＨ１ｓａｔ以上、すなわち、可変磁石の磁化飽和領域となるように設定する。
【００４４】
磁化飽和領域まで磁化電流を流すため、磁束指令演算部１１２で設定すべき磁束量ΦｍｉｎやΦｍａｘは、可変磁石の磁束（磁束密度）がプラスないしはマイナスの最大（飽和）値に固定磁石分を加算した値として設定する。可変磁石ＶＭＧの磁束量の正の最大値をΦｖａｒｍａｘ（負の最大値の絶対値は正の最大値と等しいとする）、固定磁石ＦＭＧの磁束量をΦｆｉｘとすれば、次式である。
【数５】
2008245367.tif 000007
【００４５】
磁束指令Φ＊を入力とし、対応する磁化電流を記憶した磁化電流テーブル１２７によって、磁束指令Φ＊を得るための磁化電流指令Ｉｍ＊を出力する。
【００４６】
基本的に、磁石の磁化方向をｄ軸としているので、磁化電流指令Ｉｍ＊は、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊に与えるようにする。本実施の形態では、電流基準演算部１１１からの出力であるｄ軸電流基準ＩｄＲをｄ軸磁化電流指令差分ΔＩｄｍ＊で補正し、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊とする構成にしているので、減算器１２６によってｄ軸磁化電流指令ΔＩｄｍ＊を次式によって求める。
【数６】
2008245367.tif 000008
【００４７】
尚、磁束切り替えの際には、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊に磁化電流Ｉｍ＊を直接与えるような構成とすることも可能である。
【００４８】
一方、磁化要求フラグＦＣｒｅｑは、磁束を切り替えたい要求の際に、少なくとも一瞬切り替え要求（ＦＣｒｅｑ＝１）が立つ。磁束を確実に可変とするために、磁化要求フラグＦＣｒｅｑを最小オンパルス器１２８へと入力する。この出力である磁化完了フラグ（＝１：磁化中、＝０：磁化完了）は、一旦オン（＝１）が入力された場合、所定の時間の間はオフ（＝０）にならない機能を有する。所定時間を越えて入力がオン（＝１）である場合には、それがオフとなると同時に出力もオフとなる。
【００４９】
切り替え器１２３には、磁化完了フラグが入力され、磁化中（磁化完了フラグ＝１）の場合には減算器１２６の出力を、磁化完了（磁化完了フラグ＝０）の場合には０を出力する。
【００５０】
電圧指令演算部１１０は、以上により生成されたｄｑ軸電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊に基づき、当該指令に一致する電流が流れるように電流制御器を含むｄｑ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を生成する。
【００５１】
そして電圧指令演算部１１０のｄｑ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を、座標変換部１０５にて３相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換し、この３相電圧指令によってＰＷＭ回路１０６がＰＷＭにてゲート信号を生成し、インバータ１０４をＰＷＭ制御する。尚、座標変換部１０７は電流検出器１０２の交流検出電流Ｉｕ，Ｉｗを２軸ｄｑ軸変換してｄｑ軸電流検出値Ｉｄ，Ｉｑに変換して電圧指令演算部１１０に入力する。また、擬似微分器１０８は速度検出器１１８の信号からインバータ周波数ω１を求める。尚、電圧指令演算部１１０、座標変換部１０５，１０７、ＰＷＭ回路１０６には、従来同様の公知技術が採用されている。
【００５２】
図１１には、各信号の動作のタイミングチャートの一例が示してある。ここでは保護信号は立っていない状況（ＰＲＯＴ＝０）だが、運転状態フラグＲｕｎの変化及び磁束指令Φ＊の変化にて磁化要求フラグが立ち、それを所定時間幅確保する磁化完了フラグが立ち、この磁化完了フラグの期間だけ、磁化電流指令Ｉｍ＊が値を持つ。
【００５３】
次に、このように構成された本発明の第１の実施の形態の永久磁石式回転電機及びそれを駆動する永久磁石電動機ドライブシステムの作用について説明する。一般的にアルニコ磁石はその厚みを考慮しても、ＮｄＦｅＢ磁石の約１／８程度の磁界で着磁できる。そこで、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、アルニコ永久磁石３に磁界を作用させる。永久磁石３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。アルニコ永久磁石３を着磁する磁界はＮｄＦｅＢ永久磁石４の約１／８程度となるので、理想的にはアルニコ永久磁石３には十分な着磁磁界が作用し、ＮｄＦｅＢ永久磁石４には着磁による不可逆減磁はない。
【００５４】
図３はアルニコ永久磁石３の磁束Ｂ３とＮｄＦｅＢ永久磁石４の磁束Ｂ４が磁極鉄心６及びエアギャップ面２３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、アルニコ永久磁石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。
【００５５】
図４では鎖交磁束を減少させるときの作用を示す。電機子巻線２１に負のｄ軸電流を通電して形成する磁界Ｂｄは図３と逆方向の磁束を発生する。
【００５６】
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６の中心からアルニコ永久磁石３とＮｄＦｅＢ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。アルニコ永久磁石は、その保磁力と磁化方向厚みの積を小さくしているため前述の逆磁界Ｂｄによりアルニコ永久磁石３の磁束Ｂ３は不可逆的に減少する。一方、ＮｄＦｅＢ永久磁石４は保磁力と磁化方向厚みの積が大きいため逆磁界を受けても磁気特性は可逆範囲であり、前述の負のｄ軸電流による着磁磁界Ｂｄが消えた後の磁化状態に変化はなく、磁束量も変らない。したがって、アルニコ永久磁石３のみが減磁することになり、鎖交磁束量を減少できる。
【００５７】
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アルニコ永久磁石３の極性を反転させる。アルニコ永久磁石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。アルニコ永久磁石３の着磁磁界と磁石の厚みの積はＮｄＦｅＢ永久磁石４の約１／４なので、アルニコ永久磁石３のみ磁化できる磁界を作用させる。負のｄ軸電流により磁化（着磁）された後の状態を図５に示す。ＮｄＦｅＢ永久磁石４の磁束Ｂ４と逆方向に発生するアルニコ永久磁石３の磁束Ｂ３とは相殺されて、各永久磁石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、ＮｄＦｅＢ永久磁石４の磁束は相殺されるとともにアルニコ永久磁石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。
【００５８】
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４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っていた。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問題点があった。これに対して、本実施の形態の永久磁石閾回転電機の場合では、回転子１のおいて永久磁石３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。
【００５９】
アルニコ永久磁石３を着磁する程度の磁界であれば、ＮｄＦｅＢ永久磁石４は可逆減磁状態であり、着磁後でもＮｄＦｅＢ永久磁石４は着磁前の状態の磁束を維持できる。
【００６０】
アルニコ永久磁石３とＮｄＦｅＢ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、ＮｄＦｅＢ永久磁石４の磁界はアルニコ永久磁石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ＮｄＦｅＢ永久磁石４による磁界とがアルニコ永久磁石３に作用して磁化し易くなる。
【００６１】
また、アルニコ磁石の保磁力と磁化方向厚みの積がＮｄＦｅＢ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ＮｄＦｅＢ磁石の磁界に打ち勝ち、磁束量を発生する
以上より、本発明の回転電機はｄ軸電流によりアルニコ磁石３の鎖交磁束量を最大から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、ＮｄＦｅＢ磁石４の鎖交磁束を正方向とすると、アルニコ磁石３の鎖交磁束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。
【００６２】
したがって、本実施の形態では、アルニコ永久磁石３をｄ軸電流で磁化させることによりアルニコ永久磁石３の磁束Ｂ３とＮｄＦｅＢ永久磁石４の磁束Ｂ４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。低速域では、アルニコ永久磁石３はＮｄＦｅＢ永久磁石４の鎖交磁束と同方向（前述の図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。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。中・高速域では、アルニコ永久磁石３の磁束量Ｂ３を低下させ（図５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。最高速度を著しく高くするとき（可変速範囲をさらに拡大、例えば基底速度の５倍以上の可変速運転の範囲）はアルニコ永久磁石３はＮｄＦｅＢ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（アルニコ永久磁石３の磁束Ｂ３の向きは図５の状態で磁化は最大とする）。永久磁石３，４の全鎖交磁束は、ＮｄＦｅＢ永久磁石４の磁束Ｂ４とアルニコ永久磁石３の磁束Ｂ３と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。これらにより、本実施の形態の永久磁石式回転電機では、高出力で低速回転から高速回転まで広範囲の可変速運転が実現できる。また、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、広い運転範囲で高効率となる。
【００６３】
次に、本実施の形態において、トルク電流の影響について述べる。本実施の形態の永久磁石式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、アルニコ永久磁石３はｑ軸磁束と概ね直角な方向であることから、アルニコ永久磁石３の磁化方向とｑ軸電流による磁界とは概ね直交することになり、ｑ軸電流による磁界の影響はわずかとなる。
【００６４】
次に、本実施の形態において、永久磁石３，４の両端部にある空洞５の役目について述べる。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、永久磁石３，４の両端部に空洞５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、応力が緩和できる。また、空洞がない場合、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。ところが、本実施の形態では永久磁石３，４の両端部に空洞５を設けているため、永久磁石３，４の端部の電流による減磁界が緩和できる。
【００６５】
さらに、本実施の形態の回転子１の構造的強度について説明する。保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石３を、回転子１の中心軸を通る径方向に対して傾けた方向に磁石長手方向を設置している。このため、永久磁石３に働く遠心力を磁石厚み方向の狭幅の鉄心部だけでなくて磁石長手方向の広幅の鉄心部分でも支持でき、遠心力を分散支持することができる。これにより、本実施の形態では、永久磁石３を回転子鉄心２の外周部近くに設置することができ、トルクを増大できる等、磁石設置の設計に自由度が増し、高速回転に対する適切な裕度を確保することができ、従来より高速回転が可能となり、信頼性が向上し、材料の削減と製造性の向上も可能となる。また、回転子２の内径を図示のように大きくすることも可能となる。
【００６６】
このように、本発明の実施の形態の永久磁石式回転電機によれば、次のような効果が得られる。ＮｄＦｅＢ永久磁石４の鎖交磁束Ｂ４を正方向とすると、アルニコ永久磁石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、本実施の形態の永久磁石式回転電機によれば、アルニコ永久磁石３をｄ軸電流で磁化させることによりアルニコ永久磁石３とＮｄＦｅＢ永久磁石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、永久磁石３，４の全鎖交磁束量の調整は回転電機の電圧を広範囲に調整することを可能とし、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て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によれば、高出力で低速から高速まで広範囲な可変速運転が可能であり、広い運転範囲において高効率も可能となる。
【００６７】
また、本実施の形態の永久磁石式回転電機によれば、永久磁石３による誘導電圧に関しては、アルニコ永久磁石３をｄ軸電流で着磁して永久磁石３，４による全鎖交磁束量を小さくできるので、永久磁石３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。
【００６８】
また、本実施の形態の永久磁石式回転電機によれば、回転子１が無負荷で連れ回される状態では、アルニコ永久磁石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、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発明の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。
【００６９】
さらに、本実施の形態の永久磁石式回転電機によれば、回転子の構造的強度について、保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石３を回転子１の中心軸を通る径方向から傾けた方向に磁石長手方向が位置するように設置しているため、永久磁石３に働く遠心力を、磁石厚み方向の狭幅の鉄心部だけでなく、磁石長手方向の広幅の鉄心部分でも支持できて遠心力を分散支持することができ、永久磁石の位置を回転子鉄心２の外周部近くに設置してトルクを増大できる等、磁石設置の設計に自由度が増し、従来より高速回転が可能となり、高速回転に対する適切な裕度を確保することもできて信頼性が向上し、材料の削減と製造性の向上も図れる。また、図示のように回転子内径を大きくすることも可能となる。
【００７０】
（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について、図１２を用いて説明する。本実施の形態における回転子１は、回転子鉄心２内に、保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石３と、保磁力と磁化方向厚みの積が大となる永久磁石４とを埋め込んだ構成であるが、永久磁石３として永久磁石４によりも断面積が大きい、したがって体積が大きいものを採用したことを特徴とする。尚、図１２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共通の符号を付して示してある。
【００７１】
本実施の形態の永久磁石式回転電機に対しても、第１の実施の形態と同様に図６に示した永久磁石電動機ドライブシステムにて駆動する。
【００７２】
本実施の形態にあっても、回転子鉄心２は珪素鋼板を積層して構成し、前述の永久磁石３，４は回転子鉄心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永久磁石３はアルニコ磁石である。しかし、この永久磁石３にはＦｅＣｒＣｏ磁石を適用してもよいし、アルニコ磁石とフェライト磁石との複合磁石、あるいは、ＦｅＣｒＣｏ磁石とフェライト磁石との複合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永久磁石４はＮｄＦｅＢ磁石である。これらのアルニコ永久磁石３とＮｄＦｅＢ永久磁石４との８組それぞれは、回転子１の内径側に凸の形状に設置し、両永久磁石３，４の磁化方向はともにほぼ磁石寸法の小さい方向にしてある。これらの永久磁石３，４の両端部には必要に応じて、磁石の磁束短絡と、応力緩和のための空洞５を設けてもよい。
【００７３】
また、本発明では、主たる回転方向に対して、後方の磁石にＮｄＦｅＢ磁石４を配したが、こうすることにより、トルク発生時に回転方向に対して後方の磁石に発生する高磁界でも減磁界しにくくなりさらに信頼性が向上する。
【００７４】
（第３の実施の形態）本発明の第３の実施の形態としての永久磁石電動機ドライブシステム２００について、図１３〜図１５を用いて説明する。本実施の形態の永久磁石電動機ドライブシステムは、上記第１の実施の形態のドライブシステムに代えて、第１の実施の形態の永久磁石式回転電機乃至第２の実施の形態の永久磁石式回転電機の駆動制御に適用できる。尚、図１３において、図６に示した第１の実施の形態のドライブシステムと共通の要素には同一の符号を付して示してある。
【００７５】
本実施の形態の可変磁束永久磁石電動機ドライブシステム２００は、図１に示した第１の実施の形態に対して、電圧指令演算部１１０の出力する電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊と座標変換部１０７の出力するｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑとロータ回転角周波数ω１を用いて磁束Φｈを推定し、可変磁束制御部１１３に出力する磁束推定部１０９を追加的に備え、また可変磁束制御部１１３が図１４の構成を備えたことを特徴とする。
【００７６】
磁束推定部１０９は、ｄｑ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊とｄｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑ、ロータ回転角周波数ω１（インバータ周波数）に基づき、次式によってｄ軸磁束量を推定する。
【数７】
2008245367.tif 000009
【００７７】
磁束推定値Φｈは、磁束指令演算部１１２からの磁束指令Φ＊と共に可変磁束制御部１１３に入力される。
【００７８】
本実施の形態における可変磁束制御部１１３の詳細な構成を図１４に示す。減算器１１９にて磁束指令Φ＊と磁束推定値Φｈとの偏差が演算され、同偏差はＰＩ制御器１２０に入力される。また、磁束指令Φ＊は磁化電流基準演算部１２１に入力される。磁化電流基準演算部１２１は、磁束指令Φ＊に応じた磁束に磁化されるように、磁化電流指令Ｉｍ＊をテーブルを利用して算定し、あるいは関数式に当てはめて算定する。この特性は、前述のＢＨ特性に基づき算定する。加算器１２２において、磁化電流基準演算部１２１の出力とＰＩ制御部１２０の出力とを加算する。
【００７９】
この加算器１２２が磁化電流指令Ｉｍ＊になる。磁化するためには、この磁化電流指令Ｉｍ＊をｄ軸電流指令Ｉｄ＊として与える。よって、本実施の形態の構成上、Ｉｄ＊がＩｍ＊と一致するように、減算器１２６にて磁化電流指令Ｉｍ＊からｄ軸電流基準ＩｄＲを減算し、ｄ軸磁化電流指令差分値ΔＩｄｍ＊を算出する。これにより、図１３における加算器１１４にてｄ軸電流基準ＩｄＲと加算されるため、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊が磁化電流Ｉｍ＊と一致する。
【００８０】
可変磁束制御部１１３における切り替え器１２３では、後述の磁化完了フラグに基づき、２つの入力を選択して、磁化電流指令Ｉｄｍ＊として選択して出力する。磁化完了フラグ＝０（磁化完了）の場合、ｄ軸磁化電流指令差分ΔＩｄｍ＊＝０とする。また、磁化完了フラグ＝１（磁化中）である場合、加算器１２２の出力をΔＩｄｍ＊として出力する。
【００８１】
減算器１１９の出力である磁束指令Φ＊と磁束推定値Φｈとの偏差は、磁化完了判定部１２４へと入力される。この磁化完了判定部１２４では、例えば磁束偏差の絶対値が所定値αより小さい場合には１を出力し、αより大きい場合には０を出力する。フリップフロップ（ＲＳ−ＦＦ）１２５は、セットＳへの入力に磁化要求フラグＦＣｒｅｑを、リセットＲ側に磁化完了判定部１２４の出力を入力する。このＲＳ−ＦＦ１２５の出力が磁化完了フラグであり、ＰＩ制御部１２０と切り替え器１２３とに入力される。この磁化完了フラグが０であれば磁化完了、１であれば磁化中であることを示す。
【００８２】
また、磁束推定部１０９の出力である磁束推定値Φｈは電流基準演算部１１１にも入力される。電流基準演算部１１１では、第１の実施の形態での演算式での磁束指令Φ＊に代え、磁束推定値Φｈによってｄｑ軸電流基準ＩｄＲ，ＩｑＲを次式にて求める。
【数８】
2008245367.tif 000010
【００８３】
以上の構成により、本実施の形態は、次のような作用効果を奏する。磁化要求があった場合、磁化要求フラグ＝１が少なくとも一瞬立つ。ＲＳ−ＦＦ１２５がセットされることで、磁化完了フラグ＝１、すなわち磁化中になる。切り替え器１２３がＰＩ制御器１２０及び磁化電流基準演算部１２１からの出力を磁化電流指令Ｉｍ＊として出力するようになる。この磁化電流基準演算部１２１は、磁束指令Φ＊に磁化されるように、事前に把握しているＢＨ特性に基づく磁化電流をフィードフォワード的に与えることになる。これにより、指令値の近傍まで瞬時に磁化することができ、磁化に要する時間が低減されるため、不要なトルクの発生や損失の発生を抑えることができる。尚、ＢＨ特性は、予め実験的に求めたものを用いることもできる。
【００８４】
しかしながら、前述のように、厳密に磁束を所定値に一致させることは困難である。そこで、本実施の形態では、図１５に示すように、可変磁束制御部１１３におけるＰＩ制御器１２０の作用により磁束の偏差が０に近づくように磁化電流Ｉｍ＊を補正していく。これにより、最終的には磁束指令Φ＊と磁束推定値Φｈ（すなわち、推定誤差がなければ実磁束）とが一致することになる。このため、磁化処理における磁束量の繰り返しの精度が向上し、トルク精度が向上できる。
【００８５】
また、本実施の形態では、図１５に示すように、可変磁束制御部１１３における磁化完了判定部１２４で、磁束偏差の絶対値が所定値α以内となったことで事実上磁束は一致し磁化が完了したとして出力を１にし、ＲＳ−ＦＦ１２５はこのリセット要求を受けて、出力である磁化完了フラグを０にする。よって、確実に磁束推定値がその指令である磁束指令Φ＊に一致したことをもって磁化処理を完了することができる。これにより、本実施の形態によれば、磁化処理における磁束量の繰り返し精度が向上し、トルク精度の向上が期待できる。
【００８６】
また、本実施の形態によれば、ｄｑ軸電流基準ＩｄＲ，ＩｑＲの生成に電圧電流より推定された磁束推定値Φｈを用いるため、仮に磁化処理によって磁束量にばらつきが生じても実態に応じてｄｑ軸電流指令が補正される。そしてこの指令に応じてｄｑ軸電流が流れるため、可変磁束量のばらつきがトルクに与える影響を低減することが可能であり、トルク精度が向上する。
【００８７】
尚、本実施の形態では、磁束推定値に基づき構成しているが、磁束推定器には、ＬｄやＬｑなどのモータインダクタンスが含まれる。これらの値は磁気飽和によって変動するが、特に可変磁束モータでは磁気飽和が可変磁束量によって大きく変動する。よって、可変磁束の推定値を入力として、モータインダクタンスを出力する関数あるいはテーブルを備えることは、磁束推定精度、ひいてはトルク精度の向上に有益である。
【００８８】
また、上述のようにテーブル化しても、インダクタンスの特性を精度良く把握することが困難な場合もある。その場合、磁束を推定する代わり、ホール素子などによって構成される磁束検出器を備え、検出された実磁束Φｒを上記の磁束推定値Φｈの代わりに用いることで、より一層の磁束推定精度の向上、ひいてはトルク精度の向上が図れる。
【００８９】
（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説明する。本実施の形態では、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３、保磁力と磁化方向厚の積が大となる永久磁石４とから構成する。そして、最高回転速度時において、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なる構成とする。
【００９０】
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していた。
【００９１】
これに対して、本実施の形態の永久磁石式回転電機では、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永久磁石３の磁束を０近傍まで小さくする。これによって永久磁石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、永久磁石4のみの磁束量を耐電圧以下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永久磁石３と永久磁石４による鎖交磁束量は増加できる。さらには、実用上では、最高速域では永久磁石3が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、本実施の形態の回転電機においては、高速時の逆起電圧は永久磁石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。
【００９２】
以上より、本実施の形態の永久磁石式回転電機では、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。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【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】上記実施の形態において回転子に採用した低保磁力の永久磁石と高保磁力の永久磁石の磁気特性のグラフ。
【図３】上記実施の形態における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１の実施の形態の永久磁石電動機ドライブシステムのブロック図。
【図７】可変磁束永久磁石電動機の簡易モデル図。
【図８】上記実施の形態の永久磁石式回転電機のＢＨ特性図。
【図９】上記実施の形態の永久磁石電動機ドライブシステムにおける磁化要求生成部の内部構成を示すブロック図。
【図１０】上記実施の形態の永久磁石電動機ドライブシステムにおける可変磁束制御部の内部構成を示すブロック図。
【図１１】上記実施の形態の永久磁石電動機ドライブシステムによる電動機制御のタイミングチャート。
【図１２】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１３】本発明の第３の実施の形態の永久磁石電動機ドライブシステムのブロック図。
【図１４】上記実施の形態の永久磁石電動機ドライブシステムにおける可変磁束制御部の内部構成を示すブロック図。
【図１５】上記実施の形態の永久磁石電動機ドライブシステムによる電動機制御のタイミングチャート。
【図１６】従来の埋め込み型永久磁石電動機における回転子の断面図。
【符号の説明】
【００９４】
１…  回転子
２…  回転子鉄心
３…  保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石
４…  保磁力と磁化方向厚みの積が大となる永久磁石
５…  空洞
６…  磁極鉄心
１００，２００…永久磁石電動機ドライブシステム
１００Ａ…主回路
１００Ｂ…制御回路
１０１…永久磁石電動機
１０４…インバータ
【図１】
2008245367.tif 000011
【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】
2008245367.tif 000019
【図１０】
2008245367.tif 000020
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2008245367.tif 000024
【図１５】
2008245367.tif 000025
【図１６】
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