(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、信頼性向上を実現する永久磁石式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７を形成し、磁極に配置された永久磁石は、保磁力と磁化方向厚の積が小となる永久磁石３と保磁力と磁化方向厚の積が大となる永久磁石４で構成し、さらに短時間の電機子巻線２１の電流で作る磁界により、前記保磁力と磁化方向厚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。さらに大トルク時には正のｄ軸電流を流す。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と高信頼性が得られる。【選択図】      図１
2008245368.tif 000002
【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、
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ており、
前記磁化手段は、前記永久磁石電動機の電機子巻線のｄ軸電流を短時間流して発生させる磁界により各磁極で少なくとも１種類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、さらに電機子巻線電流の電流位相を変化させることにより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、
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ており、
前記磁化手段は、前記永久磁石電動機の電機子巻線のｄ軸電流を短時間流して発生させる磁界により各磁極で少なくとも１種類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、トルク発生時に電機子巻線に正のｄ軸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】
請求項１又は２に記載の永久磁石電動機ドライブシステムにおいて、前記磁化手段は、前記電機子巻線のｄ軸電流を短時間流して発生させる磁界により各磁極で少なくとも１種類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、前記磁化手段は、前記電機子巻線のｄ軸電流を短時間流して発生させる磁界により各磁極で少なくとも１種類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電動機ドライブシステム。
【請求項５】
請求項１〜４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、前記磁化手段は、前記電機子巻線のｄ軸電流を短時間流して発生させる磁界により前記永久磁石の一部を磁化させるか、又は永久磁石の極性を反転させて、永久磁石の鎖交磁束量の増減を制御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】
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において、前記磁化手段は、保磁力と磁化方向厚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、前記電機子巻線のｄ軸電流を短時間流して発生させ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電動機ドライブシステム。
【請求項７】
請求項１〜６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、前記磁化手段は、電機子巻線のｄ軸電流を短時間流して発生させ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永久磁石電動機ドライブシステム。
【請求項８】
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において、前記磁化手段は、前記永久磁石電動機の最大トルク近傍又は定格トルク近傍で運転する場合は、前記磁極の永久磁石の鎖交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運転する場合は、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鎖交磁束を不可逆的に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電動機ドライブシステム。
【請求項９】
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において、前記磁化手段は、電機子巻線のｄ軸電流を短時間流して発生させる磁界により各磁極で少なくとも１種類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、さらに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、前述の永久磁石の磁束の不可逆変化動作に加えて電機子巻線に負のｄ軸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１０】
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、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。
【請求項１１】
請求項１０に記載の永久磁石式回転電機において、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位置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。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の永久磁石式回転電機において、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。
【請求項１３】
請求項１０〜１２のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、２種類の永久磁石の磁化方向が異なることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１４】
請求項１０〜１３のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、各磁極を構成する永久磁石の中で保磁力と磁化方向厚の積が小さな永久磁石において、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されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１５】
請求項１０〜１４のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、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、又はほぼ半径方向になる位置に配置されることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１６】
請求項１０〜１５のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、磁極を構成する永久磁石の中で保磁力と磁化方向厚の積が小さな永久磁石は磁化方向がｑ軸とほぼ直角の方向になるか、又はほぼ周方向になる位置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。
【請求項１７】
請求項１０〜１６のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、磁極のエアギャップに対向する面に鉄心部を設け、保磁力と磁化方向厚の積が大きな永久磁石と、保磁力と磁化方向厚の積が小さな永久磁石とが、前記磁極の鉄心部を囲むように配置された回転子断面形状と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１０〜１７のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、保磁力と磁化方向厚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。
【請求項１９】
請求項１０〜１８のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、保磁力と磁化方向厚の積が小さな永久磁石として、２０℃において６００ｋＡ／ｍ以下の保磁力を有する永久磁石と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１０〜１９のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、保磁力と磁化方向厚の積が小さな永久磁石はアルニコ磁石又はＦｒＣｒＣｏ磁石とし、保磁力と磁化方向厚の積が大きな永久磁石は希土類永久磁石としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項２１】
請求項１０〜２０のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、保磁力と磁化方向厚の積が小さな永久磁石は、Ｄｙ元素、Ｔｂ元素をほとんど含まない希土類永久磁石としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項２２】
請求項１０〜２１のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、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、磁極間の中心軸になるｑ軸方向の磁気抵抗を大きくする形状にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項２３】
請求項１０〜２２のいずれか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は、電機子巻線によるｑ軸磁束を妨げるように配置したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項２４】
請求項１０〜２３のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、ｑ軸近傍のエアギャップ側回転子外径はｄ軸近傍のエアギャップ側回転子外径よりも短い形状と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】
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。可変速駆動用電動機としては、埋め込み型永久磁石式回転電機が適している。
【０００３】
図２０を用いて、従来の埋め込み型永久磁石式回転電機の構成を説明する。回転子１の回転子鉄心２の外周部に長方形の空洞を等配で極数の数だけ設けている。図２０は４極の回転子１であり、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２０では長辺）に直角方向に磁化される。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永久磁石等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いる。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】
このような永久磁石式回転電機の公知例としては、「埋込磁石同期電動機の設計と制御」、武田洋次他、オーム社（非特許文献１）、特開平０７−３３６９１９号公報（特許文献１）が知られている。また、可変速特性に優れて高出力の回転電機としては、永久磁石式リラクタンス型電動機がある。その公知例としては、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）が知られている。さらに、アルニコ磁石の埋め込み永久磁石電動機でアルニコ磁石の磁力を変化させる回転電機として、米国特許第６８００９７７号公報（特許文献４）及びWeschta, “Schachung des Erregerfelds bei einer dauermagneterregten Synchronmaschine”, ETZ Archiv Vol.7,No3, pp79-84 (1985年)（非特許文献２）に記載されたものが知られている。
【０００５】
非特許文献２の回転電機の場合、アルニコ磁石を用いた永久磁石電動機で、アルニコ磁石の磁束量を変化させるようにしているが、この構成ではアルニコ磁石を減磁できるが、磁化させて元の磁化状態に戻すことが困難である。特許文献４に記載された回転電機は、磁束集中型の埋め込み永久磁石電動機であり、永久磁石にはアルニコ磁石を用いている。この回転電機は、非特許文献２に記載された回転電機の変形例であり、非特許文献２の回転電機と同様に磁界をかけてアルニコ磁石の磁束量を変化させる。しかし、特許文献４の回転電機の場合、単なるアルニコ磁石の電動機なので十分な出力が得られない。また、トルク発生時に負荷電流によるアルニコ磁石の減磁があり、負荷電流による減磁によりトルクが低下する問題がある。そこで、エネルギー積の小さなアルニコ磁石で十分なトルクを得ようとすると、アルニコ磁石の磁化方向厚みが厚くなる。永久磁石が厚くなると、そのアルニコ磁石を磁化するために必要な電流は大幅に増加するので永久磁石の磁化が困難となり、永久磁石の磁束量を変化させることはできなくなる。
【０００６】
永久磁石式回転電機では、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。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されてそ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、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を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広範囲に可変速運転できなくなる。
【０００８】
最近では、可変速範囲を拡大する方法として、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。
【０００９】
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。
【００１０】
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問題がある。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問題もある。
【００１１】
ハイブリッド自動車用駆動電動機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電動機は連れ回される。中・高速回転では電動機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。この状態では、電動機は損失のみを発生するので総合運転効率が悪化する。
【００１２】
電車用駆動電動機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に弱め磁束制御で負のｄ軸電流を流し続ける。その場合、電動機は損失のみを発生するので総合運転効率が悪化する。
【００１３】
このような問題点を解決する技術が、特開２００６−２８０１９５号公報（特許文献５）に記載されている。この特許文献５には、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、効率向上、信頼性向上を実現する永久磁石式回転電機に関連し、巻線を設けた固定子と、固定子巻線の電流で作る磁界により不可逆的に磁束密度が変化する程度の低保磁力の永久磁石と低保磁力の２倍以上の保磁力を有する高保磁力の永久磁石を配置した回転子から構成され、電源電圧の最大電圧以上となる高速回転域では低保磁力の永久磁石と高保磁力の永久磁石による全鎖交磁束が減じるように電流による磁界で低保磁力の永久磁石を磁化させて全鎖交磁束量を調整する技術が記載されている。
【特許文献１】特開平０７−３３６９１９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】米国特許６８００９７７号公報
【特許文献５】特開２００６−２８０１９５号公報
【非特許文献１】「埋込磁石同期電動機の設計と制御」、武田洋次他、オーム社
【非特許文献２】Weschta, “Schachung des Erregerfelds bei einer dauermagneterregten Synchronmaschine”, ETZ Archiv Vol.7,No3, pp79-84 (1985年)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、従来の低保磁力永久磁石と高保磁力永久磁石とを磁極に配置した永久磁石式回転電機において、さらに、ｑ軸電流を流してトルクを発生させるときに正のｄ軸電流を流すことでいっそう広範囲の可変速運転と高出力が可能な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し、併せて、当該永久磁石電動機ドライブシステムに適用するのに最適な構造の永久磁石式回転電機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】
【００１５】
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、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ており、前記磁化手段は、前記永久磁石電動機の電機子巻線のｄ軸電流を短時間流して発生させる磁界により各磁極で少なくとも１種類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、さらに電機子巻線電流の電流位相を変化させることにより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、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ており、前記磁化手段は、前記永久磁石電動機の電機子巻線のｄ軸電流を短時間流して発生させる磁界により各磁極で少なくとも１種類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、トルク発生時に電機子巻線に正のｄ軸電流を流す永久磁石電動機ドライブシステムである。
【００１７】
本発明のまた別の特徴は、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、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永久磁石式回転電機である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の永久磁石電動機ドライブシステムによれば、低速から高速までの広範囲で可変速運転が可能であり、そのうえ、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、信頼性の向上、製造性の向上、材料の削減、希少材料の削減が図れる。
【００１９】
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】
【００２０】
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、４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。
【００２１】
（第１の実施の形態）
［永久磁石式回転電機］図１〜図６を用いて、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２０と同様のものである。
【００２２】
図１に示すように、本実施の形態の永久磁石式回転電機における回転子１は、回転子鉄心２、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、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４個埋め込まれている。この保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石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４個埋め込まれている。
【００２３】
アルニコ磁石で成る永久磁石３は回転子１のほぼ径方向に沿って配置され、その断面は台形状である。また、永久磁石３の磁化方向はほぼ周方向であり、磁化方向の平均厚みは（仕様によるが）本実施の形態では６ｍｍである。ＮｄＦｅＢ磁石で成る永久磁石４はほぼ周方向に配置され、その断面は長方形状である。また、永久磁石４の磁化方向はほぼ径方向であり、磁化方向の厚みは本実施の形態では２ｍｍである。
【００２４】
図２に本実施の形態に適用する永久磁石３用のアルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ）、ＦｅＣｒＣｏ磁石、永久磁石４用の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。
【００２５】
本実施の形態の回転電機における永久磁石の磁化について述べる。ｄ軸磁気回路上では、ＮｄＦｅＢ永久磁石４に関しては、ｄ軸電流による磁束が２個のＮｄＦｅＢ永久磁石４（隣合う互いに異極の２個のＮｄＦｅＢ永久磁石４）を通るので、ｄ軸電流による磁界は１極当たり１個のＮｄＦｅＢ永久磁石４に作用する。一方、アルニコ永久磁石３に関しては、ｄ軸電流による磁束は磁極間にある１個のアルニコ永久磁石３を通るので、ｄ軸電流による磁界は１極当たりＮｄＦｅＢ永久磁石４の１／２個分に作用する。すなわち１極分の磁気回路上で特性を評価するにはアルニコ永久磁石３の磁石の厚みを１／２として評価すればよい。
【００２６】
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。本実施の形態では、１極当りのアルニコ磁石の保磁力と磁化方向厚みの積は１２０ｋＡ／ｍ×（６×１０−３／２）ｍ＝３６０Ａとなる。保磁力と磁化方向厚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。本実施の形態では、１極当りのＮｄＦｅＢ磁石の保磁力と磁化方向厚みの積は１０００ｋＡ／ｍ×（２×１０−３）ｍ＝２０００Ａとなる。本実施の形態においては、ＮｄＦｅＢ永久磁石４の保磁力と磁化方向厚みの積は、アルニコ永久磁石３の５．６倍も大となるようにしてある。
【００２７】
図１に示すように、低保磁力のアルニコ永久磁石３は回転子鉄心２の中に埋め込まれ、アルニコ永久磁石３の両端部には空洞５が設けられる。アルニコ永久磁石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る。また、アルニコ永久磁石３の磁化容易方向はほぼ周方向であり、半径に対して直角方向（図１ではアルニコ永久磁石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。
【００２８】
高保磁力のＮｄＦｅＢ永久磁石４も回転子鉄心２内に埋め込まれ、ＮｄＦｅＢ永久磁石４の両端部には空洞５が設けられている。ＮｄＦｅＢ永久磁石４は、２個のアルニコ永久磁石３により回転子１の内周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。ＮｄＦｅＢ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ＮｄＦｅＢ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。
【００２９】
そして、回転子鉄心２の磁極鉄心部７は、２個のアルニコ永久磁石３と１個のＮｄＦｅＢ永久磁石４とで取り囲まれるようにして形成される。図１と図３〜図６に示すように、回転子鉄心２の磁極鉄心部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、アルニコ永久磁石３は磁極間の中心軸となるｑ軸方向に配置され、アルニコ永久磁石３の磁化方向はｑ軸に対して９０°、又は９０°方向となる。隣合うアルニコ永久磁石３において、互いに向かい合う磁極面は同極にしてある。
【００３０】
また、ＮｄＦｅＢ永久磁石４は磁極鉄心部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。隣合うＮｄＦｅＢ永久磁石４において、互いに磁極の向きは逆極性にしてある。
【００３１】
［永久磁石電動機ドライブシステム］
図７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８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。
【００３２】
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。
【００３３】
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の非常に高い保磁力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。
【００３４】
ここで、残留磁束密度が高く、保磁力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８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。
【００３５】
図９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１０は、図９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。
【００３６】
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。
【００３７】
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】
2008245368.tif 000003
【００３８】
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。
【００３９】
図７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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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】
2008245368.tif 000004
【００４３】
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。
【００４４】
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】
2008245368.tif 000005
【００４５】
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。
【００４６】
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】
2008245368.tif 000006
【００４７】
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。
【００４８】
磁化要求生成部１２９の詳細な構成を図１０に示す。この図１０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。
【００４９】
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。
【００５０】
可変磁束制御部１１３の詳細な構成を図１１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。
【００５１】
可変磁石ＶＭＧを磁化するためには、図９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９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。
【００５２】
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】
2008245368.tif 000007
【００５３】
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。
【００５４】
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】
2008245368.tif 000008
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
図１２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。
【００６１】
次に、このように構成された本実施の形態の永久磁石式回転電機、そしてそのドライブシステムの作用を説明する。１極当りの磁化に要する起磁力は磁化に要する磁界と１極当りの永久磁石の厚みの積で概算する。アルニコ磁石の永久磁石３は２５０ｋＡ／ｍの磁界で１００％近くまで着磁できる。着磁磁界と１極当りの磁石の厚みの積は、２５０ｋＡ／ｍ×（６×１０−３／２）ｍ＝７５０Ａとなる。
【００６２】
一方、ＮｄＦｅＢ磁石の永久磁石４は１５００〜２５００ｋＡ／ｍの磁界で１００％近くまで着磁できる。着磁磁界と１極当りの磁石の厚みの積は、１５００〜２５００ｋＡ／ｍ×（２×１０−３）ｍ＝３０００〜５０００Ａとなる。つまり、アルニコ永久磁石３はＮｄＦｅＢ永久磁石４の約１／４〜１／６の磁界で着磁できる。また、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。
【００６３】
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。但し、回転電機の巻線インダクタンスの大きさや電流波形により通電時間は変わる。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。
【００６４】
図３はアルニコ磁石とＮｄＦｅＢ磁石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の磁束を示している。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Ｂ３を発生する。Ｂ４はＮｄＦｅＢ永久磁石４による磁束である。尚、図３、図４、図５での磁束分布は１極のみを示している。
【００６５】
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。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の磁極中心からアルニコ永久磁石３とＮｄＦｅＢ永久磁石４と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Ｂ３ｉ，Ｂ４ｉが作用する。アルニコ永久磁石３は保磁力と磁化方向厚の積を小さくしているため、この逆磁界によりアルニコ永久磁石３の磁束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、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は変化がなく磁束量も変わらない。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。
【００６６】
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にできる特徴がある。
【００６７】
一般にアルニコ磁石の着磁磁界と１極当りの永久磁石の厚みの積はＮｄＦｅＢ磁石の約１／４〜１／６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軸電流による磁化（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は相殺されて、各永久磁石３，４の磁束量Ｂ３，Ｂ４が同じ場合ではエアギャップ２３の磁束をほぼ０にできる。このとき、ＮｄＦｅＢ永久磁石４の磁束Ｂ４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。
【００６８】
前述の鎖交磁束が０の状態から鎖交磁束を増加する場合は、鎖交磁束０では逆の極性となっているアルニコ永久磁石３において、ｄ軸電流による磁界によりアルニコ永久磁石３の磁束Ｂ３を減少させる。このときアルニコ永久磁石３は逆極性になっているので、アルニコ永久磁石３に作用させる磁界は図３に示すアルニコ永久磁石３の元の磁化方向と同方向となる。すなわち、図４に示すｄ軸電流による磁界Ｂｄとは逆方向になる。さらに鎖交磁束を増加させて元の最大鎖交磁束の状態に戻すときには、アルニコ永久磁石３は再度極性を反転して（元の極性に戻って）図３の状態に戻る。したがって、本実施の形態の永久磁石式回転電機の場合、アルニコ永久磁石３は磁気特性上（磁束密度と磁界に関する特性であるＢ−Ｈ曲線）を第１象限から第４象限までの全範囲で動作させることができることになる。
【００６９】
これに対して、従来の永久磁石式回転電機における永久磁石は第２象限のみで動作させている。また、従来の永久磁石式回転電機は、鎖交磁束を低下させるために電機子巻線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の磁束を相殺させている。しかし、埋め込み磁石電動機では基本波鎖交磁束は５０％程度までしか低減できなく、また高調波磁束はかなり増加し、高調波電圧と高調波鉄損が生じて問題となる。したがって、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。これに対して、本実施の形態の永久磁石式回転電機では、回転子１において永久磁石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。
【００７０】
次に、アルニコ永久磁石３とＮｄＦｅＢ永久磁石４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による磁界がアルニコ永久磁石３に作用して磁化し易くなる。また、アルニコ永久磁石３の保磁力と磁化方向厚の積がＮｄＦｅＢ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永久磁石４の磁界に打ち勝ち、磁束量を発生する
以上より、本実施の形態の回転電機では、ｄ軸電流によりアルニコ永久磁石３の鎖交磁束量を最大から０まで大きく変化させることができ、また磁化方向も正逆方向の両方向にできる。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。
【００７１】
したがって、本実施の形態の永久磁石式回転電機では、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とＮｄＦｅＢ永久磁石４と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。このとき、永久磁石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。また、中・高速域では、図４のｄ軸電流による磁界Ｂｄでアルニコ永久磁石３の磁束量を不可逆的に低下させ、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３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とアルニコ永久磁石３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。
【００７２】
これらにより、本実施の形態の永久磁石式回転電機及びそれを回転駆動する永久磁石電動機ドライブシステムによれば、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によれば、鎖交磁束を変化させるときの着磁電流を極短時間だけ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。
【００７３】
次に、本実施の形態の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おいて、トルク発生時の負荷電流（ｑ軸電流）による永久磁石３，４の減磁について述べる。本実施の形態の永久磁石式回転電機がトルクを発生するときは、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。そこで、本実施の形態の永久磁石式回転電機では、アルニコ永久磁石３は、その磁化方向がｑ軸方向と直角方向となるようにｑ軸近傍に配置する。これよりアルニコ永久磁石３の磁化方向とｑ軸電流による磁界とが理想的には直交する方向になり、ｑ軸電流による磁界の影響を大きく受けることがなくなる。
【００７４】
しかし、最大トルク状態や小型・高出力化のため電機子巻線のアンペアターンを大きくした回転電機では、負荷電流であるｑ軸電流で生じる磁界はかなり大きくなる。保磁力と厚みの積が小さな永久磁石を回転子に設けた場合、この過大なｑ軸電流による磁界はｑ軸にある永久磁石を不可逆減磁させる。すなわち、ｑ軸電流でトルク発生時に永久磁石が減磁してトルクが低下する。
【００７５】
そこで、本実施の形態の永久磁石式回転電機では、大きなトルクを発生するときは、正のｄ軸電流をｑ軸電流に重畳させて流す。図６にトルク発生時に正のｄ軸電流を重畳させたときの磁界の作用を模式的に示す。図６において、Ｂ３ｉは正のｄ軸電流による磁界を示し、Ｂ５ｉは負荷電流（ｑ軸電流）により磁界を示し、Ｂ６は保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石３の磁化方向を示している。トルクが大きな範囲では各磁極にある２種類の永久磁石３，４は加え合せの方向とするので、この状態では正のｄ軸電流は永久磁石３の磁化方向と同方向になる。したがって、図６に示すように永久磁石３内でもｑ軸電流による減磁界を相殺するように正のｄ軸電流が作る磁界Ｂ３ｉが作用する。このため、本実施の形態を適用すれば、保磁力と厚みの積が小さな永久磁石３を用いても、大きなトルクを発生する状態においても前述の永久磁石３の不可逆減磁を抑制でき、負荷電流の磁界Ｂ５ｉによるトルクの低下を抑制でき、大トルクを発生することが可能となる。
【００７６】
次に、永久磁石３，４の両端部に形成した空洞５の作用について述べる。この空洞５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に示したような空洞５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。ところが本実施の形態では、永久磁石３，４の各端部に空洞５を設けているため、永久磁石端部での電流による減磁界が緩和される。
【００７７】
次に、本実施の形態における回転子１の構造的強度について述べる。本実施の形態における回転子１では、回転子鉄心２内にアルニコ永久磁石３とＮｄＦｅＢ永久磁石４とを埋め込み、回転子鉄心２で永久磁石３，４を固定している。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、磁極鉄心部７の中央にボルト穴６を設けて、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できるようにしている。
【００７８】
これにより、本実施の形態の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よれば、次の効果が得られる。ＮｄＦｅＢ永久磁石４の鎖交磁束を正方向とすると、アルニコ永久磁石３の鎖交磁束を正方向の最大値から０まで変化させ、さらには極性を反転して逆方向の最大値まで広範囲に調整することができる。このようにアルニコ永久磁石３は磁気特性上で第１象限から第４象限までの全範囲で動作させることになる。これらより、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とＮｄＦｅＢ永久磁石４と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。さらに、永久磁石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、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。
【００７９】
以上より、本実施の形態の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は、高出力で低速から高速までの広範囲の可変速運転が可能であり、広い運転範囲において高効率なものになる。また、永久磁石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の全鎖交磁束量を小さくできるので、永久磁石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。また、回転電機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軸電流で着磁することで永久磁石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。
【００８０】
また、本実施の形態の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では、保磁力と磁化方向厚の積が大となる永久磁石４はＮｄＦｅＢ磁石とし、保磁力と磁化方向厚の積が小となる永久磁石３はアルニコ磁石で構成し、最高回転速度時において、ＮｄＦｅＢ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している。これにより、次のような効果がある。すなわち、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。この逆起電圧はｄ軸電流を常時流し続けることによりインバータ電子部品の耐電圧や電源電圧以下に押さえ込まれている。しかし、制御不能時にはこの逆起電圧が過大になりインバータの電子部品等を絶縁破壊する。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、電動機の低速域での出力及び効率が低下していた。ところが、本実施の形態の場合、高速回転時になると短時間のｄ軸電流により減磁方向の磁界を発生させて永久磁石を不可逆的に磁化させて永久磁石３，４の鎖交磁束を低減させるので、高速回転時において制御不能になっても、過大な逆起電圧が発生することはない。
【００８１】
また、電機子巻線２１等の電気的な短絡が生じた場合は、短絡電流によりアルニコ永久磁石３は減磁するか極性が反転するので、永久磁石３，４による鎖交磁束はＮｄＦｅＢ永久磁石４にみか極性反転時には０にできる。したがって、短絡電流は瞬時に回転電機自身で小さくできる。これより、短絡電流によるブレーキ力や短絡電流による加熱を防ぐことができる。
【００８２】
以上より、本実施の形態の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は、低速回転時で高トルク（高出力）を発生し、また高出力で低速から高速までの広範囲の可変速運転が可能であり、広い運転範囲において高効率運転が可能である。さらに高速回転時の逆起電圧を抑制でき、インバータを含めたドライブシステムの信頼性を高めることができる。
【００８３】
（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及び永久磁石電動機ドライブシステムについて説明する。本実施の形態は、図１に示した永久磁石式回転電機１０１に対して図７に示した永久磁石電動機ドライブシステムにより短時間のｄ軸電流によるパルス的な磁界でアルニコ永久磁石３を不可逆的に磁化して鎖交磁束量を変化させることを特徴とする。
【００８４】
このように、中速度回転域や高速度回転域で、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による磁束からなる鎖交磁束は、前述の負のｄ軸電流による磁束で調整することができる。すなわち、中・高速度域では、短時間のｄ軸電流によるパルス的な磁界でアルニコ永久磁石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、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。
【００８５】
これらより、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。
【００８６】
（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１３を用いて説明する。本実施の形態の永久磁石式回転電機における固定子２０の構造は、図１に示した第１の実施の形態のものや図２０に示した従来例のものと同様である。
【００８７】
図１３に示したように、本実施の形態における回転子１では、アルニコ永久磁石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に嵌め込む構成である。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との間には空気層８を形成している。またシャフト９は非磁性材とすることができる。
【００８８】
永久磁石を磁化させるための電機子巻線２１の電流による磁界は、アルニコ永久磁石３とＮｄＦｅＢ永久磁石４に作用し、図１３の矢印Ｂ１３，Ｂ１４のように電流による磁束が流れる。前述の空気層８があるので電流による磁束はシャフト９には通らずにＮｄＦｅＢ永久磁石４，４間の内周側の狭い鉄心部分を通ろうとする。しかし、この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ＮｄＦｅＢ永久磁石４を通る磁束を少なくすることができる。
【００８９】
このように磁化させたいアルニコ永久磁石３の電流による磁束は増加し、同時にＮｄＦｅＢ永久磁石４を通る電流による磁束は少なくなることにより、回転子磁極鉄心部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、アルニコ永久磁石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。ここで、シャフト９を非磁性材にすると、シャフト９に漏れる磁束も減少してＮｄＦｅＢ永久磁石４を通る磁束はさらに減少し、回転子磁極鉄心部７及び固定子鉄心２２の磁気飽和もいっそう緩和される。
【００９０】
（第４の実施の形態）本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１〜３の実施の形態の永久磁石式回転電機において、回転子１における保磁力と磁化方向厚の積が小となる永久磁石３として、Ｄｙ（ジスプロシウム）元素又はＴｂ（テルビウム）元素が少ないＮｄＦｅＢ磁石で構成したことを特徴とする。Ｄｙ元素とＴｂ元素はＮｄＦｅＢ磁石の高温時の耐減磁特性を向上させるために添加される。永久磁石は高温環境下で減磁界を受けると永久磁石が不可逆減磁するため、前述の添加物を用いて不可逆減磁を抑制する。
【００９１】
本実施の形態で採用した永久磁石３用の低保磁力のＮｄＦｅＢ磁石の特性を図１４に示す。一般的なＮｄＦｅＢ磁石の保磁力は９５０ｋＡ／ｍであるのに対して、本実施の形態に適用するＮｄＦｅＢ磁石の保磁力は４００ｋＡ／ｍである。
【００９２】
本実施の形態では、永久磁石３の磁束を不可逆的に可変とするため温度による不可逆減磁を含めて制御することがきできる。また、Ｄｙ元素又はＴｂ元素が少くなれば保磁力は減少し、少ないｄ軸電流でＮｄＦｅＢ磁石の磁化ができるようになる。
【００９３】
また、本実施の形態のＮｄＦｅＢ磁石の保磁力は小さくなるが、残留磁束密度は高くなる。図１４の磁気特性に示すような低保磁力のＮｄＦｅＢ磁石は２０℃において保磁力が約４００ｋＡ／ｍ、残留磁束密度１．４５Ｔである。本実施の形態の低保磁力のＮｄＦｅＢ磁石では保磁力と磁化方向厚みの小さな永久磁石が得られるとともに、エアギャップ磁束密度を高くできる。
【００９４】
これより、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。また、埋蔵量の少ないＤｙ元素やＴｂ元素をほとんど添加しないＮｄＦｅＢ磁石を採用しているので、将来的にも安定して製造できる。
【００９５】
（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１５を用いて説明する。本実施の形態において、固定子２０の構造は、図１に示した第１の実施の形態のものや図２０に示した従来例のものと同様である。
【００９６】
図１５に示したように、本実施の形態では、回転子１において、その外周側に凸になるように逆Ｕ字形状のＮｄＦｅＢ永久磁石４を回転子鉄心２内に埋め込み、逆Ｕ字の中心軸がｄ軸と一致する位置としている。ｑ軸上にはアルニコ永久磁石３を径方向に回転子鉄心２内に配置している。ｄ軸を中心軸として逆Ｕ字形状にＮｄＦｅＢ永久磁石４を回転子鉄心２内に配置したことにより、ｑ軸方向の磁気抵抗が大きくなる。すなわち、逆Ｕ字形状のＮｄＦｅＢ永久磁石４は電機子電流によるｑ軸磁束を妨げることになり、ｑ軸インダクタンスを小さくすることができる。さらにｑ軸インダクタンスをｄ軸インダクタンスよりも小さくすれば、正のｄ軸電流を流したときに正のリラクタンストルクを発生させることができる。
【００９７】
これにより、本実施の形態によれば、大トルク時に正のｄ軸電流を与えることにより、保磁力と厚みの積の小さなアルニコ永久磁石３の負荷電流による減磁を抑制し、永久磁石の鎖交磁束と電流により生じる磁石トルクにリラクタンストルクが重畳するので高トルクを発生することができる。
【００９８】
また、本実施の形態によれば、２個のアルニコ永久磁石３に挟まれた領域にＮｄＦｅＢ永久磁石４を配置することで磁極の面積を広くすることができる。さらに、ＮｂＦｅＢ永久磁石４を逆Ｕ字状にしたことによってｑ軸磁束の磁路を妨げるようにこの逆Ｕ字形状のＮｄＦｅＢ永久磁石４を配置することで、ｑ軸インダクタンスを低減でき、これより力率も向上できる。
【００９９】
（第６の実施の形態）本発明の第６の実施の形態について、図１６を用いて説明する。本実施の形態において、固定子２０の構造は、図１に示した第１の実施の形態のものや図２０に示した従来例のものと同様である。
【０１００】
図１６に示したように、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永久磁石３を回転子鉄心２内に配置している。そして、アルニコ永久磁石３の端部の鉄心を除いたｑ軸近傍のエアギャップ２３側の回転子鉄心を回転子鉄心２の最外周より窪ませて窪み形状にしている。
【０１０１】
次に、本実施の形態の永久磁石式回転電機の作用について述べる。ｄ軸方向の電流の磁束（ｄ軸磁束）はアルニコ永久磁石３とＮｄＦｅＢ永久磁石４とを横断することになり、永久磁石の透磁率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の磁極鉄心部７をアルニコ永久磁石３とＮｄＦｅＢ永久磁石４との長手方向に沿うように流れる。回転子鉄心２の磁極鉄心部７の透磁率は永久磁石の約１０００〜１００００倍あるので、ｑ軸方向の回転子鉄心２に窪み形状１０を形成せず回転子鉄心２の外径を周方向で均一にしていれば、ｑ軸インダクタンスは大きくなる。そして、電流と磁束との磁気的作用でトルクを発生させるために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って力率が悪くなる。また、正のｄ軸電流を流すと負のリラクタンストルクが発生し、永久磁石の鎖交磁束と電流による磁石トルクとリラクタンストルクの和である総トルクが低下する。
【０１０２】
これに対して本実施の形態では、アルニコ永久磁石３のあるｑ軸近傍のエアギャップ側回転子鉄心は回転子鉄心２の最外周より窪んだ窪み形状１０としているので、窪み形状１０の鉄心部分を通る磁束は減少する。すなわち、窪み形状１０の鉄心部分は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、これにより、力率を向上できる。また、窪み形状１０を設けたことによってｑ軸インダクタンスが減少するので、正のｄ軸電流を流したときに生じる負のリラクタンストルクを減少することができる。さらに窪み形状１０を大きくしてｑ軸インダクタンスをｄ軸インダクタンスよりも小さくすれば、正のｄ軸電流を流すと正のリラクタンストルクが発生して、磁石トルクとリラクタンストルクの和である総トルクを増加できる。さらに、窪み形状１０の鉄心部分によりアルニコ永久磁石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、アルニコ永久磁石３の端部近傍の平均的な磁界は低くなり、これより、トルクを発生するために必要なｑ軸電流によるアルニコ永久磁石３への減磁界の影響を小さくできる。
【０１０３】
また、本実施の形態では、アルニコ永久磁石３の端部と回転子１の磁極鉄心部７の中央までの間において、ｄ軸中心となる回転子１の磁極鉄心部７の中央部が回転子１の最外周部分となり、磁極鉄心部７の中央部からアルニコ永久磁石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外周までの距離が短くなる形状とする（アルニコ磁石３の端部の外周側鉄心部の外径をｄ軸中心の鉄心外径よりも小さくする）ことができる。回転子１をこのような形状にすれば、上と同様にｑ軸インダクタンスを小さくできて力率が向上し、正のｄ軸電流を流したときの総トルクも増加させることができ、さらに、回転子１の全周に渡って滑らかに外周の窪みが大きくなるので磁束の高調波成分を低減でき、トルクリプル、コギングトルクも低減できる。
【０１０４】
また、本実施の形態において、窪み形状１０を設ける代わりに、ｑ軸近傍の回転子外周部分に空洞を設ける構成にしてもｑ軸インダクタンスを小さくでき、同様な作用、効果が得られる。
【０１０５】
尚、上記各実施の形態では４極の回転電機を示したが、８極等の多極の永久磁石式回転電機にも本発明の技術思想を適用できる。そしてその場合には、極数に応じて永久磁石の配置位置、形状が幾分変ることは勿論であり、作用、効果は同様に得られる。
【０１０６】
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、効果が得られる。
【０１０７】
（第７の実施の形態）本発明の第７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１７〜図１９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６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１７において、図７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。
【０１０８】
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１８の構成を備えたことを特徴とする。
【０１０９】
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】
2008245368.tif 000009
【０１１０】
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。
【０１１１】
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１８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。
【０１１２】
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１７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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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】
2008245368.tif 000010
【０１１６】
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。
【０１１７】
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１９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。
【０１１８】
また、本実施の形態では、図１９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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【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、回転子の永久磁石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】上記実施の形態の回転子において、短時間通電の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）の説明図。
【図４】上記実施の形態の回転子において、短時間通電のｄ軸電流による減磁磁界の磁束の説明図。
【図５】上記実施の形態の回転子において、短時間通電のｄ軸電流による減磁磁界が作用した後（ｄ軸電流による磁界が消滅後）の永久磁石の磁束（鎖交磁束が最小）の説明図。
【図６】上記実施の形態の回転子において、正のｄ軸電流による磁界と負荷電流（ｑ軸電流）による磁界の説明図。
【図７】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８】可変磁束永久磁石電動機の簡易モデル図。
【図９】上記実施の形態の永久磁石式回転電機のＢＨ特性図。
【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磁化要求生成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おける可変磁束制御部の内部構成を示すブロック図。
【図１２】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１３】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と磁束の説明図。
【図１４】本発明の第４の実施の形態の永久磁石式回転電機において、回転子に採用した保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石に適用する低保磁力のＮｄＦｅＢ磁石と、一般的なＮｄＦｅＢ磁石との磁気特性図。
【図１５】本発明の第５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とｑ軸磁束の説明図。
【図１６】本発明の第６の実施の形態における永久磁石式回転電機における回転子の断面図。
【図１７】本発明の第７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１８】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１９】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２０】従来の埋め込み型永久磁石電動機の断面図。
【符号の説明】
【０１２３】
１…  回転子
２…  回転子鉄心
３…  永久磁石
４…  永久磁石
５…  空洞
６…  ボルト穴
７…  磁極鉄心
８…  空洞（高磁気抵抗）
９…  シャフト
１０…  窪み形状
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】
2008245368.tif 000011
【図２】
2008245368.tif 000012
【図３】
2008245368.tif 000013
【図４】
2008245368.tif 000014
【図５】
2008245368.tif 000015
【図６】
2008245368.tif 000016
【図７】
2008245368.tif 000017
【図８】
2008245368.tif 000018
【図９】
2008245368.tif 000019
【図１０】
2008245368.tif 000020
【図１１】
2008245368.tif 000021
【図１２】
2008245368.tif 000022
【図１３】
2008245368.tif 000023
【図１４】
2008245368.tif 000024
【図１５】
2008245368.tif 000025
【図１６】
2008245368.tif 000026
【図１７】
2008245368.tif 000027
【図１８】
2008245368.tif 000028
【図１９】
2008245368.tif 000029
【図２０】
2008245368.tif 000030