(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子巻線を持つ固定子と、
この固定子の内側にあって磁束の通りやすい部分（ｄ軸）と磁束の通りにくい部分（ｑ軸）とが交互に形成されるように複数の空洞を当該ｑ軸それぞれに対して対称な配置となるように設けることにより複数の磁気障壁が設けられ、前記空洞のうち前記ｑ軸に対してその両側の対称な位置の空洞それぞれに永久磁石を配置した回転子とを備え、
磁気抵抗を前記ｑ軸中心で最大とし、前記ｑ軸に対し左右対称にし、かつ、
固定子鉄心歯の回転子側の付け根における幅Ｌｓは、スロット数Ｎｓ、回転子直径Ｒｒとすると、０．４５×πＲｒ／Ｎｓ≦Ｌｓ≦０．６５×πＲｒ／Ｎｓとしたことを特徴とする永久磁石式リラクタンス型回転電機。
【請求項２】
前記ｑ軸方向に位置する空洞は、菱形もしくはそれに準ずる形状にしたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機。
【請求項３】
電機子巻線を持つ固定子と、
この固定子の内側にあって磁束の通りやすい部分（ｄ軸）と磁束の通りにくい部分（ｑ軸）とが交互に形成されるように複数の空洞を当該ｑ軸それぞれに対して対称な配置となるように設けることにより複数の磁気障壁が設けられ、前記空洞のうち前記ｑ軸に対してその両側の対称な位置の空洞それぞれに永久磁石を配置した回転子とを備え、
磁気抵抗を前記ｑ軸中心で最大とし、前記ｑ軸に対し左右対称にし、かつ、
回転子中心を中心にして前記ｄ軸に最も接近し対称に配置した前記２つの永久磁石同士のなす角度をθとすると、当該角度θを０．２８×３６０°／Ｐ≦θ≦０．４×３６０°／Ｐ（Ｐは極数）としたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は小型・高出力で広範囲の運転が可能な、永久磁石を複合した永久磁石式リラクタンス型回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のリラクタンス型回転電機は回転子に界磁を形成するコイルが不要であり、図１０に示すように回転子４は凹凸のある鉄心９のみで構成できる。このため、リラクタンス型回転電機は構造が簡素であり、かつ安価である特徴がある。
【０００３】
このリラクタンス型回転電機の出力の発生原理は、次の通りである。リラクタンス型回転電機は回転子４に凹凸があることにより、その凸部で磁気抵抗が小となり、凹部では磁気抵抗が大となる。すなわち、凸部と凹部上の空隙部分で、電機子巻線３に電流を流すことにより蓄えられる磁気エネルギーが異なる。この磁気エネルギーの変化により、出力が発生する。また、凸部と凹部は幾何的に凹凸する形状のみでなく、磁気的に凹凸が形成できる形状（つまり、磁気抵抗、磁束密度分布が回転子の位置により異なる形状）であればよい。
【０００４】
他の高性能な回転電機として、永久磁石回転電機がある。この永久磁石回転電機における電機子の構成はリラクタンス型回転電機と同様であるが、回転子にはそのほぼ全周にわたって永久磁石が配置されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の回転電機には、次のような技術的課題があった。リラクタンス型回転電機は回転子鉄心の表面の凹凸により回転子の位置で磁気抵抗が異なり、空隙磁束密度も変化することになる。この変化により磁気エネルギーが変化して出力が得られる。
【０００６】
しかし、電流が増加するのに伴って磁極となる回転子鉄心の凸部（ｄ軸）において局部的な磁気飽和が拡大する。これにより、磁極間となる鉄心の凹み部分（ｑ軸）に漏れる磁束が増加して有効な磁束が減少し、出力が低下する。これを磁気エネルギーの面から見てみると、回転子鉄心の凸部の磁気飽和で生じる漏れ磁束によって空隙磁束密度の変化が緩やかになり、磁気エネルギー変化が小となる。このため、電流に対して出力の増加率が低下し、やがて出力が飽和する。また、ｑ軸の漏れ磁束は無効な電圧を誘起して力率を低下させる。
【０００７】
一方、他の方式の高出力の回転電機として高磁気エネルギー積の希土類永久磁石を適用した永久磁石電動機の場合は、回転子鉄心の表面に高磁気エネルギー積の永久磁石を配置することによって高磁界を電動機の空隙に形成できるので、小型・高出力が可能である。
【０００８】
しかし、永久磁石の磁束は一定であるので、電機子巻線に誘導される電圧は回転速度に比例して大きくなる。したがって、高速回転までの広範囲の可変速運転を行う場合、界磁磁束を減らすことができないため、電源電圧を一定とすると基底速度の２倍以上の定出力運転は困難である。
【０００９】
本発明はかかる従来の技術的課題を解決するためになされたもので、小型・高出力で広範囲の可変速運転が可能な永久磁石式リラクタンス型回転電機を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、電機子巻線を持つ固定子と、この固定子の内側にあって磁束の通りやすい部分（ｄ軸）と磁束の通りにくい部分（ｑ軸）とが交互に形成されるように複数の空洞を当該ｑ軸それぞれに対して対称な配置となるように設けることにより複数の磁気障壁が設けられ、前記空洞のうち前記ｑ軸に対してその両側の対称な位置の空洞それぞれに永久磁石を配置した回転子とを備え、磁気抵抗を前記ｑ軸中心で最大とし、前記ｑ軸に対し左右対称にし、かつ、固定子鉄心歯の回転子側の付け根における幅Ｌｓは、スロット数Ｎｓ、回転子直径Ｒｒとすると、０．４５×πＲｒ／Ｎｓ≦Ｌｓ≦０．６５×πＲｒ／Ｎｓとしたものである。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、前記ｑ軸方向に位置する空洞を、菱形もしくはそれに準ずる形状にしたものである。
請求項３の発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、電機子巻線を持つ固定子と、この固定子の内側にあって磁束の通りやすい部分（ｄ軸）と磁束の通りにくい部分（ｑ軸）とが交互に形成されるように複数の空洞を当該ｑ軸それぞれに対して対称な配置となるように設けることにより複数の磁気障壁が設けられ、前記空洞のうち前記ｑ軸に対してその両側の対称な位置の空洞それぞれに永久磁石を配置した回転子とを備え、磁気抵抗を前記ｑ軸中心で最大とし、前記ｑ軸に対し左右対称にし、かつ、回転子中心を中心にして前記ｄ軸に最も接近し対称に配置した前記２つの永久磁石同士のなす角度をθとすると、当該角度θを０．２８×３６０°／Ｐ≦θ≦０．４×３６０°／Ｐ（Ｐは極数）としたことを特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００２１】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機の径方向断面図である。固定子１は電磁鋼板を積層した固定子鉄心歯２と電機子巻線３から成る。図２に詳細に示すように、回転子４には複数の空洞が形成してあり、そのうちのＶ字に配置された空洞に永久磁石６が挿入してある。そして永久磁石６の挿入されていない空洞５は断面形状を菱形もしくはそれに準ずる形状にすることにより、磁束の通りにくいｑ軸方向で空洞幅が最大となり、ｑ軸に対称に空洞幅が狭くなるようにしてある。
【００２２】
次に、第１の実施の形態の永久磁石型リラクタンス型回転電機の動作について説明する。
【００２３】
＜トルクの発生＞
回転子４には空洞５により磁気抵抗の凹凸が存在する。磁気抵抗の小さい個所では空隙磁束密度が高く、逆に磁気抵抗の大きい個所では空隙磁束密度が小さくなる。この磁束密度変化によりリラクタンストルクが発生する。
【００２４】
このときｑ軸中心で磁気抵抗が最大となる構造にすることにより、顕著に空隙磁束密度の差を大きくすることができ、トルクを大きくできる。そのためには、永久磁石６の挿入されていない空洞５の形状を上述したように菱形もしくはそれに準ずる形状にするのが好ましい。そしてさらに、図３に示したように、ｑ軸方向の空洞５が回転子鉄心の外周を突き抜けて空隙に開口するようにしたとき、空隙磁束密度の差はいっそう大きくでき、トルクも大きくできる。
【００２５】
さらに、ｑ軸となる磁気抵抗の大きい個所の回転子鉄心内には永久磁石６が配置されている。この永久磁石６は、ｑ軸方向に分布するｑ軸電流による磁束を永久磁石６の磁束で相殺する。そのため、磁気抵抗の大きい個所では空隙磁束密度がさらに小さくなる。これにより、磁気抵抗の大きい個所と小さい個所の空隙磁束密度変化が大となり、リラクタンストルクが大きくなると共に力率も向上する。また、永久磁石６はＶ字状に配置されていることからｑ軸中心に磁化方向が向き、これによりｑ軸電流の磁束に対する永久磁石６の磁化力を高めることができる。
【００２６】
本実施の形態の回転電機では、永久磁石６の空隙磁束密度の基本波の振幅値を、０．３〜０．６Ｔ、好ましくは、０．４〜０．５Ｔとする。このとき、定格負荷時にｑ軸電流による磁束と永久磁石６による磁束が相殺してｑ軸の鎖交磁束が０になる。これにより、少ない磁束で出力を発生するので、力率が高くなり、鉄損も減少する。同時に、磁気飽和も緩和されるので出力も向上する。
【００２７】
＜可変連運転と効率＞
一般的な永久磁石電動機、埋め込み型永久磁石電動機（ＩＰＭ）では永久磁石の空隙磁束密度が約１Ｔ程度も高く、誘起電圧も高くなる。また、鉄損も大である。これに対して本実施の形態の回転電機では、永久磁石６の鎖交磁束は０．４Ｔ程度であり、通常の永久磁石電動機の磁束の１／３〜１／２でも大きな出力が得られる。このため、次のような利点がある。
【００２８】
高速回転で過大な誘起電圧が発生しないため、過電圧で電源であるインバータのパワー素子やコンデンサを破損することはない。
【００２９】
本回転電機では、ｄ軸電流が主に磁界を形成する励磁電流であり、ｑ軸電流はトルク電流となる。したがって、高速回転になるにつれて励磁電流であるｄ軸電流を小さくすれば、一定電圧で高速回転まで容易に運転でき、永久磁石電動機のように永久磁石の磁束による過大な誘起電圧を打ち消すような弱め磁束のために大きな電流を流す必要はない。また、弱め磁束で生じる高周波鉄損も僅かである。
【００３０】
また、本回転電機では、運転状態に応じてｄ軸の励磁電流とｑ軸のトルク電流を変化させることができ、最適な状態で運転できるので軽負荷から高負荷、低速から高速回転まで広範囲で効率が向上する。例えば、軽負荷時は励磁電流は小さくするので、ｄ軸の磁束量が減少して鉄損が減少する。
【００３１】
＜信頼性＞
永久磁石６は周囲を磁性材の回転子鉄心で覆われているため、磁石６内の反磁界は小であり、パーミアンス係数の高い領域で永久磁石６は動作している。このため永久磁石６は、電流による大きな減磁界が作用しても減磁し難い。さらに、２００℃の高温でもＮｄＦｅＢ磁石を不可逆減磁することなく適用できる。
【００３２】
また、永久磁石６による電機子巻線３の鎖交磁束は少ないので、巻線が電気的に短絡しても過大な短絡電流が流れなくて巻線を焼損することがない。さらに本回転電機を電気自動車、電車等の駆動電動機に適用した場合でも、短絡故障時に急ブレーキが作用することがなく、また、回転時のブレーキ力が僅かであるので、車両を牽引することができる。
【００３３】
加えて、仮に永久磁石６が不可逆減磁しても、本回転電機ではリラクタンストルクが主であるので、出力は低下するが、純粋なリラクタンス電動機として駆動することができる。
【００３４】
なお、上記実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、永久磁石６を等量用い、図２に示したように回転子中心Ｃを中心として、ｄ軸に最も接近し対称に配置された２つの永久磁石６のなす角度をθとし、極数Ｐと係数Ｋを用いてθ＝Ｋ×３６０°／Ｐで表わしたとき、角度係数Ｋとトルクとの関係は図４のようになる。
【００３５】
この結果から、角度係数Ｋが０．２８≦Ｋ≦０．４（好ましくは、０．３０≦Ｋ≦０．３５）においてトルクが顕著に上昇していることが分かる。つまり、角度θを０．２８×３６０°／Ｐ≦θ≦０．４×３６０°／Ｐ（好ましくは、０．３０×３６０°≦θ≦０．３５×３６０°／Ｐ）に設定することにより、大きなトルクが得られるのである。
【００３６】
なお、これは以下に説明する他の実施の形態すべてに適用することができるものである。
【００３７】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機について説明する。第２の実施の形態は、回転子４を分割構造にしたことを特徴とする。
【００３８】
固定子１において、電機子巻線３は各々の固定子鉄心歯２に１個ずつ巻きつけられている。このような集中巻では、一般的に行われているスロットスキューが困難であり、大きなトルクリプルが生じる。またスロット数Ｎｓ、極数Ｐ、ｑ＝Ｎｓ／（３×Ｐ）としたとき、ｑ＝ｎ＋１／２の場合、隣り合ったスロットのスロット中心間距離（スロットピッチ）と同じ波長を持った空隙磁束密度分布については打ち消すことができるが、２次の調波成分を打ち消すことができない。
【００３９】
そこで第２の実施の形態では、図５に示すように、回転子４を回転子Ａ７と回転子Ｂ８とに分割し、両者間で永久磁石６や空洞５などをスロットピッチの１／４分だけ周方向にずらした構造にしている。
【００４０】
これにより、図６のグラフに示すように２次調波成分が打ち消され、トルクリプルが低減できる。
【００４１】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、固定子１における固定子鉄心歯の形状に特徴を有する。
【００４２】
図７に示すように、固定子鉄心歯２の回転子側の付け根の幅をＬｓとする。そしてスロット数Ｎｓ、回転子半径Ｒｒとし、Ｌｓ＝Ｊ×πＲｒ／Ｎｓ（Ｊは係数）としたときの、係数Ｊと発生トルクの関係について調べた。ただし、このときに電機子巻線３に流す電流の電流密度は一定とした。
【００４３】
図８はその結果を示している。係数Ｊについて、Ｊ＜０．４５では、固定子鉄心歯２が磁気飽和してしまってトルクが減少している。また逆にＪ＞０．６５では、スロット内に流せる電流値の合計が小さくなり、トルクが減少している。そして係数Ｊについて、０．４５≦Ｊ≦０．６５のときに安定して高いトルクを得ることができた。
【００４４】
またこの結果は、図９に示すように固定子鉄心歯２に固定子最近接部でチップ２Ａを付けた場合においても、そのチップ２Ａの付け根部分の長さをＬｓとすれば、同様の結果が得られる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機では、回転子位置によりインダクタンスの差が大きな回転電機が得られ、さらにｑ軸電流による磁束を磁石で相殺してほぼ０にすることにより、高出力、高力率が可能である。
【００４６】
本発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機ではまた、永久磁石の磁束量が少なくても高出力が得られ、励磁電流により回転電機内の磁束量を調整できるために負荷に合わせた最適な状態で駆動でき、軽負荷から高負荷、低速から高速までの広範囲で効率の良い運転ができる。
【００４７】
本発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機ではさらに、永久磁石の減磁を抑えることができ、永久磁石の誘起電圧により電源であるインバータの破損する恐れがなく、また電機子巻線の短絡故障時に急ブレーキが作用することもなく、さらには永久磁石が減磁状態になっても駆動が可能である等の多々の面で信頼性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の永久磁石式リラクタンス型回転電機の径方向断面図。
【図２】上記の実施の形態における回転子の径方向拡大断面図。
【図３】上記の実施の形態における回転子の別の構造例の径方向拡大断面図。
【図４】上記の実施の形態において、永久磁石の配置位置による回転電機の発生するトルクの変化特性を示すグラフ。
【図５】本発明の第２の実施の形態における回転子の斜視図。
【図６】上記の実施の形態における回転子分割体それぞれの発生するトルクと回転子としての合成トルクの特性グラフ。
【図７】本発明の第３の実施の形態における固定子の径方向拡大断面図。
【図８】上記の実施の形態における固定子鉄心歯の幅とトルクとの関係を示した特性グラフ。
【図９】上記の実施の形態における固定子の別の構造例の径方向拡大断面図。
【図１０】従来のリラクタンス回転電機の径方向断面図。
【符号の説明】
１…固定子
２…固定子鉄心歯
３…電機子巻線
４…回転子
５…空洞
６…永久磁石
７…回転子Ａ
８…回転子Ｂ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003857017.tif 000008
【図８】
0003857017.tif 000009
【図９】
0003857017.tif 000010
【図１０】
0003857017.tif 000011