JP2003088071A

JP2003088071A - リラクタンス型回転電機

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Publication number: JP2003088071A
Application number: JP2001270678A
Authority: JP
Inventors: Kazuto Sakai; 和人堺; Masanori Shin; 政憲新; Norio Takahashi; 橋則雄高
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2003-03-20
Anticipated expiration: 2021-09-06
Also published as: JP4619585B2

Abstract

(57)【要約】【課題】不可逆減磁することなく、小型・高出力・高
効率で広範囲の可変速運転を可能にするリラクタンス型
回転電機を提供する。【解決手段】電機子コイル（３）を有する電機子
（１）と、周方向に磁気抵抗の異なる部位を有する回転
子（５Ａ）とを備える場合、回転子（５Ａ）の磁気抵抗
の大きい部位は、中央部（９）とこの中央部（９）に対
して周方向の両側に連接して径方向外側に延出する側端
部（１０）とを有する空洞（８）と、空洞（８）の中央
部（９）に嵌装されるフェライト磁石（７）とを備え、
空洞（８）の中央部（９）の径方向の内法寸法よりも側
端部の周方向の内法寸法を小さくし、フェライト磁石
（７）は空洞（８）を通る電機子電流の磁束を打ち消す
ように磁化されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転子に永久磁石
を嵌設したリラクタンス型回転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１２は従来のリラクタンス型回転電機
の横断面図である。同図において、電機子１は、複数の
スロットが設けられた電磁鋼板を積層してなる電機子鉄
心２と、スロットにそれぞれ収められて電機子歯４に巻
装された電機子コイル３とで構成されている。一方、電
機子歯４に外周面が対向する回転子５は、磁界を形成す
るコイルを持たず、外周部に凹凸が形成された回転子鉄
心６のみで構成されている。このためリラクタンス型回
転電機は構成が簡素であり、製造コストも安価である。

【０００３】ここで、リラクタンス型回転電機の出力発
生原理について説明する。リラクタンス型回転電機は回
転子の外周部に凹凸を設けたことにより、電機子鉄心歯
４からの磁界に対して、磁極となる凸部１２の磁気抵抗
は小さくなり、凹部１３での磁気抵抗は大きくなる。従
って、凸部と凹部の各空隙部分で電機子コイル３に電流
を流すことによって蓄えられる随伴磁気エネルギーが異
なる。この随伴磁気エネルギーの変化によって出力が発
生する。

【０００４】なお、回転子の外周部に幾何学的な凸部と
凹部とを形成するだけでなく、磁気抵抗、磁束密度分布
が回転子の周方向位置によって異なるように、磁気的な
凸部と凹部とを形成することもできる。

【０００５】他の高性能な回転電機として、永久磁石回
転電機がある。その電機子はリラクタンス型回転電機と
同様であるが、回転子のほぼ全周にわたって永久磁石が
回転子鉄心の外周部に配置された表面配置型の回転電機
と、回転子鉄心内に永久磁石が埋めこまれた埋め込み型
永久磁石回転電機とがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】リラクタンス型回転電
機は回転子鉄心表面の凹凸により回転子の位置で磁気抵
抗が異なるため、空隙磁束密度も変化する。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。

【０００７】しかし、電流が増加すると、磁極となる鉄
心の凸部（以下、ｄ軸とも言う）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部
（以下、ｑ軸ともいう）に漏れる磁束が増加すると共
に、磁極を通る有効な磁束が減少して出力は低下する。
一方、磁気エネルギーから考えると、鉄心の凸部の磁気
飽和によって生じる漏れ磁束により、空隙磁束密度の変
化が緩やかになり、随伴磁気エネルギーの変化が小さく
なる。このため、電流に対して出力の増加率が低下し、
やがて出力は飽和する。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。

【０００８】一方、永久磁石回転電機では小型・高出力
化のために高磁気エネルギー積の希土類永久磁石が用い
られる。希土類材料は資源的に少なく、従って、大量生
産が行われる汎用機械に最適なものではなかった。これ
に対して、酸化鉄のフェライト磁石は材料としては豊富
な資源であるため、安定的に供給することができる。し
かし、フェライト磁石を回転電機の界磁に適用した場合
には、二つの大きな問題がある。

【０００９】その一つは、フェライト磁石の磁気エネル
ギー積が希土類磁石の１／１０程度であるため永久磁石
の鎖交磁束と電流との積で生じるトルクは小さく、従っ
て、体積当たりの出力も小さい。

【００１０】もう一つの問題は、小型高出力化する場
合、比電気装荷（電機子内周の長さ当たりのアンペアタ
ーン）が高くなり、フェライト磁石の保磁力が小さいた
め、電機子の電機子反作用磁界でフェライト磁石が不可
逆減磁する。特にフェライト磁石は２０℃以下の低温で
上記よりもさらに低い減磁界で不可逆減磁を生じるとい
う大きな問題がある。

【００１１】可変速運転を考えた場合、さらに次の問題
も生じる。すなわち、永久磁石の磁束は一定であるので
電機子コイルに誘導される電圧は回転速度に比例して大
きくなる。従って、高速回転までの広範囲の可変速運転
を行う場合、表面磁石型回転電機は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。埋め込み型永久磁
石回転電機は、永久磁石の鎖交磁束が表面型永久磁石回
転電機よりも少なくなるので、磁石の磁化方向と逆の減
磁界を形成する電機子反作用を磁石に作用させて、磁石
の鎖交磁束を減少させる方法がある。しかし、大きな減
磁界を永久磁石にかける必要があるため、フェライト磁
石では不可逆減磁を生じる。

【００１２】また、空転時において、上記の磁石の磁束
を減少させるための電機子巻線に電流を流すため、ジュ
ール熱による電力損失が発生して総合効率は低下する。

【００１３】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたもので、第１の目的は不可逆減磁することなく、小
型・高出力・高効率で広範囲の可変速運転を可能にする
リラクタンス型回転電機を提供するにある。

【００１４】本発明の他の目的は、信頼性が高く、製造
性に優れたリラクタンス型回転電機を提供するにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
電機子コイルを有する電機子と、周方向に磁気抵抗の異
なる部位を有する回転子とを備えるリラクタンス型回転
電機において、回転子の磁気抵抗の大きい部位は、中央
部とこの中央部に対して周方向の両側に連接して径方向
外側に延出する側端部とを有する空洞と、空洞の中央部
に嵌装されるフェライト磁石と、を備え、空洞の中央部
の径方向の内法寸法よりも側端部の周方向の内法寸法を
小さくし、フェライト磁石は空洞を通る電機子電流の磁
束を打ち消すように磁化されていることを特徴とする。

【００１６】請求項２に係る発明は、請求項１に記載の
リラクタンス型回転電機において、側端部の周方向の内
法寸法はエアギャップ長の５倍以上とすることを特徴と
する。

【００１７】請求項３に係る発明は、請求項１又は２に
記載のリラクタンス型回転電機において、フェライト磁
石は、周方向の幅を基準にして径方向の厚みが０．３倍
乃至１．０倍であることを特徴とする。

【００１８】請求項４に係る発明は、請求項１乃至３の
いずれか１項に記載のリラクタンス型回転電機におい
て、空洞の中央部の周方向に対向する内側面はそれぞれ
平面状に形成されると共に、回転中心に近い側の内法寸
法よりも径方向外側に離れた側の内法寸法が狭く形成さ
れ、フェライト磁石の周方向の側面は空洞の内側面に嵌
合する形状を有することを特徴とする。

【００１９】請求項５に係る発明は、請求項１乃至３の
いずれか１項に記載のリラクタンス型回転電機におい
て、空洞の中央部の周方向に対向する内側面はそれぞれ
平面状に形成されると共に、回転中心に近い側の内法寸
法よりも径方向外側に離れた側の内法寸法がより形成さ
れ、フェライト磁石の周方向の側面の少なくとも一部が
空洞の内側面に当接することを特徴とする。

【００２０】請求項６に係る発明は、請求項４又は５に
記載のリラクタンス型回転電機において、フェライト磁
石の径方向外側面と、これと対向する空洞の内側面との
間に隙間を設けたことを特徴とする。

【００２１】請求項７に係る発明は、請求項１乃至６の
いずれか１項に記載のリラクタンス型回転電機におい
て、空洞の中間部を通る中心線と回転子の外周との交点
を基準にして、空洞の径方向外側の側面までの厚みが、
側端部までの周方向距離の０．５倍以上であることを特
徴とする。

【００２２】請求項８に係る発明は、請求項１乃至７の
いずれか１項に記載のリラクタンス型回転電機におい
て、空洞の中間部を通る中心線と回転子の外周との交差
部に、凹形の窪みを形成したことを特徴とする。

【００２３】請求項９に係る発明は、請求項１乃至８の
いずれか１項に記載の永久磁石式リラクタンス型回転電
機において、回転子の磁気抵抗の小さい部位は鉄心のみ
の磁極で構成され、かつ、磁極の周方向幅は、磁極ピッ
チの０．１５乃至０．３５倍とすることを特徴とする。

【００２４】請求項１０に係る発明は、請求項１乃至９
のいずれか１項に記載の永久磁石式リラクタンス型回転
電機において、空洞の各側端部にフェライト磁石より磁
気エネルギーの高い永久磁石を嵌装したことを特徴とす
る。

【００２５】請求項１１に係る発明は、電機子コイルを
有する電機子と、周方向に磁気抵抗の異なる部位を有す
る回転子とを備えるリラクタンス型回転電機において、
回転子の磁気抵抗の大きい部位は、中央部とこの中央部
に対して周方向の両側に連接して径方向外側に延出する
側端部とを有する空洞と、空洞の側端部に嵌装されるフ
ェライト磁石より磁気エネルギーの高い永久磁石と、を
備え、空洞の中央部の径方向の内法寸法よりも側端部の
周方向の内法寸法を小さくしたことを特徴とする。

【００２６】請求項１２に係る発明は、電機子コイルを
有する電機子と、周方向に磁気抵抗の異なる部位を有す
る回転子とを備えるリラクタンス型回転電機において、
回転子の磁気抵抗の小さい部位は鉄心のみの磁極で構成
され、磁極の周方向幅は磁極のピッチの０．１５乃至
０．３５倍とし、磁極間には径方向外側に磁極に連接す
る鉄心を有し、鉄心の内側に空洞が形成され、空洞の周
方向の両端部を空けてその中央部に電機子の磁束を打ち
消す方向に磁化されている永久磁石を嵌装したことを特
徴とする。

【００２７】請求項１３に係る発明は、請求項１２に記
載のリラクタンス型回転電機において、空洞の中間部を
通る中心線と回転子の外周との交差部に、凹形の窪みを
形成したことを特徴とする。

【００２８】請求項１４に係る発明は、請求項１２又は
１３に記載のリラクタンス型回転電機において、永久磁
石は樹脂と磁石紛から作られていることを特徴とする。

【００２９】請求項１５に係る発明は、請求項１乃至１
４のいずれか１項に記載のリラクタンス型回転電機にお
いて、電機子巻線に鎖交するｑ軸磁束において、負荷時
に電流による磁束とフェライト磁石又は永久磁石による
磁束が相殺されて零となる状態で動作させることを特徴
とする。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す好適な
実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係
るリラクタンス型回転電機の第１の実施形態の構成を示
す横断面図である。同図において、電機子１は、複数の
スロットが設けられた電磁鋼板を積層してなる電機子鉄
心２と、スロットにそれぞれ収められた電機子コイル３
とで構成される。回転子５Ａは、電磁鋼板を積層した回
転子鉄心６と複数のフェライト磁石７とで構成される。
この場合、回転子鉄心６には、周方向を例えば２ｎ（ｎ
は整数）等分した各等分点に空洞８が形成されている。
空洞８の周方向の中央部９の対向壁の径方向寸法（以
下、ｑ軸電機子磁束の通過方向を考慮して深さともい
う）は大きく、空洞８の周方向の両側の側端部１０は外
周面に近づけて形成されると共に、周方向寸法（以下、
ｑ軸電機子磁束の通過方向を考慮して深さともいう）は
小さく形成されている。

【００３１】図２は回転子５Ａの磁極間の空洞部の近傍
を拡大して示した部分断面図である。空洞８の側端部１
０の磁束の通過方向で見る深さをＣｓｌ、幅をＣｓ２と
し、空洞８の中央部９の磁束の通過方向で見た深さをＣ
ｄとすると、本実施形態ではＣｓ１＝６×Ｌｇ，Ｃｓ２
＝０．５×Ｃｄに形成している。ここで、Ｌｇはエアギ
ャップ長である。また、空洞８の中央部９にはフェライ
ト磁石７が嵌装され、このフェライト磁石７は磁気抵抗
の高い部分を通る電機子の磁束を打ち消すように磁化さ
れている。さらに、空洞８の中央部９の周方向の両側に
位置する対向内側面８ｓは、それぞれ平面状に形成され
ると共に、回転中心に近い側の相互間隔と比較して径方
向外側に離れた側の相互間隔がより狭くされた傾斜面が
形成され、フェライト磁石７もこれに嵌合するように、
径方向外側が先細に形成されている。

【００３２】上記のように構成されたリラクタンス型回
転電機における、耐減磁、トルク、永久磁石の保持及び
可変速運転と効率について、図３をも参照して以下に説
明する。

【００３３】ａ：耐減磁隣り合う空洞８の間に存在する磁極部鉄心６ａは磁気抵
抗の低い主磁極を形成している。逆に、これらの磁極間
に空洞８が存在するので、この磁極間の磁気抵抗は高く
なる。空洞８が形成された部分に対するｑ軸電機子磁束
は図３に示すように分布すると考えられる。すなわち、
空洞８の中央部９は深さが大きいため、磁気抵抗はかな
り大きくなり、空洞８の側端部１０の磁気抵抗は中央部
９よりも小さくなっている。このため、電流による減磁
界は空洞８の側端部１０において高く、磁束も集中す
る。一方、空洞８の中央部９に嵌装されたフェライト磁
石７における減磁界は小さくなる。したがって、保磁力
の小さなフェライト磁石７を使用しても負荷時に不可逆
減磁を生じることはない。

【００３４】ｂ：トルク空洞８の中央部９は深さが大きいため磁気抵抗はかなり
大きくなっている。従って、リラクタンストルクを大に
することができる。また、磁極部鉄心６ａの幅Ｃｓ２は
空洞８で制限されるが、空洞８が形成された部位の側端
部１０までの周方向幅及び空洞８の径方向外側の径方向
幅は広くなっているため、鉄心の磁気飽和によるｄ軸イ
ンダクタンスの低下を緩和できる。ここで、図１に示し
たように、フェライト磁石７の径方向の寸法をＭｔ、フ
ェライト磁石７の周方向の寸法をＭｗとした場合、次式
の関係、０．３＜磁石の厚み（磁化方向）Ｍｔ／磁石の幅Ｍｗ＜１．０ …（１）を持つ磁石形状にすると、電機子反作用磁束を効果的に
相殺できる永久磁石の磁束を確保した上で、高磁気抵抗
とすることができる。すなわち，高力率で大きなリラク
タンストルクが得られる。より好ましくは、次式の関
係、０，４＜磁石の厚みＭｔ（磁化方向）／磁石の幅Ｍｗ＜０．６ …（２）を持つ磁石形状とすると、トルクと力率と可変速範囲
（誘起電圧が小）の高い値が得られる。

【００３５】ｃ：永久磁石の保持回転時には永久磁石に遠心力が作用するので、磁石を保
持する必要がある。本実施形態では，空洞８の周方向に
対向する内側面８ｓは、中心部に近い側の相互間隔と比
較して径方向外側に離れた側の相互間隔が狭く形成さ
れ、フェライト磁石７も空洞８の中央部９に、その半分
程度が接触するように形成されているため、フェライト
磁石７の遠心力を傾斜した内側面８ｓで受けることにな
り、フェライト磁石７による内側面８ｓの一部に応力が
集中することを緩和することができ、鉄心が永久磁石７
を強固に保持することができる。

【００３６】ｄ：可変速運転と効率一般的な永久磁石モータ、埋め込み型永久磁石モータ
（ＩＰＭ）では永久磁石のエアギャップの磁束密度は約
１［Ｔ］程度と高く、誘起電圧も高くなる。また、鉄損
も大である。本実施形態では、永久磁石のエアギャップ
磁束密度は０．１〜０．２［Ｔ］程度であり、永久磁石
モータの磁束の１／１０〜１／５でも大きな出力が得ら
れるため次のような利点がある。

【００３７】高速回転で過大な誘起電圧を発生しないた
め、過電圧で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。

【００３８】本実施形態では、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。
従って、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
できる。従って、永久磁石モータ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
めの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。

【００３９】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。

【００４０】特に，外部から回転電機が空転させられて
いる状態がある場合，永久磁石回転電機、埋め込み型永
久磁石回転電機は、中・高速回転時に磁石の誘起電圧を
電源電圧以下に抑制するための弱め磁束の電流を流し続
けなければならない。つまり、出力を発生してないにも
かかわらず電流を流すため、発生したジュール熱による
電力の損失が積算されて総合運転効率が低下する。

【００４１】これに対して，本実施形態は誘起電圧が従
来の永久磁石回転電機の１／１０程度であるので、空転
時に誘起電圧を低減する必要が無く、電流によるジュー
ル熱による損失は発生しない。したがって、総合運転効
率も向上できる。

【００４２】さらに、永久磁石回転電機は磁石磁束と電
流で出力を発生するため、高い磁束を発生する希土類磁
石を適用しなければならない。ＮｄＦｅＢ等の希土類磁
石は電気抵抗が小さいため、高調波磁界により磁石内に
渦電流が発生して、損失が発生する。さらに、この損失
のため磁石が高温になり不可逆減磁を起こす場合もあ
る。一方，フェライト磁石の電気抵抗は希土類磁石の１
００倍程度もあるので，ほとんど渦電流が発生せず、総
合運転効率を向上させることができる。また、回転子損
失により永久磁石が熱減磁することもない。

【００４３】ｅ：信頼性：永久磁石７による巻線の鎖交
磁束は少ないので、巻線が電気的に短絡した状態で回転
しても過大な短絡電流は流れず、巻線を焼損することは
ない。さらに電気自動車、電車等の駆動モータに適用し
た場合でも、短絡故障時に急ブレーキが作用することが
無く、また、回転時のブレーキ力は僅かであるので牽引
することができる。

【００４４】仮に、永久磁石７が不可逆減磁しても、本
実施形態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モータとして駆動す
ることができる。

【００４５】図４は本発明に係るリラクタンス型回転電
機の第２の実施形態の回転子の構成を示す横断面図であ
り、図５は磁極間の空洞部の近傍を拡大して示した部分
断面図である。ここで、回転子５Ｂは、回転子鉄心６の
回転中心Ｏから見て空洞８の周方向の中心の延長上の外
周面に凹形の窪み６ｃを形成したものである。ここで、
回転子鉄心６の回転中心Ｏと、隣接する空洞８の中間部
における側端部１０の外縁とを直線的に結んだ範囲が主
磁極幅Ｍｗを形成している。なお、窪み６ｃを形成した
以外は第１の実施形態と同一であるので、それぞれ同一
の符号を付してその説明を省略する。

【００４６】この第２の実施形態のように、回転子鉄心
６の空洞８の周方向の中心の延長上の外周面に凹形の窪
み６ｃを形成することによって、磁極間のフェライト磁
石７の外周部の磁気抵抗が、一層大きくされる。ここ
で、例えば、空洞８が形成された部位の径方向外側に形
成した窪み６ｃの縁から側端部１０までの周方向幅をＷ
ｄｂ１とし、空洞８の径方向外側の幅をＷｂｄ２とした
とき、Ｗｂｄ２／Ｗｄｂ１≧０．５のように構成する。

【００４７】これにより、ｄ軸バイパス磁路６ｂは、空
洞８の一方の側端部１０から他方の側端部１０までが磁
気回路となる。このｄ軸バイパス磁路６ｂの外周部の磁
束密度を１［Ｔ］とすると、ｄ軸バイパス磁路６ｂの中
央部（外周から一番深い箇所）では２［Ｔ］以下となる
ので磁気飽和の影響を緩和することができ、ｄ軸の磁気
抵抗が小となり、負荷時の電流が大きな運転領域でもイ
ンダクタンスは大きくなるので、大きなリラクタンスト
ルクが得られる。

【００４８】すなわち、ｄ軸とｑ軸のインダクタンスの
差が大きくなり、ｑ軸磁束の絶対値が小さくなると、電
圧降下分も減少するので，力率の向上と電圧源で駆動し
ているときの最高回転数が伸びる。これにより、可変速
範囲をさらに拡大できる。この場合、磁気抵抗の低い磁
極部分６ａは鉄心のみで構成され、磁極鉄心６ａの周方
向幅Ｍｗは磁極ピッチの０．１５〜０．３５倍とすると
良好な結果が得られた。

【００４９】図６は、第２の実施形態において主磁極の
幅／磁極ピッチを変化させたときのリラクタンストルク
の変化と、ｄ軸インダクタンスからｑ軸のインダクタン
スを引いたインダクタンス差の変化とを示している。主
磁極の幅／磁極ピッチが０．１５〜０．３５の範囲で高
いトルク、大きなインダクタンスの差が得られている。
好ましくは、０．２〜０．３の範囲が最もよい値が得ら
れることが分かる。

【００５０】図７は本発明に係るリラクタンス型回転電
機の第３の実施形態の回転子の構成を示す部分横断面図
である。図中、図５と同一の要素には同一の符号を付し
てその説明を省略する。この実施形態による回転子５Ｃ
は、フェライト磁石７の径方向外側の面と、その外側に
位置する外周側鉄心、すなわち、ｄ軸バイパス磁路６ｂ
との間に間隙１４を設けた点が第１及び第２の実施形態
と構成を異にしている。

【００５１】図７において、フェライト磁石７の径方向
外側に位置するｄ軸バイパス磁路６ｂは、ｄ軸、すなわ
ち、磁気抵抗の低い磁極の中心軸に沿った方向の磁束が
周方向に通る磁路であり、磁気回路では磁極と並列に配
置されるので、ｄ軸磁束のバイパス磁路となる。なお，
ｑ軸は磁気抵抗の大きい領域となり、空洞の中心軸に沿
った方向となる。フェライト磁石７とその外周側に位置
するｄ軸バイパス磁路６ｂ間に間隙１４を設けたので、
フェライト磁石７の遠心力がｄ軸バイパス磁路６ｂにか
かることがなく、空洞８の中央部９の傾斜した内側面８
ｓのみで受けることとなる。これによって、強度的に弱
いｄ軸バイパス磁路６ｂを破損することを未然に防止す
ることができる。

【００５２】図８は本発明に係るリラクタンス型回転電
機の第４の実施形態の回転子の構成を示す部分横断面図
である。図中、第２の実施形態を示す図５と同一の要素
には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施
形態による回転子５Ｄは、空洞８の側端部１０にフェラ
イト磁石７より磁気エネルギーの高いＮｄＦｅＢ磁石１
１を嵌装したものである。ここで、ＮｄＦｅＢ磁石ｌｌ
は保磁力が高く，例えばフェライト磁石７の保磁力は３
００ｋＡ／ｍであるのに対して、ＮｄＦｅＢ磁石ｌｌは
１０００ｋＡ／ｍである。両者が同じ厚みの磁石であれ
ば、約３〜４倍の電流による減磁界に耐え得る。また、
空洞８の側端部１０は電流による減磁界が高くなる。

【００５３】このように、第４の実施形態では空洞８の
側端部１０に保磁力の高いＮｄＦｅＢ磁石１１を嵌装し
ているので、減磁することなく、永久磁石の磁束を増加
させて永久磁石によるトルクを増加させることができ
る。空洞８の中央部９は磁気抵抗が大となり、リラクタ
ンストルクが高くなり、同時にフェライト磁石７を厚く
できるため、電流による減磁界に対しても強くなる効果
が得られる。

【００５４】図９は本発明に係るリラクタンス形回転電
機の第５の実施形態の回転子の構成を示す部分横断面図
である。この実施形態による回転子５Ｅは、図８に示す
第４の実施形態のうち、フェライト磁石７を除去し、空
洞８の中央部９を空気のみとするか、ここに非磁性材
（図示を省略）を挿入するかのいずれか一方を採用した
ものである。

【００５５】本発明に係る回転電機では、リラクタンス
トルクが主であり、永久磁石によるトルクは全トルクの
１０〜３０％程度である。中央部９はフェライト磁石７
を除去しても、磁気抵抗は略同じであるので、支配的な
リラクタンストルクは僅かな減少となる。ＮｄＦｅＢ磁
石ｌｌはフェライト磁石７の１０倍の磁気エネルギーを
持つため、ＮｄＦｅＢ磁石ｌｌの体積を図８に示したも
のより若干増加すれば、フェライト磁石７に相当する磁
束を補って同等のトルクが得られる。

【００５６】図１０は本発明に係るリラクタンス形回転
電機の第６の実施形態の回転子の構成を示す横断面図で
ある。図中、第２の実施形態を示す図４と同一の要素に
は同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形
態による回転子５Ｆは、空洞８Ａの径方向内側の内面が
平面をなし、径方向外側の内面がその外側に向かって凹
状の円弧面をなし、さらに、周方向に相互に対向する内
側面は放射状の平面をなしており、回転中心から見て末
広がりの対向側面を形成している。そして、この空洞８
Ａの内部には径方向の内側及び外側が空洞８Ａの内面に
嵌合するが、周方向の側面は互いに平行に形成された樹
脂成形磁石７ｂが嵌装されており、これによって側端部
１０が形成される。なお、樹脂成形磁石７Ａは希土類永
久磁石の紛を含んだ樹脂で成形したものである。そし
て、空洞の側面の鉄心６で樹脂成形磁石７Ａを保持でき
ないので、ｄ軸バイパス磁路６ｂで樹脂成形磁石７Ａを
保持する。

【００５７】この第６の実施形態は、希土類永久磁石の
紛を含んだ樹脂を回転子鉄心の空洞部８に注入すること
により、磁石７Ａの成形と挿入を同時に行う。これによ
り、樹脂成形磁石７Ａの機械加工及び回転子鉄心の空洞
部８Ａへの磁石７の挿入工程が簡素化される。さらに量
産性が向上する。

【００５８】この場合、電機子巻線に鎖交するｑ軸の磁
束において、負荷時に電流による磁束と永久磁石による
磁束が相殺されて零となる状態で動作させる。このとき
のトルクＴを式で表現すると次のようになる。

【００５９】Ｔ＝Ｐ×（Ｌｄ・Ｉｄ・Ｉｑ−（Ｌｑ・Ｉｑ−ψｍ）Ｉｄ） …（３）ここで、Ｌｄ，Ｌｑ：ｄ軸，ｑ軸のインダクタンス、Ｉｄ，Ｉｑ：ｄ軸、ｑ軸の電流、 ψｍ：永久磁石の鎖交磁束である。この実施形態に係る回転電機では、ｑ軸電流に
よる磁束を永久磁石７の磁束で相殺して零とする。すな
わち、 λｑ＝Ｌｑ・Ｉｑ−ψｍ＝０ …（４）ｑ軸磁束λｑは０となるので、負荷時の電圧はｄ軸電圧
のみとなり、力率を向上できる。同時に、（３）式から
分かるようにｑ軸磁束λｑは負のトルクを発生してお
り、空洞部８に漏れる磁束であるλｑの磁束を減少させ
ることにより、λｑによる負のトルクを減少させてトル
クも増加する。同時に、鉄心のコアバックを通る全磁束
は少なくなるので、鉄心コアバックの磁気飽和も緩和さ
れて出力も向上する。

【００６０】図１１は本発明に係るリラクタンス形回転
電機の第７の実施形態の回転子の構成を示す横断面図で
ある。図中、第６の実施形態を示す図１０と同一の要素
には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施
形態における回転子５Ｇは空洞８Ｂの径方向内側の内面
が、平面の中央部とその両側が径方向外側に向かう斜面
との組み合わせになっている点が図１０と異なってい
る。また、この形状に嵌合するような樹脂成形磁石７Ｂ
とした点が図１０と異なるだけであり、これ以外は図１
０と同一に構成され、同様な作用、効果が得られる。

【００６１】

【発明の効果】以上の説明によって明らかなように、本
発明によれば、不可逆減磁することなく、小型・高出力
・高効率で広範囲の可変速運転を可能にするリラクタン
ス型回転電機を提供することができる。

【００６２】また、信頼性が高く、製造性に優れたリラ
クタンス型回転電機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るリラクタンス型回転電機の第１の
実施形態の構成を示す横断面図。

【図２】図１に示した第１の実施形態の回転子の磁極間
の空洞部の近傍を拡大して示した部分断面図。

【図３】図１に示した第１の実施形態の動作を説明する
ために、ｄ軸、ｑ軸の各電機子磁束の経路を示した説明
図。

【図４】本発明に係るリラクタンス型回転電機の第２の
実施形態の回転子の構成を示す横断面図。

【図５】図４に示した第２の実施形態の回転子の磁極間
の空洞部の近傍を拡大して示した部分断面図。

【図６】本発明に係る第２の実施形態の動作を説明する
ために、主磁極の幅／磁極ピッチのと、トルク及びｄ
軸，ｑ軸のインダクタンス差との関係を示す線図。

【図７】本発明に係るリラクタンス型回転電機の第３の
実施形態の回転子の構成を示す部分横断面図。

【図８】本発明に係るリラクタンス型回転電機の第４の
実施形態の回転子の構成を示す部分横断面図。

【図９】本発明に係るリラクタンス形回転電機の第５の
実施形態の回転子の構成を示す部分横断面図。

【図１０】本発明に係るリラクタンス形回転電機の第６
の実施形態の回転子の構成を示す横断面図。

【図１１】本発明に係るリラクタンス形回転電機の第７
の実施形態の回転子の構成を示す横断面図。

【図１２】従来のリラクタンス型回転電機の横断面図。

【符号の説明】

１電機子２電機子鉄心３電機子コイル４電機子歯５，５Ａ〜５Ｇ回転子６回転子鉄心６ａ磁極部鉄心６ｂｄ軸バイパス磁路７フェライト磁石７Ａ，７Ｂ樹脂成形磁石８，８Ａ，８Ｂ空洞９空洞の中央部１０空洞の側端部１１ＮｄＦｅＢ磁石１２回転子の凸部（磁極）１３回転子の凹部１４隙間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０２Ｐ 7/05 Ｈ０２Ｐ 7/00 ５０１ (72)発明者高橋則雄神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内Ｆターム(参考） 5H550 BB02 BB03 DD09 GG05 LL22 LL29 5H619 AA01 PP02 PP05 PP06 PP08 5H621 AA03 GA04 GA16 GA18 HH01 HH10 5H622 AA03 AA04 CA02 CA05 CA10 CA11 DD01 DD02 DD04 PP10 PP20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電機子コイルを有する電機子と、周方向に
磁気抵抗の異なる部位を有する回転子とを備えるリラク
タンス型回転電機において、前記回転子の磁気抵抗の大きい部位は、中央部とこの中
央部に対して周方向の両側に連接して径方向外側に延出
する側端部とを有する空洞と、前記空洞の中央部に嵌装されるフェライト磁石と、を備え、前記空洞の中央部の径方向の内法寸法よりも前
記側端部の周方向の内法寸法を小さくし、前記フェライ
ト磁石は前記空洞を通る電機子電流の磁束を打ち消すよ
うに磁化されていることを特徴とするリラクタンス型回
転電機。
【請求項２】前記側端部の周方向の内法寸法はエアギャ
ップ長の５倍以上とすることを特徴とする請求項１に記
載のリラクタンス型回転電機。
【請求項３】前記フェライト磁石は、周方向の幅を基準
にして径方向の厚みが０．３倍乃至１．０倍であること
を特徴とする請求項１又は２に記載のリラクタンス型回
転電機。
【請求項４】前記空洞の中央部の周方向に対向する内側
面はそれぞれ平面状に形成されると共に、回転中心に近
い側の内法寸法よりも径方向外側に離れた側の内法寸法
が狭く形成され、前記フェライト磁石の周方向の側面は
前記空洞の内側面に嵌合する形状を有することを特徴と
する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリラクタン
ス型回転電機。
【請求項５】前記空洞の中央部の周方向に対向する内側
面はそれぞれ平面状に形成されると共に、回転中心に近
い側の内法寸法よりも径方向外側に離れた側の内法寸法
がより形成され、前記フェライト磁石の周方向の側面の
少なくとも一部が前記空洞の内側面に当接することを特
徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリラク
タンス型回転電機。
【請求項６】前記フェライト磁石の径方向外側面と、こ
れと対向する前記空洞の内側面との間に隙間を設けたこ
とを特徴とする請求項４又は５に記載のリラクタンス型
回転電機。
【請求項７】前記空洞の中間部を通る中心線と前記回転
子の外周との交点を基準にして、前記空洞の径方向外側
の側面までの厚みが、前記側端部までの周方向距離の
０．５倍以上であることを特徴とする請求項１乃至６の
いずれか１項に記載のリラクタンス型回転電機。
【請求項８】前記空洞の中間部を通る中心線と前記回転
子の外周との交差部に、凹形の窪みを形成したことを特
徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のリラク
タンス型回転電機。
【請求項９】前記回転子の磁気抵抗の小さい部位は鉄心
のみの磁極で構成され、かつ、前記磁極の周方向幅は、
磁極ピッチの０．１５乃至０．３５倍とすることを特徴
とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の永久磁石
式リラクタンス型回転電機。
【請求項１０】前記空洞の各側端部に前記フェライト磁
石より磁気エネルギーの高い永久磁石を嵌装したことを
特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の永久
磁石式リラクタンス型回転電機。
【請求項１１】電機子コイルを有する電機子と、周方向
に磁気抵抗の異なる部位を有する回転子とを備えるリラ
クタンス型回転電機において、前記回転子の磁気抵抗の大きい部位は、中央部とこの中
央部に対して周方向の両側に連接して径方向外側に延出
する側端部とを有する空洞と、前記空洞の側端部に嵌装されるフェライト磁石より磁気
エネルギーの高い永久磁石と、を備え、前記空洞の中央部の径方向の内法寸法よりも前
記側端部の周方向の内法寸法を小さくしたことを特徴と
するリラクタンス型回転電機。
【請求項１２】電機子コイルを有する電機子と、周方向
に磁気抵抗の異なる部位を有する回転子とを備えるリラ
クタンス型回転電機において、前記回転子の磁気抵抗の小さい部位は鉄心のみの磁極で
構成され、前記磁極の周方向幅は前記磁極のピッチの
０．１５乃至０．３５倍とし、前記磁極間には径方向外
側に前記磁極に連接する鉄心を有し、前記鉄心の内側に
空洞が形成され、前記空洞の周方向の両端部を空けてそ
の中央部に前記電機子の磁束を打ち消す方向に磁化され
ている永久磁石を嵌装したことを特徴とするリラクタン
ス型回転電機。
【請求項１３】前記空洞の中間部を通る中心線と前記回
転子の外周との交差部に、凹形の窪みを形成したことを
特徴とする請求項１２に記載のリラクタンス型回転電
機。
【請求項１４】前記永久磁石は樹脂と磁石紛から作られ
ていることを特徴とする請求項１２又は１３に記載のリ
ラクタンス型回転電機。
【請求項１５】電機子巻線に鎖交するｑ軸磁束におい
て、負荷時に電流による磁束と前記フェライト磁石又は
永久磁石による磁束が相殺されて零となる状態で動作さ
せることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項
に記載のリラクタンス型回転電機。