永久磁石回転電機及びその運転方法
【課題】高速時の誘導起電力の低減と低速時の高トルク特性が可能な永久磁石回転電機。
【解決手段】本発明は、電機子巻線２３を８極にして所定の短時間だけ大電流の磁化電流を流すことによって発生する磁界により可変磁力磁石それぞれを同一方向に着磁させ、磁石トルク主体の８極ＰＭモードとし、電機子巻線を４極にして所定の短時間だけ磁化電流を流すことによって発生する磁界により４個の可変磁力磁石を隣り合う磁石間で互いに逆方向に磁化させて磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する４極ＩＰＭモードとし、電機子巻線を４極にして所定の短時間だけ磁化電流を流すことによって発生する磁界により４個の可変磁力磁石を消磁してリラクタンストルクのみで動作する４極ＲＭモードとし、起動時及び速度領域の移行時にこれら８極ＰＭモード、４極ＩＰＭモード及び４極ＲＭモードの間で相互にモードを切り替えて可変速運転する永久磁石回転電機。
【解決手段】本発明は、電機子巻線２３を８極にして所定の短時間だけ大電流の磁化電流を流すことによって発生する磁界により可変磁力磁石それぞれを同一方向に着磁させ、磁石トルク主体の８極ＰＭモードとし、電機子巻線を４極にして所定の短時間だけ磁化電流を流すことによって発生する磁界により４個の可変磁力磁石を隣り合う磁石間で互いに逆方向に磁化させて磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する４極ＩＰＭモードとし、電機子巻線を４極にして所定の短時間だけ磁化電流を流すことによって発生する磁界により４個の可変磁力磁石を消磁してリラクタンストルクのみで動作する４極ＲＭモードとし、起動時及び速度領域の移行時にこれら８極ＰＭモード、４極ＩＰＭモード及び４極ＲＭモードの間で相互にモードを切り替えて可変速運転する永久磁石回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の極数と複数種のトルク発生モードを変更できるモード・極数可変な永久磁石回転電機及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題や世界的なエネルギー消費量の増加の改善にはシステムの省エネルギー化が効果的である。電気自動車、電車、エレベータ、家電機器では高出力で高効率を得るために非特許文献１，２に記載されているような永久磁石回転電機が適用されている。しかし、永久磁石回転電機は可変速運転では弱め磁束制御を用いるため、中〜高速度領域や軽負荷時に効率が低下することや電圧制限下で広い可変速運転が困難であることなどの問題がある。そこで、非特許文献３〜６に記載されているような回転電機内の永久磁石の磁力を変化させて駆動する新概念の永久磁石回転電機（「メモリモータ」と称されている。）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−７２０２１号公報
【特許文献２】特開２００９−２０１３００号公報
【特許文献３】特開２０１０−００４６７３号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】K.Sakai, T.Takahashi, EShimomura, M.Arata, Y.Nakazawa and T.Tajima: ”Development of permanent magnet reluctance motor suitable for variable-speed drive for electric vehicle”, T.IEE Japan, Vol.123-D, No.6, pp681-688 (2003).
【非特許文献２】K.Sakai, K.Hagiwara and Y.Hirano, ”High-power and high-efficiency permanent magnet reluctance motor for hybrid electric vehicle”, TOSHIBA REVIEW, Vol.60, No.11,pp.41-44 (2005).
【非特許文献３】K.Sakai, K.Yuki, Y.Hashiba, N.Takahashi, K.Yasui and L.Kovudhikulrungsri: “Principle and Basic Characteristics of Variable-Magnetic-Force Memory Motors”, IEEJ Trans. IA, Vol. 131, No. 1, pp.53-60 (2011).
【非特許文献４】K.Sakai, K.Yuki, D.Misu, N.Takahashi, Y.Hashiba, Y.Matsuoka and Y.Otsubo: ”Variable-magnetic-force motor assisted by reluctance torque”, 2010 National Convention Record, IEEJ, 5-012 (2010).
【非特許文献５】V.Ostovic, “Memory motors”, IEEE Industry Applications Magazine, Jan/feb., pp.52-61 (2003).
【非特許文献６】V.Ostovic, “Pole-changing permanent-magnet machines”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.38, No.6 pp.1493-1499 (2002).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、理想の可変速回転電機を目指して、高速時の永久磁石がもたらす誘導起電力の低減と低速時の高トルク発生の二律背反する特性を可能とするために、複数の極数と複数種のトルク発生モードを使い分けて駆動できる永久磁石回転電機及びその運転方法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】
【０００６】
本発明の１つの特徴は、回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とする複数ｎ個の可変磁力磁石を円周方向に所定の間隔で埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線をｎ極と２ｎ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、前記電機子巻線の結線を２ｎ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石それぞれを半径方向で同一の向きに着磁し、磁石トルク主体の２ｎ極のＰＭモード状態とし、前記電機子巻線をｎ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石を隣り合う磁石間で互いに逆方向に磁化させて磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作するｎ極ＩＰＭモード状態とし、前記電機子巻線をｎ極にして所定の短時間だけ第３の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石を消磁してリラクタンストルクのみで動作するｎ極ＲＭモード状態とし、前記２ｎ極ＰＭモード状態、ｎ極ＩＰＭモード状態及びｎ極ＲＭモード状態の間で相互にモード状態を切り替えて２ｎ極ＰＭモード、ｎ極ＩＰＭモード及びｎ極ＲＭモードのいずれでも運転できる永久磁石回転電機である。
【０００７】
本発明の別の特徴は、回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が半径方向で同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、前記４ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて４ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機である。
【０００８】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、前記４ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて４ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機である。
【０００９】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が半径方向で同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、前記４ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて４ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機である。
【００１０】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が半径方向で同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、前記４ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて４ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機である。
【００１１】
尚、上記の永久磁石回転電機では、回転子の極数変換の主要な変換パターンを述べたが、可変磁力磁石と固定磁力磁石を組合せて磁極を構成する場合は、可変磁力磁石の磁化による回転子の極数変換では電機子巻線の極数は２ｍ極と４ｍ極いずれでも可能である。したがって、電機子巻線の極数２ｍ極と４ｍ極による可変磁力磁石の磁化は上に述べた以外のパターンでも可能である。
【００１２】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に回転方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の可変磁力磁石と、半径方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と６ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、前記電機子巻線を６ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で永久磁石の磁極がＮ若しくはＳ同極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルク主体の６ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で永久磁石の磁極がＮ極若しくはＳ逆極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、前記６ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて６ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機である。
【００１３】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に回転方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の可変磁力磁石と、半径方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と６ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で永久磁石の磁極がＮ若しくはＳ同極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルク主体の６ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で永久磁石の磁極がＮ極若しくはＳ逆極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、前記６ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて６ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機である。
【００１４】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とする複数ｎ個の可変磁力磁石を円周方向に所定の間隔で埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線をｎ極と２ｎ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線の結線を２ｎ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石それぞれを同一方向に着磁させ、磁石トルク主体の２ｎ極のＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線は２ｎ極の接続で通常の運転電流を通電することにより２ｎ極ＰＭモードで運転し、中速度領域では、前記電機子巻線をｎ極に切り替えて所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石を隣り合う磁石間で互いに逆方向に磁化させて磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作するｎ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線はｎ極の接続で通常の運転電流を通電することによりｎ極ＩＰＭモードで運転し、高速度領域では、前記電機子巻線をｎ極にして所定の短時間だけ第３の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石を消磁してリラクタンストルクのみで動作するｎ極ＲＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線はｎ極の接続で通常の運転電流を通電することによりｎ極ＲＭモードで運転する永久磁石回転電機の運転方法である。
【００１５】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線は４ｍ極の接続で通常の運転電流を通電することにより４ｍ極ＰＭモードで運転し、中〜高速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線は２ｍ極の接続で通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転する永久磁石回転電機の運転方法である。
【００１６】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線は４ｍ極に接続切替し、通常の運転電流を通電することにより４ｍ極ＰＭモードで運転し、中〜高速度領域では、前記電機子巻線の結線を２ｍ極に接続切替して所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線は２ｍ極の接続で通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転する永久磁石回転電機の運転方法である。
【００１７】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線は４ｍ極の接続で通常の運転電流を通電することにより４ｍ極ＰＭモードで運転し、中〜高速度領域では、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線は２ｍ極に接続切替して、通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転する永久磁石回転電機の運転方法である。
【００１８】
尚、上記の永久磁石回転電機の運転方法でも、回転子の極数変換の主要な変換パターンを述べたが、可変磁力磁石と固定磁力磁石を組合せて磁極を構成する場合は、可変磁力磁石の磁化による回転子の極数変換では電機子巻線の極数は２ｍ極と４ｍ極いずれでも可能である。したがって、電機子巻線の極数２ｍ極と４ｍ極による可変磁力磁石の磁化は上に述べた以外のパターンでも可能である。
【００１９】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に回転方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の可変磁力磁石と、半径方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と６ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を６ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ同極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルク主体の６ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線は６ｍ極の接続で通常の運転電流を通電することにより６ｍ極ＰＭモードで運転し、中速〜高速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極に切り替えて所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ逆極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線を２ｍ極に切り替え、通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転する永久磁石回転電機の運転方法である。
【００２０】
本発明のさらに別の特徴は、回転子鉄心内に回転方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の可変磁力磁石と、半径方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と６ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ同極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルク主体の６ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線を６ｍ極に切り替え、通常の運転電流を通電することにより６ｍ極ＰＭモードで運転し、中速〜高速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極に切り替えて所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ逆極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線は２ｍ極の接続で通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転する永久磁石回転電機の運転方法である。
【００２１】
尚、上に述べた電機子巻線の切替は主に２つの方法がある。１つは、従来の極数変換と同様に複数のコイルと電磁接触器と接続して、電磁接触器で機械的に切り替える方法である。もう１つは、パワートランジスタ等のスイッチングパワー素子を用いて、複数のコイルと複数のスイッチング素子を接続し、スイッチング素子で電子的にコイルの接続を切り替えて行う方法である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、速度領域に対応してふさわしい極数とトルク発生モードに変更して可変速運転することができ、高速時の誘導起電力の低減と低速時の高トルク発生の二律背反する回転電機特性を出すことができる永久磁石回転電機が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１の実施の形態の３Ｍ−ＰＣモータの速度、トルクとモードとの対応図。
【図２】第１の実施の形態の３Ｍ−ＰＣモータの半分の断面図。
【図３】第１の実施の形態の３Ｍ−ＰＣモータのモード別の可変磁力磁石の着磁状態、着磁方向と極数、トルク発生モードの説明図。
【図４】実施例１の３Ｍ−ＰＣモータの諸元表１。
【図５】実施例１の３Ｍ−ＰＣモータの８極永久磁石モータ（８極ＰＭ）モードでの磁束密度の分布と磁束分布を示す断面図。
【図６】実施例１の３Ｍ−ＰＣモータの４極埋め込み磁石モータ（４極ＩＰＭ）モードでの磁束密度の分布と磁束分布を示す断面図。
【図７】実施例１の３Ｍ−ＰＣモータの４極リラクタンスモータ（４極ＲＭ）モードでの磁束密度の分布と磁束分布を示す断面図。
【図８】実施例１の３Ｍ−ＰＣモータの各モードでのトルク−電流特性のグラフ。
【図９】第１の実施の形態の３Ｍ−ＰＣモータのドライブシステムのブロック図。
【図１０】上記ドライブシステムにおける磁化要求生成部の内部構成のブロック図。
【図１１】上記ドライブシステムにおける可変磁束制御部の内部構成のブロック図。
【図１２】上記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】第２の実施の形態の２Ｍ−ＰＣモータの半分の断面図。
【図１４】第２の実施の形態の２Ｍ−ＰＣモータの速度、トルクとモードとの対応図。
【図１５】第３の実施の形態の１２／４ＰＣＰＭモータの１／４の断面図。
【図１６】第３の実施の形態の１２／４ＰＣＰＭモータのモード別の可変磁力の着磁状態、着磁方向と極数、トルク発生モードの説明図。
【図１７】実施例２の１２／４ＰＣＰＭモータの諸元表２。
【図１８】実施例２の１２／４ＰＣＰＭモータの１２極永久磁石モータ（１２極ＰＭ）モードでの磁束密度、磁束分布を示す断面図。
【図１９】実施例２の１２／４ＰＣＰＭモータの４極埋め込み磁石モータ（４極ＩＰＭ）モードでの磁束密度、磁束分布を示す断面図。
【図２０】実施例２の１２／４ＰＣＰＭモータのモード別のトルク−電流特性のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００２５】
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態の永久磁石回転電機は、極数変換ができ、３種類のトルク発生モードで動作できる３Ｍ−ＰＣモータ１である。３Ｍ−ＰＣモータ１は、可変磁力磁石の磁化方向を変えたり消磁したりすることにより永久磁石回転電機で極数変換と共にトルク発生モードを変更して３種類のモードで動作できる。すなわち、８極永久磁石モータ（８極ＰＭ）モード、４極埋め込み磁石モータ（４極ＩＰＭ）モード、４極リラクタンスモータ（４極ＲＭ）モードである。
【００２６】
一般に極数変換は誘導回転電機では可能であるが、誘導回転電機は本質的に効率が低くなる。そこで、永久磁石回転電機で極数変換を可能にできれば、広い可変速運転範囲で高効率の運転を期待できる。本実施の形態の３Ｍ−ＰＣモータ１の３種類のモードには、磁石トルク主体の８極ＰＭモード、磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する４極ＩＰＭモード、リラクタンストルクのみで動作する４極ＲＭモードがある。図１に示すように運転状態に応じてモードを変更することで回転電機を常に効率の良い領域で運転することができる。起動初期の高トルクを必要とする領域Ａでは８極ＰＭモード、中速〜高速度領域Ｂでは磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する４極ＩＰＭモード、さらに高速から超高速度領域Ｃではリラクタンストルクのみで動作する４極ＲＭモードで運転することができる。
【００２７】
３Ｍ−ＰＣモータ１の基本構成を図２に示す。図２はモータ１の半分の断面を示している。３Ｍ−ＰＣモータ１の回転子１１は、低保磁力磁石１２（以下、「可変磁力磁石」と称す）が回転子鉄心１３に埋め込まれた構成である。図に示す３Ｍ−ＰＣモータ１は、可変磁力磁石１２が４個、円周方向に等間隔に配置された構成である。低保磁力の可変磁力磁石１２としては、高保磁力の固定磁力磁石であるネオジム磁石よりも低保磁力のもの、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石、サマリウム・コバルト磁石等を使用する。特に、今日、サマリウム・コバルト磁石が最適である。
【００２８】
３Ｍ−ＰＣモータ１の固定子２１は、円筒形の固定子鉄心２２の内周面に等間隔に形成されているスロットに電機子巻線２３を巻装した構成である。この固定子２１の電機子巻線２３は、３相交流入力に対して８極と４極に結線を切り替えることができる、一般的な誘導回転電機の極数切替回転電機と同様の仕組みである。
【００２９】
巻線の極数変換については、８極では２つのＹ結線が直列接続で４極では２つのＹ結線が並列接続の場合、または、８極では２つのＹ結線が並列接続で４極では２組の巻線が直列になったΔ接続の場合などがあり、回転電機が駆動する装置の運転要求に応じて、極数変換する電機子巻線の接続パターンが適用される。
【００３０】
図３はモータ１の半分を模式的に示したものである。図３（ａ）に示すように、回転子１１が８極になる場合（８極ＰＭモード）は、可変磁力磁石１２の磁化方向は隣り合う磁石１２Ａ，１２Ｂと同極（ここではＮ極）とする。隣り合う磁石１２Ａ，１２Ｂ間の凸鉄心部１３０には、可変磁力磁石１２とは逆の磁極（イメージポール。ここではＳ極）が形成され、回転子全周では８極である。この８極ＰＭモードにするためには、固定子２１側は８極に切り替え、極短時間（例えば、０．０１ｓ）の間、通常の運転時の電流よりも数倍、例えば、３倍のパルス状の磁化電流（ｄ軸電機子電流）を流すことにより、全可変磁力磁石１２を同時に図３（ａ）に示す磁化方向に磁化し、その後に運転を開始する。そして、８極ＰＭモードでの運転時には、固定子２１側の電機子巻線２３の結線を８極に切り替えて運転する。この８極ＰＭモードでは、磁石トルクにより回転力が得られる。
【００３１】
図３（ｂ）に示すように、回転子１１の極数を８極ＰＭモードから４極ＩＰＭモードにする場合、電機子巻線２３を４極に切り替えて、極短時間だけパルス状のｄ軸電機子電流を通電させ、その磁界を用いて回転子１１の１つ置きの可変磁力磁石１２Ａを一方の方向に、そして他方の１つ置きの可変磁力磁石１２Ｂをその逆方向に磁化する。これにより、可変磁力磁石１２の磁化方向は隣り合う磁石１２Ａ，１２Ｂが逆の極性となり、４極ＩＰＭモードとなる。この４極ＩＰＭモードでの運転時には、固定子２１側の電機子巻線２３の結線を４極に切り替えて運転する。この４極ＩＰＭモードでは、磁石トルクと凸鉄心部１３０が凸極となるリラクタンストルクとの両方のトルクで回転力が得られる。
【００３２】
図３（ｃ）に示すように、４極ＩＰＭモードから４極ＲＭモードとする場合、ｄ軸電機子電流でそれぞれの可変磁力磁石１２Ａ，１２Ｂに対して逆磁界を発生させて全可変磁力磁石１２を消磁させる。この４極ＲＭモードでは、凸鉄心部１３０が凸極となるリラクタンストルクのみで回転力する。
【００３３】
図３（ｃ）に示す回転子１１の極数を４極ＲＭモードから同図（ｂ）に示す４極ＩＰＭモードに変更する場合、４極巻線接続としてｄ軸電機子電流でそれぞれの可変磁力磁石１２Ａ，１２Ｂに対して４極の磁界を発生させて可変磁力磁石１２Ａ，１２Ｂを互いに逆向きに磁化する。
【００３４】
さらに、図３（ｂ）に示す回転子１１の極数を４極ＩＰＭモードから同図（ａ）に示す８極ＰＭモードとする場合、固定子２１を８極に切り替えて、８極のｄ軸電機子電流による磁界を発生させて可変磁力磁石１２を磁化する。
【実施例１】
【００３５】
基本的な変換特性の把握と回転電機の可能性を検証するために本発明の回転電機の有限要素法磁界解析を行った。磁石材料は、サマリウム・コバルト磁石である。
【００３６】
解析モデルの諸元表を図４に示す。固定子２１の直径は１００ｍｍ、回転子１１の直径は５１ｍｍ、定格電流は３．６Ａｒｍｓ、可変磁力永久磁石の保磁力は４２０ｋＡ／ｍ、厚みは２ｍｍ、幅は２０ｍｍである。
【００３７】
この解析で得られた各モード時の磁束密度分布と磁束線を図５〜図７に示してあり、８極と４極が形成されていることがわかる。すなわち、図５（ａ），（ｂ）の８極ＰＭモードは、可変磁力磁石１２と隣接する凸鉄心部分１３０で２極を形成し、円周全周で８極を形成している。図６（ａ），（ｂ）の４極ＩＰＭモードは、各可変磁力磁石１２が１極をなし、円周全周で４極を形成している。そして、図７（ａ），（ｂ）の４極ＲＭモードの場合、各凸鉄心部１３０が凸極となり、円周全周で４極を形成している。
【００３８】
次に、定格電流３．６［Ａｒｍｓ］で電流位相を変化させたときのトルク対電流位相特性を測定したところ、図８のグラフのような結果を得た。８極ＰＭモードの場合の最大トルクは電流位相１００ｄｅｇ．で８０．７［Ｎｍ／ｍ］、４極ＩＰＭモードの場合の最大トルクは電流位相１２４ｄｅｇ．で８０．３［Ｎｍ／ｍ］、４極ＲＭモードの場合の最大トルクは電流位相１３６ｄｅｇ．で３１．８［Ｎｍ／ｍ］となる。電流位相とトルクの関係から各モードに応じて３種のトルクが発生していることが確認でき、いずれも電気自動車に搭載しても動作可能なトルクが得られている。尚、トルクは鉄心長が単位長さ１［ｍ］あたりの値である。
【００３９】
図９は、第１の実施の形態の永久磁石回転電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３Ｍ−ＰＣモータ１にて構成されている。そして、主回路１００Ａには、モータ電力を検出するための交流電流検出器１０２、回転子の速度と磁極位置を検出するための速度・位置検出器１１８が設置されている。３Ｍ−ＰＣモータ１の固定子２１には、その電機子巻線２３の接続極数を８極−４極で切り替える極数切替回路１５０を備えている。
【００４０】
この極数切替回路１５０は、通常の誘導電動機の極数切替電動機（ｐｏｌｅ ｃｈａｎｇｅ ｍｏｔｏｒ）に採用するものと同様の巻線接続回路で電磁接触器で巻線接続を切り替える。または、パワートランジスタ等のパワースイッチング素子を用いて、複数のコイルと複数のスイッチング素子を接続してスイッチング素子をオン、オフすることによってコイルの直列と並列接続や、ΔやＹ結線の接続を形成して電子的に巻線切替を行う。さらにスイッチング素子を相数に応じて増加すれば相数も切り替えて運転できる。例えば、永久磁石１２の数に対応し、４極では複数の巻線を直列接続したΔ結線から、その２倍の極数の８極に変換する場合は複数の巻線を並列接続したＹ結線に切り替えることにより、電機子巻線２３を４極と８極とに切り替える。当然、並列接続のＹ結線の４極から直列接続のＹ結線の８極にする巻線切替など、この例だけでなく他のパターンの巻線接続による極数変換も可能である。この極数切替回路１５０も、制御回路１００Ｂの指令により極数切替動作をする。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
ここに、Φｍｉｎは可変磁束モータ１として取り得る最小磁束量（＞０）、Φｍａｘは可変磁束モータ１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１１３のところで説明する。
【００４５】
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を演算する。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
可変磁力磁石１２を磁化するためには、可変磁力磁石１２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、可変磁石の磁化飽和領域となるように設定する。また、消磁に必要な磁化電流指令Ｉｍ＊も演算する。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、切替要求（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。磁化要求フラグＦＣｒｅｇは３Ｍ−ＰＣモータ１の極数切替回路１５０にも出力され、極数切替回路１５０は電機子巻線２３を８極結線から４極結線を切り替える。
【００５３】
切替器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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
このように構成された本実施の形態の３Ｍ−ＰＣモータ１、そしてそのドライブシステム１００の作用を説明する。固定子２１の電機子巻線２３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、可変磁力磁石１２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２１の電機子巻線２３のｄ軸電流成分とする。
【００５７】
（１）８極ＰＭモード：
始動時や急角度の段差部分を乗り越える場合、低速度、大トルクが必要であるので、８極ＰＭモードに切り替え、固定子２１の電機子巻線２３も８極に切り替える。この場合、電機子巻線２３に所定の磁化電流を流し、全可変磁力磁石１２を同一方向に磁化させる。これにより、図３（ａ）に示す８極ＰＭモードなる。
【００５８】
（２）４極ＩＰＭモード：
回転速度が所定の低速度領域を超えた時に、回転子１１の極数を８極ＰＭモードから４極ＩＰＭモードに切り替える。この場合、電機子巻線２３を４極に切り替え、極短時間だけパルス状のｄ軸電機子電流を流し、その磁界を用いて回転子１１の可変磁力磁石１２Ａだけを逆方向に磁化させる。これにより、可変磁力磁石１２の磁化方向は隣り合う磁石１２Ａ，１２Ｂが逆極性となり、４極となる。そして、図３（ｂ）に示すように、凸鉄心部１３０には磁極は現れないので、この部分が凸極となり、４極永久磁石トルクと４極リラクタンストルクが同時に得られる４極ＩＰＭモードとなる。
【００５９】
このとき、全鎖交磁束数と周波数が下がるので、モータ電圧が下がる。この結果、電源電圧の上限値に対して余裕ができ、回転速度（周波数）を高くすることができる。
【００６０】
（３）４極ＲＭモード：
回転速度が所定の中速度領域を超えて高速度領域に入った時には、ｄ軸電機子電流で逆磁界を発生させて全可変磁力磁石１２を消磁させ、回転子鉄心１３の凸鉄心部１３０が磁気的な凸極となり、リラクタンストルクだけで回転する４極ＲＭモードに移行する。
【００６１】
これにより、モータ電圧が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。
【００６２】
このようにして、本実施の形態の３Ｍ−ＰＭモータ１では、磁石トルク主体の８極ＰＭモード、磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する４極ＩＰＭモード、リラクタンストルクのみで動作する４極ＲＭモードの３種類の運転モードを速度領域に応じて切り替えることにより、極数変換を可能にして広い可変速運転範囲で高効率の運転ができる。
【００６３】
［第２の実施の形態］
３Ｍ−ＰＣモータは、基本的には、極性が反転する永久磁石は片方のみでよいので、ＲＭモードを使用しない場合は、図１３に示す２Ｍ−ＰＣモータ１Ａのように、固定磁力磁石１４と可変磁力磁石１２の組合せも可能である。低保磁力の可変磁力磁石１２には、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石、サマリウム・コバルト磁石などを採用する。そして、固定磁力磁石１４には、高保磁力磁石としてネオジム磁石を採用する。尚、これらの組み合わせは限定されるものではないが、磁化制御において可変磁力磁石１２は極短時間かけられる磁界により増磁あるいは減磁し、固定磁力磁石１４はその磁界によっては磁力をほとんど変化させない特性の磁石を選択する。
【００６４】
この２Ｍ−ＰＣモータ１Ａでは、第１の実施の形態における（１）、（２）の切り替え制御により広い速度範囲での可変速運転ができる。ドライブシステムも簡略化できる。
【００６５】
尚、上記第１、第２の実施の形態の永久磁石回転電機については、８極−４極の切り替えができる３Ｍ−ＰＣモータを例示したが、これに限定されるものではなく、可変磁力磁石１２の挿入個数により、４極−２極、６極−３極、１２極−６極、１６極−８極等の組み合わせも可能である。
【００６６】
［第３の実施の形態］
本実施の形態は、回転子磁石の磁化を直接的に変えて極数を変換することで、広い速度範囲で可変速運転できる１２極−４極の極数変換モータ１Ｂである。
【００６７】
１２極−４極の極数変換永久磁石回転電機（以下、「１２／４ＰＣＰＭモータ」と称す。）は、低保磁力の磁石（以下、「可変磁力磁石」と称す。）の磁化を直接変えることにより回転子の極数を１２極と４極に変換し、図１４における高トルク、低速度領域Ａでは１２極、中高速度領域Ｂでは４極にすることで、広範囲の可変速運転を可能とする。モータは１２極にした場合、ＰＭモータとして動作し、４極にした場合はＩＰＭモータとして動作する２種類のトルク発生モードを持つモータでもある。高保磁力の固定磁力磁石と低保磁力の可変磁力磁石の両方を用いることによって、可変磁力磁石のみの場合よりも高トルク化ができる。例えば、低保磁力の可変磁力磁石１２には、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石あるいはサマリウム・コバルト磁石などを採用する。そして、高保磁力の固定磁力磁石１４としては、ネオジム磁石を採用する。
【００６８】
図１５に、本実施の形態の１２／４ＰＣＰＭモータ１Ｂ（全周の１／４モデル）の構成を示している。１２／４ＰＣＰＭモータ１Ｂの回転子１１Ｂは、半径方向に長く、回転方向が磁化方向である可変磁力磁石１２と、円周方向に長く、半径方向が磁化方向である固定磁力磁石１４を回転子鉄心１３に等角度ずつ離して埋め込んだ構造である。
【００６９】
この１２／４ＰＣＰＭモータ１Ｂは、固定磁力磁石１４と可変磁力磁石１２の磁化状態で極数を変換できる磁気構成である。固定子２１の構成は、第１の実施の形態と同様であり、電機子巻線２３の結線を切り替えることにより極数の切替ができる極数切替回転電機のものを採用する。
【００７０】
本実施の形態の１２／４ＰＣＰＭモータ１Ｂでは、電機子巻線２３に極短時間のパルス状のｄ軸電機子電流を流すことにより生じる磁界を用いて、回転子１１Ｂの可変磁力磁石１２を磁化することにより、回転子１１Ｂの極数を変換する。
【００７１】
極数変換の動作について、図１６の１／２回転子モデルの模式図を用いて説明する。回転子１１Ｂが１２極の磁気構成は、図１６（ａ）に示すようになり、可変磁力磁石１２と固定磁力磁石１４との間の回転子鉄心１３の表面に固定磁力磁石１４と反対の極が形成される。これより１／２モデルで６極が形成されることになり、全周で１２極となる。
【００７２】
次に回転子１１Ｂの極数を１２極から４極とする場合を述べる。固定子２１の電機子巻線２３は１２極から４極に接続を変え、正のｄ軸電機子電流による増磁界により可変磁力磁石１２の磁化方向を変える。図１６（ｂ）に示すように、可変磁力磁石１２と固定磁力磁石１４との磁化方向は磁気的に同一方向にする。固定磁力磁石１４を主とするＮ極が形成され、１／２モデルで２極となる。全周では４極となる。
【００７３】
逆に回転子１１Ｂの極数を４極から１２極とする場合、電機子巻線２３を４極巻線接続における負のｄ軸電流で磁界を発生させ、可変磁力磁石１２の磁化方向を反転させる。
【００７４】
この１２／４ＰＣＰＭモータ１Ｂに対するドライブシステムは、第１の実施の形態と同様であり、図９〜図１２に示すものが採用できる。
【００７５】
（１）１２極ＰＭモード：
始動時や急角度の段差部分を乗り越える場合、低速度、大トルクが必要であるので、１２極ＰＭモードに切り替え、固定子２１の電機子巻線２３も１２極に切り替える。この場合、電機子巻線２３に所定の磁化電流を流し、可変磁力磁石１２Ａと可変磁力磁石１２Ｂを磁化して、固定磁力磁石１４の内側面、固定磁力磁石１４と隣り合う可変磁力磁石１２の向き合う面が共にＮ極又はＳ極で同極となる。これにより、図１６（ａ）に示す１２極ＰＭモードなる。
【００７６】
（２）４極ＩＰＭモード：
回転速度が所定の低速度領域を超えた時に、回転子１１の極数を１２極ＰＭモードから４極ＩＰＭモードに切り替える。この場合、電機子巻線２３を４極に切り替え、極短時間だけパルス状のｄ軸電機子電流を流し、その磁界を用いて回転子１１の可変磁力磁石１２Ａと可変磁力磁石１２Ｂも磁化する。磁化は、可変磁力磁石１２の磁化方向は隣り合う磁石１２Ａ，１２Ｂは同極性、そして固定磁力磁石１４とは逆極性となるような方向に作用させる。これにより、可変磁力磁石１２Ａと１２Ｂと固定磁力磁石１４で一つの磁極を形成することになり、全周で４極となる。同時に、固定磁力磁石１４に隣接する凸鉄心部１３０は磁気的に凸極となる。これにより、４極磁石トルクと４極リラクタンストルクとの両方のトルクで回転力を生む４極ＩＰＭモードとなる。
【００７７】
そして、この４極ＩＰＭモードのとき、全鎖交磁束数と周波数が下がるので、モータ電圧が下がる。この結果、電源電圧の上限値に対して余裕ができ、回転速度（周波数）を高くすることができ、高速回転が可能となる。
【実施例２】
【００７８】
本発明の回転電機の基本的な変換特性の把握とモータの可能性を検証するために有限要素法磁界解析を行った。解析モデルの諸元表を図１７に示す。固定子２１の直径は１１２ｍｍ、回転子１１Ｂの直径は５５ｍｍ、鉄心長は５０ｍｍ、最大電流は３．６Ａｒｍｓ、電機子巻線２３の巻数は４５、固定磁力磁石１４の厚みは２ｍｍ、可変磁力磁石１２の厚みは３ｍｍである。
【００７９】
極数変換におけるモータの永久磁石による磁束密度分布と磁束線を図１８、図１９に示す。回転子１１Ｂの可変磁力磁石１２の極性反転により、図１８（ａ），（ｂ）の１／４コアでは３極が形成されていることから、全周で１２極であり、図１９（ａ），（ｂ）では１極なので全周では４極に極数変換できることが確認できた。
【００８０】
次に、定格電流３．６［Ａｒｍｓ］で電流位相を変化させたときのトルク特性の解析値を図２０に示す。尚、トルクは鉄心長が単位長さ（１ｍ）当りの値である。１２極の場合の最大トルクは電流位相９６ｄｅｇｒｅｅで発生し、１２６（Ｎｍ／ｍ）である。４極の最大トルクは電流位相１２６ｄｅｇｒｅｅで発生し、９７．８（Ｎｍ／ｍ）である。解析モデルでは、１２極のトルクが４極より約３０％高くなっており、回転電機としていずれも十分なトルクを発生できている。また、図２０の最大トルクの電流位相から、１２極の場合はほぼ磁石トルクのみで動作し、４極の場合はリラクタンストルクと磁石トルクの両方で動作することが確認された。
【００８１】
このように、本実施の形態によれば、可変磁力永久磁石１２の磁化を直接変化させて回転子１１Ｂの極数を変換することにより、広い可変速運転を可能とする１２極−４極の極数変換の永久磁石回転電機が実現できる。また、可変磁力磁石１２のみ磁化を反転させるだけで極数を変換することができ、また十分なトルクも得られる。
【００８２】
本実施の形態の永久磁石回転電機にあっても、上記の１２極−４極のＰＣＰＭモータに限らず、６極−２極のＰＣＰＭモータを得ることもできる。
【符号の説明】
【００８３】
Ａ 低速度大トルク領域
Ｂ 中速度領域
Ｃ 高速度領域
１ ３Ｍ−ＰＣモータ
１Ａ ２Ｍ−ＰＣモータ
１Ｂ １２／４ＰＣＰＭモータ
１１，１１Ａ，１１Ｂ 回転子
１２，１２Ａ，１２Ｂ 可変磁力磁石
１３ 回転子鉄心
１４ 固定磁力磁石
２１ 固定子
２２ 固定子鉄心
２３ 電機子巻線
１３０ 凸鉄心部
１００ ドライブシステム
１００Ａ 主回路
１００Ｂ 制御回路
１０４ ＰＷＭインバータ
１１３ 可変磁束制御部
１２９ 磁化要求生成部
１５０ 極数切替回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の極数と複数種のトルク発生モードを変更できるモード・極数可変な永久磁石回転電機及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題や世界的なエネルギー消費量の増加の改善にはシステムの省エネルギー化が効果的である。電気自動車、電車、エレベータ、家電機器では高出力で高効率を得るために非特許文献１，２に記載されているような永久磁石回転電機が適用されている。しかし、永久磁石回転電機は可変速運転では弱め磁束制御を用いるため、中〜高速度領域や軽負荷時に効率が低下することや電圧制限下で広い可変速運転が困難であることなどの問題がある。そこで、非特許文献３〜６に記載されているような回転電機内の永久磁石の磁力を変化させて駆動する新概念の永久磁石回転電機（「メモリモータ」と称されている。）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−７２０２１号公報
【特許文献２】特開２００９−２０１３００号公報
【特許文献３】特開２０１０−００４６７３号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】K.Sakai, T.Takahashi, EShimomura, M.Arata, Y.Nakazawa and T.Tajima: ”Development of permanent magnet reluctance motor suitable for variable-speed drive for electric vehicle”, T.IEE Japan, Vol.123-D, No.6, pp681-688 (2003).
【非特許文献２】K.Sakai, K.Hagiwara and Y.Hirano, ”High-power and high-efficiency permanent magnet reluctance motor for hybrid electric vehicle”, TOSHIBA REVIEW, Vol.60, No.11,pp.41-44 (2005).
【非特許文献３】K.Sakai, K.Yuki, Y.Hashiba, N.Takahashi, K.Yasui and L.Kovudhikulrungsri: “Principle and Basic Characteristics of Variable-Magnetic-Force Memory Motors”, IEEJ Trans. IA, Vol. 131, No. 1, pp.53-60 (2011).
【非特許文献４】K.Sakai, K.Yuki, D.Misu, N.Takahashi, Y.Hashiba, Y.Matsuoka and Y.Otsubo: ”Variable-magnetic-force motor assisted by reluctance torque”, 2010 National Convention Record, IEEJ, 5-012 (2010).
【非特許文献５】V.Ostovic, “Memory motors”, IEEE Industry Applications Magazine, Jan/feb., pp.52-61 (2003).
【非特許文献６】V.Ostovic, “Pole-changing permanent-magnet machines”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.38, No.6 pp.1493-1499 (2002).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、理想の可変速回転電機を目指して、高速時の永久磁石がもたらす誘導起電力の低減と低速時の高トルク発生の二律背反する特性を可能とするために、複数の極数と複数種のトルク発生モードを使い分けて駆動できる永久磁石回転電機及びその運転方法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】
【０００６】
本発明の１つの特徴は、回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とする複数ｎ個の可変磁力磁石を円周方向に所定の間隔で埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線をｎ極と２ｎ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、前記電機子巻線の結線を２ｎ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石それぞれを半径方向で同一の向きに着磁し、磁石トルク主体の２ｎ極のＰＭモード状態とし、前記電機子巻線をｎ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石を隣り合う磁石間で互いに逆方向に磁化させて磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作するｎ極ＩＰＭモード状態とし、前記電機子巻線をｎ極にして所定の短時間だけ第３の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石を消磁してリラクタンストルクのみで動作するｎ極ＲＭモード状態とし、前記２ｎ極ＰＭモード状態、ｎ極ＩＰＭモード状態及びｎ極ＲＭモード状態の間で相互にモード状態を切り替えて２ｎ極ＰＭモード、ｎ極ＩＰＭモード及びｎ極ＲＭモードのいずれでも運転できる永久磁石回転電機である。
【０００７】
本発明の別の特徴は、回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が半径方向で同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、前記４ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて４ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機である。
【０００８】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、前記４ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて４ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機である。
【０００９】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が半径方向で同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、前記４ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて４ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機である。
【００１０】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が半径方向で同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、前記４ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて４ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機である。
【００１１】
尚、上記の永久磁石回転電機では、回転子の極数変換の主要な変換パターンを述べたが、可変磁力磁石と固定磁力磁石を組合せて磁極を構成する場合は、可変磁力磁石の磁化による回転子の極数変換では電機子巻線の極数は２ｍ極と４ｍ極いずれでも可能である。したがって、電機子巻線の極数２ｍ極と４ｍ極による可変磁力磁石の磁化は上に述べた以外のパターンでも可能である。
【００１２】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に回転方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の可変磁力磁石と、半径方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と６ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、前記電機子巻線を６ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で永久磁石の磁極がＮ若しくはＳ同極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルク主体の６ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で永久磁石の磁極がＮ極若しくはＳ逆極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、前記６ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて６ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機である。
【００１３】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に回転方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の可変磁力磁石と、半径方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と６ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で永久磁石の磁極がＮ若しくはＳ同極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルク主体の６ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で永久磁石の磁極がＮ極若しくはＳ逆極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、前記６ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて６ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機である。
【００１４】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とする複数ｎ個の可変磁力磁石を円周方向に所定の間隔で埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線をｎ極と２ｎ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線の結線を２ｎ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石それぞれを同一方向に着磁させ、磁石トルク主体の２ｎ極のＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線は２ｎ極の接続で通常の運転電流を通電することにより２ｎ極ＰＭモードで運転し、中速度領域では、前記電機子巻線をｎ極に切り替えて所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石を隣り合う磁石間で互いに逆方向に磁化させて磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作するｎ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線はｎ極の接続で通常の運転電流を通電することによりｎ極ＩＰＭモードで運転し、高速度領域では、前記電機子巻線をｎ極にして所定の短時間だけ第３の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石を消磁してリラクタンストルクのみで動作するｎ極ＲＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線はｎ極の接続で通常の運転電流を通電することによりｎ極ＲＭモードで運転する永久磁石回転電機の運転方法である。
【００１５】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線は４ｍ極の接続で通常の運転電流を通電することにより４ｍ極ＰＭモードで運転し、中〜高速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線は２ｍ極の接続で通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転する永久磁石回転電機の運転方法である。
【００１６】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線は４ｍ極に接続切替し、通常の運転電流を通電することにより４ｍ極ＰＭモードで運転し、中〜高速度領域では、前記電機子巻線の結線を２ｍ極に接続切替して所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線は２ｍ極の接続で通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転する永久磁石回転電機の運転方法である。
【００１７】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線は４ｍ極の接続で通常の運転電流を通電することにより４ｍ極ＰＭモードで運転し、中〜高速度領域では、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線は２ｍ極に接続切替して、通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転する永久磁石回転電機の運転方法である。
【００１８】
尚、上記の永久磁石回転電機の運転方法でも、回転子の極数変換の主要な変換パターンを述べたが、可変磁力磁石と固定磁力磁石を組合せて磁極を構成する場合は、可変磁力磁石の磁化による回転子の極数変換では電機子巻線の極数は２ｍ極と４ｍ極いずれでも可能である。したがって、電機子巻線の極数２ｍ極と４ｍ極による可変磁力磁石の磁化は上に述べた以外のパターンでも可能である。
【００１９】
本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に回転方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の可変磁力磁石と、半径方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と６ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を６ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ同極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルク主体の６ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線は６ｍ極の接続で通常の運転電流を通電することにより６ｍ極ＰＭモードで運転し、中速〜高速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極に切り替えて所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ逆極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線を２ｍ極に切り替え、通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転する永久磁石回転電機の運転方法である。
【００２０】
本発明のさらに別の特徴は、回転子鉄心内に回転方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の可変磁力磁石と、半径方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と６ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ同極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルク主体の６ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線を６ｍ極に切り替え、通常の運転電流を通電することにより６ｍ極ＰＭモードで運転し、中速〜高速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極に切り替えて所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ逆極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線は２ｍ極の接続で通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転する永久磁石回転電機の運転方法である。
【００２１】
尚、上に述べた電機子巻線の切替は主に２つの方法がある。１つは、従来の極数変換と同様に複数のコイルと電磁接触器と接続して、電磁接触器で機械的に切り替える方法である。もう１つは、パワートランジスタ等のスイッチングパワー素子を用いて、複数のコイルと複数のスイッチング素子を接続し、スイッチング素子で電子的にコイルの接続を切り替えて行う方法である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、速度領域に対応してふさわしい極数とトルク発生モードに変更して可変速運転することができ、高速時の誘導起電力の低減と低速時の高トルク発生の二律背反する回転電機特性を出すことができる永久磁石回転電機が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１の実施の形態の３Ｍ−ＰＣモータの速度、トルクとモードとの対応図。
【図２】第１の実施の形態の３Ｍ−ＰＣモータの半分の断面図。
【図３】第１の実施の形態の３Ｍ−ＰＣモータのモード別の可変磁力磁石の着磁状態、着磁方向と極数、トルク発生モードの説明図。
【図４】実施例１の３Ｍ−ＰＣモータの諸元表１。
【図５】実施例１の３Ｍ−ＰＣモータの８極永久磁石モータ（８極ＰＭ）モードでの磁束密度の分布と磁束分布を示す断面図。
【図６】実施例１の３Ｍ−ＰＣモータの４極埋め込み磁石モータ（４極ＩＰＭ）モードでの磁束密度の分布と磁束分布を示す断面図。
【図７】実施例１の３Ｍ−ＰＣモータの４極リラクタンスモータ（４極ＲＭ）モードでの磁束密度の分布と磁束分布を示す断面図。
【図８】実施例１の３Ｍ−ＰＣモータの各モードでのトルク−電流特性のグラフ。
【図９】第１の実施の形態の３Ｍ−ＰＣモータのドライブシステムのブロック図。
【図１０】上記ドライブシステムにおける磁化要求生成部の内部構成のブロック図。
【図１１】上記ドライブシステムにおける可変磁束制御部の内部構成のブロック図。
【図１２】上記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】第２の実施の形態の２Ｍ−ＰＣモータの半分の断面図。
【図１４】第２の実施の形態の２Ｍ−ＰＣモータの速度、トルクとモードとの対応図。
【図１５】第３の実施の形態の１２／４ＰＣＰＭモータの１／４の断面図。
【図１６】第３の実施の形態の１２／４ＰＣＰＭモータのモード別の可変磁力の着磁状態、着磁方向と極数、トルク発生モードの説明図。
【図１７】実施例２の１２／４ＰＣＰＭモータの諸元表２。
【図１８】実施例２の１２／４ＰＣＰＭモータの１２極永久磁石モータ（１２極ＰＭ）モードでの磁束密度、磁束分布を示す断面図。
【図１９】実施例２の１２／４ＰＣＰＭモータの４極埋め込み磁石モータ（４極ＩＰＭ）モードでの磁束密度、磁束分布を示す断面図。
【図２０】実施例２の１２／４ＰＣＰＭモータのモード別のトルク−電流特性のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００２５】
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態の永久磁石回転電機は、極数変換ができ、３種類のトルク発生モードで動作できる３Ｍ−ＰＣモータ１である。３Ｍ−ＰＣモータ１は、可変磁力磁石の磁化方向を変えたり消磁したりすることにより永久磁石回転電機で極数変換と共にトルク発生モードを変更して３種類のモードで動作できる。すなわち、８極永久磁石モータ（８極ＰＭ）モード、４極埋め込み磁石モータ（４極ＩＰＭ）モード、４極リラクタンスモータ（４極ＲＭ）モードである。
【００２６】
一般に極数変換は誘導回転電機では可能であるが、誘導回転電機は本質的に効率が低くなる。そこで、永久磁石回転電機で極数変換を可能にできれば、広い可変速運転範囲で高効率の運転を期待できる。本実施の形態の３Ｍ−ＰＣモータ１の３種類のモードには、磁石トルク主体の８極ＰＭモード、磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する４極ＩＰＭモード、リラクタンストルクのみで動作する４極ＲＭモードがある。図１に示すように運転状態に応じてモードを変更することで回転電機を常に効率の良い領域で運転することができる。起動初期の高トルクを必要とする領域Ａでは８極ＰＭモード、中速〜高速度領域Ｂでは磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する４極ＩＰＭモード、さらに高速から超高速度領域Ｃではリラクタンストルクのみで動作する４極ＲＭモードで運転することができる。
【００２７】
３Ｍ−ＰＣモータ１の基本構成を図２に示す。図２はモータ１の半分の断面を示している。３Ｍ−ＰＣモータ１の回転子１１は、低保磁力磁石１２（以下、「可変磁力磁石」と称す）が回転子鉄心１３に埋め込まれた構成である。図に示す３Ｍ−ＰＣモータ１は、可変磁力磁石１２が４個、円周方向に等間隔に配置された構成である。低保磁力の可変磁力磁石１２としては、高保磁力の固定磁力磁石であるネオジム磁石よりも低保磁力のもの、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石、サマリウム・コバルト磁石等を使用する。特に、今日、サマリウム・コバルト磁石が最適である。
【００２８】
３Ｍ−ＰＣモータ１の固定子２１は、円筒形の固定子鉄心２２の内周面に等間隔に形成されているスロットに電機子巻線２３を巻装した構成である。この固定子２１の電機子巻線２３は、３相交流入力に対して８極と４極に結線を切り替えることができる、一般的な誘導回転電機の極数切替回転電機と同様の仕組みである。
【００２９】
巻線の極数変換については、８極では２つのＹ結線が直列接続で４極では２つのＹ結線が並列接続の場合、または、８極では２つのＹ結線が並列接続で４極では２組の巻線が直列になったΔ接続の場合などがあり、回転電機が駆動する装置の運転要求に応じて、極数変換する電機子巻線の接続パターンが適用される。
【００３０】
図３はモータ１の半分を模式的に示したものである。図３（ａ）に示すように、回転子１１が８極になる場合（８極ＰＭモード）は、可変磁力磁石１２の磁化方向は隣り合う磁石１２Ａ，１２Ｂと同極（ここではＮ極）とする。隣り合う磁石１２Ａ，１２Ｂ間の凸鉄心部１３０には、可変磁力磁石１２とは逆の磁極（イメージポール。ここではＳ極）が形成され、回転子全周では８極である。この８極ＰＭモードにするためには、固定子２１側は８極に切り替え、極短時間（例えば、０．０１ｓ）の間、通常の運転時の電流よりも数倍、例えば、３倍のパルス状の磁化電流（ｄ軸電機子電流）を流すことにより、全可変磁力磁石１２を同時に図３（ａ）に示す磁化方向に磁化し、その後に運転を開始する。そして、８極ＰＭモードでの運転時には、固定子２１側の電機子巻線２３の結線を８極に切り替えて運転する。この８極ＰＭモードでは、磁石トルクにより回転力が得られる。
【００３１】
図３（ｂ）に示すように、回転子１１の極数を８極ＰＭモードから４極ＩＰＭモードにする場合、電機子巻線２３を４極に切り替えて、極短時間だけパルス状のｄ軸電機子電流を通電させ、その磁界を用いて回転子１１の１つ置きの可変磁力磁石１２Ａを一方の方向に、そして他方の１つ置きの可変磁力磁石１２Ｂをその逆方向に磁化する。これにより、可変磁力磁石１２の磁化方向は隣り合う磁石１２Ａ，１２Ｂが逆の極性となり、４極ＩＰＭモードとなる。この４極ＩＰＭモードでの運転時には、固定子２１側の電機子巻線２３の結線を４極に切り替えて運転する。この４極ＩＰＭモードでは、磁石トルクと凸鉄心部１３０が凸極となるリラクタンストルクとの両方のトルクで回転力が得られる。
【００３２】
図３（ｃ）に示すように、４極ＩＰＭモードから４極ＲＭモードとする場合、ｄ軸電機子電流でそれぞれの可変磁力磁石１２Ａ，１２Ｂに対して逆磁界を発生させて全可変磁力磁石１２を消磁させる。この４極ＲＭモードでは、凸鉄心部１３０が凸極となるリラクタンストルクのみで回転力する。
【００３３】
図３（ｃ）に示す回転子１１の極数を４極ＲＭモードから同図（ｂ）に示す４極ＩＰＭモードに変更する場合、４極巻線接続としてｄ軸電機子電流でそれぞれの可変磁力磁石１２Ａ，１２Ｂに対して４極の磁界を発生させて可変磁力磁石１２Ａ，１２Ｂを互いに逆向きに磁化する。
【００３４】
さらに、図３（ｂ）に示す回転子１１の極数を４極ＩＰＭモードから同図（ａ）に示す８極ＰＭモードとする場合、固定子２１を８極に切り替えて、８極のｄ軸電機子電流による磁界を発生させて可変磁力磁石１２を磁化する。
【実施例１】
【００３５】
基本的な変換特性の把握と回転電機の可能性を検証するために本発明の回転電機の有限要素法磁界解析を行った。磁石材料は、サマリウム・コバルト磁石である。
【００３６】
解析モデルの諸元表を図４に示す。固定子２１の直径は１００ｍｍ、回転子１１の直径は５１ｍｍ、定格電流は３．６Ａｒｍｓ、可変磁力永久磁石の保磁力は４２０ｋＡ／ｍ、厚みは２ｍｍ、幅は２０ｍｍである。
【００３７】
この解析で得られた各モード時の磁束密度分布と磁束線を図５〜図７に示してあり、８極と４極が形成されていることがわかる。すなわち、図５（ａ），（ｂ）の８極ＰＭモードは、可変磁力磁石１２と隣接する凸鉄心部分１３０で２極を形成し、円周全周で８極を形成している。図６（ａ），（ｂ）の４極ＩＰＭモードは、各可変磁力磁石１２が１極をなし、円周全周で４極を形成している。そして、図７（ａ），（ｂ）の４極ＲＭモードの場合、各凸鉄心部１３０が凸極となり、円周全周で４極を形成している。
【００３８】
次に、定格電流３．６［Ａｒｍｓ］で電流位相を変化させたときのトルク対電流位相特性を測定したところ、図８のグラフのような結果を得た。８極ＰＭモードの場合の最大トルクは電流位相１００ｄｅｇ．で８０．７［Ｎｍ／ｍ］、４極ＩＰＭモードの場合の最大トルクは電流位相１２４ｄｅｇ．で８０．３［Ｎｍ／ｍ］、４極ＲＭモードの場合の最大トルクは電流位相１３６ｄｅｇ．で３１．８［Ｎｍ／ｍ］となる。電流位相とトルクの関係から各モードに応じて３種のトルクが発生していることが確認でき、いずれも電気自動車に搭載しても動作可能なトルクが得られている。尚、トルクは鉄心長が単位長さ１［ｍ］あたりの値である。
【００３９】
図９は、第１の実施の形態の永久磁石回転電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３Ｍ−ＰＣモータ１にて構成されている。そして、主回路１００Ａには、モータ電力を検出するための交流電流検出器１０２、回転子の速度と磁極位置を検出するための速度・位置検出器１１８が設置されている。３Ｍ−ＰＣモータ１の固定子２１には、その電機子巻線２３の接続極数を８極−４極で切り替える極数切替回路１５０を備えている。
【００４０】
この極数切替回路１５０は、通常の誘導電動機の極数切替電動機（ｐｏｌｅ ｃｈａｎｇｅ ｍｏｔｏｒ）に採用するものと同様の巻線接続回路で電磁接触器で巻線接続を切り替える。または、パワートランジスタ等のパワースイッチング素子を用いて、複数のコイルと複数のスイッチング素子を接続してスイッチング素子をオン、オフすることによってコイルの直列と並列接続や、ΔやＹ結線の接続を形成して電子的に巻線切替を行う。さらにスイッチング素子を相数に応じて増加すれば相数も切り替えて運転できる。例えば、永久磁石１２の数に対応し、４極では複数の巻線を直列接続したΔ結線から、その２倍の極数の８極に変換する場合は複数の巻線を並列接続したＹ結線に切り替えることにより、電機子巻線２３を４極と８極とに切り替える。当然、並列接続のＹ結線の４極から直列接続のＹ結線の８極にする巻線切替など、この例だけでなく他のパターンの巻線接続による極数変換も可能である。この極数切替回路１５０も、制御回路１００Ｂの指令により極数切替動作をする。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
ここに、Φｍｉｎは可変磁束モータ１として取り得る最小磁束量（＞０）、Φｍａｘは可変磁束モータ１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１１３のところで説明する。
【００４５】
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を演算する。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
可変磁力磁石１２を磁化するためには、可変磁力磁石１２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、可変磁石の磁化飽和領域となるように設定する。また、消磁に必要な磁化電流指令Ｉｍ＊も演算する。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、切替要求（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。磁化要求フラグＦＣｒｅｇは３Ｍ−ＰＣモータ１の極数切替回路１５０にも出力され、極数切替回路１５０は電機子巻線２３を８極結線から４極結線を切り替える。
【００５３】
切替器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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
このように構成された本実施の形態の３Ｍ−ＰＣモータ１、そしてそのドライブシステム１００の作用を説明する。固定子２１の電機子巻線２３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、可変磁力磁石１２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２１の電機子巻線２３のｄ軸電流成分とする。
【００５７】
（１）８極ＰＭモード：
始動時や急角度の段差部分を乗り越える場合、低速度、大トルクが必要であるので、８極ＰＭモードに切り替え、固定子２１の電機子巻線２３も８極に切り替える。この場合、電機子巻線２３に所定の磁化電流を流し、全可変磁力磁石１２を同一方向に磁化させる。これにより、図３（ａ）に示す８極ＰＭモードなる。
【００５８】
（２）４極ＩＰＭモード：
回転速度が所定の低速度領域を超えた時に、回転子１１の極数を８極ＰＭモードから４極ＩＰＭモードに切り替える。この場合、電機子巻線２３を４極に切り替え、極短時間だけパルス状のｄ軸電機子電流を流し、その磁界を用いて回転子１１の可変磁力磁石１２Ａだけを逆方向に磁化させる。これにより、可変磁力磁石１２の磁化方向は隣り合う磁石１２Ａ，１２Ｂが逆極性となり、４極となる。そして、図３（ｂ）に示すように、凸鉄心部１３０には磁極は現れないので、この部分が凸極となり、４極永久磁石トルクと４極リラクタンストルクが同時に得られる４極ＩＰＭモードとなる。
【００５９】
このとき、全鎖交磁束数と周波数が下がるので、モータ電圧が下がる。この結果、電源電圧の上限値に対して余裕ができ、回転速度（周波数）を高くすることができる。
【００６０】
（３）４極ＲＭモード：
回転速度が所定の中速度領域を超えて高速度領域に入った時には、ｄ軸電機子電流で逆磁界を発生させて全可変磁力磁石１２を消磁させ、回転子鉄心１３の凸鉄心部１３０が磁気的な凸極となり、リラクタンストルクだけで回転する４極ＲＭモードに移行する。
【００６１】
これにより、モータ電圧が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。
【００６２】
このようにして、本実施の形態の３Ｍ−ＰＭモータ１では、磁石トルク主体の８極ＰＭモード、磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する４極ＩＰＭモード、リラクタンストルクのみで動作する４極ＲＭモードの３種類の運転モードを速度領域に応じて切り替えることにより、極数変換を可能にして広い可変速運転範囲で高効率の運転ができる。
【００６３】
［第２の実施の形態］
３Ｍ−ＰＣモータは、基本的には、極性が反転する永久磁石は片方のみでよいので、ＲＭモードを使用しない場合は、図１３に示す２Ｍ−ＰＣモータ１Ａのように、固定磁力磁石１４と可変磁力磁石１２の組合せも可能である。低保磁力の可変磁力磁石１２には、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石、サマリウム・コバルト磁石などを採用する。そして、固定磁力磁石１４には、高保磁力磁石としてネオジム磁石を採用する。尚、これらの組み合わせは限定されるものではないが、磁化制御において可変磁力磁石１２は極短時間かけられる磁界により増磁あるいは減磁し、固定磁力磁石１４はその磁界によっては磁力をほとんど変化させない特性の磁石を選択する。
【００６４】
この２Ｍ−ＰＣモータ１Ａでは、第１の実施の形態における（１）、（２）の切り替え制御により広い速度範囲での可変速運転ができる。ドライブシステムも簡略化できる。
【００６５】
尚、上記第１、第２の実施の形態の永久磁石回転電機については、８極−４極の切り替えができる３Ｍ−ＰＣモータを例示したが、これに限定されるものではなく、可変磁力磁石１２の挿入個数により、４極−２極、６極−３極、１２極−６極、１６極−８極等の組み合わせも可能である。
【００６６】
［第３の実施の形態］
本実施の形態は、回転子磁石の磁化を直接的に変えて極数を変換することで、広い速度範囲で可変速運転できる１２極−４極の極数変換モータ１Ｂである。
【００６７】
１２極−４極の極数変換永久磁石回転電機（以下、「１２／４ＰＣＰＭモータ」と称す。）は、低保磁力の磁石（以下、「可変磁力磁石」と称す。）の磁化を直接変えることにより回転子の極数を１２極と４極に変換し、図１４における高トルク、低速度領域Ａでは１２極、中高速度領域Ｂでは４極にすることで、広範囲の可変速運転を可能とする。モータは１２極にした場合、ＰＭモータとして動作し、４極にした場合はＩＰＭモータとして動作する２種類のトルク発生モードを持つモータでもある。高保磁力の固定磁力磁石と低保磁力の可変磁力磁石の両方を用いることによって、可変磁力磁石のみの場合よりも高トルク化ができる。例えば、低保磁力の可変磁力磁石１２には、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石あるいはサマリウム・コバルト磁石などを採用する。そして、高保磁力の固定磁力磁石１４としては、ネオジム磁石を採用する。
【００６８】
図１５に、本実施の形態の１２／４ＰＣＰＭモータ１Ｂ（全周の１／４モデル）の構成を示している。１２／４ＰＣＰＭモータ１Ｂの回転子１１Ｂは、半径方向に長く、回転方向が磁化方向である可変磁力磁石１２と、円周方向に長く、半径方向が磁化方向である固定磁力磁石１４を回転子鉄心１３に等角度ずつ離して埋め込んだ構造である。
【００６９】
この１２／４ＰＣＰＭモータ１Ｂは、固定磁力磁石１４と可変磁力磁石１２の磁化状態で極数を変換できる磁気構成である。固定子２１の構成は、第１の実施の形態と同様であり、電機子巻線２３の結線を切り替えることにより極数の切替ができる極数切替回転電機のものを採用する。
【００７０】
本実施の形態の１２／４ＰＣＰＭモータ１Ｂでは、電機子巻線２３に極短時間のパルス状のｄ軸電機子電流を流すことにより生じる磁界を用いて、回転子１１Ｂの可変磁力磁石１２を磁化することにより、回転子１１Ｂの極数を変換する。
【００７１】
極数変換の動作について、図１６の１／２回転子モデルの模式図を用いて説明する。回転子１１Ｂが１２極の磁気構成は、図１６（ａ）に示すようになり、可変磁力磁石１２と固定磁力磁石１４との間の回転子鉄心１３の表面に固定磁力磁石１４と反対の極が形成される。これより１／２モデルで６極が形成されることになり、全周で１２極となる。
【００７２】
次に回転子１１Ｂの極数を１２極から４極とする場合を述べる。固定子２１の電機子巻線２３は１２極から４極に接続を変え、正のｄ軸電機子電流による増磁界により可変磁力磁石１２の磁化方向を変える。図１６（ｂ）に示すように、可変磁力磁石１２と固定磁力磁石１４との磁化方向は磁気的に同一方向にする。固定磁力磁石１４を主とするＮ極が形成され、１／２モデルで２極となる。全周では４極となる。
【００７３】
逆に回転子１１Ｂの極数を４極から１２極とする場合、電機子巻線２３を４極巻線接続における負のｄ軸電流で磁界を発生させ、可変磁力磁石１２の磁化方向を反転させる。
【００７４】
この１２／４ＰＣＰＭモータ１Ｂに対するドライブシステムは、第１の実施の形態と同様であり、図９〜図１２に示すものが採用できる。
【００７５】
（１）１２極ＰＭモード：
始動時や急角度の段差部分を乗り越える場合、低速度、大トルクが必要であるので、１２極ＰＭモードに切り替え、固定子２１の電機子巻線２３も１２極に切り替える。この場合、電機子巻線２３に所定の磁化電流を流し、可変磁力磁石１２Ａと可変磁力磁石１２Ｂを磁化して、固定磁力磁石１４の内側面、固定磁力磁石１４と隣り合う可変磁力磁石１２の向き合う面が共にＮ極又はＳ極で同極となる。これにより、図１６（ａ）に示す１２極ＰＭモードなる。
【００７６】
（２）４極ＩＰＭモード：
回転速度が所定の低速度領域を超えた時に、回転子１１の極数を１２極ＰＭモードから４極ＩＰＭモードに切り替える。この場合、電機子巻線２３を４極に切り替え、極短時間だけパルス状のｄ軸電機子電流を流し、その磁界を用いて回転子１１の可変磁力磁石１２Ａと可変磁力磁石１２Ｂも磁化する。磁化は、可変磁力磁石１２の磁化方向は隣り合う磁石１２Ａ，１２Ｂは同極性、そして固定磁力磁石１４とは逆極性となるような方向に作用させる。これにより、可変磁力磁石１２Ａと１２Ｂと固定磁力磁石１４で一つの磁極を形成することになり、全周で４極となる。同時に、固定磁力磁石１４に隣接する凸鉄心部１３０は磁気的に凸極となる。これにより、４極磁石トルクと４極リラクタンストルクとの両方のトルクで回転力を生む４極ＩＰＭモードとなる。
【００７７】
そして、この４極ＩＰＭモードのとき、全鎖交磁束数と周波数が下がるので、モータ電圧が下がる。この結果、電源電圧の上限値に対して余裕ができ、回転速度（周波数）を高くすることができ、高速回転が可能となる。
【実施例２】
【００７８】
本発明の回転電機の基本的な変換特性の把握とモータの可能性を検証するために有限要素法磁界解析を行った。解析モデルの諸元表を図１７に示す。固定子２１の直径は１１２ｍｍ、回転子１１Ｂの直径は５５ｍｍ、鉄心長は５０ｍｍ、最大電流は３．６Ａｒｍｓ、電機子巻線２３の巻数は４５、固定磁力磁石１４の厚みは２ｍｍ、可変磁力磁石１２の厚みは３ｍｍである。
【００７９】
極数変換におけるモータの永久磁石による磁束密度分布と磁束線を図１８、図１９に示す。回転子１１Ｂの可変磁力磁石１２の極性反転により、図１８（ａ），（ｂ）の１／４コアでは３極が形成されていることから、全周で１２極であり、図１９（ａ），（ｂ）では１極なので全周では４極に極数変換できることが確認できた。
【００８０】
次に、定格電流３．６［Ａｒｍｓ］で電流位相を変化させたときのトルク特性の解析値を図２０に示す。尚、トルクは鉄心長が単位長さ（１ｍ）当りの値である。１２極の場合の最大トルクは電流位相９６ｄｅｇｒｅｅで発生し、１２６（Ｎｍ／ｍ）である。４極の最大トルクは電流位相１２６ｄｅｇｒｅｅで発生し、９７．８（Ｎｍ／ｍ）である。解析モデルでは、１２極のトルクが４極より約３０％高くなっており、回転電機としていずれも十分なトルクを発生できている。また、図２０の最大トルクの電流位相から、１２極の場合はほぼ磁石トルクのみで動作し、４極の場合はリラクタンストルクと磁石トルクの両方で動作することが確認された。
【００８１】
このように、本実施の形態によれば、可変磁力永久磁石１２の磁化を直接変化させて回転子１１Ｂの極数を変換することにより、広い可変速運転を可能とする１２極−４極の極数変換の永久磁石回転電機が実現できる。また、可変磁力磁石１２のみ磁化を反転させるだけで極数を変換することができ、また十分なトルクも得られる。
【００８２】
本実施の形態の永久磁石回転電機にあっても、上記の１２極−４極のＰＣＰＭモータに限らず、６極−２極のＰＣＰＭモータを得ることもできる。
【符号の説明】
【００８３】
Ａ 低速度大トルク領域
Ｂ 中速度領域
Ｃ 高速度領域
１ ３Ｍ−ＰＣモータ
１Ａ ２Ｍ−ＰＣモータ
１Ｂ １２／４ＰＣＰＭモータ
１１，１１Ａ，１１Ｂ 回転子
１２，１２Ａ，１２Ｂ 可変磁力磁石
１３ 回転子鉄心
１４ 固定磁力磁石
２１ 固定子
２２ 固定子鉄心
２３ 電機子巻線
１３０ 凸鉄心部
１００ ドライブシステム
１００Ａ 主回路
１００Ｂ 制御回路
１０４ ＰＷＭインバータ
１１３ 可変磁束制御部
１２９ 磁化要求生成部
１５０ 極数切替回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とする複数ｎ個の可変磁力磁石を円周方向に所定の間隔で埋め込んだ回転子と、
極数切替回路にて電機子巻線の結線をｎ極と２ｎ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、
前記電機子巻線の結線を２ｎ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石それぞれを同一方向に着磁させ、磁石トルク主体の２ｎ極のＰＭモード状態とし、前記電機子巻線をｎ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石を隣り合う磁石間で互いに逆方向に磁化させて磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作するｎ極ＩＰＭモード状態とし、前記電機子巻線をｎ極にして所定の短時間だけ第３の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石を消磁してリラクタンストルクのみで動作するｎ極ＲＭモード状態とし、
前記２ｎ極ＰＭモード状態、ｎ極ＩＰＭモード状態及びｎ極ＲＭモード状態の間で相互にモード状態を切り替えて２ｎ極ＰＭモード、ｎ極ＩＰＭモード及びｎ極ＲＭモードのいずれでも運転できる永久磁石回転電機。
【請求項２】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、
極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、
前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、
前記４ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて４ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機。
【請求項３】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、
極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、
前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、
前記４ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて４ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機。
【請求項４】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、
極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、
前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、
前記２ｍ極ＰＭモード状態とｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて２ｍ極ＰＭモードとｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機。
【請求項５】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、
極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、
前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、
前記４ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて４ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機。
【請求項６】
回転子鉄心内に回転方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の可変磁力磁石と、半径方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、
極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と６ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、
前記電機子巻線を６ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ同極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルク主体の６ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ逆極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、
前記６ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて６ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機。
【請求項７】
回転子鉄心内に回転方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の可変磁力磁石と、半径方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、
極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と６ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、
前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ同極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルク主体の６ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ逆極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、
前記６ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて６ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機。
【請求項８】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とする複数ｎ個の可変磁力磁石を円周方向に所定の間隔で埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線をｎ極と２ｎ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、
大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線の結線を２ｎ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石をエアギャップ面で交互に異極を形成するように磁化し、磁石トルク主体の２ｎ極のＰＭモード状態にし、前記電機子巻線が２ｎ極で通常の運転電流を通電することにより２ｎ極ＰＭモードで運転し、
中速から高速度域では、前記電機子巻線をｎ極に切り替えて所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、半径方向可変磁力磁石１個と円周方向磁化の可変磁力磁石２個で挟まれた磁極部がエアギャップ面で同一極を形成するように前記ｎ個の各可変磁力磁石を磁化し、磁石トルクとリラクタンストルクとの両方で動作するｎ極ＩＰＭモード状態にし、通常の運転電流を通電することによりｎ極ＩＰＭモードで運転し、
また、高速度領域では、前記電機子巻線をｎ極にして所定の短時間だけ第３の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｎ個の可変磁力磁石を消磁してリラクタンストルクのみで動作するｎ極ＲＭモード状態にし、通常の運転電流を通電することによりｎ極ＲＭモードで運転することを特徴とする永久磁石回転電機の運転方法。
【請求項９】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、
大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線は４ｍ極で通常の運転電流を通電することにより４ｍ極ＰＭモードで運転し、
中速から高速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線は２ｍ極で通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転することを特徴とする永久磁石回転電機の運転方法。
【請求項１０】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、
大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線を４ｍ極に切り替えて通常の運転電流を通電することにより４ｍ極ＰＭモードで運転し、
中速から高速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線は２ｍ極で通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転することを特徴とする永久磁石回転電機の運転方法。
【請求項１１】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、
大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線を４ｍ極に切り替えて通常の運転電流を通電することにより４ｍ極ＰＭモードで運転し、
中速から高速度領域では、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線は２ｍ極で通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転することを特徴とする永久磁石回転電機の運転方法。
【請求項１２】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、
大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態にし、通常の運転電流を通電することにより４ｍ極ＰＭモードで運転し、
中速から高速度領域では、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線を２ｍ極に切り替えて通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転することを特徴とする永久磁石回転電機の運転方法。
【請求項１３】
回転子鉄心内に回転方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の可変磁力磁石と、半径方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と６ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、
大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を６ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ同極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルク主体の６ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線を６ｍ極に切り替え、通常の運転電流を通電することにより６ｍ極ＰＭモードで運転し、
中高速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ逆極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線を２ｍ極に切り替え、通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転することを特徴とする永久磁石回転電機の運転方法。
【請求項１４】
回転子鉄心内に回転方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の可変磁力磁石と、半径方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と６ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、
大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ同極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルク主体の６ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線を６ｍ極に切り替え、通常の運転電流を通電することにより６ｍ極ＰＭモードで運転し、
中高速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ逆極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線を２ｍ極に切り替え、通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転することを特徴とする永久磁石回転電機の運転方法。
【請求項１】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とする複数ｎ個の可変磁力磁石を円周方向に所定の間隔で埋め込んだ回転子と、
極数切替回路にて電機子巻線の結線をｎ極と２ｎ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、
前記電機子巻線の結線を２ｎ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石それぞれを同一方向に着磁させ、磁石トルク主体の２ｎ極のＰＭモード状態とし、前記電機子巻線をｎ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石を隣り合う磁石間で互いに逆方向に磁化させて磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作するｎ極ＩＰＭモード状態とし、前記電機子巻線をｎ極にして所定の短時間だけ第３の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石を消磁してリラクタンストルクのみで動作するｎ極ＲＭモード状態とし、
前記２ｎ極ＰＭモード状態、ｎ極ＩＰＭモード状態及びｎ極ＲＭモード状態の間で相互にモード状態を切り替えて２ｎ極ＰＭモード、ｎ極ＩＰＭモード及びｎ極ＲＭモードのいずれでも運転できる永久磁石回転電機。
【請求項２】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、
極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、
前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、
前記４ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて４ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機。
【請求項３】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、
極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、
前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、
前記４ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて４ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機。
【請求項４】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、
極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、
前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、
前記２ｍ極ＰＭモード状態とｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて２ｍ極ＰＭモードとｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機。
【請求項５】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、
極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、
前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、
前記４ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて４ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機。
【請求項６】
回転子鉄心内に回転方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の可変磁力磁石と、半径方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、
極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と６ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、
前記電機子巻線を６ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ同極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルク主体の６ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ逆極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、
前記６ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて６ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機。
【請求項７】
回転子鉄心内に回転方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の可変磁力磁石と、半径方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、
極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と６ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備え、
前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ同極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルク主体の６ｍ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆向きの第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ逆極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態とし、
前記６ｍ極ＰＭモード状態と２ｍ極ＩＰＭモード状態との間で相互にモード状態を切り替えて６ｍ極ＰＭモードと２ｍ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できる永久磁石回転電機。
【請求項８】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とする複数ｎ個の可変磁力磁石を円周方向に所定の間隔で埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線をｎ極と２ｎ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、
大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線の結線を２ｎ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により前記ｎ個の可変磁力磁石をエアギャップ面で交互に異極を形成するように磁化し、磁石トルク主体の２ｎ極のＰＭモード状態にし、前記電機子巻線が２ｎ極で通常の運転電流を通電することにより２ｎ極ＰＭモードで運転し、
中速から高速度域では、前記電機子巻線をｎ極に切り替えて所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、半径方向可変磁力磁石１個と円周方向磁化の可変磁力磁石２個で挟まれた磁極部がエアギャップ面で同一極を形成するように前記ｎ個の各可変磁力磁石を磁化し、磁石トルクとリラクタンストルクとの両方で動作するｎ極ＩＰＭモード状態にし、通常の運転電流を通電することによりｎ極ＩＰＭモードで運転し、
また、高速度領域では、前記電機子巻線をｎ極にして所定の短時間だけ第３の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｎ個の可変磁力磁石を消磁してリラクタンストルクのみで動作するｎ極ＲＭモード状態にし、通常の運転電流を通電することによりｎ極ＲＭモードで運転することを特徴とする永久磁石回転電機の運転方法。
【請求項９】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、
大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線は４ｍ極で通常の運転電流を通電することにより４ｍ極ＰＭモードで運転し、
中速から高速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線は２ｍ極で通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転することを特徴とする永久磁石回転電機の運転方法。
【請求項１０】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、
大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線を４ｍ極に切り替えて通常の運転電流を通電することにより４ｍ極ＰＭモードで運転し、
中速から高速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線は２ｍ極で通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転することを特徴とする永久磁石回転電機の運転方法。
【請求項１１】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、
大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線を４ｍ極に切り替えて通常の運転電流を通電することにより４ｍ極ＰＭモードで運転し、
中速から高速度領域では、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線は２ｍ極で通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転することを特徴とする永久磁石回転電機の運転方法。
【請求項１２】
回転子鉄心内に半径方向を磁化方向とするｍ個の可変磁力磁石とｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と４ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、
大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が同一になるように磁化して磁石トルク主体の４ｍ極ＰＭモード状態にし、通常の運転電流を通電することにより４ｍ極ＰＭモードで運転し、
中速から高速度領域では、前記電機子巻線を４ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記ｍ個の可変磁力磁石を前記固定磁力磁石と磁化方向が逆向きになるように磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線を２ｍ極に切り替えて通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転することを特徴とする永久磁石回転電機の運転方法。
【請求項１３】
回転子鉄心内に回転方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の可変磁力磁石と、半径方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と６ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、
大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を６ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ同極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルク主体の６ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線を６ｍ極に切り替え、通常の運転電流を通電することにより６ｍ極ＰＭモードで運転し、
中高速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ逆極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線を２ｍ極に切り替え、通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転することを特徴とする永久磁石回転電機の運転方法。
【請求項１４】
回転子鉄心内に回転方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の可変磁力磁石と、半径方向を磁化方向とする偶数２ｍ個の固定磁力磁石とを円周方向に所定の間隔で交互に埋め込んだ回転子と、極数切替回路にて電機子巻線の結線を２ｍ極と６ｍ極との間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石回転電機の運転方法であって、
大トルク、低速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ通常の運転時の電流よりも大きい第１の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ同極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルク主体の６ｍ極ＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線を６ｍ極に切り替え、通常の運転電流を通電することにより６ｍ極ＰＭモードで運転し、
中高速度領域では、前記電機子巻線を２ｍ極にして所定の短時間だけ第２の磁化電流を流すことによって発生する磁界により、前記可変磁力磁石とその両隣の可変磁力磁石とが取り囲む回転鉄心部分で磁極がＮ若しくはＳ逆極となるように前記可変磁力磁石それぞれを磁化して磁石トルクとリラクタンストルクの両方で動作する２ｍ極ＩＰＭモード状態にし、前記電機子巻線の結線を２ｍ極に切り替え、通常の運転電流を通電することにより２ｍ極ＩＰＭモードで運転することを特徴とする永久磁石回転電機の運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２０】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２０】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１３−３４３１７（Ｐ２０１３−３４３１７Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６９３３８（Ｐ２０１１−１６９３３８）
【出願日】平成２３年８月２日（２０１１．８．２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２０１１年３月５日、社団法人電気学会発行の「平成２３年 電気学会全国大会講演論文集」（ＣＤ−ＲＯＭ）の、「１２極−４極の極数変換永久磁石モータ」（５−０１５）、「３種トルク発生と極数変換を可能とする新規永久磁石モータ」（５−０１６）に発表
【出願人】（５０１０６１３１９）学校法人 東洋大学 (68)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２日（２０１１．８．２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２０１１年３月５日、社団法人電気学会発行の「平成２３年 電気学会全国大会講演論文集」（ＣＤ−ＲＯＭ）の、「１２極−４極の極数変換永久磁石モータ」（５−０１５）、「３種トルク発生と極数変換を可能とする新規永久磁石モータ」（５−０１６）に発表
【出願人】（５０１０６１３１９）学校法人 東洋大学 (68)
【Ｆターム（参考）】
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