以下、本発明の実施の形態を図に基づい� ��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。

 (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� �明の第1の実施の形態の永久磁石式回転電機� ��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� ��向するように収容した構造である。尚、固� ��子20は、従来例と同様であり、図20と同様の ものである。

 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� �2、保磁力と磁化方向厚みの積が小となる永� ��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� ��鋼板を積層して構成し、保磁力と磁化方向� ��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� ��れている。この保磁力と磁化方向厚みの積� ��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� �方向断面に4個埋め込まれている。

 アルニコ磁石で成る永久磁石3は回転子1� �ほぼ径方向に沿って配置され、その断面は� �形状である。また、永久磁石3の磁化方向は� ��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� �、その断面は長方形状である。また、永久� �石4の磁化方向はほぼ径方向であり、磁化方� ��の厚みは本実施の形態では2mmである。

 図2に本実施の形態に適用する永久磁石3� �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� ��石の950kA/mの1/15になる。アルニコ磁石とFeCrC o磁石は、NdFeB磁石と比較してかなり低保磁力 である。

 本実施の形態の回転電機における永久磁� ��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� �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� ��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� ��コ永久磁石3を通るので、d軸電流による磁� �は1極当たりNdFeB永久磁石4の1/2個分に作用す� ��。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。

 本実施の形態では、保磁力と磁化方向厚み� ��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� �態では、1極当りのアルニコ磁石の保磁力と� ��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� ��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� ��1000kA/m×(2×10 ^-3 )m=2000Aとなる。本実施の形態においては、NdFe B永久磁石4の保磁力と磁化方向厚みの積は、� ��ルニコ永久磁石3の5.6倍も大となるようにし てある。

 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� ��ニコ永久磁石3の両端部には空洞5が設けら� �る。アルニコ永久磁石3は磁極間の中心軸に� ��るq軸と一致する回転子1の半径方向に沿っ� �配置される。また、アルニコ永久磁石3の磁� ��容易方向はほぼ周方向であり、半径に対し� ��直角方向(図1ではアルニコ永久磁石3の台形� ��面を2等分し回転中心を通る線に直角)方向� �する。

 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� ��アルニコ永久磁石3により回転子1の内周側� �挟まれるように回転子1のほぼ周方向に配置� ��れている。NdFeB永久磁石4の磁化容易方向は� ��転子1の周方向に対してほぼ直角(図1ではNdFe B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。

 そして、回転子鉄心2の磁極鉄心部7は、2� ��のアルニコ永久磁石3と1個のNdFeB永久磁石4� �で取り囲まれるようにして形成される。図1� ��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� ��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� ��、アルニコ永久磁石3の磁化方向はq軸に対� �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� �は同極にしてある。

 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、� �の磁化方向はd軸に対して0°、又は180°の方� �となる。隣合うNdFeB永久磁石4において、互� �に磁極の向きは逆極性にしてある。

 [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� �式回転電機を電動機として回転駆動するた� �の永久磁石電動機ドライブシステム100の制� �ブロック図である。同図を説明する前に、� �久磁石同期電動機(PM電動機)としての可変磁� ��電動機について説明する。可変磁束電動機1 01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� ��磁石FMGのみであるのに対して、本可変磁束� ��動機1の特徴は、可変磁石VMGが備わっている ことにある。

 ここで固定磁石や可変磁石について、説� ��を加える。永久磁石とは、外部から電流な� ��を流さない状態において磁化した状態を維� ��するものであって、いかなる条件において� ��その磁束密度が厳密に変化しないというわ� ��ではない。従来のPM電動機であっても、イ� �バータなどにより過大な電流を流すことで� �磁したり、あるいは逆に着磁したりする。� �って、永久磁石とは、その磁束量が一定不� �なものではなく、通常の定格運転中に近い� �態ではインバータ等から供給される電流に� �って磁束密度が概ね変化しないもののこと� �指す。一方、前述の磁束密度が可変である� �久磁石、つまり、可変磁石とは、上記のよ� �な運転条件においてもインバータ等で流し� �る電流によって磁束密度が変化するものを� �す。

 このような可変磁石VMGは、磁性体の材質� ��構造に依存してある程度の範囲で設計が可� ��である。例えば、最近のPM電動機は、残留� �束密度Brの高いネオジム(NdFeB)磁石を用いる� �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� �装置サイズにて出力可能であり、電動機の� �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� ��、通常の電流によって減磁しないことが要� ��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� ��は、残留磁束密度が大きく保磁力の大きい� ��石が選定されるためである。

 ここで、残留磁束密度が高く、保磁力Hc� �小さいアルニコAlNiCo(Hc=60~120kA/m)やFeCrCo磁石(H c=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� ��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� ��る。厳密に言えば、固定磁石FMGとしている� ��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� ��ータ電流がなくなれば当初の値に戻る。他� ��、可変磁石VMGは不可逆領域まで利用するた� ��、インバータ電流がなくなっても当初の値� ��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� �するだけで、Q軸方向はほぼ0である。

 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、� ��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� ��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。

 従来の永久磁石電動機ドライブシステム� ��おいて、インバータの出力電流による磁化� ��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� �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。

 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� �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。

 ここに、R1は巻線抵抗、Ldはd軸インダク� �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� ��ンバータ周波数である。

 図7は、第1の実施の形態の永久磁石電動� �ドライブシステム100の主回路100A及び制御回� ��100Bを示している。主回路100Aは、直流電源10 3、直流電力を交流電力に変換するインバー� �104、このインバータ104の交流電力にて駆動� �れる可変磁束永久磁石電動機101にて構成さ� �ている。そして、主回路100Aには、電動機電� ��を検出するための交流電流検出器102、電動� ��速度を検出するための速度検出器118が設置� ��れている。

 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*� �ある。運転指令生成部116は、運転指令Run*と� ��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� ��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� �。

 ゲート指令生成部115は、運転状態フラグR unを入力し、インバータ104に内在するスイッ� ��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� ��グRunが停止(Run=0)から運転(Run=1)に変わる場� �、即時にゲートスタート(Gst=1)とし、運転状� ��フラグRunが運転(Run=1)から停止(Run=0)に変わ� �場合、所定時間が経過した後に、ゲートオ� �(Gst=0)にするように作用する。

 磁束指令演算部112は、運転状態フラグRunと� ��ンバータ周波数ω1、すなわち、ロータ回転� ��波数ωRを入力として、磁束指令φ*を、例え� ��次の(2)式のように生成して出力する。すな� ��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� ��所定値より高い場合、磁束指令φ*を最小φmi nとする。

 ここに、φminは可変磁束電動機101として� �り得る最小磁束量(>0)、φmaxは可変磁束電� �機101として取り得る最大磁束量、ωAは所定� �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� ��ろで説明する。

 電流基準演算部111では、トルク指令Tm*と磁� ��指令φ*とを入力として、d軸電流基準IdRとQ� �電流基準IqRを次式(3),(4)のように演算する。

 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� �した演算式である。d軸インダクタンスLdとQ� ��インダクタンスLqの差異δLがある突極形電� �機であっても、差異のない非突極形の電動� �であってもよい。

 しかしながら、効率の最適化や所定電流で� ��最大出力を考える場合、リラクタンストル� ��を考慮することが有効である。この場合、� ��えば、次式のように演算する。

 ここに、Kはd軸電流とQ軸電流との比率で� ��り、前述の効率最適化や最大出力等、用途� ��よって変わる値である。最適化を図るため� ��は関数形をとり、その引数としてトルク、� ��度等を用いる。また、簡易な近似やテーブ� ��化して用いることもできる。また、(5)式の� ��束指令φ*は、後述する磁束推定値φhを用い� ��も、動作は可能である。

 磁化要求生成部129の詳細な構成を図10に� �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� �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� �指令φ*に代わり、運転状態フラグRunについ� �も有し、前回値の保持部133に入力され、そ� �値が保持される。前回値の保持部133の出力� �、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13 4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� �理和が磁化要求フラグFCreqとして出力される 。

 磁化要求生成部129の出力である磁化要求� ��ラグFCreqは、磁束指令φ*が変化した場合、� �るいは、運転状態フラグRunが変化した場合� �磁化要求(FCreq=1)となり、それ以外では要求� �し(FCreq=0)となる。尚、運転状態フラグRunが� �化する状態とは、インバータが始動すると� �、停止するとき、保護で停止するときなど� �ある。また、ここでは磁束指令φ*を用いて� �るが、後述する可変磁束制御部113の磁化電� �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。

 可変磁束制御部113の詳細な構成を図11に� �す。可変磁束制御部113は、磁束指令演算部11 2の出力である磁束指令φ*を入力し、d軸電流� ��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。

 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I m*を求めればよい。特に、磁化電流指令Im*の� ��きさは、図9中のH1sat以上、すなわち、可変� ��石の磁化飽和領域となるように設定する。

 磁化飽和領域まで磁化電流を流すため、磁� ��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� ��はマイナスの最大(飽和)値に固定磁石分を� �算した値として設定する。可変磁石VMGの磁� �量の正の最大値をφvarmax(負の最大値の絶対� �は正の最大値と等しいとする)、固定磁石FMG� ��磁束量をφfixとすれば、次式である。

 磁束指令φ*を入力とし、対応する磁化電� ��を記憶した磁化電流テーブル127によって、� ��束指令φ*を得るための磁化電流指令Im*を出� ��する。

 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� �えるようにする。本実施の形態では、電流� �準演算部111からの出力であるd軸電流基準IdR� ��d軸磁化電流指令差分δIdm*で補正し、d軸電� �指令Id*とする構成にしているので、減算器12 6によってd軸磁化電流指令δIdm*を次式によっ� ��求める。

 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。

 一方、磁化要求フラグFCreqは、磁束を切� �替えたい要求の際に、少なくとも一瞬切り� �え要求(FCreq=1)が立つ。磁束を確実に可変と� �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� ��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� �越えて入力がオン(=1)である場合には、それ� ��オフとなると同時に出力もオフとなる。

 切り替え器123には、磁化完了フラグが入� ��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� �=0)の場合には0を出力する。

 電圧指令演算部110は、以上により生成さ� ��たdq軸電流指令Id*,Iq*に基づき、当該指令に� ��致する電流が流れるように電流制御器を含� ��dq軸電圧指令Vd*,Vq*を生成する。

 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*,V w*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d q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105,10 7、PWM回路106には、従来同様の公知技術が採� �されている。

 図12には、各信号の動作のタイミングチ� �ートの一例が示してある。ここでは保護信� �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。

 次に、このように構成された本実施の形態� ��永久磁石式回転電機、そしてそのドライブ� ��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� �永久磁石の厚みの積で概算する。アルニコ� �石の永久磁石3は250kA/mの磁界で100%近くまで� �磁できる。着磁磁界と1極当りの磁石の厚み� ��積は、250kA/m×(6×10 ^-3 /2)m=750Aとなる。

 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� ��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� �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� �の磁界であれば、NdFeB永久磁石4は可逆減磁� �態であり、着磁後でもNdFeB永久磁石4は着磁� �の状態の磁束を維持できる。

 本実施の形態では、固定子20の電機子巻� �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、� �転電機の巻線インダクタンスの大きさや電� �波形により通電時間は変わる。永久磁石を� �化するための磁界を形成するパルス電流は� �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� �コ永久磁石3には十分な着磁磁界が作用し、N dFeB永久磁石4には着磁による不可逆減磁はな� ��。

 図3はアルニコ磁石とNdFeB磁石の磁束が磁� ��及びエアギャップ面で加え合せになるよう� ��着磁磁界を作用させたときの各永久磁石の� ��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� �ス的な電流を流して形成する。このとき通� �する電流はd軸電流成分である。パルス電流� ��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� �向に磁束B3を発生する。B4はNdFeB永久磁石4に� ��る磁束である。尚、図3、図4、図5での磁束� ��布は1極のみを示している。

 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� �向とほぼ逆方向に作用している。各永久磁� �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� �化方向厚の積を小さくしているため、この� �磁界によりアルニコ永久磁石3の磁束は不可� ��的に減少する。一方、NdFeB永久磁石4は保磁� ��と磁化方向厚の積が大きいため逆磁界を受� ��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� ��変化がなく磁束量も変わらない。したがっ� ��、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。

 本実施の形態ではさらに大きな電流を通� ��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� �性を反転させることにより、鎖交磁束を大� �に減少でき、特に鎖交磁束を0にできる特徴� ��ある。

 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� �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� ��磁束B4と逆方向に発生するアルニコ永久磁� �3の磁束B3は相殺されて、各永久磁石3,4の磁� �量B3,B4が同じ場合ではエアギャップ23の磁束� ��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� ��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� �り、エアギャップ磁束密度の磁束分布は一� �に0に分布させることができる。

 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� �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� �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� �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� �わち、図4に示すd軸電流による磁界Bdとは逆� ��向になる。さらに鎖交磁束を増加させて元� ��最大鎖交磁束の状態に戻すときには、アル� ��コ永久磁石3は再度極性を反転して(元の極� �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� ��に関する特性であるB-H曲線)を第1象限から� �4象限までの全範囲で動作させることができ� ��ことになる。

 これに対して、従来の永久磁石式回転電� ��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� ��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� ��、埋め込み磁石電動機では基本波鎖交磁束� ��50%程度までしか低減できなく、また高調波� ��束はかなり増加し、高調波電圧と高調波鉄� ��が生じて問題となる。したがって、鎖交磁� ��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� �きな値になる。これに対して、本実施の形� �の永久磁石式回転電機では、回転子1におい� ��永久磁石3,4のみの磁束で一様に減少できる� ��で高調波磁束は少なく、損失の増加はない� ��

 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� �磁状態ではNdFeB永久磁石4の磁界はアルニコ� �久磁石3にバイアス的な磁界として作用し、� ��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� �くなる。また、アルニコ永久磁石3の保磁力� ��磁化方向厚の積がNdFeB永久磁石4の無負荷時� ��動作点における磁界の強さと磁化方向厚の� ��に等しいか、それ以上にすることにより鎖� ��磁束の増磁状態においてNdFeB永久磁石4の磁� ��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� �を最大から0まで大きく変化させることがで� ��、また磁化方向も正逆方向の両方向にでき� ��。NdFeB永久磁石4の鎖交磁束B4を正方向とす� �と、アルニコ永久磁石3の鎖交磁束B3を正方� �の最大値から0、さらには逆方向の最大値ま� ��広範囲に調整することができる。

 したがって、本実施の形態の永久磁石式� ��転電機では、アルニコ永久磁石3をd軸電流� �磁化させることによりアルニコ永久磁石3とN dFeB永久磁石4とを合わせた全鎖交磁束量を広� ��囲に調整することができる。低速域では、� ��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� �、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� �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� ��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� �以上の可変速運転の範囲)はアルニコ永久磁� ��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B 3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、� �も小さくできる。回転電機の電圧も最小と� �るので回転速度(周波数)を最高値まで上げる ことができる。

 これらにより、本実施の形態の永久磁石� ��回転電機及びそれを回転駆動する永久磁石� ��動機ドライブシステムによれば、高出力で� ��速回転から高速回転まで広範囲の可変速運� ��が実現できる。また、本実施の形態の永久� ��石式回転電機によれば、鎖交磁束を変化さ� ��るときの着磁電流を極短時間だけ流すので� ��失を著しく低減でき、広い運転範囲で高効� ��となる。

 次に、本実施の形態の永久磁石式回転電� ��及び永久磁石電動機ドライブシステムにお� ��て、トルク発生時の負荷電流(q軸電流)によ� ��永久磁石3,4の減磁について述べる。本実施� ��形態の永久磁石式回転電機がトルクを発生� ��るときは、固定子20の電機子巻線21にq軸電� �を流すことにより、q軸電流と永久磁石3,4の� ��束との磁気作用でトルクを発生させる。こ� ��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� ��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� ��電流による磁界とが理想的には直交する方� ��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。

 しかし、最大トルク状態や小型・高出力� ��のため電機子巻線のアンペアターンを大き� ��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� ��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。

 そこで、本実施の形態の永久磁石式回転� ��機では、大きなトルクを発生するときは、� ��のd軸電流をq軸電流に重畳させて流す。図6� ��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� �、B3iは正のd軸電流による磁界を示し、B5iは� ��荷電流(q軸電流)により磁界を示し、B6は保� �力と磁化方向厚みの積が小となる永久磁石3� ��磁化方向を示している。トルクが大きな範� ��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� �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� �もq軸電流による減磁界を相殺するように正� ��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� �ルクを発生する状態においても前述の永久� �石3の不可逆減磁を抑制でき、負荷電流の磁� ��B5iによるトルクの低下を抑制でき、大トル� ��を発生することが可能となる。

 次に、永久磁石3,4の両端部に形成した空� ��5の作用について述べる。この空洞5は、永� �磁石3,4による遠心力が回転子鉄心2に作用し� ��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� ��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� �での電流による減磁界が緩和される。

 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� ��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� �高速回転時の遠心力に十分に耐え得るよう� �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� �転子端版とシャフトに固定できるようにし� �いる。

 これにより、本実施の形態の永久磁石式� ��転電機及び永久磁石電動機ドライブシステ� ��によれば、次の効果が得られる。NdFeB永久� �石4の鎖交磁束を正方向とすると、アルニコ� ��久磁石3の鎖交磁束を正方向の最大値から0� �で変化させ、さらには極性を反転して逆方� �の最大値まで広範囲に調整することができ� �。このようにアルニコ永久磁石3は磁気特性� ��で第1象限から第4象限までの全範囲で動作� �せることになる。これらより、本実施の形� �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� �整することができる。さらに、永久磁石の� �鎖交磁束量の調整は回転電機の電圧を広範� �に調整することを可能とし、また、着磁は� �短時間のパルス的な電流で行うので常時弱� �磁束電流を流し続ける必要がなく、損失を� �幅に低減できる。また、従来のように弱め� �束制御を行う必要がないので、高調波磁束� �よる高調波鉄損も発生しない。

 以上より、本実施の形態の永久磁石式回� ��電機及び永久磁石電動機ドライブシステム� ��、高出力で低速から高速までの広範囲の可� ��速運転が可能であり、広い運転範囲におい� ��高効率なものになる。また、永久磁石によ� ��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� �を小さくできるので、永久磁石の誘導電圧� �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� �で連れ回される状態では、アルニコ永久磁� �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。

 また、本実施の形態の永久磁石式回転電� ��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� ��4はNdFeB磁石とし、保磁力と磁化方向厚の積� ��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� �タ電子部品の耐電圧や電源電圧以下に押さ� �込まれている。しかし、制御不能時にはこ� �逆起電圧が過大になりインバータの電子部� �等を絶縁破壊する。そのため、従来の永久� �石式回転電機では設計時に耐電圧により永� �磁石の逆起電圧が制限され、永久磁石の磁� �量が削減され、電動機の低速域での出力及� �効率が低下していた。ところが、本実施の� �態の場合、高速回転時になると短時間のd軸� ��流により減磁方向の磁界を発生させて永久� ��石を不可逆的に磁化させて永久磁石3,4の鎖� ��磁束を低減させるので、高速回転時におい� ��制御不能になっても、過大な逆起電圧が発� ��することはない。

 また、電機子巻線21等の電気的な短絡が� �じた場合は、短絡電流によりアルニコ永久� �石3は減磁するか極性が反転するので、永久� ��石3,4による鎖交磁束はNdFeB永久磁石4にみか� ��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。

 以上より、本実施の形態の永久磁石式回� ��電機及び永久磁石電動機ドライブシステム� ��、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� �変速運転が可能であり、広い運転範囲にお� �て高効率運転が可能である。さらに高速回� �時の逆起電圧を抑制でき、インバータを含� �たドライブシステムの信頼性を高めること� �できる。

 (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10 1に対して図7に示した永久磁石電動機ドライ� ��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� �磁化して鎖交磁束量を変化させることを特� �とする。

 このように、中速度回転域や高速度回転� ��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� �と永久磁石3,4による磁束からなる鎖交磁束� �、前述の負のd軸電流による磁束で調整する� ��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� �させることによって鎖交磁束量を大きく変� �させ、常時通電させる負のd軸電流により鎖� ��磁束量を微調整する。このとき、常時通電� ��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� �となり、大きな損失は発生しない。

 これらより、本実施の形態の永久磁石式� ��転電機によれば、電圧の基になる鎖交磁束� ��を広範囲で変化させるとともに微調整する� ��とができ、しかも高効率で可変できる。

 (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� ��て説明する。本実施の形態の永久磁石式回� ��電機における固定子20の構造は、図1に示し� ��第1の実施の形態のものや図20に示した従来� ��のものと同様である。

 図13に示したように、本実施の形態にお� �る回転子1では、アルニコ永久磁石3はq軸で� �方向に回転子鉄心2内に配置し、NdFeB永久磁� �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� ��2の内周側で鉄のシャフト9に嵌め込む構成� �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� �することができる。

 永久磁石を磁化させるための電機子巻線2 1の電流による磁界は、アルニコ永久磁石3とN dFeB永久磁石4に作用し、図13の矢印B13,B14のよ� ��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� �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。

 このように磁化させたいアルニコ永久磁� ��3の電流による磁束は増加し、同時にNdFeB永� ��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� �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� ��少なくすることができる。ここで、シャフ� ��9を非磁性材にすると、シャフト9に漏れる� �束も減少してNdFeB永久磁石4を通る磁束はさ� �に減少し、回転子磁極鉄心部7及び固定子鉄� ��22の磁気飽和もいっそう緩和される。

 (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� �小となる永久磁石3として、Dy(ジスプロシウ� ��)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� �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。

 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� �なNdFeB磁石の保磁力は950kA/mであるのに対し� �、本実施の形態に適用するNdFeB磁石の保磁力 は400kA/mである。

 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� �、少ないd軸電流でNdFeB磁石の磁化ができる� �うになる。

 また、本実施の形態のNdFeB磁石の保磁力� �小さくなるが、残留磁束密度は高くなる。� �14の磁気特性に示すような低保磁力のNdFeB磁� ��は20℃において保磁力が約400kA/m、残留磁束� ��度1.45Tである。本実施の形態の低保磁力のNd FeB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。

 これより、本実施の形態の永久磁石式回� ��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� ��ようになり、NdFeB磁石によるエアギャップ� �束密度は高くなり、高出力が得られる。ま� �、埋蔵量の少ないDy元素やTb元素をほとんど� ��加しないNdFeB磁石を採用しているので、将� �的にも安定して製造できる。

 (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� ��て説明する。本実施の形態において、固定� ��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� ��。

 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� ��に逆U字形状のNdFeB永久磁石4を回転子鉄心2� �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� �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� ��回転子鉄心2内に配置したことにより、q軸� �向の磁気抵抗が大きくなる。すなわち、逆U� ��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� �を小さくすることができる。さらにq軸イン� ��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� �クタンストルクを発生させることができる� �

 これにより、本実施の形態によれば、大� ��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� �鎖交磁束と電流により生じる磁石トルクに� �ラクタンストルクが重畳するので高トルク� �発生することができる。

 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� �ができる。さらに、NbFeB永久磁石4を逆U字状� ��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� �ことで、q軸インダクタンスを低減でき、こ� ��より力率も向上できる。

 (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� ��形態において、固定子20の構造は、図1に示� ��た第1の実施の形態のものや図20に示した従� ��例のものと同様である。

 図16に示したように、本実施の形態にお� �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� �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� ��傍のエアギャップ23側の回転子鉄心を回転� �鉄心2の最外周より窪ませて窪み形状にして� ��る。

 次に、本実施の形態の永久磁石式回転電� ��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� �率は空気の透磁率とほぼ等しいのでd軸イン� ��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� ��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� ��率は永久磁石の約1000~10000倍あるので、q軸� �向の回転子鉄心2に窪み形状10を形成せず回� �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� ��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� �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� ��が発生し、永久磁石の鎖交磁束と電流によ� ��磁石トルクとリラクタンストルクの和であ� ��総トルクが低下する。

 これに対して本実施の形態では、アルニ� ��永久磁石3のあるq軸近傍のエアギャップ側� �転子鉄心は回転子鉄心2の最外周より窪んだ� ��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� �ダクタンスを小さくすることができ、これ� �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� �少するので、正のd軸電流を流したときに生� ��る負のリラクタンストルクを減少すること� ��できる。さらに窪み形状10を大きくしてq軸� ��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� �タンストルクが発生して、磁石トルクとリ� �クタンストルクの和である総トルクを増加� �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� �アギャップ長が長くなるので、アルニコ永� �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� �影響を小さくできる。

 また、本実施の形態では、アルニコ永久� ��石3の端部と回転子1の磁極鉄心部7の中央ま� ��の間において、d軸中心となる回転子1の磁� �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� �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� ��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� �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� �させることができ、さらに、回転子1の全周� ��渡って滑らかに外周の窪みが大きくなるの� ��磁束の高調波成分を低減でき、トルクリプ� ��、コギングトルクも低減できる。

 また、本実施の形態において、窪み形状1 0を設ける代わりに、q軸近傍の回転子外周部� ��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。

 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� �機にも本発明の技術思想を適用できる。そ� �てその場合には、極数に応じて永久磁石の� �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。

 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� ��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� ��向厚みを異なるように形成しても同様な作� ��、効果が得られる。

 (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� ��施の形態の永久磁石電動機ドライブシステ� ��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� �転電機乃至第6の実施の形態の永久磁石式回� ��電機の駆動制御に適用できる。尚、図17に� �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。

 本実施の形態の可変磁束永久磁石電動機� ��ライブシステム200は、図1に示した第1の実� �の形態に対して、電圧指令演算部110の出力� �る電圧指令Vd*,Vq*と座標変換部107の出力するd q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� ��する。

 磁束推定部109は、dq軸電圧指令Vd*,Vq*とdq軸� �流Id,Iq、ロータ回転角周波数ω1(インバータ� �波数)に基づき、次式によってd軸磁束量を推 定する。

 磁束推定値φhは、磁束指令演算部112から� ��磁束指令φ*と共に可変磁束制御部113に入力� ��れる。

 本実施の形態における可変磁束制御部113� ��詳細な構成を図18に示す。減算器119にて磁� �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� ��いて、磁化電流基準演算部121の出力とPI制� �部120の出力とを加算する。

 この加算器122が磁化電流指令Im*になる。� ��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Id Rを減算し、d軸磁化電流指令差分値δIdm*を算� ��する。これにより、図17における加算器114� �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。

 可変磁束制御部113における切り替え器123� ��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� �して出力する。磁化完了フラグ=0(磁化完了)� ��場合、d軸磁化電流指令差分δIdm*=0とする。� ��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。

 減算器119の出力である磁束指令φ*と磁束� ��定値φhとの偏差は、磁化完了判定部124へと� ��力される。この磁化完了判定部124では、例� ��ば磁束偏差の絶対値が所定値αより小さい� �合には1を出力し、αより大きい場合には0を� ��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。� ��の磁化完了フラグが0であれば磁化完了、1� �あれば磁化中であることを示す。

 また、磁束推定部109の出力である磁束推定� ��φhは電流基準演算部111にも入力される。電� ��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。

 以上の構成により、本実施の形態は、次� ��ような作用効果を奏する。磁化要求があっ� ��場合、磁化要求フラグ=1が少なくとも一瞬� �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� ��123がPI制御器120及び磁化電流基準演算部121� �らの出力を磁化電流指令Im*として出力する� �うになる。この磁化電流基準演算部121は、� �束指令φ*に磁化されるように、事前に把握� �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� ��ものを用いることもできる。

 しかしながら、前述のように、厳密に磁� ��を所定値に一致させることは困難である。� ��こで、本実施の形態では、図19に示すよう� �、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� �流Im*を補正していく。これにより、最終的� �は磁束指令φ*と磁束推定値φh(すなわち、推� ��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。

 また、本実施の形態では、図19に示すよ� �に、可変磁束制御部113における磁化完了判� �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� �指令である磁束指令φ*に一致したことをも� �て磁化処理を完了することができる。これ� �より、本実施の形態によれば、磁化処理に� �ける磁束量の繰り返し精度が向上し、トル� �精度の向上が期待できる。

 また、本実施の形態によれば、dq軸電流� �準IdR,IqRの生成に電圧電流より推定された磁� ��推定値φhを用いるため、仮に磁化処理によ� ��て磁束量にばらつきが生じても実態に応じ� ��dq軸電流指令が補正される。そしてこの指� �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。

 尚、本実施の形態では、磁束推定値に基� ��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。

 また、上述のようにテーブル化しても、� ��ンダクタンスの特性を精度良く把握するこ� ��が困難な場合もある。その場合、磁束を推� ��する代わり、ホール素子などによって構成� ��れる磁束検出器を備え、検出された実磁束� �rを上記の磁束推定値φhの代わりに用いるこ� ��で、より一層の磁束推定精度の向上、ひい� ��はトルク精度の向上が図れる。