回転域に合わせ極数変換（8極→2極など）も可能な永久磁石モータ

2025.01.29

酸素欠乏症の注意すべき時期や業界は？対策方法までを詳しく解説！

2024.08.08 By 東洋大学

機械工学

CONTENTS

技術概要
用途・応用
背景
課題
手段
効果
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技術概要

機器定数が可変で、かつ、回転域に合わせ極数変換（8極→2極など）も可能な永久磁石モータを実現でき、それによって広い回転域での運転が可能である

用途・応用

モーター、風力発電、電気自動車

背景

　世界的なエネルギー消費量の増加に伴い、省エネルギー化が求められている。ハイブリ
ッド自動車、電車、エレベータ、家電機器では高出力、高効率を得るために永久磁石モー
タが適用されている。しかし、永久磁石モータは可変速運転では中速から高速回転域で過
大な誘導電圧が発生して駆動不可能になる。そこで、この過大な誘導電圧を抑制するため
に弱め磁束制御が研究開発され実用化された。しかし、弱め磁束制御に要する電流は銅損と高周波鉄損を増加するので中速から高速域にかけて効率が大きく低下し、電源電圧制限下では広い可変速範囲の運転が困難などの問題がある。そこで、永久磁石の磁力を不可逆的に変化させて駆動する新概念のいわゆる可変磁力モータやメモリモータが提案されている。

　このような可変磁力モータやメモリモータに対して、さらに省エネルギー、小型・高出
力の理想的な可変速モータドライブシステムを得るには運転状態に応じてモータの機器定
数や極数を可変にすることが鍵となる。
【先行技術文献】
【特許文献】

【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】

【非特許文献１】Ｋ．Ｓａｋａｉ，Ｔ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｅｓｈｉｍｏｍｕｒａ，Ｍ
．Ａｒａｔａ，Ｙ．Ｎａｋａｚａｗａ　ａｎｄ　Ｔ．Ｔａｊｉｍａ： ” Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ　ｍｏｔｏｒｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｖａｒｉａｂｌｅ−ｓｐｅｅｄ　ｄｒｉｖｅ　ｆｏｒ　ｅ
ｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ ” ，Ｔ．ＩＥＥ　Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．１２３−Ｄ，Ｎ
ｏ．６，６８１−６８８ページ（２００３年）．
【非特許文献２】Ｋ．Ｓａｋａｉ，Ｋ．Ｈａｇｉｗａｒａ　ａｎｄ　Ｙ．Ｈｉｒａｎｏ，
” Ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｐｅｒｍａｎｅｎ
ｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ　ｍｏｔｏｒ　ｆｏｒ　ｈｙｂｒｉｄ　ｅｌｅ
ｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ ” ，ＴＯＳＨＩＢＡ　ＲＥＶＩＥＷ，Ｖｏｌ．６０，Ｎｏ．１１，４１−４４ページ（２００５年）．
【非特許文献３】Ｋ．Ｓａｋａｉ，Ｋ．Ｙｕｋｉ，Ｙ．Ｈａｓｈｉｂａ，Ｎ．Ｔａｋａｈ
ａｓｈｉ，Ｋ．Ｙａｓｕｉ　ａｎｄ　Ｌ．Ｋｏｖｕｄｈｉｋｕｌｒｕｎｇｓｒｉ：“Ｐｒ
ｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　Ｂａｓｉｃ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｖａｒ
ｉａｂｌｅ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ−Ｆｏｒｃｅ　Ｍｅｍｏｒｙ　Ｍｏｔｏｒｓ ” ，ＩＥＥＪ
　Ｔｒａｎｓ．　ＩＡ，Ｖｏｌ．１３１，Ｎｏ．１，５３−６０ページ（２０１１年）．
【非特許文献４】Ｋ．Ｓａｋａｉ，Ｋ．Ｙｕｋｉ，Ｄ．Ｍｉｓｕ，Ｎ．Ｔａｋａｈａｓｈ
ｉ，Ｙ．Ｈａｓｈｉｂａ，Ｙ．Ｍａｔｓｕｏｋａ　ａｎｄ　Ｙ．Ｏｔｓｕｂｏ： ” Ｖａｒｉａｂｌｅ−ｍａｇｎｅｔｉｃ−ｆｏｒｃｅ　ｍｏｔｏｒ　ａｓｓｉｓｔｅｄ　ｂｙ　ｒ
ｅｌｕｃｔａｎｃｅ　ｔｏｒｑｕｅ ” ，２０１０　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ　Ｒｅｃｏｒｄ，ＩＥＥＪ，５−０１２（２０１０年）．
【非特許文献５】Ｖ．Ｏｓｔｏｖｉｃ，　“Ｍｅｍｏｒｙ　ｍｏｔｏｒｓ ” ，ＩＥＥＥＩｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｍａｇａｚｉｎｅ，Ｊａｎ／Ｆｅｂ．，５２−６１ページ（２００３年）．
【非特許文献６】Ｖ．Ｏｓｔｏｖｉｃ，“Ｐｏｌｅ−ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｐｅｒｍａｎｅ
ｎｔ−ｍａｇｎｅｔ　ｍａｃｈｉｎｅｓ ” ，ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ
　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．６，１４９３−
１４９９ページ（２００２年）．
【非特許文献７】橋本尚宜・倉持暁・堺和人：「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の原理」，平成２３年電気学会産業応用部門大会　Ｙ−１１２（２０
１１年）

課題

本発明は、このような技術的な要望に鑑みてなされたもので、機器定数が可変で、かつ、極数変換も可能な永久磁石モータ（以下、「ＰＣ−ＶＭ−ＰＭモータ」と称す。）とその運転方法を提供することを目的とする。

手段

　本発明の１つの特徴は、回転子鉄心内に複数Ｌ個（Ｌは整数）の固定磁力磁石を円周方
向に等間隔で、かつ、回転子の外周に現れる磁極が全周で同極となる向きに埋め込み、か
つ、磁化方向が前記固定磁力磁石と同じとする複数Ｌ個の可変磁力磁石を、前記隣り合う
固定磁力磁石の間各々に埋め込んだ回転子と、極数切替にて電機子巻線の結線を２Ｌ極と４Ｌ極の間で切替ができる固定子とを備え、前記電機子巻線の結線を２Ｌ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Ｌ個の可変磁力磁石それぞれを隣り合う固定磁力磁石と同一方向に不可逆的に磁化させ、前記可変磁力磁石と固定磁力磁石はＮ極Ｓ極のいずれか同極に揃え、隣り合う可変磁力磁石と固定磁力磁石との間の凸鉄心部に前記隣り合う可変磁力磁石及び固定磁力磁石の磁極とは反対の磁極のイメージポールを形成することにより磁石トルク主体の４Ｌ極ＰＭモード状態とし、前記電機子巻線を２Ｌ極にして所定の短時間だけ前記第１の磁化電流とは逆の方向の第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Ｌ個の可変磁力磁石を隣り合う前記固定磁力磁石とは逆方向に不可逆的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２Ｌ極ＩＰＭモード状態とし、前記４Ｌ極ＰＭモード状態と２Ｌ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４Ｌ極ＰＭモードと２Ｌ極ＩＰＭモードとのいずれでも運転できるようにした永久磁石モータである。

　本発明の別の特徴は、回転子鉄心内に複数Ｌ個（Ｌは整数）の固定磁力磁石を円周方向
に等間隔で、かつ、回転子の外周に現れる磁極が全周で同極となる向きに埋め込み、かつ
、磁化方向が前記固定磁力磁石と同じとする複数Ｌ個の可変磁力磁石を、前記隣り合う固
定磁力磁石の間各々に埋め込んだ回転子と、極数切替にて電機子巻線の結線を２Ｌ極と４
Ｌ極の間で極数切替ができる固定子とを備えた永久磁石モータの運転方法であって、低速
回転（大トルク）域では、前記電機子巻線の結線を２Ｌ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Ｌ
個の可変磁力磁石それぞれを隣り合う固定磁力磁石と同一方向に不可逆的に磁化させ、前
記可変磁力磁石と固定磁力磁石はＮ極Ｓ極いずれかの同極に揃え、隣り合う可変磁力磁石
と固定磁力磁石との間の凸鉄心部に前記隣り合う可変磁力磁石と固定磁力磁石の磁極とは
反対の磁極のイメージポールを形成することにより磁石トルク主体の４Ｌ極ＰＭモード状
態にして運転し、中速及び高速回転域では、前記電機子巻線を２Ｌ極にして所定の短時間
だけ前記第１の磁化電流とは逆の方向の第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Ｌ個の可変磁力磁石を隣り合う前記固定磁力磁石とは逆方向に不可逆的に磁化
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２Ｌ極ＩＰＭモード状態にして
運転する永久磁石モータの運転方法である。

　本発明のまた別の特徴は、回転子鉄心内に複数Ｌ（Ｌは整数）の可変磁力磁石を円周方
向に等間隔で、かつ、回転子の外周に現れる磁極が全周で周期的にＮＳ極の対になるよう
に埋め込んだ回転子と、各電機子コイルまたは複数の電機子コイル毎にパワー素子が接続
され、前記各パワー素子をスイッチング切替することにより電機子巻線が形成する回転磁
界が任意の極数になるように切替できる固定子とを備え、前記電機子コイルに接続された
パワー素子のスイッチングを任意の極数Ｍ（Ｍは整数）になるように切り替え、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複数Ｌの可変磁力磁石うちの円周方向に等間隔ずつ離れたそれよりも少ない複数Ｋ（Ｋ＜Ｌ）の可変磁力磁石の磁化方向を逆向きに不可逆的に磁化して磁極数を変化させて第１の磁極数モードにし、前記電機子コイルに接続されたパワー素子のスイッチングを切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不可逆的に磁化方向を逆向きに変えた複数Ｋの可変磁力磁石を元の磁化方向にして磁極数を元に戻して第２の磁極数モードにし、前記第１の磁極数モードと第２の磁極数モードとの間で相互に磁極数モード状態を切り替えていずれの磁極数モードでも運転できるようにした永久磁石モータである。

　本発明のさらに別の特徴は、回転子鉄心内に複数Ｌ（Ｌは整数）の可変磁力磁石を円周
方向に等間隔で、かつ、回転子の外周に現れる磁極が全周で周期的にＮＳ極の対になるよ
うに埋め込んだ回転子と、各電機子コイルまたは複数の電機子コイル毎にパワー素子が接
続され、前記各パワー素子をスイッチング切替することにより電機子巻線が形成する回転
磁界が任意の極数になるように切替できる固定子とを備えた永久磁石モータの運転方法で
あって、低速回転（大トルク）域では、前記電機子コイルに接続されたパワー素子のスイ
ッチングを任意の極数Ｍ（Ｍは整数）になるように切り替え、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複数
Ｌの可変磁力磁石うちの円周方向に等間隔ずつ離れたそれよりも少ない複数Ｋ（Ｋ＜Ｌ）
の可変磁力磁石の磁化方向を逆向きに不可逆的に磁化して磁極数を変化させて第１の磁極
数モードにし、中速及び高速回転域では、前記電機子コイルに接続されたパワー素子のス
イッチングを切替えて前記電機子巻線の結線を前記第１の磁極数モードにしたときと同様
の結線にし、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不可逆的に磁化方向を逆向きに変えた複数Ｋの可変磁
力磁石を元の磁化方向にして磁極数を元に戻して第２の磁極数モードにし、前記第１の磁
極数モードと第２の磁極数モードとの間で相互に磁極数モード状態を切り替えて運転する
永久磁石モータの運転方法である。

　本発明のさらに別の特徴は、回転子鉄心内に複数Ｌ（Ｌは整数）の可変磁力磁石と複数
Ｍ（ＭはＬの２倍）の固定磁力磁石とを、１個の可変磁力磁石と２個の固定磁力磁石とを
１組とし、回転子鉄心の全周に渡り、固定磁力磁石Ｎ極、可変磁力磁石、固定磁力磁石Ｎ
極の順の配列の組と、固定磁力磁石Ｓ極、可変磁力磁石、固定磁力磁石Ｓ極の順の配列の
組にして等間隔に埋め込んだ回転子と、極数切替にて電機子巻線の結線をＬ極とＬ＋Ｍ極
との間で切替できる固定子とを備え、前記電機子巻線の結線を前記Ｌ極に切り替え、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Ｌ個の可変磁力磁石の磁化方向を隣り合う固定磁力磁石とは逆向きに不
可逆的に磁化してＬ＋Ｍ極の磁極数の第１の磁極数モードにし、前記電機子巻線の結線を
前記第１の磁極数モードにしたときと同様の結線にし、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不可逆的に
磁化方向を逆向きに変えた前記複数Ｌの可変磁力磁石を元の磁化方向に戻して磁極数を元
のＬ極に戻して第２の磁極数モードにし、前記電機子巻線の結線を前記第１の磁極数モー
ドにしたときと同様の結線にし、所定の短時間だけ前記第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不可逆的に磁化方向を逆向きに変えた複数Ｌ個の可変磁力磁石
を元の磁化方向にして磁極数を元のＬ＋Ｍ極の前記第１の磁極数モードに戻し、前記第１
の磁極数モードと第２の磁極数モードとの間で相互に磁極数モード状態を切り替えていず
れの磁極数モードでも運転できるようにした永久磁石モータである。

　本発明のさらに別の特徴は、回転子鉄心内に複数Ｌ（Ｌは整数）の可変磁力磁石と複数
Ｍ（ＭはＬの２倍）の固定磁力磁石とを、１個の可変磁力磁石と２個の固定磁力磁石とを
１組とし、回転子鉄心の全周に渡り、固定磁力磁石Ｎ極、可変磁力磁石、固定磁力磁石の
順の配列の組と、固定磁力磁石Ｓ極、可変磁力磁石、固定磁力磁石Ｓ極の順の配列の組に
して等間隔に埋め込んだ回転子と、極数切替にて電機子巻線の結線をＬ極とＬ＋Ｍ極との
間で切替できる固定子とを備え永久磁石モータの運転方法であって、低速回転（大トルク
）域では、前記電機子巻線の結線を前記Ｌ極に切り替え、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Ｌの可変
磁力磁石の磁化方向を隣り合う固定磁力磁石とは逆向きに不可逆的に磁化してＬ＋Ｍ極の磁極数の第１の磁極数モードにし、前記低速回転（大トルク）域から中速及び高速回転域
に移るときには、前記電機子巻線の結線を前記第１の磁極数モードにしたときと同様の結
線にし、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複数Ｌの可変磁力磁石の磁化方向を不可逆的に逆向きに変
えてＬ極の磁極数の第２の磁極数モードにし、前記中速及び高速回転域から低速回転（大トルク）域に移るときには、前記電機子巻線の結線を前記第１の磁極数モードにしたときと同様の結線にし、所定の短時間だけ前記第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不可逆的に磁化方向を逆向きに変えた複数Ｌ個の可変磁力磁石を元の磁化方向にして磁極数を元のＬ＋Ｍ極の第１の磁極数モードに戻し、前記第１の磁極数モードと第２の磁極数モードとの間で相互に磁極数モード状態を切り替えていずれの磁極数モードでも運転できる永久磁石モータの運転方法である。