JP2017011858A - 回転電機、磁石、及び磁石の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】保持力の異なる複数の永久磁石を用いて一磁極を構成する場合であっても、回転子内に形成される全ての磁極間の着磁性及び減磁性を均一にする。【解決手段】回転子が有する磁極は、保持力の異なる複数の永久磁石を回転子の径方向に重ね合わせてなる磁石ユニットにより形成され、複数の永久磁石のうち少なくとも二つの永久磁石は、固定子巻線に流れるｄ軸電流が形成する磁界によって着磁及び減磁が可能な保持力を有する低保持力磁石であって、複数の永久磁石のうち最も高い保持力を有する永久磁石は、エアギャップに最も近い側に配置される。そして、低保持力磁石それぞれの回転子径方向における厚さは、磁石ユニットを構成する低保持力磁石それぞれの保持力を合成した等価保持力が回転子に設けられた全ての磁石ユニットにおいて略同一となるように調整される。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機、磁石、及び磁石の製造方法に関する。

従来、保持力が異なる２つの永久磁石を磁気的に直列に配置することで一磁極を形成し、当該磁極を回転子内に複数配置して構成された回転子構造が知られている（特許文献１参照）。本構造を用いることで、回転電機の運転中に、固定子巻線電流により永久磁石を着磁あるいは減磁させることが可能となっている。

特開２０１０−００４６７１号公報

永久磁石の保持力には元来ばらつきが存在している。このばらつきの量は、一般的な回転電機に用いる永久磁石の保持力に対しては、相対的に小さな値であるため大きな問題となることがなかった。しかしながら、回転電機の運転中に、固定子巻線電流により永久磁石を着磁あるいは減磁させる構成においては、保持力特性のばらつきが回転子内の磁極間において生じると、その着磁性や減磁性に係り得る。着磁性及び減磁性のばらつきは、回転電機のトルクリップルや損失を増大させる要因となり問題となる。

本発明は、保持力の異なる複数の永久磁石を用いて、所望の保持力を有する一つの永久磁石を形成する技術を提供することを目的とする。また、形成した所望の保持力を有する永久磁石によって回転電機が備える回転子の磁極を構成することで、回転子内に形成される全ての磁極間の着磁性及び減磁性を均一にすることができる技術を提供する。

本発明による回転電機の磁石は、回転磁界を生成するための固定子巻線を有する固定子と、複数の磁極を有し固定子との間でエアギャップを介して配置される回転子とを備える。当該回転子が有する磁極は、保持力の異なる複数の永久磁石を回転子の径方向に重ね合わせてなる磁石ユニットにより形成され、複数の永久磁石のうち少なくとも二つの永久磁石は、固定子巻線に流れるｄ軸電流が形成する磁界によって着磁及び減磁が可能な保持力を有する低保持力磁石であって、複数の永久磁石のうち最も高い保持力を有する永久磁石は、エアギャップに最も近い側に配置される。そして、低保持力磁石それぞれの回転子径方向における厚さは、磁石ユニットを構成する低保持力磁石それぞれの保持力を合成した等価保持力が回転子に設けられた全ての磁石ユニットにおいて略同一となるように調整される。

本発明によれば、所望の保持力を有するように調整された永久磁石ユニットによって回転子の磁極を形成することで、回転子内に形成される全ての磁極間の着磁性及び減磁性を均一にすることができる。これにより、保持力の異なる複数の永久磁石を用いて一磁極を構成する場合であっても、回転電機のトルクリップルや損失が増大するリスクを回避することができる。

図１は、第1実施形態の回転電機を軸方向に垂直な平面から見た構成図であって、構成全体の一部を示した図である。 図２は、低保持力磁石が有する磁気特性の一例を示す図である。 図３は、等価保持力Ｈｃ_ｅｑの算出方法を説明するための図である。 図４Ａは、第1実施形態に係る実施例１の回転電機を軸方向に垂直な平面から見た構成図である。 図４Ｂは、実施例１に係る所望の等価保持力に対する磁石ユニットの等価保持力及び低保持力磁石の保持力を表した図である。 図５Ａは、第1実施形態に係る実施例２の回転電機を軸方向に垂直な平面から見た構成図である。 図５Ｂは、実施例２に係る所望の等価保持力に対する磁石ユニットの等価保持力及び低保持力磁石の保持力を表した図である。 図６Ａは、第1実施形態に係る実施例３の回転電機を軸方向に垂直な平面から見た構成図である。 図６Ｂは、実施例３に係る所望の等価保持力に対する磁石ユニットの等価保持力及び低保持力磁石の保持力を表した図である。 図７Ａは、第1実施形態に係る実施例４の回転電機を軸方向に垂直な平面から見た構成図である。 図７Ｂは、実施例４に係る所望の等価保持力に対する磁石ユニットの等価保持力及び低保持力磁石の保持力を表した図である。 図８Ａは、第1実施形態に係る実施例５の回転電機を軸方向に垂直な平面から見た構成図である。 図８Ｂは、実施例５に係る所望の等価保持力に対する磁石ユニットの等価保持力及び低保持力磁石の保持力を表した図である。 図８Ｃは、実施例５に係る所望の等価保持力に対する磁石ユニットの等価保持力及び低保持力磁石の保持力を表した図である。 図９Ａは、第２実施形態の回転電機の一部を示す斜視図である。 図９Ｂで示す回転子に嵌装された磁石ユニット詳細を説明するための図である。 図１０は、第３実施形態の回転電機を軸方向に垂直な平面から見た構成図である。

[第1実施形態]
図１は、第1実施形態の回転電機１００を軸方向に垂直な断面から見た構成図であって、構成全体の一部を示した図である。本実施形態の回転電機１００は、円環形状をなす固定子３と、固定子３と同心円状をなし、固定子３との間にエアギャップ１１を有するように配置された回転子４と、永久磁石１ａ、１ｂを磁化方向に直列となるように重ね合わせた状態で回転子４の対応箇所に嵌装された永久磁石ユニット１０（以下、単に磁石ユニットという）と、を備え、電動機或いは発電機を構成する。

固定子３は、リング状の固定子コア１３と、固定子コア１３から内周側に向けて突起する複数のティース９と、ティース９に巻き回された固定子巻線１２と、からなる。固定子コア１３は、例えば軟磁性材料である電磁鋼板により形成される。

回転子４は、回転子コア１４を有している。回転子コア１４は、透磁率の高い金属製の鋼板を円環状に打ち抜き加工して形成された多数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成された、いわゆる積層鋼板構造により円筒形に形成されている。また、回転子コア１４の、固定子１３と対向する周辺部の近傍には、周方向に沿って、磁石ユニット１０により構成される磁極が互いに等間隔で、且つ、互いに隣接する磁極の極性が異極性となるように設けられている。なお、本実施形態の回転電機１００に係る回転子コア１４は、図１で示す部分構成から推察されるとおり、周方向に沿って６個の永久磁石が設けられた６極構造を有する。

また、回転子４は、各磁極間に、回転子コア１４を形成する電磁鋼板を打ち抜き加工することで形成された空間部分である磁気的障壁５、６を有する。磁気的障壁５、６は、電磁鋼板よりも磁気抵抗が大きい。したがって、磁気的障壁５、６は、永久磁石１ａ、１ｂが回転子４上に構成する磁気回路において、磁石磁束に対する磁束障壁として作用する。図で示す通り、磁気的障壁５は回転子４の外周側よりも回転中心側の方が幅の狭い略半円形状に形成される。磁気的障壁６は、磁気的障壁５よりも回転中心側に、磁気的障壁５を覆うように略Ｕ字状に形成される。ただし、磁気的障壁５、６の形状はこれに限定されない。

また、回転子４には、磁気的障壁５、６が図のように形成されていることにより、ある一磁極を構成する磁石ユニット１０から出た磁束が、隣接する他の磁石ユニット１０が構成する磁極側へ漏洩する際の経路となる磁束バイパス路７が形成される。さらに、回転子４には、磁気的障壁５の外周側に、磁束バイパス路７と連結する幅狭のブリッジ形状部８が設けられている。

磁石ユニット１０は、永久磁石１ａ、１ｂを磁気的に直列となるように重ね合わせた状態で回転子コア１４の対応部分に形成された空隙に嵌装されて、回転子コア１４に固定される。なお、回転電機１００においては、回転子４の径方向が磁化方向とされる。なお、永久磁石１ａ、１ｂは、例えば、永久磁石の製造過程において保持力にばらつきが生じた複数の永久磁石ブロックを、それぞれの磁化方向において所望の厚さにカットすることで得られる。ここで、本実施形態では、磁石ユニット１０の幾何学的な中心であるｄ軸と電気的に直交する位置をｑ軸と定義する。なお、本実施形態の回転電機１００は６極構造なので、ｄ軸から機械角で３０度の位置がｑ軸と定義される。

磁石ユニット１０を構成する永久磁石１ａ、１ｂは、回転電機１００を車両に搭載した場合に、固定子巻線１２にパルス状のｄ軸電流を流すことで形成される磁界（電機子反作用磁界）によって、着磁又は減磁がなされる程度の保持力を有する低保持力の永久磁石である。

ここで、磁石ユニット１０を構成する永久磁石１ａ、１ｂの磁気特性について、図２を参照して説明する。上述の通り、永久磁石１ａ、１ｂは、固定子巻線１２に通電されるパルス状のｄ軸電流で作られる磁界によって着磁又は減磁が可能な保持力を有する永久磁石である（以下、低保持力磁石ともいう）。図２は、このような低保持力磁石が有する磁気特性の一例を示す図である。図２では、縦軸が永久磁石の磁束密度（Ｔ）であり、横軸が固定子巻線１２のｄ軸電流で形成される磁界の強さ（Ａ／ｍ）である。ｄ軸電流の値がプラスの方向に大きくなるほど、永久磁石に与えられる磁界が強くなり、これに伴い永久磁石の磁束密度が増加する。

図２に示すように、低保持力の永久磁石の磁気特性は、非可逆な特性であり、固定子巻線１２に供給されるｄ軸電流の大きさに応じて選択される複数の磁化経路、例えばｃ１〜ｃ４を有する。

固定子巻線１２に供給されるｄ軸電流の値をプラスの方向に大きくすることにより、低保持力磁石は、その磁束密度が増加するように磁化される。すなわち、固定子巻線１２に供給されるｄ軸電流のパルスの高さをプラスの方向に高くすることで低保持力磁石が着磁される。

低保持力磁石を着磁させるときには、ｄ軸電流のパルスの高さによって磁化経路ｃ１〜ｃ４の中から１つの経路が選択される。例えば、固定子巻線１２のｄ軸電流で作られる磁界が着磁磁界Ｈ_i1となるように設定された場合には、磁化経路ｃ１が選択される。その後、選択された磁化経路ｃ１において、永久磁石の磁束密度（Ｔ）は、固定子巻線１２の界磁磁束を減少させるいわゆる弱め界磁制御によって与えられるマイナスのｄ軸電流に応じて変動する。

一方、固定子巻線１２に供給されるｄ軸電流の値がマイナスの方向に増加されると、永久磁石は、その磁束密度が減少するように磁化される。すなわち、固定子巻線１２に供給されるｄ軸電流のパルスの高さをマイナスの方向に低くすることで永久磁石が減磁される。

低保持力の永久磁石を減磁させるときには、固定子巻線１２に供給されるｄ軸電流が、弱め界磁制御によるマイナスのｄ軸電流の値よりも小さくなるように設定される。例えば、固定子巻線１２のｄ軸電流で作られる磁界が減磁磁界Ｈ_rとなるように設定された場合には、固定子巻線１２の磁束密度がゼロになる。なお、永久磁石の磁束密度が小さくなるほど、固定子巻線１２に作用する逆起電力は小さくなる。

このように、低保持力の永久磁石は、回転電機１００の回転中に固定子巻線１２に供給されるｄ軸電流のパルスの高さに応じて、永久磁石が有する磁束密度を段階的に増減させることができる。すなわち、低保持力磁石の着磁量は、固定子巻線１２に供給されるｄ軸電流により段階的に変更可能である。

してみれば、例えば、このような特性を有する低保持力磁石を備えた回転電機１００を電動車両に適用した場合、車両の走行中に固定子巻線１２に供給するｄ軸電流を制御することにより、電動車両の走行状態に合わせて永久磁石１ａ、１ｂの磁力を好適に変化させることができる。具体的には、例えば、トルクが要求される低回転領域においては、トルク及び出力が最大となるように着磁し、回転速度が求められる高回転領域においては、逆起電力の発生を抑えて回転数を高めるために減磁するといった具合である。また、走行状態に応じて永久磁石の磁力を変化させることで広範囲で効率を向上させることができるので、回転電機１００の消費電力を抑えることができる。

なお、このような低保持力磁石を備えた回転電機、すなわち本実施形態の回転電機１００は、上述のように永久磁石の磁力を変化させることができる特性を備えることから、可変磁力モータ、可変磁束モータ等と呼ばれる。なお、以下では、永久磁石の着磁及び減磁のしやすさ及びしにくさに係る性質を、着磁性及び減磁性という。

ここで、一般に、上述のような低保持力磁石が有する保持力Ｈｃは、０ｋＡ／ｍ〜２５０ｋＡ／ｍ程度である。そして、ある強度のｄ軸電流に対する永久磁石の着磁性及び減磁性は、その永久磁石の持つ保持力Ｈｃの高低によって異なる。例えば、保持力Ｈｃが所定値よりも低い場合は、減磁がされやすくなる。そうすると、弱め界磁制御における電流を永久磁石が減磁されない程度に制限する必要があるため、弱め界磁性が低下する。その結果、誘起電圧が高くなり、パワーが低下する。他方、保持力Ｈｃが所定値よりも高い場合は、着磁が困難となる。このため、着磁量が不足し、磁束密度が低下するので、トルクが低下する。

してみると、本願発明に係る回転電機１００のように、回転電機１００の運転中に、固定子巻線電流により永久磁石を着磁あるいは減磁させる構成においては、回転子の各磁極を構成する永久磁石の保持力Ｈｃにばらつきがある場合、そのバラつきに応じて、各永久磁石の着磁性及び減磁性もばらついてしまう。このばらつきは、回転子内の各磁極間における磁束密度のばらつきとなり、振動の原因となるトルクリップルの増大や、損失の増大の要因となる。したがって、回転電機に用いる永久磁石は、所望の保持力Ｈｃで均一なものを使用するのが望ましい。しかしながら、永久磁石の製造過程において生じる保持力Ｈｃのばらつきをゼロに抑え込むのは現実的に困難である。

本発明は、回転電機に用いる永久磁石の製造過程において、低保持力磁石の保持力Ｈｃにばらつきが生じた場合であっても、それらの永久磁石を有効に活用し、回転電機の回転子上に形成される磁極間における着磁性及び減磁性を均一にすることを目的とする。

図１に戻って説明を続ける。図１に示す通り、第１実施形態に係る回転電機１００の磁極は、永久磁石１ａ、１ｂを磁気的に直列となるように重ね合わせてなる磁石ユニット１０により形成される。したがって、回転子４が備える磁石ユニット１０を構成する永久磁石１ａと１ｂの保持力Ｈｃが不均一であっても、永久磁石１ａの保持力Ｈｃと永久磁石１ｂの保持力Ｈｃとを合成した合成保持力である等価保持力Ｈｃ_ｅｑが、回転子４に形成される全ての磁極間で均一となればよい。以下、等価保持力Ｈｃ_ｅｑの算出方法について説明する。

図３は、等価保持力Ｈｃ_ｅｑの算出方法を説明するための図である。図上段は、永久磁石１ａ、１ｂを磁気的に直列に重ね合わせて配置したものである。前提として、永久磁石１ａの保持力Ｈｃ１及び厚さｔ１と、永久磁石１ｂの保持力Ｈｃ２及び厚さｔ２はそれぞれ異なる。そして、厚さｔと保持力Ｈｃの異なる二つの永久磁石１ａ、１ｂを重ね合わせて、全体を一つの等価磁石（磁石ユニット１０）とみると、磁石ユニット１０の見かけ上の保持力Ｈｃは、等価保持力Ｈｃ_ｅｑとして以下（１）式で表せられる。

すなわち、永久磁石１ａの厚さｔ１と永久磁石１ｂの厚さｔ２を調整することで、永久磁石１ａ、１ｂの保持力Ｈｃ１、Ｈｃ２の値によらず、所望の等価保持力Ｈｃ_ｅｑを得ることができる。

ここで、磁石ユニット１０の製造方法をまとめる。磁石ユニット１０は、例えば磁石製造過程における製造バラつきにより生じた保持力の異なる複数の永久磁石ブロックを当該永久磁石ブロックの磁化方向において所定の厚さｔ１、ｔ２にカットする。そして、厚さｔ１、ｔ２にそれぞれカットされた保持力の異なる永久磁石１ａ、１ｂを磁化方向に直列となるように重ね合わせる。なお、所定の厚さｔ１、ｔ２は、磁石ユニット１０を構成する永久磁石１ａ、１ｂそれぞれの保持力を合成した等価保持力が所望の等価保持力Ｈｃ_ｅｑとなるように、上記式（１）に基づいて調整される。

このように調整された等価保持力Ｈｃ_ｅｑを有する磁石ユニット１０により回転子４上の全ての磁極を形成することで、永久磁石１ａ、１ｂの保持力Ｈｃのばらつきによらず、全ての磁極における等価保持力を略同一とすることができる。これにより、磁極間における着磁性及び減磁性が均一化されるので、各磁極における着磁量のアンバランスを解消することができる。したがって、磁極間における着磁量のアンバランスにより生じるトルクリップルの増大や損失の増大を抑制することができる。なお、上記の略同一とは、例えば±１０％以内である。

続いて、図４〜８を参照して、上述のように製造された磁石ユニット１０を回転電機１００に適用する際の態様、及び、得られる等価保持力について説明する。

[実施例１]
図４Ａは、第1実施形態に係る実施例１の回転電機１００を軸方向に垂直な平面から見た構成図であって、回転子４に嵌装される磁石ユニット１０及び磁石ユニット１０を構成する低保持力磁石１ａ、１ｂの態様を説明するための図である。

図４Ｂは、実施例１に係る所望の等価保持力Ｈｃ_target（点線）に対する磁石ユニット１０の等価保持力（実線）及び低保持力磁石１ａ、１ｂの各保持力Ｈｃ（Ｈｃ_1ａ：一点鎖線、Ｈｃ_1ｂ：二点鎖線）を表した図である。縦軸が磁束密度Ｊ[Ｔ]であり、横軸が固定子巻線１２のｄ軸電流で形成される磁界の強さＨ[ｋＡ／ｍ]である。

図４Ｂで示すとおり、本実施例における所望の等価保持力Ｈｃ_targetは、１６０[ｋＡ／ｍ]である。これに対して、永久磁石１ａの保持力は２２４[ｋＡ／ｍ]であり、永久磁石１ｂの保持力は９７[ｋＡ／ｍ]である。回転子４の磁石挿入孔の径方向幅が１０ｍｍ程度に設定されているため、磁石ユニット１０の回転子径方向の厚さ（磁化方向厚）は１０ｍｍに設定される。したがって、永久磁石１ａの厚さｔ１と永久磁石１ｂの厚さｔ２との和が１０ｍｍとなる。これを前提として上記式（１）に基づき永久磁石１ａ、１ｂの厚さｔ１、ｔ２を算出すると、ｔ１＝５ｍｍ、ｔ２＝５ｍｍとなる。この算出結果に基づいて永久磁石１ａ、１ｂの厚さｔ１、ｔ２を調整し、磁石ユニット１０を構成することで、磁石ユニット１０は、図中の実線で示すとおり、所望の等価保持力Ｈｃ_targetとほぼ同一な等価保持力１６０[ｋＡ／ｍ]を得ることができる。

また、図４Ａから分かるとおり、磁石ユニット１を回転子４に嵌装する際は、永久磁石１ａ、１ｂのうちより高い保持力を有する永久磁石１ａを、エアギャップ１１に最も近い側に配置する。エアギャップ１１により近い側、すなわち回転子４の外周側は、固定子巻線１２に形成される磁界の影響を受けやすいので、意図しない着磁及び減磁がなされる可能性がある。また、上述のとおり、永久磁石は保持力が低いほど着磁及び減磁がしやすくなる性質がある。したがって、より保持力の高い永久磁石を回転子４の外周側に配置することで、意図しない着磁又は減磁がなされるリスクを抑制することができる。

また、図４Ｂから分かるとおり、所望の等価保持力Ｈｃ_targetより大きい保持力Ｈｃを有する永久磁石１ａと、所望の等価保持力Ｈｃ_targetより小さい保持力を有する１ｂとをそれぞれ組み合わせて磁石ユニット１０を構成することで、所望する等価保持力Ｈｃ_ｅｑを有する磁石ユニット１０を作成することができる。

[実施例２]
図５Ａは、第1実施形態に係る実施例２の回転電機１００を軸方向に垂直な平面から見た構成図であって、回転子４に嵌装される磁石ユニット１０及び磁石ユニット１０を構成する永久磁石１ａ、１ｂの態様を説明するための図である。

図５Ｂは、実施例２に係る所望の等価保持力Ｈｃ_target（点線）に対する磁石ユニット１０の等価保持力（実線）及び永久磁石１ａ、１ｂの各保持力Ｈｃ（Ｈｃ_1ａ：一点鎖線、Ｈｃ_1ｂ：二点鎖線）を表した図である。縦軸が磁束密度Ｊ[Ｔ]であり、横軸が固定子巻線１２のｄ軸電流で形成される磁界の強さＨ[ｋＡ／ｍ]である。

図５Ｂに示すとおり、本実施例においても所望の等価保持力Ｈｃ_targetは、１６０[ｋＡ／ｍ]に設定される。これに対して、永久磁石１ａの保持力は１９２[ｋＡ／ｍ]であり、永久磁石１ｂの保持力は１２８[ｋＡ／ｍ]である。磁石ユニット１０の磁化方向厚は１０ｍｍに設定される。したがって、永久磁石１ａの厚さｔ１と永久磁石１ｂの厚さｔ２との和が１０ｍｍとなる。これを前提として上記式（１）に基づき永久磁石１ａ、１ｂの厚さｔ１、ｔ２を算出すると、ｔ１＝５ｍｍ、ｔ２＝５ｍｍとなる。このように永久磁石１ａ、１ｂの厚さを調整することで、図中の実線で示すとおり、所望の等価保持力Ｈｃ_targetとほぼ同一な等価保持力１６０[ｋＡ／ｍ]を得ることができる。

また、本実施例においても実施例１と同様の理由により、より保持力の高い低保持力磁石１ａが回転子４の外周側に配置される。

[実施例３]
図６Ａは、第1実施形態に係る実施例３の回転電機１００を軸方向に垂直な平面から見た構成図であって、回転子４に嵌装される磁石ユニット１０及び磁石ユニット１０を構成する永久磁石１ａ、１ｂの態様を説明するための図である。

図６Ｂは、実施例３に係る所望の等価保持力Ｈｃ_target（点線）に対する磁石ユニット１０の等価保持力（実線）及び永久磁石１ａ、１ｂの各保持力Ｈｃ（Ｈｃ_1ａ：一点鎖線、Ｈｃ_1ｂ：二点鎖線）を表した図である。縦軸が磁束密度Ｊ[Ｔ]であり、横軸が固定子巻線１２のｄ軸電流で形成される磁界の強さＨ[ｋＡ／ｍ]である。

図６Ｂに示すとおり、所望の等価保持力Ｈｃ_targetは、他の実施例と同様１６０[ｋＡ／ｍ]である。これに対して、永久磁石１ａの保持力は２２３[ｋＡ／ｍ]であり、永久磁石１ｂの保持力は１４３[ｋＡ／ｍ]である。磁石ユニット１０の磁化方向厚は１０ｍｍに設定される。したがって、永久磁石１ａの厚さｔ１と永久磁石１ｂの厚さｔ２との和が１０ｍｍとなる。これを前提として上記式（１）に基づき永久磁石１ａ、１ｂの厚さｔ１、ｔ２を算出すると、ｔ１＝２ｍｍ、ｔ２＝８ｍｍとなる。このように永久磁石１ａ、１ｂの厚さを調整することで、図中の実線で示すとおり、所望の等価保持力Ｈｃ_targetとほぼ同一な等価保持力１６０[ｋＡ／ｍ]を得ることができる。

また、本実施例においても実施例１、２と同様の理由により、より保持力の高い永久磁石１ａが回転子４の外周側に配置される。

[実施例４]
図７Ａは、第1実施形態に係る実施例４の回転電機１００を軸方向に垂直な平面から見た構成図であって、回転子４に嵌装される磁石ユニット１０及び磁石ユニット１０を構成する永久磁石１ａ、１ｂの態様を説明するための図である。

図７Ｂは、実施例４に係る所望の等価保持力Ｈｃ_target（点線）に対する磁石ユニット１０の等価保持力（実線）及び永久磁石１ａ、１ｂの各保持力Ｈｃ（Ｈｃ_1ａ：一点鎖線、Ｈｃ_1ｂ：二点鎖線）を表した図である。縦軸が磁束密度Ｊ[Ｔ]であり、横軸が固定子巻線１２のｄ軸電流で形成される磁界の強さＨ[ｋＡ／ｍ]である。

図７Ｂに示すとおり、所望の等価保持力Ｈｃ_targetは、他の実施例と同様１６０[ｋＡ／ｍ]である。これに対して、永久磁石１ａの保持力は１８３[ｋＡ／ｍ]であり、永久磁石１ｂの保持力は８８[ｋＡ／ｍ]である。磁石ユニット１０の磁化方向厚は１０ｍｍに設定される。したがって、永久磁石１ａの厚さｔ１と永久磁石１ｂの厚さｔ２との和が１０ｍｍとなる。これを前提として上記式（１）に基づき永久磁石１ａ、１ｂの厚さｔ１、ｔ２を算出すると、ｔ１＝７．５ｍｍ、ｔ２＝２．５ｍｍとなる。このように永久磁石１ａ、１ｂの厚さを調整することで、図中の実線で示すとおり、所望の等価保持力Ｈｃ_targetとほぼ同一な等価保持力１６０[ｋＡ／ｍ]を得ることができる。

また、本実施例においても実施例１から３と同様の理由により、より保持力の高い永久磁石１ａが回転子４の外周側に配置される。

[実施例５]
図８Ａは、第1実施形態に係る実施例５の回転電機１００を軸方向に垂直な平面から見た構成図であって、回転子４に嵌装される磁石ユニット１０ａ、１０ｂ及び磁石ユニット１０ａ、１０ｂをそれぞれ構成する永久磁石１ａ、１ｄ及び永久磁石１ｃ、１ｂの態様を説明するための図である。本実施例では、永久磁石１ａ〜１ｄの保持力が全て異なっている。

図８Ｂは、実施例５に係る所望の等価保持力Ｈｃ_target（点線）に対する磁石ユニット１０ａの等価保持力（実線）及び永久磁石１ａ、１ｂの各保持力Ｈｃ（Ｈｃ_1ａ：一点鎖線、Ｈｃ_1ｂ：二点鎖線）を表した図である。縦軸が磁束密度Ｊ[Ｔ]であり、横軸が固定子巻線１２のｄ軸電流で形成される磁界の強さＨ[ｋＡ／ｍ]である。

図８Ｂに示すとおり、所望の等価保持力Ｈｃ_targetは、他の実施例と同様１６０[ｋＡ／ｍ]である。これに対して、永久磁石１ａの保持力は２２３[ｋＡ／ｍ]であり、永久磁石１ｂの保持力は１４４[ｋＡ／ｍ]である。他の実施例と同様に上記式（１）に基づき永久磁石１ａ、１ｂの厚さｔ１、ｔ２を算出すると、ｔ１＝２ｍｍ、ｔ２＝８ｍｍとなる。このように永久磁石１ａ、１ｂの厚さを調整することで、図中の実線で示すとおり、所望の等価保持力Ｈｃ_targetとほぼ同一な等価保持力１６０[ｋＡ／ｍ]を得ることができる。

図８Ｃは、実施例５に係る所望の等価保持力Ｈｃ_target（点線）に対する磁石ユニット１０ｂの等価保持力（実線）及び永久磁石１ｃ、１ｄの各保持力Ｈｃ（Ｈｃ_1ａ：一点鎖線、Ｈｃ_1ｂ：二点鎖線）を表した図である。縦軸が磁束密度Ｊ[Ｔ]であり、横軸が固定子巻線１２のｄ軸電流で形成される磁界の強さＨ[ｋＡ／ｍ]である。

また、図７Ｃで示すとおり、所望の等価保持力Ｈｃ_targetは、他の実施例と同様１６０[ｋＡ／ｍ]である。これに対して、永久磁石１ｃの保持力は１８３[ｋＡ／ｍ]であり、永久磁石１ｄの保持力は８８[ｋＡ／ｍ]である。上記式（１）に基づき永久磁石１ａ、１ｂの厚さｔ１、ｔ２を算出すると、ｔ３＝７．５ｍｍ、ｔ４＝２．５ｍｍとなる。このように永久磁石１ａ、１ｂの厚さを調整することで、図中の実線で示すとおり、所望の等価保持力Ｈｃ_targetとほぼ同一な等価保持力１６０[ｋＡ／ｍ]を得ることができる。

本実施例においては、磁石ユニット１０ａ、１０ｂの磁化方向厚は同一であるが、磁石ユニット１０ａを構成する永久磁石１ａ、１ｂの厚さｔ１、ｔ２と、磁石ユニット１０ｂを構成する永久磁石１ｃ、１ｄの厚さｔ３、ｔ４とはそれぞれ異なる。

このように、各磁石ユニット１０ａ、１０ｂを構成する各低保持力磁石の厚さの合計である磁化方向厚は略同一に設定されるが、当該各低保持力磁石それぞれの磁化方向厚は異なっていても良い。してみれば、回転子４上の各磁極において、所望の等価保持力を有する磁石ユニット１０ａ、１０ｂを構成するために、より多様な保持力を有する低保持力磁石を使用することができる。これにより、回転電機１００の製造において、磁石製造過程で生じる保持力のバラツキをより許容することができる。

なお、本実施例においても実施例１〜４と同様の理由により、より保持力の高い永久磁石１ａ及び１ｃが回転子４の外周側に配置される。

以上、実施例１〜５に係る説明では、二つの低保持力磁石によって一つの磁石ユニットを構成する例について説明した。しかしながら、一つの磁石ユニットを構成する低保持力磁石の個数はこれに限定されず、３つ以上であっても良い。その場合は、下記式（２）を用いて、磁石ユニットを構成する低保持力磁石の各磁化方向厚を算出することで、所望の等価保持力を有する磁石ユニットを提供することができる。

ただし、Ｈｃ_ｅｐは所望の等価保持力を表し、ｔｉは、回転子４の外周側もしくは回転中心側から数えてｉ番目の低保持力磁石の磁化方向厚を、Ｈｃ_ｉはｉ番目の低保持力磁石の保持力を表す。また、ｉは、１〜Ｎの整数であって、Ｎは磁石ユニットを構成する低保持力磁石の総数とする。

以上、第１実施形態の回転電機１００は、回転磁界を生成するための固定子巻線１２を有する固定子３と、複数の磁極を有し固定子３との間でエアギャップ１１を介して配置される回転子４とを備える。回転子４が有する磁極は、保持力の異なる複数の永久磁石１ａ、１ｂを回転子４の径方向に重ね合わせてなる磁石ユニット１０により形成され、複数の永久磁石のうち少なくとも二つの永久磁石１ａ、１ｂは、固定子巻線１２に流れるｄ軸電流が形成する磁界によって着磁及び減磁が可能な保持力を有する低保持力磁石であって、複数の永久磁石のうち最も高い保持力を有する永久磁石１ａは、エアギャップ１２に最も近い側に配置される。そして、低保持力磁石それぞれの回転子径方向における厚さ（磁化方向厚）は、磁石ユニット１０を構成する低保持力磁石それぞれの保持力Ｈｃを合成した等価保持力Ｈｃ_ｅｑが回転子４に設けられた全ての磁石ユニット１０において略同一となるように調整される。

これにより、磁極間における着磁性及び減磁性が均一化されるので、各磁極における着磁量のアンバランスを解消することができる。したがって、磁極間における着磁量のアンバランスにより生じるトルクリップルの増大や損失の増大を抑制することができる。

また、より保持力の高い永久磁石を回転子４の外周側に配置することで、意図しない着磁又は減磁がなされるリスクを抑制することができる。

また、第１実施形態の回転電機１００は、磁石ユニット１０を構成する低保持力磁石１ａ、１ｂのうち、低保持力磁石１ａは所望の等価保持力Ｈｃ_targetよりも大きい保持力を有し、低保持力磁石１ｂは所望の等価保持力Ｈｃ_targetよりも小さい保持力を有する。これにより、所望する等価保持力Ｈｃ_ｅｑを有する磁石ユニット１０を作成することができる。

また、第１実施形態の回転電機１００は、磁石ユニット１０がＮ個の低保持力磁石を含む場合であって、等価保持力をＨｃ_ｅｐとし、Ｎ個の低保持力磁石のうち、回転子４の外周側もしくは回転中心側から数えてｉ番目の当該低保持力磁石の厚さをｔｉ、ｉ番目の当該低保持力磁石の保持力をＨｃ_ｉとした場合に、Ｎ個の低保持力磁石のそれぞれの厚さｔｉは、所望の等価保持力Ｈｃ_ｅｐに対して、上記（２）式が成立するように調整される。これにより、３つ以上の低保持力磁石によって磁石ユニットを構成する場合であっても、所望する等価保持力Ｈｃ_ｅｑを有する磁石ユニットを作成することができる。

また、第１実施形態の回転電機１００は、回転子４が備える全ての磁石ユニット１０の回転子径方向における厚みは略同一であり、磁石ユニット１０を構成する各低保持力磁石１ａ、１ｂの回転子径方向における厚みは回転子４が備える磁石ユニット１０それぞれにおいて異なっていてもよい。これにより、所望の等価保持力を有する磁石ユニット１０を構成するために、より多様な保持力を有する低保持力磁石を使用することができる。これにより、回転電機１００の製造において、磁石製造過程で生じる保持力のバラツキをより許容することができる。

[第２実施形態]
次に、第２実施形態の回転電機１００について説明する。

図９Ａは、第２実施形態の回転電機１００の軸方向に垂直な断面の斜視図であって、構成全体の一部を表した図である。図９Ｂは、図９Ａで示す回転子４に嵌装された磁石ユニット１０の態様を説明するための図であって、磁石ユニット１０を回転子４の軸方向側面から見た図である。

図９Ｂから分かるとおり、第２実施形態の回転電機１００の一磁極を形成する磁石ユニット１０は、低保持力磁石を回転子径方向に重ね合わせてなる磁石サブユニット３０ａ、３０ｂ、３０ｃを、回転子軸方向に積み重ねて構成される。

磁石サブユニット３０ａは、低保持力磁石１ａ、１ｂを回転子径方向に重ね合わせて構成される。また、低保持力磁石１ａ、１ｂの厚さｔ_１ａ、ｔ_１ｂは、低保持力磁石１ａ、１ｂの保持力Ｈｃ_１ａ、Ｈｃ_１ｂに基づいて、上記（１）式により、磁石サブユニット３０ａが所望の等価保持力となるように調整される。他の磁石サブユニット３０ｂ、３０ｃを構成する各低保持力磁石ｂ１、ｂ２及びｃ１、ｃ２についても、磁石サブユニット３０ｂ、３０ｃがそれぞれ所望の等価保持力となるように、上記式（１）に基づいて磁化方向厚が調整される。

そして、略同一の等価保持力を有する磁石サブユニット３０ａ、３０ｂ、３０ｃを、回転子４の軸方向に積み重ねることで磁石ユニット１０が構成される。このように構成される磁石ユニット１０は、各磁石サブユニット３０ａ、３０ｂ、３０ｃと同じ所望の等価保持力を有する。なお、各磁石サブユニット３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、これらを構成する低保持力磁石のうち、より高い保持力を有する低保持力磁石をエアギャップ１１に最も近い側に配置して構成される。

このように構成された磁石ユニット１０で一磁極を形成することで、所望の等価保持力を有する磁石ユニットを構成するために、より多様な保持力を有する低保持力磁石を使用することができる。これにより、回転電機１００の製造において、磁石製造過程で生じる保持力のバラツキをより許容することができる。

以上、第２実施形態の回転電機１００が有する磁極は、保持力の異なる複数の永久磁石１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆをそれぞれ回転子の径方向に重ね合わせてなる磁石サブユニット３０ａ、３０ｂ、３０ｃを、前記回転子の軸方向に三つ積み重ねて構成される磁石ユニット３０により形成される。これにより、回転電機１００の製造において、磁石製造過程で生じる保持力のバラツキをより許容することができる。

[第３実施形態]
次に、第３実施形態の回転電機１００について説明する。

図１０は、第３実施形態に係る実施例１の回転電機１００を軸方向に垂直な平面から見た構成図であって、回転子４に嵌装される磁石ユニット１０の態様を説明するための図である。

図で表されるとおり、本実施形態の磁石ユニット１０は、二つの低保持力磁石４０ｂ、４０ｃと、一つの高保持力磁石４０ａの三つの永久磁石を回転子径方向に重ね合わせて構成されることを特徴とする。そして、三つの永久磁石４０ａ、４０ｂ、４０ｃのうち、最も高い保持力を有する高保持力磁石４０ａをエアギャップ１１に最も近い側に配置する。

ここで、高保持力磁石とは、固定子巻線１２に通電されるパルス状のｄ軸電流で作られる磁界によっては、着磁又は減磁がなされない程度の高い保持力を有する永久磁石のことをいう。このような保持力は例えば５００[ｋＡ／ｍ]以上である。なお、低保持力磁石４０ｂ、４０ｃとの合成保持力である等価保持力は、それぞれ上記式（１）に基づいて等価保持力が１６０[ｋＡ／ｍ]程度となるように調整されているものとする。

このような配置にすることで、高保持力磁石４０ａが有する高い保持力により、低保持力磁石４０ｂと４０ｃとの等価保持力による着磁性及び減磁性をサポートすることができる。また、高保持力磁石４０ｃをエアギャップ１１に最も近い側に配置することで、固定子巻線１２に通電されるパルス状のｄ軸電流で作られる磁界によって意図せぬ着磁又は減磁がなされるリスクを回避することができる。また、磁石ユニット１０を製造する際、低保持力磁石４０ｂ、４０ｃの等価保持力だけでは当該磁石ユニット１０の目標とする合成保持力に到達できない場合であっても、高い保持力を有する高保持力磁石を使用することで、磁石ユニット１０全体の合成保持力が目標に到達できる場合がある。すなわち、高保持力磁石を用いることで、より低い側に偏ってばらついた低保持力磁石も活用することができるので、低保持力磁石の製造ばらつきをより許容することができる。なお、本実施形態における磁石ユニット１０も、上記式（２）に基づいて、高保持力磁石も含めた全ての永久磁石の磁化方向厚を調整し、所望の保持力の磁石ユニット１０を作製することができる。

以上、第３実施形態の回転電機１００は、磁石ユニット１０を構成する複数の永久磁石のうち、少なくとも一つの永久磁石は、低保持力磁石よりも高い保持力を有する高保持力磁石である。したがって、低保持力磁石４０ｂ、４０ｃの保持力が設計時に想定した保持力に到達できないほど小さい場合であっても、高保持力磁石４０ａが有する高い保持力により、所望の合成保持力に近づけることができる。

本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、所望の保持力に調整した磁石ユニット１０の適用先は上述したような回転電機に限定されず、スピーカーやヘッドホン等の音響機器や、ＭＲＩ等の高度医療機器、磁力を用いる各種センサ類等、磁石を用いる様々な装置に適用することが可能である。

１ａ、１ｂ…低保持力磁石
３…固定子
４…回転子
１０…磁石ユニット
１１…エアギャップ
１２…固定子巻線
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ…磁石サブユニット
１００…回転電機

Claims (8)

1. 回転磁界を生成するための固定子巻線を有する固定子と、複数の磁極を有し前記固定子との間でエアギャップを介して配置される回転子とを備えた回転電機において、
   前記磁極は、保持力の異なる複数の永久磁石を前記回転子の径方向に重ね合わせてなる磁石ユニットにより形成され、
   前記複数の永久磁石のうち少なくとも二つの永久磁石は、前記固定子巻線に流れるｄ軸電流が形成する磁界によって着磁及び減磁が可能な保持力を有する低保持力磁石であって、
   前記複数の永久磁石のうち最も高い保持力を有する永久磁石は、前記エアギャップに最も近い側に配置され、
   前記低保持力磁石それぞれの回転子径方向における厚さは、前記磁石ユニットを構成する前記低保持力磁石それぞれの保持力を合成した等価保持力が前記回転子に設けられた全ての磁石ユニットにおいて略同一となるように調整される、
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記磁石ユニットを構成する前記低保持力磁石のうち、少なくとも一つの前記低保持力磁石は前記等価保持力よりも大きい保持力を有し、少なくも一つの他の前記低保持力磁石は前記等価保持力よりも小さい保持力を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記磁石ユニットがＮ個の前記低保持力磁石を含む場合であって、
   前記等価保持力をＨｃ_ｅｐとし、
   前記Ｎ個の低保持力磁石のうち、前記回転子の外周側もしくは回転中心側から数えてｉ番目の当該低保持力磁石の厚さをｔｉ、ｉ番目の当該低保持力磁石の保持力をＨｃ_ｉとした場合に、
   前記Ｎ個の低保持力磁石のそれぞれの厚さｔｉは、所望の等価保持力Ｈｃ_ｅｐに対して、下記（１）式が成立するように調整される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
   

   
4. 前記回転子が備える全ての前記磁石ユニットの回転子径方向における厚みは略同一であり、
   前記磁石ユニットを構成する各低保持力磁石の回転子径方向における厚みは前記回転子が備える前記磁石ユニットそれぞれにおいて異なる、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機。
5. 前記磁極は、保持力の異なる複数の永久磁石を前記回転子の径方向に重ね合わせてなる磁石ユニットを、前記回転子の軸方向に少なくとも二つ積み重ねて構成される、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機。
6. 前記磁石ユニットを構成する複数の永久磁石のうち、少なくとも一つの前記永久磁石は、前記低保持力磁石よりも高い保持力を有する高保持力磁石である、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電機。
7. 保持力の異なる複数の永久磁石を前記永久磁石の磁化方向に直列となるように重ね合わせてなる磁石であって、
   前記永久磁石それぞれの磁化方向における厚さは、前記磁石を構成する前記永久磁石それぞれの保持力を合成した等価保持力が所望の保持力となるように調整される、
   ことを特徴とする磁石。
8. 保持力の異なる複数の永久磁石を前記永久磁石の磁化方向に直列となるように重ね合わせてなる磁石の製造方法であって、
   保持力の異なる複数の永久磁石ブロックを当該永久磁石ブロックの磁化方向において所定の厚さにカットする工程と、
   カットされた保持力の異なる複数の永久磁石を当該永久磁石の磁化方向に直列となるように重ね合わせて一つの磁石を構成する工程と、を含み、
   前記所定の厚さは、前記磁石を構成する前記永久磁石それぞれの保持力を合成した等価保持力が所望の保持力となるようにそれぞれ調整される、
   ことを特徴とする磁石の製造方法。

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