JP2018011466A - 永久磁石埋込同期機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石埋込同期機において、トルクの向上と耐減磁性の向上との両立を図るための技術を提供する。
【解決手段】本開示の永久磁石埋込同期機（１００）のロータ（４）は、ロータコア（７）、複数の永久磁石（５）、及び、複数のフラックスバリア（１３）を含む。ロータコア（７）は、ロータ（４）の周方向において互いに隣り合う磁極（４ａ）と磁極（４ａ）との間に設けられ、ロータ（４）の外周面（４ｐ）からシャフト（３）の中心に向かって凹形状を有するスリット（１９）と、フラックスバリア（１３）においてスリット（１９）に隣接して設けられ、永久磁石（５）の端部に向かって突出している突起（１６）と、を有する。
【選択図】図２

Description

本開示は、永久磁石埋込同期機に関する。

永久磁石埋込電動機は、家電製品、ハイブリッド自動車、電車などに広く使用されており、その需要は年々増大している。よく知られているように、永久磁石埋込電動機のロータは、ロータコア及びそのロータコアに埋め込まれた複数の永久磁石を有する。永久磁石によるマグネットトルクだけでなく、磁気抵抗の非対称性に起因するリラクタンストルクも利用できるため、永久磁石埋込電動機は高効率かつ高出力である。ロータの構造は、永久磁石埋込電動機の効率及び信頼性に直結するので非常に重要である。

図９は、特許文献１に記載された永久磁石埋込電動機のロータを部分的に示している。永久磁石埋込電動機のロータ１０５は、スリット１２５及びフラックスバリア１２３を有する。磁石挿入孔１２１の孔画定部には、延出部１１１ｂが含まれる。延出部１１１ｂは、永久磁石１１３の幅方向端面よりもさらに周方向外側に位置する部位において、ロータコア１１１における極間鉄心部１１１ｃに向けて張り出している。スリット１２５とコア外周面１１１ａとの距離をＬａ、スリット１２５と永久磁石１１３の外周側面１１３ａとの距離をＬｂ、延出部１１１ｂと極間鉄心部１１１ｃとの最短距離をＬｃ、永久磁石１１３の厚さをＬｄとしたとき、距離Ｌｂは距離Ｌａよりも大きく、最短距離Ｌｃは厚さＬｄよりも小さい。

国際公開第２０１４／０６９４３８号

図９に示す従来技術では、ロータ１０５に過大な逆磁界が作用したとき、延出部１１１ｂの働きにより、永久磁石１１３の端部の減磁が抑制される。しかし、延出部１１１ｂは、永久磁石１１３に密着したロータコア１１１の一部であるから、定格トルクを発生させるレベルの電流が巻線に流れたときにおいても、延出部１１１ｂを通じて、隣接した磁極へ磁束がかなり漏れる。そのため、図９に示す構造には、有効磁束が減ってトルクが低下するという課題がある。

本開示は、永久磁石埋込同期機において、トルクの向上と耐減磁性の向上との両立を図るための技術を提供することを目的とする。

すなわち、本開示は、
シャフトと、
前記シャフトに支持されたロータと、
を備え、
前記ロータは、ロータコアと、前記ロータコアに埋め込まれた複数の永久磁石と、空間又は非磁性材料で形成された複数のフラックスバリアとを含み、
前記ロータコアには、前記ロータの周方向に沿って複数の磁石埋設孔が形成されており、それら複数の磁石埋設孔のそれぞれに前記永久磁石が配置されて前記ロータに複数の磁極が形成されており、
前記複数のフラックスバリアのそれぞれが前記複数の磁石埋設孔のそれぞれの端部に位置しており、
前記ロータコアは、前記ロータの周方向において互いに隣り合う前記磁極と前記磁極との間に設けられ、前記ロータの外周面から前記シャフトの前記中心に向かって凹形状を有するスリットと、前記フラックスバリアにおいて前記スリットに隣接して設けられ、前記永久磁石の端部に向かって突出している突起と、を有する、永久磁石埋込同期機を提供する。

本開示の技術によれば、永久磁石埋込同期機において、トルクの向上と耐減磁性の向上との両立を図ることができる。

図１は、本開示の実施形態１にかかる永久磁石埋込同期機の断面図である。 図２は、図１に示す永久磁石埋込同期機のロータの部分拡大断面図である。 図３は、実施形態１にかかる永久磁石埋込同期機のロータにトルクを発生させたときのフラックスバリアの近傍の磁束線図である。 図４は、実施形態１にかかる永久磁石埋込同期機のロータに逆磁界が作用したときのフラックスバリアの近傍の磁束線図である。 図５は、トルクと電流との関係を示すグラフである。 図６Ａは、本開示の実施形態２にかかる永久磁石埋込同期機のロータの部分拡大断面図である。 図６Ｂは、図６Ａに寸法線を付与した図である。 図７は、実施形態２にかかる永久磁石埋込同期機のロータにトルクを発生させたときのフラックスバリアの近傍の磁束線図である。 図８は、実施形態２にかかる永久磁石埋込同期機のロータに逆磁界を作用させたときのフラックスバリアの近傍の磁束線図である。 図９は、従来の永久磁石埋込型電動機のロータの部分拡大断面図である。 図１０は、参照例のロータの部分拡大断面図である。

本開示の第１態様にかかる永久磁石埋込同期機は、
シャフトと、
前記シャフトに支持されたロータと、
を備え、
前記ロータは、ロータコアと、前記ロータコアに埋め込まれた複数の永久磁石と、空間又は非磁性材料で形成された複数のフラックスバリアとを含み、
前記ロータコアには、前記ロータの周方向に沿って複数の磁石埋設孔が形成されており、それら複数の磁石埋設孔のそれぞれに前記永久磁石が配置されて前記ロータに複数の磁極が形成されており、
前記複数のフラックスバリアのそれぞれが前記複数の磁石埋設孔のそれぞれの端部に位置しており、
前記ロータコアは、前記ロータの周方向において互いに隣り合う前記磁極と前記磁極との間に設けられ、前記ロータの外周面から前記シャフトの前記中心に向かって凹形状を有するスリットと、前記フラックスバリアにおいて前記スリットに隣接して設けられ、前記永久磁石の端部に向かって突出している突起と、を有するものである。

第１態様によれば、ｑ軸の近傍かつロータの外周面の近傍に十分な体積を有する非磁性の部分が設けられている。非磁性の部分には、フラックスバリア及びスリットが含まれる。これら非磁性の部分の働きによって、ある磁極から隣接する磁極への漏れ磁束を減らすことができる。つまり、第１態様の同期機は高トルクを達成できる。また、過大な逆磁界がロータに作用したときには、ロータコアの内部に深く侵入した強磁束が突起を通じて磁極から隣接する磁極へと逃がされる。これにより、永久磁石に強い逆磁界が作用することを回避できる。つまり、第１態様の同期機は耐減磁性にも優れている。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様の永久磁石埋込同期機の前記ロータコアは、前記シャフトの前記中心から見て前記フラックスバリアよりも半径方向の外側に位置している複数のブリッジをさらに有し、前記シャフトに垂直な前記ロータの断面において、前記ブリッジに近い側を前記突起の根元側、前記シャフトの前記中心に近い側を前記突起の先端側、前記ロータの周方向において互いに隣り合う前記磁極と前記磁極との境界線をなすｑ軸に直交する方向を幅方向と定義したとき、前記先端側における前記突起の幅が前記根元側における前記突起の幅よりも大きい。第２態様によれば、ロータの外周面の近くで十分な大きさの磁気抵抗を確保でき、ある磁極から隣接する磁極への漏れ磁束を効果的に減らすことができる。

本開示の第３態様において、例えば、第２態様の永久磁石埋込同期機の前記突起の前記根元側における前記フラックスバリアの幅は、前記突起の前記先端側における前記フラックスバリアの内周面と前記突起との最短距離よりも大きい。このような構造は、トルクの向上に有利である。つまり、ロータの外周面の近くで十分な大きさの磁気抵抗を確保でき、ある磁極から隣接する磁極への漏れ磁束を効果的に減らすことができる。

本開示の第４態様において、例えば、第２又は第３態様の永久磁石埋込同期機の前記複数のフラックスバリアは、前記ロータの周方向において互いに隣り合う前記磁極と前記磁極との境界線をなすｑ軸にそれぞれ隣接する１対の前記フラックスバリアを含み、１対の前記フラックスバリアのそれぞれに前記突起が設けられており、１対の前記フラックスバリアから選ばれる一方の前記フラックスバリアの内周面と前記突起との最短距離と、１対の前記フラックスバリアから選ばれる他方の前記フラックスバリアの内周面と前記突起との最短距離と、前記スリットの幅との和は、磁化方向に関する前記永久磁石の厚さの２倍よりも小さい。第４態様によれば、ロータに過大な逆磁界磁束が作用したとき、逆磁界磁束は、永久磁石に達する前に突起の先端部分を通じて隣接した磁極へ漏れやすい。つまり、永久磁石に作用する逆磁界を効果的に減らすことができる。

本開示の第５態様において、例えば、第１〜第４態様のいずれか１つの永久磁石埋込同期機の前記複数のフラックスバリアは、前記ロータの周方向において互いに隣り合う前記磁極と前記磁極との境界線をなすｑ軸にそれぞれ隣接する１対の前記フラックスバリアを含み、前記１対のフラックスバリアから選ばれる一方にのみ前記突起が設けられている。このような構成は、一方向（時計回り方向又は反時計回り方向）にのみトルクを発生させる用途に適している。

本開示の第６態様において、例えば、第１〜第５態様のいずれか１つの永久磁石埋込同期機の前記突起は、前記スリットに隣接している一定の幅の根元部分を有する。このような突起によれば、ロータの外周面の近くで十分な大きさの磁気抵抗を確保でき、ある磁極から隣接する磁極への漏れ磁束を効果的に減らすことができる。このことは、トルクの向上に有利である。

本開示の第７態様において、例えば、第１〜第６態様のいずれか１つの永久磁石埋込同期機の前記シャフトに垂直な前記ロータの断面において、前記スリットの輪郭は、前記ロータの周方向において互いに隣り合う前記磁極と前記磁極との境界線をなすｑ軸に平行な１対の辺を含む。第７態様によれば、ロータの外周面の近くで十分な大きさの磁気抵抗を確保できる。

本開示の第８態様において、例えば、第１〜第７態様のいずれか１つの永久磁石埋込同期機の前記スリットに非磁性材料が充填されている。第８態様によれば、ロータの強度を高めることができる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

本明細書において、「断面」は、シャフト及びロータに共通の回転軸Ｏに垂直な断面を意味する。「永久磁石埋込同期機」は、永久磁石を有するロータとコイルを有するステータとを備えた電気機械の総称である。本明細書において、「同期機」の用語は、電動機、発電機、及び、電動機と発電機とを組み合わせた電気機械の全てを含む用語として使用される。したがって、「永久磁石埋込同期機」の用語は、「電動機」及び「発電機」の一方に限定されない。

（実施形態１）
図１に示すように、永久磁石埋込同期機１００（以下、単に「同期機１００」ともいう）は、ステータ２、シャフト３及びロータ４を備えている。ステータ２は、環状のヨーク１０及び複数のティース１１を備えている。各ティース１１には、巻線（図示省略）が巻き付けられている。ロータ４は、ロータコア７及び複数の永久磁石５を備えている。ロータ４は、円筒状のエアギャップ９を介してステータ２と対向している。言い換えれば、ロータ４は、ステータ２によって包囲されている。エアギャップ９は、いわゆる不等ギャップであってもよい。ロータ４は、シャフト３によって回転可能に支持されている。本実施形態において、同期機１００は、６極９ティースのインナーロータ型である。ただし、極数及びティース数は特に限定されない。巻線方式も特に限定されず、各ティース１１に巻線が巻き付けられていてもよく（集中巻）、複数のティース１１を跨いで巻線が巻き付けられていてもよい（分布巻）。

ロータ４において、ロータコア７は、典型的には、複数の円形状の電磁鋼板を積み重ねることによって形成されている。したがって、ロータコア７は円柱の形状を有する。エアギャップ９が不等ギャップとなるようにロータコア７の形状が定められていてもよい。ロータコア７に複数の永久磁石５が埋め込まれている。詳細には、ロータコア７には、ロータ４の周方向（シャフト３の周方向）に沿って複数の磁石埋設孔６が形成されている。磁石埋設孔６は、シャフト３及びロータ４の回転軸Ｏに平行な方向に延びている。それら複数の磁石埋設孔６のそれぞれに永久磁石５が配置されている。これにより、ロータ４に複数の磁極４ａが形成されている。シャフト３に垂直なロータ４の断面において、磁極４ａは、扇状の形状を有する。永久磁石５は、フェライト磁石、アルニコ磁石、コバルト磁石又はネオジム磁石であり、典型的には、ネオジム磁石である。永久磁石５は、平面視で矩形かつ板状の形状を有する。言い換えれば、永久磁石５は、直方体の形状を有する板状の永久磁石である。永久磁石５の互いに向かい合う面は平行である。永久磁石５の厚さ方向において互いに向かい合う面がそれぞれ最も広い面であり、永久磁石５の主面である。永久磁石５の角部は、例えば、０．２Ｒ〜０．５Ｒ（単位：ｍｍ）の範囲にて面取りされていてもよい。

本実施形態において、永久磁石５の磁化方向は、厚さ方向に平行である。言い換えれば、永久磁石５によって形成されるｄ軸方向（磁束の方向）が厚さ方向に平行である。永久磁石５による磁極４ａの中心軸をｄ軸と定義することができる。本実施形態において、ロータ４の周方向において互いに隣り合う１対の永久磁石５のＮ極（及びＳ極）の向きは互いに反対向きである。一方の永久磁石５のＮ極が回転軸Ｏから遠くＳ極が回転軸Ｏに近い。他方の永久磁石５のＮ極が回転軸Ｏに近くＳ極が回転軸Ｏから遠い。ｄ軸と電気的及び磁気的に直交する軸がｑ軸であるから、ロータ４の周方向において互いに隣り合う１対の永久磁石５の間を通り、回転軸Ｏから半径方向の外側に向かう方向がｑ軸方向である。また、ｑ軸は、ロータ４の周方向において互いに隣り合う磁極４ａと磁極４ａとの境界線をなす。

図２に示すように、ロータ４は、さらに、複数のフラックスバリア１３（磁束障壁）を有する。フラックスバリア１３は、磁束を通さない部分であり、ロータ４の内部での磁束の回り込みを防ぎ、エアギャップ９を介してステータ２と鎖交する磁束を増やす役割を果たす。本実施形態において、フラックスバリア１３は空間によって形成されている。複数のフラックスバリア１３のそれぞれが複数の磁石埋設孔６のそれぞれの端部に位置している。つまり、磁石埋設孔６とフラックスバリア１３とが連続した１つの孔によって形成されている。より詳細には、磁石埋設孔６と２つのフラックスバリア１３とが連続した１つの孔（貫通孔）によって形成されている。ただし、フラックスバリア１３が樹脂、セラミック、非磁性金属などの非磁性材料によって形成されていてもよい。

図１及び図２に示すように、ロータコア７は、複数のスリット１９、複数のブリッジ１５及び複数の突起１６を有する。各スリット１９は、ロータ４の周方向において互いに隣り合う磁極４ａと磁極４ａとの間に設けられており、ロータ４の外周面４ｐからシャフト３の中心に向かって凹形状を有する。スリット１９は、回転軸Ｏに平行な方向に延びる溝の構造を有する。本実施形態では、スリット１９の数がロータ４の極数に一致している。各ブリッジ１５は、シャフト３の中心（回転軸Ｏ）から見てフラックスバリア１３よりも半径方向の外側に位置している部分である。詳細には、ブリッジ１５は、フラックスバリア１３とロータ４の外周面４ｐとの間に設けられた部分である。ロータ４の周方向において互いに隣り合う１対のブリッジ１５は、スリット１９によって隔てられている。ロータ４の半径方向に関するブリッジ１５の幅は十分に狭い。本実施形態では、ロータ４の半径方向に関するブリッジ１５の寸法は、ロータ４の周方向にわたって一定である。突起１６は、永久磁石５の端部に向かって突出している部分であり、フラックスバリア１３においてスリット１９に隣接して設けられている。詳細には、突起１６は、ブリッジ１５から永久磁石５の端部に向かって突出している。本実施形態では、１つのフラックスバリア１３に対して、１つの突起１６が設けられている。

ロータコア７は、さらに、複数の連結部２２を有する。各連結部２２は、ｑ軸と平行な方向に延びている。また、連結部２２は、ロータ４の周方向において互いに隣り合う１対のフラックスバリア１３を隔てており、かつ、１対のブリッジ１５とロータコア７の内側部分とを連結している。詳細には、連結部２２は、突起１６と突起１６との間にあり、突起１６を介して、１対のブリッジ１５とロータコア７の内側部分とを連結している。言い換えれば、突起１６は、連結部２２とブリッジ１５とを連結している部分である。本実施形態において、連結部２２の幅Ｌ７は一定である。

本明細書では、ロータ４の断面においてｑ軸に直交する方向を幅方向ＷＤと定義する。そして、特に断らない限り、幅方向ＷＤに関する各部の寸法を「幅」と定義する。

本実施形態の構造によれば、ｑ軸の近傍かつロータ４の外周面４ｐの近傍に十分な体積（図２の断面では面積）を有する非磁性の部分が設けられている。非磁性の部分には、フラックスバリア１３及びスリット１９が含まれる。これら非磁性の部分の働きによって、ある磁極４ａから隣接する磁極４ａへの漏れ磁束を減らすことができる。つまり、本実施形態の同期機１００は高トルクを達成できる。また、過大な逆磁界がロータ４に作用したときには、ロータコア７の内部に深く侵入した強磁束が突起１６を通じて磁極４ａから隣接する磁極４ａへと逃がされる。これにより、永久磁石５に強い逆磁界が作用することを回避できる。つまり、本実施形態の同期機１００は耐減磁性にも優れている。

ロータ４の構造をさらに詳しく説明する。

図２に示すように、ロータ４の断面において、スリット１９の輪郭は、ｑ軸に平行な１対の辺１９ａを含む。１対の辺１９ａの間にｑ軸がある。ｑ軸に平行な方向に関するスリット１９の寸法は、例えば、ｑ軸に平行な方向に関する辺１９ａの長さで表される。本実施形態において、ｑ軸に平行な方向に関するスリット１９の寸法は、ロータ４の半径方向に関するブリッジ１５の寸法よりも大きい。このような構造によれば、ロータ４の外周面４ｐの近くで十分な大きさの磁気抵抗を確保できる。

本明細書において、「平行」の語句は、完全に平行であることを必ずしも意味しない。例えば、ｑ軸に対する辺１９ａの傾斜角度が３度以下であるとき、辺１９ａがｑ軸に平行であるとみなすことができる。このことは、スリット１９以外の要素にも当てはまる。

図２に示すように、ロータ４の断面において、突起１６の輪郭は、永久磁石５に向かって延びる辺２０を含む。辺２０は、詳細には、ロータ４の外周面４ｐに近い側における永久磁石５の角部に向かって延びている。本実施形態において、辺２０はｑ軸に対して傾いた線分であるが、曲線であってもよい。ブリッジ１５に近い側を突起１６の根元側と定義し、シャフト３の中心に近い側を突起１６の先端側と定義する。先端側における突起１６の幅Ｌ２は、根元側における突起１６の幅Ｌ１よりも大きい。詳細には、突起１６の幅は、ブリッジ１５からシャフト３の中心に向かって連続的に拡大している。言い換えれば、突起１６の幅は、ｑ軸に平行な方向において連続的に拡大している。このような構造によれば、ロータ４の外周面４ｐの近くで十分な大きさの磁気抵抗を確保でき、ある磁極４ａから隣接する磁極４ａへの漏れ磁束を効果的に減らすことができる。突起１６の幅は、ｑ軸に平行な方向において段階的に拡大していてもよい。突起１６の幅は、辺２０とスリット１９の辺１９ａとの距離に対応する。幅Ｌ１に対する幅Ｌ２の比率（Ｌ２／Ｌ１）は、例えば、１．２〜３の範囲にある。

ロータ４の断面において、スリット１９は、例えば、矩形の形状を有する。ただし、スリット１９の形状は矩形に限定されない。スリット１９はＵ字状であってもよいし、Ｖ字状であってもよい。つまり、スリット１９の幅Ｌ４は、ｑ軸に平行な方向に関して一定であってもよいし、変化していてもよい。また、スリット１９の幅Ｌ４は、連結部２２の幅Ｌ７に一致していてもよいし、連結部２２の幅Ｌ７よりも大きくてもよいし、連結部２２の幅Ｌ７よりも小さくてもよい。スリット１９が十分な幅Ｌ４を有していると、スリット１９の近傍に遠心力による応力集中が起こることを回避できるので、ロータコア７に十分な強度が付与されうる。連結部２２が十分な幅Ｌ７を有していると、ロータコア７の外周部の強度を十分に確保することができる。スリット１９の幅Ｌ４が連結部２２の幅Ｌ７に近いことは適切である。

突起１６の根元側におけるフラックスバリア１３の幅Ｌ３（空隙長さＬ３）は、突起１６の先端側におけるフラックスバリア１３の最も狭い部分の幅Ｌ５（空隙長さＬ５）よりも大きい。フラックスバリア１３の最も狭い部分の幅Ｌ５は、突起１６とフラックスバリア１３の内周面２３との距離（最短距離）で表される。本実施形態では、フラックスバリア１３の幅は、ブリッジ１５から遠ざかるにつれて減少している。このような構造は、トルクの向上に有利である。つまり、ロータ４の外周面４ｐの近くで十分な大きさの磁気抵抗を確保でき、ある磁極４ａから隣接する磁極４ａへの漏れ磁束を効果的に減らすことができる。幅Ｌ５に対する幅Ｌ３の比率（Ｌ３／Ｌ５）は、例えば、４〜６の範囲にある。

ロータ４の周方向において互いに隣り合う１対の磁極４ａにおける１対のフラックスバリア１３は、ｑ軸に関して対称な形状を有する。１対の突起１６もｑ軸に関して対称な形状を有する。１つの連結部２２に隣接する１対のフラックスバリア１３を含む構造に着目したとき、２つのブリッジ１５に隣接する位置（ブリッジ１５の内周面）において、磁性材料で構成された部分は、２つの突起１６である。したがって、磁性材料で構成された部分の幅は、一方の突起１６の幅Ｌ１と他方の突起１６の幅Ｌ１との和で表される。ブリッジ１５に隣接する位置（突起１６の根元側）において、非磁性の部分は、２つのフラックスバリア１３とスリット１９である。非磁性の部分の幅は、一方のフラックスバリア１３の幅Ｌ３と他方のフラックスバリア１３の幅Ｌ３とスリット１９の幅Ｌ４との和で表される。本実施形態では、非磁性の部分の幅（合計幅：Ｌ３＋Ｌ３＋Ｌ４）が磁性材料で構成された部分の幅（合計幅：Ｌ１＋Ｌ１）よりも大きい。突起１６の根元側において、磁性材料で構成された部分の幅に対する非磁性の部分の幅の比率は、例えば、２〜３の範囲にある。

一方、突起１６の先端側（永久磁石５の端部の近傍）において、磁性材料で構成された部分は、２つの突起１６及び連結部２２である。したがって、磁性材料で構成された部分の幅は、一方の突起１６の幅Ｌ２と他方の突起１６の幅Ｌ２と連結部２２の幅Ｌ７との和で表される。突起１６の先端側において、非磁性の部分は、２つのフラックスバリア１３である。非磁性の部分の幅は、一方のフラックスバリア１３の最も狭い部分の幅Ｌ５と他方のフラックスバリア１３の最も狭い部分の幅Ｌ５との和で表される。本実施形態では、非磁性の部分の幅（合計幅：Ｌ５＋Ｌ５）が磁性材料で構成された部分の幅（合計幅：Ｌ２＋Ｌ２＋Ｌ７）よりも小さい。つまり、非磁性の部分の幅と磁性材料で構成された部分の幅との大小関係は、突起１６の根元側と突起１６の先端側とで逆である。突起１６の先端側において、非磁性の部分の幅に対する磁性材料で構成された部分の幅の比率は、例えば、５〜６の範囲にある。

本実施形態において、複数のフラックスバリア１３は、ｑ軸にそれぞれ隣接する１対のフラックスバリア１３を含む。１対のフラックスバリア１３のそれぞれに突起１６が設けられている。１対のフラックスバリア１３から選ばれる一方のフラックスバリア１３の内周面２３と突起１６との最短距離（幅Ｌ５）と、１対のフラックスバリア１３から選ばれる他方のフラックスバリア１３の内周面２３と突起１６との最短距離（幅Ｌ５）と、スリット１９の幅Ｌ４との和は、磁化方向に関する永久磁石５の厚さＬ６の２倍よりも小さい。このような構成によれば、ロータ４に過大な逆磁界磁束が作用したとき、逆磁界磁束は、永久磁石５に達する前に突起１６の先端部分を通じて隣接した磁極４ａへ漏れやすい。永久磁石５に作用する逆磁界を効果的に減らすことができるので、本実施形態の同期機１００は耐減磁性に優れている。厚さＬ６の２倍に対する幅Ｌ４と幅Ｌ５と幅Ｌ５との和の比率（（Ｌ４＋Ｌ５＋Ｌ５）／（Ｌ６＋Ｌ６））は、例えば、０．３〜０．５の範囲にある。

次に、コンピュータシミュレーションの結果に基づき、フラックスバリア１３、スリット１９及び突起１６の作用を詳細に説明する。

図３は、磁界解析によって作成された磁束線図であり、反半時計回り方向にトルクを発生させたときの状態を表している。本実施形態において、ブリッジ１５に隣接した位置におけるフラックスバリア１３の幅Ｌ３は、突起１６の先端側におけるフラックスバリア１３の幅Ｌ５よりも十分に大きい。そのため、フラックスバリア１３の磁気抵抗は、ロータ４の外周面４ｐの近傍で十分に高い。その結果、ある磁極４ａから隣接する磁極４ａへの漏れ磁束（破線矢印）が十分に低減される。突起１６の先端側においても、連結部２２の一部が磁気飽和を起こしているとともに、フラックスバリア１３によって適度な大きさの磁気抵抗が確保されている。そのため、２つの突起１６を通ってある磁極４ａから隣接する磁極４ａに磁束が漏れることを抑制できる。図３に示す通り、トルク発生時の漏れ磁束は少なく、磁束が効果的にトルクを発生させている。

また、ブリッジ１５を通る漏れ磁束がスリット１９を迂回することにより、磁極４ａと磁極４ａとの間の磁気抵抗が高まる。これにより、漏れ磁束を減らすことができる。

図４は、ロータに逆磁界を作用させたときの磁束線図である。一般に、ロータの永久磁石に過大な減磁界が作用する状態とは、ロータのＮ極に対してＮ極となるステータの巻線への通電による磁界が作用し、ロータのＳ極に対してＳ極となるステータの巻線への通電による磁界が作用する状態を意味する。この場合、ステータの巻線への通電により、Ｎ極となるティースから、ロータを介して、Ｓ極となる隣のティースに大きな磁束が流れる。このとき、ロータのＮ極とＳ極との境界近傍に過大な逆磁界が作用し、永久磁石の端部で局所的な減磁が発生しやすい。過大な逆磁界は、ロータの表面の近傍だけでなく、ロータの内部まで深く侵入する。

図４は、本実施形態のロータに過大な逆磁界を作用させた状態を示している。過大な逆磁界により、ブリッジ１５が磁気飽和し、さらにロータコア７の内部まで磁束が侵入している。しかし、突起１６の幅が先端側で広く、突起１６の先端側において、磁気抵抗が比較的低い。突起１６の先端側におけるフラックスバリア１３の最も狭い部分の幅Ｌ５は、磁化方向に関する永久磁石５の厚さＬ６よりも小さい。そのため、ロータ４に作用した過大な逆磁界磁束が永久磁石５に達する前に突起１６の先端部分及び連結部２２を通じて、ある磁極４ａから隣接する磁極４ａへと漏れる（破線矢印）。その結果、永久磁石５に作用する逆磁界が低減され、永久磁石５の減磁も防止される。

図５は、磁界解析の結果から算出された定格電流と定格トルクとの関係を示したグラフである。まず、コンピュータシミュレーションによって、本実施形態のロータ４から突起１６及びスリット１９を取り除くことによって得られるロータ１０７（図１０）を用いた参照例の同期機に逆磁界を作用させ、顕著な減磁が発生しない電流値（減磁限界電流）を特定した。そして、減磁限界電流の所定割合（例えば、１／３）を定格電流に設定し、その定格電流を巻線に流したときに発生するトルクを定格トルクとして算出した。参照例の同期機の定格電流及び定格トルクをそれぞれ１００％の電流及びトルクと定義した。図５の点Ｐは、参照例の同期機のデータである。

次に、図９に示す従来技術のロータを用いた同期機について、同じシミュレーションを実施し、定格電流及び定格トルクをそれぞれ算出し、参照例の同期機のデータ（点Ｐ）に対する割合を算出した。図５の点Ｑは、従来技術の同期機のデータである。従来技術の同期機の耐減磁性は、参照例の同期機よりも優れていた。従来技術の同期機では、減磁を避けつつ、参照例の同期機の定格電流の１１８％の電流を流すことが可能であった。トルクも１１５％に向上した。

次に、本実施形態の同期機１００について、定格電流及び定格トルクをそれぞれ算出し、参照例の同期機のデータ（点Ｐ）に対する割合を算出した。図５の点Ｘは、本実施形態の同期機のデータである。本実施形態の同期機の耐減磁性は、参照例及び従来技術の同期機よりも優れていた。本実施形態の同期機１００では、減磁を避けつつ、参照例の同期機の定格電流の１２８％の電流を流すことが可能であった。トルクも１２７％に向上した。

（実施形態２）
図６Ａ及び図６Ｂに示すように、実施形態２にかかるロータ１４（詳細には、ロータコア１７）は、ｑ軸に関して非対称な構造を有する。具体的に、ロータコア１７には複数のフラックスバリア４３及び４４が形成されている。複数のフラックスバリア４３及び４４には、１つのｑ軸に隣接する１対のフラックスバリア４３及び４４が含まれる。これら１対のフラックスバリア４３及び４４から選ばれる一方のフラックスバリア４３にのみ突起２６が設けられている。このようなロータ１４を備えた同期機は、一方向（図６Ａでは反時計回り方向）にのみトルクを発生させる用途に適している。フラックスバリア４３は、ｑ軸を基準として、時計回り側に位置している。フラックスバリア４４は、ｑ軸を基準として、反時計回り側に位置している。言い換えれば、フラックスバリア４３は、永久磁石５のｄ軸を基準として、反時計回り側における磁石埋設孔６の端部に位置している。フラックスバリア４４は、永久磁石５のｄ軸を基準として、時計回り側における磁石埋設孔６の端部に位置している。ロータコア１７は、クランク状の連結部４２を有している。連結部４２は、１対のブリッジ１５とロータコア１７の内側部分とを連結している部分である。ロータ１４のその他の構成は、実施形態１のロータ４と共通であり、その説明を省略することがある。比率などの例も実施形態１の値が援用されうる。図６Ｂは、図６Ａに寸法線を付与した図である。

本実施形態では、磁石埋設孔６の一方の端部（反時計回り側の端部）に突起２６が設けられたフラックスバリア４３（第１のフラックスバリア）が位置し、磁石埋設孔６の他方の端部（時計回り側の端部）に突起２６が設けられていないフラックスバリア４４（第２のフラックスバリア）が位置している。ｑ軸を介して、フラックスバリア４３がフラックスバリア４４に向かい合っている。突起２６は、ブリッジ１５からシャフト３の中心に向かって突出している。本実施形態のロータ１４は、一方向に磁束を流しやすい構造を有するため、方向性を持たないロータに比べて、高トルクを発揮できる。また、突起２６が設けられていないフラックスバリア４４の形状が比較的シンプルである。そのため、各フラックスバリアに突起が設けられている場合と比べて、本実施形態のロータ１４は、精度よく生産しやすい。

本実施形態において、突起２６は、根元部分２６ａ及び先端部分２６ｂを有する。根元部分２６ａは、一定の幅Ｌ１１を有し、ブリッジ１５に隣接している。先端部分２６ｂは、根元部分２６ａよりも広い幅Ｌ２を有しており、根元部分２６ａの先端側に位置している。幅Ｌ２は、先端部分２６ｂの最も幅広の位置における幅である。ロータ１４の断面において、突起２６の輪郭は、ｑ軸に平行な一辺３２と、永久磁石５に向かって延びる他の辺３３とを含む。ｑ軸に平行な一辺３２とスリット１９の輪郭を構成する辺１９ａとによって根元部分２６ａが形成されている。つまり、根元部分２６ａは、スリット１９に隣接している。他の辺３３は、先端部分２６ｂを形成している。先端部分２６ｂの幅はｑ軸に平行な方向において変化していてもよいし、一定であってもよい。このような突起２６によれば、ロータ１４の外周面４ｐの近くで十分な大きさの磁気抵抗を確保でき、ある磁極４ａから隣接する磁極４ａへの漏れ磁束を効果的に減らすことができる。このことは、トルクの向上に有利である。

連結部４２は、ｑ軸と平行な方向に延びる２つの第１部分４２ａと、幅方向ＷＤ又はロータ１４の周方向に延びる第２部分４２ｂとを有する。２つの第１部分４２ａの間に第２部分４２ｂが位置している。連結部４２は、フラックスバリア４３とフラックスバリア４４とを隔てており、かつ、１対のブリッジ１５とロータコア１７の内側部分とを連結している。詳細には、連結部４２は、ロータコア１７の内側部分と突起２６が設けられていないフラックスバリア４４に面しているブリッジ１５とを連結している。突起２６が連結部４２の第２部分４２ｂに接続されており、これにより、突起２６が設けられたフラックスバリア４３に面しているブリッジ１５が突起２６及び連結部４２を介して、ロータコア１７の内側部分と接続されている。

連結部４２の２つの第１部分４２ａは、それぞれ、幅Ｌ１２及び幅Ｌ７を有する。２つの第１部分４２ａの幅は、互いに一致していてもよいし、異なっていてもよい。連結部４２の第２部分４２ｂの幅は、例えば、スリット１９の幅Ｌ４１に一致している。

ブリッジ１５に隣接する位置（突起２６の根元側）において、磁性材料で構成された部分は、突起２６及び連結部４２である。したがって、磁性材料で構成された部分の幅は、突起２６の根元部分２６ａの幅Ｌ１１と連結部４２の第１部分４２ａの幅Ｌ１２との和で表される。ブリッジ１５に隣接する位置において、非磁性の部分は、フラックスバリア４３、フラックスバリア４４及びスリット１９である。非磁性の部分の幅は、フラックスバリア４３の幅Ｌ３１と、フラックスバリア４４の幅Ｌ３２と、スリット１９の幅Ｌ４１との和で表される。実施形態１と同様に、本実施形態においても、非磁性の部分の幅（合計幅：Ｌ３１＋Ｌ３２＋Ｌ４１）が磁性材料で構成された部分の幅（合計幅：Ｌ１１＋Ｌ１２）よりも大きい。

一方、突起２６の先端側において、磁性材料で構成された部分は、突起２６及び連結部４２である。したがって、磁性材料で構成された部分の幅は、突起２６の幅Ｌ２と、連結部４２の第１部分４２ａの幅Ｌ１２と、連結部４２の第２部分４２ｂの幅Ｌ４１との和で表される。突起２６の先端側において、非磁性の部分は、２つのフラックスバリア４３及び４４である。詳細には、非磁性の部分は、フラックスバリア４３の幅Ｌ５１（空隙長さＬ５１）と、フラックスバリア４４の幅Ｌ５２（空隙長さＬ５２）との和で表される。幅Ｌ５１は、突起２６とフラックスバリア４３の内周面５２との距離に等しい。幅Ｌ５２は、フラックスバリア４４の内周面５３と連結部４２の第２部分４２ｂとの距離に等しい。本実施形態においても、非磁性の部分の幅（合計幅：Ｌ５１＋Ｌ５２）が磁性材料で構成された部分の幅（合計幅：Ｌ２＋Ｌ４１＋Ｌ１２）よりも小さい。つまり、非磁性の部分の幅と磁性材料で構成された部分の幅との大小関係は、突起２６の根元側と突起２６の先端側とで逆である。

また、フラックスバリア４３は、突起２６に向かい合う内周面５２を有する。フラックスバリア４４は、連結部４２に向かい合う内周面５３を有する。ｑ軸からフラックスバリア４３の内周面５２までの最大距離Ｄ１は、ｑ軸からフラックスバリア４４の内周面５３までの最大距離Ｄ２よりも小さい。

図７は、磁界解析によって作成された磁束線図であり、反半時計回り方向にトルクを発生させたときの状態を表している。ブリッジ１５に隣接した位置における非磁性の部分（空隙）の幅（合計幅）は、突起２６の先端側における非磁性の部分（空隙）の幅（合計幅）よりも十分に大きい。そのため、フラックスバリア４３及び４４の磁気抵抗は、ロータ１４の外周面４ｐの近傍で十分に高い。その結果、ある磁極４ａから隣接する磁極４ａへの漏れ磁束（破線矢印）が十分に低減される。突起２６の先端側においても、非磁性の部分（空隙）によって適度な大きさの磁気抵抗が確保されている。そのため、突起２６を通ってある磁極４ａから隣接する磁極４ａに磁束が漏れることを抑制できる。図７に示す通り、トルク発生時の漏れ磁束は少なく、磁束が効果的にトルクを発生させている。

また、ブリッジ１５を通る漏れ磁束がスリット１９を迂回することにより、磁極４ａと磁極４ａとの間の磁気抵抗が高まる。これにより、漏れ磁束を減らすことができる。

図８は、ロータに逆磁界を作用させたときの磁束線図である。過大な逆磁界により、ブリッジ１５が磁気飽和し、さらにロータコア１７の内部まで磁束が侵入している。しかし、突起２６の幅が先端側で広く、突起２６の先端側において、磁気抵抗が比較的低い。突起２６の先端側において、フラックスバリア４３の幅Ｌ５１は、磁化方向に関する永久磁石５の厚さＬ６よりも小さい。フラックスバリア４４の幅Ｌ５２も永久磁石５の厚さＬ６よりも小さい。そのため、ロータ１４に作用した過大な逆磁界磁束は、永久磁石５に達する前に突起２６の先端部分２６ｂ及び連結部４２を通じて、ある磁極４ａから隣接する磁極４ａへと漏れる（破線矢印）。その結果、永久磁石５に作用する逆磁界が低減され、永久磁石５の減磁も防止される。

図５に示すように、本実施形態のロータ１４を用いた同期機について、実施形態１で説明したシミュレーションによって定格電流及び定格トルクをそれぞれ算出し、参照例の同期機のデータ（点Ｐ）に対する割合を算出した。図５の点Ｙは、本実施形態の同期機のデータである。本実施形態の同期機の耐減磁性は、参照例、従来技術及び実施形態１の同期機よりも優れていた。本実施形態の同期機では、減磁を避けつつ、参照例の同期機の定格電流の１３７％の電流を流すことが可能であった。トルクも１３４％に向上した。

（変形例）
実施形態１及び２において、スリット１９は、空間で形成されている。ただし、スリット１９に非磁性材料が充填されている場合も、スリット１９が空間の場合と同じ効果が得られる。さらに、スリット１９に非磁性材料が充填されている場合、ロータ４又は１４の強度を高めることができる。非磁性材料としては、樹脂、セラミック、非磁性金属などが挙げられる。凹形状を有するスリット１９の全部に非磁性材料が充填されているとき、ロータ４又は１４は、円形の断面（輪郭）を有する。また、スリット１９の一部（例えば、半分）にのみ非磁性材料が充填されていてもよい。

本開示にかかる永久磁石埋込同期機は、耐減磁性に優れているとともに、高いトルクを発生しうる。本開示にかかる永久磁石埋込同期機は、電動機、発電機などの電気機械に有用である。

３ シャフト
４，１４ ロータ
４ｐ ロータの外周面
４ａ 磁極
５ 永久磁石
６ 磁石埋設孔
７，１７ ロータコア
１３，４３，４４ フラックスバリア
１５ ブリッジ
１６，２６ 突起
１９ スリット
１９ａ スリットの輪郭の辺
２６ａ 根元部分
２６ｂ 先端部分
１００ 永久磁石埋込同期機
ＷＤ 幅方向

Claims (8)

1. シャフトと、
   前記シャフトに支持されたロータと、
   を備え、
   前記ロータは、ロータコアと、前記ロータコアに埋め込まれた複数の永久磁石と、空間又は非磁性材料で形成された複数のフラックスバリアとを含み、
   前記ロータコアには、前記ロータの周方向に沿って複数の磁石埋設孔が形成されており、それら複数の磁石埋設孔のそれぞれに前記永久磁石が配置されて前記ロータに複数の磁極が形成されており、
   前記複数のフラックスバリアのそれぞれが前記複数の磁石埋設孔のそれぞれの端部に位置しており、
   前記ロータコアは、前記ロータの周方向において互いに隣り合う前記磁極と前記磁極との間に設けられ、前記ロータの外周面から前記シャフトの前記中心に向かって凹形状を有するスリットと、前記フラックスバリアにおいて前記スリットに隣接して設けられ、前記永久磁石の端部に向かって突出している突起と、を有する、永久磁石埋込同期機。
2. 前記ロータコアは、前記シャフトの前記中心から見て前記フラックスバリアよりも半径方向の外側に位置している複数のブリッジをさらに有し、
   前記シャフトに垂直な前記ロータの断面において、前記ブリッジに近い側を前記突起の根元側、前記シャフトの前記中心に近い側を前記突起の先端側、前記ロータの周方向において互いに隣り合う前記磁極と前記磁極との境界線をなすｑ軸に直交する方向を幅方向と定義したとき、
   前記先端側における前記突起の幅が前記根元側における前記突起の幅よりも大きい、請求項１に記載の永久磁石埋込同期機。
3. 前記突起の前記根元側における前記フラックスバリアの幅は、前記突起の前記先端側における前記フラックスバリアの内周面と前記突起との最短距離よりも大きい、請求項２に記載の永久磁石埋込同期機。
4. 前記複数のフラックスバリアは、前記ロータの周方向において互いに隣り合う前記磁極と前記磁極との境界線をなすｑ軸にそれぞれ隣接する１対の前記フラックスバリアを含み、
   １対の前記フラックスバリアのそれぞれに前記突起が設けられており、
   １対の前記フラックスバリアから選ばれる一方の前記フラックスバリアの内周面と前記突起との最短距離と、１対の前記フラックスバリアから選ばれる他方の前記フラックスバリアの内周面と前記突起との最短距離と、前記スリットの幅との和は、磁化方向に関する前記永久磁石の厚さの２倍よりも小さい、請求項２又は３に記載の永久磁石埋込同期機。
5. 前記複数のフラックスバリアは、前記ロータの周方向において互いに隣り合う前記磁極と前記磁極との境界線をなすｑ軸にそれぞれ隣接する１対の前記フラックスバリアを含み、
   前記１対のフラックスバリアから選ばれる一方にのみ前記突起が設けられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の永久磁石埋込同期機。
6. 前記突起は、前記スリットに隣接している一定の幅の根元部分を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の永久磁石埋込同期機。
7. 前記シャフトに垂直な前記ロータの断面において、前記スリットの輪郭は、前記ロータの周方向において互いに隣り合う前記磁極と前記磁極との境界線をなすｑ軸に平行な１対の辺を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の永久磁石埋込同期機。
8. 前記スリットに非磁性材料が充填されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の永久磁石埋込同期機。

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