JP6702550B2 - 回転子およびリラクタンスモータ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転子およびリラクタンスモータに関する。

リラクタンスモータの回転子に永久磁石を設けることでモータの突極性を改善する技術が知られている。

しかしながら、従来の技術では、回転子に設けられた永久磁石から固定子に向けて磁束が漏れ出し、誘起電圧が発生していた。この結果、無負荷回転時に鉄損が発生し、リラクタンスモータを適用したシステムとしてのエネルギー効率が低下する場合があった。また、回転中に駆動装置の故障などでモータの端子間が短絡された場合、短絡電流が流れてしまうという問題があった。

特開２０１１―８３０６６号公報 特開２０１２−１７８９２１号公報 特開２００２−２９１２８８号公報

本発明が解決しようとする課題は、誘起電圧を発生させることなく、突極比を大きくすることができる回転子およびリラクタンスモータを提供することである。

実施形態の回転子は、軸心回りに回転するシャフトと、シャフトに固定された回転子鉄心とを持つ。回転子鉄心には、回転子鉄心の外周面における、ある箇所から他の箇所に至る複数のフラックスバリアが、軸心を通る所定の直線を通過するように並べられて形成されている。フラックスバリアには、フラックスバリアの長手方向の両端において回転子鉄心の外周面の一部を形成するブリッジ部を含む複数のブリッジ部が形成されており、複数のブリッジ部の間に回転子鉄心におけるフラックスバリア以外の部分に比して透磁率が低い一つまたは複数のバリア領域が形成されている。少なくとも一つのバリア領域には、永久磁石が設けられている。永久磁石の磁化方向は、永久磁石の設けられた位置におけるフラックスバリアの長手方向に交差する方向に向けられている。μ_０：バリア領域における永久磁石が存在しない領域の透磁率、Ｓ_Ｍ：シャフトの延在方向に直交する平面における永久磁石の断面積、Ｂ_ｒ：永久磁石の残留磁束密度、μ_ｒｅ：永久磁石のリコイル透磁率、ｔ_ＦＢ：バリア領域の厚さの最小と最大の相加平均、ｗ_Ｂ：複数のブリッジ部の全ての幅の総和、とした場合に、（μ_０×Ｓ_Ｍ×Ｂ_ｒ）／（μ_ｒｅ×ｔ_ＦＢ×ｗ_Ｂ）の値が、１．２以上且つ３．０以下の範囲内となる。

第１の実施形態おける４極のリラクタンスモータ１の１極分の構成を示す回転軸８に直交する断面図。 あるフラックスバリア１１と、その近傍の回転子鉄心９とを模式的に示す図。 数式（１）のパラメータの定義を説明するための図。 永久磁石１００の磁気特性の一例を示す図。 磁気回路の一例を示す図。 回転子鉄心９の磁化特性の傾向の一例を示す図。 回転子鉄心９の飽和磁束密度Ｂ_ｓと、各ブリッジ部の比透磁率と、漏れ磁束量との関係の一例を示す図。 バリア領域１８における永久磁石１００の配置位置の一例を示す図。 バリア領域１８における永久磁石１００の配置位置の他の例を示す図。 リラクタンスモータ１の外観の一例を示す図。 第２の実施形態おけるリラクタンスモータ１Ａの１極分の構成を示す回転軸８に直交する断面図。 回転子鉄心９の飽和磁束密度Ｂ_ｓと、各ブリッジ部の比透磁率と、電機子巻線７に鎖交する漏れ磁束量との関係の他の例を示す図。 第３の実施形態おけるリラクタンスモータ１Ｂの１極分の構成を示す回転軸８に直交する断面図。 第４の実施形態おけるリラクタンスモータ１Ｃの１極分の構成を示す回転軸８に直交する断面図。 バリア領域１８における永久磁石１００の配置位置の他の例を示す図。

以下、実施形態の回転子およびリラクタンスモータを、図面を参照して説明する。

図１は、第１の実施形態おける４極のリラクタンスモータ１の１極分の構成を示す回転軸８に直交する断面図である。なお、図１では、リラクタンスモータ１の１極分、すなわち、１／４周の周角度領域分のみを示している。回転軸８は、例えば、回転可能に軸支されて回転軸８中心で軸方向に延び、回転軸８中心回りに回転するシャフトであってよい。

同図に示すように、リラクタンスモータ１は、略円筒状の固定子２と、固定子２よりも径方向内側に設けられ、固定子２に対して回転自在に設けられた回転子３と、を備えている。なお、固定子２および回転子３は、それぞれの中心軸線が共通軸上に位置した状態で配設されている。以下、上述した共通軸を中心軸Ｏと称し、中心軸Ｏに直交する方向を径方向と称し、中心軸Ｏ回りに周回する方向を周方向と称する。

固定子２は、略円筒状の固定子鉄心４を有している。固定子鉄心４は、電磁鋼板を複数枚積層したり、軟磁性粉を加圧成形したりして形成することが可能である。固定子鉄心４の内周面には、中心軸Ｏに向かって突出し、周方向に等間隔で配列された複数のティース５が一体成形されている。ティース５は、断面略矩形状に形成されている。そして、隣接する各ティース５間には、それぞれスロット６が形成されている。これらスロット６を介し、各ティース５に電機子巻線７が巻回されている。

なお、固定子鉄心４は、絶縁性を有するインシュレータが装着されたり、外面の全体が絶縁被膜で被覆されたりしてよい（何れも不図示）。そして、各ティース５には、インシュレータや絶縁被膜の上から電機子巻線７が巻回される。

回転子３は、中心軸Ｏに沿って延びる回転軸８と、回転軸８に外嵌固定された略円柱状の回転子鉄心９と、を備えている。回転子鉄心９は、電磁鋼板を複数枚積層したり、軟磁性粉を加圧成形したりして形成することが可能である。回転子鉄心９の外径は、径方向で対向する各ティース５との間に、所定のエアギャップＧが形成されるように設定されている。

また、回転子鉄心９の径方向中央には、中心軸Ｏに沿って貫通する貫通孔１０が形成されている。この貫通孔１０には、回転軸８が圧入等される。これによって、回転軸８と回転子鉄心９とが一体となって回転する。

さらに、回転子鉄心９には、１極（すなわち１／４周の周角度領域）のそれぞれに、複数（例えば、本実施形態では３つ）のフラックスバリア１１が、回転子鉄心９の回転軸８を通る一つの径（所定の直線の一例）を通過するように並べられて形成されている。すなわち、これらのフラックスバリア１１は、回転子鉄心９の外周面における、ある箇所から他の箇所に至り、固定子２により形成された磁束が通過する複数の磁路の間に形成されて、各磁路を区画する。本実施形態において、各フラックスバリア１１は、複数（例えば、本実施形態では２つ）のバリア領域１８を有しており、それらは略双曲線状に分布している。なお、図１では、中心軸Ｏに最も近いフラックスバリア１１についてのみバリア領域を示す１８、永久磁石を示す１００の符号を付しているが、その他のフラックスバリア１１についても同様である。

回転子鉄心９において、バリア領域１８によって磁束の流れが妨げられない方向をｑ軸と定義する。すなわち、回転子の外周面のある周角度位置Ａに正の磁位（例えば磁石のＮ極を近づける）、それに対して１極分（本実施例の場合は９０度）ずれた周角度位置Ｂに負の磁位（例えば磁石のＳ極を近づける）を与え、Ａの位置を周方向へずらしていった場合に最も多くの磁束が流れる時の中心軸Ｏから位置Ａに向かう方向をｑ軸と定義する。本実施形態では、回転子鉄心９を中心軸Ｏに近い領域と遠い領域に分離するフラックスバリア１１の長手方向がｑ軸である。

一方で、バリア領域１８によって磁束の流れが妨げられる方向、すなわちｑ軸に対して磁気的に直交する方向をｄ軸と定義する。本実施形態では、フラックスバリア１１によって、中心軸Ｏに近い領域と遠い領域に分離された２つの回転子鉄心部分が対向する方向に対して平行な方向がｄ軸である。また、フラックスバリア１１が多層に形成されている場合（本実施形態では３層）、層の重なり方向がｄ軸である。なお、フラックスバリア１１は３層に限られず、単層または２層、あるいは４層以上形成されてもよいし、各フラックスバリア１１におけるバリア領域１８の個数は２つに限られず、１または３以上であってもよい。

各バリア領域１８は、少なくとも外周側において、ｑ軸に沿うと共に、周方向の中央部が最も径方向内側に位置するように、外周側から径方向内側の中心軸Ｏに向かって凸形状に湾曲した断面略円弧状に形成される。なお、各バリア領域１８の形状は、円弧に限られず、Ｕ字型のような凸形状であってもよい。本実施形態において、回転子鉄心９のそれぞれの周角度領域には、略円弧状の６つのバリア領域１８が形成されている。

これら複数のバリア領域１８は、回転子鉄心９に生じる遠心力を考慮して、フラックスバリア１１の外周側に近接する端部２００ｂにおいて回転子鉄心９の外周から所定距離ｗ_ｏ離れた位置に設けられる。これによって、回転子３の外周とバリア領域１８の端部２００ｂとの間に位置する回転子鉄心９の機械的強度を高めることができる。回転子鉄心９には、外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓを含む複数のブリッジ部が形成される。外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓは、フラックスバリア１１の長手方向の両端において回転子鉄心９の外周面の一部（端部２００ｂ）を形成するブリッジ部である。外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓは、各フラックスバリア１１のバリア領域１８により分離された回転子鉄心９同士を結合（接続）する役割を果たす。フラックスバリア１１の両端のそれぞれに設けられた外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓの幅ｗ_ｏは、回転子３の外周側から回転軸８に向かう方向に関する幅である。

また、フラックスバリア１１の延伸方向に沿った両端の間の中間地点（例えば径方向において最も回転軸８に近い部分）において、複数のバリア領域１８がその延伸方向に間隔を空けて形成される場合、所定距離ｗ_Ｃ離れた間隔でバリア領域１８を形成する。これによって、複数のバリア領域１８間に位置する回転子鉄心９の機械的強度を高めることができる。所定距離ｗ_Ｃは、所定距離ｗ_ｏと同じであってもよいし、異なっていてもよい。以下、凸部近傍において、バリア領域１８の間に位置する回転子鉄心９を、「センターブリッジ部ＢＤ_Ｃ」と称して説明する。センターブリッジ部ＢＤ_Ｃは、「内部ブリッジ部」の一例である。

センターブリッジ部ＢＤ_Ｃを挟み、対をなすバリア領域１８は、互いに略同形状となる。センターブリッジ部ＢＤ_Ｃは、外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓと同様に、各フラックスバリア１１のバリア領域１８により分離された回転子鉄心９同士を結合（接続）する役割を果たす。上記ブリッジ部により、フラックスバリア１１が形成された状態でも、フラックスバリア１１の両端と中間地点において回転子鉄心９が分離されることなく回転子鉄心９が１つの部材として纏まることになる。なお、径方向に形成された複数のフラックスバリア１１のそれぞれの両端における外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓの幅ｗ_ｏは、互いに異なっていてもよいし、一部または全部が同じであってもよい。同様に、センターブリッジ部ＢＤ_Ｃが複数形成される場合、径方向に形成された複数のフラックスバリア１１のそれぞれのセンターブリッジ部ＢＤ_Ｃの幅ｗ_Ｃは、互いに異なっていてもよいし、一部または全部が同じであってもよい。

本実施形態では、複数のバリア領域１８のそれぞれに永久磁石１００が挿入される。本実施形態における永久磁石１００とは、電磁石ではない磁石のことであり、リラクタンスモータ１の使用年数（寿命）を考慮した場合に、ほぼ一定の磁場を発生し続けることができる物体のことをいう。各永久磁石１００は、例えば、ネオジム磁石、フェライト磁石、サマリウム鉄コバルト磁石などである。バリア領域１８に挿入される永久磁石１００は挿入後に略ｄ軸方向に磁化するように着磁されてもよいし、予め所定方向に着磁された永久磁石１００が、その磁化方向が略ｄ軸方向に向くように挿入されてもよい。すなわち本実施形態では、磁石の磁化方向は、ｑ軸に対して磁気的に完全に直交するのに限らず、直交する角度からある程度の角度幅（例えば１０度程度）をもって交わってよい。言い換えれば、永久磁石１００の磁化方向は、永久磁石の設けられた位置におけるフラックスバリア１１の長手方向に交差する方向に向けられる。各バリア領域１８には、挿入された永久磁石１００を固定するために、接着性の樹脂などの非磁性体が充填されてもよいし、永久磁石１００と共に非磁性体のスペーサなどが挿入されてもよい。また、永久磁石１００の側面が回転子鉄心９に接触することによって固定されていてもよい。非磁性体は、回転子鉄心９に比して透磁率が低いものとする。

また、永久磁石１００は、ｑ軸およびｄ軸を含む断面において、バリア領域１８の輪郭（境界）を形成する面（後述する２００ｂ、２０１ａ、２０２ａ、２０２ｂ：図２）のうち一部（好ましくは全部）から離間するように配置される。すなわち、バリア領域１８内において、永久磁石１００が回転子鉄心９と直に接しないように配置される。このような配置によって、永久磁石１００の角部などで発生する局所的な不可逆減磁を抑制することができる。もちろん、輪郭を形成する面の一部、またはすべてと永久磁石１００が接していてもよい。後述のように、永久磁石１００とバリア領域１８の側面（回転子鉄心９）の接触有無に関わらず、永久磁石１００の断面積が同じであれば、本実施形態の主として期待する磁気的な効果は同一である。

図２は、あるフラックスバリア１１と、その近傍の回転子鉄心９とを模式的に示す図である。図示のように、例えば、永久磁石１００は、センターブリッジ部ＢＤ_Ｃ側に偏って配置されてよい。永久磁石１００の起磁力によって発生した磁束は、磁化方向である略ｄ軸方向に向かう磁束１０１と、外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓを経由する磁束１０２と、センターブリッジ部ＢＤ_Ｃを経由する磁束１０３とに分かれる。外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓおよびセンターブリッジ部ＢＤ_Ｃは鉄心であるため、その材質に応じた飽和磁束密度が存在する。従って、鉄心の飽和磁束密度を超えて外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓおよびセンターブリッジ部ＢＤ_Ｃに磁束が流れると、各ブリッジ部の磁気抵抗が高まり磁束が流れにくくなる。本実施形態では、永久磁石１００から生じた磁束が各ブリッジ部をｄ軸方向の略逆方向に流れるため、固定子２側から流入した磁束は、各ブリッジ部においてｄ軸方向の略逆方向に流れにくくなる。磁束が飽和した各ブリッジ部は、それ以上磁束を通さないことから広義な意味でのフラックスバリア１１となる。上記永久磁石１００の効果によって、固定子２から流入した磁束量のうちｄ軸方向の略逆方向に流れる磁束量を少なくすることで、ｑ軸方向に流れる磁束量を多くすることができるため、バリア領域１８に永久磁石１００を設けないリラクタンスモータ１に比べて突極性を改善させることができる。

なお、本実施形態のリラクタンスモータ１を、高速回転用のモータに適用したり、径が大きい大型のモータに適用したりする場合、回転子鉄心９が大きな遠心力を受けやすくなる。この場合、外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓの幅ｗ_ｏ、およびセンターブリッジ部ＢＤ_Ｃの幅ｗ_ｃを広くして機械的強度を高める必要がある。このような場合、各ブリッジ部における飽和磁束量（ブジッジ部の飽和磁束密度と各ブリッジ部の幅の積）が大きくなるため、より起磁力が強く磁束量が多い（＝残留磁束密度や断面積が大きい）永久磁石１００をバリア領域１８に挿入する必要がある。しかしながら、永久磁石１００の起磁力や磁束量を大きくし過ぎると永久磁石１００から発生したｄ軸方向へ向かう磁束１０１がエアギャップＧを介して電機子巻線７に鎖交する。この状態で回転子３が回転すると、誘起電圧が生じる。このように、各ブリッジ部の幅と、永久磁石１００の起磁力と磁束量との関係は互いに背反の関係にあり、誘起電圧を生じさせないという制約条件の下では好適な起磁力と磁束量（すなわち残留磁束密度と断面積）の数値範囲が存在する。この数値範囲については、図を参照して後述する。

誘起電圧の発生を抑制するために、以下の数式（１）に示す条件式に従って、永久磁石１００の大きさを決定する。

数式（１）中のＳ_Ｍは、各フラックスバリア１１のそれぞれのバリア領域１８に挿入される永久磁石１００の総断面積を表す。また、ｗ_Ｂは、全てのブリッジ部の幅の総和を表しており、図２の例では、ｗ_Ｂ＝２ｗ_ｏ＋ｗ_Ｃとして表される。また、ｔ_ＦＢは、バリア領域１８の厚さを表し、μ_ｒｅは、永久磁石１００のリコイル透磁率を表す。また、μ_０は、永久磁石１００を除くバリア領域１８に充填された物体の透磁率、すなわち空気の透磁率を表す。なお、バリア領域１８に永久磁石１００を固定するための非磁性体（例えば樹脂）が充填等された場合には、透磁率μ_０は、この非磁性体の物性に応じた透磁率であってよい。Ｂ_ｓは、フラックスバリア１１の延在方向と略直交する幅方向（短手方向）における回転子鉄心９の飽和磁束密度を表し、Ｂ_ｒは、永久磁石１００の残留磁束密度を表す。これらパラメータのうち、ｗ_ｏ、ｗ_ｏ、ｔ_ＦＢ、Ｓ_Ｍは、以下のように定義されてよい。

図３は、数式（１）のパラメータの定義を説明するための図である。図３において、バリア領域１８の輪郭を形成する面のうち、面２００ｂは、フラックスバリア１１の延在方向（長手方向）における外周側の面であり、面２０１ａは、フラックスバリア１１の延在方向における中心軸Ｏ側の面である。また、面２０２ａは、フラックスバリア１１の幅方向における外周側の面であり、面２０２ｂは、フラックスバリア１１の幅方向における中心軸Ｏ側の面である。以下、面２００ｂ、面２０１ａ、面２０２ａ、面２０２ｂをそれぞれ、先端部２００ｂ、先端部２０１ａ、上側面２０２ａ、下側面２０２ｂと称して説明する。

外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓの幅ｗ_ｏは、回転子鉄心９の外周面２００ａとバリア領域１８の先端部２００ｂとの間の距離をとる。バリア領域１８の先端部２００ｂは、バリア領域１８の輪郭を形成する面の一部であり、フラックスバリア１１の延在方向における外周側の面である。例えば、回転子鉄心９の外周面２００ａとバリア領域１８の先端部２００ｂとを各々構成する曲線または折れ線が平行でない場合は、外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓの幅ｗ_ｏは、それらの曲線または折れ線間の最小距離と最大距離との相加平均値と定義される。例えば、回転子鉄心９の外周面２００ａを示す曲線または折れ線上に任意の基準点を設定する。この基準点から、バリア領域１８の外周側の境界面である先端部２００ｂを示す曲線または折れ線までの距離が最短を示す直線を導出する。以降、外周面２００ａを示す曲線または折れ線上において、基準点をずらしながら最短を示す直線を複数導出する。このようにして複数導出した直線の長さの平均が外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓの幅ｗ_ｏと定義される。つまりは、外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓの幅ｗ_ｏは、対面する２つの面の距離になる。同様に、センターブリッジ部ＢＤ_Ｃの幅ｗ_Ｃは、センターブリッジ部ＢＤ_Ｃを挟み、対となるバリア領域１８のセンターブリッジ部ＢＤ_Ｃ側の面２０１ａおよび２０１ｂとの距離をとる。例えば、バリア領域１８のセンターブリッジ部ＢＤ_Ｃ側の面２０１ａおよび２０１ｂを構成する曲線または折れ線が平行でない場合は、センターブリッジ部ＢＤ_Ｃの幅ｗ_Ｃは、それらの曲線または折れ線間の距離の最小値と最大値の相加平均値と定義される。

また、バリア領域１８の厚さｔ_ＦＢは、バリア領域１８の上側面（外周側の側面）２０２ａと下側面（中心軸Ｏ側の側面）２０２ｂとを構成する曲線または折れ線の最小距離と最大距離の相加平均値と定義される。例えば、バリア領域１８の上側面２０２ａを示す曲線または折れ線上に任意の基準点を設定する。この基準点から、下側面２０２ｂを示す曲線または折れ線までの距離が最短を示す直線を導出する。以降、上側面２０２ａを示す曲線または折れ線上において、基準点をずらしながら最短を示す直線を複数導出する。このようにして複数導出した直線の長さの平均がバリア領域１８の厚さｔ_ＦＢと定義される。また、バリア領域１８の幅ｌ_ＦＢは、バリア領域２０２ａの上側面２０２ａと下側面２０２ｂとを構成する曲線または折れ線の長さの相加平均値と定義される。例えば、上側面２０２ａを示す曲線または折れ線上に任意の基準点を設定する。この基準点から、下側面２０２ｂを示す曲線または折れ線までの距離が最短を示す直線を導出する。以降、上側面２０２ａを示す曲線または折れ線上において、基準点をずらしながら下側面２０２ｂに対する距離が最短を示す直線を複数導出する。このようにして複数導出した直線のそれぞれの中点を通る曲線の長さがバリア領域１８の幅ｌ_ＦＢと定義される。

また、永久磁石１００の総断面積Ｓ_Ｍは、各フラックスバリア１１において、永久磁石１００の幅ｌ_Ｍと、永久磁石１００の厚さｔ_Ｍとを乗算することで得られる各永久磁石１００の断面積と、永久磁石１００の数（図３の例では２個）との積と定義される。永久磁石１００の厚さｔ_Ｍは、バリア領域１８の厚さｔ_ＦＢの定義と同様に、永久磁石１００の上側面（フラックスバリア１１の幅方向における外周側の面）と下側面（フラックスバリア１１の幅方向における中心軸Ｏ側の面）とを構成する曲線または折れ線の最小距離と最大距離の相加平均値と定義される。また、永久磁石１００の幅ｌ_Ｍは、バリア領域１８の幅ｌ_ＦＢの定義と同様に、永久磁石１００の上側面と下側面とを構成する曲線または折れ線の長さの相加平均値と定義される。

図４は、永久磁石１００の磁気特性の一例を示す図である。図示のように、上記パラメータのうち、μ_ｒｅ、Ｂ_ｒは、永久磁石１００の磁気特性として以下のように表すことができる。例えば、永久磁石１００の残留磁束密度Ｂ_ｒは、線形領域において、磁界の強さＨがゼロ程度であるときの磁束密度（グラフのｙ切片１５０）として導出することができる。また、リコイル透磁率μ_ｒｅは、線形領域において、磁界の強さＨに対する磁束密度Ｂの変化を表す直線１５１の傾きとして導出することができる。

上述した永久磁石１００、バリア領域１８、外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓ、およびセンターブリッジ部ＢＤ_Ｃの寸法を決定するパラメータを用いて、図３に示す回転子３のフラックスバリア１１周辺の構成を等価な磁気回路に置き換えた場合、以下の図５のように表すことができる。

図５は、磁気回路の一例を示す図である。例えば、磁気回路において、永久磁石１００の起磁力Ｅ_Ｍは、（ｔ_Ｍ・Ｂ_ｒ）／μ_ｒｅとして扱うことができる。また、永久磁石１００の内部磁気抵抗ｒ_Ｍは、ｔ_Ｍ／（μ_ｒｅ・ｌ_Ｍ）として扱うことができる。なお、当磁気回路は不可逆減磁が発生しない線形領域において動作させるものとする。永久磁石１００を流れる磁束Φ_Ｍやバリア領域１８を流れる磁束Φ_ＦＢに対して回路方程式を立てると、図５に示す磁気回路から外に漏れる磁束１０１が発生しない条件を、上記数式（１）として導出することができる。数式（１）が成立する範囲において、永久磁石１００の面積（幅ｌ_Ｍと厚さｔ_Ｍ）を決定すれば、外部に磁束を漏らさないという制約条件の下で各ブリッジ部の磁束を飽和させることができる。すなわち、誘起電圧を発生させることなく、リラクタンスモータ１の突極性を改善することができる。なお、図５においては、永久磁石１００がバリア領域１８の右上側面に接しているが、側面が接触しないようにバリア領域１８の中央に配置されている場合も、外部に磁束を漏らさない条件は（１）式で表される。また、図５では永久磁石の断面は幅ｌ_Ｍ方向に扁平であるが、厚さｔ_Ｍ方向に扁平であってもよい。すなわち、永久磁石１００の配置方法に関わらず、永久磁石の断面積と残留磁束密度が同じであれば、外部から見た磁気特性は等価となる。

図６は、回転子鉄心９の磁化特性の傾向の一例を示す図である。一般的に回転子鉄心９の磁化特性は緩やかに変化することが知られている。図６に示すように、磁気特性が変化する場合、数式（１）のパラメータＢ_ｓを一意に決定することができない。従って、ある数値範囲において、回転子鉄心９の飽和磁束密度Ｂ_ｓに幅を持たせてよい。数値範囲については後述する。

図７は、回転子鉄心９の飽和磁束密度Ｂ_ｓと、各ブリッジ部の比透磁率と、電機子巻線７に鎖交する漏れ磁束量との関係の一例を示す図である。各ブリッジ部の比透磁率は、真空の透磁率に対するブリッジ部の透磁率の比率である。漏れ磁束量は、ギャップＧを通過して固定子２に漏れ出す磁束の２乗値である。一般的に、無負荷鉄損や短絡事故時の損失などは、固定子２に漏れ出す磁束量の２乗に比例するため、本実施形態においても固定子２に漏れ出す磁束量の２乗値で評価するものとする。図７に示す結果は、リラクタンスモータ１の回転軸８に対する１極分の断面において、回転子鉄心９をケイ素鋼板（非線形磁化特性）とし、フラックスバリア１１を３層とし、各々のフラックスバリア１１におけるバリア領域１８を３つとし、各々のフラックスバリア１１におけるセンターブリッジ部ＢＤ_Ｃを２つとし、２つのセンターブリッジ部ＢＤ_Ｃに挟まれるバリア領域１８にネオジム磁石を挿入したモデルを想定したときの解析結果（シミュレーション結果）を示している。このようなモデルは、後述する図１３に示すリラクタンスモータ１Ｃを想定したモデルに相当する。図中の飽和磁束密度Ｂ_ｓは、以下の数式（２）により解析的に導出した値である。数式（２）における各パラメータは、上述した数式（１）に用いたパラメータと同様である。

図示の例では、回転子鉄心９の飽和磁束密度Ｂ_ｓが０から１．２Ｔ（テスラ）までの範囲では、各ブリッジ部の比透磁率が増加する傾向を有している。すなわち、各ブリッジ部において、磁束が流れやすい状態となる。また、飽和磁束密度Ｂ_ｓが１．２Ｔ以上の範囲では、各ブリッジ部の比透磁率が減少する傾向を有している。すなわち、各ブリッジ部において、磁束が流れにくい状態となる。従って、各ブリッジ部の比透磁率のみに着目した場合には、飽和磁束密度Ｂ_ｓが、各ブリッジ部の比透磁率の最大値１．２Ｔ以上となるように永久磁石１００の断面積や残留磁束密度を決定すると好適である。

一方、漏れ磁束量に着目した場合、回転子鉄心９の飽和磁束密度Ｂ_ｓが２Ｔ程度までの範囲では、固定子２に漏れ出す磁束量（磁束の２乗値）を、ゼロ程度に抑えることができる。すなわち、回転子鉄心９の飽和磁束密度Ｂ_ｓが２Ｔ程度までの範囲では、誘起電圧の発生を抑制することができる。回転子鉄心９の飽和磁束密度Ｂ_ｓが２Ｔ以上の範囲では、固定子２に漏れ出す磁束量が指数関数的に増加するため、誘起電圧が発生しやすい。ここで、漏れ磁束量がおよそ１０００ｍＷｂ^２程度以下であれば漏れ磁束の影響を無視することができ、この範囲において、回転子鉄心９の飽和磁束密度Ｂ_ｓの上限値を設定すると好適である。具体的には、固定子２に漏れ出す磁束量の２乗の変化を表す曲線の漸近線との交点を回転子鉄心９の飽和磁束密度Ｂ_ｓの上限値に設定する。本実施形態では上限値は図示のように３.０Ｔに設定される。

本実施形態における永久磁石１００に対する比較例として、永久磁石同期モータ（Permanent Magnet Synchronous Motor：ＰＭＳＭ）などに利用される永久磁石をバリア領域１８に挿入した場合、各ブリッジ部（回転子鉄心９）の飽和磁束密度Ｂ_ｓは、およそ５Ｔ程度になる。一方、本実施形態では、各ブリッジ部の飽和磁束密度Ｂ_ｓが１．２Ｔ以上且つ３．０Ｔ以下の範囲に収まるように永久磁石１００の大きさを決定するため、比較例としての永久磁石同期モータに比して、１／４程度まで漏れ磁束量を低下させることができる。すなわち、リラクタンスモータ１の駆動に支障がでない程度の永久磁石１００をバリア領域１８に挿入して、各ブリッジ部の磁束を飽和させることができる。

以上説明した第１の実施形態によれば、各ブリッジ部の飽和磁束密度Ｂ_ｓが１．２Ｔ以上となるように永久磁石１００の断面積と残留磁束密度を決定するため、各ブリッジ部を飽和させて磁気的に無効化することができる。これによって、誘起電圧を発生させることなく、リラクタンスモータ１の突極性を改善させることができ、突極比を高めることができる。この結果、モータの性能（トルク、効率、力率など）が改善し、エネルギー効率を向上させることができる。

また、上述した第１の実施形態によれば、各ブリッジ部の飽和磁束密度Ｂ_ｓが３Ｔ以下となるように永久磁石１００の断面積と残留磁束密度を決定するため、永久磁石１００から発生して電機子巻線７へ鎖交する磁束１０１は非常に小さく、誘起電圧の発生を抑制することができ、短絡事故等における保護回路などを別途設ける必要がなくなる。また、無負荷鉄損が発生しないため、本モータを用いたシステムとしてのエネルギー効率を改善することができる。

なお、これまでの説明においては電動機（モータ）として説明を行ってきたが、発電機（ジェネレータ）としても本回転機を運用することができ、本実施形態の適用範囲となる。

（第１の実施形態における変形例）
以下、第１の実施形態における変形例について説明する。上述した数式（１）および（２）によれば、ｄ軸およびｑ軸を含む断面における永久磁石１００の総断面積Ｓ_Ｍが一定であれば、バリア領域１８における永久磁石１００の配置位置に依らずに各ブリッジ部を飽和させることができる。従って、第１の実施形態における変形例として、例えば、永久磁石１００を外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓ側に偏って配置する。

図８は、バリア領域１８における永久磁石１００の配置位置の一例を示す図である。一般に、ブリッジ部を除く鉄心領域の磁路幅はブリッジ幅に比べて十分広く、ブリッジ部は飽和していてもその他の鉄心領域は飽和しない。したがって、永久磁石１００を挿入してもブリッジ部以外の鉄心領域の比透磁率は数１０００程度と非常に大きく、磁気回路として考えた場合は無視しうる抵抗値となる。したがって、図示のように永久磁石１００がセンターブリッジ部ＢＤ_Ｃと比べて外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓに近い位置に配置されている場合においても、センターブリッジ部ＢＤ_Ｃと外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓにはほぼ同程度の起磁力が加わり、飽和レベルも同等となる。すなわち、バリア領域１８において永久磁石１００をどこに配置しても、各ブリッジ部の鉄心を飽和させることができる。

また、単一のバリア領域１８に挿入する永久磁石１００の数は１つに限られず、複数個であってもよい。図９は、バリア領域１８における永久磁石１００の配置位置の他の例を示す図である。図示のように、例えば、センターブリッジ部ＢＤ_Ｃを挟み、対となるバリア領域１８のいずれか一方に個数が非対称となるように２つの永久磁石１００を挿入してもよい。この際、対となるバリア領域１８の双方において、永久磁石１００の断面積は、上記数値範囲内であれば異なっていてもよい。

また、リラクタンスモータ１はスキュー構造であってもよい。図１０は、リラクタンスモータ１の外観の一例を示す図である。図１０の（ａ）に示すように、リラクタンスモータ１がスキュー構造である場合、図１０の（ｂ）に示すように、フラックスバリア１１は、ｄ軸およびｑ軸からなる断面と直交するｖ軸（すなわち回転軸８）の位置に応じて、その断面での位置が異なってよい。この場合、永久磁石１００の形状もスキュー構造に合わせた形状であってよい。

また、第１の実施形態では、各フラックスバリア１１のバリア領域１８ごとに永久磁石１００が挿入されるものとして説明したがこれに限られず、いずれのバリア領域１８にも永久磁石１００が挿入されないフラックスバリア１１が形成されてもよい。すなわち、永久磁石１００によって各ブリッジ部の磁束を飽和させることで、よりｄ軸方向への漏れ磁束を少なくさせるフラックスバリア１１と、単にバリア領域１８によってｄ軸方向への漏れ磁束を少なくさせるフラックスバリア１１とが混在していてもよい。

また、リラクタンスモータ１の突極を４極として説明したがこれに限られず、２極、６極、８極、その他任意の極数であってよい。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態におけるリラクタンスモータ１Ａについて説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点として、センターブリッジ部ＢＤ_Ｃを挟みこむことで対となるバリア領域１８のいずれか一方のみに永久磁石１００を挿入する点について説明する。以下、上述した第１の実施形態と共通する機能等についての説明は省略する。

図１１は、第２の実施形態おけるリラクタンスモータ１Ａの１極分の構成を示す回転軸８に直交する断面図である。第２の実施形態では、センターブリッジ部ＢＤ_Ｃを挟み、対となるバリア領域１８のいずれか一方のみに永久磁石１００を挿入し、他方のバリア領域１８には、当該永久磁石１００と同程度の質量を有する重量調整部材ＷＴを挿入する。すなわち、永久磁石１００は、フラックスバリア１１の中央部（例えばフラックスバリア１１の長手方向において各端部からの距離が同じ位置）に対して、いずれかの側に偏したバリア領域１８に設けられ、重量調整部材ＷＴは、いずれかの側に偏していない他方のバリア領域１８に設けられる。重量調整部材ＷＴは、非磁性体である。重量調整部材ＷＴが挿入されるバリア領域１８には、重量調整部材ＷＴを固定するために接着性の樹脂などの非磁性体が充填されてもよいし、重量調整部材ＷＴと共に非磁性体のスペーサなどが挿入されてもよい。

なお、図１１では、中心軸Ｏに最も近いフラックスバリア１１についてのみバリア領域を示す１８、永久磁石を示す１００、重量調整部材を示すＷＴの符号を付しているが、その他のフラックスバリア１１についても同様である。また、分割されたバリア領域を、１８ａ、１８ｂのように示している。

重量調整部材ＷＴをバリア領域１８に挿入する場合、上記数式（１）または（２）において、永久磁石１００の総断面積Ｓ_Ｍには、重量調整部材ＷＴの断面積を含めないものとする。すなわち、一方のバリア領域１８に挿入された永久磁石１００の断面積のみを用いて、回転子鉄心９の飽和磁束密度Ｂ_ｓを評価すればよい。

また、図１１の例では、ｄ軸の右側のみに重量調整部材ＷＴが挿入されているがこれに限られず、フラックスバリア１１ごとに重量調整部材ＷＴの配置を入れ替えてよい。

以下、第２の実施形態おけるリラクタンスモータ１Ａにおける回転子鉄心９の飽和磁束密度Ｂ_ｓと、各ブリッジ部の比透磁率と、電機子巻線７に鎖交する漏れ磁束量との関係について説明する。

図１２は、回転子鉄心９の飽和磁束密度Ｂ_ｓと、各ブリッジ部の比透磁率と、電機子巻線７に鎖交する漏れ磁束量との関係の他の例を示す図である。各ブリッジ部の比透磁率は、真空の透磁率に対するブリッジ部の透磁率の比率である。第２の実施形態でも、第１の実施形態と同様に、固定子２に漏れ出す磁束量の２乗値で評価するものとする。

図１２に示す結果は、図１１に示すリラクタンスモータ１Ａの構成のモデルを想定したときの解析結果である。この解析に用いたモデルでは、例えば、リラクタンスモータ１Ａの回転軸８に対する１極分の断面において、回転子鉄心９をケイ素鋼板（非線形磁化特性）とし、フラックスバリア１１を３層とし、各々のフラックスバリア１１におけるバリア領域１８を２つとし、各々のフラックスバリア１１に含まれるセンターブリッジ部ＢＤ_Ｃを１つとしている。また、解析に用いたモデルでは、２つのバリア領域１８の双方に、同程度の断面積および残留磁束密度Ｂ_ｒを有する永久磁石１００を挿入している。図中の飽和磁束密度Ｂ_ｓは、上述した数式（２）により解析的に導出した値である。

図１２に示す結果は、上述した図７に示す結果と同様に、各ブリッジ部の比透磁率に着目した場合、回転子鉄心９の飽和磁束密度Ｂ_ｓが０から１．２Ｔ（テスラ）までの範囲では、各ブリッジ部の比透磁率が増加する傾向を有している。また、飽和磁束密度Ｂ_ｓが１．２Ｔ以上の範囲では、各ブリッジ部の比透磁率が減少する傾向を有している。一方、漏れ磁束量に着目した場合、回転子鉄心９の飽和磁束密度Ｂ_ｓが２Ｔ程度までの範囲では、固定子２に漏れ出す磁束量（磁束の２乗値）がゼロ程度であり、回転子鉄心９の飽和磁束密度Ｂ_ｓが２Ｔ以上の範囲では、固定子２に漏れ出す磁束量が指数関数的に増加している。従って、センターブリッジ部ＢＤ_Ｃの数が２つである場合でも、各ブリッジ部の飽和磁束密度Ｂ_ｓが１．２Ｔ以上且つ３．０Ｔ以下の範囲に収まるように永久磁石１００の断面積を決定することによって、漏れ磁束量の増加を抑制しつつ、各ブリッジ部の磁束を飽和させることができる。このように、ブリッジ部の数や位置を変更するような設計変更をした場合でも、数式（１）、（２）の理論式を用いて導かれる結果は同様の傾向を示しており、各ブリッジ部の飽和磁束密度Ｂ_ｓが上記数値範囲内に収まるように永久磁石１００の断面積を決定すれば同一の効果を得ることができる。

以上説明した第２の実施形態によれば、上述した第１の実施形態と同様に、リラクタンスモータ１の誘起電圧が発生しない程度の永久磁石１００をバリア領域１８に設けることにより、バリア領域１８に永久磁石１００を設けないリラクタンスモータ１に比べて突極性を改善させることができる。この結果、エネルギー効率を向上させることができる。

また、上述した第２の実施形態によれば、永久磁石１００の代わりに重量調整部材ＷＴを挿入することによって、回転子３において機械的なアンバランスを解消することができ、フラックスバリア１１間の回転子鉄心９（各ブリッジ部も含む）に生じる応力をバランスよく分散させることができる。この結果、回転子３の機械的強度を向上させることができる。

（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態におけるリラクタンスモータ１Ｂについて説明する。ここでは、第１および第２の実施形態との相違点として、センターブリッジ部ＢＤ_Ｃまたは外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓのいずれか一方が存在しない点について説明する。以下、上述した第１および第２の実施形態と共通する機能等についての説明は省略する。

図１３は、第３の実施形態おけるリラクタンスモータ１Ｂの１極分の構成を示す回転軸８に直交する断面図である。第３の実施形態では、外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓのみが存在し、各フラックスバリア１１は、１つのバリア領域１８を有している。この場合、上記数式（１）において、ｗ_Ｂを２ｗ_ｏとして扱うことで、永久磁石１００の大きさを決定してよい。なお、図１３では、中心軸Ｏに最も近いフラックスバリア１１についてのみバリア領域を示す１８、永久磁石を示す１００の符号を付しているが、その他のフラックスバリア１１についても同様である。

また、図１３に示すリラクタンスモータ１Ｂにおいて、センターブリッジ部ＢＤ_Ｃのみが存在していてもよい。この場合、上記数式（１）において、ｗ_Ｂをｗ_Ｃとして扱うことで、永久磁石１００の大きさを決定してよい。

以上説明した第３の実施形態によれば、上述した第１および第２の実施形態と同様に、リラクタンスモータ１の誘起電圧が発生しない程度の永久磁石１００をバリア領域１８に設けることにより、バリア領域１８に永久磁石１００を設けないリラクタンスモータ１に比べて突極性を改善させることができる。この結果、エネルギー効率を向上させることができる。

また、上述した第３の実施形態によれば、ブリッジ部の数を少なくすることができるため、バリア領域１８に設ける永久磁石１００を小さくすることができる。

（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態におけるリラクタンスモータ１Ｃについて説明する。ここでは、第１から第３の実施形態との相違点として、バリア領域１８が３つ以上形成されている点について説明する。以下、上述した第１から第３の実施形態と共通する機能等についての説明は省略する。

図１４は、第４の実施形態おけるリラクタンスモータ１Ｃの１極分の構成を示す回転軸８に直交する断面図である。図１４では、中心軸Ｏに最も近いフラックスバリア１１についてのみバリア領域を示す１８、永久磁石を示す１００の符号を付しているが、その他のフラックスバリア１１についても同様である。また、分割されたバリア領域を、１８ａ、１８ｂ、１８ｃのように示している。第４の実施形態では、各フラックスバリア１１においてバリア領域１８が３つ形成されていることから、フラックスバリア１１両端の間の中間地点において、２つのセンターブリッジ部ＢＤ_Ｃが形成されている。そして、バリア領域１８のうち中央に位置する（中心軸Ｏに最も近い）バリア領域１８ｂに永久磁石１００が取り付けられている。

図１５は、バリア領域１８における永久磁石１００の配置位置の他の例を示す図である。永久磁石１００は、それぞれのフラックスバリア１１において、複数のバリア領域１８のうち、回転軸８からの距離が最も短いバリア領域１８に挿入される。図示の例では、バリア領域１８ｂである。なお、永久磁石１００は、２つのセンターブリッジ部ＢＤ_Ｃによって挟まれたバリア領域１８ｂに挿入される代わりに、当該バリア領域１８ｂの両脇に位置するバリア領域１８ａおよび１８ｃのそれぞれに挿入されてもよい。これによって、永久磁石１００の磁束は、２つの外周ブリッジ部ＢＤ_Ｓおよび２つのセンターブリッジ部ＢＤ_Ｃに略均等に流れやすくなる。また、永久磁石１００は、３つのバリア領域１８のうちの中間のバリア領域１８ｂや、両脇のそれぞれのバリア領域１８ａおよび１８ｃに挿入されるため、回転子３において機械的なアンバランスを解消することができ、フラックスバリア１１間の回転子鉄心９（各ブリッジ部も含む）に生じる応力をバランスよく分散させることができる。

第４の実施形態では、フラックスバリア１１ごとのバリア領域１８の厚さｔ_ＦＢは、全てのバリア領域１８の厚さの平均として扱われる。例えば、バリア領域１８ａおよび１８ｃのそれぞれの幅をｌ_ＯＦＢ、厚さをｔ_ＯＦＢと定義し、バリア領域１８ｂの幅をｌ_ＣＦＢ、厚さをｔ_ＣＦＢと定義した場合、ｔ_ＦＢ＝（２ｔ_ＯＦＢ＋ｔ_ＣＦＢ）／３と表すことができる。また、永久磁石１００の総断面積Ｓ_Ｍは、永久磁石１００が１つであることから、ｌ_Ｍとｔ_Ｍの積となる。また、全てのブリッジ部の幅の総和ｗ_Ｂは、ｗ_Ｂ＝２（ｗ_ｏ＋ｗ_Ｃ）として表される。これらのパラメータを用いることで、ギャップＧを通過して電機子巻線７へ鎖交する漏れ磁束が小さくなる（すなわち、誘起電圧が小さくなる）ように永久磁石１００の断面積と残留磁束密度を決定することができる。

以上説明した第４の実施形態によれば、上述した第１から第３の実施形態と同様に、リラクタンスモータ１の誘起電圧が発生しない程度の永久磁石１００をバリア領域１８に設けることにより、バリア領域１８に永久磁石１００を設けないリラクタンスモータ１に比べて突極性を改善させることができる。この結果、エネルギー効率を向上させることができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、各ブリッジ部の飽和磁束密度Ｂ_ｓが１．２Ｔ以上且つ３．０Ｔ以下の範囲に収まるように永久磁石１００の断面積と残留磁束密度を決定するため、誘起電圧を最小化しつつ、各ブリッジ部を磁気的に無効化することができる。これによって、リラクタンスモータ１の突極性を改善させることができ、突極比を高めることができる。この結果、モータの性能（トルク、効率、力率など）が改善し、エネルギー効率を向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…リラクタンスモータ、２…固定子、３…回転子、４…固定子鉄心、５…ティース、７…電機子巻線、８…回転軸（シャフト）、９…回転子鉄心、１１…フラックスバリア、１８…バリア領域、１００…永久磁石

Claims (6)

1. 軸心回りに回転するシャフトと、
   前記シャフトに固定された回転子鉄心と、を備え、
   前記回転子鉄心には、
   前記回転子鉄心の外周面における、ある箇所から他の箇所に至る複数のフラックスバリアが、前記軸心を通る所定の直線を通過するように並べられて形成されており、
   前記フラックスバリアには、
   前記フラックスバリアの長手方向の両端において前記回転子鉄心の外周面の一部を形成するブリッジ部を含む複数のブリッジ部が形成されており、
   前記複数のブリッジ部の間に前記回転子鉄心における前記フラックスバリア以外の部分に比して透磁率が低い一つまたは複数のバリア領域が形成されており、
   少なくとも一つの前記バリア領域には、永久磁石が設けられており、
   前記永久磁石の磁化方向は、前記永久磁石の設けられた位置における前記フラックスバリアの長手方向に交差する方向に向けられており、
   μ_０：前記バリア領域における前記永久磁石が存在しない領域の透磁率
   Ｓ_Ｍ：前記シャフトの延在方向に直交する平面における前記永久磁石の断面積
   Ｂ_ｒ：前記永久磁石の残留磁束密度
   μ_ｒｅ：前記永久磁石のリコイル透磁率
   ｔ_ＦＢ：前記バリア領域の厚さの最小と最大の相加平均
   ｗ_Ｂ：前記複数のブリッジ部の全ての幅の総和
   とした場合に、（μ_０×Ｓ_Ｍ×Ｂ_ｒ）／（μ_ｒｅ×ｔ_ＦＢ×ｗ_Ｂ）の値が、１．２以上且つ３．０以下の範囲内となる、
   回転子。
2. 前記回転子鉄心には、前記フラックスバリアによって区画され、固定子により形成された磁束が通過する一つ以上の磁路が形成されている、
   請求項１に記載の回転子。
3. 少なくとも一つの前記フラックスバリアの長手方向の両端のいずれか一方の側に偏した位置に形成された前記バリア領域には、前記永久磁石が設けられ、他方の側に偏した位置に形成された前記バリア領域には、前記永久磁石と同程度の質量を有する重量調整部材が設けられている、
   請求項１または２に記載の回転子。
4. 前記バリア領域内において、前記回転子鉄心と前記永久磁石との間に非磁性体が充填されている、
   請求項１から３のうちいずれか１項に記載の回転子。
5. 少なくとも一つの前記フラックスバリアには、複数の前記バリア領域が形成されており、複数の前記バリア領域のうち、前記シャフトに最も近いバリア領域に前記永久磁石が設けられている、
   請求項１に記載の回転子。
6. 請求項１から５のうちいずれか１項に記載の回転子と、
   前記回転子鉄心の外周に前記回転子鉄心と間隔をあけて配置され、互いに周方向に間隔をあけて配列された複数のティースを有する固定子鉄心と、
   前記複数のティースにそれぞれ巻回された複数極の多相の電機子巻線と、
   を備えるリラクタンスモータ。

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