JP7080416B1 - 回転子および回転電機 - Google Patents

Abstract

高調波による鉄損を低減できる回転子を得る。Ｖ字状の一対の磁石スロット（２２）と永久磁石（２３）とで構成された磁極層（２２１、２２２、２２３）が３層以上に配置されて１つの磁極が構成されており、永久磁石の磁束出力面と平行な直線（５１、５２、５３）とｑ軸とのなす角を磁極層角（θ１、θ２、θ３）としたときに、１つの磁極における磁極層角は回転軸（１６）に近い磁極層ほど小さく、磁石スロットから回転子コア（２１）の外周面までの最短距離をブリッジ幅とし、隣り合う磁極層の最短距離を磁極層間幅としたときに、磁極層間幅は隣り合う磁極層のブリッジ幅の和よりも小さく設定されている。

Description

本願は、回転子および回転電機に関する。

従来の永久磁石型の回転電機として、回転子の外周に沿って設けられた第１の磁石スロットと、第１の磁石スロットの内径側に多層に設けられたＶ字状の第２の磁石スロットおよび第３の磁石スロットとを有した回転電機が知られている。この回転電機においては、それぞれの磁石スロットに永久磁石が挿入されて１つの磁極が構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５３５３９６２号公報

従来の回転電機においては、リラクタンストルクを増大させるためにｑ軸を介して隣り合う磁極間の幅が１つの磁極内の磁石スロット間の幅よりも広く設定されていた。しかしながら、ｑ軸を介して隣り合う磁極の間の幅が広くなると固定子と回転子とのギャップに発生する磁束密度の変動がｑ軸部分で急峻となり、高調波による鉄損が増大するという問題があった。また、従来の回転電機のように磁石スロットを単に多層化するだけでは、ギャップに発生する磁束密度の波形が高調波成分を多く含む矩形波に近い波形となり、ｄ軸電流通電時に高調波による鉄損が増大するという問題があった。

本願は上述のような課題を解決するためになされたもので、高調波による鉄損を低減する回転子を得ることを目的とする。

本願の回転子は、回転子コアおよび複数の永久磁石を有し、回転軸を中心に回転する回転子であって、回転軸に直交する断面において、回転軸の中心から外径側に向かって開くＶ字状の一対の磁石スロットと磁石スロットにそれぞれ挿入された永久磁石とで構成された磁極層が３層以上に配置されて１つの磁極が構成されており、磁石スロットは、永久磁石が挿入される磁石挿入部と磁石挿入部の両端にそれぞれ形成されたフラックスバリアとを有しており、１つの磁極の磁極中心をｄ軸とし、ｄ軸に電気的に直交する方向をｑ軸としたときに、１つの磁極層において磁石スロットに挿入された永久磁石の磁束出力面と平行な直線とｑ軸との回転軸側のなす角を磁極層角としたときに、１つの磁極における磁極層角は回転軸に近い磁極層ほど小さく、磁石スロットの外径側のフラックスバリアから回転子コアの外周面までの最短距離をブリッジ幅とし、隣り合う磁極層の最短距離を磁極層間幅としたときに、磁極層間幅は隣り合う磁極層のブリッジ幅の和よりも小さく、回転軸に最も近い磁極層の外径側のフラックスバリアとｑ軸との最短距離が磁極における磁極層間幅よりも小さく設定されている。

本願の回転子においては、１つの磁極における磁極層角が回転軸に近い磁極層ほど小さく、磁極層間幅が隣り合う磁極層のブリッジ幅の和よりも小さく、回転軸に最も近い磁極層の外径側のフラックスバリアとｑ軸との最短距離が磁極における磁極層間幅よりも小さく設定されているので、高調波による鉄損を低減することができる。

実施の形態１に係る回転電機の縦断面図である。 実施の形態１に係る回転電機の横断面図である。 実施の形態１に係る回転子の拡大断面図である。 実施の形態１に係る回転子の拡大断面図である。 実施の形態１に係る実施例１の回転電機の磁束密度のコンター図である。 実施の形態１に係る実施例１の回転電機の磁束線を示す図である。 実施の形態１に係る比較例１の回転電機の磁束密度のコンター図である。 実施の形態１に係る比較例１の回転電機の磁束線を示す図である。 実施の形態１に係る実施例１の回転電機の比透磁率のコンター図である。 実施の形態１に係る実施例１の回転電機の磁束線を示す図である。 実施の形態１に係る比較例２の回転電機の比透磁率のコンター図である。 実施の形態１に係る比較例２の回転電機の磁束線を示す図である。 実施の形態１に係る実施例１および比較例２の回転電機の回転子の外周面における透磁率分布を示す特性図である。 実施の形態１に係る実施例１および比較例２の回転電機におけるギャップに発生する磁束密度分布を示す特性図である。 実施の形態１に係る比較例３の回転電機の比透磁率のコンター図である。 実施の形態１に係る比較例３の回転電機の磁束線を示す図である。 実施の形態１に係る実施例１および比較例３の回転電機の回転子の外周面における透磁率分布を示す特性図である。 実施の形態１に係る実施例１および比較例３の回転電機におけるギャップに発生する磁束密度分布を示す特性図である。 実施の形態１に係る回転電機におけるギャップに発生する磁束密度波形を周波数分解したときの高調波次数に対する高調波振幅を示した特性図である。 実施の形態１に係る回転電機における無負荷時、ｄ軸電流のみ通電時、ｑ軸電流のみ通電時の損失を示す特性図である。 実施の形態２に係る回転子の拡大断面図である。 実施の形態２に係る回転子の拡大断面図である。

以下、本願を実施するための実施の形態に係る回転子および回転電機について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る回転電機の縦断面図である。図２は、図１のＩ－Ｉの面での横断面図である。図１は、回転電機の回転軸と平行な面の断面図である。図２は、回転電機の回転軸と直交する面の断面図である。これ以降、回転軸と平行な方向を軸方向、回転軸と直交する方向を径方向、回転軸を中心として回転する方向を周方向と称する。

図１に示すように、本実施の形態の回転電機１は、円筒状のフレーム１３と軸受１４と一対のブラケット１５と回転軸１６とを有する。一対のブラケット１５は、フレーム１３の軸方向の両端に装着されフレーム１３の軸方向の両端の開口を塞いでいる。軸受１４は、一対のブラケット１５に装着されている。回転軸１６は、軸受１４に支持されてフレーム１３内に回転可能に設けられている。さらに、回転電機１は、回転軸１６に固定された回転子コア２１と、回転子コア２１の外周側に回転子コア２１と同軸に設けられた固定子コア１１とを有する。固定子コア１１は、フレーム１３に固定されている。同軸に設けられた回転子コア２１と固定子コア１１との間には、ギャップが形成されている。

図２に示すように、固定子１０は、円環状の固定子コア１１と固定子コア１１に装着された固定子コイル１２とで構成されている。固定子コア１１は、円環状のコアバック１９とコアバック１９の内周面から内径側に突出する複数のティース１８とを有する。ティース１８は、周方向に等角ピッチで４８本配列されている。固定子コア１１は、例えば電磁鋼板が回転軸方向に積層されて構成されている。固定子コイル１２は、ティース１８の間の空間を利用してティース１８に巻かれた導体線である。本実施の形態において固定子コイル１２は、複数のティース１８に跨って巻かれた分布巻きで構成されている。

図２に示すように、回転子２０は、回転軸１６と円環状の回転子コア２１と回転子コア２１に形成された４８個の磁石スロット２２にそれぞれ挿入された４８個の永久磁石２３とで構成されている。回転子コア２１は、例えば電磁鋼板が回転軸方向に積層されて構成されている。回転子コア２１は、シャフト挿入孔に挿入された回転軸１６に固定されている。回転子２０は、回転軸１６で軸受１４に支持されてフレーム１３内に回転可能に設けられている。なお、図２において、矢印は永久磁石のＳ極からＮ極へ向かう磁束の方向を示している。

図３は、本実施の形態に係る回転子の拡大断面図である。図３は、回転軸と直交する面の断面図である。本実施の形態の回転子コア２１には、回転軸の中心から外径側に向かって開くＶ字状の一対の磁石スロット２２がｄ軸に沿って３層形成されている。磁石スロット２２は、永久磁石２３が挿入される磁石挿入部と当該磁石挿入部の両端にそれぞれ形成されたフラックスバリアとを有している。フラックスバリアは、回転子コア２１より透磁率が低い、例えば空孔で構成されている。各磁石スロットにおいて、外径側のフラックスバリアをギャップ側フラックスバリア、内径側のフラックスバリアをｄ軸側フラックスバリアと呼ぶ。ここで、一対の磁石スロット２２とその磁石スロット２２にそれぞれ挿入された２つの永久磁石２３とを合わせて磁極層と呼ぶ。本実施の形態の回転子においては、回転軸から最も遠い位置の磁極層２２１と、この磁極層２２１より回転軸側に位置する磁極層２２２と、この磁極層２２２より回転軸側に位置する磁極層２２３との３層で１つの磁極が構成されている。なお、本実施の形態においては、磁極層２２１の一対の磁石スロット２２は、開口角が１８０°のＶ字状となっている。ここで、１つの磁極を構成する永久磁石のＮ極の磁極中心をｄ軸と定義し、磁極間に位置してｄ軸に対して電気的に直交する方向をｑ軸と定義する。

図３において、磁極層２２１の永久磁石２３の磁束出力面と平行な直線を直線５１とする。また、磁極層２２２の永久磁石２３の磁束出力面と平行な直線を直線５２とする。さらに、磁極層２２３の永久磁石２３の磁束出力面と平行な直線を直線５３とする。そして、ｑ軸と直線５１との回転軸側のなす角を磁極層角θ１、ｑ軸と直線５２との回転軸側のなす角を磁極層角θ２、ｑ軸と直線５３との回転軸側のなす角を磁極層角θ３とする。本実施の形態の回転子２０においては、θ１＞θ２＞θ３の関係を満足するように構成されている。言い換えると、１つの磁極における磁極層角は、回転軸に近い磁極層ほど小さく設定されている。

図４は、本実施の形態に係る回転子の拡大断面図である。図４は、図３をより拡大した断面図である。図４において、各磁極層のギャップ側フラックスバリアと回転子コア２１の外周面との間をブリッジと呼ぶ。そして、磁極層２２１のギャップ側フラックスバリア２２１ａと回転子コア２１の外周面との間の最短距離をブリッジ幅Ｃ、磁極層２２２のギャップ側フラックスバリア２２２ａと回転子コア２１の外周面との間の最短距離をブリッジ幅Ｂ、磁極層２２３のギャップ側フラックスバリア２２３ａと回転子コア２１の外周面との間の最短距離をブリッジ幅Ａとする。また、磁極層２２１と磁極層２２２との間の最短距離を磁極層間幅Ｗ３、磁極層２２２と磁極層２２３との間の最短距離を磁極層間幅Ｗ２、磁極層２２３とｑ軸との間の最短距離を磁極層間幅Ｗ１とする。本実施の形態の回転子２０においては、Ｂ＋Ｃ＞Ｗ３、Ａ＋Ｂ＞Ｗ２および２×Ａ＞２×Ｗ１の関係を満足するように構成されている。詳細には、磁極層２２１と磁極層２２２との間の磁極層間幅Ｗ３は、磁極層２２１のブリッジ幅Ｃと磁極層２２２のブリッジ幅Ｂとの和よりも小さく設定されている。また、磁極層２２２と磁極層２２３との間の磁極層間幅Ｗ２は、磁極層２２２のブリッジ幅Ｂと磁極層２２３のブリッジ幅Ａとの和よりも小さく設定されている。さらに、磁極層２２３と隣の磁極の磁極層２２３との間の磁極層間幅２×Ｗ１は、磁極層２２３のブリッジ幅Ａと隣の磁極の磁極層２２３のブリッジ幅Ａとの和よりも小さく設定されている。言い換えると、磁極層間幅は、隣り合う磁極層のブリッジ幅の和よりも小さく設定されている。
本実施の形態において、θ１＞θ２＞θ３の関係を条件１、Ｂ＋Ｃ＞Ｗ３、Ａ＋Ｂ＞Ｗ２および２×Ａ＞２×Ｗ１の関係を条件２と表現する。

次に、本実施の形態の回転電機において、ｑ軸電流を通電したときの効果について実施例１および比較例１を用いて説明する。
図５は、本実施の形態に係る実施例１の回転電機にｑ軸電流を通電したときの磁束密度のコンター図である。図６は、実施例１の回転電機の磁束線を示す図である。図６は、Ｆｒｏｚｅｎ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ法を用いて図５に示した磁束密度から電機子磁束と磁石磁束との磁束分離を行って得られた電機子磁束の磁束線を示している。ここで、Ｆｒｏｚｅｎ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ法とは、永久磁石同期回転電機のような電機子電流と永久磁石との２つの起磁力源で駆動される回転電機に対して用いられる磁界解析手法の１つである。この磁界解析手法は、非線形磁化特性を考慮して磁束密度分布を２つの起磁力源別に分解できる。

図５および図６は、磁界解析プログラムを用いたシミュレーションの結果である。シミュレーションに用いた実施例１のパラメータは次のとおりである。条件１に係る値として、θ１＝６７．５°、θ２＝１８．５°およびθ３＝８．３°とした。条件２に係る値として、Ａ＝３．２５ｍｍ、Ｂ＝３．０ｍｍ、Ｃ＝１．９ｍｍ、Ｗ１＝２．０ｍｍ、Ｗ２＝４．５ｍｍおよびＷ３＝４．６ｍｍとした。したがって、実施例１においては、θ１＞θ２＞θ３となり条件１が満足されており、かつＢ＋Ｃ＞Ｗ３、Ａ＋Ｂ＞Ｗ２および２×Ａ＞２×Ｗ１となり条件２も満足されている。

図７は、本実施の形態に係る比較例１の回転電機にｑ軸電流を通電したときの磁束密度のコンター図である。図８は、比較例１の回転電機の磁束線を示す図である。図８は、Ｆｒｏｚｅｎ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ法を用いて図７に示した磁束密度から電機子磁束と磁石磁束との磁束分離を行って得られた電機子磁束の磁束線を示している。図７および図８も磁界解析プログラムを用いたシミュレーションの結果である。シミュレーションに用いた比較例１のパラメータは次のとおりである。条件１に係る値として、θ１＝６７．５°、θ２＝１８．５°およびθ３＝２２．５°とした。条件２に係る値として、Ａ＝３．２５ｍｍ、Ｂ＝３．０ｍｍ、Ｃ＝１．９ｍｍ、Ｗ１＝２．０ｍｍ、Ｗ２＝４．５ｍｍおよびＷ３＝４．６ｍｍとした。したがって、比較例１においては、θ１＞θ２＜θ３となり条件１は満足されていないが、Ｂ＋Ｃ＞Ｗ３、Ａ＋Ｂ＞Ｗ２および２×Ａ＞２×Ｗ１となり条件２は満足されている。

図５～図８において、磁極層２２２のギャップ側フラックスバリア２２２ａと磁極層２２３のギャップ側フラックスバリア２２３ａと間の幅をＷ１１、磁極層２２２のｄ軸側フラックスバリア２２２ｂと磁極層２２３のｄ軸側フラックスバリア２２３ｂと間の幅をＷ１２とする。また、図５～図８において、磁極層２２２のｄ軸側フラックスバリア２２２ｂと磁極層２２３のｄ軸側フラックスバリア２２３ｂとに挟まれた領域を要部ａ、磁極層２２３の永久磁石２３が配置された領域を要部ｂとする。

図５に示す実施例１の要部ａの磁束密度と図７に示す比較例１の要部ａの磁束密度とを比較すると、実施例１の磁束密度が比較例１の磁束密度よりも低いことがわかる。この関係は、幅Ｗ１１と幅Ｗ１２との関係に起因する。図５に示す実施例１ではＷ１１＜Ｗ１２であるが、図７に示す比較例１ではＷ１１＞Ｗ１２である。実施例１においてＷ１１＜Ｗ１２となるのは、θ１＞θ２＞θ３となる条件１が満足されているからである。これに対して比較例１においては、θ２＜θ３となり条件１が満足されていないためＷ１１＞Ｗ１２となる。

また、実施例１においては、Ｗ１２が広くかつ要部ａの磁束密度が低いので、Ｗ１１の領域からＷ１２の領域に向かって流れる電機子磁束は要部ａに向かって流れやすくなる。これに対して、比較例１においては、Ｗ１２が狭くかつ要部ａの磁束密度が高いので、Ｗ１１の領域からＷ１２の領域に向かって流れる電機子磁束は要部ａに向かって流れにくくなり、その一部が要部ｂに向かって流れる。要部ｂにおいて永久磁石と鎖交する磁束を図６と図８とで比較すると、実施例１よりも比較例１の方が多いことがわかる。永久磁石と鎖交する磁束は、効率の低下、永久磁石の温度上昇の原因となる。すなわち、永久磁石と鎖交する磁束を低減させるためには、条件１であるθ１＞θ２＞θ３を満足する必要がある。

回転電機において、固定子と回転子とのギャップに発生する磁束を正弦波にすることで高調波による損失を低減できることが知られている。ギャップに発生する磁束は、起磁力と透磁率との掛け算で求めることができ、起磁力と透磁率との両方を正弦波にすれば発生する磁束を正弦波にすることができる。ここで起磁力は固定子の電機子磁束と回転子の磁石磁束とで決まり、透磁率は固定子および回転子の透磁率分布で決まる。分布巻きの固定子の起磁力波形および透磁率分布については、スロットなどによる高調波成分は存在するが、その高調波成分は高次の成分でかつ値が小さいため高調波損失への影響は小さい。回転子の起磁力波形および透磁率分布については、一般の埋込型永久磁石同期回転電機（ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ：これ以降ＩＰＭＳＭと記す）の場合、矩形波のような形となり低次でかつ値が大きい高調波成分を含む。したがって、回転子の起磁力波形と透磁率分布との低次の高調波成分を低減し、かつそれらを正弦波形状とすることができればギャップに発生する磁束を正弦波にすることができ、高調波による損失を減らすことができる。

次に、本実施の形態の回転電機において、無負荷時の効果について実施例１、比較例２および比較例３を用いて説明する。
図９は、本実施の形態に係る実施例１の回転電機の無負荷時の比透磁率のコンター図である。図１０は、実施例１の回転電機の磁束線を示す図である。図１０は、Ｆｒｏｚｅｎ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ法を用いて図９に示した磁束密度から電機子磁束と磁石磁束との磁束分離を行って得られた電機子磁束の磁束線を示している。図９および図１０は、磁界解析プログラムを用いたシミュレーションの結果であり、シミュレーションに用いた実施例１のパラメータは上述のとおりである。

図１１は、本実施の形態に係る比較例２の回転電機の無負荷時の比透磁率のコンター図である。図１２は、比較例２の回転電機の磁束線を示す図である。図１２は、Ｆｒｏｚｅｎ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ法を用いて図１１に示した磁束密度から電機子磁束と磁石磁束との磁束分離を行って得られた電機子磁束の磁束線を示している。図１１および図１２も磁界解析プログラムを用いたシミュレーションの結果である。シミュレーションに用いた比較例２のパラメータは次のとおりである。条件１に係る値として、θ１＝６７．５°、θ２＝１８．５°およびθ３＝８．３°とした。条件２に係る値として、Ａ＝０．３ｍｍ、Ｂ＝０．３ｍｍ、Ｃ＝０．３ｍｍ、Ｗ１＝１．８ｍｍ、Ｗ２＝４．０ｍｍおよびＷ３＝６．５ｍｍとした。したがって、比較例２においては、θ１＞θ２＞θ３となり条件１は満足されているが、Ｂ＋Ｃ＜Ｗ３、Ａ＋Ｂ＜Ｗ２および２×Ａ＜２×Ｗ１となり条件２は満足されていない。

図１３は、本実施の形態に係る実施例１および比較例２の回転電機の回転子の外周面における透磁率分布を示す特性図である。また、図１４は、本実施の形態に係る実施例１および比較例２の回転電機における固定子と回転子とのギャップに発生する径方向の磁束密度分布を示す特性図である。

図９の要部ｃに示すように、実施例１においては回転子コア２１の表面に透磁率が低い領域が存在するが、図１１の要部ｃに示すように、比較例２においてはその透磁率が低い領域がなくなり、回転子コア２１の表面の透磁率が高くなっている。そのため、図１０と図１２とを比較すると、実施例１においてギャップ側の回転子コア２１の表面に流れていた磁石磁束が、比較例２ではその磁石磁束が少なくなっていることがわかる。これは比較例２の回転子コアにおいては、ブリッジ幅が狭くなったことで磁石磁束の流れが制限されたためである。比較例２のようなブリッジ幅が狭い構造は、従来のＩＰＭＳＭで採用されている構造である。その結果、図１３に示すように、電気角度が０～９０°の間に存在する透磁率が高い３つのピークの幅（ｔ１、ｔ２、ｔ３）が比較例２の方が実施例１よりも広くなっている。また、その３つのピークの高さも比較例２の方が実施例１よりも高くなっている。例えば、ピーク幅ｔ１で示した１つ目のピークの高さは、比較例２の方が実施例１よりもｔ１１だけ高く、ピーク幅ｔ２で示した２つ目のピークの高さは、比較例２の方が実施例１よりもｔ１２だけ高く、ピーク幅ｔ３で示した３つ目のピークの高さは、比較例２の方が実施例１よりもｔ１３だけ高くなっている。さらに、図１４の要部ｄに示すように、電気角度が０～９０°の範囲に存在する磁束密度が階段状に変化する箇所の波形が、実施例１の方が比較例２よりもなだらかになっている。つまり、実施例１の磁束密度の方が、比較例２の磁束密度よりもより正弦波に近い波形となっている。

実施例１において、図１４の要部ｄの磁束密度波形がなだらかになっている箇所に着目する。この磁束密度波形がなだらかとなっている位置に対応する回転子コア２１表面の図１０の要部ｃにおいて、永久磁石の磁束線には一度ブリッジを通過してから固定子コア１１に鎖交している磁束線と回転子コア２１内部で短絡している磁束線とがあることがわかる。また、図９の要部ｃにおいて、回転子コア２１の表面の透磁率が低いことがわかる。このことから、図１０の要部ｃの回転子コア２１は磁気飽和していることがわかる。そのため、磁束密度波形をなだらかにするためには、回転子コア２１の表面の要部ｃの領域において一度ブリッジを通過してから固定子コア１１に鎖交する磁石磁束と回転子コア２１内部を短絡している磁石磁束とによって磁気飽和が発生している必要がある。

回転子２０の永久磁石２３が出力する最大の磁束量は、磁極層間幅Ｗ１、Ｗ２およびＷ３によって決まる。この永久磁石２３から出力された磁石磁束は、磁極層間幅とブリッジ幅との関係によって回転子コア２１から固定子コア１１へと流れる経路が変化する。比較例２のようにブリッジ幅が狭く条件２が満足されていない回転子コアにおいて、図１２の要部ｃの磁石磁束に着目する。図１２に示すように、比較例２においてはブリッジを通過する磁束と回転子コア２１内を短絡する磁束とは各磁極層において１本程度と少なく、固定子コア１１に直接鎖交する磁束が大半である。そのため、比較例２においては、図１１の要部ｃに示すように回転子コア２１の透磁率が高く、ブリッジに近い領域のみが磁気飽和している。

これに対して条件２を満足している実施例１では、図１０に示すように各磁極層の永久磁石の磁石磁束が他の磁極層のブリッジを通過してから固定子コア１１に鎖交していることがわかる。これにより、図９の要部ｃにおいて各磁極層のギャップ側のフラックスバリアからギャップ方向に向かって放射状に透磁率が低下しており、これによって回転子コア２１の要部ｃで示す領域が磁気飽和している。

これらのことから、回転子コア２１の表面の要部ｃの領域において磁気飽和を発生させるためには、関係式Ｂ＋Ｃ＞Ｗ３、Ａ＋Ｂ＞Ｗ２、２Ａ＞２Ｗ１の条件２を満足していることが必要である。条件２を満足する実施例１の回転子においては、回転子コア２１の表面が磁気飽和することで、ギャップに発生する磁束密度波形がなだらかになる。そしてその磁束密度波形がなだらかになる箇所に対応する位置において、図１３に示すように透磁率分布の高さと幅とが比較例２に比べて小さくなる。そのため、図１４に示すように、実施例１の回転子においては磁束密度波形が比較例２と比べて正弦波に近くなることがわかる。その結果、条件２を満足する実施例１の回転子を用いた回転電機は、高調波を減らすことができる。

実施例１および比較例２の回転電機においては、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３となっていた。比較例３の回転電機においては、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３の条件を満足していないものである。
図１５は、本実施の形態に係る比較例３の回転電機の無負荷時の比透磁率のコンター図である。図１６は、比較例３の回転電機の磁束線を示す図である。図１６は、Ｆｒｏｚｅｎ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ法を用いて図１５に示した磁束密度から電機子磁束と磁石磁束との磁束分離を行って得られた電機子磁束の磁束線を示している。図１５および図１６も磁界解析プログラムを用いたシミュレーションの結果である。シミュレーションに用いた比較例３のパラメータは次のとおりである。条件１に係る値として、θ１＝６７．５°、θ２＝１８．５°およびθ３＝８．３°とした。条件２に係る値として、Ａ＝０．３ｍｍ、Ｂ＝０．３ｍｍ、Ｃ＝０．３ｍｍ、Ｗ１＝５．５ｍｍ、Ｗ２＝３．８ｍｍおよびＷ３＝３．５ｍｍとした。したがって、比較例３においては、θ１＞θ２＞θ３となり条件１は満足されているが、Ｂ＋Ｃ＜Ｗ３、Ａ＋Ｂ＜Ｗ２および２×Ａ＜２×Ｗ１となり条件２は満足されていない。また、Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３となり、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３の条件も満足されていない。

図１７は、本実施の形態に係る実施例１および比較例３の回転電機の回転子の外周面における透磁率分布を示す特性図である。また、図１８は、本実施の形態に係る実施例１および比較例３の回転電機における固定子と回転子とのギャップに発生する径方向の磁束密度分布を示す特性図である。

図９の要部ｃに示すように、実施例１においては回転子コア２１の表面の透磁率が低い領域が存在するが、図１５の要部ｃに示すように、比較例３においてはその透磁率が低い領域がなくなり、回転子コア２１の表面の透磁率が高くなっている。そのため、図１０と図１６を比較すると、実施例１においてギャップ側の回転子コア２１の表面に流れていた磁石磁束が、比較例３ではその磁石磁束が少なくなっていることがわかる。また、図１０の要部ｅに示すように、実施例１においては固定子コア１１のティースに鎖交していた磁束線が、図１６の要部ｅに示すように、比較例３においてはその磁束線がなくなっている。比較例３のようなＷ１が広い構造は、従来のＩＰＭＳＭでトルク特性向上のために採用されている構造である。

図１７に示すように、電気角度が０～９０°の範囲に存在する透磁率が高い３つのピークの幅（ｔ１、ｔ２、ｔ３）が比較例３の方が実施例１よりも広くなっている。また、その３つのピークの高さも比較例３の方が実施例１よりも高くなっている。さらに、実施例１においてはｔ１＞ｔ２＞ｔ３であったのが、比較例３ではｔ３が最も大きくなっている。そのため、透磁率分布において、ｑ軸部分の透磁率の高い領域の幅がｄ軸部分の透磁率の高い領域の幅の次に広くなっていることがわかる。さらに、図１８の要部ｆに示すように、比較例３においては、磁極の切り替わりすなわち電気角度が０～２０°および１６０～１８０°の範囲で磁束密度がほぼゼロとなっている。これはＷ１が広くなったことで、この領域に磁石磁束が通らなくなったためである。これに対して、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３を満足する実施例１の回転電機においては、要部ｆに示すように、正弦波に近い磁束密度分布となっている。したがって、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３であることが好ましいことがわかる。

図１９は、本実施の形態に係る実施例１、比較例２および比較例３の回転電機における固定子と回転子とのギャップに発生する磁束密度波形を周波数分解したときの高調波次数に対する高調波振幅を示した特性図である。

図１９に示すように、実施例１の回転電機においては、高調波次数の全てにおいて、比較例２および比較例３よりも高調波成分が同等かそれ以下に低減されている。したがって、条件２のＢ＋Ｃ＞Ｗ３、Ａ＋Ｂ＞Ｗ２および２×Ａ＞２×Ｗ１を満足することで、図１３に示すように透磁率の幅と高さとを制御できることがわかる。また、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３の関係を満足することで、図１７に示すように透磁率の幅を調整できることがわかる。これらの条件を満足することで、回転子コア表面の透磁率分布の形状を正弦波に近づけることができる。さらに、磁石磁束による起磁力波形も正弦波に近づけることができる。

図２０は、本実施の形態に係る実施例１、比較例２および比較例３の回転電機における無負荷時、ｄ軸電流のみ通電時、ｑ軸電流のみ通電時の損失を示す特性図である。図２０は、実施例１の回転電機における損失を１としたときの相対値で示している。図２０に示すように、実施例１の回転電機においては、すべての条件で損失が低いことがわかる。とくにｄ軸電流のみ通電時では、比較例２および比較例３に比べて損失が大幅に低くなっていることがわかる。これは実施例１の回転電機において、透磁率分布が正弦波に近くなったこと、およびギャップに発生する回転子の磁束密度波形が正弦波に近くなったことによる効果である。

上述のように、本実施の回転電機においては、条件１のθ１＞θ２＞θ３の関係と、条件２のＢ＋Ｃ＞Ｗ３、Ａ＋Ｂ＞Ｗ２および２×Ａ＞２×Ｗ１の関係を同時に満足することで、高調波による鉄損を低減することができる。

なお、本実施の形態の回転電機において、回転軸から最も遠い位置の磁極層２２１の一対の磁石スロットは、開口角が１８０°のＶ字状となっている。つまり、磁極層２２１の磁石スロット２２に挿入された永久磁石２３の磁束出力面と平行な直線とｄ軸とのなす角が直角となっている。条件１の関係が満足されるのであれば、磁極層２２１の一対の磁石スロットは、開口角が１８０°より小さくてもよい。

本実施の回転電機においては、比較例３で説明したように、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３であることが好ましい。このような条件を満足することで、ｑ軸部分を磁石磁束が通り易くなる。

本実施の形態の回転電機の回転軸に直交する断面図において、永久磁石２３の磁束出力面の長さを磁石幅とし、永久磁石２３の磁束出力面に直角な方向の長さを磁石厚さとしたときに、１つの磁極において、ギャップに近いつまり回転軸から遠い磁極層の永久磁石２３ほど磁石幅が小さくかつ磁石厚さが大きいことが好ましい。ギャップの近傍に位置する磁極層の永久磁石２３が最も反磁界の影響を受ける。永久磁石の減磁力は磁石厚さに比例する。ギャップの近傍に位置する磁極層の永久磁石２３の厚さを最も厚くすることで弱め界磁時に流れるｄ軸電流による反磁界を受けたときの減磁耐性を高くすることができる。

また、本実施の形態の回転電機におけるフラックスバリアの形状について説明する。図４に示すように、磁極層２２３における磁石スロットのｄ軸側フラックスバリア２２３ｂを当該磁石スロットに挿入された永久磁石２３の磁束出力面を延長した延長面で２つの領域に分割する。２つに分割されたフラックスバリアのｄ軸に遠い方のフラックスバリアの領域の延長面に直角な方向の幅をｄ軸外径側幅Ｈ１とし、ｄ軸に近い方のフラックスバリアの領域の延長面に直角な方向の幅をｄ軸内径側幅Ｈ２とする。本実施の形態の回転電機においては、Ｈ１＜Ｈ２であることが好ましい。このように構成された回転電機においては、永久磁石２３から発生した磁束がその永久磁石２３で短絡される成分が低減し、外径側へと向かう成分が増大する。また、ｄ軸インダクタンスを低下させることができるので、ｑ軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスとの差に比例して大きくなるリラクタンストルクを増加させることができる。さらに、ｄ軸側フラックスバリア２２３ｂを大きく形成することで、回転子コア２１の空孔領域が増大して回転子コア２１の軽量化が図れ、耐遠心力強度も向上する。なお、ｄ軸側フラックスバリアの形状は、磁極層２２３だけでなく、他の磁極層においても同様な形状であることが好ましい。

実施の形態２．
図２１は、実施の形態２に係る回転子の拡大断面図である。図２１は、回転軸と直交する面の断面図である。本実施の形態の回転子２０においては、１つの磁極が４層の磁極層２２１、２２２、２２３、２２４で構成されている。各磁極層の構造は、実施の形態１で説明した磁極層と同様な構造である。

図２１に示すように、磁極層２２１の永久磁石２３の磁束出力面と平行な直線を直線５１とする。また、磁極層２２２の永久磁石２３の磁束出力面と平行な直線を直線５２とする。また、磁極層２２３の永久磁石２３の磁束出力面と平行な直線を直線５３とする。さらに、磁極層２２４の永久磁石２３の磁束出力面と平行な直線を直線５４とする。そして、ｑ軸と直線５１との回転軸側のなす角を磁極層角θ１、ｑ軸と直線５２との回転軸側のなす角を磁極層角θ２、ｑ軸と直線５３との回転軸側のなす角を磁極層角θ３、ｑ軸と直線５４との回転軸側のなす角を磁極層角θ４とする。本実施の形態の回転子２０においては、θ１＞θ２＞θ３＞θ４の関係を満足するように構成されている。言い換えると、１つの磁極における磁極層角は、回転軸に近い磁極層ほど小さく設定されている。

図２２は、本実施の形態に係る回転子の拡大断面図である。図２２は、図２１をより拡大した断面図である。図２２において、磁極層２２１のギャップ側フラックスバリア２２１ａと回転子コア２１の外周面との間の最短距離をブリッジ幅Ｄ、磁極層２２２のギャップ側フラックスバリア２２２ａと回転子コア２１の外周面との間の最短距離をブリッジ幅Ｃ、磁極層２２３のギャップ側フラックスバリア２２３ａと回転子コア２１の外周面との間の最短距離をブリッジ幅Ｂ、磁極層２２４のギャップ側フラックスバリア２２４ａと回転子コア２１の外周面との間の最短距離をブリッジ幅Ａとする。また、磁極層２２１と磁極層２２２との間の最短距離を磁極層間幅Ｗ４、磁極層２２２と磁極層２２３との間の最短距離を磁極層間幅Ｗ３、磁極層２２３と磁極層２２４との間の最短距離を磁極層間幅Ｗ２、磁極層２２４とｑ軸との間の最短距離を磁極層間幅Ｗ１とする。本実施の形態の回転子２０においては、Ｃ＋Ｄ＞Ｗ４、Ｂ＋Ｃ＞Ｗ３、Ａ＋Ｂ＞Ｗ２および２×Ａ＞２×Ｗ１の関係を満足するように構成されている。言い換えると、磁極層間幅は、隣り合う磁極層のブリッジ幅の和よりも小さく設定されている。

このように構成された回転子を備えた回転電機においては、実施の形態１と同様に、高調波による鉄損を低減することができる。

なお、本実施の形態において、Ｗ４＞Ｗ３＞Ｗ２＞Ｗ１であることが好ましい。このような条件を満足することで、ｑ軸部分を磁石磁束が通り易くなる。

また、本実施の形態において、磁極層２２４における磁石スロットのｄ軸側フラックスバリア２２４ｂを当該磁石スロットに挿入された永久磁石２３の磁束出力面を延長した延長面で２つの領域に分割する。２つに分割されたフラックスバリアのｄ軸に遠い方のフラックスバリアの領域の延長面に直角な方向の幅をｄ軸外径側幅Ｈ１とし、ｄ軸に近い方のフラックスバリアの領域の延長面に直角な方向の幅をｄ軸内径側幅Ｈ２とする。本実施の形態の回転電機においては、Ｈ１＜Ｈ２であることが好ましい。また、他の磁極層においても同様な形状であることが好ましい。このように構成された回転電機においては、永久磁石２３から発生した磁束がその永久磁石２３で短絡される成分が低減し、外径側へと向かう成分が増大する。また、ｄ軸インダクタンスを低下させることができるので、ｑ軸インダクタンスとｄ軸インダクタンスとの差に比例して大きくなるリラクタンストルクを増加させることができる。

本願は、様々な例示的な実施の形態および実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
したがって、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 回転電機、１０ 固定子、１１ 固定子コア、１２ 固定子コイル、１３ フレーム、１４ 軸受、１５ ブラケット、１６ 回転軸、１８ ティース、１９ コアバック、２０ 回転子、２１ 回転子コア、２２ 磁石スロット、２３ 永久磁石、５１、５２、５３、５４ 直線、２２１、２２２、２２３、２２４ 磁極層、２２１ａ、２２２ａ、２２３ａ、２２４ａ ギャップ側フラックスバリア、２２２ｂ、２２３ｂ、２２４ｂ ｄ軸側フラックスバリア。

Claims (7)

1. 回転子コアおよび複数の永久磁石を有し、回転軸を中心に回転する回転子であって、
   前記回転軸に直交する断面において、
   前記回転軸の中心から外径側に向かって開くＶ字状の一対の磁石スロットと当該磁石スロットにそれぞれ挿入された前記永久磁石とで構成された磁極層が３層以上に配置されて１つの磁極が構成されており、
   前記磁石スロットは、前記永久磁石が挿入される磁石挿入部と当該磁石挿入部の両端にそれぞれ形成されたフラックスバリアとを有しており、
   １つの前記磁極の磁極中心をｄ軸とし、前記ｄ軸に電気的に直交する方向をｑ軸としたときに、１つの前記磁極層において前記磁石スロットに挿入された前記永久磁石の磁束出力面と平行な直線と前記ｑ軸との前記回転軸側のなす角を磁極層角としたときに、１つの前記磁極における前記磁極層角は前記回転軸に近い前記磁極層ほど小さく、
   前記磁石スロットの外径側の前記フラックスバリアから前記回転子コアの外周面までの最短距離をブリッジ幅とし、隣り合う前記磁極層の最短距離を磁極層間幅としたときに、前記磁極層間幅は隣り合う前記磁極層の前記ブリッジ幅の和よりも小さく、
   前記回転軸に最も近い前記磁極層の外径側の前記フラックスバリアと前記ｑ軸との最短距離が前記磁極における前記磁極層間幅よりも小さいことを特徴とする回転子。
2. １つの前記磁極における前記磁極層間幅は、前記回転軸に近いほど小さいことを特徴とする請求項１に記載の回転子。
3. １つの前記磁極における前記ブリッジ幅は、前記回転軸に近い前記磁極層ほど大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の回転子。
4. 前記回転軸から最も遠い前記磁極層における前記磁石スロットに挿入された前記永久磁石の磁束出力面と平行な直線とｄ軸とのなす角が直角であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転子。
5. 前記永久磁石の磁束出力面の長さを磁石幅とし、前記永久磁石の磁束出力面に直角な方向の長さを磁石厚さとしたときに、１つの磁極において、前記回転軸に遠い前記磁極層の前記永久磁石ほど前記磁石幅が小さくかつ前記磁石厚さが大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回転子。
6. 少なくとも１つの前記磁極層における前記磁石スロットの内径側の前記フラックスバリアにおいて、
   当該磁石スロットに挿入された前記永久磁石の磁束出力面を延長した延長面で前記フラックスバリアを２つの領域に分割し、前記延長面で分割された前記ｄ軸に遠い方の前記フラックスバリアの領域の前記延長面に直角な方向の幅をｄ軸外径側幅とし、前記延長面で分割された前記ｄ軸に近い方の前記フラックスバリアの領域の前記延長面に直角な方向の幅をｄ軸内径側幅としたときに、前記ｄ軸外径側幅は前記ｄ軸内径側幅よりも小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の回転子。
7. 固定子コアおよび固定子コイルを有する固定子と、この固定子にギャップを挟んで回転可能に配置された請求項１から６のいずれか１項に記載の回転子とを備えたことを特徴とする回転電機。

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