JP2006129700A

JP2006129700A - 永久磁石式回転電機

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Publication number: JP2006129700A
Application number: JP2005369569A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Matsunobu; 豊松延; Fumio Tajima; 文男田島; Shoichi Kawamata; 昭一川又; Takashi Yasuhara; 隆安原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2022-05-15
Also published as: JP3811494B2

Abstract

【課題】定められた電流，電圧条件において、スキューを用いないことにより、トルク低減を防止して、また、脈動トルクを低減して、低振動，低騒音な永久磁石式回転電機を提供することにある。
【解決手段】各磁極における複数の永久磁石３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃは、回転子３０の回転方向に対しては対称に、回転子の長手方向に対しては非対称になるように、永久磁石挿入孔３４に配置されている。永久磁石挿入孔のそれぞれは、磁極の両極間に位置する第１の永久磁石挿入孔３４Ｂ，３４Ｃと、磁極の極中央に位置する第２の永久磁石挿入孔３４Ａとを含んでいる。第１の永久磁石挿入孔は、その長辺方向が回転子鉄心の半径方向になるように、回転子鉄心に形成されており、第２の永久磁石挿入孔は、その長辺方向が回転子鉄心の周方向になるように、回転子鉄心に形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転子鉄心の内部に複数個の永久磁石を埋め込んで構成される回転子を備えた永久磁石式回転電機に関する。

従来の永久磁石式回転電機としては、例えば、特開平９−３２７１４０号公報に記載されているように、回転軸に回転子鉄心を嵌合固着し、この回転子鉄心に形成された収納部に、断面が長方形をなす複数個の永久磁石を軸方向から挿入して組み込むことによって回転子を構成し、固定子の内部に固定子鉄心の内周部と所定のギャップを存する状態で回転可能に配置したものが知られている。なお、各永久磁石はＮ極とＳ極が交互になるように着磁されている。

このような磁石形状を長方形とし回転子内に埋込んだモータは、高速回転時に弱め界磁が効き易く、高速回転時における効率が向上する利点があり、電気自動車用永久磁石モータなどの高速回転を必要とするモータに用いられている。ここで、運転時の振動，騒音を避けるため、回転子内の磁石を長手方向に分割し、半スロットスキューすることにより低トルク脈動を達成している。

特開平９−３２７１４０号公報

上記したような埋込磁石式回転電機においては、モータのトルクは、以下の式（１）式で表せる。

Ｔ＝ψＩｑ＋（Ｌｑ−Ｌｄ）Ｉｑ×Ｉｄ …（１）
ここで、Ｔ：モータのトルク、ψ：永久磁石による磁束、Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス、Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス、Ｉｑ：ｑ軸巻線電流、Ｉｄ：ｄ軸巻線電流である。

式（１）において、第１項は永久磁石の主磁束によるトルクであり、第２項は磁石間の鉄部の補助磁極によるリラクタンストルクである。磁石のトルクは、極対（電気角３６０度）毎の周期性を持ち、リラクタンストルクは、１極（電気角１８０度）毎の周期性を持っている。

ここで、従来例のように、回転子をスキューすると最大トルクとなる電流位相が異なるため、最大トルクが低下する。磁石のトルクがメインであれば、磁石トルクは３６０度周期なのでトルクの低下度合は小さく５％程であるが、リラクタンストルクは１８０度周期なのでトルクの低下度合は約１０％と大きくなる。よって、リラクタンストルクをメインとしたモータにおいては、スキューを行なわずにトルク脈動を低減する形状が望まれていた。

本発明の目的は、定められた電流，電圧条件において、スキューを用いないことにより、トルク低減を防止して、また、脈動トルクを低減して、低振動，低騒音な永久磁石式回転電機を提供することにある。

本願の代表的な発明の一つは、トルク低減を防止して、また、脈動トルクを低減して、低振動，低騒音な永久磁石式回転電機を提供する
本発明の最も代表的な特徴は、前記回転子鉄心には、前記永久磁石を埋め込むための複数の永久磁石挿入孔と、前記複数の永久磁石によって構成された複数の磁極が形成されており、前記複数の磁極は１磁極当たり複数の前記永久磁石から構成されており、前記複数の永久磁石挿入孔は前記回転子鉄心の積厚（長手）方向に同一方向に延びており、前記各磁極における複数の永久磁石は、前記回転子の回転方向に対しては対称に、前記回転子の長手方向に対しては非対称になるように、前記永久磁石挿入孔に配置されており、前記永久磁石挿入孔のそれぞれは、前記回転子の周方向に対して少なくとも３つ分割され、前記磁極の両極間に位置する第１の永久磁石挿入孔と、前記磁極の極中央に位置する第２の永久磁石挿入孔とを含んでおり、前記第１の永久磁石挿入孔は、その長辺方向が前記回転子鉄心の半径方向になるように、前記回転子鉄心に形成されており、前記第２の永久磁石挿入孔は、その長辺方向が前記回転子鉄心の周方向になるように、前記回転子鉄心に形成されている永久磁石式回転電機にある。

本発明によれば、定められた電流，電圧条件において、スキューを用いないことにより、トルク低減を防止して、また、脈動トルクを低減して、低振動，低騒音とすることができる。

以下、図１〜図８を用いて、本発明の第１の実施形態による永久磁石式回転電機の構成について説明する。なお、以下の例では、三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機に適用した例について説明する。最初に、図１を用いて、本発明の第１の実施形態による永久磁石式回転電機の全体構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態による永久磁石式回転電機の正面側から見た部分断面図である。

図１において、回転電機１０の固定子２０は、固定子鉄心２２と、この固定子鉄心２２に巻回された多相の固定子巻線２４と、固定子鉄心２２をその内周面に固定保持するハウジング２６から構成されている。回転子３０は、回転子鉄心３２と、回転子鉄心３２に設けられた永久磁石挿入孔３４に挿入された永久磁石３６と、シャフト３８とから構成されている。シャフト３８は、ベアリング４２，４４によって回転自在に保持されている。ベアリング４２，４４は、エンドブラケット４６，４８によって支持されており、エンドブラケット４６，４８は、ハウジング２６の両端にそれぞれ固定されている。

また、回転子３０の永久磁石３６の位置を検出する磁極位置検出器ＰＳ及び回転子３０の位置を検出するエンコーダＥが、回転子３０の側面側に配置されている。回転電機１０は、磁極位置検出器ＰＳの信号と、エンコーダＥの出力信号によって、図示しない制御装置によって運転制御される。次に、図２を用いて、本発明の第１の実施形態による永久磁石式回転電機における磁石の配置構造について説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態による永久磁石式回転電機における磁石の配置構造を示す回転子の回転子の積厚（長手）方向のスケルトン斜視図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

回転子３０の回転子鉄心３２には、複数の永久磁石挿入孔３４が形成されている。三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機の場合、通常は、永久磁石挿入孔３４の個数は、８個である。しかしながら、本実施形態では、１極当たり、図示するように、永久磁石挿入孔３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃの３個から構成されている。なお、図示の都合上、１極分についてのみ、３個の永久磁石挿入孔３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃを図示しているが、他の極の永久磁石挿入孔３４も、同様に、３個の永久磁石挿入孔から構成されている。永久磁石挿入孔３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃは、回転子３０の回転軸と平行である。すなわち、永久磁石挿入孔３４が回転子の回転軸に対して傾いていない，すなわち、スキューはしていないものである。スキューしていないとは、回転子のコア形状が積厚（長手）方向に同一に形成されていることでもある。

永久磁石挿入孔３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃの中には、それぞれ、直方体形状の永久磁石３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃが挿入されている。従って、１極当たりの永久磁石は、複数個の永久磁石３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃから構成されている。また、永久磁石３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃの長手方向は、回転子の回転軸と平行であり、スキューしていない構成となっている。

また、永久磁石挿入孔３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃの長さをＬ（Ｌは、回転子３０の軸方向に長さに等しい）とすると、永久磁石３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃの長さは、それぞれ、Ｌ／２としている。また、永久磁石３６Ａ，３６Ｃが回転子３０の軸方向の左側に配置される場合、永久磁石３６Ｂは回転子３０の軸方向の右側に配置される。また、回転子の回転方向に対して、永久磁石３６Ｂの両側に、永久磁石３６Ａ，３６Ｃが配置されているため、極中心に対して複数の永久磁石３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃは、対称に配置されている。しかしながら、回転子３０の積厚方向（軸方向）に対しては、非対称に配置されているため、回転子３０の長手方向（積厚方向，軸方向）に対しては、異なって配置されている。

回転子３０は、図１に示したように、固定子２０の内周側に対向して配置されている。永久磁石３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃの固定子２０と対向する部分の表面積を、それぞれ、ＳA，ＳB，ＳCとするとき、ＳA＝ＳC，及びＳA＋ＳC＝ＳBとしている。その結果、回転子の１極における極中央側の永久磁石３６Ｂから発生する磁束と、回転子の１極における極間側の永久磁石３６Ａ，３６Ｃから発生する磁束は等しくなっている。次に、図３R>３を用いて、本発明の第１の実施形態による永久磁石式回転電機における固定子と回転子の構造について説明する。図３は、本発明の第１の実施の形態による永久磁石式回転電機における固定子と回転子の構造を示す側面図である。ここでは、三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機の２極分，すなわち、１ポールペア分を図示している。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

固定子２０は、ほぼ環状をなす固定子鉄心２２を備えており、この固定子鉄心２２には、４８個のスロット２６が形成されている。ここでは、１ポールペア分の１２個のスロット２６を図示している。スロット２６には、Ｕ相の固定子巻線２４（Ｕ１），Ｖ相の固定子巻線２４（Ｖ１），並びにＷ相の固定子巻線２４（Ｗ１）が挿入配置されている。固定子鉄心２２の内周部には、各スロット２６に対応して、開口部２７が形成されている。

これに対して、回転子３０は、回転軸３８に回転子鉄心３２を嵌合固着し、この回転子鉄心３２に形成された永久磁石挿入孔に、永久磁石３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃが挿入されている。

回転子３０は、固定子の内部に固定子鉄心２２の内周部と所定のギャップ２８を有する状態で回転可能に配置されている。なお、回転子鉄心３２は、磁石挿入用の孔が形成された硅素鋼板を多数枚積層して構成されている。各永久磁石３６は、図示するように、各極ごとにＮ極とＳ極とが交互になるように着磁されている。

ここで、回転子３０の各極における極間側の永久磁石挿入孔３４Ａ，３４Ｃの極中心からのなす角（図示の例では、挿入孔３４Ｃの固定子と対向する側の左側のコーナー部（磁束が出る場所）と、挿入孔３４Ａの固定子と対向する側の右側のコーナー部（磁束が出る場所）の間に為す角度）をθとし、極中央側の永久磁石挿入孔３４Ｂの極中心からのなす角（図示の例では、挿入孔３４Ｂの固定子と対向する側の左側のコーナー部と、挿入孔３４Ｂの固定子と対向する側の右側のコーナー部の間に為す角度）をφとし、スロットピッチ（隣接するスロット２６の間の距離）をτｓとするとき、以下の式（２）
θ＝（ｎ＋０．５）×τｓ＋φ …（２）
（ｎは整数）で示す関係で、ネオジム製の永久磁石３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃを軸方向から各々挿入して組込むことによって構成されているとより効果的である。

三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機の場合、スロットピッチτｓは、機械角で７．５°である（電気角では３０°）。従って、式（２）において、ｎ＝１とすると、φ＝１１．２５°（機械角）（電気角で４５°）のとき、θ＝２２．５°（機械角）（電気角で９０°）となる。即ち、式（２）の右辺の第１項によって発生する磁束と、第２項によって発生する磁束が等しくなっている。

次に、図４および図５を用いて、本発明の第１の実施形態による永久磁石式回転電機における磁界解析結果について説明する。図４は、本発明の第１の実施の形態による永久磁石式回転電機における極間側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果の説明図である。図５は、本発明の第１の実施の形態による永久磁石式回転電機における極中央側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果の説明図である。ここでは、三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機の１極分を図示している。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。

図４は、極間側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果を示している。すなわち、中央の磁石挿入孔３４Ｂには永久磁石が挿入されておらず、極間側の磁石挿入孔３４Ａ，３４Ｃに、それぞれ、永久磁石３６Ａ，３６Ｃが挿入されている場合の磁界解析結果であり、波線が磁界を示している。

図５は、中央側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果を示している。すなわち、極間側の磁石挿入孔３４Ａ，３４Ｃに永久磁石が挿入されておらず、中央の磁石挿入孔３４Ｂに、永久磁石３６Ｂが挿入されている場合の磁界解析結果であり、波線が磁界を示している。

次に、図６〜図８を用いて、本発明の第１の実施形態による永久磁石式回転電機におけるトルク脈動について説明する。図６は、本発明の第１の実施の形態による永久磁石式回転電機における極間側の挿入孔に磁石を配置した場合のトルク脈動の説明図である。図７は、本発明の第１の実施の形態による永久磁石式回転電機における極中央側の挿入孔に磁石を配置した場合のトルク脈動の説明図である。図８は、本発明の第１の実施の形態による永久磁石式回転電機におけるトルク脈動の説明図である。ここでは、三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機の１極分を図示している。

図６は、図４に示したように、極間側の挿入孔に磁石を配置した場合の１極分（電気角１８０度）のトルク脈動を示している。

図７は、図５に示したように、中央側の挿入孔に磁石を配置した場合の１極分（電気角１８０度）のトルク脈動を示している。

図４と図５のコアの形状は等しいため、両者のリラクタンストルクは等しいものである。また、両者の磁石磁束がほぼ等しくなる磁石表面積（Ｓ１＋Ｓ３＝Ｓ２）としているため、磁石トルクもほぼ等しいものである。したがって、図６の平均トルクと、図７の平均トルクはほぼ一致している。

なお、図６に示した波形から明らかなように、１極当り６周期（１回転当り４８周期）のトルク脈動が発生しており、これはスロット数と一致する。トルク脈動は、鉄部のティースとギャップのスロット部の磁束集中の違いにより発生するものである。トルク脈動の波形は、磁石の極弧度と密接な関係があり、極弧度が変化するとトルク脈動の波形も変化する。図６の磁石の極弧度θとθ＝（ｎ＋０．５）×τｓ＋φの条件の磁石の極弧度φとした場合の図７に示すトルク脈動は、図６と逆の波形となっていることが分かる。

したがって、本実施形態のように、図３と図４の磁石配置を長手方向に半分づつとした場合、図６に示すトルク脈動と、図７に示すトルク脈動を合成すると、図８に示すようになる。図８に示すトルク波形から明らかなように、本実施形態によれば、トルク脈動を低減できる。リップル率で比較すると、図６，図７のリップル率２２％であり、それが、本実施形態では、図８に示すように、リップル率は４％となり、リップル率を１８％改善できる。したがって、脈動トルクを低減できるので、永久磁石式回転電機を低振動，低騒音にすることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、永久磁石回転電機の回転子の極当りの各永久磁石の配置が、回転方向に対しては対称であるが、積厚方向に対しては異なっていること、特に上記回転子の各極における極間側の永久磁石挿入孔の極中心からのなす角θが、極中央側の永久磁石挿入孔の極中心からのなす角φ、スロットピッチτｓと、θ＝（ｎ＋０．５）×τｓ＋φ（ｎは整数）で示す関係とすることにより、トルク脈動を低減できる。また、振動騒音の小さいモータにより、快適に走行できる電動車輌を提供できる。

次に、図９および図１０を用いて、本発明の第２の実施形態による永久磁石式回転電機の構成について説明する。本実施形態による永久磁石式回転電機の全体構成は、図１および図２に示したものと同様である。図９は、本発明の第２の実施の形態による永久磁石式回転電機における固定子と回転子の構造および極間側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果の説明図である。図１０は、本発明の第２の実施の形態による永久磁石式回転電機における極中央側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果の説明図である。ここでは、三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機の１極分を図示している。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。

図９に示すように、永久磁石挿入孔３４Ａ’，３４Ｂ’，３４Ｃ’の形状は、アーク型である。断面形状がアーク（円弧）状のアーク柱状である。従って、永久磁石挿入孔３４Ａ’，３４Ｃ’に挿入される永久磁石３６Ａ’３６Ｃ’も、断面形状がアーク（円弧）状のアーク柱状である。

図９は、さらに、極間側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果を示しており、波線が磁界を示している。

図１０は、中央側の挿入孔に磁石を配置した場合，すなわち、極間側の磁石挿入孔３４Ａ’，３４Ｃ’に永久磁石が挿入されておらず、中央の磁石挿入孔３４Ｂ’に、永久磁石３６Ｂ’が挿入されている場合の磁界解析結果であり、波線が磁界を示している。

アーク型永久磁石を用いることにより、有効磁束を増大することができ、発生するトルクを大きくすることができる。

本実施形態による永久磁石式回転電機におけるトルク脈動は、図６，図７に示したようになり、図６R>６に示すトルク脈動と、図７に示すトルク脈動を合成した結果である回転電機全体のトルク波形からも、トルク脈動を低減できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、永久磁石回転電機の回転子の極当りの各永久磁石の配置が、回転方向に対しては対称であるが、積厚方向に対しては異なっていることにより、トルク脈動を低減できる。また、振動騒音の小さいモータにより、快適に走行できる電動車輌を提供できる。

次に、図１１を用いて、本発明の第３の実施形態による永久磁石式回転電機の構成について説明する。本実施形態による永久磁石式回転電機の全体構成は、図１に示したものと同様である。図１１は、本発明の第３の実施の形態による永久磁石式回転電機における磁石の配置構造を示す回転子の回転子の積厚（長手）方向のスケルトン斜視図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

回転子３０の回転子鉄心３２には、複数の永久磁石挿入孔３４が形成されている。三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機の場合、通常は、永久磁石挿入孔３４の個数は、８個である。また、図２と同様に、１極当たり、図示するように、永久磁石挿入孔３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃの３個から構成されている。永久磁石挿入孔３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃは、回転子３０の回転軸と平行である。すなわち、永久磁石挿入孔３４が回転子の回転軸に対して傾いている，すなわち、スキューはしていないものである。

永久磁石挿入孔３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃの中には、それぞれ、直方体形状の永久磁石３６Ａ１，３６Ａ２，３６Ｂ，３６Ｃ１，３６Ｃ２が挿入されている。従って、１極当たりの永久磁石は、複数個の永久磁石３６Ａ１，３６Ａ２，３６Ｂ，３６Ｃ１，３６Ｃ２から構成されている。また、永久磁石３６Ａ１，３６Ａ２，，３６Ｂ，３６Ｃ１，３６Ｃ２の長手方向は、回転子の回転軸と平行であり、スキューしていない構成となっている。

また、永久磁石挿入孔３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃの長さをＬ（Ｌは、回転子３０の軸方向に長さに等しい）とすると、永久磁石３６Ａ１，３６Ａ２，３６Ｃ１，３６Ｃ２の長さは、それぞれ、Ｌ・４としている。また、永久磁石３６Ｂの長さは、Ｌ／２としている。また、永久磁石３６Ａ１，３６Ａ２，３６Ｃ１，３６Ｃ２が回転子３０の軸方向の左右側に配置される場合、永久磁石３６Ｂは回転子３０の軸方向の中央に配置される。また、回転子の回転方向に対して、永久磁石３６Ｂの両側に、永久磁石３６Ａ１，３６Ａ２，３６Ｃ１，３６Ｃ２が配置されているため、極中心に対して複数の永久磁石３６Ａ１，３６Ａ２，３６Ｂ，３６Ｃ１，３６Ｃ２は、対称に配置されている。しかしながら、回転子３０の積厚方向（軸方向）には、異なって配置されている。

回転子３０は、図１に示したように、固定子２０の内周側に対向して配置されている。永久磁石３６Ａ１，３６Ａ２，３６Ｂ，３６Ｃ１，３６Ｃ２の固定子２０と対向する部分の表面積を、それぞれ、ＳA１，ＳA２，ＳB，ＳC１，ＳC２とするとき、ＳA１＝ＳA２＝ＳC１＝ＳC２，及びＳA１＋ＳA２＋ＳC１＋ＳC２＝ＳBとしている。その結果、回転子の１極における極中央側の永久磁石３６Ｂから発生する磁束と、回転子の１極における極間側の永久磁石３６Ａ１，３６Ａ２，３６Ｃ１，３６Ｃ２から発生する磁束は等しくなっている。

以上のように、長手方向の配置は、図２に示したように、中央部で半分にする必要はなく、図１１に示したように磁石の極間配置形状が１／４と１／４、中央配置形状が１／２でも成立し、長手方向の比が１：１となっていれば良いものである。

以上説明したように、本実施形態によれば、永久磁石回転電機の回転子の極当りの各永久磁石の配置が、回転方向に対しては対称であるが、積厚方向に対しては異なっていることにより、トルク脈動を低減できる。また、振動騒音の小さいモータにより、快適に走行できる電動車輌を提供できる。次に、図１２および図１３１３を用いて、本発明の第４の実施形態による永久磁石式回転電機の構成について説明する。本実施形態による永久磁石式回転電機の全体構成は、図１および図２に示したものと同様である。図１２は、本発明の第４の実施の形態による永久磁石式回転電機における固定子と回転子の構造および極間側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果の説明図である。図１３は、本発明の第４の実施の形態による永久磁石式回転電機における極中央側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果の説明図である。ここでは、三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機の１極分を図示している。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。

図４と図５、図９と図１０に示した例では、極間側の磁石挿入孔の極弧度θが、極中央側の極弧度φ、スロットピッチτｓと、θ＝（ｎ＋０．５）×τｓ＋φの関係であり、かつ磁石磁束が等しい条件が成立するためには、φの極弧度は９０度以下となり、磁石トルクを高くすることができないものである。

そこで、図１２に示すように、永久磁石挿入孔３４Ａ”，３４Ｃ”は、その断面形状は長方形であるとともに、その長辺方向を回転子の半径方向にしている。永久磁石挿入孔３４Ｂ”の長辺方向は、回転子の円周方向である。永久磁石挿入孔３４Ａ”，３４Ｂ”，３４Ｃ”は、図２に示したように複数個の永久磁石３６Ａ”，３６Ｂ”，３６Ｃ”が挿入される。また、図１１に示したように挿入してもよいものである。このようにすると、固定子と対向する永久磁石の表面積は、永久磁石３６Ａ”，３６Ｃ”の表面積が永久磁石３６Ｂ”の表面積に比べて小さくなるため、永久磁石３６Ａ”，３６Ｃ”が発生する磁束と、永久磁石３６Ｂ”が発生する磁束を等しくするため、永久磁石３６Ｂ”は、回転子の半径方向で、回転中心に近い位置に配置して、固定子からの距離を遠くしている。図１２は、さらに、極間側の挿入孔に磁石３６Ａ”，３６Ｃ”を配置した場合の磁界解析結果を示しており、波線が磁界を示している。

図１３は、中央側の挿入孔に磁石を配置した場合，すなわち、極間側の磁石挿入孔３４Ａ”，３４Ｃ”に永久磁石が挿入されておらず、中央の磁石挿入孔３４Ｂ”に、永久磁石３６Ｂ”が挿入されている場合の磁界解析結果であり、波線が磁界を示している。

以上のようにして、極間側の磁石３６Ａ”，３６Ｃ”の長さ方向を径方向に配置することにより、θ＝（ｎ＋０．５）×τｓ＋φ の関係かつ磁石磁束が等しい条件と高磁石トルクを両立させることが可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、永久磁石回転電機の回転子の極当りの各永久磁石の配置が、回転方向に対しては対称であるが、積厚方向に対しては異なっていることにより、トルク脈動を低減でき、また、高トルクを発生することができる。また、振動騒音の小さいモータにより、快適に走行できる電動車輌を提供できる。

次に、図１４および図１５を用いて、本発明の第５の実施形態による永久磁石式回転電機の構成について説明する。本実施形態による永久磁石式回転電機の全体構成は、図１および図２に示したものと同様である。図１４は、本発明の第５の実施の形態による永久磁石式回転電機における固定子と回転子の構造および極間側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果の説明図である。図１５は、本発明の第５の実施の形態による永久磁石式回転電機における極中央側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果の説明図である。ここでは、三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機の１極分を図示している。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。

図１４に示すように、永久磁石挿入孔３４Ａx，３４Ｂx，３４Ｃxの形状は、回転子の外周方向に向かって凹型のアーク型である。断面形状がアーク（円弧）状のアーク柱状である。従って、永久磁石挿入孔３４Ａx，３４Ｃxに挿入される永久磁石３６Ａx，３６Ｃxも、断面形状がアーク（円弧）状のアーク柱状である。

また、本実施形態による回転電機は、リラクタンストルクが主の場合に効果が大きいものである。そこで、回転子の永久磁石３６の外周側に、複数のスリット３９を設けている。

図１４は、さらに、極間側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果を示しており、波線が磁界を示している。

図１５は、中央側の挿入孔に磁石を配置した場合，すなわち、極間側の磁石挿入孔３４Ａx，３４Ｃxに永久磁石が挿入されておらず、中央の磁石挿入孔３４Ｂxに、永久磁石３６Ｂxが挿入されている場合の磁界解析結果であり、波線が磁界を示している。

なお、以上の各実施形態において、永久磁石の個数（極数）は８極以外でもよく、固定子のスロット数も４８個以外でもよいものである。さらに、永久磁石８は、ネオジウム磁石以外でもよく、磁石を構成する角度は製作誤差の範囲内である幅（誤差±１程度）を持つことは言うまでもない。また、内転型のみではなく外転型でも可能である。

本発明の第１の実施の形態による永久磁石式回転電機の正面側から見た部分断面図である。本発明の第１の実施の形態による永久磁石式回転電機における磁石の配置構造を示す回転子の回転子の積厚（長手）方向のスケルトン斜視図である。、本発明の第１の実施の形態による永久磁石式回転電機における固定子と回転子の構造を示す側面図である。本発明の第１の実施の形態による永久磁石式回転電機における極間側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果の説明図である。本発明の第１の実施の形態による永久磁石式回転電機における極中央側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果の説明図である。本発明の第１の実施の形態による永久磁石式回転電機における極間側の挿入孔に磁石を配置した場合のトルク脈動の説明図である。本発明の第１の実施の形態による永久磁石式回転電機における極中央側の挿入孔に磁石を配置した場合のトルク脈動の説明図である。本発明の第１の実施の形態による永久磁石式回転電機におけるトルク脈動の説明図である。本発明の第２の実施の形態による永久磁石式回転電機における固定子と回転子の構造および極間側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果の説明図である。本発明の第２の実施の形態による永久磁石式回転電機における極中央側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果の説明図である。本発明の第３の実施の形態による永久磁石式回転電機における磁石の配置構造を示す回転子の回転子の積厚（長手）方向のスケルトン斜視図である。本発明の第４の実施の形態による永久磁石式回転電機における固定子と回転子の構造および極間側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果の説明図である。本発明の第４の実施の形態による永久磁石式回転電機における極中央側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果の説明図である。本発明の第５の実施の形態による永久磁石式回転電機における固定子と回転子の構造および極間側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果の説明図である。本発明の第５の実施の形態による永久磁石式回転電機における極中央側の挿入孔に磁石を配置した場合の磁界解析結果の説明図である。

符号の説明

θ…極中心側挿入孔の極弧度
φ…極間側挿入孔の極弧度
２０…固定子
２２…固定子鉄心
２６…固定子スロット
２７…固定子開口部
２８…回転ギャップ部
３０…回転子
３２…回転子鉄心
３４…永久磁石挿入孔
３６…永久磁石
３８…回転軸

Claims

永久磁石式回転電機において、
固定子と、
該固定子と所定の空隙を有する状態で回転可能に配置された回転子とを備え、
前記固定子は、
複数のスロットを有する固定子鉄心と、
前記複数のスロットに組み込まれた複数相の固定子巻線を備えており、
前記回転子は、
回転子鉄心と、
該回転子鉄心の内部に埋め込まれた複数の永久磁石とを備えており、
前記回転子鉄心は鉄心形状が積厚（長手）方向に同一であり、
前記回転子鉄心には、
前記永久磁石を埋め込むための複数の永久磁石挿入孔と、
前記複数の永久磁石によって構成された複数の磁極が形成されており、
前記複数の磁極は１磁極当たり複数の前記永久磁石から構成されており、
前記複数の永久磁石挿入孔は前記回転子鉄心の積厚（長手）方向に同一方向に延びており、
前記各磁極における複数の永久磁石は、前記回転子の回転方向に対しては対称に、前記回転子の長手方向に対しては非対称になるように、前記永久磁石挿入孔に配置されており、
前記永久磁石挿入孔のそれぞれは、
前記回転子の周方向に対して少なくとも３つ分割され、
前記磁極の両極間に位置する第１の永久磁石挿入孔と、
前記磁極の極中央に位置する第２の永久磁石挿入孔とを含んでおり、
前記第１の永久磁石挿入孔は、その長辺方向が前記回転子鉄心の半径方向になるように、前記回転子鉄心に形成されており、
前記第２の永久磁石挿入孔は、その長辺方向が前記回転子鉄心の周方向になるように、前記回転子鉄心に形成されている
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
前記回転鉄心の積厚（長手）方向の一方側では、前記第１の永久磁石挿入孔には前記永久磁石が配置され、前記第２の永久磁石挿入孔は空隙を形成しており、
前記回転子鉄心の積厚（長手）方向の他方側では、前記第２の永久磁石挿入孔には前記永久磁石が配置され、前記第１の永久磁石挿入孔は空隙を形成している
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
永久磁石式回転電機において、
固定子と、
該固定子と所定の空隙を有する状態で回転可能に配置された回転子とを備え、
前記固定子は、
複数のスロットを有する固定子鉄心と、
前記複数のスロットに組み込まれた複数相の固定子巻線を備えており、
前記回転子は、
回転子鉄心と、
該回転子鉄心の内部に埋め込まれた複数の永久磁石とを備えており、
前記回転子鉄心は鉄心形状が積厚（長手）方向に同一であり、
前記回転子鉄心には、
前記永久磁石を埋め込むための複数の永久磁石挿入孔と、
前記複数の永久磁石によって構成された複数の磁極が形成されており、
前記複数の磁極は１磁極当たり複数の前記永久磁石から構成されており、
前記複数の永久磁石挿入孔は前記回転子鉄心の積厚（長手）方向に同一方向に延びており、
前記各磁極における複数の永久磁石は、前記回転子の回転方向に対しては対称に、前記回転子の長手方向に対しては非対称になるように、前記永久磁石挿入孔に配置されており、
前記永久磁石挿入孔のそれぞれは、
断面形状が、前記回転子鉄心の前記固定子側とは反対側に窪むアーク状となるように、前記回転子鉄心に形成されるものであって、
前記回転子の周方向に対して少なくとも３つ分割され、
前記磁極の両極間に位置する第１の永久磁石挿入孔と、
前記磁極の極中央に位置する第２の永久磁石挿入孔とを含んでいる
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項３に記載の永久磁石式回転電機において、
前記回転鉄心の積厚（長手）方向の一方側では、前記第１の永久磁石挿入孔には前記永久磁石が配置され、前記第２の永久磁石挿入孔は空隙を形成しており、
前記回転子鉄心の積厚（長手）方向の他方側では、前記第２の永久磁石挿入孔には前記永久磁石が配置され、前記第１の永久磁石挿入孔は空隙を形成している
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項３に記載の永久磁石式回転電機において、
前記永久磁石挿入孔の前記固定子側の前記回転子鉄心部分には、複数のスリットが形成されている
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
永久磁石式回転電機において、
固定子と、
該固定子と所定の空隙を有する状態で回転可能に配置された回転子とを有し、
前記固定子は、
複数のスロットを有する固定子鉄心と、
前記複数のスロットに組み込まれた複数相の固定子巻線を備えており、
前記回転子は、
回転軸と、
該回転軸に設けられた回転子鉄心と、
該回転子鉄心の内部に埋め込まれた複数の永久磁石とを備えており、
前記回転子鉄心には、
複数の永久磁石挿入孔と、
前記複数の永久磁石によって構成された複数の磁極が形成されており、
前記複数の磁極は１磁極当たり複数の前記永久磁石から構成されており、
前記複数の永久磁石挿入孔は、
前記永久磁石を前記回転子鉄心の内部に埋め込むためのものであって、
前記回転子鉄心の積厚（長手）方向に同一方向に延びており、
前記各磁極における複数の永久磁石は、前記永久磁石挿入孔に挿入されることによって、前記回転軸に対して平行になるように、前記回転子鉄心の内部に配置されており、
さらに、前記各磁極における複数の永久磁石は、前記回転子の回転方向に対しては対称に、前記回転子の長手方向に対しては、前記回転子の長手方向に並置された永久磁石の前記回転子の回転方向における位置が異なるように、前記永久磁石挿入孔に配置されており、
前記永久磁石挿入孔のそれぞれは、
前記回転子の周方向に対して少なくとも３つ分割され、
前記磁極の両極間に位置する第１の永久磁石挿入孔と、
前記磁極の極中央に位置する第２の永久磁石挿入孔とを含んでおり、
前記第１の永久磁石挿入孔は、その長辺方向が前記回転子鉄心の半径方向になるように、前記回転子鉄心に形成されており、
前記第２の永久磁石挿入孔は、その長辺方向が前記回転子鉄心の周方向になるように、前記回転子鉄心に形成されている
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項６に記載の永久磁石式回転電機において、
前記回転鉄心の積厚（長手）方向の一方側では、前記第１の永久磁石挿入孔には前記永久磁石が配置され、前記第２の永久磁石挿入孔は空隙を形成しており、
前記回転子鉄心の積厚（長手）方向の他方側では、前記第２の永久磁石挿入孔には前記永久磁石が配置され、前記第１の永久磁石挿入孔は空隙を形成している
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
永久磁石式回転電機において、
固定子と、
該固定子と所定の空隙を有する状態で回転可能に配置された回転子とを有し、
前記固定子は、
複数のスロットを有する固定子鉄心と、
前記複数のスロットに組み込まれた複数相の固定子巻線を備えており、
前記回転子は、
回転軸と、
該回転軸に設けられた回転子鉄心と、
該回転子鉄心の内部に埋め込まれた複数の永久磁石とを備えており、
前記回転子鉄心には、
複数の永久磁石挿入孔と、
前記複数の永久磁石によって構成された複数の磁極が形成されており、
前記複数の磁極は１磁極当たり複数の前記永久磁石から構成されており、
前記複数の永久磁石挿入孔は、
前記永久磁石を前記回転子鉄心の内部に埋め込むためのものであって、
前記回転子鉄心の積厚（長手）方向に同一方向に延びており、
前記各磁極における複数の永久磁石は、前記永久磁石挿入孔に挿入されることによって、前記回転軸に対して平行になるように、前記回転子鉄心の内部に配置されており、
さらに、前記各磁極における複数の永久磁石は、前記回転子の回転方向に対しては対称に、前記回転子の長手方向に対しては、前記回転子の長手方向に並置された永久磁石の前記回転子の回転方向における位置が異なるように、前記永久磁石挿入孔に配置されており、
前記永久磁石挿入孔のそれぞれは、
前記回転子の周方向に対して少なくとも３つ分割され、
前記磁極の両極間に位置する第１の永久磁石挿入孔と、
前記磁極の極中央に位置する第２の永久磁石挿入孔とを含んでいる
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項８に記載の永久磁石式回転電機において、
前記回転鉄心の積厚（長手）方向の一方側では、前記第１の永久磁石挿入孔には前記永久磁石が配置され、前記第２の永久磁石挿入孔は空隙を形成しており、
前記回転子鉄心の積厚（長手）方向の他方側では、前記第２の永久磁石挿入孔には前記永久磁石が配置され、前記第１の永久磁石挿入孔は空隙を形成している
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項８に記載の永久磁石式回転電機において、
前記永久磁石挿入孔の前記固定子側の前記回転子鉄心部分には、複数のスリットが形成されている
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
永久磁石式回転電機において、
固定子と、
該固定子と所定の空隙を有する状態で回転可能に配置された回転子とを有し、
前記固定子は、
複数のスロットを有する固定子鉄心と、
前記複数のスロットに組み込まれた複数相の固定子巻線を備えており、
前記回転子は、
回転軸と、
該回転軸に設けられた回転子鉄心と、
該回転子鉄心の内部に埋め込まれた複数の永久磁石とを備えており、
前記回転子鉄心は、
複数の永久磁石挿入孔を形成するための複数の孔が形成された複数の鋼板を、前記複数の永久磁石挿入孔が前記回転軸に対して平行に配置されるように、積層して形成したものであって、
前記永久磁石を前記永久磁石挿入孔に挿入することによって複数の磁極が形成されたものであり、
前記複数の磁極は１磁極当たり複数の前記永久磁石から構成されており、
前記各磁極における複数の永久磁石は、前記永久磁石挿入孔に挿入されることによって、前記回転軸に対して平行になるように、前記回転子鉄心の内部に配置されており、
さらに、前記各磁極における複数の永久磁石は、前記回転子の回転方向に対しては対称に、前記回転子の長手方向に対しては非対称になるように、前記永久磁石挿入孔に配置されており、
前記永久磁石挿入孔のそれぞれは、
前記回転子の周方向に対して少なくとも３つ分割され、
前記磁極の両極間に位置する第１の永久磁石挿入孔と、
前記磁極の極中央に位置する第２の永久磁石挿入孔とを含んでおり、
前記第１の永久磁石挿入孔は、その長辺方向が前記回転子鉄心の半径方向になるように、前記回転子鉄心に形成されており、
前記第２の永久磁石挿入孔は、その長辺方向が前記回転子鉄心の周方向になるように、前記回転子鉄心に形成されている
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１１に記載の永久磁石式回転電機において、
前記回転鉄心の積厚（長手）方向の一方側では、前記第１の永久磁石挿入孔には前記永久磁石が配置され、前記第２の永久磁石挿入孔は空隙を形成しており、
前記回転子鉄心の積厚（長手）方向の他方側では、前記第２の永久磁石挿入孔には前記永久磁石が配置され、前記第１の永久磁石挿入孔は空隙を形成している
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
永久磁石式回転電機において、
固定子と、
該固定子と所定の空隙を有する状態で回転可能に配置された回転子とを有し、
前記固定子は、
複数のスロットを有する固定子鉄心と、
前記複数のスロットに組み込まれた複数相の固定子巻線を備えており、
前記回転子は、
回転軸と、
該回転軸に設けられた回転子鉄心と、
該回転子鉄心の内部に埋め込まれた複数の永久磁石とを備えており、
前記回転子鉄心は、
複数の永久磁石挿入孔を形成するための複数の孔が形成された複数の鋼板を、前記複数の永久磁石挿入孔が前記回転軸に対して平行に配置されるように、積層して形成したものであって、
前記永久磁石を前記永久磁石挿入孔に挿入することによって複数の磁極が形成されたものであり、
前記複数の磁極は１磁極当たり複数の前記永久磁石から構成されており、
前記各磁極における複数の永久磁石は、前記永久磁石挿入孔に挿入されることによって、前記回転軸に対して平行になるように、前記回転子鉄心の内部に配置されており、
さらに、前記各磁極における複数の永久磁石は、前記回転子の回転方向に対しては対称に、前記回転子の長手方向に対しては非対称になるように、前記永久磁石挿入孔に配置されており、
前記永久磁石挿入孔のそれぞれは、
断面形状が、前記回転子鉄心の前記固定子側とは反対側に窪むアーク形状となるように、前記回転子鉄心に形成されたものであって、
前記回転子の周方向に対して少なくとも３つ分割され、
前記磁極の両極間に位置する第１の永久磁石挿入孔と、
前記磁極の極中央に位置する第２の永久磁石挿入孔とを含んでいる
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１３に記載の永久磁石式回転電機において、
前記回転鉄心の積厚（長手）方向の一方側では、前記第１の永久磁石挿入孔には前記永久磁石が配置され、前記第２の永久磁石挿入孔は空隙を形成しており、
前記回転子鉄心の積厚（長手）方向の他方側では、前記第２の永久磁石挿入孔には前記永久磁石が配置され、前記第１の永久磁石挿入孔は空隙を形成している
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１３に記載の永久磁石式回転電機において、
前記永久磁石挿入孔の前記固定子側の前記回転子鉄心部分には、複数のスリットが形成されている
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。