JP2006238678A - 磁性体、回転子、電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子の形状の非対称性を必須とせず、外面を凹ませる必要もなく、トルクリプルを軽減する。
【解決手段】界磁磁石貫通孔２の端２１，２２にそれぞれ設けられた空隙３１，３２は、界磁磁石貫通孔２よりも周縁１０側を通ってそれぞれ端２２，２１へと延びるので、この部分における磁性体１の径方向の寸法を磁極中心よりも小さくし、磁極の境界と磁極とで磁性体の径方向１００の厚みの差を低減できる。
【選択図】図１

Description

この発明は電動機、特に回転子の構造に関する。

従来から電動機のトルクリプルを軽減する技術が提案されている。例えば下記の特許文献には種々の工夫が開示されている。

特許文献１には回転子にスキューを設ける技術が、特許文献２には固定子にスキューを設ける技術が、それぞれ開示されている。しかし生産性の観点からはスキューを設けることは望ましくない。

特許文献３では回転子の磁極間に存在する磁束障壁の形状に着目し、そのなす角度を所定の値に設定したり、不等なピッチにすることで、トルクリプルの低減を図っている。

特許文献４には、回転子の磁気障壁と外周との間に存在するブリッジの厚さを変化させた技術が、特許文献５では回転子の磁極の角度を所定の範囲に設定する技術が、特許文献６では回転子の磁気障壁の先端の角度を所定の範囲に設定する技術が、それぞれ例示されている。

特許第３０２８６６９号公報 特開２００１−８４１７号公報 特開平１１−９８７３１号公報 特開２０００−２１７２８７号公報 特開２００２−４４８８８号公報 特開２００４−１８０４６０号公報

しかし、特許文献３のように不等なピッチを採用すると、回転子が磁極の中心に対して左右非対称な形状を必須とする。これは磁束の流れ方が磁極によって異なることを招き、振動や騒音の発生の観点からは望ましくない。

特許文献４ではブリッジの厚さが磁極の境界近傍で薄くなっているので、回転子の磁極の境界と磁極の中心とで磁性体の径方向の厚みの差は軽減されておらず、トルクリプルの十分な軽減には至れない。また回転子の外面を凹ませる態様も例示されているが、この形状では風損や風切り音の発生の観点からは望ましくない。

特許文献５、特許文献６で紹介された技術は回転子の形状の非対称性を必須とせず、外面を凹ませる必要もないものの、回転子の磁極の境界と磁極の中心とで磁性体の径方向の厚みの差は軽減されておらず、まだなおトルクリプルの十分な軽減には至っていない。

本発明は上記の事情に鑑み、回転子の形状の非対称性を必須とせず、外面を凹ませる必要もなく、更にトルクリプルを軽減することを目的とする。

この発明にかかる磁性体（１）の第１の態様は、周縁（１０）と、周方向で環状に配置され、それぞれが周方向に一対の端（２１，２２）を有する複数の界磁磁石貫通孔（２）と、前記一対の端に設けられた一対の空隙（３１，３２）とを備える。そして、一の前記界磁磁石貫通孔の前記端の一方（２１）に設けられた前記空隙（３１）は、(i)当該界磁磁石貫通孔よりも前記周縁側を通って当該端の他方（２２）へと延び、(ii)当該空隙は、当該端の前記他方側から周方向に沿って同一の第１距離（Ｌ１）で前記周縁と離隔する第１部分（３１１）と、前記第１部分から当該端の前記一方側で隣接する他の前記界磁磁石貫通孔へ向かうに従って前記周縁との距離が漸増する第２部分（３１２）とを有する。前記空隙は、前記第２部分と前記界磁磁石貫通孔との間に設けられる第３部分（３１３）を更に有する。

この発明にかかる磁性体（１）の第２の態様は、この発明にかかる磁性体の第１の態様であって、一の前記空隙において、前記第１部分（３１１；３２１）の径方向の幅は前記第２部分（３１２；３２２）から周方向に遠ざかるにつれ漸減し、前記第１部分の前記第２部分とは反対側の端部（３１１ｔ；３２１ｔ）の角度（θ３）が１５〜２５度の間に選定される。

この発明にかかる磁性体（１）の第３の態様は、この発明にかかる磁性体の第１の態様又は第２の態様であって、隣接する前記界磁磁石貫通孔にそれぞれ属して隣接する一対の前記空隙（３１；３２）の一方（３１）の前記第１部分（３１１）の前記第２部分（３１２）とは反対側の端部（３１１ｔ）と、前記一対の前記空隙の他方（３２）の前記第１部分（３２１）の前記第２部分（３２２）とは反対側の端部（３２１ｔ）との間は、前記周縁（１０）の中心（Ｚ０）から見て周方向に第１角度（θ１）で広がる。前記空隙の前記一方（３１）の前記第１部分（３１１）の前記第２部分（３１２）側の周縁側端部（３１１ｓ）と、前記空隙の前記他方（３２）の前記第１部分（３２１）の前記第２部分（３２２）側の周縁側端部（３２１ｓ）との間は、前記中心から見て周方向に第２角度（θ２）で広がる。そして前記第２角度は１乃至１６度の間に選定され、前記第１角度及び前記第２角度は図６に示す曲線Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ２０で囲まれる範囲内に選定される。

この発明にかかる磁性体（１）の第４の態様は、この発明にかかる磁性体の第１の態様乃至第３の態様のいずれかであって、前記第２部分（３１２；３２２）の前記第３部分（３１３；３２３）側の周縁側端部（３１２ｓ；３２２ｓ）と前記の周縁（１０）とは第２距離（Ｌ２）で離隔する。そして前記第１距離は０．４〜２．０ｍｍに選定され、前記第２距離は前記第１距離の０．８０倍よりも１．０ｍｍ以上大きく、前記第１距離の０．７５倍に３．７ｍｍを加えた長さ以下に選定される。

この発明にかかる磁性体（１）の第５の態様は、この発明にかかる磁性体の第１の態様乃至第４の態様のいずれかであって、前記第２部分（３１２；３２２）と前記周縁（１０）との距離は周方向において直線状に変化する。

この発明にかかる磁性体（１）の第６の態様は、この発明にかかる磁性体の第１の態様乃至第４の態様のいずれかであって、前記第２部分（３１２；３２２）と前記周縁（１０）との距離は周方向において曲線状に変化する。

この発明にかかる磁性体（１）の第７の態様は、この発明にかかる磁性体の第１の態様乃至第４の態様のいずれかであって、前記第２部分（３１２；３２２）と前記周縁（１０）との距離は周方向において階段状に変化する。

この発明にかかる磁性体（１）の第８の態様は、この発明にかかる磁性体の第１の態様乃至第７の態様のいずれかであって、隣接する前記界磁磁石貫通孔にそれぞれ属して隣接する一対の前記空隙（３１；３２）の前記第３部分（３１３，３２３）同士は、離隔して隣接する。

この発明にかかる磁性体（１）の第９の態様は、この発明にかかる磁性体の第１の態様乃至第７の態様のいずれかであって、隣接する前記界磁磁石貫通孔（２）にそれぞれ属して隣接する一対の前記空隙（３１；３２）の前記第３部分（３１３，３２３）同士が連通する。

この発明にかかる磁性体（１）の第１０の態様は、この発明にかかる磁性体の第１の態様乃至第９の態様のいずれかであって、前記空隙の前記第３部分（３１３，３２３）と前記界磁磁石用貫通孔（２）とが連通する。

この発明にかかる磁性体（１）の第１１の態様は、この発明にかかる磁性体の第１０の態様であって、前記空隙（３１，３２）は、前記第３部分（３１３，３２３）と前記界磁磁石用貫通孔（２）との間に突起（３１０，３２０）を更に有する。

この発明にかかる磁性体（１）の第１２の態様は、この発明にかかる磁性体の第１の態様乃至第９の態様のいずれかであって、前記空隙の前記第３部分（３１３，３２３）と前記界磁磁石用貫通孔（２）とは離隔して隣接する。

この発明にかかる回転子（１００）は、この発明にかかる磁性体（１）の第１の態様乃至第１２の態様のいずれかと、前記界磁磁石用貫通孔（２）に貫挿される界磁磁石（６）とを備える。

この発明にかかる電動機は、この発明にかかる回転子（１００）と、前記回転子に対して所定の間隔を介して前記周縁（１０）側に設けられた固定子（２００）とを備える。

この発明にかかる磁性体の第１乃至第１２の態様によれば、当該磁性体単体で、あるいは複数を積層して、界磁磁石貫通孔に界磁磁石を貫挿し、以て埋込磁石型の回転子を構成することができる。第２部分と周縁との間にある磁性体は、隣接する界磁磁石によってできる磁極の境界近傍において、周方向に沿って境界へと近づくにつれて径方向の寸法が漸増する。よって当該境界における磁性体の径方向の寸法を大きくでき、磁極の境界と中心とで磁性体の径方向の厚みの差を低減できる。かかる構造により、トルクリプルが軽減される。

しかも界磁磁石貫通孔の一方の端に設けられた空隙は、界磁磁石貫通孔よりも周縁側を通って他方の端へと延びるので、この部分における磁性体の径方向の寸法を磁極中心よりも小さくし、磁極の境界と磁極とで磁性体の径方向の厚みの差を低減できる。

よって回転子の形状の非対称性を必須とせず、外面を凹ませる必要もなく、更にトルクリプルを軽減する。

中でもこの発明にかかる磁性体の第２の態様によれば、界磁磁石貫通孔に界磁磁石を貫挿した埋込磁石型の回転子を適用した電動機のトルクリプルを良好に軽減することができる。

中でもこの発明にかかる磁性体の第３の態様によれば、界磁磁石貫通孔に界磁磁石を貫挿した埋込磁石型の回転子を、３６スロット６極電動機に適用して、当該電動機のトルクリプルを良好に軽減することができる。

中でもこの発明にかかる磁性体の第４の態様によれば、界磁磁石貫通孔に界磁磁石を貫挿した埋込磁石型の回転子を適用した電動機のトルクリプルを良好に軽減することができる。

中でもこの発明にかかる磁性体の第８の態様によれば、空隙が設けられた近傍での機械的強度が高められる。

中でもこの発明にかかる磁性体の第１１の態様によれば、界磁磁石用貫通孔に貫挿される界磁磁石の位置決めが容易である。

中でもこの発明にかかる磁性体の第１２の態様によれば、空隙が設けられた近傍での機械的強度が高められる。

この発明にかかる回転子によれば、第２部分と周縁との間にある磁性体は、隣接する界磁磁石によってできる磁極の境界近傍において、周方向に沿って境界へと近づくにつれて径方向の寸法が漸増する。よって当該境界における磁性体の径方向の寸法を大きくでき、磁極の境界と中心とで磁性体の径方向の厚みの差を低減できる。かかる構造により、トルクリプルが軽減される。

しかも界磁磁石貫通孔の一方の端に設けられた空隙は、界磁磁石貫通孔よりも周縁側を通って他方の端へと延びるので、この部分における磁性体の径方向の寸法を磁極中心よりも小さくし、磁極の境界と磁極とで磁性体の径方向の厚みの差を低減できる。

この発明にかかる電動機によれば、そのトルクリプルが軽減される。

第１の実施の形態．
＜基本的な形状の説明＞
図１は本発明の第１の実施の形態にかかる磁性体１の構成を示す平面図である。但し、当該磁性体１は、後述のように、埋込磁石型の回転子に資することができる。また磁性体１は紙面に垂直な方向に延在してもよいし、紙面に垂直な方向に薄くてもよい。前者の場合は、例えば圧粉鉄心で形成して回転子のコアとして採用することができる。後者の場合には、例えば鋼板を採用して形成し、相互に積層して回転子のコアとして採用することができる。その場合、図1は当該コアの断面図として把握できる。中心Ｚ０は回転子のコアの回転軸に相当する。

磁性体１は環状を呈する周縁１０を備え、ここでは周縁１０が外周として円形を呈している場合が例示されている。但し必ずしも真円である必要はなく、設計上の変更は適宜に可能である。上述の回転子を得た場合、当該回転子の周縁１０に対向して電機子たる固定子を設けて、電動機を構成することが可能である。周縁１０が内周側に設けられる場合には固定子は当該回転子の内側に配置されることになる（図示省略）。

磁性体１は、周方向で環状に配置され、それぞれが周方向に一対の端２１，２２を有する界磁磁石貫通孔２が複数個、ここでは６個設けられている。またいずれの界磁磁石貫通孔２においても、端２１，２２にはそれぞれ空隙３１，３２が設けられている。

なお、磁性体１が複数積層される場合には締結具を貫挿するための締結用孔４が設けられることが望ましい。以下の説明では図示しているが、必須の構成要件ではなく、例えば磁性体１同士をカシメにより結合する場合や、磁性体１を圧粉鉄心で形成する回転子のコアとして形成する場合には不要である。

また回転子の軸が貫挿される軸孔５も、磁性体１の中心に設けられた場合が図示されている。これも必須の構成要件ではなく、例えば軸方向の端において端板を設け、当該端板に回転軸を設ける場合には不要である。

図２は回転子１００の構造を示す断面図であり、回転軸Ｚ０に垂直な断面を示している。回転子１００は、図１に示された磁性体１の、あるいはその複数を積層したものの、界磁磁石貫通孔２に界磁磁石６を貫挿して得られる。

界磁磁石６は周縁１０側（ここでは外周側）とその反対側（ここでは内周側）とにそれぞれ異なる磁極面を呈する。ここで例示された回転子１００の極対数は３であり、隣接する界磁磁石６同士は、周縁１０に向けて異なる極性の磁極面を呈している。

図３は回転子１００の磁極境界近傍を拡大して示す断面図であり、図４は磁極境界近傍で相互に隣接する空隙３１，３２の近傍を更に拡大して示す断面図である。

ある界磁磁石貫通孔２の空隙３１は、それが設けられた端２１を有する界磁磁石貫通孔２（界磁磁石６が界磁磁石貫通孔２に貫挿されている場合には、今着目している空隙３１が設けられた界磁磁石貫通孔２に貫挿された界磁磁石６：図４では当該端２１は右側の界磁磁石６の磁極面６１，６２以外の端６３に一致する）よりも周縁１０側を通って、同じ界磁磁石貫通孔２の端２２へと延びる。

図４をも参照して、空隙３１は第１部分３１１、第２部分３１２、第３部分３１３を有している。第１部分３１１は、その属する空隙３１が設けられた端２１を有する界磁磁石貫通孔２の端２２側から、周方向に沿って、同一の距離Ｌ１で周縁１０と離隔する。

第２部分３１２は、第１部分３１１から端２１の側（図４では右側の界磁磁石６の端部６３側）で隣接する他の界磁磁石貫通孔２へ向かうに従って周縁１０との距離が漸増する。第３部分３１３は、第２部分３１２と界磁磁石貫通孔２との間に設けられる。第２部分３１２の、第３部分３１３側の周縁１０側の端部３１２ｓと周縁１０とは距離Ｌ２で離れている。

同様に、ある界磁磁石貫通孔２の空隙３２は、それが設けられた端２２を有する界磁磁石貫通孔２（界磁磁石６が界磁磁石貫通孔２に貫挿されている場合には、今着目している空隙３２が設けられた界磁磁石貫通孔２に貫挿された界磁磁石６：図４では当該端２２は左側の界磁磁石６の磁極面６１，６２以外の端６３に一致する）よりも周縁１０側を通って、同じ界磁磁石貫通孔２の端２１へと延びる。

空隙３２は第１部分３２１、第２部分３２２、第３部分３２３を有している。第１部分３２１は、その属する空隙３２が設けられた端２２を有する界磁磁石貫通孔２の端２１側から、周方向に沿って、同一の距離Ｌ１で周縁１０と離隔する。

第２部分３２２は、第１部分３２１から端２２の側（図４では左側の界磁磁石６の端部６３側）で隣接する他の界磁磁石貫通孔２へ向かうに従って周縁１０との距離が漸増する。第３部分３２３は、第２部分３２２と界磁磁石貫通孔２との間に設けられる。第２部分３２２の、第３部分３２３側の周縁１０側の端部３２２ｓと周縁１０とは距離Ｌ２で離れている。

空隙３１，３２は、第３部分３１３，３２３と界磁磁石用貫通孔２との間に、それぞれ突起３１０，３２０を有している。これは界磁磁石用貫通孔２に貫挿される界磁磁石６の位置決めを容易とする。

このようにして、磁性体１単体で、あるいは複数を積層して、界磁磁石貫通孔２に界磁磁石６を貫挿し、以て埋込磁石型の回転子１００を構成することができる。

図５は回転子１００と３６スロット６極の固定子コア２００とを備えた電動機の断面形状を示す断面図である。回転子１００及び固定子２００の磁極の境界を、それぞれ径方向に延びた６個の直線で示し、かつ回転子１００から発生した磁束の分布をも併記した。図５では回転子１００の中央の穴に磁性材からなる回転軸を貫挿した場合を示している。

第２部分３１２，３２２と周縁１０との間にある磁性体１は、隣接する界磁磁石６によってできる磁極の境界近傍において、周方向に沿って境界へと近づくにつれて径方向の寸法が漸増する。よって当該境界における磁性体１の径方向の寸法を大きくでき、磁極の境界と中心とで磁性体１の径方向の厚みの差を低減できる。かかる構造により、トルクリプルが軽減される。

しかも界磁磁石貫通孔２の端２１，２２にそれぞれ設けられた空隙３１，３２は、界磁磁石貫通孔２よりも周縁１０側を通ってそれぞれ端２２，２１へと延びるので、この部分における磁性体１の径方向の寸法を磁極中心よりも小さくし、磁極の境界と磁極とで磁性体の径方向１００の厚みの差を低減できる。

本件発明は、距離Ｌ２が距離Ｌ１よりも大きいという特徴において特許文献５や特許文献６と大きく異なるものの、特許文献５や特許文献６の利点、即ち回転子の形状の非対称性を必須とせず、外面を凹ませる必要もなくトルクリプルを改善する点を享受できる。しかも当該特徴は上述の特有の効果、即ち磁極の境界と中心とで磁性体１の径方向の厚みの差を低減することに由来する、更なるトルクリプルの改善を招来する。

＜好適な形状＞
さて、空隙３１，３２についてのより好ましい形状について説明する。図４を参照して、空隙３１において、第１部分３１１の径方向の幅は第２部分３１２から周方向に遠ざかるにつれ漸減し、第１部分３１１の第２部分３１２とは反対側の端部３１１ｔで角度θ３をなす。同様にして、空隙３２において、第１部分３２１の径方向の幅は第２部分３２２から周方向に遠ざかるにつれ漸減し、第１部分３２１の第２部分３２２とは反対側の端部３２１ｔで角度θ３をなす。

空隙３１の第１部分３１１の端部３１１ｔと、当該空隙３１と最も近く隣接する空隙３２の第１部分３２１の端部３２１ｔとの間は、周縁１０の中心たる中心軸Ｚ０から見て周方向に角度θ１で広がる（図３及び図４を参照）。

また、空隙３１の第１部分３１１の第２部分３１２側の周縁１０側の端部３１１ｓと、当該空隙３１と最も近く隣接する空隙３２の第１部分３２１の第２部分３２２側の周縁１０側端部３２１ｓとの間は、中心軸Ｚ０から見て周方向に角度θ２で広がる（図３及び図４を参照）。

図６はＬ１＝０．７ｍｍ、Ｌ２＝３．２ｍｍ、θ１＝２５°、θ２＝７．５°とした場合の、回転子１００と固定子２００を備えた電動機のトルクリプル率（トルクの最大値と最小値との差の、トルクの平均値に対する百分率）の角度θ３に対する依存性を示すシミュレーショングラフである。θ３＝１５〜２５°においてほぼ１０％以下にトルクリプル率を抑制できる。なお、相互に最も隣接する第３部分３１３，３２３の間でリブとして機能する磁性体は中心軸Ｚ０に対して１．１°で広がる場合を例に採っている。

ちなみに、特許文献６に記載の技術に近づけるために、Ｌ１＝Ｌ２＝０．７ｍｍ、θ１＝２５°、θ３＝２２°との条件下では、トルクリプル率は２０．８％であった。なお、Ｌ１＝Ｌ２であるので、第２部分のように周縁１０との距離が周方向にそって漸次変化する領域が存在せず角度θ２は定義できない。この場合、空隙３１，３２はリブとして機能する磁性体をその両側から挟み、かつ周縁１０との間に距離Ｌ１を保ちつつ角度θ１で広がることになる。

これに対して、Ｌ１，θ１，θ３の値をそのままにし、Ｌ２＝３．２ｍｍまで増大させた場合（これに伴ってθ２＝７．５°となる）にはトルクリプル率は８．１％にまで低下した。これはほぼつまり特許文献６に記載の技術よりも本実施の形態の方がトルクリプル率が改善されていることがわかる。

図７はトルクリプル率の角度θ１，θ２に対する依存性を示すシミュレーショングラフであり、トルクリプル率は等高線で示している。図７中の二桁の数値はトルクリプル率をパーセントで表した数値であり、その横にある曲線が、当該トルクリプル率を与える角度θ１，θ２の座標を結んでいることを示す。トルクリプル率が１０％を示す等高線の内側の短線は、当該短線がある領域の方が、トルクリプル率が小さいことを示している。つまり、トルクリプル率が１０％を示す等高線の内側にはトルクリプル率が１０％を超えて大きな領域が存在しないことを示している。

二点鎖線は図７のグラフを得るためのシミュレーションの範囲を示している。また図６と同様に、Ｌ１＝０．７ｍｍ、Ｌ２＝３．２ｍｍに設定した。

図３から理解されるように、単に角度θ１を大きくすると、角度θ３は小さくなってしまう。そこでシミュレーションにおいては角度θ３を、図６においてトルクリプル率を良好にする範囲（１５〜２５°）に保たせている。具体的には、θ１＝４０°ではθ３＝１８．４°、θ１＝３０°ではθ３＝１９．９°、θ１＝２５°ではθ３＝２２．２°、θ１＝２０°ではθ３＝１９．８〜２２．０°、θ１＝１５ではθ３＝１７．８〜２０．１°とした。またθ１＝３５°のとき、θ３＝１８．４〜１９．９°である。

上述の通り、Ｌ１＝Ｌ２＝０．７ｍｍ、θ１＝２５°、θ３＝２２°の場合が特許文献６に記載の技術に近く、トルクリプル率は２０．８％であった。このときのＬ１，θ１，θ３の条件は、図７において最良の結果を示す範囲内にある（トルクリプル率が１０％を示す等高線の内側にある）。よってθ１，θ２の好適な値を得る条件として、トルクリプル率が２０．８％よりも小さいことを、実際には簡単のためこれを近似して２０％以下となることを、採用する。

θ１の上限値は曲線Ｌ１１，Ｌ１２で、下限値は曲線Ｌ２０で、それぞれ規定される。θ２の上限値及び下限値は、それぞれ１６°及び１°であり、シミュレーションの境界から決定した。

曲線Ｌ１１はトルクリプル率が２０％となる曲線のうちθ１の大きい方の一部である。曲線Ｌ１１の左端はθ１＝３３°及びθ２＝１°の座標で決定されており、右端はθ１＝３１°及びθ２＝１４°の座標で決定されている。曲線Ｌ１２はθ１＝３１°及びθ２＝１４°の座標を左端とし、ここにおいて曲線Ｌ１１と連結している。また曲線Ｌ１２はθ２＝１４〜１５°においてはθ１＝３１°に対応しており、θ２＝１５〜１６°においてはθ１が大きい方のシミュレーションの境界に対応している。

曲線Ｌ１２はトルクリプル率が２０％を示す曲線Ｌ１１，Ｌ２０と、トルクリプル率が１５％を示す曲線との間に存在するので、また、曲線Ｌ１１，Ｌ２０の間にはトルクリプル率が２５％を示す曲線が存在しない。

以上のことから、θ１＝１〜１６°、かつθ１，θ２が図６に示す曲線Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ２０で囲まれる範囲内に選定されることにより、トルクリプル率を２０％以下とできること、即ち特許文献６に記載の技術よりも本実施の形態の方がトルクリプル率が改善されていることがわかる。

なお、図６で示されたシミュレーショングラフにおいて採用されたθ１＝２５°、θ２＝７．５°の条件は、図７において最良の結果を示す範囲内にある。

図８は回転子１００と固定子２００を備えた電動機のトルクリプル率が距離Ｌ１，Ｌ２に依存して減少する様子を示すシミュレーショングラフである。

図８中の二桁の数値はトルクリプル率が、Ｌ１＝Ｌ２の場合と比較した減少率をパーセントで表した数値であり、その横にある曲線が、当該減少率を与える距離Ｌ１，Ｌ２の座標を結んでいることを示す。減少率が４０％を示す等高線の内側の短線は、当該短線がある領域の方が、減少率が小さいことを示している。つまり、減少率が４０％を示す等高線の内側には減少率が４０％を超えて大きな領域が存在しないことを示している。

二点鎖線は図８のグラフを得るためのシミュレーションの範囲を示している。またθ１＝２４°、θ２＝７．５°（Ｌ１＝Ｌ２の場合には定義されない）、θ３＝２１°とした。これらの角度θ１，θ２，θ３は、図６及び図７に鑑みて、ほぼ最適な値を採っている。

距離Ｌ１は、回転子１００の機械的強度を考慮すると薄くすることは望ましくない。他方、界磁磁石６の磁極面同士での磁束の短絡防止を考慮すると厚いことは望ましくない。これらの観点から、距離Ｌ１は０．４〜２．０ｍｍに選定されることが望ましい。距離Ｌ１が上限値２．０ｍｍをとる近傍において、距離Ｌ２がほぼ２．６〜４．５ｍｍの間では距離Ｌ２に対する減少率の依存性が低いこと、及びシミュレーション範囲に鑑み、０．８０・Ｌ１＋１．０〜０．７５・Ｌ１＋３．７（ｍｍ）に距離Ｌ２を選定することが望ましい。これにより、Ｌ１＝Ｌ２の場合と比較して、トルクリプル率について、ほぼ４割以上の軽減を得ることができる。かかる望ましい範囲は図８において網掛けにて示した。

＜効果が得られる理由についての考察＞
さて次に、トルクリプル率が軽減される理由についての考察を簡単に説明する。図９はトルクを示すグラフである。曲線Ｔ１は、Ｌ１＝Ｌ２＝０．７ｍｍ、θ１＝２５°、θ３＝２２°を採用した回転子と、３６スロット６極の固定子２００とを用いた電動機のトルクを示すグラフである。曲線Ｔ２は本実施の形態にかかる電動機のトルクを示し、Ｌ１＝０．７ｍｍ、Ｌ２＝３．２ｍｍ、θ１＝２５°、θ２＝７．５°、θ３＝２２°に設定されている。両者のトルクの平均トルクは等しく設定されている。

但し図９では磁極一つ分、即ち機械角として３６０°／６＝６０°の間隔のみを例示している。回転角度は、回転子の磁極の境界と固定子の磁極の境界とが一致した状態を０°としている（図５の径方向に延びる直線を参照）。

曲線Ｔ１よりも曲線Ｔ２の方が変動は小さく、即ちトルクリプル率は小さい。より具体的には曲線Ｔ１は回転角度φＡ、φＢで、それぞれ最大値及び最小値を採る。曲線Ｔ２も回転角度φＡ、φＢの近傍で極大値、極小値を採る。しかし曲線Ｔ１の最大値と比較して曲線Ｔ２の極大値は小さく、曲線Ｔ１の最小値と比較して曲線Ｔ２の極小値は大きい。

これをより詳細に検討するため、回転子の表面に働く電磁力の接線成分（「ロータ表面力接線成分」と称す）と、回転子の位置角度（磁極境界を０°とする）との関係をグラフにした。図１０乃至図１２は回転角度φＡにおける関係を示し、図１５乃至図１７は回転角度φＢにおける関係を示した。

図１０は磁極一つ分（ここでは回転子の極対数が３であるため、３６０°／３／２＝６０°）の、図１１は０〜１０°近傍の、図１２は５０〜６０°近傍の、それぞれロータ表面力接線成分を示している。曲線Ｆ１Ａ，Ｆ２Ａはそれぞれ図９において曲線Ｔ１，Ｔ２を与える電動機におけるロータ表面力接線成分を示す。

回転角度φＡにおいて、位置角度が７〜４０°近傍では曲線Ｆ１Ａ，Ｆ２Ａはいずれもほぼ零であり、ロータ表面力接線成分は二つの電動機の間で殆ど相違しない。しかし図１１及び図１２に示された位置角度では、曲線Ｆ１Ａよりも曲線Ｆ２Ａが、小さなロータ表面力接線成分を示していることがわかる。特に図１２に示されるように位置角度が５５〜５８°の領域においてその傾向は顕著である。

図１３及び図１４は、回転子と固定子における磁束ベクトルを示すシミュレーション結果であり、断面図に相当する。但し、シミュレーションを行うために、回転子と固定子とは複数の要素に細分されており、その要素の中心に磁束ベクトルの始点が配置されている。固定子の歯部２０１は、その回転子側に拡幅部２０２を備えている。

図１３は回転子にＬ１＝Ｌ２の構造が採用された場合を、図１４はＬ２＞Ｌ１の構造（即ち本発明にかかる回転子）が採用された場合を、それぞれ示す。図１３、図１４共に、径方向の鎖線ＪＡが、ほぼ位置角度５６°の位置を示す。

図１３と比較して図１４では、鎖線ＪＡで示された周方向の位置での磁束ベクトルは、周方向成分は殆ど変わらないものの、径方向成分が小さくなっている。これは、Ｌ２＞Ｌ１とすることにより、当該位置での磁束ベクトルが向かう方向と同じ向きの周方向側の磁性体が増厚し、換言すれば第２領域３１２と周縁１０との間の磁性体量が図１３に示された構造よりも多いからであると考えられる。即ち、図１４に示された構造では図１３に示された構造よりも、鎖線ＪＡで示された周方向の位置での磁束ベクトルは、固定子の拡幅部２０２とは反対側へと向き易くなっているからであると考えられる。

ロータ表面力接線成分は、磁束ベクトルの周方向成分と径方向成分の積に比例する。よって、磁束ベクトルの周方向成分が殆ど変わらないまま径方向成分が減少することにより、ロータ表面力接線成分は減少する。これが、図１２に現れた曲線Ｆ２Ａが曲線Ｆ１Ａに対して小さいことの理由であると考えられる。

図１５は磁極一つ分（６０°）の、図１６は０〜１０°近傍の、図１７は５０〜６０°近傍の、それぞれロータ表面力接線成分を示している。曲線Ｆ１Ｂ，Ｆ２Ｂはそれぞれ図９において曲線Ｔ１，Ｔ２を与える電動機におけるロータ表面力接線成分を示す。

回転角度φＢにおいて、位置角度が７〜４２°近傍では曲線Ｆ１Ｂ，Ｆ２Ｂはいずれもほぼ零であり、ロータ表面力接線成分は二つの電動機の間で殆ど相違しない。しかし図１６及び図１７に示された位置角度では、曲線Ｆ１Ｂよりも曲線Ｆ２Ｂが、大きなロータ表面力接線成分を示していることがわかる。特に図１６に示されるように位置角度が０〜５°の領域においてその傾向は顕著である。

図１８及び図１９は、回転子と固定子における磁束ベクトルを示すシミュレーション結果であり、回転角度が異なる以外は、図１３及び図１４と同様に示されている。図１８は回転子にＬ１＝Ｌ２の構造が採用された場合を、図１８はＬ２＞Ｌ１の構造（即ち本発明にかかる回転子）が採用された場合を、それぞれ示す。図１８、図１９共に、径方向の鎖線ＪＢが、ほぼ位置角度４°の位置を示す。

図１８と比較して図１９では、鎖線ＪＢで示された周方向の位置での磁束ベクトルは、周方向成分は殆ど変わらないものの、径方向成分が大きくなっている。これは、Ｌ２＞Ｌ１とすることにより、当該位置での磁束ベクトルが向かう方向とは反対向きの周方向側の磁性体が増厚し、換言すれば第２領域３２２と周縁１０との間の磁性体量が図１８に示された構造よりも多いからであると考えられる。即ち、図１９に示された構造では図１８に示された構造よりも、鎖線ＪＢで示された周方向の位置での磁束ベクトルは、固定子の拡幅部２０２側へと向き易くなっているからであると考えられる。

よって、磁束ベクトルの周方向成分が殆ど変わらないまま径方向成分が増大することにより、ロータ表面力接線成分は増大する。これが、図１２に現れた曲線Ｆ２Ｂが曲線Ｆ１Ｂに対して小さいことの理由であると考えられる。

以上のことをより定性的に考えると、次のように見ることもできる。即ち、図９に示されるように、回転子の磁極の境界近傍において磁性体が増厚していない場合（Ｌ１＝Ｌ２）と比較して、当該位置での磁性体を増厚すると、回転角度に対するトルクの依存性を緩和している。これは回転子の磁極の境界近傍において増厚した磁性体が、固定子と回転子との間の磁束の流れの不規則性を改善しているからであると考えられる。

第２の実施の形態．
図２０は本発明の第２の実施の形態にかかる回転子１００の構造を部分的に示す断面図である。もちろん、当該回転子１００から界磁用磁石６を除いた構造も、本発明にかかる磁性体１として把握できる。

本実施の形態における回転子１００の特徴は、第２部分３１２，３２２と周縁１０との距離が周方向において曲線状に変化する点にあり、それ以外は第１の実施の形態に示された技術と同様である。このような構成であっても、第１の実施の形態で説明されたように、磁極の境界近傍において磁性体が増厚され、磁極の境界と中心とで磁性体の径方向の厚みの差を低減できる。よって第１の実施の形態と同様にトルクリプルを軽減することができる。もちろん、回転子１００の形状の非対称性を必須とせず、外面を凹ませる必要もない。

第３の実施の形態．
図２１は本発明の第３の実施の形態にかかる回転子１００の構造を部分的に示す断面図である。もちろん、当該回転子１００から界磁用磁石６を除いた構造も、本発明にかかる磁性体１として把握できる。

本実施の形態における回転子１００の特徴は、隣接する界磁磁石貫通孔２にそれぞれ属して隣接する一対の第３部分３１３，３２３同士が連通する点にあり、それ以外は第１の実施の形態に示された技術と同様である。このような構成であっても、第１の実施の形態で説明された作用、効果を得ることができることは明白である。また、第２の実施の形態に示された構造において、第３部分３１３，３２３同士が連通してよい。

但し、空隙３１，３２近傍、即ち回転子の磁極境界近傍での機械的強度については、第３部分３１３，３２３同士が離隔して隣接することが望ましい。

また、第３部分３１３，３２３同士を連通させることにより、トルクリプルは幾分増大する。例えば、Ｌ１＝０．７ｍｍ、Ｌ２＝３．２ｍｍ、θ１＝２５°、θ２＝７．５°、θ３＝２２°とした場合、トルクリプル率は１２．２％であり、第３部分３１３，３２３同士が離隔して隣接する構成で得られたトルクリプル率８．１％と比較すると大きい。しかしＬ１＝Ｌ２＝０．７ｍｍである構成で得られたトルクリプル率２０．８％と比較すると、依然、トルクリプル率の軽減という効果があることがわかる。

第４の実施の形態．
図２２は本発明の第４の実施の形態にかかる回転子１００の構造を部分的に示す断面図である。もちろん、当該回転子１００から界磁用磁石６を除いた構造も、本発明にかかる磁性体１として把握できる。

本実施の形態における回転子１００の特徴は、隣接する界磁磁石貫通孔２にそれぞれ属して隣接する一対の第３部分３１３，３２３が、それぞれ界磁磁石貫通孔２と離隔している点にあり、それ以外は第１の実施の形態に示された技術と同様である。第３部分３１３，３２３と界磁磁石貫通孔２との間には磁性体が、それぞれリブ３１４，３２４として存在する。

このような構成であっても、第１の実施の形態で説明された作用、効果を得ることができることは明白である。また、第２の実施の形態に示された構造において、第３部分３１３，３２３が界磁磁石貫通孔２と離隔してもよい。このような構造を採用することにより、機械的強度が増大する他、突起３１０，３２０が不要となる利点がある。

当該構造において、第３実施の形態に示されたように、第３部分３１３，３２３同士を連通させてもよい。図２３はそのように変形された構造を示す断面図である。

第５の実施の形態．
図２４及び図２５は本発明の第５の実施の形態にかかる回転子１００の構造を部分的に示す断面図である。もちろん、当該回転子１００から界磁用磁石６を除いた構造も、本発明にかかる磁性体１として把握できる。

本実施の形態における回転子１００の特徴は、第２部分３１２，３２２と周縁１０との距離が周方向において階段状に変化する点にあり、それ以外は第１の実施の形態に示された技術と同様である。このような構成であっても、第１の実施の形態で説明された作用、効果を得ることができることは明白である。階段の数は図２４、図２５に示されるように適宜選択することができる。

第２部分３１２，３２２と周縁１０との距離が周方向において階段状に変化することにより、トルクリプルは幾分増大する。例えば、Ｌ１＝０．７ｍｍ、Ｌ２＝３．２ｍｍ、θ１＝２５°、θ２＝７．５°、θ３＝２２°とした場合、トルクリプル率は１３．２％であった。しかしなお、Ｌ１＝Ｌ２＝０．７ｍｍである構成で得られたトルクリプル率２０．８％と比較すると、トルクリプル率の軽減という効果があることがわかる。

本実施の形態においても第３の実施の形態のように、隣接する界磁磁石貫通孔２にそれぞれ属して隣接する一対の第３部分３１３，３２３同士を連通させる変形が可能である。また第４の実施の形態のように、第３部分３１３，３２３が、それぞれ界磁磁石貫通孔２と離隔させる変形が可能である。

本発明の第１の実施の形態にかかる磁性体の構成を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる回転子の構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる回転子の構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる回転子の構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる回転子と固定子コアとを備えた電動機の断面形状を示す断面図である。 トルクリプル率の角度θ３に対する依存性を示すシミュレーショングラフである。 トルクリプル率の角度θ１，θ２に対する依存性を示すシミュレーショングラフである。 トルクリプル率が距離Ｌ１，Ｌ２に依存して減少する様子を示すシミュレーショングラフである。 トルクを示すグラフである。 ロータ表面力接線成分の回転角度φＡにおける関係を示すグラフである。 ロータ表面力接線成分の回転角度φＡにおける関係を示すグラフである。 ロータ表面力接線成分の回転角度φＡにおける関係を示すグラフである。 回転子と固定子における磁束ベクトルを示すシミュレーションを示す断面図である。 回転子と固定子における磁束ベクトルを示すシミュレーションを示す断面図である。 ロータ表面力接線成分の回転角度φＢにおける関係を示すグラフである。 ロータ表面力接線成分の回転角度φＢにおける関係を示すグラフである。 ロータ表面力接線成分の回転角度φＢにおける関係を示すグラフである。 回転子と固定子における磁束ベクトルを示すシミュレーションを示す断面図である。 回転子と固定子における磁束ベクトルを示すシミュレーションを示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる回転子の構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態にかかる回転子の構造を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態にかかる回転子の構造を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態の変形にかかる回転子の構造を示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態にかかる回転子１００の構造を部分的に示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態にかかる回転子１００の構造を部分的に示す断面図である。

符号の説明

１ 磁性体
２ 界磁用磁石貫挿孔
３１，３２ 空隙
３１１，３２１ 第１部分
３１２，３２２ 第２部分
３１３，３２３ 第３部分
３１１ｓ，３１１ｔ，３１２ｓ，３２１ｓ，３２１ｔ，３２２ｓ 端部
４ 締結用孔
５ 軸孔
６ 界磁用磁石

Claims (14)

1. 周縁（１０）と、
   周方向で環状に配置され、それぞれが周方向に一対の端（２１，２２）を有する複数の界磁磁石貫通孔（２）と、
   前記一対の端に設けられた一対の空隙（３１，３２）と
   を備え、
   一の前記界磁磁石貫通孔の前記端の一方（２１）に設けられた前記空隙（３１）は、
   (i)当該界磁磁石貫通孔よりも前記周縁側を通って当該端の他方（２２）へと延び、
   (ii)当該空隙は、当該端の前記他方側から周方向に沿って同一の第１距離（Ｌ１）で前記周縁と離隔する第１部分（３１１）と、前記第１部分から当該端の前記一方側で隣接する他の前記界磁磁石貫通孔へ向かうに従って前記周縁との距離が漸増する第２部分（３１２）とを有し、
   前記空隙は、前記第２部分と前記界磁磁石貫通孔との間に設けられる第３部分（３１３）を更に有する磁性体（１）。
2. 一の前記空隙において、前記第１部分（３１１；３２１）の径方向の幅は前記第２部分（３１２；３２２）から周方向に遠ざかるにつれ漸減し、前記第１部分の前記第２部分とは反対側の端部（３１１ｔ；３２１ｔ）の角度（θ３）が１５〜２５度の間に選定される、請求項１に記載の磁性体（１）。
3. 隣接する前記界磁磁石貫通孔にそれぞれ属して隣接する一対の前記空隙（３１；３２）の一方（３１）の前記第１部分（３１１）の前記第２部分（３１２）とは反対側の端部（３１１ｔ）と、前記一対の前記空隙の他方（３２）の前記第１部分（３２１）の前記第２部分（３２２）とは反対側の端部（３２１ｔ）との間は、前記周縁（１０）の中心（Ｚ０）から見て周方向に第１角度（θ１）で広がり、
   前記空隙の前記一方（３１）の前記第１部分（３１１）の前記第２部分（３１２）側の周縁側端部（３１１ｓ）と、前記空隙の前記他方（３２）の前記第１部分（３２１）の前記第２部分（３２２）側の周縁側端部（３２１ｓ）との間は、前記中心から見て周方向に第２角度（θ２）で広がり、
   前記第２角度は１乃至１６度の間に選定され、
   前記第１角度及び前記第２角度は図６に示す曲線Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ２０で囲まれる範囲内に選定される、請求項１及び請求項２のいずれか一つに記載の磁性体（１）。
4. 前記第２部分（３１２；３２２）の前記第３部分（３１３；３２３）側の周縁側端部（３１２ｓ；３２２ｓ）と前記の周縁（１０）とは第２距離（Ｌ２）で離隔し、
   前記第１距離は０．４〜２．０ｍｍに選定され、
   前記第２距離は前記第１距離の０．８０倍よりも１．０ｍｍ以上大きく、前記第１距離の０．７５倍に３．７ｍｍを加えた長さ以下に選定される、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の磁性体（１）。
5. 前記第２部分（３１２；３２２）と前記周縁（１０）との距離は周方向において直線状に変化する、請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の磁性体（１）。
6. 前記第２部分（３１２；３２２）と前記周縁（１０）との距離は周方向において曲線状に変化する、請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の磁性体（１）。
7. 前記第２部分（３１２；３２２）と前記周縁（１０）との距離は周方向において階段状に変化する、請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の磁性体（１）。
8. 隣接する前記界磁磁石貫通孔にそれぞれ属して隣接する一対の前記空隙（３１；３２）の前記第３部分（３１３，３２３）同士は、離隔して隣接する、請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載の磁性体（１）。
9. 隣接する前記界磁磁石貫通孔（２）にそれぞれ属して隣接する一対の前記空隙（３１；３２）の前記第３部分（３１３，３２３）同士が連通する、請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載の磁性体（１）。
10. 前記空隙の前記第３部分（３１３，３２３）と前記界磁磁石用貫通孔（２）とが連通する、請求項１乃至請求項９のいずれか一つに記載の磁性体（１）。
11. 前記空隙（３１，３２）は、前記第３部分（３１３，３２３）と前記界磁磁石用貫通孔（２）との間に突起（３１０，３２０）を更に有する、請求項１０記載の磁性体（１）。
12. 前記空隙の前記第３部分（３１３，３２３）と前記界磁磁石用貫通孔（２）とは離隔して隣接する、請求項１乃至請求項９のいずれか一つに記載の磁性体（１）。
13. 請求項１乃至請求項１２のいずれか一つに記載の磁性体（１）と、
    前記界磁磁石用貫通孔（２）に貫挿される界磁磁石（６）と
    を備える回転子（１００）。
14. 請求項１３記載の回転子（１００）と、
    前記回転子に対して所定の間隔を介して前記周縁（１０）側に設けられた固定子（２００）とを備える電動機。