JP2012161227A

JP2012161227A - 回転電機用回転子

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Publication number: JP2012161227A
Application number: JP2011021411A
Authority: JP
Inventors: Shinya Sano; 新也佐野; Takeshi Takeda; 健武田; Tomohiro Inagaki; 智広稲垣; Shinichi Otake; 新一大竹; Tsuyoshi Miyaji; 剛宮路; Hirota Watanabe; 裕太渡邉; Ryosuke Utaka; 良介宇鷹
Original assignee: Aisin AW Co Ltd; Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Aisin AW Co Ltd; Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2031-02-03
Also published as: BR112013018579A2; WO2012104715A8; US9231445B2; JP5643127B2; WO2012104715A1; CN103339831A; DE112012000667T5; DE112012000667T8; BR112013018579B1; US20130307363A1; CN103339831B

Abstract

【課題】少なくとも３つの永久磁石を含んで各磁極が構成される回転電機用回転子において、磁極内における磁気飽和を緩和することによって回転電機のトルク向上を図る。
【解決手段】回転電機用回転子１０には、回転子鉄心１２の外周部に複数の磁極２４が周方向に間隔を置いて設けられている。各磁極２４は、磁極中央に埋設された第１永久磁石２６と、第１永久磁石２６の周方向両側に埋設され径方向内方へ向かって互いの間隔が狭まるように配置された一対の第２永久磁石２８とを含む。そして、第１永久磁石２６および一対の第２永久磁石２８により形成される磁路領域３０において一対の第２永久磁石２８間の最も狭い間隔が第１永久磁石２６の長手方向幅よりも広く設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機用回転子に係り、特に、回転子鉄心の外周部に複数の磁極が周方向に間隔を置いて設けられている回転電機用回転子に関する。

従来、例えば特開２００８−３０６８４９号公報（以下、特許文献１という）には、内周部にステータコイルが分布巻きされた固定子と、固定子内に回転可能に設けられた永久埋込型の回転子とを備える回転電機が開示されている。上記回転子は、回転シャフトとこれに固定された円筒状のコア体とから構成されている。

上記コア体は、円環状に打ち抜き加工された磁性鋼板を軸方向に積層してかしめ等により一体に構成されている。そして、コア体の外周部には複数の磁極が円周方向に等間隔で設けられている。図８に、１つの磁極を軸方向端面視状態で拡大して示す。図８では、回転子１００のコア体１０２の外周部に等間隔（すなわち回転シャフトの中心軸を扇形の中心とする４５°の角度間隔）で配置されているもののうち１つの磁極１０４が固定子１０６の一部とともに示されている。

固定子１０６の内周には、複数のティース１０８が円周方向に等間隔で且つ径方向内側へ向かって突設されている。隣り合うティース１０６間には、それぞれ、ティースと同数のスロット１０８が内周側と軸方向両端で開口して形成されている。そして、スロット１０８には、ティース１０６の周囲に巻回されるステータコイル（不図示）が挿入配置される。これにより、ステータコイルに通電されると、固定子１００の内側に回転磁界が形成されることになる。

回転子１００のコア体１０２に設けられる各磁極１０４は、３枚の永久磁石１１２，１４，１１６を含んで構成されている。磁極１０４において周方向中央に配置される永久磁石１１２は、コア体１０２の外周面１０３近傍に埋設されている。永久磁石１１２は、扁平長方形状の端面および断面を有するとともに、コア体１０２とほぼ同等の軸方向長さに形成されている。そして、永久磁石１１２は、磁石端面上の長手方向がコア体１０２の外周面１０３に略沿って配置されており、長手方向幅Ｗを有している。

一方、他の２つの永久磁石１１４，１１６は、上記永久磁石１１２の周方向両側において外周側に向かってＶ字状に広がるように対称配置されている。逆にいえば、永久磁石１１４，１１６は、内周側へ向かって互いの間の距離または間隔が狭まるように配置されており、最も狭い間隔である永久磁石１１４，１１６の各内周側端部間の間隔が長手方向幅Ｗよりも狭くなっている。これにより、磁極１０４では、３つの永久磁石１１２，１１４，１１６によって囲まれた略三角状の磁路領域１１８が形成され、この磁路領域１１８の周方向両端側が永久磁石１１２と永久磁石１１４，１１６との間の領域を介してコア体１０２の外周面１０３へとつながっている。

上記構成からなる回転子１００を備える回転電機では、永久磁石１１４，１１６の周方向端部と回転シャフトの中心とを結ぶ仮想直線と、永久磁石１１２の周方向中心を通る径方向直線に直交し且つ回転シャフトの中心を通る仮想基準線とによって規定される交差角度を所定角度に設定することによって、回転電機の作動時に発生する特定次数の逆起電圧を低減することができノイズの低減を図れる、と特許文献１には記載されている。

特開２００８−３０６８４９号公報

上記特許文献１の回転電機において、ステータコイルに電流が流れて回転子１００が回転駆動されるとき、回転子１００のコア体１０２の磁極１０４には図９に示すような磁束の流れが形成される。図９中の（Ａ）は永久磁石１１４から生じた磁束（以下、磁石磁束という）が磁路領域１１８を通って外周側へ流れる様子を模式的に示し、図９中の（Ｂ）はステータコイルに流れる電流を直交座標系であるｑ軸ｄ軸平面上でベクトル展開したときのｑ軸電流成分によって生じた磁束（以下、ｑ軸電流磁束または励磁電流磁束という）が固定子１０６のティース１０８の内周端部からコア体１０２に流れ込んで磁極１０４内の磁路領域１１８を通る様子を模式的に示し、図９中の（Ｃ）は上記磁石磁束と上記ｑ軸電流磁束とを合成した磁束の流れを模式的に示している。

図９（Ａ）を参照すると、永久磁石１１４から生じた磁石磁束は、コア本体１０２の外周面１０３へと向かう。ここで、永久磁石１１４から出た磁束のうち一部は永久磁石１１２を通過して外周面側へと向かうが、コア体１０２に埋設された永久磁石１１２は空隙と等価な比透磁率または磁気抵抗を有することから、大部分は磁気抵抗が小さい鋼板部分である磁路領域１１８の周方向端部領域を通って外周面側へと流れることになる。また、図９（Ｂ）を参照すると、コア体１０２内の磁極１０４に流れ込んだｑ軸電流磁束についても同様に、磁気抵抗が小さい磁路領域１１８を略円弧状に流れて外周面側へと向かう。

したがって、上記のように流れる磁石磁束とｑ軸電流磁束とが重なると、図９（Ｃ）に示すように、略三角状に形成される磁路領域１１８のうちハッチング部分で示す下流側領域１２０で合成磁束の密度が高くなって磁気飽和が発生しやすくなり、その結果、回転電機におけるトルク低下をつながるという問題がある。

なお、図９（Ａ）では永久磁石１１６から生じる磁束の表示を省略しているが、永久磁石１１６からの磁束も上記下流側領域１２０に流れることから、上記のような磁気飽和の可能性がより高くなる。また、磁路領域１１８における磁束の流れ方向が反転すれば、磁路領域１１８のうち永久磁石１１２と永久磁石１１６との間に位置する領域においても同じように磁気飽和が生じやすい。

本発明の目的は、少なくとも３つの永久磁石を含んで各磁極が構成される回転電機用回転子において、磁極内における磁気飽和を抑制することによって回転電機のトルク向上を図れる回転電機用回転子を提供することにある。

本発明に係る回転電機用回転子は、回転子鉄心の外周部に複数の磁極を周方向に間隔を置いて設けた回転電機用回転子であって、前記各磁極は、磁極中央に埋設された第１永久磁石と、前記第１永久磁石の周方向両側に埋設され径方向内方へ向かって互いの間隔が狭まるように配置された一対の第２永久磁石とを含み、前記第１永久磁石および前記一対の第２永久磁石に囲まれて形成される磁路領域において前記一対の第２永久磁石間の最も狭い間隔が前記第１永久磁石の長手方向幅よりも広く設定されているものである。

本発明に係る回転電機用回転子において、前記各磁極は、前記一対の第２永久磁石の内周側端部間であって前記磁路領域を挟んで前記第１永久磁石に対向する位置に形成された磁束抑制穴をさらに含んでもよい。

また、本発明に係る回転電機用回転子において、前記磁束抑制穴は、前記一対の第２永久磁石がそれぞれ挿入されている第２磁石挿入穴の内周側端部に連通して形成される２つの第１の穴と、前記第１の穴の間にブリッジ部を介して形成されている第２の穴とにより構成され、前記第１および第２の穴の少なくとも一方は前記回転子鉄心を形成する磁性材料よりも比透磁率が低い空隙または樹脂を含んでもよい。

また、本発明に係る回転電機用回転子において、前記第１永久磁石は、互いに近接し且つ外周側へ向かって略Ｖ字状に広がるように配置された２つの永久磁石により構成されてもよい。

また、本発明に係る回転電機用回転子において、前記一対の第２永久磁石は、それぞれ、互いに近接し且つ前記第１永久磁石に向かって略Ｖ字状に広がるように配置された２つの永久磁石により構成されてもよい。

さらに、本発明に係る回転電機用回転子において、前記各磁極は、前記一対の第２永久磁石の内周側端部間であって前記第１永久磁石に対向する位置に形成された第１磁束抑制穴を含み、前記第１永久磁石、前記第２永久磁石および前記第１磁束抑制穴によって第１磁路領域が形成されており、前記各磁極はさらに、前記一対の第２永久磁石の周方向両側に埋設され径方向内方へ向かって互いの間隔が狭まるように配置された一対の第３永久磁石と、前記一対の第３永久磁石の内周側端部間であって前記第１磁束抑制穴に対向して形成される第２磁束抑制穴とを含み、前記第２および第３永久磁石ならびに前記第１および第２磁束抑制穴によって第２磁路領域が前記第１磁路領域の内周側に形成されており、前記第２磁路領域において前記一対の第３永久磁石間の最も狭い間隔が、径方向と直交する方向における前記一対の第２永久磁石の周方向外側縁部間の幅以上に設定されていてもよい。

本発明に係る回転電機用回転子によれば、回転子鉄心の外周部に設けられた磁極が、磁極中央に埋設された第１永久磁石と、その周方向両側に埋設され径方向内方へ向かって互いの間隔が狭まるように配置された一対の第２永久磁石とを含み、第１永久磁石および一対の第２永久磁石に囲まれて形成される磁路領域において一対の第２永久磁石間の最も狭い間隔が第１永久磁石の長手方向幅よりも広く設定されていることから、第１永久磁石と第２永久磁石との間に形成される磁路領域を広く確保することができる。これにより、この磁路領域における磁気飽和を緩和することができ、その結果、上記回転子を備えた回転電機のトルク向上を図れる。

本発明の一実施形態である回転電機用回転子（以下、適宜に回転子とだけいう）を備えた回転電機の軸方向断面図である。図１に示す回転子の１つの磁極を固定子の一部とともに示す部分拡大図である。図２に示す磁極における磁束の流れを模式的に示す図であり、（Ａ）は一方の第２永久磁石から生じた磁石磁束が磁路領域を通って外周側へ流れる様子を模式的に示し、（Ｂ）は固定子から回転子に流れ込んだ励磁電流磁束が磁極内の磁路領域を通る様子を模式的に示し、（Ｃ）は磁石磁束と励磁電流磁束とを合成した磁束の流れを模式的に示す。磁極中央の第１永久磁石が複数に分割されている例を示す、図２と同様の図である。磁極中央の第１永久磁石の外周側面が湾曲面をなした例を示す、図２と同様の図である。一対の第２永久磁石が第１永久磁石に向かって略Ｖ字状に配置されている例を示す、図２と同様の図である。一対の第３永久磁石と第２磁束抑制穴とによって第１磁路領域の内周側に第２磁路領域が形成されている例を示す、図２と同様の図である。１つの磁極に３枚の永久磁石を含む従来例を示す、図２と同様と同様の図である。図８に示す磁極における磁束の流れを模式的に示す図であり、（Ａ）は略Ｖ字状に配置された一方の永久磁石から生じた磁石磁束が磁路領域を通って外周側へ流れる様子を模式的に示し、（Ｂ）は固定子から回転子に流れ込んだ励磁電流磁束が磁極内の磁路領域を通る様子を模式的に示し、（Ｃ）は磁石磁束と励磁電流磁束とを合成した磁束の流れを模式的に示す。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は本実施形態の回転子１０を備える回転電機１の軸方向断面を示し、図２は回転子１０の１つの磁極を固定子２の一部とともに拡大して示す。

回転電機１は、筒状の固定子２と、固定子２の内部に回転可能に設けられる回転子１０とを備える。固定子２の内周には、複数のティース３が円周方向に等間隔で且つ径方向内側へ向かって突設されている。隣り合うティース３間には、それぞれ、ティース３と同数のスロット４が内周側と軸方向両端で開口して形成されている。そして、スロット４には、ティース３の周囲に巻回される固定子コイル５が挿入配置される。これにより、固定子コイル５に通電されると、固定子２の内周側に回転磁界が形成されて、回転子１０が回転駆動されることになる。

なお、ティース３の周囲に巻回される固定子コイル５は、複数のティース３をまたいでコイルが巻回される分布巻きであってもよいし、または、各ティース３ごとにコイルがそれぞれ巻回される集中巻きであってもよい。

回転子１０は、径方向中心に軸穴１１を有する円筒状をなす回転子鉄心１２と、回転子鉄心１２の軸穴１１を貫通して固定されるシャフト１４と、矢印Ｘで示すシャフト１４（および回転子鉄心１２）の軸方向に関して回転子鉄心１２の両側に接して配置されるエンドプレート１６と、回転子鉄心１２およびエンドプレート１６をシャフト１４上に固定する固定部材１８とを備える。

回転子鉄心１２は、例えば板厚０．３ｍｍの珪素鋼板等を円環状に打ち抜き加工してそれぞれ形成された多数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成されている。回転子鉄心１２を構成する各電磁鋼板は、回転子鉄心１２を軸方向に複数分割したブロックごとに又は全て一括してカシメ、接着、溶接等の方法によって一体に連結されている。また、回転子鉄心１２には、複数の磁極が周方向に均等な間隔で設けられている。各磁極は複数の永久磁石と磁束抑制穴とを含んで構成されるが、その詳細については後述する。

シャフト１４は、丸棒鋼材から形成されており、その外周には径方向外側へ突出するフランジ部１５が形成されている。このフランジ部は、回転子１０が組み立てられる際にエンドプレート１６に当接してシャフト１４での回転子鉄心１２の軸方向位置を決める当り部として機能する。また、回転子鉄心１２は、シャフト１４に対して締り嵌めによって固定されるか、または、軸穴１１の縁部に突設したキーをシャフト１４上のキー溝に嵌合して取り付けらことによって、シャフト１４に対する周方向位置が固定されている。

エンドプレート１６は、回転子鉄心１２の軸方向端面とほぼ同じ外形状の円板によって構成される。エンドプレート１６は、例えばアルミニウム、銅等の非磁性金属材料により好適に形成されている。ここで非磁性金属材料とするのは、磁極を構成する永久磁石の軸方向端部における磁束の短絡を抑制するためである。ただし、非磁性材料であれば金属材料に限定されるものではなく、樹脂材料で形成されてもよい。

回転子鉄心１２の軸方向両側に設けられるエンドプレート１６には、回転子鉄心１２を両側から押え付ける機能、回転子１０が組み上がった後に部分的に切削加工を施して回転子１０のアンバランスを修正する機能、磁極を構成する永久磁石が回転子鉄心１２から軸方向に飛び出すのを防止する機能などがある。

なお、本実施形態ではエンドプレート１６が回転子鉄心１２とほぼ同等の直径を有するものとして説明および図示するが、磁極を構成する永久磁石が回転子鉄心内に樹脂等によって固定される場合等には、エンドプレートを小径化または廃止等してコスト低減を図ってもよい。

固定部材１８は、円筒状をなすかしめ部２０と、かしめ部２０の一方端部から径方向外側へ突出する押え部２２とを含む。固定部材１８は、その押え部２２によって回転子鉄心１２および２枚のエンドプレート１６を上記フランジ部１５に向かって押圧した状態で、かしめ部２０がシャフト１４に対してかしめられることによってシャフト１４上に固定される。これにより、回転子鉄心１２がエンドプレート１６と共にシャフト１４に対して固定されることになる。

次に、図２を参照して、回転子鉄心１２の磁極２４の構成について説明する。なお、図２は回転子鉄心１２の軸方向端面視状態で１つの磁極２４を示す図であるが、回転子鉄心１２を軸方向に垂直な断面の構成もこれと同様である。また、図２では固定子コイルの図示を省略している。さらに、図２において磁極２４の周方向中心線が一点鎖線Ｃで示されている。

回転子鉄心１２の外周部には、複数の磁極２４が周方向に等間隔で設けられている。本実施形態では回転子鉄心１２に８つの磁極２４が設けられている例を示すので、各磁極２４はシャフト１４の回転軸位置を中心として周方向に４５°ごとに磁極中央が位置するように設けられている。各磁極２４は同様に構成されるので、以下においては１つの磁極の構成を記述するものとする。

磁極２４は、周方向に関して磁極中央に埋設された第１永久磁石２６と、第１永久磁石２６の周方向両側に埋設され径方向内方または内周側へ向かって互いの間隔が狭まるように配置された一対の第２永久磁石２８と、一対の第２永久磁石２８の内周側端部間であって磁路領域３０を挟んで第１永久磁石２６と対向する位置に形成された磁束抑制穴３２とを含む。

第１永久磁石２６は、回転子鉄心１２の外周面１３近傍の内部に埋設されている。第１永久磁石２６は、各２つの短辺側面および長辺側面を有する扁平長方形の軸方向端面（および軸方向に直交する断面）を有するとともに、回転子鉄心１２と略同一の軸方向長さに形成されている。また、永久磁石２６は、磁極中心線Ｃに対して線対称となる位置であって長辺側面が直交する姿勢で配置されている。ここで第１永久磁石２６は、軸方向端面視上でＷ１の長手方向幅（すなわち長辺側面の長さ）を有している。

第１永久磁石２６は、回転子鉄心１２内で軸方向に延伸して形成された磁石挿入穴３４に挿入されている。磁石挿入穴３４の周方向両側には、ポケット部３６がそれぞれ連通して形成されている。ポケット部３６を介して注入されるたとえば熱硬化性の樹脂が第１永久磁石２６と磁石挿入穴３４の内壁面との間に流入して硬化することにより、第１永久磁石２６が磁石挿入穴３４内に固定されている。

ただし、磁石固定用の樹脂注入は何れか一方のポケット部３６を介して行えばよく、他方のポケット部３６は空隙のままとしてもよい。いずれにしてもポケット部３６は、回転子鉄心１２を構成する電磁鋼板よりも比透磁率が低い樹脂または空隙を内部に含むことから、第１永久磁石２６の周方向両端における磁束の短絡を抑制する機能を有する。

第２永久磁石２８もまた、第１永久磁石２６と同様に、各２つの短辺側面および長辺側面を有する扁平長方形の軸方向端面（および軸方向に直交する断面）を有するとともに、回転子鉄心１２と略同一の軸方向長さに形成されている。第２永久磁石２８は、第１永久磁石２６と同一の形状および大きさのものを用いてもよい。このように第１および第２永久磁石２６，２８を同一のものとすれば、永久磁石の製造および管理等に要するコストを低減できる利点がある。ただし、第１永久磁石２６と第２永久磁石２８とが異なる形状または大きさであってもよいことは勿論である。

磁極２４において一対の第２永久磁石２８は、それぞれ、回転子鉄心１２内で軸方向に延伸して形成された磁石挿入穴３８に挿入されて樹脂により固定されている。これにより、一対の第２永久磁石２８は、回転子鉄心１２の外周面１３へ向かって互いに間隔が広がるように配置されている。逆にいえば、一対の第２永久磁石２８は、上記のとおり内周側へ向かって互いの間隔が狭まるように配置されている。また、第２永久磁石２８は、長手方向である長辺側面が径方向にほぼ沿って配置されているともいえる。さらに、一対の第２永久磁石２８は、磁極中心線Ｃの周方向両側に線対称の関係に配置されている。そして、一対の第２永久磁石２８の内周側端部間の間隔（すなわち磁極中心線Ｃと直交する方向の距離）Ｗ２は、上記第１永久磁石２６の長手方向幅Ｗ１よりも広く設定されている。
換言すれば、第２永久磁石２８は、磁極中心線Ｃに対して第１永久磁石２６よりも外側に位置するように配置されている。詳細には、本実施形態によれば、第２永久磁石２８の内周側端部が、第１永久磁石２６の周方向端部に接するとともに上記磁極中心線Ｃと平行な接線に対して、周方向外側に位置している。すなわち、磁極中心線Ｃからの第２永久磁石２８の内周側端部までの距離（Ｗ２の１／２）が、磁極中心線Ｃから第１永久磁石２６の長手方向端部までの距離（Ｗ１の１／２）以上に設定されている。

上記磁石挿入穴３８の外周側には、ポケット部４０が磁石挿入穴３８に連通して形成されている。このポケット部４０は、第２永久磁石２８の短辺側面に沿って軸方向に延伸して形成されている。ポケット部４０は、電磁鋼板よりも比透磁率が低い空隙または樹脂を内部に含むことから、第２永久磁石２８の外周側端部における磁束の短絡を抑制する機能を有する。第２永久磁石２８を固定するための樹脂は、このポケット部４０を介して注入されてもよい。

上記磁束抑制穴３２は、一対の第２永久磁石２８の内周側端部間であって内周寄り位置（図２中の下側）に形成されている。また、磁束抑制穴３２は、磁路領域３０を挟んで第１永久磁石２６に対向して配置されている。磁束抑制穴３２は、電磁鋼板よりも比透磁率が低い空隙を内部に含むことから、永久磁石２６，２８から発生した磁束の流れ、および、固定子２のティース３の内周先端から回転子鉄心１２の磁極２４の磁路領域３０へ進入する磁束の流れを抑制する又は変化させる機能を有する。

本実施形態では磁束抑制穴３２は、２つの第１の穴４１，４２と１つの第２の穴４４によって構成されている。第１の穴４１，４２は、第２永久磁石２８が挿入されている磁石挿入穴３８の内周側端部に連通してそれぞれ形成される。第１の穴４１，４２は、磁極中心線Ｃの両側の対称位置に略三角形状に形成されている。また、第１の穴４１，４２は、第２永久磁石２８の内周側の長辺方向端部における磁束の短絡を抑制する機能を有する。なお、第２永久磁石２８を固定するための樹脂が第１の穴４１，４２を介して磁石挿入穴３８に注入されてもよく、この場合、第１の穴も上記樹脂によって充填されてもよい。樹脂もまた、空隙と同様に低い比透磁率を有するので、上記のように磁束流を抑制する機能を果たすことができる。

第２の穴４４は、第１の穴４１，４２の間に積層鋼板部分であるブリッジ部４６をそれぞれ介して形成されている。また、第２の穴４４は、磁極中心線Ｃが中央を通る対称形状の略矩形状に形成されている。そして、第２の穴４４は、周方向に関して一対の第２永久磁石２８間の中央に位置にして回転子鉄心１２の外周面１３に対向している。第２の穴４４も同様に、電磁鋼板よりも比透磁率が低い空隙（または樹脂）を内部に含むことから、上記のように磁束流を抑制する機能を果たす。

なお、本実施形態では磁束抑制穴３２が３つの穴４１，４２，４４によって構成されるものとして説明するが、これに限定されるものではなく、形状および数において種々の変形が可能である。たとえば、磁極中心線Ｃに沿って１本のブリッジ部があってその両側に形成された２つの穴によって構成されてもよいし、または、ブリッジ部が存在しない１つの穴によって構成されてもよいし、あるいは、４つ以上の穴で構成されてもよい。また、磁束抑制穴３２の全ての穴に、たとえば樹脂等の比透磁率が低い材料を充填してもよい。

磁極２４において、第１永久磁石２６、第２永久磁石２８および磁束抑制穴３２によって囲まれた積層鋼板部分が磁路領域３０として形成されている。本実施形態では、第２永久磁石２８の内周側端部間の間隔Ｗ２を第１永久磁石２６の長手方向幅Ｗ１よりも広く設定していることで、第１永久磁石２６および一対の第２永久磁石２８によって囲まれた磁路領域３０は略台形状をなしている。これにより、第２永久磁石２８の内周側端部を互いに近接してＶ字型に配置した従来例の３枚永久磁石タイプの磁極での磁路領域に比べて各第２永久磁石２８と第１永久磁石２６との間の鉄心領域が広くなっている。また、略台形状の磁路領域３０は、周方向両端側で外周側へ延伸して回転子鉄心１２の外周面１３へとつながっている。

続いて、上記記構成からなる回転子１０の磁極２４における磁束の流れについて説明する。固定子２の固定子コイル５に電流が流れて回転子１００が回転駆動されるとき、回転子１０の磁極２４には図３に示すような磁束の流れが形成される。

図３中の（Ａ）は一方の第２永久磁石２８から生じた磁石磁束が磁路領域３０を通って外周側へ流れる様子を模式的に示し、図３中の（Ｂ）は固定子コイル５に流れる電流を直交座標系であるｑ軸ｄ軸平面上でベクトル展開したときのｑ軸電流成分によって生じたｑ軸電流磁束が固定子２のティース３の内周先端から回転子鉄心１２に流れ込んで磁極２４内の磁路領域３０を通る様子を模式的に示し、図３中の（Ｃ）は上記磁石磁束と上記ｑ軸電流磁束とを合成した磁束の流れを模式的に示している。

図３（Ａ）を参照すると、一方の第２永久磁石２８から生じた磁石磁束は、磁路領域３０を通って回転子鉄心１２の外周面１３へと向かう。また、図３（Ｂ）を参照すると、回転子鉄心１２内の磁極２４に流れ込んだｑ軸電流磁束についても同様に、磁気抵抗が小さい磁路領域３０を略円弧状に通って外周面１３側へと向かう。したがって、上記のように流れる磁石磁束とｑ軸電流磁束とが重なると、図３（Ｃ）に示すように、略台形状に形成される磁路領域３０のうちハッチング部分で示す下流側領域または出口側領域４８で合成磁束の密度が比較的高くはなるが、図９（Ｃ）に示すハッチング領域１２０と比較すると磁気飽和が懸念される領域を大幅に縮小することがきる。これにより、磁極２４の磁石磁束が増加して磁石トルクの向上につながるとともに、ｑ軸インダクタンスＬqの増加によりリラクタンストルクも向上する。したがって、回転子１０を用いた回転電機１において磁石トルクおよびリラクタンストルクの和である総トルクを効果的に向上させることができる。

また、本実施形態の回転子１０では、磁極２４の内周側に設けた磁束抑制穴３２は磁束が通るのを抑制するため、第１永久磁石２６からの磁束が磁極２４の内周方向へ漏れるのを抑制することができるとともに、第２永久磁石２８からの磁束が磁路領域３０を介して磁極２４の外周面１３側へ効果的に流れることができる。これにより、磁極２４の磁石磁束がさらに増加して磁石トルクの向上につながるとともに、ｄ軸インダクタンスＬdを低下させることができる。したがって、回転子１０を用いた回転電機１において磁石トルクおよびリラクタンストルクをより効果的に向上させることができる。

そして、本実施形態の回転子１０では、磁極２４において磁極中央の第１永久磁石２６とその周方向両側に一対の第２永久磁石２８とを上記のように分散配置したことで、固定子コイル５に発生する逆起電圧を略正弦波状にすることができ、逆起電圧に含まれる特定次数の高調波成分によって生じる鉄損を低減することができる。

なお、上記においては第１永久磁石２８の内周側位置に磁束抑制穴３２を設けた好適な実施形態について説明したが、このような磁束抑制穴は本発明における必須の構成要件ではないことから省略されてもよい。

次に、図４〜７を参照して、上記実施形態の回転子１０の変形例について説明する。

図４は、磁極２４の中央にある第１永久磁石２６が複数に分割されている例を示す。この例では、２つに分割された第１永久磁石２６ａ，２６ｂが磁極中心線Ｃを挟んだ対象位置で互いに近接して略Ｖ字状に外周側へ広がるように配置されている。２つの第１永久磁石２６ａ，２６ｂの間には、磁束の短絡を抑制するためのポケット部３６がそれぞれ設けられている。この場合、２つの第１永久磁石２６ａ，２６ｂの外周側角部間の距離が第１永久磁石の長手方向幅Ｗ１に相当する。なお、第１永久磁石２６ａ，２６ｂの間にある２つの磁束抑制穴３２は互いに連通して１つの穴として形成されてもよい。他の構成は、上記回転子１０と同様であるため、同一または類似の構成要素に同一または類似の符合を付して説明を省略する。

図５は、磁極２４の中央にある第１永久磁石２８ｃの外周側面が略円弧状の湾曲面をなした例を示す。このように第１永久磁石の端面形状は矩形状でなくてもよく、このことは第２永久磁石についても同様である。他の構成は、上記回転子１０と同様である。

図６は、一対の第２永久磁石が第１永久磁石２６に向かって略Ｖ字状に配置されている例を示す。この例では、一対の第２永久磁石２８は、それぞれ、互いに近接し且つ第１永久磁石２６に向かって略Ｖ字状に広がるように配置された２つの永久磁石２８ａ，２８ｂにより構成される。この場合、一対の第２永久磁石２８間で最も狭い間隔は、内周側にそれぞれ配置された２つの第２永久磁石２８ｂ，２８ｂの内周側角部間の距離に相当する。他の構成は、上記回転子１０と同様である。

図７は、１つの磁極２４内に複数のｑ軸磁路領域が形成されている例を示す。この例において磁極２４は、一対の第２永久磁石の周方向両側に埋設され径方向内方へ向かって互いの間隔が狭まるように配置された一対の第３永久磁石５０と、一対の第３永久磁石５０の内周側端部間であって第１磁束抑制穴３２に対向して形成される第２磁束抑制穴５２とをさらに含む。そして、各一対の第２および第３永久磁石２８，５０ならびに第１および第２磁束抑制穴３２，５２によって第２磁路領域５４が磁路領域３０（第１磁路領域）の内周側に形成されている。この場合にも、一対の第３永久磁石５０間の最も狭い間隔が、径方向と直交する方向における一対の第２永久磁石２８の周方向外側縁部間の幅以上に設定されていることが好ましい。また、この場合には、磁極２４の周方向幅の拡大を極力抑えるため、第１永久磁石２６、一対の第２永久磁石２８および磁束抑制穴３２の形状、大きさ、配置等を上記回転子１０の場合よりもコンパクトに設計するのが好ましい。他の構成は、上記回転子１０と同様である。

１回転電機、２固定子、３ティース、４スロット、５固定子コイル、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ回転電機用回転子、１１軸穴、１２回転子鉄心、１３外周面、１４シャフト、１５フランジ部、１６エンドプレート、１８固定部材、２０かしめ部、２２押え部、２４磁極、２６，２６ａ，２６ｂ第１永久磁石、２８，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ第２永久磁石、３０（第１）磁路領域、３２，５２磁束抑制穴、３４，３８磁石挿入穴、３６，４０ポケット部、４１，４２第１の穴、４４第２の穴、４６ブリッジ部、４８出口側領域、５０第３永久磁石、５４第２磁路領域、Ｃ磁極中心線、Ｌd ｄ軸インダクタンス、Ｌq ｑ軸インダクタンス、Ｗ１長手方向幅、Ｗ２間隔。

Claims

回転子鉄心の外周部に複数の磁極を周方向に間隔を置いて設けた回転電機用回転子であって、
前記各磁極は、磁極中央に埋設された第１永久磁石と、前記第１永久磁石の周方向両側に埋設され径方向内方へ向かって互いの間隔が狭まるように配置された一対の第２永久磁石とを含み、前記第１永久磁石および前記一対の第２永久磁石に囲まれて形成される磁路領域において前記一対の第２永久磁石間の最も狭い間隔が前記第１永久磁石の長手方向幅よりも広く設定されている、
回転電機用回転子。
請求項１に記載の回転電機用回転子において、
前記各磁極は、前記一対の第２永久磁石の内周側端部間であって前記磁路領域を挟んで前記第１永久磁石に対向する位置に形成された磁束抑制穴をさらに含むことを特徴とする回転電機用回転子。
請求項２に記載の回転電機用回転子において、
前記磁束抑制穴は、前記一対の第２永久磁石がそれぞれ挿入されている第２磁石挿入穴の内周側端部に連通して形成される２つの第１の穴と、前記第１の穴の間にブリッジ部を介して形成されている第２の穴とにより構成され、前記第１および第２の穴の少なくとも一方は前記回転子鉄心を形成する磁性材料よりも比透磁率が低い空隙または樹脂を含むことを特徴とする回転電機用回転子。
請求項１または２に記載の回転電機用回転子において、
前記第１永久磁石は、互いに近接し且つ外周側へ向かって略Ｖ字状に広がるように配置された２つの永久磁石により構成されることを特徴とする回転電機用回転子。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機用回転子において、
前記一対の第２永久磁石は、それぞれ、互いに近接し且つ前記第１永久磁石に向かって略Ｖ字状に広がるように配置された２つの永久磁石により構成されることを特徴とする回転電機用回転子。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機用回転子において、
前記各磁極は、前記一対の第２永久磁石の内周側端部間であって前記第１永久磁石に対向する位置に形成された第１磁束抑制穴を含み、前記第１永久磁石、前記第２永久磁石および前記第１磁束抑制穴によって第１磁路領域が形成されており、
前記各磁極はさらに、前記一対の第２永久磁石の周方向両側に埋設され径方向内方へ向かって互いの間隔が狭まるように配置された一対の第３永久磁石と、前記一対の第３永久磁石の内周側端部間であって前記第１磁束抑制穴に対向して形成される第２磁束抑制穴とを含み、前記第２および第３永久磁石ならびに前記第１および第２磁束抑制穴によって第２磁路領域が前記第１磁路領域の内周側に形成されており、前記第２磁路領域において前記一対の第３永久磁石間の最も狭い間隔が、径方向と直交する方向における前記一対の第２永久磁石の周方向外側縁部間の幅以上に設定されていることを特徴とする回転電機用回転子。