JP2015133895A - 永久磁石同期機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子のオーバーハング部の軸方向長さが短くとも、従来よりも有効磁束を増加させることが可能な永久磁石同期機を提供する。【解決手段】本開示の永久磁石同期機における回転子１１は、コア本体３と、固定子１００のコア２よりも回転軸の方向に突出したオーバーハング部１０を備える。コア本体３の端面２３５ａは、磁極のうちのＮ極上に位置するＮ領域とＳ極上に位置するＳ領域とを備えている。オーバーハング部１０は、端面２３５ａの外縁に沿って間隔を置いて配列された複数の第１永久磁石５と、第１永久磁石５の各々に隣接して配置された複数の第２永久磁石６とを含み、第１永久磁石５は、Ｎ極が端面のＮ領域に向いた第１永久磁石５、および、Ｓ極が端面のＳ領域に向いた第１永久磁石５の少なくとも一方を含む。また、複数の第２永久磁石６は、端面２３５ａのＳ領域からＮ領域に向かって磁束が延びるように配置されている。【選択図】図５

Description

本願は、回転子および固定子を備える永久磁石同期機に関する。

永久磁石同期機は、永久磁石を有する回転子とコイルを有する固定子とを備える同期機である。「同期機」の用語は、電動機、発電機、および電動機と発電機とを組み合わせた電気機械の全てを含む用語として使用される。従って、本明細書における「永久磁石同期機」の用語は、「電動機」または「発電機」の一方に限定されない。

永久磁石同期機の小型化が求められる分野では、固定子のコイルエンド（コイルのうち固定子コアから軸方向に突出した端部）の軸方向サイズを短くできる集中巻の巻線を採用した構成が普及してきた。従来、回転子におけるコア（鉄心）本体の軸方向サイズは、コイルエンドを含む固定子の軸方向サイズよりも短かった。その場合、固定子のコイルエンドに囲まれた空間、すなわち、コイルエンドの内周側空間はデッドスペースであった。

小型で高出力が要求される永久磁石型同期機では、このデッドスペース中に回転子のオーバーハング部を設けることが提案されている（特許文献１）。オーバーハング部により、回転子の軸方向サイズが拡大するため、回転子のコア本体に流入する有効磁束の量（以下、「有効磁束量」と称する。）が増加する。

特許文献２は、オーバーハング部の回転子におけるコア外周部における磁気飽和の影響を低減する永久磁石埋込型電動機を開示している。

特開２０１２−１８６９０１号公報 特開２００６−２１１８０１号公報

従来技術では、回転子のオーバーハング部の軸方向サイズが短いと、有効磁束が減少するという課題がある。

上記事情を鑑み、限定的でない例示的なある実施形態は、回転子のオーバーハング部の軸方向長さが短くとも、従来よりも有効磁束を増加させることが可能な永久磁石同期機を提供する。

本開示の限定的ではない永久磁石同期機は、固定子と、前記固定子にエアギャップを介して対向してラジアル方向に磁束を発生させる複数の磁極を備える回転子とを備える永久磁石同期機であって、前記固定子は、複数のティースを備えるコアと、前記複数のティースの各々に巻かれた導線から形成されるコイルとを備え、前記回転子は、回転軸に対して垂直な一対の端面、および、前記複数の磁極を構成するＮ極およびＳ極が周方向に交互に配列された表面を備えるコア本体と、前記コア本体の前記端面に設けられ、前記固定子のコアよりも前記回転軸の方向に突出したオーバーハング部とを備え、前記コア本体の前記端面は、前記磁極のうちのＮ極上に位置するＮ領域と、前記磁極のうちのＳ極上に位置するＳ領域とを備え、前記オーバーハング部は、前記コア本体の前記端面において前記端面の外縁に沿って間隔を置いて配列された複数の第１永久磁石と、前記コア本体の前記端面において前記第１永久磁石に隣接して配置された複数の第２永久磁石とを含み、前記複数の第１永久磁石は、Ｎ極が前記端面のＮ領域に向いた永久磁石、および、Ｓ極が前記端面のＳ領域に向いた永久磁石の少なくとも一方を含み、前記複数の第２永久磁石は、前記端面の前記Ｓ領域から前記Ｎ領域に向かって磁束が延びるように配置されている。

本開示の永久磁石同期機によれば、オーバーハング部の軸方向サイズが短くとも、従来よりも回転子コア本体に流入する有効磁束を増加させることが可能になる。

本開示の永久磁石同期機の基本的な構成例を示す断面図である。 本開示の永久磁石同期機の他の基本的な構成例を示す断面図である。 回転子２００の構成例を示す斜視図である。 回転子２００のコア本体２３０における磁極の配列の一例を模式的に示す断面図である。 回転子２００のコア本体２３０の端面を示す斜視図である。 本開示の実施形態１における永久磁石同期機の平面図および軸方向断面図である。 本開示の実施形態１における永久磁石同期機の回転子の軸方向断面図である。 本開示の実施形態１における永久磁石同期機の回転子の断面図である。 本開示の実施形態１におけるサブ永久磁石によるエアギャップ磁束密度の増加率を示す図である。 本開示の実施形態１におけるサブ永久磁石の配置レイアウトを示す部分平面図である。 本開示の実施形態２における永久磁石同期機の回転子の平面図と軸方向断面図である。 本開示の実施形態２における永久磁石同期機の回転子の断面図である。 本開示の実施形態３における永久磁石同期機の回転子の平面図と軸方向断面図である。 本開示の実施形態３における永久磁石同期機の回転子の断面図である。 本開示の実施形態４における永久磁石同期機の回転子の平面図と軸方向断面図である。 本開示の実施形態４における永久磁石同期機の回転子の断面図である。 本開示の実施形態４における永久磁石同期機の回転子の軸方向断面図および断面図である。 本開示の実施形態５における永久磁石同期機の回転子の平面図である。 本開示の実施形態５におけるサブ永久磁石構成によるエアギャップ磁束密度の増加率を示す図である。 本開示の実施形態６における永久磁石同期機の平面図および軸方向断面図である。 本開示の実施形態６における永久磁石同期機の回転子の軸方向断面図である。 本開示の実施形態６における永久磁石同期機の回転子の断面図である。 従来の永久磁石同期機の回転子の軸方向断面図である。 従来のオーバーハング部の軸方向サイズと有効磁束量との関係を示すグラフである。

図２１は、特許文献１に開示されている構成の一例を示す断面図である。図２１に示される永久磁石同期機では、固定子１１００が回転子１２００を囲んでおり、回転子１２００が回転軸１２２０の周りを回転する。固定子１１００のコア１１０５から軸方向に突出したコイルエンド１１０７の内周側空間に、回転子１２００のオーバーハング部１２１０が存在している。コイルエンド１１０７を含めた固定子１１００の全長Ａは、コイルエンド１１０７の軸方向サイズの分だけ、固定子１１００のコア長さＢよりも長い。オーバーハング部１２１０を含めた回転子１２００の全長は、固定子１１００の全長Ａに略等しい。オーバーハング部１２１０の存在により、回転子１２００のコアに流入する有効磁束の量が増加する。

図２２は、オーバーハング部１２１０の長さ（軸方向サイズ）と有効磁束との関係を示すグラフである。図２２から明らかなように、回転子１２００のオーバーハング部１２１０が短くなると、有効磁束が急激に小さくなる。
そこで、本発明者は、回転子のオーバーハング部に異なる方向の磁束を形成する永久磁石を設けることで、回転子コアに流入する有効磁束を増加させるという知見を得た。
すなわち、本開示の第１態様は、固定子と、前記固定子にエアギャップを介して対向してラジアル方向に磁束を発生させる複数の磁極を備える回転子とを備え、前記固定子は、複数のティースを備えるコアと、前記複数のティースの各々に巻かれた導線から形成されるコイルとを備え、前記回転子は、回転軸に対して垂直な一対の端面、および、前記複数の磁極を構成するＮ極およびＳ極が周方向に交互に配列された表面を備えるコア本体と、 前記コア本体の前記端面に設けられ、前記固定子のコアよりも前記回転軸の方向に突出したオーバーハング部と、を備え、前記コア本体の前記端面は、前記磁極のうちのＮ極上に位置するＮ領域と、前記磁極のうちのＳ極上に位置するＳ領域とを備え、前記オーバーハング部は、前記コア本体の前記端面において前記端面の外縁に沿って間隔を置いて配列された複数の第１永久磁石と、 前記コア本体の前記端面において前記第１永久磁石に隣接して配置された複数の第２永久磁石と、を含み、前記複数の第１永久磁石は、Ｎ極が前記端面のＮ領域に向いた永久磁石、および、Ｓ極が前記端面のＳ領域に向いた永久磁石の少なくとも一方を含み、前記複数の第２永久磁石は、前記端面の前記Ｓ領域から前記Ｎ領域に向かって磁束が延びるように配置されている、永久磁石同期機を提供する。
本開示の第２態様は、第１態様において、前記回転子は、前記複数の第１永久磁石の、前記端面に向いている側とは反対の側を覆い、前記複数の第１永久磁石を磁気的に結合する回転子ヨークを更に備える、永久磁石同期機を提供する。
本開示の第３態様は、第２態様において、前記回転子は、前記第１永久磁石、前記第２永久磁石、および前記回転子ヨークを保持する溝を備えるカップ形状の非磁性材料から形成された回転子端板を備える、永久磁石同期機を提供する。
本開示の第４態様は、第２態様において、前記回転子は、前記複数の第１永久磁石および前記複数の第２永久磁石を保持する孔を備える円板形状の非磁性材料から形成された回転子端板と、を備える、永久磁石同期機を提供する。
本開示の第５態様は、第２態様−第４態様のいずれか１つにおいて、前記回転子ヨークは、前記複数の第１永久磁石を覆う第１部分と、前記第１部分からラジアル方向に拡大した第２部分とを備えている、永久磁石同期機を提供する。
本開示の第６態様は、第２態様−第５態様のいずれか１つにおいて、前記複数の第１永久磁石は、前記一対の端面の各々において、Ｎ極が前記端面のＮ領域に向いた永久磁石、
および、Ｓ極が前記端面のＳ領域に向いた永久磁石の一方のみを含み、 前記複数の第２永久磁石は、前記複数の第１永久磁石の少なくとも１つに周方向に隣接して前記端面の前記Ｎ領域と前記Ｓ領域との境界を横切る位置に配置されており、前記回転子ヨークは、前記端面において前記第１永久磁石が配置されてない領域と前記複数の第１永久磁石とを磁気的に接続する、永久磁石同期機を提供する。
本開示の第７態様は、第６態様において、前記複数の第１永久磁石のうち、前記一対の端面の一方に配列された第１永久磁石は、Ｎ極が前記一方の端面に向いており、前記複数の第１永久磁石のうち、前記一対の端面の他方に配列された第１永久磁石は、Ｓ極が前記他方の端面に向いている、永久磁石同期機を提供する。
本開示の第８態様は、第１態様−第７態様のいずれか１つにおいて、前記回転子の前記オーバーハング部は、前記端面において前記複数の第１永久磁石からラジアル方向の側に位置する領域に配置された複数の第３永久磁石を更に備え、前記複数の第３永久磁石は、ラジアル方向に磁束を形成するように配置されている、永久磁石同期機を提供する。
本開示の第９態様は、第１態様−第８態様のいずれか１つにおいて、前記複数の第２永久磁石は、前記端面の前記Ｎ領域と前記Ｓ領域との間に位置する部分に配置されており、前記複数の第２永久磁石のＮ極は前記端面の前記Ｎ領域の側を向き、前記複数の第２永久磁石のＳ極は前記端面の前記Ｓ領域の側を向いている、永久磁石同期機を提供する。
本開示の第１０態様は、第１態様−第９態様のいずれか１つにおいて、前記コア本体の前記端面の前記Ｎ領域または前記Ｓ領域に前記複数の第１永久磁石が配置されている、永久磁石同期機を提供する。
本開示の第１１態様は、第３態様または第４態様において、前記回転子端板は、バランスウェイトとして機能するように構成されている、永久磁石同期機を提供する。
本開示の第１２態様は、第１態様−第１１態様のいずれか１つにおいて、前記回転子のコア本体は、前記複数の磁極を形成する複数のフェライト磁石を備えており、前記複数の第１永久磁石および複数の第２永久磁石はサマリウム・コバルト磁石である、永久磁石同期機を提供する。

次に、本開示の永久磁石同期機の基本的な構成の概略を説明する。図１Ａは、本開示の永久磁石同期機の基本構成の一例を示す断面図である。図１Ａに示される永久磁石同期機の例は、固定子１００と回転子２００とを備える。回転子２００は、エアギャップを介して固定子１００に対向する複数の磁極を備えている。複数の磁極は、回転子２００の回転軸２２０を基準にラジアル方向（回転軸２２０から遠ざかる方向または回転軸２２０に近づく方向）に磁束を発生させるように構成されている。なお、回転子２００は図１Ａに示されるように固定子１００の内側に配置されていても良いし、図１Ｂに示されるように、固定子１００の外側に配置されていても良い。以下、図１Ａに示される構成例に関して本開示の永久磁石同期機およびその実施形態を説明するが、図１Ｂに示される構成を備える実施形態も最後に説明する。

固定子１００は、図１Ａに示されるように、複数のティース１２０を備える固定子コア１３０と、複数のティース１２０の各々に巻かれた導線から形成されるコイル（不図示）とを備えている。固定子１００の構成は、公知の永久磁石同期機における固定子の構成と同様であり得る。

回転子２００は、図２に示されるように、回転軸２２０に対して垂直な一対の端面２３５ａ、２３５ｂと、複数の磁極を構成するＮ極およびＳ極が周方向（矢印Ｃの方向）に交互に配列された表面２３６とを備えるコア本体（回転子コア本体）２３０を備えている。固定子１００が回転子２００の外側に配置される場合、磁極（Ｎ極およびＳ極）は回転子２００のコア本体２３０の外周面側に配列される。他方、回転子２００が固定子１００の外側に配置される場合は、磁極（Ｎ極およびＳ極）は回転子２００のコア本体２３０の内周面側に配列される。なお、図２では、回転軸に平行な方向にＺ軸を有するＸＹＺ座標が示されている。本明細書では、回転軸に平行な方向を単に「軸方向」と称する場合がある。また、本明細書において「軸方向断面図」とは、回転軸（Ｚ軸）を含む断面の図あり、「平面図」とは、Ｚ軸方向から見たＸＹ面に平行な面の図である。

図３は、回転子２００のコア本体２３０における磁極の配列の一例（４極）を模式的に示す断面図である。この断面図は、軸方向に垂直な断面（ＸＹ面に平行）の図である。図３の例では、矢印Ｃで示される周方向に沿ってＮ極、Ｓ極、Ｎ極、およびＳ極の４つの磁極が存在している。コア本体２３０の外周面上のＮ極では半径方向の外側に伸びる磁束が形成され、Ｓ極では半径方向の内側に伸びる磁束が形成される。１つの回転子２００が備える磁極の個数は、４個に限定されず、２個、あるいは６個以上であってもよい。磁極は典型的にはコア本体２３０の内部または表面に設けられた永久磁石によって形成される。しかし、磁極は、後述するオーバーハング部に設けた永久磁石が形成する磁束がコア本体２３０の表面に形成したものであってもよい。

回転子２００のコア本体２３０の端面２３５ａ、２３５ｂは、図４に示されるように、複数の磁極のうちのＮ極に近接するＮ領域２３７と、磁極のうちのＳ極に近接するＳ領域２３８とを含んでいる。図４の例では、図３に例示される４極構成に対応して、Ｎ領域２３７およびＳ領域２３８の個数は、それぞれ、２個である。Ｎ領域２３７およびＳ領域２３８の個数は、回転子２００のコア本体２３０に設ける磁極の個数に依存して変化する。なお、図４の例では、隣接するＮ領域２３７とＳ領域２３８とが隙間なく接しているように記載されているが、Ｎ領域２３７とＳ領域２３８との間に中間的な領域が存在してもよい。

再び図２を参照する。本開示における回転子２００は、図２に示されるように、コア本体２３０の端面２３５ａ、２３５ｂに設けられたオーバーハング部２４０を備えており、オーバーハング部２４０は、後に詳細に説明するように、固定子１００のコア１３０よりも回転軸２２０に平行な方向に突出している。

オーバーハング部２４０は、コア本体２３０の端面２３５ａ、２３５ｂにおいて、端面２３５ａ、２３５ｂの外縁に沿って間隔を置いて配列された複数の第１永久磁石（図４において不図示）と、第１永久磁石に隣接して配置された複数の第２永久磁石（図４において不図示）を含んでいる。端面２３５ａ上に設けた複数の第１永久磁石は、そのＮ極が端面２３５ａのＮ領域２３７に向いた永久磁石、および、そのＳ極が端面２３５ａのＳ領域に向いた永久磁石の少なくとも一方を含む。端面２３５ａ上に設けた複数の第２永久磁石は、端面２３５ａのＳ領域２３８からＮ領域２３７に向かって磁束が延びるように配置されている。同様に、端面２３５ｂ上に設けた複数の第１永久磁石は、そのＮ極が端面２３５ｂのＮ領域２３７に向いた永久磁石、および、そのＳ極が端面２３５ｂのＳ領域に向いた永久磁石の少なくとも一方を含む。端面２３５ｂ上に設けた複数の第２永久磁石は、端面２３５ｂのＳ領域２３８からＮ領域２３７に向かって磁束が延びるように配置されている。第１および第２永久磁石の構成および作用は、後述する実施形態について詳細に説明する。

以下、本開示の実施形態をより詳細に説明する。

（実施形態１）
図５（ａ）は、本開示の実施形態１における永久磁石同期機の平面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＰ−Ｐ’における軸方向断面図である。簡単のため、図５（ａ）では、図５（ｂ）に示した固定子巻線（コイル）、回転子ヨーク、回転子端板を図示していない。

永久磁石同期機１の固定子コア（固定子鉄心）２は、円環状の固定子ヨーク部と、固定子ヨーク部から半径方向に延びる複数の固定子ティース部とを備えている。固定子ヨーク部と固定子ティ−ス部とに囲まれた固定子スロット部には、図示していない電気絶縁材を介して、固定子巻線７（図５（ｂ）参照）が配置される。固定子コア２は、例えば複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成され得る。固定子スロット部には、各固定子ティ−ス部に対して一心状に集中巻を行った固定子巻線７が存在する。固定子巻線７は、図５（ｂ）に示されるように、固定子コア２よりも外側軸方向に突出した部分（コイルエンド）を備えている。固定子コア２および固定子巻線７の構成および製造方法は、後述する他の実施形態でも同様である。

図５（ｂ）では、固定子の軸方向の全長がＡ、固定子コア２の長さがＢと記載されている。固定子の全長Ａと固定子コア２の長さＢとの差は、コイルエンドの軸方向サイズに相当する。コイルエンドの内周側の空間には、回転子１１のオーバーハング部１０が位置している。回転子１１は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層して形成した回転子コア本体３と、回転子コア本体３の永久磁石挿入穴に挿入された６個のメイン永久磁石４とを備えている。これにより、回転子１１の外周面には６極の磁極が形成される。本実施形態におけるメイン永久磁石４は、これに限定されないが、逆円弧形状のフェライト磁石であり得る。図示される例において、回転子コア本体３の長さ（軸方向サイズ）は、固定子コア２の長さ（軸方向サイズ）に等しく設定されている。なお、回転子コア本体３の長さ（軸方向サイズ）は、固定子コア２の長さ（軸方向サイズ）よりも長くても、短くても良い。

回転子１１のオーバーハング部１０は、回転子コア本体３の端面に設けられている。オーバーハング部１０は、軸方向に磁束を形成する第１永久磁石５と、回転軸に垂直な断面方向に磁束を形成する第２永久磁石６とを備えている。本実施形態における第１および第２永久磁石５、６は、これに限定されないが、希土類磁石であるサマリウム・コバルト磁石（ＳｍＣｏ磁石）であり得る。

図５（ａ）および他の関連する図面において、各永久磁石の磁束の方向を、回転軸に垂直な方向を示すときには「矢印」で表現する。また、図の紙面に垂直に手前方向に延びる磁束は「点」、図の紙面に垂直に奥に伸びる方向は「×」で表現している。メインの永久磁石４ａが回転子１１の外周にＮ極を形成している領域に近接する端面の領域（Ｎ領域）では、第１永久磁石５ａの磁束が回転子コア本体３の端面から内部に向かうように第１永久磁石５ａが配置されている。第１永久磁石５ａに隣接して配置される第２永久磁石６ａ、６ｂのＮ極およびＳ極は、第１永久磁石５ａに磁束が向かうように周方向（接線方向）に向いている。なお、本明細書では、第１永久磁石５および第２永久磁石６を総称して「サブ永久磁石」と称する場合がある。

回転子コア本体３のオーバーハング部１０では、サブ永久磁石５、６を覆うようにリング形状の回転子ヨーク８が配置されている。回転子ヨーク８は、磁性材料（例えば純鉄ＳＵＹ−１または炭素鋼Ｓ４５Ｃ）から形成され得る。従って、回転子ヨーク８は、サブ永久磁石５（第１永久磁石５）と磁気的に接続している。本実施形態では、非磁性材料（例えばオーステナイト系ステンレスＳＵＳ３０４）から形成されたカップ形状の回転子端板９により、回転子ヨーク８およびサブ永久磁石５、６を覆っている。回転子端板９は、例えばリベットまたはボルトにより、回転子コア本体３に対して軸方向に締結され得る。

図６は、本開示の実施形態１における永久磁石同期機の回転子１１の軸方向断面図、図７は本開示の実施形態１における永久磁石同期機の回転子１１の断面図である。図６のＲ−Ｒ’断面を図７（ａ）に、図６のＳ−Ｓ’断面を図７（ｂ）に、図６のＴ−Ｔ’断面を図７（ｃ）に示している。

図７（ｃ）に示されるように、本実施形態では、回転子コア本体３の内部に逆円弧形状のメイン永久磁石４を６極配置している。図７（ｃ）に示されるように、メイン永久磁石４の外側には回転子コア本体３の磁極として機能する外周部３ａが位置している。

図７（ｂ）は、回転子１１のオーバーハング部１０においてサブ永久磁石５、６を横切る断面を示している。第１永久磁石５は、図７（ｃ）の回転子コア本体３の外周部３ａ上の端面（Ｎ領域またはＳ領域）に配置されている。第２永久磁石６は、隣接する第１永久磁石５の間（極間）に配置されている。第１永久磁石５および第２永久磁石６は、カップ形状の回転子端板９によって覆われている。

図７（ａ）は、回転子１１のオーバーハング部１０において回転子ヨーク８を含む断面図を示す。リング形状の回転子ヨーク８が、図７（ｂ）に示される第１永久磁石５および第２永久磁石６を覆っている。回転子ヨーク８の外周をカップ形状の回転子端板９が覆っている。なお、図６、図７（ａ）及び図７（ｂ）から明らかなように回転子ヨーク８は、第１永久磁石５および第２永久磁石６を覆う第１部分と、第１部分から更に内径側に延伸した第２部分とを備えている。

図８Ａは、本開示の実施形態１におけるサブ永久磁石５、６によるエアギャップ磁束密度の増加率を示す図である。横軸は磁極中心位置から第１永久磁石５の一端（エッジ）までの円弧が有する角度θ１を示す。図８Ｂを参照して、この点をより詳しく説明する。図８Ｂは、１個の磁極に対して１個の第１永久磁石５が配置され、その両端に２個の第２永久磁石６が配置されている構成を示す平面図である。θ２は、個々の第２永久磁石６の両端を結ぶ円弧に対応する角度の半分である。本実施形態では、回転子磁極数が６極であるため、１極の角度範囲は６０ｄｅｇ（度）である。従って、この例では、θ１＋θ２の合計は、６０ｄｅｇの半分である３０ｄｅｇに等しい。

図８Ａのグラフによると、例えば第１永久磁石５の角度θ１が２５ｄｅｇの場合、１極を構成する第１永久磁石の一端から他端まで円弧に相当する角度（θ１×２）は５０ｄｅｇである。また、そのとき、第１永久磁石５の両サイドには、１０ｄｅｇの円弧に相当する角度範囲の第２永久磁石６が配置されているが、第１永久磁石５に隣接する、それぞれ、５ｄｅｇの円弧に相当する角度範囲の第２永久磁石６が１極分の構成要素となる。また、第１永久磁石５の角度θ１が３０ｄｅｇのとき、第１永久磁石５が１個の磁極の円弧に対応する部分をカバーしている。

エアギャップ磁束密度の増加率は、サブ永久磁石５、６がない場合における固定子と回転子とのエアギャップ中央の磁束密度を１００％とし、サブ永久磁石５、６を追加したことによるエアギャップ中央の磁束密度の増加の割合である。

本実施形態の構成では、横軸が２５ｄｅｇのとき（１極を構成する第１永久磁石が５０ｄｅｇ、第２永久磁石が５ｄｅｇずつ）、サブ永久磁石５、６によるエアギャップ中央の磁束密度の増加率が１８６％となる。なお、エアギャップ中央とは、固定子１００と回転子２００との間のエアギャップの中央の円筒面を意味する。横軸が３０ｄｅｇのとき（第２永久磁石６が配置されていない例）では、エアギャップ中央の磁束密度の増加率が１７７％である。このことから、回転子コア本体３の端面に設けるサブ永久磁石として、軸方向磁束を形成する第１永久磁石５だけでなく、回転軸に垂直な断面方向の磁束を形成する第２永久磁石６を加えた方が、永久磁石の使用量は同一でも、エアギャップ中央の磁束密度を大きくでき、その結果として、有効磁束を増加させることがわかる。図８Ａの例から分かるように、サブ永久磁石５、６の全体に占める第２永久磁石６の割合は、０％よりも大きく、約２０％以下に設定され得る。

本実施形態では、図５（ｂ）に示した軸方向断面図に示されるように、回転子１１のオーバーハング量（オーバーハング部の軸方向サイズ）がコイルエンドの軸方向サイズ（Ａ−Ｂ）の５０％以下の値（例えば４〜６ｍｍ程度）に設定され得る。このような場合でも、図８Ａに示す効果を得ることができる。

従って、回転子１１のオーバーハング部１０の軸方向寸法を十分に確保できない場合、本実施形態の構成は有効である。例えば、軸方向寸法を小型化した集中巻固定子を採用する場合、または回転子と不図示の軸受との間の寸法が十分にない場合でも、本実施形態によれば、軽量で低慣性な小型高出力な永久磁石同期機を提供することが可能になる。

なお、本実施形態においてメイン永久磁石４がフェライト磁石、サブ永久磁石５、６がサマリウム・コバルト磁石であると、ネオジム磁石を用いるよりも低いコストで耐熱性に優れた永久磁石同期機を提供できる。ネオジム磁石の保磁力は２０００ｋＡ／ｍ、保磁力の温度係数は−０．５５％／℃である。サマリウム・コバルト磁石の保磁力は２３００ｋＡ／ｍ、保磁力の温度係数は−０．１５％／℃である。フェライト磁石の保磁力は３８０ｋＡ／ｍ、保磁力の温度係数は＋０．２％／℃である。例えば、温度が＋１５０℃上昇すると、ネオジム磁石の保磁力３５０ｋＡ／ｍに低下する。一方、サマリウム・コバルト磁石の保磁力の保磁力は１７８０ｋＡ／ｍ、フェライト磁石の保磁力は４９０ｋＡ／ｍである。サマリウム・コバルト磁石とフェライト磁石で構成した方が、ネオジム磁石よりも高い保磁力を維持でき、耐熱性が高い。

本実施形態では固定子巻線を集中巻の例を示したが、分布巻でもよい。永久磁石４、５、６は、フェライト磁石とＳｍＣｏ磁石の組み合わせに限定しない。回転子１１のオーバーハング部１０の回転子端板にバランスウェイトの機能を持たせると、より安定した動作を実現できる。これらのことは、他の実施形態でも同様である。

（実施形態２）
次に、図９を参照して、本開示の実施形態２における回転子の構成を説明する。実施形態１との差異は、本実施形態における回転子のオーバーハング部に配置した第１永久磁石が２分割されている点と、サブ永久磁石を回転子コア本体の端面に固定する構造とにある。図９（ａ）は、本実施形態における回転子２１の平面図、図９（ｂ）は軸方向断面図を示す。図９（ａ）には、永久磁石の配置説明のため、回転子ヨーク、回転子端板を図示していない。

本実施形態でも、実施形態１と同様に、メイン永久磁石４として、逆円弧形状のフェライト磁石が用いられている。本実施形態における回転子２１のオーバーハング部２０には、軸方向に磁束を形成する第１永久磁石５ａ１、５ｂ１と、回転軸に垂直な方向に磁束を形成する第２永久磁石６が配置されている。本実施形態における第１および第２永久磁石は、ＳｍＣｏ磁石である。

各永久磁石の磁束の方向を前述した記号で図９（ａ）中に示している。メイン永久磁石４ａが回転子２１のコア本体の外周面にＮ極を形成する領域に近接するコア端面の領域において、第１永久磁石５ａ１、５ｂ１は、回転子２１のコア本体３の端面から内部に磁束が向かうように図の紙面奥向きにＮ極を配置する。第１永久磁石５ａ１に隣接して配置された第２永久磁石６ａ、および、第１永久磁石５ｂ１に隣接して配置された第２永久磁石６ｂは、それぞれ、第１永久磁石５ａ１、５ｂ１に磁束が向かうようにＮ極を配置する。

本実施形態でも、回転子２１のオーバーハング部２０には、サブ永久磁石５、６上にリング形状の回転子ヨーク８ａが配置されている。回転子ヨーク８ａは磁性材料（例えば純鉄ＳＵＹ−１または炭素鋼Ｓ４５Ｃ）から形成されている。非磁性材料（例えばオーステナイト系ステンレスＳＵＳ３０４）から形成された円板形状の回転子端板９ａにより、サブ永久磁石５、６が保持されている。回転子ヨーク８ａは、サブ永久磁石５、６を覆い、リベットまたはボルトによって軸方向に回転子コア本体３に締結されている。

図１０は本実施形態における回転子２１の断面図である。図９（ｂ）のＲ−Ｒ’断面を図１０（ａ）に、図９（ｂ）のＳ−Ｓ’断面を図１０（ｂ）に、図９（ｂ）のＴ−Ｔ’断面を図１０（ｃ）に示している。

図１０（ｃ）に示されるように、本実施形態でも、回転子コア本体３に逆円弧形状のメイン永久磁石４が６極配置されている。図１０（ｂ）は、回転子２１のオーバーハング部２０において、サブ永久磁石５ａ１、５ｂ１、６ａ、６ｂを含む断面図を示す。図１０（ｃ）に示される回転子コア本体３の端面において各外周部３ａ上に位置する領域（Ｎ領域またはＳ領域）には、それぞれ、図１０（ｂ）に示されるように２個の第１永久磁石５ａ１、５ｂ１が配置されている。また、回転子コア本体３の端面において外周部３ａの境界（極間）には、それぞれ、図１０（ｂ）に示されるように第２永久磁石６ａまたは第２永久磁石６ｂが配置されている。例えば、ある磁極に対応する端面に配置された第１永久磁石５ａ１と、その磁極に隣接する磁極に対応する端面に配置された第１永久磁石５ａ１との間（極間）には、第２永久磁石６ｂが配置されている。

実施形態１のオーバーハング部１０では、１個の第１永久磁石と２個の第２永久磁石とによって１極を構成していた。これに対して、本実施形態のオーバーハング部２０では、第１永久磁石を極中央で２分割した２個の第１永久磁石を同極内に配置している。

回転子端板９ａは、サブ永久磁石５ａ１、５ｂ１、６ａ、６ｂの外周部に加え、２分割した第１永久磁石５ａ１、５ｂ１の極中央に配置したリブ部でサブ永久磁石５ａ１、５ｂ１、６ａ、６ｂを保持している。換言すれば、サブ永久磁石５ａ１、５ｂ１、６ａ、６ｂは、回転子端版９ａのリブ部により形成された孔に保持されている。回転子端板９ａは非磁性材料（例えばオーステナイト系ステンレスＳＵＳ３０４）から形成されている。

図１０（ａ）は、回転子２１のオーバーハング部２０において回転子ヨーク８ａを含む断面図を示す。図９（ｂ）に示した軸方向断面図から明らかなように、回転子２１のオーバーハング部２０の軸方向寸法Ｄは、サブ永久磁石と回転子ヨークの軸方向寸法で決まる。従って、本実施形態では、回転子ヨーク８ａを覆う回転子端板が存在しないため、実施形態１に比べ、回転子ヨーク８ａを覆う回転子端板の厚み分、軸方向寸法を短くすることができる。

回転子コア本体３の端部に充分なサイズのオーバーハング部を確保できない場合でも、本実施形態によれば、回転子２１のオーバーハング部２０の軸方向サイズを小さくしながら、小型で高出力の永久磁石同期機を提供することが可能になる。

（実施形態３）
図１１および図１２を参照して、本開示の実施形態３における回転子の構成を説明する。実施形態１との差異は、回転子コア本体３の各端面における第１永久磁石の数を、極数と同じ６個ではなく、その半分の３個としたことである。

まず、図１１を参照する。図１１（ａ）は、回転子３１の平面図、図１１（ｂ）は軸方向断面図を示す。図１１（ａ）には、永久磁石の配置説明のため、回転子ヨーク、回転子端板を図示していない。回転子３１の回転子コア本体３は、前述した実施形態における回転子コア本体３の構成と同様の構成を備えている。なお、図１１（ａ）は、回転子３１の上部の平面図に相当する。

本実施形態でも、メイン永久磁石４は、逆円弧形状のフェライト磁石である。回転子３１のオーバーハング部３０は、軸方向に磁束を形成する第１永久磁石５と、回転軸に垂直な方向に磁束を形成する第２永久磁石６とを備えている。第１および第２永久磁石５、６はＳｍＣｏ磁石である。

各永久磁石の磁束の方向を図１１（ａ）に矢印、紙面に垂直下方向は×で示している。メイン永久磁石４ａが回転子コア本体３の外周にＮ極を構成する位置では、第１永久磁石５ａが回転子コア本体３の端面から内部に磁束が向かうように紙面奥方向にＮ極を配置する。第１永久磁石５ａに隣接して配置される第２永久磁石６ａ、６ｂは、第１永久磁石５ａに磁束が向かうようにＮ極が配置される。

本実施形態では、オーバーハング部３０において、第１永久磁石５ａは、回転子コア本体３のＮ極上の端面領域（Ｎ領域）に１極おきに３極配置されている。回転子コア本体３のＳ極に対応した端面領域には第１永久磁石５を配置していない。
一方、回転子３１の下部のオーバーハング部３０において、第１永久磁石５ａは、回転子コア本体３のＳ極上の端面（Ｓ領域）であるＳ領域に向くように配置され、第２永久磁石６ａ、６ｂは、第１永久磁石５ａ側に第２永久磁石６ａ、６ｂのＳ極が向くように配置される。回転子３１の下部の端面において、Ｎ極上のＮ領域には、第１永久磁石５ａは配置されてない。

図１２は、本開示の実施形態３における永久磁石同期機の回転子の断面図である。図１１（ｂ）のＲ−Ｒ’断面を図１２（ａ）に、図１１（ｂ）のＳ−Ｓ’断面を図１２（ｂ）に、図１１（ｂ）のＴ−Ｔ’断面を図１２（ｃ）に示している。図１２（ｃ）からは、回転子コア本体３に逆円弧形状のメイン永久磁石４を６極配置していることがわかる。

図１２（ｂ）は、回転子３１のオーバーハング部３０においてサブ永久磁石５、６を含む断面図を示す。図１２（ｃ）に示されるメイン永久磁石４のＮ極の外周部３ａ上の端面（Ｎ領域）に１極おきに第１永久磁石５のＮ極が配置されている。第１永久磁石５に隣接して第２永久磁石６のＮ極が第１永久磁石５に向くよう配置している。

円板状の回転子ヨーク８ｂには３箇所の突極部８ｃがあり、第１永久磁石を配置していない外周部３ｂ上の端面３ｂには、回転子ヨークの突極部８ｃが配置されている。第１永久磁石のＳ極は円板状の回転子ヨーク８ｂと磁気接続している。そして、回転子ヨーク８ｂの突極部８ｃが回転子コア本体３のＳ極に対応する外周部３ｂ上の端面（Ｓ領域）と磁気接続している。Ｓ極はイメージポールで構成されている。

図１２（ａ）は、回転子３１のオーバーハング部３０で回転子ヨーク８ｂを含む断面図を示す。回転子ヨーク８ｂの断面は円板状である。回転子ヨーク８ｂは磁性材料（例えば純鉄ＳＵＹ−１または炭素鋼Ｓ４５Ｃ）から形成されている。非磁性材料（例えはオーステナイト系ステンレスＳＵＳ３０４）から形成されているカップ形状の回転子端板９により、サブ永久磁石５、６を保持する。端面は回転子ヨーク８ｂで覆い、リベットまたはボルトで軸方向に締結している。なお、回転子端版９は、サブ永久磁石５、６及び回転子ヨークを保持する溝を備える。

本実施形態によれば、第１永久磁石５の個数を半減できるため、コスト低減に有利である。なお、本実施形態では、６極の回転子３１を用い、オーバーハング部３０に第１永久磁石５を６極の半分の３極に配置したが、本開示はこの例に限定されない。第１永久磁石５の個数は、回転子本体３の極数よりも少ない任意の数をとり得る。回転子コア本体３の磁極にＮ極の磁束を配置するように、第１永久磁石５のＮ極の磁束を配置するのであれば、第１永久磁石５のＳ極から回転子ヨークを介して、回転子コア本体３のＳ極に磁束を配置してもよい。回転子ヨーク８を介してサブ永久磁石のＮ極およびＳ極を回転子コア本体３の磁極に接続できれば、回転子ヨーク８は一体でなく分割されていてもよい。

（実施形態４）
図１３から図１５を参照して、本開示の実施形態４における回転子の構成を説明する。実施形態２との差異は、本実施形態において、回転子コア本体３の各端面における第１永久磁石の数を１２個から半分の６個としたことである。

まず図１３を参照する。図１３（ａ）は、回転子４１の平面図、図１３（ｂ）は軸方向断面図を示す。図１３（ａ）には、永久磁石の配置説明のため、回転子ヨーク、回転子端板を図示していない。回転子４１の回転子コア本体３は、前述した実施形態における回転子コア本体３の構成と同様の構成を備えている。

本実施形態でも、メイン永久磁石４は、逆円弧形状のフェライト磁石が用いられている。回転子４１のオーバーハング部４０には軸方向に磁束を形成する第１永久磁石５と回転軸に垂直な断面方向に磁束を形成する第２永久磁石６とが配置されている。第１および第２の磁石は希土類磁石であるＳｍＣｏ磁石から形成されている。

各永久磁石の磁束の方向を図１３（ａ）に矢印、紙面に垂直下方向は×で示している。メイン永久磁石４ａが回転子外周にＮ極を構成する場合、第１永久磁石５ａ１、５ａ２は、回転子コア端面から内部に磁束が向かうように紙面奥方向にＮ極を配置する。

第１永久磁石５ａ１に隣接配置した第２永久磁石６ａ、第１永久磁石５ｂ１に隣接配置した第２永久磁石６ｂは、第１永久磁石５ａ１、５ａ２に磁束が向かうようにＮ極を配置する。

本実施形態では、オーバーハング部４０において、第１永久磁石５ａ１、５ｂ１は、回転子のＮ極に対応して、回転子コアの外周部３ａ上の端面（Ｎ領域）に１極おきに３極配置されている。また、回転子のＳ極に対応した回転子コア本体３におけるメイン永久磁石４の外周部３ｂには第１永久磁石が配置されていない。

第１永久磁石５ａ１、５ｂ１のＳ極は円板状の回転子ヨーク８ｄと磁気接続している。
回転子ヨーク８ｄには６箇所の突極部８ｅがあり、Ｓ極に対応した回転子コア本体３におけるメイン永久磁石４の外周部３ｂに、第１永久磁石５ａのＳ極に接続した回転子ヨーク８ｄの突極部８ｅが磁気的に接続している。回転子ヨーク８ｄは磁性材料（例えば純鉄ＳＵＹ−１または炭素鋼Ｓ４５Ｃ）から形成されている。非磁性材料（例えばオーステナイト系ステンレスＳＵＳ３０４）から形成されている円板形状の回転子端板９ａで、サブ永久磁石５、６を保持し、端面を回転子ヨーク８ｄで覆い、リベットまたはボルトで軸方向に締結している。

図１４は本実施形態における永久磁石同期機の回転子の断面図である。図１３（ｂ）のＲ−Ｒ’断面を図１４（ａ）に、図１３（ｂ）のＳ−Ｓ’断面を図１４（ｂ）に、図１３（ｂ）のＴ−Ｔ’断面を図１４（ｃ）に示している。

図１４（ｃ）に示されるように、本実施形態でも、回転子コア本体３に逆円弧形状のメイン永久磁石４が６極配置されている。図１４（ｂ）は、回転子４１のオーバーハング部４０においてサブ永久磁石５、６を含む断面図を示す。本実施形態では、図１４（ｃ）に示されるメイン永久磁石４のＮ極の外周部３ａ上の端面に、１極おきに第１永久磁石５ａ、５ｂのＮ極が配置されている。第１永久磁石５ａ、５ｂに隣接して第２永久磁石６ａ、６ｂのＮ極が第１永久磁石５ａ、５ｂに向くよう配置されている。

円板状の回転子ヨーク８ｄに中央に溝が入った３箇所の突極部８ｅがあり、第１永久磁石を配置していない外周部３ｂ上の端面には、回転子ヨークの突極部８ｅが配置されている。

第１永久磁石５のＳ極は円板状の回転子ヨーク８ｄに磁気的に接続されている。回転子ヨーク８ｄの突極部８ｅが回転子コア本体３のＳ極に対応した外周部３ｂ上の端面（Ｓ領域）に磁気的に接続されている。Ｓ極はイメージポールで構成されている。

図１４（ａ）は、回転子４１のオーバーハング部４０において、回転子ヨーク８ｄを含む断面図を示す。回転子ヨーク８ｄの断面は円板状である。回転子ヨーク８ｄは磁性材料（純鉄ＳＵＹ−１または炭素鋼Ｓ４５Ｃ）から形成されている。

回転子端板９ａは、サブ永久磁石の外周部に加え、２分割した第１永久磁石の極中央に配置したリブ部でサブ永久磁石を保持している。回転子端板９ａは非磁性材料（オーステナイト系ステンレスＳＵＳ３０４）で構成し、回転子端面を回転子ヨーク８ｄで覆い、リベットまたはボルトで軸方向に締結固定している。

図１３（ｂ）の軸方向断面図から明らかなように、回転子４１のオーバーハング部４０の軸方向寸法Ｄは、サブ永久磁石５、６および回転子ヨーク８の軸方向寸法で決まる。本実施形態では、回転子ヨーク８ａを覆う回転子端板が存在しないため、実施形態１に比べて、回転子ヨーク８ａを覆う回転子端板の厚み分だけ、軸方向寸法を短くできる。

次に、図１５を参照しながら、回転子４１の両端における２つのオーバーハング部の関係を説明する。図１５（ａ）における回転子４１のＲ−Ｒ’における断面図を図１５（ｂ）に、回転子４１のＳ−Ｓ’における断面図を図１５（ｃ）に示す。図１５（ｂ）は、回転子４１の上側におけるサブ永久磁石の配置を示し、図１５（ｃ）は、回転子４１の下側におけるサブ永久磁石の配置を示している。図１５（ｂ）に示されるように、回転子４１のキー溝のある磁極（３時方向）をＮ極とする。この場合、図１５（ｂ）に示される側では、各Ｎ極に対して、第１永久磁石５ａ１、５ｂ１のＮ極が向くように第１永久磁石５ａ１、５ｂ１が配置されている。第１永久磁石５ａ１、５ｂ１は、１極おきに、Ｎ極のみに対応して配置されている。この端面側では、Ｓ極に相当する領域には、第１永久磁石は配置されず、回転子ヨークの突極部８ｅが位置している。

図１５（ｃ）の側では、回転子４１のキー溝と反対にある磁極（９時方向）はＳ極である。第１永久磁石５ａ２、５ｂ２のＳ極が、端面のＳ極に対応する領域に向くように配置されている。第１永久磁石５ａ２、５ｂ２は、１極おき、Ｓ極のみに対応して配置されている。この端面において、Ｎ極に対応する領域には、第１永久磁石は配置されず、回転子ヨークの突極部８ｅが位置している。このように本実施形態では、オーバーハング部４０に配置された軸方向に磁束を形成する第１永久磁石は、図１５（ａ）において、上から下方向の同一方向に向きが揃っている。

本実施形態によれば、前述した各実施形態の効果に加えて、第１永久磁石の量を半減し、コスト低減に有利な効果を得ることもできる。なお、本実施形態では固定子巻線を集中巻の例を示したが、分布巻でもよい。

本実施形態では、６極の回転子で、オーバーハング部にサブ永久磁石を６極の半分の３極配置したが、回転子の極数未満に数を変えてもよい。その際、例えば、回転子磁極にＮ極の磁束を配置するように、サブ永久磁石のＮ極磁束を配置するのであれば、サブ永久磁石のＳ極から回転子ヨークを介して、回転子のＳ極に磁束を配置すればよい。回転子磁極に回転子ヨークを介してサブ永久磁石のＮ極とＳ極を接続できれば、必ずしも、回転子ヨークが一体でなく分割されていてもよい。

なお、実施形態３においても同様に、図１５に示したように回転子両端のオーバーハング部の関係が一方の端面の第１永久磁石がＮ極でＳ極がイメージポール、もう一方の端面の第１永久磁石がＳ極でＮ極をイメージポールとし、第１永久磁石の軸方向磁束の向きは同一方向としても良い。

（実施形態５）
図１６を参照して、本開示の実施形態５における回転子の構成を説明する。図１６は、本実施形態における回転子５１の平面図である。図１６には、永久磁石の配置説明のため、回転子ヨーク、回転子端板を図示していない。

本実施形態と実施形態１との差異は、回転軸に垂直な方向に磁束を形成する第２永久磁石６ａ、６ｂが周方向の磁束を形成するように、第１永久磁石５の磁極間に配置されているだけでなく、第１永久磁石５の内径側に半径方向の磁束を形成する複数の第２永久磁石６ｃが配置されている点にある。第２永久磁石６ｃは、本開示の第３永久磁石に相当する。回転子５１の回転子コア本体３は、前述した実施形態における回転子コア本体３の構成と同様の構成を備えている。

メイン永久磁石４は、逆円弧形状のフェライト磁石が用いられている。回転子５１のオーバーハング部には、軸方向に磁束を形成する第１永久磁石５と、回転軸に垂直な方向に磁束を形成する第２永久磁石６とが配置されている。第１および第２永久磁石５、６は希土類磁石であるＳｍＣｏ磁石から構成されている。

各永久磁石４〜６の磁束の方向を図１６に矢印、紙面に垂直上方向は点、紙面に垂直下方向は×で示している。メイン永久磁石４ａが回転子外周にＮ極を構成する場合、第１永久磁石５ａは、回転子コア端面から内部に磁束が向かうように紙面奥方向にＮ極を配置する。第１永久磁石５ａの極間に隣接配置した第２永久磁石６ａ、６ｂ、６ｃを、第１永久磁石５ａに磁束が向かうようにＮ極を配置する。

回転子コア本体３の端面にはサブ永久磁石５、６を配置し、さらにサブ永久磁石５、６の端面に回転子ヨーク８が配置されている。回転子ヨーク８は磁性材料（例えば純鉄ＳＵＹ−１または炭素鋼Ｓ４５Ｃ）から形成されている。非磁性材料（例えばオーステナイト系ステンレスＳＵＳ３０４）から形成されているカップ形状の回転子端板９で、回転子ヨーク８とサブ永久磁石５、６を覆い、リベットまたはボルトで軸方向に締結固定している。

図１７は、本実施形態におけるエアギャップ磁束密度の増加率を示す図である。横軸は磁極中央から第１永久磁石５の角度を示す。図１７のグラフも、図８Ａと同様に、図８Ｂを参照しながら説明した構成に基づいている。本実施形態でも、１極は３０ｄｅｇの角度に対応する。

本実施形態の構成例によると、横軸が２６．５ｄｅｇのとき（１極を構成する第１永久磁石が５３ｄｅｇ、第２永久磁石が３．５ｄｅｇずつ）、サブ永久磁石５、６によるエアギャップ中央の磁束密度の増加率が２００％に達する。横軸が３０ｄｅｇのとき（サブ永久磁石が全て軸方向磁束を形成する第１永久磁石）では、エアギャップ中央の磁束密度の増加率が１８０％である。サブ永久磁石として、軸方向磁束を形成する第１永久磁石５だけでなく、回転軸に垂直な方向の磁束を形成する第２永久磁石６を加えると、エアギャップ中央の磁束密度を大きくでき、有効磁束が増加する。
更に、本実施形態では、周方向の磁束を形成する第２永久磁石６ａ、６ｂだけでなく、第１永久磁石５の内径側に半径方向の磁束を形成する第２永久磁石６ｃが設けられているため、実施の形態１に比べ更に有効磁束が増加する。

（実施形態６）
図１８（ａ）は、本開示の実施形態６における永久磁石同期機の平面図である。図１８（ｂ）は、図１８（ａ）のＱ−Ｑ’における軸方向断面図である。簡単のため、図１８（ａ）では、図１８（ｂ）に示した固定子巻線、回転子ヨーク、回転子端板を図示していない。これらの図は、固定子の外側に回転子を回転自在に配置したアウターロータの例を示す。

本実施形態の永久磁石同期機６１では、固定子コア６２が円環状の固定子ヨーク部から半径方向内側に延びる固定子ティース部を備えている。固定子コア６２は電磁鋼板を軸方向に積層して構成されている。固定子ティース部の間に位置する固定子スロット部には、不図示の電気絶縁材を介して、固定子巻線６７が配置される（図１８（ｂ）参照）。図１８（ａ）には、固定子巻線６７を図示していないが、固定子巻線６７は各固定子ティ−ス部に一心状に集中巻されている。

図１８（ｂ）において、固定子の軸方向の全長をＡ、固定子コアの長さをＢと記載している。固定子全長Ａと固定子コア長さＢとの差で示される長さを有する空間（コイルエンドの外径側の空間）に回転子がオーバーハングしている。回転子７１は、電磁鋼板を軸方向に積層して作製した回転子コア６３の６個の永久磁石挿入穴にメイン永久磁石６４を埋込み、それによって、回転子７１の内周面に６極の磁極を形成している。メイン永久磁石６４は、これに限定されないが、逆円弧形状のフェライト磁石である。回転子７１のオーバーハング部７０には、軸方向に磁束を形成する第１永久磁石６５と。回転軸に垂直な方向に磁束を形成する第２永久磁石６６とが配置されている。第１および第２永久磁石６５、６６は、これに限定されないが、希土類磁石であるサマリウム・コバルト磁石（ＳｍＣｏ磁石）から形成されている。

第１永久磁石６５ａは、回転子コア本体６３の端面から内部に磁束が向かうように配置されている。すなわち、第１永久磁石６５ａのＮ極が端面に向いている（対向している）。第１永久磁石６５ａに隣接するように配置された第２永久磁石６６ａ、６６ｂは、第１永久磁石６５ａに磁束が向かうように配置されている。

このように回転子コア本体６３の端面にはサブ永久磁石６５、６６が配置され、さらにサブ永久磁石６５、６６の端面にリング形状の回転子ヨーク６８が配置されている。回転子ヨーク６８は、磁性材料（例えば純鉄ＳＵＹ−１または炭素鋼Ｓ４５Ｃ）から形成されている。非磁性材（例えばオーステナイト系ステンレスＳＵＳ３０４）から形成されたカップ形状の回転子端板６９により、回転子ヨーク６８とサブ永久磁石６５、６６とを覆い、リベットまたはボルトで軸方向に締結固定している。

図１９は、本実施形態における永久磁石同期機の回転子の軸方向断面図、図２０は本開示の実施形態６における永久磁石同期機の回転子の断面図である。図１９のＫ−Ｋ’断面を図２０（ａ）に、図１９のＬ−Ｌ’断面を図２０（ｂ）に、図１９のＴ−Ｔ’断面を図２０（ｃ）に示している。図２０（ｃ）では、回転子コア６３に逆円弧形状のメイン永久磁石６４を６極配置していることがわかる。

回転子コア磁極の内周部を６３ａと示す。図２０（ｂ）は、回転子のオーバーハング部でサブ永久磁石を含む断面図を示す。図２０（ｃ）に示されるメイン永久磁石６４の外周部を回転子コア磁極の外周部６３ａ上の端面に、第１永久磁石６５を配置し、第１永久磁石６５の極間に第２永久磁石６６が配置されている。第１永久磁石６５および第２永久磁石６６の外周部をカップ形状の回転子端板６９が覆っている。

図２０（ａ）は、回転子７１のオーバーハング部６０において回転子ヨーク６８を含む断面図を示す。リング形状の回転子ヨーク６８を、図２０（ｂ）に示される第１永久磁石６５、第２永久磁石６６の端面に配置している。回転子ヨーク６８の外周部をカップ形状の回転子端板６９が覆っている。

図１８（ｂ）の軸方向断面図から明らかなように、回転子のオーバーハング量が僅かであり、回転子コア端部のオーバーハング部寸法が十分に確保できない場合、例えば、軸方向寸法を小型化した集中巻固定子の回転機において回転子コアと軸受との間の寸法が十分にない場合でも、本実施形態の構成は実現でき、軽量で慣性の小さな高出力の永久磁石同期機を提供できる。また、メイン永久磁石をフェライト磁石、サブ永久磁石をサマリウム・コバルト磁石から形成したため、ネオジム磁石より低コストで高耐熱な永久磁石同期機を提供できる。

なお、本実施形態では固定子巻線を集中巻の例を示したが、分布巻でもよい。永久磁石は、フェライト磁石とＳｍＣｏ磁石の組み合わせに限定しない。回転子オーバーハング部の回転子端板がバランスウェイトの機能を持たせることで安定した動作の永久磁石同期機を提供することができる。

本実施形態は、固定子の外周に回転子を配置したアウターロータの実施の一例を示している。実施形態２〜５は固定子の内周に回転子を配置したインナーロータの例を、本実施形態と同様にアウターロータとしても良い。

上記の各実施形態において、固定子コア、回転子コア本体、回転子ヨークを圧粉コアから形成しても良い。渦電流損を低減できるからである。メイン永久磁石の形状は逆円弧に限らず、矩形であってもよい。また、１極を構成するメインの永久磁石は１個に限らず、複数の永久磁石のＶ字配置、∇配置、多層配置を行っても良い。更に、上記の実施形態では、回転子コア本体の内部にメイン永久磁石を配置せず、回転子コア本体の端面に配置した永久磁石によって磁極を形成する構成を採用しても良い。

上記の各実施形態は、軸方向寸法を小型化した集中巻固定子の回転機または、回転子コアと軸受との間の寸法が十分にない場合に特に有効である。回転子のオーバーハング部が軸方向に長くなりすぎると、回転子の質量または慣性が増加するため、特性悪化を招いたり、回転子の永久磁石量増加によるコスト上昇を招いたりする。本実施形態によれば、このような課題を解決することが可能になる。また、耐熱性が要求される環境で使用する高出力な回転機では、メインの永久磁石として希土類永久磁石を用いる場合が多いが、このような希土類永久磁石に使用されるジスプロシウム（Ｄｙ）は供給が不安定であり、また価格も高いという課題がある。本開示の各実施形態によれば、希土類磁石をサブ永久磁石に使用するだけであるため、Ｄｙの使用量を削減する効果も得られる。

本開示にかかる永久磁石同期機は、回転子のオーバーハングが短くても、従来よりも回転子コア本体に流入する有効磁束を増加でき、小型高出力な永久磁石同期機として有用である。

１ 永久磁石同期機
２ 固定子コア
３ 回転子コア本体
３ａ ３ｂ 外周部
４ メイン永久磁石
５ 第１永久磁石
６ 第２永久磁石
７ 固定子巻線
８ 回転子ヨーク
９ 回転子端板
１０ ２０ ３０ ４０ ７０ 回転子オーバーハング部
１１ ２１ ３１ ４１ ５１ ７１ 回転子
１００ 固定子
１０１ 従来の永久磁石同期機
１１１ 固定子
１１２ 回転子
１２０ ティース
１３０ 固定子コア
２００ 回転子
２２０ 回転軸
２３０ 回転子コア本体
２３５ａ、２３５ｂ 端面
２３６ 表面

Claims (12)

1. 固定子と、前記固定子にエアギャップを介して対向してラジアル方向に磁束を発生させる複数の磁極を備える回転子とを備え、
   前記固定子は、複数のティースを備えるコアと、前記複数のティースの各々に巻かれた導線から形成されるコイルとを備え、
   前記回転子は、
   回転軸に対して垂直な一対の端面、および、前記複数の磁極を構成するＮ極およびＳ極が周方向に交互に配列された表面を備えるコア本体と、
   前記コア本体の前記端面に設けられ、前記固定子のコアよりも前記回転軸の方向に突出したオーバーハング部と、
   を備え、
   前記コア本体の前記端面は、前記磁極のうちのＮ極上に位置するＮ領域と、前記磁極のうちのＳ極上に位置するＳ領域とを備え、
   前記オーバーハング部は、
   前記コア本体の前記端面において前記端面の外縁に沿って間隔を置いて配列された複数の第１永久磁石と、
   前記コア本体の前記端面において前記第１永久磁石に隣接して配置された複数の第２永久磁石と、
   を含み、
   前記複数の第１永久磁石は、Ｎ極が前記端面のＮ領域に向いた永久磁石、および、Ｓ極が前記端面のＳ領域に向いた永久磁石の少なくとも一方を含み、
   前記複数の第２永久磁石は、前記端面の前記Ｓ領域から前記Ｎ領域に向かって磁束が延びるように配置されている、永久磁石同期機。
2. 前記回転子は、前記複数の第１永久磁石の、前記端面に向いている側とは反対の側を覆い、前記複数の第１永久磁石を磁気的に結合する回転子ヨークを更に備える、請求項１に記載の永久磁石同期機。
3. 前記回転子は、前記第１永久磁石、前記第２永久磁石、および前記回転子ヨークを保持する溝を備えるカップ形状の非磁性材料から形成された回転子端板を備える請求項２に記載の永久磁石同期機。
4. 前記回転子は、
   前記複数の第１永久磁石および前記複数の第２永久磁石を保持する孔を備える円板形状の非磁性材料から形成された回転子端板を備える、請求項２に記載の永久磁石同期機。
5. 前記回転子ヨークは、前記複数の第１永久磁石を覆う第１部分と、前記第１部分からラジアル方向に拡大した第２部分とを備えている、請求項２−４のいずれか１項に記載の永久磁石同期機。
6. 前記複数の第１永久磁石は、前記一対の端面の各々において、Ｎ極が前記端面のＮ領域に向いた永久磁石、および、Ｓ極が前記端面のＳ領域に向いた永久磁石の一方のみを含み、 前記複数の第２永久磁石は、前記複数の第１永久磁石の少なくとも１つに周方向に隣接して前記端面の前記Ｎ領域と前記Ｓ領域との境界を横切る位置に配置されており、
   前記回転子ヨークは、前記端面において前記第１永久磁石が配置されてない領域と前記複数の第１永久磁石とを磁気的に接続する、請求項２−５のいずれか１項に記載の永久磁石同期機。
7. 前記複数の第１永久磁石のうち、前記一対の端面の一方に配列された第１永久磁石は、Ｎ極が前記一方の端面に向いており、
   前記複数の第１永久磁石のうち、前記一対の端面の他方に配列された第１永久磁石は、Ｓ極が前記他方の端面に向いている、請求項６に記載の永久磁石同期機。
8. 前記回転子の前記オーバーハング部は、前記端面において前記複数の第１永久磁石からラジアル方向の側に位置する領域に配置された複数の第３永久磁石を更に備え、
   前記複数の第３永久磁石は、ラジアル方向に磁束を形成するように配置されている、請求項１−７のいずれか１項に記載の永久磁石同期機。
9. 前記複数の第２永久磁石は、前記端面の前記Ｎ領域と前記Ｓ領域との間に位置する部分に配置されており、
   前記複数の第２永久磁石のＮ極は前記端面の前記Ｎ領域の側を向き、前記複数の第２永久磁石のＳ極は前記端面の前記Ｓ領域の側を向いている、請求項１−８のいずれか１項に記載の永久磁石同期機。
10. 前記コア本体の前記端面の前記Ｎ領域または前記Ｓ領域に前記複数の第１永久磁石が配置されている、請求項１−９のいずれか１項に記載の永久磁石同期機。
11. 前記回転子端板は、バランスウェイトとして機能するように構成されている、請求項３または４に記載の永久磁石同期機。
12. 前記回転子のコア本体は、前記複数の磁極を形成する複数のフェライト磁石を備えており、
    前記複数の第１永久磁石および複数の第２永久磁石はサマリウム・コバルト磁石である、請求項１−１１のいずれか１項に記載の永久磁石同期機。

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