JP2016105679A - 磁石埋込型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】サイズの小さなロータコアへの永久磁石の配置が容易で、且つ、誘起電圧を抑えることができるとともに、トルクの低下を最小限に抑えることができるようにする。【解決手段】２組の永久磁石１２，１３の各々は、回転子２の周方向に沿って隣接配置された一対の同極の磁石（一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂ、一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂ）からなる。ロータコア１１には、同極の磁石１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂを収容する磁石嵌め込み穴１１ｂが同極の磁石毎に形成されている。回転子２の周方向において、ロータコア１１の同極間部分１８の厚みａは、ロータコア１１の異極間部分１９の厚みｂよりも薄い。【選択図】図２

Description

本発明は、永久磁石が内部に埋め込まれたロータコアを有する回転子と、当該回転子に対して対向配置される固定子とを備える磁石埋込型回転電機に関する。

まず、回転電機とは、電動機、発電機、電動機兼発電機の総称のことである。本発明を電動機として利用した場合、その電動機はＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)モータと呼ばれる。これに対して、永久磁石がロータコアの表面に貼り付けられた回転子を有する電動機はＳＰＭ(Surface Permanent Magnet)モータと呼ばれる。また、ＩＰＭモータとＳＰＭモータとを合わせてＰＭモータと呼ばれる。

ＩＰＭモータではなくＳＰＭモータに関する発明ではあるが、特許文献１には、永久磁石の表面側に保持環を配置した回転電機が開示されている。

回転子が回転すると、ロータコアの表面に貼り付けられた永久磁石に遠心力が作用する。遠心力は角速度の２乗に比例するため、回転子が高速で回転する回転電機においては、永久磁石が飛散するという問題が生じる。そこで、特許文献１では、永久磁石の表面側に保持環を配置することで、永久磁石をロータコアに強固に固定している。

特開平９−１４９５７２号公報

ところで、永久磁石に作用する遠心力を小さくするために、ロータコアのサイズを小さくするという設計方法がある。この設計方法においては、以下の理由により、永久磁石をロータコアに埋め込むＩＰＭ構造よりも、永久磁石をロータコアの表面に貼り付けるＳＰＭ構造を採用する場合が多かった。
（１）ロータコアのサイズが小さいため、永久磁石をロータコアに埋め込むＩＰＭ構造では、従来の４極の回転電機のように、一対の磁石をロータコアの外周側に向かって互いの間隔が広がるように配置するのが難しい。
（２）ＩＰＭ構造では、遠心力に耐える強度をロータコアに持たせるために、ロータコアの外周と磁石との間の部分である磁束短絡路のロータコアの半径方向における幅を広くする必要がある。しかし、磁束短絡路の幅を広くすると、ロータコア内を流れる短絡磁束が増加するので、固定子と回転子との間の空隙部において磁束が減少し、トルクが低下する。
（３）極数が多いほど出力を大きくできるが、極数を多くするほど駆動周波数が大きくなり、巻線に生じる誘起電圧が大きくなる。

しかしながら、ＳＰＭ構造は、永久磁石をロータコアの表面に貼り付けているので、永久磁石をロータコアに埋め込むＩＰＭ構造に比べて、渦電流損失が大きい。また、ＩＰＭ構造ではリラクタンストルクを利用することができるが、ＳＰＭ構造ではリラクタンストルクを利用することができない。

本発明の目的は、サイズの小さなロータコアへの永久磁石の配置が容易で、且つ、誘起電圧を抑えることができるとともに、トルクの低下を最小限に抑えることが可能な磁石埋込型回転電機を提供することである。

本発明は、２組の永久磁石が内部に埋め込まれたロータコアを有する回転子と、前記回転子に対して対向配置される固定子と、を有し、前記２組の永久磁石の各々は、前記回転子の周方向に沿って隣接配置された一対の同極の磁石からなり、前記ロータコアには、前記同極の磁石を収容する磁石嵌め込み穴が前記同極の磁石毎に形成されており、前記ロータコアにおいて、互いに同じ組の前記同極の磁石をそれぞれ収容して隣接する前記磁石嵌め込み穴同士の間の部分を同極間部分、互いに異なる組の前記同極の磁石をそれぞれ収容して隣接する前記磁石嵌め込み穴同士の間の部分を異極間部分とすると、前記回転子の周方向において、前記同極間部分の厚みは、前記異極間部分の厚みよりも薄いことを特徴とする。

本発明によると、永久磁石をロータコアに埋め込むＩＰＭ構造とすることで、永久磁石をロータコアの表面に貼り付けるＳＰＭ構造に比べて、永久磁石がロータコアの内側に入るので、渦電流損失を低減させることができる。また、永久磁石をロータコアに埋め込むＩＰＭ構造とすることで、リラクタンストルクを利用することができる。また、２組の永久磁石をロータコアに埋め込む、即ち、２極の回転電機にすることで、駆動周波数が下がるので、誘起電圧を小さくすることができる。また、一対の同極の磁石を回転子の周方向に沿って隣接配置することで、従来の４極の回転電機のように、一対の同極の磁石をロータコアの外周側に向かって互いの間隔が広がるように配置するのに比べて、サイズが小さいロータコアに永久磁石を配置しやすくすることができる。

このとき、ロータコアに強度を持たせるために、ロータコアの外周面と磁石嵌め込み穴との間の部分である磁束短絡路の、ロータコアの半径方向における幅を広くすると、ロータコア内を流れる短絡磁束が増加する。その結果、固定子と回転子との間の空隙部において磁束が減少し、トルクが低下する。そこで、ロータコアにおいて、互いに同じ組の同極の磁石をそれぞれ収容して隣接する磁石嵌め込み穴同士の間の部分を同極間部分、互いに異なる組の同極の磁石をそれぞれ収容して隣接する磁石嵌め込み穴同士の間の部分を異極間部分とすると、回転子の周方向において、同極間部分の厚みを、異極間部分の厚みよりも薄くする。

このような構成において、同極の磁石に作用する遠心力を、ロータコアの中心から異極間部分を通る方向に平行な成分と、ロータコアの中心から同極間部分を通る方向に平行な成分とに分解すると、ロータコアの中心から同極間部分を通る方向に平行な成分は、ロータコアの中心から異極間部分を通る方向に平行な成分よりも大きい。よって、ロータコアにおける磁石嵌め込み穴の周囲の部分で同極の磁石の遠心力を受け止めた際に、磁石嵌め込み穴の異極間部分側に作用する曲げ応力が大きくなるので、磁石嵌め込み穴の異極間部分側において、曲げ応力と引張応力とを合わせた応力が大きくなる。これにより、磁石嵌め込み穴の異極間部分側に応力が集中するが、異極間部分は厚みが厚いので、この応力を吸収することができる。また、磁石嵌め込み穴の異極間部分側に応力が集中した結果、磁石嵌め込み穴の同極間部分側に作用する曲げ応力が小さくなるので、厚みが薄い同極間部分でこの応力を吸収することができる。これにより、ロータコアの強度を維持することができる。

そして、同極間部分の厚みを薄くすることで、同じ組の同極の磁石の間を流れる短絡磁束を減少させることができる。また、同極間部分の厚みを薄くするほど、異極間部分の厚みを厚くすることができるので、異極間部分を構成する鉄に作用する吸引力が、同極間部分を構成する鉄に作用する吸引力よりも強くなる。これにより、マグネットトルクとは異なるトルクを得ることができる。また、同極間部分の厚みを薄くするほど、異極間部分の厚みを厚くすることができて、２組の永久磁石同士の間隔が広くなるので、大きなリタクタンストルクを得ることができる。その結果、トルクの低下を最小限に抑えることができる。

よって、本発明の磁石埋込型回転電機は、サイズの小さなロータコアへの永久磁石の配置が容易で、且つ、誘起電圧を抑えることができるとともに、トルクの低下を最小限に抑えることができる。

磁石埋込型回転電機の断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 機械角度とトルクとの関係を電磁界解析した結果を示す図である。 図２の要部Ｂの拡大図である。 磁束のベクトル図である。 機械角度とトルクとの関係を解析した結果を示す図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明の磁石埋込型回転電機は、車載用の電動機、航空機に搭載される発電機など、様々な機械の電動機、発電機、電動機兼発電機として利用することができる。

［第１実施形態］
（ＩＰＭモータの構成）
本発明の第１実施形態による磁石埋込型回転電機は、ＩＰＭモータである。ＩＰＭモータ１は、断面図である図１、および、図１のＡ−Ａ断面図である図２に示すように、回転子（ロータ）２と、回転子２の径方向外側において回転子２に対して対向配置される筒状の固定子（ステータ）３と、回転子２の外周面に取り付けられた保護管４と、を有している。回転子２は、その軸心が固定子３の軸心に一致するように（同軸になるように）固定子３内に配置される。また、回転子２と固定子３とは、図示しないケーシング内に収納されている。

（回転子）
回転子２は、筒状のロータコア１１と、ロータコア１１の内部に埋め込まれた２組の永久磁石１２，１３とを有している。即ち、本実施形態のＩＰＭモータ１は２極である。回転子２は、図２に示すＣ方向、および、その逆方向に回転可能である。

ロータコア１１は、例えば、リング板状の電磁鋼板（３５Ｈ３００など）が軸心方向に積層されることによって形成されている。ロータコア１１の中心には、軸心（回転軸）方向に貫通する穴１１ａが形成されている。この穴１１ａには、回転子２の回転を外部に取り出す出力軸（シャフト）５が挿通される。ロータコア１１は、平行キー１４で出力軸５に固定される。出力軸５は軸受（図示せず）によって回転可能に支持される。なお、ロータコア１１の一部を凸状とし、出力軸５の一部を凹状にして、これらを係合させることで、ロータコア１１を出力軸５に固定してもよい。

図１に示すように、回転子２の両端には、エンドプレート１６がそれぞれ設けられている。一対のエンドプレート１６は、ロータコア１１を貫通するボルト１７によって、回転子２に固定されている。エンドプレート１６を介してロータコア１１の熱を外気に放出することで、ロータコア１１の放熱特性が向上する。また、このような構造とすることで、ロータコア１１を形成する電磁鋼板として、高張力ではない通常のものを使用することができる。これにより、ロータコア１１による鉄損を低減させることができるので、回転子２で発生する損失を低減させて、モータ効率を向上させることができる。

図２に示すように、永久磁石１２は、回転子２の周方向に沿って隣接配置された一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂからなる。また、永久磁石１３は、回転子２の周方向に沿って隣接配置された一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂからなる。

ロータコア１１には、同極の磁石を収容する磁石嵌め込み穴１１ｂが同極の磁石毎に形成されている。具体的には、ロータコア１１の外周部には、永久磁石１２を構成する一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂの各々を収容する２つの磁石嵌め込み穴１１ｂと、永久磁石１３を構成する一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂの各々を収容する２つの磁石嵌め込み穴１１ｂとがそれぞれ形成されている。各磁石嵌め込み穴１１ｂは、ロータコア１１を軸心方向に貫通している。４つの磁石嵌め込み穴１１ｂには、一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂ、および、一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂがそれぞれ嵌め込まれる。

２組の永久磁石１２，１３は、ネオジム磁石等であって、ロータコア１１の磁石嵌め込み穴１１ｂに嵌め込まれることによって、回転子２（ロータコア１１）の磁極を形成する。永久磁石１２と永久磁石１３とは、回転子２の周方向に隣り合う磁極が互いに反対の磁極となるように（即ち、ロータコア１１の外周面においてＳ極とＮ極とが周方向に交互に並ぶように）、各磁石嵌め込み穴１１ｂに嵌め込まれる。

同じ組の一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂにおけるロータコア１１の中心に対向する面は、それぞれＳ極であって、その形状は平面にされている。一方、同じ組の一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂにおける固定子３に対向する面は、それぞれＮ極であって、その形状は固定子３側に凸の湾曲面にされている。よって、同極の磁石１２ａ，１２ｂを収容する磁石嵌め込み穴１１ｂにおけるロータコア１１の中心に対向する面は平面にされ、固定子３に対向する面は湾曲面にされている。これにより、ロータコア１１の外周面と磁石嵌め込み穴１１ｂとの間の部分である磁束短絡路１１ｃにおける、ロータコア１１の半径方向の幅が、回転子２の周方向に一定にされている。ここで、磁束短絡路１１ｃは、ロータコア１１内で磁束が短絡する部分である。なお、磁束の短絡とは、Ｎ極から出た磁束が固定子３と回転子２との間の空隙部６に到達することなくそのままロータコア１１を通ってＳ極に入ることを意味する。

また、同じ組の一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂにおけるロータコア１１の中心に対向する面は、それぞれＮ極であって、その形状は平面にされている。一方、同じ組の一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂにおける固定子３に対向する面は、それぞれＳ極であって、その形状は固定子３側に凸の湾曲面にされている。よって、同極の磁石１３ａ，１３ｂを収容する磁石嵌め込み穴１１ｂにおけるロータコア１１の中心に対向する面は平面にされ、固定子３に対向する面は湾曲面にされている。これにより、ロータコア１１の外周面と磁石嵌め込み穴１１ｂとの間の部分である磁束短絡路１１ｃにおける、ロータコア１１の半径方向の幅が、回転子２の周方向に一定にされている。

磁束短絡路１１ｃの幅を周方向に一定にすることで、同極の磁石１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂに作用する遠心力を磁束短絡路１１ｃで受け止めた際に、磁束短絡路１１ｃに作用する応力を周方向に均一にすることができる。

また、磁石嵌め込み穴１１ｂの各々は、回転子２の周方向において同極の磁石１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの両側に空隙１５が形成されるように同極の磁石を収容している。これにより、回転子２の周方向において、同極の磁石１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの各々の両側には、空隙１５がそれぞれ形成されている。これら空隙１５により、ロータコア１１内で短絡する磁束を減少させることができる。なお、空隙１５が形成されていない構成であってもよい。また、空隙１５内は空気の代わりに非磁性体や接着剤で満たされていてもよい。

（固定子）
固定子３は、筒状のステータコア２１と、ステータコア２１の内周面に巻回された巻線２２とを有している。

ステータコア２１は、例えば、複数の電磁鋼板（ケイ素鋼板など）が軸心方向に積層されることによって形成されている。ステータコア２１の内周面には、周方向に沿ってスロット２１ａと歯２１ｂとが交互に連続して形成されており、歯２１ｂには巻線２２が巻回されている。複数の歯２１ｂにそれぞれ巻回された巻線２２に対して所定の位相差の電流が供給されることにより、回転磁界が形成される。これにより、回転子２にマグネットトルクとリラクタンストルクとが発生して、回転子２が回転する。ここで、リラクタンストルクとは、磁気抵抗が小さくなろうとする箇所に発生するトルク、即ち、磁気が流れ難いところに磁束を流そうと回転子２が固定子３に対して回転することにより発生するトルクである。

（保護管）
保護管４は、絶縁体からなる。このような保護管４をロータコア１１の外周面に焼き嵌め等によって装着することで、ロータコア１１の強度が向上するとともに、永久磁石の飛散が防止される。なお、保護管４は、金属、磁性材、低透磁率の磁性材等からなるものであってもよい。

このように、本実施形態では、永久磁石１２，１３をロータコア１１に埋め込むＩＰＭ構造とすることで、永久磁石をロータコアの表面に貼り付けるＳＰＭ構造に比べて、永久磁石１２，１３がロータコア１１の内側に入るので、渦電流損失を低減させることができる。また、永久磁石１２，１３をロータコア１１に埋め込むＩＰＭ構造とすることで、リラクタンストルクを利用することができる。また、２組の永久磁石１２，１３をロータコア１１に埋め込む、即ち、２極のＩＰＭモータ１にすることで、駆動周波数が下がるので、誘起電圧を小さくすることができる。また、一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂ、および、一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂを回転子２の周方向に沿って隣接配置することで、従来の４極のＩＰＭモータのように、一対の同極の磁石をロータコアの外周側に向かって互いの間隔が広がるように配置するのに比べて、サイズが小さいロータコア１１に永久磁石１２，１３を配置しやすくすることができる。

（同極間部分および異極間部分の厚み）
ここで、ロータコア１１の半径方向における磁束短絡路１１ｃの幅を異ならせたときの機械角度とトルクとの関係を電磁界解析した結果を図３に示す。機械角度は、図２において、直線Ｌを０°としてＣ方向に１８０度変化させている。なお、直線Ｌは、ロータコア１１（回転子２）の中心Ｏを通り、永久磁石１２と永久磁石１３との中間に位置する仮想線である。

回転子２が２００００ｒｐｍ程度で高速回転するＩＰＭモータ１においては、ロータコア１１に強度を持たせるために、ロータコア１１の半径方向における磁束短絡路１１ｃの幅を広くする必要がある。しかし、磁束短絡路１１ｃの幅を広くするほど、ロータコア１１内の短絡磁束が増加し、固定子３と回転子２との間の空隙部６において磁束が減少する。よって、図３に示すように、磁束短絡路１１ｃの幅を広くするほど、トルクが低下する。

そこで、図２に示すように、ロータコア１１において、互いに同じ組の同極の磁石をそれぞれ収容して隣接する磁石嵌め込み穴１１ｂ同士の間の部分を同極間部分１８、互いに異なる組の同極の磁石をそれぞれ収容して隣接する磁石嵌め込み穴１１ｂ同士の間の部分を異極間部分１９とすると、回転子２の周方向において、同極間部分１８の厚みａは、異極間部分１９の厚みｂよりも薄くされている。具体的には、回転子２の周方向において、同極の磁石１２ａを収容する磁石嵌め込み穴１１ｂと同極の磁石１２ｂを収容する磁石嵌め込み穴１１ｂとの間の部分である同極間部分１８の厚みａは、同極の磁石１２ａを収容する磁石嵌め込み穴１１ｂと同極の磁石１３ｂを収容する磁石嵌め込み穴１１ｂとの間の部分である異極間部分１９の厚みｂ、および、同極の磁石１２ｂを収容する磁石嵌め込み穴１１ｂと同極の磁石１３ａを収容する磁石嵌め込み穴１１ｂとの間の部分である異極間部分１９の厚みｂよりも薄くされている。また、回転子２の周方向において、同極の磁石１３ａを収容する磁石嵌め込み穴１１ｂと同極の磁石１３ｂを収容する磁石嵌め込み穴１１ｂとの間の部分である同極間部分１８の厚みａは、同極の磁石１２ａを収容する磁石嵌め込み穴１１ｂと同極の磁石１３ｂを収容する磁石嵌め込み穴１１ｂとの間の部分である異極間部分１９の厚みｂ、および、同極の磁石１２ｂを収容する磁石嵌め込み穴１１ｂと同極の磁石１３ａを収容する磁石嵌め込み穴１１ｂとの間の部分である異極間部分１９の厚みｂよりも薄くされている。即ち、ロータコア１１には、異極間部分１９の厚みｂよりも、同極間部分１８の厚みａの方が薄くなるように、４つの磁石嵌め込み穴１１ｂがそれぞれ形成されている。

ここで、同極間部分１８の厚みａと異極間部分１９の厚みｂとが同じの場合、同極の磁石の各々においてロータコア１１の中心Ｏに対向する面がそれぞれロータコア１１の半径方向に直交する。そのため、一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂおよび一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂにおいて、ロータコア１１の中心Ｏに対向する面同士の角度θは９０°となる。これに対して、本実施形態では、一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂの各々を収容する２つの磁石嵌め込み穴１１ｂ，１１ｂ、および、一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂの各々を収容する２つの磁石嵌め込み穴１１ｂ，１１ｂを、図２に示す直線Ｌからそれぞれ離隔させることで、一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂおよび一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂにおいて、ロータコア１１の中心Ｏに対向する面同士の角度θを９０°以上１８０°以下にしている。本実施形態において、この角度θは１２０°である。これにより、回転子２の周方向において、異極間部分１９の厚みｂを、同極間部分１８の厚みａよりも好適に厚くしている。

図２の要部Ｂの拡大図を図４に示す。同極の磁石１２ｂに作用する遠心力Ｆを、ロータコア１１の中心Ｏから異極間部分１９を通る方向に平行な成分Ｆａと、ロータコア１１の中心Ｏから同極間部分１８を通る方向に平行な成分Ｆｂとに分解すると、ロータコア１１の中心Ｏから同極間部分１８を通る方向に平行な成分Ｆｂは、ロータコア１１の中心Ｏから異極間部分１９を通る方向に平行な成分Ｆａよりも大きい。よって、ロータコア１１における磁石嵌め込み穴１１ｂの周囲の部分で同極の磁石１２ｂの遠心力を受け止めた際に、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側に作用する曲げ応力が大きくなるので、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側において、曲げ応力と引張応力とを合わせた応力が大きくなる。これにより、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側に応力が集中するが、異極間部分１９は厚みが厚いので、この応力を吸収することができる。また、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側に応力が集中した結果、磁石嵌め込み穴１１ｂの同極間部分１８側に作用する曲げ応力が小さくなるので、厚みが薄い同極間部分１８でこの応力を吸収することができる。これにより、ロータコア１１の強度を維持することができる。他の同極の磁石１２ａ，１３ａ，１３ｂについても同様である。

磁石嵌め込み穴１１ｂの同極間部分１８側において、応力の最大値は４９．９ＭＰａ程度であるのに対し、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側において、応力の最大値は３１７ＭＰａ程度である。このように、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側に応力が集中することで、磁石嵌め込み穴１１ｂの同極間部分１８側に作用する曲げ応力が小さくなっているのがわかる。

そして、同極間部分１８の厚みを薄くすることで、同じ組の同極の磁石１２ａ，１２ｂの間を流れる短絡磁束を減少させることができる。これにより、トルクの低下を抑えることができる。同じ組の同極の磁石１３ａ，１３ｂについても同様である。

さらに、一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂにおけるロータコア１１の中心Ｏに対向する面同士の角度を１２０°にすることで、同極の磁石１２ａ，１２ｂに作用する遠心力Ｆのうち、ロータコア１１の中心Ｏから同極間部分１８を通る方向に平行な成分Ｆｂを、ロータコア１１の中心Ｏから異極間部分１９を通る方向に平行な成分Ｆａよりも好適に大きくすることができる。これにより、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側に応力を好適に集中させることができるので、磁石嵌め込み穴１１ｂの同極間部分１８側に作用する曲げ応力を好適に小さくすることができる。よって、同極間部分１８の厚みａを好適に薄くすることができて、一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂの間を流れる短絡磁束を好適に減少させることができるので、トルクの低下を好適に抑えることができる。一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂについても同様である。

磁束のベクトル図を図５に示す。同極間部分１８の厚みａを薄く設定することで、一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂの間を流れる短絡磁束、および、一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂの間を流れる短絡磁束をそれぞれ減少させることができることがわかる。

また、図２に示すように、同極間部分１８の厚みａを薄くするほど、異極間部分１９の厚みｂを厚くすることができるので、異極間部分１９を構成する鉄に作用する吸引力が、同極間部分１８を構成する鉄に作用する吸引力よりも強くなる。これにより、マグネットトルクとは異なるトルクを得ることができる。

また、同極間部分１８の厚みａを薄くするほど、異極間部分１９の厚みｂを厚くすることができて、２組の永久磁石１２，１３同士の間隔が広くなるので、大きなリタクタンストルクを得ることができる。

以上のように、同極間部分１８の厚みａを、異極間部分１９の厚みｂよりも薄くすることで、トルクの低下を最小限に抑えることができる。

同極間部分１８の厚みａを異ならせたときの機械角度とトルクとの関係を解析した結果を図６に示す。同極間部分１８の厚みａを狭くすることで、トルクが向上することがわかる。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るＩＰＭモータ（磁石埋込型回転電機）１によると、永久磁石１２，１３をロータコア１１に埋め込むＩＰＭ構造とすることで、永久磁石をロータコアの表面に貼り付けるＳＰＭ構造に比べて、永久磁石１２，１３がロータコア１１の内側に入るので、渦電流損失を低減させることができる。また、永久磁石１２，１３をロータコア１１に埋め込むＩＰＭ構造とすることで、リラクタンストルクを利用することができる。また、２組の永久磁石１２，１３をロータコア１１に埋め込む、即ち、２極のＩＰＭモータ１にすることで、駆動周波数が下がるので、誘起電圧を小さくすることができる。また、一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂおよび一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂを回転子２の周方向に沿って隣接配置することで、従来の４極の回転電機のように、一対の同極の磁石をロータコアの外周側に向かって互いの間隔が広がるように配置するのに比べて、サイズが小さいロータコア１１に永久磁石１２，１３を配置しやすくすることができる。

このとき、ロータコア１１に強度を持たせるために、ロータコア１１の外周面と磁石嵌め込み穴１１ｂとの間の部分である磁束短絡路１１ｃの、ロータコア１１の半径方向における幅を広くすると、ロータコア１１内の短絡磁束が増加する。その結果、固定子３と回転子２との間の空隙部６において磁束が減少し、トルクが低下する。そこで、ロータコア１１において、互いに同じ組の同極の磁石１２ａ，１２ｂをそれぞれ収容して隣接する磁石嵌め込み穴１１ｂ同士の間の部分、および、互いに同じ組の同極の磁石１３ａ，１３ｂをそれぞれ収容して隣接する磁石嵌め込み穴１１ｂ同士の間の部分を同極間部分１８、互いに異なる組の同極の磁石１２ａ，１３ｂをそれぞれ収容して隣接する磁石嵌め込み穴１１ｂ同士の間の部分、および、互いに異なる組の同極の磁石１２ｂ，１３ａをそれぞれ収容して隣接する磁石嵌め込み穴１１ｂ同士の間の部分を異極間部分１９とすると、回転子２の周方向において、同極間部分１８の厚みａを、異極間部分１９の厚みｂよりも薄くする。

このような構成において、同極の磁石に作用する遠心力Ｆを、ロータコア１１の中心Ｏから異極間部分１９を通る方向に平行な成分Ｆａと、ロータコア１１の中心Ｏから同極間部分１８を通る方向に平行な成分Ｆｂとに分解すると、ロータコア１１の中心Ｏから同極間部分１８を通る方向に平行な成分Ｆｂは、ロータコア１１の中心Ｏから異極間部分１９を通る方向に平行な成分Ｆａよりも大きい。よって、ロータコア１１における磁石嵌め込み穴１１ｂの周囲の部分で同極の磁石の遠心力Ｆを受け止めた際に、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側に作用する曲げ応力が大きくなるので、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側において、曲げ応力と引張応力とを合わせた応力が大きくなる。これにより、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側に応力が集中するが、異極間部分１９は厚みが厚いので、この応力を吸収することができる。また、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側に応力が集中した結果、磁石嵌め込み穴１１ｂの同極間部分１８側に作用する曲げ応力が小さくなるので、厚みが薄い同極間部分１８でこの応力を吸収することができる。これにより、ロータコア１１の強度を維持することができる。

そして、同極間部分１８の厚みを薄くすることで、同じ組の同極の磁石１２ａ，１２ｂの間を流れる短絡磁束、および、同じ組の同極の磁石１３ａ，１３ｂの間を流れる短絡磁束を減少させることができる。また、同極間部分１８の厚みを薄くするほど、異極間部分１９の厚みを厚くすることができるので、異極間部分１９を構成する鉄に作用する吸引力が、同極間部分１８を構成する鉄に作用する吸引力よりも強くなる。これにより、マグネットトルクとは異なるトルクを得ることができる。また、同極間部分１８の厚みを薄くするほど、異極間部分１９の厚みを厚くすることができて、２組の永久磁石１２，１３同士の間隔が広くなるので、大きなリタクタンストルクを得ることができる。その結果、トルクの低下を最小限に抑えることができる。

よって、本発明のＩＰＭモータ１は、サイズの小さなロータコア１１への永久磁石１２，１３の配置が容易で、且つ、誘起電圧を抑えることができるとともに、トルクの低下を最小限に抑えることができる。

また、一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂにおけるロータコア１１の中心に対向する面同士の角度、および、一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂにおけるロータコア１１の中心に対向する面同士の角度を９０°以上１８０°以下にすることで、同極の磁石に作用する遠心力Ｆのうち、ロータコア１１の中心Ｏから同極間部分１８を通る方向に平行な成分Ｆｂを、ロータコア１１の中心Ｏから異極間部分１９を通る方向に平行な成分Ｆａよりも好適に大きくすることができる。これにより、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側に応力を好適に集中させることができるので、磁石嵌め込み穴１１ｂの同極間部分１８側に作用する曲げ応力を好適に小さくすることができる。よって、同極間部分１８の厚みを好適に薄くすることができて、一対の同極の磁石の間を流れる短絡磁束を好適に減少させることができるので、トルクの低下を好適に抑えることができる。

また、同極の磁石１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの各々の固定子３に対向する面を、固定子３側に凸の湾曲面にすることで、磁束短絡路１１ｃの幅を周方向に一定にすることができる。これにより、同極の磁石１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂに作用する遠心力を磁束短絡路１１ｃで受け止めた際に、磁束短絡路１１ｃに作用する応力を周方向に均一にすることができる。

［第２実施形態］
（回転子）
次に、本発明の第２実施形態に係るＩＰＭモータ（磁石埋込型回転電機）２０１について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態のＩＰＭモータ２０１が第１実施形態のＩＰＭモータ１と異なる点は、図１のＡ−Ａ断面図である図７に示すように、回転子２がＣ方向にのみ回転し、一対の同極の磁石のうち、回転子２の回転方向の下流側に位置する方は、回転子２の回転方向の上流側に位置する方よりも、回転子２の周方向に沿った長さが短い点である。

具体的には、一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂのうち、回転子２の回転方向の下流側に位置する同極の磁石１２ｂは、回転子２の回転方向の上流側に位置する同極の磁石１２ａよりも、回転子２の周方向に沿った長さが短い。同様に、一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂのうち、回転子２の回転方向の下流側に位置する同極の磁石１３ｂは、回転子２の回転方向の上流側に位置する同極の磁石１３ａよりも、回転子２の周方向に沿った長さが短い。

上述したように、回転子２の周方向において、同極の磁石１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの各々の両側には空隙１５がそれぞれ形成されている。そして、回転子２の回転方向の下流側に位置する同極の磁石１２ｂ，１３ｂの回転子２の周方向に沿った長さを短くすることで、下流側に位置する同極の磁石１２ｂ，１３ｂが他の永久磁石１２，１３と隣り合う側に設けられた空隙１５ａを、下流側に位置する同極の磁石１２ｂ，１３ｂが上流側に位置する同極の磁石１２ａ，１３ａと隣り合う側に設けられた空隙１５ｂよりも広くすることができる。

このように、下流側に位置する同極の磁石１２ｂ，１３ｂが他の永久磁石１２，１３と隣り合う側に設けられた空隙１５ａを広くすることで、下流側に位置する同極の磁石１２ｂ，１３ｂが他の永久磁石１２，１３と隣り合う側において、下流側に位置する同極の磁石１２ｂ，１３ｂのＮ極から出た磁束が固定子３と回転子２との間の空隙部６に到達することなく２組の永久磁石１２，１３の間を回り込んで下流側に位置する同極の磁石１２ｂ，１３ｂのＳ極に入ることによる磁束の短絡を抑えることができる。その結果、２組の永久磁石１２，１３の間から入り込む磁束の量を増やすことができるので、マグネットトルクの低下を抑えることができる。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るＩＰＭモータ（磁石埋込型回転電機）２０１によると、回転子２が一方向に回転するとき、一対の同極の磁石のうち、回転子２の回転方向の下流側に位置する方の回転子２の周方向に沿った長さを、回転子２の回転方向の上流側に位置する方よりも短くする。これにより、下流側に位置する同極の磁石１２ｂ，１３ｂにおける回転子２の周方向の両側にそれぞれ設けられた空隙１５のうち、他の永久磁石１２，１３と隣り合う側に設けられた空隙１５ａを、上流側に位置する同極の磁石１２ａ，１３ａと隣り合う側に設けられた空隙１５ｂよりも広くすることができる。これにより、下流側に位置する同極の磁石１２ｂ，１３ｂが他の永久磁石１２，１３と隣り合う側において、下流側に位置する同極の磁石１２ｂ，１３ｂのＮ極から出た磁束が固定子３と回転子２との間の空隙部６に到達することなく２組の永久磁石１２，１３の間を回り込んで下流側に位置する同極の磁石１２ｂ，１３ｂのＳ極に入ることによる磁束の短絡を抑えることができる。その結果、２組の永久磁石１２，１３の間から入り込む磁束の量を増やすことができるので、マグネットトルクの低下を抑えることができる。よって、永久磁石の量を低減させながら、トルクを同等に保つか、もしくは向上させることができる。

［第３実施形態］
（回転子）
次に、本発明の第３実施形態に係るＩＰＭモータ（磁石埋込型回転電機）３０１について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態のＩＰＭモータ３０１が第１実施形態のＩＰＭモータ１と異なる点は、図１のＡ−Ａ断面図である図８に示すように、異なる組の同極の磁石に隣接する側の空隙１５ａが、同じ組の同極の磁石に隣接する側の空隙１５ｂよりも広くなるように、磁石嵌め込み穴１１ｂの各々に同極の磁石１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂが収容されている点である。

具体的には、同極の磁石１２ａにおいて、異なる組の同極の磁石１３ｂに隣接する側の空隙１５ａが、同じ組の同極の磁石１２ｂに隣接する側の空隙１５ｂよりも広くされている。また、同極の磁石１２ｂにおいて、異なる組の同極の磁石１３ａに隣接する側の空隙１５ａが、同じ組の同極の磁石１２ａに隣接する側の空隙１５ｂよりも広くされている。一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂについても同様である。

なお、同極の磁石のずれを防止するために、磁石嵌め込み穴１１ｂに突起を設けてもよい。

異なる組の同極の磁石に隣接する側の空隙１５ａを、同じ組の同極の磁石に隣接する側の空隙１５ｂよりも広くすることで、異なる組の同極の磁石に隣接する側の空隙１５ａがたわみやすくなる。よって、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側に曲げ応力が生じやすくなるので、ロータコア１１における磁石嵌め込み穴１１ｂの周囲の部分で同極の磁石の遠心力を受け止めた際に、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側に作用する曲げ応力がより大きくなる。これにより、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側において、曲げ応力と引張応力とを合わせた応力がより大きくなるので、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側により応力が集中する。その結果、磁石嵌め込み穴１１ｂの同極間部分１８側に作用する曲げ応力がより小さくなるので、同極間部分１８の厚みａをより薄くすることができる。そして、同極間部分１８の厚みａをより薄くすることで、一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂの間を流れる短絡磁束、および、一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂの間を流れる短絡磁束をより減少させることができるので、トルクの低下をより最小限に抑えることができる。

なお、本実施形態では、一対の同極の磁石におけるロータコア１１の中心Ｏに対向する面同士の角度は、特に限定されない。本実施形態では、第２実施形態のように、回転子２が一方向に回転し、一対の同極の磁石のうち、回転子２の回転方向の下流側に位置する方は、回転子２の回転方向の上流側に位置する方よりも、回転子２の周方向に沿った長さが短くされていてもよい。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るＩＰＭモータ（磁石埋込型回転電機）３０１によると、異なる組の同極の磁石に隣接する側の空隙１５ａを、同じ組の同極の磁石に隣接する側の空隙１５ｂよりも広くすることで、異なる組の同極の磁石に隣接する側の空隙１５ａがたわみやすくなる。よって、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側に曲げ応力が生じやすくなるので、ロータコア１１における磁石嵌め込み穴１１ｂの周囲の部分で同極の磁石の遠心力を受け止めた際に、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側に作用する曲げ応力がより大きくなる。これにより、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側において、曲げ応力と引張応力とを合わせた応力がより大きくなるので、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側により応力が集中する。その結果、磁石嵌め込み穴１１ｂの同極間部分１８側に作用する曲げ応力がより小さくなるので、同極間部分１８の厚みをより薄くすることができる。そして、同極間部分１８の厚みをより薄くすることで、一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂの間を流れる短絡磁束、および、一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂの間を流れる短絡磁束をより減少させることができるので、トルクの低下をより最小限に抑えることができる。

［第４実施形態］
（回転子）
次に、本発明の第３実施形態に係るＩＰＭモータ（磁石埋込型回転電機）４０１について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態のＩＰＭモータ４０１が第１実施形態のＩＰＭモータ１と異なる点は、図１のＡ−Ａ断面図である図９に示すように、回転子２の周方向において、同極の磁石の重心位置が、異なる組の同極の磁石の方に寄っている点である。

具体的には、同極の磁石１２ａの重心位置は、異なる組の同極の磁石１３ｂの方に寄っている。また、同極の磁石１２ｂの重心位置は、異なる組の同極の磁石１３ａの方に寄っている。同極の磁石１３ａ，１３ｂについても同様である。

断面視において、同極の磁石１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂは、異極間部分１９側から同極間部分１８側に向かって滑らかに細くなっていく形状にされている。このように、異極間部分１９側が太くされることで、同極の磁石の重心位置が、異なる組の同極の磁石の方に寄るようにされている。なお、同極の磁石の形状はこれに限定されず、異なる組の同極の磁石の方に重心位置が寄るような形状であればよい。

同極の磁石の重心位置を、回転子２の周方向に沿って異なる組の同極の磁石の方に寄せることで、ロータコア１１における磁石嵌め込み穴１１ｂの周囲の部分で同極の磁石の遠心力を受け止めた際に、重心位置に近い側である、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側に作用する曲げ応力がより大きくなる。これにより、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側において、曲げ応力と引張応力とを合わせた応力がより大きくなるので、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側により応力が集中する。その結果、磁石嵌め込み穴１１ｂの同極間部分１８側に作用する曲げ応力がより小さくなるので、同極間部分１８をより狭く設定することができる。そして、同極間部分１８をより狭く設定することで、一対の同極の磁石の間を流れる短絡磁束をより減少させることができるので、トルクの低下をより最小限に抑えることができる。

なお、本実施形態では、一対の同極の磁石におけるロータコア１１の中心Ｏに対向する面同士の角度は、特に限定されない。本実施形態では、第２実施形態のように、回転子２が一方向に回転し、一対の同極の磁石のうち、回転子２の回転方向の下流側に位置する方は、回転子２の回転方向の上流側に位置する方よりも、回転子２の周方向に沿った長さが短くされていてもよい。また、第３実施形態のように、異なる組の同極の磁石に隣接する側の空隙１５ａが、同じ組の同極の磁石に隣接する側の空隙１５ｂよりも広くなるように、磁石嵌め込み穴１１ｂの各々に同極の磁石が収容されていてもよい。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るＩＰＭモータ（磁石埋込型回転電機）４０１によると、同極の磁石の重心位置を、回転子２の周方向に沿って異なる組の同極の磁石の方に寄せることで、ロータコア１１における磁石嵌め込み穴１１ｂの周囲の部分で同極の磁石の遠心力を受け止めた際に、重心位置に近い側である、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側に作用する曲げ応力がより大きくなる。これにより、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側において、曲げ応力と引張応力とを合わせた応力がより大きくなるので、磁石嵌め込み穴１１ｂの異極間部分１９側により応力が集中する。その結果、磁石嵌め込み穴１１ｂの同極間部分１８側に作用する曲げ応力がより小さくなるので、同極間部分１８の厚みをより薄くすることができる。そして、同極間部分１８の厚みをより薄くすることで、一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂの間を流れる短絡磁束、および、一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂの間を流れる短絡磁束をより減少させることができるので、トルクの低下をより最小限に抑えることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１，２０１，３０１，４０１ ＩＰＭモータ（磁石埋込型回転電機）
２ 回転子
３ 固定子
４ 保護管
５ 出力軸
６ 空隙部
１１ ロータコア
１１ａ 穴
１１ｂ 磁石嵌め込み穴
１１ｃ 磁束短絡路
１２，１３ 永久磁石
１２ａ，１２ｂ 同極の磁石
１３ａ，１３ｂ 同極の磁石
１４ 平行キー
１５，１５ａ，１５ｂ 空隙
１６ エンドプレート
１７ ボルト
１８ 同極間部分
１９ 異極間部分
２１ ステータコア
２１ａ スロット
２１ｂ 歯
２２ 巻線

Claims (6)

1. ２組の永久磁石が内部に埋め込まれたロータコアを有する回転子と、
   前記回転子に対して対向配置される固定子と、
   を有し、
   前記２組の永久磁石の各々は、前記回転子の周方向に沿って隣接配置された一対の同極の磁石からなり、
   前記ロータコアには、前記同極の磁石を収容する磁石嵌め込み穴が前記同極の磁石毎に形成されており、
   前記ロータコアにおいて、互いに同じ組の前記同極の磁石をそれぞれ収容して隣接する前記磁石嵌め込み穴同士の間の部分を同極間部分、互いに異なる組の前記同極の磁石をそれぞれ収容して隣接する前記磁石嵌め込み穴同士の間の部分を異極間部分とすると、前記回転子の周方向において、前記同極間部分の厚みは、前記異極間部分の厚みよりも薄いことを特徴とする磁石埋込型回転電機。
2. 前記同極の磁石の各々は、前記固定子に対向する面が、前記固定子側に凸の湾曲面にされていることを特徴とする請求項１に記載の磁石埋込型回転電機。
3. 前記一対の同極の磁石における前記ロータコアの中心に対向する面同士の角度が９０°以上１８０°以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁石埋込型回転電機。
4. 前記磁石嵌め込み穴の各々は、前記回転子の周方向において前記同極の磁石の両側に空隙が形成されるように前記同極の磁石を収容しており、
   前記回転子は一方向に回転し、
   前記一対の同極の磁石のうち、前記回転子の回転方向の下流側に位置する方は、前記回転子の回転方向の上流側に位置する方よりも、前記回転子の周方向に沿った長さが短いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁石埋込型回転電機。
5. 前記磁石嵌め込み穴の各々は、前記回転子の周方向において前記同極の磁石の両側に空隙が形成されるように前記同極の磁石を収容しており、
   異なる組の前記同極の磁石に隣接する側の空隙が、同じ組の前記同極の磁石に隣接する側の空隙よりも広くなるように、前記磁石嵌め込み穴の各々に前記同極の磁石が収容されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁石埋込型回転電機。
6. 前記回転子の周方向において、前記同極の磁石の重心位置が、異なる組の前記同極の磁石の方に寄っていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁石埋込型回転電機。

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