JP2017169314A - 永久磁石埋込同期機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の耐減磁性に優れ、高トルクな永久磁石埋込同期機を提供する。【解決手段】本開示の永久磁石埋込同期機（１００）は、シャフト（３）及び回転子（４）を備えている。回転子（４）は、コア（７）及びコア（７）に埋め込まれた複数の板状の永久磁石（５）を含む。コア（７）には、回転子（４）の周方向に沿って複数の磁石埋設孔（６）が形成されており、それら複数の磁石埋設孔（６）のそれぞれに永久磁石（５）が配置されている。シャフト（３）の回転軸（Ｏ）に垂直な断面において、複数の永久磁石（５）から選ばれた任意の永久磁石（５）が形成するｄ軸に平行な方向に関して、回転子（４）の外周面（７ａ）から任意の永久磁石（５）までの最短距離（Ｄ）が任意の永久磁石（５）の厚さの６０％以上１１０％以下の範囲にある。【選択図】図２Ａ

Description

本開示は、永久磁石埋込同期機に関する。

埋込磁石型モータは、家電製品、ハイブリッド自動車、電車などに広く使用されており、その需要は年々増大している。よく知られているように、埋込磁石型モータの回転子は、コア及びコアに埋め込まれた永久磁石を有する。永久磁石によるマグネットトルクだけでなく、磁気抵抗の非対称性に起因するリラクタンストルクも利用できるため、埋込磁石型モータは高効率かつ高出力である。回転子の構造は、埋込磁石型モータの効率及び信頼性に直結するので非常に重要である。

図６は、特許文献１に記載された埋込磁石型モータの回転子の一部を示している。永久磁石１０２は、第１磁石表面１２１と第２磁石表面１２２と一対の磁石側面１２３とを備えている。非磁性体１０３は、第１非磁性表面１３１と第２非磁性表面１３２とを備えている。一の磁石側面１２３と第２磁石表面１２２とが成す第１角部１０２ｂと、第１非磁性表面１３１との間の最小距離ｂ１は、第１角部１０２ｂと、一の磁石側面１２３と第１磁石表面１２１とが成す第２角部１０２ａとの間の端部距離ａ以上である。第２非磁性表面１３２と第２角部１０２ａとの間の最小距離ｂ２は端部距離ａ以上である。非磁性体１０３の最小幅ｃは、非磁性体１０３側における一の永久磁石の最小幅ａ’よりも小さい。

特開２０１４−７９２８号公報

特許文献１によれば、図６に示す構造には永久磁石の耐減磁性を向上させる効果がある。しかし、耐減磁性は向上するものの、トルクが減少するという課題がある。

本開示の目的は、永久磁石の耐減磁性に優れ、かつ高トルクな永久磁石埋込同期機（ＩＰＭＳＭ：Interior Permanent Magnet Synchronous Machine）を提供することにある。

すなわち、本開示は、
シャフトと、
前記シャフトに支持された回転子と、
を備え、
前記回転子は、コア及び前記コアに埋め込まれた複数の板状の永久磁石を含み、
前記コアには、前記回転子の周方向に沿って複数の磁石埋設孔が形成されており、それら複数の磁石埋設孔のそれぞれに前記永久磁石が配置されており、
前記シャフトの回転軸に垂直な断面において、前記複数の永久磁石から選ばれた任意の永久磁石が形成するｄ軸に平行な方向に関して、前記回転子の外周面から前記任意の永久磁石までの距離が前記任意の永久磁石の厚さの６０％以上１１０％以下の範囲にある、永久磁石埋込同期機を提供する。

本開示の技術によれば、永久磁石の耐減磁性に優れ、高トルクな永久磁石埋込同期機を提供できる。

図１は、本開示の実施形態１にかかる永久磁石埋込同期機の断面図である。 図２Ａは、図１に示す永久磁石埋込同期機の回転子の部分拡大断面図である。 図２Ｂは、図２Ａの部分拡大図である。 図３は、シミュレーションによる定格電流と減磁率との関係を示すグラフである。 図４Ａは、本開示の実施形態２にかかる永久磁石埋込同期機の回転子の部分拡大断面図である。 図４Ｂは、図４Ａの部分拡大図である。 図５は、シミュレーションによる定格電流と減磁率との関係を示すグラフである。 図６は、従来の埋込磁石型モータの部分断面図である。

（本開示の基礎となった知見）
図６に示す従来の埋込磁石型モータによれば、回転子の周方向における非磁性体１０３（空隙）の最小幅ｃは、永久磁石の最小幅ａ’よりも小さい。このような構造によれば、永久磁石の端を通る減磁磁束が低減される。しかし、非磁性体（空隙）の先端を細くすると、隣接する磁極へ磁束が漏れやすくなる。その結果、減磁に対する耐力は向上するが、磁束が漏れやすいことでトルクが減少する。

本開示の第１態様は、
シャフトと、
前記シャフトに支持された回転子と、
を備え、
前記回転子は、コア及び前記コアに埋め込まれた複数の板状の永久磁石を含み、
前記コアには、前記回転子の周方向に沿って複数の磁石埋設孔が形成されており、それら複数の磁石埋設孔のそれぞれに前記永久磁石が配置されており、
前記シャフトの回転軸に垂直な断面において、前記複数の永久磁石から選ばれた任意の永久磁石が形成するｄ軸に平行な方向に関して、前記回転子の外周面から前記任意の永久磁石までの距離が前記任意の永久磁石の厚さの６０％以上１１０％以下の範囲にある、永久磁石埋込同期機を提供する。

第１態様によれば、永久磁石の耐減磁性に優れ、高トルクな永久磁石埋込同期機を提供できる。つまり、永久磁石の耐減磁性と同期機のトルクとの両立を図ることができる。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかる永久磁石埋込同期機の前記距離が前記任意の永久磁石の前記厚さの８０％以上１１０％以下の範囲にある。第２態様によれば、第１態様の効果をより確実に得ることができる。

本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様にかかる永久磁石埋込同期機の前記複数の永久磁石は、それぞれ、直方体の形状を有する板状の永久磁石であり、前記回転子の周方向において互いに隣り合う１対の前記永久磁石がＶ字状に配置されており、それらの１対の前記永久磁石によって１つの極が形成されている。このような配置によれば、回転子の外周面と永久磁石との間におけるコアの一部である磁極部の断面積を広く確保することができる。

本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つにかかる永久磁石埋込同期機の前記回転子は、空間又は非磁性材料で形成されたフラックスバリアをさらに有し、前記フラックスバリアは、前記任意の永久磁石に隣接する領域であって、前記任意の永久磁石が形成する前記ｄ軸又は前記任意の永久磁石が形成するｑ軸に隣接する領域に設けられている。フラックスバリアは、回転子の内部での磁束の回り込みを防ぎ、エアギャップを介して固定子と鎖交する磁束を増やす役割を果たす。

本開示の第５態様において、例えば、第４態様にかかる永久磁石埋込同期機の前記複数の永久磁石は、それぞれ、直方体の形状を有する板状の永久磁石であり、前記永久磁石の磁化方向は、前記永久磁石の厚さ方向に平行であり、前記シャフトに垂直な前記断面に現れる前記永久磁石の４つの面のうち、前記厚さ方向において互いに向かい合う面を主面と定義し、前記主面以外の２つの面を側面と定義し、前記回転子の前記外周面に対して近い側に位置する前記主面を含む仮想的な平面を第１基準平面と定義したとき、前記フラックスバリアは、前記永久磁石の前記側面に隣接する領域に設けられているとともに、前記第１基準平面を越えて前記永久磁石がある側とは反対側に向かって突出している突出部分を含む。このような突出部分が設けられていると、隣接する磁極からの磁束の流れ込みを効果的に防ぐことができるので、耐減磁性の向上に有利である。

本開示の第６態様において、例えば、第５態様にかかる永久磁石埋込同期機の前記永久磁石の前記側面を含む仮想的な平面を第２基準平面と定義したとき、前記フラックスバリアの前記突出部分は、前記第２基準平面から見て前記永久磁石が存在する領域とは反対側の領域にのみ形成されている。このような構造によれば、永久磁石から回転子の外周面に向かう磁束がフラックスバリアの突出部分によって遮蔽されにくい。このことは、同期機のトルクの低下を防ぐ観点で有利である。

本開示の第７態様において、
シャフトと、
前記シャフトに支持された回転子と、
を備え、
前記回転子は、コア、前記コアに埋め込まれた複数の板状の永久磁石、及び、空間又は非磁性材料で形成されたフラックスバリアを含み、
前記コアには、前記回転子の周方向に沿って複数の磁石埋設孔が形成されており、それら複数の磁石埋設孔のそれぞれに前記永久磁石が配置されており、
前記複数の永久磁石は、それぞれ、直方体の形状を有する板状の永久磁石であり、
前記永久磁石の磁化方向は、前記永久磁石の厚さ方向に平行であり、
前記シャフトの回転軸に垂直な前記断面に現れる前記永久磁石の４つの面のうち、前記厚さ方向において互いに向かい合う面を主面と定義し、前記主面以外の２つの面を側面と定義し、前記回転子の前記外周面に対して近い側に位置する前記主面を含む仮想的な平面を第１基準平面と定義したとき、
前記フラックスバリアは、前記永久磁石の前記側面に隣接する領域に設けられているとともに、前記第１基準平面を越えて前記永久磁石がある側とは反対側に向かって突出している突出部分を含む、永久磁石埋込同期機を提供する。

第７態様によっても、フラックスバリアの働きにより、永久磁石の耐減磁性と同期機のトルクとの両立を図ることができる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。本明細書において、「断面」は、シャフト及び回転子の回転軸Ｏに垂直な断面を意味する。「永久磁石埋込同期機」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た電気機械の総称である。本明細書において、「同期機」の用語は、電動機、発電機、及び、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。したがって、「永久磁石埋込同期機」の用語は、「電動機」及び「発電機」の一方に限定されない。

（実施形態１）
図１に示すように、永久磁石埋込同期機１００（以下、単に「同期機１００」ともいう）は、固定子２、シャフト３及び回転子４を備えている。固定子２は、環状のヨーク１０及び複数のティース１１を備えている。各ティース１１には、巻線（図示省略）が巻き付けられている。回転子４は、コア７及び複数の永久磁石５を備えている。回転子４は、円筒状のエアギャップ９を介して固定子２と対向している。言い換えれば、回転子４は、固定子２によって包囲されている。回転子４は、シャフト３によって回転可能に支持されている。本実施形態において、同期機１００は、６極９ティースのインナーロータ型である。ただし、極数及びティース数は特に限定されない。巻線方式も特に限定されず、各ティース１１に巻線を巻き付けてもよく（集中巻）、複数のティース１１を跨いで巻線を巻き付けてもよい（分布巻）。

回転子４において、コア７は、典型的には、複数の円形状の電磁鋼板を積み重ねることによって形成されている。したがって、コア７は円柱の形状を有する。コア７に複数の永久磁石５が埋め込まれている。詳細には、コア７には、回転子４の周方向（シャフト３の周方向）に沿って複数の磁石埋設孔６が形成されている。磁石埋設孔６は、シャフト３及び回転子４の回転軸Ｏに平行な方向に延びている。それら複数の磁石埋設孔６のそれぞれに永久磁石５が配置されている。永久磁石５は、フェライト磁石、アルニコ磁石、コバルト磁石又はネオジム磁石であり、典型的には、ネオジム磁石である。永久磁石５は、平面視で矩形かつ板状の形状を有する。言い換えれば、永久磁石５は、直方体の形状を有する板状の永久磁石である。永久磁石５の互いに向かい合う面は平行である。永久磁石５の厚さ方向において互いに向かい合う面がそれぞれ最も広い面であり、永久磁石５の主面である。永久磁石５の角部は、例えば、０．２Ｒ〜０．５Ｒ（単位：ｍｍ）の範囲にて面取りされていてもよい。

本実施形態において、永久磁石５の磁化方向は、厚さ方向に平行である。言い換えれば、永久磁石５によって形成されるｄ軸方向（磁束の方向）が厚さ方向に平行である。永久磁石５による磁極の中心軸をｄ軸と定義している。本実施形態において、回転子４の周方向において互いに隣り合う１対の永久磁石５のＮ極（及びＳ極）の向きは互いに反対向きである。一方の永久磁石５のＮ極が回転軸Ｏから遠くＳ極が回転軸Ｏに近い。他方の永久磁石５のＮ極が回転軸Ｏに近くＳ極が回転軸Ｏから遠い。ｄ軸と電気的及び磁気的に直交する軸がｑ軸であるから、隣り合う１対の永久磁石５の間を通り、回転軸Ｏから径方向の外側に向かう方向がｑ軸方向である。図２Ａに示す断面において、回転子４の外周面４ａとｑ軸との交点を磁極境界位置Ｋと定義したとき、永久磁石５の主面は、回転子４の周方向において互いに隣り合う２つの磁極境界位置Ｋを通る仮想的な直線の近傍に位置している。詳細には、永久磁石５の主面は、この仮想的な直線に平行である。

図２Ａに示すように、回転軸Ｏに垂直な断面において、複数の永久磁石５から選ばれた任意の永久磁石５に着目する。本実施形態において、この任意の永久磁石５が形成するｄ軸に平行な方向に関して、回転子４の外周面４ａからこの任意の永久磁石５までの距離Ｄ（最短距離）は、この任意の永久磁石５の厚さｔの６０％以上１１０％以下の範囲にある。距離Ｄは、任意の永久磁石５の厚さｔの８０％以上１１０％以下の範囲にあってもよい。

一般に、永久磁石埋込同期機において、永久磁石の位置をシャフトに近づければ近づけるほど、永久磁石の耐減磁性は向上する一方、同期機のトルク（単位電流あたりのトルク）は低下する。詳細には、回転子の外周面と永久磁石との間におけるコアの一部である磁極部（図２Ａに示す磁極部８）の断面積が大きければ大きいほど、過大な逆磁界が回転子に作用した際に、永久磁石に作用する逆磁界を低減し、ある磁極部から隣の磁極部へと逆磁界磁束を漏らすことができる。つまり、磁極部の断面積が大きければ大きいほど、耐減磁性を向上させることができる。しかし、回転子の外周面から永久磁石までの距離が大きければ大きいほど、磁極部における磁気抵抗が増加する。また、磁極部に作用する遠心力が増加するので、隣り合う磁極部を連結する部分を太くする必要が生じる。その結果、漏れ磁束が増加し、固定子へと流れる有効磁束が減少し、ひいてはトルクが低下する。

本実施形態によれば、上記の範囲を満たす位置に永久磁石５が配置されているので、耐減磁性の向上の効果を高めつつ、トルクの低下を抑えることができる。つまり、本実施形態によれば、永久磁石５の耐減磁性と同期機１００のトルクとの両立を図ることができる。

なお、永久磁石５の角部が面取りされていることを考慮に入れると、図２Ａの断面において、永久磁石５を取り囲む最小の矩形領域を磁石埋設領域と定義することができる。回転子４の外周面４ａからこの磁石埋設領域までのｄ軸に平行な方向に関する距離を回転子４の外周面４ａから任意の永久磁石５までのｄ軸に平行な方向に関する距離Ｄとみなすことができる。

回転子４は、さらに、フラックスバリア１３（磁束障壁）を有する。フラックスバリア１３は、磁束を通さない部分であり、回転子４の内部での磁束の回り込みを防ぎ、エアギャップ９を介して固定子２と鎖交する磁束を増やす役割を果たす。本実施形態において、フラックスバリア１３は空間によって形成されている。つまり、磁石埋設孔６とフラックスバリア１３とが連続した１つの孔によって形成されている。より詳細には、磁石埋設孔６と２つのフラックスバリア１３とが連続した１つの孔によって形成されている。ただし、フラックスバリア１３が樹脂、セラミック、非磁性金属などの非磁性材料によって形成されていてもよい。本実施形態において、フラックスバリア１３は、任意の永久磁石５に隣接する領域であって、任意の永久磁石５が形成するｑ軸に隣接する領域に設けられている。

図２Ｂに示すように、回転軸Ｏに垂直な断面に現れる永久磁石５の４つの面のうち、厚さ方向において互いに向かい合う面を主面５ｆと定義し、主面５ｆ以外の２つの面を側面５ｇと定義する。回転子４の外周面４ａに対して近い側に位置する主面５ｆを含む仮想的な平面を第１基準平面Ｐ１と定義する。側面５ｇを含む仮想的な平面を第２基準平面Ｐ２と定義する。フラックスバリア１３は、永久磁石５の側面５ｇに隣接する領域に設けられている。言い換えれば、永久磁石５の側面５ｇがフラックスバリア１３に面している。さらに、フラックスバリア１３は、第１基準平面Ｐ１を越えて永久磁石５がある側とは反対側に向かって突出している突出部分１３ａを含む。このような突出部分１３ａが設けられていると、隣接する磁極からの磁束の流れ込みを効果的に防ぐことができるので、耐減磁性の向上に有利である。

また、フラックスバリア１３の突出部分１３ａは、第２基準平面Ｐ２から見て永久磁石５が存在する領域とは反対側の領域にのみ形成されている。また、図２Ｂの断面において、突出部分１３ａの１つの辺は、第２基準平面Ｐ２に重なっている。このような構造によれば、永久磁石５から回転子４の外周面４ａに向かう磁束がフラックスバリア１３の突出部分１３ａによって遮蔽されにくい。このことは、同期機１００のトルクの低下を防ぐ観点で有利である。

図２Ｂに示すように、回転子４のコア７は、フラックスバリア１３と回転子４の外周面４ａとの間にある連結部１７（「第１連結部１７」と称する）を有する。周方向において互いに隣り合う１対の第１連結部１７によって、磁極部８と磁極部８とが連結されている。回転子４の半径方向に関する第１連結部１７の幅は十分に狭い。回転子４のコア７は、さらに、周方向において互いに隣り合う１対のフラックスバリア１３を隔てており、かつ、１対の第１連結部１７とコア７の内側部分とを連結している連結部１９（「第２連結部１９」と称する）を有する。１対の第１連結部１７と第２連結部１９とによってＴ字状の部分がコア４に形成されている。

一般に、回転子のＮ極に対し、Ｎ極となる固定子の巻線への通電による磁界が作用し、回転子のＳ極に対し、Ｓ極となる固定子の巻線への通電による磁界が作用するとき、回転子の永久磁石に減磁界が作用する。固定子の巻線への通電により、Ｎ極となる固定子のティースから、対向する回転子を介して、Ｓ極となる固定子のティースに大きな磁束が流れる。そして、回転子において、Ｎ極とＳ極との境界（磁極と磁極との境界）の近傍で過大な逆磁界が作用し、永久磁石の端部で局所的な減磁が発生しやすい。

本実施形態によれば、フラックスバリア１３、第１連結部１７及び第２連結部１９の働きにより、永久磁石５に過大な逆磁界が作用しても、永久磁石５の外側に位置する磁極部８から隣接する他の磁極部８に過大な逆磁界磁束を漏らすことができる。これにより、永久磁石５に作用する逆磁界を低減することができる。また、フラックスバリア１３は、永久磁石５の両端部から回転子４の外周面４ａに向かってｄ軸方向（磁極方向）と平行に突出している。このような構造によれば、フラックスバリア１３によって永久磁石５の磁束が遮蔽されにくく、永久磁石５の磁束を固定子２に向けてスムーズに流すことができる。したがって、本実施形態によれば、耐減磁性を高トルクとを両立した高性能な永久磁石埋込同期機１００を提供することができる。

次に、図１及び図２Ａに示す構造を有する永久磁石埋込同期機（電動機）において、距離Ｄを変化させ、コアにおける永久磁石の配置がトルクと耐減磁性に与える影響をコンピュータシミュレーションによって調べた。

具体的には、図２Ａを参照して説明した距離Ｄが互いに異なる複数の永久磁石埋込同期機についてシミュレーションを行った。回転子における距離ＤをＤ１〜Ｄ８（Ｄ１＜…＜Ｄ８）に設定した。詳細には、距離Ｄ１〜Ｄ８は、それぞれ、永久磁石の厚さの２６％、５３％、８０％、９１％、１０７％、１３４％及び１６１％であった。磁石の種類はネオジム磁石であった。回転子の直径Φは５４ｍｍであった。

シミュレーションにおいては、定格トルクが得られる電流を同期機に流し、そのときの電流値を「定格電流」として記録した。また、定格電流に対して、一定の安全性を考慮した減磁電流を同期機に印加し、永久磁石の減磁率を調べた。詳細には、電磁界解析によって減磁率を評価した。永久磁石のデータを用いて非線形のＢ−Ｈカーブを定義した。動作点がＢ−Ｈカーブ上を動き、解析中に動作点がクニック点を超えると減磁状態が発生するようにして解析を行った。減磁率の計算式を以下に示す。
減磁率（％）＝１００×（１−Ｂ２／Ｂ１）
Ｂ１：初期の残留磁束密度
Ｂ２：逆磁界を作用させたときの残留磁束密度

図３は、シミュレーションによる定格電流と減磁率との関係を示すグラフである。図３において、減磁率は規格化してある。図３に示すように、回転子の外周面からの永久磁石の埋設深さが増加するにつれて減磁率が低減した。つまり、耐減磁性が向上した。距離ＤがＤ３（永久磁石の厚さの８０％）以上であるとき、減磁率が十分に低かった。ただし、減磁率を抑制する効果は飽和した。一方、永久磁石の埋設深さが増加するにつれて、定格トルクが得られる定格電流は徐々に増加した。同一の定格トルクが得られるのであれば、定格電流が小さければ小さいほど、電流の２乗と巻線抵抗との積であるジュール損（銅損）が小さいので、同期機は高効率である。したがって、図３のグラフにおいて曲率が最大となる位置の近傍の領域が、耐減磁性と高効率化とを両立するのに適している。図３においては、定格電流があらかじめ設定された規格値Ｘ以下で、且つ減磁率があらかじめ設定された規格値Ｙ以下である領域が望ましい領域であるとして規定した。この領域において、効率を重視する場合には、Ｄ＝Ｄ３である回転子が望ましい。耐減磁性を重視する場合には、Ｄ＝Ｄ４又はＤ＝Ｄ５である回転子が望ましい。つまり、図２Ａを参照して説明した距離Ｄが永久磁石の厚さｔの８０％以上となるように永久磁石がコアに配置されていることが望ましく、距離Ｄが永久磁石の厚さｔの８０％以上１１０％以下の範囲に収まるように永久磁石がコアに配置されていることがより望ましい。なお、規格値Ｘ及びＹは、同期機に求められる特性に応じて適切に設定される。

（実施形態２）
図４Ａ及び図４Ｂに示すように、実施形態２と実施形態１との相違点は、回転子における永久磁石５の配置にある。具体的には、本実施形態の回転子４０においては、複数の永久磁石５（例えば、２つの永久磁石５）によって１つの極が形成されているのに対し、実施形態１の回転子４においては、１つの永久磁石５によって１つの極が形成されている。本実施形態の永久磁石埋込同期機のその他の構成は、実施形態１の同期機１００の構成と共通である。以下において、実施形態１と実施形態２との間で共通する構成の説明は省略することがある。

本実施形態において、複数の永久磁石５は、それぞれ、直方体の形状を有する板状の永久磁石である。回転子４０の周方向において互いに隣り合う１対の永久磁石５がＶ字状に配置されている。永久磁石５の磁化方向は、永久磁石５の厚さ方向に一致している。Ｖ字状に配置された１対の永久磁石５は、ともに、磁極部１８に面する側にＮ極又はＳ極を有し、回転軸Ｏに近い側に反対の極（Ｓ極又はＮ極）を有する。したがって、２つの永久磁石５によって１つの極が形成され、回転子４０の周方向において互いに隣り合う１対の永久磁石５によってｄ軸方向が規定されている。磁極部１８は、先に説明したように、回転子４０の外周面４ａと永久磁石５との間におけるコア７の一部である。

上記の配置によれば、磁極部１８の断面積を広く確保することができる。より多くの磁束を磁極部１８に流すことができるとともに、磁気飽和も緩和される。このことは、トルクの向上に寄与する。また、磁極部１８が広いので、永久磁石５に過大な逆磁界が作用したとき、永久磁石５に作用する逆磁界磁束の多くを隣接する磁極部１８に流すことができる。このことは、耐減磁性の向上にとって有利である。

一方、実施形態１における磁極部８と比較して、本実施形態における磁極部１８は、大きい断面積を有するので、磁極部１８に作用する遠心力も大きい。したがって、本実施形態における連結部２７の幅（太さ）は、より大きい遠心力に耐えるために、実施形態１における連結部１７の幅を上回っている。連結部２７は、フラックスバリア１３と回転子４０の外周面４ａとの間にある部分である。一方、連結部２７の幅が広ければ広いほど、ある磁極部１８から隣の磁極部１８に漏れる磁束が増加する。したがって、永久磁石５に過大な逆磁界が作用したとき、永久磁石５が受ける逆磁界は、連結部２７の幅の増加分に対応して減少する。これらのことを考慮すると、実施形態２の構造は、実施形態１と比較して、より優れた耐減磁性を有する。回転子４０の外周面４ａから永久磁石５までの距離が短かったとしても、本実施形態における永久磁石５の配置によれば、実施形態１と同等の効果が得られる。

本実施形態では、磁石埋設孔６ｈに２つの永久磁石５が配置されている。ただし、実施形態１のように、１つの磁石埋設孔に永久磁石５が１つのみ配置されていてもよい。つまり、磁石埋設孔６ｈが複数の部分（例えば２つ）に分かれていてもよい。

本実施形態においても、フラックスバリア１３は、任意の永久磁石５が形成するｑ軸にに隣接する領域に設けられている。しかし、上記したように、磁石埋設孔６ｈが２つに分かれている場合、任意の永久磁石５が形成するｄ軸に隣接する領域及び任意の永久磁石５が形成するｑ軸に隣接する領域の両方にフラックスバリア１３が形成されうる。さらには、フラックスバリア１３は、任意の永久磁石５が形成するｄ軸に隣接する領域に形成されていてもよい。

本実施形態においても、回転子４０の外周面４ａから任意の永久磁石５までの距離Ｄは、任意の永久磁石５の厚さの６０％以上１１０％以下の範囲にある。距離Ｄの定義は、実施形態１で説明した通りである。

別の側面において、距離Ｄを次のように定義することもできる。この定義は、実施形態１にも適用されうる。まず、回転子４０の周方向において互いに隣り合う１対の永久磁石５であって、互いに異なる極を形成している１対の永久磁石５をそれぞれ第１磁石５ａ及び第２磁石５ｂと定義する（図４Ａ参照）。図４Ａの断面において、第１磁石５ａと第２磁石５ｂとの中間を通り、かつ、回転軸Ｏと交差する直線を第１直線Ｌ１と定義する。さらに、第１直線Ｌ１と回転子４０の外周面４ａとの交点を磁極境界位置Ｋと定義する。回転子４０の周方向において互いに隣り合う２つの磁極境界位置Ｋを通る仮想的な直線を第２直線Ｌ２と定義する。この第２直線Ｌ２に垂直な方向に関し、回転子４０の外周面４ａから任意の永久磁石５（又は磁石埋設領域）までの距離（最短距離）が距離Ｄである。

次に、図４Ａ及び図４Ｂに示す構造を有する永久磁石埋込同期機（電動機）において、距離Ｄを変化させ、コアにおける永久磁石の配置がトルクと耐減磁性に与える影響をコンピュータシミュレーションによって調べた。

具体的には、図４Ａに示す距離Ｄが互いに異なる複数の永久磁石埋込同期機についてシミュレーションを行った。回転子における距離Ｄをｄ１〜ｄ６（ｄ１＜…＜ｄ６）に設定した。詳細には、距離ｄ１〜ｄ６は、それぞれ、永久磁石の厚さの３０％、４０％、６０％、８４％、１１１％、及び１３８％であった。磁石の種類はネオジム磁石であった。回転子の直径Φは５４ｍｍであった。これらの回転子を用いて図４Ａに示す構造を有する永久磁石埋込同期機を作製し、実施形態１と同じ方法で減磁率を調べた。結果を図５に示す。図３と同様に減磁率は規格化してある。

図５に示すように、実施形態２の構造において回転子の外周面からの永久磁石の埋設深さを変化させたとき、定格電流と減磁率との関係は、実施形態１と同じ傾向を示した。同一の定格トルクが得られるのであれば、定格電流が小さければ小さいほど、電流の２乗と巻線抵抗との積であるジュール損（銅損）が小さいので、同期機は高効率である。したがって、図５のグラフにおいて曲率が最大となる位置の近傍の領域が、耐減磁性と高効率化とを両立するのに適している。図５においては、定格電流があらかじめ設定された規格値Ｘ以下で、且つ減磁率があらかじめ設定された規格値Ｙ以下である領域が望ましい領域であるとして規定した。この領域において、効率を重視する場合には、Ｄ＝ｄ３である回転子が望ましい。耐減磁性を重視する場合には、Ｄ＝ｄ４である回転子が望ましい。つまり、図４Ａを参照して説明した距離Ｄが永久磁石の厚さｔの６０％以上となるように永久磁石がコアに配置されていることが望ましく、距離Ｄが永久磁石の厚さｔの６０％以上１１０％以下の範囲に収まるように、永久磁石がコアに配置されていることがより望ましい。なお、規格値Ｘ及びＹは、同期機に求められる特性に応じて適切に設定される。

なお、Ｖ字状の配置に近い形状となるように、円弧状かつ板状の永久磁石を用いて磁極を構成してもよい。

本開示にかかる永久磁石埋込同期機は、耐減磁性に優れているとともに、高いトルクを発生しうる。本開示にかかる永久磁石埋込同期機は、電動機、発電機などの電気機械に有用である。

２ 固定子
３ シャフト
４，４０ 回転子
４ａ 回転子の外周面
５ 永久磁石
５ｆ 永久磁石の主面
５ｇ 永久磁石の側面
６，６ｈ 磁石埋設孔
７ コア
８，１８ 磁極部
１０ ヨーク
１１ ティース
１３ フラックスバリア
１３ａ 突出部分
１７，１９ 連結部
１００ 永久磁石埋込同期機
Ｐ１ 第１基準平面
Ｐ２ 第２基準平面

Claims (6)

1. シャフトと、
   前記シャフトに支持された回転子と、
   を備え、
   前記回転子は、コア及び前記コアに埋め込まれた複数の板状の永久磁石を含み、
   前記コアには、前記回転子の周方向に沿って複数の磁石埋設孔が形成されており、それら複数の磁石埋設孔のそれぞれに前記永久磁石が配置されており、
   前記シャフトの回転軸に垂直な断面において、前記複数の永久磁石から選ばれた任意の永久磁石が形成するｄ軸に平行な方向に関して、前記回転子の外周面から前記任意の永久磁石までの距離が前記任意の永久磁石の厚さの６０％以上１１０％以下の範囲にある、永久磁石埋込同期機。
2. 前記距離が前記任意の永久磁石の前記厚さの８０％以上１１０％以下の範囲にある、請求項１に記載の永久磁石埋込同期機。
3. 前記複数の永久磁石は、それぞれ、直方体の形状を有する板状の永久磁石であり、
   前記回転子の周方向において互いに隣り合う１対の前記永久磁石がＶ字状に配置されており、それらの１対の前記永久磁石によって１つの極が形成されている、請求項１又は２に記載の永久磁石埋込同期機。
4. 前記回転子は、空間又は非磁性材料で形成されたフラックスバリアをさらに有し、
   前記フラックスバリアは、前記任意の永久磁石に隣接する領域であって、前記任意の永久磁石が形成する前記ｄ軸又は前記任意の永久磁石が形成するｑ軸に隣接する領域に設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石埋込同期機。
5. 前記複数の永久磁石は、それぞれ、直方体の形状を有する板状の永久磁石であり、
   前記永久磁石の磁化方向は、前記永久磁石の厚さ方向に平行であり、
   前記回転軸に垂直な前記断面に現れる前記永久磁石の４つの面のうち、前記厚さ方向において互いに向かい合う面を主面と定義し、前記主面以外の２つの面を側面と定義し、前記回転子の前記外周面に対して近い側に位置する前記主面を含む仮想的な平面を第１基準平面と定義したとき、
   前記フラックスバリアは、前記永久磁石の前記側面に隣接する領域に設けられているとともに、前記第１基準平面を越えて前記永久磁石がある側とは反対側に向かって突出している突出部分を含む、請求項４に記載の永久磁石埋込同期機。
6. 前記永久磁石の前記側面を含む仮想的な平面を第２基準平面と定義したとき、
   前記フラックスバリアの前記突出部分は、前記第２基準平面から見て前記永久磁石が存在する領域とは反対側の領域にのみ形成されている、請求項５に記載の永久磁石埋込同期機。

Images