JP2017229192A - 回転電機および回転電機の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】幅広い回転領域でトルクを最大限に発揮できる回転電機および回転電機の製造方法を提供する。【解決手段】界磁子鉄心３１内の永久磁石３２は、保磁力の高い高保磁力部３２Ｈと、高保磁力部より保磁力の低い低保磁力部３２Ｌとを有し、低保磁力部３２Ｌと高保磁力部３２Ｈとの境界３２Ｂの始点は、コイルに印加する電流の電流位相角をβとしたとき、（マグネットトルクとリラクタンストルクが最大となる電流位相角）＜β＜９０°の範囲にあるｄ軸を漸近線とする双曲線Ｓｄ１と、磁石挿入孔３１ｈの長手方向内周側の縁との交点Ｐ１であり、境界の終点は、磁石挿入孔３１ｈの長手方向外周側の縁と双曲線Ｓｄ１との交点Ｐ２から、磁石挿入孔３１ｈの縁と始点（Ｐ１）における双曲線Ｓｄ１の接線Ｓ１との交点Ｐ３までの範囲内にある。【選択図】図２

Description

本発明は、性質の異なる二種類の磁性材料からなる永久磁石を用いた回転電機および回転電機の製造方法に関するものである。

近年、電動機や発電機として使用される回転電機において、幅広い運転領域が必要とされている。運転領域を広げるための１つの方法として、弱め磁束制御を行い、等価的にｄ軸方向の磁束を減少させる方法がある。しかし、この方法では、意図していない磁石が減磁されることになり、回転電機のトルクが低下するといった課題があった。そこで、磁化方向を反転させるためのコイルを設けて減磁中の逆界磁電流の使用を抑える技術が提案されていた（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−３３６９８０号公報

特許文献１に記載の界磁は、埋め込まれている永久磁石が周方向と径方向で分離、独立しており、その独立した磁石間には鉄心が介在している。そのことにより、磁石から発生する磁束が、磁石端部から漏れる可能性があり、回転電機のトルクを最大限に発揮できない可能性があるという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、幅広い回転領域でトルクを最大限に発揮できる回転電機および回転電機の製造方法を提供することを目的とする。

この発明に係る回転電機は、
電機子鉄心の磁極ティース部に電機子巻線を巻装して構成された電機子と、
前記電機子の内周面に外周面を対向して回転する界磁とからなる回転電機において、
前記界磁は、円筒状の界磁鉄心と、前記界磁鉄心の軸心位置に挿通して固定されたシャフトとを備え、
前記界磁鉄心内には、複数の永久磁石が磁石挿入孔に埋設され、
前記永久磁石は、保磁力の高い高保磁力部と、前記高保磁力部より保磁力の低い低保磁力部とを有し、
前記低保磁力部と前記高保磁力部との境界の始点は、
コイルに印加する電流の電流位相角をβとしたとき、（マグネットトルクとリラクタンストルクが最大となる電流位相角）＜β＜９０°の範囲にあるｄ軸を漸近線とする双曲線と、前記磁石挿入孔の長手方向内周側の縁との交点であり、
前記境界の終点は、前記磁石挿入孔の長手方向外周側の縁と前記双曲線との交点から、前記磁石挿入孔の縁と前記始点における前記双曲線の接線との交点までの範囲内にあるものである。

また、この発明に係る回転電機の製造方法は、
ベース金型の周方向中央部に前記永久磁石の前記高保磁力部となる、成形、着磁済みの高保磁力磁石を挿入する高保磁力磁石挿入工程と、
前記磁石挿入孔内の前記高保磁力磁石の周方向両側の空間に、未着磁の磁性粉末を充填する磁性粉末充填工程と、
前記界磁鉄心内の前記磁性粉末の温度を上昇させる昇温工程と、
外部から前記界磁鉄心に磁界を印加して前記磁性粉末の磁化方向を揃える磁界容易軸調製工程と、
前記磁性粉末を前記磁石挿入孔内で軸方向に圧縮する加圧工程と、
圧縮した前記磁性粉末を硬化させる硬化工程と、
前記低保磁力部となる、硬化させた前記磁性粉末を、前記磁石挿入孔に内包したまま着磁する着磁工程とを有するものである。

また、この発明に係る回転電機の製造方法は、
ベース金型の周方向中央部に、未着磁の高保磁力磁性粉末を充填する高保磁力磁性粉末充填工程と、前記高保磁力磁性粉末を径方向と軸方向に圧縮し硬化させる第一加圧、仮硬化工程と、
仮硬化させた前記高保磁力磁性粉末の周方向両側の空間に、未着磁の低保磁力磁性粉末を充填する低保磁力磁性粉末充填工程と、前記低保磁力磁性粉末を径方向と軸方向に圧縮し硬化させる第二加圧、仮硬化工程と、
前記高保磁力磁性粉末及び低保磁力磁性粉末の磁化方向を揃えた上でこれに着磁する着磁工程とを有するものである。

本発明に係る回転電機および回転電機の製造方法によれば、保磁力の異なる高保磁力部と低保磁力部間を隙間なく密着させて一つの永久磁石を構成することにより、高保磁力部と低保磁力部との間に鉄心が介在せず、漏れ磁束が発生しない。これにより、回転電機のトルクを最大限に発揮できる。
また、低保磁力部を、界磁鉄心内において減磁しやすい外周側に設けたので、小さな磁化電流で当該部分を減磁できる。

この発明の実施の形態１に係る回転電機の斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の上面図である。 この発明の実施の形態１に係る界磁の軸方向に垂直な断面図である。 図３の界磁の１／８モデルの拡大図である。 この発明の実施の形態１に係る界磁の極中心線をｄ軸としたときのｄ軸を漸近線とする双曲線群と、ｄ軸から電気角で９０°の位置をｑ軸としたときのｑ軸を漸近線とする双曲線群を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る永久磁石の斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る永久磁石の上面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転数に対するトルクの関係を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る永久磁石の高保磁力部となる部分を製造中のベース金型と高保磁力部用の蓋とを示す断面斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る永久磁石の低保磁力部となる部分を製造中のベース金型と低保磁力部用の蓋とを示す断面斜視図である。 図４の界磁をＸ−Ｘ線で、軸方向に切断した断面図である。 界磁鉄心の中で永久磁石を一体成形する永久磁石製造装置の構成を示す図である。 界磁鉄心の中で、永久磁石の高保磁力部となる高保磁力磁石と、低保磁力部とを一体成形して、永久磁石を製造する製造工程を示すフロー図である。 この発明の実施の形態２に係る二層目永久磁石の上面図である。 この発明の実施の形態２に係る二層目永久磁石の高保磁力部となる部分を製造中のベース金型と高保磁力部用の蓋とを示す断面斜視図である。 この発明の実施の形態２に係る、二層目永久磁石の内側低保磁力部、外側低保磁力部となる部分を製造中のベース金型と低保磁力部用の蓋とを示す断面斜視図である。 この発明の実施の形態２に係る界磁の軸方向に垂直な断面図である。 図１７の界磁の１／８モデルの拡大図である。 図１８の要部拡大図である。 図１８の界磁をＸ２−Ｘ２線で、軸方向に切断した断面図である。 界磁鉄心の中で永久磁石を一体成形する永久磁石製造装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３に係るベース金型と、高保磁力部用の蓋、低保磁力部用の蓋、仕切板を示す断面斜視図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る回転電機および回転電機の製造方法を、図を用いて説明する。なお、本明細書中において、特に断り無く「軸方向」、「周方向」、「径方向」、「内周側」、「外周側」、「内周面」、「外周面」、というときは、それぞれ、界磁の「軸方向」、「周方向」、「径方向」、「内周側」、「外周側」、「内周面」、「外周面」をいうものとする。また、この明細書で、特に断り無く「上」、「下」と言うときは、基準となる場所において、軸方向に垂直な面を想定し、その面を境界として界磁の中心点が含まれる側を「下」、その反対を「上」とする。

図１は、回転電機１００の斜視図である。
図２は、回転電機１００の上面図である。
回転電機１００は、電機子２０と、電機子２０の内周面に外周面を対向して回転する界磁３０とからなる。電機子２０は、分割鉄心２１ｂを複数個、円環状に組み合わせた電機子鉄心２１の磁極ティース部に電機子巻線２５を巻装して構成されている。分割鉄心２１ｂは、軸方向に電磁鋼板を積層して形成されている。電機子巻線２５は、分布巻き、集中巻きのどちらでも良い。なお、分割鉄心２１ｂの積層を構成する板材は電磁鋼板に限らない。電機子２０と界磁３０との間には、エアギャップ６０を有する。このエアギャップ６０は、径方向に０．１〜２．５ｍｍである。本実施の形態では、８極４８スロットの永久磁石型の回転電機１００について説明するが、回転電機の極数およびスロット数は適宜増減可能である。

次に、電機子２０の組立て工法について説明する。
電機子２０は、図示しない絶縁紙を取り付け籠状に組み立てられた電機子巻線２５に電機子鉄心２１を挿入して製造する。電機子鉄心２１は、主な材料である電磁鋼板を打ち抜いて形成するが、電機子鉄心２１の形成方法は、電磁鋼板の打ち抜きに限らない。電機子巻線２５の組み立て方法もこの方法に限らなくてもよい。

次に、図３、図４を用いて界磁３０の詳細について説明する。
図３は、界磁３０の軸方向に垂直な断面図である。
界磁３０は、永久磁石３２を周方向に等間隔に埋設した永久磁石型界磁である。界磁３０は、円筒状の界磁鉄心３１と、界磁鉄心３１の軸心位置に挿通して固定されたシャフト３３とからなる。シャフト３３は、例として焼きばめや圧入等で界磁鉄心３１に固定されている。界磁鉄心３１は、永久磁石３２を埋設するための、軸方向に延びる磁石挿入孔３１ｈを備える。界磁鉄心３１は、磁性材、例えば電磁鋼板を軸方向に積層したものであり、電磁鋼板の厚さは０．１〜１．０ｍｍ程度の物を使用する場合が多い。なお、界磁鉄心３１は積層鉄心に限らない。

図４は、図３の界磁３０の１／８モデルの拡大図である。図５は、極中心線Ｃをｄ軸としたときのｄ軸を漸近線とする双曲線群Ｓｄと、ｄ軸から電気角で９０°の位置をｑ軸としたときのｑ軸を漸近線とする双曲線群Ｓｑを示す図である。磁石挿入孔３１ｈは、界磁鉄心３１の周方向に、等間隔に設けられている。磁石挿入孔３１ｈは、軸方向に垂直な断面が、界磁鉄心３１の中心に向かって突出するアーチ形状をしており、そのアーチ形状は双曲線群Ｓｑの内、外周側にある双曲線と内周側にある双曲線に沿った形状であり、極中心線Ｃに対して周方向に対称である。

磁石挿入孔３１ｈの長手方向の中心に永久磁石３２の高保磁力部３２Ｈが配置され、その両端に永久磁石３２の低保磁力部３２Ｌが配置される。永久磁石３２と磁石挿入孔３１ｈとの間には空気層があってもよい。永久磁石３２を挿入し、シャフト３３を界磁鉄心３１に固定した界磁３０と、電機子２０とを組み立てて回転電機１００を製造する。

次に、永久磁石３２について、図６、図７を用いて説明する。
図６は、永久磁石３２の斜視図である。
図７は、永久磁石３２の上面図である。
永久磁石３２は、周方向の中央部に保磁力が高い高保磁力部３２Ｈが配置され、その周方向両側に、高保磁力部３２Ｈより保磁力の低い低保磁力部３２Ｌが配置された一つの永久磁石である。永久磁石３２は、磁石挿入孔３１ｈの内周面に沿うように外周面を形成されている。すなわち、軸方向に垂直な断面が、界磁鉄心の内側に向かって突出するアーチ形状をしており、極中心線Ｃに対して周方向に対称である。

永久磁石３２の高保磁力部３２Ｈと低保磁力部３２Ｌとは、軟磁性材料よりも保磁力が高い硬磁性材料からなる。高保磁力部３２Ｈは、低保磁力部３２Ｌよりも保磁力が高いものを用い、硬磁性材料はどんな種類でもよい。例えば、高保磁力部３２Ｈとしては、ネオジムボンド磁石（Ｂｒ０．５〜０．８Ｔ（Ｔはテスラ））、サマ鉄窒素ボンド磁石（Ｂｒ０．５〜０．８Ｔ）、ネオジム焼結磁石（Ｂｒ０．９〜１．４Ｔ）などを用いる。焼結磁石は磁力が強いため、トルクに起因する磁束を発生させることができる。また、減磁しにくい性質があるため、逆磁界の影響が小さい。

永久磁石３２の低保磁力部３２Ｌとしては、フェライトボンド磁石（Ｂｒ０．２〜０．３Ｔ）が挙げられる。ボンド磁石は高温で減磁し易い性質があるため、低保磁力部３２Ｌにボンド磁石を用いることで、高温時でも増減磁を容易に制御することができる。また、ボンド磁石は自由な形状に加工できるため、円弧状の磁石挿入孔３１ｈに沿った永久磁石３２を成形することができる。なお、上記にあげた材料は、磁力・密度・強度などが異なるが、仕様に合ったトルク、出力や使用環境に応じて適宜選択すればよい。通常は、トルクや出力が大きいほど、保磁力Ｂｒが高い材料を選択する。高温で減磁しないフェライト磁石や、保磁力が高いネオジム焼結磁石などが望ましい。いずれにしても、高保磁力部３２Ｈと低保磁力部３２Ｌとは、永久磁石３２の一部である。

永久磁石３２の高保磁力部３２Ｈと低保磁力部３２Ｌとの境界３２Ｂについて図５〜８を用いて説明する。図５に示す双曲線群Ｓｄの中から、次の基準により図７に示すｄ軸を漸近線とする双曲線Ｓｄ１を決定する。コイルに印加する電流の電流位相角をβとすると、４５°＜β＜９０°である。ｓｉｎβは、全体の電流に対するｄ軸電流Ｉｄの割合を表す。双曲線Ｓｄ１を決めるための電流位相角βｓ１は（マグネットトルクとリラクタンストルクが最大となる電流位相角）＜βｓ１＜９０°の範囲である。βｓ１がこれより大きいとトルクが生じず、これより小さいと低保磁力磁石が減磁しない。ここで、ロータ外周上でｄ軸からｑ軸までの円弧の長さを１としたとき、本実施の形態で扱う回転電機１００の場合、例えば、ｓｉｎ（βｓ１）が０．８６の位置にある双曲線を双曲線Ｓｄ１とする。この０．８６はβｓ１が６０°であることを意味している。

ここで、磁石挿入孔３１ｈの長手方向内周側の縁と双曲線Ｓｄ１の交点を交点Ｐ１とし、高保磁力部３２Ｈと低保磁力部３２Ｌとの境界３２Ｂの始点を、この交点Ｐ１とする。そして、磁石挿入孔３１ｈの長手方向外周側の縁と双曲線Ｓｄ１との交点を交点Ｐ２とし、磁石挿入孔３１ｈの縁と、交点Ｐ１における双曲線Ｓｄ１の接線Ｓ１との交点を交点Ｐ３とすると、境界３２Ｂの終点は、交点Ｐ２から交点Ｐ３までの範囲内とする。なお、境界３２Ｂに仕切り板等はない。また、本実施の形態では、永久磁石３２は、周方向に対称としているが、これに限るものではない。また、永久磁石３２は、少なくとも外周面と内周面が曲面であればよく、両端は、平面状であってもよい。

図８は、回転電機１００の回転数に対するトルクの関係を示す図である。図８において、低保磁力部３２Ｌを減磁させた場合に、減磁させない場合に比べて運転領域が増えていることがわかる。

次に、図９、図１０を用いて、金型内に性質の異なる二種類の磁性粉末を充填して永久磁石３２を製造する方法を説明する。
図９は、永久磁石３２の高保磁力部３２Ｈとなる部分を製造中のベース金型７０と高保磁力部用の蓋７０Ｈとを示す断面斜視図である。
図１０は、永久磁石３２の低保磁力部３２Ｌとなる部分を製造中のベース金型７０と低保磁力部用の蓋７０Ｌとを示す断面斜視図である。

ベース金型７０は、図９に示すように、永久磁石３２のアーチ形状部分が下側を向いて突出するように平らに寝かせて成形できる形状をしている。また、図９は断面図なので、ベース金型７０の手前側が開放されているように見えるが、実際には塞がれている。永久磁石３２を製造するには、まず、永久磁石３２の高保磁力部３２Ｈとなる部分である高保磁力部中間体３５Ｈを成形し、高保磁力部中間体３５Ｈの周方向両側に、永久磁石３２の低保磁力部３２Ｌとなる部分である低保磁力部中間体３５Ｌを密着させて一体成形した永久磁石中間体３５を製造する。

具体的には、最初に、ベース金型７０に高保磁力の磁性粉末を充填し（高保磁力磁性粉末充填工程）、図９に示す高保磁力部用の蓋７０Ｈにより上方から加圧して、永久磁石中間体３５の高保磁力部中間体３５Ｈを圧縮成形する（第一加圧、仮硬化工程）。これにより高保磁力部中間体３５Ｈは、径方向にも軸方向にも圧縮される。

次に、高保磁力部用の蓋７０Ｈを取り外し、高保磁力部中間体３５Ｈの周方向両側に低保磁力の磁性粉末を充填し（低保磁力磁性粉末充填工程）、図１０に示す低保磁力部用の蓋７０Ｌにより上方から同様に加圧して、永久磁石中間体３５の低保磁力部中間体３５Ｌを圧縮成形する（第二加圧、仮硬化工程）。その後、永久磁石中間体３５の磁化方向を揃えた上でこれに着磁して永久磁石３２を得る。

これらの材料によって構成される永久磁石３２の高保磁力部３２Ｈと永久磁石３２の低保磁力部３２Ｌの磁化方向は、全て同じ方向を向いた平行方向、回転中心から放射状に延びるラジアル方向、双曲線状に繋がる方向のいずれでもよく、磁石の製造時または着磁時のいずれかのタイミングで磁化方向が決定される。

これまで、ベース金型７０を用いて永久磁石３２を製造する方法を説明したが、次に、界磁鉄心３１の中で永久磁石３２を製造する方法を図１１〜図１３を用いて説明する。
図１１は、界磁３０を、図４のＸ−Ｘ線で、軸方向に切断した断面図である。
磁石挿入孔３１ｈの中央部に永久磁石３２の高保磁力部３２Ｈが配置され、境界３２Ｂを境界として低保磁力部３２Ｌが、周方向両側に配置されている。

図１２は、界磁鉄心３１の中で永久磁石３２を一体成形する永久磁石製造装置５０の構成を示す図である。
図１２に示すように、永久磁石製造装置５０は、キャビティの役目を兼ねる界磁鉄心３１を配置する載置台５１と、界磁鉄心３１を加熱するヒータ５２と、低保磁力部３２Ｌの磁化方向を揃えるため、及び、低保磁力部３２Ｌを着磁するために用いる電磁石５３と、磁性粉末を圧縮するために用いるパンチ５４とを備える。

図１３は、界磁鉄心３１の中で、永久磁石３２の高保磁力部３２Ｈとなる高保磁力磁石３２Ｈ１と、低保磁力部３２Ｌとを一体成形して、永久磁石３２を製造する製造工程を示すフロー図である。
まず、ステップＳ１０１において、界磁鉄心３１の磁石挿入孔３１ｈ内の、周方向中央部に永久磁石３２の高保磁力部３２Ｈとなる、成形、着磁済みの高保磁力磁石３２Ｈ１を挿入、接着する（高保磁力磁石挿入工程）。次に、ステップＳ１０２において、残りの磁石挿入孔３１ｈの領域、すなわち、磁石挿入孔３１ｈ内の高保磁力磁石３２Ｈ１の周方向両側の空間に、未着磁の磁性粉末を充填する（磁性粉末充填工程）。次に、ステップＳ１０３において、ヒータ５２により界磁鉄心３１を１５０℃まで上昇させ（昇温工程）、界磁鉄心３１内の磁性粉末の温度を上昇させる。
次に、ステップＳ１０４において、電磁石５３を用いて外部から界磁鉄心３１に磁界を印加して磁性粉末の磁化方向を揃える（磁界容易軸調整工程）。電磁石５３が発生させている磁場は２Ｔ以上とする。次に、ステップＳ１０５において、パンチ５４を軸方向下方に移動して磁性粉末を界磁鉄心３１の磁石挿入孔３１ｈ内で軸方向に圧縮する（加圧工程）。

その後、ステップＳ１０６において、圧縮した磁性粉末を２００℃以下の環境の下、２時間以下で永久磁石３２の低保磁力部３２Ｌとなる部分に硬化させる（硬化工程）。最後に、ステップＳ１０７において未着磁の永久磁石３２の低保磁力部３２Ｌとなる部分を磁石挿入孔３１ｈに内包したまま着磁し（着磁工程）、界磁鉄心３１の中で、先に挿入した高保磁力磁石３２Ｈ１と低保磁力部３２Ｌとが一体となった永久磁石３２を成形する。

本実施の形態では、成形、着磁済みの高保磁力磁石３２Ｈ１を用いたが、まず、低保磁力部３２Ｌを成形する部分にダミー型を挿入しておいて、低保磁力部３２Ｌと同様の方法により、高保磁力部３２Ｈを界磁鉄心３１内で磁性粉末から先に成形、着磁した後、ダミー型を取り去った上で、低保磁力部３２Ｌを成形、着磁してもよい。

なお、高保磁力磁石３２Ｈ１は、接着剤で磁石挿入孔３１ｈに固定しておく。永久磁石３２の低保磁力部３２Ｌは、磁石自身のスプリングバックと加熱時の溶着により磁石挿入孔３１ｈ及び高保磁力磁石３２Ｈ１に固定される。また、永久磁石３２の高保磁力部３２Ｈを磁石挿入孔３１ｈ内で成形、着磁する場合は、永久磁石３２の高保磁力部３２Ｈについても磁石自身のスプリングバックで磁石挿入孔３１ｈに固定される。また、先述した、ベース金型７０を用いる永久磁石３２の製造方法において、高保磁力磁石３２Ｈ１を使用することにより、低保磁力部用の蓋７０Ｌだけを使用して永久磁石３２を製造することもできる。

本発明の実施の形態１に係る回転電機１００および回転電機１００の製造方法によれば、保磁力の異なる高保磁力部３２Ｈと低保磁力部３２Ｌ間を隙間なく密着させて一つの永久磁石３２を構成することにより、高保磁力部３２Ｈと低保磁力部３２Ｌとの間に鉄心が介在せず、漏れ磁束が発生しない。これにより、回転電機１００のトルクを最大限に発揮できる。また、内側に配置された界磁鉄心３１の領域が多いため、界磁鉄心３１の材料である電磁鋼板の磁気飽和が緩和され、回転電機１００のトルクを向上させることができる。

また、低保磁力部３２Ｌを、界磁鉄心３１内において減磁しやすい外周側（ｄ軸を漸近線とする曲線側）に設けたので、小さな磁化電流で当該部分を減磁できる。

また、ベース金型７０は、永久磁石３２のアーチ形状部分が下側を向いて突出するように平らに寝かせて成形できる形状をしているので、磁性粉末を均一に充填することができ、かつ高保磁力部３２Ｈと低保磁力部３２Ｌという性質の異なった２つの部分を隙間なく一体化させることができる。さらに、磁石の厚みや軸長を容易に変えることができる。また、段スキューなどのように磁石ごとに反磁界の影響が異なる場合に軸方向の任意の部分に低保磁力の磁性粉末を配置することができる。

また、界磁鉄心３１を用いる永久磁石３２の製造方法によれば、永久磁石３２の高保磁力部３２Ｈとなる高保磁力磁石３２Ｈ１だけを別途製造し、界磁鉄心３１の中で低保磁力部３２Ｌを高保磁力磁石３２Ｈ１に結合するように直接成形できるので、永久磁石３２を製造するために必要な金型を削減できる。

また、永久磁石３２の低保磁力部３２Ｌを、磁石挿入孔３１ｈにおいて磁性粉末から成形するため、磁石挿入孔３１ｈの形状を自由に決定することができる。これにより、回転電機１００は、ｑ軸磁束を有効に使うことができ、回転電機１００のトルクを最大限に発揮できる。

さらに、界磁鉄心３１を金型として使用できるので製品を製造するために必要な工程数を削減し、製造時間を短縮できる。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２に係る回転電機および回転電機の製造方法を、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
図１４は、二層目永久磁石２３２の上面図である。
実施の形態１では、永久磁石３２は、周方向に、左右対称な形状をしていたが、本実施の形態では左右非対称としている点が異なる。また、界磁に使用する永久磁石として、一層目永久磁石２３４と二層目永久磁石２３２との二種類が存在する点が異なる。なお、一層目永久磁石２３４と二層目永久磁石２３２とでは、大きさは異なるが、形状は概ね同様なので、以下では主に二層目永久磁石２３２を用いて説明する。

二層目永久磁石２３２は、形状としては、実施の形態１の永久磁石３２を周方向に半分に切断したような形状をしている。二層目永久磁石２３２は、高保磁力部２３２Ｈと、内側低保磁力部２３２Ｌｉｎと、外側低保磁力部２３２Ｌｏｕｔとで構成されている。周方向の中央に高保磁力部２３２Ｈを配置し、その周方向両側に高保磁力部２３２Ｈより保磁力の低い内側低保磁力部２３２Ｌｉｎと外側低保磁力部２３２Ｌｏｕｔとを配置する。

高保磁力部２３２Ｈと内側低保磁力部２３２Ｌｉｎの境界が、内側境界２３２Ｂｉｎである。内側境界２３２Ｂｉｎに仕切り板等はない。また、高保磁力部２３２Ｈと外側低保磁力部２３２Ｌｏｕｔの境界が、外側境界２３２Ｂｏｕｔである。外側境界２３２Ｂｏｕｔにも仕切り板等はない。

次に、図１５、図１６を用いて、金型内に性質の異なる二種類の磁性粉末を充填して二層目永久磁石２３２を製造する方法を説明する。
図１５は、二層目永久磁石２３２の高保磁力部２３２Ｈとなる部分を製造中のベース金型２７０と高保磁力部用の蓋２７０Ｈとを示す断面斜視図である。
図１６は、二層目永久磁石２３２の内側低保磁力部２３２Ｌｉｎ、外側低保磁力部２３２Ｌｏｕｔとなる部分を製造中のベース金型２７０と低保磁力部用の蓋２７０Ｌとを示す断面斜視図である。

ベース金型２７０は、図１５に示すように、二層目永久磁石２３２を平らに寝かせて成形できる形状をしている。二層目永久磁石２３２を製造するには、まず、二層目永久磁石２３２の高保磁力部２３２Ｈとなる部分である高保磁力部中間体２３５Ｈを成形し、高保磁力部中間体２３５Ｈの周方向両側に、二層目永久磁石２３２の内側低保磁力部２３２Ｌｉｎ、外側低保磁力部２３２Ｌｏｕｔとなる部分である内側低保磁力部中間体２３５Ｌｉｎ、外側低保磁力部中間体２３５Ｌｏｕｔを密着させて一体成形した永久磁石中間体２３５を製造する。

具体的には、最初に、ベース金型２７０に高保磁力の磁性粉末を充填し、図１５に示す高保磁力部用の蓋２７０Ｈにより上方から加圧して、永久磁石中間体２３５の高保磁力部中間体２３５Ｈを圧縮成形する。

次に、高保磁力部用の蓋２７０Ｈを取り外し、高保磁力部中間体２３５Ｈの周方向両側に低保磁力の磁性粉末を充填し、図１６に示す低保磁力部用の蓋２７０Ｌにより上方から加圧して、永久磁石中間体２３５の内側低保磁力部中間体２３５Ｌｉｎ、外側低保磁力部中間体２３５Ｌｏｕｔを圧縮成形する。その後、永久磁石中間体２３５の磁化方向を揃えた上でこれに着磁して二層目永久磁石２３２を得る。

次に、図１７、図１８を用いて界磁の詳細について説明する。
図１７は、界磁２３０の軸方向に垂直な断面図である。
図１８は、図１７の界磁２３０の１／８モデルの拡大図である。
図１９は、図１８の更に要部拡大図である。
本実施の形態の界磁２３０は、実施の形態１の界磁３０に比べて、磁石挿入孔の層数と周方向の分割数とが異なる。

界磁２３０は、界磁鉄心２３１とシャフト３３と、極中心線Ｃに対して対称な、それぞれ一対の一層目永久磁石２３４と、二層目永久磁石２３２とを備える。界磁鉄心２３１は、一層目永久磁石２３４を挿入する一層目磁石挿入孔２３１ｈ１、２３１ｈ２と、二層目永久磁石２３２を挿入する二層目磁石挿入孔２３１ｈ３、２３１ｈ４とを備える。一層目磁石挿入孔２３１ｈ１と、二層目磁石挿入孔２３１ｈ３は、界磁２３０の径方向に二層となって配置され、一層目磁石挿入孔２３１ｈ２と、二層目磁石挿入孔２３１ｈ４も、界磁２３０の径方向に二層となって配置されている。そして、一層目磁石挿入孔２３１ｈ１、２３１ｈ２は、周方向に、極中心線Ｃに対して対称に配置されていて、同様に二層目磁石挿入孔２３１ｈ３、２３１ｈ４も、周方向に、極中心線Ｃに対して対称に配置されている。

一層目永久磁石２３４は、周方向の中央部に保磁力が高い高保磁力部２３４Ｈが配置され、その周方向両側に、高保磁力部２３４Ｈより保磁力の低い内側低保磁力部２３４Ｌｉｎ、外側低保磁力部２３４Ｌｏｕｔが配置された一つの永久磁石である。図１８において、径方向内側にある方が、内側低保磁力部２３４Ｌｉｎであり、径方向外側にある方が、外側低保磁力部２３４Ｌｏｕｔである。同様に、二層目永久磁石２３２は、周方向の中央部に保磁力が高い高保磁力部２３２Ｈが配置され、その周方向両側に、高保磁力部２３２Ｈより保磁力の低い内側低保磁力部２３２Ｌｉｎ、外側低保磁力部２３２Ｌｏｕｔが配置された一つの永久磁石である。一対の一層目永久磁石２３４は、軸方向に反転して用いることができるので同種の永久磁石である。一対の二層目永久磁石２３２についても同様である。

一層目永久磁石２３４の高保磁力部２３４Ｈと外側低保磁力部２３４Ｌｏｕｔとの外側境界２３４Ｂｏｕｔについて図１８、図１９を用いて説明する。コイルに印加する電流の電流位相をβｓ２とするとき、図５に示す双曲線群Ｓｄの中から（マグネットトルクとリラクタンストルクが最大となる電流位相角）＜βｓ２＜９０°の範囲にある双曲線をＳｄ２とする。
ここで、実施の形態１と同様に、一層目磁石挿入孔２３１ｈ１の長手方向内周側の縁と双曲線Ｓｄ２の交点を交点Ｐ４とし、一層目永久磁石２３４の高保磁力部２３４Ｈと外側低保磁力部２３４Ｌｏｕｔとの外側境界２３４Ｂｏｕｔの始点を、この交点Ｐ４とする。そして、一層目磁石挿入孔２３１ｈ１の長手方向外周側の縁と双曲線Ｓｄ２との交点を交点Ｐ５とし、一層目磁石挿入孔２３１ｈ１の縁と、交点Ｐ５における双曲線Ｓｄ２の接線Ｓ２との交点を交点Ｐ６とすると、外側境界２３４Ｂｏｕｔの終点は、交点Ｐ５から交点Ｐ６までの範囲内とする。

次に、高保磁力部２３４Ｈと、内側低保磁力部２３４Ｌｉｎとの内側境界２３４Ｂｉｎについて説明する。双曲線群Ｓｄの中から同様の範囲にある双曲線Ｓｄ３を選ぶ。
一層目磁石挿入孔２３１ｈ１の長手方向内周側の縁と双曲線Ｓｄ３の交点を交点Ｐ７とし、一層目永久磁石２３４の高保磁力部２３４Ｈと内側低保磁力部２３４Ｌｉｎとの内側境界２３４Ｂｉｎの始点を、この交点Ｐ７とする。そして、一層目磁石挿入孔２３１ｈ１の長手方向外周側の縁と双曲線Ｓｄ３との交点を交点Ｐ８とし、一層目磁石挿入孔２３１ｈ１の縁と、交点Ｐ７における双曲線Ｓｄ３の接線Ｓ３との交点を交点Ｐ９とすると、内側境界２３４Ｂｉｎの終点は、交点Ｐ８から交点Ｐ９までの範囲内とする。

二層目永久磁石２３２の高保磁力部２３２Ｈと、外側低保磁力部２３２Ｌｏｕｔとの外側境界２３２Ｂｏｕｔ及び、二層目永久磁石２３２の高保磁力部２３２Ｈと、内側低保磁力部２３２Ｌｉｎとの内側境界２３２Ｂｉｎについても同様の範囲に設ける。

一層目磁石挿入孔２３１ｈ１と一層目磁石挿入孔２３１ｈ２との間が一層目ブリッジ部３１ｋであり、二層目磁石挿入孔２３１ｈ３と二層目磁石挿入孔２３１ｈ４との間が二層目ブリッジ部３２ｋである。

なお、図には示さないが、磁石挿入孔は径方向に二層以上，一磁極につき二個以上設けてもよく、一層目と二層目以上とで磁石挿入孔の個数を変えてもよい。

また、一層目永久磁石２３４、二層目永久磁石２３２は、実施の形態１と同様に界磁鉄心２３１を用いて製造してもよい。
図２０は、界磁２３０を、図１８のＸ２−Ｘ２線で、軸方向に切断した断面図である。
二層目磁石挿入孔２３１ｈ３、２３１ｈ４の中央部に二層目永久磁石２３２の高保磁力部２３２Ｈが配置され、外側境界２３２Ｂｏｕｔ、内側境界２３２Ｂｉｎを境界として外側低保磁力部２３２Ｌｏｕｔ、内側低保磁力部２３２Ｌｉｎが、周方向両側に配置されている。

図２１は、界磁鉄心２３１の中で二層目永久磁石２３２を一体成形する永久磁石製造装置２５０の構成を示す図である。永久磁石製造装置２５０の構成は、実施の形態１で説明した永久磁石製造装置５０のパンチ５４が、パンチ５４ａ、５４ｂの二種に増えるだけで、その他の構成は同じである。また、二層目永久磁石２３２の製造工程は実施の形態１と同様なので省略する。

本発明の実施の形態２に係る回転電機および回転電機の製造方法によれば、実施の形態１と同様に保磁力の異なる高保磁力部と低保磁力部間を隙間なく密着させて一つの一層目永久磁石２３４、一つの二層目永久磁石２３２を構成することにより、高保磁力部と低保磁力部との間に鉄心が介在せず、漏れ磁束が発生しない。これにより、回転電機１００のトルクを最大限に発揮できる。

また、界磁２３０に一層目永久磁石２３４の高保磁力部２３４Ｈを追加して設けることで、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄの差を大きくし、回転電機のトルクを増加させることができる。

また、一対の一層目磁石挿入孔２３１ｈ１、２３１ｈ２と、二層目磁石挿入孔２３１ｈ３、２３１ｈ４とに、それぞれ一対の一層目永久磁石２３４の高保磁力部２３４Ｈと二層目永久磁石２３２の高保磁力部２３２Ｈとを配置することにより、磁石の起磁力で発生させるマグネットトルクを大きくすることができる。
また、内側低保磁力部２３２Ｌｉｎ、２３４Ｌｉｎは、極中心線Ｃに近い部分なので、内側にあっても容易に減磁できる。

実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３に係る回転電機および回転電機の製造方法を、実施の形態１、２と異なる部分を中心に説明する。
図２２は、永久磁石を製造するためのベース金型３７０、高保磁力部用の蓋３７０Ｈ、低保磁力部用の蓋３７０Ｌ、高保磁力部と低保磁力部の境界に置く仕切板３７０Ｂを示す断面斜視図である。
このベース金型３７０内に性質の異なる二種類の磁性粉末を充填して永久磁石を製造する方法を説明する。

ベース金型３７０は、図２２に示すように、永久磁石の軸方向に圧縮成形できる形状をしている。永久磁石を製造するには、まず、高保磁力磁性粉末充填工程の前に、永久磁石の高保磁力部となる部分と、低保磁力部となる部分とを仕切る仕切板３７０Ｂをベース金型３７０内に設置する（仕切板設置工程）。次に、２つの仕切板３７０Ｂの間に高保磁力部用の磁性粉末を投入し、蓋３７０Ｈで圧縮することにより永久磁石の高保磁力部となる部分である高保磁力部中間体を成形した後、低保磁力磁性粉末充填工程の前に、仕切板３７０Ｂを取り除く（仕切板撤去工程）。

次に、高保磁力部中間体の周方向両側に低保磁力部用の磁性粉末を投入し、蓋３７０Ｌで圧縮することにより永久磁石の低保磁力部となる部分である低保磁力部中間体を、高保磁力部中間体と密着させて一体成形した永久磁石中間体を製造する。なお、製造工程を示すフロー図は、実施の形態１と概ね等しいため省略する。

本発明の実施の形態３に係る回転電機の製造方法によれば、実施の形態１、２と同様に、永久磁石の保磁力の異なる高保磁力部と低保磁力部間を隙間なく密着させて製造できるので、永久磁石の高保磁力部と低保磁力部との間に鉄心が介在せず、当該部分からの漏れ磁束が発生しない。これにより、回転電機のトルクを最大限に発揮できる。

尚、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１００ 回転電機、２０ 電機子、２１ 電機子鉄心、２１ｂ 分割鉄心、
２５ 電機子巻線、３０，２３０ 界磁、３１，２３１、界磁鉄心、３３ シャフト、
３１ｈ 磁石挿入孔、２３１ｈ１，２３１ｈ２ 一層目磁石挿入孔、
２３１ｈ３，２３１ｈ４ 二層目磁石挿入孔、３１ｋ 一層目ブリッジ部、
３２ｋ 二層目ブリッジ部、３２ 永久磁石、３２Ｈ１ 高保磁力磁石、
２３２ 二層目永久磁石、２３４ 一層目永久磁石、
３２Ｈ，２３２Ｈ，２３４Ｈ 高保磁力部、３２Ｌ 低保磁力部、
２３２Ｌｉｎ，２３４Ｌｉｎ 内側低保磁力部、
２３２Ｌｏｕｔ，２３４Ｌｏｕｔ 外側低保磁力部、３２Ｂ 境界、
２３２Ｂｉｎ，２３４Ｂｉｎ 内側境界、２３２Ｂｏｕｔ，２３４Ｂｏｕｔ 外側境界、３５Ｈ，２３５Ｈ 高保磁力部中間体、３５Ｌ 低保磁力部中間体、
３５，２３５ 永久磁石中間体、２３５Ｌｉｎ 内側低保磁力部中間体、
２３５Ｌｏｕｔ 外側低保磁力部中間体、５０ 永久磁石製造装置、５１ 載置台、
５２ ヒータ、５３ 電磁石、５４ パンチ、６０ エアギャップ、
７０，２７０，３７０ ベース金型、７０Ｈ，７０Ｌ，２７０Ｈ，２７０Ｌ 蓋、
３７０Ｂ 仕切板、Ｃ 極中心線、Ｓ１〜Ｓ３ 接線、Ｓｄ，Ｓｄ１〜Ｓｄ３ 双曲線。

Claims (13)

1. 電機子鉄心の磁極ティース部に電機子巻線を巻装して構成された電機子と、
   前記電機子の内周面に外周面を対向して回転する界磁とからなる回転電機において、
   前記界磁は、円筒状の界磁鉄心と、前記界磁鉄心の軸心位置に挿通して固定されたシャフトとを備え、
   前記界磁鉄心内には、複数の永久磁石が磁石挿入孔に埋設され、
   前記永久磁石は、保磁力の高い高保磁力部と、前記高保磁力部より保磁力の低い低保磁力部とを有し、
   前記低保磁力部と前記高保磁力部との境界の始点は、
   コイルに印加する電流の電流位相角をβとしたとき、（マグネットトルクとリラクタンストルクが最大となる電流位相角）＜β＜９０°の範囲にあるｄ軸を漸近線とする双曲線と、前記磁石挿入孔の長手方向内周側の縁との交点であり、
   前記境界の終点は、前記磁石挿入孔の長手方向外周側の縁と前記双曲線との交点から、前記磁石挿入孔の縁と前記始点における前記双曲線の接線との交点までの範囲内にある回転電機。
2. 前記永久磁石は、周方向の中央部に前記高保磁力部を備え、
   前記高保磁力部の周方向両側に、前記低保磁力部を備える請求項１に記載の回転電機。
3. 前記永久磁石は、軸方向に垂直な断面が、前記界磁鉄心の内側に向かって突出するアーチ形状である請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
4. 前記永久磁石は、極中心線に対して周方向に対称な形状である請求項３に記載の回転電機。
5. 極中心線に対して周方向に対称に、複数の前記永久磁石が配置されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 径方向に複数の前記永久磁石が配置されている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転電機。
7. 前記高保磁力部は、焼結磁石である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転電機。
8. 前記低保磁力部は、ボンド磁石である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転電機の製造方法であって、
   ベース金型の周方向中央部に前記永久磁石の前記高保磁力部となる、成形、着磁済みの高保磁力磁石を挿入する高保磁力磁石挿入工程と、
   前記磁石挿入孔内の前記高保磁力磁石の周方向両側の空間に、未着磁の磁性粉末を充填する磁性粉末充填工程と、
   前記界磁鉄心内の前記磁性粉末の温度を上昇させる昇温工程と、
   外部から前記界磁鉄心に磁界を印加して前記磁性粉末の磁化方向を揃える磁界容易軸調製工程と、
   前記磁性粉末を前記磁石挿入孔内で軸方向に圧縮する加圧工程と、
   圧縮した前記磁性粉末を硬化させる硬化工程と、
   前記低保磁力部となる、硬化させた前記磁性粉末を、前記磁石挿入孔に内包したまま着磁する着磁工程とを有する回転電機の製造方法。
10. 前記高保磁力磁石挿入工程において、前記高保磁力磁石を前記磁石挿入孔内に接着固定する、請求項９に記載の回転電機の製造方法。
11. 前記ベース金型は、前記界磁鉄心の前記磁石挿入孔である請求項９又は請求項１０に記載の回転電機の製造方法。
12. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転電機の製造方法であって、
    ベース金型の周方向中央部に、未着磁の高保磁力磁性粉末を充填する高保磁力磁性粉末充填工程と、前記高保磁力磁性粉末を径方向と軸方向に圧縮し硬化させる第一加圧、仮硬化工程と、
    仮硬化させた前記高保磁力磁性粉末の周方向両側の空間に、未着磁の低保磁力磁性粉末を充填する低保磁力磁性粉末充填工程と、前記低保磁力磁性粉末を径方向と軸方向に圧縮し硬化させる第二加圧、仮硬化工程と、
    前記高保磁力磁性粉末及び低保磁力磁性粉末の磁化方向を揃えた上でこれに着磁する着磁工程とを有する回転電機の製造方法。
13. 前記高保磁力磁性粉末充填工程の前に、前記ベース金型内に前記永久磁石の前記高保磁力部となる部分と前記低保磁力部となる部分とを仕切る仕切板を設置する仕切板設置工程と、
    前記低保磁力磁性粉末充填工程の前に、前記仕切板を取り除く、仕切板撤去工程とを有する請求項１２に記載の回転電機の製造方法。

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