JP2018011450A - 永久磁石埋込同期機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石埋込同期機において、トルクの向上と耐減磁性の向上との両立を図るための技術を提供する。【解決手段】本開示の永久磁石埋込同期機（１００）のロータ（４）は、ロータコア（７）、複数の永久磁石（５）、及び、複数のフラックスバリア（１３）を含む。ロータコア（７）は、ブリッジ（１５）及び突起（１６）を有する。シャフト（３）に垂直なロータ（４）の断面において、突起（１６）の輪郭は、ｑ軸に平行な一辺（１８）と、永久磁石（５）に向かって延びる他の辺（２０）とを有する。ブリッジ（１５）に近い側を突起（１６）の根元側、シャフト（３）の中心に近い側を突起（１６）の先端側、断面においてｑ軸に直交する方向を幅方向（ＷＤ）と定義したとき、先端側における突起（１６）の幅Ｌ２が根元側における突起（１６）の幅Ｌ１よりも大きい。【選択図】図２

Description

本開示は、永久磁石埋込同期機に関する。

永久磁石埋込電動機は、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、永久磁石埋込電動機のロータは、ロータコア及びそのロータコアに埋め込まれた複数の永久磁石を有する。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、永久磁石埋込電動機は高効率かつ高出力である。ロータの構造は、永久磁石埋込電動機の効率及び信頼性に直結するので非常に重要である。

図１２は、特許文献１に記載された永久磁石埋込電動機のロータを部分的に示している。永久磁石埋込電動機のロータ１０５は、スリット１２５及びフラックスバリア１２３を有する。磁石挿入孔１２１の孔画定部には、延出部１１１ｂが含まれる。延出部１１１ｂは、永久磁石１１３の幅方向端面よりもさらに周方向外側に位置する部位において、ロータコア１１１における極間鉄心部１１１ｃに向けて張り出している。スリット１２５とコア外周面１１１ａとの距離をＬａ、スリット１２５と永久磁石１１３の外周側面１１３ａとの距離をＬｂ、延出部１１１ｂと極間鉄心部１１１ｃとの最短距離をＬｃ、永久磁石１１３の厚さをＬｄとしたとき、距離Ｌｂは距離Ｌａよりも大きく、最短距離Ｌｃは厚さＬｄよりも小さい。

国際公開第２０１４／０６９４３８号

図１２に示す従来技術では、ロータ１０５に過大な逆磁界が作用したとき、延出部１１１ｂの働きにより、永久磁石１１３の端部の減磁が抑制される。しかし、延出部１１１ｂは、永久磁石１１３に密着したロータコア１１１の一部であるから、定格トルクを発生させるレベルの電流が巻線に流れたときにおいても、延出部１１１ｂを通じて、隣接した磁極へ磁束がかなり漏れる。そのため、図１２に示す構造には、有効磁束が減ってトルクが低下するという課題がある。

本開示は、永久磁石埋込同期機において、トルクの向上と耐減磁性の向上との両立を図るための技術を提供することを目的とする。

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ロータと、
を備え、
前記ロータは、ロータコアと、前記ロータコアに埋め込まれた複数の永久磁石と、空間又は非磁性材料で形成された複数のフラックスバリアとを含み、
前記ロータコアには、前記ロータ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前記ロータに複数の磁極が形成されており、
前記複数のフラックスバリアのそれぞれが前記複数の磁石埋設孔のそれぞれの端部に位置しており、
前記ロータコアは、前記シャフトの中心から見て前記フラックスバリアよりも半径方向の外側に位置しているブリッジと、前記フラックスバリアにおいて前記ブリッジから前記シャフトの前記中心に向かって突出している突起とを有し、
前記シャフトに垂直な前記ロータの断面において、前記突起の輪郭は、前記ロータの周方向において互いに隣り合う前記磁極と前記磁極との境界線をなすｑ軸に平行な一辺と、前記永久磁石に向かって延びる他の辺とを有し、
前記ブリッジに近い側を前記突起の根元側、前記シャフトの前記中心に近い側を前記突起の先端側、前記断面において前記ｑ軸に直交する方向を幅方向と定義したとき、前記先端側における前記突起の幅Ｌ２が前記根元側における前記突起の幅Ｌ１よりも大きい、永久磁石埋込同期機を提供する。

本開示の技術によれば、永久磁石埋込同期機において、トルクの向上と耐減磁性の向上との両立を図ることができる。

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２は、図１に示す永久磁石埋込同期機のロータの部分拡大断面図である。 図３は、実施形態１にかかる永久磁石埋込同期機のロータにトルクを発生させたときのフラックスバリアの近傍の磁束線図である。 図４は、実施形態１にかかる永久磁石埋込同期機のロータに逆磁界が作用したときのフラックスバリアの近傍の磁束線図である。 図５は、トルクと電流との関係を示すグラフである。 図６は、本開示の実施形態２にかかる永久磁石埋込同期機のロータの部分拡大断面図である。 図７は、実施形態２にかかる永久磁石埋込同期機のロータにトルクを発生させたときのフラックスバリアの近傍の磁束線図である。 図８は、実施形態２にかかる永久磁石埋込同期機のロータに逆磁界を作用させたときのフラックスバリアの近傍の磁束線図である。 図９Ａは、本開示の実施形態３にかかる永久磁石埋込同期機のロータの部分拡大断面図である。 図９Ｂは、図９Ａに寸法線を付与した図である。 図１０は、実施形態３にかかる永久磁石埋込同期機のロータにトルクを発生させたときのフラックスバリアの近傍の磁束線図である。 図１１は、実施形態３にかかる永久磁石埋込同期機のロータに逆磁界を作用させたときのフラックスバリアの近傍の磁束線図である。 図１２は、従来の永久磁石埋込型電動機のロータの部分拡大断面図である。

本開示の第１態様にかかる永久磁石埋込同期機は、
シャフトと、
前記シャフトに支持されたロータと、
を備え、
前記ロータは、ロータコアと、前記ロータコアに埋め込まれた複数の永久磁石と、空間又は非磁性材料で形成された複数のフラックスバリアとを含み、
前記ロータコアには、前記ロータ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前記ロータに複数の磁極が形成されており、
前記複数のフラックスバリアのそれぞれが前記複数の磁石埋設孔のそれぞれの端部に位置しており、
前記ロータコアは、前記シャフトの中心から見て前記フラックスバリアよりも半径方向の外側に位置しているブリッジと、前記フラックスバリアにおいて前記ブリッジから前記シャフトの前記中心に向かって突出している突起とを有し、
前記シャフトに垂直な前記ロータの断面において、前記突起の輪郭は、前記ロータの周方向において互いに隣り合う前記磁極と前記磁極との境界線をなすｑ軸に平行な一辺と、前記永久磁石に向かって延びる他の辺とを有し、
前記ブリッジに近い側を前記突起の根元側、前記シャフトの前記中心に近い側を前記突起の先端側、前記断面において前記ｑ軸に直交する方向を幅方向と定義したとき、前記先端側における前記突起の幅Ｌ２が前記根元側における前記突起の幅Ｌ１よりも大きい。

第１態様によれば、ｑ軸の近傍かつロータの外周面の近傍に十分な体積を有する非磁性のフラックスバリアが設けられている。フラックスバリアの働きによって、ある磁極から隣接する磁極への漏れ磁束を減らすことができる。つまり、第１態様の同期機は高トルクを達成できる。また、過大な逆磁界がロータに作用したときには、ロータコアの内部に深く侵入した強磁束が突起を通じて磁極から隣接する磁極へと逃がされる。これにより、永久磁石に強い逆磁界が作用することを回避できる。つまり、第１態様の同期機は耐減磁性にも優れている。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様の永久磁石埋込同期機の前記突起の前記輪郭の前記一辺は、前記突起の前記輪郭の前記他の辺よりも前記ｑ軸の近くにあり、前記フラックスバリアは、前記他の辺に隣接する第１部分を含み、前記突起の前記根元側における前記第１部分の幅Ｌ３は、前記突起の前記先端側における前記第１部分の最も狭い部分の寸法Ｌ５よりも大きい。このような構造は、トルクの向上に有利である。つまり、ロータの外周面の近くで十分な大きさの磁気抵抗を確保でき、ある磁極から隣接する磁極への漏れ磁束を効果的に減らすことができる。

本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様の永久磁石埋込同期機の前記突起の前記輪郭の前記一辺は、前記突起の前記輪郭の前記他の辺よりも前記ｑ軸の近くにあり、前記フラックスバリアは、前記他の辺に隣接する第１部分と、前記一辺に隣接する第２部分とを含み、前記突起の前記先端側における前記第２部分の幅Ｌ４と、前記突起の前記先端側における前記第１部分の最も狭い部分の寸法Ｌ５との和は、磁化方向に関する前記永久磁石の寸法Ｌ６よりも小さい。このような構成によれば、ロータに過大な逆磁界磁束が作用したとき、逆磁界磁束は、永久磁石に達する前に突起の先端部分を通じて隣接した磁極へ漏れやすい。つまり、永久磁石に作用する逆磁界を効果的に減らすことができる。

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つの永久磁石埋込同期機の前記突起は、前記ブリッジに隣接している一定の幅の根元部分を有する。このような突起によれば、ロータの外周面の近くで十分な大きさの磁気抵抗を確保でき、ある磁極から隣接する磁極への漏れ磁束を効果的に減らすことができる。このことは、トルクの向上に有利である。

本開示の第５態様において、例えば、第１〜第５態様のいずれか１つの永久磁石埋込同期機の前記複数のフラックスバリアは、それぞれ前記ｑ軸に隣接する１対の前記フラックスバリアを含み、前記１対のフラックスバリアから選ばれる一方にのみ前記突起が設けられている。このような構成は、一方向（時計回り方向又は反時計回り方向）にのみトルクを発生させる用途に適している。

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、シャフト及びロータに共通の回転軸Ｏに垂直な断面を意味する。「永久磁石埋込同期機」は、永久磁石を有するロータとコイルを有するステータ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、ステータ２、シャフト３及びロータ４を備えている。ステータ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。ロータ４は、ロータコア７及び複数の永久磁石５を備えている。ロータ４は、円筒状のエアギャップ９を介してステータ２と対向している。言い換えれば、ロータ４は、ステータ２によって包囲されている。エアギャップ９は、いわゆる不等ギャップであってもよい。ロータ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に巻線が巻き付けられていてもよく（集中巻）、複数のティース１１を跨いで巻線が巻き付けられていてもよい（分布巻）。

ロータ４において、ロータコア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、ロータコア７は円柱の形状を有する。エアギャップ９が不等ギャップとなるようにロータコア７の形状が定められていてもよい。ロータコア７に複数の永久磁石５が埋め込まれている。詳細には、ロータコア７には、ロータ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及びロータ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。これにより、ロータ４に複数の磁極４ａが形成されている。シャフト３に垂直なロータ４の断面において、磁極４ａは、扇状の形状を有する。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４ａの中心軸をｄ軸と定義することができる。本実施形態において、ロータ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、ロータ４の周方向において互いに隣り合う１対の永久磁石５の間を通り、回転軸Ｏから半径方向の外側に向かう方向がｑ軸方向である。また、ｑ軸は、ロータ４の周方向において互いに隣り合う磁極４ａと磁極４ａとの境界線をなす。

図２に示すように、ロータ４は、さらに、複数のフラックスバリア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、ロータ４の内部での磁束の回り込みを防ぎ、エアギャップ９を介してステータ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。複数のフラックスバリア１３のそれぞれが複数の磁石埋設孔６のそれぞれの端部に位置している。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（貫通孔）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。

図２に示すように、ロータコア７は、複数のブリッジ１５及び複数の突起１６を有する。各ブリッジ１５は、シャフト３の中心（回転軸Ｏ）から見てフラックスバリア１３よりも半径方向の外側に位置している部分である。詳細には、ブリッジ１５は、フラックスバリア１３とロータ４の外周面４ｐとの間に設けられた部分である。ロータ４の半径方向に関するブリッジ１５の幅は十分に狭い。本実施形態では、ロータ４の半径方向に関するブリッジ１５の寸法は、ロータ４の周方向にわたって一定である。突起１６は、フラックスバリア１３においてブリッジ１５からシャフト３の中心に向かって突出している部分である。本実施形態では、１つのフラックスバリア１３に対して、１つの突起１６が設けられている。

ロータコア７は、さらに、複数の連結部２２を有する。各連結部２２は、ｑ軸と平行な方向に延びている。また、連結部２２は、ロータ４の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対のブリッジ１５とロータコア７の内側部分とを連結している。１対のブリッジ１５と連結部２２とによってＴ字状の部分がロータコア７に形成されている。本実施形態において、連結部２２の幅Ｌ７も一定である。

本明細書では、ロータ４の断面においてｑ軸に直交する方向を幅方向ＷＤと定義する。そして、特に断らない限り、幅方向ＷＤに関する各部の寸法を「幅」と定義する。

図２に示すように、ロータ４の断面において、突起１６の輪郭は、ｑ軸に平行な一辺１８と、永久磁石５に向かって延びる他の辺２０とを含む。「平行」の語句は、完全に平行であることを必ずしも意味しない。例えば、ｑ軸に対する一辺１８の傾斜角度が３度以下であるとき、一辺１８がｑ軸に平行であるとみなすことができる。このことは、突起１６以外の要素にも当てはまる。他の辺２０は、詳細には、ロータ４の外周面４ｐに近い側における永久磁石５の角部に向かって延びている。本実施形態において、他の辺２０はｑ軸に対して傾いた線分であるが、曲線であってもよい。ブリッジ１５に近い側を突起１６の根元側と定義し、シャフト３の中心（回転軸Ｏ）に近い側を突起１６の先端側と定義する。先端側における突起１６の幅Ｌ２は、根元側における突起１６の幅Ｌ１よりも大きい。詳細には、突起１６の幅は、ブリッジ１５からシャフト３の中心に向かって連続的に拡大している。言い換えれば、突起１６の幅は、ｑ軸に平行な方向において連続的に拡大している。突起１６の幅は、ｑ軸に平行な方向において段階的に拡大していてもよい。幅Ｌ１に対する幅Ｌ２の比率（Ｌ２／Ｌ１）は、例えば、１．２〜３の範囲にある。

本実施形態の構造によれば、ｑ軸の近傍かつロータ４の外周面４ｐの近傍に十分な体積（図２の断面では面積）を有する非磁性のフラックスバリア１３（空隙）が設けられている。フラックスバリア１３の働きによって、ある磁極４ａから隣接する磁極４ａへの漏れ磁束を減らすことができる。つまり、本実施形態の同期機１００は高トルクを達成できる。また、過大な逆磁界がロータ４に作用したときには、ロータコア７の内部に深く侵入した強磁束が突起１６を通じて磁極４ａから隣接する磁極４ａへと逃がされる。これにより、永久磁石５に強い逆磁界が作用することを回避できる。つまり、本実施形態の同期機１００は耐減磁性にも優れている。

ロータ４の構造をさらに詳しく説明する。

図２に示すように、突起１６の輪郭の一辺１８は、突起１６の輪郭の他の辺２０よりもｑ軸の近くにある。フラックスバリア１３は、他の辺２０に隣接する第１部分１３ａと、一辺１８に隣接する第２部分１３ｂとを含む。言い換えれば、突起１６は、ロータ４の半径方向に延び、フラックスバリア１３の第１部分１３ａと第２部分１３ｂとを形成している。突起１６の根元側における第１部分１３ａの幅Ｌ３（空隙長さＬ３）は、突起１６の先端側における第１部分１３ａの最も狭い部分の幅Ｌ５（空隙長さＬ５）よりも大きい。ロータ４の断面において、第１部分１３ａの最も狭い部分の幅Ｌ５は、突起１６の輪郭の他の辺２０と、他の辺２０に向かい合う第１部分１３ａの内周面２３との距離（最短距離）で表される。本実施形態では、第１部分１３ａの幅は、ブリッジ１５から遠ざかるにつれて減少している。このような構造は、トルクの向上に有利である。つまり、ロータ４の外周面４ｐの近くで十分な大きさの磁気抵抗を確保でき、ある磁極４ａから隣接する磁極４ａへの漏れ磁束を効果的に減らすことができる。幅Ｌ５に対する幅Ｌ３の比率（Ｌ３／Ｌ５）は、例えば、４〜６の範囲にある。

ロータ４の周方向において互いに隣り合う１対の磁極４ａにおける１対のフラックスバリア１３は、ｑ軸に関して対称な形状を有する。１対の突起１６もｑ軸に関して対称な形状を有する。１つの連結部２２に隣接する１対のフラックスバリア１３を含む構造に着目したとき、２つのブリッジ１５に隣接する位置（ブリッジ１５の内周面）において、磁性材料で構成された部分は、２つの突起１６及び連結部２２である。したがって、磁性材料で構成された部分の幅は、一方の突起１６の幅Ｌ１と他方の突起１６の幅Ｌ１と連結部２２の幅Ｌ７との和で表される。ブリッジ１５に隣接する位置において、非磁性の部分は、２つのフラックスバリア１３である。詳細には、非磁性の部分は、２つの第１部分１３ａと２つの第２部分１３ｂである。非磁性の部分の幅は、第１部分１３ａの幅Ｌ３と第２部分１３ｂの幅Ｌ４との和の２倍で表される。本実施形態では、非磁性の部分の幅（合計幅：２×（Ｌ３＋Ｌ４））が磁性材料で構成された部分の幅（合計幅：２×Ｌ１＋Ｌ７）よりも大きい。突起１６の根元側において、磁性材料で構成された部分の幅に対する非磁性の部分の幅の比率は、例えば、２〜３の範囲にある。

一方、突起１６の先端側（永久磁石５の端部の近傍）において、磁性材料で構成された部分は、２つの突起１６及び連結部２２である。したがって、磁性材料で構成された部分の幅は、一方の突起１６の幅Ｌ２と他方の突起１６の幅Ｌ２と連結部２２の幅Ｌ７との和で表される。突起１６の先端側において、非磁性の部分は、２つのフラックスバリア１３である。詳細には、非磁性の部分は、２つの第１部分１３ａと２つの第２部分１３ｂである。非磁性の部分の幅は、第２部分１３ｂの幅Ｌ４と第１部分１３ａの最も狭い部分の幅Ｌ５との和の２倍で表される。本実施形態では、非磁性の部分の幅（合計幅：２×（Ｌ４＋Ｌ５））が磁性材料で構成された部分の幅（合計幅：２×Ｌ２＋Ｌ７）よりも小さい。つまり、非磁性の部分の幅と磁性材料で構成された部分の幅との大小関係は、突起１６の根元側と突起１６の先端側とで逆である。突起１６の先端側において、非磁性の部分の幅に対する磁性材料で構成された部分の幅の比率は、例えば、２〜３の範囲にある。

また、突起１６の先端側におけるフラックスバリア１３の第２部分１３ｂの幅Ｌ４と、突起１６の先端側におけるフラックスバリア１３の第１部分１３ａの最も狭い部分の幅Ｌ５との和は、磁化方向（磁化容易軸方向）に関する永久磁石５の厚さＬ６よりも小さい。このような構成によれば、ロータ４に過大な逆磁界磁束が作用したとき、逆磁界磁束は、永久磁石５に達する前に突起１６の先端部分を通じて隣接した磁極４ａへ漏れやすい。永久磁石５に作用する逆磁界を効果的に減らすことができるので、本実施形態の同期機１００は耐減磁性に優れている。厚さＬ６に対する幅Ｌ４と幅Ｌ５との和の比率（（Ｌ４＋Ｌ５）／Ｌ６）は、例えば、０．３〜０．５の範囲にある。

次に、コンピュータシミュレーションの結果に基づき、フラックスバリア１３及び突起１６の作用を詳細に説明する。

図３は、磁界解析によって作成された磁束線図であり、反半時計回り方向にトルクを発生させたときの状態を表している。本実施形態において、ブリッジ１５に隣接した位置におけるフラックスバリア１３の第１部分１３ａの幅Ｌ３は、突起１６の先端側におけるフラックスバリア１３の第１部分１３ａの幅Ｌ５よりも十分に大きい。そのため、フラックスバリア１３の磁気抵抗は、ロータ４の外周面４ｐの近傍で十分に高い。その結果、ある磁極４ａから隣接する磁極４ａへの漏れ磁束（破線矢印）が十分に低減される。突起１６の先端側においても、第１部分１３ａ及び第２部分１３ｂを含むフラックスバリア１３によって適度な大きさの磁気抵抗が確保されている。そのため、２つの突起１６を通ってある磁極４ａから隣接する磁極４ａに磁束が漏れることを抑制できる。図３に示す通り、トルク発生時の漏れ磁束は少なく、磁束が効果的にトルクを発生させている。

図４は、ロータに逆磁界を作用させたときの磁束線図である。一般に、ロータの永久磁石に過大な減磁界が作用する状態とは、ロータのＮ極に対してＮ極となるステータの巻線への通電による磁界が作用し、ロータのＳ極に対してＳ極となるステータの巻線への通電による磁界が作用する状態を意味する。この場合、ステータの巻線への通電により、Ｎ極となるティースから、ロータを介して、Ｓ極となる隣のティースに大きな磁束が流れる。このとき、ロータのＮ極とＳ極との境界近傍に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。過大な逆磁界は、ロータの表面の近傍だけでなく、ロータの内部まで深く侵入する。

図４は、本実施形態のロータに過大な逆磁界を作用させた状態を示している。過大な逆磁界により、ブリッジ１５が磁気飽和し、さらにロータコア７の内部まで磁束が侵入している。しかし、突起１６の幅が先端側で広く、突起１６の先端側において、磁気抵抗が比較的低い。フラックスバリア１３の第２部分１３ｂの幅Ｌ４と、突起１６の先端側における第１部分１３ａの最も狭い部分の幅Ｌ５との和は、磁化方向に関する永久磁石５の厚さＬ６よりも小さい。そのため、ロータ４に作用した過大な逆磁界磁束が永久磁石５に達する前に突起１６の先端部分及び連結部２２を通じて、ある磁極４ａから隣接する磁極４ａへと漏れる（破線矢印）。その結果、永久磁石５に作用する逆磁界が低減され、永久磁石５の減磁も防止される。

図５は、磁界解析の結果から算出された定格電流と定格トルクとの関係を示したグラフである。まず、コンピュータシミュレーションによって、本実施形態のロータ４から突起１６を取り除くことによって得られるロータを用いた同期機（参照例）に逆磁界を作用させ、顕著な減磁が発生しない電流値（減磁限界電流）を特定した。そして、減磁限界電流の所定割合（例えば、１／３）を定格電流に設定し、その定格電流を巻線に流したときに発生するトルクを定格トルクとして算出した。参照例の同期機の定格電流及び定格トルクをそれぞれ１００％の電流及びトルクと定義した。図５の点Ｐは、参照例の同期機のデータである。

次に、図１２に示す従来技術のロータを用いた同期機について、同じシミュレーションを実施し、定格電流及び定格トルクをそれぞれ算出し、参照例の同期機のデータ（点Ｐ）に対する割合を算出した。図５の点Ｑは、従来技術の同期機のデータである。従来技術の同期機の耐減磁性は、参照例の同期機よりも優れていた。従来技術の同期機では、減磁を避けつつ、参照例の同期機の定格電流の１１８％の電流を流すことが可能であった。トルクも１１５％に向上した。

次に、本実施形態の同期機１００について、定格電流及び定格トルクをそれぞれ算出し、参照例の同期機のデータ（点Ｐ）に対する割合を算出した。図５の点Ｘは、本実施形態の同期機のデータである。本実施形態の同期機の耐減磁性は、参照例及び従来技術の同期機よりも優れていた。本実施形態の同期機では、減磁を避けつつ、参照例の同期機の定格電流の１２４％の電流を流すことが可能であった。トルクも１２２％に向上した。

（実施形態２）
図６に示すように、実施形態２にかかるロータ１４（詳細には、ロータコア１７）は、実施形態１にかかるロータ４の突起１６とは異なる形状の突起２６を有する。ロータ１４のその他の構成は、実施形態１のロータ４と共通であり、その説明を省略することがある。比率などの例も実施形態１の値が援用されうる。

本実施形態において、突起２６は、根元部分２６ａ及び先端部分２６ｂを有する。根元部分２６ａは、一定の幅Ｌ１を有し、ブリッジ１５に隣接している。先端部分２６ｂは、根元部分２６ａよりも広い幅Ｌ２を有しており、根元部分２６ａの先端側に位置している。幅Ｌ２は、先端部分２６ｂの最も幅広の位置における幅である。先端部分２６ｂは、永久磁石５の側面に向かい合っている。ロータ１４の断面において、突起２６の輪郭は、ｑ軸に平行な１対の辺３１及び３２と、永久磁石５に向かって延びる他の辺３３とを含む。ｑ軸に平行な１対の辺３１及び３２によって根元部分２６ａが形成されている。他の辺３３は、多角形の形状を有する先端部分２６ｂを形成している。先端部分２６ｂの幅はｑ軸に平行な方向において変化していてもよいし、一定であってもよい。このような突起２６によれば、ロータ１４の外周面４ｐの近くで十分な大きさの磁気抵抗を確保でき、ある磁極４ａから隣接する磁極４ａへの漏れ磁束を効果的に減らすことができる。このことは、トルクの向上に有利である。

ブリッジ１５に隣接する位置（ブリッジ１５の内周面）において、磁性材料で構成された部分は、２つの突起２６及び連結部２２である。したがって、磁性材料で構成された部分の幅は、一方の突起２６の幅Ｌ１と他方の突起２６の幅Ｌ１と連結部２２の幅Ｌ７との和で表される。ブリッジ１５に隣接する位置において、非磁性の部分は、２つのフラックスバリア１３である。詳細には、非磁性の部分は、２つの第１部分１３ａと２つの第２部分１３ｂである。非磁性の部分の幅は、第１部分１３ａの幅Ｌ３と第２部分１３ｂの幅Ｌ４の合計の２倍で表される。実施形態１と同様に、本実施形態においても、非磁性の部分の幅（合計幅：２×（Ｌ３＋Ｌ４））が磁性材料で構成された部分の幅（合計幅：２×Ｌ１＋Ｌ７）よりも大きい。

一方、突起２６の先端側において、磁性材料で構成された部分は、２つの突起２６及び連結部２２である。したがって、磁性材料で構成された部分の幅は、一方の突起２６の幅Ｌ２と他方の突起２６の幅Ｌ２と連結部２２の幅Ｌ７との和で表される。突起２６の先端側において、非磁性の部分は、２つのフラックスバリア１３である。詳細には、非磁性の部分は、２つの第１部分１３ａと２つの第２部分１３ｂである。非磁性の部分の幅は、第２部分１３ｂの幅Ｌ４と第１部分１３ａの最も狭い部分の幅Ｌ５との和の２倍で表される。本実施形態においても、非磁性の部分の幅（合計幅：２×（Ｌ４＋Ｌ５））が磁性材料で構成された部分の幅（合計幅：２×Ｌ２＋Ｌ７）よりも小さい。つまり、非磁性の部分の幅と磁性材料で構成された部分の幅との大小関係は、突起２６の根元側と突起２６の先端側とで逆である。

図７は、磁界解析によって作成された磁束線図であり、反半時計回り方向にトルクを発生させたときの状態を表している。ブリッジ１５に隣接した位置におけるフラックスバリア１３の第１部分１３ａの幅Ｌ３は、突起２６の先端側におけるフラックスバリア１３の第１部分１３ａの幅Ｌ５よりも十分に大きい。そのため、フラックスバリア１３の磁気抵抗は、ロータ１４の外周面４ｐの近傍で十分に高い。その結果、ある磁極４ａから隣接する磁極４ａへの漏れ磁束（破線矢印）が十分に低減される。突起２６の先端側においても、第１部分１３ａ及び第２部分１３ｂを含むフラックスバリア１３によって適度な大きさの磁気抵抗が確保されている。そのため、２つの突起２６を通ってある磁極４ａから隣接する磁極４ａに磁束が漏れることを抑制できる。図７に示す通り、トルク発生時の漏れ磁束は少なく、磁束が効果的にトルクを発生させている。

図８は、ロータに逆磁界を作用させたときの磁束線図である。過大な逆磁界により、ブリッジ１５が磁気飽和し、さらにロータコア１７の内部まで磁束が侵入している。しかし、突起２６の幅が先端側で広く、突起２６の先端側において、磁気抵抗が比較的低い。フラックスバリア１３の第２部分１３ｂの幅Ｌ４と、突起２６の先端側における第１部分１３ａの最も狭い部分の幅Ｌ５との和は、磁化方向に関する永久磁石５の厚さＬ６よりも小さい。そのため、ロータ１４に作用した過大な逆磁界磁束が永久磁石５に達する前に突起２６の先端部分２６ａ及び連結部２２を通じて、ある磁極４ａから隣接する磁極４ａへと漏れる（破線矢印）。その結果、永久磁石５に作用する逆磁界が低減され、永久磁石５の減磁も防止される。

図５に示すように、本実施形態のロータ１４を用いた同期機について、実施形態１で説明したシミュレーションによって定格電流及び定格トルクをそれぞれ算出し、参照例の同期機のデータ（点Ｐ）に対する割合を算出した。図５の点Ｙは、本実施形態の同期機のデータである。本実施形態の同期機の耐減磁性は、参照例、従来技術及び実施形態１の同期機よりも優れていた。本実施形態の同期機では、減磁を避けつつ、参照例の同期機の定格電流の１２８％の電流を流すことが可能であった。トルクも１２７％に向上した。

（実施形態３）
図９Ａ及び図９Ｂに示すように、実施形態３にかかるロータ２４（詳細には、ロータコア２７）は、ｑ軸に関して非対称な構造を有する。具体的に、ロータコア２７には複数のフラックスバリア４３及び４４が形成されている。複数のフラックスバリア４３及び４４には、１つのｑ軸に隣接する１対のフラックスバリア４３及び４４が含まれる。これら１対のフラックスバリア４３及び４４から選ばれる一方のフラックスバリア４３にのみ突起２６が設けられている。このようなロータ２４を備えた同期機は、一方向（図９Ａでは反時計回り方向）にのみトルクを発生させる用途に適している。フラックスバリア４３は、ｑ軸を基準として、時計回り側に位置している。フラックスバリア４４は、ｑ軸を基準として、反時計回り側に位置している。言い換えれば、フラックスバリア４３は、永久磁石５のｄ軸を基準として、反時計回り側における磁石埋設孔６の端部に位置している。フラックスバリア４４は、永久磁石５のｄ軸を基準として、時計回り側における磁石埋設孔６の端部に位置している。ロータコア２７は、クランク状の連結部４２を有している。連結部４２は、１対のブリッジ１５とロータコア２７の内側部分とを連結している部分である。突起２６に代えて、実施形態１で説明した突起１６が設けられていてもよい。ロータ２４のその他の構成は、実施形態１のロータ４又は実施形態２のロータ１４と共通であり、その説明を省略することがある。比率などの例も実施形態１又は実施形態２の値が援用されうる。図９Ｂは、図９Ａに寸法線を付与した図である。

本実施形態では、磁石埋設孔６の一方の端部（反時計回り側の端部）に突起２６が設けられたフラックスバリア４３（第１のフラックスバリア）が位置し、磁石埋設孔６の他方の端部（時計回り側の端部）に突起２６が設けられていないフラックスバリア４４（第２のフラックスバリア）が位置している。ｑ軸を介して、フラックスバリア４３がフラックスバリア４４に向かい合っている。突起２６は、ブリッジ１５からシャフト３の中心に向かって突出している。フラックスバリア４３は、第１部分４３ａ及び第２部分４３ｂを含む。突起２６の構造は、実施形態２で説明したとおりである。本実施形態のロータ２４は、一方向に磁束を流しやすい構造を有するため、方向性を持たないロータに比べて、高トルクを発揮できる。また、突起２６が設けられていないフラックスバリア４４の形状が比較的シンプルである。そのため、各フラックスバリアに突起が設けられている場合と比べて、本実施形態のロータ２４は、精度よく生産しやすい。

連結部４２は、ｑ軸と平行な方向に延びる２つの第１部分４２ａと、幅方向ＷＤ又はロータ２４の周方向に延びる第２部分４２ｂとを有する。２つの第１部分４２ａの間に第２部分４２ｂが位置している。連結部４２は、フラックスバリア４３とフラックスバリア４４とを隔てており、かつ、１対のブリッジ１５とロータコア２７の内側部分とを連結している。連結部４２の２つの第１部分４２ａは、それぞれ、幅Ｌ７及び幅Ｌ９を有する。２つの第１部分４２ａの幅は、互いに一致していてもよいし、異なっていてもよい。連結部４２の第２部分４２ｂの幅Ｌ８は、第１部分４２ａの幅Ｌ７又はＬ９よりも大きい。

ブリッジ１５に隣接する位置（突起２６の根元側）において、磁性材料で構成された部分は、突起２６及び連結部４２である。したがって、磁性材料で構成された部分の幅は、突起２６の根元部分２６ａの幅Ｌ１と連結部４２の第１部分４２ａの幅Ｌ９との和で表される。ブリッジ１５に隣接する位置において、非磁性の部分は、２つのフラックスバリア４３及び４４である。非磁性の部分の幅は、フラックスバリア４４の幅Ｌ３と、フラックスバリア４３の第１部分４３ａの幅Ｌ３１と、フラックスバリア４３の第２部分４３ｂの幅Ｌ４１との和で表される。他の実施形態と同様に、本実施形態においても、非磁性の部分の幅（合計幅：Ｌ３＋Ｌ３１＋Ｌ４１）が磁性材料で構成された部分の幅（合計幅：Ｌ１＋Ｌ９）よりも大きい。

一方、突起２６の先端側において、磁性材料で構成された部分は、突起２６及び連結部４２である。したがって、磁性材料で構成された部分の幅は、突起２６の幅Ｌ２と、連結部４２の第２部分４２ｂの幅Ｌ８との和で表される。突起２６の先端側において、非磁性の部分は、２つのフラックスバリア４３及び４４である。詳細には、非磁性の部分は、フラックスバリア４３の第１部分４３ａの幅Ｌ５１（空隙長さＬ５１）と、フラックスバリア４３の第２部分４３ｂの幅Ｌ４２（空隙長さＬ４２）と、フラックスバリア４４の幅Ｌ５２（空隙長さＬ５２）との和で表される。幅Ｌ５１は、突起２６とフラックスバリア４３の第１部分４３ａの内周面５２との距離に等しい。幅Ｌ４２は、突起２６と連結部４２の第２部分４２ｂとの距離に等しい。幅Ｌ５２は、フラックスバリア４４の内周面５３と連結部４２の第２部分４２ｂとの距離に等しい。本実施形態においても、非磁性の部分の幅（合計幅：Ｌ５１＋Ｌ４２＋Ｌ５２）が磁性材料で構成された部分の幅（合計幅：Ｌ２＋Ｌ８）よりも小さい。つまり、非磁性の部分の幅と磁性材料で構成された部分の幅との大小関係は、突起２６の根元側と突起２６の先端側とで逆である。

また、フラックスバリア４３は、突起２６に向かい合う内周面５２を有する。フラックスバリア４４は、連結部４２に向かい合う内周面５３を有する。ｑ軸からフラックスバリア４３の内周面５２までの最大距離Ｄ１は、ｑ軸からフラックスバリア４４の内周面５３までの最大距離Ｄ２よりも小さい。

図１０は、磁界解析によって作成された磁束線図であり、反半時計回り方向にトルクを発生させたときの状態を表している。ブリッジ１５に隣接した位置における非磁性の部分（空隙）の幅（合計幅）は、突起２６の先端側における非磁性の部分（空隙）の幅（合計幅）よりも十分に大きい。そのため、フラックスバリア４３及び４４の磁気抵抗は、ロータ２４の外周面４ｐの近傍で十分に高い。その結果、ある磁極４ａから隣接する磁極４ａへの漏れ磁束（破線矢印）が十分に低減される。突起２６の先端側においても、非磁性の部分（空隙）によって適度な大きさの磁気抵抗が確保されている。そのため、突起２６を通ってある磁極４ａから隣接する磁極４ａに磁束が漏れることを抑制できる。図７に示す通り、トルク発生時の漏れ磁束は少なく、磁束が効果的にトルクを発生させている。

図１１は、ロータに逆磁界を作用させたときの磁束線図である。過大な逆磁界により、ブリッジ１５が磁気飽和し、さらにロータコア２７の内部まで磁束が侵入している。しかし、突起２６の幅が先端側で広く、突起２６の先端側において、磁気抵抗が比較的低い。突起２６の先端側において、非磁性の部分の幅（幅Ｌ５１と幅Ｌ４２との和）は、磁化方向に関する永久磁石５の厚さＬ６よりも小さい。フラックスバリア４４の幅Ｌ５２も永久磁石５の厚さＬ６よりも小さい。そのため、ロータ２４に作用した過大な逆磁界磁束は、永久磁石５に達する前に突起２６の先端部分２６ｂ及び連結部４２を通じて、ある磁極４ａから隣接する磁極４ａへと漏れる（破線矢印）。その結果、永久磁石５に作用する逆磁界が低減され、永久磁石５の減磁も防止される。

図５に示すように、本実施形態のロータ２４を用いた同期機について、実施形態１で説明したシミュレーションによって定格電流及び定格トルクをそれぞれ算出し、参照例の同期機のデータ（点Ｐ）に対する割合を算出した。図５の点Ｚは、本実施形態の同期機のデータである。本実施形態の同期機の耐減磁性は、参照例、従来技術、実施形態１及び実施形態２の同期機よりも優れていた。本実施形態の同期機では、減磁を避けつつ、参照例の同期機の定格電流の１２９％の電流を流すことが可能であった。トルクも１２９％に向上した。

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。

３ シャフト
４，２４ ロータ
４ａ 磁極
５ 永久磁石
６ 磁石埋設孔
７，１７，２７ ロータコア
１３，４３，４４ フラックスバリア
１３ａ，４３ａ 第１部分
１３ｂ，４３ｂ 第２部分
１５ ブリッジ
１６，２６ 突起
２６ａ 根元部分
２６ｂ 先端部分
１８，３１ 一辺
２０，３３ 他の辺
１００ 永久磁石埋込同期機
ＷＤ 幅方向

Claims (5)

1. シャフトと、
   前記シャフトに支持されたロータと、
   を備え、
   前記ロータは、ロータコアと、前記ロータコアに埋め込まれた複数の永久磁石と、空間又は非磁性材料で形成された複数のフラックスバリアとを含み、
   前記ロータコアには、前記ロータ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前記ロータに複数の磁極が形成されており、
   前記複数のフラックスバリアのそれぞれが前記複数の磁石埋設孔のそれぞれの端部に位置しており、
   前記ロータコアは、前記シャフトの中心から見て前記フラックスバリアよりも半径方向の外側に位置しているブリッジと、前記フラックスバリアにおいて前記ブリッジから前記シャフトの前記中心に向かって突出している突起とを有し、
   前記シャフトに垂直な前記ロータの断面において、前記突起の輪郭は、前記ロータの周方向において互いに隣り合う前記磁極と前記磁極との境界線をなすｑ軸に平行な一辺と、前記永久磁石に向かって延びる他の辺とを有し、
   前記ブリッジに近い側を前記突起の根元側、前記シャフトの前記中心に近い側を前記突起の先端側、前記断面において前記ｑ軸に直交する方向を幅方向と定義したとき、前記先端側における前記突起の幅Ｌ２が前記根元側における前記突起の幅Ｌ１よりも大きい、永久磁石埋込同期機。
2. 前記突起の前記輪郭の前記一辺は、前記突起の前記輪郭の前記他の辺よりも前記ｑ軸の近くにあり、
   前記フラックスバリアは、前記他の辺に隣接する第１部分を含み、
   前記突起の前記根元側における前記第１部分の幅Ｌ３は、前記突起の前記先端側における前記第１部分の最も狭い部分の寸法Ｌ５よりも大きい、請求項１に記載の永久磁石埋込同期機。
3. 前記突起の前記輪郭の前記一辺は、前記突起の前記輪郭の前記他の辺よりも前記ｑ軸の近くにあり、
   前記フラックスバリアは、前記他の辺に隣接する第１部分と、前記一辺に隣接する第２部分とを含み、
   前記突起の前記先端側における前記第２部分の幅Ｌ４と、前記突起の前記先端側における前記第１部分の最も狭い部分の寸法Ｌ５との和は、磁化方向に関する前記永久磁石の寸法Ｌ６よりも小さい、請求項１又は２に記載の永久磁石埋込同期機。
4. 前記突起は、前記ブリッジに隣接している一定の幅の根元部分を有する、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. 前記複数のフラックスバリアは、それぞれ前記ｑ軸に隣接する１対の前記フラックスバリアを含み、
   前記１対のフラックスバリアから選ばれる一方にのみ前記突起が設けられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の永久磁石埋込同期機。

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