JP2018057182A - 同期回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子に界磁巻線を必要とせず、電機子巻線に鎖交する磁束の大きさを電機子巻線に流す電機子電流による起磁力で変化させる。
【解決手段】同期回転電機１０は、電機子巻線１１ａを含む電機子１１と、周方向に複数の永久磁石１３ｍが間隔をあけて回転子鉄心１３ａに埋め込まれる回転子１３とを有する。回転子鉄心１３ａは、周方向に隣り合う永久磁石１３ｍの間に設けられて、磁束が流れる継鉄部１３ｃを有する。複数の永久磁石１３ｍは、周方向に対向する永久磁石１３ｍの間では異なる極性となるように全て一定方向に磁化される。電機子巻線１１ａに電機子電流を流すか否かに応じて、永久磁石１３ｍから生じる磁束の流れを異ならせる。この構成によれば、部品点数を減らしてコストを低減でき、体格を小さく抑制できる。永久磁石１３ｍから生じる磁束を電機子電流によって変化させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電機子と回転子とを有し、界磁巻線を有しない同期回転電機に関する。

高性能の永久磁石モータとして、Surface Permanent Magnet（以下では「ＳＰＭ」と呼ぶ）モータや、Interior Permanent Magnet（以下では「ＩＰＭ」と呼ぶ）モータが用いられてきた。ＳＰＭモータは回転子の表面に永久磁石を貼り付けるのに対して、ＩＰＭモータは回転子の内部に磁石を埋め込む点で構造的に相違する。

ＳＰＭモータは、常に永久磁石から生じる磁束（以下では「磁石磁束」と呼ぶ）が電機子巻線に影響するため、回転数の高まりとともに電機子巻線に発生する起電力が増加する。起電力の増加によって、電機子巻線に流そうとする電機子電流が抑制されることになり、結果として出力が低下するという課題があった。

これに対してＩＰＭモータは、ＳＰＭモータに比べて電機子巻線に影響する磁石磁束が小さいので、弱め界磁制御ができる。弱め界磁制御を行うことで、電機子巻線に発生する起電力が抑えられる分だけ高い回転数になっても出力は低下しない。したがって、回転数が広い可変速運転を必要とする場合には、ＩＰＭモータを用いるのが主流となっている。

このＩＰＭモータは、ＳＰＭモータと比べて、回転子から電機子に流れる磁石磁束のうちで電機子巻線に鎖交する磁束（以下では「主磁束」と呼ぶ）を抑制して起電力を小さくできる。その反面、当該磁石磁束が主磁束以外の成分になって電機子鉄心内に残り、鉄損を発生させるなどの悪影響を伴うという課題があった。

例えば下記の特許文献１において、ロータ（すなわち回転子）がステータ（すなわち固定子）から軸方向に露出したとき、ロータの露出部分からの磁束がステータへ軸方向に漏れることを防止することを目的とする可変磁束モータに関する技術が開示されている。この可変磁束モータは、ステータに対するロータの軸方向の相対位置を変更して、コイルと鎖交する磁石の磁束を調整するアクチュエータを備える。ロータは、少なくとも磁石よりも径方向におけるステータ側に、軸方向の磁束を遮蔽する磁束遮蔽部を備える。

特開２０１２−０８０６１５号公報

ＩＰＭモータに含まれる上記可変磁束モータは、それぞれがＶ字状に配置された複数組の永久磁石がロータに埋め込まれている。回転子鉄心に相当するロータ本体部は、各組の永久磁石に挟まれ、かつ、ステータに対向する部位が磁極（すなわちＮ極またはＳ極）で磁化される。「対向」には対面の意味を含む。この構成によれば、ＳＰＭモータと同様に、磁極で磁化された部位から常に流れる磁束が電機子巻線に影響する。よって、回転数の高まりとともに起電力が増加し、電機子巻線に流そうとする電機子電流が抑制され、出力が低下してしまうという課題が残る。

上記可変磁束モータにおいて、ロータ本体部に界磁巻線を設ける構成が考えられる。この構成によれば、界磁巻線に流す電流によって発生させる磁束（以下では「界磁磁束」と呼ぶ）と、磁石磁束とを混成的に制御する制御装置などを要するためにコスト高になるという課題がある。また、磁石磁束は界磁磁束よりも強いため、界磁巻線に流す電流を大きくしても、磁石磁束が十分に弱まらないという課題もある。磁石磁束と同等以上の界磁磁束を発生させるには、界磁巻線の巻数を多くしたり、界磁巻線の断面積を大きくしたりする必要があるので、結果としてモータの体格が大きくなるという課題もある。

本開示はこのような点に鑑みてなしたものであり、回転子に界磁巻線を必要とすることなく、電機子巻線に鎖交する磁束の大きさを電機子巻線に流す電機子電流による起磁力で変化させ得る同期回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、電機子巻線（１１ａ）を含む電機子（１１）と、周方向に複数の永久磁石（１３ｍ，Ｍ１，Ｍ２）が間隔をあけて回転子鉄心（１３ａ）に埋め込まれるとともに前記電機子に対向して設けられる回転子（１３）とを有する同期回転電機（１０）において、前記回転子鉄心は、周方向に隣り合う前記永久磁石の間に設けられて、磁束が流れる継鉄部（１３ｃ）を有し、前記複数の永久磁石は、周方向に対向する前記永久磁石の間では異なる極性となるように全て一定方向（Ｄ）に磁化され、前記電機子巻線に電機子電流を流すか否かに応じて、前記永久磁石から生じる磁束の流れを異ならせる。

この構成によれば、回転子には界磁巻線を必要としないので、部品点数を減らしてコストを低減でき、同期回転電機の体格を小さく抑制できる。また、電機子巻線に鎖交する磁束の大きさを電機子巻線に流す電機子電流による起磁力で変化させることができる。常に回転子から電機子に磁束が流れる従来技術と比べて、電機子巻線に鎖交する磁束が抑制されて起電力を小さくでき、起磁力によって電機子巻線に鎖交する磁束を増やしてトルクを向上させることができる。

第２の発明は、前記電機子巻線に前記電機子電流を流さないときは、前記永久磁石から生じる磁束が前記継鉄部を経て前記回転子の周方向に沿って前記回転子鉄心を循環し、前記電機子巻線に前記電機子電流を流すときは、前記電機子巻線に生じる起磁力によって前記永久磁石から生じる磁束の一部が前記継鉄部を経て前記電機子に流れる。

この構成によれば、電機子巻線に電機子電流を流さないときは、永久磁石から生じる磁束は回転子鉄心を循環して流れる第１磁気回路を形成する。第１磁気回路は、磁路に電機子を含まないので、電機子鉄心内に残らず、鉄損が発生しない。一方、電機子巻線に電機子電流を流すときは、起磁力によって永久磁石から生じる磁束の一部が電機子に流れる第２磁気回路を形成する。第２磁気回路は、磁路に電機子を含むので、電機子巻線に流す電機子電流によって発生する磁束に、永久磁石から生じる磁束の一部が加わるのでトルクが向上する。

第３の発明は、前記回転子鉄心は、前記継鉄部から前記電機子側に突出し、前記電機子との間で磁束が流れる複数の磁極部（１３ｂ）を有する。この構成によれば、磁極部を通じて回転子と電機子との間で磁束が流れるので、リラクタンストルクが高められ、出力も向上する。

第４の発明は、前記磁極部の先端面における両角部の間の角度ピッチをθａとし、周方向に隣り合う前記永久磁石の角度ピッチをθｂとするとき、２／５≦（２θａ／θｂ）≦１／２の関係を満たす。この構成によれば、従来よりも高いトルクを得ることができる。また、極弧比である（２θａ／θｂ）を１／２以下に設定すると、磁極部に順突極性を持たせることができる。

第５の発明は、前記回転子鉄心は、前記継鉄部の一部が径方向に狭められる狭窄部（１３ｅ）を有する。この構成によれば、回転子鉄心を流れる磁束の量を制限するとともに、電機子巻線に電機子電流を流して生じる起磁力によって磁束を電機子に向かわせ易くなる。

第６の発明は、前記狭窄部は、前記狭窄部の径方向幅（Ｗａ）を前記継鉄部の径方向幅（Ｗｂ）で除した比率である狭窄比をＷｒとするとき、１／６≦Ｗｒ≦４／６の関係を満たす。この構成によれば、回転子鉄心を流れる磁束の量をより確実に制限するとともに、電機子巻線に電機子電流を流して生じる起磁力によって磁束をさらに電機子に向かわせ易くなる。

第７の発明は、前記複数の永久磁石は、断面が矩形状の角柱状であり、長辺が径方向に沿うように前記回転子鉄心に放射状に埋め込まれる。この構成によれば、周方向に隣り合う永久磁石の間で継鉄部を磁束が流れ易い。また、一般的な永久磁石を用いることができ、回転子鉄心への埋め込みも容易になるので作業効率が高まる。

なお、「電機子巻線」は固定子巻線と同義であり、一本状の巻線でもよく、複数の導体線やコイル等を電気的に接続して一本状にしたものでもよい。電機子巻線の相数は、三相以上であれば問わない。「磁極部」は、継鉄部よりも電機子側に突出し、かつ、電機子との間で磁束が流れることを条件として、どのような形状でもよい。「同期回転電機」は、シャフトとも呼ぶ回転軸を有すれば任意の機器を適用でき、例えば発電機，電動機，電動発電機等が該当する。発電機には電動発電機が発電機として作動する場合を含み、電動機には電動発電機が電動機として作動する場合を含む。

同期回転電機の構成例を模式的に示す断面図である。 図１における矢印II−II線の一部を示す断面図である。 磁極角と継鉄周方向角を説明する模式図である。 電機子電流を流さないときにおける磁束の流れを示す模式図である。 電機子電流を流すときにおける磁束の流れを示す模式図である。 電気角と主磁束との関係例を示すグラフ図である。 極弧比とトルクとの関係例を示すグラフ図である。 狭窄比とトルクとの関係例を示すグラフ図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、特に明示しない限り、「接続する」という場合には電気的に接続することを意味する。各図は、本発明を説明するために必要な要素を図示し、実際の全要素を図示しているとは限らない。上下左右等の方向を言う場合には、図面の記載を基準とする。英数字の連続符号は記号「〜」を用いて略記する。「巻装」は巻いた状態に装うことを意味し、巻き回す意味の「巻回」と同義である。「電流」は、ｄ軸電流等のように特に明示しない限り、「電機子電流」を意味する。

図１に示す同期回転電機１０は、電機子１１，回転子１３，軸受１４，回転軸１５などをフレーム１２内に有する。この同期回転電機１０は、インナーロータ型の回転電機であって、ＩＰＭモータに相当する。フレーム１２の内部または外部には、同期回転電機１０の回転制御を司る制御部２０が設けられる。

筐体やハウジングなどに相当するフレーム１２は、電機子１１，回転子１３，軸受１４，回転軸１５などを収容できれば、形状や材質等を問わない。このフレーム１２は、少なくとも電機子１１を支持して固定するとともに、軸受１４を介して回転軸１５を回転自在に支持する。本形態のフレーム１２は、非磁性体のフレーム部材１２ａ，１２ｂなどを含む。フレーム部材１２ａ，１２ｂは一体成形してもよく、個別に成形した後に固定してもよい。固定は、例えばボルト，ネジ，ピン等のような締結部材を用いる締結や、母材を溶かして溶接を行う接合などが該当する。

「ステータ」や「固定子」などに相当する電機子１１は、電機子巻線１１ａ，電機子鉄心１１ｂ，複数のスロット１１ｓなどを含む。「固定子鉄心」や「ステータコア」などに相当する電機子鉄心１１ｂは、図２に示す複数のスロット１１ｓを含む。電機子鉄心１１ｂは磁束が流れればよく、本形態では軟磁性体である多数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成する。スロット１１ｓは、「鉄心溝」とも呼ばれ、電機子巻線１１ａを収容して巻装するために電機子鉄心１１ｂに設けられた空間部位である。

「固定子巻線」や「ステータコイル」などに相当する電機子巻線１１ａは、スロット１１ｓに収容して巻装される。電機子巻線１１ａの相数は、本形態では三相とする。電機子巻線１１ａの巻き方は、例えば全節巻，分布巻，集中巻，短節巻などが該当する。電機子巻線１１ａの断面形状は、例えば平角線の四角形状や、丸線の円形状、三角線の三角形状などが該当する。一例として、平角線を複数層（例えば４層など）でスロット１１ｓに積層して収容する場合がある。この場合には、所要の角度ピッチでスロット１１ｓを跨ぎ、途中で径方向に曲げられるクランク部位を含めるとよい。

「ロータ」に相当する回転子１３は、電機子鉄心１１ｂに対向して内径側に設けられるとともに、回転軸１５に固定される。すなわち、回転子１３と回転軸１５は一体的に回転する。回転子１３の構成例については後述する。回転子１３と電機子１１との間には、ギャップＧが設けられる。ギャップＧには、回転子１３と電機子１１との間で磁束が流れるような数値を設定してよい。

制御部２０は、例えば力行時において電機子巻線１１ａに流す多相交流を制御したり、回生時において電機子巻線１１ａで発生した起電力の利用（例えば蓄電や供給等）を制御したりする。多相交流の相数は、電機子巻線１１ａの相数と等しくするとよい。

図２は、電機子１１と回転子１３の構成例を示す要部断面図であり、図面の上下方向に対称である。電機子１１は、上述したように電機子巻線１１ａ，電機子鉄心１１ｂ，スロット１１ｓなどを含む。

回転子１３は、界磁巻線を含まず、回転子鉄心１３ａ，永久磁石１３ｍなどを有する。回転子鉄心１３ａは、複数の永久磁石１３ｍが間隔をあけて埋め込まれ、磁極部１３ｂ，継鉄部１３ｃ，ハブ部１３ｄなどを有する。回転子鉄心１３ａは、磁束が流れればどのように構成してもよい。本形態では、多数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成するので、磁極部１３ｂ，継鉄部１３ｃ，ハブ部１３ｄなどが一体に構成される。図１に示す回転子鉄心１３ａの厚さは軸方向に積層厚１３ｔである。

複数の永久磁石１３ｍは、断面が矩形状の角柱状であり、長辺が径方向に沿うように回転子鉄心１３ａに放射状に埋め込まれる。周方向に対向する永久磁石１３ｍの周方向端面の間では、異なる極性となるように全て一定方向（例えば図２では矢印Ｄ方向）に磁化される。回転子鉄心１３ａに埋め込む永久磁石１３ｍの数は、同期回転電機１０の定格や仕様等に応じて適切に設定してよく、本形態では「８」とする。

磁極部１３ｂは、継鉄部１３ｃから電機子１１（具体的には電機子鉄心１１ｂ）側に突出して設けられる凸状部位である。磁極部１３ｂの形態は、同期回転電機１０の定格や仕様等に応じて適切に設定してよい。本形態では、磁極部１３ｂの数（すなわち磁極数）を「１６」とし、磁極部１３ｂの先端面にかかる周方向の角度ピッチを磁極角θａとする。図３に示す磁極角θａの適切な設定値については後述する。磁極部１３ｂが磁極として機能する場合には、周方向にＮ極とＳ極が交互にあらわれる。

継鉄部１３ｃは、周方向に隣り合う永久磁石１３ｍの周方向端面の間に設けられて磁束が流れる部位である。この継鉄部１３ｃは、磁極部１３ｂの根元部で連接する部位でもある。本形態の継鉄部１３ｃは、周方向の角度ピッチを図３に示す継鉄角θｂとし、径方向幅（すなわち径方向の幅）を図２に示す継鉄幅Ｗｂとする。継鉄角θｂと継鉄幅Ｗｂの適切な設定値については後述する。

継鉄部１３ｃには、一部が径方向に狭められる狭窄部１３ｅを有する。狭窄部１３ｅは、結果として周方向に隣り合う永久磁石１３ｍの間に設けられ、磁路を狭めて継鉄部１３ｃを流れる磁束の磁束量を制限する。本形態の狭窄部１３ｅは、継鉄部１３ｃの径方向幅を狭窄幅Ｗａとする。狭窄幅Ｗａの適切な設定値については後述する。

ハブ部１３ｄは、回転子１３を回転軸１５に固定する円筒状の固定部位や、当該固定部位から放射状に延びて継鉄部１３ｃに連接する扇形状のスポーク部位などを有する。

空間部１３ｆは、継鉄部１３ｃが狭窄部１３ｅを有し、ハブ部１３ｄがスポーク部位を有するために設けられる部位である。この空間部１３ｆは磁束が流れなければ、空間のままとしてもよく、例えば樹脂などのような非磁性体で埋めてもよい。

図３には、磁極角θａと継鉄角θｂの設定例を示す。磁極角θａは、磁極部１３ｂの先端面（すなわち径方向端面）を規定する角度ピッチである。磁極角θａの矢印が指す線分は、磁極部１３ｂの先端面における周方向の両角部と、回転子１３の中心Ｐとを通る。継鉄角θｂは、継鉄部１３ｃを規定する角度ピッチであるとともに、電気角の一周期（つまり３６０度）に相当する角度ピッチでもある。継鉄角θｂの矢印が指す線分は、周方向に隣り合うそれぞれの永久磁石１３ｍの中心と、回転子１３の中心Ｐとを通る。

次に、電機子巻線１１ａに電流を流すか否かで永久磁石１３ｍから生じる磁束の流れを異ならせる例について、図４と図５を参照しながら説明する。図４と図５では、機械角で９０度分を模式的に示す。また、永久磁石Ｍ１，Ｍ２は説明の都合上のために付した符号であり、いずれも永久磁石１３ｍに相当する。

図４において、電機子巻線１１ａに電流を流さない場合は、電機子巻線１１ａに起磁力が生じない。回転子鉄心１３ａに埋め込まれた永久磁石Ｍ１，Ｍ２は、同じ矢印Ｄ方向に磁化されている。永久磁石Ｍ２から生じた磁束は、継鉄部１３ｃを流れて永久磁石Ｍ１に向かう。永久磁石Ｍ１から生じた磁束は、継鉄部１３ｃを流れて図４の左側に埋め込まれた永久磁石に向かう。こうして、全ての永久磁石１３ｍから生じた磁束は、回転子鉄心１３ａを循環する循環磁束φｃになる。この場合の循環磁束φｃは「磁石磁束」に相当し、循環磁束φｃが流れる磁路は「第１磁気回路」に相当する。

一方、永久磁石１３ｍから生じた磁束が電機子鉄心１１ｂに流れるのは、漏れ磁束に相当する磁束に過ぎない程度に弱い。したがって、回転子１３から電機子１１に流れた磁束が電機子鉄心１１ｂに及ぼして発生させる起磁力は無視できる。

図５において、電機子巻線１１ａに電流を流す場合は、電機子巻線１１ａに起磁力が生じる。当該起磁力の発生に伴って、電機子１１と回転子１３との間には、ｄ軸電流に従うｄ軸磁束φｄや、ｑ軸電流に従うｑ軸磁束φｑが流れる。

永久磁石Ｍ１，Ｍ２から生じた磁束は、循環磁束φｃと分流磁束φｓとを含む。循環磁束φｃは、電機子巻線１１ａに電流を流さない場合と同様に回転子鉄心１３ａを循環する。循環磁束φｃの磁束量は、電機子巻線１１ａに電流を流さない場合に比べて、分流磁束φｓが生じる分だけ少なくなる。分流磁束φｓは、永久磁石Ｍ１，Ｍ２から生じた磁束の一部である。例えば永久磁石Ｍ２から生じた分流磁束φｓは、継鉄部１３ｃや磁極部１３ｂを経て電機子鉄心１１ｂに流れ、さらに磁極部１３ｂや継鉄部１３ｃを経て永久磁石Ｍ１に流れる。永久磁石Ｍ１から生じた分流磁束φｓについても同様である。こうして、全ての永久磁石１３ｍから生じた磁束は、循環磁束φｃと分流磁束φｓとになる。この場合の循環磁束φｃと分流磁束φｓは「磁石磁束」に相当する。分流磁束φｓが流れる磁路は「第２磁気回路」に相当する。

上述した分流磁束φｓが生じる要因は、電機子巻線１１ａに電流を流して生じる起磁力である。つまり、電機子巻線１１ａに生じた起磁力によって、永久磁石１３ｍから生じた磁束が引き込まれ、継鉄部１３ｃや磁極部１３ｂを経て電機子鉄心１１ｂに流れる。また、電機子巻線１１ａに流す電流の大きさを変化させると起磁力も変化するので、電機子鉄心１１ｂに引き込む分流磁束φｓの磁束量も変化させることができる。

電機子鉄心１１ｂを流れる分流磁束φｓは、電機子巻線１１ａに鎖交して起電力を発生させる反面、電機子鉄心１１ｂと磁極部１３ｂとの間を流れてトルク（具体的にはマグネットトルク）を発生させる。電機子巻線１１ａに鎖交する磁束である主磁束φｍは、ｄ軸磁束φｄに分流磁束φｓが加わる。すなわち、φｍ＝φｄ＋φｓが成り立つ。

上述した同期回転電機１０の磁束特性について、図６を参照しながら説明する。図６には、横軸を電気角θ、縦軸を主磁束φｍとして、一周期における主磁束φｍの変化を示す。一周期は、電気角をθとすると、０度≦θ＜３６０度である。

図６において、特性線Ｌ１は電機子巻線１１ａに電流を流す場合の変化を示し、特性線Ｌ２は電機子巻線１１ａに電流を流さない場合の変化を示す。特性線Ｌ１の主磁束φｍが最大となる電気角θｍにおいて、電機子巻線１１ａに電流を流すと磁束φ２になり、電機子巻線１１ａに電流を流さないと磁束φ１になる。

例えば、同期回転電機１０の外径を１２８[mm]とし、回転子１３の積層厚１３ｔを３２[mm]とし、電流を１００[Arms]とする。この構成例における磁束可変比φｒは、φｒ＝φ２／φ１≒２０が得られた。特許文献１に記載されたモータを含めた従来のモータでは、φｒ≦２に過ぎない。本発明の同期回転電機１０では、φｒ＞２が容易に得られる。

次に、同期回転電機１０のトルク特性について、図７と図８を参照しながら説明する。図７には、横軸を極弧比θｒ、縦軸をトルクＴとして、極弧比θｒに対するトルクＴの変化を実線の特性線Ｌｔａで示す。極弧比θｒに対するリラクタンストルクＴｒの変化は、一点鎖線の特性線Ｌｒａで示す。極弧比θｒに対するマグネットトルクＴｍの変化は、二点鎖線の特性線Ｌｍａで示す。

極弧比θｒは、図３に示す磁極角θａを２倍し、かつ、継鉄角θｂで除した比率である。式で表すと、θｒ＝２θａ／θｂになる。トルクＴは、リラクタンストルクＴｒとマグネットトルクＴｍとの和に比例する。式で表すと、Ｔａ∝Ｔｒ＋Ｔｍになる。

リラクタンストルクＴｒは、ｄ軸磁束φｄとｑ軸磁束φｑの差分に比例する。式で表すと、Ｔｒ∝φｄ−φｑになる。このリラクタンストルクＴｒは、極弧比θｒが小さいときに微増するものの、極弧比θｒが増加するにつれて減少してゆく。

マグネットトルクＴｍは、電機子巻線１１ａに鎖交する磁束である主磁束φｍに比例する。式で表すと、Ｔｍ∝φｍ（ただしφｍ＝φｄ＋φｓ）になる。このマグネットトルクＴｍは、極弧比θｒが増加するにつれて増えてゆくものの、極弧比θｒが１／２を超えると周辺への漏れも増えるために緩やかに減少してゆく。

図７に示す極弧比θｒは、２／５≦θｒ≦１／２の関係を満たすと、高いトルクＴが得られる。この範囲に限らず、トルクＴが閾値Ttha以上になる所定範囲Ｅｘを満たしてもよい。所定範囲Ｅｘの下限値は２／５に限られず、同じく上限値は１／２に限られない。こうすれば、閾値Ttha以上のトルクＴが確実に得られる。また、極弧比θｒを１／２以下に設定することによって、磁極部１３ｂに順突極性を持たせることができる。

図８には、横軸を狭窄比Ｗｒ、縦軸をトルクＴとして、トルクＴの変化を実線の特性線Ｌｔｂで示す。狭窄比Ｗｒは、図２に示す狭窄幅Ｗａを継鉄幅Ｗｂで除した比率である。式で表すと、Ｗｒ＝Ｗａ／Ｗｂになる。

狭窄比Ｗｒに対するリラクタンストルクＴｒの変化は、一点鎖線の特性線Ｌｒｂで示す。このリラクタンストルクＴｒは、狭窄比Ｗｒが増加するにつれて増えてゆく。

狭窄比Ｗｒに対するマグネットトルクＴｍの変化は、二点鎖線の特性線Ｌｍｂで示す。このマグネットトルクＴｍは、狭窄比Ｗｒが増加するにつれて減ってゆく。

図８に示す狭窄比Ｗｒは、１／６≦Ｗｒ≦４／６の関係を満たすと、高いトルクＴが得られる。この範囲に限らず、トルクＴが閾値Tthb以上になる範囲を満たしてもよい。当該範囲は、０＜Ｗ１＜Ｗ２の下で、図８ではＷ１≦Ｗｒ≦Ｗ２である。なお、図８ではＷ１＝１／６，Ｗ２＝４／６であるが、同期回転電機１０の定格や仕様等に応じてＷ１≠１／６，Ｗ２≠４／６を設定してもよい。いずれにせよ、Ｗ１≦Ｗｒ≦Ｗ２の関係を満たせば、閾値Tthb以上のトルクＴが確実に得られる。

上述した実施の形態によれば、以下に示す各作用効果を得ることができる。

（１）同期回転電機１０は、電機子巻線１１ａを含む電機子１１と、周方向に複数の永久磁石１３ｍが間隔をあけて回転子鉄心１３ａに埋め込まれる回転子１３とを有する。回転子鉄心１３ａは、周方向に隣り合う永久磁石１３ｍの間に設けられて、磁束が流れる継鉄部１３ｃを有する。複数の永久磁石１３ｍは、周方向に対向する永久磁石１３ｍの間では異なる極性となるように全て一定方向に磁化される。電機子巻線１１ａに電流を流すか否かに応じて、永久磁石１３ｍから生じる磁束の流れを異ならせる。この構成によれば、回転子１３には界磁巻線を必要としないので、部品点数を減らしてコストを低減でき、同期回転電機１０の体格を小さく抑制できる。また、電機子巻線１１ａに鎖交する磁束の大きさを電機子巻線１１ａに流す電流による起磁力で変化させることができる。常に回転子１３から電機子１１に磁束が流れる従来技術と比べて、電機子巻線１１ａに鎖交する磁束が抑制されて起電力を小さくでき、起磁力によって電機子巻線１１ａに鎖交する磁束を増やしてトルクＴを向上させることができる。

（２）電機子巻線１１ａに電流を流さないときは、永久磁石１３ｍから生じる磁束が継鉄部１３ｃを経て回転子１３の周方向に沿って回転子鉄心１３ａを循環する。電機子巻線１１ａに電流を流すときは、電機子巻線１１ａに生じる起磁力によって永久磁石１３ｍから生じる磁束の一部が継鉄部１３ｃを経て電機子１１に流れる。この構成によれば、電機子巻線１１ａに電流を流さないときは、永久磁石１３ｍから生じる磁束は回転子鉄心１３ａを循環して流れる第１磁気回路を形成する。第１磁気回路は、磁路に電機子１１を含まないので、電機子鉄心１１ｂ内に残らず、鉄損が発生しない。一方、電機子巻線１１ａに電流を流すときは、起磁力によって永久磁石１３ｍから生じる磁束の一部が電機子１１に流れる第２磁気回路を形成する。第２磁気回路は、磁路に電機子１１を含むので、電機子巻線１１ａに流す電流によって発生する磁束（すなわちｄ軸磁束φｄ）に、永久磁石１３ｍから生じる磁束（すなわち分流磁束φｓ）の一部が加わるのでトルクＴが向上する。

（３）回転子鉄心１３ａは、継鉄部１３ｃから電機子１１側に突出し、電機子１１との間で磁束が流れる複数の磁極部１３ｂを有する。この構成によれば、磁極部１３ｂを通じて回転子１３と電機子１１との間で磁束が流れるので、リラクタンストルクが高められ、出力も向上する。

（４）極弧比θｒは、磁極部１３ｂの先端面における両角部の間の角度ピッチをθａとし、周方向に隣り合う永久磁石１３ｍの角度ピッチをθｂとするとき、２／５≦（２θａ／θｂ）≦１／２の関係を満たす。この構成によれば、従来よりも高いトルクＴを得ることができる。

（５）回転子鉄心１３ａは、継鉄部１３ｃの一部が径方向に狭められる狭窄部１３ｅを有する。この構成によれば、回転子鉄心１３ａを流れる磁束の量を制限できる。また、電機子巻線１１ａに電流を流して生じる起磁力によって、永久磁石１３ｍから生じる磁束の一部である分流磁束φｓを電機子１１に向かわせ易くなる。

（６）狭窄部１３ｅは、狭窄部１３ｅの狭窄幅Ｗａを継鉄部１３ｃの継鉄幅Ｗｂで除した比率である狭窄比をＷｒとするとき、１／６≦Ｗｒ≦４／６の関係を満たす。この構成によれば、回転子鉄心１３ａを流れる磁束の量をより確実に制限するとともに、電機子巻線１１ａに電流を流して生じる起磁力によって磁束をさらに電機子１１に向かわせ易くなる。

（７）複数の永久磁石１３ｍは、断面が矩形状の角柱状であり、長辺が径方向に沿うように回転子鉄心１３ａに放射状に埋め込まれる。この構成によれば、周方向に隣り合う永久磁石１３ｍの周方向端面の間で継鉄部１３ｃを磁束が流れ易い。また、一般的な永久磁石１３ｍを用いることができ、回転子鉄心１３ａへの埋め込みも容易になるので作業効率が高まる。

〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。

上述した実施の形態では、図１に示すように、インナーロータ型の同期回転電機１０に適用する構成とした。この形態に代えて、アウターロータ型の同期回転電機に適用する構成としてもよい。アウターロータ型では、電機子１１を内径側に配置し、回転子１３を外径側に配置する。電機子１１と回転子１３の配置が相違するに過ぎないので、実施の形態と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態では、図１に示すように、ラジアルギャップ型の同期回転電機１０に適用する構成とした。この形態に代えて、アキシャルギャップ型の同期回転電機に適用する構成としてもよい。アキシャルギャップ型では、電機子１１と回転子１３とをアキシャル方向（すなわち軸方向）に配置する。電機子１１と回転子１３の配置が相違するに過ぎないので、実施の形態と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態では、永久磁石１３ｍの数を「８」とし、磁極部１３ｂの数を「１６」とする構成である。この形態に代えて、永久磁石１３ｍの数を１以上で設定してもよい。磁極部１３ｂの数を２以上で設定してもよい。単に永久磁石１３ｍや磁極部１３ｂの数が相違するに過ぎないので、実施の形態と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態では、断面が矩形状の永久磁石１３ｍを長辺が径方向に沿うように回転子鉄心１３ａに放射状に埋め込む構成とした。この形態に代えて、他の断面形状の永久磁石１３ｍを埋め込む構成としてもよく、他の姿勢で永久磁石１３ｍを埋め込む構成としてもよい。他の断面形状は、例えば四角形状以外の多角形状（すなわち三角形状や五角形状以上の形状）、円や楕円を含む円形状、複数の形状を合成して得られる合成形状などが該当する。他の姿勢は、長辺が周方向に沿う姿勢や、長辺が径方向と交差する方向に沿う姿勢などが該当する。要するに、電機子巻線１１ａに電流を流さない場合には図４に示す循環磁束φｃが生じ、電機子巻線１１ａに電流を流す場合には図５に示す循環磁束φｃおよび分流磁束φｓが生じればよい。単に永久磁石１３ｍの断面形状や姿勢が相違するに過ぎないので、実施の形態と同様の作用効果が得られる。また、循環磁束φｃの流れに合わせた断面形状にすることによって、マグネットトルクを向上させることができる。

上述した実施の形態では、回転子鉄心１３ａに埋め込む複数の永久磁石１３ｍを単体で構成した。この形態に代えて、複数の永久磁石１３ｍのうちで一以上の永久磁石１３ｍは、複数の分割磁石を含む複合体で構成してもよい。複合体の永久磁石は、全体として単体の永久磁石と同様に機能する。一以上の永久磁石１３ｍが単体であるか複合体であるかの相違に過ぎないので、実施の形態と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態では、電機子巻線１１ａと多相交流の相数を三相とする構成とした。この形態に代えて、例えば四相，六相，十二相などのように、四相以上としてもよい。ただし、多くても数十相である。相数が相違するに過ぎないので、実施の形態と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態では、回転子１３に含まれるハブ部１３ｄと、回転軸１５とは別体に備える構成とした。この形態に代えて、回転軸１５が非磁性体である場合には、ハブ部１３ｄに対応する部位を回転軸１５で代用してもよい。言い換えると、回転軸１５とハブ部１３ｄとを一体化する。一体化した場合におけるハブ部１３ｄに相当する部位は、必ずしもスポーク部位を持つ必要はなく、円柱形状でもよい。別体か一体かの相違に過ぎないので、実施の形態と同様の作用効果が得られる。

１０…同期回転電機、１１…電機子、１１ａ…電機子巻線、１１ｂ…電機子鉄心、１１ｓ…スロット、１２…フレーム、１２ａ，１２ｂ…フレーム部材、１３…回転子、１３ａ…回転子鉄心、１３ｂ…磁極部、１３ｃ…継鉄部、１３ｄ…ハブ部、１３ｅ…狭窄部、１３ｆ…空間部、１３ｔ…積層厚、１３ｍ…永久磁石、１４…軸受、１５…回転軸、２０…制御部、φｄ…ｄ軸磁束、φｑ…ｑ軸磁束、φｃ…循環磁束、φｓ…分流磁束、φｍ…主磁束、φｒ…磁束可変比、θ…電気角、Ｔ…トルク、Ttha，Tthb…閾値、θａ…磁極角、θｂ…継鉄角、Ｗａ…狭窄幅、Ｗｂ…継鉄幅、Ｌ１，Ｌ２，Ｌｔａ，Ｌｒａ，Ｌｍａ，Ｌｔｂ，Ｌｒｂ，Ｌｍｂ…特性線、Ｅｘ…所定範囲、θｒ…極弧比、Ｗｒ…狭窄比

Claims (7)

1. 電機子巻線（１１ａ）を含む電機子（１１）と、周方向に複数の永久磁石（１３ｍ，Ｍ１，Ｍ２）が間隔をあけて回転子鉄心（１３ａ）に埋め込まれるとともに前記電機子に対向して設けられる回転子（１３）とを有する同期回転電機（１０）において、
   前記回転子鉄心は、周方向に隣り合う前記永久磁石の間に設けられて、磁束が流れる継鉄部（１３ｃ）を有し、
   前記複数の永久磁石は、周方向に対向する前記永久磁石の間では異なる極性となるように全て一定方向（Ｄ）に磁化され、
   前記電機子巻線に電機子電流を流すか否かに応じて、前記永久磁石から生じる磁束の流れを異ならせる同期回転電機。
2. 前記電機子巻線に前記電機子電流を流さないときは、前記永久磁石から生じる磁束が前記継鉄部を経て前記回転子の周方向に沿って前記回転子鉄心を循環し、
   前記電機子巻線に前記電機子電流を流すときは、前記電機子巻線に生じる起磁力によって前記永久磁石から生じる磁束の一部が前記継鉄部を経て前記電機子に流れる請求項１に記載の同期回転電機。
3. 前記回転子鉄心は、前記継鉄部から前記電機子側に突出し、前記電機子との間で磁束が流れる複数の磁極部（１３ｂ）を有する請求項１または２に記載の同期回転電機。
4. 前記磁極部の先端面における両角部の間の角度ピッチをθａとし、周方向に隣り合う前記永久磁石の角度ピッチをθｂとするとき、２／５≦（２θａ／θｂ）≦１／２の関係を満たす請求項３に記載の同期回転電機。
5. 前記回転子鉄心は、前記継鉄部の一部が径方向に狭められる狭窄部（１３ｅ）を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の同期回転電機。
6. 前記狭窄部は、前記狭窄部の径方向幅（Ｗａ）を前記継鉄部の径方向幅（Ｗｂ）で除した比率である狭窄比をＷｒとするとき、１／６≦Ｗｒ≦４／６の関係を満たす請求項５に記載の同期回転電機。
7. 前記複数の永久磁石は、断面が矩形状の角柱状であり、長辺が径方向に沿うように前記回転子鉄心に放射状に埋め込まれる請求項１から６のいずれか一項に記載の同期回転電機。

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