JP2019205249A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子と回転子の間に働くトルクの脈動を低減し、滑らかに回転することができるとともに、充分なトルクを確保することが出来る回転電機を提供する。【解決手段】回転子５には４Ｎ＋２（Ｎは自然数）個の磁石が配置されるとともに、固定子１には６Ｎ＋３個のスロットが配置され、回転子５は磁石の中心を通る第１の対称面Ｐ１と、磁石と磁石の間を通る第２の対称面Ｐ２を持ち、隣り合う磁石のそれぞれの周方向の中心の回転電機１００の中心に対する角度が３６０÷（４Ｎ＋２）度となる位置に対して、各磁石は第２の対称面Ｐ２から離れる方向であり、かつ第１の対称面Ｐ１に接近させる方向にずれているものである。【選択図】図１

Description

本願は回転電機に関するものである。

回転電機として、固定子に固定子鉄心と巻線を設置すると共に回転子に磁石を貼り付けた表面磁石型の回転電機が知られている。このような回転電機において、磁石と固定子鉄心の間に発生する、磁石と固定子鉄心が互いに引き合う力は一定とならず、回転子の回転角度に応じて力が変動することが知られている。
この回転子に発生するトルクの脈動を低減するため、特許文献１〜特許文献３に示す様々な手法が知られている。

特許文献１には、回転子の磁石を軸方向に２段に分割し、一方の段を他方の段に比べて周方向に角度を異ならせ、互いが発生する磁力を相殺するように配置した永久磁石式回転電機が開示されている。
特許文献２においては、隣り合った一対のローター磁石が円周方向に互いに逆となるように移動した位置に形成されている技術が開示されている。
特許文献３においては、リラクタンス型の突極磁極を持つ回転子において、その突極磁極部を非対称にすることで、発生するトルクの脈動を低減させる技術が開示されている。

特開２００９−１１８７３９号公報 特開２０１３−１３２１５４号公報 ＷＯ２０１６／０８８６９８号公報

上記特許文献１に記載の回転電機においては、磁石の数が磁極の数の倍となるため、磁石を回転子鉄心に取り付ける工数が多く、生産性が悪いといった問題がある。また周方向に角度が異なる位置に磁石が取り付けられているため、互いにずれた磁石の間に固定子に鎖交しない磁束が発生することで、トルクが低下するという問題もある。

特許文献２においては、隣接した磁石を互いに近づける向きに貼り付けるため、隣接した磁石が当たらないように近づけなければならず、周方向に貼り付けられた磁石の位置を大きくずらし、あるいは所定の角度ずらすことにより脈動を大きく低減させることが難しいという問題がある。

特許文献３に記載の回転電機においては、周方向の一部に磁石が偏在することにより、磁石と固定子鉄心が引き合う力の合力が半径方向の力として発生し、軸受の寿命を早めるおそれがあり、更には異音及び振動の原因となるという問題がある。また表面磁石型の回転電機に関して、具体的な脈動を低減させる手法が開示されていない。

本願は上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、固定子と回転子の間に働くトルクの脈動を低減し、滑らかに回転することができる回転電機を提供することを目的とする。

本願に開示される回転電機は、固定子の内側に回転子が配置されている回転電機であって、
上記回転子には４Ｎ＋２（Ｎは自然数）個の磁石が配置されるとともに、上記固定子には６Ｎ＋３個のスロットが配置され、
上記回転子は上記回転電機の中心に対して軸対称の関係にある２つの上記磁石の周方向中心を通るとともに上記回転電機の軸方向に延びる第１の対称面と、周方向に隣り合う上記磁石の間であって上記回転電機の中心に対して軸対称の関係にある２つの間を通るとともに上記回転電機の軸方向に延びる第２の対称面を持ち、
隣り合う上記磁石のそれぞれの周方向の中心の上記回転電機の中心に対する角度が３６０÷（４Ｎ＋２）度となる位置に対して、各磁石は上記第２の対称面から離れる方向であり、かつ上記第１の対称面に接近させる方向にずれているものである。

本願に開示されている回転電機によれば、回転電機の固定子と回転子の間に働くトルクの脈動を低減し、滑らかに回転することができるとともに、充分なトルクを確保することが出来る。

実施の形態１による回転電機を示す断面図である。 図１とは別の構成を有する比較例としての回転電機を示す断面図である。 回転子の回転角度ごとにおける回転子が発生するトルクを示すグラフである。 回転電機にかかる負荷が大きい状態における回転子の回転角度ごとにおける回転子が発生するトルクを示すグラフである。 磁石の間隔とトルク変動の基本波成分の大きさの関係を示すグラフである。 実施の形態２による回転電機を示す断面図である。 図６とは別の構成を有する比較例としての回転電機を示す断面図である。 磁極ピッチずれとトルク脈動の基本波成分の大きさの関係を示すグラフである。 磁極ピッチずれとトルク変動幅の関係を示すグラフである。 磁極ピッチずれとトルクの低下率の関係を示すグラフである。 実施の形態３による回転電機を示す断面図である。 図１０とは別の構成を有する比較例としての回転電機を示す断面図である。 磁極ピッチずれとトルク脈動の基本波成分の大きさの関係を示すグラフである。 磁極ピッチずれとトルク変動幅の関係を示すグラフである。 磁極ピッチずれとトルクの低下率の関係を示すグラフである。

実施の形態１．
本願は、回転電機の固定子と回転子の間に働くトルクの脈動を低減し、滑らかな回転を得る技術に関するものである。
図１は実施の形態１による回転電機１００を示す断面図である。図１において固定子１にはティース２及びスロット３が設けられており、スロット３に固定子巻線４が巻回されている。固定子１の内側に配置されている回転子５は磁石（Ｍ１〜Ｍ６）を６個持っており、その表面がＮ極のものとＳ極のものが周方向に交互に回転子５の表面に貼り付けられている。本実施形態は６極９スロットの回転電機であり、特許請求の範囲においてＮ＝１とした構成に相当し、磁石が６個、固定子に９個のスロット３がある場合を示している。

図２は実施の形態１とは別の回転電機を示す断面図である。図２においては、周方向に間隔を均等にして磁石が貼り付けられている。第１の磁石Ｍ１と第２の磁石Ｍ２の間隔、第２の磁石Ｍ２と第３の磁石Ｍ３の間隔は全て６０度となる。
本実施形態においては図１に示すように、回転子５は、２つの対称面Ｐ１とＰ２を持ち、回転電機１００の中心に対して軸対称の関係にある２つの磁石（図１では第１の磁石Ｍ１と第４の磁石Ｍ４）の周方向中心を通るとともに回転電機１００の軸方向に延びる第１の対称面Ｐ１と、周方向に隣り合う磁石の間であって回転電機１００の中心に対して軸対称の関係にある２つの間（図１では第２の磁石Ｍ２と第３の磁石Ｍ３の間、及び第５の磁石Ｍ５と第６の磁石Ｍ６の間）を通るとともに回転電機１００の軸方向に延びる第２の対称面Ｐ２を有している。そして第２の対称面Ｐ２は第１の対称面Ｐ１に対して９０度回転した位置に位置している。第１の対称面Ｐ１が通る磁石のうち、一つを第１の磁石Ｍ１として、周方向時計回りに隣接する磁石を第２の磁石Ｍ２、さらに第２の磁石Ｍ２の第１の磁石Ｍ１と反対側に隣接する磁石を第３の磁石Ｍ３というように、時計回りに順に第１〜第６の磁石Ｍ１〜Ｍ６と定義する。

第２の磁石Ｍ２の軸対称となる位置に、第５の磁石Ｍ５が取り付けられている。第３の磁石Ｍ３の軸対称となる位置に、第６の磁石Ｍ６が取り付けられている。そして第２の磁石Ｍ２と第３の磁石Ｍ３の角度θ１が７７．８度であり、図２に示すように磁石を均等に貼り付けた場合（６０度間隔）に比べて１７．８度広くなっている。このように磁石を均等に貼り付けた場合に比べてどれだけずれているかを示す物理量として磁極ピッチずれと定義する。

図３に、磁石を均等に貼り付けた場合（磁極ピッチずれ０度）、第２の磁石Ｍ２と第３の磁石Ｍ３がなす角度が磁石を均等に貼り付けた場合に比べて１０度広い場合、１７．８度広い場合、２０度広い場合において回転子５の回転角度ごとにおける回転子５が発生するトルクについて計算した結果を示す。図３において、長い破線Ａが均等に磁石を配置したとき、短い破線Ｂが磁石の間隔が１０度広いとき、実線Ｃが磁石の間隔が１７．８度広いとき、二点鎖線Ｄが磁石の間隔が２０度広いときをそれぞれ示している。図３における横軸が回転子５の回転角度（機械角）を示しており、縦軸が回転子５が発生するトルクを示している。図３に示すように、回転子５の角度に応じて、トルクは一定とならず、変動することがわかる。主に２０度の周期で変動しており、これを回転電機が発生するトルク脈動の基本波成分と呼ぶ。

均等に磁石を貼り付けた場合（磁極ピッチずれ０度）に比べ、磁石の間隔を広げたときの方がトルクの変動が小さくなっていることがわかる。即ち磁石を均等に貼り付けた場合に比べてずらすことにより、それぞれの磁石によって発生する脈動の位相がずれることとなり、重畳された脈動は磁石を均等に貼り付けた場合に比べて小さくなり、トルクの変動が小さくなる。図４は図３の場合より回転電機にかかる負荷が大きい状態における回転電機が発生するトルクの大きさを示す。図３の場合と同様に、磁石の間隔が均等である場合に比べて間隔を広げたときの方がトルクの変動幅が小さくなっていることがわかる。

図５は磁石の間隔とトルク変動の基本波成分の大きさの関係を示す。図５において点線Ｅは無負荷時、実線Ｆは定格時、２点鎖線Ｇは高負荷時の場合をそれぞれ示している。基本波成分は、磁極ピッチずれ１７．８度で極小となり、最もトルク脈動が小さくなっていることが判る。定格時、高負荷時ともに磁極ピッチずれが大きくなるにつれてトルクの低下率は大きくなる。トルクの低下率が大きくなると必要なトルクを出すために回転電機の直径並びに長さを大きくする必要があり、製造コストが増加したり、製品が大型化したりする欠点が発生する。そこでトルク脈動を許容できる範囲において、磁極ピッチずれを小さくしておくことが好ましい。即ちトルクの低下率と脈動の低下とのバランスを考えて磁極ピッチずれを製品仕様によって決定するものである。以下に磁極ピッチずれをどれくらいの値にするのが最適であるかについて説明する。

回転電機における回転子の極数が４Ｎ＋２であり、固定子のスロット数が６Ｎ＋３である（Ｎは１以上の自然数）と定義した場合、本実施形態においてはＮ＝１となる。
そして第１の対称面Ｐ１を通る磁石のうち、１つを第１の磁石として、周方向に隣り合う磁石を第２の磁石とし、順次第１から第（４Ｎ＋２）の磁石があり、１以上、Ｎ＋１以下の自然数ｉのうち、少なくとも１つのｉについて、第ｉの磁石と第ｉ＋１の磁石がなす角度が、３６０÷（４×Ｎ＋２）より狭く、１以上、Ｎ＋１以下の上記ｉ以外の自然数ｊのうち、少なくとも１つのｊについて、第ｊの磁石と第ｊ＋１の磁石がなす角度が、３６０÷（４×Ｎ＋２）より広くなるよう設定するものである。このように構成することにより、それぞれの磁石が作り出すトルクの脈動を打ち消しあうので、トルクの脈動を小さくすることが出来る。

実施の形態１においては、Ｎ＝１であるため極数が６、スロット数が９となる。そして自然数１、２のうちｉ＝１とし、ｊ＝２としたとき、第１の磁石Ｍ１と第２の磁石Ｍ２がなす角度は５１．１度なので３６０÷（４×１＋２）＝６０度より狭くなり、上記条件を満たしていることになる。
更にｊ＝２であり、第２の磁石Ｍ２と第３の磁石Ｍ３がなす角度が７７．８度なので３６０÷（４×１＋２）＝６０度より広いので、上記条件を満たしていることになる。

更に１以上、Ｎ以下の全ての自然数ｋについて、第ｋの磁石と第ｋ＋１の磁石がなす角度が、第ｋ＋１の磁石と第ｋ＋２の磁石がなす角度以下であるように設定する。このように構成することにより相対的に磁石をより大きくずらすことが出来るため、トルクの脈動をより小さくすることが出来る。即ち磁極ピッチずれが正であることによる特徴である。
実施の形態１においては、Ｎ＝１であるのでｋ＝１となる。この条件を上記に当てはめると、第１の磁石Ｍ１と第２の磁石Ｍ２がなす角度が５１．１度であり、第２の磁石Ｍ２と第３の磁石Ｍ３がなす角度が７７．８度なので、ｋ＝１の場合、５１．１度≦７７．８度が成立する。

更に２以上、Ｎ＋１以下の自然数ｎに関して、第ｎの磁石と、第（ｎ＋Ｎ）の磁石の磁極中心がなす角度が、磁石を均等に配置したときに比べて、１８０÷（１２Ｎ＋６）度以上離れているように構成するものである。即ち第ｎの磁石と、第（ｎ＋Ｎ）の磁石がなす角度をＸ度とした場合、Ｘ−３６０÷（４Ｎ＋２）×Ｎ≧１８０÷（１２Ｎ＋６）とするものである。このように構成することにより、基本波成分の波長の半分をずらすことで、よりトルク脈動を小さくすることができる。
実施の形態１においては、Ｎ＝１であるため、第２の磁石Ｍ２と第３の磁石Ｍ３が対象となる。又磁石を均等に配置（６０度間隔）したときに比べて、１８０÷（１２Ｎ＋６）＝１０度（磁極ピッチずれ１０度）以上離れているように構成するものである。即ち第２の磁石Ｍ２と第３の磁石Ｍ３の間隔は７７．８度であるから７７．８度−６０度＝１７．８度＞１０度となり上記条件を満たしていることになる。

そして本実施形態によれば各磁石を、隣り合う磁石の周方向中心間の角度が３６０÷（４Ｎ＋２）度となるよう配置された位置に対して、磁石と磁石の間を通る第２の対称面Ｐ２から離れる方向であり、磁石の中心を通る対称面である第１の対称面Ｐ１に接近させる方向にずらして磁極ピッチずれを設定するものである。

実施の形態２．
図６は実施の形態２による回転電機の軸方向に垂直な方向における断面図である。固定子巻線４を１５個備えた固定子１を配置するとともに、固定子１の内側に磁石Ｍ１〜Ｍ１０が貼り付けられた回転子５が設置されている。図６において磁石が周方向に不均等に貼り付けられており、磁石ごとにより間隔が異なる。回転子５は対称面を２つもち、即ち回転電機１００の中心に対して軸対称の関係にある２つの磁石（図６では第１の磁石Ｍ１と第６の磁石Ｍ６）の周方向中心を通るとともに回転電機１００の軸方向に延びる第１の対称面Ｐ１と、回転電機１００の中心に対して軸対称の関係にあるとともに磁石と磁石の周方向における２つの間（図６では第３の磁石Ｍ３と第４の磁石Ｍ４の間、及び第８の磁石Ｍ８と第９の磁石Ｍ９の間）を通り、更に回転電機１００の軸方向に延びる第２の対称面Ｐ２を有している。対称面Ｐ１が通る磁石のうちひとつを第１の磁石Ｍ１として、周方向時計まわりに隣接する磁石を第２の磁石Ｍ２とする。第２の磁石Ｍ２の、第１の磁石Ｍ１とは反対側に隣接する磁石を第３の磁石Ｍ３とし、周方向時計回りに第１の磁石Ｍ１から第１０の磁石Ｍ１０を備えている。

図７は実施の形態２とは別の回転電機の軸方向に垂直な方向における断面図である。本実施の形態と同様にコイルが１５個、磁石が１０個設置されているが、図７においては周方向に均等に磁石が配置されている。図６と同様に定義した第１の磁石Ｍ１と第２の磁石Ｍ２の間隔が３６度で、全ての隣り合う磁石の間隔は３６度である。
図６において、第２の磁石Ｍ２と第４の磁石Ｍ４がなす角度θ２は、均等に配置したとき（７２度）に比べて１１度大きく、８３度となっている。第３の磁石Ｍ３と第５の磁石Ｍ５がなす角度も同様に８３度となっている。均等に磁石を配置したときに比べて磁石の間隔が何度異なるかを示す物理量を本願においては磁極ピッチずれと定義する。

第１の磁石Ｍ１と第２の磁石Ｍ２がなす角度、及び第５の磁石Ｍ５と第６の磁石Ｍ６がなす角度は同じく３０．５度である。また第２の磁石Ｍ２と第３の磁石Ｍ３がなす角度は磁石を周方向に均等に配置したときの角度と同じ３６度である。図８は本実施の形態における磁極ピッチずれとトルク脈動の基本波成分の大きさの関係を示す。点線Ｈが無負荷のとき、実線Ｉが定格負荷のとき、二点鎖線Ｊが高負荷のときのトルク脈動の基本波成分を示す。磁極ピッチずれが大きく、または小さくなるにつれてトルク脈動の基本波成分が小さくなることがわかる。なお本実施の形態においては、磁極ピッチずれが１２度となったときに第１の磁石Ｍ１と第２の磁石Ｍ２が接触するため、これ以上磁極ピッチずれを大きくすることはできない。また磁極ピッチずれが−６度となったときに第３の磁石Ｍ３と第４の磁石Ｍ４が接するため、これ以上磁極ピッチずれを小さくすることができなくなる。尚これらの関係は磁石の大きさ等製品仕様により変わることである。

このように、トルク脈動をより小さくするには磁極ピッチずれを大きくすることで、相対的な磁石間の間隔を大きくずらすことができるためにトルクの脈動をより小さくすることができる。即ち図８においては＋側では１２度まで磁極ピッチずれを大きくし、−側では−６度まで磁極ピッチずれを小さく出来るので、磁極ピッチずれを＋側にする方が磁極ピッチずれの余裕度が増し、トルクの脈動を小さくすることが出来る。

図９は磁極ピッチずれとトルク変動幅の関係を示す。無負荷時、定格時、高負荷時ともに磁極ピッチずれがないときにトルク脈動が極大となり、磁極ピッチずれを大きく、または小さくすることによってトルクの変動幅を小さくすることができる。磁極ピッチずれが１０度から１２度のときにトルクの変動幅が最も小さくなることがわかる。
図１０は磁極ピッチずれとトルクの低下率の関係を示す。ここでトルクの低下率とは、磁極ピッチずれが無いときに比べて平均トルクがどの程度低下するかを示す量である。無負荷のときは平均トルクが０なので、トルク低下率を定義しない。
本実施形態においても、トルクの低下率とトルク脈動の低下とのバランスを考えて磁極ピッチずれを製品仕様によって決定するものである。以下に磁極ピッチずれをどれくらいの値にするのが最適であるかについて説明する。

回転電機における回転子の極数が４Ｎ＋２であり、固定子のスロット数が６Ｎ＋３である（Ｎは１以上の自然数）と定義した場合、本実施形態においてはＮ＝２となる。
そして第１の対称面Ｐ１を通る磁石のうち、１つを第１の磁石として、周方向に隣り合う磁石を第２の磁石とし、順次第１から第（４Ｎ＋２）の磁石があり、１以上、Ｎ＋１以下の自然数ｉのうち、少なくとも１つのｉについて、第ｉの磁石と第ｉ＋１の磁石がなす角度が、３６０÷（４×Ｎ＋２）より狭く、１以上、Ｎ＋１以下の上記ｉ以外の自然数ｊのうち、少なくとも１つのｊについて、第ｊの磁石と第ｊ＋１の磁石がなす角度が、３６０÷（４×Ｎ＋２）より広くなるよう設定するものである。このように構成することにより、それぞれの磁石が作り出すトルクの脈動を打ち消しあうので、トルクの脈動を小さくすることが出来る。

実施の形態２においては、Ｎ＝２であるため極数が１０、スロット数が１５となる。そしてｉ＝１であり、ｊ＝３としたとき、第１の磁石Ｍ１と第２の磁石Ｍ２がなす角度は３０．５度なので３６０÷（４×２＋２）＝３６度より狭くなり、上記条件を満たしていることになる。
更にｊ＝３であり、第３の磁石Ｍ３と第４の磁石Ｍ４がなす角度が４７度なので３６０÷（４×２＋２）＝３６度より広いので、上記条件を満たしていることになる。

更に１以上、Ｎ以下の全ての自然数ｋについて、第ｋの磁石と第ｋ＋１の磁石がなす角度が、第ｋ＋１の磁石と第ｋ＋２の磁石がなす角度以下に設定するものである。このように構成することにより、相対的に磁石をより大きくずらすことが出来るため、トルクの脈動をより小さくすることが出来る。即ち磁極ピッチずれが正であることによる特徴である。

実施の形態２においては、Ｎ＝２であり、ｋ＝１、２となる。そして第１の磁石Ｍ１と第２の磁石Ｍ２がなす角度が３０．５度、第２の磁石Ｍ２と第３の磁石Ｍ３がなす角度が３６度、第３の磁石Ｍ３と第４の磁石Ｍ４がなす角度が４７度であるので、ｋ＝１の場合、３０．５＜３６、ｋ＝２の場合３６＜４７が成立するので、上記条件を満たしていることになる。

更にＮが２以上の自然数において、２以上、Ｎ以下の全ての自然数ｍについて、第ｍの磁石と第ｍ＋１の磁石がなす角度が、３６０÷（４×Ｎ＋２）であるように構成する。このように構成することにより、トルクの低下を抑えつつ、脈動を小さくすることが出来る。実施の形態２においてはＮ＝２であり、従ってｍ＝２となる。第２の磁石Ｍ２と第３の磁石Ｍ３がなす角度が３６度であり、３６０÷（４×２＋２）＝３６となるので上記条件を満たしていることになる。

更に２以上、Ｎ＋１以下の自然数ｎに関して、第ｎの磁石と、第（ｎ＋Ｎ）の磁石の磁極中心がなす角度が、磁石を均等に配置したときに比べて、１８０÷（１２Ｎ＋６）度以上離れているように構成するものである。即ち第ｎの磁石と、第（ｎ＋Ｎ）の磁石がなす角度をＸ度とした場合、Ｘ−３６０÷（４Ｎ＋２）×Ｎ≧１８０÷（１２Ｎ＋６）とするものである。このように構成することにより、基本波成分の波長の半分をずらすことで、よりトルク脈動を小さくすることができる。

実施の形態２においては、Ｎ＝２であるため、ｎ＝２、３となる。従って第２の磁石Ｍ２と第４の磁石Ｍ４の関係及び第３の磁石Ｍ３と第５の磁石Ｍ５の関係が対象となる。又磁石を均等に配置（３６×２＝７２度間隔）したときに比べて、１８０÷（１２Ｎ＋６）＝６度以上離れているように構成するものである。即ち第２の磁石Ｍ２と第４の磁石Ｍ３の間隔は８３度であるから８３度−７２度＝１１度＞６度となり上記条件を満たしていることになる。更に第３の磁石Ｍ３と第５の磁石Ｍ５の間隔は８３度であるから８３度−７２度＝１１度＞６度となり上記条件を満たしていることになる。

そして本実施形態によれば各磁石を、隣り合う磁石の周方向中心間の角度が３６０÷（４Ｎ＋２）度となるよう配置された位置に対して、磁石と磁石の間を通る第２の対称面Ｐ２から離れる方向であり、磁石の中心を通る対称面である第１の対称面Ｐ１に接近させる方向にずらして磁極ピッチずれを設定するものである。

実施の形態３．
図１１は実施の形態３による回転電機の回転軸に垂直な方向における断面図である。固定子１の内側に回転子５を配置するとともに、固定子１のスロット３には２７個のコイルが巻かれており、更に回転子５には１８個の磁石が取り付けられている。回転子５に貼り付けられた磁石は周方向に不均等の角度で貼り付けられており、貼付け位置は２つの対称面Ｐ１とＰ２に対して線対称の関係となっている。回転子５は回転電機１００の中心に対して軸対称の関係にある２つの磁石（図１１では第１の磁石Ｍ１と第１０の磁石Ｍ１０）の周方向中心を通るとともに回転電機１００の軸方向に延びる第１の対称面Ｐ１と、回転電機１００の中心に対して軸対称の関係にあるとともに磁石と磁石の周方向における２つの間（図１１では第５の磁石Ｍ５と第６の磁石Ｍ６の間、及び第１４の磁石Ｍ１４と第１５の磁石Ｍ１５の間）を通り、更に回転電機１００の軸方向に延びる第２の対称面Ｐ２を有している。

対称面Ｐ１上にある磁石のうちひとつを第１の磁石Ｍ１とし、周方向時計回りに隣接する磁石を第２の磁石Ｍ２、更に磁石Ｍ２に隣接する磁石を第３の磁石Ｍ３と定義し、時計回りに第１の磁石Ｍ１から第１８の磁石Ｍ１８を備えている。第２の磁石Ｍ２と第６の磁石Ｍ６の間隔θ３は、周方向均等に磁石を配置したときの角度（２０度）に比べ３．６度広くなっており、８３．６度となっている（磁極ピッチ３．６度）。また第３の磁石Ｍ３と第７の磁石Ｍ７がなす角度も８３．６度となっている。第４の磁石Ｍ４と第８の磁石Ｍ８、および第５の磁石Ｍ５と第９の磁石Ｍ９に関しても同様で８３．６度である。

第２の磁石Ｍ２と第３の磁石Ｍ３がなす角度は、磁石を均等に配置したときの角度と同じく２０度である。また第３の磁石Ｍ３と第４の磁石Ｍ４がなす角度は、磁石を均等に配置したときの角度と同じく２０度である。
第１の磁石Ｍ１と第２の磁石Ｍ２がなす角度、及び第９の磁石Ｍ９と第１０の磁石Ｍ１０がなす角度は等しく１８．２度となっている。

図１２は実施の形態３とは別の回転電機の回転軸に垂直な方向における断面図である。本実施の形態と同様に２７個のコイルと、１８個の磁石が取り付けられている。しかし図１２においては、回転子における磁石は周方向に均等に貼り付けられており、それぞれの隣接する磁石間の間隔は２０度である。従って、第２の磁石Ｍ２と第６の磁石Ｍ６がなす間隔θ４は８０度となっている。
図１３は磁極ピッチずれとトルク脈動の基本波成分の大きさの関係を示す。点線Ｒが無負荷時、実線Ｓが定格負荷時、二点鎖線Ｔが高負荷時を示す。無負荷時において、トルク脈動の基本波成分は磁極ピッチずれが０度において極大となり、磁極ピッチずれが３．６度において極小となる。

定格時においては、磁極ピッチずれが０度においてトルク脈動の基本波成分が極大となり、磁極ピッチずれが大きく、もしくは小さくなるにつれてトルク脈動の基本波成分が小さくなる。高負荷時においては、磁極ピッチずれが０度のときにトルク脈動の基本波成分が極大となり、磁極ピッチずれが６．４度においてトルク脈動の基本波成分が極小となる。このように出力によって、トルク脈動の基本波成分が極小となる磁極ピッチずれ量は一定でなく、出力に応じて変更をすることができる。

なお、磁極ピッチずれが８度のときに、第１の磁石Ｍ１と第２の磁石Ｍ２が接触し、磁極ピッチずれが−４度のときに第５の磁石Ｍ５と第６の磁石Ｍ６が接触するため、磁極ピッチのずれは−４度から８度の範囲となる。なおこれは磁石の寸法、ローターの直径によって変動する値であるが、実施の形態２で説明した場合と同様、磁極ピッチずれを＋側にする方が磁極ピッチずれの余裕度が増し、トルクの脈動を小さくすることが出来る。

図１４は磁極ピッチずれとトルク変動幅の関係を示す。図１３の場合と同じく、負荷によって、磁極ピッチずれとトルク変動幅の関係が異なり、トルクの変動幅が極小となる角度は一定とならない。尚トルク変動幅は小さい方が良い。
図１５は磁極ピッチずれとよるトルクの低下率の関係を示す。ここでトルクの低下率とは、磁極ピッチずれが無いときに比べて平均トルクがどの程度低下するかを示す量である。無負荷のときは平均トルクが０なので、トルク低下率を定義しない。

定格時、高負荷時ともに磁極ピッチずれが大きくなるにつれてトルクの低下率が大きくなる。トルクの低下率が大きくなると必要なトルクを出すためにモーターの直径並びに長さを大きくする必要があり、製造コストが増加したり、製品が大型化したりする欠点が発生する。そこでトルク脈動を許容できる範囲において、磁極ピッチずれを小さくしておくことが好ましい。
本実施形態においても、トルクの低下率とトルク脈動の低下とのバランスを考えて磁極ピッチずれを製品仕様によって決定するものである。以下に磁極ピッチずれをどれくらいの値にするのが最適であるかについて説明する。

回転電機における回転子の極数が４Ｎ＋２であり、固定子のスロット数が６Ｎ＋３である（Ｎは１以上の自然数）と定義した場合、本実施形態においてはＮ＝４となる。
そして第１の対称面Ｐ１を通る磁石のうち、１つを第１の磁石として、周方向に隣り合う磁石を第２の磁石とし、順次第１から第（４Ｎ＋２）の磁石があり、１以上、Ｎ＋１以下の自然数ｉのうち、少なくとも１つのｉについて、第ｉの磁石と第ｉ＋１の磁石がなす角度が、３６０÷（４×Ｎ＋２）より狭く、１以上、Ｎ＋１以下の上記ｉ以外の自然数ｊのうち、少なくとも１つのｊについて、第ｊの磁石と第ｊ＋１の磁石がなす角度が、３６０÷（４×Ｎ＋２）より広くなるよう設定するものである。このように構成することにより、それぞれの磁石が作り出すトルクの脈動を打ち消しあうので、トルクの脈動を小さくすることが出来る。

実施の形態３においては、Ｎ＝４であるため極数が１８、スロット数が２７となる。そしてｉ＝１であり、ｊ＝５としたとき、第１の磁石Ｍ１と第２の磁石Ｍ２がなす角度は１８．２度なので３６０÷（４×４＋２）＝２０度より狭くなり、上記条件を満たしていることになる。
更にｊ＝５であり、第５の磁石Ｍ５と第６の磁石Ｍ６がなす角度が２３．６度なので３６０÷（４×４＋２）＝２０度より広いので、上記条件を満たしていることになる。

更に１以上、Ｎ以下の全ての自然数ｋについて、第ｋの磁石と第ｋ＋１の磁石がなす角度が、第ｋ＋１の磁石と第ｋ＋２の磁石がなす角度以下に設定するものである。このように構成することにより、相対的に磁石をより大きくずらすことが出来るため、トルクの脈動をより小さくすることが出来る。即ち磁極ピッチずれが正であることによる特徴である。

実施の形態３においては、Ｎ＝４であり、ｋ＝１、２、３、４となる。そして第１の磁石Ｍ１と第２の磁石Ｍ２がなす角度が１８．２度、第２の磁石Ｍ２と第３の磁石Ｍ３がなす角度が２０度、第３の磁石Ｍ３と第４の磁石Ｍ４がなす角度が２０度、第４の磁石Ｍ４と第５の磁石Ｍ５がなす角度が２０度、第５の磁石Ｍ５と第６の磁石Ｍ６がなす角度が２３．６度であるので、ｋ＝１の場合、１８．２＜２０、ｋ＝２の場合２０＝２０、ｋ＝３の場合２０＝２０、ｋ＝４の場合２０＜２３．６が成立するので、上記条件を満たしていることになる。

更にＮが２以上の自然数において、２以上、Ｎ以下の全ての自然数ｍについて、第ｍの磁石と第ｍ＋１の磁石がなす角度が、３６０÷（４×Ｎ＋２）であるように構成する。このように構成することにより、トルクの低下を抑えつつ、脈動を小さくすることが出来る。実施の形態３においてはＮ＝４であり、従ってｍ＝２、３、４となる。そして３６０÷（４×Ｎ＋２）＝２０となる。第２の磁石Ｍ２と第３の磁石Ｍ３がなす角度が２０度であり、第３の磁石Ｍ３と第４の磁石Ｍ４の磁石がなす角度が２０度であり、第４の磁石Ｍ４と第５の磁石Ｍ５がなす角度が２０度であるので、全て上記条件を満たす。

更に２以上、Ｎ＋１以下の自然数ｎに関して、第ｎの磁石と、第（ｎ＋Ｎ）の磁石の磁極中心がなす角度が、磁石を均等に配置したときに比べて、１８０÷（１２Ｎ＋６）度以上離れているように構成するものである。即ち第ｎの磁石と、第（ｎ＋Ｎ）の磁石がなす角度をＸ度とした場合、Ｘ−３６０÷（４Ｎ＋２）×Ｎ≧１８０÷（１２Ｎ＋６）とするものである。このように構成することにより、基本波成分の波長の半分をずらすことで、よりトルク脈動を小さくすることができる。

実施の形態３においては、Ｎ＝４であるため、ｎ＝２、３、４、５となる。従って第２の磁石Ｍ２と第６の磁石Ｍ６の関係、第３の磁石Ｍ３と第７の磁石Ｍ７の関係、第４の磁石Ｍ４と第８の磁石Ｍ８の関係、第５の磁石Ｍ５と第９の磁石Ｍ９の関係が対象となる。又磁石を均等に配置（２０×４＝８０度間隔）したときに比べて、１８０÷（１２Ｎ＋６）＝３．３３度以上離れているように構成するものである。即ち第２の磁石Ｍ２と第６の磁石Ｍ６の間隔は８３．６度であるから８３．６度−８０度＝３．６度＞３．３３度となり上記条件を満たしていることになる。又第３の磁石Ｍ３と第７の磁石Ｍ７の間隔は８３．６度であるから８３．６度−８０度＝３．６度＞３．３３度となり上記条件を満たしていることになる。又第４の磁石Ｍ４と第８の磁石Ｍ８の間隔は８３．６度であるから８３．６度−８０度＝３．６度＞３．３３度となり上記条件を満たしていることになる。更に第５の磁石Ｍ５と第９の磁石Ｍ９の間隔は８３．６度であるから８３．６度−８０度＝３．６度＞３．３３度となり上記条件を満たしていることになる。

そして本実施形態によれば各磁石を、隣り合う磁石の周方向中心間の角度が３６０÷（４Ｎ＋２）度となるよう配置された位置に対して、磁石と磁石の間を通る第２の対称面Ｐ２から離れる方向であり、磁石の中心を通る対称面である第１の対称面Ｐ１に接近させる方向にずらして磁極ピッチずれを設定するものである。
尚上記実施の形態１〜３においては、Ｎ＝１、２、４の場合について説明したが、全ての自然数Ｎについて上記要件は満たされるものである。
又本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 固定子、３ スロット、５ 回転子、１００ 回転電機。

Claims (5)

1. 固定子の内側に回転子が配置されている回転電機であって、
   上記回転子には４Ｎ＋２（Ｎは自然数）個の磁石が配置されるとともに、上記固定子には６Ｎ＋３個のスロットが配置され、
   上記回転子は上記回転電機の中心に対して軸対称の関係にある２つの上記磁石の周方向中心を通るとともに上記回転電機の軸方向に延びる第１の対称面と、周方向に隣り合う上記磁石の間であって上記回転電機の中心に対して軸対称の関係にある２つの間を通るとともに上記回転電機の軸方向に延びる第２の対称面を持ち、
   隣り合う上記磁石のそれぞれの周方向の中心の上記回転電機の中心に対する角度が３６０÷（４Ｎ＋２）度となる位置に対して、各磁石は上記第２の対称面から離れる方向であり、かつ上記第１の対称面に接近させる方向にずれていることを特徴とする回転電機。
2. 上記第１の対称面を通る上記磁石のうちの１つを第１の磁石として、周方向時計回りに隣り合う磁石を第２の磁石とし、順次第１の磁石から第（４Ｎ＋２）の磁石を定義した場合、
   １以上、Ｎ＋１以下の自然数ｉのうち、少なくとも１つのｉについて、第ｉの磁石と第ｉ＋１の磁石の上記回転電機の中心に対する角度が、３６０÷（４×Ｎ＋２）度より狭く、
   １以上、Ｎ＋１以下であって上記ｉ以外の自然数ｊのうち、少なくとも１つのｊについて、第ｊの磁石と第ｊ＋１の磁石の上記回転電機の中心に対する角度が、３６０÷（４×Ｎ＋２）度より広いことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 上記第１の対称面を通る上記磁石のうちの１つを第１の磁石として、周方向時計回りに隣り合う磁石を第２の磁石とし、順次第１の磁石から第（４Ｎ＋２）の磁石を定義した場合、
   １以上、Ｎ以下の全ての自然数ｋについて、第ｋの磁石と第ｋ＋１の磁石の上記回転電機の中心に対する角度が、第ｋ＋１の磁石と第ｋ＋２の磁石の上記回転電機の中心に対する角度以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
4. 上記第１の対称面を通る上記磁石のうちの１つを第１の磁石として、周方向時計回りに隣り合う磁石を第２の磁石とし、順次第１の磁石から第（４Ｎ＋２）の磁石を定義した場合、
   Ｎが２以上の自然数において、２以上、Ｎ以下の全ての自然数ｍについて、第ｍの磁石と第ｍ＋１の磁石の上記回転電機の中心に対する角度が、３６０÷（４Ｎ＋２）度であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 上記第１の対称面を通る上記磁石のうちの１つを第１の磁石として、周方向時計回りに隣り合う磁石を第２の磁石とし、順次第１の磁石から第（４Ｎ＋２）の磁石を定義した場合、
   ２以上、Ｎ＋１以下の自然数ｎに関して第ｎの磁石と、第（ｎ＋Ｎ）の磁石の上記回転電機の中心に対する角度をＸ度とした場合、Ｘ−３６０÷（４Ｎ＋２）×Ｎ≧１８０÷（１２Ｎ＋６）であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。

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