JP2021132448A - 回転電機及びこれを用いた電動ホイール - Google Patents

Abstract

【課題】トルク密度向上を可能にする回転電機、およびそれを用いた電動ホイールを提供する。【解決手段】回転自由に支持された回転子と、前記回転子と所定の空隙を介して備えられた固定子と、を備え、前記回転子は、円環状の永久磁石と、前記永久磁石に埋め込まれたコアピースと、からなる磁極リングを有し、前記磁極リングは、円環状に形成された内周面および外周面を有し、前記内周面または前記外周面のいずれか一方は、前記空隙と対向する空隙対向面であって、もう一方は、前記空隙対向面とは異なる非空隙対向面であって、前記磁極リングの前記非空隙対向面は、前記永久磁石で構成され、前記磁極リングの前記空隙対向面は、前記永久磁石と露出したコアピースを含んで構成され、前記永久磁石は、前記コアピースが極中心となるように着磁される回転電機。【選択図】 図１

Description

本発明は、回転電機に関し、特に移動体に用いられる電動ホイールに関する。

従来より、省スペース化や低コスト化の観点から、回転電機の高出力密度化が求められている。回転電機の出力は、回転電機の回転数とトルクの積で決まるため、回転数かトルクのいずれかを高めることで高出力密度化を図ることができる。

一般的には、回転電機の高速回転化によって高出力密度化を図ることが多く、この場合、負荷との間にギアを介する必要がある。このため、追加の構成要素となるギアによって、システム効率の低下や信頼性の低下、さらには重量増加によってシステムとしての出力密度が低下するなどのデメリットが発生する可能性がある。

一方で、回転電機の高トルク密度化は、ギアを不要としたうえで回転電機の高出力密度化を実現できる技術の一つである。この場合、システムの高信頼化や高出力密度化が容易になる。

従来から提案されている高トルク密度化の手段の一つに、永久磁石を利用した回転子構造がある。着磁された永久磁石は起磁力を有しているため、この起磁力と固定子のコイルを流れる電流の作る起磁力とを相互作用させることで、トルク密度を向上させることができる。具体的には、磁気回路上で永久磁石の起磁力とコイル電流の起磁力とを直列接続することで、ギャップの磁束密度を高め、トルク密度の向上が可能となる。

従来提案されているトルク密度向上に好適な構造として、例えば特許文献１に示すような構造が提案されている。特許文献１では、周方向に並べて配置されている複数の磁石を備え、各々の磁石は、周方向に隣接する磁極中心であるｄ軸の間において、磁極境界であるｑ軸を中心とした対称形状に形成されている。さらに、ｄ軸寄りの部分において磁化容易軸がｄ軸に平行又はｄ軸に平行に近い向きとなり、かつｑ軸寄りの部分において磁化容易軸がｑ軸に直交又はｑ軸に直交に近い向きとなる円弧状の磁石磁路が形成されるように配向がなされた回転子構造が提案されている。本提案構造では、磁石の磁化方向が疑似的なハルバッハ着磁となり、極中心に向かって磁束が集中しているためトルクが増大できる。

ところで、特許文献１を用いて例示したように、従来の回転子構造では、磁石を大量に使用し、かつ極中心に磁束を集中させるためにハルバッハ着磁または疑似的にハルバッハ着磁に近い磁束分布を作るような回転子形状にすることでトルク密度を増大させていた。これは、簡易的に磁気回路を考えた場合、回転子は永久磁石で満たされ、かつ回転子内を流れる磁束の向きに沿って永久磁石が磁化されていることで、ある極のギャップ面から入った磁束が隣接する極のギャップ面から出るまでの間に得られる起磁力が最大化するため、従来発想では妥当な考え方である。このため、特許文献１に例示されるように、従来構造では、回転子の固定子との対向面に永久磁石を敷き詰めたような構造となっていた。

一方で、トルク密度を最大化するためにＮｄ磁石を使用することを考えると、永久磁石の材料単価はコアの材料単価と比較して高価であるため、回転子のコストアップにつながり、量産性を考えた場合好ましくない。さらに、従来の発想では、回転子の永久磁石の起磁力のみならず、固定子巻線を流れる電流の作る起磁力との関係性を含んで、回転電機全体の起磁力消費を考慮した回転子設計が十分になされていなかった。このため、さらに回転電機のトルク密度を向上できる回転子構造はこれまで提案されていなかった。

特開２０１９−１２２２４２号公報

本発明に係る課題は、回転子の永久磁石の起磁力と、固定子巻線を流れる電流の作る起磁力との関係性を含んで、回転電機全体の起磁力消費を考慮することで得られる、トルク密度の向上を図ることである。

上記の課題を解決するために本発明に係る回転電機は、回転自由に支持された回転子と、前記回転子と所定の空隙を介して備えられた固定子と、を備え、前記回転子は、円環状の永久磁石と、前記永久磁石に埋め込まれたコアピースと、からなる磁極リングを有し、前記磁極リングは、円環状に形成された内周面および外周面を有し、前記内周面または前記外周面のいずれか一方は、前記空隙と対向する空隙対向面であって、もう一方は、前記空隙対向面とは異なる非空隙対向面であって、前記磁極リングの前記非空隙対向面は、前記永久磁石で構成され、前記磁極リングの前記空隙対向面は、前記永久磁石と露出したコアピースを含んで構成され、前記永久磁石は、前記コアピースが極中心となるように着磁される。

本発明により、回転電機のトルク密度の向上を図ることができる。

本発明の第１実施例に係る回転電機の断面図。 図１における回転子の部分断面図。 本実施形態に係る回転子の部分断面図。 本実施形態に係る固定子の部分断面図。 本発明の作用を示す磁気回路モデル。 本発明の作用を示す磁気回路モデルの計算結果。 本発明の作用を示す磁気回路モデルの計算結果。 本発明の第２実施例に係る回転子の部分断面図。 本発明の第２実施例に係る固定子の部分断面図。 本発明の第２実施例の回転子を後着磁した後の回転子内部での磁束線図。 本発明の第２実施例の回転子を後着磁した後であって、バック側に磁性部材１２０を有する回転子内部での磁束線図。 本発明の第２実施例に係る磁性部材の体積に対するトルク密度の変化を示すグラフ。 本発明の第３実施例に係る回転子の部分断面図。 本発明の第３実施例に係る固定子の部分断面図。 本発明の第５実施例に係る永久磁石の着磁方向を示す部分断面図。 本発明の第６実施例に係る電動ホイールの断面の概念図。

以下、本発明の実施例を図面に従い詳細に説明する。本発明においては複数の実施例を提案しているが、下記はあくまでも実施例に過ぎず、本発明の実施態様が下記具体的態様に限定されることを意図する趣旨ではない。

また実施例を説示する前に、本発明の作用を説明する。本発明によれば、着磁済永久磁石の磁束はコアピースに集中し、かつ磁束は隣接するコアピースをつなぐように永久磁石内部を通る。このため、回転子内部での漏れ磁束はほとんど発生せず、磁束の有効活用ができる。さらに後着磁する場合、極中心間を結ぶ磁束の経路がコアピースを有することで短くなる。

これにより、後着磁工程にてハルバッハ着磁が容易になり、極中心のギャップ磁束密度が向上する。さらに、極中心に高透磁率であるコアピースを有することで、負荷時の回転電機全体の起磁力消費が低減される。とりわけ、固定子巻線を流れる電流の作る起磁力の消費が軽減される。これにより回転電機のトルク密度を向上させることができる。

図１ないし３を用いて、本発明の第１実施例に係る回転電機を説明する。図１は本発明の第１実施例に係る回転電機の断面図である。図２は図１における回転子の部分断面図である。

回転電機１００は、固定子１０１と、固定子１０１の径方向外側に回転可能に支持された回転子１０２と、を備えている。回転子１０２は、回転軸心Ｚを中心に回転する。

以下では断りのない限り、「内周側」「外周側」という言葉は、それぞれ回転軸心Ｚに対して距離が近い側を「内周側」、遠い側を「外周側」と定義する。また「径方向Ｒ」は回転軸心Ｚと垂直に交わる直線方向と定義し、「周方向θ」は回転軸心Ｚまわりの回転方向と定義する。回転子１０２にはシャフト１０３（図示せず）が固定されていてもよく、回転電機１００は固定子１０１及び回転子１０２を覆うフレーム１０４（図示せず）とを備えていてもよい。回転子１０２は直接、またはシャフト１０３やフレーム１０４等の構造部材を介して負荷（図示せず）と接続され、回転子１０２が回転することで当該負荷に回転とトルクを伝達する。固定子１０１及び回転子１０２は同一の中心軸（回転軸心Ｚ）を有し、固定子１０１と回転子１０２との間には空隙１０９が設けられ、互いに接触しないように配置されている。

なお回転子１０２は、固定子１０１の径方向内側に回転可能となるように支持されていてもよい。以下では、固定子１０１の径方向外側に回転子１０２が配置されている、所謂、アウターロータ構造について主に説明をするが、固定子１０１の径方向内側に回転子１０２が配置されている、所謂、インナーロータ構造でも同様の構成とすることで同様の効果が得られる。特に断らない限り、以下では径方向Ｒの向きは、アウターロータの場合は外周側から内周側に向かう向き、インナーロータの場合は内周側から外周側に向かう向きと定義する。

固定子１０１は、電磁鋼板を複数枚積層して構成された固定子鉄心１０５と、固定子鉄心１０５の外周部の周方向に複数設けられた固定子スロット１０６と、固定子スロット１０６に巻装された固定子巻線１０７と、から構成されている。

固定子鉄心１０５は、一体成形されたソリッド部材で構成しても良い。また、圧粉磁心などの粉末磁性体を圧縮成型した構成でもよいし、アモルファス金属やナノ結晶材で構成してもよい。固定子巻線１０７の巻装方式は、集中巻、分布巻または回転磁界を発生できる何れの巻装方式でも良く、分布巻においては短節巻または全節巻の何れにおいても本実施例の効果を得ることができる。

回転子１０２は、永久磁石部２００と、電磁鋼板を複数枚積層して構成された回転子コアピース１１０と、からなる磁極リング１５０を備えている。永久磁石２００の材質には制約は
なく、フェライト系、ネオジム系、サマリウムコバルト系などを例とする、いずれの材料を使用しても良い。

回転子コアピース１１０は、一体成形されたソリッド部材で構成しても良く、圧粉磁心などの粉末磁性体を圧縮成型した構成でもよいし、アモルファス金属やナノ結晶材で構成してもよい。

磁極リング１５０は、空隙１０９に面した側、すなわち固定子１０１との対向面側に周方向θに偶数個の磁極を有している。ここでは、各磁極中心を径方向に貫く軸をｄ軸と呼称し、隣接するｄ軸間の中心を径方向に貫く軸をｑ軸と呼称する。

永久磁石部２００は、図３（ａ）に示すような一体成形された円環状のリング磁石２１０または図３（ｂ）に示すような第１ピース３０１、３０２、・・・、と第２ピース４０１、４０２、・・・、などの分割磁石を円環状に組み合わせたものである。

永久磁石部２００の極中心のｄ軸上の空隙１０９に面した側には凹部５００が設けられている。永久磁石部２００の凹部５００には回転子コアピース１１０が挿入されており、回転子コアピース１１０の一部が空隙１０９に面するように回転子１０２から露出している。

分割磁石（３０１、３０２、・・・、４０１、４０２、・・・）どうしは互いに接着または溶接等の方法を用いて固定され、永久磁石部２００と回転子コアピース１１０は互いに接着、溶接、圧入、嵌め込み等の方法を用いて固定される。

次に本実施例の作用について説明する。図４に本実施例の作用を示す磁気回路モデルを示す。ここでは、回転子１０２の永久磁石部２００の永久磁石による起磁力６１０と、固定子１０１の固定子巻線１０７を流れる巻線電流１０９による起磁力６２０との相互作用を簡易的に説明するために、図４に図示されるような１つの磁束のループＣを考える。この磁束ループＣに対して、アンペールの法則を適用すると、次のような式が成立する。

ここで、Ｈδは空隙１０９の磁場、ＨＭは永久磁石部２００の磁場δは空隙１０９の径方向（Ｒ）幅である。ΔＭは永久磁石部２００の代表幅で、ここでは隣接する回転子コアピース１１０間を結ぶ磁束経路の平均距離と定義する。Θは巻線電流１０８による１極あたりのアンペアターンである。固定子鉄心１０５と回転子コアピース１１０の透磁率は空隙１０９や永久磁石部２００の透磁率に比べて十分大きいため、固定子鉄心１０５と回転子コアピース１１０の透磁率は無限大として扱った。この磁気回路Ｃ上で漏洩磁束がほとんどないため、漏洩磁束はないと仮定すると、磁束のループＣ上での磁束密度は常に一定で、次式で表される。

ここで、Ｂδは磁束のループＣ上での磁束密度で特に空隙１０９の磁束密度を表す。μＭは永久磁石部２００の透磁率、Ｂｒは永久磁石部の残留磁束密度である。また、空隙１０９の磁場Ｈδと空隙１０９の磁束密度Ｂδには次のような関係がある。

上記の数２と数３を数１に代入して磁場ＨδとＨＭを消去すると、回転子１０２の永久磁石部２００の永久磁石による起磁力６１０と、固定子１０１の固定子巻線１０７を流れる巻線電流１０８による起磁力６２０との相互作用により空隙１０９に発生する磁束密度Ｂδは次のようになる。

ここでμ０は真空の透磁率である。従来は、無負荷誘導起電力を増加させるという発想で、回転電機のトルク密度を向上させ、そのための回転子構造が提案されていた。具体的には、無負荷誘導起電力の大きさは、回転子１０２の永久磁石部２００の起磁力により発生させられる磁束の大きさに略比例する。

このため、無負荷誘導起電力の増加は、回転子の磁束量の増加を意味しており、回転電機のトルク密度向上が期待されていた。このような発想から得られる回転子構造は、例えば、回転子１０２が永久磁石部２００で満たされ、かつ回転子内を流れる磁束の向きに沿って永久磁石が磁化されて、かつ、空隙１０９に面した回転子コアピース１１０を有しないような構造であった（特許文献１参照）。

このような従来回転子構造は、一方の磁極の空隙１０９面から入った磁束が隣接する他方の磁極の空隙１０９面から出るまでの間に得られる起磁力が最大化するため、確かに無負荷誘導起電力を増加させることができる。

これにより、回転子の磁束量を増大でき、回転電機のトルク密度をある程度向上させることが可能であった。これは数３において１極あたりのアンペアターンΘを考慮しない場合に相当する。この場合、空隙１０９の磁束密度Ｂを最大化するには、永久磁石部２００の磁束経路の平均距離ΔＭを最大化すればよく、回転子コアピース１１０は不要という結論になる。

しかしながら、この従来設計思想では、１極あたりのアンペアターンΘとの相互作用を無視しているため、必ずしも回転電機１００のトルク密度を十分に高める構造にはなっていなかった。特に、固定子１０１側の起磁力成分、すなわち１極あたりのアンペアターンΘの生み出す起磁力成分に対しては透磁率の小さい永久磁石部２００は大きな磁気抵抗となり、空隙１０９の磁束密度Ｂ、および回転電機１００のトルク密度を低減する要因ともなる。

このため、永久磁石部２００の磁束経路の平均距離ΔＭは単に最大化すればよいわけではなく、１極あたりのアンペアターンΘの大きさに応じて、適切なΔＭの値が存在する。実際、数４でＢδ＝ＢｒとなるアンペアターンΘの値よりも大きなアンペアターンΘでは、ΔＭは小さいほど空隙１０９の磁束密度Ｂδは大きくなる。具体的には、１極あたりのアンペアターンΘが数５を満たす場合は、ΔＭが小さいほど空隙１０９の磁束密度Ｂは大きくなる。

一般的に永久磁石の残留磁束密度Ｂｒは数１００ｍＴから１Ｔ程度であり、空隙１０９の径方向幅は１ｍｍ程度である。図５（ａ）に永久磁石の残留磁束密度Ｂｒが１Ｔ、空隙１０９の径方向幅が１ｍｍの場合の、永久磁石部２００の代表幅ΔＭに対する空隙１０９の磁束密度Ｂδの関係を示す。

図５（ａ）ではΘが１６００ＡＴ以上であれば、永久磁石部２００の代表幅ΔＭを小さくすることで、空隙１０９の磁束密度Ｂδを向上できる傾向が示されている。同様に、図５（ｂ）に永久磁石の残留磁束密度Ｂγが１００ｍＴ、空隙１０９の径方向幅が１ｍｍの場合の、永久磁石部２００の代表幅ΔＭに対する空隙１０９の磁束密度Ｂδの関係を示す。図５（ｂ）でがΘが１６０ＡＴ以上であれば、永久磁石部２００の代表幅ΔＭを小さくすることで、空隙１０９の磁束密度Ｂδを向上できる傾向が示されている。

以上のように、残留磁束密度Ｂγに応じて数５に従いΘを大きくとれば、永久磁石部２００での起磁力消費の影響が大きく永久磁石部２００の磁束経路の平均距離ΔＭは小さいほうが回転電機１００はトルク密度が向上する。２００ＡＴから１６００ＡＴ程度のアンペアターンは、一般的な回転電機１００、特に大容量の回転電機１００でよく使用される領域である。回転子１０２の径と極数で極間の機械的な方向幅は決まるため、本発明構造のように、ｄ軸上にコアピース１１０を配置することでΔＭを小さくすることが可能になる。

ここで、この議論を突き詰めると究極的にはΔＭが０であれば磁束密度Ｂが最大化することになるが、これは数１〜３の議論において、固定子鉄心１０５や回転子コアピース１１０の磁気飽和を無視している点、さらには仮に回転子１０２がすべてコアピース１１０で満たされた場合は回転子が極性を失い、空隙１０９の磁束密度Ｂとトルクの相関がなくなる点で不適当である。したがって、実際上は永久磁石部２００の適切な量が存在する。

また、巻線電流１０８が小さい回転電機１００の運転条件では、永久磁石部２００の残留磁束（密度Ｂγ）によるトルク密度の向上効果が大きく、多様な運転条件において回転電機１００のトルク密度を向上させるためには永久磁石部２００の存在は依然必要である。

以上から、本実施形態に係る構造は、回転子１０２の永久磁石部２００の極中心に凹部５００を設け、永久磁石部２００の凹部５００に回転子コアピース１１０を配置することで、コアピース１１０がΔＭを小さくする役割を果たし、永久磁石部２００の起磁力と１極あたりのアンペアターンΘによる起磁力が相互作用している実際の駆動条件での空隙１０９の磁束密度を向上させることを可能にする。これにより、回転電機１００のトルク密度を従来よりも向上させることを可能にする。

また、極中心であるｄ軸上の空隙１０９に面した側にコアピース１１０が配置されることで、磁気抵抗の小さいコアピースに磁束が集中し、空隙１０９の磁束密度の基本波成分が増加する。これにより回転電機１００のトルク密度はさらに向上する。

以上が本実施例の基本的な構造と作用である。以下では、コアピース１１０の構造の詳細と、その副次的な効果について詳述する。

まず、図１から図３に図示されている構造では、永久磁石部２００とコアピース１１０は空隙１０９に面するおのおのの露出面において面一となっている。例えば、図３（ａ）では、リング磁石２１０の内径側の面（空隙１０９に面する露出面）とコアピース１１０の内径側の面とは面一である。また、図３（ｂ）では、分割磁石（３０１、３０２、３０３、…）の内径側の面とコアピース１１０の内径側の面とは面一である。これらの面一の面は、特に削り仕上げや、円柱状の型に合わせて一体成型することで、一つの半径で規定される円筒面を形成することができる。

面一にすることで、回転子１０２が回転する際に、空隙１０９に面する露出面における凹凸が小さくなることで、摩擦抵抗を低減できる。特に、面一の面を一つの半径で規定される円筒面とすることで、空隙１０９に面する露出面における凹凸が無くなり、摩擦抵抗を最小化できる。これにより摩擦抵抗分の損失を低減できる。また、これにより回転電機の効率を向上させることができる。

また、図２に図示する構造では、コアピース１１０は、永久磁石部２００に埋め込まれた領域の周方向幅最大値をＬ１と定義し、永久磁石部２００から露出した面の周方向幅をＬ２と定義すると、Ｌ１＞Ｌ２の関係にある。図２では永久磁石部２００がリング磁石２１０の場合を示しているが、永久磁石部２００が分割磁石（３０１、３０２、・・・、４０１、４０２、・・・）である場合も同様である。

アウターロータの場合は磁気吸引力、インナーロータの場合は磁気吸引力と遠心力により、コアピース１１０が回転子１０２から分離するリスクがある。これに対して、Ｌ１＞Ｌ２の関係を満たした回転子１０２は、永久磁石部２００の幅Ｌ２とコアピース１１０の幅Ｌ１とが干渉して回転子１０２からコアピース１１０が分離するリスクを軽減できる。さらに、Ｌ１＞Ｌ２の関係を満たすことで、空隙１０９側の磁石量は増加し、かつ、幅Ｌ１のコアピース１１０の領域では十分なコア体積が確保できるため磁気飽和しにくくなる。これにより、コアピース１１０内部での磁気抵抗を緩和しつつ磁石量を増加させることができるため、空隙１０９の磁束密度を増加させることができる。これにより、回転電機１００のトルク密度を向上させることができる。

次に第２の実施形態について、図６ないし９を用いて説明する。図６（ａ）は本発明の第２実施例に係る回転子の部分断面図であり、永久磁石部２００にリング磁石２１０を適用した場合の構造を示す。図６（ｂ）は本発明の第２実施例に係る回転子の部分断面図であり、永久磁石部２００に分割磁石（３０１、３０２、・・・、４０１、４０２、・・・）を適用した場合の構造を示す。なお、第１実施例と重複する事項については説明を省略する。

第２実施例における回転子１０２は、空隙１０９と相対する径方向側、すなわち、図６（ａ）、図６（ｂ）のようなアウターロータ構造の場合は回転子１０２の外周側、インナーロータ構造の場合は回転子１０２の内周側（以下では、バック側と呼称する）に、非磁性材料で構成された非磁性領域７００を有している。

非磁性領域７００は、非磁性部材で成形された非磁性リング７１０で構成しても良く、非磁性の液体または気体で満たされた非磁性空間７２０（図示せず）で構成してもよい。なお、非磁性領域７００は回転子１０２のフレーム１０４と兼ねることが可能であり、非磁性領域７００を有することによる回転電機１００の質量増加は発生しない。

本構造のように非磁性領域７００を有することで永久磁石部２００を後工程で着磁する際に、永久磁石部２００の磁化方向が回転子１０２内部での起磁力消費を最小化する向きになるため、回転電機１００のトルク密度が向上する。

このことを図７及びず８を用いて説明する。図７（ａ）は、本実施形態の回転子１０２を後着磁した後の回転子１０２内部での磁束線図を、図７（ｂ）は本実施形態と異なりバック側に磁性部材１２０を有する回転子１０２を後着磁した後の回転子１０２内部での磁束線図をそれぞれ示す。

磁束線分布をみると、図７（ａ）の本実施形態の場合、回転子コアピース１１０を磁束が最短で結ぶように永久磁石部２００が磁化されており、回転子１０２内部における起磁力消費が最小化されている。

一方で、図（ｂ）のようにバック側が非磁性領域ではない場合、着磁工程で磁束の一部がバック側に誘導され、着磁後の磁束の一部がバック側に漏洩したままになっている。バック側の磁性部材１２０は単なる磁気抵抗となっているため、ここでの起磁力消費が増加する上に、磁性部材１２０の質量分だけ回転電機１００の質量も増加するため、トルク密度は低減する。

図８は、磁性部材１２０の体積に対するトルク密度の変化をグラフ化したものである。図８から明らかなように、バック側の磁性部材１２０が増加するに従いトルク密度が低下している。最もトルク密度が高いのは磁性部材１２０がない場合、すなわちバック側が非磁性領域７００である本実施形態の場合である。

さらに特に、回転子１０２がアウターロータの場合は、非磁性領域７００として非磁性リング７１０を用いることで、非磁性リング７１０を強度部材として活用することができる。非磁性リング７１０がない場合は、回転子１０２が回転した時に発生する遠心力により、永久磁石部２００内部にはフープ応力と呼ばれる周方向応力が発生する。永久磁石部２００は一般に脆い材料であるため、このフープ応力により永久磁石部２００が破壊される恐れがある。
これに対して、非磁性リング７１０がある場合は、回転子１０２が回転した時の遠心力荷重を非磁性リング７１０支えることが可能となる。これにより、一般に脆い材料である永久磁石部２００に発生する応力を低減することができ、回転子１０２の強度信頼性を向上させることができる。さらに堅牢な回転子１０２は高速回転で回転させることが可能となり、本実施例構造を高速回転電機として利用することも可能となる。

次に第３の実施形態について、図９を用いて説明する。図９（ａ）は本発明の第３実施例に係る回転子の部分断面図であり、永久磁石部２００にリング磁石２１０を適用した場合の構造を示す。図９（ｂ）は、本発明の第３実施例に係る回転子の部分断面図であり、永久磁石部２００に分割磁石（３０１、３０２、・・・、４０１、４０２、・・・）を適用した場合の構造を示す。なお、第１実施例と重複する事項については説明を省略する。

第３実施例における回転子１０２はバック側に、電磁鋼板を複数枚積層して構成されたバックヨーク８００を有している。バックヨーク８００は、一体成形されたソリッド部材で構成しても良く、圧粉磁心などの粉末磁性体を圧縮成型した構成でもよいし、アモルファス金属やナノ結晶材で構成してもよい。

本構造のようにバックヨーク８００を有することで回転電機１００の外部に磁束が漏洩することを防ぐことが可能となる。特に、図９（ａ）において永久磁石部２００のリング磁石２１０のｄ軸上の領域２２０が径方向に着磁されている場合、もしくは図９（ｂ）において永久磁石部２００の分割磁石（４０１、４０２、・・・）が径方向に着磁されている場合は、バックヨーク８００が回転子１０２のバック側に漏洩しようとする磁束を隣接するｄ軸上へと誘導する。このため、回転子１０２の漏洩磁束は低減する。これにより、空隙１０９の磁束密度が向上し、回転電機１００のトルク密度が向上する。

次に第４の実施形態について、既出の図を用いて説明する。図２や図３（ａ）等に図示されている構造では、コアピース１１０の永久磁石部２００に埋め込まれた面は、径方向から見ると、有限の曲率半径を有する曲面１１１となっている。ここでの径方向の方向の定義は前述の通り、アウターロータの場合は外周側から内周側に向かう向き、インナーロータの場合は内周側から外周側に向かう向きである。

例えば、図３（ａ）では、コアピース１１０のリング磁石２１０に埋め込まれた面は、有限の曲率半径を有した凸形状を成し、凸部が外周側を向いた形状を有している。

本実施例の構造とすることで、永久磁石部２００を通り磁極間を結ぶ磁束が流線形状になり、局所的な磁束の集中を防ぐことが可能になる。これによりコアピース１１０の局所的な磁気飽和を緩和でき、回転電機１００のトルク密度が向上する。特に後着磁により永久磁石部２００を着磁する場合は、コアピース１１０間に磁束を通すことで、一方の極の曲面１１１から他方の極の曲面１１１に至る磁束は滑らかな略円弧上に分布する。

すなわち、曲面１１１上の各位置を通る磁束の磁路長のばらつきが少なくなるような磁束分布で永久磁石部２００を着磁することができる。このため着磁に必要な電流量を低減し、生産コストを削減することができる。もしくは、局所的に着磁が不十分な領域を作ることなく、少ない電流量で永久磁石部２００を着磁することができる。

また、曲面１１１の径方向の頂点を各磁極の極中心であるｄ軸上に重ねることで、本実施例の効果を最大化することができる。

次に第５の実施形態について、既出の図３（ｂ）を用いて説明する。図３（ｂ）に示されている構造では、永久磁石部２００は分割磁石（３０１、３０２、・・・、４０１、４０２、・・・）により構成されている。図３（ｂ）では分割磁石は第１ピース３０１、３０２、・・・、と第２ピース４０１、４０２、・・・、を円環状に組み合わせて構成されているが、ピース数は２個以上であれば本実施例の効果を得ることができ、また分割方向も径方向Ｒ、周方向θ、回転軸心Ｚ方向のいずれの方向でも効果を得ることができる。

本実施例の構造とすることで、永久磁石部２００の各分割磁石間には微視的な空隙が形成されるため、分割磁石どうしの接触部において接触抵抗が発生する。このため、分割磁石どうしが電気的に分離したような効果を得ることができ、分割磁石間を跨いで渦電流が流れにくくなる。

これにより、永久磁石部２００で発生する渦電流、および渦電流損失を低減することができ、回転電機１００の効率を向上させることができる。特に分割磁石が絶縁被膜等でコーティングされている場合は、分割磁石間を跨いで流れる渦電流は無視することができ、より効率を向上させることができる。特に回転軸心Ｚ方向に永久磁石部２００を分割することで、効果的に永久磁石部２００の渦電流および渦電流損失を低減できる。

また、分割磁石（３０１、３０２、・・・、４０１、４０２、・・・）はすべて同じ種類の永久磁石とする必要はなく、異種磁石を組み合わせて永久磁石部２００を構成してもよい。

特に、図３（ｂ）に示すように、分割磁石の第１ピース３０１、３０２、・・・、が空隙１０９に面しており、第２ピース４０１、４０２、・・・、は空隙１０９に面していない構造において、第１ピースには第２ピースよりも保磁力が高い永久磁石を選択することができる。回転電機１００の磁束は空隙１０９の周囲に集中するため、第１ピース３０１、３０２、・・・、の保磁力を大きくすることで、回転子１０２の減磁耐力を向上させることができる。また一般に、永久磁石の保磁力と残留磁束密度はトレードオフの関係にあるため、第２ピース４０１、４０２、・・・、として保磁力は第１ピース３０１、３０２、・・・、より低いが、残留磁束密度の高い磁石を選択することもできる。これにより、減磁耐力を向上しつつ、回転電機１００のトルク密度を向上させることができる。

同様に、第１ピース３０１、３０２、・・・、にＮｄ焼結磁石を使用し、第２ピース４０１、４０２、・・・、にＮｄボンド磁石を使用することができる。Ｎｄ焼結磁石とＮｄボンド磁石を比較すると、一般に、Ｎｄ焼結磁石の方が保磁力が高く、Ｎｄボンド磁石の方が着磁方向を自由に設定できる。Ｎｄボンド磁石に着磁方向の自由度があるのは、Ｎｄボンド磁石が等方性磁石だからであり、例えばハルバッハ着磁などが容易にできる。

図１０に第１ピース３０１、３０２、・・・、にＮｄ焼結磁石を使用し、第２ピース４０１、４０２、・・・、にＮｄボンド磁石を使用した場合に実施可能な着磁の例を示す。第１ピース３０１、３０２、・・・、のＮｄ焼結磁石は異方性磁石のため一方向に着磁されている。一方で、第２ピース４０１、４０２、・・・、のＮｄボンド磁石は等方性のため、第１ピース３０１、３０２、・・・、との接触面からコアピース１１０との接触面に向かう（またはその逆）向きに着磁されている。

このようにＮｄ焼結磁石とＮｄボンド磁石を組み合わせることで、分割磁石の組み合わせ構造で、疑似的にハルバッハ着磁となった永久磁石部２００を構成することができる。これにより、コアピース１１０に磁束を集中させ、空隙１０９の磁束密度を高めることができるため、回転電機１００のトルク密度が向上する。さらに一般にＮｄボンド磁石はＮｄ焼結磁石よりも透磁率が高いため、固定子１０１の固定子巻線１０７を流れる巻線電流１０８による起磁力６２０に対する第２ピースの磁気抵抗が小さくなる。

これにより、巻線電流１０８が空隙１０９に作る磁束密度を高めることができるため、回転電機１００のトルク密度はさらに向上する。

別な磁石分割パターンとして、永久磁石部２００を極中心であるｄ軸上で分割してもよい。ｄ軸上では磁束の周方向成分がないため、永久磁石部２００をｄ軸上で分割しても、磁気特性には影響がない。このため、永久磁石部２００の分割によってトルク密度が悪化することを防ぐことができる。

さらに別な磁石分割パターンとして、永久磁石部２００を極中心間のｑ軸上で分割してもよい。これにより、製造時に一極分のコアピース１１０と永久磁石部２００を一体成型できる。例えば、一極ごとに組立や着磁が可能となる。特に後着磁する場合は、着磁ヨークを空隙１０９側の面と周方向側面２面の合計３面に配置することができるため、着磁に必要な電流を低減できる。これにより、製造が容易になり、回転電機１００の生産性が向上する。

第６の実施形態について、図１１を用いて説明する。図１１は、本発明の第６実施例に係る電動ホイール９００の断面の概念図である。電動ホイール９００には、アウターロータタイプの回転電機１００が使用される。

回転電機１００の回転子１０２は、外周側に非磁性リング７１０を有しており、回転子フレーム９３０を兼ねている。回転子フレームは炭素繊維材料または非磁性金属部材もしくは、それらの材料を接合して形成されている。

ただし、リング７１０部は非磁性材料である。回転子フレーム９３０は、接続部材９４０によって、ホイール９２０と接続されている。ホイール９２０にはタイヤ９１０が嵌め合わされている。ホイール９２０および回転子１０２がシャフト９６０に対して回転自在に支持されるようにするために、ホイール９２０もしくは回転子フレーム９３０はシャフト９６０に軸受９５０で接続されている。

一方、回転電機１００の固定子１０１は、支持部材（図では省略）でシャフト９６０に固定支持されており、支持部材には電気回路９７０も搭載されている。電気回路９７０は電力を固定子１０１に供給し、回転子１０２を回転させる。回転子１０２の回転は非磁性リング７１０を有する回転子フレーム９３０、および接続部材９４０を介してホイール９２０に伝達され、ホイール９２０を回転させる。

本実施例の構造を採用すると、回転電機１００のトルク密度が高いため、回転電機１００はホイール９２０の内周側に収容できるだけでなく、ギアレス化、すなわちホイール９２０のダイレクトドライブが可能となる。

従来の電動ホイールはギアを利用しており、ギアの摩耗、騒音や、ギアを支持する必要があるため軸受の使用数が増加するなど課題が発生していた。これに対して、本発明のトルク密度が高い回転電機１００を使用した電動ホイール９００はギアを必要としないため、ギアの摩耗を配慮したメンテナンスが不要になる上に、ギアから発生する騒音が無くなる。また、軸受の使用量は最低限となり、軸受の摩耗リスクが低減する上に、軸受のグリス交換等でのメンテ作業量は削減できる。

また回転電機１００の体積が小さいため、電気回路９７０もホイール９２０の内部に搭載することができ、電動ホイール９００を小型軽量にすることが可能となる。

１００…回転電機、１０１…固定子、１０２…回転子、１０３…シャフト、１０４…フレーム、１０５…固定子鉄心、１０６…固定子スロット、１０７…固定子巻線、１０８…巻線電流、１０９…空隙、１１０…回転子コアピース、１１１…コアピース曲面、１２０…磁性部材、１５０…磁極リング、２００…永久磁石部、２１０…リング磁石、２２０…リング磁石のｄ軸上の領域、３０１…分割磁石（第１ピース）、３０２…分割磁石（第１ピース）、４０１…分割磁石（第２ピース）、４０２…分割磁石（第２ピース）、５００…凹部、６１０…起磁力、６２０…起磁力、７００…非磁性領域、７１０…非磁性リング、７２０…非磁性空間、８００…バックヨーク、９００…電動ホイール、９１０…タイヤ、９２０…ホイール、９３０…回転子フレーム、９４０…接続部材、９５０…軸受、９６０…シャフト、９７０…電気回路、９９９…負荷、Ｚ…回転軸心、Ｒ…径方向、θ…周方向、Ｃ…磁束ループ

Claims (14)

1. 回転自由に支持された回転子と、
   前記回転子と所定の空隙を介して備えられた固定子と、を備え、
   前記回転子は、円環状の永久磁石と、前記永久磁石に埋め込まれたコアピースと、からなる磁極リングを有し、
   前記磁極リングは、円環状に形成された内周面および外周面を有し、
   前記内周面または前記外周面のいずれか一方は、前記空隙と対向する空隙対向面であって、もう一方は、前記空隙対向面とは異なる非空隙対向面であって、
   前記磁極リングの前記非空隙対向面は、前記永久磁石で構成され、
   前記磁極リングの前記空隙対向面は、前記永久磁石と露出したコアピースを含んで構成され、
   前記永久磁石は、前記コアピースが極中心となるように着磁される回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記磁極リングは、前記非空隙対向面において、非磁性材または非磁性の流体と接する回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記磁極リングは、前記非空隙対向面において、磁性材の円環部材と接する回転電機。
4. 請求項１ないし３に記載のいずれかの回転電機であって、
   前記永久磁石と、前記コアピースの露出面が面一となる回転電機。
5. 請求項１ないし４に記載のいずれかの回転電機であって、
   前記コアピースの前記永久磁石に埋め込まれた面は、前記非空隙対向面から径方向に見た場合、所定の曲率半径を有する曲面である回転電機。
6. 請求項５に記載の回転電機であって、
   前記曲面の径方向の頂点は、前記極中心と重なる回転電機。
7. 請求項１ないし６に記載のいずれかの回転電機であって、
   前記コアピースは、前記永久磁石に埋め込まれた領域の周方向幅最大値をＬ１と定義し、前記永久磁石から露出した面の周方向幅をＬ２と定義すると、Ｌ１＞Ｌ２である回転電機。
8. 請求項１ないし７に記載のいずれかの回転電機であって、
   前記コアピースは、前記永久磁石の内径側の面から露出する位置に配置され、
   前記回転子は、前記非空隙対向面において、非磁性支持部材と接する回転電機。
9. 請求項１ないし８に記載のいずれかの回転電機であって、
   前記円環状の永久磁石は、周方向に沿って配置された少なくとも２個以上のピースにより構成される回転電機。
10. 請求項９に記載の回転電機であって、
    前記円環状の永久磁石は、前記空隙に面する第１ピースの保磁力が、それ以外の第２ピースの保持力よりも高い回転電機。
11. 請求項１０に記載の回転電機の回転子であって、
    前記第１ピースは、Ｎｄ焼結磁石であり、
    前記第２ピースは、Ｎｄボンド磁石である回転電機。
12. 請求項９ないし１１に記載のいずれかの回転電機の回転子であって、
    前記円環状の永久磁石は、周方向の極中心と重なる位置で分割される回転電機。
13. 請求項９ないし１１に記載のいずれかの回転電機の回転子であって、
    前記円環状の永久磁石は、周方向の隣合う極中心の間の領域において分割される回転電機。
14. 請求項８に記載の回転電機を用いた電動ホイールであって、
    前記非磁性支持部材は、ホイール部材と接続され、かつ炭素繊維材料または非磁性金属部材である電動ホイール。

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