JP2021136860A

JP2021136860A - 回転電機

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Publication number: JP2021136860A
Application number: JP2020206856A
Authority: JP
Inventors: 智一進士; Tomokazu Shinji; 晃司三竹; Koji Mitsutake; 和也内田; Kazuya Uchida
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2021-09-13
Anticipated expiration: 2040-12-14
Also published as: JP7575258B2

Abstract

【課題】効率の向上が図られた回転電機を提供する。
【解決手段】ＩＰＭモータ１では、磁石用孔１６に収容された磁石構造体３０において、第１の永久磁石３２Ａより径方向外側に第１の軟磁性体３４Ａが位置している。第１の軟磁性体３４Ａは、ロータコア１４の電気抵抗率より高い電気抵抗率を有するため、第１の軟磁性体３４Ａにおいて渦電流が発生する事態が抑制されている。そのため、ＩＰＭモータ１では、渦電流損に起因する効率低下が抑えられており、効率向上を図ることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来より、回転電機として、インナーロータ型モータの一種であり、ロータ内部に永久磁石が埋め込まれたＩＰＭモータが知られている（たとえば下記特許文献１）。

特開２０００−１３４８４２号公報特開平１１−２６２２０５号公報

上述したＩＰＭモータでは、ロータの軸線方向に関して、ステータにコイルが巻回されることから、ロータ端部近傍にデッドスペースが出来やすい。そこで、モータ特性の向上を図るため、ロータの長さがステータの長さよりも長くなるように設計してロータ端面がステータ端面から突出する構成とすることが考えられる。このような構成においては、ロータの端面部に、ロータ端面に対して垂直な成分を有する磁束が生じやすく、そのような磁束が変動することでロータの端面部に渦電流が生じる。その結果、渦電流損によるモータ効率の低下が招かれ得る。

発明者らは、鋭意研究の末、ロータの端面部をステータ端面から突出する構成において、モータ効率の向上を図ることができる技術を新たに見出した。

本発明は、効率の向上が図られた回転電機を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る回転電機は、所定の軸線周りに回転可能なロータとステータとを備え、ロータおよびステータの一方が複数の磁石構造体が取り付けられる磁石保持部を有し、他方が複数のコイルが取り付けられるコイル保持部を有する回転電機であって、各磁石構造体は、ロータの軸線方向に沿って延びる複数の磁石用孔のそれぞれに収容されており、かつ、永久磁石と、ロータの軸線方向に直交する径方向の外側において永久磁石と重なる軟磁性体との対を有する。

上記回転電機においては、各磁石構造体が永久磁石より径方向外側に位置する軟磁性体を有し、軟磁性体において渦電流が発生する事態が抑制されている。そのため、上記回転電機では、渦電流損に起因する効率低下が抑えられており、効率向上を図ることができる。

他の形態に係る回転電機は、各磁石構造体が、永久磁石と軟磁性体との対を複数対有する。

他の形態に係る回転電機は、各磁石構造体が、複数の永久磁石と複数の軟磁性体とを含むとともに永久磁石と軟磁性体とが交互に積層された積層構造を有し、積層構造に含まれる永久磁石の数が２つまたは３つである。

他の形態に係る回転電機は、各磁石構造体の、ロータの軸線方向に直交する径方向における最内層および最外層が軟磁性材料で構成されている。

他の形態に係る回転電機は、各磁石構造体が、ロータの軸線方向から見て、ロータの軸線方向に直交する径方向の外側に内弧が位置するアーチ状を有する。

他の形態に係る回転電機は、磁石構造体の永久磁石が、ロータの軸線方向に直交する径方向の外側に向かって配向が集中されている。

他の形態に係る回転電機は、各磁石構造体が、ロータの軸線方向から見て、ロータの軸線方向に直交する径方向に対して交差して延びる長方形状を有する。

他の形態に係る回転電機は、各磁石構造体が、ロータの軸線方向から見て、ロータの軸線方向に直交する径方向の外側に向けられたＶ字状を有する。

他の形態に係る回転電機は、磁石保持部が、ロータの軸線方向において複数のケイ素鋼板が積層された積層鋼板で構成されており、磁石構造体の軟磁性体が、軟磁性粉の圧粉成形体で構成されている。

他の形態に係る回転電機は、軟磁性体が、２．９×１０^−４〜４×１０Ωｍの電気抵抗率を有し、かつ、１．６０〜２．１０Ｔの飽和磁束密度を有する。

他の形態に係る回転電機は、永久磁石が焼結磁石である。

本発明によれば、効率の向上が図られた回転電機が提供される。

一実施形態に係るＩＰＭモータを示した概略平面図である。図１に示したＩＰＭモータのＩＩ−ＩＩ線断面図である。図１に示したＩＰＭモータの要部の概略斜視図である。図３に示したＩＰＭモータの要部の平面図である。図３に示した磁石構造体の構成および磁石配向を示した図である。異なる態様のＩＰＭモータの要部を示した平面図である。異なる態様のＩＰＭモータの要部を示した平面図である。異なる態様のＩＰＭモータの要部を示した平面図である。異なる態様のＩＰＭモータの要部を示した平面図である。実施例に係るＩＰＭモータの各種条件を示した表である。実施例の結果を示した表である。実施例の結果を示した表である。異なる態様のＩＰＭモータを示した概略平面図である。実施例に係るＩＰＭモータの各種条件を示した表である。実施例の結果を示した表である。実施例の結果を示したグラフである。実施例の結果を示したグラフである。実施例の結果を示したグラフである。実施例の結果を示したグラフである。実施例の結果を示したグラフである。実施例の結果を示したグラフである。実施例の結果を示したグラフである。

以下、図面を参照して種々の実施形態および実施例について説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

以下に示す実施形態では、回転電機として、モータ（より詳しくはＩＰＭモータ）を例に説明する。図１に、実施形態に係るＩＰＭモータ１を示す。図１は、軸線Ｘの方向から見たＩＰＭモータ１の平面図を示している。ＩＰＭモータ１は、ロータ１０とステータ２０とを有し、ステータ２０の内側にロータ１０が位置するインナーロータ型のモータである。ＩＰＭモータ１は、８極１２スロットの構成を有する。

ロータ１０は、シャフト１２とロータコア１４（磁石保持部）とを備えて構成されている。

シャフト１２は、円柱状の形状を有し、図１の紙面に垂直な方向に延びている。シャフト１２は、たとえばステンレス等によって構成されている。

ロータコア１４は、円筒状の形状を有し、内側に軸孔１４ａを有する。シャフト１２は、ロータコア１４の軸孔１４ａに嵌め込まれており、ロータコア１４とシャフト１２とは軸線Ｘ周りに一体的に回転する。本実施形態では、ロータコア１４は、外径が１５８．４ｍｍであり、内径が８５ｍｍである。また、ロータコア１４の幅Ｗ（すなわち、軸線Ｘの方向に関する長さ）は、１００ｍｍである。

ロータコア１４は、軸線Ｘの方向において複数の鋼板が積層された積層鋼板（電磁鋼板）で構成されている。各鋼板の厚さは、たとえば０．２〜０．５ｍｍである。鋼板には、ケイ素鋼板が採用され得る。ロータコア１４がケイ素鋼板の積層鋼板で構成されている場合には、ロータコア１４は５．６×１０^−７Ωｍ程度の電気抵抗率を有する。

図１〜３に示すように、ロータコア１４には、後述する磁石構造体３０が複数取り付けられている。各磁石構造体３０は、ロータ１０の軸線Ｘに対して平行に延びる磁石用孔１６に収容されている。より詳しくは、一つの磁石用孔１６に対して、一つの磁石構造体３０が収容されている。磁石用孔１６の内側寸法は、後述する磁石構造体３０の外形寸法よりわずかに大きく設計されている。そのため、磁石構造体３０は、磁石用孔１６内において位置や姿勢が変わらない。

本実施形態では、ロータ１０は、同一形状の８個の磁石構造体３０を備えており、８個の磁石構造体３０は、磁石構造体３０の対が軸線Ｘに関して均等な角度間隔で配置されている。磁石構造体３０はいずれも、軸線Ｘの方向から見て、アーチ状（またはＣ字状）の端面形状および断面形状を有しており、その内弧３０ａ側がロータコア１４の外周面１４ｂを向くように配置されている。磁石構造体３０の外弧３０ｂはロータ１０の軸線Ｘ側に位置している。磁石構造体３０の開き角は、ＩＰＭモータ１の極数に応じて１０〜１８０°の範囲から選択することができ、本実施形態においては１００°である。磁石構造体３０はロータ１０の径方向（軸線Ｘを通り、かつ、軸線Ｘに直交する方向）に延びる仮想線に対して線対称であってもよい。磁石構造体３０はいずれも、全体としてラジアル配向されており、内弧側にＮ極を有するＮ極磁石３０Ａと内弧側にＳ極を有する極磁石３０Ｂとが軸線Ｘ周りに交互に配置されている。

磁石構造体３０は、その延在方向がロータ１０の軸線Ｘと平行になるようにロータコア１４の磁石用孔１６内に配置される。図２に示すように、磁石用孔１６および磁石構造体３０は、軸線Ｘの方向に関し、ロータコア１４の全長に亘って延在している。磁石構造体３０の延在方向に関する長さは、ロータコア１４の幅Ｗと実質的に同一であり、本実施形態では１００ｍｍである。

ステータ２０は、ロータ１０の外周を囲むように設けられた円筒状のステータコア２１（コイル保持部）を備えている。ロータ１０とステータ２０との間には、均一幅のエアギャップＧ（一例として０．８ｍｍ幅）が設けられている。ステータコア２１の内周側には、複数（本実施形態では１２個）のコイル２２が配置されている。複数のコイル２２は、集中巻方式のＣｕ線で構成されており、ロータ１０の軸線Ｘに関して均等な角度間隔で配置されている。図示しないインバータ回路等から複数のコイル２２に３相交流電圧が印加されると、ステータコア２１の内周側に回転磁界が発生する。本実施形態では、ステータコア２１は、外径が２５０ｍｍであり、内径が１６０ｍｍである。また、ステータコア２１の幅Ｗ（すなわち、軸線Ｘの方向に関する長さ）は、ロータコア１４の幅Ｗと実質的に同一であり本実施形態では１００ｍｍである。

磁石構造体３０は、図４および図５に示すように、第１の永久磁石３２Ａと第１の軟磁性体３４Ａとを備えて構成されている。

第１の永久磁石３２Ａは、軸線Ｘの方向から見て、アーチ状（またはＣ字状）の端面形状および断面形状を有しており、その内弧側がロータコア１４の外周面１４ｂを向いている。換言すると、第１の永久磁石３２Ａの内弧は、ロータ１０の径方向の外側に位置している。本実施形態において、第１の永久磁石３２Ａは、軸線Ｘの方向から見て、３５０ｍｍ^２の面積を有し、１〜１０ｍｍ程度の幅（径方向長さ）を有する。

第１の永久磁石３２Ａは、一軸異方性を有する永久磁石である。第１の永久磁石３２Ａは、本実施形態では、希土類系永久磁石で構成されており、たとえばネオジム系焼結磁石（一例としてＮｄＦｅＢ系焼結磁石）である。第１の永久磁石３２Ａは、ネオジム系以外の焼結磁石（たとえばＳｍＣｏ系焼結磁石であり、フェライト焼結磁石）であってもよく、焼結磁石以外の磁石（たとえばボンド磁石や熱間加工磁石等）であってもよい。

第１の永久磁石３２Ａは、図５に示すようにラジアル配向されており、具体的には内側曲面に集中配向されている。第１の永久磁石３２Ａをラジアル配向とすることで、パラレル配向とした場合に比べて、容易に高トルク化を実現することができる。第１の永久磁石３２Ａの配向は、ラジアル配向角度に合わせた態様でもよく、パラレル配向よりも内側曲面側に配向を集中させた態様であってもよい。

第１の軟磁性体３４Ａは、第１の永久磁石３２Ａと同様、軸線Ｘの方向から見て、アーチ状（またはＣ字状）の端面形状および断面形状を有しており、その内弧側がロータコア１４の外周面１４ｂを向いている。換言すると、第１の永久磁石３２Ａの内弧は、ロータ１０の径方向の外側に位置している。本実施形態において、第１の軟磁性体３４Ａは、軸線Ｘの方向から見て、０．１〜３０ｍｍ程度の幅（径方向長さ）を有する。第１の永久磁石３２Ａは、全体としてアーチ状であれば、一つの磁石片で構成されていてもよく複数の磁石片で構成されていてもよい。

第１の軟磁性体３４Ａは、軟磁性材料で構成されている。第１の軟磁性体３４Ａには、電磁鋼板、磁性鉄粉、ソフトフェライト、パーマロイ等を採用することができる。第１の軟磁性体３４Ａは、本実施形態では、軟磁性粉の圧粉成形体で構成されている。圧粉成形体の軟磁性粉として、Ｆｅ_３Ｓｉ粉等の純鉄系磁性粉を採用することができる。圧粉成形体の軟磁性粉の平均粒径（ｄ５０）は、たとえば２０〜１００μｍである。圧粉成形体は、軟磁性粉を結着することで得られ、結着には樹脂等の結着剤を用いることができる。圧粉成形体は、軟磁性粉を用いた熱間成形によって得ることができる。第１の軟磁性体３４ＡがＦｅ_３Ｓｉ粉の圧粉成形体で構成されている場合には、第１の軟磁性体３４Ａは３００Ωｍ程度の電気抵抗率を有する。第１の軟磁性体３４Ａが軟磁性粉の圧粉成形体で構成されている場合には、第１の軟磁性体３４Ａはたとえば５００〜１０００Ｈ／ｍの透磁率を有する。第１の軟磁性体３４Ａが積層鋼板で構成されている場合には、第１の軟磁性体３４Ａはたとえば５０００〜２００００Ｈ／ｍ（一例として１００００Ｈ／ｍ）透磁率を有する。第１の軟磁性体３４Ａは、２．９×１０^−４〜４×１０Ωｍの電気抵抗率を有し、かつ、１．６０〜２．１０Ｔの飽和磁束密度を有していてもよい。

第１の軟磁性体３４Ａは、ロータ１０の径方向の外側において、第１の永久磁石３２Ａと重なっている。すなわち、磁石構造体３０において、第１の軟磁性体３４Ａが内弧３０ａ側に位置し、第１の永久磁石３２Ａが外弧３０ｂ側に位置している。

磁石構造体３０を構成する工程において、第１の永久磁石３２Ａと第１の軟磁性体３４Ａとは接着剤によって互いに固着することができる。または、第１の軟磁性体３４Ａを構成する圧粉体と第１の永久磁石３２Ａとを重ねて樹脂モールドすることで、磁石構造体３０を得ることもできる。このようにして磁石構造体３０を構成した後、磁石用孔１６に磁石構造体３０を収容してもよい。さらには、磁石用孔１６内に焼結磁石を事前に配置しておき、圧粉体と樹脂との混合物を射出成型して固定してもよい。または、圧粉体と樹脂との混合物にて永久磁石と圧縮成形して一体化してもよい。その際に使用される樹脂は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ＡＢＳなどの熱可塑性樹脂、エポキシ系樹脂やフェノール系樹脂の熱硬化性樹脂であってもよい。

上述したＩＰＭモータ１では、磁石用孔１６に収容された磁石構造体３０は、１対の永久磁石と軟磁性体（すなわち、第１の永久磁石３２Ａと第１の軟磁性体３４Ａ）を含み、第１の軟磁性体３４Ａが第１の永久磁石３２Ａより径方向外側に位置している。第１の軟磁性体３４Ａは、ロータコア１４の電気抵抗率より高い電気抵抗率を有するため、第１の軟磁性体３４Ａにおいて渦電流が発生する事態が抑制されている。そのため、ＩＰＭモータ１では、渦電流損に起因する効率低下が抑えられており、効率向上を図ることができる。

本実施形態では、１対の永久磁石と軟磁性体（第１の永久磁石３２Ａと第１の軟磁性体３４Ａ）に加えて、第２の軟磁性体３４Ｂをさらに備えている。第２の軟磁性体３４Ｂは、ロータ１０の径方向の内側において、第１の永久磁石３２Ａと重なっている。すなわち、磁石構造体３０において、第２の軟磁性体３４Ｂは第１の軟磁性体３４Ａよりも外弧３０ｂ側に位置している。すなわち、磁石構造体３０は、第１の永久磁石３２Ａが２つの軟磁性体３４Ａ、３４Ｂによって挟まれたサンドイッチ構造を有し、ロータ１０の径方向における最内層（すなわち、第１の軟磁性体３４Ａ）および最外層（すなわち、第２の軟磁性体３４Ｂ）が軟磁性材料で構成されている。磁石構造体３０を磁石用孔１６内に配置する際には、ある一定寸法公差が必要になるが、磁石構造体３０の最内層および最外層を軟磁性材料で構成することで、所望の外形寸法にする際に軟磁性体を加工することとなり、ＩＰＭモータ１のトルクに大きな影響を与える磁力の発生減である永久磁石の寸法を変えずに（永久磁石の体積を減らすことなく）磁石用孔１６内に磁石構造体３０を配置することができる。

磁石構造体３０は、永久磁石を所望の形状に加工した後、下記手法により一体化する。必要な面だけの加工、もしくは未加工磁石を用いることが好ましい。磁石構造体３０の寸法公差は、軟磁性体を満たすように加工するため、永久磁石は加工を省略することが可能となり、加工コスト、焼結磁石の研磨代削減により低コスト化が可能となるためである。

ＩＰＭモータ１において、磁石構造体３０が永久磁石と軟磁性体との対を１対のみ含む態様以外に、磁石構造体３０が永久磁石と軟磁性体との対を複数含む態様とすることができる。たとえば、磁石構造体３０が、複数の永久磁石と複数の軟磁性体とを含むとともに永久磁石と軟磁性体とが交互に積層された積層構造を有する態様であってもよい。この場合、積層構造に含まれる永久磁石の数は２つまたは３つであってもよい。

図６は、永久磁石と軟磁性体との対を３対含む磁石構造体３０を示した図である。図６に示した磁石構造体３０は、３つの永久磁石３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃと、４つの軟磁性体３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄとを含む積層構造を有する。３つの永久磁石３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃは同じ材料で構成することができ、４つの軟磁性体３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄも互いに同じ材料で構成することができる。３つの永久磁石３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの体積の和は、図４に示した第１の永久磁石３２Ａの体積と実質的に同一とすることができる。３つの永久磁石３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃのいずれに関しても、径方向外側（ロータコア１４の外周面１４ｂ側）で重なる軟磁性体３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃが位置しているため、上述したＩＰＭモータ１と同様、軟磁性体３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃの比較的高い電気抵抗率により渦電流の発生が抑制される。また、図６に示した磁石構造体３０においても、最内層および最外層が軟磁性材料で構成されているため、外形寸法を容易に調整することができ、それにより磁石構造体３０を磁石用孔１６内に収容する工程をより簡便におこなうことができる。

図７は、永久磁石と軟磁性体との対を６対含む磁石構造体３０を示した図である。図７に示した磁石構造体３０は、６つの永久磁石３２Ａ〜３２Ｆと、７つの軟磁性体３４Ａ〜３４Ｇとを含む積層構造を有する。６つの永久磁石３２Ａ〜３２Ｆは同じ材料で構成することができ、７つの軟磁性体３４Ａ〜３４Ｇも互いに同じ材料で構成することができる。６つの永久磁石３２Ａ〜３２Ｆの体積の和は、図４に示した第１の永久磁石３２Ａの体積と実質的に同一とすることができる。６つの永久磁石３２Ａ〜３２Ｆのいずれに関しても、径方向外側（ロータコア１４の外周面１４ｂ側）で重なる軟磁性体３４Ａ〜３４Ｇが位置しているため、上述したＩＰＭモータ１と同様、軟磁性体３４Ａ〜３４Ｇの比較的高い電気抵抗率により渦電流の発生が抑制される。また、図７に示した磁石構造体３０においても、最内層および最外層が軟磁性材料で構成されているため、外形寸法を容易に調整することができ、それにより磁石構造体３０を磁石用孔１６内に収容する工程をより簡便におこなうことができる。

図６および図７に示した磁石構造体３０は、磁石用孔１６内に収容する工程の前に、複数の永久磁石と複数の軟磁性体とを一体化して得ることができる。この場合、複数の永久磁石を一つずつ磁石用孔１６内に収容する場合に比べて、組立工数の削減や製造の効率化を図ることができる。

また、図６および図７に示した磁石構造体３０では、永久磁石間に軟磁性体が存在することで、ｄ軸インダクタンスが小さくなり、ｑ軸インダクタンスが大きくなり、その結果、ＩＰＭモータとしてのトータルトルクが向上する。

ＩＰＭモータ１において、各磁石構造体３０が、アーチ状（またはＣ字状）の端面形状および断面形状を有する態様以外であってもよく、たとえば長方形状またはＶ字状の端面形状および断面形状を有する態様とすることができる。

図８は、長方形状の端面形状および断面形状を有する磁石構造体３０を示した図である。図８に示した磁石構造体３０は、軸線Ｘの方向から見て、長方形状の端面形状および断面形状を有し、ロータ１０の径方向に対して交差するように延在しており、本実施形態ではロータ１０の径方向に対して直交するように延在している。そのため、磁石構造体３０の一方の長辺３０ａ側がロータコア１４の外周面１４ｂに対向し、他方の長辺３０ｂ側がロータコア１４の内周面１４ａに対向するように配置されている。図８に示した磁石構造体３０はロータ１０の径方向に延びる仮想線に対して線対称であってもよい。

図８に示した磁石構造体３０では、第１の永久磁石３２Ａと第１の軟磁性体３４Ａとの対を一対含み、第１の永久磁石３２Ａおよび第１の軟磁性体３４Ａは、軸線Ｘの方向から見て、いずれも長方形状の端面形状および断面形状を有する。図８に示した磁石構造体３０は、永久磁石と軟磁性体との対を１対のみ含む態様以外に、磁石構造体３０が永久磁石と軟磁性体との対を複数含む態様とすることができる。たとえば、磁石構造体３０が、永久磁石と軟磁性体との対を２対のみ含む態様であってもよく３対のみ含む態様であってもよい。第１の永久磁石３２Ａは、全体として長方形状であれば、一つの磁石片で構成されていてもよく複数の磁石片で構成されていてもよい。

図９は、Ｖ字状の端面形状および断面形状を有する磁石構造体３０を示した図である。図９に示した磁石構造体３０は、軸線Ｘの方向から見て、Ｖ字状の端面形状および断面形状を有し、劣角側がロータコア１４の外周面１４ｂを向くように配置されている。そのため、磁石構造体３０の劣角側の面３０ａがロータコア１４の外周面１４ｂに対向し、優角側の面３０ｂがロータコア１４の内周面１４ａに対向している。図９に示した磁石構造体３０はロータ１０の径方向に延びる仮想線に対して線対称であってもよい。

図９に示した磁石構造体３０では、第１の永久磁石３２Ａと第１の軟磁性体３４Ａとの対を一対含み、第１の永久磁石３２Ａおよび第１の軟磁性体３４Ａは、軸線Ｘの方向から見て、いずれもＶ字状の端面形状および断面形状を有する。図９に示した磁石構造体３０は、永久磁石と軟磁性体との対を１対のみ含む態様以外に、磁石構造体３０が永久磁石と軟磁性体との対を複数含む態様とすることができる。たとえば、磁石構造体３０が、永久磁石と軟磁性体との対を２対のみ含む態様であってもよく３対のみ含む態様であってもよい。第１の永久磁石３２Ａは、全体としてＶ字状であれば、一つの磁石片で構成されていてもよく複数の磁石片で構成されていてもよい。

発明者らは、実施例として、図６および図７に示した磁石構造体３０のような永久磁石の多層化がモータ特性に及ぼす影響を確認するための電磁界シミュレーションによる解析をおこなった。実施例に係るモータの仕様および解析条件は図１０に示す表のとおりであり、解析の結果は図１１および図１２のとおりであった。なお、全実施例において磁石構造体における永久磁石の体積（の総和）は同一とした。

図１１に示した実施例１〜４から、永久磁石の数を複数にすることで、永久磁石の数が１つのときに比べて、最大トルクが高まり、かつ、トルクリップルが低減することがわかった。また、図１１の実施例２と実施例３とから、電磁鋼板で構成された軟磁性体と軟磁性粉の圧粉成形体で構成された軟磁性体とでは同程度の最大トルクおよびトルクリップルとなることがわかった。

図１２に示した実施例５は、磁石構造体３０が永久磁石と軟磁性体との対を１対のみ含み、永久磁石がパラレル配向されており、かつ、軟磁性体が電磁鋼板で構成されているときの結果を示す。図１２に示した実施例６は、磁石構造体３０が永久磁石と軟磁性体との対を３対含み、各永久磁石をボンド磁石（HIDENSE1000）で構成されており、かつ、軟磁性体が電磁鋼板で構成されているときの結果を示す。図１２に示した実施例７は、磁石構造体３０が永久磁石と軟磁性体との対を６対含み、かつ、軟磁性体が軟磁性粉の圧粉成形体で構成されているときの結果を示す。実施例１〜７から、永久磁石を焼結磁石で構成することで最大トルクの大幅な向上が図られること、パラレル配向よりもラジアル配向とすることで最大トルクの向上とトルクリップルの低減が図られることがわかった。ボンド磁石は樹脂成分があるため、焼結体磁石と比べると残留磁束密度が６０〜７０％まで低下する。また、ボンド磁石は磁石用孔１６内に磁石成分を射出する必要があるため、磁石成分の配向を制御することが難しい。

また、発明者らは、図１３に示したような分布巻方式のＩＰＭモータ１についても、実施例１〜７と同様の解析をおこなった。そのモータの仕様および解析条件は図１４に示す表のとおりであり、解析の結果は図１５のとおりであった。

図１５に示した実施例８〜１１から、分布巻方式のＩＰＭモータにおいても、集中巻方式のＩＰＭモータと同様、永久磁石の数を複数にすることで、永久磁石の数が１つのときに比べて、最大トルクが高まり、かつ、トルクリップルが低減することがわかった。また、図１５の実施例９と実施例１０とから、分布巻方式のＩＰＭモータにおいても、電磁鋼板で構成された軟磁性体と軟磁性粉の圧粉成形体で構成された軟磁性体とでは同程度の最大トルクおよびトルクリップルとなることがわかった。

さらに、発明者らは、磁石構造体の永久磁石の形状と層数がモータ特性に及ぼす影響を確認するための解析をおこなった。具体的には、図４に示したようなアーチ状の永久磁石、図８に示したような長方形状の永久磁石および図９に示したようなＶ字状の永久磁石のそれぞれについて、１層、２層、３層、６層としたときの最大トルクを求めた。解析の結果は、表１〜３および図１６〜１８のとおりであった。図１６は、アーチ状の永久磁石に係る表１の結果をプロットしたものである。図１７は、長方形状の永久磁石に係る表２の結果をプロットしたものである。図１８は、Ｖ字状の永久磁石に係る表３の結果をプロットしたものである。図１６〜１８のグラフの横軸は電流位相角［deg.］である。なお、各形状の永久磁石では、永久磁石の体積（の総和）は同一とした。

表１〜３および図１６〜１８から、２層、３層および６層の永久磁石のときの最大トルクは、１層の永久磁石の最大トルクよりも大きいまたは同程度となることが確認された。特に電流位相角４５°付近での最大トルクは、２層、３層および６層の永久磁石のいずれも、１層の永久磁石より大きくなることが確認された。

図１９、２０は、上記表１〜３の結果を用いて、各形状の永久磁石における最大トルクと層数との関係を示したグラフである。図１９の縦軸は最大トルクを示しており、図２０の縦軸は、１層の永久磁石のときの最大トルクに対する割合を示している。図１９、２０のグラフから、最大トルクは１層から２層になると顕著に大きくなることが確認され、また、３層から６層になっても大幅に大きくならないことが確認された。永久磁石の層数が増すに従い、製造工程および製造コストも増す。そのため、製造工程および製造コストを抑えつつ大きいトルクを得るには、永久磁石の層数は２層または３層とすればよい。

また、発明者らは、磁石構造体の軟磁性体の構成材料がモータ特性に及ぼす影響を確認するための解析をおこなった。具体的には、複数の構成材料（電磁鋼板、圧粉磁心Ａ、圧粉磁心Ｂ、圧粉磁心Ｃ、フェライト、圧粉磁心Ｄ）ごとに、抵抗値、８０ｋＡ／ｍにおける飽和磁束密度、トルク、永久磁石の渦電流損、効率を確認した。表４および表５は、それぞれ永久磁石の層数を１層および３層としたときのデータである。図２１は、表４および表５のデータを用いて、軟磁性体の抵抗値と永久磁石の渦電流損との関係を示したグラフである。図２２は、表４および表５のデータを用いて、磁束飽和密度とトルクとの関係を示したグラフである。

表４、５および図２１の結果から、相対的に抵抗値が低い電磁鋼板で構成された軟磁性体では、永久磁石の渦電流損が比較的大きくなり、その他の構成材料（圧粉磁心Ａ〜Ｄ、フェライト）では渦電流損が抑えられることが確認された。一方、表４、５および図２２の結果からは、フェライトで構成された軟磁性体では、飽和磁束密度が低くなり、それにより実用上十分に大きなトルクを得ることが困難であることが確認された。これらの結果から、圧粉磁心で構成された軟磁性体を用いることで、良好なモータ特性が得られることが確認された。加えて、軟磁性体が、２．９×１０^−４〜４×１０Ωｍの電気抵抗率を有し、かつ、１．６０〜２．１０Ｔの飽和磁束密度を有することで、良好なモータ特性が得られることが確認された。

本発明に係るロータは、上述した実施形態に限らず、様々に変形することができる。

たとえば、上述した実施形態においては、たとえば、ＩＰＭモータの極数やスロット数は、適宜増減することができる。また、永久磁石での端面形状および断面形状は、アーチ状に限らず、Ｖ字状等であってもよく、軸線Ｘの方向から見て複数に分割された形状であってもよい。上述した実施形態では、回転電機の一種であるモータ（電動機）について説明したが、本発明は回転電機の一種である発電機にも適用することができる。

１…ＩＰＭモータ、１０…ロータ、１４…ロータコア、２０…ステータ、２１…ステータコア、２２…コイル、３０…磁石構造体、３２Ａ〜３２Ｆ…永久磁石、３４Ａ〜３４Ｇ…軟磁性体。

Claims

所定の軸線周りに回転可能なロータとステータとを備え、前記ロータおよび前記ステータの一方が複数の磁石構造体が取り付けられる磁石保持部を有し、他方が複数のコイルが取り付けられるコイル保持部を有する回転電機であって、
前記各磁石構造体は、前記ロータの軸線方向に沿って延びる複数の磁石用孔のそれぞれに収容されており、かつ、永久磁石と、前記ロータの軸線方向に直交する径方向の外側において前記永久磁石と重なる軟磁性体との対を有する、回転電機。
前記各磁石構造体が、前記永久磁石と前記軟磁性体との対を複数対有する、請求項１に記載の回転電機。
前記各磁石構造体が、複数の前記永久磁石と複数の前記軟磁性体とを含むとともに前記永久磁石と前記軟磁性体とが交互に積層された積層構造を有し、前記積層構造に含まれる前記永久磁石の数が２つまたは３つである、請求項１に記載の回転電機。
前記各磁石構造体の、前記ロータの軸線方向に直交する径方向における最内層および最外層が軟磁性材料で構成されている、請求項２または３に記載の回転電機。
前記各磁石構造体が、前記ロータの軸線方向から見て、前記ロータの軸線方向に直交する径方向の外側に内弧が位置するアーチ状を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機。
前記磁石構造体の前記永久磁石が、前記ロータの軸線方向に直交する径方向の外側に向かって配向が集中されている、請求項５に記載の回転電機。
前記各磁石構造体が、前記ロータの軸線方向から見て、前記ロータの軸線方向に直交する径方向に対して交差して延びる長方形状を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機。
前記各磁石構造体が、前記ロータの軸線方向から見て、前記ロータの軸線方向に直交する径方向の外側に向けられたＶ字状を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機。
前記磁石保持部が、前記ロータの軸線方向において複数のケイ素鋼板が積層された積層鋼板で構成されており、
前記磁石構造体の前記軟磁性体が、軟磁性粉の圧粉成形体で構成されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の回転電機。
前記軟磁性体が、２．９×１０^−４〜４×１０Ωｍの電気抵抗率を有し、かつ、１．６０〜２．１０Ｔの飽和磁束密度を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の回転電機。
前記永久磁石が焼結磁石である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の回転電機。