JP2022055717A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機において、ロータの永久磁石がハルバッハ配列をなしていても漏れ磁束を低減する。【解決手段】回転電機１０を構成するロータ１４は、磁界の向きがステータ１２の径方向である第１磁石５０ａ及び第４磁石５０ｂと、周方向である第２磁石５２ａ及び第３磁石５２ｂを有する。一方、ステータ１２には、隣接するティース部２４同士の間にスロット３０が形成される。スロット３０に設けられる電磁コイル２２の内周側先端は、ティース部２４の一部である棹部３２の内周側端部よりもヨーク部２６側にオフセットされる。【選択図】図２

Description

本発明は、電磁コイルを含むステータと、永久磁石を含むロータとを備える回転電機に関する。

周知の通り、回転電機は、位置決め固定されたステータと、ステータに対して相対的に回転するロータとを備える。ステータに形成されたスロットには、ティース部を跨ぐようにして電磁コイルが設けられる。その一方で、ロータには永久磁石が保持される。モータでは、電磁コイルに通電がなされることに伴い、該電磁コイルが磁気を帯びて交番磁界が形成される。この交番磁界と、前記永久磁石による磁界とで反発力又は吸引力が発生することにより、ロータが回転する。発電機の場合には、ロータに回転付勢力を付与することで、電磁コイルに誘導電流が発生する。

この種の回転電機において、特許文献１～３に記載されるように、ロータに設ける永久磁石をハルバッハ配列とすることが検討されている。すなわち、磁界の向きがステータの径方向外方又は内方に沿う主磁石と、ステータの周方向時計回り又は反時計回りに向かう副磁石とを、ステータの周方向に沿って交互に並べる配列である。この場合、磁束密度が大きくなるので、特に小型のもので効率を向上させ得ると期待されるからである。

特開２００６－２６２６０３号公報 特開２００７－２８７３４号公報 特開２０１６－１５２７７１号公報

ハルバッハ配列を採用したときには、主磁石からの磁束量が大きくなる。ステータがこの磁束量を十分に受容できない場合、いわゆる漏れ磁束が生じる。漏れ磁束は、発熱の一因となる。また、回転電機を発電機とした際、発電量の向上を妨げる。このように、漏れ磁束は様々な不都合を招く。

そこで、漏れ磁束が発生する場所にスリットを形成したり、何らかの部材を設置したりすることが想起される。しかしながら、この場合、回転電機の内部に加工を施したり、回転電機の動作に関与しない部材を設けたりする必要がある。従って、回転電機の小型化・軽量化を図ることが容易でなくなるとともに、コストの高騰を招くと考えられる。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、ハルバッハ配列を採用して永久磁石を並べたにも拘わらず漏れ磁束を低減し得、小型化・軽量化を図ることが容易な回転電機を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、円環形状をなすヨーク部と、前記ヨーク部の周縁部から該ヨーク部の径方向に沿って突出した複数個のティース部とを有し、且つ隣接する前記ティース部同士の間に形成されたスロットに電磁コイルが設けられるステータと、
前記ティース部に対向する複数個の永久磁石を保持したロータと、
を備える回転電機であって、
前記複数個の永久磁石は、磁界の向きが前記ヨーク部の径方向外方に沿った第１磁石と、前記第１磁石に隣接して磁界の向きが前記ヨーク部の時計回り方向に沿った第２磁石と、前記第１磁石に隣接して磁界の向きが前記ヨーク部の反時計回り方向に沿った第３磁石と、前記第３磁石に隣接して磁界の向きが前記ヨーク部の径方向外方に沿った第４磁石とを同数個含んで構成され、
前記ティース部は、前記ヨーク部の内周縁部から該ヨーク部の径方向内方に突出する棹部と、前記棹部の内周側先端に設けられて該棹部に比して幅広の鍔部とを有し、
前記電磁コイルの、前記スロット内での前記ティース部の内周側先端位置が、前記棹部の内周側端部から前記ヨーク部側にオフセットされ、
前記電磁コイルの前記オフセットの量が、前記鍔部の内周側端部から前記ティース部の全長の５％～１１％の長さである回転電機が提供される。

本発明によれば、複数個の永久磁石がハルバッハ配列を形成するように並べられている。このため、ロータ（永久磁石）からステータ（電磁コイル）に向かう磁束量が多くなるので、この分、トルクが向上する。

しかも、ティース部に設ける電磁コイルの内周側先端位置を、棹部の内周側端部からヨーク部側、換言すれば、ステータの外周側に、所定の量でオフセットするようにしている。このオフセット量分、永久磁石と電磁コイルの離間距離が大きくなる。その結果、漏れ磁束が低減する。これに伴って電磁コイルの鎖交磁束や渦電流が低減するので、発熱を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る回転電機の要部概略水平断面図である。 図１の回転電機の一部拡大水平断面図である。 図１の回転電機の一部拡大水平断面図である。 主磁石の中心角と、回転電機の、基準に対するトルクの割合との関係を示したグラフである。 様々な極数における主磁石及び副磁石の各中心角と、主磁石又は副磁石に対向するティース部の棹部の個数（スロット数）との関係を示す図表である。 様々な極数における主磁石及び副磁石の各中心角と、主磁石又は副磁石に対向するティース部の棹部の個数との関係を示す図表の続きである。 様々な極数における主磁石及び副磁石の各中心角と、主磁石又は副磁石に対向するティース部の棹部の個数との関係を示す図表のさらなる続きである。 ティース部における棹部と拡開部の交差角度と、基準に対する鉄損の割合（比鉄損）との関係を示すグラフである。 前記交差角度と、基準に対する銅損の割合（比銅損）との関係を示すグラフである。 前記交差角度と、鉄損及び銅損の合計値の割合との関係を示すグラフである。 鍔部の厚みと、基準に対する鉄損、銅損、鉄損及び銅損の合計値の割合との関係を示すグラフである。 電磁コイルのオフセット量と、基準に対する鉄損、銅損、鉄損及び銅損の合計値の割合との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る回転電機につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る回転電機１０の要部概略水平断面図である。この回転電機１０は、略円環形状をなすステータ１２と、ステータ１２の内周側に配置されるロータ１４とを備え、ｕ相、ｖ相、ｗ相の３相回転電機（発電機）を構成する。

ステータ１２は、ステータコア２０と電磁コイル２２を有する。この中のステータコア２０は、例えば、電磁鋼板等の磁性体が積層されることで構成される。一方、電磁コイル２２は、例えば、銅からなる線材を、ステータコア２０の一部であるティース部２４に巻回することで構成される。

先ず、ステータ１２につき説明する。ステータコア２０は、円環形状をなすヨーク部２６と、ヨーク部２６の内周縁部から該ヨーク部２６の径方向内方に向かって突出する複数個のティース部２４とからなる。この場合、ステータコア２０の外径（中心Ｏからヨーク部２６の外周縁までの距離Ｘの２倍）は、約１００ｍｍ～２００ｍｍ、典型的には約１１５ｍｍ～１３０ｍｍに設定される。この外径は、一般的な回転電機１０に比して小さい。すなわち、本実施の形態に係る回転電機１０は小型のものである。

隣接するティース部２４同士の間には、スロット３０が形成される。回転電機１０が３相発電機であることから、スロット３０の個数は、典型的には３の倍数に設定される。すなわち、例えば、３個、６個、１２個、１８個、２４個、３０個、３６個、４８個等である。図１の例では、ティース部２４及びスロット３０の個数はいずれも４８個に設定されている。なお、極数（後述）は８極であり、結局、回転電機１０は、いわゆる８極４８スロットとして構成されている。

図２に詳細を示すように、個々のティース部２４は、ステータコア２０の径方向に沿って放射状に延在する棹部３２と、内周側先端に設けられた鍔部３４と、これら棹部３２と鍔部３４の間に介在する拡開部３６とを有する。棹部３２は第１平行辺４０ａ、第２平行辺４０ｂを有し、これら第１平行辺４０ａ、第２平行辺４０ｂの離間距離、換言すれば、ステータコア２０の径方向に対して略直交する幅方向の寸法Ｗ１は略一定である。

拡開部３６は、棹部３２から鍔部３４に向かうに従って徐々に幅広となるように、換言すれば、テーパー状に拡開する。このため、拡開部３６は第１傾斜辺４２ａ、第２傾斜辺４２ｂを有する。第１傾斜辺４２ａは、棹部３２の第１平行辺４０ａに対して交差角度θで交差する。また、第２傾斜辺４２ｂの、第２平行辺４０ｂに対する交差角度もθである。交差角度θは１０８°～１３０°に設定され、一層好ましくは１２０°～１２５°の範囲内である。交差角度θをこのような範囲内とすることにより、ステータ１２における銅損及び鉄損の合計を可及的に小さくすることが可能となる。

なお、第１平行辺４０ａと第１傾斜辺４２ａの交点Ｐ１から、第２平行辺４０ｂと第２傾斜辺４２ｂの交点Ｐ２まで引いた第１仮想直線ＬＮ１は、棹部３２の内周側端部且つ拡開部３６の外周側端部を表す。

第１傾斜辺４２ａ、第２傾斜辺４２ｂに対しては、鍔部３４の第１径方向辺４４ａ、第２径方向辺４４ｂが連なる。第１径方向辺４４ａ、第２径方向辺４４ｂは略直線形状であり、互いに平行に延在する。以下、第１径方向辺４４ａと第２径方向辺４４ｂの離間距離Ｗ２を、鍔部３４の幅Ｗ２とも表記する。鍔部３４の幅Ｗ２が、棹部３２の幅Ｗ１よりも大であることは勿論である。

幅Ｗ２は、例えば、隣接する鍔部３４同士の離間間隔Ｇが、電磁コイル２２を構成する線材の直径ＤＭよりも大となるように設定される。これに伴い、鍔部３４での磁束飽和が低減して棹部３２で受容する磁束が大きくなる。従って、トルクの向上を図ることができる。また、ステータコア２０の素材（電磁鋼板等）として、飽和磁束密度が小さい磁性体を選定することが可能となる。このため、コスト低減を図ることもできる。

第１径方向辺４４ａの外周側端部（第１傾斜辺４２ａの内周側端部）は、第１傾斜辺４２ａと第１径方向辺４４ａとの交点Ｐ３である。同様に、第２径方向辺４４ｂの外周側端部（第２傾斜辺４２ｂの内周側端部）は、第２傾斜辺４２ｂと第２径方向辺４４ｂとの交点Ｐ４である。交点Ｐ３から交点Ｐ４に引いた第２仮想直線ＬＮ２は、拡開部３６の内周側端部且つ鍔部３４の外周側端部を表す。また、第１径方向辺４４ａの内周側端部から第２径方向辺４４ｂの内周側端部に引いた第３仮想直線ＬＮ３は、鍔部３４の内周側端部である。本実施の形態では、鍔部３４の内周側端部から外周側端部までの距離Ｔ１を、鍔部３４の厚みと定義する。すなわち、鍔部３４の厚みＴ１は、第２仮想直線ＬＮ２と第３仮想直線ＬＮ３の離間距離に等しい。

鍔部３４の厚みＴ１は、好ましくは０．２ｍｍ～２．０ｍｍ、一層好ましくは０．３ｍｍ～１．１ｍｍの範囲内に設定される。厚みＴ１をこのような範囲内とすることにより、ステータ１２における銅損及び鉄損の合計を可及的に小さくすることができる。

棹部３２の、ヨーク部２６の内周縁部との連結箇所から、鍔部３４の内周側端部までの距離は、ティース部２４の全長ＬＯ（図１参照）として定義される。全長ＬＯは、典型的には４０ｍｍ～４５ｍｍの範囲内である。また、全長ＬＯを１００％とするとき、棹部３２の全長は、典型的には９６％以上に設定される。換言すれば、この場合、鍔部３４の内周側端部から棹部３２の内周側端部までの距離は、ティース部２４の全長ＬＯの４％以下である。

本実施の形態では、電磁コイル２２は、上記したように銅等の金属導体からなる線材がティース部２４に巻回されることで構成される。巻回は分布巻が好適であるが、集中巻であってもよい。図１の例では、いわゆる２回巻が行われている。

図２に示すように、電磁コイル２２の、スロット３０内での内周側先端位置は、ヨーク部２６側、すなわち、外周側にオフセットされている。鍔部３４の内周側端部から電磁コイル２２の内周側先端位置までの距離として定義されるオフセット量ＯＦは、好ましくは、ティース部２４の全長ＬＯの５％～１１％に設定される。例えば、全長ＬＯが４０ｍｍであるとき、好適なオフセット量ＯＦは２ｍｍ～４．４ｍｍである。オフセット量ＯＦの、全長ＬＯに対する一層好ましい割合は、５．６～１０．３％である。

ここで、オフセット量ＯＦがティース部２４の全長ＬＯの５％未満であると、その分、電磁コイル２２の巻回量が多くなる。すなわち、電磁コイル２２の体積が大きくなる。従って、ロータ１４の永久磁石から受ける磁束の量が多くなるので、電磁コイル２２の発熱量が高くなる懸念がある。また、銅損が大きくなる。一方、オフセット量ＯＦが１１％を超えると、銅損が小さくなるものの、棹部３２の露出面積が大となるので、鉄損が大きくなり発熱量が高くなる。また、電磁コイル２２の巻回量が少なくなる分体積が小さくなるので、出力が低下する。

なお、ティース部２４の全長ＬＯが４０ｍｍ～４５ｍｍであるとき、棹部３２の内周側端部（拡開部３６の外周側端部）、すなわち、第１仮想直線ＬＮ１から電磁コイル２２の内周側先端位置までの具体的な距離は、１～３ｍｍ程度である。

ロータ１４につき説明する。図１に示すように、ロータ１４は、複数個の永久磁石として第１磁石５０ａ、第２磁石５２ａ、第３磁石５２ｂ及び第４磁石５０ｂを有する。図１中、第１磁石５０ａ～第４磁石５０ｂに付した矢印は、磁界の向きを示す。

図１から諒解されるように、第１磁石５０ａの磁界の向きはロータ１４及びステータコア２０の径方向外方であり、第４磁石５０ｂの磁界の向きはロータ１４及びステータコア２０の径方向内方である。また、第２磁石５２ａの磁界の向きはロータ１４及びステータコア２０の周方向反時計回りであり、第３磁石５２ｂの磁界の向きはロータ１４及びステータコア２０の周方向時計回りである。すなわち、第１磁石５０ａと第４磁石５０ｂの磁界の向きは互いに逆方向であり、同様に、第２磁石５２ａと第３磁石５２ｂの磁界の向きも互いに逆方向である。

第１磁石５０ａ～第４磁石５０ｂは、ロータ１４の周方向時計回りに沿ってこの順序で並ぶ。この場合、１個の第１磁石５０ａ～第４磁石５０ｂの群を１組とする組み合わせが周方向に沿って４組形成され、これにより、ハルバッハ配列が構成されている。なお、以下では、第１磁石５０ａと第４磁石５０ｂ、第２磁石５２ａと第３磁石５２ｂとの区別を特に要しない場合、第１磁石５０ａと第４磁石５０ｂを一括して「主磁石」、第２磁石５２ａと第３磁石５２ｂを一括して「副磁石」と表記することもある。

この場合、第１磁石５０ａ、第２磁石５２ａ、第３磁石５２ｂ及び第４磁石５０ｂの個数はそれぞれ４個である。すなわち、ロータ１４は、第１磁石５０ａ～第４磁石５０ｂを同数個ずつ保持する。

本実施の形態では、群の個数を組数、組数の２倍を極数とする。すなわち、磁界の向きがロータ１４及びステータコア２０の径方向である１個の主磁石と、これに隣接し且つ磁界の向きがロータ１４及びステータコア２０の周方向である１個の副磁石との組み合わせが１極として数えられる。従って、図１に示す回転電機１０における組数は４組であり、極数は８極である。

図１に示すように、回転電機１０を上方（又は下方）から平面視したとき、第１磁石５０ａ及び第４磁石５０ｂの表面積は互いに等しく、第２磁石５２ａと第３磁石５２ｂの表面積も互いに等しい。なお、図１では、副磁石の表面積を主磁石の表面積よりも小さくして示しているが、第１磁石５０ａ～第４磁石５０ｂの表面積を同一にするようにしてもよい。具体的には、８個の主磁石の表面積の合計をＳ１４、８個の副磁石の表面積の合計をＳ２３とするとき、Ｓ２３は、Ｓ１４の０．２倍～１倍に設定される。すなわち、Ｓ１４とＳ２３の比は、下記の式（Ａ）で表される。
Ｓ１４：Ｓ２３＝１：０．２～１：１ …（Ａ）

この条件を満たす場合、主磁石の周方向一端（反時計回り側）に引いた第１半径５４ａと、周方向他端（時計回り側）に引いた第２半径５４ｂとのなす中心角αは、下記の式（１）で表される。なお、第１半径５４ａ及び第２半径５４ｂの始点である中心Ｏがロータ１４の回転中心であることは勿論である。
（３６０／極数）×１／２≦α≦（３６０／極数）×５／６ …（１）

図１に例示する回転電機１０では、上記したように極数は８極である。従って、式（１）中の「極数」に８を代入すると、αは２２．５°～３７．５°の範囲内となる。

一方、副磁石の周方向一端（反時計回り側）に引いた第３半径５６ａと、周方向他端（時計回り側）に引いた第４半径５６ｂとのなす中心角βは、下記の式（２）で表される。
（３６０／極数）×１／６≦β≦（３６０／極数）×１／２ …（２）

極数が８極であるとき、βは、式（２）中の「極数」に８を代入して求められる。すなわち、この場合、βは７．５°～２２．５°の範囲内である。

第１磁石５０ａ～第４磁石５０ｂは、ティース部２４を構成する鍔部３４を介して棹部３２に対向する。極数が８極である図１の例では、図３に拡大して示すように、１個の主磁石に対向する棹部３２の平均個数、１個の副磁石に対向する棹部３２の平均個数は、それぞれ、１．５～５個、０．５～３個であることが好ましい。なお、４極又は６極であるときも同様である。ここで、主磁石と副磁石の境界線上に棹部３２が位置する場合、該棹部３２は、主磁石に対向するものとして数えることとする。

なお、１個の主磁石に対向する棹部３２の平均個数、１個の副磁石に対向する棹部３２の平均個数は、極数に応じて設定される。例えば、極数が１０極又は１２極であるときには、それぞれを１．５～２．５個、０．５～１．５個に設定することが好ましい。また、２極であるときには、それぞれを１．５～２０個、０．５～１２個に設定することが好ましい。

すなわち、極数が２極～１２極である場合、１個の主磁石に対向する棹部３２の好ましい平均個数、１個の副磁石に対向する棹部３２の好ましい平均個数は、それぞれ、１．５～２０個、０．５～１２個の範囲内である。

以上のような第１磁石５０ａ～第４磁石５０ｂは、隣接するもの同士が互いに当接するようにしてロータ１４に保持される。

ロータ１４は、回転軸５８を有する。この回転軸５８は、図示しない回転付勢機構に連結されており、該回転付勢機構の付勢作用下に回転する。勿論、この回転に追従して第１磁石５０ａ～第４磁石５０ｂが周回する。

本実施の形態に係る回転電機１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果につき説明する。

回転電機１０を発電機として用いる場合、前記回転付勢機構によって回転軸５８を回転させる。これに伴い、第１磁石５０ａ～第４磁石５０ｂが、鍔部３４の内周側端部同士を結んで形成される仮想円の内周側で周回する。さらに、この周回により、電磁コイル２２に誘導電流が発生する。この誘導電流を回転電機１０の外部に取り出すことにより、所定の機器を駆動するための電力源とすることができる。

上記したように、第１磁石５０ａ～第４磁石５０ｂは、隣接する磁石同士が互いに当接するように隙間なく並べられている。このため、第１磁石５０ａ～第４磁石５０ｂの個数及び個々の体積を最大とすることができる。しかも、この場合、第１磁石５０ａ～第４磁石５０ｂの周方向への繰り返しによってハルバッハ配列が形成されているので、ロータ１４（第１磁石５０ａ～第４磁石５０ｂ）からステータ１２（電磁コイル２２）に向かう磁場強度が大きくなる。その上、主磁石の表面積の合計ないし個々の中心角α、副磁石の表面積の合計ないし個々の中心角βが適切に設定されている。以上の点が相俟って、後述する図４に示すように、トルクを大きくすることができる。

加えて、１個の主磁石（第１磁石５０ａ又は第４磁石５０ｂ）に対向する棹部３２の平均個数と、１個の副磁石（第２磁石５２ａ又は第３磁石５２ｂ）に対向する棹部３２の平均個数が適切に設定される。すなわち、極数が８極である図１の例においては、それぞれ、１．５～２．５個、０．５～１．５個である（図３参照）。このことも、トルクの向上に寄与する。しかも、このことにより漏れ磁束が低減するので、電磁コイル２２の鎖交磁束が低減する。その結果、電磁コイル２２の渦電流が低減して該電磁コイル２２の発熱が抑制されるという利点が得られる。

さらに、ティース部２４において、棹部３２と拡開部３６の交差角度θや鍔部３４の厚みＴ１、電磁コイル２２のティース部２４に対するオフセット量ＯＦ等が適切に設定されている。このため、ステータ１２における鉄損と銅損の合計を可及的に小さくすることができることから、ステータ１２の発熱を抑制することができる。

また、オフセット量ＯＦが適切に設定されることにより、漏れ磁束を小さくしながら発電機としての出力を大きくすることができる。これにより、例えば、ティース部２４や電磁コイル２２が局所的に温度上昇を起こすことが回避される。従って、この温度上昇に起因してステータコア２０の素材（電磁鋼板等）や電磁コイル２２の素材（銅等）が劣化することが抑制される。

しかも、この場合、回転電機１０の内部にスリットを形成したり、何らかの部材を設けたりする必要もない。従って、簡素な作業で回転電機１０を得ることができるとともに、回転電機１０の小型化・軽量化を図ることができる。しかも、コストの高騰を招くことが回避される。

以上のように、本実施の形態によれば、回転電機１０の発熱を抑制しながらトルクを向上させることができ、しかも、発電機としたときには発電量の向上を図ることができる。

本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、線材をティース部２４に巻回することに代替し、特開２０２０－３９２０７号公報の図１に示されるような略Ｕ字形状をなす金属導体の脚部をスロット３０に挿入して電磁コイル２２を構成するようにしてもよい。

また、回転電機１０をモータとして機能させるようにしてもよい。この場合、電磁コイル２２に対して外部電源から交流電流を付与すればよい。

（１） 主磁石の中心角α、副磁石の中心角β
主磁石によって形成される中心角αが互いに相違する８極４８スロットの回転電機につき、シミュレーションにて平均トルクを求めた。比較のため、８個の主磁石が周方向に沿って並べられるのみで副磁石を具備しない（すなわち、ハルバッハ配列が形成されていない）４８スロットの回転電機についても平均トルクを求めた。結果を、横軸を主磁石の中心角α、縦軸を、α＝４５°を基準（０％）としたトルク向上率とするグラフとして図４に示す。なお、α＝４５°は、８個の主磁石のみを具備する回転電機であることを表す。すなわち、この場合、３６０°を８で除した４５°を主磁石の中心角αとしている。

この図４から、主磁石の中心角αが２２．５°～３７．５°である回転電機が、ハルバッハ配列が形成されていない回転電機（中心角αが４５°であるもの）に比してトルクが大きくなることが明らかである。この場合、副磁石の中心角βを算出すると、２２．５°～７．５°の範囲内である。

また、１個の主磁石の中心角αが２２．５°～３７．５°、且つ１個の副磁石の中心角βが２２．５°～７．５°である８極の回転電機を平面視したとき、８個の主磁石の表面積の合計Ｓ１４と、８個の副磁石の表面積の合計Ｓ２３との比は、Ｓ１４：Ｓ２３＝１：１～１：０．２となる。

なお、極数が増減すると主磁石、副磁石の個数（ないし組数）が増減するので、中心角α、βの好適な範囲は極数によって相違する。この場合においても、全ての主磁石の表面積の合計Ｓ１４と、全ての副磁石の表面積の合計Ｓ２３との比がＳ１４：Ｓ２３＝１：１～１：０．２の範囲内となるようにすればよい。以上に基づき、式（１）、（２）が導き出される。
（３６０／極数）×１／２≦α≦（３６０／極数）×５／６ …（１）
（３６０／極数）×１／６≦β≦（３６０／極数）×１／２ …（２）

（２） 主磁石、副磁石に対向する棹部の平均個数
スロット３０の個数は、上記したように３の倍数に設定される。一方、極数は２の倍数であり、典型的には２極～１２極の間の偶数である。このような条件下において中心角α、βを様々に変化させたときの、１個の主磁石、副磁石に対向する棹部３２の個数を示した図表を図５～図７に併せて示す。なお、太枠で囲繞された部分は、Ｓ１４：Ｓ２３が上記の式（Ａ）を満足する範囲を表す。

図５～図７から、Ｓ１４：Ｓ２３が１：１～１：０．２の範囲内であるとき、１個の主磁石、副磁石に対向する棹部３２の最小個数が、それぞれ、１．５個、０．５個であることが分かる。また、１個の主磁石、副磁石に対向する棹部３２のそれぞれの最大個数は、２０個、１２個である。以上のような理由から、１個の主磁石、副磁石に対向する棹部３２の個数を、それぞれ、１．５～２０個、０．５～１２個の範囲内に設定することが好ましい。

図５～図７からは、１個の主磁石、副磁石に対向する棹部３２の好適な個数が極数に応じて異なることが認められる。すなわち、好適な個数は、極数が１０極又は１２極であるときには１．５～２．５個、０．５～１．５個であり、４極、６極又は８極であるときには１．５～５個、０．５～３個である。さらに、２極であるときには１．５～２０個、０．５～１２個である。

（３） 第１平行辺４０ａと第１傾斜辺４２ａ（第２平行辺４０ｂと第２傾斜辺４２ｂ）との交差角度θ
８極４８スロットの回転電機において、図２に示される交差角度θを様々に変更したときの比鉄損及び比銅損をシミュレーションにて求めた。それぞれの結果をグラフとして図８、図９に示す。ここで、比鉄損及び比銅損は、交差角度θが１０５°であるときを基準とし、それからの上昇又は下降した割合として示している。割合が正であるときは上昇、負であるときは下降していることを表す。

これら図８、図９から、交差角度θが大きくなるほど鉄損が大きくなる一方で、銅損が小さくなることが分かる。なお、図８及び図９中の「◆」、「■」、「▲」の各プロットは、ティース部２４の全長ＬＯに対するオフセット量ＯＦ（図２参照）の割合が約５．５％、約８％、約１０．３％であることを示す。ここで、棹部３２の内周側端部と電磁コイル２２の内周側端部との具体的な距離は、それぞれ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍである。

図１０は、交差角度θと、比鉄損と比銅損の合計割合との関係を示したグラフである。ここで、合計割合は、交差角度θが１０５°であるときの鉄損と銅損の合計シミュレーション値を基準としたときの、交差角度θがそれ以外の値であるときの鉄損と銅損の合計シミュレーション値の割合を表す。

この図１０を参照し、交差角度θが１０８°～１３０°である場合、オフセット量ＯＦの割合が５．５％、約８％、約１０．３％のいずれの場合においても、鉄損と銅損の合計値の割合（合計割合）が比較的小さいことが分かる。以上のような理由から、交差角度θを１０８°～１３０°の範囲内とすることが好ましい。なお、交差角度θの一層好ましい範囲は１２０°～１２５°である。この範囲内では、銅損を可及的に小さくし得る一方で、鉄損が十分に小さい値となるからである。

（４） 鍔部３４の厚みＴ１
８極４８スロットの回転電機において、オフセット量ＯＦを２ｍｍに設定するとともに、鍔部３４の厚みＴ１（図２参照）を種々変更したときの比鉄損、比銅損、及びこれらの合計割合をシミュレーションにて求めた。結果を、グラフとして図１１に示す。なお、Ｔ１＝０は、第１傾斜辺４２ａ、第２傾斜辺４２ｂの各々に連なる第１径方向辺４４ａ、第２径方向辺４４ｂが存在しないこと、換言すれば、鍔部３４が存在しないことを意味する。比鉄損、比銅損及び合計割合は、このときの鉄損、銅損、及び両者の合計シミュレーション値を基準としている。

すなわち、図１１における縦軸は、比鉄損及び比銅損の場合、Ｔ１＝０であるときの鉄損及び銅損を基準とし、それから如何なる程度上昇又は下降したかを割合として示している。割合が正であるときは上昇、負であるときは下降していることを表す。また、合計割合の場合、Ｔ１＝０であるときの鉄損と銅損の合計シミュレーション値と、Ｔ１がそれ以外の値であるときの鉄損と銅損の合計シミュレーション値との割合を表す。

図１１から認められるように、鍔部３４の厚みＴ１が大きくなるほど鉄損が上昇する。これを回避するためには、厚みＴ１を可及的に小さくすることが好ましい。しかしながら、厚みＴ１を過度に小さくすると、第１磁石５０ａ～第４磁石５０ｂからの磁束を受ける部分である鍔部３４の体積が小となる。換言すれば、ティース部２４が第１磁石５０ａ～第４磁石５０ｂ（主には第１磁石５０ａ及び第４磁石５０ｂ）からの磁束を受けることが容易でなくなり、その結果として漏れ磁束が増加する。このため、厚みＴ１を０．２ｍｍ～２．０ｍｍの範囲内に設定することが好ましい。厚みＴ１の一層好ましい範囲は、０．３ｍｍ～１．１ｍｍである。

（５） オフセット量ＯＦ
８極４８スロットの回転電機において、電磁コイル２２のオフセット量ＯＦを種々変更したときの鉄損、銅損、及びこれらの合計割合をシミュレーションにて求めた。図１２は、オフセット量ＯＦが０％であるときの鉄損、銅損、及びこれらの合計シミュレーション値と、オフセット量ＯＦがそれ以外の値であるときの鉄損、銅損、及びこれらの合計シミュレーション値との割合を示すグラフである。すなわち、この場合、オフセット量ＯＦ＝０％を基準としている。なお、図１２の横軸は、ティース部２４の全長ＬＯに対するオフセット量ＯＦを割合で示している。従って、「オフセット量ＯＦ＝０％」は、電磁コイル２２の内周側端部が棹部３２の内周側端部（第１仮想直線ＬＮ１）に位置していることを表す。

この図１２から、オフセット量ＯＦの割合が大きくなるほど銅損が減少する一方で鉄損が上昇すること、また、オフセット量ＯＦの割合が１１％を超えると、銅損と鉄損の合計が大きく上昇することが認められる。この結果から、ティース部２４の全長ＬＯに対するオフセット量ＯＦの好適な割合が５～１１％であるといえる。また、銅損及び鉄損の合計が小さくなることから、５．６～１０．３％であることが一層好ましく、７～８％が特に好ましいことが分かる。

１０…回転電機 １２…ステータ
１４…ロータ ２０…ステータコア
２２…電磁コイル ２４…ティース部
２６…ヨーク部 ３０…スロット
３２…棹部 ３４…鍔部
３６…拡開部 ４０ａ…第１平行辺
４０ｂ…第２平行辺 ４２ａ…第１傾斜辺
４２ｂ…第２傾斜辺 ４４ａ…第１径方向辺
４４ｂ…第２径方向辺 ５０ａ…第１磁石
５０ｂ…第４磁石 ５２ａ…第２磁石
５２ｂ…第３磁石 ５４ａ…第１半径
５４ｂ…第２半径 ５６ａ…第３半径
５６ｂ…第４半径 ５８…回転軸

前記の目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、円環形状をなすヨーク部と、前記ヨーク部の周縁部から該ヨーク部の径方向に沿って突出した複数個のティース部とを有し、且つ隣接する前記ティース部同士の間に形成されたスロットに電磁コイルが設けられるステータと、
前記ティース部に対向する複数個の永久磁石を保持したロータと、
を備える回転電機であって、
前記複数個の永久磁石は、磁界の向きが前記ヨーク部の径方向外方に沿った第１磁石と、前記第１磁石に隣接して磁界の向きが前記ヨーク部の時計回り方向に沿った第２磁石と、前記第１磁石に隣接して磁界の向きが前記ヨーク部の反時計回り方向に沿った第３磁石と、前記第３磁石に隣接して磁界の向きが前記ヨーク部の径方向内方に沿った第４磁石とを同数個含んで構成され、
前記ティース部は、前記ヨーク部の内周縁部から該ヨーク部の径方向内方に突出する棹部と、前記棹部の内周側先端に設けられて該棹部に比して幅広の鍔部とを有し、
前記電磁コイルの、前記スロット内での前記ティース部の内周側先端位置が、前記棹部の内周側端部から前記ヨーク部側にオフセットされ、
前記電磁コイルの前記オフセットの量が、前記鍔部の内周側端部から前記ティース部の全長の５％～１１％の長さである回転電機が提供される。

Claims (9)

1. 円環形状をなすヨーク部と、前記ヨーク部の周縁部から該ヨーク部の径方向に沿って突出した複数個のティース部とを有し、且つ隣接する前記ティース部同士の間に形成されたスロットに電磁コイルが設けられるステータと、
   前記ティース部に対向する複数個の永久磁石を保持したロータと、
   を備える回転電機であって、
   前記複数個の永久磁石は、磁界の向きが前記ヨーク部の径方向外方に沿った第１磁石と、前記第１磁石に隣接して磁界の向きが前記ヨーク部の時計回り方向に沿った第２磁石と、前記第１磁石に隣接して磁界の向きが前記ヨーク部の反時計回り方向に沿った第３磁石と、前記第３磁石に隣接して磁界の向きが前記ヨーク部の径方向外方に沿った第４磁石とを同数個含んで構成され、
   前記ティース部は、前記ヨーク部の内周縁部から該ヨーク部の径方向内方に突出する棹部と、前記棹部の内周側先端に設けられて該棹部に比して幅広の鍔部とを有し、
   前記電磁コイルの、前記スロット内での前記ティース部の内周側先端位置が、前記棹部の内周側端部から前記ヨーク部側にオフセットされ、
   前記電磁コイルの前記オフセットの量が、前記鍔部の内周側端部から前記ティース部の全長の５％～１１％の長さである回転電機。
2. 請求項１記載の回転電機において、前記ティース部の全長を１００％とするとき、前記棹部の長さが９６％以上である回転電機。
3. 請求項１又は２記載の回転電機において、前記鍔部の内周側端部から外周側端部に至るまでの距離が０．２ｍｍ～２．０ｍｍである回転電機。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の回転電機において、前記第１磁石～前記第４磁石を１個ずつ含む群を１組とし、前記群の個数を組数、組数の２倍を極数とするとき、前記複数個の永久磁石の極数が２極～１２極であり、且つ前記ティース部の個数が１２個～４８個である回転電機。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の回転電機において、前記複数個の永久磁石を上方又は下方から平面視したときの前記第１磁石と前記第４磁石の各表面積の合計と、前記第２磁石と前記第３磁石の各表面積の合計との比が１：０．２～１：１である回転電機。
6. 請求項５記載の回転電機において、前記ロータの回転中心から１個の前記第１磁石及び前記第４磁石の周方向一端に引いた第１半径と、周方向他端に引いた第２半径とのなす角度αが下記の式（１）で表され、且つ、前記ロータの回転中心から１個の前記第２磁石及び前記第３磁石の周方向一端に引いた第３半径と、周方向他端に引いた第４半径とのなす角度βが下記の式（２）で表される回転電機。
   （３６０／極数）×１／２≦α≦（３６０／極数）×５／６ …（１）
   （３６０／極数）×１／６≦β≦（３６０／極数）×１／２ …（２）
7. 請求項５又は６記載の回転電機において、１個の前記第１磁石又は前記第４磁石に対向する前記棹部の平均個数が１．５～２０個であり、且つ１個の前記第２磁石又は前記第３磁石に対向する前記棹部の平均個数が０．５～１２個である回転電機。
8. 請求項７記載の回転電機において、１個の前記第１磁石又は前記第４磁石に対向する前記棹部の平均個数と、１個の前記第２磁石又は前記第３磁石に対向する前記棹部の平均個数が、極数が１０極又は１２極であるときには１．５～２．５個、０．５～１．５個であり、
   ４極、６極又は８極であるときには１．５～５個、０．５～３個であり、
   ２極であるときには１．５～２０個、０．５～１２個である回転電機。
9. 請求項１～８のいずれか１項に記載の回転電機において、隣接する前記永久磁石同士が互いに当接している回転電機。

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