JP2023042717A - 回転子及び電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を防ぎながらモータトルクを増大させる。【解決手段】ロータ１０は、回転軸Ｘの周方向に沿って設けられた複数の永久磁石１２と、複数の永久磁石１２のうち隣接する永久磁石１２の間にそれぞれ設けられた複数の軟磁性体部１３と、を有する電動機の回転子である。ロータ１０は、電動機のステータ２０から所定距離だけ離れた位置に、ステータ２０との対向面に対して平行な面であって、永久磁石１２が存在する磁石配置面Ｐが形成され、磁石配置面Ｐは、第１磁石配置面Ｐ１と、第１磁石配置面Ｐ１と比べてステータ２０との距離が大きな位置に設けられた、磁石配置面の面積に対して軟磁性体部１３が存在する面積の割合が第１磁石配置面Ｐ１よりも大きな第２磁石配置面Ｐ２と、を含む。【選択図】図３

Description

本開示は、回転子及びこの回転子を有する電動機に関する。

ロータとステータとによって構成されるモータにおいてモータトルクを増大させる方法として、例えば、ロータに設けられる複数の永久磁石の間に軟磁性体を配置してリラクタンストルクを増大させる手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１１／０４６１０８号

しかしながら、リラクタンストルクを利用することを想定した形状のロータでは、リラクタンストルクが増大する一方、マグネットトルクが低下する傾向があり、総合的なモータトルクが小さくなる可能性がある。軟磁性体の磁気飽和によるマグネットトルクの低下を防ぐための手法としてバックヨーク厚みを大きくすることが考えられるが、この場合、モータが大型化してしまう可能性がある。

本開示は、上記を鑑みてなされたものであり、大型化を防ぎながらモータトルクの増大が図られた回転子、及びこの回転子を有する電動機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示の一形態に係る回転子は、回転軸の周方向に沿って設けられた複数の永久磁石と、前記複数の永久磁石のうち隣接する永久磁石の間にそれぞれ設けられた複数の軟磁性体部と、を有する電動機の回転子であって、前記電動機の固定子から所定距離だけ離れた位置に、前記固定子との対向面に対して平行な面であって、前記永久磁石が存在する磁石配置面が形成され、前記磁石配置面は、第１磁石配置面と、前記第１磁石配置面と比べて前記固定子との距離が大きな位置に前記軟磁性体部の占める割合が第１磁石配置面よりも大きな第２磁石配置面と、を含む。

上記の回転子には、永久磁石の間に軟磁性体部が設けられているため、この回転子を用いた電動機では、リラクタンストルクを利用することができる。固定子に近い第１磁石配置面においては、第２磁石配置面と比較して軟磁性体部の占める割合が小さくなり、固定子との間で発生するマグネットトルクの低下を抑制することができる。このため、磁石量が少ない条件でもモータトルクを増大させることが可能となり、大型化を防ぎながらモータトルクの増大を実現することができる。

前記磁石配置面における前記軟磁性体部の幅は、前記固定子からの距離が大きくなるにつれて大きくなる態様であってもよい。上記の構成によれば、固定子からの距離が大きくなるにつれて軟磁性体部の幅が大きくなるため、上記の第１磁石配置面及び第２磁石配置面を含んだ回転子を実現することができる。

前記軟磁性体部は、その側面が、前記磁石配置面に対して傾斜している態様であってもよい。上記の構成とすることで、軟磁性体の側面の傾斜によって、固定子からの距離が大きくなるにつれて軟磁性体部の幅を大きくすることができ、上記の第１磁石配置面及び第２磁石配置面を含んだ回転子を実現することができる。

前記軟磁性体部の前記側面の傾斜角は、前記磁石配置面とのなす角が、１°～８０°である態様であってもよい。軟磁性体部の側面の傾斜角を上記の範囲とすることで、固定子からの距離に応じて軟磁性体部が存在する面積の割合を適切に変化させることができる。

前記軟磁性体部または前記永久磁石は、前記固定子からの距離に応じて段差状に設けられている態様であってもよい。上記のように、固定子からの距離に応じて軟磁性体部または永久磁石が段差状に設けられている場合であっても、上記の第１磁石配置面及び第２磁石配置面を含んだ回転子を実現することができる。

上記の回転子は、バックヨークを有していない態様であってもよい。上記の構成によれば、バックヨークを有していない場合であっても、大型化を防ぎながらモータトルクの増大を実現することができる。

本開示の一形態に係る電動機は、上記の回転子を含む態様であってもよい。この場合、上記の回転子と同様に、大型化を防ぎながらモータトルクの増大が実現される。

本開示によれば、大型化を防ぎながらモータトルクの増大が図られた回転子、及びこの回転子を有する電動機が提供される。

図１は、モータの概略構成を示す斜視図である。 図２は、モータの概略構成を示す断面図である。 図３（ａ）は、ロータの概略斜視図であり、図３（ｂ）は、ロータの側面図である。 図４は、ステータの概略斜視図である。 図５は、回転軸の周方向に沿ったモータの模式的な断面を示す図である。 図６（ａ）～図６（ｅ）は、永久磁石及び軟磁性体部の形状・配置の変更例を示す図であり、図６（ｆ）、図６（ｇ）は、従来のロータにおける永久磁石及び軟磁性体部の形状・配置を示す図である。 図７（ａ）は、アウターロータ型のモータの平面図であり、図７（ｂ）は、その一部の拡大図である。 図８（ａ）、図８（ｂ）は、ロータの形状を変更した場合の、バックヨーク厚さとロータ特性との関係を評価した結果を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本開示を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

［モータの構造］
図１，２は、一実施形態に係るモータ（電動機）の概略構成を模式的に示す図である。図１，２に示すように、モータ１（電動機）は、ロータ１０（回転子）と、ステータ２０（固定子）と、を含んで構成される。モータ１は、所謂アキシャルギャップモータであり、回転軸Ｘに沿ってロータ１０とステータ２０とが並んでいる。モータ１は、種々の用途に使用され得るが、例えば、自動車等のモビリティ等での搭載が想定される。

ロータ１０は、円筒状の部材であり、その円筒の中心線に沿った回転軸Ｘの周りに回転する部材である。ロータ１０の中央において、その高さ（厚さ）方向に沿ってロータ１０を貫通するように、ロータの回転軸Ｘが設定される。なお、回転軸Ｘに対応したロータ軸がロータ１０に対して固定され得るが、図１等ではその表示を省略する。そのため、ロータ１０を円板状の物体として示している。

ステータ２０は円筒状の部材であり、ロータ１０の回転軸Ｘの方向からギャップＧ（空間ギャップ；図２参照）を介して、ロータ１０と対向して設けられている。ステータ２０の対向面２０Ｆは、ロータ１０の対向面１０Ｆと対向する。なお、ステータ２０には、ロータ１０のロータ軸を貫通させるための貫通穴が設けられるが、図１等ではその表示を省略する。そのため、ステータ２０を円板状の物体として示している。なお、ステータ２０の内周面は、ロータ軸とは固定されていない。

上記のモータ１は、例えば、ケースに収容される。ケースは、例えば、ベアリング等を介してロータ１０に対して接続されるロータ軸を回転可能に支持していてもよい。また、ステータ２０は、ケースに対して固定されていてもよい。

次に、ロータ１０の各部について説明する。図３（ａ）は、ロータ１０の概略斜視図であり、図３（ｂ）は、ロータ１０の側面図である。

ロータ１０は、バックヨーク１１と、バックヨーク１１の一方の主面上に固定された、回転軸Ｘの周方向に沿って互いに離間して設けられた複数の永久磁石１２と、複数の永久磁石１２の間に設けられた複数の軟磁性体部１３と、を有している。なお、図３（ａ）では、複数の永久磁石１２のうち１つのみを実線で示し、残りは破線で示している。

バックヨーク１１は、複数の永久磁石１２及び軟磁性体部１３を支持する円板状の部材である。バックヨーク１１の材料は、磁性材料であれば特に限定されず、例えば、電磁鋼板、圧粉磁心等の公知の磁性材料が用いられる。

なお、バックヨーク１１は、ロータ１０のうちステータ２０と対向する対向面１０Ｆとは逆側の裏面１０Ｒ側に配置される。

複数の永久磁石１２は、バックヨーク１１の一方の主面に配置される。永久磁石１２としては、例えばフェライト磁石やアルニコ磁石等の希土類磁石以外の永久磁石であってもよく、Ｒ－Ｔ－Ｂ系希土類磁石（希土類永久磁石）等の希土類磁石の永久磁石であってもよい。Ｒ－Ｔ－Ｂ系希土類磁石は、希土類元素Ｒ、遷移金属元素Ｔ及びホウ素Ｂを含有する。希土類元素Ｒは、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ及びＬｕからなる群より選ばれる少なくとも一種であればよい。特に、希土類磁石は、希土類元素ＲとしてＮｄ及びＰｒの両方を含有することが好ましい。また、希土類磁石は、遷移金属元素ＴとしてＣｏ及びＦｅを含有することが好ましい。希土類磁石がこれらの元素を含有することにより、希土類磁石の残留磁束密度及び保磁力が顕著に向上する。なお、希土類磁石は、必要に応じて、Ｍｎ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｖ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｌ及びＢｉ等の他の元素を更に含んでもよい。

複数の永久磁石１２は、それぞれ同じ形状である。すなわち、永久磁石１２は、回転軸Ｘに沿った方向を厚さ方向とし、回転軸Ｘと垂直な方向に延びると共に回転軸Ｘ中に中心点を有する円弧帯状の板をなしている。永久磁石１２は、それぞれバックヨーク１１に対向する第１面１２ａと、ロータ１０の対向面１０Ｆを形成する第２面１２ｂとの２つの主面を有する。この永久磁石１２が回転軸Ｘを中心に並べられて、ロータ１０の対向面１０Ｆを形成している。

永久磁石１２の数は、本実施形態では１０個であるが、特に制限されない。一例として、複数の永久磁石１２の着磁方向は、それぞれ回転軸Ｘに沿っているが、配向の向きは回転軸Ｘに沿う方向に限定されない。本実施形態においては、複数の永久磁石１２の着磁方向は、回転軸Ｘの周方向に沿って交互に反転している。この結果、ロータ１０の対向面１０Ｆでは、永久磁石１２のＮ極とＳ極とが交互に表われる（図５も参照）。

なお、図３に示すロータ１０では、永久磁石１２の側面のうち、回転軸Ｘからロータ１０の周縁へ延びる径方向の一対の側面１２ｃは、永久磁石１２の第１面１２ａの面積よりも第２面１２ｂの面積が大きくなるように、傾斜している。

回転軸Ｘ方向から見た場合、永久磁石１２の第１面１２ａは第２面１２ｂと重なる位置に設けられ、且つ、一対の側面１２ｃが傾斜していることによって、第１面１２ａにおいて回転軸Ｘからロータ１０の周縁へ延びる径方向の端面は、第２面１２ｂにおいて回転軸Ｘからロータ１０の周縁へ延びる径方向の端面よりも内側（永久磁石１２の中央側）に位置している。一対の側面１２ｃの傾斜角（後述の磁石配置面に対する傾斜角；ここではバックヨーク１１の主面に対する傾斜角と同じである）は、一対の側面１２ｃにおいて同じとなるように調整されていてもよい。

複数の軟磁性体部１３は、複数の永久磁石１２と同じくバックヨーク１１の一方の主面に配置される。回転軸Ｘの周囲に配置される複数の永久磁石１２の間において、永久磁石１２同士を区画するように配置される。軟磁性体部１３は、隣接する永久磁石１２の間に、回転軸Ｘ側からロータ１０の周縁へ向けて、径方向に沿って永久磁石１２同士を区切るように配置されている。軟磁性体部１３の径方向の長さは、永久磁石１２と同等とされている（図３参照）。また、軟磁性体部１３の回転軸Ｘ方向の高さ（厚さ）も、永久磁石１２と同等とされている（図２，図３参照）。

軟磁性体部１３は、軟磁性材料で構成されている。具体的には、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。一例として、軟磁性体部１３は、Ｆｅ_３Ｓｉ粉等の純鉄系磁性粉を代表とする軟磁性粉の圧粉成形体で構成されていてもよい。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。なお、圧粉成形体は軟磁性粉を用いた熱間成形によって形成してもよい。

ここで、軟磁性体部１３の断面形状（径方向に対して直交する断面における形状）は、例えば、図３（ｂ）等に示すように、バックヨーク１１に対する取り付け面側を底面とし、ステータ２０に近い位置に頂点が設けられる三角形状とされている。そのため、軟磁性体部１３の一対の側面１３ｃは底面に対して傾斜した形状とされている。軟磁性体部１３の一対の側面１３ｃの傾斜角（後述の磁石配置面に対する傾斜角；ここではバックヨーク１１の主面に対する傾斜角と同じである）は、永久磁石１２の一対の側面１２ｃの傾斜角に対応している。その結果、図２に示すように、隣接する永久磁石１２において、２つの側面１２ｃによって形成された隙間を軟磁性体部１３が埋めるように配置されている。一対の側面１２ｃの傾斜角が、複数の永久磁石１２それぞれにおいて互いに等しくされている場合、軟磁性体部１３の一対の側面１３ｃの傾斜角も互いに等しくされていてもよい。この場合、軟磁性体部１３の断面形状（径方向に対して直交する断面における形状）は、二等辺三角形となっていてもよい。なお、対向面１０Ｆから見たときに、軟磁性体部１３の頂点は、隣接する２つの永久磁石１２の間に露出していてもよい。つまり、２つの永久磁石１２は、軟磁性体部１３によって区切られている状態が形成されていてもよい。

次に、ステータ２０の各部について説明する。図４は、ステータ２０の概略斜視図である。

ステータ２０は、図４に示すように、軟磁性材料からなるステータコア２１と、コイル部２２とを有する。ステータコア２１は、円筒状部材２１ａと、円筒状部材からロータ１０の方向に突出した複数のティース２１ｂとを有する。本実施形態で示す例では、回転軸Ｘの周りに１２個のティース２１ｂが設けられている。回転軸Ｘと垂直な面に沿ったティース２１ｂの断面は、例えば円弧帯状である。複数のティース２１ｂの周りには、それぞれコイル部２２が捲回されている。コイル部２２は、通電されることにより回転軸Ｘに沿った方向に磁束を発生させる。この磁束によって生じるトルクによって、ロータ１０は回転軸Ｘ周りに回転する。なお、ステータ２０におけるティース２１ｂの数は特に限定されず、適宜変更され得る。

上記のモータ１において、ロータ１０では、ステータ２０から所定距離だけ離れた位置に、ステータ２０との対向面１０Ｆに対して平行な面であって、永久磁石１２が存在する磁石配置面が形成される。また、この磁石配置面は、第１磁石配置面と、第１磁石配置面と比べて固定子との距離が大きな位置に、磁石配置面の面積に対して軟磁性体部が存在する面積の割合が第１磁石配置面よりも大きな第２磁石配置面と、を含む。この点について、図３（ｂ）を参照しながら説明する。

ロータ１０では、バックヨーク１１よりも上方（ステータ２０に近い部分）では、対向面１０Ｆと平行な断面において、永久磁石１２と軟磁性体部１３とが存在する。このような面を磁石配置面Ｐという。つまり、ロータ１０では、バックヨーク１１よりも上方に磁石配置面Ｐが存在する。ロータ１０では、永久磁石１２が対向面１０Ｆに露出しているので、対向面１０Ｆも磁石配置面Ｐとなり得る。

ここで、図３（ｂ）に示すように、対向面１０Ｆを第１磁石配置面Ｐ１とし、対向面１０Ｆよりもバックヨーク１１に近い位置に第２磁石配置面Ｐ２を設定したとする。この場合、磁石配置面の面積に対して軟磁性体部１３が存在する面積の割合は、第１磁石配置面Ｐ１＜第２磁石配置面Ｐ２となり、上述の関係が成立する。これは、永久磁石１２と、軟磁性体部１３との形状に由来する。つまり、軟磁性体部１３の側面１３ｃが傾斜していることによって、バックヨーク１１に近付く（ステータ２０から離れる）につれて、軟磁性体部１３が幅広となっている。この結果、磁石配置面における軟磁性体部１３の割合が、バックヨーク１１へ近付くにつれて増大することになる。

上記のモータ１によれば、上述の構成を有することによって、マグネットトルクの減少を抑制し、モータトルクを増加させることができる。この点について説明する。

図５は、上述のモータ１の回転軸Ｘの周方向に沿った模式的な断面を示す図である。本実施形態に係るモータ１のように、ロータ１０の一方の主面（対向面１０Ｆ）に対向するようにステータ２０が設けられるアキシャルギャップモータでは、リラクタンストルクを利用するために、永久磁石１２の間に軟磁性体部１３を配置することによって、ｄ軸とｑ軸とのインダクタンス差を利用したリラクタンストルクを発生させることが行われ得る。

ただし、リラクタンストルクを利用するモータのロータでは、一般的に、ステータ２０からの距離に関係なく幅が一定となる軟磁性体部１３が配置される（後述の図６（ｇ）参照）。この場合、時永久磁石同士の短絡を防ぐためにこれらを離間して配置するため、ステータ２０に対向する永久磁石の量が小さくなるためマグネットトルクが小さくなるという問題が生じ得る。モータとしてのモータトルクは、マグネットトルクに起因する成分とリラクタンストルクに起因する成分との和になるため、マグネットトルクが小さくなると、モータトルクの増加が見込みづらくなる。

一方、マグネットトルクを最大限活用するために、従来のＳＰＭモータのように軟磁性体部１３を設けず、永久磁石１２のみを対向面１０Ｆに配置することが考えられる（後述の図６（ｆ）参照）。ただし、このような構成では、リラクタンストルクを活用できないだけでなく、磁極間での磁気飽和が生じ得る。磁束密度が集中する部位は、例えば、隣接する磁極間（例えば、図５で示す領域Ａ）に集中する。そのため、ロータのバックヨークを設計する際には、磁気飽和によるトルクの低下を抑制しながら漏れ磁束を低減するために、バックヨークの厚さを大きくすることが必要となる。しかし、バックヨークの厚さを大きくすることは、ロータが大型化するため、モータとしても大型化してしまう可能性がある。

これに対して、本実施形態のロータ１０は、図５に示すように、軟磁性体部１３を設けることで、リラクタンストルクが可能となる。また、上述の第１磁石配置面Ｐ１と、第２磁石配置面Ｐ２とが磁石配置面に含まれるように、軟磁性体部１３はステータ２０から離間するにつれて幅広となるように設計されている。このため、ロータ１０との対向面１０Ｆでは、従来のＳＰＭモータと同様にステータ２０と対向する永久磁石１２の面積が広く確保されるため、マグネットトルクを大きくすることに加えて、磁束が集中する領域Ａの付近ではバックヨーク１１を含めて磁性体の厚みが大きく確保される。したがって、磁極間の磁束密度が緩和されるため、磁気飽和によるトルクの低下を防ぐことができる。

ところで、上述の第１磁石配置面Ｐ１と、第２磁石配置面Ｐ２とが磁石配置面に含まれる状態を実現するための、永久磁石１２及び軟磁性体部１３の形状・配置は、図１～図４で示したロータ１０で示した例に限定されるものではない。図６を参照しながら、他の例について説明する。

図６に示す７つの図のうち、図６（ａ）は、上記のロータ１０の構成を模式的に示したものである。また、図６（ｂ）～図６（ｅ）は、上記のロータ１０と同様に第１磁石配置面Ｐ１と、第２磁石配置面Ｐ２とが磁石配置面に含まれる例を模式的に示したものである。一方、図６（ｆ）及び図６（ｇ）は、それぞれ従来のＳＰＭモータと、リラクタンストルクを利用するモータと、を示している。なお、いずれの図においても、上方にステータ２０が配置されるとする。

まず、図６（ａ）は、軟磁性体部１３の側面１３ｃが傾斜面であって、軟磁性体部１３が下方（ステータ２０から離れる方向）に向かうにつれて幅広となるような形状とされていて、側面１３ｃに対応した側面１２ｃを有する永久磁石が配置されたとする。この場合、図６（ａ）に示すように第１磁石配置面Ｐ１及び第２磁石配置面Ｐ２を設定すると、磁石配置面の面積に対して軟磁性体部１３が存在する面積の割合について、第１磁石配置面Ｐ１＜第２磁石配置面Ｐ２の関係が成立する。このように、図６（ａ）に示す形状であると、上記の関係を満たす第１磁石配置面Ｐ１及び第２磁石配置面Ｐ２が含まれる状態が実現される。なお、傾斜面となる軟磁性体部１３の側面１３ｃの傾斜角（磁石配置面Ｐに対する傾斜角）は特に限定されないが、１°～８０°の範囲であると、ステータ２０からの距離に応じて軟磁性体部１３が存在する面積の割合を適切に変化させることができる。

次に、図６（ｂ）は、軟磁性体部１３の側面１３ｃが傾斜面であって、軟磁性体部１３が下方（ステータ２０から離れる方向）に向かうにつれて幅広となるような形状となっている点は、図６（ａ）と同様である。ただし、軟磁性体部１３の頂点が切り欠かれた台形状となっていて、永久磁石１２の上面よりも低い位置（ステータ２０から離れた位置）に軟磁性体部１３の上面が位置している。この場合、永久磁石１２うち上方の領域では、隣接する永久磁石１２の間には空間が存在している。この状態は、実質的には、隣接する永久磁石１２の間に非磁性体が存在していることになる。この場合、図６（ｂ）に示すように、隣接する永久磁石１２の間には空間が存在する位置に第１磁石配置面Ｐ１を設定し、図６（ａ）と同様に、軟磁性体部１３が存在する位置に第２磁石配置面Ｐ２を設定したとしても、磁石配置面の面積に対して軟磁性体部１３が存在する面積の割合について、第１磁石配置面Ｐ１＜第２磁石配置面Ｐ２の関係が成立する。このように、図６（ｂ）に示す形状であっても、上記の関係を満たす第１磁石配置面Ｐ１及び第２磁石配置面Ｐ２が含まれる状態が実現される。なお、第１磁石配置面Ｐ１を軟磁性体部１３が存在する位置に設定したとしても上記の関係が実現され得る。

次に、図６（ｃ）は、軟磁性体部１３は断面が矩形状である場合を示している。また、図６（ｂ）の例と同様に、永久磁石１２の上面よりも低い位置（ステータ２０から離れた位置）に軟磁性体部１３の上面が位置している。一方、永久磁石１２は、軟磁性体部１３に並べて配置される下方の永久磁石１２１と、軟磁性体部１３を覆うように配置される永久磁石１２２とによって構成される。この永久磁石１２２によって、軟磁性体部１３の上方に永久磁石１２が積層した状態となっている。このとき、上方では、隣接する永久磁石１２２が接触するかまたはそれに近い状態になる。このとき、上方の永久磁石１２２同士が隣接する位置に第１磁石配置面Ｐ１を設定し、永久磁石１２１間に軟磁性体部１３が存在する位置に第２磁石配置面Ｐ２を設定したとすると、磁石配置面の面積に対して軟磁性体部１３が存在する面積の割合について、第１磁石配置面Ｐ１＜第２磁石配置面Ｐ２の関係が成立する。このように、図６（ｃ）に示す形状であっても、上記の関係を満たす第１磁石配置面Ｐ１及び第２磁石配置面Ｐ２が含まれる状態が実現される。

次に、図６（ｄ）は、軟磁性体部１３の側面１３ｃが傾斜面であって、軟磁性体部１３が下方（ステータ２０から離れる方向）に向かうにつれて幅広となるような形状となっている点は、図６（ａ）と同様である。永久磁石１２は、下方では、側面が軟磁性体部１３の側面１３ｃに沿った形状を有しているものの、中央近傍から上方では、永久磁石１２の側面が軟磁性体部１３の側面１３ｃから離れて上方に（バックヨーク１１の表面に対して垂直に）延びている。この場合、永久磁石１２の側面が上方に延びている領域では、永久磁石１２と軟磁性体部１３との間には空間（非磁性体）が存在している。この状態は、実質的には、隣接する永久磁石１２の間に軟磁性体部１３と非磁性体とが存在していることになる。この場合、図６（ｄ）に示すように、隣接する永久磁石１２の間には空間が存在する位置に第１磁石配置面Ｐ１を設定し、軟磁性体部１３と永久磁石１２とが当接している位置に第２磁石配置面Ｐ２を設定したとすると、磁石配置面の面積に対して軟磁性体部１３が存在する面積の割合について、第１磁石配置面Ｐ１＜第２磁石配置面Ｐ２の関係が成立する。このように、図６（ｄ）に示す形状であっても、上記の関係を満たす第１磁石配置面Ｐ１及び第２磁石配置面Ｐ２が含まれる状態が実現される。なお、第１磁石配置面Ｐ１及び第２磁石配置面Ｐ２の設定をそれぞれ上下方向に移動させたとしても、軟磁性体部１３が、下方に向かうにつれて幅広となっているため、上記の関係が実現され得る。

次に、図６（ｅ）は、図６（ｃ）の例と同様に軟磁性体部１３は断面が矩形状であって、永久磁石１２の上面よりも低い位置（ステータ２０から離れた位置）に軟磁性体部１３の上面が位置している例を示している。一方、永久磁石１２は、図６（ｃ）の例とは異なり、断面が矩形状となっている。その結果、図６（ｅ）では、軟磁性体部１３の上方には空間が存在している状態となっている。このとき、隣接する永久磁石１２の間に空間が存在する位置に第１磁石配置面Ｐ１を設定し、永久磁石１２間に軟磁性体部１３が存在する位置に第２磁石配置面Ｐ２を設定したとすると、磁石配置面の面積に対して軟磁性体部１３が存在する面積の割合について、第１磁石配置面Ｐ１＜第２磁石配置面Ｐ２の関係が成立する。このように、図６（ｅ）に示す形状であっても、上記の関係を満たす第１磁石配置面Ｐ１及び第２磁石配置面Ｐ２が含まれる状態が実現される。

上記の図６（ａ）～（ｅ）に示す例は、いずれも、磁石配置面の面積に対して軟磁性体部１３が存在する面積の割合について、第１磁石配置面Ｐ１＜第２磁石配置面Ｐ２の関係が成立している。一方、図６（ｆ）及び図６（ｇ）に示す従来の形状は、上記の関係を満たさない。

図６（ｆ）は、従来のＳＰＭモータにて用いられるロータにおける永久磁石の配置を模式的に示すものであり、バックヨーク１１に対して断面が矩形の永久磁石１２が載置されている状態を示している。ＳＰＭモータの場合、軟磁性体が永久磁石１２間に設けられていないので、永久磁石１２同士が隣接した状態で周方向に配置されていることになる。この図６（ｆ）に示す構成では、永久磁石１２が設けられている磁石配置面は存在するが、仮に図６（ｆ）に示すように第１磁石配置面Ｐ１及び第２磁石配置面Ｐ２を設定したとしても、磁石配置面の面積に対して軟磁性体部１３が存在する面積の割合は、第１磁石配置面Ｐ１＝第２磁石配置面Ｐ２となる。

図６（ｇ）は、従来のリラクタンスを利用するモータにて用いられるロータにおける永久磁石の配置を模式的に示すものである。この場合、バックヨーク１１上に、断面が矩形の永久磁石１２と、断面が矩形の軟磁性体部１３とが周方向に沿って交互に並んでいる。この図６（ｇ）に示す構成では、永久磁石１２が設けられている磁石配置面は存在するが、仮に図６（ｇ）に示すように第１磁石配置面Ｐ１及び第２磁石配置面Ｐ２を設定したとしても、磁石配置面の面積に対して軟磁性体部１３が存在する面積の割合は、第１磁石配置面Ｐ１＝第２磁石配置面Ｐ２となる。

このように、従来の形状のロータでは、上述の関係を満たす第１磁石配置面Ｐ１及び第２磁石配置面Ｐ２が磁石配置面に含まれない。

次に、上記の関係を満たす第１磁石配置面Ｐ１及び第２磁石配置面Ｐ２が含まれるロータでは、リラクタンストルク及びマグネットトルクの両方を活用することで、ロータの大型化を防ぎながらモータトルクを増加させることができる。また、このような構成をより少ない磁石量で実現することができる。

（作用）
上記のロータ１０では、永久磁石１２の間に軟磁性体部１３が設けられているため、このロータ１０を用いたモータ１では、リラクタンストルクを利用することができる。また、ステータ２０に近い第１磁石配置面Ｐ１においては、第２磁石配置面Ｐ２と比較して軟磁性体部の占める割合が小さくなり、ステータ２０との間で発生するマグネットトルクの低下を抑制することができる。このため、上記のモータ１及びロータ１０によれば、ロータ１０における磁石量が少ない条件でもモータトルクを増大させることが可能となり、大型化を防ぎながらモータトルクの増大を実現することができる。

また、磁石配置面における軟磁性体部１３の幅は、ステータ２０からの距離が大きくなるにつれて大きくなっていてもよい。この場合、上記のように、軟磁性体部１３が存在する面積の割合が第１磁石配置面Ｐ１よりも第２磁石配置面Ｐ２を有する構成が実現され、このような関係を有するロータ１０を実現することができる。

このとき、軟磁性体部１３は、その側面１３ｃ磁石配置面に対して傾斜していてもよい。このような構成とすることで、軟磁性体部１３の側面１３ｃの傾斜によって、ステータ２０からの距離が大きくなるにつれて軟磁性体部１３の幅を大きくすることができ、上記の第１磁石配置面Ｐ１及び第２磁石配置面Ｐ２を含んだロータ１０を実現することができる。

また、軟磁性体部１３の側面１３ｃの傾斜角は、磁石配置面とのなす角が、１°～８０°である態様であってもよい。軟磁性体部１３の側面１３ｃの傾斜角を上記の範囲とすることで、ステータ２０からの距離に応じて軟磁性体部１３が存在する面積の割合を適切に変化させることができる。

軟磁性体部１３または永久磁石１２は、ステータ２０からの距離に応じて段差状に設けられている態様であってもよい。上記のように、ステータ２０からの距離に応じて軟磁性体部１３または永久磁石１２を段差状に変化させることによっても、上記の第１磁石配置面Ｐ１及び第２磁石配置面Ｐ２を含んだロータ１０を実現することができる。

なお、ロータ１０は、バックヨーク１１を有していなくてもよい。この場合でも、上記の第１磁石配置面Ｐ１及び第２磁石配置面Ｐ２を含んだロータ１０を構成することで、大型化を防ぎながらモータトルクの増大を実現することができる。

（変形例）
上記実施形態では、アキシャルギャップモータを例にロータの構成を説明した。しかしながら、モータの形状はアキシャルギャップモータに限定されず、ラジアルギャップモータであってもよい。

図７は、ラジアルギャップモータに対する上記構成の適用例を示している。図７（ａ）は、ラジアルギャップモータであるモータ２の概略平面図であり、図７（ｂ）はその一部拡大図である。

モータ２は、アウターロータ型のＰＭモータであり、回転軸Ｘの中心を中心として円筒状のステータ４０が設けられ、その外周に円環状のロータ３０が設けられる。

ロータ３０は、断面が円環状の円筒状の部材であり、中心線に沿った回転軸Ｘの周りに回転する部材である。ロータ３０は、バックヨーク３１と、バックヨーク３１の内面において、回転軸Ｘの周方向に沿って互いに離間して設けられた複数の永久磁石３２と、複数の永久磁石３２の間に設けられた複数の軟磁性体部３３と、を有している。

バックヨーク３１は、複数の永久磁石３２及び軟磁性体部３３を支持する円筒状の部材である。複数の永久磁石３２は、バックヨーク３１の内面に配置されると共に、回転軸Ｘに沿って延びる板状の部材である。永久磁石３２は断面（回転軸Ｘに直交する断面）の形状が略矩形状である。ただし、バックヨーク３１の内面に当接する主面は、バックヨーク３１の内面の円弧状に追随するように湾曲している。また、当該主面に対向する主面は、複数の永久磁石３２を配置した場合に回転軸Ｘの周方向に沿って環状の対向面３０Ｆが形成されるように湾曲している。複数の永久磁石３２は、それぞれ同じ形状である。永久磁石３２が回転軸Ｘを中心に配置されることにより、ロータ３０の対向面３０Ｆを形成している。

複数の軟磁性体部３３は、複数の永久磁石３２と同じくバックヨーク３１の内面に配置される。複数の軟磁性体部３３は、それぞれ回転軸Ｘの周囲に配置される複数の永久磁石３２の間において、永久磁石３２同士を区画するように配置される。軟磁性体部３３は、隣接する永久磁石３２の間に、回転軸Ｘ側からロータ３０の周縁へ向けて、径方向に沿って永久磁石３２同士を区切るように配置されている。また、複数の軟磁性体部３３は、それぞれ、隣接する永久磁石３２の間を埋めるように配置されている。その結果、バックヨーク３１に近い位置では軟磁性体部３３は幅広となり、バックヨーク３１から離れた位置（回転軸Ｘに近い位置）では軟磁性体部３３の幅は小さくなる。この結果、軟磁性体部３３は、ロータ１０における軟磁性体部１３と同様に、その載置面（ここでは、バックヨーク３１の内面）に対して傾斜した一対の側面を有している。

ステータ４０は、所定間隔ごとに放射状に配置された複数本のティース４１と、ティース４１にコイルが巻回されて形成されたコイル部４２からなる。ティース４１は、回転軸Ｘに沿って延びると共に（図７（ｂ）参照）、回転軸Ｘを中心として外方へ突出するように配置されている。この複数のティース４１に対して、それぞれコイルが巻回されることによって、コイル部４２が形成される。コイル部４２は、通電されることにより回転軸Ｘに対して交差する方向に磁束を発生させる。この磁束によって生じるトルクによって、ロータ３０は回転軸Ｘ周りに回転する。

上記のモータ２においても、ロータ３０では、ステータ４０から所定距離だけ離れた位置に、ステータ４０との対向面３０Ｆに対して平行な面であって、永久磁石３２が存在する磁石配置面Ｐが形成される。また、この磁石配置面Ｐは、第１磁石配置面Ｐ１と、第１磁石配置面Ｐ１と比べて固定子との距離が大きな位置に設けられた、磁石配置面の面積に対して軟磁性体部１３が存在する面積の割合が第１磁石配置面Ｐ１よりも大きな第２磁石配置面Ｐ２と、を含む。

ロータ３０では、バックヨーク３１よりも上方（ステータ４０に近い部分）では、対向面３０Ｆと平行な断面であって永久磁石３２が存在する磁石配置面Ｐが存在する。

ここで、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、回転軸Ｘを中心とした円筒状の面として、第１磁石配置面Ｐ１及び第２磁石配置面Ｐ２を設定することができる。このとき、磁石配置面の面積に対して軟磁性体部３３が存在する面積の割合は、第１磁石配置面Ｐ１＜第２磁石配置面Ｐ２となり、上述の関係が成立する。これは、ロータ１０と同様に、軟磁性体部３３の側面が傾斜していることによって、バックヨーク３１に近付く（ステータ４０から離れる）につれて、軟磁性体部３３が幅広となっていることによる。この結果、磁石配置面における軟磁性体部３３の割合が、バックヨーク３１へ近付くにつれて増大することになる。

このように、所謂ラジアルギャップモータであるモータ２においても、第１磁石配置面Ｐ１＜第２磁石配置面Ｐ２となるように、ロータ３０における軟磁性体部３３の形状及び配置を設定することができる。そして、上記の関係を成立させる構成を有するロータ３０を有するモータ２では、マグネットトルクの減少を抑制し、モータトルクを増加させることができる。ラジアルギャップモータでは、磁石配置面の形状が円筒状となる点がアキシャルギャップモータとは相違するが、磁石配置面の形状によらず、上記の関係を満たす第１磁石配置面Ｐ１及び第２磁石配置面Ｐ２が磁石配置面に含まれるように、永久磁石３２及び軟磁性体部３３を配置することで、上記のロータ１０と同様の効果が奏される。

なお、ラジアルギャップモータに含まれるロータ３０においてもアキシャルギャップモータに含まれるロータ１０と同様に、永久磁石３２及び軟磁性体部３３の形状・配置を適宜変更することができる。すなわち、図６（ａ）～図６（ｅ）を参照しながら説明した構成例は全てラジアルギャップモータのロータ３０にも適用ができる。

上記のモータの形状の変更のほかにも、ロータについては種々の変更を行うことができる。例えば、上記の関係を満たす第１磁石配置面Ｐ１及び第２磁石配置面Ｐ２が磁石配置面に含まれるように、永久磁石３２及び軟磁性体部３３が配置されている構成であれば、その形状等は適宜変更できる。

（評価１）
評価１として、下記の表１に示したロータ及びステータ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行った。実施例に係るモータの仕様のうち、ロータの永久磁石及び軟磁性体部の形状・配置を除く、各実施例及び比較例で共通する仕様・シミュレーション条件は表１のとおりである。

永久磁石及び軟磁性体部の形状及び配置は、図６に示す７つの条件を設定した。さらに、図６（ａ）示す形状のロータについては、その軟磁性体部の傾斜角を３つの角度（４５°、６０°、３０°）に変更した条件を設定した。この結果、実施例１～７及び比較例１，２に係るロータを設定した。

また、モータトルクは、ｑ軸を基準とした電流位相βが０，１０の２条件について評価した。また、基本波線間電圧は、Ｕ相とＷ相との間における線間電圧のうち高調波を除く基本波成分であり、電流位相βが１０の条件で評価したものである。さらに、磁石量は、比較例１（図６（ｆ））に示す通常のＳＰＭモータのロータにおいて使用される永久磁石の磁石量を１００％とした場合に、その他の各例に応じた形状のロータにおける永久磁石の使用量を１００分率で示したものである。実施例１～７及び比較例１，２に係るロータについての評価結果を表２，３に示す。

表２及び表３に示す結果から、実施例１～６では、比較例１と比べて磁石量が少ない条件でありながら、モータトルクは、比較例１と同等かそれ以上である結果が得られた。このことから、より少ない磁石量であっても、高いモータトルクを有するモータが得られることが確認された。

また、実施例７と比較例２とを比較すると、磁石量が同じ条件において、モータトルクは実施例７のほうが大きくなることが確認された。このことから、同一の磁石量である場合に、軟磁性体部の形状を変更して、上述の関係を形成することによって、モータトルクを増加させることができることが確認された。

（評価２）
評価２として、上記の実施例１、比較例１，２に対応するロータにおいて、バックヨーク厚を変更した場合に、漏れ磁束及びトルクがどのように変化するかを評価した。

モータの仕様のうち、ロータの永久磁石及び軟磁性体部の形状・配置、及びロータのバックヨーク厚を除く、実施例１及び比較例１，２で共通する仕様及び解析条件は上記の表１のとおりである。

図８（ａ）は、バックヨーク厚を変更した際の漏れ磁束の変化を示したものである。漏れ磁束は、バックヨーク下部から距離５ｍｍの平面における漏れ磁束を測定したものである。また、図８（ｂ）は、バックヨーク厚を変更した際のトルク（モータトルク）の変化を示したものである。

図８（ａ）に示す結果から、実施例１（三角形状）は、バックヨーク厚が小さい条件（１ｍｍ，２．１５２５ｍｍ）では、漏れ磁束が比較例２（リラクタンス形状）と同等であって、比較例１（全面磁石形状）よりも十分小さくなることが確認された。一方、これらの条件では、実施例１（三角形状）のトルクは、比較例１（全面磁石形状）、比較例２（リラクタンス形状）よりも大きくなることが確認された。これらの結果から、実施例１に係るロータは、バックヨーク厚を小さくした条件において、漏れ磁束の抑制とトルクの増加とを両立させることができることが確認された。すなわち、実施例１に係るロータは、比較例１，２に係るロータと比較して、バックヨーク厚が薄い状態でもロータとしての特性を高めることができるため、ロータ及びモータの小型化に寄与し得ることが確認された。

１，２…モータ（電動機）、１０…ロータ（回転子）、１０Ｆ…対向面、１１…バックヨーク、１２…永久磁石、１３…軟磁性体部、１３ｃ…側面、２０…ステータ（固定子）、２０Ｆ…対向面、２１…ステータコア、２２…コイル部、３０…ロータ、３１…バックヨーク、３２…永久磁石、３３…軟磁性体部、４０…ステータ、４１…ティース、４２…コイル部、Ｐ…磁石配置面、Ｐ１…第１磁石配置面、Ｐ２…第２磁石配置面。

Claims (7)

1. 回転軸の周方向に沿って設けられた複数の永久磁石と、
   前記複数の永久磁石のうち隣接する永久磁石の間にそれぞれ設けられた複数の軟磁性体部と、
   を有する電動機の回転子であって、
   前記電動機の固定子から所定距離だけ離れた位置に、前記固定子との対向面に対して平行な面であって、前記永久磁石が存在する磁石配置面が形成され、
   前記磁石配置面は、第１磁石配置面と、前記第１磁石配置面と比べて前記固定子との距離が大きな位置に設けられた、磁石配置面の面積に対して前記軟磁性体部が存在する面積の割合が第１磁石配置面よりも大きな第２磁石配置面と、を含む、回転子。
2. 前記磁石配置面における前記軟磁性体部の幅は、前記固定子からの距離が大きくなるにつれて大きくなる、請求項１に記載の回転子。
3. 前記軟磁性体部は、その側面が前記磁石配置面に対して傾斜している、請求項１または２に記載の回転子。
4. 前記軟磁性体部の前記側面の傾斜角は、前記磁石配置面とのなす角が、１°～８０°である、請求項３に記載の回転子。
5. 前記軟磁性体部または前記永久磁石は、前記固定子からの距離に応じて段差状に設けられている、請求項１に記載の回転子。
6. バックヨークを有していない、請求項１～５のいずれか一項に記載の回転子。
7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の回転子を有する、電動機。

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