JP2023102516A - ロータ及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気飽和状態の発生を抑制することができるロータを提供することを課題とする。【解決手段】ロータは、磁極毎に、ｄ軸を挟んで周方向に対称に設けられ、それぞれ磁石が配置されると共に、径方向外側に位置する第１磁石装填孔と径方向内側に位置する第２磁石装填孔が形成されたロータコアを含む。第１磁石装填孔と第２磁石装填孔とは、第２磁石装填孔に装填された磁石のうちｄ軸に最も近い位置に配置された磁石において磁化容易方向に沿う当該磁石と第１磁石装填孔に装填された磁石との距離であって、ｄ軸の横断を回避した距離の最大距離をＬ１、第２磁石装填孔において第２磁石装填孔に装填された磁石のうち最もｑ軸側に配置された磁石のｄ軸側端部よりもｑ軸側に位置する領域と第１磁石装填孔とを結ぶ最小距離をＬ２としたときに、１．０＜Ｌ１／Ｌ２≦１．７の位置関係を満たす。【選択図】図６

Description

本発明は、ロータ及び回転電機に関する。

ロータに永久磁石を埋め込んで磁極を構成する埋込磁石式の回転電機では、永久磁石によって生成されるマグネットトルクと、ロータコアの磁気異方性に基づいて生成されるリラクタンストルクとの合成トルクが出力トルクとなる。従来、この出力トルクを増加させるため、永久磁石をロータの径方向に沿って二層配置する技術が提案されている（例えば、特許文献１、２）。

国際公開第２０２０／０５７８４７号公報 特開２０２０－１３７１３９号公報

回転電機では、車両に搭載されて、登坂走行を行うような場合の大負荷時に磁気飽和が生じ、入力電流に応じた出力トルクが得られない場合がある。特許文献１や特許文献２においてもこのような磁気飽和が生じることがあり、この点において、改良の余地があった。

そこで、本明細書開示の発明は、磁気飽和状態の発生を抑制することができるロータを提供することを課題とする。

本明細書開示のロータは、ステータの内側に回転可能に同心配置され、ｑ軸を挟んで周方向に並ぶ複数の磁極が形成されるロータであって、前記ロータは、前記磁極毎に、径方向に沿って複数層設けられると共に、ｄ軸を挟んで周方向に対称に設けられた磁石装填孔が形成されたロータコアと、前記磁石装填孔内に配置された磁石と、を含み、前記径方向に沿って複数層設けられた前記磁石装填孔に含まれる第１磁石装填孔と、当該第１磁石装填孔よりも径方向内側に位置する第２磁石装填孔とは、前記第２磁石装填孔に装填された磁石のうち、前記ｄ軸に最も近い位置に配置された磁石においてＮ極からＳ極へ磁束が流れる方向に沿う当該磁石と前記第１磁石装填孔に装填された磁石との距離であって、前記ｄ軸の横断を回避した距離の最大距離をＬ１とし、前記第２磁石装填孔において当該第２磁石装填孔に装填された磁石のうち、最も前記ｑ軸側に配置された磁石のｄ軸側端部よりも前記ｑ軸側に位置する領域と、前記第１磁石装填孔とを結ぶ最小距離をＬ２とし、前記第２磁石装填孔において当該第２磁石装填孔に装填された磁石のうち、最も前記ｄ軸側に配置された磁石のｑ軸側端部よりも前記ｄ軸側に位置する領域と、前記第１磁石装填孔との最小距離をＬ３としたときに、式（１） Ｌ３＞Ｌ２、式（２） １．０＜Ｌ１／Ｌ２≦１．７の位置関係を満たす。

上記構成のロータにおいて、前記ロータコアは、前記ｑ軸を挟んで隣接する前記第２磁石装填孔間を繋ぐｑ軸部磁路を有し、前記ｑ軸部磁路の最小幅をｑとしたときに、式（３） １．０＜ｑ／Ｌ２≦１．２の関係をさらに満たす、態様とすることができる。

上記構成のロータにおいて、一つの前記磁極において、前記第１磁石装填孔は、前記ｄ軸が通過する外側センターブリッジを隔てて前記ｄ軸を挟んで周方向に対称に設けられ、前記第１磁石装填孔のそれぞれに前記磁石が配置された、態様とすることができる。

また、上記構成のロータにおいて、一つの前記磁極において、前記第１磁石装填孔は、前記ｄ軸が通過する一つの孔であり、当該一つの孔には、前記ｄ軸が通過し、矩形を有する一つの前記磁石が配置された、態様とすることができる。

さらに、上記構成のロータにおいて、一つの前記磁極において、前記第１磁石装填孔は、前記ｄ軸が通過する中央装填部と、当該中央装填部の両側にそれぞれ広がる側部装填部を含み、前記中央装填部と、前記側部装填部のそれぞれに、前記磁石が配置された、態様とすることができる。

また、上記構成のロータにおいて、一つの前記磁極において、前記第２磁石装填孔は、前記ｄ軸が通過する内側センターブリッジを隔てて前記ｄ軸を挟んで周方向に対称に設けられ、前記第２磁石装填孔のそれぞれに前記磁石が配置された、態様とすることができる。

さらに、上記構成のロータにおいて、前記磁石は、前記第２磁石装填孔に複数個配置された、態様とすることができる。

また、上記構成のロータにおいて、一つの前記磁極において、前記第２磁石装填孔は、軸方向視において１以上の屈曲点を有する折れ線形状を有し、前記屈曲点の両側の領域にそれぞれ前記磁石が設けられた、態様とすることができる。

さらに、上記のロータにおいて、前記磁石は、軸方向視において湾曲形状を示す形状を有する、態様とすることができる。

本明細書開示の回転電機は、上記構成のロータを備えた態様とすることができる。

本明細書開示の発明は、磁気飽和状態の発生を抑制することができるロータを提供することができる。

図１は実施形態のロータを備えた回転電機を模式的に示す概略構成図である。 図２は実施形態のロータを備えた回転電機の横断面図である。 図３は実施形態のロータの横断面図である。 図４は実施形態のロータにおける主磁束の流れを模式的に示す説明図である。 図５は実施形態のロータにおけるマグネット磁束の流れを模式的に示す説明図である。 図６（Ａ）は実施形態のロータが備えるロータコアにおける距離Ｌ１、距離Ｌ２、距離Ｌ３及び最小幅ｑを示す説明図であり、図６（Ｂ）は内側磁石においてＮ極からＳ極へ磁束が流れる方向（磁化容易方向）を示す説明図である。 図７（Ａ）は実施形態のロータにおいて採用される距離Ｌ１を示す説明図、図７（Ｂ）はｄ軸を横断する距離Ｌ１を例示する説明図である。 図８は実施形態のロータにおいて採用される距離Ｌ３を示す説明図である。 図９は他の実施形態のロータにおいて採用される距離Ｌ３を示す説明図である。 図１０はさらに他の実施形態のロータに採用される距離Ｌ３を示す説明図である。 図１１は実施形態のロータを備える回転電機が車両に搭載されたときに設定される出力特性の一例を示すグラフである。 図１２はロータにおけるＬ１／Ｌ２比率と、車両に搭載された回転電機の大負荷時トルクとの関係を示すグラフである。 図１３はロータにおけるＬ１／Ｌ２比率と、車両に搭載された回転電機の低負荷時トルクとの関係を示すグラフである。 図１４はＬ１／Ｌ２比率と、車両に搭載された回転電機の大負荷時トルク及び低負荷トルクとの関係を示すグラフである。 図１５はロータにおけるｑ／Ｌ２と回転電機のトルクとの関係を示すグラフである。 図１６は第１変形例のロータにおいて一つの磁極を形成している部分の周辺を拡大して示す説明図である。 図１７は第２変形例のロータにおいて一つの磁極を形成している部分の周辺を拡大して示す説明図である。 図１８は第３変形例のロータにおいて一つの磁極を形成している部分の周辺を拡大して示す説明図である。 図１９（Ａ）は軸方向視において矩形である磁石を示す説明図であり、図１９（Ｂ）は軸方向視において湾曲形状を示す磁石を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。

（実施形態）
[回転電機の構成]
図１や図２を参照すると、実施形態のロータ１４を備えた回転電機１０が模式的に示されている。回転電機１０は、ロータコア２２の内部に永久磁石３２、３６が埋め込まれた永久磁石同期型回転電機、いわゆるＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータである。回転電機１０は、例えば、電動モータ、又は発電機、さらには、電動モータ及び発電機の両方の機能を有するモータジェネレータとして使用される。回転電機１０は、例えば、エンジンと走行用モータとを車両の駆動源として搭載したハイブリッド車両や、電気自動車、燃料電池車等の電動車両の走行モータ、又は、モータジェネレータとして使用される。なお、以下の説明において、「軸方向」、「径方向」、「周方向」とは、それぞれ、ロータ軸方向、ロータ径方向、ロータ周方向を意味するものとする。

回転電機１０は、概ね円筒形のステータ１２と、このステータ１２の内側に同心配置されたロータ１４と、ロータ１４の中心に固着された回転軸１６と、を備えている。ステータ１２は、その内周に複数のティース（不図示）が形成された概ね円筒形のステータコア１８と、各ティースに巻回されたステータコイル２０を有する。ロータ１４の外周面とステータ１２の内周面との間には、ほぼ均一な距離のギャップＧが形成されている。

本実施形態において、ステータ１２はＵ相、Ｖ相及びＷ相の３相からなり、ステータコイル２０は分布巻きによって巻回される（不図示）。ステータコア１８は、周方向に２４個のスロットが設けられ、スロット内にコイルが配置される。すなわち、本実施形態の回転電機１０は、８極２４スロットのモータを形成している。

ロータ１４には、概ね円筒形のロータコア２２と、このロータコア２２に埋め込まれた永久磁石３２、３６とにより、磁極２４が形成されている。ロータコア２２の中心には回転軸１６が固着されており、この回転軸１６は、軸受け（不図示）により支持され、ロータ１４とともに回転する。

図３を参照すると、ロータ１４には、ｑ軸を挟んで周方向に等間隔で並ぶ偶数個（図３では、８個）の磁極２４が形成されている。偶数個の磁極２４の極性は、周方向に交互に反転している。ロータ１４が備えるロータコア２２には、磁極２４毎に、径方向に沿って複数層設けられると共に、ｄ軸を挟んで周方向に対称に設けられた第１磁石装填孔３０、第２磁石装填孔３４が設けられている。ロータコア２２の外側に位置している第１磁石装填孔３０には、外側磁石３２が一つずつ配置されている。一方、ロータコア２２の内側、つまり、第１磁石装填孔３０よりも径方向内側に設けられている第２磁石装填孔３４には、内側磁石３６ａ、３６ｂが配置されている。本実施形態では、径方向に２層の磁石装填孔が設けられているが、層の数は、３層以上であってもよい。

第１磁石装填孔３０は、各磁極において、ｄ軸を挟んで周方向に対称に配置されており、各第１磁石装填孔３０は、ロータコア２２を軸方向に貫通する孔とされている。各第１磁石装填孔３０は、軸方向視では、一方向に長尺な略長方形（矩形）の外形を有している。各第１磁石装填孔３０は、中心側から外周縁側に向かうに従ってｄ軸から離れるように傾斜しており、これにより、二つの第１磁石装填孔３０は、図４に示すように略Ｖ字状を成している。二つの第１磁石装填孔３０の間には、ロータコア２２の一部分である外側センターブリッジ５０が介在している。

各外側磁石３２は、第１磁石装填孔３０と同様に、軸方向視で略長方形の外形を有している。また、各外側磁石３２は、その厚み方向（短軸方向）に磁化されている。この外側磁石３２の幅方向（長軸方向）寸法は、第１磁石装填孔３０の幅方向寸法よりも十分に小さくなっている。このため、外側磁石３２を第１磁石装填孔３０に装填した際、外側磁石３２の幅方向両側には、空隙が形成される。この空隙は、磁束の流れを阻害するフラックスバリアとして機能する。

第２磁石装填孔３４は、第１磁石装填孔３０の径方向内側に設けられており、ｄ軸を挟んで周方向に対称に配置された一対の第２磁石装填孔３４は、略Ｖ字または略Ｕ字を成すよう設けられている。各第２磁石装填孔３４は、第１磁石装填孔３０と同様に、ロータコア２２を軸方向に貫通する孔である。ただし、第２磁石装填孔３４は、軸方向視において、１以上の屈曲点４０を有する折れ線形状の外形を有している。より具体的に説明すると、本実施形態の第２磁石装填孔３４は、屈曲点４０から磁極２４中心側に延びる中心側部分３４ｃと、屈曲点４０からロータ１４外周縁に向かって延びる外側部分３４ｏと、を有した略Ｖ字の外形を有している。二つの第２磁石装填孔３４の間には、ロータコア２２の一部分である内側センターブリッジ５２が介在している。

第２磁石装填孔３４には、二つの内側磁石３６が装填されている。二つの内側磁石３６は、屈曲点４０を挟んで両側に配されている。すなわち第２磁石装填孔３４の中心側部分３４ｃ及び外側部分３４ｏのそれぞれに一つずつ内側磁石３６が装填されている。内側磁石３６も、外側磁石３２と同様に、軸方向視で略長方形の外形を有しており、その厚み方向（短軸方向）に磁化されている。

図１９（Ａ）に、外側磁石３２及び内側磁石３６の軸方向視の形状を示しているが、このような略長方形（矩形）に替えて、図１９（Ｂ）に示すような軸方向視で湾曲形状を有する磁石４３６を用いるようにしてもよい。また、本実施形態における外側磁石３２および内側磁石３６は、同一形状・同一体積であり、外側磁石３２および内側磁石３６は、同一組成・同一特性であるが、永久磁石が配置される位置ごとに、異なる形状、体積の磁石を採用してもよい。また、永久磁石が配置される位置ごとに、異なる組成、さらには、異なる特性を有する磁石を採用してもよい。

次に、本実施形態のロータ１４に流れる磁束について図４及び図５を参照して説明する。図４は、主磁束４６を示す概略図であり、図５はマグネット磁束４８を示す概略図である。本実施形態の回転電機１０が採用する永久磁石同期型回転電機の出力トルクは、リラクタンストルクとマグネットトルクとの合成トルクとなる。リラクタンストルクは、ステータ１２の回転磁界による極とロータ１４の突極との吸引力によって生じるトルクである。このリラクタンストルクは、ロータコア２２内において、ｄ軸を跨ぐように、略周方向に流れる主磁束４６が多いほど増加する。また、マグネットトルクは、ステータ１２の回転磁界の極とロータ１４の磁極２４との吸引および反発によって生じるトルクである。

このマグネットトルクは、ロータコア２２内において、各永久磁石３２，３６を経由しながら流れるマグネット磁束４８が多いほど向上する。本実施形態では、第１磁石装填孔３０と第２磁石装填孔３４を備え、各磁石装填孔に永久磁石３２，３６を装填した２層構造としているため、一層配置の場合に比べて、永久磁石３２，３６の数を増やし、マグネット磁束４８の総量を増やすことができる。また、本実施形態では、一つの第２磁石装填孔３４に二つの外側磁石３２を装填している。その結果、一つの第２磁石装填孔３４に一つの内側磁石３６のみを装填する場合に比べて、永久磁石３２，３６の数を増やし、マグネット磁束４８を増やすことができる。そして、マグネット磁束４８が増加することで、回転電機１０の出力トルクも向上できる。

しかしながら、磁路を通過することができる磁束の量には上限がある。このため、主磁束４６及びマグネット磁束４８が増え、その磁路において、磁気飽和が発生すると、効率よく出力トルクを引き出すことができない。また、大負荷時と低負荷時の出力バランスが悪化する可能性がある。そこで、本実施形態では、図６（Ａ）に示すように、内周側磁路６０、外周側磁路６２及びｑ軸部磁路６４の寸法関係を規定して磁気飽和を抑制し、回転電機１０が搭載された車両から要求される所望の出力トルクが得られるようにしている。

ここで、図６（Ａ）を参照すると、内周側磁路６０は、各磁極２４において、ｄ軸に近い側で第１磁石装填孔３０と第２磁石装填孔３４とを繋ぐ箇所に形成される磁路である。外周側磁路６２は、各磁極２４において、ｑ軸に近い側で第１磁石装填孔と第２磁石装填孔とを繋ぐ箇所に形成される磁路である。内周側磁路６０と外周側磁路６２は、各磁極２４においてｄ軸を挟んで対称に形成されている。また、ｑ軸部磁路６４は、ｑ軸を挟んで隣接する第２磁石装填孔３４間を繋ぐ箇所に形成される磁路である。

本実施形態の回転電機１０が備えるロータ１４では、第１磁石装填孔３０と第２磁石装填孔３４とは、以下の位置関係を有している。
式（１） Ｌ３＞Ｌ２
式（２） １．０＜Ｌ１／Ｌ２≦１．７
式（３） １．０＜ｑ／Ｌ２≦１．２

距離Ｌ１は、内側磁石３６ａにおける磁化容易方向ＭＦＤに沿って測定される内側磁石３６ａと外側磁石３２との距離のうちの最大距離である。ここで、第２磁石装填孔３４には、内側磁石３６ａと内側磁石３６ｂが装填されているが、距離Ｌ１の測定の対象となるのは、内側磁石３６ａである。つまり、距離Ｌ１は、第２磁石装填孔３４に装填された内側磁石３６ａ、３６ｂのうち、ｄ軸に最も近い位置に配置された磁石、つまり、図６（Ａ）に描かれた内側磁石３６ａ、３６ｂのうち、内側磁石３６ａが対象となる。

ここで、磁化容易方向ＭＦＤについて説明する。図６（Ｂ）を参照すると、内側磁石３６ａには短辺方向に沿ってＮ極及びＳ極が形成されている。内側磁石３６ａにおいて、Ｎ極からＳ極へ磁束が流れる方向が磁化容易方向ＭＦＤである。図７（Ａ）を参照すると、平行に描かれた複数の破線は、いずれも磁化容易方向ＭＦＤを示している。距離Ｌ１は、図７（Ａ）に示すように、磁化容易方向ＦＤに沿って測定されている内側磁石３６ａと外側磁石３２との距離のうちの最大距離である。

但し、距離Ｌ１は、ｄ軸の横断を回避した範囲内で設定される。一つの磁極２４内において、第１磁石装填孔３０と第２磁石装填孔３４は、ｄ軸を挟んで対称に設けられているが、距離Ｌ１は、ｄ軸を跨いで設定されない。例えば、図７（Ｂ）に示す両矢印は、ｄ軸よりも右側の領域に設けられている第２磁石装填孔３４に装填された内側磁石３６ａとｄ軸よりも左側の領域に設けられている第１磁石装填孔３０に装填された外側磁石３２との間の最大距離を示している。このように、ｄ軸を跨いで測定される距離は、距離Ｌ１となることはない。つまり、距離Ｌ１は、ｄ軸とｑ軸とに囲まれた一つの領域内において設定される。なお、図６（Ａ）では、ｄ軸よりも右側の領域において設定された距離Ｌ１が矢示によって示されているが、ｄ軸よりも左側の領域においても同様の要領で距離Ｌ１が設定されている。この点は、後に説明する距離Ｌ２及び距離Ｌ３においても同様である。

つぎに、距離Ｌ２は、第２磁石装填孔３４において、内側磁石３６ｂのｄ軸側端部よりもｑ軸側に位置する領域と、第１磁石装填孔３０とを結ぶ距離のうちの最小距離である。ここで、第２磁石装填孔３４には、内側磁石３６ａと内側磁石３６ｂが装填されているが、距離Ｌ２の測定の対象となるのは、内側磁石３６ｂが装填されている領域である。つまり、距離Ｌ２は、第２磁石装填孔３４において、装填された内側磁石３６ａ、３６ｂのうち、最もｑ軸側に配置された内側磁石３６ｂのｄ軸側端部よりもｑ軸側に位置する領域と、第１磁石装填孔３０とを結ぶ最小距離である。

ここで、図８を参照すると、内側磁石３６ｂの左端が内側磁石３６ｂのｄ軸側端部に相当し、図８においてｄ軸側端部は、一点鎖線で示した境界線Ｌｄによって表されている。第２磁石装填孔３４において、この境界線Ｌｄよりもｑ軸側に位置する領域が、距離Ｌ２が設定される領域となる。

つぎに、距離Ｌ３は、第２磁石装填孔３４において、内側磁石３６ａのｑ軸側端部よりもｄ軸側に位置する領域と、第１磁石装填孔３０とを結ぶ距離のうちの最小距離である。ここで、第２磁石装填孔３４には、内側磁石３６ａと内側磁石３６ｂが装填されているが、距離Ｌ３の測定の対象となるのは、内側磁石３６ａが装填されている領域である。つまり、距離Ｌ３は、第２磁石装填孔３４において、装填された内側磁石３６ａ、３６ｂのうち、最もｄ軸側に配置された内側磁石３６ａのｑ軸側端部よりもｄ軸側に位置する領域と、第１磁石装填孔３０とを結ぶ最小距離である。

図８を参照すると、内側磁石３６ａの右端が内側磁石３６ａのｑ軸側端部に相当し、図８においてｑ軸側端部は、一点鎖線で示した境界線Ｌｑによって表されている。第２磁石装填孔３４において、この境界線Ｌｑよりもｄ軸側に位置する領域が、距離Ｌ３が設定される領域となる。従って、図８に示す態様では、例えば、図８中、点線両矢印で示した距離Ｌ３´のような距離は、第２磁石装填孔３４と第１磁石装填孔３０との最短距離を示すものではなく、距離Ｌ３とはならない。

距離Ｌ３は、第１磁石装填孔３０の形状や配置、第２磁石装填孔３４の形状や配置に伴って、その設定される位置が変化する。例えば、図９で示す態様のように、第２磁石装填孔３４の屈曲の程度が緩やかである場合、図８で示した距離Ｌ３に相当する位置の距離Ｌ３´は、最短距離ではく、図８で示した例における距離Ｌ３´に相当する位置が最短距離となり、距離Ｌ３となる。

また、第１磁石装填孔３０内に複数の外側磁石３２が装填されている場合（図１０参照）は、第１磁石装填孔３０に装填された磁石のうち、最もｄ軸側に配置された磁石のｑ軸側端部よりもｄ軸側に位置する領域と、上述した第２磁石装填孔３４の所定の領域との最短距離が距離Ｌ３となる。この点は、距離Ｌ２についても同様である。

第２磁石装填孔３４は、図８や図９に示すように、中心側部分３４ｃと、屈曲点４０からロータ１４外周縁に向かって延びる外側部分３４ｏと、を有した略Ｖ字の外形を有する態様とすることができる。このときの屈曲点４０における角度は適宜設定することができる。また、第２磁石装填孔３４は、屈曲点４０において、屈曲することなく、中心側部分３４ｃと外側部分３４ｏとが概ね直線状に形成された態様とすることもできる。

なお、第２磁石装填孔３４は、境界線Ｌｄよりもｑ軸側に位置する領域と、境界線Ｌｑよりもｄ軸側に位置する領域とに分けられるが、境界線Ｌｄと境界線Ｌｑとの間の領域であって、磁石が存在しない空間は、中間フラックスバリアとして機能する。

つぎに、式（１）について説明する。式（１）は、距離Ｌ３は、距離Ｌ２よりも大きいことを規定している。仮に、距離Ｌ３が距離Ｌ２よりも小さくなるように設定されていると、距離Ｌ３が設定されている箇所において磁気飽和が生じることになる。本実施形態では、このように距離Ｌ３が設定されている箇所において磁気飽和が生じることがないように式（１）が設定されている。

つぎに、式（２）及び式（３）が導き出された理由について説明する。図１１を参照すると、車両に搭載された回転電機１０の常用域におけるモータ回転数とモータトルクとの関係が示されている。回転電機１０が搭載された車両では、車両の登坂走行時想定トルクを１．０[Ｐ．Ｕ．]とし、これに対し、平坦地走行時想定トルクが０．５０４[Ｐ．Ｕ．]に設定されている。以下の説明では、このような登坂走行時の出力トルクを大負荷時トルクとし、平坦地走行時の出力トルクを低負荷時トルクと称することとする。

図１２を参照すると、Ｌ１／Ｌ２比率と、大負荷時トルク［Ｐ．Ｕ．］との関係が示されている。図１２は、Ｌ１／Ｌ２比率が異なる値に設定されたロータ毎に、出力されるトルクの値をプロットする解析シミュレーションによって得られたグラフである。大負荷時トルク［Ｐ．Ｕ．］は、Ｌ１／Ｌ２比率と相関性を有しており、Ｌ１／Ｌ２比率の値が大きくなれば、大負荷トルクが得やすいことがわかる。そして、Ｌ１／Ｌ２比率が１．０よりも大きければ、所望のトルクである１．００［Ｐ．Ｕ．］のトルクを得ることができることがわかる。

つぎに、図１３を参照すると、Ｌ１／Ｌ２比率と、低負荷時トルク［Ｐ．Ｕ．］との関係が示されている。図１３は、Ｌ１／Ｌ２比率が異なる値に設定されたロータ毎に、出力されるトルクの値をプロットする解析シミュレーションによって得られたグラフである。低負荷時トルク［Ｐ．Ｕ．］は、Ｌ１／Ｌ２比率と相関性を有しており、Ｌ１／Ｌ２比率の値が大きくなるに従って、得られるトルクが低下することがわかる。そして、Ｌ１／Ｌ２比率が１．７よりも大きくなると、所望のトルクである０．５０４［Ｐ．Ｕ．］のトルクが得られなくなることがわかる。

このように、Ｌ１／Ｌ２比率は、大負荷時トルクと低負荷時トルクの双方に影響を及ぼすことがわかる。大負荷時トルクと低負荷時トルクは、マグネットトルクとリラクタンストルクとの比率の変化に伴い、磁気飽和状況が変化することと関係しており、Ｌ１／Ｌ２比率に対してトレードオフの関係となる。そこで、図１４に示すように、一方の縦軸に大負荷時トルクをとり、他方の縦軸に低負荷時トルクをとり、双方の要求を満たすことができるＬ１／Ｌ２比率の範囲を決定する。この結果、双方の要求を満たすことができる範囲は、式（２）で示す１．０＜Ｌ１／Ｌ２≦１．７となる。

つぎに、式（３）について説明する。図１５を参照すると、ｑ／Ｌ２比率とトルク［Ｐ．Ｕ．］との関係が示されている。図１５は、ｑ／Ｌ２比率が異なる値に設定されたロータ毎に、出力されるトルクの値をプロットする解析シミュレーションによって得られたグラフである。トルク［Ｐ．Ｕ．］は、ｑ／Ｌ２比率と相関性を有しており、ｑ／Ｌ２比率が一定の範囲にあるときに、所望のトルク、つまり、１．０［Ｐ．Ｕ．］が得られることがわかる。図１５に示すグラフによれば、式（２）に示す１．０＜ｑ／Ｌ２≦１．２５の範囲であれば、１．００［Ｐ．Ｕ．］のトルクを得ることができる。また、ｑ／Ｌ２は、望ましくは、１．０＜ｑ／Ｌ２≦１．２の関係を満たす態様とすることができる。さらに、ｑ／Ｌ２は、ｑ／Ｌ２＝１．１の関係を満たす態様とすることができる。特に、ｑ／Ｌ２＝１．１の関係を満たす場合、磁気飽和と磁石漏れ磁束とのバランスが取れた状態であり、得られるトルクが最大となる。

以上のように、式（１）Ｌ３＞Ｌ２を満たす範囲内で、さらに、式（２） １．０＜Ｌ１／Ｌ２≦１．７、式（３） １．０＜ｑ／Ｌ２≦１．２５を満たすようにＬ１、Ｌ２及びｑを設定することで、所望の出力トルクを得ることができる。具体的に、リラクタンストルクが発揮され易くなり、各磁路の磁気飽和が抑制されて大ルク、高出力が得やすくなる。また、磁気飽和が緩和されることで、高周波成分が低減され、回転電機１０における低損失、低トルクリプルを確保することができる。

なお、式（２）だけを満たすロータ１４であっても磁気飽和を抑制することができる。式（３）を満たすことで、より効果的に磁気飽和を抑制することができる。この際、式（１）を満たすことで、距離Ｌ３が設定されている箇所における磁気飽和の発生を回避することができ、式（２）や式（３）を満たすことによる所望のトルクを得ることができる。

なお、本実施形態において、距離Ｌ１は、外側磁石３２及び内側磁石３６の軸方向視における長辺の長さ及び短辺の長さよりも長い。また、距離Ｌ１は、第１磁石装填孔３０の長さや、第２磁石装填孔３４の中心側部分３４ｃと外側部分３４ｏとを連ねた長さよりも短く、第１磁石装填孔３０の幅や、第２磁石装填孔３４の幅よりも長い。距離Ｌ２は、外側磁石３２及び内側磁石３６の軸方向視における長辺の長さよりも短く、短辺の長さよりも長い。また、距離Ｌ２は、第１磁石装填孔３０の長さや、第２磁石装填孔３４の中心側部分３４ｃと外側部分３４ｏとを連ねた長さよりも短く、第１磁石装填孔３０の幅や、第２磁石装填孔３４の幅よりも長い。最小幅ｑは、外側磁石３２及び内側磁石３６の軸方向視における長辺の長さ及び短辺の長さよりも広い。また、最小幅ｑは、第１磁石装填孔３０の長さや、第２磁石装填孔３４の中心側部分３４ｃと外側部分３４ｏとを連ねた長さよりも短く、第１磁石装填孔３０の幅や、第２磁石装填孔３４の幅よりも長い。

［効果］
本実施形態のロータ１４では、距離Ｌ１、距離Ｌ２及びｑ軸部磁路６４の最小幅ｑの関係が式（１） Ｌ３＞Ｌ２、式（２） １．０＜Ｌ１／Ｌ２≦１．７及び式（３） １．０＜ｑ／Ｌ２≦１．２を満たすように設定されている。これにより、磁気飽和状態の発生を抑制することができる。

［変形例］
つぎに、図１６から図１７を参照して変形例について説明する。以下の説明では、各変形例と、実施形態で説明したロータ１４との相違点を中心に説明し、実施形態のロータ１４と共通する構成要素については、図面中、同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。

＜第１変形例＞
図１６を参照すると、第１変形例のロータ１１４は、実施形態のロータ１４が備える第１磁石装填孔３０及び外側磁石３２に替えて第１磁石装填孔１３０及び外側磁石１３２を備える。実施形態のロータ１４では、２つの第１磁石装填孔３０がｄ軸を挟んで周方向に対称に配置されていたのに対し、ロータ１１４における第１磁石装填孔１３０は、ｄ軸が通過する一つの孔である。そして、外側磁石１３２も、ｄ軸が通過し、矩形（略長方形）を有する一つの磁石とされている。

このような形態のロータ１１４においても、式（１） Ｌ３＞Ｌ２、式（２） １．０＜Ｌ１／Ｌ２≦１．７及び式（３） １．０＜ｑ／Ｌ２≦１．２を満たすように距離Ｌ１、距離Ｌ２、距離Ｌ３及び最小幅ｑが設定されている。これにより、所望の出力トルクを得ることができる。

＜第２変形例＞
図１７を参照すると、第２変形例のロータ２１４は、実施形態のロータ１４が備える第１磁石装填孔３０及び外側磁石３２に替えて第１磁石装填孔２３０及び外側磁石３２を備える。第１磁石装填孔２３０は、ｄ軸が通過する中央装填部２３０ａと、この中央装填部２３０ａの両側にそれぞれ広がる側部装填部２３０ｂを含む。そして、中央装填部２３０ａと側部装填部２３０ｂのそれぞれに外側磁石３２が配置されている。

このような形態のロータ２１４においても、式（１） Ｌ３＞Ｌ２、式（２） １．０＜Ｌ１／Ｌ２≦１．７及び式（３） １．０＜ｑ／Ｌ２≦１．２を満たすように距離Ｌ１、距離Ｌ２、距離Ｌ３及び最小幅ｑが設定されている。これにより、所望の出力トルクを得ることができる。
＜第３変形例＞
図１８を参照すると、第３変形例のロータ３１４は、実施形態のロータ１４が備える第２磁石装填孔３４及び内側磁石３６に替えて第２磁石装填孔３３４及び内側磁石３３６ａ、３３６ｂ及び３３６ｃを備える。実施形態のロータ１４では、第２磁石装填孔３４は、一つの屈曲点４０を備えていたが、ロータ３１４は、２つの屈曲点３４０ａ、３４０ｂを備えている。そして、屈曲点３４０ａ、３４０ｂで屈曲することで形成された領域にそれぞれ内側磁石３３６ａ、３３６ｂ及び３３６ｃが配置されている。

このような形態のロータ３１４においても、式（１） Ｌ３＞Ｌ２、式（２） １．０＜Ｌ１／Ｌ２≦１．７及び式（３） １．０＜ｑ／Ｌ２≦１．２を満たすように距離Ｌ１、距離Ｌ２、距離Ｌ３及び最小幅ｑが設定されている。これにより、所望の出力トルクを得ることができる。また、ｑ／Ｌ２は、望ましくは、１．０＜ｑ／Ｌ２≦１．２の関係を満たす態様とすることができる。さらに、ｑ／Ｌ２は、ｑ／Ｌ２＝１．１の関係を満たす態様とすることが望ましい。

上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１０ 回転電機 １２ ステータ
１４、１１４、２１４，３１４ ロータ １６ 回転軸
１８ ステータコア ２０ ステータコイル
２２ ロータコア ２４ 磁極
３０、１３０、２３０ 第1磁石装填孔 ３２ 外側磁石
３４、３３４ 第２磁石装填孔
３６ａ、３６ｂ、３３６ａ、３３６ｂ、３３６ｃ 内側磁石
４０、３４０ａ、３４０ｂ 屈曲点 ４６ 主磁束
４８ マグネット磁束 ５０ 外側センターブリッジ
５２ 内側センターブリッジ ６０ 内周側磁路
６２ 外周側磁路 ６４ ｑ軸部磁路

Claims (10)

1. ステータの内側に回転可能に同心配置され、ｑ軸を挟んで周方向に並ぶ複数の磁極が形成されるロータであって、
   前記ロータは、前記磁極毎に、径方向に沿って複数層設けられると共に、ｄ軸を挟んで周方向に対称に設けられた磁石装填孔が形成されたロータコアと、前記磁石装填孔内に配置された磁石と、を含み、
   前記径方向に沿って複数層設けられた前記磁石装填孔に含まれる第１磁石装填孔と、当該第１磁石装填孔よりも径方向内側に位置する第２磁石装填孔とは、
   前記第２磁石装填孔に装填された磁石のうち、前記ｄ軸に最も近い位置に配置された磁石においてＮ極からＳ極へ磁束が流れる方向に沿う当該磁石と前記第１磁石装填孔に装填された磁石との距離であって、前記ｄ軸の横断を回避した距離の最大距離をＬ１とし、
   前記第２磁石装填孔において当該第２磁石装填孔に装填された磁石のうち、最も前記ｑ軸側に配置された磁石のｄ軸側端部よりも前記ｑ軸側に位置する領域と、前記第１磁石装填孔とを結ぶ最小距離をＬ２とし、
   前記第２磁石装填孔において当該第２磁石装填孔に装填された磁石のうち、最も前記ｄ軸側に配置された磁石のｑ軸側端部よりも前記ｄ軸側に位置する領域と、前記第１磁石装填孔との最小距離をＬ３としたときに、
   式（１） Ｌ３＞Ｌ２
   式（２） １．０＜Ｌ１／Ｌ２≦１．７
   の位置関係を満たす、
   ロータ。
2. 前記ロータコアは、前記ｑ軸を挟んで隣接する前記第２磁石装填孔間を繋ぐｑ軸部磁路を有し、
   前記ｑ軸部磁路の最小幅をｑとしたときに、
   式（３） １．０＜ｑ／Ｌ２≦１．２
   の関係をさらに満たす、
   請求項1に記載のロータ。
3. 一つの前記磁極において、前記第１磁石装填孔は、前記ｄ軸が通過する外側センターブリッジを隔てて前記ｄ軸を挟んで周方向に対称に設けられ、前記第１磁石装填孔のそれぞれに前記磁石が配置された、
   請求項１又は２に記載のロータ。
4. 一つの前記磁極において、前記第１磁石装填孔は、前記ｄ軸が通過する一つの孔であり、当該一つの孔には、前記ｄ軸が通過し、矩形を有する一つの前記磁石が配置された、
   請求項１又は２に記載のロータ。
5. 一つの前記磁極において、前記第１磁石装填孔は、前記ｄ軸が通過する中央装填部と、当該中央装填部の両側にそれぞれ広がる側部装填部を含み、前記中央装填部と、前記側部装填部のそれぞれに、前記磁石が配置された、
   請求項１又は２に記載のロータ。
6. 一つの前記磁極において、前記第２磁石装填孔は、前記ｄ軸が通過する内側センターブリッジを隔てて前記ｄ軸を挟んで周方向に対称に設けられ、前記第２磁石装填孔のそれぞれに前記磁石が配置された、
   請求項１から５のいずれか１項に記載のロータ。
7. 前記磁石は、前記第２磁石装填孔に複数個配置された、
   請求項５に記載のロータ。
8. 一つの前記磁極において、前記第２磁石装填孔は、軸方向視において１以上の屈曲点を有する折れ線形状を有し、前記屈曲点の両側の領域にそれぞれ前記磁石が設けられた、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のロータ。
9. 前記磁石は、軸方向視において湾曲形状を示す形状を有する、
   請求項１から７のいずれか１項に記載のロータ。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載のロータを備えた、
    回転電機。

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