JP5479978B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石を支持するロータをステータに対して回転させる構造の埋込磁石同期モータ等の回転電機に係り、特に、簡単な構成により損失を改善し得る構成の回転電機に関する。

一般に、回転電機、例えば埋込磁石同期モータ（以下、ＩＰＭともいう。）では、回転可能な回転シャフトと、筒状に形成されたステータコアを有するステータと、回転シャフトに固設されたロータコアを有するロータと、異なる磁性の１組の磁極がロータの径方向に並ぶように設けられた永久磁石と、ステータの外周に設けられた磁界ヨークと、該磁界ヨークと上記ロータとの間に磁気回路を形成することによってこれらロータとステータとの間の磁束密度を制御可能な巻線（ステータコイル）と、を備えたものが知られている。

近年、燃費を改善した車輌としてハイブリッド自動車等が注目されているが、該ハイブリッド自動車は、ガソリンエンジン、トランスミッション、インバータ、電池、モータ、及びそれらの制御装置から構成されており、上記埋込磁石同期モータは、信頼性が高く効率が良く回転速度が可変な制御性の良いモータとして、上記のようなハイブリッド自動車等に用いられている。

ところで、大型のスポーツユーティリティビークル（以下、ＳＵＶという。）等にも対応可能なハイブリッドシステムの開発が期待されているが、その実現には、大出力エンジンとのバランス上、車輌駆動用のモータの出力密度を大幅に向上させる必要がある。モータの出力密度を向上させるには、モータの出力トルク自身を向上させる方法と、モータを高速回転させてこれを歯車機構により減速してトルクを大きくする方法とが挙げられる。

そこで、上記ＳＵＶ等にも対応可能なハイブリッドシステムを実現させるため、ＩＰＭにおいて、ロータの回転中心を中心とする電気角で１２７゜〜１４０゜の範囲内に、回転中心側を頂点とするＶ字に沿って配置した第１、第２の磁石と、これら第１、第２の磁石をそれぞれ収納する第１、第２の孔を形成したロータ本体（ロータコア）とを配置し、該ロータ本体が、Ｖ字の頂点部に位置して上記第１、第２の孔を仕切る支持部を備えるように構成して、高速回転が可能でエネルギ効率を改善したものが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００６−２５４６２９号公報

ところで、モータ、例えば埋込磁石同期モータ（ＩＰＭ）では、低電流状態でトルク低下を招くことがあるため、低電流状態においてトルク低下を招くことなく、かつ最大トルクを低下させることなく、モータ損失を更に低減させるなどの要請がある。

本出願人は、当該要請に基づいて鋭意探求した結果、上記埋込磁石型同期モータにおいて、ロータに埋め込んだ永久磁石の周辺に空隙（エアギャップ）を形成し、永久磁石と空隙との関係を適正に規定すれば、更なるモータ損失低減の実現を図ることが可能な点に着眼したが、埋込磁石型同期モータにあっては、構成上、永久磁石の周辺に空隙を形成したものは存在するものの、永久磁石と空隙との関係を規定したものはない。

そこで本発明は、可及的に簡素な構成によって永久磁石と空隙部との関係を適正に規定することより、モータ損失を更に低減して回転電機の効率化を更に高め得るようにした回転電機を提供することを目的とする。

本発明は（例えば図１乃至図１３参照）、環状に形成されたステータコア（１５）及び該ステータコア（１５）に巻回されたステータコイル（２４）を有するステータ（１３）と、該ステータ（１３）の中心に位置して回転可能に配置された回転シャフト（１１）と、該回転シャフト（１１）に固設された状態で前記ステータ（１３）内に回転可能に配置されたロータ（１２）と、該ロータ（１２）の回転中心（Ｏ）側から次第に狭まる逆Ｖ字状に沿うように配置される永久磁石（１７ａ，１７ｂ）と、を備えてなる回転電機（１０）において、
前記回転中心（Ｏ）を中心として放射状に延びるように前記ロータ（１２）に複数の支持部（２０）を設け、
前記複数の支持部（２０）にそれぞれ対応させて、
前記永久磁石（１７ａ，１７ｂ）と前記ステータ（１３）との間における磁束（２３）の流れ方向（２７）での前記永久磁石（１７ａ，１７ｂ）の縁部（１７ｃ，１７ｄ）から所定距離（ｌ_core）離間した位置に、前記ステータコイル（２４）への給電が低電流状態での低トルク発生時には磁気飽和を発生させ、かつ前記給電が高電流状態での最大トルク発生時には磁気飽和を発生させないようにし得る、所定長さ（ｌ_mag）の空隙部（２１，２５）を形成し、
前記永久磁石（１７ａ，１７ｂ）は矩形状に形成され、
前記空隙部（２１，２５）は、対応する前記永久磁石（１７ａ，１７ｂ）の傾斜方向に沿って延在するように、かつ前記永久磁石（１７ａ，１７ｂ）より内径側に設けられた空間部（７）から外径側に食い込むように切り欠き形成され、
前記空隙部（２１，２５）の前記永久磁石（１７ａ，１７ｂ）の縁部（１７ｃ，１７ｄ）からの前記所定距離を、前記永久磁石（１７ａ，１７ｂ）から前記空隙部（２１，２５）までの距離ｌ _core とし、かつ、前記空隙部（２１，２５）の該距離ｌ _core に対する垂直方向での前記所定長さを、前記空隙部（２１，２５）と前記永久磁石（１７ａ，１７ｂ）とのオーバーラップ幅ｌ _mag としたとき、ｌ _mag ／ｌ _core が次式
２．４＜ｌ _mag ／ｌ _core ＜１０．０
を満たしてなる、
ことを特徴とする回転電機（１０）にある。

なお、上記カッコ内の符号は、図面と対照するためのものであるが、これは、発明の理解を容易にするための便宜的なものであり、特許請求の範囲の構成に何等影響を及ぼすものではない。

本発明によると、ロータに設けた複数の支持部にそれぞれ対応させて、永久磁石とステータとの間における磁束の流れ方向での永久磁石の縁部から所定距離離間した位置に、ステータコイルへの給電が低電流状態での低トルク発生時には磁気飽和を発生させ、かつ給電が高電流状態での最大トルク発生時には磁気飽和を発生させないようにし得る、所定長さの空隙部を形成したので、支持部に所定形状の空隙部を形成した簡素な構成からなるものでありながら、低電流状態では、磁気飽和を発生させることで、永久磁石の磁束を弱めて（磁石磁束を小さくして）、永久磁石からステータに伝わる磁束を低減することで鉄損を減少させ、低電流時におけるトルク低下を発生し難くして、回転電機の作動効率を向上させることができる。一方、高電流状態では、磁気飽和を発生させないようにすることで、永久磁石の磁束の低下を減少させて（磁石磁束の減少を抑えて）、永久磁石からステータに伝わる磁束を低減させず鉄損の減少を抑制し、最大トルクの低下を発生し難くして、回転電機の作動効率を向上させることができる。また、空隙部が、対応する永久磁石の傾斜方向に沿って延在するように切り欠き形成されるので、プレス加工等によってロータの内径側に所定形状の空隙部を切り欠き形成（打ち抜き加工）するだけで、高効率な構成の回転電機を実現できる。更に、空隙部の永久磁石の縁部からの所定距離を、永久磁石から空隙部までの距離ｌ _core とし、かつ、空隙部の該距離ｌ _core に対する垂直方向での所定長さを、空隙部と永久磁石とのオーバーラップ幅ｌ _mag としたとき、ｌ _mag ／ｌ _core が次式、２．４＜ｌ _mag ／ｌ _core ＜１０．０を満たしてなるので、空隙の永久磁石に対する関係を良好にして、高効率な構成の回転電機を実現できる。

本発明に係る実施形態における回転電機の全体を示す平面断面図である。 本発明に係る実施形態における回転電機の無負荷時の磁束を示す平面断面図である。 ロータの外周縁部での永久磁石と空隙部とを関係を説明する図であり、（ａ）は永久磁石と空隙部との位置関係の寸法を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の位置関係を模式的に示す模式図である。 図３（ｂ）の状態において形成される磁気回路を模式的に示す模式図である。 本実施形態における回転電機の電流−磁石磁束の特性を示すグラフ図である。 （ａ）は本実施形態のｌ_core部における低電流状態でのＢ−μ特性を示すグラフ図、（ｂ）は低電流状態での磁石材料特性を示すグラフ図である。 （ａ）は本実施形態のｌ_core部における最大トルク発生時のＢ−μ特性を示すグラフ図、（ｂ）は最大トルク発生時の磁石材料特性を示すグラフ図である。 （ａ）は低電流時動作点及び最大トルク時動作点等を示すグラフ図、（ｂ）は低電流時動作点及び最大トルク時動作点を示す磁石材料特性のグラフ図である。 低電流状態での各関係を示す図であり、（ａ），（ｂ）は低電流時損失を示すグラフ図、（ｃ）は磁石磁束の低電流時動作点を示すグラフ図である。 最大トルク発生時の各関係を示す図であり、（ａ），（ｂ）は最大トルク発生時のトルクを示すグラフ図、（ｃ）は磁石磁束の最大トルク時動作点を示すグラフ図である。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ変形例におけるロータの外周縁部での永久磁石と空隙部との関係を説明する図である。 別の変形例におけるロータの外周縁部での永久磁石と空隙部との関係を説明する図である。 他の実施形態におけるロータの外周縁部での永久磁石と空隙部との関係を説明する図であり、（ａ）は永久磁石と空隙部との位置関係の寸法を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の位置関係を模式的に示す模式図である。

以下、本発明に係る回転電機の実施形態を図１乃至図１３に沿って説明する。なお、以下に説明する実施形態では、本発明を、ハイブリッド車輌に搭載されるモータジェネレータ（回転電機）に適用した例を挙げて説明するが、本発明に係る回転電機は、モータや、ジェネレータにも適用し得るものであり、またハイブリッド車輌以外の各種車輌（燃料電池車や電気自動車等の電動車輌）、或いは、産業機器、空調機器、環境機器等の種々の機器に搭載される回転電機にも適用し得ることは勿論である。

まず、図１及び図２を参照して、本実施形態における回転電機の概略構成について説明する。図１は本実施形態における回転電機の全体を示す平面断面図、図２は該回転電機の無負荷時の磁束を示す平面断面図である。なお、図１では、便宜上、界磁ヨーク１４の図示は省略している。

図１及び図２に示すように、回転電機１０は、複数個の永久磁石１７ａ，１７ｂが周方向に亘って配置されたロータ１２と、回転磁界を形成する三相コイル（図１のステータコイル２４）が巻回されたステータ１３とを備えている。

すなわち、上記回転電機１０は、全体的に図１の手前−奥方向に長い円筒状に構成されており、平面視における中心部分に回転シャフト１１を有している。そして、回転電機１０は、環状に形成されたステータコア１５及び該ステータコア１５に巻回されたステータコイル２４を有するステータ（固定子）１３と、該ステータ１３の中心に位置して回転可能に支持された回転シャフト１１と、ステータ１３の外周に配置された中空円筒状の界磁ヨーク１４と、回転シャフト１１に固設された状態で上記ステータ１３内に回転可能に配置されたロータコア１６を有するロータ（回転子）１２と、該ロータ１２の回転中心Ｏ側から次第に狭まる逆Ｖ字状に沿うように配置される永久磁石１７ａ，１７ｂからなる複数組（本実施形態では８組）の磁石対９とを有している。

各永久磁石１７ａ，１７ｂは、ロータコア１６に対してそれぞれ図１の手前−奥方向に延在するように埋設されている。ロータ１２を成すロータコア１６は、複数枚の電磁鋼板を、回転シャフト１１の軸方向（図１の手前−奥方向）に積層した状態に構成されている。上記ステータ１３は、ステータコア１５に巻回されたステータコイル２４を有している。また、ステータコア１５の内周面には、周方向に間隔を隔てて複数形成されたステータティース１８と、該ステータティース１８間に位置するスロット１９とが形成されている。

上記ステータコイル２４は、ステータコア１５の全周において、所定の結線状態となる３相巻線による３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）として所定の巻方式に則って巻回されている。つまり、ステータコイル２４は、複数位相の交流における同相で異極性のものが隣接するように配置され、Ｕ＋相とＵ−相が対を成し、Ｖ＋相とＶ−相が対を成し、Ｗ＋相とＷ−相が対を成している。なお、図１には、便宜上、ステータコイル２４のＵ相のみを模式的に図示したが、Ｖ相及びＷ相も同様に設けられている。

ロータ１２とステータ１３との間には、所定間隔のエアギャップＧｐが設けられており、これらロータ１２とステータ１３とは、互いに僅かに径方向に離間した状態で配置されている。該ステータ１３は中空円筒状に形成されており、複数枚の電磁鋼板を図１の手前−奥方向に積層したステータコア１５によって構成されている。該ステータ１３内には、上記ロータ１２が、円柱状の回転シャフト１１の中心において図１の手前−奥方向に延びる回転中心（回転軸線）Ｏを中心として回転可能に支持されている。

ステータ１３及びロータ１２を収容している上記界磁ヨーク１４は、ステータ１３の外周面に装着される不図示の側壁部分と、該側壁部分の軸方向両端部に形成された不図示の天板部分とを有している。該天板部分の中央部には不図示の貫通孔が形成されており、該貫通孔には、不図示の軸受を介して上記回転シャフト１１が回転可能に嵌め込み支持されている。

上記ロータコア１６には、ロータ１２の周方向に所定の間隔をあけて複数（本実施形態では１６個）の永久磁石１７ａ，１７ｂ（以下、これらを総称して単に永久磁石１７ともいう。）が交互に配置されている。これら複数の永久磁石１７は、隣り合う永久磁石１７ａと永久磁石１７ｂとが回転中心Ｏ側から外周側に向かって次第に狭まる逆Ｖ字状に沿うように配置されている。ロータ１２のロータコア１６には、回転シャフト１１の回転中心Ｏを中心とした等角度間隔で放射状に延びるように複数（本実施形態では８本）の支持部２０が形成されている。磁石対９をなす永久磁石１７ａ，１７ｂはそれぞれ、ロータコア１６の各所定の位置に埋め込み配置されている。

例えば、図２における最上部に記載されている磁石対９の永久磁石１７ａ，１７ｂでは、該永久磁石１７ａのロータ外周側を向く面がＮ極とされ且つロータ内周側を向く面がＳ極となるように配置され、永久磁石１７ｂのロータ外周側を向く面がＳ極とされ且つロータ内周側を向く面がＮ極となるように配置されている。このような磁石対９における永久磁石１７ａ，１７ｂのＳ極，Ｎ極の向きが、隣接する磁石対９ごとにそれぞれ逆になるように配設されている。図２に示すように、永久磁石１７の磁極がつくるｄ軸、ｑ軸は図示の矢印のようになっている。

上記ロータ１２（ロータコア１６）における、隣り合う永久磁石１７ｂと永久磁石１７ａの回転中心Ｏ側には、回転シャフト１１の軸方向に延びるように空間部７が貫通形成されており、該空間部７には、径方向に延びる２本の梁状部８が設けられている。該ロータ１２には、永久磁石１７ａ（１７ｂ）に対応する空隙部（エアギャップ）２１がそれぞれ形成されている。複数（本実施形態では１６個）の空隙部２１はそれぞれ、ロータ１２の周方向において各支持部２０の永久磁石１７ａ，１７ｂにそれぞれ対応する位置に形成されている。

上記複数の支持部２０における複数の空隙部２１は、図２に示すように、磁束２３の流れ方向２７を遮るように（遮る方向に）形成されており、このことは後述の空隙部２５，２６，２８，３０も同様である。そして、空隙部２１は、図１に示すように、複数の支持部２０にそれぞれ対応させて、永久磁石１７ａ，１７ｂからなる磁石対９とステータ１３との間における磁束２３の流れ方向（図２、図３（ａ）の矢印２７）での永久磁石１７ａ，１７ｂの縁部１７ｃ（図３参照）から所定距離（ｌ_core）離間した位置に、ステータコイル２４への給電が第１所定値（図５に示すモータ電流（相電流）9.0［Arms］）より大きい低電流状態では磁気飽和を発生させ、かつ上記給電が該第１所定値より大きい第２所定値（図５に示すモータ電流150.0［Arms］）よりも小さい高電流状態での最大トルク発生時には磁気飽和を発生させないようにし得る、所定長さ（ｌ_mag）を有する形状に構成されている。

上記空隙部２１は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、ロータ１２の周方向における永久磁石１７ａ，１７ｂにそれぞれ対応する位置において、該ロータ１２の外径部１２ａと支持部２０とが交わる部位にて、対応する永久磁石１７ａ，１７ｂの傾斜方向に沿って延在するように切り欠き形成されている。図３（ａ）において、符号２１ａは空隙部２１の形成開始部であり、符号２１ｂは空隙部２１の形成終端部である。空隙部２１は、空間部７側から外径部１２ａ側に食い込むように略Ｖ字状に形成され、各永久磁石１７ａ，１７ｂに対し、形成開始部２１ａから形成終端部２１ｂに向かって縁部１７ｃから次第に離れるように斜めに形成され、形成終端部２１ｂの部位が縁部１７ｃから最も離れて、永久磁石１７ａから空隙部２１までの距離ｌ_coreを構成する。

永久磁石１７ａ，１７ｂは、ロータ１２の外径部１２ａにおいて回転シャフト１１の軸方向に延びるように切り欠き形成された嵌合部１２ｂに、埋設固定されている。嵌合部１２ｂのステータ１３側には空間部２２ａが、回転シャフト１１の軸方向に延在するように形成されており、嵌合部１２ｂの回転中心Ｏ側には空間部２２ｂが、回転シャフト１１の軸方向に延在するように形成されている。空間部２２ａの支持部２０側には、永久磁石１７ａ，１７ｂの空間部２２ａ側への移動を係止する係止突部１２ｃが形成されている。空間部２２ｂの回転中心Ｏ側には、永久磁石１７ａ，１７ｂの回転中心Ｏ側への移動を係止する係止突部２１ｃが形成されている。

図３（ａ）では、縁部１７ｃとロータ１２との間に隙間があるように図示しているが、実際には該隙間は無く、縁部１７ｃはロータ１２に密接している。なお、図３では、永久磁石１７ｂを中心に述べているが、各永久磁石１７ａに対応する空隙部２１は、永久磁石１７ｂに対応する空隙部２１とは逆の向き（逆向きの傾斜）に形成されている。

上記構成を有する本回転電機１０では、回転電機制御用の制御部（図示せず）が、出力すべきトルク指令値を回転電機外部の不図示のＥＣＵ（Electrical Control Unit）等から受け取ると、該受け取ったトルク指令値によって指定されたトルクを出力するためのモータ制御電流を生成し、該生成したモータ制御電流を、図１に示す入力部２９から、ステータコイル２４→中性点１，２へ流れるように供給（便宜上、Ｕ相のみ図示）することで、ロータ１２がステータ１３に対して回転する。

次に、ロータ１２に空隙部２１を設けた構成及びそれによる作用について説明する。まず、本回転電機１０では、永久磁石１７とオーバーラップする空隙部２１がある図３（ａ），（ｂ）に示す構造において、空隙部２１の永久磁石１７ａ，１７ｂの各縁部１７ｃからの所定距離（ｂ）を、永久磁石１７ａ，１７ｂの各縁部１７ｃから空隙部２１の形成終端部２１ｂまでの距離ｌ_coreとし、かつ、空隙部２１の該距離ｌ_coreに対する垂直方向での所定長さを、空隙部２１における形成開始部２１ａと形成終端部２１ｂとの間の距離ａ、即ち空隙部２１と永久磁石１７ａ，１７ｂとのオーバーラップ幅ｌ_magとしたとき、ｌ_mag／ｌ_coreが次式（Ａ）
２．４＜ｌ_mag／ｌ_core＜１０．０ …（Ａ）
を満たすように構成されている。

回転電機１０では、上記式（Ａ）の関係を満たす場合、後述するように、低電流状態におけるトルク低下を発生し難くすることができると共に、高電流状態での最大トルク時には、最大トルクを充分に発生させることができる。なお、図３（ａ），（ｂ）において、ｌ_magの寸法ａは例えば３．２０ｍｍに、ｌ_coreの寸法ｂは例えば１．３３ｍｍに設定することができる。

ここで、発明のメカニズム（１）について説明する。トルクＴ及び損失Ｗは、一般的に磁石磁束Φmを用いて、次の式（Ｂ）、式（Ｃ）のように表される。
Ｔ＝Ｐ_n×｛Φ_m＋(Ｌ_d−Ｌ_q)×Ｉ_d｝×Ｉ_q ………（Ｂ）
Ｗ＝ｋ_h×ｆ×Ｂ²×ｋ_e×ｆ²×Ｂ² ………スタインメッツの実験式
Φ＝Ｂ×Ｓ
Ｗ∝ｋ_h×ｆ×Φ_m ²+ｋ_e×ｆ²×Φ_m ² ………（Ｃ）
ただし、Ｐ_n：極数、Ｌ_d：ｄ軸インダクタンス、Ｌ_q：ｑ軸インダクタンス、Ｉ_d：ｄ軸電流、Ｉ_ｑ：ｑ軸電流、ｋ_h：ヒステリシス損比例定数（係数）、ｆ：周波数、Ｂ：磁束密度、Φ：磁束［Wb］、Ｓ：断面積、ｋ_e：渦電流損比例定数（係数）である。

本実施形態の空隙部２１を有するロータ１２を備えたことによるモータ電流と磁石磁束Φ_mとの関係は、図５に示すようになる。同図は、本実施形態の回転電機１０の電流−磁石磁束の特性を示すグラフ図であり、縦軸に磁石磁束Φm［Wb］をとり、横軸にモータ電流［Arms］をとっている。

すなわち、図５に示すグラフでは、モータ電流０〜２００［Arms］の間で、磁石磁束Φmが０．０８４［Wb］から０．０６［Wb］に緩やかに変化している。

このようなグラフ特性では、例えばモータ電流（相電流）が9.0［Arms］の低電流状態での動作点Ｄにおいて、ロータ１２に空隙部２１を有する本回転電機１０におけるオーバーラップ幅ｌ_magと距離ｌ_coreとの比であるｌ_mag／ｌ_coreに対する磁石磁束Φmの関係は、図９（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すようになる。また、例えばモータ電流（相電流）が150.0［Arms］の高電流状態での動作点Ｍにおいて、オーバーラップ幅ｌ_magと距離ｌ_coreとの比であるｌ_mag／ｌ_coreに対する磁石磁束Φmの関係は、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すようになる。なお、動作点とは、磁気回路内における永久磁石１７の磁束密度Ｂ、磁界の強さＨ［A/m］等の状態を示す点を意味している。

低電流状態では、図９（ｃ）より、ｌ_mag／ｌ_core＝２．４を境界として、
２．４＜ｌ_mag／ｌ_core
である場合に、磁石磁束Φmが０．０８５［Wb］から小さくなり始めるため、上述した式（Ｃ）
Ｗ∝ｋ_h×ｆ×Φ_m ²+ｋ_e×ｆ²×Φ_m ² ………（Ｃ）
より、損失Ｗ（つまりモータ損失［W］）が、図９（ａ），（ｂ）に示すように、約４７０［W］から次第に低下し始めて、磁気飽和が発生する。つまり、永久磁石１７の磁石磁束Φmを弱めて（小さくして）、永久磁石１７からステータ１３に伝わる磁束を低減することで鉄損を減少させ、低電流状態でのトルク低下を発生し難くして、回転電機１０の作動効率を向上させることができる。

高電流状態では、図１０（ｃ）より、ｌ_mag／ｌ_core＜１０．０の範囲において、ｌ_mag／ｌ_coreが０から６．９までの間は磁石磁束Φmの低下が少なく、トルク低下は小さい。ｌ_mag／ｌ_coreが６．９を超えると、ｌ_mag／ｌ_coreが１０．０に至るまでは、ロータ１２回転時のトルク［Nm］が０．５％低下（図９（ａ）参照）するものの、本発明による効果を得ることができる。

即ち、高電流状態の最大トルク発生時では、図１０（ｃ）より、
ｌ_mag／ｌ_core＜１０．０
の場合に、磁石磁束Φmは、
ｌ_mag／ｌ_core≧１０．０
の場合に比して大きな値をとるので、上述した式（Ｂ）
Ｔ＝Ｐ_n×｛Φ_m＋(Ｌ_d−Ｌ_q)×Ｉ_d｝×Ｉ_q ………（Ｂ）
より、最大トルクＴの低下が小さくなることがわかる。

このように、図１０（ａ）において、２．４＜ｌ_mag／ｌ_core＜１０．０の数値範囲は、ロータ１２回転時のトルク［Nm］が０．５％低下する範囲を、本発明による効果が発生する有効範囲とするものである。そして、上記式（Ａ）におけるｌ_mag／ｌ_coreの数値の範囲は、より好ましくは、２．４＜ｌ_mag／ｌ_core＜６．９であり、この範囲の場合、ロータ１２回転時のトルク［Nm］の低下をより効果的に抑えて、最大トルク発生時のモータ損失をより低減し、回転効率を一層向上させるという効果を得ることができる。

次に、発明のメカニズム（２）について説明する。まず、磁石磁束Φmについて考える。ここで、磁石磁束Φmは、図４に示す本実施形態の構成に相当する磁気回路の場合、パーミアンス法により、下記の式（Ｄ）で表すことができる。

すなわち、図４に示すように、永久磁石１７ａ（又は１７ｂ）による磁気回路は、ロータ１２（ロータコア１６）において、磁石磁界Ｈ_m、ｌ_mag部の磁気抵抗Ｒ_mag［A/Wb］、ｌ_core部の磁気抵抗Ｒ_core、ｌ_mag部及びｌ_core部以外の磁気抵抗Ｒ_otherで構成され、磁石磁束Φmは矢印のようになる。そして、これらの関係は以下のように表される。
Φm＝Ｈ_m／(Ｒ_mag＋Ｒ_core＋Ｒ_other)
Ｒ_core＝(１／μ_core)×(ｌ_core／Ｓ_core)
Ｒ_mag＝(１／μ_r)×(ｌ_mag／Ｓ_mag)
Ｂ_mag＝μ_r×μ₀×H_mag
Φm＝Ｈ_m／｛（μ₀×H_mag／Ｂ_mag)×(ｌ_mag／Ｓ_mag)＋(１／μ_core)×(ｌ_core／Ｓ_core)＋Ｒ_other｝………（Ｄ）
ただし、Ｓ_core：ｌ_core部の断面積、Ｓ_mag：ｌ_mag部の断面積、Ｂ_mag：ｌ_mag部の磁束密度、H_mag：ｌ_mag部の磁界、μ_core：ｌ_core部の透磁率［H/m］、μ_r：ｌ_mag部の透磁率（リコイル透磁率＝磁気回路中での永久磁石がかけられる磁場に対する磁化され易さの目安）、μ₀：真空の透磁率である。なお、或る動作点においてのＲ_other、Ｈ_mは一定である。

ここで、上記式（Ｄ）におけるＢ_magについて考える。即ち、図３（ｂ）に示すｌ_mag部の磁束密度であるＢ_magは、図８（ａ）に示す磁石材料特性図より、低電流時には大きな磁束密度（約1.04［T］）を示すのに対し、最大トルク発生時には小さな磁束密度（約0.46［T］）を示す。

また、ｌ_mag／ｌ_coreとＢ_magとの関係は、低電流時動作点と最大トルク時動作点において図８（ｂ）に示すようになる。即ち、図８（ｂ）に示すように、ｌ_mag部の磁束密度であるＢ_magの値は、ｌ_mag／ｌ_coreの値によらず動作点によって決まるので、Ｂ_magは、低電流時動作点においても最大トルク時動作点においても約１．０４［T］と約０．５６［T］としてそれぞれ一定であり、従って、或る動作点において一定の値をとることがわかる。

次に、発明のメカニズム（３）について説明する。まず、低電流時（低電流状態）及び最大トルク時（最大トルク状態）におけるｌ_core部の透磁率であるμ_coreについて考える。なお、図６（ａ）及び図７（ａ）は低電流時及び最大トルク時それぞれにおけるｌ_core部の磁束密度［T］と透磁率［H/m］との相関関係を示すグラフであり、図６（ｂ）及び図７（ｂ）は低電流状態及び最大トルク状態それぞれにおけるｌ_mag／ｌ_coreに対するｌ_core部の透磁率［H/m］を示すグラフである。

すなわち、低電流状態では、図６（ｂ）より、２．４＜ｌ_mag／ｌ_coreのとき、ｌ_core部の透磁率であるμ_coreが小さな値（ほぼ０［H/m］）をとるため、上述した式（Ｄ）
Φm＝Ｈ_m／｛（μ₀×H_mag／Ｂ_mag)×(ｌ_mag／Ｓ_mag)＋(１／μ_core)×(ｌ_core／Ｓ_core)＋Ｒ_other｝
より、磁石磁束Φmが小さな値をとることになり、上述した式（Ｃ）
Ｗ∝ｋ_h×ｆ×Φ_m ²+ｋ_e×ｆ²×Φm²
より、損失Ｗが低減されることがわかる。なお、透磁率は、ヒステリシス特性の傾きなので、磁気飽和すると小さくなり、空心状態に近付き、自己インダクタンスは０にまではならないものの、小さくなる極限として短絡を考えれば、電流が増えることになる。

一方、最大トルク時には、図７（ｂ）より、ｌ_mag／ｌ_core＜１０．０のとき、ｌ_core部の透磁率であるμ_coreが大きな値（例えばｌ_mag／ｌ_coreが6.5のとき8400［H/m］）をとるため、上述した式（Ｄ）
Φm＝Ｈ_m／｛（μ₀×H_mag／Ｂ_mag)×(ｌ_mag／Ｓ_mag)＋(１／μ_core)×(ｌ_core／Ｓ_core)＋Ｒ_other｝
より、磁石磁束Φmが大きな値をとることになり、上述した式（Ｂ）
Ｔ＝Ｐ_n×｛Φ_m＋(Ｌ_d−Ｌ_q)×Ｉ_d｝×Ｉ_q
より、トルクＴの低下が小さくなることがわかる。

以上説明したように、本実施形態の回転電機１０では、回転中心Ｏを中心として放射状に延びるようにロータ１２に複数の支持部２０を設け、それら支持部２０にそれぞれ対応させて、永久磁石１７ａ，１７ｂとステータ１３との間における磁束２３の流れ方向（図２の２７）での永久磁石１７ａ，１７ｂの縁部１７ｃから所定距離（ｌ_core）離間した位置に、ステータコイル２４への給電が第１の所定値（図５に示すモータ電流9.0［Arms］）より大きい低電流状態では磁気飽和を発生させ、かつ給電が該第１所定値より大きい第２所定値（図５に示すモータ電流150.0［Arms］）よりも小さい高電流状態での最大トルク発生時には磁気飽和を発生させないようにし得る、所定長さ（ｌ_mag）の空隙部２１を形成している。

このように、本実施形態では、支持部２０に所定形状の空隙部２１を形成した簡素な構成からなるものでありながら、供給電流が第１所定値より大きいとき（即ち、供給される電流が小さい（低電流状態での）低トルク時）には、永久磁石１７ａ，１７ｂの磁束を弱めて（磁石磁束を小さくして）、磁気飽和を発生させることで、永久磁石１７ａ，１７ｂからステータ１３に伝わる磁束を低減して、ヒステリシス損と渦電流損の和で表される鉄損を減少させることができる。これにより、低電流状態でのトルク低下を発生し難くして、回転電機１０の作動効率（モータ性能）を向上させることができる。

一方、供給電流が第２所定値より小さいとき（即ち、供給される電流が大きい（高電流時の）最大トルク発生時）には、永久磁石１７ａ，１７ｂの磁束の低下を減少させて（磁石磁束の減少を抑えて）、磁気飽和を発生させないようにすることで、永久磁石１７ａ，１７ｂからステータ１３に伝わる磁束を低減させず鉄損の減少を抑制し、最大トルクの低下を発生し難くして、回転電機１０の作動効率（モータ性能）を向上させることができる。

また、本実施形態によると、空隙部２１が、ロータ１２の周方向における永久磁石１７ａ，１７ｂにそれぞれ対応する位置に切り欠き形成されてなるので、プレス加工等によって所定形状の空隙部２１を切り欠き形成（打ち抜き加工）するだけで、高効率な構成の回転電機１０を実現することができる。

更に、本実施形態によると、空隙部２１が、ロータ１２の周方向における永久磁石１７ａ，１７ｂにそれぞれ対応する位置において、該ロータ１２の外径部１２ａと支持部２０とが交わる部位にて、対応する永久磁石１７ａ，１７ｂの傾斜方向に沿って延在するように切り欠き形成されてなるので、プレス加工等によってロータ１２の内径側に所定形状の空隙部２１を切り欠き形成（打ち抜き加工）するだけで、高効率な構成の回転電機１２を実現することができる。

更に、本実施形態によると、空隙部２１の永久磁石１７ａ，１７ｂの縁部１７ｃからの所定距離を、永久磁石１７ａ，１７ｂから空隙部２１までの距離ｌ_coreとし、かつ、空隙部２１の該距離ｌ_coreに対する垂直方向での所定長さを、空隙部２１と永久磁石１７ａ，１７ｂとのオーバーラップ幅ｌ_magとしたとき、ｌ_mag／ｌ_coreが次式、２．４＜ｌ_mag／ｌ_core＜１０．０を満たしてなるので、空隙部２１の永久磁石１７ａ，１７ｂに対する関係を最適にして、高効率な構成の回転電機１０を実現することができる。

ここで、上述した実施形態の変形例について、図１１（ａ），（ｂ）及び図１２を参照して説明する。なお、図１１（ａ），（ｂ）及び図１２は、異なる変形例におけるロータの外周縁部での永久磁石と空隙部との関係を説明する図である。なお、これら変形例は、先に説明した構成に比し、空隙部２５，２６，２８の形状等が異なるだけで、他の部分は略々同一なので、主要部分に同一符号を付してその説明を省略する。

まず、図１１（ａ）に示すように、空隙部２５は、ロータ１２の周方向における永久磁石１７ａ，１７ｂにそれぞれ対応する位置において、永久磁石１７ａ，１７ｂの傾斜方向に沿って延在するように切り欠き形成されている。図１１（ａ）において、符号２５ａは空隙部２５の形成開始部であり、符号２５ｂは空隙部２５の形成終端部である。空隙部２５は、空間部７（図１参照）側から外径部１２ａ（図３参照）側に食い込むように略Ｖ字状に形成され、各永久磁石１７ａ，１７ｂに対し、形成開始部２５ａから形成終端部２５ｂに向かって縁部１７ｄから次第に離れるように斜めに形成され、形成終端部２５ｂの部位が縁部１７ｄから最も離れて、永久磁石１７ａから空隙部２５までの距離ｌ_coreを構成する。

そして、空隙部２５の永久磁石１７ａ，１７ｂの各縁部１７ｄからの所定距離（ｂ）を、永久磁石１７ａ，１７ｂの各縁部１７ｄから空隙部２５の形成終端部２５ｂまでの距離ｌ_coreとし、かつ、空隙部２５の該距離ｌ_coreに対する垂直方向での所定長さを、空隙部２５における形成開始部２５ａと形成終端部２５ｂとの間の距離ａ、即ち空隙部２５と永久磁石１７ａ，１７ｂとのオーバーラップ幅ｌ_magとしたとき、ｌ_mag／ｌ_coreが上述した式（Ａ）
２．４＜ｌ_mag／ｌ_core＜１０．０ …（Ａ）
を満たすように構成されている。

また同様に、図１１（ｂ）に示すように、空隙部２６の永久磁石１７ａ，１７ｂの各縁部１７ｃからの所定距離（ｂ）を、永久磁石１７ａ，１７ｂの各縁部１７ｃから空隙部２６の形成終端部２６ｂまでの距離ｌ_coreとし、かつ、空隙部２６の該距離ｌ_coreに対する垂直方向での所定長さを、空隙部２６における形成開始部２６ａと形成終端部２６ｂとの間の距離ａ、即ち空隙部２６と永久磁石１７ａ，１７ｂとのオーバーラップ幅ｌ_magとしたとき、ｌ_mag／ｌ_coreが上述した式（Ａ）
２．４＜ｌ_mag／ｌ_core＜１０．０ …（Ａ）
を満たすように構成されている。

同様に、図１２に示すように、空隙部２８の永久磁石１７ａ，１７ｂの各縁部１７ｄからの所定距離（ｂ）を、永久磁石１７ａ，１７ｂの各縁部１７ｄから空隙部２８の形成終端部２８ｂまでの距離ｌ_coreとし、かつ、空隙部２８の該距離ｌ_coreに対する垂直方向での所定長さを、空隙部２８における形成開始部２８ａと形成終端部２８ｂとの間の距離ａ、即ち空隙部２８と永久磁石１７ａ，１７ｂとのオーバーラップ幅ｌ_magとしたとき、ｌ_mag／ｌ_coreが上述した式（Ａ）
２．４＜ｌ_mag／ｌ_core＜１０．０ …（Ａ）
を満たすように構成されている。

これら変形例における空隙部２５，２６，２８を備えた上記構成によっても、前述した先の実施形態とほぼ同等の検証結果が成り立つため、前述した空隙部２１に係る先の実施形態と同様の理由により、ほぼ同様の作用効果を奏することができる。

次に、図１３を参照して、本発明に係る他の実施形態について説明するが、先に説明した構成に比し、空隙部２１の形状等が異なるだけで、他の部分は略々同一なので、主要部分に同一符号を付してその説明を省略する。

すなわち、図１３（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態における空隙部３０は、ロータ１２の周方向における永久磁石１７ａにそれぞれ対応する位置において、対応する永久磁石１７ａの傾斜方向に沿って延在するように、かつ回転シャフト１１の軸方向に沿うように矩形状に貫通形成されている。

なお、ここでは、永久磁石１７ｂを中心に述べるが、永久磁石１７ａに対応する空隙部３０は、永久磁石１７ｂに対応する空隙部３０とは逆の向き（逆向きの傾斜）に形成されている。なお、図１３（ａ），（ｂ）において、ｌ_magの寸法ａは例えば３．５０ｍｍに、ｌ_coreの寸法ｂは例えば０．７０ｍｍに設定することができる。

空隙部３０の永久磁石１７ａ，１７ｂの各縁部１７ｃからの所定距離を、永久磁石１７ａ，１７ｂの各縁部１７ｃから空隙部３０の近接する側の長辺３０ｂまでの距離ｌ_coreとし、かつ、空隙部２１の該距離ｌ_coreに対する垂直方向での所定長さを、空隙部３０における短辺３０ａと短辺３０ａとの間の距離ａ、即ち空隙部２１と永久磁石１７ａ，１７ｂとのオーバーラップ幅ｌ_magとしたとき、ｌ_mag／ｌ_coreが上述した式（Ａ）
２．４＜ｌ_mag／ｌ_core＜１０．０ …（Ａ）
を満たすように構成されている。

本実施形態における空隙部３０を備えた上記構成によっても、前述した先の実施形態とほぼ同等の検証結果が成り立つため、前述した空隙部２１に係る先の実施形態と同様の理由により、ほぼ同様の作用効果を奏することができる。

そして、本実施形態によると、空隙部３０が、ロータ１２の周方向における永久磁石１７ａ，１７ｂにそれぞれ対応する位置において、対応する永久磁石１７ａ，１７ｂの傾斜方向に沿って延在するように矩形状に貫通形成されてなるので、プレス加工等によってロータ１２の内径側に所定形状の空隙部３０を切り欠き形成（打ち抜き加工）するだけで、高効率な構成の回転電機１０を実現し得る、という効果も奏することができる。

１０ 回転電機
１１ 回転シャフト
１２ ロータ
１２ａ ロータの外径部
１３ ステータ
１４ ステータコイル
１７ａ，１７ｂ 永久磁石
１７ｃ，１７ｄ 縁部
２０ 支持部
２１，２５，２６，２８，３０ 空隙部
２３ 磁束
２７ 磁束の流れ方向
Ｏ 回転中心
ｌ_core 所定距離（永久磁石から空隙部までの距離）
ｌ_mag 所定長さ（空隙部と永久磁石とのオーバーラップ幅）

Claims (1)

1. 環状に形成されたステータコア及び該ステータコアに巻回されたステータコイルを有するステータと、該ステータの中心に位置して回転可能に配置された回転シャフトと、該回転シャフトに固設された状態で前記ステータ内に回転可能に配置されたロータと、該ロータの回転中心側から次第に狭まる逆Ｖ字状に沿うように配置される永久磁石と、を備えてなる回転電機において、
   前記回転中心を中心として放射状に延びるように前記ロータに複数の支持部を設け、
   前記複数の支持部にそれぞれ対応させて、
   前記永久磁石と前記ステータとの間における磁束の流れ方向での前記永久磁石の縁部から所定距離離間した位置に、前記ステータコイルへの給電が低電流状態での低トルク発生時には磁気飽和を発生させ、かつ前記給電が高電流状態での最大トルク発生時には磁気飽和を発生させないようにし得る、所定長さの空隙部を形成し、
   前記永久磁石は矩形状に形成され、
   前記空隙部は、対応する前記永久磁石の傾斜方向に沿って延在するように、かつ前記永久磁石より内径側に設けられた空間部から外径側に食い込むように切り欠き形成され、
   前記空隙部の前記永久磁石の縁部からの前記所定距離を、前記永久磁石から前記空隙部までの距離ｌ _core とし、かつ、前記空隙部の該距離ｌ _core に対する垂直方向での前記所定長さを、前記空隙部と前記永久磁石とのオーバーラップ幅ｌ _mag としたとき、ｌ _mag ／ｌ _core が次式
   ２．４＜ｌ _mag ／ｌ _core ＜１０．０
   を満たしてなる、
   ことを特徴とする回転電機。

Images