JP5709907B2 - 車両用永久磁石埋込型回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、車両用永久磁石埋込型回転電機に関し、特に大きなマグネットトルクを確保しつつリラクタンストルクを大きくできる磁石構造に関するものである。

従来の永久磁石埋込型回転電機は、電磁鋼板を積層してなり、磁石挿入用孔の対が周方向に等角ピッチで極数分形成されたロータヨークと、磁石挿入用孔の各対に挿入された永久磁石と、を有する回転子を備えている（例えば、特許文献１参照）。そして、従来の永久磁石埋込型回転電機では、磁石挿入用孔の対には等しい磁極の永久磁石が挿入され、隣り合う磁石挿入用孔の対には異なる磁極の永久磁石が挿入されている。さらに、ロータヨークを構成する電磁鋼板には、異なる磁極の永久磁石を区画する溝が形成されている。

特開２００５−２８７２６２号公報

従来の永久磁石埋込型回転電機では、回転子の各磁極が、周方向に並んで配置された同形状に作製された２つの永久磁石により構成されているので、２つの永久磁石間の電磁鋼板からなるセンターリブが、各磁極の周方向中央に位置することになる。そこで、永久磁石の作る磁束が急変点を持つことになり、磁束の高調波が大きくなり、トルクリプルやコギングトルクが大きくなるとともに、固定子側の鉄損も大きくなるという課題があった。また、磁極を構成する永久磁石が極中心に対して対称に、かつ極中心に直交するように配設されているので、リラクタンストルクおよびマグネットトルクが小さくなってしまうという課題もあった。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、各磁極を構成する永久磁石の配設領域を、車両の前進時の回転方向の進み側の磁石配設領域と遅れ側の磁石配設領域とに分け、回転方向の進み側の磁石配設領域の周方向幅を回転方向の遅れ側の磁石配設領域の周方向幅より大きくして、かつ外径側に凸状に配設して、トルクリプルやコギングトルクの増大を抑制し、固定子側の鉄損を少なくできるとともに、マグネットトルクおよびリアクトルトルクを大きくできる車両用永久磁石埋込型回転電機を得ることを目的とする。

この発明に係る車両用永久磁石埋込型回転電機は、回転子鉄心、および上記回転子鉄心の内径側に位置するように該回転子鉄心に埋設された複数の永久磁石、を有し、隣り合う上記永久磁石が互いに異なる極性となるように着磁されて磁極を構成する回転子と、ティースがそれぞれ円環状のコアバックから径方向内方に延設されて周方向に等角ピッチで配列された固定子鉄心、および上記固定子鉄心に巻装された固定子コイルを有し、上記回転子を囲繞して配設される固定子と、を備えている。そして、上記磁極を構成する上記永久磁石のそれぞれは、上記回転子鉄心の該磁極の主回転方向の進み側の端部から遅れ側の端部に至る領域に、主回転方向に並んで、かつ外径側に凸状に埋設された第１永久磁石と第２永久磁石とを有し、上記第１永久磁石は、上記磁極の主回転方向の進み側の端部から極中心を超えて遅れ側に至る一体物に形成され、上記第１永久磁石と上記第２永久磁石との間を通るリラクタンストルク発生用の磁路が構成される。さらに、上記第１永久磁石の着磁方向は、上記極中心と平行であり、上記第２永久磁石の着磁方向と上記第２永久磁石の配設領域の主回転方向の中央位置における上記回転子鉄心の外面の法線とのなす角度が、上記極中心と平行な方向と上記第２永久磁石の配設領域の主回転方向の中央位置における上記回転子鉄心の外面の法線とのなす角度より小さい。

この発明によれば、第１永久磁石は、磁極の主回転方向の進み側の端部から極中心を超えて遅れ側に至る一体物に形成されているので、回転子鉄心を構成する磁性材が極中心に存在しない。そこで、永久磁石の作る磁束のピークを小さくすることがなく、永久磁石の作る磁束は急変点を持たないので、磁束の高調波が小さくなる。これにより、トルクリプルやコギングトルクの増大が抑えられ、固定子側の鉄損も小さくなる。
また、磁極を構成する永久磁石のそれぞれが、外径側に凸状に回転子鉄心に埋設されているので、マグネットトルクを大きくできる。
さらに、第１永久磁石は、磁極の主回転方向の進み側の端部から極中心を超えて遅れ側に至る一体物に形成されているので、磁極を構成する永久磁石が極中心に対して非対称となり、リラクタンストルクを大きくできる。

この発明の実施の形態１に係る回転電機の主要構成を模式的に示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子を模式的に示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における磁極の構成を説明する要部断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における磁極を構成する磁石の着磁方向を説明する要部断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における減磁のメカニズムを説明する模式図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における減磁のメカニズムを説明する模式図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子におけるリラクタンストルクの発生メカニズムを説明する模式図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子における磁極を構成する磁石の配置を説明する要部断面図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子における磁極を構成する第２永久磁石の着磁方向を説明する要部断面図である。 この発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子における磁極を構成する磁石の配置を説明する要部断面図である。 この発明の実施の形態４に係る回転電機の回転子における磁極を構成する磁石の配置を説明する要部断面図である。 この発明の実施の形態５に係る回転電機の回転子における磁極を構成する磁石の配置を説明する要部断面図である。 この発明の実施の形態６に係る回転電機の回転子における磁極を構成する磁石の配置を説明する要部断面図である。 この発明の実施の形態７に係る回転電機の回転子における磁極を構成する磁石の配置を説明する要部断面図である。 この発明の実施の形態８に係る回転電機の回転子における磁極を構成する磁石の配置を説明する要部断面図である。 この発明の実施の形態９に係る回転電機の主要構成を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の車両用永久磁石埋込型回転電機の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の主要構成を模式的に示す断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子を模式的に示す断面図、図３はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における磁極の構成を説明する要部断面図、図４はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における磁極を構成する磁石の着磁方向を説明する要部断面図、図５および図６はそれぞれこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における減磁のメカニズムを説明する模式図である。

図１において、回転電機１は、車両用永久磁石埋込型回転電機であり、ハウジング（図示せず）に回転可能に配設される回転子５と、回転子５を囲繞するようにハウジングに配設される固定子２と、を備える。ここで、自動車は、前進走行することがほとんどであり、後進走行することは希である。そこで、回転電機１を自動車に搭載した場合、回転子５の主回転方向は、自動車の前進走行時の回転方向となるので、本発明における主回転方向Ｂは、自動車の前進走行時の回転方向を意味するものとする。

回転子５は、図２に示されるように、同一形状に打ち抜かれた多数枚の電磁鋼板を積層一体化して作製され、複数の概略円弧状曲面７が周方向に等角ピッチで配列された外形形状を有する回転子鉄心６と、回転子鉄心６の概略円弧状曲面７のそれぞれの内周側に埋め込まれた永久磁石と、回転子鉄心６の軸心位置に挿通されて回転子鉄心６に固着される回転軸１５と、を備える。

回転子鉄心６は、１磁極を構成する概略円弧状曲面７が周方向に等角ピッチ（１磁極ピッチ）で配列された連続する８つの凸面を有する外形形状に作製されている。各凸面を構成する概略円弧状曲面７は、図３に示されるように、極中心Ａで回転子鉄心６の最外径の円筒面に接する、最外径より小さい半径の円弧状外周面８と、円弧状外周面８の主回転方向Ｂの遅れ側の端部と隣の円弧状外周面８の主回転方向Ｂの進み側の端部とを連結する平坦外周面９と、から構成されている。そして、円弧状外周面８の両端と回転子鉄心６の中心とを通る線分のなす角度（中心角）θ１は、電気角で１２０°となり、平坦外周面９の両端と回転子鉄心６の中心とを通る線分のなす角度（中心角）θ２は、電気角で６０°となっている。なお、θ１＋θ２は電気角で１８０°であるが、概略円弧状曲面７が周方向に等角ピッチで８つ配列されているので、機械角ではθ１＋θ２は４５°となる。以下、θ１、θ２は電気角で表されるものとする。また、極中心Ａは、図３に示されるように、概略円弧状曲面７の周方向中央と回転子鉄心６の中心を通る線分である。

主回転方向Ｂの進み側の第１磁石挿入穴１０と、主回転方向Ｂの遅れ側の第２磁石挿入穴１１とが、回転子鉄心６の各磁極の外周側に軸心方向に貫通するように形成されている。第１磁石挿入穴１０は、径方向幅ｈ１の円弧形状の穴形状に形成され、円弧状外周面８から内径側に距離ｂ１だけ離れた位置に、中心角θ１（＝１２０°）の範囲のほぼ全領域に渡って形成されている。第２磁石挿入穴１１は、径方向幅ｈ１の矩形形状の穴形状に形成され、平坦外周面９から内径側に距離ｂ１だけ離れた位置に、中心角θ２（＝６０°）の範囲のほぼ全領域に渡って形成されている。

第１永久磁石１２は、第１磁石挿入穴１０と同等の断面円弧形状の短冊形に作製され、第１磁石挿入穴１０に挿入固着される。第２永久磁石１３は、第２磁石挿入穴１１と同等の断面矩形形状の短冊形に作製され、第２磁石挿入穴１１に挿入固着される。Ｎ極の磁極を構成する第１永久磁石１２は、図４に示されるように、着磁方向１４が極中心Ａと平行、かつ径方向外方に向うように着磁される。同様に、Ｎ極の磁極を構成する第２永久磁石１３は、図４に示されるように、着磁方向１４が極中心Ａと平行、かつ外方に向うように着磁される。ここで、着磁された第２永久磁石１３の磁力は、平坦外周面９の法線方向のベクトル成分Ｂｒと平坦外周面９の接線方向のベクトル成分Ｂθとの和となる。ベクトル成分Ｂｒは法線方向の外方を向き、ベクトル成分Ｂθは主回転方向Ｂの進み側を向く。ここで、第２永久磁石１３には、第１永久磁石１２に比べて保磁力の大きい磁石を用いている。

ここで、第１永久磁石１２には、例えばＮ３９ＵＨ（信越化学工業株式会社製ネオジウム系超高耐熱タイプ）が用いられ、第２永久磁石１３には、例えばＮ３９ＵＨより保磁力の大きいＮ３６Ｚ（信越化学工業株式会社製ネオジウム系超高耐熱タイプ）が用いられる。
なお、Ｓ極の磁極を構成する第１永久磁石１２および第２永久磁石１３の着磁方向１４は、Ｎ極の磁極を構成する第１永久磁石１２および第２永久磁石１３の着磁方向１４と逆向きであり、ベクトル成分Ｂｒ、Ｂθの方向も逆向きとなるので、ここではその説明を省略する。

固定子２は、同一形状に打ち抜かれた多数枚の電磁鋼板を積層一体化して作製され、円環状のコアバック３ａ、およびそれぞれコアバック３ａの内周面から径方向内方に延設され、周方向に等角ピッチで配列された１２本のティース３ｂを有する固定子鉄心３と、固定子鉄心３のティース３ｂのそれぞれに集中巻きに巻回された１２本の集中巻コイル４ａからなる固定子コイル４と、を備える。

このように構成された回転電機１は、８極１２スロットの車両用永久磁石埋込型回転電機を構成しており、その動作および減磁のメカニズムについて図５および図６を参照しつつ説明する。

まず、固定子２と回転子５とが図５に示される位置関係にあるときに、Ｕ相とＷ相の集中巻コイル４ａがＳ極となり、Ｖ相の集中巻コイル４ａがＮ極となるように集中巻コイル４ａに通電される。これにより、Ｎ極の磁極を構成する第１および第２永久磁石１２，１３とＶ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂとの間に斥力が発生し、さらにＮ極の磁極を構成する第１および第２永久磁石１２，１３とＵ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂとの間に引力が発生し、回転子５に反時計回りの回転力が与えられる。

そして、集中巻コイル４ａが作る磁束Ｃは、Ｖ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂを径方向外方に流れる。そして、コアバック３ａまで流れてきた磁束Ｃの一部がコアバック３ａを流れてＵ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂに入り、その残部がコアバック３ａを流れてＷ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂに入る。

Ｕ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂに入った磁束Ｃは、該ティース３ｂ内を径方向内方に流れ、該ティース３ｂの先端から回転子５に入り、Ｎ極の第２永久磁石１３の主回転方向Ｂの進み側端部から第２永久磁石１３に入り、第２永久磁石１３内を周方向に流れた後、回転子５からＶ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂに戻る。
一方、Ｗ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂに入った磁束Ｃは、該ティース３ｂ内を径方向内方に流れ、該ティース３ｂの先端から回転子５に入り、Ｓ極の極中心Ａの近傍から第１永久磁石１２に入り、第１永久磁石１２内を周方向に流れた後、回転子５からＶ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂに戻る。

ここで、Ｎ極の第２永久磁石１３に入った磁束Ｃは、第２永久磁石１３内を主回転方向Ｂの遅れ側にＶ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂの内径側まで流れる。このとき、磁束Ｃは、Ｎ極の第２永久磁石１３内を主回転方向Ｂの遅れ側に、平坦外周面９の接線方向のベクトル成分Ｂθと対向するように流れるので、第２永久磁石１３が減磁し易くなる。
一方、Ｓ極の第１永久磁石１２に入った磁束Ｃは、第１永久磁石１２内を極中心Ａの近傍から主回転方向Ｂの進み側にＶ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂの内径側まで流れる。このとき、Ｓ極の第１永久磁石１２内を主回転方向Ｂの進み側に極中心Ａの近傍から極中心Ａまで流れる磁束Ｃの距離は、極中心ＡからＶ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂの内径側まで流れる磁束Ｃの距離に比べ、著しく短い。したがって、Ｓ極の第１永久磁石１２内を主回転方向Ｂの進み側に流れる磁束Ｃの経路のほとんどでは、磁束Ｃは、円弧状外周面８の接線方向のベクトル成分Ｂθと同じ方向に流れることになり、第１永久磁石１２は減磁しにくくなる。

ついで、回転子鉄心６が反時計回りに回転し、固定子２と回転子５とが図６に示される位置関係にあるときに、Ｕ相とＷ相の集中巻コイル４ａがＮ極となり、Ｖ相の集中巻コイル４ａがＳ極となるように集中巻コイル４ａに通電される。これにより、Ｓ極の磁極を構成する第１および第２永久磁石１２，１３とＶ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂとの間に斥力が発生し、さらにＳ極の磁極を構成する第１および第２永久磁石１２，１３とＵ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂとの間に引力が発生し、回転子５に反時計回りの回転力が与えられる。

そして、Ｕ相の集中巻コイル４ａが作る磁束Ｃは、Ｕ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂを径方向外方に流れ、コアバック３ａを流れてＶ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂに入る。Ｖ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂに入った磁束Ｃは、該ティース３ｂ内を径方向内方に流れ、該ティース３ｂの先端から回転子５に入り、Ｓ極の第２永久磁石１３の主回転方向Ｂの遅れ側から第２永久磁石１３に入り、第２永久磁石１３内を周方向に流れた後、回転子５からＵ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂに戻る。

一方、Ｗ相の集中巻コイル４ａが作る磁束Ｃは、Ｗ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂを径方向外方に流れ、コアバック３ａを流れてＶ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂに入る。Ｖ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂに入った磁束Ｃは、該ティース３ｂ内を径方向内方に流れ、該ティース３ｂの先端から回転子５に入り、Ｎ極の第１永久磁石１２の極中心Ａの近傍から第１永久磁石１２に入り、第１永久磁石１２内を周方向に流れた後、回転子５からＷ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂに戻る。

ここで、Ｓ極の第２永久磁石１３に入った磁束Ｃは、第２永久磁石１３内を主回転方向Ｂの進み側にＵ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂの内径側まで流れる。このとき、磁束Ｃは、Ｓ極の第２永久磁石１３内を主回転方向Ｂの進み側に、平坦外周面９の接線方向のベクトル成分Ｂθと対向するように流れるので、第２永久磁石１３が減磁し易くなる。
一方、Ｎ極の第１永久磁石１２に入った磁束Ｃは、第１永久磁石１２内を極中心Ａの近傍から主回転方向Ｂの遅れ側にＷ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂの内径側まで流れる。このとき、Ｎ極の第１永久磁石１２内を主回転方向Ｂの遅れ側に極中心Ａの近傍から極中心Ａまで流れる磁束Ｃの距離は、極中心ＡからＷ相の集中巻コイル４ａが巻回されているティース３ｂの内径側まで流れる磁束Ｃの距離に比べ、著しく短い。したがって、Ｎ極の第１永久磁石１２内を主回転方向Ｂの遅れ側に流れる磁束Ｃの経路のほとんどでは、磁束Ｃは、円弧状外周面８の接線方向のベクトル成分Ｂθと同じ方向に流れることになり、第１永久磁石１２は減磁しにくくなる。

このように、いずれの場合においても、主回転方向Ｂの遅れ側に位置する永久磁石、すなわち第２永久磁石１３が減磁しやすいことがわかる。

この実施の形態１によれば、第１永久磁石１２が磁極の中心角θ１で１２０°の範囲に配設されているので、第１永久磁石１２が磁極の極中心Ａに存在している。つまり、電磁鋼板により構成されるリブが磁極の極中心Ａに存在していない。これにより、永久磁石の作る磁束のピークを小さくすることがなく、永久磁石の作る磁束は急変点を持たないので、磁束の高調波が小さくなる。そこで、トルクリプルやコギングトルクの増大が抑えられ、固定子側の鉄損も小さくなる。
また、回転子鉄心６は、１磁極を構成する概略円弧状曲面７が周方向に等角ピッチで配列された連続する８つの凸面を有する外形形状に作製されているので、第１および第２永久磁石１２，１３の作る磁束を正弦波に近づけることができ、コギングトルクおよびトルクリプルを低減できる。

また、回転子５の磁極を構成する永久磁石が第１永久磁石１２と第２永久磁石１３とに分割されているので、磁極を構成する永久磁石が一体物で作製されている場合に比べ、遠心力により第１永久磁石１２および第２永久磁石１３に作用する応力が緩和され、許容回転数を大きくできる。
また、第２永久磁石１３が断面矩形形状の短冊形に作製されているので、加工費が安価となる。
また、第１および第２永久磁石１２，１３が異なる形状であるので、組立時に第１および第２磁石挿入穴１０，１１への誤挿入がなく、組立性が高められる。

ここで、本回転電機１を車両用に適用した場合、回転子５は、主に自動車の前進走行時の回転方向に回転することになり、永久磁石の減磁しやすい場所を主回転方向Ｂの遅れ側に特定することができる。そこで、本回転電機１の用途を車両用に限定することにより、次の効果が得られる。
主回転方向Ｂの遅れ側に位置する第２永久磁石１３が保磁力の大きい磁石で作製されているので、第２永久磁石１３の減磁を抑えることができる。
保磁力の大きい磁石で作製された第２永久磁石１３が主回転方向Ｂの遅れ側の中心角θ２で６０°の範囲に配設されているので、保磁力の大きい高価な磁石の使用量が少なくなる。そこで、減磁対策による高コスト化が抑えられる。また、保磁力の小さい磁石は、保磁力の大きい磁石に比べ、残留磁束密度が大きい。そこで、減磁対策による、残留磁束密度の小さい磁石の使用量が少なくなり、トルクの低下が抑えられる。

つぎに、本回転電機１におけるリラクタンストルクの増大効果について図７を参照しつつ説明する。ここで、図７はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子におけるリラクタンストルクの発生メカニズムを説明する模式図である。

一般に、回転電機のトルクには、永久磁石により発生するマグネットトルクと、回転子の鉄部の磁気抵抗差に起因して発生するリラクタンストルクとがある。マグネットトルクは、永久磁石が回転子鉄心の表面側に埋め込まれている回転電機ほど、大きくなる。本回転電機１においては、第１永久磁石１２と第２永久磁石１３とが回転子鉄心６の表面側に凸状に埋設されているので、第１永久磁石１２および第２永久磁石と回転子鉄心６の外周面との距離が短くなり、マグネットトルクが大きくなる。

リラクタンストルクは、極間から極間に流れる磁束が多いほど、大きくなる。本回転電機１では、周方向に並んで配置された第１および第２永久磁石１２，１３が極中心Ａに対して非対称となっている。つまり、回転子５と固定子２との間の空隙部における周方向の磁束分布が極中心Ａに対して非対称となっている。そこで、極間から極間に流れる磁束のルートは、図７に示されるように３つ存在する。

第１ルート３０は、第１および第２永久磁石１２，１３と回転子鉄心６の外周面との間を通るルートである。この第１ルート３０は、鉄量が少なく、磁気飽和し、磁気抵抗が大きくなりやすいので、リラクタンストルクの増加に対する寄与は小さい。第２ルート３１は、第１および第２永久磁石１２，１３と回転子鉄心６の内径側を通るルートである。この第２ルート３１は、磁気飽和し、磁気抵抗が大きくなりやすい極間を２度通ることになるので、リラクタンストルクの増加に対する寄与は小さい。第３ルート３２は、一方の極間から回転子鉄心６の内径側に入り、第１永久磁石１２の内径側を通り、第１永久磁石１２と第２永久磁石１３との間を通って第２永久磁石１３の外径側に流れるルートである。第１永久磁石１２と第２永久磁石１３は同極であるので、第１永久磁石１２と第２永久磁石１３との間の鉄部の磁気飽和はなく、磁気抵抗が小さい。

したがって、本回転電機１では、第１および第２永久磁石１２，１３を回転子鉄心６の表面側に凸状に埋設しても、磁束は、主に、磁気飽和し、磁気抵抗が大きくなりやすい極間を１度のみ通る第３ルート３２を流れるので、大きなマグネットトルクを確保しつつ、リラクタンストルクを大きくできる。

一方、特許文献１に記載の発明では、同じ形状に作製された２つの永久磁石を周方向に並べて配置して磁極を構成しているので、周方向に並んで配置された２つの永久磁石が極中心に対して対称となっている。そこで、永久磁石間の鉄部が極中心に存在するが、極中心に位置する鉄部はリラクタンストルクに寄与しないので、リラクタンストルクを大きくできない。

なお、本発明では、本回転電機１の用途を車両用に限定しているが、使用頻度の少ない車両の後進走行時に、後進走行時の回転方向の遅れ側の磁石部分が減磁することが懸念される。そこで、車両の後進走行時に、集中巻コイルの作る磁束が、第１永久磁石の車両の後進走行時の回転方向の遅れ側の角部に当たらないように、集中巻コイルへの通電を制御することが好ましい。

また、上記実施の形態１では、主回転方向Ｂの遅れ側に配設される第２永久磁石の着磁方向を極中心Ａと平行な方向とするものとしているが、第２永久磁石の減磁対策としては、第２永久磁石の着磁方向を極中心Ａと平行な方向に対して主回転方向Ｂの遅れ側に傾けて、すなわち着磁方向と第２永久磁石の主回転方向Ｂの中央位置における回転子鉄心の外周面の法線方向とのなす角度が極中心Ａと平行な方向と該法線方向とのなす角度より小さくなるように着磁することが望ましい。これにより、着磁された第２永久磁石の磁力の法線方向のベクトル成分Ｂｒが接線方向のベクトル成分Ｂθより大きくなる。つまり、第２永久磁石内をティースの内径側まで流れた磁束は、第２永久磁石から法線方向に流れてティースに入るので、磁束はＢｒの方向と同じ方向に流れる。そこで、Ｂｒを大きくすることで合成ベクトルの向きを減磁し難い向きにすることができるため、耐減磁特性を向上させることができる。

また、上記実施の形態１では、第１永久磁石が主回転方向Ｂの進み側の中心角で１２０°の領域に配設されているものとしているが、第１永久磁石の配設領域の中心角θ１は、１２０°に限定されない。中心角θ１が９０°以下となると、電磁鋼板からなるリブが極中心Ａに存在してしまい、磁束の高調波が大きくなり、トルクリップルやコギングトルクが増大するとともに、保磁力の大きな磁石の使用量が増大し、高コスト化になり、トルクが低下することになる。また、中心角θ１が１５０°以上となると、第１永久磁石の主回転方向Ｂの遅れ側が減磁してしまうことになる。つまり、第１永久磁石の配設領域の中心角θ１は、９０°より大きく、１５０°より小さい角度範囲とすることが好ましい。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子における磁極を構成する磁石の配置を説明する要部断面図、図９はこの発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子における磁極を構成する第２永久磁石の着磁方向を説明する要部断面図である。

図８において、回転子鉄心６Ａでは、１磁極を構成する概略円弧状曲面７Ａは、極中心Ａで回転子鉄心６Ａの最外径の円筒面に接する、最外径より小さい半径の円弧状外周面８Ａのみにより構成されている。

主回転方向Ｂの遅れ側の第２磁石挿入穴１１Ａは、径方向幅ｈ１の円弧形状の穴形状に形成され、円弧状外周面８Ａから内径側に距離ｂ１だけ離れた位置に、中心角θ２（＝６０°）の範囲のほぼ全領域に渡って形成されている。

第２永久磁石１３Ａは、第２磁石挿入穴１１Ａと同等の断面円弧形状の短冊形に作製され、第２磁石挿入穴１１Ａに挿入固着される。Ｎ極の磁極を構成する第２永久磁石１３Ａは、図９に示されるように、着磁方向１４が極中心Ａと平行、かつ外方に向うように着磁される。ここで、着磁された第２永久磁石１３Ａの磁力は、円弧状外周面８Ａの法線方向の外方を向くベクトル成分Ｂｒと、円弧状外周面８Ａの接線方向のベクトル成分Ｂθとの和となる。ここで、第２永久磁石１３Ａには、第１永久磁石１２に比べて保磁力の大きい磁石を用いている。

なお、Ｓ極の磁極を構成する第１永久磁石１２および第２永久磁石１３Ａの着磁方向１４は、Ｎ極の磁極を構成する第１永久磁石１２および第２永久磁石１３Ａの着磁方向１４と逆向きであり、ベクトル成分Ｂｒ、Ｂθの方向も逆向きとなるので、ここではその説明を省略する。
また、この実施の形態２による回転子５Ａの他の構成は、上記実施の形態１による回転子５と同様に構成されている。

この実施の形態２では、磁極を構成する磁石が第１永久磁石１２と第２永久磁石１３Ａとに分割されており、第１永久磁石１２が主回転方向Ｂの進み側に磁極の中心角θ１（＝１２０°）の範囲に配設され、第２永久磁石１３Ａが主回転方向Ｂの遅れ側に磁極の中心角θ２（＝６０°）の範囲に配設されている。さらに、主回転方向Ｂの遅れ側に配設されている第２永久磁石１３Ａが保磁力の大きな磁石で作製されている。したがって、この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図１０はこの発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子における磁極を構成する磁石の配置を説明する要部断面図である。

図１０において、主回転方向Ｂの遅れ側の第２磁石挿入穴１１Ｂは、径方向幅ｈ１の円弧形状の穴形状に形成され、回転子鉄心６Ｂに、円弧状外周面８Ａから内径側に距離ｂ２だけ離れた位置に、中心角θ２（＝６０°）の範囲のほぼ全領域に渡って形成されている。なお、距離ｂ２は距離ｂ１より大きい。
第２永久磁石１３Ｂは、第１永久磁石１２と同等の保磁力の磁石が用いられ、第２磁石挿入穴１１Ｂと同等の断面円弧形状の短冊形に作製され、第２磁石挿入穴１１Ｂに挿入固着される。

なお、実施の形態３による回転子５Ｂは、第２永久磁石１３Ｂが第１永久磁石１２と同等の保磁力の磁石により作製され、第２永久磁石１３Ｂの埋込深さが第１永久磁石１２の埋込深さより深くなっている点を除いて、上記実施の形態２による回転子５Ａと同様に構成されている。

したがって、実施の形態３においても、上記実施の形態２と同様の効果が得られる。
実施の形態３によれば、集中巻コイル４ａが集中巻コイルであること、即ち集中巻コイルの作る磁束は回転子５Ｂの表面側を通り、回転子５Ｂ内部にまで入り込まないことに着目し、第２永久磁石１３Ｂを集中巻コイル４ａの作る磁束が到達しない深さ（ｂ２）に埋め込んでいる。そこで、第２永久磁石１３Ｂは、集中巻コイル４ａの作る磁束に曝されないので、第２永久磁石１３Ｂに保磁力の大きな磁石を用いる必要がなく、さらなる低コスト化を図ることができる。さらに、第２永久磁石１３Ｂに残留磁束密度の小さい磁石を用いないので、減磁対策によるトルクの低下がない。

なお、上記実施の形態３では、第２永久磁石に第１永久磁石と同等の小さな保磁力の磁石を用いるものとしているが、第２永久磁石に大きな保磁力の磁石を用いれば、耐減磁特性が一層向上される。

実施の形態４．
図１１はこの発明の実施の形態４に係る回転電機の回転子における磁極を構成する磁石の配置を説明する要部断面図である。

図１１において、主回転方向Ｂの進み側の第１磁石挿入穴１０Ｃは、外径側が円弧形状の曲面をなし、かつ内径側が平坦面をなす穴形状に形成され、回転子鉄心６Ｃに、円弧状外周面８Ａから内径側に距離ｂ１だけ離れた位置に、中心角θ１（＝１２０°）の範囲のほぼ全領域に渡って形成されている。主回転方向Ｂの遅れ側の第２磁石挿入穴１１Ｃは、外径側が円弧形状の曲面をなし、かつ内径側が平坦面をなす穴形状に形成され、回転子鉄心６Ｃに、円弧状外周面８Ａから内径側に距離ｂ１だけ離れた位置に、中心角θ２（＝６０°）の範囲のほぼ全領域に渡って形成されている。

第１永久磁石１２Ｃは、第１磁石挿入穴１０Ｃと同等の断面形状の短冊状に作製され、第１磁石挿入穴１０Ｃに挿入固着される。第２永久磁石１３Ｃは、第２磁石挿入穴１１Ｃと同等の断面形状の短冊形に作製され、第２磁石挿入穴１１Ｃに挿入固着される。ここで、第２永久磁石１３Ｃには、第１永久磁石１２Ｃに比べて保磁力の大きい磁石が用いられる。
なお、実施の形態４による回転子５Ｃの他の構成は、上記実施の形態２による回転子５Ａと同様に構成されている。

したがって、実施の形態４においても、上記実施の形態２と同様の効果が得られる。
実施の形態４によれば、第１および第２永久磁石１２Ｃ，１３Ｃの内径側が平坦面に形成されているので、加工性が高められ、低コスト化が図られる。

実施の形態５．
図１２はこの発明の実施の形態５に係る回転電機の回転子における磁極を構成する磁石の配置を説明する要部断面図である。

図１２において、第１分割磁石挿入穴１６Ａおよび第２分割磁石挿入穴１６Ｂは、径方向幅ｈ１の円弧形状の同じ穴形状に形成され、回転子鉄心６Ｄに、円弧状外周面８Ａから内径側に距離ｂ１だけ離れた位置に、周方向に並んで、主回転方向Ｂの遅れ側の中心角θ２（＝６０°）の範囲のほぼ全領域に渡って形成されている。なお、第１分割磁石挿入穴１６Ａおよび第２分割磁石挿入穴１６Ｂが主回転方向Ｂの遅れ側の第２磁石挿入穴を構成する。

第１分割永久磁石１７Ａおよび第２分割永久磁石１７Ｂは、第１分割磁石挿入穴１６Ａおよび第２分割磁石挿入穴１６Ｂと同等の断面形状の短冊形に作製され、第１分割磁石挿入穴１６Ａおよび第２分割磁石挿入穴１６Ｂのそれぞれに挿入固着される。ここで、第１永久磁石１２の保磁力＜第１分割永久磁石１７Ａの保磁力≦第２分割永久磁石１７Ｂの保磁力となっている。
なお、実施の形態５による回転子５Ｄの他の構成は、上記実施の形態２による回転子５Ａと同様に構成されている。

したがって、実施の形態５においても、上記実施の形態２と同様の効果が得られる。
実施の形態５によれば、第１永久磁石１２の保磁力＜第１分割永久磁石１７Ａの保磁力≦第２分割永久磁石１７Ｂの保磁力となっているので、実施の形態２と同様の耐減磁特性が得られる。

なお、上記実施の形態５では、第２永久磁石が第１および第２分割永久磁石により構成されているものとているが、第２永久磁石の分割数は３以上でもよい。この場合、分割永久磁石は、主回転方向の遅れ側の保磁力が進み側の保磁力以上となるように、主回転方向に配列される。

実施の形態６．
図１３はこの発明の実施の形態６に係る回転電機の回転子における磁極を構成する磁石の配置を説明する要部断面図である。

図１３において、主回転方向Ｂの遅れ側の第２磁石挿入穴１１Ｅは、径方向幅ｈ２の円弧形状の穴形状に形成され、回転子鉄心６Ｅに、円弧状外周面８Ａから内径側に距離ｂ１だけ離れた位置に、中心角θ２（＝６０°）の範囲のほぼ全領域に渡って形成されている。ただし、径方向幅ｈ２は径方向幅ｈ１より大きい。
第２永久磁石１３Ｅは、第１永久磁石１２と同等の保磁力の磁石が用いられ、第２磁石挿入穴１１Ｅと同等の断面形状の短冊形に作製され、第２磁石挿入穴１１Ｅに挿入固着される。
なお、実施の形態６による回転子５Ｅの他の構成は、上記実施の形態２による回転子５Ａと同様に構成されている。

したがって、実施の形態６においても、上記実施の形態２と同様の効果が得られる。
実施の形態６によれば、減磁し易い第２永久磁石１３Ｅの径方向幅を大きくしているので、第２永久磁石１３Ｅに大きな保磁力の磁石を用いることなく、良好な耐減磁特性を確保することができる。さらに、第２永久磁石１３Ｅに残留磁束密度の小さい磁石を用いないので、減磁対策によるトルクの低下がない。なお、第２永久磁石１３Ｅに大きな保磁力の磁石を用いれば、耐減磁特性を一層向上させることができる。
また、第１永久磁石１２と第２永久磁石１３Ｅの径方向幅が異なるので、磁石の磁石挿入穴への誤挿入がなくなり、組立作業性が向上する。

実施の形態７．
図１４はこの発明の実施の形態７に係る回転電機の回転子における磁極を構成する磁石の配置を説明する要部断面図である。

図１４において、概略円弧状曲面７Ｆは、円弧状外周面８と、円弧状外周面８の主回転方向Ｂの遅れ側の端部と隣の円弧状外周面８の主回転方向Ｂの進み側の端部とを連結する凹面１９と、から構成されている。第２永久磁石１３Ｆは、凹面１９の内径側に位置するように回転子鉄心６Ｆに埋め込まれている。ここで、第２永久磁石１３Ｆには、第１永久磁石１２と同等の保磁力の磁石が用いられる。

なお、実施の形態７による回転子５Ｆは、概略円弧状曲面７Ｆが円弧状外周面８と凹面１９とで構成されている点を除いて、上記実施の形態１による回転子５と同様に構成されている。

したがって、実施の形態７においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
実施の形態７によれば、回転子鉄心６Ｆの第２永久磁石１３Ｆの径方向外方の外面が凹面１９に形成されているので、第２永久磁石１３Ｆの径方向外方における回転子５Ｆと固定子２との間の空隙部が第１永久磁石１２の径方向外方における回転子５Ｆと固定子２との間の空隙部より広くなっている。そこで、第２永久磁石１３Ｆの径方向外方における回転子５Ｆと固定子２との間の空隙部の磁気抵抗が大きくなり、固定子２が作る磁束が第２永久磁石１３Ｆに当たりにくくなり、耐減磁力特性が向上する。

実施の形態８．
図１５はこの発明の実施の形態８に係る回転電機の回転子における磁極を構成する磁石の配置を説明する要部断面図である。

図１５において、減磁抑制穴２０が回転子鉄心６Ｇの第２永久磁石１３の外径側に穴方向を軸方向として穿設されている。

なお、実施の形態８による回転子５Ｇは、減磁抑制穴２０が回転子鉄心６Ｇの第２永久磁石１３Ｂの外径側に穴方向を軸方向として穿設されている点を除いて、上記実施の形態３による回転子５Ｂと同様に構成されている。

したがって、実施の形態８においても、上記実施の形態３と同様の効果が得られる。
実施の形態８では、減磁抑制穴２０が回転子鉄心６６Ｇの第２永久磁石１３Ｂの外径側に穴方向を軸方向として穿設されているので、非磁性体である空気層が第２永久磁石１３Ｂの外周側に形成され、回転子鉄心６Ｇの外周面と第２永久磁石１３Ｂとの間の磁気抵抗が大きくなり、固定子２が作る磁束が第２永久磁石１３Ｂに当たりにくくなり、耐減磁力特性が向上する。

なお、上記実施の形態８では、減磁抑制穴が中空となっているが、銅などの非磁性体を減磁抑制穴に充填してもよい。この場合、非磁性体が回転子鉄心の第２永久磁石の径方向外側の領域に軸方向に貫通するように配設され、回転子鉄心の外周面と第２永久磁石との間の磁気抵抗が大きくなるので、耐減磁力特性が向上する。

実施の形態９．
図１６はこの発明の実施の形態９に係る回転電機の主要構成を模式的に示す断面図である。

図１６において、回転電機１Ａは、回転子２１と、回転子２１を囲繞するようにハウジングに配設される固定子２と、を備える。

回転子２１は、同一形状に打ち抜かれた多数枚の電磁鋼板を積層一体化して円環状に作製された回転子鉄心２２と、回転子鉄心２２の外周側に埋め込まれた永久磁石と、回転子鉄心２２の軸心位置に挿通されて回転子鉄心２２に固着される回転軸１５と、を備える。

主回転方向Ｂの進み側の第１磁石挿入穴２５と、主回転方向Ｂの遅れ側の第２磁石挿入穴２６との対が、回転子鉄心２２の外径側に、それぞれ軸方向に貫通するように、等角ピッチで８対形成されている。第１磁石挿入穴２５は、径方向幅ｈ１を有する円弧形状の穴形状に形成され、回転子鉄心２２の外周面から内径側に距離ｂ１だけ離れた位置に、中心角θ１（＝１２０°）の範囲のほぼ全領域に渡って形成されている。第２磁石挿入穴２６は、径方向幅ｈ１の円弧形状の穴形状に形成され、回転子鉄心２２の外周面から内径側に距離ｂ１だけ離れた位置に、中心角θ２（＝６０°）の範囲のほぼ全領域に渡って形成されている。

第１永久磁石２３は、第１磁石挿入穴２５と同等の断面円弧形状の短冊形に作製され、第１磁石挿入穴２５に挿入固着される。第２永久磁石２４は、第２磁石挿入穴２６と同等の断面矩形形状の短冊形に作製され、第２磁石挿入穴２６に挿入固着される。Ｎ極の磁極を構成する第１永久磁石２３は、着磁方向が極中心Ａと平行、かつ径方向外方に向うように着磁される。同様に、Ｎ極の磁極を構成する第２永久磁石２４は、着磁方向が極中心Ａと平行、かつ外方に向うように着磁される。ここで、Ｓ極の磁極を構成する第１永久磁石２３および第２永久磁石２４の着磁方向は、Ｎ極の磁極を構成する第１永久磁石２３および第２永久磁石２４の着磁方向と逆向きとなる。また、第２永久磁石２４には、第１永久磁石２３に比べて保磁力の大きい磁石を用いている。

なお、実施の形態９では、回転子鉄心２１が円環状に構成されている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成された回転電機１Ａは、８極１２スロットの車両用永久磁石埋込型回転電機を構成している。

この回転電機１Ａでは、第１および第２永久磁石２３，２４が回転子鉄心６の表面側に外径側に向って凸状に埋設されて磁極を構成し、第１永久磁石２３が中心角θ１（＝１２０°）の範囲のほぼ全領域に渡って形成され、第２永久磁石２４が第１永久磁石２３より保磁力の大きな磁石を用いている。したがって、この実施の形態９においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
この実施の形態９によれば、円環状の回転子鉄心２１を用いているので、回転子鉄心２１の加工が容易となり、低コスト化が図られる。

ここで、実施の形態９では、上記実施の形態１における概略円弧状曲面が周方向に等角ピッチで配列された外形形状を有する回転子鉄心に代えて円環状の回転子鉄心を用いるものとして説明しているが、上記実施の形態２〜８における回転子鉄心に代えて円環状の回転子鉄心を用いても、同様の効果が得られる。

なお、上記各実施の形態では、８極１２スロットの車両用永久磁石埋込型回転電機について説明しているが、車両用永久磁石埋込型回転電機の極数とスロット数は８極１２スロットに限定されるものではなく、例えば８極６スロットでもよい。
また、上記実施の形態３，４，６〜７では、第２永久磁石が一体物に作製されているものとしているが、第２永久磁石は主回転方向に配列された複数の磁石により構成されてもよい。

２ 固定子、３ 固定子鉄心、３ａ コアバック、３ｂ ティース、４ 固定子コイル、４ａ 集中巻コイル、５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｆ，５Ｇ，２１ 回転子、６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ，６Ｅ，６Ｆ，６Ｇ，２２ 回転子鉄心、７，７Ａ，７Ｆ 概略円弧状曲面、１２，２３ 第１永久磁石、１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｅ，１３Ｆ，２４ 第２永久磁石、１７Ａ 第１分割永久磁石（第２永久磁石）、１７Ｂ 第２分割永久磁石（第２永久磁石）、２０ 空気穴、Ａ 極中心、Ｂ 主回転方向。

Claims (14)

1. 回転子鉄心、および上記回転子鉄心の内径側に位置するように該回転子鉄心に埋設された複数の永久磁石、を有し、隣り合う上記永久磁石が互いに異なる極性となるように着磁されて磁極を構成する回転子と、
   ティースがそれぞれ円環状のコアバックから径方向内方に延設されて周方向に等角ピッチで配列された固定子鉄心、および上記固定子鉄心に巻装された固定子コイルを有し、上記回転子を囲繞して配設される固定子と、を備えた車両用永久磁石埋込型回転電機において、
   上記磁極を構成する上記永久磁石のそれぞれは、上記回転子鉄心の該磁極の主回転方向の進み側の端部から遅れ側の端部に至る領域に、主回転方向に並んで、かつ外径側に凸状に埋設された第１永久磁石と第２永久磁石とを有し、
   上記第１永久磁石は、上記磁極の主回転方向の進み側の端部から極中心を超えて遅れ側に至る一体物に形成され、
   上記第１永久磁石と上記第２永久磁石との間を通るリラクタンストルク発生用の磁路が構成され、
   上記第１永久磁石の着磁方向は、上記極中心と平行であり、
   上記第２永久磁石の着磁方向と上記第２永久磁石の配設領域の主回転方向の中央位置における上記回転子鉄心の外面の法線とのなす角度が、上記極中心と平行な方向と上記第２永久磁石の配設領域の主回転方向の中央位置における上記回転子鉄心の外面の法線とのなす角度より小さいことを特徴とする車両用永久磁石埋込型回転電機。
2. 上記回転子鉄心は、概略円弧状曲面が周方向に等角ピッチで配列されて連続する複数の凸面に構成された外周面を有し、
   上記磁極を構成する上記永久磁石のそれぞれが、上記概略円弧状曲面のそれぞれの内径側に位置するように上記回転子鉄心に埋設されていることを特徴とする請求項１記載の車両用永久磁石埋込型回転電機。
3. 上記回転子と上記固定子との間の空隙部における周方向の磁束分布が極中心に対して非対称であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両用永久磁石埋込型回転電機。
4. 上記第２永久磁石は、上記第１永久磁石より保磁力の大きい磁石で作製されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両用永久磁石埋込型回転電機。
5. 上記第２永久磁石は、主回転方向に配列された複数の分割永久磁石により構成されていることを特徴とする請求項４記載の車両用永久磁石埋込型回転電機。
6. 上記複数の分割永久磁石は、隣り合う分割永久磁石の遅れ側の保磁力が進み側の保磁力以上となるように、主回転方向に配列されていることを特徴とする請求項５記載の車両用永久磁石埋込型回転電機。
7. 上記第１永久磁石および上記第２永久磁石はネオジウム磁石であり、上記第１永久磁石の配設領域の中心角は９０度より大きく、１５０度より小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の車両用永久磁石埋込型回転電機。
8. 上記第２永久磁石は、上記第１永久磁石より深い位置に埋め込まれていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両用永久磁石埋込型回転電機。
9. 非磁性体が上記回転子鉄心の上記第２永久磁石の径方向外側の領域に軸方向に貫通するように配設されていることを特徴とする請求項８記載の車両用永久磁石埋込型回転電機。
10. 上記第２永久磁石の径方向外側における上記回転子と上記固定子の間の空隙が、上記第１永久磁石の径方向外側における上記回転子と上記固定子の間の空隙より広くなっていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両用永久磁石埋込型回転電機。
11. 上記第２永久磁石の径方向外側における上記回転子鉄心の外面が凹面に形成されていることを特徴とする請求項１０記載の車両用永久磁石埋込型回転電機。
12. 上記第２永久磁石は、上記第１永久磁石より厚い径方向厚みに形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両用永久磁石埋込型回転電機。
13. 上記第２永久磁石の着磁方向は、上記第２永久磁石の配設領域の主回転方向の中央位置における上記回転子鉄心の外面の法線方向と平行であることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の車両用永久磁石埋込型回転電機。
14. 上記固定子コイルは、上記ティースのそれぞれに巻回された集中巻コイルにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の車両用永久磁石埋込型回転電機。

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