JP5813254B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、回転子コアの内部に永久磁石が埋め込まれた、埋め込み磁石形（ＩＰＭ）の永久磁石式回転電機に関するものである。

産業用や車載用モータ等の回転電機においては、高トルク化，低コギング化，広い運転範囲等が求められている。これらの要求に応える技術として、例えば、外周付近に永久磁石が埋設された回転子コアにおいて、永久磁石よりも外周側に、軸方向の位置によって、周方向の異なる位置にエアギャップ孔が形成された回転電機の回転子が開示されている。エアギャップ孔を周方向の異なる位置に配置することで、互いのコギングトルクが打ち消しあってコギングトルクを抑制するようにしたものである（例えば、特許文献１参照）。
また、周方向に対称な永久磁石挿入孔が形成され、その挿入口の両端部側に、互いに周方向に非対称な開口部が形成された回転子コアを有し、複数の回転子コアを交互に反転させた後、軸方向に一体的に取り付けて一つの回転子コアを構成した回転電機が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−１７６４２４号公報（第５頁、図５−図６） 特開２０００−１３４８４１号公報（第３頁−４頁、図２−図４）

上記特許文献１のような従来の構成では、回転子コア部にエアギャップ孔を設けてコギングトルクの低減を図っているが、回転子表面近傍に設けられたエアギャップ孔では、ｑ軸の磁束からなるｑ軸のインダクタンに対する低減効果は少なく、表面磁束型構造のＳＰＭモータに比べインダクタンスが大きくなり、電源電圧の制約から運転範囲が低減するという問題点があった。
同様に、特許文献２のような構成では、永久磁石挿入孔子の両端部の形状を軸方向で変更させることでコギングトルク，トルクリップルの低減を図っているが、ｑ軸の磁束からなるｑ軸のインダクタンスの低減はほとんど行えないため、特に、ＳＰＭモータよりもインダクタンスが大きいＩＰＭモータの場合には、やはり運転範囲が低減するという問題点があった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、特にｑ軸のインダクタンスを低減しつつコギングトルクとトルクリップルを共に低減する永久磁石式回転電機を得ることを目的とする。

この発明に係る永久磁石式回転電機は、固定子コアに形成された複数のティース部に固定子巻線が巻回された固定子と、回転子コアの周方向に形成され複数の磁極の間に永久磁石が埋設されてシャフトと一体に回転する回転子とを備えた永久磁石式回転電機において、回転子コアは、磁極の外周部と永久磁石の側面との間に、回転子コアの素材より透磁率が低い低透磁率領域を有し、低透磁率領域は、各磁極の周方向の幾何学的中心に対して非対称に設けられて各磁極の磁気的中心が幾何学的中心に対して一方に変位しており、回転子コアの表裏を逆に配置することで、永久磁石に対して低透磁率領域は周方向の相対位置が異なるように構成され、前記固定子のスロット数をＺ（Ｚは自然数）、前記回転子の磁極数をＰ（Ｐは自然数）、相数をｍとし、毎極毎相のスロット数ｑをｑ＝Ｚ／（ｍ×Ｐ）で表したとき、前記磁極の前記幾何学的中心に対して前記磁気的中心を変位させる電気角度を、ｑの値が（２／５）≦ｑ＜（１／２）のときは１５度以上、ｑの値が（１／２）≦ｑのときは３０度以上とするものである。

この発明の永久磁石式回転電機によれば、回転子コアは、磁極の外周部と永久磁石の側面との間に、回転子コアの素材より透磁率が低い低透磁率領域を有し、低透磁率領域を、各磁極の周方向の幾何学的中心に対して非対称に設けて各磁極の磁気的中心を一方に変位させ、回転子コアの表裏を逆に配置することで、永久磁石に対して低透磁率領域は周方向の相対位置が異なるように構成したので、低透磁率領域を設けることでｑ軸のインダクタンスを低減することが可能となり、電源電圧の制約から運転範囲が低減するのを抑制できる。また、低透磁率領域は周方向の相対位置が異なるように構成したことにより、コギングトルクやトルクリップルの位相がずれることで永久磁石をスキューさせた場合と同様の効果が得られ、コギングトルク及びトルクリップルを低減することができる。

この発明の実施の形態１における永久磁石式回転電機の軸方向に垂直な断面図である。 図１の永久磁石式回転電機の回転子の軸方向に垂直な断面図である。 図２の回転子を構成するコアIとコアIIの断面図である。 図３のコアIとコアIIを軸方向に組み合わせた図である。 比較例として示す、永久磁石式回転電機の回転子の軸方向に垂直な断面図である。 図３及び図５の回転子コアを使用した場合のコギングトルクの波形図である。 この発明の実施の形態１における永久磁石式回転電機の、他の例を示す回転子のコアIとコアIIの断面図である。 図７のコアIとコアIIを軸方向に組み合わせた図である。 この発明の実施の形態１における永久磁石式回転電機の、更に別の例を示す回転子の軸方向に垂直な断面図である。 実施の形態１において、回転子コアの低透磁率領域を構成する空隙の本数を変化させた場合の回転子の断面図である。 図１０に示す回転子の、低透磁率領域の空隙の本数と高調波の大きさの関係を示す図である。 この発明の実施の形態２における永久磁石式回転電機の回転子の軸方向に垂直な断面図である。 図１２に示す回転子コアの径方向深さＬまでの間で、低透磁率領域を設ける深さとインダクタンスの低減率の関係を示す図である。 図１３より求めた、低透磁率領域を設ける深さとインダクタンス低減率の差分の関係を示す図である。 この発明の実施の形態３における永久磁石式回転電機の回転子の軸方向に垂直な部分断面図である。 この発明の実施の形態４における永久磁石式回転電機の回転子の、トルクリップルと磁極中心を変位させる角度との関係を説明する図である。 実施の形態４によるにおける永久磁石式回転電機の回転子の、軸方向の長さを変化させた場合を説明する説明図である。 図１７の各回転子において、トルクリップルの６ｆ成分と磁極中心を変位させる角度との関係を示す図である。 この発明の実施の形態５における永久磁石式回転電機の回転子の、コアIとコアIIを軸方向に組み合わせた図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による永久磁石式回転電機の、回転軸の軸方向に垂直な断面図であり、図２は図１から回転子部のみを取り出した回転子の断面図である。図１，２では、一例として、固定子のティース数が１２，回転子の磁極数が１０の場合の回転電機を示している。

先ず、図１により、永久磁石式回転電機の全体構成の概要から説明する。永久磁石式回転電機１０は、ケース１の内壁に保持された固定子２０と、固定子２０の内側に微小隙間を空けて配置された回転子３０とを備えている。
固定子２０は、円環状の薄板電磁鋼板を積層して形成した固定子コア２と、固定子コア２の内周側に形成された１２個のティース部２ａに絶縁体を介して巻回された固定子巻線３とを有している。

一方、回転子３０は、１０個の磁極を有する回転子コア４と、回転子コア４の磁極間に埋設された１０個の永久磁石５と、回転子コア４の中心に固定され、両端側がケース１のブラケットに設けられた軸受け（図示せず）に支持されて回転可能なシャフト６とを有している。永久磁石５は、図１の方向に見て、矩形状をした断面の長手方向を径方向に向けて、回転子コア４の中心側から外周側に向けて放射状に、且つ、周方向に均等に配置されている。
また、また回転子コア４には、回転子コア４を構成する素材自身の透磁率よりも透磁率が低い領域である低透磁率領域４ａ，４ｂを有するが、その詳細については後述する。
固定子巻線３に通電して回転磁界を形成することにより、回転子３０がシャフト６を中心に回転する。

図２により回転子３０の構成を更に詳しく説明する。
回転子コア４は、薄板の電磁鋼板が回転子３０の軸方向に多数枚積層されて構成されている。
永久磁石５は、回転子コア４の軸方向の略全長に亘って埋め込まれており、着磁方向は図に示すようになっている。回転子３０が回転したとき、遠心力で永久磁石５が回転子コア４から飛び出さないように、回転子コア４の外周側に永久磁石５と係止する爪部４ｃが設けられている。図２には表示していないが、爪部４ｃと永久磁石５との間に非磁性体を挟んでも良い。この非磁性体は永久磁石５の回転子外周側にのみ設けられており、爪部４ｃから永久磁石５に加わる応力を分散させる役割をかねている。また、永久磁石５と回転子コア４を接着材などで固めて強度を増すようにしても良い。
なお、回転子コア４は、図では各磁極を個別に形成したものを永久磁石５と組み合わせる構成しているが、円板状の電磁鋼板に永久磁石挿入口とシャフト挿入口を打ち抜いたものを積層して構成しても良い。

本願発明の特徴部として、回転子コア４には、低透磁率領域４ａ及び４ｂが、回転子コア４の外周部近傍に、回転子コア４の磁極１極分に対して周方向に非対称に設けられている。
１極分で説明すると、図２のような方向に見て、扇状をした磁極の外周の周方向長さの中心とシャフト６の中心を結ぶ半径方向の中心線、すなわち、磁極の幾何学的中心線をＡとし、磁極の磁気的中心線をＢとすると、Ａに対しＢが所定の角度θだけずれるように、中心線Ａに対して、低透磁率領域４ａと低透磁率領域４ｂを非対称に設けている。これにより、磁極部を通過する磁束の中心である磁気的中心（以下、適宜、磁極中心と略す）が中心線Ａに対して非対称になる。すなわち、低透磁率領域４ａ及び４ｂを非対称に設けることで、幾何学的中心に対して磁極中心を周方向の一方に変位させている。
低透磁率領域４ａ，４ｂは、例えば、図２に示すように、円弧状をした複数の細い空隙により形成されている。図の場合では、円弧状の長さを変えることで非対称としている。

更に、この非対称の低透磁率領域４ａ，４ｂの変位の方向が、回転子３０の軸方向の位置によって逆になるように回転子３０の軸方向の途中で反転させている。これを、図３及び図４により説明する。図３は回転子コア４を軸方向に見た断面図であり、図４は軸方向に対して直交方向から見た回転子コア４の平面図である。図４では永久磁石５の図示は省略している。
図３において、（ａ）のコアIは、図２に見える回転子コア４の形状と同じであり、（ｂ）のコアIIはコアIと比較して低透磁率領域４ａと低透磁率領域４ｂが周方向で逆になったものである。すなわち、（ａ）と（ｂ）では、永久磁石５に対して低透磁率領域４ａ，４ｂの相対位置が周方向で異なっている。実際には、コアIIはコアIの表裏を逆にしたものと同等である。

すなわち、この回転子を製作する場合は、コアIとコアIIは同じ金型で製作され、例えば（ａ）に見える面を表面とすると、複数の電磁鋼板からなるコアIは、表面を上にして重ね合わせ、コアIIは、裏面を上にして重ね合わせて作られる。したがって、金型が同一の物でよいため製作コストを低く抑えることが可能となる。
図３に示す各コアI，コアIIをそれぞれ同じ高さに積層したブロックを、図４に示すように、回転子３０の軸方向の半分をコアIのブロック、残り半分をコアIIのブロックとし、組み合わせて全体が構成されている。
ここで、図２のようにコアの幾何学的中心線Ａに対して、磁極の磁気的中心線をＢとした場合、図３において、線Ｂとコア外周部の接点を、コアIでは点Ｃ、コアIIでは点Ｄとすると、図４に示すように、軸方向において点Ｃと点Ｄは、ずれており、更に点ＣはコアIの領域において軸方向で連続的に同じ位置となり、同様に点ＤはコアIIの領域において軸方向で連続的に同じ位置となるように構成している。

図５は、本願発明の作用効果を説明するための比較例を示す永久磁石式回転電機の回転子の断面図である。図２同様に回転子の磁極数が１０で、低透磁率領域４ｄが回転子コア４の１極分に対して対称に設けられている。すなわち、磁極の幾何学的中心と磁気的中心とが同じとなっている。
回転子コア４の磁束軸をｄ軸とし、ｄ軸に対して電気角で直行する軸をｑ軸とした場合、ｑ軸の磁束を図５の２点鎖線の部分に代表して記載している。図のように、回転子コア４に低透磁率領域４ｄを設けることで、このｑ軸磁束の流れが遮られ、ｑ軸のインダクタンスを低下させることができる。これに関しては、本願の図３に記載したコアI、コアIIのように回転子コアの１極分に対して低透磁率領域４ａ，４ｂが非対称に設けられている場合でも同様であり、ｑ軸のインダクタンスを低減することが可能である。

次に、図６により本願の作用効果について説明する。
図６は、図１のように固定子２０のティース数を１２とし、図５の比較例の回転子の場合と、図３のコアI及びコアIIを組み合わせた図４のような本願の回転子３０とを、それぞれを回転させた場合に発生するコギングトルクの波形を示す図である。
図５のように１極分に対して対称に低透磁率領域４ｄを設けた回転子のコギングトルク波形（細実線で示す）に対して、本願の回転子３０では、コアIとコアIIの部分で発生するコギングトルク波形は、図５の回転子の波形に対して位相がずれて発生する。すなわち、コアIでは破線で示すような波形になり、コアIIでは点線で示すような波形になる。この結果、図４のようにコアIとコアIIを軸方向に組み合わせた本願の回転子３０では、両波形が合成されて図中に太実線で示すような波形となり、図５の回転子と比較してコギングトルクが低減していることが分かる。

また、先に説明したように、回転子コア４に低透磁率領域４ａ，４ｂが設けられているので、ｑ軸のインダクタンスを低減することができるため、電源電圧の制約から運転範囲が低減するのを抑制でき、例えば、一定トルクで運転できる回転数領域を拡大できる。

なお、図１では、固定子のティースが１２個で、回転子の磁極数は１０極としたが、固定子のティース数と回転子の磁極数は図１に限定するものではなく、他のティース数と磁極数の組み合わせの回転電機でも同様の効果を得ることができる。
また回転子コアに設ける低透磁率領域は、複数の円弧状の空隙で構成したもので説明したが、例えば、厚さ方向に変形させて磁気劣化させたものでもよく、形状も特に規定するものではない。ただし、最もインダクタンスを効果的に低減できるのは、複数の空隙により磁極の外周部と永久磁石の側面との間に円弧状に形成したものである。

これまでに説明した回転子では、低透磁率領域４ａ及び４ｂの二つの領域を磁極の幾何学的中心線Ａに対してして非対称に設けることで、磁極の磁気的中心を幾何学的中心に対して一方に変位させていたが、次にこの変形例について説明する。
図７は、永久磁石式回転電機の他の例を示す回転子の、コアIとコアIIの軸方向に垂直な断面図であり、図８は、図７のコアIとコアIIを軸方向に組み合わせた図である。図３との相違点は、低透磁率領域４ｅが、回転子コア４の外周部近傍に、回転子コア４の１極分に対して周方向の片側にのみ設けられている点である。

図７に示すように、回転子コア４の磁極の外周部と、磁極の両側に配置された永久磁石５のうちの片側の永久磁石５の側面との間に、低透磁率領域４ｅが設けられている。（ａ）のコアIに対して、（ｂ）のコアIIは、低透磁率領域４ｅがコアIとは周方向の反対側に形成されている。実際には、コアIの表裏を逆にしたものと同等なので、同じ金型で打ち抜き加工により製作すればよい。
図７に示すコアIとコアIIのブロックを、図８に示すように、回転子コア４の軸方向の半分の位置において組み合わせて一体に構成する。
このような構成によっても、図３と同様の作用効果を得ることができる。回転子コア４に低透磁率領域が多くあると回転子コア４の強度が弱くなるが、片側にのみ低透磁率領域４ｅを設けることで、図３の場合と比較して、回転子コア４全体の強度が高くなるため、回転子の回転速度を高くすることが可能となる。

図９は、更に他の変形例を示す永久磁石式回転電機の回転子の軸方向に垂直な断面図である。これまでの説明では、永久磁石５が放射状に配置されていたが、この例では、永久磁石５は、回転子コア４の１極につき２個設けられおり、２個の永久磁石５が、回転子コア４の中心側から外周側に向かってＶ字状に広がるように配置されている。永久磁石５の着磁方向は、図中にＮ，Ｓで示すようになっている。
図２の場合と同様に、扇状をした磁極の外周の周方向の中心とシャフト６の中心を結ぶ半径方向の中心線、すなわち、磁極の幾何学的中心線をＡとし、磁極の磁気的中心線をＢとすると、Ａに対しＢが所定の角度θだけずれるように、中心線Ａに対して、低透磁率領域４ａと低透磁率領域４ｂを非対称に設けて、磁極中心を変位させている。また、回転子の軸方向に対しては、図４と同様に、軸方向の途中で変位方向を反転させている。

図９のような構成の永久磁石式回転電機でも、これまでと同様な作用効果を得ることができる。また、この図９のような構成の永久磁石式回転電機は、実施の形態１以外の以下に説明する各実施の形態においても適用可能である。

次に、低透磁率領域を細い空隙で構成する場合の空隙の数について述べる。例えば、低透磁率領域は、空隙の長さを変えたり、本数を増やしたり、面積を変えたりして領域を変更できる。このうち、複数の空隙の本数を変えることが、以下に説明するように、高調波抑制からも有効なことが分かった。
図１０は、図２と同様の、永久磁石式回転電機の回転子の断面図であるが、一例として、非対称に形成する一方の低透磁率領域４ｆの空隙本数を４本、他方の低透磁率領域４ｇの空隙本数を２本としたものである。また図１１は図１０における回転子において、回転子が反時計方向に回転しているとして、回転方向の遅れ側の低透磁率領域４ｆの本数を変更した場合の高調波の大きさを表した図である。低透磁率領域４ｆが４本のときの高調波を１としている。

図１１から分かるように、低透磁率領域４ｆを構成する空隙の本数を、４本から更に増やして行くと、高調波がより低減できることが分かる。高調波を低減することで、トルクリップルや鉄損を低減することが可能となる。したがって、本数を増やすのは高調波対策の面から有効であるが、あまり本数を増やすと、加工や強度の点から問題となるので、回転電機の大きさや容量、使用条件等を考慮して決めるのがよい。

以上のように、実施の形態１の永久磁石式回転電機によれば、固定子コアに形成された複数のティース部に固定子巻線が巻回された固定子と、回転子コアの周方向に形成され複数の磁極の間に永久磁石が埋設されてシャフトと一体に回転する回転子とを備えた永久磁石式回転電機において、回転子コアは、磁極の外周部と永久磁石の側面との間に、回転子コアの素材より透磁率が低い低透磁率領域を有し、低透磁率領域は、各磁極の周方向の幾何学的中心に対して非対称に設けられて各磁極の磁気的中心が幾何学的中心に対して一方に変位しており、回転子コアの表裏を逆に配置することで、永久磁石に対して低透磁率領域は周方向の相対位置が異なるように構成されているので、一般的に表面磁石構造のＳＰＭ回転電機よりもインダクタンスが大きくなる埋め込み磁石構造のＩＰＭ回転電機において、低透磁率領域を設けることでｑ軸のインダクタンスを低減することが可能となり、電源電圧の制約から運転範囲が低減するのを抑制できる。また、低透磁率領域は周方向の相対位置が異なるように構成したことにより、コギングトルクやトルクリップルの位相がずれることで永久磁石をスキューさせた場合と同様の効果が得られ、コギングトルク及びトルクリップルを低減することができる。

また、永久磁石は、回転子コアの中心側から外周側に向けて放射状に配置されているので、ＩＰＭ回転電機において低透磁率領域を効果的に設けられ、ｑ軸のインダクタンスの低減効果が大きい。

また、永久磁石は、回転子コアの磁極の１極につき２個ずつ設けられおり、２個の永久磁石は、回転子コアの中心側から外周側に向かってＶ字状に広がるように配置されているので、永久磁石をＶ字状に配置したＩＰＭ回転電機においても、上記と同様の効果を得ることができる。

また、低透磁率領域は、回転子コアの磁極の外周部と磁極の両側に配置された永久磁石の各側面との間に形成された複数の細い空隙からなり、磁極の幾何学的中心に対して左右で空隙の個数又は長さが異なるように構成されているので、低透磁率領域を回転子コアの製作時に金型で容易に且つ効果的に形成でき、また、回転子コアの表面より作られる磁束波形の高調波を低減でき、コギングトルクとトルクリップルをより低減することができる。

更に、低透磁率領域は、回転子コアの磁極の外周部と磁極の両側に配置された永久磁石のうちの片側の永久磁石の側面との間に形成された複数の空隙によって構成されているので、両側に設ける場合と比較して、回転子の剛性が強くなるため、回転数を高くすることが可能となる。

実施の形態２．
図１２は、実施の形態２による永久磁石式回転電機の回転子の断面図である。永久磁石式回転電機の全体の断面形状は実施の形態１の図１と同等なので、図示及び説明は省略する。図１３は、本実施の形態における、低透磁率領域を設ける深さとインダクタンス低減率との関係を示す図であり、図１４は、低透磁率領域を設ける深さとインダクタンス低減率の差分との関係を示す図である。本実施の形態は、回転子コア４に設ける低透磁率領域の範囲に関するものである。

図１２において、回転子コア４の外周面より、中心側に向けてシャフトが配置されるまでの深さをＬとしている。
図１３は、回転子コア４の外周面より深さＬの範囲において、低透磁率領域４ａ，４ｂが設けられる深さとインダクタンスの低減率との関係を表している。ここでＬ＝０とは低透磁率領域４ａ，４ｂが全く設けられていない場合である。
また図１４は、図１３をもとにして、低透磁率領域を設ける深さとインダクタンス低減率の差分を図示したものである。

図１３より、回転子コア４に、外周面からシャフト側に向けて、低透磁率領域が深くなるほどインダクタンスの低減率は下がっているが、低減効果はあるので低透磁率領域を深く設けるほどインダクタンスはより低減できることがわかる。しかし、低透磁率領域を深く設けると回転子コア４の強度が低下してしまう。このため低透磁率領域を必要以上に深くすることなく、インダクタンスをより効果的に低減できることが必要となる。
図１４より、低透磁率領域を設ける深さとインダクタンス低減率の差分の関係を見ると、インダクタンスが最も効果的に低減できるのは深さが１／４Ｌ程度の位置である。また低透磁率領域を外周側近傍に設けた場合と同じ低減率の差分となるのは深さが１／２程度のところとなっている。
これらから、低透磁率領域を設ける深さは、回転子外周面より、中心側に向けてシャフトが配置されるまでの深さＬの、１／２以内とするのが効果的であることが分かる。

以上のように、実施の形態２の永久磁石式回転電機によれば、固定子コアの外周側からシャフトの表面までの深さをLとしたとき、低透磁率領域は、外周側から１／２Ｌの間に設けられているので、回転子コアの強度が低下するのを抑制しながら、効果的に低透磁率領域を設けられて、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図１５は、実施の形態３による永久磁石式回転電機の回転子の部分断面図である。回転子の全体形状は、実施の形態１の図２と同等なので図示及び説明は省略する。本実施の形態では、低透磁率領域の形成位置を更に詳しく規定するものである。

図１５に示すように、軸方向に垂直な断面で見て、回転子コア４の外周面とその外周面に近接した低透磁率領域４ａ,４ｂ（以下、４ａで代表する）の端部までの距離をａとし、永久磁石５の側面（矩形状断面の長手方向）からその側面に近接した低透磁率領域４ａの端部までの距離をｂとする。
長さａが短いことは、低透磁率領域４ａを長くできることになり、よりｑ軸インダクタンスを低減する効果がある。しかしながら、回転子コア４を金型で製作する場合、通常、電磁鋼板を打ち抜いて製作するので、この電磁鋼板を打ち抜く際に歪まない長さを確保しておく必要がある。
上記歪みを勘案すると、回転子コア４を、例えば０．３５ｍｍの厚さの一般的な電磁鋼板で製作する場合、金型の作り方や精度によるが、長さａは、０．２ｍｍ〜０．７ｍｍの間で製作すれば良いことが分かった。

一方、永久磁石５の側面から低透磁率領域４ａまでの長さｂは、永久磁石５が回転子コア４に接している面となり、回転子３０が回転している場合、永久磁石５からの力を受けることになる。また、爪部４ｃは永久磁石５が遠心力により飛散しようとするのを抑えており、爪部４ｃには大きな力が加わることになる。したがって、長さｂが短い場合は、回転子３０の強度が低下する虞があるため、長さｂはインダクタンスの低減効果が失われない程度に長く確保する必要がある。
上記の事柄を勘案して、長さａと長さｂの関係を、ａを上記寸法の範囲とし、ａ＜ｂとすることで、回転子の所要強度を保ちながらインダクタンスを低減する構造を得ることができることが分かった。また、ｂを最大で３ｍｍ程度以下とすれば、ほとんどインダクタンスの低減効果が失われることがないことを検証した。

回転子強度が低下した場合、永久磁石が遠心力により飛散してしまう可能性があるので、回転子の回転速度を高くすることは困難となる。しかし、実施の形態３の構造を採用することで、回転子の強度を低下させることなく、回転子の回転速度を高くすることが可能となる。

以上のように、実施の形態３の永久磁石式回転電機によれば、回転子コアの磁極の外周面からその外周面に近接した低透磁率領域の端部までの距離をａとし、永久磁石の側面からその側面に近接した低透磁率領域の端部までの距離をｂとしたとき、ａは０．２〜０．７ｍｍの範囲とし、ｂはａより大きく３ｍｍ以下としたので、実施の形態１と同等の効果に加え、低透磁率領域を設けることによる回転子の剛性の低下を抑制して、回転数を高くすることが可能となる。
また、モータ回転時にはスロットのパーミアンスの変化によりロータ表面に鉄損が発生するため、この鉄損を低減し、漏れ磁束を低減させ出力を向上させつつ、強度を保つために、ａの部分を最小のａ＝０．２ｍｍとして、ｂの部分はプレスによるうち抜きを考慮して板厚と同じｂ＝０．３５ｍｍ程度とすることが好ましい。

実施の形態４．
図１６は、実施の形態４による永久磁石式回転電機のトルクリップルの６ｆ成分と１２ｆ成分に対する低減効果を説明する図である。回転電機の全体構成は図１と同等であり、回転子の断面図は、図２，図７，図９，図１０等と同等なので、図示及び説明は省略する。本実施の形態は、低透磁率領域を設けて磁極の磁気的中心を変位させる電気角度に関するものである。
図１６のトルクリップルのグラフは、軸方向の磁束の漏れ等がない理想状態におけるものを示している。また、磁極の磁気的中心を変位させていない状態におけるトルクリップルの６ｆ成分と１２ｆ成分の大きさを１としている。なお電気的な１周期をｆとする。

固定子のスロット数（＝ティース数）をＺ個（Ｚは自然数）とし、相数をｍ，回転子の極数をＰ（Ｐは自然数）とすれば、毎極毎相のスロット数ｑは、ｑ＝Ｚ／（ｍ×Ｐ）で表される。このｑの値によって駆動中に発生するトルクリップルの大きさの主たる成分は異なっている。
例えば図１のような３相の回転電機の場合では、ｑ＝２／５となり、トルクリップルの主成分は１２ｆ成分となる。また、ｑ＝１／２やｑ＝１の場合であれば、トルクリップルの主成分は６ｆ成分となる。

このため、本願発明のように低透磁率領域によって磁極の磁気的中心を変位させる場合、この変位させる角度を、ｑの値に応じて変化させることで、トルクリップルをより効果的に低減することが可能となる。
図１６から、理論的にはｑ＝２／５の場合では、１２ｆ成分を低減するために電気角度で磁極中心を１５度変位させ、ｑ＝１／２やｑ＝１、つまりｑ≧１／２では、６ｆ成分を低減するために電気角度で磁極中心を電気角度で３０度変位させれば、トルクリップルの主成分を低減することができる。

図１６は、理想状態におけるものであるが、実際は漏れ磁束等の影響があるので、回転子コアの長さによって、変位角度が変わってくる。このことを次に説明する。
図１７は、ｑ＝１／２のモデルにおいて、回転電機の回転子コアの長さが異なるモデルを示す軸方向図で、どのモデルも軸方向の半分の位置にて、コアを反転させたものを組み合わせたものである。回転子の直径と軸方向の長さが略等しいモデルの軸方向長さＬを基準にし、１．５Ｌと２Ｌの３個のモデルを示す。この図１７の各モデルを用いて、磁極中心を変位させてトルクリップル６ｆ成分を求めたものが図１８である。

回転機の回転子コアの長さが異なると磁極中心の変位角度が同じとしてもトルクリップルは同じように低減できない。図１６の理想状態では、トルクリップル６ｆ成分を最も低減できる磁極中心の変位角度は、ｑ＝１／２の場合では３０度であったが、図１８から分かるように、実際はそれよりずれており、ずれ量は軸方向長さによっても変化する。しかし、いずれの場合も３０度より大きな角度とすればより効果的に低減できることが分かる。
この点については、トルクリップル１２ｆ成分についても同様の結果となり、ｑ＝２／５の状態では図１６の理想的な場合の磁極中心の変位角度は１５度であるが、それより大きくすることで、より効果的にトルクリップルを低減することが可能となる。

このことから、ｑ＝２／５では磁極中心の変位角度を、理想的な状態で最もトルクリップル１２ｆ成分を低減できる１５度よりも更に大きく変位させ、またｑ≧１／２では磁極の中心角度を、理想的な状態で最もトルクリップル６ｆ成分を低減できる３０度よりも更に大きく変位させることでより効果的にトルクリップルを低減できる。
但し、上限は実際の回転電機の大きさや形状にもよるが、製作上からも５０度程度以下とするのが望ましい。

以上のように、実施の形態４の永久磁石式回転電機によれば、固定子のスロット数をＺ（Ｚは自然数）、回転子の磁極数をＰ（Ｐは自然数）、相数をｍとし、毎極毎相のスロット数ｑをｑ＝Ｚ／（ｍ×Ｐ）で表したとき、磁極の幾何学的中心に対して磁気的中心を変位させる電気角度を、ｑの値が（２／５）≦ｑ＜（１／２）のときは１５度以上、ｑの値が（１／２）≦ｑのときは３０度以上としたので、極数とスロット数の組み合わせによって磁極の磁気的中心を変位させる角度を変更することで、コギングトルク，トルクリップルをより効果的に低減することができる。

実施の形態５．
図１９は、この発明の実施の形態５による永久磁石式回転電機の回転子コアを、軸方向に対して直交方向から見た平面図である。回転子コアとしては、図３又は図７で説明したようなコアIと、そのコアＩを反転させたコアIIが用いられている。
回転子コ全体の軸方向の長さを１とすれば、図１９のように、コアIのブロックを軸方向に１／４，次にコアIIのブロックを１／２，次にコアIのブロックを１／４の長さとして、それらを組み合わせて全体を構成している。コアIとコアIIそれぞれの、合計の軸方向長さは同じである。

実施の形態１で説明した図４のような構成では、コアIとIIの磁極の磁気的中心の変位方向が軸方向の両側で異なっているので、負荷がかかるとスラスト方向に力が加わり、場合によってはベアリングなどが破損に至る虞がある。これに対して、本実施の形態では、磁極の磁気的中心が、軸方向の一端側と他端側とで同じ位置に揃うように構成されているので、スラスト力が相殺され発生しなくなる。
なお、図１９では、コアIとコアIIの反転させる回数を２回としたが、更に多く（但し、偶数回）しても良い。

以上のように、実施の形態５の永久磁石式回転電機によれば、低透磁率領域の周方向の相対位置は、回転子の軸方向の位置によって反転させ、反転させる回数を偶数回とし、回転子の軸方向の一端側と他端側において磁極の磁気的中心が揃うように構成したので、回転子のシャフトに掛かるスラスト力が相殺されて発生しなくなるため、スラスト力による性能の劣化を抑制できる。

なお、本願発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変更、省略したりすることが可能である。

１ ケース、２ 固定子コア、２ａ ティース部、３ 固定子巻線、
４ 回転子コア、４ａ，４ｂ，４ｄ，４ｅ，４ｆ，４ｇ 低透磁率領域、
４ｃ 爪部、５ 永久磁石、６ シャフト、１０ 回転電機、
２０ 固定子、３０ 回転子。

Claims (8)

1. 固定子コアに形成された複数のティース部に固定子巻線が巻回された固定子と、回転子コアの周方向に形成され複数の磁極の間に永久磁石が埋設されてシャフトと一体に回転する回転子とを備えた永久磁石式回転電機において、
   前記回転子コアは、前記磁極の外周部と前記永久磁石の側面との間に、前記回転子コアの素材より透磁率が低い低透磁率領域を有し、前記低透磁率領域は、各前記磁極の周方向の幾何学的中心に対して非対称に設けられて各前記磁極の磁気的中心が前記幾何学的中心に対して一方に変位しており、前記回転子コアの表裏を逆に配置することで、前記永久磁石に対して前記低透磁率領域は前記周方向の相対位置が異なるように構成され、
   前記固定子のスロット数をＺ（Ｚは自然数）、前記回転子の磁極数をＰ（Ｐは自然数）、相数をｍとし、毎極毎相のスロット数ｑをｑ＝Ｚ／（ｍ×Ｐ）で表したとき、
   前記磁極の前記幾何学的中心に対して前記磁気的中心を変位させる電気角度を、ｑの値が（２／５）≦ｑ＜（１／２）のときは１５度以上、ｑの値が（１／２）≦ｑのときは３０度以上とすることを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 請求項１記載の永久磁石式回転電機において、
   前記永久磁石は、前記回転子コアの中心側から外周側に向けて放射状に配置されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 請求項１記載の永久磁石式回転電機において、
   前記永久磁石は、前記回転子コアの前記磁極の１極につき２個ずつ設けられており、前記２個の永久磁石は、前記回転子コアの中心側から外周側に向かってＶ字状に広がるように配置されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
4. 請求項２又は請求項３に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記低透磁率領域は、前記回転子コアの前記磁極の前記外周部と前記磁極の両側に配置された前記永久磁石の各側面との間に形成された複数の細い空隙からなり、前記磁極の幾何学的中心に対して左右で前記空隙の個数又は長さが異なるように構成されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
5. 請求項２又は請求項３に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記低透磁率領域は、前記回転子コアの前記磁極の前記外周部と前記磁極の両側に配置された前記永久磁石のうちの片側の永久磁石の側面との間に形成された複数の細い空隙によって構成されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記固定子コアの外周側から前記シャフトの表面までの深さをLとしたとき、前記低透磁率領域は、前記外周側から１／２Ｌの間に設けられていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記回転子コアの前記磁極の外周面からその外周面に近接した前記低透磁率領域の端部までの距離をａとし、前記永久磁石の側面からその側面に近接した前記低透磁率領域の端部までの距離をｂとしたとき、ａは０．２〜０．７ｍｍの範囲とし、ｂはａより大きく３ｍｍ以下とすることを特徴とする永久磁石式回転電機。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記低透磁率領域の前記周方向の前記相対位置は、前記回転子の軸方向の位置によって反転させ、前記反転させる回数を偶数回とし、前記回転子の前記軸方向の一端側と他端側において前記磁極の前記磁気的中心が揃うように構成されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。

Images