JP6729037B2 - 可変磁束型回転電機及び永久磁石の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、可変磁束型回転電機及び永久磁石の製造方法に関する。

従来、埋込磁石型同期電動機の回転子において、無負荷時に、永久磁石から出る漏れ磁束が主磁束とは逆方向に流れて回転子内部で循環するように形成された漏れ磁束路を有する回転子構造が知られている（特許文献１参照）。この埋込磁石型同期電動機は、漏れ磁束路を有することで、無負荷時における主磁束成分の磁束量を低減させる。これにより、主磁束成分の影響により生じる固定子の鉄損が低減されるので、電動機の効率が向上する。

特開２０１０−２７３４１６号公報

しかしながら、電動機の効率を向上させることを目的として漏れ磁束路を設けたことで、主磁束成分の磁束量が低減されるため、出力が低下してしまうという問題があった。

本発明は、電動機としての機能を有する回転電機の出力を確保しながら、効率（力率）を向上させることができる技術を提供することを目的とする。

本発明による可変磁束型回転電機は、回転磁界を生成するための固定子巻線を有する固定子と、ｄ軸磁路を形成する複数の永久磁石が嵌装された回転子コアを有し、固定子との間でエアギャップを形成する回転子と、を備える。永久磁石は、磁極中心における回転子３の外周面からの深さが、端部における回転子１の外周面からの深さよりも浅く配置される。回転子コアは、ｄ軸磁路と電気的に直交するｑ軸磁路上にあって、回転子コアの外周寄りに設けられた第１の磁気的障壁と、ｑ軸磁路と回転子周方向における永久磁石端部との間にあって、第１の磁気的障壁よりも回転子コアの回転中心側に設けられ、少なくとも永久磁石端部の径方向幅を有する第２の磁気的障壁と、第１の磁気的障壁と第２の磁気的障壁との間に設けられ、ある一磁極を構成する永久磁石から出た磁束が隣接する他の永久磁石が構成する磁極側へ漏洩する経路となる漏れ磁束路と、ｑ軸磁路上にあって、周方向に隣接する第２の磁気的障壁間に形成され、回転子コアにおける永久磁石の内周側の領域と漏れ磁束路とを繋ぐブリッジ部と、を有する。

本発明によれば、磁極中心における永久磁石と回転子外周面との距離が回転子周方向における永久磁石端部と回転子外周面との距離よりも短くなるように永久磁石が回転子に配置されるので、電動機としての機能を有する回転電機の出力を確保しながら、効率（力率）を向上させることができる。

図１は、第1実施形態の可変磁束型回転電機の軸方向に垂直な断面図である。 図２は、可変磁束漏れモータの特性を説明するための図である。 図３は、図１を、図１中で示すｑ軸を中心に拡大した図である。 図４は、第1実施形態の可変磁束型回転電機においての固定子巻線に流れる電流とトルクとの関係を示す特性図である。 図５は、第1実施形態の可変磁束型回転電機においての固定子巻線に流れる電流とトルク定数との関係を示す特性図である。 図６は、回転電機の特性を示したｄ-ｑ座標系のベクトル平面図である。 図７は、図１を、図１中で示すｄ軸を中心に拡大した図である。 図８は、回転電機の回転速度とトルクとの関係を示す図である。 図９は、本実施形態の可変磁束型回転電機を軸方向に垂直な断面図である。 図１０は、円筒形状の永久磁石を示す図である。 図１１は、永久磁石の着磁方向を示す図である。 図１２は、回転子コア上に形成されたブリッジ部および漏れ磁束路の形状を説明するための図である。 図１３は、回転子コア上に形成された漏れ磁束路の形状を説明するための図である。 図１４は、第１変形例を表した図である。 図１５は、第２変形例を表した図である。 図１６は、第３変形例を表した図である。 図１７は、第４変形例を表した図である。

[一実施形態]
図１は、第1実施形態の可変磁束型回転電機１００の軸方向に垂直な断面図であって、構成全体の４分の１を示す図である。全体構成の残りの４分の３の部分は、図１で示す部分構成が連続的に繰り返される。本実施形態の可変磁束型回転電機１００は、円環形状をなす固定子１と、固定子１と同心円状をなし、かつ、固定子１との間にエアギャップ１３を有するように配置された回転子２と、回転子２に嵌装された複数の永久磁石３とを備え、電動機或いは発電機を構成する。

固定子１は、リング状の固定子コア１１と、固定子コア１１から内周側に向けて突起する複数のティース８と、隣接するティース８間の空間であるスロット９とからなる。ティース８には、固定子巻線１０が巻き回される。固定子コア１１は、例えば軟磁性材料である電磁鋼板により形成される。

回転子２は、回転子コア１２を有している。回転子コア１２は、透磁率の高い金属製の鋼板を円環状に打ち抜き加工して形成された多数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成された、いわゆる積層鋼板構造により円筒形に形成されている。また、回転子コア１２の、固定子１と対向する周辺部の近傍には、周方向に沿って、複数の永久磁石３が互いに等間隔で、且つ、互いに隣接する永久磁石の極性が異極性となるように設けられている。なお、本実施形態の可変磁束型回転電機１００に係る回転子コア１２は、図１で示す部分構成から推察されるとおり、周方向に沿って８個の永久磁石が設けられた８極構造を有する。

また、回転子２は、隣接する永久磁石３が構成する各磁極間に、回転子コア１２を形成する電磁鋼板を打ち抜き加工することで形成される空間部分である磁気的障壁４、５を有する。磁気的障壁４、５は、電磁鋼板よりも磁気抵抗が大きい。したがって、磁気的障壁４、５は、永久磁石３が回転子２上に構成する磁気回路において、磁石磁束に対する磁束障壁として作用する。図で示す通り、磁気的障壁４（第１の磁気的障壁）は、回転子コア１２の外周寄りの位置に、回転子２の外周側よりも回転中心側の方が幅の狭い略三角形状に形成される。磁気的障壁５（第２の磁気的障壁）は、隣接する磁極間の中央と、永久磁石３の周方向端部との間で、かつ、磁気的障壁４よりも回転中心側の領域に、永久磁石３の周方向端部から、隣接する磁極間の中央側に向かって、永久磁石３が嵌装された空隙が延設して形成される。

ただし、磁気的障壁４、５の形状は、後述する技術的効果を奏する限り、図で示す形状に限定されるものではない。また、回転子２には、磁気的障壁４、５が図示のように形成されていることにより、ある一磁極を構成する永久磁石３から出た磁束が、隣接する他の永久磁石３が構成する磁極側へ漏洩する際の経路となる漏れ磁束路６が形成される。換言すると、漏れ磁束６は、磁気的障壁４と磁気的障壁５との間に設けられ、ある永久磁石３の回転子周方向端部と、隣接する他の永久磁石３の周方向端部とを繋ぐＶ形状の経路である。さらに、回転子２には、隣接する磁極間の中央部分に形成され、漏れ磁束路６と、磁気的障壁５の回転子内周側の領域とを連結するブリッジ部７が設けられている。

永久磁石３は、回転子コア１２の対応部分に形成された空隙に嵌め込まれることにより回転子コア１２に固定されている。また、永久磁石３は、回転子２の半径方向が磁化方向とされる。ここで、本実施形態では、永久磁石３の幾何学的な中心をｄ軸とし、ｄ軸と電気的に直交する位置をｑ軸と定義する。なお、本実施形態の可変磁束型回転電機１００は８極構造なので、ｄ軸から機械角で２２．５度の位置がｑ軸と定義される。なお、ｑ軸と隣接する磁極間の中央とは一致するので、上述の磁気的障壁４、およびブリッジ部７は、ｑ軸上に形成されているとも言える。

以上が、第１実施形態の可変磁束型回転電機１００の基本となる構成である。ここで、本実施形態の詳細な説明の前に、本発明の対象である可変磁束型回転電機の基本原理について説明する。

本発明が対象とする可変磁束型回転電機は、固定子巻線に印加される負荷電流（ステータ電流）の作用によって、回転子が備える永久磁石から出る磁束の一部（漏れ磁束）の磁路を変化させることができることを特徴とする。この特徴により、当該回転電機は、ステータ電流を制御することでステータ鎖交磁束を受動的に変化させることができるので、回転子が備える永久磁石の磁力を電流制御によって見かけ上可変にすることができる。このような特性から、本発明の対象である可変磁束型回転電機は、可変漏れ磁束モータとも呼ばれる。

図２は、可変磁束漏れモータの一部分を示した構成図であって、可変磁束漏れモータの作動の概要を説明するための図である。ただし、図２で示す可変磁束漏れモータが有する各構成の形状および配置は、作動の概要を説明するために示した一般的なものであるので、基本的な構成を除く詳細部分は本願発明と異なる。

図２で示す可変磁束漏れモータは、固定子１０１と、固定子１０１との間にエアギャップを形成して配置される回転子１０２とを備える。そして、回転子１０２は、永久磁石１０３と、磁気的障壁１０４、１０５（フラックスバリアともいう）と、ある永久磁石１０３が構成する磁極側から隣接する他の永久磁石１０３が構成する磁極側へ磁気的障壁１０４、１０５間を経由して連結された漏れ磁束路１０６とを有する。なお、図の左側に示す矢印の指す方向は、回転子１０２の回転方向を示している。

図２で示す磁路方向１５は、固定子１０１が備える固定子巻線に電流を通電しないときの漏れ磁束の流れる方向を示している。図２で示すように、回転子内において、永久磁石１０３から出た磁束の一部は、漏れ磁束路１０６を通って、隣接する異極側へ漏洩する。

このため、永久磁石１０３から出る固定子１０１側への主磁束成分の磁束量、すなわちステータ鎖交磁束が相対的に低減されるので、永久磁石１０３の磁力が見かけ上弱くなる。これにより、ステータ鎖交磁束によって発生する鉄損を低減することができる。この効果は、特に、低負荷、高速領域における回転電機の効率を改善する上で有効となる。

他方、磁路方向２０は、固定子巻線に電流を通電しているときの磁束の流れる方向を示している。ステータ電流が流れることで、永久磁石１０３から出た磁束は、磁路方向２０が指し示すとおり、回転子１０２の回転方向の固定子側へ引き寄せられる。このため、固定子巻線に電流を通電しないときには回転子１０２内で漏れ磁束として漏洩していた磁束をステータ鎖交磁束へと効率よく変換できる。これにより、回転電機は、永久磁石１０３から出る磁束が漏洩していない状態と同等の高トルクを出力することができる。

このように、回転子に構成される磁極間に漏れ磁束路を設け、ステータ電流を制御することで回転子内漏れ磁束を変化させることで、ステータ鎖交磁束が受動的に変化する特性（漏れ磁束特性）を有する回転電機を可変磁束型回転電機（可変漏れ磁束モータ）という。

以上が本発明の対象となる可変磁束型回転電機の基本原理である。以下、本発明に係る第１実施形態の可変磁束型回転電機１００が有する各構成の形状および配置の詳細について図面等を参照して説明する。

図３は、第1実施形態の可変磁束型回転電機１００の軸方向に垂直な断面から見た構成図であって、図１中で示すｑ軸を中心に拡大した図である。図３を参照して、本実施形態の可変磁束型回転電機の構成と、その構成から得られる特性について説明する。

磁気的障壁５は、上述の通り、磁気的障壁４よりも回転中心側の領域に、永久磁石３の周方向端部からｑ軸側に向かって、永久磁石３が埋設された空隙が延設するように構成されている。回転子コア１２上に形成された漏れ磁束路６の磁気抵抗は、回転子コア１２の空間部分である磁気的障壁５の磁気抵抗よりも小さいため、永久磁石３から出た磁束は当該永久磁石３の異極側へ漏洩されず、漏れ磁束路６を経由して隣接する他の永久磁石３の異極側へ漏洩する。

また、上述の通り、漏れ磁束路６の磁束流入出部１４は、エアギャップ１３の近傍に配置されている。これにより、固定子巻線に通電する電流制御により、漏れ磁束路６を流れる磁束を制御しやすい。

また、本実施形態に係る可変磁束型回転電機１００は、無負荷時或いは低負荷時のように固定子巻線１０に通電する電流Ｉが小さい場合には漏れ磁束路６を経由して流れる漏れ磁束が発生するので、永久磁石３からの磁石磁束により生じる逆起電力を減少させ、回転子２に生じるトルクＴｒを低減させる。他方、回転電機を高速回転させるために固定子巻線に通電する電流Ｉを増大させると、漏れ磁束が低減され、固定子側に鎖交する主磁束成分が相対的に増加するので、トルクＴｒを高くすることができる。すなわち、本実施形態に係る可変磁束型回転電機の電流ＩとトルクＴｒは、図４の点線で示すように、電流Ｉの増加と共にトルクＴｒの変化率が増加する。

換言すれば、本実施形態に係る可変磁束型回転電機１００は、トルクＴｒが、トルク定数ＫＴと電流Ｉにより、Ｔｒ＝ＫＴ×Ｉで表されるときに、トルク定数ＫＴが電流Ｉの関数ＫＴ＝Ｋｔ（Ｉ）であって、固定子コア１１のコア材料の磁気飽和点以下の領域にて、「ｄ（Ｋｔ（Ｉ））／ｄＩ≧０」なる関係を備えている。

従って、固定子１に電流を印加すると、磁石磁束と固定子巻線との鎖交量（ステータ鎖交磁束）が増加して、トルク定数が大きくなる。このため、低トルク域ではステータ鎖交磁束が減少するので鉄損が低減され、誘起電圧も低下するので可変速範囲が拡大される。なお、回転子２における磁気回路は永久磁石３の磁極中心に対して略対称に形成されているので、回転子２の回転方向によらずほぼ同等の特性が得られる。

さらに、上記した「ｄ（Ｋｔ（Ｉ））／ｄＩ≧０」なる関係は、回転子２内での磁石磁束分布において無負荷状態における磁石磁束の異極への漏洩量が、固定子１が備える固定子巻線１０への電流印加により減少し、かつ、最小のトルク定数ＫＴ_ｍｉｎに対して最大のトルク定数ＫＴ_ｍａｘが１０％以上大きく設定されることを示す。すなわち、図５の点線で示す曲線のように、固定子巻線１０に電流Ｉが通電されない無負荷時には、トルク定数ＫＴは最小値ＫＴ_ｍｉｎに設定され、電流Ｉが大きくなるとトルク定数ＫＴは最大値ＫＴ_ｍａｘに設定される。そして、最小のトルク定数ＫＴ_ｍｉｎに対して最大のトルク定数ＫＴ_ｍａｘが１０％以上大きく設定される。このように設定することにより、追加の構造物や特別な制御方法を用いることなく、固定子１に対する通常の電流制御により磁石磁束を制御することができる。

またさらに、回転子コア１２上における磁気的障壁４、５と、永久磁石３の配置により、ｑ軸の磁気抵抗の方がｄ軸の磁気抵抗よりも小さく設定されている。より具体的には、一つの永久磁石３が形成する磁極の周方向幅と、磁気的障壁４、５の回転子周方向幅および径方向幅との相対量を調整することにより、ｑ軸の磁気抵抗の方がｄ軸の磁気抵抗よりも小さく設定されている。このため、本実施形態の回転子２は、ｄ軸方向のインダクタンスＬｄとｑ軸方向のインダクタンスＬｑとが、Ｌｄ＜Ｌｑなる関係を有する逆突極性を有している。なお、回転子周方向において、隣接するｑ軸間における永久磁石３の幅が占める割合をより大きくする、あるいは、磁気的障壁４、５の回転子周方向幅あるいは径方向幅をより小さくすることで、逆突極性に係る突極比は大きくなる。

本願発明に係る可変磁束型回転電機１００は、上述したような構成及び特性を有する可変磁束型回転電機に対して、力率（皮相電力に対する有効電力の割合）および出力（回転速度とトルクとの積）の向上を目的とする種々の工夫を施してなされたものである。以下、詳細を説明する。

ここで、力率を向上させるためには、図６中における力率角θを小さくする必要がある。図６は、回転電機の特性を示したｄ-ｑ座標系のベクトル図であって、Ｉは電流ベクトル、Ｖは電機子電圧ベクトル、Ψaは永久磁石３の磁石磁束、λは電機子鎖交磁束ベクトル（ステータ鎖交磁束ベクトル）を表している。そして、力率角θ[ｒａｄ]は、電機子電圧ベクトルＶに対する電流ベクトルＩの遅れ位相角であり、力率はｃｏｓθで表される。図６のベクトル図において、力率角θを出来るだけ０°（ｃｏｓθ＝１）に近づけて、電圧ベクトルＶの位相と電流ベクトルＩの位相差を小さくすることで、皮相電力と有効電力とがほぼ等しくなり、理想的な力率を得ることができる。

また、図中のδは、電機子鎖交磁束ベクトルλのｄ軸からの進み位相角[ｒａｄ]を表している。そして、電機子電圧ベクトルＶの位相は、図で示す通り、電機子鎖交磁束ベクトルλに対して常に９０°進む。したがって、上記の通り力率角θを小さくするためには、位相角δを小さくすることで電機子鎖交磁束ベクトルλを磁石磁束Ψａに近づければよく、そのためには、ｄ軸方向のインダクタンスＬｄ及びｑ軸方向のインダクタンスＬｑの少なくとも一方を小さくすればよい。

そのためになされた工夫について、以下、図面等を参照して説明する。

図３に戻って説明する。図３から分かるように、本実施形態における回転子２が備える永久磁石３の固定子１側（回転子２外周側）の側面は、回転子外周側に向けて凸な円弧形状を有する。そして、永久磁石３の磁極中心部分（ｄ軸上の部分）における回転子２の外周面からの埋込深さＨｄは、永久磁石３の回転子周方向端部における回転子２の外周面からの埋め込み深さＨｅよりも小さい。すなわち、回転子２における永久磁石３は円弧形状を有し、Ｈｄ＜Ｈｅなる関係が成立するように配置される。換言すると、永久磁石３は、磁極中心における回転子２の外周面からの深さが、端部における回転子２の外周面からの深さよりも浅く配置される。なお、Ｈｅは、回転子外周側であって、回転子周方向端と、回転子外周とを最短で結ぶ線の長さと定義する。永久磁石３がこのように配置されることにより得られる効果について、図７を用いて説明する。

図７は、可変磁束型回転電機１００を軸方向に垂直な平面から見た構成図でる。

図示のように、永久磁石３が円弧形状を有し、Ｈｄ＜Ｈｅなる関係が成立するように配置されることで、回転子コア１２上に形成されるｑ軸磁束の磁路が狭まる。そうすると、永久磁石３は、回転子コア１２よりも磁気抵抗が高いので、ｑ軸磁束に対する磁気抵抗が高まり、ｑ軸インダクタンスＬｑが低下する。この結果、誘起電圧（逆起電力）が小さくなるので、力率を向上させることができる。また、図６を参照すれば、ｑ軸インダクタンスＬｑが小さくなることにより、ｄ-ｑ座標系のベクトル図における力率角θが小さくなり、力率を向上させることができる。

図８は、回転電機の回転速度とトルクとの関係を示す図であって、本実施形態の可変磁束型回転電機１００の出力向上効果を説明するための図である。本実施形態の可変磁束型回転電機１００は、上記のとおり力率が大きくなることによって、特に最高出力領域（図のｂ）において入力電力に対する出力を従来よりも向上させることができる。

また、磁極中心付近における永久磁石３の位置が固定子１側に近づくので、最大トルク領域（図のａ）では従来よりもマグネットトルクを大きくすることができる。

また、更なる効果として、永久磁石３の回転子外周側の側面が円弧形状を有することにより、従来の平板形状に比べ、回転子２の回転に伴う起磁力空間分布が正弦波状（ｓｉｎ波）に近づくので、固定子１における磁束密度の高調波成分が抑制され、鉄損を低減させることができる。

以上を前提に、本実施形態に係る永久磁石３の形状のより詳細な規定を図９を参照して説明する。

図９は、本実施形態の永久磁石３の形状を説明するための図である。図９で表されるのは、本実施形態の可変磁束型回転電機１００を軸方向に垂直な平面から見た構成図であって、構成全体の四分の一を示す図である。

図示のとおり、回転子コア１２の半径をＲとし、永久磁石３の回転子外周側の側面の曲率半径をｒとし、永久磁石３の回転子外周側の側面の中心角度をθとし、回転子２上において、隣接するｑ軸間で表される一磁極分の中心角度をφとした場合に、永久磁石３は、θ＞φ、かつ、Ｒ＞２ｒが成立するように構成される。

永久磁石３が「θ＞φ」を満たすように構成されることで、回転子周方向において、隣接するｑ軸間における永久磁石３の幅が占める割合（磁極率）が大きくなるので、トルクが大きくなる。さらに、「Ｒ＞２ｒ」を満たすように構成されることで、円弧形状の永久磁石３の回転子外周側の側面にかかる外径半径が小さくなるので、永久磁石３の回転子周方向端部における回転子外周からの埋め込み深さが、永久磁石３の磁極中心部（ｄ軸）よりも大きくなるように規定できる。これにより、回転子２の回転に伴う起磁力空間分布を正弦波状（ｓｉｎ波）に近づかせることができるので、固定子１における磁束密度の高調波成分を抑制し、鉄損を低減させることができる。

また、永久磁石３が、「Ｒ＞２ｒ」を満たすように構成されることで、永久磁石３と磁束流入出部１４との位置関係が規定され、永久磁石３から出た磁束が漏れ磁束路６に漏洩しやすくなる。また、磁束流入出部１４が固定子１側に近く、永久磁石３から出た磁束が固定子１側へ引き寄せられやすくなるので、上述の漏れ磁束特性を向上させることができる（図２の磁路方向１５、２０参照）。

また、永久磁石３は、永久磁石３の回転子外周側の側面が単一の曲率であって、その中心角度θが、３６０／ｎ（ｎ＝２以上の自然数）を満たすように形成される。ここで、上述したような円弧形状の永久磁石は、製造過程において、図１０で示すような円筒形状の永久磁石３０から切り出されて形成される。より具体的には、例えば、永久磁石３は、熱間圧延加工によって製造された円筒状の永久磁石３０を長手方向に例えば図示する点線に沿って分割して形成される。

したがって、永久磁石３の回転子外周側の側面の中心角度θが「３６０／ｎ（ｎ＝２以上の自然数）」を満たし、３６０°を割り切れる角度にすることにより、円筒型の永久磁石３０から永久磁石３を無駄なく切り出すことができるので、永久磁石３を歩留り良く製造することができる。

また、熱間圧延加工で形成された永久磁石３０から切り出されるため、切削等による仕上げ作業をほとんど要しないので、余分な材料費や加工費がかからず、ネットシェイプで低コストに永久磁石３を製造することができる。

また、永久磁石３は、製造過程において着磁される際、着磁方向が永久磁石３の半径方向（ラジアル方向）となるように着磁される。これにより、図１１で示すように、磁化方向が円弧形状の永久磁石３のラジアル方向に揃うので、永久磁石３の起磁力を正弦波に近づかせることができるので、鉄損を減少させることができる。

続いて、図１２、図１３を参照して、本実施形態の回転子コア１２上に形成される磁気回路に対して、回転子２が回転する際に発生する応力に対する機械的強度（回転強度）の観点からなされた工夫について説明する。

図１２は、回転子コア１２上に形成されたブリッジ部７および漏れ磁束路６の形状を説明するための図である。磁気的障壁４、５は、上述の通り、回転子コア１２上に形成された空間部分である。そのため、回転子コア１２上において磁気的障壁４、５が占める面積が増えると、回転強度は低下する。そこで、本実施形態の回転子２は、回転子周方向に隣接する永久磁石３の磁極間（ｑ軸）において、回転子コア１２において永久磁石３の外周側の領域と内周側の領域とをつなぐブリッジ部７を有する。ブリッジ部７がこのように形成されることで、永久磁石３から出た磁束が自身の異極側へ漏洩する漏れ磁束を磁気的障壁５によって抑制しつつ、回転子２の回転強度を確保することができる。

また、図１２に示すとおり、ブリッジ部７の回転子周方向幅をαとし、漏れ磁束路６の通路幅をβとした場合に、ブリッジ部７および漏れ磁束路６は、α≧βが成立するように形成される。ブリッジ部７の周方向幅βをこのように規定することにより、ｄ軸の磁気抵抗の大きさを一定以上に確保し、ｄ軸インダクタンスＬｄを小さくすることができるので、回転子２のリラクタンストルクを確保できるとともに、上述の漏れ磁束特性を向上させることが可能となる。

図１３は、漏れ磁束路６の構成を説明するための図である。図示のように、漏れ磁束路６における磁束流入出部１４と、ブリッジ部７のｑ軸上の一点とを、漏れ磁束路６と平行に結んだ線を線Ａとする。この場合、漏れ磁束路６は、線Ａとｑ軸とがなす角γが４５°以下となるように形成される。また、隣接する漏れ磁束路６における磁束流入出部１４と、ブリッジ部７のｑ軸上の一点とを、漏れ磁束路６と平行に結んだ線を線Ｂとした場合に、漏れ磁束路６は、線Ａと線Ｂとがなす角が９０°以下となるように形成される。

漏れ磁束路６が「γ≦４５°」を満たすように構成されることで、回転子２の高回転時において、磁気的障壁４、５等の空気層端部を形成する回転子コア１２（図中の点線丸部分等）にかかる応力を小さくすることができるので、回転子２の回転強度を大きくすることができる。なお、角γを小さくするほど、漏れ磁束路６が回転子径方向に向くので、回転子２の回転強度をより大きくすることができる。

以上、一実施形態の可変磁束型回転電機１００は、回転磁界を生成するための固定子巻線１０を有する固定子１と、ｄ軸磁路を形成する複数の永久磁石３が嵌装された回転子コア１２を有し、固定子１との間でエアギャップ１３を形成する回転子２と、を備える。永久磁石３は、磁極中心における回転子３の外周面からの深さＨｅが、端部における回転子１の外周面からの深さＨｄよりも浅く配置される。これにより、回転子２におけるｑ軸磁路の磁気抵抗が高まり、ｑ軸インダクタンスＬｑが小さくなるので、力率が向上し、回転電機への入力電力に対する出力を大きくすることができる。

また、一実施形態の可変磁束型回転電機１００によれば、回転子コア１２は、ｄ軸磁路と電気的に直交するｑ軸磁路上にあって、回転子コア１２の外周寄りに設けられた磁気的障壁４と、ｑ軸磁路と回転子周方向における永久磁石端部との間にあって、磁気的障壁４よりも回転子コア１２の回転中心側に設けられた磁気的障壁５と磁気的障壁４と磁気的障壁５との間に設けられ、ある一磁極を構成する永久磁石３から出た磁束が隣接する他の永久磁石３が構成する磁極側へ漏洩する経路となる漏れ磁束路６と、ｑ軸磁路上にあって、周方向に隣接する磁気的障壁５間に形成され、回転子コア１２における永久磁石３の内周側の領域と漏れ磁束路６とを繋ぐブリッジ部７と、を有する。これにより、永久磁石３から出た磁束が自身の裏面へ短絡する漏れ磁束を磁気的障壁５によって抑制しつつ、回転子２の回転強度を確保することができる。

また、一実施形態の可変磁束型回転電機１００によれば、ブリッジ部７の幅をαとし、漏れ磁束路の通路幅をβとした場合に、ブリッジ部７および漏れ磁束路６は、α≧βが成立するように形成される。。これにより、逆突極性に係るリラクタンストルクを確保することができるので、トルクを大きくすることができるとともに、漏れ磁束特性を向上することができる。

また、一実施形態の可変磁束型回転電機１００が備える永久磁石３は、回転子外周側の側面形状が、略円弧形状となるように構成される。これにより、永久磁石３の回転子外周側の形状に応じて、永久磁石３の起磁力空間分布が正弦波状に近づくので、鉄損を減少することができる。

また、一実施形態の可変磁束型回転電機１００が備える永久磁石３は、回転子コアの半径をＲとし、永久磁石の回転子外周側の側面の曲率半径をｒとし、永久磁石の回転子外周側の側面の中心角度をθとし、回転子の一磁極分の中心角度をφとした場合に、永久磁石３は、θ＞φ、且つ、Ｒ＞２ｒが成立するように構成される。これにより、永久磁石３の形状が規定され、永久磁石３の起磁力空間分布が正弦波状に近づくので、鉄損を減少することができる。またさらに、永久磁石３と磁束流入出部１４の位置関係が規定され、永久磁石３から出た磁束が磁束流入出部１４に入りやすくなるので、漏れ磁束特性を向上させることができる。

また、一実施形態の可変磁束型回転電機１００によれば、永久磁石３の回転子外周側側面の中心角度は、３６０を２以上の自然数で除した値である。これにより、永久磁石３０から永久磁石３を切り出す際の歩留まりを良くすることができる。

また、一実施形態の可変磁束型回転電機１００によれば、永久磁石３の着磁方向は、回転子外周側の側面の半径方向である。これにより、永久磁石３の磁化方向が半径方向となり、起磁力が正弦波形状に近づくので、鉄損を減少させることができる。

また、一実施形態の可変磁束型回転電機１００によれば、漏れ磁束路６における永久磁石３側の磁束流入出部１４と、ブリッジ部７におけるｑ軸磁路上の一点とを、漏れ磁束路６と平行に結んだ線を線Ａとした場合に、漏れ磁束路６は、線Ａとｑ軸磁路とがなす角が４５°以下となるように形成される。これにより、磁気的障壁４、５に係る空気層端部の回転子コア１２にかかる応力を小さくすることができるので、回転子２の回転強度を大きくすることができる。

また、一実施形態の可変磁束型回転電機１００が備える永久磁石３は、熱間圧延加工によって製造した円筒状の永久磁石３０を長手方向に分割加工して形成される。これにより、永久磁石３の製造工程において、切削加工等による仕上げ作業工程を削減できるので、製造コストを低減することができる。

−変形例−
以下では、これまで説明した一実施形態の可変磁束型回転電機１００の変形例を図面を参照して説明する。

−第１変形例−
図１４は、第１変形例の可変磁束型回転電機１００を説明する図である。本例の永久磁石３は、上述した一実施形態の永久磁石３とは、回転子外周側の側面形状が異なる。具体的には、本例の永久磁石３は、永久磁石３の磁極中心部分（ｄ軸上の部分）における埋込深さＨｄが、回転子周方向端部における埋め込み深さＨｅよりも小さい点は変わらないものの、永久磁石３の磁極中心部分と、回転子周方向端部とが直線で結ばれるＶ字形状を有する。この変形例のように、本発明に係る可変磁束型回転電機１００における永久磁石３の固定子外周側の形状は、永久磁石３の磁極中心部分が回転子外周側に突出した凸形状であって「Ｈｄ＜Ｈｅ」なる関係が成立するかぎり、種々の形状で構成されても良い。

以上、第１変形例の可変磁束型回転電機１００は、永久磁石３は、回転子外周側の側面形状が、回転子外周に向かって凸型となるように構成される。これにより、回転子２におけるｑ軸磁路の磁気抵抗が高まり、ｑ軸インダクタンスＬｑが小さくなるので、力率が向上し、回転電機への入力電力に対する出力を大きくすることができる。また、永久磁石３の回転子外周側の形状に応じて、永久磁石３の起磁力空間分布が正弦波状に近づくので、鉄損を減少することができる。

−第２変形例−
図１５は、第３変形例の可変磁束型回転電機１００を説明する図である。本例の永久磁石３は、第１変形例で説明したのと同様に「Ｈｄ＜Ｈｅ」なる関係が成立するとともに、磁極中心における回転子径方向の厚みＷｄが、回転子周方向端部における回転子径方向厚みＷｅより大きい。すなわち、第３変形例の永久磁石３は、「Ｗｄ＞Ｗｅ」なる関係が成立するように構成される。このような形状であっても、永久磁石３の形状に応じて、永久磁石３の起磁力空間分布が正弦波状に近づくので、鉄損を減少することができる。

以上、一実施形態の可変磁束型回転電機１００によれば、永久磁石３は、磁極中心における回転子径方向の厚さＷが、端部における回転子径方向厚みよりも大きい。これにより、永久磁石３の起磁力空間分布が正弦波状に近づくので、鉄損を低減することができる。

−第３変形例−
図１６は、第３変形例の可変磁束型回転電機１００を説明する図である。本例の永久磁石３は、永久磁石３ａと永久磁石３ｂとから構成される。そして、永久磁石３ａ、３ｂ間に、回転子コア１２において、永久磁石３の回転子外周側と回転子内周側を回転子径方向に連結するブリッジ部１６が形成される。このように、永久磁石３が回転子周方向に二つ以上に分割されており、永久磁石３を構成する各磁石間が、回転子コア１２によって径方向につながることで、回転子２の回転強度を向上させることができる。

以上、第３変形例の可変磁束型回転電機１００によれば、一磁極を構成する永久磁石３は、回転子１の周方向において２つ以上に分割されて構成される。これにより、一磁極を構成する永久磁石３における磁石間でもブリッジが形成されるので、回転電機の回転強度を向上することができる。

−第４変形例−
図１７は、第４変形例の可変磁束型回転電機１００を説明する図である。本例の回転子コア１２には、永久磁石３と磁気的障壁５との間に、幅Ａを有する幅狭のブリッジ部１７が形成されている。これにより、永久磁石３と磁気的障壁５との間でも、永久磁石３の回転子外周側と回転子内周側とが回転子コア１２によって径方向につながることで、回転子２の回転強度を向上させることができる。

また、幅Ａは、磁束バイパス路６の磁束流入出部１４の幅Ｃよりも小さく設定されている。したがって、永久磁石３から出た磁束が、磁路１６を経由して該永久磁石３の異極側へ漏洩する際の磁気抵抗よりも、磁束バイパス路６を経由して隣接する他の永久磁石３の異極側へ漏洩する際の磁気抵抗の方が小さくなる。このため、永久磁石３から出る磁束のうちの漏れ磁束の多くが漏れ磁束路６に流れるので、上述の漏れ磁束特性を低減させることもない。

以上、第４実施形態の可変磁束型回転電機１００は、磁気的障壁５と永久磁石の周方向端部との間に、回転子コア１２における永久磁石３の内周側の領域と外周側の領域とをつなぐブリッジ部１７を有する。これにより、永久磁石３と磁気的障壁５との間でもブリッジが形成されるので、回転電機の回転強度を向上することができる。

本発明は、上述した一実施形態に限定されることはない。例えば、回転電機にブリッジ部１６、或いはブリッジ部１７が形成された場合は、回転子２の回転強度が向上するので、ブリッジ部７が必ずしも形成される必要はなく、隣接極間の磁気的障壁５が連接されてもよい。

また、本発明にかかる可変磁束型回転電機１００は、一実施形態、および第１〜第４変形例の説明において上述した特徴を矛盾が生じない範囲で適宜組み合わせて構成されてもよい。

１…固定子
２…回転子
３…永久磁石
４…磁気的障壁
５…磁気的障壁
６…漏れ磁束路
７…ブリッジ形状部（ブリッジ部）
１０…固定子巻線
１２…回転子コア
１３…エアギャップ

Claims (11)

1. 可変磁束型回転電機であって、
   回転磁界を生成するための固定子巻線を有する固定子と、
   ｄ軸磁路を形成する複数の永久磁石が嵌装された回転子コアを有し、前記固定子との間でエアギャップを形成する回転子と、を備え、
   前記永久磁石は、磁極中心における前記回転子の外周面からの深さが、端部における前記回転子の外周面からの深さよりも浅く配置され、
   前記回転子コアは、
   前記ｄ軸磁路と電気的に直交するｑ軸磁路上にあって、前記回転子コアの外周寄りに設けられた第１の磁気的障壁と、
   前記ｑ軸磁路と回転子周方向における前記永久磁石端部との間にあって、前記第１の磁気的障壁よりも前記回転子コアの回転中心側に設けられ、少なくとも前記永久磁石端部の径方向幅を有する第２の磁気的障壁と、
   前記第１の磁気的障壁と前記第２の磁気的障壁との間に設けられ、ある一磁極を構成する前記永久磁石から出た磁束が隣接する他の永久磁石が構成する磁極側へ漏洩する経路となる漏れ磁束路と、
   前記ｑ軸磁路上にあって、周方向に隣接する前記第２の磁気的障壁間に形成され、前記回転子コアにおける前記永久磁石の内周側の領域と前記漏れ磁束路とを繋ぐブリッジ部と、を有する、
   ことを特徴とする可変磁束型回転電機。
2. 請求項１に記載の可変磁束型回転電機であって、
   前記ブリッジ部の幅をαとし、
   前記漏れ磁束路の幅をβとした場合に、
   前記ブリッジ部および前記漏れ磁束路は、α≧βが成立するように形成される、
   ことを特徴とする可変磁束型回転電機。
3. 請求項１又は２に記載の可変磁束型回転電機であって、
   一磁極を構成する前記永久磁石は、前記回転子の周方向において２つ以上に分割されて構成される、
   ことを特徴とする可変磁束型回転電機。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の可変磁束型回転電機であって、
   前記永久磁石は、回転子外周側の側面形状が、回転子外周に向かって凸型となるように構成される、
   ことを特徴とする可変磁束型回転電機。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の可変磁束型回転電機であって、
   前記永久磁石は、回転子外周側の側面形状が、略円弧形状となるように構成される、
   ことを特徴とする可変磁束型回転電機。
6. 請求項５に記載の可変磁束型回転電機であって、
   前記回転子コアの半径をＲとし、
   前記永久磁石の回転子外周側の側面の曲率半径をｒとし、
   前記永久磁石の回転子外周側の側面の中心角度をθとし、
   前記回転子の一磁極分の中心角度をφとした場合に、
   前記永久磁石は、θ＞φ、且つ、Ｒ＞２ｒが成立するように構成される、
   ことを特徴とする可変磁束型回転電機。
7. 請求項５または６に記載の可変磁束型回転電機であって、
   前記永久磁石の回転子外周側側面の中心角度は、３６０を２以上の自然数で除した値である、
   ことを特徴とする可変磁束型回転電機。
8. 請求項５から７のいずれか一項に記載の可変磁束型回転電機であって、
   前記永久磁石の着磁方向は、回転子外周側の側面の半径方向である、
   ことを特徴とする可変磁束型回転電機。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の可変磁束型回転電機であって、
   前記漏れ磁束路における前記永久磁石側の磁束流入出部と、前記ブリッジ部における前記ｑ軸磁路上の一点とを、当該漏れ磁束路と平行に結んだ線を線Ａとした場合に、
   前記漏れ磁束路は、前記線Ａと前記ｑ軸磁路とがなす角が４５°以下となるように形成される、
   ことを特徴とする可変磁束型回転電機。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の可変磁束型回転電機であって、
    前記永久磁石は、磁極中心における回転子径方向の厚さが、端部における回転子径方向厚みよりも大きい、
    ことを特徴とする可変磁束型回転電機。
11. 請求項５から９のいずれか一項に記載の可変磁束型回転電機が備える永久磁石の製造方法であって、
    前記永久磁石は、熱間圧延加工によって製造した円筒状の永久磁石を長手方向に分割加工して形成される、
    ことを特徴とする永久磁石の製造方法。

Images