JP6839376B1

JP6839376B1 - 回転電機

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Publication number: JP6839376B1
Application number: JP2020530392A
Authority: JP
Inventors: 勇気日高; 盛幸枦山; 宇宙満田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2021-03-10
Anticipated expiration: 2039-11-28
Also published as: WO2021106153A1; JPWO2021106153A1

Abstract

トルク/誘起電圧比率向上とトルクリップル抑制を両立させることができる回転電機を提供することを目的とする。固定子（１）と、複数の孔部（２２）が形成された回転子コア（２１）、回転子コア（２１）の外周面に設けられる空隙拡大部（２５）、かつ、複数の孔部（２２）に配置される磁石のうちの一部であって１磁極の磁極を構成する磁石群（２３）を複数有し、固定子（１）の径内側に空隙を介して設けられる回転子（２）と、を備え、磁石群（２３）を構成する磁石のうち、磁極中心線上の磁石の磁極中心線に直行する幅を磁石幅Ｗｍａｇとし、空隙拡大部（２５）の磁極中心線に直行する幅を空隙拡大部幅ＷＡとし、磁極中心線から回転子（１）の回転方向または反回転方向に電気角で９０度ずれた軸線がとおる回転子コア（２１）の磁極中心線に直行する幅を最小幅ＷＢとしたとき、空隙拡大部幅ＷＡ＞磁石幅Ｗｍａｇ＞最小幅ＷＢの関係を満たす回転電機。

Description

本開示は、埋込磁石型回転子を備えた回転電機に関するものである。

特許文献１には、磁石埋込式回転電機が記載されている。この磁石埋込式回転電機のロータコアは、周方向に複数の磁極領域を有するとともに、ｑ軸磁路に沿って延びるフラックスバリアを各磁極領域に有している。フラックスバリアの内壁は、径方向外側壁面と径方向内側壁面とを有し、径方向内側壁面がｑ軸磁路に沿った位置より隣の磁極領域へ向かって広がっている。

国際公開第２０１６／１４７９４５号

上記の磁石埋込式回転電機はｄ軸インダクタンス抑制とｑ軸インダクタンス維持を実現する構成によりリラクタンストルクを増加させることができるが、ｄ軸インダクタンス抑制に伴う磁石磁束のｑ軸漏磁束が増大し、トルクリップル特性が低下するという課題があった。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、トルク/誘起電圧比率向上とトルクリップル抑制を両立させることができる回転電機を提供することを目的とする。

本開示にかかる回転電機は、固定子と、複数の孔部が形成された回転子コア、回転子コアの外周面に設けられる空隙拡大部、を有するとともに、複数の孔部に配置される磁石のうちの一部であって１磁極の磁極を構成する磁石群を複数有し、固定子の径内側に空隙を介して設けられる回転子と、を備え、磁石群を構成する磁石のうち、１磁極の磁極中心の線である磁極中心線にある磁石の磁極中心線に直交する幅を磁石幅Ｗｍａｇとし、空隙拡大部の磁極中心線に直交する幅を空隙拡大部幅ＷＡとし、磁極中心線から回転子の回転方向または反回転方向に電気角で９０度ずれた線である軸線がとおる回転子コアの軸線に直交する幅を最小幅ＷＢとしたとき、空隙拡大部幅ＷＡ＞磁石幅Ｗｍａｇ＞最小幅ＷＢの関係を満たし、最小幅ＷＢは、磁石幅Ｗｍａｇの半分よりも小さく、回転子コアは、磁極中心線上の磁石よりも径外側であって、空隙拡大部よりも径内側に空洞または非磁性材料を設けて形成されるスリットを有し、空隙拡大部の周方向範囲は、スリットの周方向幅より小さく形成され、スリットの周方向幅は、磁石幅Ｗｍａｇよりも大きく形成されるものである。
また、固定子と、複数の孔部が形成された回転子コア、回転子コアの外周面に設けられる空隙拡大部、を有するとともに、複数の孔部に配置される磁石のうちの一部であって１磁極の磁極を構成する磁石群を複数有し、固定子の径内側に空隙を介して設けられる回転子と、
を備え、磁石群を構成する磁石のうち、１磁極の磁極中心の線である磁極中心線にある磁石の磁極中心線に直交する幅を磁石幅Ｗｍａｇとし、空隙拡大部の磁極中心線に直交する幅を空隙拡大部幅ＷＡとし、孔部は、磁石が配置される磁石挿入部と磁石挿入部以外の開口部とを有し、磁極中心線から回転子の回転方向または反回転方向に電気角で９０度ずれた線である軸線がとおる回転子コアの軸線に直交する回転子コアの幅のうちの軸線を介して隣接する一方の磁石挿入部の軸線に最も近い端点と、軸線を介して隣接する他方の磁石挿入部の軸線に最も近い端点と、の間の回転子コアの幅を最小幅ＷＢとしたとき、空隙拡大部幅ＷＡ＞磁石幅Ｗｍａｇ＞最小幅ＷＢの関係を満たし、軸線を介して隣接する一方の磁石挿入部の端点うち、回転子コアの径内側の端点と、軸線を介して隣接する他方の磁石挿入部の端点のうち、回転子コアの径内側の端点との間の回転子コアの幅を最大幅ＷＣとしたとき、空隙拡大部幅ＷＡ＞磁石幅Ｗｍａｇ＞最大幅ＷＣ＞最小幅ＷＢの関係を満たし、回転子コアは、磁極中心線上の磁石よりも径外側であって、空隙拡大部よりも径内側に空洞または非磁性材料を設けて形成されるスリットを有し、空隙拡大部の周方向範囲は、スリットの周方向幅より小さく形成され、スリットの周方向幅は、磁石幅Ｗｍａｇよりも大きく形成されるものである。
また、複数の孔部が形成された回転子コア、回転子コアの外周面に設けられる空隙拡大部、を有するとともに、複数の孔部に配置される磁石のうちの一部であって１磁極の磁極
を構成する磁石群を複数有し、固定子の径内側に空隙を介して設けられる回転子と、回転子コア側に突出した複数の磁極歯を有する固定子と、を備え、磁石群を構成する磁石のうち、１磁極の磁極中心の線である磁極中心線にある磁石の磁極中心線に直交する幅を磁石幅Ｗｍａｇとし、空隙拡大部の磁極中心線に直交する幅を空隙拡大部幅ＷＡとし、磁極中心線から回転子の回転方向または反回転方向に電気角で９０度ずれた線である軸線がとおる回転子コアの軸線に直交する回転子コアの幅のうち、軸線を介して隣接する一方の孔部と、軸線を介して隣接する他方の孔部と、の間の回転子コアの幅を最小幅ＷＢとしたとき、空隙拡大部幅ＷＡ＞磁石幅Ｗｍａｇ＞最小幅ＷＢの関係を満たし、最小幅ＷＢは、隣接する磁極歯間の幅よりも大きく、回転子コアは、磁極中心線上の磁石よりも径外側であって、空隙拡大部よりも径内側に空洞または非磁性材料を設けて形成されるスリットを有し、空隙拡大部の周方向範囲は、スリットの周方向幅より小さく形成され、スリットの周方向幅は、磁石幅Ｗｍａｇよりも大きく形成されるものである。

本開示の回転電機によれば、トルク/誘起電圧比率向上とトルクリップル抑制を両立させることができる。

本開示の実施の形態１に係る回転電機の外観図である。本開示の実施の形態１に係る回転電機の固定子の外観図である。本開示の実施の形態１に係る回転電機の回転子の外観図である。本開示の実施の形態１に係る回転電機の軸端部品を除いた回転子の外観図である。本開示の実施の形態１に係る回転電機の回転子を示す平面図である。本開示の実施の形態１に係る回転電機の回転子の要部を示す断面図である。本開示の実施の形態１に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。本開示の実施の形態１に係る回転電機の動作を示す回路図である。本開示の実施の形態１における回転電機を鎖交する磁束の経路を示した磁束経路図である。本開示の実施の形態１に係る回転電機のトルク/誘起電圧比率を示すグラフである。本開示の実施の形態１における回転電機のトルク変動幅/平均トルクを示すグラフである。本開示の実施の形態１に係る回転電機の回転子の変更例を示す平面図である。本開示の実施の形態２に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。本開示の実施の形態２における回転電機を鎖交する磁束の経路を示した磁束経路図である。本開示の実施の形態３に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。本開示の実施の形態４に係る回転電機の回転子の要部を示す断面図である。本開示の実施の形態５に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。本開示の実施の形態６に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。本開示の実施の形態６に係る回転電機を鎖交する磁束の経路を示した磁束経路図である。

実施の形態１．
本開示の実施の形態１に係る回転電機について説明する。

図１は、本開示の実施の形態１に係る回転電機の外観図である。図２は本開示の実施の形態１に係る回転電機の固定子の外観図である。図３は、本開示の実施の形態１に係る回転電機の回転子の外観図である。本明細書においては説明に必要な構成を図示し、説明の便宜上リアブラケット、フロントブラケット、軸受等の一部の構成を省略している。回転軸の軸心と平行な方向を軸方向、回転軸の軸心を軸中心とする。回転軸の軸中心と直交する方向を径方向とし、径方向における外側を径外方向または径外側、径方向における内側を径内方向または径内側とする。回転軸を中心として回転する方向を周方向または回転方向、回転方向とは反対の方向を反回転方向とする。

本開示の実施の形態１の回転電機１００は、フロント・リヤブラケットに固定された固定子１と、フロント・リヤブラケットに軸受を介して支持され、固定子１の径内側に回転自在に配設された回転子２を有している。また、回転子２の軸心位置に挿入されるシャフト３を有している。固定子１は、磁気的ギャップとなる空隙Ｇを介して回転子２の外周を囲むように設けられている。

図２に示すように、固定子１は、複数の磁極歯１３を具備する固定子鉄心１１と、固定子鉄心１１に巻装される固定子巻線１２と、を有している。
固定子巻線１２は、回転子２の回転に伴い、後述する回転子２に設けられた磁石２３１からの磁束をうけ、誘起電圧を発生させる。

図３に示すように、回転子２は、軸心位置にシャフト３を配置するシャフト挿入孔をもうけた円筒状の回転子コア２１を有する。シャフト挿入孔に配置されたシャフト３と回転子コア２１とは固着されている。回転子コア２１は、例えば、電磁鋼板の薄板を軸方向に積層、一体化して構成される。

本開示の実施の形態１における回転子２について図４から図６を用いてさらに説明する。
図４は、本開示の実施の形態１に係る回転電機の回転子の外観図である。説明の便宜上シャフト３、軸端部品は省略している。図５は、本開示の実施の形態１に係る回転電機を軸方向からみたときの平面図である。図６は、本開示の実施の形態１に係る回転電機の回転子の要部断面図である。図７は本開示の実施の形態１に係る回転電機を軸方向からみたときの要部平面図である。各図面が煩雑になるのを防ぐため図示した一部の構成の符号を省略している。

図４に示すように、回転子２の回転子コア２１は、回転子コア２１の軸方向に伸びた複数の孔部２２と、スリット２４と、回転子コア２１の外周面に設けられる空隙拡大部２５と、が形成され、複数の孔部２２にはそれぞれ磁石２３１が埋設されている。複数の孔部２２は、回転子コア２１の軸方向に貫通している。また、各孔部２２は、後述する磁石２３１の配設位置に合わせて回転子コア２１に周方向に設けられる。

図５に示すように、各磁石２３１はそれぞれ長方形に形成されている。各磁石２３１は、長方形の一方の長辺から他方の長辺へ向かう方向、すなわち短辺と平行に着磁されている。具体的には、図５の矢印で示すように、固定子１に磁石の磁束が鎖交する経路を形成するＮ極磁極においては、磁石２３１の磁束が固定子１側に向かうように着磁されて配置される。また、固定子１から回転子２に向かう経路を形成するＳ極磁極においては、磁石２３１の磁束が回転子２の径内側に向かうように着磁されて配置される。このように着磁、配置することにより各磁石２３１が作り固定子１に鎖交する磁束を効果的に増大することができる。これにより回転電機１００の所望の出力を実現するために必要な回転子２に配置される磁石２３１の磁石量を最小限の量で形成することが可能となる。

図６に示すように孔部２２のそれぞれは、磁石２３１が埋設される磁石挿入部２２１と磁石２３１が埋設されない開口部２２２とで構成される。磁石挿入部２２１は埋設される磁石２３１の形状を縁取るように形成される。磁石挿入部２２１以外の開口部２２２は、磁石挿入部２２１の長手方向の両端に形成される。また、開口部２２２は空洞となっている。

また、複数の磁石２３１のうちの一部の磁石２３１によって１磁極構成するように配設された磁石群２３が構成される。この磁石群２３は、隣接して回転子コア２１の周方向に複数配列される。１磁極を構成する磁石群２３は３つの磁石２３１から構成され、３つの磁石２３１が回転子２の外周面側から軸中心に向かうふくらみを有する弧状を形成するように配置される。磁石群２３を構成する磁石２３１のうちの１つは、磁石群２３によって構成される磁極の中心である磁極中心上に位置する。すなわち、回転子コア２１の軸中心から磁石群２３によって構成される磁極中心をとおる線を磁極中心線（以下ｄ軸ともいう）としたとき、磁極中心線（ｄ軸）を周方向に跨いで配置される。磁石群２３を構成する磁石２３１のうちｄ軸上に位置する磁石２３１を説明の便宜上磁石２３２とする。

図６に示すようにスリット２４は、１磁極を構成する磁石群２３のうち、磁極中心上に位置する磁石２３２よりも回転子２の径外側、かつ、１磁極を構成する磁石群２３で囲まれた周方向範囲内の回転子コア２１に設けられる。スリット２４は、磁石群２３が形成する弧状と同方向にふくらみを有した弧状に形成される。すなわちスリット２４の周方向の両端部は、スリットの中央部よりも径外側の回転子コア２１に形成される。

スリット２４は、回転子コア２１を軸方向に貫通しており、空洞となっている。また、上述の磁極中心線上を周方向に跨いで形成されている。このようにスリット２４を設けることで、固定子１と回転子２との間の空隙Ｇの距離によらず、ｄ軸をとおる磁束経路の磁気抵抗を高めることができる。すなわち、回転子２の磁束出力面である外周面の表面積を維持しながら、ｄ軸の磁気抵抗を高める効果を両立することが可能となる。

空隙拡大部２５は、スリット２４と空隙Ｇとで囲まれた回転子コア２１の外周面に設けられる。空隙拡大部２５は回転子コア２１の外周面から軸中心側に窪む弧状に設けられる。これにより、空隙拡大部２５が形成される回転子コア２１の外周面上の２つの各交点から回転子２の軸中心に向かって空隙の範囲が拡大される。また、空隙拡大部２５の周方向範囲はスリット２４の周方向幅より小さく形成される。

回転子コア２１が有する、孔部２２、スリット２４、空隙拡大部２５、磁石２３１、の関係について図７を用いて説明する。

図７に示すように、空隙拡大部２５と回転子コア２１の最外周との２つの交点をｄ軸に直交するように結んだ回転方向の長さを空隙拡大部幅ＷＡとする。また、１磁極を形成する磁石群２３のうち、磁極中心線上に位置する磁石２３２の回転方向の両端点をｄ軸に直交するように結んだ線の長さを磁石幅Ｗｍａｇとする。そして、磁極中心線（ｄ軸）に対して、電気角で９０度回転方向または反回転方向にずれた線を軸線（ｑ軸）とする。

このときｑ軸は、隣接する磁石群２３の間の回転子コア２１をとおる。そして、隣接する各磁石群２３の間に位置する回転子コア２１とｑ軸とが直交する回転子コア２１の直交面における幅は、隣接する一方の磁石群２３のｑ軸に最も近い孔部２２と、隣接する他方の磁石群２３のｑ軸に最も近い孔部２２と、の間の回転子コア２１で最も小さくなっている。この最も小さい回転子コア２１の幅を最小幅ＷＢとする。

本開示の実施の形態１における回転電機１００は、空隙拡大部２５の空隙拡大部幅ＷＡと磁石２３２の磁石幅Ｗｍａｇとの関係において、ＷＡ＞Ｗｍａｇを満たす。また、最小幅ＷＢと磁石２３２の磁石幅Ｗｍａｇにおいて、Ｗｍａｇ＞ＷＢを満たす。そして空隙拡大部幅ＷＡと磁石幅Ｗｍａｇと最小幅ＷＢとの関係においてＷＡ＞Ｗｍａｇ＞ＷＢの関係を満たす。

次に、本開示の実施の形態１における回転電機１００の動作について説明する。図８は、回転電機１００が車両用交流発電電動機の電動機としての動作を説明するものである。車両用交流発電電動機の電動機として動作するための回転電機１００以外の構成として、パワー回路部４、制御回路部５、バッテリ６を有している。

パワー回路部４は、スイッチング素子を有している。このスイッチング素子は、制御回路部５によってＯＮ／ＯＦＦ制御される。そして、パワー回路部４は、スイッチングの素子のＯＮ／ＯＦＦ制御によりバッテリ６から供給された直流電力を交流電力に変換して回転電機１００に供給する。

制御回路部５はプロセッサ５１と、記憶部５２を有する。プロセッサ５１は、記憶部５２に記憶されたプログラムを実行することにより、上述の処理を行う。ここで、記憶部５２は、制御に必要なパラメータ、上記の処理を記述したプログラムなどが記憶されたメモリにより構成される。プロセッサは、マイコン（マイクロコンピュータ）やＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＦＰＧＡなどにより構成される。また、複数のプロセッサ５１および複数の記憶部５２が連携して上記機能を実行してもよい。
なお、パワー回路部４、制御回路部５、バッテリ６は周知技術であるため各構成のその他の詳細な説明は省略する。

回転電機１００に供給された交流電力は、具体的には固定子１の固定子巻線１２に供給される。この際に発生する磁束と磁石２３２により形成された磁石磁束が、固定子巻線１２に流れる直流電流もしくは交流電流と鎖交することで、駆動トルクが発生する。この駆動トルクにより、回転子２が回転駆動される。

図９は本開示の実施の形態１における回転電機１００を鎖交する磁束の経路を示した磁束経路図である。図９に示した実線は、磁石群２３から出た磁石磁束が固定子１を介する磁束の経路を模式的に示したものである。上述のように、固定子１の固定子巻線１２に鎖交した磁束は駆動トルクに寄与する。したがって実線で示した経路をとおる磁束は出力に寄与する出力寄与磁束である。また、図９に示した一点破線は、固定子１の固定子巻線１２を介さず、回転子コア２１内で閉じる磁束の経路を模式的に示したものである。この一点破線で示した経路をとおる磁束は固定子１の固定子巻線１２を鎖交しないため、出力に寄与しない漏磁束である。

出力寄与磁束は、主にｄ軸線上に配置された磁石２３２が作る磁束が寄与している。すなわち、ｄ軸線上の磁石２３２の磁束を増加させることにより、駆動トルクを大きくすることができる。その一方で、各磁石２３１、２３２の磁束が増えると、誘起電圧が増加する。誘起電圧が増加すると回転電機１００の誘起電圧が図８に示したバッテリ６の電圧を超える。回転電機１００の誘起電圧がバッテリ６の電圧を超えると、回転電機１００からバッテリ６側に電力供給される回生モードに入る。原理的にバッテリ６の電圧よりも回転電機１００の電圧が低い状態でなければ、駆動トルクを得ることができない。例えば、パワー回路部４のスイッチングの素子のОＮ／ОＦＦ制御により回転電機１００の誘起電圧を抑制する電流を供給すれば、回転電機１００の誘起電圧をバッテリ６の電圧よりも低くすることができ、駆動トルクを得ることも可能である。しかしながら誘起電圧を抑制するための電流はトルクを得るための電流ではないため所望のトルクを得るために必要な電流が増加し、損失が増加する。その結果、回転電機１００の出力が低下する。これらのことから誘起電圧を減らすことが望ましく、誘起電圧を減らすためには、固定子１の固定子巻線１２に誘起する磁束を減らすことが望ましい。

漏磁束は、増加することによりトルクリップルに寄与する。トルクリップルはトルク変動幅/平均トルクで表される。したがって図９に示す漏磁束を減らすことによってトルクリップルを抑制することが可能となる。

本開示の実施の形態１において空隙拡大部２５は、ｄ軸線上に配置された磁石２３１の径外側で周方向を覆うように設けられている。すなわちｄ軸線上に配置された磁石２３２が作る磁石磁束の経路上に空隙拡大部２５を有している。これにより空隙拡大部２５が形成された範囲の回転子コア２１の磁気抵抗が高くなる。よって、固定子１の固定子巻線１２に誘起する誘起電圧の低減効果を得ることができる。また、空隙拡大部２５を設け、ｄ軸の磁気抵抗を高めることによって、ｄ軸の磁気抵抗に対するｑ軸の磁気抵抗は、空隙拡大部２５を設けない場合に対して相対的に低くなる。よって、ｄ軸とｑ軸との磁気抵抗の差により得られるリラクタンストルクを高めることが可能となる。

図１０は本開示の実施の形態１における回転電機１００のトルク/誘起電圧比率向上の効果を示すグラフである。図９に示したグラフの一方は、空隙拡大部２５の空隙拡大部幅ＷＡとｄ軸線上の磁石２３２の磁石幅Ｗｍａｇとの間でＷＡ＞Ｗｍａｇとの関係になるように構成された場合のトルク/誘起電圧比率の結果である。他方は、空隙拡大部幅ＷＡとｄ軸線上の磁石２３２の磁石幅Ｗｍａｇとの間でＷＡ＜Ｗｍａｇの関係になるように構成された場合のトルク/誘起電圧比率の結果である。図１０に示すように空隙拡大部幅ＷＡと、ｄ軸線上回転子磁石の磁石幅Ｗｍａｇとの関係においてＷＡ＞Ｗｍａｇとなるように構成することで、トルク/誘起電圧比率を向上することができる。

本開示の実施の形態１において最小幅ＷＢは、ｄ軸線上の磁石２３２の磁石幅Ｗｍａｇよりも小さくなっている。磁石２３１の磁束出力面に対するｑ軸側の回転子コア２１の漏磁束の経路の経路面が小さくなることにより漏磁束の経路上の回転子コア２１の磁気抵抗が高くなる。よって、漏磁束を低減することができる。

図１１は本開示の実施の形態１における回転電機１００のトルク変動幅/平均トルクのトルクリップル抑制の効果を示すグラフである。図１１に示したグラフの一方は、最小幅ＷＢとｄ軸線上の磁石２３２の磁石幅Ｗｍａｇとの関係において、Ｗｍａｇ＞ＷＢを満たす場合のトルク変動幅/平均トルクの結果である。他方は、最小幅ＷＢとｄ軸線上の磁石２３２の磁石幅Ｗｍａｇとの関係において、Ｗｍａｇ＜ＷＢになるように構成された場合のトルク変動幅/平均トルクの結果である。図１１に示すように、最小幅ＷＢとｄ軸線上の磁石２３２の磁石幅Ｗｍａｇとの関係において、Ｗｍａｇ＞ＷＢを満たすように構成することでトルク変動幅/平均トルク、すなわちトルクリップルを抑制することができる。

本開示の実施の形態１では、上述のように空隙拡大部２５の空隙拡大部幅ＷＡとｄ軸線上に配置された磁石２３２の磁石幅Ｗｍａｇと最小幅ＷＢとの関係において、ＷＡ＞Ｗｍａｇ＞ＷＢを満たす。すなわち、空隙拡大部幅よりも磁石２３２の磁石幅の方が小さく、かつ、磁石２３２の漏磁束経路上の回転子コア２１の最小幅ＷＢはｄ軸線上に配置された磁石２３２の最小幅ＷＢよりも小さくなるように構成される。これによりトルク/誘起電圧比率向上効果に加えて、トルクリップル抑制機能を獲得することができ、トルク/誘起電圧比率向上とトルクリップル抑制を両立することが可能となる。

また、磁石群２３が複数の磁石２３１、２３２によって断続した弧状に配置されている。これにより弧状を形成する各磁石２３１、２３２間は回転子コア２１が存在することとなる。具体的には、磁石群２３の径外側と径内側とをつなぐ回転子コア２１が各磁石２３１、２３２間に存在する。これにより、隣接する磁石群２３同士の間のｑ軸がとおる回転子コア２１にかかる最大主応力を低減することができる。

なお、本開示の実施の形態１において磁石群２３は３つの磁石で構成された例を用いて説明したが、磁石群２３を構成する磁石２３１は、３つに限られない。磁石群２３を構成する磁石２３１は、固定子巻線１２が作る磁束に沿うように弧状に配置されていればよく、例えば図１２に示すように５つの磁石２３１を、固定子巻線１２が作る磁束に沿うように弧状に配置してもよい。また、各磁石２３１の形状は長方形としたが、長方形には限られず、弧状に形成して、固定子巻線１２が作る磁束に沿うように配置してもよい。また、着磁方法は短辺と平行に着磁されている必要はない。

また、開口部２２２およびスリット２４は必ずしも空洞である必要はなく、例えば、樹脂などの非磁性材料等を埋設してもよい。また、孔部２２は開口部２２２を有しない構成としてもよい。

また、車両用交流発電電動機の電動機として動作する例を示したが、用途はこれに限られず回転電機として動作するものであれば適用可能である。

いずれの場合においても上述した同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
本開示の実施の形態２に係る回転電機について説明する。図１から図１２と同じ符号をつけたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。実施の形態１と異なる部分のみを説明する。図１３は、本開示の実施の形態２に係る回転電機の回転子の要部を示す軸方向平面図である。図１４は、本開示の実施の形態２に係る回転電機を鎖交する磁束の経路を示した磁束経路図である。

本開示の実施の形態１において、最小幅ＷＢは、ｑ軸と直交する回転子コア２１の直交面のうち、隣接する一方の磁石群２３のｑ軸に最も近い孔部２２と隣接する他方の磁石群２３のｑ軸に最も近い孔部２２との間の回転子コア２１の幅であると説明した。本開示の実施の形態２においては、この最小幅ＷＢは、隣接する一方の孔部２２の端点と他方の孔部２２端点との間の回転子コア２１の幅となる。

さらに具体的に説明する。上述のように孔部２２は磁石２３１が埋設される磁石挿入部２２１と磁石２３１が埋設されない開口部２２２とで構成される。また、磁石挿入部２２１は埋設される磁石２３１の形状を縁取るように形成される。本開示の実施の形態２においては、この磁石２３１を縁取るように形成された磁石挿入部２２１の端点と隣接する磁石挿入部２２１の端点との間の回転子コア２１で最小幅ＷＢとなる。言い換えると、最小幅ＷＢは、隣接する磁石群２３の間を通るｑ軸に最も近い磁石群２３の磁石挿入部２２１の端点同士の間である。

上述したようにｑ軸がとおる回転子コア２１は、固定子１の固定子巻線１２を介さず、回転子コア２１内で閉じる漏磁束の経路となる。この漏磁束には図９に一点破線で図示したように磁石群２３を構成するｄ軸上に位置する磁石２３２からの漏磁束と、これとは別に、図１４に一点破線で示すような、磁石群２３のうちｑ軸側に配置された磁石２３１からの漏磁束も含まれる。このｑ軸側に配置された磁石２３１の漏磁束の経路は、磁石群２３が形成する弧状の内側をとおり、固定子１を介さずｑ軸がとおる回転子コア２１を介して同じ磁石２３１へ戻る経路となる。このとき漏磁束が磁石２３１へ戻る際の流入面となるのが磁石挿入部２２１の端点と隣接する磁石挿入部２２１の端点との間の回転子コア２１である。

このように、隣接する磁石群２３の間を通るｑ軸に最も近い磁石群２３の磁石挿入部２２１の端点同士の間が最小幅ＷＢとなるようにすることで、各磁石２３１、２３２からの漏磁束がとおる漏磁束経路における回転子コア２１の磁気抵抗を高めることができる。また、特に、ｑ軸側に配置された磁石２３１からでた磁束が固定子１を介さず同じ磁石２３１へと戻る漏磁束の経路における磁石２３１への流入面での磁気抵抗を最も高めることができる。

これにより、ｑ軸がとおる回転子コア２１への漏磁束をより抑制することが可能となり、トルクリップルを抑制できる効果を奏する。さらに、磁石挿入部２２１は埋設される磁石２３１の位置を保持する機能も有している。したがって、本開示の実施の形態１と同様の効果に加え、磁石２３１の位置を保持しつつ、よりトルクリップルを低減することができる効果も奏する。

実施の形態３．
本開示の実施の形態３に係る回転電機について説明する。図１から図１４と同じ符号をつけたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。実施の形態１および実施の形態２と異なる部分のみを説明する。図１５は本開示の実施の形態３に係る交流回転電機の回転子の要部を示す軸方向平面図である。

図１５に示すように、ｑ軸がとおる回転子コア２１を介して隣接する孔部２２の磁石挿入部２２１の端点のうち、回転子コア２１の径内側の端点同士をｑ軸に直交するように結んだ幅を最大幅ＷＣとする。

このとき、ｄ軸線上の磁石２３２の磁石幅Ｗｍａｇとの関係において、磁石幅Ｗｍａｇ＞最大幅ＷＣを満たす。すなわち、磁石２３１の磁束によって発生するｑ軸側の漏磁束の経路のすべて幅は、ｄ軸線上の磁石２３１の磁石幅Ｗｍａｇより小さくなる。これにより、漏磁束の経路であるｑ軸がとおる回転子コア２１の磁気抵抗を高めることができる。

したがって、本開示の実施の形態１および実施の形態２と同様の効果に加え、漏磁束を低減する機能をより高めることにより、よりトルクリップル抑制することが可能となる効果を奏する。

実施の形態４．
本開示の実施の形態４に係る回転電機について説明する。図１から図１５と同じ符号をつけたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。実施の形態１から実施の形態３と異なる部分のみを説明する。図１６は本開示の実施の形態４に係る回転電機の回転子の要部平面図である。

図１６に示すように、固定子１から回転子２側へ突出する磁極歯１３において、径方向の最内径側に位置し、空隙Ｇに面する面（最径内面）の磁極歯幅をＷＴとする。具体的には、１つの磁極歯１３の回転方向両端部をｑ軸に直交するように結んだときの幅である。

このとき、最小幅ＷＢとの関係において、ＷＴ＞ＷＢを満たす。すなわち、磁極歯１３の磁極歯幅からｑ軸がとおる回転子コア２１に流れる磁束の経路において、磁束が流入する回転子コア２１の面の幅の方が小さくなっている。

上述したように図１４に図示して説明した漏磁束は、固定子１の磁極歯１３を介していないため、駆動トルクには寄与しない。よって磁極歯１３を介さずｑ軸側の経路をとおる磁束は少ないほうが好ましい。

本開示の実施の形態４では、磁極歯１３の磁極歯幅ＷＴと最小幅ＷＢとの関係においてＷＴ＞ＷＢを満たすことにより、磁石２３１の磁束出力面に対して、この漏磁束が流入する回転子コア２１の面の幅を小さくすることができる。これにより漏磁束経路上の回転子コア２１の磁気抵抗を高めることができ、特に、ｄ軸上に位置する磁石２３２以外の磁石２３１から固定子１の磁極歯１３を介さず回転子コア２１をとおる漏磁束を低減することができる。

よって、本開示の実施の形態１から実施の形態３と同様の効果に加え、ｄ軸上に配置されていない磁石２３１の漏磁束の低減が可能となり、よりトルクリップルを抑制することが可能となる効果を奏する。

実施の形態５．
本開示の実施の形態５に係る回転電機について説明する。図１から図１６と同じ符号をつけたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本開示の実施の形態１から実施の形態４と異なる部分のみを説明する。図１７は本開示の実施の形態５に係る回転電機の回転子の要部平面図である。

図１７に示すように、空隙拡大部２５はｄ軸に対して線対称に設けられる。また、磁石群２３のうちｄ軸上に位置する磁石２３１もｄ軸に対して線対称に設けられる。すなわち、空隙拡大部２５の中心線とｄ軸上に位置する磁石２３２の中心線とは同一線上に存在する。空隙拡大部２５の中心線は空隙拡大部２５の回転方向両端をｑ軸に直交するように結んだ線と直交して二等分線する線である。またｄ軸上に位置する磁石２３１の中心線はｄ軸上に位置する磁石２３１の回転方向両端をｑ軸に直交するように結んだ線と直交して二等分する線である。

これにより、空隙拡大部２５は、ｄ軸上に位置する磁石２３１が作る磁束をより効果的に抑制することができる。したがって、本開示の実施の形態１から実施の形態４と同様の効果に加え、トルク/誘起電圧比率をより向上することができる効果を奏する。

なお、空隙拡大部２５を回転方向に二等分する線（第一の二等分線）とｄ軸上の位置する磁石２３１を回転方向に二等分線（第二の二等分線線）が一致していればよく、空隙拡大部２５およびｄ軸上に位置する磁石２３１は必ずしもｄ軸に線対称に設けなくてもよい。また、各中心線はｄ軸と一致していなくてもよい。この場合においてもトルク/誘起電圧比率を向上する効果を奏する。

実施の形態６．
本開示の実施の形態６に係る回転電機について説明する。図１から図１７と同じ符号をつけたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本開示の実施の形態１から実施の形態５と異なる部分のみを説明する。図１８は、本開示の実施の形態５に係る回転電機の回転子の要部を示す軸方向平面図である。図１９は、本開示の実施の形態６に係る回転電機を鎖交する磁束の経路を示した磁束経路図である。

図１８に示すようにｄ軸上の磁石２３１の回転方向長さをｄ軸によって分割した磁石２３１の半分の磁石長さをＷｍａｇｋとする。このとき、最小幅ＷＢとの関係において、Ｗｍａｇｋ＞ＷＢを満たす。

図１９における点線は、ｄ軸上に位置する磁石２３１が作る磁束の経路を示している。
ｄ軸上に位置する磁石２３１が作る磁束の半分は、回転方向側のｑ軸がとおる回転子コア２１に漏磁束経路を作り、残り半分は、反回転方向側の回転子コア２１に漏磁束の経路を形成する。

本開示の実施の形態６では、漏磁束経路上の回転子コア２１の最小幅ＷＢは、ｄ軸上に位置する磁石２３１のｄ軸によって分割した長さＷｍａｇｋよりも小さいため、ｑ軸側の磁気抵抗を高めることができる。よって、ｑ軸側への漏磁束をより低減することができる。

したがって、本開示の実施の形態１から実施の形態５と同様の効果に加え、トルクリップルをより抑制することが可能となる効果を奏する。

なお、ｄ軸によって分けられる磁石長さは、同じである例を示して説明したが、必ずしも同じである必要はなく、それぞれ対応する最小幅ＷＢよりも大きければよい。また、ｄ軸上の磁石２３１は、ｄ軸に対して必ずしも直交するように設けられる必要はない。その場合においては磁石２３１の回転方向端部同士をｄ軸に直交するように結んだ長さによって磁石長さをＷｍａｇｋを定義し、最小幅ＷＢとの関係において、Ｗｍａｇｋ＞ＷＢを満たしていればよい。この場合においても同様の効果を得ることができる。

各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１固定子、２回転子、３シャフト、４パワー回路部、５制御回路部、６バッテリ、１１固定子鉄心、１２固定子巻線、１３磁極歯、２１回転子コア、２２孔部、２３磁石群、２４スリット、２５空隙拡大部、１００回転電機、２２１磁石挿入部、２２２開口部、２３１、２３２磁石

Claims

固定子と、
複数の孔部が形成された回転子コア、前記回転子コアの外周面に設けられる空隙拡大部、を有するとともに、前記複数の孔部に配置される磁石のうちの一部であって１磁極の磁極を構成する磁石群を複数有し、前記固定子の径内側に空隙を介して設けられる回転子と、
を備え、
前記磁石群を構成する磁石のうち、１磁極の磁極中心の線である磁極中心線にある磁石の前記磁極中心線に直交する幅を磁石幅Ｗｍａｇとし、
前記空隙拡大部の前記磁極中心線に直交する幅を空隙拡大部幅ＷＡとし、
前記磁極中心線から前記回転子の回転方向または反回転方向に電気角で９０度ずれた線である軸線がとおる前記回転子コアの前記軸線に直交する前記回転子コアの幅のうち、前記軸線を介して隣接する一方の前記孔部と、前記軸線を介して隣接する他方の前記孔部と、の間の前記回転子コアの幅を最小幅ＷＢとしたとき、
前記空隙拡大部幅ＷＡ＞前記磁石幅Ｗｍａｇ＞前記最小幅ＷＢの関係を満たし、
前記最小幅ＷＢは、前記磁石幅Ｗｍａｇの半分よりも小さく、
前記回転子コアは、前記磁極中心線上の前記磁石よりも径外側であって、前記空隙拡大部よりも径内側に空洞または非磁性材料を設けて形成されるスリットを有し、前記空隙拡大部の周方向範囲は、前記スリットの周方向幅より小さく形成され、前記スリットの周方向幅は、前記磁石幅Ｗｍａｇよりも大きく形成される
回転電機。
前記孔部は、前記磁石が配置される磁石挿入部と前記磁石挿入部以外の開口部とを有し、
前記最小幅ＷＢは、前記軸線を介して隣接する一方の前記磁石挿入部と、前記軸線を介して隣接する他方の前記磁石挿入部と、の間の前記回転子コアの幅である請求項１に記載の回転電機。
前記最小幅ＷＢは、前記軸線を介して隣接する一方の前記磁石挿入部の前記軸線に最も近い端点と、前記軸線を介して隣接する他方の前記磁石挿入部の前記軸線に最も近い端点と、の間の前記回転子コアの幅である請求項２に記載の回転電機。
前記軸線を介して隣接する一方の前記磁石挿入部の端点うち、前記回転子コアの径内側の端点と、前記軸線を介して隣接する他方の前記磁石挿入部の端点のうち、前記回転子コアの径内側の端点との間の前記回転子コアの幅を最大幅ＷＣとしたとき、
前記磁石幅Ｗｍａｇ＞前記最大幅ＷＣの関係を満たす請求項２または請求項３に記載の回転電機。
固定子と、
複数の孔部が形成された回転子コア、前記回転子コアの外周面に設けられる空隙拡大部、
を有するとともに、前記複数の孔部に配置される磁石のうちの一部であって１磁極の磁極
を構成する磁石群を複数有し、前記固定子の径内側に空隙を介して設けられる回転子と、
を備え、
前記磁石群を構成する磁石のうち、１磁極の磁極中心の線である磁極中心線にある磁石の
前記磁極中心線に直交する幅を磁石幅Ｗｍａｇとし、
前記空隙拡大部の前記磁極中心線に直交する幅を空隙拡大部幅ＷＡとし、
前記孔部は、前記磁石が配置される磁石挿入部と前記磁石挿入部以外の開口部とを有し、
前記磁極中心線から前記回転子の回転方向または反回転方向に電気角で９０度ずれた線である軸線がとおる前記回転子コアの前記軸線に直交する前記回転子コアの幅のうち、
前記軸線を介して隣接する一方の前記磁石挿入部の前記軸線に最も近い端点と、前記軸線を介して隣接する他方の前記磁石挿入部の前記軸線に最も近い端点と、の間の前記回転子コアの幅を最小幅ＷＢとしたとき、
前記空隙拡大部幅ＷＡ＞前記磁石幅Ｗｍａｇ＞前記最小幅ＷＢの関係を満たし、
前記軸線を介して隣接する一方の前記磁石挿入部の端点うち、前記回転子コアの径内側の端点と、前記軸線を介して隣接する他方の前記磁石挿入部の端点のうち、前記回転子コアの径内側の端点との間の前記回転子コアの幅を最大幅ＷＣとしたとき、
前記空隙拡大部幅ＷＡ＞前記磁石幅Ｗｍａｇ＞前記最大幅ＷＣ＞前記最小幅ＷＢの関係を満たし、
前記回転子コアは、前記磁極中心線上の前記磁石よりも径外側であって、前記空隙拡大部よりも径内側に空洞または非磁性材料を設けて形成されるスリットを有し、前記空隙拡大部の周方向範囲は、前記スリットの周方向幅より小さく形成され、前記スリットの周方向幅は、前記磁石幅Ｗｍａｇよりも大きく形成される
回転電機。
前記軸線を介して隣接する一方の前記磁石挿入部の端点うちの前記回転子コアの径内側の端点および前記軸線を介して隣接する他方の前記磁石挿入部の端点のうちの前記回転子コアの径内側の端点は、前記磁石群を構成する磁石のうち、前記磁極中心線にある磁石とは異なる磁石が配置される前記磁石挿入部の端点である請求項４または請求項５に記載の回転電機。
前記空隙拡大部を回転方向に二等分する線を第一の二等分線とし、前記磁極中心線上の前記磁石を回転方向に二等分する線を第二の二等分線としたとき、
前記第一の二等分線と前記第二の二等分線は同一線上に存在する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転電機。
前記回転子コアの前記最小幅ＷＢは、前記磁石幅Ｗｍａｇの半分の幅よりも小さい請求項６から請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。
前記固定子は、前記回転子側に突出した磁極歯を有し、
前記磁極歯の最径内面の幅を磁極歯幅ＷＴとしたとき、
前記磁極歯幅ＷＴ＞前記最小幅ＷＢの関係を満たす請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の
回転電機。
複数の孔部が形成された回転子コア、前記回転子コアの外周面に設けられる空隙拡大部、
を有するとともに、前記複数の孔部に配置される磁石のうちの一部であって１磁極の磁極
を構成する磁石群を複数有し、固定子の径内側に空隙を介して設けられる回転子と、
前記回転子コア側に突出した複数の磁極歯を有する前記固定子と、
を備え、
前記磁石群を構成する磁石のうち、１磁極の磁極中心の線である磁極中心線にある磁石の
前記磁極中心線に直交する幅を磁石幅Ｗｍａｇとし、
前記空隙拡大部の前記磁極中心線に直交する幅を空隙拡大部幅ＷＡとし、
前記磁極中心線から前記回転子の回転方向または反回転方向に電気角で９０度ずれた線で
ある軸線がとおる前記回転子コアの前記軸線に直交する前記回転子コアの幅のうち、前記軸線を介して隣接する一方の前記孔部と、前記軸線を介して隣接する他方の前記孔部と、の間の前記回転子コアの幅を最小幅ＷＢとしたとき、
前記空隙拡大部幅ＷＡ＞前記磁石幅Ｗｍａｇ＞前記最小幅ＷＢの関係を満たし、
前記最小幅ＷＢは、隣接する前記磁極歯間の幅よりも大きく、
前記回転子コアは、前記磁極中心線上の前記磁石よりも径外側であって、前記空隙拡大部よりも径内側に空洞または非磁性材料を設けて形成されるスリットを有し、前記空隙拡大部の周方向範囲は、前記スリットの周方向幅より小さく形成され、前記スリットの周方向幅は、前記磁石幅Ｗｍａｇよりも大きく形成される
回転電機。
前記固定子は、前記回転子コア側に突出した磁極歯を有し、
前記磁極歯の最径内面の幅を磁極歯幅ＷＴとしたとき、
前記スリットの周方向の両端部は、前記スリットの中央部よりも径外側の前記回転子コアに形成され、
前記スリットの一方の端部と前記磁極中心線にある磁石とは異なる磁石が配置される前記孔部との最短距離の幅は、前記磁極歯幅ＷＴよりも大きい請求項１０に記載の回転電機。