JP6879140B2

JP6879140B2 - 回転電機

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Publication number: JP6879140B2
Application number: JP2017177895A
Authority: JP
Inventors: 新也佐野; 服部　宏之; 宏之服部; 泰秀柳生; 貴憲門田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-09-15
Filing date: 2017-09-15
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2037-09-15
Also published as: CN109510347B; KR20190031152A; JP2019054659A; US20190089216A1; BR102018068509A2; EP3457534B1; EP3457534A1; US10686341B2; CN109510347A; KR102079486B1; CN112838693B; RU2689311C1; CN112838693A; BR102018068509B1

Description

本開示は、回転電機に係り、特に、各磁極に複数層構造で配置された複数の永久磁石を含むロータを備える回転電機に関する。

電動車両に用いられる回転電機について、小型軽量と出力効率の向上とを図るために、ロータコアの周方向に沿って複数の永久磁石を埋め込んで磁極を形成する埋込磁石式の回転電機が用いられる。埋込磁石式の回転電機は、ステータの回転磁界と永久磁石との協働によって生成される磁石トルクと、ロータコアの磁気的異方性に基づいて生成されるリラクタンストルクとの合成トルクを出力する。１磁極内で複数の埋込磁石を略Ｖ字状に配置することで、さらに出力効率の向上を図ることができ、また、埋込磁石を径方向に沿って二層とすることで、出力できるトルクをさらに増加させることができる。

特許文献１には、埋込磁石式回転電機のロータの１つの磁極において、d軸を中心線として対称となる位置に２つの第１永久磁石と、第１の永久磁石よりも外周側（ステータ側）の２つの第２永久磁石とを配置した構成が述べられている。ここでは、ステータティースと間隙を介した方向から見て４つの永久磁石が重ならない磁石配置とする。このようにすることで、同方向から見て４つの磁石が重なる磁石配置と比較して、低速時の最大トルクを除き、中速から高速時における出力トルクが向上することを図３に示している。

特開２０１４−２００１５０号公報

複数層の埋込磁石式のロータを備える回転電機においては、隣接する層の永久磁石の磁束の間で干渉が生じ、磁気飽和により回転電機の最大トルク特性等が低下する恐れがある。そこで、複数層の埋込磁石式のロータにおいて、隣接する層の永久磁石の磁束の間の干渉を抑制し、磁気飽和を緩和して、最大トルク特性等の低下を抑制できる回転電機が要望される。

本開示に係る回転電機は、ステータコイルが巻回されたステータと、ステータの内周側に対し所定の間隔を隔てて同心状に配置されたロータであって、ロータコア、及び、ロータコアの各磁極においてｄ軸とロータコアの外周面とが交わるｄ軸交点から内周側に向って複数層構造に配置された複数の永久磁石を含むロータと、を備え、複数層構造において隣接する２つの層にそれぞれ属する永久磁石の内で、磁極の両側のｑ軸のそれぞれに最も近く配置された永久磁石の相互の配置関係は、ｄ軸交点から近い層に属しｑ軸に最も近く配置された永久磁石におけるｑ軸側でかつ内周側である端部のロータコアにおける径方向に沿った位置が、ｄ軸交点から遠い層に属しｑ軸に最も近く配置された永久磁石におけるｑ軸側でかつ外周側である端部のロータコアにおける径方向に沿った位置よりも予め定めた所定の径方向間隔で離間して外周側に配置されている。

複数層構造において隣接する２つの層の間の磁路において、２つの層の永久磁石による磁束の干渉が発生しやすいのは、磁極において磁石トルクを発生する磁束の流れの出入口であるｑ軸に最も近い２つの永久磁石が向かい合う領域である。上記構成の例では、ｄ軸交点から近い層に属する永久磁石のｑ軸側でかつ内周側である端部と、遠い層に属する永久磁石のｑ軸側でかつ外周側である端部とが向かい合う領域で、２つの永久磁石の磁束の干渉が生じやすい。上記構成によれば、この領域で、向かい合う２つの永久磁石の端部は、所定の径方向間隔で離間する。したがって、所定の径方向間隔を適切に設定することで、隣接する層の永久磁石の磁束の間の干渉を抑制し、磁気飽和を緩和して、最大トルク特性等の低下を抑制できる。

本開示に係る回転電機において、所定の径方向間隔は、ｄ軸交点から遠い層に属する永久磁石の磁束の流れ方向に対し、ｄ軸交点から近い層に属する永久磁石の磁束の流れ方向が同じ方向の場合に、互いに強め合って磁気飽和することを抑制できる間隔である。

上記構成によれば、所定の径方向間隔を適切に設定することで、隣接する層の永久磁石の磁束の間の干渉による磁気飽和を抑制できるので、回転電機の最大トルク特性等が向上する。

本開示に係る回転電機において、所定の径方向間隔は、ｄ軸交点から遠い層に属する永久磁石の磁束の流れ方向に対し、ｄ軸交点から近い層に属する永久磁石の磁束の流れ方向が逆方向の場合に、互いに打ち消し合うことを抑制できる間隔である。

上記構成によれば、所定の径方向間隔を適切に設定することで、隣接する層の永久磁石の磁束の間の干渉による磁束の打ち消し合いを抑制できるので、回転電機の最大トルク特性等が向上する。

本開示に係る回転電機において、複数層構造の各層はそれぞれ、ｄ軸に対し線対称に配置されていることが好ましい。

回転電機が動作してロータが回転すると、磁極において、回転方向の上流側のｑ軸側で２つの層の永久磁石による磁束が強め合う磁気飽和が生じやすく、下流側のｑ軸側で２つの層の永久磁石による磁束の打ち消し合いが生じやすい。上記構成では、回転方向の上流側のｑ軸側における所定の径方向間隔と、下流側のｑ軸側における所定の径方向間隔を同じにできるので、磁気飽和の抑制と磁束の打ち消し合いの抑制をバランスよく行える。

本開示に係る回転電機において、複数層構造は二層構造であり、ｄ軸交点に近い第一層は、ｄ軸を挟んで１つずつ線対称に、ロータコアの外周面から見た見込み角度で、所定の鋭角の傾斜角度θ１で傾斜して配置された２つの永久磁石で構成され、ｄ軸交点から第一層よりも遠い第二層は、ｄ軸を挟んで１つずつ線対称に、ロータコアの外周面から見た見込み角度で、θ１より小さな傾斜角度θ２で傾斜して配置された２つの外周側永久磁石、及び、ｄ軸を挟んで１つずつ線対称に、ロータコアの外周面から見た見込み角度で、θ２よりも大きい鋭角の傾斜角度θ３で傾斜して配置された２つの内周側永久磁石の４つの永久磁石で構成される、ことが好ましい。

上記構成によれば、第二層の永久磁石は、外周側の２個に加えて内周側の２個が用いられて合計４個となるので、第二層の永久磁石が外周側の２個の場合に比べ、磁石トルクの増大を図ることができる。また、θ３＞θ２とすることで、第一層の永久磁石と第二層の内周側の永久磁石との間の磁路は、第一層の永久磁石と第二層の外周側の永久磁石との間の磁路よりも広くなる。これによって、第一層の永久磁石の磁束と第二層の内周側の永久磁石の磁束との間の干渉は生じにくい。これにより、回転電機の最大トルク特性等をさらに向上させることができる。

上記構成の回転電機によれば、複数層の埋込磁石式のロータにおいて、隣接する層の永久磁石の磁束の間の干渉を抑制し、磁気飽和を緩和して、最大トルク特性等の低下を抑制できる。

実施の形態の回転電機の上面図である。図１の回転電機のロータについて、１つの磁極の部分の拡大図である。回転電機が動作しロータが回転した場合について、図２の磁極における磁束の流れを示す図で、特に、２つの層の永久磁石の磁束が強め合って生じる磁気飽和を示す図である。図３と同様に、回転電機が動作しロータが回転した場合について、図２の磁極における磁束の流れを示す図で、特に、２つの層の永久磁石の磁束が干渉して生じる磁束の打ち消し合いを示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、車両に搭載される回転電機を述べるが、これは説明のための例示であって、車両搭載以外の用途であっても構わない。以下では、ステータコイルの巻回方法を分布巻として述べるが、これは説明のための例示であって、集中巻であってもよい。

以下では、ロータの各磁極において永久磁石を二層配置としたが、これは説明のための例示であって、複数層であればよく、例えば、三層配置であってもよい。また、二層配置において、一層目に配置される永久磁石を２個、二層目に配置される永久磁石を４個としたが、これは説明のための例示であって、回転電機、永久磁石の仕様等に応じて適宜変更が可能である。例えば、一層目に４個の永久磁石を配置してもよく、二層目に６個の永久磁石を配置してもよい。以下では、各磁極における永久磁石の複数層配置構造において、各層の複数の永久磁石は、磁極の磁極中心線であるｄ軸に対し線対称としたが、これは説明のための例示であり、ｄ軸に対し非対称の配置であってもよい。例えば、回転電機の回転方向の仕様が定まっている場合等で、ｄ軸に対し非対称の配置の方が回転方向に適した永久磁石の配置となり得る。

以下で述べる形状、寸法、ティース及びスロットの数、ロータの磁極数、永久磁石の数、材質等は、説明のための例示であって、回転電機の仕様に合わせ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、車両に搭載される回転電機１０の構成を示す図である。回転電機１０は、図示しない駆動回路の制御によって、車両が力行するときは電動機として機能し、車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相同期型の回転電機である。回転電機１０は、ステータ１２と、ステータ１２の内周側に所定の間隔を隔てて配置されるロータ３０とで構成される。

ステータ１２は、回転電機１０の固定子で、ステータコア１４と、ステータコイル１６とを含む。ステータコア１４は、円環状の磁性体部品で、円環状のバックヨーク１８とバックヨーク１８から内周側に突き出す複数のティース２０とを含む。隣接するティース２０の間の空間はスロット２２である。図１の例では、ティース２０の数とスロット２２の数は同数で、３の倍数である４８である。

かかるステータコア１４は、バックヨーク１８とティース２０とを含み、スロット２２が形成されるように所定の形状に成形された円環状の磁性体薄板を所定枚数で軸方向に積み重ねた積層体である。磁性体薄板の両面には電気的な絶縁処理が施される。磁性体薄板の材質としては、珪素鋼板の一種である電磁鋼板を用いることができる。磁性体薄板の積層体に代えて、磁性粉末を一体化成形したものをステータコア１４としてもよい。

ステータコイル１６は、三相の分布巻コイルで、１つの相巻線が複数のティース２０に跨って巻回されて形成される。図１には、ステータコイル１６の一部の巻回を示す。ここで、各スロット２２に付したＵ，Ｖ，Ｗは、そのスロット２２に巻回される巻線の相を示す。例えば、Ｕ相巻線は、Ｕと付されたスロット２２に挿入され、その挿入されたスロット２２から周方向に沿って延びて６スロット分隔てた次のＵと付されたスロット２２に挿入され、これを繰り返すことで形成される。Ｖ相巻線、Ｗ相巻線も同様である。

ロータ３０は、ステータ１２の内周に対し、所定の磁気ギャップを隔てて同心状に配置される回転子である。ロータ３０は、磁性体であるロータコア３２と、ロータコア３２に埋め込まれてロータ３０の磁極３８を形成する複数の永久磁石６０とを含む。

ロータコア３２は、中心穴３４と外周面３６とを有する円環状の磁性体で、複数の永久磁石６０が配置される複数の磁石孔５０を含む。ロータコア３２の中心穴３４には、回転電機１０の出力軸であるロータ軸が固定される。

図１に、径方向と周方向と軸方向とを示す。中心穴３４の中心位置をＣとして、径方向は、中心位置Ｃとステータ１２の外周側とを結ぶ放射状の方向で、中心位置Ｃ側が内周側の方向であり、ステータ１２の外周側が外周側の方向である。周方向は、中心位置Ｃを中心として円周方向に沿って延びる方向である。軸方向は、中心穴３４に挿入されるロータ軸が延びる方向で、図１における紙面に垂直な方向である。

かかるロータコア３２は、中心穴３４と複数の磁石孔５０とを含む所定の形状に成形された円環状の磁性体薄板を所定枚数で軸方向に積み重ねて形成される。磁性体薄板の材質としては、ステータコア１４と同様に、電磁鋼板を用いることができる。磁性体薄板の積層体に代えて、磁性粉末を一体化成形したものをステータコア１４としてもよい。

ロータ３０は、回転電機１０の仕様によって定められる数の磁極３８が周方向に沿って設けられる。図１の例では、磁極数が８で、中心位置Ｃから見た１つの磁極３８の周方向に沿った見込み角度φは４５度である。図１において、８個の磁極３８にそれぞれＰ１からＰ８を付した。Ｐ１〜Ｐ８の各磁極３８は、配置位置が異なるのみで、構成は同じである。そこで、いくつかの磁極に代表させて、各磁極３８における複数の磁石孔５０、複数の永久磁石６０等について述べる。

磁極Ｐ８に示すように、各磁極３８は、二層配置構造４０で配置された複数の磁石孔５０(Ｐ２参照）、複数の永久磁石６０（Ｐ１参照）を有する。二層配置構造４０の各層を区別するときは、磁極３８の磁極中心線ＣＬであるｄ軸７０と、ロータコア３２の外周面３６とが交わるｄ軸交点８０から内周側に向って、ｄ軸交点８０に近い層を第一層４２、遠い層を第二層４４と呼ぶ。三層以上の多層の場合も同様に、ｄ軸交点８０から内周側に向って、ｄ軸交点８０に近い方から遠い方に向かって、層の番号を一、二、三、四・・・と数える。

複数の永久磁石６０はそれぞれ、複数の磁石孔５０のいずれかに挿入されて配置される。図１において複数の永久磁石６０に斜線を付したので、複数の磁石孔５０は、複数の永久磁石６０の長手方向の端部に斜線が付されていない部分として示されるが、そのままでは複数の磁石孔５０の形状がやや分かりにくい。そこで、磁極Ｐ２において、複数の永久磁石６０の図示を省略して、複数の磁石孔５０のみを示す。複数の磁石孔５０は、ロータコア３２の外周側に周方向に沿って複数配置され、軸方向に貫通して永久磁石６０をロータコア３２に埋め込んで配置するための貫通孔である。

磁極Ｐ２に示すように、各磁極３８は、複数の磁石孔５０として、磁石孔５２，５３，５４，５５を有する。磁石孔５２，５３は、第一層４２に属する２個の磁石孔で、磁石孔５４，５５は、第二層４４に属する２個の磁石孔である。

磁石孔５０は、永久磁石６０が挿入される穴であるが、同時に、埋込磁石式のロータ３０においては、リラクタンストルクを発生させるために必要なロータコア３２の磁気的異方性を形成する空洞部分でもある。即ち、磁石孔５０は、ロータコア３２の磁性体部分を除去した空洞部分であり、磁気抵抗がロータコア３２の磁性体部分よりも大きい。磁石孔５０に挿入される永久磁石６０の透磁率は真空透磁率と同程度であるので、空洞と同程度の高い磁気抵抗となる。したがって、ロータコア３２において磁束は、磁石孔５０を通らず、例えば、第一層４２の磁石孔５２，５３と第二層４４の磁石孔５４，５５との間の磁性体部分を流れる。

磁極Ｐ１において、複数の永久磁石６０として、永久磁石６２，６３，６４，６５，６６，６７を示す。永久磁石６２，６３は、第一層４２に属する２個の永久磁石であり、それぞれ磁石孔５２，５３に挿入される。永久磁石６４，６５，６６，６７は、第二層４４に属する４個の永久磁石で、永久磁石６４，６６は、磁石孔５４に挿入され、永久磁石６５，６７は、磁石孔５５に挿入される。

複数の永久磁石６０は、いずれも同じ形状を有し、軸方向に垂直な断面形状が矩形で、軸方向の長さはロータ３０の軸方向の長さよりやや短めの直方形の棒磁石である。複数の永久磁石６０の材質としては、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石、サマリウムとコバルトを主成分とするサマリウムコバルト磁石等の希土類磁石が用いられる。これ以外にフェライト磁石、アルニコ磁石等を用いてもよい。

複数の永久磁石６０の着磁方向は、いずれも短辺方向に沿って外周側から内周側に向って行われるが、隣接する磁極の間では、着磁方向が互いに逆である。例えば、磁極Ｐ１では、永久磁石６２，６３，６４，６５，６６，６７の外周側を向く面がＮ極で、内周側を向く面がＳ極に着磁される（図２参照）。これに対し、磁極Ｐ１に隣接する磁極Ｐ２，Ｐ８では、複数の永久磁石６０は、外周側を向く面がＳ極で、内周側を向く面がＮ極に着磁される。これにより、磁極Ｐ１から磁極Ｐ８に向かって、ステータ１２側を向く外周側の磁極極性が、Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓと周方向に沿って交互に異なる極性で配置される。複数の永久磁石６０は、回転電機１０が動作するときに、ステータ１２が発生する回転磁界と協働して、磁石トルクを発生する。

図１に、回転電機１０の動作時のロータ３０の正転方向６８を示す。回転電機１０は正転、逆転いずれでも制御可能であるが、正転方向６８は、図１の紙面上で反時計方向回りで、ステータ１２のＵ，Ｖ，Ｗの配列方向と同じである。正転方向６８の上流側をＵＰ、下流側をＤＮと示した。正転方向６８は、後述する図３、図４において、回転電機１０が動作する場合のロータコア３２における永久磁石６０の磁束の流れを検討する際に用いる。

Ｐ１〜Ｐ８の各磁極は構成が同じであるので、以下では、磁極Ｐ１について、第一層４２に属する２個の永久磁石６２，６３と、第二層４４に属する４個の永久磁石６４，６５，６６，６７についての二層配置構造４０を、図２を用いて詳細に説明する。

図２において、磁極Ｐ１の磁極中心線ＣＬを示す。磁極中心線ＣＬは、磁極Ｐ１を中心位置Ｃから見て周方向に沿った見込み角度φを二分して、φ／２ずつとして、中心位置Ｃを通り、外周側に延びる線である。磁極中心線ＣＬは、磁極Ｐ１におけるｄ軸７０である。磁極Ｐ１の両側のｑ軸７２，７４は、中心位置Ｃを通り、磁極Ｐ１とその隣の磁極Ｐ２，Ｐ８との境界線である。両側のｑ軸７２，７４を区別するときは、ロータ３０の正転方向６８の上流側のｑ軸７２をＱＵＰとし、下流側のｑ軸７４をＱＤＮと呼ぶ。

二層配置構造４０の第一層４２の２個の永久磁石６２，６３は、磁極中心線ＣＬであるｄ軸７０を挟んで１つずつ線対称に配置され、それぞれ、所定の鋭角の傾斜角度θ１で傾斜して配置される。

二層配置構造４０の第二層４４の４個の永久磁石６４，６５，６６，６７は、ｄ軸７０を挟んで線対称に、屈曲した形状の磁石孔５４，５５にそれぞれ２つずつ配置される。すなわち、周方向の下流側ＤＮの磁石孔５４には、永久磁石６４，６６が配置され、上流側ＵＰの磁石孔５５には、永久磁石６５，６７が配置される。

磁石孔５４，５５は、ｄ軸７０を挟んで線対称に屈曲しているので磁石孔５４に代表させて、下流側ＤＮの磁石孔５４に配置される２つの永久磁石６４，６６の配置関係を述べる。永久磁石６４は、永久磁石６６よりも径方向の外周側に配置される。永久磁石６４は、ｄ軸７０に対し、ロータコア３２の外周面３６側から見た見込み角度で所定の鋭角の傾斜角度θ２で傾斜して配置される。永久磁石６６は、ロータコア３２の外周面３６側から見た見込み角度で永久磁石６６よりも径方向の内周側に配置される。永久磁石６６は、ｄ軸７０に対し、ロータコア３２の外周面３６側から見た見込み角度で所定の鋭角の傾斜角度θ３で傾斜して配置される。傾斜角度θ３は、傾斜角度θ２よりも大きい。傾斜角度θ１との関係も合わせてまとめると、図２に示されるように、θ１＞θ３＞θ２である。

埋込磁石式のロータ３０の各磁極３８においては、回転電機１０が回転するときに永久磁石６２，６３，６４，６５，６６，６７の磁束は、第一層４２と第二層４４に挟まれたロータコア３２の磁性体部分を流れる。この磁路には、第一層４２に属する永久磁石６２，６３からの磁束と、第二層４４に属する永久磁石６４，６５，６６，６７からの磁束が共に流れるので、磁路幅が狭いと磁束の間で干渉が生じ得る。ｄ軸７０に対する複数の永久磁石６０の傾斜角度の関係がθ１＞θ３＞θ２の場合は、図２に示すように、第一層４２と第二層４４との間の磁路幅は、ｄ軸７０に近づくほど広がり、ｑ軸７２，７４に近づくほど狭くなる。第一層４２の永久磁石６２，６３と、これに向かい合う第二層４４の永久磁石６４，６５，６６，６７との間で、最も磁路が短くなるのは、両側のｑ軸７２，７４のそれぞれに最も近く配置され、互いに向かい合った永久磁石の間である。

図２でＱＵＰと示したｑ軸７２側では、第一層４２に属する永久磁石６３におけるｑ軸７２側でかつ内周側である端部８２と、第二層４４に属する永久磁石６５におけるｑ軸７２側でかつ外周側である端部８４との間の磁路が最も狭くなる。

同様に、ＱＤＮと示したｑ軸７４側では、第一層４２に属する永久磁石６２におけるｑ軸７４側でかつ内周側である端部８６と、第二層４４に属する永久磁石６４におけるｑ軸７４側でかつ外周側である端部８８との間の磁路が最も狭くなる。

ｄ軸７０に対する複数の永久磁石６０の傾斜角度の関係がθ１＞θ３＞θ２の場合において、ｑ軸７２側の端部８２と端部８４との間が最も狭くなるのは、端部８２と端部８４とが径方向に沿った位置が同じとなるときである。ロータコア３２の中心位置Ｃから測った端部８２の径方向の位置をＲ１とし、端部８４の径方向の位置をＲ２とすると、Ｒ１＝Ｒ２の場合に、ｑ軸７２側の端部８２と端部８４との間が最も狭くなる。端部８４を端部８２に対し径方向に沿って内周側にずらしてＲ１＞Ｒ２とすることで、端部８２と端部８４との間はＲ１＝Ｒ２の場合に比べ広くなる。ｑ軸７４側の端部８６と端部８４との間についても同じである。

そこで、第一層４２と第二層４４とに挟まれた磁路における第一層４２に属する永久磁石の磁束と第二層４４に属する永久磁石の磁束との間の干渉を抑制するために、Ｒ１＞Ｒ２とする。すなわち、第一層４２に属しｑ軸７２に最も近く配置された永久磁石６３におけるｑ軸側でかつ内周側である端部８２は、第二層４４に属しｑ軸７２に最も近く配置された永久磁石６５におけるｑ軸側でかつ外周側である端部８４よりも外周側に配置される。端部８６と端部８８との関係についても同様である。ΔＲｔｈ＝（Ｒ１−Ｒ２）は、実際の回転電機１０の動作条件等に基づいて最大トルク特性等とΔＲの関係を実験結果やシミュレーションで求めて、予め定めた径方向間隔として設定される。

上記では、第一層４２に属する永久磁石を２個、第二層４４に属する永久磁石を４個とし、これらの永久磁石のｄ軸７０に対する傾斜角度の関係がθ１＞θ３＞θ２の場合を述べた。磁極３８における永久磁石の配置が、三層以上の複数層構造であっても、隣接する２つの層の間における磁束の流れの干渉を抑制するための上記の関係が適用できる。また、永久磁石の配置について複数層構造を取る埋込磁石式のロータの場合では、図２で例示的に示したように、ｄ軸交点８０に近い層に属する永久磁石と遠い層に属する永久磁石との間隔が、ｑ軸側で最も狭くなる設定が多いと考えられる。これらの場合にも、隣接する２つの層の間における磁束の流れの干渉を抑制するための上記の関係が適用できる。

上記構成の作用効果について、図３、図４を用いて説明する。図３、図４は、図２に対応する図において、回転電機１０が動作しロータ３０が正転方向６８に回転したときの磁極３８における磁束の流れを示す図である。ロータ３０が正転方向６８に回転するとき、磁極３８には、ＱＵＰと示すｑ軸７２側から磁束が流入する。そして、磁極３８内の第二層４４の永久磁石６５，６７，６６，６４のそれぞれからの磁束と合流し、第一層４２と第二層４４との間の磁路を通り、ＱＤＮと示すｑ軸７４側に抜ける。

図３は、特に、ＱＵＰと示すｑ軸７２の磁束流入口近傍における磁束の流れを示す図である。ｑ軸７２の磁束流入口近傍においては、第一層４２と第二層４４との間の磁路に、第一層４２の永久磁石６３のＮ極からの磁束が回り込む。回り込む磁束の方向は、ｑ軸７２からｑ軸７４に向って流れる磁束の方向と同方向である。これによって、永久磁石６３の端部８２と、永久磁石６５の端部８４との間の磁路領域Ａにおいて、磁束の強め合いが生じ、磁気飽和が生じやすい。そこで、ロータコア３２の中心位置Ｃから測った端部８２の径方向の位置をＲ１とし、端部８４の径方向の位置をＲ２として、ΔＲｔｈ＝（Ｒ１−Ｒ２）を、磁束の強め合いによる磁気飽和を抑制できる所定の径方向間隔ΔＲｔｈ１に設定する。ΔＲｔｈ１は、回転電機１０の動作条件等に基づいて最大トルク特性等と磁気飽和の関係を実験結果やシミュレーションで求め、最大トルク特性等が低下しない値に設定される。

図４は、特に、ＱＤＮと示すｑ軸７４の磁束流出口近傍における磁束の流れを示す図である。ｑ軸７４の磁束流出口近傍においては、第一層４２と第二層４４との間の磁路に、第一層４２の永久磁石６３のＮ極からの磁束が回り込む。回り込む磁束の方向は、ｑ軸７２からｑ軸７４に向って流れる磁束の方向と逆方向である。これによって、永久磁石６２の端部８６と、永久磁石６４の端部８８との間の磁路領域Ｂにおいて、磁束が互いに打ち消し合いが生じ、有効磁束が減少しやすい。そこで、ロータコア３２の中心位置Ｃから測った端部８６の径方向の位置をＲ１とし、端部８８の径方向の位置をＲ２として、ΔＲｔｈ＝（Ｒ１−Ｒ２）を、磁束の互いの打ち消し合いを抑制できる所定の径方向間隔ΔＲｔｈ２に設定する。ΔＲｔｈ２は、回転電機１０の動作条件等に基づいて最大トルク特性等と有効磁束の関係を実験結果やシミュレーションで求め、最大トルク特性等が低下しない値に設定される。

上記のように、回転電機１０が動作してロータ３０が回転すると、磁極３８において、正転方向６８の上流側のｑ軸７２側で２つの層の永久磁石による磁束が強め合う磁気飽和が生じやすい。また、下流側のｑ軸７４側で２つの層の永久磁石による磁束の打ち消し合いが生じやすい。永久磁石に関する複数層構造がｄ軸７０に対し線対称でない場合には、いずれか一方のみが生じ得る。したがって、ロータ３０の複数層構造の内容によって、ΔＲｔｈ１とΔＲｔｈ２とを適宜設定することがよい。

図２のように、永久磁石に関する複数層構造がｄ軸７０に対し線対称の場合には、ｑ軸７２側のＲ１，Ｒ２と、ｑ軸７４側のＲ１，Ｒ２とは同じである。したがって、回転方向の上流側のｑ軸７２側における所定の径方向間隔ΔＲｔｈ１と、下流側のｑ軸７４側における所定の径方向間隔ΔＲｔｈ２を同じにできるので、磁気飽和の抑制と磁束の打ち消し合いの抑制をバランスよく行える。

上記のように、複数層構造において隣接する２つの層の間の磁路において、２つの層の永久磁石による磁束の干渉が発生しやすいのは、磁極において磁石トルクを発生する磁束の流れの出入口であるｑ軸に最も近い２つの永久磁石が向かい合う領域である。例えば、図２の構成のｑ軸７２側では、ｄ軸交点８０から近い第一層４２に属する永久磁石６３のｑ軸７２側でかつ内周側である端部８２と、遠い第二層４４に属する永久磁石６５のｑ軸７２側でかつ外周側である端部８４とが向かい合う領域である。上記構成によれば、この領域で、向かい合う２つの永久磁石の端部は、所定の径方向間隔で離間する。したがって、所定の径方向間隔を適切に設定することで、隣接する層の永久磁石の磁束の間の干渉を抑制し、磁気飽和を緩和して、最大トルク特性等の低下を抑制できる。

１０回転電機、１２ステータ、１４ステータコア、１６ステータコイル、１８バックヨーク、２０ティース、２２スロット、３０ロータ、３２ロータコア、３４中心穴、３６外周面、３８磁極、４０二層配置構造、４２第一層、４４第二層、５０，５２，５３，５４，５５磁石孔、６０，６２，６３，６４，６５，６６，６７永久磁石、６８正転方向、７０ｄ軸、７２，７４ｑ軸、８０ｄ軸交点、８２，８４，８６，８８端部。

Claims

ステータコイルが巻回されたステータと、
前記ステータの内周側に対し所定の間隔を隔てて同心状に配置されたロータであって、ロータコア、及び、前記ロータコアの各磁極においてｄ軸と前記ロータコアの外周面とが交わるｄ軸交点から内周側に向って二層構造に配置された６つの永久磁石を含むロータと、
を備え、
前記二層構造にそれぞれ属する前記永久磁石の内で、前記磁極の両側のｑ軸のそれぞれに最も近く配置された永久磁石の相互の配置関係は、
前記ｄ軸交点から近い第一層に属し前記ｑ軸に最も近く配置された永久磁石における前記ｑ軸側でかつ内周側である端部の前記ロータコアにおける径方向に沿った位置Ｒ１が、
前記ｄ軸交点から遠い第二層に属し前記ｑ軸に最も近く配置された永久磁石における前記ｑ軸側でかつ外周側である端部の前記ロータコアにおける径方向に沿った位置Ｒ２よりも予め定めた所定の径方向間隔Ｒｔｈで離間して外周側に配置され、
前記二層構造の各層はそれぞれ、前記ｄ軸に対し線対称に配置され、
前記第一層は、前記ｄ軸を挟んで１つずつ線対称に、前記ロータコアの前記外周面から見た見込み角度で、所定の鋭角の傾斜角度θ１で傾斜して配置された２つの永久磁石で構成され、
前記第二層は、前記ｄ軸を挟んで１つずつ前記線対称に、前記ロータコアの前記外周面から見た見込み角度で、前記θ１より小さな傾斜角度θ２で傾斜して配置された２つの外周側永久磁石、及び、
前記ｄ軸を挟んで１つずつ前記線対称に、前記ロータコアの前記外周面から見た見込み角度で、前記θ２よりも大きい鋭角の傾斜角度θ３で傾斜して配置された２つの内周側永久磁石の４つの永久磁石で構成され、
６つの前記永久磁石は、いずれも同じ形状を有し、
前記第二層に属する前記永久磁石は、前記傾斜角度θ２及び前記傾斜角度θ３に基づいて屈曲した形状の磁石孔に配置されている、回転電機。
前記所定の径方向間隔Ｒｔｈは、
前記第二層に属する永久磁石の磁束の流れ方向に対し、
前記第一層に属する永久磁石の磁束の流れ方向が同じ方向の場合に、互いに強め合って磁気飽和することを抑制できる間隔である、請求項１に記載の回転電機。
前記所定の径方向間隔Ｒｔｈは、
前記第二層に属する永久磁石の磁束の流れ方向に対し、
前記第一層に属する永久磁石の磁束の流れ方向が逆方向の場合に、互いに打ち消し合うことを抑制できる間隔である、請求項１に記載の回転電機。