JP7029124B2 - 永久磁石回転子および回転電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石回転子および回転電気機械に関し、さらに詳しくは、ロータコアに永久磁石が埋め込まれた永久磁石回転子、および、そのような永久磁石回転子を有する回転電気機械に関するものである。

永久磁石埋め込み（ＩＰＭ）モータ等、永久磁石回転子を用いた回転電気機械においては、永久磁石回転子に埋設される永久磁石の形状や配置が、回転電気機械のトルク特性に大きな影響を及ぼす。この種の回転電気機械においては、出力トルクを向上させるために、リラクタンストルクを向上させることが重要である。

リラクタンストルクを向上させることができる永久磁石の形状および配置として、平板状の永久磁石を、永久磁石回転子の外周側から内周側に向かって、多層に配置する構成が提案されている。そのような多層平板配置は、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２００７－２７４７９８号公報

平板型の永久磁石を多層に配列した多層平板配置をとる永久磁石回転子９０の例を、図３に示す。ここでは、３層の平板状永久磁石９６，９７，９８を配列した形態を示している。従来一般の多層平板配置においては、各層の永久磁石が、略平行に配置されているが、ここでは、各層に配置された永久磁石９６，９７，９８は、長手方向が平行に揃っておらず、ロータコア９１の外周側から１層目９６、２層目９７、３層目９８の順に、回転子ｄ軸（図中ｄ’で表示）に近づく方向でロータコア９１の回転中心側に向かう傾斜角が、大きくなった形態を示している。これにより、１層目の永久磁石９６と２層目の永久磁石９７の間の距離Ｌ１’、および２層目の永久磁石９７と３層目の永久磁石９８の間の距離Ｌ２’が、各永久磁石９６，９７，９８の長手方向に沿って、ロータコア９１の外周側の位置ほど小さく、ロータコア９１の外周から離れるに従って、大きくなっている。このように、永久磁石９６，９７，９８の間の距離Ｌ１’，Ｌ２’に、永久磁石９６，９７，９８の長手方向に沿って、変化をつけることで、大きなリラクタンストルクを得ることができる。

しかし、図３のような多層平板配置においては、隣接する永久磁石９６，９７，９８の層間の距離Ｌ１’，Ｌ２’が、永久磁石９６，９７，９８の長手方向に沿って、急激に変化する。すると、図中の領域Ａ’のように、永久磁石９６，９７，９８の間の距離が小さくなっている位置において、ロータコア９１上で、局所磁束集中が起こりやすくなる。そして、局所磁束集中が起こった近傍の位置において、永久磁石９６，９７，９８の動作点磁束密度が低下することになる。その結果、永久磁石９６，９７，９８において、不可逆減磁が起こり、永久磁石９６，９７，９８の性能が劣化する可能性がある。

本発明が解決しようとする課題は、永久磁石の不可逆減磁を回避しながら、大きなリラクタンストルクを得ることができる永久磁石回転子、および、そのような永久磁石回転子を有する回転電気機械を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明にかかる永久磁石回転子は、ロータコアと、前記ロータコアに埋設され、磁極を構成する複数の永久磁石とを有する永久磁石回転子において、前記複数の永久磁石は、それぞれ前記ロータコアの内周側に向かって凸の弧形状を有し、前記ロータコアの外周側から内周側に向かって、２層以上の層状に配列されており、層状に相互に隣接する２つの前記永久磁石の間の距離が、前記永久磁石の長手方向に沿って、前記ロータコアの外周側の位置で小さく、前記ロータコアの外周から離れた位置で大きくなっている。

ここで、前記ロータコアの外周側の層に配置された前記永久磁石の弧形状を円弧に近似した際の中心が、前記ロータコアの外周から離れた層に配置された前記永久磁石の弧形状を円弧に近似した際の中心よりも、前記ロータコアの径方向外側に配置されているとよい。

また、前記複数の永久磁石は、前記ロータコアの外周側から内周側に向かって、３層以上の層状に配列されており、前記ロータコアの外周側から１層目に配列された前記永久磁石と２層目に配列された前記永久磁石の間の距離、および前記ロータコアの外周側から２層目に配列された前記永久磁石と３層目に配列された前記永久磁石の間の距離が、それぞれの永久磁石の長手方向に沿って、前記ロータコアの外周側の位置で小さく、前記ロータコアの外周から離れた位置で大きくなっているとよい。

この場合、前記ロータコアの外周側から１層目から３層目までに配置された各永久磁石の弧形状を円弧に近似した際の中心が、前記ロータコアの外周側に配置された永久磁石から内周側に配置された永久磁石の順に、前記ロータコアの径方向外側から内側に向かって、相互に離れて配置されているとよい。

本発明にかかる回転電気機械は、上記の永久磁石回転子を有するものである。

上記発明にかかる永久磁石回転子においては、ロータコアに層状に配列された複数の永久磁石が、ロータコアの内周側に向かって凸の弧形状を有している。その弧形状の効果により、平板状の永久磁石を層状に配置する場合と比較して、層状に相互に隣接する２つの永久磁石の間の距離の長手方向に沿った変化が、緩やかになる。その結果、永久磁石の間の距離の急激な変化による局所磁束集中の発生、および局所磁束集中による永久磁石の不可逆減磁を、抑制することができる。このように、永久磁石の不可逆減磁を回避しながら、永久磁石回転子に生じるリラクタンストルクを向上させることが可能となる。

ここで、ロータコアの外周側の層に配置された永久磁石の弧形状を円弧に近似した際の中心が、ロータコアの外周から離れた層に配置された永久磁石の弧形状を円弧に近似した際の中心よりも、ロータコアの径方向外側に配置されている場合には、永久磁石の弧形状の中心がそのようにずれていることの効果により、層状に隣接する永久磁石の間の距離に、永久磁石の長手方向に沿って、ロータコアの外周側の位置で小さく、ロータコアの外周から離れた位置で大きくなった緩やかな分布を、形成しやすい。

また、複数の永久磁石が、ロータコアの外周側から内周側に向かって、３層以上の層状に配列されており、ロータコアの外周側から１層目に配列された永久磁石と２層目に配列された永久磁石の間の距離、およびロータコアの外周側から２層目に配列された永久磁石と３層目に配列された永久磁石の間の距離が、それぞれの永久磁石の長手方向に沿って、ロータコアの外周側の位置で小さく、ロータコアの外周から離れた位置で大きくなっている場合には、永久磁石を３層以上備えることにより、特にリラクタンストルクを向上させやすい。そして、ロータコアの外周側から１層目から３層目の各層の間の位置において、局所磁束集中を回避しやすくなっている。よって、局所磁束集中による永久磁石の不可逆減磁を、３層の永久磁石のそれぞれにおいて回避しながら、リラクタンストルクの向上を達成することができる。

この場合、ロータコアの外周側から１層目から３層目までに配置された各永久磁石の弧形状を円弧に近似した際の中心が、ロータコアの外周側に配置された永久磁石から内周側に配置された永久磁石の順に、ロータコアの径方向外側から内側に向かって、相互に離れて配置されている構成によれば、１層目と２層目の間、そして２層目と３層目の間のそれぞれにおいて、永久磁石の間の距離に、長手方向に沿って、ロータコアの外周側の位置で小さく、ロータコアの外周から離れた位置で大きくなった緩やかな分布を、形成しやすい。

本発明にかかる回転電気機械は、上記の永久磁石回転子を有するため、ロータコア内での局所磁束集中による不可逆減磁を回避しながら、大きなリラクタンストルクを得ることができる。

本発明の一実施形態にかかる三層円弧配置をとる永久磁石回転子および回転電気機械の構成を示す横断面図である。 図１の断面図の一部を抜き出した拡大図である。 三層平板配置をとる永久磁石回転子の構成を示す横断面図である。永久磁石の間の距離が長手方向に沿って変化した形態を示している。 磁束密度の分布を示す図であり、（ａ）が三層円弧配置、（ｂ）が三層平板配置を示している。 減磁の制約を考慮した場合のトルク特性を示す図であり、（ａ）が三層円弧配置、（ｂ）が三層平板配置を示している。 三層円弧配置と三層平板配置について、体積減磁率の比較を示す図である。

以下、本発明の一実施形態にかかる永久磁石回転子および回転電気機械について、図面を参照しながら詳細に説明する。

［回転電気機械の構成］
本発明の一実施形態にかかる回転電気機械１の概略を、図１に示す。回転電気機械１は、本発明の一実施形態にかかる永久磁石回転子１０を有している。本明細書においては、回転電気機械１がモータである場合を中心に説明するが、発電機である場合にも、同様の構成を適用することができる。

回転電気機械１は、永久磁石埋め込み（ＩＰＭ）モータとして構成されている。モータ１は、中空筒状のステータ（固定子）３０と、ステータ３０の中空部内に、同軸状に、軸回転可能に支持されたロータ（永久磁石回転子）１０と、を有している。

ステータ３０は、ステータコア３１と、コイル（不図示）とを有している。ステータコア３１は、複数層の電磁鋼板を積層してなるものであり、円環形状のバックヨーク部３１ａと、バックヨーク部３１ａから円環形状の内側に向かって突出した複数のティース３１ｂを、一体に備えている。そして、各ティース３１ｂの外周に、コイルが巻き回されている。

ロータ１０は、略円柱状の外形を有するロータコア１１と、ロータコア１１に埋設された複数の永久磁石１６，１７，１８と、を有している。ロータコア１１の中心には、駆動軸４０を挿通可能な中空部１２が貫通されている。ロータ１０をステータ３０の中空部１２に同軸状に収容した状態で、ステータコア３１のティース３１ｂとロータコア１１の外周面１１ａの間には、エアギャップ５０が確保される。ロータ１０の構成の詳細について、次に説明する。

［永久磁石回転子の構成の概略］
上記のように、ロータ（永久磁石回転子）１０は、ロータコア１１と、永久磁石１６，１７，１８とを有している。ロータ１０の構成を、図１，２に示す。図２は、ロータ１０の磁極１つ分を示したものであり、永久磁石１６，１７，１８の極性を磁極ごとに交互に変えながら、複数（ここでは８個）の磁極を回転対称に連続的に配置したものが、図１のようなロータ１０の全体構造となる。なお、以下では、「周方向」「内周」「外周」「径方向」「外側」「内側」等、回転体における方向を示す語は、特記しないかぎり、ロータコア１１についての方向を指すものとする。

ロータコア１１は、複数の電磁鋼板を積層して構成されており、略円柱形状の外周面１１ａを有している。ロータコア１１には、軸方向に貫通または陥没した空隙として、スロット１３，１４，１５と、フラックスバリア２０とが形成される。スロット１３，１４，１５には、それぞれ、永久磁石１６，１７，１８が埋設される。

スロット１３，１４，１５は、ロータコア１１の内周側（回転中心を有する中空部１２側）に向かって凸の弧形状を有している。そして、各スロット１３，１４，１５に埋め込まれる永久磁石１６，１７，１８も、スロット１３，１４，１５の形状に対応して、ロータコア１１の内周側に向かって凸の弧形状を有している。スロット１３，１４，１５および永久磁石１６，１７，１８は、ロータ１０の横断面において、ロータコア１１の内周側に向かって凸な弧形状、つまりロータコア１１の外周側から内周側に向かう凸部を１つのみ有するなだらかな曲線形状を有していれば、具体的な形状は特に限定されるものではないが、本実施形態においては、スロット１３，１４，１５および永久磁石１６，１７，１８は、それぞれ、略円弧形状を有している。

スロット１３，１４，１５および永久磁石１６，１７，１８は、ロータコア１１の外周側から内周側に向かって、２層以上の層状に配置されていれば、特に層数を限定されるものではないが、本実施形態においては、３層としている。つまり、ロータコア１１の外周側から順に、スロットが、第一層１３、第二層１４、第三層１５と配置され、それぞれに、永久磁石が、第一層１６、第二層１７、第三層１８と埋設されている。１つの磁極を構成する永久磁石１６，１７，１８は、同じ極性を有している。

第一層１３、第二層１４、第三層１５の各層を構成するスロットは、ロータコア１１の周方向に、それぞれ２つに分割されている。そして、それぞれ２つに分割された各スロット１３，１４，１５に、各層あたり２つに分割された永久磁石１６，１７，１８が埋設されている。第一層および第二層においては、それぞれ２つに分割されたスロット１３，１４が、ブリッジ２１を介して、ロータコア１１の周方向に隣接しており、第三層においては、２つに分割されたスロット１５の間の位置に、フラックスバリア２０が形成されている。本実施形態においては、各層のスロット１３，１４，１５および永久磁石１６，１７，１８や、フラックスバリア２０をはじめ、ロータ１０の各構成要素が、ロータコア１１の径方向に沿った回転子ｄ軸（図中ｄ’で表示）に関して、対称に形成されている。

なお、各層を構成するスロット１３，１４，１５および永久磁石１６，１７，１８は、必ずしも２つに分割されていなくてもよく、層ごとに、スロット１３，１４，１５および永久磁石１６，１７，１８が、１つに連続していてもよい。その場合には、以下で、中心ｃ１～ｃ３の位置等、分割された永久磁石１６，１７，１８に対して規定している各パラメータを、それぞれ１つに連続した永久磁石１６，１７，１８の全体に対して、同様に規定すればよい。

永久磁石１６，１７，１８の組成は、特に限定されるものではないが、本実施形態においては、永久磁石１６，１７，１８は、金属磁石よりなっている。つまり、表面近傍を除き、実質的に、意図的に添加された金属酸化物や有機化合物を含まず、金属磁石材料の連続体よりなっている。

各スロット１３，１４，１５の外縁には、スロット１３，１４，１５の内側に突出した突起部（１５ａ等）が設けられており、永久磁石１６，１７，１８の端面に当接して、永久磁石１６，１７，１８を、スロット１３，１４，１５内に位置決めし、固定している。第二層および第三層においては、スロット１４，１５の回転子ｄ軸側の端部に、永久磁石１７，１８に占められない空隙２２が確保されている。これらの空隙２２は、永久磁石１７，１８の漏れ磁束を低減する役割を果たす。

分割された第三層のスロット１５の間に設けられたフラックスバリア２０は、永久磁石を埋設されず、空隙のままで維持される。あるいは、非磁性体が充填される。フラックスバリア２０は、ロータ１０において、ｄ軸磁束経路の磁気抵抗を増大させることにより、ロータ１０に発生するリラクタンストルクを向上させる役割を果たす。なお、フラックスバリア２０は必須に設けられるものではなく、また、設けられる場合にも、具体的な形状は限定されない。

また、ロータコア１１においては、各スロット１３，１４，１５および各フラックスバリア２０の内周側の部位と外周側の部位との間をつなぐブリッジ２１が、ロータコア１１の各所に、ロータコア１１と一体に形成されている。各ブリッジ２１は、ロータ１０を軸回転させた際に、遠心力の作用によって、ロータコア１１の外周側の部位が内周側の部位から分離すること、またスロット１３，１４，１５に埋設した永久磁石１６，１７，１８が飛散することを防止する役割を果たす。

［永久磁石の配置］
本実施形態にかかるロータ１０においては、各層を構成する永久磁石１６，１７，１８の層間の距離Ｌ１，Ｌ２が、所定の分布を有することにより、永久磁石１６，１７，１８の不可逆減磁を回避しながら、大きなリラクタンストルクを得ることができる。以下に、永久磁石１６，１７，１８の配置の詳細について、主に図２を参照しながら説明する。

本実施形態にかかるロータ１０においては、略円弧形状の永久磁石１６，１７，１８が、ロータコア１１の外周側から内周側に向かって、３層の層状に配置された三層円弧配置をとっている。そして、それら３層の永久磁石１６，１７，１８の円弧形状の中心ｃ１，ｃ２，ｃ３が、回転子ｄ軸に沿って、相互に異なる位置に設けられている。具体的には、第一層の永久磁石１６の中心ｃ１、第二層の永久磁石１７の中心ｃ２、第三の永久磁石１８の中心ｃ３が、この順に、回転子ｄ軸上で、ロータコア１１の径方向外側から内側に向かって、相互に離れた位置に配置されている。

そのように、３層の永久磁石１６，１７，１８の中心ｃ１，ｃ２，ｃ３の位置が、ロータコア１１の径方向外側から内側へと順にずれていることにより、相互に隣接した永久磁石１６，１７，１８の層間の距離Ｌ１，Ｌ２が、永久磁石１６，１７，１８の弧形状の長手方向に沿って、変化している。具体的には、第一層の永久磁石１６と第二層の永久磁石１７の間の距離Ｌ１、および第二層の永久磁石１７と第三層の永久磁石１８の間の距離Ｌ２が、いずれも、各永久磁石１６，１７，１８の長手方向に沿って、ロータコア１１の外周側に相当する、回転子ｄ軸に対し、電気角で９０°隔てた軸（以降、ｑ’軸と称する；図中ｑ’で表示）に近い側で小さく、ロータコア１１の外周から離れる位置に相当する回転子ｄ軸（ｄ’軸）に近い位置で大きくなる分布を有している。ここで、２つの永久磁石の間の距離とは、永久磁石の長手方向に交差する方向の間隔である。

永久磁石１６，１７，１８が、図３のような平板状でなく、略円弧状に配置されていることにより、ロータ１１において、ｄ軸磁束経路とｑ磁束経路の間で、磁気抵抗に差が生じやすくなり、ロータコア１１に生じるリラクタンストルクを大きくすることができる。さらに、円弧配置をとる永久磁石１６，１７，１８において、層間距離Ｌ１，Ｌ２が、永久磁石１６，１７，１８の長手方向に沿って、ロータコア１１の外周側で小さく、外周から離れる位置で大きくなった分布を有することで、ロータコア１１に生じるリラクタンストルクを向上させる効果が特に高くなる。その結果、モータ１の出力トルクを向上させることができる。

図３に示すように、平板状永久磁石９６，９７，９８を層状に配置した三層平板配置においても、平板状永久磁石９６，９７，９８の間の距離Ｌ１’，Ｌ２’に、ロータコア９１の外周側で小さく、外周から離れる位置で大きくなった分布を形成する形態が想定される。この場合には、永久磁石９６，９７，９８の長手方向に沿って、永久磁石９６，９７，９８の間の距離Ｌ１’，Ｌ２’が、急激に変化しやすい。すると、領域Ａ’のように、永久磁石９６，９７，９８の長手方向に沿って、ロータコア９１の外周側の位置に相当する、急激に永久磁石９６，９７，９８の間の距離Ｌ１’，Ｌ２’が小さくなる位置において、永久磁石９６，９７，９８からの磁束と、ステータ３０に設けたコイルを流れる電流によって発生する磁束とによって、ロータコア９１に局所磁束集中が発生しやすくなる。さらに、局所磁束集中が特に大きくなると、磁気飽和にもつながる。局所磁束集中が発生した際に、その近傍の領域において、永久磁石９６，９７，９８の動作点磁束密度が低下することになる。磁束密度の低下が、磁化曲線（Ｂ－Ｈ曲線）上で、クニック点を超えて起こると、永久磁石９６，９７，９８において、不可逆減磁が発生する。すると、永久磁石９６，９７，９８において、性能の劣化が起こる。

これに対し、図２の本実施形態にかかるロータ１０においては、３層の永久磁石１６，１７，１８が、略円弧形状を有していることにより、永久磁石１６，１７，１８の間の距離Ｌ１，Ｌ２に、ロータコア１１の外周側で小さく、外周から離れる位置で大きくなった分布を形成した際に、永久磁石１６，１７，１８の長手方向に沿った永久磁石１６，１７，１８の間の距離Ｌ１，Ｌ２の変化が、上記図３の三層平板配置の場合よりも、緩やかになっている。特に、永久磁石１６，１７，１８の長手方向に沿って、ロータコア１１の外周側の位置において、距離Ｌ１，Ｌ２の変化が緩やかになっている。

このように、永久磁石１６，１７，１８の間の距離Ｌ１，Ｌ２が、略円弧形状の長手方向に沿って、緩やかに変化する場合には、永久磁石１６，１７，１８の間の位置における磁束密度の変化が、ｑ軸磁束経路に沿って、緩やかに起こることになる。その結果、領域Ａのように、永久磁石１６，１７，１８の間の距離Ｌ１，Ｌ２が小さくなる、ロータコア１１の外周側の位置においても、ロータコア１１上で、局所磁束集中が起こりにくくなっている。すると、その近傍の領域において、動作点磁束密度の低下による永久磁石１６，１７，１８の不可逆減磁が起こりにくい。その結果、ロータ１０において、不可逆減磁による永久磁石１６，１７，１８の特性の劣化を回避しながら、複数の円弧形状の永久磁石１６，１７，１８を層状に配置することによるリラクタンストルク向上の効果を享受することができる。

磁化曲線の温度依存性により、不可逆減磁は、特に高温で発生しやすい。しかし、上記のように、三層円弧配置において、永久磁石１６，１７，１８の間の距離Ｌ１，Ｌ２を長手方向に沿って緩やかに変化させることで、不可逆減磁を回避しやすくすれば、高温環境下でも、長期にわたり、高い出力トルクを得られるモータ１とすることができる。例えば、ハイブリッド車に搭載されるモータは、エンジンに隣接して配置されることから、高温で使用されることになり、本実施形態にかかるロータ１０を有するモータ１を、好適に適用することができる。

ここで、三層円弧配置において、３層全ての略円弧状の永久磁石１６，１７，１８の中心ｃ１，ｃ２，ｃ３の位置を相互に一致させるとすれば、３層の永久磁石１６，１７，１８が、同心状に配置されることになる。すると、永久磁石１６，１７，１８の長手方向に沿って、永久磁石１６，１７，１８の間の距離Ｌ１，Ｌ２が長手方向に沿って一定となり、リラクタンストルクを向上させる効果が、本実施形態のように中心ｃ１，ｃ２，ｃ３をずらす場合ほどは、大きくならない。また、永久磁石１６，１７，１８の長手方向に沿って、ロータコア１１の内周側（回転子ｄ軸側）の位置に、磁束が集中し、ロータコア１１上で、局所磁束集中が起こりやすくなる。すると、その局所磁束集中が起こった近傍の領域において、永久磁石１６，１７，１８の不可逆減磁が発生しやすくなる。これに対し、本実施形態のように、三層円弧配置の永久磁石１６，１７，１８において、中心ｃ１，ｃ２，ｃ３の位置を径方向にずらして、層間距離Ｌ１，Ｌ２を永久磁石１６，１７，１８の長手方向に沿って変化させることで、磁束の集中を緩和することができ、永久磁石１６，１７，１８の長手方向に沿って、ロータコア１１の外周側（ｑ’軸側）の位置、および外周から離れた位置（回転子ｄ軸側）のいずれにおいても、局所磁束集中による不可逆減磁を回避しやすくなる。

本実施形態においては、永久磁石１６，１７，１８が３層に配置され、第一層１６と第二層１７の間の距離Ｌ１、および第二層１７と第三層１８の間の距離Ｌ２が、いずれも、各永久磁石１６，１７，１８の長手方向に沿って、ロータコア１１の外周側の位置で小さく、ロータコア１１の外周から離れた位置で大きくなる分布を有している。しかし、永久磁石は、２層以上の層状に配列されていれば、特に層数を限定されるものではない。層数によらず、層状に相互に隣接する２つの永久磁石の間の距離が、永久磁石の長手方向に沿って、ロータコア１１の外周側の位置で小さく、ロータコア１１の外周から離れた位置で大きくなっていればよい。そのような距離の分布は、全ての永久磁石の層間の位置に形成されても、一部の永久磁石の層間の位置に形成されてもよいが、より多くの永久磁石の層間の位置に形成するほど、ロータ１０全体として、不可逆減磁が発生する可能性を抑制することができる。

永久磁石の層数を、３層以上とすることで、２層とする場合よりも、リラクタンストルクを向上させる効果が大きくなる。４層以上とする場合にも、少なくとも、前記ロータコア１１の外周側から１層目と２層目の間、および２層目と３層目の間において、永久磁石の間の距離が、長手方向に沿って、ロータコア１１の外周側の位置で小さく、ロータコア１１の外周から離れた位置で大きくなる分布を形成しておけば、モータ１のトルク特性に大きな影響を与える外側３層の永久磁石において、不可逆減磁を回避することが可能となる。ただし、４層目以降の永久磁石についても、層間の距離に、同様の分布を形成しておけば、ロータ１０全体として、不可逆減磁を回避し、さらにトルク特性を高めやすくなる。

また、本実施形態においては、永久磁石１６，１７，１８が略円弧形状を有することで、円弧形状以外の弧形状を有する場合に比べて、永久磁石１６，１７，１８の間の距離が、ｑ軸磁束経路に沿って緩やかに変化する状態を、特に形成しやすい。しかし、上記のように、永久磁石１６，１７，１８は、ロータコア１１の内周側に向かって凸の弧形状を有していれば、略円弧形状に限定されるものではない。例えば、内周側の長手方向端縁の曲率半径よりも、外周側の長手方向端縁の曲率半径の方が大きい、三日月形とすることができる。そのように、永久磁石が円弧形状以外の形状を有する場合にも、各永久磁石の層間の距離に、永久磁石の長手方向に沿って、ロータコア１１の外周側の位置で小さく、ロータコア１１の外周から離れた位置で大きくなる分布を設けておけば、そのような分布を設けない場合と比較して、局所磁束集中による不可逆減磁の発生を抑制する効果が得られる。

永久磁石が略円弧形状以外の形状を有する場合にも、永久磁石の層間の距離に上記のような分布を形成するための方法として、ロータコア１１の外周側の層に配置された永久磁石から、内周側の層に配置された永久磁石の順に、永久磁石の形状を円弧形状に近似した際の中心の位置を、ロータコア１１の径方向外側から内側に向かって、相互に離して配置すればよい。永久磁石の形状の円弧形状への近似は、例えば、弧形状の内周側の長手方向端縁と外周側の長手方向端縁の中間を通る位置において、行えばよい。

３層の永久磁石１６，１７，１８の具体的な寸法は、特に限定されるものではない。しかし、３層の永久磁石１６，１７，１８の厚み（外周側端縁と内周側端縁の間の寸法）は、第一層の永久磁石１６の厚みをＴ１、第二層の永久磁石１７の厚みをＴ２、第三層の永久磁石１８の厚みをＴ３とした場合に、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３の関係を満たすことが好ましい。Ｔ１≦Ｔ２＜Ｔ３、また、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３の関係を満たすと、さらに好ましい。上記で説明したような、ロータコア１１における局所磁束集中による永久磁石１６，１７，１８の不可逆減磁は、ロータコア１１の径方向内側の位置で特に起こりやすい。そこで、径方向内側の層の永久磁石の厚みを大きくしておくことで、不可逆減磁を起こりにくくすることができる。

以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。ここでは、永久磁石の配置の違いによる、磁束密度分布およびトルク特性への影響を検証した。

（解析方法）
ロータのモデルとして、以下の２種を準備した。１つ目モデルは、上記本発明の実施形態にかかるものであり、図２に示した、三層円弧配置で永久磁石が埋設されたロータとした。２つ目のモデルは、図３に示した、三層平板配置で永久磁石が埋設されたロータとした。いずれのモデルにおいても、各図に示したとおり、各永久磁石の層間の距離に、ロータコアの外周側の位置で小さく、ロータコアの外周から離れた位置で大きくなる分布を設けた。永久磁石の総量は、両モデルで同じにしている。

上記２つのモデルに対してシミュレーションを行い、磁束密度分布と、トルク特性を解析した。シミュレーションは、有限要素法（ＦＥＭ）を用いた電磁界解析によって行った。また、シミュレーションにおいては、磁石温度１５０℃の環境下における永久磁石の不可逆減磁の制約を考慮した。

シミュレーションに用いたパラメータを、下の表１にまとめる。磁石温度は１５０℃とした。

（結果）
図４に、シミュレーションで得られた磁束密度分布を示す。（ａ）が三層円弧配置の結果、（ｂ）が三層平板配置の結果であり、最大トルク発生時（巻線電流１７０Ａｒｍｓ、電流位相角５０°）の磁束密度分布を示している。

図４（ｂ）の三層平板配置においては、円で囲んで示したように、ロータコアの外周側の位置において、永久磁石の間のロータコア上で、局所的に磁束密度が高くなっている。一方、永久磁石上で、局所的に磁束密度が低くなっている。このことは、ロータコアにおける局所磁束集中によって、永久磁石の動作点磁束密度の低下が起こっていることを示している。

一方、図４（ａ）の三層円弧配置においては、永久磁石の間の領域において、ロータコアの外周側の位置で、ロータコア上の磁束密度が局所的に高くなるような分布は、形成されていない。また、永久磁石上の磁束密度についても、上記図４（ｂ）の場合のように、ロータコアの外周側の位置で顕著に低くなるような挙動は、見られていない。このことは、永久磁石の層間の位置で、ロータコアに局所磁束集中が生じておらず、それに対応して、永久磁石の動作点磁束密度の低下も起こっていないことを示している。

以上のように、三層平板配置ではなく、三層円弧配置を採用することで、永久磁石の間の距離が小さくなったロータコアの外周側の位置において、局所磁束集中による永久磁石の動作点磁束密度の低下を抑制できる。その結果、永久磁石の不可逆減磁を回避することが可能となる。

さらに、図５に、シミュレーションで得られたトルク特性を、電流位相角（β）の関数として示す。（ａ）が三層円弧配置の結果、（ｂ）が三層平板配置の結果を示している。さらに、下の表２に、両モデルのトルク特性についてまとめる。表２では、トルク特性における代表的な値を示すとともに、それらの値について、三層平板配置を基準とした三層円弧配置における増加割合を表示している。

両モデルについて、図５のトルク特性を比較すると、マグネットトルク、リラクタンストルクのいずれも、（ａ）の三層円弧配置において、（ｂ）の三層平板配置の場合よりも、大きくなっている。特に、リラクタンストルクについては、表２に示すように、最大値で１０％大きくなっている。両モデルでのマグネットトルクの差は、三層平板配置においては、永久磁石に不可逆減磁が起こっている一方、三層円弧配置においては、局所磁束集中による不可逆減磁を回避できることに起因すると解釈できる。リラクタンストルクの差は、三層円弧配置の方で、永久磁石がｑ軸磁束経路に沿った形に近い、円弧形状の配置をとっていることに起因すると解釈される。

マグネットトルクとリラクタンストルクのいずれもが、（ａ）の三層円弧配置において大きくなっていることに対応し、マグネットトルクとリラクタンストルクの合計として得られるトータルトルクも、（ａ）の三層円弧配置において、（ｂ）の三層平板配置よりも大きくなっている。特に、最大値付近において、両磁石配置のトータルトルクの差が顕著となっており、表２に示すように、三層円弧配置の方が、８％近くも最大トルクが大きくなっている。また、高速高出力域でモータを運転する際に、高電流位相角の領域でのトルクの大きさが重要となるが、電流位相角８０°での出力トルクも、三層円弧配置において、２０％近く大きくなっている。

最後に、図６に、永久磁石の体積減磁率を両モデルで比較した結果を示す。体積減磁率は、永久磁石の体積当たりの不可逆減磁率を示しており、ここでは、０．４Ｔのクニック点を想定し、永久磁石の温度を１５０℃として、ステータの巻線電流を変化させながら、体積減磁率を見積もっている。

図６によると、全巻線電流において、三層平板配置よりも、三層円弧配置において、体積減磁率が低くなっている。この種のＩＰＭモータにおいては、体積減磁率を５％以下に抑えることが好ましい。三層平板配置では、巻線電流が大きい領域で、体積減磁率が５％を超えているのに対し、三層円弧配置では、全巻線電流で、体積減磁率が５％以下に抑えられている。つまり、三層円弧配置を採用することで、高温でも不可逆減磁を効果的に回避できることが示される。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

１ モータ（回転電気機械）
１０ ロータ（永久磁石回転子）
１１ ロータコア
１２ 中空部
１３ 第一層のスロット
１４ 第二層のスロット
１５ 第三層のスロット
１６ 第一層の永久磁石
１７ 第二層の永久磁石
１８ 第三層の永久磁石
２０ フラックスバリア
２１ ブリッジ
２２ 空隙
３０ ステータ（固定子）
５０ エアギャップ
ｃ１ 第一層の永久磁石の中心
ｃ２ 第二層の永久磁石の中心
ｃ３ 第三層の永久磁石の中心
ｄ’ 回転子ｄ軸
ｑ’ 回転子ｄ軸に対し、電気角で９０°隔てた軸（ｑ’軸）
Ｌ１，Ｌ２ 層間の距離

Claims (4)

1. ロータコアと、前記ロータコアに埋設され、磁極を構成する複数の永久磁石とを有する永久磁石回転子において、
   前記複数の永久磁石は、それぞれ前記ロータコアの内周側に向かって凸の円弧形状を有し、前記ロータコアの外周側から内周側に向かって、２層以上の層状に配列されており、
   層状に相互に隣接する２つの前記永久磁石の間の距離が、前記永久磁石の長手方向に沿って、前記ロータコアの外周側の位置で小さく、前記ロータコアの外周から離れた位置で大きくなっており、
   前記ロータコアの外周側の層に配置された前記永久磁石の円弧形状の中心が、前記ロータコアの外周から離れた層に配置された前記永久磁石の円弧形状の中心よりも、前記ロータコアの径方向外側に配置されている永久磁石回転子。
2. 前記複数の永久磁石は、前記ロータコアの外周側から内周側に向かって、３層以上の層状に配列されており、
   前記ロータコアの外周側から１層目に配列された前記永久磁石と２層目に配列された前記永久磁石の間の距離、および前記ロータコアの外周側から２層目に配列された前記永久磁石と３層目に配列された前記永久磁石の間の距離が、それぞれの永久磁石の長手方向に沿って、前記ロータコアの外周側の位置で小さく、前記ロータコアの外周から離れた位置で大きくなっている請求項１に記載の永久磁石回転子。
3. 前記ロータコアの外周側から１層目から３層目までに配置された各永久磁石の円弧形状の中心が、前記ロータコアの外周側に配置された永久磁石から内周側に配置された永久磁石の順に、前記ロータコアの径方向外側から内側に向かって、相互に離れて配置されている請求項２に記載の永久磁石回転子。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の永久磁石回転子を有する回転電気機械。

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