JP7047985B1 - 回転子およびこれを用いた回転電機 - Google Patents

Abstract

回転子コア（２１）を備え、回転子コア（２１）の磁極中心をｄ軸とし、ｄ軸と電気的に直交する方向の軸をｑ軸としたとき、回転子コア（２１）は、ｑ軸上に設けられる非磁性領域のバイパスバリア（２３）と、回転子コア（２１）のｑ軸よりもｄ軸に近い領域に設けられる第１の磁石（２２１）と、回転子コア（２１）の第１の磁石（２２１）よりも径内側の領域に少なくとも一部が設けられる第２の磁石（２２２）と、を有し、第２の磁石（２２２）は、回転子コア（２１）の第１の磁石（２２１）よりもｑ軸に近い領域に設けられ、第２の磁石（２２２）のｑ軸に最も近い端点は、回転子コア（２１）内のバイパスバリア（２３）の最も径内側の面である最径内面よりも径内側に位置する。

Description

本開示は、永久磁石を有する回転子、および回転電機に関するものである。

永久磁石が回転子コアの中に埋め込まれる構造である回転子においては、無負荷時の主磁束低減のため、回転子コア内で閉じる漏れ磁束の磁路を有するように回転子コアを形成すると永久磁石式回転電機の効率は向上するのに対し、漏れ磁束の磁路を有することにより主磁束が低減し出力が低下する。

上記の状況を鑑み、隣接する永久磁石へ漏洩する漏れ磁束をｑ軸電流により制御し、これにより固定子に巻回されたコイルに鎖交する永久磁石の磁束を制御する可変磁束型回転電機が提案されている（例えば、特許文献１）。

この特許文献１では、回転子は、ｄ軸磁路を形成する少なくとも一つの永久磁石を有し、回転子に設けられた少なくとも一つの永久磁石から、隣接する永久磁石極へ漏洩する際の経路となる磁束バイパス路を備え、磁束バイパス路の磁束流入部及び磁束流出部は、回転子と固定子との間のエアギャップ近傍に配置される。

国際公開第２０１４／００３７３０号

しかしながら、磁束バイパス路の磁束流入部及び磁束流出部が回転子と固定子との間のエアギャップ近傍に配置される構成においては、回転子表面の限られた面積の中で固定子に鎖交する磁束と回転子内部で短絡する磁束の両方を発生させる必要があった。また限られた面積内で固定子に鎖交する磁束と回転子内部で短絡する磁束の両方の磁路を形成するためには双方の磁束量はトレードオフの関係となっており、最大トルクを高めると磁石の磁束の可変量が低下するという課題があった。

本開示は、上記の課題を解決するためになされたものであり、磁石磁束の可変量を向上させることができる回転子および回転子を用いた回転電機を提供することを目的とする。

本開示に係る回転子および回転子を用いた回転電機は、回転子コアの磁極中心をｄ軸とし、ｄ軸と電気的に直交する方向の軸をｑ軸としたとき、回転子コアは、ｑ軸上に設けられる非磁性領域のバイパスバリアと、回転子コアのｑ軸よりもｄ軸に近い領域に設けられる第１の磁石と、回転子コアのフラックスバリアおよび第１の磁石よりも径内側の領域に少なくとも一部が設けられる第２の磁石と、を有し、第２の磁石は、回転子コアの第１の磁石よりもｑ軸に近い領域に設けられ、第２の磁石のｑ軸に最も近い端点は、回転子コア内のバイパスバリアの最も径内側の面である最径内面よりも径内側に位置し、第２の磁石とバイパスバリアとの径方向間に、固定子で発生する磁束の経路となる磁束バイパス部を有することを特徴とするものである。

本開示の回転子および回転子を用いた回転電機によれば、磁石磁束の可変量を向上させることができる。

本開示の実施の形態１に係る回転子を備えた回転電機の縦断面図である。 本開示の実施の形態１に係る回転子を備えた回転電機の図１のＩ－Ｉ矢視断面図である。 本開示の実施の形態１に係る回転子の要部横断面図である。 本開示の実施の形態１に係る回転子の無負荷時の磁界解析結果を示す図である。 本開示の実施の形態１に係る回転子の有負荷時の磁界解析結果を示す図である。 本開示の実施の形態１に係る回転子の変更例における無負荷時の磁界解析を示す図である。 本開示の実施の形態１に係る回転子の変更例における有負荷時の磁界解析を示す図である。 本開示の実施の形態１に係る回転子における電流とΦdの関係を示す図である。 本開示の実施の形態１に係る回転子における要部横断面図である。 本開示の実施の形態２に係る回転子における要部横断面図である。 本開示の実施の形態３に係る回転子における要部横断面図である。 本開示の実施の形態４に係る回転子を備えた回転電機の図１のＩ－Ｉ矢視断面図である。

以下、図面を参照しながら実施の形態について説明する。なお、図面は概略的に示されるものであり、説明の便宜のため、構成の省略、または、構成の簡略化がなされるものである。また、異なる図面にそれぞれ示される構成などの大きさおよび位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得るものである。また、以下に示される説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称と機能とについても同様のものとする。したがって、それらについての詳細な説明を、重複を避けるために省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本開示の実施の形態１に係る回転子を備えた回転電機を示す縦断面図、図２は、図１のＩ－Ｉ矢視断面図である。なお、縦断面図とは、回転軸の軸心を含む断面を示す断面図である。また、便宜上、回転軸の軸心と平行な方向を軸方向３、回転軸の軸心を中心として、回転軸の軸心と直交する方向を径方向、回転軸を中心として回転する方向を周方向とする。
図１に示すように、回転電機１００は、略円筒状のフレーム１３と、フレーム１３の軸方向の両端に装着されて、フレーム１３の軸方向両側の開口を塞ぐ一対のブラケット１４と、一対のブラケット１４に装着された軸受１５に支持されて、フレーム１３内に回転可能に設けられた回転軸１６と、を備える。回転電機１００は、回転軸１６に固着されてフレーム１３内に回転可能に設けられた回転子２０と、フレーム１３内に挿入、保持されて、回転子２０の外径側に同軸に設けられた固定子１０と、をさらに備える。回転子２０と固定子１０との間には、ギャップGが形成されている。フレーム１３、ブラケット１４、軸受１５および回転軸１６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。

図２に示すように、固定子１０は、円環状の固定子コア１１と、固定子コア１１に装着された固定子コイル１２と、を備える。固定子コア１１は、円環状のコアバック１８と、コアバック１８の内周面から径方向内方に突出する複数のティース１９と、を備え、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。ティース１９は、周方向に等角ピッチで４８本配列されている。ティース１９の最内径部の周方向幅を周方向幅Ｔとする。固定子コイル１２は、ティース１９の間に挿入され、複数のティース１９を跨って導体線を形成された分布巻コイルにより構成される。分布巻を採用することにより、リラクタンストルクが活用しやすくなる。

回転子２０は、回転軸１６と、軸心位置にシャフト挿入孔が形成された円筒状の回転子コア２１と、回転子コア２１の内側に埋め込まれた複数の永久磁石２２（以下では単に磁石２２という）と、非磁性領域のバイパスバリア２３と、を備える。図中の磁石２２に示す矢印は、配向を示している。回転子コア２１は、シャフト挿入孔に挿入された回転軸１６に固着される。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。永久磁石２２は、例えば、残留磁束密度が高いネオジム磁石が適用される。

回転子２０の構造について、図３を用いてさらに説明する。図３は、本開示の実施の形態１に係る回転子の要部横断面図である。なお、横断面図とは、回転軸の軸心と直交する断面を示す断面図である。図３において、図示していない部分については、図示した部分と同様の構成が周方向に連続して構成されている。

回転子２０に配置される磁石２２は、それぞれ長方形に形成され、磁石２２の長方形のそれぞれの短辺側には後述するフラックスバリア２５が設けられる。また、磁石２２のそれぞれは、後述する第１の磁石２２１と第２の磁石２２２のいずれかである。そして、それぞれが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。なお、図面が煩雑になるのを防ぐため、磁石２２の符号は一部のみとし省略している。

図中に矢印で示すように、磁石２２のうち、固定子１０側に向かって着磁されて配置される一部の磁石２２によって、固定子１０に磁石２２の磁束が鎖交する経路となるＮ極磁極が形成される。また、図中に矢印で示すように、固定子１０側から回転軸１６に向かうように着磁された一部の磁石２２によって、固定子１０から回転子２０に向かう経路となるＳ極磁極が形成される。ここで、Ｎ極の磁極中心をｄ軸、Ｎ極とＳ極との間である磁極間に位置しｄ軸と電気的に直交する方向をｑ軸、と定義する。このような着磁と配置によって、各磁石２２が作る磁路を最短で形成できるため、固定子１０に鎖交する磁束を効果的に増大させることができる。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２０に配置される各磁石２２の磁石量を最小限の量で形成することが可能となる。

回転子コア２１の１磁極は、複数の磁石２２のうち、回転子コア２１のｄ軸を周方向に跨ぐように設けられる１つの第１の磁石２２１と、第１の磁石２２１よりもｑ軸側に近い回転子コア２１の領域に設けられる２つの第２の磁石２２２と、によって構成される。この構成により主に固定子１０へ鎖交する磁束出力を目的とした磁石２２と、主に回転子２０で短絡させる磁束出力を目的とした磁石２２とに分離しつつ全体として１磁極を構成することができる。この１磁極を構成する３つの磁石２２を１つの磁石群としたとき、複数の磁石群は、回転子コア２１内に周方向に離間して等間隔で配置される。そして、上記で述べたＮ極の磁極中心であるｄ軸は、第１の磁石２２１を周方向に等分するような軸となる。また、上記で述べたｑ軸は隣接する磁石群の間の回転子コア２１を周方向に等分するようにとおる軸となる。

１磁極を構成する磁石群のうちの２つの第２の磁石２２２は、第１の磁石２２１の周方向を挟むようにそれぞれ離間し、その全体が円弧状になるように配置される。その円弧は、回転子２０の回転軸１６に対して凹部を有するように形成される。すなわち、１磁極を構成する３つの磁石２２の配置のうち、第１の磁石２２１の配置は、他の第２の磁石２２２よりも径外側の回転子コア２１の領域となる。Ｎ極においては、第１の磁石２２１の磁束出力面が各第２の磁石２２２の磁束出力面よりも回転子コア２１の径外面に近くなるように配置される。Ｓ極においては、第１の磁石２２１の磁束入力面が各第２の磁石２２２の磁束入力面よりも回転子コア２１の径外面に近くなる。

第２の磁石２２２の配置は、少なくともその一部が第１の磁石２２１よりも径内側の回転子コア２１の領域に設けられるように配置される。さらに詳細には、第２の磁石２２２のｑ軸に最も近い端点が後述するバイパスバリア２３の最も径内側の最径内面よりも径内側に位置するように配置される。また、第２の磁石２２２は、その周方向両端部のうち、ｑ軸に近い側の端部がｑ軸から遠い側の端部よりも軸心に近く、ｑ軸側から遠い端部が他方の端部よりも回転子コア２１の径外面に近くなるように配置される。すなわち、第２の磁石２２２の磁束出力面は、傾きを有し、Ｎ極磁極における第２の磁石２２２の磁束出力面の傾きは、ｑ軸側に傾向いている。傾きによって第２の磁石２２２の磁束を意図した方向へ鎖交させやすくなる。この傾きは第２の磁石２２２の磁石出力面からでた磁束がｑ軸を介して隣接する他の第２の磁石２２２へ鎖交するように決定される。Ｓ極磁極を構成する各磁石２２においても同様の配置であり、ｑ軸を介して隣接する異極の第２の磁石２２２はｑ軸に対して線対称に傾きを有するように配置される。

各磁石２２は、周方向両端にフラックスバリア２５をそれぞれ有する。フラックスバリア２５は、軸方向に回転子コア２１を貫通しており、空隙の非磁性領域である。第１の磁石２２１の両端に設けられるフラックスバリア２５と第２の磁石２２２の両端に設けられるフラックスバリア２５とは回転子コア２１を介して隣接している。隣接する同極の第１の磁石２２１と第２の磁石２２２との間の回転子コア２１をバイパス部２４ｂとする。

バイパスバリア２３は、回転子コア２１のｑ軸上に形成される。バイパスバリア２３は、軸方向に回転子コア２１を貫通しており、空隙の非磁性領域である。バイパスバリア２３は、回転子コア２１のうち、ｑ軸を介して隣接する２つの第２の磁石２２２の径外側の面と回転子の最径外面とで囲まれた回転子コア２１の領域内に設けられる。第２の磁石２２２とバイパスバリア２３との径方向間の回転子コア２１は、ｑ軸を介して隣接する異極の第２の磁石２２２のうち、一方の前記第２の磁石２２２の磁束が他方の前記第２の磁石２２２をとおり前記回転子コア内部で短絡する経路となる。この経路をバイパス部２４ａとする。バイパスバリア２３よりも径内側であって、隣接する異極の第２の磁石２２２の周方向間の回転子コア２１は、固定子１０が生成する磁束の経路となる。この経路をｑ軸磁路部とする。

次に、各磁石２２、バイパスバリア２３、およびフラックスバリア２５の関係を説明する。図３に示すように、回転子コア２１の最も径外側の最径外面とｑ軸に最も近い第２の磁石２２２の角部とをｑ軸に平行に結んだときの距離を距離Ａとする。バイパスバリア２３の最も内径側の最径内面と回転子コア２１の最径外面とをｑ軸に平行に結んだときの回転子コア２１の径外面とバイパスバリア２３までの最も大きい距離を距離Ｂとする。ここでは、回転子コア２１の径外面とｑ軸との交点と、バイパスバリア２３の最径内面とｑ軸との交点と、を結んだ距離となる。このとき、バイパスバリア２３と第２の磁石２２２とは、距離Ａ＞距離Ｂの関係を満足するように回転子コア２１に配置される。

また、ｑ軸を介して隣接する第２の磁石２２２に設けられるフラックスバリア２５の周方向間の回転子コア２１における最も短い距離を最短距離Ｃとする。バイパスバリア２３と第２の磁石２２２との径方向間の回転子コア２１の距離、またはフラックスバリア２５と第２の磁石２２２の周方向端部に位置するフラックスバリア２５との径方向間の回転子コア２１の距離のうち、最も小さい距離を最小距離Ｄとする。このとき、フラックスバリア２５、第２の磁石２２２、バイパスバリア２３は最短距離Ｃ≧最小距離Ｄ×２の関係を満足するようにそれぞれ回転子コア２１に配置される。また、バイパスバリア２３は、最小距離Ｄがバイパスバリア２３の径外側の回転子コア２１の径方向の幅よりも大きくなるように配置される。

さらに、第１の磁石２２１の最も径外側の最径外面とｄ軸との交点から回転子２０の最径外面までの回転子コア２１の最小の距離を距離Ｅとし、第１の磁石の最も径外側の端点から回転子２０の径外面までの回転子コア２１の最小の距離を距離Ｆとする。このとき、第１の磁石２２１は、距離Ｅ＞距離Ｆの関係を満足するように回転子コア２１に配置される。

また、第２の磁石２２２の周方向幅を周方向幅Ｈとする。このとき周方向幅Ｈ≧最短距離Ｃ×２の関係を満足する。さらに、バイパスバリア２３の最外径部の周方向幅を周方向幅Ｐとしたとき、ティース１９の最内径部の周方向幅Ｔとの関係は、周方向幅Ｐ≧周方向幅Ｔを満足する。

ここで、上記構成とする効果を図４から図７を用いて説明する。図４は図３に示す回転子形状の無負荷時の磁界解析における磁束密度ベクトルを示す図である。図５は図３に示す回転子形状の有負荷時の磁界解析における磁束密度ベクトルを示す図である。図６は図４に示す回転子形状の最短距離Ｃを変化させた形状の無負荷時の磁界解析における磁束密度ベクトルを示す図である。図７は図４に示す回転子形状の最短距離Ｃを変化させた形状の有負荷時の磁界解析における磁束密度ベクトルを示す図である。図４から図７において、上記で説明した最小距離Ｄを含む、バイパス部２４ａの回転子コア２１の範囲を要部ａとする。また、上記で説明した最短距離Ｃを含む、ｑ軸を介して隣接する異極の第２の磁石２２２の周方向間の回転子コア２１のｑ軸磁路部の範囲を要部ｂとする。そして、バイパス部２４ｂを含む同極の第２の磁石２２２と第１の磁石２２１との周方向間の回転子コア２１の範囲を要部ｃとする。

無負荷時の回転子２０内の磁束密度は、図４に示すように要部ａの磁束密度が高くなっていることがわかる。また要部ｂの磁束密度は低くなっていることがわかる。また、要部ｃには、第１の磁石２２１から出た磁束が多く通っていることがわかる。言い換えると、ｑ軸を介して隣接する一方の第２の磁石２２２から出た多くの磁束は、回転子コア２１のバイパス部２４ａを通り隣接する他方の第２の磁石２２２へ鎖交し、回転子コア２１内で短絡している。第１の磁石２２１の一部の磁束は、第２の磁石２２２との間のバイパス部２４ｂを通り短絡している。

有負荷時は、図５に示すように要部ａと要部ｂとの磁束密度は同程度の大きさを示している。また、固定子１０の固定子コイル１２に電流を通電すると固定子１０で発生する磁束は、回転子コア２１の要部ｂと要部ａを鎖交していることがわかる。同様に要部ｃにも固定子１０で発生する磁束が鎖交する。

すなわち、上記で説明したように、特に距離Ａ＞距離Ｂの関係を満足するようにバイパスバリア２３と第２の磁石２２２とが回転子コア２１に配置される構成により、バイパスバリア２３と第２の磁石２２２との径方向間の回転子コア２１に磁束の経路を確保することができる。そして、無負荷時における第２の磁石２２２の磁束を回転子コア２１内のバイパスバリア２３よりも径内側の回転子コア２１で短絡させることができる。また、同極内で第１の磁石２２１と第２の磁石２２２とを離間して配置することにより、磁束の経路となる回転子コア２１は磁束の経路を確保でき、無負荷時における第１の磁石２２１の一部の磁束を回転子コア２１内で短絡させることができる。よって、無負荷時において、回転子コア２１内で短絡する磁束を増加することにより、主磁束が低減し、回転電機１００の効率を向上させることができる。

さらに、回転子コア２１に電磁鋼板を適用した場合の飽和磁束密度は２Ｔ程度であり、第２の磁石２２２にネオジム磁石を適用した場合の磁石内部の磁束密度は１Ｔ程度である。このため、最小距離Ｄを飽和磁束密度に達するまで第２の磁石２２２の磁束を短絡させるためには周方向幅Ｈ≧最短距離Ｃ×２の関係を満足する必要がある。そして、周方向幅Ｈ≧最短距離Ｃ×２の関係を満足することにより、回転子コア２１の要部ａで短絡する磁束を最大限まで高めることができる。よって、無負荷時において、回転子コア２１内で短絡する磁束を増加することにより、主磁束が低減し、回転電機１００の効率を向上させることができる。

また、バイパスバリア２３と第２の磁石２２２との径方向間の回転子コア２１にバイパス部２４ａを有するように配置される構成により、無負荷時に第２の磁石２２２の磁束短絡経路となっていたバイパス部２４ａを有負荷時には主に固定子１０で発生する磁束の経路とすることができる。そして、回転子２０内部で発生する短絡磁束量の増加と、固定子１０に鎖交する磁石磁束量の増加を両立することができる。さらに、図５の要部ｄに示すように、周方向幅Ｐ≧周方向幅Ｔの関係を満足することで、固定子１０に鎖交する磁束量を高めることができる。

次に、最短距離Ｃを上記の図４に示した最短距離Ｃよりも狭くした場合における回転子２０内の磁束密度について説明する。無負荷時は、図６に示すように要部ａの磁束密度が高くなっている。これは、図４の構成と同様に、ｑ軸を介して隣接する一方の第２の磁石２２２から出た多くの磁束は、回転子コア２１のバイパス部２４ａを通り隣接する異極の第２の磁石２２２を通って回転子コア２１内で短絡し、第１の磁石２２１の一部の磁束は、第２の磁石２２２との間の回転子コア２１を通り短絡しているためである。すなわち、距離Ａ＞距離Ｂの関係が満たされていれば、回転子コア２１内で短絡する磁束を増加させることができ、最短距離Ｃを小さくすることによる無負荷時の第２の磁石２２２の磁束への影響は少ない。

一方で、有負荷時における回転子２０内の磁束密度は、図７に示すように要部ａの磁束密度は要部ｂよりも低くなっていることがわかる。これは第２の磁石２２２の磁束と固定子１０で発生する磁束との向きが関係している。以下で詳細に説明する。

有負荷時の磁束密度は、固定子１０で発生する磁束と回転子２０内で発生する磁束の重ね合せで大きさが決まる。要部ａでは、第２の磁石２２２の磁束の向きと固定子１０で発生する磁束の向きが反転し、要部ｂでは、磁束密度が０の状態から飽和に向かう。例えば、第２の磁石２２２から発生する磁束の向きを－方向と定義とすると、要部ａは－方向の磁気飽和から＋方向の磁気飽和へ現象が変化する。一方で、要部ｂは、磁束が０の状態から＋方向の磁気飽和へ現象が変化する。したがって、図７に示すように最短距離Ｃが最小距離Ｄと同程度である場合には、要部ａよりも要部ｂの方が磁気飽和しやすくなり、要部ｂで磁気飽和すると要部ａを鎖交し固定子１０側へ向かう磁束は少なくなる。最短距離Ｃが最小距離Ｄよりも小さい場合も同様である。

したがって、有負荷時において要部ａの固定子コア１１を磁束経路としてより有効に活用するためには、最短距離Ｃを最小距離Ｄよりも大きくする構成とする必要がある。最短距離Ｃを最小距離Ｄよりも大きくする構成とすることにより、要部ｂの磁気飽和による要部ａへの磁束の鎖交抑制を避けることができ、有負荷時において要部ａ付近の回転子コア２１をより有効に活用することができる。

さらに最短距離Ｃと最小距離Ｄとの関係について図８を用いて説明する。図８は、電流を通電させた時に固定子１０に鎖交する磁束をｄ軸方向とｑ軸方向に分離させた時のΦｄの結果を示す図である。図中の実線は、最短距離Ｃ≧最小距離Ｄ×２（Ｃ≧２Ｄ）の関係を満足する構成におけるΦｄを示し、点線は、最小距離Ｄ×２＞最短距離Ｃ（２Ｄ＞Ｃ）の関係となる構成におけるΦｄを示している。

Φｄは、回転子２０に配置された各磁石２２からの磁束が固定子１０に鎖交する磁束量と等価である。電流を通電すると、Ｃ≧２Ｄの関係を満足する構成におけるΦｄの増加量が高いことがわかる。Φｄの増加量は、磁石２２の磁束増加を意味する。

上記でも説明したように、要部ｂを通る磁束は、固定子１０からの磁束と磁石２２の磁束と重ね合わせで決まり、この重ね合わせによってΦｄが形成される。したがって、バイパスバリア２３は、第２の磁石２２２の磁束発生面よりも回転子コア２１の径外側に形成され、両者の配置が上記の距離Ａ＞距離Ｂの関係を満足することで、有負荷時における磁束の重ね合わせが生じる構成となる。このためΦｄを増加させることができる。さらに、フラックスバリア２５、第２の磁石２２２、バイパスバリア２３をＣ≧２Ｄの関係を満足するようにそれぞれ回転子コア２１に配置する構成により、要部ａ、要部ｂにおける磁束の重ね合わせを増加させることができるためΦｄをより増加させることができる。よって、最大トルクを向上させることができる。

また図４の要部ｃと図５の要部ｃの磁束密度は、反転していることがわかる。これは、要部ａと同様の現象が発生しており、同極内で第１の磁石２２１と第２の磁石２２２とを離間して配置する構成により固定子１０から発生する磁束によってΦｄを増加させることができる。

以上のように、本開示における実施の形態１は、バイパスバリア２３と、バイパスバリア２３よりも径内側に配置される第２の磁石２２２とを有し、バイパスバリア２３と第２の磁石２２２との径方向間の回転子コア２１に磁束の経路となるバイパス部２４ａを設けている。この構成により、無負荷時において、第２の磁石２２２の磁束を回転子コア２１内のバイパスバリア２３よりも径内側の回転子コア２１でより多く短絡させることができる。また有負荷時においては、固定子１０からの磁束経路とするができる。したがって、回転子２０内部で発生する短絡磁束量の増加と、電流通電時に固定子１０に鎖交する磁石磁束量の増加を両立することにより磁石磁束の可変量を向上させることができる。

また、最小距離Ｄは、バイパスバリア２３の径外側の回転子コア２１の径方向の幅よりも大きくなるように配置される。この構成により、第２の磁石２２２の磁束は、バイパスバリア２３よりも径内側により鎖交させることができ、回転子２０内でより多くの磁束を短絡させることができる。第２の磁石のｑ軸に最も近い端点は、バイパスバリア２３の最も径内側の最径内面よりも径内側のバイパス部２４ａの磁束流入出口に位置する回転子コア２１領域に設けられる。この構成により、バイパスバリア２３よりも径内側の回転子コア２１により多く磁束を鎖交させることができる。また、有負荷時のΦd可変量をより増加させることができる。第２の磁石２２２の磁束入出力面は、ｑ軸に対して傾きを有する。この構成により、隣接する第２の磁石２２２間に磁束を回転子コア２１内で鎖交しやすくすることができる。さらに、ｑ軸を介して異極の第２の磁石２２２が隣接して配置される。この構成により、一方の第２の磁石２２２から、他方の第２の磁石２２２へ向かうため、バイパス部２４ａを経路として磁束を回転子２０内でより短絡させることができる。

また、１磁極は複数の磁石２２で構成している。この構成により、主として固定子１０に鎖交する磁束を発生させる第１の磁石２２１と、主として回転子コア２１内で短絡する磁束を発生させる第２の磁石２２２とに分離することができ、複数の磁石２２の間の回転子コア２１を磁束経路とすることができる。また、磁石２２を長方形で形成しても、より最適な配置にしやすく、磁石の加工等が少なく、製作性を向上させることができる。第１の磁石２２１の配置は、第２の磁石２２２と比較して、回転子コア２１の径外側の領域にｄ軸を跨ぐように配置される。この構成により、通電時に第１の磁石２２１の磁束の多くを固定子１０側へ鎖交させることができる。さらに、周方向幅Ｐ≧周方向幅Ｔの関係を満足することで、固定子１０に鎖交する磁束量を高めることができる。

また、周方向幅Ｈ≧最短距離Ｃ×２の関係を満足する。これにより、回転子コア２１で短絡する磁束を最大限まで高めることができる。よって、無負荷時において、回転子コア２１内で短絡する磁束を増加することにより、主磁束が低減し、回転電機１００の効率を向上させることができる。

さらに、ｄ軸上の第１の磁石２２１は、距離Ｅ＞距離Ｆの関係を満足するように設けられる。この構成により、ギャップＧ側の回転子コア２１は、固定子１０による磁束によりリラクタンストルクが発生するため、第１の磁石２２１と第２の磁石２２２を分離した効果でΦｄの増加量を向上させながら、リラクタンストルクを向上させることができる。

なお、上記では、第１の磁石２２１は、ｄ軸上を跨いで配置される構成を説明したが、１磁極を構成するうちの第１の磁石２２１は複数で構成されていてもよく、磁石２２の個数は適宜変更できる。例えば、図９に示すようにｄ軸を介して線対称に配置されるように構成してもよい。この場合も同様に、Φdの増加量を向上させる効果を奏することに加え、固定子１０に鎖交する主磁束を増加させる効果が得られる。

また、各磁石２２の形状は、長方形としたが、一体で形成された円弧状、もしくはそれぞれの磁石を円弧上の沿うような形状に形成してもよい。この場合、固定子１０に鎖交する主磁束を増加させる効果や回転子２０が生成する磁束の高調波を低減することで効率を向上させる効果が得られる。
また、各磁石２２は、短辺と平行に着磁されると説明したが、必ずしも短辺と平行とは限らず、長辺と平行もしくは、平行ではないものに、適宜変更できるものである。

また、各磁石の周方向端部にフラックスバリア２５を設ける構成を説明したが、必ずしももうける必要はなく、磁石２２の間の回転子コア２１が上記で説明した関係を満たすように配置すればよい。この場合にも回転子コア２１内で短絡する磁束を増加させてΦd可変量を増加させる効果と第１の磁石２２１から発生して固定子１０に鎖交する主磁束を増加させる効果が得られる。

また、バイパスバリア２３およびフラックスバリア２５は、空隙の非磁性領域としたが、回転子コア２１よりも透磁率が低ければよく、非磁性の材料が埋め込まれていてもよい。この場合にも残留応力により磁気特性を劣化させて透磁率を低くしたりすることができる。

実施の形態２．
以下に、実施の形態２に係る回転子について図を用いて説明する。
図１０は、実施の形態２にかかる回転子２０の要部横断面図である。図において、第２の磁石２２２は、ｑ軸上に設けられるバイパスバリア２３よりも径内側の回転子コア２１のｑ軸上に設けられる。第２の磁石２２２は、Ｎ極磁極において、図中に矢印で示すように、第２の磁石２２２の磁束が固定子１０側に向かうように着磁される。第２の磁石２２２は、ｑ軸上に設けられるため、Ｓ極磁極においては、着磁方向は反対となる。その他の構成は実施の形態１と同様である。

このような構成においても実施の形態１と同様の効果がある。第２の磁石２２２はｑ軸に設けられるため、バイパスバリア２３との径方向間の距離を大きくとることができる。これにより磁石の個数を減らすことができるため、Φd可変量を増加させながらコストを低減することができる。

以上のように、実施の形態２に係る回転子によれば、実施の形態１と同様に、電流通電時に固定子１０に鎖交する磁石磁束量の増加を両立することにより磁石磁束の可変量を向上させることができる効果を奏する。さらに、リラクタンストルクを向上させることが可能となる。

実施の形態３．
以下に、実施の形態３に係る回転子について図を用いて説明する。
図１１は、実施の形態３にかかる回転子２０の要部横断面図である。図において、第２の磁石２２２は、その周方向端部のうちｄ軸に近い径内側端部がｑ軸に近い径内側端部よりも軸心に近くなるように傾きをもって配置される。また、同極内の第２の磁石２２２はｄ軸に対して線対称に配置される。第２の磁石２２２の着磁は、第２の磁石の磁束が固定子１０側に向かうように着磁される。すなわち、１磁極内の各磁石２２は、２層に構成される。その他の構成は実施の形態１または実施の形態２と同様である。

このような構成においても実施の形態１と同様の効果がある。１磁極内の各磁石２２は、２層に構成することにより固定子１０から発生する磁束が回転子２０に鎖交する磁路を増やすことができるため、リラクタンストルクを向上させることができる。

以上のように、実施の形態３に係る回転子によれば、実施の形態１または実施の形態２と同様に、電流通電時に固定子１０に鎖交する磁石磁束量の増加を両立することにより磁石磁束の可変量を向上させることができる効果を奏する。さらに、リラクタンストルクを向上させることが可能となる。

実施の形態４．
以下に、実施の形態４に係る固定子および回転子について図を用いて説明する。
図１２は、実施の形態４にかかる図１のＩ－Ｉ矢視断面図である。固定子１０は、円環状の固定子コア１１と、固定子コア１１に装着された固定子コイル１２と、を備える。固定子コア１１は、円環状のコアバック１８と、コアバック１８の内周面から径方向内方に突出する複数のティース１９と、を備え、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。ティース１９は、周方向に等角ピッチで１２本配列されている。ティース１９の最内径部の周方向幅をＴとする。固定子コイル１２は、ティース１９に導体線を巻回して形成された集中巻コイルにより構成される。その他の構成は実施の形態１～３と同様である。

図において、バイパスバリア２３の最外径部の周方向幅を周方向幅Ｐとしたとき、ティース１９の最内径部の周方向幅Ｔとの関係は、周方向幅Ｐ≧周方向幅Ｔを満足する。

このような構成においても実施の形態１と同様の効果がある。また、集中巻を採用することにより、コイルエンド長を短くすることができ、銅損の低減およびモータ全長を短縮することができる。

なお、ティース１９は、等角ピッチで１２本配列されているものを説明したが、必ずしも１２本である必要はなく、適宜変更可能なものである。

以上のように、実施の形態４に係る回転子によれば、実施の形態１～３と同様に、電流通電時に固定子１０に鎖交する磁石磁束量の増加を両立することにより磁石磁束の可変量を向上させることができる効果を奏する。さらに、銅損の低減およびモータ全長を短縮することができる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１０ 固定子、１２ 固定子コイル、１３ フレーム、１４ ブラケット、１５ 軸受、１６ 回転軸、１８ コアバック、１９ ティース、２０ 回転子、２１ 回転子コア、２２ 磁石、２３ バイパスバリア、２４ａ ２４ｂ バイパス部、２５ フラックスバリア、２２１ 第１の磁石、２２２ 第２の磁石

Claims (14)

1. 回転子コアを備え、
   前記回転子コアの磁極中心をｄ軸とし、前記ｄ軸と電気的に直交する方向の軸をｑ軸としたとき、
   前記回転子コアは、前記ｑ軸上に設けられる非磁性領域のバイパスバリアと、前記回転子コアの前記ｑ軸よりも前記ｄ軸に近い領域に設けられる第１の磁石と、前記回転子コアの前記第１の磁石よりも径内側の領域に少なくとも一部が設けられる第２の磁石と、を有し、
   前記第２の磁石は、前記回転子コアの前記第１の磁石よりも前記ｑ軸に近い領域に設けられ、
   前記第２の磁石の前記ｑ軸に最も近い端点は、前記回転子コア内の前記バイパスバリアの最も径内側の面である最径内面よりも径内側に位置し、
   前記第２の磁石と前記バイパスバリアとの径方向間に、固定子で発生する磁束の経路となる磁束バイパス部を有することを特徴とする
   回転子。
2. 前記回転子コアは、前記ｑ軸を介して隣接して設けられる複数の前記第２の磁石と、
   前記固定子で発生する磁束の経路および隣接する一方の前記第２の磁石から他方の前記第２の磁石をとおり前記回転子コアの内部で短絡する前記第２の磁石の磁束の経路となる前記磁束バイパス部と、
   前記バイパスバリアよりも径内側の前記回転子コアであって、隣接する複数の前記第２の磁石の周方向間の前記回転子コアであるｑ軸磁路部と、を有し、
   前記ｑ軸磁路部の前記ｑ軸に直交する最短の距離である最短距離Ｃは、前記磁束バイパス部の最小の距離である最小距離Ｄよりも大きいことを特徴とする
   請求項１に記載の回転子。
3. 前記第２の磁石は、周方向両端にフラックスバリアを有し、
   前記ｑ軸磁路部の前記最短距離Ｃは、前記ｑ軸を介して隣接する前記フラックスバリアの間の前記回転子コアの幅であり、
   前記磁束バイパス部の前記最小距離Ｄは、前記バイパスバリアと前記第２の磁石の間または前記バイパスバリアと前記フラックスバリアとの間の幅であることを特徴とする
   請求項２に記載の回転子。
4. 前記ｑ軸磁路部の前記最短距離Ｃと前記磁束バイパス部の前記最小距離Ｄとは、
   Ｃ≧Ｄ×２の関係を満たすことを特徴とする
   請求項２または請求項３に記載の回転子。
5. 前記バイパスバリアのｄ軸側端部と軸心とを結ぶ直線の前記ｄ軸側に前記第２の磁石が位置することを特徴とする
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転子。
6. 前記第２の磁石は、周方向両端部のうち、前記ｑ軸に近い側の端部が前記ｑ軸から遠い側の端部よりも軸心に近く、前記ｑ軸側から遠い端部が他方の端部よりも前記回転子コアの径外面に近くなるように傾きを有して配置されることを特徴とする
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転子。
7. 前記第２の磁石は、前記バイパスバリアの最も径内側の面である最径内面よりも径内側であって、前記回転子コアの前記ｑ軸上に設けられることを特徴とする
   請求項１に記載の回転子。
8. 前記回転子コアは、前記ｄ軸を介して隣接して設けられる複数の前記第２の磁石を有し、
   複数の前記第２の磁石は、周方向端部のうち、前記ｄ軸に近い径内側の端部が前記ｑ軸に近い径内側の端部よりも軸心に近くなるように傾きを有し、前記ｄ軸に対して線対称に設けられることを特徴とする
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転子。
9. 前記第１の磁石は、前記ｄ軸上に設けられ、
   前記第１の磁石の最も径外側の最径外面と前記ｄ軸との交点から前記回転子コアの外周面までの最小の距離を距離Ｅとし、前記第１の磁石の最も径外側の端点から前記回転子コアの外周面までの最小の距離を距離Ｆとしたとき、
   Ｅ＞Ｆの関係を満たすことを特徴とする
   請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転子。
10. 前記回転子コアは、１磁極を構成する前記第１の磁石と前記第２の磁石とを含む磁石群を有し、
    前記磁石群は、周方向に離間して前記回転子コアに設けられることを特徴とする
    請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の回転子。
11. 前記第２の磁石の幅をＨとし、
    前記第２の磁石の周方向間の前記回転子コアであるｑ軸磁路部の前記ｑ軸に直交する最短の距離である最短距離Ｃとしたとき、
    Ｈ≧Ｃ×２の関係を満たすことを特徴とする
    請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の回転子。
12. 前記第２の磁石の前記ｑ軸に最も近い端点は、前記回転子コア内の前記バイパスバリアの最も径内側の面である最径内面よりも径内側に位置して前記第２の磁石の磁束入出力面は、前記ｑ軸に対して傾きを有し、
    前記回転子コアの最も径外側の最径外面と前記ｑ軸に最も近い前記第２の磁石の角部とを前記ｑ軸に平行に結んだときの距離を距離Ａとし、
    前記バイパスバリアの最も内径側の最径内面と前記回転子コアの最径外面とを前記ｑ軸に平行に結んだときの前記回転子コアの径外面と前記バイパスバリアまでの最も大きい距離を距離Ｂとしたとき、
    距離Ａは距離Ｂよりも大きいことを特徴とする
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の回転子。
13. 請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の回転子と、
    前記回転子の径外側に空隙を有して設けられる前記固定子と、
    を有することを特徴とする
    回転電機。
14. 前記固定子は固定子コアと固定子コイルを有し、
    前記固定子コアは円環状のコアバックと、前記コアバックから径方向内側へ突出した複数のティースとを有しており、
    前記ティースの最内径部の周方向幅をＴとし、前記ｑ軸上に設けられる非磁性領域の前記バイパスバリアの最外径部の周方向幅をＰとしたとき、
    Ｐ≧Ｔの関係を満たすことを特徴とする
    請求項１３に記載の回転電機。

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