JP7090773B1

JP7090773B1 - 回転電機

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Publication number: JP7090773B1
Application number: JP2021062520A
Authority: JP
Inventors: 慎介茅野; 立男西村; 純士北尾; 仁志磯田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-04-01
Filing date: 2021-04-01
Publication date: 2022-06-24
Anticipated expiration: 2041-04-01
Also published as: CN115208279A; US20220320924A1; US11855490B2; JP2022157963A

Abstract

【課題】発生する振動と騒音を低減することができる回転電機を得る。【解決手段】外周側に向かって開くＶ字状に配置され、永久磁石が挿入された磁石スロットが半径方向に２層構造となるように形成された回転子において、各磁石スロットは中央に位置する中央ブリッジと、回転子の外面との間に位置する２個の外径ブリッジのそれぞれの外径ブリッジとの間に形成された１対のスロットで構成されており、各永久磁石から発生する磁束のうち、各ブリッジを磁気飽和させる磁束を除いた磁束を有効磁束としたとき、外径側の永久磁石から発生される有効磁束が内径側の永久磁石から発生する有効磁束の半分以下となるようにした。【選択図】図４

Description

本願は、回転電機に関するものである。

高トルクの回転電機として、永久磁石を回転子鉄心に埋め込んだ埋込永久磁石同期回転電機が一般的に知られている。埋込永久磁石同期回転電機においては、固定子の電機子巻線が生み出す磁束と、回転子の永久磁石が生み出す磁束の吸引反発による磁石トルクと、回転子の磁気突極性によるリラクタンストルクによってトルクを向上させる。回転子に永久磁石を埋め込む際に、磁石を多層に配置することで磁石トルクに加えてリラクタンストルクを大きくし、トルクを向上させる技術がある。

特許文献１には、回転子鉄心内に永久磁石を２層に配置し、リラクタンストルクを増加させる技術が開示されている。特許文献２には、回転子鉄心内に２層構造に配置した永久磁石について、磁極の内側に位置する磁石は磁極の外側に位置する磁石より幅を狭くし、厚さを厚くする技術が開示されている。

特開２０１１－２２３８３６号公報特開２００７－２７４７９８号公報

特許文献１および特許文献２に開示されている回転電機では、磁極間のブリッジにおける漏れ磁束量を考慮していないため、２層に配置した永久磁石の回転子起磁力が生み出す空隙磁束密度に高調波成分を多く含み、トルク脈動増加によって振動と騒音が増加する課題がある。

本願は、上記の課題を解決するものであり、トルク脈動を抑制することにより、振動と騒音を低減することを目的としている。

本願に開示される回転電機は、円筒形状の内面側に複数のティースを有し、隣り合うティース間に設けられたコイルスロットにコイルが巻回された固定子と、前記固定子の内面と間隔を有するように外面が対向し、回転中心軸の周りに回転自在に配置された円柱形状の回転子とを備えた回転電機において、前記回転子には、回転中心軸側から外周側に向かって開くＶ字状に配置された磁石スロットが半径方向に２層構造となるように形成され、各層における前記磁石スロットは、中央に位置する中央ブリッジと、前記回転子の外面との間に位置する２個の外径ブリッジのそれぞれの外径ブリッジとの間に形成された１対のスロットで構成され、各スロット内にはそれぞれ永久磁石が挿入されており、外径側の前記磁石スロットである１層目磁石スロットに挿入された前記永久磁石である１層目永久磁石において、当該１層目磁石スロットに対応した前記中央ブリッジである１層目中央ブリッジを磁気飽和させる磁石幅と、当該１層目磁石スロットに対応した前記外径ブリッジである１層目外径ブリッジを磁気飽和させる磁石幅とを除いた磁石幅である１層目有効磁石幅から発生する磁束を１層目有効磁束とし、内径側の前記磁石スロットである２層目磁石スロットに挿入された前記永久磁石である２層目永久磁石において、当該２層目磁石スロットに対応した前記中央ブリッジである２層目中央ブリッジを磁気飽和させる磁石幅と、当該２層目磁石スロットに対応した前記外径ブリッジである２層目外径ブリッジを磁気飽和させる磁石幅とを除いた磁石幅である２層目有効磁石幅から発生する磁束を２層目有効磁束としたとき、前記１層目有効磁束が前記２層目有効磁束の半分以下となるよう構成されている。

本願に開示される回転電機によれば、回転子起磁力の高調波成分が低減され、トルク脈動が抑制されることにより、回転電機より発生する振動と騒音を低減することができる。

実施の形態１による回転電機の概略構成を示す外観図である。実施の形態１による回転電機の概略構成を示す回転中心軸に垂直な断面図である。実施の形態１による回転電機の１極分の回転子の構成を示す拡大断面図である。実施の形態１による回転電機の回転子の永久磁石から発生される磁束の様子を示す拡大模式図である。実施の形態１による回転電機の回転子の磁石スロットと永久磁石の寸法の詳細を示す拡大模式図である。実施の形態１による回転電機の回転子の磁石極弧角を説明するための断面図である。実施の形態１による回転電機の回転子の磁石極弧角を説明するための図６を補助する拡大断面図である。実施の形態１による回転電機の回転子の有効磁束による回転子起磁力を説明するための模式図である。実施の形態１による回転電機の回転子起磁力の高調波含有率ＴＨＤが最小となる有効磁束を説明するための図である。実施の形態１による回転電機の磁石極弧角と回転子起磁力の高調波含有率ＴＨＤの関係を示す第１の図である。実施の形態１による回転電機の磁石極弧角と回転子起磁力の高調波含有率ＴＨＤの関係を示す第２の図である。実施の形態１による回転電機の固定子のティース間の弧角の寸法を説明する図である。実施の形態２による回転電機の１極分の回転子の構成を示す拡大断面図である。実施の形態２による回転電機の回転子の永久磁石とブリッジの寸法の詳細を示す拡大模式図である。実施の形態２による回転電機の１極分の回転子の別の構成を示す拡大断面図である。実施の形態３による回転電機の１極分の回転子の構成を示す拡大断面図である。

実施の形態１．
図１は実施の形態１による回転電機の概略構成を示す外観図である。図２は実施の形態１による回転電機の概略構成を示す、回転中心軸に垂直な断面における断面図である。図１に示すように、回転電機は固定子１と回転子２で構成されている。円筒形状の固定子１は回転軸方向に積層された固定子鉄心１０とコイル１１で構成されている。回転子２は、固定子１の内面と間隔を有するように外面が対向した円柱形状に形成されており、回転中心軸の周りに回転自在に配置されている。回転子２は、回転軸方向に積層された回転子鉄心２０と磁石スロット２１に挿入された永久磁石２２で構成される。図２に示すように、固定子鉄心１０は環状のコアバック１２と内面側に凸状に突出したティース１３からなる。コイル１１はティース間のコイルスロット１４に巻回される。回転子２は１極につき、回転中心軸側から外周側に向かって開くＶ字状に配置された磁石スロット２１を半径方向に２層有し、２層の磁石スロット２１には永久磁石２２が挿入される。

図３は実施の形態１による回転電機の１極分の回転子の構成を示す回転中心軸に垂直な断面における拡大断面図である。なお、図３以降の構成を示す各図も、いずれも回転中心軸に垂直な断面における断面図である。回転子はＶ字状に配置された磁石スロット２層を有する回転子鉄心と、２層の磁石スロットに挿入された永久磁石で構成される。２層の磁石スロットは、回転子外径側の１層目磁石スロット３１と回転子内径側の２層目磁石スロット４１で構成される。各層における磁石スロットは、中央に位置する中央ブリッジと、回転子２の外面との間に位置する２個の外径ブリッジのそれぞれの外径ブリッジとの間に形成された１対のスロットで構成され、各スロット内にはそれぞれ永久磁石が挿入されている。すなわち、１層目磁石スロット３１は、中央に位置する１層目中央ブリッジ３３と回転子の外面との間に位置する２個の１層目外径ブリッジ３４の間に形成された１対のスロットで構成されている。２層目磁石スロット４１は、中央に位置する２層目中央ブリッジ４３と回転子の外面との間に位置する２個の２層目外径ブリッジ４４の間に形成された１対のスロットで構成されている。１層目磁石スロット３１には１層目永久磁石３２が挿入され、２層目磁石スロット４１には２層目永久磁石４２が挿入される。

図４は、永久磁石から発生される磁束の様子を示す拡大模式図であり、磁石磁束を有効磁束と漏れ磁束に分けて示している。前述のように１層目および２層目の各磁石スロットはＶ字状に配置された対のスロットで構成されているが、図４では１層目磁石スロット、２層目磁石スロット共に、図４では対のスロットのうちの片側のスロットの部分のみを示している。回転子外径側の１層目永久磁石３２は、発生する磁束により、１層目外径ブリッジ側磁石３２１と１層目有効磁石３２２と１層目中央ブリッジ側磁石３２３の３つの領域に分けられる。１層目外径ブリッジ側磁石３２１より発生する磁束は、１層目外径ブリッジ３４に回り込み、１層目外径ブリッジ３４を磁気飽和させるために使用される。そのため、１層目外径ブリッジ側磁石３２１より発生する磁束は固定子と回転子の空隙磁束に寄与しない漏れ磁束となる。１層目中央ブリッジ側磁石３２３より発生する磁束は、１層目中央ブリッジ３３に回り込み、１層目中央ブリッジ３３を磁気飽和させるために使用される。そのため、１層目中央ブリッジ側磁石３２３より発生する磁束は固定子と回転子の空隙磁束に寄与しない漏れ磁束となる。１層目有効磁石３２２より発生する磁束は、固定子１と回転子２の空隙に向かうため、固定子１と回転子２の空隙磁束に寄与する有効磁束となる。

回転子内径側の２層目永久磁石４２は、発生する磁束により２層目外径ブリッジ側磁石４２１と２層目有効磁石４２２と２層目中央ブリッジ側磁石４２３の３つの領域に分けられる。２層目外径ブリッジ側磁石４２１より発生する磁束は、２層目外径ブリッジ４４に回り込み、２層目外径ブリッジ４４を磁気飽和させるために使用される。そのため、２層目外径ブリッジ側磁石４２１より発生する磁束は固定子と回転子の空隙磁束に寄与しない漏れ磁束となる。２層目中央ブリッジ側磁石４２３より発生する磁束は、２層目中央ブリッジ４３に回り込み、２層目中央ブリッジ４３を磁気飽和させるために使用される。そのため、２層目中央ブリッジ側磁石４２３より発生する磁束は固定子１と回転子２の空隙磁束に寄与しない漏れ磁束となる。２層目有効磁石４２２より発生する磁束は、１層目有効磁石３２２に向かう磁束と、１層目磁石スロット３１と２層目磁石スロット４１の間を通過して固定子１と回転子２の空隙に向かう磁束とに分かれる。このとき、２層目有効磁石４２２より発生する磁束は、１層目有効磁石３２２の幅と２層目有効磁石４２２の幅の比に応じて、１層目有効磁石３２２に向かう磁束と、１層目磁石スロット３１と２層目磁石スロット４１の間を通過して固定子１と回転子２の空隙に向かう磁束とに分かれる。

図５は磁石スロットと永久磁石の寸法の詳細を示す拡大模式図である。回転子外径側の１層目外径ブリッジ３４の幅をa、１層目中央ブリッジ３３の幅をb、回転子内径側の２層目外径ブリッジ４４の幅をc、２層目中央ブリッジ４３の幅をdとする。それぞれのブリッジの幅に関して、均一でない時はブリッジの幅が最も狭くなる箇所をそれぞれのブリッジの幅とする。回転子外径側の１層目永久磁石３２の幅をＷ_１、回転子内径側の２層目永久磁石４２の幅をＷ_２とし、１層目外径ブリッジを磁気飽和させるために使用される１層目外径ブリッジ側磁石３２１の幅をＷ_１ａ、１層目中央ブリッジを磁気飽和させるために使用される１層目中央ブリッジ側磁石３２３の幅をＷ_１ｂ、２層目外径ブリッジを磁気飽和させるために使用される２層目外径ブリッジ側磁石４２１の幅をＷ_２ｃ、２層目中央ブリッジを磁気飽和させるために使用される２層目中央ブリッジ側磁石幅をＷ_２ｄとする。ここで、磁石の幅は、図５に示すように、各永久磁石の外径ブリッジ側端部から中央ブリッジ側端部へ向かう方向の寸法である。回転子鉄心の飽和磁束密度をＢ_ｓ、１層目の磁石磁束密度をＢ_ｍ１、２層目の磁石磁束密度をＢ_ｍ２としたときに、１層目外径ブリッジ側磁石３２１の幅Ｗ_１ａ、１層目中央ブリッジ側磁石３２３の幅Ｗ_１ｂ、２層目外径ブリッジ側磁石４２１の幅Ｗ_２ｃ、２層目中央ブリッジ側磁石４２３の幅Ｗ_２ｄは式（１）～式（４）で算出される。なお、上記磁石の幅はいずれも、１層目、２層目ともに、１対のスロットのうちの１個のスロットに挿入された永久磁石における幅を示している。

１層目中央ブリッジ３３には図５に示す１層目永久磁石３２からの漏れ磁束だけではなく、１層目中央ブリッジに３３対して図５に示す１層目永久磁石３２とは反対側に配置されている永久磁石の漏れ磁束も回り込む。したがって１層目中央ブリッジ側磁石３２３は１層目中央ブリッジ３３の幅の半分を磁気飽和させるために使用される。同様に２層目中央ブリッジ４３には、２層目中央ブリッジに４３に対して図５に示す２層目永久磁石４２とは反対側に配置されている永久磁石の漏れ磁束も回り込む。したがって２層目中央ブリッジ側磁石４２３は２層目中央ブリッジ４３の幅の半分を磁気飽和させるために使用される。積層された電磁鋼板を用いたときの回転子鉄心の飽和磁束密度Ｂ_ｓが２Ｔ、１層目磁石磁束密度Ｂ_ｍ１と２層目磁石磁束密度Ｂ_ｍ２が１Ｔの場合、１層目外径ブリッジ側磁石３２１の幅Ｗ_１ａ、１層目中央ブリッジ側磁石３２３の幅Ｗ_１ｂ、２層目外径ブリッジ側磁石４２１の幅Ｗ_２ｃ、２層目中央ブリッジ側磁石４２３の幅Ｗ_２ｄは式（５）～式（８）で算出される。

１層目有効磁石３２２の幅をＷ_１ｅ、２層目有効磁石４２２の幅をＷ_２ｅとすると、１層目有効磁石３２２の幅Ｗ_１ｅは１層目磁石の幅Ｗ_１から１層目外径ブリッジ側磁石３２１の幅Ｗ_１ａと１層目中央ブリッジ側磁石３２３の幅Ｗ_１ｂを差し引いた値であり、２層目有効磁石４２２の幅Ｗ_２ｅは２層目磁石の幅Ｗ_２から２層目外径ブリッジ側磁石４２１の幅Ｗ_２ｃと２層目中央ブリッジ側磁石４２３の幅Ｗ_２ｄを差し引いた値である。したがって、１層目有効磁石３２２の幅Ｗ_１ｅと２層目有効磁石４２２の幅Ｗ_２ｅは、式（１）から式（４）を用いて、式（９）～式（１０）で算出される。

式（９）で算出された１層目有効磁石３２２の幅Ｗ_１ｅと式（１０）で算出された２層目有効磁石４２２の幅Ｗ_２ｅが回転子起磁力に寄与する磁石幅である。式（９）で算出された１層目有効磁石３２２の幅Ｗ_１ｅに１層目磁石磁束密度Ｂ_ｍ１を掛けた値が１層目有効磁束φ_ｍ１であり、式（１０）で算出された２層目有効磁石４２２の幅Ｗ_２ｅに２層目磁石磁束密度Ｂ_ｍ２を掛けた値が２層目有効磁束φ_ｍ２である。式（５）～式（１０）では、積層された電磁鋼板を用いたときの回転子鉄心の飽和磁束密度Ｂ_ｓを２Ｔ、１層目磁石磁束密度Ｂ_ｍ１と２層目磁石磁束密度Ｂ_ｍ２を１Ｔとしたが、回転子鉄心の飽和磁束密度Ｂ_ｓは、電磁鋼板では１．５Ｔ～２．０Ｔ、磁石磁束密度Ｂ_ｍはネオジム磁石では１．０Ｔ～１．４Ｔの範囲のものが通常使用される。１層目磁石と２層目磁石は、同じ磁石あるいは異なる磁石のどちらでもよい。

図５に示すように、１層目磁石スロット３１と２層目磁石スロット４１の最接近距離をＬとする。１層目磁石スロット３１と２層目磁石スロット４１の間には、最大で２層目有効磁石４２２の幅Ｗ_２ｅの半分による磁束と２層目外径ブリッジ側磁石４２１の幅Ｗ_２ｃによる磁束が通過する。回転子鉄心２０の飽和磁束密度をＢ_ｓ、２層目磁石の磁束密度をＢ_ｍ２とすると、１層目磁石スロット３１と２層目磁石スロット４１の間で磁気飽和させないためには、式（１１）の関係式が成立する必要がある。

式（１１）において左辺は、式（１０）より式（１２）として算出される。

したがって、式（１１）の関係式は、式（１３）となる。

１層目磁石スロット３１と２層目磁石スロット４１の間が磁気飽和すると、空隙磁束密度も低下してトルクが低下する。また、有効磁束が通過する箇所が磁気飽和するため、空隙磁束密度の高調波成分が増加して、振動と騒音が増加する。１層目磁石スロット３１と２層目磁石スロット４１の間で磁気飽和させないことで、空隙磁束密度の低下を抑えることができ、トルクの低下を抑えることができる。また、有効磁束が通過する箇所が磁気飽和しないようにすることで、空隙磁束密度の高調波成分を低減できるため、振動と騒音を減少させることができる。

図６は１層目と２層目の磁石極弧角の寸法を示す断面図である。回転子の回転中心軸をOとする。１層目磁石スロット３１の外径ブリッジ３４に接する辺の中でＶ字状内側の角となる点をそれぞれＸ_ｍ１１、Ｘ_ｍ１２とする。１層目磁石極弧角θ_ｍ１を、回転中心軸OとＸ_ｍ１１を結んだ線と回転中心軸OとＸ_ｍ１２を結んだ線とがなす角として定義する。２層目磁石スロット４１の外径ブリッジ４４に接する辺の中でＶ字状内側の角となる点をそれぞれＸ_ｍ２１、Ｘ_ｍ２２とする。２層目磁石極弧角θ_ｍ２を、回転中心軸OとＸ_ｍ２１を結んだ線と回転中心軸OとＸ_ｍ２２を結んだ線とがなす角として定義する。なお、図６におけるＸ_ｍ１１、Ｘ_ｍ２１を、図７の拡大断面図にてより明確に示しておく。１層目磁石極弧角θ_ｍ１は１層目有効磁石幅と２層目有効磁石幅の半分が生成する起磁力の範囲であり、２層目磁石極弧角θ_ｍ２から１層目磁石極弧角θ_ｍ１を除いた範囲は２層目有効磁石幅の半分が生成する起磁力の範囲となる。また、電気角相当の磁石極弧角は機械角相当の磁石極弧角に極対数を掛けた値として算出される。

図８は有効磁石幅における有効磁束による回転子起磁力を示す模式図である。１層目磁石極弧角θ_m1の範囲では１層目有効磁束と２層目有効磁束の半分が生成する起磁力の大きさとなり、２層目磁石極弧角θ_m2から１層目磁石極弧角θ_m1を除いた範囲では、２層目有効磁束の半分が生成する起磁力の大きさとなる。空隙磁束密度は回転子起磁力に回転子と固定子間のパーミアンスを掛けた値として算出されるため、空隙磁束密度の高調波成分を減少させるためには回転子起磁力の高調波成分を減少させることが有効となる。Ｆ_１を回転子起磁力の電気角１周期の基本波成分の大きさとし、Ｆ_ｎを回転子起磁力のｎ次成分の大きさとすると、回転子起磁力の高調波成分の含有率を示す指標として、高調波含有率ＴＨＤを式（１４）として定義する。

ＴＨＤが小さいほど回転子起磁力が正弦波に近付くため、空隙磁束密度も正弦波に近付き、振動と騒音を減少させることができる。

図９は回転子起磁力のＴＨＤが最小となる有効磁束の関係を示す図である。１層目磁石極弧角θ_ｍ１と２層目磁石極弧角θ_ｍ２は電気角相当の大きさである。２層目磁石極弧角θ_ｍ２として１４０ｄｅｇ、１２０ｄｅｇ、１００ｄｅｇの３種類をプロットしており、２層目磁石極弧角θ_ｍ２それぞれで１層目磁石極弧角θ_ｍ１を変化させた際に、回転子起磁力のＴＨＤが最小となるφ_m1/φ_m2を示している。本構成は２層目磁石スロットを有しているため、２層目磁石極弧角θ_ｍ２の最大は140degまでとしている。１層目磁石極弧角θ_ｍ１と２層目磁石極弧角θ_ｍ２が各条件の場合において、回転子起磁力のＴＨＤが最小となるのは、１層目有効磁束φ_ｍ１を２層目有効磁束φ_ｍ２で除したφ_ｍ１/φ_ｍ２が０．５以下の範囲となる時である。すなわち、１層目有効磁束φ_ｍ１を２層目有効磁束φ_ｍ２の半分以下となる構成にすることで、回転子起磁力のＴＨＤを最小とすることが可能となる。また、高調波成分を増加させる余分な磁石幅を減少させることができるため、磁石量の低減も可能となる。

２層目有効磁石４２２の磁束の半分は１層目有効磁石３２２に向かい、残りの半分の磁束は1層目磁石スロットと２層目磁石スロットの間を通過して空隙に向かう。そのため、１層目有効磁石３２２から発生する１層目有効磁束を２層目有効磁石４２２から発生する２層目有効磁束の半分より大きくした場合には、回転子起磁力の１層目磁石極弧角θ_ｍ１の範囲における起磁力が大きくなり、高調波成分が増加する。したがって、図９に示す通り、１層目有効磁束φ_ｍ１を２層目有効磁束φ_ｍ２の半分以下、すなわちφ_ｍ１≦φ_ｍ２／２とすることで、回転子起磁力のＴＨＤを最小とすることができ、振動と騒音を低減することが可能となる。

前述のように、１層目有効磁束φ_ｍ１は、式（９）で算出された１層目有効磁石３２２の幅Ｗ_１ｅに１層目磁石磁束密度Ｂ_ｍ１を掛けた値であり、２層目有効磁束φ_ｍ２は、式（１０）で算出された２層目有効磁石４２２の幅Ｗ_２ｅに２層目磁石磁束密度Ｂ_ｍ２を掛けた値である。したがって、

を満足する構成とすればよい。

図１０および図１１は磁石極弧角と回転子起磁力のＴＨＤの関係を示す図である。図１０に示すように、２層目磁石極弧角θ_ｍ２が１４０ｄｅｇでは、１層目磁石極弧角θ_ｍ１と２層目磁石極弧角θ_ｍ２の比θ_ｍ１／θ_ｍ２が８０／１４０となる０．５７で回転子起磁力のＴＨＤが最小となる。１層目磁石極弧角θ_ｍ１と２層目磁石極弧角θ_ｍ２は、製造上の公差を有するためバラつきが生じる。４極対のモータにおいて機械角相当±１ｄｅｇの公差を有する場合には、電気角相当±４ｄｅｇのバラつきが発生する。このとき、１層目磁石極弧角θ_ｍ１と２層目磁石極弧角θ_ｍ２の比θ_ｍ１／θ_ｍ２は０．５３から０．６２の範囲に収まるため、２層目磁石極弧角θ_ｍ２が１４０ｄｅｇでは、１層目磁石極弧角θ_ｍ１と２層目磁石極弧角θ_ｍ２の比θ_ｍ１／θ_ｍ２が０．５３から０．６２において、回転起磁力のＴＨＤが最小となる。

図１１に示すように、２層目磁石極弧角θ_ｍ２が１２０ｄｅｇでは、１層目磁石極弧角θ_ｍ１と２層目磁石極弧角θ_ｍ２の比θ_ｍ１／θ_ｍ２が６０/１２０となる０．５０で回転子起磁力のＴＨＤが最小となる。１層目磁石極弧角θ_ｍ１と２層目磁石極弧角θ_ｍ２は、製造上の公差を有するためバラつきが生じる。４極対のモータにおいて機械角相当±１ｄｅｇの公差を有する場合には、電気角相当±４ｄｅｇのバラつきが発生する。このとき、１層目磁石極弧角θ_ｍ１と２層目磁石極弧角θ_ｍ２の比θ_ｍ１／θ_ｍ２は０．４５から０．５５の範囲に収まるため、２層目磁石極弧角θ_ｍ２が１２０ｄｅｇでは、１層目磁石極弧角θ_ｍ１と２層目磁石極弧角θ_ｍ２の比θ_ｍ１／θ_ｍ２が０．４５から０．５５において、回転起磁力のＴＨＤが最小となる。図１０および図１１を参照すれば、２層目磁石極弧角θ_ｍ２が１２０ｄｅｇから１４０ｄｅｇの範囲においては、θ_ｍ１／θ_ｍ２が０．４５以上０．６２以下で回転子起磁力のＴＨＤがほぼ最小になるといえる。

図１２は固定子において毎極毎相のスロット数が２の場合のティース間の弧角の寸法を示す断面図である。各ティースの先端において、ティースの幅が広くなる突起状のつばを有している。回転子の回転中心軸をＯとする。Ｖ字状に配置された１層目磁石スロットの外径ブリッジに接する辺のＶ字状内側の角と回転中心軸を結んだ線の延長線上に固定子のティースが対向しているとする。このとき、Ｖ字状に配置された２層目磁石スロットの外径ブリッジに接する辺のＶ字状内側の角と回転中心軸を結んだ線の延長線上に固定子のティースが対向する。１層目磁石と２層目磁石から発生した有効磁束が対向する固定子のティースに鎖交するため、磁束が妨げられることなく、空隙磁束密度の高調波成分を低減することが可能である。

磁極中心軸に位置するティース１３０から反時計回りの隣に位置するティース１３１のつば１５１において、ティース１３０の側に位置する突起先端をＸ_ｓ１１、ティース１３０から離れた側に位置する突起先端をＸ_ｓ２１とする。磁極中心軸に位置するティース１３０から時計回りの隣に位置するティース１３３のつば１５３において、ティース１３０の側に位置する突起先端をＸ_ｓ１２、ティース１３０から離れた側に位置する突起先端をＸ_ｓ２２とする。磁極中心軸に位置するティース１３０を隔てた２個のティース１３１と１３３の内側弧角θ_ｓ１を、回転中心軸ＯとＸ_ｓ１１を結んだ線と回転中心軸ＯとＸ_ｓ１２を結んだ線とがなす角とし、外側弧角θ_ｓ２を、回転中心軸ＯとＸ_ｓ２１を結んだ線と回転中心軸ＯとＸ_ｓ２２を結んだ線とがなす角と定義する。磁極中心軸に位置するティース１３０から反時計回りに周方向３番目に位置するティース１３２のつば１５２において、ティース１３０の側に位置する突起先端をＸ_ｓ３１、ティース１３０から離れた側に位置する突起先端をＸ_ｓ４１とし、磁極中心軸に位置するティース１３０から時計回りに周方向３番目に位置するティース１３４のつば１５４において、ティース１３０の側に位置する突起先端をＸ_ｓ３２、ティース１３０から離れた側に位置する突起先端をＸ_ｓ４２とする。磁極中心軸から周方向３番目の２個のティース１３２と１３４、すなわち磁極中心軸に位置するティース１３０を中央とする３個のティース１３０、１３１、１３３を隔てた２個のティース１３２と１３４の内側弧角θ_ｓ３を、回転中心軸ＯとＸ_ｓ３１を結んだ線と回転中心軸ＯとＸ_ｓ３２を結んだ線とがなす角とし、外側弧角θ_s4を、回転中心軸ＯとＸ_ｓ４１を結んだ線と回転中心軸ＯとＸ_ｓ４２を結んだ線とがなす角と定義する。１層目永久磁石が周方向２番目ティース１３１に対向する位置にあれば、１層目有効磁束が妨げられることなく固定子に鎖交することができる。すなわち、図６に示す１層目磁石極弧角θ_ｍ１が、θ_ｓ１≦θ_ｍ１≦θ_ｓ２を満足する構成とする。また、２層目永久磁石が周方向３番目ティース１３２に対向する位置にあれば、２層目有効磁束が妨げられることなく固定子に鎖交することができる。すなわち、図６に示す２層目磁石極弧角θ_ｍ２が、θ_ｓ３≦θ_ｍ２≦θ_ｓ４を満足する構成とする。本構成により、１層目永久磁石による有効磁束と２層目永久磁石による有効磁束が特定のティースに集中することなく鎖交するため、空隙磁束密度の高調波成分を減少させることができ、振動と騒音を低減することができる。また、特定のティースに磁束が集中するとティースに磁気飽和が発生し、空隙磁束密度が上昇せず、トルクも上昇しなくなる。本構成では、特定のティースに対する磁束集中を緩和し、トルクを上昇させることが可能となる。

実施の形態２．
図１３は実施の形態２による回転電機の１極分の回転子の構成を示す拡大断面図である。実施の形態１と同様に、回転子はＶ字状に配置された磁石スロット２層を有する回転子鉄心と、２層の磁石スロットに挿入された永久磁石で構成される。２層の磁石スロットは、回転子外径側の１層目磁石スロット３１と回転子内径側の２層目磁石スロット４１で構成される。各層における磁石スロットは、中央に位置する中央ブリッジと、回転子２の外面との間に位置する２個の外径ブリッジのそれぞれの外径ブリッジとの間に形成された１対のスロットで構成され、各スロット内にはそれぞれ永久磁石が挿入されている。すなわち、１層目磁石スロット３１は、中央に位置する１層目中央ブリッジ３３と回転子外径側に位置する１層目外径ブリッジ３４の間に形成された１対のスロットである。２層目磁石スロット４１は、中央に位置する２層目中央ブリッジ４３と回転子外径側に位置する２層目外径ブリッジ４４の間に形成された１対のスロットである。１層目磁石スロット３１には１層目永久磁石３２が挿入され、２層目磁石スロット４１には２層目永久磁石４２が挿入される。１層目永久磁石３２は１層目外径ブリッジ３４側の１層目外側磁石３５と１層目中央ブリッジ３３側の１層目中央側磁石３６に分割されており、２層目永久磁石４２は２層目外径ブリッジ４４側の２層目外側磁石４５と２層目中央ブリッジ４３側の２層目中央側磁石４６に分割されている。すなわち、各層の永久磁石は、各磁石スロットの長手方向において物理的に分割された永久磁石である。

図１４は実施の形態２による回転電機の回転子の永久磁石とブリッジの寸法の詳細を示す断面図である。回転子外径側の１層目外径ブリッジ３４の幅をａ、１層目中央ブリッジ３３の幅をｂ、回転子内径側の２層目外径ブリッジ４４の幅をｃ、２層目中央ブリッジ４３の幅をｄとする。それぞれのブリッジ幅に関して、均一でない時はブリッジ幅が最も狭くなる箇所をそれぞれのブリッジ幅とする。分割された回転子外径側の１層目外側磁石３５の幅をＷ_１Ｌ、1層目中央側磁石３６の幅をＷ_１Ｍ、回転子内径側の２層目外側磁石４５の幅をＷ_２Ｌ、２層目中央側磁石４６の幅をＷ_２Ｍとする。また、１層目外径ブリッジ３４を磁気飽和させるために使用される１層目外径ブリッジ側磁石３５１の幅をＷ_１ａ、１層目中央ブリッジを磁気飽和させるために使用される１層目中央ブリッジ側磁石３６１の幅をＷ_１ｂ、２層目外径ブリッジ４４を磁気飽和させるために使用される２層目外径ブリッジ側磁石４５１の幅をＷ_２ｃ、２層目中央ブリッジ４３を磁気飽和させるために使用される２層目中央ブリッジ側磁石４６１の幅をＷ_２ｄとする。回転子鉄心の飽和磁束密度をＢ_ｓ、１層目の磁石磁束密度をＢ_ｍ１、２層目の磁石磁束密度をＢ_ｍ２としたとき、１層目外径ブリッジ側磁石３５１の幅Ｗ_１ａ、１層目中央ブリッジ側磁石３６１の幅Ｗ_１ｂ、２層目外径ブリッジ側磁石４５１の幅Ｗ_２ｃ、２層目中央ブリッジ側磁石４６１の幅Ｗ_２ｄは実施の形態１と同様に式（１）～式（４）で算出される。

１層目外側有効磁石３５２の幅をＷ_１Ｌｅ、1層目内側有効磁石３６２の幅をＷ_１Ｍｅ、２層目外側有効磁石４５２の幅をＷ_２Ｌｅ、２層目内側有効磁石４６２の幅をＷ_２Ｍｅとすると、１層目有効磁石の幅は1層目外側有効磁石３５２の幅Ｗ_１Ｌｅと１層目内側有効磁石３６２の幅Ｗ_１Ｍｅの和となり、２層目有効磁石の幅は２層目外側有効磁石４５２の幅Ｗ_２Ｌｅと２層目内側有効磁石４６２の幅Ｗ_２Ｍｅの和となる。１層目外側有効磁石３５２の幅は１層目外側磁石３５の幅Ｗ_１Ｌから１層目外径ブリッジ側磁石３５１の幅Ｗ_１ａを差し引いた値であり、１層目内側有効磁石３６２の幅Ｗ_１Ｍｅは１層目内側磁石３６の幅Ｗ_１Ｍから１層目中央ブリッジ側磁石３６１の幅Ｗ_１ｂを差し引いた値である。２層目外側有効磁石４５２の幅Ｗ_２Ｌｅは２層目外側磁石４５の幅Ｗ_２Ｌから２層目外径ブリッジ側磁石４５１の幅Ｗ_２ｃを差し引いた値であり、２層目内側有効磁石４６２の幅Ｗ_２Ｍｅは２層目内側磁石４６の幅Ｗ_２Ｍから２層目中央ブリッジ側磁石４６１の幅Ｗ_２ｄを差し引いた値である。１層目外側有効磁石３５２の幅Ｗ_１Ｌｅ、１層目内側有効磁石３６２の幅Ｗ_１Ｍｅ、２層目外側有効磁石４５２の幅Ｗ_２Ｌｅ、２層目内側有効磁石４６２の幅Ｗ_２Ｍｅは式（１６）～式（１９）で算出される。

このとき、１層目外側有効磁石３５２の幅Ｗ_１Ｌｅ、１層目内側有効磁石３６２の幅Ｗ_１Ｍｅの和が１層目有効磁石幅であり、２層目外側有効磁石４５２の幅Ｗ_２Ｌｅ、２層目内側有効磁石４６２の幅Ｗ_２Ｍｅの和が２層目有効磁石幅であるため、１層目有効磁束φ_ｍ１は（Ｗ_１Ｌｅ＋Ｗ_１Ｍｅ）×Ｂ_ｍ１、２層目有効磁束φ_ｍ２は（Ｗ_２Ｌｅ＋Ｗ_２Ｍｅ）×Ｂ_ｍ２となる。このとき、１層目有効磁束φ_ｍ１を２層目有効磁束φ_ｍ２の半分以下となる構成にすることで、回転子起磁力の高調波成分を減少させることができる。さらに、磁石を分割することで、磁石に発生する渦電流を低減することが可能となり、磁石温度上昇を抑えて減磁を防ぐことも可能となる。また、磁石に発生する渦電流は高調波磁束となり、空隙磁束密度の高調波成分となるため、磁石を分割することは振動と騒音の低減にも寄与する。

図１５は実施の形態２による回転電機の１極分の回転子の別の構成を示す断面図である。２層目磁石スロットに挿入された永久磁石４２は、磁石間に空隙があるように離れて分割された磁石であってもよい。図１５に示す構成の回転電機においても、１層目有効磁束が２層目有効磁束の半分以下となる構成にすることで、回転子起磁力の高調波成分を低減でき、振動と騒音を低減することができる。

実施の形態３．
図１６は実施の形態３による回転電機の１極分の回転子を示す断面図である。実施の形態１と同様に、回転子はＶ字状に配置された磁石スロット２層を有する回転子鉄心と、２層の磁石スロットに挿入された永久磁石で構成される。２層の磁石スロットは、回転子外径側の１層目磁石スロット３１と回転子内径側の２層目磁石スロット４１で構成される。１層目磁石スロット３１は、中央に位置する１層目中央ブリッジ３３と回転子外径側に位置する１層目外径ブリッジ３４で保持される。２層目磁石スロット４１は、中央に位置する２層目中央ブリッジ４３と回転子外径側に位置する２層目外径ブリッジ４４で保持される。１層目磁石スロット３１に挿入される１層目永久磁石３２と２層目磁石スロット４１に挿入される２層目永久磁石４２の種類が異なる。図１６は２層目磁石磁束密度Ｂ_ｍ２が１層目磁石磁束密度をＢ_ｍ１よりも大きい場合を示している。

このときも、１層目有効磁石幅による1層目有効磁束が２層目有効磁石幅による２層目有効磁束の半分以下となる構成にすることで、回転子起磁力のＴＨＤを最小とする効果が同様に得られる。２層目磁石磁束密度が１層目磁石磁束密度よりも大きい場合には、２層目外径ブリッジ４４と２層目中央ブリッジ４３を磁気飽和させるために使用される２層目外径ブリッジ側磁石幅と２層目中央ブリッジ側磁石幅が小さくなる。回転子外径側の１層目磁石３２の幅をＷ_１、回転子内径側の２層目磁石４２の幅をＷ_２、回転子鉄心の飽和磁束密度をＢ_ｓ、回転子外径側の１層目外径ブリッジ３４の幅をａ、１層目中央ブリッジ３３の幅をｂ、回転子内径側の２層目外径ブリッジ４４の幅をｃ、２層目中央ブリッジ４３の幅をｄとしたときに、前述の式（１５）の関係の構成とすることで、１層目有効磁石幅による1層目有効磁束が２層目有効磁石幅による２層目有効磁束の半分以下となる。

２層目磁石磁束密度が１層目磁石磁束密度より大きい磁石を用いることで、２層目磁石幅を小さくすることが可能となり、少ない磁石量で回転機起磁力のＴＨＤを最小にすることが可能となり、振動と騒音を低減できる。

本願には、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。

１固定子、２回転子、１０固定子鉄心、１１コイル、１３０、１３１、１３２、１３３、１３４ティース、１４コイルスロット、１５１、１５２、１５３、１５４つば、２１磁石スロット、２２永久磁石、３１１層目磁石スロット、３２１層目永久磁石、３２１１層目外径ブリッジ側磁石、３２２１層目有効磁石、３２３１層目中央ブリッジ側磁石、３３１層目中央ブリッジ、３４１層目外径ブリッジ、３５１層目外側磁石、３６１層目内側磁石、４１２層目磁石スロット、４２２層目永久磁石、４２１２層目外径ブリッジ側磁石、４２２２層目有効磁石、４２３２層目中央ブリッジ側磁石、４３２層目中央ブリッジ、４４２層目外径ブリッジ、４５２層目外側磁石、４６２層目内側磁石

Claims

円筒形状の内面側に複数のティースを有し、隣り合うティース間に設けられたコイルスロットにコイルが巻回された固定子と、
前記固定子の内面と間隔を有するように外面が対向し、回転中心軸の周りに回転自在に配置された円柱形状の回転子とを備えた回転電機において、
前記回転子には、回転中心軸側から外周側に向かって開くＶ字状に配置された磁石スロットが半径方向に２層構造となるように形成され、
各層における前記磁石スロットは、中央に位置する中央ブリッジと、前記回転子の外面との間に位置する２個の外径ブリッジのそれぞれの外径ブリッジとの間に形成された１対のスロットで構成され、各スロット内にはそれぞれ永久磁石が挿入されており、
外径側の前記磁石スロットである１層目磁石スロットに挿入された前記永久磁石である１層目永久磁石において、当該１層目磁石スロットに対応した前記中央ブリッジである１層目中央ブリッジを磁気飽和させる磁石幅と、当該１層目磁石スロットに対応した前記外径ブリッジである１層目外径ブリッジを磁気飽和させる磁石幅とを除いた磁石幅である１層目有効磁石幅から発生する磁束を１層目有効磁束とし、
内径側の前記磁石スロットである２層目磁石スロットに挿入された前記永久磁石である２層目永久磁石において、当該２層目磁石スロットに対応した前記中央ブリッジである２層目中央ブリッジを磁気飽和させる磁石幅と、当該２層目磁石スロットに対応した前記外径ブリッジである２層目外径ブリッジを磁気飽和させる磁石幅とを除いた磁石幅である２層目有効磁石幅から発生する磁束を２層目有効磁束としたとき、
前記１層目有効磁束が前記２層目有効磁束の半分以下となるよう構成されている回転電機。
前記１層目磁石スロットを構成する１対のスロットのうちの１個のスロットに挿入された前記１層目永久磁石の磁石幅をＷ_１、前記１層目外径ブリッジの幅をａ、前記１層目中央ブリッジの幅をｂ、前記２層目磁石スロットを構成する１対のスロットのうちの１個のスロットに挿入された前記２層目永久磁石の磁石幅をＷ_２、前記２層目外径ブリッジの幅をｃ、前記２層目中央ブリッジの幅をｄ、回転子を構成する回転子鉄心の飽和磁束密度をＢ_ｓ、前記１層目永久磁石の磁束密度をＢ_ｍ１、前記２層目永久磁石の磁束密度をＢ_ｍ２としたとき、

を満足する請求項１に記載の回転電機。
前記１層目磁石スロットと前記２層目磁石スロットの最接近距離をＬとしたとき

を満足する請求項２に記載の回転電機。
前記１層目磁石スロットの前記１層目外径ブリッジに接する辺のＶ字状内側の角と前記回転中心軸を結ぶ１対の線がなす角度を１層目磁石極弧角θ_ｍ１とし、
前記２層目磁石スロットの前記２層目外径ブリッジに接する辺のＶ字状内側の角と前記回転中心軸を結ぶ１対の線がなす角度を２層目磁石極弧角θ_ｍ２としたとき、

を満足する請求項２に記載の回転電機。
前記１層目磁石スロットの前記１層目外径ブリッジに接する辺のＶ字状内側の角と前記回転中心軸を結ぶ線の延長線上に前記固定子の１のティースが位置するとき、前記２層目磁石スロットの前記２層目外径ブリッジに接する辺のＶ字状内側の角と前記回転中心軸を結ぶ線の延長線上に前記固定子の別のティースが位置するように、前記固定子のティースの弧角が設定されている請求項２に記載の回転電機。
前記回転子における、前記１層目磁石スロットの前記外径ブリッジに接する辺のＶ字状内側の角と回転中心軸を結んだ一対の線がなす角度を１層目磁石極弧角θ_ｍ１とし、前記２層目磁石スロットの外径ブリッジに接する辺のＶ字状内側の角と回転中心軸を結んだ一対の線がなす角度を２層目磁石極弧角θ_ｍ２とし、
前記固定子は毎極毎相のスロット数が２の固定子であって、それぞれのティースの先端においてティースの幅が広くなる突起状のつばを有し、
１個のティースを隔てた２個のティースにおける、それぞれの前記つばの前記１個のティース側のそれぞれの突起先端と回転中心軸を結んだ線がなす角度をθ_ｓ１、それぞれの前記つばの前記１個のティースから離れた側のそれぞれの突起先端と回転中心軸を結んだ線がなす角度をθ_ｓ２とし、
前記１個のティースを中央のティースとする３個のティースを隔てた２個のティースにおける、それぞれの前記つばの前記１個のティース側のそれぞれの突起先端と回転中心軸を結んだ線がなす角度をθ_ｓ３、それぞれの前記つばの前記１個のティースから離れた側のそれぞれの突起先端と回転中心軸を結んだ線がなす角度をθ_ｓ４としたときに、
θ_ｓ１≦θ_ｍ１≦θ_ｓ２およびθ_ｓ３≦θ_ｍ２≦θ_ｓ４
を満足する請求項５に記載の回転電機。
前記１層目永久磁石および前記２層目永久磁石は、各磁石スロットの長手方向において物理的に分割された永久磁石である請求項１から６のいずれか１項に記載の回転電機。
前記２層目永久磁石の磁束密度が、前記１層目永久磁石の磁束密度よりも大きい請求項１から７のいずれか１項に記載の回転電機。