JP7114005B1

JP7114005B1 - 回転電機

Info

Publication number: JP7114005B1
Application number: JP2022523312A
Authority: JP
Inventors: 俊成近藤; 貴裕水田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2022-01-27
Filing date: 2022-01-27
Publication date: 2022-08-05
Anticipated expiration: 2042-01-27
Also published as: WO2023144957A1; JPWO2023144957A1

Abstract

高調波成分に起因してギャップに発生する高調波の電磁加振力を低減することができる回転電機を提供する。複数のティース（１４）を有する固定子（１０）と回転子（２０）とを備えた回転電機（１）であって、ティースの先端部には突出部（１７）が設けられており、回転軸（１３）と直交する方向の断面において、回転方向側における突出部の周方向の端部とティースの周方向の端部との間には第１低透磁率部（１８ａ）が設けられており、反回転方向側における突出部の周方向の端部とティースの周方向の端部との間には第２低透磁率部（１８ｂ）が設けられており、第１低透磁率部の周方向の幅は、第２低透磁率部の周方向の幅よりも小さい。

Description

本願は、回転電機に関する。

小型で高効率の特徴をもつ永久磁石型回転電機は、電気自動車、ハイブリッド自動車などの自動車用途、搬送機器、加工機器などの産業用途など幅広い分野で使用されている。永久磁石型回転電機においては、固定子の巻線に通電されて発生する電機子磁束と回転子の永久磁石が発生する界磁磁束とが吸引、反発することによって発生する磁石トルクが利用される。また、永久磁石が回転子コア内に埋め込まれた永久磁石埋込型の回転電機においては、前述の磁石トルクに加えて、電流位相角を進めた固定子の電機子磁束と回転子の磁気的な突極とによってリラクタンストルクが発生する。さらに、永久磁石型回転電機においては、電源周波数に同期してそれらのトルクを発生させる磁束の基本波成分以外の高調波成分が発生する。この高調波成分に起因して固定子と回転子との間のギャップに空間および時間高調波の電磁加振力が発生し、それが固定子を加振することで大きな振動および騒音が生じるという問題がある。

このような問題に対処した従来の回転電機として、電機子のティースの界磁部と対向する部位に突出部を設けた回転電機が開示されている。この回転電機においては、突出部は巻線用の溝に対して３６０°を磁極数で割った角度だけ円周方向にずれた位置に設けられている（例えば、特許文献１参照）。また、別の回転電機として、回転子の回転方向の反対側に位置する固定子のティースの端部に切り欠き部を備えた回転電機が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開昭６０－１５２２４０号公報特開平９－１０３０６２号公報

しかしながら電機子のティースに突出部を設けた従来の回転電機においては、突出部がティースの中心に設けられているので、電流位相角を進めたときの電磁加振力を低減することができないという問題があった。また、回転子の回転方向の反対側に位置する固定子のティースの端部に切り欠き部を備えた回転電機においては、切り欠き部が一方の端部のみであるので、ギャップに面する固定子のティースの形状で決まるパーミアンスの振幅および位相を調整することができず、十分に電磁加振力を低減できないという問題があった。

本願は、上述のような課題を解決するためになされたもので、高調波成分に起因して固定子と回転子との間のギャップに発生する高調波の電磁加振力を低減することができる回転電機を提供することを目的とする。

本願の回転電機は、固定子コアおよび巻線を有する固定子と、この固定子にギャップを挟んで回転軸を中心に回転可能に配置された回転子とを備えている。そして、固定子コアは、円筒形状のコアバックとこのコアバックから内径側に向かって突出して周方向に並んで配置された複数のティースとを有し、回転子は、円柱形状の回転子コアと複数の永久磁石とを有し、複数の永久磁石は回転子コア内に周方向に並んで配置されてそれぞれ磁極を構成しており、磁極の数とティースの数との比は２：３であり、ティースの先端部には内径側に向かって突出した突出部が設けられている。さらに、本願の回転電機は、回転軸と直交する方向の断面において、回転子の回転方向側における突出部の周方向の端部とティースの周方向の端部との間には固定子コアの透磁率よりも低い透磁率を有する第１低透磁率部が設けられており、回転子の反回転方向側における突出部の周方向の端部とティースの周方向の端部との間には固定子コアの透磁率よりも低い透磁率を有する第２低透磁率部が設けられており、第１低透磁率部の周方向の幅は、第２低透磁率部の周方向の幅よりも小さく設定されている。そして、本願の回転電機は、回転軸と直交する方向の断面において、突出部の周方向の両端部と回転軸の中心とを結ぶ直線のなす角度をＬ _ａとし、第２低透磁率部の周方向の両端部と回転軸の中心とを結ぶ直線のなす角度をＬ _ｂとし、周方向に隣接するティース同士の対向する２つの端部と回転軸の中心とを結ぶ直線のなす角度をＬ _ｓとし、ティースと回転子との間のギャップをｇとし、第１低透磁率部の径方向の長さをｇ _１とし、第２低透磁率部の径方向の長さをｇ _２としたときに、固定子のパーミアンスの振幅Ａ _ｐはＬ _ｂの関数として次の式で与えられ、パーミアンスの振幅Ａ _ｐの傾きが０以下に設定されている。

ただし、Ａ _１、Ｂ _１はそれぞれ次の式で算出される。

本願の回転電機は、回転軸と直交する方向の断面において、回転子の回転方向側における突出部の周方向の端部とティースの周方向の端部との間には固定子コアの透磁率よりも低い透磁率を有する第１低透磁率部が設けられており、回転子の反回転方向側における突出部の周方向の端部とティースの周方向の端部との間には固定子コアの透磁率よりも低い透磁率を有する第２低透磁率部が設けられており、第１低透磁率部の周方向の幅は、第２低透磁率部の周方向の幅よりも小さく設定されており、突出部の周方向の両端部と回転軸の中心とを結ぶ直線のなす角度をＬ _ａとし、第２低透磁率部の周方向の両端部と回転軸の中心とを結ぶ直線のなす角度をＬ _ｂとし、周方向に隣接するティース同士の対向する２つの端部と回転軸の中心とを結ぶ直線のなす角度をＬ _ｓとし、ティースと回転子との間のギャップをｇとし、第１低透磁率部の径方向の長さをｇ _１とし、第２低透磁率部の径方向の長さをｇ _２としたときに、固定子のパーミアンスの振幅Ａ _ｐはＬ _ｂの関数として次の式で与えられ、パーミアンスの振幅Ａ _ｐの傾きが０以下に設定されているので、固定子と回転子との間のギャップに発生する高調波の電磁加振力を低減することができる。

ただし、Ａ _１、Ｂ _１はそれぞれ次の式で算出される。

実施の形態１に係る回転電機の断面図である。実施の形態１に係る回転電機の拡大断面図である。実施の形態１に係る回転電機の磁束ベクトルの説明図である。実施の形態１に係る回転電機における固定子コアのパーミアンス波形を示した特性図である。実施の形態１に係る回転電機における空間３次のパーミアンスの振幅および位相を示した特性図である。実施の形態２に係る回転電機の断面図である。実施の形態３に係る回転電機の断面図である。実施の形態４に係る回転電機の運転状態を示す説明図である。実施の形態５に係る固定子コアの製造方法を説明するための図である。実施の形態６に係る回転電機の断面図である。

以下、本願を実施するための実施の形態に係る回転電機について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る回転電機の断面図である。図１は、回転電機の回転軸と直交する面の断面図である。本実施の形態の回転電機１は、固定子１０とこの固定子１０にギャップを挟んで回転可能に配置された回転子２０とを備えている。

固定子１０は、固定子コア１１と巻線１２とを有している。固定子コア１１は、円筒形状のコアバック１３とこのコアバック１３から内径側に突出した６個のティース１４とで構成されている。６個のティース１４は、周方向に等間隔で配置されている。巻線１２は、ティース１４に絶縁部材を介して集中巻き構造で巻き回されている。それぞれのティース１４に挟まれたスロットには、両側のティースにそれぞれ巻き回された二つの巻線１２が収納されている。このように構成された回転電機１においては、固定子１０の巻線１２が集中巻き構造で巻き回されているので、固定子コア１１から回転軸方向に突出する巻線部分を小さくすることができる。そのため、回転電機１の損失の一つである銅損が小さくなるので、この回転電機は高効率となる。

回転子２０は、円柱形状の回転子コア２１と４個の永久磁石２２とを有している。回転子２０は、回転軸２３に締結されており回転軸２３を中心に回転自在に支持されている。この回転子２０は４極の磁極構造であり、４個の永久磁石２２は回転子コア２１の磁石埋め込み孔にそれぞれ埋め込まれて固定されている。永久磁石２２が埋め込まれた磁石埋め込み孔の両端には、空隙で構成されたフラックスバリア２４が形成されている。本実施の形態の回転電機１においては、固定子１０の巻線１２に通電したときに発生する回転磁界で回転子２０が回転する。回転子２０は、図１に矢印で示すように反時計回りに回転するものとする。そして、矢印で示す反時計回りの方向を回転方向、時計回りの方向を反回転方向と称す。本願明細書において、回転子２０の回転方向は、とくに指定がない限り反時計回りとする。

なお、本実施の形態においては、回転子２０の磁極数が４、固定子１０のティース１４の数が６の回転電機で説明するが、磁極数とティースの数との比が２：３であれば磁極数およびティースの数はこの個数に限定されるものではない。また、本実施の形態においては、１つの永久磁石で１つの磁極が構成されているが、磁極の構成はこの構成に限るものではない。例えば外径側に向かってＶ字状に配置された２つの永久磁石で１つの磁極が構成されていてもよい。

固定子コア１１および回転子コア２１は、電磁鋼板、アモルファス箔帯またはナノ結晶材が回転軸の方向に積層されて構成されている。あるいは、固定子コア１１および回転子コア２１は、一体成形された圧粉鉄心で構成されている。本実施の形態の永久磁石２２は、短辺方向に平行に着磁されている。ただし、永久磁石２２の着磁方向はこれに限るものではない。

本実施の形態の固定子１０においては、ティース１４の周方向の両端部に周方向に突出した鍔部１５が設けられている。隣接したティース１４の鍔部１５同士が対向する位置はスロットの内径側の開口部であり、この開口部をスロットオープン１６と称す。ティースの先端の内径側には突出部１７が設けられている。突出部１７の中心はティースの中心から回転方向側にずれている。回転方向側における突出部１７の周方向の端部とティース１４の周方向の端部との間には固定子コア１１の透磁率よりも低い透磁率を有する第１低透磁率部１８ａが設けられている。また、反回転方向側における突出部１７の周方向の端部とティース１４の周方向の端部との間には固定子コア１１の透磁率よりも低い透磁率を有する第２低透磁率部１８ｂが設けられている。電磁鋼板などで構成された固定子コア１１の透磁率よりも低い透磁率をもつ材料としては空気がある。そのため、本実施の形態においては、透磁率の低さ、製造方法の容易さなどの観点から、第１低透磁率部１８ａおよび第２低透磁率部１８ｂは、鍔部１５の内径側が周方向に切り欠かれた空隙で構成されている。

なお、この空隙に非磁性の樹脂などを充填してもよい。空隙に樹脂などを充填することで固定子コア１１を構成する積層された電磁鋼板同士を接着させることができるので、固定子コア１１の強度の向上、振動の抑制などを図ることができる。また、電磁鋼板などで一体成形された固定子コア１１に対して、第１低透磁率部１８ａおよび第２低透磁率部１８ｂとなる部分にレーザー光照射による磁気特性劣化処理を行ってもよい。磁気特性劣化処理を行うことで、第１低透磁率部１８ａおよび第２低透磁率部１８ｂとなる部分の固定子コアの透磁率を固定子コアの他の部分の透磁率よりも低くすることができる。

図２は、本実施の形態に係る回転電機の拡大断面図である。図２は、図１に示す回転電機の１つのティースの部分を拡大した図である。図２においては、煩雑さを避けるために、固定子の巻線および回転子の永久磁石などは省略されている。回転軸の中心からティース１４の周方向の幅の中央を通る線をティース中心線Ｃ_ｔとする。また、回転軸の中心から突出部１７の周方向の幅の中央を通る線を突出部中心線Ｃ_ｃとする。

図２に示すように、第１低透磁率部１８ａの周方向の両端部と回転軸２３の中心とを結ぶ直線のなす角度をＬ_ｃとし、第２低透磁率部１８ｂの周方向の両端部と回転軸２３の中心とを結ぶ直線のなす角度をＬ_ｂとし、突出部１７の周方向の両端部と回転軸２３の中心とを結ぶ直線のなす角度をＬ_ａとし、周方向に隣接するティース１４同士の対向する２つの端部と回転軸２３の中心とを結ぶ直線のなす角度をＬ_ｓとする。また、ティース１４の先端と回転子コア２１との間のギャップの距離をｇとする。さらに、突出部１７の内径から回転方向側の鍔部１５の内径までの距離をｇ_１とする。また、突出部１７の内径から反回転方向側の鍔部１５の内径までの距離をｇ_２とする。すなわち、第１低透磁率部１８ａの径方向の長さがｇ_１であり、第２低透磁率部１８ｂの径方向の長さがｇ_２である。また、第１低透磁率部１８ａの周方向の幅は、第２低透磁率部１８ｂの周方向の幅よりも小さい。すなわち、Ｌ_ｃはＬ_ｂより小さい。そのため、突出部中心線Ｃ_ｃはティース中心線Ｃ_ｔよりも回転方向側に位置している。

ここで、電磁加振力の低減メカニズムについて説明する。永久磁石型回転電機においては、固定子に設けられたそれぞれのティースの内径側表面には、ギャップで発生する高調波磁束により１極対あたり電気角周波数の２倍の電磁加振力が顕著に発生する。この電磁加振力は、トルクを発生させる空間１次および時間１次の磁束成分と、空間２次および時間１次の磁束成分との積で発生する。前者はトルクを発生させる成分であり小さくできないため、電磁加振力を低減するためには後者を小さくする必要がある。ここで空間２次および時間１次の磁束成分は、磁石起因の磁束ベクトルと固定子の電流起因の磁束ベクトルとの和で構成されることから、両者の合成ベクトルを小さくすることが有効である。

磁極数とティースの数との比が２：３の回転電機の場合、磁石起因の磁束成分は、固定子の空間３次のパーミアンスと空間１次および時間１次の磁石起磁力との積で決定される。一方、固定子の巻線に流れる電流に起因する磁束成分は、電流の大きさおよび電流位相で決まる。そのため、電磁加振力を低減するためには、電流起因の磁束ベクトルに磁石起因の磁束ベクトルを対向させて打ち消し合うようにする必要がある。つまり、固定子の空間３次のパーミアンスの振幅および位相を適切に設定して両者のベクトルの大きさおよび位相を設定することが重要である。

図３は本実施の形態に係る回転電機の磁石起因の磁束ベクトルと電流起因の磁束ベクトルとを示す説明図である。図３において、実線矢印は電流起因の磁束ベクトルを表し、破線矢印は磁石起因の磁束ベクトルを表している。なお、比較例としてティースの形状が周方向の中心に対して対称な回転電機における磁石起因の磁束ベクトルも合わせて示している。低減すべき電磁加振力は、電流起因の磁束ベクトルと磁石起因の磁束ベクトルとの合成ベクトルの大きさに比例する。ｑ軸成分が０でｄ軸上にある磁石起因の磁束ベクトルは、対称な形状のティースを有する比較例の回転電機における磁束ベクトルである。この場合、電流起因の磁束ベクトルに対して磁石起因の磁束ベクトルは小さくまた位相が反対方向となっていないため両者の合成ベクトルは十分に打ち消されず、結果として電磁加振力も低減できない。

一方、ｄ軸から遅れた位置にある磁石起因の磁束ベクトルは、本実施の形態に係る回転電機における磁束ベクトルである。本実施の形態の回転電機においては、ティースの先端に突出部を形成し、その突出部の中心線をティースの中心線から回転方向側に位置するように構成しているので、磁石起因の磁束ベクトルの振幅を大きくし、同時にその位相を遅れ側として電流起因の磁束ベクトルの位相と反対方向とすることができる。その結果、本実施の形態の回転電機においては、両者のベクトルは打ち消し合って合成ベクトルは小さくなり、電磁加振力を低減することができる。

固定子の空間３次のパーミアンスは、固定子のティース先端に設けられた突出部を含むティースの形状により決定される。このパーミアンスの大きさは、固定子と回転子との間のギャップに面する突出部の周方向幅および周方向位置で主に決定される。電流起因の磁束成分を打ち消すために、パーミアンスが大きくなるよう突出部の周方向幅を設定する必要がある。パーミアンスの位相は突出部の周方向位置により決定される。突出部の中心をティース中心から回転方向側にずらすことでパーミアンスの位相とそれに伴う磁石起因の磁束成分の位相とをシフトさせることができる。比較例のようなティースの形状が対称形状の構造、またはティースの一方の端部にのみ切り欠き部を備えた構造では、パーミアンスの振幅および位相を固定子の巻線に印加される電流の大きさおよび電流位相で決まる電流起因の磁束成分の振幅および位相を打ち消すように設定することができず、磁石起因の磁束ベクトルを電流起因の磁束ベクトルに対向させることができない。本実施の形態の回転電機のように突出部の周方向幅および周方向位置と第１低透磁率部および第２低透磁率部の径方向の長さとを適切に設定することで、電流起因の磁束ベクトルを打ち消し合うように磁石起因の磁束ベクトルの大きさおよび位相を決めることができる。

図４は、本実施の形態に係る回転電機における固定子コアのパーミアンス波形を示した特性図である。図４に示す特性は、回転子と固定子との間のギャップに面する固定子の１ティース分のパーミアンス波形である。図４において、横軸は１ティース分の機械角であり、縦軸はパーミアンスである。縦軸のパーミアンスの値は、突出部におけるパーミアンスで規格化した値である。パーミアンス波形は、１ティース分の機械角の範囲において、突出部に対応する部分では１、回転方向側の第１低透磁率部に対応する部分ではＤ_１、反回転方向側の第２低透磁率部に対応する部分ではＤ_２、両側のスロットオープンに対応する部分では０となる。なお、Ｄ_１、Ｄ_２については後述する。

図４に示したパーミアンス波形から、パーミアンスの振幅Ａ_ｐおよびパーミアンスの位相θ_ｐは、フーリエ展開により次に示す（１）式および（２）式でそれぞれ表される。すなわち、Ｌ_ａ、Ｌ_ｓ、ｇ_１およびｇ_２の値が定められたときに、パーミアンスの振幅Ａ_ｐおよびパーミアンスの位相θ_ｐは、Ｌ_ｂの関数として（１）式および（２）式でそれぞれ与えられる。パーミアンスの振幅Ａ_ｐは、回転子から固定子の１つのティースを見たときのパーミアンス波形の基本波成分の振幅を表す。パーミアンスの位相θ_ｐは、回転子から固定子の１つのティースを見たときのパーミアンス波形の基本波成分の位相を表す。ただし、このパーミアンスの振幅および位相は共に１極対当たりの成分として扱う。そのため、磁極数とスロットの数との比が２：３である本実施の形態の回転電機においては、Ａ_ｐおよびθ_ｐはそれぞれ１極対を１周期としたときの空間３次のパーミアンスの振幅および位相と称する。

ここで、Ａ_１およびＢ_１は次に示す（３）式および（４）式でそれぞれ表される。

ここでＤ_１、Ｄ_２は、それぞれティース先端の突出部１７のパーミアンスと第１低透磁率部１８ａパーミアンスとの比、およびティース先端の突出部１７のパーミアンスと第２低透磁率部１８ｂのパーミアンスとの比である。ギャップ長がｇ、第１低透磁率部１８ａの径方向の長さがｇ_１、第２低透磁率部１８ｂの径方向の長さがｇ_２であるから、Ｄ_１、Ｄ_２は次に示す（５）式および（６）式でそれぞれ表される。

Ｄ_１とＤ_２とは等しいかまたはＤ_１の方がＤ_２よりも大きい方が好ましい。すなわちｇ_１≦ｇ_２であることが好ましい。第２低透磁率部１８ｂの径方向の長さｇ_２を第１低透磁率部１８ａの径方向の長さｇ_１に比べて大きくすることで、パーミアンスの位相をより大きく遅らせることができる。また、ティースに対して回転子が周方向から接近する側、すなわち反回転方向側のギャップ長を拡大することにより、反回転方向側の鍔部の磁束密度を低下させることがき、トルクリプルおよび鉄損を低減することができる。

上述のように本実施の形態の回転電機においては、第１低透磁率部の周方向の幅を第２低透磁率部の周方向の幅よりも小さくしているので、突出部の周方向中心をティースの周方向中心より回転方向側に設定することができる。そのため、空間３次のパーミアンスの振幅の大きさを大きくしかつ位相を遅らせることができる。このように、磁石起因の磁束の振幅を大きくしかつ位相を遅らせることで電流位相を進めて駆動されるときの電流起因の磁束と打ち消し合わせることができる。その結果、本実施の形態の回転電機においては、ギャップに発生する電磁加振力を低減することができる。

図５は、本実施の形態に係る回転電機における空間３次のパーミアンスの振幅および位相を示した特性図である。図５の横軸は突出部の反回転方向側の第２低透磁率部の周方向の幅である角度Ｌ_ｂであり、縦軸はパーミアンスの振幅および位相である。すなわち、図５は、突出部の周方向位置に対応するＬ_ｂを変化させたときのパーミアンスの振幅および位相を示した図である。この図に示す特性は、１つのティースの周方向の角度を２π（ｒａｄ）とし、Ｌ_ａ＝４．３２（ｒａｄ）、Ｌ_ｓ／２＝０．３９（ｒａｄ）、Ｄ_１＝０．８、Ｄ_２＝０．７としたときの特性である。

固定子の巻線に通電したときに発生する電流起因の磁束と磁石起因の磁束とを打ち消し合わせるためには磁石起因の磁束を大きくすることが必要であり、空間３次のパーミアンスの振幅を大きくすることが必要である。そのためには突出部の周方向の幅である角度Ｌ_ａを適切に設定することに加えて、第２低透磁率部の周方向の幅である角度Ｌ_ｂを適切に設定する必要がある。

空間３次のパーミアンスの振幅はＬ_ｂが大きくなるにしたがって増加するが、Ｌ_ｂ＝０．９（ｒａｄ）以上では減少に転じ、Ｌ_ｂ＝０．９（ｒａｄ）以上では空間３次のパーミアンスの振幅の傾きは０以下となる。

一方、固定子の巻線に通電される電流は一般に電流位相を進めて印加される。そのため、電流起因の磁束に磁石起因の磁束を対向させるためには空間３次のパーミアンスの位相を遅らせる、すなわち図５においては位相を負側に大きくする必要がある。図５から、パーミアンスの位相はＬ_ｂが大きくなるにしたがって負側、すなわち遅れ側に位相がずれる。

角度Ｌ_ｂに対して極大値をもつパーミアンスの振幅を大きく、また角度Ｌ_ｂに対して単調に遅れ方向となるパーミアンスの位相を大きく遅らせた条件とするためには、パーミアンスの振幅の傾きが０以下となる範囲とすることが好ましい。この範囲であれば、パーミアンスの振幅を大きくし、かつパーミアンスの位相を遅らせることができ、電流位相を進めた電流起因の磁束と磁石起因の磁束とを効果的に打ち消し合わせることができる。

上述のように本実施の形態の回転電機は、回転軸と直交する方向の断面において、回転子の回転方向側における突出部の周方向の端部とティースの周方向の端部との間には固定子コアの透磁率よりも低い透磁率を有する第１低透磁率部が設けられており、回転子の反回転方向側における突出部の周方向の端部とティースの周方向の端部との間には固定子コアの透磁率よりも低い透磁率を有する第２低透磁率部が設けられており、第１低透磁率部の周方向の幅は、第２低透磁率部の周方向の幅よりも小さく設定されている。その結果、本実施の形態の回転電機は固定子と回転子との間のギャップに発生する高調波の電磁加振力を低減することができる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る回転電機の断面図である。図６は、回転電機の回転軸と直交する面の断面図である。本実施の形態の回転電機１は、実施の形態１の回転電機と同様な構成であるが、第１低透磁率部および第２低透磁率部の構成が異なっている。

実施の形態１の回転電機においては、第１低透磁率部および第２低透磁率部は鍔部の内径側が周方向に切り欠かれた空隙で構成されている。本実施の形態の回転電機１においては、図６に示すように、第１低透磁率部１８ａおよび第２低透磁率部１８ｂは、鍔部１５に形成されたスリット状の貫通孔で構成されている。この貫通孔は、軸方向に固定子コア１１を貫通している。第１低透磁率部１８ａとなる貫通孔の周方向の幅は、第２低透磁率部１８ｂとなる貫通孔の周方向の幅よりも小さい。したがって、本実施の形態の回転電機においては、実施の形態１の回転電機と同様に、第１低透磁率部１８ａの周方向の幅は、第２低透磁率部１８ｂの周方向の幅よりも小さく設定されている。そのため、突出部中心はティースの中心より回転方向側に位置している。

このように構成された回転電機１においては、回転子２０から固定子１０へと流れる磁束は、ティース１４の先端のギャップに面している部分全体を通ってティース１４の外径側へ流れる。このとき、鍔部１５に設けられたスリットは固定子コア１１の他の部分より透磁率が小さいので、磁束はこのスリットをほとんど通過しない。また、スリットの外周を構成する鍔部１５は幅が狭くなるため少ない磁束で鍔部１５が磁気飽和する。そのため、鍔部１５の透磁率も固定子コア１１の他の部分の透磁率より小さくなるので、磁束はこの鍔部１５もほとんど通過しない。その結果、この回転電機１は、第１低透磁率部および第２低透磁率部を空隙で構成した実施の形態１と同様に、固定子の空間３次のパーミアンスの振幅の大きさを大きくしかつ位相を遅らせることができる。

実施の形態１の回転電機のように第１低透磁率部１８ａおよび第２低透磁率部１８ｂを空隙で構成した場合、鍔部１５の空気抵抗が大きくなる。そのため、回転子２０が高速で回転したときに、ギャップ内の空気、油、冷媒などと鍔部１５との摩擦抵抗による風損失が増大する。これに対して、本実施の形態のように第１低透磁率部１８ａおよび第２低透磁率部１８ｂをスリットで構成した場合、鍔部１５の空気抵抗は大きくならないので、風損失の増大を防ぐことができる。

なお、本実施の形態の回転電機１においては、第１低透磁率部１８ａおよび第２低透磁率部１８ｂの両方がスリットで構成されているが、一方がスリットで構成され他方が空隙で構成されていてもよい。また、スリットに非磁性の樹脂を充填してもよい。スリットに樹脂などを充填することで固定子コア１１を構成する積層された電磁鋼板同士を接着させることができるので、固定子コア１１の強度の向上、振動の抑制などを図ることができる。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係る回転電機の断面図である。図７は、回転電機の回転軸と直交する面の断面図である。本実施の形態の回転電機１は、実施の形態１の回転電機と同様な構成であるが、第１低透磁率部および第２低透磁率部の空隙の構造が異なっている。

実施の形態１の回転電機においては、図１に示すように、第１低透磁率部および第２低透磁率部は鍔部の内径側が周方向に矩形状に切り欠かれた空隙で構成されている。本実施の形態の回転電機１においては、図７に示すように、第１低透磁率部１８ａおよび第２低透磁率部１８ｂとなる空隙は、端部に向かって周方向に傾斜した形状である。すなわち、第１低透磁率部１８ａおよび第２低透磁率部１８ｂとなる空隙の断面積は、端部に向かって増加している。第１低透磁率部１８ａとなる傾斜した形状の空隙の周方向の幅は、第２低透磁率部１８ｂとなる傾斜した形状の空隙の周方向の幅よりも小さい。したがって、本実施の形態の回転電機においては、実施の形態１の回転電機と同様に、第１低透磁率部１８ａの周方向の幅は、第２低透磁率部１８ｂの周方向の幅よりも小さく設定されている。そのため、突出部中心はティースの中心より回転方向側に位置している。

このように構成された回転電機１においては、回転子２０から固定子１０へと流れる磁束は、ティース１４の先端のギャップに面している部分全体を通ってティース１４の外径側へ流れる。このとき、鍔部１５に設けられた空隙は固定子コア１１の他の部分より透磁率が小さいので、磁束はこの空隙をほとんど通過しない。その結果、この回転電機１は、実施の形態１と同様に、固定子の空間３次のパーミアンスの振幅の大きさを大きくしかつ位相を遅らせることができる。また、本実施の形態の回転電機１においては、固定子１０と回転子２０との間のギャップが鍔部１５の周方向の端部に行くにしたがって徐々に広くなっている。そのため、回転子２０から固定子１０に流れる磁束が突出部１７の周方向の端部および鍔部１５の周方向の端部への過度な集中を緩和することができるので、トルクリプルを低減することができる。

なお、本実施の形態の回転電機における第１低透磁率部１８ａの径方向の長さｇ_１および第２低透磁率部１８ｂの径方向の長さｇ_２は、空隙の径方向の長さの平均値とすることが好ましい。また、第１低透磁率部１８ａおよび第２低透磁率部１８ｂを空隙で構成する場合、空隙の形状はどのような形状であってもよい。空隙の形状によって鍔部１５の断面積が周方向の端部に向かって大きくなる場合、回転子２０から固定子１０へ通る磁束量が増加するので、回転電機の出力を向上させることができる。

実施の形態４．
実施の形態１に示した埋込磁石型回転電機においては、磁石磁束を利用した磁石トルクに加えて回転子のティースを利用したリラクタンストルクが発生する。そのため、この回転電機はｑ軸から反時計回りに回転した進み側の位相をもつ電流で運転される。また、回転電機を高速で運転する場合も、回転電機の端子電圧を制限電圧以下に抑えるため、弱め磁束制御により進み側の位相をもつ電流で運転される。

図８は、実施の形態４に係る回転電機の運転状態を示す説明図である。固定子の空間３次のパーミアンスの位相θ_ｐは、（２）式で与えられるように固定子の構造によって決まる。そのため、固定子の空間３次のパーミアンスの位相がθ_ｐの回転電機は、π／２－｜θ_ｐ｜以上の電流位相で運転することが好ましい。すなわち、回転電機を進み側の位相をもつ電流で運転するときは、図８に示すように、電流起因の磁束ベクトルと固定子のパーミアンスの位相で決まる磁石起因の磁束ベクトルとを対向させることが好ましい。このような条件で回転電機を運転することで、リラクタンストルクによる振動および高速回転による振動を抑制することができる。

実施の形態５．
実施の形態４で説明したように、固定子の空間３次のパーミアンスの位相に合わせて電流位相を設定することが好ましい。逆に言うと、回転電機が適用される条件によって電流値および電流位相が設定される場合、それに合わせて固定子の空間３次のパーミアンスの位相を設定することが好ましい。固定子の空間３次のパーミアンスの位相は、（２）式～（６）式で示されたように、固定子の形状のパラメータであるＬ_ａ、Ｌ_ｂ、ｇ_１、ｇ_２で決まる。

実施の形態５に係る固定子コアの製造方法は、回転電機が適用される条件によって固定子の形状パラメータを設定するための製造方法である。図９は、本実施の形態の回転子コアの製造方法を説明するための図である。本実施の形態の回転電機においては、第１低透磁率部１８ａおよび第２低透磁率部１８ｂは空隙で構成されている。本実施の形態の回転子コアの製造方法は次のような工程を備えている。

始めに、図９のＡの領域に示したように、電磁鋼板からコアバック１３とティース１４となる部分を残して固定子コア１１となる形状を打ち抜く。このとき、ティース１４には突出部１７、第１低透磁率部１８ａおよび第２低透磁率部１８ｂは形成されていない。次に、図９のＢの領域に示したように、隣接するティース１４の対向する端部を金型３０で打ち抜き、第１低透磁率部１８ａおよび第２低透磁率部１８ｂとなる空隙を形成する。次に、金型３０を用いて全てのティース１４の先端部を打ち抜くことで、図９のＣの領域に示したように、全てのティース１４に突出部１７、第１低透磁率部１８ａおよび第２低透磁率部１８ｂを形成する。

このように構成された回転子コアの製造方法においては、金型３０の形状を変更するだけで、回転電機が適用される条件によって固定子の形状を変更することができる。なお、本実施の形態においては、１つの金型で１組の第１低透磁率部および第２低透磁率部となる空隙を打ち抜いているが、１つの金型で全ての第１低透磁率部および第２低透磁率部となる空隙を打ち抜いてもよい。

実施の形態６．
図１０は、実施の形態６に係る回転電機の断面図である。図１０は、回転電機の回転軸と直交する面の断面図である。本実施の形態の回転電機１は、実施の形態１の回転電機と同様な構成であるが、ティース先端の突出部の構造が異なっている。

実施の形態１の回転電機においては、突出部中心線をティース中心線から回転方向側に位置させるためにティースの両端の鍔部にそれぞれ空隙で構成された第１低透磁率部および第２低透磁率部が形成されている。そして、回転方向側の鍔部に形成された第１低透磁率部の周方向の幅が、反回転方向側の鍔部に形成された第２低透磁率部の周方向の幅よりも小さく設定されている。本実施の形態の回転電機１においては、図１０に示すように、反回転方向側の鍔部１５には第２低透磁率部１８ｂとなる空隙が形成されており、回転方向側の鍔部１５にはスロットオープン１６側に延びる突起部１９が形成されている。この突起部１９は、突出部１７の回転方向側の端部となっている。この突起部１９は、突出部１７に比べて径方向幅が小さいため磁気飽和しやすく、突出部１７に比べて突起部１９の透磁率が小さくなる。その結果、この突起部１９は、突出部１７の周方向の端部とティース１４の周方向の端部との間に設けられた第１低透磁率部に相当する。すなわち、本実施の形態の回転電機においては、第１低透磁率部は突起部１９で構成されており、第２低透磁率部１８ｂは空隙で構成されている。そして、突起部１９の周方向の幅は、第２低透磁率部１８ｂである空隙の周方向の幅よりも小さく設定されている。なお、突起部１９は、固定子コアの透磁率よりも透磁率が小さい別の材料で構成されてもよい。

このように構成された回転電機においても、突出部中心線をティース中心線から回転方向側に位置させることができる。そのため、実施の形態１の回転電機と同様に、固定子の空間３次のパーミアンスの振幅の大きさを大きくしかつ位相を遅らせることができる。また、本実施の形態の回転電機においては、スロットオープン１６の位置に空気よりも透磁率が大きい突起部１９が配置されることになるため、等価的にスロットオープン１６の磁気抵抗が低下する。その結果、透磁率の低いスロットオープン１６の空隙により生じていた固定子の内径側のパーミアンスの変動が小さくなるため、回転子に発生するスロットオープン１６に起因する高調波鉄損を低減することができる。

本願は、様々な例示的な実施の形態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、およ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。
したがって、例示されていない無数の変形例が、本願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回転電機、１０固定子、１１固定子コア、１２巻線、１３コアバック、１４ティース、１５鍔部、１６スロットオープン、１７突出部、１８ａ第１低透磁率部、１８ｂ第２低透磁率部、１９突起部、２０回転子、２１回転子コア、２２永久磁石、２３回転軸、２４フラックスバリア、３０金型。

Claims

固定子コアおよび巻線を有する固定子と、この固定子にギャップを挟んで回転軸を中心に回転可能に配置された回転子とを備えた回転電機であって、
前記固定子コアは、円筒形状のコアバックとこのコアバックから内径側に向かって突出して周方向に並んで配置された複数のティースとを有し、
前記回転子は、円柱形状の回転子コアと複数の永久磁石とを有し、複数の前記永久磁石は前記回転子コア内に周方向に並んで配置されてそれぞれ磁極を構成しており、
前記磁極の数と前記ティースの数との比は２：３であり、
前記ティースの先端部には内径側に向かって突出した突出部が設けられており、
前記回転軸と直交する方向の断面において、
前記回転子の回転方向側における前記突出部の周方向の端部と前記ティースの周方向の端部との間には前記固定子コアの透磁率よりも低い透磁率を有する第１低透磁率部が設けられており、
前記回転子の反回転方向側における前記突出部の周方向の端部と前記ティースの周方向の端部との間には前記固定子コアの透磁率よりも低い透磁率を有する第２低透磁率部が設けられており、
前記第１低透磁率部の周方向の幅は、前記第２低透磁率部の周方向の幅よりも小さく、
前記突出部の周方向の両端部と前記回転軸の中心とを結ぶ直線のなす角度をＬ _ａとし、
前記第２低透磁率部の周方向の両端部と前記回転軸の中心とを結ぶ直線のなす角度をＬ _ｂとし、
周方向に隣接する前記ティース同士の対向する２つの端部と前記回転軸の中心とを結ぶ直線のなす角度をＬ _ｓとし、
前記ティースと前記回転子との間のギャップをｇとし、
前記第１低透磁率部の径方向の長さをｇ _１とし、
前記第２低透磁率部の径方向の長さをｇ _２としたときに、
前記固定子のパーミアンスの振幅Ａ _ｐは前記Ｌ _ｂの関数として次の式で与えられ、前記パーミアンスの振幅Ａ _ｐの傾きが０以下であることを特徴とする回転電機。

ただし、Ａ _１、Ｂ _１はそれぞれ次の式で算出される。
前記第１低透磁率部および前記第２低透磁率部は、前記ティースの周方向の端部の内径側が周方向に切り欠かれた空隙で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記空隙の断面積は、周方向の端部に向かって増加していることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
前記第１低透磁率部および前記第２低透磁率部は、前記回転軸の軸方向に前記固定子コアを貫通した貫通孔で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記第１低透磁率部の径方向の長さが、前記第２低透磁率部の径方向の長さ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回転電機。
ｇ_１≦ｇ_２であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の回転電機。
前記固定子の空間３次のパーミアンスの位相θ_ｐが次の式で与えられ、前記固定子の前記巻線に流れる電流の電流位相がπ／２－｜θ_ｐ｜以上で運転されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の回転電機。