JP7258100B1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易で出力向上と騒音抑制を両立させた回転電機を得る。【解決手段】ロータコア３１と、ロータコア３１の外周側に配列された永久磁石３２とを有し、回転自在に支持されたロータ３、および径方向の中心に向かって突出するティース２１ｔが周方向に配列されたステータコア２１を有し、ロータ３の外周面に対して隙間をおいて同心配置されたステータ２を備え、主極３２ｍの周方向における幅に対する、補極３２ｓの周方向における幅の比が、０．６２５以下であることを条件とし、ロータスキュー角を電気角でＸ度とすると、Ｘ≦１３．６のときとＸ＞１３．６のときとで使い分けた式で得られる計算値Ｖｃに基づき、電気角で定義するティース２１ｔの先端幅が設定されている。【選択図】図１

Description

本願は、回転電機に関するものである。

ハイブリッド自動車等の電動化車両用のモータ（回転電機）は、限られた車載スペースにおいて０～１００００ｒｐｍの幅広い回転数領域で所定のトルクを発生できる高出力特性が求められている。そこで、トルク特性を向上させやすい構造として、ロータの１磁極を径方向に着磁した主極と、周方向に着磁した補極を周方向に交互に配置したハルバッハ配列構造を採用することが考えられる。

一方、トルクは、ステータとロータとの間で生じる磁気吸引力によって発生させることになるが、磁気吸引力はロータ位置に応じて変動するため、変動周波数がステータ外部の固有振動数と一致すると、共振により騒音が発生するという課題があった。とくに、ステータのパーミアンスの基本波成分、ロータの起磁力の基本波成分、および高調波成分との変調作用により発生する高調波磁束成分に起因する磁気吸引力の変動が共振すると、大きな騒音が発生するという課題があった。

それに対して、ハルバッハ配列構造における補極の磁化方向を、周方向よりも主極の磁化方向に傾けることで、磁気ギャップ部の径方向磁束密度波形を正弦波形状に近づけ、高出力化と低騒音化の両立を図る技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

国際公開 第２０１２／０６３０６９号（段落００１４～００２３，図１～図３）

しかしながら、直方体形状の永久磁石の磁化方向を任意に変化させて着磁することは製造上の難易度が高く、製造コストの増加を招く。また、永久磁石の形状加工時の公差、および着磁工程において磁化方向にずれが生じることが想定され、１磁極ごとのずれが低次の高調波磁束成分の要因となり、新たな騒音増加要因となりうる。つまり、補極の磁化方向の調整による騒音低減の効果は限定的であった。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、製造が容易で出力向上と騒音抑制を両立させた回転電機を得ることを目的としている。

本願に開示される回転電機は、円環状のロータコアと、磁極ごとの磁極中心の磁束が径方向に向くように前記ロータコアの外周側に配列された永久磁石とを有し、回転自在に支持されたロータ、および環状をなし、径方向の中心に向かって突出するティースが周方向に配列されたステータコアと、前記ティースそれぞれに対して巻回された電機子巻線とを有し、前記ロータの外周面に対して隙間をおいて同心配置されたステータを備え、磁束が周方向よりも径方向に向く主極の周方向における幅に対する、磁束が径方向よりも周方向に向く補極の周方向における幅の比が、前記補極を有さない場合も含めて、０．６２５以下であることを条件とし、前記ロータにスキューが形成されていない場合も含めて、ロータスキュー角を電気角でＸ度とすると、
Ｖｃ＝０．２７６Ｘ＋６９．０ （１）
Ｖｃ＝－０．３９１Ｘ＋７８．０ （２）
Ｘ≦１３．６のときは式（１）、Ｘ＞１３．６のときは式（２）で得られる計算値Ｖｃに基づき、電気角で定義する前記ティースの先端幅が設定され、前記ステータコアは、Ｖｃより大きな第一先端幅で前記ティースを形成した部分と、Ｖｃより小さな第二先端幅で前記ティースを形成した部分が、軸方向で区分した領域に分かれて積層され、前記第一先端幅で前記ティースを形成した領域と前記第二先端幅で前記ティースを形成した領域の軸方向における長さの比は、前記第一先端幅と前記第二先端幅それぞれで発生する電磁加振力空間０次かつ時間６次成分の振幅の逆比になるように設定されていることを特徴とする。

本願に開示される回転電機によれば、ロータスキュー角に基づいて使い分けた２つの計算式に基づいてティースの先端幅を設定することで、磁気ギャップ部の高調波磁束に起因する騒音を低減できるので、製造が容易で出力向上と騒音抑制を両立させた回転電機を得ることができる。

実施の形態１にかかる回転電機の構成を説明するための軸に垂直な断面の一部を拡大した部分端面図である。 実施の形態１にかかる回転電機の構成を説明するための軸に垂直な端面図である。 図３Ａと図３Ｂは、それぞれ実施の形態１にかかる回転電機の構成を説明するための軸に沿った端面図とロータコアの側面図である。 主極幅と補極幅の比の異なる５つのパターンにおける、ロータスキュー角と電磁加振力空間０次かつ時間６次成分との関係を示す図である。 ロータスキュー角と、電磁加振力空間０次かつ時間６次成分が最小となる主極幅と補極幅の比との関係を示す図である。 ロータスキュー角と、電磁加振力空間０次かつ時間６次成分が最小となるティース先端幅との関係を示す図である。 実施の形態２にかかる回転電機の構成を説明するための、軸長方向におけるティース先端幅の設定値の異なるステータの領域構成を示す模式図である。 図８Ａと図８Ｂは、それぞれ実施の形態２の第一変形例と第二変形例にかかる回転電機において、軸長方向におけるティース先端幅の設定値の異なるステータの領域構成を示す模式図である。 実施の形態３にかかる回転電機の構成を説明するための軸に垂直な断面においてひとつのティース部分を拡大した部分端面図である。 実施の形態３にかかる回転電機の構成を説明するための軸に垂直な断面の一部を拡大した部分端面図である。 実施の形態４にかかる回転電機の構成を説明するための軸に垂直な断面の一部を拡大した部分端面図である。 実施の形態５にかかる回転電機の構成を説明するための軸に垂直な断面の一部を拡大した部分端面図である。 実施の形態６にかかる回転電機の構成を説明するための軸に垂直な断面の一部を拡大した部分端面図である。

実施の形態１．
図１～図６は、実施の形態１にかかる回転電機の構成、および動作について説明するためのものであり、そのうち、図１～図３Ａ、図３Ｂは回転電機の構成とティース先端幅の定義を説明するためのものである。そして、図１は回転電機の軸に垂直な断面のうち、ロータの１磁極対に相当する領域部分を拡大した部分端面図、図２は回転電機の軸に垂直な端面図、図３Ａは図２のＡ－Ａ線に対応する回転電機の軸に沿った端面図、図３Ｂはロータコアの図３Ａと同じ視線による側面図である。なお、図１と図２においては電機子巻線を、図１～図３においては筐体等の部材の描画を省略している。

また、図４～図６はロータスキュー角に基づくティース先端幅の設定について説明するためのもので、図４は主極幅と補極幅の比を０．２３８から０．８５７の間で振った５つのパターンにおける、ロータスキュー角と電磁加振力空間０次かつ時間６次成分（Ｐ．Ｕ．単位）との関係を示す折れ線グラフ形式の図、図５はロータスキュー角が０°～２５°の範囲における、ロータスキュー角と、電磁加振力空間０次かつ時間６次成分が最小となる主極幅と補極幅の比との関係を示すグラフ形式の図、図６はロータスキュー角が０°～２５°の範囲における、ロータスキュー角と、電磁加振力空間０次かつ時間６次成分が最小となるティース先端幅との関係を示す折れ線グラフ形式の図である。

以下、図に基づいて説明するが、本願の回転電機の特徴的な部分の説明の前に、ハルバッハ配列構造を有する回転電機としての基本構成について説明する。

実施の形態１にかかる回転電機１は図２と図３Ａに示すように、ステータ２と、ステータ２の内側に回転自在に設けられたロータ３とを備えている。さらにステータ２の外側には図示しないフレームと、フレームの片側開口部を複数本のボルトで固定して覆ったハウジングとを備えている。

ステータ２は、電磁鋼板等の磁性体のステータコアシートを積層して構成されたステータコア２１と、ステータコア２１に収められた電機子巻線２２とを有している。ステータコア２１は、円環状のコアバック２１ｂと、コアバック２１ｂから磁気ギャップ部Ｇｍに向かって延びた計３６個のティース２１ｔとを有し、隣接したティース２１ｔ間にはスロット２１ｓが形成されている。

ロータ３は、回転軸であるシャフト３３が、図示しないハウジングに嵌着された第１の軸受と壁部に嵌着された第２の軸受とにより両端部が支持されることで、回転自在となる。そして、シャフト３３が貫通した内径構造部３４と内径構造部３４の外周側に配置されたロータコア３１と、ロータコア３１の内部に周方向に沿って配置された直方体形状の永久磁石３２とを有している。つまり、回転電機１は、ロータコア３１に永久磁石３２が埋設されるＩＰＭモータ（Interior Permanent Magnet motor）を構成する。また、ロータ３は２４個の磁極すなわち１２組の磁極対（極対数Ｐ＝１２）で構成されている。

そして、１磁極対は径方向にパラレル配向の永久磁石による主極３２ｍと、周方向にパラレル配向の永久磁石による補極３２ｓとが隣接し、かつ磁束が主極３２ｍの周方向中心位置に集中するように補極３２ｓの磁化方向が配置されたハルバッハ配列構造を有する。さらに、トルクリプルを抑制するため、ロータコア３１の磁気ギャップ対向部（外周面）には、補極３２ｓの周方向中心位置を基準とした切欠き３１ｎが設けられている。

本願の回転電機１は上記ハルバッハ配列構成に限定されるものではないが、ハルバッハ配列構成を前提として、実施の形態１にかかる回転電機１の特徴的な部分について説明する。図１に示すように、補極３２ｓの周方向における幅を補極幅Ｗｓ［ｍｍ］、主極３２ｍの周方向における幅を主極幅Ｗｍ［ｍｍ］とする。すると、主極３２ｍと補極３２ｓの関係として、主極幅Ｗｍに対する補極幅Ｗｓの比（磁極幅比Ｒｗ＝Ｗｓ／Ｗｍ）が０．６２５以下の値をとるように設定する。

また、１つのティース２１ｔの磁気ギャップ部Ｇｍに面している先端部の周方向一端とロータ３の軸中心Ａｃを結んだ線分と、周方向のもう一端とロータ３の軸中心Ａｃを結んだ線分とがなす角度を電気角でティース先端幅Ｙ［ｄｅｇ］と定義する。実施の形態１にかかる回転電機１では、図３Ｂに示すように、軸方向Ｄａで２段のロータスキューを有し、基準のロータ断面形状に対してそれぞれ時計回り（ＣＷ）方向、あるいは反時計回り（ＣＣＷ）方向にずらす角度を電気角でロータスキュー角Ｘ［ｄｅｇ］と定義する。

そして、ロータスキュー角Ｘの値に応じて、ティース先端幅Ｙを以下のように設定する。スキューを構成しない場合も含めて、ロータスキュー角Ｘが１３．６°以下となることを条件として、ロータスキュー角Ｘの値に応じて、ロータスキュー角Ｘをパラメータとする２つの一次式（後述の式（１）、（２））のいずれかを選定する。そして、選定した式で算出された計算値Ｖｃを用いて、ティース先端幅Ｙを設定する。

上記構成を有する回転電機１の動作（設定値選定理由）について説明する。はじめに、ロータスキュー角Ｘと電磁加振力空間０次かつ時間６次成分（電磁加振力Ｅｆと称する）との関係について検討する。ここでは、所定の電流負荷条件下における磁極幅比Ｒｗ、およびロータスキュー角Ｘに対して、それぞれ電磁加振力Ｅｆが最小となるティース先端幅Ｙを選定する。選定したティース先端幅Ｙでステータ２を構成した際の、ロータスキュー角Ｘに対する、電磁加振力Ｅｆの関係は、図４に示すように磁極幅比Ｒｗによって異なる。

磁極幅比Ｒｗが０．８５７（丸、実線）から０．４４４（菱形）までの範囲では、磁極幅比Ｒｗが小さくなるにつれ、全体的な電磁加振力Ｅｆが低減されるとともに、ロータスキュー角Ｘに対する感度が小さくなる傾向がある。さらに、磁極幅比Ｒｗが０．４４４から０．２３８（丸、破線）までの範囲では、磁極幅比Ｒｗを小さくなるにつれ、ロータスキュー角Ｘに対する感度が再び上昇するものの、電磁加振力Ｅｆが極小となるロータスキュー角Ｘが１５度前後の範囲に収まっている。

これは、磁極幅比Ｒｗが所定の値の場合（本実施の形態では、Ｒｗ＝０．４４４）において、磁束密度の高調波成分は極小となり、かつ絶対値も小さくなり、ロータスキュー角Ｘの変化に対する電磁加振力Ｅｆの感度が相対的に小さくなっているためである。ロータスキュー角Ｘを大きくすると、高調波成分に起因する電磁加振力Ｅｆ、ならびにトルク脈動を抑制する効果はあるものの、基本波成分の位相のずれによりトルク出力が低下するため、可能な限り小さい角度をとることが望ましい。

また、一般的な３相の回転電機において、トルク脈動の６次成分は振動・騒音の主要因のひとつである。そのため、電気角で１５°（＝３６０／６／２／２）を中心として、磁束密度波形の歪みを考慮し、それより少々ずらしたロータスキュー角Ｘを与えることで、位相を反転させた波形同士の足し算となって打ち消し合い、低減することが可能となる。

以上を踏まえ、電磁加振力Ｅｆとトルク脈動６次成分の両方を、際立ったトルク出力の低下なく成立させるため、ロータスキュー角Ｘは以下の範囲とする。すなわち、磁気ギャップ部Ｇｍの磁束密度成分の時間７次成分を打ち消す角度となる１２．８°（＝３６０／７／２／２）以上、かつ時間５次成分を打ち消す角度となる１８°（＝３６０／５／２／２）以下とすることが効果的である。

つぎに、磁極幅比Ｒｗの設定範囲について、図４でプロットしたロータスキュー角Ｘごとに、電磁加振力Ｅｆが最小となる磁極幅比Ｒｗを選定し、ロータスキュー角Ｘと電磁加振力Ｅｆが最小となる磁極幅比Ｒｗの関係に基づいて検討する。図５に示すように、ロータスキュー角Ｘが０°から２５°の範囲内、とりわけトルク脈動の６次成分も同時に低減可能なロータスキュー角Ｘが１２．８°以上、１８°以下の範囲内では、磁極幅比Ｒｗは０．６２５以下の値をとることがわかる。

磁極幅比Ｒｗが小さい場合は、図４で説明したように、電磁加振力Ｅｆが極小となるロータスキュー角Ｘが小さい値となり、トルク出力の低下を抑えられることから、磁極幅比Ｒｗが０．６２５以下となるように、主極幅Ｗｍと補極幅Ｗｓを選定することが望ましい。

そこで、本実施の形態１では、１種類のティース先端幅Ｙでステータ２を形成するためのティース先端幅Ｙの設定値について検討を行った。ここでは、図５で説明したロータスキュー角Ｘごとに選定した、電磁加振力Ｅｆが最小となる磁極幅比Ｒｗを用い、１種類のティース先端幅Ｙでステータ２を構成する場合に、電磁加振力Ｅｆが最小となるティース先端幅Ｙの関係に基づいて検討する。

図６に示すように、ロータスキュー角Ｘを大きくするにつれ、ロータスキュー角Ｘが１２．８°以下の領域においては、ティース先端幅Ｙが単調増加となり、１２．８°以上の領域においては、単調減少に転じることがわかる。そこで、ロータスキュー角Ｘが１５°以下の領域でのプロットの1次近似直線と、１２．８°以上の領域でのプロットの1次近似直線を考え、両直線の交点となるロータスキュー角Ｘ（＝１３．６°）を境に場合分けする。

ロータスキュー角Ｘが１３．６°以下の場合は、ティース先端幅Ｙを式（１）で得られる計算値Ｖｃとし、１３．６°より大きい場合は、ティース先端幅Ｙを式（２）で得られる計算値Ｖｃに設定することで、電磁加振力Ｅｆの高い低減効果が得られる。
Ｖｃ＝ｆ₁（Ｘ）＝ ０．２７６Ｘ＋６９．０ （１）
Ｖｃ＝ｆ₂（Ｘ）＝ －０．３９１Ｘ＋７８．０ （２）

さらに、製造上の寸法公差が機械角で０．２°であることと、極対数Ｐを考慮して、式（１）、および式（２）の1次近似直線で得られる計算値Ｖｃに対し、電気角で±０．２×Ｐの幅を有する設定範囲を設けることが望ましい。本実施の形態では極対数Ｐ＝１２なので計算値Ｖｃ±２．４°の範囲内で選定することが望ましい。

つまり、補極３２ｓを有さない場合を含めて、磁極幅比Ｒｗが１３．６以下であることを条件として、ロータスキュー角Ｘの値に応じて使い分ける、ロータスキュー角Ｘをパラメータとした２種類の一次式（式（１）、式（２））を用いて計算値Ｖｃを算出する。そして、算出した計算値Ｖｃに対して、±０．２Ｐの範囲にティース先端幅Ｙを設定する。これにより、直方体かつパラレル配向の永久磁石３２のみを用いた場合においても、高い騒音低減効果を示すことができ、低コストでの製造が可能となる。

上述したように、本実施の形態１にかかる回転電機１によれば、直方体かつパラレル配向の永久磁石３２のみを用いた場合においても、高い騒音低減効果を示すことができ、低コストでの製造が可能となる。さらに、ロータコア３１の磁気ギャップ対向部には、補極３２ｓの周方向中心位置を基準とした切欠き３１ｎが設けられている。補極３２ｓを通過する磁束は基本的に主極３２ｍに向かって流れる。そのため、補極幅Ｗｓ内に切欠き３１ｎを収めることで、トルクに寄与する磁束を干渉することなく、ロータコア３１の磁気ギャップ部Ｇｍに面する径方向ブリッジ部３１ｂｒ（図１）の応力を緩和し、強度を向上できる。

また、主極３２ｍの周方向中心位置における径方向ブリッジ部３１ｂｒの厚み（径方向寸法）は、補極３２ｓの周方向中心位置における径方向ブリッジ部３１ｂｒの厚みよりも厚い。主極３２ｍ、および補極３２ｓそれぞれは、ロータコア３１に形成された軸方向に貫通する穴に永久磁石を挿入することで構成しており、主極３２ｍは、補極３２ｓよりも幅（周方向寸法）、および厚みが大きい。そのため、主極３２ｍの径方向ブリッジ部３１ｂｒは、補極３２ｓの径方向ブリッジ部３１ｂｒと比較して、より大きな力を受けることになるため、補極３２ｓ部分よりも厚みを厚くし、強度を高めることが望ましい。

また、径方向ブリッジ部３１ｂｒの厚みの最小値は、周方向ブリッジ部３１ｂｃの厚み（周方向寸法）の最小値より厚くなっている。径方向ブリッジ部３１ｂｒは周方向ブリッジ部３１ｂｃよりも遠心力の影響を受けて応力集中が発生し易いため、周方向ブリッジ部３１ｂｃよりも厚くすることが望ましい。

また、ロータコア３１は、永久磁石３２の内径側から内径構造部３４までの部分（ヨーク部）の厚み（径方向寸法）は、主極幅Ｗｍの１／２以下となっている。主極３２ｍには磁気ギャップ部Ｇｍに向かい径方向の磁束が流れており、その内径側で磁束が左右に２等分される。すなわちヨーク部の厚みが主極幅Ｗｍの１／２より大きい場合、磁束線が磁石部より疎となり、漏れ磁束の経路が増加する。そこでヨーク部の厚みを主極幅Ｗｍの１／２以下とすることで、漏れ磁束経路を削減し、トルクに寄与する有効磁束量を増加できる。また、使用する鉄量を削減し、ステータコア２１で発生する鉄損を削減し、回転電機１の効率を向上する効果と、ロータ３のイナーシャを低減し制御応答性を向上する効果がある。

実施の形態２．
実施の形態１では、補極を有さない場合を含めて、磁極幅比が一定以下であることを条件として、ロータスキュー角に応じて使い分ける２種類の計算式で算出された計算値に対して一定範囲の値にティース先端幅を設定する例について説明した。本実施の形態２においては、実施の形態１と同じ条件で算出された同じ計算値に対し、計算値より大きな値に設定するティースと計算値より小さな値に設定するティースを軸方向に分割した領域で使い分ける例について説明する。

図７は実施の形態２にかかる回転電機の構成について説明するためのもので、軸長方向におけるティース先端幅の設定値の異なるステータの領域構成を示す図３Ａの片側のステータコア部分に対応する模式図である。なお、ステータの軸方向における領域分け構成以外については実施の形態１と同様であり、式（１）、式（２）およびその使い分け条件を含め、実施の形態１で用いた図１～６を援用する。

例えば、ティース先端幅Ｙをパラメータとして連続的に変化させたとき、電磁加振力Ｅｆの位相は単調増加、または単調減少となる。そこで、ステータ２内で２種類以上のティース先端幅Ｙを用いる場合、図７に示すように、計算値Ｖｃより大きい第一先端幅Ｙ１を有する領域Ｒ１と、計算値Ｖｃより小さい第二先端幅Ｙ２を有する領域Ｒ２とを軸方向Ｄａで区分けしてステータ２を構成する。具体的には、第一先端幅Ｙ１でパターン化されたステータコアシートと、第二先端幅Ｙ２でパターン化されたステータコアシートを２つの領域に分けて積層している。

このとき、第一先端幅Ｙ１は計算値Ｖｃを超え、１２０°以下である値に、第二先端幅Ｙ２は、６０°以上、計算値Ｖｃ未満の値に設定することで、電磁加振力Ｅｆを位相関係により打ち消し、電磁加振力Ｅｆによるシャフトの曲げを緩和できる。その際、第一先端幅Ｙ１をＶｃ＋０．２Ｐより大きく、第二先端幅Ｙ２をＶｃ－０．２Ｐより小さく設定すれば、製造誤差があっても、各領域Ｒ１、領域Ｒ２で、電磁加振力Ｅｆの位相を確実に打ち消し合う方向にすることができる。

さらに、領域Ｒ１の積層厚みｔｒ１、領域Ｒ２の積層厚みｔｒ２の比率は、第一先端幅Ｙ１、第二先端幅Ｙ２それぞれに対応する電磁加振力Ｅｆの振幅の逆比となるように配分することで効果が得られる。これにより、実施の形態１と同様に、直方体かつパラレル配向の永久磁石３２のみを用いた場合においても、高い騒音低減効果を示すことができ、低コストでの製造が可能となる。

変形例．
上記例では、異なるティース先端幅でパターン化された２種類のステータコアシートを軸方向で２つの領域に分けて積層する例について説明した。本変形例では、２種類のステータコアシートを軸方向で３つの領域、あるいは４つの領域に分けて積層する例について説明する。図８Ａと図８Ｂは、それぞれ実施の形態２の第一変形例と第二変形例にかかる回転電機において、軸長方向におけるティース先端幅の設定値の異なる領域構成を示す図７に対応する模式図である。

第一変形例では、図８Ａに示すように、第二先端幅Ｙ２でパターン化されたステータコアシートの領域Ｒ２を軸方向Ｄａで２等分（積層厚みｔｒ２／２の領域Ｒ２－１と積層厚みｔｒ２／２の領域Ｒ２－２）した。そして、第一先端幅Ｙ１でパターン化されたステータコアシートの領域Ｒ１に対して領域Ｒ２－１と領域Ｒ２－２を軸方向Ｄａの両端に振り分けて積層している。この場合も、電磁加振力Ｅｆによるシャフトの曲げを緩和できる。

第二変形例では、図８Ｂに示すように、第二先端幅Ｙ２でパターン化されたステータコアシートの領域Ｒ２を軸方向Ｄａで２等分（領域Ｒ２－１と領域Ｒ２－２）した。さらに、第一先端幅Ｙ１でパターン化されたステータコアシートの領域Ｒ１も軸方向Ｄａで２等分（積層厚みｔｒ１／２の領域Ｒ１－１と積層厚みｔｒ１／２の領域Ｒ１－２）した。そして、軸方向Ｄａに沿って、領域Ｒ２－２、領域Ｒ１－２、領域Ｒ２－１、領域Ｒ１－２が並ぶように積層している。この場合も、電磁加振力Ｅｆによるシャフトの曲げを緩和できる。

実施の形態３．
実施の形態１および２では、ティース先端幅の設定について説明した。本実施の形態３では、電気角で定義したティース先端幅とは別に、径方向に垂直な長さで定義したティースの先端部分と根元部分の寸法の設定について説明する。図９と図１０は、実施の形態３にかかる回転電機の構成について説明するためのものであり、図９は回転電機の軸に垂直な断面において、ティースの先端部分と根元部分の幅を定義するための、ひとつのティース部分を拡大した部分端面図、図１０は回転電機の構成を説明するための軸に垂直な断面の一部を拡大した、図１に対応する部分端面図である。なお、ステータのティースの構成以外については実施の形態１、あるいは２と同様であり、実施の形態１で用いた図２～６、あるいは実施の形態２で用いた図７、図８Ａ、図８Ｂを援用する。

本実施の形態３で説明するティース２１ｔの幅は、実施の形態１、あるいは２で定義したティース先端幅Ｙとは異なる。図９に示すように、軸に垂直な面における径方向に垂直な方向の長さとして、ティース２１ｔの先端部分の寸法（ティース先端横寸法Ｗｔ１［ｍｍ］）、ティース２１ｔとコアバック２１ｂの接続部（根元）の寸法（ティース根元横寸法Ｗｔ２［ｍｍ］）と定義する。ここで、ティース先端幅Ｙの設定とは別に、ティース先端横寸法Ｗｔ１とティース根元横寸法Ｗｔ２の大小関係は、任意に設定できる。

そこで、本実施の形態３においては、ステータ２を構成する断面形状（ステータコアシートのパターン）のうち、少なくとも１種類の断面形状は、図１０に示すように、ティース先端横寸法Ｗｔ１とティース根元横寸法Ｗｔ２を等しくしている。その他の構成は実施の形態１と同様である。ティース先端横寸法Ｗｔ１がティース根元横寸法Ｗｔ２と等しくなる形状は、図６におけるロータスキュー角Ｘが０°の場合の計算値Ｖｃ＝６９．０°に対応している。この場合、ロータスキューをなしとして製造性を向上し、かつティース先端につば部２１ｔｇを設けず、寸胴なティース２１ｔを形成することで、つば部２１ｔｇで発生する鉄損を低減し、効率を向上できる。

実施の形態４．
実施の形態１では、ハルバッハ配列構成として、補極として永久磁石を設けた例について説明した。本実施の形態４では、補極穴を空隙状態にした例について説明する。図１１は、実施の形態４にかかる回転電機の構成について説明するための軸に垂直な断面の一部を拡大した、図１に対応する部分端面図である。なお、補極の構成以外については実施の形態１、あるいは実施の形態２と同様であり、実施の形態１で用いた図２～６、あるいは実施の形態２で用いた図７、図８Ａ、図８Ｂを援用する。

本実施の形態４にかかる回転電機１は、図１１に示すように、補極が永久磁石材を有さない補極穴３１ｈｓのみで構成されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。本実施の形態３では、補極幅Ｗｓは永久磁石材の透磁率とほぼ同等である補極穴３１ｈｓ部の周方向幅で定義される。補極３２ｓとしての永久磁石材を有さないことで、ロータコア３１の応力集中を緩和するとともに、部品点数を削減し製造コストを抑制できる。

実施の形態５．
実施の形態５では、補極を設けない例について説明する。図１２は、実施の形態５にかかる回転電機の構成について説明するための軸に垂直な断面の一部を拡大した、図１に対応する部分端面図である。なお、主極と補極の構成以外については主極と補極の構成以外については実施の形態１、あるいは実施の形態２と同様であり、実施の形態１で用いた図２～６、あるいは実施の形態２で用いた図７、図８Ａ、図８Ｂを援用する。

本実施の形態５にかかる回転電機１は、図１２に示すように、補極穴も有さない、すなわち補極幅Ｗｓ＝０とする場合に対応する。その他の構成は実施の形態１と同様である。補極としての補極穴３１ｈｓおよび永久磁石材を有さず、かつ補極３２ｓの代わりに主極３２ｍの永久磁石材の幅（周方向寸法）を拡大する。これにより、部品点数を削減しながらも、実施の形態１と同様の振動低減効果を得ることを期待できる。

実施の形態６．
上記実施の形態１～５では、軸に垂直な断面において、磁石の長辺を径方向に垂直にして配列した例について説明した。本実施の形態６では、実施の形態５のように補極を設けず、かつ磁石の長辺を径方向に垂直な方向から傾けて配列した例について説明する。図１３は、実施の形態６にかかる回転電機の構成について説明するための軸に垂直な断面の一部を拡大した、図１に対応する部分端面図である。なお、主極と補極の構成以外については実施の形態１、あるいは実施の形態２と同様であり、実施の形態１で用いた図２～６、あるいは実施の形態２で用いた図７、図８Ａ、図８Ｂを援用する。

本実施の形態６にかかる回転電機１は、図１３に示すように、補極穴も有さない、すなわち補極幅Ｗｓ＝０とする場合に対応し、かつ主極３２ｍとして、軸に垂直な面内において、隣接する２つの磁石の長辺がＶ字状になるように、配列する構成である。その他の構成は実施の形態１、あるいは実施の形態４と同様である。

長辺同士がＶ字形状になるように配列することで、１枚の平板磁石を使用する場合と比較して、より多くの磁石を使用することができ、実施の形態１と同様の振動低減効果を得ながらも、出力を向上することを期待できる。

なお、本実施の形態６では、補極として、補極穴と永久磁石材のいずれも有さない場合を示したが、主極３２ｍの周方向における間に補極穴３１ｈｓと永久磁石材（補極３２ｓ）を有する（すなわちＷｓ＞０）場合についても同様の効果が得られる。

なお、本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、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、または様々な組合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が含まれるものとする。

また例えば、２４極３６スロット、つまり磁極対あたり３スロット（２極３スロット）の例を示したが、その他の極数とスロット数の組合せとした構成の場合についても、同様の効果が得られる。また、ＩＰＭモータを前提に説明したが、ロータスキュー角Ｘに応じたティース先端幅Ｙの設定については、ＳＰＭモータ（Surface Permanent Magnet Motor）でも適用可能である。

以上のように、本願の回転電機１によれば、円環状のロータコア３１と、磁極ごとの磁極中心の磁束が径方向に向くようにロータコア３１の外周側に配列された永久磁石３２とを有し、回転自在に支持されたロータ３、および環状をなし、径方向の中心に向かって突出するティース２１ｔが周方向に配列されたステータコア２１と、ティース２１ｔそれぞれに対して巻回された電機子巻線２２とを有し、ロータ３の外周面に対して隙間（磁気ギャップ部Ｇｍ）をおいて同心配置されたステータ２を備え、磁束が周方向よりも径方向に向く主極３２ｍの周方向における幅（主極幅Ｗｍ）に対する、磁束が径方向よりも周方向に向く補極３２ｓの周方向における幅（補極幅Ｗｓ）の比（磁極幅比Ｒｗ）が、補極３２ｓを有さない場合も含めて、０．６２５以下であることを条件とし、ロータ３にスキューが形成されていない場合も含めて、ロータスキュー角を電気角でＸ度とすると、
Ｖｃ＝０．２７６Ｘ＋６９．０ （１）
Ｖｃ＝－０．３９１Ｘ＋７８．０ （２）
Ｘ≦１３．６のときは式（１）、Ｘ＞１３．６のときは式（２）で得られる計算値Ｖｃに基づき、電気角で定義するティース２１ｔの先端幅（ティース先端幅Ｙ）が設定されているように構成した。これにより、直方体かつパラレル配向の永久磁石３２のみを用いた場合においても、高い騒音低減効果を示すことができ、低コストでの製造が可能となる。

とくに、ロータ３の極対数をＰとすると、Ｖｃ±０．２Ｐを満たすように、先端幅（ティース先端幅Ｙ）を設定すれば、軸方向におけるどの領域においても、電磁加振力Ｅｆが最小となるので高い騒音低減効果を示すことができる。

あるいは、ステータコア２１は、計算値Ｖｃより大きな第一先端幅Ｙ１でティース２１ｔを形成した部分と、計算値Ｖｃより小さな第二先端幅Ｙ２でティース２１ｔを形成した部分が、軸方向で区分した領域（領域Ｒ１、領域Ｒ２）に分かれて積層されているようにすれば、領域ごとに発生する電磁加振力Ｅｆの位相関係によって互いに打ち消し合うので、総合的に電磁加振力Ｅｆが最小となって高い騒音低減効果を示すことができる。

その際、第一先端幅Ｙ１で前記ティースを形成した領域と第二先端幅Ｙ２で前記ティースを形成した領域の軸方向における長さの比は、第一先端幅Ｙ１と第二先端幅Ｙ２それぞれで発生する電磁加振力空間０次かつ時間６次成分の振幅の逆比になるように設定されていれば、打ち消し合いの効果が最大となり、より総合的に電磁加振力Ｅｆが最小となって高い騒音低減効果を示すことができる。

また、第一先端幅Ｙ１は電気角１２０度以下、かつ第二先端幅Ｙ２は電気角６０度以上であれば、過大な電磁加振力Ｅｆが局所的に発生することなく、領域ごとに発生する電磁加振力Ｅｆの位相関係によって互いに打ち消し合うので、総合的に電磁加振力Ｅｆが最小となって高い騒音低減効果を示すことができる。

ここで、補極３２ｓを有する場合、ロータ３は、主極３２ｍとして機能する第一永久磁石と、補極３２ｓとして機能する第二永久磁石とがハルバック配列されているようにすれば、磁気ギャップ部Ｇｍの径方向磁束密度波形を正弦波形状に近づけ、高出力化と低騒音化の両立をより一層図ることができる。

また、補極３２ｓを有する場合でも、主極３２ｍとして機能する第一永久磁石と、周方向に隣接する主極３２ｍの間部分に形成され、補極３２ｓとして機能する軸方向に貫通する空隙の貫通孔（補極穴３１ｈｓ）とで磁極を構成すれば、ロータコア３１の応力集中を緩和し、かつ部品点数も削減できる。

上述した補極３２ｓを有する場合、補極３２ｓの周方向における幅の範囲内で、外周面に切欠き３１ｎが形成されているようにすれば、トルクに寄与する磁束を干渉することなく、ロータコア３１の磁気ギャップ部Ｇｍに面する径方向ブリッジ部３１ｂｒの応力を緩和し、強度を向上できる。

ステータコア２１は、軸方向で区分した領域の一部で、根元部分から先端部まで、ティース２１ｔの軸に垂直な面内における径方向に垂直な寸法を同じにすれば、スキュー無しで構成して製造性を向上し、さらにツバ部２１ｔｇ無しで製造性を向上し、かつ電磁加振力Ｅｆを最小化することができる。

スキュー有りの場合、ロータスキュー角Ｘは１２．８°以上、１８°以下であれば、より効果的に電磁加振力Ｅｆを最小化することができる。

１：回転電機、 ２：ステータ、 ２１：ステータコア、 ２１ｔ：ティース、 ２２：電機子巻線、 ３：ロータ、 ３１：ロータコア、 ３１ｈｓ：補極穴（貫通孔）、 ３１ｎ：切欠き、 ３２：永久磁石、 ３２ｍ：主極、 ３２ｓ：補極、 Ａｃ：軸中心、 Ｄａ：軸方向、 Ｇｍ：磁気ギャップ部（隙間）、 Ｒｗ：磁極幅比、 Ｐ：極対数、 Ｒ１：領域、 Ｒ２：領域、 Ｖｃ：計算値、 Ｗｍ：主極幅、 Ｗｓ：補極幅、 Ｗｔ１：ティース先端横寸法、 Ｗｔ２：ティース根元横寸法、 Ｘ：ロータスキュー角、 Ｙ：ティース先端幅、 Ｙ１：第一先端幅、 Ｙ２:第二先端幅。

Claims (9)

1. 円環状のロータコアと、磁極ごとの磁極中心の磁束が径方向に向くように前記ロータコアの外周側に配列された永久磁石とを有し、回転自在に支持されたロータ、および
   環状をなし、径方向の中心に向かって突出するティースが周方向に配列されたステータコアと、前記ティースそれぞれに対して巻回された電機子巻線とを有し、前記ロータの外周面に対して隙間をおいて同心配置されたステータを備え、
   磁束が周方向よりも径方向に向く主極の周方向における幅に対する、磁束が径方向よりも周方向に向く補極の周方向における幅の比が、前記補極を有さない場合も含めて、０．６２５以下であることを条件とし、
   前記ロータにスキューが形成されていない場合も含めて、ロータスキュー角を電気角でＸ度とすると、
   Ｖｃ＝０．２７６Ｘ＋６９．０ （１）
   Ｖｃ＝－０．３９１Ｘ＋７８．０ （２）
   Ｘ≦１３．６のときは式（１）、Ｘ＞１３．６のときは式（２）で得られる計算値Ｖｃに基づき、電気角で定義する前記ティースの先端幅が設定され、
   前記ステータコアは、Ｖｃより大きな第一先端幅で前記ティースを形成した部分と、Ｖｃより小さな第二先端幅で前記ティースを形成した部分が、軸方向で区分した領域に分かれて積層され、
   前記第一先端幅で前記ティースを形成した領域と前記第二先端幅で前記ティースを形成した領域の軸方向における長さの比は、前記第一先端幅と前記第二先端幅それぞれで発生する電磁加振力空間０次かつ時間６次成分の振幅の逆比になるように設定されていることを特徴とする回転電機。
2. 前記第一先端幅は電気角１２０度以下、かつ前記第二先端幅は電気角６０度以上であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記補極を有する場合、
   前記ロータは、前記主極として機能する第一永久磁石と、前記補極として機能する第二永久磁石とがハルバック配列されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 円環状のロータコアと、磁極ごとの磁極中心の磁束が径方向に向くように前記ロータコアの外周側に配列された永久磁石とを有し、回転自在に支持されたロータ、および
   環状をなし、径方向の中心に向かって突出するティースが周方向に配列されたステータコアと、前記ティースそれぞれに対して巻回された電機子巻線とを有し、前記ロータの外周面に対して隙間をおいて同心配置されたステータを備え、
   磁束が周方向よりも径方向に向く主極の周方向における幅に対する、磁束が径方向よりも周方向に向く補極の周方向における幅の比が、０．６２５以下であることを条件とし、
   前記ロータにスキューが形成されていない場合も含めて、ロータスキュー角を電気角でＸ度とすると、
   Ｖｃ＝０．２７６Ｘ＋６９．０ （１）
   Ｖｃ＝－０．３９１Ｘ＋７８．０ （２）
   Ｘ≦１３．６のときは式（１）、Ｘ＞１３．６のときは式（２）で得られる計算値Ｖｃに基づき、電気角で定義する前記ティースの先端幅が設定され、
   前記主極として機能する第一永久磁石と、周方向に隣接する前記主極の間部分に形成され、前記補極として機能する軸方向に貫通する空隙の貫通孔とで前記磁極を構成していることを特徴とする回転電機。
5. 前記補極の周方向における幅の範囲内で、前記外周面に切欠きが形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の回転電機。
6. 円環状のロータコアと、磁極ごとの磁極中心の磁束が径方向に向くように前記ロータコアの外周側に配列された永久磁石とを有し、回転自在に支持されたロータ、および
   環状をなし、径方向の中心に向かって突出するティースが周方向に配列されたステータコアと、前記ティースそれぞれに対して巻回された電機子巻線とを有し、前記ロータの外周面に対して隙間をおいて同心配置されたステータを備え、
   磁束が周方向よりも径方向に向く主極の周方向における幅に対する、磁束が径方向よりも周方向に向く補極の周方向における幅の比が、前記補極を有さない場合も含めて、０．６２５以下であることを条件とし、
   ロータスキュー角を電気角で１２．８度以上、１８度以下のＸ度とすると、
   Ｖｃ＝０．２７６Ｘ＋６９．０ （１）
   Ｖｃ＝－０．３９１Ｘ＋７８．０ （２）
   Ｘ≦１３．６のときは式（１）、Ｘ＞１３．６のときは式（２）で得られる計算値Ｖｃに基づき、電気角で定義する前記ティースの先端幅が設定されていることを特徴とする回転電機。
7. 前記ロータの極対数をＰとすると、Ｖｃ±０．２Ｐを満たすように、前記先端幅が設定されてい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。
8. 円環状のロータコアと、磁極ごとの磁極中心の磁束が径方向に向くように前記ロータコアの外周側に配列された永久磁石とを有し、スキューが形成され、回転自在に支持されたロータ、および
   環状をなし、径方向の中心に向かって突出するティースが周方向に配列されたステータコアと、前記ティースそれぞれに対して巻回された電機子巻線とを有し、前記ロータの外周面に対して隙間をおいて同心配置されたステータを備え、
   磁束が周方向よりも径方向に向く主極の周方向における幅に対する、磁束が径方向よりも周方向に向く補極の周方向における幅の比が、前記補極を有さない場合も含めて、０．６２５以下であることを条件とし、
   ロータスキュー角を電気角でＸ度とすると、
   Ｖｃ＝０．２７６Ｘ＋６９．０ （１）
   Ｖｃ＝－０．３９１Ｘ＋７８．０ （２）
   Ｘ≦１３．６のときは式（１）、Ｘ＞１３．６のときは式（２）で得られる計算値Ｖｃに基づき、電気角で定義する前記ティースの先端幅が設定されており、
   前記ロータの極対数をＰとすると、Ｖｃ±０．２Ｐを満たすように、前記先端幅が設定されていることを特徴とする回転電機。
9. 前記ステータコアは、軸方向で区分した領域の一部で、根元部分から先端部まで、前記ティースの軸に垂直な面内における径方向に垂直な寸法が同じであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の回転電機。

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