JP7318567B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に係り、特に、ロータコアに永久磁石を埋め込んだロータと、前記ロータの外周に位置するステータと、を備える回転電機に関する。

従来、この種の回転電機としては、永久磁石を、軟磁性材料からなるロータコアに埋め込んだロータと、ロータの外周に位置するステータとを備える回転電機が提案されている。永久磁石は、ロータの周方向が磁化方向となるように磁化された第１磁石と、ロータの径方向が磁化方向となるように磁化された第２磁石とを備えている。ロータの各磁極は、第２磁石と、第２磁石に接触する第１磁石を有している（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４－１０３７８９号公報

ところで、特許文献１に記載の回転電機では、回転電機が出力するトルクに対して、ロータに埋め込まれる永久磁石の使用量が多いため、回転電機のコストが高くなる傾向にある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、永久磁石の使用量を制限しつつ、高トルクを得ることができる回転電機を提供することにある。

前記課題に鑑みて、本発明に係る回転電機は、永久磁石を、軟磁性材料からなるロータコアに埋め込んだロータと、前記ロータの外周に位置するステータとを備える回転電機であって、前記永久磁石は、磁化方向が前記ロータの周方向となるように配置された主磁石と、磁化方向が前記ロータの径方向となるように配置された補助磁石とで構成され、前記補助磁石は、前記ロータの回転軸と直交する断面において、前記回転軸の周りを周回するように、前記ロータコアに複数個埋め込まれ、前記主磁石は、前記各補助磁石から前記ロータの外周方向に延在するように、前記ロータコアに埋め込まれており、前記ロータの磁極は、前記回転軸の周りに複数形成されており、前記各磁極は、前記各補助磁石と、前記ロータの周方向に間隔をあけて配置された複数の前記主磁石を有しており、前記主磁石の間には前記軟磁性材料が配置されており、前記回転軸と直交する断面において、前記回転軸を通過し、かつ前記各磁極の前記補助磁石を線対称に区画する仮想線に対して、前記複数の主磁石の配置が非対称となるように、前記各磁極の前記主磁石が配置されていることを特徴とする。

本発明の回転電機によれば、各磁極の主磁石がロータの周方向に磁化され、複数の補助磁石が、ロータの径方向に磁化される。さらに、各磁極において、仮想線に対して各磁極の永久磁石の配置が非対称となるように、各磁極の主磁石が配置される。このため、後述する解析結果からも明らかなように、回転電機の駆動時に、ステータ（のティース）に向かう主磁石の磁束のベクトルが、補助磁石からの磁束に補助されて、ロータの外周面の径方向に対して傾斜するように形成される。主磁石は、ロータの周方向が磁化方向となるように配置されているので、主磁石の磁束のベクトルが、ロータの径方向に対して傾斜するように形成され易い。この結果、この傾斜した磁束のベクトルにより、ロータの外周面からロータの接線方向に沿って、ロータの駆動力となるベクトルが発生し、より少ない磁石量であっても、回転電機のトルクを確保することができる。

本発明でいう、「磁化方向がロータの周方向となるように配置された」とは、磁石（主磁石）の磁化方向が、径方向に一致せず、ロータの径方向と交差するように、その磁石に配置されたことをいう。

より好ましい態様としては、前記断面において、前記回転軸を中心として、前記各磁極の前記補助磁石が存在する扇状の全体領域の中心角度に、０．１０～０．５５の係数を乗じた中心角度を有した配置領域の範囲内に、前記各磁極の前記複数の主磁石が配置される。

この態様によれば、発明者らの解析結果からも明らかなように、配置領域の範囲内に、各磁極の複数の主磁石を配置することにより、複数の主磁石の間に存在する軟磁性材料と、配置領域から外れた軟磁性材料に、主磁石の磁束が形成され、主磁石の磁束のベクトルが、ロータの径方向に対して傾斜するように形成され易い。この結果、この傾斜した磁束のベクトルにより、回転電機のトルクを高めることができる。ここで、後述する発明者らの解析結果からも明らかなように、係数が０．１０未満である場合には、主磁石を分割することにより、磁石量に対する回転電機のトルクの向上の効果が十分に得ることができないことがある。一方、係数が０．５５を超えた場合には、複数の主磁石の配置を非対称とすることにより、回転電機のトルクの向上の効果が十分に得ることができないことがある。

より好ましい態様としては、前記各磁極において、前記複数の主磁石のうち、１つの主磁石が前記補助磁石の端部に配置されている。この態様によれば、複数の主磁石のうち、１つの主磁石が補助磁石の端部に配置されていることになるので、結果として各磁極の一方側の端部に主磁石が配置されることになる。この結果、回転電機のトルクが向上するように、補助磁石の磁束を有効に形成することができる。

本発明によれば、永久磁石の使用量を制限しつつ、高トルクを得ることができる。

本発明に回転電機の一実施形態を示すロータとステータの要部を、回転電機の回転軸と直交する方向で切断した模式的断面図である。 図１に示すロータの全体構造を示した模式的断面図である。 図１に示す複数の主磁石の配置範囲を説明するための模式的断面図である。 図１に示す回転電機の１つの磁極の主磁石と補助磁石を詳細に示す拡大図である。 図１に示すステータとロータとの間で、コイルに通電したときに発生する磁束ベクトルを示す模式図である。 本実施形態の変形例に係るロータの要部拡大図である。 本実施形態の別の変形例に係るロータの要部拡大図である。 図６Ａに示すステータとロータとの間で、コイルに通電したときに発生する磁束ベクトルを示す模式図である。 本実施形態の別の変形例に係るにロータの全体構造を示した模式的概略図である。 実施例１、２および比較例１のロータの１磁極のモデルを示した表図である。 図９に示す実施例１、２および比較例１のトルク／磁石使用量の結果を示すグラフである。 図１０に示す実施例１、２および比較例１のロータの表面位置と、表面力密度との関係を示したグラフである。 実施例３に係る解析モデルを説明するためのロータの模式的断面図である。 実施例４に係る解析モデルを説明するためのロータの模式的断面図である。 実施例３および４に係る周方向の主磁石の範囲（配置領域）と、トルク／磁石使用量との関係を示したグラフである。 図１４のグラフの要部を説明するための図である。

以下、本発明に係る回転電機の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明に回転電機の一実施形態を示すロータとステータの要部を、回転電機の回転軸と直交する方向で切断した模式的断面図である。図２は、図１に示すロータの全体構造を示した模式的断面図である。図３は、図１に示す複数の主磁石の配置範囲を説明するための模式的断面図である。図４は、図１に示す回転電機の１つの磁極の主磁石と補助磁石を詳細に示す拡大図である。図５は、図１に示すステータとロータとの間で、コイルに通電したときに発生する磁束ベクトルを示す模式図である。

図１および２において、回転電機１は、円柱状のロータ１０とステータ２０とで構成され、ロータ１０はステータ２０の内周側に径方向に空隙を空けて対向配置され、ステータ２０に対して相対的に回転する。回転電機１は、永久磁石１５をロータコア１１に埋め込んだロータ１０と、ロータ１０の外周に位置するステータ２０とを備えるＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)モータである。

ロータ１０は、回転軸Ｃの周りを回転するものであり、ロータコア１１には、回転軸Ｃを軸心とした回転シャフト１３が嵌合されている。ロータ１０は、後述する永久磁石１５を配置することにより、回転軸Ｃの周りに複数の磁極３０を形成している。磁極３０は偶数個設けられており、本実施形態では、ロータ１０は１０個の扇状の磁極３０を有している。この場合、扇形の各磁極３０は、３６度の中心角度を有している。さらに、隣接する両側の磁極３０は、永久磁石１５の磁化方向が反対となっており、本実施形態では、隣接する磁極３０に配置される永久磁石１５の位置は、同じである。

ロータコア１１は、軟磁性材料からなり、たとえば電磁鋼板を積層したもの、軟磁性粉末を圧粉成形した後、焼結したもの等を挙げることができる。なお、電磁鋼板同士は、絶縁性を有した樹脂を介して接合されていてもよい。ロータコア１１を構成する軟磁性材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択される少なくとも１種の磁性金属と、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ及びＷからなる群から選択される少なくとも１種の非磁性金属とから構成されるものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

軟磁性材料の代表的な材料として、例えば、ＦｅＣｏ系合金（例えばＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＶなど）、ＦｅＮｉ系合金（例えばＦｅＮｉ、ＦｅＮｉＭｏ、ＦｅＮｉＣｒ、ＦｅＮｉＳｉなど）、ＦｅＡｌ系合金又はＦｅＳｉ系合金（例えばＦｅＡｌ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＡｌＳｉＣｒ、ＦｅＡｌＳｉＴｉＲｕ、ＦｅＡｌＯなど）、ＦｅＴａ系合金（例えばＦｅＴａ、ＦｅＴａＣ、ＦｅＴａＮなど）及びＦｅＺｒ系合金（例えばＦｅＺｒＮなど）を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。

永久磁石１５としては、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石、サマリウムとコバルトを主成分とするサマリウムコバルト磁石等の希土類磁石を挙げることができる。永久磁石１５としては、これら以外にフェライト磁石、アルニコ磁石等であってもよい。

１つの磁極３０に配置される永久磁石１５は、２つの主磁石１６Ａ、１６Ｂと、１つの補助磁石１７Ａと、を有している。図４に示すように、本実施形態では、ロータコア１１には、回転軸Ｃを周回するように、補助磁石１７Ａを挿入する磁石挿入孔１２Ａが形成されている。

さらに、ロータコア１１には、主磁石１６Ａ、１６Ｂを挿入する複数の磁石挿入孔１２Ｂ、１２Ｃが形成されている。複数の磁石挿入孔１２Ｂ、１２Ｃは、磁石挿入孔１２Ａの外周側に連続して形成されており、磁石挿入孔１２Ａから放射状に形成されている。本実施形態では、各磁石挿入孔１２Ａ～１２Ｃは、回転軸Ｃに沿って形成されており、その一端側は開口しており、その他方側に底部（図示せず）が形成されている。

なお、本実施形態では、隣接する磁石挿入孔１２Ａ～１２Ｃ同士が１つの繋がった孔を形成しているが、例えば、周方向に隣接する磁石挿入孔１２Ａ、１２Ａ同士を区画するように、ロータコア１１の一部にブリッジ（仕切り部）が形成されていてもよい。また、磁石挿入孔１２Ａと磁石挿入孔１２Ｂ、１２Ｃとを区画するように、ロータコアの一部にブリッジ（仕切り部）が形成されていてもよい。これらのブリッジ（仕切り部）は、ロータコア１１を構成する軟磁性材料からなり、ロータコア１１と一体的に成形される。

主磁石１６Ａ、１６Ｂを挿入する磁石挿入孔１２Ｂ、１２Ｃは、回転電機１の回転軸Ｃと直交する断面において、回転軸Ｃを通過し、かつ磁石挿入孔１２Ａを線対称に区画する仮想線Ｌ１に対して、非対称となるように形成されている。すなわち、ロータ１０の回転方向Ｒを反時計方向とすると、主磁石１６Ａ、１６Ｂを挿入する磁石挿入孔１２Ｂ、１２Ｃは、仮想線Ｌ１に対して、一方側に偏って形成されている。

本実施形態では、磁石挿入孔１２Ａに、補助磁石１７Ａが挿入されており、磁石挿入孔１２Ｂ、１２Ｃに、主磁石１６Ａ、１６Ｂが挿入されている。各磁極３０において、主磁石１６Ａ、１６Ｂは、ロータ１０の１つの補助磁石１７Ａを線対称に区画する仮想線Ｌ１に対して、永久磁石１５の配置が非対称となるように、配置されている。本実施形態では、仮想線Ｌ１は、扇状の磁極３０の中心角度を二等分する線に相当する。本明細書でいう、「永久磁石の配置」とは、１つの磁極を構成する主磁石および補助磁石を合わせた永久磁石の配置のことをいう。

図１に示すように、１つの磁極３０において、複数（２つ）の主磁石１６Ａ、１６Ｂおよび補助磁石１７Ａを有する永久磁石１５の配置が、非対称となるように、主磁石１６Ａ、１６Ｂが配置されている。本実施形態では、各磁極３０において、主磁石１６Ａ、１６Ｂが補助磁石１７Ａの一方側に配置されている。

本実施形態では、各磁極３０において、２つの主磁石１６Ａ、１６Ｂが、仮想線Ｌ１に対して一方側（図１における左側）に偏って配置されている。本実施形態では、各磁極３０において、複数の主磁石１６Ａ、１６Ｂのうち、１つの主磁石１６Ａが補助磁石１７Ａの端部１７ａに配置されている。

２つの主磁石１６Ａ、１６Ｂは、磁化方向がロータ１０の周方向Ｂとなるように配置されている。具体的には、図１および図４に示すように、主磁石１６Ａ、１６Ｂは、周方向Ｂに磁化しており、２つの主磁石１６Ａ、１６Ｂの磁化方向は、回転軸Ｃを中心として時計周りの方向である。なお、本明細書でいう「磁化方向」とは、Ｎ極から流れ出す磁束の方向であり、１つの磁石のＳ極からＮ極を結ぶ方向に相当する。

図３に示すように、ロータ１０の回転軸Ｃと直交する断面において、回転軸Ｃを中心として、各磁極３０の補助磁石１７Ａが存在する扇状の全体領域Ｒ１の中心角度θ１に、０．１０～０．５５の係数を乗じた中心角度θ２を有した配置領域Ｒ２の範囲内に、各磁極３０の複数の主磁石１６Ａ、１６Ｂが配置されている。

ここで、全体領域Ｒ１は、各磁極３０を区分するロータ１０の断面における扇形領域である。本実施形態では、全体領域Ｒ１は、回転軸Ｃから補助磁石１７Ａの両側を結んだ２つの直線と、ロータ１０の外周とで囲まれた領域である。配置領域Ｒ２は、各磁極３０の複数の主磁石１６Ａ、１６Ｂが配置される扇形領域であり、複数の主磁石１６Ａ、１６Ｂを含むことができる最小の中心角度を有した扇形領域である。

図１に示す磁極３０に対して、両側に隣接する磁極３０では、主磁石１６Ａ、１６Ｂは、磁化方向がロータ１０の周方向Ｂとなるように配置されている（図２参照）。ただし、図１と相違する点は、隣接する磁極３０の主磁石１６Ａ、１６Ｂの磁化方向は、回転軸Ｃを中心として反時計周りの方向である。

具体的には、隣接する磁極３０の主磁石１６Ａ、１６ＢのＮ極およびＳ極は、図１に示す磁極３０の主磁石１６Ａ、１６ＢのＮ極およびＳ極に対して反転している。このように、本実施形態では、隣り合う磁極３０の主磁石１６Ａ、１６Ｂの磁化方向が、交互に反対方向になるように、各磁極３０の主磁石１６Ａ、１６Ｂは、配置されている。

さらに、図１に示す磁極３０に対して、補助磁石１７Ａは各磁極３０に１つ設けられている。補助磁石１７Ａは、円弧状であり、補助磁石１７Ａの磁化方向が径方向Ａの外側に向くように配置されている。具体的には、図１に示す補助磁石１７Ａでは、内周側の極がＳ極、外周側の極がＮ極となるように配置されている。

ロータ１０は、１０個の磁極を有する構成となっていため、図２に示すように、ロータコア１１には、１０個の補助磁石１７Ａが設けられている。これらの補助磁石１７Ａは、回転軸Ｃの周りを周回するように配置されている。各磁極３０は、補助磁石１７Ａと、補助磁石１７Ａに接触する主磁石１６Ａ、１６Ｂを有している。

図１に示す磁極３０に対して、両側に隣接する磁極３０では、補助磁石１７Ａは、磁化方向が、ロータ１０の径方向Ａとなるように配置されている（図２参照）。ただし、図１と相違する点は、隣接する磁極３０の補助磁石１７Ａでは、内周側の極がＮ極、外周側の極がＳ極となるように磁化しており、隣接する磁極３０の補助磁石１７Ａの磁化方向が、径方向Ａの内側に向くように磁化されている。

具体的には、隣接する磁極３０の補助磁石１７ＡのＮ極およびＳ極は、図１に示す磁極３０の補助磁石１７ＡのＮ極およびＳ極に対して反対である。このように、本実施形態では、隣り合う磁極３０の補助磁石１７Ａの磁化方向が、交互に反対方向になるように、各磁極３０の補助磁石１７Ａは、磁化されている。

つぎに、ステータ２０は、円環状のステータコア２１を有しており、ステータコア２１から内周方向に複数のティース２２が回転軸Ｃに向かって延在している。したがって、複数のティース２２間のスペースは、ステータ２０を磁化するためのコイル（図示せず）が挿入されるスロット２３となっている。

ステータ２０は、ロータ１０と同様に軟磁性材料で形成されている。ステータ２０は、ロータ１０の１磁極に対応して、６個のティース２２が対向するように構成されている。ティース２２には、コイル(図示せず）が巻回され、コイルに電流を通電することでティース２２が磁化される。本実施形態では、コイルの巻き方は、特に限定されるものではないが、本実施形態では、コイルの巻き方は、分布巻きである。

前記の如く構成された本実施形態の回転電機１の作用について以下に説明する。ステータ２０のティース２２に捲回されたコイルに通電すると、ステータ２０のティース２２は磁化され、ロータ１０の主磁石１６Ａ、１６Ｂと補助磁石１７Ａとの間で磁気吸引作用により、ロータ１０が反時計方向Ｒに回転しようとするトルクが発生する。

具体的には、本実施形態に係る回転電機１は、ロータ１０の回転軸Ｃと直交する断面において、補助磁石１７Ａを線対称に区画する仮想線Ｌ１は、回転軸Ｃを通過し、かつ１つのロータ１０の磁極において、補助磁石１７Ａを線対称に区画する。この仮想線Ｌ１に対して、永久磁石５の配置が非対称となるように、各磁極３０の主磁石１６Ａ、１６Ｂが配置されている。また、主磁石１６Ａ、１６Ｂの磁化方向は、ロータ１０の周方向になるように配置されている。さらに、回転電機１では、円弧状の補助磁石１７Ａの磁化方向がロータ１０の径方向Ａとなるように配置されている。

したがって、コイルに電流を通電して回転電機１を駆動すると、図５に示すように、主磁石１６Ａ、１６Ｂから流れ出る周方向の磁束のベクトルが、補助磁石１７Ａからの磁束に補助されて、ロータ１０の径方向に対して傾斜するように形成される。永久磁石１５の配置が非対称となるため、主磁石１６Ａ、１６Ｂからの磁束が、主磁石１６Ａ、１６Ｂ近傍に偏って、ロータ１０の回転に寄与する磁束（ロータ１０の径方向に対して傾斜する磁束）が形成され易い。

このような磁束が形成されることにより、ロータ１０の駆動力となる力のベクトルが、ロータ１０の表面において発生する。このベクトルにより、ロータ１０を駆動するトルクが増大されるため、回転電機１は、永久磁石１５の使用量を少なくしても、大きな駆動トルクを得ることができる。

特に、本実施形態では、図３に示すように、配置領域Ｒ２の範囲内に、各磁極３０の複数の主磁石１６Ａ、１６Ｂを配置した。これにより、複数の主磁石１６Ａ、１６Ｂの間に存在する軟磁性材料と、配置領域Ｒ２から外れた軟磁性材料に、主磁石１６Ａ、１６Ｂの磁束が形成され、主磁石１６Ａ、１６Ｂの磁束のベクトルが、ロータ１０の径方向Ａに対して傾斜するように形成され易い。この結果、この傾斜した磁束のベクトルにより、回転電機１のトルクを高めることができる。

ここで、後述する解析結果からも明らかであるが、配置領域Ｒ２の範囲を決定する上述した係数が０．１０未満である場合には、主磁石１６Ａ、１６Ｂを分割することにより、磁石量に対する回転電機のトルクの向上の効果が十分に得ることができないことがある。一方、配置領域Ｒ２を決定する上述した係数が０．５５を超えた場合には、複数の主磁石１６Ａ、１６Ｂの配置を非対称とすることにより、回転電機１のトルクの向上の効果が十分に得ることができないことがある。

さらに、複数の主磁石１６Ａ、１６Ｂのうち、１つの主磁石１６Ａ、１６Ｂが補助磁石１７Ａの端部に配置されていることになるので、結果として各磁極３０の一方側の端部に主磁石１６Ａ、１６Ｂが配置されることになる。この結果、回転電機１のトルクが向上するように、補助磁石１７Ａの磁束を有効に形成することができる。

本実施形態では、回転電機１の回転軸Ｃと直交する断面において、回転軸Ｃを通過し、かつ補助磁石１７Ａを線対称に区画する仮想線Ｌ１に対して、永久磁石１５の配置が非対称となるように、２つの主磁石１６Ａ、１６Ｂが配置した。しかしながら、たとえば、図６Ａに示すように、配置範囲Ｒ２に、４つの主磁石１６Ａ～１６Ｄを配置してもよい。

この場合であっても、コイルに電流を通電して回転電機１を駆動すると、図７に示すように、主磁石１６Ａ～１６Ｄから流れ出る周方向の磁束のベクトルが、補助磁石１７Ａからの磁束に補助されて、ロータ１０の径方向に対して傾斜するように形成される。永久磁石５０の配置が非対称となるため、主磁石１６Ａ～１６Ｄからの磁束が、主磁石１６Ａ～１６Ｄ近傍に偏って、ロータ１０の回転に寄与する磁束（ロータ１０の径方向に対して傾斜する磁束）が形成され易い。特に、図３に示す主磁石１６Ａ、１６Ｂの磁石量と、図６Ａに示す主磁石１６Ａ～１６Ｄの磁石量とが、同程度である場合には、より細かく分割した図６Ａに示すロータ１０の方が、磁石の使用量に対するトルクの向上を期待することができる。

なお、図６Ｂに示す変形例の如く、仮想線Ｌ１に対して、複数の主磁石１６Ａ、１６Ｅの配置が非対称となるように、各磁極３０の主磁石１６Ａ～１６Ｅが配置されていれば、配置領域Ｒ２の範囲から外れた位置に、主磁石１６Ｅが形成されていてもよい。

さらに、図２に示す実施形態では、主磁石１６Ａ、１６Ｂは、ロータ１０の周面から露出していないが、主磁石１６Ａ、１６Ｂの端面がロータ１０から露出していてもよい。この場合、主磁石１６Ａ、１６Ｂの露出した表面が、ロータ１０の周面の一部を形成している。主磁石１６Ａ、１６Ｂをロータ１０の周面から露出させることにより、主磁石１６Ａ、１６Ｂとステータ２０の間には、ロータコア１１を構成する軟磁性材料が存在しない。したがって、主磁石の磁束を、ロータ１０の径方向Ｄに対してより大きく傾斜するように流すことができるため、回転電機１のトルクをより一層高めることができる。

この他にも、図１～図７に示す補助磁石１７Ａは、円弧状の永久磁石であったが、例えば、図８に示すように、平板状の永久磁石であってもよい。図８では、各磁極３０に対して、２つの平板状の永久磁石を接線方向に沿って配置し、補助磁石１７Ａは、屈曲した形状で配置されている。平板状の永久磁石は製造し易いため、ロータ１０の製造コストを低減することができる。この場合、各磁極３０の補助磁石１７Ａの仮想線Ｌ１を通過する部分の磁化方向が、ロータ１０の径方向Ａとなるように磁化されている。さらに、補助磁石１７Ａの間には、ロータコア１１の一部であるブリッジ１９が形成されるため、ロータコア１１の強度を高めることができる。

以下に、本発明を実施例に基づいて説明する。
〔実施例１〕
図１のロータ１０に対応する、１つの磁極に対して２つの主磁石１６Ａ、１６Ｂを有したロータのモデル１を作製した。なお、図９には、図１に示すロータ１０を模式的に示した図をモデル１として示している。このモデル１は、後述する比較例１に係る主磁石を２つに分割したモデルである。このモデル１に物性値を付与した上で、１つの磁極におけるロータの表面力（回転方向の成分）を解析した。この表面力から、回転電機のトルクを算出し、トルクを磁石の使用重量（磁石量）で除算した値を算出した。

〔実施例２〕
実施例１と同じようにしてモデル２を作製した。実施例１と相違する点は、１つの磁極に対して４つの主磁石１６Ａ～１６Ｄを設けた点である。なお、実施例２の主磁石の使用量は、実施例１と主磁石の使用量のものと同じ設定であり、後述する比較例１に係る主磁石を４つに分割したモデルである。このモデル２に物性値を付与した上で、１つの磁極におけるロータの表面力（回転方向の成分）を解析し、その表面力から、回転電機のトルクを算出し、トルクを磁石の使用重量（磁石量）で除算した値を算出した。

〔比較例１〕
実施例１と同じようにしてモデル３を作製した。実施例１と相違する点は、１つの磁極に対して１つの主磁石１６Ａを設けた点である。なお、比較例１の主磁石の使用量は、実施例１と主磁石の使用量と同じ設定である。このモデル３に物性値を付与した上で、１つの磁極におけるロータの表面力（回転方向の成分）を解析し、その表面力から、回転電機のトルクを算出し、トルクを磁石の使用重量（磁石量）で除算した値を算出した。

実施例１、２および比較例１に係るロータにおける、トルク／磁石使用量の結果、および表面力の結果を図１０および図１１に示す。図１０は、図９に示す実施例１、２および比較例１のトルク／磁石使用量の結果を示すグラフであり、図１１は、図１０に示す実施例１、２および比較例１のロータの表面位置と、表面力密度との関係を示したグラフである。なお、図１０は、比較例１のトルク／磁石使用量を１．０とし、図１１では、所定の値の表面力密度を１．０としている。

図１０に示すように、実施例１のロータのトルク／磁石使用量は、比較例１のものに比べて、１０％向上していた。実施例２のロータのトルク／磁石使用量は、比較例１のものに比べて、１３％向上していた。さらに、図１１に示すように、ロータの表面力密度の波形には、主磁石同士の個数に応じて、ピークが形成されており、実施例２、実施例１、比較例１の順に、効果的に表面力密度を発生できていると考えられる。

〔実施例３〕
図１２に示すように、実施例１のモデルに対して、主磁石の配置領域を周方向に１８分割し、２つの主磁石１６Ａ、１６Ｂのうち、１つの主磁石１６Ａを補助磁石１７Ａの端部１７ａ（図１２の「１」の位置）に配置し、他の主磁石１６Ｂを図１２の位置（「３」～「１８」）に配置し、これらの位置におけるロータのトルクを算出し、各位置におけるトルク／磁石使用量を算出した。この結果を図１４および図１５に示す。図１４および図１５では、各磁極の補助磁石が存在する扇状の全体領域の中心角度を１．０とし、主磁石１６Ａ、１６Ｂの配置領域Ｒ２の中心角度を示している。なお、図１２では、例示的に、他の主磁石１６Ｂを「９」の位置に配置したものを例示している。

〔実施例４〕
図１３に示すように、実施例２のモデルに対して、主磁石の配置領域を周方向に３６分割し、４つの主磁石１６Ａ～１６Ｄのうち、１つの主磁石１６Ａを補助磁石１７Ａの端部１７ａ（図１３の「１」の位置）に配置し、４つの主磁石１６Ａ～１６Ｂが等間隔となるように、他の３つの主磁石１６Ｂ～１６Ｄを配置し、各位置におけるトルク／磁石使用量を算出した。この結果を図１４および図１５に示す。

図１４および図１５に示すように、周方向主磁石範囲が、０．５５以下の範囲であれば、トルク／磁石使用量が１００％を確保することができ、仮想線に対して主磁石を非対称に配置したことによる効果を期待するができるといえ、周方向主磁石範囲が、０．１０以上の範囲であれば、主磁石を複数配置でき、その効果も十分に期待できると考えられる。

以上のことから、回転軸を中心として、各磁極の補助磁石が存在する扇状の全体領域の中心角度に、０．１０～０．５５の係数を乗じた中心角度を有した配置領域の範囲内に、各磁極の前記複数の主磁石を配置すれば、トルク／磁石使用量を高めることができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１：回転電機、１０：ロータ、１１：ロータコア、１２（１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ）：磁石挿入孔、１３：回転シャフト、１５：永久磁石、１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ：主磁石、１７Ａ：補助磁石、２０：ステータ、２１：ステータコア、２２：ティース、２３：スロット、Ｃ：回転軸、Ｌ１：仮想線

Claims (2)

1. 永久磁石を、軟磁性材料からなるロータコアに埋め込んだロータと、前記ロータの外周に位置するステータとを備える回転電機であって、
   前記永久磁石は、磁化方向が前記ロータの周方向となるように配置された主磁石と、磁化方向が前記ロータの径方向となるように配置された補助磁石とで構成され、
   前記補助磁石は、前記ロータの回転軸と直交する断面において、前記回転軸の周りを周回するように、前記ロータコアに複数個埋め込まれ、
   前記主磁石は、前記各補助磁石から前記ロータの外周方向に延在するように、前記ロータコアに複数個埋め込まれており、
   前記ロータの磁極は、前記回転軸の周りに複数形成されており、前記各磁極は、前記各補助磁石と、前記ロータの周方向に間隔をあけて配置された複数の前記主磁石を有しており、前記主磁石の間には前記軟磁性材料が配置されており、
   前記回転軸と直交する断面において、前記回転軸を通過し、かつ前記各磁極の前記補助磁石を線対称に区画する仮想線に対して、前記複数の主磁石の配置が非対称となるように、前記各磁極の前記主磁石が配置されており、
   前記各磁極の前記補助磁石は、前記ロータの周方向に沿った円弧状の形状を有しており、
   前記各磁極において、前記複数の主磁石の磁化方向は、前記周方向において同じ方向となるように配置されており、前記複数の主磁石のうち、１つの主磁石が前記補助磁石の端部に配置されており、
   前記断面において、前記回転軸を中心として、前記各磁極の前記補助磁石が存在する扇状の全体領域の中心角度に、０．１０～０．５５の係数を乗じた中心角度を有した配置領域の範囲内に、前記各磁極の前記複数の主磁石が配置されていることを特徴とする回転電機。
2. 前記各主磁石の端面が、前記ロータコアから露出し、前記主磁石の露出した表面が、前記ロータの周面の一部を形成していることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。

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