JP7334448B2

JP7334448B2 - 回転電気機械

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Publication number: JP7334448B2
Application number: JP2019074595A
Authority: JP
Inventors: 新草瀬
Original assignee: 株式会社Ｍａｒｃ研究所
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2023-08-29
Anticipated expiration: 2039-04-10
Also published as: JP2020174451A

Description

特許法第３０条第２項適用刊行物一般社団法人電気学会主催の「回転機研究会」において配布された「回転機研究会資料」集会名、開催場所平成３０年一般社団法人電気学会主催の「回転機研究会」、かごしま県民交流センター（鹿児島市山下町１４－５０）

本発明は、永久磁石のロータを有する回転電気機械に関する。

レース車用、航空機用、ドローンなどに使用される発電機やモータなどの回転電気機械は、特に小型・高出力が重視される。従来、回転電気機械の小型及び高出力にする方法として、永久磁石を有するロータの永久磁石を大きく設計することが行われている。近年、永久磁石のロータ上の配列構造として「ハルバッハ配列」が注目されている。例えば、特許文献１に記載されている特殊な磁石配列構造、いわゆるハルバッハ配列が用いられている。このハルバッハ配列の磁石は、ロータの径方向とその直交関係の周方向とに交互に配列される（二次元の円環状ハルバッハ配列）ことで、磁束を磁極に集中させて磁束量を増大させている。

特開２００９－３８９６８号

しかし、更に高性能を求めるＦ１レースなどの車用、航空機用、ドローンなどには、更に高出力な回転電気機械が求められている。従来の永久磁石の二次元の円環状ハルバッハ配列のロータは、磁束を磁極に集中させて磁束を増大させているが、ロータの端部では、磁束が減少している。

上記課題を解決するために、以下の開示がある。開示１は、鉄心と巻き線を有するステータと、ステータとほぼ同一の幅を有するロータを備える回転電気機械において、ロータは、ハルバッハ配列である吹出磁極磁石、吸込磁極磁石及びヨーク磁石を有し、ロータの一方又両方の端部に永久磁石及び磁性体を有する突出部を有し、突出部内において永久磁石の磁界の方向の端面に磁性体を隣接させ、突出部の永久磁石の磁界及び／又は永久磁石の発生する集中磁束が、吹出磁極磁石には対向し、吸込磁極磁石には逆対向することを特徴とする回転電気機械である。開示２は、突出部の永久磁石により発生する集中磁束が、ロータの吹出磁極磁石の突出部及びヨーク磁石に隣接する端部から、吸込磁極磁石の突出部及びヨーク磁石に隣接する端部に集中して発生することを特徴とする開示１に記載する回転電気機械である。開示３は、ロータのヨーク磁石と突出部の間に空間を有することを特徴とする開示１又は２に記載する回転電気機械である。開示４は、突出部の永久磁石は、回転方向又は反回転方向の磁界を有するヨーク磁石に隣接させ、その磁界は隣接させたヨーク磁石と同じとする構成、又は回転方向又は反回転方向の磁界を有する永久磁石のいずれか一方を磁性体とした構成、であることを特徴とする開示１乃至３のいずれか１つに記載する回転電気機械である。開示５は、突出部において、吹出磁極磁石に隣接させ、磁界を吹出磁極磁石へ対向させた第１の永久磁石と、吸込磁極磁石に隣接させ、磁界を吸込磁極磁石に逆対向させた第２の永久磁石と、第１の永久磁石の他方の端部と第２の永久磁石の他方の端部とをリング磁性体で連結した構成、又は第１の永久磁石若しくは第２の永久磁石のいずれか一方を磁性体とした構成、であることを特徴とする開示１乃至３のいずれか１つに記載する回転電気機械である。

従来に比べ性能である平均トルクが、約５～１２％向上する。

第１実施形態のロータを示す。第２実施形態のロータ及びステータを示す。第２実施形態のロータを示す。第２実施形態のロータの磁束密度ベクトルを示す。第２実施形態のロータ表面の磁束密度。を示す磁界磁石と突出部の界面における集中磁束の出入。磁界磁石と突出部の界面における磁束の出入を示す。（ａ）磁束吸込み磁界磁石、（ｂ）磁束吹出磁界磁石。第２実施形態の発生トルクを示す。第３実施形態のロータ及びステータを示す。第３実施形態のロータを示す。第３実施形態の発生トルクを示す。平面形状のハルバッハ配列構造により発生する集中磁束を示す。従来例を示す。（ａ）ロータ及びステータ、（ｂ）ステータ。従来例のロータの磁束密度ベクトル示す。従来例ロータ表面の磁束密度を示す。従来例の発生する平均トルクを示す。

以下、本発明を適用した回転電気機械１の実施形態について図面を用いて説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものでなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

（ハルバッハ配列）
図１１に平面形状の永久磁石のハルバッハ配列構造により発生する集中磁束を示す。平面状のハルバッハ配列構造の板１２００（ロータ２０に相当）には、永久磁石の磁界の集中による磁束時計回りの集中磁束１３１及び反時計回りの集中磁束１３２が発生する。対応する板１１００はステータ１１０に相当する。磁束時計回りの集中磁束１３１及び反時計回りの集中磁束１３２は、吹出磁極磁石１２１から吹出し吸込磁極磁石１２５に吸込まれる。次に板１２００の構成を記載する。永久磁石である吹出磁極磁石１２１の磁界１２２は板１１００に向かって配置され、永久磁石である吸込磁極磁石１２５の磁界１２６は磁界１２２と反対方向に配置されている。吹出磁極磁石１２１と吸込磁極磁石１２５の間には、永久磁石であるヨーク磁石１３４が配置されている。ヨーク磁石１３４の磁界１３５は、吹出磁極磁石１２１に対して左右両方向から受ける（以下、対向すると記す）ように配置され、吸込磁極磁石１２５に対して左右の両方へ離散する形で受ける（以下逆対向と記す）ように配置される。板１２００がこのように構成されることで、磁束時計回りの集中磁束１３１及び反時計回りの集中磁束１３２が発生する。ここで集中磁束１３１、１３２は、荒い破線で示す平板形状の板１２００の外部に発生する集中磁束と、細かい破線で示す板１２００の内部に発生する集中磁束とに分けられる。外部に発生する集中磁束１３１、１３２によりステータに相当する板１１００に配置された鉄心１１１及び巻き線１１３と、そこに発生する電流により電磁力を高めることができる。一方、内部に発生する集中磁束１３１、１３２は、吹出磁極磁石１２５、次にヨーク磁石１３４、次に吹出磁極磁石１２１の順に発生する。

（解析手段）
本開示に用いた解析条件は以下である。三次元過渡磁場解析に用いたＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ解析（以下、ＦＥＡ解析と記す）は、ムラタソフトウェア（株）製のＦｅｍｔｅｔである。回転電気機械１の解析モデルは、ステータ１０のコア外径Φ１６４ｍｍ、積厚（回転軸方向）５０ｍｍの内部にロータ２０を設置し、ステータ１０と５０ｍｍ重なっている。突出部１５高さ（回転軸方向の軸長さ）は２０ｍｍである。極数は８極、スロット数は４８、１極１相あたりのスロット数は２、全節巻き、スロット当たりの導体本数は４である。巻き線は全直列、並列数１、Y結線である。１６０A（線間電流振幅値）であり、回転数は３０００ｒｐｍである。鉄心１１の材質は、５０Ｈ２３０（新日鉄住金）である。永久磁石の特性は全て同じである。具体的には信越化学N３６Z＿１４０℃のデータを使用した。

（従来例）
図１２に永久磁石の二次元の円環状ハルバッハ配列構造を用いた従来の回転電気機械１０１の解析結果を示す。図１２（ａ）はインナーロータ型の回転電気機械１０１におけるステータ１１０とロータ１２０を示す。ステータ１１０の内側に一定のギャップを有してロータ１２０が嵌合している。ステータ１１０とロータ１２０の長手方向の幅の寸法はほぼ同じ、即ちほぼ同一の幅を有する。図１２（ｂ）はロータ１２０の構造を示す。ロータ１２０は、吹出磁極磁石１２１と吸込磁極磁石１２５が、ヨーク磁石１３４を介して交互に配されている。吹出磁極磁石１２１の磁界１２２はステ－タ１１０に向き、吸込磁極磁石１２５の磁界１２６はステ－タ１１０と反対方向に向いている。ヨーク磁石１３４の磁界１３５は、吹出磁極磁石１２１に対し対向し、吸込磁極磁石１２５に対して逆対向している。

ここで、回転電気機械１０１は解析上８極を想定している。よって、図１２（ａ）のステータ１１０は、解析モデルとして８分割する線が記載されており実物が分割されているわけではない。それに対応してロータ１２０は、分割されたステータ１１０の中央部に吹出磁極磁石１２１又は吸込磁極磁石１２５が配されて図示されている。ヨーク磁石１１３４の中央部には、ステータ１１０の分割線に対応して分割線がある。これも解析モデルであり実物が分割されているわけではない。以下、実施形態の解析モデルにおいて同じである。

図１３に従来例のロータ１２０の磁束密度ベクトルの解析結果を示す。吹出磁極磁石１２１の磁束密度ベクトル１２３は、ロータ１２０の円弧の半径方向の外側に向かっている。吸込磁極磁石１２５の磁束密度ベクトル１２７は、反対にロータ１２０の円弧の半径方向の内側に向かっている。吹出磁極磁石の磁束密度ベクトル１２３及び吸込磁極磁石の磁束密度ベクトル１２７の分布は、ヨーク磁石１３４の隣接部の辺に集中している。ヨーク磁石１３４の磁界密度ベクトル１３６は、ロータ１２０の円周方向に沿って、吹出磁極磁石１２１に対し対向し吸込磁極磁石１２５に対して逆対向している。吹出磁極磁石１２１から近接する吸込磁極磁石１２５へは、時計回りの集中磁束１３１及び反時計回りの集中磁束１３２が発生している。

図１４に従来例のロータ１２０の表面の磁束密度の解析結果を示す。一般に回転電気機械１０１の発生するトルクは磁極磁石の前縁部の磁束密度が影響している。吹出磁極磁石１２１及び吸込磁極磁石１２５のヨーク磁石１３４の隣接部、特に回転方向の前縁部には、磁束密度が集中して大きくなっている。

図１５に、従来例の回転電気機械１０１の発生する平均トルクの解析結果を示す。回転角（°）に対する発生したトルク（Ｎｍ）をし、平均トルクは４０．３Ｎｍである。

（課題と対応）
発明者は、吹出磁極磁石１２１又は吸込磁極磁石１２５と、ヨーク磁石１３４の隣接部の回転方向の前縁部発生した大きな磁束密度は、ロータ１２０の両端部には発生していないことを見出した。これは端部では集中磁束の漏れが発生しているからである。よって、両端部の集中磁束の漏れを防ぎ磁束密度を大きくできれば、回転電気機械１０１の発生するトルクを大きくできる。

（第１実施形態）
第１実施形態は、本開示の原理に関する。吹出磁極磁石２１又は吸込磁極磁石２５と、ヨーク磁石３４の隣接部の回転方向の前縁部発生した大きな磁束密度と、同程度の磁束密度をロータ２０の端部に発生させるために、ロータ２０の一方又両方の端部に永久磁石１６及び磁性体１８を有する突出部１５を設ける。図１に第１実施形態のロータ２０に隣接する突出部１５の片側を模式的に示す。

図１（ａ）は、ロータ２０の一部とこれに隣接する突出部１５の一部を示す。ロータ２０は、吹出磁極磁石２１、ヨーク磁石３４、吸込磁極磁石２５が順に隣接している。ヨーク磁石３４の磁界３５は、吸込磁極磁石２５から吹出磁極磁石２１に向いて配されている。即ち、吹出磁極磁石２１には対抗し吸込磁極磁石には逆対向している。吹出磁極磁石２１の磁界２２は紙面の上方へ吸込磁極磁石２５の磁界２６は紙面の下方に向いている。突出部１５の永久磁石１６は、ヨーク磁石３４に隣接して、その磁界１７は磁界３５と同じである。磁性体１８は、吹出磁極磁石２１及び吸込磁極磁石２５に近接して配される。即ち、永久磁石１６の磁界１７方向の２つの端面に磁性体１８が隣接している。突出部１５の永久磁石１６の磁界１７により発生する集中磁束１９は、吹出磁極磁石２１には対向し、吸込磁極磁石２５には逆対向する。ここで、永久磁石１６の磁界１７方向の長さは、集中磁束１９の大きさを調節するために多少長く又は短くすることができる。ここで突出部１５が一方のみの場合でも、永久磁石１６の発生する集中磁束１９の対向又は逆対向の配置は同じである。

次に図１（ｂ）に、別のロータ２０の一部とこれに隣接する突出部１５の一部を示す。ロータ２０は、図１（ａ）と同じである。突出部１５の永久磁石１６は、ヨーク磁石３４との間に空間１５ａを介し、その磁界１７はヨーク磁石３４の磁界３５と同じ方向に配される。磁性体１８は、吹出磁極磁石２１及び吸込磁極磁石２５に近接して配される。即ち、永久磁石１６の磁界１７方向の２つの端面に磁性体１８が隣接している。突出部１５の永久磁石１６の磁界１７により発生する集中磁束１９は、吹出磁極磁石２１には対向し、吸込磁極磁石２５には逆対向する。永久磁石１６の磁界１７方向の長さは、集中磁束１９の大きさを調節するために多少長く又は短くすることができる。ここで突出部１５が一方のみの場合でも、永久磁石１６の発生する集中磁束１９の対向又は逆対向の配置は同じである。に空間１５ａは、回転電気機械１の作動時のロータを冷却する効果がある。

次に図１（ｃ）に、別のロータ２０の一部とこれに隣接する突出部１５の一部を示す。ロータ２０は、図１（ａ）と同じである。突出部１５の吹出磁極磁石２１に隣接する一方の永久磁石１６は、その磁界１７を対向させ、他方の端面をリング磁性体６１に隣接させて配される。また吸込磁極磁石２５に隣接する他方の永久磁石１６は、その磁界１７を逆対向させ、他方の端面をリング磁性体６１に隣接させて配される。よって、２つの永久磁石１６によって発生する集中磁束１９は吸込磁極磁石２５から吹出磁極磁石２１に向かって発生する。ここで、集中磁束１９の大きさを調節するために２つの永久磁石の磁界１７方向の長さを多少長く又は短くすることができる。また、いずれか一方の永久磁石１６を無くして１つとすることかできる。よって、突出部１５の永久磁石１６の磁界１７及び／又は永久磁石１６により発生する集中磁束１９は、吹出磁極磁石２１には対向し、吸込磁極磁石２５には逆対向する。ここで、突出部１５が一方のみの場合でも、永久磁石１６の磁界１７及び／又は永久磁石１６の発生する集中磁束１９の対向又は逆対向の配置は同じである。空間１５ａは、回転電気機械１の作動時のロータを冷却する効果がある。

以上、図１（ａ）、（ｂ）又は（ｃ）に示す構成は、例えばまずロータ２０の一方又両方の端部に突出部１５を設け、突出部１５の材質を磁性体１８として磁束の通路を確保する。次に、突出部１５の一部を永久磁石１６とする。永久磁石１６の磁界１７は、吸込磁極磁石２５から吹出磁極磁石２１の方向とする。これにより突出部１５の内部に永久磁石１６の磁力により、吸込磁極磁石２５から吹出磁極磁石２１の方向とし、磁界１７の方向に磁性体１８が配されることで集中磁束１９を発生させる。集中磁束１９には、突出部１５が無い場合に漏れていた集中磁束を回収する効果もある。よって、発生した集中磁束１９は、ロータ２０の端部において、時計回り集中磁束３１及び反時計回り集中磁束３２を補完して大きくすることができる。ロータ２０の回転時、永久磁石１６により発生する磁束１９が、吹出磁極磁石２１の回転方向の突出部１５及びヨーク磁石３４に隣接する端部から、吸込磁極磁石２５の回転方向の突出部１５及びヨーク磁石３４に隣接する端部へ流すことができる回転電気機械１を提供できる。

（第２実施形態）
第２実施形態は、図１（ａ）に相当する。図２に、第２実施形態の回転電気機械１のステータ１０とロータ２０の構造を示す。ステータ１０は、鉄心１１と巻き線１３（図示せず）を備える。ロータ２０の端部には突出部１５として第１突出部４０を有する。第１突出部４０は、ステータ１０に対して突起している。

図３に第２実施形態のロータ２０及び突出部１５の構成を示す。第２実施形態において、突出部１５は第１突出部４０とする。ロータ２０の両端に第１突出部４０は配されるが、片方の端部のみでも良い。ロータ２０の構成は従来のロータ１２０と同様である。吹出磁極磁石２１と吸込磁極磁石２５に隣接する第１突出部４０には、磁性体１８として磁極磁石隣接磁性体４１が配される。ヨーク磁石３４に隣接する第１突出部４０には、永久磁石１６としてヨーク磁石隣接磁石４３が配される。ヨーク磁石隣接磁石４３の磁界４４は、隣接するヨーク磁石３４の磁界３５と同じである。よって、ヨーク磁石隣接磁石４３の磁界４４は、吹出磁極磁石２１に対して対向し、吸込磁極磁石２５に対しては逆対向する。ロータ２０において発生する集中磁束である。ロータ２０にて発生する時計回りの集中磁束３１及び反時計回りの集中磁束３２の大きさは、従来のロータ１２０と同等である。また、第１突出部４０によって発生するロータ２０の端部の集中磁束を、時計回りの集中磁束４７及び反時計回りの集中磁束４８を示す。図示する集中磁束３１、３２、４７、４８において、ロータ２０の外部に発生するものを荒い破線、ロータ２０及び第１突出部４０の内部に発生するものを細かい破線で示す（以下、同じ）。

第２実施形態においては、第１突出部４０（突出部１５）のヨーク磁石隣接磁石４３（永久磁石１６）の発生する時計回りの集中磁束４７（集中磁束１９）及び／又は反時計回りの集中磁束４８（集中磁束１９）が、吹出磁極磁石２１は対向し、吸込磁極磁石２５には逆対向する。ここで、かっこ（）内は第１実施形態の構成を示す。ここで、第１突出部４０が一方のみの場合でも、ヨーク磁石隣接磁石４３の発生する計回りの集中磁束４７及び／又は反時計回りの集中磁束４８の対向、逆対向の配置は同じである。尚、第１実施形態との構成関係は、突出部１５が第１突出部４０、永久磁石１６がヨーク磁石隣接磁石４３、永久磁石の磁界１７がヨーク磁石隣接磁石の磁界４４、磁性体１８が磁極磁石隣接磁性体４１、集中磁束１９が時計回り集中磁束４７及び／又は反時計回りの集中磁束４８である。

図４に第２実施形態におけるロータ２０及び第１突出部４０の磁束密度ベクトルを示す。
吹出磁極磁石２１と吸込磁極磁石２５において、磁束密度ベクトルは、ヨーク磁石３４の隣接する辺に集中している。よって、時計回りの集中磁束３１及び反時計回りの集中磁束３２は、吹出磁極磁石２１の辺部からロータ２０の外に出て隣接するヨーク磁石３４を介して吸込磁極磁石２５の辺部に発生する。更に、吸込磁極磁石２５からヨーク磁石内部を介して吹出磁極磁石２１に発生する。一方、第１突出部４０に隣接するロータ２０の端部の時計回りの集中磁束４７及び反時計回りの集中磁束４８は、ロータ２０の外側については時計回りの集中磁束３１及び反時計回りの集中磁束３２と同様であるが、ロータ２０の内側については第１突出部４０を経由するので次のようになる。まず、吸込磁極磁石２５の内部を集中磁束４７ａ、４８ａとして発生、次にそれぞれ隣接する磁極磁石隣接磁性体４１の内部を４７ｂ、４８ｂとして発生、次にそれぞれ隣接するヨーク磁石隣接磁石の内部を４７ｃ、４８ｃとして発生、次にそれぞれ隣接する磁極磁石隣接磁性体４１の内部を４７ｄ、４８ｄとして発生、最後にそれぞれ隣接する吹出磁極磁石２１の内部に発生する。

図５に第２実施形態のロータ２０及び第１突出部４０の表面の磁束密度を示す。一般に回転電気機械１０１の発生するトルクにはロータ２０の回転による破極時の磁極磁石の前縁部の磁束密度が影響している。吹出磁極磁石２１及び吸込磁極磁石２５のヨーク磁石３４の隣接部の回転方向の前縁部には、磁束密度が集中して大きくなっている。よって、時計回りの集中磁束３１及び反時計回りの集中磁束３２が発生している。一方、第１突出部４０に隣接するロータ２０の端部の時計回りの集中磁束４７及び反時計回りの集中磁束４８は、ロータ２０の外側については時計回りの集中磁束３１及び反時計回りの集中磁束３２と同様であるが、ロータ２０の内側については第１突出部４０を経由するので次のようになる。まず、吸込磁極磁石２５の内部を集中磁束４７ａ、４８ａとして発生、次にそれぞれ隣接する磁極磁石隣接磁性体４１の内部を４７ｂ、４８ｂとして発生、次にそれぞれ隣接するヨーク磁石隣接磁石の内部を４７ｃ、４８ｃとして発生、次にそれぞれ隣接する磁極磁石隣接磁性体４１の内部を４７ｄ、４８ｄとして発生、最後にそれぞれ隣接する吹出磁極磁石２１の内部に発生する。時計回りの集中磁束４７及び反時計回りの集中磁束４８は、第１突出部４０のヨーク磁石隣接磁石４３の磁界４４の方向に磁極磁石隣接磁性体４１を隣接させることで発生させている。

図６に吹出磁極磁石２１及び吸込磁極磁石２５と突出部４０の界面における集中磁束の出入を示す。図６（ａ）は、図５の吸込磁極磁石２５と隣接する磁性体４１との界面４９ａを吸込磁極磁石２５から見た集中磁束の状態を示す。集中磁束４７ｂ、４８ｂは、ロータ２０の下側（内側円弧又はステータ１０の反対側）の吸込磁極磁石２５のほぼ中央部から磁性体４１に発生している。図６（ｂ）は、図５の吹出磁極磁石２１と隣接する磁性体４１との界面４９ｂを吹出磁極磁石２１から見た集中磁束の状態を示す。集中磁束４７ｂ、４８ｂは、ロータ２０の下側（内側円弧又はステータ１０の反対側）の磁性体４１のほぼ中央部から吹出磁極磁石２１に発生している。よって、第１突出部４０（突出部１５）のヨーク磁石隣接磁石４３（永久磁石１６）により発生する集中磁束４７，４８（磁束磁束１９）は、第１突出部４０（突出部１５）から隣接する吹出磁極磁石２１の時計回り集中磁束３１又は反時計回り集中磁束３２の吹出方向の反対側に集中して吹出し、第１突出部４０（突出部１５）に隣接する吸込磁極磁石２５の時計回り集中磁束３１又は反時計回り集中磁束３２の吸込方向の反対側から集中して吸込まれている。ここで、かっこ（）内は第１実施形態の構成を示す。

６に第２実施形態の回転電気機械１の発生する平均トルクの解析結果を示す。回転角（°）に対する発生したトルク（Ｎｍ）をし、平均トルクは４４．８Ｎｍである。従来に比べ平均トルクは、４．５Ｎｍ（１１．１％）向上した。第１突出部４０を片側のみとした場合、約半分の平均トルクが向上する。また、回転方向又は反回転方向の磁界４４（磁界１７）を有するヨーク磁石隣接磁石４３（永久磁石１６）のいずれか一方を機極磁石隣接磁性体４１（磁性体１８）とした構成とすることもできる。この場合、ヨーク磁石隣接磁石４３の磁界４４を大きくしても良い。

図１（ｂ）に示すように、ヨーク磁石３４とヨーク磁石隣接磁石４３の間に、に空間１５ａを配することもできる。リング磁性体６１とヨーク磁石３４の間に空間１５ａを有することで、ロータ２０の回転時に発生する熱を、に空間１５ａを通過する空気により効果的に放熱することができる。

（第3実施形態）
図８に、第３実施形態の回転電気機械１のステータ１０とロータ２０の構造を示す。ステータ１０は、鉄心１１と巻き線１３（図示せず）を備える。ロータ２０の端部には突出部１５として第２突出部５０を有する。第２突出５３０は、ステータ１０に対して突起している。

図９に第３実施形態のロータ２０及び突出部１５の構成を示す。第２実施形態において、突出部１５は第２突出部５０とする。ロータ２０の両端に第２突出部５０は配されるが、片方の端部のみでも良い。ロータ２０の構成は従来のロータ１２０と同様である。第２突出部５０において、吹出磁極磁石２１に隣接させる永久磁石１６を吹出磁極磁石隣接磁石５１とする。吹出磁極磁石隣接磁石５１の磁界５２（１７）は吹出磁極磁石２１に対して対向させる。吸込磁極磁石２５に隣接させる永久磁石１６を吸込磁極磁石隣接磁石５５とする。吸込磁極磁石隣接磁石５５の磁界５６（１７）は吸込磁極磁石２５に対して逆対向させる。第１の永久磁石１６である吹出磁極磁石隣接磁石５１の他方の端部と、第２の永久磁石１６である吸込磁極磁石隣接磁石５５の他方の端部とは、磁性体（１８）であるリング磁性体６１で連結する。ヨーク磁石３４とリング磁性体６１の間は空間６２である。
ロータ２０には、第２実施形態と同様の時計回りの集中磁束３１及び反時計回りの集中磁束３２が発生している。ロータ２０の端部には、第２突出部５０の作用も加わって時計回りの集中磁束３１及び反時計回りの集中磁束３２と同程度の大きさの時計回りの集中磁束６３及び反時計回りの集中磁束６４が発生している。ロータ２０の外側の集中磁束の発生は４つの集中磁束（３１、３２、６３、６４）でほぼ同様であるが、ロータ２０の内部は異なる。時計回りの集中磁束３１及び反時計回りの集中磁束３２は、ヨーク磁石３４の内部をその磁界３５の方向に発生する。時計回りの集中磁束６３及び反時計回りの集中磁束６４は第２突出部５０の内部に発生する。時計回りの集中磁束６３は、吸込磁極磁石２５から吸込磁極磁石隣接磁石５５の内部をその磁界５６の方向に集中磁束６３ａとして発生、次にリング磁性体６１の内部を集中磁束６３ｂとして発生、次に吹出磁極磁石隣接磁石５１の内部をその磁界５２の方向に集中磁束６３ｃとして発生ぃ吹出磁極磁石２１に戻る。同様に、反時計回りの集中磁束６４は、吸込磁極磁石２５から吸込磁極磁石隣接磁石５５の内部をその磁界５６の方向に集中磁束６４ａとして発生、次にリング磁性体６１の内部を集中磁束６４ｂとして発生、次に吹出磁極磁石隣接磁石５１の内部をその磁界５２の方向に集中磁束６４ｃとして発生し吹出磁極磁石２１に戻る。このように時計回りの集中磁束６３及び反時計回りの集中磁束６４が第２突出部５０の内部に発生するためには、吹出磁極磁石隣接磁石５１の磁極５２の方向の端部、及び吸込磁極磁石隣接磁石５５の磁界極５６の方向の端部にリング磁性体６１が隣接される必要がある。

吹出磁極磁石隣接磁石５１又は吸込磁極磁石隣接磁石５５は、いずれか一方を磁性体１８としても良い。この場合、時計回りの集中磁束６３及び反時計回りの集中磁束６４が小さくならないように吹出磁極磁石隣接磁石５１の磁界５２又は吸込磁極磁石隣接磁石５５の磁界５６を調整する。吹出磁極磁石隣接磁石５１のみにした場合、吹出磁極磁石隣接磁石５１が発生する時計回りの集中磁束６３及び反時計回りの集中磁束６４は、吸込磁極磁石２５に対して逆対向する。また、吸込磁極磁石隣接磁石５５のみにした場合、吸込磁極磁石隣接磁石５が発生する時計回りの集中磁束６３及び反時計回りの集中磁束６４は、吹出磁極磁石２１に対して対向する。ここで、突出部５０が一方のみの場合でも、吹出磁極磁石隣接磁石５１及び／又は吸込磁極磁石隣接磁石５が発生する時計回りの集中磁束６３及び反時計回りの集中磁束６４は、吹出磁極磁石２１に対しては対向、吸込磁極磁石２５に対しては逆対向する。尚、第１実施形態との構成関係は、突出部１５が第２突出部５０、永久磁石１６が吹出磁極磁石隣接磁石５１及び／又は吸込磁極磁石隣接磁石５５、永久磁石の磁界１７が吹出磁極磁石隣接磁石の磁界５２及び／又は吸込磁極磁石隣接磁石の磁界５６、磁性体１８がリング磁性体６１、集中磁束１９が時計回り集中磁束６３及び／又は反時計回りの集中磁束６４である。

ここで、図６に示す効果は第３実施形態でも同様である。よって第２突出部５０（突出部１５）の吹出磁極磁石隣接磁石５１（永久磁石１６）及び／又は吸込磁極磁石隣接磁石５５（永久磁石１６）により発生する集中磁束６３，６４（磁束１９）は、第２突出部５０（突出部１５）から隣接する吹出磁極磁石２１の時計回り集中磁束３１又は反時計回り集中磁束３２の吹出方向の反対側に集中して吹出し、第２突出部５０（突出部１５）に隣接する吸込磁極磁石２５の時計回り集中磁束３１又は反時計回り集中磁束３２の吸込方向の反対側から集中して吸込まれている。ここで、かっこ（）内は第１実施形態の構成を示す。

リング磁性体６１とヨーク磁石３４の間には空間６２を有することで、ロータ２０の回転時に発生する熱を、空間６２を通過する空気により効果的に放熱することができる。

また、吹出磁極磁石隣接磁石５１（第１の永久磁石１６）若しくは吸込磁極磁石隣接磁石５５（第２の永久磁石１６）のいずれか一方を磁性体１８とした構成とすることもできる。この場合、吹出磁極磁石隣接磁石５１の磁界５２又は吸込磁極磁石隣接磁石５５の磁界５６を大きくしても良い。

図１０に第３実施形態の回転電気機械１の発生する平均トルクの解析結果を示す。回転角（°）に対する発生したトルク（Ｎｍ）をし、平均トルクは４４．０Ｎｍである。従来に比べ平均トルクは、４．０Ｎｍ（１０．０％）向上した。第２突出部５０を片側のみとした場合、約半分の平均トルクが向上する。

（第４実施形態）
第4実施形態は、アウターロータ型の回転電気機械１を示す（図示せず）。吹出磁極磁石２１の磁界２２を反転して内側とし、吸込磁極磁石２５の磁界２６を反転して外側とする。これで発生する集中磁界はロータ２０の内側になる。よって、ステータ１０は、ロータ２０の内側に配される。これにより外側に配されたロータ２０が回転するアウターロータ型の回転電気機械１を提供する。

以上、第１実施形態乃至第４実施形態より本開示は以下となる。開示１は、鉄心１１と巻き線１３を有するステータ１０と、ステータ１０とほぼ同一の幅を有するロータ２０とを備える回転電気機械１において、ロータ２０は、ハルバッハ配列である吹出磁極磁石２１、吸込磁極磁石２５及びヨーク磁石３４を有し、ロータ２０の一方又両方の端部に永久磁石１６及び磁性体１８を有する突出部１５を有し、突出部１５内において永久磁石１６の磁界１７の方向の端面に磁性体１８を隣接させ、突出部１５の永久磁石１６の磁界１７及び／又は永久磁石１６の発生する集中磁束１９が、吹出磁極磁石２１は対向し、吸込磁極磁石２５には逆対向することを特徴とする回転電気機械１である。開示２は、突出部１５の永久磁石１６により発生する集中磁束１９が、ロータ２０の吹出磁極磁石２１の突出部１５及びヨーク磁石３４に隣接する端部から、吸込磁極磁石２５の突出部１５及びヨーク磁石３４に隣接する端部に発生することを特徴とする開示１に記載する回転電気機械１である。開示３は、ロータ２０のヨーク磁石３４と突出部１５の間に空間隙１５ａを有することを特徴とする開示１又は２に記載する回転電気機械１である。開示４は、突出部１５の永久磁石１６は、回転方向又は反回転方向の磁界３５を有するヨーク磁石３４に隣接させ、その磁界１７は隣接させたヨーク磁石３４と同じとする構成、又は回転方向又は反回転方向の磁界を有する永久磁石１６のいずれか一方を磁性体１８とした構成、であることを特徴とする開示１乃至３のいずれか１つに記載する回転電気機械１である。開示５は、突出部１５において、吹出磁極磁石２１に隣接させ、磁界１７を吹出磁極磁石２１に対して対向させた第１の永久磁石１６と、吸込磁極磁石２５に隣接させ、磁界１７を吸込磁極磁石２５に対して逆対向させた第２の永久磁石１６と、第１の永久磁石１６の他方の端部と、第２の永久磁石１６の他方の端部とを連結したリング磁性体６１とした構成、又は第１の永久磁石１６若しくは第２の永久磁石１６のいずれか一方を磁性体１８とした構成、であることを特徴とする開示１乃至３のいずれか１つに記載する回転電気機械１である。

以上より、従来に比べ性能である平均トルクが、５～１０％向上する。

本開示は、永久磁石ロータを用いた回転電気機械を、シンプルな技術で高性能化できる。電動機、発電機いずれにも適用できるので、更に高性能を求めるＦ１レースなどの車用、航空機用、ドローンなどの回転電気機械として提供できる。

１：回転電気機械、１０：ステータ、１１：鉄心、１３：巻線、１５：突出部、１５ａ：空間、１６：永久磁石、１７：永久磁石の磁界、１８：磁性体、１９：集中磁束、２０：ロータ、２１：吹出磁極磁石、２２：吹出磁極磁石の磁界、２３：吹出磁極磁石の磁束密度ベクトル、２４：吹出磁極磁石の磁束密度、２５：吸込磁極磁石、２６：吸込磁極磁石の磁界、２７：吸込磁極磁石の磁束密度ベクトル、２８：吸込磁極磁石の磁束密度、３１：時計回り集中磁束、３２：反時計回り集中磁束、３４：ヨーク磁石、３５：ヨーク磁石の磁界、３６：ヨーク磁石の磁束密度ベクトル、３７：ヨーク磁石の磁束密度、４０：第１突出部、４１：磁極磁石隣接磁性体、４３：ヨーク磁石隣接磁石、４４：ヨーク磁石隣接磁石の磁界、４５：ヨーク磁石隣接磁石の磁束密度ベクトル、４６：ヨーク磁石隣接磁石の磁束密度、４７：第１突出部の時計回り集中磁束、４７の内部集中磁束：（４７ａ：吸込磁極磁石、４７ｂ：磁性体、４７ｃ：ヨーク磁石隣接磁石、４７ｄ：磁性体、４７ｅ：吹出磁極磁石）、４８：第１突出部の反時計回り集中磁束、４８の内部集中磁束：（４8ａ：吸込磁極磁石、４8ｂ：磁性体、４8ｃ：ヨーク磁石隣接磁石、４８ｄ：磁性体、４8ｅ：吹出磁極磁石）、４９ａ：吸込磁極磁石２５と隣接する磁性体４１との界面、４９ｂ：吹出磁極磁石２１と隣接する磁性体４１との界面、５０：第２突出部、５１：吹出磁極磁石隣接磁石、５２：吹出磁極磁石隣接磁石の磁界、５５：吸込磁極磁石隣接磁石、５６：吸込磁極磁石隣接磁石の磁界、６１：リング磁性体、６２：空間、６３：第２突出部の時計回り集中磁束、６３の内部集中磁束：（６３ａ：吸込磁極磁石隣接磁石、６３ｂ：リング磁性体、６３ｃ：吹出磁極磁石隣接磁石）、６４：第２突出部の反時計回り集中磁束、６４の内部集中磁束：（６４ａ：吸込磁極磁石隣接磁石、６４ｂ：リング磁性体、６４ｃ：吹出磁極磁石隣接磁石）、

Claims

鉄心と巻き線を有するステータと、ステータとほぼ同一の幅を有するロータを備える回転電気機械において、前記ロータは、ハルバッハ配列である吹出磁極磁石、吸込磁極磁石及びヨーク磁石を有し、前記ロータの一方又両方の端部に永久磁石及び磁性体を有する突出部を有し、前記突出部内において前記永久磁石の磁界の方向の端面に前記磁性体を隣接させ、前記突出部の前記永久磁石の前記磁界及び／又は前記永久磁石の発生する集中磁束が、前記吹出磁極磁石には対向し、前記吸込磁極磁石には逆対向する、と共に前記ヨーク磁石と前記突出部の間に空間を有することを特徴とする回転電気機械。
前記突出部の前記永久磁石により発生する前記磁束が、前記ロータの前記吹出磁極磁石の前記突出部及び前記ヨーク磁石に隣接する端部から、前記吸込磁極磁石の前記突出部及び前記ヨーク磁石に隣接する端部に集中することを特徴とする請求項１に記載する回転電気機械。
前記突出部の永久磁石は、回転方向又は反回転方向の磁界を有するヨーク磁石に隣接させ、その磁界は隣接させたヨーク磁石と同じとする構成、又は前記回転方向又は反回転方向の磁界を有する永久磁石のいずれか一方を磁性体とした構成、であることを特徴とする請求項１又は２に記載する回転電気機械。
前記突出部において、前記吹出磁極磁石に隣接させ、磁界を前記吹出磁極磁石に対して対向させた第１の永久磁石と、前記吸込磁極磁石に隣接させ、磁界を吸込磁極磁石に対して逆対向させた第２の永久磁石と、前記第１の永久磁石の他方の端部と、前記第２の永久磁石の他方の端部とをリング磁性体で連結した構成、又は前記第１の永久磁石若しくは前記第２の永久磁石のいずれか一方を磁性体とした構成、であることを特徴とする請求項１又は２に記載する回転電気機械。