JP7475676B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本開示は、永久磁石を用いた回転電機に関する。

モータや発電機等永久磁石を用いた回転電機の小型高出力化は、分野や時代に関わらず普遍のニーズである。例えば、現状の自動車等で用いられる外径３００ｍｍの小型の回転電機では、発生するトルクは２００Ｎｍ程度である。

このような小型高出力の回転電機として、特許文献１及び特許文献２には、ロータである界磁回転子に、ハルバッハ配列と言われる磁束密度の集中効果を発揮する特殊な永久磁石の配列を採用するものが記載されている。

特許文献１に記載される界磁回転子は、並行着磁された複数個の永久磁石を主磁極磁石及びヨーク磁石としてハルバッハ配列されている環状の永久磁石を有する。また、特許文献２に記載される界磁回転子は、一つの永久磁石にハルバッハ配列の効果を有するように極異方性界磁を行った環状の永久磁石を有する。これら特許文献１及び特許文献２に記載される環状の永久磁石を用いる界磁回転子は、ハルバッハ配列により径方向の外側に集中された高い磁束を有する効果がある。

特開２００９－３８９６８号公報 特開２０１５－３３２４５号公報

しかし、特許文献１及び特許文献２に記載される環状の永久磁石を用いる界磁回転子は、鉄心を有していない。よって、電機子の巻線通電時に、鉄心による磁気的鉄心吸着力(以下、リラクタンストルクという)によるトルク加算効果がない。
よって、例えば、現状の自動車等で用いられる外径３００ｍｍの小型の回転電機の発生するトルク（２００Ｎｍ程度）に対して、１５％向上を目標とするトルク２３０Ｎｍを達成することができない。

そこで、本開示は上記の問題点を解決するためになされたものであり、ハルバッハ配列された永久磁石による径方向の外側に集中された高い磁束によるトルクに加えて、電機子の巻線通電時に発生する磁束による鉄心のリラクタンストルクによるトルク加算効果を有するものである。これにより、高いトルクを発生する回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本開示の一形態は、周方向に複数のティースを備えた固定鉄心と、前記ティースの間に三相に巻装された巻線と、を有する電機子と、周方向に複数のスポークを備えた回転鉄心と、前記スポークの間に交互に配された第１永久磁石及び第２永久磁石と、を有する界磁回転子と、を有し、前記界磁回転子の外周が、前記電機子の内周と所定寸法の空隙長を持って離間した回転電機において、前記第１永久磁石は、周方向の両端にＳ極、径方向の外側にＮ極を備え、前記第２永久磁石は、周方向の両端にＮ極、径方向の外側にＳ極を備え、隣接する前記第１永久磁石と前記第２永久磁石の間を流れる第１磁束と、前記電機子に通電時、前記スポークと前記スポークに対向する前記ティースの間を流れる第２磁束と、を有することを特徴とする。

この態様によれば、第１永久磁石は、周方向の両端にＳ極、径方向の外側にＮ極を備え、第２永久磁石は、周方向の両端にＮ極、径方向の外側にＳ極を備え、隣接する第１永久磁石と第２永久磁石の間を流れる第１磁束と、巻線に通電時、スポークとスポークに対向するティースの間を流れる第２磁束とを有している。即ち、界磁回転子は、ハルバッハ配列を有する第１永久磁石及び第２永久磁石に加えて、鉄心であるスポークが設けられた環状の形状をしている。

これにより、回転電機は、界磁回転子にハルバッハ配列された第１永久磁石及び第２永久磁石の間を流れる第１磁束を有するので、電機子の通電により界磁回転子にローレンツ力が作用しトルクが発生する。加えて回転電機は、電機子の通電によりスポークとスポークに対向するティースの間を流れる第２磁束を有するので、界磁回転子のスポークが鉄心として作用するリラクタンストルクが発生する。即ち、回転電機は、第１磁束により発生するトルク及び第２磁束により発生するトルクを有し、トルク加算効果がある。例えば、自動車等で用いられる外径３００ｍｍの小型の回転電機では、解析により発生するトルクを２３４Ｎｍとすることができる。外径３００ｍｍの小型の回転電機の発生トルクは、通常２００Ｎｍ程度である。よって、本態様によれば、目標とする１５％（２３０Ｎｍ）を達成する１７％（２３４Ｎｍ）のトルクが発生できる。

上記の態様においては、前記スポークの周方向の幅は、前記ティースの最小幅又はティース先端の幅の１/２より大きく、前記ティースの最小幅又は前記ティース先端の幅の２倍より小さいこと、が好ましい。

この態様によれば、スポークの周方向の幅は、ティースの最小幅又はティース先端の幅の１/２より大きく、ティースの最小幅又はティース先端の幅の２倍より小さい。ここで、巻線に通電時に発生する第２磁束は、スポークとスポークに対向するティース及びティース先端の間を流れる。よって、スポークの周方向の幅は、ティースの最小幅又はティース先端の幅の１/２より大きく、ティースの最小幅又はティース先端の幅の２倍より小さくすることにより、第２磁束をスポークとスポークに対向するティースの間にバランス良く流すことができる。また、スポークの周方向の幅を、ティースの最小幅又はティース先端の幅の２倍より小さくすることにより、第１永久磁石及び第２永久磁石の大きさを必要以上に小さくすることが無い。よって、ハルバッハ配列された第１永久磁石及び第２永久磁石による第１磁束の大きさを維持することができる。

上記の態様においては、前記スポークは、Ｎ磁極とＳ磁極の中間極性であること、が好ましい。

この態様によれば、スポークは、Ｎ磁極とＳ磁極の中間極性である。通常、磁性体は永久磁石に近接すると、近接した永久磁石のＮ磁極又はＳ磁極に磁化される。しかし、本態様では、磁性体であるスポークは、第１永久磁石のＳ磁極と第２永久磁石のＮ磁極の間に配されている。よって、スポークの外周では、第１永久磁石のＳ磁極からの磁束と第２永久磁石からのＮ磁極の磁束が互いに相殺され、スポークの電機子から見た磁極極性はＮ磁極でもＳ磁極でもない中間極性となる。一方、通電時は、スポークに対向する電機子のティース先端の磁極極性は、Ｎ磁極又はＳ磁極である。よって、第２磁束はスポーク，すなわち中間極性の鉄心に作用してリラクタンストルクを生じることができる。

上記の態様においては、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石に対応する前記界磁回転子の外周の前記スポーク側の両端部が、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石に対応する前記界磁回転子の外周の中央部に対して径方向内側にオフセットしていること、が好ましい。

この態様によれば、第１永久磁石及び第２永久磁石に対応する界磁回転子の外周のスポーク側の両端部が、第１永久磁石及び第２永久磁石に対応する界磁回転子の外周の中央部に対して、径方向内側にオフセットしている。
即ち、界磁回転子と電機子との空隙長は、第１永久磁石及び第２永久磁石のスポーク側の両端部が中央部に比べて広くなっている。界磁回転子と電機子との空隙長に狭いところと広いところがあると第１磁束及び第２磁束は狭いところに集中する。よって、第１永久磁石及び第２永久磁石対応する界磁回転子の外周を流れる磁束を、オフセットの無い中央部に集中させることができ、発生するトルクの振幅を小さくすることができる。
例えば、第１永久磁石及び第２永久磁石に対応する界磁回転子の外周が、第１永久磁石及び第２永久磁石を覆うブリッジの場合、ブリッジのスポーク側の両端部のオフセットの比率として、ブリッジのスポーク側の両端部をそれぞれ１６％オフセットし、オフセットの無い中央部を６８％として、発生するトルクを解析した。その結果、オフセットの無い場合に比べて平均トルクは同じ２３４Ｎｍとなるが、トルクの振幅を６８Ｎｍ（２００Ｎｍ～２６８Ｎｍ）から、２８Ｎｍ（２２０Ｎｍ～２４８Ｎｍ）と、約５９％小さくすることができた。

上記の態様においては、前記第１永久磁石は、２個のヨーク磁石と、前記ヨーク磁石の間に第１磁極磁石と、を有する永久磁石であること、前記第２永久磁石は、２個のヨーク磁石と、前記ヨーク磁石の間に第２磁極磁石と、を有する永久磁石であること、が好ましい。

この態様によれば、第１永久磁石は、２個のヨーク磁石と、ヨーク磁石の間に第１磁極磁石と、を有する永久磁石である。また、第２永久磁石は、２個のヨーク磁石と、ヨーク磁石の間に第２磁極磁石と、を有する永久磁石である。即ち、この態様の永久磁石は３分割され小さくなっているので、着磁が容易で低コストとなる。本態様の回転鉄心は、径方向に複数のスポークによる第１永久磁石及び第２永久磁石を嵌合する開孔部を有する。よって、３分割された永久磁石を、各開孔部へ容易に組付けることができる。
また、３個の永久磁石をハルバッハ配列とする場合、永久磁石の磁力による反発力が働く。本態様の回転鉄心は、径方向に複数のスポークと、スポークの内側の端部を接続するハブと、スポークの外側の端部を接続するブリッジを有することができる。よって、第１永久磁石及び第２永久磁石と嵌合する開孔部により、３分割された永久磁石を、強固に固定することができる。

本開示により、永久磁石のハルバッハ配列により径方向の外側に集中された高い磁束によるトルクに加えて、電機子の巻線通電時発生する磁束よる鉄心のリラクタンストルクによるトルク加算効果を有する。よって、高いトルクを発生する回転電機を提供することができる。

第１実施形態の回転電機の磁気回路構造 第１磁束及び第２磁束の流れの模式図 第１実施形態の回転電機の部分構造 第１実施形態の解析による磁束の流れ 第１実施形態の解析によるトルク 第２実施形態のティース部の構造。図（ａ）ティースが４８個、図（ｂ） ティースが９６個 第３実施形態の回転電機の部分構造 ブリッジのオフセット構造 第３実施形態の解析によるトルク オフセットの有無による第１磁束の流れを示す模式図。図（ａ）オフセット有り、図（ｂ）オフセット無し 第４実施形の永久磁石。図（ａ）第１永久磁石に対応する永久磁石、図（ｂ）第２永久磁石に対応する永久磁石 比較例の回転電機の磁気回路構造(ハルバッハ配列) 比較例の回転電機の解析による磁束流れ

以下、本開示の実施形態である回転電機１について図を用いて示す。なお、実施形態は単なる開示にすぎず、本開示を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。

＜回転電機の用途と構成＞
本開示の回転電機１の界磁回転子２０は、ハルバッハ配列された第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２に加えて、鉄心であるスポーク２４を有する環状の形状をしている。よって、回転電機１は、ハルバッハ配列された第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２に発生する第１磁束４２によるトルクに加えて、電機子１０に通電時に発生する第２磁束４４により、鉄心によるリラクタンストルクによるトルク加算効果を有する。よって、回転電機１は、高出力であり小型化も可能である。軽量高出力の強く望まれる自動車、ドローン等に適用価値が高い。

（第１実施形態）
本開示の第１実施形態である回転電機１について、図１から図５を参照しながら説明する。図１に、第１実施形態の回転電機１の磁気回路構造を示す。電機子１０は、固定鉄心１２に巻線１８が巻装されている。固定鉄心１２は、径方向Ｒ１に複数のティース１３を有する。隣接するティース１３の間には、スロット１６が開孔され巻線１８が巻装されている。ティース１３の先端にはティース先端１４がある。
界磁回転子２０は、回転鉄心２２と第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２を有する。回転鉄心２２は、径方向Ｒ１に複数のスポーク２４と、スポーク２４の内側の端部を接続するハブ２８と、スポーク２４の外側の端部を接続する複数のブリッジ２６とを備える。ここで、ハブ２８は一体の円筒形状である。一方、ブリッジ２６はスポーク２４の径方向Ｒ１の端部に接続されている。
電機子１０と界磁回転子２０は、界磁回転子２０の外周であるブリッジ２６及びスポーク２４の外周が、電機子１０の内周であるティース先端１４と所定寸法の空隙長５を持って離間している。
界磁回転子２０のハブ２８の内側は、回転軸（図示しない）に接続されている。回転軸は回転軸方向Ｚの周方向Ｒ２に回転する。

回転鉄心２２は、径方向Ｒ１のスポーク２４と、スポーク２４の内側の端部を接続するハブ２８と、スポーク２４の外側の端部を接続するブリッジ２６による開孔部を複数有する。この開孔部に、即ち、スポーク２４の間に第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２が交互に配されている。第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２は、配された開孔部のスポーク２４、ハブ２８、及びブリッジ２６と嵌合している。
尚、ブリッジ２６は、スポーク２４の先端を繋げて第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２の全体を覆っているが、分離しても良い。例えば、スポーク２４から対向する2つの突起部を設けて第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２を勘合させて固定してもよい。この場合、界磁回転子２０の外周は、スポーク２４、突起部、第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２より構成される。
第１永久磁石３０は、周方向Ｒ２の両端にＳ極、径方向Ｒ１の外側にＮ極を備える。第２永久磁石３２は、周方向Ｒ２の両端にＮ極、径方向Ｒ１の外側にＳ極を備える。よって、回転電機１は、隣接された第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２がハルバッハ配列されているので、この間を循環する第１磁束を有する。
界磁回転子２０は、ハルバッハ配列を有する第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２に加えて鉄心であるスポーク２４が設けられた環状の形状をしている。よって、回転電機１は、電機子１０に通電時に発生する第２磁束４４を有する。
また、図１に示す回転電機１は、第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２を合わせて１６個有する１６極である。

＜第１磁束及び第２磁束の流れ＞
図２に、第１磁束及び第２磁束の流れの模式図を示す。尚、図２において固定鉄心１２のティース１３及び巻線１８は、以下の説明に要する箇所のみを図示している。
第１永久磁石３０は、磁石内磁界３０ａが周方向Ｒ２の両端のＳ極から径方向Ｒ１の外側にＮ極に向く略円弧状に着磁されている。一方、第２永久磁石３２は、磁石内磁界３２ａが径方向Ｒ１の外側のＳ極から周方向Ｒ２の両端のＮ極に向く略円弧状に着磁されている。尚、磁石内磁界３０ａ及び磁石内磁界３２ａの方向は、Ｓ極からＮ極である。即ち、第１永久磁石３０は磁石内磁界３０ａ、第２永久磁石３２は磁石内磁界３２ａと、それぞれ極異方性着磁されている。極異方性着磁された第１永久磁石３０と第２永久磁石３２は、ハルバッハ配列により磁束を径方向Ｒ１の外側へ集中させる効果を有する。よって、隣接する第１永久磁石３０と第２永久磁石３２の間には、磁石内磁界３０ａ及び磁石内磁界３２ａと同じ方向の径方向Ｒ１の外側に循環する第１磁束４２が流れる。

一方、鉄心であるスポーク２４を流れる第２磁束４４は、電機子１０の巻線１８に通電時に発生する。図２に、通電する巻線１８の位置を示す。通電する巻線１８の位置を、第１永久磁石３０の中央より回転方向Ｒ２の後方とし、通電方向を紙面の上方から下方とする。磁界は、通電する巻線１８を含む第１磁束４２と同じ方向に発生する。よって、この磁界による第２磁束４４は、第１磁束４２内にあり、循環方向は第１磁束４２と同方向になる（紙面に向かって時計回り）。
同様に、通電する巻線１８の位置を、第２永久磁石３２の中央より回転方向Ｒ２の後方とし、通電方向を紙面の下方から上方とする。磁界は、通電する巻線１８を含む第１磁束４２と同じ方向に発生する。よって、この磁界による第２磁束４４は、第１磁束４２内にあり、循環方向は第１磁束４２と同方向になる（紙面に向かって反時計回り）。
加えて、第２磁束４４は、回転鉄心２２のスポーク２４と固定鉄心１２のスポーク２４に対向するティース１３の間を流れる。また、第２磁束４４は、巻線１８に通電時に発生に対向する磁界の方向、即ち、第１磁束４２と同方向へ流れる。よって、回転電機１の中の第２磁束４４の循環を、スポーク２４を起点として考える。

第１に、紙面に向かって反時計回りに循環する第２磁束４４を、第２永久磁石３２の回転方向Ｒ２の後方に位置するスポーク２４を起点として説明する。まず、第２磁束４４は、スポーク２４に対向するティース１３に向かって流れる。
次に、第２磁束４４は、固定鉄心１２の円弧部１９において、第１磁束４２と同方向へ流れる。この際、第２磁束４４は、第１磁束４２と合流し磁束４０となる。次に、第１磁束４２及び第２磁束４４は、第２永久磁石３２のＳ極に対向するティース１３を流れる。 次に、第１磁束４２及び第２磁束４４は、前記ティース１３から、対向する第２永久磁石３２のＳ極に向かって流れる。次に、第１磁束４２及び第２磁束４４は、第２永久磁石３２のＳ極から、第２永久磁石３２の内部をＮ極、即ち、起点であるスポーク２４に向かって流れる。
よって、第２磁束４４は、スポーク２４の内部を径方向Ｒ１の外側へ流れ循環する。一方、第１磁束４２は、スポーク２４の内部を貫通して、隣接する第１永久磁石３０のＳ極に流れ、第１永久磁石３０の内部をＮ極に向けて流れる。次に、第１永久磁石３０のＮ極に対向する固定鉄心１２のティース１３を流れ、固定鉄心１２の円弧部１９にて、第２磁束４４と合流し循環する。よって、第２磁束４４は、第１磁束４２の内側を第１磁束４２と同じ方向に循環する。

第２に、紙面に向かって時計回りに循環する第２磁束４４を説明する。まず、第１永久磁石３０の回転方向Ｒ２の後方に位置するスポーク２４を起点として、第１磁束４２と第２磁束４４は、隣接する第１永久磁石３０の内部を、Ｓ極からＮ極へ流れる。
次に、第１磁束４２と第２磁束４４は、第１永久磁石３０の内部のＮ極から、対向する固定鉄心１２のティース１３に流れる。次に、固定鉄心１２の円弧部１９において、第１磁束４２と第２磁束４４は分流する。
分流した第２磁束４４は、起点のスポーク２４に対向するティース１３に流れ、起点のスポーク２４へ戻り循環する。分流した第１磁束４２は、回転方向Ｒ２の後方に隣接する第２永久磁石のＳ極に対向するティース１３に流れ、第２永久磁石の内部をＳ極からＮ極に流れ、起点のスポーク２４へ戻り循環する。よって、第１の場合と同様に、第２磁束４４は、第１磁束４２の内側を第１磁束４２と同じ方向に循環する。
以上、回転電機１の通電時（回転時）の磁束４０は、第１磁束４２の内側に第２磁束４４が混在して循環している。

＜永久磁石＞
第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２は、焼結金属磁石又はプラスチック磁石を用いる。
焼結金属磁石としては、例えば、信越化学(株)のＮ３６Ｚが使われる。これは、焼結ネオジム磁石であり、残留磁束密度１．１[Ｔ]、保磁力８７５［ｋＡ/ｍ］である。焼結金属磁石の渦電流を左右する電気抵抗率(抵抗比)は、１．４［μΩ・ｍ］である。プラスチック磁石に比べ高コストである。
プラスチック磁石としては、例えば、ＮＥＯＭＡＸ－Ｐ６ (ＮＥＯＭＡＸ（株）)が使われる。プラマグボンド磁石であり、残留磁束密度０．５[Ｔ]、保磁力６３０［ｋＡ/ｍ］である。渦電流を左右する電気抵抗率(抵抗比)は、５０［μΩ・ｍ］である。プラスチック磁石は、プラスチック材料を基材として、磁性体材料（例えば、希土類系磁石材料など）を混合している。プラスチック材料にはラバー材料も含まれる。
上記以外の材料であっても、特徴の類似する材料を用いることができるのはいうまでもない。

＜積層鉄心＞
固定鉄心１２及び回転鉄心２２は、積層鉄心として磁性体である鉄を基材とした鋼板材料が用いられる。
固定鉄心１２には、例えば、４９％コバルト鋼板であるＶＡＣＯＦＬＵＸ５０ (ＶＡＣ社、独)が使われる。主な仕様は、板厚が０．２ｍｍ、磁気飽和密度が２．３５[Ｔ]、引張強度が７２０［ＭＰａ］である。
回転鉄心２２には、アモルファスを母相とする金属、例えば、アモルファス鋼板である２６０５ＨＢ１Ｍ (日立金属(株))が使われる。主な仕様は、鉄損が０．１７Ｗ/ｋｇ （１．３［Ｔ］、［５０Ｈｚ］）、引張強度が２１００ＭＰａ、磁気飽和密度が１．５［Ｔ］である。また例えば、回転鉄心２２には、アモルファス金属の一種であるが、その母相中に鉄のナノ結晶を高密度に分散したナノ結晶合金のＮＡＮＯＭＥＴ(R)（(株)東北マグネットインスティテュート）が使われる。鉄損が約０．３Ｗ/ｋｇ （１．５［Ｔ］、［５０Ｈｚ］）、磁気飽和密度が１．８［Ｔ］である。また、例えば、回転鉄心２２には、普通珪素鋼板である ３５Ｈ３００ （日本製鐵（株））が使われる。主な仕様は、鉄損が３Ｗ/ｋｇ（１．３［Ｔ］、［５０Ｈｚ］）、引張強度が５０９ＭＰａ、磁気飽和密度が２［Ｔ］である。また回転子鉄心２２には、高張力珪素鋼板である ３５ＨＸＴ７８０Ｔ （日本製鐵（株））が使われる。主な特長となる仕様は、引張強度が８２２ＭＰａと強く、前記の磁極群や磁石群を支えるのに好適な耐久性をもたせた設計ができる。
上記以外の材料であっても、特徴の類似する材料を用いることができるのはいうまでもない。
尚、固定鉄心１２及び回転鉄心２２は、通常上述の鋼板を用いてそれぞれの形状にプレスにより一体として加工し、これらを積層させて製造される。よって、回転鉄心２２の第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２の挿入される開孔部の機械的強度を大きくすることができる。

＜解析手段＞
本開示に用いた解析条件は以下である。過渡磁場解析に用いたＦｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ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。回転機械１のＦＥＡ解析のモデルは、電機子１０の固定鉄心１２の径は、３００ｍｍ、内側に空隙長５の長さ１ｍｍを持って界磁回転子２０を設置している。界磁回転子２０の極数は１６極である。電機子２０は、固定鉄心１２のスロット１６の巻線１８が三相巻線である。スロット１６の数は９６個であり、三相巻線は１相１極あたり2つのスロット１６を有する分布巻線である。巻線１８は平角導体であり複数本がスロット１６に巻装されている。電機子２０の固定鉄心１２は、４９％コバルト鋼板ＶＡＣＯＦＬＵＸ５０である。界磁回転子２０の回転鉄心はアモルファス鋼板２６０５ＨＢ１Ｍである。永久磁石は、焼結ネオジム磁石である。回転数は３０００ｒｐｍ、入力電流は２４０［Ａ］である。

図３に、第１実施形態の回転電機１の部分構造を示す。第１永久磁石３０に対して、電機子１０にはティース１３及び巻線１８が３個配されている。同様に、第２永久磁石３２に対して、電機子１０にはティース１３及び巻線１８が３個配されている。よって、回転電機１は、ティース１３及び巻線１８が４８個配されている。

＜ＦＥＡ解析の結果＞
図４に、回転電機１の１/４の範囲について、磁束４０の流れのＦＥＡ解析の結果を示す。図４（ａ）に、２個の第１永久磁石３０（３０－１、３０－２）、３個の第２永久磁石３２（３２－１、３２－２、３２－３）、５個のスポーク２４（２４－１、・・・、２４－５）、１４個のティース１３（１３－１、・・・、１３－１４）の配置を表す。
第１永久磁石３０－２と隣接する第２永久磁石３２－２．３０－３での磁束４０の流れを説明する。第１永久磁石３０－２のＮ極を起点とする。第１永久磁石３０－２のＮ極の周弧から、電機子１０へ流れる磁束４０は、２個のティース１３－９、１３－１０へ流れる。
ティース１３－９からの磁束４０は、固定鉄心１２の円弧部１９を流れ、ティース１３－６、１３－１１、１３－１２に流れる。
反時計方向（回転方向Ｒ２）のティース１３－６への流れは、第２永久磁石３２－２のＳ極へ流れる。次に、第２永久磁石３２－２のＳ極からスポーク２４－３を貫通して、隣接する起点の第１永久磁石３０―２のＮ極へ戻り循環する。これは第１磁束４２である。
時計方向のティース１３－１１への流れは、ティース１３－１１に対向するスポーク２４－４へ流れ、起点の第１永久磁石３０－２のＮ極へ戻り循環する。これは第２磁束４４である。
時計方向のティース１３－１２への流れは、第２永久磁石３２－３のＳ極へ流れる。次に、第２永久磁石３２－３のＳ極からスポーク２４－４を貫通して、隣接する起点の第１永久磁石３０―２のＮ極へ戻りと循環する。これは第１磁束４２である。
ティース１３－１０からの磁束４０は、固定鉄心１２の円弧部１９を流れ、ティース１３－１１に流れ、ティース１３－１１に対向するスポーク２４－４へ流れ、起点の第１永久磁石３０－２へ戻り循環する。これは第２磁束である。
以上より、回転電機１の回転時（通電時）の磁束４０は、第１磁束４２の内側に第２磁束４４が混在して循環している。

図４（ｂ）は、磁束４０の表示を増やしたＦＥＡ解析の図である。第１永久磁石３０－２、スポーク２４－４、第２永久磁石３２－３において、第１永久磁石３０－２と第２永久磁石３２－３で循環している第１磁束４２がある。また、第１永久磁石３０－２とスポーク２４－４には、第１磁束４２と同じ方向に循環している第２磁束４４がある。第２磁束４４は、第１磁束４２の内部にある。これは、図４（ａ）と同様である。また、図１に示す回転電機１は、第１磁束を１６個、第２磁束を１６個有する。
以上より、図２で説明した第１磁束４２及び第２磁束４２の流れが、ＦＥＡ解析の結果とほぼ一致する。

第１実施形態の回転電機１は、界磁回転子２０にハルバッハ配列された第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２の間を流れる第１磁束４２を有するので、電機子１０の通電により界磁回転子２０にローレンツ力が作用しトルクが発生する。加えて回転電機１は、電機子１０の通電によりスポーク２４とスポーク２４に対向するティース１３の間を流れる第２磁束４４を有するので、界磁回転子２０にスポーク２４が鉄心として作用するリラクタンストルクが発生する。即ち、回転電機は、第１磁束４２により発生するトルク及び第２磁束４２により発生するトルクを有し、トルク加算効果がある。
例えば、自動車等で用いられる外径３００ｍｍの小型の回転電機１では、ＦＥＡ解析により、図５に示すように発生するトルクを２３４Ｎｍとすることができる。即ち、図５は回転角度に対する平均トルクが２３４Ｎｍを示している。トルクの振幅は、６８Ｎｍ（最小値２００Ｎｍ～最大値２６８Ｎｍ）である。
自動車等で用いられる外径３００ｍｍの小型の回転電機のトルクは、通常２００Ｎｍ程度である。よって、第１実施形態の回転電機１によれば、目標とするトルクが１５％（トルク２３０Ｎｍ）を達成する１７％（トルク２３４Ｎｍ）とトルクを大きくできる。

＜比較例＞
比較例として、図１２に、例えば、特許文献１に示されるハルバッハ配列の永久磁石の界磁回転子１２０を有する回転電機１０１の磁気回路構造を示す。電機子１１０の固定鉄心１１２は、ティース１１３を４８個有している。界磁回転子１２０は、第１磁極磁石１３７、第２磁極磁石１３８、ヨーク磁石１３９から構成される。第１磁極磁石１３７は、並行着磁され磁石内磁界を径方向Ｒ１の外向きに有する。第２磁極磁石１３８は、並行着磁され磁石内磁界を径方向Ｒ１の内向きに有する。ヨーク磁石１３９は、並行着磁され磁石内磁界を周方向Ｒ２に有する。第１磁極磁石１３７と第２磁極磁石１３８は、ヨーク磁石１３９を介して交互に配される。また、ヨーク磁石１３９は、その界磁方向を第１磁極磁石１３７に向くように配される。界磁回転子１２０は、第１磁極磁石１３７及び第２磁極磁石１３８を合計１６個配された１６極の回転電機１０１である。回転電機１０１は、界磁回転子１２０の外側に、第１磁極磁石１３７から出て第２磁極磁石１３８に戻る第１磁束１４２を有する。

図１３に、図１２に示す回転電機１０１の第１磁束１４２の流れのＦＥＡ解析を示す。計算条件は、図４（ａ）と同じである。例えば、第１磁極磁石１３７－２から両サイドのヨーク磁石１３９－２、１３９－３、及び第２磁極磁石１３８－１、１３８－２に循環する第１磁束１４２を見る。まず、第１磁束１４２は、第１磁極磁石１３７－２のＮ極に対向するティース１１３－６、１１３－７を流れる。
ティース１１３－６からの第１磁束１４２は、反時計方向（回転方向Ｒ２）とその反対方向の時計方向の２つに分てる。反時計方向の第１磁束１４２は、固定鉄心１１２の円弧部１１９を流れティース１１３－３、次に、第２磁極磁石１３８－１、次に、ヨーク磁石１３９－２を経て第１磁極磁石１３７－２に戻る。時計方向の第１磁束１４２は、固定鉄心１１２の円弧部１１９を流れティース１１３－９、次に、第２磁極磁石１３８－２、次に、ヨーク磁石１３９－３を経て第１磁極磁石１３７－２に戻り循環する。
ティース１１３－７からの時計方向の第１磁束１４２は、固定鉄心１１２の円弧部１１９を流れティース１１３－８、次に、第２磁極磁石１３８－２、次に、ヨーク磁石１３９－３を経て第１磁極磁石１３７－２に戻り循環する。

比較例であるハルバッハ配列の永久磁石の界磁回転子１２０を有する回転電機１０１のトルクとして、例えば、自動車等で用いられる外径３００ｍｍの小型の回転電機のトルクのＦＥＡ解析は、２２０Ｎｍである。解析条件は、図５と同じである。これは、ハルバッハ配列を用いない通常の自動車等で用いられる外径３００ｍｍの小型の回転電機のトルクの２００Ｎｍ程度に対して約１０％向上する。
しかし、第１実施形態の回転電機１のトルクは２３４Ｎｍであり、比較例の回転電機１０１のトルク２２０Ｎｍより、約６．４％大きい。これは、第１実施形態は、比較例に比べて永久磁石が相対的に小さくなり第１磁束４２は小さくなるが、鉄心であるスポーク２４を有することで第２磁束４４によるリラクタンストルクによるトルク加算効果を有するからである。

（第２実施形態）
第２実施形態は、鉄心であるスポーク２４の幅２４ｗとスポーク２４の磁極極性に関する。図６に、第２実施形態のティース部の構造を示す。図６（ａ）はティース１３が４８個の場合であり、図６（ｂ）は ティース１３が９６個の場合である。
尚、図６に示すように、電機子１０の内周と界磁回転子２０の外周は、所定寸法の空隙長５を持って離間している。界磁回転子２０の外周は、ブリッジ２６及びスポーク２４の外周で構成される。電機子１０の内周は、一定の隙間を有して配されるティース先端１４で構成される。電機子１０の内周のティース先端１４の幅１４ａは、磁束４０（第１磁束４２と第２磁束４４）が流れ易いように大きい。一方、ティース１３のスロット１６には巻線１８が配されるので、ティース１３の幅は径方向Ｒ１の内側が狭くなっている。よって、ティース１３とティース先端１４の接続部がティース１３の最小幅１３ａとなる。

まず、鉄心であるスポーク２４の幅２４ｗについて説明する。図６（ａ）に示すティース１３が４８個の場合、スポーク２４の幅２４ｗは、ティース１３の最小幅１３ａ又はティース先端１４の幅１４ａより小さい。図６（ｂ）に ティース１３が９６個の場合、スポーク２４の幅２４ｗは、ティース１３の最小幅１３ａ又はティース先端１４の幅１４ａより大きい。
ここで、巻線１８に通電時に発生する第２磁束４４は、スポーク２４とスポーク２４に対向するティース１３及びティース先端１４の間を流れる。よって、スポーク２４の周方向の幅２４ｗは、ティース１３の最小幅１３ａ又はティース先端１４の幅１４ａの１/２より大きく、ティース１３の最小幅１３ａ又はティース先端１４の幅１４ａの２倍より小さくすることにより、第２磁束４４をスポーク２４とスポーク２４に対向するティース１３の間にバランス良く流すことができる。
また、スポーク２４の周方向の幅２４ｗを、ティース１３の最小幅１３ａ又はティース先端１４の幅１４ａより小さくすることにより、第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２の大きさを、必要以上に小さくすることが無い。よって、ハルバッハ配列された第１永久磁石及び第２永久磁石による第１磁束４２の大きさを維持することができる。

次に、鉄心であるスポーク２４の磁極極性は、Ｎ磁極とＳ磁極の中間極性である。
通常、磁性体は永久磁石と近接すると、近接した永久磁石のＮ磁極又はＳ磁極に磁化される。しかし、第２実施形態では、磁性体であるスポーク２４は、第１永久磁石３０のＳ磁極と第２永久磁石３２のＮ磁極の間に配されている。よって、スポーク２４の外周では、第１永久磁石３０のＳ磁極からの磁束と第２永久磁石３２からのＮ磁極の磁束が互いに相殺され、スポーク２４の電機子から見た磁極極性はＮ磁極でもＳ磁極でもない中間極性となる。一方、通電時は、スポーク２４に対向する電機子１０のティース先端１４の磁極極性は、Ｎ磁極又はＳ磁極である。よって、第２磁束４４はスポーク２４，すなわち中間極性の鉄心に作用してリラクタンストルクを生じることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態は、第１実施形態の図５に示す発生トルクの振幅を小さくすることに関する。図４で示すように第１永久磁石３０の周弧（Ｎ磁極）及び第２永久磁石３２の周弧（Ｓ磁極）は、電機子１０と磁束４０（第１磁束４２と第２磁束４４）を、周弧の全域で流している。ここで、スポーク２４側の両端部の周弧を流れる磁束４０は、近くにある鉄心であるスポーク２４へショートカットするのでリラクタンストルク即ちトルクの振幅を大きくしている。

第３実施形態は、第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２に対応する界磁回転子２０の外周のスポーク２４側の両端部が、第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２に対応する界磁回転子２０の外周の中央部に対して径方向Ｒ１内側にオフセットしている。
即ち、界磁回転子２９と電機子１０との空隙長５は、第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２のスポーク２４側の両端部が中央部に比べて広くなっている。界磁回転子２０と電機子１０との空隙長５に狭いところと広いところがあると磁束４０（第１磁束４２及び第２磁束４４）は狭いところに集中する。よって、第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２に対応する界磁回転子２０の外周を流れる磁束４０をオフセットの無い中央部に集中させることができ、発生するトルクの振幅を小さくすることができる。
例えば、第１永久磁石及び第２永久磁石に対応する界磁回転子の外周が、第１永久磁石及び第２永久磁石を覆うブリッジ２６である場合、ブリッジ２６のスポーク２４側の両端部は、径方向Ｒ１の内側に空隙であるオフセット部２６ａを有している。よって、ブリッジ２６のスポーク２４側の両端部は、オフセット部２６ａの無い中央部に比べて、界磁回転子２０と電機子１０との空隙長５が広くなっている。界磁回転子２０と電機子１０との空隙長５に狭いところと広いところがあると、磁束４０（第１磁束４２及び第２磁束４４）は狭いところに集中する。よって、第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２を覆うブリッジ２６を流れる磁束４０をオフセット部２６ａの無い中央部に集中させることができ、発生するトルクの振幅を小さくすることができる。

図７に、第３実施形態のブリッジ２６を有する回転電機１の部分構造を示す。第１永久磁石３０に対して、電機子１０にはティース１３及び巻線１８が６個配されている。同様に、第２永久磁石３２に対して、電機子１０にはティース１３及び巻線１８が６個配されている。よって、回転電機１は、ティース１３及び巻線１８が９６個配されている。

図８に、実施例としてＦＥＡ解析に用いたブリッジ２６のオフセット部２６ａの構造を示す。１極当たりのオフセット部２６ａの比率を算出する。回転電機１は１６極なので、一極は２２．５°（機械角、以下同じ）である。スポーク２４は４°である。よって、第１永久磁石３０を覆うブリッジの幅は１８．５°である。
ブリッジの両端のオフセット部２６ａの幅は３°、オフセット２６ａの無い中央部は１２．５°となる。よって、オフセット部２６ａの比率は、（３°×２））/１８．５°＝３２％（オフセット部２６ａ当たり１６％）である。オフセット部２６ａの形状は略三角形である。オフセット部２６ａの径方向Ｒ１の高さは、ブリッジ２６のオフセット部２６ａの無い中央部からスポーク２４に向かって徐々に高さを増しスポーク２４との端面で２ｍｍとした。
例えば、固定鉄心１２の径が３００ｍｍの場合、オフセット部２６ａの幅７ｍｍである。よって、オフセット部２６ａの大きさは、底辺７ｍｍ、高さ２ｍｍの略直角三角形である。尚、スポーク２４の幅２４は９．６ｍｍである。

図５に対応する第３実施形態のトルク のＦＥＡ解析の結果を図９に示す。平均トルクは同じ２３４Ｎｍとなるが、トルクの振幅を６８Ｎｍ（２００Ｎｍ～２６８Ｎｍ）から、２８Ｎｍ（２２０Ｎｍ～２４８Ｎｍ）と、約５９％小さくすることができた。

図１０に、ティース１３に対向するスポーク２４の近傍の第２永久磁石３２から第１永久磁石３０への第１磁束４２流れの模式図を示す。図１０（ａ）はオフセットの有る場合、図１０（ｂ）はオフセットが無い場合である。両図において、第２永久磁石３２のＳ極の中央部から第１永久磁石３０のＮ極の中央部への第１磁束４２の流れ、及びティース１３から対向するスポーク２４を経て第１永久磁石３０のＮ極への流れは同じである。しかし、ティース１３に対向するスポーク２４の近傍の第２永久磁石３２から第１永久磁石３０への第１磁束４２の流れは、オフセットの有無により異なる。
図１０（ｂ）のオフセット無しの場合、スポーク２４の近傍の第２永久磁石３２に流入した第１磁束４２は、スポーク２４を貫通して第１永久磁石３０へ流れる。よって、第１磁束４２は、第２永久磁石３２のＳ極の周弧全体から、第１永久磁石３２のＮ極の周弧全体へ流れる。
一方、図１０（ａ）のオフセット有りの場合、スポーク２４の近傍の第１磁束４２は、オフセット部２６ａのため空隙長さ５が大きくなっているため、空隙長さ５の狭い第２永久磁石３２のＳ極のオフセット部２６ａの無い中央部へ流入する。第２永久磁石３２のＳ極の中央部に流入した第１磁束４２は、スポーク２４を貫通して第１永久磁石３０のＮ極のオフセット部２６ａの無い中央部へ流入する。よって、第１磁束４２は、第２永久磁石３２のＳ極のオフセット部２６ａの無い中央部から、第１永久磁石３２のＮ極のオフセット部２６ａの無い中央部へ流れる。即ち、第１磁束４２の流れる幅が、オフセット部２６ａにより小さくなっている。このことにより、トルクの振幅が小さくなったと推定する。
以上、トルクの振幅が小さくできる第３実施形態の回転電機１は、輸送機器だけでなく計測装置でも使用することができる。計測装置の回転電機１は、一定のトルクの安定性が必要である。よって、トルクの振幅が小さい回転電機１により、トルクの安定性が確保でき計測装置の計測制度が向上できる。

第１永久磁石及び第２永久磁石を覆うブリッジ２６の径方向Ｒ１の幅２６ａは、１．５ｍｍ～２ｍｍである。よって、第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２の両端部にはオフセットに対応した面取りを施している。

（第４実施形態）
第４実施形態は、第１永久磁石３０は、２個のヨーク磁石３９と、ヨーク磁石３９の間に第１磁極磁石３７と、を有する永久磁石である。また、第２永久磁石３２は、２個のヨーク磁石３９と、ヨーク磁石３９の間に第２磁極磁石３８と、を有する永久磁石である。

図１１は、第４実施形態の永久磁石を示す。図１１（ａ）は、第１永久磁石３０に対応する永久磁石を示す。第１磁極磁石３７及びヨーク磁石３９は、平行着磁されている。第１磁極磁石３７は、径方向Ｒ１外向きに磁石内磁界３７ａを有する。ヨーク磁石３９は周方向Ｒ２に磁極内磁界３９ａを有する。この第１永久磁石３０は、左右の２個のヨーク磁石３９の間に第１磁極磁石３７が配され、ヨーク磁石３９の磁石内磁界３７ａは、第１磁極磁石３７に向かって互いに対向するように配される。また、図１１（ｂ）は、第２永久磁石３２に対応する永久磁石を示す。第２磁極磁石３８及びヨーク磁石３９は、平行着磁されている。第２磁極磁石３８は、径方向Ｒ１内向きに磁石内磁界３８ａを有する。この第２永久磁石３２は、左右の２個のヨーク磁石３９の間に第２磁極磁石３８が配され、ヨーク磁石３９の磁石内磁界３７ａは、第１磁極磁石３７に向かって互いに対向しないように配される。

第４実施形態は、第１永久磁石及び第２永久磁石が、それぞれ並行着磁された３個の永久磁石から構成される。即ち、３分割されているので永久磁石が小さくなっている。小さい永久磁石にすることで、着磁が容易で低コストとすることができる。また、回転鉄心２２は、径方向に複数のスポークによる第１永久磁石及び第２永久磁石を嵌合する開孔部を有する。よって、３分割された永久磁石を、各開孔部へ容易に組付けることができる。
また、３個の永久磁石をハルバッハ配列とする場合、永久磁石の磁力による反発力が働く。第４実施形態の回転鉄心２２は、径方向に複数のスポーク２４と、スポーク２４の内側の端部を接続するハブ２８と、スポーク２４の外側の端部を接続するブリッジ２６を有することができる。よって、第１永久磁石３０及び第２永久磁石３２と嵌合する開孔部により、３分割された永久磁石を、強固に固定することができる。

第１磁極磁石３７と第２磁極磁石３８は同じ大きさである。一方、ヨーク磁石３９の周方向Ｒ２の大きさは、第１磁極磁石３７又は第２磁極磁石３８の周方向Ｒ２の大きさの１/２とした。ヨーク磁石３９の磁石内磁界３９ａは、第１永久磁石３０と第２永久磁石３２が隣接することで、２倍とすることができる。この２倍の磁石内磁界３９ａを、第１磁極磁石３７の磁石内磁界３７ａ又は第２磁極磁石３８の磁石内磁界３８ａと同等の大きさとすることで、磁石内磁界のバランスを良くして、ハルバッハ配列による磁束を径方向Ｒ１の外側へ集中させる効果を高めることができる。尚、ヨーク磁石３９は、開孔部への挿入方向を逆にすることで磁石内磁界３９ａの向きを変えることができる。

１ 回転電機 ５ 空隙長（電機子と界磁回転子の間）
１０ 電機子 １２ 固定鉄心
１３ ティース １３ａ ティースの最小幅
１４ ティース先端 １４ａ ティース先端の幅
１６ スロット １８ 巻線
１９ 円弧部 ２０ 界磁回転子
２２ 回転鉄心 ２４ スポーク
２４ａ 幅（スポークの周方向） ２６ ブリッジ
２６ａ オフセット部 ２８ ハブ
３０ 第１永久磁石 ３０ａ 磁石内磁界（第１永久磁石）
３２ 第２永久磁石 ３２ａ 磁石内磁界（第２永久磁石）
３７ 第１磁極磁石 ３８ 第２磁極磁石
３９ ヨーク磁石 ４０ 磁束
４２ 第１磁束 ４４ 第２磁束
Ｚ 回転軸方向 Ｒ１ 径方向
Ｒ２ 周方向（回転方向）

Claims (6)

1. 周方向に複数のティースを備えた固定鉄心と、前記ティースの間に三相に巻装された巻線と、を有する電機子と、径方向に複数スポークと、前記スポークの径方向の外側端部の側部に接続する円弧状のブリッジと、前記スポークの径方向の内側端部に接続する円筒状のハブと、を備え、前記スポーク、前記ブリッジ、前記ハブからなる開口部を有する回転鉄心と、前記開口部に交互に嵌合された第１永久磁石及び第２永久磁石と、を有する界磁回転子と、を有し、前記界磁回転子の外周であるスポーク端部及び前記ブリッジが、前記電機子の内周である前記ティースと所定寸法の空隙長を持って離間した回転電機において、前記第１永久磁石は、周方向の両端にＳ極、径方向の外側にＮ極を備え、前記第２永久磁石は、周方向の両端にＮ極、径方向の外側にＳ極を備え、隣接する前記第１永久磁石と前記第２永久磁石の間の前記スポーク内を流れる第１磁束は、前記第２永久磁石との嵌合面から対抗する前記第１永久磁石との嵌合面に流れ、前記電機子に通電時発生する第２磁束は、前記スポーク端部及び前記ブリッジと前記ティースの間を流れることを特徴とする回転電機。
2. 前記請求項１の回転電機において、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石の径方向内側の周方向の長さは、前記スポークの周方向の長さより大きく、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石の径方向の長さは、前記ハブの径方向の長さより大きい、ことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１又は請求項２の回転電機において、前記スポークの周方向の幅は、前記ティースの最小幅又はティース先端の幅の１/２より大きく、前記ティースの最小幅又は前記ティース先端の幅の２倍より小さいことを特徴とする回転電機。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１つの回転電機において、前記スポークは、Ｎ磁極とＳ磁極の中間極性であることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１つの回転電機において、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石に対応する前記界磁回転子の外周の前記スポーク側の前記ブリッジの両端部が、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石に対応する前記界磁回転子の外周の中央部の前記ブリッジに対して径方向内側にオフセットしていることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１つの回転電機において、前記第１永久磁石は、２個のヨーク磁石と、前記ヨーク磁石の間に第１磁極磁石と、を有する永久磁石であること、及び前記第２永久磁石は、２個のヨーク磁石と、前記ヨーク磁石の間に第２磁極磁石と、を有する永久磁石であること、を特徴とする回転電機。

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