JPWO2013179376A1 - 複合トルク型回転電機 - Google Patents

Abstract

フェライト磁石等の低残留磁束密度の永久磁石を用いた複合トルク型回転電機の高トルク化を図る。一定間隔で周方向の複数箇所に電機子巻線が配置される固定子と、電磁鋼板を積層した円筒状の鉄心からなる回転子と、ｄ軸上であって、前記回転子の外周部に周方向に複数配置される第１の永久磁石と、ｄ軸上であって、前記回転子の内周側において、前記外周側の永久磁石と対向して複数配置される第２の永久磁石と、ｑ軸上であって、前記回転子の径方向に長手方向に延伸する第３の永久磁石と、複数の前記第１の永久磁石の周方向の中間であって、前記第３の永久磁石の外周側に設けられる空隙部と、を備え、前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石との間の径方向の距離が、前記第１の永久磁石と前記空隙部との間の周方向距離より大であり、前記第１の永久磁石と前記空隙部との間に複数のスリットからなる整流手段を備えたことを特徴とする。

Description

本発明は、フェライト磁石等の低残留磁束密度の永久磁石を用いた複合トルク型回転電機に関する。

永久磁石を回転子に埋設した同期電動機において、永久磁石による磁極中心軸をｄ軸と呼び、ｄ軸に対し電気的，磁気的に直交する軸をｑ軸と呼ぶ。従来構造として、ｄ軸方向に複数個の永久磁石を埋設した例が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、リラクタンストルクを併合した永久磁石型回転電機の構造として特許文献２が知られている。さらに、特許文献３には、大きなリラクタンストルクを得ながら永久磁石の個数を低減して構成の簡略化を図った永久磁石式回転機の回転子が示されている。

特許第３２９０３９２号公報 特許第３９７０３９２号公報 特開２００１−１４５２８３号公報

複合トルク型回転電機は、固定子の電機子巻線で生成される電機子磁束によるリラクタンストルクと、永久磁石の磁石磁束によるマグネットトルクを併合することにより高トルク化を実現する。

特許文献１に示される従来構造は、ｄ軸方向に複数個の永久磁石を埋設している。しかしながら、永久磁石を埋設する構造のため、永久磁石の外周側となる回転子の外周部の全域にわたり鉄心が存在し、この鉄心部分に固定子の電機子巻線で生成される閉ループの電機子磁束の空間高調波が、容易に流入する構造となっている。この閉ループの空間高調波は、リラクタンストルクにほとんど寄与しないが、固定子および回転子の鉄心を通過することにより鉄心の磁気飽和傾向を増大させるため、結局リラクタンストルクに寄与する有効な磁束量が十分に得られていなかった。

また、リラクタンス効果をより増大させる目的で、磁束が一方のｑ軸方向より容易に流入するように、永久磁石間を大幅に開口した構造となっている（特許文献１、図２）。そして、この一方のｑ軸方向より流入した磁束は、ｄ軸上の内周側に埋設されている永久磁石のさらに内周側を通過し、他方のｑ軸方向より流出する。しかし、この経路は磁路が長くなるため磁気抵抗が増大し、これに伴い磁気損失が増大するという問題があった。

更に、ｑ軸方向の鉄心部の永久磁石間を大幅に開口させてスペースを必要とするため、永久磁石の寸法、および配置に制約を受けて多極化が困難となり、多極化のためには回転子の体格を大きくする必要があった。また、ｑ軸方向の鉄心部の永久磁石間を大幅に開口させることにより、ｄ軸の複数個の永久磁石の夫々の寸法を縮小する必要があり、マグネットトルクを十分に得られなかった。

特許文献２の従来構造は、リラクタンストルクを併合した永久磁石型回転電機の構造として、代表的な構造である。この構造でのリラクタンストルクは、永久磁石より外周側の鉄心部で発生する。該鉄心部における磁気飽和を緩和するため、永久磁石をより内周側に寄せて配置して鉄心部の寸法を大きくしているが、この場合、永久磁石の回転子の周方向の長さが短縮され、マグネットトルクが減少することになる。

永久磁石を用いた回転電機では、マグネットトルクの増大や永久減磁の回避のために、特に回転子外周側に位置する永久磁石にはネオジム磁石が用いられるが、希土類金属であるネオジムやディスプロシムの入手性は非常に悪く、また非常に高価である。一方、フェライト磁石は、入手性が良く安価であるが、低磁力であるためマグネットトルクが低く、また低保持力のため容易に永久減磁するという問題があった。

特許文献３には、大きなリラクタンストルクを得ながら、永久磁石の個数を低減して構成の簡略化を図った永久磁石式回転機の回転子が示されている。しかしながら、固定子からの磁束の磁路が、外周側に位置する永久磁石の長手方向の端部と径方向に位置する永久磁石との間を通って、台形状の内側を経て、その永久磁石の長手方向の他の端部と隣に位置する永久磁石との間を抜ける経路をとることになる、と記載されているように、固定子からの磁束が台形状の内側をショートカットすることになる。このため、台形状の内側の鉄心部で磁束の飽和が起きやすく、磁気抵抗が増加する。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、固定子の電機子巻線で生成される電機子磁束を複数のスリットからなる整流手段で整流することにより、フェライト磁石等の低残留磁束密度の永久磁石を用いた複合トルク型回転電機の高トルク化を図ったものである。

上記目的を達成するために、本発明の複合トルク型回転電機は、一定間隔で周方向の複数箇所に電機子巻線が配置される固定子と、
電磁鋼板を積層した円筒状の鉄心からなる回転子と、
ｄ軸上であって、前記回転子の外周部に周方向に複数配置される第１の永久磁石と、
ｄ軸上であって、前記回転子の内周側において、前記外周側の永久磁石と対向して複数配置される第２の永久磁石と、
ｑ軸上であって、前記回転子の径方向に長手方向に延伸する第３の永久磁石と、
複数の前記第１の永久磁石の周方向の中間であって、前記第３の永久磁石の外周側に設けられる空隙部とを備え、
前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石との間の径方向の距離が、前記第１の永久磁石と前記空隙部との間の周方向距離より大であり、
前記第１の永久磁石と前記空隙部との間に複数のスリットからなる整流手段を備えたことを特徴とする。

また、上記に記載の複合トルク型回転電機において、前記複数のスリットは、スリット間の間隔が、外周側の間隔より内周側の間隔の方が長いことを特徴とする。

また、上記に記載の複合トルク型回転電機において、前記複数のスリットは、前記第１の永久磁石に近い第１のスリットがｑ軸と平行であり、ｑ軸に最も近い第２のスリットがｄ軸と平行であることを特徴とする。

また、上記に記載の複合トルク型回転電機において、前記第１のスリットと前記第２のスリットとの間に配設されるスリットが前記第１のスリットの中心軸と前記第２のスリットの中心軸との交点を中心として振り分けられていることを特徴とする。

また、上記に記載の複合トルク型回転電機において、前記第１のスリットと前記第２のスリットとの間に配設されるスリットが前記第１のスリットの中心軸と前記第２のスリットの中心軸との交点を中心とし、均等な角度で振り分けられていることを特徴とする。

また、上記に記載の複合トルク型回転電機において、前記複数のスリットの内部に非磁性体が封入されていることを特徴とする。

本発明によれば、フェライト磁石等の低残留磁束密度の永久磁石を用いた永久磁石回転電機において、電機子磁束によるリラクタンストルクと永久磁石によるマグネットトルクの複合トルクの高トルク化を実現することができる。

本発明実施例１の複合トルク型回転電機の径方向の断面図である。 同じく回転子構造の要部拡大図である。 スリットの配置の説明図である。 電機子磁束の空間高調波の概念図である。 本発明実施例における空間高調波の流れの概念図である。 同じく回転子の任意角度における固定子のティースとの位置関係を示す図である。 回転子全体における電機子巻線による磁束の流れを示す図である。 回転子全体における永久磁石による磁石磁束の流れを示す図である。 本発明実施例の電磁界解析による磁束分布を示す図である。 電磁界解析による比較・検討モデルの例を示す図である。 電磁界解析による結果を示す図である。 本発明実施例２に係る複合トルク型回転電機の径方向の断面図である。 同じく回転子構造の要部拡大図である。

本発明の実施形態は、下記の（ａ）〜（ｆ）の各構成から得られるそれぞれの作用を考慮している。
（ａ）回転子のｄ軸上の外周側に、固定子のティースに配置される電機子巻線で生成される電機子磁束の流入出を遮断する、磁束遮断手段の役割をする永久磁石を配置する。
（ｂ）内周側に隣接磁極間での磁束短絡の防止および磁路の整流の役割をする矩形形状の永久磁石を配置する。
（ｃ）回転子のｑ軸上に、隣接磁極との短絡磁束防止の役割をする永久磁石を配置する。
（ｄ）この永久磁石の外周側端部に、内周側が長辺，外周側が短辺である台形形状の空隙を形成する。
（ｅ）回転子のｄ軸上の外周側に位置する永久磁石と、ｑ軸上の永久磁石および台形形状の空隙との間は、固定子から回転子に磁束が容易に流入するよう間隔が広く設けられている。
（ｆ）上記間隔が広く設けられている部分の鉄心に、複数のスリットからなる整流手段を形成する。

上記の各構成を必要に応じて採用することにより、高トルク化を図った回転電機を得ることができる。例えば、回転子の内部において、永久磁石で磁極の縁を囲むように永久磁石を配置することにより、より多くの磁石磁束を得ることができるため、マグネットトルクを最大限に利用することができる。

また、回転子のｄ軸の外周側に位置する永久磁石，ｑ軸の外周側に位置する台形形状の空隙、およびその間に形成される複数のスリットにより、回転子鉄心の外周側の全周領域において、電機子磁束の空間高調波を遮断することが可能となり、固定子および回転子における磁気飽和傾向を抑制することが可能となるため、トルクに有効な磁束量を増幅させることができ、高トルク化が可能となる。

また、フェライト磁石等の低残留磁束密度の永久磁石を使用して高トルク化を行なう場合、リラクタンストルクをより多く利用することが必要となる。リラクタンス型の回転電機の場合、ｄ軸方向とｑ軸方向とで磁気的な粗密差を拡大させることで、リラクタンストルクを増大させることができるが、この磁気的な粗密差により１周期当りのトルク脈動は一般的には増大する。

本実施態様では、上記スリット群により、磁束が整流されるため、リラクタンストルクの増大化と同時に、トルク脈動の抑制が可能である。また、ｑ軸上の永久磁石の外周側端部に位置する空隙形状を台形形状とすることにより、固定子のティースから流入する磁束を整流することができるため、前述のスリット群と同様の効果が得られる。

また、磁束はｄ軸上の外周側および内周側に位置する永久磁石と、ｑ軸上に位置する永久磁石とにより囲まれる広い面積の鉄心部を通過するので、磁気抵抗を小さくでき、磁束の磁路は短くなり磁気損失は減少する。また、磁束が該鉄心部を通過する構造とすれば、ｑ軸に沿う永久磁石の配置、および周方向の厚さの制約は緩和されるため、多極化が容易となる。

以下、本発明の実施例の詳細な構造を図面を用いて説明する。なお、本実施例の説明において、特に記載しない限りは、永久磁石は低残留磁束密度のものであり、具体的にはフェライト磁石と称されるものを示している。

（実施例１）
まず、図１〜図２を用いて実施例１の構造を説明する。図１は、複合トルク型回転電機の径方向の断面図であり、図２は、回転子構造の要部拡大図である。なお、図２には、ｄ軸（永久磁石による磁極中心軸）、及び、ｄ軸に対し電磁気的に直交するｑ軸を、それぞれ一点鎖線で示している。

本実施例の複合トルク型回転電機は、８極の電機子巻線を有する固定子１と、円筒形の回転子３により構成されている。回転子３の鉄心は、積層された円形の電磁鋼板より構成されており、１つの磁極に３つ以上のフェライト磁石からなる永久磁石が埋設されている。固定子１には内側周方向に渡って複数のティース４が形成されており、各ティース４に電機子巻線２が巻回配置される構造となっている。

図２により回転子３の構造を説明する。回転子３の外周側には、周方向を長手方向とする永久磁石２１（第１の永久磁石）が配置されている。この外周側の永久磁石２１は、ｄ軸上の外周側に形成された略矩形形状の永久磁石挿入用空洞部１１に埋設され、接着剤もしくは樹脂製ゴムで固定されており、ｄ軸に平行となる方向に磁化されている。また、永久磁石挿入用空洞部１１は永久磁石２１より周方向に長く形成され、永久磁石２１の両端部に略三角形状もしくは略台形形状の空隙３１が形成されている。

また、回転子３には、ｑ軸に沿って延伸するように永久磁石２２（第３の永久磁石）が配置される。この永久磁石２２は、ｑ軸上に形成された略矩形形状の永久磁石挿入用空洞部１２に埋設され、接着剤もしくは樹脂製ゴムで固定されている。永久磁石２２は、ｑ軸に直交する方向に磁化されており、永久磁石２１の外周側の面がＮ極である場合は、その永久磁石２１が埋設されているｄ軸を向く面がＮ極となるように配置される。これと逆に、永久磁石２２が、永久磁石２１の外周側の面がＳ極である場合は、その永久磁石２１が埋設されているｄ軸を向く面がＳ極となるように配置される。永久磁石２２の外周側の端部には台形形状の空隙４２が形成されており、内周側の端部には、三角形状もしくは台形形状の空隙３２が形成されている。

さらに、回転子３において、永久磁石２１より内周側に、周方向を長手方向とする永久磁石２３（第２の永久磁石）が配置されている。この内周側の永久磁石２３は、ｄ軸の内周側に形成された矩形形状の永久磁石挿入用空洞部１３に埋設され、接着剤もしくは樹脂製ゴムで固定されている。永久磁石２３は、ｄ軸に平行となる方向に磁化されており、永久磁石２１の外周側の面がＮ極である場合は、永久磁石２３の外周側の面はＮ極となるように配置され、永久磁石２１の外周側の面がＳ極である場合は、永久磁石２３の外周側の面はＳ極となるように配置されている。

上述のように配置することにより、前記永久磁石２１〜２３は、回転子３上において、台形の各辺上に位置するような配置となる。回転子のｄ軸上の外周側に位置する永久磁石２１と、ｑ軸上の永久磁石２２および台形形状の空隙４２との間隔Ａは、固定子からの電機子磁束を回転子に容易に流入する長さに設定され、前記永久磁石２１と２３との距離をＢとしたとき、距離Ａに対して距離Ｂは大きく設定され、固定子１からの電機子磁束を回転子３に容易に流入させることができる。なお、Ａは第１の永久磁石と空隙部との間の周方向距離、Ｂは第１の永久磁石と第２の永久磁石との間の径方向の距離を示している。

それぞれの永久磁石２１〜２３の磁化方向については、図２に一例を図示している。すなわち、本実施例では永久磁石２１及び永久磁石２３は外周側がＮ極となり、内周側がＳ極となるように磁化されており、永久磁石２２はＮ極が対向するように磁化されている。

永久磁石２２の外周側に位置する台形形状の空隙４２と永久磁石２１との間の鉄心部には、複数のスリット５１ａ〜５１ｄでスリット群（スリット部）５１を構成している。本実施例には４本のスリットが示されているがこれに限らない。これら台形形状の空隙４２およびスリット群５１は非磁性体（非磁性体部）であり、永久磁石２１とともに磁束遮断部を構成する。

スリット群５１は、回転子３の外周側に配置されており、より好ましくは、永久磁石２１の内周側の角部と台形形状の空隙４２の外周側辺の中心とを結ぶ直線よりも外周側に形成されている。このスリット群５１を構成する各スリット５１ａ〜５１ｄは、回転子３の周方向に幅細で、径方向に延伸する細長い形状であり、これらが周方向に間隔をおいて複数設けられている。これら各スリット５１ａ〜５１ｄは互いに平行に配置しても良いが、好ましくは、スリット間の幅が、外周側の間隔が狭く、内周側の間隔が広くなるように放射状に配置するのが良い。

上記放射状の配置は、より好ましい形態として、図３に示すようなスリット群５１としている。すなわち、永久磁石２１に最も近い第１のスリット５１ａは、ｑ軸と平行になるように形成され、ｑ軸に最も近い第２のスリット５１ｄはｄ軸と平行になるように形成されている。第１のスリットと第２のスリットとの間に配設されるスリット５１ｂ，５１ｃは、第１のスリット５１ａの中心軸と第２のスリット５１ｄの中心軸との交点５５を中心とした角度を、略均等な角度に振り分けた角度に設定することで放射状に配置されている。

また、夫々のスリットの長さは、ｄ軸側のスリットからｑ軸側のスリットに掛けて、一定の割合で短くなっている。すなわち、スリット５１ａが最も長く、スリット５１ｄが最も短く、この間のスリット５１ｂ、５１ｃが順に短く形成されている。スリット群５１の周方向位置については、永久磁石２１と台形形状の空隙４２との間の略中央に形成されている。各スリットの内部は、空気や樹脂などの非磁性体が封入され、非磁性体の封入では鉄心の強度を高めることができる。

以上説明したような構造を採用することにより、次の作用が期待できる。その第一は、回転子３の外周部分の構造による作用である。本実施例では、回転子の外周側に永久磁石２１が配置され、永久磁石２１の長手方向両端部には空隙３１が設けられている。また、これに隣り合ってスリット群５１が存在し、さらに、スリット群５１に隣り合って空隙４２が存在する。その次に、スリット群５１、空隙３１、永久磁石２１、とこれらが周方向全体に渡って繰り返し存在する。このため、固定子巻線２の周囲のティース４に生じる閉ループの空間高調波（磁束）が、回転子３の外周部の構造によって遮蔽される作用が得られることになる。

そして第二の作用は、固定子巻線２によって発生する電機子磁束のスリット群５１による整流手段（案内手段）としての作用である。すなわち、スリット間の幅が、外周側の間隔が狭く、内周側の間隔が広くなるように放射状に配置されることにより、スリット群５１を通過するとき、磁束が整流された後、放射状に広がるように案内され、永久磁石２１と永久磁石２３で挟まれる広い面積の鉄心部７２全体に拡散しながら流れる。また、スリット５１ａが最も長く形成されているため、このスリットの両側の鉄心を通過する磁束をこのスリット５１ａに沿った方向でより遠くへ案内し、これによって磁束は鉄心部７２でショートカットすることなく、全体に拡散するように案内される。

以下、図面を用いてこれらの２つの作用を説明する。

図４に、電機子磁束の空間高調波の概念図を示す。電機子巻線２に通電すると、電機子巻線２の周りに閉ループの電機子磁束が生じる。この電機子磁束には、固定子１の一方のティースより回転子３に流入し、他方の直近のティースより流入する、１スロット周りで閉ループを成す磁束が存在する。これが電機子磁束の空間高調波６１であり、出力トルクとは周期が異なるため、出力トルクには寄与しない。しかしながら、鉄心中に磁束が存在するため、固定子１および回転子３の鉄心部における磁気飽和傾向は増進する。すなわち、空間高調波６１は、電動機の回転には何ら寄与しないにも関わらず磁気飽和を招くため、トルクに寄与する有効な磁束量が十分に得られなくなり、これを抑制することが必要となる。

図４は、本実施例の構造ではないが、電機子磁束の空間高調波６１（図中に実線矢印で示す）は、複数箇所において発生している。また、図４において、中央に位置する電機子巻線２の周りに発生する空間高調波（図中に破線矢印６２で示す）は永久磁石２１によって遮断されている。

図５に、本実施例における空間高調波の流れの概念図を示す。電機子磁束の空間高調波は、鉄心などの磁性体中を容易に通過するが、通過する磁路上に空気や樹脂などの非磁性体を設けると、これによって遮断される。本実施例では、永久磁石２１、スリット群５１、台形形状の空隙４２を回転子の外周側に配置することにより、空間高調波を遮断している。

また、前述したように、空間高調波は隣接のティースで閉ループを構成する。このため、永久磁石２１と台形形状の空隙４２の間隔、永久磁石２１とスリット群５１の間隔、スリット群５１と台形形状の空隙４２の間隔、およびスリット同士の間隔を、固定子１の隣接するティース間隔（ティースピッチ）よりも狭めることで、効率良く空間高調波６１を遮断することができる。換言すれば、回転子３の外周側に配置される永久磁石、あるいは、空隙のような非磁性体の部分（本実施例では空隙３１、空隙４２、スリット５１ａ〜５１ｄ）の配置を次のようにすることで、空間高調波の遮断を可能としている。

永久磁石と非磁性体部との距離、永久磁石とスリット部との間の距離、スリット部と前記空隙との間の距離、スリット同士間の距離Ｘｎ（ここで、Ｘｎはｎ番目の距離で、図ではｎの最大が6の例を示す。）を、固定子１のティース４の間隔Ｙ（ティース間隔は一定であるためＹとする。）より小さく（Ｘｎ＜Ｙ）設定する。このように構成すれば、電機子磁束の空間高調波が永久磁石あるいは非磁性体を必ず通過するので、確実に遮断され空間高調波を抑制できる。

図６（ａ）〜（ｃ）に、回転子３の任意角度における固定子のティース４との位置関係を示す。前述にあるように、少なくともティースの間隔Ｙよりも間隔Ｘｎを狭めることにより、運転時に固定子のティースと回転子の位置関係が変化しても、空間高調波の磁路上には永久磁石２１，スリット群５１，台形形状の空隙４２が存在するため、どの位置においても空間高調波を遮断することができる。

すなわち、永久磁石２１，空隙４２，スリット群５１は、回転子外周側の周方向に順々に配列され、夫々がトルクに寄与しない電機子巻線周りに発生する各空間高調波を抑制する作用を果たしている。永久磁石部，空隙部，スリット部（スリット群）は、磁束遮蔽部として機能し、これが周方向に延在することで、不要な磁束をカットしている。図６（ａ）〜（ｃ）に破線６２で示されるように、回転子３の回転位置によらず、空間高調波が効果的に遮断されていることが理解できる。

図７により、電動機の電機子磁束の回転子での流れについて述べる。本実施例における回転子３全体における電機子磁束の流れ（実線矢印）を示す図である。固定子１の電機子巻線２より生成される電機子磁束は、ｄ軸方向の流入出が永久磁石２１により遮断される。一方、ｑ軸方向については、台形形状の空隙４２と永久磁石２２で分断されて、電機子磁束が回転子３内に流入する。具体的には、スリット群５１の外周側より流入し、永久磁石２１と永久磁石２３とで挟まれる広い面積の鉄心部７２を通過し、他方のスリット群５１の外周側より流出する。このように、電機子磁束を分断した状態で流入させることにより、永久磁石２１と永久磁石２３とで挟まれる広い面積の鉄心部７２では磁気飽和することなく、通過する電機子磁束を増大させることができ、磁気抵抗を低減してリラクタンストルクを増大させることができる。

次に永久磁石による磁束を説明する。図８は、永久磁石の磁石磁束の流れを示す図である。ｄ軸上の外周側に位置する永久磁石２１の磁化方向を電機子磁束に対向するように配置することにより、磁気的な粗密の格差が拡大し突極性は増大するため、リラクタンストルクを増大させることができる。また、永久磁石２２，２３の夫々の磁極を向かい合わせることにより、磁石磁束を収束されるため、マグネットトルクを増大することができる。

図９は、本実施例の電磁界解析による磁束分布を示す図であり、上述したスリット群５１の作用を説明するための概念図である。リラクタンストルクを積極的に利用して高出力化を図るに当たり、本実施例がスリット群５１を備えていることは既に述べた（図１〜図２参照）。このスリット群５１が、回転子３と固定子１の間を流出入する磁束の流れを整えて案内する整流手段（案内手段）の作用があることが確認できる。

一般に、磁束は短ループを成すようにその内周側に集中するため、通常は内周側の鉄心部での磁気飽和傾向は増進することになる。本実施例では、スリット群５１によって磁束が永久磁石２１と永久磁石２３とで挟まれる鉄心部７２の全体に拡散する流れに整流するように、内周側のスリット間隔が外周側のスリット間隔より大となる形状となっている。磁束は固定子１から回転子３に流入する際に、台形形状の空隙４２と永久磁石２２により分断され、分断された夫々の磁束７０はスリット群５１を通過して放射状に広がって、回転子３の広く形成された鉄心部７２の全体に拡散される。このことにより鉄心部７２での磁気飽和傾向を抑制することができ、回転子全体として磁気抵抗が少なくすることができる効果がある。スリット群５１より拡散された磁束７１は、他方のスリット群５１を通過し回転子より流出するが、一方のスリット群５１を通過する際に拡散された磁束は、他方のスリット群５１で整流されて集約されるため、突極性が損なわれることはない。

図９に示されるように、永久磁石２１と永久磁石２３間の距離Ｂが広く、磁束の流路となる鉄心部７２が幅広に形成されている一方、磁束の流出入側、すなわち、永久磁石２１の端部と台形形状の空隙４２との距離Ａが、永久磁石２１と永久磁石２３間の距離Ｂより狭いため、流入時にスリット群５１の狭小な部分から幅広な部分へと流れて磁束を拡散させ、流出時に磁束を集約するため、効果的に磁束の流れを整えることができる（距離Ａ、距離Ｂは図２参照）。また、これに加え、前述したスリット群５１による磁束の整流作用により、一層効果的に磁束の流れを整えることができる。

前記した磁束の整流作用の検証として、３つの例について電磁界解析を行った。以下、各例の構造と結果を説明する。

図１０は、電磁界解析による比較・検討モデルの例を示す図である。図１０（ａ）のケース１は、既に述べた本実施例の構造である。図１０（ｂ）のケース２は、永久磁石２１と台形形状の空隙４２との間に形成される全てのスリットが、ｑ軸と平行に形成されており、また径方向の長さが同一である例である。図１０（ｃ）のケース３は、スリット群５１がなく、また永久磁石２２の外周側の空隙４３の形状を矩形とした比較例である。

図１１に、図１０の各ケースにおける電磁界解析による平均出力トルクおよびトルク脈動の判定表（ａ）と、（ｂ）〜（ｄ）にその時のトルク波形を示す。平均出力トルクついては、ケース１とケース２で十分なトルクが得られているが、ケース３ではケース１もしくはケース２と比較して５％程度低下する。

トルク脈動については、ケース１が最良で５％程度であり、ケース２では１０％以下である。ケース３では２０％以上となっている。リラクタンストルクを利用したリラクタンス型の回転電機において、トルク脈動は２０％程度が一般的であることからすれば、ケース１およびケース２に形成されているスリット群５１、および台形形状の空隙４２が非常に効果的であることが分かる。

以上説明したように、永久磁石２１，スリット群５１，台形形状の空隙４２は、空間高調波の抑制に寄与するように設け、この構成によって周方向に流れる磁束をカットすることが有効である（図４〜図６参照）。一方、回転子鉄心内に流入する磁束の整流を意図した形状であることが効果的であることから（図８〜図１０参照）、本実施例の夫々のスリットは次のような構成とすることが望ましいといえる。
（１）径方向に沿う方向に長く延伸すること。
（２）回転子の外周側から内周側に向かい、拡がるような配置とすること。
（１）では、磁束の整流作用に大きく寄与することが確認でき（図１０、図１１のケース１、ケース２参照）、トルク脈動の低減効果も十分に得られる構造となっている。また、（２）のようなスリット配置とすることで、トルク脈動を更に低減することが可能であり（図１０、図１１のケース１参照）、より好適な構成を実現することができる。

以上の本実施例の構造の利点をまとめると次のようになる。電機子電流により生じるリラクタンストルクと、フェライト磁石等の低残留磁束密度の永久磁石によるマグネットトルクとの双方を有効利用することにより、低残留磁束密度の永久磁石での高トルク化が実現できる。

具体的には、ｄ軸上の外周側に永久磁石を埋設し、ｑ軸上の永久磁石とその外周側端部に台形形状の空隙を形成し、ｄ軸上の外周側の永久磁石と台形形状の空隙との間にスリット群を形成し、夫々の周方向の間隔を固定子の隣接するティース間距離よりも狭めて配置することにより、出力トルクに寄与しない電機子磁束の空間高調波を遮断することができ、固定子および回転子の鉄心部における磁気飽和を抑制することができる。つまり、出力トルクに寄与する磁束の量を増幅させることができるため、出力トルクが増大する。

また、ｑ軸上の永久磁石および台形形状の空隙により、磁束が分断されるため、回転子の鉄心部における磁気飽和は緩和される。つまり、上記同様に、出力トルクに寄与する磁束の量を増幅することができるため、出力トルクを増大させることが可能である。

更に、回転子の外周側から内周側に拡がり、ｄ軸からｑ軸に掛けて一定の割合で短くなるスリット群を設けることにより、リラクタンストルクを利用する際に増大するトルク脈動を大幅に抑制させることができる。

（実施例２）
次に上記の実施例とは異なる例を説明する。図１２は、本発明の実施例２に係る複合トルク型回転電機の径方向の断面図であり、図１３はその要部拡大図である。図１２、図１３に示す複合トルク型回転電機は、８極の電機子巻線を有する固定子１と、円筒形の回転子３より構成されている。本実施例構造の回転子３の鉄心は、積層された円形の電磁鋼板より構成されており、１つの磁極に３つ以上の永久磁石が埋設されている。実施例１の永久磁石２１に代えてスリット群５２が設けられている。

永久磁石２２は、ｑ軸上に矩形形状の空隙１２に埋設され、接着剤もしくは樹脂製ゴムで固定されている。永久磁石２２の外周側の端部には台形形状の空隙４２が形成されている。内周側の端部には、略三角形状もしくは略台形形状の空隙３２が設けられている。

永久磁石２３は、ｄ軸上の内周側に矩形形状の空隙１３に埋設され、接着剤もしくは樹脂製ゴムで固定されている。永久磁石２３は、ｄ軸に対し平行となる方向に磁化されており、永久磁石２２のｄ軸を向く面がＮ極である場合は、永久磁石２３の外周側の面はＮ極となるように配置され、永久磁石２２のｄ軸を向く面がＳ極である場合は、永久磁石２３の外周側の面はＳ極となるように配置されている。

スリット群５２と永久磁石２２の外周側に位置する台形形状の空隙４２との間の鉄心部には、複数のスリットによるスリット群５１が形成されている。本実施例２においても、実施例１と同様に４本のスリットが示されているが、これに限らないことは自明である。

スリット群５２に最も近いスリット５１ａは、ｑ軸（近接しているｑ軸）と平行になるように形成され、ｑ軸に最も近いスリット５１ｄは、ｄ軸と平行になるように形成されており、スリット５１ｂ，５１ｃは、スリット５１ａの中心軸とスリット５１ｄの中心軸との交点を中心とし、略均等な角度で振り分けられている（図３参照）。スリット群５１における夫々のスリットの長さは、ｄ軸側のスリットからｑ軸側のスリットに掛けて、一定の割合で短くなっている。スリット群５１の周方向位置については、スリット群５２と台形の空隙４２との間の略中央に形成されている。各スリットの内部は、空気や樹脂などの非磁性体が封入されている。

ｄ軸上の外径側に形成されるスリット群５２は、複数の平行なスリットで構成され、実施例１の永久磁石２１と同様に磁気遮蔽部を構成し、固定子１の電機子巻線２で生成される電機子磁束の空間高調波６１を遮断する作用を成し、実施例１に示される構造と同様の効果が得られる。

１…固定子、２…電機子巻線、３…回転子、４…ティース、１１…永久磁石挿入用空洞部、１２…永久磁石挿入用空洞部、１３…永久磁石挿入用空洞部、２１…第１の永久磁石、２１、４２、５１、５２…磁気遮蔽部、２２…第３の永久磁石、２３…第２の永久磁石、３１、３２、３３…空隙、４２…台形形状の空隙、５１…スリット部（スリット群）、整流手段、５１ａ…第１のスリット、５１ｄ…第２のスリット、５２…スリット群、６１…電機子磁束の空間高調波、６２…遮断された電機子磁束の空間高調波、７２…鉄心部、Ａ…第１の永久磁石と空隙部との間の周方向距離、Ｂ…第１の永久磁石と第２の永久磁石との間の径方向の距離、Ｘｎ…永久磁石と非磁性体部との距離、永久磁石とスリット部との間の距離、スリット部と前記空隙との間の距離、スリット同士間の距離、Ｙ…ティースの間隔（ティース間の距離）。

Claims (6)

1. 一定間隔で周方向の複数箇所に電機子巻線が配置される固定子と、
   電磁鋼板を積層した円筒状の鉄心からなる回転子と、
   ｄ軸上であって、前記回転子の外周部に周方向に複数配置される第１の永久磁石と、
   ｄ軸上であって、前記回転子の内周側において、前記外周側の永久磁石と対向して複数配置される第２の永久磁石と、
   ｑ軸上であって、前記回転子の径方向に長手方向に延伸する第３の永久磁石と、
   複数の前記第１の永久磁石の周方向の中間であって、前記第３の永久磁石の外周側に設けられる空隙部とを備え、
   前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石との間の径方向の距離が、前記第１の永久磁石と前記空隙部との間の周方向距離より大であり、
   前記第１の永久磁石と前記空隙部との間に複数のスリットからなる整流手段を備えたことを特徴とする複合トルク型回転電機。
2. 前記複数のスリットは、スリット間の間隔が、外周側の間隔より内周側の間隔の方が長いことを特徴とする請求項１に記載の複合トルク型回転電機。
3. 前記複数のスリットは、前記第１の永久磁石に近い第１のスリットがｑ軸と平行であり、ｑ軸に最も近い第２のスリットがｄ軸と平行であることを特徴とする請求項２に記載の複合トルク型回転電機。
4. 前記第１のスリットと前記第２のスリットとの間に配設されるスリットが前記第１のスリットの中心軸と前記第２のスリットの中心軸との交点を中心として振り分けられていることを特徴とする請求項３に記載の複合トルク型回転電機。
5. 前記第１のスリットと前記第２のスリットとの間に配設されるスリットが前記第１のスリットの中心軸と前記第２のスリットの中心軸との交点を中心とし、均等な角度で振り分けられていることを特徴とする請求項４に記載の複合トルク型回転電機。
6. 前記複数のスリットの内部に非磁性体が封入されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の複合トルク型回転電機。

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