JPWO2021095167A1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

固定子に発生する高調波鉄損を低減させることができる回転電機を得る。この回転電機は、固定子と回転子とを備え、回転子は、複数の磁石挿入孔から構成された磁石挿入孔群が形成された回転子鉄心と、磁石挿入孔群に挿入され、複数の永久磁石から構成された永久磁石群とを有している。回転子鉄心には、第１磁気スリットと第２磁気スリットとが形成されている。第２磁気スリットには、第１ｑ軸磁路と第２ｑ軸磁路とを繋ぐ第１磁石磁束誘導路が配置されている。第１交差点と回転子鉄心の径方向中心点とを通る直線と、第２交差点と回転子鉄心の径方向中心点とを通る直線との間の角度をθ1とし、極対数をＰとし、自然数をｍ1とし、ｎ1をｍ1よりも小さい自然数とした場合に、θ1＝２π×ｎ1÷｛Ｐ×（２ｍ1−１）｝［ｒａｄ］を満たす。

Description

この発明は、永久磁石を備えた回転電機に関する。

従来、回転子と固定子とを備え、回転子は、複数の磁石挿入孔から構成された磁石挿入孔群が形成された回転子鉄心と、磁石挿入孔群に挿入され、複数の永久磁石から構成された永久磁石群とを有した回転電機が知られている。永久磁石群は、回転子における１つの磁極を構成している。回転子鉄心の径方向外側面と磁石挿入孔群との間における回転子鉄心の部分には、磁気的障壁である空洞が形成されている。回転子鉄心に空洞が形成されることによって、回転子鉄心におけるｄ軸方向の磁気抵抗が大きくなる。これにより、回転子の突極比が増加する。その結果、回転電機に発生するリラクタンストルクが向上する（例えば、特許文献１参照）。

特許第３８１９２１１号公報

しかしながら、回転子鉄心におけるｄ軸方向の磁気抵抗が大きくなることによって、回転子鉄心の径方向外側面における周方向の位置に対応して、回転子鉄心の径方向外側面を通る磁束に作用する回転子鉄心の磁気抵抗が大きく変動する。これにより、回転子鉄心の径方向外側面における磁束に含まれる高調波成分が増加する。その結果、固定子に発生する高調波鉄損が増加するという課題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、固定子に発生する高調波鉄損を低減させることができる回転電機を提供するものである。

この発明に係る回転電機は、固定子と、固定子の径方向内側に設けられた回転子とを備え、回転子は、複数の磁石挿入孔から構成された磁石挿入孔群が形成された回転子鉄心と、磁石挿入孔群に挿入され、複数の永久磁石から構成された永久磁石群とを有し、磁石挿入孔群を構成する複数の磁石挿入孔は、磁石挿入孔群の形状が、中間部が両端部よりも回転子鉄心の径方向内側に向かって突出した凸状となるように並べて配置され、永久磁石群を構成する複数の永久磁石は、回転子における１つの磁極を構成し、回転子鉄心の径方向外側面と磁石挿入孔群とによって囲まれた回転子鉄心の部分には、中間部が両端部よりも回転子鉄心の径方向内側に向かって突出した弧状の第１磁気スリットと、第１磁気スリットよりも磁石挿入孔群側に設けられ、中間部が両端部よりも回転子鉄心の径方向内側に向かって突出した弧状の第２磁気スリットとが形成され、第１磁気スリットと第２磁気スリットとの間の回転子鉄心の部分を第１ｑ軸磁路とし、第２磁気スリットと磁石挿入孔群との間の回転子鉄心の部分を第２ｑ軸磁路とし、第２磁気スリットには、第１ｑ軸磁路と第２ｑ軸磁路とを繋ぐ第１磁石磁束誘導路が配置され、第１ｑ軸磁路の幅方向中心を通る曲線と回転子鉄心の径方向外側面とが交差する２個の交差点のうちの一方を第１交差点とし、２個の交差点のうちの他方を第２交差点とし、第１交差点と回転子鉄心の径方向中心点とを通る直線と、第２交差点と回転子鉄心の径方向中心点とを通る直線との間の角度をθ₁とし、極対数をＰとし、自然数をｍ₁とし、ｎ₁をｍ₁よりも小さい自然数とした場合に、θ₁＝２π×ｎ₁÷｛Ｐ×（２ｍ₁−１）｝［ｒａｄ］を満たす。

この発明に係る回転電機によれば、固定子に発生する高調波鉄損を低減させることができる。

実施の形態１に係る回転電機を示す平面図である。 図１の回転電機１の要部を示す拡大図である。 実施の形態１における第１比較例の回転電機における回転子の径方向外側面における磁束密度分布を示す図である。 図３の回転電機における回転子に発生した磁束の空間位相と、回転子に発生して固定子に鎖交した磁束の時間位相と、固定子に発生した磁束の時間位相とを示す図である。 図１の回転電機１における回転子の径方向外側面における磁束密度分布を示す図である。 図１の回転子の要部を示す拡大図である。 図６の回転子の変形例の要部を示す図である。 図７の回転子の径方向外側面における磁束密度分布を示す図である。 図１の回転電機における回転子に発生した磁束の空間位相と、回転子に発生して固定子に鎖交した磁束の時間位相と、固定子に発生した磁束の時間位相とを示す図である。 図３の回転子における回転数とトルクとの関係を示すグラフである。 図７の回転子における回転数とトルクとの関係を示すグラフである。 実施の形態１における第２比較例の回転子の要部を示す正面図である。 実施の形態２に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。 実施の形態３に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。 実施の形態４に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。 実施の形態５に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。 実施の形態５における変形例の回転電機の回転子の要部を示す平面図である。 実施の形態６に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。 実施の形態７に係る回転電機を示す平面図である。 実施の形態７における変形例の回転電機を示す平面図である。 実施の形態８に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。 図２１のＡ部を示す拡大図である。 実施の形態８における第１比較例の固定子の要部を示す平面図である。 図２３のＢ部を示す拡大図である。 実施の形態８における第２比較例の固定子の要部を示す平面図である。 図２５のＣ部を示す拡大図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る回転電機を示す平面図である。回転電機１は、永久磁石式回転電機となっている。回転電機１は、固定子２と、固定子２に対して回転する回転子３とを備えている。この例では、軸方向とは、回転子３が回転する回転軸に沿った方向であり、径方向とは、回転子３が回転する回転軸を中心とした径方向であり、周方向とは、回転子３が回転する回転軸を中心とした周方向である。回転子３は、固定子２に対して径方向内側に配置されている。回転子３は、固定子２に対して周方向に回転する。

固定子２は、固定子鉄心２０１と、固定子鉄心２０１に設けられた複数のコイル２０２とを有している。固定子鉄心２０１は、円筒形状のコアバック２０３と、コアバック２０３から径方向内側に突出した複数のティース２０４とを含んでいる。複数のティース２０４は、周方向について並べて配置されている。それぞれのティース２０４の先端部は、回転子３に対向している。

コアバック２０３と、周方向について互いに隣り合う一対のティース２０４とによって区切られた空間をスロット２０５とする。言い換えれば、周方向について互いに隣り合う一対のティース２０４の間には、スロット２０５が形成されている。スロット２０５には、コイル２０２が配置されている。この例では、スロット２０５の数は、４８個となっており、コイル２０２の巻き方は、分布巻となっている。

回転子３は、回転子鉄心３０１と、回転子鉄心３０１に設けられた複数の永久磁石群３０２とを有している。複数の永久磁石群３０２は、周方向に並んで配置されている。この例では、永久磁石群３０２の数は、８個となっている。１個の永久磁石群３０２は、回転子３における１個の磁極を構成している。したがって、この例では、回転子３の磁極の数は、８個となっている。

回転子鉄心３０１は、円筒形状に形成されている。回転子鉄心３０１には、複数の磁石挿入孔群３０３と、複数の空洞３０４と、複数の磁気スリット群３０５とが形成されている。複数の磁石挿入孔群３０３は、回転子３の周方向に等間隔に配置されている。磁石挿入孔群３０３の数は、永久磁石群３０２の数と一致している。したがって、磁石挿入孔群３０３の数は、８個となっている。

複数の空洞３０４および複数の磁気スリット群３０５は、複数の磁石挿入孔群３０３と同様に、周方向に等間隔に配置されている。複数の空洞３０４の数および複数の磁気スリット群３０５の数は、磁石挿入孔群３０３の数と一致している。空洞３０４は、非磁性領域である。

図２は、図１の回転電機１の要部を示す拡大図である。図２では、回転子３における１個の磁極を構成する部分と、１個の磁極を構成する回転子３の部分に対応する固定子２の部分とが示されている。１個の磁石挿入孔群３０３は、２個の磁石挿入孔３０６から構成されている。なお、１個の磁石挿入孔群３０３は、３個以上の磁石挿入孔３０６から構成されてもよい。

１個の磁石挿入孔群３０３を構成する２個の磁石挿入孔３０６は、磁石挿入孔群３０３の形状が、中間部が両端部よりも回転子鉄心３０１の径方向内側に向かって突出した凸状となるように並べて配置されている。回転子鉄心３０１の径方向外側面３０７は、回転子鉄心３０１における径方向外側を向く面である。言い換えれば、径方向外側面３０７は、回転子鉄心３０１における固定子２に対向する面である。

１個の永久磁石群３０２は、２個の永久磁石３０８から構成されている。１個の磁石挿入孔群３０３を構成する２個の磁石挿入孔３０６のそれぞれに挿入された２個の永久磁石３０８のそれぞれは、互いに近い側の面が同一の極となるように、磁化されている。なお、１個の永久磁石群３０２は、３個以上の永久磁石３０８から構成されてもよい。１個の永久磁石群３０２を構成する永久磁石３０８の数は、１個の磁石挿入孔群３０３を構成する磁石挿入孔３０６の数と一致している。

１個の磁石挿入孔３０６に１個の永久磁石３０８が挿入されている。なお、１個の磁石挿入孔３０６に複数の永久磁石３０８が挿入されてもよい。

磁気スリット群３０５は、複数の磁気スリット３０９を有している。磁気スリット３０９の数は、２個となっている。２個の磁気スリット３０９は、少なくとも一部が互いに平行に配置されている。２個の磁気スリット３０９のうちの一方を第１磁気スリット３０９Ａとし、２個の磁気スリット３０９のうちの他方を第２磁気スリット３０９Ｂとする。２個の磁気スリット３０９のそれぞれの形状は、中間部が両端部よりも回転子鉄心３０１の径方向内側に向かって突出した弧状となっている。第２磁気スリット３０９Ｂは、第１磁気スリット３０９Ａよりも磁石挿入孔群３０３側に配置されている。

第１磁気スリット３０９Ａと第２磁気スリット３０９Ｂとの間の回転子鉄心３０１の部分を第１ｑ軸磁路３１０Ａとする。第２磁気スリット３０９Ｂと磁石挿入孔群３０３との間の回転子鉄心３０１の部分を第２ｑ軸磁路３１０Ｂとする。第２磁気スリット３０９Ｂにおける径方向内側の部分には、第１磁石磁束誘導路３１１が配置されている。第１磁石磁束誘導路３１１は、第１ｑ軸磁路３１０Ａと第２ｑ軸磁路３１０Ｂとを繋いでいる。第１磁石磁束誘導路３１１は、回転子鉄心３０１の径方向に沿って配置されている。

回転子鉄心３０１に磁気スリット群３０５が形成されることによって、回転子鉄心３０１におけるｄ軸方向の磁気抵抗が大きくなる。これにより、回転子３の突極比が増加して、回転電機１に発生するリラクタンストルクが向上する。

一方、回転子鉄心３０１におけるｄ軸方向の磁気抵抗が大きくなることによって、回転子鉄心３０１の径方向外側面３０７における周方向の位置に対応して、回転子鉄心３０１の径方向外側面３０７を通る磁束に作用する回転子鉄心３０１の磁気抵抗が大きく変動する。これにより、回転子鉄心３０１の径方向外側面３０７における磁束に含まれる高調波成分が増加する。磁束に含まれる高調波成分を高調波磁束とする。高調波磁束が固定子２に鎖交することによって、固定子２に発生する高調波鉄損が増加する。固定子２に発生する高調波鉄損が増加するメカニズムを以下に示す。

回転子３に発生する起磁力と回転子３のパーミアンスとによる空間ｎ次高調波磁束は、電気角をθとした場合に、Ａ_nｓｉｎ（ｎθ）と表される。回転子鉄心３０１の径方向中心点を中心としたティース２０４における周方向両端の間の角度を電気角で２π／ａ［ｒａｄ］とする。この場合に、ティース２０４に鎖交する磁束Φは、Ａ_nｓｉｎ（ｎθ）を２π／ａ［ｒａｄ］の範囲で移動平均をとりながら積分されたものと考えることができる。したがって、下記の式（１）が満たされる。

上記の式（１）において、ωは回転子３の角速度であり、ｔは時間である。なお、他のティース２０４に鎖交する磁束に関しては、位相差が異なるものとして扱うことができる。

固定子鉄心２０１に鎖交する磁束は、上記の式（１）の右項に示される磁束に、固定子２に発生する起磁力によって発生する磁束を加えたものとなる。

回転子３に由来する高調波磁束と固定子２に由来する高調波磁束の時間位相とが互いに反転した関係となることによって、回転子３に由来する高調波磁束と固定子２に由来する高調波磁束とが互いに相殺される。これにより、固定子２に発生する高調波鉄損が低減される。

ｍ次の時間高調波磁束をｓｉｎ（ｍωｔ＋δ_tm）とし、ｍ次の空間高調波磁束をｓｉｎ（ｍθ＋δ_θm）とする。δ_tmは、ｍ次の時間高調波磁束の初期位相であり、δ_θmは、ｍ次の空間高調波磁束の初期位相である。θは電気角である。

自然数をｍ₁とし、回転子３に発生する空間高調波磁束における２個の次数を２ｍ₁−１、２ｍ₁＋１とする。２ｍ₁−１次の空間高調波磁束と２ｍ₁＋１次の空間高調波磁束とが互いに同位相であるとする。この場合には、上記の式（１）にしたがって、固定子鉄心２０１に鎖交した時の２ｍ₁−１次の時間高調波磁束と２ｍ₁＋１次の時間高調波磁束との間の時間位相差は、（２ｍ₁−１）×π／２−（２ｍ₁＋１）×π／２＝−π［ｒａｄ］となる。したがって、この場合には、固定子鉄心２０１に鎖交した時の２ｍ₁−１次の時間高調波磁束と２ｍ₁＋１次の時間高調波磁束とが互いに逆位相となる。

一方、２ｍ₁−１次の空間高調波磁束と２ｍ₁＋１次の空間高調波磁束とが互いに逆位相であるとする。この場合には、上記の式（１）にしたがって、固定子鉄心２０１に鎖交した時の２ｍ₁−１次の時間高調波磁束と２ｍ₁＋１次の時間高調波磁束との間の時間位相差は、（２ｍ₁−１）×π／２＋π−（２ｍ₁＋１）×π／２＝０［ｒａｄ］となる。したがって、この場合には、固定子鉄心２０１に鎖交した時の２ｍ₁−１次の時間高調波磁束と２ｍ₁＋１次の時間高調波磁束とが互いに同位相となる。

回転子３に由来する高調波磁束と固定子２に由来する高調波磁束とが互いに相殺されるためには、下記の式（２）を満たす必要がある。

δ_s−δ_r＝π×（２ｎ₁−１）［ｒａｄ］ （２）

上記の式（２）において、δ_sは、固定子２に発生する２ｍ₁−１次の時間高調波磁束と２ｍ₁＋１次の時間高調波磁束との間の時間位相差とし、δ_rは、回転子３に発生する２ｍ₁−１次の空間高調波磁束と２ｍ₁＋１次の空間高調波磁束との間の空間位相差とし、ｎ₁は、ｍ₁よりも小さい自然数とする。

図３は、実施の形態１における第１比較例の回転電機１における回転子３の径方向外側面３０７における磁束密度分布を示す図である。図３では、磁束密度分布を周波数分析した場合の１次、３次、５次および７次のそれぞれの成分も示されている。図４は、図３の回転電機１における回転子３に発生する磁束の空間位相と、回転子３に発生して固定子２に鎖交した磁束の時間位相と、固定子２に発生した磁束の時間位相とを示す図である。

回転子３に発生する３次の高調波磁束の空間位相は、ほぼ０度である。したがって、回転子３に発生した３次の高調波磁束が固定子鉄心２０１に鎖交した時に、回転子３に発生した３次の高調波磁束の時間位相は、上記の式（１）にしたがって、−９０［ｄｅｇ］となる。

回転子３に発生する５次の高調波磁束の空間位相は、１８０度である。したがって、回転子３に発生した５次の高調波磁束が固定子鉄心２０１に鎖交した時に、回転子３に発生した５次の高調波磁束の時間位相は、上記の式（１）にしたがって、−９０［ｄｅｇ］となる。

回転子３に発生する７次の高調波磁束の空間位相は、１８０度である。したがって、回転子３に発生した７次の高調波磁束が固定子鉄心２０１に鎖交した時に、回転子３に発生した７次の高調波磁束の時間位相は、上記の式（１）にしたがって、＋９０［ｄｅｇ］となる。なお、各次数の高調波磁束の空間位相は、磁気スリット３０９の形状、永久磁石３０８の形状などに依存する。

一方、固定子２に発生する３次、５次および７次の高調波磁束の時間位相は、すべて９０［ｄｅｇ］である。したがって、比較例の回転電機１では、回転子３に発生した３次の高調波磁束と固定子２に発生した３次の高調波磁束とが互いに相殺され、回転子３に発生した５次の高調波磁束と固定子２に発生した５次の高調波磁束とが互いに相殺される。

しかしながら、回転子３に発生した７次の高調波磁束と固定子２に発生した７次の高調波磁束とは、互いに強め合う。これは、比較例１の回転電機１では、回転子３に発生する５次および７次の高調波磁束の空間位相それぞれが互いに同位相であり、固定子２に発生する５次および７次の高調波磁束の時間位相のそれぞれが互いに同位相であるからである。

回転子３に発生する７次の高調波磁束と固定子２に発生する７次の高調波磁束とが互いに相殺されるためには、回転子３に発生する５次および７次の高調波磁束の時間位相のそれぞれが互いに逆位相となる必要がある。言い換えれば、回転子３に発生する７次の高調波磁束の位相を反転させる必要がある。

図３に示すように、電気角ａ１および電気角ａ２において、回転子３に発生する７次の高調波磁束は、下向きに凸となっている。図３では、７次の高調波磁束における下向きに凸となっている部分に矢印が示されている。これは、磁気スリット群３０５が永久磁石群３０２から出た磁束を遮っているからである。回転子３に発生する７次の高調波磁束の位相を反転させるためには、電気角ａ１と電気角ａ２において、回転子３に発生する７次の高調波磁束が上向きに凸とする必要がある。

図５は、図１の回転電機１における回転子３の径方向外側面３０７における磁束密度分布を示す図である。図５では、磁束密度分布を周波数分析した場合の１次、３次、５次および７次の成分も示されている。図６は、図１の回転子３の要部を示す拡大図である。

第２磁気スリット３０９Ｂにおける径方向内側の部分には、第１磁石磁束誘導路３１１が配置されている。第１磁石磁束誘導路３１１は、第１ｑ軸磁路３１０Ａと第２ｑ軸磁路３１０Ｂとを繋いでいる。第１磁石磁束誘導路３１１は、永久磁石群３０２から出た磁束を第１磁気スリット３０９Ａと第２磁気スリット３０９Ｂとの間に誘導する。これにより、径方向外側面３０７における電気角ａ１および電気角ａ２の部分において、永久磁石群３０２から出た磁束が誘導される。したがって、比較例の回転電機１と比較して、回転子３に発生する７次の高調波磁束の振幅が小さくなる。なお、図５では、電気角ａ１および電気角ａ２において、回転子３に発生する７次の高調波磁束は、下向きに凸となっている。

第１ｑ軸磁路３１０Ａの幅方向中心を通る曲線と回転子鉄心３０１の径方向外側面とが交差する２個の交差点のうちの一方を第１交差点Ａ１とし、２個の交差点のうちの他方を第２交差点Ａ２とする。第１交差点Ａ１と回転子鉄心３０１の径方向中心点Ｏとを通る直線と、第２交差点Ａ２と回転子鉄心３０１の径方向中心点Ｏとを通る直線との間の角度をθ₁とする。θ₁は、２ｍ−１次の高調波磁束の腹の位置である必要がある。これは、高調波磁束の位相を反転させるため、高調波磁束の腹の位置に磁束を誘導する必要があるからである。したがって、極対数をＰとし、自然数をｍ₁とし、ｍ₁よりも小さい自然数をｎ₁とした場合に、２ｍ−１次の高調波磁束の振幅が増加するために、下記の式（３）を満たす必要がある。

θ₁＝２π×ｎ₁÷｛Ｐ×（２ｍ₁−１）｝［ｒａｄ］ （３）

さらに、複数の次数の高調波磁束において、２ｍ₁−１次の高調波磁束の振幅が増加するためには、上記の式（３）を満たす自然数ｍ₁が１個以上存在する必要がある。この場合に、７次の高調波磁束の振幅が減少する。

図７は、図６の回転子３の変形例の要部を示す図である。図８は、図７の回転子３の径方向外側面３０７における磁束密度分布を示す図である。図９は、図１の回転電機１における回転子３に発生した磁束の空間位相と、回転子３に発生して固定子２に鎖交した磁束の時間位相と、固定子２に発生した磁束の時間位相とを示す図である。

径方向外側面３０７における電気角ｂ１および電気角ｂ２のそれぞれの位置には、磁気的障壁である凹部３１２が形成されている。これにより、７次の高調波磁束の振幅がさらに小さくなる。７次の高調波磁束は、図５に示す７次の高調波磁束と比較して、位相が反転している。これにより、３次、５次および７次の高調波磁束のすべてが、回転子３に発生した高調波磁束の時間位相と固定子２に発生した高調波磁束の時間位相とが互いに反転している。その結果、それぞれの高調波磁束が互いに相殺される。

それぞれの凹部３１２は、回転子鉄心３０１の径方向外側面３０７における第２ｑ軸磁路３１０Ｂに対応する２箇所のそれぞれに形成されている。２箇所に形成された凹部３１２のうちの一方を第１凹部３１２Ａし、２箇所に形成された凹部３１２のうちの他方を第２凹部３１２Ｂとする。第１凹部３１２Ａの幅方向中心と回転子鉄心３０１の径方向中心点Ｏとを通る直線と、第２凹部３１２Ｂの幅方向中心と回転子鉄心３０１の径方向中心点とを通る直線との間の角度をθ₂とする。自然数をｍ₂とし、ｎ₂をｍ₂よりも小さい自然数とする。この場合に、下記の式（４）を満たす。

θ₂＝２π×ｎ₂÷｛Ｐ×（２ｍ₂−１）｝［ｒａｄ］ （４）

図１０は、図３の回転子３における回転数とトルクとの関係を示すグラフである。図１１は、図７の回転子３における回転数とトルクとの関係を示すグラフである。図１０および図１１において、色が濃いほど回転電機１の効率が低く、色が薄いほど回転電機１の効率が高いことが示されている。図３の回転子３を備えた第１比較例の回転電機１と比較して、図７の回転子３を備えた実施の形態１の回転電機１では、固定子２における高調波鉄損が低減されて、回転数の高い領域において、効率が向上している。

図１２は、実施の形態１における第２比較例の回転子３の要部を示す正面図である。第２比較例の回転子３では、回転子鉄心３０１に磁気スリット群３０５が形成されていない。磁気スリット群３０５が形成されていない場合には、永久磁石群３０２から出た磁束を径方向外側面３０７における特定の位置に誘導することができない。これにより、永久磁石群３０２に囲まれた回転子鉄心３０１の部分に均等に磁束が流れる。その結果、上記の式（３）を満たす高調波磁束を得ることができない。

なお、実施の形態１では、コイル２０２に通電する電流の電流進角を４５度以上としている。電流進角を４５度以上とすることによって、ｄ軸電流を増加させ、永久磁石３０８から出た磁束に起因する高調波磁束を効果的に弱めることができる。

以上説明したように、実施の形態１に係る回転電機１では、θ₁＝２π×ｎ₁÷｛Ｐ×（２ｍ₁−１）｝［ｒａｄ］が満たされている。これにより、回転子３に発生する高調波磁束の空間位相を反転させることができる。その結果、固定子２に発生する高調波鉄損を低減させることができる。

また、この回転電機１では、δ_s−δ_r＝π×（２ｎ₁−１）［ｒａｄ］が満たされている。固定子２に発生する高調波鉄損を低減させることができる。

また、この回転電機１では、θ₂＝２π×ｎ₂÷｛Ｐ×（２ｍ₂−１）｝［ｒａｄ］が満たされている。これにより、回転子３に発生する高調波磁束の空間位相を反転させることができる。その結果、固定子２に発生する高調波鉄損を低減させることができる。

実施の形態２．
図１３は、実施の形態２に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。図１３では、回転子３における１個の磁極を構成する部分が示されている。第２磁気スリット３０９Ｂにおいて、永久磁石３０８に最も近い部分には、第１磁石磁束誘導路３１１が配置されている。実施の形態２では、第２磁気スリット３０９Ｂの２箇所に第１磁石磁束誘導路３１１が配置されている。第１磁石磁束誘導路３１１には、永久磁石３０８から出た磁束が誘導される。その他の構成は、実施の形態１と同様である。

以上説明したように、実施の形態２に係る回転電機１では、実施の形態１と同様に、固定子２に発生する高調波鉄損を低減させることができる。また、第２磁気スリット３０９Ｂの２箇所に第１磁石磁束誘導路３１１が形成されている。これにより、回転子３の強度を向上させることができる。また、第２磁気スリット３０９Ｂにおける径方向内側の部分に第１磁石磁束誘導路３１１が配置された場合と比較して、永久磁石３０８から出た磁束を第１磁石磁束誘導路３１１に容易に誘導することができる。

実施の形態３．
図１４は、実施の形態３に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。図１４では、回転子３における１個の磁極を構成する部分が示されている。第１磁気スリット３０９Ａにおいて、第２磁気スリット３０９Ｂに対向する部分には、第２磁石磁束誘導路３１３が配置されている。実施の形態３では、第１磁気スリット３０９Ａの２箇所に第２磁石磁束誘導路３１３が配置されている。

第２磁石磁束誘導路３１３は、第１ｑ軸磁路３１０Ａと、第１磁気スリット３０９Ａよりも永久磁石３０８から離れた回転子鉄心３０１の部分とを繋いでいる。第２磁石磁束誘導路３１３は、第１磁気スリット３０９Ａと第２磁気スリット３０９Ｂとの間の回転子鉄心３０１の部分を通る磁束を第１磁気スリット３０９Ａよりも永久磁石３０８から離れた回転子鉄心３０１の部分に誘導する。それぞれの第２磁石磁束誘導路３１３に誘導された磁束が通る領域の延長線が径方向外側面３０７と交差する点と回転子３の径方向中心点Ｏとが成す角をθ₁とした場合に、上記の式（３）が満たされている。その他の構成は、実施の形態１または実施の形態２と同様である。

以上説明したように、実施の形態３に係る回転電機１では、実施の形態１と同様に、固定子２に発生する高調波鉄損を低減させることができる。また、径方向外側面３０７に出る磁束の出口の数が増加することによって、上記の式（３）を満たす複数のｍ次の空間高調波に対して、位相の調整を行うことができる。

実施の形態４．
図１５は、実施の形態４に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。図１５では、回転子３における１個の磁極を構成する部分が示されている。１個の磁石挿入孔群３０３は、３個の磁石挿入孔３０６を有している。１個の永久磁石群３０２は、３個の永久磁石３０８を有している。

第２磁気スリット３０９Ｂにおいて、回転子３の径方向について内側の部分には、第１磁石磁束誘導路３１１が配置されている。言い換えれば、第１磁石磁束誘導路３１１は、磁極の中心に配置されている。これにより、３個の永久磁石３０８のうちの中央に配置された永久磁石３０８から出た磁束が第１磁石磁束誘導路３１１に誘導される。３個の永久磁石３０８のうちの両端に配置された永久磁石３０８から出た磁束は、第２磁気スリット３０９Ｂと磁石挿入孔群３０３との間の回転子鉄心３０１の部分を通って、径方向外側面３０７に向かう。その他の構成は、実施の形態１から実施の形態３までと同様である。

以上説明したように、実施の形態４に係る回転電機１では、実施の形態１と同様に、固定子２に発生する高調波鉄損を低減させることができる。また、第２磁気スリット３０９Ｂと磁石挿入孔群３０３との間の回転子鉄心３０１の領域に磁気飽和が発生することが抑制される。これにより、リラクタンストルクを低下させることなく、磁気スリット群３０５を配置することができる。

実施の形態５．
図１６は、実施の形態５に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。図１６では、回転子３における１個の磁極を構成する部分が示されている。１個の磁石挿入孔群３０３は、４個の磁石挿入孔３０６を有している。１個の永久磁石群３０２は、４個の永久磁石３０８を有している。

第２磁気スリット３０９Ｂにおいて、回転子３の径方向について内側の部分には、第１磁石磁束誘導路３１１が配置されている。言い換えれば、第１磁石磁束誘導路３１１は、磁極の中心に配置されている。これにより、４個の永久磁石３０８のうちの中央側に配置された２個の永久磁石３０８から出た磁束が第１磁石磁束誘導路３１１に誘導される。４個の永久磁石３０８のうちの両端に配置された２個の永久磁石３０８から出た磁束は、第２磁気スリット３０９Ｂと磁石挿入孔群３０３との間の回転子鉄心３０１の部分を通って、径方向外側面３０７に向かう。その他の構成は、実施の形態１から実施の形態４までと同様である。

以上説明したように、実施の形態５に係る回転電機１では、実施の形態１と同様に、固定子２に発生する高調波鉄損を低減させることができる。また、第２磁気スリット３０９Ｂと磁石挿入孔群３０３との間の回転子鉄心３０１の領域に磁気飽和が発生することが抑制される。これにより、リラクタンストルクを低下させることなく、磁気スリット群３０５を配置することができる。

図１７は、実施の形態５における変形例の回転電機１の回転子３の要部を示す平面図である。第２磁気スリット３０９Ｂにおいて、永久磁石３０８に最も近い部分には、第１磁石磁束誘導路３１１が配置されてもよい。実施の形態５における変形例では、第２磁気スリット３０９Ｂの２箇所に第１磁石磁束誘導路３１１が配置されている。この場合に、２個の永久磁石３０８から出た磁束が第１磁石磁束誘導路３１１に誘導される。

実施の形態６．
図１８は、実施の形態６に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。第２磁気スリット３０９Ｂにおける径方向外側面３０７側の部分は、径方向外側面３０７に繋がっている。言い換えれば、第１ｑ軸磁路３１０Ａおよび第２ｑ軸磁路３１０Ｂのそれぞれの径方向外側部分は、互いに分離されている。したがって、回転子鉄心３０１における径方向外側面３０７側の部分には、第１ｑ軸磁路３１０Ａおよび第２ｑ軸磁路３１０Ｂを繋ぐブリッジが存在しない。その他の構成は、実施の形態１から実施の形態５までと同様である。

以上説明したように、実施の形態６に係る回転電機１では、第１ｑ軸磁路３１０Ａおよび第２ｑ軸磁路３１０Ｂのそれぞれの径方向外側部分は、互いに分離されている。したがって、回転子鉄心３０１における径方向外側面３０７側の部分において、第１ｑ軸磁路３１０Ａと第２ｑ軸磁路３１０Ｂとの間で、永久磁石３０８から出た磁束が通ることを抑制することができる。また、回転子鉄心３０１における径方向外側面３０７側の部分において、第１ｑ軸磁路３１０Ａと第２ｑ軸磁路３１０Ｂとの間で、コイル２０２に発生した磁束が通ることを抑制することができる。

実施の形態７．
図１９は、実施の形態７に係る回転電機を示す平面図である。実施の形態１の回転電機１では、毎極毎相が２であり、磁極の数が８であり、スロットの数が４８であり、コイル２０２の巻き方が分布巻であった。実施の形態７の回転電機１では、毎極毎相が３であり、磁極の数が８であり、スロットの数が７２であり、コイルの巻き方が分布巻である。なお、コイルの巻き方は、コイルピッチが磁極ピッチよりも短い短節巻であってもよい。

図２０は、実施の形態７における変形例の回転電機を示す平面図である。毎極毎相が１であり、磁極の数が８であり、スロットの数が２４であり、コイル２０２の巻き方が分布巻の回転電機１であってもよい。その他の構成は、実施の形態１から実施の形態６までと同様である。

以上説明したように、実施の形態７に係る回転電機１では、毎極毎相が３となっている。毎極毎相の数を変更することによって、固定子２の各ティース２０４に鎖交する磁束の位相が変化する。したがって、回転子３に発生する磁束に対して位相を反転するように固定子２を設計する設計自由度が向上する。

実施の形態８．
図２１は、実施の形態８に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。図２２は、図２１のＡ部を示す拡大図である。実施の形態８では、第２磁気スリット３０９Ｂにおいて、永久磁石３０８に最も近い部分には、第１磁石磁束誘導路３１１が配置されている。実施の形態８では、第２磁気スリット３０９Ｂの２箇所に第１磁石磁束誘導路３１１が配置されている。

第２磁気スリット３０９Ｂの幅方向中心を通り第２磁気スリット３０９Ｂに沿った曲線を仮想中心曲線Ｌ１とする。第１磁石磁束誘導路３１１の幅方向中心を通り第１磁石磁束誘導路３１１に沿った直線を仮想中心直線Ｌ２とする。仮想中心曲線Ｌ１および仮想中心直線Ｌ２は、最小二乗法によって得られる。仮想中心曲線Ｌ１と仮想中心直線Ｌ２との交点における仮想中心曲線Ｌ１の接線と仮想中心直線Ｌ２との間の角度をα₁とする。この場合に、α₁＝９０［ｄｅｇ］となっている。

図２３は、実施の形態８における第１比較例の回転子３の要部を示す平面図である。図２４は、図２３のＢ部を示す拡大図である。仮想中心曲線Ｌ１と仮想中心直線Ｌ２との交点における仮想中心曲線Ｌ１の接線と仮想中心直線Ｌ２との間の角度をα₂とする。第１比較例では、α₂＜９０［ｄｅｇ］となっている。

図２５は、実施の形態８における第２比較例の回転子３の要部を示す平面図である。図２６は、図２５のＣ部を示す拡大図である。仮想中心曲線Ｌ１と仮想中心直線Ｌ２との交点における仮想中心曲線Ｌ１の接線と仮想中心直線Ｌ２との間の角度をα₃とする。第２比較例では、α₃＞９０［ｄｅｇ］となっている。

回転子３に作用する遠心力の方向は、径方向である。しかしながら、回転子鉄心３０１には、磁気スリット群３０５、磁石挿入孔群３０３および空洞３０４が形成され、磁石挿入孔３０６に永久磁石３０８が挿入されている。これにより、回転子３における質量密度が不均一となる。この場合に、回転子鉄心３０１の変形は一様ではない。第２磁気スリット３０９Ｂよりも径方向外側面３０７側の回転子鉄心３０１の部分に作用する遠心力が、第１磁石磁束誘導路３１１に作用する。

第１磁石磁束誘導路３１１に作用する力を分散させるためには、第１磁石磁束誘導路３１１の幅方向寸法を大きくすることが考えられる。しかしながら、この場合には、回転子３におけるｄ軸のインダクタンスが大きくなる。これにより、回転子３における突極比が低下する。

第２磁気スリット３０９Ｂよりも永久磁石群３０２から離れた回転子鉄心３０１の部分に作用する遠心力によって、第１磁石磁束誘導路３１１には、仮想中心曲線Ｌ１に対して垂直の方向への変形が発生すると考えられる。したがって、仮想中心曲線Ｌ１と仮想中心直線Ｌ２との交点における仮想中心曲線Ｌ１の接線と仮想中心直線Ｌ２との間の角度α₁が９０［ｄｅｇ］である場合に、第１磁石磁束誘導路３１１に曲げが発生することが抑制される。

一方、図２４に示すように、仮想中心曲線Ｌ１と仮想中心直線Ｌ２との交点における仮想中心曲線Ｌ１の接線と仮想中心直線Ｌ２との間の角度α₂が９０［ｄｅｇ］よりも小さい場合に、第１磁石磁束誘導路３１１に曲げが発生する。また、図２６に示すように、仮想中心曲線Ｌ１と仮想中心直線Ｌ２との交点における仮想中心曲線Ｌ１の接線と仮想中心直線Ｌ２との間の角度α₃が９０［ｄｅｇ］よりも大きい場合に、第１磁石磁束誘導路３１１に曲げが発生する。その他の構成は、実施の形態１から実施の形態７までと同様である。

以上説明したように、実施の形態８に係る回転電機１では、仮想中心曲線Ｌ１と仮想中心直線Ｌ２との交点における仮想中心曲線Ｌ１の接線と仮想中心直線Ｌ２との間の角度α₁が９０［ｄｅｇ］である。これにより、第１磁石磁束誘導路３１１に曲げが発生することを抑制することができる。その結果、回転子３における耐遠心力強度を向上させることができる。

１ 回転電機、２ 固定子、３ 回転子、２０１ 固定子鉄心、２０２ コイル、２０３ コアバック、２０４ ティース、２０５ スロット、３０１ 回転子鉄心、３０２ 永久磁石群、３０３ 磁石挿入孔群、３０４ 空洞、３０５ 磁気スリット群、３０６ 磁石挿入孔、３０７ 径方向外側面、３０８ 永久磁石、３０９ 磁気スリット、３０９Ａ 第１磁気スリット、３０９Ｂ 第２磁気スリット、３１０Ａ 第１ｑ軸磁路、３１０Ｂ 第２ｑ軸磁路、３１１ 第１磁石磁束誘導路、３１２ 凹部、３１３ 第２磁石磁束誘導路。

この発明に係る回転電機は、固定子と、固定子の径方向内側に設けられた回転子とを備え、回転子は、複数の磁石挿入孔から構成された磁石挿入孔群が形成された回転子鉄心と、磁石挿入孔群に挿入され、複数の永久磁石から構成された永久磁石群と、複数の磁気スリットを有する磁気スリット群と、を有し、磁石挿入孔群を構成する複数の磁石挿入孔は、磁石挿入孔群の形状が、中間部が両端部よりも回転子鉄心の径方向内側に向かって突出した凸状となるように並べて配置され、永久磁石群を構成する複数の永久磁石は、回転子における１つの磁極を構成し、回転子鉄心の径方向外側面と磁石挿入孔群とによって囲まれた回転子鉄心の部分には、中間部が両端部よりも回転子鉄心の径方向内側に向かって突出した弧状の、磁気スリット群に含まれる複数の磁気スリットのうちの１つである第１磁気スリットと、第１磁気スリットよりも磁石挿入孔群側に設けられ、中間部が両端部よりも回転子鉄心の径方向内側に向かって突出した弧状の、磁気スリット群に含まれる複数の磁気スリットのうちの１つである第２磁気スリットとが形成され、第１磁気スリットと第２磁気スリットとの間の回転子鉄心の部分を第１ｑ軸磁路とし、第２磁気スリットと磁石挿入孔群との間の回転子鉄心の部分を第２ｑ軸磁路とし、第２磁気スリットには、第２磁気スリットを複数の部分に分割し複数の部分が互いに離隔するように回転子鉄心の径方向に沿って配置され、第１ｑ軸磁路と第２ｑ軸磁路とを繋ぐ第１磁石磁束誘導路が配置され、第１磁石磁束誘導路の径方向外側に設けられる第１磁気スリットは、非磁性領域であり、第１ｑ軸磁路の幅方向中心を通る曲線と回転子鉄心の径方向外側面とが交差する２個の交差点のうちの一方を第１交差点とし、２個の交差点のうちの他方を第２交差点とし、第１交差点と回転子鉄心の径方向中心点とを通る直線と、第２交差点と回転子鉄心の径方向中心点とを通る直線との間の角度をθ_１とし、極対数をＰとし、自然数をｍ_１とし、ｎ_１をｍ_１よりも小さい自然数とした場合に、θ_１＝２π×ｎ_１÷｛Ｐ×（２ｍ_１−１）｝［ｒａｄ］を満たす。

Claims (5)

1. 固定子と、
   前記固定子の径方向内側に設けられた回転子と
   を備え、
   前記回転子は、
   複数の磁石挿入孔から構成された磁石挿入孔群が形成された回転子鉄心と、
   前記磁石挿入孔群に挿入され、複数の永久磁石から構成された永久磁石群と
   を有し、
   前記磁石挿入孔群を構成する前記複数の磁石挿入孔は、前記磁石挿入孔群の形状が、中間部が両端部よりも前記回転子鉄心の径方向内側に向かって突出した凸状となるように並べて配置され、
   前記永久磁石群を構成する前記複数の永久磁石は、前記回転子における１つの磁極を構成し、
   前記回転子鉄心の径方向外側面と前記磁石挿入孔群とによって囲まれた前記回転子鉄心の部分には、中間部が両端部よりも前記回転子鉄心の径方向内側に向かって突出した弧状の第１磁気スリットと、前記第１磁気スリットよりも前記磁石挿入孔群側に設けられ、中間部が両端部よりも前記回転子鉄心の径方向内側に向かって突出した弧状の第２磁気スリットとが形成され、
   前記第１磁気スリットと前記第２磁気スリットとの間の前記回転子鉄心の部分を第１ｑ軸磁路とし、前記第２磁気スリットと前記磁石挿入孔群との間の前記回転子鉄心の部分を第２ｑ軸磁路とし、
   前記第２磁気スリットには、前記第１ｑ軸磁路と前記第２ｑ軸磁路とを繋ぐ第１磁石磁束誘導路が配置され、
   前記第１ｑ軸磁路の幅方向中心を通る曲線と前記回転子鉄心の径方向外側面とが交差する２個の交差点のうちの一方を第１交差点とし、前記２個の交差点のうちの他方を第２交差点とし、
   前記第１交差点と前記回転子鉄心の径方向中心点とを通る直線と、前記第２交差点と前記回転子鉄心の径方向中心点とを通る直線との間の角度をθ₁とし、
   極対数をＰとし、
   自然数をｍ₁とし、
   ｎ₁をｍ₁よりも小さい自然数とした場合に、
   θ₁＝２π×ｎ₁÷｛Ｐ×（２ｍ₁−１）｝［ｒａｄ］
   を満たす回転電機。
2. 前記固定子は、
   固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心に設けられたコイルと
   を有し、
   前記コイルによって発生し、前記固定子鉄心に鎖交する２ｍ₁−１次の時間高調波磁束と２ｍ₁＋１次の時間高調波磁束との間の時間位相差をδ_sとし、
   前記永久磁石から出て前記回転子鉄心を通って前記固定子鉄心に鎖交する２ｍ₁−１次の空間高調波磁束と２ｍ₁＋１次の空間高調波磁束との間の空間位相差をδ_rとした場合に、
   δ_s−δ_r＝π×（２ｎ₁−１）［ｒａｄ］
   を満たす請求項１に記載の回転電機。
3. 前記回転子鉄心の径方向外側面における前記第２ｑ軸磁路に対応する２箇所のそれぞれには、凹部が形成されており、
   前記２箇所に形成された前記凹部のうちの一方を第１凹部とし、前記２箇所に形成された前記凹部のうちの他方を第２凹部とし、
   前記第１凹部の幅方向中心と前記回転子鉄心の径方向中心点とを通る直線と、前記第２凹部の幅方向中心と前記回転子鉄心の径方向中心点とを通る直線との間の角度をθ₂とし、
   自然数をｍ₂とし、
   ｎ₂をｍ₂よりも小さい自然数とした場合に、
   θ₂＝２π×ｎ₂÷｛Ｐ×（２ｍ₂−１）｝［ｒａｄ］
   を満たす請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 前記第１ｑ軸磁路および前記第２ｑ軸磁路のそれぞれの径方向外側部分は、前記回転子鉄心の周方向について互いに切り離されている請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の回転電機。
5. 前記第１磁石磁束誘導路の中心を通り前記第１磁石磁束誘導路に沿った直線である仮想中心直線と、前記第２磁気スリットの中心を通り前記第２磁気スリットに沿った曲線である仮想中心曲線とが交差する交差点における前記仮想中心曲線の接線と前記仮想中心直線との間の角度は、９０度である請求項１から請求項４までの何れか一項に記載の回転電機。

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