WO2011019069A1 - 車両用回転電機 - Google Patents

Abstract

　車両用回転電機は、ｎ種類の磁石片は、固定子鉄心（２３２）と該固定子鉄心（２３２）に巻回された固定子巻線（２３８）とを有する固定子（２３０）と、固定子（２３０）に対して回転自在に設けられ、複数の磁石挿入孔（２７２）が形成された電磁鋼板を積層して形成された回転子鉄心（２５２）と、複数の磁石挿入孔（２７２）の各々に保持されてそれぞれ磁極を形成する複数の永久磁石（２５４，２５５）とを有する回転子（２５０）と、を備え、各永久磁石（２５４，２５５）は、回転子軸方向に延在するとともに回転子周方向の長さとして２種類以上の長さを有する形状をそれぞれ備えている。

Description

車両用回転電機

　本発明は、車両用回転電機に関する。

　エンジンと回転電機の両方の出力に基づいて走行するハイブリッド自動車や、回転電機の出力トルクのみに基づいて走行する純粋電気自動車の開発が行われている。ハイブリッド自動車や純粋電気自動車の両方を含めて本明細書では電気自動車と記載する。電気自動車に搭載される走行用の回転電機は大出力が求められるため、強力な磁気エネルギーを保持することが可能な希土類焼結磁石が永久磁石として用いられる。また、電気自動車に搭載される走行用の回転電機は、回転子鉄心内に永久磁石が埋込まれている。

　回転電機はコギングトルクなどに起因するトルク脈動が発生する。回転電機のトルク脈動は騒音や振動の原因となる可能性がある。特に電気自動車ではトルク脈動は車両の発進時の乗り心地に悪影響を与える可能性がある。このため従来から回転電機のトルク脈動を低減する試みがなされており、軸方向に沿って回転子の永久磁石の位置を少しずつ周方向に移動する方法が取られている。このような技術は、特許文献１や特許文献２に記載されている。

　特許文献１に記載の回転電機では、回転子鉄心に埋込まれている永久磁石の位置が、回転電機の回転軸方向の位置に応じて少しずつ周方向に移動している。このように永久磁石の位置を回転軸方向の位置に応じて周方向に少しずつ移動することで、トルク脈動を低減する技術が開示されている。

　自動車用回転電機では、高速回転領域で生じるトルク出力の減少を少なくするために、リラクタンストルクの発生が大きくなる構造を成している。すなわち、固定子を流れる電流によって発生するｑ軸の磁束に対して、ｑ軸の磁束が通る補助磁極の磁気抵抗が少なくなる回転子構造とすることで、リラクタンストルクの増大を図っている。リラクタンストルクを利用することで、永久磁石によって発生する磁石トルクの回転電機の出力トルクに占める割合を少なくし、磁石量を少なくすると共に、高速回転領域での内部誘起電圧を抑える回転子構造としている。このようなリラクタンストルクを利用する回転電機では、磁石トルクの脈動に加え、リラクタンストルクの脈動を低減することが望ましい。

　特許文献１に記載の回転電機は、リラクタンスを利用する構造ではない。従ってこの特許文献１では、磁石トルクのトルク脈動について触れているのみで、リラクタンストルクのトルク脈動について全く触れていないし、示唆も無い。また、特許文献１に記載されているトルク脈動は、回転電機の発生トルクに応じた大きな軸方向の成分が含まれるので、発生トルクに応じ軸方向に大きな推力が発生する問題を有している。

　特許文献２に記載の回転電機は、リラクタンスを利用する構造を有しているが、リラクタンストルクのトルク脈動について論じていない。

日本国特開２００６－０６０９５２号公報 日本国特開２００３－３３３７７８号公報

　上述のとおり回転電機においてトルク脈動を低減することが望まれている。特に、自動車用の回転電機ではトルク脈動が車の乗り心地に影響を及ぼす可能性があり、トルク脈動の低減がより重要な課題である。

　本発明の第１の態様によると、車両用回転電機は、固定子鉄心と該固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有する固定子と、固定子に対して回転自在に設けられ、複数の磁石挿入孔が形成された電磁鋼板を積層して形成された回転子鉄心と、複数の磁石挿入孔の各々に保持されてそれぞれ磁極を形成する複数の永久磁石とを有する回転子と、を備え、各永久磁石は、回転子軸方向に延在するとともに回転子周方向の長さとして２種類以上の長さを有する形状をそれぞれ備えている。
　本発明の第２の態様によると、第１の態様の車両用回転電機において、各永久磁石は回転子軸方向に並べて配置されたｎ（ｎは２以上の整数）種類の磁石片で構成され、ｎ種類の磁石片は、回転子周方向の長さが電気角の約１２０／ｎ度に相当する長さずつ異なり、各磁石片の回転子周方向における中心線が回転子軸方向に沿って略一直線に揃うように配置されている。このような構成とすることで、磁石トルクの少なくとも６次のトルク脈動を低減できる。上記ｎの数が増えることで、さらに他次のトルク脈動を低減できる。
　本発明の第３の態様によると、第２の態様の車両用回転電機において、各永久磁石を構成するｎ種類の磁石片は、固定子側から見た形状がそれぞれ略四角形状であることが好ましい。
　本発明の第４の態様によると、第２または３の態様の車両用回転電機において、各永久磁石を構成するｎ種類の磁石片のそれぞれが、各磁石片の中心線に関して対称形状であるのが好ましい。
　本発明の第５の態様によると、第２乃至４のいずれか一つの態様の車両用回転電機において、磁石挿入孔は、孔内周面の回転子周方向の長さが異なるｍ（ｍは２以上の整数）種類の孔を回転子軸方向に沿って配置して成り、ｍ種類の孔は、孔内周面の回転子周方向の長さが電気角の約１２０／ｍ度に相当する長さずつ異なるのが好ましい。このような構造とすることで、リラクタンストルクの少なくとも６次のトルク脈動を低減できる。上記ｍの数を増やすことでさらに他次のトルク脈動を低減できる。
　本発明の第６の態様によると、第２乃至４のいずれか一つの態様の車両用回転電機において、各永久磁石の前記回転子周方向の長さを、電気角（１２０／ｎ－５）度に相当する長さから電気角（１２０／ｎ＋５）度に相当する長さまでの範囲内に設定するのが好ましい。
　本発明の第７の態様によると、第５の態様の車両用回転電機において、磁石挿入孔の孔内周面の回転子周方向の長さが、電気角（１２０／ｍ－５）度に相当する長さから電気角（１２０／ｍ＋５）度に相当する長さまでの範囲内に設定されていることが好ましい。
　本発明の第８の態様によると、第１の態様の車両用回転電機において、各永久磁石は回転子軸方向に並べて配置されたｎ（ｎは１以上の整数）種類の磁石片で構成され、ｎ種類の磁石片は、回転子周方向の長さが電気角の約６０／ｎ度に相当する長さずつ異なり、各磁石片の回転子周方向における中心線が回転子軸方向に沿って略一直線に揃うように配置されているのが好ましい。このような構成とすることで、磁石トルクの少なくとも１２次のトルク脈動を低減できる。上記ｎの数が増えることで、さらに他次のトルク脈動を低減できる。
　本発明の第９の態様によると、第８の態様の車両用回転電機において、各永久磁石を構成するｎ種類の磁石片は、固定子側から見た形状がそれぞれ略四角形状であることが好ましい。
　本発明の第１０の態様によると、第８または９の態様の車両用回転電機において、各永久磁石を構成するｎ種類の磁石片のそれぞれが、各磁石片の中心線に関して対称形状を成すのが好ましい。
　本発明の第１１の態様によると、第８乃至１０のいずれか一つの態様の車両用回転電機において、磁石挿入孔は、孔内周面の回転子周方向の長さが異なるｍ（ｍは１以上の整数）種類の孔を回転子軸方向に沿って配置して成り、ｍ種類の孔は、孔内周面の回転子周方向の長さが電気角の約６０／ｍ度に相当する長さずつ異なるのが好ましい。このような構造とすることで、リラクタンストルクの少なくとも１２次のトルク脈動を低減できる。上記ｍの数を増やすことでさらに他次のトルク脈動を低減できる。
　本発明の第１２の態様によると、第８乃至１０のいずれか一つの態様の車両用回転電機において、各永久磁石の回転子周方向の長さが、電気角（６０／ｎ－５）度に相当する長さから電気角（６０／ｎ＋５）度に相当する長さまでの範囲内に設定されているのが好ましい。
　本発明の第１３の態様によると、第１１の態様の車両用回転電機において、磁石挿入孔の孔内周面の回転子周方向に関する長さが、電気角（６０／ｍ－５）度に相当する長さから電気角（６０／ｍ＋５）度に相当する長さまでの範囲内に設定されているのが好ましい。
　本発明の第１４の態様によると、第１の態様の車両用回転電機において、各磁石挿入孔に保持された永久磁石は、固定子側から見た形状が、回転子軸方向の一方に上底が位置し他方に下底が位置する等脚台形を成し、複数の永久磁石が形成する複数の磁極の間に、リラクタンストルクを発生するための補助磁極がそれぞれ形成されているのが好ましい。
　本発明の第１５の態様によると、第１４の態様の車両用回転電機において、各磁石挿入孔に保持された等脚台形の永久磁石は、上底の長さと下底の長さとの差が電気角で１２０度または６０度に相当する長さであり、補助磁極はのそれぞれは回転子周方向に傾斜するように回転子軸方向に延在し、かつ、永久磁石が形成する磁極を挟んで設けられた一対の補助磁極においては、傾斜の方向が互いに逆向きに設定されているのが好ましい。この構造により、軸方向への推力成分が互いに相殺されることとなり、理論的には軸方向への推力がゼロと成り、実際の製品でもトルク脈動を非常に小さくすることが可能となる。
　本発明の第１６の態様によると、第１５の態様の車両用回転電機において、回転子鉄心は回転子軸方向に分かれた複数の段から成り、複数の段は、補助磁極が回転子周方向に傾斜するように互いに周方向にずらして配置されているのが好ましい。
　本発明の第１７の態様によると、第１の態様の車両用回転電機において、各永久磁石はそれぞれ複数の磁石片で形成されており、永久磁石を構成する前記複数の磁石片は、固定子側から見た形状が回転子軸方向の一方に上底が位置し他方に下底が位置する等脚台形を成し、かつ、各磁石片の回転子周方向における中心線が回転子軸方向に沿って略一直線に揃うように配置され、複数の永久磁石が形成する複数の磁極の間に、リラクタンストルクを発生するための補助磁極が形成されているのが好ましい。
　本発明の第１８の態様によると、第１７の態様の車両用回転電機において、等脚台形を成す磁石片の上底の長さと下底の長さとの差が、電気角で１２０度または６０度に相当する長さに設定されているのが好ましい。

　本発明によれば、回転子鉄心に永久磁石を内蔵した回転電動機のトルク脈動を低減できる。

本発明の一実施の形態の回転電機を搭載したハイブリッド型電気自動車の構成を示す構成図。 電力変換装置の回路図。 本発明の実施の形態に係る回転電機の断面図。 固定子の外観を示す斜視図。 集中巻方式の固定子の部分拡大図。 集中巻方式の巻線方法の説明図。 固定子および回転子の回転軸を横切る面で断面した断面図。 固定子および回転子の構造を示す説明図。 好ましくないスキューの構造を説明する説明図。 トルク脈動の低減特性を示す特性図。 本発明の実施の形態を示すブロックスキューの説明図。 本発明の他の実施の形態を示すブロックスキューの説明図。 本発明の実施の形態を示すブロックスキューの説明図。 本発明の３分割方式の実施の形態を示す説明図。 図１４のトルク脈動の低減特性を示す特性図。 台形磁石によるスキューを含む磁石片の形状および配置のバリエーションを示す説明図。 本発明の他の実施の形態を説明する説明図。 台形形状の磁石を使用した実施の形態を説明する説明図。 台形形状の磁石を使用した他の実施の形態を説明する説明図。 台形形状の磁石を使用した実施の形態を説明する説明図。 埋込磁石の漏洩磁束を低減する実施の形態の説明図。 埋込磁石の漏洩磁束を低減する他の実施の形態の説明図。 台形形状の埋込磁石の漏洩磁束を低減する他の実施の形態の説明図。 短節巻固定子巻線の説明図。 回転電機の冷却システムを説明するシステム図。 好ましくない形状の着磁コイルを説明する説明図。 好ましい形状の着磁コイルを説明する説明図。

　以下に説明する実施の形態は、上述の解決しようとする課題の他に、製品として求められる色々な課題を解決することができる。以下の図面を参照した実施の形態についての説明の中で、上述の解決しようとする課題に加え、製品として求められる他の色々な課題の解決についても説明する。なお、上記他の解決しようとする課題の内代表的なものについて次に記載する。

〔生産性の向上〕
（１）以下に説明の実施の形態の内に、回転子の磁極を構成する永久磁石をｎ種類の磁石片で構成し、各磁石片の形状をそれぞれ略四角い形状とする実施形態がある。この形態は、各磁石片の形状が略四角形であるため、生産性に優れている。上記磁石片の周方向の長さを変えることで、磁極間に形成される補助磁極の周方向の長さも変えることが可能となる。補助磁極の周方向の長さを変えることにより、磁石トルクのトルク脈動の低減に加えて、補助磁極によるリラクタンストルクのトルク脈動をも低減することができる。

　上述のとおり、各磁石片の形状を略四角形とすることで、回転子鉄心を構成する各電磁鋼板の磁石挿入孔の形成が容易となり生産性が向上する。このような略四角形の形状の磁石片を使用することで、生産性に優れ、合せて磁石トルクとリラクタンストルクの両方のトルク脈動を低減できる効果が得られる。このような構造の回転電機を自動車の走行用の回転電機として使用することにより、騒音が低減でき、走行時特に停車状態から走行状態への移行時および低速からの加速状態での乗り心地を良好にすることができる。
（２）永久磁石を構成する各磁石片を略四角形とし、その周方向の長さの違いの種類をｎ個としたとき、各周方向の長さの違いを電気角で約１２０度／ｎに相当する長さとする。ｎが２であれば少なくとも６次のトルク脈動を低減できる。またｎが３であれば少なくとも６次と１２次のトルク脈動を低減できる。また、周方向の長さの違いを電気角で約６０度／ｎに相当する長さとした場合に、ｎが２であれば１２次の脈動を低減でき、ｎが３であれば１２次と２４次のトルク脈動を低減できる。

〔トルク脈動低減の向上〕
（１）以下の実施の形態の中に略台形形状の永久磁石を使用した実施の形態がある。この形態では色々な次数のトルク脈動を低減できる。また、以下に説明する実施の形態では、リラクタンストルクを発生する補助磁極を回転軸方向に於いて複数段に分割し、各段毎にその位置を、周方向にずらすことで、リラクタンストルクの脈動を低減できる。このような構成とすることで、永久磁石を構成する磁石片の形状を変えたことによる磁石トルクの脈動低減と共に、さらにリラクタンストルクの脈動を低減することができ、トルク脈動の低減効果が向上できる。

〔効率の向上〕
（１）以下の実施の形態の内で、周方向の長さが短い磁石片の配置を、周方向の長さが長い磁石片の配置より、回転子の軸方向における両端側に配置する実施の形態がある。この実施の形態では、周方向の長さが短い磁石片を回転子の軸方向における両端側に配置することで、永久磁石の漏れ磁束などを低減でき、効率向上を図ることができる。

（２）以下の実施の形態の内で、周方向の長さが短い磁石片の配置を、周方向の長さが長い磁石片の配置より径方向の外周側に配置する実施の形態を説明している。また永久磁石に台形形状の永久磁石を使用する場合に、周方向の長さが短い部分を、周方向の長さが長い部分より、外周側に配置する。このような配置により、永久磁石の外周側の部分から、永久磁石と回転子の外周との間を通り、補助磁極を介して上記永久磁石の中心側に回り込む、漏れ磁束を少なくできる。漏れ磁束を少なくできることで、回転電機の効率を向上できる。

（３）以下の実施の形態の内で、台形形状の永久磁石に対して磁石挿入孔を階段状に変化させる実施の形態を説明している。この実施の形態では、磁石挿入孔を周方向において永久磁石の形状より大きく形成することができる。磁石挿入孔の形状で、リラクタンスの脈動を低減するだけでなく、漏れ磁束の低減を図ることができる。すなわち磁石挿入孔の空隙により、永久磁石の外周側の部分から、永久磁石と回転子の外周との間を通り、補助磁極を介して上記永久磁石の中心側に回り込む、漏れ磁束を少なくできる。漏れ磁束を少なくできることで、回転電機の効率を向上できる。

〔回転軸方向の推力，スラスト力、の低減〕
（１）以下の実施の形態では、磁極の回転軸方向の中心線に沿って永久磁石の周方向における中心線（以下磁石中心線と記す）が配置されるように、永久磁石を配置している。このような配置とすることで、回転軸方向の推力成分を低減できる。

（２）また以下の実施の形態では、回転電機の出力トルクにおけるリラクタンストルクの割合を大きくしている。例えば３割以上，５割程度、あるいは５割よりもっと大きい割合としている。回転電機の出力に占めるリラクタンストルクの割合を大きくすることで、永久磁石の使用量を低減でき、内部誘起電圧を低減することができる。このため、高速回転の領域で回転電機の端子電圧の上昇を低減でき、電流供給量の減少を少なくできる。このことにより高速回転域での出力トルクの低減を少なくできる。更にこのようなリラクタンストルクを利用した磁石モータでは、磁極を構成する磁石片の周方向の長さが短い部分では、補助磁極の周方向の長さを長くできる。このため、磁石トルクの低下する部分ではリラクタンストルクを増大することができる。この結果、磁石トルクのみでは回転軸方向の推力が発生する場合であっても、リラクタンストルクを加えた全体のトルクでは、リラクタンストルクは上記磁石トルクによる回転軸方向の推力を相殺する方向に作用する。出力トルクの全体として回転軸方向の推力を低減できる効果が有る。

（３）以下の実施の形態の内で、補助磁極が回転軸に対して周方向にずれるように配置されている実施の形態がある。この実施の形態では、回転軸に対する補助磁極のずれの方向が、補助磁極毎に交互に変化しており、この結果リラクタンストルクの全体では、回転軸方向の推力の成分が互いに相殺される関係となる。従って回転軸方向の推力成分を小さくできる。さらに以下の実施の形態では永久磁石の中心線が、磁極中心線に揃うように永久磁石あるいは磁石片が配置されているので、磁石トルク自身も回転軸方向の推力の成分が小さい。このため磁石トルクとリラクタンストルクの両方において、回転軸方向の推力の成分が非常に小さい値となる。

　次に図面を使用して、実施の形態を説明する。以下に説明の回転電機は、コギングトルクを低減できると共に、通電時における固定子電流に起因するトルク脈動も抑制できる。さらに以下に説明する回転電機は、大型化を抑制でき、低コスト化の点でも優れている。そのため、例えば、電気自動車の走行用回転電機として好適であり、低振動，低騒音で乗り心地の良い電気自動車を提供することができる。

　後述する回転電機は、回転電機のみによって走行する純粋な電気自動車や、エンジンと回転電機の双方によって駆動されるハイブリッド型の電気自動車にも適用できるが、何れの電気自動車においても回転電機はその構造や作用効果が略同じであり、代表して以下ではハイブリッド型の電気自動車を例に説明する。

　図１は、回転電機を搭載したハイブリッド型電気自動車における、一実施の形態の概略構成を示す。車両１００には、エンジン１２０と第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２とバッテリ１８０とが搭載されている。バッテリ１８０はリチウムイオン２次電池などで構成され、１００ボルトから６００ボルトの高電圧の直流電力を出力し、回転電機２００と回転電機２０２の両方の駆動力が必要な場合には回転電機２００と回転電機２０２を駆動する交流電力を発生するための直流電力を供給する。一方回生制御が成されている走行状態では、バッテリ１８０は回転電機２００と回転電機２０２が発生した交流電力を基に電力変換装置６００により電力変換された直流電力の供給を受ける。バッテリ１８０と回転電機２００，２０２との間の直流電力の授受は、電力変換装置６００を介して行われる。また、図示していないが、車両には低電圧電力（例えば、１４ボルト系電力）を供給するバッテリが搭載されており、以下に説明する種々の制御回路に直流電力を供給する。

　エンジン１２０および回転電機２００，２０２による回転トルクは、変速機１３０とデファレンシャルギア１６０を介して前輪１１０に伝達される。バッテリ１８０は、バッテリ制御装置１８４により制御され、バッテリ制御装置１８４と電力変換装置６００と統合制御装置１７０とは、通信回線１７４によって接続されている。統合制御装置１７０は、電力変換装置６００あるいはバッテリ制御装置１８４、必要に応じ他の制御装置から、それぞれの状態を表す情報を通信回線１７４を介して受け取る。統合制御装置１７０は、これらの情報に基づき各制御装置の制御指令を演算し、演算された制御指令は通信回線１７４を介してそれぞれの制御装置へ送信される。

　バッテリ制御装置１８４は、バッテリ１８０の放電状況や、バッテリ１８０を構成する各単位セル電池の診断結果を含む各単位セル電池の状態を通信回線１７４を介して統合制御装置１７０に送信する。統合制御装置１７０は、バッテリ制御装置１８４からの情報に基づいてあるいは図示しないブレーキ操作に関する情報に基づいて、バッテリ１８０の充電あるいは回生ブレーキ制御が必要と判断すると、電力変換装置６００に発電運転の指示を出す。

　電力変換装置６００は、統合制御装置１７０からのトルク指令に基づき、指令に基づくトルク出力あるいは発電電力が発生するように回転電機２００と回転電機２０２を制御する。回転電機２００と回転電機２０２の両方を回転トルクを出力するモータとして制御することが可能であり、また回転電機２００と回転電機２０２の両方を発電機として制御することが可能である。さらに、回転電機２００と回転電機２０２のどちらか一方をモータとして他方を発電機として運転することも可能であり、またどちらか一方あるいは両方の回転電機２００，２０２の運転を停止することも可能である。

　図２は、図１の電力変換装置６００の回路図を示す。電力変換装置６００は回転電機２００，２０２をそれぞれ運転するためにインバータ回路を構成するパワーモジュール６１０と６２０とを有している。前記パワーモジュール６１０と６２０とにはそれぞれ直流電力と交流電力との間で電力変換を行うためのスイッチング素子として動作するパワー半導体２１が設けられている。電力変換装置６００が、統合制御装置１７０からの指令に基づきパワー半導体２１のスイッチング動作を制御することにより、回転電機２００あるいは回転電機２０２が電動機としてあるいは発電機として運転される。

　回転電機２００や回転電機２０２を電動機として運転する場合は、高電圧のバッテリ１８０からの直流電力が前記パワーモジュール６１０と６２０に供給される。電力変換装置６００は、パワー半導体のスイッチング動作を制御することにより、供給された直流電力を前記回転電機の回転子の磁極に対して適切な位相関係を有する３相交流電力に変換し、回転電機２００や回転電機２０２に供給する。これにより回転電機２００や回転電機２０２が回転トルクを発生する。

　一方、回転電機２００や回転電機２０２を発電機として運転する場合には、インバータ回路のスイッチングタイミングを制御して、パワーモジュール６１０と６２０により作られる交流電力の位相を、回転電機２００や回転電機２０２の回転子の磁極位置に対して適切位相関係となるように制御する。これにより、回転電機２００や回転電機２０２は、それらの回転子に外部から加えられた回転トルクに基づき回転駆動される。回転電機２００や回転電機２０２の固定子巻線に誘起した３相交流電力は、インバータ回路を構成するパワーモジュール６１０と６２０により直流に変換される。直流電力は、パワーモジュール６１０と６２０から高電圧のバッテリ１８０に供給される。上記供給された直流電力に基づき高電圧バッテリ１８０が充電される。

　電力変換装置６００には、回転電機２００のための第１のインバータ装置と、回転電機２０２のための第２のインバータ装置とが設けられている。第１のインバータ装置は、パワーモジュール６１０と、パワーモジュール６１０の各パワー半導体２１のスイッチング動作を制御する第１の駆動回路６５２と、回転電機２００の電流を検知する電流センサ６６０とを備えている。上記第２のインバータ装置は、パワーモジュール６２０と、パワーモジュール６２０の各パワー半導体２１のスイッチング動作を制御する第２の駆動回路６５６と、回転電機２０２の電流を検知する電流センサ６６２とを備えている。制御回路６４８，コンデンサモジュール６３０およびコネクタ基板６４２に実装された送受信回路６４４は、第１のインバータ装置と第２のインバータ装置とで共通に使用される。

　図３は、図１の回転電機２００あるいは回転電機２０２の断面図を示す。回転電機２００と回転電機２０２とは略同じ構造であり、以下では回転電機２００の構造を代表例として説明する。尚、以下に示す構造は、回転電機２００，２０２の双方に採用されていることで非常に大きな効果が得られるが、回転電機２００，２０２の双方に採用されていることが絶対条件では無く、少なくとも一方に採用されていれば効果が有る。

　ハウジング２１２の内部には固定子２３０が保持されており、固定子２３０は固定子鉄心２３２と固定子巻線２３８とを備えている。固定子２３０は集中巻の方式であっても分布巻の方式であっても良い。ただ、分布巻であれば、リラクタンストルクがより発生し易い特性を有する。前記固定子鉄心２３２の内側には、回転子２５０が空隙２２２を介して回転可能に保持されている。回転子２５０は回転子鉄心２５２と永久磁石２５４とを備えており、回転子鉄心２５２はシャフト２１８に固定されている。ハウジング２１２は軸受２１６が設けられた一対のエンドブラケット２１４を有しており、シャフト２１８はこれらの軸受２１６により回転自在に保持されている。

　回転子鉄心２５２は回転軸方向に積層された多数の電磁鋼板により構成されており、以下に説明の実施の形態では各電磁鋼板は永久磁石２５４を挿入する磁石挿入孔２７２（図７参照）を有している。磁石挿入孔２７２は後述するとおり、回転子の回転方向である周方向に関する長さが一定ではなく、ｎ個の種類に分かれている。固定子側からの投影では図１１以降に記載の実施の形態のように、磁石挿入孔２７２を固定子側から見た側面形状は、複数の矩形状の挿入孔が回転子軸方向に配置されるように変化している。

　図３において、シャフト２１８には、回転子２５０の磁極の位置を検出する回転子位置センサ２２４と回転子２５０の回転速度を検出する回転速度センサ２２６とが設けられている。これらのセンサ２２４，２２６からの出力は、図２に示す制御回路６４８に取り込まれる。制御回路６４８は、取り込まれた出力に基づいて制御信号を駆動回路６５２に出力する。駆動回路６５２は、上記制御信号に基づいて作成した駆動信号をパワーモジュール６１０に出力する。パワーモジュール６１０は、駆動信号に基づきスイッチング動作を行い、バッテリ１８０から供給される直流電力を３相交流電力に変換する。この３相交流電力は図３に示す固定子巻線２３８に供給され、回転磁界が固定子２３０に発生する。３相交流電流の周波数は回転速度センサ２２６の検出値に基づいて制御され、３相交流電流の回転子２５０に対する位相は回転子位置センサ２２４の検出値に基づいて制御される。

　図３に示す固定子２３０の固定子巻線２３８には分布巻方式と集中巻方式がある。図４に分布巻方式の固定子２３０の概観を示す。分布巻とは、複数のスロット２４を跨いで離間した２つのスロット２４に相巻線が収納されるように、相巻線が固定子鉄心２３２に巻かれる巻線方式である。図４に示す固定子巻線２３８は、分布巻の方式で巻かれたコイル２３３によって構成することができる。分布巻の固定子巻線２３８により形成される磁界は、後述する集中巻の固定子巻線にくらべ、磁束分布が正弦波状により近い特性を備えている。そのため、分布巻の固定子２３０を採用する回転電機はリラクタンストルクが得やすく、高速回転における誘起電圧を抑制できる。このため、高速回転においても駆動トルクの発生が望ましい、電気自動車の走行用回転電機として望ましい特性を有している。

　集中巻方式の固定子巻線を、図５を用いて説明する。固定子巻線の集中巻の例を、図５と図６（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。集中巻の方式では、固定子２３０のティース２３６の一つずつにコイル２３３が巻かれている。巻線作業を容易にするために、固定子鉄心２３２をティース２３６とコアバック部２３５を含んだＴ字型に一つずつ分割し、図６（ａ）に記載の如く、それぞれのティース２３６にはボビン２３４を嵌め、ボビンに被覆導体を巻回して図６（ｂ），（ｃ）に記載の如くコイル２３３を形成する。ボビン２３４は樹脂で形成され、コイル２３３と電磁鋼板の積層構造を成すティース２３６との間の絶縁を確保する。そして、それを図５のように組合わせて一つの固定子２３０として構成する。

　図７は回転電機２００の一部である固定子２３０と回転子２５０の斜視図である。図７（ａ）は固定子２３０の内側に回転子２５０を配置した図であり、図７（ｂ）は固定子鉄心２３２の形状を分かり易くするために、固定子巻線２３８とコイル２３３を取り除いた図である。さらに図７（ｃ）は回転子２５０を取り除き、積層された電磁鋼板で形作られている固定子鉄心２３２を示す。固定子鉄心２３２は固定子巻線２３８が挿入されるスロット２４を全周に渡って有している。図７（ｄ）は電磁鋼板を回転軸方向に積層して作られた回転子鉄心を示す。各回転子鉄心には磁石挿入孔２７２が全周に渡って形成されている。図は煩雑さを避けるため、一部のみ符号を付している。隣接する磁石挿入孔２７２の間の回転子鉄心部分にはｑ軸の磁束が通る補助磁極が形成され、この補助磁極を通る磁気回路とｄ軸の磁気回路との磁気抵抗の差により、リラクタンストルクが発生する。この実施の形態では、回転子に形成される各磁極が１列に配置された磁石片により形成される永久磁石により作られるので、隣接する磁石挿入孔間に補助磁極が形成される。各磁極が２列に配置された磁石片により形成される場合には、２列の磁石片と次の２列の磁石片との間に補助磁極が形成される。図７（ｅ）は磁石挿入孔に挿入される永久磁石２５４と２５５とを示している。各永久磁石２５４と２５５は後述するように数個の磁石片で構成されるが、図７（ｅ）は磁石片の表示を省略している。

　図７で、固定子２３０は固定子鉄心２３２と固定子巻線２３８とを有しており、固定子巻線２３８は固定子鉄心２３２のスロット２４に挿入されたコイル２３３によって構成される。回転子２５０は磁石を挿入するための磁石挿入孔が形成された電磁鋼板である珪素鋼板を積み上げて作られており、前記磁石挿入孔に永久磁石２５４や永久磁石２５５が埋込まれる。本実施の形態では、前記磁石挿入孔に挿入される永久磁石２５４あるいは永久磁石２５５は回転電気の回転軸に沿って起磁力が変化しており、あるいは磁石の周方向の幅が回転電気の回転軸に沿って一様ではなく、変化している。このような形状の永久磁石を使用することで、トルクリプルを低減できる。

　図８は、図３のＢ－Ｂ断面図で、固定子２３０および回転子２５０の断面を示している。なお、図８では、ハウジング２１２，シャフト２１８および固定子巻線２３８の記載を省略した。固定子鉄心２３２の内側には、多数のスロット２４とティース２３６とが全周に渡って均等に形成されている。図８では煩雑さを避けるため、スロットおよびティースの全てに符号を付すことはせず、代表して一部のティースとスロットにのみに符号を付した。スロット２４内にはスロット絶縁（図示省略）が設けられ、固定子巻線２３８を構成するｕ相～ｗ相の複数の相巻線が装着されている。上述したように、本実施例では、固定子巻線２３８の巻き方は分布巻でも良いし、集中巻でも良い。

　回転子２５０には内部に永久磁石を有する磁石挿入孔２７２が形成され、これら永久磁石によって磁極が形成されている。回転子２５０の各磁極の中心を線βで示す。磁極の中心線βは等間隔に存在し、この図では機械角θ１の角度で存在する。この実施例では１列の磁石片で形成される永久磁石で一つの磁極が形成されている。上述したとおり周方向に複数個の列を成す磁石片で周方向に配置された複数個の永久磁石を形成し、周方向に配置された複数個の永久磁石で各磁極を形成しても良い。このように複数個の永久磁石で各磁極を形成する構造とすることで、各極当たりの磁束密度を高くすることができ、回転電機の出力が増大する。回転子の磁極と磁極との間にｑ軸の磁束を通すための補助磁極２８２が形成されている。補助磁極の磁気抵抗が小さくなるように大きな断面積の磁気回路が形成されるので、この実施の形態では、大きなリラクタンストルクが発生する。このため回転電機の発生トルクにおけるリラクタンストルクの割合を大きくでき、高速回転時の内部誘起電圧を比較的低くできる効果が有る。この結果高速回転時の供給電流を電源電圧に対して大きくできる効果が有り、高速走行時の出力トルクを大きくできる効果がある。

　また高速走行時に回転電機の回転速度を機械的な伝達機構により増速して車輪にトルクを伝達することが必要な場合が生じる。本実施例では、高速回転時の出力トルクを大きくできる効果が有る。さらにトルク脈動を低減できる効果がある。上記増速のための機械的な伝達機構では、回転電機のトルク脈動が機械的な伝達機構を構成する歯車に伝わり、例えば歯車から音が出易い、あるいは歯車の磨耗が大きくなるなど、増速機構においては悪影響が出易い傾向がある。以下に記載の永久磁石の構造、あるいは回転子鉄心２５２の磁石挿入孔２７２の形状、あるいはこれらの組合わせにより、回転速度の増速時の機械的な伝達機構に与える悪影響を低減できる。

　図８において、回転子２５０の回転子鉄心２５２は、永久磁石を構成する以下に説明の磁石片の形状に基づいた磁石挿入孔２７２が形成され、磁石挿入孔２７２には永久磁石が埋込まれ接着剤などで固定されている。永久磁石は回転子２５０の界磁極（本実施例では単に磁極と記載している）として作用する。

　永久磁石の磁化方向は径方向を向いており、界磁極毎に磁化方向の向きが反転している。すなわち、ある磁極を形成する永久磁石の固定子側面がＮ極、中心軸側の面がＳ極に磁化されているとすれば、隣の磁極を形成する永久磁石の固定子側面はＳ極、中心軸側の面はＮ極に磁化されている。これらの永久磁石が円周方向に全周に渡って磁極毎に交互に配置されている。本実施の形態では、各永久磁石は等間隔に１６個配置されており、回転子２５０の磁極は１６極になっている。上述のとおり、磁極と磁極との間に補助磁極が形成され、補助磁極を介してｑ軸の磁気回路が形成され、補助磁極の磁気抵抗を低く抑えているので、大きなリラクタンストルクが発生する。このため本実施の形態では、上記永久磁石による磁石トルクとリラクタンストルクとの総和が出力トルクとなり、リラクタンストルクの利用割合を増大できる。リラクタンストルクを利用することで誘起電圧を抑えることができ、この結果、高速回転時の発生トルクの減少を低減できる効果が有る。

　永久磁石を磁化させる作業を着磁という。図９以降では、永久磁石は符号２５４あるいは符号２５５で示す。図８ではこれら永久磁石を挿入し保持する磁石挿入孔２７２が示されており、永久磁石は本来図８の磁石挿入孔２７２に存在しているべきであるが、図８では省略している。永久磁石２５４と２５５とは、磁化方向が逆であったり、形状が回転軸方向において１８０度回転していたりするなど違いもあるが、形状や特性が略同じであり代表して永久磁石２５４により説明する。永久磁石２５４は、あらかじめ着磁されて磁化した後に回転子鉄心２５２に埋込んでも良いし、着磁する前に回転子鉄心２５２に挿入した後に強力な磁界を与えて着磁しても良い。磁化後の永久磁石２５４は強力な磁石であり、回転子２５０に永久磁石２５４を固定する前に磁石を着磁すると、永久磁石２５４の固定時に回転子鉄心２５２との間に強力な吸引力が生じ、この吸引力が作業の妨げとなる。また強力な吸引力により、永久磁石２５４に鉄粉などのごみが付着する恐れがある。そのため、永久磁石２５４や２５５を回転子鉄心２５２の磁石挿入孔２７２に挿入した後に磁化する方が、回転電機の生産性が向上する。

　永久磁石２５４，２５５には、ネオジウムや鉄やホウ素を主成分とするネオジウム系の焼結磁石、あるいはサマリウムとコバルトを主成分とするサマリウム系の焼結磁石や、フェライト磁石、あるいはネオジウム系のボンド磁石などを用いることができる。永久磁石２５４，２５５の残留磁束密度はほぼ０.４～１.３Ｔ程度である。

　次に回転子２５０の磁石挿入孔２７２に保持される永久磁石２５４，２５５の構成を説明する。実施形態の特徴をより明確にするため、図９に示す好ましくない永久磁石の配置関係を先ず示す。この図は固定子側から見た永久磁石の配置を示しており、実際には、永久磁石は回転子鉄心の磁石挿入孔の内部に保持されているが、理解し易くするために、回転子鉄心は示していない。

　永久磁石は、固定子側の面がＮ極の永久磁石２５４と、固定子側の面がＳ極の永久磁石２５５とが周方向に交互に極ピッチτｐを隔てて回転子全周に渡り配置されている。極ピッチτｐの２倍が電気角の１周期３６０度となる。磁石の回転子周方向長さはＥＮＣで、電気角で表す。ここで、Ｎ極の永久磁石２５４は、回転電機の回転軸である軸方向（すなわち、回転子軸方向）に同一形状の磁石片２５４ａと磁石片２５４ｂに分割されており、磁石片２５４ａと磁石片２５４ｂは互いに周方向に電気角３０度ずれている。また、Ｓ極の永久磁石２５５も軸方向に同一形状の磁石片２５５ａと磁石片２５５ｂに分割され、それらはＮ極の場合と同様に電気角で３０度ずれて配置される。

　図９に示す好ましくない形状では、回転子軸方向に沿って配置された磁石片２５４ａと磁石片２５４ｂおよび磁極片２５５ａと磁石片２５５ｂは、それぞれ、回転子周方向の同じ方向に階段状にずれている。このように電気角で３０度ずれて配置したことにより、図９に示す好ましくない形状は、磁石形状に依存するトルク脈動を低減できる効果が有る。すなわち、永久磁石を用いたモータでは、トルク脈動として無負荷時のコギングトルクがある。コギングトルクとは、回転子の磁石と固定子の鉄との間の磁気抵抗が回転子の位置によって異なるために発生するトルク脈動であり、その周期は３相モータでは電気角で６０度である。

　図１０にトルク脈動の波形を示す。このコギングトルクは、磁石片の周方向の位置によって決まるので、磁石片が周方向にずれれば、トルク脈動の山と谷の位置はずれる。図９に記載のように磁石片を周方向に３０度ずらすとコギングトルクの山と谷も３０度ずれ、合成されたコギングトルクはお互いに相殺するので、トルク脈動が図の合成として示す如く減少する。

　上述した如く同形状の磁石片を３０度ずらした方法では、脈動は全体的には低減できているが、図１０に示すように高次の高調波が未だ残っていることが分かる。前述したように、コギングトルクの脈動の基本波は、その周期が電気角６０度であり、電源の基本周波数に対しては６次の周期である。この電気角６０度の周期の波形をコギングトルクの１次と定義しなおすと、３０度の磁石片のずらしにより、奇数次のトルク脈動は消えるが、偶数次、つまり２ｎ次（ｎは整数）のトルク脈動は消せないこととなる。

　図１１（ｂ）は望ましい磁石片の配置や形状を示し、これと対比するために図１１（ａ）に好ましくない磁石片の形状と配置を示す。以下表現を簡単化するために、図１１（ｂ）に示す磁石片の形状および配置をブロックスキューと称し、好ましくない図１１（ａ）に好ましくない磁石片の形状と配置を階段スキューと称す。図１１（ｂ）に示すブロックスキューでは回転軸に沿う方向である回転子軸方向に沿って２種類の磁石片２５４ａと２５４ｂあるいは２５５ａと２５５ｂを配置している。周方向の長さが異なる２種類の磁石片を回転子軸方向に沿って並べて配置することにより、それぞれ永久磁石２５４や２５５を形作っている。永久磁石を構成している磁石片の回転子周方向の長さの差は、電気角で約π／３ラジアン、つまり、約６０度に相当する長さである。回転子周方向の長さの差は正確に電気角６０度に相当する長さであることが望ましいが、製造誤差があっても誤差が少なければ十分な効果がある。誤差の範囲は電気角で＋５度から－５度の範囲内が望ましく、＋３度から－３度の範囲内がより望ましい。図１１（ａ）に示す、好ましくない階段スキューのＡのラインとブロックスキューのＦのラインは略一致する。また、階段スキューのＢとブロックスキューのＥのラインとが略一致する。同様に、階段スキューのＣ，Ｄのラインは、それぞれブロックスキューのＧおよびＨのラインと略一致する。なお、線αは各磁石片の回転子周方向における中心位置を示す線であり、永久磁石２５４を形作る各磁石片２５４ａと２５４ｂとはそれぞれの磁石片の中心線が略一致している。なおこの実施例では一列の永久磁石で界磁極が作られるので、磁極の中心と磁石片の中心線が略一致している。好ましい磁石片の配置では、磁極の中心と磁石片の中心線αが略一致していて、各磁石片は磁極の中心線に対して周方向の形状が対称の形状になっている。この実施の形態では、磁石片の種類をｎとしたとき、磁石片の回転子周方向の長さの差は、電気角で約１２０度／ｎに相当する長さに設定される。図１１（ｂ）に示す例ではｎが２であり、磁石片２５４ａと２５４ｂとの周方向の長さの差は電気角で約６０度に相当している。

　磁石片２５４ａと２５４ｂとの配置関係や磁石片の形状は磁石片２５５ａと２５５ｂと同じであり、磁化の方向が逆になっている。軸方向の一方側には周方向の長さが長い磁石片２５４ｂと磁石片２５５ｂとが配置されている。磁石片２５４ｂ，２５５ｂは磁石片２５４ａや磁石片２５５ａに比べ磁石量が多いので、磁石トルクは一方側が他方側より大きい。図１１（ｂ）において、磁石片２５４ａと２５５ａとの間および磁石片２５４ｂと２５５ｂとの間には補助磁極２８２が形成されている。磁石片２５４ａ，２５５ａ間における軸方向の他方方向の補助磁極２８２と、磁石片２５４ｂ，２５５ｂ間における軸方向の一方方向の補助磁極２８２とを比べると、他方側の方が一方側より周方向の長さが長くなっている。従って補助磁極を通る磁束により発生するリラクタンストルクは、軸方向の他方の方が一方側より大きい。従って磁石トルクとリラクタンストルクとの合成トルクは、互いに軸方向におけるトルク差を小さくするように作用する。

　これに対し、図１１（ａ）に示す好ましくない磁石片の配置では、上下に並んだ磁石片の中心位置が周方向にずれている。従って磁石トルクとリラクタンストルクは共に軸方向の推力を発生する方向に作用し、軸方向に大きな推力が発生する。このため軸方向の推力により軸受けは悪影響を受ける。特に、減速や増速の歯車と回転電機の軸とが嵌合している場合に、歯車との嵌合位置が変わる、あるいは歯車に無理な力が作用するなどの悪影響が生じ易い。

　図１２に他の実施形態を示す。図１２（ａ）は好ましくない階段スキュー、（ｂ）は好ましいブロックスキューをそれぞれ示す。先に説明した図１１（ａ）に示す好ましくない構造では、上述のとおり、軸方向にスラスト力が発生する。これによって回転子の中心が固定子に対してずれたり、あるいはベアリングに軸方向の力が掛かるなど、機械機構に悪影響を及ぼす可能性がある。さらに、回転電機の機械損が増える欠点がある。

　図１２（ａ）に示す好ましくない階段スキューの構造は、上記スラスト力を低減できる機能を有している。すなわち、回転軸方向の両端から中央に進むに従って永久磁石やｑ軸磁束の磁気回路である補助磁極が周方向にずれており、回転軸の中央で折り返される配置となっている。この構造はスラスト力を低減できる作用を有している。しかし、図１１（ｂ）や図１２（ｂ）の構造に比べ、磁石の軸方向の分割数が２倍に増える欠点がある。分割数が増えたにもかかわらずトルク脈動の低減効果は図１１（ｂ）や図１２（ｂ）とほとんど変わらない。このため、トルク脈動低減効果に対して、生産性が低下し、さらに磁石の個数が増えるため、重量あたりのコストが上昇する欠点がある。

　図１２（ｂ）に示す好ましい構造では、永久磁石２５４は２種類の磁石片２５４ａと２５４ｂとで構成され、永久磁石２５５は２種類の磁石片２５５ａと２５５ｂとで構成されている。線αはそれぞれ磁石片２５４ａと２５４ｂおよび２５５ａと２５５ｂの周方向における中心線を示しており、各磁石片の中心線αが回転軸に沿って略一直線となるように各磁石片が配置されている。更に永久磁石２５４，２５５により形成される磁極の中心と各磁石片の中心線αとが略一致している。この図１２（ｂ）の永久磁石の外観形状は先に説明した図７（ｅ）に示す永久磁石の概観形状と同じであり、Ｎ極とＳ極の磁極を形成するための永久磁石の配置も同じである。

　図１２（ｂ）のトルク脈動に関する作用は、図１１（ｂ）で説明した作用と同じであり、磁石片２５４ａと２５５ｂとは周方向の長さが略同じに作られている。また磁石片２５４ｂと２５５ａとは周方向の長さが略同じに作られている。さらに磁石片２５４ａ，２５４ｂ間の周方向の長さの差、磁石片２５５ａ，２５５ｂ間の周方向の長さの差は、それぞれ電気角で６０度に相当している。すなわち、永久磁石２５４，２５５においては、磁石片の種類数をｎとしたとき、各磁石片の間の周方向の長さの差は電気角で１２０度／ｎに相当する長さに設定されている。この構造により、コギングトルクを低減できる効果が有る。さらにリラクタンストルクに生じる脈動を低減できる効果がある。また、軸方向に働く力は、１極の間では相殺されないが、Ｎ極とＳ極の磁石をあわせれば、回転子に働くスラスト力を相殺できる構成になっている。すなわち、磁石片２５４ａと２５５ａとを総合した磁石トルクと、磁石片２５４ｂと２５５ｂとを総合した磁石トルクとは略同じである。また、Ｎ磁極とＳ磁極との間の補助磁極２８２の形状は、軸方向の他方側と一方側とが周方向にずれている。そして、周方向に並んだ複数の補助磁極２８２のずれ方向は、交互に逆方向になっている。例えば、図１２（ｂ）に示すＮ磁極の図示右側の補助磁極２８２の形状は、軸方向の他方側から一方側に移行する際に周方向右側にずれているが、Ｎ磁極の図示左側の補助磁極２８２の形状は、軸方向の他方側から一方側に移行する際に周方向左側にずれている。すなわち、ｑ軸の磁束を通す補助磁極の配置は軸方向の一方側と他方側で周方向にずれているが、そのずれ方向が磁極毎に逆転しているので、推力成分が相殺される。

　図１２（ｂ）に示す構成は、図１２（ａ）に較べ磁石の個数が少ない効果がある。これにより、回転子を構成する電磁鋼板の軸方向への積み上げ工程，磁石の挿入工程，回転子の組立て工程、などに係る工数が大きく減少し、製造コストが下がる利点がある。

　図１３に、周方向の長さが異なる種類の数を示すｎが２となる、磁石片の配置例を示す。図１３（ａ）と図１３（ｂ）と図１３（ｃ）はブロックスキューのバリエーションをそれぞれ示しており、何れも好ましい磁石片の形状および配置を示す。どの配置もコギングトルクの相殺効果については、好ましくない事例として図１２（ａ）に示した２段スキューと等価の効果がある。

　図１３の好ましい各バリエーションでは、各磁石片は、軸方向に沿って各磁石片の中心が略一直線αとなるように配置されている。さらに、軸方向の一方の方向と他方の方向における永久磁石の形状が略対称なので、磁石トルクに関しては回転子にスラスト力が殆ど働かない、製造誤差を無視すれば理論的にはゼロとなる。さらにリラクタンストルクに関しても軸方向のスラスト力が、製造誤差を無視すれば、生じない構造となっている。

　上述の図１１（ｂ）や図１２（ｂ）、図１３（ａ）～（ｃ）では、磁石片を挿入する磁石挿入孔について触れなかったが、回転子鉄心を構成する各電磁鋼板には前記各磁石片を挿入するための各磁石片の外観形状より少し大きい磁石挿入穴が形成されている。磁石挿入穴は挿入作業が容易に行えるように、各磁石片の外観形状より少し大きい形状の孔が磁石挿入穴として形成されている。

　また、図１３（ａ）～（ｃ）は、図１１（ｂ）や図１２（ｂ）と同様に、Ｎ極の永久磁石２５４を構成する各磁石片２５４ａ～２５４ｄのそれぞれとＳ極の永久磁石２５５を構成する各磁石片２５４ａ～２５４ｄのそれぞれとの間は、補助磁極２８２となっている。

　図１１（ｂ）や図１２（ｂ）、図１３（ａ）と（ｂ）と（ｃ）に示した各永久磁石は、周方向の長さが違う２種類（すなわち、ｎが２）の磁石片の組合わせで作られている。周方向の長さの種類をｎ個とすると、各種類における周方向の長さの違いは、電気角で１２０度／ｎに相当する長さとされる。ここでｎは２以上の整数である。上述のバリエーションでは、各永久磁石を構成する磁石片の周方向の長さの違いは２種類であり、ｎは２となる。そのため、１２０度／ｎは１２０度／２となり、この計算値から、周方向の長さの違いは電気角で６０度に相当する長さとなる。

　図１３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す実施の形態では、各永久磁石がそれぞれ４個の磁石片２５４ａ～２５４ｄあるいは２５５ａ～２５５ｄで構成されていて、周方向の長さに着目した磁石片の種類ｎは２である。軸方向他方側から一方側の方に磁石片２５４ａ，２５４ｂ，２５４ｃ，２５４ｄあるいは磁石片２５５ａ，２５５ｂ，２５５ｃ，２５５ｄが軸に沿って配置されている。軸方向中央に位置する２つの磁石片２５４ｂ，２５４ｃ同士および２つの磁石片２５５ｂ，２５５ｃ同士はそれぞれ同一形状である。このような場合、磁石片２５４ｂ，２５４ｃおよび磁石片２５５ｂ，２５５ｃをそれぞれ一体形状の磁石片を使用しても良く、磁石片の数が減り生産性が向上する。

　上述の実施の形態で、図１１（ｂ）や図１２（ｂ）の方が図１３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す実施の形態より磁石片の数が少ないので、図１１（ｂ）や図１２（ｂ）の方が生産性に優れている。また、図１１（ｂ）や図１２（ｂ）では、磁石片の外観形状と回転子鉄心に形成された各磁石挿入穴の内部形状とが略同じであり、回転子鉄心の加工においても、図１３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す構造よりも図１１（ｂ）や図１２（ｂ）の構造の方が優れている。さらに、磁石片を回転子鉄心２５２の磁石挿入孔に挿入する祭、回転子鉄心の組立て後に挿入可能であり、磁石片の挿入に係る生産性に優れている。

　図１３（ａ）～（ｃ）の各磁石片は、軸方向の長さが同一であり、ネオジュウム系やサマリウムコバルト系の焼結磁石を作る場合の磁石の生産性の点で優れている。

　図１３（ｂ）に示す回転軸の両端側に位置する磁石片２５４ａや２５４ｄあるいは磁石片２５５ａや２５５ｄは、磁石量が少なく、回転軸の中央に位置する磁石片２５４ｂや２５４ｃあるいは磁石片２５５ｂや２５５ｃは磁石量が多い。このため磁石トルクは、軸方向において中央が大きく両側が小さい状態となる。磁石内蔵回転子では、回転軸方向における中央の方が両サイドより磁束の漏れが少ない傾向にあり、この点では図１３（ｂ）に示す構造は図１３（ｃ）に示す構造より優れている。回転子の軸方向端部からの磁束の漏れの観点では、図１３（ｂ）に示す構造が一番好ましく、次に図１３（ａ）、次に図１３（ｃ）の順位である。

　図１４（ａ）と図１４（ｂ）に示す磁極および補助磁極の形状は、周方向の長さが異なる３種類の磁石片を有する永久磁石の構造や配置に依存している。図１４（ｂ）に示す構造では、周方向の長さが異なる３種類の磁石片を有するので、上述の１２０度／ｎの式で磁石片の種類ｎは３となり、電気角１２０度／３の値が４０度となり、図１５に示す如くトルク脈動が低減する。この実施の形態の如く、磁石片の周方向の長さの異なる種類を増やすほどトルク脈動は高次まで消せることになり、トルク脈動の低減において優れた効果が得られる。図１４（ａ）は好ましくない構造であり、各磁石片の周方向中心が、回転子軸方向に沿った一直線上に並んでいない。そのため、トルク脈動の低減では効果が有るが、回転軸方向にスラスト力が働く欠点がある。

　図１４（ｂ）に示す構造は望ましい構造であって、永久磁石２５４を構成する磁石片２５４ａ，磁石片２５４ｂ，磁石片２５４ｃは、それぞれの周方向における中心線αが一致している。この実施の形態では一個の永久磁石で磁極が構成されるので、磁極の中心線と各磁石片の中心線αとは略一致する。なお、回転軸方向における磁石片２５４ａと磁石片２５４ｂと磁石片２５４ｃとの配置の順序は入れ替わっても良く、図１４（ｂ）に示す配置の場合と同様の効果を奏する。

　図１４（ｂ）では、各磁石片の周方向の中心線αは一直線に揃っていて、Ｎ極の磁極とＳ極の磁極との組合わせで回転軸方向の推力が相殺し、軸方向の推力が殆ど発生しない。また補助磁極２８２に基づいて発生するリラクタンストルクは、補助磁極２８２が周方向に電気角で２０度ずつずれているので、リラクタンストルクの脈動は低減される。さらに、周方向に並んだ複数の補助磁極２８２は、それぞれ周方向に傾いた形状を有しているが、傾きの方向が交互に反転しているので、回転子全体に於けるリラクタンストルクの推力成分は互いに相殺され、殆どゼロとなる。

　図１４（ｂ）に示す実施の形態では、図１３の実施の形態と同様、電気角６０度周期のコギングトルク成分が主に消えるが、図１４（ｂ）の構造ではそれに加え、その半分の３０°周期のコギングトルクも消えるため、トルク脈動の低減効果がより一層大きい。

　図１４（ｂ）に示す構成では、ａ－ｂ断面とｃ－ｄ断面，ｅ－ｆ断面とにおいて、各磁石片の周方向の側面がそれぞれ電気角で２０度ずれているので、コギングトルクは図１５のように２０°ずれた波形の合成になる。この場合には、３ｎ次（ｎは整数）のトルク脈動成分は残るが、１次と２次の脈動が消せるので、図１０に示すように各磁石片の周方向の側面が電気角で３０度ずれた形状に比べて、トルク脈動が小さくなる利点がある。

　図１６（ａ１）～（ｅ１）に、このようなブロックスキューのバリエーションを示す。各バリエーションにおける磁石片の配置は、コギングトルクを互いに相殺する効果がある。また、これらの磁石片の形状や配置は、各磁石片の周方向中心位置を通る軸方向直線に対して対称な形状となっている。そのため、各永久磁石の構造によるあるいはＮ極とＳ極のトルクの合成による磁石トルクとコギングトルクの合成トルクによれば、回転子にスラスト力が働かない利点がある。

　図１６（ａ１）～（ｅ１）に示す構造で、磁石片の種類ｎを増やすほどトルク脈動は高次まで消せることになる。このような高次までのトルク脈動を低減することができる構造を図１６（ａ２）～図１６（ｅ２）に示す。図１６（ａ１）～（ｅ１）に示す２種類の磁極片からなるブロックスキューは、図１６（ａ２）～図１６（ｅ２）に示すような１種類の台形（等脚台形）形状の永久磁石または磁石片で置き換えることができる。ここでは、このような台形構造を台形スキューと称することにする。例えば、図１６（ａ２）に示す永久磁石の構造は、図１６（ａ１）の下側の磁石片の左右の辺を電気角３０度に相当する分だけ内側に傾ける、すなわちスキューさせるとともに、上側の磁石片の左右の辺を電気角３０度に相当する分だけ内側にスキューさせたものに相当する。ただし、図１６（ａ１）に示す各磁石片の軸方向長さは同一であるとする。同様に、図１６（ｂ２）の上側の台形磁石片は図１６（ｂ１）の上から１及び２番目の磁石片で構成されるブロックスキューに相当し、図１６（ｂ２）の下側の台形磁石片は図１６（ｂ１）の上から３及び４番目の磁石片で構成されるブロックスキューに相当する。図１６（ａ），（ｂ）のいずれの場合も、台形形状の上底の長さと下底の長さとの差は電気角で１２０度に相当する長さとなっている。図１６（ａ２）～図１６（ｅ２）に示す構造の利点は、高次のコギングトルクを減らすために、磁石を軸方向に２分割より多く分割する必要がないことである。台形形状の斜めのスキューでは、スキュー角以上の高次のコギングトルクは理論的に完全に相殺することができる。さらに上述の実施の形態と同様、これらの磁石片は回転子鉄心内に内蔵された状態で、保持されており、一つの磁極の磁石片と隣の磁極の磁石片との間に補助磁極を形成する。従って補助磁極の周方向の側面も斜め形状となっており、リラクタンストルクの脈動に対しても、高次までのトルク脈動を低減できる効果が有る。

　さらにまた、図１６の（ｂ１）と（ｂ２）に示した構造の特徴について説明する。この二つの実施の形態では、複数の磁石片で構成された永久磁石の軸方向端部側の長さ、つまり永久磁石の図面上の上辺および下辺の長さが、永久磁石の軸方向中央部の長さに比べて短い。すなわち、軸方向における中央部の磁石の量が多い。軸方向における端部では、磁束が漏れ易い。たとえば、図１６（ｅ１）や（ｅ２）のような構造の永久磁石を有するモータでは、Ｎ極とＳ極で端部の長さが違うから、この図の場合Ｎ極の磁束漏れが多くなり、Ｓ極の磁束漏れは小さい。したがって、Ｎ極とＳ極とが非対称になり易い。このため低次のトルクリプルが発生し易い問題がおこる。また、図１６（ｃ１）や（ｃ２）の実施の形態では、軸方向の端部での漏れ磁束が図１６（ｂ１）や（ｂ２）よりも多くなる傾向がある。このため回転電機の効果が低下し易い傾向がある。このような点から、図１６（ｂ１）と（ｂ２）の磁石配置は、とくに漏れ磁束が少なく、かつ対称性もよく、回転電機としてより好ましい構造である。

　図１７（ａ）と図１７（ｃ）で２種類の磁石片は、先に図１１や図１２で説明の如く、それぞれの周方向の長さが電気角６０度に相当する長さだけ異なる。さらに、図１７（ｂ）に示した３種類の磁石片のそれぞれの周方向の長さは、図１４で説明の如く電気角４０度に相当する長さずつ異なっている。ｎ種類の磁石片によるスキュー構造に関しては、周方向の長さが１２０／ｎ度に相当する長さだけ異なるｎ種類の磁石片を軸方向に並べた構造である。このブロックスキューによるコギングトルクの波形は上述の図１５で説明したとおりである。電気角２０度周期のコギングトルクが残っているが、電気角６０度周期と電気角３０度周期のコギングトルクは低減されることが分かる。なお、電気角２０度周期は電源周波数に対して時間１８次成分である。

　図１７（ｄ），（ｅ），（ｆ）は、図１７（ａ），（ｂ），（ｃ）の構造において、磁石片の周方向の長さの差を半分にした例である。図１７（ｄ）と（ｆ）に示す構造は、２種類の磁石片の周方向の長さが電気角３０度に相当する長さだけ異なる場合、図１７（ｅ）に示す構造は、磁石片が３種類の場合で、それぞれの周方向の長さの差は電気角２０°に相当する長さである。これにより、電気角３０°周期のコギングトルクを相殺することができる。このトルク脈動の低減は磁石トルクの脈動だけでなく、リラクタンストルクの脈動低減についても同様に効果が有る。すなわち図１７（ｄ）と（ｆ）に示す構造は、１２次のトルク脈動を低減でき、図１７（ｅ）に示す構造は、１２次と２４次のトルク脈動を低減できる効果が有る。

　３相モータのコギングトルクの周期は、電気角６０°，３０°，１５°となり、その時間次数は電源基本周波数に対して、それぞれ６次，１２次，１８次成分となる。式で表記すると、（３６０／６ｎ）度周期の６ｎ次成分すなわち（６０／ｎ）度がコギングトルクやトルクリプルとして現れる。本実施の形態では、時間６次成分よりも１２次成分のコギングトルクが大きい場合のモータにおいて、６次のトルク脈動は消さずに、１２次だけを消す。このようなモータは図１７（ｄ），（ｅ），（ｆ）のようなブロックスキューで３０度周期のコギングトルクを消すことができる。この実施例の利点としてトルクの低下が少ない利点がある。一般にスキューの角度が大きいとトルクの低下が大きいが、上述の磁石片の構造や配置ではトルク低下が少ない。

　図１８に他の実施の形態を示す。磁石を埋込むために鉄心に形成された磁石挿入孔は、その空間形状と磁石片の形状とが異なる形状であっても良い。上述の図１１から図１４および図１７に示す実施の形態では、磁石片は立方体形状を成し、立方体形状の磁石片を収納する磁石挿入孔の内部空間は、磁石片が挿入可能な程度にやや大きくした形状を有している。これに対し、図１８の実施の形態は、各永久磁石２５４と２５５はそれぞれ一つの磁石片で構成されている。

　図１８（ａ）に示すように、固定子側から見た永久磁石２５４と２５５の形状は略台形（等脚台形）で、回転子２５０の回転軸方向の両端に位置する上底と下底の長さが電気角１２０度に相当する長さだけ異なっている。一方、永久磁石２５４，２５５を挿入する磁石挿入孔２７２は、略長方形の形状の孔が形成された電磁鋼板を複数重ねることにより形成される。各磁石挿入孔２７２はこの実施例では回転子軸方向に２段に別れ、図示下側の孔の側壁は内側にそれぞれ電気角で３０度ずれていて、孔の周方向長さは電気角６０度に相当する長さだけ異なっている。回転軸方向から見た回転子鉄心２５２の磁石挿入孔２７２の形状を図１８（ｂ）に示す。図１８（ａ）に示す一点鎖線ａ－ｂで示す位置のａ－ｂ断面と、一点鎖線ｃ－ｄで示す位置のｃ－ｄ断面とを、図１８（ｂ）のａ－ｂおよびｃ－ｄとして示した。

　この実施の形態では、ａ－ｂ断面とｃ－ｄ断面とは、磁極の１極分だけずれた構成となっている。軸方向から見たとき、回転子鉄心に形成される磁極や補助磁極は回転対称なので、電磁鋼板を１極分だけずれるようにして積層すると、図１８（ａ）の補助磁極Ａや補助磁極Ｃに対して補助磁極Ｂや補助磁極Ｄの部分が電気角で３０度ずれるように配置される。この実施の形態では同じ形状で磁石挿入孔を形成した電磁鋼板を２段の補助磁極の形成のために使用できる。このように、同じ形状の磁石挿入孔を形成した電磁鋼板を、周方向にずらせて組立てることで図１８（ａ）の補助磁極として作用する補助磁極２８２Ａと２８２Ｂを形成することが可能である。永久磁石２５４と２５５を磁石挿入孔に挿入することにより、補助磁極２８２Ａと永久磁石２５４との間や、補助磁極２８２Ｂと永久磁石２５５との間には磁気空隙として作用する空隙２５８がそれぞれ形成される。周方向に並んだ複数の補助磁極２８２は、周方向に傾いた補助磁極２８２の傾斜の方向が交互に逆になっており、かつ、傾斜量が同じなので、リラクタンストルクによる軸方向の推力の発生しない効果がある。

　上述のように、同じ形状の電磁鋼板を周方向に回転させて、補助磁極２８２Ａと２８２Ｂとを構成するようにすれば、回転子鉄心を構成する電磁鋼板が一種類で済み、電磁鋼板の打抜き用の金型が一種類で済むので低コスト化の効果がある。また、磁石を軸方向に分割しないので磁石個数も減り、回転子に磁石を埋込む工数も半減する。

　この実施例によれば、永久磁石が発生するコギングトルクは、永久磁石２５４，２５５が台形形状なので、高次まで略相殺できる。一方、磁極間の鉄心で形成される補助磁極２８２は、回転軸の一方側と他方側との間で周方向に電気角で３０度ずれている。補助磁極にはリラクタンストルクが発生するが、リラクタンストルクも３０度ずれたトルク脈動を発生する。図１８の補助磁極２８２のＡ部とＢ部は互いに３０度ずれており、６０度のトルク脈動を相殺できる。また、Ｃ部とＤ部でも互いに３０度ずれているから６０度周期のトルク脈動を相殺できる。埋込式磁石モータのトルク脈動は、磁石トルクの脈動とリラクタンストルクの脈動の合成だから、本実施例では、磁石トルクの脈動は高次まで、リラクタンストルクの脈動は６次成分のみ消えた構造になっている。

　図１１（ｂ），図１２（ｂ），図１３に示したブロックスキューに対応させて図１６に示すような台形スキューを構成したように、図１７（ａ）～（ｆ）に示すブロックスキューに対応して図１９（ａ）～（ｆ）に示すような台形スキューを構成することができる。図１９（ａ），（ｂ），（ｃ）は図１７（ａ）～（ｃ）に対応し、トルク脈動に対して図１７（ａ）～（ｃ）の場合と同様の効果を奏するとともに、台形スキューとしたことでより高次のトルク脈動も低減することができる。一方、図１９（（ｄ）～（ｆ）は図１７（ａ）～（ｃ）に対応しており、トルク脈動に対して図１７（ｄ）～（ｆ）の場合と同様の効果を奏するとともに、台形スキューとしたことでより高次のトルク脈動も低減することができる。図１９（ａ），（ｂ），（ｃ）では、台形形状を成す永久磁石または磁石片において、上底と下底との間の周方向の長さの差は電気角で１２０度に相当する長さである。一方、図１９（ｄ）～（ｆ）に示す永久磁石または磁石片では、上底と下底との間の周方向の長さの差は電気角で６０度に相当する長さである。

　図２０（ａ）は台形形状の永久磁石の配置を示す３次元表示であり、固定子面がＮ極の永久磁石２５４と固定子側がＳ極の永久磁石２５５とが交互に配置され、永久磁石と永久磁石との間に補助磁極２８２が形成される。なお、永久磁石２５４，２５５は回転子鉄心の内部に配置されているが、回転子鉄心は表示していない。

　図２０（ｂ）は固定子側から見た断面形状を示す。永久磁石２５４，２５５は回転子鉄心内に設けられているが、図２０（ｂ）では回転子表面から永久磁石の埋込まれている所定の深さで断面した状態を示している。図２０に示す実施の形態は、図１９（ｅ）の例であり、図２０（ｂ）に示す断面は図１９（ｅ）の磁石配置と補助磁極を形成する回転子鉄心との関係を示している。基本的な構造は図１９（ｂ）も基本的には同じであるが、永久磁石２５４や２５５の回転軸の端部側に位置する長辺と短辺との電気角の差が異なっている。図１９（ｂ）や図１９（ｅ）に示すように補助磁極のずれを３段にした場合であっても、図１８の説明と同様に電磁鋼板の種類を少なくすることができる。つまり、この実施の形態では、回転子鉄心２３２，２３２ｃは周方向の配置角が異なるのみで、磁極や補助磁極が回転対称になるので、同じ型でプレス加工した同じ磁石挿入孔の電磁鋼板を使用できる。これにより製作コストを低減できる。この実施の形態では、磁石トルクの脈動を高次数まで低減できるとともに、リラクタンストルクが発生するトルク脈動を２段分割の場合よりさらに低減できる。

　図２１は回転子鉄心２５２と磁石挿入孔２７２との関係および磁極と補助磁極との関係を示す。図２１（ａ）～（ｄ）は、基本的な構造が類似しているが磁石形状が異なる例である。図２１（ａ）を代表例として説明する。回転子鉄心２５２に磁石挿入孔２７２が形成されている。実際には磁石挿入孔２７２には永久磁石が挿入されているが、ここでは、記載を省略している。磁石挿入孔２７２に挿入された永久磁石によりｄ軸の磁束２９６が発生し、固定子巻線と鎖交する。磁石挿入孔２７２の回転子側の鉄心には磁極片２９４が形成され、磁極片２９４を介してｄ軸の磁束２９６が固定子に導かれる。

　磁石挿入孔２７２と回転子鉄心２５２の固定子側面との間には、ブリッジ部２９２が形成されている。磁極片２９４と補助磁極２８２との間にブリッジ部２９２がそれぞれ設けられ、ブリッジ部２９２で磁気回路の断面が絞られているので、磁気的に飽和状態となる。磁気飽和することでブリッジ部２９２を通る磁束が制限され、結果的に磁極片２９４と補助磁極２８２との間の漏れ磁束を低減できる。なお、補助磁極２８２にはｑ軸の磁束２９８が通る磁気回路が形成され、リラクタンストルクが発生する。

　図２１（ｂ）は永久磁石の形状が異なるが、他の構成は略同じである。永久磁石と回転子鉄心２５２の外周との間の磁極片２９４は大変狭くなっている。ブリッジ部２９２により磁極片２９４から補助磁極２８２への漏れ磁束が低減されている。図２１（ｂ）では永久磁石の固定子側の形状が円弧状であるが、図２１（ｃ）では、磁石全体が回転子外周に沿うように円弧状に作られている。

　図２１（ｄ）は、磁極片２９４から補助磁極２８２への漏れ磁束を低減する構造を示している。図１１～図１４および図１６～図２０に記載の磁石挿入孔は、回転方向である周方向における長さが異なっている。周方向の長さが短いとブリッジ部２９２の磁気回路の断面積が大きくなり、飽和磁束量が増大する。このため結果として磁極片と補助磁極間の漏れ磁束が増える。このことは効率の低下やトルクの低下につながる。これを防ぐために図２１（ｄ）では、磁気的な空間３０２を形成している。この磁気的な空間３０２は電磁鋼板の成形時に空隙を形成するものであり、空間３０２と回転子鉄心の固定子側外周面との間にブリッジ部２９２を形成する。このブリッジ部２９２の磁気回路の断面積は狭くなり飽和磁束を小さくできる。これによる漏れ磁束を低減できる。

　図２２は、図２１（ｄ）で説明した漏洩磁束を低減するための他の実施の形態である。図２２（ａ）は、図２１（ｄ）で説明したブリッジ部での磁束の漏れを説明する図である。磁石挿入孔２７２ａは回転軸方向の一方側に形成され、磁石挿入孔２７２ｂは回転軸方向の他方側に形成されている。区別し易いように他方側に位置する磁石挿入孔２７２ｂは斜線を施して表示している。磁石挿入孔２７２ａや磁石挿入孔２７２ｂは先に説明した磁石片より少し大きく作られており、磁石片の挿入作業が可能なようになっている。磁石片は、磁極の中心線に沿って各磁石片の左右の中心線が揃うように配置されており、磁石挿入孔２７２ａや２７２ｂも磁極の中心線に対して周方向に対称の形状を成している。

　埋込まれる磁石片および磁石挿入孔は、回転軸に垂直な断面において、長方形の断面を成している。一方、回転子外周は円形を成しているので、周方向に長い磁石と短い磁石では、回転子鉄心の外周までの距離が異なる。図２２（ａ）と図２２（ｂ）に示す矢印はブリッジ部２９２ａや２９２ｂを示しており、磁石挿入孔の角部と回転子鉄心の外周の距離すなわち磁気回路の断面積の大きさを表している。

　矢印で示すブリッジ部２９２ａや２９２ｂの断面が大きいと磁気飽和するための磁束量が多くなり、磁石からの磁束が回転子から固定子へ出て行く量が減り、回転子の内部で回り込んでしまう。このため磁石を有効に利用できない。そこで、図２２（ｂ）に示すように、周長が短い磁石挿入孔２７２ｂを、周長が長い磁石挿入孔２７２ａより回転子の径方向に関して外周側に配置する。

　図２２（ｂ）では、周長の短い磁石挿入孔２７２ｂを周長が長い磁石挿入孔２７２ａより回転子の径方向における外周側に配置しているので、ブリッジ部２９２ａと２９２ｂとの矢印の長さが略同じである。このため両方の磁束の漏れ量は略同じと成り、周長の短い磁石挿入孔に係るブリッジ部からの磁束の漏れ量を低減できる。

　図２２（ｃ）は４極の回転子を示している。自動車の駆動用の回転電機では８極から１０極が望ましいが、説明を簡単にするために図２２（ｃ）は磁極の数を少なくしている。上述のとおり、軸の一方側に位置する磁石挿入孔２７２ａと他方側に位置する磁石挿入孔２７２ｂとにおいて、周方向の長さが短い磁石挿入孔２７２ｂが回転子の径方向の外周側に設けられている。このような構成とすることで、漏れ磁束を低減できる。

　図２２は永久磁石の形状が略四角形の磁石片から構成される場合について説明した。基本的な考え方は同じであるが、台形形状の磁石を用いた場合の実施の形態について図２３を用いて説明する。図２３（ａ）に示すように、電磁鋼板としての珪素鋼板に形成する長方形の磁石挿入孔２７２を、磁石の周長が短くなるほど回転子外周側に位置するように形成する。このような磁石挿入孔２７２が形成された電磁鋼板を積層して回転子鉄心２５２を形成し、この磁石挿入孔２７２に台形状の磁石を挿入することにより回転子を組立てる。このように構成することで、台形状の磁石の周方向長さが短くなるにつれて、磁石および磁石挿入孔は回転子の径方向に関して外周側に位置するようになる。その結果、磁極片と補助磁極２８２との間に位置するブリッジ部の磁気回路の断面積を小さくでき、ブリッジ部を飽和させるのに必要な磁束量を低減でき、漏れ磁束が低減される。

　図２３（ｂ）は固定子側から見た永久磁石の配置部分の断面図であり、回転軸の一方側と他方側である両端部において、磁石の周方向の長さが短くなるように磁石片を配置した構造を示す。磁石の周方向の長さが長くなる部分が回転軸の中央で対向する構造となっており、一方側と他方側の回転子部分を作り、これらを対向して配置し固定することで回転子が作られる。このように回転子を軸対称に２段積み上げて作ると、磁石の軸方向への飛び出しを防止できる。また回転子端部における磁束の漏れを少なくできる。

　図２３（ｃ）には回転子全体における永久磁石の配置を示す。永久磁石は固定子側がＮ極の永久磁石２５４と固定子側がＳ極の永久磁石２５５とが交互に配置され、回転子鉄心を表示していないが各磁極の間には補助磁極２８２が形成されている。回転子鉄心を構成する各電磁鋼板には図２３（ａ）のように一枚ずつ、あるいは所定枚数ずつ、幅の異なる磁石挿入孔が形成され、積層される。軸中心から径方向外側に向かって、周方向の幅が狭くなっている磁石部分が、回転子の外周側に位置するように配置されている。これにより周長の短い磁石部分の漏れ磁束が小さくなり、磁石を有効に使える。

　図７や図２０（ａ）、図２３（ｃ）に開示の回転電機は、極対数が偶数の場合を示しており、その一例として図７に示す回転電機は１６極で極対数が８である。また、図２０（ａ）や図２３（ｃ）の回転電機は８極で、極対数が４である。回転電機では磁石の重さが回転子の上下でバランスが良い方が望ましい。上述した本発明に係るブロックスキューを採用した場合に、極対数が偶数の回転電機では回転子の上下でバランスが良くなり、回転が滑らかになる、特に低速回転域で効果が大きい。回転子の磁極が８極や１２極だと極対数が偶数となり望ましい、また磁石トルクやリラクタンストルクの発生においても回転子の磁極が８極や１２極だと良好である。

　上述した実施の形態は、回転子鉄心の内部に永久磁石を埋込んだ、埋込式磁石モータの構造を示している。ブロックスキューの実施例として示した永久磁石は、回転子鉄心の内部に埋込まれている。上述の磁石挿入孔は、長方形の磁石片を用いる実施の形態では、隙間公差を除けば、あるいは磁石片の挿入のための作業空隙を無視すれば、略同じ寸法である。上述の実施の形態では、回転子コアに電磁鋼板を利用し、回転軸の方向に電磁鋼板を積層して回転子鉄心を作る事例を示した。電磁鋼板は珪素鋼板が特性的に優れている。電磁鋼板の代わりに圧粉磁心を圧縮成形して製造したコアを使用しても良い。なお、回転軸に垂直な面で断面した状態の磁石形状や孔の形状は、図２１で説明したように、長方形やかまぼこ形や扇形である。生産性の点では断面が長方形の磁石が優れている。

　また、上述の永久磁石としては、分割した焼結の磁石片を組合わせる構造が特性的に優れているが、必ずしもこれに限るものではない。例えば、ボンド磁石のように、磁粉を樹脂で固めて上述の形状をなす磁石を作っても良い。この場合は、射出成型などで一体成型して、例えば図１１～図１４あるいは図１７～図２３に示す形状の磁石を作ることができる。この場合、磁石を挿入する工数が減るので、製造が簡単になるメリットがある。

　上述のトルク脈動低減策は回転子の構造に改良を加えている。回転電機全体としてトルク脈動を低減することが最終目的であり、固定子による脈動低減と回転子により脈動低減とを組合わせることでより好ましい効果を得ることができる。

　図２４は短節巻で巻回された固定子巻線の例を示す。スロット番号１～１８の１８個のスロット２４が固定子の全周に渡って形成されており、スロットの奥側に下コイルが配置され、スロットの出口側に上コイルが配置されている。Ｕ＋とＵ－は３相の内のＵ相のコイルを示している。同様にＶ＋とＶ－は３相の内のＶ相のコイルを示し、Ｗ＋とＷ－は３相の内のＷ相のコイルを示している。

　スロット番号１には上下コイルともＵ＋相のコイルが配置されているが、スロット番号２や３では上コイルと下コイルとは異なる相のコイルである。以下同様にスロット番号５と６、スロット番号８と９、スロット番号１１と１２、スロット番号１４と１５、スロット番号１７と１８は異なる相のコイルが配置されている。このような配置関係を成す短節巻の巻線を利用することでトルク脈動を低減できる。この実施の形態の例では６次のトルク脈動を低減できる。この固定子と組合わせられる回転子で上述のように１２次の脈動を低減すれば、回転電機全体では６次と１２次の両方の脈動を低減できる。短節巻の具体的な配置関係を変えることで、他の次数の脈動を低減できる、例えば１２次の脈動を低減することが可能となる。このように固定子と回転子の両方の組合わせでトルク脈動の低減を図ることにより、より優れた回転電機を得ることができる。

　図２５に、回転電機を冷却するための冷却システムの一例を示す。回転電機は空冷により冷却することが可能であるが、車両に搭載される状況により、油で冷却される場合がある。例えばトランスミッションに一体的に回転電機が組込まれる場合は、前記トランスミッションに使用される油を使用して冷却する方が空冷より優れている場合が有る。回転電機２００はハウジング２１２内に封じられており、この中には冷却用の油４０３が、回転子２５０に少しかかる程度に満たされている。油４０３は、冷却用ポンプ４０２で循環させ、ラジエータ４０１によって冷却される。車両用モータに用いるネオジウム系磁石は耐熱温度が低く、高温で減磁してしまうことが課題の一つである。特に回転電機を小型化する場合に、温度上昇が大きな問題となり、より小型化にするには冷却効率を向上し、温度上昇を抑えることが望ましい。そのため、図２４では冷却経路を設けることで温度上昇を抑制し、ハイブリッド車を含む電気自動車に搭載される回転電機の小型化に有効である。前記ラジエータ４０１によって冷却された油４０３は、回転子２５０を冷却すると共に、回転子２５０の回転により跳ね上げられることにより、冷却油が、回転子２５０および固定子２３０に連続的に供給され、冷却される。

　次に上述の実施の形態のもう一つの大きな特徴である着磁のし易さについて以下に説明する。近年、小型・高出力の磁石モータに使われる高エネルギー密度のネオジウム磁石は保磁力が強い。つまり、外部の磁界に対して磁石内部の磁化が変化しにくいため磁気的に安定であるが、その反面、着磁には多大な着磁磁界を要する。着磁するためには、永久磁石を囲うような形状の着磁コイルに通電して、そのコイルが作る磁束で着磁する。ある一定値を上回る外部磁界によって磁石内部の磁化が配向されると磁石はその磁化を保持して永久磁石になる。その磁界を着磁磁界という。着磁コイルによって作られる磁界は、一瞬でも磁石の着磁磁界を上回れば磁石は着磁できるので、コイルに瞬間的に大電流を流す方法が好ましい方法である。連続的に大電流を流すとコイルの発熱が多く、温度上昇が許容範囲に収らないためである。着磁に大きな磁界が必要でさらに磁石自体も大きいと、着磁コイル自体も大きくなる。この着磁コイルの通電時には、コイルが円形になろうとするフープ力が働く。磁界が強く、コイルも大きいと、このフープ力も巨大になる。従って、何度も着磁すると着磁コイルが損傷し易いとの課題がある。

　図２６は、上述の好ましくない形状の永久磁石を使用する場合の着磁コイルの形状を示す。好ましくない磁石形状では、破線の円で囲ってある部分を有するブーメラン型の着磁コイルが必要であり、コイル形状を機械的に強固に保持することが困難な形状である。たとえば、図２６の破線の円で囲ってある部分は着磁用コイルが鋭角に曲げられているため、フープ力を受けると損傷しやすい問題がある。

　図２７は永久磁石２５４や２５５の形状と着磁コイル５００の形状を示す。図２７（ａ）と（ｂ）は好ましくない構造の磁石を着磁するための着磁コイル形状である。一方図２７（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）は上述した好ましい磁石片の形状や配置であるブロックスキュー用の着磁コイル５００の形状である。好ましいブロックスキューの磁石形状では、着磁コイルの形状は単純な長方形、あるいは台形で良く、強固な着磁コイルを作成し易く、結果として着磁コイルが丈夫になる利点がある。このため、着磁が行い易く、生産性が向上する効果が有る。

＜効果の説明＞
　上述した本実施の形態の回転電機は、次のような作用効果を奏する。

　（１）好ましい永久磁石の形状あるいは、永久磁石を構成する磁石片の配置について、ブロックスキューと称して説明した。このような磁石片の形状や配置関係によりトルク脈動を低減できる効果を得ることができる。さらに合せて生産性が向上する効果がある。

　例えば永久磁石を構成する各磁石片の周方向の幅の種類をｎとすると、各種類において周方向の長さに電気角１２０度／ｎに相当する長さの差を設けることにより、トルク脈動を低減できる。磁石片の製作誤差などを考慮すると、上記計算値を中心として誤差が少ない方が好ましいが、電気角でプラス５度からマイナス５度の範囲であれば効果が得られる。なお、ｎは２以上の整数であり、好ましくは２以上４以下が良い。

　（２）好ましい磁石片の形状あるいは配置として説明したブロックスキューによりトルク脈動低減効果を得ることができ、上記磁石片の周方向の長さの違いを上述の電気角１２０度／ｎに相当する長さだけでなく、次のようにしても良い。各磁石片の周方向の幅の種類をｎとすると、電気角６０度／ｎに相当する長さ差が生じるように、各磁石片の周方向の長さを変える。この計算値を中心として誤差が少ない方が望ましいが、電気角でプラス５度からマイナス５度の範囲であれば効果が得られる。なお、ｎは１以上の整数であり、好ましくは１以上４以下が良い。

　（３）永久磁石が複数の磁石片で構成されており、各磁石片の周方向における中心線（周方向の中心位置を通り回転軸に平行な直線）が回転軸方向に揃っているので、電磁鋼板を積層して回転子鉄心を一部あるいは全て製造した後、磁石片を挿入することが可能で、生産性が優れている。

　（４）上述のとおり、磁石片の周方向の中心が軸方向に揃っており、スラスト力を発生しない構造が可能であり、高い安全性や信頼性を確保できる。

　リラクタンストルクを発生する補助磁極が回転軸に対して傾斜しているが、すなわち回転子周方向に傾斜しているが、この傾斜の方向が磁極毎に反転しており、回転子全体ではスラスト成分が互いに相殺される構造となっている。従ってスラスト力が殆ど発生しない。安全性や信頼性の点で優れている。

　（５）上述の構造では、先に説明したとおり、磁石の生産性が向上する。コスト低減にも繋がる。

　（６）長方形あるいは正方形の着磁コイルを使用でき、着磁作業が容易である。

　着磁コイルをフープ力の影響を受け難い構造とすることができ、着磁コイルの損傷を少なくできる。特に９０度より小さい角である鋭角部分を無くすことができ、上述のように着磁コイルをフープ力の影響を受け難い形状にすることができる。

　（７）上述の如く、磁石挿入孔の形状の変化に基づくｑ軸の磁気回路の断面形状や周方向の位置の変化により、例えば補助磁極の変化により、トルク脈動が低減される。上記周方向の変化の種類あるいは段数をｍとすると、電気角１２０度／ｍの値に基づいて、磁石挿入孔の周方向に幅（孔内周面の回転子周方向における長さ）あるいは位置を変化させることができ、これによりトルク脈動を低減できる。例えば、図１９（ａ）に示す例では、永久磁石２５４が挿入される磁石挿入孔は、周方向幅の異なる２種類の孔を固定子軸方向に連続接続した形状を有し、図示上側の孔の周方向長さと図示下側の孔の周方向長さとの差は、電気角１２０度／ｍに相当する長さとなっている。なお、電気角１２０度／ｍの値は、上記計算値を中心として誤差が小さい方が望ましいがプラス５度からマイナス５度の範囲であれば効果が得られる。なお、ｍは２以上の整数であり、好ましくは２以上４以下が良い。種類や段数が４を越えると軸方向の段数が多くなり、生産性が悪くなる。

　（８）上述の如く、磁石挿入孔の形状の変化に基づくｑ軸の磁気回路の断面形状や周方向の位置の変化により、例えば補助磁極の変化により、トルク脈動が低減される。上記周方向の変化の種類または段数をｍとすると、電気角６０度／ｍの値に基づいて、磁石挿入孔の周方向の長さの違いあるいは位置のずれを設ける。例えば、図１９（ｂ）に示す例では、永久磁石２５４が挿入される磁石挿入孔は、周方向幅の異なる３種類の孔を固定子軸方向に連続接続した形状を有し、それら３種類の孔の周方向長さは、電気角６０度／ｍに相当する長さずつ異なっている。これによりトルク脈動を低減できる。なお、電気角６０度／ｍの値は、上記計算値を中心としてプラス５度からマイナス５度の範囲であれば効果が得られる。なお、ｍは１以上の整数であり、好ましくは１以上４以下が良い。ｍが４を越えると軸方向の段数が増えるなどにより、生産性が低下する。

　（９）永久磁石として台形形状の磁石を使用し、台形の上底と下底との長さの差を電気角６０度あるいは電気角１２０度に相当する長さとすることにより、磁石トルクの脈動を低減する。加えて、リラクタンストルクの発生に寄与する補助磁極を回転軸に対して磁極毎に傾斜方向が反転するように形成する。これにより、リラクタンストルクの脈動を低減するとともに、スラスト力の成分を相殺することができる。

　さらにまたこの場合には、着磁コイルのフープ力の影響を低減できる効果が期待できる。

　上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。　
　日本国特許出願２００９年第１８６９６９号（２００９年８月１２日出願）

Claims (18)

1. 　固定子鉄心と該固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有する固定子と、
   　前記固定子に対して回転自在に設けられ、複数の磁石挿入孔が形成された電磁鋼板を積層して形成された回転子鉄心と、前記複数の磁石挿入孔の各々に保持されてそれぞれ磁極を形成する複数の永久磁石とを有する回転子と、を備え
   　前記各永久磁石は、回転子軸方向に延在するとともに回転子周方向の長さとして２種類以上の長さを有する形状をそれぞれ備えている車両用回転電機。
2. 　請求項１に記載の車両用回転電機において、
   　前記各永久磁石は回転子軸方向に並べて配置されたｎ（ｎは２以上の整数）種類の磁石片で構成され、
   　前記ｎ種類の磁石片は、回転子周方向の長さが電気角の約１２０／ｎ度に相当する長さずつ異なり、前記各磁石片の回転子周方向における中心線が回転子軸方向に沿って略一直線に揃うように配置されている車両用回転電機。
3. 　請求項２に記載の車両用回転電機において、
   　前記各永久磁石を構成する前記ｎ種類の磁石片は、固定子側から見た形状がそれぞれ略四角形状である車両用回転電機。
4. 　請求項２または３に記載の車両用回転電機において、
   　前記各永久磁石を構成する前記ｎ種類の磁石片のそれぞれが、前記各磁石片の前記中心線に関して対称形状である車両用回転電機。
5. 　請求項２乃至４のいずれか一項に記載の車両用回転電機において、
   　前記磁石挿入孔は、孔内周面の回転子周方向の長さが異なるｍ（ｍは２以上の整数）種類の孔を回転子軸方向に沿って配置して成り、
   　前記ｍ種類の孔は、前記孔内周面の回転子周方向の長さが電気角の約１２０／ｍ度に相当する長さずつ異なる車両用回転電機。
6. 　請求項２乃至４のいずれか一項に記載の車両用回転電機において、
   　前記各永久磁石の前記回転子周方向の長さが、電気角（１２０／ｎ－５）度に相当する長さから電気角（１２０／ｎ＋５）度に相当する長さまでの範囲内に設定されている車両用回転電機。
7. 　請求項５に記載の車両用の回転電機において、
   　前記磁石挿入孔の孔内周面の前記回転子周方向の長さが、電気角（１２０／ｍ－５）度に相当する長さから電気角（１２０／ｍ＋５）度に相当する長さまでの範囲内に設定されている車両用回転電機。
8. 　請求項１に記載の車両用の回転電機において、
   　前記各永久磁石は回転子軸方向に並べて配置されたｎ（ｎは１以上の整数）種類の磁石片で構成され、
   　前記ｎ種類の磁石片は、回転子周方向の長さが電気角の約６０／ｎ度に相当する長さずつ異なり、前記各磁石片の回転子周方向における中心線が回転子軸方向に沿って略一直線に揃うように配置されている車両用回転電機。
9. 　請求項８に記載の車両用回転電機において、
   　前記各永久磁石を構成する前記ｎ種類の磁石片は、固定子側から見た形状がそれぞれ略四角形状である車両用回転電機。
10. 　請求項８または９に記載の車両用回転電機において、
    　前記各永久磁石を構成するｎ種類の磁石片のそれぞれが、前記各磁石片の前記中心線に関して対称形状を成す車両用回転電機。
11. 　請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の車両用回転電機において、
    　前記磁石挿入孔は、孔内周面の回転子周方向の長さが異なるｍ（ｍは１以上の整数）種類の孔を回転子軸方向に沿って配置して成り、
    　前記ｍ種類の孔は、前記孔内周面の回転子周方向の長さが電気角の約６０／ｍ度に相当する長さずつ異なる車両用回転電機。
12. 　請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の車両用回転電機において、
    　前記各永久磁石の前記回転子周方向の長さが、電気角（６０／ｎ－５）度に相当する長さから電気角（６０／ｎ＋５）度に相当する長さまでの範囲内に設定されている車両用回転電機。
13. 　請求項１１に記載の車両用回転電機において、
    　前記磁石挿入孔の孔内周面の前記回転子周方向に関する長さが、電気角（６０／ｍ－５）度に相当する長さから電気角（６０／ｍ＋５）度に相当する長さまでの範囲内に設定されている車両用回転電機。
14. 　請求項１に記載の車両用回転電機において、
    　前記各磁石挿入孔に保持された永久磁石は、固定子側から見た形状が、回転子軸方向の一方に上底が位置し他方に下底が位置する等脚台形を成し、
    　前記複数の永久磁石が形成する複数の磁極の間に、リラクタンストルクを発生するための補助磁極がそれぞれ形成されている車両用回転電機。
15. 　請求項１４に記載の車両用回転電機において、
    　前記各磁石挿入孔に保持された等脚台形の永久磁石は、前記上底の長さと前記下底の長さとの差が電気角で１２０度または６０度に相当する長さであり、
    　前記補助磁極のそれぞれは回転子周方向に傾斜するように回転子軸方向に延在し、かつ、前記永久磁石が形成する磁極を挟んで設けられた一対の前記補助磁極においては、傾斜の方向が互いに逆向きに設定されている車両用回転電機。
16. 　請求項１５に記載の車両用回転電機において、
    　前記回転子鉄心は回転子軸方向に分かれた複数の段から成り、
    　前記複数の段は、前記補助磁極が回転子周方向に傾斜するように互いに周方向にずらして配置されている車両用回転電機。
17. 　請求項１に記載の車両用回転電機において、
    　前記各永久磁石はそれぞれ複数の磁石片で形成されており、
    　前記永久磁石を構成する前記複数の磁石片は、固定子側から見た形状が回転子軸方向の一方に上底が位置し他方に下底が位置する等脚台形を成し、かつ、前記各磁石片の回転子周方向における中心線が回転子軸方向に沿って略一直線に揃うように配置され、
    　前記複数の永久磁石が形成する複数の磁極の間に、リラクタンストルクを発生するための補助磁極が形成されている車両用回転電機。
18. 　請求項１７に記載の車両用回転電機において、
    　前記等脚台形を成す磁石片の上底の長さと下底の長さとの差が、電気角で１２０度または６０度に相当する長さに設定されている車両用回転電機。

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