WO2013175575A1 - 永久磁石埋込型回転電機 - Google Patents

Abstract

　この発明は、ロータコアの高強度、高トルク、かつ低トルクリップルを実現できる永久磁石埋込型回転電機を得ることを目的とする。　この発明に係る永久磁石埋込型回転電機は、円筒状のロータコアの外周側に埋め込まれて周方向に等角ピッチで配列され、それぞれ１磁極を構成する複数の永久磁石を有している。１磁極を構成する永久磁石は、周方向に一列に円弧状に配列されたｎ個の永久磁石片（但し、ｎは３以上の整数）から構成され、ｎ個の永久磁石片は、ロータコアに穿設された磁石保持穴に１つずつ収容、保持されている。ｎ個の永久磁石片は、それらの形状および配向方向が、磁極中心を通り、ロータコアの軸心を含む平面に対して鏡面対称に構成され、配向角度が磁極中心から周方向に離れた永久磁石片ほど小さくなるように配向されている。磁極中心から周方向に離れた位置の永久磁石片は、径方向幅が周方向幅より広い略扇状の断面形状に作製されている。

Description

永久磁石埋込型回転電機

　この発明は、例えば、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）のモータに適用される永久磁石埋込型回転電機に関するものである。

　従来の永久磁石埋込型回転電機では、軸方向に延びた複数の保持孔がロータ本体のステータと対向する側の表層近くの部分に周方向に等間隔に設けられ、主磁石および補助磁石がこれらの保持孔に１つずつ挿入固着され、主磁石および補助磁石は、径方向外向きの極性の主磁石、周方向反時計方向の極性を有する補助磁石、径方向内向きの極性の主磁石、周方向時計方向の極性を有する補助磁石の順に２回繰り返して配列、いわゆるハルバック配列されている（例えば、特許文献１参照）。

　他の従来の永久磁石埋込型回転電機では、複数の矩形状の永久磁石がロータ本体の外周部にロータ半径方向に直交して埋設され、矩形状の永久磁石は、複数の永久磁石片を相隣接させて構成され、中央の永久磁石片の磁極方向がロータ半径方向に向けられ、他の永久磁石片の磁極方向が中央の永久磁石片の磁極方向線上の１点にほぼ集束する方向に向けられている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９－２１９３１２号公報 特許第３４８７６６７号公報

　特許文献１による従来の永久磁石埋込型回転電機では、隣り合う磁極の一部を構成する補助磁石が分割されず一体物に構成されているので、補助磁石に作用する遠心力が大きくなる。そこで、高速回転に対応するために、磁石の外周側のブリッジ幅や磁石間のリブ幅を大きくすると、トルクが低下してしまう。また、リブ幅を大きくすると、ロータの表面磁束密度分布(以下、オープンフラックスという）に高調波が発生し、コギングトルクとトルクリップルが大きくなってしまう。トルクリップルが大きくなると、乗り心地の悪化につながる。

　特許文献２による従来の永久磁石埋込型回転電機では、磁極を構成する複数の永久磁石片を１つの磁石収容穴に収容しているので、オープンフラックスが平坦な形状となる。しかしながら、各磁石収容穴に収容される永久磁石の重量が重くなるので、高速回転時に、永久磁石の外周側のブリッジに作用する遠心力およびブリッジを介してリブに加わるモーメントが大きくなる。そこで、高速回転に対応するために、ブリッジ幅やリブ幅を大きくすると、トルクが低下してしまう。

　この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ロータコアの高強度、高トルク、かつ低トルクリップルを実現できる永久磁石埋込型回転電機を得ることを目的とする。

　この発明に係る永久磁石埋込型回転電機は、円環状のステータコア、および上記ステータコアに巻装されたステータコイルを有するステータと、円筒状のロータコア、および上記ロータコアの外周側に埋め込まれて周方向に等角ピッチで配列され、それぞれ１磁極を構成する複数の永久磁石を有し、上記ステータの内周側に回転可能に配設されるロータと、を備えている。上記１磁極を構成する永久磁石は、周方向に一列に円弧状に配列されたｎ個の永久磁石片（但し、ｎは３以上の整数）から構成され、上記ｎ個の永久磁石片は、穴方向を軸方向として上記ロータコアに穿設された磁石保持穴に１つずつ収容、保持されている。上記ｎ個の永久磁石片は、それらの形状および配向方向が、磁極中心を通り、上記ロータコアの軸心を含む平面に対して鏡面対称に構成されている。そして、上記ｎ個の永久磁石片は、磁極中心から周方向に離れた永久磁石ほど配向角度が小さくなるように配向されている。さらに、磁極中心から周方向に離れた位置の上記永久磁石片は、径方向幅が周方向幅より広い略扇状の断面形状に作製されている。

　この発明によれば、１磁極を構成する永久磁石は、周方向に一列に円弧状に配列されたｎ個の永久磁石片から構成され、ｎ個の永久磁石片は、穴方向を軸方向としてロータコアに穿設された磁石保持穴に１つずつ収容、保持されている。そこで、ロータの回転時に、永久磁石片を介して永久磁石片の外周側に位置する外周ブリッジに作用する遠心力が小さくなり、ロータコアの耐遠心力性が高められ、高速回転に対応できる。

　ｎ個の永久磁石片は、それらの形状および配向方向が、磁極中心を通り、ロータコアの軸心を含む平面に対して鏡面対称に構成され、かつ配向角度が、磁極中心から周方向に離れた永久磁石片ほど小さくなるように配向されている。そこで、周方向に一列に円弧状に配列されたｎ個の永久磁石片の配向方向が磁極中心に向き、磁束量が増大し、高トルク化が図られるとともに、オープンフラックスが正弦波に近くなり、トルクリプルが低減される。

　磁極中心から周方向に離れた位置の永久磁石片は、径方向幅が周方向幅より広い略扇状の断面形状に作製されているので、磁束量が増加し、高トルク化が図られる。

この発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型回転電機を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型回転電機の永久磁石の配列状態を説明する要部断面図である。 この発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型回転電機における永久磁石の配向状態を説明する図である。 第２永久磁石片として配向角度θが０°の永久磁石片を用いた回転電機におけるオープンフラックスの測定結果を示す図である。 第２永久磁石片として配向角度θが３０°の永久磁石片を用いた回転電機におけるオープンフラックスの測定結果を示す図である。 第２永久磁石片として配向角度θが０°および３０°の永久磁石片を用いた回転電機におけるオープンフラックスの分析結果を示す図である。 第２永久磁石を出入りする磁束量を説明する断面図である。 第２永久磁石片の配向角度θをパラメータとしたコギングトルクの解析結果を示す図である。 第２永久磁石片の配向角度θを変えてコギングトルクを測定した結果を示す図である。 第２永久磁石片の配向角度θを変えてトルクを測定した結果を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る永久磁石埋込型回転電機を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態３に係る永久磁石埋込型回転電機を示す要部断面図である。 切り欠き量を変えてトルクを測定した結果を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る永久磁石埋込型回転電機に適用される第２永久磁石片の実施態様を示す断面図である。 この発明の実施の形態３に係る永久磁石埋込型回転電機に適用される第２永久磁石片の他の実施態様を示す断面図である。 この発明の実施の形態４に係る永久磁石埋込型回転電機を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態５に係る永久磁石埋込型回転電機を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態６に係る永久磁石埋込型回転電機を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態７に係る永久磁石埋込型回転電機を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態８に係る永久磁石埋込型回転電機を示す要部断面図である。 第２永久磁石片の配向角度θを変えてコギングトルクを測定した結果を示す図である。 第２永久磁石片の配向角度θを変えてトルクを測定した結果を示す図である。

　以下、本発明の永久磁石埋込型回転電機の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

　実施の形態１．
　図１はこの発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型回転電機を示す断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型回転電機の永久磁石の配列状態を説明する要部断面図、図３この発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型回転電機における永久磁石の配向状態を説明する図である。なお、図２および図３において、矢印は着磁方向を示し、矢印のない方向が配向方向となる。

　図１および図２において、永久磁石埋込型回転電機（以下、回転電機という）１は、ステータ２と、ステータ２の内部に回転可能に配設されるロータ５と、を備えている。ここでは、２０極３０スロットの回転電機について説明するが、極数およびスロット数はこれに限定されない。

　ステータ２は、例えば電磁鋼板を積層して作製され、ティース３ｂがそれぞれ円環状のコアバック３ａの内周壁面から径方向内方に延出して周方向に等角ピッチで配列されたステータコア３と、導体線を各ティース３ｂに巻回して作製された集中巻コイルからなるステータコイル４と、を備えている。

　ロータ５は、例えば電磁鋼板を積層して構成された円環状のロータコア６と、ロータコア６の外周面側に軸方向に延在するように埋め込まれて周方向に等角ピッチに配設された複数の永久磁石７と、ロータコア６が嵌着保持される円環状のボス部８と、を備えている。

　永久磁石７のそれぞれは、断面扇形の柱状体に作製された第１永久磁石片１０と、第１永久磁石片１０の周方向両側に配置される、断面扇形の柱状体に作製された２つの第２永久磁石片１１と、から構成されている。そして、第１永久磁石片１０と２つの第２永久磁石片１１とを円弧状に配列して、１磁極が構成されている。なお、第１永久磁石片１０および第２永久磁石片１１は、それぞれ、穴方向を軸方向としてロータコア６に穿設された磁石保持穴１２，１３に収容、保持されている。

　第１永久磁石片１０は、磁極の中心に位置し、ロータコア６の軸心と直交する平面において、配向方向が径方向となっている。第２永久磁石片１１は、図３に示されるように、ロータコア６の軸心と直交する平面において、配向方向が周方向（半径方向と直交する方向）に対して角度（配向角度）θだけ傾斜している。そして、第１永久磁石片１０および第２永久磁石片１１の中心位置を通る配向方向は、磁極の中心を通る半径方向線上の１点でほぼ交差する方向となっている。また、第２永久磁石片１１は、径方向幅ｄが周方向幅τより広くなっている。なお、第１永久磁石片１０は、径方向幅が第２永久磁石片１１と等しく、周方向幅が第２永久磁石片１１より広くなっている。

　なお、第１永久磁石片１０と第２永久磁石片１１とから構成される永久磁石７は、形状、配向方向、および着磁方向が、磁極の中心を通り、ロータコア６の軸心を含む面に対して鏡面対称に構成されている。さらに、周方向に隣り合う永久磁石７は、形状、および配向方向が、極間リブ１５ｂの中心を通り、ロータコア６の軸心を含む面に対して鏡面対称に構成されている。
　また、第１永久磁石片１０と第２永久磁石片１１とから構成される永久磁石７は、磁極の中心におけるロータコア６の外周部の極性が、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に並ぶように、ロータコア６に等角ピッチで配列される。

　このように構成された回転電機１では、１磁極を構成する永久磁石７が１つの第１永久磁石片１０と２つの第２永久磁石片１１とに分割構成されているので、永久磁石７を１つの永久磁石で作製する場合に比べて、第１永久磁石片１０および２つの第２永久磁石片１１の重量を軽くすることができる。また、１つの第１永久磁石片１０と２つの第２永久磁石片１１とがそれぞれ磁石保持穴１２，１３に収納、保持されている。そこで、高速回転時に、第１永久磁石片１０および第２永久磁石片１１を介して第１永久磁石片１０および第２永久磁石片１１の外周側に位置する外周ブリッジ１４に作用する遠心力が小さくなる。さらに、外周ブリッジ１４を介して第１永久磁石片１０と第２永久磁石片１１との間の磁石間リブ１５ａ、および第２永久磁石片１１間に位置する極間リブ１５ｂに加わるモーメントが小さくなる。したがって、ロータコア６の耐遠心力性が高められ、高速回転に対応できるロータ５が得られる。

　第２永久磁石片１１は、径方向幅ｄが周方向幅τより広くなっているので、容積が同じで、径方向幅ｄと周方向幅τとが等しい場合に比べ、配向方向に直交する断面積が大きくなり、磁束量が増大し、高トルクが得られる。

　第１永久磁石片１０および第２永久磁石片１１の中心位置を通る配向方向が、磁極の中心を通る半径方向線上の１点でほぼ交差するようになっているので、磁束量が増加し、高トルク化が図られるとともに、オープンフラックスが正弦波に近くなり、トルクリップルが低減される。

　つぎに、第１永久磁石片１０の周方向両側に配置される第２永久磁石片１１の配向角度θとオープンフラックスとの関係について図４乃至図６に基づいて検討する。図４は第２永久磁石片として配向角度θが０°の永久磁石片を用いた回転電機におけるオープンフラックスの測定結果を示す図、図５は第２永久磁石片として配向角度θが３０°の永久磁石片を用いた回転電機におけるオープンフラックスの測定結果を示す図、図６は第２永久磁石片として配向角度θが０°および３０°の永久磁石片を用いた回転電機におけるオープンフラックスの分析結果を示す図である。なお、外径：φ２９０ｍｍ、内径：φ２１２ｍｍのステータ、外径：φ２１０ｍｍ、内径：φ１８２ｍｍのロータ、および残留磁束密度：０．８７５Ｔの磁石を用いた。

　第２永久磁石片１１の配向角度θが０°の場合には、図４の破線部で示される領域、すなわち第２永久磁石片１１の領域で、オープンフラックスが急激に変化していることが確認された。一方、第２永久磁石片１１の配向角度θが３０°の場合には、図５の破線部で示される領域、すなわち第２永久磁石片１１の領域で、オープンフラックスが滑らかに変化していることが確認された。このように、第２永久磁石片１１の配向角度θを０°から大きくすることにより、オープンフラックスの波形が正弦波に近づくことがわかる。

　図６から、第２永久磁石片１１の配向角度θが３０°の場合、第２永久磁石片１１の配向角度θが０°の場合に比べ、基本波（一次成分）の磁束密度が大きくなっていることが確認された。これにより、第２永久磁石片１１の配向角度θを０°から３０°に変えることにより、高トルク化されることがわかる。

　図６から、第２永久磁石片１１の配向角度θが３０°の場合、第２永久磁石片１１の配向角度θが０°の場合に比べ、トルクリプルの要因となる高次成分の磁束密度が小さくなっていることが確認された。これにより、第２永久磁石片１１の配向角度θを０°から３０°に変えることにより、トルクリプルが低減され、乗り心地を向上させることができることがわかる。

　つぎに、第２永久磁石片１１の配向角度θについて図７に基づいて検討する。図７は第２永久磁石を出入りする磁束量を説明する断面図であり、図７の（ａ）は配向角度θが０°より大きく、９０°より小さい場合を示し、図７の（ｂ）は配向角度θが９０°の場合を示している。

　図７の（ａ）に示される場合、第２永久磁石片１１を出入りする磁束量は、（ＢｄＬ_cｃｏｓθ＋ＢτＬ_cｓｉｎθ）で表される。なお、ＢｄＬ_cｃｏｓθは周方向の磁束量であり、ＢτＬ_cｓｉｎθは径方向の磁束量である。但し、Ｂは第２永久磁石片１１の配向方向の磁束密度、Ｌ_cは第２永久磁石片１１の軸方向長さである。
　図７の（ｂ）に示される場合、第２永久磁石片１１を出入りする磁束量は、ＢτＬ_cで表される。

　そこで、下式を満足するように、第２永久磁石片１１の配向角度θ、周方向幅τおよび径方向幅ｄを設定することにより、第２永久磁石片１１に出入りする磁束量が増大し、トルクを高めることができる。
　（ＢｄＬ_cｃｏｓθ＋ＢτＬ_cｓｉｎθ）＞ＢτＬｃ
　上式を整理すると、下式となる。
　ｄｃｏｓθ＋τ（ｓｉｎθ－１）＞０

　つぎに、第２永久磁石片１１の配向角度θとコギングトルクおよびトルクとの関係について図８乃至図１０に基づいて検討する。図８は第２永久磁石片の配向角度θをパラメータとしたコギングトルクの解析結果を示す図、図９は第２永久磁石片の配向角度θを変えてコギングトルクを測定した結果を示す図、図１０は第２永久磁石片の配向角度θを変えてトルクを測定した結果を示す図である。なお、外径：φ２９０ｍｍ、内径：φ２１２ｍｍのステータ、外径：φ２１０ｍｍ、内径：φ１８２ｍｍのロータ、および残留磁束密度：０．８７５Ｔの磁石を用いた。第１永久磁石片１０の配向角度θは９０°である。

　図８から、第２永久磁石片１１の配向角度θが１５°の場合のコギングトルクの波形の位相と、第２永久磁石片１１の配向角度θが６０°の場合のコギングトルクの波形の位相とが反転していることが確認された。また、第２永久磁石片１１の配向角度θが２９．６°の場合、コギングトルクがほぼゼロとなることが確認された。

　図９から、コギングトルクは、第２永久磁石片１１の配向角度θが０°から大きくなると緩やかに低下し、配向角度θが１５°を超えると急激に低下し、配向角度θが２９．６°の時に最小値をとり、配向角度θが２９．６°を超えると急激に大きくなり、配向角度θが４３°を超えると緩やかに大きくなることが分った。

　図１０から、トルクは、第２永久磁石片１１の配向角度θが０°から大きくなると緩やかに大きくなり、配向角度θが３７°の時に最大値をとり、配向角度θが３７°を超えると緩やかに低下することが分った。

　したがって、図８乃至図１０から、第２永久磁石片１１の配向角度θを１５°以上、４３°以下と設定することにより、低コギングトルク、かつ高トルクの回転電機が得られる。

　実施の形態２．
　図１１はこの発明の実施の形態２に係る永久磁石埋込型回転電機を示す要部断面図である。

　図１１において、外周ブリッジ１４Ａは、その厚みが周方向両端から中央部に向って漸次薄くなるアーチ状に形成されている。そして、外周ブリッジ１４Ａの周方向両端部の厚みは、上記実施の形態１における外周ブリッジ１４の周方向両端部の厚みに一致している。
　なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

　この実施の形態２によれば、外周ブリッジ１４Ａの厚みが周方向両端から中央部に向って漸次薄くなるアーチ状に形成されているので、外周ブリッジ１４Ａの周方向両端部への局所的な応力集中が緩和され、外周ブリッジ１４Ａに作用する応力の均一化が図られる。従って、この実施の形態２においても、ロータコア６Ａの耐遠心力性が高められ、高速回転に対応できるロータ５Ａが得られる。

　アーチ形状の外周ブリッジ１４Ａの周方向両端部の厚みが上記実施の形態１における外周ブリッジ１４の周方向両端部の厚みと等しくなっている。そこで、ロータコア６Ａの外径を大きくすることなく、かつ外周ブリッジ１４Ａから磁石間リブ１５ａや極間リブ１５ｂへの磁束の漏れを増大させることなく、磁石保持穴１２Ａ，１３Ａの穴断面積、すなわち第１永久磁石片１０Ａおよび第２永久磁石片１１Ａの断面積を大きくすることができ、トルクを高めることができる。

　ここで、保持力を向上させる効果を有するＤｙ（ディスプロシウム）の価格が高騰しており、Ｄｙレス磁石の採用が検討されている。Ｄｙレス磁石は、Ｄｙ磁石に比べて減磁特性が低下するため、磁石の容積を大きくして、減磁特性の低下を補うことになる。実施の形態１において、ロータコア６の外径を大きくすることなく、磁石の容積を大きくすること、すなわち磁石の厚みを厚くすることは、外周ブリッジ１４の厚みを薄くすることにつながり、ロータコア６の強度低下をもたらすことになる。
　本ロータコア６Ａでは、上述の通り、ロータコア６Ａの外径を大きくすることなく、磁石の容積を大きくすること、すなわち磁石の厚みを厚くすることができるので、Ｄｙレス磁石を採用する回転電機に好適である。

　実施の形態３．
　図１２はこの発明の実施の形態３に係る永久磁石埋込型回転電機を示す要部断面図である。

　図１２において、第１永久磁石片１０の周方向両側に配置された第２永久磁石片１１Ｂ₁，１１Ｂ₂は、実施の形態１における第２永久磁石片１１の周方向外側の面と内周面とが交差する角部を切り欠いて、第１切り欠きとしての面取り部１６ａを形成したものである。磁石保持穴１２Ｂが第２永久磁石片１１Ｂ₁，１１Ｂ₂を収容可能な穴形状に形成されている。
　なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

　この実施の形態３においても、第１永久磁石片１０と第２永久磁石片１１Ｂ₁，１１Ｂ₂とから構成される永久磁石７Ｂは、形状、配向方向、および着磁方向が、磁極の中心を通り、ロータコア６Ｂの軸心を含む面に対して鏡面対称に構成されている。さらに、周方向に隣り合う永久磁石７Ｂは、形状、および配向方向が、極間リブ１５ｂの中心を通り、ロータコア６Ｂの軸心を含む面に対して鏡面対称に構成されている。

　この実施の形態３によれば、第２永久磁石片１１Ｂ₁，１１Ｂ₂の面取り部１６ａは、断面扇形の周方向外側の内径側角部を切り欠いて形成されているので、第１永久磁石片１０の周方向一側に配置される磁石片か、周方向他側に配置される磁石片かが、外見から簡易に識別できる。そこで、第２永久磁石片１１Ｂ₁，１１Ｂ₂の誤組立の発生が抑制され、ロータ５Ｂの組立性が向上される。また、第１永久磁石片１０に対する第２永久磁石片１１Ｂ₁，１１Ｂ₂の周方向の位置を明示するマーキングを付ける装置や第２永久磁石片１１Ｂ₁，１１Ｂ₂の配向方向を確認する装置が不要となる。

　なお、隣り合う永久磁石７Ｂにおいて、第２永久磁石片１１Ｂ₁同士、および第２永久磁石片１１Ｂ₂同士は、着磁方向が異なるが、配向方向が同じである。そこで、隣り合う永久磁石７Ｂにおいて、第２永久磁石片１１Ｂ₁同士、または第２永久磁石片１１Ｂ₂同士が入れ替わっても、永久磁石７Ｂをロータコア６Ｂに装着した後に着磁する場合には、問題は生じない。

　つぎに、面取り部１６ａとトルクとの関係について図１３に基づいて検討する。図１３は面取り量を変えてトルクを測定した結果を示す図である。なお、横軸は、磁石減少率であり、縦軸はトルクの相対値であり、面取り前の第２永久磁石片を用いた場合のトルクを１とした。磁石減少率は、（面取り後の第２永久磁石の重量／面取り前の第２永久磁石の重量）×１００である。

　図１３から、磁石減少率が多くなると、トルクは徐々に小さくなることが確認された。そして、磁石減少率が８％では、トルクの減少は１％未満であった。

　このように、面取り部１６ａを形成しても、回転電機のトルクの減少を抑えることができる。また、面取り部１６ａを形成することにより、第２永久磁石片１１Ｂ₁，１１Ｂ₂の重量が減るので、ロータコア６Ｂの耐遠心力性が高められ、高速回転に対応できるロータ５Ｂが得られるとともに、磁石の低コスト化が図られる。

　なお、上記実施の形態３では、面取り部１６ａを第２永久磁石片１１Ｂ₁，１１Ｂ₂の周方向外側の面と内周面との交差部に形成するものとしているが、第１切り欠きの形成位置はこれに限定されない。例えば、図１４に示されるように、第１切り欠きとしての面取り部１６ｂを第２永久磁石片１１Ｂ₁の周方向外側の面と外周面との交差部に形成してもよいし、図１５に示されるように、半円状の第１切り欠き１６ｃを第２永久磁石片１１Ｂ₁の周方向外側の面の径方向中央位置に形成してもよい。

　実施の形態４．
　図１６はこの発明の実施の形態４に係る永久磁石埋込型回転電機を示す要部断面図である。

　図１６において、キー部１７がロータコア６Ｃの極間リブ１５ｂの内径側に突設され、キー溝逃げ１８がロータコア６Ｃのキー部１７の根元部に凹設されている。キー溝１９がキー溝１７と嵌合可能にボス部８Ａの外周面に凹設されている。
　なお、他の構成は、上記実施の形態３と同様に構成されている。

　面取り部１６ａが第２永久磁石片１１Ｂ₁，１１Ｂ₂の周方向外側の内径側角部に形成されているので、極間リブ１５ｂの内径側の面取り部１６ａで挟まれたスペースが空きスペースとなる。
　この実施の形態４では、キー部１７およびキー溝逃げ１８を当該空きスペースに形成しているので、ボス部８Ａとの結合部をロータコア６Ｃを大径化することなくロータコア６Ｃに形成できる。

　なお、上記実施の形態４では、ボス部との結合部を極間リブの内径側の空きスペースに形成するものとしているが、ロータコアを構成する電磁鋼板の積層体を一体化するかしめ部を極間リブの内径側の空きスペースに形成してもよい。

　実施の形態５．
　図１７はこの発明の実施の形態５に係る永久磁石埋込型回転電機を示す要部断面図である。

　図１７において、１磁極を構成する永久磁石７Ｄは、第１永久磁石片２０と、第１永久磁石片２０の周方向両側に配設された第２永久磁石片２１と、から構成されている。第１永久磁石片２０および第２永久磁石片２１は、同一断面形状に作製され、磁石保持穴２７に１つずつ収容、保持されている。
　なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

　上記実施の形態１では、第１永久磁石片１０が第２永久磁石片１１より大きくなっているので、高速回転時、第１永久磁石片１０の外周側の外周ブリッジ１４に第１永久磁石片１０を介して大きな遠心力が作用する。このように、応力が第１永久磁石片１０の外周側の外周ブリッジ１４に集中する。

　この実施の形態５では、第１永久磁石片２０と第２永久磁石片２１とが同じ大きさになっているので、１磁極を構成する永久磁石７Ｄが実施の形態１における永久磁石７と同じ容積とすれば、第１永久磁石片２０および第２永久磁石片２２の容積は、第１永久磁石片１０より小さくなる。そこで、高速回転時、第１永久磁石片２０又は第２永久磁石片２１を介して外周ブリッジ１４に作用する遠心力は、第１永久磁石片１０を介して外周ブリッジ１４に作用する遠心力より小さくなる。このように、応力が第１永久磁石片２０および第２永久磁石片２１の外周側に位置する３つの外周ブリッジ１４に均一にかかり、局所的な応力集中が緩和されるので、ロータコア６Ｄの耐遠心力性が高められ、高速回転に対応できるロータ５Ｄが得られる。

　実施の形態６．
　図１８はこの発明の実施の形態６に係る永久磁石埋込型回転電機を示す要部断面図である。

　図１８において、第２切り欠き２２が、ロータコア６Ｅの外周面の、磁石間リブ１５ａおよび極間リブ１５ｂの外径側に円弧状に凹設されている。
　なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

　この実施の形態６によれば、第２切り欠き２２が磁石間リブ１５ａおよび極間リブ１５ｂの外径側に凹設されているので、外周リブ１４と磁石間リブ１５ａおよび極間リブ１５ｂとの連結部の磁気抵抗が増大する。したがって、外周リブ１４から磁石間リブ１５ａおよび極間リブ１５ｂに流れる漏れ磁束が低減され、高トルク化が図られる。

　実施の形態７．
　図１９はこの発明の実施の形態７に係る永久磁石埋込型回転電機を示す要部断面図である。

　図１９において、磁極を構成する永久磁石７Ｆは、周方向に隣り合って配置される２つの第１永久磁石片２３と、２つの第１永久磁石片２３の周方向両側に配置される２つの第２永久磁石片２４と、から構成されている。第１永久磁石片２３は、径方向幅が第２永久磁石片２４と同じで、周方向幅が第２永久磁石片２４より広い扇状断面となっている。第２永久磁石片２４は、径方向幅が周方向幅より広い扇状断面となっている。第１永久磁石片２３の配向角度θは第２永久磁石片２４の配向角度θより大きくなっている。

　永久磁石７Ｆは、形状、配向方向、および着磁方向が、磁極の中心を通り、ロータコア６Ｆの軸心を含む面に対して鏡面対称に構成されている。さらに、周方向に隣り合う永久磁石７Ｆは、形状、および配向方向が、極間リブ１５ｂの中心を通り、ロータコア６Ｆの軸心を含む面に対して鏡面対称に構成されている。
　また、永久磁石７Ｆは、磁極の中心におけるロータコア６Ｆの外周部の極性が、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に並ぶように、ロータコア６Ｆに等角ピッチで配列される。
　なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

　この実施の形態７においても、１磁極を構成する永久磁石７Ｆが２つの第１永久磁石片２３と２つの第２永久磁石片２４とに分割構成され、第１永久磁石片２３および第２永久磁石片２４のそれぞれが磁石保持穴２５，２６に収納、保持されている。そこで、高速回転時に、外周ブリッジ１４を介して磁石間リブ１５ａおよび極間リブ１５ｂに加わるモーメントが小さくなり、ロータコア６Ｆの耐遠心力性が高められ、高速回転に対応できるロータ５Ｆが得られる。

　第２永久磁石片２４は、径方向幅が周方向幅より広くなっているので、容積が同じで、径方向幅と周方向幅とが等しい場合に比べ、配向方向に直交する断面積が大きくなり、磁束量が増大し、高トルクが得られる。

　第１永久磁石片２３の配向角度θが第２永久磁石片２４の配向角度θより大きく、かつ永久磁石７Ｆを構成する第１永久磁石片２３および第２永久磁石片２４の配向方向が磁極の中心を通り、ロータコア６Ｆの軸心を含む面に対して鏡面対称となっているので、磁束量が増加し、高トルク化が図られるとともに、オープンフラックスが正弦波に近くなり、トルクリップルが低減される。

　実施の形態８．
　図２０はこの発明の実施の形態８に係る永久磁石埋込型回転電機を示す要部断面図である。

　図２０において、磁極を構成する永久磁石７Ｇは、周方向に隣り合って配置される２つの第１永久磁石片３０と、２つの第１永久磁石片３０の周方向両側に配置される２つの第２永久磁石片３１と、から構成されている。第１永久磁石片３０は、上記実施の形態１における第１永久磁石片１０を周方向に略２等分割した扇状断面に作製されている。つまり、第１永久磁石片３０の容積は、磁石間リブ１５ａの分だけ小さくなっている。第２永久磁石片３１は、上記実施の形態１における第２永久磁石片１１と同じ扇状断面に作製されている。第１永久磁石片３０の配向角度θは第２永久磁石片３１の配向角度θより大きくなっている。

　永久磁石７Ｇは、形状、配向方向、および着磁方向が、磁極の中心を通り、ロータコア６Ｇの軸心を含む面に対して鏡面対称に構成されている。さらに、周方向に隣り合う永久磁石７Ｇは、形状、および配向方向が、極間リブ１５ｂの中心を通り、ロータコア６Ｇの軸心を含む面に対して鏡面対称に構成されている。
　また、永久磁石７Ｇは、磁極の中心におけるロータコア６Ｇの外周部の極性が、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に並ぶように、ロータコア６Ｇに等角ピッチで配列される。
　なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

　この実施の形態８においても、１磁極を構成する永久磁石７Ｇが２つの第１永久磁石片３０と２つの第２永久磁石片３１とに分割構成され、第１永久磁石片３０および第２永久磁石片３１のそれぞれが磁石保持穴３２，３３に収納、保持されている。そこで、高速回転時に、外周ブリッジ１４を介して磁石間リブ１５ａおよび極間リブ１５ｂに加わるモーメントが小さくなり、ロータコア６Ｇの耐遠心力性が高められ、高速回転に対応できるロータ５Ｇが得られる。

　第２永久磁石片３１は、径方向幅が周方向幅より広くなっているので、容積が同じで、径方向幅と周方向幅とが等しい場合に比べ、配向方向に直交する断面積が大きくなり、磁束量が増大し、高トルクが得られる。

　第１永久磁石片３０の配向角度θが第２永久磁石片３１の配向角度θより大きく、かつ永久磁石７Ｇを構成する第１永久磁石片３０および第２永久磁石片３１の配向方向が磁極の中心を通り、ロータコア６Ｇの軸心を含む面に対して鏡面対称となっているので、磁束量が増加し、高トルク化が図られるとともに、オープンフラックスが正弦波に近くなり、トルクリップルが低減される。

　ここで、第２永久磁石片３１の配向角度θとコギングトルクおよびトルクとの関係について検討する。図２１は第２永久磁石片の配向角度θを変えてコギングトルクを測定した結果を示す図、図２２は第２永久磁石片の配向角度θを変えてトルクを測定した結果を示す図である。図２１および図２２中、点線は第１永久磁石片の配向角度θが９０°の場合を示し、実線は第１永久磁石片の配向角度θが７０°の場合を示した。また、比較のため、実施の形態１における測定結果を一点鎖線で示した。なお、外径：φ２９０ｍｍ、内径：φ２１２ｍｍのステータ、外径：φ２１０ｍｍ、内径：φ１８２ｍｍのロータ、および残留磁束密度：０．８７５Ｔの磁石を用いた。

　図２１から、第１永久磁石片３０の配向角度θが９０°の場合、コギングトルクは、第２永久磁石片３１の配向角度θが０°から大きくなると緩やかに低下し、配向角度θが１５°を超えると急激に低下し、配向角度θが３０°の時に最小値をとり、配向角度θが３０°を超えると急激に大きくなり、配向角度θが４５°を超えると緩やかに大きくなることが分った。

　このことから、第１永久磁石片３０の配向角度θが９０°場合、実施の形態１と同様に、第２永久磁石片３１の配向角度θを１５°以上、４３°以下に設定することにより、低コギングトルクを実現できることが確認された。第１永久磁石片３０の配向角度θが９０°場合、コギングトルクの極小値が実施の形態１に比べて大きくなった。これは、第１永久磁石片１０を２つの第１永久磁石片３０に分割したことにより、極中心に磁石間リブ１５ａが存在したことによるものと推考される。

　図２１から、第１永久磁石片３０の配向角度θが７０°の場合、コギングトルクは、第２永久磁石片３１の配向角度θが０°から大きくなると緩やかに低下し、配向角度θが１５°を超えると急激に低下し、配向角度θが２３°の時に最小値をとり、配向角度θが２３°を超えると急激に大きくなり、配向角度θが４５°を超えると緩やかに大きくなることが分った。また、第１永久磁石片３０の配向角度θを９０°から小さくすることにより、コギングトルクが小さくなり、かつコギングトルクが極小となる第２永久磁石片３１の配向角度θが小さくなることが分った。

　図２１から、第１永久磁石片３０の配向角度θが７０°場合、第２永久磁石片３１の配向角度θを１５°以上、３０°以下に設定することにより、低コギングトルクを実現できることが確認された。

　図２２から、第１永久磁石片３０の配向角度θが９０°および７０°の場合、トルクは、第２永久磁石片３１の配向角度θが０°から大きくなると緩やかに大きくなり、配向角度θが３７°の時に最大値をとり、配向角度θが３７°を超えると緩やかに低下することが分った。また、第１永久磁石片３０の配向角度θが９０°および７０°の場合、実施の形態１に比べて、トルクが小さくなった。これは、第１永久磁石片３０の磁石量が、第１永久磁石片１０に比べて、磁石間リブ１５ａの分だけ減少したことによるものと推考される。

　したがって、第１永久磁石片３０の配向角度θが９０°場合、実施の形態１と同様に、第２永久磁石片３１の配向角度θを１５°以上、４３°以下に設定することにより、低コギングトルク、かつ高トルクの回転電気が得られる。
　また、第１永久磁石片３０の配向角度θが７０°場合、第２永久磁石片３１の配向角度θを１５°以上、３０°以下に設定することにより、低コギングトルクの回転電気が得られる。

　なお、上記各実施の形態では、１磁極の永久磁石が３つ、又は４つの永久磁石片に分割構成されているものとしているが、１磁極を構成する永久磁石の分割数は３つ、又は４つに限定されず、５つ以上でもよい。この場合、１磁極の永久磁石を構成する永久磁石片群は、その形状および配向方向が、磁極の中心を通り、ロータコアの軸心を含む面に対して鏡面対称に構成され、配向角度θが、磁極の中心から遠ざかる永久磁石片ほど小さくなっていればよい。また、１磁極の永久磁石を構成する永久磁石片の個数が奇数の場合には、磁極中心に位置する永久磁石の配向角度θは９０°、すなわち配向方向が径方向となる。

Claims (9)

1. 　円環状のステータコア、および上記ステータコアに巻装されたステータコイルを有するステータと、
   　円筒状のロータコア、および上記ロータコアの外周側に埋め込まれて周方向に等角ピッチで配列され、それぞれ１磁極を構成する複数の永久磁石を有し、上記ステータの内周側に回転可能に配設されるロータと、を備え、
   　上記１磁極を構成する永久磁石は、周方向に一列に円弧状に配列されたｎ個の永久磁石片（但し、ｎは３以上の整数）から構成され、
   　上記ｎ個の永久磁石片は、穴方向を軸方向として上記ロータコアに穿設された磁石保持穴に１つずつ収容、保持され、
   　上記ｎ個の永久磁石片は、それらの形状および配向方向が、磁極中心を通り、上記ロータコアの軸心を含む平面に対して鏡面対称に構成され、
   　上記ｎ個の永久磁石片は、磁極中心から周方向に離れた永久磁石ほど配向角度が小さくなるように配向され、
   　磁極中心から周方向に離れた位置の上記永久磁石片は、径方向幅が周方向幅より広い略扇状の断面形状に作製されていることを特徴とする永久磁石埋込型回転電機。
2. 　磁極中心から周方向に離れた位置の上記永久磁石片は、配向角度をθ、径方向幅をｄ、周方向幅をτとしたときに、
   　ｄｃｏｓθ＋τ（ｓｉｎθ－１）＞０
   を満足するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石埋込型回転電機。
3. 　上記ロータコアの上記磁石保持穴の径方向外側に位置する外周ブリッジは、径方向厚みが周方向両端から中央に向って漸次薄くなるアーチ形状に構成されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石埋込型回転電機。
4. 　上記永久磁石片の個数が３個又は４個であり、磁極中心に位置する永久磁石片又は磁極中心側に位置する永久磁石片の配向角度が９０°の場合、周方向両端に位置する永久磁石片の配向角度が、１５°以上、４３°以下であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石埋込型回転電機。
5. 　上記永久磁石片の個数が４個であり、磁極中心側に位置する永久磁石片の配向角度が７０°の場合、周方向両端に位置する永久磁石片の配向角度が、１５°以上、３０°以下であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石埋込型回転電機。
6. 　第１切り欠きが、上記ｎ個の永久磁石片の周方向両端に位置する永久磁石片の周面の一部を切り欠いて形成されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石埋込型回転電機。
7. 　上記第１切り欠きは、上記ｎ個の永久磁石片の周方向両端に位置する永久磁石片の周方向外側の面と内周面との角部を切り欠いて形成されていることを特徴とする請求項６記載の永久磁石埋込型回転電機。
8. 　上記ｎ個の永久磁石片は、同一断面形状に作製されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石埋込型回転電機。
9. 　第２切り欠きが、上記ロータコアの外周面の、上記磁石保持穴間に位置するリブの径方向外側の部位を、円弧状に切り欠いて形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の永久磁石埋込型回転電機。

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