WO2013179375A1 - 複合トルク型回転電機 - Google Patents

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magnetic flux
rotor
slit
stator
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勧也 藤澤
昌尚 八原
博 長瀬
田島　文男
山口　芳弘
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株式会社日立産機システム
アイダエンジニアリング株式会社
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    • H02K1/2773—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect consisting of tangentially magnetized radial magnets

Definitions

  • the present invention relates to a composite torque type rotating electrical machine using a low residual magnetic flux density permanent magnet such as a ferrite magnet.
  • Patent Document 1 In a synchronous motor in which a permanent magnet is embedded in a rotor, a magnetic pole central axis by a permanent magnet is called a d-axis, and an axis that is electrically and magnetically orthogonal to the d-axis is called a q-axis.
  • Patent Document 2 As a conventional structure, an example in which a plurality of permanent magnets are embedded in the d-axis direction is known (see, for example, Patent Document 1).
  • Patent Document 2 is known as a structure of a permanent magnet type rotating electrical machine that combines reluctance torque.
  • Patent Document 3 discloses a rotor of a permanent magnet type rotating machine that simplifies the configuration by reducing the number of permanent magnets while obtaining a large reluctance torque.
  • the combined torque type rotating electric machine achieves high torque by combining the reluctance torque by the armature magnetic flux generated by the armature winding of the stator and the magnet torque by the magnet magnetic flux of the permanent magnet.
  • Patent Document 1 has a plurality of permanent magnets embedded in the d-axis direction.
  • an iron core exists over the entire outer peripheral portion of the rotor on the outer peripheral side of the permanent magnet, and a closed-loop armature generated by the armature winding of the stator in this iron core portion
  • the structure is such that the spatial harmonics of the magnetic flux easily flow in.
  • This closed-loop spatial harmonic hardly contributes to the reluctance torque, but increases the magnetic saturation tendency of the iron core by passing through the stator and rotor iron cores, so that the effective amount of magnetic flux that contributes to the reluctance torque is sufficient. It was not obtained.
  • the structure is such that the permanent magnets are greatly opened so that the magnetic flux can easily flow in from one q-axis direction (Patent Document 1, FIG. 2).
  • the magnetic flux flowing in from one q-axis direction passes further through the inner peripheral side of the permanent magnet embedded on the inner peripheral side on the d-axis and flows out from the other q-axis direction.
  • this path has a long magnetic path, the magnetic resistance increases, and the magnetic loss increases accordingly.
  • Patent Document 2 is a typical structure as a structure of a permanent magnet type rotating electrical machine that combines reluctance torque.
  • the reluctance torque in this structure is generated in the iron core portion on the outer peripheral side from the permanent magnet.
  • the permanent magnet is arranged closer to the inner circumference to increase the size of the iron core. In this case, the circumferential length of the rotor of the permanent magnet is small. This shortens the magnet torque.
  • neodymium magnets are used especially for permanent magnets located on the outer periphery of the rotor in order to avoid an increase in magnet torque and permanent demagnetization, but rare earth metals such as neodymium and dysprosim are used. Availability is very poor and very expensive. On the other hand, ferrite magnets are readily available and inexpensive, but have a problem of low permanent magnetism due to low magnetic force due to low magnetic force and easy demagnetization due to low holding power.
  • Patent Document 3 discloses a rotor of a permanent magnet type rotating machine that achieves a simplified configuration by reducing the number of permanent magnets while obtaining a large reluctance torque.
  • the magnetic path of the magnetic flux from the stator passes between the end portion in the longitudinal direction of the permanent magnet located on the outer peripheral side and the permanent magnet located in the radial direction, passes through the trapezoidal inside, and the permanent magnet
  • the magnetic flux from the stator is to shortcut the inside of the trapezoidal shape as described that it will take a path that passes between the other end in the longitudinal direction of the permanent magnet and the permanent magnet located next to it. Become. For this reason, magnetic flux saturation is likely to occur in the iron core portion inside the trapezoidal shape, and the magnetic resistance increases.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and by blocking the inflow of the space harmonics of the closed-loop magnetic flux generated by the armature winding of the stator to the core portion of the rotor, the ferrite magnet
  • the torque of the composite torque type rotating electrical machine using a permanent magnet having a low residual magnetic flux density such as the above is increased.
  • a composite torque type rotating electric machine includes a stator in which armature windings are arranged on a plurality of teeth in a circumferential direction at regular intervals, and A rotor having a permanent magnet in a cylindrical iron core laminated with electromagnetic steel plates, and disposed inside the stator, It is provided over the outer peripheral portion of the rotor in the circumferential direction, and includes a magnetic flux blocking portion that blocks a closed loop magnetic flux generated around the stator winding.
  • the magnetic flux blocking part is composed of a plurality of permanent magnets and a non-magnetic body part provided between the plurality of permanent magnets.
  • a distance between the permanent magnet and the nonmagnetic portion is smaller than an interval between teeth of the armature winding.
  • the non-magnetic body part is a slit part composed of a plurality of slits, and a distance between the permanent magnet and the slit part, and between the slits The distance is smaller than the interval between the teeth of the armature winding.
  • the non-magnetic body portion is a gap, and a distance between the permanent magnet and the gap is smaller than an interval between teeth of the armature winding. It is characterized by that.
  • the composite torque type rotating electric machine of the present invention includes a stator in which armature windings are arranged on a plurality of teeth in the circumferential direction at regular intervals, A rotor composed of a cylindrical iron core laminated with electromagnetic steel plates and disposed inside the stator; and The rotor includes a plurality of permanent magnets arranged in the circumferential direction on the outer periphery, A gap provided in the middle in the circumferential direction of the plurality of permanent magnets of the rotor; It is provided between the said permanent magnet and the said space
  • the slit portion is formed on the outer peripheral side with respect to a straight line connecting the corner portion on the inner peripheral side of the permanent magnet and the center of the outer peripheral side of the gap portion. It is characterized by.
  • the distance between the permanent magnet and the slit portion, and the distance between the slit portion and the gap are the intervals between the teeth of the armature winding. It is characterized by being smaller than.
  • a distance between slits constituting the slit portion is smaller than an interval between teeth of the armature winding.
  • a permanent magnet rotating electrical machine using a permanent magnet having a low residual magnetic flux density such as a ferrite magnet
  • a permanent magnet having a low residual magnetic flux density such as a ferrite magnet
  • Example It is a figure which shows magnetic flux distribution by the electromagnetic field analysis of this invention Example. It is a figure which shows the example of the comparison and examination model by electromagnetic field analysis. It is a figure which shows the result by electromagnetic field analysis. It is sectional drawing of the radial direction of the compound torque type rotary electric machine which concerns on Example 2 of this invention. It is the principal part enlarged view of a rotor structure similarly.
  • the embodiment of the present invention considers each action obtained from the following configurations (a) to (f).
  • a permanent magnet serving as a magnetic flux blocking means for blocking the inflow and outflow of the armature magnetic flux generated by the armature windings arranged on the stator teeth on the outer peripheral side on the d-axis of the rotor. Deploy.
  • B A rectangular permanent magnet that serves to prevent magnetic flux shorting between adjacent magnetic poles and rectify the magnetic path is disposed on the inner peripheral side.
  • C A permanent magnet that serves to prevent short-circuit magnetic flux with the adjacent magnetic pole is disposed on the q-axis of the rotor.
  • a trapezoidal gap having a long side on the inner peripheral side and a short side on the outer peripheral side is formed at the outer peripheral end of the permanent magnet.
  • E There is an interval between the permanent magnet located on the outer peripheral side on the d-axis of the rotor and the permanent magnet on the q-axis and the trapezoidal gap so that magnetic flux easily flows from the stator to the rotor. Widely provided.
  • F A rectifying means composed of a plurality of slits is formed on the iron core in the portion where the interval is wide.
  • the entire peripheral region on the outer peripheral side of the rotor core is formed by a permanent magnet positioned on the outer peripheral side of the d-axis of the rotor, a trapezoidal gap positioned on the outer peripheral side of the q-axis, and a plurality of slits formed therebetween. Therefore, it is possible to block the spatial harmonics of the armature magnetic flux and to suppress the magnetic saturation tendency in the stator and the rotor. Torque can be achieved.
  • the reluctance torque can be increased by increasing the magnetic density difference between the d-axis direction and the q-axis direction. Pulsations generally increase.
  • the magnetic flux is rectified by the slit group, the torque pulsation can be suppressed simultaneously with the increase of the reluctance torque.
  • the magnetic flux flowing from the teeth of the stator can be rectified by making the gap shape located at the outer peripheral side end of the permanent magnet on the q-axis into a trapezoidal shape, the same effect as the above-described slit group Is obtained.
  • the magnetic flux passes through a wide area iron core surrounded by the permanent magnets located on the outer and inner circumferences on the d-axis and the permanent magnet located on the q-axis, the magnetic resistance can be reduced, and the magnetic flux The magnetic path becomes shorter and the magnetic loss is reduced. If the magnetic flux passes through the iron core, the arrangement of the permanent magnets along the q axis and the restriction on the thickness in the circumferential direction are alleviated, so that multipolarization is facilitated.
  • the permanent magnet has a low residual magnetic flux density, and specifically shows what is called a ferrite magnet.
  • FIG. 1 is a radial cross-sectional view of a composite torque rotating electric machine
  • FIG. 2 is an enlarged view of a main part of a rotor structure.
  • the d-axis magnetic pole central axis by a permanent magnet
  • the q-axis that is electromagnetically orthogonal to the d-axis are indicated by alternate long and short dash lines.
  • the composite torque type rotating electric machine of this embodiment is constituted by a stator 1 having an 8-pole armature winding and a cylindrical rotor 3.
  • the iron core of the rotor 3 is composed of laminated circular electromagnetic steel plates, and a permanent magnet composed of three or more ferrite magnets is embedded in one magnetic pole.
  • a plurality of teeth 4 are formed on the stator 1 along the inner circumferential direction, and the armature winding 2 is wound around each tooth 4.
  • a permanent magnet 21 having a circumferential direction as a longitudinal direction is disposed on the outer peripheral side of the rotor 3.
  • the outer peripheral permanent magnet 21 is embedded in a substantially rectangular permanent magnet insertion cavity 11 formed on the outer peripheral side on the d-axis, and is fixed with an adhesive or resin rubber, and is parallel to the d-axis. It is magnetized in the direction.
  • the permanent magnet insertion cavity 11 is longer than the permanent magnet 21 in the circumferential direction, and a substantially triangular or trapezoidal gap 31 is formed at both ends of the permanent magnet 21.
  • the permanent magnet 22 is arranged on the rotor 3 so as to extend along the q axis.
  • the permanent magnet 22 is embedded in a substantially rectangular permanent magnet insertion cavity 12 formed on the q axis, and is fixed with an adhesive or resin rubber.
  • the permanent magnet 22 is magnetized in a direction orthogonal to the q axis, and when the outer peripheral surface of the permanent magnet 21 is an N pole, the surface facing the d axis in which the permanent magnet 21 is embedded is an N pole. It arrange
  • a trapezoidal gap 42 is formed at the outer peripheral end of the permanent magnet 22, and a triangular or trapezoidal gap 32 is formed at the inner peripheral end.
  • a permanent magnet 23 whose longitudinal direction is the circumferential direction is arranged on the inner peripheral side of the permanent magnet 21.
  • the inner peripheral permanent magnet 23 is embedded in a rectangular permanent magnet insertion cavity 13 formed on the inner peripheral side of the d-axis, and is fixed with an adhesive or resin rubber.
  • the permanent magnet 23 is magnetized in a direction parallel to the d-axis, and when the outer peripheral surface of the permanent magnet 21 is an N pole, the outer peripheral surface of the permanent magnet 23 is an N pole.
  • the outer peripheral surface of the permanent magnet 21 is the south pole, the outer peripheral surface of the permanent magnet 23 is arranged to be the south pole.
  • the permanent magnets 21 to 23 are arranged on each side of the trapezoid on the rotor 3.
  • the distance A between the permanent magnet 21 located on the outer peripheral side on the d-axis of the rotor and the permanent magnet 22 on the q-axis and the trapezoidal gap 42 allows the armature magnetic flux from the stator to easily flow into the rotor.
  • the distance B is set larger than the distance A, and the armature magnetic flux from the stator 1 can easily flow into the rotor 3. Can be made.
  • FIG. 1 An example of the magnetization directions of the permanent magnets 21 to 23 is shown in FIG. That is, in the present embodiment, the permanent magnet 21 and the permanent magnet 23 are magnetized so that the outer peripheral side becomes the N pole and the inner peripheral side becomes the S pole, and the permanent magnet 22 is magnetized so that the N pole faces each other.
  • a plurality of slits 51a to 51d constitute a slit group (slit part) 51 in the iron core part between the trapezoidal gap 42 located on the outer peripheral side of the permanent magnet 22 and the permanent magnet 21.
  • a slit group (slit part) 51 in the iron core part between the trapezoidal gap 42 located on the outer peripheral side of the permanent magnet 22 and the permanent magnet 21.
  • the trapezoidal gap 42 and the slit group 51 are non-magnetic bodies (non-magnetic body portions), and together with the permanent magnets 21 constitute a magnetic flux blocking portion.
  • the slit group 51 is disposed on the outer peripheral side of the rotor 3, and more preferably on the outer periphery than a straight line connecting the inner peripheral side corner of the permanent magnet 21 and the center of the outer peripheral side of the trapezoidal gap 42. Formed on the side.
  • Each of the slits 51a to 51d constituting the slit group 51 has an elongated shape that is narrow in the circumferential direction of the rotor 3 and extends in the radial direction, and a plurality of these are provided at intervals in the circumferential direction.
  • These slits 51a to 51d may be arranged parallel to each other, but preferably, the slits are arranged radially so that the width between the slits is narrow on the outer peripheral side and wide on the inner peripheral side. .
  • the radial arrangement is a slit group 51 as shown in FIG. That is, the slit 51a closest to the permanent magnet 21 is formed to be parallel to the q axis, and the slit 51d closest to the q axis is formed to be parallel to the d axis.
  • the slits 51b and 51c are arranged radially by setting the angle around the intersection 55 between the central axis of the slit 51a and the central axis of the slit 51d to an angle that is divided into substantially equal angles.
  • each slit is shortened at a certain rate from the d-axis side slit to the q-axis side slit. That is, the slit 51a is the longest, the slit 51d is the shortest, and the slits 51b and 51c between them are formed shorter in order.
  • the circumferential direction position of the slit group 51 it forms in the approximate center between the permanent magnet 21 and the trapezoid-shaped space
  • Each slit is filled with a non-magnetic material such as air or resin, and the non-magnetic material can increase the strength of the iron core.
  • the first is the effect of the structure of the outer peripheral portion of the rotor 3.
  • the permanent magnet 21 is disposed on the outer peripheral side of the rotor, and the air gap 31 is provided at both ends in the longitudinal direction of the permanent magnet 21.
  • a slit group 51 exists adjacent to the slit group 51, and a gap 42 exists adjacent to the slit group 51.
  • the slit group 51, the air gap 31, the permanent magnet 21, and these repeatedly exist over the entire circumferential direction. For this reason, the effect
  • the second action is an action as a rectification means (guide means) by the slit group 51 of the armature magnetic flux generated by the stator winding 2. That is, the width between the slits is radially arranged so that the outer peripheral side interval is narrow and the inner peripheral side interval is widened, so that the magnetic flux is rectified after passing through the slit group 51 and then radially. It is guided so as to spread and flows while diffusing throughout the iron core portion 72 having a large area sandwiched between the permanent magnet 21 and the permanent magnet 23.
  • the slit 51a is formed to be the longest, the magnetic flux passing through the iron cores on both sides of the slit is guided further in the direction along the slit 51a, so that the magnetic flux is not short-cut in the iron core portion 72. , Guided to spread throughout.
  • Fig. 4 shows a conceptual diagram of the space harmonics of the armature magnetic flux.
  • armature winding 2 When the armature winding 2 is energized, a closed loop armature magnetic flux is generated around the armature winding 2.
  • this armature magnetic flux there is a magnetic flux that forms a closed loop around one slot, which flows into the rotor 3 from one tooth of the stator 1 and flows into the other nearest tooth.
  • This is the space harmonic 61 of the armature magnetic flux, and since the cycle is different from the output torque, it does not contribute to the output torque.
  • the spatial harmonic 61 causes magnetic saturation despite no contribution to the rotation of the electric motor, so that an effective amount of magnetic flux contributing to the torque cannot be obtained sufficiently, and it is necessary to suppress this. .
  • FIG. 4 does not show the structure of this embodiment, the armature magnetic flux space harmonics 61 (indicated by solid arrows in the figure) are generated at a plurality of locations. Further, in FIG. 4, spatial harmonics (indicated by broken line arrows 62 in the figure) generated around the armature winding 2 located at the center are blocked by the permanent magnet 21.
  • FIG. 5 shows a conceptual diagram of the flow of spatial harmonics in the present embodiment.
  • Spatial harmonics of the armature magnetic flux easily pass through a magnetic material such as an iron core, but are blocked by providing a non-magnetic material such as air or resin on the passing magnetic path.
  • the spatial harmonics are blocked by arranging the permanent magnet 21, the slit group 51, and the trapezoidal gap 42 on the outer peripheral side of the rotor.
  • the spatial harmonics form a closed loop with adjacent teeth. Therefore, the interval between the permanent magnet 21 and the trapezoidal gap 42, the interval between the permanent magnet 21 and the slit group 51, the interval between the slit group 51 and the trapezoidal gap 42, and the interval between the slits are adjacent to each other. By narrowing it less than the tooth interval (tooth pitch), the spatial harmonics 61 can be blocked efficiently.
  • the arrangement of permanent magnets arranged on the outer peripheral side of the rotor 3 or nonmagnetic material portions such as air gaps is as follows. This makes it possible to block spatial harmonics.
  • the distance between the permanent magnet and the non-magnetic part, the distance between the permanent magnet and the slit part, the distance between the slit part and the gap, and the distance Xn between the slits (where Xn is the nth distance)
  • the maximum n is 6)
  • the interval Y between the teeth 4 of the stator 1 is set smaller than X (Xn ⁇ Y).
  • 6A to 6C show the positional relationship between the rotor 3 and the stator teeth 4 at an arbitrary angle.
  • at least the interval Xn is made narrower than the interval Y of the teeth, so that even if the positional relationship between the teeth of the stator and the rotor changes during operation, the permanent magnets 21, Since the slit group 51 and the trapezoidal gap 42 are present, spatial harmonics can be blocked at any position.
  • the permanent magnet 21, the air gap 42, and the slit group 51 are sequentially arranged in the circumferential direction on the outer periphery side of the rotor, and each suppresses each spatial harmonic generated around the armature winding that does not contribute to torque. Plays.
  • gap part, and a slit part (slit group) function as a magnetic flux shielding part, This cuts the unnecessary magnetic flux because this extends in the circumferential direction.
  • the broken line 62 in FIGS. 6A to 6C it can be understood that the spatial harmonics are effectively blocked regardless of the rotational position of the rotor 3.
  • the armature magnetic flux passing therethrough is increased without magnetic saturation in the iron core portion 72 having a large area sandwiched between the permanent magnet 21 and the permanent magnet 23.
  • the reluctance torque can be increased by reducing the magnetic resistance.
  • FIG. 8 is a diagram showing the flow of magnet magnetic flux of the permanent magnet.
  • FIG. 9 is a diagram showing the magnetic flux distribution by the electromagnetic field analysis of the present embodiment, and is a conceptual diagram for explaining the operation of the slit group 51 described above.
  • the present embodiment is provided with the slit group 51 when the reluctance torque is actively used to increase the output (see FIGS. 1 and 2). It can be confirmed that the slit group 51 functions as a rectifying means (guide means) that arranges and guides the flow of magnetic flux flowing in and out between the rotor 3 and the stator 1.
  • the slit interval on the inner peripheral side is larger than the slit interval on the outer peripheral side so that the magnetic flux is rectified by the slit group 51 into a flow that diffuses throughout the iron core portion 72 sandwiched between the permanent magnet 21 and the permanent magnet 23. It has a large shape.
  • the magnetic flux flows into the rotor 3 from the stator 1, it is divided by the trapezoidal gap 42 and the permanent magnet 22, and each divided magnetic flux 70 passes through the slit group 51 and spreads radially. 3 diffused throughout the wide core portion 72.
  • the magnetic flux 71 diffused from the slit group 51 passes through the other slit group 51 and flows out of the rotor, but the magnetic flux diffused when passing through the one slit group 51 is rectified by the other slit group 51. Therefore, the saliency is not impaired.
  • the distance B between the permanent magnet 21 and the permanent magnet 23 is wide, and the iron core portion 72 serving as a magnetic flux flow path is formed wide. Since the distance A between the end of 21 and the trapezoidal gap 42 is narrower than the distance B between the permanent magnet 21 and the permanent magnet 23, the magnetic flux flows from the narrow part of the slit group 51 to the wide part at the time of inflow. Since the magnetic flux is diffused and concentrated when it flows out, the flow of the magnetic flux can be effectively adjusted (see FIG. 2 for the distance A and the distance B). In addition to this, the flow of magnetic flux can be more effectively adjusted by the rectifying action of the magnetic flux by the slit group 51 described above.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of a comparison / examination model based on electromagnetic field analysis.
  • Case 1 in FIG. 10A has the structure of the present embodiment already described.
  • case 2 of FIG. 10B all slits formed between the permanent magnet 21 and the trapezoidal gap 42 are formed in parallel with the q axis, and the radial length is the same.
  • Case 3 in FIG. 10C is a comparative example in which the slit group 51 is not provided and the shape of the gap 43 on the outer peripheral side of the permanent magnet 22 is rectangular.
  • FIG. 11 shows a determination table (a) of average output torque and torque pulsation by electromagnetic field analysis in each case of FIG. 10, and torque waveforms at that time are shown in (b) to (d).
  • the average output torque sufficient torque is obtained in case 1 and case 2, but in case 3 it is reduced by about 5% compared to case 1 or case 2.
  • Case 1 is the best at about 5%, and Case 2 is 10% or less. In case 3, it is 20% or more. In a reluctance type rotating electrical machine using reluctance torque, the torque pulsation is generally about 20%. Therefore, the slit group 51 formed in the case 1 and the case 2 and the trapezoidal gap 42 are very large. It can be seen that this is effective.
  • each of the slits of this embodiment has the following configuration. Is desirable. (1) It extends long in the direction along the radial direction. (2) The rotor should be arranged so as to expand from the outer peripheral side to the inner peripheral side. In (1), it can be confirmed that it greatly contributes to the rectifying action of the magnetic flux (see cases 1 and 2 in FIGS.
  • the structure has a structure that can sufficiently obtain the effect of reducing torque pulsation. Further, by using the slit arrangement as shown in (2), it is possible to further reduce the torque pulsation (see case 1 in FIGS. 10 and 11), and a more preferable configuration can be realized.
  • a permanent magnet is embedded on the outer peripheral side on the d-axis
  • a trapezoidal gap is formed on the permanent magnet on the q-axis and the outer peripheral side end
  • the permanent magnet and trapezoid on the outer peripheral side on the d-axis are formed.
  • FIG. 12 is a radial cross-sectional view of a composite torque type rotary electric machine according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 13 is an enlarged view of a main part thereof.
  • 12 and 13 includes a stator 1 having an 8-pole armature winding, and a cylindrical rotor 3.
  • the iron core of the rotor 3 of the structure of this embodiment is composed of laminated circular electromagnetic steel plates, and three or more permanent magnets are embedded in one magnetic pole.
  • a slit group 52 is provided.
  • the permanent magnet 22 is embedded in the rectangular gap 12 on the q axis and fixed with an adhesive or resin rubber.
  • a trapezoidal gap 42 is formed at the outer peripheral end of the permanent magnet 22.
  • a substantially triangular or substantially trapezoidal gap 32 is provided at the end on the inner peripheral side.
  • the permanent magnet 23 is embedded in the rectangular gap 13 on the inner peripheral side on the d-axis, and is fixed with an adhesive or resin rubber.
  • the permanent magnet 23 is magnetized in a direction parallel to the d-axis.
  • the outer peripheral surface of the permanent magnet 23 is an N pole.
  • the outer peripheral surface of the permanent magnet 23 is disposed so as to be the south pole.
  • a slit group 51 including a plurality of slits is formed in the iron core between the slit group 52 and the trapezoidal gap 42 located on the outer peripheral side of the permanent magnet 22.
  • four slits are shown as in the first embodiment, but it is obvious that the present invention is not limited to this.
  • the slit 51a closest to the slit group 52 is formed so as to be parallel to the q axis (close q axis), and the slit 51d closest to the q axis is formed so as to be parallel to the d axis.
  • the slits 51b and 51c are distributed at substantially equal angles around the intersection of the central axis of the slit 51a and the central axis of the slit 51d (see FIG. 3).
  • the length of each slit in the slit group 51 is reduced from the d-axis side slit to the q-axis side slit at a constant rate.
  • About the circumferential direction position of the slit group 51 it forms in the approximate center between the slit group 52 and the trapezoid gap 42.
  • Each slit is filled with a non-magnetic material such as air or resin.
  • the slit group 52 formed on the outer diameter side on the d-axis is composed of a plurality of parallel slits, and constitutes a magnetic shielding portion similar to the permanent magnet 21 of the first embodiment, and the armature winding of the stator 1 2 acts to block the spatial harmonics 61 of the armature magnetic flux generated in 2 and the same effect as the structure shown in the first embodiment is obtained.

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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。　一定間隔で内周部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内に永久磁石を有し、前記固定子の内側に配置された回転子と、前記回転子の外周部に周方向に渡って設けられ、前記固定子巻線の周囲に生じる閉ループの磁束を遮断する磁束遮断部とを備えたことを特徴とする。前記磁束遮断部は、複数の永久磁石と、この複数の永久磁石の間に設けられる非磁性体部とを備えてなる。また、前記非磁性体部は空隙である。また、前記永久磁石と前記非磁性部との間の距離が、前記電機子巻線の配置の間隔よりも小であることを特徴とする。

Description

複合トルク型回転電機
　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閉ループの磁束の空間高調波の回転子の鉄心部分への流入を遮断することにより、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ティース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内に永久磁石を有し、前記固定子の内側に配置された回転子と、
　前記回転子の外周部に周方向に渡って設けられ、前記固定子巻線の周囲に生じる閉ループの磁束を遮断する磁束遮断部と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、前記磁束遮断部は、複数の永久磁石と、この複数の永久磁石の間に設けられる非磁性体部からな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、前記永久磁石と前記非磁性部との間の距離が、前記電機子巻線のティースの間隔よりも小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、前記非磁性体部は複数のスリットから構成されるスリット部であり、前記永久磁石と前記スリット部との間の距離、及び、前記スリット同士の距離が、前記電機子巻線のティースの間隔よりも小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、前記非磁性体部は空隙であり、前記永久磁石と前記空隙との間の距離が、前記電機子巻線のティースの間隔よりも小であることを特徴とする。
　また、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ティース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り前記固定子の内側に配置された回転子と、
　前記回転子は、外周部に周方向に複数配置される永久磁石と、
　前記回転子の複数の永久磁石の周方向の中間に設けられる空隙部と、
　前記永久磁石と前記空隙部との間であって前記永久磁石の周方向の両側に設けられ、複数のスリットから構成されるスリット部と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、前記スリット部は、前記永久磁石の内周側の角部と前記空隙部の外周側辺との中心とを結ぶ直線よりも外周側に形成さ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、前記永久磁石と前記スリット部との間の距離、及び、前記スリット部と前記空隙との間の距離が、前記電機子巻線のティースの間隔よりも小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、前記スリット部を構成するスリット同士の距離が、前記電機子巻線のティースの間隔よりも小であ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、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軸に最も近いスリット５１ｄはｄ軸と平行になるように形成されている。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…永久磁石、２１、４２、５１、５２…磁気遮蔽部、２２、２３…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、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、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 (9)

  1. 　一定間隔で周方向の複数ティース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内に永久磁石を有し、前記固定子の内側に配置された回転子と、
    　前記回転子の外周部に周方向に渡って設けられ、前記固定子巻線の周囲に生じる閉ループの磁束を遮断する磁束遮断部とを備えたことを特徴とする複合トルク型回転電機。
  2. 　前記磁束遮断部は、複数の永久磁石と、この複数の永久磁石の間に設けられる非磁性体部からなる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. 　前記永久磁石と前記非磁性部との間の距離が、前記電機子巻線のティースの間隔よりも小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. 　前記非磁性体部は複数のスリットから構成されるスリット部であり、前記永久磁石と前記スリット部との間の距離、及び、前記スリット同士の距離が、前記電機子巻線のティースの間隔よりも小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。
  5. 　前記非磁性体部は空隙であり、前記永久磁石と前記空隙との間の距離が、前記電機子巻線のティースの間隔よりも小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。
  6. 　一定間隔で周方向の複数ティース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り前記固定子の内側に配置された回転子と、
    　前記回転子は、外周部に周方向に複数配置される永久磁石と、
    　前記回転子の複数の永久磁石の周方向の中間に設けられる空隙部と、
    　前記永久磁石と前記空隙部との間であって前記永久磁石の周方向の両側に設けられ、複数のスリットから構成されるスリット部とを備えたことを特徴とする複合トルク型回転電機。
  7. 　前記スリット部は、前記永久磁石の内周側の角部と前記空隙部の外周側辺との中心とを結ぶ直線よりも外周側に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の複合トルク型回転電機。
  8. 　前記永久磁石と前記スリット部との間の距離、及び、前記スリット部と前記空隙との間の距離が、前記電機子巻線のティースの間隔よりも小であることを特徴とする請求項６に記載の複合トルク型回転電機。
  9. 　前記スリット部を構成するスリット同士の距離が、前記電機子巻線のティースの間隔よりも小であることを特徴とする請求項６～８のいずれかに記載の複合トルク型回転電機。
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