WO2018190103A1 - 回転電機の回転子 - Google Patents

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WO2018190103A1
WO2018190103A1 PCT/JP2018/011839 JP2018011839W WO2018190103A1 WO 2018190103 A1 WO2018190103 A1 WO 2018190103A1 JP 2018011839 W JP2018011839 W JP 2018011839W WO 2018190103 A1 WO2018190103 A1 WO 2018190103A1
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WO
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permanent magnet
cavity
rotor
permanent magnets
pole center
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Application number
PCT/JP2018/011839
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French (fr)
Inventor
松原　正克
佑将 松岡
Original Assignee
株式会社 東芝
東芝インフラシステムズ株式会社
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Publication date
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Publication of WO2018190103A1 publication Critical patent/WO2018190103A1/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • H02K1/2766—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a rotor of a rotating electrical machine.
  • a permanent provided with a stator around which an armature winding is wound, and a rotor that is rotatably provided to the stator and has a permanent magnet embedded in the rotor core.
  • a magnet type rotating electrical machine In this type of rotating electrical machine, the surface magnetic flux density formed on the rotor core by permanent magnets greatly affects the torque performance and torque ripple of the rotating electrical machine. For this reason, a technique has been proposed in which a plurality of permanent magnets are arranged in one pole of the rotor core to efficiently increase the surface magnetic flux density of the rotor core.
  • the surface magnetic flux density of the rotor core can be increased, but the value of the current supplied to the armature winding may increase. It was.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a rotor of a rotating electrical machine capable of obtaining a high torque.
  • the rotor of the rotating electrical machine of the embodiment has a shaft, a rotor core, and a plurality of permanent magnets that are rectangular when viewed from the direction of the rotation axis.
  • the shaft rotates around the rotation axis.
  • the rotor core is fixed to the shaft and has a plurality of poles.
  • the plurality of permanent magnets has two first permanent magnets and two second permanent magnets.
  • the two first permanent magnets are arranged symmetrically about the pole center, and the rotation axis direction
  • the second end opposite to the first end in the longitudinal direction with respect to the first end in the longitudinal direction is located on the radially outer side.
  • the two first permanent magnets are arranged so as to be gradually separated from the center of the pole as they go from the first end to the second end.
  • the two second permanent magnets are arranged symmetrically with respect to the pole center, and the fourth end portion is opposite to the third end portion in the longitudinal direction with respect to the third end portion in the longitudinal direction when viewed from the rotational axis direction. Is located radially outward.
  • the two second permanent magnets are arranged so as to gradually move away from the pole center as they go from the third end to the fourth end.
  • the two second permanent magnets are arranged such that the third end portion is located on the shaft side with respect to the shaft end side than the first end portions of the two first permanent magnets, and from the second end portions of the two first permanent magnets.
  • the fourth end portion is disposed on the extreme side.
  • the angle between the first side surfaces in the short direction opposite to the second permanent magnets of the two first permanent magnets as viewed from the rotational axis direction is ⁇ 1, and the first permanent magnets of the two second permanent magnets.
  • the angles ⁇ 1 and ⁇ 2 are set so as to satisfy ⁇ 1> ⁇ 2 and 70 degrees ⁇ ⁇ 2 ⁇ 110 degrees when the angle ⁇ 2 between the second lateral sides in the lateral direction is set.
  • Sectional drawing which shows the rotary electric machine of embodiment and is orthogonal to a rotating shaft line.
  • the figure which expanded the rotor of FIG. The A section enlarged view of FIG.
  • shaft is made into the value of the electric current supplied to an armature winding, and a horizontal axis is made into angle (theta) 2.
  • shaft is made into the value of the electric current supplied to an armature winding, and a horizontal axis is made into (shortest distance L2 / shortest distance L1).
  • 6 is a graph showing a change in current value when the vertical axis is the current value supplied to the armature winding and the horizontal axis is ((shortest distance R1 ⁇ maximum distance R2) / shortest distance L1). It is a graph which shows the change of the torque and output of a rotary electric machine when a vertical axis
  • shaft is set as the torque value and output value of a rotary electric machine, and a horizontal axis is set to (shortest distance L2 / shortest distance L1). 6 is a graph showing changes in torque and output of a rotating electrical machine when the vertical axis is the torque value and output value of the rotating electrical machine and the horizontal axis is ((shortest distance R1 ⁇ maximum distance R2) / shortest distance L1).
  • FIG. 1 shows the rotating electrical machine 1 and is a cross-sectional view orthogonal to the rotation axis P.
  • the rotor 2 of the rotating electrical machine 1 is set to 8 poles, and FIG. 1 shows only one pole, that is, only a peripheral angle region of 1/8 round.
  • the rotating electrical machine 1 includes a substantially cylindrical stator 20 and a rotor 2 that is provided on the radially inner side of the stator 20 and is rotatable with respect to the stator 20.
  • the stator 20 and the rotor 2 are arrange
  • the common axis is referred to as the rotation axis P
  • the direction around the rotation axis P is referred to as the circumferential direction
  • the direction orthogonal to the rotation axis P direction and the circumferential direction is referred to as the radial direction.
  • the stator 20 has a substantially cylindrical stator core 21.
  • the stator iron core 21 can be formed by laminating a plurality of electromagnetic steel plates or press-molding soft magnetic powder.
  • a plurality (for example, 48 in this embodiment) of teeth 22 projecting toward the rotation axis P and arranged at equal intervals in the circumferential direction are integrally formed on the inner peripheral surface of the stator core 21.
  • the teeth 22 have a substantially rectangular cross section.
  • a slot 23 is formed between adjacent teeth 22.
  • An armature winding 24 is wound around each tooth 22 via these slots 23. By supplying current to the armature winding 24, a predetermined flux linkage is formed in the stator 20 (tooth 22).
  • FIG. 2 is an enlarged view of the rotor 2 of FIG.
  • the rotor 2 extends along a rotation axis P, rotates around the rotation axis P, a substantially cylindrical rotor core 4 that is externally fixed to the shaft 3, and It has.
  • a through hole 5 into which the shaft 3 can be inserted or press-fitted is formed at the radial center of the rotor core 4.
  • the direction in which the flux linkage formed by the stator 20 easily flows is referred to as a q-axis.
  • a direction along a radial direction that is electrically and magnetically orthogonal to the q axis is referred to as a d axis.
  • a positive magnetic position for example, the N pole of the magnet is brought closer
  • Rotation axis when the largest amount of magnetic flux flows when a negative magnetic position for example, the S pole of the magnet is moved closer
  • a direction from P to an arbitrary position is defined as q-axis.
  • a direction along a radial direction that is electrically and magnetically orthogonal to the q axis is defined as a d axis.
  • one pole portion of the rotor core 4 refers to a region between q axes (a circumferential angle region of 1/8 round). For this reason, the rotor core 4 is comprised by 8 poles.
  • the center in the circumferential direction of one pole is the d axis.
  • the d axis is referred to as the pole center E1
  • the q axis both ends in the circumferential direction of the circumferential angle region of 1/8 round
  • two first permanent magnets 7 and two second permanent magnets 14 are embedded for each pole.
  • magnet housing holes 6 and 13 corresponding to the shapes of the permanent magnets 7 and 14 are formed in the rotor core 4, and the permanent magnets 7 and 14 are filled so as to fill the magnet housing holes 6 and 13. Is arranged.
  • the permanent magnets 7 and 14 are fixed to the magnet housing holes 6 and 13 of the rotor core 4 by, for example, an adhesive.
  • the two first permanent magnets 7 and the two second permanent magnets 14 are rectangular plate-shaped magnets as viewed from the direction of the rotation axis P1.
  • the longitudinal direction viewed from the rotation axis P1 direction is simply referred to as the longitudinal direction
  • the short direction viewed from the rotation axis P1 direction is simply referred to as the short direction. I will explain.
  • the two first permanent magnets 7 are arranged symmetrically about the pole center E1.
  • the two first permanent magnets 7 are opposite to the first end 7a with respect to the first end 7a (corresponding to the “first end” in the claims) 7a on the pole center E1 side in the longitudinal direction.
  • the second end portion (corresponding to the “second end portion” in the claims) 7b is disposed so as to be located on the radially outer side. Further, the two first permanent magnets 7 are arranged so as to be gradually separated from the pole center E1 as going from the first end 7a to the second end 7b.
  • the magnetic flux density on the outer peripheral surface 4a side of the rotor core 4 in each first permanent magnet 7 is increased, and harmonics of the surface magnetic flux density of the rotor core 4 can be reduced.
  • the magnetic flux of the first permanent magnet 7 is easily concentrated on the pole center E1. That is, the magnetization directions of the two first permanent magnets 7 arranged in each of the circumferential angle regions of 1/8 turn are the same. That is, for example, it is assumed that the two first permanent magnets 7 arranged in each of the circumferential angle regions of 1/8 round are magnetized with N-poles on the radially outer surfaces. In this case, each of the two first permanent magnets 7 disposed in the circumferential angle region of another 1/8 circumference adjacent in the circumferential direction has a radially outer surface magnetized to the S pole.
  • Each flux barrier 9 to 12 is a cavity that penetrates the rotor core 4 in the axial direction. Each flux barrier 9 to 12 suppresses leakage of magnetic flux from the longitudinal end portions 7 a and 7 b of the first permanent magnet 7 to the rotor core 4.
  • the first flux barrier 9 is provided on the second end 7b side of the first permanent magnet 7 and from the first side surface 7c on the second permanent magnet 14 side in the short direction to the second permanent magnet 14. It is the cavity part formed toward.
  • a second flux barrier (corresponding to “first cavity” in the claims) 10 is a cavity formed on the second end 7 b side of the first permanent magnet 7 and at a position avoiding the first flux barrier 9. It is.
  • the second flux barrier 10 is formed so as to taper from the second end 7 b of the first permanent magnet 7 toward the outer peripheral surface 4 a of the rotor core 4 when viewed from the rotation axis P. That is, the second flux barrier 10 is formed by continuously forming the first inner side surface 10a, the second inner side surface 10b, and the circular arc surface 10c.
  • the first inner surface 10 a is formed substantially concentrically with the outer peripheral surface 4 a of the rotor core 4.
  • the second inner side surface 10 b extends along the longitudinal direction of the first permanent magnet 7 from the approximate center in the short direction of the second end 7 b of the first permanent magnet 7.
  • the circular arc surface 10c is formed so as to straddle the first inner side surface 10a and the second inner side surface 10b.
  • the third flux barrier 11 is a first end portion 7a of the first permanent magnet 7 and a second side surface (corresponding to the “first side surface” in the claims) 7d opposite to the first side surface 7c in the short direction.
  • a second side surface corresponding to the “first side surface” in the claims
  • a fourth flux barrier (corresponding to “third cavity” in the claims) 12 is a cavity formed on the first end 7 a side of the first permanent magnet 7 and at a position avoiding the third flux barrier 11. It is.
  • the two second permanent magnets 14 are also arranged symmetrically about the pole center E1 in the same manner as the first permanent magnet 7.
  • the second permanent magnet 14 is set such that the length W2 in the longitudinal direction is longer than the length W1 in the longitudinal direction of the first permanent magnet 7.
  • the length W2 is set to about twice the length W1.
  • the two second permanent magnets 14 have a third end portion 14a (corresponding to a “third end portion” in the claims) 14a on the pole center E1 side in the longitudinal direction, and a first end portion 7a of the first permanent magnet 7. It arrange
  • the magnetization directions of the two second permanent magnets 14 are the same as the magnetization directions of the first permanent magnets 7. That is, for example, the radially outer surface of each of the first permanent magnets 7 arranged in the same circumferential angle region of 1/8 round is magnetized to the N pole, and the radially inner surface is magnetized to the S pole. Suppose that In this case, the radially outer surface of each second permanent magnet 14 is also magnetized to the N pole, and the radially inner surface is also magnetized to the S pole. Thereby, the direction of the magnetic flux flow of the first permanent magnet 7 and the direction of the magnetic flux flow of the second permanent magnet 14 coincide. As a result, the magnetic flux of the second permanent magnet 14 supplements the magnetic flux of the first permanent magnet 7. For this reason, the surface magnetic flux density of the rotor core 4 increases.
  • Each of the flux barriers 16 to 19 is a cavity that penetrates the rotor core 4 in the axial direction.
  • the flux barriers 16 to 19 suppress leakage of magnetic flux from the longitudinal end portions 14a and 14b of the second permanent magnet 14 to the rotor core 4.
  • the fifth flux barrier 16 is a cavity formed on the fourth end 14b side of the second permanent magnet 14 and from the third side surface 14c on the extreme E2 side in the short direction toward the extreme E2. Part.
  • a sixth flux barrier (corresponding to “second cavity” in the claims) 17 is a cavity formed on the fourth end 14 b side of the second permanent magnet 14 and at a position avoiding the fifth flux barrier 16. It is.
  • the sixth flux barrier 17 is formed so as to taper from the fourth end portion 14b of the second permanent magnet 14 toward the extreme E2 side when viewed from the rotation axis P.
  • the sixth flux barrier 17 is formed by continuously forming the first inner surface 17a, the second inner surface 17b, the third inner surface 17c, and the circular arc surface 17d.
  • the first inner side surface 17 a extends from the fourth side surface (corresponding to the “second side surface” in the claims) 14 d on the first permanent magnet 7 side in the short direction of the second permanent magnet 14 to the outer peripheral surface 4 a of the rotor core 4. It is extended toward.
  • the second inner side surface 17b bulges from the first inner side surface 17a toward the first permanent magnet 7 side, and then extends substantially concentrically with the outer peripheral surface 4a of the rotor core 4.
  • the third inner surface 17c extends obliquely from the approximate center in the short direction of the second permanent magnet housing hole 13 toward the extreme E2.
  • the circular arc surface 17d is formed so as to straddle the second inner side surface 17b and the third inner side surface 17c.
  • the seventh flux barrier 18 is a cavity formed at the third end portion 14a of the second permanent magnet 14 and from the third side surface 14c on the extreme E2 side toward the extreme E2 in the short-side direction.
  • the eighth flux barrier (corresponding to “fourth cavity” in the claims) 19 is a cavity formed on the third end 14 a side of the second permanent magnet 14 at a position avoiding the seventh flux barrier 18. is there.
  • the eighth flux barrier 19 is formed by continuously forming a first inner side surface 19a, a second inner side surface 19b, and a third inner side surface 19c.
  • the first inner surface 19a extends from a corner portion of the third end portion 14a of the second permanent magnet 14 on the first permanent magnet 7 side along a direction substantially orthogonal to the d axis (pole center E1) with respect to the mechanical angle.
  • the second inner side surface 19 b extends along the longitudinal direction of the second permanent magnet 14 from the approximate center in the short-side direction of the third end portion 14 a of the second permanent magnet accommodation hole 13.
  • the third inner surface 19c extends over the first inner surface 19a and the second inner surface 19b and extends along the d-axis.
  • a hollow portion is formed in the rotor core 4 at a substantially center in the radial direction of the extreme E2, and this hollow portion is used as a ninth flux barrier 30.
  • the ninth flux barrier 30 is formed so that the opening area gradually increases from the radially outer side toward the radially inner side.
  • the ninth flux barrier 30 also restricts the flow of flux linkage of the stator 20 and the flow of magnetic flux of the second permanent magnet 14 by making it difficult to pass the magnetic flux. Further, by forming the ninth flux barrier 30, the rotor core 4 can be reduced in weight.
  • a direction in which the interlinkage magnetic flux of the stator 20 easily flows and a direction in which the flux hardly flows are formed in the rotor core 4.
  • the reluctance generated thereby contributes to the rotation of the rotor 2.
  • the rotor 2 is efficiently rotated by the magnetic flux generated by the permanent magnets 7 and 14 and the reluctance torque. And the rotational torque of the rotor 2 can be improved.
  • the angle ⁇ 2 between the fourth side surfaces 14d is set smaller than the angle ⁇ 1 between the second side surfaces 7d of the corresponding two first permanent magnets 7. ing.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a portion A in FIG.
  • a straight line S1 that is parallel to the longitudinal direction of the second permanent magnet 14 and is closest to the first permanent magnet 7 side of the sixth flux barrier 17, that is, the first permanent permanent of the second inner surface 17b.
  • Let X be the intersection of the straight line S1 that is in contact with the magnet 7 and the circumscribed circle C of the second inner side surface 17b of the sixth flux barrier 17 centered on the rotation axis P (see FIG. 2).
  • the shortest distance between the intersection X and the second flux barrier 10 of the first permanent magnet 7, that is, the distance from the intersection X to the arc surface 10c of the second flux barrier 10 is L1. Further, the shortest distance between the first permanent magnet 7 and the second permanent magnet 14 (the shortest distance between the first side surface 7c of the first permanent magnet 7 and the fourth side surface 14d of the second permanent magnet 14) is L2. And At this time, each shortest distance L1, L2 is 0.85 ⁇ L2 / L1 ⁇ 1.03 (2) It is set to satisfy.
  • the shortest distance from the rotation axis P when the fourth flux barrier 12 of the first permanent magnet 7 is projected onto the pole center E1 is R1.
  • R1 is the shortest distance from the rotation axis P to the projection view of the fourth flux barrier 12 in the direction perpendicular to the rotation axis P.
  • the maximum distance from the rotation axis P when the eighth flux barrier 19 of the second permanent magnet 14 is projected onto the pole center E1 (the distance to the first inner surface 19a of the eighth flux barrier 19) is R2.
  • the maximum distance R2 is the maximum distance from the rotation axis P to the projection diagram of the eighth flux barrier 19 in the direction perpendicular to the rotation axis P.
  • the shortest distance L1, the shortest distance R1, and the maximum distance R2 are: L1 ⁇ R1-R2 (3) It is set to satisfy.
  • FIG. 4 is a graph showing changes in the current value when the vertical axis represents the value of the current supplied to the armature winding 24 of the stator 20 and the horizontal axis represents the angle ⁇ 2. As shown in the figure, when the angle ⁇ 2 is 80 degrees, the current value is the lowest, and when the angle ⁇ 2 satisfies the above formula (1), it is confirmed that the current value is suppressed to the same level as the lowest limit value. it can.
  • FIG. 5 is a graph showing changes in the current value when the vertical axis is the value of the current supplied to the armature winding 24 of the stator 20 and the horizontal axis is “shortest distance L2 / shortest distance L1”. . As shown in the figure, when L2 / L1 ⁇ 0.95, the current value is the lowest, and when L2 / L1 satisfies the above equation (2), it is suppressed to a desired current value I or less. I can confirm.
  • the vertical axis represents the current value supplied to the armature winding 24 of the stator 20 and the horizontal axis represents “(shortest distance R1 ⁇ maximum distance R2) / shortest distance L1”.
  • the pole center in the circumferential direction is the pole center E1 and one end of the circumferential direction is the extreme E2 out of one pole of the rotor core 4
  • the pole center per pole of the rotor core 4 Two first permanent magnets 7 and two second permanent magnets 14 arranged in line symmetry with respect to E1 are provided.
  • the first permanent magnet 7 is disposed such that the second end 7b is positioned on the radially outer side with respect to the first end 7a, and is directed from the first end 7a to the second end 7b.
  • the two second permanent magnets 14 are arranged such that the third end portion 14 a is positioned on the radially inner side (the shaft 3 side) than the first end portion 7 a of the first permanent magnet 7. Further, the second permanent magnet 14 is arranged such that the fourth end 14b is located on the radially outer side with respect to the third end 14a. The two second permanent magnets 14 are arranged such that the fourth end portion 14b is located on the extreme E2 side with respect to the second end portion 7b of the first permanent magnet 7, and the third end portion 14a. From the pole end Eb toward the fourth end 14b.
  • the magnetic flux of the first permanent magnet 7 is supplemented by the magnetic flux of the second permanent magnet 14, and the surface magnetic flux density of the rotor core 4 can be increased.
  • the rotor core 4 is formed with a direction in which the interlinkage magnetic flux of the stator 20 is easy to flow and a direction in which it is difficult to flow, and reluctance generated thereby can also be used for the rotation of the rotor 2. As a result, the rotational torque of the rotor 2 can be improved.
  • the shortest distances L1 and L2 are set so as to satisfy the above equation (2), whereby the armature winding 24 of the stator 20 is set.
  • the supplied current value can be reliably reduced.
  • the shortest distances L1, R1 and the maximum distance R2 are set so as to satisfy the above equation (3), whereby the armature of the stator 20 is obtained.
  • the current value supplied to the winding 24 can be reliably reduced.
  • the present invention is not limited to this, and the number of teeth 22 may be set to an arbitrary number capable of rotating the rotor 2.
  • the case where each of the flux barriers 9 to 12, 16 to 19, and 30 is a hollow portion formed in the rotor core 4 has been described.
  • the present invention is not limited to this, and it may be configured to make it difficult for magnetic flux to pass.
  • the cavities of the flux barriers 9 to 12, 16 to 19, and 30 may be filled with resin or the like. By filling the resin, the mechanical strength of the rotor core 4 can be increased.
  • the magnetic flux of the first permanent magnet 7 is supplemented by the magnetic flux of the second permanent magnet 14, and the surface magnetic flux density of the rotor core 4 can be increased.
  • the rotor core 4 is formed with a direction in which the interlinkage magnetic flux of the stator 20 is easy to flow and a direction in which it is difficult to flow, and reluctance generated thereby can also be used for the rotation of the rotor 2. As a result, the rotational torque of the rotor 2 can be improved.
  • the two second permanent magnets 14 per pole have an opening angle (radially outer side) angle ⁇ 2 of the corresponding two first permanent magnets 7 corresponding to the opening side (radial direction). It is set smaller than the angle ⁇ 1 on the outer side. Further, the angle ⁇ 2 is set so as to satisfy the above formula (1). For this reason, the rotational torque of the rotor 2 can be improved while reducing the current value supplied to the armature winding 24 of the stator 20.
  • the shortest distances L1 and L2 are set so as to satisfy the above equation (2).
  • the supplied current value can be reliably reduced.
  • the shortest distances L1, R1 and the maximum distance R2 are set so as to satisfy the above formula (3).
  • the current value supplied to the winding 24 can be reliably reduced.
  • the rotor 2 of the rotary electric machine 1 of other embodiment is demonstrated.
  • the rotor 2 of the present embodiment can increase the torque of the rotating electrical machine 1 and contribute to high output of the rotating electrical machine 1.
  • the rotating electrical machine 1 of the present embodiment is configured in the same manner as the rotating electrical machine of the embodiment described above.
  • the angle ⁇ 2 is set smaller than the angle ⁇ 1.
  • each shortest distance L1, L2 is 0.83 ⁇ L2 / L1 ⁇ 1.07 (5) It is set to satisfy.
  • the shortest distance L1, the shortest distance R1, and the maximum distance R2 are: 1.81 ⁇ (R1-R2) /L1 ⁇ 2.14 (6) It is set to satisfy.
  • FIG. 7 is a graph showing changes in torque and output of the rotating electrical machine 1 when the vertical axis represents the torque value and output value of the rotating electrical machine 1 and the horizontal axis represents the angle ⁇ 2.
  • the torque value and the output value are expressed as relative values.
  • the torque value of the rotating electrical machine 1 becomes maximum when the angle ⁇ 2 is substantially 90 degrees. Then, it can be confirmed that the torque of the rotating electrical machine 1 decreases as the angle ⁇ 2 becomes larger than 90 degrees, and that the torque of the rotating electrical machine 1 decreases greatly when the angle ⁇ 2 substantially exceeds 110 degrees. . On the other hand, it can be confirmed that the output of the rotating electrical machine 1 increases as the angle ⁇ 2 becomes larger than 90 degrees.
  • the angle ⁇ 2 is substantially 110 degrees, the graph showing the change in torque intersects with the graph showing the change in output. Therefore, when the angle ⁇ 2 satisfies the above formula (4), it is possible to obtain the rotating electrical machine 1 having a large torque and a large output.
  • the torque of the rotating electrical machine 1 satisfying 90 degrees ⁇ ⁇ 2 ⁇ 110 degrees can be made larger than the torque of the rotating electrical machines 1 satisfying ⁇ 2 ⁇ 90 degrees.
  • the rotating electrical machine 1 having 90 degrees ⁇ ⁇ 2 ⁇ 110 degrees is smaller and lighter than the rotating electrical machine 1 having ⁇ 2 ⁇ 90 degrees. It can be.
  • the length in the radial direction in the arrangement region of the second permanent magnets 14 can be shortened compared to the rotating electrical machine 1 in which ⁇ 2 ⁇ 90 degrees. Therefore, the diameter of the rotor 2 (rotor core 4) can be reduced. From the above, the torque of the rotating electrical machine 1 can be increased by setting 90 degrees ⁇ ⁇ 2 ⁇ 110 degrees. Alternatively, the rotor 2 (rotor core 4) can be reduced in size and weight. Alternatively, it is possible to reduce the size and weight of the rotor 2 (rotor core 4) while increasing the torque of the rotating electrical machine 1. Moreover, since the output of the rotary electric machine 1 can be increased by setting the angle ⁇ 2 to 90 degrees or more, energy efficiency can be improved.
  • FIG. 8 is a graph showing changes in torque and output of the rotating electrical machine 1 when the vertical axis is the torque value and output value of the rotating electrical machine 1 and the horizontal axis is “shortest distance L2 / shortest distance L1”.
  • the torque value and the output value are expressed as relative values.
  • L2 / L1 is substantially 0.83, it can be confirmed that the graph showing the change in torque intersects the graph showing the change in output.
  • L2 / L1 is substantially 1.07 or less, it can be confirmed that there is almost no decrease in torque of the rotating electrical machine 1 and the output is maintained. Therefore, when L2 / L1 satisfies the above formula (5), it is possible to obtain the rotating electrical machine 1 having a large torque and a large output.
  • FIG. 9 shows changes in torque and output of the rotating electrical machine 1 when the vertical axis is the torque value and output value of the rotating electrical machine 1 and the horizontal axis is “(shortest distance R1 ⁇ maximum distance R2) / shortest distance L1”. It is a graph to show. As shown in the figure, when (R1-R2) / L1 is substantially 1.81, it can be confirmed that the graph showing the change in torque intersects the graph showing the change in output. . When (R1-R2) / L1 is substantially 2.14 or less, it can be confirmed that the output of the rotating electrical machine 1 is hardly reduced and the output is maintained. Therefore, when (R1-R2) / L1 satisfies the above equation (6), it is possible to obtain the rotating electrical machine 1 having a large torque and a large output.

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Abstract

実施形態によれば、回転電機の回転子は、シャフトと、回転子鉄心と、複数の永久磁石と、を持つ。２つの第１永久磁石は、極中心を中心に線対称に配置され、第１端部から第２端部に向かうに従って漸次極中心から離間するように配置されている。２つの第２永久磁石は、極中心を中心に線対称に配置され、第３端部から第４端部に向かうに従って漸次極中心から離間するように配置されている。角度θ１、θ２は、θ１＞θ２、７０度≦θ２≦１１０度、を満たすように設定されている。

Description

回転電機の回転子
　本発明の実施形態は、回転電機の回転子に関する。
　回転電機の中には、電機子巻線が巻装された固定子と、この固定子に対し回転自在に設けられ、回転子鉄心に永久磁石が埋め込まれている回転子と、を備えた永久磁石式回転電機がある。この種の回転電機は、永久磁石によって回転子鉄心に形成される表面磁束密度が、回転電機のトルク性能やトルクリップルに大きく影響する。このため、回転子鉄心の１極に複数の永久磁石を配置し、回転子鉄心の表面磁束密度を効率よく高める技術が提案されている。
　しかしながら、回転子鉄心の１極に複数の永久磁石を配置すると、回転子鉄心の表面磁束密度を高めることができるものの、電機子巻線に供給する電流の値が大きくなってしまう可能性があった。
特開２０１３－１２３３２７号公報 特開２００８－３０６８４９号公報
　本発明が解決しようとする課題は、高トルクを得ることができる回転電機の回転子を提供することである。
　実施形態の回転電機の回転子は、シャフトと、回転子鉄心と、回転軸線方向からみて長方形状の複数の永久磁石と、を持つ。シャフトは、回転軸線回りに回転する。回転子鉄心は、シャフトに固定され、複数極持つ。複数の永久磁石は、２つの第１永久磁石と、２つの第２永久磁石と、を持つ。また、回転子鉄心の１極のうち周方向中央を極中心とし、周方向両端を極端としたとき、２つの第１永久磁石は、極中心を中心に線対称に配置され、且つ回転軸線方向からみて長手方向の第１端部に対し長手方向の前記第１端部とは反対側の第２端部が径方向外側に位置する。また、２つの第１永久磁石は、第１端部から第２端部に向かうに従って漸次極中心から離間するように配置されている。２つの第２永久磁石は、極中心を中心に線対称に配置され、且つ回転軸線方向からみて長手方向の第３端部に対し長手方向の第３端部とは反対側の第４端部が径方向外側に位置する。また、２つの第２永久磁石は、第３端部から第４端部に向かうに従って漸次極中心から離間するように配置されている。さらに、２つの第２永久磁石は、２つの第１永久磁石の第１端部よりも第３端部が、シャフト側に位置するように、且つ２つの第１永久磁石の第２端部よりも第４端部が極端側に位置するように配置されている。そして、回転軸線方向からみて、２つの第１永久磁石の第２永久磁石とは反対側の短手方向の第１側面の間の角度をθ１とし、２つの第２永久磁石の第１永久磁石側の短手方向の第２側面の間の角度θ２としたとき、角度θ１、θ２は、θ１＞θ２、７０度≦θ２≦１１０度、を満たすように設定されている。
実施形態の回転電機を示し、回転軸線に直交する断面図。 図１の回転子を拡大した図。 図２のＡ部拡大図。 縦軸を電機子巻線に供給する電流の値とし、横軸を角度θ２としたときの電流の値の変化を示すグラフ。 縦軸を電機子巻線に供給する電流の値とし、横軸を（最短距離Ｌ２／最短距離Ｌ１）としたときの電流の値の変化を示すグラフ。 縦軸を電機子巻線に供給する電流の値とし、横軸を（（最短距離Ｒ１－最大距離Ｒ２）／最短距離Ｌ１）としたときの電流の値の変化を示すグラフ。 縦軸を回転電機のトルク値及び出力値とし、横軸を角度θ２としたときの回転電機のトルク及び出力の変化を示すグラフである。 縦軸を回転電機のトルク値及び出力値とし、横軸を（最短距離Ｌ２／最短距離Ｌ１）としたときの回転電機のトルク及び出力の変化を示すグラフ。 縦軸を回転電機のトルク値及び出力値とし、横軸を（（最短距離Ｒ１－最大距離Ｒ２）／最短距離Ｌ１）としたときの回転電機のトルク及び出力の変化を示すグラフ。
　以下、実施形態の回転電機の回転子を、図面を参照して説明する。
　図１は、回転電機１を示し、回転軸線Ｐに直交する断面図である。なお、回転電機１の回転子２は８極に設定されており、図１では、１極分、つまり、１／８周の周角度領域分のみを示している。　
　回転電機１は、略円筒状の固定子２０と、固定子２０よりも径方向内側に設けられ、固定子２０に対して回転自在に設けられた回転子２と、を備えている。なお、固定子２０及び回転子２は、それぞれの中心軸線が共通軸上に位置した状態で配置されている。以下、共通軸を回転軸線Ｐと称し、回転軸線Ｐ回りに周回する方向を周方向と称し、回転軸線Ｐ方向及び周方向に直交する方向を径方向と称する。
　固定子２０は、略円筒状の固定子鉄心２１を有している。固定子鉄心２１は、電磁鋼板を複数枚積層したり、軟磁性粉を加圧成形したりして形成することが可能である。固定子鉄心２１の内周面には、回転軸線Ｐに向かって突出し、周方向に等間隔で配列された複数（例えば、本実施形態では４８個）のティース２２が一体成形されている。ティース２２は、断面略矩形状に形成されている。そして、隣接する各ティース２２間には、それぞれスロット２３が形成されている。これらスロット２３を介し、各ティース２２に電機子巻線２４が巻回されている。この電機子巻線２４に電流を供給することにより、固定子２０（ティース２２）に所定の鎖交磁束が形成される。
　図２は、図１の回転子２を拡大した図である。　
　同図に示すように、回転子２は、回転軸線Ｐに沿って延び、この回転軸線Ｐ回りに回転するシャフト３と、シャフト３に外嵌固定された略円柱状の回転子鉄心４と、を備えている。回転子鉄心４の径方向中央には、シャフト３を挿入、又は圧入可能な貫通孔５が形成されている。
　ここで、本実施形態の回転子鉄心４において、固定子２０によって形成される鎖交磁束の流れ易い方向をｑ軸と称する。また、ｑ軸に対して電気的、磁気的に直交する径方向に沿った方向をｄ軸と称する。すなわち、回転子鉄心４の外周面４ａの任意の周角度位置に正の磁位（例えば磁石のＮ極を近づける）、これに対して１極分（本実施形態の場合は機械角で４５度）ずれた他の任意の周角度位置に負の磁位（例えば磁石のＳ極を近づける）を与え、任意の位置を周方向へずらしていった場合に最も多くの磁束が流れる時の回転軸線Ｐから任意の位置に向かう方向をｑ軸と定義する。そして、このｑ軸に対して電気的、磁気的に直交する径方向に沿った方向をｄ軸と定義する。
　つまり、回転子鉄心４の１極分とは、ｑ軸間の領域（１／８周の周角度領域）をいう。このため、回転子鉄心４は、８極に構成されている。また、本実施形態の回転子鉄心４では、１極のうちの周方向中央がｄ軸となる。　
　なお、以下の説明では、ｄ軸を極中心Ｅ１と称し、ｑ軸（１／８周の周角度領域の周方向両端）を極端Ｅ２と称して説明する。
　回転子鉄心４には、１極ごとに、それぞれ２つの第１永久磁石７と２つの第２永久磁石１４が埋設されている。具体的には、回転子鉄心４に各永久磁石７，１４の形状に対応する磁石収納孔６，１３が形成されており、この磁石収納孔６，１３を埋めるように各永久磁石７，１４が配置されている。そして、永久磁石７，１４は、回転子鉄心４の磁石収納孔６，１３に、それぞれ例えば接着剤等により固定されている。
　２つの第１永久磁石７及び２つの第２永久磁石１４は、それぞれ回転軸線Ｐ１方向からみて矩形の板状の磁石である。　
　なお、以下の説明では、各永久磁石７，１４の部位を指すにあたり、回転軸線Ｐ１方向からみた長手方向を単に長手方向と称し、回転軸線Ｐ１方向からみた短手方向を単に短手方向と称して説明する。
　２つの第１永久磁石７は、極中心Ｅ１を中心に線対称に配置されている。また、２つの第１永久磁石７は、長手方向で極中心Ｅ１側の第１端部（請求項の「第１端部」に相当）７ａに対し、この第１端部７ａとは反対側の第２端部（請求項の「第２端部」に相当）７ｂが径方向外側に位置するように配置されている。さらに、２つの第１永久磁石７は、第１端部７ａから第２端部７ｂに向かうに従って漸次極中心Ｅ１から離間するように配置されている。
　このように配置された第１永久磁石７は、各第１永久磁石７における回転子鉄心４の外周面４ａ側の磁束密度が高くなり、回転子鉄心４の表面磁束密度の高調波を低減できる。また、極中心Ｅ１に第１永久磁石７の磁束が集中し易くなる。すなわち、１／８周の周角度領域のそれぞれに配置された２つの第１永久磁石７は、磁化方向が同じとなる。つまり、例えば、１／８周の周角度領域のそれぞれに配置された２つの第１永久磁石７は、それぞれ径方向外側の面がＮ極に着磁されているとする。この場合、周方向で隣り合う別の１／８周の周角度領域に配置された２つの第１永久磁石７は、それぞれ径方向外側の面がＳ極に着磁されている。
　第１永久磁石７の長手方向両端部７ａ，７ｂには、４つのフラックスバリア９～１２（第１フラックスバリア９、第２フラックスバリア１０、第３フラックスバリア１１、第４フラックスバリア１２）が形成されている。各フラックスバリア９～１２は、回転子鉄心４を軸方向に貫通する空洞部である。各フラックスバリア９～１２は、第１永久磁石７の長手方向両端部７ａ，７ｂから回転子鉄心４への磁束漏れを抑制する。
　より具体的には、第１フラックスバリア９は、第１永久磁石７の第２端部７ｂ側で、且つ短手方向の第２永久磁石１４側の第１側面７ｃから第２永久磁石１４に向かって形成される空洞部である。
　第２フラックスバリア（請求項の「第１空洞部」に相当）１０は、第１永久磁石７の第２端部７ｂ側で、且つ第１フラックスバリア９を避けた位置に形成された空洞部である。また、第２フラックスバリア１０は、回転軸線Ｐからみて、第１永久磁石７の第２端部７ｂから回転子鉄心４の外周面４ａに向かって先細りとなるように形成されている。　
　すなわち、第２フラックスバリア１０は、第１内側面１０ａと、第２内側面１０ｂと、円弧面１０ｃと、が連続形成されたものである。第１内側面１０ａは、回転子鉄心４の外周面４ａとほぼ同心円上に形成されている。第２内側面１０ｂは、第１永久磁石７の第２端部７ｂにおける短手方向略中央から第１永久磁石７の長手方向に沿って延出されている。円弧面１０ｃは、第１内側面１０ａと第２内側面１０ｂとに跨るように形成されている。
　第３フラックスバリア１１は、第１永久磁石７の第１端部７ａで、且つ短手方向で第１側面７ｃとは反対側の第２側面（請求項の「第１側面」に相当）７ｄから回転子鉄心４の外周面４ａに向かって形成される空洞部である。
　第４フラックスバリア（請求項の「第３空洞部」に相当）１２は、第１永久磁石７の第１端部７ａ側で、且つ第３フラックスバリア１１を避けた位置に形成された空洞部である。
　一方、２つの第２永久磁石１４も第１永久磁石７と同様に、極中心Ｅ１を中心に線対称に配置されている。第２永久磁石１４は、長手方向の長さＷ２が第１永久磁石７の長手方向の長さＷ１よりも長く設定されている。例えば、長さＷ２は、長さＷ１の約２倍程度に設定されている。
　そして、２つの第２永久磁石１４は、長手方向で極中心Ｅ１側の第３端部（請求項の「第３端部」に相当）１４ａが、第１永久磁石７の第１端部７ａよりも径方向内側（シャフト３側）に位置するように配置されている。さらに、第２永久磁石１４は、第３端部１４ａに対し、この第３端部１４ａとは反対側の第４端部（請求項の「第４端部」に相当）１４ｂが径方向外側に位置するように配置されている。　
　また、２つの第２永久磁石１４は、第４端部１４ｂが、第１永久磁石７の第２端部７ｂよりも極端Ｅ２側に位置するように配置されている。さらに、２つの第２永久磁石１４は、第３端部１４ａから第４端部１４ｂに向かうに従って漸次極中心Ｅ１から離間するように配置されている。
　２つの第２永久磁石１４の磁化方向は、第１永久磁石７の磁化方向と同様である。すなわち、例えば、同一の１／８周の周角度領域に配置された第１永久磁石７のそれぞれ径方向外側の面がＮ極に着磁され、径方向内側の面がＳ極に着磁されているとする。この場合、第２永久磁石１４のそれぞれ径方向外側の面もＮ極に着磁され、径方向内側の面もＳ極に着磁される。これにより、第１永久磁石７の磁束の流れの向きと第２永久磁石１４の磁束の流れの向きとが一致する。この結果、第２永久磁石１４の磁束が第１永久磁石７の磁束を補う形になる。このため、回転子鉄心４の表面磁束密度が高まる。
　第２永久磁石１４の長手方向両端部１４ａ，１４ｂには、４つのフラックスバリア１６～１９（第５フラックスバリア１６、第６フラックスバリア１７、第７フラックスバリア１８、第８フラックスバリア１９）が形成されている。各フラックスバリア１６～１９は、回転子鉄心４を軸方向に貫通する空洞部である。各フラックスバリア１６～１９は、第２永久磁石１４の長手方向両端部１４ａ，１４ｂから回転子鉄心４への磁束漏れを抑制する。
　より具体的には、第５フラックスバリア１６は、第２永久磁石１４の第４端部１４ｂ側で、且つ短手方向の極端Ｅ２側の第３側面１４ｃから極端Ｅ２に向かって形成される空洞部である。
　第６フラックスバリア（請求項の「第２空洞部」に相当）１７は、第２永久磁石１４の第４端部１４ｂ側で、且つ第５フラックスバリア１６を避けた位置に形成された空洞部である。また、第６フラックスバリア１７は、回転軸線Ｐからみて、第２永久磁石１４の第４端部１４ｂから極端Ｅ２側に向かって先細りとなるように形成されている。
　すなわち、第６フラックスバリア１７は、第１内側面１７ａと、第２内側面１７ｂと、第３内側面１７ｃと、円弧面１７ｄと、が連続形成されたものである。第１内側面１７ａは、第２永久磁石１４の短手方向における第１永久磁石７側の第４側面（請求項の「第２側面」に相当）１４ｄから回転子鉄心４の外周面４ａに向かって延出されている。第２内側面１７ｂは、第１内側面１７ａから一旦第１永久磁石７側に向かって膨らんだ後、回転子鉄心４の外周面４ａとほぼ同心円上に沿って延出されている。第３内側面１７ｃは、第２永久磁石収納孔１３の短手方向略中央から極端Ｅ２に向かって斜めに延出されている。円弧面１７ｄは、第２内側面１７ｂと第３内側面１７ｃとに跨るように形成されている。
　第７フラックスバリア１８は、第２永久磁石１４の第３端部１４ａで、且つ短手方向で極端Ｅ２側の第３側面１４ｃから極端Ｅ２に向かって形成される空洞部である。　
　第８フラックスバリア（請求項の「第４空洞部」に相当）１９は、第２永久磁石１４の第３端部１４ａ側で、第７フラックスバリア１８を避けた位置に形成された空洞部である。
　より具体的には、第８フラックスバリア１９は、第１内側面１９ａと、第２内側面１９ｂと、第３内側面１９ｃと、が連続形成されたものである。第１内側面１９ａは、第２永久磁石１４の第３端部１４ａにおける第１永久磁石７側の角部からｄ軸（極中心Ｅ１）に対し、機械角でほぼ直交する方向に沿って延出されている。第２内側面１９ｂは、第２永久磁石収納孔１３の第３端部１４ａの短手方向略中央から第２永久磁石１４の長手方向に沿って延出されている。第３内側面１９ｃは、第１内側面１９ａと第２内側面１９ｂとに跨り、ｄ軸に沿って延出されている。
　この他、回転子鉄心４には、極端Ｅ２の径方向略中央に空洞部を形成し、この空洞部を第９フラックスバリア３０としている。第９フラックスバリア３０は、径方向外側から径方向内側に向かって徐々に開口面積が大きくなるように形成されている。第９フラックスバリア３０も、磁束を通り難くすることにより、固定子２０の鎖交磁束の流れや第２永久磁石１４の磁束の流れを規制する。また、第９フラックスバリア３０を形成することにより、回転子鉄心４の軽量化を図ることができる。
　このような構成のもと、固定子２０の電機子巻線２４に電流を供給すると、鎖交磁束が形成される。この鎖交磁束と回転子２の各永久磁石７，１４による磁束との間で磁気的な吸引力や反発力が生じ、回転子２が回転する。　
　また、回転子２には、第１永久磁石７と第２永久磁石１４との間に、ｑ軸磁路が形成される。一方、ｄ軸は、各永久磁石７，１４や極中心Ｅ１側に形成される各フラックスバリア１１，１２，１９により、殆ど磁路が形成されない。このため、回転子鉄心４に固定子２０の鎖交磁束が流れやすい方向と流れにくい方向とが形成される。そして、これにより発生するリラクタンスが、回転子２の回転に寄与される。　
　このように、回転子２は、各永久磁石７，１４による磁束と、リラクタンストルクと、により、効率よく回転する。そして、回転子２の回転トルクを向上させることができる。
　次に、第２永久磁石１４の位置について詳述する。　
　まず、１極あたりの２つの第２永久磁石１４は、第４側面１４ｄの間の角度θ２が、対応する２つの第１永久磁石７における第２側面７ｄの間の角度θ１よりも小さく設定されている。このうえ、角度θ２は、
　θ２＝８０±１０度　・・・（１）
を満たすように設定されている。そのため、７０度≦θ２≦９０度である。
　次に、第１永久磁石７と第２永久磁石１４との相対位置関係について詳述する。　
　図３は、図２のＡ部拡大図である。　
　同図に示すように、第２永久磁石１４の長手方向に平行で、且つ第６フラックスバリア１７の最も第１永久磁石７側で接する直線Ｓ１、つまり、第２内側面１７ｂの最も第１永久磁石７側で接する直線Ｓ１と、回転軸線Ｐ（図２参照）を中心とする第６フラックスバリア１７の第２内側面１７ｂの外接円Ｃと、の交点をＸとする。そして、この交点Ｘと第１永久磁石７の第２フラックスバリア１０との最短距離、つまり、交点Ｘから第２フラックスバリア１０の円弧面１０ｃまでの距離をＬ１とする。さらに、第１永久磁石７と第２永久磁石１４との間の最短距離（第１永久磁石７の第１側面７ｃと第２永久磁石１４の第４側面１４ｄとの間の最短距離）をＬ２とする。このとき、各最短距離Ｌ１，Ｌ２は、
　０．８５≦Ｌ２／Ｌ１≦１．０３　・・・（２）
を満たすように設定されている。
　また、図２に示すように、第１永久磁石７の第４フラックスバリア１２を極中心Ｅ１に投影したときの回転軸線Ｐからの最短距離をＲ１とする。最短距離をＲ１は、回転軸線Ｐに垂直な方向にて、回転軸線Ｐから第４フラックスバリア１２の投影図までの最短距離である。さらに、第２永久磁石１４の第８フラックスバリア１９を極中心Ｅ１に投影したときの回転軸線Ｐからの最大距離（第８フラックスバリア１９の第１内側面１９ａまでの距離）をＲ２とする。最大距離Ｒ２は、回転軸線Ｐに垂直な方向にて、回転軸線Ｐから第８フラックスバリア１９の投影図までの最大距離である。このとき、上記最短距離Ｌ１、最短距離Ｒ１及び最大距離Ｒ２は、
　Ｌ１≦Ｒ１－Ｒ２　・・・（３）
を満たすように設定されている。
　次に、上記のような第１永久磁石７と第２永久磁石１４との相対位置関係における作用、効果について説明する。　
　図４は、縦軸を固定子２０の電機子巻線２４に供給する電流の値とし、横軸を角度θ２としたときの電流の値の変化を示すグラフである。　
　同図に示すように、角度θ２が８０度のときに電流値が最も下がり、角度θ２が上記式（１）を満たすとき、電流値が最下限値と同程度に抑えられていることが確認できる。
　図５は、縦軸を固定子２０の電機子巻線２４に供給する電流の値とし、横軸を「最短距離Ｌ２／最短距離Ｌ１」としたときの電流の値の変化を示すグラフである。　
　同図に示すように、Ｌ２／Ｌ１≒０．９５であるときに電流値が最も下がり、Ｌ２／Ｌ１が上記式（２）を満たすとき、所望の電流値Ｉ以下に抑えられていることが確認できる。
　図６は、縦軸を固定子２０の電機子巻線２４に供給する電流の値とし、横軸を「（最短距離Ｒ１－最大距離Ｒ２）／最短距離Ｌ１」としたときの電流の値の変化を示すグラフである。　
　同図に示すように、（Ｒ１－Ｒ２）／Ｌ１≒１．３であるときに電流値が最も下がり、各距離Ｌ１，Ｒ１，Ｒ２が上記式（３）を満たすとき、つまり、１≦（Ｒ１－Ｒ２）／Ｌ１のとき、電流値が最下限値と同程度に抑えられていることが確認できる。
　このように、上述の実施形態では、回転子鉄心４の１極のうち周方向中央を極中心Ｅ１とし、周方向両端を極端Ｅ２としたとき、回転子鉄心４の１極あたりに、極中心Ｅ１を中心に線対称に配置される２つの第１永久磁石７及び２つの第２永久磁石１４を設けている。また、第１永久磁石７は、第１端部７ａに対し、第２端部７ｂが径方向外側に位置するように配置されていると共に、第１端部７ａから第２端部７ｂに向かうに従って漸次極中心Ｅ１から離間するように配置されている。　
　一方、２つの第２永久磁石１４は、第３端部１４ａが、第１永久磁石７の第１端部７ａよりも径方向内側（シャフト３側）に位置するように配置されている。さらに、第２永久磁石１４は、第３端部１４ａに対し、第４端部１４ｂが径方向外側に位置するように配置されている。そして、２つの第２永久磁石１４は、第４端部１４ｂが、第１永久磁石７の第２端部７ｂよりも極端Ｅ２側に位置するように配置されていると共に、第３端部１４ａから第４端部１４ｂに向かうに従って漸次極中心Ｅ１から離間するように配置されている。
　このため、第１永久磁石７の磁束を、第２永久磁石１４の磁束が補う形になり、回転子鉄心４の表面磁束密度を高めることができる。しかも、回転子鉄心４に固定子２０の鎖交磁束が流れやすい方向と流れにくい方向とが形成され、これにより発生するリラクタンスも回転子２の回転に利用することができる。この結果、回転子２の回転トルクを向上させることができる。
　そして、このような構成のうえで、１極あたりの２つの第２永久磁石１４は、第４側面１４ｄの間の角度θ２が、対応する２つの第１永久磁石７における第２側面７ｄの間の角度θ１よりも小さく設定されている。さらに、角度θ２は、上記式（１）を満たすように設定されている。このため、固定子２０の電機子巻線２４に供給する電流値を低減しつつ、回転子２のトルクを高めることができる。
　また、上記式（１）を満たすことに加え、各最短距離Ｌ１，Ｌ２（図２参照）を、上記式（２）を満たすように設定することにより、固定子２０の電機子巻線２４に供給する電流値を確実に下げることができる。　
　さらに、上記式（１）を満たすことに加え、各最短距離Ｌ１，Ｒ１及び最大距離Ｒ２（図２参照）を、上記式（３）を満たすように設定することにより、固定子２０の電機子巻線２４に供給する電流値を確実に下げることができる。
　なお、上述の実施形態では、固定子鉄心２１は、４８個のティース２２を有している場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、ティース２２の個数は、回転子２を回転可能な任意の個数に設定されていればよい。　
　また、上述の実施形態では、各フラックスバリア９～１２，１６～１９，３０は、回転子鉄心４に形成された空洞部である場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、磁束を通りにくくするように構成されていればよい。例えば、各フラックスバリア９～１２，１６～１９，３０の空洞部に樹脂等を充填してもよい。樹脂を充填することにより、回転子鉄心４の機械的強度を高めることができる。
　以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、第１永久磁石７の磁束を、第２永久磁石１４の磁束が補う形になり、回転子鉄心４の表面磁束密度を高めることができる。しかも、回転子鉄心４に固定子２０の鎖交磁束が流れやすい方向と流れにくい方向とが形成され、これにより発生するリラクタンスも回転子２の回転に利用することができる。この結果、回転子２の回転トルクを向上させることができる。
　そして、このような構成のうえで、１極あたりの２つの第２永久磁石１４は、開口側（径方向外側）の角度θ２が、対応する２つの第１永久磁石７の開口側（径方向外側）の角度θ１よりも小さく設定されている。さらに、角度θ２は、上記式（１）を満たすように設定されている。このため、固定子２０の電機子巻線２４に供給する電流値を低減しつつ、回転子２の回転トルクを向上させることができる。
　さらに、上記式（１）を満たすことに加え、各最短距離Ｌ１，Ｌ２（図２参照）を、上記式（２）を満たすように設定することにより、固定子２０の電機子巻線２４に供給する電流値を確実に下げることができる。　
　また、上記式（１）を満たすことに加え、各最短距離Ｌ１，Ｒ１及び最大距離Ｒ２（図２参照）を、上記式（３）を満たすように設定することにより、固定子２０の電機子巻線２４に供給する電流値を確実に下げることができる。
　（他の実施形態）
　次に、他の実施形態の回転電機１の回転子２について説明する。本実施形態の回転子２は、回転電機１のトルクを大きくすることができ、回転電機１の高出力化に寄与することができる。なお、以下に記載すること以外、本実施形態の回転電機１は、上述した実施形態の回転電機と同様に構成されている。
　まず、本実施形態の第１永久磁石７と第２永久磁石１４との位置について説明する。本実施形態においても、角度θ２は角度θ１よりも小さく設定されている。このうえ、角度θ２は、
　θ２＝１００±１０度　・・・（４）
を満たすように設定されている。そのため、９０度≦θ２≦１１０度である。
　次に、第１永久磁石７と第２永久磁石１４との相対位置関係について詳述する。本実施形態において、各最短距離Ｌ１，Ｌ２は、
　０．８３≦Ｌ２／Ｌ１≦１．０７　・・・（５）
を満たすように設定されている。
　また、最短距離Ｌ１、最短距離Ｒ１及び最大距離Ｒ２は、
　１．８１≦（Ｒ１－Ｒ２）／Ｌ１≦２．１４　・・・（６）
を満たすように設定されている。
　次に、上記のような第１永久磁石７と第２永久磁石１４との相対位置関係における作用、効果について説明する。　
　図７は、縦軸を回転電機１のトルク値及び出力値とし、横軸を角度θ２としたときの回転電機１のトルク及び出力の変化を示すグラフである。図７では、上記トルク値及び出力値をそれぞれ相対値で表している。
　同図に示すように、角度θ２が実質的に９０度のときに、回転電機１のトルク値が最大になることが確認できる。そして、角度θ２が９０度より大きくなるにしたがって回転電機１のトルクは低下していき、角度θ２が実質的に１１０度を超えると回転電機１のトルクの低下が大きくなっていくことが確認できる。一方で、回転電機１の出力は、角度θ２が９０度より大きくなるにしたがって、大きくなっていくことが確認できる。角度θ２が実質的に１１０度となるとき、上記トルクの変化を示すグラフと上記出力の変化を示すグラフとが交差している。そこで、角度θ２が上記式（４）を満たすとき、トルクが大きく出力も大きい回転電機１を得ることができる。
　同じサイズである２種類の回転電機１のトルクを比較した場合、９０度≦θ２≦１１０度である回転電機１のトルクを、θ２＜９０度である回転電機１のトルクより大きくすることができる。又は、トルク値が同じである２種類の回転電機１のサイズ及び重量を比較した場合、９０度≦θ２≦１１０度である回転電機１を、θ２＜９０度である回転電機１より小型かつ軽量とすることができる。例えば、９０度≦θ２≦１１０度である回転電機１において、θ２＜９０度である回転電機１と比較し、第２永久磁石１４の配置領域のうち径方向の長さを短くすることができるため、回転子２（回転子鉄心４）の直径を小さくすることができる。　
　上記のことから、９０度≦θ２≦１１０度とすることにより、回転電機１のトルクを大きくすることができる。又は、回転子２（回転子鉄心４）の小型軽量化を図ることができる。又は、回転電機１のトルクを大きくしつつ、回転子２（回転子鉄心４）の小型軽量化を図ることができる。　
　また、角度θ２を９０度以上にすることで回転電機１の出力を大きくすることができるため、エネルギ効率を高めることができ得る。
　図８は、縦軸を回転電機１のトルク値及び出力値とし、横軸を「最短距離Ｌ２／最短距離Ｌ１」としたときの回転電機１のトルク及び出力の変化を示すグラフである。図８では、上記トルク値及び出力値をそれぞれ相対値で表している。　
　同図に示すように、Ｌ２／Ｌ１が実質的に０．８３となるとき、上記トルクの変化を示すグラフと上記出力の変化を示すグラフとが交差していることが確認できる。Ｌ２／Ｌ１が実質的に１．０７以下となるとき、回転電機１のトルクの低下がほぼなく出力が維持されていることが確認できる。そこで、Ｌ２／Ｌ１が上記式（５）を満たすとき、トルクが大きく出力も大きい回転電機１を得ることができる。
　図９は、縦軸を回転電機１のトルク値及び出力値とし、横軸を「（最短距離Ｒ１－最大距離Ｒ２）／最短距離Ｌ１」としたときの回転電機１のトルク及び出力の変化を示すグラフである。　
　同図に示すように、（Ｒ１－Ｒ２）／Ｌ１が実質的に１．８１となるとき、上記トルクの変化を示すグラフと上記出力の変化を示すグラフとが交差していることが確認できる。（Ｒ１－Ｒ２）／Ｌ１が実質的に２．１４以下となるとき、回転電機１のトルクの低下がほぼなく出力が維持されていることが確認できる。そこで、（Ｒ１－Ｒ２）／Ｌ１が上記式（６）を満たすとき、トルクが大きく出力も大きい回転電機１を得ることができる。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Claims (5)

  1. 　回転軸線回りに回転するシャフトと、
    　前記シャフトに固定され、複数極有する回転子鉄心と、
    　前記回転子鉄心の極毎に配置され、前記回転軸線方向からみて長方形状の複数の永久磁石と、
    を備え、
    　前記回転子鉄心の１極のうち周方向中央を極中心とし、周方向両端を極端としたとき、前記複数の永久磁石は、
    　　前記極中心を中心に線対称に配置され、且つ前記回転軸線方向からみて長手方向の第１端部に対し長手方向の前記第１端部とは反対側の第２端部が径方向外側に位置すると共に、前記第１端部から前記第２端部に向かうに従って漸次前記極中心から離間するように配置された２つの第１永久磁石と、
    　　前記極中心を中心に線対称に配置され、且つ前記回転軸線方向からみて長手方向の第３端部に対し長手方向の前記第３端部とは反対側の第４端部が径方向外側に位置すると共に、前記第３端部から前記第４端部に向かうに従って漸次前記極中心から離間するように配置された２つの第２永久磁石と、
    　を有し、
    　前記２つの第２永久磁石は、前記２つの第１永久磁石の前記第１端部よりも前記第３端部が、前記シャフト側に位置するように、且つ前記２つの第１永久磁石の前記第２端部よりも前記第４端部が前記極端側に位置するように配置され、
    　前記回転軸線方向からみて、前記２つの第１永久磁石の前記第２永久磁石とは反対側の短手方向の第１側面の間の角度をθ１とし、前記２つの第２永久磁石の前記第１永久磁石側の短手方向の第２側面の間の角度θ２としたとき、
    　前記角度θ１、θ２は、
    　θ１＞θ２
    　７０度≦θ２≦１１０度
    　を満たすように設定されている
    回転電機の回転子。
  2. 　前記角度θ１、θ２は、
    　７０度≦θ２≦９０度
    　を満たすように設定され、
    　前記回転子鉄心には、前記第１永久磁石の前記第２端部から外周面側に向かって拡がる第１空洞部が形成されていると共に、前記第２永久磁石の前記第４端部から外周面側に向かって拡がる第２空洞部が形成されており、
    　前記第２永久磁石の前記第２側面と平行で、且つ前記第２空洞部の最も前記第１永久磁石側で接する直線と、前記回転軸線を中心とする前記第２空洞部の外接円との交点をＸとし、
    　前記交点Ｘと前記第１空洞部との最短距離をＬ１とし、
    　前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との最短距離をＬ２としたとき、各前記最短距離Ｌ１，Ｌ２は、
    　０．８５≦Ｌ２／Ｌ１≦１．０３
    を満たすように設定されている
    請求項１に記載の回転電機の回転子。
  3. 　前記回転子鉄心には、前記第１永久磁石の前記第１端部から前記極中心側に向かって拡がる第３空洞部が形成されていると共に、前記第２永久磁石の前記第３端部から前記極中心側に向かって拡がる第４空洞部が形成されており、
    　前記第３空洞部を前記極中心に投影したときの前記回転軸線からの最短距離をＲ１とし、
    　前記第４空洞部を前記極中心に投影したときの前記回転軸線からの最大距離をＲ２としたとき、前記最短距離Ｌ１，Ｒ１、および前記最大距離Ｒ２は、
    　Ｌ１≦Ｒ１－Ｒ２
    を満たすように設定されている
    請求項２に記載の回転電機の回転子。
  4. 　前記角度θ１、θ２は、
    　９０度≦θ２≦１１０度
    　を満たすように設定され、
    　前記回転子鉄心には、前記第１永久磁石の前記第２端部から外周面側に向かって拡がる第１空洞部が形成されていると共に、前記第２永久磁石の前記第４端部から外周面側に向かって拡がる第２空洞部が形成されており、
    　前記第２永久磁石の前記第２側面と平行で、且つ前記第２空洞部の最も前記第１永久磁石側で接する直線と、前記回転軸線を中心とする前記第２空洞部の外接円との交点をＸとし、
    　前記交点Ｘと前記第１空洞部との最短距離をＬ１とし、
    　前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との最短距離をＬ２としたとき、各前記最短距離Ｌ１，Ｌ２は、
    　０．８３≦Ｌ２／Ｌ１≦１．０７
    を満たすように設定されている
    請求項１に記載の回転電機の回転子。
  5. 　前記回転子鉄心には、前記第１永久磁石の前記第１端部から前記極中心側に向かって拡がる第３空洞部が形成されていると共に、前記第２永久磁石の前記第３端部から前記極中心側に向かって拡がる第４空洞部が形成されており、
    　前記第３空洞部を前記極中心に投影したときの前記回転軸線からの最短距離をＲ１とし、
    　前記第４空洞部を前記極中心に投影したときの前記回転軸線からの最大距離をＲ２としたとき、前記最短距離Ｌ１，Ｒ１、および前記最大距離Ｒ２は、
    　１．８１≦（Ｒ１－Ｒ２）／Ｌ１≦２．１４
    を満たすように設定されている
    請求項４に記載の回転電機の回転子。
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