WO2020194593A1

WO2020194593A1 - 回転電機

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Publication number: WO2020194593A1
Application number: PCT/JP2019/013326
Authority: WO
Inventors: 貴裕水田; 一将伊藤; 貴之安盛
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-10-01
Also published as: US20220085674A1; JP6631763B1; CN113615041A; KR20210120100A; DE112019007108T5; JPWO2020194593A1; KR102652587B1

Abstract

固定子に設けられた磁石部に発生する渦電流損失を低減する回転電機を得る。　回転子（２）と、回転子（２）の径方向に対向して配置された固定子（３）とを備える。固定子（３）は、固定子コア（７）、固定子コイル（８）及び磁石部（９）を有する。固定子コア（７）は、コアバック（１０）とティース（１１）とを有し、ティース（１１）はコアバック（１０）から回転子（２）に向かって突出すると共に周方向に沿って配列されている。固定コイル（８）は、複数のティース（１１）の各々に巻回され、周方向に隣り合うティース（１１）同士の間に形成されたスロット（１２）に配置される。磁石部（９）は、ティース（１１）の各々において複数の永久磁石（９１）で形成される。複数の永久磁石（９１）は、周方向に互いに同じ磁極を有し、ティース（１１）の突出方向に配列される。

Description

回転電機

　本発明は、永久磁石が設けられた固定子を備えた回転電機に関する。

　産業用のモータや車載用のモータなどの回転電機においては、小型化、高出力化、高速化が求められている。これらの要求に応える回転電機として、回転子が鉄心で構成され、固定子側にコイルと永久磁石が設けられた回転電機が提案されている。例えば特許文献１には、一次側磁極部材が複数の歯モジュールを有し、複数の歯モジュールは巻線と少なくとも１個の永久磁石を備え、永久磁石が単体又は分割構造で形成される回転電機が開示されている。

　回転電機の回転子を回転させると、コイルに流れる電流によって発生される磁束が永久磁石に鎖交し、磁束の変動を打ち消すように永久磁石に渦電流が流れ、渦電流損失を引き起こす。特に固定子側に永久磁石が設けられた回転電機では、回転磁界に対し永久磁石が静止しているため非常に大きな渦電流損失が発生し、回転電機の効率を低下させる。この問題に対し、例えば特許文献２では、界磁用の磁石として主成分の一つが絶縁性の樹脂であるボンド磁石を採用している。ボンド磁石は導電率が低いため、ボンド磁石に生じる渦電流を低減することができるが、導電率が低いボンド磁石を用いた場合、焼結磁石よりも磁力が劣るため出力低下が発生する。

　また、回転子側に永久磁石が設けられた回転電機においては、永久磁石を分割することにより渦電流損失を低減することが提案されている。例えば特許文献３では、ロータコアの軸方向に沿って分割した第１磁石片によって形成された第１永久磁石と、ロータコアの軸方向と交差する方向に沿って分割した第２磁石片によって形成された第２永久磁石とを備え、第１永久磁石及び第２永久磁石がロータコアの磁石孔にそれぞれ挿入される永久磁石型回転電機が提案されている。

特表２００９－５０９４９０号公報特開２０１６－３２３８５号公報特開２０１３－１７６２５９号公報

　しかしながら、固定子側に永久磁石が設けられた回転電機においては渦電流損失を低減するように永久磁石を分割することについて検討されておらず、永久磁石を分割して配置する方向によっては、渦電流を効率的に抑制し、渦電流損失を低減することが困難であった。

　本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、回転電機の固定子側に設けられた永久磁石に発生する渦電流損失を低減する回転電機を得ることを目的とする。

　本発明に係る回転電機は、回転子と、回転子の径方向に間隔を空けて対向して配置された固定子とを有し、固定子は、筒状のコアバックと複数のティースとを有し、複数のティースの各々がコアバックから回転子に向かって突出すると共に回転子の周方向に沿って設けられた固定子コアと、複数のティースの各々に巻回され、周方向に隣り合うティース同士の間に形成されたスロットに配置された固定子コイルと、複数のティースの各々に複数の永久磁石を有し、複数の永久磁石の各々が周方向に互いに同じ磁極を有すると共にティースの突出方向に配列された磁石部とを備える。

　また本発明に係る回転電機は、回転子と、回転子の径方向に間隔を空けて対向して配置された固定子とを有し、固定子は、筒状のコアバックと複数のティースとを有し、複数のティースの各々がコアバックから回転子に向かって突出すると共に回転子の周方向に沿って設けられた固定子コアと、複数のティースの各々に巻回され、周方向に隣り合うティース同士の間に形成されたスロットに配置された固定子コイルと、複数のティースの各々に永久磁石を有し、永久磁石が周方向に着磁されると共に永久磁石のティースの突出方向及び回転子の軸方向の双方に沿った面に回転子の軸方向に延びた溝部が形成された磁石部とを備える。

　本発明に係る回転電機によれば、複数の永久磁石の各々が周方向に互いに同じ磁極を有すると共にティースの突出方向に配列された磁石部又は、永久磁石が周方向に着磁されると共に永久磁石のティースの突出方向及び軸方向の双方に沿った面に回転子の軸方向に延びた溝部が形成された磁石部を備えることにより、渦電流の経路がティースの突出方向に分断されるため、永久磁石に流れる渦電流の大きさを効率的に抑制し、渦電流損失を低減することができる。

本発明の実施の形態１に係る回転電機の概略構成を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る回転電機の概略構成を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る回転電機の他の例の概略構成を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る回転電機の一部を拡大した概略構成図である。本発明の実施の形態１に係る回転電機の一部を拡大した概略構成図である。本発明の実施の形態１に係る回転電機の永久磁石に発生する渦電流を説明するための説明図である。本発明の実施の形態１に係る回転電機の永久磁石に発生する渦電流の大きさと永久磁石のティースの突出方向の距離との関係を示す関係図である。本発明の実施の形態１に係る回転電機の永久磁石に発生する渦電流の大きさと永久磁石のティースの突出方向の距離との関係を示す関係図である。本発明の実施の形態１に係る回転電機の他の例の概略構成を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る回転電機の他の例の概略構成を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る回転電機の一部を拡大した概略構成図である。本発明の実施の形態３に係る回転電機の一部を拡大した概略構成図である。本発明の実施の形態４に係る回転電機の一部を拡大した概略構成図である。本発明の実施の形態４に係る回転電機の永久磁石に発生する渦電流を説明するための説明図である。本発明の実施の形態４に係る回転電機の一部を拡大した概略構成図である。本発明の実施の形態５に係る回転電機の一部を拡大した概略構成図である。本発明の実施の形態５に係る回転電機の他の例の概略構成を示す断面図である。本発明の実施の形態６に係る回転電機の概略構成を示す断面図である。

　以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。各図において同一又は相当部分については同一符号を付して説明する。

　実施の形態１．
　図１、図２は、本発明の実施の形態１に係る回転電機の概略構成を示す断面図である。図１は、回転軸の軸方向に直交する断面図、図２は、回転軸の軸方向に沿った断面図であり、図１のＡ１－Ａ２線に沿った断面図である。図１に示すように、回転電機１は、回転子２と、回転子２の径方向外側に間隔を空けて、回転子２を周方向に囲んで配置された固定子３とを備える。

　以下の説明では、回転子２の回転方向を周方向、回転子２の回転軸４の方向を軸方向、回転子２の回転中心から外周側に向かう方向を径方向とする。また、以下の説明において、直交する方向とは、略直交する方向も含む。

　回転子２は、回転軸４と、回転軸４に取り付けられた回転子コア５とを有する。回転子コア５は、焼き嵌めや圧入などにより回転軸４に固定されている。回転子コア５は、径方向外側に突出した複数の突部６が設けられている。各突部６は、回転子コア５の周方向に互いに間隔を空けて設けられている。

　固定子３は、固定子コア７、固定子コイル８及び磁石部９を有している。固定子コア７は、例えば電磁鋼板が軸方向に沿って積層された磁性体である。固定子コア７は、筒状のコアバック１０と、コアバック１０の内周面側から径方向内側に突出した複数のティース１１とを有している。すなわち、各ティース１１は、コアバック１０から回転子２に向かって突出する共に周方向に沿って互いに間隔を空けて設けられている。周方向に隣り合うティース１１同士の間には、それぞれ回転子２に向けて開放され、軸方向に延在する空間であるスロット１２が形成されている。スロット１２には、ティース１１に巻回された固定子コイル８が設けられている。また複数のティース１１の各々の周方向中央部には、磁石部９が設けられている。

　磁石部９は、例えば複数のティース１１の各々において、ティース１１の突出方向及び軸方向に延びて設けられており、周方向に着磁された永久磁石９１で形成されている。スロット１２を介して周方向に隣り合う磁石部９の永久磁石９１同士は、互いに同じ磁極を向き合わせて配置されている。すなわち、複数のティース１１の各々に設けられた磁石部９の永久磁石９１は、周方向において磁極を交互にして配置されている。磁石部９は、例えば固定子コア７の内周面でティース１１から露出し、固定子コア７の外周面でコアバック１０に覆われている。図中のＮ、Ｓは、磁石部９の永久磁石９１の磁極を示している。磁石部９の永久磁石９１として、例えばネオジム焼結磁石などの希土類焼結磁石やフェライト磁石などの導電率が０ではないものが用いられる。

　複数のティース１１の各々において、磁石部９はティース１１の突出方向に配列された複数の永久磁石９１を有する。磁石部９は、永久磁石９１同士の互いに対向する面により、ティース１１の突出方向に沿って複数に分割されている。ティース１１の突出方向に配列された永久磁石９１同士は、互いに周方向に同じ磁極を有する。ここで、永久磁石９１同士が互いに周方向に同じ磁極を有するとは、複数の永久磁石９１が周方向の一致した方向に着磁されている場合だけでなく、ばらつきを考慮した一定の範囲において周方向の同じ方向に着磁されている場合も含む。また永久磁石９１がティース１１の突出方向に配列されるとは、ティース１１の突出方向に平行な方向に配列される場合だけでなく、略平行な方向に配列される場合も含む。図１に示す例では、磁石部９は６つに分割され、６つの永久磁石９１が配列されているが、これに限定されるものではない。

　このように、磁石部９ａ，９ｂは、ティース１１の突出方向に延びて設けられることで、磁束が回転子２を通らずにコアバック１０又はティース１１を通って短絡が生じる恐れを低減できる。また、周方向に着磁された永久磁石９１がティース１１の突出方向に配列されていることで、永久磁石９１の周方向断面積を拡大し、トルクを向上させることができる。

　ここで図１では、磁石部９がティース１１の突出方向に配列された複数の永久磁石９１を有する例を示したが、磁石部９は、周方向に着磁された単体の永久磁石９１を少なくとも１つ有し、永久磁石９１のティース１１の突出方向及び軸方向の双方に沿った面に、軸方向に延びた溝部１３が少なくとも１つ形成されたものであってもよい。

　図３は、本発明の実施の形態１に係る回転電機の他の例の概略構成を示す断面図である。図３に示すように、磁石部９は、例えばティース１１の突出方向及び軸方向に延びた単体の永久磁石９１を有し、永久磁石９１のティース１１の突出方向及び軸方向の双方に沿った面に、軸方向に延びた複数の溝部１３がティース１１の突出方向に沿って互いに間隔を空けて設けられている。磁石部９は、溝部１３によって、ティース１１の突出方向に沿って複数の領域に分割されている。ティース１１の突出方向に沿って隣接する溝部１３同士の間の領域と、永久磁石９１のティース１１の突出方向に直交する方向及び軸方向の双方に沿った面から溝部１３までの間の領域とは、それぞれ図１における１つの永久磁石９１に相当する。

　溝部１３は、永久磁石９１の軸方向に貫通して設けられていてもよいし、軸方向の一部に設けられていてもよい。また図３では、永久磁石９１のティース１１の突出方向及び軸方向に沿って周方向に対向する両方の面に溝部１３が設けられた例を示したが、一方の面のみに設けられていてもよい。

　固定子コイル８は、例えば複数のティース１１の各々に集中巻で設けられており、スロット１２に収容されている。固定子コイル８の巻線は、周方向において隣り合う一対のスロット１２によって挟まれるティース１１に対して巻回する。図では、ティース１１に巻回する巻線を省略している。

　固定子コイル８には、例えば三相の交流電流が供給されて回転磁界が生成される。ここで、三相の各相をＵ相、Ｖ相、Ｗ相でそれぞれ表すとし、各固定子コイル８のうち、２個のＵ相コイルをＵ１，Ｕ２、２個のＶ相コイルをＶ１，Ｖ２、２個のＷ相コイルをＷ１，Ｗ２とする。各固定子コイル８は、例えば図１に示すように、反時計回りの方向へＵ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２の順番に並んで配置される。固定子コイル８は、Ｕ１とＵ２が直列に繋がれた直列回路と、Ｖ１とＶ２が直列に繋がれた直列回路と、Ｗ１とＷ２が直列に繋がれた直列回路とが共通の中性点で接続されている。各相に１２０度位相がずれた電流が通電されることにより回転磁界が生成される。

　図４、図５は、本発明の実施の形態１に係る回転電機の一部を拡大した概略構成図である。ここで、回転子２は反時計周りに回転しているものとする。図４、図５において、１つのスロット１２を挟んで隣り合うティース１１を反時計回りの順にティース１１ａ，１１ｂとし、ティース１１ａ，１１ｂにそれぞれ磁石部９ａ，９ｂが設けられているとする。また、回転子２において隣り合う突部６を反時計回りの順に６ａ，６ｂとする。図中、方向記号ｉ_１は、固定子コイル８に流れる電流を示している。矢印φ_ｃは、固定子コイル８に流れる電流による磁束を表している。矢印φ_ａ，φ_ｂは、それぞれ磁石部９ａ，９ｂの着磁方向であり、磁石部９ａ，９ｂの永久磁石９１自身が作る磁束の一部を表している。磁石部９ａは、反時計回りの順にＮ極、Ｓ極に着磁された複数の永久磁石９１、磁石部９ｂは、反時計回りの順にＳ極、Ｎ極に着磁された複数の永久磁石９１をそれぞれ有するものとする。

　図４に示すように、磁石部９ａ，９ｂが回転子２の突部６ａ，６ｂの回転方向の前方に位置しているとする。このとき、スロット１２に設けられた固定子コイル８に、軸方向の一方から他方（紙面手前から奥）に向かって流れる電流が作る磁束は、ティース１１ｂからコアバック１０をつたい、磁石部９ａにティース１１ａの突出方向に直交する方向に鎖交した後に回転子２の一方の突部６ａから他方の突部６ｂに向かいティース１１ｂに戻って流れる。

　また図５に示すように、磁石部９ａ，９ｂが回転子２の突部６ａ，６ｂの回転方向の後方に位置しているとする。このとき、スロット１２に設けられた固定子コイル８に、軸方向の他方から一方（紙面奥から手前）に向かって流れる電流が作る磁束は、ティース１１ａからコアバック１０をつたい、磁石部９ｂにティース１１ｂの突出方向に直交する方向に鎖交した後に回転子２の一方の突部６ｂから他方の突部６ａに向かいティース１１ａに戻って流れる。

　このように、固定子コイル８に通電する電流の位相を変えることで磁束がティース１１ａ又はティース１１ｂのいずれ通るかを制御することによりトルクを発生させている。このとき、固定子３の磁石部９ａ，９ｂと回転子２の突部６ａ，６ｂとの位置関係及び電流の位相が変化することにより、磁石部９ａ，９ｂに鎖交する磁束の大きさが変動する。例えば、回転子２が反時計回りに回転して図４の状態から図５の状態に変化したとすると、図４において、磁石部９ａをティース１１の突出方向に直交する方向に鎖交していた磁束が、図５の位置関係になると減少する。そのため、磁束の変動を打ち消すように磁石部９ａのティース１１の突出方向及び軸方向の双方に沿った断面に渦電流が流れる。固定子３側に永久磁石９１が設けられた回転電機１では、磁石部９が回転磁界に対し静止し、ティース１１の突出方向に延びて設けられているため、渦電流がティース１１の突出方向に沿って流れた場合、非常に大きな渦電流損失が発生する。

　図６は、本発明の実施の形態１に係る回転電機の永久磁石に発生する渦電流の流れを説明するための説明図である。図５、図６で、方向記号、矢印ｉ_２は、磁石部９ａに発生する渦電流を示している。図６に示すように、磁石部９ａは、ティース１１の突出方向に沿って複数の永久磁石９１が配列されているため、渦電流の経路は、永久磁石９１同士の互いに対向する面の接触抵抗によってティース１１の突出方向に分断される。すなわち、渦電流は、磁石部９ａを形成する複数の永久磁石９１の各々においてループ状に流れる。渦電流の経路がティース１１の突出方向に沿って分断されることで、渦電流の大きさを小さくし、渦電流損失を低減することができる。

　図７は、本発明の実施の形態１に係る回転電機の渦電流の大きさと永久磁石のティースの突出方向の距離との関係を示す関係図である。縦軸Ｙは、永久磁石９１の断面に軸方向に流れる渦電流の大きさ、横軸Ｘは、永久磁石９１のティース１１の突出方向に直交する方向及び軸方向の双方に沿って対向する表面のうち、回転子２に近い方の表面からその反対面までの距離である。図中、２本の破線Ｑ１、Ｑ２は、それぞれ永久磁石９１の軸方向の一方から他方（紙面手前から奥）に流れる渦電流の大きさ、軸方向の他方から一方（紙面奥から手前）である。図７では、永久磁石９１の内部の渦電流の大きさを永久磁石９１の表面における渦電流の大きさを１としたときの割合で表している。

　回転電機１が高速に回転している場合、表皮効果により、永久磁石９１の表面では渦電流の電流密度が集中する。そのため、図７に示すように、永久磁石９１の軸方向に流れる電流は、表面から内部にかけて減衰し、表皮深さｄでは永久磁石９１の表面に流れる電流の１／ｅまで減衰する。ここで、ｅは常用対数を示す。渦電流は、ループ径が小さくなると相反する方向に流れる電流同士が互いに干渉して打ち消しあう。例えば、図６においてＰ１－Ｐ２間に示す領域においては、永久磁石９１の軸方向の一方から他方に向かう電流も、他方から一方に向かう電流も、表面に流れる電流の１／ｅ以上の大きさとなるが、互いに打ち消しあい、図中、実線Ｑ３で示す大きさまで渦電流を小さくすることができる。

　次に、永久磁石９１のティース１１の突出方向の長さと、渦電流の表皮深さとの関係について説明する。図５、図６で、矢印ｗ_ｍ１は、永久磁石９１のティース１１の突出方向の長さを示している。上述のとおり、固定子コイル８に流れる電流による磁束が永久磁石９１に鎖交すると渦電流が流れる。このとき、永久磁石９１に流れる渦電流の表皮深さｄは、回転電機を駆動させるインバータのキャリア角周波数、すなわち固定子コイル８に流れる電流の角周波数をω、永久磁石９１の導電率をσ、透磁率をμとした時に以下で表される。

・・・（１）

　永久磁石９１のティース１１の突出方向の長さをｗ_ｍ１としたとき、渦電流同士の干渉により渦電流損失を低減させるには、永久磁石９１のティース１１の突出方向の長さｗ_ｍ１と表皮深さｄは以下の関係を満たすことが好ましい。

・・・（２）

　図８は、本発明の実施の形態１に係る回転電機の渦電流の大きさと永久磁石の径方向の距離との関係を示す関係図である。図８は、図７の他の一例として、永久磁石９１のティース１１の突出方向の長さｗ_ｍ１と表皮深さｄが以下の式を満たした場合の渦電流の大きさを示している。

・・・（３）

　図８に示すように、永久磁石９１のティース１１の突出方向の長さｗ_ｍ１が表皮深さｄの２倍の大きさである場合、永久磁石９１の軸方向において相反して流れる電流同士が１／ｅ以上で打ち消しあう領域は存在しない。式（２）に示すように、永久磁石９１のティース１１の突出方向の長さｗ_ｍ１を表皮深さｄの２倍以下とすることで、ループ状に流れる渦電流において、互いに相反する方向に流れる電流同士が１／ｅ以上で打ち消しあう領域が発生するため、効率よく渦電流を抑制し、渦電流の低減効果を大きくすることができる。

　ここで、複数の永久磁石９１がティース１１の突出方向に配列された磁石部９を例に説明したが、溝部１３が形成された単体の永久磁石９１が設けられた磁石部９の場合、永久磁石９１のティース１１の突出方向の長さｗ_ｍ１は、永久磁石９１においてティース１１の突出方向に隣り合う溝部１３同士の間の長さ及び永久磁石９１の表面から溝部１３までの間の長さに相当し、同様に表皮深さの２倍以下とすることで、渦電流の低減効果を大きくすることができる。

　上述のとおり、本実施の形態では、回転子２と、回転子２の径方向に間隔を空けて対向して配置された固定子３とを備え、固定子３は、筒状のコアバック１０と複数のティース１１とを有する固定子コア７と、ティース１１に巻回されてスロット１２に配置された固定子コイル８と、複数のティース１１の各々に複数の永久磁石９１を有する磁石部９とを備える。

　磁石部９の複数の永久磁石９１の各々は、周方向に互いに同じ磁極を有すると共に、ティース１１の突出方向に沿って配列される。又は、磁石部９は、周方向に着磁された単体の永久磁石９１で形成され、永久磁石９１のティース１１の突出方向及び軸方向の双方に沿った面に溝部１３が軸方向に延びて設けられる。永久磁石９１が周方向に着磁されていることで、固定子コイル８に流れる電流が作る磁束が鎖交する面積を大きくし、トルクを向上させている。

　固定子コイル８に流れる電流が作る磁束が磁石部９に鎖交したときに流れる渦電流の経路は、複数の永久磁石９１同士の互いに対向する面又は永久磁石９１の溝部１３により、ティース１１の突出方向に沿って分断される。渦電流の経路が分断されることで、効率的に渦電流の大きさを小さくし渦電流損失を低減することができ、トルクを向上させることができる。

　なお、磁石部９は、複数の永久磁石９１同士の間及び溝部１３の内部には、絶縁物が設けられてもよい。また、永久磁石９１は、それぞれ防錆などのためにコーティングが施されていてもよい。これにより、渦電流をさらに分断しやすくし、渦電流損失を低減できる。

　なお、図１では磁石部９のティース１１の突出方向に直交する方向に沿って互いに対向する面のうちの回転子２に近い方の面が固定子コア７の内周面でティース１１から露出し、その反対面が固定子コア７の外周面でコアバック１０に覆われた例を示したが、その他の形態であってもよい。以下では、ティース１１の突出方向に直交する方向に沿って互いに対向する面のうちの回転子２に近い方の面を、単に回転子２と対向する側の面という。図９、１０は、本発明の実施の形態１に係る回転電機の他の例の概略構成を示す断面図である。図９に示すように、磁石部９の回転子２と対向する側の面の反対面が固定子コア７の外周面で露出し、回転子２と対向する側の面が内周面でティース１１に覆われていてもよい。

　また図１０に示すように、磁石部９は、回転子２と対向する側の面及びその反対面において固定子コア７の外周面及び内周面の両方から露出しているとさらに好ましい。磁石部９が固定子コア７の外周面又は内周面で、コアバック１０又はティース１１に覆われていると、磁束が回転子２を通らずにコアバック１０又はティース１１を通ることにより短絡が生じ、回転電機１のトルクが減少する。図１０に示すように、固定子コア７の外周及び内周の両方で磁石部９を露出させることにより、磁束の短絡が生じるのを防ぎ、トルクの減少を抑制することができる。

　また図１０において、固定子コア７は、ティース１１の周方向の中央部で分割され、磁石部９を挟んで固定している。このように固定子コア７は、周方向に複数に分割された分割コアであってもよい。

実施の形態２．
　図１１は、本発明の実施の形態２に係る回転電機の一部を拡大した概略構成図である。図１１において、固定子３の磁石部９と回転子２の突部６との位置関係、電流の位相、永久磁石９１のそれぞれの着磁方向は、図４と同様である。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。

　図１１に示すように、磁石部９は、例えばティース１１の突出方向に沿って配列された複数の永久磁石９１で形成される。さらに本実施の形態では、永久磁石９１のティース１１の突出方向の長さは、固定子コア７の外周側から内周側、すなわち回転子２に近づくにつれて小さくなっている。

　図１１に示すように、磁石部９ａ，９ｂが回転子２の突部６ａ，６ｂの回転方向の前方に位置しているとする。このとき、スロット１２に設けられた固定子コイル８に、軸方向の一方から他方（紙面手前から奥）に向かって電流が通電されると、電流が作る磁束は、ティース１１ｂからコアバック１０をつたい、磁石部９ａにティース１１ａの突出方向に直交する方向に鎖交した後に回転子２の一方の突部６ａから他方の突部６ｂに向かいティース１１ｂに戻って流れる。

　固定子コイル８を流れる電流が作る磁束が、ティース１１ａの磁石部９ａを鎖交して回転子２の一方の突部６ａに向かって流れる際、磁石部９ａに鎖交する磁束のうち、点線φ_ａで示す固定子コア７の径方向外側を通る磁束よりも、実線φ_ａで示す径方向内側を通る磁束の方が多くなる。これは、固定子コア７の外周側を通る経路は、回転子２に到達する上で遠回りであり、磁束は最短の経路で流れようとする性質があるためである。そのため、固定子コア７の径方向外側よりも径方向外側を通る磁束の方が磁束の単位時間当たりの変化も大きくなり、磁石部９に発生する渦電流も、最も回転子２に近い永久磁石９１に発生する渦電流の方が大きくなる。以下では、磁石部９の最も回転子２に近い永久磁石９１を特に永久磁石９１ｐと記載する。

　本実施の形態では、ティース１１の突出方向に沿って配置された複数の永久磁石９１のうち、固定子コア７の径方向内側、すなわち最も回転子２に近い永久磁石９１ｐのティース１１の突出方向の長さを残りの永久磁石９１に比べて小さくすることで、渦電流の軸方向に相反する方向に流れる電流同士をより干渉させやすくしている。

　ここで、図１１では、複数の永久磁石９１が配列された磁石部９を例に説明したが、永久磁石９１のティース１１の突出方向及び軸方向の双方に沿った面に、軸方向に延びた溝部１３が形成された磁石部９の場合、永久磁石９１のティース１１の突出方向に隣接する溝部１３同士の間の距離又は永久磁石９１の表面から溝部１３までの距離を、回転子２に近づくにつれて小さくしてもよい。

　上述のとおり、ティース１１の突出方向に配列された複数の永久磁石９１で形成された磁石部９又は複数の溝部１３がティース１１の突出方向に沿って設けられた永久磁石９１で形成された磁石部９を備えることで、磁石部９に流れる渦電流を小さくし、渦電流損失を低減することができる。さらに本実施の形態では、複数の永久磁石９１で形成された磁石部９を備える場合、永久磁石９１のティース１１の突出方向の長さが回転子２に近づくにつれて徐々に小さく形成されている。また、溝部１３が設けられた永久磁石９１で形成された磁石部９を備える場合、ティース１１の突出方向に沿って隣接する溝部１３同士の間の長さ及び永久磁石９１の表面から溝部１３までの間の長さが回転子２に近づくにつれて徐々に小さく形成されている。これにより、渦電流が発生しやすい回転子２に近い永久磁石９１に発生する渦電流のループ径を小さくし、相反する方向に流れる電流同士が互いに干渉しやすくなり、効率的に渦電流を小さくすることができる。

　ここで、図１１に示す例では、永久磁石９１のティース１１の突出方向の長さｗ_ｍ１が、回転子２に近づくにつれて徐々に小さくなっている例を示したが、渦電流損失を低減するには、ティース１１の突出方向に配列された複数の永久磁石９１のうち、最も回転子２に近い永久磁石９１ｐの長さが、残りの永久磁石９１のそれぞれの長さに比べて小さければよい。同様に、溝部１３が設けられた永久磁石９１で形成された磁石部９の場合、永久磁石９１の回転子２と対向する側の面から溝部１３までの間の長さが、他の溝部１３同士の間の長さに比べて小さければよい。

実施の形態３．
　図１２は、本発明の実施の形態３に係る回転電機の一部を拡大した概略構成図である。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。図１２において、電流の位相、永久磁石９１の着磁方向は、図５と同様である。

　磁石部９は、ティース１１の突出方向に配列された複数の永久磁石９１で形成される。又は磁石部９は、ティース１１の突出方向及び軸方向の双方に沿った面に、軸方向に延びた溝部１３が設けられた永久磁石９１で形成される。さらに本実施の形態では、径方向における磁石部９から回転子２までの距離が、径方向における固定子コア７から回転子２までの距離よりも大きい。

　例えば、ティース１１の突出方向に複数の永久磁石９１が配列された磁石部９の場合、ティース１１の突出方向において最も回転子２に近い永久磁石９１ｐが、固定子コア７の回転子２側の周方向に沿った面よりも径方向外側に位置している。

　図１２に示すように、磁石部９ａが回転子２の突部６ａに対向して位置し、磁石部９ｂが回転子２の突部６ｂの回転方向の後方に位置しているとする。このとき、スロット１２に設けられた固定子コイル８に、軸方向の他方から一方（紙面奥から手前）電流が通電されると、電流が作る磁束は、ティース１１ａからコアバック１０をつたい、磁石部９ｂにティース１１ｂの突出方向に直交する方向に鎖交した後に回転子２の一方の突部６ｂから他方の突部６ａに向かい、ティース１１ａに戻って流れる。

　突部６ａの突出方向に沿って互いに対向する面のうち回転子２の回転方向の前方側に位置する面と、磁石部９ａのティース１１ａの突出方向に沿って互いに対向する面のうち回転方向の前方側に位置する面との周方向位置が同程度である場合、固定子コイル８に流れる電流が作る磁束は、突部６ａからティース１１の突出方向に対向する磁石部９ａの周方向位置に流れる。このとき、磁石部９ａにティース１１の突出方向に磁束が鎖交すると、磁束の変動により渦電流が発生する。図１２に示す例では、最も回転子２に近い永久磁石９１ｐが固定子コア７の回転子２側の周方向に沿った面よりも径方向外側に位置しているため、磁束は磁石部９ａを鎖交せずにティース１１ａに流れる。

　上述のとおり、複数の永久磁石９１がティース１１の突出方向に配列された磁石部９又は永久磁石９１のティース１１の突出方向及び軸方向の双方に沿った面に、軸方向に延びた溝部１３が設けられた永久磁石９１で形成された磁石部９を備えることで、磁石部９に流れる渦電流を小さくし、渦電流損失を低減することができる。さらに本実施の形態では、径方向における磁石部９から回転子２までの距離が、径方向における固定子コア７から回転子２までの距離よりも大きいため、固定子コイル８に流れる電流が作る磁束がティース１１の突出方向に沿って磁石部９に鎖交することを抑制でき、さらに渦電流損失を低減できる。

　実施の形態４．
　図１３は、本発明の実施の形態４に係る回転電機の一部を拡大した概略構成図である。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。図１３において、電流の位相、永久磁石９１の着磁方向は、図５と同様である。

　磁石部９は、例えばティース１１の突出方向に配列された複数の永久磁石９１で形成される。さらに本実施の形態では、磁石部９は、ティース１１の突出方向に直交する方向に配列された複数の永久磁石９１を有する。

　図１３に示す例では、ティース１１の突出方向に配列された複数の永久磁石９１のうち、ティース１１の突出方向において最も回転子２に近い永久磁石９１ｐが、ティース１１の突出方向に直交する方向に沿って、２つの永久磁石９１１ｐ、９１２ｐに分割されている。

　図１３に示すように、磁石部９ａが回転子２の突部６ａに対向して位置し、磁石部９ｂが回転子２の突部６ｂの回転方向の後方に位置しているとする。このとき、スロット１２に設けられた固定子コイル８に、軸方向の他方から一方（紙面奥から手前）電流が通電されると、電流が作る磁束は、ティース１１ａからコアバック１０をつたい、磁石部９ｂにティース１１ｂの突出方向に直交する方向に鎖交した後に回転子２の突部６ｂから突部６ａに向かい、ティース１１ａに戻って流れる。

　突部６ａの突出方向に沿って対向する互いに面のうち回転子２の回転方向の前方に位置する面と、磁石部９ａのティース１１ａの突出方向に沿って互いに対向する面のうち回転方向の前方に位置する面とが同程度の周方向位置にある場合、固定子コイル８に流れる電流が作る磁束は、突部６ａからティース１１の突出方向に沿って、突部６ａに対向する磁石部９ａの周方向位置に流れる。このとき、磁石部９ａにティース１１の突出方向に沿って磁束が鎖交すると、磁束の変動を打ち消すように渦電流が発生する。

　図１４は、本発明の実施の形態４に係る回転電機の永久磁石に発生する渦電流の流れを説明するための説明図である。図１４に示すように、磁石部９ａにティース１１の突出方向に沿って磁束が鎖交した場合、渦電流ｉ_３が、永久磁石９１１ｐ、９１２ｐのティース１１の突出方向に直交する方向及び軸方向に沿った断面にループ状に流れる。すなわち、永久磁石９１１ｐ、９１２ｐの周方向の両側において、それぞれ軸方向の互いに相反する方向に電流が流れる。

　上述のとおり、複数の永久磁石９１がティース１１の突出方向に配列された磁石部９を備えることで、磁石部９に流れる渦電流を小さくし、渦電流損失を低減することができる。さらに本実施の形態では、ティース１１の突出方向に直交する方向に配列された複数の永久磁石９１を備え、ティース１１の突出方向に直交する方向に沿って流れる渦電流の経路を分断することで、ティース１１の突出方向に磁束が鎖交した場合でも、渦電流の軸方向に互いに相反する方向に流れる電流同士が打ち消しあい、渦電流を小さくでき、渦電流損失をさらに低減することができる。特に、ティース１１の突出方向に沿った磁束が鎖交しやすい、最も回転子２に近い永久磁石９１ｐをティース１１の突出方向に直交する方向に分割することで、渦電流損失の低減をさらに高めることができる。

　なお、図１３、図１４では、最も回転子２に近い永久磁石９１ｐのみがティース１１の突出方向に直交する方向に分割された例を示したが、その他の永久磁石９１もティース１１の突出方向に直交する方向に分割されていてもよい。

　また、磁石部９をティース１１の突出方向に直交する方向に沿って複数に分割する代わりに、回転子２に対向する側の面に軸方向に延びた溝部１４が形成された永久磁石９１を設けてもよい。図１５は、本発明の実施の形態４に係る回転電機の他の例の概略構成を示す断面図である。図１５に示す例では、溝部１４は、ティース１１の突出方向において最も回転子２に近い永久磁石９１ｐの回転子２に対向する側の面に軸方向に延びて設けられている。

　このように、溝部１４を設けた場合でも、磁石部９のティース１１の突出方向に沿って磁束が鎖交して発生した渦電流の経路を、ティース１１の突出方向に直交する方向に沿って分断することで、渦電流の大きさを低減することができる。また、磁石部９として複数の永久磁石９１を用いた場合よりも、ティース１１への設置が容易となり、固定子３の組み立て性が向上する。

　ここで、溝部１４は、磁石部９の軸方向に貫通してもよいし、貫通せずに軸方向の一部に設けられていてもよいが、溝部１４の軸方向の長さは、磁石部９の軸方向の長さに対して大きいほど好ましい。溝部１４の軸方向の長さを大きくすることにより、渦電流が干渉することによる渦電流損失の低減効果を高めることができる。

　また、ティース１１の突出方向に直交する方向に分割された永久磁石９１のティース１１の突出方向に直交する方向の長さをｗ_ｍ2としたとき、表皮深さｄは以下の関係を満たすことが好ましい。

・・・（４）

　式（４）に示すように、永久磁石９１のティース１１の突出方向に直交する方向の長さｗ_ｍ２を表皮深さｄの２倍以下とすることで、渦電流の相反する方向に流れる電流同士が１／ｅ以上で打ち消しあう領域が発生するため、効率よく打ち消しあい、渦電流の低減効果を大きくすることができる。

　ここで、溝部１４がティース１１の突出方向の直交する方向に設けられた永久磁石９１で形成された磁石部９の場合、永久磁石９１の表から溝部１４までの間の距離又は溝部１４同士の間の距離を表皮深さｄの２倍以下とすることで、同様に渦電流の低減効果を大きくすることができる。

実施の形態５．
　図１６は、本発明の実施の形態５に係る回転電機の一部を拡大した概略構成図である。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。図１６において、電流の位相、永久磁石９１の着磁方向は、図５と同様である。

　磁石部９は、例えばティース１１の突出方向に配列された複数の永久磁石９１で形成される。又は磁石部９は、例えば軸方向の双方に沿った面に、軸方向に延びた溝部１３が設けられた永久磁石９１で形成される。さらに本実施の形態では、磁石部９の永久磁石９１は、ティース１１の突出方向及び軸方向の双方に沿った面と、回転子２と対向する面とが交差して形成される角部が落とされ、面取り面１５が形成されている。以下では、永久磁石９１のティース１１の突出方向及び軸方向の双方に沿った面と、回転子２と対向する面とが交差して形成される角部を、単に回転子２と対向する側の角部という。

　図１６に示す例では、ティース１１の突出方向に配列された永久磁石９１のうち、最も回転子２に近い永久磁石９１ｐは、回転子２と対向する側の回転方向前方の角部が落されて面取り面１５が形成されている。永久磁石９１ｐは、軸方向に直交する断面形状が５角形となっている。

　図１６に示すように、磁石部９ａが回転子２の突部６ａに対向して位置し、磁石部９ｂが回転子２の突部６ｂの回転方向の後方に位置しているとする。このとき、スロット１２に設けられた固定子コイル８に、軸方向の他方から一方（紙面奥から手前）電流が通電されると、電流が作る磁束は、ティース１１ａからコアバック１０をつたい、磁石部９ｂにティース１１ｂの突出方向に直交する方向に鎖交した後に回転子２の突部６ｂから突部６ａに向かい、ティース１１ａに戻って流れる。

　突部６ａの突出方向に沿って互いに対向する一対の面のうち回転子２の回転方向の前方に位置する面と、磁石部９ａのティース１１ａの突出方向に沿って互いに対向する一対の面のうち回転方向の前方に位置する面との周方向位置が同程度である場合、固定子コイル８に流れる電流が作る磁束は、突部６ａからティース１１の突出方向に沿って、突部６ａに対向する磁石部９ａの周方向位置に流れる。このとき、磁石部９ａに磁束がティース１１の突出方向に沿って鎖交すると、磁束の変動を打ち消すように渦電流が流れ、渦電流損失が発生する。

　本実施の形態では、ティース１１の突出方向に配列された永久磁石９１のうち、最も回転子２に近い永久磁石９１ｐが、回転子２と対向する側の回転方向前方の角部が落とされて形成された面取り面１５を有することにより、磁束は突部６ａから磁石部９ａを鎖交せずにティース１１ａに戻る。

　上述のとおり、ティース１１の突出方向に配列された複数の永久磁石９１で形成された磁石部９又はティース１１の突出方向及び軸方向の双方に沿った面に、軸方向に延びた溝部１３が設けられた永久磁石９１で形成された磁石部９を備えることで、磁石部９に流れる渦電流を小さくし、渦電流損失を低減することができる。さらに本実施の形態では、永久磁石９１ｐが、回転子２と対向する側の角部が落とされて形成された面取り面１５を有することにより、磁束は突部６ａから磁石部９ａを鎖交せずにティース１１ａに戻るため、渦電流の発生を抑制し、さらに渦電流損失を低減することができる。

　なお、図１６では、反時計回りに回転する場合を想定し、永久磁石９１の回転子２と対向する側で反時計方向側に位置する角部を切り落とした例を示したが、時計回りに回転する場合は、永久磁石９１の回転子２と対向する側で時計方向側の角部が落とされていることが好ましい。また回転子２が反時計周りと時計周りの両方で回る場合は、反時計方向側の角部と時計方向側の角部の両方が落とされて２つの面取り面１５を有することが好ましい

　図１７は、本発明の実施の形態５に係る回転電機の他の一例を示す概略構成図である。図１７に示す例では、永久磁石９１ｐは、ティース１１の、永久磁石９１の回転子２と対向する側の角部が、回転方向前方及び後方の両方とも落とされ、２つの面取り面１５を有する。すなわち、永久磁石９１ｐの軸方向に直交する断面の形状は６角形となっている。このように、永久磁石９１ｐの回転子２と対向する側の両方の角部が落されて２つの面取り面１５を有することで、回転子２の回転方向によらず磁石部９の渦電流損失を低減することができる。

　また、図１６、図１７では、永久磁石９１ｐは、角部が落とされて面取り面１５を有し、軸方向に垂直な断面の形状が５角形又は６角形である例を示したが、回転子２からティース１１に到達する磁束による渦電流を抑制できるのであればよく、５角形、６角形以上の多角形であってもよいし、円弧状に角部が落とされていてもよい。

実施の形態６.
　図１８は、本発明の実施の形態６に係る回転電機の概略構成を示す断面図である。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。実施の形態１から６では、固定子３の径方向内側に回転子２が配置されたインナーロータ型の回転電機１の例を示したが、本実施の形態では、固定子３の径方向外側に回転子２が配置されたアウターロータ型の回転電機１である例を示す。

　図１に示すように、回転電機１は、回転子２と、回転子２の径方向内側に間隔を空けて、配置された筒状の固定子３とを備える。回転子２は、回転子コア５を有する。回転子コア５は、径方向内側に突出した複数の突部６が設けられている。各突部６は、回転子コア５の周方向に互いに間隔を空けて設けられている。

　固定子３は、固定子コア７、固定子コイル８及び磁石部９を有している。固定子コア７は、例えば電磁鋼板が軸方向に沿って積層された磁性体である。固定子コア７は、筒状のコアバック１０と、コアバック１０の外周面側から径方向外側に突出した複数のティース１１とを有している。すなわち、複数のティース１１は、それぞれ回転子２に向かって突出し、コアバック１０の周方向に沿って互いに間隔を空けて設けられている。周方向に隣り合うティース１１同士の間には、固定子３の径方向外側に開放され、軸方向に延在する空間であるスロット１２が形成されている。スロット１２には、ティース１１に巻回された固定子コイル８が設けられている。また複数のティース１１の各々の周方向中央部には、それぞれ磁石部９が設けられている。

　磁石部９は、例えば複数のティース１１の各々の中央部において、ティース１１の突出方向及び軸方向に延びて設けられており、それぞれ周方向に着磁された永久磁石９１で形成される。スロット１２を介して周方向に隣り合う磁石部９の永久磁石９１同士は、互いに同じ磁極を向き合わせて配置されている。すなわち、複数のティース１１の各々に設けられた磁石部９の永久磁石９１は、周方向において磁極を交互にして配置されている。磁石部９は、例えば固定子コア７の内周面でティース１１から露出し、固定子コア７の外周面でコアバック１０に覆われている。図中のＮ、Ｓは、磁石部９の永久磁石９１の磁極を示している。磁石部９の永久磁石９１として、例えば希土類焼結磁石やフェライト磁石が用いられる。

　磁石部９は、それぞれティース１１の突出方向に配列された複数の永久磁石９１で形成される。又は、磁石部９は、ティース１１の突出方向及び軸方向に沿った面に軸方向に延びた溝部１３がティース１１の突出方向に沿って間隔を空けて設けられた単体の永久磁石９１で形成される。

　このような磁石部９を備えることで、ティース１１の突出方向に直交する方向に沿って渦電流の経路を分断でき、分断された渦電流の軸方向の相反する方向に流れる電流同士が打ち消しあうため、渦電流損失を効率的に低減することができる。

　なお、実施の形態１から６では、回転子２の突部の数が５、固定子３のティース１１と磁石部９の数がそれぞれ６である例を示したが、極数やスロット数、その他の各部分の寸法は特に限定されるものではない。例えば、回転子２の突部の数が４、固定子３のティース１１と磁石部９の数がそれぞれ６でもよく、回転子２の突部６の数が１０、固定子３のティース１１と磁石部９の数がそれぞれ１２でもよい。

　また実施の形態１から６では、回転電機１として、三相の巻線を有する電動機について説明したが、これは一例であり、三相以外の多相の巻線を有する電動機であってもよい。

　また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変更、省略したりすることが可能である。

　１　回転電機、２　回転子、３　固定子、４　回転軸、５　回転子コア、６，６ａ，６ｂ　突部、７　固定子コア、８　固定子コイル、９，９ａ，９ｂ　磁石部、１０　コアバック、１１，１１ａ，１１ｂ　ティース、１２　スロット、１３　溝部、１４　溝部、９１，９１ｐ　永久磁石。

Claims

回転子と、前記回転子の径方向に間隔を空けて対向して配置された固定子とを有し、
前記固定子は、
筒状のコアバックと複数のティースとを有し、前記複数のティースの各々が前記コアバックから前記回転子に向かって突出すると共に前記回転子の周方向に沿って設けられた固定子コアと、
前記複数のティースの各々に巻回され、前記周方向に隣り合う前記ティース同士の間に形成されたスロットに配置された固定子コイルと、
前記複数のティースの各々に複数の永久磁石を有し、前記複数の永久磁石の各々が前記周方向に互いに同じ磁極を有すると共に前記ティースの突出方向に配列された磁石部と
を備えることを特徴とする回転電機。
前記スロットを介して前記周方向に隣り合う前記永久磁石は、互いに同じ磁極を向き合わせて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記永久磁石の前記ティースの突出方向に沿った長さは、前記固定子コイルに流れる電流の角周波数をω、前記永久磁石の透磁率をμ、前記永久磁石の導電率をσとして、ｄ＝｛２／（ωμσ）｝^1/2で表される表皮深さｄの２倍以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
前記磁石部は、前記回転子に対向する側の面及びその反対面の少なくともいずれか一方が前記固定子コアから露出していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機。
前記ティースの突出方向に配列された前記複数の永久磁石のうち、前記回転子に最も近い前記永久磁石の前記ティースの突出方向に沿った長さは、残りの前記永久磁石よりも小さいことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機。
前記径方向における前記磁石部から前記回転子までの距離は、前記径方向における前記固定子コアから前記回転子までの距離よりも大きいことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電機。
前記磁石部は、前記ティースの突出方向に直交する方向に前記複数の永久磁石が配列されていることを特徴する請求項１から６のいずれか一項に記載の回転電機。
前記永久磁石の各々の前記ティースの突出方向に直交する方向に沿った長さは、前記固定子コイルに流れる電流の角周波数をω、前記永久磁石の透磁率をμ、前記永久磁石の導電率をσとして、ｄ＝｛２／（ωμσ）｝^1/2で表される表皮深さｄの２倍以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の回転電機。
前記ティースの突出方向に配列された前記複数の永久磁石のうち、前記回転子に最も近い前記永久磁石の前記回転子に対向する側の面には、前記回転子の軸方向に延びた溝部が形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の回転電機。
前記永久磁石は、前記ティースの突出方向及び前記回転子の軸方向の双方に沿った面と、前記回転子に対向する側の面とが交差して形成される角部が落とされて形成された面取り面を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の回転電機。
回転子と、前記回転子の径方向に間隔を空けて対向して配置された固定子とを有し、
前記固定子は、
筒状のコアバックと複数のティースとを有し、前記複数のティースの各々が前記コアバックから前記回転子に向かって突出すると共に前記回転子の周方向に沿って設けられた固定子コアと、
前記複数のティースの各々に巻回され、前記周方向に隣り合う前記ティース同士の間に形成されたスロットに配置された固定子コイルと、
前記複数のティースの各々に永久磁石を有し、前記永久磁石が前記周方向に着磁されると共に前記永久磁石の前記ティースの突出方向及び前記回転子の軸方向の双方に沿った面に前記回転子の軸方向に延びた溝部が形成された磁石部と
を備えることを特徴とする回転電機。