WO2021181496A1 - 回転子およびこれを用いた回転電機 - Google Patents

回転子およびこれを用いた回転電機 Download PDF

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rotor
stator
magnetic pole
circumferential direction
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米谷　晴之
亮治 宮武
山田　拓郎
田中　賢治
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三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/02—Machines with one stator and two or more rotors

Definitions

  • the present application relates to a rotor and a rotary electric machine using the rotor.
  • the magnetic wave gearing device shown in Patent Document 1 has a stator from the outer peripheral side, a first rotor that rotates at a low speed, and a second rotor that rotates at a high speed according to a gear ratio, about a rotation axis.
  • the stator has a stator coil that can output generated power or control the generated torque.
  • the stator has a stator core provided with a plurality of stator slots, and both the stator coil and the stator magnet are stored in the stator slots at a low speed.
  • a low-speed rotor which is the first rotor in which a plurality of magnetic pole pieces are arranged in the rotating circumferential direction, and a second rotor in which a plurality of high-speed rotor magnets are arranged in the circumferential direction, which rotates at a high speed according to the gear ratio. Since it is equipped with a high-speed rotor, which is a rotor, it is possible to perform both shifting and power generation with a single rotating electric machine without a mechanical transmission.
  • a magnetic transmission mechanism composed of a stator having both a stator coil and a stator magnet, a low-speed rotor having a plurality of magnetic pole pieces, and a high-speed rotor having a high-speed rotor magnet.
  • a generator when a vortex current loss occurs in a high-speed rotor magnet, the output of the high-speed rotor decreases. Therefore, there is a problem that the generator output for free-running the high-speed rotor cannot be stably obtained.
  • the present application has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present application is to obtain a rotor in which the eddy current loss generated in the high-speed rotor magnet provided by the high-speed rotor is suppressed.
  • the rotor disclosed in the present application includes a low-speed rotor in which a plurality of magnetic pole pieces made of a magnetic material are arranged in the circumferential direction at predetermined intervals with respect to the center of rotation, and the magnetic poles facing the magnetic pole pieces.
  • Each of the plurality of permanent magnets of the high-speed rotor is divided in the circumferential direction at intervals smaller than the circumferential width of the magnetic pole piece.
  • the rotor disclosed in the present application it is possible to suppress the eddy current loss generated in the high-speed rotor magnet provided in the high-speed rotor.
  • FIG. It is a schematic diagram which shows the cross section of the rotary electric machine which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a schematic diagram which shows the main part of the rotary electric machine which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a schematic diagram which shows the main part of the rotary electric machine which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a schematic diagram which shows the main part of the rotary electric machine which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure explaining the flow path of the eddy current generated in the undivided high-speed rotor magnet. It is a figure explaining the flow path of the eddy current generated in the undivided high-speed rotor magnet. It is a figure explaining the flow path of the eddy current generated in the divided high-speed rotor magnet.
  • It is a schematic diagram which shows the main part of the rotary electric machine which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a cross section perpendicular to the rotary shaft 40 of the rotary electric machine 100
  • FIG. 2 is a schematic view showing a main part of the rotary electric machine 100. It is a figure shown.
  • the rotary electric machine 100 includes an annular stator 1 surrounding a rotating shaft 40, which is the center of rotation of the rotary electric machine 100, and a rotor 50.
  • the rotor 50 includes a low-speed rotor 20 which is a first rotor coaxially provided with the stator 1, and a second rotor 20 which faces the low-speed rotor 20 and is coaxially provided with the low-speed rotor 20. It is provided with a high-speed rotor 30 which is.
  • the stator 1 includes a stator core 2, a stator coil 3, and a stator magnet 4.
  • the annular stator core 2 includes a plurality of stator teeth 6 at equal intervals in the circumferential direction with respect to the center of rotation of the rotary electric machine 100.
  • the plurality of stator slots 5 formed between the stator teeth 6 each include a stator coil 3 and a stator magnet 4.
  • the stator coil 3 is arranged on the side of the bottom portion 5a of the stator slot 5.
  • the stator magnet 4 is arranged on the open side of the stator slot 5.
  • the stator magnets 4 are all magnetized in the same radial direction.
  • the stator magnet 4 is, for example, a neodymium sintered magnet, but is not limited thereto. Assuming that the inner diameter side of the stator magnet 4 is N pole, the inner diameter side of the adjacent stator teeth 6 is S pole, and the same number of pole logarithmic Ns as the number of stator slots 5 is formed.
  • the low-speed rotor 20 is provided on the inner peripheral side of the stator 1 so as to face the stator magnet 4 through a minute gap.
  • the low-speed rotor 20 has a plurality of magnetic pole pieces 21 arranged in the circumferential direction at predetermined intervals, and rotates at a low speed by power from the outside.
  • the number of the magnetic pole pieces 21 is NL.
  • the high-speed rotor 30 is provided coaxially with the low-speed rotor 20 on the inner peripheral side of the low-speed rotor 20.
  • the high-speed rotor 30 has a plurality of permanent magnets, high-speed rotor magnets 31, in the circumferential direction at predetermined intervals on the outer peripheral portion, and the number of pole pairs of Nh is formed.
  • a high-speed rotor core 32 is provided inside the high-speed rotor magnet 31.
  • FIG. 3 is a schematic view showing the locations of the magnetic bodies of the low-speed rotor 20 and the high-speed rotor 30, which are the main parts of the rotary electric machine 100 according to the first embodiment.
  • a plurality of magnetic pole pieces 21 made of a magnetic material are arranged in the circumferential direction at predetermined intervals with respect to the rotation shaft 40 (not shown in FIG. 3) which is the center of rotation.
  • the magnetic pole piece 21 is configured by laminating electromagnetic steel sheets in the axial direction, but the configuration of the magnetic pole piece 21 is not limited to this.
  • the magnetic pole piece 21 may have a bulk structure made of a magnetic material.
  • a structural member (not shown) for holding the magnetic pole piece 21 is provided between the adjacent magnetic pole piece 21 and the magnetic pole piece 21.
  • the structural member is made of a non-magnetic material having the strength to hold the magnetic pole piece 21, and is made of, for example, stainless steel.
  • the high-speed rotor 30 has a plurality of permanent magnets, high-speed rotor magnets 31 facing the magnetic pole piece 21 and having a width larger than the circumferential width of the magnetic pole piece 21 in the circumferential direction at predetermined intervals. ..
  • FIG. 3 shows only one high-speed rotor magnet 31.
  • the high-speed rotor magnet 31 is, for example, a neodymium sintered magnet which is a rare earth sintered magnet, but is not limited thereto.
  • Each of the plurality of high-speed rotor magnets 31 is divided by the dividing portion 31a in the circumferential direction at intervals smaller than the width in the circumferential direction of the magnetic pole piece 21.
  • the width of the magnetic pole piece 21 in the circumferential direction is WL and the width of each of the divided high-speed rotor magnets 31 is WH, the relationship is WL> WH.
  • the divided high-speed rotor magnets 31 may be separated from each other, but may be arranged in a state where the divided portions 31a, which are the divided portions, are in contact with each other.
  • FIGS. 4 to 6 are views for explaining the flow path of the eddy current 10 generated in the undivided high-speed rotor magnet 31,
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the high-speed rotor magnet 31 viewed from the axial direction
  • FIG. 5 is a cross-sectional view. It is a side view which looked at the high-speed rotor magnet 31 from the radial direction.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the high-speed rotor magnet 31 viewed from the axial direction
  • FIG. 5 is a cross-sectional view. It is a side view which looked at the high-speed rotor magnet 31 from the radial direction.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the high-speed rotor magnet 31 viewed from the axial direction
  • FIG. 5 is a cross-sectional view. It is a side view which looked at the high-speed rotor magnet 31 from the radial direction.
  • FIG. 4 is a cross-sectional
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a flow path of the eddy current 10 generated in the high-speed rotor magnet 31 divided by the dividing portion 31a, and is a side view of the high-speed rotor magnet 31 as viewed from the radial direction.
  • the magnetic flux generated by the stator 1 passes through the low speed rotor 20 and reaches the high speed rotor 30. Since the fundamental wave of the magnetic flux is synchronized with the rotation of the high-speed rotor 30, the eddy current 10 is not generated in the high-speed rotor magnet 31.
  • the magnetic flux generated by the stator 1 passes through the low-speed rotor 20, it passes through a large part of the magnetic pole piece 21 which is a magnetic body, and the magnetic flux which passes through the non-magnetic structural member between the magnetic pole pieces 21 Less. That is, since the magnetic pole pieces 21 are arranged, the magnetic flux toward the high-speed rotor 30 becomes coarse and dense. The density of this magnetic flux is called space harmonic, and is not synchronized with the rotation of the high-speed rotor 30, so that an eddy current 10 is generated in the high-speed rotor magnet 31.
  • the pitch in the circumferential direction of the arranged magnetic pole pieces 21 is ⁇ L.
  • two annular eddy currents 10 flowing in opposite directions are generated between the pitch ⁇ L in the high-speed rotor magnet 31.
  • the flow path of the eddy current 10 is formed in the axial direction of the high-speed rotor magnet 31.
  • half of the pitch ⁇ L is shown as the width WL in the circumferential direction of the magnetic pole piece 21, but the relationship between the pitch ⁇ L and the width WL is not limited to this, and the width WL is the pitch ⁇ L. It does not have to be half of.
  • the flow path of the eddy current 10 shown in FIG. 5 can be cut, the eddy current 10 is reduced, so that the eddy current loss can be reduced. That is, the eddy current loss can be effectively reduced by dividing each of the plurality of high-speed rotor magnets 31 in the circumferential direction with a width WL smaller than the width WL in the circumferential direction of the magnetic pole piece 21.
  • the flow path of the eddy current 10a generated in the undivided high-speed rotor magnet 31 is shown by a broken line
  • the flow path of the eddy current 10 generated in the high-speed rotor magnet 31 divided by the divided portion 31a is shown by a solid line. Indicated by.
  • the eddy current 10a is shown smaller than the eddy current 10 shown in FIG.
  • the flow path of the eddy current 10a is cut to become the eddy current 10, so that the eddy current 10 is reduced as compared with FIG.
  • the eddy current 10 is reduced and the eddy current loss is suppressed, so that the performance of the high-speed rotor 30 is not deteriorated, and thus the deterioration of the efficiency of the rotary electric machine 100 is suppressed.
  • the eddy current 10 shown in FIG. 6 is a flow path at a certain moment, and the flow path of the eddy current 10 formed by the traveling wave magnetic field advances in the circumferential direction in time and changes.
  • the rotor 50 is the high-speed rotor magnet 31 provided by the high-speed rotor 30 at intervals smaller than the circumferential width of the magnetic pole piece 21 provided by the low-speed rotor 20. Is divided in the circumferential direction, so that the eddy current 10 generated in the high-speed rotor magnet 31 is reduced, and the eddy current loss of the high-speed rotor magnet 31 can be suppressed. Further, by reducing the eddy current 10, the thermal demagnetization of the high-speed rotor magnet 31 can be suppressed.
  • deterioration of the performance of the high-speed rotor 30 can be suppressed, the output of the rotary electric machine 100 is maintained, and the reliability of the rotary electric machine 100 is improved. Can be made to. Further, when the rotary electric machine 100 is a generator, it is possible to stably obtain a generator output for free-running the high-speed rotor 30.
  • FIG. 7 is a schematic view showing an outline of the low-speed rotor 20 and the high-speed rotor 30 which are the main parts of the rotary electric machine 100.
  • the high-speed rotor 30 included in the rotor 50 according to the second embodiment has a configuration in which the corners 31b of the high-speed rotor magnet 31 are chamfered.
  • the high-speed rotor 30 has a plurality of permanent magnets, high-speed rotor magnets 31 facing the magnetic pole piece 21 and having a width larger than the circumferential width of the magnetic pole piece 21 in the circumferential direction at predetermined intervals. ..
  • FIG. 7 shows only one high-speed rotor magnet 31.
  • Each of the plurality of high-speed rotor magnets 31 is divided by the dividing portion 31a in the circumferential direction with a width WH smaller than the width WL in the circumferential direction of the magnetic pole piece 21.
  • the corners 31b on both sides in the circumferential direction on the side of the magnetic pole piece 21 are chamfered at each of the divided portions of the plurality of divided high-speed rotor magnets 31.
  • the corners 31b are chamfered larger than the corners 31c on both sides in the circumferential direction on the side of the high-speed rotor core 32.
  • the reason why the corner portion 31b on the side of the magnetic pole piece 21 of the high-speed rotor magnet 31 is largely chamfered is that an eddy current 10 is likely to be generated on the side of the magnetic pole piece 21 of the high-speed rotor magnet 31.
  • the reason why the corners 31b on both sides in the circumferential direction of each divided portion of the high-speed rotor magnet 31 are chamfered will be described.
  • the above-mentioned spatial harmonics generate an eddy current 10 in the high-speed rotor magnet 31.
  • the eddy current 10 is concentrated in the corners 31b on both sides in the circumferential direction of the high-speed rotor magnet 31 on the low-speed rotor 20 side. Therefore, by chamfering the corner portion 31b, it is possible to suppress the concentration of the eddy current 10 on the corner portion 31b.
  • the corners 31b on both sides in the circumferential direction on the side of the magnetic pole piece 21 are chamfered at each division portion of the high-speed rotor magnet 31 provided in the high-speed rotor 30. Therefore, it is possible to suppress the concentration of the eddy current 10 on the corner portion 31b, and it is possible to reduce the local rise in the temperature of the high-speed rotor magnet 31 due to the eddy current 10. Further, since the local rise in the temperature of the high-speed rotor magnet 31 due to the eddy current 10 is reduced, local thermal demagnetization of the high-speed rotor magnet 31 can be prevented.
  • FIG. 8 is a schematic view showing a main part of the rotary electric machine 100.
  • the rotary electric machine 100 according to the third embodiment has a configuration in which each of the high-speed rotor magnets 31 included in the rotor 50 is divided in the circumferential direction at intervals smaller than the circumferential width of the magnetic pole piece 21.
  • a plurality of magnetic pole pieces 21 made of a magnetic material are arranged in the circumferential direction at predetermined intervals with respect to the rotation axis (not shown in FIG. 8) which is the center of rotation.
  • the low-speed rotor 20 and a plurality of high-speed rotor magnets 31 facing the magnetic pole piece 21 and having a width larger than the circumferential width of the magnetic pole piece 21 are held at predetermined intervals in the circumferential direction.
  • the rotor 50 includes a high-speed rotor 30 provided coaxially with the low-speed rotor 20, and a stator 1 provided coaxially with the rotor 50 facing the rotor 50.
  • the stator 1 includes a stator core 2, a stator coil 3, and a stator magnet 4.
  • the stator core 2 includes a plurality of stator teeth 6 in the circumferential direction.
  • the stator coil 3 is arranged on the side of the bottom 5a of each of the plurality of stator slots 5 formed between the stator teeth 6.
  • the stator magnet 4 is arranged on each open side of the plurality of stator slots 5 and has the same polarity in the radial direction.
  • Each of the plurality of high-speed rotor magnets 31 is divided in the circumferential direction at intervals smaller than the circumferential width of the magnetic pole piece 21.
  • An eddy current is generated in the high-speed rotor magnet 31 due to spatial harmonics due to the density of the magnetic flux generated by the arrangement of the magnetic pole pieces 21.
  • the eddy current causes an eddy current loss in the high-speed rotor magnet 31.
  • This eddy current loss works to reduce the output of the high-speed rotor 30, and if the output of the high-speed rotor 30 becomes negative, the high-speed rotor 30 cannot be free-run. According to this configuration, the eddy current loss generated in the high-speed rotor magnet 31 can be reduced. By reducing the eddy current loss generated in the high-speed rotor magnet 31, it is possible to suppress a decrease in the output of the high-speed rotor 30, so that the high-speed rotor 30 can be stably free-run.
  • the rotary electric machine 100 using the rotor 50 described in the first embodiment has been described, but also in the rotary electric machine 100 using the rotor 50 described in the second embodiment, the vortex of the high-speed rotor magnet 31 By suppressing current loss and thermal demagnetization, the output of the rotary electric machine 100 can be maintained and the reliability of the rotary electric machine 100 can be improved. Further, the same effect can be obtained with a magnetic geared generator having a magnetic transmission mechanism and a power generation mechanism having a rotor 50 having the same configuration as the present application, or a magnetic geared motor having a magnetic transmission mechanism and a torque generation mechanism. Play.
  • the rotary electric machine 100 in which the rotor 50 is on the innermost circumference has been described above, the arrangement of the rotor 50 is not limited to the innermost circumference, and the outer rotor type rotary electric machine in which the rotor 50 is on the outermost circumference is described. It doesn't matter.
  • the stator core includes a plurality of stator slots opened toward the outer peripheral side of the rotary electric machine in the circumferential direction.
  • the present application also describes various exemplary embodiments and examples, although the various features, embodiments, and functions described in one or more embodiments are those of a particular embodiment. It is not limited to application, but can be applied to embodiments alone or in various combinations. Therefore, innumerable variations not illustrated are envisioned within the scope of the techniques disclosed herein. For example, it is assumed that at least one component is modified, added or omitted, and further, at least one component is extracted and combined with the components of other embodiments.
  • stator 1 stator, 2 stator core, 3 stator coil, 4 stator magnet, 5 stator slot, 5a bottom, 6 stator teeth, 10 vortex current, 10a vortex current, 20 low speed rotor, 21 magnetic pole piece, 30 High-speed rotor, 31 high-speed rotor magnet, 31a split part, 31b square part, 31c square part, 32 high-speed rotor iron core, 40 rotating shaft, 50 rotor, 100 rotating electric machine

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

回転の中心に対して磁性体からなる複数の磁極片（２１）が予め定められた間隔で周方向に配置された低速回転子（２０）と、磁極片（２１）に対向して磁極片（２１）の周方向の幅よりも大きい幅を備えた複数の永久磁石を予め定められた間隔で周方向に有すると共に、低速回転子（２０）と同軸に設けられた高速回転子（３０）と、を備えた回転子（５０）であって、磁極片（２１）の周方向の幅よりも小さい間隔で、前記高速回転子（３０）の複数の永久磁石のそれぞれが周方向に分割されている。

Description

回転子およびこれを用いた回転電機
　本願は、回転子およびこれを用いた回転電機に関するものである。
　従来から、回転電機の回転軸に連結され、回転電機の回転を減速する機械式変速機が低速駆動を必要とする用途に用いられてきた。機械式変速機を用いた場合、機械的な摩耗などが生じるため、定期的なメンテナンスが変速機に必要となる。一方、非接触で回転子の回転速度を変速できる回転電機が、磁気波動歯車装置もしくは磁気ギアード発電機として開示されている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１に示された磁気波動歯車装置は、回転軸を中心に、外周側から固定子、低速で回転する第１の回転子、および変速比に応じて高速で回転する第２の回転子を備える。固定子は、発電電力を出力する、あるいは発生トルクを制御することができる固定子コイルを有する。この回転電機を用いると、非接触で回転子の回転速度を変速できるため、機械的な摩耗などに起因したメンテナンスが不要であり、メンテナンスについての負荷の軽減を実現することができる。また、この回転電機を発電機として使用すれば、機械式変速機なしに１つの回転電機で変速と発電が可能であるため、発電システムは小型となり省スペース化を実現することができる。
特開２０１６－１３５０１４号公報
　上記特許文献１における回転電機の構造では、固定子は複数の固定子スロットを備えた固定子鉄心を有して、固定子スロット内に固定子コイルと固定子磁石の両方を格納し、低速で回転する周方向に複数の磁極片が配置された第１の回転子である低速回転子、および変速比に応じて高速で回転する周方向に複数の高速回転子磁石が配置された第２の回転子である高速回転子を備えているため、機械式変速機なしに１つの回転電機で変速と発電の両方を行うことができる。しかしながら、高速回転子が備えた高速回転子磁石に希土類焼結磁石を採用した場合、高速回転子に鎖交する空間高調波磁束の影響で高速回転子磁石に渦電流が発生する。この渦電流は、低速回転子に配置された磁極片による高速回転子磁石表面の磁束の粗密により生じるものと考えられる。この渦電流に起因した渦電流損失が高速回転子磁石に発生するため、回転電機の効率が低下するという課題があった。また、渦電流が高速回転子磁石の局所に集中して発生すると、その集中した箇所の温度が上昇し、希土類焼結磁石が熱減磁するという課題があった。
　さらに、固定子コイルと固定子磁石を両方備えた固定子と、複数の磁極片を備えた低速回転子と、高速回転子磁石を備えた高速回転子で構成された磁気的な変速機構を有する発電機では、高速回転子磁石に渦電流損失が発生すると高速回転子の出力は低下する。そのため、高速回転子をフリーランさせる発電機出力を安定的に得ることができないという課題があった。
　本願は前記のような課題を解決するためになされたものであり、高速回転子が備えた高速回転子磁石に生じる渦電流損失を抑制した回転子を得ることを目的とする。
　本願に開示される回転子は、回転の中心に対して磁性体からなる複数の磁極片が予め定められた間隔で周方向に配置された低速回転子と、前記磁極片に対向して前記磁極片の周方向の幅よりも大きい幅を備えた複数の永久磁石を予め定められた間隔で周方向に有すると共に、前記低速回転子と同軸に設けられた高速回転子と、を備えた回転子であって、前記磁極片の周方向の幅よりも小さい間隔で、前記高速回転子の複数の前記永久磁石のそれぞれが周方向に分割されているものである。
　本願に開示される回転子によれば、高速回転子が備えた高速回転子磁石に生じる渦電流損失を抑制することができる。
実施の形態１に係る回転電機の断面を示す模式図である。 実施の形態１に係る回転電機の要部を示す模式図である。 実施の形態１に係る回転電機の要部を示す模式図である。 分割されていない高速回転子磁石に発生する渦電流の流路を説明する図である。 分割されていない高速回転子磁石に発生する渦電流の流路を説明する図である。 分割された高速回転子磁石に発生する渦電流の流路を説明する図である。 実施の形態２に係る回転電機の要部を示す模式図である。 実施の形態３に係る回転電機の要部を示す模式図である。
　以下、本願の実施の形態による回転子およびこれを用いた回転電機を図に基づいて説明する。なお、各図において同一、または相当部材、部位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は回転電機１００の回転軸４０に対して垂直な断面を示す模式図、図２は回転電機１００の要部を示す模式図であって、図１の破線で囲んだ箇所を拡大して示した図である。回転電機１００は、図１に示すように、回転電機１００の回転の中心である回転軸４０を取り囲む円環状の固定子１と、回転子５０とを備える。回転子５０は、固定子１と同軸に設けられた第１の回転子である低速回転子２０と、低速回転子２０に対向して低速回転子２０と同軸に設けられた第２の回転子である高速回転子３０とを備える。
　まず、回転電機１００として磁気ギアード発電機についての一般的な構造と動作を説明する。固定子１は、図２に示すように、固定子鉄心２、固定子コイル３、および固定子磁石４を備える。円環状の固定子鉄心２は、回転電機１００の回転の中心に対して固定子ティース６を周方向に等間隔で複数備える。固定子ティース６の間に形成された複数の固定子スロット５は、それぞれが固定子コイル３と固定子磁石４を備える。固定子コイル３は、固定子スロット５の底部５ａの側に配置される。固定子磁石４は、固定子スロット５の開口した側に配置される。固定子磁石４は、全て径方向の同じ向きに着磁されている。固定子磁石４は、例えばネオジウム焼結磁石であるが、これに限るものではない。固定子磁石４の内径側をＮ極とすると、隣接した固定子ティース６の内径側はＳ極となり、固定子スロット５の数と同じ数の極対数Ｎｓが形成される。
　低速回転子２０は、固定子１の内周側に固定子磁石４に対向して、微小なギャップを介して設けられる。低速回転子２０は、予め定められた間隔で周方向に配置された複数の磁極片２１を有し、外部からの動力により低速で回転する。この磁極片２１の数を、ＮＬとする。高速回転子３０は、低速回転子２０の内周側に低速回転子２０と同軸に設けられる。高速回転子３０は、外周部に複数の永久磁石である高速回転子磁石３１を予め定められた間隔で周方向に有し、Ｎｈの極対数が形成される。高速回転子磁石３１の内側には、高速回転子鉄心３２が設けられる。
　Ｎｓ、ＮＬ、Ｎｈの関係が、ＮＬ＝Ｎｓ±Ｎｈを満足すれば、固定子磁石４と高速回転子磁石３１の磁力の相互作用により、低速回転子２０に負のトルクが発生する。これに対して低速回転子２０を外部からの動力により回転させることで、低速回転子２０に入力を得ることができる。低速回転子２０の入力に対して、高速回転子３０をフリーランさせるように固定子コイル３に固定子電流を流せば、高速回転子３０は低速回転子２０のＮＬ/Ｎｈ倍の回転速度で回転する。高速回転子３０が低速回転子２０のＮＬ／Ｎｈ倍速で回転すると、固定子コイル３に誘導起電力が発生する。誘導起電力の発生により、固定子コイル３から発電電力が出力される。
　本願の要部である低速回転子２０と高速回転子３０の構成について説明する。図３は実施の形態１に係る回転電機１００の要部である低速回転子２０と高速回転子３０の磁性体の箇所を示す模式図である。低速回転子２０には、回転の中心である回転軸４０（図３では図示せず）に対して磁性体からなる複数の磁極片２１が予め定められた間隔で周方向に配置されている。磁極片２１は、例えば、電磁鋼板が軸方向に積層されて構成されるが、磁極片２１の構成はこれに限るものではない。磁極片２１は、磁性体からなるバルク構造であっても構わない。隣接した磁極片２１と磁極片２１との間には、磁極片２１を保持する構造部材（図示せず）が設けられる。構造部材は、磁極片２１を保持する強度を備えた非磁性の材料からなり、例えば、ステンレスで作製される。
　高速回転子３０は、磁極片２１に対向して磁極片２１の周方向の幅よりも大きい幅を備えた複数の永久磁石である高速回転子磁石３１を予め定められた間隔で周方向に有する。図３では、一つの高速回転子磁石３１のみを示している。高速回転子磁石３１は、例えば、希土類焼結磁石であるネオジウム焼結磁石であるが、これに限るものではない。複数の高速回転子磁石３１のそれぞれは、磁極片２１の周方向の幅よりも小さい間隔で周方向に分割部３１ａにて分割されている。磁極片２１の周方向の幅をＷＬ、分割された高速回転子磁石３１のそれぞれの幅をＷＨとすると、ＷＬ＞ＷＨの関係になっている。分割された高速回転子磁石３１のそれぞれは離間していてもよいが、分割された箇所である分割部３１ａが接した状態で配置されていても構わない。
　高速回転子磁石３１を分割した理由について、図４から図６を用いて説明する。図４及び図５は分割されていない高速回転子磁石３１に発生する渦電流１０の流路を説明する図で、図４は高速回転子磁石３１を軸方向から見た断面図、図５は高速回転子磁石３１を径方向から見た側面図である。図６は分割部３１ａで分割された高速回転子磁石３１に発生する渦電流１０の流路の例を説明する図で、高速回転子磁石３１を径方向から見た側面図である。固定子１で発生した磁束は、低速回転子２０を通って高速回転子３０に達する。磁束の基本波は高速回転子３０の回転と同期しているため、高速回転子磁石３１に渦電流１０を発生させない。しかしながら、固定子１で発生した磁束は、低速回転子２０を通過する際、磁性体である磁極片２１の部分を多く通過し、磁極片２１の間の非磁性である構造部材を通る磁束は少なくなる。すなわち、磁極片２１が配置されたことにより、高速回転子３０に向かう磁束に粗密が発生する。この磁束の粗密は空間高調波と呼ばれ、高速回転子３０の回転と同期しないため、高速回転子磁石３１に渦電流１０を発生させる。
　図４から図６において、配置された磁極片２１の周方向のピッチをτＬとする。高速回転子磁石３１を径方向から見れば、図５に示すように、高速回転子磁石３１においてピッチτＬの間に２つの逆方向に流れる環状の渦電流１０が発生する。図４に示すように、渦電流１０の流路は、高速回転子磁石３１の軸方向に形成される。なお、図４、図５においては、ピッチτＬの半分を磁極片２１の周方向の幅ＷＬとして示しているが、ピッチτＬと幅ＷＬの関係はこれに限るものではなく、幅ＷＬはピッチτＬの半分でなくても構わない。
　図５に示した渦電流１０の流路を切断することができれば渦電流１０が減少するため、渦電流損失を低減することができる。すなわち、複数の高速回転子磁石３１のそれぞれを、磁極片２１の周方向の幅ＷＬよりも小さい幅ＷＬで周方向に分割することで、渦電流損失を効果的に低減することができる。図６において、分割されていない高速回転子磁石３１に発生した渦電流１０ａの流路を破線で示し、分割部３１ａで分割された高速回転子磁石３１に発生した渦電流１０の流路を実線で示す。渦電流１０と渦電流１０ａの比較を容易にするために、渦電流１０ａは図４で示した渦電流１０よりも縮小して示している。図６では高速回転子磁石３１は分割されているため、渦電流１０ａの流路は切断されて渦電流１０となるため、図５と比較して渦電流１０は低減される。高速回転子磁石３１を分割することで渦電流１０は低減し、渦電流損失は抑制されるため、高速回転子３０の性能は劣化せず、ひいては回転電機１００の効率の悪化は抑制される。また、渦電流によるジュール熱が抑制されて高速回転子磁石３１の熱減磁が抑制されるため、高速回転子磁石３１の性能は劣化せず、ひいては回転電機１００の信頼性は向上する。なお、図６に示した渦電流１０はある瞬間の流路であり、進行波磁界で形成される渦電流１０の流路は時間的に周方向に進んで変化する。
　以上のように、実施の形態１による回転子５０は、低速回転子２０が備えた磁極片２１の周方向の幅よりも小さい間隔で、高速回転子３０が備えた高速回転子磁石３１のそれぞれが周方向に分割されているため、高速回転子磁石３１に生じる渦電流１０が低減し、高速回転子磁石３１の渦電流損失を抑制することができる。また、渦電流１０を低減することで、高速回転子磁石３１の熱減磁を抑制することができる。また、高速回転子磁石３１の渦電流損失および熱減磁を抑制することで、高速回転子３０の性能の劣化を抑制でき、回転電機１００の出力は維持され、回転電機１００の信頼性を向上させることができる。また、回転電機１００が発電機である場合、高速回転子３０をフリーランさせる発電機出力を安定的に得ることができる。
実施の形態２．
　実施の形態２に係る回転子５０について説明する。図７は回転電機１００の要部である低速回転子２０と高速回転子３０の概略を示す模式図である。実施の形態２に係る回転子５０が備える高速回転子３０は、高速回転子磁石３１の角部３１ｂが面取りされた構成になっている。
　高速回転子３０は、磁極片２１に対向して磁極片２１の周方向の幅よりも大きい幅を備えた複数の永久磁石である高速回転子磁石３１を予め定められた間隔で周方向に有する。図７では、一つの高速回転子磁石３１のみを示している。複数の高速回転子磁石３１のそれぞれは、磁極片２１の周方向の幅ＷＬよりも小さい幅ＷＨで周方向に分割部３１ａにて分割されている。分割された複数の高速回転子磁石３１のそれぞれの分割部位は、磁極片２１の側の周方向の両側の角部３１ｂが面取りされている。角部３１ｂは、高速回転子鉄心３２の側の周方向の両側の角部３１ｃよりも大きく面取りされている。高速回転子磁石３１の磁極片２１の側の角部３１ｂを大きく面取りするのは、高速回転子磁石３１の磁極片２１の側に渦電流１０が生じやすいためである。
　高速回転子磁石３１のそれぞれの分割部位の周方向の両側の角部３１ｂを面取りした理由について説明する。上述した空間高調波は、高速回転子磁石３１に渦電流１０を発生させる。この渦電流１０は、高速回転子磁石３１がＷＨ＜ＷＬで分割されている場合、高速回転子磁石３１の低速回転子２０の側の周方向の両側の角部３１ｂに集中して流れる。このため、この角部３１ｂを面取りすることで、渦電流１０の角部３１ｂへの集中を抑制することができる。渦電流１０の角部３１ｂへの集中が抑制されることで、渦電流１０による高速回転子磁石３１の温度の局所的な上昇を低減することができ、高速回転子磁石３１の局所的な熱減磁を防止することができる。
　以上のように、実施の形態２による回転子５０は、高速回転子３０が備えた高速回転子磁石３１のそれぞれの分割部位において磁極片２１の側の周方向の両側の角部３１ｂが面取りされているため、渦電流１０の角部３１ｂへの集中を抑制することができ、渦電流１０による高速回転子磁石３１の温度の局所的な上昇を低減することができる。また、渦電流１０による高速回転子磁石３１の温度の局所的な上昇が低減されるため、高速回転子磁石３１の局所的な熱減磁を防止することができる。
実施の形態３．
　実施の形態３では、実施の形態１で説明した回転子５０を用いた回転電機１００について説明する。図８は回転電機１００の要部を示す模式図である。実施の形態３に係る回転電機１００は、回転子５０が備える高速回転子磁石３１のそれぞれが磁極片２１の周方向の幅よりも小さい間隔で周方向に分割された構成になっている。
　回転電機１００は、図８に示すように、回転の中心である回転軸（図８では図示せず）に対して磁性体からなる複数の磁極片２１が予め定められた間隔で周方向に配置された低速回転子２０と、磁極片２１に対向して磁極片２１の周方向の幅よりも大きい幅を備えた複数の高速回転子磁石３１を予め定められた間隔で周方向に有すると共に、低速回転子２０と同軸に設けられた高速回転子３０と、を備えた回転子５０、及び回転子５０と対向して回転子５０と同軸に設けられた固定子１を備える。固定子１は、固定子鉄心２、固定子コイル３、および固定子磁石４を備える。固定子鉄心２は、固定子ティース６を周方向に複数備える。固定子コイル３は、固定子ティース６の間に形成された複数の固定子スロット５のそれぞれの底部５ａの側に配置される。固定子磁石４は、複数の固定子スロット５のそれぞれの開口した側に配置され、径方向に同一の極性を備える。複数の高速回転子磁石３１のそれぞれは、磁極片２１の周方向の幅よりも小さい間隔で周方向に分割されている。
　磁極片２１が配置されたことにより生じた磁束の粗密による空間高調波に起因して、高速回転子磁石３１に渦電流が発生する。渦電流により、高速回転子磁石３１に渦電流損失が生ずる。この渦電流損失は高速回転子３０の出力を減少させるように働き、高速回転子３０の出力が負になれば、高速回転子３０をフリーランさせることができなくなる。この構成によれば、高速回転子磁石３１に発生した渦電流損失を低減させることができる。高速回転子磁石３１に発生する渦電流損失を低減することにより、高速回転子３０の出力の減少を抑制することができるため、高速回転子３０を安定的にフリーランさせることが可能となる。
　以上のように、実施の形態３による回転電機１００では、低速回転子２０が備えた磁極片２１の周方向の幅よりも小さい間隔で、高速回転子３０が備えた高速回転子磁石３１のそれぞれが周方向に分割されているため、高速回転子磁石３１に生じる渦電流１０が低減し、高速回転子磁石３１の渦電流損失を抑制することができる。また、渦電流１０を低減することで、高速回転子磁石３１の熱減磁を抑制することができる。また、高速回転子磁石３１の渦電流損失および熱減磁を抑制することで、高速回転子３０の性能の劣化を抑制でき、回転電機１００の出力は維持され、回転電機１００の信頼性を向上させることができる。また、高速回転子３０の出力の減少を抑制することができるため、高速回転子３０を安定的にフリーランさせることができる。
　以上では、実施の形態１で説明した回転子５０を用いた回転電機１００について説明したが、実施の形態２で説明した回転子５０を用いた回転電機１００においても、高速回転子磁石３１の渦電流損失および熱減磁を抑制することで、回転電機１００の出力は維持され、回転電機１００の信頼性を向上することができる。また、本願と同様の構成の回転子５０を備えた磁気的な変速機構と発電機構を有する磁気ギアード発電機、あるいは磁気的な変速機構とトルク発生機構を有する磁気ギアードモータにおいても同様の効果を奏する。また、以上では回転子５０が最内周にある回転電機１００について記載したが、回転子５０の配置は最内周に限るものではなく、回転子５０が最外周にあるアウターロータ形の回転電機であっても構わない。固定子１を最内周に設けた場合、固定子鉄心は回転電機の外周側に向けて開口した固定子スロットを周方向に複数備える。
　また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
　従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１　固定子、２　固定子鉄心、３　固定子コイル、４　固定子磁石、５　固定子スロット、５ａ　底部、６　固定子ティース、１０　渦電流、１０ａ　渦電流、２０　低速回転子、２１　磁極片、３０　高速回転子、３１　高速回転子磁石、３１ａ　分割部、３１ｂ　角部、３１ｃ　角部、３２　高速回転子鉄心、４０　回転軸、５０　回転子、１００　回転電機

Claims (3)

  1. 　回転の中心に対して磁性体からなる複数の磁極片が予め定められた間隔で周方向に配置された低速回転子と、
    前記磁極片に対向して前記磁極片の周方向の幅よりも大きい幅を備えた複数の永久磁石を予め定められた間隔で周方向に有すると共に、前記低速回転子と同軸に設けられた高速回転子と、を備えた回転子であって、
    前記磁極片の周方向の幅よりも小さい間隔で、前記高速回転子の複数の前記永久磁石のそれぞれが周方向に分割されていることを特徴とする回転子。
  2. 　分割された複数の前記永久磁石のそれぞれの分割部位は、前記磁極片の側の周方向の両側の角部が面取りされていることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
  3. 　請求項１または請求項２に記載した回転子と、
    前記回転子と対向して、前記回転子と同軸に設けられた固定子と、を備え、
    前記固定子は、
    固定子ティースを周方向に複数備えた固定子鉄心と、
    前記固定子ティースの間に形成された複数の固定子スロットのそれぞれの底部の側に配置された固定子コイルと、
    複数の前記固定子スロットのそれぞれの開口した側に配置され、径方向に同一の極性を備えた固定子磁石と、を備えたことを特徴とする回転電機。
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