WO2021261022A1 - 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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WO2021261022A1
WO2021261022A1 PCT/JP2021/008662 JP2021008662W WO2021261022A1 WO 2021261022 A1 WO2021261022 A1 WO 2021261022A1 JP 2021008662 W JP2021008662 W JP 2021008662W WO 2021261022 A1 WO2021261022 A1 WO 2021261022A1
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magnet
axis
rotor
rotor core
magnetic flux
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PCT/JP2021/008662
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English (en)
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純士 北尾
友 平井
Original Assignee
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
    • 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

Definitions

  • the present disclosure relates to a rotor having a permanent magnet and a rotary electric machine.
  • the rotor core is formed so as to have a magnetic path of leakage magnetic flux that closes in the rotor core in order to reduce the main magnetic flux when no load is applied. While the efficiency of the permanent magnet type rotary electric machine is improved, the main magnetic flux is reduced and the output is lowered by having the magnetic path of the leakage magnetic flux.
  • the rotor has at least one permanent magnet forming a d-axis magnetic path, and a path for leakage from at least one permanent magnet provided in the rotor to an adjacent permanent magnet pole.
  • the magnetic flux inflow portion and the magnetic flux outflow portion of the magnetic flux bypass path are arranged in the vicinity of the air gap between the rotor and the stator.
  • the magnetic flux inflow portion and the magnetic flux outflow portion of the magnetic flux bypass path are arranged in the vicinity of the air gap between the rotor and the stator, they are interlinked with the stator within the limited area of the rotor surface. It was necessary to generate both the magnetic flux to be generated and the magnetic flux to be short-circuited inside the rotor.
  • the amount of magnetic flux on both sides is in a trade-off relationship, and the maximum torque is increased. There is a problem that the variable amount of the magnetic flux of the magnet decreases when it is increased.
  • the present disclosure has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a rotor and a rotary electric machine using the rotor, which can improve the variable amount of the magnetic flux of the magnet.
  • the rotor core is A bypass barrier in the non-magnetic region provided on the q-axis, a first magnet provided in a region closer to the d-axis than the q-axis of the rotor core, a flux barrier of the rotor core, and a diameter larger than that of the first magnet.
  • It has a second magnet, which is at least partially provided in the inner region, and the second magnet is provided in a region closer to the q-axis than the first magnet of the rotor core, and is of the second magnet.
  • the end point closest to the q-axis is characterized in that it is located inside the innermost diameter of the innermost surface of the bypass barrier in the rotor core.
  • the variable amount of the magnetic flux of the magnet can be improved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line I-I of FIG. 1 of a rotary electric machine provided with a rotor according to the first embodiment of the present disclosure. It is sectional drawing of the main part of the rotor which concerns on Embodiment 1 of this disclosure. It is a figure which shows the magnetic field analysis result at the time of no load of the rotor which concerns on Embodiment 1 of this disclosure. It is a figure which shows the magnetic field analysis result under load of the rotor which concerns on Embodiment 1 of this disclosure.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line I-I of FIG. 1 of a rotary electric machine provided with a rotor according to a fourth embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing a rotary electric machine provided with a rotor according to the first embodiment of the present disclosure
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG.
  • the vertical cross-sectional view is a cross-sectional view showing a cross section including the axis of the rotation axis.
  • the direction parallel to the axis of the rotation axis is the axial direction 3
  • the direction orthogonal to the axis of the rotation axis is the radial direction around the axis of the rotation axis
  • the direction of rotation around the rotation axis is the circumference. The direction. As shown in FIG.
  • the rotary electric machine 100 includes a substantially cylindrical frame 13, a pair of brackets 14 mounted on both ends of the frame 13 in the axial direction and closing openings on both sides in the axial direction of the frame 13, and a pair.
  • a rotating shaft 16 supported by a bearing 15 mounted on the bracket 14 and rotatably provided in the frame 13 is provided.
  • the rotary electric machine 100 is fixed to the rotary shaft 16 and rotatably provided in the frame 13, and is inserted and held in the frame 13 so as to be coaxially provided on the outer diameter side of the rotor 20.
  • a gap G is formed between the rotor 20 and the stator 10. Since the frame 13, the bracket 14, the bearing 15, and the rotating shaft 16 are well-known techniques, other detailed description of each configuration will be omitted.
  • the stator 10 includes an annular stator core 11 and a stator coil 12 mounted on the stator core 11.
  • the stator core 11 includes an annular core back 18 and a plurality of teeth 19 protruding inward in the radial direction from the inner peripheral surface of the core back 18, for example, thin plates of electrical steel sheets are laminated in the axial direction. It is integrated and configured. Forty-eight teeth 19 are arranged at an equiangular pitch in the circumferential direction. The circumferential width of the innermost diameter portion of the teeth 19 is defined as the circumferential width T.
  • the stator coil 12 is composed of a distributed winding coil that is inserted between the teeth 19 and has a conductor wire formed across the plurality of teeth 19. By adopting a distributed winding, it becomes easier to utilize the reluctance torque.
  • the rotor 20 includes a rotating shaft 16, a cylindrical rotor core 21 having a shaft insertion hole formed at the axial center position, and a plurality of permanent magnets 22 (hereinafter, simply magnets) embedded inside the rotor core 21. 22) and a bypass barrier 23 in a non-magnetic region.
  • the arrow shown by the magnet 22 in the figure indicates the orientation.
  • the rotor core 21 is fixed to the rotating shaft 16 inserted into the shaft insertion hole.
  • the rotor core 21 is configured, for example, by laminating and integrating thin plates of electrical steel sheets in the axial direction.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a main part of the rotor according to the first embodiment of the present disclosure.
  • the cross-sectional view is a cross-sectional view showing a cross section orthogonal to the axis of the rotation axis.
  • FIG. 3 for the portion not shown, the same configuration as the illustrated portion is continuously configured in the circumferential direction.
  • the magnets 22 arranged on the rotor 20 are each formed in a rectangular shape, and a flux barrier 25, which will be described later, is provided on each short side of the rectangular shape of the magnet 22. Further, each of the magnets 22 is either a first magnet 221 or a second magnet 222, which will be described later. Each is magnetized in the direction from one long side of the rectangle to the other long side, that is, parallel to the short side. In addition, in order to prevent the drawing from becoming complicated, the reference numeral of the magnet 22 is omitted as only a part.
  • some of the magnets 22 magnetized and arranged toward the stator 10 side serve as a path for the magnetic flux of the magnet 22 to be interlinked with the stator 10.
  • the north pole is formed.
  • a part of the magnets 22 magnetized from the stator 10 side toward the rotating shaft 16 generate an S pole magnetic pole that is a path from the stator 10 to the rotor 20. It is formed.
  • the center of the magnetic pole of the N pole is defined as the d-axis
  • the direction electrically orthogonal to the d-axis located between the magnetic poles between the N-pole and the S-pole is defined as the q-axis.
  • each magnet 22 can be formed in the shortest time, so that the magnetic flux interlinking with the stator 10 can be effectively increased. This makes it possible to form the amount of magnets of each magnet 22 arranged on the rotor 20 required to realize the desired output of the rotary electric machine 100 with the minimum amount.
  • One magnetic pole of the rotor core 21 is a first magnet 221 provided so as to straddle the d-axis of the rotor core 21 in the circumferential direction among a plurality of magnets 22, and a q-axis rather than the first magnet 221. It is composed of two second magnets 222 provided in the region of the rotor core 21 near the side. With this configuration, one magnetic pole is configured as a whole while being separated into a magnet 22 mainly intended for magnetic flux output interlinking to the stator 10 and a magnet 22 mainly intended for magnetic flux output short-circuited by the rotor 20. be able to.
  • the plurality of magnet groups are arranged in the rotor core 21 at equal intervals in the circumferential direction.
  • the d-axis which is the center of the magnetic pole of the N pole described above, is an axis that equally divides the first magnet 221 in the circumferential direction.
  • the q-axis described above is an axis that equally divides the rotor core 21 between adjacent magnet groups in the circumferential direction.
  • the two second magnets 222 of the magnet group constituting one magnetic pole are separated from each other so as to sandwich the circumferential direction of the first magnet 221 and are arranged so as to form an arc as a whole.
  • the arc is formed so as to have a recess with respect to the rotation axis 16 of the rotor 20. That is, of the arrangements of the three magnets 22 constituting one magnetic pole, the arrangement of the first magnet 221 is in the region of the rotor core 21 whose diameter is outside the diameter of the other second magnet 222.
  • the magnetic flux output surface of the first magnet 221 is arranged so as to be closer to the outer diameter surface of the rotor core 21 than the magnetic flux output surface of each second magnet 222.
  • the magnetic flux input surface of the first magnet 221 is closer to the outer diameter surface of the rotor core 21 than the magnetic flux input surface of each second magnet 222.
  • the arrangement of the second magnet 222 is such that at least a part thereof is provided in the region of the rotor core 21 whose diameter is inside the diameter of the first magnet 221. More specifically, the end point closest to the q-axis of the second magnet 222 is arranged so as to be located inside the innermost diameter inner surface of the bypass barrier 23, which will be described later. Further, in the second magnet 222, among both ends in the circumferential direction, the end on the side closer to the q-axis is closer to the axis than the end on the side far from the q-axis, and the end far from the q-axis side is the other.
  • the magnetic flux output surface of the second magnet 222 has an inclination, and the inclination of the magnetic flux output surface of the second magnet 222 at the N pole pole tends to be on the q-axis side.
  • the inclination facilitates the interlinking of the magnetic flux of the second magnet 222 in the intended direction. This inclination is determined so that the magnetic flux generated from the magnet output surface of the second magnet 222 is interlinked with another adjacent second magnet 222 via the q-axis.
  • the arrangement is the same for each magnet 22 constituting the S pole magnetic pole, and the second magnet 222 of a different pole adjacent to each other via the q axis is arranged so as to have an inclination line-symmetrical with respect to the q axis.
  • Each magnet 22 has a flux barrier 25 at both ends in the circumferential direction.
  • the flux barrier 25 penetrates the rotor core 21 in the axial direction and is a non-magnetic region of the void.
  • the flux barrier 25 provided at both ends of the first magnet 221 and the flux barrier 25 provided at both ends of the second magnet 222 are adjacent to each other via the rotor core 21.
  • the rotor core 21 between the first magnet 221 and the second magnet 222 of the same pole adjacent to each other is referred to as a bypass portion 24b.
  • the bypass barrier 23 is formed on the q-axis of the rotor core 21.
  • the bypass barrier 23 penetrates the rotor core 21 in the axial direction and is a non-magnetic region of the void.
  • the bypass barrier 23 is located in the region of the rotor core 21 surrounded by the outer diameter outer surface of the two adjacent second magnets 222 and the outermost outer surface of the rotor of the rotor core 21 via the q-axis. It is provided in.
  • the magnetic flux of one of the second magnets 222 having different poles adjacent to each other via the q axis is the magnetic flux of the second magnet 222.
  • a path that passes through the other second magnet 222 and is short-circuited inside the rotor core This route is referred to as a bypass portion 24a.
  • the rotor core 21 which is inside the diameter of the bypass barrier 23 and is between the circumferential directions of the second magnet 222 of the adjacent different pole serves as a path of the magnetic flux generated by the stator 10. This path is referred to as a q-axis magnetic path portion.
  • each magnet 22, the bypass barrier 23, and the flux barrier 25 will be described.
  • the distance A when the outermost outermost surface of the rotor core 21 and the corner portion of the second magnet 222 closest to the q-axis are connected in parallel with the q-axis is defined as the distance A. ..
  • Distance B is the largest distance between the outer diameter surface of the rotor core 21 and the bypass barrier 23 when the innermost inner surface of the bypass barrier 23 and the outermost inner surface of the rotor core 21 are connected in parallel with the q-axis.
  • the shortest distance in the rotor core 21 between the circumferential directions of the flux barrier 25 provided on the adjacent second magnet 222 via the q-axis is defined as the shortest distance C.
  • the smallest distance among the distances of the child cores 21 is defined as the minimum distance D.
  • the flux barrier 25, the second magnet 222, and the bypass barrier 23 are respectively arranged in the rotor core 21 so as to satisfy the relationship of the shortest distance C ⁇ minimum distance D ⁇ 2. Further, the bypass barrier 23 is arranged so that the minimum distance D is larger than the radial width of the rotor core 21 outside the diameter of the bypass barrier 23.
  • the minimum distance of the rotor core 21 from the intersection of the outermost outermost outer surface of the first magnet 221 and the d-axis to the outermost outer surface of the rotor 20 is defined as the distance E, and the most of the first magnet.
  • the minimum distance of the rotor core 21 from the end point on the outer diameter to the outer surface of the rotor 20 is defined as the distance F.
  • the first magnet 221 is arranged on the rotor core 21 so as to satisfy the relationship of distance E> distance F.
  • the circumferential width of the second magnet 222 is defined as the circumferential width H. At this time, the relationship of circumferential width H ⁇ shortest distance C ⁇ 2 is satisfied. Further, when the circumferential width of the outermost diameter portion of the bypass barrier 23 is the circumferential width P, the relationship with the circumferential width T of the innermost inner diameter portion of the teeth 19 satisfies the circumferential width P ⁇ circumferential width T. do.
  • FIG. 4 is a diagram showing a magnetic flux density vector in the magnetic field analysis of the rotor shape shown in FIG. 3 when no load is applied.
  • FIG. 5 is a diagram showing a magnetic flux density vector in the magnetic field analysis of the rotor shape shown in FIG. 3 under load.
  • FIG. 6 is a diagram showing a magnetic flux density vector in a magnetic field analysis under no load of a shape in which the shortest distance C of the rotor shape shown in FIG. 4 is changed.
  • FIG. 7 is a diagram showing a magnetic flux density vector in a magnetic field analysis under a load of a shape in which the shortest distance C of the rotor shape shown in FIG. 4 is changed.
  • FIGS. 4 is a diagram showing a magnetic flux density vector in the magnetic field analysis of the rotor shape shown in FIG. 3 when no load is applied.
  • FIG. 5 is a diagram showing a magnetic flux density vector in the magnetic field analysis of the rotor shape shown in FIG. 3 under load.
  • FIG. 6 is a
  • the range of the rotor core 21 of the bypass portion 24a including the minimum distance D described above is defined as the main portion a.
  • the range of the q-axis magnetic path portion of the rotor core 21 between the circumferential directions of the second magnet 222s of different poles adjacent to each other via the q-axis, including the shortest distance C described above is defined as the main part b. ..
  • the range of the rotor core 21 between the circumferential direction of the second magnet 222 of the same pole including the bypass portion 24b and the first magnet 221 is defined as the main part c.
  • the magnetic flux density in the rotor 20 when there is no load it can be seen that the magnetic flux density of the main part a is high as shown in FIG. It can also be seen that the magnetic flux density of the main part b is low. Further, it can be seen that a large amount of magnetic flux generated from the first magnet 221 passes through the main part c. In other words, a large amount of magnetic flux emitted from one of the adjacent second magnets 222 via the q-axis passes through the bypass portion 24a of the rotor core 21 and is short-circuited to the adjacent second magnet 222 to rotate. There is a short circuit in the child core 21. A part of the magnetic flux of the first magnet 221 passes through the bypass portion 24b with the second magnet 222 and is short-circuited.
  • the magnetic flux densities of the main part a and the main part b show the same magnitude as shown in FIG. Further, it can be seen that when a current is applied to the stator coil 12 of the stator 10, the magnetic flux generated by the stator 10 interlinks the main part b and the main part a of the rotor core 21. Similarly, the magnetic flux generated by the stator 10 is interlinked with the main part c.
  • the bypass barrier 23 and the second magnet 222 are arranged in the rotor core 21 so as to satisfy the relationship of distance A> distance B in particular.
  • the path of the magnetic flux can be secured in the rotor core 21 between the magnet 222 and the magnet 222 in the radial direction. Then, the magnetic flux of the second magnet 222 at the time of no load can be short-circuited by the rotor core 21 whose diameter is inside the bypass barrier 23 in the rotor core 21.
  • the rotor core 21 which is the path of the magnetic flux can secure the path of the magnetic flux, and the first magnet when no load is applied.
  • a part of the magnetic flux of the magnet 221 can be short-circuited in the rotor core 21. Therefore, by increasing the magnetic flux short-circuited in the rotor core 21 when there is no load, the main magnetic flux can be reduced and the efficiency of the rotary electric machine 100 can be improved.
  • the saturation magnetic flux density when the electromagnetic steel plate is applied to the rotor core 21 is about 2T
  • the magnetic flux density inside the magnet when the neodymium magnet is applied to the second magnet 222 is about 1T. Therefore, in order to short-circuit the magnetic flux of the second magnet 222 until the minimum distance D reaches the saturation magnetic flux density, it is necessary to satisfy the relationship of circumferential width H ⁇ shortest distance C ⁇ 2. Then, by satisfying the relationship of the circumferential width H ⁇ shortest distance C ⁇ 2, the magnetic flux short-circuited at the main part a of the rotor core 21 can be increased to the maximum. Therefore, by increasing the magnetic flux short-circuited in the rotor core 21 when there is no load, the main magnetic flux can be reduced and the efficiency of the rotary electric machine 100 can be improved.
  • the magnetic flux short-circuit path of the second magnet 222 is provided when no load is applied.
  • the bypass portion 24a can be used as a path for magnetic flux mainly generated by the stator 10 when loaded. Then, it is possible to achieve both an increase in the amount of short-circuit magnetic flux generated inside the rotor 20 and an increase in the amount of magnet magnetic flux interlinking with the stator 10. Further, as shown in the main part d of FIG. 5, the amount of magnetic flux interlinking with the stator 10 can be increased by satisfying the relationship of the circumferential width P ⁇ circumferential width T.
  • the magnet 222 is short-circuited in the rotor core 21 and the magnetic flux of a part of the first magnet 221 is short-circuited through the rotor core 21 between the magnet 222 and the second magnet 222. That is, if the relationship of distance A> distance B is satisfied, the magnetic flux short-circuited in the rotor core 21 can be increased, and by reducing the shortest distance C, the second magnet 222 at no load can be used. The effect on magnetic flux is small.
  • the magnetic flux density in the rotor 20 under load it can be seen that the magnetic flux density of the main part a is lower than that of the main part b as shown in FIG. This is related to the direction of the magnetic flux of the second magnet 222 and the magnetic flux generated by the stator 10. This will be described in detail below.
  • the magnitude of the magnetic flux density under load is determined by the superposition of the magnetic flux generated in the stator 10 and the magnetic flux generated in the rotor 20.
  • the direction of the magnetic flux of the second magnet 222 and the direction of the magnetic flux generated by the stator 10 are reversed, and at the main part b, the magnetic flux density is from 0 to saturation.
  • the direction of the magnetic flux generated from the second magnet 222 is defined as the-direction
  • the phenomenon of the main part a changes from the magnetic saturation in the-direction to the magnetic saturation in the + direction.
  • the phenomenon of the main part b changes from the state where the magnetic flux is 0 to the magnetic saturation in the + direction. Therefore, as shown in FIG.
  • the shortest distance C is necessary to configure the shortest distance C to be larger than the minimum distance D.
  • the minimum distance D it is possible to avoid the suppression of magnetic flux interlinking to the main part a due to the magnetic saturation of the main part b, and the rotation near the main part a under load.
  • the child core 21 can be used more effectively.
  • FIG. 8 is a diagram showing the result of ⁇ d when the magnetic flux interlinking with the stator 10 when a current is applied is separated in the d-axis direction and the q-axis direction.
  • the solid line in the figure shows ⁇ d in the configuration satisfying the relationship of the shortest distance C ⁇ minimum distance D ⁇ 2 (C ⁇ 2D), and the dotted line shows the relationship of the minimum distance D ⁇ 2> the shortest distance C (2D> C). ⁇ d in the configuration is shown.
  • ⁇ d is equivalent to the amount of magnetic flux in which the magnetic flux from each magnet 22 arranged on the rotor 20 is interlinked with the stator 10. It can be seen that when a current is applied, the amount of increase in ⁇ d is high in a configuration that satisfies the relationship of C ⁇ 2D. The amount of increase in ⁇ d means an increase in the magnetic flux of the magnet 22.
  • the magnetic flux passing through the main part b is determined by superimposing the magnetic flux from the stator 10 and the magnetic flux of the magnet 22, and ⁇ d is formed by this superposition. Therefore, the bypass barrier 23 is formed on the outer diameter of the rotor core 21 with respect to the magnetic flux generating surface of the second magnet 222, and the arrangement of the two satisfies the above-mentioned relationship of distance A> distance B, so that the load is applied.
  • the configuration is such that the magnetic fluxes overlap with each other at the time. Therefore, ⁇ d can be increased.
  • the magnetic fluxes in the main part a and the main part b can be superposed. Since it can be increased, ⁇ d can be further increased. Therefore, the maximum torque can be improved.
  • the first embodiment in the present disclosure has a bypass barrier 23 and a second magnet 222 arranged inside the diameter of the bypass barrier 23, and the bypass barrier 23 and the second magnet 222.
  • a bypass portion 24a which serves as a path for magnetic flux, is provided in the rotor core 21 between the radial directions of the above.
  • the minimum distance D is arranged so as to be larger than the radial width of the rotor core 21 outside the diameter of the bypass barrier 23.
  • the magnetic flux of the second magnet 222 can be interlinked more inside the diameter than the bypass barrier 23, and more magnetic flux can be short-circuited in the rotor 20.
  • the end point closest to the q-axis of the second magnet is provided in the rotor core 21 region located at the magnetic flux inflow outlet of the bypass portion 24a inside the inner diameter of the innermost inner surface of the bypass barrier 23.
  • more magnetic flux can be interlinked with the rotor core 21 inside the diameter of the bypass barrier 23.
  • the variable amount of ⁇ d under load can be further increased.
  • the magnetic flux input / output surface of the second magnet 222 has an inclination with respect to the q-axis. With this configuration, it is possible to facilitate the interlinking of magnetic flux in the rotor core 21 between the adjacent second magnets 222. Further, a second magnet 222 having a different pole is arranged adjacent to the q-axis. With this configuration, since one of the second magnets 222 is directed to the other second magnet 222, the magnetic flux can be further short-circuited in the rotor 20 with the bypass portion 24a as a path.
  • one magnetic pole is composed of a plurality of magnets 22.
  • a first magnet 221 that mainly generates a magnetic flux interlinking with the stator 10
  • a second magnet 222 that mainly generates a magnetic flux that is short-circuited in the rotor core 21.
  • the rotor core 21 between the magnets 22 of the above can be used as a magnetic flux path. Further, even if the magnet 22 is formed in a rectangular shape, it is easy to arrange it more optimally, there is less processing of the magnet, and the manufacturability can be improved.
  • the arrangement of the first magnet 221 is arranged so as to straddle the d-axis in the region outside the diameter of the rotor core 21 as compared with the second magnet 222. With this configuration, most of the magnetic flux of the first magnet 221 can be linked to the stator 10 side when energized. Further, by satisfying the relationship of the circumferential width P ⁇ circumferential width T, the amount of magnetic flux interlinking with the stator 10 can be increased.
  • the relationship of circumferential width H ⁇ shortest distance C ⁇ 2 is satisfied.
  • the magnetic flux short-circuited by the rotor core 21 can be increased to the maximum. Therefore, by increasing the magnetic flux short-circuited in the rotor core 21 when there is no load, the main magnetic flux can be reduced and the efficiency of the rotary electric machine 100 can be improved.
  • the first magnet 221 on the d-axis is provided so as to satisfy the relationship of distance E> distance F.
  • the rotor core 21 on the gap G side generates reluctance torque due to the magnetic flux generated by the stator 10, so that the effect of separating the first magnet 221 and the second magnet 222 improves the increase in ⁇ d.
  • the reluctance torque can be improved.
  • the first magnet 221 constituting one magnetic pole may be configured by a plurality of magnets.
  • the number of 22 can be changed as appropriate.
  • it may be configured to be arranged line-symmetrically with respect to the d-axis.
  • the effect of increasing the main magnetic flux interlinking with the stator 10 can be obtained.
  • each magnet 22 is rectangular, it may be formed in an arc shape integrally formed, or each magnet may be formed in a shape along the arc. In this case, the effect of increasing the main magnetic flux interlinking with the stator 10 and the effect of improving the efficiency by reducing the harmonics of the magnetic flux generated by the rotor 20 can be obtained. Further, although it has been explained that each magnet 22 is magnetized in parallel with the short side, it is not always parallel to the short side and can be appropriately changed to be parallel to or not parallel to the long side.
  • the flux barrier 25 is provided at the circumferential end of each magnet
  • the effect of increasing the magnetic flux short-circuited in the rotor core 21 to increase the ⁇ d variable amount and the effect of increasing the main magnetic flux generated from the first magnet 221 and interlinking with the stator 10 can be obtained. ..
  • the magnetic permeability may be lower than that of the rotor core 21, and a non-magnetic material may be embedded. In this case as well, the magnetic characteristics can be deteriorated by the residual stress and the magnetic permeability can be lowered.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a main part of the rotor 20 according to the second embodiment.
  • the second magnet 222 is provided on the q-axis of the rotor core 21 whose diameter is inside the bypass barrier 23 provided on the q-axis.
  • the second magnet 222 is magnetized at the N pole magnetic pole so that the magnetic flux of the second magnet 222 is directed toward the stator 10 side as shown by an arrow in the figure. Since the second magnet 222 is provided on the q-axis, the magnetizing direction is opposite at the S pole magnetic pole.
  • Other configurations are the same as those in the first embodiment.
  • the second magnet 222 is provided on the q-axis, the distance between the second magnet 222 and the bypass barrier 23 in the radial direction can be increased. As a result, the number of magnets can be reduced, so that the cost can be reduced while increasing the variable amount of ⁇ d.
  • variable amount of the magnet magnetic flux is achieved by achieving both an increase in the amount of magnet magnetic flux interlinking with the stator 10 when a current is applied. Has the effect of improving. Furthermore, it becomes possible to improve the reluctance torque.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a main part of the rotor 20 according to the third embodiment.
  • the second magnet 222 is arranged with an inclination so that the inner diameter end portion close to the d-axis of the circumferential end portion is closer to the axial center than the inner diameter inner end portion close to the q-axis.
  • the second magnet 222 in the same pole is arranged line-symmetrically with respect to the d-axis.
  • the magnetism of the second magnet 222 is magnetized so that the magnetic flux of the second magnet is directed toward the stator 10. That is, each magnet 22 in one magnetic pole is composed of two layers. Other configurations are the same as those of the first embodiment or the second embodiment.
  • each magnet 22 in one magnetic pole into two layers, it is possible to increase the magnetic path in which the magnetic flux generated from the stator 10 interlinks with the rotor 20, so that the reluctance torque can be improved.
  • the rotor according to the third embodiment similarly to the first embodiment or the second embodiment, by achieving both an increase in the amount of magnet magnetic flux interlinking with the stator 10 when a current is applied. It has the effect of improving the variable amount of magnet magnetic flux. Furthermore, it becomes possible to improve the reluctance torque.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. 1 according to the fourth embodiment.
  • the stator 10 includes an annular stator core 11 and a stator coil 12 mounted on the stator core 11.
  • the stator core 11 includes an annular core back 18 and a plurality of teeth 19 protruding inward in the radial direction from the inner peripheral surface of the core back 18, for example, thin plates of electrical steel sheets are laminated in the axial direction. It is integrated and configured. Twelve teeth 19 are arranged at an equiangular pitch in the circumferential direction. Let T be the circumferential width of the innermost diameter portion of the teeth 19.
  • the stator coil 12 is composed of a centralized winding coil formed by winding a conductor wire around a tooth 19. Other configurations are the same as those of the first to third embodiments.
  • the coil end length can be shortened, the copper loss can be reduced, and the total length of the motor can be shortened.
  • teeth 19 are arranged at an equiangular pitch, the number of teeth 19 does not necessarily have to be 12, and can be changed as appropriate.
  • the magnet magnetic flux can be increased by achieving both an increase in the amount of magnet magnetic flux interlinking with the stator 10 when a current is applied, as in the first to third embodiments. It has the effect of improving the variable amount. Further, the copper loss can be reduced and the total length of the motor can be shortened.
  • stator 10 stator, 12 stator coil, 13 frame, 14 bracket, 15 bearing, 16 rotating shaft, 18 core back, 19 teeth, 20 rotor, 21 rotor core, 22 magnet, 23 bypass barrier, 24a 24b bypass part, 25 Flux barrier, 221 first magnet, 222 second magnet

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Abstract

回転子コア（２１）を備え、回転子コア（２１）の磁極中心をｄ軸とし、ｄ軸と電気的に直交する方向の軸をｑ軸としたとき、回転子コア（２１）は、ｑ軸上に設けられる非磁性領域のバイパスバリア（２３）と、回転子コア（２１）のｑ軸よりもｄ軸に近い領域に設けられる第１の磁石（２２１）と、回転子コア（２１）の第１の磁石（２２１）よりも径内側の領域に少なくとも一部が設けられる第２の磁石（２２２）と、を有し、第２の磁石（２２２）は、回転子コア（２１）の第１の磁石（２２１）よりもｑ軸に近い領域に設けられ、第２の磁石（２２２）のｑ軸に最も近い端点は、回転子コア（２１）内のバイパスバリア（２３）の最も径内側の面である最径内面よりも径内側に位置する。

Description

回転子およびこれを用いた回転電機
　本開示は、永久磁石を有する回転子、および回転電機に関するものである。
　永久磁石が回転子コアの中に埋め込まれる構造である回転子においては、無負荷時の主磁束低減のため、回転子コア内で閉じる漏れ磁束の磁路を有するように回転子コアを形成すると永久磁石式回転電機の効率は向上するのに対し、漏れ磁束の磁路を有することにより主磁束が低減し出力が低下する。
　上記の状況を鑑み、隣接する永久磁石へ漏洩する漏れ磁束をｑ軸電流により制御し、これにより固定子に巻回されたコイルに鎖交する永久磁石の磁束を制御する可変磁束型回転電機が提案されている（例えば、特許文献１）。
　この特許文献１では、回転子は、ｄ軸磁路を形成する少なくとも一つの永久磁石を有し、回転子に設けられた少なくとも一つの永久磁石から、隣接する永久磁石極へ漏洩する際の経路となる磁束バイパス路を備え、磁束バイパス路の磁束流入部及び磁束流出部は、回転子と固定子との間のエアギャップ近傍に配置される。
国際公開第２０１４／００３７３０号
　しかしながら、磁束バイパス路の磁束流入部及び磁束流出部が回転子と固定子との間のエアギャップ近傍に配置される構成においては、回転子表面の限られた面積の中で固定子に鎖交する磁束と回転子内部で短絡する磁束の両方を発生させる必要があった。また限られた面積内で固定子に鎖交する磁束と回転子内部で短絡する磁束の両方の磁路を形成するためには双方の磁束量はトレードオフの関係となっており、最大トルクを高めると磁石の磁束の可変量が低下するという課題があった。
　本開示は、上記の課題を解決するためになされたものであり、磁石磁束の可変量を向上させることができる回転子および回転子を用いた回転電機を提供することを目的とする。
　本開示に係る回転子および回転子を用いた回転電機は、回転子コアの磁極中心をｄ軸とし、ｄ軸と電気的に直交する方向の軸をｑ軸としたとき、回転子コアは、ｑ軸上に設けられる非磁性領域のバイパスバリアと、回転子コアのｑ軸よりもｄ軸に近い領域に設けられる第１の磁石と、回転子コアのフラックスバリアおよび第１の磁石よりも径内側の領域に少なくとも一部が設けられる第２の磁石と、を有し、第２の磁石は、回転子コアの第１の磁石よりもｑ軸に近い領域に設けられ、第２の磁石のｑ軸に最も近い端点は、回転子コア内のバイパスバリアの最も径内側の面である最径内面よりも径内側に位置することを特徴とするものである。
　本開示の回転子および回転子を用いた回転電機によれば、磁石磁束の可変量を向上させることができる。
本開示の実施の形態１に係る回転子を備えた回転電機の縦断面図である。 本開示の実施の形態１に係る回転子を備えた回転電機の図１のＩ－Ｉ矢視断面図である。 本開示の実施の形態１に係る回転子の要部横断面図である。 本開示の実施の形態１に係る回転子の無負荷時の磁界解析結果を示す図である。 本開示の実施の形態１に係る回転子の有負荷時の磁界解析結果を示す図である。 本開示の実施の形態１に係る回転子の変更例における無負荷時の磁界解析を示す図である。 本開示の実施の形態１に係る回転子の変更例における有負荷時の磁界解析を示す図である。 本開示の実施の形態１に係る回転子における電流とΦdの関係を示す図である。 本開示の実施の形態１に係る回転子における要部横断面図である。 本開示の実施の形態２に係る回転子における要部横断面図である。 本開示の実施の形態３に係る回転子における要部横断面図である。 本開示の実施の形態４に係る回転子を備えた回転電機の図１のＩ－Ｉ矢視断面図である。
　以下、図面を参照しながら実施の形態について説明する。なお、図面は概略的に示されるものであり、説明の便宜のため、構成の省略、または、構成の簡略化がなされるものである。また、異なる図面にそれぞれ示される構成などの大きさおよび位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得るものである。また、以下に示される説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称と機能とについても同様のものとする。したがって、それらについての詳細な説明を、重複を避けるために省略する場合がある。
実施の形態１．
　図１は、本開示の実施の形態１に係る回転子を備えた回転電機を示す縦断面図、図２は、図１のＩ－Ｉ矢視断面図である。なお、縦断面図とは、回転軸の軸心を含む断面を示す断面図である。また、便宜上、回転軸の軸心と平行な方向を軸方向３、回転軸の軸心を中心として、回転軸の軸心と直交する方向を径方向、回転軸を中心として回転する方向を周方向とする。
　図１に示すように、回転電機１００は、略円筒状のフレーム１３と、フレーム１３の軸方向の両端に装着されて、フレーム１３の軸方向両側の開口を塞ぐ一対のブラケット１４と、一対のブラケット１４に装着された軸受１５に支持されて、フレーム１３内に回転可能に設けられた回転軸１６と、を備える。回転電機１００は、回転軸１６に固着されてフレーム１３内に回転可能に設けられた回転子２０と、フレーム１３内に挿入、保持されて、回転子２０の外径側に同軸に設けられた固定子１０と、をさらに備える。回転子２０と固定子１０との間には、ギャップGが形成されている。フレーム１３、ブラケット１４、軸受１５および回転軸１６は、周知技術であるため各構成のその他の詳細な説明は省略する。
　図２に示すように、固定子１０は、円環状の固定子コア１１と、固定子コア１１に装着された固定子コイル１２と、を備える。固定子コア１１は、円環状のコアバック１８と、コアバック１８の内周面から径方向内方に突出する複数のティース１９と、を備え、例えば、電磁鋼板の薄板を軸方向に積層、一体化して構成される。ティース１９は、周方向に等角ピッチで４８本配列されている。ティース１９の最内径部の周方向幅を周方向幅Ｔとする。固定子コイル１２は、ティース１９の間に挿入され、複数のティース１９を跨って導体線を形成された分布巻コイルにより構成される。分布巻を採用することにより、リラクタンストルクが活用しやすくなる。
　回転子２０は、回転軸１６と、軸心位置にシャフト挿入孔が形成された円筒状の回転子コア２１と、回転子コア２１の内側に埋め込まれた複数の永久磁石２２（以下では単に磁石２２という）と、非磁性領域のバイパスバリア２３と、を備える。図中の磁石２２に示す矢印は、配向を示している。回転子コア２１は、シャフト挿入孔に挿入された回転軸１６に固着される。回転子コア２１は、例えば、電磁鋼板の薄板を軸方向に積層、一体化して構成される。永久磁石２２は、例えば、残留磁束密度が高いネオジム磁石が適用される。
　回転子２０の構造について、図３を用いてさらに説明する。図３は、本開示の実施の形態１に係る回転子の要部横断面図である。なお、横断面図とは、回転軸の軸心と直交する断面を示す断面図である。図３において、図示していない部分については、図示した部分と同様の構成が周方向に連続して構成されている。
　回転子２０に配置される磁石２２は、それぞれ長方形に形成され、磁石２２の長方形のそれぞれの短辺側には後述するフラックスバリア２５が設けられる。また、磁石２２のそれぞれは、後述する第１の磁石２２１と第２の磁石２２２のいずれかである。そして、それぞれが長方形の一方の長辺から他方の長辺へ向かう方向、すなわち短辺と平行に着磁されている。なお、図面が煩雑になるのを防ぐため、磁石２２の符号は一部のみとし省略している。
　図中に矢印で示すように、磁石２２のうち、固定子１０側に向かって着磁されて配置される一部の磁石２２によって、固定子１０に磁石２２の磁束が鎖交する経路となるＮ極磁極が形成される。また、図中に矢印で示すように、固定子１０側から回転軸１６に向かうように着磁された一部の磁石２２によって、固定子１０から回転子２０に向かう経路となるＳ極磁極が形成される。ここで、Ｎ極の磁極中心をｄ軸、Ｎ極とＳ極との間である磁極間に位置しｄ軸と電気的に直交する方向をｑ軸、と定義する。このような着磁と配置によって、各磁石２２が作る磁路を最短で形成できるため、固定子１０に鎖交する磁束を効果的に増大させることができる。これにより回転電機１００の所望の出力を実現するために必要な回転子２０に配置される各磁石２２の磁石量を最小限の量で形成することが可能となる。
　回転子コア２１の１磁極は、複数の磁石２２のうち、回転子コア２１のｄ軸を周方向に跨ぐように設けられる１つの第１の磁石２２１と、第１の磁石２２１よりもｑ軸側に近い回転子コア２１の領域に設けられる２つの第２の磁石２２２と、によって構成される。この構成により主に固定子１０へ鎖交する磁束出力を目的とした磁石２２と、主に回転子２０で短絡させる磁束出力を目的とした磁石２２とに分離しつつ全体として１磁極を構成することができる。この１磁極を構成する３つの磁石２２を１つの磁石群としたとき、複数の磁石群は、回転子コア２１内に周方向に離間して等間隔で配置される。そして、上記で述べたＮ極の磁極中心であるｄ軸は、第１の磁石２２１を周方向に等分するような軸となる。また、上記で述べたｑ軸は隣接する磁石群の間の回転子コア２１を周方向に等分するようにとおる軸となる。
　１磁極を構成する磁石群のうちの２つの第２の磁石２２２は、第１の磁石２２１の周方向を挟むようにそれぞれ離間し、その全体が円弧状になるように配置される。その円弧は、回転子２０の回転軸１６に対して凹部を有するように形成される。すなわち、１磁極を構成する３つの磁石２２の配置のうち、第１の磁石２２１の配置は、他の第２の磁石２２２よりも径外側の回転子コア２１の領域となる。Ｎ極においては、第１の磁石２２１の磁束出力面が各第２の磁石２２２の磁束出力面よりも回転子コア２１の径外面に近くなるように配置される。Ｓ極においては、第１の磁石２２１の磁束入力面が各第２の磁石２２２の磁束入力面よりも回転子コア２１の径外面に近くなる。
　第２の磁石２２２の配置は、少なくともその一部が第１の磁石２２１よりも径内側の回転子コア２１の領域に設けられるように配置される。さらに詳細には、第２の磁石２２２のｑ軸に最も近い端点が後述するバイパスバリア２３の最も径内側の最径内面よりも径内側に位置するように配置される。また、第２の磁石２２２は、その周方向両端部のうち、ｑ軸に近い側の端部がｑ軸から遠い側の端部よりも軸心に近く、ｑ軸側から遠い端部が他方の端部よりも回転子コア２１の径外面に近くなるように配置される。すなわち、第２の磁石２２２の磁束出力面は、傾きを有し、Ｎ極磁極における第２の磁石２２２の磁束出力面の傾きは、ｑ軸側に傾向いている。傾きによって第２の磁石２２２の磁束を意図した方向へ鎖交させやすくなる。この傾きは第２の磁石２２２の磁石出力面からでた磁束がｑ軸を介して隣接する他の第２の磁石２２２へ鎖交するように決定される。Ｓ極磁極を構成する各磁石２２においても同様の配置であり、ｑ軸を介して隣接する異極の第２の磁石２２２はｑ軸に対して線対称に傾きを有するように配置される。
　各磁石２２は、周方向両端にフラックスバリア２５をそれぞれ有する。フラックスバリア２５は、軸方向に回転子コア２１を貫通しており、空隙の非磁性領域である。第１の磁石２２１の両端に設けられるフラックスバリア２５と第２の磁石２２２の両端に設けられるフラックスバリア２５とは回転子コア２１を介して隣接している。隣接する同極の第１の磁石２２１と第２の磁石２２２との間の回転子コア２１をバイパス部２４ｂとする。
　バイパスバリア２３は、回転子コア２１のｑ軸上に形成される。バイパスバリア２３は、軸方向に回転子コア２１を貫通しており、空隙の非磁性領域である。バイパスバリア２３は、回転子コア２１のうち、ｑ軸を介して隣接する２つの第２の磁石２２２の径外側の面と回転子の最径外面とで囲まれた回転子コア２１の領域内に設けられる。第２の磁石２２２とバイパスバリア２３との径方向間の回転子コア２１は、ｑ軸を介して隣接する異極の第２の磁石２２２のうち、一方の前記第２の磁石２２２の磁束が他方の前記第２の磁石２２２をとおり前記回転子コア内部で短絡する経路となる。この経路をバイパス部２４ａとする。バイパスバリア２３よりも径内側であって、隣接する異極の第２の磁石２２２の周方向間の回転子コア２１は、固定子１０が生成する磁束の経路となる。この経路をｑ軸磁路部とする。
[規則91に基づく訂正 16.07.2021]　
　次に、各磁石２２、バイパスバリア２３、およびフラックスバリア２５の関係を説明する。図３に示すように、回転子コア２１の最も径外側の最径外面とｑ軸に最も近い第２の磁石２２２の角部とをｑ軸に平行に結んだときの距離を距離Ａとする。バイパスバリア２３の最も内径側の最径内面と回転子コア２１の最径外面とをｑ軸に平行に結んだときの回転子コア２１の径外面とバイパスバリア２３までの最も大きい距離を距離Ｂとする。ここでは、回転子コア２１の径外面とｑ軸との交点と、バイパスバリア２３の最径内面とｑ軸との交点と、を結んだ距離となる。このとき、バイパスバリア２３と第２の磁石２２２とは、距離Ａ＞距離Ｂの関係を満足するように回転子コア２１に配置される。
[規則91に基づく訂正 16.07.2021]　
　また、ｑ軸を介して隣接する第２の磁石２２２に設けられるフラックスバリア２５の周方向間の回転子コア２１における最も短い距離を最短距離Ｃとする。バイパスバリア２３と第２の磁石２２２との径方向間の回転子コア２１の距離、またはフラックスバリア２５と第２の磁石２２２の周方向端部に位置するフラックスバリア２５との径方向間の回転子コア２１の距離のうち、最も小さい距離を最小距離Ｄとする。このとき、フラックスバリア２５、第２の磁石２２２、バイパスバリア２３は最短距離Ｃ≧最小距離Ｄ×２の関係を満足するようにそれぞれ回転子コア２１に配置される。また、バイパスバリア２３は、最小距離Ｄがバイパスバリア２３の径外側の回転子コア２１の径方向の幅よりも大きくなるように配置される。
[規則91に基づく訂正 16.07.2021]　
　さらに、第１の磁石２２１の最も径外側の最径外面とｄ軸との交点から回転子２０の最径外面までの回転子コア２１の最小の距離を距離Ｅとし、第１の磁石の最も径外側の端点から回転子２０の径外面までの回転子コア２１の最小の距離を距離Ｆとする。このとき、第１の磁石２２１は、距離Ｅ＞距離Ｆの関係を満足するように回転子コア２１に配置される。
[規則91に基づく訂正 16.07.2021]　
　また、第２の磁石２２２の周方向幅を周方向幅Ｈとする。このとき周方向幅Ｈ≧最短距離Ｃ×２の関係を満足する。さらに、バイパスバリア２３の最外径部の周方向幅を周方向幅Ｐとしたとき、ティース１９の最内径部の周方向幅Ｔとの関係は、周方向幅Ｐ≧周方向幅Ｔを満足する。
　ここで、上記構成とする効果を図４から図７を用いて説明する。図４は図３に示す回転子形状の無負荷時の磁界解析における磁束密度ベクトルを示す図である。図５は図３に示す回転子形状の有負荷時の磁界解析における磁束密度ベクトルを示す図である。図６は図４に示す回転子形状の最短距離Ｃを変化させた形状の無負荷時の磁界解析における磁束密度ベクトルを示す図である。図７は図４に示す回転子形状の最短距離Ｃを変化させた形状の有負荷時の磁界解析における磁束密度ベクトルを示す図である。図４から図７において、上記で説明した最小距離Ｄを含む、バイパス部２４ａの回転子コア２１の範囲を要部ａとする。また、上記で説明した最短距離Ｃを含む、ｑ軸を介して隣接する異極の第２の磁石２２２の周方向間の回転子コア２１のｑ軸磁路部の範囲を要部ｂとする。そして、バイパス部２４ｂを含む同極の第２の磁石２２２と第１の磁石２２１との周方向間の回転子コア２１の範囲を要部ｃとする。
　無負荷時の回転子２０内の磁束密度は、図４に示すように要部ａの磁束密度が高くなっていることがわかる。また要部ｂの磁束密度は低くなっていることがわかる。また、要部ｃには、第１の磁石２２１から出た磁束が多く通っていることがわかる。言い換えると、ｑ軸を介して隣接する一方の第２の磁石２２２から出た多くの磁束は、回転子コア２１のバイパス部２４ａを通り隣接する他方の第２の磁石２２２へ鎖交し、回転子コア２１内で短絡している。第１の磁石２２１の一部の磁束は、第２の磁石２２２との間のバイパス部２４ｂを通り短絡している。
　有負荷時は、図５に示すように要部ａと要部ｂとの磁束密度は同程度の大きさを示している。また、固定子１０の固定子コイル１２に電流を通電すると固定子１０で発生する磁束は、回転子コア２１の要部ｂと要部ａを鎖交していることがわかる。同様に要部ｃにも固定子１０で発生する磁束が鎖交する。
[規則91に基づく訂正 16.07.2021]　
　すなわち、上記で説明したように、特に距離Ａ＞距離Ｂの関係を満足するようにバイパスバリア２３と第２の磁石２２２とが回転子コア２１に配置される構成により、バイパスバリア２３と第２の磁石２２２との径方向間の回転子コア２１に磁束の経路を確保することができる。そして、無負荷時における第２の磁石２２２の磁束を回転子コア２１内のバイパスバリア２３よりも径内側の回転子コア２１で短絡させることができる。また、同極内で第１の磁石２２１と第２の磁石２２２とを離間して配置することにより、磁束の経路となる回転子コア２１は磁束の経路を確保でき、無負荷時における第１の磁石２２１の一部の磁束を回転子コア２１内で短絡させることができる。よって、無負荷時において、回転子コア２１内で短絡する磁束を増加することにより、主磁束が低減し、回転電機１００の効率を向上させることができる。
　さらに、回転子コア２１に電磁鋼板を適用した場合の飽和磁束密度は２Ｔ程度であり、第２の磁石２２２にネオジム磁石を適用した場合の磁石内部の磁束密度は１Ｔ程度である。このため、最小距離Ｄを飽和磁束密度に達するまで第２の磁石２２２の磁束を短絡させるためには周方向幅Ｈ≧最短距離Ｃ×２の関係を満足する必要がある。そして、周方向幅Ｈ≧最短距離Ｃ×２の関係を満足することにより、回転子コア２１の要部ａで短絡する磁束を最大限まで高めることができる。よって、無負荷時において、回転子コア２１内で短絡する磁束を増加することにより、主磁束が低減し、回転電機１００の効率を向上させることができる。
　また、バイパスバリア２３と第２の磁石２２２との径方向間の回転子コア２１にバイパス部２４ａを有するように配置される構成により、無負荷時に第２の磁石２２２の磁束短絡経路となっていたバイパス部２４ａを有負荷時には主に固定子１０で発生する磁束の経路とすることができる。そして、回転子２０内部で発生する短絡磁束量の増加と、固定子１０に鎖交する磁石磁束量の増加を両立することができる。さらに、図５の要部ｄに示すように、周方向幅Ｐ≧周方向幅Ｔの関係を満足することで、固定子１０に鎖交する磁束量を高めることができる。
[規則91に基づく訂正 16.07.2021]　
　次に、最短距離Ｃを上記の図４に示した最短距離Ｃよりも狭くした場合における回転子２０内の磁束密度について説明する。無負荷時は、図６に示すように要部ａの磁束密度が高くなっている。これは、図４の構成と同様に、ｑ軸を介して隣接する一方の第２の磁石２２２から出た多くの磁束は、回転子コア２１のバイパス部２４ａを通り隣接する異極の第２の磁石２２２を通って回転子コア２１内で短絡し、第１の磁石２２１の一部の磁束は、第２の磁石２２２との間の回転子コア２１を通り短絡しているためである。すなわち、距離Ａ＞距離Ｂの関係が満たされていれば、回転子コア２１内で短絡する磁束を増加させることができ、最短距離Ｃを小さくすることによる無負荷時の第２の磁石２２２の磁束への影響は少ない。
　一方で、有負荷時における回転子２０内の磁束密度は、図７に示すように要部ａの磁束密度は要部ｂよりも低くなっていることがわかる。これは第２の磁石２２２の磁束と固定子１０で発生する磁束との向きが関係している。以下で詳細に説明する。
　有負荷時の磁束密度は、固定子１０で発生する磁束と回転子２０内で発生する磁束の重ね合せで大きさが決まる。要部ａでは、第２の磁石２２２の磁束の向きと固定子１０で発生する磁束の向きが反転し、要部ｂでは、磁束密度が０の状態から飽和に向かう。例えば、第２の磁石２２２から発生する磁束の向きを－方向と定義とすると、要部ａは－方向の磁気飽和から＋方向の磁気飽和へ現象が変化する。一方で、要部ｂは、磁束が０の状態から＋方向の磁気飽和へ現象が変化する。したがって、図７に示すように最短距離Ｃが最小距離Ｄと同程度である場合には、要部ａよりも要部ｂの方が磁気飽和しやすくなり、要部ｂで磁気飽和すると要部ａを鎖交し固定子１０側へ向かう磁束は少なくなる。最短距離Ｃが最小距離Ｄよりも小さい場合も同様である。
　したがって、有負荷時において要部ａの固定子コア１１を磁束経路としてより有効に活用するためには、最短距離Ｃを最小距離Ｄよりも大きくする構成とする必要がある。最短距離Ｃを最小距離Ｄよりも大きくする構成とすることにより、要部ｂの磁気飽和による要部ａへの磁束の鎖交抑制を避けることができ、有負荷時において要部ａ付近の回転子コア２１をより有効に活用することができる。
[規則91に基づく訂正 16.07.2021]　
　さらに最短距離Ｃと最小距離Ｄとの関係について図８を用いて説明する。図８は、電流を通電させた時に固定子１０に鎖交する磁束をｄ軸方向とｑ軸方向に分離させた時のΦｄの結果を示す図である。図中の実線は、最短距離Ｃ≧最小距離Ｄ×２（Ｃ≧２Ｄ）の関係を満足する構成におけるΦｄを示し、点線は、最小距離Ｄ×２＞最短距離Ｃ（２Ｄ＞Ｃ）の関係となる構成におけるΦｄを示している。
[規則91に基づく訂正 16.07.2021]　
　Φｄは、回転子２０に配置された各磁石２２からの磁束が固定子１０に鎖交する磁束量と等価である。電流を通電すると、Ｃ≧２Ｄの関係を満足する構成におけるΦｄの増加量が高いことがわかる。Φｄの増加量は、磁石２２の磁束増加を意味する。
[規則91に基づく訂正 16.07.2021]　
　上記でも説明したように、要部ｂを通る磁束は、固定子１０からの磁束と磁石２２の磁束と重ね合わせで決まり、この重ね合わせによってΦｄが形成される。したがって、バイパスバリア２３は、第２の磁石２２２の磁束発生面よりも回転子コア２１の径外側に形成され、両者の配置が上記の距離Ａ＞距離Ｂの関係を満足することで、有負荷時における磁束の重ね合わせが生じる構成となる。このためΦｄを増加させることができる。さらに、フラックスバリア２５、第２の磁石２２２、バイパスバリア２３をＣ≧２Ｄの関係を満足するようにそれぞれ回転子コア２１に配置する構成により、要部ａ、要部ｂにおける磁束の重ね合わせを増加させることができるためΦｄをより増加させることができる。よって、最大トルクを向上させることができる。
　また図４の要部ｃと図５の要部ｃの磁束密度は、反転していることがわかる。これは、要部ａと同様の現象が発生しており、同極内で第１の磁石２２１と第２の磁石２２２とを離間して配置する構成により固定子１０から発生する磁束によってΦｄを増加させることができる。
　以上のように、本開示における実施の形態１は、バイパスバリア２３と、バイパスバリア２３よりも径内側に配置される第２の磁石２２２とを有し、バイパスバリア２３と第２の磁石２２２との径方向間の回転子コア２１に磁束の経路となるバイパス部２４ａを設けている。この構成により、無負荷時において、第２の磁石２２２の磁束を回転子コア２１内のバイパスバリア２３よりも径内側の回転子コア２１でより多く短絡させることができる。また有負荷時においては、固定子１０からの磁束経路とするができる。したがって、回転子２０内部で発生する短絡磁束量の増加と、電流通電時に固定子１０に鎖交する磁石磁束量の増加を両立することにより磁石磁束の可変量を向上させることができる。
　また、最小距離Ｄは、バイパスバリア２３の径外側の回転子コア２１の径方向の幅よりも大きくなるように配置される。この構成により、第２の磁石２２２の磁束は、バイパスバリア２３よりも径内側により鎖交させることができ、回転子２０内でより多くの磁束を短絡させることができる。第２の磁石のｑ軸に最も近い端点は、バイパスバリア２３の最も径内側の最径内面よりも径内側のバイパス部２４ａの磁束流入出口に位置する回転子コア２１領域に設けられる。この構成により、バイパスバリア２３よりも径内側の回転子コア２１により多く磁束を鎖交させることができる。また、有負荷時のΦd可変量をより増加させることができる。第２の磁石２２２の磁束入出力面は、ｑ軸に対して傾きを有する。この構成により、隣接する第２の磁石２２２間に磁束を回転子コア２１内で鎖交しやすくすることができる。さらに、ｑ軸を介して異極の第２の磁石２２２が隣接して配置される。この構成により、一方の第２の磁石２２２から、他方の第２の磁石２２２へ向かうため、バイパス部２４ａを経路として磁束を回転子２０内でより短絡させることができる。
　また、１磁極は複数の磁石２２で構成している。この構成により、主として固定子１０に鎖交する磁束を発生させる第１の磁石２２１と、主として回転子コア２１内で短絡する磁束を発生させる第２の磁石２２２とに分離することができ、複数の磁石２２の間の回転子コア２１を磁束経路とすることができる。また、磁石２２を長方形で形成しても、より最適な配置にしやすく、磁石の加工等が少なく、製作性を向上させることができる。第１の磁石２２１の配置は、第２の磁石２２２と比較して、回転子コア２１の径外側の領域にｄ軸を跨ぐように配置される。この構成により、通電時に第１の磁石２２１の磁束の多くを固定子１０側へ鎖交させることができる。さらに、周方向幅Ｐ≧周方向幅Ｔの関係を満足することで、固定子１０に鎖交する磁束量を高めることができる。
　また、周方向幅Ｈ≧最短距離Ｃ×２の関係を満足する。これにより、回転子コア２１で短絡する磁束を最大限まで高めることができる。よって、無負荷時において、回転子コア２１内で短絡する磁束を増加することにより、主磁束が低減し、回転電機１００の効率を向上させることができる。
[規則91に基づく訂正 16.07.2021]　
　さらに、ｄ軸上の第１の磁石２２１は、距離Ｅ＞距離Ｆの関係を満足するように設けられる。この構成により、ギャップＧ側の回転子コア２１は、固定子１０による磁束によりリラクタンストルクが発生するため、第１の磁石２２１と第２の磁石２２２を分離した効果でΦdの増加量を向上させながら、リラクタンストルクを向上させることができる。
　なお、上記では、第１の磁石２２１は、ｄ軸上を跨いで配置される構成を説明したが、１磁極を構成するうちの第１の磁石２２１は複数で構成されていてもよく、磁石２２の個数は適宜変更できる。例えば、図９に示すようにｄ軸を介して線対称に配置されるように構成してもよい。この場合も同様に、Φdの増加量を向上させる効果を奏することに加え、固定子１０に鎖交する主磁束を増加させる効果が得られる。
　また、各磁石２２の形状は、長方形としたが、一体で形成された円弧状、もしくはそれぞれの磁石を円弧上の沿うような形状に形成してもよい。この場合、固定子１０に鎖交する主磁束を増加させる効果や回転子２０が生成する磁束の高調波を低減することで効率を向上させる効果が得られる。
　また、各磁石２２は、短辺と平行に着磁されると説明したが、必ずしも短辺と平行とは限らず、長辺と平行もしくは、平行ではないものに、適宜変更できるものである。
　また、各磁石の周方向端部にフラックスバリア２５を設ける構成を説明したが、必ずしももうける必要はなく、磁石２２の間の回転子コア２１が上記で説明した関係を満たすように配置すればよい。この場合にも回転子コア２１内で短絡する磁束を増加させてΦd可変量を増加させる効果と第１の磁石２２１から発生して固定子１０に鎖交する主磁束を増加させる効果が得られる。
　また、バイパスバリア２３およびフラックスバリア２５は、空隙の非磁性領域としたが、回転子コア２１よりも透磁率が低ければよく、非磁性の材料が埋め込まれていてもよい。この場合にも残留応力により磁気特性を劣化させて透磁率を低くしたりすることができる。
実施の形態２．
　以下に、実施の形態２に係る回転子について図を用いて説明する。
　図１０は、実施の形態２にかかる回転子２０の要部横断面図である。図において、第２の磁石２２２は、ｑ軸上に設けられるバイパスバリア２３よりも径内側の回転子コア２１のｑ軸上に設けられる。第２の磁石２２２は、Ｎ極磁極において、図中に矢印で示すように、第２の磁石２２２の磁束が固定子１０側に向かうように着磁される。第２の磁石２２２は、ｑ軸上に設けられるため、Ｓ極磁極においては、着磁方向は反対となる。その他の構成は実施の形態１と同様である。
　このような構成においても実施の形態１と同様の効果がある。第２の磁石２２２はｑ軸に設けられるため、バイパスバリア２３との径方向間の距離を大きくとることができる。これにより磁石の個数を減らすことができるため、Φd可変量を増加させながらコストを低減することができる。
　以上のように、実施の形態２に係る回転子によれば、実施の形態１と同様に、電流通電時に固定子１０に鎖交する磁石磁束量の増加を両立することにより磁石磁束の可変量を向上させることができる効果を奏する。さらに、リラクタンストルクを向上させることが可能となる。
実施の形態３．
　以下に、実施の形態３に係る回転子について図を用いて説明する。
　図１１は、実施の形態３にかかる回転子２０の要部横断面図である。図において、第２の磁石２２２は、その周方向端部のうちｄ軸に近い径内側端部がｑ軸に近い径内側端部よりも軸心に近くなるように傾きをもって配置される。また、同極内の第２の磁石２２２はｄ軸に対して線対称に配置される。第２の磁石２２２の着磁は、第２の磁石の磁束が固定子１０側に向かうように着磁される。すなわち、１磁極内の各磁石２２は、２層に構成される。その他の構成は実施の形態１または実施の形態２と同様である。
　このような構成においても実施の形態１と同様の効果がある。１磁極内の各磁石２２は、２層に構成することにより固定子１０から発生する磁束が回転子２０に鎖交する磁路を増やすことができるため、リラクタンストルクを向上させることができる。
　以上のように、実施の形態３に係る回転子によれば、実施の形態１または実施の形態２と同様に、電流通電時に固定子１０に鎖交する磁石磁束量の増加を両立することにより磁石磁束の可変量を向上させることができる効果を奏する。さらに、リラクタンストルクを向上させることが可能となる。
実施の形態４．
　以下に、実施の形態４に係る固定子および回転子について図を用いて説明する。
　図１２は、実施の形態４にかかる図１のＩ－Ｉ矢視断面図である。固定子１０は、円環状の固定子コア１１と、固定子コア１１に装着された固定子コイル１２と、を備える。固定子コア１１は、円環状のコアバック１８と、コアバック１８の内周面から径方向内方に突出する複数のティース１９と、を備え、例えば、電磁鋼板の薄板を軸方向に積層、一体化して構成される。ティース１９は、周方向に等角ピッチで１２本配列されている。ティース１９の最内径部の周方向幅をＴとする。固定子コイル１２は、ティース１９に導体線を巻回して形成された集中巻コイルにより構成される。その他の構成は実施の形態１～３と同様である。
[規則91に基づく訂正 16.07.2021]　
　図において、バイパスバリア２３の最外径部の周方向幅を周方向幅Ｐとしたとき、ティース１９の最内径部の周方向幅Ｔとの関係は、周方向幅Ｐ≧周方向幅Ｔを満足する。
　このような構成においても実施の形態１と同様の効果がある。また、集中巻を採用することにより、コイルエンド長を短くすることができ、銅損の低減およびモータ全長を短縮することができる。
　なお、ティース１９は、等角ピッチで１２本配列されているものを説明したが、必ずしも１２本である必要はなく、適宜変更可能なものである。
　以上のように、実施の形態４に係る回転子によれば、実施の形態１～３と同様に、電流通電時に固定子１０に鎖交する磁石磁束量の増加を両立することにより磁石磁束の可変量を向上させることができる効果を奏する。さらに、銅損の低減およびモータ全長を短縮することができる。
　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。
　１０　固定子、１２　固定子コイル、１３　フレーム、１４　ブラケット、１５　軸受、１６　回転軸、１８　コアバック、１９　ティース、２０　回転子、２１　回転子コア、２２　磁石、２３　バイパスバリア、２４ａ　２４ｂ　バイパス部、２５　フラックスバリア、２２１　第１の磁石、２２２　第２の磁石

Claims (11)

  1. 回転子コアを備え、
    前記回転子コアの磁極中心をｄ軸とし、前記ｄ軸と電気的に直交する方向の軸をｑ軸としたとき、
    前記回転子コアは、前記ｑ軸上に設けられる非磁性領域のバイパスバリアと、前記回転子コアの前記ｑ軸よりも前記ｄ軸に近い領域に設けられる第１の磁石と、前記回転子コアの前記第１の磁石よりも径内側の領域に少なくとも一部が設けられる第２の磁石と、を有し、
    前記第２の磁石は、前記回転子コアの前記第１の磁石よりも前記ｑ軸に近い領域に設けられ、
    前記第２の磁石の前記ｑ軸に最も近い端点は、前記回転子コア内の前記バイパスバリアの最も径内側の面である最径内面よりも径内側に位置することを特徴とする
    回転子。
  2. 前記回転子コアは、ｑ軸を介して隣接して設けられる複数の前記第２の磁石と、
    前記第２の磁石と前記バイパスバリアとの径方向間の前記回転子コアであって、隣接する一方の前記第２の磁石から他方の前記第２の磁石をとおり前記回転子コアの内部で短絡する前記第２の磁石の磁束の経路となる磁束バイパス部と、
    前記バイパスバリアよりも径内側の前記回転子コアであって、隣接する複数の前記第２の磁石の周方向間の前記回転子コアであるｑ軸磁路部と、を有し、
    前記ｑ軸磁路部の前記ｑ軸に直交する最短の距離である最短距離Ｃは、前記磁束バイパス部の最小の距離である最小距離Ｄよりも大きいことを特徴とする
    請求項１に記載の回転子。
  3. 前記第２の磁石は、周方向両端にフラックスバリアを有し、
    前記ｑ軸磁路部の前記最短距離Ｃは、前記ｑ軸を介して隣接する前記フラックスバリアの間の前記回転子コアの幅であり、
    前記磁束バイパス部の前記最小距離Ｄは、前記バイパスバリアと前記第２の磁石の間または前記バイパスバリアと前記フラックスバリアとの間の幅であることを特徴とする
    請求項２に記載の回転子。
  4. 前記ｑ軸磁路部の前記最短距離Ｃと前記磁束バイパス部の前記最小距離Ｄとは、
    Ｃ≧Ｄ×２の関係を満たすことを特徴とする
    請求項２または請求項３に記載の回転子。
  5. 前記第２の磁石は、前記バイパスバリアの最も径内側の面である最径内面よりも径内側であって、回転子コア２１のｑ軸上に設けられることを特徴とする
    請求項１に記載の回転子。
  6. 前記回転子コアは、前記ｄ軸を介して隣接して設けられる複数の前記第２の磁石を有し、
    複数の前記第２の磁石は、周方向端部のうち、前記ｄ軸に近い径内側の端部が前記ｑ軸に近い径内側の端部よりも前記回転子の軸心に近くなるように傾きを有し、前記ｄ軸に対して線対称に設けられることを特徴とする
    請求項１に記載の回転子。
  7. 前記第１の磁石は、前記ｄ軸上に設けられ、
    前記第１の磁石の最も径外側の最径外面と前記ｄ軸との交点から前記回転子の外周面までの最小の距離を距離Ｅとし、前記第１の磁石の最も径外側の端点から前記回転子の外周面までの最小の距離を距離Ｆとしたとき、
    Ｅ＞Ｆの関係を満たすことを特徴とする
    請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転子。
  8. 前記回転子コアは、１磁極を構成する前記第１の磁石と前記第２の磁石とを含む磁石群を有し、
    前記磁石群は、周方向に離間して前記回転子コアに設けられることを特徴とする
    請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転子。
  9. 前記第２の磁石の幅をＨとし、
    前記第２の磁石の周方向間の前記回転子コアであるｑ軸磁路部の前記ｑ軸に直交する最短の距離である最短距離Ｃとしたとき、
    Ｈ≧Ｃ×２の関係を満たすことを特徴とする
    請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転子。
  10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の回転子と、
    前記回転子の径外側に空隙を有して設けられる固定子と、
    を有することを特徴とする
    回転電機。
  11. 前記固定子は固定子コアと固定子コイルを有し、
    前記固定子コアは円環状のコアバックと、前記コアバックから径方向内側へ突出した複数のティースとを有しており、
    前記ティースの最内径部の周方向幅をＴとし、前記ｑ軸上に設けられる非磁性領域の前記バイパスバリアの最外径部の周方向幅をＰとしたとき、
    Ｐ≧Ｔの関係を満たすことを特徴とする
    請求項１０に記載の回転電機。
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