WO2023084590A1

WO2023084590A1 - 回転電機

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Publication number: WO2023084590A1
Application number: PCT/JP2021/041162
Authority: WO
Inventors: 聖悟井口; 貴之安盛; 徹小川; 貴裕水田
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2021-11-09
Filing date: 2021-11-09
Publication date: 2023-05-19
Also published as: JPWO2023084590A1

Abstract

回転電機が、回転子コア（２１）を有するとともに穴に永久磁石（２２）が埋め込まれた円柱状の回転子と、回転子の外周側に空隙を介して配置された筒状の固定子と、を備え、回転子コアは、回転子コアを中心軸と平行な方向から見た場合に極の中心線である極中心線（Ｃ１）に対して線対称形状であり、且つ、永久磁石からの漏れ磁束を抑制するフラックスバリア（２３）と、フラックスバリアの外周面と回転子の外周面との間に配置されたアウターブリッジと、を有し、アウターブリッジは、回転子の径方向における厚みが一定幅である第１のアウターブリッジ領域と、第１のアウターブリッジ領域から極中心線に向かって延設されるとともに回転子の径方向における厚みが第１のアウターブリッジ領域から極中心線に向かって大きくなる第２のアウターブリッジ領域と、を有する。

Description

回転電機

　本開示は、回転子コアの内部に永久磁石が埋め込まれた回転電機に関する。

　近年、電動機を高トルク化するために、回転子に永久磁石が適用されるケースが増えている。この電動機の１つに、永久磁石が回転子コアの中に埋め込まれた埋め込み型の同期回転電機であるＩＰＭ（Interior　Permanent　Magnet）モータがある。ＩＰＭモータは、永久磁石によるマグネットトルクに加えて、磁気抵抗の突極性によるリラクタンストルクを活用している。

　ＩＰＭモータが備える電機子のように永久磁石が適用された電機子では、永久磁石による磁束と固定子の磁気抵抗との相互作用によって無負荷状態においてもトルク脈動（コギングトルク）が発生する。このようなコギングトルクは、モータ制御に外乱として作用するので、速度脈動、位置決め精度の低下、振動、騒音などの原因となる。

　特許文献１に記載の永久磁石内蔵型回転モータは、コギングトルクを抑制するために、極弧率に一定の制限を与えている。１極当たりの極弧率は、回転子において、永久磁石の周方向角度と、全周の角度を永久磁石の極数で除した角度との比率である。

特許第３６３８９４４号公報

　しかしながら、上記特許文献１の技術では、極弧率の制限が大きいので、適用できるスロットコンビネーションおよび極弧率が限定的であり設計自由度が低くなる。このため、トルクを高める設計が困難であるという問題があった。

　本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、簡単な設計でトルクを高めることができる回転電機を得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示の回転電機は、永久磁石を収容する穴が設けられた回転子コアを有するとともに穴に永久磁石が埋め込まれた円柱状の回転子と、回転子コアと中心軸が同軸で回転子の外周側に空隙を介して配置された筒状の固定子と、を備える。回転子コアは、回転子コアを中心軸と平行な方向から見た場合に極の中心線である極中心線に対して線対称形状であり、且つ、永久磁石よりも外周部側で永久磁石に隣接する位置に配置されるとともに永久磁石からの漏れ磁束を抑制するフラックスバリアと、フラックスバリアの外周面と回転子の外周面との間に配置されたアウターブリッジと、を有する。アウターブリッジは、回転子の径方向における厚みが一定幅である第１のアウターブリッジ領域と、第１のアウターブリッジ領域から極中心線に向かって延設されるとともに回転子の径方向における厚みが第１のアウターブリッジ領域から極中心線に向かって大きくなる第２のアウターブリッジ領域と、を有する。

　本開示にかかる回転電機は、簡単な設計でトルクを高めることができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる回転電機の構成を示す図実施の形態１にかかる回転電機が備える回転子および固定子の構成を示す図実施の形態１にかかる回転電機の回転子に配置されるアウターブリッジの構成を示す図実施の形態１にかかる回転電機の回転子に配置されるアウターブリッジの形状を説明するための図実施の形態２にかかる回転電機の回転子に配置されるアウターブリッジの構成を示す図実施の形態２にかかる回転電機の回転子に配置されるアウターブリッジの折れ点の構成を説明するための図実施の形態３にかかる回転電機の回転子に配置されるアウターブリッジの構成を示す図実施の形態４にかかる回転電機の回転子に配置されるアウターブリッジの構成を示す図実施の形態５にかかる回転電機の回転子に配置されるアウターブリッジの構成を示す図実施の形態６にかかる回転電機の回転子に配置されるアウターブリッジの構成を示す図実施の形態７にかかる回転電機の回転子に配置される永久磁石の配置例を説明するための図

　以下に、本開示の実施の形態にかかる回転電機を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１にかかる回転電機の構成を示す図である。図１では、回転電機１を回転電機１の回転軸に垂直な平面で切断した場合の回転電機１の断面図を示している。回転電機１は、永久磁石式の回転電機である。具体的には、回転電機１は、永久磁石が回転子コアの中に埋め込まれた埋め込み型の同期回転電機、すなわちＩＰＭモータである。

　回転電機１は、円柱状の回転子２と、筒状（円環柱状）の固定子３とを有している。固定子３は、回転子２の径方向に空隙を介して回転子２を囲むように配置されている。すなわち、固定子３は、固定子３の内壁面が、空隙を介して回転子２の外壁面に対向するように配置されている。回転子２および固定子３は、同軸に配置されている。すなわち、回転子２の回転軸である中心軸と、固定子３の中心軸とは同軸である。換言すると、回転子２および固定子３は、共通の軸線Ａ１を持っており、中心軸を共有している。

　固定子３は、磁性体である筒状の固定子コア４と、固定子コア４の内部に設けられた固定子コイル５とを有している。

　固定子コア４は、外周部に設けられた筒状のバックヨーク４１と、バックヨーク４１の内周部から径方向の内側へ突出する複数のティース４２とを有している。各ティース４２は、筒状のバックヨーク４１から回転子２の中心軸に向かって延設されている。各ティース４２は、周方向に沿って互いに間隔を置いて配置されている。各ティース４２間には、固定子３の径方向の内側に開放された空間であるスロット４３が形成されている。各スロット４３は、筒状のバックヨーク４１から回転子２の中心軸に向かって延設されている。固定子３では、ティース４２とスロット４３とが交互に配置されている。すなわち、固定子３では、凸部であるティース４２と、凹部であるスロット４３とが交互に配置されている。

　固定子コイル５には、インバータを用いたパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse　Width　Modulation）制御によって電流が供給される。固定子３には、固定子コイル５への給電によって回転磁界が生じる。

　回転子２は、軸線Ａ１を中心として回転可能になっている。回転子２は、シャフト２４、後述する永久磁石２２、後述する回転子コア２１などを有しているが、図１では、永久磁石２２、回転子コア２１などの図示を省略している。

　シャフト２４は、軸線Ａ１を中心軸とする円柱状部材の回転軸である。シャフト２４は、回転子２の中心に配置されており、軸線Ａ１に沿って延設されている。シャフト２４は、磁性材料によって構成されている。

　図２は、実施の形態１にかかる回転電機が備える回転子および固定子の構成を示す図である。図２では、回転子２および固定子３を回転子２の回転軸に垂直平面で切断した場合の回転子２および固定子３の断面図を示している。なお、図２以降では、シャフト２４の図示を省略している。また、図２では、固定子コイル５の図示を省略している。図２では、回転子２および固定子３の断面形状のうちの４分の１の領域（９０度分、１極分）の領域を図示している。

　回転子２は、複数の永久磁石２２と、回転子コア２１と、永久磁石２２毎のフラックスバリア２３と、アウターブリッジ６０とを有している。シャフト２４は、回転子コア２１に締結されている。具体的には、シャフト２４は、側壁面が、回転子コア２１の内壁面に接合されている。回転子コア２１とシャフト２４とは、焼嵌め、圧入などによって締結されている。

　回転子コア２１の外周部に凹凸が設けられると高速回転域において凹凸部位で風損が発生し、騒音、効率低下などの要因によって高速化の妨げとなる。このため、回転子コア２１の外周は、回転子コア２１を中心軸と平行な方向から見た場合に真円形状であることが好ましい。回転子コア２１の形状は、極中心線（極の中心線）Ｃ１に対して線対称形状である。

　回転子コア２１には、永久磁石２２を収容可能な穴が設けられており、この穴に永久磁石２２が埋め込まれている。すなわち、各永久磁石２２は、回転子コア２１に設けられた穴（スロット穴）内に挿入できる断面形状を有したセグメント磁石である。各永久磁石２２は、回転子２の中心軸に平行な４つの側面を有した直方体である。永久磁石２２は、回転子コア２１を中心軸と平行な方向から見た場合に直線形状となっている。

　図２に示すように、実施の形態１では、１極あたり２個の永久磁石２２が配置されている。永久磁石２２は、接着材、熱硬化樹脂などを用いて回転子コア２１に固定されている。永久磁石２２としては、例えば希土類磁石、フェライト磁石等が用いられている。

　各永久磁石２２は、回転子２の周方向に沿って互いに間隔を空けて配置されている。係る回転電機１では、８つの永久磁石２２が回転子２の周方向に等間隔で配置されている。回転子２の周方向において互いに隣り合う永久磁石２２同士の間には、磁石間領域が設けられている。磁石間領域は、空気であってもよいし、磁石間領域に、樹脂材料または鉄系材料の極間部材が配置されてもよい。

　回転電機１は、極数が例えば４であり、１つの極には２つの永久磁石２２が配置されている。この２つの永久磁石２２は、回転子２を軸方向に平行な方向から見た場合に、Ｖ字状となるように配置されている。具体的には、２つの永久磁石２２は、Ｖ字の頂点（折れ曲がり箇所）が、回転子２の中心軸を向くように配置されている。

　回転子コア２１に設けられた永久磁石２２を配置するための穴の外周部分にはアウターブリッジ６０が設けられている。アウターブリッジ６０は、回転子コア２１の一部であり、回転子コア２１の他の部分と一体形成されている。アウターブリッジ６０の形状は、極中心線Ｃ１に対して線対称である。１つの極には、２つのアウターブリッジ６０が設けられており、１つのアウターブリッジ６０は、後述するアウターブリッジ領域６１Ａ，６１Ｂで構成されている。

　アウターブリッジ６０は、回転子コア２１内の他の部分よりも透磁率が低い低透磁率部である。回転子コア２１では、理想的には透磁率は一定値であるが、回転電機１としては、磁束がアウターブリッジ６０に集中するのでアウターブリッジ６０で磁気飽和する。アウターブリッジ６０は、磁路の幅を小さくして磁気飽和させることで、磁束の通過を抑制する。また、アウターブリッジ６０は、回転子２の外周部で永久磁石２２を保持する。

　回転電機１では、焼嵌め、回転遠心力などによる応力がアウターブリッジ６０にかかるので、アウターブリッジ６０への応力を低下させるためには回転子２の径方向におけるアウターブリッジ６０の厚みを大きくする必要がある。一方、永久磁石２２が形成する磁束は、アウターブリッジ６０を通り、固定子３を鎖交することなく、隣の極の永久磁石２２に短絡するので、鎖交磁束を高くするには回転子２の径方向におけるアウターブリッジ６０の厚みを小さくする必要がある。以下、回転子２の径方向におけるアウターブリッジ６０の厚み（幅）を、アウターブリッジ６０の厚みという場合がある。

　永久磁石２２とアウターブリッジ６０との間には漏れ磁束を抑制し固定子３に鎖交する磁束を大きくするためにフラックスバリア２３が設けられている。すなわち、回転子２では、アウターブリッジ６０よりも内周側に、永久磁石２２から出る磁束が回転子２の側面へ漏れることを防ぐためのフラックスバリア２３が設けられている。フラックスバリア２３は空隙でもよいし、接着材、熱伝導樹脂などの非磁性材料が充填されていてもよい。換言すると、回転子２には、フラックスバリア２３を配置するための穴を構成する壁面が形成されている。この壁面は、回転子２の中心軸に平行な方向に延設された壁面であり、空気、接着材、熱伝導樹脂などの非磁性材料が充填される。

　ここで、アウターブリッジ６０の具体的な構成例について説明する。図３は、実施の形態１にかかる回転電機の回転子に配置されるアウターブリッジの構成を示す図である。図４は、実施の形態１にかかる回転電機の回転子に配置されるアウターブリッジの形状を説明するための図である。図３では、回転子２の断面形状のうちの８分の１の領域（４５度分、２分の１極分）の領域を図示している。

　工作機械の主軸または電動車両に使用される回転機の場合、高速化と高トルク化が求められるので、アウターブリッジ６０の厚み設定にはトレードオフが発生する。高トルク化のためには漏れ磁束の低減が必要であり、アウターブリッジ６０の磁気抵抗を大きくすることが必要である。アウターブリッジ６０の磁気抵抗は、アウターブリッジ６０の周方向の長さに比例し、厚みに反比例する。また、アウターブリッジ６０は、厚みが小さいほど、焼嵌め圧、遠心力などによりアウターブリッジ６０に発生する応力が大きくなる。

　したがって、高速化と高トルク化とを両立するためには、アウターブリッジ６０に対し、上記応力によって破壊が生じない範囲で厚みを小さく設定し、かつ、漏れ磁束を低減するために厚みを一定値とし周方向に一定長さをもつ領域を設けることが効果的である。実施の形態１では、この領域をアウターブリッジ領域６１Ａとする。

　アウターブリッジ領域６１Ａは、シャフト２４の軸方向に平行な方向を軸方向とした柱形状となっている。アウターブリッジ領域６１Ａの側面のうちシャフト２４の軸方向に平行な方向に延びる面は、外周の弧面５１Ａ、内周の弧面５２Ａ、極中心線Ｃ１から見て外側の第１側面５３Ａ、極中心線Ｃ１から見て内側の第２側面５４Ａである。アウターブリッジ領域６１Ａは、扇柱形から内周領域（中心側の扇柱形）を切取った形状、すなわち扇形環柱形状となっている。換言すると、アウターブリッジ領域６１Ａは、円環柱形状の領域から特定の中心角を有した領域を切り出した領域である。

　アウターブリッジ領域６１Ａの扇形環柱形状のうちの外周の弧面５１Ａは、回転子コア２１の外周の弧面の一部である。アウターブリッジ領域６１Ａの扇形環柱形状のうちの内周の弧面５２Ａは、外周の弧面５１Ａと半径の異なる同心円の弧面である。したがって、アウターブリッジ領域６１Ａは、同心円の弧面５１Ａ，５２Ａによって厚みが一定となっている。弧面５２Ａは、フラックスバリア２３と接している。

　アウターブリッジ領域６１Ａの扇形環柱形状のうち外周の弧面５１Ａと内周の弧面５２Ａとは、第１側面５３Ａおよび第２側面５４Ａの２つの面で接続されている。第１側面５３Ａが、隣の極側の面であり、第２側面５４Ａが極中心線Ｃ１側の面である。

　第１側面５３Ａおよび第２側面５４Ａは、何れも弧面５１Ａから垂直に延びている。第１側面５３Ａおよび第２側面５４Ａは、弧面５１Ａからシャフト２４の中心軸に向かって延びており、弧面５２Ａに対して垂直に接続されている。

　また、工作機械の主軸または電動車両に使用される回転機の場合、加工精度を向上させるため、振動防止のため、または騒音防止のため、コギングトルクの抑制が求められる。コギングトルクを抑制するためには、回転子２と固定子３との間の空隙に発生するギャップ磁束密度の高調波成分を低減することが必要である。

　ギャップ磁束密度の高調波成分を低減するためには回転子２の発する磁束の急激な変化を抑制するように回転子コア２１の磁路を形成することが重要である。そのため、アウターブリッジ６０においてアウターブリッジ領域６１Ａの極中心線Ｃ１側の第２側面５４Ａからアウターブリッジ６０の極中心線Ｃ１側の終点となる側面までアウターブリッジ６０の厚みが徐々に大きくなる領域を設けることが効果的である。すなわち、第２側面５４Ａから極中心線Ｃ１に向かってアウターブリッジ６０の厚みが徐々に大きくなる領域を設けることで、コギングトルクが抑制される。実施の形態１では、この領域をアウターブリッジ領域６１Ｂとする。すなわち、実施の形態１のアウターブリッジ６０は、回転子２の径方向における厚みが一定幅であるアウターブリッジ領域６１Ａと、アウターブリッジ領域６１Ａから極中心線Ｃ１に向かって延設されたアウターブリッジ領域６１Ｂとを有している。アウターブリッジ領域６１Ａが、第１のアウターブリッジ領域であり、アウターブリッジ領域６１Ｂが、第２のアウターブリッジ領域である。

　このように、回転電機１では、回転子２の径方向における厚みがアウターブリッジ領域６１Ａから極中心線Ｃ１に向かって大きくなるアウターブリッジ領域６１Ｂが設けられている。したがって、回転電機１は、アウターブリッジ６０での磁気飽和を緩和しギャップ磁束密度の周方向の急峻な変化を抑制することができる。すなわち、回転電機１は、ギャップ磁束密度の高調波成分を減らすことでコギングトルクを低下させることができる。

　ここで、アウターブリッジ領域６１Ｂの具体的な形状について説明する。アウターブリッジ領域６１Ｂは、シャフト２４の軸方向に平行な方向を軸方向とした柱形状となっている。アウターブリッジ領域６１Ｂの側面のうちシャフト２４の軸方向に平行な方向に延びる面は、外周の弧面５１Ｂ、内周の内周平面５２Ｂ、極中心線Ｃ１から見て外側の第１側面５３Ｂ、および極中心線Ｃ１から見て内側の第２側面５４Ｂである。

　アウターブリッジ領域６１Ｂの柱形状のうちの外周の弧面５１Ｂは、回転子コア２１の外周の弧面の一部である。アウターブリッジ領域６１Ｂの柱形状のうちの内周平面５２Ｂは、フラックスバリア２３と接している。

　アウターブリッジ領域６１Ｂの柱形状のうち外周の弧面５１Ｂと内周平面５２Ｂとは、第１側面５３Ｂおよび第２側面５４Ｂの２つの面で接続されている。第１側面５３Ｂが、アウターブリッジ領域６１Ａ側の面であり、第２側面５４Ｂが極中心線Ｃ１側の面である。アウターブリッジ領域６１Ｂの第１側面５３Ｂは、アウターブリッジ領域６１Ａの第２側面５４Ａと同じ面である。すなわち、アウターブリッジ領域６１Ａ，６１Ｂは、第１側面５３Ｂ（第２側面５４Ａ）を介して隣接している。

　第１側面５３Ｂおよび第２側面５４Ｂは、何れも弧面５１Ｂから垂直に延びている。第１側面５３Ｂおよび第２側面５４Ｂは、弧面５１Ｂからシャフト２４の中心軸に向かって延びており、内周平面５２Ｂに接続されている。第１側面５３Ｂは、第２側面５４Ｂよりも狭い。すなわち、図４に示すように、アウターブリッジ領域６１Ｂをシャフト２４の軸方向に平行な方向から見た場合、第２側面５４Ｂの径方向の距離は、第１側面５３Ｂの径方向の距離よりも長い。

　これにより、アウターブリッジ領域６１Ｂでは、第１側面５３Ｂから第２側面５４Ｂに向かってアウターブリッジ６０の厚みが徐々に大きくなっている。すなわち、アウターブリッジ６０においてアウターブリッジ領域６１Ｂの第１側面５３Ｂから第２側面５４Ｂまでアウターブリッジ６０の厚みが徐々に大きくなっている。

　回転電機１は、図１～図４で説明したように構成されているので、高速化を実現しつつアウターブリッジ６０にかかる応力を低下させることができるとともに、コギングトルクを抑制できる。これにより、回転電機１は、高速、高トルク、高精度（低コギングトルク）のトレードオフを解決できる。

　このように実施の形態１によれば、回転電機１にアウターブリッジ領域６１Ａ，６１Ｂを配置すればよいので、極弧率に与える制限が小さい。このため、回転電機１に適用できるスロットコンビネーションおよび極弧率の限定が少なく設計自由度が大きい。また、回転電機１は、アウターブリッジ領域６１Ａ，６１Ｂによってコギングトルクを抑制することができる。したがって、回転電機１は、簡単な設計でトルクを高めることができる。

実施の形態２．
　つぎに、図５を用いて実施の形態２について説明する。実施の形態２では、アウターブリッジ領域６１Ｂの内周平面５２Ｂを２つの平面で構成する。

　図５は、実施の形態２にかかる回転電機の回転子に配置されるアウターブリッジの構成を示す図である。図５の各構成要素のうち図３に示す実施の形態１の回転電機１と同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

　実施の形態２の回転電機１は、回転子２が、アウターブリッジ領域６１Ｂの代わりにアウターブリッジ領域６２Ｂを有している。アウターブリッジ領域６２Ｂは、アウターブリッジ領域６１Ｂと比較して、内周平面５２Ｂが２つの平面で構成されている。実施の形態２では、アウターブリッジ領域６２Ｂが、第２のアウターブリッジ領域である。

　コギングトルクを低減させるには、アウターブリッジ領域６１Ｂ，６２Ｂにおいてフラックスバリア２３と接する内径側面を直線要素で構成することが好ましい。すなわち、コギングトルクを低減させるには、内周平面５２Ｂを直線要素で構成することが好ましい。

　図３で説明したように、内周平面５２Ｂは１つの平面であってもよいし、実施の形態２の回転電機１のように、２つの平面であってもよい。すなわち、回転子２をシャフト２４の軸方向に平行な方向から見た場合に、内周平面５２Ｂが１本の直線であってもよいし、複数本の直線であってもよい。

　内周平面５２Ｂが複数の平面である場合も、アウターブリッジ領域６２Ｂでは、第１側面５３Ｂから第２側面５４Ｂに向かってアウターブリッジ６０の厚みが徐々に大きくなっている。

　図５では、アウターブリッジ領域６２Ｂの内周平面５２Ｂを２つの平面で構成した場合を示している。すなわち、アウターブリッジ領域６２Ｂは、回転子２をシャフト２４の軸方向に平行な方向から見た場合に、１つの折れ点Ｄ２を有している。折れ点Ｄ２の位置が、内周平面５２Ｂが有する２つの平面の境界である。すなわち、内周平面５２Ｂでは、折れ点Ｄ２を介して２つの平面が接続されている。このように、回転子コア２１では、アウターブリッジ領域６２Ｂとフラックスバリア２３とが２つの平面を有した内周平面５２Ｂを介して隣接している。

　なお、回転子コア２１が作製される際に回転子コア２１を抜くプレス型の製造方法の都合および折れ点Ｄ２への応力集中の防止のため、折れ点Ｄ２は、任意の曲率半径にてＲ面取り（ラウンド加工）された形状となっている。また、実施の形態２では、内周平面５２Ｂが２つの平面で構成される場合について説明したが、内周平面５２Ｂは３つ以上の平面で構成されてもよい。

　なお、実施の形態２における折れ点には、折れ点Ｄ２以外にも、アウターブリッジ領域６２Ｂの端点が含まれている。そして、内周平面５２Ｂとフラックスバリア２３とが接している箇所の折れ点では、隣り合う面のなす角度が全て１８０度以上である。

　図６は、実施の形態２にかかる回転電機の回転子に配置されるアウターブリッジの折れ点の構成を説明するための図である。図６では、内周平面５２Ｂに含まれる２つの平面を、内周平面５２Ｂ－１，５２Ｂ－２として図示している。内周平面５２Ｂ－１が、第１側面５３Ｂ（図６では符号の図示を省略）に隣接する平面であり、内周平面５２Ｂ－２が、第２側面５４Ｂ（図６では符号の図示を省略）に隣接する平面である。

　内周平面５２Ｂ－２と、永久磁石２２の側面５５との接合位置に対応する折れ点が、折れ点Ｄ１である。側面５５は、シャフト２４の軸方向に平行な方向に延びる面である。側面５５は、フラックスバリア２３と永久磁石２２との接触面５６とは異なる面である。すなわち、側面５５は、直方体からなる永久磁石２２の側面のうちフラックスバリア２３とは接しない面である。換言すると、側面５５は、フラックスバリア２３との間で共有されていない側面である。側面５５と内周平面５２Ｂ－２とは折れ点Ｄ１で接続されている。

　前述したように、内周平面５２Ｂ－１と内周平面５２Ｂ－２との接合位置に対応する折れ点が、折れ点Ｄ２である。すなわち、内周平面５２Ｂ－１と内周平面５２Ｂ－２とは、折れ点Ｄ２で接続されている。

　内周平面５２Ｂ－１と弧面５２Ａとの接合位置に対応する折れ点が、折れ点Ｄ３である。弧面５２Ａと内周平面５２Ｂ－１とは、折れ点Ｄ３で接続されている。実施の形態２では、側面５５が第１の側面であり、弧面５２Ａが第２の側面である。

　内周平面５２Ｂ－２と、永久磁石２２の側面５５とが、折れ点Ｄ１でなす角度が角度φ１である。内周平面５２Ｂ－１と内周平面５２Ｂ－２とが、折れ点Ｄ２でなす角度が角度φ２である。内周平面５２Ｂ－１と弧面５２Ａとが、折れ点Ｄ３でなす角度が角度φ３である。具体的には、内周平面５２Ｂ－１と弧面５２Ａの接線とが、折れ点Ｄ３でなす角度が角度φ３である。折れ点Ｄ２が、第１の接続位置であり、折れ点Ｄ３が、第２の接続位置である。

　角度φ１～φ３は、何れも回転子２の外周側の角度である。すなわち、内周平面５２Ｂ－２を回転子２の外周側（図６では反時計回り）から角度φ１だけ回転させると、内周平面５２Ｂ－２が永久磁石２２の側面５５に重なる。同様に、内周平面５２Ｂ－１を回転子２の外周側（図６では反時計回り）から角度φ２だけ回転させると、内周平面５２Ｂ－１が内周平面５２Ｂ－２に重なる。また、弧面５２Ａを回転子２の外周側（図６では反時計回り）から角度φ３だけ回転させると、弧面５２Ａが内周平面５２Ｂ－１に重なる。

　実施の形態２の回転子２では、折れ点Ｄ１～Ｄ３で隣接する面がなす角度φ１～φ３は、全て１８０度以上である。これにより、アウターブリッジ６０においてアウターブリッジ領域６２Ｂの第１側面５３Ｂから第２側面５４Ｂまでアウターブリッジ６０の厚みが徐々に大きくなっている。

　このように、実施の形態２によれば、折れ点Ｄ１～Ｄ３で隣接する面がなす角度φ１～φ３は、全て１８０度以上であるので、内周平面５２Ｂを２つの平面で構成した場合であっても、第１側面５３Ｂから第２側面５４Ｂまでアウターブリッジ６０の厚みを徐々に大きくできる。したがって、回転電機１は、コギングトルクを抑制することができる。したがって、回転電機１は、実施の形態１と同様に、簡単な設計でトルクを高めることができる。

実施の形態３．
　つぎに、図７を用いて実施の形態３について説明する。実施の形態３では、内周平面５２Ｂの箇所に、曲面で構成された内周曲面を配置する。

　図７は、実施の形態３にかかる回転電機の回転子に配置されるアウターブリッジの構成を示す図である。図７の各構成要素のうち図３に示す実施の形態１の回転電機１と同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

　実施の形態３の回転電機１は、回転子２が、アウターブリッジ領域６１Ｂの代わりにアウターブリッジ領域６３Ｂを有している。アウターブリッジ領域６３Ｂは、アウターブリッジ領域６１Ｂと比較して、内周平面５２Ｂの代わりに、内周曲面５７Ｂを備えている。内周曲面５７Ｂは、第１側面５３Ｂから極中心線Ｃ１に向かってアウターブリッジ６０の厚みが徐々に大きくなるように曲げられた曲面である。実施の形態３では、アウターブリッジ領域６３Ｂが、第２のアウターブリッジ領域である。

　実施の形態１，２のアウターブリッジ領域６１Ｂ，６２Ｂのように、アウターブリッジ６０の内側の側面を、平面である内周平面５２Ｂで構成すると、折れ点Ｄ２に焼嵌め圧または遠心力による応力集中が発生する。すなわち、アウターブリッジ領域６１Ｂ，６２Ｂをシャフト２４の軸方向に平行な方向から見た場合に、内周平面５２Ｂを直線で構成すると、折れ点Ｄ２に焼嵌め圧または遠心力による応力集中が発生する。このため、高速回転と停止とを繰り返した際に有限寿命でアウターブリッジ６０が疲労破壊し、高速化の妨げとなる場合がある。このような場合、アウターブリッジ６０の内側の側面を、曲面である内周曲面５７Ｂで構成することが好ましい。すなわち、アウターブリッジ６０をシャフト２４の軸方向に平行な方向から見た場合に、アウターブリッジ６０の内側の側面を曲線で構成する。

　なお、内周曲面５７Ｂは、単一の曲率半径を有した曲線でもよいし、複数の曲率半径が組み合わされた曲線でもよい。すなわち、アウターブリッジ６０をシャフト２４の軸方向に平行な方向から見た場合の内側の曲線は、単一の曲率半径を有した曲線であってもよいし、複数の曲率半径が組み合わされた曲線であってもよい。これにより、実施の形態３の回転電機１は、応力集中を緩和して疲労破壊を防止し、回転子２の高速化を実現することが可能となる。

　なお、応力集中の緩和よりもコギングトルクの低下を優先する場合は、アウターブリッジ領域６１Ｂを曲線要素よりも直線要素で構成することが望ましい。

　このように、実施の形態３によれば、回転電機１は、内周曲面５７Ｂが曲面で構成されているので、応力集中を緩和して疲労破壊を防止することができる。したがって、回転電機１は、回転子２の高速化と長寿命化を実現することが可能となる。

実施の形態４．
　つぎに、図８を用いて実施の形態４について説明する。実施の形態４では、極中心線Ｃ１と極間中心とがなす角度と、アウターブリッジ領域６１Ａの両端線がなす角度との関係に特定の制限を与える。

　図８は、実施の形態４にかかる回転電機の回転子に配置されるアウターブリッジの構成を示す図である。図８の各構成要素のうち図５に示す実施の形態２の回転電機１と同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

　実施の形態４の回転電機１は、極中心線Ｃ１と極間中心線Ｃ２とがなす角度θ₀と、アウターブリッジ領域６１Ａの両端線がなす角度θ₁とが、０．０８５≦θ₁／θ₀≦０．１の関係式を満たす。回転電機１の極数をＰとすると、θ₀＝３６０／２Ｐと表される。

　極間中心線Ｃ２は、極と、この極に隣接する極との間の中心線である。換言すると、極間中心線Ｃ２は、隣接する極と極との間の境界線である。アウターブリッジ領域６１Ａの両端線は、径方向に延設された側面である。アウターブリッジ領域６１Ａの両端線は、第１側面５３Ａおよび第２側面５４Ａに対応している。すなわち、第１側面５３Ａと第２側面５４Ａとがなす角度が角度θ₁である。

　なお、実施の形態４の回転電機１は、アウターブリッジ領域６２Ｂの代わりに、アウターブリッジ領域６１Ｂまたはアウターブリッジ領域６３Ｂを有していてもよい。

　このように、実施の形態４によれば、回転電機１は、極中心線Ｃ１と極間中心線Ｃ２とがなす角度θ₀と、アウターブリッジ領域６１Ａの両端線がなす角度θ₁とが、０．０８５≦θ₁／θ₀≦０.１の関係式を満たすので、基本波トルクの低下を抑えつつコギングトルクを低下させることができる。

実施の形態５．
　つぎに、図９を用いて実施の形態５について説明する。実施の形態５では、回転子２の半径と、アウターブリッジ領域６２Ｂの厚みとの関係に特定の制限を与える。

　図９は、実施の形態５にかかる回転電機の回転子に配置されるアウターブリッジの構成を示す図である。図９の各構成要素のうち図５に示す実施の形態２の回転電機１と同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

　実施の形態５の回転電機１は、回転子２の半径をｒとし、アウターブリッジ領域６２Ｂの極中心線Ｃ１側の端部の厚みをｔとした場合に、ｒとｔとが、０．０３≦ｔ／ｒ≦０．３５の関係式を満たす。

　ｔ／ｒが０．０３未満の場合には、ｔが薄く高調波磁束の低減効果が弱いので、コギングトルクを十分に抑制できない。一方、ｔ／ｒが０．３５よりも大きい場合には、基本波磁束の低減が顕著となり、基本波トルクが低下する。したがって、実施の形態５の回転電機１では、０．０３≦ｔ／ｒ≦０．３５とすることで、基本波トルクの低下を抑えつつコギングトルクの抑制効果を大きくする。

　なお、実施の形態５の回転電機１は、アウターブリッジ領域６２Ｂの代わりに、アウターブリッジ領域６１Ｂまたはアウターブリッジ領域６３Ｂを有していてもよい。

　このように、実施の形態５によれば、回転電機１は、０．０３≦ｔ／ｒ≦０．３５の関係式を満たすので、基本波トルクの低下を抑えつつコギングトルクの抑制効果を大きくすることができる。

実施の形態６．
　つぎに、図１０を用いて実施の形態６について説明する。実施の形態６では、１つの極内において、一方のアウターブリッジ６０のアウターブリッジ領域６１Ａ，６２Ｂの境界面と、他方のアウターブリッジ６０のアウターブリッジ領域６１Ａ，６２Ｂの境界面とがなす角度と、固定子３が有するスロット４３の全数との関係に特定の制限を与える。

　図１０は、実施の形態６にかかる回転電機の回転子に配置されるアウターブリッジの構成を示す図である。図１０の各構成要素のうち図５に示す実施の形態２の回転電機１と同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

　回転子コア２１の１つの極には、アウターブリッジ６０が、回転方向の両端に２か所配置されている。すなわち、回転子コア２１の１つの極内には、回転方向の一方の端部に配置されているアウターブリッジ６０と、回転方向の他方の端部に配置されているアウターブリッジ６０とが配置されている。

　２つのアウターブリッジ６０において、アウターブリッジ領域６１Ａとアウターブリッジ領域６２Ｂとの境界面がなす角度をψとする。すなわち、一方のアウターブリッジ６０のアウターブリッジ領域６１Ａ，６２Ｂの境界面と、他方のアウターブリッジ６０のアウターブリッジ領域６１Ａ，６２Ｂの境界面とがなす角度をψとする。

　一方のアウターブリッジ６０が第１のアウターブリッジであり、他方のアウターブリッジ６０が第２のアウターブリッジであり、一方のアウターブリッジ６０のアウターブリッジ領域６１Ａ，６２Ｂの境界面が第１の境界面であり、他方のアウターブリッジ６０のアウターブリッジ領域６１Ａ，６２Ｂの境界面が第２の境界面である。

　また、固定子３が有するスロット４３の全数をＳとする。この場合、実施の形態６の回転電機１は、ψとＳとが、（３６０／Ｓ）（Ｔ－１）≦ψ≦（３６０／Ｓ）（Ｔ＋１）（Ｔは任意の自然数）の関係式を満たす。これにより、回転電機１は、コギングトルクの大きさを抑制することが可能となる。

　なお、実施の形態６の回転電機１は、アウターブリッジ領域６２Ｂの代わりに、アウターブリッジ領域６１Ｂまたはアウターブリッジ領域６３Ｂを有していてもよい。

　このように、実施の形態６によれば、回転電機１は、（３６０／Ｓ）（Ｔ－１）≦ψ≦（３６０／Ｓ）（Ｔ＋１）の関係式を満たすので、コギングトルクの大きさを抑制することが可能となる。

　実施の形態１～６で説明した方法に対し、コギングトルクをさらに抑制したい場合には、回転子２に段スキューを施すことが効果的である。段スキューとは、回転子コア２１を回転軸の軸方向に複数ブロックに分割し、分割した要素間（ブロック間）を、中心軸を中心にして回転させ、互いに位相差を設けることである。これにより、回転電機１は、回転子２の発する磁束の特定高調波成分をブロック間で相殺し、コギングトルクをさらに抑制することができる。この場合のブロック間の位相は、抑制したいコギングトルクの次数により決まる。

　また、基本波トルクを向上させるには１つの極を複数の永久磁石２２で構成し、且つ永久磁石２２をＶ字上に配置することが効果的である。これにより、回転電機１は、永久磁石２２の磁力によるトルクであるマグネットに加え、磁気抵抗の突極性によるリラクタンストルクを活用可能となり、高トルク化を実現することができる。

実施の形態７．
　つぎに、図１１を用いて実施の形態７について説明する。実施の形態１～６では、極数が４であり、１つの極に２つの永久磁石２２をＶ字状に配置した場合について説明した。実施の形態７では、１つの極に３つの永久磁石２２を配置する。

　図１１は、実施の形態７にかかる回転電機の回転子に配置される永久磁石の配置例を説明するための図である。図１１の各構成要素のうち図５に示す実施の形態２の回転電機１と同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

　実施の形態７の回転電機１は、極数が４であり、１つの極には３つの永久磁石２２がＶ字状となるように配置されている。図１１では、１極分の永久磁石２２を図示している。１つの極において、永久磁石２２は、極中心線Ｃ１に対して線対称となるように配置されている。具体的には、３つの永久磁石２２のうち、真ん中に配置される永久磁石２２は、永久磁石２２を中心軸に平行な方向から見た場合の長手方向が、極中心線Ｃ１に対して垂直となるように配置されている。３つの永久磁石２２のうちの両端の永久磁石２２は、永久磁石２２を中心軸に平行な方向から見た場合に、真ん中に配置される永久磁石２２との間でなす角度が１８０度未満となるように配置されている。

　なお、実施の形態７の回転電機１は、アウターブリッジ領域６２Ｂの代わりに、アウターブリッジ領域６１Ｂまたはアウターブリッジ領域６３Ｂを有していてもよい。また、実施の形態７の回転電機１に対し、コギングトルクをさらに抑制したい場合には、回転子２に段スキューを施してもよい。

　このように、実施の形態７によれば、１つの極に３つの永久磁石２２が配置される場合であっても、回転電機１にアウターブリッジ領域６１Ａ，６２Ｂを配置すればよいので、実施の形態１と同様に簡単な設計でトルクを高めることができる。

　以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

　１　回転電機、２　回転子、３　固定子、４　固定子コア、５　固定子コイル、２１　回転子コア、２２　永久磁石、２３　フラックスバリア、２４　シャフト、４１　バックヨーク、４２　ティース、４３　スロット、５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ　弧面、５２Ｂ，５２Ｂ－１，５２Ｂ－２　内周平面、５５　側面、５６　接触面、５７Ｂ　内周曲面、６０　アウターブリッジ、６１Ａ，６１Ｂ，６２Ｂ，６３Ｂ　アウターブリッジ領域、Ａ１　軸線、Ｃ１　極中心線、Ｃ２　極間中心線、Ｄ１～Ｄ３　折れ点。

Claims

　永久磁石を収容する穴が設けられた回転子コアを有するとともに前記穴に前記永久磁石が埋め込まれた円柱状の回転子と、
　前記回転子コアと中心軸が同軸で前記回転子の外周側に空隙を介して配置された筒状の固定子と、
　を備え、
　前記回転子コアは、
　前記回転子コアを前記中心軸と平行な方向から見た場合に極の中心線である極中心線に対して線対称形状であり、且つ、
　前記永久磁石よりも外周部側で前記永久磁石に隣接する位置に配置されるとともに前記永久磁石からの漏れ磁束を抑制するフラックスバリアと、
　前記フラックスバリアの外周面と前記回転子の外周面との間に配置されたアウターブリッジと、
　を有し、
　前記アウターブリッジは、
　前記回転子の径方向における厚みが一定幅である第１のアウターブリッジ領域と、
　前記第１のアウターブリッジ領域から前記極中心線に向かって延設されるとともに前記回転子の径方向における厚みが前記第１のアウターブリッジ領域から前記極中心線に向かって大きくなる第２のアウターブリッジ領域と、
　を有する、
　ことを特徴とする回転電機。
　前記第２のアウターブリッジ領域は、
　内周側の側面が平面で構成されている、
　ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
　前記第２のアウターブリッジ領域は、
　前記内周側の側面が複数の平面で構成されており、
　隣接する前記平面同士が前記外周側でなす角度は、全て１８０度以上である、
　ことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
　前記永久磁石は、前記中心軸に平行な４つの側面を有した直方体であり、
　前記直方体の側面のうち前記フラックスバリアとの間で共有されていない第１の側面と、前記平面のうち前記極中心線側の端部の平面と、は第１の接続位置で接続されており、前記第１の接続位置で前記第１の側面と前記平面とが前記外周側でなす角度は１８０度以上である、
　ことを特徴とする請求項２または３に記載の回転電機。
　前記第１のアウターブリッジ領域の内周側の側面である第２の側面と、前記平面のうち極間の中心線である極間中心線側の端部の平面と、は第２の接続位置で接続されており、前記第２の接続位置で前記第２の側面と前記平面とが前記外周側でなす角度は１８０度以上である、
　ことを特徴とする請求項２から４の何れか１つに記載の回転電機。
　前記第２のアウターブリッジ領域は、
　内周側の側面が曲面で構成されている、
　ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
　前記極中心線と、極間の中心線である極間中心線とのなす角度をθ₀とし、前記第１のアウターブリッジ領域の前記回転子の径方向に延設された２つの側面がなす角度をθ₁とした場合に、０．０８５≦θ₁／θ₀≦０．１の関係式を満たす、
　ことを特徴とする請求項１から６の何れか１つに記載の回転電機。
　前記回転子の半径をｒとし、前記第２のアウターブリッジ領域の前記極中心線側の端部の前記回転子の径方向における厚みをｔとした場合に、０．０３≦ｔ／ｒ≦０．３５の関係式を満たす、
　ことを特徴とする請求項１から７の何れか１つに記載の回転電機。
　前記回転子コアの１つの極内には、前記アウターブリッジとして、回転方向の一方の端部に配置されている第１のアウターブリッジと、前記回転方向の他方の端部に配置されている第２のアウターブリッジとが配置されており、
　前記第１のアウターブリッジにおける前記第１のアウターブリッジ領域と前記第２のアウターブリッジ領域との境界面である第１の境界面と、前記第２のアウターブリッジにおける前記第１のアウターブリッジ領域と前記第２のアウターブリッジ領域との境界面である第２の境界面とがなす角度をψとし、前記固定子が有するスロットの全数をＳとし、Ｔを任意の自然数とした場合に、（３６０／Ｓ）（Ｔ－１）≦ψ≦（３６０／Ｓ）の関係式を満たす、
　ことを特徴とする請求項１から８の何れか１つに記載の回転電機。
　前記回転子コアは、前記中心軸の軸方向に複数のブロックに分割され、分割されたブロック間が前記中心軸を中心にして回転させられて互いに位相差が設けられた、段スキューが施されている、
　ことを特徴とする請求項１から９の何れか１つに記載の回転電機。
　前記回転子コアの１つの極には、前記回転子コアを前記中心軸と平行な方向から見た場合に直線形状を有した前記永久磁石が複数配置されており、
　前記永久磁石は、前記回転子コアを前記中心軸と平行な方向から見た場合に１つの極内でＶ字状に配置され、前記Ｖ字状の頂点は、前記中心軸を向いている、
　ことを特徴とする請求項１から１０の何れか１つに記載の回転電機。
　前記回転子コアの外周部は、前記回転子コアを前記中心軸と平行な方向から見た場合に真円形状である、
　ことを特徴とする請求項１から１１の何れか１つに記載の回転電機。