WO2023189824A1 - 回転電機 - Google Patents

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WO2023189824A1
WO2023189824A1 PCT/JP2023/010902 JP2023010902W WO2023189824A1 WO 2023189824 A1 WO2023189824 A1 WO 2023189824A1 JP 2023010902 W JP2023010902 W JP 2023010902W WO 2023189824 A1 WO2023189824 A1 WO 2023189824A1
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rotor core
permanent magnets
rotor
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励 本間
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日本製鉄株式会社
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    • H02K21/16—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having annular armature cores with salient poles
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    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the present invention relates to a rotating electric machine.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2022-053600 filed in Japan on March 29, 2022, the contents of which are incorporated herein.
  • IPMSM embedded permanent magnet synchronous motor
  • the present invention was made in view of the above-mentioned circumstances, and an object of the present invention is to improve torque.
  • a rotating electric machine includes an annular stator and a rotor disposed within the stator, and the rotor includes a rotor core and a rotor core embedded in the rotor core.
  • a rotating electrical machine comprising a plurality of permanent magnets forming magnetic poles and arranged in the rotor core in a circumferential direction of the rotor core, the rotor core having a plurality of sets of permanent magnets disposed in a circumferential direction of the rotor core.
  • a first flux barrier provided on both sides of the rotor core; and a first bridge provided on the outside of the rotor core in the radial direction with respect to the first flux barrier; a front bridge provided at the front in the rotational direction of the rotor, and a rear bridge provided at the rear in the rotational direction of the rotor, and a front reference position that is a reference position of the front bridge is viewed from the axial direction of the rotor.
  • the rear reference point is the intersection of the outer peripheral surface of the rotor core and the front virtual line passing through the central axis of the rotor core and the front end of each set of the permanent magnets, and is the reference position of the rear bridge.
  • the rear end of the front bridge has a central angle of ⁇ a/24 (radian) or more ⁇ a/8 with respect to the front reference position about the central axis.
  • the front end of the rear bridge is located at a position far away from the rear, and the front end of the rear bridge is at a central angle about the central axis with respect to the rear reference position, which is greater than or equal to 0 (radian) and less than or equal to ⁇ a/12 (radian). , located far forward.
  • ⁇ a satisfies the following equation (1).
  • ⁇ a 2 ⁇ /(Nslot)...(1)
  • Nslot in the above formula (1) means the number of slots of the stator.
  • the set of permanent magnets includes one or more permanent magnets.
  • the rear end of the front bridge and the front end of the rear bridge are portions of each bridge where magnetic saturation of the magnetic flux generated by each set of permanent magnets occurs. In other words, the rear end of the front bridge and the front end of the rear bridge are the parts of each bridge where the magnetic flux begins to pass from the rotor to the stator.
  • the rear end of the front bridge has a central angle ⁇ a about the central axis with respect to the front reference position.
  • a configuration may be adopted in which the rear bridge is disposed at a position spaced apart by /12 (radian) to the rear, and the front end of the rear bridge is disposed at the rear reference position.
  • two of the permanent magnets form a set to constitute one magnetic pole, and each set of the permanent magnets and a rear magnet located at the rear, and is arranged in a V-shape convex toward the inside in the radial direction in the plan view, and the front bridge is provided in front of the front magnet.
  • the rear bridge is provided behind the rear magnet, and in the plan view, the front imaginary line passes through the central axis and the front end of the front magnet, and the rear imaginary line is in line with the central axis. You may adopt the structure which passes the rear end of the said rear magnet.
  • the inventor of the present invention has discovered that the circumferential position of the rear end of the front bridge and the circumferential position of the front end of the rear bridge, in other words, the starting position of the first bridge influences torque.
  • the inventor of the present application has found that the torque increases by arranging the circumferential position of the rear end of the front bridge at the rear in the rotational direction with respect to the front reference position.
  • This phenomenon is thought to be based on the following principle. That is, magnetic saturation occurs at the starting position of the first bridge during the process in which the magnetic flux generated at the magnetic poles constituted by a set of permanent magnets is transmitted within the rotor core. The magnetic flux then travels from inside the rotor core to the outside and is transmitted to the teeth of the stator.
  • the starting position of the first bridge is the starting point from which the magnetic flux is transmitted to the stator.
  • the direction (direction) of the magnetic flux lines transmitted from the front bridge to the teeth of the stator is in the radial direction of the rotor, in other words. is inclined with respect to the longitudinal direction of the teeth, and as a result, the lines of magnetic flux become longer.
  • a force is generated to shorten the lines of magnetic flux, and as a result of this force rotating the rotor, it is thought that torque increases.
  • the inventor of the present application determined the circumferential position of the rear end of the front bridge and the circumferential position of the front end of the rear bridge in ⁇ a (radian), which is the central angle corresponding to the pitch of the teeth of the stator. After careful consideration using the unit as a unit, it was found that high torque can be output by setting as described above.
  • the arrangement and shape of the two first flux barriers and the arrangement and shape of the two first bridges constituting one magnetic pole are generally symmetrical, and in this type of rotating electrical machine, the two first bridges It is not generally seen that the arrangement and shape of the asymmetrically changed.
  • torque can be improved.
  • FIG. 1 is a diagram showing a rotating electric machine according to an embodiment of the present invention, and is a plan view including a partial cross section.
  • FIG. 2 is an enlarged plan view of a stator and a rotor included in the rotating electric machine shown in FIG. 1.
  • FIG. FIG. 2 is an enlarged plan view of a rotor included in the rotating electrical machine shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is an enlarged plan view of the IV section shown in FIG. 3.
  • FIG. FIG. 4 is an enlarged plan view of the V section shown in FIG. 3.
  • FIG. FIG. 2 is a diagram for explaining the rotating electric machine shown in FIG. 1, and is an enlarged plan view showing a state in which the rear end of the front bridge and the front end of the rear bridge of the rotor are located at their respective reference positions.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the rotating electric machine shown in FIG. 1, in which the rear end of the front bridge of the rotor has moved rearward compared to the position shown in FIG. 5, and the front end of the rear bridge has moved as shown in FIG. 5.
  • FIG. 3 is an enlarged plan view showing a state in which the device is moved forward compared to the current position.
  • FIG. 2 is a diagram showing an image of magnetic flux flowing in a rotating electric machine according to an embodiment of the present invention.
  • the rotating electric machine is an electric motor, specifically an AC motor, more specifically a synchronous motor, and even more specifically a permanent magnet field type motor.
  • This type of electric motor is suitably employed in, for example, electric vehicles.
  • the rotating electrical machine 10 includes a stator 20, a rotor 30, a case 50, and a rotating shaft 60.
  • Stator 20 and rotor 30 are housed in case 50.
  • Stator 20 is fixed to case 50.
  • the rotating electric machine 10 is an inner rotor type in which the rotor 30 is located inside the stator 20.
  • the rotating electric machine 10 is a three-phase AC motor with 8 poles and 24 slots.
  • the number of poles, the number of slots, the number of phases, etc. can be changed as appropriate.
  • the axes of the stator 20 and the rotor 30 are on a common axis.
  • this common axis will be referred to as the central axis O (the central axis of the rotor 30).
  • the direction of the central axis O (the axial direction of the rotor core 31 described later) is referred to as the axial direction
  • the direction perpendicular to the central axis O (the radial direction of the rotor core 31 described later) is referred to as the radial direction
  • the direction of rotation around the central axis O ( The circumferential direction of the rotor core 31 (described later) is referred to as the circumferential direction.
  • the stator 20 includes a stator core 21 and windings (not shown).
  • the stator core 21 includes a cylindrical core back 22 (yoke) and a plurality of teeth 23 .
  • the core back 22 is formed in an annular shape in a plan view of the rotating electrical machine 10 from the axial direction.
  • the plurality of teeth 23 protrude radially inward from the core back 22 (toward the central axis O of the core back 22 along the radial direction).
  • the plurality of teeth 23 are arranged at equal intervals in the circumferential direction.
  • 24 teeth 23 are provided at central angles of 15 degrees centering on the central axis O.
  • the plurality of teeth 23 are formed to have the same shape and size.
  • a slot 24 is provided between teeth 23 adjacent to each other in the circumferential direction.
  • the winding wire is wound around the teeth 23. The winding may be concentratedly wound or distributedly wound.
  • the rotor 30 is arranged radially inside the stator 20 (stator core 21).
  • the rotor 30 includes a rotor core 31 and a plurality of permanent magnets 32.
  • the rotor core 31 is formed in a cylindrical shape and is arranged coaxially with the stator 20 .
  • the rotary shaft 60 is arranged within the rotor core 31 .
  • the rotating shaft 60 is fixed to the rotor core 31 so as to rotate together with the rotor core 31.
  • the plurality of permanent magnets 32 are fixed to the rotor core 31.
  • one set of two permanent magnets 32 forms one magnetic pole 33.
  • the plurality of sets of permanent magnets 32 are arranged at equal intervals in the circumferential direction. In this embodiment, eight sets (16 in total) of permanent magnets 32 are provided at central angles of 45 degrees around the central axis O.
  • the rotating electric machine 10 is an embedded magnet type motor.
  • a plurality of through holes 34 are formed in the rotor core 31 so as to penetrate the rotor core 31 in the axial direction.
  • the plurality of through holes 34 are provided corresponding to the plurality of permanent magnets 32.
  • Each permanent magnet 32 is fixed to the rotor core 31 while being disposed within the corresponding through hole 34 . Fixing of each permanent magnet 32 to the rotor core 31 can be realized, for example, by bonding the outer surface of the permanent magnet 32 and the inner surface of the through hole 34 with an adhesive.
  • the laminated core is formed by laminating a plurality of electromagnetic steel sheets.
  • the stacked electromagnetic steel plates are fixed together by, for example, caulking, adhesion, welding, or the like.
  • Each electromagnetic steel plate forming the stator core 21 and the rotor core 31 is formed, for example, by punching an electromagnetic steel plate serving as a base material.
  • the electromagnetic steel plate a known electromagnetic steel plate can be used.
  • the chemical composition of the electrical steel sheet is not particularly limited.
  • a non-oriented electrical steel sheet is used as the electrical steel sheet.
  • the non-oriented electrical steel sheet for example, a non-oriented electrical steel strip according to JIS C 2552:2014 can be used.
  • the electrical steel sheet it is also possible to use a grain-oriented electrical steel sheet instead of the non-oriented electrical steel sheet.
  • the grain-oriented electrical steel sheet for example, grain-oriented electrical steel strip according to JIS C 2553:2012 can be used.
  • an insulating coating is provided on both sides of the electrical steel sheet.
  • the substance constituting the insulating film for example, (1) an inorganic compound, (2) an organic resin, (3) a mixture of an inorganic compound and an organic resin, etc. can be applied.
  • the inorganic compound include (1) a complex of dichromate and boric acid, and (2) a complex of phosphate and silica.
  • organic resins include epoxy resins, acrylic resins, acrylic styrene resins, polyester resins, silicone resins, and fluorine resins.
  • the permanent magnets 32 are embedded in the rotor core 31 and are paired to form one magnetic pole 33.
  • a plurality of pairs (eight pairs in the illustrated example) of permanent magnets 32 are arranged in the rotor core 31 in the circumferential direction.
  • the permanent magnet 32 has a rectangular parallelepiped shape.
  • the permanent magnet 32 has a rectangular shape in plan view.
  • the pair of permanent magnets 32 are arranged in a V-shape that is convex toward the inside in the radial direction in the planar view.
  • the pair of permanent magnets 32 are arranged symmetrically with respect to the d-axis A in the plan view.
  • the d-axis A passes through the central axis O and the circumferential center of each magnetic pole 33 in the plan view.
  • the through holes 34 in which the pair of permanent magnets 32 are arranged are also arranged approximately axisymmetrically with respect to the d-axis A.
  • the through hole 34 is larger on both sides of the q-axis B side and the d-axis A side than the permanent magnet 32 in the plan view.
  • the q-axis B passes between the central axis O and two circumferentially adjacent magnetic poles 33 in the planar view.
  • the q-axis B passes through the center in the circumferential direction between the two magnetic poles 33 in the plan view.
  • the q-axis B and the d-axis A are magnetically and electrically orthogonal. Portions of the through hole 34 located on the q-axis B side and the d-axis A side with respect to the permanent magnet 32 serve as flux barriers 35 and 36, respectively.
  • flux barriers 35 and 36 are provided at both ends of the permanent magnet 32 on the q-axis B side and on the d-axis A side.
  • the flux barriers 35 and 36 are magnetic gaps that penetrate the rotor core 31 in the axial direction.
  • the flux barriers 35 and 36 reduce the magnetic flux from the permanent magnets 32 circulating within the rotor 30 (hereinafter also referred to as return magnetic flux), or change the inflow path of the magnetic flux from the permanent magnets 32 toward the stator 20. do.
  • the magnet magnetic flux hereinafter simply referred to as magnet magnetic flux
  • the flux barriers 35 and 36 guide the magnet magnetic flux to the stator 20.
  • the rotor 30 includes a first flux barrier 35 and a second flux barrier 36 as flux barriers 35 and 36.
  • the first flux barrier 35 and the second flux barrier 36 sandwich the permanent magnet 32 from both ends. This makes it easier for the magnet magnetic flux to be effectively transmitted to the stator 20.
  • the first flux barrier 35 is located on the q-axis B side closest to one permanent magnet 32.
  • the first flux barrier 35 is located on both outer sides of the pair of permanent magnets 32 in the circumferential direction (rotation direction).
  • the second flux barrier 36 is located on the d-axis A side closest to one permanent magnet 32. It is located at the center of the pair of permanent magnets 32 in the circumferential direction (rotation direction).
  • the first flux barrier 35 spreads outward in the radial direction of the rotor core 31 from the end face on the q-axis B side closest to one permanent magnet 32.
  • the first flux barrier 35 includes a first space 37 and a second space 38.
  • the first space 37 In the first space 37, the end face on the q-axis B side closest to one permanent magnet 32 is exposed.
  • the first space 37 extends from one permanent magnet 32 to the nearest q-axis B side in the plan view.
  • the first space 37 has a triangular shape that is convex toward the q-axis B side in the plan view.
  • the radial space width of the first space 37 becomes smaller as it moves away from one permanent magnet 32 toward the q-axis B side closest to it.
  • the second space 38 communicates with the first space 37. At least a portion of the second space 38 is located outside the first space 37 in the radial direction.
  • the second space 38 In the plan view, the second space 38 has a rectangular shape. In the plan
  • a first bridge 39 is provided on the outside of the first flux barrier 35 in the radial direction.
  • the first bridge 39 is part of the rotor core 31.
  • the first bridge 39 is a portion of the rotor core 31 that is located outside the first flux barrier 35 in the radial direction.
  • the presence of the first bridge 39 improves the centrifugal strength of the rotor core 31 compared to the case where the first bridge 39 is not present.
  • the first bridge 39 ensures mechanical strength at the outer periphery of the rotor core 31. If the radial width of the first bridge 39 is sufficiently narrow, magnetic saturation will prevent the magnetic flux from passing through the first bridge 39, and the magnet magnetic flux will be prevented from flowing back.
  • the width (radial size) of the first bridge 39 is locally smaller than the width of both portions of the rotor core 31 that are adjacent to the first bridge 39 in the circumferential direction.
  • the length (circumferential size) and width of the first bridge 39 are appropriately designed depending on the rotation speed and shape of the rotating electric machine 10.
  • the width of the first bridge 39 is smaller than the width of both portions of the rotor core 31 that are circumferentially adjacent to the first bridge 39, it does not have to be locally small.
  • the width of the first bridge 39 may be continuously smaller than the width of both portions of the rotor core 31 that are adjacent to the first bridge 39 in the circumferential direction.
  • the first bridge 39 a portion of the outer peripheral portion of the rotor core 31 whose radial size (width) is 1% or less of the outer diameter of the rotor core 31 may be used as the first bridge 39 .
  • the shape, size, etc. of the first flux barrier 35 are not limited to the aspects shown in this embodiment.
  • the second flux barrier 36 includes a first space 37, and the end face on the d-axis A side closest to one permanent magnet 32 is exposed.
  • the first space 37 extends from one permanent magnet 32 to the nearest d-axis A side in the plan view.
  • a second bridge 40 is provided between the two second flux barriers 36 forming a pair in each magnetic pole 33 .
  • the second bridge 40 is longer in the radial direction than in the circumferential direction.
  • the second bridge 40 causes magnetic flux saturation in the second bridge 40 and inhibits formation of a magnetic circuit.
  • the second bridge 40 is located on the d-axis A.
  • the front of the rotating electric machine 10 in the rotational direction (circumferential direction) is simply referred to as the front F, and the rear in the rotational direction is simply referred to as the rear R.
  • the above rotation direction means the rotation direction in which the rotating electric machine 10 mainly rotates.
  • the counterclockwise direction is the forward direction F
  • the clockwise direction is the backward direction R when looking at the page.
  • the pair of permanent magnets 32 includes a front magnet 32f and a rear magnet 32r.
  • the front magnet 32f is located on the front F side with respect to the rear magnet 32r.
  • the two first bridges 39 included in one magnetic pole 33 include a front bridge 39f and a rear bridge 39r.
  • the front bridge 39f is provided to the front magnet 32f.
  • the front bridge 39f is located on the front F side (q-axis B side) and on the outside in the radial direction with respect to the front magnet 32f.
  • the front bridge 39f is located on the outside in the radial direction with respect to the first flux barrier 35 located on the front F side of the pair of first flux barriers 35.
  • the rear bridge 39r is provided to the rear magnet 32r.
  • the rear bridge 39r is located on the rear R side (q-axis B side) and on the outside in the radial direction with respect to the rear magnet 32r.
  • the rear bridge 39r is located on the outside in the radial direction with respect to the first flux barrier 35 located on the rear R side of the pair of first flux barriers 35.
  • the reference position for the front bridge 39f is defined as a front reference position Pf
  • the reference position for the rear bridge 39r is defined as a rear reference position Pr, each defined as follows.
  • the front reference position Pf is defined as the intersection of the outer peripheral surface of the rotor core 31 and the front imaginary line L1 passing through the central axis O and the front end of the front magnet 32f in the circumferential direction on the front F side, in the plan view.
  • the rear reference position Pr is the intersection point of the outer peripheral surface of the rotor core 31 and the rear virtual line L2 passing through the central axis O and the circumferential rear end on the rear R side of the rear magnet 32r in the plan view.
  • the rear end 39f1 of the front bridge 39f located on the rearmost R side is at a central angle about the central axis O with respect to the front reference position Pf. It is arranged at a position away from ⁇ a/24 (radian) or more and ⁇ a/8 (radian) or less toward the rear R side.
  • the front end 39r1 of the rear bridge 39r which is located furthest to the front F side, moves toward the front F side by a central angle of 0 (radian) or more and ⁇ a/12 (radian) or less with respect to the rear reference position Pr. located at a remote location.
  • ⁇ a satisfies the following equation (1).
  • Nslot in the above formula (1) means the number of slots of the stator 20.
  • the rear end 39f1 of the front bridge 39f located on the rearmost R side preferably has a central angle about the central axis O with respect to the front reference position Pf that is 3 ⁇ a/48 (radians) or more and 5 ⁇ a/48 (radians). Hereinafter, they are arranged at positions distant from each other on the rear R side.
  • the front end 39r1 of the rear bridge 39r located on the most front F side is preferably at a central angle of 0 (radian) or more and ⁇ a/48 (radian) or less with respect to the rear reference position Pf, with respect to the rear reference position Pf. It is located far away on the F side.
  • the rear end 39f1 of the front bridge 39f is moved backward by ⁇ a/12 (radians) at a central angle about the central axis O with respect to the front reference position Pf. placed at a distance to the side.
  • the front end 39r1 of the rear bridge 39r is located at the rear reference position Pr.
  • the rear end 39f1 of the front bridge 39f and the front end 39r1 of the rear bridge 39r are portions of each bridge 39 where magnetic saturation of the magnetic flux generated by each set of permanent magnets 32 occurs.
  • the rear end 39f1 of the front bridge 39f and the front end 39r1 of the rear bridge 39r are portions of each bridge 39 where the magnetic flux begins to pass from the rotor 30 to the stator 20.
  • the rear end 39f1 of the front bridge 39f and the front end 39r1 of the rear bridge 39r are magnetic saturation start positions in each bridge 39.
  • the magnetic saturation start position of the front bridge 39f is the circumferential end position on the rear R side of the magnetic saturation start positions of the rear end 39f1.
  • the magnetic saturation start position in the rear bridge 39r is the circumferential end position on the front F side of the magnetic saturation start positions of the front end 39r1.
  • the magnetic saturation start position is a position where the distance between the front bridge 39f and the rear bridge 39r and the outer peripheral surface of the rotor core 31 is the shortest.
  • the magnetic saturation start position of the bridge 39 may be determined, for example, as a position where the absolute value of the magnetic flux density obtained by electromagnetic field analysis or the like exceeds the saturation magnetic flux density of the magnetic material used in the rotor core. Experiments using actual objects may be used instead of electromagnetic field analysis.
  • the magnetic saturation start position can be specified by any one method or two or more methods described above.
  • the rear end 39f1 of the front bridge 39f and the front end 39r1 of the rear bridge 39r form a boundary with a portion of the first bridge 39 that is not the first bridge 39.
  • the rear end 39f1 of the front bridge 39f and the front end 39r1 of the rear bridge 39r are defined as regions of the rotor core 31 that connect the first flux barrier 35 and the outer peripheral surface of the rotor core 31 in the shortest distance in the radial direction.
  • the front end 39r1 of the rear bridge 39r and the rear end 39f1 of the front bridge 39f are part of a region on an imaginary line passing through the first flux barrier 35 and the central axis O.
  • FIG. 8 shows an image of the flow of magnetic flux in the rotating electrical machine according to this embodiment.
  • Arrows A1 and A2 in FIG. 8 indicate the flow of magnetic flux.
  • Arrow A1 indicates the general flow of magnetic flux.
  • Arrow A2 indicates the magnetic flux density vector at each position.
  • FIG. 8 in the front bridge 39f, magnetic flux passes to the stator 20 at the rear end 39f1 of the front bridge 39f.
  • the amount of magnetic flux penetrating into the magnetic pole 33 side changes depending on the position of the front end 39r1 of the rear bridge 39r.
  • the width (radially (size) is sufficiently narrow
  • the rear end 39f1 of the front bridge 39f can be the end of the rear R.
  • the first portion becomes the front bridge 39f over the entire length (circumferential length) of the first flux barrier 35.
  • the width of the front bridge 39f may be narrower or wider than the rear end 39f1.
  • the portion of the front bridge 39f located forward of the rear end 39f1 may be larger or smaller in the radial direction than the rear end 39f1. .
  • the width of the front F side end of the portion (hereinafter referred to as the second portion) that is radially sandwiched between the first flux barrier 35 on the rear R side and the outer peripheral surface of the rotor core 31 in the rotor core 31 is sufficient. If it is narrow, the front end 39r1 of the rear bridge 39r can be the end on the front F side. In this case, the second portion becomes the rear bridge 39r over the entire length (circumferential length) of the first flux barrier 35. In this case, on the rear R side of the front end 39r1 of the rear bridge 39r, the width of the rear bridge 39r may be narrower or wider than the front end 39r1.
  • the rear end 39f1 of the front bridge 39f is located furthest on the rear R side among the areas where the width is sufficiently narrow in the first portion. It can be a region. In this case, a part of the first portion becomes the front bridge 39f, and the rear end 39f1 of the front bridge 39f is located on the front F side of the circumferential rear R side end of the first portion. Further, if the width of the front F side end of the second portion is not narrow enough, the front end 39r1 of the rear bridge 39r is the area located furthest on the front F side among the areas where the width is sufficiently narrow in the second portion. can do. In this case, a part of the second portion becomes the front bridge 39f, and the front end 39r1 of the rear bridge 39r is located on the rear R side of the second portion in the circumferential direction from the front F side end.
  • the sufficiently narrow width of the first portion and the second portion may mean, for example, that the width is 1% or less of the outer diameter of the rotor core 31. Furthermore, the fact that the width of the first portion or the second portion is sufficiently narrow may mean, for example, that the width is 0.3 mm or less. Furthermore, in order to specify the rear end 39f1 of the front bridge 39f and the front end 39r1 of the rear bridge 39r, the rotating electric machine 10 may be reproduced on software and electromagnetic field analysis may be performed.
  • the central angle between the rear end 39f1 of the front bridge 39f and the front reference position Pf is the central angle about the central axis O between the imaginary line L1a regarding the front bridge 39f and the front imaginary line L1.
  • the central angle between the front end 39r1 of the rear bridge 39r and the rear reference position Pr is the central angle about the central axis O between the imaginary line L2a and the rear imaginary line L2 regarding the rear bridge 39r.
  • the virtual line L2a is a virtual line passing through the front end 39r1 of the rear bridge 39r and the central axis O.
  • the central angle between the front end 39r1 of the rear bridge 39r and the rear reference position Pr is 0 (radian), in other words, the front end 39r1 of the rear bridge 39r is arranged at the rear reference position Pr.
  • the inventor of the present application has determined that the circumferential position of the rear end 39f1 of the front bridge 39f and the circumferential position of the front end 39r1 of the rear bridge 39r (hereinafter, these positions are collectively referred to as the starting position of the first bridge 39). , was found to have an effect on torque.
  • the inventor of the present invention has found that the torque increases by arranging the circumferential position of the rear end 39f1 of the front bridge 39f at the rear R in the rotational direction with respect to the front reference position Pf.
  • the inventor of the present application conducted an analysis of shape optimization of the rotor core 31. This analysis is based on the content described in Japanese Patent Application Publication No. 2021-114099. The inventor of the present application conducted the analysis multiple times assuming a plurality of different advance angles. It can be said that the shape of the rotor core 31 resulting from each analysis is the optimal shape depending on the prerequisite advance angle. The inventor of the present application analyzed the result (shape) that provides the highest torque among the results of analyzing the optimal shape for multiple types of advance angles. Note that the advance angle at this time was 50 degrees.
  • this phenomenon is considered to be based on the following principle. That is, in the process in which the magnetic flux generated at the magnetic poles 33 constituted by the pair of permanent magnets 32 is transmitted within the rotor core 31, magnetic saturation occurs at the starting position of the first bridge 39. Then, the magnetic flux is directed from inside the rotor core 31 to the outside and is transmitted to the teeth of the stator 20. Therefore, the starting position of the first bridge 39 becomes the starting point from which the magnetic flux is transmitted to the stator 20.
  • the further back R the rear end 39f1 of the front bridge 39f is located in the rotational direction with respect to the front reference position Pf, the more the direction (direction) of the magnetic flux lines transmitted from the front bridge 39f to the teeth 23 of the stator 20 becomes.
  • the inventor of the present application determined that the circumferential position of the rear end 39f1 of the front bridge 39f and the circumferential position of the front end 39r1 of the rear bridge 39r are set at a central angle corresponding to the pitch of the teeth of the stator 20. After intensive study using a certain ⁇ a (radian) as a unit, it was found that high torque can be output by setting as described above.
  • the target rotating electrical machine 10 is a rotating electrical machine 10 including rotors 30, 30A, and 30B shown in FIGS. 3, 6, and 7.
  • the position of the rear end 39f1 of the front bridge 39f is moved toward the rear R side by 0.625 degrees (that is, ( ⁇ a/24) degrees), and the position of the front end 39r1 of the rear bridge 39r is moved to the rear R side.
  • An analysis was conducted assuming a shape in which the front side was moved forward F side by 0.625 degrees, and the torque value was evaluated.
  • the rear end 39f1 of the front bridge 39f moves 1.25° toward the rear R side with respect to the front reference position Pf, and the front end 39r1 of the rear bridge 39r is located at the rear reference position Pr. do.
  • the rear end 39f1 of the front bridge 39f is located at the front reference position Pf, and the front end 39r1 of the rear bridge 39r is located at the rear reference position Pr.
  • the rear end 39f1 of the front bridge 39f moves 0.625° backward R with respect to the front reference position Pf
  • the front end 39r1 of the rear bridge 39r moves forward with respect to the rear reference position Pr. It has moved 0.625° to F.
  • virtual lines L1a and L2a are omitted.
  • the rear end 39f1 of the front bridge 39f is moved toward the rear R side by 0.625 degrees or more and 1.875 degrees or less (that is, ( ⁇ a/24) degrees or more ( ⁇ a/8) ) degree or less), the front end 39r1 of the rear bridge 39r is moved within the range of 0 degree or more and 1.25 degree or less (that is, 0 degree or more ( ⁇ a/12) degree or less), and the torque is lower than the standard shape. was confirmed to improve.
  • the arrangement and shape of the two first flux barriers 35 constituting one magnetic pole 33 and the arrangement and shape of the two first bridges 39 are generally symmetrical, and in this type of rotating electric machine 10, two A structure in which the arrangement and shape of the two first bridges 39 are asymmetrically changed is not generally seen.
  • the shape of the stator 20 is not limited to the form shown in the above embodiment. Specifically, the dimensions of the outer diameter and inner diameter of the stator core 21, the stacking thickness, the number of slots, the circumferential and radial dimension ratio of the teeth 23, the radial dimension ratio of the teeth 23 and the core back 22, etc. are set as desired. It can be arbitrarily designed according to the characteristics of the rotating electric machine 10.
  • the shape of the rotor 30 is not limited to the form shown in the above embodiment. Specifically, the outer and inner diameter dimensions, stacking thickness, number of poles, etc. of the rotor core 31 can be arbitrarily designed according to desired characteristics of the rotating electric machine 10.
  • both the stator core 21 and the rotor core 31 are laminated cores, but they may not be laminated cores.
  • the second flux barrier 36 may not be provided.
  • one magnetic pole 33 is composed of two permanent magnets 32.
  • one magnetic pole 33 may be composed of one permanent magnet 32, three permanent magnets 32, or four or more permanent magnets 32.
  • the set of permanent magnets 32 other forms including one or more permanent magnets 32 may be employed as appropriate.
  • this one permanent magnet 32 may have a rectangular shape that is long in the direction orthogonal to the d-axis A in the plan view.
  • one set of permanent magnets 32 is three permanent magnets 32 and the three permanent magnets 32 are arranged in the circumferential direction, the following arrangement may be used.
  • the permanent magnet 32 located at the center in the circumferential direction may have a rectangular shape that is long in the direction orthogonal to the d-axis A in the planar view. Furthermore, in this case, the two permanent magnets 32 located on both sides in the circumferential direction may extend radially outward from the d-axis A side toward the q-axis B side in the plan view.

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Abstract

前方基準位置（Ｐｆ）を、平面視において、ロータコア（３１）の中心軸（Ｏ）と、各組の永久磁石（３２）の前端と、を通過する前方仮想線（Ｌ１）とロータコア（３１）の外周面との交点とし、かつ、後方基準位置（Ｐｒ）を、平面視において、ロータコア（３１）の中心軸（Ｏ）と、各組の永久磁石（３２）の後端と、を通過する後方仮想線（Ｌ２）とロータコア（３１）の外周面との交点としたときに、前方ブリッジ（３９ｆ）の後端（３９）は、前方基準位置（Ｐｆ）に対して、中心軸Ｏを中心とする中心角でθａ／２４（ラジアン）以上θａ／８（ラジアン）以下、後方（Ｒ）に離れた位置に配置され後方ブリッジ（３９ｒ）の前端（３９ｒ１）は、後方基準位置（Ｐｒ）に対して、中心軸（Ｏ）を中心とする中心角で０（ラジアン）以上θａ／１２（ラジアン）以下、前方（Ｆ）に離れた位置に配置されている。ただし、θａは、以下の（１）式を満たす。　θａ＝２π／（Ｎｓｌｏｔ）…（１）

Description

回転電機
　本発明は、回転電機に関する。
　本願は、２０２２年３月２９日に、日本に出願された特願２０２２－０５３６００号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来から、例えば下記特許文献１に記載の回転電機が知られている。
特開２０１８－１９８５３４号公報
　この種の埋め込み型永久磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ）において、トルクの向上に改善の余地があることを本願発明者は見出した。
　本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、トルクを向上させることを目的とする。
　＜１＞本発明の一態様に係る回転電機は、環状のステータと、前記ステータ内に配置されたロータと、を備え、前記ロータは、ロータコアと、前記ロータコアに埋め込まれるとともに１組で１つの磁極を構成し、前記ロータコアに、前記ロータコアの周方向に複数組配置された永久磁石と、を備える回転電機であって、前記ロータコアは、各組の前記永久磁石に対して、前記ロータの回転方向の両側に設けられた第１フラックスバリアと、前記第１フラックスバリア対して、前記ロータコアの径方向の外側に設けられた第１ブリッジと、を備え、前記第１ブリッジは、前記ロータの回転方向の前方に設けられた前方ブリッジと、前記ロータの回転方向の後方に設けられた後方ブリッジと、を含み、前記前方ブリッジの基準位置である前方基準位置を、前記ロータを軸方向から見た平面視において、前記ロータコアの中心軸と、各組の前記永久磁石の前端と、を通過する前方仮想線と前記ロータコアの外周面との交点とし、かつ、前記後方ブリッジの基準位置である後方基準位置を、前記平面視において、前記ロータコアの中心軸と、各組の前記永久磁石の後端と、を通過する後方仮想線と前記ロータコアの外周面との交点としたときに、複数組の前記永久磁石のうち、少なくとも１組の前記永久磁石において、前記前方ブリッジの後端は、前記前方基準位置に対して、前記中心軸を中心とする中心角でθａ／２４（ラジアン）以上θａ／８（ラジアン）以下、後方に離れた位置に配置され前記後方ブリッジの前端は、前記後方基準位置に対して、前記中心軸を中心とする中心角で０（ラジアン）以上θａ／１２（ラジアン）以下、前方に離れた位置に配置されている。
　ただし、θａは、以下の（１）式を満たす。
　θａ＝２π／（Ｎｓｌｏｔ）…（１）
　ここで、上記（１）式中のＮｓｌｏｔは、前記ステータのスロット数を意味する。また、一組の永久磁石は、１つ以上の永久磁石を含む。さらに、前方ブリッジの後端や後方ブリッジの前端は、各ブリッジのうち、各組の永久磁石によって発生する磁束の磁気飽和が生じる部分である。言い換えると、前方ブリッジの後端や後方ブリッジの前端は、各ブリッジのうち、磁束がロータからステータに渡り始める部分である。
　＜２＞上記＜１＞に係る回転電機では、前記少なくとも１組の前記永久磁石において、前記前方ブリッジの後端は、前記前方基準位置に対して、前記中心軸を中心とする中心角でθａ／１２（ラジアン）分、後方に離れた位置に配置され、前記後方ブリッジの前端は、前記後方基準位置に配置されている構成を採用してもよい。
　＜３＞上記＜１＞または＜２＞に係る回転電機では、前記永久磁石は、２つで一組をなして１つの磁極を構成し、各組の前記永久磁石は、前方に位置する前方磁石と、後方に位置する後方磁石と、を含むとともに、前記平面視において前記径方向の内側に向けて凸となるＶ字状に配置され、前記前方ブリッジは、前記前方磁石の前方に設けられ、前記後方ブリッジは、前記後方磁石の後方に設けられ、前記平面視において、前記前方仮想線は、前記中心軸と前記前方磁石の前端とを通過し、前記後方仮想線は、前記中心軸と前記後方磁石の後端とを通過する構成を採用してもよい。
　本願発明者は、前方ブリッジの後端の周方向の位置や後方ブリッジの前端の周方向の位置、言い換えると、第１ブリッジの開始位置が、トルクに影響を与えることを見出した。特に、前方ブリッジの後端の周方向の位置を、前方基準位置に対して回転方向の後方に配置することで、トルクが大きくなることを、本願発明者は見出した。
　この現象は以下の原理に基づくと考えられる。
　すなわち、１組の永久磁石が構成する磁極において生じる磁束がロータコア内で伝達される過程で、第１ブリッジの開始位置において磁気飽和が生じる。すると磁束が、ロータコア内から外部に向かい、ステータのティースに伝達される。そのため、第１ブリッジの開始位置は、磁束がステータに伝達される起点となる。ここで、前方ブリッジの後端が、前方基準位置に対して回転方向の後方に位置するほど、前方ブリッジからステータのティースに伝達される磁束線の向き（方向）は、ロータの径方向、言い換えるとティースの長手方向に対して傾斜し、その結果、磁束線が長くなる。このとき、磁束線が短くなるように力が発生し、この力によってロータが回転する結果、トルクが高まると考えられる。　以上の知見に基づいて、本願発明者は、前方ブリッジの後端の周方向の位置や後方ブリッジの前端の周方向の位置を、ステータのティースのピッチに対応する中心角であるθａ（ラジアン）を単位として鋭意検討したところ、前述のように設定することで、高いトルクを出力できることを見出した。
　なお、１つの磁極を構成する２つの第１フラックスバリアの配置・形状や２つの第１ブリッジの配置・形状は、一般に対称であることが多く、この種の回転電機において、２つの第１ブリッジの配置・形状を非対称に変化させたものは、一般には見られない。
　本発明によれば、トルクを向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であって、一部断面を含む平面図である。 図１に示す回転電機に含まれるステータおよびロータの拡大平面図である。 図１に示す回転電機に含まれるロータの拡大平面図である。 図３に示すＩＶ部の拡大平面図である。 図３に示すＶ部の拡大平面図である。 図１に示す回転電機を説明するための図であって、ロータの前方ブリッジの後端および後方ブリッジの前端がそれぞれの基準位置に位置する状態を示す拡大平面図である。 図１に示す回転電機を説明するための図であって、ロータの前方ブリッジの後端が、図５に示す位置に比べて後方に移動し、かつ、後方ブリッジの前端が、図５に示す位置に比べて前方に移動している状態を示す拡大平面図である。 本発明の一実施形態に係る回転電機において、磁束の流れるイメージを示す図である。
　以下、図１から図８を参照し、本発明の一実施形態に係る回転電機を説明する。回転電機は、電動機、具体的には交流電動機、より具体的には同期電動機、より一層具体的には永久磁石界磁型電動機である。この種の電動機は、例えば、電気自動車などに好適に採用される。
　図１および図２に示すように、回転電機１０は、ステータ２０と、ロータ３０と、ケース５０と、回転軸６０と、を備える。ステータ２０およびロータ３０は、ケース５０に収容される。ステータ２０は、ケース５０に固定される。回転電機１０は、ロータ３０がステータ２０の内側に位置するインナーロータ型である。
　なお本実施形態では、回転電機１０が、８極２４スロットの三相交流モータである。しかしながら、例えば極数やスロット数、相数などは適宜変更することができる。
　また回転電機１０において、ステータ２０およびロータ３０の軸線は共通軸上にある。以下では、この共通軸を中心軸線Ｏ（ロータ３０の中心軸）という。中心軸線Ｏ方向（後述するロータコア３１の軸方向）を軸方向といい、中心軸線Ｏに直交する方向（後述するロータコア３１の径方向）を径方向といい、中心軸線Ｏ周りに周回する方向（後述するロータコア３１の周方向）を周方向という。
　ステータ２０は、ステータコア２１と、図示しない巻線と、を備える。
　ステータコア２１は、筒状（円筒状）のコアバック２２（ヨーク）と、複数のティース２３と、を備える。
　コアバック２２は、回転電機１０を軸方向から見た平面視において円環状に形成されている。
　複数のティース２３は、コアバック２２から径方向の内側に向けて（径方向に沿ってコアバック２２の中心軸線Ｏに向けて）突出する。複数のティース２３は、周方向に同等の間隔をあけて配置されている。本実施形態では、中心軸線Ｏを中心とする中心角１５度おきに２４個のティース２３が設けられている。複数のティース２３は、互いに同等の形状で、かつ同等の大きさに形成されている。周方向に隣り合うティース２３の間は、スロット２４である。
　前記巻線は、ティース２３に巻き回されている。前記巻線は、集中巻きされていてもよく、分布巻きされていてもよい。
　図３に示すように、ロータ３０は、ステータ２０（ステータコア２１）に対して径方向の内側に配置されている。ロータ３０は、ロータコア３１と、複数の永久磁石３２と、を備える。
　ロータコア３１は、ステータ２０と同軸に配置される筒状（円筒状）に形成されている。ロータコア３１内には、前記回転軸６０が配置されている。回転軸６０は、ロータコア３１と一緒に回転するように、ロータコア３１に固定されている。
　複数の永久磁石３２は、ロータコア３１に固定されている。本実施形態では、２つ１組の永久磁石３２が１つの磁極３３を形成している。複数組の永久磁石３２は、周方向に同等の間隔をあけて配置されている。本実施形態では、中心軸線Ｏを中心とする中心角４５度おきに８組（全体では１６個）の永久磁石３２が設けられている。
　回転電機１０は、埋込磁石型モータである。ロータコア３１には、ロータコア３１を軸方向に貫通する複数の貫通孔３４が形成されている。複数の貫通孔３４は、複数の永久磁石３２に対応して設けられている。各永久磁石３２は、対応する貫通孔３４内に配置された状態でロータコア３１に固定されている。各永久磁石３２のロータコア３１への固定は、例えば永久磁石３２の外面と貫通孔３４の内面とを接着剤により接着すること等により、実現することができる。
　なお、ステータコア２１およびロータコア３１としては、積層コアを採用することが可能である。積層コアは、複数の電磁鋼板が積層されることで形成されている。積層された電磁鋼板同士は、例えば、かしめや接着、溶接などにより固定されている。
　ステータコア２１およびロータコア３１を形成する各電磁鋼板は、例えば、母材となる電磁鋼板を打ち抜き加工すること等により形成される。電磁鋼板としては、公知の電磁鋼板を用いることができる。電磁鋼板の化学組成は特に限定されない。本実施形態では、電磁鋼板として、無方向性電磁鋼板を採用している。無方向性電磁鋼板としては、例えば、ＪＩＳ　Ｃ　２５５２：２０１４の無方向性電磁鋼帯を採用することができる。しかしながら、電磁鋼板として、無方向性電磁鋼板に代えて方向性電磁鋼板を採用することも可能である。方向性電磁鋼板としては、例えば、ＪＩＳ　Ｃ　２５５３：２０１２の方向性電磁鋼帯を採用することができる。
　電磁鋼板の加工性や、積層コアの鉄損を改善するため、電磁鋼板の両面には、絶縁被膜が設けられている。絶縁被膜を構成する物質としては、例えば、（１）無機化合物、（２）有機樹脂、（３）無機化合物と有機樹脂との混合物、などが適用できる。無機化合物としては、例えば、（１）重クロム酸塩とホウ酸の複合物、（２）リン酸塩とシリカの複合物、などが挙げられる。有機樹脂としては、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、アクリルスチレン系樹脂、ポリエステル系樹脂、シリコン系樹脂、フッ素系樹脂などが挙げられる。
　以下、ロータ３０の詳細について説明する。
　図３に示すように、永久磁石３２は、前述したように、ロータコア３１に埋め込まれるとともに２つで対をなして１つの磁極３３を構成している。永久磁石３２は、ロータコア３１に、周方向に複数対（図示の例では８対）配置されている。図示の例では、永久磁石３２は、直方体状である。永久磁石３２は、平面視において矩形状である。
　一対の永久磁石３２は、前記平面視において、径方向の内側に向けて凸となるＶ字状に配置されている。一対の永久磁石３２は、前記平面視において、ｄ軸Ａを基準として線対称に配置されている。ｄ軸Ａは、前記平面視において、中心軸線Ｏと、各磁極３３の周方向の中央と、を通過する。一対の永久磁石３２が配置される貫通孔３４も同様に、ｄ軸Ａを基準として概ね線対称に配置されている。
　貫通孔３４は、前記平面視において、永久磁石３２よりもｑ軸Ｂ側、および、ｄ軸Ａ側の両側に大きい。ｑ軸Ｂは、前記平面視において、中心軸線Ｏと、周方向に隣り合う２つの磁極３３の間と、を通過する。ｑ軸Ｂは、前記平面視において、前記２つの磁極３３の間における周方向の中央を通過する。ｑ軸Ｂとｄ軸Ａとは、磁気的、電気的に直交する。貫通孔３４のうち、永久磁石３２に対してｑ軸Ｂ側、および、ｄ軸Ａ側それぞれに位置する部分は、フラックスバリア３５、３６となっている。言い換えると、永久磁石３２のｑ軸Ｂ側、および、ｄ軸Ａ側の両端には、フラックスバリア３５、３６が設けられている。フラックスバリア３５、３６は、ロータコア３１を軸方向に貫通する磁気的空隙部である。フラックスバリア３５、３６は、ロータ３０内で還流する永久磁石３２からの磁石磁束（以下、還流磁束ともいう）を低減したり、永久磁石３２からステータ２０へ向かう磁石磁束の流入経路を変化させたりする。これにより、永久磁石３２の磁石磁束（以下、単に磁石磁束）がステータ２０に効果的に伝達されて高いトルクが出力される。フラックスバリア３５、３６は、磁石磁束をステータ２０に誘導するともいえる。
　ロータ３０は、フラックスバリア３５、３６として、第１フラックスバリア３５と、第２フラックスバリア３６と、を備えている。第１フラックスバリア３５および第２フラックスバリア３６は、永久磁石３２を両端から挟む。これにより、磁石磁束がステータ２０に効果的に伝達され易くなる。
　第１フラックスバリア３５は、一つの永久磁石３２から最も近いｑ軸Ｂ側に位置する。第１フラックスバリア３５は、一対の永久磁石３２の周方向（回転方向）の両外側に位置する。第２フラックスバリア３６は、一つの永久磁石３２から最も近いｄ軸Ａ側に位置する。一対の永久磁石３２の周方向（回転方向）の中央に位置する。
　第１フラックスバリア３５は、一つの永久磁石３２から最も近いｑ軸Ｂ側の端面からロータコア３１の径方向の外側に広がる。第１フラックスバリア３５は、第１空間３７と、第２空間３８と、を備えている。第１空間３７には、一つの永久磁石３２から最も近いｑ軸Ｂ側の端面が露出する。第１空間３７は、前記平面視において、一つの永久磁石３２から最も近いｑ軸Ｂ側に延びる。第１空間３７は、前記平面視において、ｑ軸Ｂ側に凸となる三角形状である。第１空間３７の径方向の空間幅は、一つの永久磁石３２から最も近いｑ軸Ｂ側に離れるに従い小さくなっている。第２空間３８は、第１空間３７に連通する。第２空間３８の少なくとも一部は、第１空間３７に対して径方向の外側に位置する。前記平面視において、第２空間３８は矩形状である。前記平面視において、第２空間３８の面積は第１空間３７の面積よりも狭い。
　第１フラックスバリア３５に対する径方向の外側には、第１ブリッジ３９が設けられている。第１ブリッジ３９は、ロータコア３１の一部である。第１ブリッジ３９は、ロータコア３１のうち、第１フラックスバリア３５に対して径方向の外側に位置する部分である。第１ブリッジ３９があることで、第１ブリッジ３９がない場合に比べて、ロータコア３１に遠心耐力が向上する。第１ブリッジ３９は、ロータコア３１における外周に力学的な強度を担保する。第１ブリッジ３９の径方向の幅が十分細いと、磁束が第１ブリッジ３９を通過することが磁気飽和によって妨げられ、磁石磁束の還流が防がれる。
　第１ブリッジ３９の幅（径方向の大きさ）は、ロータコア３１のうち第１ブリッジ３９に対して周方向に隣り合う両部分の幅よりも、局所的に小さくなっている。
　なお第１ブリッジ３９の長さ（周方向の大きさ）や幅は、回転電機１０の回転速度や形により適切に設計される。例えば、第１ブリッジ３９の幅が、ロータコア３１のうち第１ブリッジ３９に対して周方向に隣り合う両部分の幅に対して、小さくなっているものの、局所的に小さくなっていなくてもよい。例えば、第１ブリッジ３９の幅が、ロータコア３１のうち第１ブリッジ３９に対して周方向に隣り合う両部分の幅に対して連続的に小さくなっていてもよい。この場合、例えば、ロータコア３１の外周部分において、径方向の大きさ（幅）が、ロータコア３１の外径の１％以下となっている部分を、第１ブリッジ３９としてもよい。また、第１フラックスバリア３５の形状や大きさなども、本実施形態に示した態様に限られない。
　第２フラックスバリア３６は、第１空間３７を備え、一つの永久磁石３２から最も近いｄ軸Ａ側の端面が露出する。第１空間３７は、前記平面視において、一つの永久磁石３２から最も近いｄ軸Ａ側に延びる。各磁極３３において対をなす２つの第２フラックスバリア３６の間には、第２ブリッジ４０が設けられている。第２ブリッジ４０は、周方向よりも径方向に長い。第２ブリッジ４０は、第２ブリッジ４０において磁束飽和を起こさせ、磁気回路の形成を阻害させる。第２ブリッジ４０は、ｄ軸Ａ上に位置する。
　ここで、以下において回転電機１０の回転方向（周方向）の前方を、単に前方Ｆとし、回転方向の後方を、単に後方Ｒとする。なお、中心軸線Ｏ回りの両方向に回転可能な回転電機１０の場合、上記回転方向とは、回転電機１０が主に回転する回転方向を意味する。また図示の例では、紙面を見たときにおける反時計回りを前方Ｆとし、時計回りを後方Ｒとする。
　一対の永久磁石３２は、前方磁石３２ｆと、後方磁石３２ｒと、を含む。前方磁石３２ｆは、後方磁石３２ｒに対して前方Ｆ側に位置する。
　１つの磁極３３に含まれる２つの第１ブリッジ３９は、前方ブリッジ３９ｆと、後方ブリッジ３９ｒと、を含む。前方ブリッジ３９ｆは、前方磁石３２ｆに対して設けられている。前方ブリッジ３９ｆは、前方磁石３２ｆに対して前方Ｆ側（ｑ軸Ｂ側）、かつ、径方向の外側に位置する。前方ブリッジ３９ｆは、一対の第１フラックスバリア３５のうち、前方Ｆ側に位置する第１フラックスバリア３５に対する径方向の外側に位置する。後方ブリッジ３９ｒは、後方磁石３２ｒに対して設けられている。後方ブリッジ３９ｒは、後方磁石３２ｒに対して後方Ｒ側（ｑ軸Ｂ側）、かつ、径方向の外側に位置する。後方ブリッジ３９ｒは、一対の第１フラックスバリア３５のうち、後方Ｒ側に位置する第１フラックスバリア３５に対する径方向の外側に位置する。
　前方ブリッジ３９ｆに対する基準位置を前方基準位置Ｐｆとし、後方ブリッジ３９ｒに対する基準位置を後方基準位置Ｐｒとして、それぞれ以下のように定義する。前方基準位置Ｐｆは、前記平面視において、中心軸線Ｏと、前方磁石３２ｆの前方Ｆ側の周方向前端と、を通過する前方仮想線Ｌ１と前記ロータコア３１の外周面との交点とする。後方基準位置Ｐｒは、前記平面視において、中心軸線Ｏと、後方磁石３２ｒの後方Ｒ側の周方向後端と、を通過する後方仮想線Ｌ２とロータコア３１の外周面との交点とする。
　そして本実施形態では、図３および図４に示すように、最も後方Ｒ側に位置する前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１は、前方基準位置Ｐｆに対して、中心軸線Ｏを中心とする中心角でθａ／２４（ラジアン）以上θａ／８（ラジアン）以下、後方Ｒ側に離れた位置に配置されている。最も前方Ｆ側に位置する後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１は、後方基準位置Ｐｒに対して、中心軸線Ｏを中心とする中心角で０（ラジアン）以上θａ／１２（ラジアン）以下、前方Ｆ側に離れた位置に配置されている。
　ただし、θａは、以下の（１）式を満たす。
　θａ＝２π／（Ｎｓｌｏｔ）…（１）
　ここで、上記（１）式中のＮｓｌｏｔは、ステータ２０のスロット数を意味する。
　最も後方Ｒ側に位置する前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１は、好ましくは、前方基準位置Ｐｆに対して、中心軸線Ｏを中心とする中心角で３θａ／４８（ラジアン）以上５θａ／４８（ラジアン）以下、後方Ｒ側に離れた位置に配置されている。
　最も前方Ｆ側に位置する後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１は、好ましくは、後方基準位置Ｐｆに対して、中心軸線Ｏを中心とする中心角で０（ラジアン）以上θａ／４８（ラジアン）以下、前方Ｆ側に離れた位置に配置されている。
　さらに本実施形態では、図４に示すように、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１は、前方基準位置Ｐｆに対して、中心軸線Ｏを中心とする中心角でθａ／１２（ラジアン）分、後方Ｒ側に離れた位置に配置されている。図５に示すように、後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１は、後方基準位置Ｐｒに配置されている。
　ここで、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１や後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１は、各ブリッジ３９のうち、各組の永久磁石３２によって発生する磁束の磁気飽和が生じる部分である。言い換えると、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１や後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１は、各ブリッジ３９のうち、磁束がロータ３０からステータ２０に渡り始める部分である。前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１や後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１は、各ブリッジ３９における磁気飽和開始位置である。前方ブリッジ３９ｆにおける磁気飽和開始位置は、後端３９ｆ１の磁気飽和開始位置のうちの後方Ｒ側の周方向端部位置である。後方ブリッジ３９ｒにおける磁気飽和開始位置は、前端３９ｒ１の磁気飽和開始位置のうちの前方Ｆ側の周方向端部位置である。磁気飽和開始位置は、前方ブリッジ３９ｆ及び後方ブリッジ３９ｒとロータコア３１の外周面との距離が最短となる位置である。ブリッジ３９の磁気飽和開始位置は、例えば、電磁界解析などにより得られた磁束密度の絶対値について、ロータコアに使用されている磁性材料の飽和磁束密度を超過する位置として求めてもよい。電磁界解析に代えて、実物を使用した実験を採用してもよい。磁気飽和開始位置は、上記したいずれか１つの方法または２つ以上の方法によって特定することができる。
　前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１や後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１は、第１ブリッジ３９において、第１ブリッジ３９ではない部分との境界となる。前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１や後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１は、ロータコア３１のうち、第１フラックスバリア３５と、ロータコア３１の外周面と、を径方向に最短距離で結ぶ領域として規定される。後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１及び前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１は、第１フラックスバリア３５と中心軸線Ｏとを通過する仮想線上の一部の領域である。
　図８に、本実施形態に係る回転電機において、磁束の流れるイメージを示す。図８中の矢印Ａ１，Ａ２は、磁束の流れを意味する。矢印Ａ１は、磁束の大まかな流れを示す。矢印Ａ２は、各位置における磁束密度ベクトルを示す。図８に示すように、前方ブリッジ３９ｆにおいては、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１でステータ２０に磁束が渡る。後方ブリッジ３９ｒにおいては、後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１の位置により磁極３３側に侵入する磁束量が変化する
　例えば、ロータコア３１のうち、前方Ｆ側の第１フラックスバリア３５と、ロータコア３１の外周面と、によって径方向に挟まれる部分（以下、第１部分という）における後方Ｒの端における幅（径方向の大きさ）が十分狭い場合、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１は、前記後方Ｒの端とすることができる。この場合、第１部分が第１フラックスバリア３５の全長（周方向の長さ）にわたって前方ブリッジ３９ｆとなる。この場合において、前方ブリッジ３９ｆにおける後端３９ｆ１よりも前方Ｆ側において、前方ブリッジ３９ｆの幅が後端３９ｆ１よりも狭くなっていてもよいし、広くなっていてもよい。言い換えると、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１が磁気飽和開始位置であれば、前方ブリッジ３９ｆにおいて後端３９ｆ１よりも前方に位置する部分は、後端３９ｆ１よりも径方向に大きくても小さくてもよい。
　また、ロータコア３１のうち、後方Ｒ側の第１フラックスバリア３５と、ロータコア３１の外周面と、によって径方向に挟まれる部分（以下、第２部分という）における前方Ｆ側の端の幅が十分狭い場合、後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１は、前記前方Ｆ側の端とすることができる。この場合、第２部分が第１フラックスバリア３５の全長（周方向の長さ）にわたって後方ブリッジ３９ｒとなる。この場合において、後方ブリッジ３９ｒにおける前端３９ｒ１よりも後方Ｒ側において、後方ブリッジ３９ｒの幅が前端３９ｒ１よりも狭くなっていてもよいし、広くなっていてもよい。
　さらに例えば、第１部分の後方Ｒ側の端の幅が十分狭くない場合、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１は、第１部分において前記幅が十分に狭い領域のうち、最も後方Ｒ側に位置する領域とすることができる。この場合、第１部分の一部が前方ブリッジ３９ｆとなり、第１部分における周方向の後方Ｒ側の端よりも前方Ｆ側に、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１が位置する。
　また、第２部分の前方Ｆ側の端の幅が十分狭くない場合、後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１は、第２部分において前記幅が十分に狭い領域のうち、最も前方Ｆ側に位置する領域とすることができる。この場合、第２部分の一部が前方ブリッジ３９ｆとなり、第２部分における周方向の前方Ｆ側の端よりも後方Ｒ側に、後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１が位置する。
　なお、上記いずれの場合においても、第１部分や第２部分の幅が十分に狭いことは、例えば、幅が、ロータコア３１の外径の１％以下であることを意味していてもよい。また、第１部分や第２部分の幅が十分に狭いことは、例えば、幅が、０．３ｍｍ以下あることを意味していてもよい。また、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１や後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１を特定するため、回転電機１０をソフトウェア上で再現し、電磁場解析を実施してもよい。
　ここで、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１と前方基準位置Ｐｆとについての中心角は、前方ブリッジ３９ｆに関する仮想線Ｌ１ａと、前方仮想線Ｌ１と、についての、中心軸線Ｏを中心とする中心角である。前記仮想線Ｌ１ａとは、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１と、中心軸線Ｏと、を通過する仮想線である。なお、前方仮想線Ｌ１と仮想線Ｌ１ａとのなす角をθｔとすると、（θａ／２４）≦θｔ≦（θa／８）となり、本実施形態では、θｔ＝（θａ／１２）である。
　また、後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１と後方基準位置Ｐｒとについての中心角は、後方ブリッジ３９ｒに関する仮想線Ｌ２ａと、後方仮想線Ｌ２と、についての、中心軸線Ｏを中心とする中心角である。前記仮想線Ｌ２ａとは、後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１と、中心軸線Ｏと、を通過する仮想線である。また、後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１と後方基準位置Ｐｒとについての中心角が０（ラジアン）であること、言い換えると、後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１が、後方基準位置Ｐｒに配置されていることは、前述の仮想線Ｌ２ａと後方仮想線Ｌ２とが一致していることを意味する。なお、後方仮想線Ｌ２と仮想線Ｌ２ａとのなす角をθｓとすると、０≦θｓ≦（θa／１２）となり、本実施形態では、θｓ＝０である。
　本願発明者は、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１の周方向の位置や後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１の周方向の位置（以下、これらの位置を総称して、第１ブリッジ３９の開始位置という）が、トルクに影響を与えることを見出した。特に、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１の周方向の位置を、前方基準位置Ｐｆに対して回転方向の後方Ｒに配置することで、トルクが大きくなることを、本願発明者は見出した。
　この知見は、以下の過程を経て得られた。
　本願発明者は、ロータコア３１の形状最適化の解析を実施した。この解析は、特開２０２１－１１４０９９号公報記載の内容に基づく。本願発明者は、解析を、異なる複数の進角を前提として複数回実施した。各解析の結果となるロータコア３１の形状は、前提となった進角に応じて最適な形状であると言える。本願発明者は、複数種類の進角についての最適な形状を解析した結果のうち、最もトルクが高くなる結果（形状）について分析した。なおこのときの進角は５０度であった。
　この結果に係るロータコア３１では、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１は前方基準位置Ｐｆに対して後方Ｒ側、後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１は後方基準位置Ｐｒに対して前方Ｆ側に移動していた。
　よって、この解析結果においてトルクが最大となる最適形状と同様の傾向で、前方ブリッジ３９ｆの位置を周方向に変化させることでトルクを向上できると考えた。
　なお、この現象は以下の原理に基づくと考えられる。
　すなわち、一対の永久磁石３２が構成する磁極３３において生じる磁束がロータコア３１内で伝達される過程で、第１ブリッジ３９の開始位置において磁気飽和が生じる。すると磁束が、ロータコア３１内から外部に向かい、ステータ２０のティースに伝達される。そのため、第１ブリッジ３９の開始位置は、磁束がステータ２０に伝達される起点となる。ここで、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１が、前方基準位置Ｐｆに対して回転方向の後方Ｒに位置するほど、前方ブリッジ３９ｆからステータ２０のティース２３に伝達される磁束線の向き（方向）は、ロータ３０の径方向、言い換えるとティース２３の長手方向に対して傾斜し、その結果、磁束線が長くなる。このとき、磁束線が短くなるように力が発生してこの力によってロータ３０が回転する結果、トルクが高まると考えられる。
　以上の知見に基づいて、本願発明者は、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１の周方向の位置や後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１の周方向の位置を、ステータ２０のティースのピッチに対応する中心角であるθａ（ラジアン）を単位として鋭意検討したところ、前述のように設定することで、高いトルクを出力できることを見出した。
　この知見は、以下の過程を経て得られた。
　本願発明者は、新たな解析を実施した。対象とする回転電機１０は、図３、図６および図７に示すロータ３０、３０Ａ、３０Ｂを含む回転電機１０である。この回転電機１０では、前述したようにスロット数が２４スロットであるため、θａ＝１５度である。この回転電機１０において、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１の位置を０．６２５度ずつ（すなわち、（θａ／２４）度ずつ）、後方Ｒ側に移動させ、かつ、後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１の位置を０．６２５度ずつ、前方Ｆ側に移動させた形状を前提として解析を実施し、トルクの値を評価した。なお図３に示すロータ３０では、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１は、前方基準位置Ｐｆに対して後方Ｒ側に１．２５°移動し、後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１は、後方基準位置Ｐｒに位置する。図６に示すロータ３０Ａでは、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１は、前方基準位置Ｐｆに位置し、後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１は、後方基準位置Ｐｒに位置する。図７に示すロータ３０Ｂでは、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１は、前方基準位置Ｐｆに対して後方Ｒに０．６２５°移動し、後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１は、後方基準位置Ｐｒに対して前方Ｆに０．６２５°移動している。なお図７において、仮想線Ｌ１ａ、Ｌ２ａは省略している。
　解析条件は表１の通りである。解析結果は、表２の通りである。なお表２では、前方ブリッジ３９ｆ、後方ブリッジ３９ｒとも、移動角度が０度を基準の１００として、結果を正規化している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に太枠（ハッチング内）で示すように、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１を後方Ｒ側に０．６２５度以上１．８７５度以下（すなわち、（θａ／２４）度以上（θａ／８）度以下）、後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１を０度以上１．２５度以下（すなわち、０度以上（θａ／１２）度以下）、前方Ｆ側の範囲で移動させることで、基準形状よりトルクが向上することが確認された。また、前方ブリッジ３９ｆの後端３９ｆ１を後方Ｒ側に１．２５度（すなわち、（θａ／１２）度以下）移動し、かつ、後方ブリッジ３９ｒの前端３９ｒ１の移動角度が０度である場合、トルクが最大となることが確認できた。
　なお、移動角度は、シミュレーションモデルで測定した。具体的には、シミュレーションモデル上のブリッジ部に含まれる節点の座標から測定した。
　なお、１つの磁極３３を構成する２つの第１フラックスバリア３５の配置・形状や２つの第１ブリッジ３９の配置・形状は、一般に対称であることが多く、この種の回転電機１０において、２つの第１ブリッジ３９の配置・形状を非対称に変化させたものは、一般には見られない。
　なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
　ステータ２０の形状は、前記実施形態で示した形態に限定されるものではない。具体的には、ステータコア２１の外径および内径の寸法、積厚、スロット数、ティース２３の周方向と径方向の寸法比率、ティース２３とコアバック２２との径方向の寸法比率、などは所望の回転電機１０の特性に応じて任意に設計可能である。
　ロータ３０の形状は、前記実施形態で示した形態に限定されるものではない。具体的には、ロータコア３１の外径および内径の寸法、積厚、極数などは所望の回転電機１０の特性に応じて任意に設計可能である。
　前記実施形態では、ステータコア２１およびロータコア３１がいずれも積層コアであるとしたが、積層コアでなくてもよい。
　第２フラックスバリア３６がなくてもよい。
　前記実施形態では、１つの磁極３３が２つの永久磁石３２で構成されている。しかしながら、本発明はこれに限られない。例えば、１つの磁極３３が、１つの永久磁石３２や３つの永久磁石３２、４つ以上の永久磁石３２によって構成されていてもよい。１組の永久磁石３２として、１つ以上の永久磁石３２を含む他の形態が適宜採用される。
　例えば、１組の永久磁石３２が１つの永久磁石３２である場合、この１つの永久磁石３２が、前記平面視において、ｄ軸Ａに直交する方向に長い長方形状であってもよい。
　例えば、１組の永久磁石３２が３つの永久磁石３２である場合であって、３つの永久磁石３２が周方向に並んでいる場合には、以下のような配置であってもよい。この場合、周方向の中央に位置する永久磁石３２が、前記平面視において、ｄ軸Ａに直交する方向に長い長方形状であってもよい。さらにこの場合、周方向の両側に位置する２つの永久磁石３２が、前記平面視において、ｄ軸Ａ側からｑ軸Ｂ側に向かうに従い、径方向の外側に延びていてもよい。
　その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。
　本発明によれば、トルクを向上させることができる。よって、産業上の利用可能性は大である。
１０　回転電機
２０　ステータ
２１　ステータコア
２２　コアバック
２３　ティース
２４　スロット
３０　ロータ
３０Ａ　ロータ
３０Ｂ　ロータ
３１　ロータコア
３２　永久磁石
３２ｆ　前方磁石
３２ｒ　後方磁石
３３　磁極
３４　貫通孔
３５　第１フラックスバリア
３６　第２フラックスバリア
３７　第１空間
３８　第２空間
３９　第１ブリッジ
３９ｆ　前方ブリッジ
３９ｆ１　後端
３９ｒ　後方ブリッジ
３９ｒ１　前端
４０　第２ブリッジ
４５　中心角
５０　ケース
６０　回転軸
Ｆ　前方
Ｌ１　前方仮想線
Ｌ１ａ　仮想線
Ｌ２　後方仮想線
Ｌ２ａ　仮想線
Ｏ　中心軸線（中心軸）
Ｐｆ　前方基準位置
Ｐｒ　後方基準位置
Ｒ　後方

Claims (3)

  1. 　環状のステータと、
    　前記ステータ内に配置されたロータと、を備え、
    　前記ロータは、
    　　ロータコアと、
    　　前記ロータコアに埋め込まれるとともに１組で１つの磁極を構成し、前記ロータコアに、前記ロータコアの周方向に複数組配置された永久磁石と、を備える回転電機であって、
    　前記ロータコアは、
    　　各組の前記永久磁石に対して、前記ロータの回転方向の両側に設けられた第１フラックスバリアと、
    　　前記第１フラックスバリアに対して、前記ロータコアの径方向の外側に設けられた第１ブリッジと、を備え、
    　前記第１ブリッジは、前記ロータの回転方向の前方に設けられた前方ブリッジと、前記ロータの回転方向の後方に設けられた後方ブリッジと、を含み、
    　前記前方ブリッジの基準位置である前方基準位置を、前記ロータを軸方向から見た平面視において、前記ロータコアの中心軸と、各組の前記永久磁石の前端と、を通過する前方仮想線と前記ロータコアの外周面との交点とし、かつ、前記後方ブリッジの基準位置である後方基準位置を、前記平面視において、前記ロータコアの中心軸と、各組の前記永久磁石の後端と、を通過する後方仮想線と前記ロータコアの外周面との交点としたときに、
    　複数組の前記永久磁石のうち、少なくとも１組の前記永久磁石において、
    　　前記前方ブリッジの後端は、前記前方基準位置に対して、前記中心軸を中心とする中心角でθａ／２４（ラジアン）以上θａ／８（ラジアン）以下、後方に離れた位置に配置され
    　　前記後方ブリッジの前端は、前記後方基準位置に対して、前記中心軸を中心とする中心角で０（ラジアン）以上θａ／１２（ラジアン）以下、前方に離れた位置に配置されている、回転電機。
    　ただし、θａは、以下の（１）式を満たす。
    　θａ＝２π／（Ｎｓｌｏｔ）…（１）
    　ここで、上記（１）式中のＮｓｌｏｔは、前記ステータのスロット数を意味する。
  2. 　前記少なくとも１組の前記永久磁石において、
    　　前記前方ブリッジの後端は、前記前方基準位置に対して、前記中心軸を中心とする中心角でθａ／１２（ラジアン）分、後方に離れた位置に配置され、
    　　前記後方ブリッジの前端は、前記後方基準位置に配置されている、請求項１に記載の回転電機。
  3. 　前記永久磁石は、２つで一組をなして１つの磁極を構成し、
    　各組の前記永久磁石は、前方に位置する前方磁石と、後方に位置する後方磁石と、を含むとともに、前記平面視において前記径方向の内側に向けて凸となるＶ字状に配置され、　前記前方ブリッジは、前記前方磁石の前方に設けられ、
    　前記後方ブリッジは、前記後方磁石の後方に設けられ、
    　前記平面視において、前記前方仮想線は、前記中心軸と前記前方磁石の前端とを通過し、前記後方仮想線は、前記中心軸と前記後方磁石の後端とを通過する、請求項１または２に記載の回転電機。
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