(57)【要約】【課題】永久磁石式回転電機における磁束の漏洩を抑制してトルクの向上をしつつ、コギングトルクの低減をすることができる久磁石式回転電機を提供すること。【解決手段】永久磁石式回転電機１００は、複数の磁性鋼板３を積層してなるロータコア２と、複数の永久磁石５とを有する回転子１と、コイルが巻線された固定子６とを備えている。磁性鋼板３は、一対の磁石収容孔３１と、一対の連通部３２と、一対の磁石収容孔３１および連通部３２の間に形成された半島部３３とを、それぞれ複数有している。半島部３３における外周縁３０１のうち周方向の両端に配された一対の端部外周縁３３１における少なくとも一方とロータコア２の中心軸Ｐとの間の距離が、半島部３３の外周縁３０１とｄ軸との交点Ｐ１と中心軸Ｐ（図２）との間の距離よりも小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の磁性鋼板を積層してなるロータコアと、該ロータコアに対して回転軸の軸方向に埋め込まれた複数の永久磁石とを有する回転子と、コイルが巻線された固定子とを備える永久磁石式回転電機であって、
上記複数の磁性鋼板は、上記外周縁に向けて広がるように存在する一対の上記磁石収容孔と、上記磁石収容孔を外周縁に連通させる一対の連通部と、上記一対の磁石収容孔および連通部の間に形成された半島部とを、それぞれ複数有しており、
上記半島部における上記外周縁のうち周方向の両端に配された一対の端部外周縁における少なくとも一方と上記ロータコアの中心軸との間の距離が、上記回転子におけるｄ軸と上記外周縁との交点Ｐ１と上記中心軸との間の距離よりも小さいことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、上記一対の端部外周縁の双方と上記中心軸との間の距離が、上記交点Ｐ１と上記中心軸との間の距離よりも小さいことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の永久磁石式回転電機において、上記ロータコアの回転方向後方側の上記端部外周縁と上記中心軸との間の距離は、上記ロータコアの回転方向前方側の上記端部外周縁と上記中心軸との間の距離よりも小さいことを特徴とする永久磁石埋設型回転電機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の永久磁石式回転電機において、上記磁性鋼板は、隣り合う上記半島部の間において外周側に向かって形成された突出部を有し、該突出部における突出外周縁とｑ軸との交点Ｐ２と上記中心軸との間の距離と、上記交点Ｐ１と上記中心軸との間の距離とが略同一であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の永久磁石式回転電機において、上記複数の永久磁石は、少なくとも外周側に配された角部が、上記連通部内に露出していることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の磁性鋼板を積層してなるロータコアと該ロータコアに対して軸方向に埋め込まれた複数の永久磁石とを有する永久磁石式回転電機の回転子、及びこれを備えた永久磁石式回転電機（ＩＰＭモータ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石式回転電機の回転子は、一般に、複数の磁性鋼板を積層してなるロータコアと該ロータコアに対して軸方向に埋め込まれた複数の永久磁石とからなる。それゆえ、ロータコアには、永久磁石を埋め込むための磁石収容孔を軸方向に設けてなる。そして、ロータコアを構成する複数の磁性鋼板には、磁石収容孔が複数個所に形成されている。
【０００３】
永久磁石式回転電機においては、回転子における永久磁石の磁束が、回転子の外周側に配置された固定子の磁極に作用することで、回転子のトルクを発生させる。ところが、磁石収容孔を取り巻くようにその全周にロータコアが形成されていると、永久磁石のＮ極から出た磁束が磁石収容孔の周囲におけるロータコアを通って永久磁石のＳ極に漏洩することになる。そうすると、この漏洩した磁束は、回転子のトルクに寄与しないため、その分だけ永久磁石式回転電機の出力が低下することになる。
【０００４】
そこで、特許文献１に示されたように、ロータコアにおける磁石収容孔をロータコアの外周側へ開放させることにより、上述の磁束の漏洩を防ぎ、永久磁石式回転電機の出力低下を防ぐ技術が提案されている（特許文献１の図１１、図１２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１０４９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の永久磁石式回転電機には以下の課題がある。
上記永久磁石式回転電機においては、永久磁石から出る磁束の漏洩を抑制し、永久磁石の磁束が固定子の磁極に対して効率良く作用する。そのため、従来の永久磁石式回転電機と比べて、トルクを向上することができる。一方で、回転子における磁気吸着力が増大することに伴い、磁石収容孔の開放部における磁束密度が極端に小さくなる。これにより、永久磁石式回転電機を駆動させた際に、回転子における開放部とそれ以外の部位で磁束の変化量が大きくなる。それゆえ、永久磁石式回転電機のコギングトルクが増大し、永久磁石式回転電機における振動及びトルクリップルの増大に繋がる場合がある。
【０００７】
本発明は、上記の背景に鑑みてなされたものであり、永久磁石式回転電機における磁束の漏洩を抑制してトルクの向上をしつつ、コギングトルクの低減が可能な回転子と、これを用いた永久磁石式回転電機とを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、複数の磁性鋼板を積層してなるロータコアと、該ロータコアに対して回転軸の軸方向に埋め込まれた複数の永久磁石とを有する回転子と、コイルが巻線された固定子とを備える永久磁石式回転電機であって、
上記複数の磁性鋼板は、上記外周縁に向けて広がるように存在する一対の上記磁石収容孔と、上記磁石収容孔を外周縁に連通させる一対の連通部と、上記一対の磁石収容孔および連通部の間に形成された半島部とを、それぞれ複数有しており、
上記半島部における上記外周縁のうち周方向の両端に配された一対の端部外周縁における少なくとも一方と上記ロータコアの中心軸との間の距離が、上記回転子におけるｄ軸と上記外周縁との交点Ｐ１と上記中心軸との間の距離よりも小さいことを特徴とする永久磁石式回転電機にある（請求項１）。
【発明の効果】
【０００９】
上記永久磁石式回転電機によれば、上記端部外周縁が上記交点Ｐ１よりも上記回転子における径方向内側の位置に配される。すなわち、上記回転子においては、上記端部外周縁と、上記固定子との間の距離が大きくなるため、上記端部外周縁における磁束密度を低減することができる。したがって、上記永久磁石式回転電機を駆動させ上記回転子が回転した際に、磁束密度が低い上記連通部と、磁束密度が上記連通部よりも高い上記半島部との間における磁束の変化量を低減することができる。これにより、上記永久磁石式回転電機におけるコギングトルクを低減し、振動及びトルクリップルを低減することができる。
【００１０】
以上のごとく、上記永久磁石式回転電機によれば、磁束の漏洩を抑制してトルクの向上をしつつ、コギングトルクの低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１における、永久磁石式回転電機を示す説明図。
【図２】実施例１における、回転子を示す平面図。
【図３】図２の部分拡大図。
【図４】実施例１における、磁性鋼板を示す平面図。
【図５】実施例１における、回転子を示す側面図。
【図６】実施例２における、回転子を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
上記永久磁石式回転電機において、上記交点Ｐ１と上記端部外周縁とを結ぶ上記外周縁は、回転中心との距離が上記交点Ｐ１から上記開口部にかけて漸次的に減少していることが好ましい。この場合には、上記連通部からｄ軸にかけての磁束密度を緩やかに変化させることができる。そのため、上記永久磁石式回転電機のコギングトルクをさらに低減できる。
【００１３】
また、上記一対の端部外周縁の双方と上記中心軸との間の距離が、上記交点Ｐ１と上記中心軸との間の距離よりも小さくてもよい（請求項２）。この場合には、上記一対の端部外周縁の双方と上記固定子との間に作用する磁束密度を低減することができる。これにより、上記永久磁石式回転電機のコギングトルクをさらに低減できる。また、上記永久磁石式回転電機をいずれの方向に回転させてもコギングトルクを低減させることができる。
【００１４】
また、上記ロータコアの回転方向後方側の上記端部外周縁と上記中心軸との間の距離は、上記ロータコアの回転方向前方側の上記端部外周縁と上記中心軸との間の距離よりも小さくてもよい（請求項３）。この場合には、回転方向前方側の上記端部外周縁と上記固定子との間に作用する磁束密度を大きくしつつ、回転方向後方側の上記端部外周縁と上記固定子との間に作用する磁束密度を低減することができる。したがって、回転方向前方側に作用する吸引力が、回転方向後方側に作用する吸引力よりも大きくなり、コギングトルクを低減しながら回転トルクを向上することができる。
【００１５】
また、上記磁性鋼板は、隣り合う上記半島部の間において外周側に向かって形成された突出部を有し、該突出部における突出外周縁とｑ軸との交点Ｐ２と上記中心軸との間の距離と、上記交点Ｐ１と上記中心軸との間の距離とが略同一であってもよい（請求項４）。この場合には、上記回転子におけるｑ軸インダクタンスを低減し、リラクタンストルクを向上することができる。それゆえ、回転子における磁束を急激に変化させることなく、上記永久磁石式回転電機のトルクを向上することができる。
【００１６】
また、上記複数の永久磁石は、少なくとも外周側に配された角部が、上記連通部内に露出していてもよい（請求項５）。この場合には、上記永久磁石とロータコアとの接触領域を減少させることができる。したがって、永久磁石の吸引・反発に伴いロータコアに局所的に作用するモーメントを低減させ、ロータコアの変形を抑制することができる。
【実施例】
【００１７】
（実施例１）
永久磁石式回転電機にかかる実施例について、図１〜図５を参照して説明する。
図１に示すごとく、永久磁石式回転電機１００は、複数の磁性鋼板３を積層してなるロータコア２と、ロータコア２に対して回転軸４の軸方向に埋め込まれた複数の永久磁石５とを有する回転子１と、コイルが巻線された固定子６とを備えている。磁性鋼板３は、外周縁３０１に向けて広がるように存在する一対の磁石収容孔３１と、磁石収容孔３１を外周縁３０１に連通させる一対の連通部３２と、一対の磁石収容孔３１および連通部３２の間に形成された半島部３３とを、それぞれ複数有している。
【００１８】
図２及び図３に示すごとく、磁性鋼板３は、半島部３３における外周縁３０１のうち周方向の両端に配された一対の端部外周縁３３１における少なくとも一方とロータコア２の中心軸Ｐとの間の距離Ｓ１が、回転子１におけるｄ軸と外周縁３０１との交点Ｐ１と中心軸Ｐとの間の距離Ｓ２よりも小さい。
【００１９】
以下、本例の永久磁石式回転電機１００についてさらに詳細に説明する。
図１に示すごとく、本例の永久磁石式回転電機１００は、回転子１とその外周に配された固定子６とを備えてなる。
【００２０】
図１に示すごとく、固定子６は、環状のステータコア６１と、ステータコア６１の内周に複数配列されたティース６２間のスロット６３に施されたコイル６４とを備えている。コイル６４の軸方向は、回転子１の径方向を向くように配置され、対向する磁石対５０のｄ軸（磁石対５０が作る磁束の方向）に平行となる。
なお、本例の永久磁石式回転電機１００は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載される。
【００２１】
図２及び図３に示すごとく、回転子１は、複数の磁性鋼板３を積層したロータコア２と、ロータコア２に対して軸方向に埋め込まれた複数の永久磁石５とを有している。
図４に示すごとく、磁性鋼板３は、略円板状をなしており、永久磁石５（図２）を収容する磁石収容孔３１と、磁石収容孔３１を外周縁３０１に連通させる連通部３２と、一対の磁石収容孔３１の間に形成された半島部３３と、隣り合う半島部３３の間において外周側に向かって形成された突出部３４とを有している。また、磁性鋼板３の中央には、図１に示した永久磁石式回転電機１００の回転軸４を挿通配置する円形状の軸孔３５が形成されている。
【００２２】
図４に示すごとく、各磁性鋼板３において、一対の磁石収容孔３１は、周方向に互いの内周側端部３１１を近接すると共に、外周へ向かうにつれて互いに離れるように配置されている。磁性鋼板３は、計１６個の磁石収容孔３１を有しており、回転子１の回転中心に対し回転対称で配された８対の磁極を形成することができる。
【００２３】
図４に示すごとく、磁石収容孔３１を外周縁３０１に連通させる連通部３２は、外周側端部３１２から磁石収容孔３１の内側と外周縁３０１とを連通している。図２及び図３に示すごとく、ロータコア２に設けられた磁石収容孔３１は、外周側に開放した連通部３２を有している。これにより、永久磁石５から出る磁束がロータコア２内において永久磁石５の周囲を回って短絡すること（磁束漏洩）を防ぐことができる。特に、本例においては、ロータコア２を構成するすべての磁性鋼板３が、磁石収容孔３１を外周側に開放している。つまり、すべての磁性鋼板３が外周側に開放している。そのため、磁性鋼板３における磁束漏洩を防止することができる。
【００２４】
図４に示すごとく、内周側端部３１１同士が周方向に近接する一対の磁石収容孔３１の間に形成された半島部３３は、略扇形をなしており、一対の磁石収容孔３１の内周側端部３１１の間に形成されたブリッジ部３３３を有している。図３及び図４に示すごとく、半島部３３における外周縁３０１は、円弧状をなしており、周方向の両端に配された一対の端部外周縁３３１におけるロータコア２の中心軸Ｐとの間の距離Ｓ１が、外周縁３０１とｄ軸との交点Ｐ１と中心軸Ｐとの間の距離Ｓ２よりも小さくなるように設定してある。尚、半島部３３の外周縁３０１は、交点Ｐ１から端部外周縁３３１へ向かうにつれ、中心軸Ｐとの間の距離が漸次的に小さくなる円弧状に形成されている。
【００２５】
図３に示すごとく、本例においては、距離Ｓ１と距離Ｓ２との寸法差Ｓを０．５ｍｍに設定してある。尚、寸法差Ｓは、０．１ｍｍ≦Ｓ≦０．６ｍｍであることが好ましい。寸法差Ｓが上記範囲外にある場合にも、永久磁石式回転電機１００におけるコギングトルクの低減効果を得ることができるが、寸法差Ｓが上記範囲内にある場合には、コギングトルクの低減と回転トルクの確保を容易に行うことができる。
【００２６】
図４に示すごとく、隣り合う半島部３３の間に形成された突出部３４は、磁性鋼板３の外周側に突出している。突出部３４の突出外周縁３４１は、中心軸Ｐを中心とする円弧状をなしている。突出外周縁３４１とｑ軸との交点Ｐ２と、中心軸Ｐとの間の距離Ｓ３は、半島部３３における交点Ｐ１と中心軸Ｐとの間の距離Ｓ２と同一とした。
【００２７】
図５に示すごとく、磁性鋼板３を複数枚積層した状態で、図示しない固定部によって一体に固定することで、ロータコア２が形成される。図２及び図３に示すごとく、ロータコア２は、永久磁石５を挿入配置する複数の磁石収容孔３１を備えている。磁石収容孔３１は、磁性鋼板３を軸方向に連なって形成されており、軸方向から見たときの磁石収容孔３１の形状及び配置は、磁性鋼板３の形状及び配置と同一である。
【００２８】
図２及び図３に示すごとく、ロータコア２が有する複数の磁石収容孔３１には、複数の永久磁石５がそれぞれ埋設されている。各永久磁石５は、軸方向から見た形状が略長方形であり、その長辺部分の面が磁極面となっている。また、永久磁石５は、軸方向長さがロータコア２の軸方向長さと同等でかつ一体に形成された直方体をなしている。そして、隣り合う一対の永久磁石５によって一つの磁極を構成するように配置されている。
【００２９】
図２及び図３に示すごとく、互いの内周側端部を近接させて配置された一対の永久磁石５同士は、同じ磁極（Ｎ極又はＳ極）の磁極面を外周側に向けて配置してある。この一対の永久磁石５（磁石対５０）が、８対、ロータコア２の周方向に配置されている。また、複数の磁石対５０は、外周側の磁極が交互にＮ極とＳ極となるように配置されている。また、これら複数の磁石対５０は、等間隔で周状に配列されている。また、図２に示すごとく、複数の永久磁石５は、外周側に配された角部５１と、角部５１近傍の側面５２の一部が、連通部３２内に露出している。
【００３０】
以下、本例の作用効果について説明する。
永久磁石式回転電機１００によれば、端部外周縁３３１が交点Ｐ１よりも回転子１における径方向内側の位置に配される。すなわち、回転子１においては、端部外周縁３３１と、固定子６との間の距離が大きくなるため、端部外周縁３３１における磁束密度を低減することができる。したがって、永久磁石式回転電機１００を駆動させ回転子１が回転した際に、磁束密度が低い連通部３２と、磁束密度が連通部３２よりも高い半島部３３との間における磁束の変化量を低減することができる。これにより、永久磁石５永久磁石式回転電機１００におけるコギングトルクを低減し、振動及びトルクリップルを低減することができる。
【００３１】
また、交点Ｐ１と端部外周縁３３１とを結ぶ外周縁３０１は、回転中心との距離が交点Ｐ１から端部外周縁３３１にかけて漸次的に減少している。そのため、連通部３２からｄ軸にかけての磁束密度を緩やかに変化させることができる。したがって、永久磁石式回転電機１００のコギングトルクをさらに低減できる。
【００３２】
また、一対の端部外周縁３３１の双方と中心軸Ｐとの間の距離が、交点Ｐ１と中心軸Ｐとの間の距離よりも小さい。そのため、一対の端部外周縁３３１の双方と固定子６との間に作用する磁束密度を低減することができる。これにより、永久磁石５式回転電機のコギングトルクをさらに低減できる。また、永久磁石５式回転電機をいずれの方向に回転させてもコギングトルクを低減させることができる。
【００３３】
また、磁性鋼板３は、隣り合う半島部３３の間において外周側に向かって形成された突出部３４を有し、該突出部３４における突出外周縁３４１とｑ軸との交点Ｐ２と中心軸Ｐとの間の距離と、交点Ｐ１と中心軸Ｐとの間の距離とが略同一である。そのため、回転子１におけるｑ軸インダクタンスを低減し、リラクタンストルクを向上することができる。それゆえ、回転子１における磁束を急激に変化させることなく、永久磁石式回転電機１００のトルクを向上することができる。
【００３４】
また、複数の永久磁石５は、少なくとも外周側に配された角部が、連通部３２内に露出している。そのため、永久磁石５とロータコアとの接触領域を減少させることができる。したがって、永久磁石５の吸引・反発に伴いロータコアに局所的に作用するモーメントを低減させ、ロータコアの変形を抑制することができる。
【００３５】
以上のごとく、永久磁石式回転電機１００によれば、磁束の漏洩を抑制してトルクの向上をしつつ、コギングトルクの低減が可能となる。
【００３６】
（実施例２）
本例は、実施例１の永久磁石式回転電機１００における磁性鋼板３の形状を変更した例である。
図６に示すごとく、本例の磁性鋼板３は、ロータコア１の回転方向後方側Ｒｒの端部外周縁３３１と中心軸Ｐとの間の距離Ｓ４は、ロータコアの回転方向前方側Ｒｆの端部外周縁３３１と中心軸Ｐとの間の距離Ｓ５よりも小さい。
その他の構成は実施例１と同様である。
【００３７】
本例の永久磁石式回転電機１００によれば、回転方向前方側Ｒｆの端部外周縁３３１と固定子６との間に作用する磁束密度を大きくしつつ、回転方向後方側Ｒｒの端部外周縁３３１と固定子６との間に作用する磁束密度を低減することができる。したがって、回転方向前方側Ｒｆの端部外周縁３３１に作用する吸引力が、回転方向後方側Ｒｒの端部外周縁３３１に作用する吸引力よりも大きくなり、コギングトルクを低減しながら回転トルクを向上することができる。
また、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１  回転子
１００  永久磁石式回転電機
２  ロータコア
３  磁性鋼板
３０１  外周縁
３１  磁石収容孔
３２  連通部
３３  半島部
３３１  端部外周縁
３４  突出部
５  永久磁石
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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