(57)【要約】【課題】永久磁石による磁束を強める方向の励磁磁束を発生させるようにステータコイルに通電した状態で、同期電動機が発生し得る最大トルク及び最大出力を効果的に高める。【解決手段】永久磁石５によりロータ２の外周面部に形成されて隣り合うＮ極及びＳ極の各組に対応するバイパス磁路８がロータ２に形成されている。バイパス磁路８は、これを構成する部材４の飽和磁束密度でバイパス磁路８を通る磁束量φｓと、永久磁石５の残留磁束密度で永久磁石５の内部を通る磁束量φｒとの大小関係がφｓ≦φｒとなるように構成されている。【選択図】図１
2014180086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータの外周面部に該ロータの周方向に並ぶ磁極を形成する複数の永久磁石が該ロータに埋め込まれた同期電動機のロータ構造であって、
前記複数の永久磁石は、前記ロータの外周面部に形成される磁極の配列が、該ロータの周方向で隣り合う２つのＮ極の組と該ロータの周方向で隣り合う２つのＳ極の組とが該ロータの周方向に交互に並ぶ配列となるように該ロータに搭載されていると共に、前記ロータの外周面部に形成される磁極を通じて各永久磁石が発生するロータの径方向の磁石磁束を強める方向の励磁磁束を前記ロータの周囲に配置されたステータコイルから発生させた状態で、マグネットトルクとリラクタンストルクとの合成トルクの大きさが最大となるように前記ロータに搭載されており、
前記ロータには、前記ロータの外周面部に形成される磁極の配列において該ロータの周方向で隣り合うＮ極及びＳ極の組のそれぞれに対応して、当該隣り合うＮ極及Ｓ極を該ロータの内部で短絡させる第１バイパス磁路が形成されており、
前記隣り合うＮ極及びＳ極の各組に対応する各第１バイパス磁路は、該第１バイパス磁路を構成する部材の飽和磁束密度で該第１バイパス磁路に磁束を通した場合に該第１バイパス磁路を通る磁束量φｓと、該第１バイパス磁路に対応するＮ極及びＳ極の組を形成する永久磁石の残留磁束密度で該永久磁石の内部に磁束を通した場合に該永久磁石の内部を通る磁束量φｒとの大小関係がφｓ≦φｒとなるように構成されていることを特徴とする同期電動機のロータ構造。
【請求項２】
請求項１記載の同期電動機のロータ構造において、
前記各永久磁石は、Ｕ字形状に形成されると共にその両側端部の一方がＮ極、他方がＳ極となるように磁化されており、前記隣り合うＮ極及びＳ極の各組は、各永久磁石の両側端部のＮ極及びＳ極により形成されることを特徴とする同期電動機のロータ構造。
【請求項３】
請求項１又は２記載の同期電動機のロータ構造において、
前記各第１バイパス磁路の一部分には、該第１バイパス磁路の他の部分と磁気抵抗を異ならせるスリットが形成されていることを特徴とする同期電動機のロータ構造。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の同期電動機のロータ構造において、
前記ロータの外周面部に形成される磁極を通じて各永久磁石が発生するロータの径方向の磁石磁束を強める方向の補助的な磁石磁束を発生する複数の補助磁石が、前記ロータの内部で該ロータの周方向に並ぶにように該ロータに埋め込まれていることを特徴とする同期電動機のロータ構造。
【請求項５】
請求項４記載の同期電動機のロータ構造において、
前記各補助磁石は、前記ロータの径方向に磁化されていると共に、該ロータの周方向で隣り合う２つの補助磁石は、該ロータの径方向での逆向きに磁化されており、該ロータの周方向で隣り合う２つの補助磁石の各組に対応して、当該２つの補助磁石の一方の補助磁石のＮ極と他方の補助磁石のＳ極とを該ロータの内部で短絡させる第２バイパス磁路が該ロータに形成されていることを特徴とする同期電動機のロータ構造。
【請求項６】
請求項５記載の同期電動機のロータ構造において、
前記隣り合う２つの補助磁石の各組に対応する前記各第２バイパス磁路の一部分には、該第２バイパス磁路の他の部分と磁気抵抗を異ならせるスリットが形成されていることを特徴とする同期電動機のロータ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期電動機のロータ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
同期電動機では、ロータに複数の永久磁石を埋め込んで、マグネットトルクとリラクタンストルクとの合成トルクを出力することができるようにしたもの（所謂、ＩＰＭモータ）が一般に知られている。
【０００３】
この種の同期電動機では、例えば特許文献１に見られるように、有負荷運転時にステータコイルから永久磁石による磁石磁束を強める方向の励磁磁束を発生させた状態（強め界磁電流の通電状態）で最大の出力トルクが得られるようにすると共に、無負荷運転時に永久磁石が発生する磁束をロータのコア内部に形成した磁路（短絡回路部）により短絡させるようにしたものも提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７３４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に見られる同期電動機では、ステータコイルに強め界磁電流の通電を行った状態で最大トルクを発生させることが可能であるものの、各永久磁石が発生する磁束量と、上記短絡回路部を通る磁束量との関係が十分に検討されていない。
【０００６】
このため、残留磁束密度が比較的小さい永久磁石を使用した場合には、有負荷運転時に短絡回路部を通過する磁束量が永久磁石から発生する磁束量に比して相対的に大きくなり過ぎて、マグネットトルクを有効に活用できない場合が生じる虞がある。そして、その場合には、電動機の最大出力トルクあるいは最大出力を十分に高めることができないものとなる。
【０００７】
また、特許文献１に見られる電動機では、比較的薄い永久磁石を使用しているため、該永久磁石に逆磁界（永久磁石が発生する磁束と逆向きの磁界）が作用すると、該永久磁石の減磁が発生し易いという不都合もある。
【０００８】
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、永久磁石による磁束を強める方向の励磁磁束を発生させるようにステータコイルに通電した状態で、同期電動機が発生し得る最大トルク及び最大出力を効果的に高めることができるロータ構造を提供することを目的とする。さらには、永久磁石の減磁が発生し難いロータ構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の同期電動機のロータ構造は、かかる目的を達成するために、ロータの外周面部に該ロータの周方向に並ぶ磁極を形成する複数の永久磁石が該ロータに埋め込まれた同期電動機のロータ構造であって、
前記複数の永久磁石は、前記ロータの外周面部に形成される磁極の配列が、該ロータの周方向で隣り合う２つのＮ極の組と該ロータの周方向で隣り合う２つのＳ極の組とが該ロータの周方向に交互に並ぶ配列となるように該ロータに搭載されていると共に、前記ロータの外周面部に形成される磁極を通じて各永久磁石が発生するロータの径方向の磁石磁束を強める方向の励磁磁束を前記ロータの周囲に配置されたステータコイルから発生させた状態で、マグネットトルクとリラクタンストルクとの合成トルクの大きさが最大となるように前記ロータに搭載されており、
前記ロータには、前記ロータの外周面部に形成される磁極の配列において該ロータの周方向で隣り合うＮ極及びＳ極の組のそれぞれに対応して、当該隣り合うＮ極及Ｓ極を該ロータの内部で短絡させる第１バイパス磁路が形成されており、
前記隣り合うＮ極及びＳ極の各組に対応する各第１バイパス磁路は、該第１バイパス磁路を構成する部材の飽和磁束密度で該第１バイパス磁路に磁束を通した場合に該第１バイパス磁路を通る磁束量φｓと、該第１バイパス磁路に対応するＮ極及びＳ極の組を形成する永久磁石の残留磁束密度で該永久磁石の内部に磁束を通した場合に該永久磁石の内部を通る磁束量φｒとの大小関係がφｓ≦φｒとなるように構成されていることを特徴とする（第１発明）。
【００１０】
上記第１発明によれば、前記ロータに形成された前記第１バイパス磁路はφｓ≦φｒとなるように構成されている。ここで、磁束量φｓは、第１バイパス磁路の断面積（該第１バイパス磁路を通る磁束に直交する横断面上での面積）と前記飽和磁束密度との積として算出されるものである。同様に、磁束量φｒは、永久磁石の断面積（永久磁石の内部の磁路に直交する横断面上での面積）と前記残留磁束密度との積として算出されるものである。
【００１１】
従って、例えば永久磁石の断面積に対する第１バイパス磁路の断面積の比率を適切に設定しておくことで、φｓ≦φｒとなるように第１バイパス磁路を構成することができる。
【００１２】
このように第１バイパス磁路が構成されているので、各永久磁石が発生するロータの径方向の磁石磁束を強める方向の励磁磁束をステータコイルから発生させた状態で、ロータとステータとの間で入出する磁束量を十分に確保することができる。
【００１３】
このため、永久磁石による磁束を強める方向の励磁磁束を発生させるようにステータコイルに通電した状態で、同期電動機の出力トルクたる前記合成トルクのうちのマグネットトルクの大きさを効果的に高めることができる。ひいては、合成トルクの大きさを効果的に高めることができる。
【００１４】
よって、第１発明によれば、永久磁石による磁束を強める方向の励磁磁束を発生させるようにステータコイルに通電した状態で、同期電動機が発生し得る最大トルク及び最大出力を効果的に高めることができる。
【００１５】
また、永久磁石による磁束を強める方向の励磁磁束を発生させ得るステータコイルの電流位相の範囲内で、同期電動機の出力トルクを最大トルクから減少させるようにして、該ステータコイルに発生する誘起電圧を低下させることができるので、永久磁石による磁束を弱める方向の励磁磁束を必要とせずに同期電動機の運転を行い得るロータの回転領域が高速回転側に広いものとなる。このため、永久磁石による磁束を弱める方向の励磁磁束をステータコイルにより発生させることが必要となる同期電動機の運転を行うことが抑制もしくは防止され、永久磁石の減磁を防止することができる。
【００１６】
また、前記第１バイパス磁路を備えることで、該第１バイパス磁路とこれに対応する永久磁石とを併せた系の磁気抵抗の抵抗値が、該永久磁石の単体の磁気抵抗の抵抗値よりも減少する。このため、同期電動機の運転時における該永久磁石の内部の磁界の変動幅が小さくなり、該永久磁石の必要保磁力を低減できる。
【００１７】
かかる第２発明では、前記各永久磁石は、Ｕ字形状に形成されると共にその両側端部の一方がＮ極、他方がＳ極となるように磁化されており、前記隣り合うＮ極及びＳ極の各組は、各永久磁石の両側端部のＮ極及びＳ極により形成されることが好ましい（第２発明）。
【００１８】
かかる第２発明によれば、ロータの外周面部で該ロータの周方向に隣り合うＮ極及びＳ極の組を単一のＵ字形状の永久磁石により形成できる。また、この場合、各永久磁石内部の磁路長を長くできるので、各永久磁石が、反磁界に対して減磁し難いようにすることができる。
【００１９】
上記第１発明又は第２発明では、請求項１又は２記載の同期電動機のロータ構造において、前記各第１バイパス磁路の一部分には、該第１バイパス磁路の他の部分と磁気抵抗を異ならせるスリットが形成されていてもよい（第３発明）。
【００２０】
この第３発明によれば、第１バイパス磁路に形成するスリットのサイズ等を適切に設定することで、該スリットを含めた第１バイパス磁路の全体の磁気抵抗の抵抗値を所望の抵抗値に設定しておくことができる。このため、種々様々のサイズの同期電動機において、第１バイパス磁路を通らずにロータとステータとの間で入出する磁束量を過不足の無い適切な磁束量に設定できる。ひいては、同期電動機の所望の出力特性を実現できる。
【００２１】
また、前記第１〜第３発明では、前記ロータの外周面部に形成される磁極を通じて各永久磁石が発生するロータの径方向の磁石磁束を強める方向の補助的な磁石磁束を発生する複数の補助磁石が、前記ロータの内部で該ロータの周方向に並ぶにように該ロータに埋め込まれていてもよい（第４発明）。
【００２２】
この第４発明によれば、ロータの径方向の磁石磁束の磁束量をより多くすることができるので、同期電動機の出力トルクをより一層高めることができる。
【００２３】
上記第４発明では、前記各補助磁石は、前記ロータの径方向に磁化されていると共に、該ロータの周方向で隣り合う２つの補助磁石は、該ロータの径方向での逆向きに磁化されており、該ロータの周方向で隣り合う２つの補助磁石の各組に対応して、当該２つの補助磁石の一方の補助磁石のＮ極と他方の補助磁石のＳ極とを該ロータの内部で短絡させる第２バイパス磁路が該ロータに形成されていることが好ましい（第５発明）。
【００２４】
この第５発明によれば、前記第２バイパス磁路をロータに備えることで、該第２バイパス磁路とこれに対応する補助磁石とを併せた系の磁気抵抗の抵抗値が、該補助磁石の単体の磁気抵抗の抵抗値よりも減少する。このため、同期電動機の運転時（ステータコイルからの励磁磁束の発生時）における該補助磁石の内部の磁界の変動幅が小さくなり、該補助磁石の必要保磁力を低減できる。
【００２５】
上記第５発明では、前記隣り合う２つの補助磁石の各組に対応する前記各第２バイパス磁路の一部分には、該第２バイパス磁路の他の部分と磁気抵抗を異ならせるスリットが形成されていてもよい（第６発明）。
【００２６】
この第３発明によれば、第２バイパス磁路に形成するスリットのサイズ等を適切に設定することで、該スリットを含めた該第２バイパス磁路の全体の磁気抵抗の抵抗値を所望の抵抗値に設定しておくことができる。このため、種々様々のサイズの同期電動機において、前記第１バイパス磁路及び第２バイパス磁路を通らずにロータとステータとの間で入出する磁束量を過不足の無い適切な磁束量に設定できる。ひいては、同期電動機の所望の出力特性を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態の同期電動機の要部構成を示す断面図。
【図２】実施形態の同期電動機のロータの構造を部分的に拡大して示す図。
【図３】実施形態の同期電動機のステータコイルの電流位相と発生トルクとの関係を示すグラフ。
【図４】実施形態のロータ構造に関する磁気回路を示す図。
【図５】実施形態のロータ構造に関する磁気特性を説明するための図。
【図６】実施形態のロータ構造に関する磁気特性を説明するための図。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は同期電動機の実施例の動作特性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の一実施形態を以下に説明する。図１に示すように、本実施形態の同期電動機１（以降、単に電動機１ということがある）は、ロータ２と、ロータ２の周囲に配置されたステータ３とを備える。ステータ３には、図示を省略するステータコイルが装着されている。ステータ３の内側のロータ２に対して回転磁界となる励磁磁束を発生させるように、ステータコイルに交流電力（例えば３相の交流電力）を通電することで、電動機１の運転（ロータ２の回転駆動）が行われる。
【００２９】
ロータ２は、その基体としての大略円筒形状のコア４と、該コア４に埋め込まれた複数の永久磁石５，６とを有する。コア４は、高透磁率の磁性材料、例えばケイ素鋼板により構成されている。
【００３０】
コア４に埋め込まれた複数の永久磁石５，６は、コア４の外周面寄りの箇所で該コア４の周方向（＝ロータ２の周方向）に一定間隔で並ぶように配置された複数の永久磁石５（以降、主磁石５という）と、主磁石５よりもコア４の軸心寄りの箇所で該コア４の周方向に一定間隔で並ぶように配置された複数の永久磁石６（以降、補助磁石６という）とから構成される。
【００３１】
複数の主磁石５は、コア４の外周面部（＝ロータ２の外周面部）に周方向に並ぶ磁極の配列を形成する主たる永久磁石であり、本発明における永久磁石に相当する。主磁石５のそれぞれは、本実施形態では、ロータ２の軸心方向（図１の紙面に垂直な方向）で見た横断面形状が略Ｕ字形状に形成されている。そして、各主磁石５は、そのＵ字形状の頂部（両側端部の間の中央部）をコア４の径方向（＝ロータ２の径方向）で該コア４の軸心に向かって突き出すようにしてコア４に埋め込まれている。従って、各主磁石５は、その両側端部が頂部よりもコア４の外周面に近接するようにして、コア４に埋め込まれている。
【００３２】
また、各主磁石５は、その両側端部の一方の端部がＮ極、他方の端部がＳ極となるように磁化されている。従って、コア４の外周面部に周方向に並ぶ磁極の配列は、コア４の周方向に並ぶ複数の主磁石５のそれぞれの両側端部の磁極によって構成されている。
【００３３】
この場合、コア４の周方向で隣り合う２つの主磁石５，５は、磁化の向きが互いに逆向きとされている。
【００３４】
このため、上記複数の主磁石５によってコア４の外周面部に周方向に並ぶように形成される磁極の配列は、コア４の周方向で隣り合う２つのＮ極の組と、該周方向で隣り合う２つのＳ極の組とが、該周方向で交互に並ぶ配列となっている。
【００３５】
換言すれば、コア４の外周面部に形成される磁極の配列は、Ｎ、Ｎ、Ｓ、Ｓという磁極の並びをコア４の周方向に繰り返す配列となっている。
【００３６】
なお、本実施形態では、各主磁石５は前記したようにＵ字形状に形成されているので、コア４の外周面部で周方向に隣り合うＮ極及びＳ極の各組は、単一の主磁石５により形成される。そして、主磁石５の両側端部のＮ極とＳ極との間の磁路（主磁石５の内部の磁路）が比較的長いものとなっている。このため、各主磁石５は、反磁界が作用しても減磁が生じ難いものとなっている。
【００３７】
複数の補助磁石６は、各主磁石５がコア４の外周面部の磁極を通じて発生するコア４の径方向の磁石磁束（ステータコイルに鎖交する磁石磁束）を強める方向の補助的な磁石磁束（主磁石５による径方向の磁石磁束と同じ向きの磁石磁束）を生成する永久磁石である。
【００３８】
なお、補助磁石６は必須のものではないが、本実施形態では、ステータコイルに鎖交するロータ２の径方向の磁束量をより多くする（ひいては、電動機１が発生可能な最大の出力トルクをより高める）のために、主磁石５に加えて補助磁石６をロータ２に搭載するようにした。
【００３９】
補助磁石６のそれぞれは、本実施形態では、ロータ２の軸心方向で見た横断面形状が方形状に形成されている。そして、各補助磁石６は、その厚み方向をコア４の径方向に向けた姿勢で、主磁石５よりもコア４の軸心寄りの箇所でコア４に埋め込まれている。
【００４０】
この場合、各補助磁石６は、その幅方向（コア４の径方向と直交する方向）の中央部が、コア４の周方向において隣り合う２つの主磁石５，５の間の中央位置（換言すれば、コア４の外周面部で周方向に隣り合う同じ極性の２つの磁極の間の中央位置）に、コア４の径方向で対向するように配置されている。
【００４１】
また、各補助磁石６は、その厚み方向（コア４の径方向）の両端部の一方の端部がＮ極、他方の端部がＳ極となるように磁化されている。さらに詳細には、コア４の周方向において隣り合う２つの主磁石５，５のＮ極とＮ極との間の中央位置に該コア４の径方向で対向する補助磁石６は、その厚み方向の両端部のうち、コア４の外周面寄りの端部の磁極がＮ極、コア４の軸心寄りの端部の磁極がＳ極となるように磁化されている。
【００４２】
また、コア４の周方向において隣り合う２つの主磁石５，５のＳ極とＳ極との間の中央位置に該コア４の径方向で対向する補助磁石６は、その厚み方向の両端部のうち、コア４の外周面寄りの端部の磁極がＳ極、コア４の軸心寄りの端部の磁極がＮ極となるように磁化されている。
【００４３】
このため、補助磁石６のそれぞれがロータ２の径方向に発生する磁石磁束は、コア４の外周面部で周方向に隣り合う２つの同じ極性の磁極の両方の磁束を強めるように機能する。
【００４４】
次にコア４の構成をさらに説明する。コア４の外周面のうち、各主磁石５の両側端部の磁極（Ｎ極及びＳ極）の間の箇所には、コア４の軸心方向に延在する溝部７が形成されている。このため、コア４の外周面のうち、溝部７が形成されている箇所でのロータ２とステータ３との間のギャップは、溝部７が形成されていない箇所（周方向で隣り合う２つの同じ極性の磁極が形成される箇所）でのロータ２とステータ３との間のギャップよりも大きいものとなっている。なお、本実施形態では、ロータ２の軸心方向で見た各溝部７の横断面形状は円弧状に形成されている。
【００４５】
また、コア４は、各主磁石５の両側端部のＮ極及びＳ極を短絡するように機能するバイパス磁路８と、コア４の周方向で隣り合う２つの補助磁石６，６の各組の互いに異なる磁極同士を短絡するように機能するバイパス磁路９とを有している。
【００４６】
さらに詳細には、図２を参照して、コア４のうち、各主磁石５の両側端部の間で、該コア４の外周面（溝部７を含む）と主磁石５との間に存在する部分が、図２の破線矢印Ｆ５で示すように、主磁石５のＮ極からＳ極に向かう磁石磁束（短絡磁束）を通す主たるバイパス磁路８となっている。このバイパス磁路８は、本発明における第１バイパス磁路に相当する。
【００４７】
これらのバイパス磁路８，９は、それぞれの断面積（バイパス磁路８，９を通る磁石磁束にほぼ直交する断面（ロータ２の軸心に平行な断面）上でのバイパス磁路８，９の面積）を適切に設定しておくことで、バイパス磁路８，９を通る磁束量が後述するように適切な磁束量となるように調整されている。
【００４８】
また、コア４のうち、コア４の周方向で隣り合う２つの補助磁石６，６と、該２つの補助磁石６，６の間の中央部にコア４の径方向で対向する１つの主磁石５との間の部分が、図２の破線矢印Ｆ６で示すように、一方の補助磁石６のＮ極から他方の補助磁石６のＳ極に向かう磁石磁束（短絡磁束）を通す主たるバイパス磁路９となっている。このバイパス磁路８は、本発明における第２バイパス磁路に相当する。
【００４９】
さらに、本実施形態では、各主磁石５に対応するバイパス磁路８の一部分には、該バイパス磁路８の他の部分を構成するコア４自体の磁気抵抗値よりも高い磁気抵抗値を有するスリット１０が形成されている。同様に、コア４の周方向で隣り合う補助磁石６，６の各組に対応するバイパス磁路９の一部分には、該バイパス磁路９の他の部分を構成するコア４自体の磁気抵抗値よりも高い磁気抵抗値を有するスリット１１が形成されている。各スリット１０，１１は本実施形態では、空隙構造のスリットである。
【００５０】
これらのスリット１０，１１は、それぞれを設けたバイパス磁路８，９の磁気抵抗（スリット１０，１１を含めた磁気抵抗）を所要の適切な抵抗値に調整するためのものである。なお、スリット１０，１１は必須のものではなく、その両方又は一方が省略されていてもよい。また、各バイパス磁路８又は９にそれぞれ、複数のスリットを形成するようにしてもよい。
【００５１】
次に、以上のように構成された電動機１の特性を説明する。本実施形態の電動機１では、前記した如く主磁石５及び補助磁石６がロータ２に搭載されているので、ステータコイルの通電電流の位相（電流位相）に対して、図３に示すような特性で出力トルクが発生する。
【００５２】
ここで、図３における電流位相について説明すると、０〜９０[deg]の範囲の電流位相は、図２に示すように、ステータコイルの通電により発生する励磁磁束が、主磁石５及び補助磁石６が発生するコア４の径方向の磁束と同じ向きの磁束成分を含むような位相角（電気角での位相角）である。従って、０〜９０[deg]の電流位相でステータコイルに通電することによって発生する励磁磁束は、主磁石５及び補助磁石６による磁石磁束に対して正磁界（強め界磁の磁界）となるような磁束である。
【００５３】
また、９０〜１８０[deg]の範囲の電流位相は、ステータコイルの通電により発生する励磁磁束が、主磁石５及び補助磁石６が発生するコア４の径方向の磁束と逆向きの磁束成分を含むような位相角である。従って、９０〜１８０[deg]の電流位相でステータコイルに通電することによって発生する励磁磁束は、主磁石５及び補助磁石６による磁石磁束に対して反磁界（弱め界磁の磁界）となるような磁束である。
【００５４】
そして、図３に示すように、本実施形態の電動機１は、マグネットトルクとリラクタンストルクとの合成トルクを出力する。
【００５５】
この場合、本実施形態では、磁石磁束に対して正磁界となる励磁磁束を発生させた状態（図３では、０[deg]と９０[deg]との間の電流位相θpでステータコイルに通電した状態）で、合成トルクの大きさが最大となるように主磁石５の配置（ひいては、コア４の外周面部における磁極配置）が設定されている。
【００５６】
このため、ステータコイルの電流位相を、図３のΔθ1の電流位相の範囲でθpから進角させた状態では、主磁石５及び補助磁石６による磁石磁束に対して正磁界となる励磁磁束をステータコイルから発生させた状態で、ロータ２の高速回転を行いつつ、ステータコイルの誘起電圧を減少させることが可能となっている。
【００５７】
また、本実施形態では、バイパス磁路８，９を有するため、主磁石５とバイパス磁路８とを組み合わせた系の磁気回路、あるいは、補助磁石６とバイパス磁路９とを組み合わせた系の磁気回路は、等価的に図４に示すような回路で表される。この磁気回路は、起磁力が、バイパス磁路８（又は９）の磁気抵抗２２と、ロータ２の外部の磁気抵抗２３との並列回路に、主磁石５（又は補助磁石６）の内部磁気抵抗２１を介して印加されることを表す磁気回路である。
【００５８】
以降の説明では、便宜状、主磁石５及び補助磁石６のそれぞれを総称的に永久磁石５ｘ、該永久磁石５ｘに対応するバイパス磁路８又は９を総称的にバイパス磁路８ｘと称することがある。そして、図４に示すように、ロータ２の外周面部に永久磁石５ｘにより生成される磁極の１極当たりにおける該永久磁石５ｘの内部磁気抵抗２１の抵抗値をＲｍ、当該１極当たりにおけるバイパス磁路８ｘの磁気抵抗２２の抵抗値をＲｂとおく。
【００５９】
永久磁石５ｘのそれぞれにおける磁界（外部磁界）Ｈと磁束密度Ｂとの間の関係を示す磁気特性は、図５に破線ａ１のグラフで示すような特性となる。また、永久磁石５ｘを保持する部材たるコア４における磁界（外部磁界）Ｈと磁束密度Ｂとの間の関係を示す磁気特性は、図５に実線ｂ１のグラフで示すような特性となる。また、永久磁石５ｘにおける磁気特性を示す破線ａ１のグラフの傾き（減磁が生じない領域での傾き）は、１／Ｒｍとなる。なお、Ｂｒは、永久磁石５ｘの残留磁束密度、Ｂｓはコア４の飽和磁束密度である。
【００６０】
ここで、コア４により形成されるバイパス磁路８ｘが無いと仮定した場合（図４に示す磁気抵抗２２の抵抗値Ｒｂが無限大であると仮定した場合）、図５に示すように、磁界Ｈがゼロであるときの永久磁石５ｘの動作点は、破線ａ１とパーミアンス直線ｃ１との交点Ｐ１となる。また、磁界Ｈを、ゼロから、例えば図５中に示すＨａ（＞０）まで増加させたときの永久磁石５ｘの動作点は破線ａ１とパーミアンス直線ｃ２との交点Ｐ３となる。従って、永久磁石５ｘは、図５中のＨｃ１（＝動作点Ｐ１での磁界Ｈの大きさ）以上の大きさの保磁力が必要となる。
【００６１】
一方、バイパス磁路８ｘを有する場合（図４に示す磁気抵抗２２の抵抗値Ｒｂがゼロより大きい有限値である場合）には、ロータ２の外部の負荷側（図４の磁気抵抗２３側）から見た起磁力側の磁気抵抗は、永久磁石５ｘの内部磁気抵抗２１とバイパス磁路８ｘの磁気抵抗２２との並列抵抗となるので、その抵抗値は（Ｒｍ・Ｒｂ）／（Ｒｍ＋Ｒｂ）（＜Ｒｍ）となる。なお、通常、Ｒｍ＞＞Ｒｂであるので、（Ｒｍ・Ｒｂ）／（Ｒｍ＋Ｒｂ）≒Ｒｂとなる。
【００６２】
従って、永久磁石５ｘにバイパス磁路８ｘを組み合わせた磁気回路系の磁気特性は、図５に二点鎖線ａ２の直線で示すような特性となる。この場合、二点鎖線ａ２の直線の傾きは、（Ｒｍ＋Ｒｂ）／（Ｒｍ・Ｒｂ）（≒１／Ｒｂ）となる。
【００６３】
このため、永久磁石５ｘにバイパス磁路８ｘを組み合わせた磁気回路系では、磁界Ｈがゼロであるときの動作点は、二点鎖線ａ２とパーミアンス直線ｃ１との交点Ｐ２となる。従って、永久磁石５ｘにバイパス磁路８ｘを組み合わせた磁気回路系では、永久磁石５ｘは、動作点Ｐ２での磁界Ｈの大きさである図５中のＨｃ２以上の大きさの保磁力が必要となる。
【００６４】
この場合、Ｈｃ２＜Ｈｃ１であるから、バイパス磁路８ｘを備えることで、永久磁石５ｘの必要保持力を、バイパス磁路８ｘが無い場合よりも低減できることが判る。
【００６５】
なお、バイパス磁路８ｘの磁気抵抗２２の抵抗値Ｒｂは、例えば前記スリット１０又は１１のサイズによって変化させることができる。このため、永久磁石５ｘが発生する磁石磁束のうち、バイパス磁路８ｘを通らずに、ステータコイルと鎖交する磁束量（ロータ２とステータ３との間で入出する磁束量）をスリット１０又は１１のサイズを適切に設定することで、所望の磁束量に調整しておくことができる。
【００６６】
また、本実施形態では、図６に示すように、永久磁石５ｘの内部を通る磁束の磁束密度が該永久磁石５ｘの残留磁束密度Ｂrに一致する状態で該永久磁石５ｘの内部を通る磁束量φｒが、該永久磁石５ｘに対応するバイパス磁路８ｘを通る磁束の磁束密度がコア４の飽和磁束密度Ｂｓに一致する状態で該バイパス磁路８ｘを通る磁束量φｓよりも大きくなるように、永久磁石５ｘの断面積Ａｍ、あるいは、該バイパス磁路８ｘの断面積Ａｂが設定されている。
【００６７】
ここで、図６の破線ａ３は、永久磁石５ｘにおける磁界（外部磁界）Ｈと磁束量φとの間の関係を示すグラフ、実線ｂ３はバイパス磁路８ｘを構成するコア４における磁界（外部磁界）Ｈと磁束量φとの間の関係を示すグラフである。
【００６８】
そして、永久磁石５ｘの上記断面積Ａｍは、該永久磁石５ｘ（主磁石５又は補助磁石６）の内部でＳ極からＮ極に向かう磁束にほぼ直交する断面上での該永久磁石５ｘの面積（例えば、永久磁石５ｘの内部の磁路の中央部での断面積）である。そして、この断面積Ａｍと残留磁束密度Ｂrとの積が、永久磁石５ｘの内部を通る磁束量φｒである。
【００６９】
また、バイパス磁路８ｘ（バイパス磁路８又は９）の断面積Ａｂは、該バイパス磁路８ｘを通る磁束にほぼ直交する断面上での該バイパス磁路８ｘの面積（例えば、バイパス磁路８ｘの中央部での断面積）である。この断面積Ａｂと飽和磁束密度Ｂｓとの積が、バイパス磁路８ｘを通る磁束量φｒである。
【００７０】
本実施形態では、バイパス磁路８ｘの断面積をあらかじめ適切に設定しておくことにより、磁束量φｒ、φｂの大小関係が上記の如くφｒ＞φｂとなるようにあらかじめ調整されている。
【００７１】
このため、永久磁石５ｘが発生するロータ２の径方向の磁石磁束に対して正磁界（強め界磁の磁界）となる励磁磁束をステータコイルから発生させた状態で、電動機１が出力する合成トルクのうちのマグネットトルクの大きさを効果的に高めることができる。ひいては、合成トルクの大きさを効果的に高めることができる。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態の電動機１では、永久磁石５ｘ（主磁石５及び補助磁石６）により生成されるロータ２の径方向の磁石磁束に対して正磁界となる励磁磁束をステータコイルから発生させた状態で、マグネットトルクとリラクンストルクとの合成トルクの大きさが最大となるような配置構成で永久磁石５ｘがロータ２のコア４に埋め込まれている。
【００７３】
また、ロータ２のコア４には、永久磁石５ｘのＮ極とＳ極とを短絡するように機能するバイパス磁路８ｘが形成されている。この場合、バイパス磁路８ｘの断面積を適切に設定しておくことで、上記の如くφｒ＞φｂとなるようにロータ２が構成されている。
【００７４】
これにより、本実施形態の電動機１は、ロータ２のコア４に埋め込む永久磁石として、保磁力が比較的小さい永久磁石５ｘを使用しつつ、電動機１が発生可能な最大の出力トルク及び最大の出力を、高トルク、高出力のものとすることができる。
【００７５】
さらに、バイパス磁路８ｘに形成するスリット１０又は１１のサイズによって、該バイパス磁路８ｘの磁気抵抗２２の抵抗値Ｒｂを適切に設定しておくことで、バイパス磁路８ｘを通らずにステータコイルと鎖交する磁束量が過大もしくは過小にならないようにすることができる。このため、電動機１のロータ２の低速側での出力トルクを十分に高いものとしつつ、電動機１のロータ２の高速回転時にステータコイルに過大な誘起電圧が発生するのを抑制することができる。
【００７６】
また、本実施形態の電動機１では、図３を参照して前記したように、永久磁石５ｘ（主磁石５及び補助磁石６）による磁石磁束に対して正磁界となる励磁磁束をステータコイルから発生させた状態で、ロータ２の高速回転を行いつつ、ステータコイルの誘起電圧を減少させることが可能となっている。
【００７７】
加えて、永久磁石５ｘのうちの主磁石５は、前記したようにＵ字形状に形成されているため、反磁界による減磁を生じ難いものとなっている。
【００７８】
このため、永久磁石５ｘの保磁力が比較的小さいものであっても、ステータコイルの誘起電圧が電源電圧を超えないようにしつつ、ロータ２を高速回転域で回転させるようにすることを適切に行うことができる。
【００７９】
ここで、電動機１の一実施例の動作特性を図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。本願発明者は、図１及び図２に示した構造の電動機１を作成して、その動作特性を検証した。その結果、ロータ２のコア４に埋め込む永久磁石５ｘ（主磁石５及び補助磁石６）として、一般的に用いられているネオジム磁石の保磁力よりも十分に小さい保磁力の永久磁石を使用した場合であっても、図７（ａ），（ｂ）に示すように、通常の誘導電動機よりも高トルク、高出力の電動機１を実現できることが確認された。
【００８０】
なお、図７（ａ）の実線のグラフは、実施例の電動機１の出力トルクの、回転数（ロータ２の回転速度）に対する特性を示し、図７（ｂ）の実線のグラフは、実施例の電動機１の出力の回転数に対する特性を示している。また、図７（ａ），（ｂ）のそれぞれの破線のグラフは、それぞれ、通常の誘導電動機（比較例）の出力トルクの特性、出力の特性を示している。
【００８１】
また、図７（ｃ）の実線のグラフは、実施例の電動機１におけるステータコイルの電流位相と回転数との関係を示している。
【００８２】
この場合、電動機１の回転数（ロータ２の回転速度）がＮａ以上の回転数となる高速回転域では、ステータコイルの誘起電圧を低減させる（該誘起電圧が電源電圧を超えないようにする）ために、図７（ｃ）に示すように、ステータコイルの電流位相を、電動機１の出力トルク（マグネットトルクとリラクタンストルクとの合成トルク）が最大となるときの位相角θpから進角側にずらす必要があるものの、その進角量が図７（ｃ）に示すΔθ１を超えるまでは、ステータコイルが発生する励磁磁束は、永久磁石５ｘが発生するロータ２の径方向の磁束に対して正磁界となる励磁磁束でよい。なお、θp＋Δθ１は、マグネットトルクの大きさが最大となる電流位相の位相角である。
【００８３】
従って、必要保磁力が比較的小さい永久磁石５ｘを使用しても、該永久磁石５ｘの減磁を生じさせないように電動機１の運転を行い得る該電動機１の最大回転数を高くすることができる。
【００８４】
なお、以上説明した実施形態では、ロータ２に主磁石５に加えて、補助磁石６を搭載するようにした。ただし、主磁石５だけで、所望の出力トルクを発生させるために十分な磁石磁束を発生させることができる場合には、該補助磁石６及びバイパス磁路９を省略するようにしてもよい。
【００８５】
また、前記実施形態では、永久磁石５ｘのそれぞれについて、φｒ＞φｓとなるようにバイパス磁路８，９の断面積を設定したが、φｒ＝φｓとなるようにバイパス磁路８，９の断面積を設定してもよい。
【００８６】
また、前記実施形態では、バイパス磁路８，９にスリット１０，１１を備えるようにしたが、スリット１０，１１の両方又は一方を省略するようにしてもよい。さらに、スリット１０又は１１を備える代わりに、バイパス磁路８又は９を狭くするようにしてもよい。あるいは、スリット１０又は１１を備える代わりに、バイパス磁路８又は９に透磁率の低い磁性体（例えば圧粉磁性体等）を介装するようにしてもよい。
【００８７】
また、前記実施形態では、主磁石５をＵ字形状に形成したが、Ｕ字形状以外の形状、例えばＶ字形状、あるいは直線形状に形成することも可能である。
【符号の説明】
【００８８】
１…同期電動機、２…ロータ、３…ステータ、５，６…永久磁石、８…バイパス磁路（第１バイパス磁路）、９…バイパス磁路（第２バイパス磁路）、１０，１１…スリット。
【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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【図７】
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