(57)【要約】  実施形態の回転電機は、シャフトと、回転子鉄心と、複数の永久磁石とを持つ。シャフトは、軸心回りに回転する。回転子鉄心は、シャフトに接続される。複数の永久磁石は、回転子鉄心に設けられ、第１の永久磁石と、第２の永久磁石を少なくとも含む。第１の永久磁石は、１２００［ｋＡ／ｍ］以上の固有保磁力を有する。第２の永久磁石は、８００［ｋＡ／ｍ］以上の固有保磁力を有するとともに、残留磁化が第１の永久磁石と略同じ又は大きく、かつ、リコイル透磁率が第１の永久磁石よりも小さい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸心回りに回転するシャフトと、
前記シャフトに接続された回転子鉄心と、
前記回転子鉄心に設けられた複数の永久磁石と、
を備え、
前記複数の永久磁石は、
１２００［ｋＡ／ｍ］以上の固有保磁力を有する第１の永久磁石と、
８００［ｋＡ／ｍ］以上の固有保磁力を有するとともに、残留磁化が前記第１の永久磁石と略同じ又は大きく、かつ、リコイル透磁率が前記第１の永久磁石よりも小さい第２の永久磁石と、
を少なくとも含む、
回転電機。
【請求項２】
前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石は、互いに同じ回転子磁極に対応して配置された、
請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石は、磁気的に並列又は直列に配置された、
請求項１に記載の回転電機。
【請求項４】
前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石の残留磁化は、１．１６［Ｔ］以上である、
請求項１に記載の回転電機。
【請求項５】
前記第２の永久磁石の残留磁化は、前記第１の永久磁石の残留磁化よりも大きい、
請求項１に記載の回転電機。
【請求項６】
前記第１の永久磁石のリコイル透磁率は、１．１以上であり、前記第２の永久磁石のリコイル透磁率は、１．１未満である、
請求項１に記載の回転電機。
【請求項７】
前記第１の永久磁石の組成式は、ＲｐＦｅｑＭｒＣｕｔＣｏ１００−ｐ−ｑ−ｒ−ｓ−ｔであり、
Ｒは、希土類元素から選ばれる少なくとも１種の元素であり、
Ｆｅは、鉄の元素であり、
Ｍは、チタン、ジルコニウム及びハフニウムの中から選ばれる少なくとも１種の元素であり、
Ｃｕは、銅の元素であり、
Ｃｏは、コバルトの元素であり、
ｐ、ｑ、ｒ、ｓ及びｔは、それぞれを原子組成百分率で表すと、１０．８≦ｐ≦１１．６、２５≦ｑ≦４０、０．８８≦ｒ≦４．５、０．８８≦ｔ≦１３．５、を満足する数となる、
請求項１に記載の回転電機。
【請求項８】
前記第２の永久磁石の組成式は、ＲｓＴｕＢｖであり、
Ｒは、希土類元素から選ばれる少なくとも１種の元素であり、
Ｔは、鉄と、コバルト、ニッケル、銅、アルミニウム、亜鉛、ケイ素、ガドリニウム、及びガリウムのうちの少なくとも１種以上の元素とからなり、
Ｂは、ホウ素の元素であり、
ｓ及びｖは、それぞれを原子組成百分率で表すと、１０≦ｓ≦２５、２≦ｖ≦２０、ｕ＝１００−ｓ−ｖ、を満足する数となる、
請求項１に記載の回転電機。
【請求項９】
前記第１の永久磁石は、前記第２の永久磁石よりも前記回転子鉄心の外周側に配置された、
請求項１に記載の回転電機。
【請求項１０】
請求項１に記載の回転電機を有した、
車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、回転電機及び車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発電機や電動機として利用される回転電機において、回転子に種類の異なる複数の永久磁石を設ける技術が知られている。このような回転電機は、効率の向上が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】日本国特開２０１２−１７５７３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、効率を向上させることができる回転電機及び車両を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の回転電機は、シャフトと、回転子鉄心と、複数の永久磁石とを持つ。シャフトは、軸心回りに回転する。回転子鉄心は、シャフトに接続される。複数の永久磁石は、回転子鉄心に設けられ、第１の永久磁石と、第２の永久磁石を少なくとも含む。第１の永久磁石は、１２００［ｋＡ／ｍ］以上の固有保磁力を有する。第２の永久磁石は、８００［ｋＡ／ｍ］以上の固有保磁力を有するとともに、残留磁化が第１の永久磁石と略同じ又は大きく、かつ、リコイル透磁率が第１の永久磁石よりも小さい。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態における４極の回転電機１の１極分の構成を示す回転軸８に直交する断面図。
【図２】第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２の配置例を示す図。
【図３】永久磁石２０の種類に応じた磁気特性の一例を示す図。
【図４】永久磁石２０の種類に応じた磁気特性を磁化又は磁束密度の指標で表した図。
【図５】第２の実施形態における４極の回転電機１Ａの１極分の構成を示す回転軸８に直交する断面図。
【図６】永久磁石の減磁特性について説明するための図。
【図７】第３の実施形態における第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２の配置例を示す図。
【図８】第３の実施形態における第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２の配置の他の例を示す図。
【図９】第３の実施形態における第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２のその他の配置例を列挙した図。
【図１０】永久磁石の耐熱性について説明するための図。
【図１１】耐熱温度Ｔが異なる各種永久磁石の減磁特性の一例を示す図。
【図１２】回転電機１、１Ａ、１Ｂが搭載された鉄道車両１００の一例を示す図。
【図１３】回転電機１、１Ａ、１Ｂが搭載された自動車２００の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態の回転電機及び車両を、図面を参照して説明する。
【０００８】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における４極の回転電機１の１極分の構成を示す回転軸８に直交する断面図である。図１では、回転電機１の１極分、すなわち、１／４周の周角度領域分のみを示している。なお、磁極数は、４つに限られず、３つ以下、又は５つ以上であってもよい。回転軸８は、例えば、回転可能に軸支されて回転子（ロータ）３中心で軸方向に延び、回転子３中心回りに回転するシャフトである。
【０００９】
同図に示すように、回転電機１は、固定子（ステータ）２と、固定子２よりも径方向内側に設けられ、固定子２に対して回転自在に設けられた回転子３と、を備える。なお、固定子２及び回転子３は、それぞれの中心軸線が共通軸上に位置した状態で配設されている。以下、上述した共通軸を中心軸Ｏと称し、中心軸Ｏに直交する方向を径方向と称し、中心軸Ｏ回りに周回する方向を周方向と称する。
【００１０】
固定子２は、略円筒状の固定子鉄心４を有する。固定子鉄心４は、電磁鋼板を複数枚積層したり、軟磁性粉を加圧成形したりして形成することが可能である。固定子鉄心４の内周面には、例えば、中心軸Ｏに向かって突出し、周方向に等間隔で配列された複数のティース５が一体に成形されている。ティース５は、断面略矩形状に形成されている。そして、隣接する各ティース５間には、それぞれスロット６が形成されている。これらスロット６を介し、各ティース５に電機子巻線７が巻回されている。
【００１１】
電機子巻線７は、回転電機１の外部に設けられた電源システム（不図示）に接続される。電源システムは、例えば、インバータを利用して、回転電機１が駆動するのに必要な電力を電機子巻線７に供給する。これにより、電機子巻線７に電流が流れ、固定子２に磁界（磁場）が生じる。
【００１２】
なお、固定子鉄心４は、絶縁性を有するインシュレータが装着されたり、外面の全体が絶縁被膜で被覆されていたりしてもよい（何れも不図示）。この場合、各ティース５には、インシュレータや絶縁被膜の上から電機子巻線７が巻回される。
【００１３】
回転子３は、中心軸Ｏに沿って延びる回転軸８と、回転軸８に外嵌固定（接続）された略円柱状の回転子鉄心９と、を備える。回転子鉄心９は、電磁鋼板を複数枚積層したり、軟磁性粉を加圧成形したりして形成することが可能である。回転子鉄心９の外径は、径方向で対向する各ティース５との間に、所定のエアギャップＧが形成されるように設定されている。
【００１４】
また、回転子鉄心９の径方向中央には、中心軸Ｏに沿って貫通する貫通孔１０が形成されている。この貫通孔１０には、回転軸８が圧入などされる。これによって、回転軸８と回転子鉄心９とが一体となって回転する。
【００１５】
さらに、回転子鉄心９には、１極（すなわち１／４周の周角度領域）のそれぞれに、永久磁石２０が設けられる。永久磁石２０は、例えば、複数の磁石セット２０ａを含む。各磁石セット２０ａは、第１の永久磁石２１と第２の永久磁石２２とを含む。なお、各磁石セット２０ａは、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２と異なる他の永久磁石を含んでいてもよい。
【００１６】
例えば、回転子鉄心９には空洞が形成されており、当該空洞に永久磁石２０が挿入される。図示の例のように、永久磁石２０に含まれる複数の磁石セット２０ａは、例えば、１極ごとに、回転子鉄心９のある径（中心軸Ｏを通る直線）を軸対称とした２箇所に分かれて設けられる。このとき、複数の磁石セット２０ａの間の径は、ｄ軸と定義される。また、ｄ軸に対して磁気的に直交する方向は、ｑ軸と定義される。ｑ軸は、回転子鉄心９の外周面のある周角度位置Ａに、例えば磁石のＮ極を近づけるなどして正の磁位を与え、その位置Ａに対して１極分（本実施例の場合は９０度）ずれた周角度位置Ｂに、例えば磁石のＳ極を近づけるなどして負の磁位を与え、回転子鉄心９の外周面において位置Ａを周方向へずらしていった場合に最も多くの磁束が流れる時の中心軸Ｏから位置Ａに向かう方向として定義される。
【００１７】
第１の永久磁石２１は、例えば、希土類磁石であり、その組成式は、ＲｐＦｅｑＭｒＣｕｔＣｏ１００−ｐ−ｑ−ｒ−ｓ−ｔである。ここで、Ｒは、サマリウムＳｍなどの希土類元素から選ばれる少なくとも１種の元素を表し、Ｆｅは、鉄の元素を表し、Ｍは、チタンＴｉ、ジルコニウムＺｒ及びハフニウムＨｆの中から選ばれる少なくとも１種の元素を表し、Ｃｕは、銅の元素を表し、Ｃｏは、コバルトの元素を表している。また、組成式におけるｐ、ｑ、ｒ、ｓ及びｔは、それぞれが原子組成百分率［ａｔ％］を表している。例えば、第１の永久磁石２１は、以下の（ａ）から（ｄ）の関係を満たすように組成される。
【００１８】
（ａ）：１０．８≦ｐ≦１１．６
（ｂ）：２５≦ｑ≦４０
（ｃ）：０．８８≦ｒ≦４．５
（ｄ）：０．８８≦ｔ≦１３．５
【００１９】
例えば、第１の永久磁石２１は、ＲとしてサマリウムＳｍが採用されたサマリウムコバルト磁石である。第１の永久磁石２１のリコイル透磁率は、例えば、１．１以上である。また、第１の永久磁石２１の残留磁化Ｂ１は、１．１６［Ｔ：テスラ］以上である。また、第１の永久磁石２１の固有保磁力Ｈｃｊ１は、１２００［ｋＡ／ｍ］以上である。ここで、固有保磁力Ｈｃｊは、永久磁石２０が本来有する磁気分極をゼロにするための磁界の強さ（絶対値）を表している。
【００２０】
第２の永久磁石２２は、例えば、第１の永久磁石２１と同様に希土類磁石であり、その組成式は、ＲｓＴｕＢｖである。ここで、Ｒは、希土類元素から選ばれる少なくとも１種の元素を表し、Ｔは、鉄と、コバルト、ニッケル、銅、アルミニウム、亜鉛、ケイ素、ガドリニウム、及びガリウムのうちの少なくとも１種以上の元素とからなり、Ｂは、ホウ素の元素を表している。組成式におけるｓ及びｖは、それぞれが原子組成百分率［ａｔ％］を表している。また、Ｔは、例えば、鉄とコバルトの組み合わせのように一対一に構成されたり、鉄、コバルト、ニッケル及び銅の組み合わせのように一対多に構成されたりする。例えば、第２の永久磁石２２は、以下の（ｅ）から（ｇ）の関係を満たすように組成される。
【００２１】
（ｅ）：１０≦ｓ≦２５
（ｆ）：２≦ｖ≦２０
（ｇ）：ｕ＝１００−ｓ−ｖ
【００２２】
例えば、第２の永久磁石２２は、ＲとしてネオジムＮｄが採用されたネオジム磁石である。第２の永久磁石２２のリコイル透磁率は、１．１以下であり、かつ第１の永久磁石２１のリコイル透磁率よりも小さい値となる。また、第２の永久磁石２２の残留磁化Ｂ２は、１．１６［Ｔ］以上であり、かつ第１の永久磁石２１の残留磁化Ｂ１よりも大きい値となる。また、第２の永久磁石２２の固有保磁力Ｈｃｊ２は、８００［ｋＡ／ｍ］以上である。
【００２３】
例えば、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２は、回転子鉄心９の内部において磁気回路を形成し、磁気回路上で互いに並列関係或いは直列関係となるように配置される。第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２は、互いに同じ回転子磁極を形成している。図１の例では、第２の永久磁石２２は、磁気回路上で第１の永久磁石２１と並列接続されるように、第１の永久磁石２１よりも回転子鉄心９の外周側に設けられている。例えば、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２は、共通の空洞に挿入される。第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２が共通の空洞に挿入される場合、空洞内において、これらの磁石は互いに接触していてもよいし、接着性の樹脂やスペーサなどの非磁性体が間に介在してもよい。また、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２は、別々の空洞に挿入されてもよい。これらの第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２のそれぞれの磁化方向（図中破線矢印）は、これらの磁石が設けられた１極分の回転子鉄心９において、回転子鉄心９の外周面に向けられる。磁化方向とは、永久磁石の結晶磁気異方性を考慮した場合に、その磁石が磁化されやすい方向（磁化容易軸）を表している。
【００２４】
図２は、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２の配置の一例を示す図である。例えば、図中（ａ）では、第２の永久磁石２２は、磁気回路上で第１の永久磁石２１と並列接続されるように、第１の永久磁石２１から見て回転子鉄心９の外周側と内周側との双方に設けられている。図中（ｂ）では、第２の永久磁石２２は、磁気回路上で第１の永久磁石２１と直列接続されるように、第１の永久磁石２１から見て回転子鉄心９の内周側に設けられている。図中（ｃ）では、第２の永久磁石２２は、磁気回路上で第１の永久磁石２１と直列接続されるように、第１の永久磁石２１から見て回転子鉄心９の外周側に設けられている。図中（ｄ）では、２つの第１の永久磁石２１が磁気回路上で互いに直列接続されるように設けられており、さらに、第２の永久磁石２２が、磁気回路上で第１の永久磁石２１と並列接続されるように、２つの第１の永久磁石２１から見て回転子鉄心９の外周側と内周側との双方に設けられている。
【００２５】
例えば、回転電機１の耐熱性について考慮する場合、回転子鉄心９の内周側に比して外周側の方が外乱などの影響により温度が上がりやすいため、より耐熱性の優れる第１の永久磁石２１を、第２の永久磁石２２よりも回転子鉄心９の外周側に配置する方が好ましい。一方、回転電機１の機械的強度について考慮する場合、回転子鉄心９の内周側に比して外周側の方が遠心力に起因した応力が大きくなりやすいため、より密度の高い第２の永久磁石２２を、第１の永久磁石２１よりも回転子鉄心９の外周側に配置する方が好ましい。このように、回転電機１の設計時に考慮する評価指標によって、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２の配置関係を適宜変更してよい。
【００２６】
上述のように、残留磁化が互いに異なる第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２を回転子鉄心９に設けることによって、鎖交磁束Φの総量を増加させることができる。鎖交磁束Φは、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２から発生した磁束のうち、ｄ軸方向へ向かい、エアギャップＧを介して電機子巻線７に鎖交する磁束である。例えば、鎖交磁束Φは、以下の数式（１）により導出することができる。
【００２７】
【数１】
2018051526.tif 000003
【００２８】
式中Ｂは、回転子鉄心９における磁化（磁束密度）を表し、Ｓは、永久磁石２０の断面積を表している。永久磁石２０の断面積は、回転軸８が軸心に沿って延在する方向に対して平行する平面における永久磁石２０の面積である。例えば、永久磁石が直方体である場合、永久磁石２０の断面積は、磁化方向（磁化容易軸）に対して垂直な平面における永久磁石２０の面積である。回転子鉄心９における磁束密度Ｂと永久磁石２０の断面積Ｓとの積は、永久磁石２０に含まれる各永久磁石（第１の永久磁石２１、第２の永久磁石２２、…）の幅Ｗｉと、各永久磁石の残留磁化（残留磁束密度）Ｂｉとの積の総和に比例する。各永久磁石の幅Ｗｉは、その永久磁石の磁化方向と略直交する方向に関する大きさである。図１のＷ１は、第１の永久磁石２１の幅を表し、Ｗ２は、第２の永久磁石２２の幅を表している。
【００２９】
図３は、永久磁石２０の種類に応じた磁気特性の一例を示す図である。図中縦軸は、磁束Φ（単位は［Ｔ］）を表し、横軸は、磁界の強さＨ（単位は［ｋＡ／ｍ］）を表している。これらの軸で表される磁気特性は、減磁特性（ヒステリシス曲線の第２象限）を表している。図中ＨｃＢ１は、第１の永久磁石２１の固有保磁力Ｈｃｊ１に対応する保磁力であり、ＨｃＢ２は、第２の永久磁石２２の固有保磁力Ｈｃｊ２に対応する保磁力である。これらの保磁力ＨｃＢ１、ＨｃＢ２は、Ｂ−Ｈ減磁曲線上で磁束密度がゼロに対応する磁場の強さを示す。言い換えれば、印加された外部磁場と永久磁石の磁化が合成される磁気回路全体の磁化がゼロになる磁場の強さを示す。
【００３０】
ラインＬＮ１は、回転子鉄心９に、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２に比して、残留磁化が大きく、かつ固有保磁力が小さい永久磁石（以下、比較対象用磁石と称する）を設けた場合の磁気特性を表している。ラインＬＮ２は、回転子鉄心９に、第１の永久磁石２１を設けた場合の磁気特性を表している。ラインＬＮ３は、回転子鉄心９に、第２の永久磁石２２を設けた場合の磁気特性を表している。ラインＬＮ４は、回転子鉄心９に、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２を設けた場合の磁気特性を表している。図示のように、ラインＬＮ４により表される磁束Φは、上述した数式（１）に基づいて、ラインＬＮ２により表される磁束ΦとラインＬＮ３により表される磁束Φとの和となる。
【００３１】
ラインＰｃ１は、回転子３の回転数が所定数以上の場合（以下、高速回転と称する）のパーミアンス特性を表している。ラインＰｃ２は、回転子３の回転数が所定数未満の場合（以下、低速回転と称する）のパーミアンス特性を表している。高速回転時における回転電機１の動作点は、各磁気特性を示すラインＬＮ１からＬＮ４と、ラインＰｃ１との交点となる。また、低速回転時における回転電機１の動作点は、各磁気特性を示すラインＬＮ１からＬＮ４と、ラインＰｃ２との交点となる。
【００３２】
例えば、回転電機１を制御するコントローラ（不図示）は、回転電機１の状態を低速回転から高速回転に遷移させる場合、又は高速回転の状態を維持させる場合には、電源システムから電機子巻線７に電力を供給させて、固定子２に磁界を生じさせることによって、磁界Ｈを弱める制御（弱め界磁制御）を行う。固定子２において生じる磁界は、回転子３の永久磁石２０により生じる磁界の逆磁界（磁化方向が逆方向となる磁界）である。また、コントローラは、回転電機１の状態を高速回転から低速回転に遷移させる場合、又は低速回転の状態を維持させる場合には、電源システムから電機子巻線７に供給させる電力量（弱め界磁のための電流量）を低下させて、固定子２に生じさせる磁場の強さを弱める磁界制御を行う。
【００３３】
図３に示すように、例えば、回転子鉄心９に比較対象用磁石を設けた場合（ラインＬＮ１に着目した場合）、低速回転時における回転電機１の動作点では、残留磁化が大きいことから、比較的大きな磁束Φが生じるものの、高速回転時における回転電機１の動作点では、固有保磁力が小さいことに起因して、磁束Φが十分に低下しない場合がある。このため、高速回転時に生じた逆起電力などの影響で、効率（例えば固定子２に供給する電力量に対する回転数やトルクの割合）が低下する場合がある。また、低速回転時と高速回転時の磁束差が小さくなり、弱め磁界制御の精度が低下する場合も生じ得る。この結果、制御時のエネルギー損失が大きくなる傾向がある。
【００３４】
また、回転子鉄心９に第１の永久磁石２１のみを設けた場合（ラインＬＮ２に着目した場合）、高速回転時における回転電機１の動作点では、固有保磁力が大きいことから、回転子鉄心９に比較対象用磁石を設けた場合と比較して、磁束Φをより低下させることができるものの、低速回転時における回転電機１の動作点では、残留磁化が小さいことから、磁束Φが低下する。この結果、低速回転時のトルクが低下し、効率が低下する傾向がある。
【００３５】
これに対して、本実施形態のように、回転子鉄心９に第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２を設けた場合（ラインＬＮ４に着目した場合）、低速回転時における回転電機１の動作点では、回転子鉄心９に比較対象用磁石を設けた場合と同様に、比較的大きな磁束Φを生じさせることができる。また、高速回転時における回転電機１の動作点では、固有保磁力が大きいことから、回転子鉄心９に比較対象用磁石を設けた場合と比較して、磁束Φをより低下させることができる。これにより、高速回転時の逆起電力の発生を抑制すると共に、低速回転時のトルクを向上させることができる。さらに、弱め磁界制御の精度を向上させることができる。この結果、低速回転及び高速回転の双方において、エネルギー損失を抑制することができ、効率を向上させることができる。
【００３６】
図４は、永久磁石２０の種類に応じた磁気特性を磁化又は磁束密度の指標で表した図である。図中縦軸は、磁化Ｍ又は磁束密度Ｂ（単位はいずれも［Ｔ］）を表し、横軸は、磁界の強さＨ（単位は［ｋＡ／ｍ］）を表している。
【００３７】
本実施形態のように、回転子鉄心９に第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２を設けた場合（ラインＬＮ４に着目した場合）、これらの永久磁石を含む磁石セット２０ａの残留磁化（ラインＬＮ４のＭ又はＢ軸の切片の値）は、第１の永久磁石２１の残留磁化Ｂ１と、第２の永久磁石２２の残留磁化Ｂ２との平均となる。本実施形態では、残留磁化Ｂ１と残留磁化Ｂ２とが互いに異なる値に設定されているため、高速回転時における回転電機１の動作点での磁束Φが減少しやすくなり、低速回転時における回転電機１の動作点での磁束Φが増加しやすくなる。
【００３８】
以上説明した第１の実施形態における回転電機１によれば、回転子鉄心９に設けられた複数の永久磁石２０が、１２００［ｋＡ／ｍ］以上の固有保磁力を有する第１の永久磁石２１と、８００［ｋＡ／ｍ］以上の固有保磁力を有するとともに、残留磁化が第１の永久磁石２１と略同じ又は大きく、かつ、リコイル透磁率が第１の永久磁石２１よりも小さい第２の永久磁石２２とを少なくとも含むことにより、効率を向上させることができる。
【００３９】
また、上述した第１の実施形態における回転電機１によれば、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２の固有保磁力が大きいため、高速回転時における回転電機１の動作点において、磁束Φをより低下させることができる。この結果、高速回転時の逆起電力の発生を抑制することができる。
【００４０】
また、上述した第１の実施形態における回転電機１によれば、残留磁化Ｂ２が第１の永久磁石２１の残留磁化Ｂ１よりも大きい第２の永久磁石２２を設けることによって、低速回転時における回転電機１の動作点での磁束Φをより増大させることができる。この結果、低速回転時のトルクを向上させることができる。
【００４１】
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態における回転電機１Ａについて説明する。第２の実施形態における回転電機１Ａでは、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２を含む磁石セット２０ａの他に、第２の永久磁石２２が単独で設けられている点で、第１の実施形態における回転電機１と相違する。以下、この相違点を中心に説明し、共通する部分についての説明は省略する。
【００４２】
図５は、第２の実施形態における４極の回転電機１Ａの１極分の構成を示す回転軸８に直交する断面図である。図示のように、回転子鉄心９には、ｄ軸を軸対称とした２箇所に、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２を組とした磁石セット２０ａが設けられると共に、ｄ軸上に第２の永久磁石２２が設けられている。これによって、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２を組とした磁石セット２０ａと、ｄ軸上の第２の永久磁石２２とが磁気回路上で直列接続される。この結果、上述した実施形態と同様に、効率を向上させることができると共に、低速回転時にさらに大きなトルクを出力することができる。
【００４３】
（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態における回転電機１Ｂについて説明する。第３の実施形態では、回転電機１Ｂに設けられる第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２の減磁特性と耐熱性との双方を考慮して、これらの磁石の配置位置が決定される点で、第１の実施形態における回転電機１及び第２の実施形態における回転動機１Ａと相違する。以下、この相違点を中心に説明し、共通する部分についての説明は省略する。
【００４４】
まず、減磁特性を考慮した第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２の配置例について説明する。図６は、永久磁石の減磁特性について説明するための図である。図中縦軸は、磁束密度Ｂ（単位は［Ｔ］）を表し、横軸は、磁界の強さＨ（単位は［ｋＡ／ｍ］）を表している。これらの軸で表される磁気特性は、減磁特性（ヒステリシス曲線の第２象限）を表している。
【００４５】
一般的に、永久磁石の角部（コーナー）（例えばｄ軸及びｑ軸を含む平面における磁石の断面形状が四角形状の場合の四隅）には、他の部位に比べて磁束が集中しやすいため、この角部周辺には、反磁界（減磁界）が生じやすくなる。角部とは、ｄ軸及びｑ軸を含む平面における角部である。角部は、丸みを有してもよい。反磁界とは、固定子２から回転子３に対して与えられる磁界であり、回転子３から見れば外部（固定子２）から印加される外部の磁界となる。この反磁界は、保磁力が小さい永久磁石ほど生じやすい。
【００４６】
図示のように、内径側（内周側）、すなわち回転子鉄心９の外周面から遠い側に設けられた永久磁石には、比較的小さな反磁界が生じる。これに対して、外径側（外周側）、すなわち回転子鉄心９の外周面に近い側に設けられた永久磁石には、内径側の永久磁石に生じる反磁界と比べて、より強い反磁界が生じる。このとき、内径側及び外径側のそれぞれの永久磁石の動作点ＯＰは、低磁界側（磁界Ｈがマイナスに大きくなる側）に遷移する。
【００４７】
一方で、減磁特性を示す曲線（Ｂ‐Ｈ減磁曲線）上には、クニック点（屈曲点）Ｋが存在する場合がある。クニック点Ｋとは、その減磁特性が大きく変化する点である。上述したように、反磁界の影響により永久磁石の動作点ＯＰが低磁界側に遷移するとき、このクニック点Ｋを超える場合がある。この場合、不可逆減磁が生じて、永久磁石の残留磁化（残留磁束密度）が低下する。
【００４８】
従って、本実施形態では、外部磁界の影響を受けやすく反磁界が生じやすい外径側に、クニック点Ｋがない、或いはそのクニック点Ｋの位置がより高磁場側であるような特性を有する第１の永久磁石２１を配置し、内径側に第２の永久磁石２２を配置する。つまり、第１の永久磁石２１を、第２の永久磁石２２よりも回転子鉄心９の外周側に配置する。また、別の見方をすれば、上記配置方法は、第２の永久磁石２２に比べて第１の永久磁石２１の方が回転子鉄心９の外周面に近くなるように永久磁石を配置することを意味する。
【００４９】
例えば、第１の永久磁石２１が有する複数の角部のうち、少なくとも一つの角部が、第２の永久磁石２２が有する全ての角部よりも回転子鉄心９の外周面に近くなるようにこれらの永久磁石を配置する。
【００５０】
図７は、第３の実施形態における第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２の配置例を示す図である。図中に示す９ａは、回転子鉄心９の外周面を表している。図示のように、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２のｄ軸及びｑ軸を含む平面における断面形状が四角形状である場合、これらの永久磁石の各角部から回転子鉄心９の外周面９ａまでの距離を比較したときに、第２の永久磁石２２の角部から回転子鉄心９の外周面９ａまでの距離Ｄ２２に比べて、第１の永久磁石２１の角部から回転子鉄心９の外周面９ａまでの距離Ｄ２１の方が短くなるようにこれらの永久磁石を配置する。距離Ｄ２１及び距離Ｄ２２は、回転子鉄心９の外周面９ａの接線に直交する垂線であって、各永久磁石の角部と最短距離で接する垂線の長さである。例えば、磁気回路上で第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２を互いに並列関係とする場合、図示のように、第２の永久磁石２２は、二つの第１の永久磁石２１の間に配置される。
【００５１】
図８は、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２の配置の他の例を示す図である。図示のように、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２が、回転子鉄心９の外周面９ａの曲率と同程度に湾曲している場合、磁気回路上で第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２が互いに直列関係となるように（径方向に並べるように）、第１の永久磁石２１を第２の永久磁石２２よりも外周面９ａ側に配置する。
【００５２】
図９は、第１の永久磁石２１及び第２の永久磁石２２におけるその他の配置例を列挙した図である。図中（ａ）から（ｄ）に示すいずれの配置例においても、第１の永久磁石２１を、第２の永久磁石２２よりも回転子鉄心９の外周側に配置する。これによって、反磁界が生じた場合であっても、不可逆減磁を抑制することができる。
【００５３】
次に、耐熱性を考慮した第２の永久磁石２２の選定手法について説明する。図１０は、永久磁石の耐熱性について説明するための図である。図中縦軸は、磁束密度Ｂ（単位は［Ｔ］）を表し、横軸は、磁界の強さＨ（単位は［ｋＡ／ｍ］）を表している。これらの軸で表される磁気特性は、第２の永久磁石２２の一例であるネオジム磁石の減磁特性（ヒステリシス曲線の第２象限）を表している。図中Ｌ５は、耐熱温度Ｔが１５０［℃］のネオジム磁石の減磁特性（Ｂ‐Ｈ減磁曲線）を表し、Ｌ６は、耐熱温度Ｔが１８０［℃］のネオジム磁石の減磁特性を表している。また、図中Ｐｃは、反磁界により減磁する前のパーミアンス特性を表し、Ｐｃ＃は、反磁界により減磁した後のパーミアンス特性を表している。
【００５４】
図示の例のように、一般的に、永久磁石の残留磁化Ｂと耐熱温度Ｔとは、トレードオフの関係にあり、残留磁化Ｂがより大きい永久磁石ほど、耐熱温度Ｔが低下する。一方で、耐熱温度Ｔが高い永久磁石ほど、反磁界が生じることで永久磁石の動作点ＯＰがクニック点Ｋを超えやすくなり、不可逆減磁が生じやすくなる。そのため、反磁界下において動作点ＯＰがクニック点Ｋを超えないような比較的低い耐熱温度Ｔの永久磁石を選定すると好適である。図の例では、耐熱温度Ｔが１５０［℃］のネオジム磁石の方が選定される。
【００５５】
本実施形態では、回転子鉄心９において、より温度が高くなる外周面９ａ側に耐熱性の優れた第１の永久磁石２１を配置し、外周面９ａ側に比べて温度が低い内径側に第２の永久磁石２２を配置するため、耐熱温度Ｔの異なる複数の第２の永久磁石２２の候補のうち、耐熱温度Ｔの低い永久磁石を、第２の永久磁石２２として適用することができる。
【００５６】
図１１は、耐熱温度Ｔが異なる各種永久磁石の減磁特性の一例を示す図である。図中（ａ）は、第２の永久磁石２２の一例である、ネオジム磁石の減磁特性の一例を表している。また、（ｂ）は、ネオジムボンド磁石の減磁特性の一例を表している。また、（ｃ）は、比較例としてのサマリウムコバルト磁石の減磁特性の一例を表している。比較例として例示するサマリウムコバルト磁石は、例えば、第１の永久磁石２１のリコイル比透磁率と比べて、より小さいリコイル比透磁率を有する。すなわち、比較例として例示するサマリウムコバルト磁石は、そのＢ−Ｈ減磁曲線の傾きが第１の永久磁石２１と比べて小さい永久磁石である。また、（ｄ）は、本実施形態の第１の永久磁石２１の一例である、サマリウムコバルト磁石の減磁特性の一例を表している。（ａ）から（ｄ）のいずれにおいても、縦軸は、磁束密度Ｂ（単位は［Ｔ］）を表し、横軸は、磁界の強さＨ（単位は［ｋＡ／ｍ］）を表している。
【００５７】
（ａ）に示すように、例えば、ネオジム磁石は、耐熱温度Ｔが大きくなるにつれて残留磁化が低下すると共に、より高磁界（ゼロに近い側）においてクニック点Ｋが出現する。また、ネオジム磁石は、クニック点Ｋの影響（減磁により低下する磁化の大きさ）が、（ｂ）に示すネオジムボンド磁石よりも大きい。
【００５８】
また、（ｂ）に示すように、例えば、ネオジムボンド磁石は、耐熱温度Ｔが大きくなるにつれて残留磁化が低下すると共に、より高磁界においてクニック点Ｋが出現する。また、ネオジムボンド磁石は、（ａ）、（ｃ）、（ｄ）に示す他の永久磁石と比べて、残留磁化及び固有保磁力が小さい。
【００５９】
また、（ｃ）に示すように、例えば、比較例のサマリウムコバルト磁石は、耐熱温度Ｔが大きくなるにつれて残留磁化が低下する。このとき、使用環境を想定したいずれの耐熱温度Ｔ（２０、８０、１２０、１５０、１８０［℃］）においても、クニック点Ｋが出現しない。
【００６０】
また、（ｄ）に示すように、例えば、本実施形態のサマリウムコバルト磁石は、耐熱温度Ｔが大きくなるにつれて残留磁化が低下する。このとき、上記（ｃ）同様に、使用環境を想定したいずれの耐熱温度Ｔ（２０、８０、１２０、１５０、１８０［℃］）においても、クニック点Ｋが出現しない。
【００６１】
このように、第１の永久磁石２１の一例であるサマリウムコバルト磁石は、１８０［℃］程度の耐熱温度を有する場合でもクニック点Ｋが出現しないため、回転子鉄心９の外周側に配置した場合であっても不可逆減磁の発生を抑制することができる。一方、第２の永久磁石２２の一例であるネオジム磁石は、外周側と比べて温度の低い内径側に設けられるため、８０［℃］や１２０［℃］といった比較的耐熱温度Ｔの低い磁石を第２の永久磁石２２として採用することができる。この結果、残留磁化Ｂが比較的大きい第２の永久磁石２２を用いることができため、回転電機１Ｂの性能（例えば最大出力や効率など）を向上させることができる。
【００６２】
以上説明した第３の実施形態における回転電機１Ｂによれば、上述した第１及び第２の実施形態と同様に、高速回転時の逆起電力の発生を抑制したり、低速回転時のトルクを向上させたりすることができる。
【００６３】
また、上述した第３の実施形態における回転電機１Ｂによれば、耐熱性の優れた第１の永久磁石２１を、第２の永久磁石２２よりも回転子鉄心９の外周側に配置することにより、高温時に生じる減磁を抑制することができる。また、第１の永久磁石２１の固有保磁力Ｈｃｊ１は、第２の永久磁石２２の固有保磁力Ｈｃｊ２よりも大きいため、第１の永久磁石２１の角部に磁束が集中することで生じる減磁を抑制することができる。また、第２の永久磁石２２は、第１の永久磁石２１よりも内径側に配置されるため、比較的耐熱温度Ｔの低い磁石を第２の永久磁石２２として適用することができる。この結果、残留磁化Ｂが比較的大きい第２の永久磁石２２を用いることができため、回転電機１Ｂの性能（例えば最大出力や効率など）を向上させることができる。
【００６４】
以上説明した第１の実施形態における回転電機１、第２の実施形態における回転電機１Ａ、及び第３の実施形態における回転電機１Ｂは、例えば、鉄道交通に利用される鉄道車両１００（車両の一例）に搭載されてよい。図１２は、回転電機１、１Ａ、１Ｂが搭載された鉄道車両１００の一例を示す図である。図示のように、鉄道車両１００に回転電機１、１Ａ、１Ｂが搭載された場合、回転電機１、１Ａ、１Ｂは、例えば、架線から供給される電力や、鉄道車両１００に搭載された二次電池から供給される電力を利用することによって駆動力を出力する電動機（モータ）として利用されてもよいし、運動エネルギーを電力に変換して、鉄道車両１００内の各種負荷に電力を供給する発電機（ジェネレータ）として利用されてもよい。これによって、高効率な回転電機１、１Ａ、１Ｂを利用することで、省エネルギーで鉄道車両を走行させることができる。
【００６５】
また、回転電機１、１Ａ、１Ｂは、ハイブリッド自動車や電気自動車などの自動車（車両の他の例）に搭載されてもよい。図１３は、回転電機１、１Ａ、１Ｂが搭載された自動車２００の一例を示す図である。図示のように、自動車２００に回転電機１、１Ａ、１Ｂが搭載された場合、回転電機１、１Ａ、１Ｂは、自動車２００の駆動力を出力する電動機、又は自動車２００の走行時の運動エネルギーを電力に変換する発電機としても利用されてよい。
【００６６】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、回転子鉄心９に設けられた複数の永久磁石が１２００［ｋＡ／ｍ］以上の固有保磁力を有する第１の永久磁石２１と、８００［ｋＡ／ｍ］以上の固有保磁力を有するとともに、残留磁化が第１の永久磁石２１と略同じ又は大きく、かつ、リコイル透磁率が第１の永久磁石２１よりも小さい第２の永久磁石２２とを少なくとも含むことにより、効率を向上させることができる。
【００６７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６８】
１、１Ａ、１Ｂ…回転電機、２…固定子、３…回転子、４…固定子鉄心、５…ティース、７…電機子巻線、８…回転軸（シャフト）、９…回転子鉄心、２０…永久磁石、２０ａ…磁石セット、２１…第１の永久磁石、２２…第２の永久磁石
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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