(57)【要約】  磁石トルクとリラクタンストルクとの合計の最終的なトルクを向上させることができる永久磁石式回転電機を提供する。永久磁石式回転電機が備えるロータは、ロータコアと、ロータコア内に埋設される複数の磁石と、複数の磁石のうち１極の磁極を構成する磁石とギャップとの間の領域であるコア領域に設けられ、コア領域の透磁率よりも透磁率の低い領域であって、ロータの外周に近い端部は、１極の磁極の磁極中心よりもコイルに通電することによってロータにかかる周方向の力の方向と同方向側のコア領域に設けられ、ロータの回転軸中心に近い端部は、磁極中心上または磁極中心よりも力の方向と逆方向側のコア領域に設けられる磁気スリットと、を有している。
2019064801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータコアおよびコイルを有するステータと、
前記ステータの対向に前記ステータと微小隙間であるギャップを設けて配置され、回転自在なロータと、
を備え、
前記ロータは、ロータコアと、
前記ロータコア内に埋設される複数の磁石と、
前記複数の磁石のうち１極の磁極を構成する前記磁石と前記ギャップとの間の領域である前記ロータコア内のコア領域に設けられ、前記コア領域の透磁率よりも透磁率の低い領域である磁気スリットと、を有し、
前記コア領域のうち、前記磁気スリットよりも前記コイルに通電することによって前記ロータにかかる周方向の力の方向の領域の面積は、前記磁気スリットよりも前記力の方向と逆方向側の領域の面積よりも小さい
永久磁石式回転電機。
【請求項２】
前記磁気スリットには、ロータの外周に近い端部と、ロータの回転軸中心に近い端部と、が設けられ、
前記磁気スリットの端部のうち、他の端部より前記ロータの外周に近い端部は、前記１極の磁極の磁極中心よりも前記コイルに通電することによって前記ロータにかかる周方向の力の方向と同方向側の前記コア領域に設けられ、
前記磁気スリットの端部のうち、他の端部より前記ロータの回転軸中心に近い端部は、前記磁極中心上または前記磁極中心よりも前記コイルに通電することによって前記ロータにかかる周方向の力の方向と逆方向側の前記コア領域に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項３】
前記コア領域のうち、前記磁気スリットよりも前記力の方向と同方向側の領域を形成する前記磁石の磁石磁束発生辺を足し合わせた全長に対する前記ロータの外周辺の長さの比率は、
前記磁気スリットよりも前記力の方向と逆方向側の領域を形成する前記磁石の磁石磁束発生辺を足し合わせた全長に対する前記ロータの外周辺の長さの比率と比べ小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項４】
前記１極の磁極を構成する前記磁石は、Ｖ字型に配置されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項５】
前記磁気スリットの前記ロータの回転軸中心に近い端点は、前記１極の磁極を構成する前記磁石のうち前記磁極中心よりも前記力の方向と同方向側に位置する前記磁石の前記力の方向と逆方向側の端部と前記ロータの回転軸中心とを仮想的に結ぶ直線の延長線上よりも前記力の方向と逆方向側に位置することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項６】
前記磁気スリットの前記ロータの回転軸中心に近い端点は、前記１極の磁極を構成する前記磁石のうち前記磁極中心よりも前記力の方向と逆方向側に位置する前記磁石の最も前記力の方向と同方向側の端部と前記ロータの回転軸中心とを仮想的に結ぶ直線の延長線上よりも前記力の方向と同方向側に位置することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項７】
前記磁気スリットの前記ロータの回転軸中心に近い端部と前記磁石との距離が、前記１極の磁極を構成する前記磁石の間に位置するセンターブリッジの周方向幅よりも短いことを特徴とする請求項６に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項８】
前記１極の磁極を構成する前記磁石のうち、前記力の方向と同方向側に位置する磁石の端部から前記コア領域の外周との間に位置するアウターブリッジの厚みと前記力の方向と逆方向側に位置する磁石の端部から前記コア領域の外周との間に位置するアウターブリッジの厚みとが異なることを特徴とする請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項９】
前記磁石のうち、前記力の方向と同方向側に位置する磁石の長手方向の長さと前記力の方向と逆方向側に位置する磁石の長手方向の長さが同じであることを特徴とする請求項４から請求項８のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項１０】
前記ロータの磁極と前記ステータが有するスロットの数の比が２：３となる構造を有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項１１】
複数の前記ロータを備え、前記複数のロータはそれぞれの回転軸を一致させて回転軸方向に配置され、回転軸方向に沿って見た時の各前記ロータの前記磁気スリットは、形状及び位置の少なくともいずれか一方が互いに異なっている請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項１２】
前記ロータは、少なくとも２つの極で前記磁気スリットの形状及び位置の少なくともいずれか一方が互いに異なっている請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の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、永久磁石を用いた回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
産業用回転電機及び電気自動車、ハイブリッド自動車用回転電機は、小型化・高出力化に有利な永久磁石式回転電機が多く採用されている。この永久磁石式回転電機のうち、永久磁石がロータコアの中に埋め込まれる構造である場合には、永久磁石からの磁石磁束によって発生する磁石トルクと、ステータからのリラクタンス磁束によって発生するリラクタンストルクの２種類のトルクを得ることができる。そして、最終的なモータのトルクはその２種類の合計によって決定される。【０００３】
しかし、上述の一般的な構造の回転電機では、上記２種類のトルクがピーク値となる電流位相角βがそれぞれ異なるという特徴がある。具体的には、磁石トルクはβ=０°のときに正のピーク値となり、リラクタンストルクはβ=４５°のときに正のピーク値となる。このため、合計トルクのピーク値はβが０°より大きく、４５°より小さいいずれかの場合に現れる。すなわち、モータを電流制御する際には電流位相角を最大トルク発生時は２種類のトルクの双方ともピーク値から外れた電流位相角βに設定する必要があり、最大トルクの値は２種類のトルクのピーク値合計より低くなる場合があった。【０００４】
これに対し、永久磁石から固定子に向かう磁束を回転子の回転方向へ偏倚させるためのスリット状の貫通孔を回転子に設けた構造が提案されている。（例えば特許文献１）【０００５】
また、回転子に磁石挿入孔の外周側鉄心部の回転子磁極中心線より回転子反転方向側のみに回転子磁極中心線方向に穿設されたスリットを備えた構造が提案されている。（例えば特許文献２）【０００６】
また、回転子に所定形状の断面形状の空隙を、永久磁石の磁束方向であるｄ軸に対して遅れ位相となる位置に設けた構造が提案されている。(例えば特許文献３)
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２０６０４６号公報（第２頁〜第５項、図２）
【特許文献２】特開平１１−１７８２５５号公報（第２頁〜第４項、図２）
【特許文献３】特開２０１２−０２３９０４号公報（第４頁〜第１０項、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１から特許文献３に示された構造にあっては、いずれも磁石磁束の経路とリラクタンス磁束の経路の位置関係を変更し、磁石トルクがピーク値となる電流位相角βとリラクタンストルクがピーク値となる電流位相角βとを相対的に近づけることができる。しかしながら、磁石磁束を偏在化させるための空隙がリラクタンス磁束の経路を阻害する位置にあり、リラクタンストルク自体の減少を招くため、最終的なトルクが低下することがあった。【０００９】
本発明は、磁石トルクとリラクタンストルクの合計のトルクを向上させることができる永久磁石式回転電機を得ることを目的とする。 
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明にかかる永久磁石式回転電機は、
ステータコアおよびコイルを有するステータと、
前記ステータの内側に前記ステータと微小隙間であるギャップを設けて配置され、回転自在なロータと、
を備え、
前記ロータは、ロータコアと、
前記ロータコア内に埋設される複数の磁石と、
前記複数の磁石のうち１極の磁極を構成する前記磁石と前記ギャップとの間の領域である前記ロータコア内のコア領域に設けられ、前記コア領域の透磁率よりも透磁率の低い領域である磁気スリットと、を有し、
前記磁気スリットの長手方向の端部のうち他の端部より前記ロータの外周に近い端部は、前記１極の磁極の磁極中心よりもトルクによって前記ロータにかかる周方向の力の方向と同方向側の前記コア領域に設けられ、
前記磁気スリットの端部のうち他の端部より前記ロータの回転軸中心に近い端部は、前記磁極中心上または前記磁極中心よりもトルクによって前記ロータにかかる周方向の力の方向と逆方向側の前記コア領域に設けられ、
前記コア領域のうち、前記磁気スリットよりも前記力の方向と同方向側の領域の面積は、前記磁気スリットよりも前記力の方向と逆方向側の領域の面積よりも小さいものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にかかる永久磁石式回転電機によれば、磁石トルクとリラクタンストルクの合計のトルクを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる永久磁石式回転電機の回転軸方向を含む縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の要部を示した図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる磁束の周方向位置とギャップ磁束密度の関係を示した図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる位相とトルクの関係を示した図である。
【図６】本発明の実施の形態２にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の要部を示した図である。
【図８】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例を示した回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。
【図９】本発明の実施の形態１にかかる位相とトルクの関係を巻線の種類ごとに示した図である。
【図１０】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例を示した回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例の要部を示した図である。
【図１２】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例を示した回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例の要部を示した図である。
【図１４】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例を示した回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例の要部を示した図である。
【図１６】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例を示した回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。
【図１７】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例の要部を示した図である。
【図１８】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例を示した回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。
【図１９】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例の要部を示した図である。
【図２０】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例を示した回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。
【図２１】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例の要部を示した図である。
【図２２】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例を示した回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。
【図２３】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例の要部を示した図である。
【図２４】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例を示した回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。
【図２５】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例の要部を示した図である。
【図２６】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例を示した回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。
【図２７】本発明の実施の形態１にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例の要部を示した図である。
【図２８】本発明の実施の形態３にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機を示した回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。
【図２９】本発明の実施の形態３にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の要部を示した図である。
【図３０】本発明の実施の形態３にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例の要部を示した図である。
【図３１】本発明の実施の形態４にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機を示した回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。
【図３２】本発明の実施の形態４にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の要部を示した図である。
【図３３】本発明の実施の形態４にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例の要部を示した図である。
【図３４】本発明の実施の形態５にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機を示した回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。
【図３５】本発明の実施の形態５にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の要部を示した図である。
【図３６】本発明の実施の形態５にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例の要部を示した図である。
【図３７】本発明の実施の形態５にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機の変更例の要部を示した図である。
【図３８】本発明の実施の形態６にかかる永久磁石式回転電機の回転軸方向を含む縦断面図である。
【図３９】本発明の実施の形態６にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機を示した回転軸方向に垂直なロータの断面図である。
【図４０】本発明の実施の形態６にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機を示した回転軸方向に垂直なロータの断面図である。
【図４１】本発明の実施の形態７にかかる基本構造を示す永久磁石式回転電機を示した回転軸方向に垂直なロータの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１に係る回転電機の回転軸方向を含む縦断面図である。
図１において、永久磁石式回転電機１は、フレーム１３と、フレーム１３の回転軸方向両端面に配置され軸受１４を内径側に保持するブラケット１５と、回転軸１６を有する。また、軸受１４を介して回転軸１６の回転軸を中心に回転自在に支持されたロータ２０と、フレーム１３の内周に固着されてロータ２０の外径側に空隙を介して配置されたステータ１０とを備えている。
【００１４】
図２は、本発明の実施の形態１にかかる永久磁石式回転電機の基本構造を示す回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。
【００１５】
図２に示す永久磁石式回転電機１は、ステータ１０と、ステータ１０の内側に配置された円柱状のロータ２０と、を有する。ロータ２０は、ステータ１０との間に微小な隙間であるギャップ５０をあけて配置されており、ロータ２０が回転可能なように構成されている。
【００１６】
ステータ１０は、ステータコア１１とコイル１２とから構成されており、ステータコア１１は、例えば、円筒形状であり、例えば円環状の薄板電磁鋼板をロータ２０の回転軸の軸方向に多数枚積層して円筒形状に形成されている。
【００１７】
また、ステータコア１１は、ステータコア１１の外周側の円環状のコアバック１１１とコアバック１１１から内周側に向かって突出し周方向に間隔をおいて形成される１８個のティース部１１２とを有する。
【００１８】
コイル１２は、ステータコア１１のティース部１１２に絶縁体を介して巻回され、各ティース部１１２の間のスロットに装着される。本実施の形態における永久磁石式回転電機１では、集中巻構造を例に説明する。集中巻構造とは、１つのティース部１１２に１つのコイルを巻きつけた構造である。したがって、各ティース部１１２の間のスロットには２つコイルが納められることになる。
【００１９】
ロータ２０は、ロータコア２１と、２４個の永久磁石２２と、ロータコア２１の中心に固定され、両端側がフレーム１３のブラケット１５に設けられた軸受１４に支持されて回転可能な回転軸１６と、を有している。またロータ２０は中心に中空を有する。図２では、説明の便宜上、フレーム１３、ブラケット１５、軸受１４を省略している。
【００２０】
２４個の永久磁石２２はロータコア２１に設けられた穴に埋設され、ロータコア２１は１２極の磁極を有している。１極は、ロータコア２１に埋設された２個の永久磁石２２で構成される。１極を構成する２個の永久磁石２２のそれぞれは矩形状をしており、ロータ２０の回転軸中心側から外周側に向かってＶ字に広がるように配置されている。
【００２１】
永久磁石２２はＶ字状に配置された２個の永久磁石２２を１セットとし、ロータコア２１内に１２セットが周方向に均等に配置されている。本実施の形態において各永久磁石２２は長手方向の辺に対して直角に着磁されているものとする。また永久磁石２２は１セットごとに、ロータコア２１内径側からロータコア２１外径側へ向かうように着磁されたものと、ロータコア２１外径側からロータコア２１内径側へ向かうように着磁されたものが交互にロータコア２１内に配置される。
【００２２】
永久磁石２２を２個用いるＶ字型磁石構造は、磁石トルクとリラクタンストルクを同時に活用しやすい。また、ほとんどの場合に永久磁石２２とギャップ５０の間に形成されるロータコア領域が存在するため、磁気スリット２５を設置する際の効果が高い。さらに、設計が容易である。ただし、製作上の制約が存在する場合は、１極分の磁極を形成する永久磁石２２の数や形状、位置などは変更しても良い。
【００２３】
ロータ２０は、コイル１２に通電して回転磁界を形成することにより、ロータ２０が上記回転軸を中心に回転する。本実施の形態における回転方向は、反時計回りとして説明する。
【００２４】
また、本実施の形態における永久磁石式回転電機１は、力行運転に用いられるものとする。力行運転とは、コイル１２に通電した電気エネルギーをロータ２０が回転する運動エネルギーに変換する運転を指す。なお、本発明の本旨ではないため、詳細な説明は省略する。また、本実施の形態において、コイル１２に通電することによってロータ２０にかかる周方向の力の向きはロータ２０の回転方向と同じとする。
【００２５】
また、本実施の形態では、ステータ１０のティース部１１２が１８個、ロータ２０の磁極数が１２極、すなわち極―スロット数が２対３系列の永久磁石式回転電機を例にとり説明する。
【００２６】
ロータコア２１には、永久磁石２２からの磁石磁束３１がギャップを介してステータ１０側へ鎖交しやすくなるようにフラックスバリア２６が設けられる。本実施の形態では、各永久磁石２２の長手方向の両端側に位置するように設けられている。これによりロータコア２１内で閉じるような磁石磁束３１の経路の発生を抑制することができる。
【００２７】
またロータコア２１には、ロータコア２１を構成する素材自身の透磁率よりも透磁率の低い材料で構成される磁気スリット２５が設けられる。すなわち磁気スリット２５の領域はロータコア２１の領域と比較し、透磁率の低い低透磁率領域となっている。なお、磁気スリット２５の領域は、ロータコア２１の領域よりも透磁率の低い低透磁領域となっていればよいため、空隙としてもよい。また、ロータコア２１の領域よりも透磁率の低い樹脂、放熱材等をスリット２５に充填して、ロータコア２１の強度を高めたり、ロータコア２１及び永久磁石２２の冷却効果を高めたりしてもよい。一般的にロータコア２１を形成するのに用いられる材料は空気よりも透磁率の高いものであるため、他の材料を設けず空隙としても磁気スリット２５の領域はロータコア２１よりも透磁率の低い低透磁率領域を形成することができる。
【００２８】
磁気スリット２５を含むロータコア２１について図３を用いてさらに詳細に説明する。図３は、本実施の形態の永久磁石式回転電機１のうち、磁極１極分を構成するロータ２０の一部を中心とした図２の拡大図である。
【００２９】
磁気スリット２５は、上述のようにロータコア２１より透磁率が低い材料で構成されており、その形状は永久磁石２２近傍からギャップ５０近傍まで伸びる細長い形状をとる。
【００３０】
磁気スリット２５は、１極の磁極を構成する永久磁石２２とギャップ５０との間に位置するロータコア２１の領域に傾きを有して設けられている。磁気スリット２５の長手方向の端部のうち、他の端部よりもロータ２０の外周に近い位置の端部は、１極を構成する磁極の中心である磁極中心よりトルクによってロータ２０にかかる周方向の力の方向と同方向側に位置するロータコア２１の領域に設けられる。また、長手方向の端部のうち、他の端部よりもロータ２０の回転軸中心側に近い位置の端部は、磁極中心上または磁極中心よりもコイル１２に通電することによってロータ２０にかかる周方向の力の方向と逆方向側のロータコア２１の領域に位置するように設けられる。ここでいう端部とは磁気スリットの長手方向の両端をいい、具体的にはその両端の辺をさす。
【００３１】
１極の磁極を構成する永久磁石２２とギャップ５０との間に位置するロータコア領域を、磁気スリット２５を境とし、上述の力の方向と同方向側と、上述の力の方向と逆方向側との領域とに分けて説明する。この場合、磁気スリット２５よりも上述の力の方向と同方向側の領域の面積は、磁気スリット２５よりも上述の力の方向と逆方向側の領域の面積よりも小さくなっている。それぞれの領域は、ロータの外周辺、磁石の磁束発生辺、磁気スリット等により形成される。
【００３２】
ここで磁気スリット２５のロータ２０の回転軸中心側に近い端部上の端点を端点Ａ、ロータ２０の外周に近い端部上の端点を端点Ｂとした場合に端点Ａと端点Ｂとを仮想的に直線で結んだ線を直線ＡＢとする。この直線ＡＢとロータ２０の表面との交点を交点Ｃとする。ここでの端点Ａは、端部上で最も磁石辺あるいは磁石辺の延長線に近い点とする。取りうる点が複数ある場合は、その点を並べたときに中央に位置する点、あるいは中央に最も近い点とする。また端点Ｂは、端部上で最もロータ２０の表面に近い点とする。取りうる点が複数ある場合は、その点を並べたときに中央に位置する点、あるいは中央に最も近い点とする。
【００３３】
ロータ２０の回転軸中心をＯとした場合、交点Cと回転軸中心Ｏとを仮想的に結んだ線を直線ＯＣとする。この直線ＯＣより回転方向進み側に含まれる永久磁石２２のうち最も外周側に位置する端辺上の端点と回転軸中心Ｏとを仮想的に直線で結んだ線と、この延長線上に位置するロータ２０の表面との交点を交点Ｄとする。
【００３４】
直線ＯＣより力行運転時における回転方向遅れ側に含まれる永久磁石２２のうち最も外周側に位置する端辺上の端点と回転軸中心Ｏとを仮想的に直線で結んだ線と、この延長線上に位置するロータ２０の表面との交点を交点Ｅとする。１極の磁極を構成する永久磁石２２において、直線ＡＢより回転方向進み側に位置する永久磁石２２の磁束発生辺のすべての長さを足し合わせた長さの全長をＸとする。また、直線ＡＢより力行運転時における回転方向遅れ側にある永久磁石２２の磁束発生辺のすべての長さを足し合わせた長さの全長をＹとする。このとき、磁気スリット２５の形状は交点Ｃと交点Ｄとを結ぶ円弧ＣＤと全長Ｘ、交点Ｃと交点Ｅとを結ぶ円弧ＣＥと全長Ｙとを用いた式（１）を満たす。
【００３５】
【数１】
2019064801.tif 000003
【００３６】
さらに、１極を構成する永久磁石２２とギャップ５０との間に位置するロータコア２１は直線ＡＢにより力行運転時における回転方向進み側コア領域２１Ａと力行運転時における回転方向遅れ側コア領域２１Ｂに分割できる。このとき、回転方向進み側コア領域２１Ａの面積は回転方向遅れ側コア領域２１Ｂよりも小さい。
【００３７】
ここで、トルクの発生源となる磁束の状態について説明する。直線ＡＢより回転方向進み側に位置する永久磁石２２の磁束発生辺から発生する磁石磁束３１は、ロータコア２１からギャップ５０へ流れようとするが、ロータコア２１より透磁率の低い磁気スリット２５によって方向を制限される。上述の条件を満たす磁気スリット２５の形状においては、回転方向進み側コア領域２１Ａでは磁石磁束３１が回転方向進み側に偏在化する。これにより、磁石トルクが正のピーク値となる電流位相角を、従来の電流位相角よりも大きくすることができる。
【００３８】
さらに、ステータコア１１からギャップ５０を介してロータコア２１を流れようとするリラクタンス磁束３２は、ロータコア２１より透磁率の低い磁気スリット２５によって経路を制限される。そして、回転方向進み側コア領域２１Ａに到達せず回転方向遅れ側コア領域２１Ｂ内を通過する。これにより、リラクタンストルクが正のピーク値となる電流位相角を、従来の電流位相角よりも小さくすることができる。加えて、回転方向遅れ側コア領域２１Ｂの面積は回転方向進み側コア領域２１Ａより大きいため、磁気スリット２５を設けてもリラクタンス磁束３２を減少させず、磁気スリット２５がない場合と同等のリラクタンストルクを発生させることができる。
【００３９】
したがって、最終的に、磁石トルクとリラクタンストルクのそれぞれが正のピーク値となる電流位相角の間隔が狭まるため、力行運転時における総合的なトルクを向上させることができる。
【００４０】
図４は、有限要素法により解析した無通電状態における電気角１周期分（磁極２極分）の磁石磁束３１によるギャップ磁束密度分布である。横軸は周方向位置を示し、縦軸はギャップ５０の磁束密度を示している。図４のグラフ中の点線は磁気スリット２５を設けないときの周方向位置とギャップ磁束密度の関係を示している。また、実線は磁気スリット２５を設けたときの周方向位置とギャップ磁束密度の関係を示している。磁気スリット２５がある場合は、磁気スリット２５がない場合と比較して１極内のギャップ磁束密度が力行運転時におけるロータ２０の回転方向に偏る結果となる。
【００４１】
図５は、有限要素法により解析した電流値一定の条件下での電流位相角βに対するトルクの変化を示している。横軸は、電流位相角βを示し、縦軸はトルクを示している。グラフ中には、磁石トルク、リラクタンストルク、それらの合計トルクを示している。図５中において点線で示したそれぞれは、磁気スリット２５がない場合の結果である。また、実線で示したそれぞれは、磁気スリット２５がある場合の結果である。
【００４２】
磁石トルクとリラクタンストルクとの合計を示した合計トルクのうち磁気スリット２５がある場合にピーク値が現れる電流位相角βは、磁気スリット２５がない場合と比較して小さい。また、トルクのピーク値自体が大きくなっている。従来は電流位相角β=0°で正のピーク値であった磁石トルクと、電流位相角β=45°で正のピーク値であったリラクタンストルクが、磁気スリット２５によりそれぞれのピーク値となる電流位相角βが互いに接近し、トルクが向上していることが推測できる。
【００４３】
よって、上述の回転方向進み側コア領域２１Ａと回転方向遅れ側コア領域２１Ｂとのの面積の関係条件や、式（１）を満たす範囲に磁気スリット２５を設けることにより構造を変更しても磁石トルクとリラクタンストルクとの電流位相角とを接近させることができる。したがって、力行運転動作時における永久磁石式回転電機の磁石トルクとリラクタンストルクの合計のトルクを向上させることができる。
【００４４】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２における永久磁石式回転電機の基本構造を示す回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。図６において、図２と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１とは、磁気スリット２５の構成および永久磁石式回転電機１の動作環境が相違している。
【００４５】
実施の形態１では、力行運転時に用いられる永久磁石式回転電機の構造を示したが、本実施の形態における永久磁石式回転電機１は、回生運転時に用いられることを想定している。回生運転とは、ロータ２０に与えられた運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、コイル１２の端子から取り出す運転である。このとき、永久磁石式回転電機１は、発電機として作用する。なお、本発明の本旨ではないため、詳細な説明は省略する。
【００４６】
本実施の形態における永久磁石式回転電機１の構造を以下で説明する。図６に示すように本実施の形態の永久磁石式回転電機１は実施の形態１と同様にステータ１０と、ステータ１０の内側に配置された円柱状のロータ２０と、を有する。ロータ２０は、ステータ１０との間に微小な隙間であるギャップ５０をあけて配置されており、ロータ２０が回転可能なように構成されている。
【００４７】
ステータ１０は、ステータコア１１とコイル１２とから構成されており、ステータコア１１は、円筒形状であり、例えば、円環状の薄板電磁鋼板をロータ２０の回転中心軸の軸方向に多数枚積層して円筒形状に形成されている。
コイル１２は、ステータコア１１のティース部１１２に絶縁体を介して巻回され、各ティース部１１２の間のスロットに装着される。本実施の形態における永久磁石式回転電機１では、実施の形態１と同様に集中巻構造を例に説明する。
【００４８】
ロータ２０は、ロータコア２１と２４個の永久磁石２２と、ロータコア２１の中心に固定され、両端側がフレーム１３（図示せず）のブラケット１５（図示せず）に設けられた軸受１４（図示せず）に支持されて回転可能な回転軸１６とを有している。また、ロータコア２１には、磁石磁束３１のロータコア内で磁束が閉じる磁束経路を抑制し、ギャップ５０を介してステータ１０側へ磁石磁束３１が鎖交しやすくするようにフラックスバリア２６が設けられる。本実施の形態においても各永久磁石２２の長手方向の両端側に設けた例を図６に図示している。
【００４９】
ロータ２０は、外部から運動エネルギーを受け取って回転する。本実施の形態における回転方向は、反時計回りとして説明する。回生運転時にコイル１２に通電することによってロータ２０にかかる周方向の力の向きは、ロータ２０の回転方向とは逆とする。すなわち、回生運転時に永久磁石式回転電機１自体が発揮するトルクは、外部からのトルクを相殺するように作用する。
【００５０】
また、本実施の形態は、ステータ１０のティース部１１２が１８個、ロータ２０の磁極数が１２極、すなわち極―スロット数が２対３系列の例を図６に示して説明する。
【００５１】
本実施の形態における磁気スリット２５の構成について、図７を用いて詳細に説明する。図７は、永久磁石式回転電機１のうち、磁極１極分を構成するロータ２０の一部分を中心とした図６の拡大図である。
【００５２】
磁気スリット２５は、ロータコア２１より透磁率が低い材料で構成され、永久磁石２２近傍からギャップ５０近傍まで伸びる細長い形状をとる。
【００５３】
磁気スリット２５は、１極の磁極を構成する永久磁石２２とギャップ５０との間に位置するロータコア２１の領域に傾きを有して設けられている。長手方向の端部のうち、他の端部よりもロータ２０の外周に近い位置の端部は、１極を構成する磁極の中心である磁極中心よりも回生運転時にコイル１２に通電することによってロータ２０にかかる力の方向と同方向側に位置するロータコア２１の領域に設けられる。また、長手方向の端部のうち、他の端部よりもロータ２０の回転軸中心に近い位置の端部は、磁極中心上または磁極中心よりもトルクによって上述のロータにかかる周方向の力の方向と逆方向側のロータコア２１の領域に位置するように設けられる。
【００５４】
１極の磁極を構成する永久磁石２２とギャップ５０との間に位置するロータコア領域を、磁気スリット２５を境とし、上述の力の方向と同方向側の領域と上述の力の方向と逆方向側の領域とに分けて説明する。このとき、磁気スリット２５よりも上述の力の方向と同方向側の領域の面積は、磁気スリット２５よりも上述の力の方向と逆方向側の領域の面積よりも小さくなっている。それぞれの領域は、ロータの外周辺、磁石の磁束発生辺、磁気スリット等により形成される。
【００５５】
磁気スリット２５の回転軸に近い端部の端点を端点Ａ、外周側の端点を端点Ｂとする。このとき端点Ａと端点Ｂとを仮想的に直線で結んだ線である直線ＡＢとこの延長線上のロータ２０の表面との交点を交点Ｃとする。ここでいう端部とは磁気スリットの長手方向の端辺をさし、ここでの端点Ａは、端部上で最も磁石辺あるいは磁石辺の延長線に近い点とする。取りうる点が複数ある場合は、その点を並べたときに中央に位置する点、あるいは中央に最も近い点とする。また端点Ｂは、端部上で最もロータ２０の表面に近い点とする。取りうる点が複数ある場合は、その点を並べたときに中央に位置する点、あるいは中央に最も近い点とする。
【００５６】
ロータ２０の回転軸中心を回転軸中心Ｏとした場合、交点Ｃと回転軸中心Ｏとを仮想的に直線で結んだ線を直線ＯＣする。そして、ロータ２０の回転方向進み側に含まれる永久磁石２２のうち最も外周側に位置する端辺上の端点と回転軸中心Ｏとを仮想的に直線で結んだ線とこの延長線上のロータ２０の表面との交点を交点Ｄとする。また、直線ＯＣより回転方向遅れ側に含まれる永久磁石２２のうち最も外周側に位置する端辺上の端点と回転軸中心Ｏとを直線で結んだ線とこの延長線上のロータ２０の表面との交点を交点Ｅとする。
【００５７】
１極の磁極を構成する永久磁石２２において、直線ＡＢより回生運転時における回転方向進み側に位置する磁石の磁束発生辺のすべての長さの足し合わせである全長をＸとする。また、直線ＡＢより回生運転時における回転方向遅れ側にある磁石の磁束発生辺のすべての長さの足し合わせである全長をＹとする。このとき、磁気スリット２５の形状は交点Ｃと交点Ｄとを結ぶ円弧ＣＤと全長Ｘ、交点Ｃと交点Ｅとを結ぶ円弧ＣＥと全長Ｙとを用いた式（２）を満たす。
【００５８】
【数２】
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【００５９】
さらに、永久磁石２２とギャップとの間にあるロータコア２１は直線ＡＢにより回生運転時における回転方向進み側コア領域２１Ａと回生運転時における回転方向遅れ側コア領域２１Ｂに分割して説明する。このとき、回転方向進み側コア領域２１Ａの面積は回転方向遅れ側コア領域２１Ｂよりも大きい。
【００６０】
ここで、図７を用いてトルクの発生源となる磁束の状態について説明する。直線ＡＢより回生運転時における回転方向遅れ側にある永久磁石２２の磁束発生辺から発生する磁石磁束３１は、ロータコア２１からギャップ５０へ流れようとするが、ロータコア２１より透磁率の低い磁気スリット２５によって方向を制限される。
【００６１】
すなわち回転方向遅れ側コア領域２１Ｂに磁石磁束３１が偏在化する。これにより、磁石トルクが負のピーク値となる電流位相角βを、従来の電流位相角βよりも小さくすることができる。
【００６２】
さらに、ステータコア１１からギャップ５０を介して流れようとするリラクタンス磁束３２は、ロータコア２１より透磁率の低い磁気スリット２５によって経路を制限され、回転方向遅れ側コア領域２１Ｂを避け回転方向進み側コア領域２１Ａ内を通過する。これにより、リラクタンストルクが負のピーク値となる電流位相角を、従来の電流位相角よりも大きくすることができる。
【００６３】
加えて、回転方向進み側コア領域２１Ａの面積は回転方向遅れ側コア領域２１Ｂより大きいため、磁気スリット２５を設けてもリラクタンス磁束３２を減少させず、磁気スリット２５がない場合と同等のリラクタンストルクを発生させることができる。
【００６４】
よって、上述の回転方向進み側コア領域２１Ａと回転方向遅れ側コア領域２１Ｂとの面積の関係や、式（１）を満たす範囲に磁気スリット２５を設けることで構造を変更しても磁石トルクの電流位相角とリラクタンストルクの電流位相角とを接近させることができる。したがって、回生運転動作時における永久磁石式回転電機の磁石トルクとリラクタンストルクの合計のトルクを向上させることができる。
【００６５】
なお、実施の形態１および実施の形態２において、ロータ２０の磁極数が１２極、ステータ１０のティース部１１２が１８個、すなわち極―スロット数が２対３系列を例とし図２および図６に図示し説明したが必ずしも２対３系列でなくてもよい。８対９系列、１０対１２系列などでもよい。８対９系列及び１０対１２系列は２対３系列に比べ巻線係数を増加させる効果があり、トルクの向上及びトルク脈動の抑制を可能とする。
【００６６】
さらに図８に示すように、ステータ１０の構造を７２個のティースを有する分布巻構造としても良い。分布巻構造は、隣接するスロットより離れたスロットとの間でコイルを巻く構造である。極とスロット数との組合せでコイルの並びは変化する。また、図８に示した以外の極―スロット数の回転電機でも良い。その場合でも、上述した集中巻構造と同様のトルク向上効果が期待できる。ただし、磁気スリット２５がある場合、リラクタンストルク発揮の観点からは集中巻構造の方が分布巻構造より優れている。
【００６７】
図９は、図２の集中巻構造および図８の分布巻構造において永久磁石２２を取り除き、その取り除いた領域をフラックスバリア２６とした構造について、有限要素法により電流値一定の条件下で解析した電流位相角βに対するトルクの結果を示している。すなわち、磁石トルクが発生せず、リラクタンストルクのみ発生する条件において解析を行っている。
【００６８】
図９に示すグラフの横軸は電流位相角βを、縦軸はトルクを示している。グラフ上の点線で示した結果は、磁気スリット２５がない場合であり、実線で示した結果はそれぞれ磁気スリット２５がある場合のものである。
【００６９】
集中巻構造では、磁気スリット２５がない場合と比較し磁気スリット２５がある場合は、電流位相角βに対するリラクタンストルクの最大値が大きくなっている。一方、分布巻構造では、磁気スリット２５がない場合と比較し磁気スリット２５がある場合は電流位相角βに対するリラクタンストルクの最大値が小さくなっている。従来はリラクタンストルクが十分に発揮できなかった集中巻構造でも、磁気スリット２５によってリラクタンス磁束の経路が変化し、リラクタンストルクが向上した。また、図には示さないが、アウターロータ構造の回転電機でも良い。
【００７０】
また、１極分の磁極を形成する永久磁石２２の数や形状、位置などは変更しても良い。例えば、図１０および図１１に示されるように１極分の磁極を形成する永久磁石２２を１個、図１２および図１３に示されるように１極分の磁極を形成する永久磁石２２の数を３個とした場合でも、実施の形態１および実施の形態２の構造と同様の効果が得られる。
【００７１】
また、本発明の永久磁石式回転電機１の変更例である図１４および図１５のように磁気スリット２５の回転方向への傾斜角度を小さくしてよい。また、図１６および図１７に示すように磁気スリット２５の回転方向への傾斜角度を大きくしてもよい。上述した磁気スリット２５を設ける位置の条件を満たした上で、適宜磁気スリット２５の傾斜角度を変更することにより、回転方向進み側コア領域２１Ａで磁石磁束３１による磁気飽和を発生させずに、効果的に高いトルクを発揮できる効果を奏する。なお、磁気スリット２５の傾斜角度の変更は磁気飽和を発生させない程度に適宜調整するとよりよい。
【００７２】
また、本発明の永久磁石式回転電機１の変更例を示した図１８および図１９のように、磁気スリット２５を直線ではなく回転軸中心側に凹となる曲線や、図２０および図２１のように、磁気スリット２５を直線ではなく外周側に凹となる曲線としてもよい。この場合も上述した磁気スリット２５を設ける位置の条件を満たした上で、適宜磁気スリット２５の形状を変化させることにより磁石磁束３１による磁気飽和を発生させずに、効果的に高いトルクを発揮できる効果を奏する。
【００７３】
また、図２２および図２３のように、磁気スリット２５の回転軸中心側端点ａを永久磁石２２あるいはフラックスバリア２６と一致させた形状や、図２４および図２５のように、磁気スリット２５の外周側端点ｂをギャップ５０と一致させた形状としてもよい。さらには、図２６および図２７のように磁気スリット２５の外周側端点ｂをギャップ５０と一致させるとともに磁気スリット２５の回転軸中心側端点ａを永久磁石２２あるいはフラックスバリアと一致させた形状としてもよい。これにより、上述したトルクを向上させることができる効果に加え、漏れ磁束を抑制してより高いトルクを発揮できる。
また、実施の形態１および実施の形態２では、Ｖ字を構成する２つの永久磁石２２の長手方向の長さを等しくしている。永久磁石２２のサイズを同一にすることで、磁石コストを低減することが可能となる。
また、２つの永久磁石２２の種類を変更してもよい。例えば、コイル１２に通電することによってロータ２０にかかる周方向の力の向きが発生する側の永久磁石２２の残留磁束密度を大きくすることで、１極内のギャップ磁束密度が、力行運転時においてはロータ２０の回転方向に、回生運転時においてはロータ２０の反回転方向に偏る。そのため、磁石トルクがピーク値となる電流位相角βと、リラクタンストルクがピーク値となる電流位相角βとを互いに近づけることができ、トルクをより向上することができる。
さらに、実施の形態１および実施の形態２では、内転型の構造で説明したが、外転型の構造に適用してもよい。
【００７４】
実施の形態３．
実施の形態３は実施の形態１とは、ロータコア２１の構成が相違している。実施の形態１と同様の構成については省略し、以下で本実施の形態について説明する。
【００７５】
図２８は、本発明の実施の形態３における永久磁石式回転電機の基本構造を示す回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。図２８において、図２と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。
【００７６】
図２８に示すように本実施の形態の永久磁石式回転電機１は実施の形態１と同様に、ステータ１０と、ステータ１０の内側に配置された円柱状のロータ２０と、を有する。ロータ２０は、ステータ１０との間に微小な隙間であるギャップ５０をあけて配置されており、ロータ２０が回転可能なように構成されている。
【００７７】
ステータ１０は、ステータコア１１とコイル１２とから構成されており、ステータコア１１は、円筒形状であり、例えば、円環状の薄板電磁鋼板をロータ２０の回転軸の軸方向に多数枚積層して円筒形状に形成されている。
【００７８】
ロータ２０は、ロータコア２１と２４個の永久磁石２２と、ロータコア２１の中心に固定され、両端側がフレーム１３（図示せず）のブラケット１５（図示せず）に設けられた軸受１４（図示せず）に支持されて回転可能な回転軸１６とを有している。
【００７９】
ロータ２０は、コイル１２に通電して回転磁界を形成することにより、ロータ２０が回転軸を中心に回転する。本実施の形態における回転方向は、反時計回りとして説明する。また、本実施の形態における永久磁石式回転電機１は、力行運転に用いられるものとする。
【００８０】
なお、本実施の形態は実施の形態１と同様に力行運転に用いられるものとして説明するが、回生運転に用いられる場合は、実施の形態２と同様の構成に本実施の形態を対応させることで可能である。
【００８１】
また、本実施の形態は、ステータ１０のティース部１１２が１８個、ロータ２０の磁極数が１２極、すなわち極―スロット数が２対３系列の例で説明する。
【００８２】
図２９を用いてさらに詳細に説明する。図２９は、本実施の形態の永久磁石式回転電機１のうち、磁極１極分を構成するロータ２０の一部を中心とした図２８の拡大図である。
【００８３】
ロータコア２１は、図２９に示すようにフラックスバリア２６を有する。フラックスバリア２６は、ロータコア２１内で閉じるような磁石磁束の鎖交経路を抑制し、ギャップを５０介してステータ１０側へ磁石磁束が鎖交しやすくなるように設けられる。本実施の形態においては矩形状の永久磁石２２の長手方向の磁石端部にそれぞれ設けられる。すなわち、各永久磁石２２は、長手方向の両端をフラックスバリアに挟まれる形で、ロータコア２１に設けられた穴に埋設される。なお、実施の形態１の変形例でも示したように各永久磁石２２の形状は変更可能であり、本実施で示すフラックスバリア２６と永久磁石２２との位置関係は変更できるものとする。また、本実施の形態においては各永久磁石２２に設けられるフラックスバリア２６のうち回転軸中心側の端部に位置するフラックスバリア２６はあってもなくてもよい。
【００８４】
フラックスバリア２６とギャップ５０との間のロータコア２１は、力行運転における回転方向進み側に位置する進み側アウターブリッジ４１と力行運転における回転方向遅れ側に位置する部分の遅れ側アウターブリッジ４２とを有する。
【００８５】
本実施の形態においては、図２９に示すように進み側アウターブリッジ４１の径方向の厚さが遅れ側アウターブリッジ４２の径方向の厚さより大きくなっている。このようにしたことにより回転方向進み側コア領域２１Ａの磁石磁束３１の位相が回転方向進み側に移動する。これにより、より高いトルクを発揮することができる。
【００８６】
また、実施の形態２と対応した構成にて回生運転時に用いる場合は、図３０に示すように遅れ側アウターブリッジ４２の径方向の厚さが進み側アウターブリッジ４１の径方向の厚さよりも大きくても良い。この場合もアウターブリッジを通る磁石磁束３１の大きさを偏在化させることができる。
【００８７】
すなわち、アウターブリッジ４１、４２のうち、ロータ２０の回転軸中心側からロータ２０の外周側への磁気スリット２５の傾き方向に位置する側の径方向の厚みを大きくすることで磁石磁束３１が変化する。
【００８８】
よって、アウターブリッジ４１、４２の径方向の厚みの変更により、磁石磁束を偏在化することが可能となり、効果的に高いトルクを発揮できる。
【００８９】
したがって、実施の形態１と同様のトルクを向上させることができる効果に加え、より効果的に高いトルクを発揮することができる。
【００９０】
実施の形態４．
図３１は、本発明の実施の形態４における永久磁石式回転電機の基本構造を示す回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。図３１において、実施の形態１および実施の形態３において永久磁石式回転電機１を説明するために用いた図と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１および実施の形態３とは、磁気スリット２５と後述するセンターブリッジ４３との構成が相違している。
【００９１】
磁気スリット２５とセンターブリッジ４３との関係について図３２を用いて説明する。図３２は、本実施の形態の永久磁石式回転電機１のうち、磁極１極分を構成するロータ２０の一部を中心とした図３１の拡大図である。
【００９２】
永久磁石２２の数を２個としたＶ字型磁石構造を採用したときの多くの場合、図３２に示すようにＶ字の根元付近にセンターブリッジ４３が構成される。このセンターブリッジ４３に対して本実施の形態は、磁気スリット２５の回転軸中心側の端点Ａの周方向位置を近傍になるように設ける構成とする。
【００９３】
具体的には、Ｖ字型を形成する２個の永久磁石２２のうち、力行運転時における回転方向進み側にある永久磁石２２の最も回転方向遅れ側に位置する永久磁石２２の端部を端点Ｆとする。また、力行運転時における回転方向遅れ側にある永久磁石２２の最も回転方向進み側に位置する永久磁石２２の端部を端点Ｇとする。そして、ロータ２０の回転軸中心Ｏと端点Ｆとを仮想的に直線で結んだ線を直線ＯＦとする。さらに、回転軸中心Ｏと端点Ｇとを仮想的に直線で結んだ線を直線ＯＧとする。このとき、直線ＯＦと直線ＯＧとの間に磁気スリット２５の回転軸中心側の端点Ａを設けると良い。
【００９４】
上述のようにセンターブリッジ４３に対して、磁気スリット２５のロータ２０の回転軸中心に近い端点Ａを周方向位置の近傍に設けることにより、高速回転を行うロータ２０の応力抑制が容易となる。さらに、図３３に示すように磁気スリット２５の回転軸中心側の端点Ａと永久磁石２２あるいは各永久磁石２２の長手方向の回転軸中心側設けられるフラックスバリア２６との距離を、センターブリッジ４３の周方向幅より小さくできればより良い。これにより磁石磁束３１の漏れを抑制し、効果的に高いトルクを発揮できる。
【００９５】
したがって、実施の形態１および実施の形態３と同様にトルクを向上させることができる効果に加え、より高いトルクを発揮する効果を奏する。
【００９６】
実施の形態５．
図３４は、本発明の実施の形態５における永久磁石式回転電機の基本構造を示す回転軸方向に垂直なＡ―Ａ断面図である。図３４において、実施の形態１、実施の形態３および実施の形態４において永久磁石式回転電機１を説明するために用いた図と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１、実施の形態３および実施の形態４とは、磁石の構成が相違している。
【００９７】
本実施の形態における磁石の構造について図３５を用いて説明する。図３５は、本実施の形態の永久磁石式回転電機１のうち、磁極１極分を構成するロータ２０の一部を中心とした図３４の拡大図である。
【００９８】
図３５に示すように永久磁石２２の数を２個としたＶ字型磁石構造を採用し、永久磁石２２がロータコア２１に埋設される。各永久磁石２２の形状が矩形状で構成されるものを例として採用する。このとき、２個の永久磁石２２をロータ２０の力行運転時における回転方向進み側に位置する永久磁石２２Ａと力行運転時における回転方向遅れ側に位置する永久磁石２２Ｂとに大別できる。
【００９９】
本実施の形態においては、Ｖ字を構成する２つの磁石の長手方向の長さが異なる。具体的には、進み側磁石２２Ａの長辺の長さを遅れ側磁石２２Ｂの長辺の長さより大きくしている。このように構成することにより、磁気飽和を緩和することができ、より高いトルクを発生させる効果を有する。また、Ｖ字を構成する２つの永久磁石２２の長辺の長さは、図３６に示すように遅れ側磁石２２Ｂの長辺の長さを進み側磁石２２Ａの長辺の長さより大きくしても良い。この場合も磁気飽和を緩和することができ、より高いトルクを発生させる効果を有する。
また、図３７に示すように、磁気スリット２５は途中で途切れていてもよい。磁気スリット２５には、磁気スリット２５の長手方向における中間位置に、スリット横断ブリッジが設けられている。スリット横断ブリッジは、磁気スリット２５を区切るように設けられている。磁気スリット２５は、スリット横断ブリッジにより２分されている。
【０１００】
したがって、本実施の形態により、実施の形態１、実施の形態３および実施の形態４と同様にトルクを向上させることができる効果に加え、より高いトルクを発揮する効果を奏する。
【０１０１】
なお、本実施の形態は実施の形態１、実施の形態３および実施の形態４と同様に力行運転に用いられるものとした永久磁石式回転電機１を説明したが、回生運転に用いられる場合は、実施の形態２と同様の構成に本実施の形態を対応させることで可能である。
【０１０２】
実施の形態６．
図３８は、本発明の実施の形態６の永久磁石式回転電機についての回転軸方向を含む縦断面図である。また、図３９は、本発明の実施の形態６の永久磁石式回転電機についての基本構造を示した回転軸方向に垂直な面でのロータ２０Ａを含む断面図である。また、図４０は本発明の実施の形態６の永久磁石式回転電機についての基本構造を示した回転軸方向に垂直な面でのロータ２０Ｂを含む断面図である。図３８、図３９及び図４０において、実施の形態１、及び実施の形態３〜５の永久磁石式回転電機を説明するために用いた図と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。実施の形態６は、本発明の実施の形態１、及び実施の形態３〜５に対し、ロータ２０Ａ、２０Ｂの構成が相違している。
【０１０３】
本実施の形態６では、ロータ２０Ａとロータ２０Ｂとが、複数のロータとして共通の回転軸に固定されており、ロータが軸方向に２段に分かれている。すなわち、図３８に示されているように、複数のロータ２０Ａ、２０Ｂが、それぞれの回転軸を一致させて回転軸方向に接して配置されている。ロータ２０Ａにおける永久磁石２２の位置は、ロータ２０Ｂにおける永久磁石２２の位置と周方向において一致している。一方、ロータ２０Ａとロータ２０Ｂとに設けられている磁気スリット２５Ａ、２５Ｂは、形状及び位置が回転軸方向に沿って見た時に互いに異なっている。
【０１０４】
ロータ２０Ａに形成された磁気スリット２５Ａ、及びロータ２０Ｂに形成された磁気スリット２５Ｂは、ともに永久磁石２２近傍からギャップ５０近傍まで伸びる細長い形状である。実施の形態１と同様に、磁気スリット２５Ａ、２５Ｂはともに、磁気スリット２５の長手方向の両側の端部のうち、他の端部よりもロータ２０Ａの外周に近い位置の端部は、１極を構成する磁極の中心である磁極中心よりトルクによってロータ２０Ａにかかる周方向の力の方向と同方向側に位置するロータコア２１の領域に設けられる。また、長手方向の両側の端部のうち、他の端部よりもロータ２０Ａの回転軸中心側に近い位置の端部は、磁極中心上または磁極中心よりもコイル１２に通電することによってロータ２０にかかる周方向の力の方向と逆方向側のロータコア２１Ａの領域に位置するように設けられる。ロータ２０Ａとロータ２０Ｂとに設けられている磁気スリット２５Ａ、２５Ｂは、形状及び位置が軸方向において異なっている。図３９に示されているロータ２０Ａの磁気スリット２５Ａは、磁気スリット２５Ａの長手方向がロータ２０Ａの半径方向に対して傾きを持って設けられている。一方、図４０に示されているロータ２０Ｂの磁気スリット２５Ｂは、磁気スリット２５Ｂの長手方向がロータ２０Ｂの半径方向に対してほとんど傾きを持たずに設けられている。
【０１０５】
磁気スリットの形状または位置を変えると、コギングトルク、トルクリプル及び電磁加振力の位相と振幅とが変化する。そのため、形状または位置が異なる磁気スリットが設けられているロータを複数種類組み合わせることで、コギングトルク、トルクリプル及び電磁加振力を打ち消すことができる。また、ロータ２０Ａ、２０Ｂの軸方向の長さは、コギングトルク、トルクリプル及び電磁加振力が打ち消されるように決定すればよく、必ずしも同一にする必要は無い。また、本実施の形態６における永久磁石２２は、回転軸方向に沿って見た時に同一の位置に配置されているため、永久磁石２２の挿入作業の共通化が図れる。
【０１０６】
なお、本実施の形態６は、実施の形態１、及び実施の形態３〜５と同様に力行運転に用いられる永久磁石式回転電機を説明したが、回生運転に用いられる場合は、実施の形態２と同様の構成に本実施の形態６を対応させることができる。また、ロータは２種類以上組み合わせられ、組み合わせる種類を増やすことでコギングトルク、トルクリプル、及び電磁加振力をより低減することができる。また、磁気スリット２５Ａと磁気スリット２５Ｂとは、形状及び位置が軸方向において異なっている実施例を説明したが、形状のみが軸方向において異なっていてもよい。または、磁気スリット２５Ａと磁気スリット２５Ｂとは、位置のみが軸方向において異なっていてもよい。
【０１０７】
実施の形態７．
図４１は、本発明の実施の形態７の永久磁石式回転電機についての基本構造を示した回転軸方向に垂直な面でのロータ２０Ｃを含む断面図である。図４１において、実施の形態１、及び３〜６の永久磁石式回転電機を説明するために用いた図と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。実施の形態７は、本発明の実施の形態１、及び実施の形態３〜６に対し、ロータ２０Ｃの断面において、磁気スリット２５Ｃ、２５Ｄが相違している。
【０１０８】
本実施の形態７において、ロータ２０Ｃのロータコア２１Ｃには、形状及び位置が互いに異なる複数種類の磁気スリット２５Ｃ、２５Ｄが、１極の磁極を構成する永久磁石２２とギャップ５０との間に位置するロータコア２１Ｃの領域に設けられている。２種類の磁気スリット２５Ｃ、２５Ｄは、周方向に交互に配置されている。ロータ２０Ｃに形成された磁気スリット２５Ｃ、２５Ｄはともに、永久磁石２２近傍からギャップ５０近傍まで伸びる細長い形状である。実施の形態１と同様に、それぞれの磁気スリット２５Ｃ、２５Ｄの長手方向の端部のうち、他の端部よりもロータ２０Ｃの外周に近い位置の端部は、１極を構成する磁極の中心である磁極中心よりトルクによってロータ２０Ｃにかかる周方向の力の方向と同方向側に位置するロータコア２１の領域に設けられる。また、磁気スリット２５Ｃ、２５Ｄの長手方向の端部のうち、他の端部よりもロータ２０Ｃの回転軸中心側に近い位置の端部は、磁極中心上または磁極中心よりもコイル１２に通電することによってロータ２０にかかる周方向の力の方向と逆方向側の、永久磁石２２とギャップ５０との間に位置するロータコア２１Ｃの領域に位置するように設けられる。
【０１０９】
一方の磁気スリット２５Ｃは、磁気スリット２５Ｃの長手方向がロータ２０Ｃの半径方向に対して傾きを持って設けられている。それに対し、他方の磁気スリット２５Ｄは、磁気スリット２５Ｄの長手方向がロータ２０Ｃの半径方向に対しほとんど傾きを持たずに設けられている。磁気スリットの形状または位置を変えると、コギングトルク、トルクリプル及び電磁加振力の位相と振幅とが変化する。そのため、１つのロータに形状または位置が互いに異なる磁気スリット２５Ｃ、２５Ｄを複数種類組み合わせることで、コギングトルク、トルクリプル及び電磁加振力を打ち消すことができる。
【０１１０】
１つのロータに形状または位置が互いに異なる磁気スリット２５Ｃ、２５Ｄを、２種類組み合わせることで、コギングトルク、トルクリプル及び電磁加振力を低減することができる。さらに、磁気スリットを、３種類以上組み合わせることができ、組み合わせる種類を増やすことでコギングトルク、トルクリプル及び電磁加振力をより低減することができる
また、ロータ２０Ｃは、実施の形態６と同様に、軸方向に接して複数配置することができる。この場合、複数種類のロータ２０Ａ、２０Ｂを用いている実施の形態６に対し、同一のロータコア２１Ｃを用いることができるため、実施の形態６よりコスト低減を図ることが可能である。
【０１１１】
また、本発明について、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。
【符号の説明】
【０１１２】
１  永久磁石式回転電機、１０  ステータ、１１  ステータコア、１２  コイル、１３  フレーム、１４  軸受、１５  ブラケット、１６  回転軸、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ  ロータ、２１，２１Ｃ  ロータコア、２１Ａ  回転方向進み側コア領域、２１Ｂ  回転方向遅れ側コア領域、２２  永久磁石、２２Ａ  進み側永久磁石、２２Ｂ  遅れ側永久磁石、２５，２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ  磁気スリット、２６  フラックスバリア、３１  磁石磁束、３２  リラクタンス磁束、４１  進み側アウターブリッジ、４２  遅れ側アウターブリッジ、４３  センターブリッジ、５０  ギャップ、１１１  コアバック、１１２  ティース部
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【国際調査報告】
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