(57)【要約】【課題】２層の埋込磁石式のロータを用いる回転電機において、ロータコアの磁束密度の飽和を緩和し、トルク低下を抑制することである。【解決手段】回転電機は、ロータコア３２、及び、ロータコア３２内において、磁極中心線ＣLに対して線対称で、かつ、Ｖ字状またはＵ字状に配置されて外周側と内周側との２層構造に配置されて埋め込まれた永久磁石を含むロータを備える。外周側に配置された永久磁石５０，５１の磁極中心線ＣLに対する角度θ１は、内周側に配置された永久磁石５２，５３の磁極中心線ＣLに対する角度θ２よりも大きく、永久磁石５４，５５の磁極中心線ＣLに対する角度θ３よりも大きい。【選択図】図３
2018082540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータコイルが巻回されたステータと、
前記ステータの内周側に対し所定の間隔を隔てて同心状に配置されるロータであって、ロータコア、及び、該ロータコア内において、磁極中心に対して線対称で、かつ、Ｖ字状またはＵ字状に配置されて外周側と内周側との２層構造に配置されて埋め込まれた永久磁石を含む前記ロータと、
を備え、
前記外周側に配置された前記永久磁石の前記Ｖ字状またはＵ字状の前記磁極中心に対する角度は、前記内周側に配置された前記永久磁石の前記磁極中心に対する前記Ｖ字状またはＵ字状の角度よりも大きい、回転電機。
【請求項２】
前記内周側に配置された前記永久磁石の前記Ｖ字状またはＵ字状の前記磁極中心に対する角度は、前記磁極中心から離れるにつれて小さくなる、請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記内周側に配置された前記永久磁石の前記Ｖ字状またはＵ字状の形状は、前記磁極中心から離れる方向に沿って少なくとも１箇所で屈曲している、請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
１磁極当り、前記外周側に配置された前記永久磁石の数は２個以上で、前記内周側に配置された前記永久磁石の数は４個以上である、請求項３に記載の回転電機。
【請求項５】
前記内周側に配置された前記Ｖ字状またはＵ字状のセンターブリッジの周方向に沿った長さは、前記外周側に配置された前記Ｖ字状またはＵ字状のセンターブリッジの前記周方向に沿った長さよりも長い、請求項１から４のいずれか１に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、回転電機に係り、特に、埋込磁石式のロータを備える回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動車両に用いられる回転電機について、小型軽量と出力効率の向上とを図るために、ロータコア内において、周方向に沿って複数の永久磁石を埋め込んで磁極を形成する埋込磁石式の回転電機が用いられる。埋込磁石式の回転電機は、ステータの回転磁界と永久磁石との協働によって生成されるマグネットトルクと、ロータコアの磁気的異方性に基づいて生成されるリラクタンストルクとの合成トルクを出力する。１磁極内で複数の埋込磁石をＶ字状に配置することで、さらに出力効率の向上を図ることができ、また、埋込磁石を径方向に沿って２層とすることで、出力できるトルクをさらに増加させることができる。
【０００３】
特許文献１では、２層の埋込磁石式の回転電機について、内側に配置されるＶ字状の永久磁石と外側に配置されるＶ字状の永久磁石との間の径方向に沿った磁石間距離をβとし、ロータの半径をαとし、最適距離指標γ＝β／αを用いた磁界解析を述べている。
【０００４】
特許文献２の２層の埋込磁石式の回転電機では、外周側に配置される永久磁石が弱め界磁の際の減磁の影響を受けやすいので、内周側に配置する永久磁石よりも幅を狭く厚さを厚くし、２種類の形状の永久磁石を使い分けている。
【０００５】
特許文献３では、多層の埋込磁石式の回転電機において、隣接する永久磁石の間におけるセンターブリッジについて、回転電機の回転による遠心力や加振力に起因して作用する応力は、埋込磁石の質量が大きくなるにつれて増加することを指摘する。多層について径方向に沿って内周側に配置される層ほど、永久磁石の周方向に沿った長さが長くなりその質量が多くなるので、それに応じ、センターブリッジの周方向に沿った長さを長くすることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２２３８３６号公報
【特許文献２】特開２００７−２７４７９８号公報
【特許文献３】特開２００５−１９８４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
２層の埋込磁石式のロータにおいては、内周側の層の永久磁石の周方向に沿った長さが外周側の層の永久磁石の周方向に沿った長さよりも長くなる。そこで、外周側の層の永久磁石と内周側の層の永久磁石との間に形成される磁路の幅が周方向に沿って一定であると、内周側の層の永久磁石を通る磁束が外周側の層の永久磁石に向かうときに、局部的な磁束の密集が生じ得る。磁路を通る磁束が局部的に密集すると、磁束密度の飽和が生じ、回転電機のトルクが低下する恐れがある。そこで、２層の埋込磁石式のロータにおいて磁束密度の飽和を緩和し、トルク低下を抑制できる回転電機が要望される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示に係る回転電機は、ステータコイルが巻回されたステータと、ステータの内周側に所定の間隔を隔てて同心状に配置されるロータであって、ロータコア、及び、ロータコア内において、磁極中心に対して線対称で、かつ、Ｖ字状またはＵ字状に配置されて外周側と内周側との２層構造に配置されて埋め込まれた永久磁石を含むロータと、を備え、外周側に配置された永久磁石のＶ字状またはＵ字状の磁極中心に対する角度は、内周側に配置された永久磁石の磁極中心に対するＶ字状またはＵ字状の角度よりも大きい。
【０００９】
上記構成に係る回転電機によれば、磁極中心に対し、外周側の層の永久磁石がなす角度が、内周側の層の永久磁石がなす角度よりも大きい。これにより２層の間の磁路について、磁極中心側の磁路が磁極端側の磁路よりも広くなるので、２層の間の磁路における磁束密度の飽和を緩和し、回転電機としてのトルク低下を抑制できる。
【００１０】
本開示に係る回転電機において、内周側に配置された永久磁石のＶ字状またはＵ字状の磁極中心に対する角度は、磁極中心から離れるにつれて小さくなることが好ましい。
【００１１】
本開示に係る回転電機において、内周側に配置された永久磁石のＶ字状またはＵ字状の形状は、磁極中心から離れる方向に沿って少なくとも１箇所で屈曲していることが好ましい。
【００１２】
上記構成に係る回転電機によれば、２層の間の磁路における磁束密度の飽和を緩和しながら、内周側に配置された永久磁石の磁極中心に対する角度が一定の場合に比べ、ロータ及び回転電機の小型化を図れる。
【００１３】
本開示に係る回転電機において、１磁極当り、外周側に配置された永久磁石の数は２個以上で、内周側に配置された永久磁石の数は４個以上であることが好ましい。
【００１４】
本開示に係る回転電機において、内周側に配置されたＶ字状またはＵ字状のセンターブリッジの周方向に沿った長さは、外周側に配置されたＶ字状またはＵ字状のセンターブリッジの周方向に沿った長さよりも長いことが好ましい。
【００１５】
回転電機の回転による遠心力や加振力に起因して作用する応力は、埋め込まれる永久磁石の大きさが大きくなるにつれて増加する。上記構成の回転電機によれば、２層の内で磁石数が多い内周側のセンターブリッジの長さを外周側のセンターブリッジの長さに比べて長くとるので、外周側のセンターブリッジに懸る応力と内周側のセンターブリッジに懸る応力の均一化が図れ、センターブリッジの損傷を抑制できる。
【発明の効果】
【００１６】
上記構成の回転電機によれば、２層の埋込磁石式のロータにおいて磁束密度の飽和を緩和し、トルク低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施の形態に係る回転電機の構成図である。
【図２】図１の磁極Ｐ１の拡大図である。
【図３】図２における角度関係を示す図である。
【図４】図２の構成においてｑ軸磁束の流れを示す図である。
【図５】図２の構成において、磁束の密集箇所の例を示す図である。
【図６】比較例として、図３におけるθ２＞θ３と異なり、θ３をθ２に合わせてθ２＝θ３とした場合の１磁極を示す図である。
【図７】他の比較例で、図３におけるθ２をθ３に合わせて、θ２＝θ３とした場合の１磁極を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、車両に搭載される回転電機を述べるが、これは説明のための例示であって、車両搭載以外の用途であっても構わない。以下では、ステータコイルの巻回方法を分布巻として述べるが、これは説明のための例示であって、集中巻であってもよい。
【００１９】
以下で述べる形状、寸法、ティース及びスロットの数、ロータの磁極数、永久磁石の数、材質等は、説明のための例示であって、回転電機の仕様に合わせ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２０】
図１は、車両に搭載される回転電機１０の構成を示す図である。回転電機１０は、図示しない駆動回路の制御によって、車両が力行するときは電動機として機能し、車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相同期型の回転電機である。回転電機１０は、固定子であるステータ１２と、ステータ１２の内周側に所定の間隔を隔てて配置される回転子であるロータ３０とで構成される。
【００２１】
ステータ１２は、ステータコア１４と、ステータコイル１６とを含む。ステータコア１４は、円環状の磁性体部品で、円環状のバックヨーク１８とバックヨーク１８から内周側に突き出す複数のティース２０とを含む。隣接するティース２０の間の空間はスロット２２である。図１の例では、ティース２０の数とスロット２２の数は同数で、３の倍数である４８である。
【００２２】
かかるステータコア１４は、バックヨーク１８とティース２０とを含み、スロット２２が形成されるように所定の形状に成形された円環状の磁性体薄板を所定枚数で軸方向に積み重ねた積層体である。磁性体薄板の両面には電気的な絶縁処理が施される。磁性体薄板の材質としては、珪素鋼板の一種である電磁鋼板を用いることができる。磁性体薄板の積層体に代えて、磁性粉末を一体化成形したものをステータコア１４としてもよい。
【００２３】
ステータコイル１６は、三相の分布巻コイルで、１つの相巻線が複数のティース２０に跨って巻回されて形成される。図１には、ステータコイル１６の一部の巻回を示す。ここで、各スロット２２に付したＵ，Ｖ，Ｗは、そのスロット２２に巻回される巻線の相を示す。例えば、Ｕ相巻線は、Ｕと付されたスロット２２に挿入され、その挿入されたスロット２２から周方向に沿って延びて６スロット分隔てた次のＵと付されたスロット２２に挿入され、これを繰り返すことで形成される。Ｖ相巻線、Ｗ相巻線も同様である。
【００２４】
ロータ３０は、ステータ１２の内周に対し、所定の磁気ギャップ２４を隔てて同心状に配置される円環状の回転子である。ロータ３０は、ロータコア３２と中心穴３４とを含む。ロータコア３２の中心穴３４には、回転電機１０の出力軸であるロータ軸が固定される。中心穴３４の中心位置をＣと示す。図１に、径方向と周方向と軸方向とを示す。径方向は、中心位置Ｃとステータ１２の外周側とを結ぶ放射状の方向で、中心位置Ｃ側が内周側の方向であり、ステータ１２の外周側が外周側の方向である。周方向は、中心位置Ｃを中心として円周方向に沿って延びる方向である。軸方向は、中心穴３４に挿入されるロータ軸が延びる方向で、図１における紙面に垂直な方向である。
【００２５】
ロータ３０は、磁極数が８で、中心位置Ｃから見た１磁極分の周方向に沿った見込み角度φは４５度である。図１において、８個の磁極にそれぞれＰ１からＰ８を付した。Ｐ１〜Ｐ８の各磁極は、配置位置が異なるのみで、構成は同じである。そこで、いくつかの磁極に代表させて、各磁極における複数の永久磁石、複数の磁石孔等について述べる。
【００２６】
磁極Ｐ１に示すように、各磁極は、径方向に沿って外周側と内周側との２層構造に配置された埋込磁石部４０を有する。埋込磁石部４０の２層構造の各層を区別するときは、外周側の層を外埋込磁石部４２と呼び、内周側の層を内埋込磁石部４４と呼ぶ。
【００２７】
外埋込磁石部４２も内埋込磁石部４４も、永久磁石は磁石孔に挿入される。図１において永久磁石に斜線を付したので、磁石孔は、永久磁石の長手方向の端部に斜線が付されていない部分として示されるが、そのままでは磁石孔の形状がやや分かりにくい。そこで、磁極Ｐ８において、永久磁石の図示を省略して、磁石孔のみを表した。磁極Ｐ８に示すように、各磁極は、磁石孔６０，６１，６２，６３を有する。磁石孔６０，６１は外埋込磁石部４２に属し、磁石孔６２，６３は内埋込磁石部４４に属する。
【００２８】
磁極Ｐ７において、磁石孔６０，６１，６２，６３に挿入される永久磁石５０，５１，５３，５３，５４，５５を示す。磁極Ｐ１、磁極Ｐ８を参照して、外埋込磁石部４２においては、磁石孔６０に永久磁石５０が挿入され、磁石孔６１に永久磁石５１が挿入される。内埋込磁石部４４においては、磁石孔６２に、永久磁石５２，５４が挿入され、磁石孔６３に、永久磁石５３，５５が挿入される。
【００２９】
Ｐ１〜Ｐ８の各磁極は構成が同じであるので、以下では、磁極Ｐ１について、図２を用いて外埋込磁石部４２と内埋込磁石部４４の詳細な構成を述べる。
【００３０】
図２において、磁極Ｐ１の磁極中心をＣLで示す。磁極中心ＣLは、磁極Ｐ１を中心位置Ｃから見て周方向に沿った見込み角度φを二分して、φ／２ずつとして、中心位置Ｃを通り、外周側に延びる線である。磁極中心ＣLは、磁極Ｐ１におけるｄ軸である。磁極Ｐ１のｑ軸は、中心位置Ｃを通り、磁極Ｐ１とその隣の磁極Ｐ２，Ｐ８との境界線である。
【００３１】
外埋込磁石部４２は、磁極中心ＣLに対して線対称で、かつ、Ｖ字状に配置された２個の永久磁石５０，５１を含む。２個の永久磁石５０，５１は、それぞれ、磁石孔６０，６１に挿入される。磁石孔６０，６１も磁極中心ＣLに対して線対称で、かつ、Ｖ字状に配置されている。Ｖ字状とは、外周側に向かって互いの間隔距離が拡がり内周側で互いに近接する形状である。
【００３２】
内埋込磁石部４４は、磁極中心ＣLに対して線対称で、かつ、Ｕ字状に配置された４つの永久磁石５２，５４，５３，５５を含む。永久磁石５２，５４は、磁石孔６２に挿入され、永久磁石５３，５５は、磁石孔６３に挿入される。磁石孔６２，６３も磁極中心ＣLに対して線対称で、かつ、Ｕ字状に配置されている。Ｕ字状とは、外周側に向かって互いの間隔距離が拡がり内周側で互いに近接する形状であることはＶ字状と同じであるが、磁極中心ＣLから離れる方向に沿って外周側に向かう間隔距離の拡がりが小さくなるように
屈曲していることが相違する。図２で、屈曲位置６４，６５を示す。内埋込磁石部４４のＵ字状は、屈曲位置６４を有する折れ曲り形状と、屈曲位置６５を有する折れ曲り形状とが、磁極中心ＣLに対し、線対称に配置されて合成された形状である。
【００３３】
永久磁石５０，５１，５２，５３，５４，５５は、いずれも同じ形状を有し、軸方向に垂直な断面形状が矩形で、軸方向の長さはロータ３０の軸方向の長さよりやや短めの直方形の棒磁石である。
【００３４】
永久磁石５０，５１，５２，５３，５４，５５の材質としては、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石、サマリウムとコバルトを主成分とするサマリウムコバルト磁石等の希土類磁石が用いられる。これ以外にフェライト磁石、アルニコ磁石等を用いてもよい。
【００３５】
永久磁石５０，５１，５２，５３，５４，５５の着磁方向は、いずれも短辺方向に沿って外周側から内周側に向って行われるが、隣接する磁極の間では、着磁方向が互いに逆である。図２の例では、永久磁石５０，５１，５２，５３，５４，５５の外周側を向く面がＮ極で、内周側を向く面がＳ極に着磁される。これに対し、磁極Ｐ１に隣接する磁極Ｐ２，Ｐ８では、永久磁石５０，５１，５２，５３，５４，５５の外周側を向く面がＳ極で、内周側を向く面がＮ極に着磁される。これにより、磁極Ｐ１から磁極Ｐ８に向かって、ステータ１２側を向く外周側の磁極極性が、Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓと周方向に沿って交互に異なる極性で配置される。永久磁石５０，５１，５２，５３，５４，５５は、回転電機１０が動作するときに、ステータ１２が発生する回転磁界と協働して、マグネットトルクを発生する。
【００３６】
外埋込磁石部４２の磁石孔６０，６１は、平面図において、永久磁石５０，５１の短辺寸法よりやや大きめの孔幅を有し、長手方向には永久磁石５０，５１の長辺の両端部からさらに延びた孔端部を有する。図２においても永久磁石５０，５１には斜線を付した。磁石孔６０，６１において斜線が付されていない部分が永久磁石５０，５１の長辺の両端部から延びた孔端部に対応する。内埋込磁石部４４においても同様である。
【００３７】
永久磁石５０，５１の長辺の両端部からさらに延びた孔端部は、ロータコア３２における漏れ磁束を抑制するためのブリッジ部を形成する形状に設定され、また、永久磁石５０，５１の固定のために充填される樹脂の注入口として用いられる。固定のための樹脂としては、成形性と耐熱性に優れた熱硬化樹脂が用いられる。熱硬化樹脂としては、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等が用いられる。
【００３８】
外側センターブリッジ７０は、永久磁石５０，５１のそれぞれの長辺の磁極中心ＣL側の端部からさらに磁極中心ＣL側に延びた２つの孔端部が向かい合う間にあるロータコア３２の磁性体部分である。外周ブリッジ７２，７３は、永久磁石５０，５１のぞれぞれの長辺の磁極中心ＣL側とは反対側の端部からロータコア３２の外周側に延びた孔端部とロータコア３２の外周端とが向かい合う間にあるロータコア３２の磁性体部分である。
【００３９】
内埋込磁石部４４の磁石孔６２，６３は、平面図において、屈曲位置６４，６５で折れ曲がる折曲孔である。磁石孔６２，６３は磁極中心ＣLに対し線対称であるので、磁石孔６２について述べる。磁石孔６２は、屈曲位置６４よりも磁極中心ＣL側の部分孔６２ａと、屈曲位置６４よりも外周側の部分孔６２ｂと、この２つの部分孔を屈曲位置６４で接続する接続孔６２ｃとを含んで構成される。部分孔６２ａには永久磁石５２が挿入され、部分孔６２ｂには永久磁石５４が挿入される。
【００４０】
部分孔６２ａ，６２ｂは、それぞれ、平面図において、永久磁石５４，５２の短辺寸法よりやや大きめの孔幅を有し、長手方向には永久磁石５４，５２の長辺の両端部からさらに延びた孔端部を有する。永久磁石５４，５２の長辺の両端部からさらに延びた孔端部は、ブリッジ部を形成する形状に設定され、また、樹脂の注入口として用いられることは、磁石孔６０，６１における孔端部と同じである。
【００４１】
同様に磁石孔６３も、永久磁石５３が挿入される部分孔６３ａ、永久磁石５５が挿入される部分孔６３ｂ、及び接続孔６３ｃとを含んで構成される。部分孔６３ａ，６３ｂは、それぞれ、平面図において、永久磁石５３，５５の短辺寸法よりやや大きめの孔幅を有し、長手方向には永久磁石５３，５５の長辺の両端部からさらに延びた孔端部を有する。各孔端部がブリッジ部を形成する形状に設定され、永久磁石５３，５５の固定のために充填される樹脂の注入口として用いられることも同様である。
【００４２】
内側センターブリッジ７４は、部分孔６２ａ，６３ａのそれぞれから磁極中心ＣL側に延びて互いに向かい合う間にあるロータコア３２の磁性体部分である。外周ブリッジ７６，７７は、部分孔６２ｂ，６３ｂのそれぞれから磁極中心ＣL側とは反対側の端部からロータコア３２の外周側に延びた孔端部とロータコア３２の外周端とが向かい合う間にあるロータコア３２の磁性体部分である。
【００４３】
外側センターブリッジ７０、外周ブリッジ７２，７３、内側センターブリッジ７４、外周ブリッジ７６，７７は、ロータコア３２において漏れ磁束を抑制するためのブリッジ部である。各ブリッジ部の寸法が狭く、その磁性体部分の幅が狭いほど、漏れ磁束を少なくできるので、回転電機１０の出力効率の向上に寄与する。一方で、回転電機１０が動作するときの遠心力や加振力に起因する応力は各ブリッジ部に集中するので、各ブリッジ部が狭い寸法であると損傷する恐れがあり、回転数の制限が生じ得る。回転電機１０が動作するときの遠心力や加振力に起因する応力は、各ブリッジ部が負担する質量が大きくなるに連れて増加する。
【００４４】
特に、外側センターブリッジ７０は２個の永久磁石５０，５１の質量を負担するのに対し、内側センターブリッジ７４は４つの永久磁石５２，５４，５３，５５の質量を負担する。そこで、内側センターブリッジ７４の周方向に沿った長さは、外側センターブリッジ７０の周方向に沿った長さよりも長く設定される。これにより、回転電機１０が動作したときに外側センターブリッジ７０が受ける応力と、内側センターブリッジ７４が受ける応力を均一化でき、ロータコア３２の全体として、局部的に大きな応力を受けることが抑制され、ロータコア３２の強度が向上する。ロータコア３２の強度が向上すると、回転電機１０をより高回転化でき、出力できるトルクが向上する。また、外側センターブリッジ７０、内側センターブリッジ７４を含めたブリッジ部をより細くすることが可能になり、回転電機１０の出力効率が向上し、小型化が可能になる。
【００４５】
図３は、図２における角度関係を示す図である。磁極中心ＣLに対し、永久磁石５０，５１がそれぞれなす角度をθ１とし、永久磁石５２，５３がそれぞれなす角度をθ２とし、永久磁石５４，５５がそれぞれなす角度をθ３とする。ここで、θ１＞θ２，θ１＞θ３，θ２＞θ３となるように設定される。大小関係は、θ１＞θ２＞θ３となる。θ１＞θ２，θ１＞θ３とすることで、外埋込磁石部４２と内埋込磁石部４４との間の磁性体部分の幅寸法を、磁極中心ＣL側でより広く確保することができ、後述（図５参照）するように、磁束の局部的な密集による磁気飽和を緩和することができる。また、θ２＞θ３とすることで、後述（図６、図７参照）するように、θ２＝θ３とする場合に比較して、磁極Ｐ１の寸法が過度に大きくなることを防止し、回転電機１０の小型化を図れる。
【００４６】
上記構成の作用効果を、埋込磁石式の回転電機１０のトルク特性、及び図４から図７を用いて、さらに詳細に説明する。
【００４７】
埋込磁石式の回転電機１０のトルク特性は、トルクＴ＝（Ｐ0・Ψ）Ｉｄ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）Ｉｄ・Ｉｑで与えられる。ここで、Ｐ0は磁極数、Ψは鎖交磁束、Ｉｄはｄ軸電流、Ｉｑはｑ軸電流、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンスである。第１項は永久磁石の作る磁束によるマグネットトルクで、第２項はリラクタンストルクで、トルクＴ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である。
【００４８】
上記構成によれば、１磁極当り６個の永久磁石５０，５１，５２，５３，５４，５５を用いるので、１個の永久磁石の特性が同じとして、一般的な１層のＶ字状で２個の永久磁石を用いる磁極構造に比べ、永久磁石全体の磁束が増加する。１層のＶ字状で４個の永久磁石を用いる構造、２層のＶ字状で４個の永久磁石を用いる構造と比較しても、同様に、永久磁石全体の磁束が増加する。永久磁石全体の磁束が増加すると、鎖交磁束Ψが増加するので、マグネットトルクが増加する。これによって、回転電機１０が出力するトルクＴが増加する。
【００４９】
次に、埋込磁石部４０を外埋込磁石部４２と、内埋込磁石部４４の２層構造にしたことで、ｑ軸インダクタンスＬｑが向上する。図４は、磁極Ｐ１について、２層構造の埋込磁石部４０において、ｑ軸磁束の流れを矢印で示す図である。磁極Ｐ１において、ｑ軸磁束は、隣接する磁極との境界である磁極Ｐ１の一方側のｑ軸と他方側のｑ軸との間で、周方向に沿って流れる。これに対し、ｄ軸磁束は、磁極Ｐ１の径方向に沿って流れる。図４に示すように、ｑ軸磁束は、外埋込磁石部４２と、内埋込磁石部４４との間の磁性体部分を磁路として流れるので、外埋込磁石部４２と、内埋込磁石部４４との間隔が大きいほど流れやすく、ｑ軸インダクタンスＬｑが大きくなる。これに対し、磁極Ｐ１の径方向に沿って流れるｄ軸磁束は、外埋込磁石部４２と、内埋込磁石部４４との間隔の大小にあまり依存しないので、ｄ軸インダクタンスＬｄはほぼ一定のままである。
【００５０】
したがって、外埋込磁石部４２と内埋込磁石部４４との間隔がゼロである１層構造の埋込磁石部に比較すると、２層構造の埋込磁石部４０は、（Ｌｑ−Ｌｄ）を大きくとれる。通常はｄ軸電流を負に取るので、（Ｌｑ−Ｌｄ）が大きいほど、リラクタンストルクが増加する。このように、２層構造の埋込磁石部４０とすることで、リラクタンストルクが増加する。これによって、回転電機１０が出力するトルクＴが増加する。
【００５１】
図５は、ステータコイル１６に所定の駆動電流を流して回転磁界を発生させ、回転電機１０を動作させたときの磁極Ｐ１について磁界解析を行った一例を示す図である。図５において、破線で囲んだ領域に、磁束の局部的な密集がやや生じている。破線で囲んだ領域は、外埋込磁石部４２と内埋込磁石部４４との間の磁路の内で、磁極中心ＣL寄りの領域である。
【００５２】
破線で囲んだ領域において磁束の局部的な密集が生じる理由としては、次のことが考えられる。すなわち、２層構造の埋込磁石部４０においては、外埋込磁石部４２は２個の永久磁石５０，５１を有するのに対し、内埋込磁石部４４は４個の永久磁石５２，５３，５４，５５を備える。したがって、内埋込磁石部４４の４個の永久磁石５２，５３，５４，５５を通った磁束は、そのすべてが外埋込磁石部４２の２個の永久磁石５０，５１にそのまま向かうことができず、一部は、磁極中心ＣL寄りに流れ、そこにおいて磁束の流れが密集する。磁束の流れにおいて局部的な密集が生じると、その箇所の磁性体が磁気飽和し、磁束密度が飽和する。これによって鎖交磁束Ψが小さくなり、マグネットトルクが低下し、回転電機１０が出力するトルクが低下する。
【００５３】
図２、図３で述べた構成によれば、外埋込磁石部４２と内埋込磁石部４４との間の磁性体部分の幅寸法を、磁極中心ＣL側でより広く確保することができる。これによって、外埋込磁石部４２と内埋込磁石部４４との間の磁性体部分の幅寸法が周方向に沿って一定の場合に比べ、図５の破線で囲んだ領域の磁束の局部的な密集を緩和でき、回転電機１０が出力するトルクの低下を抑制できる。
【００５４】
図６、図７は、上記構成に対する比較例である。上記構成では、内埋込磁石部４４において、屈曲位置６４，６５を設けて、θ３＜θ２としてＵ字状の配置とした。図６、図７は、内埋込磁石部４４において屈曲位置６４，６５を設けない２つの比較例である。
【００５５】
図３ではθ２＞θ３であるが、図６は、θ３をθ２に合わせて大きくし、θ２＝θ３とした場合の１磁極を示す図である。この比較例では、１磁極の周方向の寸法が大きくなる。二点鎖線で図３の磁極Ｐ１の輪郭線を示す。
【００５６】
図３ではθ３＜θ２であるが、図７は、図３におけるθ２をθ３に合わせて小さくし、θ２＝θ３とした場合の１磁極を示す図である。この比較例では、内側センターブリッジが開きすぎで、漏れ磁束が大となりすぎる。図３と同程度の内側センターブリッジとするときの配置を破線で示す。この比較例では、１磁極の径方向の寸法が大きくなる。二点鎖線で図３の磁極Ｐ１の輪郭線を示す。
【００５７】
このように、内埋込磁石部４４において、屈曲位置６４，６５を設けて、θ３＜θ２としてＵ字状の配置とすることで、θ３＝θ２とする場合に比較して、１磁極の寸法を小型化でき、回転電機１０の小型化を図れる。
【００５８】
上記では、２層構造の埋込磁石部４０において、外埋込磁石部４２における永久磁石５０，５１をＶ字状の配置とし、内埋込磁石部４４における永久磁石５２，５４，５３，５５、をＵ字状の配置とした。ロータ３０の仕様、特に、ロータ径、磁極数、永久磁石の寸法等によっては、外埋込磁石部４２において、永久磁石の数を４以上として、Ｕ字状の配置とすることができる。また、内埋込磁石部４４において、永久磁石の数を６以上として、屈曲位置の数を増やし、より滑らかなＵ字状の配置としてもよい。そのときは、屈曲位置の数の増加に伴い、内周側に配置された永久磁石のＵ字状の磁極中心ＣLに対する角度を、磁極中心ＣLから離れるにつれて小さくすることがよい。場合によっては、永久磁石の数を２、あるいは４のままで、θ３を適切に選択し、Ｖ字状の配置としてもよい。
【００５９】
本実施の形態における回転電機１０は、ステータコイル１６が巻回されたステータ１２と、ステータ１２の内周に対し所定の磁気ギャップ２４を隔てて同心状に配置されるロータ３０とを備える。ロータ３０は、ロータコア３２及び、ロータコア３２内において、磁極中心ＣLに対して線対称で、かつＶ字状またはＵ字状に配置されて径方向に沿って外周側と内周側との２層構造に配置されて埋め込まれた永久磁石５０，５１，５２，５４，５３，５５を含む。外周側に配置された永久磁石５０，５１のＶ字状またはＵ字状の磁極中心ＣLに対する角度θ１は、内周側に配置された永久磁石５２，５４，５３，５５の磁極中心ＣLに対するＶ字状またはＵ字状の角度θ２，θ３よりも大きい。
【符号の説明】
【００６０】
１０  回転電機、１２  ステータ、１４  ステータコア、１６  ステータコイル、１８  バックヨーク、２０  ティース、２２  スロット、２４  磁気ギャップ、３０  ロータ、３２  ロータコア、３４  中心穴、４０  埋込磁石部、４２  外埋込磁石部、４４  内埋込磁石部、５０，５１，５２，５３，５４，５５  永久磁石、６０，６１，６２，６３  磁石孔、６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂ  部分孔、６２ｃ，６３ｃ  接続孔、６４，６５  屈曲位置、７０  外側センターブリッジ、７２，７３，７６，７７  外周ブリッジ、７４  内側センターブリッジ。
【図１】
2018082540.tif 000003
【図２】
2018082540.tif 000004
【図３】
2018082540.tif 000005
【図４】
2018082540.tif 000006
【図５】
2018082540.tif 000007
【図６】
2018082540.tif 000008
【図７】
2018082540.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成29年9月7日(2017.9.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータコイルが巻回されたステータと、
前記ステータの内周側に対し所定の間隔を隔てて同心状に配置されるロータであって、ロータコア、及び、該ロータコア内において、磁極中心線に対して線対称で、かつ、Ｖ字状またはＵ字状に配置されて外周側と内周側との２層構造に配置されて埋め込まれた永久磁石を含む前記ロータと、
を備え、
前記外周側に配置された前記永久磁石の前記磁極中心線に対する角度は、前記内周側に配置された前記永久磁石の前記磁極中心線に対する角度よりも大きい、回転電機。
【請求項２】
１磁極当り、前記外周側に配置された前記永久磁石の数は２個以上の偶数で、前記内周側に配置された前記永久磁石の数は４個以上の偶数である、請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記内周側に配置された前記永久磁石について前記Ｕ字状の配置形状は、前記磁極中心線から離れて遠い位置に配置された前記永久磁石の前記磁極中心線に対する角度は、前記磁極中心線から近い位置に配置された前記永久磁石が前記磁極中心線に対してなす角度よりも小さい、請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記内周側に配置された前記永久磁石の磁石孔におけるセンターブリッジの周方向に沿った長さは、前記外周側に配置された前記永久磁石の磁石孔におけるセンターブリッジの前記周方向に沿った長さよりも長い、請求項２に記載の回転電機。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本開示に係る回転電機は、ステータコイルが巻回されたステータと、ステータの内周側に所定の間隔を隔てて同心状に配置されるロータであって、ロータコア、及び、ロータコア内において、磁極中心線に対して線対称で、かつ、Ｖ字状またはＵ字状に配置されて外周側と内周側との２層構造に配置されて埋め込まれた永久磁石を含むロータと、を備え、外周側に配置された永久磁石の磁極中心線に対する角度は、内周側に配置された永久磁石の磁極中心線に対する角度よりも大きい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上記構成に係る回転電機によれば、磁極中心線に対し、外周側の層の永久磁石がなす角度が、内周側の層の永久磁石がなす角度よりも大きい。これにより２層の間の磁路について、磁極中心線側の磁路が磁極端側の磁路よりも広くなるので、２層の間の磁路における磁束密度の飽和を緩和し、回転電機としてのトルク低下を抑制できる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本開示に係る回転電機において、１磁極当り、外周側に配置された永久磁石の数は２個以上の偶数で、内周側に配置された永久磁石の数は４個以上の偶数であることが好ましい。
本開示に係る回転電機において、内周側に配置された永久磁石についてＵ字状の配置形状は、磁極中心線から離れて遠い位置に配置された永久磁石の磁極中心線に対する角度は、磁極中心線から近い位置に配置された永久磁石が磁極中心線に対してなす角度よりも小さいことが好ましい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
上記構成に係る回転電機によれば、２層の間の磁路における磁束密度の飽和を緩和しながら、内周側に配置された永久磁石の磁極中心線に対する角度が一定の場合に比べ、ロータ及び回転電機の小型化を図れる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本開示に係る回転電機において、内周側に配置された永久磁石の磁石孔におけるセンターブリッジの周方向に沿った長さは、外周側に配置された永久磁石の磁石孔におけるセンターブリッジの周方向に沿った長さよりも長いことが好ましい。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
図２において、磁極Ｐ１の磁極中心線をＣLで示す。磁極中心線ＣLは、磁極Ｐ１を中心位置Ｃから見て周方向に沿った見込み角度φを二分して、φ／２ずつとして、中心位置Ｃを通り、外周側に延びる線である。磁極中心線ＣLは、磁極Ｐ１におけるｄ軸である。磁極Ｐ１のｑ軸は、中心位置Ｃを通り、磁極Ｐ１とその隣の磁極Ｐ２，Ｐ８との境界線である。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
外埋込磁石部４２は、磁極中心線ＣLに対して線対称で、かつ、Ｖ字状に配置された２個の永久磁石５０，５１を含む。２個の永久磁石５０，５１は、それぞれ、磁石孔６０，６１に挿入される。磁石孔６０，６１も磁極中心線ＣLに対して線対称で、かつ、Ｖ字状に配置されている。Ｖ字状とは、磁極中心線ＣLに対する線対称の配置が、外周側に向かって互いの間隔距離が拡がり内周側で互いの間隔距離が近接する形状である。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
内埋込磁石部４４は、磁極中心線ＣLに対して線対称で、かつ、Ｕ字状に配置された４つの永久磁石５２，５４，５３，５５を含む。永久磁石５２，５４は、磁石孔６２に挿入され、永久磁石５３，５５は、磁石孔６３に挿入される。磁石孔６２，６３も磁極中心線ＣLに対して線対称で、かつ、Ｕ字状に配置されている。Ｕ字状の配置形状は、磁極中心線ＣLに対する線対称の配置が、外周側に向かって互いの間隔距離が拡がり内周側で互いの間隔距離が近接する形状であることはＶ字状と同じである。さらに、Ｕ字状に配置された４つの永久磁石の配置形状は、磁極中心線ＣLから遠い位置に配置された永久磁石５４，５５の磁極中心線ＣLに対してなす角度が、磁極中心線ＣLから近い位置に配置された永久磁石５２，５３の磁極中心線ＣLに対してなす角度よりも小さくなるように屈曲していることが相違する。図２で、屈曲位置６４，６５を示す。内埋込磁石部４４のＵ字状は、屈曲位置６４を有する折れ曲り形状と、屈曲位置６５を有する折れ曲り形状とが、磁極中心線ＣLに対し、線対称に配置されて合成された形状である。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
外側センターブリッジ７０は、永久磁石５０，５１のそれぞれの長辺の磁極中心線ＣL側の端部からさらに磁極中心線ＣL側に延びた２つの孔端部が向かい合う間にあるロータコア３２の磁性体部分である。外周ブリッジ７２，７３は、永久磁石５０，５１のぞれぞれの長辺の磁極中心線ＣL側とは反対側の端部からロータコア３２の外周側に延びた孔端部とロータコア３２の外周端とが向かい合う間にあるロータコア３２の磁性体部分である。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
内埋込磁石部４４の磁石孔６２，６３は、平面図において、屈曲位置６４，６５で折れ曲がる折曲孔である。磁石孔６２，６３は磁極中心線ＣLに対し線対称であるので、磁石孔６２について述べる。磁石孔６２は、屈曲位置６４よりも磁極中心線ＣL側の部分孔６２ａと、屈曲位置６４よりも外周側の部分孔６２ｂと、この２つの部分孔を屈曲位置６４で接続する接続孔６２ｃとを含んで構成される。部分孔６２ａには永久磁石５２が挿入され、部分孔６２ｂには永久磁石５４が挿入される。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
内側センターブリッジ７４は、部分孔６２ａ，６３ａのそれぞれから磁極中心線ＣL側に延びて互いに向かい合う間にあるロータコア３２の磁性体部分である。外周ブリッジ７６，７７は、部分孔６２ｂ，６３ｂのそれぞれから磁極中心線ＣL側とは反対側の端部からロータコア３２の外周側に延びた孔端部とロータコア３２の外周端とが向かい合う間にあるロータコア３２の磁性体部分である。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
図３は、図２における角度関係を示す図である。磁極中心線ＣLに対し、永久磁石５０，５１がそれぞれなす角度をθ１とし、永久磁石５２，５３がそれぞれなす角度をθ２とし、永久磁石５４，５５がそれぞれなす角度をθ３とする。ここで、θ１＞θ２，θ１＞θ３，θ２＞θ３となるように設定される。大小関係は、θ１＞θ２＞θ３となる。θ１＞θ２，θ１＞θ３とすることで、外埋込磁石部４２と内埋込磁石部４４との間の磁性体部分の幅寸法を、磁極中心線ＣL側でより広く確保することができ、後述（図５参照）するように、磁束の局部的な密集による磁気飽和を緩和することができる。また、θ２＞θ３とすることで、後述（図６、図７参照）するように、θ２＝θ３とする場合に比較して、磁極Ｐ１の寸法が過度に大きくなることを防止し、回転電機１０の小型化を図れる。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
図５は、ステータコイル１６に所定の駆動電流を流して回転磁界を発生させ、回転電機１０を動作させたときの磁極Ｐ１について磁界解析を行った一例を示す図である。図５において、破線で囲んだ領域に、磁束の局部的な密集がやや生じている。破線で囲んだ領域は、外埋込磁石部４２と内埋込磁石部４４との間の磁路の内で、磁極中心線ＣL寄りの領域である。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
破線で囲んだ領域において磁束の局部的な密集が生じる理由としては、次のことが考えられる。すなわち、２層構造の埋込磁石部４０においては、外埋込磁石部４２は２個の永久磁石５０，５１を有するのに対し、内埋込磁石部４４は４個の永久磁石５２，５３，５４，５５を備える。したがって、内埋込磁石部４４の４個の永久磁石５２，５３，５４，５５を通った磁束は、そのすべてが外埋込磁石部４２の２個の永久磁石５０，５１にそのまま向かうことができず、一部は、磁極中心線ＣL寄りに流れ、そこにおいて磁束の流れが密集する。磁束の流れにおいて局部的な密集が生じると、その箇所の磁性体が磁気飽和し、磁束密度が飽和する。これによって鎖交磁束Ψが小さくなり、マグネットトルクが低下し、回転電機１０が出力するトルクが低下する。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
図２、図３で述べた構成によれば、外埋込磁石部４２と内埋込磁石部４４との間の磁性体部分の幅寸法を、磁極中心線ＣL側でより広く確保することができる。これによって、外埋込磁石部４２と内埋込磁石部４４との間の磁性体部分の幅寸法が周方向に沿って一定の場合に比べ、図５の破線で囲んだ領域の磁束の局部的な密集を緩和でき、回転電機１０が出力するトルクの低下を抑制できる。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
上記では、２層構造の埋込磁石部４０において、外埋込磁石部４２における永久磁石５０，５１をＶ字状の配置とし、内埋込磁石部４４における永久磁石５２，５４，５３，５５、をＵ字状の配置とした。ロータ３０の仕様、特に、ロータ径、磁極数、永久磁石の寸法等によっては、外埋込磁石部４２において、永久磁石の数を４以上として、Ｕ字状の配置とすることができる。また、内埋込磁石部４４において、永久磁石の数を６以上として、屈曲位置の数を増やし、より滑らかなＵ字状の配置としてもよい。そのときは、屈曲位置の数の増加に伴い、永久磁石の配置位置が磁極中心線ＣLから離れるほど、その永久磁石の磁極中心線ＣLに対する角度を小さくすることがよい。場合によっては、永久磁石の数を２、あるいは４のままで、θ３を適切に選択し、Ｖ字状の配置としてもよい。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
本実施の形態における回転電機１０は、ステータコイル１６が巻回されたステータ１２と、ステータ１２の内周に対し所定の磁気ギャップ２４を隔てて同心状に配置されるロータ３０とを備える。ロータ３０は、ロータコア３２及び、ロータコア３２内において、磁極中心線ＣLに対して線対称で、かつＶ字状またはＵ字状に配置されて径方向に沿って外周側と内周側との２層構造に配置されて埋め込まれた永久磁石５０，５１，５２，５４，５３，５５を含む。外周側に配置された永久磁石５０，５１の磁極中心線ＣLに対する角度θ１は、内周側に配置された永久磁石５２，５４，５３，５５の磁極中心線ＣLに対する角度θ２，θ３よりも大きい。