(57)【要約】【課題】効率を向上し、永久磁石と磁性鋼板を削減できる埋込磁石同期モータのロータを提供する。【解決手段】駆動軸に直結されて略円形状断面を有するロータハブ（３１）の磁性体の外側部に複数の永久磁石（３３）が配置され、独立した磁性鋼板積層コア（３４）が隣接どうし間隔を有して永久磁石の径方向外側に配置される。磁気飽和が生じにくい厚さにされた磁性鋼板積層コアの両端部の下部に穿設された貫通孔にピン（３８）が挿入され、ロータハブを挟む側面固定板（３０）の固定孔（４０）に太めのピンが支持されて固定される。側面固定板を、ロータハブ端面に設けられた軸方向突出部（４３）に嵌合して磁性鋼板積層コアの位置を精度よく決め、磁性鋼板積層コアで生じるトルクを側面固定板を介してロータハブに伝達させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円形状断面を有するロータハブの磁性体の外側部に、複数の永久磁石が隣接どうし逆極性で等間隔に配置され、円弧状断面の径方向外側部を有する複数の磁性鋼板積層コアが、隣接どうし間隔を有して該永久磁石の径方向外側の面に重ねられ、該磁性鋼板積層コアの積層方向に貫通して設けられたピンが略環状の側面固定板の固定孔に支持され、該側面固定板が前記ロータハブに固定される埋込磁石同期モータにおいて、該ピンが挿入される貫通孔が、前記磁性鋼板積層コアの周方向端部におけるロータの中心軸方向の偏った２箇所に穿設された構成を有する埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項２】
前記磁性鋼板積層コアの周方向端部近傍が前記永久磁石の径方向外面よりロータの中心軸方向に突出し、該突出した部分の近傍に前記貫通孔が穿設され、前記ロータハブの磁性体の外側部が、隣接する前記永久磁石の間において、ロータの中心軸方向に窪んだ形状にされる請求項１に記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項３】
前記磁性鋼板積層コアの周方向端部におけるロータの中心軸に近い部分が円弧状の断面形状にされる請求項１または請求項２に記載の埋込磁石同期モータのロータ。  
【請求項４】
円弧状凹部を内側の複数箇所に有する前記側面固定板が、前記ロータハブの軸方向端面における複数の円弧状の軸方向突出部に該円弧状凹部に合わせて嵌合される請求項１から請求項３のいずれかに記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項５】
前記側面固定板の外側形状が、前記ピン支持部近傍でない部分において、前記ピン支持部近傍の部分よりロータの中心軸方向に入る非円形の形状にされる請求項１から請求項４のいずれかに記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項６】
前記側面固定板が非磁性体の金属板を複数枚重ねて形成される請求項１から請求項５のいずれかに記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項７】
前記側面固定板が、前記ロータハブの軸方向端面に接着される請求項１から請求項６に記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項８】
前記側面固定板が、前記永久磁石に接着される請求項７に記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項９】
前記側面固定板が、前記磁性鋼板積層コアに接着される請求項７または請求項８に記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項１０】
前記磁性鋼板積層コアの周方向端部に一箇所づつ設けられた段差部が軸方向にずらして形成され、中間部の磁性鋼板の端が、該段差部における周方向に突出してない端と一致される請求項１から請求項９のいずれかに記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項１１】
非磁性材が前記磁性鋼板積層コアの前記段差部を形成する部分から内側積層方向に配置される請求項１０記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【請求項１２】
環状板が、隣接する前記永久磁石の間と対向する位置に導入孔と、周方向に片方が開放された該導入孔を覆う突起部を有し、前記導入孔と一致する位置に通気孔が設けられた前記側面固定板に固定される請求項１から請求項１１のいずれかに記載の埋込磁石同期モータのロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として自動車などに用いられる埋込磁石同期モータのロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
埋込磁石同期モータは、積層磁性鋼板に永久磁石を埋め込むことで、鉄損が少なく、永久磁石の飛散を防ぐ構成にされ、一般にマグネットトルクのほかにリラクタンストルクで駆動される高効率で可変速範囲の広いモータである。
【０００３】
先行技術文献の非特許文献１では、自動車用に実用化された埋込磁石同期モータの基本断面が示されている。本図面中の図１１で示す。永久磁石１の端部における積層磁性鋼板２の継鉄部３を磁束で飽和させるために、有効磁束の減少が生じる。所定のマグネットトルクを得るためには、磁束の減少を補うため、永久磁石１の量を増やすことになる。永久磁石１の質量が大きくなるほど積層磁性鋼板２の継鉄部３の幅を大きくして強度を上げる必要があり、磁束の漏洩量も相対的に大きくなる。
【０００４】
積層磁性鋼板の隣接する突極部４の間の磁束経路が急角度で曲げられて長く、無方向性磁性鋼板を用いるため、相対的に磁気抵抗が大きくなる。ステータ（固定子）５の巻線に流れる大きい電流で、幅が限定される突極部４が磁気飽和に近づくとさらに磁気抵抗が大きくなる。結果、ｑ軸インダクタンスが小さくなり、ｄ軸インダクタンスはほとんど変わらず、２つのインダクタンスの差が小さくなることでリラクタンストルクは小さくなる。また、鉄損が大きくなる。
【０００５】
永久磁石１の埋め込みが浅いため、ステータ５での高い周波数で変動する磁束の影響を強く受け、固有抵抗が小さい希土類の永久磁石１における渦電流損が大きい分だけモータ効率が落ち、永久磁石１
での温度が上昇する。さらに、積層磁性鋼板２は全体が一体化された隙間のない構成のため、永久磁石１を簡単には強制冷却できない。近接するステータ５の銅損や鉄損による永久磁石１での温度上昇の要因も加わるため、熱減磁を起こしにくい組成の永久磁石１を用いる必要がある。また、高い温度の下で、ステータ５からの強い減磁界で減磁されないために、抗磁力が大きく、余裕のある厚さの永久磁石１を使用しなければならない。
【０００６】
ロータの各磁極は、周方向に永久磁石１が積層磁性鋼板２に埋め込まれた部分と、積層磁性鋼板２から突出した突極部４の部分に区分される。永久磁石１が埋め込まれた部分の幅を広くすると、マグネットトルクは増えるがリラクタンストルクを大きくできない。逆の区分にすると、マグネットトルクが小さくなる。結果、マグネットトルクとリラクタンストルクを同時に最大化することは難しい。また、残留磁束の小さいフェライト磁石ではマグネットトルクはより小さくなる。
【０００７】
永久磁石１を埋め込む積層磁性鋼板２には、ロータ外径の大きさで打ち抜かれた磁性鋼板が使用されるため、不必要な部分が多く、磁性鋼板を無駄にする。また、使用する磁性鋼板に、磁気特性、強度、プレス打ち抜き性、打ち抜き後の方向による寸法変化などを妥協させる必要があり、一部だけを優先できない。積層磁性鋼板２の各磁極は円周上に配置され、各磁極でのトルクを均等化するためには無方向性磁性鋼板が用いられる。
【０００８】
永久磁石１を積層磁性鋼板２の内部に配置するため、挿入して埋め込む孔６を厚み方向に余裕を持たせる必要がある。永久磁石１と積層磁性鋼板２の間に空隙が生じてパーミアンス係数が小さくなり、磁石の動作点磁束密度を下げてモータ効率を低下させ、熱による不可逆減磁が生じやすい。また、永久磁石１を孔６に埋め込む作業や固定の信頼性に問題がある。
【０００９】
本発明の埋込磁石同期モータのロータと類似な構成を有する従来例が、先行技術文献の特許文献１において、ジェネレータあるいはマグネットトルクのみで駆動される永久磁石モータのロータを対象に、開示されている。本図面中の図１２と、図１３にそれぞれのロータ構成を示す。図１２では、磁性体のロータハブ７の複数の凹部８に位置決めされる永久磁石９の径方向外側に、径方向内側の凹部１０を永久磁石９に合わせる積層磁性鋼板１１が配置される。独立した積層磁性鋼板１１は、径方向のほぼ中間の位置に等間隔に貫通した４個のピン１２でロータハブ７の両側を挟む固定板１３の孔１４に支持され、固定板１３はロータハブ７に固定される。本発明の埋込磁石同期モータと異なり、リラクタンストルクを大きく発生させるために積層磁性鋼板１１の断面積を大きくして磁気飽和を緩和することや、乱れがない磁束経路を確保するためにピン１２の位置を適正化することなどをほとんど考慮しないで済む。
【００１０】
リラクタンストルクを大きくするには、積層磁性鋼板１１での周方向の磁束経路の磁気抵抗を小さくし、磁気飽和を起こさせないでｑ軸インダクタンスを大きくする必要があるが、積層磁性鋼板１１の径方向の厚さは薄く、周方向の磁束経路を妨げる径方向のほぼ中間の位置にピン１２が貫通している。ロータの高速回転時には、積層磁性鋼板１１や永久磁石９を遠心力に抗して強固に支持するため、両側の固定板１３の外周部１５と孔１４との幅を大きくし、ピン１２の径を大きくして強固にする必要があるが、４個のピン１２の径は小さく、特に強固にされていない。
【００１１】
磁性体のピン１２と積層磁性鋼１１の間に非磁性層が形成され、周方向の磁束経路を乱し、磁気抵抗を大きくする要因になる。ステータでの電流によって高い周波数で変動する磁束が磁性体のピン１２を流れる場合には、積層磁性鋼板１１に流れる場合に較べ、単位体積当たりの渦電流損やヒステリシス損などの鉄損が大幅に大きくなる。積層磁性鋼板１１の断面積が小さく、永久磁石９やステータからの磁束量が大きいほど、またピン１２が太い径にされるほど、磁性体のピン１２における鉄損は顕著になる。磁気抵抗や鉄損の増大は、大きいリラクタンストルクとモータ効率の向上を意図する埋込磁石同期モータでは問題になる。
【００１２】
図１３で示されるロータでは、積層磁性鋼板１６が、図１２の積層磁性鋼板１１に較べて径方向に厚く、断面積が大きくなっている。また、３箇所のピン１７が周方向の磁束経路を妨げる位置にあり、独立した積層磁性鋼板１６の周方向の両端部１８、１９近傍から出入する磁束の流れを妨げ、ｑ軸インダクタンスが相対的に小さくなり、リラクタンストルクを低下させる。鉄損においても、図１２の場合と同様の問題を有す。結果、埋込磁石同期モータとしての効率が悪くなる。また、ピン１７の径が小さく、ピン１７を固定する固定板２０の孔２１の位置が外周に非常に近く、高速回転で生じる積層磁性鋼板１６や永久磁石２２を遠心力に耐えて保持する強度はほとんど考慮されていない。  
【００１３】
埋込磁石同期モータのロータで独立した積層磁性鋼板を用いる従来例が、先行技術文献の特許文献３で開示されている。本図面中の図１４に示される。ロータの各磁極に、独立した積層磁性鋼板２３が両端近傍の下部でピン２４によって固定される。ピン２４の方向が積層磁性鋼板２３の積層方向と直交するため、磁性鋼板どうしの接合強度が強固でないと、高速回転時に積層磁性鋼板２３が遠心力で破壊される。
【００１４】
埋込磁石同期モータのロータに独立した積層磁性鋼板を用いる他の従来例が、先行技術文献の特許文献４に開示されている。本図面中の図１５に示される。独立した積層磁性鋼板２５が、周方向の両端面の外側から非磁性部材２６が当てられ、締め付けボルト２７で押さえられてロータの各磁極に固定される。積層磁性鋼板２５は直接永久磁石２８に接して固定されるため、各磁極の積層磁性鋼板２５の径方向の位置のばらつきは永久磁石２８の厚さ精度に依存する。永久磁石２８は、締め付けボルト２７の締め付け力や高い周波数で変動する発生トルクによる外力を直接受け、破損されやすい。積層磁性鋼板２５の外側円弧長が短かく、周方向の磁束経路の入出端が狭められ、ｑ軸インダクタンスが低くなり、リラクタンストルクを大きくとれない。また、コギングトルクや振動が大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第５８９４１８３号公報
【００１６】
【特許文献２】米国特許第４３９３３２０号公報
【００１７】
【特許文献３】特開平１０−３３６９２９号公報
【００１８】
【特許文献４】特開平６−３１９２３８号公報
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】ＴＯＹＯＴＡ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｖｏｌ．４９  Ｎｏ．２                    Ｄｅｃ．１９９９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
従来例での積層された磁性鋼板は、本背景技術の文中で積層磁性鋼板と表されたが、本発明の埋込磁石同期モータのロータにおいては、磁性鋼板積層コアと記述される。
【００２１】
解決されるべき課題の１は、ロータの永久磁石の上に配置される独立した磁性鋼板積層コアの径方向の厚さと、磁性鋼板積層コアを積層方向に貫通するピンの配置を選択することで、磁気飽和に余裕を有す短く乱されない磁束経路を得る。各磁極の周方向の両端部間を周方向に低い磁気抵抗にすることでｑ軸インダクタンスが大きくなり、永久磁石の中心に対向する方向のｄ軸インダクタンスは小さいまま、大きいリラクタンストルクを得て、高トルクで高効率の埋込磁石同期モータにする。
【００２２】
解決されるべき課題の２は、ロータの高速回転時に、独立した磁性鋼板積層コアと永久磁石が遠心力で飛散しない強度を、ピンの太さ、磁性鋼板積層コアにおけるピンを貫通させる孔の位置、およびピンを支持する側面固定板から得る。
【００２３】
解決されるべき課題の３は、永久磁石の磁束漏洩を少なくして、特に希土類磁石の量を削減する。さらには、残留磁束密度の小さいフェライト磁石の使用を可能にする。
【００２４】
課題の４は、磁性鋼板の使用量を大きく削減し、磁性鋼板の磁気特性とプレス打ち抜き性を優先させながらの磁性鋼板積層コアの形状精度と強度を確保する。
【００２５】
課題の５は、永久磁石と磁性鋼板積層の空隙を小さくしてパーミアンス係数を大きくして永久磁石を効率的に利用し、熱減磁を抑制する。また、永久磁石の接着を安定させ、作業を容易にする。
【００２６】
課題の６は、側面固定板をロータハブの両端面からの突出部に嵌合することで磁性鋼板積層コアの位置を確定し、位置精度を確保し、安定したトルク伝達を可能にする。
【００２７】
課題の７は、金属の側面固定板の固定孔において、ピンで支持された磁性鋼板積層コアと永久磁石の遠心力による離脱を抑える強度とトルク伝達時の耐張力を確保できることを前提に、側面固定板を非円形の外形状にすることで慣性モーメントと渦電流損を低減する。
【００２８】
課題の８は、側面固定板から外にピンの端部をほとんど突出させず、側面固定板をロータハブに接着で強固に固定し、さらには、永久磁石や磁性鋼板積層コアにも接着することで全体を強固にし、磁性鋼板積層コア中に局所的な圧縮応力を生じさせず、風切り音を低下させる。
【００２９】
課題の９は、独立した磁性鋼板積層コアの周方向端部に一箇所づつ設けられた段差部が軸方向にずらして形成され、リラクタンストルクの向上とコギングトルクの減少を図る。
【００３０】
課題の１０は、埋込磁石同期モータとして、マグネットトルクとリラクタンストルクの最大化を図る。
【００３１】
課題の１１は、磁性鋼板積層コアやピンおよび永久磁石を、ロータ回転時に磁性鋼板積層コアの間や永久磁石の間の空間で強制空冷する簡易な構成を導入し、鉄損による発熱を少なくするのに加え、ディスプロシウム（Ｄｙ）組成の少ないネオジム（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）磁石の使用を可能にする。  
【課題を解決するための手段】
【００３２】
主に自動車用など比較的大きい形状の場合、従来における埋込磁石同期モータの課題を解決するために、本発明の埋込磁石同期モータのロータにおいて、以下の手段をとる。
【００３３】
本発明の埋込磁石同期モータのロータは、大きいリラクタンストルクを得て、高効率のモータにするを目的としているため、ステータの電流による磁性鋼板積層コア中での周方向の磁束経路を乱さず、磁気飽和に至らなくし、磁気抵抗を少なくして、ｑ軸インダクタンスを大きくし、大きいリアクタンストルクと低鉄損を得ることが単なるジェネレータの場合と異なる。
【００３４】
結果的に質量が大きくなる磁性鋼板積層コアと永久磁石を、ロータ径が比較的大きく高速回転する条件下で、遠心力に耐えて支持するためにより強度を大きくする必要性が生じることも図１２と図１３で示される従来例と異なる。
【００３５】
請求項１に係わる発明では、磁性鋼板積層コアの周方向端部におけるロータの中心軸方向の偏った２箇所に貫通孔が穿設され、ピンが挿入される。磁性鋼板積層コアは、リラクタンストルクを大きくするために、径方向に厚く、断面積を大きくして磁気飽和を生じにくくし、磁性鋼板積層コア中の磁束経路を妨げない位置にピンを配置することで、磁気抵抗を小さくする。方向性磁性鋼板の磁化容易方向を周方向に合わせる結果、ｑ軸インダクタンスが大きくなり、インダクタンストルクを大きくすると同時に、鉄損を小さくする。
【００３６】
磁性体のピンは、積層された磁性鋼板に較べ、高い周波数の磁束変化において、鉄損、特に渦電流損が大きいため、ステータの電流による磁束変化の影響がより小さい位置に配置される。ピンが非磁性体で作られても、大きい渦電流損が生じない位置に配置される必要がある。  
【００３７】
請求項２に係わる発明では、永久磁石にＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類磁石を用いる場合で、磁性鋼板積層コアの周方向端部近傍が永久磁石の径方向外面よりロータハブの中心軸方向に突出される。この突出した部分の近傍に貫通孔が穿設され、ピンが挿入される。磁性鋼板積層コアの突出した分に応じて、ロータハブの磁性体の略円形断面の外側部が、隣接する永久磁石の間においてロータの中心軸方向に窪んだ形状にされる。磁性鋼板積層コアを径方向に必要以上に厚くせず、回転モーメントを増大させずに、永久磁石の両端部での磁束漏洩を抑制する。
【００３８】
請求項３に係わる発明では、磁性鋼板積層コアの周方向端部におけるロータの中心軸に近い部分が、円弧状の断面形状にされ、ピンで磁性鋼板積層コアを支持する強度を保ちながら、永久磁石の磁束漏洩を少なくする。
【００３９】
請求項４に係わる発明では、側面固定板の内側の複数箇所に円弧状の凹部が複数箇所に形成され、ロータハブの軸方向端面から近似した形状の軸方向突出部に嵌合される。円弧状の凹部と軸方向突出部の円弧状の外側部を合わせることで、磁性鋼板積層コアの径方向の位置が決められ、円弧状凹部の径方向端部と軸方向突出部の径方向端部を合わせることで、磁性鋼板積層コアの回転方向の位置が決められる。互いの径方向端部が合わされることで、磁性鋼板積層コアで生じるトルクが、側面固定板を介してロータハブに伝達される。
【００４０】
請求項５に係わる発明では、側面固定板の外側形状が、ピン支持部近傍以外の部分においてピン支持部近傍の部分よりロータの中心軸方向に入る、非円形の形状にされる。金属の側面固定板は、回転方向のトルクに耐える強度を持たせることを前提にする。側面固定板の慣性モーメントの低減と、非磁性金属の側面固定板におけるステータの電流による渦電流損の低減を図る。
【００４１】
請求項６に係わる発明では、側面固定板は非磁性体の金属板を複数枚重ねた構成にされる。磁性鋼板積層コアや永久磁石を高速回転時での遠心力に耐えて支持するため、側面固定板は相対的に厚くされる。プレス打ち抜き性と形状精度を優先し、さらに金属疲労による破壊を生じにくくする。
【００４２】
請求項７に係わる発明では、側面固定板がロータハブの軸方向端面に接着で固定される。ロータの軸方向の幅を大きくしないため、ピンの両端を側面固定板から外側にほとんど突出させないで側面固定板をロータハブに固定する。
【００４３】
請求項８に係わる発明では、側面固定板が永久磁石の軸方向端面に接着される。側面固定板がロータハブにも接着されることで永久磁石が安定し、ロータハブを挟む側面固定板を強固に固定できる。
【００４４】
請求項９に係わる発明では、側面固定板が磁性鋼板積層コアの軸方向端面に接着される。ピンも側面固定板に穿設された固定孔に接着されることでより強固にされる。ボルト締めに較べて磁性鋼板積層コア中での局所的な圧縮応力を少なくする。
【００４５】
請求項１０に係わる発明は、磁性鋼板積層コアの周方向端部に段差部が一箇所づつ形成され、中間の磁性鋼板の端を周方向に突出していない端に合わせる。個々の磁性鋼板積層コアの段差部は軸方向にずらして形成される。隣接する独立の磁性鋼板積層コアの間隔を、段差部の間の部分を除いて一定に保ったまま、段差部における周方向に出た端の位置を円周を磁極数で等分した位置とほぼ一致される。コギングトルクのレベルを抑制し、ｄ軸方向インダクタンスを小さくせず、リラクタンストルクを低下させないため、ステータに対向する磁性鋼板積層コアの外側部における回転方向の長さを確保する。
【００４６】
請求項１１に係わる発明では、シート状あるいはブロック状の非磁性材が、磁性鋼板積層コアの段差部を形成する部分から内側の積層方向に配置される。非磁性材は、ピンで貫通して固定されるが、磁性鋼板と同じ形状にする必要はない。段差部の部分で磁束が内側に局所的に曲がることで生じる鉄損と発熱を抑制する。
【００４７】
請求項１２に係わる発明では、環状板が、隣接する永久磁石の間と対向する位置に導入孔を、この導入孔を覆い周方向（回転方向）に開放された突起部を有し、導入孔と一致する位置に通気孔が形成された側面固定板に固定される。独立した磁性鋼板積層コアの間と隣接する永久磁石の間にできる空間に強制的に空気を流し込み、磁性鋼板積層コアの端部とピン、および永久磁石の側面を冷却する。両側に固定される環状板の突起部の開放された部分は互いに反対方向に向けられ、ロータ回転時には、突起部における片側が開放された部分から強制的に空気が押し込まれ、隣接する磁性鋼板積層コアおよび永久磁石の間を流れ、反対面の同じ構成の環状板の突起部で生じる負圧で強制排除されて強制空冷が行われる。
【発明の効果】
【００４８】
効率がよく、発生トルクの大きい埋込磁石同期モータが可能になる。
【００４９】
マグネットトルクとリラクタンストルクを最大化する埋め込み磁石同期モータが可能になる。
【００５０】
希土類の永久磁石を削減でき、磁性鋼板の使用量を大幅に低減できる。  
【００５１】
ロータ精度の確保と、簡素化された組立て工程が可能になる。  
【００５２】
簡単な構成による強制空冷と、鉄損で生じる発熱を抑制することで、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石の組成を簡素化できる。    
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の埋込磁石同期モータのロータを、実施例１の一部切り欠いた正面図で示す。
【図２】実施例１のロータを分解斜視図で示す。
【図３】実施例１の説明図を示す。
【図４】本発明の埋込磁石同期モータのロータを、実施例２の一部切り欠いた正面図で示す。
【図５】実施例２のロータを一部を分解した斜視図で示す。
【図６】実施例２における磁性鋼板積層コアを、他の例で示す。
【図７】本発明の埋込磁石同期モータのロータを、実施例３の一部切り欠いた正面図で示す。
【図８】実施例３のロータを一部を分解した斜視図で示す。
【図９】本発明の埋込磁石同期モータのロータを、実施例４で、一部切り欠いた正面図で示す。
【図１０】本発明の埋込磁石同期モータのロータを、実施例５で示す。
【図１１】従来のロータを示す。
【図１２】従来のロータを示す。
【図１３】従来のロータを示す。
【図１４】従来のロータを示す。
【図１５】従来のロータを示す。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
トルクと効率を向上し、永久磁石や磁性鋼板を少なくし、熱環境を緩和して使用できる永久磁石の範囲を広げる新しい埋込磁石同期モータを、独立した磁性鋼板積層コアをロータに用いた構成で実現した。      
【実施例１】
【００５５】
本発明の埋込磁石同期モータのロータでの実施例１を、図１、図２、および図３の構成において記述する。図１は、実施例１を、ロータ２９の側面固定板３０を一部切り欠いた平面図を示す。鋳鉄で形成されるロータハブ３１の略円形断面の外側部３２に、複数の永久磁石３３が円周上に８箇所、隣接どうし逆極性にされて等間隔に配置される。独立した磁性鋼板積層コア３４が個々の永久磁石３３の径方向の外側に重ねられ、円弧状の外側部３５が０．５ミリメートルほどの磁気ギャップでステータ３６に対向される。永久磁石３３に７ミリメートル厚のネオジム磁石を用い、外側部３５で規定される径が３００ミリメートルにされたロータ２９の構成を縮小して示される。
【００５６】
磁性鋼板積層コア３５は、０．２７ミリメートルから０．３５ミリメートルの厚さの方向性磁性鋼板を複数枚重ね、周方向端部のロータ２９の中心軸方向の偏った位置に穿設された貫通孔３７に、ピン３８が挿入されて固定される。ピン３８は、ロータハブ３１の軸方向端面３９を挟む側面固定板３０の固定孔４０に嵌められて固定される。ピン３８の表面にはフッ素樹脂などの薄い絶縁層が形成され、磁性鋼板の貫通孔の内側で電気的に短絡しないようにされ、大きいループで渦電流損が生じないようにされる。  
【００５７】
磁性鋼板積層コア３４の周方向端部の近傍が、永久磁石３３の径方向外面よりロータ２９の中心軸方向である内側に突出される。この突出した部分４１は、断面の外形状が円弧状にされ、突出した部分４１の円弧状の中心近傍に孔３７が穿設される。結果、突出した部分４１は環状の一部で形成される。ロータハブ３１の外側部３２は、隣接する永久磁石３３の間において、ロータ２９の中心軸方向に窪んだ形状にされる。窪みの深さは、突出した部分４１の突出分以上にされる。
【００５８】
ロータ２９の中心軸方向における側面固定板３０の内側には、複数の円弧状の凹部４２が等間隔に形成される。複数の円弧状の凹部４２が、ロータハブ３１の軸方向端面３９から円弧状に突出した軸方向突出部４３の円弧状の外側部４４に嵌合されることで、ピン３８に貫通された磁性鋼板積層コア３４が径方向に位置が決められる。また、側面固定板３０の円弧状の凹部４２から連続する径方向端部４５が軸方向突出部４３の径方向端部４６に嵌合されることで、磁性鋼板積層コア３４が周方向に位置が決められる。さらに、磁性鋼板積層コア３４で生じるトルクが、側面固定板３０を介し、当接する径方向端部４５でロータハブ３１に伝達される。
【００５９】
永久磁石３３の径方向外面は磁性鋼板積層コア３４に接着され、径方向内面はロータハブ３１の外側部３２に接着される。永久磁石３３の周方向端面は、ロータハブ３１の窪んだ部分に配置される固定具４７に当接される。側面固定板３０は、ロータハブ３１の軸方向端面３９に接着される。側面固定板３０は、永久磁石３３の軸方向端面、および磁性鋼板積層コア３４の軸方向端面にも接着され、側面固定板３０の固定孔４０の内側面がピン３８の外周部分に接着されてもよい。
【００６０】
図２は、実施例１のロータ２９の構成部材を分離した分解斜視図を示す。複数の独立した磁性鋼板積層コア３４は、プレスで外形と貫通孔３７が打ち抜かれた磁性鋼板を積層し、ピン３８を貫通孔３７に挿入、配置して構成される。また、磁性鋼板積層コア３４は、磁化容易方向をロータハブ３１の周方向に一致させた方向性磁性鋼板を積層して構成される。
【００６１】
鋳鉄で成形されるロータハブ３１の略円形状断面の外側部３２には、突出した平面４８と窪んだ平面４９がそれぞれ等間隔に配置される。円弧状の軸方向突出部４３が、平面の軸方向端面３９から突出される。軸方向突出部４３は、円弧状の外側部４４と、周方向に２箇所の径方向端部４６を有する。ロータハブ３１の中心には駆動シャフトに連結される開口孔５０と、ロータ全体をボルト固定する大きい径の孔５１が形成される。      
【００６２】
側面固定板３０は非磁性体の金属板を複数枚重ねて形成される。磁性鋼板積層コア３４を貫通するピン３８を挿入し固定するための固定孔４０が、各磁極と対応する位置ごとに２箇所ずつ同心円上に穿設される。中心軸方向の内側には、円弧状の凹部４２が複数形成され、径方向端部４５が連続する。円弧状の凹部４２は、ロータハブ３１の軸方向突出部４３の円弧状の外側部４４に勘合され、径方向端部４５はロータハブ３１の径方向端部４６に当てられる。    
【００６３】
永久磁石３３は平面形状のネオジム磁石で、永久磁石３３の径方向の外面は磁性鋼板積層コア３４に接着され、径方向の内面はロータハブ３１の突出した平面４８に接着される。固定具４５は、浅いU字形状の断面で軸方向の端部と上端部の一部を欠いた形状にされ、ロータハブ３１の窪んだ部分４９に接着され、永久磁石３３の周（回転）方向の端部に当接される。
【００６４】
図３は、実施例１でのトルク発生の概略図を示す。ステータの巻線に流れる電流で生じる磁束が磁性鋼板積層コア３４を通過する経路がｄ−ｑ変換軸上で示される。実線の矢印はｄ軸磁束経路、破線の矢印はｑ軸磁束経路である。ｑ軸磁束経路は、磁性鋼板積層コア３４の内を周方向に通るため磁気抵抗が低く、磁束が非常に通り易いためｑ軸インダクタンスＬｑが大きい。ｄ軸磁束経路は、透磁率がほぼ空気に等しい永久磁石３３を２回通るため磁気抵抗が高く、磁束が通りにくく、ｄ軸インダクタンスＬｄが小さくなる。結果、Ｌｑ／Ｌｄが大きい突極性が生じる。
【００６５】
永久磁石３３からの磁束がステータに流入してステータの巻線に流れる電流磁界との相互作用で生じるマグネットトルクに加え、ｑ軸方向とｄ軸方向のインダクタンスの差に比例するリラクタンストルクを利用することができる。リラクタンストルクを大きくするためには、ｄ軸方向インダクタンスLｄを小さくできる変化幅はあまりないので、ｑ軸インダクタンスＬｑを、できるだけ大きくする必要がある。  
【００６６】
ロータハブ３１の軸方向端面３９において、軸方向突出部４３の周りに斜線部で示される浅い窪み５２を設け、側面固定板３０を軸方向突出部４３に嵌合した場合に、平面の軸方向端面３９から浮き上がることなく密着させる。また、磁性鋼板積層コア３４を側面固定板３０に固定するために、ボルト（ピンの一部）をナット５３で締め付けてもよい。
【００６７】
実施例１において、課題の１で示された、大きいリラクタンストルクを得て、高トルク、高効率の埋込磁石同期モータにする、という課題を請求項１に基づいて解決する。図１において、磁性鋼板積層コア３４を独立した構成にして、永久磁石３３の極性の異なる上下の面を磁性体で短絡せず、磁束のロスを低減する。さらに、隣接する磁性鋼板積層コア３４の間隔を、磁性鋼板積層コア３４とステータ３６の間隙である０．５ミリメートルほどの磁気ギャップより一桁程度大きくする。磁性鋼板積層コア３４の周方向端部の下部（ロータ２９の中心軸に近い部分、またはステータ対向面と反対側の部分）を円弧状断面の形状にし、磁性鋼板積層コア３４どうしが隣接して対向する部分の一部を周方向内側に窪ませ、磁性鋼板積層コア３４とロータハブ３４の間、および、隣接する磁性鋼板積層コア３４の間での磁束の漏洩を少なくする。
【００６８】
永久磁石３３を挟み、磁性体のロータハブ３１、独立した磁性鋼板積層コア３４、および磁性鋼板が積層されたステータ３６で埋込磁石同期モータ全体の磁気回路が構成されている。そのうち、鋳鉄で形成されたロータハブ３１の外側部においては、高い周波数で大きく変動する磁束が通ると鉄損が非常に大きくなるが、本発明のベースになる埋込磁石同期モータにおいては、永久磁石３３の径方向外側面３２に密着される磁性鋼板積層コア３４は径方向に厚くされ、永久磁石３３は深く埋められるため、永久磁石３３の径方向下面に近接するロータハブ３１においては、ステータ３６の巻線に流れる電流で生じる高い周波数の磁束変化の影響が緩和され、渦電流損やヒステリシス損などの鉄損は少ない。
【００６９】
磁性鋼板積層コア３４を径方向に厚くして断面積を大きくし、永久磁石３３からの磁束やステータ３６の巻線に流れる電流で生じる磁束で磁性鋼板積層コア３４を磁気飽和させないようにする。磁性鋼板は０．２７から０．３５ミリメートルに薄くされ、磁性鋼板が有する相対的に高い固有抵抗により、高い周波数の磁束変化による磁性鋼板積層コア３４中での渦電流損が少なくされる。また、複数の磁性鋼板積層コア３４が互いに独立していることから、磁性鋼板積層コア３４に方向性磁性鋼板を用いて磁化容易方向を周方向に合わせることができ、磁性鋼板積層コア３４の周方向の飽和磁束密度は大きくなり、磁束が周方向に通りやすくなる。結果、大きいステータ電流まで磁性鋼板積層コア３４は磁気飽和することなく、周方向の磁束変化によるヒステリシス損が少なく、磁気抵抗が低くくされる。周方向の磁束経路の中心は、磁性鋼板積層コア３４の周方向端部どうしの間で急激に曲がらず、磁性鋼板の磁化容易方向の磁気特性を生かし、経路も短いため、周方向の磁気抵抗は小さい。当然ながら磁束は、磁性鋼板積層コア３４の中に広がって流れる。  
【００７０】
さらに、鉄損（渦電流損とヒステリシス損）を少なくし、周方向の磁束経路の磁気抵抗を小さくするために、本発明の請求項１に示される構成を選択する。磁性鋼板積層コア３４の周方向端部のロータ２９の中心軸方向に偏った位置の２箇所に穿設された貫通孔３７に、径が１０ｍｍ余のピン３８が挿入される。ピン３８は鉄を主体とした磁性体からなり、高い周波数で大きく変動する磁束がピン３８を通ると、鉄損が大きく、特に周波数が高くなるほど渦電流損が非常に大きくなる。ピン３８と磁性鋼板積層コア３４との電気的絶縁によって境界には非磁性層が形成され、ピン３８の透磁率と飽和磁束密度も方向性磁性鋼板の磁化容易方向を周方向に合わせた磁性鋼板積層コア３４の透磁率と飽和磁束密度に較べて小さいため、周方向の磁束経路はピン３８の存在によって乱され、結果、磁気抵抗が大きくなる。ピン３８の磁気的な影響を少なくするため、ピン３８はロータハブ３１の周方向端部の少し内側の下部（中心軸方向に偏った位置）の２箇所に配置する。
【００７１】
ロータ組み立て後のモータ効率の変化を招かないために、磁性鋼板積層コア３４中に、特にピン３８近傍で、圧縮応力を生じさせないようにする必要がある、圧縮応力によって磁性鋼板の透磁率が劣化して磁気抵抗が大きくなったり、鉄損が増えるのを避ける。請求項７から請求項９で示される、ピン３８が貫通されてまとめられた磁性鋼板積層コア３４を支持する側面固定板３０がロータハブ３１に接着される構成を採用する。ピン（ボルト）３８をナット５３（図３）で締め付ける必要がなく、締め付けることで生じる圧縮応力を、磁性鋼板積層コア３４中でのピン３８近傍で生じさせない。
【００７２】
磁性鋼板積層コア３４の周方向の磁束経路において、飽和磁束密度を大きく、磁気抵抗を小さくすることで、ｑ軸方向の磁気抵抗を小さく、ｑ軸インダクタンスを大きく、ｄ軸インダクタンスは小さいままステータ３６の巻線に流す電流を大きくするまで飽和しない大きいリアクタンストルクを得ることができる。また、磁性鋼板積層コア３４での鉄損を少なくし、ピン３８を磁束経路の中心から偏った位置に配置することで、電気機械変換効率の高いモータが可能になる。
【００７３】
つぎに、課題の２で示された、ロータ回転時に、独立した磁性鋼板積層コアと永久磁石が遠心力で飛散しない強度を、ピンの太さ、磁性鋼板積層コアにおけるピンを貫通させる孔の位置、およびピンを支持する側面固定板から得る、という課題を、請求項１で示された構成を基本にし、請求項３の構成を選択して解決する。請求項６と請求項９も付加的に利用する。
【００７４】
図１において、貫通孔３７は、磁性鋼板積層コア３４の周方向端部のロータの中心軸方向に偏った位置に穿設される。外形断面が円弧状の中心近傍に貫通孔３７が形成される環状の部分で、ロータ２９の回転によって生じる積層磁性鋼板３４と永久磁石３３の遠心力に耐えることになる。磁性鋼板積層コア３４の環状の部分の幅は３から４ミリメートルほどにされる。
【００７５】
貫通孔３７に挿入され、側面固定板３０の固定孔４０で支持されるピン３８は、直径１０ミリメートル余の太さにされる。ロータの回転で生じる遠心力は、磁性鋼板積層コア３４と側面固定板３０の嵌め合い部でピン３８に応力が集中し、フレティング現象による金属疲労破壊を引き起こしやすい。破壊に至るのを防ぐには、ピン３８の径に余裕を持たせることである。
【００７６】
慣性モーメントを抑制することを考慮すると、磁性鋼板積層コア３４の径方向の厚さを抑える必要があり、ピン３８の径が太くなると磁性鋼板積層コア３４の周方向の磁束経路を乱してリラクタンストルクを小さくし、鉄損を大きくすることになる。ピン３８の径は全体のバランスで決められる。磁性鋼板積層コア３４と側面固定板３０を接着することで、ピン３８以外の部分にも遠心力を分散し、嵌め合い部での応力集中を低減することができる。
【００７７】
磁性鋼板積層コア３４で発生する回転方向のトルクは、遠心力と直交する方向に、ピン３８と側面固定板３０の間、および磁性鋼板積層コア３４と側面固定板３０の間で伝達されることになり、ピン３８の径を太くして耐久強度を持たせることは遠心力の場合と同様である。磁性鋼板積層コア３４内部の磁性鋼板の境での分離による破壊を防ぐためにもピン３８の太さの余裕が必要である。  
【００７８】
側面固定板３０は、磁性鋼板積層コア３４を貫通するピン３８を固定孔４０で支持する。ロータ２９の回転時に生じる磁性鋼板積層コア３４、永久磁石３３、およびピン３８の遠心力を側面固定板３０の強度で耐える。側面固定板３０を厚くするにはロータ２９の軸方向の幅に制約があるため、側面固定板３０には非磁性体の金属を用い、側面固定板３０の外側部５４と固定孔４０の内周部の間隔を大きくして強度を確保する必要がある。結果、貫通孔４０は、磁性鋼板積層コア３４においてロータ２９の外周部より中心軸方向に偏った位置に穿設されることになる。
【００７９】
側面固定板３０は、磁性鋼板積層コア３４の積層厚が大きくなるほど、厚くする必要がある。非磁性体の金属を用いた場合、単一の板で側面固定板３０を構成する場合に較べて複数の金属板を重ねて一体化する方が、結晶のすべりによるき烈の発生と進展を分散化して金属疲労による破壊を抑制することができる。また、精度が要求される側面固定板３０の貫通孔４０や円弧状の凹部４２の形状をプレスで打ち抜いて形成するためにも比較的薄い金属板を用いて複層にする必要がある。  
【００８０】
つぎに、課題の３の一部で示された、永久磁石の磁束漏洩を少なくして希土類磁石の量を削減するという課題を、請求項１を基本に請求項２、請求項３の構成で解決する。      
【００８１】
図１において、永久磁石３３に接着される磁性鋼板積層コア３４の周方向端部の下部（中心軸方向に偏った部分）が円弧状の断面形状にされることで、ピン３８が端部近傍に貫通される場合に、磁性鋼板積層コア３４の強度を維持しながら、隣接する磁性鋼板積層コア３４の間、またロータハブ３１の磁性体の外側部との間で永久磁石３３からの磁束の漏洩を少なくできる。  
【００８２】
また、磁性鋼板積層コア３４の端部の下部をロータ２９の中心軸方向に突出させ、ロータハブ３１の外側部を永久磁石３３の間で中心軸方向に窪ませる。ピン３８が磁性鋼板積層コア３４内における周方向の磁束経路を乱すことや鉄損を少なくしながら、磁性鋼板積層コア３４とロータハブ３１の間における磁束の漏洩を増やさない。永久磁石３３にネオジム磁石を用いると７ミリメートルほどの厚さで使用されるため、効果が大きい。磁束の漏洩を少なくすることは、同じトルクを出す場合には、永久磁石３３を削減できることになる。  
【００８３】
つぎに、課題の４で示された、磁性鋼板の使用量を大きく削減し、磁性鋼板の磁気特性とプレス打ち抜き性を優先させながら磁性鋼板積層コアの形状精度と強度を確保する、という課題を、請求項１の前提となる埋込磁石同期モータに基づいて解決する。
【００８４】
図１において、独立した磁性鋼板積層コア３４がロータ２９の外側部の各磁極に配置される。磁性鋼板積層コア３４の外形はロータ２９の外径に較べて小さい。ロータ２９の外径で磁性鋼板を打ち抜く場合には、環状の内側と外側で捨てる部分が生じるが、独立した磁性鋼板積層コア３４の形状を打ち抜く場合には捨てる部分が少ない。同じロータの外径で比較すると、４分の１から３分の１の磁性鋼板の使用量で済ますことができる。
【００８５】
磁性鋼板積層コア３４は個々独立しているため、方向性磁性鋼板を用いて磁化容易方向を最適化することで磁性鋼板積層コア３４の磁気特性を磁気抵抗や鉄損の少ないものにできる。小寸法の外形であり、磁性鋼板の圧延方向に長い形状の方向を揃えることができるため、方向による寸法変化を前もって考慮して磁性鋼板を精度よく打ち抜くことができる。したがって、プレス打ち抜き性や強度は、磁気特性や方向によるプレス打ち抜き精度をほとんど考慮せずに、選択される。  
【００８６】
つぎに、課題の５で示された、永久磁石と磁性鋼板積層コアの空隙を小さくしてパーミアンス係数を大きくして永久磁石を効率的に利用し、熱減磁を抑制する。また、永久磁石の接着を安定させ、作業を容易にする、という課題を、請求項１の前提となる埋込磁石同期モータに基づいて解決する。
【００８７】
図１において、永久磁石３３が、磁性鋼板積層コア３４の下面（ロータ２９の中心軸に近い面）に面と面を対向して接着され、また、ロータハブ３１に面と面を対向して接着されるため、従来の埋込磁石同期モータのように、孔に磁石を挿入して接着するのに較べ、永久磁石３３と磁性鋼板積層コア３４あるいはロータハブ３１との間を殆ど隙間なしに実装できる。結果、永久磁石３３からみたパーミアンス係数を大きくできる。
【００８８】
パーミアンス係数が大きいことは、永久磁石３３をＢ−Ｈ曲線における磁束密度のより大きい動作点で利用でき、永久磁石３３をより効率的に使うことができる。さらに、熱可逆過程の範囲が広がるため、熱減磁が抑制される。
【００８９】
永久磁石３３は、あらかじめ塗布された接着剤によって、磁性鋼板積層コア３４またはロータハブ３１に接着される。接着層は、薄く、均一にできるため、接着強度が安定する。さらに、作業が容易になる。
【００９０】
つぎに、課題の６で示された、側面固定板をロータハブの軸方向端面における突出部に嵌合することで磁性鋼板積層コアの位置を確定し、位置精度を確保し、安定したトルク伝達を可能にする、という課題を、請求項４の構成で解決する。
【００９１】
図１において、側面固定板３０の内側に設けられた複数の円弧状の凹部４２を、ロータハブ３１の軸方向端面での円弧状の軸方向突出部４３に嵌合させる。円弧状の凹部４２が軸方向突出部４３の円弧状の外側部４４に当てられることで、側面固定板３０にピン３８で固定された磁性鋼板積層コア３４が径方向に位置決めされる。円弧状の凹部４２から連続する径方向端部４５が軸方向突出部４３の径方向端部４６に当てられることで、磁性鋼板積層コア３４が径方向（回転方向）に位置決めされる。側面固定板３０をロータハブ３１にボルトで結合する場合に較べて、位置精度を確保することができる。磁性鋼板積層コア３４の径方向での位置がばらつき、ステータ３６との間隔である磁気ギャップがばらつくと、コギングトルクや振動が大きくなる。
【００９２】
磁性鋼板積層コア３４で生じた回転方向のトルクが側面固定板３０を介し、側面固定板３０の径方向端部４５から軸方向突出部４３の径方向端部４６に伝達されることで、ロータ２９が回転することになる。比較的厚く高剛性の径方向端部４５が、回転方向に長い形状で強固な軸方向突出部４３の径方向端部４６に当てられることで、大きいトルクを安定して伝達することができる。    
【００９３】
つぎに、課題の７である、金属の側面固定板の固定孔においてピンで支持された磁性鋼板積層コアと永久磁石の遠心力による離脱を抑える強度とトルク伝達の耐張力を確保できることを前提に、側面固定板を非円形の外形状にすることで慣性モーメントと渦電流損を低減する、という課題を、請求項５で解決する。
【００９４】
慣性モーメントは、対象部分の質量と回転中心からの距離の自乗に比例し、渦電流損は、固有抵抗に逆比例し、厚さと周波数の自乗に比例する。したがって、ステータ３６に近い部分である金属の側面固定板３０の外形部分を少なくすることが必要になる。
【００９５】
図１で示すように、側面固定板３０のピン３８で支持される部分の近傍では、磁性鋼板積層コア３４や永久磁石３３を遠心力で飛散させないために、側面固定板３０の外側部５４と貫通孔４０の内側部の間隔を大きくして強度を得る必要があり、側面固定板３０の外側部５４をロータ２９の最外部である磁性鋼板積層コア３４の外側部から中心軸方向に大きく引き込ませることができない。
【００９６】
隣接する磁性鋼板積層コア３４を支持するピン３８の間は、各磁極で生じるトルクによる張力に耐える強度を有しなければならない。耐張力を確保できる範囲で、ピン３８の近傍以外では、側面固定板３０の外側部５４は、ロータ２９の最外部である、磁性鋼板積層コア３４の外側部３５から中心軸方向に入る直線状あるいは曲率の小さい曲線形状にされる。
【００９７】
つぎに、課題の８である、側面固定板から外にピンの端部をほとんど突出させず、側面固定板をロータハブに接着で強固に固定し、さらには、永久磁石や磁性鋼板積層コアにも接着することで全体を強固にし、磁性鋼板積層コア中に強い応力を生じさせず、風切り音を低下させる、という課題を、請求項１を基本に、請求項７、請求項８、および請求項９で解決する。
【００９８】
図１において、請求項１ではボルトもピンの一種に含まれることを前提に、側面固定板３０からピンの端部が軸方向にほとんど突出されない構成が、ロータ２９の軸方向の実質的な幅を小さくすることから望ましい。側面固定板３０をロータハブ３１の軸方向突出部４３に嵌合して固定する構成以外に、側面固定板３０をロータハブ３１の軸方向端面３９に接着して固定することで、ピン３８を突出させてナットで固定する必要がなくなる。
【００９９】
側面固定板３０を永久磁石３３と磁性鋼板積層コア３４の軸方向端面にも接着することで、ロータ２９を強固な構成にできる。また、磁性鋼板積層コア３４が軸方向端面で側面固定板３０に接着されることで、ピン以外の部分でも磁性鋼板積層コア３４が側面固定板３０に固定され、ピン近傍のみに応力が集中されず、磁性鋼板積層コア３４の磁気特性に悪影響を与えずに済む。
【０１００】
また、側面固定板３０の面から外にボルト、ナットのような突出物がないことで、ロータ２９の高速回転時での風切り音を顕著に低減できる。
【実施例２】
【０１０１】
本発明の埋込磁石同期モータのロータでの実施例２を、図４、図５、および図６の構成において記述する。図４は、実施例２を平面図を示す。ロータ５５の側面固定板５６を一部切り欠いて示される。実施例１とは、磁性鋼板積層コア５７の周方向端部５８に段差部５９が形成されることが異なる。  
【０１０２】
段差部５９および磁性鋼板積層コア６０の段差部６１は、周方向端部５８と６２の軸方向の中間近傍に一箇所づつ形成される。段差部５９と６１は、軸方向にずらされて形成され、間の部分を除いて対向する周方向端部５８と６２は等しい間隔にされる。間の部分の端は、周方向に突出していない端に揃えられる。
【０１０３】
図５は、実施例２のロータ５５を一部分解した斜視図を示す。実施例１に較べて軸方向に長い形状にされ、大きいトルクを発生させる。磁性鋼板積層コア５７には、周方向端部５８と６３に一箇所づつ段差部５９と６４が軸方向にずらされて形成される。側面固定板５６は、磁性鋼板積層コア５７とロータハブ６５が軸方向に長くなった分だけ回転時の遠心力が大きくなるため、厚く形成される。
【０１０４】
図６は、実施例２に用いられる一部の構成が変えられた磁性鋼板積層コア６６と６７を示す。図６（ａ）では、磁性鋼板積層コア６６の段差部６８と６９の内側にシート状の非磁性材７０と７１が配置される。図６（ｂ）では、磁性鋼板積層コア６７の段差部７２と７３の内側全体に非磁性材７４が配置される。図６（ａ）の段差部６８の突出した端部７５から段差部６９の窪んだ端部７６の磁性鋼板の積層部に流れるべき磁束が、隣接する窪んだ端部７７と突出した端部７８の磁性鋼板の積層部に段差部６８近傍で急激に曲がって高い磁束密度で流れ込むのを防ぎ、鉄損と熱発生を抑制する。逆の周方向の磁束の流れについても同様である。図６（ｂ）での磁性鋼板積層コア６７についても同じ効果を期待するが、磁性鋼板積層コア６６に比較して、平均磁束密度が大きくなる。  
【０１０５】
課題の９である、独立した磁性鋼板積層コアの周方向端部に一箇所づつ設けられた段差部が軸方向にずらして形成され、リラクタンストルクの向上とコギングトルクの減少を図る、という課題を請求項１０で解決する。
【０１０６】
図４において、磁性鋼板積層コア５７の周方向端部５８において、段差部５９の突出した部分からステータ７９の磁束が先に流入することになる。結果として磁性鋼板積層コア５７の周方向の長さが長く、ｑ軸インダクタンスが大きくなり、リラクタンストルクが大きくなる。また、隣接する磁性鋼板積層コア５７と６０の間隔が周方向の２箇所に分けられるため、コギングトルクが分散化されて減少し、振動が抑えられる。隣接する磁性鋼板積層コア５７と６０の端部の間隔をある程度大きくして磁束漏洩を少なくしても、段差部を設けることでコギングトルクを大きくせず、トルクを大きくすることが可能になる。
【実施例３】
【０１０７】
本発明の埋込磁石同期モータのロータの実施例３を、図７と図８の構成において記述する。図７は、側面固定板８０の一部切り欠いたロータ８１を示す正面図で、図８は、ロータ８１を一部分解した斜視図である。実施例３は、実施例１や実施例２とは、永久磁石８２にネオジム磁石（希土類磁石）でなくフェライト磁石を用いていること、および、隣接する磁性鋼板積層コア８３と磁性鋼板積層コア８４の周方向端部８５と８６の間隔が大きいことが異なる。
【０１０８】
フェライト磁石はネオジム磁石に較べて、残留磁束密度Ｂｄが２．８分の１、抗磁力Ｈｃが４分の１ほどである。マグネットトルクを大きくするためには、図７において、永久磁石８２の面積（周方向の幅）を大きくし、さらに磁束漏洩を少なくする必要がある。隣接する磁性鋼板積層コア８３と８４の周方向端部８５と８６の間隔が大きく、下部が円弧状断面の外形にされ、また厚い永久磁石８２を挟む磁性鋼板積層コア８３とロータハブ８７の間隔が大きくされることで、漏洩磁束が少なくされる。周方向端部８５と８６の軸方向の中間部に段差部を設け、コギングトルクを大きくさせない。  
【０１０９】
マグネットトルクが小さい分、ロータ８１の径を大きくし、さらに、リラクタンストルクも大きくする必要がある。ロータ径が大きくなると、磁性鋼板積層コア８３に作用する力は同じでも、トルクはその分大きくなる。実施例１や実施例２でのロータ径に較べ、実施例３でのロータ径は１０パーセント大きくしてある。ピン８８は永久磁石８２の径方向の外面より外側に位置するため、磁性鋼板積層コア８３を径方向に厚くして周方向の磁気抵抗を大きくせず、また磁気飽和に余裕を持たせることでリラクタンストルクを大きくする。
【０１１０】
磁性鋼板積層コア８３と永久磁石８２の回転時の遠心力が大きくなる分だけ、ピン８８を太くして遠心力に耐える強度にする。フェライト磁石である永久磁石８２は密度４．８で、磁性鋼板積層コア８３や鉄を主成分とするロータハブ８７の密度に較べて約１．６分の１、ネオジム磁石の密度に対しては約１．５分の１と小さく、慣性モーメントは中心からの距離の自乗に比例し、密度の小さいフェライト磁石を用いることで慣性モーメントが特に大きくなることはない。
【０１１１】
図８において、ロータハブ８７と永久磁石８２が軸方向に長くされ、側面固定板８０は厚くされ、強度が大きくされる。独立した磁性鋼板積層コア８３は、周方向端面に段差部８９、９０が一箇所づつ軸方向にずらして中間部近傍に設けられ、隣接する磁性鋼板積層コア８３と８４の対向する周方向端部の段差部８９と９１とは軸方向にずらされて形成され、対向する間隔が大きくされる分、段差部８９、９１の突出した部分９２、９３の突出量は大きくされる。  
【実施例４】
【０１１２】
本発明の埋込磁石同期モータのロータの実施例４を、図９の構成において記述する。実施例１と実施例２のロータに対して実施例４のロータ９４の異なる点は、各磁極に、平面状の永久磁石９５と９６が非同一面上に配置されることである。
【０１１３】
ロータ９４は、ロータハブ９７の外側部の折れ曲がった面にネオジム磁石である永久磁石９５と９６が配置され、磁石面積が大きくされる。同時に磁性鋼板積層コア９８の中間部が厚くされる。質量が大きくされた磁性鋼板積層コア９８、および永久磁石９５と９６を遠心力で飛散させないように支持するピン９９は太くされる。ピン９９による周方向の磁束経路の乱れを少なくし、磁気飽和に余裕を持たせるために、磁性鋼板積層コア９８を径方向にある程度厚くする。磁性鋼板積層コア９８と１００の間の対向する周方向の端部１０１、１０２の間隔を大きめにし、それぞれの中間部近傍に段差部が形成される。
【０１１４】
ここでは、課題の１０である、埋込磁石同期モータとしてマグネットトルクとリラクタンストルクの最大化を図る、という課題を請求項１を基本構成にして解決する。永久磁石としてネオジム磁石を用いた自動車用モータを１例としている。  
【０１１５】
マグネットトルクを最大化するには、永久磁石９５、９６で生じる磁束の漏洩を少なくし、永久磁石９５、９６からの磁束量を最大化してロータ９４とステータ１０３の磁気ギャップからステータ１０３に流すことで達成される。自動車用のモータとして、ロータハブ９７の内径と強度、および永久磁石９５、９６の磁気回路に必要な厚さを確保すること、磁性鋼板積層コア９８での周方向の磁気抵抗と磁気飽和の余裕を確保するための合理的形状の選択、慣性モーメントを低くすること、を総合的に考慮して、図９で示される構成が示される。
【０１１６】
永久磁石９５と９６と接する磁性鋼板積層コア９８内で、永久磁石９５、９６からの磁束と、ステータ１０３の巻線に流れる高い周波数の電流で生じる周方向に流れる磁束ともに、磁束経路と磁気飽和に余裕を与え、鉄損を少なくする。独立した磁性鋼板積層コア９８の周方向に磁化容易方向を揃えることによる効果も大きい。
【０１１７】
６０００ｒｐｍ以上の回転数を求める場合、永久磁石９５、９６による磁束総量が大き過ぎると、逆起電圧で制約が生じないように行う弱め磁界制御による電力ロスが生じる。マグネットトルクとリラクタンストルクの最大化を可能にする用途は自動車用途に限定する必要がない。
【実施例５】
【０１１８】
本発明の埋込磁石同期モータのロータに用いる強制空冷の構成を、図１０において記述する。従来から、ステータに接する筐体を液冷する構成があるが、ロータを冷却する手段は乏しかった。請求項１で示されるような、独立した磁性鋼板積層コアおよび永久磁石の間に空気が流動できる空間を有する埋込磁石同期モータにおいて効果がある。請求項１２で示される強制空冷の構成は、本発明の埋込磁石同期モータのロータを必ずしも前提にしなくてもよい。図１０（ａ）は、側面固定板１０４と環状板１０５の一部を切り欠いた正面図を示し、図１０（ｂ）は、環状板１０４の一部の斜視図を示すものである。  
【０１１９】
図１０において、ロータ１０６の隣接する磁性鋼板積層コア１０７と１０８の間、および永久磁石１０９と１１０の間にできる空間１１１に対向する位置に、導入孔１１２と、回転方向に片方が開周放されて導入孔１１２を覆う突起部１１３を有する環状板１０５が側面固定板１０４に接着あるいはボルトで固定される。側面固定板１０４には、導入孔１１２と一致する場所に通気孔１１６が設けられる。
【０１２０】
ロータ１０６が右回り（時計方向回り）に回転すると、環状板１０５から外方向に出た突出部１１３の開いた片方から空気が高速で取り込まれて圧縮され、導入孔１１２から通気孔１１６を通過し、空間１０７に流入する。流入した空気は、反対側の側面固定板の通気孔、および反対側の環状板の導入孔を経て、反対側の突出部の回転方向と逆向きに開いた部分から、突起部で生じる負圧に吸引されて空気が吐き出される。
【０１２１】
導入孔１１２と突起部１１３は、環状板１０５からプレスで形成される。ロータ１０６の回転時に、突起部１１３によって風切り音が生じる。風切り音は気流速度の５乗から７乗で比例するため、環状板１０５の厚さを薄く、突起部１１３を滑らかな曲面にして、渦の発生を少なくして風切り音を抑制する必要がある。  
【０１２２】
ここで、課題の１１である、隣接する磁性鋼板積層コアやピンおよび永久磁石を、ロータ回転時に磁性鋼板積層コアの間や永久磁石の間の空間で強制空冷する簡易な構成を導入し、鉄損による発熱を少なくすることも加え、ディスプロシウム組成の少ないネオジム磁石の使用を可能にする、という課題を、請求項１の構成を基本に、請求項１２の構成で解決する。
【０１２３】
永久磁石１０９を厚い磁性鋼板積層コア１０７に埋めこむことで、ステータ１１７からの高い周波数の磁界によるネオジム磁石である永久磁石１０９での渦電流損と熱発生を低く抑える。また、磁性鋼板積層コア１０７の断面積を大きくし、磁化容易方向を周方向に合わせて鉄損を小さくして熱発生を抑える。また、ピン１１８を磁性鋼板積層コア１０７の周方向端部の下部に配置することで、ピン１１８および近傍の磁性鋼板積層コア１０７内での鉄損も小さくして熱発生を抑制する。さらに、ステータ１１７での銅損や鉄損で発生する熱を磁気ギャップや強制空気流で磁性鋼板積層コア１０７に伝えにくくする。これらの対策に強制空冷で磁性鋼板積層コア１０７、１０８、および永久磁石１０９、１１０の周方向端部を冷やすことで永久磁石１０９、１１０での温度上昇を抑制する。  
【０１２４】
本発明が、パーミアンス係数を大きくできることを利用し、ネオジム磁石である永久磁石１０９、１１０を熱可逆過程で扱うことができる。さらに、永久磁石１０９、１１０が磁性鋼板積層コア１０７、１０８に深く埋め込まれることでステータ先端での強い減磁界も弱くなり、温度変化が少なくされた環境下での熱減磁対策が容易になる。
【０１２５】
磁石組成にディスプロシウム（Ｄｙ）を加えてネオジム磁石の熱減磁を少なくすることができるが、本発明では、ディスプロシウムを組成に加えないネオジム磁石の使用を可能にする。      
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明の埋込磁石同期モータのロータで構成される動力用モータをハイブリッド自動車や電気自動車に用いると、モータの効率向上や価格低減だけでなく、レアメタル資源を効果的に利用できる。
【符号の説明】
【０１２７】
３０、５６、８０、１０４    側面固定板
３１、６５、８７    ロータハブ
３３、８２、９５、９６、１０９、１１０    永久磁石
３４、５７、６０、６６、６７、８３、８４、９８、１００、１０７    磁性鋼板積層コア
３５、５５、８１、９４、１０６    ロータ
３６、７９、１０３、１１７    ステータ
３７    貫通孔
３８、８８、９９、１１８    ピン
３９    軸方向端部
４０    固定孔
４２    円弧状の凹部
４３    軸方向突出部
５８、６２、８５、８６、１０１、１０２    周方向端部
５９、６１、６４、６８、６９、７２、７３、８９、９０、９１    段差部
１０５    環状板
１１２    導入孔
１１３    突起部  
【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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