(57)【要約】【課題】永久磁石の漏れ磁束を低減してトルク特性を向上させることができる磁石埋込式回転電機を提供する。【解決手段】コイルを巻装したステータと、円筒状のロータコア４０の外周面がステータの内周側にギャップを介して対向するように配置され、ロータコア４０の周方向において一極あたり一対の永久磁石が外周側に広がるようにＶ字状に埋め込まれたロータ３０と、を備える。ロータコア４０におけるＶ字状の一対の永久磁石の内周端間にフラックスバリアが形成され、フラックスバリアは永久磁石のギャップ側磁極面の内周端部Ｐ１よりｄ軸方向に飛び出しており、その飛び出し量をＹ、ギャップ側磁極面の両端部Ｐ１，Ｐ２間のｄ軸方向の距離をＸとしたとき、０．２≦Ｙ／Ｘ≦０．３を満たしている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルを巻装したステータと、
円筒状のロータコアの外周面が前記ステータの内周側にギャップを介して対向するように配置され、当該ロータコアの周方向において一極あたり一対の永久磁石が外周側に広がるようにＶ字状に埋め込まれたロータと、
を備えた磁石埋込式回転電機において、
前記ロータコアにおける前記Ｖ字状の一対の永久磁石の内周端間にフラックスバリアが形成され、当該フラックスバリアは前記永久磁石のギャップ側磁極面の内周端部よりｄ軸方向に飛び出しており、その飛び出し量をＹ、前記ギャップ側磁極面の両端部間のｄ軸方向の距離をＸとしたとき、０．２≦Ｙ／Ｘ≦０．３を満たすようにしたことを特徴とする磁石埋込式回転電機。
【請求項２】
前記フラックスバリアの飛び出し部は、前記ギャップ側磁極面に対する角度が９０±１５°の面を有することを特徴とする請求項１に記載の磁石埋込式回転電機。
【請求項３】
前記ロータは、一極あたり、前記Ｖ字状の一対の永久磁石が径方向に２層に配置されており、少なくとも外周側の前記Ｖ字状の一対の永久磁石に前記フラックスバリアが形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の磁石埋込式回転電機。
【請求項４】
前記２層に配置された前記Ｖ字状の一対の永久磁石におけるｄ軸磁束の経路において隣り合う永久磁石について内周側の永久磁石の長さの方が外周側の永久磁石の長さより長く、長さが短い外周側の永久磁石における内周端に形成したフラックスバリアの長さは外周端に形成したフラックスバリアの長さよりも長いことを特徴とする請求項３に記載の磁石埋込式回転電機。
【請求項５】
前記長さが短い永久磁石の内周端に形成したフラックスバリアにおける前記長さが長い永久磁石の磁極面に対向する面は前記長さが長い永久磁石の磁極面に平行であることを特徴とする請求項４に記載の磁石埋込式回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁石埋込式回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示の回転電機のロータにおいて、一対の永久磁石挿入用スロットが、回転中心軸側から外周側に向かって開くＶ字形状に配置され、かつ、この一対のスロットが半径方向に２層構造となるように形成され、各スロット内に当該スロット内の両端に空隙（フラックスバリア）を形成するように永久磁石を挿入保持している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２２３８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１においては、「磁極間のブリッジは、漏れ磁束を低減する上で可能な限り細くすることが望ましい」との記載があるものの、その他、漏れ磁束を低減する具体的技術が開示されていない。特に、Ｖ字形状に配置した永久磁石間における漏れ磁束が大きくなり、トルク特性（回転数が一定ならば出力特性）に影響を及ぼすことが懸念される。
【０００５】
本発明の目的は、永久磁石の漏れ磁束を低減してトルク特性を向上させることができる磁石埋込式回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明では、コイルを巻装したステータと、円筒状のロータコアの外周面が前記ステータの内周側にギャップを介して対向するように配置され、当該ロータコアの周方向において一極あたり一対の永久磁石が外周側に広がるようにＶ字状に埋め込まれたロータと、を備えた磁石埋込式回転電機において、前記ロータコアにおける前記Ｖ字状の一対の永久磁石の内周端間にフラックスバリアが形成され、当該フラックスバリアは前記永久磁石のギャップ側磁極面の内周端部よりｄ軸方向に飛び出しており、その飛び出し量をＹ、前記ギャップ側磁極面の両端部間のｄ軸方向の距離をＸとしたとき、０．２≦Ｙ／Ｘ≦０．３を満たすようにしたことを要旨とする。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、ロータコアにおけるＶ字状の一対の永久磁石の内周端間にフラックスバリアが形成されている。このフラックスバリアは、永久磁石のギャップ側磁極面の内周端部よりｄ軸方向に飛び出している。飛び出し量をＹ、ギャップ側磁極面の両端部間のｄ軸方向の距離をＸとしたとき、０．２≦Ｙ／Ｘ≦０．３を満たしている。よって、永久磁石の漏れ磁束の経路長を長くして磁気抵抗を大きくして漏れ磁束を低減することができ、これによりトルク性能を向上させることができる。
【０００８】
請求項２に記載のように、請求項１に記載の磁石埋込式回転電機において、前記フラックスバリアの飛び出し部は、前記ギャップ側磁極面に対する角度が９０±１５°の面を有するとよい。
【０００９】
請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の磁石埋込式回転電機において、前記ロータは、一極あたり、前記Ｖ字状の一対の永久磁石が径方向に２層に配置されており、少なくとも外周側の前記Ｖ字状の一対の永久磁石に前記フラックスバリアが形成されているとよい。
【００１０】
請求項４に記載のように、請求項３に記載の磁石埋込式回転電機において、前記２層に配置された前記Ｖ字状の一対の永久磁石におけるｄ軸磁束の経路において隣り合う永久磁石について内周側の永久磁石の長さの方が外周側の永久磁石の長さより長く、長さが短い外周側の永久磁石における内周端に形成したフラックスバリアの長さは外周端に形成したフラックスバリアの長さよりも長いとよい。
【００１１】
請求項５に記載のように、請求項４に記載の磁石埋込式回転電機において、前記長さが短い永久磁石の内周端に形成したフラックスバリアにおける前記長さが長い永久磁石の磁極面に対向する面は前記長さが長い永久磁石の磁極面に平行であるとよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、永久磁石の漏れ磁束を低減してトルク特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態における回転電機の模式図。
【図２】回転電機の部分拡大模式図。
【図３】回転電機の部分拡大模式図。
【図４】トルクの計測結果を示す図。
【図５】トルク計測結果を示す図。
【図６】別例の回転電機の模式図。
【図７】別例の回転電機の模式図。
【図８】比較のための回転電機の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１，２に示すように、磁石埋込式回転電機１０は、コイル２１を巻装したステータ（固定子）２０と、永久磁石埋込型磁石ロータ（回転子）３０とを備える。円筒状をなす永久磁石埋込型磁石ロータコア４０の外周側にステータ２０が配置されている。ステータ２０の内周面は、永久磁石埋込型磁石ロータコア４０の外周面とギャップＧを介して対向している。なお、図は何れも模式図であり、形状を強調して記載している。磁石埋込式回転電機１０は、極数が「８」である。
【００１５】
ステータ２０は、ステータコア２２が円筒状をなし、ステータコア２２の内側には周方向に複数のスロット２３が形成されている。各スロット２３は内周面に開口している。スロット２３間にティース２４が形成されている。ステータ２０は一極あたりのスロット数が「６」であり（一極あたりのティース数が「６」であり）、一極あたりの中心からの角度は４５°である。等間隔で設けられているティース２４には、コイル（巻線）２１が巻回されている。
【００１６】
ステータ２０の内側に永久磁石埋込型磁石ロータ３０が配置されるが、永久磁石埋込型磁石ロータコア４０は、略円板状の電磁鋼板を複数枚（例えば数十枚）積層して構成されている。ロータコア４０の中心にシャフト５０が貫挿されている。永久磁石埋込型磁石ロータ３０は、ロータコア４０の外周面がティース２４と所定の間隔を置いた状態で、図示しないハウジングの軸受けにシャフト５０を介して回転可能に支持されている。
【００１７】
このように、ロータ３０は、円筒状のロータコア４０の外周面がステータ２０の内周側にギャップＧを介して対向するように配置されている。
図２に示すように、永久磁石埋込型磁石ロータコア４０には永久磁石埋込孔４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄが形成され、永久磁石埋込孔４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄは軸方向に延びている。永久磁石埋込孔４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄには永久磁石６０，６１，７０，７１が挿入されている。詳しくは、永久磁石埋込型磁石ロータコア４０には、周方向において一極あたり一対の永久磁石（６０と６１、７０と７１）二組がＶ字状に埋め込まれている。各永久磁石６０，６１，７０，７１は、断面矩形の平板状に形成され、厚さ方向に着磁されている。一対の永久磁石（６０と６１、７０と７１）二組は、ロータコア４０の外周側に向かって広がるＶ字状で同じ側（例えばロータの外周側）が同じ極性となるように配置されている。
【００１８】
隣り合う領域（一極）に配置された永久磁石同士は、ロータ３０の外周側が異なる極性になるように配置されている。例えば、図２で示す永久磁石６０，６１、７０，７１が、ティース２４側がＮ極になるように配置されると、隣の領域（一極）に配置される永久磁石は、ティース２４側がＳ極になるように配置される。
【００１９】
このようにして、ロータ３０は、ロータコア４０の周方向において一極あたり一対の永久磁石６０，６１および一対の永久磁石７０，７１が外周側に広がるようにＶ字状に埋め込まれている。より詳しくは、ロータ３０は、一極あたり、Ｖ字状の一対の永久磁石６０，６１および一対の永久磁石７０，７１が径方向に２層に配置されている。また、ロータ３０は、一極あたり、ｄ軸に対称となっている。
【００２０】
一対の永久磁石６０，６１および一対の永久磁石７０，７１について、永久磁石６０と永久磁石７０とは永久磁石の磁極面に垂直な面６０ｇ，７０ｇ同士が一直線上にある。つまり、一対の永久磁石６０，７０のギャップ側端部同士は揃っている。同様に、永久磁石６１と永久磁石７１とは永久磁石の磁極面に垂直な面６１ｇ，７１ｇ同士が一直線上にある。つまり、一対の永久磁石６１，７１のギャップ側端部同士は揃っている。
【００２１】
図２，３に示すように、ロータコア４０におけるＶ字状の一対の永久磁石６０，６１の内周端間にフラックスバリア６２，６３が永久磁石埋込孔４０ａ，４０ｂのｄ軸側（内周側）の端部に連続する状態で形成されている。フラックスバリア６２，６３は軸方向に延びている。フラックスバリア６２，６３は五角形をなしている。フラックスバリア６２，６３は永久磁石６０，６１のギャップ側磁極面６０ａ，６１ａの内周端部Ｐ１よりｄ軸方向に飛び出しており、その飛び出し量をＹ、ギャップ側磁極面６０ａ，６１ａの両端部Ｐ１，Ｐ２間のｄ軸方向の距離をＸとしたとき、０．２≦Ｙ／Ｘ≦０．３を満たしている。フラックスバリア６２，６３が独立して形成されているため、フラックスバリア６２，６３間にブリッジが形成されロータコア４０の強度が保たれている。
【００２２】
フラックスバリア６２，６３の飛び出し部は、ギャップ側磁極面６０ａ，６１ａに対する角度θ１が９０±１５°の面６２ａ，６３ａを有する。
ロータコア４０におけるＶ字状の一対の永久磁石６０，６１の外周端にフラックスバリア６４，６５が永久磁石埋込孔４０ａ，４０ｂのｑ軸側（外周側）の端部に連続する状態で形成されている。フラックスバリア６４，６５は軸方向に延びている。フラックスバリア６４，６５は四角形をなしている。
【００２３】
ロータコア４０におけるＶ字状の一対の永久磁石７０，７１の内周端間にフラックスバリア７２，７３が永久磁石埋込孔４０ｃ，４０ｄのｄ軸側（内周側）の端部に連続する状態で形成されているとともにフラックスバリア７２，７３の間にはフラックスバリア７４が形成されている。フラックスバリア７２，７３，７４は軸方向に延びている。フラックスバリア７２，７３は多角に形成されているとともにフラックスバリア７４は長方形をなしている。また、ロータコア４０におけるＶ字状の一対の永久磁石７０，７１の外周端にフラックスバリア７５，７６が永久磁石埋込孔４０ｃ，４０ｄのｑ軸側（外周側）の端部に連続する状態で形成されている。フラックスバリア７５，７６は軸方向に延びている。フラックスバリア７５，７６は四角形をなしている。
【００２４】
ロータ３０は、一極あたり、Ｖ字状の一対の永久磁石が径方向に２層に配置されているが、少なくとも外周側のＶ字状の一対の永久磁石６０，６１にフラックスバリア６２，６３が形成されている。
【００２５】
図２に示すように、２層に配置されたＶ字状の一対の永久磁石におけるｄ軸磁束φ１２の経路において隣り合う永久磁石６０，７０、および永久磁石６１，７１について、図１に示すように、内周側の永久磁石７０，７１の長さＬ２の方が外周側の永久磁石６０，６１の長さＬ１より長くなっている。
【００２６】
また、長さが短い外周側の永久磁石６０，６１における内周端に形成したフラックスバリア６２，６３の長さＬ３は外周端に形成したフラックスバリア６４，６５の長さＬ４よりも長くなっている。
【００２７】
図１，２に示すように、長さが短い永久磁石６０，６１の内周端に形成したフラックスバリア６２，６３における、長さが長い永久磁石７０，７１の磁極面７０ａ，７１ａに対向する面６２ｂ，６３ｂは、長さが長い永久磁石７０，７１の磁極面７０ａ，７１ａに平行である。
【００２８】
次に、このように構成した回転電機１０の作用を説明する。
回転電機が駆動される場合は、ステータ２０のコイル２１に３相の電流が供給されてステータ２０に回転磁界が発生し、永久磁石埋込型磁石ロータ３０に回転磁界が作用する。そして、回転磁界と永久磁石６０，６１，７０，７１との間の磁気的な吸引力および反発力により永久磁石埋込型磁石ロータ３０が回転磁界と同期して回転する。図２に示すように、永久磁石６０，６１よりも外周側においてｑ軸磁束φ１０の経路が形成される。また、永久磁石６０と永久磁石７０との間、および、永久磁石６１と永久磁石７１との間においてｑ軸磁束φ１１の経路が形成される。
【００２９】
ここで、ロータコア４０におけるＶ字状の一対の永久磁石６０，６１の内周端間に形成されたフラックスバリア６２，６３は、永久磁石６０，６１のギャップ側磁極面６０ａ，６１ａの内周端部Ｐ１よりｄ軸方向に飛び出している。飛び出し量をＹ、ギャップ側磁極面６０ａ，６１ａの両端部Ｐ１，Ｐ２間のｄ軸方向の距離をＸとしたとき、０．２≦Ｙ／Ｘ≦０．３を満たしている。これにより、トルク特性を向上させることができる。
【００３０】
次に、図４を用いてトルクについて説明する。このとき、図１に示した本実施形態と図８に示した比較例を比較する。即ち、図１では、ロータコア４０におけるＶ字状の一対の永久磁石６０，６１の内周端間に形成されたフラックスバリア６２，６３は、永久磁石６０，６１のギャップ側磁極面６０ａ，６１ａの内周端部Ｐ１よりｄ軸方向に飛び出している。一方、図８では、ロータコア４０におけるＶ字状の一対の永久磁石６０，６１の内周端間に形成されたフラックスバリア２００，２０１は、永久磁石６０，６１のギャップ側磁極面の内周端部よりｄ軸方向に飛び出していない。したがって漏れ磁束φ１００の経路が図１，２に比べて短い。
【００３１】
図４には、フラックスバリア６２，６３が、永久磁石６０，６１のギャップ側磁極面６０ａ，６１ａの内周端部Ｐ１よりｄ軸方向に飛び出している場合（本実施形態）と、飛び出していない場合（比較例）についてのトルクの計測結果を示す。つまり、図８は比較例であり、ロータコアにおけるＶ字状の一対の永久磁石６０，６１の内周端間にフラックスバリア２００，２０１が形成されているが、このフラックスバリア２００，２０１は永久磁石６０，６１のギャップ側磁極面の内周端部よりｄ軸方向に飛び出しておらず、図３におけるＹ値が「０」である。
【００３２】
図４において、永久磁石６０，６１のギャップ側磁極面６０ａ，６１ａの内周端部Ｐ１よりｄ軸方向に飛び出している場合（本実施形態）の方が、飛び出していない場合（比較例）に比べ大きなトルクを発生させることが分る。
【００３３】
次に、図５を用いて、フラックスバリア６２，６３の飛び出し量Ｙと、ギャップ側磁極面６０ａ，６１ａの両端部Ｐ１，Ｐ２間のｄ軸方向の距離Ｘとの比Ｙ／Ｘと、トルクの関係について説明する。
【００３４】
図５において横軸には比Ｙ／Ｘをとり、縦軸にはトルクをとっている。比Ｙ／Ｘ＝０のとき、即ち、フラックスバリア６２，６３が飛び出していない場合のトルクを１．０（＝１００％）として示す。
【００３５】
図５においてトルクは、比Ｙ／Ｘに対して上に凸となる緩やかな二次的曲線となり、かつ、その最大値は０．２４付近となっている。従って、０．２≦Ｙ／Ｘ≦０．３でトルクを最大付近とすることができることが分る。
【００３６】
詳しく説明する。
図２に示すように、永久磁石自身の磁束（ｄ軸磁束）φ１２が正規の経路から外れてしまい（漏れてしまい）、漏れ磁束（自己短絡成分）φ１が発生する。漏れ磁束φ１はロータコア４０の強度上必要な、フラックスバリア６２，６３間のブリッジを通ってしまう。
【００３７】
図５の領域Ｚ１では、飛び出し量Ｙを大きくして漏れ磁束φ１の経路長を長くして磁気抵抗を大きくして漏れ磁束、即ち、自己短絡成分を減らすことができる。一方、図５の領域Ｚ２では飛び出し量Ｙを大きくしすぎると、図２での外周側のｑ軸磁束φ１０の流れを阻害してしまう。よって、外周側のｑ軸磁束φ１０とのバランスを考慮すると、フラックスバリア６２，６３の飛び出し量Ｙと、ギャップ側磁極面６０ａ，６１ａの両端部Ｐ１，Ｐ２間のｄ軸方向の距離Ｘとの比Ｙ／Ｘが０．２≦Ｙ／Ｘ≦０．３であるとよい。
【００３８】
このようにして、漏れ磁束の低減を図ることで、高トルク・高出力化を可能とする。つまり、外周側永久磁石６０，６１の漏れ磁束を低減し、トルク・出力特性を向上させることができる。この際、高価な材料の永久磁石を用いることなくコストの増加はない。また、フラックスバリアの形状の変更だけで回転電機を小型化することが可能である。
【００３９】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）ロータコア４０におけるＶ字状の一対の永久磁石６０，６１の内周端間にフラックスバリア６２，６３が形成されている。フラックスバリア６２，６３は、永久磁石６０，６１のギャップ側磁極面６０ａ，６１ａの内周端部Ｐ１よりｄ軸方向に飛び出している。飛び出し量をＹ、ギャップ側磁極面６０ａ，６１ａの両端部Ｐ１，Ｐ２間のｄ軸方向の距離をＸとしたとき、０．２≦Ｙ／Ｘ≦０．３を満たすようにした。よって、永久磁石６０，６１の漏れ磁束φ１の経路長を長くして磁気抵抗を大きくして漏れ磁束を低減することができ、これによりトルク性能を向上させることができる。
【００４０】
（２）フラックスバリア６２，６３の飛び出し部は、ギャップ側磁極面６０ａ，６１ａに対する角度θ１が９０±１５°の面６２ａ，６３ａを有するので、外周のｑ軸磁束φ１０の流れを妨げにくくなる。また、漏れ磁束φ１の経路長を長くできるとともに永久磁石６０，６１からの磁束の経路幅を確保できる。
【００４１】
（３）ロータ３０は、一極あたり、Ｖ字状の一対の永久磁石（６０，６１、７０，７１）が径方向に２層に配置されており、少なくとも外周側のＶ字状の一対の永久磁石６０，６１にフラックスバリア６２，６３が形成されているので、トルク特性を向上させることができる。
【００４２】
（４）２層に配置されたＶ字状の一対の永久磁石（６０，６１、７０，７１）におけるｄ軸磁束の経路において隣り合う永久磁石（６０，７０、６１，７１）について内周側の永久磁石７０，７１の長さＬ２の方が外周側の永久磁石６０，６１の長さＬ１より長さが長い。長さが短い外周側の永久磁石６０，６１における内周端に形成したフラックスバリア６２，６３の長さＬ３は外周端に形成したフラックスバリア６４，６５の長さＬ４よりも長い。これにより、漏れ磁束φ１の経路長を長くできるととも、長さが異なる永久磁石（６０，７０、６１，７１）におけるｑ軸磁束φ１１の経路についてフラックスバリア６２，６３を用いてｑ軸磁束φ１１の経路幅を均等化することが可能となる。
【００４３】
（５）長さが短い永久磁石６０，６１の内周端に形成したフラックスバリア６２，６３における、長さが長い永久磁石７０，７１の磁極面７０ａ，７１ａに対向する面６２ｂ，６３ｂは長さが長い永久磁石７０，７１の磁極面７０ａ，７１ａに平行であるので、ｑ軸磁束φ１１の流れを妨げない。つまり、漏れ磁束φ１の経路長を長くできるとともにｑ軸磁束φ１１の流れを妨げないようにすることができる。
【００４４】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・図６に示すように、フラックスバリア１００，１０１の形状に関わらずフラックスバリアを外周方向に飛び出させることで効果を得ることができる。
【００４５】
・図７に示すように、Ｖ字の永久磁石１１０，１１１を有するとともにフラックスバリア１１２，１１３，１１４，１１５，１１６を有する。このように、３層構造以上でもよく、最外周のＶ字の一対の永久磁石６０，６１間にフラックスバリア６２，６３があり、その一部が飛び出していればよい。
【００４６】
・図１では２層構造を示し、図７では３層構造を示したが、１層構造でもよく、Ｖ字の一対の永久磁石６０，６１間にフラックスバリア６２，６３があり、その一部が飛び出していればよい。
【符号の説明】
【００４７】
１０…磁石埋込式回転電機、２０…ステータ、２１…コイル、３０…ロータ、４０…ロータコア、６０…永久磁石、６０ａ…ギャップ側磁極面、６１…永久磁石、６１ａ…ギャップ側磁極面、６２…フラックスバリア、６２ａ…面、６３…フラックスバリア、６３ａ…面、６４…フラックスバリア、６５…フラックスバリア、７０…永久磁石、７１…永久磁石、Ｇ…ギャップ、Ｐ１…内周端部、θ１…角度。
【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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