(57)【要約】【課題】    本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、回転子内に直線部と円弧部とが接続されることで構成される開口部を有し、開口部内には永久磁石が配置され、その永久磁石は２つの長辺側端部を接続する２つの短辺側は端部を有してり、前記短辺側端部は、どちらか一方が多角形状であり、前記開口部の直線部と接することで、ブリッジ部を効果的に磁気飽和させることによってトルクに寄与しない漏れ磁束を低減し、永久磁石式回転電機の高トルク密度化を実現することである。【解決手段】  磁石磁束を有効に利用してトルクを高密度化した永久磁石式回転電機を実現することである。【選択図】  図２
2015070768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子内に直線部と円弧部とが接続されることで構成される開口部を有し、
前記開口部内には永久磁石が配置される永久磁石式回転電機。
【請求項２】
前記永久磁石式回転電機の断面において、
前記永久磁石は２つの長辺側端部を接続する２つの短辺側は端部を有しており、
前記短辺側端部は、どちらか一方が多角形状であり、前記開口部の直線部と接する永久磁石式回転電機。
【請求項３】
前記永久磁石の長辺側端部と前記開口部の直線部が接することで、ブリッジ部に積極的に磁束を流し、ブリッジ部を磁気飽和させる永久磁石式回転電機。
【請求項４】
前記永久磁石の長辺側端部と前記開口部の直線部が接することで、前記永久磁石の短辺側の多角形状の端部の磁化方向を、前記永久磁石の長辺側端部に垂直な方向から短辺側端部の方向へ傾けた永久磁石式回転電機。
【請求項５】
前記永久磁石の長辺側端部と前記開口部の直線部が接することで、ブリッジ部に積極的に磁束を流し、ブリッジ部を磁気飽和させる永久磁石式回転電機。
【請求項６】
前記永久磁石の長辺側端部と前記開口部の直線部が接することで、前記永久磁石の短辺側の多角形状の端部の磁化方向を、前記永久磁石の長辺側端部に垂直な方向から短辺側端部の方向へ傾けた永久磁石式回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、永久磁石式回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石の特性向上に伴って、より小型で高出力な永久磁石式回転電機が開発されている。このような背景の下、回転電機の応用範囲は従来から利用されてきた鉄道駆動用から、ハイブリッド自動車、さらには電気自動車へと広がっている。ハイブリッド自動車への適用では限られたスペースに配置できる小型化が求められ、電気自動車への適用では小型化に加えて高出力化が求められており、適用範囲の拡大に応じてますます出力密度の高いモータ特性が求められている。
【０００３】
モータ一般において、図８に示すように遠心力による応力の緩和や機械的強度を向上させるために、回転子円周部にから回転子の開口部まで（図８に示すｄ軸方向）幅１．５〜２．５  ｍｍ程度の鉄心ブリッジ部１０が必要である。また、Ｖ字、Ｕ字などの磁石配置とした場合には、図８に示すｄ軸を中心線として左の磁石穴と右の磁石穴の間にも幅３〜５  ｍｍ程度のブリッジ部２０を設定することで機械強度を保っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１３５０１８号
【特許文献２】特許第５００５８３０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらのブリッジ部においてはトルクに寄与しない漏れ磁束が発生し、永久磁石の磁束が有効に活かせず、高トルク密度化を阻害する要因となっていた。上記の先行技術文献に代表される従来技術においては、この漏れ磁束を抑制するためにブリッジ部を狭くする、また漏れ磁束の流れを堰き止めるように非磁性部を構成することにより、漏れ磁束の流れる磁路を磁気飽和させることによって磁気抵抗を増加させ、漏れ磁束を抑制する工夫を行っていた。しかし、これらの方法では磁気飽和が不完全であるために、依然として大きな漏れ磁束が発生していた。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、磁石磁束を有効に利用してトルクを高密度化した永久磁石式回転電機を実現することである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態の永久磁石式回転電機の全体構成を示す図である。
【図２】永久磁石式回転電機における回転子開口部と永久磁石形状の例である。
【図３】回転子開口部に挿入する永久磁石の形状の図である。
【図４】従来の技術における永久磁石式回転電機に具備された永久磁石の磁化方向の図である。
【図５】第１の実施形態における永久磁石式回転電機内部の磁束の流れを表す図である。
【図６】永久磁石の形状を変化させた時の速度−トルク特性表す図である。
【図７】第２に実施形態における永久磁石の磁化方向と磁束の流れ表す図である。
【図８】従来の永久磁石式回転電機における磁束線図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態の永久磁石回転電機について図面を参照して説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
第１の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図１は、第１の実施形態の永久磁石式回転電機の全体図である。第１の実施形態の一例を示すこの図面においては、６極モータの１極あたりに２個の永久磁石をＶ字状に配置した構成を例として説明する。
【００１０】
図１は、第１の実施形態の永久磁石式回転電機（６極モータあたりの１極）の径方向断面図である。図１において固定子１１は、固定子スロット１４、固定子コアバック１３、固定子ティース１２を有している。このとき、固定子コアバック１３は、固定子コアバック１３から突出した凸部の部分を有する。この凸部が固定子ティース１２である。また、固定子ティース１２と隣り合う固定子ティース１２間の凹部部分が固定子スロット１４となる。固定子１１は、主に鉄にケイ素を添加することによって製造された薄板の電磁鋼板といわれる材料を積層して構成される。固定子スロット１４には銅で構成された電機子巻線１５が具備されている。
【００１１】
回転子１６は、固定子１１の固定子ティース１２と間隙を介して固定子１１の内周側に配置される。図１における回転子１６は主に、鉄にケイ素を添加することによって製造された薄板の電磁鋼板といわれる材料を積層して構成される。回転子１６において、主たる磁束の方向をｑ軸とし、ｑ軸に電気的・磁気的に直交する方向をｄ軸とする。
【００１２】
また、回転子１６は、第１開口部３３、第２開口部１３３、第３開口部２３３、複数個の永久磁石を有している。第１開口部３３及び第２開口部１３３には、多角形の永久磁石３２、１３２がそれぞれ取り付けられている。このとき、固定子１１側の第１開口部３３側面と永久磁石３２の端部は乖離しており、空洞が形成される。この空洞を第１磁気障壁３３ａとする。また、後述する回転子シャフト１７側の第１開口部３３側面との永久磁石３２の端部は乖離しており、空洞が形成される。この空洞を第２磁気障壁３３ｂとする。第２開口部１３３は、第１開口部３３に対してｄ軸を中心軸として対称となるように設けられている。第１開口部３３と同様に第２開口部１３３は、第１磁気障壁１３３ａと第２磁気障壁１３３ｂを有している。また、第３開口部２３３は、第１開口部３３と第２開口部１３３の間かつ固定子１１側に、略三角形の形状で設けられている。また、機械的強度を保つために第２磁気障壁３３ｂと第２磁気障壁１３３ｂの間にはブリッジ部２０が構成されている。同様に、第１磁気障壁３３ａと回転子１６の外周側面の間にも外周部ブリッジ部１０が構成されている。
【００１３】
なお、第１の実施形態の一例を示すこの図面においては、６極モータの１極あたりに２個の永久磁石をＶ字状に配置した構成を例として説明したが、この形状に限るものではない。すなわち極数は４極や８極でもよく、１極あたりの永久磁石数も１個、もしくは３個以上でもよい。永久磁石の配置もＵ字や磁石を横向きに寝かせた配置でもよい。
【００１４】
回転子１６の内周側には回転子シャフト１７が設けられる。回転子シャフト１７はここでは図示しないコロ軸や玉軸などを有する軸受によって回転自在に支持されている。
【００１５】
このような構成の永久磁石式回転電機の固定子１１の電機子巻線１５には、３相交流電流が流れることによって回転磁界が発生する。発生した回転磁界によって、回転子１６が吸引され、回転子シャフト１７を中心に回転する。
【００１６】
図２は、図１の永久磁石３２および永久磁石１３２を拡大した図である。図２を用いて磁石形状の特徴について詳細に説明する。図１及び図２の回転子１６の第１開口部３３が構成されており、その穴の中に多角形の永久磁石３２が配置されている。第１開口部３３は回転時の遠心力による応力を低減するために、磁石長辺に平行な第１直線部３１ａと、第１直線部３１ａの一端と繋がる第１短円弧部３５ａと、第１短円弧部３５ａの一端と繋がる、磁石短辺に対抗する第２直線部３４ａと、第２直線部３４ａの一端と繋がる第１長円弧部３５ｂと、第１長円弧部３５ｂと繋がる第３直線部３１ｂと、第３直線部３１ｂと繋がる第２長円弧部３５ｃと、繋がる第２長円弧部３５ｃと繋がる第４直線部３４ｂ、第４直線部３４ｂと繋がる第２短円弧部３５ｄと、を組み合わせた略楕円状の形状をしている。このとき、第１短円弧部３５ａと第２短円弧部３５ｄは、第１長円弧部３５ｂと第２長円弧部３５ｃよりも短い。
【００１７】
第２直線部３４ａ及び第４直線部３４ｂは、１．５〜２．５  ｍｍ程度である。これは、第１開口部３３の固定子１１側の端部から回転子１６の外周部までの直線距離である外周部ブリッジ１０の幅と同程度である、第１開口部３３に挿入する永久磁石３２は、加工が容易な直線加工を組み合わせて両端部を多角形状としている。
【００１８】
またこのとき、第１開口部３３の第１直線部３１ａ、第３直線部３１ｂ及び、第２直線部３４ａ、第４直線部３４ｂに永久磁石３２の表面が接するように、永久磁石３２を形成し、配置する。第１直線部３１ａ、第３直線部３１ｂのそれぞれ接している永久磁石３２の２つ辺を長辺側端部とし、２つの長辺側端部をつなぐ辺を短辺側端部とする。このとき、短辺側端部が１つ以上の角を有している場合に、短辺側端部が多角形状であるとする。
【００１９】
なお、本実施形態の説明では、両端部を多角形状とした永久磁石３２を使用しているが、それに限ったものではない。図３（ａ）に示すように、第１開口部３３の第４直線部３４ｂに接する永久磁石３２の端面のみを多角形状とした永久磁石３７を用いることも可能である。また図３（ｂ）に示すように、第１開口部３３の第２直線部３４ａに接する永久磁石３２の端面のみを多角形状とした永久磁石３８を用いることも可能である。
【００２０】
次に、前述した実施形態の特性について説明する。図４に示す構成のように、直線部３１ａ、３１ｂ、３４ａ、３４ｂ、円弧部３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄから構成された第１開口部３３に対して、長辺に対して垂直な磁化４４をもつ矩形状の永久磁石３６を挿入した永久磁石式回転電機においては、永久磁石３６から発生する磁束のほとんどが永久磁石３６の長辺（直線部３１ａ、３１ｂ）に対して垂直方向に流れるため、外周部ブリッジ部１０や内周部ブリッジ部２０に流れ込む磁束が少ない。したがって、外周部ブリッジ部１０や内周部ブリッジ部２０における磁気飽和は小さく、外周部ブリッジ部１０や内周部ブリッジ部２０を通じて漏れ磁束が流れやすい状態となる。一方で、本実施形態においては、図５に示すように第２直線部３４ａや第４直線部３４ｂに接するように、端部を多角形状に加工した永久磁石３２を使用している。端部が多角形状の永久磁石３２から生じた磁束の一部は永久磁石３２に接する第２直線部３４ａや第４直線部３４ｂを通してブリッジ部１０に流れる磁束６１０やブリッジ部２０に流れる磁束６２０となる。これらの磁束によって、外周部ブリッジ部１０や内周部ブリッジ部２０が大きく磁気飽和して磁気抵抗が大きくなり、各ブリッジ部を流れる漏れ磁束を低減することができる。
【００２１】
上述したように矩形状の永久磁石３６を使用した場合永久磁石式回転電機の速度−トルク特性を、図６の特性７１に示す。それに対して、両端部を多角形状とした永久磁石３２を使用した場合の速度−トルク特性を特性７２、直線部３４ａに接する端面を多角形状にした永久磁石３８を使用した場合の速度−トルク特性を特性７３、直線部３４ｂに接する端面を多角形状とした永久磁石３７を使用した場合の速度−トルク特性を特性７４に示す。このように、永久磁石の両端部もしくはいずれか一方の端部を多角形状とすることにより、漏れ磁束が低減され、トルク特性が向上する。
【００２２】
本実施形態によれば、回転子の開口部３３の直線部３４ａや３４ｂに接するように、端部を多角形状に加工した永久磁石３２、３７、もしくは３８を配置することによって、外周部ブリッジ部１０や内周部ブリッジ部２０を効果的に磁気飽和させて漏れ磁束を低減することにより、永久磁石式回転電機の高トルク密度化を実現することができる。
【００２３】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。全体図は第１の実施形態の永久磁石式回転電機と同様であるため図１を参照されたい。本実施形態は、第１の実施形態と比較して、永久磁石の磁化方向が異なっている。以下、その点について詳細に説明する。
【００２４】
第２の実施形態においては、回転子の開口部３３の直線部３４ａや３４ｂに接するように、端部を多角形状に加工した永久磁石３２、３７、もしくは３８を搭載している。以下では、一例として永久磁石３２を用いた場合の図７を用いて説明する。この永久磁石３２は、磁石中央の矩形領域３２ａ、第２直線部３４ａに接する略台形領域３２ｃ、第４直線部３４ｂに接する略台形領域３２ｂの３部分の領域に分けられる。各領域において磁化方向が異なる。矩形領域３２ａでは長辺に垂直な磁化４４ａを持ち、略台形領域３２ｂ、３２ｃにおいては磁化４４ａの磁化方向に対して角度Ａだけ磁石の外側に傾いた磁化４４ｂ、４４ｃを有している。磁化４４ｂ、４４ｃの傾きＡは永久磁石略台形部３２ｂ、３２ｃの形状により値が決められるが、およそ０〜３０ｄｅｇ程度である。本構成においては、磁石の磁化方向が単一の場合に比べて、略台形領域４４ｂからブリッジ部１０、また略台形領域４４ｃからブリッジ部２０に磁束が流れやすくなり、ブリッジ部１０、および２０が磁気飽和し易くなる。これにより、ブリッジ部１０および２０の磁気抵抗が増加し、漏れ磁束が低減することによって高トルク密度化を実現することができる。
【００２５】
本実施形態によれば、永久磁石３２の端部の台形領域３２ｂ、３２ｃの磁化方向を磁石外側方向に傾け、磁化４４ｂ、４４ｃとすることにより、ブリッジ部１０と２０を効果的に磁気飽和させ、漏れ磁束を低減することによって、永久磁石式回転電機の高トルク密度化を実現することができる。
【００２６】
上記で説明された全ての実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものではない。例えば、本実施形態は、永久磁石及び、その永久磁石を配置する開口部の配置がＶ字状に限定するものではなく、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、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。
【符号の説明】
【００２７】
１０  外周部ブリッジ
２０  内周部ブリッジ
１１  固定子
１２  固定子ティース
１３  固定子コアバック
１４  固定子スロット
１５  電機子巻線
１６  回転子
１７  回転子シャフト
３２  両端部を多角形状とした永久磁石
３３  第１開口部
３３ａ  第１磁気障壁
３３ｂ  第２磁気障壁
１３２  永久磁石
１３３  第２開口部
１３３ａ  第１磁気障壁
１３３ｂ  第２磁気障壁
２３３  第３開口部
３１ａ  第１直線部
３１ｂ  第３直線部
３４ａ  第２直線部
３４ｂ  第４直線部
３５ａ  第１短円弧部
３５ｂ  第１長円弧部
３５ｃ  第２長円弧部
３５ｄ  第２短円弧部
３６  矩形状永久磁石
３７  第１開口部３３の第４直線部３４ｂに接する端面のみを多角形状とした永久磁石
３８  第１開口部３３の第２直線部３４ａに接する端面のみを多角形状とした永久磁石
４４  磁石長辺に対して垂直な磁化
６１０  第２直線部３４ａや第４直線部３４ｂを通してブリッジ部１０に流れる磁束
６２０  第２直線部３４ａや第４直線部３４ｂを通してブリッジ部２０に流れる磁束
７１  矩形状の永久磁石３６を使用した場合永久磁石式回転電機の速度−トルク特性
７２  両端部を多角形状とした永久磁石３２を使用した場合の速度−トルク特性
７３  直線部３４ａに接する端面を多角形状にした永久磁石３８を使用した場合の速度−トルク特性
７４  直線部３４ｂに接する端面を多角形状とした永久磁石３７を使用した場合の速度−トルク特性
３２ａ  磁石中央の矩形領域
３２ｂ  第４直線部３４ｂに接する略台形領域
３２ｃ  第２直線部３４ａに接する略台形領域
４４ａ  磁石長辺に対して垂直な磁化
４４ｂ  磁化４４ａの磁化方向に対して角度Ａだけ磁石の外側に傾いた磁化
４４ｃ  磁化４４ａの磁化方向に対して角度Ａだけ磁石の外側に傾いた磁化
【図１】
2015070768.tif 000003
【図２】
2015070768.tif 000004
【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】
2015070768.tif 000009
【図８】
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