(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子において、
珪素鋼板もしくは軟磁性材料で構成される回転子内に、空隙部分であるスリットが径方向に間隔を空けて複数形成されることで、それらの前記スリットの間に配置される磁路と、
前記回転子を構成するために前記磁路同士をつなぎ、かつ、前記スリットを分断するつなぎ部と、
前記複数のスリットのうち、内側の１本または複数本のスリット内に配され、その磁極方向が前記磁路と直交する永久磁石と、
を備え、
前記永久磁石が配置されているスリットは、前記永久磁石の両側真横に位置するつなぎ部Ｂｃと、前記つなぎ部Ｂｃより前記永久磁石から離れた位置に位置するつなぎ部Ｂｄと、で分断されており、
前記永久磁石が配置されていないスリットは、１以上のつなぎ部Ｂｂで分断されており、
前記つなぎ部Ｂｂおよびつなぎ部Ｂｄは、前記永久磁石と交差しない同一直線上に位置するとともに、前記永久磁石の磁束の方向を向いておらず、
前記つなぎ部Ｂｄの幅は、前記つなぎ部Ｂｂの幅よりも大きい、
ことを特徴とする多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子。
【請求項２】
請求項１に示される回転子において、
前記つなぎ部Ｂｂおよび前記つなぎ部Ｂｄを結ぶ直線は、前記永久磁石の中心を通り、かつ、径方向に延びる直線と、前記回転子の外周で交わる、ことを特徴とする多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子。
【請求項３】
請求項１に示される回転子において、
前記回転子に錯交する最大磁束をΦｍａｘ、前記回転子の材料特性から求められる飽和磁束密度をＢｍａｘ、前記回転子の積層幅をＬとした場合、前記つなぎ部Ｂｄの幅Ｗ２は、Ｗ２＝Φｍａｘ／（Ｂｍａｘ×Ｌ）の式を満たす、ことを特徴とする多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機の回転子の構造には様々なものがある。例えば、内部に複数のスリットを配置することによって複数の磁路を形成している多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子が知られている。以下に、その回転子の構造について、図４、図５を用いて説明する。
【０００３】
図４は、従来の多層フラックスバリア型リラクタンスモータにおける回転子構造の断面の一例を示す図である。図４に示されるように、回転子１には、複数のスリット２が形成されている。そして、それらのスリット２のうち、いくつかのスリット２内には、図面において斜線ハッチングを施している永久磁石３が存在している構造となっている。
【０００４】
図５は、図４の回転子１の一部を拡大した図である。図５において、スリット２同士の間には磁路４が複数存在する。また、回転子１の径方向外側にある固定子（図示せず）内に巻かれている巻線のうち、Ｗｄで示される位置にある巻線に電流が通電されると、磁路４内にΦＬ１で示される方向に磁束が発生し、それによって回転子１に磁極を形成する。この磁束は、回転子１の磁極を作るために必要である。しかし、これでは、回転子１に磁極が形成されただけである。電動機にトルクを発生させるためには、Ｗｑで示される位置の巻線にも電流が通電されることが必要である。Ｗｑで示される位置の巻線にも電流が通電されることにより、フレミング左手の法則により電動機に回転方向の力が発生し、電動機のトルクとなることは公知である。Ｗｑで示される位置の巻線に電流が通電される場合、磁路４と直交する方向の磁束ΦＬ２が、発生しようとする。この磁束は、電動機のトルク発生を阻害し、電動機の効率を低下させる働きがあるため、磁束ΦＬ２はできるだけ少ない方がよい。
【０００５】
永久磁石３がスリット２内に配置される場合、永久磁石３は、磁束ΦＬ２をキャンセルする目的で配置されるため、永久磁石３の磁束は、ΦＭで示される方向となるように配置される。これにより、電動機の効率低下の要因となる磁束ΦＬ２をできるだけ小さくし、電動機の特性を向上させている。以上のように、永久磁石３は、その磁束ΦＭが、磁路と直交するように配置されており、これにより、同じように磁路と直交し、かつ、電動機のトルクを発生する際にできる磁束ΦＬ２をキャンセルする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−９３９２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したとおり、電動機がトルクを発生する場合、回転子１内では磁極を作るための磁路４に沿ったΦＬ１で示される磁束の他に、磁路４と直交するΦＬ２で示される磁束も同時に発生している。磁束ΦＬ２の磁界の強さは、Ｗｑで示される巻線に通電される電流の大きさに比例するため、通電される電流値が小さい場合は、磁束ΦＬ２は反対方向を向いている永久磁石３による磁束ΦＭの磁界の強さより小さくなり、磁束ΦＭによってキャンセルされる。しかし、固定子巻線に通電される電流が大きい場合には、磁束ΦＬ２の磁界の強さの方が、永久磁石３による磁束ΦＭの磁界の強さよりも大きくなり、キャンセルされずに両者の磁界の強さの差の分だけ、ΦＬ２と同じ方向に磁束が残る。このようにして発生した磁束をΦＬ３とする。磁束ΦＬ３は、磁束ΦＬ２と同じ方向を向いているため、永久磁石３内では、もともと永久磁石３が持っている磁束と反対の向きに磁束がかかることになる。これを逆界磁と呼ぶ。
【０００８】
回転子１内で永久磁石３に逆界磁がかかると、それに伴い永久磁石３内の磁束密度が低下して行き、永久磁石３の減磁曲線上での動作点が移動する。このことについて、図６を用いて説明する。図６は、永久磁石３の使用温度の上限における減磁曲線である。縦軸Ｂは磁束密度を示し、上方に向けて磁束密度が大きくなる。一方、横軸Ｈは磁界の強さを示し、左方に向けて磁界の強さが小さくなる。通常、永久磁石３に逆界磁がかからない場合、永久磁石３は減磁曲線上においてＰｒで示される動作点にあり、Ｂｒ（図６ではＢｒ＝１．２２Ｔ）という磁束密度を持っている。その上で永久磁石３に逆界磁がかかると、Ｈで示される逆界磁の磁界の強さにしたがって、破線矢印で示されるように永久磁石３の動作点が減磁曲線上を左下に移動していく。ここで、減磁曲線が直線であるＰ１で示される点より右側、すなわちＰｒからＰ１の間を可逆領域と呼ぶことにする。逆界磁がかかって動作点がＰ２で示される点に移動した場合、永久磁石３にはＨ２（図６ではＨ２＝−３５０ｋＡ／ｍ）で示される磁界がかかっており、永久磁石３内における磁束密度はＢ２（図６ではＢ２＝０．７５Ｔ）に変化しているということになる。図に示されるようにＰ２がＰ１より右側にある場合は、可逆領域であるため、永久磁石３にかかっていた逆界磁が無くなると永久磁石３の動作点は減磁曲線上を右上の方に戻っていき、もとのＰｒで示される点に戻る。この状態は、永久磁石３が減磁していない状態である。
【０００９】
一方、逆界磁による磁界の強さが大きい場合には、状況が異なってくる。これについて、図７を用いて説明する。図７は、図６と同様に永久磁石３の使用温度の上限における減磁曲線である。逆界磁による磁界の強さが大きく、Ｈ３（図７ではＨ３＝−６５０ｋＡ／ｍ）で示される値である場合、動作点は図６の場合と同様に減磁曲線に沿って移動していくが、可逆領域を外れて動作点がＰ３で示される点まで移動する。この場合、逆界磁が無くなると動作点は減磁曲線上を戻るのではなく、減磁曲線の直線部分と平行であって、Ｐ３で示される点を通る一点鎖線で示される直線上を右上の方向に進んでいき、Ｐｓで示される点に到達する。Ｐｓで示される点における磁束密度Ｂｓ（図７ではＢｓ＝１．１２Ｔ）は、Ｂｒ（図７ではＢｒ＝１．２２Ｔ）よりも小さくなっており、この後、この永久磁石３は動作点が一点鎖線上でしか動くことができなくなる。これが、永久磁石３の減磁という現象である。
【００１０】
永久磁石３の減磁は、以上のように永久磁石３に対して大きな逆界磁の磁束がかかった場合に発生する。永久磁石３が減磁すると、これまでキャンセルできていたΦＬ２で示される磁束をキャンセルできなくなるため、モータの発生トルクが低下してしまう。したがって、モータを設計する場合、トルク発生に寄与するＷｑの位置に通電する電流が、少なくとも最大トルクを発生する場合に通電される電流であっても永久磁石３が減磁しないように設計される。減磁しないように設計するということは、前述の減磁曲線上で、逆界磁がかかっても可逆領域で推移できるというのがひとつの条件となるが、そのためには可逆領域が広くなるような永久磁石３を選定する必要がある。
【００１１】
永久磁石３の材質には、永久磁石３が発生する磁束密度が高い材質や減磁しにくさを示す一つの基準である減磁耐量が高い材質といったさまざまな材質があり、その各特長は永久磁石３を構成する化学物質の割合で決まる。具体的には、希土類磁石の場合にはジスプロシウムやテルビウムに代表される重希土類物質の割合が高くなると、減磁耐量が高く減磁しにくい永久磁石３になり、低くすると減磁耐量が低く減磁し易い永久磁石３になる。前述のようにモータを設計する際に永久磁石３を選定する場合、磁束ΦＬ２をできるだけ多くキャンセルできるように磁束密度が高く、さらに逆界磁がかかった場合でも減磁しにくい永久磁石３の材質が求められる。しかし、一般的には、減磁耐量が高くなると磁束密度は低くなる傾向があるため、モータ設計する際には減磁しない範囲でできるだけ高い磁束密度の永久磁石３を選択することになる。
【００１２】
一方、重希土類は産出地が世界的に見て極めて偏在していることがわかっており、将来的に見て調達のリスクが高いことが知られている。そこで、永久磁石３を選択する場合、重希土類を含まないか、もしくはできるだけ含有量を少なくした永久磁石３を選定したい。しかし、前述のとおり、重希土類の含有量を少なくすると、永久磁石３の減磁耐量が低くなって減磁しやすくなってしまう。
【００１３】
以上のことから、本発明の目的は、多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子において、できるだけ減磁耐量が低く磁束密度が高い永久磁石を内蔵しても、減磁しにくい回転子構造を形成することにある。
【００１４】
減磁しにくい回転子構造として、以下のようなものがある。減磁しにくい従来の回転子構造を示す前に、図５における逆界磁のかかり方について、図９を用いて説明する。図９は、図５において、永久磁石３付近を拡大した図である。前述した通り、永久磁石３による磁束ΦＭと逆界磁による磁束ΦＬ２との差による逆界磁磁束ΦＬ３は、永久磁石３の手前で直行する磁路４に入ると磁路に沿って二つの磁束ΦＬ４に分割される。しかし、磁路４を通過できる磁束の磁束密度は磁路４の幅ＭＰ０によって決まってしまうため、
ΦＬ３＞ΦＬ４×２
の場合、余った磁束ΦＬ５が永久磁石３にかかってしまう。そこで、図８に示されるような減磁しにくい回転子構造が考えられる。図５において磁束ΦＬ２は、つなぎ部Ｂａを通過して磁路４まで到達していたが、図８に示される回転子構造では、つなぎ部Ｂｂが永久磁石３の方向を向いておらず、さらにこれらが一直線上にあるため、磁束の流れ方が異なってくる。なお、つなぎ部Ｂｂとは、径方向外側に向かって開いた略円弧状に延びるスリット２を分断する部位のことである。この場合の磁束の流れ方について、図１０を用いて説明する。図１０において、磁束ΦＬ２は永久磁石３に向かっていこうとするものの、その外側にＢｂで示されるつなぎ部が存在するため、ΦＬ６で示される磁束に分割され、さらにつなぎ部Ｂｂの上を真っ直ぐに進んでいくため、永久磁石３にかかる逆界磁の磁束は、図５で示される回転子構造の場合よりもかなり少なくなる。
【００１５】
しかし、そうであってもつなぎ部Ｂｂの上を進んでいく磁束ΦＬ６は、前述と同様つなぎ部Ｂｂの太さで決まるため、
ΦＬ２＞ΦＬ６×２
の場合、余った磁束ΦＬ７が永久磁石３に向かっていく。磁束ΦＬ７は磁路に沿って流れていこうとするものの、つなぎ部Ｂｂは磁束ΦＬ６により、磁石横のつなぎ部Ｂｃは永久磁石３による磁束により、それぞれ磁束が飽和してしまっているので磁束ΦＬ７は行き場を失って、結局逆界磁として永久磁石３にかかってしまう。
【００１６】
以上のことから、本発明の目的は、多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子において、できるだけ減磁耐量が低く磁束密度が高い永久磁石を内蔵しても、減磁しにくい回転子構造を形成することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記課題を解決するために、本発明の多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子は、珪素鋼板もしくは軟磁性材料で構成される回転子内に、空隙部分であるスリットが径方向に間隔を空けて複数形成されることで、それらの前記スリットの間に配置される磁路と、前記回転子を構成するために前記磁路同士をつなぎ、かつ、前記スリットを分断するつなぎ部と、前記複数のスリットのうち、内側の１本または複数本のスリット内に配され、その磁極方向が前記磁路と直交する永久磁石と、を備え、前記永久磁石が配置されているスリットは、前記永久磁石の両側真横に位置するつなぎ部Ｂｃと、前記つなぎ部Ｂｃより前記永久磁石から離れた位置に位置するつなぎ部Ｂｄと、で分断されており、前記永久磁石が配置されていないスリットは、１以上のつなぎ部Ｂｂで分断されており、前記つなぎ部Ｂｂおよびつなぎ部Ｂｄは、前記永久磁石と交差しない同一直線上に位置するとともに、前記永久磁石の磁束の方向を向いておらず、前記つなぎ部Ｂｄの幅は、前記つなぎ部Ｂｂの幅よりも大きい、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明を用いることにより、回転子内に減磁耐量が低く減磁しやすい永久磁石を内蔵しても、永久磁石が減磁しにくく発生トルクが大きい構造の電動機を提供することができる。これは、言い換えれば、前述したような重希土類の含有量が少ないもしくは含まない永久磁石を使うことができるようになり、将来的に見て重希土類の調達リスクにも対応できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明における多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子の一例を示す図である。
【図２】本発明における回転子における磁束の流れの一例を説明するための図である。
【図３】本発明における回転子における磁束の流れの一例を説明するための図である。
【図４】従来の多層フラックスバリア型リラクタンスモータにおける回転子構造の断面の一例を示す図である。
【図５】図４の回転子の一部を拡大した図である。
【図６】磁石の減磁を説明するための減磁曲線の一例である。
【図７】磁石の減磁を説明するための減磁曲線の一例である。
【図８】従来の多層フラックスバリア型リラクタンスモータにおける回転子構造の断面の一例を示す図である。
【図９】従来の多層フラックスバリア型リラクタンスモータにおける回転子における磁束の流れの一例を説明するための図である。
【図１０】従来の多層フラックスバリア型リラクタンスモータにおける回転子における磁束の流れの一例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子の実施形態について、図１を用いて説明する。図１は、本発明における多層フラックスバリア型リラクタンスモータの回転子の一例を示す図である。図１における回転子を構成する部分のうち、背景技術において示した図４、図５及び図８と同一の要素については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態の回転子において、略円弧状に延びる複数（図示例では四本）のスリット２が径方向に間隔を空けて並んでいる。このスリット２とスリット２との間が、磁路４となる。複数のスリット２のうち、径方向内側から数えて二つのスリット２ｂの略中央には、永久磁石３が配されている。この永久磁石は、その磁極方向が、磁路４と直交するような配置となっている。以下では、この永久磁石３の中心を通り、径方向に延びる直線をＬ１とする。また、この直線Ｌ１と、回転子の外周との交点をＣ１とする。
【００２２】
また、回転子には、各スリットを、複数（図示例では３または５）に分断し、かつ、スリット２をはさんで隣接する二つの磁路４をつなぐ、つなぎ部Ｂｂ，Ｂｃ，Ｂｄが形成されている。以下では、永久磁石３が配されていないスリット２ａに設けられたつなぎ部を「つなぎ部Ｂｂ」と呼ぶ。また、永久磁石３が配されたスリット２ｂのうち、永久磁石３のすぐ真横に位置するつなぎ部を「つなぎ部Ｂｃ」と呼び、永久磁石３が配されたスリット２ｂのうち、永久磁石３のすぐ真横に位置しないつなぎ部（つなぎ部Ｂｃより永久磁石３から離れた位置に位置するつなぎ部）を「つなぎ部Ｂｄ」と呼ぶ。
【００２３】
本発明では、永久磁石３と交差しない直線Ｌ２上に、永久磁石３が配されていないスリット２ａのつなぎ部Ｂｂ、および、永久磁石３が配されたスリット２ｂのうち永久磁石３の真横に位置しないつなぎ部Ｂｃを設けている。直線Ｌ２は、回転子の外周（交点Ｃ１）で、直線Ｌ１と交差する。このつなぎ部Ｂｂとつなぎ部Ｂｄに関して、つなぎ部Ｂｂの幅をＷ１、つなぎ部Ｂｄの幅をＷ２としたとき、Ｗ２＞Ｗ１という関係を持つように設定する。また、永久磁石３の磁束方向である永久磁石３の中心線Ｌ１上には、つなぎ部を設けることはしない。
【００２４】
このように、つなぎ部Ｂｂ及びつなぎ部Ｂｄを配置した場合に、逆界磁の磁束がどのように変化するかについて、以下に説明する。
【００２５】
図２は、本発明における回転子１内において逆界磁がかかった場合の、磁束の流れについて説明する図である。逆界磁による磁束φＬ２がかかった場合、前記と同様に磁束ΦＬ２は永久磁石３に向かっていこうとするものの、その外側にＢｂで示されるつなぎ部が存在するため、ΦＬ６で示される磁束に等分され、さらにつなぎ部Ｂｂの上を真っ直ぐに進んでいき、つなぎ部Ｂｂが磁束飽和すると、余った磁束ΦＬ７がスリットを乗り越えて永久磁石３に真っ直ぐ向かっていく。この磁束ΦＬ７は、従来技術においては行き場を失って永久磁石３に逆界磁としてかかってしまっていたが、本発明においてはＷ２＞Ｗ１であるため、つなぎ部Ｂｄでは、磁束が飽和しておらず、したがって、ΦＬ７が２分割したΦＬ８は、ΦＬ６と合わさってΦＬ９としてつなぎ部Ｂｄを通過することになる。このため、永久磁石３には、逆界磁の磁束が、かからなくなる。
【００２６】
回転子１内に存在するつなぎ部は、トルク発生時には磁束の漏れが通過し、電動機の特性を低下させる原因となるため、つなぎ部はできるだけ幅を小さくしたい。本発明のようにつなぎ部を太くしてしまった場合、磁束の漏れが増加して電動機の特性が低下することが考えられるが、実際は電動機の特性低下はほとんど無い。そのことについて、図３を用いて説明する。図３において、Ｗｑで示される位置の巻線にはトルク発生のための電流が通電されるが、この電流が流れることにより発生してほしくない方向に磁束が発生しようとする。すなわち、Ｗｑの位置の巻線に手前方向から奥の方向に向かって電流が通電する場合、右ネジの法則にしたがってＷｑの周りに磁束が発生する。この磁束はつなぎ部Ｂｂ及びつなぎ部Ｂｄを磁束ΦＬｑとして図３に示される方向に通過する。
【００２７】
この時、漏れ磁束ΦＬｑの大きさは、つなぎ部Ｂｂの幅Ｗ１とつなぎ部Ｂｄの幅Ｗ２のうち、小さい方によって決まる。つなぎ部は非常に細いため、漏れ磁束は簡単につなぎ部内で磁束飽和する。したがって、図３のように漏れ磁束が発生する場合、幅が小さいつなぎ部Ｂｂを通過できる磁束しかつなぎ部Ｂｄを通過できない。したがって、つなぎ部Ｂｂとつなぎ部Ｂｄを通過する漏れ磁束は等しい。
【００２８】
以上より、従来技術を示す図８とつなぎ部Ｂｂの幅が等しい本発明においては、漏れ磁束の大きさはほとんど変わらなく、故に電動機の特性低下はほとんど無い、ということができる。
【００２９】
次に、つなぎ部Ｂｂの幅Ｗ１とつなぎ部Ｂｄの幅Ｗ２の決定方法について説明する。まず、前記の通り漏れ磁束を出来るだけ少なくしたい観点から、つなぎ部Ｂｂの幅Ｗ１は出来るだけ小さくしたい。しかし、回転子が回転する際に受ける遠心力に耐えられなければならないので、その遠心力に耐えられる範囲で最も小さい値がＷ１の大きさということになる。これは強度解析等から求めることができる。
【００３０】
一方、つなぎ部Ｂｄの幅Ｗ２に関しては、以下のように決定することができる。モータに通電される電流の最大値がわかれば、回転子内に誘起される錯交磁束は電流値に比例するため、求めることができる。この磁束をΦｍａｘとすると、つなぎ部Ｂｄは磁束Φｍａｘが通過できる最小の太さにすればよい。すなわち、回転子の積層幅をＬと仮定すると、つなぎ部Ｂｄの断面積Ｓは、
Ｓ＝Ｗ２×Ｌ
となる。したがって、つなぎ部Ｂｄを磁束Φｍａｘが通過するとき、つなぎ部Ｂｄにおける磁束密度Ｂｍａｘは、
Ｂｍａｘ＝Φｍａｘ／Ｓ＝Φｍａｘ／（Ｗ２×Ｌ）
となる。ここで、Ｂｍａｘの値を、飽和磁束密度とする。飽和磁束密度は、Ｂ−Ｈ曲線上でＨが上昇していってもＢの値がほとんど上がらなくなった時のＢの値であり、材料によって若干異なるが、大体２．０〜２．３［Ｔ］程度である。使用する回転子の材料特性から、飽和磁束密度を求めて、それをＢｍａｘとし、あとはΦｍａｘとＬがわかっているので、上記式をもとにＷ２の値を求めることができる。以上のようにして、つなぎ部Ｂｄの幅を求めることができる。
【００３１】
以上のように、本発明においては逆界磁の磁束がかかっても、その大部分をスリット方向に逃がし、永久磁石にかかる磁束を小さくすることができる。永久磁石３にかかる逆界磁による磁束が小さくなるということは、それだけ減磁しにくくなるということであるため、本発明による回転子においては、減磁しにくいということができる。
【００３２】
以上が、本発明における実施の一例である。なお、本発明の実施形態における説明では、つなぎ部の幅を同一の記号では等しいとして説明したが、遠心力に耐えられる構造とするために、同一の記号であっても回転子の内側に行くほど少しずつ太くしていくような構成でも構わない。
【符号の説明】
【００３３】
１  回転子、２  スリット、３  永久磁石、４  磁路。
【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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