(57)【要約】トルク特性及び出力特性を改善する永久磁石型同期機。交互に配置される永久磁石と磁極片とを周方向に配置して回転子組立体が設けられる。回転子の漏洩磁束量を減少して永久磁石の有効作用長を増大するために、台形状又はテーパ状の永久磁石構造が用いられる。台形状永久磁石と磁極片とを交互に配置して、電動機の重量又は体積を変更せずに、電動機内の径方向の空隙を利用して、従来の電動機と比較してより強力な磁場を空隙内に形成できる。
2006516879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子軸と、
回転子軸の外側で周方向に配置される台形状の複数の永久磁石と、
回転子軸の外側で周方向に配置されかつ永久磁石と共に交互に配置される複数の磁極片と、
複数の永久磁石に磁気的に結合される固定子とを備えることを特徴とする永久磁石型同期機。
【請求項２】
回転子軸に隣接する台形状の複数の永久磁石の端部は、回転子軸とは反対側の永久磁石の端部より長い請求項１に記載の永久磁石型同期機。
【請求項３】
各磁極片は、複数の永久磁石が係合する溝を回転子軸とは反対側の端部に形成する請求項１に記載の永久磁石型同期機。
【請求項４】
複数の永久磁石と複数の磁極片との係合により、同期機の回転運動時に永久磁石を回転子軸に保持する請求項４に記載の永久磁石型同期機。
【請求項５】
隣接する永久磁石間の円弧長さ(τp)に対する磁極片の円弧長さ(α)の比(α/τp)は、０.６から０.７の間である請求項１に記載の永久磁石型同期機。
【請求項６】
回転子磁極片側の固定子と回転子磁極片の間の距離(L)と、回転子磁極片の中心上の固定子と回転子磁極片との間の距離(H)との比(k)は、１.５から２.０の間である請求項１に記載の永久磁石型同期機。
【請求項７】
回転子に隣接する複数の永久磁石の端部は、回転子とは反対側の端部の長さより少なくとも２５%長い請求項２に記載の永久磁石型同期機。
【請求項８】
複数の磁極片は、固定手段により回転子に固定される請求項２に記載の永久磁石型同期機。
【請求項９】
複数の各磁極片の底部の水平幅は、固定手段の水平幅に基づき最小化される請求項８に記載の永久磁石型同期機。
【請求項１０】
永久磁石型同期機は、電動機である請求項１に記載の永久磁石型同期機。
【請求項１１】
永久磁石型同期機は、発電機である請求項１に記載の永久磁石型同期機。
【請求項１２】
回転子軸と、複数の磁極片と、複数の永久磁石とを組み合わせて、回転子組立体を形成し、更に、複数の各永久磁石の上面は、回転子の外面である請求項１に記載の永久磁石型同期機。
【請求項１３】
回転子軸と、
回転子軸の外側で周方向に配置される複数の永久磁石と、
回転子軸の外側で周方向に配置されかつ永久磁石と共に交互に配置される複数の磁極片と、
複数の永久磁石に磁気的に結合される固定子とを備え、
永久磁石は、台形状に形成されかつ回転子軸とは反対側の永久磁石の外面により特徴付けられ、複数の永久磁石の上面は、固定子に直接隣り合うことを特徴とする永久磁石型同期機。
【請求項１４】
回転子軸に隣接する台形状の複数の永久磁石の面の水平端は、永久磁石の上面の水平端より長い請求項１３に記載の永久磁石型同期機。
【請求項１５】
各磁極片は、複数の永久磁石が係合する溝を回転子軸の反対側の端部に形成する請求項１３に記載の永久磁石型同期機。
【請求項１６】
複数の永久磁石と複数の磁極片との係合により、同期機の回転運動時に永久磁石を回転子軸に保持する請求項１５に記載の永久磁石型同期機。
【請求項１７】
隣接する永久磁石間の円弧長さ(τp)に対する磁極片の円弧長さ(α)の比(α/τp)は、０.６から０.７の間である請求項１３に記載の永久磁石型同期機。
【請求項１８】
回転子磁極片側の固定子と回転子磁極片の間の距離(L)と、回転子磁極片の中心上の固定子と回転子磁極片との間の距離(H)との比(k)は、１.５から２.０の間である請求項１３に記載の永久磁石型同期機。
【請求項１９】
回転子に隣接する複数の永久磁石の端部は、回転子とは反対側の端部の長さより少なくとも２５%長い請求項１４に記載の永久磁石型同期機。
【請求項２０】
回転子軸と、
回転子軸の外側で周方向に配置される複数の永久磁石と、
回転子軸の外側で周方向に配置されかつ永久磁石と共に交互に配置される複数の磁極片と、
複数の永久磁石に磁気的に結合される固定子とを備え、
永久磁石は、台形状に形成されかつ回転子軸とは反対側の永久磁石の外面により特徴付けられ、外面は、回転子軸に隣接する永久磁石の内面より面積が小さく、
同期機が径方向に運動するとき、磁極片により永久磁石を回転子軸に固定する形状を磁極片に設け、
複数の永久磁石の上面は、固定子に直接隣り合うことを特徴とする永久磁石型同期機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通常の同期機、特に、改善されたトルク特性及び／又は出力密度特性を有する永久磁石型同期機に属する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも３つの技術−マイクロプロセッサ、電力半導体及び希土類永久磁石−が近年進展しかつ応用されたため、永久磁石同期型電動機の開発に多大の貢献をもたらした。永久磁石型電動機は、通常、単純な構造、高効率、高力率及び高電力密度の明確な長所によって、特徴付けられる。従って、永久磁石型電動機は、船及び他の輸送手段の推進装置に好適である。
【０００３】
輸送手段の寸法及び重量が急激に増大したので、最新の推進装置の開発では、本質的に大出力かつ低速の推進モータの設計及び構造を必要とした。開発及び選択の基準では、空間及び重量の制約が重大な役割を果たす。約言すれば、トルク密度、即ちモータの単位重量当たりのトルクを最大化することが一般に有利である。
【０００４】
この数年間に、最新の磁気材料を使用して、高性能、高効率かつ軽量の電気モータが開発された。永久磁石（PM）型同期機は、磁気材料と電子的構造との両面の技術的進展を利用して、トルク及び電力密度が改善されてきた。永久磁石型電動機は、多くの異なる電磁的形態及び方法に設計されかつ開発された。
【０００５】
永久磁石型同期電動機には、数種類の回転子の構造又は幾何学的形状が存在する。一般に、永久磁石型同期電動機の回転子（ロータ）構造は、磁石の磁化方向に依存して、径方向形と、横又は円周方向形とに大別される。図１は、径方向磁化（図１Ａ）及び円周方向磁化（図１Ｂ）の回転子構造を備える永久磁石型同期機のブロック図を示す。各電動機の基本構成は、ほぼ同一である。
【０００６】
図１Ａに示す通り、径方向に磁石が配置された回転子永久磁石型同期機は、磁気回転子コア10の外側に離間して配置されかつ径方向に配置された複数の永久磁石15を磁気回転子コア10に設けた構造に特徴を有する。周方向に配置される複数の固定子歯部25を有する鉄製コア固定子（ステータ）20は、鉄製コア固定子20と回転子とを分離する空隙をもって回転子コア10の外周に配置される。同期機の空隙を介して径方向に向く磁束路を矢印30に示す。径方向に磁石が配置される図１Ａの磁石装置では、複数の永久磁石15は、直列に動作する。
【０００７】
比較的高効率及び高力率を備えかつ所与のトルク又は電力定格に対してより小型のモータ体積である高出力密度及び高性能を要求する応用では、図１Ｂに示す円周方向磁化構造の方が、図１Ａの径方向磁化構造より適する可能性がある。円周方向磁化の磁石構造は、非磁性回転子コア50の外側で周方向に永久磁石55と鉄製回転子磁極片60とが交互に配置された非磁性回転子コア50に特徴を有する。固定子20は、径方向に磁石が配置される磁石構造と同一でもよい。固定子の周方向の配列では、２つの永久磁石は、空隙（エアギャップ）磁束を同時に発生する作用がある。このように、深い磁石構造では、より高い空隙磁束密度を得ることができる。モータの磁気剪断応力及び定格は、空隙磁束密度に比例するので、通常、より小型にする程、より高出力密度のモータが得られる。
【０００８】
図２は、円周方向に配置される永久磁石を使用するモータ磁極を従来の幾何学的断面形状に配置した詳細図を示す。固定子ハウジング75により適所に保持される固定子コア背部鉄70を固定子に設け、固定子コア背部鉄70は、モータの径方向軸に沿って垂直方向に同軸上に配置された複数の固定子巻線80を備える。回転子は、回転子ハウジング92の外側で周方向に交互に配置される永久磁石85と鉄製回転子磁極片90とを備える。図２に示すように、矩形断面の永久磁石85は、従来の円周方向に配置される磁石装置に使用される。従って、回転する電動機の遠心力に対抗して、適切な位置に永久磁石85を保持するため、回転子ハウジング92に回転子磁極片90をボルトで締め付け、隣接する２つの回転子磁極片90の上部付近に設けられる溝内に補極楔95が係合され固定される。補極楔95は、回転子ハウジング92に対し適切な位置に永久磁石85を保持する。
【０００９】
径方向に配置される磁石構造と比較して、円周方向に磁石が配置される磁石構造の欠点の１つは、図３に示すように、漏洩磁束が比較的大きい点である。漏洩磁束は、空隙を横断せず、固定子巻線80に結合しない磁束のため、有効な磁界を形成しない。上方の回転子漏洩磁束路と下方の回転子漏洩磁束路の両方を磁束線として図３に示す。回転子コア又は軸を非磁性体で形成すると、漏洩磁束は、通常低下する。漏洩磁束の減少によって、所与の空隙磁束密度を発生するのに必要な磁石の体積量が相応して減少する。
【００１０】
前記略述の通り、両型式でも回転子形状の固定子形態は同一でもよい。固定子は、誘導電動機又は巻線界磁型同期機に類似する多相巻線80を有する溝付きコア70を通常備える。
【００１１】
円周方向の磁石構造（又は「スポーク位相構造」）は、推進力の付与に好適である。これは、電機子反作用又は過剰温度に起因する永久磁石85の消磁作用に対する優れた抵抗力をある程度発生するためである。鉄製回転子の磁極頭部90は、空隙（ｑ軸路）を横切る別の低磁気抵抗の平行な磁路を形成するため、電機子のアンペア回数の結果、永久磁石85を横断して僅かな成分の消磁場が発生するに過ぎず、永久磁石85は、電機子の消磁電流から部分的に遮蔽される。従って、円周方向の磁石構造は、径方向の磁石構造より、消磁場効果に対してより安定かつ低感度であると考えられる。
【００１２】
しかしながら、表面配置型の磁石構造と比較して、円周方向、即ちスポーク状の従来の磁石構造は、磁気材料又は磁石を僅かしか利用しない欠点がある。漏洩磁束の比率が高いと、発生するトルクが制限され、所定量のトルクを発生するには大容積の磁気材料を使用しなければならない。これは、図３に示す構造で大量の漏洩磁束を発生することに一部起因する。図示の通り、従来、矩形断面を有する永久磁石85の内側半径部分に漏洩磁束が主に発生する。このように、矩形状の磁石85を使用する円周上に配置される磁石又はスポーク状磁石は、高比率の漏洩磁束によりトルクの発生が制限されるため、図１Ａの表面搭載型永久磁石15に匹敵しない。
【００１３】
従って、表面搭載型（径方向磁化）磁石構造は、スポーク（円周磁化）構造より小さい磁石体積、即ちより少ない漏洩磁束量で必要な電磁トルクを発生できるが、トルク高調波、音響性能、永久磁石表面渦電流損失及び消磁抵抗を考慮すると、径方向磁化構造は不適当な応用例もある。このように、スポーク型同期機の磁石構造では、トルク密度を増大させる要求又は必要性がある。少なくとも１つの好適な実施の形態では、本発明は、従来の表面搭載型構造と比較して、スポーク型電動機のトルク対体積比を改善する方法を用いて、１又は２以上の前記及び他の限定を従来技術に加えるものである。
【発明の開示】
【００１４】
少なくとも１つの好適な実施の形態では、本発明は、改善されたトルク特性及び出力特性を有する永久磁石型同期機を提供する。円周方向に配列されるスポーク型回転子組立体を使用して、永久磁石と磁極片とが交互に配置される。特に永久磁石の基部又は下縁部（回転子軸側）での回転子の漏洩磁束量を減少するため、台形状又は他のテーパ形状の永久磁石構造体が使用される。
【００１５】
台形状の永久磁石と磁極片とを交互に配置して、電動機内の空間をより有効に利用できる。特に、電動機の重量又は体積を変更せずに、電動機内の径方向の空隙を利用して、より強力な磁場を空隙内に形成できる。回転子磁極内で相対的に役立たない回転子材料は、磁束を発生する永久磁石に本質的に置き換えられる。
【００１６】
理論的には、永久磁石型同期機の回転子内に設けられる鉄製の回転子磁極は、一点に向かうテーパ断面形状でもよいが、大部分の応用例では、回転子軸に磁極を固定する水平幅を必要とする。回転子側の長さより少なくとも２５%大きい固定子側の長さで台形状永久磁石を形成すると、事実上より強力な磁場を空隙内に形成できる効果を生ずることが分析により判明した。
【００１７】
更に、本発明では、複数の鉄製磁極片に組み合わせて台形状永久磁石の配置を使用して、電動機の振動及び高調波を低減し、電動機の音響特性に有利な影響（ノイズ低減）を与えることが好ましい。出力密度と、良好な音響特性とは、（音響的に有利な鉄は高重量であるため）通常は相反特性である。本発明は、優れた音響特性を維持しながら、電動機の電力密度を増大することにより前記課題を解決する。
【００１８】
本発明を明確に理解しかつ容易に実施するため、同一又は類似の構成要素に同様の参照符号を付して下記図面について本発明を説明し、図面は、明細書の一部を構成しかつ明細書に組込まれるものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明を示す図面及び詳細な説明は、本発明を明確に理解するように構成要素を略示し、明確化のため他の周知の構成要素を省略する。本発明の実施には他の構成要素を使用することが望ましくかつ／又は必要であることは当業者に理解されよう。しかしながら、周知である他の構成要素は、本発明の良好な理解を阻害するため、本明細書では他の構成要素の説明を省略する。以下、添付図面について詳細に説明する。
【００２０】
周方向に磁化する同期機の永久磁石の形状を変更して、漏洩磁束を低減し、これにより、空隙を横切る流束密度を増大させて、同期機のトルク密度又は出力密度を改善できる。形状を変更する理由をより良く理解するため、一定の基本的特性及び基本的特性の相互関係を理解しなければならない。従って、本発明の背景技術を以下に簡単に説明し、その後に本発明の複数の例示的な実施の形態を詳述する。
【００２１】
所定のモータ構造では、出力hpは、周知の下式によりモータの主要設計変数に関係する。
hp＝CABD2LN                      式１
ここで、
C＝単位定数
A＝電機子表面の電流密度
B＝ピーク空隙磁束密度
D＝回転子の直径
L＝固定子のコア長さ
N＝回転速度
【００２２】
出力hpは、下式の通りモータトルクTに関係する。
T＝(5252hp)／N                    式２
【００２３】
また、通常の物理学原理及び幾何学原理の下では、モーメントアームに力を乗じてモータトルクを表すことができる。回転子の表面積をAsとし、磁気剪断応力をσとすれば、電動機の全力Fは、下式の通りである。
F＝σ・As                          式３
As＝πDL                           式４
【００２４】
磁気剪断応力σは、電動機の磁気負荷と電流負荷との積である。
σ＝A・B                           式５
代数で連立方程式を解くと、電動機トルクTを下式に示すことができる。
T＝(πσD2L)/2                      式６
しかしながら、本形式のこの方程式は、電動機トルクTと電動機の体積及び重量との関係を直接示さない。
【００２５】
大型で低速の径方向磁場を形成する電動機は、通常、回転子の周囲に分配される図２に示す電動機に類似する複数の磁極が設けられる環状断面を有する。径方向磁場型式の構造では、電動機の動作部重量Waは、下式に表される。
Wa＝KπDLh                           式７
K＝材料の体積密度
h＝環の径方向深さ（回転子の内径から固定子コアの外径までの径方向長さ）
【００２６】
最後に、電動機のトルク密度Tdは、電動機の重量当たりのトルクにより表される。従って、トルク密度Tdは、電動機のトルクを電動機の動作部重量で割って表される（Td＝T／Wa）。前記式を組み合わせて、下式によりトルク密度Tdを解くことができる。
Td＝(σD)／(2Kh)  （フィート・ポンド／ポンド）      式８
【００２７】
式（８）の解析後に、電動機のトルク密度Tdを最大にするために、応用に適合する回転子の最大直径を選択すべきことは明白である。また、磁気剪断応力σを最大にすると共に、径方向深さhを最小にすべきである。不都合にも、直径、径方向深さh及び磁気剪断応力σは、独立量でない。例えば、電動機の電磁剪断応力σは、全磁気回路に依存するので、真に表面の量を超える。逆に、径方向深さhの値は、磁気剪断応力σの大きさと、少なくとも円周方向磁石構造の機械的構成とに大きく影響される。径方向深さhは、固定子コアの背部鉄と、固定子の溝深さと、空隙長さと、回転子磁極の深さと、支持体とにより構成される。表面搭載型磁石を有する径方向回転子では、径方向深さは、固定子及び回転子の背部鉄と、固定子の溝深さと、空隙長さと、磁極片を含む磁石厚さとから構成される。
【００２８】
固定子の背部鉄の厚さは、磁極ピッチ及び空隙磁束密度に直接関係する。従って、高トルク密度で低速の永久磁石型電動機は、所定の回転子の直径に対して磁極の数を最大にすることにより得られる。磁極の数を最大にする前記方法は、電動機の基本的な電磁的、電気的、熱的及び機械的構造を考慮して実施される。この結果、短い磁極ピッチを有する回転子／固定子構造が得られる。固定子背部鉄の径方向深さと固定子巻線座巻部長さとが回転子磁極ピッチに比例する点を考慮して、電動機の重量は、その全長のみならず、磁極ピッチの短縮により減少する。
【００２９】
機械的要因又は構造的要因により背部鉄の厚さを設定せずに、空隙磁束密度を増加させて磁気剪断応力σを上昇させれば、背部鉄の厚さが増加する。固定子溝深さは、電動機の冷却方式により設定される。十分に冷却するほど、巻線の電流密度が高くなり、同一の電流負荷に対して溝がより小型化又は短縮化される。このように、構造を改良して、径方向深さhの値を不相応に増加させなければ、磁気剪断応力σの増加により、トルク密度Tdが向上するであろう。
【００３０】
少なくとも１つの好適な実施の形態では、回転子の径方向深さに対して同様の関係があるため、本発明では、構造を改善する。回転子の磁極／磁石の径方向深さを増加せずに空隙磁界を増大して磁気剪断応力σを増加させれば、電動機のトルク密度Tdを向上できる。本発明による後述の少なくとも１つの好適な実施の形態では、回転子磁極の径方向深さを変更せずに空隙磁束密度を顕著に増大できる。
【００３１】
図３に示す従来の磁石／磁極配置の磁界分布状態を詳細に研究したところ、永久磁石85の上部及び底部で大きな磁束漏洩が発生するため、磁極90内で大きな不均一磁界が出現することが判明した。即ち、磁石85及び磁極90の磁気作用を十分に利用していないことが判明した。
【００３２】
磁気作用の利用法を改善し、電動機のトルク密度Tdを向上するため、電動機構造100に使用すべき例示的な形状を有しかつ円周方向に配置される永久磁石105を図４について詳述する。特に、提案する発明の構造は、電動機の回転子軸側（電動機の固定子側とは反対側）に長い幅107を有する四辺形状又は台形状の永久磁石105を備える。前記形状の永久磁石105を設けることにより、十分に磁気利用されない磁極鉄は、（図２の磁極片90の下部から）永久磁石105の磁気材料に置換されるので、永久磁石105の有効作用長を増大させることができる。換言すれば、より大きな磁石長さ又は正味の起磁力（mmf）を発生する主な長所に加えて、永久磁石105の基部（回転子軸側）により広い磁石幅107を付与することにより、底部漏洩磁束を好適に低減できる。
【００３３】
更に詳細には、図４は、台形状の永久磁石105を利用する電動機磁極の幾何学的構造を例示する。永久磁石105に対して、回転子軸の周囲に鉄製の回転子磁極片110を放射状に交互に配置し、回転子磁極片110は、ボルト120（又は他の固定機構）により回転子ハウジング115に固定される。従って、鉄製の回転子磁極片110は、電動機の回転子軸側上に狭い幅を有する逆台形に類似する形状を有する。回転子磁極片110の（より長い）外側部は、永久磁石105の外側部を少なくとも部分的に超えて延伸するため、回転電動機100の遠心運動に対抗して、永久磁石105は、安全にかつ適所に保持される。固定子の形態は、前記従来の電動機の形態と同一でもよい。
【００３４】
理論的には、回転子磁極片110の水平底部幅を零（即ち、点）に近似させて、電動機の磁気特性を最大（磁束漏洩を最小）にすべきであるが、回転子磁極片110の水平底部幅を零にすると、通常、回転子ハウジング115に回転子磁極片110を固定する問題が生ずる。従って、磁極片を回転子ハウジング115にボルト120で固定できる最小幅に回転子磁極片110の底部幅を設定することが望ましい。例示的な実施の形態では、約９５.２５mm（３.７５インチ）の径方向の垂直高さを有する永久磁石105に対して、磁極片110の底部幅を３１.７５mm（１.２５インチ）に近似させる実験結果が得られた。
【００３５】
鉄製の磁極片110の通常の一形状測定値は、磁極端に対するピッチτpの比率である。比率τpは、永久磁石105と鉄製の回転子磁極110との円弧長さを測定する。従って、図４に示すように、磁極ピッチτpは、隣接する２つの永久磁石105の中心線間の円弧長さである。磁極片110の上部幅の円弧長さをアルファ（α）として図４に示す。鉄製の回転子磁極の円弧長さτpに対する磁極片の円弧長さαの比率は、鉄製の磁極片105の形状を限定する。解析による前記比率の例示的な値を以下に示す。
０.６＜α／τp＜０.７      式９
【００３６】
電動機回転子の磁極形状の他の重要な測定値は、全回転子円筒の曲率に対する磁極片110の曲率である。これは、空隙磁界形状の特性、即ち電動機の音響特性に影響を与える。図４に示すように、磁極片110の中央の固定子孔と磁極片110との距離をH、磁極片110の側部での固定子孔と磁極片110との距離をLとすると、距離LとHとの比として変数kが定められる。
k＝L／H      式１０
【００３７】
本発明の例示的な実施の形態では、好適なk値は、１.５から２.０の間が音響上有効であると解析された(１.５＜k＜２.０)。更に詳細には、k値が１のとき、磁極片110の曲率は、回転子の全円筒曲率と同一であることに留意すべきである。回転子の曲率に対して磁極片110の曲率を変化させると、電動機の高調波（振動）を低減し、運転時の電動機の音響ノイズを減少できる。磁極片110と回転子との曲率が同一であれば、電動機の音響応答中に不快な音調を発生するであろう。
【００３８】
図５は、堅固な台形状磁石の極端な場合の磁極ピッチ全体にわたる磁束曲線を例示し、図６は、機械的取付法を含む図４の緩やかな台形状磁石の幾何学形状に対応する磁束曲線を例示する。図３に示す従来の矩形状磁極片の磁束線図と比較して、図６に示す台形状磁石構造の磁束線図では、永久磁石直下の漏洩磁束線の数が明らかに減少する。矩形状磁石構造と比較して台形状磁石構造では、空隙を横切る磁束線の相対的比率が増加する。従って、永久磁石底部をより長い幅に形成すると、増加する空隙磁界が得られる。
【００３９】
更に、永久磁石105の台形状により、回転時に発生する遠心力の下で永久磁石105を放射状に保持する楔95を永久磁石105上に設ける必要がない。前記の通り、磁極片110の上部領域は、永久磁石105の下部領域を超えて延伸する（放射方向に見て）ため、永久磁石105を適所に保持できる。楔95が不要なため、磁極縁部により近い回転子の外径近傍に複数の永久磁石105を放射状に配置できる。換言すれば、回転子軸と、磁極片と、永久磁石とを含む回転子組立体では、各永久磁石の上面又は外面は、回転子組立体の外面となる（回転子組立体の外面となる楔はなく）。更に、磁石の側部を径方向外側に傾斜させて磁石の上端面積を縮小できるため、永久磁石の上端での磁石漏洩磁束を最小にできる更なる利点が生ずる。積極的な前記全改良により、電動機の作動部体積、重量Aw及び環の深さhから独立して空隙磁束密度、即ち磁気剪断応力σを増大できる。
【００４０】
図７は、例示的な２つの台形断面磁石と、従来の矩形構造磁石との空隙磁束密度を直接比較するグラフである。「台形状」を強調する磁石程、（即ち永久磁石の台形状の底部幅と上部幅との差が大きい程）、空隙磁界強度は益々増加する。空隙磁界と電機子電流との相互作用により得られるトルク密度Tdは、空隙磁界強度の増加に対応して改善される。図７に示す３つの例では、基本の空隙磁界強度が、２２%まで増加し改善を達成できた。更に、磁石上の楔を省略すれば、空隙磁界とトルクとを３０%以上増加できる可能性があると判断される（図７のグラフでは磁石楔を除去しなかった）。これは、台形状磁石の形状を電磁面と機械面から検討して、磁極の幾何学的形状を最適化する端的な結論である。
【００４１】
所定サイズの空隙の空隙磁束密度を増加することにより、電動機のトルク余裕を増大できる更なる利点が得られる。また、許容可能なトルク余裕及び力率を維持しながら、冷却を促進して、電流負荷Aを増加させることができる。更に、電流負荷Aを増加することにより、電動機のトルク密度Tdを増大できる。永久磁石発電機のみならず全サイズ及び全定格の電動機に本明細書に示す磁極の幾何学的形状を適用し、トルク密度／出力密度を改善できる。
【００４２】
更に、簡潔な前記説明の通り、従来の電動機と同様に、鉄製の回転子磁極片90と共に本発明の永久磁石型同期電動機を使用することが好ましい。鉄製の磁極片90を一体化して、電動機の作動騒音を低減するので、本電動機は、従来の電動機に見られる有利な音響性能を保持すると共に、永久磁石85を台形状に成形して電動機の電力密度を増加させることができる。従って、台形状又はテーパ状の永久磁石構造は、トルクを増大させる利点を生じながら、従来の低ノイズ電動機から得られる多くの積極的な特性を保有する。
【００４３】
前記説明は、如何なる具体的な材料、幾何学的形状又は部材方向にも本発明を限定するものではない。多くの部品／方向の置換は、本発明の範囲内でありかつ当業者に明白であろう。本明細書に記載の実施の形態は、単なる例示に過ぎず、本発明の範囲限定に使用すべきではない。
【００４４】
本願の特定の実施の形態について本発明を説明したが、本発明の特許請求の範囲の趣旨から逸脱することなく又は特許請求の範囲を超えない範囲で、本明細書の記載を考慮して、実施の形態を追加し変更できることは当業者に明らかであろう。従って、図面及び明細書の説明は、単に本発明の理解を容易にするに過ぎず、発明の範囲を限定して解釈すべきものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】径方向に配置された磁石（図１Ａ）及び周方向に配置された磁石（図１Ｂ）をそれぞれ有する永久磁石型同期機の通常型式の回転子断面形状のブロック図
【図２】周方向に配置される永久磁石を有する従来の電動機磁極の幾何学的構造の断面図
【図３】従来の矩形状永久磁石を使用する単一磁極ピッチ内の磁界分布図
【図４】台形状の永久磁石を利用する例示的な電動機磁極の幾何学的構造を示す断面図
【図５】強調された台形状の永久磁石を利用する単一磁極ピッチ内の磁界分布図
【図６】控えめな台形状の永久磁石を利用する単一磁極ピッチ内の磁界分布図
【図７】矩形状、控えめな台形状及び強調された台形状の各永久磁石の例示的な磁界特性を示すグラフ
【符号の説明】
【００４６】
(105)・・永久磁石、  (110)・・磁極片、  (120)・・固定手段、
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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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【国際調査報告】
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