(57)【要約】【課題】  小型・高出力を維持した上で、電磁力により発生する振動と騒音を低減することができる永久磁石埋め込み型の回転電機を提供する。【解決手段】  環状の固定子１の内側にエアギャップ６を存して回転子７が配置されている。固定子は、周方向に間隔をおいて複数のスロット４が設けられた固定子鉄心２と、各スロット内に収納されたコイル５とを有している。回転子７は、回転子鉄心８と、回転子鉄心の外周部に沿って設定された複数の磁極形成箇所にそれぞれ埋め込まれた永久磁石９と、各磁極形成箇所において永久磁石に磁化されてエアギャップに対向する面に磁極を形成する鉄心部１１と、各鉄心部のエアギャップに対向する面における周方向中央部に設けられた軸方向に延びる窪み１６とを有している。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の固定子と、この固定子の内側に配置され前記固定子との間にエアギャップを存して対向する回転子とを備え、前記固定子は、周方向に間隔をおいて複数のスロットが設けられた固定子鉄心と、前記各スロット内に収納されたコイルとを有し、前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の外周部に沿って設定された複数の磁極形成箇所にそれぞれ埋め込まれた永久磁石と、前記回転子鉄心の前記エアギャップに対向する面に周方向に間隔をおいて設けられ前記回転子鉄心の軸方向に延びる複数の窪みとを有することを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１記載の回転電機であって、前記窪みのピッチが前記スロットのピッチと異なっていることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項１記載の回転電機であって、前記窪みの数を一つの磁極あたりで同数とし、一つの磁極の範囲内で前記窪みのピッチが前記スロットのピッチと異なっていることを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１記載の回転電機であって、前記窪みの数を一つの磁極あたりで同数とし、前記各磁極の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸を中心軸として前記窪みが対称的に配置され、前記各中心軸の片側において前記磁極の１／２の領域内に位置する前記窪みのピッチが前記スロットのピッチと異なっていることを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１記載の回転電機であって、前記各磁極形成箇所において前記永久磁石に磁化されて前記エアギャップに対向する面に磁極を形成する鉄心部の前記エアギャップに対向する面における周方向中央部に前記窪みが設けられたことを特徴とする回転電機。
【請求項６】
請求項５記載の回転電機であって、前記回転子鉄心の前記エアギャップに対向する面における前記鉄心部の周方向中央部以外の部位にも窪みが設けられたことを特徴とする回転電機。
【請求項７】
請求項６記載の回転電機であって、前記回転子鉄心の前記エアギャップに対向する面における前記鉄心部の周方向中央部以外の部位に設けられた窪みのピッチが前記スロットのピッチと異なっていることを特徴とする回転電機。
【請求項８】
請求項６記載の回転電機であって、前記回転子鉄心の前記エアギャップに対向する面における前記鉄心部の周方向中央部以外の部位に設けられる窪みの数を一つの磁極あたりで同数とし、一つの磁極の範囲内で前記窪みのピッチが前記スロットのピッチと異なっていることを特徴とする回転電機。
【請求項９】
請求項６記載の回転電機であって、前記回転子鉄心の前記エアギャップに対向する面における前記鉄心部の周方向中央部以外の部位に設けられる窪みの数を一つの磁極あたりで同数とし、前記各磁極の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸を中心軸として前記窪みが対称的に配置され、前記各中心軸の片側において前記磁極の１／２の領域内に位置する前記窪みのピッチが前記スロットのピッチと異なっていることを特徴とする回転電機。
【請求項１０】
請求項５乃至９のいずれかに記載の回転電機であって、τｓを前記スロットのピッチ、ｎを０以上の整数としたとき、前記各鉄心部の前記エアギャップに対向する面における周方向中央部に設けられた窪みの周方向の幅がτs×（2ｎ+0.1〜1.7）であることを特徴とする回転電機。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一項記載の回転電機であって、前記各磁極形成箇所において前記永久磁石に磁化されて前記エアギャップに対向する面に磁極を形成する鉄心部の周方向幅中心と前記回転子の中心を通る軸と、前記スロット間に形成される鉄心歯の周方向幅中心と前記回転子の中心を通る軸とが一致した状態で、前記回転子鉄心の前記エアギャップに対向する面における前記鉄心部の周方向中央部以外の部位に設けられた窪みの周方向幅の中心と前記回転子の中心を通る軸と、その窪みの近傍にあるスロットの周方向幅の中心と前記回転子の中心を通る軸とがなす角度α２が、τｓを前記スロットのピッチとしたとき、τs×-0.14〜0.1（前記窪みの中心軸が前記スロットの中心軸に対して前記磁極の中心軸側に位置するときの角度を負の値とし、逆側に位置するときの角度を正の値とする）となるように前記窪みを設けたことを特徴とする回転電機。
【請求項１２】
請求項１乃至１０のいずれか一項記載の回転電機であって、前記各磁極形成箇所において前記永久磁石に磁化されて前記エアギャップに対向する面に磁極を形成する鉄心部の周方向幅中心と前記回転子の中心を通る軸と、前記スロット間に形成される鉄心歯の周方向幅中心と前記回転子の中心を通る軸とが一致した状態で、前記回転子鉄心の前記エアギャップに対向する面における前記鉄心部の周方向中央部以外の部位に設けられた窪みの周方向幅の中心と前記回転子の中心を通る軸と、その窪みの近傍にあるスロットの周方向幅の中心と前記回転子の中心を通る軸とがなす角度α３が、τｓを前記スロットのピッチとしたとき、τs×-0.12〜0.33（前記窪みの中心軸が前記スロットの中心軸に対して前記磁極の中心軸側に位置するときの角度を負の値とし、逆側にあるときの角度を正の値とする）となるように前記窪みを設けたことを特徴とする回転電機。
【請求項１３】
請求項５乃至１０のいずれか一項記載の回転電機であって、前記各鉄心部の前記エアギャップに対向する面における周方向中央部に設けられた窪みは、前記エアギャップ側の周方向幅が広く、前記回転子鉄心の内周側に向けて周方向幅が狭くなる形状であることを特徴とする回転電機。
【請求項１４】
請求項１３記載の回転電機であって、τsを前記スロットのピッチ、nを０以上の整数としたとき、前記鉄心部の前記エアギャップに対向する面の周方向中央部に設けられた窪みは、前記エアギャップに対向する開口部における周方向幅がτs×（２n＋0.53〜1.06）、前記開口部よりも内側の狭く絞った部分の周方向幅がτs×（２n＋0.20〜0.49）であることを特徴とする回転電機。
【請求項１５】
請求項１３又は１４に記載の回転電機であって、前記鉄心部の前記エアギャップに対向する面の周方向中央部に設けられた窪みにおける前記エアギャップに対向する幅広の部位の深さが前記エアギャップの径方向長さの0.3〜1.0倍であることを特徴とする回転電機。
【請求項１６】
請求項５乃至１０、１３乃至１５のいずれか一項記載の回転電機であって、前記鉄心部の前記エアギャップに対向する面の周方向中央部に設けられた窪みにおける最も深い部位の深さが前記エアギャップの径方向長さの0.7〜10倍であることを特徴とする回転電機。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか一項記載の回転電機であって、前記回転子鉄心の前記エアギャップに対向する面における前記鉄心部の周方向中央部以外の部位に設けられた窪みの深さが前記エアギャップの径方向長さの0.4〜4倍であることを特徴とする回転電機。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれか一項記載の回転電機であって、前記回転子鉄心の前記エアギャップに対向する面における前記鉄心部の周方向中央部以外の部位に設けられた窪みの周方向幅が前記スロットのピッチの0.2〜0.6倍であることを特徴とする回転電機。
【請求項１９】
請求項１乃至１８のいずれか一項記載の回転電機であって、前記各磁極において一対の前記永久磁石が前記エアギャップに向けて開くようにＶ字状に配置されたことを特徴とする回転電機。
【請求項２０】
請求項１９記載の回転電機であって、前記各永久磁石が前記回転子鉄心に形成された空洞内に埋め込まれ、前記各磁極形成箇所において前記永久磁石に磁化されて前記エアギャップに対向する面に磁極を形成する鉄心部の周方向幅中心と前記回転子の中心を通る軸と、前記スロット間に形成される鉄心歯の周方向幅中心と前記回転子の中心を通る軸とが一致した状態で、前記各磁極の一対の空洞における前記エアギャップ側の端部の周方向幅の中心と前記回転子の中心を通る軸と、その近傍にあるスロットの周方向幅の中心と前記回転子の中心を通る軸とがなす角度α４は、τｓを前記スロットのピッチとしたときに、τs×-0.25、τs×0.25（周方向の一方向を＋、他方向を−とする）となるように前記各空洞を配置したことを特徴とする回転電機。
【請求項２１】
環状の固定子と、この固定子の内側に配置され前記固定子との間にエアギャップを存して対向する回転子とを備え、前記固定子は、周方向に間隔をおいて４８個のスロットが設けられた固定子鉄心と、前記各スロット内に収納されたコイルとを有し、前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の外周部に沿って設定された８箇所の磁極形成箇所にそれぞれ前記エアギャップに向けてＶ字状に開くように形成された一対の空洞と、前記各空洞内に埋め込まれた永久磁石と、前記各磁極形成箇所において前記永久磁石に磁化されて前記エアギャップ面に磁極を形成する鉄心部と、前記各鉄心部の前記エアギャップに対向する面における周方向中央部に設けられた第１の窪みと、前記回転子鉄心の前記エアギャップに対向する面における前記鉄心部の周方向中央部以外の部位に設けられた第２、第３の窪みとを有し、前記磁極のピッチをτpとしたとき、前記第１の窪みの周方向幅中心と前記回転子の中心を通る軸と、前記第２の窪みの周方向幅の中心と前記回転子の中心を通る軸とが成す角度β２＝τp×0.226〜0.265となるように前記第２の窪みを配置し、前記第１の窪みの周方向幅中心と前記回転子の中心を通る軸と、前記第３の窪みの周方向幅の中心と前記回転子の中心を通る軸とが成す角度β３＝τp×0.398〜0.472となるように前記第３の窪みを配置し、前記各磁極形成箇所において、前記鉄心部の周方向幅中心と前記回転子の中心を通る軸と、前記一対の空洞の前記エアギャップ側の端部の周方向幅の中心と前記回転子の中心を通る軸とがなす角度β４＝τp×-0.25〜-0.35、τp×0.25〜0.35（周方向の一方向を＋、他方向を−とする）となるように前記各空洞を配置したことを特徴とする回転電機。
【請求項２２】
前記永久磁石による磁極間にリラクタンストルクを発生するリラクタンストルク磁極となる鉄心部を有し、このリラクタンストルク磁極における前記エアギャップに対向する面に前記窪みが設けられたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項２３】
請求項２２記載の回転電機であって、前記各リラクタンストルク磁極の窪みは、前記リラクタンストルク磁極の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心を通る軸を対称軸として対称的に設けられたことを特徴とする回転電機。
【請求項２４】
請求項２２又は２３記載の回転電機であって、τｓを前記スロットのピッチとしたとき、前記リラクタンストルク磁極の窪みの周方向中心位置θ１は、θ１＝τｓ×(ｎ＋0.16〜0.37)であることを特徴とする回転電機。
但し、θ１は、前記リラクタンストルク磁極の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸と、前記窪みの幅方向の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸とが成す角度、ｎは整数とする。
【請求項２５】
請求項２２乃至２４のいずれか一項記載の回転電機であって、τｓを前記スロットのピッチとしたとき、前記窪みの周方向幅Ｗ１は、Ｗ１＝τｓ×（ｎ＋0.2〜0.5)であることを特徴とする回転電機。
但し、Ｗ１は、前記窪みの一側縁と前記回転子鉄心の中心を通る軸と、前記窪みの他側縁と前記回転子鉄心の中心を通る軸とが成す角度、ｎは0及び自然数とする。
【請求項２６】
請求項２２記載の回転電機であって、前記永久磁石による磁極の前記エアギャップに対向する面における周方向中央部以外の部位に前記窪みが設けられたことを特徴とする回転電機。
【請求項２７】
請求項２６記載の回転電機であって、前記リラクタンストルク磁極の窪みは、前記リラクタンストルク磁極の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸を対称軸として対称的に設けられ、前記永久磁石による磁極の窪みは、この磁極の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸を対称軸として対称的に設けられたことを特徴とする回転電機。
【請求項２８】
請求項２６又は２７記載の回転電機であって、τｓを前記スロットのピッチとしたとき、前記リラクタンストルク磁極の窪みの周方向中心位置θ1＝τｓ×(ｎ＋0.2〜0.6)であり、前記永久磁石による磁極の窪みの周方向中心位置θ2＝τｓ×(ｎ＋0.85〜1.3)であることを特徴とする回転電機。
但し、θ1は、前記リラクタンストルク磁極の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸と、前記リラクタンストルク磁極の窪みの幅方向の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸とが成す角度、θ2は、前記永久磁石による磁極の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸と、前記永久磁石による磁極の窪みの幅方向の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸とが成す角度、ｎは整数とする。
【請求項２９】
請求項２６乃至２８のいずれか一項記載の回転電機であって、τｓを前記スロットのピッチとしたとき、前記リラクタンストルク磁極の窪みの周方向幅Ｗ１＝τｓ×(ｎ＋0.4〜0.7)、前記永久磁石による磁極の窪みの周方向幅Ｗ２＝τｓ×(ｎ＋0.47〜0.6)であることを特徴とする回転電機。
但し、Ｗ１は、前記リラクタンストルク磁極の窪みの一側縁と前記回転子鉄心の中心を通る軸と、前記リラクタンストルク磁極の窪みの他側縁と前記回転子鉄心の中心を通る軸とが成す角度、Ｗ２は、前記永久磁石による磁極の窪みの一側縁と前記回転子鉄心の中心を通る軸と、前記永久磁石による磁極の窪みの他側縁と前記回転子鉄心の中心を通る軸とが成す角度、ｎは0及び自然数とする。
【請求項３０】
請求項２２乃至２９のいずれか一項記載の回転電機であって、前記永久磁石による磁極の前記エアギャップに対向する面における周方向中央部に前記窪みが設けられたことを特徴とする回転電機。
【請求項３１】
請求項３０記載の回転電機であって、前記永久磁石による磁極の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸と、前記永久磁石による磁極の周方向中央部の窪みの一側縁で前記軸から遠い方の側縁と前記回転子鉄心の中心とを通る軸とが成す角度θ3が、θ3≦τｓ×0.5となるように前記永久磁石による磁極の周方向中央部の窪みが配置されたことを特徴とする回転電機。
【請求項３２】
請求項２２乃至３１のいずれか一項記載の回転電機であって、前記リラクタンストルク磁極の窪み及び前記永久磁石による磁極の周方向中央部以外の窪みの深さは、前記エアギャップの径方向長さの0.2〜2.0倍であり、前記永久磁石による磁極の周方向中央部の窪みの深さは、前記エアギャップの径方向長さの0.2〜3.0倍であることを特徴とする回転電機。
【請求項３３】
請求項２２乃至３２のいずれか一項記載の回転電機であって、前記各磁極形成箇所において前記永久磁石が前記エアギャップに向けて開くようにＶ字状、又は前記エアギャップに向けて開口するＵ字状に設けられたことを特徴とする回転電機。
【請求項３４】
請求項２２乃至３３のいずれか一項記載の回転電機であって、前記各永久磁石における前記エアギャップ側の端部に空隙又は非磁性部が設けられ、前記スロットのピッチをτｓとしたとき、前記空隙又は前記非磁性部の周方向中心位置θpm＝τｓ×(ｎ＋0.25)又は前記リラクタンストルク磁極を挟む二つの前記空隙又は前記非磁性部の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る二つの軸の成す角度θ2pm＝τｓ×(ｎ＋0.5)であることを特徴とする回転電機。
但し、θpmは、前記リラクタンストルク磁極の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸と、前記空隙又は前記非磁性部の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸とが成す角度、ｎは整数とする。
【請求項３５】
請求項２６乃至３４のいずれか一項記載の回転電機であって、前記固定子の毎相毎極あたりのスロット数を２とし、極数をｐとしたとき、前記リラクタンストルク磁極の窪みの中心位置θ１＝（１０°〜１４°）／（ｐ／２）とし、前記永久磁石による磁極における周方向中央部以外の窪みの中心位置θ２＝（２６°〜３９°）／（ｐ／２）とし、前記リラクタンストルク磁極の窪みの周方向幅Ｗ１＝（１２°〜１８°）／（ｐ／２）とし、前記永久磁石による磁極における周方向中央部以外の窪みの周方向幅Ｗ２＝（１４°〜１８°）／（ｐ／２）としたことを特徴とする回転電機。
但し、θ１は、前記リラクタンストルク磁極の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸と、前記リラクタンストルク磁極の窪みの幅方向の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸とが成す角度、θ２は、前記永久磁石による磁極の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸と、前記永久磁石による磁極の周方向中央部以外の窪みの幅方向の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸とが成す角度、ｎは整数とする。
【請求項３６】
請求項３０乃至３５のいずれか一項記載の回転電機であって、前記固定子の毎相毎極あたりのスロット数を２とし、極数をｐとしたとき、前記リラクタンストルク磁極の窪みの中心位置θ１＝（１０°〜１４°）／（ｐ／２）とし、前記永久磁石による磁極における周方向中央部以外の窪みの中心位置θ２＝（２６°〜３９°）／（ｐ／２）とし、前記リラクタンストルク磁極の窪みの周方向幅Ｗ１＝（１２°〜１８°）／（ｐ／２）とし、前記永久磁石による磁極における周方向中央部以外の窪みの周方向幅Ｗ２＝（１４°〜１８°）／（ｐ／２）とし、前記永久磁石による磁極の周方向中央部の窪みの一側縁の位置θ３＝（１２°〜１４°）／（ｐ／２）としたことを特徴とする回転電機。
但し、θ１は、前記リラクタンストルク磁極の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸と、前記リラクタンストルク磁極の窪みの幅方向の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸とが成す角度、θ２は、前記永久磁石による磁極の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸と、前記永久磁石による磁極の周方向中央部以外の窪みの幅方向の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸とが成す角度、ｎは整数とし、θ３は、前記永久磁石による磁極の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸と、前記永久磁石による磁極の周方向中央部の窪みの一側縁で該軸から遠い方の側縁と前記回転子鉄心の中心とを通る軸とが成す角度とする。
【請求項３７】
請求項２２乃至３６のいずれか一項記載の回転電機であって、前記各磁極形成箇所において前記永久磁石が前記エアギャップに向けて開くようにＶ字状に配置され、前記永久磁石における前記エアギャップ側の端部に空隙又は非磁性部が設けられており、この空隙又は非磁性部の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸と、前記リラクタンストルク磁極の周方向幅の中心と前記回転子鉄心の中心とを通る軸とが成す角度θpmが、３２°／（ｐ／２）≦θpm≦４０°／（ｐ／２）となる位置に前記空隙又は前記非磁性部が配置されたことを特徴とする回転電機。
【請求項３８】
請求項２２乃至３７のいずれか一項記載の回転電機であって、前記リラクタンストルク磁極の窪みは、前記リラクタンストルク磁極の周方向中央側の深さが他の部位よりも浅くなっていることを特徴とする回転電機。
【請求項３９】
請求項２２乃至３８のいずれか一項記載の回転電機であって、前記永久磁石による磁極の周方向中央部の窪みの深さが他の前記窪みよりも深くなっていることを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、電車等の駆動用モータ、発電機に用いられる永久磁石埋め込み型の回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、電車等の駆動用モータ、発電機には、永久磁石を利用した回転電機が主に使用されている。一般に、永久磁石モータは大きく分けて２種類のタイプがある。回転子鉄心の外周に永久磁石を貼り付けた表面磁石型永久磁石モータと、回転子鉄心内に永久磁石を埋め込んだ埋め込み型永久磁石モータである。可変速駆動用モータとしては、埋め込み型永久磁石モータが適している。
【０００３】
図２７を用いて、埋め込み型永久磁石モータ（ＩＰＭ）の回転子１０１の構成を説明する。回転子鉄心１０２の外周部に長方形の空洞１０３を等配で極数の数だけ設けてある。回転子１０１は４極であり、４個の空洞１０３を設けてそれぞれに永久磁石１０４を挿入してある。
【０００４】
永久磁石１０４は、回転子１０１の半径方向、または永久磁石１０４の断面形状である長方形におけるエアギャップ面に対向する辺(図２７では長辺)に直角方向に磁化される。永久磁石１０４としては、負荷電流により減磁しないように保磁力の高いNdFeB永久磁石等が主に適用される。回転子鉄心１０２は空洞を打抜いた電磁鋼板を積層して形成する。（公知例としては非特許文献１参照，埋め込み型の変形例としては特許文献１参照）
また、可変速特性に優れた高出力のモータとしては、永久磁石式リラクタンス型回転電機（ＰＲＭ）があり、ＨＥＶ用モータとして使用されている。その回転子の断面を図２８に示す。回転子２０１の回転子鉄心２０２内に複数対の永久磁石２０３がＶ字状に配置され、Ｖ字状に配置された永久磁石２０３間には、リラクタンストルクを発生する磁極を形成する鉄心部２０４がある。（公知例としては特許文献２参照）。
【特許文献１】特願平7-14614号公報
【特許文献２】特開平11−27913号公報
【特許文献３】特開平11−136912号公報
【非特許文献１】埋込磁石同期モータの設計と制御、武田洋次他、オーム社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、電車等の駆動用として用いるモータは、広範囲の回転数で可変速運転を行うことが要求される。特に、ＨＥＶ及びＥＶ用モータは0〜15,000rpmまでの広範囲で可変速を行う。
【０００６】
この場合、モータがトルクを発生するときに、電磁力による加振力も生じて固定子鉄心の固有振動モードと共振すると、振動・騒音が発生する。特に固定子鉄心全体が一様に膨張と収縮を繰り返すように変形する円環モード（０次モード）での加振が大きな振動と騒音を生じる。そこで、０次モードを生じさせる電磁力成分をできるかぎり小さくすることが要求される。
【０００７】
なお、ＨＥＶ、ＥＶ等の車載システムでは、量産性、軽量・小型化を考慮すると、回転電機の支持構造も耐振動性に優れた構造にするのは困難である。
【０００８】
従来の振動・騒音の対策としては、モータの運転時の可変速範囲を狭くするか、振動・騒音が大きくなる速度域は極短時間で通過させる等の方法がある。しかし、ＨＥＶ等では乗り心地、加速性が悪くなるためこのような方法をとることはできない。
【０００９】
また、防音、防振材等をモータ等の駆動機構に適用する方法もあるが、大型化してエンジンスペースに収まらなくなるので、振動・騒音の低減効果も限界がある。
【００１０】
したがって、振動・騒音源となる回転電機の振動を可能な限り低減する必要がある。
【００１１】
特にＩＰＭ等の永久磁石を埋め込んだ構成の回転電機は、リラクタンストルクも発生できるように回転子位置により磁気抵抗変化が生じる構成になっている。積極的に磁気抵抗変化があると電磁力の高調波が生じやすくなり、場合によっては振動と騒音の要因にもなる。
【００１２】
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、小型・高出力を維持した上で、電磁力により発生する振動と騒音を低減することができる永久磁石埋め込み型の回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係る回転電機は、環状の固定子と、この固定子の内側に配置され固定子との間にエアギャップを存して対向する回転子とを備え、固定子は、周方向に間隔をおいて複数のスロットが設けられた固定子鉄心と、各スロット内に収納されたコイルとを有し、回転子は、回転子鉄心と、回転子鉄心の外周部に沿って設定された複数の磁極形成箇所にそれぞれ埋め込まれた永久磁石と、回転子鉄心のエアギャップに対向する面に周方向に間隔をおいて設けられ回転子鉄心の軸方向に延びる複数の窪みとを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、回転子鉄心に窪みを設けることにより、エアギャップ中の磁束を変化させて半径方向の電磁力を低減することができるので、小型・高出力を維持した上で、電磁力により発生する振動と騒音を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施形態の断面図、図２は第１の実施形態の１極分の拡大断面図である。
【００１６】
図１に示すように、この回転電機の極数は８極、スロット数は４８である。１は固定子で、固定子鉄心２を有している。この固定子鉄心２は、周方向に鉄心歯３とスロット４が交互に設けられた環状の電磁鋼板を複数枚積層して構成されている。そして、各スロット４内にはコイル５が収納されている。
【００１７】
固定子１の内側にはエアギャップ６を存して回転子７が配置され、この回転子７は回転子鉄心８を有している。回転子鉄心８は環状の電磁鋼板を複数枚積層して構成されている。
【００１８】
回転子鉄心８にはNdFeB系の永久磁石９が複数個埋め込まれている。すなわち、永久磁石９は回転子７の外周部に沿って等しい角度間隔をおいて設定された複数の磁極形成箇所に対してそれぞれ設けられた一対の空洞１０内に埋め込まれている。
【００１９】
この一対の空洞１０はエアギャップ６に向けて開くようにＶ字状に形成されている。８極であるため、Ｖ字状に配置された永久磁石９は８対となり、総個数では１６個となる。そして、各空洞１０の両端部は永久磁石９の端部から突出している。
【００２０】
１１は鉄心部で、一対のＶ字状の永久磁石９の内側に挟まれるように形成されている。この鉄心部１１はＶ字状に配置した一対の永久磁石９で磁化され、エアギャップ６に対向する面に永久磁石９による磁極が形成されている。この鉄心部１１において、その周方向幅の中心と回転子７の中心を通る軸を中心として、エアギャップ６に対向する面に回転子鉄心８の軸方向に延びる窪み１２を設けてある。
【００２１】
図２に示すように、この窪み１２は、エアギャップ６側の開口部が広く、内周側では狭くなる形状としてある。固定子１のスロット４のピッチをτsとすると、本実施形態では、窪み１２の開口部の幅Wq＝τs×0.87、開口部の深さは0.25mm、開口部に連続して狭くなった部分の幅Wn＝τs×0.35、窪み１２の最も深い部位の深さは２mmである。
【００２２】
負荷状態ではエアギャップ６中にはコイル５の電流により形成される磁束と永久磁石９により形成される磁束が生じる。これらの磁束はトルクを発生するとともに半径方向の電磁力を発生する。本発明では、鉄心部１１に窪み１２を設けることにより、エアギャップ６中の磁束を変化させて半径方向の電磁力を低減することができる。
【００２３】
鉄心部１１の中央にある窪み１２の作用と効果を確認するため、回転子７を回転させながらこの回転電機の負荷時における磁界解析を行い、そのときの鉄心歯３に作用する電磁力を算出した。その解析結果を図３に示す。
【００２４】
この図は、鉄心部１１の窪み１２の幅を変化させたときの永久磁石９による半径方向電磁力を示しており、窪み１２の深さが１mmのときである。縦軸は固定子１の鉄心歯３に作用する半径方向電磁力を示し、横軸はWq／τsである。
【００２５】
本実施形態では、固定子鉄心２全体が膨張・収縮するような変形を生じる０次モードは電磁力の６次成分と１２次成分により生じ、低振動・低騒音にするにはこの成分の電磁力を低減しなければならない。図３に示すように、電磁力の６次成分はWq／τs＝0.4〜1.5のときに小さくでき、電磁力の１２次成分はWq／τs＝0.3〜1.1のときに小さくできることがわかる。
【００２６】
したがって、振動の要因である電磁力を低減することができ、小型・高出力を維持しつつ低振動と低騒音の回転電機を得ることができる。
【００２７】
なお、Wq、Wnについては、ｎを０又は正の整数としたとき、Wq＝τs×（2ｎ+0.53〜1.06）、Wn＝τs×（2ｎ+0.20〜0.49）の範囲内とするのが好ましい。
【００２８】
また、本実施形態では、窪み１２は、エアギャップ６側の開口部が広く、内周側が狭い段付き形状であるが、このような段付き形状でない場合には、その周方向幅をτs×（2ｎ+0.1〜1.7）の範囲内とするのが好ましい。
【００２９】
また、窪み１２のエアギャップ６に対向する幅広の開口部の深さについては、エアギャップ６の径方向長さ（固定子１の内周面と回転子２の内周面との距離）の0.3〜1.0倍の範囲内とするのが好ましい。
【００３０】
また、窪み１２の最も深い部位の深さは、エアギャップ６の径方向長さの0.7〜10倍とするのが好ましい。
【００３１】
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。図４は本発明の第２の実施形態の１極分の拡大断面図である。なお、以下の各実施形態において、それ以前に説明した実施形態と対応する部分には同一の符号を付してあり、重複する説明は省略してある。
【００３２】
本実施形態では、鉄心部１１の周方向幅中心と回転子７の中心を通る軸と、鉄心歯３の周方向幅中心と回転子７の中心を通る軸とが一致した状態で、回転子鉄心８に設ける窪み１３の周方向幅の中心と回転子７の中心を通る軸と、その窪み１３の近傍にあるスロット４の周方向幅の中心と回転子７の中心を通る軸とがなす角度α２＝τs×-0.038となるよう、窪み１３を回転子鉄心８のエアギャップ６に対向する面に軸方向に延びるように設ける。
【００３３】
ここで、回転子７の窪み１３とスロット４のなす角度については、窪み１３の中心軸が、スロット４の中心軸に対して、永久磁石９による磁極の中心軸側に位置するときの角度を負の値とし、逆側にあるときを正の値とする。図４に示すように、窪み１３は鉄心部１１の中心軸を対称軸として対称に設けられている。他の磁極についても窪み１３が同様に設けられている。
【００３４】
負荷状態ではエアギャップ６中にはコイル５の電流により形成される磁束と永久磁石９による磁束が生じる。これらの磁束はトルクを発生するとともに半径方向の電磁力を発生する。本実施形態では、回転子鉄心８に窪み１３を設けることにより、ギャップ６中の磁束を変化させて半径方向の電磁力を低減できる。
【００３５】
窪み１３の作用と効果を確認するため、第１の実施形態の窪み１２がある回転電機に窪み１３を設けた回転電機を解析モデルとし、回転子７を回転させながら負荷時の磁界解析を行った。そのときの鉄心歯３に作用する電磁力を算出した。その解析結果を図５に示す。
【００３６】
この図は、窪み１３の幅を変化させたときの半径方向電磁力を示しており、縦軸は固定子１の鉄心歯３に作用する半径方向電磁力、横軸はα２／τsである。
【００３７】
本実施形態では、固定子鉄心２全体が膨張・収縮するような変形を生じる０次モードは電磁力の６次成分と１２次成分により生じ、低振動・低騒音にするにはこの成分の電磁力を低減しなければならない。図５に示すように、電磁力の６次成分はα２／τs＝-0.1〜0.1のときに小さくでき、電磁力の１２次成分はα２／τs＝-0.14〜0.04のときに小さくできることがわかる。
【００３８】
窪み１３の位置はα２／τs＝-0.1〜0、窪み１３の幅は中心角で２°(回転子７の中心を中心点として窪みの周方向両端のなす角度)、深さは0.5mmのときが好ましく、この条件では電磁力の６次成分は７５％、１２次成分は２８％まで低減できる。
【００３９】
これにより、振動の要因である電磁力を低減することができ、小型・高出力を維持しつつ低振動と低騒音の回転電機を得ることができる。
【００４０】
なお、窪み１３の深さはエアギャップ６の径方向長さの0.4〜4倍の範囲内とするのが好ましく、窪み１３の周方向の幅はスロット４のピッチの0.2〜0.6倍の範囲内とするのが好ましい。
【００４１】
本実施形態のように、窪み１３の数を一つの磁極あたりで同数とし、各磁極の周方向幅の中心と回転子鉄心８の中心とを通る軸を中心軸として窪み１３が対称的に配置されるようにすると、窪み１３が全周にわたって均一に配置されることになり、製造が容易となる。
【００４２】
また、一つの磁極の範囲内で窪み１３のピッチがスロット４のピッチと異なるようにすることで、静止中、回転中のいずれにおいても全ての窪み１３が同時にスロット４と対向することがないため、電磁力の不要成分の低減の点で好ましい。
【００４３】
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。図６は本発明の第３の実施形態の１極分の拡大断面図である。
【００４４】
本実施形態では、鉄心部１１の周方向幅中心と回転子７の中心を通る軸と、鉄心歯３の周方向幅中心と回転子７の中心を通る軸とが一致した状態で、回転子鉄心８に設ける窪み１４の周方向幅中心と回転子７の中心を通る軸と、窪み１４近傍のスロット４の周方向幅の中心と回転子７の中心を通る軸とがなす角度α３＝τs×0.249となるよう、窪み１４を回転子鉄心８のエアギャップ６に対向する面に軸方向に延びるように設けてある。
【００４５】
ここで、窪み１４とスロット４のなす角については、窪み１４の中心軸が、スロット４の中心軸に対して、永久磁石による磁極の中心軸側に位置するときの角度を負の値とし、逆側にあるときを正の値とする。窪み１４は鉄心部１１の中心軸を対称軸として対称的に設けられている。
【００４６】
負荷状態ではエアギャップ６中にはコイル５の電流により形成される磁束と永久磁石９による磁束が生じる。これらの磁束はトルクを発生するとともに半径方向の電磁力を発生する。本発明では、回転子鉄心８に窪み１４を設けることにより、ギャップ６中の磁束を変化させて半径方向の電磁力を低減できる。
【００４７】
窪み１４の作用と効果を確認するため、第１の実施形態の窪み１２がある回転電機に窪みを１４を設けた回転電機を解析モデルとし、回転子７を回転させながら負荷時の磁界解析を行った。そのときの鉄心歯３に作用する電磁力を算出した。その解析結果を図７に示す。
【００４８】
この図は窪み１４の幅を変化させたときの半径方向電磁力を示し、縦軸は鉄心歯３に作用する半径方向電磁力、横軸はα３／τsである。
【００４９】
本実施形態では、固定子鉄心２全体が膨張・収縮するような変形を生じる０次モードは電磁力の６次成分と１２次成分により生じ、低振動・低騒音を得るにはこの成分の電磁力を低減しなければならない。図７に示すように、電磁力の６次成分は、α３／τs＝-0.12〜0.26のときに小さくでき、電磁力の１２次成分は、α３／τs＝0.17〜0.33のときに小さくできることがわかる。
【００５０】
好ましくは、窪み１４の位置はα３／τs＝0.2〜0.26、窪み１４の幅は中心角で２°(回転子７の中心を中心点として窪み１４の周方向両端のなす角度)、深さは0.5mmのときであり、この条件では電磁力の６次成分は８０％、１２次成分は１４％まで低減できる。
【００５１】
これにより、振動の要因である電磁力を低減することができ、小型・高出力を維持しつつ低振動と低騒音の回転電機を得ることができる。
【００５２】
なお、窪み１４の深さはエアギャップ６の径方向長さの0.4〜4倍とするのが好ましく、窪み１４の周方向の幅はスロット４のピッチの0.2〜0.6倍とするのが好ましい。
【００５３】
本実施形態のように、窪み１４の数を一つの磁極あたりで同数とし、各磁極の周方向幅の中心と回転子鉄心８の中心とを通る軸を中心軸として窪み１４が対称的に配置されるようにすると、窪み１４が全周にわたって均一に配置されることになり、製造が容易となる。
【００５４】
また、一つの磁極の範囲内で窪み１４のピッチがスロット４のピッチと異なるようにすることで、静止中、回転中のいずれにおいても全ての窪み１４が同時にスロット４と対向することがないため、電磁力の不要成分の低減の点で好ましい。
【００５５】
次に、本発明の第４の実施形態を説明する。図８は本発明の第４の実施形態の１極分の拡大断面図である。
【００５６】
本実施形態の回転電機は、第１の実施形態で説明した窪み１２、第２の実施形態で説明した窪み１３、第３の実施形態で説明した窪み１４をそれぞれ有している。
【００５７】
負荷状態ではエアギャップ６中にはコイル５の電流により形成される磁束と永久磁石９による磁束が生じる。これらの磁束はトルクを発生するとともに半径方向の電磁力を発生する。本実施形態では、固定子鉄心２全体が膨張・収縮するような変形を生じる０次モードは電磁力の６次成分と１２次成分により生じ、低振動・低騒音にするにはこの成分の電磁力を低減しなければならない。
【００５８】
本実施形態の作用と効果を確認するため、回転子７を回転移動させながら負荷時の磁界解析を行い、そのときの鉄心歯３に作用する電磁力を算出した。
【００５９】
窪み１３の位置はα２／τs＝-0.1〜0、窪み１３の幅は２mm、深さは0.5mm、窪み１４の位置はα３／τs＝0.2〜0.26、窪み１４の幅は２mm、深さは0.5mmの場合であり、この条件では電磁力の６次成分は70％、１２次成分は12％まで低減でき、６次と１２次の両方の電磁力を同時に低減することができる。
【００６０】
これにより、振動の要因である電磁力を低減することができ、小型・高出力を維持しつつ低振動と低騒音の回転電機を得ることができる。
【００６１】
本実施形態のように、窪み１３、１４の数を一つの磁極あたりで同数とし、各磁極の周方向幅の中心と回転子鉄心８の中心とを通る軸を中心軸として窪み１３、１４が対称的に配置されるようにすると、窪み１３、１４が全周にわたって均一に配置されることになり、製造が容易となる。
【００６２】
また、一つの磁極の範囲内で窪み１３、１４のピッチがそれぞれスロット４のピッチと異なるようにすると共に、磁極の中心軸の片側において磁極の１／２の領域内に位置する窪み１３、１４のピッチがスロット５のピッチと異なっていることで、静止中、回転中のいずれにおいても全ての窪み１３、１４が同時にスロット４と対向することがないため、電磁力の不要成分の低減の点で好ましい。
【００６３】
また、第１〜第３の窪み１２〜１４を組み合わせることで、これらを単独で設ける場合には除去しきれなかった電磁力の成分を有効に除去できるため、振動・騒音をより低減することができる。
【００６４】
次に、本発明の第５の実施形態を説明する。図９は本発明の第５の実施形態の１極分の拡大断面図である。
【００６５】
本実施形態では、各磁極において、鉄心部１１の周方向幅中心と回転子７の中心を通る軸と、鉄心歯３の周方向幅の中心と回転子７の中心を通る軸とが一致した状態で、一方の空洞１０のエアギャップ６側の端部１０ａの周方向幅の中心と回転子７の中心を通る軸と、その端部１０ａの近傍にあるスロット４の周方向幅の中心と回転子７の中心を通る軸とがなす角度α４＝τs×0.25としてある。永久磁石９及び空洞１０の端部１０ａは、鉄心部１１の中心軸を対称軸として対称に配置される。したがって、周方向の一方向の角度を＋、他方向の角度を−とすると、エアギャップ６に近い側に配置された他方の空洞１０の端部１０ａの位置はα４＝-τs×0.25となる。
【００６６】
永久磁石９のエアギャップ６に近い側の空洞１０の端部１０ａは１極当り２個あり、これら２個の端部１０ａのスロット４に対する相対位置はτs×(0.25-(-0.25))=τs×0.5だけずれることになる。永久磁石９とその厚みで形成される空洞１０の端部１０ａは高調波磁束を生じるが、空洞１０の端部１０ａの位置を前記の位置に特定することにより高調波磁束を低減することができる。
【００６７】
すなわち、電磁力の高調波成分を低減することができる。空洞１０の端部１０ａの位置を決める前記の-0.25、0.25の値は若干の幅をもっても、その効果は同様に得られることはもちろんである。
【００６８】
空洞１０の端部１０ａが永久磁石９の端部から殆ど突出しておらず、永久磁石１０の端部とほぼ同一の場合は、空洞１０の端部１０ａの中心軸は永久磁石９の端部の中心軸とみなして位置を決定すればよい。
【００６９】
次に、本発明の第６の実施形態を説明する。図１０は本発明の第６の実施形態の１極分の拡大断面図である。
【００７０】
本実施形態では、磁極ピッチをτpと表したとき、鉄心部１１の周方向中央にある窪み１２（第１の窪み）の周方向幅中心と回転子７の中心を通る軸と、回転子鉄心８に設ける窪み１３（第２の窪み）の周方向幅中心と回転子７の中心を通る軸のなす角度β２＝τp×0.226〜0.265となるよう、回転子鉄心８のエアギャップ６に対向する面に窪み１３を設ける。
【００７１】
さらに、鉄心部１１の周方向中央にある窪み１２の周方向幅中心と回転子７の中心を通る軸と、回転子鉄心８に設ける窪み１４の周方向幅中心と回転子７の中心を通る軸のなす角度β３＝τp×0.398〜0.472となるよう、回転子鉄心８のエアギャップ６に対向する面に窪み１４（第３の窪み）を設ける。
【００７２】
さらに、鉄心部１１の周方向幅中心と回転子７の中心を通る軸と、エアギャップ６側の端部１０ａの周方向幅の中心と回転子７の中心を通る軸とのなす角度β４＝τp×0.3となるよう、エアギャップ６側の空洞１０の端部１０ａを設ける。
【００７３】
エアギャップ６側の空洞１０の端部１０ａは、鉄心部１１の中心軸を対称軸として対称に配置される。すなわち、対称的に配置される他方の空洞１０のエアギャップ６側の端部１０ａは、β４＝τp×(-0.3)の位置に配置される。また、これらの端部の位置が幾分ずれても同様な作用と効果は得られ、実際は製造誤差もあることから、β４＝τp×0.25〜0.35、τp×−0.25〜−0.35の範囲でも同様の効果が得られる。
【００７４】
本実施形態の極数が８極でスロット数が４８の回転電機において、上記実施形態と同様に振動と騒音の要因となる電磁力成分を低減することができる。
【００７５】
また、第１〜第３の窪み１２〜１４、空洞の端部１０ａを組み合わせることで、これらを単独で設ける場合には除去しきれなかった電磁力の成分を有効に除去できるため、振動・騒音をより低減することができる。
【００７６】
次に、本発明の第７の実施形態を説明する。図１１は本発明の第７の実施形態の２極分の断面図、図１２は図１１の１／２極分の拡大断面図である。
【００７７】
第１の実施形態で説明した如く、回転子鉄心８の外周部に沿って８個の鉄心部１１が形成されており、各鉄心部１１には、一対の永久磁石９がＶ字状に埋め込まれて磁極を形成している。これらの鉄心部１１間には、リラクタンストルクを発生するラクタンストルク磁極となる鉄心部１５が形成されている。
【００７８】
永久磁石９が埋め込まれる空洞１０の端部１０ａは、漏れ磁束の抑制と回転時の遠心力の応力を緩和するため、永久磁石９の端部から突出して空隙を形成している。
【００７９】
これらの端部１０ａのうち、エアギャップ６に近い端部１０ａについては、鉄心部１５を挟んで位置する二つの端部１０ａが、それらの周方向幅の中心と回転子鉄心８の中心とを通る二つの軸の成す角度θ2pm＝τｓ×(n＋0.5)となるように配置されている。ここで、ｎは整数である。
【００８０】
また、これら二つの端部１０ａは、その周方向中心位置θpm＝τｓ×(n＋0.25)となるように配置してもよい。ここで、θpmは、図２９に示す如く、リラクタンストルク磁極である鉄心部１５の周方向幅の中心と回転子鉄心８の中心とを通る軸Ｌと、端部１０ａの周方向幅の中心と回転子鉄心８の中心とを通る軸Ｌ’’とが成す角度である。
【００８１】
より具体的には、極数をｐとしたとき、３２°／（ｐ／２）≦θpm≦４０°／（ｐ／２）となる位置に端部１０ａを配置すると、大きなトルクが得られると共に電磁力が小さくなるという好ましい結果が得られることが判っている。
【００８２】
そして、本実施形態では、図１２に示す如く、鉄心部１５におけるエアギャップ６に対向する面に軸方向に延びる窪み１６を設けてある。なお、この窪み１６は、鉄心部１５の周方向幅の中心と回転子鉄心８の中心とを通る軸Ｌを対称軸として対称的に二本設けられている。
【００８３】
この窪み１６の周方向位置は、鉄心部１５の周方向幅の中心と回転子鉄心８の中心とを通る軸ｌと、窪み１６の幅方向中心と回転子鉄心８の中心とを通る軸とのなす角度をθ1とすると、θ１＝τｓ×（ｎ＋0.16〜0.37）となるようにしてある。なお、ｎは整数とする。
【００８４】
窪み１６の深さは０．５ｍｍである。また、他の実施形態として、窪み１６を段付き形状として、開口部側の深さを０．２５ｍｍ、全体の深さを０．５ｍｍとすることにより、特性も滑らかな変化が得られる。
【００８５】
なお、窪み１６の深さは、エアギャップ６の径方向長さの0.2〜2.0倍とすると、電磁力の低減効果が大きいと共に、トルクが実質的に下がらないので好ましい。
【００８６】
窪み１６の作用と効果について述べる。負荷状態ではエアギャップ６中にはコイル５の電流により形成される磁束と永久磁石９による磁束とが生じる。これらの磁束はトルクを発生するとともに半径方向の電磁力を発生する。本実施形態では、リラクタンストルクを発生する鉄心部１５に窪み１６を設けることにより、エアギャップ６中の磁束を変化させて半径方向の電磁力を低減できる。
【００８７】
窪み１６の作用と効果を確認するため、回転子７を回転移動させながら、本実施形態の回転電機の負荷時における磁界解析を行い、そのときの鉄心歯３に作用する電磁力を算出した。
【００８８】
本実施形態の８極で４８スロットの回転電機では、固定子鉄心８全体を膨張・収縮するような変形を生じる０次モードは電磁力の６次成分と１２次成分により生じ、低振動・低騒音を得るには、この成分の電磁力を低減しなければならない。
【００８９】
その解析結果を図１３に示す。この図は、リラクタンストルクを発生する磁極である鉄心部１５に窪み１６を設けた本実施形態の回転電機と、従来の回転電機（窪み１６無し）とにおける半径方向の電磁力の比較を示している。なお、電磁力は従来機の電磁力を１として正規化している。図１３に示すように、電磁力の６次成分は０．６７まで低減していることがわかる。
【００９０】
次に、窪み１６の周方向位置と電磁力との関係について述べる。窪み１６の周方向中心位置を変化させたときの電磁力の変化を磁界解析にて検討した。図１４は窪み１６の中心の周方向位置θ１を変化させたときの電磁力の小さくなる範囲を示している。図１４の縦軸は従来機の電磁力を１とし、横軸はスロット４のピッチτｓで正規化した値である。
【００９１】
θ1＝τｓ×（0.16〜0.37）のときに電磁力の６次成分は0.7以下、電磁力の１２次成分は逆に増加するが２倍以内におさまる。このように窪み１６により電磁力の６次成分を約0.4に低減することができる。また、図１５は図１４で示した範囲に窪み１６があるときに窪み１６の幅Ｗ１を変化させたときの電磁力の変化を示す。幅Ｗ１は中心角（窪み１６の一側縁と回転子鉄心８の中心を通る軸と、窪み１６の他側縁と回転子鉄心８の中心を通る軸とが成す角度）で表し、スロットピッチτｓで正規化したものである。Ｗ１＝τｓ×（0.2〜0.5）の範囲で、電磁力６次成分は0.7以下、電磁力１２次成分も１以下に低減できることがわかる。
【００９２】
これにより、本実施形態により振動の要因である電磁力を低減できることが示されており、低振動と低騒音の回転電機を得ることができる。
【００９３】
また、永久磁石９を挿入する空洞１０のエアギャップ６側の端部１０ａはθ2pm＝τｓ×（ｎ＋0.5）になるように配置されるので、固定子１の鉄心歯３から見て、対称に配置された２個の空洞１０ａは0.5スロットピッチずれているため、スロット４による電磁力変化とトルク脈動の影響を緩和できる。
【００９４】
次に、本発明の第８の実施形態を説明する。図１６は本発明の第８の実施形態の２極分の断面図、図１７は図１２の１／２極分の拡大断面図である。
【００９５】
本実施形態では、第７の実施形態の構成に加えて、永久磁石９による磁極である鉄心部１１のエアギャップ６に対向する面に軸方向に延びる窪み１７を設けている。この窪み１７は、鉄心部１１の周方向幅の中心と回転子鉄心８の中心とを結ぶ軸Ｌ’を対称軸として対称的に二本設けられており、それぞれ永久磁石９におけるエアギャップ６側の端部の近くに位置している。
【００９６】
なお、窪み１７の深さは、エアギャップ６の径方向長さの0.2〜2.0倍とすると、電磁力の低減効果が大きいと共に、トルクが実質的に下がらないので好ましい。
【００９７】
次に、本実施形態の作用と効果について述べる。負荷状態では、エアギャップ６中にはコイル５の電流により形成される磁束と永久磁石９による磁束とが生じる。これらの磁束は、トルクを発生するとともに半径方向の電磁力を発生する。
【００９８】
本実施形態では、リラクタンストルクを発生する磁極である鉄心部１５に窪み１６を設け、永久磁石９による磁極である鉄心部１１に窪み１７を設けることにより、エアギャップ６中の磁束を変化させて半径方向の電磁力を低減できる。
【００９９】
窪み１６と１７を設けたときの作用と効果を確認するため、回転子７を回転移動させながら、本実施形態の回転電機の負荷時における磁界解析を行い、そのときの鉄心歯３に作用する電磁力を算出した。
【０１００】
本実施形態の８極で４８スロットの回転電機では、固定子鉄心２全体を膨張・収縮するような変形を生じる０次モードは電磁力の６次成分と１２次成分により生じ、低振動・低騒音を得るにはこの成分の電磁力を低減しなければならない。
【０１０１】
その解析結果を図１８に示す。図１８は窪み１６、１７を有する本実施形態の回転電機、窪み１６又は窪み１７のいずれかのみを有する本発明の回転電機、そして従来機における半径方向の電磁力の比較を示す。なお、電磁力は従来機の電磁力を１として正規化している。
【０１０２】
窪み１６又は窪み１７のいずれかのみを有する回転電機では、電磁力６次成分は0.25〜0.67まで小さくできるが、窪み１６と窪み１７を有する本発明の回転電機では、0.04と極めて小さくできることがわかる。同時に電磁力１２次成分も0.9と小さくなっている。
【０１０３】
窪みを設けるなどして電磁力６次成分と１２次成分を低減する場合、一般的にはこれらの電磁力は二律背反の関係にあり、両方を小さくすることが困難である。しかし、図１８に示すように、窪み１６と窪み１７を有する本発明の回転電機では、電磁力の１２次成分を従来機以下とした上で、電磁力６次成分は0.04と著しく低減できる。
【０１０４】
次に、窪み１６と窪み１７を有する本発明の回転電機において、窪み１６について詳細に述べる。
【０１０５】
まず、窪み１６の周方向位置と電磁力との関係について述べる。窪み１６の周方向中心位置を変化させたときの電磁力の変化を磁界解析にて検討した。図１９は窪み１６の周方向位置を変化させたときの電磁力の小さくなる範囲を示している。図１９の縦軸は従来機の電磁力を１とし、横軸はスロットピッチτｓで正規化した値である。
【０１０６】
θ1＝τｓ×（0.2〜0.6）のときに電磁力の６次成分は0.3以下、電磁力の１２次成分は２以内におさまる。このように窪み１６により電磁力の６次成分を0.3まで低減できる。また、図２０は、図１９で示した範囲に窪み１６があるときに、窪み１６の幅Ｗ１を変化させたときの電磁力の変化を示す。窪み１６の幅Ｗ１は、中心角で表し、スロットピッチτｓで正規化したものである。Ｗ１＝τｓ×（0.4〜0.7）の範囲にすると、電磁力１２次成分を1.5以下とした上で、電磁力６次成分は0.075以下（電磁力６次成分の最小値の1.5倍の範囲）と極めて小さくできる。
【０１０７】
なお、ｎを整数とした場合、θ1＝τｓ×（ｎ＋0.2〜0.6）、ｎを０及び自然数とした場合、Ｗ１＝τｓ×（ｎ＋0.4〜0.7）とすると、同様の好ましい結果が得られることが判っている。
【０１０８】
より具体的には、固定子１の毎相毎極あたりのスロット数を２とし、極数をｐとしたとき、θ１＝（１０°〜１４°）／（ｐ／２）とし、Ｗ１＝（１２°〜１８°）／（ｐ／２）とすると、さらに好ましい結果が得られることが判っている。ここで毎相毎極あたりのスロット数とは、総スロット数／（相数×極数）で求められる値である。
【０１０９】
つぎに窪み１６と１７を有する本発明回転電機において、窪み１７について詳細に述べる。
【０１１０】
窪み１７の周方向位置と電磁力の関係について述べる。窪み１７の周方向中心位置を変化させたときの電磁力の変化を磁界解析にて検討した。図２１は、窪み１７の周方向位置θ２を変化させたときの電磁力の小さくなる範囲を示している。
【０１１１】
永久磁石９による磁極１１の周方向中心と回転子鉄心８の中心とを結ぶ軸と、窪み１７の周方向中心と回転子鉄心８の中心とを結ぶ軸とのなす角度をθ2とする。図２１の縦軸は従来機の電磁力を１とし、横軸はスロットピッチτｓでθ2を正規化した値である。
【０１１２】
θ2＝τｓ×（0.85〜1.3）のときに電磁力６次成分は0.45以下（電磁力６次成分の最小値の1.5倍の範囲）に低減できる。このように窪み１７により電磁力の６次成分を0.45以下まで低減できる。
【０１１３】
また、図２２は図２１で示した範囲に窪み１７があるときに窪み１７の幅Ｗ２を変化させたときの電磁力の変化を示す。窪み１７の幅Ｗ２は中心角で表し、スロットピッチτｓで正規化したものである。Ｗ２＝τｓ×（0.47〜0.6）の範囲にすると、電磁力１２次成分を１以下とした上で、電磁力６次成分は0.07以下と極めて小さくできる。
【０１１４】
これにより、本発明を用いることにより振動の要因である電磁力を低減できることが示され、低振動と低騒音の回転電機を得ることができる。
【０１１５】
なお、ｎを整数とした場合、θ2＝τｓ×（ｎ＋0.85〜1.3）、ｎを０及び自然数とした場合、Ｗ２＝τｓ×（ｎ＋0.47〜0.6）とすると、同様の好ましい結果が得られることが判っている。
【０１１６】
より具体的には、固定子１の毎相毎極あたりのスロット数を２とし、極数をｐとしたとき、θ２＝（２６°〜３９°）／（ｐ／２）とし、Ｗ２＝（１４°〜１８°）／（ｐ／２）とすると、さらに好ましい結果が得られることが判っている。
【０１１７】
また、空洞１０の端部１０ａは、θ2pm＝τｓ×（ｎ＋0.5）になるように配置されるので、固定子１の鉄心歯３から見て、対称の２個の端部１０ａは、0.5スロットピッチずれているため、スロットによる電磁力変化とトルク脈動の影響を緩和できる。
【０１１８】
次に、本発明の第９の実施形態を説明する。図２３は本発明の第９の実施形態の２極分の断面図、図２４は図２３の１／２極分の拡大断面図である。
【０１１９】
本実施形態では、第８の実施形態の構成に加えて、永久磁石９による磁極である鉄心部１１におけるエアギャップ６に対向する面の周方向中央部に軸方向に延びる窪み１８が設けられている。
【０１２０】
この窪み１８は、鉄心部１１の周方向幅の中心と回転子鉄心８の中心とを結ぶ軸Ｌ’を対称軸として対称的に二本設けられている。
【０１２１】
なお、窪み１８の深さは、エアギャップ６の径方向長さの0.2〜3.0倍とすると、電磁力の低減効果が大きいと共に、トルクが実質的に下がらないので好ましい。
【０１２２】
次に本実施形態の作用と効果について述べる。
【０１２３】
負荷状態ではエアギャップ６中にはコイル５の電流により形成される磁束と永久磁石９による磁束が生じる。これらの磁束はトルクを発生するとともに半径方向の電磁力を発生する。本発明では、リラクタンストルクを発生する磁極である鉄心部１５に窪み１６を設け、永久磁石９による磁極である鉄心部１１の周方向中央部以外の部位に窪み１７を設け、さらに鉄心部１１の周方向中央部に窪み１８を設けることにより、エアギャップ６中の磁束を変化させて半径方向の電磁力を低減し、かつ、トルクリプルも低減できる。
【０１２４】
窪み１６乃至１８を設けたときの作用と効果を確認するため、回転子７を回転移動させながら本実施形態の回転電機の負荷時における磁界解析を行い、そのときの鉄心歯３に作用する電磁力を算出した。
【０１２５】
実施形態の８極で４８スロットの回転電機では、固定子鉄心２全体を膨張・収縮するような変形を生じる０次モードは電磁力の６次成分と１２次成分により生じ、低振動・低騒音を得るにはこの成分の電磁力を低減しなければならない。
【０１２６】
窪み１８の周方向中心位置を変化させたときの電磁力の変化を磁界解析にて確認した。また、最大トルクを維持し、トルクリプルも低く抑える必要があるため、トルクの解析も同時に行った。
【０１２７】
図２５は窪み１８の周方向位置を変化させたときの電磁力の小さくなる範囲を示している。図２５の縦軸は従来機の電磁力を１とし、横軸はスロットピッチτｓで窪み１８の位置を示す角度θ3を正規化した値である。また、図２６はこのときの最大トルクとトルクリプルを示す。縦軸は従来機のトルクとトルクリプルを１としている。
【０１２８】
θ３は、永久磁石９による磁極である鉄心部１１の周方向幅の中心と回転子鉄心８の中心とを通る軸Ｌ’と、窪み１８の一側縁で軸Ｌ’から遠い方の側縁と回転子鉄心８の中心とを通る軸とが成す角度である。
【０１２９】
θ3＝τｓ×（0.4〜0.5）のときに電磁力の６次成分は0.14以下、電磁力の１２次成分
は1.2以下におさまる。同時に図２６のトルクとトルクリプルに示すように、トルクは現状の約１を維持してトルクリプルを約２以下にできる。特にθ3を0.46以下にするとトルクリプルが現状以下の0.85程度に低減できる。
【０１３０】
このように窪み１８により電磁力の６次成分を0.14以下、電磁力１２次成分を１以下まで低減し、同時に最大トルクを維持してトルクリプルを現状以下に低減できる。これにより、本発明を用いることにより振動の要因である電磁力を低減でき、最大トルクを維持してトルクリプルも低減できることが示され、低振動と低騒音で駆動性能の優れた回転電機を得ることができる。なお、θ3≦τｓ×０．５であれば、同様の好ましい結果を得られれることが判っている。
【０１３１】
より具体的には、固定子１の毎相毎極あたりのスロット数を２とし、極数をｐとしたとき、θ３＝（１２°〜１４°）／（ｐ／２）とすると、さらに好ましい結果が得られることが判っている。
【０１３２】
また、空洞１０の端部１０ａは、θ2pm＝τｓ×（ｎ＋0.5）になるように配置されるので、鉄心歯３から見て対称の２個の端部１０ａは、0.5スロットピッチずれているため、スロット４による電磁力変化とトルク脈動の影響を緩和できる。
【０１３３】
次に、本発明の第１０の実施形態を説明する。図３０は、本発明の第１０の実施形態の１／２極分の拡大断面図である。
【０１３４】
本実施形態では、リラクタンストルク磁極である鉄心部１５に設けられた窪み１６は、鉄心部１５の周方向中央部側の部位１６ａ深さが他の部位１６ｂよりも浅くなっており、周方向中央部側の部位１６ａの深さが０．２５ｍｍ、他の部位１６ｂの深さが０．５ｍｍとなっている。
【０１３５】
これにより、鉄心部１５における周方向中央部近傍の磁気抵抗は小さくなり、鉄心部１５の周方向中央部から離れた部位では磁気抵抗が大きくなるので、窪み１６によるリラクタンストルクの低下を抑制できる。
【０１３６】
また、永久磁石９による磁極である鉄心部１１の周方向中央部の窪み１８は、リラクタンストルク磁極である鉄心部１５とは電気角で９０°ずれており、窪み１８によるリラクタンストルクの低下への影響は小さい。また、窪み１８はトリクルプルの低減にも効果がある。
【０１３７】
これにより、窪み１８の深さは他の窪み１６、１７よりも深くしている。本実施形態では、窪み１８の深さは１ｍｍで、窪み１７の深さは０．５ｍｍ、窪み１６の深さは、浅い部位１０６ａが０．２５ｍｍ、深い部位１６ｂが０．５ｍｍである。
【０１３８】
これにより、本実施形態の回転電機は、トリクの低下は僅かとした上で、加振源となる電磁力を低減できる。
【０１３９】
なお、窪み１６乃至１８の位置は、上記の各実施形態で述べた位置に限定されるものではない。
【０１４０】
また、上記の各実施形態では、永久磁石が挿入される空洞の端部は空隙となっているが、非磁性体が挿入された非磁性部であってもよい。
【０１４１】
また、上記の各実施形態では、永久磁石がエアギャップ面に向けて開口するＶ字状を成すように配置されているが、エアギャップ面に向けて開口するＵ字状を成すように形成することもできる。
【０１４２】
さらに、各窪みは回転子鉄心の軸方向全長にわたって延びるように形成するのが好ましいが、軸方向の一部にのみ形成するようにしてもよい。
【０１４３】
その他にも、本発明の要旨を逸脱しない範囲で上記の各実施形態に種々の改変を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【図１】本発明の第１の実施形態の断面図である。
【図２】第１の実施形態の１極分の拡大断面図である。
【図３】第１の実施形態の窪みを設けた回転電機の鉄心歯に作用する電磁力の解析結果を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態の１極分の拡大断面図である。
【図５】第２の実施形態の窪みを設けた回転電機の鉄心歯に作用する電磁力の解析結果を示すグラフである。
【図６】本発明の第３の実施形態の１極分の拡大断面図である。
【図７】第３の実施形態の窪みを設けた回転電機の鉄心歯に作用する電磁力の解析結果を示すグラフである。
【図８】本発明の第４の実施形態の１極分の拡大断面図である。
【図９】本発明の第５の実施形態の１極分の拡大断面図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態の１極分の拡大断面図である。
【図１１】本発明の第７の実施形態の２極分の断面図である。
【図１２】図１１の１／２極分の拡大断面図である。
【図１３】第７の実施形態の負荷時における磁界解析の結果を示すグラフである。
【図１４】第７の実施形態の窪みの周方向位置を変化させたときの電磁力の変化を示すグラフである。
【図１５】第７の実施形態の窪みの幅を変化させたときの電磁力の変化を示すグラフである。
【図１６】本発明の第８の実施形態の２極分の断面図である。
【図１７】図１６の１／２極分の拡大断面図である。
【図１８】第８の実施形態の負荷時における磁界解析の結果を示すグラフである。
【図１９】第８の実施形態の窪みの周方向位置を変化させたときの電磁力の変化を示すグラフである。
【図２０】第８の実施形態の窪みの幅を変化させたときの電磁力の変化を示すグラフである。
【図２１】第７の実施形態の窪みの周方向位置を変化させたときの電磁力の変化を示すグラフである。
【図２２】第８の実施形態の窪みの幅を変化させたときの電磁力の変化を示すグラフである。
【図２３】本発明の第９の実施形態の２極分の断面図である。
【図２４】図２３の１／２極分の拡大断面図である。
【図２５】第９の実施形態の窪みの周方向位置を変化させたときの電磁力の変化を示すグラフである。
【図２６】第９の実施形態の窪みの周方向位置とトリクルプルとの関係を示すグラフである。
【図２７】従来の回転電機の断面図である。
【図２８】従来の回転電機の断面図である。
【図２９】本発明の第７の実施形態の１極分の断面図である。
【図３０】本発明の第１０の実施形態の１／２極分の拡大断面図である。
【符号の説明】
【０１４５】
１    固定子
２    固定子鉄心
３    鉄心歯
４    スロット
５    コイル
６    エアギャップ
７    回転子
８    回転子鉄心
９    永久磁石
１０    空洞
１０ａ  空洞の端部（空隙）
１１    鉄心部（永久磁石による磁極）
１２    窪み
１３    窪み
１４    窪み
１５    鉄心部（リラクタンストルク磁極）
１６    窪み
１７    窪み
１８    窪み
【図１】
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【図２】
2007097387.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】
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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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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