(57)【要約】【課題】永久磁石同期機の回転子構造において、ギャップ磁束密度分布を正弦波状にするための、フラックスバリア内の磁石の適切な配置の実現。【解決手段】永久磁石同期機における回転子構造として、回転子１に形成されたフラックスバリア２０に、厚さｔｍが一定の直方体の形状の磁石３０を、フラックスバリア２０の形状を定義する等値線に沿って一列に配置する。磁石３０の厚さｔｍは、フラックスバリア２０の最も薄い厚さにほぼ一致する。【選択図】図５
2012178922.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｆ（ｒ，θ）＝（ｒ／ｒ０）ｐｓｉｎ（ｐθ）（ｒ：回転軸からの距離、ｒ０：回転子の半径、θ：偏角、ｐ：極体数）の等値線に沿って形成されたフラックスバリアが積層されてなる回転子を具備した永久磁石同期機であって、
前記フラックスバリアは、ｔｂ＝ｔｂ０（ｒ０／ｒ）（ｐ−１）（ｔｂ：理想バリア厚さ、ｔｂ０：回転子表面でのバリア厚さ）の理想厚さ曲線に沿った厚さで形成されてなり、
厚さ方向の長さが前記フラックスバリアの最も狭い厚さ以下の一定の長さでなる直方体状の磁石を、前記回転子の回転軸垂直断面において前記フラックスバリア内に前記等値線に沿って一列に配置してなる、
永久磁石同期機。
【請求項２】
前記フラックスバリア内の空隙部分に非磁性材料が充填されてなる、
請求項１に記載の永久磁石同期機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フラックスバリアが積層されてなる回転子を具備した永久磁石同期機に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石同期機の回転子構造は、突極性の無い表面磁石形と、突極性のある埋込磁石形とに大別される。埋込磁石形の永久磁石同期機では、磁石の配置が突極性に大きな影響を及ぼす。また、永久磁石同期機では、突極性により生じるリラクタンストルクが重要であるため、突極性を重視した構造が多く提案されている。例えば、大きなリラクタンストルクを生み出すことができる回転子構造として、フラックスバリア（磁気障壁層）が形成された構造が良く知られており、このフラックスバリア内に磁石を配置した構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−９６９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の特許文献１等のように、フラックスバリアの形状や磁石配置に関する研究・開発は盛んであったが、フラックスバリア内の磁石配置がギャップ磁束密度分布に与える影響については、あまり研究が進んでいない。ギャップ磁束密度分布中の高調波磁束は、トルク脈動や鉄損発生の原因となる。また、高調波磁束を含む総磁束が固定子鉄心を通るため、高調波磁束は、固定子を大型化する原因ともなり得る。この問題を解決する１つの方法が、磁石により形成されるギャップ磁束密度分布を正弦波状にすることである。
【０００５】
そこで、本発明は、ギャップ磁束密度分布を正弦波状にすることのできる永久磁石同期機の回転子構造の実現を目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための第１の形態は、
ｆ（ｒ，θ）＝（ｒ／ｒ０）ｐｓｉｎ（ｐθ）（ｒ：回転軸からの距離、ｒ０：回転子の半径、θ：偏角、ｐ：極体数）の等値線に沿って形成されたフラックスバリアが積層されてなる回転子を具備した永久磁石同期機であって、
前記フラックスバリアは、ｔｂ＝ｔｂ０（ｒ０／ｒ）（ｐ−１）（ｔｂ：理想バリア厚さ、ｔｂ０：回転子表面でのバリア厚さ）の理想厚さ曲線に沿った厚さで形成されてなり、
厚さ方向の長さが前記フラックスバリアの最も狭い厚さ以下の一定の長さでなる直方体状の磁石を、前記回転子の回転軸垂直断面において前記フラックスバリア内に前記等値線に沿って一列に配置してなる、
永久磁石同期機である。
【０００７】
この第１の形態によれば、ｆ（ｒ，θ）の等値線に沿って、理想厚さ曲線ｔｂに沿った厚さで形成されたフラックスバリア内に、磁石が、回転子の回転軸垂直断面において前記等値線に沿って一列に配置される。磁石は、厚さ方向の長さが、フラックスバリアの最も狭い厚さ以下の一定の長さでなる直方体状に形成されている。これにより、フラックスバリア内が、全体として「負」の透磁率を有する磁石であるかのような構造を等価的に実現することができ、その結果、この「負」の透磁率によってギャップに正弦波状の起磁力が供給され、ギャップ磁束密度分布を正弦波状とすることができる。また、直方体状の磁石を用いるため、磁石を特殊な形状に切削・研磨するといった必要がない。このため、永久磁石同期機に使用する磁石を容易に製造することができる。
【０００８】
第２の形態として、第１の形態の永久磁石同期機であって、
前記フラックスバリア内の空隙部分に非磁性材料が充填されてなる、
永久磁石同期機を構成しても良い。
【０００９】
この永久磁石同期機の回転子では、位置によって厚さが異なるフラックスバリア内に、厚さが一定の直方体状の磁石が配置されるため、フラックスバリア内には空隙が形成されることになる。そこで、この第３の形態のように、この空隙部分に非磁性材料を充填することで、磁石によって形成されるギャップ磁束密度分布に影響を与えることなく、フラックスバリア内で磁石を固定することが可能となる、
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】最適形状のフラックスバリアが形成された回転子の断面図。
【図２】負の透磁率を実現する磁石の配置原理の説明図。
【図３】理想的な回転子構造の一例。
【図４】図３の構造の回転子についてのギャップ磁束密度分布のグラフ。
【図５】回転子構造の一例。
【図６】磁場発生物体の構造の説明図。
【図７】本実施形態の回転子についてのギャップ磁束密度分布のグラフ。
【図８】比較対象とする回転子の構造図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。但し、本発明の適用可能な実施形態がこれに限定されるものではない。例えば、正弦波と余弦波とは、位相が異なるのみで波形形状は同じであるため、本実施形態においては、正弦波も余弦波も同一とみなし、総括して正弦波という用語を用いて説明する。
【００１２】
［原理］
先ず、本実施形態の埋込磁石形永久磁石同期機（以下、単に「永久磁石同期機」という）における回転子構造の原理を説明する。図１は、永久磁石同期機の回転子の回転軸に対する垂直断面模式図である。図１では、左から順に、極対数ｐが「２（４極）」の場合、極対数ｐが「３（６極）」の場合、極対数ｐが「４（８極）」の場合のそれぞれを示している。図１に示すように、回転子は、円筒形状の鉄心にフラックスバリア（磁気障壁層）が形成されてなる。フラックスバリアは、回転子の外周面（表面）に対して逆方向に湾曲した形状で積層されており、この積層されたフラックスバリアの一群が、回転子の周方向に等間隔に設けられている。
【００１３】
この回転子表面の磁気ポテンシャルφｓが、次式（１）で与えられるとする。
【数１】
2012178922.tif 000003
式（１）において、「ｐ」は極対数、「θ」は機械角、「φ０」は磁気ポテンシャルのピーク値、である。
【００１４】
そして、回転子が全て均一な透磁率μの物質で構成されているとすると、回転子内部の磁気ベクトルポテンシャルＡ、及び、磁気ポテンシャルφは、次式（２）で表される。
【数２】
2012178922.tif 000004
式（２）において、「ｒ０」は回転子半径、「ｒ」は回転中心からの距離、である。
【００１５】
そして、式（２）に対応する磁束密度ベクトルＢは、次式（３）となる。
【数３】
2012178922.tif 000005
ここで、「Ｂｒ」は磁束密度ベクトルＢのｒ方向成分、「Ｂθ」は磁束密度ベクトルＢのθ方向成分、「Ｂｐ」は磁束密度ベクトルＢの大きさである。
【００１６】
すなわち、式（３）によれば、磁束密度ベクトルＢの方向は、半径方向と「ｐ・θ」の角度をなす方向である。また、磁束密度ベクトルＢの大きさは、「ｒｐ−１」に比例する。つまり、極対数ｐに基づいて定まる比例関係で定義され、極対数ｐが多くなると回転子表面近傍で磁束密度が急激に高くなる。
【００１７】
ここで、フラックスバリアの形状を、次式（４）で表される関数ｆの等値線に沿った形状とすると、そのフラックスバリアの形状は、磁気ポテンシャルφの等値線形状と等しく、フラックスバリアと垂直な方向に磁束を流すのに必要な磁気ポテンシャルを最大化するバリアが形成される。また、そのフラックスバリアの形状は、磁気ベクトルポテンシャルＡの等値線（磁束線）形状とも等しく、フラックスバリアと平行な方向に磁束が最も流れやすい磁路が形成されるため、突極性を最大化することができる。
【数４】
2012178922.tif 000006
【００１８】
更に、上式（４）の関数ｆに関して均等分割の考えを適用すると、各フラックスバリアの各境界線を表す関数ｆは、次式（５）となる。「均等分割」とは、各フラックスバリアを定義する２つの境界線における関数ｆの値の差が各フラックスバリアで等しく、また、鉄心層についても同様のことが成り立つように、境界線の位置を定める方法である。
【数５】
2012178922.tif 000007
式（５）において、「ｎｌ」はフラックスバリア数、ｉｌ＝１，２，・・・，ｎｌ、である。また、「Ｋａ」はフラックスバリアの割合であり、「０〜１」の値を取る。
【００１９】
このように、層数が無限に多いフラックスバリアが均等配置の考え方に従って配置された回転子において、フラックスバリアに垂直な方向に磁束が流れ、式（３）と同一の磁束密度分布が形成されているとする。この場合、回転子表面の磁気ポテンシャルφｓは、次式（６）となる。
【数６】
2012178922.tif 000008
式（６）において、「φｘ」は磁気ポテンシャルφのピーク値、「μｓ」は鉄心の透磁率、「μａ」は空気の透磁率、である。
【００２０】
そして、フラックスバリアを磁石で満たし、この磁石の作用によって磁束を発生させる場合を考える。磁石が、「負」の一定値の透磁率μｍを有し、この透磁率μｍが次式（７）を満たすと仮定する。
【数７】
2012178922.tif 000009
【００２１】
すると、次式（８）で与えられる回転子表面の磁気ポテンシャルφｓが「負」となり、磁石によって、ギャップに正弦波状の起磁力が供給されるとともに、ギャップ磁束密度分布が正弦波状となる。
【数８】
2012178922.tif 000010
【００２２】
ところが、単体で「負」の透磁率μを有する磁石は存在しない。しかしながら、特性が異なる複数種類の磁石を配置することで、「負」の透磁率を有する磁石を配置した場合と同等の効果を得ることができる。
【００２３】
具体的には、図２に示すように、特性が異なる複数種類の磁石を、残留磁束密度と動作磁束密度とが比例するように配置する。図２において、左側は、回転子の回転軸に対する垂直断面図を示し、右側は、減磁曲線を示している。
【００２４】
回転子内部の動作磁束密度は、式（３）に示したように、「ｒｐ−１」に比例して変化するため、回転中心からの距離ｒに応じて磁石の種類を変え、回転子表面に近いほど、残留磁束密度の大きい磁石を配置する。また、磁石の着磁方向は、式（３）で表される磁束密度ベクトルＢの方向と平行になるようにする。すなわち、磁束密度ベクトルＢの方向を、半径方向に対して「ｐ・θ」の角度をなして磁極中心に傾けた方向とすれば良い。また、上述の均等分割の考え方に従ってフラックスバリアが配置（最適配置）されている場合、磁束密度ベクトルＢとフラックスバリアとは直交しているため、フラックスバリアと直交する方向に着磁すると考えることもできる。
【００２５】
図３は、このような磁石配置をした回転子構造の一例を示す図である。図３では、フラックスバリアの層数が「８」、極対数ｐが「２（４極）」の場合を示している。また、フラックスバリア内には、上述の原理に従い、特性の異なる複数種類の磁石が、動作磁束密度が半径ｒに比例（ｒｐ−１＝ｒ２−１＝ｒ）するように配置されている。
【００２６】
そして、図３に示した構造の回転子に対して電磁界解析を行って得られたギャップ磁束密度分布を図４に示す。図４では、磁束密度ベクトルの半径方向成分を実線で示しているとともに、比較のための正弦波波形を点線で示している。
【００２７】
但し、電磁界解析に当たり、フラックスバリア割合Ｋａを「１／３」とし、均等分割の考えに従ってフラックスバリアが形成されているとした。そして、磁石の着磁方向は「５°」刻みで変化させ、各磁石の残留磁束密度は「１０％」刻みで変化させた。
【００２８】
図４によれば、ギャップ磁束密度分布は、ほぼ正弦波となっている。すなわち、上述の原理による磁石配置によって、ギャップ磁束密度分布が正弦波状になることが確認された。
【００２９】
［構成］
続いて、上述の原理を適用した永久磁石同期機の回転子の具体的な構造を説明する。図５は、本実施形態における永久磁石同期機の回転子の、回転軸に対する垂直断面図である。図５に示す回転子１は、フラックスバリア２０の層数が「２」であり、このフラックスバリア２０内に磁石３０が配置されている。
【００３０】
磁石３０は、直方体状の一例として直方体の形状とし、その厚さｔｍが、フラックスバリア２０の最も薄い厚さにほぼ一致するように形成されている。そして、磁石３０は、フラックスバリア２０の形状を定義する式（４）で表される関数ｆの等値線に沿って、一列に並べて配置されている。
【００３１】
磁石３０の形状を直方体としたことで、回転子１の表面と、当該表面に最も近い磁石３０との間や、隣り合う磁石３０同士の間に隙間が生じてしまう。理想的には、これらの隙間は無い方が良いが、次の２つの理由から磁石３０の形状を直方体としている。１点目は、磁石製造上の問題である。回転子１の表面と当該表面に最も近い磁石３０との間や、隣り合う磁石３０同士の間の隙間を無くすような磁石を製造するためには、磁石１つ１つの配置位置に応じた特有な形状の磁石を製造する必要がある。このことは、磁石製造コストを上昇させる。他方、直方体の形状の磁石は、磁石製造上、最も容易に製造可能である。２点目は、後述する本実施形態の作用効果である。回転子１の表面と当該表面に最も近い磁石３０との間や、隣り合う磁石３０同士の間の隙間を許容したとしても、理想に近い十分な作用効果が得られる。以上の理由から、本実施形態では、直方体の形状の磁石３０を用いることとした。
【００３２】
また、フラックスバリア２０内の磁石３０以外の部分は、非磁性体である「空気」が充填された空隙層となる。つまり、フラックスバリア２０内は、図６に示すような、単一の磁石３０である磁性体１１０と空気層である非磁性体１２０とを、着磁方向に積層して接着した積層体１００で埋め尽くされているとみなすことができる。図６では、上側に積層体１００の構造を示し、下側に、積層体１００を構成する磁性体１１０及び非磁性体１２０それぞれの減磁曲線（Ｂ−Ｈ）を示している。
【００３３】
この積層体において、磁性体１１０の動作磁束密度を「Ｂ」とすると、磁性体１１０内の磁界の強さＨｍは、次式（９）となる。
【数９】
2012178922.tif 000011
また、非磁性体１２０内の磁界の強さＨａは、次式（１０）となる。
【数１０】
2012178922.tif 000012
【００３４】
そして、積層体１００における磁性体１１０の占積率（積層体１００の体積に占める磁性体１１０の体積の割合）を「ρｍ」とすると、積層体１００の全体の平均的磁界の強さＨｗは、次式（１１）となる。
【数１１】
2012178922.tif 000013
この式（１１）は、次式（１２）に変形することができる。
【数１２】
2012178922.tif 000014
つまり、この積層体１００は、残留磁束密度Ｂｒｗが次式（１３）となる「磁石」と、等価とみなすことができる。
【数１３】
2012178922.tif 000015
【００３５】
このように、磁性体１１０と非磁性体１２０とを着磁方向に積層した積層体１００は、磁性体１１０の占積率ρｍに応じた残留磁束密度Ｂを有する「磁石」とみなすことができる。
【００３６】
ところで、フラックスバリア２０の厚さｔｂは、次式（１４）で与えられる。
【数１４】
2012178922.tif 000016
式（１４）において、「ｔｂ０」は、回転子表面でのバリアの厚さである。
【００３７】
そして、このフラックスバリア２０内が、厚さｔｍが一定の磁石３０と非磁性体である空気層とが積層された積層体１００で埋め尽くされているとみなすと、フラックスバリア２０内の各部における磁石３０の占積率ρｍは、次式（１５）となる。
【数１５】
2012178922.tif 000017
【００３８】
つまり、一定の厚さｔｍの磁石３０をフラックスバリア２０内に配置すると、フラックスバリア２０の厚さに関わらず、フラックスバリア２０内の各位置における磁石３０の占積率ρｍは「ｒｐ−１」に比例する。すなわち、式（３）で示したように、回転子内の動作磁束密度が「ｒｐ−１」に比例し、図２に示したような、残留磁束密度が動作磁束密度に比例する磁石配置と等価となる。
【００３９】
図７は、本実施形態における構造の回転子（図５参照）に対する電磁界解析を行って得られたギャップ磁束密度ベクトルの半径方向成分を示すグラフである。図７では、本実施形態における構造の回転子（Ｏｐｔ）についてのギャップ磁束密度を実線で示しているとともに、比較対象として、図８に示す構造の回転子（Ｃｎｖ）に対する電磁界解析を行って得られたギャップ磁束密度を点線で示している。
【００４０】
図８は、比較対象の回転子の構造を示す図である。図８に示すように、比較対象の回転子は、本実施形態の回転子構造と磁石３０の配置が同じであり、フラックスバリア２０内の空隙部分を埋めるように鉄心１２の形状が定められている。
【００４１】
図７によれば、比較対象の回転子についてのギャップ磁束密度分布の波形は、ほぼ矩形形状である。これに対して、本実施形態の回転子についてのギャップ磁束密度分布の波形は、矩形波の角の部分の磁束密度が減少して正弦波に近い波形となっている。なお、図７に示す波形では、矩形波の途中で急激に磁束密度が低下している部分がある、これは、直方体形状の磁石３０を配置することによって生じた回転子表面近傍の空隙によるものと考えられる。
【００４２】
また、電磁界解析を行って得られた本実施形態の回転子のひずみ率は「３６．６％」であり、比較対象の回転子のひずみ率は「４２．１％」であった。つまり、比較対象の回転子構造に対して、本実施形態の回転子構造のギャップ磁束密度分布波形のひずみ率が改善されており、正弦波形状により近いといえる。
【００４３】
［作用・効果］
このように、本実施形態によれば、永久磁石同期機における回転子構造として、回転子１に形成されたフラックスバリア２０に、厚さｔｍが一定の直方体の形状の磁石３０を、フラックスバリア２０の形状を定義する等値線に沿って一列に配置した構造が実現される。これにより、フラックスバリア２０内が全体として“「負」の透磁率を有する磁石”と等価の構造となり、ギャップ磁束密度分布を正弦波状とすることができる。
【００４４】
［変形例］
なお、本発明の適用可能な実施形態は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
【００４５】
例えば、フラックスバリア２０内の空隙部分は、空気層としても良いが、非磁性材料の充填剤（例えば、樹脂等）を充填することにしても良い。フラックスバリア２０内における磁石３０の固定化を期待できる材料を充填することとすれば、より好適である。
【００４６】
また、上述の実施形態では、磁石３０を直方体の形状としたが、全体的に直方体状に形成されているのであれば良い。すなわち、角が面取りされていたり、若干の歪みが有ったとしても同様の効果が期待できる。
【００４７】
また、磁石３０は、残留磁束密度の異なる複数種類の磁石を積層して構成しても良い。具体的には、複数種類の磁石を、回転軸方向、或いは、フラックスバリアの積層方向に積層して接着した積層体として構成する。このとき、１つの磁石の当該層における積層方向の厚さは一定（一様）となるように構成すると好適である。また、磁石３０全体としての残留磁束密度は一意に定まる（すなわち１つの磁石であるかのような特性となる）必要があることは勿論である。
【００４８】
また、図５では、２層のフラックスバリアが形成された回転子構造を示したが、３層以上でも同様に適用可能である。
【００４９】
また、図５では、４極（極対数ｐ＝２）のフラックスバリアが形成された回転子構造を示したが、例えば、図１に示した６極（ｐ＝３）や８極（ｐ＝４）のフラックスバリアが形成された回転子についても同様に適用可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１  回転子
１０  鉄心、２０  フラックスバリア、３０  磁石
１００  積層体
１１０  磁性体、１２０  非磁性体
【図１】
2012178922.tif 000018
【図２】
2012178922.tif 000019
【図４】
2012178922.tif 000020
【図６】
2012178922.tif 000021
【図７】
2012178922.tif 000022
【図３】
2012178922.tif 000023
【図５】
2012178922.tif 000024
【図８】
2012178922.tif 000025