(57)【要約】【課題】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。【解決手段】永久磁石同期機における回転子構造として、回転子に形成されたフラックスバリアに、残留磁束密度と動作磁束密度とが比例するように、特性が異なる複数種類の磁石を、回転子表面に近いほど残留磁束密度が大きくなるように配置する。【選択図】図２
2012178921.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：極対数）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、
同一層であるか否かに関わらず、前記フラックスバリア内に、残留磁束密度が異なる複数種類の磁場発生物体を、回転軸からの距離が回転子表面に近いほど残留磁束密度が大きくなるように配置してなる永久磁石同期機。
【請求項２】
前記複数種類の磁場発生物体のうちの全部又は一部の磁場発生物体は、（１）残留磁束密度の異なる１以上の磁石及び非磁性材料、或いは、（２）残留磁束密度の異なる複数の磁石を、回転軸方向に所定順に積層した異種積層物体でなる、
請求項１に記載の永久磁石同期機。
【請求項３】
前記異種積層物体については当該物体体積に占める各磁石の体積割合に基づき算定された残留磁束密度とみなして、前記磁場発生物体の位置が位置決めされてなる、
請求項２に記載の永久磁石同期機。
【請求項４】
各種類の前記磁場発生物体の代表配置位置の回転軸からの距離の比と、各種類の前記磁場発生物体の残留磁束密度の比とが極対数に基づき定まる所定の比例条件を満たすよう構成されてなる、
請求項１〜３の何れか一項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、
同一層であるか否かに関わらず、前記フラックスバリア内に、残留磁束密度が異なる複数種類の磁場発生物体を、回転軸からの距離が回転子表面に近いほど残留磁束密度が大きくなるよう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、フラックスバリア内に、残留磁束密度が異なる複数種類の磁場発生物体が、回転軸からの距離が回転子表面に近いほど、残留磁束密度が大きくなるように配置される。フラックスバリア内に複数種類の磁場発生物体を配置することで、全体として、フラックスバリア内に「負」の透磁率を有する磁場発生物体を配置した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」の透磁率を有する磁場発生物体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。
【０００８】
なお、「残留磁束密度」とは一般的には磁石の特性値のことである。しかし、磁場発生物体は磁石のみで構成されているとは限らない。そのため、磁石のみで構成されていない場合の磁場発生物体に対して「残留磁束密度」という用語を使用することは、厳密には不適切と思われるかも分からない。しかれども、対象とする物性上の特性値は残留磁束密度に等価的な特性値（残留磁束密度相当値）であり、用語の使い分けをするとなると本形態の理解に無用な混乱を与えかねない。そこで、統括的に「残留磁束密度」と表記しており、以下も同様である。
【０００９】
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、
前記複数種類の磁場発生物体のうちの全部又は一部の磁場発生物体は、（１）残留磁束密度の異なる１以上の磁石及び非磁性材料、或いは、（２）残留磁束密度の異なる複数の磁石を、回転軸方向に所定順に積層した異種積層物体でなる、
永久磁石同期機を構成しても良い。
【００１０】
この第２の形態によれば、磁場発生物体は、（１）残留磁束密度の異なる１以上の磁石及び非磁性材料、或いは、（２）残留磁束密度の異なる複数の磁石を回転軸方向に所定順に積層した異種積層物体として形成される。
【００１１】
第３の形態として、第２の形態の永久磁石同期機であって、
前記異種積層物体については当該物体体積に占める各磁石の体積割合に基づき算定された残留磁束密度とみなして、前記磁場発生物体の位置が位置決めされてなる、
永久磁石同期機を構成しても良い。
【００１２】
異種積層物体は、当該物体体積に占める磁石の体積割合を調整することで、任意の残留磁束密度を有する物体とみなすことができるためである。
【００１３】
さらには、第４の形態として、第１〜第３の何れかの形態の永久磁石同期機であって、
各種類の前記磁場発生物体の代表配置位置の回転軸からの距離の比と、各種類の前記磁場発生物体の残留磁束密度の比とが極対数に基づき定まる所定の比例条件を満たすよう構成されてなる、
永久磁石同期機を構成しても良い。
【００１４】
この第４の形態によれば、ギャップ磁束密度分布を正弦波状とするための理想的な磁石配置に一層近づけることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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のグラフ。
【図５】実施形態における回転子構造の一例。
【図６】任意の残留磁束密度を実現する積層体の説明図。
【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】
【００１６】
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。
【００１７】
また、「残留磁束密度」とは一般的には磁石の特性値のことである。しかし、図６等を参照して説明する積層体（磁場発生物体）は磁石のみで構成されているとは限らない。そのため、磁石のみで構成されていない積層体（磁場発生物体）に対して「残留磁束密度」という用語を使用することは、厳密には不適切と思われるかも分からない。しかれども、対象とする物性上の特性値は残留磁束密度に等価的な特性値（残留磁束密度相当値）であり、用語の使い分けをするとなると本実施形態の理解に無用な混乱を与えかねない。そこで、本実施形態では、統括的に「残留磁束密度」と表記する。
【００１８】
［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。
【００１９】
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】
2012178921.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。
【００２０】
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】
2012178921.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。
【００２１】
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】
2012178921.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。
【００２２】
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。
【００２３】
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】
2012178921.tif 000006
【００２４】
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】
2012178921.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。
【００２５】
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】
2012178921.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。
【００２６】
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】
2012178921.tif 000009
【００２７】
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】
2012178921.tif 000010
【００２８】
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、特性が異なる複数種類の磁石を用いることで、全体として「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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
［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に示す回転子は、フラックスバリアの層数が「２」であり、このフラックスバリアそれぞれに、特性が異なる２種類の「磁石（磁場発生物体）Ａ，Ｂ」が配置されている。具体的には、回転子表面に近い部分（回転子半径ｒ０の約８０％以上の位置）に、残留磁束密度Ｂｒｗａの磁石Ａが配置（充填）され、回転子中心に近い部分（回転子半径の約８０％未満の位置）に、残留磁束密度Ｂｒｗｂの磁石Ｂが配置（充填）されている。この「磁石Ａ，Ｂ」は、図２に示したように、残留磁束密度と動作磁束密度とが比例する磁石である必要がある。
【００３６】
しかしながら、実際には、この比例関係を満たす任意の残留磁束密度を有する単一材料の磁石（磁性材料）を得ることは困難である。そこで、本実施形態では、図６に示すように、磁石（磁性体）と非磁性体とを、回転軸方向に交互に積層して接着した積層体を用いることで、任意の残留磁束密度の「磁石（磁場発生物体）」を実現している。
【００３７】
一般的に、希土類磁石やフェライト磁石では、減磁曲線の直線部分の傾きは、真空の透磁率μにほぼ等しい。このため、希土類磁石やフェライト磁石の減磁曲線は、真空の透磁率μの磁気特性を、残留磁束密度の分だけ平行移動させたものとして近似できる。すなわち、磁界の強さＨが、磁石と非磁性材料との積層体に与えられたとき、積層体における磁石の磁束密度Ｂｍは、次式（９）となる。
【数９】
2012178921.tif 000011
【００３８】
また、積層体における非磁性材料の磁束密度Ｂａは、次式（１０）となる。
【数１０】
2012178921.tif 000012
【００３９】
そして、積層体における磁石の占積率（積層体の体積に占める磁石の体積の割合）を「ρｍ」とすると、積層体全体の平均的磁束密度Ｂｗは次式（１１）となる。
【数１１】
2012178921.tif 000013
【００４０】
つまり、この積層体は、残留磁束密度Ｂｒｗが次式（１２）となる「磁石」と等価とみなすことができる。
【数１２】
2012178921.tif 000014
【００４１】
このように、磁石（磁性体）と非磁性体とを交互に積層した積層体における磁石の占積率ρｍを調整することで、任意の残留磁束密度Ｂｒｗを有する「磁石（磁場発生物体）」を実現する。
【００４２】
［具体例］
図５における回転子の具体的な構成例として、例えば、磁石Ａとして、残留磁束密度Ｂｒｍが１．０８ＴのＮｄ-Ｆｅ-Ｂ磁石を、占積率ρｍ＝６６．６％で積層した積層体を配置するとともに、また、磁石Ｂとして、残留磁束密度Ｂｒｍが０．４７５Ｔのフェライト磁石を、占積率ρｍ＝１００％で積層した積層体、すなわちフェライト磁石そのものを配置する。
【００４３】
この場合、磁石Ａとなる積層体の残留磁束密度Ｂｒｗａは０．７１９Ｔとなり、磁石Ｂとなる積層体の残留磁束密度Ｒｒｗｂは０．４７５Ｔとなる。また、回転子表面に近い磁石Ａの磁石重心の回転中心からの距離ｒａは、回転子半径ｒ０の９０％（ｒａ＝０．９ｒ０）となり、回転子中心に近い磁石Ｂの磁石重心の回転中心からの距離ｒｂは、回転子半径ｒ０の５９％（ｒｂ＝０．５９ｒ０）となる。
【００４４】
また、この回転子は４極（ｐ＝２）であり、つまり、式（３）に示したように、残留磁束密度Ｂｒｗが、回転中心からの距離ｒ（＝ｒｐ−１＝ｒ２−１）に比例して増加するように配置する必要がある。
【００４５】
そして、磁石Ａ，Ｂそれぞれの残留磁束密度Ｂｒｗａ，Ｂｒｗｂの比（Ｂｒｗａ／Ｂｒｗｂ）は、０．４７５／０．７１９＝６６％、となり、また、磁石重心の回転中心からの距離ｒａ，ｒｂの比（ｒａ／ｒｂ）は、５９％／９０％＝６６％、となって両者は一致する。すなわち、ギャップ磁束密度分布を正弦波状とする理想的な磁石配置に近い構成となっている。
【００４６】
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分布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分布を点線で示している。
【００４７】
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、比較対象の回転子の鉄心は、本実施形態の回転子の鉄心と同じである。そして、このフラックスバリア内に、１種類の磁石が配置（充填）されている。
【００４８】
電磁界解析に当たり、本実施形態の回転子構造については、上述の具体例で挙げた２種類の磁石Ａ，Ｂが配置されているとした。すなわち、磁石Ａを、残留磁束密度Ｂｒｍが１．０８ＴのＮｄ-Ｆｅ-Ｂ磁石を、占積率ρｍ＝６６．６％で積層した積層体とし、磁石Ｂを、残留磁束密度Ｂｒｍが０．４７５Ｔのフェライト磁石そのものとした。また、比較対象の回転子構造については、１種類の磁石Ａ（すなわち、残留磁束密度Ｂｒｍが１．０８ＴのＮｄ-Ｆｅ-Ｂ磁石を、占積率ρｍ＝６６．６％で積層した積層体）が配置されているとした。
【００４９】
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、ほぼ矩形波形状である。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。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「１０．２％」であり、比較対象の回転子のひずみ率は「２４．２％」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。
【００５０】
［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、回転子に形成されたフラックスバリアに、残留磁束密度と動作磁束密度とが比例するように、特性が異なる複数種類の磁石を、回転子表面に近いほど残留磁束密度が大きくなるように配置された構造が実現される。これにより、フラックスバリアに「負の透磁率」を有する磁石を配置したのと等価の構造となり、磁石によって形成されたギャップ磁束密度分布を正弦波状とすることができる。
【００５１】
［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。
【００５２】
例えば、図５では、フラックスバリア内に２種類の「磁石Ａ，Ｂ（磁場発生物体）」を配置した回転子構造を示したが、３種類以上の磁石（磁場発生物体）を配置することにしても良い。例えば、３つの磁石Ａ，Ｂ，Ｃを配置する場合には、図２に示した原理に従って、これらの３つの磁石Ａ，Ｂ，Ｃを、回転子中心から順に、その残留磁束密度が小さい順に配置する。
【００５３】
また、図６では、磁場発生物体は、それぞれ１種類の磁石（磁性体）と非磁性体とを交互に積層した積層体としたが、これを、残留磁束密度の異なる複数種類の磁石（磁性体）と１種類の非磁性体とを回転軸方向に交互に積層した積層体として構成しても良いし、残留磁束密度の異なる複数種類の磁石を回転軸方向に交互に積層した積層体として構成しても良い。この場合、積層体を構成する各層において、当該層の厚みを一定（一様）に構成すると好適である。また、各種類の磁性体及び非磁性体それぞれの層の比率（体積比）を、積層体全体としての残留磁束密度が上述した残留磁束密度Ｂｒｗを有するように定める必要があることは勿論である。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【図１】
2012178921.tif 000015
【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図３】
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【図５】
2012178921.tif 000021
【図８】
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