(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする課題は、損失を低減するとともに高いトルクを発生させることができる永久磁石回転電機、及び永久磁石回転電機の固定子を提供することである。【解決手段】実施形態の永久磁石回転電機は、回転子と、固定子とを持つ。回転子は、永久磁石を備える。固定子は、複数の空芯巻線が設けられている固定子であって、それぞれの空芯巻線について、当該空芯巻線と他の空芯巻線との間に、回転子の中心軸の方向に向かって突出した突出部が形成され、突出部の当該中心軸に最も近い部位から当該中心軸までの距離である第１距離が、空芯巻線の当該中心軸に最も近い部位から当該中心軸までの距離である第２距離よりも長く、第１距離が、空芯巻線の当該中心軸に最も遠い部位から当該中心軸までの距離よりも短い。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を有する回転子と、
複数の空芯巻線が設けられている固定子であって、それぞれの前記空芯巻線について、当該空芯巻線と他の前記空芯巻線との間に、前記回転子の中心軸の方向に向かって突出した突出部が形成され、前記突出部の前記中心軸に最も近い部位から前記中心軸までの距離である第１距離が、前記空芯巻線の前記中心軸に最も近い部位から前記中心軸までの距離である第２距離よりも長く、前記第１距離が、前記空芯巻線の前記中心軸に最も遠い部位から前記中心軸までの距離よりも短い、固定子と、
を備える永久磁石回転電機。
【請求項２】
前記第１距離は、前記空芯巻線の前記中心軸に最も近い部位から当該空芯巻線の前記中心軸から最も遠い部位までの距離の半分以上の距離の分だけ前記第２距離よりも長い、
請求項１に記載の永久磁石回転電機。
【請求項３】
前記固定子には、それぞれの前記空芯巻線が、当該空芯巻線の一部位と当該空芯巻線以外の１の前記空芯巻線の一部位とが、回転子２の中心軸の方向に２層に積層される２層巻きによって設けられている、
請求項１又は２に記載の永久磁石回転電機。
【請求項４】
複数の空芯巻線が設けられており、それぞれの前記空芯巻線について、当該空芯巻線と他の空芯巻線との間に、永久磁石を有する回転子の中心軸の方向に向かって突出した突出部が形成され、前記突出部の前記中心軸に最も近い部位から前記中心軸までの距離である第１距離が、前記空芯巻線の前記中心軸に最も近い部位から前記中心軸までの距離である第２距離よりも長い、
を備える永久磁石回転電機の固定子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、永久磁石回転電機、及び永久磁石回転電機の固定子に関する。
【背景技術】
【０００２】
高エネルギー密度の回転電機の研究や開発が行われている。
【０００３】
これに関し、永久磁石の研究及び開発により、高磁気エネルギー積の永久磁石が開発され、回転電機の小型・高出力化が進められている。特に小型アクチェーターや産業用ロボット等では、近年可搬重量の増加、移動速度の高速化のため、限られた空間の中で高トルク、高出力化が強く要求されており、従来に比べ高エネルギー密度の回転電機となっている。このような回転電機には、稼働時間の伸張、並びに搭載バッテリー容量（重量）の低減のため、高効率化も求められている。
【０００４】
また、電気自動車、ハイブリッド自動車向けのような車両用を用途とする回転電機に対しては、排出ガスの抑制や燃費向上のため、高効率化が強く求められている。また、当該回転電機は、エンジンルームなどの搭載スペースが小さいことから、限られた空間の中で高トルク・高出力化が要求されており、高エネルギー密度の回転電機となっている。
【０００５】
このような回転電機のうち、巻線を構成する素線を巻きつけるティースが形成されていない固定子に空芯巻線を配置した永久磁石回転電機は、トルクリップルが抑制され、その結果、振動及び騒音が抑制される。しかし、当該永久磁石回転電機では、ティースがないため、ティースがある場合と比較して巻線（すなわち、空芯巻線）を構成する素線を貫く磁束が増加してしまい、当該素線内部の渦電流や当該素線同士が並列に接続された並列回路を循環する循環電流が増大してしまう場合があった。このような渦電流や循環電流は、当該永久磁石回転電機におけるトルクの増加に寄与せず、ジュール熱に変換されてしまうため、消費電力量を増加させてしまう可能性があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２４８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、損失を低減するとともに高いトルクを発生させることができる永久磁石回転電機、及び永久磁石回転電機の固定子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の永久磁石回転電機は、回転子と、固定子とを持つ。回転子は、永久磁石を備える。固定子は、複数の空芯巻線が設けられている固定子であって、それぞれの空芯巻線について、当該空芯巻線と他の空芯巻線との間に、回転子の中心軸の方向に向かって突出した突出部が形成され、突出部の当該中心軸に最も近い部位から当該中心軸までの距離である第１距離が、空芯巻線の当該中心軸に最も近い部位から当該中心軸までの距離である第２距離よりも長く、第１距離が、空芯巻線の当該中心軸に最も遠い部位から当該中心軸までの距離よりも短い。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】回転子２の回転軸に直交する方向に永久磁石回転電機１を切った場合の断面図の一例を示す図。
【図２】固定子３における空芯巻線の接続状態の一例を示す図。
【図３】各相の各極を形成する第１空芯巻線と、同相の極を形成する第２空芯巻線との接続状態の一例を示す図。
【図４】突出部Ｐと、突出部Ｐが設けられた非設置面とを例示する図。
【図５】回転子２が備える永久磁石の磁束が空芯巻線を構成する素線を貫く様子の一例を示す図。
【図６】空芯巻線を構成する素線の内部において渦電流が発生した様子の一例を示す図。
【図７】循環電流の発生原理を説明するための図。
【図８】永久磁石回転電機Ｘの固定子が備える空芯巻線を貫く磁束の一例を示す図。
【図９】永久磁石回転電機１の固定子３が備える空芯巻線を貫く磁束の一例を示す図。
【図１０】永久磁石回転電機１における渦電流、及び循環電流により発生する損失の大きさと、第２距離Ｈ１に対する第１距離ｈの割合との関係をプロットしたグラフの一例を示す図。
【図１１】永久磁石回転電機１が駆動している際に発生するトルクリップルの大きさと、第２距離Ｈ１に対する第１距離ｈの割合との関係をプロットしたグラフの一例を示す図。
【図１２】永久磁石回転電機１が駆動している際に発生するトルクリップルの大きさと、空芯巻線の高さに対する突出部Ｐの高さの割合との関係をプロットしたグラフの一例を示す図。
【図１３】回転子２の回転軸に直交する方向に永久磁石回転電機１を切った場合の断面図における突出部Ｐの形状の他の例を示す図。
【図１４】回転子２の回転軸に直交する方向に永久磁石回転電機１を切った場合の断面図における突出部Ｐの形状の更に他の例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態の永久磁石回転電機を、図面を参照して説明する。まず、実施形態の永久磁石回転電機１の概要について説明する。永久磁石回転電機１が備える固定子（例えば、後述する固定子３）にティースが形成されていないため、永久磁石回転電機１では、ティースが形成された固定子を備えた他の回転電機と比べて、トルクリップルが小さい。このため、永久磁石回転電機１は、低振動のモーターであるとともに低騒音のモーターである。
【００１１】
永久磁石回転電機１は、永久磁石回転電機１と異なる他の永久磁石回転電機Ｘと比べて、損失を低減するとともに高いトルクを発生させることができる。例えば、従来技術による永久磁石回転電機Ｘは、永久磁石回転電機Ｘが備える空芯巻線に流れる電流を増大させることによって、永久磁石回転電機Ｘの発生可能なトルクを増大させることができる（当該空芯巻線の詳細については後述する）。
【００１２】
永久磁石回転電機Ｘが備える空芯巻線が１本の素線によって構成される場合、空芯巻線に流れる電流は、空芯巻線を構成する素線の断面積を大きくすることによって増大させることができる。しかし、空芯巻線を構成する素線の断面積を大きくすると、永久磁石回転電機Ｘを駆動する際に当該素線の内部に発生する渦電流が増大する。当該渦電流は、永久磁石回転電機Ｘのトルクの増加に寄与せず、ジュール熱に変換されてしまうため、消費電力量を増加させる一因である。
【００１３】
一方、永久磁石回転電機Ｘが備える空芯巻線が複数の素線によって構成される場合、永久磁石回転電機Ｘは、個々の素線の断面積を小さくすることによって渦電流の発生を抑制することができる。また、永久磁石回転電機Ｘは、素線の数を増やすことによって空芯巻線に流れる電流を増大させることができる。しかし、空芯巻線を構成する素線の数を複数にした場合、永久磁石回転電機Ｘを駆動する際に当該空芯巻線を構成する複数の素線同士が並列に接続された並列回路内において、当該並列回路を循環する電流である循環電流が発生する。このような循環電流は、渦電流と同様に、永久磁石回転電機Ｘのトルクの増加に寄与せず、ジュール熱に変換されてしまうため、消費電力量を増加させる一因である。
【００１４】
このような永久磁石回転電機Ｘに対し、永久磁石回転電機１は、永久磁石を有する回転子と、複数の空芯巻線が設けられている固定子であって、それぞれの空芯巻線について、当該空芯巻線と他の空芯巻線との間に、回転子の中心軸の方向に向かって突出した突出部が形成され、突出部の当該中心軸に最も近い部位から当該中心軸までの距離である第１距離が、空芯巻線の当該中心軸に最も近い部位から当該中心軸までの距離である第２距離よりも長く、第１距離が、空芯巻線の当該中心軸に最も遠い部位から当該中心軸までの距離よりも短い、固定子と、を備える。
【００１５】
この構成により、永久磁石回転電機１は、前述の渦電流や循環電流を抑制することにより、ジュール熱の発生による電力の損失を低減するとともに高いトルクを発生させることができる。この実施形態では、永久磁石回転電機１が備えるこれらの構成の具体例と、当該構成による渦電流や循環電流の抑制について詳しく説明する。図１を参照し、実施形態の永久磁石回転電機１の構成について説明する。
【００１６】
図１は、回転子２の回転軸に直交する方向に永久磁石回転電機１を切った場合の断面図の一例を示す図である。永久磁石回転電機１は、回転子２と、固定子３とを備える。
【００１７】
永久磁石回転電機１は、巻線（コイル）を構成する素線を巻きつける部位であるティースが固定子３に形成されていないスロットレスのＭ相Ｎ極のブラシレス交流モーターである。Ｍは、２以上の整数である。また、Ｎは、１以上の整数である。また、スロットは、複数のティースが形成された固定子におけるティース間の間隙のことである。以下では、一例として、永久磁石回転電機１がスロットレスの３相４極のブラシレス交流モーターである場合について説明する。
【００１８】
回転子２は、図１に示したように、永久磁石２１〜永久磁石２８の８個の永久磁石を備える。永久磁石２１と永久磁石２２とは、回転子２の回転中心から回転子２の径方向における外周側へと向かう方向に磁化配向されている。また、永久磁石２３と永久磁石２４とは、回転子２の径方向における外周側から回転子２の回転中心へと向かう方向に磁化配向されている。
【００１９】
また、永久磁石２５は、永久磁石２４から永久磁石２１へと向かう方向に磁化配向されている。また、永久磁石２６は、永久磁石２３から永久磁石２２へと向かう方向に磁化配向されている。また、永久磁石２７は、永久磁石２３から永久磁石２１へと向かう方向に磁化配向されている。また、永久磁石２８は、永久磁石２４から永久磁石２２へと向かう方向に磁化配向されている。これらの永久磁石２１〜永久磁石２８は、回転子２において４極の磁極を構成する。
【００２０】
また、図１では、回転子２は、図示しない軸受によって支持されている。なお、図１では、回転子２の回転軸が延伸する方向と、図１に示した三次元座標系のＺ軸方向とを一致させている。
【００２１】
固定子３は、回転子２を回転させる磁場を発生させる複数の巻線が設けられる。前述したように固定子３には、ティースが形成されていない。そのため、この一例において固定子３に設けられる巻線は、空芯巻線（空芯コイル）である。この一例における空芯巻線は、固定子３に設けられる前の状態において、内径側に磁性体が存在しない巻線のことである。また、当該空芯巻線は、１本の素線によって構成されるコイルである。また、当該空芯巻線は、巻き線を構成する素線の一部と当該素線の他の一部とが並列に接続される並列回路を含まない。また、固定子３には、複数の空芯巻線のそれぞれが、当該空芯巻線の一部位と、当該空芯巻線以外の１の空芯巻線の一部位とが、回転子２の中心軸の方向に２層に積層される２層巻きによって配置されている。
【００２２】
また、固定子３には、それぞれの空芯巻線について、当該空芯巻線と他の空芯巻線との間に、回転子２の中心軸の方向に向かって突出した突出部Ｐが形成されている。突出部Ｐの当該中心軸に最も近い部位から当該中心軸までの距離である第１距離は、空芯巻線の当該中心軸に最も近い部位から当該中心軸までの距離である第２距離よりも長い。また、当該第１距離は、空芯巻線の当該中心軸に最も遠い部位から当該中心軸までの距離よりも短い。
【００２３】
具体的には、固定子３の回転子２と対向する面である内径面の一部には、空芯巻線を設置する設置面が予め決められている。例えば、図１に示したように、当該座標軸のＺ軸の負方向に向かって固定子３を見た場合に、当該内径面のうちの図１に示した三次元座標系のＹ軸の正方向を含む面を設置面ＶＳ１と決める。そして、当該場合に、回転子２の中心から設置面ＶＳ１に向かう方向を０°として時計回りに所定の角度毎に設置面を決める。図１に示した例では、所定の角度は、１５°である。すなわち、この一例において、固定子３には、設置面ＶＳ１〜設置面ＶＳ２４の２４個の設置面が予め決めることができる。これらの設置面ＶＳ１〜設置面ＶＳ２４のそれぞれは、仮想的なスロットと見做すことができるため、以下では、設置面ＶＳ１〜設置面ＶＳ２４を、仮想スロットＶＳ１〜仮想スロットＶＳ２４と称して説明する。
【００２４】
また、固定子３の内径面のうちの設置面ではない残りの面（すなわち、固定子３の内径面のうちの空芯巻線が設けられていない面）を非設置面と称する。この非設置面の少なくとも一部には、１以上の突出部Ｐが形成されている。突出部Ｐの詳細については、後述する。
【００２５】
また、この一例における固定子３には、仮想スロットＶＳ１〜仮想スロットＶＳ２４を用いて、２４の空芯巻線が設けられる。ここで、図２を参照し、固定子３に設けられた２４の空芯巻線について説明する。
【００２６】
図２は、固定子３における空芯巻線の接続状態の一例を示す図である。固定子３は、回転子２の回転方向の上流側（回転の手前側）に配置される空芯巻線である第１空芯巻線と、当該回転方向の下流側（回転の先方側）に配置される空芯巻線である第２空芯巻線との２種類の空芯巻線によって１つの極が形成される３相４極の２層巻きの電機子巻線を備える。図２に示した例では、回転子２の回転方向は、図１に示した三次元座標系のＺ軸の負方向側に向かって回転子２を見た場合において回転子２が時計周りに回転する方向である。
【００２７】
具体的には、固定子３には、３相４極のうちの１つ目の相である第１相Ｕの第１極が、第１空芯巻線Ｕ１と第２空芯巻線Ｕ２により形成されている。また、固定子３には、第１相Ｕの第２極が、第１空芯巻線Ｕ３と第２空芯巻線Ｕ４により形成されている。また、固定子３には、第１相Ｕの第３極が、第１空芯巻線Ｕ５と第２空芯巻線Ｕ６により形成されている。また、固定子３には、第１相Ｕの第４極が、第１空芯巻線Ｕ７と第２空芯巻線Ｕ８により形成されている。
【００２８】
また、固定子３には、３相４極のうちの２つ目の相である第２相Ｗの第１極が、第１空芯巻線Ｗ１と第２空芯巻線Ｗ２により形成されている。また、固定子３には、第２相Ｗの第２極が、第１空芯巻線Ｗ３と第２空芯巻線Ｗ４により形成されている。また、固定子３には、第２相Ｗの第３極が、第１空芯巻線Ｗ５と第２空芯巻線Ｗ６により形成されている。また、固定子３には、第２相Ｗの第４極が、第１空芯巻線Ｗ７と第２空芯巻線Ｗ８により形成されている。
【００２９】
また、固定子３には、３相４極のうちの３つ目の相である第３相Ｖの第１極が、第１空芯巻線Ｖ１と第２空芯巻線Ｖ２により形成されている。また、固定子３には、第３相Ｖの第２極が、第１空芯巻線Ｖ３と第２空芯巻線Ｖ４により形成されている。また、固定子３には、第３相Ｖの第３極が、第１空芯巻線Ｖ５と第２空芯巻線Ｖ６により形成されている。また、固定子３には、第３相Ｖの第４極が、第１空芯巻線Ｖ７と第２空芯巻線Ｖ８により形成されている。
【００３０】
また、図２に示した固定子３では、これらの各極が回転子２の回転方向において、第１相Ｕの第１極、第２相Ｗの第１極、第３相Ｖの第１極、第１相Ｕの第２極、第２相Ｗの第２極、第３相Ｖの第２極、第１相Ｕの第３極、第２相Ｗの第３極、第３相Ｖの第３極、第１相Ｕの第４極、第２相Ｗの第４極、第３相Ｖの第４極の順に配置されている。
【００３１】
この一例における空芯巻線は、回転子２の回転方向における上流側の空芯巻線の１辺である上流辺と、当該回転方向における下流側の空芯巻線の１辺である下流辺とを、それぞれ異なる仮想スロットに配置することにより、固定子３に設けられる。また、当該空芯巻線は、当該上流辺と当該下流辺とによって、回転子２の回転方向に沿って１以上の仮想スロットを挟んで固定子３に設けられる。
【００３２】
例えば、図２に示した固定子３には、第１空芯巻線Ｕ１の上流辺が仮想スロットＶＳ１に配置され、第１空芯巻線Ｕ１の下流辺が仮想スロットＶＳ７に配置されている。すなわち、第１空芯巻線Ｕ１は、第１空芯巻線Ｕ１の上流辺と下流辺とによって、回転子２の回転方向に沿って５つの仮想スロットを挟んで固定子３に設けられている。
【００３３】
また、図２に示した固定子３には、第２空芯巻線Ｕ２の上流辺が仮想スロットＶＳ２に配置され、第２空芯巻線Ｕ２の下流辺が仮想スロットＶＳ８に配置されている。すなわち、第２空芯巻線Ｕ２は、第２空芯巻線Ｕ２の上流辺と下流辺とを繋ぐ素線が、回転子２の回転方向に沿って５つの仮想スロットを挟んで固定子３に設けられている。
【００３４】
また、この一例における固定子３には、これらの空芯巻線が２層巻きで配置されている。当該２層巻きでは、各第１空芯巻線の上流辺が、第１空芯巻線が設置される各仮想スロットにおける回転子２の径方向の外周側に配置され、各第１空芯巻線の下流辺が、当該各仮想スロットにおける回転子２の径方向の内周側に配置される。そして、当該各仮想スロットにおいて、当該外周側に配置された第１空芯巻線の上流辺と、当該内周側に配置された第１空芯巻線の下流辺とが第１積層を形成する。
【００３５】
具体的には、図２に示した固定子３には、第１空芯巻線Ｕ１の上流辺が、仮想スロットＶＳ１における回転子２の径方向の外周側に配置されている。また、固定子３には、第１空芯巻線Ｕ７の下流辺が、仮想スロットＶＳ１における回転子２の径方向の内周側に配置されている。そして、仮想スロットＶＳ１では、第１空芯巻線Ｕ１の上流辺と、第１空芯巻線Ｕ７の下流辺とが第１積層を形成している。
【００３６】
また、固定子３には、第１空芯巻線Ｕ１の下流辺が、仮想スロットＶＳ７における回転子２の径方向の内周側に配置されている。また、固定子３には、第１空芯巻線Ｕ３の上流辺が、仮想スロットＶＳ７における回転子２の径方向の外周側に配置されている。そして、仮想スロットＶＳ７では、第１空芯巻線Ｕ３の上流辺と、第１空芯巻線Ｕ１の下流辺とが第１積層を形成している。これらの上流辺及び下流辺はそれぞれ、第１積層を形成する第１空芯巻線の一部の一例である。
【００３７】
また、当該２層巻きでは、各第２空芯巻線の上流辺が、回転子２の径方向の外周側に配置され、各第２空芯巻線の下流辺が、第２空芯巻線が設置される各仮想スロットにおける回転子２の径方向の内周側に配置される。そして、当該各仮想スロットにおいて、当該外周側に配置された第２空芯巻線の上流辺と、当該内周側に配置された第２空芯巻線の下流辺とが第２積層を形成する。
【００３８】
具体的には、図２に示した固定子３には、第２空芯巻線Ｕ２の上流辺が、仮想スロットＶＳ２における回転子２の径方向の外周側に配置されている。また、固定子３には、第２空芯巻線Ｕ８の下流辺が、仮想スロットＶＳ２における回転子２の径方向の内周側に配置されている。そして、仮想スロットＶＳ２では、第２空芯巻線Ｕ２の上流辺と、第２空芯巻線Ｕ８の下流辺とが第２積層を形成している。
【００３９】
また、固定子３には、第２空芯巻線Ｕ２の下流辺が、仮想スロットＶＳ８における回転子２の径方向の内周側に配置されている。また、固定子３には、第２空芯巻線Ｕ４の上流辺が、仮想スロットＶＳ８における回転子２の径方向の外周側に配置されている。そして、仮想スロットＶＳ８では、第２空芯巻線Ｕ４の上流辺と、第２空芯巻線Ｕ２の下流辺とが第２積層を形成している。これらの上流辺及び下流辺はそれぞれ、第２積層を形成する第２空芯巻線の一部の一例である。
【００４０】
このように、固定子３は、第１空芯巻線と第２空芯巻線との２種類の空芯巻線によって１つの極が形成される３相４極の２層巻きの電機子巻線を備える。ここで、各相の各極を形成する第１空芯巻線と、同相の極を形成する第２空芯巻線とは、図２において図示しない接続線によって直列にそれぞれ接続される。
【００４１】
図３は、各相の各極を形成する第１空芯巻線と、同相の極を形成する第２空芯巻線との接続状態の一例を示す図である。図３に示した例では、第１相Ｕの第１極を形成する第１空芯巻線Ｕ１と第２空芯巻線Ｕ２とが第１直列回路ＵＣ１として直列に接続される。また、当該例では、第１相Ｕの第２極を形成する第１空芯巻線Ｕ３と第２空芯巻線Ｕ４とが第２直列回路ＵＣ２として直列に接続される。また、当該例では、第１相Ｕの第３極を形成する第１空芯巻線Ｕ５と第２空芯巻線Ｕ６とが第３直列回路ＵＣ３として直列に接続される。また、当該例では、第１相Ｕの第４極を形成する第１空芯巻線Ｕ７と第２空芯巻線Ｕ８とが第４直列回路ＵＣ４として直列に接続される。
【００４２】
また、当該例では、これら４つの直列回路である第１直列回路ＵＣ１〜第４直列回路ＵＣ４が互いに並列に接続される。
【００４３】
また、当該例では、３相４極のうちの２つ目の相である第２相Ｗの第１極を形成する第１空芯巻線Ｗ１と第２空芯巻線Ｗ２とが第１直列回路ＷＣ１として直列に接続される。また、当該例では、第２相Ｗの第２極を形成する第１空芯巻線Ｗ３と第２空芯巻線Ｗ４とが第２直列回路ＷＣ２として直列に接続される。また、当該例では、第２相Ｗの第３極を形成する第１空芯巻線Ｗ５と第２空芯巻線Ｗ６とが第３直列回路ＷＣ３として直列に接続される。また、当該例では、第２相Ｗの第４極を形成する第１空芯巻線Ｗ７と第２空芯巻線Ｗ８とが第４直列回路ＷＣ４として直列に接続される。
【００４４】
また、当該例では、これら４つの直列回路である第１直列回路ＷＣ１〜第４直列回路ＷＣ４が互いに並列に接続される。
【００４５】
また、当該例では、３相４極のうちの３つ目の相である第３相Ｖの第１極を形成する第１空芯巻線Ｖ１と第２空芯巻線Ｖ２とが第１直列回路ＶＣ１として直列に接続される。また、当該例では、第３相Ｖの第２極を形成する第１空芯巻線Ｖ３と第２空芯巻線Ｖ４とが第２直列回路ＶＣ２として直列に接続される。また、当該例では、第３相Ｖの第３極を形成する第１空芯巻線Ｖ５と第２空芯巻線Ｖ６とが第３直列回路ＶＣ３として直列に接続される。また、当該例では、第３相Ｖの第４極を形成する第１空芯巻線Ｖ７と第２空芯巻線Ｖ８とが第４直列回路ＶＣ４として直列に接続される。
【００４６】
また、当該例では、これら４つの直列回路である第１直列回路ＶＣ１〜第４直列回路ＶＣ４が互いに並列に接続される。
【００４７】
また、この一例において、第１空芯巻線及び第２空芯巻線は、それぞれを構成する素線を重ね巻きすることによって形成されているとする。なお、第１空芯巻線と第２空芯巻線とのうちいずれか一方又は両方は、これに代えて、第１空芯巻線と第２空芯巻線とのうちいずれか一方又は両方を構成する素線を波巻きすることによって形成されている構成であってもよい。
【００４８】
ここで、図４を参照し、固定子３の非設置面に形成されている突出部Ｐについて説明する。図４は、突出部Ｐと、突出部Ｐが設けられた非設置面とを例示する図である。前述したように、突出部Ｐは、それぞれの空芯巻線について、当該空芯巻線と他の空芯巻線との間に、回転子２の中心軸の方向に向かって突出するように固定子３に形成されている。図４に示した突出部Ｐは、この一例であり、仮想スロットＶＳ１に配置された第１空芯巻線Ｕ１の下流辺及び第１空芯巻線Ｕ７の上流辺と、仮想スロットＶＳ２に配置された第２空芯巻線Ｕ２の下流辺及び第２空芯巻線Ｕ８の上流辺との間に形成されている。
【００４９】
また、図４に示したように、突出部Ｐは、回転子２の中心軸ＣＴに向かって突出している。突出部Ｐの当該中心軸ＣＴに最も近い部位から当該中心軸ＣＴまでの距離である第１距離ｈは、各仮想スロットに配置された空芯巻線（第１積層や第２積層）の当該中心軸ＣＴに最も近い部位から当該中心軸ＣＴまでの距離である第２距離Ｈ１よりも長い。また、第１距離ｈは、各仮想スロットに配置された空芯巻線の当該中心軸ＣＴから最も遠い部位から当該中心軸ＣＴまでの距離である第３距離Ｈ２よりも短い。この一例において、第１距離は、各仮想スロットに配置された空芯巻線の当該中心軸ＣＴに最も近い部位から当該空芯巻線の当該中心軸ＣＴに最も遠い部位までの距離の半分以上の距離の分だけ第２距離Ｈ１よりも長い。
【００５０】
このような突出部Ｐの一例について、前述した非設置面に基づいてより詳しく説明する。非設置面は、固定子３の内径面のうちの設置面と異なる面、すなわち仮想スロットではない面の少なくとも一部である。突出部Ｐは、固定子３に対して、固定子３の内径面の非設置面の少なくとも一部に設けられ、空芯巻線を構成する素線が設置面から回転子２の径方向に向かって積層された高さの半分以下の高さを設置面に対して有し、磁性体により形成される。例えば、突出部Ｐは、図４に示した非設置面に形成される。
【００５１】
図４に示した突出部Ｐと、当該突出部Ｐが設けられた非設置面とは、図１に示した断面図の一部である。この一例における当該非設置面は、複数の仮想スロットの間の面の少なくとも一部に設けられる。すなわち、図４に示した例では、当該非設置面は、第１積層が設置されている仮想スロットＶＳ１と、第２積層が設置されている仮想スロットＶＳ２との間の面の一部に設けられている。当該第１積層は、第１空芯巻線Ｕ１の上流辺と、第１空芯巻線Ｕ７の下流辺との積層である。また、当該第２積層は、第２空芯巻線Ｕ２の上流辺と、第２空芯巻線Ｕ８の下流辺との積層である。なお、図４に示した三次元座標系の各座標軸の方向は、図１に示した三次元座標系の各座標軸の方向と一致している。すなわち、回転子２の回転軸が延伸する方向と、図４に示した三次元座標系のＺ軸方向とは、一致している。
【００５２】
図４に示した突出部Ｐと同様に、非設置面のうちの固定子３における仮想スロットＶＳ１〜仮想スロットＶＳ２４のそれぞれの間の面の少なくとも一部には、突出部Ｐが設けられる。すなわち、固定子３には、２３の突出部Ｐが設けられている。なお、固定子３に設けられる非設置面は、仮想スロット間の面の少なくとも一部に代えて、第１空芯巻線と第２空芯巻線とのいずれか一方又は両方それぞれの内径側の面の少なくとも一部であってもよい。この場合、突出部Ｐは、当該内径側の面の少なくとも一部に設けられる。また、固定子３に設けられる非設置面は、仮想スロット間に加えて、第１空芯巻線と第２空芯巻線とのいずれか一方又は両方それぞれの内径側の面の少なくとも一部であってもよい。この場合、突出部Ｐは、仮想スロット間の面の少なくとも一部と、当該内径側の面の少なくとも一部との両方に設けられる。
【００５３】
また、図４に示したように、回転子２の回転軸に直交する方向に永久磁石回転電機１を切った場合の断面図における突出部Ｐの形状は、長方形である。なお、後述するように、当該形状は、これに代えて、他の形状であってもよい。なお、突出部Ｐは、この一例において、図４に示したＺ軸の負方向側から正方向側にかけて帯状の形状を有している。
【００５４】
また、図４に示したように、突出部Ｐの設置面に対する高さは、仮想スロットＶＳ１に設けられた第１積層の高さの半分以下の高さである。第１積層の高さは、第２積層の高さと同じ高さであるため、突出部Ｐの設置面に対する高さは、仮想スロットＶＳ２に設けられた第２積層の高さの半分以下の高さであると換言することもできる。なお、永久磁石回転電機１において、各第１積層が設置された各仮想スロットにおける設置面に対する第１積層の高さと、各第２積層が設置された各仮想スロットにおける設置面に対する第２積層の高さとは、互いに同じ高さである。なお、図４に示した例では、突出部Ｐの設置面に対する高さは、第１積層の高さの４分の１程度である。
【００５５】
このような構成により、前述したように、永久磁石回転電機１は、渦電流や循環電流を抑制することができる。以下、図５〜図７を参照し、このような構成によって永久磁石回転電機１が抑制する渦電流及び循環電流の発生原理と抑制方法について説明する。
【００５６】
図５は、回転子２が備える永久磁石の磁束が空芯巻線を構成する素線を貫く様子の一例を示す図である。図５に示した拡大図ＷＤ内には、永久磁石２１と、永久磁石２５と、永久磁石２７とが作り出す磁束が第２空芯巻線Ｗ８の第２下流空芯巻線辺を構成する素線を貫いている様子を示す。図５では、第２空芯巻線Ｗ８の第２下流空芯巻線辺を構成する素線は、１本の素線が１６巻きに巻かれているため、１６本の素線のように見えている。なお、第２空芯巻線Ｗ８における素線の巻き数は、１６巻きに代えて、他の巻き数であってもよい。
【００５７】
第２空芯巻線Ｗ８の第２下流空芯巻線辺を構成する素線を貫く磁束は、永久磁石２１と、永久磁石２５と、永久磁石２７とによって構成される磁極から回転子２の径方向へと放射状に生成される。すなわち、当該素線を貫く磁束の方向及び大きさは、当該素線の内部における位置毎にばらつく。このため、当該素線の内部に存在する自由電子は、当該磁束（磁場）によるローレンツ力によって当該内部において渦を巻いて動き始める。前述の渦電流は、この渦を巻いて動いている自由電子の流れである。
【００５８】
図６は、空芯巻線を構成する素線の内部において渦電流が発生した様子の一例を示す図である。図６において矢印Ｂのそれぞれは、空芯巻線の素線Ｌを貫く磁束Ｂを示している。また、素線Ｌの内部において楕円状に描かれている矢印ＣＣ１は、当該磁束によって発生した渦電流を示している。このような矢印ＣＣ１によって示した渦電流は、素線Ｌを貫く磁束Ｂの数を少なくするとともに、素線Ｌの内部における位置毎の磁束Ｂの方向及び大きさのばらつきを小さくすることによって抑制することができる。
【００５９】
図７は、循環電流の発生原理を説明するための図である。図７では、空芯巻線Ｃ１と、空芯巻線Ｃ２と、空芯巻線Ｃ３とが、空芯巻線Ｃ１、空芯巻線Ｃ２、空芯巻線Ｃ３の順に直列に接続されている。また、空芯巻線Ｃ４と、空芯巻線Ｃ５と、空芯巻線Ｃ６とが、空芯巻線Ｃ４、空芯巻線Ｃ５、空芯巻線Ｃ６の順に直列に接続されている。また、直列に接続された空芯巻線Ｃ１と、空芯巻線Ｃ２と、空芯巻線Ｃ３とを１つの空芯巻線Ｃ１０と見立て、直列に接続された空芯巻線Ｃ４と、空芯巻線Ｃ５と、空芯巻線Ｃ６とを１つの空芯巻線Ｃ２０と見立てた場合、空芯巻線Ｃ１０と空芯巻線Ｃ２０とが並列に接続されている。なお、ここでは、空芯巻線Ｃ１〜空芯巻線Ｃ６のそれぞれは、それぞれを構成する素線の素材、当該素線の断面積、当該素線の巻き数が同じである場合について説明する。
【００６０】
ここで、空芯巻線Ｃ１０と空芯巻線Ｃ２０とのそれぞれに対して磁束を貫かせた場合を例に挙げて説明する。この場合、空芯巻線Ｃ１０を貫く磁束の方向及び大きさと、空芯巻線Ｃ２０を貫く磁束の方向及び大きさとが異なると、空芯巻線Ｃ１０に発生する誘導起電力の大きさと、空芯巻線Ｃ２０に発生する誘導起電力の大きさとが異なる。並列に接続された空芯巻線Ｃ１０と空芯巻線Ｃ２０とのそれぞれに発生する誘導起電力の大きさが異なる場合、当該並列に接続された局所的な回路には、図６に示した矢印ＣＣ２の方向に電流が流れる。この電流が、前述の循環電流である。循環電流は、並列に接続された空芯巻線Ｃ１０と空芯巻線Ｃ２０とのそれぞれを貫く磁束の方向及び大きさのばらつきを小さくすることによって抑制することができる。
【００６１】
図５〜図７において説明したように、渦電流、及び循環電流は、回路を構成する素線を貫く磁束によって生じる。このため、永久磁石回転電機１における渦電流、及び循環電流は、固定子３が備える空芯巻線を構成する素線を貫く磁束を少なくすることによって抑制することができる。何故なら、当該素線を貫く磁束を少なくした場合、当該素線の内部における位置毎の磁束の方向及び大きさのばらつきは、抑制されるからである。ここで、図８〜図１１を参照し、永久磁石回転電機１における渦電流及び循環電流の抑制について説明する。まず、図８を参照し、永久磁石回転電機Ｘの固定子が備える空芯巻線を貫く磁束について説明する。
【００６２】
図８は、従来技術による永久磁石回転電機Ｘの固定子が備える空芯巻線を貫く磁束の一例を示す図である。図８に示した永久磁石回転電機Ｘは、回転子２の構成と同じ構成を有する回転子Ｘ２と、固定子３の構成から突出部Ｐを省略した構成を有する固定子Ｘ３を備える。図８には、固定子Ｘ３が備える空芯巻線のうちの仮想スロットＶＳ６と仮想スロットＶＳ７に設置された空芯巻線を構成する素線を貫く磁束Ｂｓ１が示されている。仮想スロットＶＳ６に設置された空芯巻線は、第３相Ｖの第１極を形成する第２空芯巻線Ｖ２と、第３相Ｖの第４極を形成する第２空芯巻線Ｖ８である。また、仮想スロットＶＳ７に設置された空芯巻線は、第１相Ｕの第２極を形成する第１空芯巻線Ｕ３と、第１相Ｕの第１極を形成する第１空芯巻線Ｕ１である。磁束Ｂｓ１は、回転子Ｘ２から発生している磁束である。また、磁束Ｂｓ１を表している線同士の幅は、磁束Ｂｓ１の磁束密度を表している。
【００６３】
図８に示したように、磁束Ｂｓ１の磁束密度は、永久磁石回転電機Ｘの空芯巻線を構成する素線の内部と、固定子Ｘ３における空芯巻線が設けられていない部位の内部とで、ほとんど変化しない。
次に、図９を参照し、永久磁石回転電機１の固定子３が備える空芯巻線を貫く磁束について説明する。
【００６４】
図９は、永久磁石回転電機１の固定子３が備える空芯巻線を貫く磁束の一例を示す図である。図９には、固定子３が備える空芯巻線のうちの仮想スロットＶＳ６に設置された空芯巻線を構成する素線を貫く磁束Ｂｓ２が示されている。仮想スロットＶＳ６に設置された空芯巻線は、仮想スロットＶＳ６に設置された空芯巻線は、第３相Ｖの第１極を形成する第２空芯巻線Ｖ２と、第３相Ｖの第４極を形成する第２空芯巻線Ｖ８である。磁束Ｂｓ２は、回転子２から発生している磁束である。また、磁束Ｂｓ２を表している線同士の幅は、磁束Ｂｓ２の磁束密度を表している。
【００６５】
図９に示したように、磁束Ｂｓ２の磁束密度は、固定子３における空芯巻線が設けられていない部位の内部よりも、永久磁石回転電機１の空芯巻線を構成する素線の内部の方が小さくなっている。これは、回転子２から発生する磁束Ｂｓ２の一部が、空気よりも磁気抵抗の低い磁性体によって形成されている突出部Ｐに引き寄せられた結果として、永久磁石回転電機１の空芯巻線を構成する素線を貫く磁束Ｂｓ２の量が相対的に少なくなったためである。
【００６６】
前述したように、永久磁石回転電機１における渦電流、及び循環電流は、固定子３が備える空芯巻線を構成する素線を貫く磁束を少なくすることによって抑制することができる。すなわち、永久磁石回転電機１は、固定子３に突出部Ｐを設けることによって、固定子３が備える空芯巻線において発生する渦電流、及び循環電流を抑制することができる。
【００６７】
また、永久磁石回転電機１は、各相の各極が第１空芯巻線と第２空芯巻線との２つの空芯巻線によって構成されるため、空芯巻線を構成する素線を細くすることによって当該空芯巻線に発生する渦電流を抑制しつつ、第１相Ｕの各極を構成する空芯巻線に流れる電流の総量を増やすことができる。すなわち、永久磁石回転電機１は、前述の永久磁石回転電機Ｘと比べて、損失を低減するとともに高いトルクを発生させることができる。
【００６８】
前述した磁束Ｂｓ２の突出部Ｐへ引き寄せられる量は、図４に示した第１距離ｈ（すなわち、回転子２の中心軸ＣＴから突出部Ｐの当該中心軸ＣＴに最も近い部位までの距離）によって変化する。ここで、図１０を参照し、永久磁石回転電機１の渦電流、及び循環電流により消費されるエネルギーである損失の大きさと、固定子３が備える突出部Ｐの設置面に対する高さｈとの関係について説明する。当該エネルギーは、例えば、渦電流と循環電流とのそれぞれによって発生するジュール熱によって表される。なお、当該エネルギーは、他の物理量によって表されてもよい。
【００６９】
図１０は、永久磁石回転電機１における渦電流、及び循環電流により発生する損失の大きさと、第２距離Ｈ１に対する第１距離ｈの割合との関係をプロットしたグラフの一例を示す図である。図１０の縦軸は、当該損失の大きさを示す。また、図１０の横軸は、第２距離Ｈ１に対する第１距離ｈの割合（すなわち、（第１距離ｈ／第２距離Ｈ２）×１００）を表している。
【００７０】
図１０に示したように、第２距離Ｈ１に対する第１距離ｈの割合が大きいほど、すなわち設置面からの突出部Ｐの突出が小さいほど、当該損失の大きさは増大する。逆に、当該割合が小さいほど、すなわち設置面からの突出部Ｐの突出が大きいほど、当該損失の大きさは減少する。このため、当該割合を小さくすることにより、永久磁石回転電機１は、当該損失をより確実に抑制し、高効率化することができる。
しかし、突出部Ｐは、図１１に示したように、永久磁石回転電機１が駆動している際のトルクリップルを発生させる一因にもなる。
【００７１】
図１１は、永久磁石回転電機１が駆動している際に発生するトルクリップルの大きさと、第２距離Ｈ１に対する第１距離ｈの割合との関係をプロットしたグラフの一例を示す図である。図１１に示したように、第２距離Ｈ１に対する第１距離ｈの割合が、１１５％〜１２０％程度よりも小さくした場合、永久磁石回転電機１のトルクリップルの大きさは、二次関数的又は指数関数的に大きくなる傾向がある。逆に、当該割合が１１５％〜１２０％程度までは、当該割合を小さくしたとしても、永久磁石回転電機１のトルクリップルの大きさは、１次関数的に緩やかに大きくなる傾向がある。すなわち、第２距離Ｈ１に対する第１距離ｈの割合を小さくすることによるトルクリップルの抑制と、第２距離Ｈ１に対する第１距離ｈの割合を大きくすることによる損失の抑制とは、トレードオフの関係にある。
【００７２】
また、図１２は、永久磁石回転電機１が駆動している際に発生するトルクリップルの大きさと、空芯巻線の高さに対する突出部Ｐの高さの割合との関係をプロットしたグラフの一例を示す図である。当該割合は、この一例において、第２距離Ｈ１と第３距離Ｈ２との差（すなわち、空芯巻線の高さ）に対する第１距離ｈと第２距離Ｈ１との差（すなわち、突出部Ｐ）の割合のことである。図１２に示したように、空芯巻線の高さに対する突出部Ｐの高さの割合が、４０％〜５０％程度以下の場合、永久磁石回転電機１のトルクリップルの大きさは、固定子３が突出部Ｐを備えない場合（突出部Ｐの高さがゼロの場合）におけるトルクリップルの大きさから１次関数的に緩やかに大きくなる傾向がある。また、図１２に示したように、空芯巻線の高さに対する突出部Ｐの高さの割合が４０％〜５０％程度を超過した場合、永久磁石回転電機１のトルクリップルの大きさは、二次関数的又は指数関数的に大きくなる傾向がある。このような理由から、空芯巻線の高さに対する突出部Ｐの高さの割合は、４０％〜５０％程度以下であることが望ましい。
【００７３】
以上のように、永久磁石回転電機１は、永久磁石を有する回転子である回転子２と、複数の空芯巻線が設けられている固定子３であって、それぞれの空芯巻線について、当該空芯巻線と他の空芯巻線との間に、回転子２の中心軸ＣＴの方向に向かって突出した突出部Ｐが形成され、突出部Ｐの中心軸ＣＴに最も近い部位から中心軸ＣＴまでの距離である第１距離ｈが、空芯巻線の中心軸ＣＴに最も近い部位から中心軸ＣＴまでの距離である第２距離Ｈ１よりも長く、第１距離ｈが、空芯巻線の中心軸ＣＴに最も遠い部位から中心軸ＣＴまでの距離よりも短い、固定子３と、を備える。これにより、永久磁石回転電機１は、損失を低減するとともに高いトルクを発生させることができる。
【００７４】
なお、前述したように、永久磁石回転電機１において、回転子２の回転軸に直交する方向に永久磁石回転電機１を切った場合の断面図における突出部Ｐの形状は、図４に示した長方形に代えて、他の形状であってもよい。例えば、当該形状は、図１３に示した形状であってもよい。
【００７５】
図１３は、回転子２の回転軸に直交する方向に永久磁石回転電機１を切った場合の断面図における突出部Ｐの形状の他の例を示す図である。なお、図１３に示した三次元座標系の各座標軸の方向は、図１に示した三次元座標系の各座標軸の方向と一致している。すなわち、回転子２の回転軸が延伸する方向と、図１３に示した三次元座標系のＺ軸方向とは、一致している。
【００７６】
図１３に示したように、回転子２の回転軸に直交する方向に永久磁石回転電機１を切った場合の断面図における突出部Ｐの形状は、台形であってもよい。当該台形は、回転子２側の辺が、回転子２の径方向の外周側の辺に対して短い。当該形状が当該台形である場合、突出部Ｐは、回転子２側が細くなっているため、図４に示した形状である場合と比べて、トルクリップルを小さくしつつ、固定子３が備える空芯巻線において発生する渦電流、及び循環電流を抑制することができる。
【００７７】
また、永久磁石回転電機１において、回転子２の回転軸に直交する方向に永久磁石回転電機１を切った場合の断面図における突出部Ｐの形状は、図４に示した長方形、及び図１３に示した台形に代えて、他の形状であってもよい。例えば、当該形状は、図１４に示した形状であってもよい。
【００７８】
図１４は、回転子２の回転軸に直交する方向に永久磁石回転電機１を切った場合の断面図における突出部Ｐの形状の更に他の例を示す図である。なお、図１４に示した三次元座標系の各座標軸の方向は、図１に示した三次元座標系の各座標軸の方向と一致している。すなわち、回転子２の回転軸が延伸する方向と、図１４に示した三次元座標系のＺ軸方向とは、一致している。
【００７９】
図１４に示したように、回転子２の回転軸に直交する方向に永久磁石回転電機１を切った場合の断面図における突出部Ｐの形状は、図１３に示した台形の回転子２側の短辺が丸みを帯びている凸形状であってもよい。当該形状が当該凸形状である場合、突出部Ｐは、角部を有さないため、角部に集中する磁束Ｂｓ２を低減することができ、角部において生じる磁気飽和を抑制することができる。これにより、当該突出部Ｐは、図４又は図１３に示した形状を有する場合と比較して、固定子３が備える空芯巻線において発生する渦電流、及び循環電流を更に大きく抑制することができる。
【００８０】
上記の永久磁石回転電機１の説明では、図２における第１空芯巻線及び第２空芯巻線の位置関係を、回転子２の回転方向によって定義した。当該回転方向は、この実施形態において、図１に示した三次元座標系のＺ軸の負方向に向かって図１に示した断面図を見た場合の時計回りである。このため、当該回転方向が、図１に示した三次元座標系のＺ軸の負方向に向かって図１に示した断面図を見た場合の反時計回りである場合、第１空芯巻線と第２空芯巻線とを入れ替えた説明は、上記において説明した永久磁石回転電機１の構成と同様の構成についての説明となる。ただし、この場合、上記の説明において、第１空芯巻線の上流辺と下流辺とが入れ替わり、第２空芯巻線の上流辺と下流辺とが入れ替わる。
【００８１】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、永久磁石回転電機１は、永久磁石を有する回転子２と、複数の空芯巻線が設けられている固定子３であって、それぞれの空芯巻線について、当該空芯巻線と他の空芯巻線との間に、回転子２の中心軸ＣＴの方向に向かって突出した突出部Ｐが形成され、突出部Ｐの中心軸ＣＴに最も近い部位から中心軸ＣＴまでの距離である第１距離ｈが、空芯巻線の中心軸ＣＴに最も近い部位から中心軸ＣＴまでの距離である第２距離Ｈ１よりも長く、第１距離ｈが、空芯巻線の中心軸ＣＴに最も遠い部位から中心軸ＣＴまでの距離よりも短い、固定子３と、を備える。これにより、永久磁石回転電機１は、損失を低減するとともに高いトルクを発生させることができる。
【００８２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００８３】
１…永久磁石回転電機、２…回転子、３…固定子、２１〜２８…永久磁石
【図１】
2017099199.tif 000003
【図２】
2017099199.tif 000004
【図３】
2017099199.tif 000005
【図４】
2017099199.tif 000006
【図５】
2017099199.tif 000007
【図６】
2017099199.tif 000008
【図７】
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【図８】
2017099199.tif 000010
【図９】
2017099199.tif 000011
【図１０】
2017099199.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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