(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子コアおよび複数の永久磁石を有し、回転軸を中心に回転する回転子であって、
複数の前記永久磁石は、前記回転子コア内に周方向に並んで配置されてそれぞれの磁極を構成しており、
それぞれの前記磁極は、前記永久磁石の回転方向側の端部の外径側に第１低磁性部、前記永久磁石の反回転方向側の端部の外径側に第２低磁性部、および前記第１低磁性部と前記第２低磁性部との間に第３低磁性部を備えており、前記第１低磁性部、前記第２低磁性部および前記第３低磁性部の透磁率は前記回転子コアの透磁率よりも低く、
前記回転子の前記回転軸と直交する断面において、回転中心と前記第１低磁性部の前記磁極の中心線側の最外周端部とを結んだ直線と前記第１低磁性部より回転方向側に位置する磁極間の中心線とのなす角が、前記回転中心と前記第２低磁性部の前記磁極の中心線側の最外周端部とを結んだ直線と前記第２低磁性部より反回転方向側に位置する磁極間の中心線とのなす角よりも小さく、前記第３低磁性部が前記磁極の中心線よりも回転方向側に配置されており、前記第３低磁性部は長方形状であり、前記第３低磁性部の長手方向は前記回転子の径方向と平行な方向に設定されていることを特徴とする回転子。
【請求項２】
前記第１低磁性部および前記第２低磁性部の少なくとも一方は、前記回転子コアの周方向に並んだ複数の空孔で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
【請求項３】
前記第３低磁性部は、前記回転子コアの径方向に複数に分割されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転子。
【請求項４】
前記第３低磁性部は、前記回転子コアの外周面に開口部をもつスリット状の貫通孔で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転子。
【請求項５】
前記永久磁石は、１つの前記磁極において前記回転子コアの外周側に広がるＶ字形状に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回転子。
【請求項６】
固定子コアおよび巻線を有する固定子と、この固定子に空隙を挟んで回転可能に配置された請求項１から５のいずれか１項に記載の回転子とを備えた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】
本願は、回転子および回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車、ハイブリッド自動車などの自動車用途およびその他の産業用途において、小型、高効率の特徴をもつ永久磁石埋込型の回転電機が多く用いられている。この永久磁石埋込型の回転電機においては、永久磁石の磁束によって発生する磁石トルクと、固定子の電機子磁束と回転子の磁気的な突極とによって発生するリラクタンストルクとが利用される。回転電機の出力トルクはこの２つのトルクの合計となる。これらのトルクの大きさは、電流位相角βに依存する。一般的な構造の永久磁石埋込型の回転電機においては、磁石トルクはβ＝０°のとき、リラクタンストルクはβ＝４５°のときにそれぞれ最大となる。そのため、一般的な構造の永久磁石埋込型の回転電機において、出力トルクが大きくなるように電流位相角の制御を行っても、それぞれのトルクが最大となる電流位相角が異なるために大きな出力トルクが得られないという課題があった。【０００３】
このような課題に対応した回転電機として、回転子に埋め込まれた永久磁石の反回転側の端部に空孔を設けた回転電機が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、別の回転電機として、回転子に埋め込まれた永久磁石から固定子に向かう磁石磁束を回転方向側に偏向させるためのスリットを設けた回転電機が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１９７６９４号公報
【特許文献２】特開平１１−２０６０４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
永久磁石の反回転側の端部に空孔を設けた従来の回転電機においては、リラクタンストルクが最大となる電流位相角は磁石トルクが最大となる電流位相角から離れる方向にシフトする。そのため、この回転電機においては、２つのトルクの合計である出力トルクを大きくできないという問題があった。また、磁石磁束を回転方向側に偏向させるためのスリットを設けた従来の回転電機においては、スリットが磁石磁束の経路を阻害する位置に設けられているため、磁石磁束は磁気抵抗の高いスリットを横切るか、またはスリットを迂回した磁路を流れることになる。そのため、この回転電機においては、固定子の巻線に鎖交する磁石磁束が減少して磁石トルクが小さくなるという問題があった。【０００６】
本願は上述のような課題を解決するためになされたもので、固定子の巻線に鎖交する磁石磁束を減少させることなく、磁石トルクとリラクタンストルクとを合計したトルクを大きくすることができる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】
【０００７】
本願の回転子は、回転子コアおよび複数の永久磁石を有し、回転軸を中心に回転する回転子である。複数の永久磁石は、回転子コア内に周方向に並んで配置されてそれぞれの磁極を構成しており、それぞれの磁極は、永久磁石の回転方向側の端部の外径側に第１低磁性部、永久磁石の反回転方向側の端部の外径側に第２低磁性部、および第１低磁性部と第２低磁性部との間に第３低磁性部を備えており、第１低磁性部、第２低磁性部および第３低磁性部の透磁率は回転子コアの透磁率よりも低く設定されている。そして、回転子の回転軸と直交する断面において、回転中心と第１低磁性部の磁極の中心線側の最外周端部とを結んだ直線と第１低磁性部より回転方向側に位置する磁極間の中心線とのなす角が、回転中心と第２低磁性部の磁極の中心線側の最外周端部とを結んだ直線と第２低磁性部より反回転方向側に位置する磁極間の中心線とのなす角よりも小さく、第３低磁性部が磁極の中心線よりも回転方向側に配置されており、第３低磁性部は長方形状であり、第３低磁性部の長手方向は回転子の径方向と平行な方向に設定されている。
【発明の効果】
【０００８】
本願の回転子においては、回転子の回転軸と直交する断面において、回転中心と第１低磁性部の磁極の中心線側の最外周端部とを結んだ直線と第１低磁性部より回転方向側に位置する磁極間の中心線とのなす角が、回転中心と第２低磁性部の磁極の中心線側の最外周端部とを結んだ直線と第２低磁性部より反回転方向側に位置する磁極間の中心線とのなす角よりも小さく、第３低磁性部が磁極の中心線よりも回転方向側に配置されており、第３低磁性部は長方形状であり、第３低磁性部の長手方向は回転子の径方向と平行な方向に設定されている。そのため、この回転子を備えた回転電機は、固定子の巻線に鎖交する磁石磁束を減少させることなく、磁石トルクとリラクタンストルクとを合計したトルクを大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る回転電機の断面図である。
【図２】実施の形態１に係る回転子の拡大断面図である。
【図３】実施の形態１に係る回転電機のトルク特性を示した特性図である。
【図４】実施の形態１に係る回転電機のトルク特性を示した特性図である。
【図５】実施の形態１に係る回転電機における起磁力波形およびパーミアンス波形を示した特性図である。
【図６】実施の形態１に係る回転電機における起磁力位相およびパーミアンス位相を示した特性図である。
【図７】実施の形態１に係る回転電機の断面図である。
【図８】実施の形態２に係る回転電機の断面図である。
【図９】実施の形態３に係る回転電機の断面図である。
【図１０】実施の形態４に係る回転電機の断面図である。
【図１１】実施の形態５に係る回転電機の断面図である。
【図１２】実施の形態６に係る回転電機の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本願を実施するための実施の形態に係る回転子および回転電機について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る回転電機の断面図である。図１は、回転電機１の回転軸と直交する面の断面図である。本実施の形態の回転電機１は、固定子１０とこの固定子１０に空隙を挟んで回転可能に配置された回転子２０とを備えている。
【００１２】
固定子１０は、固定子コア１１と巻線１２とを有している。固定子コア１１は、円筒形状のコアバック１３とこのコアバック１３から内径方向に突出した２４個のティース１４とで構成されている。２４個のティース１４は、周方向に等間隔に配置されている。巻線１２は、ティース１４に絶縁部材を介して分布巻き構造で巻き回されている。それぞれのティース１４に挟まれたスロットには、ティース１４に巻き回された巻線１２が収納されている。分布巻き構造の固定子は、巻線係数を大きくできるため回転電機のリラクタンストルクを大きくすることができる。
【００１３】
回転子２０は、円柱形状の回転子コア２１と４個の永久磁石２２とを有している。回転子２０は、回転中心軸２３を中心に回転自在に支持されている。この回転子２０は４極の磁極構造であり、４個の永久磁石２２は回転子コア２１に設けられた磁石収納孔２４にそれぞれ埋め込まれて固定されている。本実施の形態の回転電機１においては、固定子１０の巻線１２に通電したときに発生する回転磁界で回転子２０が回転する。回転子２０は図１に矢印で示すように反時計回りに回転するものとする。そして、矢印で示す反時計回りの方向を回転方向、時計回りの方向を反回転方向と称す。
なお、本実施の形態においては、固定子１０のティース１４が２４個、回転子２０の磁極数が４極の回転電機で説明するが、回転電機はこの構造に限定されるものではない。
【００１４】
固定子コア１１および回転子コア２１は、電磁鋼板、アモルファス箔帯またはナノ結晶材が回転軸の方向に積層されて構成されている。あるいは、固定子コア１１および回転子コア２１は、一体成形された圧粉鉄心で構成されている。永久磁石２２の断面は矩形状である。永久磁石２２が埋め込まれる磁石収納孔２４は、隣接する永久磁石の長辺が互いに９０°になるように配置され、周方向に等間隔に配置されている。なお、本実施の形態の永久磁石２２は、短辺方向と平行に着磁されているものとする。ただし、永久磁石２２の着磁方向はこれに限るものではない。
【００１５】
本実施の形態の回転子２０は、永久磁石２２の回転方向側の端部の外径側に第１低磁性部２５を備えている。また、この回転子２０は、永久磁石２２の反回転方向側の端部の外径側に第２低磁性部２６を備えている。さらに、この回転子２０は、第１低磁性部２５と第２低磁性部２６との間でかつ永久磁石２２の外周側の位置に第３低磁性部２７を備えている。この、第１低磁性部２５、第２低磁性部２６および第３低磁性部２７の透磁率は、回転子コア２１の透磁率よりも低く設定されている。電磁鋼板などで構成された回転子コア２１の透磁率よりも低い透磁率をもつ材料としては空気がある。そのため、本実施の形態においては、透磁率の低さ、製造方法の容易さなどの観点から、第１低磁性部２５および第２低磁性部２６は、磁石収納孔２４の両端に磁石収納孔２４と一体で回転子コア２１に形成された磁石収納孔拡大部で構成されている。また、第３低磁性部２７は回転子コア２１に形成された貫通孔で構成されている。すなわち、第１低磁性部２５、第２低磁性部２６および第３低磁性部２７は、回転子コア２１に形成された空孔である。なお、第１低磁性部２５、第２低磁性部２６および第３低磁性部２７となる空孔に、回転子コア２１の透磁率よりも低い透磁率をもつ樹脂またはアルミニウムなどの金属を充填してもよい。この空孔に樹脂などを充填することで回転子コア２１の強度を向上させることができる。また、電磁鋼板などで一体成形された回転子コア２１に対して、第１低磁性部２５、第２低磁性部２６および第３低磁性部２７となる部分にレーザー光照射による磁気特性劣化処理を行ってもよい。磁気特性劣化処理を行うことで、それらの部分の透磁率を回転子コア２１の他の部分の透磁率よりも低くすることができる。
【００１６】
次に、本実施の形態の回転電機１における第１低磁性部２５、第２低磁性部２６および第３低磁性部２７の構成についてさらに詳しく説明する。
図２は、本実施の形態に係る回転子の拡大断面図である。図２は、図１に示す回転子２０の１極の磁極部分を拡大した図である。図２において、回転子２０の回転中心をＣとする。そして、永久磁石２２の中心と回転中心Ｃとを結ぶ直線を磁極中心線と称しＬ１とする。また、図２において、隣接する磁極間の中心と回転中心Ｃとを結ぶ直線を磁極間中心線と称し、１つの磁極に対して回転方向側の磁極間中心線をＬ２、反回転方向側の磁極間中心線をＬ３とする。
【００１７】
図２に示すように、第１低磁性部２５は、永久磁石２２の回転方向側の端部に磁石収納孔２４と一体で回転子コア２１に形成された磁石収納孔拡大部で構成されている。この磁石収納孔拡大部は、永久磁石２２よりも外径側で周方向に幅を持つ形状である。第２低磁性部２６は、永久磁石２２の反回転方向側の端部に磁石収納孔２４と一体で回転子コア２１に形成された磁石収納孔拡大部で構成されている。この磁石収納孔拡大部は、永久磁石２２よりも外径側で周方向に幅を持つ形状である。これらの磁石収納孔拡大部の外周側は、回転子コア２１のブリッジ部２８で閉じられている。第３低磁性部２７は、第１低磁性部２５と第２低磁性部２６との間でかつ永久磁石２２の外周側の位置に形成された丸みを帯びた長方形状の貫通孔で構成されている。この貫通孔の長手方向は回転子２０の径方向とほぼ平行な方向である。この貫通孔は、磁極中心線Ｌ１より回転方向側の位置に形成されている。
【００１８】
図２において、第１低磁性部２５の最外周の磁極中心線Ｌ１側の端点をＡ、第２低磁性部２６の最外周の磁極中心線Ｌ１側の端点をＢとする。そして、回転中心Ｃと第１低磁性部２５の端点Ａとを結んだ線分を線分ＣＡ、回転中心Ｃと第２低磁性部２６の端点Ｂとを結んだ線分を線分ＣＢとする。さらに、回転方向側の磁極間中心線Ｌ２と線分ＣＡとのなす角をＡＡ、反回転方向側の磁極間中心線Ｌ３と線分ＣＢとのなす角をＡＢと定義する。本実施の形態の回転電機においては、ＡＡ＜ＡＢとなるように構成されている。つまり、第１低磁性部２５の周方向の幅は、第２低磁性部２６の周方向の幅よりも狭くなっている。これ以降、ＡＡ＜ＡＢとなる条件を満たすように形成された第１低磁性部２５と第２低磁性部２６との関係は、第１低磁性部２５と第２低磁性部２６とが非対称であると表現する。また、比較例としてＡＡ＝ＡＢとなる条件を満たすように形成された第１低磁性部２５と第２低磁性部２６との関係は、第１低磁性部２５と第２低磁性部２６とが対称であると表現する。
【００１９】
このように構成された回転子２０における第１低磁性部２５および第２低磁性部２６の作用について説明する。なお、これ以降、図３に関する説明が終了するまでは、回転子２０に第３低磁性部２７は設けられていないものとして説明する。
磁石トルクの発生に寄与する磁石磁束の流れを説明する。磁石磁束は永久磁石２２の長辺側から発生し、径方向に沿って回転子コア２１の外周方向へ進み、空隙を通過して固定子コア１１に流れる。一方、磁石磁束の一部は、ブリッジ部２８を通って自らの磁極または隣接する他の磁極へ流れる漏れ磁束となる。一般的に漏れ磁束が小さくなるようにブリッジ部２８の径方向の幅は狭く設計されているため、ブリッジ部２８は磁気飽和してその磁気抵抗が大きくなる。そのため、大部分の磁石磁束はブリッジ部２８を避け、空隙を経由して固定子コア１１に流れる。仮に、第１低磁性部２５と第２低磁性部２６とが対称、すなわちＡＡ＝ＡＢとなる形状の回転子２０であった場合、回転子２０と固定子１０との間の空隙の周方向の磁束密度分布は、回転子２０の１極内において磁極中心線Ｌ１を中心として対称となる。第１低磁性部２５と第２低磁性部２６とが非対称、すなわちＡＡ＜ＡＢとなる形状の回転子２０の場合、回転子２０と固定子１０との間の空隙の磁石磁束は、回転方向側に偏った流れとなる。つまり、ＡＡ＜ＡＢとなる形状の回転子２０においては、回転子２０と固定子１０との間の空隙の周方向の磁束密度分布のピークは回転方向側にシフトする。その結果、ＡＡ＜ＡＢとなる形状の回転子２０においては、電流位相角に対する磁石トルクの位相は進むことになる。
【００２０】
図３は、本実施の形態に係る回転電機のトルク特性を示した特性図である。なお、上述のとおり、図３に示す特性は、回転子２０に第３低磁性部２７が設けられていない回転電機の特性である。図３において、横軸は電流位相角、縦軸はトルクである。また、実線は本実施の形態の回転子２０の形状であるＡＡ＜ＡＢのときのトルクを示しており、破線は比較例としてＡＡ＝ＡＢのときのトルクを示している。本実施の形態の回転子２０のようにＡＡ＜ＡＢとした場合、回転子２０と固定子１０との間の空隙の周方向の磁束密度分布のピークは回転方向側にシフトする。その結果、図３に示すように、ＡＡ＝ＡＢのときの磁石トルクの位相に対してＡＡ＜ＡＢのときの磁石トルクの位相は進むことになる。このように、第１低磁性部２５と第２低磁性部２６とを非対称とすることで、電流位相角に対する磁石トルクの位相を進めることができる。
【００２１】
しかしながら、図３に示すリラクタンストルクの特性からわかるように、第１低磁性部２５と第２低磁性部２６とを非対称とすることで、磁石トルクだけでなくリラクタンストルクの位相も進んでしまう。そのため、図３に示すように合計トルクの位相も進むことになり、合計トルクの最大値はほとんど変化しない。
【００２２】
次に、本実施の形態の回転子２０における第３低磁性部２７の作用について説明する。そのため、固定子１０の巻線１２に通電されることで発生する回転子コア２１内の電機子磁束の流れを説明する。回転子コア２１内の電機子磁束は、磁極中心線Ｌ１に対して直角に近い角度で流れる。この回転子コア２１内の電機子磁束の流れは、リラクタンストルクの発生に影響する。第１低磁性部２５と第２低磁性部２６とを非対称とした場合、つまりＡＡ＜ＡＢとした場合、電機子磁束から見ると回転子２０の表面では回転子コア２１が回転方向側に偏った形状となる。ブリッジ部２８の径方向の幅は狭く設計されているため、ブリッジ部２８は磁気飽和してその磁気抵抗が大きくなる。そのため、電機子磁束はブリッジ部２８を通らない。第３低磁性部２７が設けられていない場合、回転子コア２１を流れる電機子磁束の磁路は、回転方向側に偏る。そのため、図３に示すとおり、電流位相角に対するリラクタンストルクは遅れ側でなく進み側にシフトし、合計トルクを向上させることができない。
【００２３】
図４は、本実施の形態に係る回転電機のトルク特性を示した特性図である。なお、図４に示す回転電機のトルク特性は、回転子２０に第３低磁性部２７が設けられた回転電機のトルク特性である。図４において、横軸は電流位相角、縦軸はトルクである。また、実線は本実施の形態の回転子２０の形状であるＡＡ＜ＡＢのときのトルクを示しており、破線は比較例としてＡＡ＝ＡＢのときのトルクを示している。第３低磁性部２７は丸みを帯びた長方形状の貫通孔で構成されており、この貫通孔は磁極中心線Ｌ１より回転方向側の位置に形成されている。このように構成された回転子コア２１においては、第３低磁性部２７が磁極中心線Ｌ１に対して直角に近い角度で流れる電機子磁束の磁気障壁となる。そのため、電機子磁束の磁路は、回転子２０の磁極中心線Ｌ１に対して対称になるか、もしくは反回転方向側に偏る。その結果、図４に示すリラクタンストルクの特性からわかるように、リラクタンストルクの位相は遅れ側にシフトする。このように、永久磁石２２の外周側で磁極中心線Ｌ１より回転方向側の位置に第３低磁性部２７を設けることで、電流位相角に対するリラクタンストルクの位相を遅らせることができる。
【００２４】
上述のように、本実施の形態の回転電機１においては、第１低磁性部２５と第２低磁性部２６とを非対称とすることで、磁石トルクの位相を進めることができる。また、永久磁石２２の外周側で磁極中心線Ｌ１より回転方向側の位置に第３低磁性部２７を設けることで、リラクタンストルクの位相を遅らせることができる。その結果、図４に示す合計トルクの特性からわかるように、合計トルクの最大値を向上させることができる。
【００２５】
また、第１低磁性部２５および第２低磁性部２６の外周部のブリッジ部２８の径方向の幅は狭く設計されている。そのため、大部分の磁石磁束はブリッジ部２８を避け、空隙を経由して固定子コア１１に流れるので、固定子１０の巻線１２に鎖交する磁石磁束を減少させることもない。さらに、第３低磁性部２７の長手方向を回転子２０の径方向とほぼ平行な方向としているので、永久磁石２２の長辺側から発生して回転子コア２１の外周方向へ進む磁石磁束の低下も抑制することができる。
【００２６】
図５は、本実施の形態に係る回転電機における回転子コアの起磁力波形およびパーミアンス波形を示した特性図である。図５に示す特性は、回転子と固定子との間の空隙に接する面の回転子の１極分の起磁力波形およびパーミアンス波形である。図５において、横軸は１極分の機械角であり、縦軸は起磁力またはパーミアンスの大きさである。
【００２７】
ここで、ＡＳおよびＡＤについて説明する。図２に示す回転子２０において、第３低磁性部２７の外周側の中点をＳとし、回転中心Ｃと中点Ｓとを結んだ線分を線分ＣＳとする。そして、回転方向側の磁極間中心線Ｌ２と線分ＣＳとのなす角をＡＳと定義する。ＡＤは、図２に示すように、第３低磁性部２７の外周側の両端と回転中心Ｃとをそれぞれ結んだ線分のなす角度で定義される。ＡＤは、第３低磁性部２７の幅に相当する。
【００２８】
起磁力波形およびパーミアンス波形は、図５に示すように、１極分の機械角の範囲において、第１低磁性部２５、第２低磁性部２６および第３低磁性部２７にそれぞれ対応するＡＡ、ＡＢおよびＡＤの範囲で大きさがゼロとなり、それ以外の範囲で大きさは１となる。ここで、パーミアンス波形に関しては、磁極間中心線Ｌ２から第１低磁性部２５までの回転子コアの部分と磁極間中心線Ｌ３から第２低磁性部２６までの回転子コアの部分とについては後述するパーミアンス位相の計算に影響しないため、その部分での大きさをゼロとした。
【００２９】
図５に示した起磁力波形およびパーミアンス波形に含まれる余弦波成分と正弦波成分とをフーリエ展開により計算する。起磁力位相θｆおよびパーミアンス位相θｐは、次に示す（１）式および（２）式でそれぞれ表される。
【００３０】
【数１】
0006949282.tif 000002
【００３１】
【数２】
0006949282.tif 000003
【００３２】
起磁力位相θｆは、磁石磁束が回転子コア２１から空隙に一様に流れると仮定したときの起磁力波形の基本波成分の位相を表し、電流位相角に対する磁石トルクの位相に相当する。ここで、基本波とは回転子の１極対を１周期とする成分を表す。パーミアンス位相θｐは、回転子コア２１内を流れる電機子磁束に対する磁気抵抗が一様と仮定したときのパーミアンス波形の２次成分の位相を表し、電流位相角に対するリラクタンストルクの位相に相当する。
【００３３】
図６は、本実施の形態に係る回転電機における起磁力位相およびパーミアンス位相を示した特性図である。図６の横軸はＡＳであり、縦軸は位相である。すなわち、図６は、回転方向側の磁極間中心線Ｌ２からの第３低磁性部２７までの角度であるＡＳを変化させたときの起磁力位相、パーミアンス位相および合計位相を示した図である。合計位相は、起磁力位相からパーミアンス位相を差し引くことで得られる。この図に示す特性は、４極の磁極を有する回転子において、ＡＡ＝３°、ＡＢ＝５°およびＡＤ＝２°としたときの特性である。
【００３４】
電流位相角に対するトルク特性から、磁石トルクのピークとリラクタンストルクのピークとを近づけるためには、合計位相を０°以上に大きくする必要がある。そのためには、図６において、起磁力位相は進み方向である上方向に、パーミアンス位相は遅れ方向である下方向にシフトさせる必要がある。
【００３５】
起磁力位相は、ＡＳが大きくなるにしたがって、つまり第３低磁性部２７が第２低磁性部２６に近づくにしたがって上方向にシフトする。パーミアンス位相は、ＡＳが０°から約３３°までの範囲ではマイナスの方向にピークをもち、ＡＳが３３°以上では０°以上となりＡＳが大きくなるにしたがって上方向にシフトする。その結果、合計位相は、ＡＳが０°から４５°までの範囲では０°より大きくなり、磁石トルクが最大となる電流位相角とリラクタンストルクが最大となる電流位相角とを近づけることができ、合計トルクを大きくすることができる。
【００３６】
一方、ＡＳが４５°以上ではパーミアンス位相の急激な上方向へのシフトによって、合計位相が０°より小さい負の値となる。合計位相が負の値になることは、磁石トルクが最大となる電流位相角とリラクタンストルクが最大となる電流位相角とがそれぞれ離れる方向にシフトすることになる。その結果、合計トルクは低下する。ＡＳが４５°以上では、第３低磁性部２７の位置が磁極中心線Ｌ１より反回転方向側に位置することになる。したがって、合計トルクを向上させるためにはＡＳが４５°未満、すなわち第３低磁性部２７を磁極中心線Ｌ１より回転方向側に設ける必要があることがわかる。
【００３７】
上述のように、本実施の形態の回転子においては、回転軸と直交する断面において、回転中心と第１低磁性部の磁極の中心線側の最外周端部とを結んだ直線と第１低磁性部より回転方向側に位置する磁極間の中心線とのなす角が、回転中心と第２低磁性部の磁極の中心線側の最外周端部とを結んだ直線と第２低磁性部より反回転方向側に位置する磁極間の中心線とのなす角よりも小さく、第３低磁性部が磁極の中心線よりも回転方向側に配置されている。そのため、この回転子を備えた回転電機は、固定子の巻線に鎖交する磁石磁束を減少させることなく、磁石トルクとリラクタンストルクとを合計したトルクを大きくすることができる。
【００３８】
図７は、本実施の形態に係る別の回転電機の断面図である。図７は、回転電機１の回転軸と直交する面の断面図である。この回転電機１の回転子２０は、図１に示した回転電機の回転子と同じ構造である。この回転電機１の固定子１０が、図１に示した回転電機の固定子と異なっている。
【００３９】
図７に示す固定子１０は、固定子コア１１と巻線１２とで構成されている。固定子コア１１は、円筒形状のコアバック１３とこのコアバック１３から内径方向に突出した６個のティース１４とで構成されている。６個のティース１４は、周方向に等間隔に配置されている。巻線１２は、ティース１４に絶縁部材を介して集中巻き構造で巻き回されている。それぞれのティース１４に挟まれたスロットには、両側のティース１４にそれぞれ巻き回された二つの巻線１２が収納されている。
【００４０】
このように構成された回転電機においては、固定子の巻線が集中巻き構造で巻き回されているので、固定子コアから回転軸方向に突出する巻線部分を小さくすることができる。そのため、回転電機の損失の１つである銅損が小さくなるので、この回転電機は高効率となる。一方、集中巻き構造の固定子は、巻線係数が小さいため回転電機のリラクタンストルクが小さくなる。本実施の形態の回転子を採用することで電流位相角に対する磁石トルクの位相とリラクタンストルクの位相とを近づけることができる。その結果、リラクタンストルクが小さい集中巻き構造の固定子であっても回転電機の高出力化を図ることができる。
【００４１】
なお、本実施の形態の回転電機において、第３低磁性部は丸みを帯びた長方形状の貫通孔で構成されている。ただし、第３低磁性部の形状は、この形状に限定されるもではない。また、本実施の形態の回転電機において、第１低磁性部および第２低磁性部を空孔で構成する場合、その空孔を磁石収納孔につながった磁石収納孔拡大部で構成しているが、磁石収納孔とは異なる別の空孔で構成してもよい。第１低磁性部および第２低磁性部を磁石収納孔とは異なる別の空孔で構成することで、磁石収納孔に埋め込まれた永久磁石の位置ずれなどを回避することができる。
【００４２】
本実施の形態の回転電機において、第１低磁性部および第２低磁性部は、永久磁石の端部より外側に配置されていることが好ましい。ここで、永久磁石の端部より外側とは、永久磁石の端部より磁極中心線から遠ざかる方向である。第１低磁性部および第２低磁性部が永久磁石の端部より外側に配置されていれば、第１低磁性部および第２低磁性部は永久磁石から発生する磁石磁束の流れの磁気障壁とはならない。
【００４３】
実施の形態２．
図８は、実施の形態２に係る回転電機の断面図である。図８は、回転電機１の回転軸と直交する面の断面図である。本実施の形態の回転電機１は、実施の形態１の図１に示した回転電機と同様な構造である。ただし、回転子２０の第３低磁性部２７の構造が異なっている。
【００４４】
実施の形態１の回転電機においては、第３低磁性部２７は丸みを帯びた長方形状の貫通孔で構成されていた。そして、この貫通孔の長手方向は回転子２０の径方向とほぼ平行な方向に設定されていた。本実施の形態の回転電機１においては、図８に示すように、丸みを帯びた長方形状の貫通孔の長手方向が磁極中心線Ｌ１と平行に設定されている。
【００４５】
永久磁石２２から固定子コア１１へと向かう磁石磁束は、回転子コア２１内では磁極中心線Ｌ１に対して平行な方向に流れる。回転子コア２１の磁極中心線Ｌ１に平行な方向の磁気抵抗は、第３低磁性部２７の長手方向が磁極中心線Ｌ１に対して平行である場合の方が第３低磁性部２７の長手方向が磁極中心線Ｌ１に対して平行でない場合に比べて小さくなる。第３低磁性部２７の長手方向を磁極中心線Ｌ１に対して平行にすることで、回転子コア２１内を流れる磁石磁束に対する磁気抵抗をさらに減少させることができる。
【００４６】
一方、電機子磁束は回転子コア２１内では磁極中心線Ｌ１に対して直角に近い角度で流れる。このとき、回転子コア２１内を流れる電機子磁束は第３低磁性部２７で遮られる。第３低磁性部２７の長手方向を磁極中心線Ｌ１に対して平行にすることで、第３低磁性部２７で遮られる電機子磁束が多くなる。その結果、本実施の形態の回転電機１においては、パーミアンス位相すなわちリラクタンストルクの位相をさらに遅らせる方向にシフトさせることができるため、磁石トルクとリラクタンストルクの合計トルクをさらに増加させることができる。
【００４７】
実施の形態３．
図９は、実施の形態３に係る回転電機の断面図である。図９は、回転電機１の回転軸と直交する面の断面図である。本実施の形態の回転電機１は、実施の形態１の図１に示した回転電機と同様な構造である。ただし、回転子２０の第２低磁性部２６の構造が異なっている。
【００４８】
実施の形態１の回転電機においては、第２低磁性部２６は磁石収納孔２４と一体で回転子コア２１に形成された磁石収納孔拡大部で構成されていた。本実施の形態の回転電機１においては、第２低磁性部２６が２つに分割されている。
【００４９】
第２低磁性部２６となる磁石収納孔拡大部は回転子コア２１に形成された空孔である。第２低磁性部２６が空孔で構成されている場合、この空孔の外周側はブリッジ部２８で閉じられている。このブリッジ部２８は、漏れ磁束が小さくなるようにブリッジ部２８の径方向の幅は狭く設計されている。そのため、回転子２０が高速回転するときにブリッジ部２８に加わる遠心力でブリッジ部２８が変形する場合がある。本実施の形態の回転電機においては、図９に示すように、第２低磁性部２６が磁石収納孔２４と一体で回転子コア２１に形成された磁石収納孔拡大部２６ａと、この磁石収納孔拡大部２６ａより磁極中心線側に隣接して設けられた貫通孔２６ｂとに分割されている。
【００５０】
このように構成された回転電機においては、ブリッジ部２８を周方向に２つのブリッジ部に分割することができ、それぞれのブリッジ部の周方向の長さを短くすることができる。その結果、本実施の形態の回転電機１においては、ブリッジ部２８の遠心力に対する強度を向上させることができるので、回転電機の信頼性を向上させることができる。
【００５１】
なお、第２低磁性部２６は３つ以上に分割されていてもよい。また、第２低磁性部２６と同様に、第１低磁性部２５も磁石収納孔拡大部と貫通孔とに分割されていてもよい。
【００５２】
実施の形態４．
図１０は、実施の形態４に係る回転電機の断面図である。図１０は、回転電機１の回転軸と直交する面の断面図である。本実施の形態の回転電機１は、実施の形態１の図１に示した回転電機と同様な構造である。ただし、回転子２０の第３低磁性部２７の構造が異なっている。
【００５３】
実施の形態１の回転電機においては、第３低磁性部２７は１つの貫通孔で構成されていた。本実施の形態の回転電機１においては、図１０に示すように、第３低磁性部２７は複数の貫通孔で構成されている。第３低磁性部２７を構成する複数の貫通孔は、径方向に並んでいる。言い換えると、第３低磁性部２７は、径方向に複数に分割されている。
【００５４】
回転子コア２１の磁極中心線Ｌ１に平行な方向の磁気抵抗は、第３低磁性部２７の長手方向が磁極中心線Ｌ１に対して平行でない場合は増加する。第３低磁性部２７が径方向に複数の貫通孔で構成されている場合、複数の貫通孔の間には貫通孔より透磁率の高い回転子コア２１が存在する。そのため、磁石磁束はこの複数の貫通孔の間を通り、固定子コア１１へ向かって流れることができる。その結果、本実施の形態の回転電機１においては、磁石磁束の低下、すなわち磁石トルクの低下を抑制することができる。
【００５５】
また、回転子コア２１が積層された電磁鋼板で構成されている場合、貫通孔形成用の打ち抜き型を１つ用意し、その打ち抜き型を用いて電磁鋼板を連続して打ち抜くことで複数の貫通孔で構成された第３低磁性部２７を作製することができる。そのため、第３低磁性部２７の作製が容易になると共に、同じ打ち抜き型で複数の貫通孔の配置を変更することができるので、第３低磁性部２７の構造の変更も容易になる。
【００５６】
実施の形態５．
図１１は、実施の形態５に係る回転電機の断面図である。図１１は、回転電機１の回転軸と直交する面の断面図である。本実施の形態の回転電機１は、実施の形態１の図１に示した回転電機と同様な構造である。ただし、回転子２０の第３低磁性部２７の構造が異なっている。
【００５７】
実施の形態１の回転電機においては、第３低磁性部２７は丸みを帯びた長方形状の貫通孔で構成されていた。本実施の形態の回転電機１においては、図１１に示すように、第３低磁性部２７は回転子コア２１の外周面に開口部をもつスリット状の貫通孔で構成されている。
【００５８】
電機子磁束は回転子コア２１内では磁極中心線Ｌ１に対して直角に近い角度で流れる。このとき、回転子コア２１内を流れる電機子磁束は第３低磁性部２７で遮られる。本実施の形態の回転電機１においては、第３低磁性部２７が回転子コア２１の外周面まで存在するので第３低磁性部２７で遮られる電機子磁束がさらに多くなる。その結果、本実施の形態の回転電機１においては、パーミアンス位相すなわちリラクタンストルクの位相をさらに遅らせる方向にシフトさせることができるため、磁石トルクとリラクタンストルクの合計トルクを増加させることができる。
【００５９】
実施の形態６．
図１２は、実施の形態６に係る回転電機の断面図である。図１２は、回転電機１の回転軸と直交する面の断面図である。本実施の形態の回転電機１は、実施の形態１の図１に示した回転電機と同様な構造である。ただし、回転子２０の永久磁石２２の配置が異なっている。
【００６０】
本実施の形態の回転電機１においては、図１２に示すように、磁石収納孔２４が外周側に広がるＶ字形状に形成されている。そして、実施の形態１で示された１個の永久磁石が２分割された永久磁石２２ａ、２２ｂがそれぞれＶ字形状に形成された磁石収納孔２４に収納されている。
【００６１】
このように構成された回転電機においては、実施の形態１の回転電機に比べて回転子コア２１の外周から永久磁石２２ａ、２２ｂまでの最大距離を大きくできる。そのため、永久磁石２２ａ、２２ｂより外周側の回転子コア２１の面積を大きくすることができる。その結果、電機子磁束に対する回転子コア２１の磁気抵抗を小さくすることができる。電機子磁束に対する回転子コア２１の磁気抵抗が小さくなることでリラクタンストルクが大きくなる。そのため、磁石トルクとリラクタンストルクとを合わせた合計トルクが大きくなり、回転電機の高出力化を図ることができる。
【００６２】
本願は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
したがって、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００６３】
１  回転電機、１０  固定子、１１  固定子コア、１２  巻線、１３  コアバック、１４  ティース、２０  回転子、２１  回転子コア、２２、２２ａ、２２ｂ  永久磁石、２３  回転中心軸、２４  磁石収納孔、２５  第１低磁性部、２６  第２低磁性部、２６ａ  磁石収納孔拡大部、２６ｂ  貫通孔、２７  第３低磁性部、２８  ブリッジ部。
【要約】
磁石トルクとリラクタンストルクとの合計トルクを大きくできる回転子コアである。
永久磁石（２２）の回転方向側の外径側に第１低磁性部（２５）、反回転方向側の外径側に第２低磁性部（２６）、および第１低磁性部と第２低磁性部との間に第３低磁性部（２７）を備えた回転子コア（２０）である。回転中心Ｃと第１低磁性部の磁極の中心線側の最外周端部Ａとを結んだ直線と回転方向側の磁極間の中心線Ｌ２とのなす角ＡＡが、回転中心Ｃと第２低磁性部の磁極の中心線側の最外周端部Ｂとを結んだ直線と反回転方向側の磁極間の中心線Ｌ３とのなす角ＡＢよりも小さく、第３低磁性部が磁極の中心線Ｌ１よりも回転方向側に配置されている。【図１】
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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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【図８】
0006949282.tif 000011
【図９】
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【図１０】
0006949282.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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