(57)【要約】【課題】本発明は、固定子からの磁束と永久磁石の短絡磁束とのバランスを調節することのできる回転子、及びこの回転子を有する回転電機を提供することを目的とする。【解決手段】各極ごとに二つ以上のスリット部（１５０）を回転軸（Ｏ）の半径方向に向けて層状に備え且つ各極の少なくとも一つのスリット部に永久磁石（Ｈ２、Ｈ３）を埋設した回転子（１５）であって、前記スリット部（１５０）の前記回転軸（Ｏ）に直交する断面は前記回転軸（Ｏ）側に凸の形状をなし、前記永久磁石（Ｈ２、Ｈ３）を埋設したスリット部（１５０−２）の少なくとも一つの端部に前記永久磁石（Ｈ２又はＨ３）の短絡磁束を抑制する短絡磁束抑制部（Ｎ２又はＮ３）を備え、前記短絡磁束抑制部（Ｎ２、Ｎ３）を備えたスリット部（１５０−２）の端部幅をＬ１、該端部幅の内の前記短絡磁束抑制部（Ｎ２、Ｎ３）のｄ軸側に対応する幅をＬ２とすると、０．５Ｌ１＜Ｌ２＜０．９５Ｌ１の関係を満たす、ように構成する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各極ごとに二つ以上のスリット部を回転軸の半径方向に向けて層状に備え且つ各極の少なくとも一つのスリット部に永久磁石を埋設した回転子であって、
前記スリット部の前記回転軸に直交する断面は前記回転軸側に凸の形状をなし、
前記永久磁石を埋設したスリット部の少なくとも一つの端部に前記永久磁石の短絡磁束を抑制する短絡磁束抑制部を備え、
前記短絡磁束抑制部を備えたスリット部の端部幅をＬ１、該端部幅の内の前記短絡磁束抑制部のｄ軸側に対応する幅をＬ２とすると、０．５Ｌ１＜Ｌ２＜０．９５Ｌ１の関係を満たす、
ことを特徴とする回転子。
【請求項２】
０．５Ｌ１＜Ｌ２＜０．８Ｌ１の関係を満たす、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転子。
【請求項３】
各極ごとに、前記永久磁石を埋設した隣接する二つのスリット部を備え、
前記隣接する二つのスリット部のうちの前記回転軸側のスリット部に前記短絡磁束抑制部を備える、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転子。
【請求項４】
前記永久磁石は円弧磁石である、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回転子。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回転子を備える回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子及び回転電機に関し、特にｄ軸方向の磁界の遮断とｑ軸方向の磁路の確保のために回転子及び回転電機に配設されるフラックスバリアというスリット部の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機の一つに回転界磁型の同期電動機がある。この同期電動機は、固定子側の電機子に電流を流して回転磁界を発生させることにより回転子を回転軸中心に軸回転させるタイプのものである。その同期電動機の内、回転子の鉄心に永久磁石が埋め込まれているタイプの電動機を、特に埋込構造永久磁石同期電動機(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor、以下ＩＰＭＳＭと省略する) と呼んでいる。
【０００３】
ＩＰＭＳＭには回転子内部の各極にフラックスバリアと呼ばれるスリット部が設けられている。このスリット部は、回転子の磁極の中心線方向の磁界の磁束（いわゆるｄ軸磁束）を遮断するような配置で、各極ごとに設けられており、その中に、上記の永久磁石が、極間の磁極を相互に異ならせた状態で、埋め込まれている。上記スリット部の周囲は電磁鋼等の磁束をよく通す材料からなる鉄心であり、磁極間の中心線方向の磁界の磁束（いわゆるｑ軸磁束）の通路（以下において「磁路」とも呼んでいる）が、上記鉄心内にスリット部に沿うようにして形成される。そして、ＩＰＭＳＭにおいては、電機子の電流ベクトル制御により、永久磁石の電機子鎖交磁束の変化により生じるマグネットトルクと、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄの逆突極性により生じるリラクタンストルクとの和が回転子のトルクとして出力される。
【０００４】
上記永久磁石の構造として次のようなものがある。
永久磁石の両端部をロータ表面に近接する位置で細める。永久磁石を各端部がロータ表面に対しほぼ直交するようにして設ける。（例えば、特許文献１、特許文献２等参照）。
【特許文献１】特開平８−３３６２４７号公報（段落「００２１」等）
【特許文献２】特開２００３−１１６２３４号公報（段落「００１４」、「００１５」等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
固定子側からの磁束を回転子内に流れやすくするために、従来、回転子内部の永久磁石を回転軸の半径方向に２層に分けて各極ごとに設けていた。このような構造にすることで、永久磁石の端部による磁束の進入経路の妨害が緩和され、固定子からの磁束が永久磁石の層間の鉄心に入りやすくなる。そして、更に、上記永久磁石の両端部を細く切り欠いた構造に変えると共に永久磁石のそれぞれの端部を回転子の表面に直交する配置にすることにより、永久磁石の端部側の層間の鉄心の幅を広げ、固定子からの磁束が層間の鉄心へより入りやすくなるようにしている。
【０００６】
しかし、上述した永久磁石の両端部を細く切り欠いた構造のものでは、永久磁石端部とそれに対応する鉄心部（いわゆるブリッジ部）が隣接してしまう。それにより、永久磁石からの短絡磁束が増して、永久磁石の端部側で磁気飽和が生じやすくなる。そのため、永久磁石の両端部を細く切り欠いた構造にしたからといって、固定子からの磁束が層間の鉄心へ入りやすくなるとは常に言えるものではない。また短絡磁束による永久磁石の減磁も懸念される。
【０００７】
そこで本発明は、固定子からの磁束と永久磁石の短絡磁束とのバランスを調節することのできる回転子、及びこの回転子を有す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】
【０００８】
本発明は上記課題を解決するために以下のように構成する。
本発明の回転子は、各極ごとに二つ以上のスリット部を回転軸の半径方向に向けて層状に備え且つ各極の少なくとも一つのスリット部に永久磁石を埋設した回転子であって、前記スリット部の前記回転軸に直交する断面は前記回転軸側に凸の形状をなし、前記永久磁石を埋設したスリット部の少なくとも一つの端部に前記永久磁石の短絡磁束を抑制する短絡磁束抑制部を備え、前記短絡磁束抑制部を備えたスリット部の端部幅をＬ１、該端部幅の内の前記短絡磁束抑制部のｄ軸側に対応する幅をＬ２とすると、０．５Ｌ１＜Ｌ２＜０．９５Ｌ１の関係を満たす（より好ましくは、０．５Ｌ１＜Ｌ２＜０．８Ｌ１の関係を満たす）ように構成する。
【０００９】
なお、各極ごとに、前記永久磁石を埋設した隣接する二つのスリット部を備え、前記隣接する二つのスリット部のうちの前記回転軸側のスリット部に前記短絡磁束抑制部を備える、ことが好ましい。
【００１０】
また、前記永久磁石は円弧磁石であることが好ましい。
本発明の回転電機は、上記回転子を有するように構成する。
本発明により、永久磁石の端部における短絡磁束が短絡磁束抑制部により抑制される。反対に短絡磁束抑制部のｄ軸側において固定子からの磁束の通路が広がるので、固定子からの磁束は回転子に流れ込みやすくなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、固定子からの磁束と永久磁石の短絡磁束とのバランスを調節することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１及び図２は、本発明の実施形態による埋込構造永久磁石同期電動機（ＩＰＭＳＭ）の構造説明図である。
【００１３】
本発明の実施形態によるＩＰＭＳＭは、固定子側に電機子を備え且つその内側に永久磁石付きの回転子が配置された構成をとり、上記電気子の電流制御により上記回転子が回転する。
【００１４】
上記固定子は、例えば、鉄心（一次鉄心）としてケイ素鋼等のような高誘磁率材からなるリング状の板を数十枚積層して構成したものに、コイルをティースに分布巻き又は集中巻きに巻回する等して電機子を設けて構成される。
【００１５】
上記回転子は、例えば、ケイ素鋼等のような高誘磁率材からなる円板状の板にプレス加工又はレーザ加工等により後述するスリット部を形成して数十枚積層して構成した鉄心（二次鉄心）に、回転軸としてのシャフトを挿入する等して構成される。永久磁石はそれらの組み立て時に上記スリット部にセットされる。なお、永久磁石の形状については上記スリット部と合わせて後述するものとする。
【００１６】
図１は、上記ＩＰＭＳＭを上記回転軸に垂直な面で切ったときの部分断面図である。
上記ＩＰＭＳＭとして、ここでは、一例として、固定子１０側においてティース１０１に集中巻きでコイルを巻回して電機子１００を設け且つ回転子１５内部において回転軸Ｏの半径方向に２つの層状のスリット部１５０を各極ごとに設けてなる１２スロット８極構造のモータが示されている。
【００１７】
各極各層のスリット部１５０には更に永久磁石Ｈが埋設されている。この永久磁石Ｈは、同図に示すように隣接する極間で互いに異なる極性をとり、同じ極内では回転子１５の外周面側において同じ極性をとるようにして配置されている。
【００１８】
図２は、１極あたりの、永久磁石Ｈ及びスリット部１５０の構造説明図である。
図２（ａ）は図１のＩＰＭＳＭの１極を拡大した図である。
ここでは、上記二つのスリット部１５０として、回転軸Ｏより（図２の下より）に凸の円弧の形状をなすスリット部１５０−１、１５０−２を示している。回転子１５の表面側（図２の上側）に配置されたスリット部１５０−１は、一つのスリットよりなり、回転軸中心側に配置されたスリット部１５０−２は、中央部に鉄心との連結部を有し、互いに左右対称の二つのスリット１５０−２Ａ、１５０−２Ｂが層方向に間隔をあけて配置されたものよりなる。この例に示されるように、本明細書においては、同一層内の一つ又は層方向に間隔をあけてなる複数のスリットを総称して「スリット部」と呼んでいる。
【００１９】
回転子１５の回転軸側に配置されたスリット部１５０−２の両端部の空隙、即ち同図の左側のスリット１５０−２Ａの、永久磁石Ｈ２の左端部側にある空隙Ｎ２、及び、同図の右側のスリット１５０−２Ｂの、永久磁石Ｈ３の右端部側にある空隙Ｎ３は、永久磁石Ｈ２、Ｈ３からの短絡磁束と固定子からの磁束とのバランスを調節するために設けたものである。この空隙Ｎ２、Ｎ３（以下において短絡磁束抑制部とも呼ぶ）は、同図のような端部に切り欠きを形成していない永久磁石（この例では特に円弧磁石を使用）をスリットに挿入したときに永久磁石の端面とスリットの壁面とによって囲まれてできる空気層からなる空間領域であり、所定の大きさに設計されるものである。
【００２０】
上述したように、本例においては二つのスリット１５０−２Ａ、１５０−２Ｂは左右対称である。よって、左側のスリット１５０−２Ｂを例にとって、以下に上記の短絡磁束抑制部の寸法について説明する。
【００２１】
図２（ｂ）は、図２（ａ）のＣ部の拡大図であり、これを参照しながら上記左側のスリット１５０−２Ｂにおける短絡磁束抑制部の設計レイアウトについて説明する。  
同図（ｂ）に示すように、スリット１５０−２Ｂの端部において、その端面の一部に回転子の表面側に凸となる空間領域（空隙Ｎ２）を設ける。同図（ｂ）の図においては、一例として矩形形状の空間領域を示している。
【００２２】
この空間領域は、同図（ｂ）の回転子１５の周方向のｑ軸寄りに設けるものとし、空間領域を設けない残りの領域を固定子からの磁束の進入通路として確保する。
そして、同図（ｂ）に示すような、端部に切り欠く加工を施していない永久磁石Ｈ２つまり端面が未加工の平坦な永久磁石Ｈ２を、スリット１５０−２Ｂの端面に接触させて配置する。
【００２３】
それにより、永久磁石Ｈ２は、空間領域よりも回転子１５の周方向のｄ軸側に位置する突き出た部分に接触して位置決めされ、永久磁石Ｈ２の端面とスリット１５０−２Ｂとにより囲まれる空隙Ｎ２即ち上記の空間領域が上記短絡磁束抑制部として機能し、永久磁石Ｈ２の端面が接触する側の領域が固定子からの磁束の進入通路として機能する。
【００２４】
そこで、同図（ｂ）に示すように、スリット１５０−２Ｂの端部の幅をＬ１、その幅の内の空隙Ｎ２のｄ軸側に対応する幅をＬ２とする。この場合、Ｌ２の値を大きくすることにより固定子からの磁束Ｂ１の進入通路を多く確保することが、反対にＬ２の値を小さくすることにより短絡磁束Ｂ２の発生をより抑えることが可能となり、Ｌ１に対するＬ２の値を最適に設定することにより、固定子からの磁束Ｂ１と短絡磁束Ｂ２とのバランスを最適にすることができる。
【００２５】
なお、上記空隙Ｎ２におけるブリッジ部の厚みをＷ、空隙Ｎ２の深さをＤとした場合、Ｗの値はＤの値に応じて機械的な強度が保たれる値に設定すれば良い。
続いて、上述の固定子からの磁束と短絡磁束とのバランスが最適であることを示す一つの指標として、最大トルク及びトルクリプルの変化グラフを以下に示す。
【００２６】
図３は、上記構成のＩＰＭＳＭにおける、Ｌ１及びＬ２の長さの比と最大トルク及びトルクリプルの変化グラフである。ただし、ここではＤ＝０．２９Ｌ１、Ｗ＝１．０６Ｄとした場合のものを示している。
【００２７】
同図は、横軸にＬ１に対するＬ２の長さを、縦軸に次に示すそれぞれのスケールをとり、実線により最大トルクの変化を、また破線によりトルクリプルの変化を表したものである。なお、最大トルク及びトルクリプルの縦軸の各スケールは、Ｌ２＝０．５Ｌ１のときのそれぞれの値を１としたときの比率である。
【００２８】
同図の破線のトルクリプルのグラフに示されるように、トルクリプルの値は、Ｌ２＝０．６Ｌ１を超えたあたりから最も低い値に安定する。そして、その範囲及び近傍の最大トルクの変化を見ると、最大トルクはＬ２＝０．３Ｌ１近傍で最大値を示し、そこからＬ２の値が大きくなるに従って減少する。
【００２９】
言うまでもなく、トルクリプルの値は低いほど良く、最大トルクの値は高いほど良いため、同図の相関関係から、０．５Ｌ１＜Ｌ２＜０．９５Ｌ１の関係を満たすようにスリット端部を設計すると良いことが分かる。即ちその範囲において、固定子からの磁束と短絡磁束とのバランスは最適になる。
【００３０】
また、特に０．５Ｌ１＜Ｌ２＜０．８Ｌ１の関係を満たすようにスリット端部を設計した場合においては、最大トルクの落ち込みが少ないので、上述した範囲の中でもより高い効果が得られることが分かる。また０．５Ｌ１＜Ｌ２＜０．７Ｌ１とすれば、さらに最大トルクの落ち込みを押さえつつ、トルクリプルも抑制できる。また、０．７５Ｌ１≦Ｌ２とすれば、トルクリプルを最小に抑えることができる。
【００３１】
以上のように、本発明の実施形態によるＩＰＭＳＭにおいては、スリット部の端部に短絡磁束抑制部を上述したような条件に従って設けることにより、固定子からの磁束と短絡磁束とのバランスを最適な関係になるように調節することが可能になる。特に、本発明の実施形態において取り上げたＩＰＭＳＭの構成例においては、最大トルクの低下を抑止すると共にトルクリプルの発生を低減することが可能になる。また、同じ体格でより高いトルクを得ることも可能になる。また、隣接する２層のスリット部１５０−１、１５０−２に永久磁石を埋め込み、その内、回転子１５の回転軸側のスリット部１５０−２に短絡磁束抑制部を適用したので、それらの層間に固定子からの磁束が流れ込みやすくなる。そして効果的にトルクリプル抑制、トルク確保が実現できるようになる。また、スリット部を円弧形状にしたため、永久磁石として円弧磁石が利用でき、リラクタンストルクをより効果的に利用できるようになる。また、円弧磁石を使用する場合は端部を切り欠く等の加工が不要になる。
【００３２】
本発明の実施の形態においては、回転軸側のスリット部を、層方向に配置した二つのスリットにより構成した。また各スリットの回転子表面側の端部に短絡磁束抑制部を設けた。しかし、上記の構成は一例にすぎない。
【００３３】
そのため、例えば、上記二つのスリットを一続きに構成しても良い。
また、本発明の実施の形態においては二つのスリット部を回転軸の半径方向に層状に設けたが、三つ以上のスリット部を回転軸の半径方向に層状に設けても良い。
【００３４】
また、各スリット部は、一つまたは二つのスリットに限らず、３つ以上のスリットを１つのスリット部として層方向に配置して構成しても良い。
また、各スリット部を円弧以外の形状に変形しても良い。
【００３５】
また、短絡磁束抑制部を矩形形状以外の形状に変形しても良い。
また、実施の形態では集中巻きを用いたが、分布巻きのモータに用いても良い。
また、発電機に用いても良い。
【００３６】
また、本発明の実施の形態では、短絡磁束抑制部をスリット部のｑ軸側の端から形成して、その幅をＬ１−Ｌ２とした。しかし、スリット部の端部幅Ｌ１と、端部幅Ｌ１の内の短絡磁束抑制部のｄ軸側に対応する幅Ｌ２との関係が満たされていれば良いので、例えばｑ軸側の端を残す等して、その幅をＬ１−Ｌ２未満になるようにしても良い。なお、以上のような各構成において、層内の回転子表面に近接する少なくとも一つのスリットに永久磁石が埋設されていることが好ましい。また、回転軸に最も近い層のスリットに永久磁石が埋設されていることがより好ましい。更に、永久磁石が埋設され且つ回転子表面に近接するスリットのうちの少なくとも一つに対して、回転子表面側のスリット端部に上述の短絡磁束抑制部を設けるようにすることが望ましい。
【００３７】
このように、適宜、上述した構成に変形することも可能である。またこの場合においても、上述した効果即ち固定子からの磁束と短絡磁束とのバランスを最適な関係になるように調節することが可能である。更に、最高出力やトルクリプルにおいても図３のグラフが示す傾向を有しているため、最高出力の低下やトルクリプルの低減等の抑止を期待できる。
【００３８】
また、その他に、ＩＰＭＳＭに限らず他の回転電機に上述した構成を適用しても良い。
更に、回転電機と一体ではなく、上記の回転子をユニットとして提供しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態によるＩＰＭＳＭの部分断面図である。
【図２】１極あたりの、永久磁石Ｈ及びスリット部１５０の構造説明図である。
【図３】Ｌ１及びＬ２の比と最大トルク及びトルクリプルの変化グラフである。
【符号の説明】
【００４０】
１５０、１５０−１、１５０−２  スリット部
Ｏ  回転軸
１５  回転子
１５０−２Ａ、１５０−２Ｂ  スリット
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３  永久磁石
Ｎ２、Ｎ３  空隙
【図１】
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【図２】
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【図３】
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