JP2014100048A - 永久磁石型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の漏れ磁束、減磁を抑制し、高トルク、高出力を維持しつつ、低コスト、且つ信頼性の高い回転電機を提供する。
【解決手段】永久磁石型回転電機は、固定子鉄心１６を有する固定子１２と、回転子鉄心２４と、回転子鉄心に形成された複数の磁石埋め込み孔３２ａ、３２ｂと、回転子鉄心の半径方向に配置された複数の永久磁石２６ａ、２６ｂとを備える回転子１４とを備える。磁石埋め込み孔は、回転子の磁極中心軸上に中心を持ち、回転子の中心側に凸となる円弧状に形成されている。回転子鉄心は、内周側の磁石埋め込み孔において、磁極中心軸から離れた両端部で磁石埋め込み孔内に突出する２つの内周側の支持突起３４と、磁極中心軸上で内周側の磁石埋め込み孔に設けられたセンター係止構造部５０とを有し、センター係止構造部の両側に埋設された２つの永久磁石は、円弧方向両端部がセンター係止構造部と一方の支持突起とに係合し保持されている。
【選択図】図２

Description

この発明の実施形態は、回転子に永久磁石が埋め込まれた永久磁石型の回転電機に関する。

近年、電気自動車、ハイブリット自動車向けのような車載用の回転電機では、排出ガスの抑制、燃費向上のため、高効率化を強く求められている。それに伴い、永久磁石を使用した回転電機の小型、高出力化が進められている。

車載用の回転電機は、限られた搭載スペースの中で高トルク、高出力化が要求される。そのため、例えば希土類（ＮｄＦｅＢ）磁石のような高磁気エネルギー積の永久磁石をＶ字状に配置し、且つ永久磁石の外周側に空洞（磁極間空隙部）を配置した、永久磁石式リラクタンス型の回転電機が提案されている。この回転電機によれば、リラクタンストルクが増加し、高トルクを得ることで高出力、且つ可変速運転が可能となる。

一方で、車載用の回転電機として用いられる永久磁石回型転電機では、磁力が強く、高エネルギー積の希土類磁石（ＮｄＦｅＢ）が多く用いられている。この希土類磁石は、小さい体積でより高いトルクを発生することができる。しかしながら、希土類金属は生産地が偏在し、資源量も乏しいことから、材料としての入手リスクと、将来の資源枯渇が問題となっている。

そのため、資源量が豊富で、安価なフェライト磁石を用いた回転電機が検討されている。しかし、フェライト磁石は、磁力が希土類磁石に比べて１／３程度と低い。そこで、回転子に多層構造のスリットを設け、そのスリットに永久磁石を配置することにより、リラクタンストルクを活用し、永久磁石による磁石トルクと合わせることで、発生トルクを高める永久磁石式リラクタンス型回転電機が提案されている。

また、車載用の回転電機では、小型化を図るために高速回転化した場合、回転子鉄心の遠心力による応力が大きくなり、問題となる。そこで、回転子鉄心に埋め込まれている永久磁石を突起により保持することで、永久磁石の回転遠心力を軽減し、回転子鉄心内に発生する応力を低減する永久磁石型の回転電機が提案されている。

上述したフェライト磁石を用いた永久磁石式リラクタンス型回転電機に、永久磁石保持突起を設けることにより、磁力の低いフェライト磁石を用いつつ、高速回転が可能な永久磁石式リラクタンス型回転電機が得られる。

特開平１１−２７９１３号公報 特開２００２−１９９６７５号公報 特開２０１１−８３０６６号公報 特開２００１−３３９９１９号公報 特願２０１２−２３２１２５号

しかしながら、永久磁石式リラクタンス型回転電機において、外周側上層磁石は、回転遠心力による変形により、磁石保持突起で十分に保持することが困難となる。また、回転子鉄心埋め込み穴と磁石との片当たりが発生し、磁石の割れ、欠けが生じ、更に、モータ特性の低下、磁石割れ、欠けによるロータ鉄心応力の増加、回転アンバランスの増加により、ロータ破損が生じる可能性がある。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、永久磁石の破損、及び回転子の破壊を回避し、高トルク、高出力を維持しつつ、高速回転が可能で、低コスト、且つ信頼性の高い永久磁石式リラクタンス型の回転電機を提供することにある。

実施形態によれば、永久磁石型の回転電機は、固定子鉄心およびこの固定子鉄心に取り付けられた電機子巻線を有する固定子と、前記固定子に対して回転自在に設けられた回転子鉄心と、前記回転子鉄心の半径方向に複数層並んで形成された複数の磁石埋め込み孔と、前記磁石埋め込み孔に埋設され、前記回転子鉄心の半径方向に複数層に並べて配置された複数の永久磁石と、を備える回転子と、を具備している。前記複数の磁石埋め込み孔は、前記回転子鉄心の外周側に位置する外周側の磁石埋め込み孔と、前記回転子鉄心の中心側に位置する内周側の磁石埋め込み孔と、を含み、前記外周側および内周側の磁石埋め込み孔は、前記回転子の磁極中心軸上に中心を持ち、かつ、回転子の中心側に凸となる円弧状に形成され、前記内周側の磁石埋め込み孔は、前記回転子鉄心の外周側に位置する外周面と、前記回転子鉄心の中心側に位置し前記外周面と間隔をおいて対向する内周面と、により規定されている。回転子鉄心は、前記内周側の磁石埋め込み孔において、前記磁極中心軸から離れた両端部で前記内周面から磁石埋め込み孔内に突出する２つの内周側の支持突起と、前記磁極中心軸上で前記内周側の磁石埋め込み孔に設けられたセンター係止構造部と、を有し、前記複数の永久磁石は、前記内周側の磁石埋め込み孔内で前記センター係止構造部の両側に埋設された２つの永久磁石を含み、前記２つの永久磁石は、左右線対称で円弧状の断面形状を有し、円弧方向両端部が前記センター係止構造部と一方の支持突起とに係合し前記内周側の磁石埋め込み孔に保持されている。

図１は、第１の実施形態に係る永久磁石型の回転電機を示す断面図。 図２は、前記回転電機の回転子の一部を拡大して示す断面図。 図３は、第２の実施形態に係る永久磁石型の回転電機を示す断面図。 図４は、第２の実施形態に係る永久磁石型の回転電機の回転子の一部を拡大して示す断面図。 図５は、第３の実施形態に係る永久磁石型の回転電機を示す断面図。 図６は、第３の実施形態に係る永久磁石型の回転電機の固定子および回転子の一部を拡大して示す断面図。 図７は、第４の実施形態に係る永久磁石型の回転電機の固定子および回転子の一部を拡大して示す断面図。

以下に、図面を参照しながら、種々の実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る永久磁石式リアクタンス型の回転電機１０の固定子および回転子の横断面図、図２は、回転子を拡大して示す断面図である。
本実施形態では、８極、４８スロットの永久磁石式リラクタンス型の回転電機について説明するが、回転電機の極数、及びスロット数は適宜増減可能である。図１に示すように、回転電機１０は、例えば、インナーロータ型の回転電機として構成され、図示しない固定枠に支持された環状の、ここでは、円筒形状の固定子１２と、固定子の内側に回転自在にかつ固定子と同軸的に支持された回転子１４と、を備えている。

固定子１２は、円筒状の固定子鉄心１６と固定子鉄心に埋め込まれた電機子巻線１８とを備えている。固定子鉄心１６は、磁性材、例えば、円環状の電磁鋼板を多数枚、同芯状に積層して構成されている。固定子鉄心１６の内周部には、それぞれ軸方向に延びた複数のスロット２０が形成され、これにより、固定子鉄心１６の内周部は、回転子１４に面する多数の固定子ティース２１を構成している。スロット数は４８スロットで構成されている。そして、これらのスロット２０に電機子巻線１８が埋め込まれている。

回転子１４は、両端が図示しない軸受により回転自在に支持された回転軸２２と、この回転軸の軸方向ほぼ中央部に固定された円筒形状の回転子鉄心２４と、回転子鉄心内に埋め込まれた複数の永久磁石２６と、を有し、固定子１２の内側に僅かな隙間（エアギャアプ）を置いて同軸的に配置されている。

回転子鉄心２４は、磁性材、例えば、円環状の電磁鋼板２４ａを多数枚、同芯状に積層した積層体として構成されている。回転子鉄心２４は、それぞれ回転子鉄心の半径方向あるいは放射方向に延びる磁化容易軸（磁束の通りやすい部分）ｄ、および磁化困難軸（磁束が通り難い部分）ｑを有し、これらのｄ軸およびｑ軸は、回転子鉄心２４の円周方向に交互に、かつ、所定の位相で形成されている。

回転子鉄心２４の外周部に複数の凹所３０が形成されている。凹所３０は、それぞれ回転子鉄心２４を軸方向に貫通して延びているとともに、それぞれｄ軸上に位置している。回転子鉄心２４は、外周面に磁気的な凹凸を形成するために、複数の磁石埋め込み孔、および、これらの磁石埋め込み孔に埋め込まれた複数の永久磁石２６を備えている。永久磁石２６としては、例えば、フェライト磁石を用いる。

図１および図２に示すように、複数の磁石埋め込み孔は、回転子鉄心２４の各ｄ軸上において、回転子鉄心の半径方向に複数層、例えば、２層、並んで形成されている。回転子鉄心２４の外周側の磁石埋め込み孔３２ａは、横断面が円弧状に形成され、回転子鉄心２４を軸方向に貫通して延びている。同様に、回転子鉄心２４の内周側の磁石埋め込み孔３２ｂは、横断面が円弧状に形成され、回転子鉄心２４を軸方向に貫通して延びている。

２層の磁石埋め込み孔３２ａ、３２ｂは、回転子鉄心２４のｄ軸（磁極中心軸）上に中心を持ち、かつ、回転子鉄心の中心側に凸となる円弧状に形成されている。各磁石埋め込み孔３２ａ、３２ｂの両端部は、回転子鉄心２４の外周面の近傍まで延びている。回転子鉄心２４は、磁石埋め込み孔３２ａ、３２ｂの円弧方向両端部において、埋め込み孔の内周側面から埋め込み孔内に突出した支持突起３４を一体に有している。

複数の永久磁石２６は、各磁石埋め込み孔３２ａ、３２ｂに挿入され、回転子鉄心２４に埋め込まれている。各永久磁石２６は、例えば、断面が円弧形状の細長い棒状に形成され、回転子鉄心２４の軸方向長さとほぼ等しい長さを有している。そして、各永久磁石２６は回転子鉄心２４のほぼ全長に亘って埋め込まれている。これにより、複数の永久磁石２６は、回転子鉄心２４の各ｄ軸上において、回転子鉄心の半径方向に複数層、例えば、２層、並んで配置されている。

すなわち、永久磁石２６は、外周側の磁石埋め込み孔３２ａ内に挿入された外側の永久磁石２６ａと、内周側の磁石埋め込み孔３２ｂ内に挿入された内側の永久磁石２６ｂと、を含んでいる。外側の永久磁石２６ａは、磁石埋め込み孔３２ａの断面形状に対応する円弧状の断面形状に形成され、磁石埋め込み孔３２ａ内に嵌め込まれ、接着剤等により回転子鉄心２４に固定されている。また、永久磁石２６ａは、その円弧方向の両端面がそれぞれ支持突起３４に当接し、円弧方向の位置が決められている。

内側の永久磁石２６ｂは、磁石埋め込み孔３２ｂの断面形状に対応する円弧状の断面形状に形成され、磁石埋め込み孔３２ｂ内に嵌め込まれ、接着剤等により回転子鉄心２４に固定されている。また、永久磁石２６ｂは、その円弧方向の両端面がそれぞれ支持突起３４に当接し、円弧方向の位置が決められている。これにより、２層の永久磁石２６ａ、２６ｂは、回転子鉄心２４のｄ軸（磁極中心軸）上に中心を持ち、かつ、回転子鉄心の中心側に凸となる円弧状に配置されている。

内周側の磁石埋め込み孔３２ｂは、回転子鉄心２４の外周側に位置する円弧状の外周面３３ａと、回転子鉄心２４の中心側に位置し外周面３３ａと間隔をおいて対向する円弧状の内周面３３ｂと、により規定されている。回転子鉄心２４は、内周側の磁石埋め込み孔３２ｂにおいて、磁極中心軸ｄから離れた円弧方向両端部で内周面３３ｂから磁石埋め込み孔３２ｂ内に突出する２つの支持突起３４と、磁極中心軸ｄ上で内周面３３ｂから磁石埋め込み孔３２ｂ内に突出するセンター係止突起５０と、を一体に有している。このセンター係止突起５０は、内周側の磁石埋め込み孔３２ｂの中央部に設けられたセンター係止構造部を構成している。

本実施形態では、多層配置された２つの永久磁石２６ａ、２６ｂの内、少なくとも一方、例えば、内側の永久磁石２６ｂをその中央部で２つの永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２に分割している。永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２は、それぞれ磁石埋め込み孔３２ｂに挿入および固定され、センター係止突起５０の両側に埋設されている。２つの永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２は、左右線対称で円弧状の断面形状を有している。各永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２は、外周側の端が支持突起３４に当接し、磁極中心軸ｄ側の端がセンター係止突起５０に当接している。これにより、永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２は、それぞれ磁石埋め込み孔３２ｂ内に位置決め保持されている。

図２に示すように、各ｄ軸上に位置する２層の永久磁石２６ａ、２６ｂにおいて、少なくとも支持突起３４に当接している円弧方向の磁石端部は、磁化方向がｄ軸（磁極中心軸）側を向くように着磁されている。本実施形態において、外周側の永久磁石２６ａは、その全体の磁化方向が磁極中心軸ｄ側を向くように着磁されている。また、内周側の永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２において、センター係止突起５０側の端部は、磁化方向がｑ軸（磁極間中心軸）に向くように、つまり、ｄ軸から離れる方向を向くように、着磁されている。複数の永久磁石２６ａ、２６ｂを上記のように配置することにより、回転子鉄心２４の外周部において各ｄ軸上の領域は磁極部４０を形成し、各ｑ軸上の領域は磁極間部４２を形成している。そして、回転子１４は、回転子鉄心２４に装着された電機子巻線１８に電流を流すことにより回転磁界が発生し、この回転磁界と永久磁石２６からの発生磁界との相互作用により、回転子１４が回転軸２２を中心に回転する。

また、本実施形態では、回転子鉄心２４の各支持突起３４は、例えば、レーザーピーニング、ショットピーニング、プレスなどにより機械的圧力が加えられ、飽和磁束密度が回転子鉄心の他の部分よりも低くなるように処理され、磁気特性が劣化されている。
（作用）
次に、上記のように構成された回転電機１０の作用について説明する。回転電機１０が運転される際、回転子１４の回転により、永久磁石２６ａ、２６ｂが径方向に飛び出そうとする遠心力が永久磁石２６ａ、２６ｂに作用する。この際、永久磁石２６ａ、２６ｂの円弧方向の両磁石端部は、回転子鉄心２４の支持突起３４に当接していることから、これらの支持突起３４およびセンター係止突起５０により永久磁石２６ａ、２６ｂは飛び出すことなく保持される。

内周側の永久磁石２６ｂを２つの永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２に分割した場合、磁極中心軸上において永久磁石２６ｂに作用する遠心力を低減し、永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２の変位、変形を低減することが可能なる。

また、２つの永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２に分割した場合、各永久磁石の重心位置が磁極中心から離れる方向に変化する。この場合、永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２は、磁石埋め込み孔の円弧方向両端部に設けられた支持突起３４で拘束されるため、図２に示すように、支持突起３４を支点として、遠心力により、永久磁石に回転モーメントＭが作用する。このため、永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２が磁石埋め込み孔３２ｂの外周面３３ａに当たり、回転子鉄心２４に作用する応力が増加してしまう。本実施形態によれば、磁極中央部にセンター係止構造部としてセンター係止突起５０を配置し、このセンター係止突起５０に永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２の磁極中心軸側の端部が当接することにより、永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２の回転を抑制することができる。これにより、永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２が磁石埋め込み孔３２ｂの外周面３３ａで回転子鉄心２４に片当たりすることを防止し、回転子鉄心２４に作用する応力を大幅に低減することが可能となる。従って、遠心力による回転子鉄心２４の変形を抑制し、永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２を安定して保持することができる。

更に、センター係止突起５０は、磁石埋め込み孔３２ｂの内周面側のみに設けられていることから、漏れ磁束を低減することができる。これにより、トルクの減少を抑え、回転電機の高トルク、高出力を得ることが可能となる。

トルクを発生する際、永久磁石２６ａ、２６ｂの端部側面を流れようとする漏れ磁束に対し、永久磁石の磁化方向が対向しているため、漏れ磁束が流れにくくなる。また、大きなトルクを発生させるため、電機子巻線１８に大電流を流した際、永久磁石２６ａ、２６ｂの逆磁界となる電機子反作用磁界の加わる方向に対し、永久磁石の磁化方向が対向しているため、永久磁石の磁化が弱まりにくくなる。

（効果）
第１の実施形態によれば、永久磁石２６ａ、２６ｂに作用する回転遠心力が支持突起３４およびセンター係止突起５０で保持されるため、回転子鉄心２４内の応力を低減でき、回転電機の高速回転化、および信頼性向上を図ることができる。また、永久磁石２６ａ、２６ｂの磁石端部側面からの漏れ磁束を抑制することで、トルクの減少を抑え、回転電機の高トルク、高出力を実現することが可能となる。

電機子反作用による永久磁石の磁化減少を抑制することで、永久磁石が不可逆減磁し難くなり、信頼性が向上する。また、永久磁石として、安価で磁力の弱いフェライト磁石を用いた場合においても、高トルク、高出力、且つ高速回転が可能となり、信頼性の高い低コストの永久磁石式リラクタンス型の回転電機を提供することができる。

次に、他の実施形態に係る回転電機について説明する。なお、以下に説明する他の実施形態において、前述した第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分を中心に詳しく説明する。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る永久磁石型リアクタンス回転電機１０の固定子および回転子の横断面図、図４は、固定子および回転子の一部を拡大して示す断面図である。
本実施形態では、回転子鉄心２４のセンター係止構造部として、内周側の埋め込み孔３２ｂの中央部に設けられ、外周面３３ａと内周面３３ｂとを接続するセンターブリッジ５８を用いている。すなわち、図４および図５に示すように、回転子鉄心２４の半径方向に２層に並んで、外周側の磁石埋め込み孔３２ａと内周側の磁石埋め込み孔３２ｂが形成され、これらの磁石埋め込み孔３２ａ、３２ｂ内に永久磁石２６ａ、２６ｂが埋め込まれ、回転子鉄心２４の半径方向に２層に並べて配置されている。

内側の永久磁石２６ｂをその中央部で２つの永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２に分割している。また、内側の永久磁石を埋め込む内周側の磁石埋め込み孔３２ｂもその中央部、つまり、磁極中心軸（ｄ軸）上に設けられたセンターブリッジ４８により２つに分割されている。センターブリッジ４８は、回転子鉄心２４と一体に形成されている。

そして、永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２は、それぞれ磁石埋め込み孔３２ｂに挿入および固定され、円弧方向両端に位置する各磁石端部は、回転子鉄心２４の支持突起３４に当接している。また、各永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２のセンターブリッジ４８側の端部は、センターブリッジ４８に当接している。これにより、永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２は、それぞれ磁石埋め込み孔３２ｂ内に位置決め保持されている。

各永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２において、支持突起３４側の磁石端部は、磁化方向がｄ軸（磁極中心軸）側を向くように着磁されている。各永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２において、センターブリッジ４８側の端部は、磁化方向がｑ軸（磁極間中心軸）に向くように、つまり、ｄ軸から離れる方向に、着磁されている。

また、本実施形態では、回転子鉄心２４の各支持突起３４は、例えば、レーザーピーニング、ショットピーニング、プレスなどにより機械的圧力が加えられ、飽和磁束密度が回転子鉄心の他の部分よりも低くなるように処理され、磁気特性が劣化されている。
なお、第３の実施形態において、回転電機の他の構成は、前述した第１の実施形態に係る回転電機と同一である。

（作用および効果）
上記のように構成された第２の実施形態に係る回転電機の作用および効果について説明する。内周側の永久磁石２６ｂを２つの永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２に分割した場合、磁極中心軸上において永久磁石２６ｂに作用する遠心力を低減し、永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２の変位、変形を低減することが可能なる。

内側の永久磁石２６ｂを２つの永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２に分割した場合、各永久磁石の重心位置が磁極中心から離れる方向に変化する。この場合、永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２は、磁石埋め込み孔の円弧方向両端部に設けられた支持突起３４で拘束されるため、図４に示すように、支持突起３４が支点となり、永久磁石に作用する遠心力により、永久磁石に回転モーメントＭが作用する。このため、永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２が回転子鉄心に当たり、回転子鉄心の応力が増加してしまう。本実施形態によれば、磁極中央部にセンター係止構造部としてセンターブリッジ４８を配置し、永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２の回転を抑制することにより、永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２が固定子鉄心に片当たりすることを防止することができる。これにより、回転子鉄心に作用する応力を大幅に低減することが可能となる。

更に、センター係止構造部として機能するセンターブリッジ４８により磁石埋め込み孔３２ｂの中央の外周部と内周部とを接続することにより、回転子鉄心２４の機械的強度が上がり、回転遠心力による回転子鉄心の変形が更に抑制される。これにより、回転子鉄心の応力を一層低減でき、回転電機の高速回転を可能とし、高出力で信頼性が向上する。

センターブリッジ４８近傍を流れようとする漏れ磁束に対し、永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２の磁化方向が対向していることから、漏れ磁束が流れ難くなる。これにより、トルクの減少を抑え、回転電機の高トルク、高出力を得ることが可能となる。

また、大きなトルクを発生させるため、電機子巻線１８に大電流を流した際、センターブリッジ４８近傍の永久磁石２６ｂ１、２６ｂ２の逆磁界となる電機子反作用磁界の加わる方向に対し、永久磁石の磁化方向が対向しているため、永久磁石の磁化が弱まり難くなる。永久磁石が不可逆減磁し難くなり、回転電機の信頼性が向上する。

更に、回転子鉄心２４の支持突起３４の磁気特性を他の部分よりも劣化させることにより、支持突起に磁束が流れ難くなり、磁界の漏洩を一層確実に低減することが可能となる。これにより、高トルク化、高出力化が可能となる。

（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係る永久磁石式リアクタンス型の回転電機１０の固定子および回転子の横断面図、図６は、回転子を拡大して示す断面図である。
図５および図６に示すように、複数の磁石埋め込み孔は、回転子鉄心２４の各ｄ軸上において、回転子鉄心の半径方向に複数層、例えば、２層、並んで形成されている。回転子鉄心２４の外周側の磁石埋め込み孔３２ａは、横断面が円弧状に形成され、回転子鉄心２４を軸方向に貫通して延びている。同様に、回転子鉄心２４の内周側の磁石埋め込み孔３２ｂは、横断面が円弧状に形成され、回転子鉄心２４を軸方向に貫通して延びている。

２層の磁石埋め込み孔３２ａ、３２ｂは、回転子鉄心２４のｄ軸（磁極中心軸）上に中心を持ち、かつ、回転子鉄心の中心側に凸となる円弧状に形成されている。各磁石埋め込み孔３２ａ、３２ｂの両端部は、回転子鉄心２４の外周面の近傍まで延びている。回転子鉄心２４は、磁石埋め込み孔３２ａ、３２ｂの円弧方向の両端部において、埋め込み孔の内周側面から埋め込み孔内に突出した支持突起３４を一体に有している。

複数の永久磁石２６は、各磁石埋め込み孔３２ａ、３２ｂに挿入され、回転子鉄心２４に埋め込まれている。各永久磁石２６は、例えば、断面が円弧形状の細長い棒状に形成され、回転子鉄心２４の軸方向長さとほぼ等しい長さを有している。そして、各永久磁石２６は回転子鉄心２４のほぼ全長に亘って埋め込まれている。これにより、複数の永久磁石２６は、回転子鉄心２４の各ｄ軸上において、回転子鉄心の半径方向に複数層、例えば、２層、並んで配置されている。

すなわち、永久磁石２６は、外周側の磁石埋め込み孔３２ａ内に挿入された外側の永久磁石２６ａと、内周側の磁石埋め込み孔３２ｂ内に挿入された内側の永久磁石２６ｂと、を含んでいる。外側の永久磁石２６ａは、磁石埋め込み孔３２ａの断面形状に対応する円弧状の断面形状に形成され、磁石埋め込み孔３２ａ内に嵌め込まれ、接着剤等により回転子鉄心２４に固定されている。また、永久磁石２６ａは、その円弧方向の両端面がそれぞれ支持突起３４に当接し、円弧方向の位置が決められている。

内側の永久磁石２６ｂは、磁石埋め込み孔３２ｂの断面形状に対応する円弧状の断面形状に形成され、磁石埋め込み孔３２ｂ内に嵌め込まれ、接着剤等により回転子鉄心２４に固定されている。また、永久磁石２６ｂは、その円弧方向の両端面がそれぞれ支持突起３４に当接し、円弧方向の位置が決められている。これにより、２層の永久磁石２６ａ、２６ｂは、回転子鉄心２４のｄ軸（磁極中心軸）上に中心を持ち、かつ、回転子鉄心の中心側に凸となる円弧状に配置されている。

各ｄ軸上に位置する２層の永久磁石２６ａ、２６ｂにおいて、少なくとも支持突起３４に当接している円弧方向の磁石端部は、磁化方向が磁極中心軸ｄ側を向くように着磁されている。本実施形態において、永久磁石２６ａ、２６ｂは、その全体の磁化方向が磁極中心軸ｄ側を向くように着磁されている。複数の永久磁石２６を上記のように配置することにより、回転子鉄心２４の外周部において各ｄ軸上の領域は磁極部４０を形成し、各ｑ軸上の領域は磁極間部４２を形成している。そして、回転子１４は、回転子鉄心２４に装着された電機子巻線１８に電流を流すことにより回転磁界が発生し、この回転磁界と永久磁石２６からの発生磁界との相互作用により、回転子１４が回転軸２２を中心に回転する。

（作用）
次に、上記のように構成された回転電機１０の作用について説明する。回転電機１０が運転される際、回転子１４の回転により、永久磁石２６ａ、２６ｂが径方向に飛び出そうとする遠心力が永久磁石２６ａ、２６ｂに作用する。この際、永久磁石２６ａ、２６ｂの円弧方向の両磁石端部は、回転子鉄心２４の支持突起３４に当接していることから、これらの支持突起３４により永久磁石２６ａ、２６ｂは飛び出すことなく保持される。

トルクを発生する際、永久磁石２６ａ、２６ｂの端部側面を流れようとする漏れ磁束に対し、永久磁石の磁化方向が対向しているため、漏れ磁束が流れにくくなる。また、大きなトルクを発生させるため、電機子巻線１８に大電流を流した際、永久磁石２６ａ、２６ｂの逆磁界となる電機子反作用磁界の加わる方向に対し、永久磁石の磁化方向が対向しているため、永久磁石の磁化が弱まりにくくなる。

更に、内周側の永久磁石２６ｂは、２つに分割されることなく、円弧方向の中央部は、ほぼｄ軸上に延在している。そのため、永久磁石２６ｂは、より大きな磁力を発生し、回転電機の高トルク、高出力化に貢献することができる。

（効果）
第３の実施形態によれば、永久磁石２６ａ、２６ｂに作用する回転遠心力が支持突起３４で保持されるため、回転子鉄心２４内の応力を低減でき、回転電機の高速回転化、および信頼性向上を図ることができる。また、永久磁石２６ａ、２６ｂの磁石端部側面からの漏れ磁束を抑制することで、トルクの減少を抑え、回転電機の高トルク、高出力を実現することが可能となる。

電機子反作用による永久磁石の磁化減少を抑制することで、永久磁石が不可逆減磁し難くなり、信頼性が向上する。また、永久磁石として、安価で磁力の弱いフェライト磁石を用いた場合においても、高トルク、高出力、且つ高速回転が可能となり、信頼性の高い低コストの永久磁石式リラクタンス型の回転電機を提供することができる。

（第４の実施形態）
図７は、第４の実施形態に係る永久磁石式回転電機の回転子の一部を拡大して示す断面図である。本実施形態によれば、永久磁石２６ａ、２６ｂの各磁石端部と支持突起３４との間に、非磁性材、例えば、炭素強化繊維４６が配置されている。炭素強化繊維４６は、永久磁石２６ａ、２６ｂの磁石端部の端面（側面）に固定され、永久磁石２６ａ、２６ｂのほぼ全長に亘って延びいるとともに、支持突起３４に当接している。
なお、回転電機の他の構成は、前述した第３の実施形態に係る回転電機と同一である。

（作用）
上記のように永久磁石端部と支持突起３４との間に非磁性材を設けることにより、永久磁石２６ａ、２６ｂと支持突起３４との磁気抵抗が大きくなり、漏れ磁束が流れに難くなる。永久磁石２６ａ、２６ｂの逆磁界となる電機子反作用による磁界も、永久磁石と支持突起３４との間の磁気抵抗が大きくなることで、永久磁石の磁化が弱まり難くなる。また、非磁性材は、対圧縮性が高く、比重の軽い炭素強化繊維であるため、回転による遠心力を小さくすることができ、その分、永久磁石保持の信頼性が向上する。

（効果）
第４の実施形態によれば、非磁性材により漏れ磁束を一層抑制することができ、トルクの減少を抑え、高トルク、高出力が可能となる。また、電機子反作用による永久磁石の磁化減少を抑制することで、永久磁石が不可逆減磁し難くなり、信頼性が向上する。非磁性材の回転遠心力が小さくなり、回転子鉄心の応力を低減することが可能となり、更なる高速回転、信頼性が向上する。

なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、永久磁石型の回転電機は、インナーロータ型に限らず、アウターロータ型としてもよい。回転子の磁極数、寸法、形状等は、前述した実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。また、回転子鉄心２４内における永久磁石２６の多層配置は、２層に限らず、３層以上としてもよい。

１０…回転電機、１２…固定子、１４…回転子、１６…固定子鉄心、
１８…電機子巻線、２０…スロット、２２…回転軸、２４…回転子鉄心、
２６、２６ａ、２６ｂ…永久磁石、２６ｂ１、２６ｂ２…永久磁石、
３２ａ、３２ｂ…磁石埋め込み孔、３４…支持突起、４６…非磁性材、
４８…センターブリッジ、５０…センター係止突起

Claims (12)

1. 固定子鉄心およびこの固定子鉄心に取り付けられた電機子巻線を有する固定子と、
   前記固定子に対して回転自在に設けられた回転子鉄心と、前記回転子鉄心の半径方向に複数層並んで形成された複数の磁石埋め込み孔と、前記磁石埋め込み孔に埋設され、前記回転子鉄心の半径方向に複数層に並べて配置された複数の永久磁石と、を備える回転子と、を具備し、
   前記複数の磁石埋め込み孔は、前記回転子鉄心の外周側に位置する外周側の磁石埋め込み孔と、前記回転子鉄心の中心側に位置する内周側の磁石埋め込み孔と、を含み、前記外周側および内周側の磁石埋め込み孔は、前記回転子の磁極中心軸上に中心を持ち、かつ、回転子の中心側に凸となる円弧状に形成され、
   前記内周側の磁石埋め込み孔は、前記回転子鉄心の外周側に位置する外周面と、前記回転子鉄心の中心側に位置し前記外周面と間隔をおいて対向する内周面と、により規定され、
   前記回転子鉄心は、前記内周側の磁石埋め込み孔において、前記磁極中心軸から離れた両端部で前記内周面から磁石埋め込み孔内に突出する２つの内周側の支持突起と、前記磁極中心軸上で前記内周側の磁石埋め込み孔に設けられたセンター係止構造部と、を有し、
   前記複数の永久磁石は、前記内周側の磁石埋め込み孔内で前記センター係止構造部の両側に埋設された２つの永久磁石を含み、前記２つの永久磁石は、左右線対称で円弧状の断面形状を有し、円弧方向両端部が前記センター係止構造部と一方の支持突起とに係合し前記内周側の磁石埋め込み孔に保持されている永久磁石型の回転電機。
2. 前記センター係止構造部は、前記磁極中心軸上で前記内周側の磁石埋め込み孔の内周面から磁石埋め込み孔内に突出するセンター係止突起を有する請求項１に記載の永久磁石片の回転電機。
3. 前記２つの永久磁石の前記センター係止突起側の端部は、磁化方向が磁極中心軸から離れる側を向くように着磁されている請求項２に記載の永久磁石型の回転電機。
4. 前記センター係止構造部は、前記内周側の磁石埋め込み孔の内周面と外周面とを連結するセンターブリッジを有し、前記２つの永久磁石は、前記センターブリッジの両側で前記内周側の磁石埋め込み孔内に配置されている請求項１に記載の永久磁石型の回転電機。
5. 前記２つの永久磁石の前記センターブリッジ側の端部は、磁化方向が磁極中心軸から離れる側を向くように着磁されている請求項４に記載の永久磁石型の回転電機。
6. 前記回転子鉄心は、前記外周側の磁石埋め込み孔内に突出し前記永久磁石の円弧方向両端部に当接し前記永久磁石を支持する２つの支持突起を備えている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の永久磁石型の回転電機。
7. 前記永久磁石の前記支持突起と接する端部は、その磁化方向が前記磁極中心軸に向くように着磁されている請求項６に記載の永久磁石型の回転電機。
8. 前記永久磁石は、その磁化方向が前記磁極中心軸に向くように着磁されている請求項１ないし７のいずれか１項に記載の永久磁石型の回転電機。
9. 前記永久磁石の端部と前記支持突起との間に配置された非磁性材を備えている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の永久磁石型の回転電機。
10. 前記非磁性材は、炭素強化繊維で構成されている請求項９に記載の永久磁石型の回転電機。
11. 前記支持突起は、前記回転子鉄心の他の部分よりも飽和磁束密度が低く処理されている請求項１又は６に記載の永久磁石型の回転電機。
12. 前記永久磁石はフェライト磁石である請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の永久磁石型の回転電機。

Images