JP5045373B2 - 永久磁石式電動機の回転子 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石式回転機の回転子（ロータ）に関し、特に、永久磁石埋込み型（ＩＰＭ型：Interior Permanent Magnet）の回転機の回転子（ロータ）に関する。

磁極形成用の永久磁石を回転子（ロータ）の鉄心内部に設けられた貫通孔内に埋め込んだ永久磁石埋め込み型の回転機つまりＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）型の回転機において、出力トルク性能の向上を図るためには、永久磁石が発生する磁束により得られるマグネックトルクと、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとの間の差分によって生じるリラクタンストルクと、を増大させることが必要である。

特許文献１の特開２００１−１４５２８３号公報「永久磁石式回転機の回転子」には、１磁極当たりに４個以上の複数の永久磁石を多角形形状に配置することによって、固定子（ステータ）との間の磁束の磁路を確保して大きなリラクタンストルクを得ることを可能とする例が記載されている。本特許文献１においては、さらに、回転子の中心から極間の中央部へと径方向に伸びる延長線つまり極間中心線に沿って配置される永久磁石を、互いに隣り合った２つの極の間で共用することによって、永久磁石の個数を低減するとともに、２つの極で共用される永久磁石の回転子（ロータ）内周側の先端部の形状をＶ字形状とすることによって、隣の永久磁石に近接した配置を可能としている。

また、マグネットトルクを増加させるための他の例として、前記特許文献１と類似の技術が用いられている。つまり、マグネットトルクを増加させるためには、永久磁石で発生する磁束のほとんどを、固定子（ステータ）側の固定子巻線に鎖交させて、有効に利用することが必要であり、永久磁石で発生する磁束が隣の極へ漏れる漏れ磁束量を低減することが必要となる。

このため、互いに隣り合った２つの極の間の磁路を狭い幅とするために、互いに隣り合った２つの極の間で共用する位置、つまり、極間中心線上に、極間フラックスバリア（極間の磁束の漏れを防ぐための磁束障壁）として、空隙部を配置し、該極間フラックスバリアの回転子（ロータ）内周側の先端部の形状を、前記特許文献１における共用の永久磁石の先端部の形状と同様に、Ｖ字形状として、隣り合う２磁極の永久磁石に近接した配置としている。
特開２００１−１４５２８３号公報

マグネットトルクを増加させるために、従来の永久磁石式回転機の回転子（ロータ）の構造として、互いに隣り合った２つの永久磁石により形成される２磁極間の中央部になる極間中心線上に、先端部の断面形状が鋭角のＶ字形状となるフラックスバリア（磁束障壁）を、回転子（ロータ）の外縁近傍から、２つの永久磁石の両側面部に喰い込む形で延在させて、永久磁石の両側面部と平行な断面を形成する構造としている。

しかしながら、かくのごとき構造においては、永久磁石の回転子（ロータ）外周側に発生する遠心力のすべてを、永久磁石の側面部とフラックスバリアとの間に位置するブリッジ部外周側における引っ張り力として受け止めることが必要となり、ブリッジ部として引っ張り力に耐えるために、ブリッジ部内周側の幅を狭めることには制約が生じる。

したがって、２つの永久磁石間の幅を確保しようとするために、永久磁石の固定子（ステータ）側に面する磁性面の幅を十分に確保することができず、固定子（ステータ）側へ鎖交させる磁束量が抑えられてしまい、マグネットトルクが不足してしまう。このため、永久磁石式回転機の出力トルク性能が低下してしまうという問題が存在している。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、永久磁石の回転子（ロータ）の外周側に面する磁極面つまり固定子（ステータ）側に面する磁極面の幅を拡大することを可能とし、もって、マグネットトルクを増加させて、出力トルク性能の向上を可能とする永久磁石式回転機の回転子（ロータ）を提供することを、その目的としている。

本発明による永久磁石式回転機の回転子は、円柱形状の鉄心と、前記鉄心の円周方向に、あらかじめ定めた間隔で埋め込まれた第１層目の複数の永久磁石と、前記第１層よりも内周側に、第１層と同相となるよう、あらかじめ定めた間隔で埋め込まれた第２層目の複数の永久磁石と、前記鉄心内であって、前記鉄心の外縁近傍から隣接する前記第１層目の永久磁石間を通って、前記第２層目の隣接する前記永久磁石間の近傍に至るように形成された極間フラックスバリアと、前記第２層目の前記永久磁石の両側面部に接してそれぞれ形成された磁石側面フラックスバリアと、前記極間フラックスバリアと前記磁石側面フラックスバリアとの間に形成されたタンジェンシャルブリッジと前記磁石側面フラックスバリア間に形成されたラジアンブリッジとで形成されたＹ字形状のブリッジ部と、を有することを特徴とする。

本発明による永久磁石式回転機の回転子（ロータ）によれば、鉄心の外縁近傍から隣接する第１層目の永久磁石間を通って、第２層目の隣接する永久磁石間の近傍に至るように形成された極間フラックスバリアと、第２層目の永久磁石の両側面部に接してそれぞれ形成した磁石側面フラックスバリアと、極間フラックスバリアと磁石側面フラックスバリアとの間に形成されたタンジェンシャルブリッジと磁石側面フラックスバリア間に形成されたラジアンブリッジとで形成されたＹ字形状のブリッジ部を有するので、以下のごとき効果を奏することができる。

磁石側面フラックスバリアを第２層目の永久磁石の両側面部に接してそれぞれ形成することにより、極間フラックスバリアを、第２層目の２つの永久磁石の側面部の位置にまで延在させることが不要となるので、第２層目の２つの永久磁石の回転子（ロータ）内周側の磁石内周側端部間の幅を狭めることが可能となる。而して、固定子（ステータ）側に面する第２層目の永久磁石の磁極面の幅をより長くすることができるので、マグネットトルクを増大させることが可能となり、もって、永久磁石式回転機の出力トルク性能を向上させることが可能となる。

以下に、本発明による永久磁石式回転機の回転子（ロータ）の最良の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明による永久磁石式回転機は、固定子（ステータ）と回転子（ロータ）とによって構成されている。固定子（ステータ）は、電磁鋼板などの積層鋼板からなる環状の固定子鉄心と、該固定子鉄心のスロット内に巻装した固定子巻線とによって構成されている。一方、回転子（ロータ）は、例えば珪素鋼板などを積層した電磁鋼板からなる円柱形状の回転子鉄心と、該回転子鉄心内に穿設された複数の貫通孔内にそれぞれ埋め込まれる永久磁石とによって構成され、回転子（ロータ）の中心すなわち回転子鉄心中心部に取り付けられた回転軸によって、回転駆動が可能な構造とされている。

円柱形状の回転子鉄心内に穿設される複数の貫通孔は、該回転子鉄心の外縁近傍の円周方向に、あらかじめ定めた間隔で配置され、断面がほぼ矩形形状に穿孔される。さらに、貫通孔は、回転子（ロータ）外周側から回転子（ロータ）内周側に亘って、１ないし複数の層の同一ｄ軸上にも、永久磁石を、それぞれ、埋め込んだ多層構造とするために穿孔される。複数の貫通孔内それぞれに磁極形成用として埋め込まれる永久磁石は、断面がほぼ矩形形状（エッジ部を面取りしたものも含む）であり、Ｎ極、Ｓ極の磁性面となる長手方向が回転子（ロータ）の円周方向（すなわち接線方向）に、側面部となる厚み方向が回転子（ロータ）の径方向になるように、貫通孔内それぞれに嵌入・固定される。

ここで、本発明による永久磁石式回転機は、固定子（ステータ）の構造は従来技術と全く同様であってもかまわないので、その説明は省略し、以下には、回転子（ロータ）の構造についてのみ説明することにする。なお、以下の説明において用いる図面は、回転軸に沿う方向から見た場合の回転子（ロータ）の断面構造について示している。

（第１の実施形態）
まず、本発明による永久磁石式回転機の回転子（ロータ）の第１の実施形態について、図１を用いて説明する。ここに、図１は、本発明による永久磁石式回転機の回転子（ロータ）の第１の実施形態の構造を示す断面拡大図であり、円柱形状の回転子（ロータ）を回転軸に沿った方向から見た場合の断面について２つの永久磁石間のブリッジ部の形状を拡大して示している。図１（Ａ）は、回転子（ロータ）の外縁近傍に配置されている永久磁石とフラックスバリアとの配置状態を示しており、図１（Ｂ）は、フラックスバリアの形状およびフラックスバリアによって形成されるブリッジ部の形状を説明するために、図１（Ａ）の四角の枠で囲んだ部分をさらに拡大して示している。

図１（Ａ）に示すように、本実施形態においては、回転子（ロータ）の外縁近傍に、回転子（ロータ）の磁極形成用として、第１層目の貫通孔１０に埋め込まれた永久磁石１１と、第２層目の貫通孔２０に埋め込まれた永久磁石２１との、２層構造の永久磁石が配置されている。第１層目の永久磁石１１、第２層目の永久磁石２１は、いずれも、回転子（ロータ）の外縁の円周方向（すなわち接線方向）に、長手方向が配置され、その断面がほぼ矩形形状の構造であり、第１層目の永久磁石１１と第２層目の永久磁石２１との両者が、同一のｄ軸上の磁極形成位置として、あらかじめ定めた間隔で、配置されている。

また、磁束障壁用の極間フラックスバリア３として、回転子（ロータ）の外縁近傍から回転子（ロータ）の径方向に向かって、第１層目の２つの永久磁石１１間の中央部を通って、第２層目の２つの永久磁石２１の外周側端部の近傍に至るまで、回転子（ロータ）の中心と、隣り合う永久磁石２１の磁極間の中央部と、を結ぶ径方向の極間中心線（つまり、ｑ軸方向の延長線）上に、断面がほぼ多角形状（例えば５角形状）の空隙部が形成されている。また、第１層目の永久磁石１１の両側面部、および、第２層目の永久磁石２１の両側面部には、それぞれの側面部に接した状態で、磁束障壁用の磁石側面フラックスバリア１２、磁石側面フラックスバリア２２として、断面がほぼ多角形状の空隙部が形成されている。

第２層目の２つの永久磁石２１の外周側端部の近傍にまで延在した極間フラックスバリア３の先端部において稜線を形成する２つの先端側断面は、第２層目の永久磁石２１の両側面部に形成された磁石側面フラックスバリア２２の回転子（ロータ）の外周側に面した外周側断面に対向して、両者がほぼ平行な状態に配置される。この結果、極間フラックスバリア３の先端部を形成する先端側断面と磁石側面フラックスバリア２２の回転子（ロータ）外周側に面した外周側断面との両者の面で挟まれた回転子鉄心領域には、図１（Ｂ）に示すように、極間中心線とあらかじめ定めた交差角度をもって円周方向に傾斜したタンジェンシャル方向に、ほぼ平行な断面を有するタンジェンシャルブリッジ５が細長く形成される。

また、第２層目の永久磁石２１の両側面部に形成される磁石側面フラックスバリア２２については、隣の永久磁石２１側に面した極間側断面が、極間中心線に対してほぼ平行な状態で形成されており、隣の永久磁石２１の側面部に形成された磁石側面フラックスバリア２２の極間側断面に対向して、極間中心線に対して左右対称（面対称）となる位置に、両者がほぼ平行な状態に配置される。この結果、極間中心線上には、対向する２つの磁石側面フラックスバリア２２によって、回転子（ロータ）の径方向（ラジアル方向）に、ほぼ平行な断面を有するラジアルブリッジ４が細長く形成される。

なお、図１（Ａ）においては、回転子（ロータ）に埋め込まれた永久磁石として第１、第２の２層構造の場合を示しているが、本発明においては、２層以上の多層構造であってもかまわない。多層構造の場合、前述した第２層目が、最も回転子（ロータ）内周側に配置される層に該当する。

次に、図１（Ｂ）の拡大図を用いて、極間フラックスバリア３、磁石側面フラックスバリア２２の形状、および、ラジアルブリッジ４、タンジェンシャルブリッジ５の形状について、さらに説明する。

前述したように、極間フラックスバリア３は、隣り合う永久磁石１１，２１の磁極間の中間に位置して、回転子（ロータ）の径方向の極間中心線Ａ上に形成されている。さらに、極間フラックスバリア３の回転子（ロータ）内周側の先端部を形成する稜線３１を挟む２つの先端側断面３ａは、前述のように、永久磁石２１の側面部に形成された磁石側面フラックスバリア２２の回転子（ロータ）の外周側に面した外周側断面２２ａに対向した近傍の位置に、外周側断面２２ａとほぼ平行に配置されている。この結果、極間フラックスバリア３の先端側断面３ａと磁石側面フラックスバリア２２の外周側断面２２ａとによって挟まれた回転子鉄心領域には、前述のように、タンジェンシャルブリッジ５が形成される。

ここで、極間フラックスバリア３の先端側断面３ａと磁石側面フラックスバリア２２の外周側断面２２ａとは、前述のように、互いに近接させて、ほぼ平行な位置関係に形成された断面であるので、タンジェンシャルブリッジ５は、細長いほぼ矩形の断面形状として、回転子（ロータ）の径方向の極間中心線Ａとあらかじめ定めた交差角度で交差する方向に形成される。つまり、タンジェンシャルブリッジ５の中心線が、回転子（ロータ）の径方向を示す極間中心線Ａとなす角度があらかじめ定めた交差角度となるように形成される。

ここで、あらかじめ定めた交差角度としては、極間フラックスバリア３の先端部の稜線３１を形成する２つの先端側断面３ａがなす先端角度θが鈍角になるように設定する。この先端角度θは、前記交差角度の２倍の角度である。また、極間フラックスバリア３の幅（径方向と直交する方向の空隙部の幅）は、磁束障壁用としての効果を得るために、隣り合う永久磁石２１の回転子（ロータ）外周側の磁石外周側端部間の間隔とほぼ同等程度の幅とされ、左右の２つの先端側断面３ａも含めて、極間フラックスバリア２２の断面形状は、極間中心線Ａに対して左右対称に形成される。

さらに、極間フラックスバリア２２の回転子内周側の先端部の位置は、互いに隣り合う永久磁石２１の回転子外周側の磁石外周側端部間を結ぶ面が極間中心線Ａと交差する位置よりも、回転子（ロータ）外周部側に形成され、極間フラックスバリア２２が、永久磁石２１の側面部の位置になるまで、回転子（ロータ）内周部側に、深く延在しないように配置される。

また、磁石側面フラックスバリア２２については、前述のように、回転子（ロータ）の円周方向に沿ってあらかじめ定めた間隔で配置されている永久磁石２１の両側面部に形成されており、断面が多角形状の空隙部として、永久磁石２１の回転子（ロータ）外周部側の磁石外周側端部２１ａと回転子（ロータ）内周部側の磁石内周側端部２１ｂとから立ち上がって、磁石外周側端部２１ａから磁石内周側端部２１ｂに至る永久磁石２１の側面部全域を覆うように形成されている。

ここで、前述したように、磁石側面フラックスバリア２２の隣の永久磁石２１側に面する断面を形成する極間側断面２２ｂは、極間中心線Ａに対してほぼ平行な面であり、隣の永久磁石２１の側面部に形成されている磁石側面フラックスバリア２２の極間側断面２２ｂに対向して、極間中心線Ａに対して左右対称（面対称）で、かつ近接した位置に配置され、隣の磁石側面フラックスバリア２２の極間側断面２２ｂとほぼ平行に配置されている。この結果、隣り合う２つの磁石側面フラックスバリア２２の極間側断面２２ｂにより挟まれた回転子鉄心領域には、ほぼ矩形形状の断面のラジアルブリッジ４が、細長く、極間中心線Ａ上に形成される。

また、回転子（ロータ）の外周側に面した断面を形成する外周側断面２２ａは、前述のように、極間中心線Ａ上に配置された極間フラックスバリア３の先端部（先端角度θ）を形成する先端側断面３ａに対向した状態で、極間フラックスバリア３の先端側断面３ａとほぼ平行に配置されている。この結果、極間フラックスバリア３の先端側断面３ａとの間の回転子鉄心領域には、極間中心線Ａとあらかじめ定めた交差角度で回転子（ロータ）の円周方向に傾斜したタンジェンシャルブリッジ５が形成される。

したがって、極間フラックスバリア３と磁石側面フラックスバリア２２とで挟まれたタンジェンシャルブリッジ５と２つの磁石側面フラックスバリア２２で挟まれたラジアルブリッジ４とは、図１（Ｂ）に示すように、ほぼＹ字形状の細長い断面を有するブリッジ部を形成することになる。

ここで、図１（Ｂ）のように、Ｙ字形状のブリッジ部を形成する場合、隣り合う２つの磁石側面フラックスバリア２２が、永久磁石２１の両側面部全域を覆うように形成されているので、前述したように、極間フラックスバリア３の先端部を形成する２つの先端側断面３ａを、回転子（ロータ）の内周側に深く延在させて、永久磁石２１の側面部近傍の位置まで、喰い込ませる構造とする必要はない。

したがって、遠心力による応力負担をタンジェンシャルブリッジ５の各部位で均等に負担することができるように、２つの先端側断面３ａがなす先端角度θを鈍角とするとともに、隣り合う永久磁石２１間の間隔を狭めて、永久磁石２１の磁性面を長くすることを可能とするために、極間フラックスバリア３の先端部を形成する稜線３１の位置を、隣り合う２つの永久磁石２１の回転子（ロータ）外周側の磁石外縁側端部２１ａ間を結ぶ面が極間中心線Ａと交差する位置を超えて回転子（ロータ）内周側に延在させないように、磁石外縁側端部２１ａ間を結ぶ面が極間中心線Ａと交差する位置よりも回転子（ロータ）外周側にとどめる構造としている。

なお、図１（Ｂ）に示す磁石側面フラックスバリア２２の形状は、永久磁石２１の回転子（ロータ）外周部側の磁石外周側端部２１ａと回転子（ロータ）内周部側の磁石内周側端部２１ｂとから永久磁石２１側面部に対してほぼ垂直に立ち上がる多角柱形状としているが、場合によっては、回転子（ロータ）内周部側の磁石内周側端部２１ｂからは、極間中心線Ａと平行になる方向、つまり、回転子（ロータ）外周部側に向かって永久磁石２１側面部に対して斜め方向に立ち上がるような三角柱形状としても良い。

以上のように、永久磁石２１の両側面部に磁石側面フラックスバリア２２を形成し、かつ、極間フラックスバリア３が永久磁石２１の側面部近傍までには延在しない、ほぼＹ字形状の断面を有するブリッジ部を形成する構造とすることにより、以下のごとき効果を奏することができる。

遠心力により回転子（ロータ）にかかる応力を、永久磁石２１の回転子（ロータ）外周側の回転子鉄心（コア）の円周方向の剛性のみならず、円周方向にあらかじめ傾斜した交差角度で形成されたタンジェンシャルブリッジ５の円周方向の剛性によっても、分担することが可能となる。その結果、ラジアルブリッジ４によって分担する応力負担分を減少させることが可能となるので、ラジアルブリッジ４の幅（つまり、隣り合う２つの磁石側面フラックスバリア２２間の間隔）を狭くすることができる。而して、永久磁石２１の回転子（ロータ）外周側に面する磁極面（つまり固定子側に面する磁極面）の長さをより長くすることにより、永久磁石２１が発する磁束を増加させることが可能となる。したがって、マグネットトルクをより増大させることによって、永久磁石式回転機の出力トルク性能を向上させることができる。

さらには、タンジェンシャルブリッジ５とラジアルブリッジ４とからなるＹ字形状のブリッジ部を形成することにより、従来の技術のように、２つの永久磁石間に配置される極間フラックスバリアを永久磁石の側面部近傍にまで深く延在させる形態となるＶ字形状のブリッジ部の場合に比して、永久磁石２１を回転子（ロータ）内周部側のより深い位置にまで埋め込むことができるので、ｑ軸インダクタンスをより大きな値とすることができる。その結果、リラクタンストルクをより増大させることが可能となり、而して、永久磁石式回転機の出力トルク性能を向上させることができる。

次に、永久磁石からの磁束が固定子（ステータ）の固定子巻線と鎖交する鎖交磁束量に関する実験結果の一例について、図２を用いて説明する。図２には、鎖交磁束量の実験結果として、タンジェンシャルブリッジ５とラジアルブリッジ４とからなるＹ字形状のブリッジ部を形成する本実施形態の場合と、極間フラックスバリアが永久磁石の側面部近傍にまで深く延在させてＶ字形状のブリッジを形成する従来技術の場合とを対比して示している。図２に示すように、本実施形態のごときＹ字形状のブリッジ部を形成した場合、従来技術のＶ字形状のブリッジ部の場合に比して、鎖交磁束量をほぼ１０％改善することができ、永久磁石式回転機の出力トルクを最大５％向上させることができる。

また、極間フラックスバリアのみによりＶ字形状のブリッジ部を形成する従来技術の場合、該極間フラックスバリアの先端部が鋭角となってしまうため、プレス加工に用いる型の寿命が低下してしまうという問題もある。しかし、Ｙ字形状のブリッジ部を形成する本実施形態においては、図１（Ｂ）に示すように、極間フラックスバリア３の先端部の角度つまり極間フラックスバリア３の先端部を形成する２つの先端側断面３ａがなす先端角度θを鈍角とすることができるとともに、磁石側面フラックスバリア２２の外周側断面２２ａと極間側断面２２ｂとがなす角度についても、鈍角として形成することが可能であるので、プレス加工の型の寿命を延ばすことが可能となる。

ここで、従来技術のようなＶ字形状のブリッジ部の場合、プレス加工の型の寿命を改善しようとして、Ｖ字形状の先端部を鈍角にしようとすると、極間フラックスバリアの先端部近辺の回転子（ロータ）内周側におけるブリッジ部の幅が広くなってしまい、その結果、永久磁石間の漏れ磁束量が増加して、マグネットトルクの低下を引き起こしてしまうことになり、有効な解決策とはならない。

なお、本実施形態においては、Ｙ字形状のブリッジ部を形成するタンジェンシャルブリッジ５は、長手方向が、互いに平行な極間フラックスバリア３の先端側断面３ａと磁石側面フラックスバリアの外周側断面２２ａとで挟まれたほぼ矩形形状の断面を有し、一方、ラジアルブリッジ４は、長手方向が、互いに平行な、互いに隣り合う２つの磁石側面フラックスバリアの極間側断面２２ｂとで挟まれたほぼ矩形形状の断面を有している。したがって、Ｙ字形状のブリッジ部の各部位について、幅を狭くし、かつ、長さを長くした磁路として形成することが可能である。而して、永久磁石２１が発する磁束が、極間に形成されたＹ字形状のブリッジ部を介して、隣の永久磁石２１側に漏れる漏れ磁束量を低減することが可能となり、マグネットトルクを増加させ、永久磁石式回転機の出力トルク性能を向上させることができる。

さらに、図１には、回転子（ロータ）に埋め込まれる永久磁石を２層構造とした例を説明したが、前述のように、同一のｄ軸上に複数の永久磁石を多層に埋め込んださらに層数が多い多層構造とすることも可能であり、この結果、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとの差をさらに大きくすることができるので、リラクタンストルクの増加を図ることが可能となり、永久磁石式回転機の出力トルク性能をさらに向上させることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明による永久磁石式回転機の回転子（ロータ）の第２の実施形態について、図３を用いて説明する。ここに、図３は、本発明による永久磁石式回転機の回転子（ロータ）の第２の実施形態の構造を示す断面拡大図であり、円柱形状の回転子（ロータ）を回転軸に沿った方向から見た場合の断面について、第１の実施形態における図１（Ａ）の四角の枠で囲んだ部分と同一の部分をさらに拡大して、２つの永久磁石間のブリッジ部の形状を示している。ここで、本実施形態の図３は、図１（Ｂ）の場合と異なる例として、タンジェンシャルブリッジ５の幅をさらに狭く形成することを可能とするための構造を説明するものである。

図３においても、第１の実施形態の図１（Ｂ）の場合と同様に、極間中心線Ａ上に配置する極間フラックスバリア３の他に、永久磁石２１の両側面部に配置する磁石側面フラックスバリア２２を設けることにより、タンジェンシャルブリッジ５とラジアルブリッジ４とからなるＹ字形状のブリッジ部を形成している。しかし、図３の場合は、図１（Ｂ）の場合とは異なり、タンジェンシャルブリッジ５の中心線と極間中心線Ａとがなす角度α（つまり、図１（Ｂ）に示す極間フラックスバリア３の先端側断面３ａがなす先端角度θの（１／２）の角度）について、具体的な設定値を規定する場合について説明している。

第１の実施形態の図１（Ｂ）の場合においては、極間フラックスバリア３の先端角度θ（つまり、極間フラックスバリア３の先端部を形成する２つの先端側断面３ａがなす角度）を鈍角に形成する場合について説明したが、本実施形態のように、タンジェンシャルブリッジ５の中心線と極間中心線Ａとがなす角度つまりタンジェンシャル角度αをあらかじめ定めた交差角度として規定することによって、耐遠心力性能のみならず、出力トルク性能も改善することを可能とするとともに、極間フラックスバリア３、タンジェンシャルブリッジ５が、極間中心線Ａに対して左右対称（線対称）な形状に形成されることになる。

図３において、タンジェンシャルブリッジ５の中心線と極間中心線Ａとがなす角度つまりタンジェンシャル角度αを、例えば、６０°〜７０°の範囲内の角度に設定することによって、遠心力による応力を、タンジェンシャルブリッジ５の各部位においてほぼ均等に分担させることが可能な状態になり、たとえ、細長い形状のタンジェンシャルブリッジ５であっても、タンジェンシャルブリッジ５の各部位の円周方向の剛性によって応力に耐える構造とすることができる。したがって、ラジアルブリッジ４のみならず、タンジェンシャルブリッジ５の幅もさらに狭い形状とすることが可能となり、永久磁石２１が発する磁束が隣の永久磁石２１側に漏れる漏れ磁束量を低減することが可能となり、出力トルク性能を改善することができる。

さらに、タンジェンシャル角度αを６０°〜７０°の範囲内の角度に設定することによって、ラジアルブリッジ４のみならずタンジェンシャルブリッジ５も、極間中心線Ａに対して左右対称な配置関係になると同時に、Ｙ字形状のブリッジ部を形成する２つのタンジェンシャルブリッジ５と１つのラジアルブリッジ４とが、互いに、ほぼ等間隔に（つまり、２つのタンジェンシャルブリッジ５間が１２０°〜１４０°の範囲内の角度、タンジェンシャルブリッジ５とラジアルブリッジ４との間が１１０°〜１２０°の範囲内の角度として）形成されるので、マグネットトルクやリラクタンストルクの変動を抑制し、出力トルク性能の改善を図ることができる。

例えば、タンジェンシャルブリッジ５の中心線と極間中心線Ａとの間のタンジェンシャル角度αを変更した場合に、遠心力に耐えることが可能なタンジェンシャルブリッジ５の幅を実験した実験結果の一例を、図４に示す。図４に示すように、タンジェンシャルブリッジ５の中心線と極間中心線Ａとがなす角度つまりタンジェンシャル角度αを６０°〜７０°の範囲内の角度に設定した場合、タンジェンシャルブリッジ５の各部位にはほぼ均等に遠心力による応力が加わることになり、タンジェンシャルブリッジ５の幅を０．９ｍｍ〜１．２ｍｍ程度に狭めることが可能となる（ここで、タンジェンシャル角度αを６５°とした場合に、０．９ｍｍと最も狭い幅とすることができる）。

かくのごとく、タンジェンシャル角度αを６０°〜７０°の範囲内の角度に設定して、タンジェンシャルブリッジ５の幅を狭く形成することにより、前述のように、永久磁石２１が発する磁束が、狭いタンジェンシャルブリッジ５を経由して隣の永久磁石２１側に漏れる漏れ磁束量を低減することができるので、マグネットトルクをより増大させることが可能になり、而して、永久磁石式回転機の出力トルク性能を向上させることができる。

さらに、第１の実施形態の場合と同様、本実施形態においても、タンジェンシャル角度α（６０°〜７０°）の２倍に角度となる極間フラックスバリア３の先端部の内角（つまり極間フラックスバリア３の先端部を形成する２つの先端側断面３ａがなす先端角度θ）についても、鈍角として形成することになるので、回転子（ロータ）製造時に用いるプレス加工の型の寿命を延ばすことも可能となる。

（第３の実施形態）
次に、本発明による永久磁石式回転機の回転子（ロータ）の第３の実施形態について、図５を用いて説明する。ここに、図５は、本発明による永久磁石式回転機の回転子（ロータ）の第３の実施形態の構造を示す断面拡大図であり、図１の場合と同様、円柱形状の回転子（ロータ）を回転軸に沿った方向から見た場合の断面について２つの永久磁石間のブリッジ部の形状を拡大して示している。図５（Ａ）は、回転子（ロータ）の外縁近傍に配置されている永久磁石とフラックスバリアとの配置状態を示しており、図５（Ｂ）は、フラックスバリアの形状およびフラックスバリアによって形成されるブリッジ部の形状を説明するために、図５（Ａ）の四角の枠で囲んだ部分をさらに拡大して示している。

本実施形態の図５においては、図１の場合と異なる例として、永久磁石２１の両側面部に形成する磁石側面フラックスバリアを、永久磁石２１の側面部全域ではなく、その一部に形成する場合を説明している。つまり、磁石側面フラックスバリア２２Ａとして、回転子（ロータ）外周側の立ち上がり位置については、図１の場合と同様、永久磁石２１の磁石外周側端部２１ａから立ち上がるが、回転子（ロータ）内周側の立ち上がり位置は、永久磁石２１の磁石内周側端部２１ｂとなる図１の場合とは異なり、永久磁石２１の側面部内の任意に定めた特定位置とすることにより、永久磁石２１の回転子（ロータ）外周側に寄せた位置に空隙部を形成する構造を示している。

つまり、第１の実施形態の図１（Ｂ）の構成においては、磁石側面フラックスバリア２２が、永久磁石２１の磁石外周側端部２１ａと磁石内周側端部２１ｂとから立ち上がって、永久磁石２１の側面部全域を覆うように形成されている。しかし、本実施形態の場合は、図５（Ｂ）に示すように、磁石側面フラックスバリア２２Ａは、永久磁石２１の磁石外周側端部２１ａと永久磁石２１の側面部内の任意に定めた特定位置のバリア内周側端部２２ｃとから立ち上がって、永久磁石２１の側面部のうち、回転子（ロータ）外周側の一部の側面のみを覆うように形成し、バリア内周側端部２２ｃから回転子（ロータ）内周側の磁石内周側端部２１ｂまでの間の回転子（ロータ）内周側の側面部には、フラックスバリアが形成されない形状とされている。

すなわち、図５（Ｂ）の磁石側面フラックスバリア２２Ａは、図１（Ｂ）の磁石側面フラックスバリア２２をほぼ相似形の形状に縮小して、永久磁石２１の回転子（ロータ）外周側の側面部に形成したものであり、磁石側面フラックスバリア２２Ａの断面形状は、磁石側面フラックスバリア２２と同様のほぼ多角形状からなっている。

この結果、隣り合う２つの永久磁石２１間の間隔が狭くなる磁石内周側端部２１ｂ側には、フラックスバリアが形成されていないので、永久磁石２１の回転子（ロータ）外周側に面する磁性面（つまり固定子側に面する磁性面）の長さを、図１の場合よりもさらに長くすることが可能となる。したがって、永久磁石２１が発する磁束を増加させることが可能となるので、マグネットトルクをより増大させることによって、永久磁石式回転機の出力トルク性能をさらに向上させることができる。

次に、図５の磁石側面フラックスバリア２２Ａとはさらに異なる形状について、図６に示す。図６は、本発明による永久磁石式回転機の回転子（ロータ）の第３の実施形態の図５とは異なる構造を示す断面拡大図であり、図６（Ａ）は、回転子（ロータ）の外縁近傍に配置されている永久磁石とフラックスバリアとの配置状態を示しており、図６（Ｂ）は、フラックスバリアの形状およびフラックスバリアによって形成されるブリッジ部の形状を説明するために、図６（Ａ）の四角の枠で囲んだ部分をさらに拡大して示している。

図５（Ｂ）の磁石側面フラックスバリア２２Ａにおいては、永久磁石２１の磁石外周側端部２１ａと永久磁石２１の側面部内の任意に定めた特定位置のバリア内周側端部２２ｃとから、永久磁石２１の側面部に対してほぼ垂直方向に立ち上がるような、多角柱形状のフラックスバリアを形成する場合を示した。

しかし、図６（Ｂ）の磁石側面フラックスバリア２２Ｂにおいては、回転子（ロータ）の外周側は、図５（Ｂ）の場合と同様、永久磁石２１の磁石外周側端部２１ａから永久磁石２１の側面部に対してほぼ垂直方向に立ち上がるが、回転子（ロータ）の内周側は、図５（Ｂ）の場合とは異なり、永久磁石２１の側面部内の特定位置のバリア内周側端部２２ｄから、永久磁石２１の側面部に対して斜め方向の、極間中心線Ａと平行な方向に立ち上がる。この結果、図６（Ｂ）の磁石側面フラックスバリア２２Ｂは、ほぼ三角柱形状のフラックスバリアとして形成される。つまり、図６（Ｂ）の磁石側面フラックスバリア２２Ｂは、図１（Ｂ）の磁石側面フラックスバリア２２の極間側断面２２ｂが、他の断面を介することなく、永久磁石２１の側面部内の特定位置のバリア内周側端部２２ｄから直接形成されている場合に相当している。

図６の磁石側面フラックスバリア２２Ｂにおいても、図５の磁石側面フラックスバリア２２Ａの場合と同様、隣り合う２つの永久磁石２１間の間隔が狭くなる磁石内周側端部２１ｂ側には、フラックスバリアが形成されていないので、永久磁石２１の回転子（ロータ）外周側に面する磁極面（つまり固定子側に面する磁極面）の長さを、図１の場合よりもさらに長くすることが可能となる。したがって、永久磁石２１が発する磁束を増加させることが可能となるので、マグネットトルクをより増大させることによって、永久磁石式回転機の出力トルク性能を向上させることができる。

なお、図６（Ｂ）においては、永久磁石２１の端部つまり磁石外周側端部２１ａ、磁石内周側端部２１ｂは、面取りを施してエッジ部を削ることにより、遠心力に対する応力の集中を避ける構造としている例を示しているが、かかる形状を、第１の実施形態の図１や本実施形態の図５についても、当然のことながら、適用することができる。

さらに、極間フラックスバリア３や磁石側面フラックスバリア２２Ｂについても、エッジ部を面取りによって削って滑らかな曲面としても良く、第１の実施形態の図１や本実施形態の図５についても、同様に、面取りによりエッジ部がない曲面としても良い。

（第４の実施形態）
次に、本発明による永久磁石式回転機の回転子（ロータ）の第４の実施形態について、図７を用いて説明する。ここに、図７は、本発明による永久磁石式回転機の回転子（ロータ）の第４の実施形態の構造を示す断面拡大図であり、図１の場合と同様、円柱形状の回転子（ロータ）を回転軸に沿った方向から見た場合の断面について２つの永久磁石間のブリッジ部の形状を拡大して示している。図７（Ａ）は、回転子（ロータ）の外縁近傍に配置されている永久磁石とフラックスバリアとの配置状態を示しており、図７（Ｂ）は、フラックスバリアの形状およびフラックスバリアによって形成されるブリッジ部の形状を説明するために、図７（Ａ）の四角の枠で囲んだ部分をさらに拡大して示している。

本実施形態の図７においては、第１の実施形態の図１の場合と異なる例として、極間中心線Ａ上に形成される極間フラックスバリアの先端部を断面が円弧形状の曲面によって形成している場合を説明している。つまり、図１の極間フラックスバリア３の場合には、回転子（ロータ）内周側の先端部を平面形状の２つの先端側断面３ａによって挟んだ稜線３１を伴う屈曲形状（鈍角ながら角度を有する２つの平面で挟まれた形状）に形成していたが、図７の極間フラックスバリア３Ａにおいては、エッジ部となる稜線３１を形成することなく、当該極間フラックスバリア３Ａの側面側断面間の幅を直径とする円柱形状の先端側曲面３ｂによって回転子（ロータ）内周側の先端部を形成している例を示している。

さらに、場合によっては、永久磁石２１の側面部に形成された磁石側面フラックスバリア２２Ｃについても、回転子（ロータ）の外縁側に面した外周側断面を、曲面形状として形成するようにしても良い。つまり、図１の磁石側面フラックスバリア２２の場合には、極間フラックスバリア３の先端側断面３ａと対向したほぼ平行な位置に、ほぼ平面形状の外周側断面２２ａが回転子（ロータ）の外周側に面して形成されて、隣の磁石側面フラックスバリア２２に対向して配置されるほぼ平面形状の極間側断面２２ｂとは面取りを施すようにして接続していた。

一方、本実施形態の図７の場合には、永久磁石２１の側面部に形成される磁石側面フラックスバリア２２Ｃについては、極間フラックスバリア３Ａの先端側曲面３ｂと対向した位置には、断面が円弧形状の外周側曲面２２ｅが形成されており、該外周側曲面２２ｅは、永久磁石２１の回転子（ロータ）外周側の磁性面と極間側断面２２ｂとを接線方向とする円弧形状として、永久磁石２１の回転子（ロータ）外周側の磁性面と極間側断面２２ｂとを滑らかな曲面によって接続している。

図７（Ｂ）のように、断面が円弧形状とされてエッジ部がない先端側曲面３ｂによって極間フラックスバリア３Ａの回転子（ロータ）内周側の先端部を形成し、また、場合によっては、断面が円弧形状とされてエッジ部がない外周側曲面２２ｅによって磁石側面フラックスバリア２２Ｃの回転子（ロータ）外周側の断面を形成することによって、図１（Ｂ）に示した形状に比し、遠心力による応力が集中することをさらに緩和することができ、タンジェンシャルブリッジ５やラジアルブリッジ４の幅を、より狭い形状に形成することが可能となる。

この結果、永久磁石２１が発する磁束が、幅がより狭く形成されたタンジェンシャルブリッジ５を経由して、隣の永久磁石２１側に漏れる漏れ磁束量をさらに低減することができるので、マグネットトルクを増大させることが可能になり、而して、永久磁石式回転機の出力トルク性能をさらに向上させることができる。

次に、図７の磁石側面フラックスバリア２２Ｃの構造とはさらに異なる形状について、図８に示す。図８は、本発明による永久磁石式回転機の回転子（ロータ）の第４の実施形態の図７とは異なる構造を示す断面拡大図であり、図８（Ａ）は、回転子（ロータ）の外縁近傍に配置されている永久磁石とフラックスバリアとの配置状態を示しており、図８（Ｂ）は、フラックスバリアの形状およびフラックスバリアによって形成されるブリッジ部の形状を説明するために、図８（Ａ）の四角の枠で囲んだ部分をさらに拡大して示している。

ここで、図８（Ｂ）の極間フラックスバリア３Ａについては、図７（Ｂ）に示した極間フラックスバリア３Ａの場合と全く同様に形状であり、回転子（ロータ）内周側の先端部を断面が円弧形状の先端側曲面３ｂによって形成している。

一方、図８（Ｂ）の磁石側面フラックスバリア２２Ｄについては、図７（Ｂ）の磁石側面フラックスバリア２２Ｃとは異なり、第３の実施形態の場合と同様、永久磁石２１の側面部全領域ではなく、その一部に形成するとともに、さらに、磁石側面フラックスバリア２２Ｄを断面が円弧形状となる円柱形状として形成している。

つまり、図７（Ｂ）の磁石側面フラックスバリア２２Ｃの場合、前述のように、外周側曲面２２ｅを有して形成されているものの、磁石側面フラックスバリア２２Ｃは、図１の場合と同様、永久磁石２１の磁石外周側端部２１ａと磁石内周側端部２１ｂとから立ち上がって、永久磁石２１の側面部全領域を覆うように形成されている。

一方、図８（Ｂ）の磁石側面フラックスバリア２２Ｄは、永久磁石２１の磁石外周側端部２１ａと永久磁石２１の側面部内の任意に定めた特定位置のバリア内周側端部２２ｆとの間に円弧状の断面形状からなる極間バリア曲面２２ｇが形成されている。したがって、第３の実施形態の図５、図６の場合と同様、永久磁石２１の側面部のうち、永久磁石２１の回転子（ロータ）外周側の一部の側面部のみをエッジ部がない円柱形状の曲面のフラックスバリアによって覆うように形成し、バリア内周側端部２２ｆから回転子（ロータ）内周側の磁石内周側端部２１ｂまでの間の回転子（ロータ）内周側の側面部には、フラックスバリアが形成されない形状とされている。

つまり、図８の場合においても、図７の場合と同様、断面が円弧形状のエッジ部がない先端側曲面３ｂによって極間フラックスバリア３Ａの回転子（ロータ）内周側の先端部を形成し、さらに、断面が円弧形状のエッジ部がないバリア内周側端部２２ｆによって磁石側面フラックスバリア２２Ｃの断面を形成することによって、遠心力による応力が集中することをさらに緩和することができ、タンジェンシャルブリッジ５やラジアルブリッジ４の幅を、より狭い形状に形成することが可能となる。

この結果、永久磁石２１が発する磁束が、幅をより狭く形成したタンジェンシャルブリッジ５を経由して、隣の永久磁石２１側に漏れる漏れ磁束量をさらに低減することができるので、マグネットトルクを増大させることが可能になり、而して、永久磁石式回転機の出力トルク性能をさらに向上させることができる。

さらに、図８の磁石側面フラックスバリア２２Ｄにおいては、図５、図６の磁石側面フラックスバリア２２Ａ，２２Ｂの場合と同様、隣り合う２つの永久磁石２１間の間隔が狭くなる磁石内周側端部２１ｂ側には、フラックスバリアが形成されていないので、永久磁石２１の回転子（ロータ）外周側に面する磁極面（つまり固定子側に面する磁極面）の長さを、図１の場合よりもさらに長くすることが可能となる。したがって、永久磁石２１が発する磁束を増加させることが可能となるので、マグネットトルクをより増大させることによって、永久磁石式回転機の出力トルク性能をさらに向上させることができる。

本発明による永久磁石式回転機の回転子（ロータ）の第１の実施形態の構造を示す断面拡大図である。 本発明の第１の実施形態の場合と従来技術の場合とにおける鎖交磁束量に関する実験結果の一例を示す特性図である。 本発明による永久磁石式回転機の回転子（ロータ）の第２の実施形態の構造を示す断面拡大図である。 遠心力に耐えることが可能なタンジェンシャルブリッジの幅に関する実験結果の一例を示す評価図である。 本発明による永久磁石式回転機の回転子（ロータ）の第３の実施形態の構造を示す断面拡大図である。 本発明による永久磁石式回転機の回転子（ロータ）の第３の実施形態の図５とは異なる構造を示す断面拡大図である。 本発明による永久磁石式回転機の回転子（ロータ）の第４の実施形態の構造を示す断面拡大図である。 本発明による永久磁石式回転機の回転子（ロータ）の第４の実施形態の図７とは異なる構造を示す断面拡大図である。

符号の説明

３，３Ａ…極間フラックスバリア、３ａ…先端側断面、３ｂ…先端側曲面、４…ラジアルブリッジ、５…タンジェンシャルブリッジ、１０…貫通孔、１１…永久磁石、１２…磁石側面フラックスバリア、２０…貫通孔、２１…永久磁石、２１ａ…磁石外周側端部、２１ｂ…磁石内周側端部、２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ…磁石側面フラックスバリア、２２ａ…外周側断面、２２ｂ…極間側断面、２２ｃ，２２ｄ…バリア内周側端部、２２ｅ…外周側曲面、２２ｆ…バリア内周側端部、２２ｇ…極間バリア曲面、３１…稜線、Ａ…極間中心線、α…タンジェンシャル角度、θ…先端角度。

Claims (13)

1. 円柱形状の鉄心と、
   前記鉄心の円周方向に、あらかじめ定めた間隔で埋め込まれた第１層目の複数の永久磁石と、
   前記第１層よりも内周側に、第１層と同相となるよう、あらかじめ定めた間隔で埋め込まれた第２層目の複数の永久磁石と、
   前記鉄心内であって、前記鉄心の外縁近傍から隣接する前記第１層目の永久磁石間を通って、前記第２層目の隣接する前記永久磁石間の近傍に至るように形成された極間フラックスバリアと、
   前記第２層目の前記永久磁石の両側面部に接してそれぞれ形成された磁石側面フラックスバリアと、
   前記極間フラックスバリアと前記磁石側面フラックスバリアとの間に形成されたタンジェンシャルブリッジと前記磁石側面フラックスバリア間に形成されたラジアンブリッジとで形成されたＹ字形状のブリッジ部と、
   を有することを特徴とする永久磁石式電動機の回転子。
2. 請求項１に記載の永久磁石式電動機の回転子において、
   前記極間フラックスバリアの回転子内周側の先端部が、前記極間フラックスバリアの中心を通る中心線に稜線を形成する２つの先端側の側面によって形成され、かつ、前記磁石側面フラックスバリアが、回転子外周側に面した外周側の側面と隣の前記永久磁石側に面した極間側の側面とで形成され、前記磁石側面フラックスバリアの回転子外周側に面した外周側の側面と隣の前記永久磁石の側面部に形成された前記磁石側面フラックスバリアの外周側の側面とが、前記極間フラックスバリアの２つの前記先端側の側面のそれぞれと対向して平行に形成されることにより、前記タンジェンシャルブリッジが形成されることを特徴とする永久磁石式電動機の回転子。
3. 請求項２に記載の永久磁石式電動機の回転子において、
   前記極間フラックスバリアの断面形状が、前記中心線に対して左右対称に形成されていることを特徴とする永久磁石式電動機の回転子。
4. 請求項２または３に記載の永久磁石式電動機の回転子において、
   前記極間フラックスバリアの回転子内周側の先端部の位置が、隣り合う前記永久磁石の回転子外周側の磁石外周側端部間を結ぶ面が前記中心線と交差する位置よりも、回転子外周部側に形成されることを特徴とする永久磁石式電動機の回転子。
5. 請求項２ないし４のいずれかに記載の永久磁石式電動機の回転子において、
   前記極間フラックスバリアの回転子内周側の先端部を形成する２つの前記先端側の側面がなす角度を鈍角とすることを特徴とする永久磁石式電動機の回転子。
6. 請求項２ないし５のいずれかに記載の永久磁石式電動機の回転子において、
   前記タンジェンシャルブリッジの中心線が前記中心線となす角度が、６０°ないし７０°の範囲内に収まるように、前記タンジェンシャルブリッジを形成することを特徴とする永久磁石式電動機の回転子。
7. 請求項１に記載の永久磁石式電動機の回転子において、
   前記極間フラックスバリアは前記中心線を挟んで両側に互いに平行に形成された側面部を有し、前記極間フラックスバリアの回転子内周側の先端部が、前記極間フラックスバリアの前記中心線を挟んで両側に形成される側面部の幅を直径とする円柱形状の曲面によって形成されることを特徴とする永久磁石式電動機の回転子。
8. 請求項２ないし６のいずれかに記載の永久磁石式電動機の回転子において、
   前記磁石側面フラックスバリアの隣の前記永久磁石側に面した極間側の側面と、隣の前記永久磁石の側面部に形成された前記磁石側面フラックスバリアの当該永久磁石側に面した極間側の側面とが、前記極間中心線に対して左右対称の位置に、対向して平行に形成されることにより、前記ラジアルブリッジが形成されることを特徴とする永久磁石式電動機の回転子。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の永久磁石式電動機の回転子において、
   前記永久磁石の両側面部に形成される前記磁石側面フラックスバリアが、当該永久磁石の回転子外周側の磁石外周側端部から回転子内周側の磁石内周側端部に至る当該永久磁石の側面部の全領域を覆うように形成されていることを特徴とする永久磁石式電動機の回転子。
10. 請求項１ないし８のいずれかに記載の永久磁石式電動機の回転子において、
    前記永久磁石の両側面部に形成される前記磁石側面フラックスバリアが、当該永久磁石の回転子外周側の磁石外周側端部から側面部内の任意に定めた特定位置に至る当該永久磁石の側面部の一部の領域を覆うように形成されていることを特徴とする永久磁石式電動機の回転子。
11. 請求項１に記載の永久磁石式電動機の回転子において、
    前記永久磁石の両側面部に形成される前記磁石側面フラックスバリアの形状が、円柱形状であることを特徴とする永久磁石式電動機の回転子。
12. 請求項１ないし１０のいずれかに記載の永久磁石式電動機の回転子において、
    前記永久磁石の両側面部に形成される前記磁石側面フラックスバリアの形状が、三角柱形状であることを特徴とする永久磁石式電動機の回転子。
13. 請求項１２に記載の永久磁石式電動機の回転子において、
    前記磁石側面フラックスバリアの三角柱形状のエッジ部を、面取りにより削り、滑らかな曲面とすることを特徴とする永久磁石式電動機の回転子。

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