JP5974599B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、固定子と回転子とを有する回転電機に関する。

従来では、車両のブレーキング時または降坂時に発生する誘起電圧のピーク値を抑えることを目的とする永久磁石回転電機に関する技術の一例が開示されている（例えば特許文献１を参照）。この永久磁石回転電機は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相からなる３相の固定子巻線が収納された複数のスロットを有し、固定子のスロットピッチをτｓ（度）とし、永久磁石の固定子側の面の周方向幅の回転子の軸に対してなす角度（度）をθとしたとき、θ≒（ｎ＋０．５）×τｓ（ｎは自然数）とした構成である。

特許第３３７０９０１号公報

しかし、特許文献１に記載の永久磁石回転電機（以下では単に「従来技術」と呼ぶ。）について、スロット数を多くすると、高調波の歪みが大きな逆起電力（Ｂ−ＥＭＦ；Back ElectroMotive Force）の波形となり易い。例えば、スロット数をＳｎとし、極対数をＰｏとするとき、（Ｓｎ／Ｐｏ）±１次の高調波成分による影響が大きくなる。高調波成分による影響を小さく抑えるには、上昇する逆起電力を打ち消し得るだけの静電容量のコンデンサ等が別個必要となる。この場合、静電容量や体格が大きくなる。

また、基本波（正弦波）の振幅をＶ１とし、基本波の整数倍の周波数からなる高調波成分をＶ２，Ｖ３，…，Ｖｎ（ｎは整数；高調波成分の最大次数）とすると、全高調波歪み率（ＴＨＤ；Total Harmonic Distortion）は次式で表される。

上記式（１）のＴＨＤは、基本波に対してどれだけ波形が歪んでいるかを示す。すなわち高調波成分が大きくなるにつれて、ＴＨＤも大きくなる。例えば、図２６に示すように基本波に対する１１次高調波成分が各点で最大値になるため、ＴＨＤも大きい。高調波成分が増えると、騒音振動（ＮＶ；Noise Vibration）も大きくなるという問題がある。

本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、コンデンサ等の回路素子を別途必要とせずに、高調波成分を低く抑えて騒音振動を従来よりも抑制できる回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた第１発明は、複数相にかかる固定子巻線が収納された複数のスロットを備え、前記固定子巻線に対応するスロットがそれぞれ磁石体に対して対向するように配置された固定子と、前記固定子とギャップを介して回転可能に配置され、鉄心に埋め込まれる前記磁石体を一以上備える回転子とを有する回転電機において、前記磁石体は、複数の磁石が回転軸方向に積み重ねられ、前記磁石体に対する前記スロットの比率を示すスロット倍数をＳとし、前記スロット間の角度であるスロットピッチをα（度）とし、前記磁石体に含まれる複数の磁石部にかかる径方向端側の周方向の端点と、前記回転子および前記固定子の軸中心とを各々結ぶ線分の相対角度であるアークレシオをθａ（度）とし、前記磁石体に含まれる前記磁石間のずれ角度を示すスキュー角をθｓ（度）とすると、θｓ＝ｋα／２（ただしｋは係数）、ｋ＝Ｓ（ただし２．２Ｓα≦θａ≦２．４Ｓαの範囲）の二式を満たすように前記スキュー角を設定することを特徴とする。なお、上記式中の「ｋ」は係数であり、具体的には整数である。

この構成によれば、スキュー角がθｓ＝ｋα／２＝Ｓα／２を満たすように設定されるので、高調波成分（特に５次以上の高調波成分）を低く抑えられる。そのため、式（１）に示す全高調波歪み率も低くなり、騒音振動を従来よりも抑制することができる。また、高調波成分が低く抑えられるので、インバータ、モータドライバーなどに使用するＩＧＢＴやＦＥＴといった素子の耐圧が低い安価なものを設定でき、その分だけコストを低減することができる。さらに、１１次高調波成分や１３次高調波成分等による影響が少なく、かつ、５次高調波成分や７次高調波成分等を大幅に打ち消せる。よって全高調波歪み率も低くなり、騒音振動を従来よりも抑制することができる。また、不要になる回路素子の分だけコストを低減することができる。

なお「複数相」の相数は任意であるが、主に三相，四相，六相等が適用される。「磁石体」は段スキューとも呼ばれ、複数の磁石が回転軸方向に積み重ねられる。ただし、複数の磁石のうち、一以上の磁石について磁極の境界が回転方向にずらされるスキューが施される。「回転電機」には、固定子と回転子とを有する機器であれば任意である。例えば、発電機，電動機，電動発電機等が該当する。「スロット倍数」は磁石（磁極）に対するスロットの比率を示す。スロット倍数をＳとし、磁極数をＭｎとし、スロット数をＳｎとし、相数をＰｈとすると、Ｓ＝Ｓｎ／（ＭｎＰｈ）で表される。

第２発明は、複数相にかかる固定子巻線が収納された複数のスロットを備え、前記固定子巻線に対応するスロットがそれぞれ磁石体に対して対向するように配置された固定子と、前記固定子とギャップを介して回転可能に配置され、鉄心に埋め込まれる前記磁石体を一以上備える回転子とを有する回転電機において、前記磁石体は、複数の磁石が回転軸方向に積み重ねられ、前記磁石体に対する前記スロットの比率を示すスロット倍数をＳとし、前記スロット間の角度であるスロットピッチをα（度）とし、前記磁石体に含まれる複数の磁石部にかかる径方向端側の周方向の端点と、前記回転子および前記固定子の軸中心とを各々結ぶ線分の相対角度であるアークレシオをθａ（度）とし、前記磁石体に含まれる前記磁石間のずれ角度を示すスキュー角をθｓ（度）とすると、θｓ＝ｋα／２（ただしｋは係数）、ｋ＝１かつＳ＝２（ただし２．２α≦θａ≦３．２αの範囲）の二式を満たすように前記スキュー角を設定することを特徴とする。

この構成によれば、スロット倍数が２のとき、スキュー角がθｓ＝ｋα／２＝α／２を満たすように設定されるので、高調波成分（特に５次以上の高調波成分）を低く抑えられる。そのため、式（１）に示す全高調波歪み率も低くなり、騒音振動を従来よりも抑制することができる。また、５次高調波成分や７次高調波成分等による影響が少なく、かつ、１１次高調波成分や１３次高調波成分等を大幅に打ち消せる。よって全高調波歪み率も低くなり、騒音振動を従来よりも抑制することができる。また、不要になる回路素子の分だけコストを低減することができる。

回転電機の構成例を示す部分的な模式図である。 スロット倍数を説明する第１模式図である。 磁石体の第１構成例を示す模式図である。 アークレシオに対する振幅の変化を示すグラフ図である。 アークレシオに対する波高率の変化を示すグラフ図である。 アークレシオに対する歪み率の変化を示すグラフ図である。 アークレシオに対する歪み率の変化を示すグラフ図である。 アークレシオに対する歪み率の変化を示すグラフ図である。 アークレシオに対する歪み率の変化を示すグラフ図である。 アークレシオに対する歪み寄与率の変化を示すグラフ図である。 アークレシオに対するトルクの変化を示すグラフ図である。 回転子における磁石体の配置例を示す模式図である。 回転子における磁石体の配置例を示す模式図である。 回転子における磁石体の配置例を示す模式図である。 磁石幅に対する逆起電力の変化を示すグラフ図である。 磁石幅に対する波高率の変化を示すグラフ図である。 磁石体の傾斜角に対する逆起電力の変化を示すグラフ図である。 磁石体の傾斜角に対する波高率の変化を示すグラフ図である。 磁石体の第２構成例を示す模式図である。 磁石体の第３構成例を示す模式図である。 磁石体の第４構成例を示す模式図である。 スロット倍数を説明する第２模式図である。 スロット倍数を説明する第３模式図である。 磁石体の第５構成例を示す模式図である。 磁石体の第６構成例を示す模式図である。 従来技術のアークレシオに対する振幅の変化を示すグラフ図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、特に明示しない限り、「接続する」という場合には電気的に接続することを意味する。各図は、本発明を説明するために必要な要素を図示し、実際の全要素を図示しているとは限らない。上下左右等の方向を言う場合には、図面の記載を基準とする。

〔実施の形態１〕
実施の形態１は図１〜図１８を参照しながら説明する。全体の一部を図示する図１には、回転子１１や固定子１２等を有する回転電機１０を示す。断面図であるが、分かり易くするためにハッチ線を省略している。回転電機１０の相数，極対数（すなわちＮ極とＳ極とからなる磁極対の数），スロット数は任意に設定可能である。以下では、回転子１１が固定子１２よりも内径側に位置するインナーロータ型の回転電機１０であり、相数を３（すなわちＵ相，Ｖ相，Ｗ相）とし、極対数を１２とし、スロット数を７２とする例について説明する。

回転子１１は、後述する固定子１２との間にギャップＧを介して回転可能に配置される。この回転子１１は、鉄心（ロータコア）に複数（本例では１２）の磁石体１４が埋め込まれる。一の磁石体１４を構成する磁石部の数は任意である。本例では、二つの磁石部１４ａ，１４ｂで構成され、磁石部１４ａ，１４ｂから磁束が径方向に流れる範囲を示す角度を「アークレシオθａ（度）」と呼ぶことにする。言い換えれば、回転子１１側の面の周方向幅における回転子１１の軸中心Ｐ（図２を参照）に対してなす角度である。軸中心Ｐは回転体（すなわち本例では回転子１１）の中心軸を意味し、以下同じである。磁石部１４ａ，１４ｂの各構成例については後述する（図３を参照）。

固定子１２は、複数（本例では７２）のスロット１２ｓや、各スロット１２ｓに収納されて巻き回される固定子巻線１３などを有する。各スロット１２ｓは、磁石体１４（磁石部１４ａ，１４ｂ）の各磁極に対向するように配置される。言い換えれば、回転子１１の外周面に対向する方向（すなわち径方向）に沿って長穴状に形成される。スロット１２ｓ相互間の間隔について軸中心Ｐ（図２を参照）に対してなす角度を「スロットピッチ」と呼ぶことにする。スロット１２ｓの相互間にはティース１２ｔが形成される。当該ティース１２ｔの内周面は、回転子１１の外周面とギャップＧを介する。固定子１２の鉄心と回転子１１のティース１２ｔとはギャップＧを介して磁束が流れる。スロット１２ｓと磁石体１４（磁極）との関係については後述する（図２を参照）。

固定子巻線１３の相数や巻き方は任意であり、回転電機１０の使用目的や必要とされるトルク等に応じて適切に設定される。本例では、３相かつ短節巻（Short pitch winding）で巻き回す例について説明する。短節巻によって跨いで巻くスロット１２ｓの数は任意である。本例では、３つのスロット１２ｓを跨ぐ巻き方であり、その比率は１：２：１である。図１で固定子巻線１３を指す「Ｕ」，「Ｖ」，「Ｗ」は、それぞれＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線として巻き回されていることを意味する。

図２において、磁石部１４ａ，１４ｂはそれぞれ角度Ｙ（θ）に傾けて鏡像となるように配置されている。０（度）≦Ｙ（θ）＜１８０（度）の範囲で任意に設定してよい。磁石部１４ａ，１４ｂの周方向（左右方向）の端点と、回転子１１および固定子１２の軸中心Ｐとを各々結ぶ線分の相対角度はアークレシオθａを意味する。２つの磁石部１４ａ，１４ｂの総磁束と、１つの磁石体１４の磁束とが同一であれば、１つの磁石体１４（すなわち磁極）で構成してもよい。１つの磁石体１４を３つ以上の磁石部で構成する場合でも同様である。要するに、磁束が同じであれば磁石部の数や傾斜角は任意であり、この詳細については後述する（図１５〜図１８を参照）。なお、図２では、回転子１１や固定子巻線１３の図示を省略している。

本形態では、スロット１２ｓの数を７２とし、固定子巻線１３の相数を３とし、磁石体１４の数を１２として設定する。この設定で構成される回転電機１０のスロット倍数は、２（＝７２／（３×１２））である。言い換えると、１つの磁石体１４に対応するスロット１２ｓの数は、相数とスロット倍数とを乗じた６である。すなわち図２に示すように、１つの磁石体１４に対して６つのスロット１２ｓが磁束の流れに対応する。

図３は、図１に示すIII−III線の断面図である。図３に示す磁石体１４は、鉄心（ロータコア）に埋め込まれる複数（本例では１２）の磁石体１４のうちの１つである。ただし、破線で示す磁極の境界を分かり易くするため、磁石についてはハッチ線を省略する。図１にも示す磁石部１４ａと磁石部１４ｂとは同一構成であるので、以下では磁石部１４ａを代表して説明する。磁石部１４ａは、複数（本例では４）の磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４が回転軸方向（上下方向）に積み重ねられて構成される。磁石Ｍ１，Ｍ３の境界（磁極の境界）Ｂ１は、一点鎖線で示す中心線（「中心」に相当する。以下同じである。）よりも幅Ｗ１だけ左側に位置する。磁石Ｍ２，Ｍ４の境界Ｂ２は、上記中心線よりも幅Ｗ１だけ右側に位置する。すなわち、境界Ｂ１と境界Ｂ２は中心線を介して対称の位置にある。境界Ｂ１，Ｂ２よりも一方側がＮ極に磁化され、他方側がＳ極に磁化される。このように、各磁石の境界Ｂ１，Ｂ２を中心線以外の位置に設定することを「スキューする」と呼ぶ。

図３の例では磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４の全てをスキューしているが、磁石Ｍ１，Ｍ３の組または磁石Ｍ２，Ｍ４の組のうちでいずれか一方の組をスキューする構成としてもよい。幅Ｗ２（境界Ｂ１と境界Ｂ２との距離）に対応して、軸中心Ｐとを各々結ぶ線分の相対角度を「スキュー角」と呼ぶことにする。

上述のように構成された回転電機１０は、スキュー角をθｓ（度）とすると、下記の式（２）を満たすように設定される。式（２）中、ｋは係数（具体的には整数）を示し、α（度）はスロットピッチを示し、θａ（度）はアークレシオを示す（図１を参照）。係数のｋについて、数値の１を適用すると式（３）のように表され、スロット倍数のＳを適用すると式（４）のように表される。
θｓ＝ｋα／２…（２）
θｓ＝α／２…（３）
θｓ＝Ｓα／２…（４）
式（２）を満たすようにスキュー角が設定された回転電機１０の特性について、図４〜図１１を参照しながら説明する。基本波（正弦波の実行値）を実際の合成逆起電力（波形のピーク値）で除算した値を「波高率」と呼ぶことにする。すなわち、「波高率＝合成逆起電力（波形のピーク値）／基本波（実行値）」である。波高率が大きくなると波形のピーク値も大きくなるため、絶縁の上限電圧を超える場合も考えられる。そのため、波高率は小さい値であることが好ましい。

図４には、横軸をアークレシオ（θａ）とし、縦軸を基本波に対する逆起電力（高調波成分を含む）のピーク値に対する高調波成分の振幅（高調波成分振幅／基本波振幅）とし、高調波成分ごとの変化を示す。実線は５次と７次の高調波成分の変化であり、破線は１１次と１３次の高調波成分の変化である。図４の変化から明らかなように、アークレシオがθａ＜３．２５αの範囲では１１次と１３次の高調波成分を打ち消すことが望ましい。一方、θａ＞３．２５αの範囲では５次と７次の高調波成分を打ち消すことが望ましい。

図５には、横軸をアークレシオ（θａ）とし、縦軸を波高率（Ｚ）とし、スキュー角ごとの変化を示す。実線はスキュー角を０度（言い換えれば図３の磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４をスキューしない）に設定した変化であり、破線はスキュー角をα／２（すなわち上記式（３））に設定した変化であり、一点鎖線はスキュー角をＳα／２（すなわち上記式（４））に設定した変化である。図５の変化から明らかなように、アークレシオがθａ＜３．２５αの範囲では、スキュー角をα／２に設定すると波高率が１に近づく。特にθａ＝２．２α〜３．２αの範囲では、５次と７次の高調波成分による影響が微小になり、逆起電力低減の効果が大きい。一方、θａ＞３．２５αの範囲ではスキュー角をＳα／２に設定すると波高率が１に近づく。特にθａ＝３．３αと４．４〜４．６αの範囲では、１１次と１３次の高調波成分による影響が少なく、逆起電力低減の効果が大きい。

図６〜図９には、横軸をアークレシオ（θａ）とし、縦軸を歪み率とし、高調波成分ごとの変化を個別に示す。すなわち、図６には５次高調波成分の変化を示し、図７には７次高調波成分の変化を示し、図８には１１次高調波成分の変化を示し、図９には１３次高調波成分の変化を示す。図６〜図９の各変化から明らかなように、アークレシオがθａ＜３αの範囲では１１次と１３次の高調波成分による歪み率の寄与率が大きい。θａ≧３αの範囲では、１３次高調波成分による歪み率の寄与率は小さい。これに対して、５次と７次の高調波成分による歪み率の寄与率が少し大きくなる。５次高調波成分のピーク付近であるθａ≧３．８αの範囲では７次高調波成分による歪み率の寄与率が若干大きくなる。

図１０には、横軸をアークレシオ（θａ）とし、縦軸を歪み率寄与率とし、高調波成分ごとの変化を示す。歪み率寄与率は、高調波成分の歪み率に対する式（１）のＴＨＤ（すなわち歪み率／ＴＨＤ）を意味する。図１０の変化から明らかなようにアークレシオが、θａ＝１．９α〜３．２αの範囲では１１次と１３次の高調波成分を打ち消せば、基本波から歪み成分（すなわち高調波成分）の除去を効率良く行える。一方、θａ＝３．３α〜３．５αの範囲や、θａ＝４．５α〜４．７αの範囲については５次と７次の高調波成分を打ち消せば、基本波から歪み成分の除去を効率良く行える。

図１１には、横軸をアークレシオ（θａ）とし、縦軸をトルクとする変化を示す。実線は回転電機１０におけるスキュー角をα／２（すなわち上記式（３））に設定した変化であり、二点鎖線は従来技術の変化である。図１１に示す回転電機１０の変化から明らかなように、アークレシオが変化しても、従来技術よりもトルクの変動が少ない。よって、回転電機１０は従来技術よりも安定したトルクを得ることができる。

図４〜図１１（特に図４と図１０）で示した特性から明らかなように、回転電機１０は高調波成分を低く抑えて騒音振動を抑制するため、次のように設定するのがよい。
（設定例１）アークレシオが２．２α≦θａ≦３．２αの範囲で磁石体１４を配置する場合には、スキュー角をθｓ＝α／２に設定する。この設定は、ｋ＝１とした式（２）、すなわち式（３）を満たす。
（設定例２）アークレシオがθａ＝１．６５αまたは１．７５Ｓα〜２．３５Ｓαの範囲となるように磁石体１４を配置する場合には、スキュー角をθｓ＝Ｓα／２（４．４〜４．６を含む）に設定する。本形態ではスロット倍数が２であるので、θｓ＝２．２Ｓα〜２．３Ｓαの範囲でもある。スロット倍数が３である場合には、θｓ＝１．４６Ｓα〜１．５３Ｓαの範囲でもある。この設定は、ｋ＝Ｓとした式（２）、すなわち式（４）を満たす。

上述した実施の形態１によれば、以下に示す各効果を得ることができる。

（ａ）回転電機１０は、磁石体１４（磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）に対するスロット１２ｓの比率を示すスロット倍数をＳとし、スロット１２ｓ間の角度であるスロットピッチをα（度）とし、磁石体１４から磁束が径方向に流れる範囲を示す角度であるアークレシオをθａ（度）とし、磁石体１４に含まれる磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４間のずれ角度を示すスキュー角をθｓ（度）とすると、θｓ＝ｋα／２を満たすようにスキュー角を設定する構成とした（図１〜図３を参照）。この構成によれば、高調波成分（特に５次以上の高調波成分）を低く抑えられる。よって、式（１）のＴＨＤも小さくなり、騒音振動を従来よりも抑制することができる。また、高調波成分が低く抑えられるので、インバータ、モータドライバーなどに使用するＩＧＢＴやＦＥＴといった素子の耐圧が低い安価なものを設定でき、その分だけコストを低減することができる。

（ｂ）磁石体１４は、アークレシオが２．２Ｓα≦θａ≦２．４Ｓαの範囲ではｋ＝Ｓとしてスキュー角のθｓを設定する構成とした（図４〜図１１を参照）。すなわちスキュー角は、式（４）を満たすように構成した。この構成によれば、１１次高調波成分や１３次高調波成分等による影響が少なく、かつ、５次高調波成分や７次高調波成分等を大幅に打ち消せる。よって全高調波歪み率も低くなり、騒音振動を従来よりも抑制することができる。また、不要になる回路素子の分だけコストを低減することができる。

（ｃ）磁石体１４は、アークレシオが２．２α≦θａ≦３．２αの範囲ではｋ＝１としてスキュー角を設定する構成とした（図４〜図１１を参照）。すなわちスキュー角は、式（３）を満たすように構成した。この構成によれば、５次高調波成分や７次高調波成分等による影響が少なく、かつ、１１次高調波成分や１３次高調波成分等を大幅に打ち消せる。よって全高調波歪み率も低くなり、騒音振動を従来よりも抑制することができる。また、不要になる回路素子の分だけコストを低減することができる。

（ｄ）磁石体１４は、偶数個の磁石からなり、中心線（中心）以外の位置に磁極の境界Ｂ１，Ｂ２を有する磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４（第１磁石）を有する構成とした（図３を参照）。この構成によれば、各磁石について磁極の境界Ｂ１，Ｂ２を中心線以外の位置にずらすだけでよいので、構成や製造工程が簡単になる。

〔変形例〕
上述した実施の形態１の変形例について、図１２〜図１８を参照しながら以下に説明する。上述した形態では、磁石体１４の磁石部１４ａ，１４ｂをそれぞれ角度Ｙ（θ）に傾けて鏡像となるように配置するとともに（図２を参照）、境界Ｂ１，Ｂ２が中心線を介して対称の位置になるように各磁石部にかかる磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を回転軸方向に積み重ねる構成とした（図３を参照）。この構成に代えて（あるいは加えて）、アークレシオがθａであれば磁石体１４に含まれる磁石部を任意に構成してもよい。なお、以下に示す「磁石幅」は各磁石部の周方向幅を意味する。

例えば、図１２に示すように磁石部１４ａの磁石幅をＬ１とし、磁石部１４ｂの磁石幅をＬ２としてもよい。Ｌ１＝Ｌ２であってもよく、Ｌ１≠Ｌ２であってもよい。図１３に示すように、磁石部１４ａの磁石幅をＬ３（ただしＬ３＞Ｌ１）とし、磁石部１４ｂの磁石幅をＬ４（ただしＬ４＞Ｌ２）としてもよい。Ｌ３＝Ｌ４であってもよく、Ｌ３≠Ｌ４であってもよい。図１２および図１３では角度Ｙ（θ）＝０の例を示すが、磁石部１４ａおよび磁石部１４ｂの一方または双方を角度Ｙ（θ）で傾けてもよい。

また、図１２の変形例を図１４に示す。図１２では磁石部１４ａと磁石部１４ｂとの間に回転子１１の鉄心（ロータコア）が介在するのに対して、図１４では磁石部１４ａと磁石部１４ｂの相互間に空間（磁束が流れ難い部位）が介在する点で相違する。磁石部１４ａ側の空間にかかる周方向幅をＬ５とし、磁石部１４ｂ側の空間にかかる周方向幅をＬ６とする。Ｌ５＝Ｌ６であってもよく、Ｌ５≠Ｌ６であってもよい。

図１２〜図１４に示すように構成した磁石体１４を有する回転電機１０の特性について、図１５〜図１８を参照しながら説明する。図１５には、横軸を磁石幅とし、縦軸を逆起電力（Ｂ−ＥＭＦ）とする変化を示す。当該図１５に示す変化から明らかなように、磁石幅が変化すると、基本波（１次成分）とともに高調波成分のピーク値もほぼ同様に変化する。図１６には、横軸を磁石幅とし、縦軸を波高率とする変化を示す。当該図１６に示す変化から明らかなように、磁石幅が変化しても波高率はあまり変化しない。

図１７には、横軸を磁石部の角度Ｙ（θ）とし、縦軸を逆起電力（Ｂ−ＥＭＦ）とする変化を示す。当該図１７に示す変化から明らかなように、磁石部の角度Ｙ（θ）が変化しても、１次成分（すなわち基本波）に対する高調波成分のピークはあまり変化しない。図１８には、横軸を磁石部の角度Ｙ（θ）とし、縦軸を波高率とする変化を示す。当該図１８に示す変化から明らかなように、磁石部の角度Ｙ（θ）が変化しても波高率はあまり変化しない。

図１５〜図１８に示す特性によれば、アークレシオが同じθａであれば、磁石体１４に含まれる磁石部をどのように構成してもよいことが明らかである。したがって、変形例の構成においても上述した実施の形態１と同様の作用効果が得られる。

〔実施の形態２〕
実施の形態２は図１９，図２０を参照しながら説明する。当該図１９，図２０では、磁極の境界を分かり易くするため、磁石についてはハッチ線を省略する。なお、回転電機１０の構成等は実施の形態１と同様であり、図示および説明を簡単にするために実施の形態２では実施の形態１と異なる点について説明する。よって実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

実施の形態１の磁石体１４は、境界Ｂ１，Ｂ２が中心線を介して対称の位置になる磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を回転軸方向に積み重ねる構成とした（図３を参照）。すなわち第１磁石のみで構成した。これに対して、実施の形態２の磁石体１４は、中心に磁極の境界を有する第２磁石のみで構成する。

図１９に示す磁石体１４は、４つの磁石Ｍ５を有する。各磁石Ｍ５は、磁極の境界Ｂｃを中心線上に有する。各磁石Ｍ５は、複数の部分コア１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄに対して個別に埋め込まれる。部分コア１１ａ，１１ｃの組と、部分コア１１ｂ，１１ｄの組とは、スキュー角のθｓ（図示する幅Ｗ２に相当する）だけ周方向にずらされる。そして、周方向にずらされた状態のままで回転軸方向に積み重ねられる。こうして回転子１１はそれぞれ磁石Ｍ５が埋め込まれた部分コア１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄで構成される。図１９の構成例は、４つの部分コア１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄで構成するが、回転軸方向に積み重ねる部分コアの数や厚みは任意である。部分コアの数や厚みは、回転電機１０の使用目的や必要とされるトルク等に応じてそれぞれ適切に設定される。部分コアの数は例えば２〜６であり、厚みは例えば１０〜３０[mm]である。

図２０に示す磁石体１４は、２つの磁石Ｍ５を有する。回転子１１の鉄心に形成される貫通穴の周縁には、段差状に形成される段差部１１ｅを有する。この段差部１１ｅは、磁石Ｍ５の厚みに相当する落差（高さ）が形成される。２つの磁石Ｍ５が互い違いになるように段差部１１ｅを形成することで、結果的に境界Ｂｃがスキュー角のθｓ（図示する幅Ｗ２に相当する）だけ周方向にずらす。図２０に示す回転子１１を「部分コア」とみることもできる（図１９の部分コア１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを参照）。この場合には、２以上の部分コアを回転軸方向に積み重ねて１つの回転子１１を構成してもよい。ただし、図１９のように周方向にずらす必要はない。

上述した実施の形態２によれば、以下に示す各効果を得ることができる。ただし、磁石体１４以外の構成は実施の形態１と同じであるので、（ａ），（ｂ），（ｃ）の各作用効果を得ることもできる。

（ｅ）磁石体１４は、中心線（中心）に磁極の境界を有する複数の磁石Ｍ５（第２磁石）を有する構成とした（図１９，図２０を参照）。磁石Ｍ５の数は２以上で任意である。この構成によれば、一般的な磁石を磁石Ｍ５として用いることができるので、回転子１１を容易に構成することができる。

〔実施の形態３〕
実施の形態３は図２１を参照しながら説明する。当該図２１では、磁極の境界を分かり易くするため、磁石についてはハッチ線を省略する。なお、回転電機１０の構成等は実施の形態１，２と同様であり、図示および説明を簡単にするために実施の形態３では実施の形態１と異なる点について説明する。よって実施の形態１，２で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

実施の形態３の磁石体１４は、実施の形態１で用いた磁石Ｍ１，Ｍ３（第１磁石）と、実施の形態２で用いた磁石Ｍ５（第２磁石）とを併用する例である。図２１に示す磁石体１４は、磁石Ｍ１，Ｍ３と、２つの磁石Ｍ５とを有する。これらの磁石は、図示するように磁石Ｍ１，Ｍ５，Ｍ３，Ｍ５の順番で回転軸方向に積み重ねるか、図示しないが磁石Ｍ３，Ｍ５，Ｍ１，Ｍ５の順番で回転軸方向に積み重ねる。磁石体１４全体として見れば、中心線を基準として対称である。また、第１磁石（磁石Ｍ１，Ｍ３）の個数と第２磁石（磁石Ｍ５）の個数とが等しい。

上述した実施の形態３によれば、以下に示す各効果を得ることができる。ただし、磁石体１４以外の構成は実施の形態１，２と同じであるので、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｅ）の各作用効果を得ることもできる。

（ｆ）磁石体１４は、第１磁石（磁石Ｍ１，Ｍ３）の個数と、第２磁石（磁石Ｍ５）の個数とを等しく有する構成とした（図２１を参照）。この構成によれば、個数を合わせるだけでよいので、磁石体１４を簡単に形成できる。

〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について実施の形態１〜３に従って説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。

上述した実施の形態１〜３では、回転電機１０のスロット倍数を２として構成した（図２を参照）。すなわち式（４）においてＳ＝２である。この形態に代えて、他の数でスロット倍数を設定してもよい。例えば、図２２にはスロット倍数を１とする例を示し、図２３にはスロット倍数を４とする例を示す。スロット倍数を１とする回転電機１０では、例えば極対数を４とし、スロット数を２４とする。スロット倍数を３とする回転電機１０では、例えば極対数を４とし、スロット数を７２とする。図示しないが、スロット倍数を５以上とする回転電機１０を構成してもよい。なお、図２２および図２３では回転子１１の軸中心Ｐやアークレシオのθａ（図２を参照）にかかる図示を省略している。どのような数のスロット倍数で回転電機１０を構成するにせよ、スロット倍数が相違するに過ぎないので、上述した実施の形態１〜３と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１〜３では、１つの磁石（磁石Ｍ１〜Ｍ５）は境界Ｂ１，Ｂ２，Ｂｃを介してＮ極とＳ極とを一体に有する構成とした（図３，図１９〜図２１を参照）。この形態に代えて（あるいは加えて）、１つの磁石（磁極）についてＮ極とＳ極とを別体で構成してもよい。図１９に示す複数の部分コア１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄに埋め込む例を図２４に示す。図２４では、Ｎ極の単極磁石Ｍ６とＳ極の単極磁石Ｍ７とがペアを組み、単極磁石Ｍ６と単極磁石Ｍ７との間には隔壁１１ｆ（磁性体である部分コア１１ａの一部分）が介在する。言い換えれば、単極磁石Ｍ６と単極磁石Ｍ７とのペアが１つの磁石（磁石Ｍ１〜Ｍ５）に相当する。また、図２０のような段差部１１ｅを有する回転子１１に埋め込む例を図２５に示す。図２５の隔壁１１ｆはほぼＺ字状（あるいは断面が階段状）に形成される。さらに、複数の磁石（磁石Ｍ１〜Ｍ４、複数の磁石Ｍ５、複数の単極磁石Ｍ６，Ｍ７）に相当する磁束（磁力）を確保可能であり、かつ、部分的にスキューを施して磁極の境界をずらすことができれば、磁石体１４（磁石や単極磁石）を単体で構成してもよい。いずれの構成にせよ、１つの磁石にかかるＮ極とＳ極とが一体化されるか別体にされるかの相違に過ぎず、磁束の大きさや流れ等は変化しない。よって、上述した実施の形態１〜３と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１〜３では、回転電機１０は回転子１１が固定子１２よりも内径側に位置するインナーロータ型で構成した（図１を参照）。この形態に代えて、回転電機１０を固定子１２が回転子１１よりも内径側に位置するアウターロータ型で構成してもよい。回転子１１と固定子１２との位置関係の相違に過ぎず、いずれの構成でも回転子１１と固定子１２との相互間に磁束が流れる。よって、上述した実施の形態１〜３と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１〜３では、回転電機１０の相数を３（すなわちＵ相，Ｖ相，Ｗ相）として固定子巻線１３を巻き回す構成とした（図１を参照）。この形態に代えて、回転電機１０の相数を他の数として固定子巻線１３を巻き回す構成としてもよい。他の数は、例えば２，４，６，１２などが該当する。相数の相違に過ぎないので、上述した実施の形態１〜３と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１〜３では、固定子１２における３つのスロット１２ｓを跨ぎ、その比率が１：２：１となるように巻き回す短節巻で構成した（図１を参照）。この形態に代えて、跨ぐスロット１２ｓの数や、その比率を他の数量で設定する構成としてもよい。また、一以上のスロット１２ｓごとに集中して巻き回す集中巻（「通常巻き」とも呼ぶ。）で構成してもよい。いずれの構成にせよ、巻き方の相違に過ぎないので、上述した実施の形態１〜３と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１〜３では、磁石体１４を構成する磁石（磁石Ｍ１〜Ｍ７）を直方体形状に形成する構成とした（図１，図３，図１９〜図２１を参照）。この形態に代えて、他の立体形状で形成する構成としてもよい。他の立体形状は、立方体形状や、柱体形状、錐体形状（錐台体形状を含む）などが該当する。立体形状の相違に過ぎないので、上述した実施の形態１〜３と同様の作用効果が得られる。

１０ 回転電機
１１ 回転子（ロータ）
１２ 固定子（ステータ）
１２ｓ スロット
１３ 固定子巻線
１４ 磁石体
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６，Ｍ７ 磁石

Claims (5)

1. 複数相にかかる固定子巻線が収納された複数のスロットを備え、前記固定子巻線に対応するスロットがそれぞれ磁石体に対して対向するように配置された固定子と、
   前記固定子とギャップを介して回転可能に配置され、鉄心に埋め込まれる前記磁石体を一以上備える回転子とを有する回転電機において、
   前記磁石体は、複数の磁石が回転軸方向に積み重ねられ、
   前記磁石体に対する前記スロットの比率を示すスロット倍数をＳとし、前記スロット間の角度であるスロットピッチをα（度）とし、前記磁石体に含まれる複数の磁石部にかかる径方向端側の周方向の端点と、前記回転子および前記固定子の軸中心とを各々結ぶ線分の相対角度であるアークレシオをθａ（度）とし、前記磁石体に含まれる前記磁石間のずれ角度を示すスキュー角をθｓ（度）とすると、
   θｓ＝ｋα／２ （ただしｋは係数）
   ｋ＝Ｓ （ただし２．２Ｓα≦θａ≦２．４Ｓαの範囲）
   の二式を満たすように前記スキュー角を設定することを特徴とする回転電機。
2. 複数相にかかる固定子巻線が収納された複数のスロットを備え、前記固定子巻線に対応するスロットがそれぞれ磁石体に対して対向するように配置された固定子と、
   前記固定子とギャップを介して回転可能に配置され、鉄心に埋め込まれる前記磁石体を一以上備える回転子とを有する回転電機において、
   前記磁石体は、複数の磁石が回転軸方向に積み重ねられ、
   前記磁石体に対する前記スロットの比率を示すスロット倍数をＳとし、前記スロット間の角度であるスロットピッチをα（度）とし、前記磁石体に含まれる複数の磁石部にかかる径方向端側の周方向の端点と、前記回転子および前記固定子の軸中心とを各々結ぶ線分の相対角度であるアークレシオをθａ（度）とし、前記磁石体に含まれる前記磁石間のずれ角度を示すスキュー角をθｓ（度）とすると、
   θｓ＝ｋα／２ （ただしｋは係数）
   ｋ＝１かつＳ＝２ （ただし２．２α≦θａ≦３．２αの範囲）
   の各式を満たすように前記スキュー角を設定することを特徴とする回転電機。
3. 前記磁石体の一部は、回転軸方向に積み重ねている偶数個の前記磁石を含み、
   前記偶数個の前記磁石の中心線以外の位置にＮ極とＳ極の境界を有する第１磁石を有することを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記磁石体の一部は、回転軸方向に積み重ねられるとともに周方向にずらされている複数個の前記磁石を含み、
   複数個の前記磁石は、中心線上にＮ極とＳ極の境界を有する第２磁石を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機。
5. 前記磁石体は、前記第１磁石の個数と、前記第２磁石の個数とを等しく有することを特徴とする請求項４に記載の回転電機。

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