JP2021069191A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクを向上させることができる回転電機を提供する。【解決手段】周方向に隣り合う一対の磁極で挟まれた領域のうち、各ティース３２の回転子２０側の周面と、固定子３０の内周面とで挟まれた領域が磁極対応領域とされている。磁極対応領域の周方向長さ寸法をＷｓとし、磁極対応領域のうち、磁石２１の磁束が到達しないと想定される領域である無効磁束領域の周方向長さ寸法をＷｉｖとし、磁石２１の１磁極における磁束量をφとし、磁極対応領域に含まれる各ティース３２のうち、固定子巻線３３に通電された場合に１磁極として機能するティース３２の合計幅寸法をＷａとする。回転電機は、「Ｗｓ−Ｗｉｖ≧Ｗａ」及び「φ≦Ｗａ×ティースの磁束密度」とされている。【選択図】 図２

Description

この明細書における開示は、回転電機に関する。

例えば特許文献１に見られるように、回転電機は、回転子と、固定子とを備えている。回転子は、周方向に極性が交互となる複数の磁極を有する磁石を有している。固定子は、円筒状の固定子コアと、固定子コアから回転子に向かって径方向に突出し、周方向に所定間隔で設けられたティースと、周方向に隣り合うティース間に配置された固定子巻線とを有している。

特開２０１０−６３２８１号公報

例えば大トルクの回転電機を実現すべく磁束量が大きい磁石が用いられると、固定子において磁気飽和が発生し得る。この場合、回転電機のトルクを向上させることができなくなり得る。このため、回転電機のトルクを向上させることについては、未だ改善の余地があると考えられる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、トルクを向上させることができる回転電機を提供することを主たる目的とする。

この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。

手段１は、周方向に極性が交互となる複数の磁極を有する磁石を有する回転子と、
円筒状の固定子コアと、該固定子コアから前記回転子に向かって径方向に突出し、周方向に所定間隔で設けられたティースと、周方向に隣り合う前記ティース間に配置された固定子巻線と、を有する固定子と、
を備える回転電機において、
周方向に隣り合う一対の前記磁極で挟まれた領域のうち、前記各ティースの前記回転子側の周面と、前記固定子において前記回転子とは反対側の周面とで挟まれた領域を磁極対応領域とし、
前記磁極対応領域の周方向長さ寸法をＷｓとし、
前記磁極対応領域のうち、前記磁石の磁束が到達しないと想定される領域である無効磁束領域の周方向長さ寸法をＷｉｖとし、
前記磁石の１磁極における磁束量をφとし、
前記磁極対応領域に含まれる前記各ティースのうち、前記固定子巻線に通電された場合に１磁極として機能するティースの合計幅寸法をＷａとする場合、「Ｗｓ−Ｗｉｖ≧Ｗａ」及び「φ≦Ｗａ×ティースの磁束密度」とされている。

手段１では、周方向に隣り合う一対の磁極で挟まれた領域のうち、各ティースの回転子側の周面と、固定子において回転子とは反対側の周面とで挟まれた領域が磁極対応領域とされている。ここで、磁極対応領域に含まれる各ティースのうち、磁気飽和の発生に関わるティースは、固定子巻線に通電された場合に１磁極として機能するティースである。また、磁極対応領域には、磁石磁束が到達しない部分がある。

これらの点に鑑み、手段１では、磁極対応領域のうち、磁石の磁束が到達しないと想定される部分が無効磁束領域とされている。そして、磁極対応領域に含まれる各ティースのうち、固定子巻線に通電された場合に１磁極として機能するティースの合計幅寸法をＷａとし、無効磁束領域の周方向長さ寸法をＷｉｖとし、磁極対応領域の周方向長さ寸法をＷｓとする場合、「Ｗｓ−Ｗｉｖ≧Ｗａ」とされている。これにより、磁極対応領域のうち無効磁束領域を除いた有効磁束領域に１磁極として機能するティースが含まれるようにする。

また、手段１では、「φ≦Ｗａ×ティースの磁束密度」とされている。つまり、有効磁束領域に含まれかつ１磁極として機能するティースに、磁石磁束によって磁気飽和が発生しないような設計とされている。

以上説明した手段１によれば、固定子のティースにおいて磁気飽和が発生することを抑制でき、ひいては回転電機のトルクを向上させることができる。

回転子が表面磁石型のものである場合、手段１は手段２のように具体化される。手段２では、前記磁石は、ｑ軸上に設定される配向中心を中心として磁化容易軸が円弧状に配向されており、
前記ティースのうち前記回転子に対向する周面と前記配向中心とのｑ軸上における径方向の距離寸法をｒとする場合、「Ｗｉｖ＝２×ｒ」である。

回転子が、回転子コアに磁石が埋め込まれた埋込磁石型のものである場合、手段１は手段３のように具体化される。手段３では、前記各磁極を形成する前記磁石は、ｄ軸に対して線対称となる状態で配置されており、
前記磁石の前記固定子側の磁束作用面のうち前記回転子コアに当接する面においてｄ軸から最も離れた位置と、前記回転子の軸心とを通る仮想線が、前記磁極対応領域のうち径方向において前記回転子側の端と交わる位置を基準点とし、
前記基準点とｑ軸との周方向長さ寸法をＬｒとする場合、「Ｗｉｖ＝２×Ｌｒ」である。

「φ≦Ｗａ×ティースの磁束密度」における磁束密度は、手段４又は手段５のように具体化される。手段４では、前記ティースの飽和磁束密度をＢｓとする場合、「Ｗｓ−Ｗｉｖ≧Ｗａ」及び「φ≦Ｗａ×Ｂｓ」とされている。また、手段５では、磁化力５０００Ａ／ｍにおける前記ティースの磁束密度をＢ５０とする場合、「Ｗｓ−Ｗｉｖ≧Ｗａ」及び「φ≦Ｗａ×Ｂ５０」とされている。

手段６では、手段１〜５のいずれか１つにおいて、前記ティースの幅寸法が前記固定子巻線の１相あたりの周方向の幅寸法よりも大きい。

手段６によれば、磁石磁束が通る磁気回路のうち、ティースにおける磁路の断面積を大きくできる。このため、ティースにおける磁気飽和の発生を的確に抑制できる。

手段７では、手段１〜６のいずれか１つにおいて、前記固定子コアの厚さ寸法をｔｓとし、前記磁石の厚さ寸法をｔｍとし、前記磁石の残留磁束密度をＢｒとする場合、「ｔｓ×ティースの磁束密度≧ｔｍ×Ｂｒ」とされている。

手段７によれば、固定子コアにおける磁気飽和の発生を抑制できる。

手段８は、周方向に極性が交互となる複数の磁極を有する磁石を有する回転子と、
円筒状の固定子コアと、該固定子コアの前記回転子側に設けられた固定子巻線と、を有する固定子と、
を備える回転電機において、
前記固定子コアから前記回転子に向かって径方向に突出するティースが設けられておらず、
前記固定子コアの厚さ寸法をｔｓとし、前記磁石の厚さ寸法をｔｍとし、前記磁石の残留磁束密度をＢｒとする場合、「ｔｓ×ティースの磁束密度≧ｔｍ×Ｂｒ」とされている。

手段８によれば、固定子コアにおいて磁気飽和が発生することを抑制でき、ひいては回転電機のトルクを向上させることができる。

手段９では、手段８において、前記固定子コアの厚さ寸法が、前記固定子巻線の１相あたりの厚さ寸法よりも大きい。

手段９によれば、磁石磁束が通る磁気回路のうち、固定子コアにおける磁路の断面積を大きくでき、固定子コアにおける磁気飽和の発生を的確に抑制できる。また、回転子と固定子との間のエアギャップを小さくできる。以上説明した手段９によれば、回転電機のトルクをより向上させることができる。

「ｔｓ×ティースの磁束密度≧ｔｍ×Ｂｒ」における磁束密度は、手段１０又は手段１１のように具体化される。手段１０では、前記固定子コアの飽和磁束密度をＢｓとする場合、「ｔｓ×Ｂｓ≧ｔｍ×Ｂｒ」とされている。また、手段１１では、磁化力５０００Ａ／ｍにおける前記固定子コアの磁束密度をＢ５０とする場合、「ｔｓ×Ｂ５０≧ｔｍ×Ｂｒ」とされている。

手段１２では、手段１〜１１のいずれか１つにおいて、前記固定子巻線は、カーボンナノチューブ繊維で構成されている。

手段１２によれば、固定子巻線に大電流を流すことができ、回転電機のトルクをより向上させることができる。

第１実施形態に係るアウタロータ式ＳＰＭの縦断面図。 回転子及び固定子の横断面図。 固定子巻線を構成する各相導線の電気的な接続関係を示す図。 固定子巻線とインバータとの電気的な接続関係を示す図。 第２実施形態に係る回転子及び固定子の横断面図。 第３実施形態に係る回転子及び固定子の横断面図。 第４実施形態に係るインナロータ式ＩＰＭの縦断面図。 回転子及び固定子の横断面図。 回転子のうち磁石部分の拡大図。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では電動機としての回転電機を具体化しており、その回転電機は、例えば車両動力源として用いられる。ただし、回転電機は、産業用、車両用、家電用、ＯＡ機器用、遊技機用などとして広く用いられることが可能となっている。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一又は均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

（第１実施形態）
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る回転電機１０は、アウタロータ式（外転式）の表面磁石型回転電機（ＳＰＭモータ）である。図１は、回転電機１０の回転軸１１に沿う方向での縦断面図であり、図２は、回転軸１１に直交する方向での回転子２０及び固定子３０の横断面図である。以下の記載では、回転軸１１が延びる方向を軸方向とし、回転軸１１の中心から放射状に延びる方向を径方向とし、回転軸１１を中心として円周状に延びる方向を周方向としている。

なお、図２等では、図示の都合上、切断面を示すハッチングを省略している部材もある。また、図２では、便宜上、回転子２０と固定子３０との間のエアギャップを大きめに示している。

回転電機１０は、回転軸１１に固定された回転子２０と、回転子２０の径方向内側に対向配置された固定子３０と、ハウジング４０と、軸受４１とを備えている。回転子２０及び固定子３０は同軸に配置されている。回転子２０の内周面と固定子３０の外周面との間には所定のエアギャップが形成されている。ハウジング４０には軸受４１が設けられ、軸受４１により回転軸１１が回転自在に支持されている。

図２に示すように、回転子２０は、円筒状の磁石２１を備えている。磁石２１は、周方向に極性が交互となる複数の磁極を有している。本実施形態に係る磁石２１は、残留磁束密度Ｂｒ＝１．０［Ｔ］、固有保磁力Ｈｃｊ＝４００［ｋＡ／ｍ］以上の永久磁石である。磁石２１は、例えば、粒状の磁性材料を焼結して成型固化した焼結磁石であり、例えばネオジム磁石等の希土類磁石である。

磁石２１は、極異方性磁石である。磁石２１は、ｄ軸側では磁化容易軸の向きがｄ軸に平行な方向に近い向きとなり、ｑ軸側では磁化容易軸の向きがｑ軸に直交する方向に近い向きとなっている。そして、この磁化容易軸の向きに応じて円弧状の磁石磁路が形成されている。具体的には、磁石２１は、ｑ軸上に設定される配向中心ＣＰを中心として磁化容易軸が円弧状に配向されている。本実施形態では、磁石２１の内周面とｑ軸との交点が配向中心ＣＰとされている。

固定子３０は、円筒状の固定子コア３１と、固定子コア３１から径方向外側に向かって径方向に突出し、周方向に等間隔で設けられたティース３２と、周方向に隣り合うティース３２間に配置された固定子巻線３３とを備えている。

固定子コア３１及びティース３２は、軟磁性材料で構成され、具体的には複数の電磁鋼板が積層されて構成されている。電磁鋼板は、例えば鉄に数％程度（例えば３％）の珪素を添加した珪素鋼板である。周方向に隣り合うティース３２の間には、スロットが形成されている。スロットには、固定子巻線３３が配置されている。本実施形態において、固定子巻線３３は、３相のものである。固定子巻線３３は、Ｕ相導線３４Ｕ、Ｖ相導線３４Ｖ及びＷ相導線３４Ｗを備えている。各相導線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗのコイルサイド３５は、回転子２０の軸心Ｏを中心とする同一の円上に配置されている。

図３に、周方向に並べて配置された各相導線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗを示す。図３は、周方向を直線状に展開して示した各相導線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの配置図である。

本実施形態において、固定子巻線３３は、各相ｍ（ｍは２以上の整数）対ずつの導線を用いて相ごとの巻線を構成している。各相導線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗのコイルサイド３５の総数は、一相あたりの対数ｍを用いて、極対ごとに２×３×ｍ個となる。ｍ＝２の場合において、例えば、８極対（１６極）とするとき、各相導線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗのコイルサイド３５の総数は、２×３×２×８＝９６個となり、９６個のコイルサイド３５が周方向に並んで配置される。

各導線は、固定子巻線３３の周方向に所定の配置パターンで配置されるように、例えば折り曲げ形成されている。図３に示すように、固定子巻線３３では、各相導線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗのうち軸方向に直線状に延びる直線部によりコイルサイド３５が形成され、軸方向においてコイルサイドよりも両外側に突出するターン部によりコイルエンド３６，３７が形成されている。各相導線は、直線部とターン部とが交互に繰り返されることにより、波巻きの一連の導線として構成されている。直線部は、磁石２１に対して径方向に対向する位置に配置されており、磁石２１の軸方向外側となる位置において所定間隔を隔てて配置される同相の直線部同士が、ターン部により互いに接続されている。

本実施形態では、固定子巻線３３が分布巻きにより円環状に巻回形成されている。この場合、コイルサイド３５では、相ごとに、磁石２１の１極対に対応する間隔で周方向に一対の直線部が配置され、コイルエンド３６，３７では、相ごとの各直線部がターン部により互いに接続されている。１極対に対応して対となる各直線部は、それぞれ電流の向きが互いに逆になるものとなっている。また、一方のコイルエンド３６と他方のコイルエンド３７とでは、ターン部により接続される一対の直線部の組み合わせがそれぞれ相違しており、そのコイルエンド３６，３７での接続が周方向に繰り返されることにより、固定子巻線３３が略円筒状に形成されている。

図４に示すように、各相導線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗには、回転電機１０が備えるインバータ５０が電気的に接続されている。インバータ５０には、直流電源５４と平滑用のコンデンサ５５とが並列に接続されている。直流電源５４は、例えば複数の単電池が直列接続された組電池により構成されている。インバータ５０は、上アームスイッチ５１及び下アームスイッチ５２の直列接続体を３相分備えている。各相において、上アームスイッチ５１の高電位側端子は直流電源５４の正極端子に接続され、下アームスイッチ５２の低電位側端子は直流電源５４の負極端子（グランド）に接続されている。各相において、上アームスイッチ５１と下アームスイッチ５２との間の中間接続点には、導線が電気的に接続されている。各相導線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗは星形結線されている。

制御装置６０から出力される駆動信号がドライブ回路５３に送信される。ドライブ回路５３は、受信した駆動信号に基づいて、各スイッチ５１，５２をオンオフする。これにより、各相導線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗには、電気角で位相が１２０度ずれた電流が流れる。

先の図２の説明に戻り、１つのティース３２の周方向の幅寸法Ｗｔｅｅｔｈは、各相導線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの１つ分の周方向の幅寸法よりも大きくされている。特に本実施形態では、１つのティース３２の周方向の幅寸法Ｗｔｅｅｔｈは、各相導線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの２つ分（一対分）の周方向の幅寸法よりも大きくされている。これにより、磁石２１の磁束が通る磁気回路のうち、ティース３２における磁路の断面積を大きくできる。その結果、ティース３２における磁気飽和の発生を的確に抑制する。

本実施形態において、各相導線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗは、カーボンナノチューブ繊維で構成されている。このため、各相導線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗが例えば銅線で構成されている場合と比較して、各相導線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗに大電流を流すことができる。これにより、回転電機１０のトルクを向上させることができる。

本実施形態において、周方向に隣り合う一対のｑ軸（又はｄ軸）で挟まれた領域のうち、各ティース３２の外周面に接する外接円としての仮想円と、固定子コア３１の内周面とで挟まれた領域が磁極対応領域とされている。この磁極対応領域のうち、径方向外側の端の周方向長さ寸法をＷｓとする。具体的には、Ｗｓは、この仮想円のうち、周方向に隣り合う一対のｑ軸で挟まれた円弧の長さ寸法である。本実施形態では、磁極対応領域に６つ分に相当するティース３２が存在する。上記仮想円の外心は、軸心Ｏと一致する。

固定子３０の外周面と配向中心ＣＰとのｑ軸上における径方向の距離寸法をａとする。磁極対応領域のうち、各ｑ軸から周方向においてａだけ離れた位置までの領域が無効磁束領域とされている。無効磁束領域は、磁石２１の磁束が到達しないと想定される領域である。無効磁束領域のうち、径方向外側の端の周方向長さ寸法をＷｉｖとする場合、「Ｗｉｖ＝２×ａ」である。具体的には、Ｗｉｖは、上記仮想円のうち、無効磁束領域に含まれる円弧の長さ寸法である。

磁極対応領域のうち無効磁束領域を除いた領域が有効磁束領域とされている。有効磁束領域のうち、径方向外側の端の周方向長さ寸法をＷｅｆとする場合、「Ｗｅｆ＝Ｗｓ−Ｗｉｖ＝Ｗｓ−２ａ」である。

磁石２１の１磁極における磁束量をφとする。１磁極における磁石２１の内周面の周方向長さ寸法をＷｍとし、磁石２１の残留磁束密度をＢｒとする場合、１磁極における磁石２１の磁束量φは「φ＝Ｗｍ×Ｂｒ」で表される。本実施形態では、「Ｗｍ＞Ｗｓ」である。

各相において位相が１２０度ずれた相電流が流れると、磁極対応領域の２相分の部分が１磁極として機能する。図２には、この部分の周方向長さ寸法をＷｎ（＜Ｗｓ）で示す。磁極対応領域に含まれるティース３２のうち、Ｗｎにて規定される領域に含まれる２相分のティース３２が励磁される。Ｗｎにて規定される領域に含まれる２相分のティース３２（４つ分に相当するティース３２）の合計幅寸法をＷａとする場合、「Ｗａ＝Ｗｔｅｅｔｈ／２＋Ｗｔｅｅｔｈ＋Ｗｔｅｅｔｈ＋Ｗｔｅｅｔｈ＋Ｗｔｅｅｔｈ／２＝４×Ｗｔｅｅｔｈ」となる。

本実施形態において、固定子コア３１及びティース３２の飽和磁束密度をＢｓとする場合、「Ｗｓ−２×ａ≧Ｗａ」及び「φ≦Ｗａ×Ｂｓ」となるように各ティース３２の幅寸法が設定されている。「Ｗｓ−２×ａ≧Ｗａ」とされることにより、有効磁束領域に１磁極として機能するティース３２が含まれるようにする。また、「φ≦Ｗａ×Ｂｓ」とされることにより、有効磁束領域に含まれかつ１磁極として機能するティース３２に、磁石２１の磁束によって磁気飽和が発生しないようにすることができる。これにより、ティース３２において磁気飽和が発生することを抑制でき、ひいては回転電機１０のトルクを向上させることができる。なお、「φ＝Ｗａ×Ｂｓ」とされる場合、回転電機１０のトルクを向上させつつ、回転子２０及び固定子３０の体格を小さくすることができる。

本実施形態において、固定子コア３１の径方向の厚さ寸法をｔｓとし、磁石２１の径方向の厚さ寸法をｔｍとする場合、「ｔｓ×Ｂｓ≧ｔｍ×Ｂｒ」とされている。これにより、固定子コア３１における磁気飽和の発生を的確に抑制することができ、ひいては回転電機１０のトルク向上効果を高めることができる。

（第１実施形態の変形例）
・磁化力５０００Ａ／ｍにおける固定子コア３１及びティース３２の磁束密度をＢ５０とする場合、「Ｗｓ−Ｗｉｖ≧Ｗａ」及び「φ≦Ｗａ×Ｂ５０」とされていてもよい。なお、「Ｂ５０」は、一般的に「Ｂｓ」より０．１［Ｔ］ほど小さい値である。

・「ｔｓ×Ｂ５０≧ｔｍ×Ｂｒ」とされていてもよい。

（第２実施形態）
本実施形態では、図５に示すように、磁石２１の配向中心ＣＰが、ｑ軸上において磁石２１の内周面と固定子３０の外周面との間に位置している。図５において、先の図２に示した構成と同一の構成又は対応する構成については、便宜上、同一の符号を付している。

本実施形態において、固定子３０の外周面と配向中心ＣＰとのｑ軸上における径方向の距離寸法をｂとすると、「Ｗｉｖ＝２×ｂ」である。また、本実施形態では、「Ｗｓ−２×ｂ≧Ｗａ」及び「φ≦Ｗａ×Ｂｓ」となるように各ティース３２の幅寸法が設定されている。

以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、図６に示すように、固定子３０にティースが設けられていない。図６において、先の図２に示した構成と同一の構成又は対応する構成については、便宜上、同一の符号を付している。

本実施形態では、「ｔｓ×Ｂｓ≧ｔｍ×Ｂｒ」となるように固定子コア３１の径方向の厚さ寸法ｔｓが設定されている。これにより、固定子コア３１において磁気飽和が発生することを抑制でき、ひいては回転電機のトルクを向上させることができる。なお、「ｔｓ×Ｂｓ＝ｔｍ×Ｂｒ」とされる場合、回転電機のトルクを向上させつつ、回転子２０及び固定子３０の体格を小さくすることができる。

また、本実施形態では、各相導線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの断面形状が扁平矩形状とされている。そして、固定子コア３１の径方向の厚さ寸法ｔｓが、各相導線３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗの径方向の厚さ寸法よりも大きくされている。これにより、磁石２１の磁束が通る磁気回路のうち、固定子コア３１における磁路の断面積を大きくでき、固定子コア３１における磁気飽和の発生を的確に抑制できる。また、エアギャップを小さくできる。その結果、回転電機のトルクをより向上させることができる。

なお、「ｔｓ×Ｂｓ≧ｔｍ×Ｂｒ」に代えて、「ｔｓ×Ｂ５０≧ｔｍ×Ｂｒ」とされていてもよい。

（第４実施形態）
図７及び図８に示すように、本実施形態に係る回転電機７０は、インナロータ式（内転式）の埋込磁石型回転電機（ＩＰＭモータ）である。図７は、回転電機７０の回転軸７１に沿う方向での縦断面図であり、図８は、回転軸７１に直交する方向での回転子８０及び固定子９０の横断面図である。なお、図８等では、図示の都合上、切断面を示すハッチングを省略している部材もある。

回転電機７０は、回転軸７１に固定された回転子８０と、回転子８０の径方向外側に対向配置された固定子９０と、ハウジング１００と、軸受１０１とを備えている。回転子８０及び固定子９０は同軸に配置されている。回転子８０の外周面と固定子９０の内周面との間には所定のエアギャップが形成されている。ハウジング１００には軸受１０１が設けられ、軸受１０１により回転軸７１が回転自在に支持されている。

図８に示すように、回転子８０は、回転軸７１に内周面が固定される中空円筒状の回転子コア８１を有している。回転子コア８１は、軟磁性材料で構成され、具体的には複数の電磁鋼板が積層されることで略円筒状に形成されている。回転子コア８１には、周方向に配列された複数の磁石収容孔８２が形成されており、各磁石収容孔８２には、それぞれ磁石８３が埋設されている。磁石８３は、第１実施形態と同様に、残留磁束密度Ｂｒ＝１．０［Ｔ］、固有保磁力Ｈｃｊ＝４００［ｋＡ／ｍ］以上の永久磁石である。磁石８３は、例えば、粒状の磁性材料を焼結して成型固化した焼結磁石であり、例えばネオジム磁石等の希土類磁石である。

回転子コア８１において固定子９０の内周面と対向する外周面の付近には、軸方向に貫通する複数の磁石収容孔８２が周方向に所定距離を隔てて設けられている。各磁石収容孔８２は、２個で一対をなし、その一対の磁石収容孔８２により、径方向外側に向かうにつれて磁石収容孔８２同士の対向間距離が大きくなる略Ｖ字状に形成されている。また、各磁石収容孔８２と固定子９０との離間距離で言えば、各磁石収容孔８２は、ｄ軸に向かうにつれて固定子９０との離間距離が大きくなるように設けられている。一対の磁石収容孔８２は、ｄ軸を対称の軸とする対称形となっている。回転子コア８１には、例えば、合計８対の磁石収容孔８２が周方向に等間隔に設けられている。

本実施形態では、一対の磁石収容孔８２には、それぞれ複数の磁石８３が組み合わされた磁石アセンブリにより１つの磁極が形成されている。この場合、各磁石アセンブリによって、周方向に極性が交互に異なる複数の磁極が形成されている。１つの磁極を形成する一対の磁石８３は、ｄ軸に対して線対称となる状態で配置されている。磁石８３は、パラレル配向がなされたものである。

固定子９０は、円筒状の固定子コア９１と、固定子コア９１から径方向内側に向かって径方向に突出し、周方向に所定間隔で設けられたティース９２と、周方向に隣り合うティース９２間に配置された固定子巻線３３とを備えている。固定子コア９１及びティース９２は、複数の電磁鋼板が積層されて構成されている。なお、本実施形態の固定子巻線３３は、第１実施形態と同様に波巻にて構成され、また、カーボンナノチューブ繊維で構成されている。ただし、対数ｍは１である。なお、固定子巻線３３についての詳細な説明を省略する。

本実施形態において、周方向に隣り合う一対のｑ軸（又はｄ軸）で挟まれた領域のうち、各ティース９２の内周面に接する内接円としての仮想円と、固定子コア９１の外周面とで挟まれた領域が磁極対応領域とされている。この磁極対応領域のうち、径方向内側の端の周方向長さ寸法をＷｓとする。具体的には、Ｗｓは、この仮想円のうち、周方向に隣り合う一対のｑ軸で挟まれた円弧の長さ寸法である。本実施形態では、磁極対応領域に３つ分に相当するティース９２が存在する。上記仮想円の内心は、軸心Ｏと一致する。

本実施形態において、磁石８３の固定子９０側の磁束作用面８３ａのうち回転子コア８１に当接する面においてｄ軸から最も離れた位置Ｐ１と、回転子８０の軸心Ｏとを通る直線を仮想線Ｋ（一点鎖線にて表記）とする。仮想線Ｋが、磁極対応領域の上記仮想円と交わる位置を基準点Ｐ２とする。また、上記仮想円のうち、基準点Ｐ２からｑ軸までの長さ寸法をＬｒとする。磁極対応領域のうち、各ｑ軸から周方向においてＬｒだけ離れた位置までの領域が無効磁束領域とされている。無効磁束領域のうち、径方向内側の端の周方向長さ寸法をＷｉｖとする場合、「Ｗｉｖ＝２×Ｌｒ」である。具体的には、Ｗｉｖは、上記仮想円のうち、無効磁束領域に含まれる円弧の長さ寸法である。なお、この場合の有効磁束領域の周方向長さ寸法Ｗｅｆは、「Ｗｅｆ＝Ｗｓ−Ｗｉｖ＝Ｗｓ−２Ｌｒ」である。

図９に示すように、磁石８３の磁束作用面８３ａのうち、回転子コア８１に当接する面の長さ寸法をＬＡとする。この場合、１磁極における磁石８３の周方向幅寸法Ｗｍは「Ｗｍ＝２×ＬＡ」となり、１磁極における磁石８３の磁束量φは「φ＝２×ＬＡ×Ｂｒ」で表される。

各相において位相が１２０度ずれた相電流が流れると、磁極対応領域の２相分の部分が１磁極として機能する。詳しくは、磁極対応領域に含まれる３つのティース９２のうち、２つのティース９２が励磁される。この場合、励磁される２相分のティース９２の合計幅寸法をＷａは、「Ｗａ＝２×Ｗｔｅｅｔｈ」となる。

本実施形態において、固定子コア９１及びティース９２の飽和磁束密度をＢｓとする場合、「Ｗｓ−２×Ｌｒ≧Ｗａ」及び「φ≦Ｗａ×Ｂｓ」となるように各ティース９２の幅寸法が設定されている。また、固定子コア９１の径方向の厚さ寸法をｔｓとし、磁石８３の厚さ寸法をｔｍとする場合、「ｔｓ×Ｂｓ≧ｔｍ×Ｂｒ」とされている。これにより、ティース９２及び固定子コア９１における磁気飽和の発生を的確に抑制することができ、ひいては回転電機７０のトルク向上効果を高めることができる。

（第４実施形態の変形例）
・「Ｗｓ−２×ＬＡ≧Ｗａ」及び「φ≦Ｗａ×Ｂ５０」とされていてもよい。

・「ｔｓ×Ｂ５０≧ｔｍ×Ｂｒ」とされていてもよい。

・インナロータ式の回転電機に代えて、アウタロータ式の回転電機が用いられてもよい。

（その他の実施形態）
・第１〜第３実施形態において、アウタロータ式の回転電機に代えて、インナロータ式の回転電機が用いられてもよい。

・固定子巻線としては、カーボンナノチューブ繊維で構成されたものに限らず、例えば銅線で構成されたものであってもよい。また、固定子巻線としては、分布巻で構成されたものに限らず、集中巻で構成されたものであってもよい。

・この明細書における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

１０…回転電機、２０…回転子、２１…磁石、３０…固定子、３１…固定子コア、３２ティース、３３…固定子巻線。

Claims (12)

1. 周方向に極性が交互となる複数の磁極を有する磁石（２１，８３）を有する回転子（２０，８０）と、
   円筒状の固定子コア（３１，９１）と、該固定子コアから前記回転子に向かって径方向に突出し、周方向に所定間隔で設けられたティース（３２，９２）と、周方向に隣り合う前記ティース間に配置された固定子巻線（３３）と、を有する固定子（３０，９０）と、
   を備える回転電機（１０，７０）において、
   周方向に隣り合う一対の前記磁極で挟まれた領域のうち、前記各ティースの前記回転子側の周面と、前記固定子において前記回転子とは反対側の周面とで挟まれた領域を磁極対応領域とし、
   前記磁極対応領域の周方向長さ寸法をＷｓとし、
   前記磁極対応領域のうち、前記磁石の磁束が到達しないと想定される領域である無効磁束領域の周方向長さ寸法をＷｉｖとし、
   前記磁石の１磁極における磁束量をφとし、
   前記磁極対応領域に含まれる前記各ティースのうち、前記固定子巻線に通電された場合に１磁極として機能するティースの合計幅寸法をＷａとする場合、「Ｗｓ−Ｗｉｖ≧Ｗａ」及び「φ≦Ｗａ×ティースの磁束密度」とされている回転電機。
2. 前記回転子（２０）は、表面磁石型の回転子であり、
   前記磁石（２１）は、ｑ軸上に設定される配向中心（ＣＰ）を中心として磁化容易軸が円弧状に配向されており、
   前記ティース（３２）のうち前記回転子に対向する周面と前記配向中心とのｑ軸上における径方向の距離寸法をｒとする場合、「Ｗｉｖ＝２×ｒ」である請求項１に記載の回転電機。
3. 前記回転子（８０）は、回転子コア（８１）を備え、該回転子コアに前記磁石が埋め込まれた埋込磁石型の回転子であり、
   前記各磁極を形成する前記磁石（８３）は、ｄ軸に対して線対称となる状態で配置されており、
   前記磁石の前記固定子（９０）側の磁束作用面（８３ａ）のうち前記回転子コアに当接する面においてｄ軸から最も離れた位置（Ｐ１）と、前記回転子の軸心（Ｏ）とを通る仮想線（Ｋ）が、前記磁極対応領域のうち径方向において前記回転子側の端と交わる位置を基準点（Ｐ２）とし、
   前記基準点とｑ軸との周方向長さ寸法をＬｒとする場合、「Ｗｉｖ＝２×Ｌｒ」である請求項１に記載の回転電機。
4. 前記ティースの飽和磁束密度をＢｓとする場合、「Ｗｓ−Ｗｉｖ≧Ｗａ」及び「φ≦Ｗａ×Ｂｓ」とされている請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 磁化力５０００Ａ／ｍにおける前記ティースの磁束密度をＢ５０とする場合、「Ｗｓ−Ｗｉｖ≧Ｗａ」及び「φ≦Ｗａ×Ｂ５０」とされている請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 前記ティースの幅寸法（Ｗｔｅｅｔｈ）が前記固定子巻線の１相あたりの周方向の幅寸法よりも大きい請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機。
7. 前記固定子コアの厚さ寸法をｔｓとし、前記磁石の厚さ寸法をｔｍとし、前記磁石の残留磁束密度をＢｒとする場合、「ｔｓ×固定子コアの磁束密度≧ｔｍ×Ｂｒ」とされている請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機。
8. 周方向に極性が交互となる複数の磁極を有する磁石（２１）を有する回転子（２０）と、
   円筒状の固定子コア（３１）と、該固定子コアの前記回転子側に設けられた固定子巻線（３３）と、を有する固定子（３０）と、
   を備える回転電機において、
   前記固定子コアから前記回転子に向かって径方向に突出するティースが設けられておらず、
   前記固定子コアの厚さ寸法をｔｓとし、前記磁石の厚さ寸法をｔｍとし、前記磁石の残留磁束密度をＢｒとする場合、「ｔｓ×ティースの磁束密度≧ｔｍ×Ｂｒ」とされている回転電機。
9. 前記固定子コアの厚さ寸法が、前記固定子巻線の１相あたりの厚さ寸法よりも大きい請求項８に記載の回転電機。
10. 前記固定子コアの飽和磁束密度をＢｓとする場合、「ｔｓ×Ｂｓ≧ｔｍ×Ｂｒ」とされている請求項７〜９のいずれか１項に記載の回転電機。
11. 磁化力５０００Ａ／ｍにおける前記固定子コアの磁束密度をＢ５０とする場合、「ｔｓ×Ｂ５０≧ｔｍ×Ｂｒ」とされている請求項７〜９のいずれか１項に記載の回転電機。
12. 前記固定子巻線は、カーボンナノチューブ繊維で構成されている請求項１〜１１のいずれか１項に記載の回転電機。

Images