JP7455697B2 - 回転電機の回転子 - Google Patents

Description

この発明の実施形態は、回転電機の回転子に関する。

回転電機として、同期リラクタンスモータ（SynRM）が提供されている。このリラクタンスモータの回転子には、非磁性体で構成されたフラックスバリアが設けられている。回転子鉄心とフラックスバリアとの透磁率の違いによって突極性を得ることにより、トルクを発生する。非磁性体（比透磁率がほぼ１である）の代表例としては空気が挙げられる。このため、インバータ駆動形の同期リラクタンスモータの実用例としては，フラックスバリアを空洞（何も充填しない）とすることが多い。

一方、アルミニウムや銅なども非磁性体であるが、これらは同時に導電体でもある。そのため、アルミニウムや銅などをフラックスバリアに充填することで二次導体を構成することができる。すなわち，非同期状態（固定子の回転磁界の回転速度と回転子の物理的な回転速度が一致せず、滑っている状態）においては、誘導トルクが発生するため、商用直入れ運転が可能な自己始動形（Line-Start）の同期リラクタンスモータ(LS-SynRM)を実現することが可能となる。
自己始動形の同期リラクタンスモータは、駆動用のインバータが不要となるため、モータドライブシステムとしてみた時に、低コスト化が実現できる。また、スイッチング損失などの変換器で発生する損失がないため、システム全体の効率を改善することができる。

特許第４０９８９３９号公報 特許第４５８８２５５号公報 特開平５－９１６８４号公報 特許第５４１１８８３号公報

「ヒステリシスモータの動特性」、日立論評、1969年5月号 「ヒステリシスモータ」、電氣學會雜誌，Vol. 99, No. 4，1979

上記のように、自己始動形の同期リラクタンスモータは、低コストと高効率が両立できる優れた性質を有しているが、始動特性に課題がある。自己始動形の同期リラクタンスモータにおいては、定常運転時は同期速度で回転し、滑りはゼロとなる。滑りのある状態から、同期速度まで加速することを同期引き入れという。同期引き入れの可否は、慣性モーメントに依存し、たとえ負荷トルクが定格トルク以下であっても、慣性モーメントが大きい場合は、同期引き入れできない可能性がある。例えば、負荷として接続されるファンやブロアの慣性モーメントは、モータ自体の慣性モーメントに対して、数倍から数十倍と大きい。そのため、ファンやブロアが接続されたモータは、同期引き入れの可否が問題となる場合がある。同期引き入れが可能な負荷慣性モーメントの最大値（以下では許容慣性モーメントと呼ぶ）は、誘導トルクを大きくすることで改善することができる。

誘導トルクを大きくするためには、二次導体の断面積を大きくして、二次抵抗を小さくする必要がある。しかし、二次導体の面積を大きくした場合、相対的に鉄心部分の面積が小さくなり、回転子の磁気的なバランスが崩れ、回転子の突極性が低下する。すなわち、同期引き入れができても、定常運転時のトルクや力率が低く、同期リラクタンスモータとしての性能を十分に発揮することが困難となる。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、リラクタンストルクを低下させることなく、始動特性の向上した回転電機の回転子を提供することにある。

実施形態によれば、回転電機の回転子は、中心軸線の回りで回転自在なシャフトと、
前記中心軸線の回りの周方向に並んだ複数の磁極を有し、前記シャフトに固定された回転子鉄心と、を備えている。前記回転子鉄心の磁極には、前記回転子鉄心の外周面におけるある箇所から他の箇所に至る複数層のフラックスバリアが前記中心軸線を通る所定の軸線をそれぞれ通過するように並べられて形成され、前記フラックスバリアは、前記フラックスバリアの長手方向の両端において前記回転子鉄心の外周面の一部を形成する第１ブリッジ部および第２ブリッジ部と、前記第１ブリッジ部と第２ブリッジ部との間に位置する空隙層と、を含んでいる。少なくとも１層のフラックスバリアは、前記空隙層の少なくとも１部に充填された硬磁性材料で形成された磁化反転可能な硬磁性領域を有している

図１は、第1実施形態に係る回転電機の横断面図。 図２は、前記回転電機の回転子の１磁極部分を拡大して示す横断面図。 図３Ａは、硬磁性領域における磁界ベクトルおよび磁化ベクトルの第1時間変化を概略的に示す図。 図３Ｂは、硬磁性領域における磁界ベクトルおよび磁化ベクトルの第２時間変化を概略的に示す図。 図３Ｃは、硬磁性領域における磁界ベクトルおよび磁化ベクトルの第３時間変化を概略的に示す図。 図３Ｄは、硬磁性領域における磁界ベクトルおよび磁化ベクトルの第４時間変化を概略的に示す図。 図４は、硬磁性領域における磁界と磁化の時間変化を示す図。 図５は、非同期運転時に発生するトルクの解析結果を示す図。 図６は、始動時における電機子電流波形の一例を示す図。 図７は、第1変形例に係る回転電機の回転子の１磁極部分を示す断面図。 図８は、第２変形例に係る回転電機の回転子の１磁極部分を示す断面図。 図９は、第３変形例に係る回転電機の回転子の１磁極部分を示す断面図。 図１０は、第２実施形態に係る回転電機の回転子の１磁極部分を示す断面図。 図１１は、第３実施形態に係る回転電機の回転子の１磁極部分を示す断面図。

以下に、図面を参照しながら、実施形態について説明する。なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更であって容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

（第1実施形態）
図１は、第1実施形態に係る回転電機の横断面図、図２は、回転子の１磁極分を拡大して示す断面図である。
図１に示すように、回転電機１０は、例えば、インナーロータ形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あるいは円筒状の固定子１２と、固定子の内側に中心軸線Ｃの回りで回転自在に、かつ固定子１２と同軸的に支持された回転子１４と、を備えている。実施形態において、回転電機１０は、自己始動形のリラクタンスモータ(LS-SynRM)を構成している。

固定子１２は、円筒状の固定子鉄心１６と固定子鉄心１６に巻き付けられた電機子巻線１８とを備えている。固定子鉄心１６は、磁性材、例えば、ケイ素鋼などの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は、軟磁性粉を加圧成形して形成することも可能である。固定子鉄心１６は環状のヨーク部１７と、それぞれヨーク部１７の内周から中心軸線Ｃに向かって延出しヨーク部１７の周方向に等間隔で配列された複数本（例えば、本実施形態では３６本）の固定子ティース２１と、を一体に有している。ティース２１は、断面略矩形状に形成されている。ティース２１の延出端は、所定の隙間を置いて回転子１４に面している。
隣接する各ティース２１間には、それぞれスロット２０が形成されている。複数のスロット２０は、円周方向に等間隔を置いて並んでいる。各スロット２０は、固定子鉄心１６の内周面に開口し、この内周面から放射方向に延出している。また、各スロット２０は、固定子鉄心１６の軸方向の全長に亘って延在している。

複数のスロット２０に電機子巻線１８が埋め込まれ、図示しないインシュレータや絶縁被膜を介して各固定子ティース２１に巻き付けられている。電機子巻線１８は３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に分かれている。３相交流電源から電機子巻線１８に電流を流すことにより、固定子１２（固定子ティース２１）に所定の鎖交磁束が形成される。
なお、固定子鉄心１６に絶縁性を有するインシュレータが装着されてもよく、あるいは、固定子鉄心１６の外面全体が絶縁被膜で被覆されてもよい（何れも図示しない）。

回転子１４は、円柱形状のシャフト（回転軸）２２と、このシャフト２２の軸方向ほぼ中央部に同軸的に固定された円柱形状の回転子鉄心２４と、を有している。シャフト２２は、図示しない軸受により中心軸線Ｃの回りで回転自在に支持されている。回転子１４は、固定子１２の内側に僅かな隙間（エアギャップ）Ｇを置いて同軸的に配置されている。すなわち、回転子鉄心２４の外周面は、僅かな隙間Ｇをおいて、固定子１２の内周面（固定子ティース２１の先端面）に対向している。回転子鉄心２４は中心軸線Ｃと同軸的に形成された内孔２５を有している。シャフト２２は内孔２５に挿通および嵌合され、回転子鉄心２４と同軸的に延在している。回転子鉄心２４は、磁性材、例えば、ケイ素鋼などの円環状の電磁鋼板を多数枚、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、軟磁性粉を加圧成形して形成することも可能である。

本実施形態において、回転子１４は、複数磁極、例えば、４磁極に設定されている。回転子鉄心２４において、中心軸線Ｃと直交する方向を径方向、中心軸線Ｃ回りに周回する方向を周方向と称する。また、中心軸線Ｃおよび隣合う磁極間の境界を通り中心軸線Ｃに対して径方向あるいは放射方向に延びる軸をｑ軸、およびｑ軸に対して電気的、磁気的に直交する軸をｄ軸と称する。ここでは、固定子１２によって形成される鎖交磁束の流れ易い方向をｑ軸としている。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、所定の位相で設けられている。回転子鉄心２４の１磁極分とは、隣合う２本のｑ軸間の領域（１／４周の周角度領域）をいう。１磁極のうちの周方向中央がｄ軸となる。

図２は、回転子の１磁極部分、すなわち、１／４周の周角度領域分を示す断面図である。図１および図２に示すように、回転子鉄心２４は、１磁極ごとに、複数層、例えば、４層のフラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを有している。各磁極において、４層のフラックスバリア３０ａ～３０ｄは、回転子鉄心２４の径方向（ここでは、ｄ軸方向）に互いに間隔を置いて、中心軸線Ｃ側から外周面側に順に並んで設けられている。すなわち、フラックスバリア３０ａ～３０ｄの各々は、回転子鉄心２４の外周面におけるある箇所からｄ軸を通り外周面の他の箇所に至り、中心軸線Ｃに向かって凸状に湾曲して延在している。複数のフラックスバリア３０ａ～３０ｄは、固定子１２により形成された磁束が通過する複数の磁路の間に形成され、各磁路を区画している。

本実施形態において、各フラックスバリア３０ａ～３０ｄは、ｄ軸を中心とするほぼ双曲線状に延在する空隙層３２と、空隙層３２の一端と外周面との間に位置する鉄心で形成された薄肉連結部（第１ブリッジ部）３４ａと、空隙層３２の他端と外周面との間に位置する鉄心で形成された薄肉連結部（第２ブリッジ部）３４ｂと、を有している。第1ブリッジ部３４ａおよび第２ブリッジ部３４ｂは、径方向の幅ＷＯを有している。第1ブリッジ部３４ａおよび第２ブリッジ部３４ｂは、各フラックスバリア３０ａ～３０ｄの空隙層３２により分離された回転子鉄心２４同士を結合（接続）する役割を果たす。なお，各層に属する第1ブリッジ部３４ａおよび第２ブリッジ部３４ｂの径方向の幅ＷＯは、一定にかぎらず、不均一であってもよい。

例えば、最も内周側に設けられたフラックスバリア３０ａにおいて、空隙層３２の一端は、外周面の近傍、かつ、一方のｑ軸の近傍に位置し、空隙層３２の他端は外周面の近傍、かつ、他方のｑ軸の近傍に位置している。空隙層３２は、上記一端から他端まで、ｑ軸に沿うと共に周方向の中央部が最も径方向内側に位置するように、外周側から径方向内側の中心軸線Ｃに向かって凸形状に湾曲したほぼ円弧状の断面形状を有している。一例では、空隙層３２は一定の幅を有する帯状に形成されている。なお、各空隙層３２の形状は、円弧状に限らず、双曲線状あるいはＵ字形のような凸形状であってもよい。また、空隙層３２の幅は、一定に限らず、部位に応じて異なる幅に形成しても良い。
２層目、３層目、および最外層のフラックスバリア３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、最内層のフラックスバリア３０ａに対して、ｄ軸方向に間隔を置いて並んでいる。フラックスバリアは、４層に限らず、単層、２層、３層、あるいは５層以上に形成されてもよい。また、各フラックスバリアの空隙層３２は、連続した一層に限らず、複数に分割された空隙層としてもよい。

各空隙層３２には、非磁性の絶縁体（空気や樹脂など）が充填され、鉄心部分に比較して透磁率が低いバリア領域４０を形成している。バリア領域４０は、磁路に比べて磁束を通しにくい（磁束の流れを妨げる）性質がある。
回転子鉄心２４において、前述したｑ軸は、バリア領域４０によって磁束の流れが妨げられない方向に相当している。すなわち、回転子鉄心２４の外周面のある周角度位置Ａに正の磁位（例えば磁石のＮ極を近づける）を与え、それに対して１極分（本実施例の場合は９０度）ずれた周角度位置Ｂに負の磁位（例えば磁石のＳ極を近づける）を与え、Ａの位置を周方向へずらしていった場合に最も多くの磁束が流れる時の中心軸線Ｃから位置Ａに向かう方向をｑ軸と定義している。一方、ｑ軸に対して磁気的に直交するｄ軸は、バリア領域４０によって磁束の流れが妨げられる方向に相当している。

バリア領域４０によって、ｄ軸方向の磁束が妨げられるため、回転子鉄心２４にはｄ軸方向とｑ軸方向のそれぞれで磁気異方性が表れる。これによってリラクタンストルクが発生し、リラクタンスモータ１０は同期速度において一定のトルクを生み出す。一方で、非同期速度では、リラクタンストルクは脈動し，平均値は零となる。

図１および図２に示すように、第１実施形態によれば、フラックスバリア３０ａ～３０ｄの少なくとも一層において、例えば、内周側の３層のフラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃにおいて、各バリア領域４０の少なくとも一部、例えば、長手方向の中央部は、硬磁性材料が充填された硬磁性領域４２に置き換えられている。硬磁性材料は、永久磁石を構成するような材料であり、例えば、希土類磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石、サマリウム鉄コバルト磁石などを構成する材料を用いている。硬磁性領域４２は、着磁されていても、着磁されていなくても、あるいは、不完全に着磁されていてもよい。硬磁性領域４２は、ｄ軸を横切るように配置され、長手方向に所定長さを有している。本実施形態では、硬磁性領域４２は、ｄ軸に対して左右対称に設けられている。フラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃにおいて、硬磁性領域４２を除く領域は、バリア領域４０、ブリッジ部３４ａ、３４ｂとなっている。
各硬磁性領域４２の磁化容易軸方向は、ｄ軸方向に略平行となっている。なお、上記に述べた一般的な硬磁性材料のリコイル比透磁率はほぼ１である。すなわち、硬磁性材料の磁気抵抗は、回転子鉄心２４の鉄心部に比べて十分大きく、バリア領域としての機能を有している。従って、バリア領域４０の一部を硬磁性領域４２に置き換えた場合でも、同期リラクタンスモータ本来の性質（効率や力率など）は損なわれない。

回転電機の始動時などの非同期運転時においては、同期速度と回転子１４の物理的な速度に差が発生し、回転子１４に交番磁界が印加される。硬磁性領域４２の磁束密度は、硬磁性材料のヒステリシス磁気特性によって、不可逆に変化する。不可逆的な変化により、磁界と磁化に位相差が発生し、ヒステリシストルクを生じる。

図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄは、有限要素法を用いた磁界解析によって、第１実施形態における硬磁性領域４２の磁化反転の様子をシミュレーションした結果をそれぞれ示す図である。電機子巻線１８には、実効値が一定の３相交流電流を通電し、回転磁界を発生させた。
図３Ａに示す状態１は、硬磁性材料に加わる磁界がほぼ０となるような状態である。この時、各硬磁性領域４２の磁化は、ｄ軸の正方向（図の上方向）を向いている。
図３Ｂに示す状態２は、次に、少し時間が経過して３相交流の位相が変化し、ｄ軸の負方向（図の下方向）に磁界が生じた時の状態である。この状態２でも、磁化は概ねｄ軸の正方向となっている。その後、時間の経過に伴い、図３Ｃに示す状態３、図３Ｄに示す状態４に順次変化し、負方向の磁界が大きくなるにつれて、磁化も負方向へ変化する。

このように，磁界の変化より少し遅れて、硬磁性領域４２の磁化が変化する。
図４は、磁界と磁化の時間変化を表した図である。図４からも、磁化の変化が磁界の変化に対して遅れていることが分かる。

図５は、非同期運転時に発生するトルクの解析結果を示す図である。
図５において、（ＦＢ＋Ｍａｇ）は、第１実施形態に係るリラクタンスモータ１０を模擬した解析結果を示している。すなわち、フラックスバリアがバリア領域４０と硬磁性領域４２とにって構成されている。なお、図中の平均トルクは、電気角一周期あたりの平均値である。第１実施形態に係るリラクタンスモータ１０では、滑りによらず、ほぼ一定のトルクが得られることが分かる。
図５において、ＦＢは、一般的な同期リラクタンスモータを模擬した場合の解析結果を示している。すなわち、一般的な同期リラクタンスモータでは、フラックスバリアはバリア領域のみで構成され、硬磁性領域を有していない。このリラクタンスモータでは、電気角一周期の平均トルクは零となっており、加速（始動）できないことが確認できる。

一方、同期リラクタンスモータに永久磁石を挿入することにより、効率や力率を向上させる技術が知られている。これらのモータでは、いかなる運転状態においても永久磁石が磁化反転（不可逆減磁）しないよう、保磁力Ｈcが非常に高い硬磁性材料の磁石が用いられている。これに対して、本実施形態に係るリラクタンスモータでは、硬磁性領域４２を形成する硬磁性材料は、非同期運転時に磁化が反転することを前提としている。

スロット２０内の直列導体数をＮt、固定子のスロット数をＮｓ、極数をＰ、電機子巻線の並列回路数をＮc、１極あたりの硬磁性領域の厚みの総和をｔmとすると、一極当たりの各相に対応するスロット数（毎極毎相スロット数）Ｔaは次のようになる。

電機子巻線１８の内の１相（Ｕ相）に流れる電流をｉuとすすると、Ｕ相電流が作る起磁力Ｆuは次のようになる。

Ｖ相とＷ相についても同様である。これらをベクトルとして足し合わせると、実効値Ｉaの３相電流が作る起磁力Ｆは次のように計算できる。

１極あたりのフラックスバリア３０ａの厚み（フラックスバリアのｄ軸方向の幅）の総和をｔmとすると、硬磁性領域４２に発生する磁界Ｈは次のように計算できる。

Ｈc＜Ｈとなった時、硬磁性領域４２の磁化の反転が発生する。したがって、本実施形態に係る自己始動形の同期リラクタンスモータ１０は、定格電圧で始動した場合に流れる３相電流の実効値の最大値をＩmaxとした時、以下の条件が成立するモータである。

図６は、電機子巻線電流の始動時の電流波形の一例を示す図である。図示のように、３相電流の包絡線の最大値は１１４Ａとなっている。したがって、この例では、最大値をＩmaxは、

と計算できる。なお、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相電流の瞬時値をｉu(t)、ｉv(t)、ｉw(t)とすると、３相電流の包絡線Ａ(t)は、次のように計算できる。

以上のように構成された第１実施形態に係る自己始動形の同期リラクタンスモータ１０によれば、回転子鉄心２４の各磁極に複数層のフラックスバリア３０ａ～３０ｄが形成され、各フラックスバリアには、複数のブリッジ部３４ａ、３４ｂが形成されているとともにブリッジ部の間にバリア領域４０が形成されている。バリア領域４０には、非磁性の絶縁体（空気や樹脂など）が充填され、磁束の流れを妨げる。少なくとも１層のフラックスバリアにおいて、バリア領域４０の少なくとも一部に硬磁性材料（希土類磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石、サマリウム鉄コバルト磁石など）が充填され硬磁性領域４２を形成している。硬磁性領域４２は、磁束の流れを妨げるとともに、非同期時には硬磁性材料の磁化が反転（不可逆減磁）してヒステリシストルクを生じる。これにより、負荷のトルクや慣性モーメントが大きい場合でも、同期引き入れすることができる。特に、ヒステリシストルクを負荷トルクよりも大きく設定すれば、許容負荷慣性モーメントの制約から解放され、本リラクタンスモータの応用範囲が格段に広くなる。以上のように、上述した技術を活用することで、始動性の向上した自己始動形の同期リラクタンスモータおよびその回転子が得られる。

次に、変形例および他の実施形態に係る回転電機について説明する。以下に述べる変形例および他の実施形態において、上述した第１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あるいは簡略化し、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
（第１変形例）
図７は、第１変形例に係る回転電機の回転子の１磁極部分を示す断面図である。
図示のように、フラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃの硬磁性領域４２は、空隙層３２に挿入配置された平板状の硬磁性材料で構成してもよい。

（第２変形例）
図８は、第２変形例に係る回転電機の回転子の１磁極部分を示す断面図である。
図示のように、フラックスバリア３０ａ、３０ｂの周方向の中央部に、鉄心部で形成されたセンターブリッジ４４、４５をそれぞれ設けても良い。本変形例において、センターブリッジ４４、４５は、ｄ軸上に配置されている。センターブリッジ４４、４５を設けることにより、遠心力に対する回転子鉄心２４の機械強度が向上し、より早い回転数でも動作させることができる。
フラックスバリア３０ｂ、３０ｃにおいて、バリア領域に２つ以上の硬磁性領域４２が設けられている。硬磁性領域４２は、フラックスバリアの長手方向の一端と中央部との間、および長手方向の他端と中央部との間、にそれぞれ設けられている。
硬磁性領域４２の設置数は、２つに限らず、３つ以上としてもよく、設置位置も上記に限らず、任意に選択可能である。

（第３変形例）
図９は、第３変形例に係る回転電機の回転子の１磁極部分を示す断面図である。
図示のように、回転子鉄心２４の各磁極に３層のフラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃが設けられている。３層のフラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、回転子鉄心２４の径方向に互いに間隔を置いて、中心軸線Ｃ側から外周面側に順に並んで設けられている。フラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃの各々は、回転子鉄心２４の外周面におけるある箇所からｄ軸を通り外周面の他の箇所に至り、中心軸線Ｃに向かって凸状に湾曲して延在している。複数のフラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、固定子１２により形成された磁束が通過する複数の磁路の間に形成され、各磁路を区画している。

各フラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、ｄ軸を中心とするほぼ双曲線状に延在する空隙層３２と、空隙層３２の一端と外周面との間に位置する鉄心で形成された第１ブリッジ部３４ａと、空隙層３２の他端と外周面との間に位置する鉄心で形成された第２ブリッジ部３４ｂと、を有している。第1ブリッジ部３４ａおよび第２ブリッジ部３４ｂは、径方向の幅ＷＯを有している。第1ブリッジ部３４ａおよび第２ブリッジ部３４ｂは、各フラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃの空隙層３２により分離された回転子鉄心２４同士を結合（接続）する役割を果たす。なお，各層に属する第1ブリッジ部３４ａおよび第２ブリッジ部３４ｂの径方向の幅ＷＯは、一定に限らず、不均一であってもよい。

例えば、最も内周側に設けられたフラックスバリア３０ａにおいて、空隙層３２の一端は、外周面の近傍、かつ、一方のｑ軸の近傍に位置し、空隙層３２の他端は外周面の近傍、かつ、他方のｑ軸の近傍に位置している。空隙層３２は、上記一端から他端まで、ｑ軸に沿うと共に周方向の中央部が最も径方向内側に位置するように、外周側から径方向内側の中心軸線Ｃに向かって凸形状に湾曲した双曲線状の断面形状を有している。なお、各空隙層３２の形状は、双曲線状に限らず、円弧状あるいはＵ字形のような凸形状であってもよい。
２層目および３層目のフラックスバリア３０ｂ、３０ｃは、最内層のフラックスバリア３０ａに対して、ｄ軸方向に間隔を置いて並んでいる。フラックスバリアは、３層に限らず、単層、２層、あるいは４層以上としてもよい。

各空隙層３２には、非磁性の絶縁体（空気や樹脂など）が充填され、鉄心部分に比較して透磁率が低いバリア領域４０を形成している。３層のフラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃにおいて、各バリア領域４０の少なくとも一部、例えば、長手方向の中央部は、硬磁性材料が充填された硬磁性領域４２に置き換えられている。硬磁性材料は、永久磁石を構成するような材料であり、例えば、希土類磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石、サマリウム鉄コバルト磁石などを構成する材料を用いている。硬磁性領域４２は、着磁されていても、着磁されていなくても、あるいは、不完全に着磁されていてもよい。硬磁性領域４２は、ｄ軸を横切るように配置され、長手方向に所定長さを有している。本実施形態では、硬磁性領域４２は、ｄ軸に対して左右対称に設けられている。

第３変形例によれば、各フラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃにおいて、長手方向の中央部に、鉄心部で形成された２つのブリッジ４６ａ、４６ｂが設けられている。ブリッジ４６ａ、４６ｂの各々は、空隙層３２を径方向に横切って延び各フラックスバリアの内周側に位置する鉄心部と外周側に位置する鉄心部とを連結している。ブリッジ４６ａ、４６ｂは、硬磁性領域４２の長手方向の両側に配置されている。一例では、ブリッジ４６ａ、４６ｂは、ｄ軸に対して、左右対称に配置されている。ブリッジ４６ａ、４６ｂを設けることにより、遠心力に対する回転子鉄心２４の機械強度が一層向上し、より早い回転数でも動作させることができる。
なお、ブリッジの数は、２つに限らず、３つ以上としてもよく、設置位置も上記に限らず、任意に選択可能である。
前述した第２変形例では，機械的なバランスを保つために、ｄ軸に対して対称な位置に硬磁性領域４２を配置する必要があり、硬磁性体を多数に分割する必要があった。これに対して、第３変形例では、硬磁性体の分割数を増やすことなく、機械的なバランスを保った高強度な回転子１４が実現できる。

（第２実施形態）
図１０は、第２実施形態に係る回転電機の回転子の１磁極部分を示す断面図。
第１実施形態では、フラックスバリアは、バリア領域４０と硬磁性領域４２とで、またはどちらか一方によって構成されている。第２実施形態によれば、バリア領域の一部、または全てに、非磁性の導電体が充填され、それぞれ導電性領域（２次導体）５０を構成している。図示の例では、バリア領域すべてを導電性領域５０に置き換えている。非磁性の導電体としては、銅やアルミニウム、ステンレス等を用いることができる。
これらの導電性領域５０は、回転子鉄心２４の軸方向の一端に設けられた図示しない短絡部材（例えば、エンドリング）により互いに短絡され、二次巻線を構成している。

バリア領域を導電性領域５０とすることにより、非同期運転時においては、導電性領域５０に渦電流が発生し、誘導トルクが得られる。第１実施形態と同様に、各フラックスバリアの硬磁性領域４２にはヒステリシストルクが生じるため、より大きな始動トルクを得ることができる。なお、誘導トルクを発生するための導電性領域５０は、回転子鉄心２４の外周に近い領域に設けられていることが望ましい。
前述した図５において、（Ｃｎｄ＋Ｍａｇ）は、第２実施形態に係るリラクタンスモータ１０を模擬した解析結果を示している。すなわち、フラックスバリアは導電性領域と硬磁性領域とで構成されている。図５から、第２実施形態に係るリラクタンスモータ１０は、第１実施形態に係るリラクタンスモータ（ＦＢ＋Ｍａｇ）よりも大きなトルクが得られていることが解る。

図５において、Ｃｎｄは、全てのバリア領域および硬磁性領域を導電性領域に置き換えたリラクタンスモータ（誘導トルクのみを用いた自己始動形の同期リラクタンスモータ）を模擬した場合の解析結果を示している。このモータでは、滑りが零に近づくにつれて、トルクも零に近づいている。これに対して、第２実施形態に係るリラクタンスモータ１０では、（Ｃｎｄ＋Ｍａｇ）で示されているように、滑りが零となってもヒステリシストルクが得られるため、トルクは零より大きな値に近づいている。
以上のように、第２実施形態に係るリラクタンスモータは、第１実施形態に係るリラクタンスモータよりも大きな始動トルクを得ることができ、更に、従来の自己始動形の同期リラクタンスモータの欠点を克服することができる。また、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、負荷のトルクや慣性モーメントが大きい場合でも，同期引き入れすることができ、始動性の向上した自己始動形の同期リラクタンスモータおよび回転子が得られる。

（第３実施形態）
図１１は、第３実施形態に係る回転電機の回転子の１磁極部分を示す断面図。
第３実施形態では、リラクタンスモータ１０の回転子１４の磁極数は２磁極に設定している。図１１に示すように、回転子鉄心２４は、１磁極ごとに、複数層、例えば、３層のフラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃを有している。各磁極において、３層のフラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、回転子鉄心２４の径方向（ここでは、ｄ軸方向）に互いに間隔を置いて、中心軸線Ｃ側から外周面側に順に並んで設けられている。

最も内周側に位置する１層目のフラックスバリア３０ａは、回転子鉄心２４の外周面におけるある箇所からｄ軸を通りほぼ１８０度離間した外周面の他の箇所に至り、概略直線状に延在している。フラックスバリア３０ａは、概略直線状の空隙層３２と、空隙層３２の長手方向の一端と外周面との間に位置する鉄心で形成された第１ブリッジ部３４ａと、空隙層３２の長手方向の他端と外周面との間に位置する鉄心で形成された第２ブリッジ部３４ｂと、を有している。空隙層３２の長手方向の中央部分はシャフト２２を避けるように外周面の側に凸状に湾曲している。

２層目のフラックスバリア３０ｂは、１層目のフラックスバリア３０ａに対して、径方向に所定距離だけ離間して設けられている。フラックスバリア３０ｂは、回転子鉄心２４の外周面におけるある箇所からｄ軸を通りほぼ１８０度離間した外周面の他の箇所に至り、概略直線状に延在している。フラックスバリア３０ｂは、概略直線状の空隙層３２と、空隙層３２の長手方向の一端と外周面との間に位置する鉄心で形成された第１ブリッジ部３４ａと、空隙層３２の長手方向の他端と外周面との間に位置する鉄心で形成された第２ブリッジ部３４ｂと、を有している。空隙層３２の長手方向の中央部分は外周面の側に凸状に湾曲している。

３層目のフラックスバリア３０ｃは、２層目のフラックスバリア３０ａに対して、径方向の外方に、すなわち、外周面の側に、所定距離だけ離間して設けられている。フラックスバリア３０ｃは、回転子鉄心２４の外周面におけるある箇所からｄ軸を通りほぼ１８０度離間した外周面の他の箇所に至り、概略直線状に延在している。フラックスバリア３０ｃは、概略直線状の空隙層３２と、空隙層３２の長手方向の一端と外周面との間に位置する鉄心で形成された第１ブリッジ部３４ａと、空隙層３２の長手方向の他端と外周面との間に位置する鉄心で形成された第２ブリッジ部３４ｂと、を有している。
３層のフラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、固定子１２により形成された磁束が通過する複数の磁路の間に形成され、各磁路を区画している。各相のフラックスバリアの第1ブリッジ部３４ａおよび第２ブリッジ部３４ｂは、径方向の幅ＷＯを有している。第1ブリッジ部３４ａおよび第２ブリッジ部３４ｂは、各フラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃの空隙層３２により分離された回転子鉄心２４同士を結合（接続）する役割を果たしている。なお，各層に属する第1ブリッジ部３４ａおよび第２ブリッジ部３４ｂの径方向の幅ＷＯ、一定にかぎらず、不均一であってもよい。

各フラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃの空隙層３２には、非磁性の絶縁体（空気や樹脂など）が充填され、鉄心部分に比較して透磁率が低いバリア領域４０を形成している。バリア領域４０は、磁路に比べて磁束を通しにくい性質がある。本実施形態によれば、３層のフラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃにおいて、各バリア領域４０の少なくとも一部、例えば、長手方向の中央部は、硬磁性材料が充填された硬磁性領域４２に置き換えられている。硬磁性材料は、永久磁石を構成するような材料であり、例えば、希土類磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石、サマリウム鉄コバルト磁石などを構成する材料を用いている。硬磁性領域４２は、着磁されていても、着磁されていても、あるいは、不完全に着磁されていてもよい。硬磁性領域４２は、ｄ軸を横切るように配置され、長手方向に所定長さを有している。本実施形態では、硬磁性領域４２は、ｄ軸に対して左右対称に設けられている。フラックスバリア３０ａ、３０ｂ、３０ｃにおいて、硬磁性領域４２を除く領域は、バリア領域４０、ブリッジ部３４ａ、３４ｂとなっている。
各硬磁性領域４２の磁化容易軸方向は、ｄ軸方向に略平行となっている。なお、上記に述べた一般的な硬磁性材料のリコイル比透磁率はほぼ１である。

上記のように構成された２磁極のリラクタンスモータ１０においても、前述した第１実施形態に係るリラクタンスモータと同様の作用効果を得ることができる。
第３実施形態において、各フラックスバリアの空隙層３２は、連続した一層に限らず、複数に分割された空隙層としてもよい。すなわち、前述した第２変形例、第３変形例と同様に、空隙層３２の長手方向の１箇所あるいは複数箇所にブリッジを設けても良い。
また、バリア領域４０の一部、または全てに、非磁性の導電体を充電し、バリア領域を導電性領域に置き換えても良い。非磁性の導電体としては、銅やアルミニウム、ステンレス等を用いることができる。

本発明のいくつかの実施形態および変形例を説明したが、これらの実施形態、変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

本発明の実施形態として上述した各構成を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての構成も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。例えば、実施形態では、４磁極あるいは２磁極の回転子を示しているが、これに限らず、回転子は、６磁極以上の回転子としてもよい。回転子の寸法、形状、フラックスバリアの層数、ブリッジ部の形状等は、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。

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…シャフト、２４…回転子鉄心、
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ…フラックスバリア、３２…空隙層、
３２ａ…第１ブリッジ部、３２ｂ…第２ブリッジ部、４０…バリア領域、
４２…硬磁性領域、５０…導電性領域

Claims (3)

1. 中心軸線の回りで回転自在なシャフトと、
   前記中心軸線の回りの周方向に並んだ複数の磁極を有し、前記シャフトに固定された回転子鉄心と、を備え、
   前記回転子鉄心の磁極には、前記回転子鉄心の外周面におけるある箇所から他の箇所に至る複数層のフラックスバリアが前記中心軸線を通る所定の軸線をそれぞれ通過するように並べられて形成され、
   前記フラックスバリアは、前記フラックスバリアの長手方向の両端において前記回転子鉄心の外周面の一部を形成する第１ブリッジ部および第２ブリッジ部と、前記第１ブリッジ部と第２ブリッジ部との間に位置する空隙層と、を含み、
   少なくとも１層のフラックスバリアは、前記空隙層の少なくとも１部に充填された硬磁性材料で形成された磁化反転可能な硬磁性領域を有し、
   Ｉｍａｘ：定格電圧で始動した場合に流れる３相電流の実効値の最大値、Ｈｃ：硬磁性材料の保磁力、Ｎt：スロット内の直列導体数Ｎs：スロット数、ｐ：磁極数、Ｎc：並列回路数、ｔm：１磁極当たりの硬磁性領域の厚みの総和、とした場合、
   

   

   の関係式を満たす、回転子。
2. 前記フラックスバリアの前記空隙層において、前記硬磁性領域以外の領域は、鉄心部分に比較して透磁率が低いバリア領域を形成している請求項１に記載の回転子。
3. 少なくとも１層の前記フラックスバリアの前記空隙層において、前記硬磁性領域以外の領域は、非磁性導電体が充填され、鉄心部分に比較して透磁率が低く、かつ、導電率が大きい導電性領域を形成している請求項１に記載の回転子。

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