JP7601396B2 - 磁界発生装置及び回転電機 - Google Patents

Description

開示の技術は、磁界発生装置及び回転電機に関する。

電動機や発電機などにおいては、永久磁石のＮ極とＳ極とが交互に配列された界磁（Ｎ－Ｓ配列界磁）が用いられている。界磁では、配列された永久磁石の一側（径方向の内側又は外側）の磁場が用いられるが、Ｎ－Ｓ配列界磁では、配列された永久磁石の両側に磁場が生じ、磁場（永久磁石による磁気エネルギー）が有効活用されていない。

一方、永久磁石配列の界磁には、例えば、磁極（着磁方向）の方向を９０°ずつ回転させて順に複数の永久磁石を配列するハルバッハ配列界磁がある。このハルバッハ配列界磁では、配列された永久磁石の他側よりも一側に強い磁場を生じさせることができ、永久磁石が発生する磁場を有効利用できる。

特開２００９－２０１３４３号公報や特開２０１０－１５４６８８号公報等には、互いの磁場が強め合うように２組のハルバッハ磁石配列を対向配置することで、永久磁石が発生する磁場をより有効利用できる界磁（デュアルハルバッハ配列界磁）が開示されている。

ところで、電動機に用いるハルバッハ配列界磁では、多数の永久磁石が互いに接するように（隙間なく）周方向に配列される。また、互いに隣接する永久磁石の着磁方向の角度は、０°（着磁方向が同じ方向）や１８０°（着磁方向が反対方向）ではなく、分割数に応じた角度（例えば、９０°、７２°、４５°など）となる。このため、ハルバッハ配列界磁では、互いに隣接する永久磁石の間において思わぬ方向に強い反発力や吸着力が生じるため、永久磁石の組み付けに時間や熟練を要することになり、作業性の向上が望まれている。

本開示は上記事実に鑑みてなされたものであり、組み付け作業性を向上できる磁界発生装置及び回転電機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための第１の態様の磁界発生装置は、３以上の整数の何れか一つを分割数ｎとして、電気角１周期を前記分割数ｎで除した角度ずつ着磁方向が順に変更されて複数の永久磁石が周方向に配列された界磁部と、非磁性の材料が用いられ、内周面に前記永久磁石の各々の外周面が当接される円環状の外周壁、及び前記外周壁の周方向において各々が該外周壁の内面から径方向の内側に突設され、隣接する互いの間の各々に前記永久磁石が嵌入される複数の隔壁を有する保持部材と、を含む。

第１の態様の磁界発生装置では、３以上の整数の何れか一つを分割数ｎとして、電気角１周期を分割数ｎで除した角度ずつ着磁方向が順に変更されて複数の永久磁石が周方向に配列されて界磁部が形成されている。また、界磁部には、非磁性体や合成樹脂などの非磁性の材料が用いられた保持部材が設けられており、界磁部では、保持部材によって複数の永久磁石の各々が保持されている。

ここで、保持部材は、内周面に永久磁石の各々の外周面が当接される円環状の外周壁の周方向において、各々が該外周壁の内面から径方向の内側に突設され、隣接する互いの間の各々に永久磁石が嵌入される複数の隔壁を有している。これにより、永久磁石は、周方向に離接する隔壁の間に嵌入配置されることで、保持部材に保持されて界磁部に組み付けられるので、界磁部への永久磁石の組付け性を向上できる。

第２の態様の磁界発生装置は、第１の態様において、前記保持部材は、外周面に前記永久磁石の各々の内周面が当接されると共に、外周面に前記隔壁の各々の径方向内側端が連結された内周壁を含む。

第２の態様の磁界発生装置では、保持部材に内周壁が設けられており、内周壁と外周壁との間に永久磁石の各々が配置される。このため、保持部材への永久磁石の組み付けがより容易なり、界磁部の組付け性をより向上できて、界磁部の生産性を向上できる。

第３の態様の磁界発生装置は、第１又は第２の態様において、前記隔壁の厚さ寸法ｄが、前記永久磁石の着磁方向に沿う断面において予め基準として設定した配列方向に沿う一辺の長さ寸法ｌｍ、及び前記分割数ｎに応じて設定されている。この際、長さ寸法ｌｍの基準とする永久磁石には、直線状に配列された永久磁石が適用される。

第４の態様の磁界発生装置は、第３の態様において、前記隔壁の厚さ寸法ｄが、０＜ｄ≦ｌｍ×１／（ｎ＋１）×１．５を満たす。また、第５の態様の磁界発生装置は、第３又は第４の態様において、前記隔壁の厚さ寸法ｄが、ｄ＝ｌｍ／（ｎ＋１）を満たす。

第６の態様の磁界発生装置は、第１から第５の何れか１の態様において、前記界磁部の前記永久磁石の各々に対向される円環状に形成され前記界磁部に対して相対回転可能に設けられ、前記界磁部の磁力により該界磁部との間で磁場を形成する強磁性体と、を含む。

第６の態様の磁界発生装置では、界磁部に対応して強磁性体が相対回転可能に配置されている。これにより、界磁部の永久磁石と強磁性体との間で効果的な磁場を形成できる。

第７の態様の磁界発生装置は、第１から第５の何れか１の態様において、前記界磁部が、前記複数の永久磁石が周方向に配列された第１界磁部、及び前記第１界磁部の径方向外側に配置され、前記複数の永久磁石が周方向に配列されて前記第１界磁部と一体に回転可能とされた第２界磁部を含み、前記保持部材が、前記第１界磁部の前記複数の永久磁石の各々を保持する第１保持部材、及び前記第２界磁部の前記複数の永久磁石の各々を保持する第２保持部材を含む。

第７の態様の磁界発生装置では、第１界磁部と第２界磁部とが対で設けられており、第１界磁部及び第２界磁部は、各々第１保持部材及び第２保持部材を備えている。これにより、第１界磁部及び第２界磁部を対で配置する際、第１界磁部及び第２界磁部の各々への永久磁石の組み付けが容易となって、生産性を向上できる。

第８の態様の回転電機は、３以上の整数の何れか一つを分割数ｎとして、電気角１周期を前記分割数ｎで除した角度ずつ着磁方向が順に変更されて複数の永久磁石が周方向に配列された界磁部と、非磁性の材料が用いられ、内周面に前記永久磁石の各々の外周面が当接される円環状の外周壁、及び前記外周壁の周方向において各々が該外周壁の内面から径方向の内側に突設され、隣接する互いの間の各々に前記永久磁石が嵌入される複数の隔壁を有する保持部材と、前記永久磁石の各々が前記保持部材に保持された前記界磁部に対して相対回転可能に配置された電機子と、を含む。

第８の態様の回転電機では、界磁部と電機子とが相対回転される。界磁部には、３以上の整数の何れか一つを分割数ｎとして、電気角１周期を分割数ｎで除した角度ずつ着磁方向が順に変更されて複数の永久磁石が周方向に配列されている。また、界磁部には、保持部材が設けられ、保持部材によって複数の永久磁石の各々が保持されている。

ここで、保持部材には、非磁性の材料が用いられている。また、保持部材は、円環状の内周面に永久磁石の各々の外周面が当接される円環状の外周壁、及び外周壁の周方向において該外周壁の内周面から径方向の内側に突設され、隣接する互いの間の各々に永久磁石が嵌入される複数の隔壁を有している。これにより、外周壁の周方向に離接する隔壁の間に永久磁石を嵌入配置することで、保持部材に永久磁石を組み付けることができ、界磁部への永久磁石の組み付けが容易となるので、界磁部の組付け性を向上できる。

第９の態様の回転電機は、第８の態様において、前記界磁部の前記永久磁石の各々に対向される円環状に形成され前記界磁部に対して相対回転可能に設けられ、前記界磁部側の面に前記電機子の三相のコイルが周方向に配列された強磁性体と、を含む。

第１０の態様の回転電機は、第８の態様において、前記界磁部が、前記複数の永久磁石が周方向に配列された第１界磁部、及び前記第１界磁部の径方向外側に配置され、前記複数の永久磁石が周方向に配列されて前記第１界磁部と一体に回転可能とされた第２界磁部を含み、前記保持部材が、前記第１界磁部の前記複数の永久磁石の各々を保持する第１保持部材、及び前記第２界磁部の前記複数の永久磁石の各々を保持する第２保持部材を含み、前記電機子が、前記第１界磁部と前記第２界磁部との間において三相のコイルが周方向に配列されている。

第１１の態様の回転電機は、第８から第１０の何れか１の態様において、前記保持部材は、外周面に前記永久磁石の各々の内周面が当接されると共に、外周面に前記隔壁の各々の径方向内側端が連結された内周壁を含む。

第１２の態様の回転電機は、第８から第１１の何れか１の態様において、前記隔壁の厚さ寸法ｄが、前記永久磁石の着磁方向に沿う断面において予め基準として設定した配列方向に沿う一辺の長さ寸法ｌｍ、及び前記分割数ｎに応じて設定されている。この際、長さ寸法ｌｍの基準とする永久磁石には、直線状に配列された永久磁石が適用される。

ここで、本態様の回転電機は、第９の態様を引用する第１２の態様において、前記強磁性体の前記界磁部側の周方向の長さ寸法Ｌｆ、及び前記界磁部の磁極数Ｐについて、前記長さ寸法ｌｍは、Ｌｆ＝ｌｍ×ｎ×Ｐの関係を満たすことを含む。

また、本態様の回転電機は、第１０の態様を引用する第１２の態様において、前記第１界磁部と前記第２界磁部との間のギャップ中心Ｇｃの周方向の長さ寸法Ｌｇ、前記界磁部の磁極数Ｐについて、前記長さ寸法ｌｍは、Ｌｇ＝ｌｍ×ｎ×Ｐの関係を満たすことを含む。

第１３の態様の回転電機は、第１２の態様において、前記隔壁の厚さ寸法ｄが、０＜ｄ≦ｌｍ×１／（ｎ＋１）×１．５を満たす。また、第１４の態様の回転電機は、第１２又は第１３の態様において、前記隔壁の厚さ寸法ｄが、ｄ＝ｌｍ／（ｎ＋１）を満たす。

以上説明したように本開示の磁界発生装置及び回転電機によれば、３以上の整数の何れか一つを分割数ｎとして、電気角１周期を分割数ｎで除した角度ずつ着磁方向が順に変更されて複数の永久磁石が周方向に配列される界磁部において、複数の永久磁石の組み付けを容易にできるので、装置の生産性を向上できる、という効果が得られる。

本実施形態に係る電動機の主要部を示す概略図である。 ハルバッハ磁石配列を示す概略図である。 ２つのハルバッハ磁石配列が対向された磁界発生部において一方のハルバッハ磁石配列を強磁性体に置き換えた磁界発生部を示す概略構成図である。 ２つのハルバッハ磁石配列が対向された磁界発生部を示す概略構成図である。 図３Ａを変形した磁界発生部を示す概略構成図である。 図３Ｂを変形した磁界発生部を示す概略構成図である。 本実施形態に係る界磁ホルダを示す斜視図である。 本実施形態に係る界磁部の主要部を示す斜視図である。 ｎ＝４における永久磁石の間隔寸法に対する体積比の変化及び基本波の振幅の変化を示す線図である。 ｎ＝４における基本波成分に対する第５次高調波成分の振幅比の永久磁石の間隔寸法に対する変化を示す線図である。 ｎ＝８における永久磁石の間隔寸法に対する体積比の変化及び基本波の振幅の変化を示す線図である。 ｎ＝８における基本波成分に対する第５次高調波成分の振幅比の永久磁石の間隔寸法に対する変化を示す線図である。 変形例に係る電動機の主要部を示す概略図である。

以下、図面を参照して本開示の実施形態について詳細に説明する。
図１には、本実施形態に係る回転電機としての三相交流電動機（以下、電動機という）１０の主要部の概略構成が軸方向視の平面図にて示されている。

図１に示すように、電動機１０は、回転子としての外形略円柱状のロータ１２と、固定子としての略円環状（略円筒状でもよい）のステータ１４とを備えている。電動機１０は、ロータ１２の中心軸線とステータ１４の中心軸心とが重ねられ、ステータ１４の内部にロータ１２が相対回転可能に収容されている。

ロータ１２の外周部には、円環状（円筒状でもよい）の界磁部１６が設けられている。また、ステータ１４には、強磁性体としての円環状（円筒状でもよい）の外筒部１８、及び電機子２０が設けられており、外筒部１８には、内周面に電機子２０が周方向に配置されている。これにより、電動機１０は、ロータ１２の界磁部１６の径方向外側に電機子２０が対向され、電機子２０が一体で界磁部１６に対して相対回転可能とされている。

電動機１０では、界磁部１６の外周部に複数の永久磁石２２が周方向に配列されており、電動機１０には、ロータ１２の界磁部１６とステータ１４の外筒部１８とにより磁界発生装置としての磁界発生部２４が構成されている。磁界発生部２４は、界磁部１６と外筒部１８との間に磁場（磁界）を形成している。

電動機１０の電機子２０には、複数のコイルとしてＵ相のコイル２０Ｕ、Ｖ相のコイル２０Ｖ及びＷ相のコイル２０Ｗが設けられている。コイル２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗ（コイル２０Ｕ～２０Ｗ）の各々には、巻き線としてリッツ線が用いられている。また、コイル２０Ｕ～２０Ｗの各々は、空芯コイルとされており、コイル２０Ｕ～２０Ｗは、各々集中巻きされて形成されている。

電機子２０は、三相分のコイル２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗが一組とされ、複数組のコイル２０Ｕ～２０Ｗが外筒部１８の内周面に周方向に沿って所定の順序で配置されている。電動機１０では、一例として、６組のコイル２０Ｕ～２０Ｗが用いられており、電動機１０は、スロット数Ｓが１８とされている。電動機１０では、６組のコイル２０Ｕ～２０Ｗが相毎に直列接続され、例えば、外筒部１８の周方向にコイル２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗ、２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗ、・・・の順で配列されている。なお、電動機１０では、コイル２０Ｕ～２０Ｗ及びコイル２０Ｕ～２０Ｗに対して逆巻きとされたコイル２０Ｕ’、２０Ｖ’、２０Ｗ’が用いられてもよい。この場合、電動機１０では、コイル２０Ｕ’、２０Ｕ、２０Ｕ’、２０Ｖ’、２０Ｖ、２０Ｖ’、２０Ｗ’、２０Ｗ、２０Ｗ’、２０Ｕ’、２０Ｕ、・・・の順に外筒部１８の周方向に配列される。

電動機１０では、コイル２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗに、各々電気角１周期の範囲で互いの位相が１２０°ずらされた所定周波数の三相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）の交流電力が供給される。これにより、電動機１０は、電機子２０（複数組のコイル２０Ｕ～２０Ｗの各々）に供給される三相交流電力の周波数に応じた回転数でロータ１２が回転されて、出力軸１２Ａがロータ１２と一体に回転駆動される。

ここで、電動機１０において磁界発生部２４を形成するロータ１２の界磁部１６及びステータ１４の外筒部１８を説明する。

磁界発生部２４の界磁部１６には、ハルバッハ磁石配列が適用されている。図２には、ハルバッハ磁石配列が適用されたシングルハルバッハ配列界磁（以下、ハルバッハ配列界磁という）２６の概略が平面図にて示されている。また、図３Ａ及び図３Ｂには、各々ハルバッハ磁石配列が適用された磁界発生部２８Ａ、２８Ｂの概略が平面図にて示されている。

なお、図面では、永久磁石２２において、Ｎ極側が符号Ｎにより示され、Ｓ極側が符号Ｓにより示されている。また、以下の説明では、永久磁石２２の着磁方向がＳ極側からＮ極側に向かう矢印（実線による矢印）にて示され、磁力線がＮ極側からＳ極側（永久磁石２２内ではＳ極側からＮ極側）に向かう破線矢印にて示している。また、図面では、永久磁石２２の配列方向の一方向が矢印ｘにて示され、ハルバッハ磁石配列においてトルク発生に寄与する磁力線の方向が矢印ｙにて示されている。

図２に示すように、ハルバッハ磁石配列には、着磁方向に沿う断面が略矩形状（略方形状、立体的には略直方体状）の永久磁石２２が用いられる。また、ハルバッハ磁石配列では、分割数ｎ及び分割数ｎに基づいた角度θ（図示省略）が設定され、着磁方向が所定の角度θずつ変更されて分割数ｎに応じたｎ個の永久磁石２２が所定方向（矢印ｘ方向）に順に配列されている。これにより、シングルハルバッハ配列界磁２６（以下では、単にハルバッハ配列界磁２６という）が形成される。なお、角度θは、隣接する２つの永久磁石２２の着磁方向の間の角度としている（図示省略）。

ハルバッハ磁石配列では、分割数ｎとして３以上の整数が適用され、角度θは、電気角１周期（２π＝３６０°）を分割数ｎ（３以上の整数）で分割した角度が適用される。ハルバッハ配列界磁２６では、一例として、分割数ｎ＝４とし、角度θ＝９０°（θ＝３６０°／４＝９０°）としている。

このハルバッハ配列界磁２６では、着磁方向が９０°ずつ変更された永久磁石２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄが順に配列されており（永久磁石２２Ａ～２２Ｄの配列が繰り返されており）、永久磁石２２Ａの両側の永久磁石２２Ｂ、２２Ｄの着磁方向が永久磁石２２Ａ側に向けられている。これにより、ハルバッハ配列界磁２６では、配列方向と交差する方向の一側（永久磁石２２Ａの着磁方向側）の磁場が強くされ、他側（永久磁石２２Ａの着磁方向とは反対側）の磁場の強さが抑制されている。

図３Ｂに示すように、磁界発生部２８Ｂは、ハルバッハ配列界磁２６（２６Ａ、２６Ｂ）が対で配置されたデュアルハルバッハ配列界磁とされており、磁界発生部２８Ｂでは、２組のハルバッハ配列界磁２６Ａ、２６Ｂが所定の間隔（ギャップ長２Ｇ）だけ隔てて対向されている。

具体的には、磁界発生部２８Ｂは、ハルバッハ配列界磁２６Ａ、２６Ｂにおいて互いに磁場の強い側が対向されて形成されている。この際、磁界発生部２８Ｂでは、ハルバッハ配列界磁２６Ａ、２６Ｂの一方（例えば、ハルバッハ配列界磁２６Ａ）の永久磁石２２Ａに、他方（例えば、ハルバッハ配列界磁２６Ｂ）において着磁方向が同様となる永久磁石２２Ｃが対向されている。

すなわち、ハルバッハ配列界磁２６Ａ、２６Ｂは、永久磁石２２Ａ同士（永久磁石２２Ｃ同士でもよい）を着磁方向が同様の向きとした状態で、かつハルバッハ配列界磁２６Ｂにおいて永久磁石２２Ａの両側の永久磁石２２Ｂと永久磁石２２Ｄとを入れ替えた状態とも言える。これにより、磁界発生部２８Ｂでは、対で配置されるハルバッハ配列界磁２６Ａ、２６Ｂの間に、一つのハルバッハ配列界磁２６を用いた場合に比して強い磁場が形成される。

一方、電界（静電気の分野）においては、鏡像法（電気映像法）が知られている。図示は省略するが、鏡像法においては、所定の距離（間隔寸法）２ｇを隔てて対向された正負の点電荷＋ｑ、－ｑの間の電気力線が、点電荷＋ｑ、－ｑの中間位置である距離ｇの位置を対称面とした面対称（二次元的には、線対称）となる。この状態で、点電荷＋ｑ、－ｑの一方（例えば、点電荷－ｑ）を導体（完全導体）に置き換えて、導体の点電荷＋ｑ側の面を距離ｇの位置（点電荷＋ｑ、－ｑの中間位置）に配置する。これにより、鏡像法では、点電荷＋ｑと導体との間の電気力線が、点電荷＋ｑ、－ｑの中間位置（対称面の位置）と点電荷＋ｑとの間の電気力線と同様になる。

この鏡像法は、導体に変えて強磁性材料（強磁性体）を用いることで、磁界（磁場）においても同様に成り立つ。ここから、図３Ａに示すように、磁界発生部２８Ａでは、磁界発生部２８Ｂのハルバッハ配列界磁２６Ｂに変えて強磁性材料を用いた強磁性体３０が配置されている。強磁性体３０は、ハルバッハ配列界磁２６Ａ側の表面が磁界発生部２８Ｂにおけるハルバッハ配列界磁２６Ａ、２６Ｂの中間位置となるギャップ中心Ｇｃの位置に配置されている。

このため、磁界発生部２８Ａでは、磁界発生部２８Ｂにおけるハルバッハ配列界磁２６Ａ、２６Ｂ間の間隔寸法であるギャップ長２Ｇに対し、ハルバッハ配列界磁２６Ａと強磁性体３０との間隔寸法がギャップ長Ｇとされている。これにより、磁界発生部２８Ａでは、ハルバッハ配列界磁２６Ａと強磁性体３０との間の磁束分布が、磁界発生部２８Ａ（デュアルハルバッハ配列界磁）におけるギャップ中心Ｇｃとハルバッハ配列界磁２６Ａとの間における磁束部分と同様とされる。本実施形態に係る電動機１０及び磁界発生部２４では、磁界発生部２８Ａ、２８Ｂにおける永久磁石２２の配列が基準とされている。

一方、デュアルハルバッハ磁石配列においては、所定の条件を満たすように永久磁石２２の各々を変形して磁界発生部２８Ａ、２８Ｂを円環状に形成することで、デュアルハルバッハ磁石配列による効果と同様の効果が得られる。

図１に示すように、電動機１０の磁界発生部２４では、ｋ組（組数ｋ）の永久磁石２２Ａ～２２Ｄが用いられ、永久磁石２２Ａ～２２Ｄが周方向に順に配列されたハルバッハ磁石配列により界磁部１６が形成されている。電動機１０では、一例として界磁部１６に組数ｋが８（８組、ｋ＝８）の永久磁石２２Ａ～２２Ｄが用いられている。

図４Ａ及び図４Ｂの各々には、永久磁石２２を円環状に配列した磁界発生部（界磁）が軸方向視の平面図にて示されている。なお、図４Ａには、一組のハルバッハ磁石配列が用いられた磁界発生部２８Ａに対応する磁界発生部３２Ａが示され、図４Ｂには、二組のハルバッハ磁石配列（デュアルハルバッハ磁石配列）が用いられた磁界発生部２８Ｂに対応する磁界発生部３２Ｂが示されている。また、以下では、説明を簡略化するために、変形された永久磁石に変形前の永久磁石２２と同様の符号を付している。

ハルバッハ磁石配列では、分割数ｎに応じたｎ個の永久磁石２２が一組とされており、ハルバッハ磁石配列は、ｎ個の永久磁石２２の配列がＮ極／Ｓ極の２極に対応し、磁極数Ｐが２極に相当している。これにより、電動機１０には、界磁部１６に８組の永久磁石２２Ａ～２２Ｄにより一周分の総数Ｍが３２（Ｍ＝ｎ×ｋ＝３２個）の永久磁石２２が用いられ、電動機１０は、磁極数Ｐが１６極とされている。

図２、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、ハルバッハ配列界磁２６（２６Ａ、２６Ｂ）における極ピッチτは、着磁方向が反転する範囲（１８０°変化する範囲）の配列方向に沿う長さとされている。永久磁石２２を緊密に接触させながら配列した状態において、極ピッチτは、分割数ｎと永久磁石２２の配列方向に沿う一辺の長さ（長さ寸法）ｌｍからτ＝（ｎ×ｌｍ）／２となる。磁界発生部２８Ｂでは、ギャップ中心Ｇｃにおいて最大の鎖交磁束数が得られるギャップ長２Ｇが、極ピッチτの０．５倍から２．０倍の範囲（０．５τ≦２Ｇ≦２．０τ）とされている。なお、永久磁石２２の長さ寸法ｌｍは、予め基準として設定された長さ寸法とされており、永久磁石２２の長さ寸法ｌｍは、ハルバッハ配列界磁２６（２６Ａ、２６Ｂ）において永久磁石２２が磁場を形成する電機子２０側の長さが適用されている。

ここから、磁界発生部２８Ａにおいてハルバッハ配列界磁２６Ａの外周面（永久磁石２２の外周面）と強磁性体３０の表面との間隔であるギャップ長Ｇは、極ピッチτの０．２５倍から１．０倍の範囲（０．２５τ≦Ｇ≦１．０τ）とされている。また、分割数ｎに対するギャップ長Ｇは、永久磁石２２の長さ寸法ｌｍの（０．２５×ｎ×ｌｍ×１／２）倍から（１．０×ｎ×ｌｍ×１／２）倍の範囲に含まれる（すなわち、（０．１２５×ｎ×ｌｍ）≦Ｇ≦（０．５×ｎ×ｌｍ））。これにより、分割数ｎ＝４の場合、ギャップ長Ｇは、永久磁石２２の長さ寸法ｌｍの０．５から２．０倍の範囲に含まれる（（０．５×ｌｍ）≦Ｇ≦（２．０×ｌｍ））。

磁界発生部２８Ｂにおいて、ハルバッハ配列界磁２６Ａ、２６Ｂの各々が分割数ｎとされたｋ組の永久磁石２２が配列される場合、ギャップ中心Ｇｃの配列方向に沿った長さ寸法は、ｋ×ｎ×ｌｍ＝２×ｋ×τとなる。

図４Ｂに示す磁界発生部３２Ｂは、磁界発生部２８Ｂにおけるハルバッハ配列界磁２６Ａ、２６Ｂを所定の条件を満たすように変形されて、ハルバッハ配列界磁３４Ａ、３４Ｂが形成されている。磁界発生部３２Ｂは、ギャップ中心Ｇｃが基準円とされて、ハルバッハ配列界磁３４Ａ、３４Ｂがギャップ中心Ｇｃを挟んで配置されており、磁界発生部３２Ｂでは、ギャップ３６を挟んでハルバッハ配列界磁３４Ａ、３４Ｂが対向されている。また、ハルバッハ配列界磁３４Ａ、３４Ｂは、ハルバッハ配列界磁２６Ａ、２６Ｂにおける永久磁石２２の各々が基準とされ、該永久磁石２２の各々が扇形環状（部分環状）に変形されて、周方向に配列されて形成されている。

ここで、磁界発生部３２Ｂと磁界発生部２８Ｂとは、ギャップ中心Ｇｃの長さ（円周）が同様にされている。また、磁界発生部３２Ｂでは、ハルバッハ配列界磁３４Ａ、３４Ｂの間の間隔（ギャップ長）が磁界発生部２８Ｂにおけるギャップ長２Ｇと同様にされており、ハルバッハ配列界磁３４Ａ、３４Ｂの各々とギャップ中心Ｇｃとの間隔は、ギャップ長Ｇとされている。

さらに、磁界発生部３２Ｂでは、径方向断面における断面積について、ギャップ３６中におけるギャップ中心Ｇｃとハルバッハ配列界磁３４Ｂとの間の断面積に対するギャップ中心Ｇｃとハルバッハ配列界磁３４Ａとの間の断面積の比が、ハルバッハ配列界磁３４Ｂの断面積に対するハルバッハ配列界磁３４Ａの断面積の比と同様にされている。

すなわち、磁界発生部３２Ｂの径方向断面において、ギャップ中心Ｇｃとハルバッハ配列界磁３４Ｂとの間の断面積を面積Ｓ１、ギャップ中心Ｇｃとハルバッハ配列界磁３４Ａとの間の断面積を面積Ｓ２、ハルバッハ配列界磁３４Ｂの断面積を面積Ｓ３、及びハルバッハ配列界磁３４Ａの断面積を面積Ｓ４とする。磁界発生部３２Ｂでは、Ｓ２：Ｓ１＝Ｓ４：Ｓ３の関係を満たす（Ｓ１／Ｓ２＝Ｓ３／Ｓ４）。

また、磁界発生部３２Ｂは、所定の角度φ（°）の範囲（例えば、一組の永久磁石２２Ａ～２２Ｄの範囲、図４Ｂに二点鎖線で示す範囲）における径方向断面について、ギャップ中心Ｇｃとハルバッハ配列界磁３４Ｂとの間の断面積を面積Ｓｇｏ、ギャップ中心Ｇｃとハルバッハ配列界磁３４Ａとの間の断面積を面積Ｓｇｉ、ハルバッハ配列界磁３４Ｂの断面積を面積Ｓｍｏ、及びハルバッハ配列界磁３４Ａの断面積を面積Ｓｍｉとする。磁界発生部３２Ｂでは、Ｓｇｉ：Ｓｇｏ＝Ｓｍｉ：Ｓｍｏの関係を満たす（Ｓｍｉ／Ｓｍｏ＝Ｓｇｉ／Ｓｇｏ。また、Ｓｍｏ／Ｓｍｉ＝Ｓｇｏ／Ｓｇｉも満たす）。

このようにして形成される磁界発生部３２Ｂでは、ハルバッハ配列界磁３４Ａの内径、ハルバッハ配列界磁３４Ａの外径（ギャップ３６の内径）、ギャップ中心Ｇｃの半径、ハルバッハ配列界磁３４Ｂの内径（ギャップ３６の外径）及びハルバッハ配列界磁３４Ｂの外径を、各々Ｒｈ、Ｒｉ、Ｒｃｏ、Ｒｇ、Ｒｏとする。この場合、Ｒｉ＝（Ｒｃｏ－Ｇ）、Ｒｇ＝（Ｒｃｏ＋Ｇ）等の関係を有する。

この際、面積Ｓｇｏ、Ｓｇｉ、Ｓｍｏ、Ｓｍｉの各々は、例えば、以下の各式で表される。
Ｓｇｏ＝（Ｒｇ^２－Ｒｃｏ^２）×π×φ／３６０
Ｓｇｉ＝（Ｒｃｏ^２－Ｒｉ^２）×π×φ／３６０
Ｓｍｏ＝（Ｒｏ^２－Ｒｇ^２）×π×φ／３６０
Ｓｍｉ＝（Ｒｉ^２－Ｒｈ^２）×π×φ／３６０

さらに、ハルバッハ配列界磁３４Ａ、３４Ｂでは、ハルバッハ配列界磁２６Ａ、２６Ｂと同様に、永久磁石２２の着磁方向に沿う断面が略矩形状（略正方形状）に近似する扇形環状（部分環状）とされる。磁界発生部３２Ｂでは、これらの条件を満たすように基準とされた永久磁石２２の各々が変形されて配列されることで、磁界発生部２８Ｂと同様のデュアルハルバッハ磁石配列による効果を有する。

上記した変形の方法に従えば、永久磁石２２の配列方向に沿う長さ寸法ｌｍは、界磁（界磁部１６）と電機子（電機子２０）の種類（組み合わせ）によって以下のように示される。

デュアルハルバッハ磁石配列が適用された磁界発生部２８Ｂでは、永久磁石２２が互いに密着している場合、１組分の永久磁石２２に対応するギャップ中心Ｇｃ長さ寸法が、２×τ＝ｎ×ｌｍとなる。また、磁界発生部２８Ａ、２８Ｂでは、永久磁石２２の長さ寸法ｌｍは、ｌｍ＝２×τ×１／ｎで表される（τ＝ｎ×ｌｍ／２）。この際、永久磁石２２の長さ寸法ｌｍは、ハルバッハ配列界磁２６Ａ、２６Ｂにおける永久磁石２２（変形前の永久磁石２２）の長さ寸法と同様となっている。

一方、デュアルハルバッハ磁石配列が適用された磁界発生部３２Ｂでは、１組の永久磁石２２の範囲（角度φの範囲）におけるギャップ中心Ｇｃの周方向の長さ寸法Ｌｃが、Ｌｃ＝２×π×Ｒｃｏ×φ／３６０となる。ここで、ギャップ中心Ｇｃにおける極ピッチをτとおくと、Ｌｃ＝２×τとなり、ギャップ中心Ｇｃにおける永久磁石２２の配列方向に沿う長さに相当する寸法を長さ寸法ｌｍとすると、Ｌｃ＝ｎ×ｌｍとなる。したがって、磁界発生部３２Ｂでは、ギャップ中心Ｇｃにおいて、長さ寸法ｌｍ＝Ｌｃ／ｎが対応される。また、磁界発生部３２Ｂにおいてギャップ中心Ｇｃの全周の長さ寸法をＬｇとすると、長さ寸法Ｌｇ、磁極数Ｐ、分割数ｎ及び長さ寸法ｌｍの間では、Ｌｇ＝ｌｍ×ｎ×Ｐの関係を満たす。

また、磁界発生部３２Ｂのハルバッハ配列界磁３４Ｂでは、ギャップ３６側の面の周方向の長さ寸法Ｌｏは、Ｌｏ＝２×π×Ｒｇ×φ／３６０となる。ハルバッハ配列界磁３４Ｂでは、ギャップ３６側の面における極ピッチをτとおくと、Ｌｏ＝２×τとなる。永久磁石２２が互いに密着している場合、ハルバッハ配列界磁３４Ｂのギャップ３６側（磁場側）における永久磁石２２の配列方向（周方向）に沿う長さ寸法ｌｍ’とすると、Ｌｏ＝ｎ×ｌｍ’となる。したがって、ハルバッハ配列界磁３４Ｂのギャップ３６側の永久磁石２２は、長さ寸法ｌｍ’＝Ｌｏ／ｎが対応される。

さらに、磁界発生部３２Ｂのハルバッハ配列界磁３４Ａでは、ギャップ３６側（磁場側）の面の周方向の長さ寸法Ｌｉは、Ｌｉ＝２×π×Ｒｉ×φ／３６０となる。ハルバッハ配列界磁３４Ａでは、ギャップ３６側の面における極ピッチをτとおくと、Ｌｉ＝２×τとなる。永久磁石２２が互いに密着している場合、ハルバッハ配列界磁３４Ａのギャップ３６側における永久磁石２２の配列方向に沿う長さ寸法ｌｍ”とすると、Ｌｉ＝ｎ×ｌｍ”となる。したがって、ハルバッハ配列界磁３４Ａのギャップ３６側の永久磁石２２は、長さ寸法ｌｍ”＝Ｌｉ／ｎが対応される。

ここで、図４Ａに示す磁界発生部３２Ａでは、磁界発生部３２Ｂにおけるハルバッハ配列界磁３４Ｂを強磁性体３０Ａに置き換えている。強磁性体３０Ａは、内径がギャップ中心Ｇｃの半径と同様にされた円環状に形成されており、強磁性体３０Ａは、内周（内周面）がギャップ中心Ｇｃの位置とされている。これにより、磁界発生部３２Ａは、磁界発生部２８Ａを円環状に変形したのと同様とされて、磁界発生部３２Ａは、磁界発生部２８Ａと同様にデュアルハルバッハ磁石配列による効果を有している。

また、磁界発生部３２Ａのハルバッハ配列界磁３４Ａでは、強磁性体３０Ａのギャップ３６側の面の周方向の長さ寸法は、長さ寸法Ｌｃと同様となる。このため、磁界発生部３２Ａにおいて、強磁性体３０Ａのギャップ３６側の全周の長さ寸法をＬｆとすると、長さ寸法Ｌｆ、磁極数Ｐ、分割数ｎ及び長さ寸法ｌｍの間では、Ｌｆ＝ｌｍ×ｎ×Ｐの関係を満たす。

また、磁界発生部３２Ａは、ハルバッハ配列界磁３４Ａのギャップ３６側の面の周方向の長さ寸法Ｌｉ＝２×τとなる。永久磁石２２が互いに密着している場合、ハルバッハ配列界磁３４Ａのギャップ３６側における永久磁石２２は、配列方向に沿う長さ寸法ｌｍ”＝Ｌｉ／ｎが対応される。さらに、極ピッチτは、１組の永久磁石２２（２２Ａ～２２Ｄ）において、着磁方向が反転する範囲（１８０°変化する範囲）とされているので、永久磁石２２の間に隙間がある場合には、極ピッチτは、この隙間を含めた範囲ともいえる。

さらに、磁界発生部３２Ａにおいて、ギャップ長Ｇは、極ピッチτの０．２５倍から１．０倍の範囲（０．２５τ≦Ｇ≦１．０τ）を満たし、分割数ｎに対するギャップ長Ｇは、永久磁石２２の配列方向に沿う長さ寸法ｌｍの（０．１２５×ｎ×ｌｍ）倍から（０．５×ｎ×ｌｍ）倍の範囲に含まれるという関係を有する（（０．１２５×ｎ×ｌｍ）≦Ｇ≦（０．５×ｎ×ｌｍ））。

図１に示すように、電動機１０の磁界発生部２４には、磁界発生部３２Ａと同様の構成が適用されている。磁界発生部２４の界磁部１６には、永久磁石２２が円環状に配列されたハルバッハ配列界磁３４Ａが適用され、界磁部１６を囲うステータ１４の外筒部１８に強磁性材料が用いられている（外筒部１８が強磁性体３０Ａに対応）。これにより、電動機１０では、界磁部１６と外筒部１８との間の磁束分布が、磁界発生部３２Ｂのハルバッハ配列界磁３４Ａとギャップ中心Ｇｃとの間における磁束部分と同様とされている。

このような磁界発生部２４では、外筒部１８の径方向に沿う寸法としての厚さ寸法ｌｙに任意の寸法を適用できる。外筒部１８の厚さ寸法ｌｙを小さくすることで、電動機１０の外径寸法が大きくなるのを抑制できて、電動機１０の出力密度の向上を図ることができる。この際、電動機１０では、外筒部１８に生じる磁気飽和によりトルクリップルが発生し易くなる。しかし、界磁部１６では、ハルバッハ配列界磁２６Ａが適用されていることで、トルクリップルを抑制できるというハルバッハ磁石配列による効果として得られる。

また、外筒部１８の厚さ寸法ｌｙを大きくすることで、電動機１０の外径寸法が大きくなるのを抑制するのが難しくなるが、外筒部１８に磁気飽和が生じるのを抑制でき、トルクリップルを効果的に抑制できる。

ここから、外筒部１８の厚さ寸法ｌｙとしては、外筒部１８に磁束飽和が生じる最も大きい寸法（外筒部１８に磁束飽和が生じない最も小さい寸法でもよい）が好ましい。これにより、電動機１０の外径寸法が大きくなるのを抑制し出力密度の向上を図りながら、トルクリップルを効果的に抑制できる。

ところで、電動機１０のロータ１２には、保持部材としての界磁ホルダ４０が設けられている。図５には、界磁ホルダ４０の概略構成が斜視図にて示され、図６には、界磁部１６の主要部が斜視図にて示されている。

界磁ホルダ４０には、非磁性の材料（磁性を持たない材料）が用いられている。界磁ホルダ４０に適用する非磁性の材料としては、常磁性体であってもよく、反磁性体であってもよく、各種の樹脂材料（合成樹脂）であってもよく、界磁ホルダ４０には、アルミニウム、各種の遷移金属、各種の合成樹脂を適用できる。本実施形態では、高い強度や強靭性が得られることに加え、軽量化が可能となるという観点から、界磁ホルダ４０に炭素強化繊維プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）を用いている。

図５に示すように、界磁ホルダ４０は、各々が所定厚さの略円筒状に形成された内周壁としての内壁４２、及び外周壁としての外壁４４を備えている。界磁ホルダ４０では、内壁４２の外径が外壁４４の内径よりも小さくされており、界磁ホルダ４０は、内壁４２の中心軸線と外壁４４の中心軸線とが重ねられて、外壁４４内に内壁４２が同軸に配置されている。なお、本実施形態では、界磁ホルダ４０の軸線方向に沿う寸法が永久磁石２２の着磁方向と交差する方向の寸法と同様とされている。

また、界磁ホルダ４０では、内壁４２の外周面と外壁４４の内周面との間隔が前記変形された永久磁石２２の径方向寸法と同様とされている。これにより、界磁ホルダ４０は、全体として略円筒状に形成され、界磁ホルダ４０は、内壁４２の内周面がロータ１２の出力軸１２Ａに固着（接着）されて、ロータ１２に一体回転可能に配置されている。

図１、図５及び図６に示すように、界磁ホルダ４０には、内壁４２と外壁４４との間に隔壁としての複数のスペーサ４６が設けられており、界磁ホルダ４０は、樹脂の一体成型により内壁４２、外壁４４及びスペーサ４６が形成されている。スペーサ４６は、各々が界磁ホルダ４０の径方向に沿っており、スペーサ４６は、界磁ホルダ４０の周方向に所定間隔で配列されている。

界磁ホルダ４０では、各スペーサ４６が互いに隣接する永久磁石２２の間となる位置の各々に設けられており、各スペーサ４６の配置間隔は、永久磁石２２の周方向に沿った長さと略同様にされている。例えば、各スペーサ４６の外壁４４側の周方向に沿う間隔寸法は、界磁部１６における永久磁石２２の外周面の周方向の寸法と同様とされている。また、各スペーサ４６の内壁４２側の周方向に沿う間隔寸法は、界磁部１６における永久磁石２２の内周面の周方向の長さ寸法と同様とされている。

これにより、界磁ホルダ４０には、３２個（ｋ×ｎ個）のスペーサ４６が形成されており、界磁ホルダ４０には、互いに隣接するスペーサ４６の間に、永久磁石２２を嵌入されるソケット４８が永久磁石２２の数だけ形成されている。ソケット４８は、各々界磁ホルダ４０の軸線方向と交差する方向（径方向）の開口断面形状が永久磁石２２の着磁方向に沿う断面形状と同様とされており、ソケット４８の各々は、開口断面形状が界磁ホルダ４０に装着される永久磁石２２の着磁方向に沿う断面形状と同様とされている。

電動機１０のロータ１２では、界磁ホルダ４０のソケット４８の各々に永久磁石２２が嵌入されて、嵌入された永久磁石の周面が界磁ホルダ４０の内壁４２の外周面、外壁４４の内周面、及び各スペーサ４６の内面（ソケット４８の内面）に接着等により接合されている。

一方、ハルバッハ磁石配列においては、永久磁石２２の間隔が磁場に影響する。磁界発生部２４では、界磁ホルダ４０におけるスペーサ４６の周方向に沿う寸法である厚さ寸法ｄが界磁部１６により形成する磁場に影響する。

ここで、界磁ホルダ４０では、装着される永久磁石２２の配列方向に沿う長さ寸法ｌｍ（ｍｍ）及び分割数ｎに応じ、スペーサ４６の厚さ寸法ｄ（ｍｍ）が設定されている。界磁ホルダ４０のスペーサ４６の厚さ寸法ｄは、永久磁石２２の配列方向に沿う長さ寸法ｌｍ及び分割数ｎから（１）式を満たすように設定されている。
０＜ｄ≦ｌｍ×１／（ｎ＋１）×１．５ ・・・（１）
なお、ｌｍ×１／（ｎ＋１）×１．５＝ｌｍ×１．５／（ｎ＋１）である。また、非磁性の材料により形成されている界磁ホルダ４０は、磁界発生部２４において永久磁石２２の外側となる外壁４４が面積Ｓ２に含まれ、永久磁石２２の間のスペーサ４６が面積Ｓ４に含まれる。

このように構成されている電動機１０では、ロータ１２の界磁部１６とステータ１４の外筒部１８とにより磁界発生部２４が形成されており、この磁界発生部２４中に電機子２０（コイル２０Ｕ～２０Ｗ）が配置されている。このため、電動機１０は、所定電圧の三相交流電力がコイル２０Ｕ～２０Ｗの各々に供給されることで、ロータ１２が回転されて出力軸１２Ａが回転駆動される。また、電動機１０の出力軸１２Ａは、コイル２０Ｕ～２０Ｗの各々に供給される三相交流電力の周波数に応じた回転数で回転駆動される。

電動機１０の磁界発生部２４では、界磁部１６が外筒部１８によって囲われ、界磁部１６の永久磁石２２の各々に外筒部１８が対向されており、界磁部１６では、複数の永久磁石２２によりハルバッハ配列界磁３４Ａが形成されている。また、磁界発生部２４では、界磁部１６に対してデュアルハルバッハ磁石配列におけるハルバッハ配列界磁３４Ａ、３４Ｂのギャップ中心Ｇｃに対応する位置に外筒部１８が配置されており、外筒部１８には、強磁性材料（強磁性体）が用いられている。このため、磁界発生部２４では、界磁部１６と外筒部１８との間にデュアルハルバッハ磁石配列が適用されたのと同様の磁場（近似した磁場）が形成されている。

このため、電動機１０では、デュアルハルバッハ磁石配列においてトルクリップルを抑制できるという効果が適正に再現されている。これにより、電動機１０では、一つのハルバッハ配列界磁３４Ａを用いて、ハルバッハ配列界磁３４Ａ、３４Ｂを用いたデュアルハルバッハ配列界磁と同様の効果が得られるので、電動機１０では、トルクリップルの発生が抑制される。

また、電動機１０では、界磁部１６の径方向外側に配置している外筒部１８が固定されるので、外筒部１８に筐体の機能を持たせることができる。このため、電動機１０は、小型化及び部品数の削減が可能になり、低コスト化と共に、出力密度の向上が図られる。しかも、電動機１０では、ハルバッハ磁石配列が用いられるので、デュアルハルバッハ磁石配列を適用した場合に比して、永久磁石２２の数を削減できて、より軽量化及び低コスト化を図ることができて、効果的に出力密度の向上を図ることができる。

一般に、径方向断面が相似形状であり、かつ軸方向長さが同様の電動機の間では、出力（回転角速度×トルク）を相似比率の３乗に比例して大きくできる。電動機１０では、デュアルハルバッハ磁石配列が適用された場合に比して径方向の大きさに余裕ができるので、電動機１０では、出力を大きくできる可能性がある。このため、電動機１０では、デュアルハルバッハ磁石配列が適用された場合に比して、大きな出力密度（出力／体積比）を得ることが期待できる。

また、電動機１０では、コイル２０Ｕ～２０Ｗが空芯コイルとされており、コイル２０Ｕ～２０Ｗには、リッツ線が用いられている。電動機１０では、コイル２０Ｕ～２０Ｗが空芯コイルとされることで、逆起電力の発生が抑制され、インバータ制御を行う場合のインバータ回路におけるスイッチング素子の発熱を抑制できる。また、コイル２０Ｕ～２０Ｗの巻き線にリッツ線が用いられることで、インダクタンスを小さくできて発熱及びコイル２０Ｕ～２０Ｗの各々に生じる逆起電力を効果的に抑制できる。これにより、電動機１０では、定格回転数を高くできて高回転化できる。

さらに、電動機１０では、電機子２０（コイル２０Ｕ～２０Ｗ）が配置される外筒部１８が回転しないので、冷却フィンや冷却パイプなどの冷却手段を用いて外筒部１８を冷却でき、外筒部１８と共に外筒部１８の内側の電機子２０も冷却できる。これにより、電動機１０は、発熱を効果的に抑制できるので、短時間に大きなトルクを出力することも可能になる。

次に、磁界発生部２４の界磁部１６における永久磁石２２の組み付けを説明する。
磁界発生部２４の界磁部１６には、複数の永久磁石２２が周方向に配列されており、永久磁石２２は、隣接する永久磁石２２の着磁方向が角度θずつ変更されている。

ここで、磁界発生部２４の界磁部１６には、界磁ホルダ４０が用いられており、界磁ホルダ４０には、内壁４２と外壁４４との間に複数のスペーサ４６が設けられて各々に永久磁石２２が嵌入される複数のソケット４８が形成されている。ソケット４８は、界磁部１６に用いる永久磁石２２の数だけ形成されており、ソケット４８は、界磁ホルダ４０の周方向に配列されている。このため、複数の永久磁石２２は、界磁ホルダ４０のソケット４８の各々に着磁方向が所定の角度θずつ変更されるように順に嵌入されることで、界磁部１６に組み付けられる。

一方、互いに隣接する永久磁石２２の間には、吸着力及び反発力が作用している。また、永久磁石２２の着磁方向が所定の角度θずつずらされていると共に、隣接する永久磁石２２が極めて接近している。このため、永久磁石２２を順に周方向に配列しようとすると、隣接する永久磁石２２の間では、永久磁石２２を回転させる方向に大きな吸着力及び反発力が作用することがある。

界磁部１６に用いる複数の永久磁石２２は、着磁方向に沿う断面形状が同様とされており、界磁ホルダ４０には、永久磁石２２の数だけソケット４８が形成されている。このため、界磁ホルダ４０では、一つのソケット４８に嵌入する永久磁石２２の着磁方向が定まることで、全てのソケット４８に嵌入される永久磁石２２の着磁方向が定まる。また、ソケット４８の各々では、内壁４２、外壁４４及びスペーサ４６により永久磁石２２の移動が規制されている。さらに、永久磁石２２の間に作用する吸着力や反発力は、互いの距離が離れるにしたがって弱くなる。

ここから、界磁ホルダ４０では、１個以上の間隔を空けて（一つ又は所定数空けて）ソケット４８に永久磁石２２を嵌め込むことで、永久磁石２２の組み付けが容易になる。例えば、図６に示すように、界磁ホルダ４０では、永久磁石２２Ａ、２２Ｃ、・・・の順で各々を対応するソケット４８に嵌め込み、その後、永久磁石２２Ａ、２２Ｃ、・・・の間の空いているソケット４８に永久磁石２２Ｂ、２２Ｄ、・・・を順に嵌め込む。これにより、永久磁石２２の間に大きな吸着力や反発力が作用しても、複数の永久磁石２２を周方向に配列して組み付けるのが容易になる。

また、界磁ホルダ４０では、ソケット４８に嵌め込まれた永久磁石２２の移動を内壁４２、外壁４４及びスペーサ４６によって制限できる。このため、界磁ホルダ４０では、既にソケット４８に嵌め込まれた永久磁石２２が、新たにソケット４８に嵌め込まれる永久磁石２２の磁力の影響を受けて移動するのを規制できる。これにより、界磁ホルダ４０では、永久磁石２２の組み付けを効果的に補助できる。

したがって、界磁ホルダ４０は、複数の永久磁石２２を互いに近接させて配置する場合でも、複数の永久磁石２２の各々の組み付けを容易にでき、複数の永久磁石２２を周方向に配列する界磁部１６の組み立てを容易にできる。

さらに、界磁ホルダ４０には、炭素強化繊維プラスチック（ＣＦＲＰ）が用いられている。このため、界磁ホルダ４０は、永久磁石２２を組み付ける際、互いに隣接する永久磁石２２の間に吸着力及び反発力が作用しても、内壁４２、外壁４４及びスペーサ４６に変形（ソケット４８の歪み）が生じることがない。これにより、界磁ホルダ４０は、複数の永久磁石２２を一定位置に保持できる。

また、界磁ホルダ４０のソケット４８に嵌め込まれた永久磁石２２は、界磁ホルダ４０のソケット４８の内周面（内壁４２、外壁４４及びスペーサ４６の各面）に接着されるなどして固着される。これにより、永久磁石２２は、界磁ホルダ４０を介してロータ１２に確実に固着される。

また、電動機１０では、ロータ１２が回転することで、界磁部１６の永久磁石２２に遠心力が作用する。このため、電動機１０の回転数が上昇することで、永久磁石２２に作用する遠心力が大きくなる。この際、界磁ホルダ４０には、径方向の外側に外壁４４が形成されており、界磁ホルダ４０では、外壁４４が複数のスペーサ４６により内壁４２に連結されている。このため、界磁ホルダ４０では、ロータ１２が回転することで永久磁石２２に大きな遠心力が作用しても、外壁４４が永久磁石２２の径方向外側への移動を効果的に制限できて、永久磁石２２を適切に保持できる。これにより、電動機１０では、界磁ホルダ４０が設けられることで、安定した高速回転が可能になる。しかも、界磁ホルダ４０には、強度及び強靭性の高い炭素強化繊維プラスチックが用いられるので、永久磁石２２が遠心力によりずれるのを確実に制限できて、電動機１０の安定した高速回転を維持できる。

一方、ハルバッハ磁石配列においては、互いに隣接する永久磁石２２の間隔が永久磁石２２（界磁部１６）によって形成する磁場に大きく影響する。電動機１０では、界磁ホルダ４０のスペーサ４６により互いに隣接する永久磁石２２の間隔が僅かに開けられ、互いに隣接する永久磁石２２の間隔が定まっている。また、界磁ホルダ４０では、基準とする長さ寸法ｌｍに対してスペーサ４６の厚さ寸法ｄが、０＜ｄ≦（ｌｍ×１／（ｎ＋１））×１．５の範囲とされており、互いに隣接する永久磁石２２の間の間隔寸法ｗは、０＜ｗ≦ｌｍ×１／（ｎ＋１）×１．５とされている。

一般にハルバッハ磁石配列においては、配列された永久磁石２２に対して所定距離だけ離れた位置における磁束密度は、互いに隣接する永久磁石２２の間隔（間隔寸法ｗ）に影響し、互いに隣接する永久磁石２２の間隔が広がると、漏れ磁束が生じて磁束密度が低下する。この磁束密度の低下は、電動機１０の出力トルクの低下を生じさせる。

ここで、ハルバッハ磁石配列では、永久磁石２２に対する所定位置における磁束密度分布の空間高調波成分が、角度θ＝３６０°／ｎ（ｎは分割数）、かつ隣接する永久磁石２２の間隔寸法ｗが永久磁石２２の配列方向に沿う長さ寸法ｌｍの１／（ｎ＋１）（ｗ＝ｌｍ×１／（ｎ＋１））において凡そゼロとなる。例えば、分割数ｎ＝４においては、間隔寸法ｗ＝ｌｍ／５で、永久磁石２２の所定位置における磁束密度分布の高調波成分が凡そゼロとなる。

図７Ａには、永久磁石２２の着磁方向の角度θ＝９０°（分割数ｎ＝４における角度θ）の場合における永久磁石２２の間隔寸法ｗに応じたデュアルハルバッハ磁石配列のギャップ中心Ｇｃにおける空間磁束密度分布の基本波成分の振幅の比率（％）、及び永久磁石２２の体積の比率（％）が示されている。また、図７Ｂには、角度θ＝９０°の場合のギャップ中心Ｇｃにおける永久磁石２２の間隔寸法ｗに応じた空間磁束密度分布の基本波成分に対する第５次（（ｎ＋１）次）高調波成分の振幅比（振幅比率％）が示されている。

なお、空間磁束密度分布の基本波成分の振幅及び体積の比率は、間隔寸法ｗ＝０を基準とし、間隔寸法ｗ＝０における基本波成分の振幅に対する比率及び体積の比率としており、間隔寸法ｗが大きくなるにしたがって永久磁石２２の体積が減少するものとしている。また、図７Ａ及び図７Ｂでは、電機子２０側における永久磁石２２の配列方向に沿う基準としての長さ寸法（径方向に沿う長さ寸法）ｌｍを１０ｍｍ、ギャップ長２Ｇを長さ寸法ｌｍの１．５倍（２Ｇ＝１５ｍｍ）としている。

図７Ａに示すように、永久磁石２２の間隔寸法ｗに対して、永久磁石２２の体積の比率（体積割合）及び基本波の振幅が略比例し、永久磁石２２の間隔寸法ｗが大きくなるにしたがい、永久磁石２２の体積の比率及び基本波成分の振幅の比率が減少する。

デュアルハルバッハ磁石配列では、角度θ＝９０°において磁場中（ギャップ中）に（ｎ＋１）次の高調波成分が発生することが知られている。図７Ｂに示すように、間隔寸法ｗが２ｍｍ（＝ｌｍ×１／（ｎ＋１））のときに、基本波成分の振幅に対する第５次高調波成分の振幅の比率（振幅比）が最小（略ゼロ）となっている。ここから、第５次高調波成分は、分割数ｎ＝４、及び間隔寸法ｗ＝２（ｍｍ）において消えるとみなすことができる。

間隔寸法ｗ＝２（ｍｍ）は、分割数ｎ＝４における永久磁石２２の長さ寸法ｌｍ（ｍｍ）に対して１／５（１／（ｎ＋１）に相当）となっている。また、図７Ａに示すように、間隔寸法ｗ＝２ｍｍにおいては、基本波の振幅が約２０％減少している。

また、図７Ｂに示すように、永久磁石２２の間隔寸法ｗが３ｍｍまでの範囲（０＜ｗ≦３）では、第５次高調波成分が間隔寸法ｗ＝０における第５次高調波成分と同様の比率となっており、基本波成分に対する第５次高調波成分の増加は見られない。

図８Ａには、永久磁石２２の着磁方向の角度θ＝４５°（分割数ｎ＝８に対する角度θ）の場合における永久磁石２２の間隔寸法ｗに対するデュアルハルバッハ磁石配列のギャップ中心における空間磁束密度分布の基本波振幅の比率（％）、及び永久磁石２２の体積の比率（％）が示されている。また、図８Ｂには、角度θ＝４５°の場合のギャップ中心Ｇｃにおける永久磁石２２の間隔寸法ｗの変化に応じた空間磁束密度分布の基本波成分に対する第９次（（ｎ＋１）次）高調波成分の振幅比（振幅比率％）が示されている。

図８Ａに示すように、角度θ＝４５°の場合においても、永久磁石２２の間隔寸法ｗに対して、永久磁石２２の体積の比率、及び基本波振幅の比率がほぼ比例し、永久磁石２２の間隔寸法ｗが大きくなるにしたがい、永久磁石２２の体積の比率及び基本波振幅の比率が減少する。

また、図８Ｂに示すように、角度θ＝４５°においては、間隔寸法ｗが凡そ１ｍｍ（ｌｍ×１／９に相当）のときに、振幅比が最小（略ゼロ）となっており、この間隔寸法ｗ≒１（ｍｍ）において第９次高調波成分が略消えているとみなすことができる。

また、第９次高調波成分が消えるとみなせる間隔寸法ｗにおいては、基本波の振幅が約１０％減少している（図８Ａ参照）。この基本波の振幅の比率が、間隔寸法ｗ＝０における比率と同様となるのは、間隔寸法ｗ＝１．７（ｍｍ）（ｗ＝ｌｍ×１／９×１．５に相当）となっている。したがって、間隔寸法ｗが、０≦ｗ≦１．７の範囲では、基本波に対する第９次高調波成分の増加は見られないとみなせる。この間隔寸法ｗの範囲は、角度θ＝４５°（分割数ｎ＝８）において、永久磁石２２の配列方向に沿う長さ寸法ｌｍの１／９（＝１／（ｎ＋１）までの範囲となる。

したがって、ハルバッハ磁石配列における永久磁石２２の間隔寸法ｗは、０≦ｗ≦ｌｍ×１／（ｎ＋１）×１．５であることが好ましい。これにより、ハルバッハ磁石配列（シングルハルバッハ磁石配列及びデュアルハルバッハ磁石配列）において、互いに隣接する永久磁石２２の間隔寸法ｗを、０≦ｗ≦ｌｍ×１／（ｎ＋１）×１．５の範囲（但し、ｎは分割数、ｌｍは永久磁石２２の電機子２０側における配列方向に沿う長さ寸法）とすることで、互いに隣接する永久磁石２２の間隔寸法ｗに起因する高調波成分の増加を抑制できる。また、間隔寸法ｗ＝ｌｍ×１／（ｎ＋１）とすることで、高調波成分を効果的に抑制できる。

また、界磁ホルダ４０に設けられるスペーサ４６の厚さ寸法ｄは、ｌｍ×１／（ｎ＋１）×１．５（ｍｍ）以下の寸法（０＜ｄ≦ｌｍ×１／（ｎ＋１）×１．５）であれば、スペーサ４６を設けることによる高調波成分の増加を抑制できる。特に、界磁ホルダ４０は、スペーサ４６の厚さ寸法ｄ＝ｌｍ×１／（ｎ＋１）とすることで、高調波成分を効果的に抑制できる。このため、界磁ホルダ４０は、スペーサ４６の厚さ寸法ｄが、上記範囲でかつ所望の強度が得られる寸法及び材質で形成されればよい。

したがって、界磁ホルダ４０は、上記条件を満たす厚さ寸法ｄで形成されればよい。また、界磁ホルダ４０は、デュアルハルバッハ磁石配列における径方向断面の断面積について、ギャップ中心Ｇｃと径方向外側のハルバッハ磁石配列の間の断面積に対するギャップ中心Ｇｃと径方向内側のハルバッハ磁石配列との間の断面積の比が、径方向外側のハルバッハ磁石配列の断面積に対する径方向内側のハルバッハ磁石配列の断面積の比と同様になるように形成されればよい。この際、界磁ホルダ４０は、界磁部１６に対応する径方向内側のハルバッハ磁石配列における面積Ｓ４にスペーサ４６が含まれるように形成されればよく、界磁ホルダ４０は、スペーサ４６の厚さ寸法ｄが極ピッチτ及び永久磁石２２の配列方向に沿う長さ寸法ｌｍを含めて設定されればよい。

なお、以上説明した本実施形態では、内壁４２、外壁４４及び永久磁石２２の数に応じたスペーサ４６を備える界磁ホルダ４０を例に説明した。しかしながら、保持部材は、少なくとも外周壁及び隔壁を備えればよく、内周壁は省略されてもよい。この場合、保持部材の内周壁として、例えば回転子の出力軸となる回転軸などを適用し、回転軸に保持部材を取り付けた状態で、保持部材の隔壁の間に永久磁石を嵌め込んで永久磁石を取り付けるようにしてもよい。

また、保持部材は、永久磁石の組み付け時に内周壁を用いるが、組み付け後には、内周壁が取り外される構成であってもよい。さらに、保持部材は、外周壁と隔壁、又は外周壁と内周壁と隔壁とにより永久磁石の移動を規制できればよく、外周壁、内周壁及び隔壁は格子状等の一部に開口部が形成された形状であってもよい。

また、本実施形態では、磁界発生部３２Ｂにおいて、外側のハルバッハ配列界磁３４Ａを強磁性体３０Ａに置き換えたが、磁界発生部は、径方向内側のハルバッハ配列界磁を強磁性体に置き換えた構成であってもよい。

一方、本実施形態では、電動機１０の磁界発生部２４に磁界発生部３２Ａを適用したが、磁界発生部２４には、磁界発生部３２Ｂが適用されてもよい。すなわち、回転電機には、デュアルハルバッハ磁石配列が適用されてもよい。図９には、変形例に係る電動機５０の概略構成が平面図にて示されている。

図９に示すように、電動機５０の磁界発生部５２では、ハルバッハ配列界磁２６Ａが適用された第１界磁部としての界磁部５４Ａ、及びハルバッハ配列界磁２６Ｂが適用された第２界磁部としての界磁部５４Ｂが用いられている。界磁部５４Ａ、５４Ｂは、各々略円環状とされ、ギャップ長２Ｇの間隔が開けられて界磁部５４Ｂ内に界磁部５４Ａが同軸的に配置されて一体回転可能にされている。また、電動機５０には、界磁部５４Ａと界磁部５４Ｂとの間に電機子２０が配置されており、電機子２０は、界磁部５４Ａ、５４Ｂに対して相対回転可能とされている。

これにより、電動機５０では、電機子２０のコイル２０Ｕ～２０Ｗに三相交流電力が供給されることで、電機子２０に対して界磁部５４Ａ、５４Ｂが一体に相対回転されて、出力軸１２Ａが回転駆動される。

ここで、界磁部５４Ａ及び界磁部５４Ｂには、各々に第１保持部材としての界磁ホルダ５６及び第２保持部材としての界磁ホルダ５８が用いられており、界磁ホルダ５６、５８は、各々基本的構造が界磁ホルダ４０と同様にされている。すなわち、界磁ホルダ５６は、界磁ホルダ４０と同様にされている。また、界磁ホルダ５８には、内壁４２に対応する内壁４２Ａ、外壁４４に対応する外壁４４Ａが設けられ、内壁４２Ａと外壁４４Ａとの間にスペーサ４６が配置され、ソケット４８に対応するソケット４８Ａが形成されている。

このように構成された電動機５０では、界磁ホルダ５６、５８が用いられることで、界磁部５４Ａ、５４Ｂの各々において、永久磁石２２（２２Ａ～２２Ｄ）の各々の位置を規制できて永久磁石２２の組み付けが容易になる。これにより、電動機５０においても、電動機１０と同様に製造が容易になる。

なお、以上説明した本実施形態及び変形例では、主に分割数ｎ＝４を例に説明したが、分割数ｎには、３以上の整数の何れかを適用できる。また、三相交流電力によって駆動される電動機では、トルクリップルをより精度より抑制する観点から、分割数ｎとしては、ｎ＝３・ｋ＋２（ただし、ｋは正の整数）とすることがより好ましい。これにより、三相交流電力を用いる電源にトルクリップルが生じるのを効果的に抑制できる。

また、本実施形態及び変形例では、電動機１０、５０を例に説明した。しかしながら、回転電機は、回転されることで三相交流電力を発生する発電機であってもよい。回転電機として発電機を適用することで、発電機の出力密度を向上できる。

さらに、本実施形態及び変形例では、電動機１０、５０を例に説明した。しかしながら、回転電機は、車両において力行モードでは駆動源として動作し、減速モード（回生モード）では回生用発電機として動作するように用いることもできる。この場合、力行モードと回生モードの切換りにおいて電流の向きが逆転しても、電機子に蓄積される磁気エネルギーを抑制（小さく）できる。このため、回転電機では、電流切換り時に発生する誘導電圧を低くできるので、回転電機を駆動するための駆動回路を回転電機が損傷させてしまうのを抑制できる。しかも、回転電機は、車両においてレスポンスの良好な運転特性を提供できる。

日本国特許出願２０１９－１７１６２１の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願及びその技術規格には、個々の文献、特許出願及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記載された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (10)

1. ３以上の整数の何れか一つを分割数ｎとして、電気角１周期を前記分割数ｎで除した角度ずつ着磁方向が順に変更されて複数の永久磁石が周方向に配列された界磁部と、
   非磁性の材料が用いられ、内周面に前記永久磁石の各々の外周面が当接される円環状の外周壁、及び前記外周壁の周方向において各々が該外周壁の内面から径方向の内側に突設され、隣接する互いの間の各々に前記永久磁石が嵌入される複数の隔壁を有する保持部材と、
   を含む磁界発生装置であって、
   前記隔壁の厚さ寸法ｄは、前記永久磁石の着磁方向に沿う断面において予め基準として設定した配列方向に沿う一辺の長さ寸法ｌｍ、及び前記分割数ｎに応じて設定されており、
   前記隔壁の厚さ寸法ｄは、
   ０＜ｄ≦ｌｍ×１／（ｎ＋１）×１．５
   を満たす
   磁界発生装置。
2. ３以上の整数の何れか一つを分割数ｎとして、電気角１周期を前記分割数ｎで除した角度ずつ着磁方向が順に変更されて複数の永久磁石が周方向に配列された界磁部と、
   非磁性の材料が用いられ、内周面に前記永久磁石の各々の外周面が当接される円環状の外周壁、及び前記外周壁の周方向において各々が該外周壁の内面から径方向の内側に突設され、隣接する互いの間の各々に前記永久磁石が嵌入される複数の隔壁を有する保持部材と、
   を含む磁界発生装置であって、
   前記隔壁の厚さ寸法ｄは、前記永久磁石の着磁方向に沿う断面において予め基準として設定した配列方向に沿う一辺の長さ寸法ｌｍ、及び前記分割数ｎに応じて設定されており、
   前記隔壁の厚さ寸法ｄは、
   ｄ＝ｌｍ／（ｎ＋１）
   を満たす
   磁界発生装置。
3. 前記保持部材は、外周面に前記永久磁石の各々の内周面が当接されると共に、外周面に前記隔壁の各々の径方向内側端が連結された内周壁を含む請求項１又は請求項２に記載の磁界発生装置。
4. 前記界磁部の前記永久磁石の各々に対向される円環状に形成され前記界磁部に対して相対回転可能に設けられ、前記界磁部の磁力により該界磁部との間で磁場を形成する強磁性体と、
   を含む請求項１から請求項３の何れか１項に記載の磁界発生装置。
5. 前記界磁部が、前記複数の永久磁石が周方向に配列された第１界磁部、及び前記第１界磁部の径方向外側に配置され、前記複数の永久磁石が周方向に配列されて前記第１界磁部と一体に回転可能とされた第２界磁部を含み、
   前記保持部材が、前記第１界磁部の前記複数の永久磁石の各々を保持する第１保持部材、及び前記第２界磁部の前記複数の永久磁石の各々を保持する第２保持部材を含む
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載の磁界発生装置。
6. ３以上の整数の何れか一つを分割数ｎとして、電気角１周期を前記分割数ｎで除した角度ずつ着磁方向が順に変更されて複数の永久磁石が周方向に配列された界磁部と、
   非磁性の材料が用いられ、内周面に前記永久磁石の各々の外周面が当接される円環状の外周壁、及び前記外周壁の周方向において各々が該外周壁の内面から径方向の内側に突設され、隣接する互いの間の各々に前記永久磁石が嵌入される複数の隔壁を有する保持部材と、
   前記永久磁石の各々が前記保持部材に保持された前記界磁部に対して相対回転可能に配置された電機子と、
   を含む回転電機であって、
   前記隔壁の厚さ寸法ｄは、前記永久磁石の着磁方向に沿う断面において予め基準として設定した配列方向に沿う一辺の長さ寸法ｌｍ、及び前記分割数ｎに応じて設定されており、
   前記隔壁の厚さ寸法ｄは、
   ０＜ｄ≦ｌｍ×１／（ｎ＋１）×１．５
   を満たす
   回転電機。
7. ３以上の整数の何れか一つを分割数ｎとして、電気角１周期を前記分割数ｎで除した角度ずつ着磁方向が順に変更されて複数の永久磁石が周方向に配列された界磁部と、
   非磁性の材料が用いられ、内周面に前記永久磁石の各々の外周面が当接される円環状の外周壁、及び前記外周壁の周方向において各々が該外周壁の内面から径方向の内側に突設され、隣接する互いの間の各々に前記永久磁石が嵌入される複数の隔壁を有する保持部材と、
   前記永久磁石の各々が前記保持部材に保持された前記界磁部に対して相対回転可能に配置された電機子と、
   を含む回転電機であって、
   前記隔壁の厚さ寸法ｄは、前記永久磁石の着磁方向に沿う断面において予め基準として設定した配列方向に沿う一辺の長さ寸法ｌｍ、及び前記分割数ｎに応じて設定されており、
   前記隔壁の厚さ寸法ｄは、
   ｄ＝ｌｍ／（ｎ＋１）
   を満たす
   回転電機。
8. 前記界磁部の前記永久磁石の各々に対向される円環状に形成され前記界磁部に対して相対回転可能に設けられ、前記界磁部側の面に前記電機子の三相のコイルが周方向に配列された強磁性体と、
   を含む請求項６又は請求項７に記載の回転電機。
9. 前記界磁部が、前記複数の永久磁石が周方向に配列された第１界磁部、及び前記第１界磁部の径方向外側に配置され、前記複数の永久磁石が周方向に配列されて前記第１界磁部と一体に回転可能とされた第２界磁部を含み、
   前記保持部材が、前記第１界磁部の前記複数の永久磁石の各々を保持する第１保持部材、及び前記第２界磁部の前記複数の永久磁石の各々を保持する第２保持部材を含み、
   前記電機子が、前記第１界磁部と前記第２界磁部との間において三相のコイルが周方向に配列されている
   請求項６又は請求項７に記載の回転電機。
10. 前記保持部材は、外周面に前記永久磁石の各々の内周面が当接されると共に、外周面に前記隔壁の各々の径方向内側端が連結された内周壁を含む請求項６から請求項９の何れか１項に記載の回転電機。

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