JP7643269B2 - 回転子 - Google Patents

Description

本発明は、電動車両用のモータ（駆動モータ、発電機等）、特に永久磁石を多層に備えた永久磁石モータの回転子に関する。

電動車両用モータでは出力密度向上のため、永久磁石モータが広く採用されている。しかしレアアースを用いる磁石はコストが高く、モータコストの大半を占めているため磁石使用量の削減が課題となっている。既存設備を流用する場合などは、ロータ形状のみを変更することで設備改造費を抑えつつ磁石使用量の削減が可能である。

従来、回転電機に設けられる回転子は、例えば特許文献１に記載のものが提案されていた。

特許第６７３７３５４号公報

特許文献１では、センターブリッジ形状の工夫で応力を低減し、磁石寸法と配置でトルク向上（磁石使用量低減）を図っていたが、ロータ外周側のブリッジに言及が無く、寸法の異なる磁石を使用するため型費が余計に発生する問題があった。

本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、磁石使用量を削減することができる回転子を提供することにある。

そこで、請求項１の回転子は、回転子の軸心と、マグネットトルクを生成する任意の主磁極の中心とを結ぶ直線をｄ－ｑ軸座標のｄ軸とし、前記ｄ軸と電気角で直交する軸をｄ－ｑ軸座標のｑ軸とし、
前記各ｄ軸であって、径方向断面視における回転子鉄心よりも外周側に設定した点Ａを中心とする複数の同心円のうち、第１の半径の第１の同心円に沿う回転子鉄心の部位に、前記ｄ軸を中心として線対称に離間して配設され、それぞれの四隅には外向きに広がる凹部が形成された複数の第１層側磁石溝と、
前記複数の同心円のうち、前記第１の半径よりも長い第２の半径の第２の同心円に沿う回転子鉄心の部位に、前記ｄ軸を中心として線対称に離間して配設され、それぞれの四隅には外向きに広がる凹部が形成された複数の第２層側磁石溝と、
前記複数の同心円のうち、前記第２の半径よりも長い第３の半径の第３の同心円に沿う回転子鉄心の部位に、前記ｄ軸を中心として線対称に離間して配設され、それぞれの四隅には外向きに広がる凹部が形成された複数の第３層側磁石溝と、
前記第１層側磁石溝に嵌合する２個の磁石であって、各々の中心から延ばした中心線が前記点Ａに集中する向きに配設された第１層側磁石群と、
前記第２層側磁石溝に嵌合し、前記第１層側磁石群の各磁石と同一寸法の４個の磁石であって、各々の中心から延ばした中心線が前記点Ａに集中する向きに配設された第２層側磁石群と、
前記第３層側磁石溝に嵌合し、前記第１層側磁石群および第２層側磁石群の各磁石と同一寸法の６個の磁石であって、各々の中心から延ばした中心線が前記点Ａに集中する向きに配設された第３層側磁石群と、
を備え、
前記第１層側磁石溝の回転子鉄心外周側の角部は前記第１の同心円上に、前記第２層側磁石溝の回転子鉄心外周側の角部は前記第２の同心円上に、前記第３層側磁石溝の回転子鉄心外周側の角部は前記第３の同心円上に各々配設され、
前記第２層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部における、ｄ軸側角部の曲率半径はｑ軸側角部の曲率半径よりも大きく設定され、
前記第３層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部における、ｑ軸側角部の曲率半径はｄ軸側角部の曲率半径よりも大きく設定され、
前記第３層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部の曲率半径は、前記第２層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部の曲率半径よりも大きく設定される回転子である。

請求項２の回転子は、請求項１の回転子において、前記第１層側磁石群の、ｄ軸を介して隣接する２つの磁石の間隔をｄ１、前記第２層側磁石群の、ｄ軸を介して隣接する２つの磁石の間隔をｄ２、前記第３層側磁石群の、ｄ軸を介して隣接する２つの磁石の間隔をｄ３としたとき、ｄ１＜ｄ２＜ｄ３となるように前記各磁石が配置される。

請求項３の回転子は、回転子の軸心と、マグネットトルクを生成する任意の主磁極の中心とを結ぶ直線をｄ－ｑ軸座標のｄ軸とし、前記ｄ軸と電気角で直交する軸をｄ－ｑ軸座標のｑ軸とし、
前記各ｄ軸であって、径方向断面視における回転子鉄心よりも外周側に設定した点Ａを中心とする複数の同心円のうち、第１の半径の第１の同心円に沿う回転子鉄心の部位に、前記ｄ軸を中心として線対称に離間して配設され、それぞれの四隅には外向きに広がる凹部が形成された複数の第１層側磁石溝と、
前記複数の同心円のうち、前記第１の半径よりも長い第２の半径の第２の同心円に沿う回転子鉄心の部位に、前記ｄ軸を中心として線対称に離間して配設され、それぞれの四隅には外向きに広がる凹部が形成された複数の第２層側磁石溝と、
前記複数の同心円のうち、前記第２の半径よりも長い第３の半径の第３の同心円に沿う回転子鉄心の部位に、前記ｄ軸を中心として線対称に離間して配設され、それぞれの四隅には外向きに広がる凹部が形成された複数の第３層側磁石溝と、
前記第１層側磁石溝に嵌合する２個の磁石であって、各々の中心から延ばした中心線が前記点Ａに集中する向きに配設された第１層側磁石群と、
前記第２層側磁石溝に嵌合し、前記第１層側磁石群の各磁石と同一寸法の４個の磁石であって、各々の中心から延ばした中心線が前記点Ａに集中する向きに配設された第２層側磁石群と、
前記第３層側磁石溝に嵌合し、前記第１層側磁石群および第２層側磁石群の各磁石と同一寸法の６個の磁石であって、各々の中心から延ばした中心線が前記点Ａに集中する向きに配設された第３層側磁石群と、
前記第１層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部近傍の、回転子鉄心の外周端面上に設けられた第１の回転子鉄心外周溝と、
前記第１層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部と、前記第２層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部の間の、回転子鉄心の外周端面上に設けられた第２の回転子鉄心外周溝と、
前記第２層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部と、前記第３層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部の間の、回転子鉄心の外周端面上に設けられた第３の回転子鉄心外周溝と、
前記第３層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部近傍の、回転子鉄心の外周端面上に設けられた第４の回転子鉄心外周溝と、
を備え、
前記第２～第４の回転子鉄心外周溝の深さは、第２の回転子鉄心外周溝の深さ≦第３の回転子鉄心外周溝の深さ≦第４の回転子鉄心外周溝の深さに設定され、
ｄ軸から第１の回転子鉄心外周溝までの距離をｇ１、ｄ軸から第２の回転子鉄心外周溝までの距離をｇ２、ｄ軸から第３の回転子鉄心外周溝までの距離をｇ３、ｄ軸から第４の回転子鉄心外周溝までの距離をｇ４とし、
前記第１層側磁石群の磁石の、回転子鉄心の外周端に最も近いｄ軸側の端部とｄ軸とのなす角度をｆ１とし、前記第２層側磁石群における回転子鉄心の外周端に最も近い磁石の、ｄ軸側で且つ回転子鉄心の外周側の端部とｄ軸とのなす角度をｆ２とし、前記第３層側磁石群における回転子鉄心の外周端に最も近い磁石の、ｄ軸側で且つ回転子鉄心の外周側の端部とｄ軸とのなす角度をｆ３とし、
前記第１層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部における、ｑ軸側の端部とｄ軸とのなす角度をｆ１’とし、前記第２層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部における、ｑ軸側の端部とｄ軸とのなす角度をｆ２’とし、前記第３層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部における、ｑ軸側の端部とｄ軸とのなす角度をｆ３’とし、
０＜ｇ１＜ｆ１、ｆ１’＜ｇ２＜ｆ２、ｆ２’＜ｇ３＜ｆ３、（ｆ３＋ｆ３’）／２≦ｇ４≦ｆ３’となるように設定される。

請求項４の回転子は、請求項３の回転子において、前記第１層側磁石群の、ｄ軸を介して隣接する２つの磁石の間隔をｄ１、前記第２層側磁石群の、ｄ軸を介して隣接する２つの磁石の間隔をｄ２、前記第３層側磁石群の、ｄ軸を介して隣接する２つの磁石の間隔をｄ３としたとき、ｄ１＜ｄ２＜ｄ３となるように前記各磁石が配置される。

請求項５の回転子は、請求項１または２の回転子において、前記第１層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部は、第１層側磁石溝のｑ軸側端部から回転子鉄心の外周に沿ってｄ軸側に延びる形状であり、且つ回転子鉄心を軸方向に貫通して構成される。

請求項１～５の発明によれば、リラクタンストルクを有効利用でき、マグネットトルクの比率が下がるため磁石使用量を削減することができる。リラクタンストルクの比率増により誘起電圧を抑えつつ高トルク化、高速回転化が可能となり、モータを高出力化できる。

また、すべての磁石を点Ａに集中する向きとしているため、磁石磁束を１点に集中でき、誘起電圧波形やギャップ磁束密度分布波形が正弦波に近づき鉄損が低減され、高効率化できる。

磁束波形の正弦波化により、磁束波形の高調波成分が低減され、トルクリプルも低減できる。

また、第１層側磁石群の２個の磁石、第２層側磁石群の４個の磁石、第３層側磁石群の６個の磁石により、渦電流のパスが分散されて、磁石損失を抑えることができる。

さらに、全ての磁石が同一寸法であるため、磁石の金型が１つで良く、コストを削減することができる。
また、第１層側、第２層側、第３層側の各磁石溝に嵌合された磁石と凹部の間で形成されるフラックスバリアの角が、点Ａを中心とした同心円上に配置されるので、ｑ軸磁束の流れがスムーズになりリラクタンストルクが向上する。

さらに、前記フラックスバリアのｄ軸側、ｑ軸側のうち片側のみ曲率半径が大きくなるように構成しているため、各凹部間のブリッジの長さを確保しつつ遠心力による応力を分散することができる。
また、請求項２，４の発明によれば、第１層～第３層の全ての層の磁石磁束を有効利用することができる。
さらに、請求項３の発明によれば、第１～第４の回転子鉄心外周溝を設けたので、ギャップ磁束密度分布波形の肩の部分が抑制され、高調波成分を低減させることができる。

また、第２～第４の回転子鉄心外周溝の深さの設定によって、ｄ軸からｑ軸にかけて緩やかに磁束抑制量が大きくなって、波形の高調波をより効果的に抑制することができる。
そして、請求項５の発明によれば、第１層側磁石群の磁石により、回転子鉄心の外周面に発生する磁束密度の変化、特に主磁極の周方向の両端部分での磁束密度分布を正弦波に近づけることができる。

本発明の一実施例における回転子鉄心の部分拡大図。 （ａ）は本発明の一実施例におけるｄ軸上の点Ａを説明する要部拡大図、（ｂ）は本発明の他の実施例におけるｄ軸上の点Ａを説明する要部拡大図。 本発明の一実施例におけるフラックスバリアの角位置を示す説明図。 本発明の一実施例における回転子鉄心外周溝の位置を示す説明図。 本発明の他の実施例における第１層側磁石溝に形成される凹部を示す説明図。 （ａ）は回転子鉄心外周溝無しの場合のギャップ磁束密度の波形図、（ｂ）は回転子鉄心外周溝有りの場合のギャップ磁束密度の波形図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。図１および図２（ａ）は本発明の一実施例である永久磁石モータの回転子１の軸方向に直交する断面の構造を示す。本図においては、回転子１のひとつの主磁極のみが示され、その他の主磁極は主磁極と同様の構成であるので、図示省略している。

前記永久磁石モータは、回転子１と、これと同軸に回転子１に周設される固定子５（図２（ａ）では図示省略）を備える。固定子５には、ステータコイル５１が装着される複数のステータスロット５２が回転子１の外周に沿って等間隔に配置形成されている。

回転子１の鉄心１０（回転子鉄心）は、例えば珪素鋼板を積層して形成した略円筒状の部材である。そして、この鉄心１０の軸芯部には、モータシャフト２が嵌入されており、該モータシャフト２は軸受（図示省略）により回転自在に支持される。

回転子１の軸心（モータシャフト２）とマグネットトルクを生成する主磁極の中心とを結ぶ図２（ａ）の破線で示す直線ｄを、ｄ－ｑ軸座標のｄ軸とし、このｄ軸と電気角で直交する図２（ａ）のｑを、ｄ－ｑ軸座標のｑ軸（補助磁極部３）としている。そして図１、図２（ａ）では、１つのｄ軸からそのｄ軸に対して周方向に隣り合うｑ軸までの範囲を表している。

図２（ａ）において、ｄ軸上であって、径方向断面視における回転子１の鉄心１０よりも外周側に点Ａを設定している。設定した点Ａを中心とする、半径の異なる３つの同心円に沿う鉄心１０の部位には、磁石が嵌合される磁石溝であって、それぞれの四隅には外向きに広がる凹部が形成された複数の磁石溝が配設されている。

すなわち、点Ａを中心とする、第１の半径の第１の同心円に沿う鉄心１０の部位には、第１層側磁石溝を構成する磁石溝１１Ａ，１２Ａが、ｄ軸を中心として線対称に離間して配設され、磁石溝１１Ａ，１２Ａの各四隅には、外向きに広がる凹部１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄが形成されている。

磁石溝１１Ａ，１２Ａには、各々の中心から延ばした中心線が点Ａに集中する向きに配される、第１層側磁石群としての２個の磁石１１、１２が各々嵌合されている。

点Ａを中心とする、第１の半径よりも長い第２の半径の第２の同心円に沿う鉄心１０の部位には、第２層側磁石溝を構成する磁石溝２１Ａ，２２Ａ，２３Ａ，２４Ａが、ｄ軸を中心として線対称に離間して配設され、磁石溝２１Ａ，２２Ａ，２３Ａ，２４Ａの各四隅には、外向きに広がる凹部２１ａ，２１ｂ，２１ｅ，２２ｆ，２２ｇ，２２ｃ，２２ｄ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｇ，２４ｆ，２４ｅ，２４ａ，２４ｂが各々形成されている。

磁石溝２１Ａ，２２Ａ，２３Ａ，２４Ａには、各々の中心から延ばした中心線が点Ａに集中する向きに配される、第２層側磁石群としての４個の磁石２１～２４が各々嵌合されている。

点Ａを中心とする、第２の半径よりも長い第３の半径の第３の同心円に沿う鉄心１０の部位には、第３層側磁石溝を構成する磁石溝３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａ，３５Ａ，３６Ａが、ｄ軸を中心として線対称に離間して配設され、磁石溝３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａ，３５Ａ，３６Ａの各四隅には、外向きに広がる凹部３１ａ，３１ｂ，３１ｅ，３２ｆ、３２ｇ、３２ｈ、３３ｉ，３３ｊ，３３ｃ，３３ｄ，３４ｃ，３４ｄ，３４ｊ，３４ｉ，３５ｈ，３５ｇ，３５ｆ，３６ｅ，３６ａ，３６ｂが各々形成されている。

磁石溝３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａ，３５Ａ，３６Ａには、各々の中心から延ばした中心線が点Ａに集中する向きに配される、第３層側磁石群としての６個の磁石３１～３６が各々嵌合されている。

前記磁石１１、１２、２１～２４、３１～３６は各々同一寸法に構成されている。

前記第１層側磁石群において、前記磁石溝１１Ａ、１２Ａに磁石１１、１２が一つずつ配された状態で、前記各凹部１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄと磁石１１、１２の間には、それぞれフラックスバリア（非磁性領域）としての空隙が形成される形状となっている。

前記第２層側磁石群において、前記磁石溝２１Ａ～２４Ａに磁石２１～２４が一つずつ配された状態で、前記各凹部２１ａ，２１ｂ，２１ｅ，２２ｆ，２２ｇ，２２ｃ，２２ｄ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｇ，２４ｆ，２４ｅ，２４ａ，２４ｂと磁石２１～２４の間には、それぞれフラックスバリア（非磁性領域）としての空隙が形成される形状となっている。

前記第３層側磁石群において、前記磁石溝３１Ａ～３６Ａに磁石３１～３６が一つずつ配された状態で、前記各凹部３１ａ，３１ｂ，３１ｅ，３２ｆ、３２ｇ、３２ｈ、３３ｉ，３３ｊ，３３ｃ，３３ｄ，３４ｃ，３４ｄ，３４ｊ，３４ｉ，３５ｈ，３５ｇ，３５ｆ，３６ｅ，３６ａ，３６ｂと磁石３１～３６の間には、それぞれフラックスバリア（非磁性領域）としての空隙が形成される形状となっている。

前記第１層側のｄ軸に最も近い凹部１１ｃと凹部１２ｃの間にはセンターブリッジ部１０ｃが形成され、前記第２層側のｄ軸に最も近い凹部２２ｃと凹部２３ｃの間にはセンターブリッジ部２０ｃが形成され、前記第３層側のｄ軸に最も近い凹部３３ｃと凹部３４ｃの間にはセンターブリッジ部３０ｃが形成されている。

また、図１、図２（ａ）に記載のように第１層側～第３層側に配置する磁石を全て独立した磁石で構成するに限らず、図２（ｂ）に記載のように、第２層側に、磁石２５と２６を各々長手方向に直交する方向に２分割して配設し、第３層側に、磁石３７と３８を各々長手方向に直交する方向に３分割して配設し、磁石１１，１２，２５，２６，３７，３８の各々の中心から延ばした中心線が点Ａに集中する向きに配するように構成しても良い。

この場合、磁石２５は磁石溝２５Ａに嵌合され、磁石溝２５Ａの四隅には凹部２５ａ～２５ｄが形成され、磁石２６は磁石溝２６Ａに嵌合され、磁石溝２６Ａの四隅には凹部２６ａ～２６ｄが形成され、磁石３７は磁石溝３７Ａに嵌合され、磁石溝３７Ａの四隅には凹部３７ａ～３７ｄが形成され、磁石３８は磁石溝３８Ａに嵌合され、磁石溝３８Ａの四隅には凹部３８ａ～３８ｄが形成されており、その他の部分は図２（ａ）と同様に構成される。

ＰＭモータの誘起電圧は回転数に比例するため、モータ最高回転数は誘起電圧がインバータ耐電圧を超えない範囲に制限される。図１、図２の構造はリラクタンストルクを有効利用でき、マグネットトルクの比率が下がるため磁石使用量を削減できる。リラクタンストルクの比率増により誘起電圧を抑えつつ高トルク化、高速回転化が可能となり、モータを高出力化できる。

すべての磁石を点Ａに集中する向きとすることで、磁石磁束を１点に集中でき、誘起電圧波形やギャップ磁束密度分布波形が正弦波に近づき鉄損が低減され、高効率化できる。なお、誘起電圧は無負荷鎖交磁束とロータ角速度の積なので、誘起電圧波形の正弦波化は磁束波形の正弦波化につながる。また、トルクの時間平均は鎖交磁束と電流の積であり、鎖交磁束の高調波成分と電流の積がトルク波形の高調波成分、つまりトルクリプルであるから、磁束波形の高調波成分を低減することでトルクリプルも低減できる。

多層配置の内径側磁石（鉄心１０の軸心側に配置される磁石）はスロット高調波磁束の影響が大きく渦電流損失が増加する傾向があるが、２層目は２分割、３層目は３分割されているため渦電流のパスが分散され磁石損失を抑えることができる。さらに、すべての磁石が同じ寸法であるため磁石の金型が１つで良く、コストを削減できる。各層の磁石は、それぞれさらに横に（磁石の長手方向に）２分割しても良い。

次に、前記凹部と磁石の間に形成されるフラックスバリアの角位置を図３とともに説明する。図３は、ｄ軸から一方のｑ軸側の構成における、鉄心１０の外周端１０ａに近い第２層側の磁石２４、第３層側の磁石３６と、凹部２４ａ、凹部３６ａの間に形成されるフラックスバリア（２４ａ，３６ａ）を表している。

図３において、第２層側磁石溝の回転子鉄心外周側の角部２０は点Ａを中心とする第２の同心円上に配設され、第３層側磁石溝の回転子鉄心外周側の角部３０は点Ａを中心とする第３の同心円上に配設されている。第１層側磁石溝の回転子鉄心外周側の角部は点Ａを中心とする第１の同心円上に配設されているが、図３では図示省略している。

第２層側磁石溝のｑ軸側端部（鉄心１０の外周端１０ａに近い側の端部）に形成された凹部２４ａにおける、ｄ軸側角部２４ａｄの曲率半径は、ｑ軸側角部２４ａｑの曲率半径よりも大きく設定され、第３層側磁石溝のｑ軸側端部（鉄心１０の外周端１０ａに近い側の端部）に形成された凹部３６ａにおける、ｑ軸側角部３６ａｑの曲率半径は、ｄ軸側角部３６ａｄの曲率半径よりも大きく設定されている。

また、第３層側の前記凹部３６ａの曲率半径は第２層側の前記凹部２４ａの曲率半径よりも大きく設定されている。尚、ｄ軸から他方のｑ軸側の構成も図３と同様である。

図３のように、磁石溝の角部を、点Ａを中心とした同心円上に配置することで、ｑ軸磁束の流れがスムーズになり（ｑ軸側リアクタンスＬｑが大きくなり）リラクタンストルクが向上する。フラックスバリア（２４ａ、３６ａ）の角の曲率半径を大きくすることで遠心力による応力を下げる（分散する）ことができるが、曲率半径を大きくするとその分凹部２４ａと凹部３６ａの間のブリッジの最狭部が短くなり漏れ磁束が増加し、トルク低下につながる。

２層目はｄ軸側に、３層目はｑ軸側に応力が集中するため、図３のようにそれぞれ片側のみ曲率半径を大きくすることで、ブリッジ長さを確保しつつ応力が分散される。遠心力によりブリッジ部に発生する応力は、ブリッジが抱える質量が大きいほど増加する。すなわち各層の磁石溝とロータ外径からなる略扇形状部に存在する磁石と鉄心の質量が大きいほど、発生応力も大きくなる。よって発生応力の大きさは２層目＜３層目であるため、曲率半径の大きさも２層目＜３層目とすれば良い。

１層目は、遠心力による発生応力が低いため、フラックスバリアの形状自由度があるので、図２のｑ軸側端部の凹部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂに代えて、例えば図５のように、ｑ軸側の端部から鉄心１０の外周（１０ａ）に沿ってｄ軸側に延びる形状であり、且つ鉄心１０を軸方向に貫通して構成したスリット部１１Ｘ、１２Ｘを用いてもよい。

図５のスリット部１１Ｘ、１２Ｘは、鉄心１０に比べて透磁率が極めて小さく、磁束が極めて通り難くなっており、磁気的な遮断部として機能する。これによって、磁石１１、１２によって回転子１の外周面に発生する磁束密度分布の変化、特に主磁極の周方向の両端部分での磁束密度分布を正弦波に近づけることができる。

また、図１に示すように、第１層側磁石群の、ｄ軸を介して隣接する２つの磁石１１と１２の間隔をｄ１、第２層側磁石群の、ｄ軸を介して隣接する２つの磁石２２と２３の間隔をｄ２、第３層側磁石群の、ｄ軸を介して隣接する２つの磁石３３と３４の間隔をｄ３としたとき、ｄ１＜ｄ２＜ｄ３となるように配置するものである。

磁石間の距離が外径側の層より狭い、たとえばｄ２＞ｄ３の場合、３層目磁石の磁束を有効利用できずトルクが低下する。ｄ１＜ｄ２＜ｄ３とすることで、すべての層の磁石磁束を有効利用できる。尚、センターブリッジ幅は２層目＞３層目としても良い（すなわち、センターブリッジ２０ｃの幅＞センターブリッジ３０ｃの幅としても良い）。

次に、鉄心１０の外周端１０ａに溝を設けた実施例を図４とともに説明する。図４はｄ軸から一方のｑ軸側の構成を表しており、第１層側の磁石溝１２Ａのｑ軸側端部に形成された凹部１２ａ近傍の、鉄心１０の外周端１０ａには第１の回転子鉄心外周溝４１が刻設されている。

前記第１層側の凹部１２ａと、第２層側の磁石溝２４Ａのｑ軸側端部に形成された凹部２４ａの間の、鉄心１０の外周端１０ａには第２の回転子鉄心外周溝４２が刻設されている。

前記第２層側の凹部２４ａと、第３層側の磁石溝３６Ａのｑ軸側端部に形成された凹部３６ａの間の、鉄心１０の外周端１０ａには第３の回転子鉄心外周溝４３が刻設されている。

前記第３層側の凹部３６ａの近傍の、鉄心１０の外周端１０ａには第４の回転子鉄心外周溝４４が刻設されている。

第１～第４の回転子鉄心外周溝４１～４４の深さ、位置と、磁石１２，２４，３６、凹部１２ａ，２４ａ，３６ａの位置関係は次のように設定されている。

前記第２～第４の回転子鉄心外周溝４２～４４の深さは、第２の回転子鉄心外周溝４２の深さ≦第３の回転子鉄心外周溝４３の深さ≦第４の回転子鉄心外周溝４４の深さに設定されている。

ｄ軸から第１の回転子鉄心外周溝４１までの距離をｇ１、ｄ軸から第２の回転子鉄心外周溝４２までの距離をｇ２、ｄ軸から第３の回転子鉄心外周溝４３までの距離をｇ３、ｄ軸から第４の回転子鉄心外周溝４４までの距離をｇ４とする。

前記第１層側磁石群の磁石１２の、鉄心１０の外周端１０ａに最も近いｄ軸側の端部とｄ軸とのなす角度をｆ１とし、前記第２層側磁石群における鉄心１０の外周端１０ａに最も近い磁石２４の、ｄ軸側で且つ鉄心１０の外周側の端部とｄ軸とのなす角度をｆ２とし、前記第３層側磁石群における鉄心１０の外周端１０ａに最も近い磁石３６の、ｄ軸側で且つ鉄心１０の外周側の端部とｄ軸とのなす角度をｆ３とする。

前記第１層側の凹部１２ａにおける、ｑ軸側角部１２ａｑとｄ軸とのなす角度をｆ１’とし、前記第２層側の凹部２４ａにおける、ｑ軸側角部２４ａｑとｄ軸とのなす角度をｆ２’とし、前記第３層側の凹部３６ｂにおける、ｑ軸側の端部とｄ軸とのなす角度をｆ３’とする。

そして、０＜ｇ１＜ｆ１、ｆ１’＜ｇ２＜ｆ２、ｆ２’＜ｇ３＜ｆ３、（ｆ３＋ｆ３’）／２≦ｇ４≦ｆ３’となるように設定している。

尚、ｄ軸から他方のｑ軸側における、回転子鉄心外周溝４１～４４の深さ、位置と、磁石１１、２１、３１、凹部１１ａ，２１ａ，３１ａ，３１ｂの位置関係は図４と同様に設定されている。

図４のように回転子鉄心外周溝４１～４４を刻設することで、ギャップ磁束密度分布波形の肩の部分が抑制され、高調波成分を低減させることができる。回転子鉄心外周溝の深さは、第２の回転子鉄心外周溝４２の深さ≦第３の回転子鉄心外周溝４３の深さ≦第４の回転子鉄心外周溝４４の深さに設定することで、ｄ軸からｑ軸にかけて緩やかに磁束抑制量が大きくなるため、波形の高調波をより効果的に抑制できる。

第３層側の凹部３６ｂにおけるｑ軸側の端部とｄ軸とのなす角度ｆ３’よりもｑ軸側に回転子鉄心外周溝があるとトルク低下が大きいため、ｄ軸から第４の回転子鉄心外周溝４４までの距離ｇ４は、図４に示すｆ３＜ｇ４≦ｆ３’が良い。

このとき、第４の回転子鉄心外周溝４４がｆ３に近すぎるとブリッジ厚さが小さくなり強度が低下するため、第４の回転子鉄心外周溝４４は、図４のｆ３とｆ３’の中間位置よりもｑ軸側であり且つｆ３’と等しいか又はｆ３’よりもｄ軸側の位置、すなわち（ｆ３＋ｆ３’）／２≦ｇ４≦ｆ３’とすることで遠心力の応力低減と両立できる。

第１の回転子鉄心外周溝４１の深さ≧第２の回転子鉄心外周溝４２の深さとなっても良く、第１の回転子鉄心外周溝４１の代わりに、図５で述べたｄ軸側に突き出すスリット部１１Ｘ、１２Ｘを用いても良い。第２の回転子鉄心外周溝４２～第４の回転子鉄心外周溝４４は、前記スリット部にしてしまうとＬｑ（ｑ軸側リアクタンス）の減少が大きくなりトルク低下を招くため、前記外周溝（４２～４４）の方が好ましい。

図６はギャップ磁束密度波形を表し、（ａ）は図４のような外周溝（４１～４４）を設けない場合を示し（ｂ）は図４の外周溝４１～４４を設けた場合を示している。

図６によれば、回転子鉄心外周溝４１～４４を設けた場合の方が全高調波率が１５％→１０％に低減されていることがわかる。

１…回転子
２…モータシャフト
３…補助磁極部
５…固定子
１０…鉄心
１０ａ…回転子鉄心外周端
１０ｃ、２０ｃ、３０ｃ…センターブリッジ部
１１，１２，２１～２６，３１～３８…磁石
１１Ａ，１２Ａ，２１Ａ～２６Ａ，３１Ａ～３８Ａ…磁石溝
１１ａ～１１ｄ，１２ａ～１２ｄ，２１ａ，２１ｂ，２１ｅ，２２ｆ，２２ｇ，２２ｃ，２２ｄ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｇ，２４ｆ，２４ｅ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ～２５ｄ，２６ａ～２６ｄ，３１ａ，３１ｂ，３１ｅ，３２ｆ、３２ｇ、３２ｈ、３３ｉ，３３ｊ，３３ｃ，３３ｄ，３４ｃ，３４ｄ，３４ｊ，３４ｉ，３５ｈ，３５ｇ，３５ｆ，３６ｅ，３６ａ，３６ｂ，３７ａ～３７ｄ，３８ａ～３８ｄ…凹部
１１Ｘ，１２Ｘ…スリット部
４１～４４…回転子鉄心外周溝
５１…ステータコイル
５２…ステータスロット

Claims (5)

1. 回転子の軸心と、マグネットトルクを生成する任意の主磁極の中心とを結ぶ直線をｄ－ｑ軸座標のｄ軸とし、前記ｄ軸と電気角で直交する軸をｄ－ｑ軸座標のｑ軸とし、
   前記各ｄ軸であって、径方向断面視における回転子鉄心よりも外周側に設定した点Ａを中心とする複数の同心円のうち、第１の半径の第１の同心円に沿う回転子鉄心の部位に、前記ｄ軸を中心として線対称に離間して配設され、それぞれの四隅には外向きに広がる凹部が形成された複数の第１層側磁石溝と、
   前記複数の同心円のうち、前記第１の半径よりも長い第２の半径の第２の同心円に沿う回転子鉄心の部位に、前記ｄ軸を中心として線対称に離間して配設され、それぞれの四隅には外向きに広がる凹部が形成された複数の第２層側磁石溝と、
   前記複数の同心円のうち、前記第２の半径よりも長い第３の半径の第３の同心円に沿う回転子鉄心の部位に、前記ｄ軸を中心として線対称に離間して配設され、それぞれの四隅には外向きに広がる凹部が形成された複数の第３層側磁石溝と、
   前記第１層側磁石溝に嵌合する２個の磁石であって、各々の中心から延ばした中心線が前記点Ａに集中する向きに配設された第１層側磁石群と、
   前記第２層側磁石溝に嵌合し、前記第１層側磁石群の各磁石と同一寸法の４個の磁石であって、各々の中心から延ばした中心線が前記点Ａに集中する向きに配設された第２層側磁石群と、
   前記第３層側磁石溝に嵌合し、前記第１層側磁石群および第２層側磁石群の各磁石と同一寸法の６個の磁石であって、各々の中心から延ばした中心線が前記点Ａに集中する向きに配設された第３層側磁石群と、
   を備え、
   前記第１層側磁石溝の回転子鉄心外周側の角部は前記第１の同心円上に、前記第２層側磁石溝の回転子鉄心外周側の角部は前記第２の同心円上に、前記第３層側磁石溝の回転子鉄心外周側の角部は前記第３の同心円上に各々配設され、
   前記第２層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部における、ｄ軸側角部の曲率半径はｑ軸側角部の曲率半径よりも大きく設定され、
   前記第３層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部における、ｑ軸側角部の曲率半径はｄ軸側角部の曲率半径よりも大きく設定され、
   前記第３層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部の曲率半径は、前記第２層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部の曲率半径よりも大きく設定されていることを特徴とする回転子。
2. 前記第１層側磁石群の、ｄ軸を介して隣接する２つの磁石の間隔をｄ１、前記第２層側磁石群の、ｄ軸を介して隣接する２つの磁石の間隔をｄ２、前記第３層側磁石群の、ｄ軸を介して隣接する２つの磁石の間隔をｄ３としたとき、ｄ１＜ｄ２＜ｄ３となるように前記各磁石が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
3. 回転子の軸心と、マグネットトルクを生成する任意の主磁極の中心とを結ぶ直線をｄ－ｑ軸座標のｄ軸とし、前記ｄ軸と電気角で直交する軸をｄ－ｑ軸座標のｑ軸とし、
   前記各ｄ軸であって、径方向断面視における回転子鉄心よりも外周側に設定した点Ａを中心とする複数の同心円のうち、第１の半径の第１の同心円に沿う回転子鉄心の部位に、前記ｄ軸を中心として線対称に離間して配設され、それぞれの四隅には外向きに広がる凹部が形成された複数の第１層側磁石溝と、
   前記複数の同心円のうち、前記第１の半径よりも長い第２の半径の第２の同心円に沿う回転子鉄心の部位に、前記ｄ軸を中心として線対称に離間して配設され、それぞれの四隅には外向きに広がる凹部が形成された複数の第２層側磁石溝と、
   前記複数の同心円のうち、前記第２の半径よりも長い第３の半径の第３の同心円に沿う回転子鉄心の部位に、前記ｄ軸を中心として線対称に離間して配設され、それぞれの四隅には外向きに広がる凹部が形成された複数の第３層側磁石溝と、
   前記第１層側磁石溝に嵌合する２個の磁石であって、各々の中心から延ばした中心線が前記点Ａに集中する向きに配設された第１層側磁石群と、
   前記第２層側磁石溝に嵌合し、前記第１層側磁石群の各磁石と同一寸法の４個の磁石であって、各々の中心から延ばした中心線が前記点Ａに集中する向きに配設された第２層側磁石群と、
   前記第３層側磁石溝に嵌合し、前記第１層側磁石群および第２層側磁石群の各磁石と同一寸法の６個の磁石であって、各々の中心から延ばした中心線が前記点Ａに集中する向きに配設された第３層側磁石群と、
   前記第１層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部近傍の、回転子鉄心の外周端面上に設けられた第１の回転子鉄心外周溝と、
   前記第１層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部と、前記第２層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部の間の、回転子鉄心の外周端面上に設けられた第２の回転子鉄心外周溝と、
   前記第２層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部と、前記第３層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部の間の、回転子鉄心の外周端面上に設けられた第３の回転子鉄心外周溝と、
   前記第３層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部近傍の、回転子鉄心の外周端面上に設けられた第４の回転子鉄心外周溝と、
   を備え、
   前記第２～第４の回転子鉄心外周溝の深さは、第２の回転子鉄心外周溝の深さ≦第３の回転子鉄心外周溝の深さ≦第４の回転子鉄心外周溝の深さに設定され、
   ｄ軸から第１の回転子鉄心外周溝までの距離をｇ１、ｄ軸から第２の回転子鉄心外周溝までの距離をｇ２、ｄ軸から第３の回転子鉄心外周溝までの距離をｇ３、ｄ軸から第４の回転子鉄心外周溝までの距離をｇ４とし、
   前記第１層側磁石群の磁石の、回転子鉄心の外周端に最も近いｄ軸側の端部とｄ軸とのなす角度をｆ１とし、前記第２層側磁石群における回転子鉄心の外周端に最も近い磁石の、ｄ軸側で且つ回転子鉄心の外周側の端部とｄ軸とのなす角度をｆ２とし、前記第３層側磁石群における回転子鉄心の外周端に最も近い磁石の、ｄ軸側で且つ回転子鉄心の外周側の端部とｄ軸とのなす角度をｆ３とし、
   前記第１層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部における、ｑ軸側の端部とｄ軸とのなす角度をｆ１’とし、前記第２層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部における、ｑ軸側の端部とｄ軸とのなす角度をｆ２’とし、前記第３層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部における、ｑ軸側の端部とｄ軸とのなす角度をｆ３’とし、
   ０＜ｇ１＜ｆ１、ｆ１’＜ｇ２＜ｆ２、ｆ２’＜ｇ３＜ｆ３、（ｆ３＋ｆ３’）／２≦ｇ４≦ｆ３’となるように設定されていることを特徴とする回転子。
4. 前記第１層側磁石群の、ｄ軸を介して隣接する２つの磁石の間隔をｄ１、前記第２層側磁石群の、ｄ軸を介して隣接する２つの磁石の間隔をｄ２、前記第３層側磁石群の、ｄ軸を介して隣接する２つの磁石の間隔をｄ３としたとき、ｄ１＜ｄ２＜ｄ３となるように前記各磁石が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の回転子。
5. 前記第１層側磁石溝のｑ軸側端部に形成された凹部は、第１層側磁石溝のｑ軸側端部から回転子鉄心の外周に沿ってｄ軸側に延びる形状であり、且つ回転子鉄心を軸方向に貫通して構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転子。

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