JP2002354721A

JP2002354721A - 永久磁石式回転子を備えた回転電機

Info

Publication number: JP2002354721A
Application number: JP2001160676A
Authority: JP
Inventors: Junya Kaneda; 潤也金田; Masaji Kitamura; 正司北村; Matahiro Komuro; 又洋小室; Hiroshi Tomeoku; 寛留奥; Motoya Ito; 元哉伊藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-05-29
Filing date: 2001-05-29
Publication date: 2002-12-06
Also published as: CN1388623A; EP1263116A2; US20020180295A1; US20020180294A1

Abstract

(57)【要約】【課題】永久磁石式回転電機の小型・高効率化し、コ
ギングトルクを低減する。【解決手段】固定子１に面した円周面上または円周面
近傍に、円周方向にｐｎ個（ｐは回転子磁極数、ｎは２
以上の整数）の永久磁石ブロック２１が配置された永久
磁石式回転子２とを備えている。各永久磁石ブロック２
１は、それぞれ、以下の（ａ）から（ｅ）を満たす。（ａ）（θ_i）−（θ_i+1）＝（Ａ_i・ｐ／２）（ｂ）時計回りを正としたとき、ｉ番目の永久磁石ブ
ロックとｉ＋１番目の永久磁石ブロックの径方向中心線
間の角度をＡ_i （ｃ）ｉ番目の永久磁石ブロックの着磁方向と外向き
径方向とのなす角をθ_i （ｄ）ｉ＋１番目の永久磁石ブロックの着磁方向と外
向き径方向とのなす角をθ_i+1 固定子１は、等間隔に配置されたｍ個の突極磁極を有
し、以下の（ｆ）を満たす。（ｆ）ｍ／ｐ≦１．５

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転子に永久磁石
を具備する永久磁石式回転電機に係り、特に回転子表面
に磁石を配した表面磁石式回転電機に関する。また、同
一の構成に従ったリニアモータ、アキシャルギャップ回
転電機にも関する。

【０００２】

【従来の技術】回転電機は、構造や機構、制御形態等に
より様々な種類に分類され、回転子に永久磁石を用いた
永久磁石式回転電機も製造されている。そのうちでも、
回転子表面に永久磁石を配した表面磁石式回転電機は小
型・高効率の回転電機である。

【０００３】K.Halbachにより提案された磁化ベクトル
分布を表面磁石式回転子の円筒状磁石に適用した場合、
ギャップ磁束密度を大きくかつ磁束密度分布が正弦波と
なる理想的な回転子を構成できることがK.AtallahとD.H
oweにより明らかにされている（IEEE Transactions on
Magnetics, pp.2060-2062, vol.34, No.4, 1998）。以
下、この理想的な磁化ベクトル分布をもつ円筒状磁石を
理想Halbach磁石と呼ぶ。理想Halbach磁石は、その磁化
ベクトルの分布状態から実質的に製造不可能である。そ
こで、より理想Halbach磁石に近い磁化ベクトル分布を
有す円筒状磁石が望まれる。

【０００４】その一つが、理想Halbach磁石の磁界を再
現するような分布を持つ磁界で着磁された極異方Halbac
h磁石である。これは、K.AtallahとD.HoweによりIEEE T
ransactions on Magnetics, pp.2060-2062, vol.34, N
o.4, 1998やPatent Application No. PCT/GB97/00895に
明示されているように、表面磁束密度分布は正弦波に近
く、また逆誘起電圧波形も正弦波状であり、さらには回
転電機のトルクを増加させることができる。

【０００５】しかし、理想Halbach磁石に比べ着磁量が
不十分である部分や着磁方向がずれている部分がある。
特に、着磁が不十分である部分は、電機子の磁界により
減磁する恐れが有り、回転電機性能の安定性の上では好
ましくない。

【０００６】また、極異方Halbach磁石は円筒状磁石そ
のものを理想Halbach磁石の磁化ベクトル分布に近い状
態に配向させたり、着磁させたりしなければならず、配
向や着磁に必要な磁界が非常に大きなものとなる。した
がって、ある程度小型の円筒状磁石でなければ製造する
ことが難しく、大型化は困難である。

【０００７】もう一つの方法として、E. Potenzianiら
によるJournal Applied Physics, pp.5986-5987, Vol.6
4, No.10, 1988やM. MarinescuとN. MarinescuによるIE
EE Transactions on Magnetics, pp.1390-1393, vol.2
8, No. 2, 1992に明示されているように、円筒状磁石の
１極を複数の磁石ブロックに分割し、各ブロックの着磁
方向を連続的に回転させることで、断続的な磁化ベクト
ル分布を有す分割Halbach磁石がある。この磁石の表面
磁束密度分布はラジアル配向磁石に比べ正弦波に近いも
のの高調波成分を含んでいる。ただし、磁石ブロック毎
に配向や着磁が可能であるため、着磁が不十分な部分を
なくし減磁の可能性を低く抑えることができる。特に、
M. MarinescuとN. Marinescuの解析によると、１極当り
３あるいは４分割することにより、６極１８スロットの
回転電機の発生トルクを大きくでき、コギングトルクを
低減することができるとの結果が得られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】回転電機の特性を改善
するためには、上記のように回転子の特性を良好にしな
ければならない。しかし、回転子と固定子の組み合わせ
により回転電機の特性が決定されるので、回転子と固定
子それぞれの特性が優れ、かつその組み合わせが好適で
ある必要がある。

【０００９】そこで、本発明は、永久磁石式回転電機の
小型・高効率化、およびコギングトルク低減を目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の一態様によれば、固定子と永久磁石式回転
子とを備える回転電機において、前記固定子に面した前
記回転子の円周面上または円周面近傍に、円周方向にｐ
ｎ個（ｐは回転子磁極数、ｎは２以上の整数）の永久磁
石ブロックが配置されていて、各永久磁石ブロックは、
それぞれ、以下の（ａ）から（ｅ）を満たす。

【００１１】（ａ）（θ_i）−（θ_i+1）＝±（Ａ_i・ｐ／２）（ｂ）時計回りを正としたとき、ｉ番目の永久磁石ブ
ロックとｉ＋１番目の永久磁石ブロックの径方向中心線
間の角度をＡ_i （ｃ）ｉ番目の永久磁石ブロックの着磁方向と外向き
径方向とのなす角をθ _i （ｄ）ｉ＋１番目の永久磁石ブロックの着磁方向と外
向き径方向とのなす角をθ_i+1 （ｅ） ±において、＋は内転型回転電機の場合、−は
外転型回転電機の場合

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を用いて説明する。

【００１３】図１に本発明の第１の実施形態に係る内転
型永久磁石式回転電機１０の回転軸方向に垂直な断面の
構成を示す。この回転電機１０は、固定子１と回転子２
とを有する。

【００１４】固定子１は、突極極数が１２、つまりスロ
ット数が１２であり、集中巻方式の巻線（図示しない）
が施されている。固定子１は、ティース１１とコアバッ
ク１２とが、それぞれ電磁鋼板を積層して作られ、ティ
ース１１に集中巻方式の巻線を施した後、コアバック１
２に挿入して形成されている。回転子２は、固定子１内
側に回転軸を中心としてベアリングに支持されて回転す
るように設置されている（いずれも図示しない）。ベア
リングはエンドブラケット（図示しない）で支持され、
固定子１を取り囲むハウジング（図示しない）とエンド
ブラケットを固定することにより回転電機１０が構成さ
れている。

【００１５】回転子２は、回転子シャフト２２と、その
周囲に配置された磁石ブロック２１（符号は１箇所のみ
付す）とを備える。回転子シャフト２２は、強磁性体、
たとえば、鉄製のものを用いると好適である。しかし、
回転子シャフト２２は、必ずしも強磁性体でなくてもよ
い。すなわち、本実施形態のような内転型の場合、磁石
内側への磁束の漏れが小さいので、ヨークとしての役割
を持つ鉄心である必要はなく、非磁性材でもわずかに表
面磁束密度が小さくなるだけで強度保持の役割を担うこ
とができるからである。

【００１６】磁石ブロック２１は、永久磁石であり、着
磁方向は矢印２１ａで示す一方向である。磁石ブロック
２１の形状の例を図２に示す。図２には、円筒状磁石を
径方向に沿って切断した磁石ブロック２１の断面形状を
示す。図２（ａ）は弓形、（ｂ）は台形、（ｃ）は多角
形、（ｄ）は長方形である。磁石ブロック２１は、
（ａ）の弓型の磁石ブロックを式（１）の着磁方向の条
件に従い配置したものが最も好ましい。しかし、上記の
弓形以外でも着磁方向分布が後述する式（１）を満足す
れば、図２の（ｂ）〜（ｄ）のように台形、多角形、長
方形などでもよい。また、各磁石ブロックは、均等分割
でなくても着磁方向の分布が式（１）の条件を満たすも
のであればよい。

【００１７】本実施形態に係る回転子２は、３つの磁石
ブロック２１で、１つの極を構成する。すなわち、図１
に示す回転子２は、８極表面磁石式回転子である。磁石
ブロック２１は、回転子シャフト２２に直接貼り付けら
れている。磁石ブロック２１同士、および磁石ブロック
２１と回転子シャフト２２とは、エポキシ系の接着剤で
接着し、固定されている。磁石表面の磁束密度を大きく
するためには、接着剤層が薄い方が良いが、接着強度を
確保するためにはそれに見合う接着剤層を設ける必要が
ある。したがって、回転子の形状または大きさ、磁石の
形状または大きさ、材質等により要求される接着強度に
応じた接着剤層を設けなければならない。

【００１８】磁石ブロック２１に用いる磁石は、フェラ
イト系のボンド磁石、焼結磁石、NdFeB系のボンド磁
石、焼結磁石、Sm-Co系の焼結磁石、SmFeN系のボンド磁
石のいずれでもよい。ただし、一つの磁石ブロック２１
は矢印２１ａで示す方向へ平行着磁されていることか
ら、磁石性能や着磁性能を考慮した場合、配向されてい
る磁石、すなわち各種焼結磁石および異方性ボンド磁石
を用いる方が好ましい。特に、本実施形態のような分割
Halbach磁石では、反磁界により減磁することが懸念さ
れることから保持力の大きな磁石が好ましく、NdFeB焼
結磁石が最も好ましい。また、隣接する磁石ブロック同
士は必ずしも密着している必要はなく、スペーサを挟ん
でもよい。このスペーサは非磁性でも強磁性でもよい
が、磁石の残留磁束密度より大きな飽和磁束密度をもつ
強磁性体が好ましい。

【００１９】なお、各磁石ブロック２１の磁化ベクトル
は、VSM（試料振動型磁力計）を用いて測定して、定め
た。すなわち、磁石ブロックと同形状のNi試料を用い
て、形状による校正係数を求めた後、VSMの磁界方向と
磁石の取り付け方向を変化させながら磁石ブロックの磁
化を測定する。測定した磁化が最大となる方向が、着磁
方向となる。また、測定した磁化量を体積で除した値が
着磁量となる。

【００２０】以下の説明のために行った実験で用いた磁
石ブロックは、Ni試料での測定の結果、形状による校正
は必要なかった。また、全磁石ブロックの着磁方向は設
計の方向に対し±２度の範囲に入っていた。さらに、着
磁量のばらつきは±３％以内であった。磁石ブロックの
着磁状態は、理想磁化ベクトルと実際の磁化ベクトルと
の差（磁化ベクトル誤差）の絶対値が、理想磁化ベクト
ルの絶対値の２０％以下であれば許容することができ
る。

【００２１】本実施形態に係る分割Halbach磁石は、そ
れぞれの磁石ブロックを十分に着磁すれば設計通りの特
性を得ることができる。しかし、この方法によると着磁
した磁石を円環状に配置しなければならない。このた
め、より簡易な製造方法として、未着磁の磁石ブロック
を配置した後、着磁する方法がある。あるいは、複数の
未着磁の磁石ブロックを接着した後、着磁してもよい。
これらの場合、着磁方向によっては十分に着磁できない
こともあるが、上記誤差範囲内であれば所定の性能を発
揮できる。

【００２２】次に、磁石ブロック２１の着磁方向２１ａ
について、図３を用いて説明する。図３（ａ）および
（ｂ）は、回転子磁極数をｐとし、各極をｎ個の磁石ブ
ロックで構成した場合の磁石ブロック２１の配置を示
す。ここでは、時計回りを正としたときにｉ番目の磁石
ブロック２１とｉ＋１番目の磁石ブロック２１の径方向
中心線間の角度をＡｉとし、外向き径方向と前記永久磁
石ブロックの着磁方向２１ａのなす角をそれぞれθ_i、
θ_i ₊ ₁とすると、以下の関係を満たす。

【００２３】（θ_i）−（θ_i ₊ ₁）＝（Ａ_i・ｐ／２）…（１）磁石ブロックの着磁方向は、隣り合う磁石ブロック間で
式（１）が成立する限り、どの方向を基準として定めて
もよい。このことは、例えば図３（ｂ）のようにラジア
ル方向を着磁方向に持つ磁石ブロックを基準としても、
図４のようにラジアル方向から１０°傾いた方向に着磁
された磁石ブロックを基準としても同等の特性を得るこ
とができることを意味する。

【００２４】さらに、円筒状磁石を軸方向に垂直な面で
複数部に分割しそれぞれを適当なスキュー角だけずらす
ことによりコギングトルクを低減することができる。

【００２５】固定子１の１本のティース１１には、集中
巻線以外にティース１１内を流れる磁束を測定するため
のサーチコイル（図示しない）が巻かれている。回転子
２を回転させたときにサーチコイルに生じる誘起電圧か
らティース１１の最大磁束密度を求めた。その結果を図
５に示す。

【００２６】ここで用いた回転子２の磁極数ｐは、いず
れも８極であり、一極当りの分割数は１、２および４で
ある。分割数１はラジアル着磁ではなく、ラジアル方向
の平行着磁磁石を用いた。また、固定子の突極極数ｍは
６、９、１２、２４である。したがって、固定子の突極
極数ｐと回転子極数ｍとの比ｍ／ｐはそれぞれ０．７
５、１．１２５、１．５および３．０である。固定子コ
アには飽和磁束密度が１．９Ｔの素材を用いた。

【００２７】図５よりｍ／ｐが増加するに従いティース
の最大磁束密度は増加し、コア材の飽和磁束密度に近づ
く。１極当り１分割（分割なし）、つまりラジアル着磁
の場合、ｍ／ｐ値が大きくなっても飽和磁束密度には達
しないが、２分割以上の場合ｍ／ｐ値が１．５のときほ
ぼ飽和磁束密度に達し、それ以上のｍ／ｐでは飽和のた
め磁束密度に大きな増加は見られない。この図より明ら
かなように、本発明の回転子の円筒状表面磁石を一極当
り複数に分割した分割Halbach磁石にすることにより、
回転子の表面磁束密度の高い位置にある固定子ティース
では磁束密度が高くなり、条件によっては磁束密度が飽
和する。この傾向は分割数およびｍ／ｐ値が増加するに
従い顕著となる。したがって、分割Halbach磁石回転子
では、ｍ／ｐ値が、１.５以下が好ましい。

【００２８】次に、一極あたりの分割数に応じた、回転
子の表面磁束密度分布の違いを測定するため、図７に示
す分割数の異なる６極表面磁石式回転子を用いて磁束密
度を測定した。すなわち、図７の（ａ）〜（ｆ）には、
一極当り１〜６個の磁石ブロック２１（各図とも１箇所
のみ符号を付す）で構成した回転子２を示す。矢印２１
ａ（各図とも１箇所のみ符号を付す）は各磁石ブロック
２１の配向および着磁方向を示す。ここで、磁石はＮｄ
ＦｅＢ系焼結磁石を用いた。また、磁石ブロック２１の
ラジアル方向の厚みｔと、回転子２の外径（磁石ブロッ
クの厚みを含む）ｒとの肉厚の比ｔ／ｒを０．４とし
た。この表面磁石式回転子の表面磁束密度分布を、アク
ティブ領域直径が１ｍｍのホール素子を用いて測定し
た。その結果を図８に示す。ここでは、１極対分に相当
する１２０°分を表示している。

【００２９】これから明らかなように、１分割（分割な
し）では、磁束密度は矩形波状の分布であるが、分割数
が増えるとより正弦波に近い波形となっている。

【００３０】したがって、回転子２の表面磁束密度が強
い部分に位置する固定子のティース１１は、磁気飽和し
やすい状況になる。ティース１１が磁気飽和すると、コ
ギングトルクが発生する。このとき、ティース１１の胴
幅を広くして、磁束密度の強度を抑えることにより、コ
ギングトルクを抑制できる。しかし、固定子のスロット
には巻線が存在し、巻線に印加される電流によってもト
ルクが決定されるので、ティースを広くしスロットを狭
く設計しただけでは必要とされる巻線が施せず、所定の
回転電機特性を得ることはできない。

【００３１】そこで、発明者らは、１極当りのティース
本数を少なく限定してティース幅１１を広げることが、
分割Halbach磁石式回転子に好適な固定子構成であるこ
とを見出した。これは、すなわち、式（２）に示す条件
を満たすように回転子一極あたりの固定子突極数を定め
ることである。

【００３２】式（２）の条件であれば、上記のように巻
線を集中巻にすることができる。集中巻は突極磁極数と
コイル数が同等であり、分布巻に比べ巻線が簡便であ
る。また、ティースとコアバックを分割した分割コアと
することで、ティースに集中巻線を施したのち組み立て
ることが出来、巻線の占積率を上げ固定子の磁気装荷を
高くすることができるので、回転電機の小型化を図るこ
とができる。この場合、ｍ／ｐは０．７５以上１．５以
下の値を取る。上記条件をはずれる分布巻では、スロッ
ト開口部幅を広くしなければならず、またスロット数が
多いため全集に占めるスロット開口部幅が広くなる。そ
れに伴いコギングトルクが大きくなってしまう。したが
って、ｍ／ｐは０．７５以上１．５以下がさらに好まし
い。

【００３３】図１に示す回転電機１０では、ｍ＝１２、
ｐ＝８であるから、式（２）の関係を満たす。この条件
を満たす表面磁石式回転子では、同一の特性を持つ磁石
素材により構成された場合、ラジアル着磁磁石を用いた
回転子に比べ表面磁束密度分布が、後述するように、正
弦波形状に近くなる。さらに、表面磁束密度分布の基本
波成分がラジアル着磁より大きな値を示す。

【００３４】また、図８の磁束密度分布波形から波形解
析を行った結果を図９に示す。図９は、分割数に応じた
表面磁束密度分布に含まれる高調波成分の強度を示す。
これより、１次の基本波成分は、分割数が増加するに従
い増加することがわかる。したがって、分割数が増える
につれてより大きなトルクを発生できるものと考えられ
る。また、分割数が増えるにつれ、高調波成分が高次に
移動し、さらに高調波成分全体としては減少することが
わかる。この結果、分割数の増加はコギングトルクの低
減にも寄与すると考えられる。

【００３５】理想Halbach磁石は、磁石を厚くするに従
い最大表面磁束密度が増加することが知られている。し
かしながら、分割Halbach磁石では明らかではない。そ
こで、回転子に１０極分割Halbach磁石を設置し、その
表面磁束密度分布をホール素子で測定し、その分布の波
形解析により基本波成分を算出した。用いた分割Halbac
h磁石の分割数は１、２および４である。１分割はラジ
アル方向の平行着磁である。

【００３６】その結果得られた表面磁束密度の基本波成
分とｔ／ｒの関係を図１０に示す。これから明らかなよ
うに、１分割ではｔ／ｒを大きくしても０．１５を境に
飽和している。分割数が２以上ではｔ／ｒが大きくなる
に従い表面磁束密度の基本波成分が大きくなる。ｔ／ｒ
が１．５以上では分割数が２以上で１分割磁石の値を上
回る。

【００３７】上記ｔ／ｒは０．１５以下であっても本発
明の磁化ベクトル分布を有していれば表面磁束密度分布
が正弦波状になり、回転電機特性の上ではその長所を享
受できる。ただし、磁石厚さが上記条件（ｔ／ｒが０．
１５以上）を満たす範囲であれば、ラジアル着磁磁石に
比べ表面磁束密度の基本波成分を大きくすることがで
き、トルクを増加させることができる。また、磁石厚さ
が薄い場合には、電機子が形成する磁界により減磁を生
じる恐れがある。以上の理由により、回転子の固定子近
接径ｒに対する永久磁石厚さｔの比ｔ／ｒは０．１５以
上が好ましい。さらには０．２以上が好ましい。

【００３８】一極当りの分割数が２以上であれば磁石を
厚くするに従い表面磁束密度の基本波成分を大きくで
き、大きなトルクを生み出すことができる。３分割以上
であればこの効果がさらに大きくなり、かつ表面磁束密
度分布が正弦波に近づき高調波成分が高次となるため、
回転電機の特性にとっては好適である。さらに、４分割
以上ではコギングトルクを低減することが期待でき、よ
り好ましい。但し、コギングトルクは分割数を増やせば
単調に減少するものではなく、ｍ／ｐ値に対し適当な分
割数であればコギングトルクを非常に小さくすることが
できる。本発明の回転子においても、表面磁石にスキュ
ーを施すことはコギングトルクを低減する上で有効であ
る。この場合、磁石ブロックを軸方向に分割し、所定の
角度だけずらすことによるスキューであれば容易に実施
できる。

【００３９】次に、８極６スロット、８極９スロット、
８極１２スロット、１０極１２スロットの４種類の回転
電機について、回転子表面の磁石の分割数を一極当り１
から６まで変えた場合のコギングトルクを比較した。そ
れぞれのコギングトルクは１分割（分割なし）を１とし
たときの相対値で示した。ここで１分割はラジアル方向
の平行着磁である。その結果を図１１に示す。

【００４０】この図より明らかなように、２分割以上で
は１分割に比べコギングトルクを低く抑えることができ
た。また、回転子の磁極数と固定子の突極磁極数の組み
合わせによりコギングトルクをさらに小さくできる分割
数が存在することも明らかとなった。本実施例によれ
ば、８極６スロットおよび８極１２スロットでは、３分
割までに比べ４分割以上でよりコギングトルクが小さく
なり、その中では４分割が最も小さかった。８極９スロ
ットでは５分割以上でコギングトルクが非常に小さくな
った。１０極１２スロットでは他の組み合わせに比べ２
分割で小さなコギングトルクとなったが、５分割では比
較的大きなコギングトルクを示した。ただし、４分割で
は非常に小さなコギングトルクとなった。

【００４１】以上から明らかなように、２分割以上では
ラジアル着磁に比べコギングトルクを小さく抑えること
ができる。ただし、コギングトルクは分割数を増加させ
ることで単調に減少する訳ではなく、それぞれの極数と
スロット数の組合せにおいてコギングトルクを極小化す
るためには適正な分割数が存在する。

【００４２】磁石ブロックに着磁誤差がある場合には、
コギングトルクが大きくなる可能性がある。そこで、１
０極１２スロットの回転電機で、１極当り３分割にした
磁石ブロックのうち、着磁方向が径方向に設定されてい
る磁石ブロックのうち１つの磁石ブロックの着磁方向を
変化させ、コギングトルクを評価した。この磁石ブロッ
ク以外のブロックは、実施形態１と同程度の精度で着磁
されていた。ここで、（設計の磁化ベクトルと測定した
磁化ベクトルの差の絶対値）／（設計の磁化ベクトルの
絶対値）×１００を着磁誤差（％）と定義した。磁化ベ
クトルの測定は第１の実施形態と同様にVSMを用いて行
った。その結果を図１２に示す。

【００４３】これより、着磁誤差が増加するに従いコギ
ングトルクが大きくなることがわかる。特に、着磁誤差
が３０％ではコギングトルクも非常に大きく増加する。
すべての磁石ブロックに同程度の着磁誤差がある場合、
全体でのコギングトルクは係数√N（Nは磁石ブロック
数）を乗した値になると予測される。ここでは、１０極
３分割であるので磁石ブロックは３０個、係数は√30≒
5.5となる。磁石ブロックすべてに同程度の着磁誤差が
存在すると仮定した場合、コギングトルクの増加割合を
１．０程度に抑えるためには、図１２で示される磁石ブ
ロック１つの着磁誤差によるコギングトルクの増加割合
は１．０÷５．５≒０．２程度が望まれる。したがっ
て、着磁誤差は２０％以下であることが好ましい。

【００４４】次に、回転電機１０で用いることができる
回転子２に関する他の実施形態を示す。回転子２が高速
で回転する場合、回転子シャフト表面に並んだ磁石ブロ
ックに遠心力が働くので、円筒状に構成された磁石の外
周には、金属製の薄肉円筒管をかぶせるか、あるいは補
強用テープを捲回することが好ましい。そこで、本発明
に係る回転電機に図１３に示す回転子２を用いると好適
である。

【００４５】図１３には、磁石ブロック２１を接着剤５
で回転子シャフト２２表面に接着し、外側に金属製の薄
肉円筒管４を被せた回転子２の回転軸と垂直な断面図を
示す。金属製の薄肉円筒管４は強磁性でも非磁性でもよ
い。強磁性材円筒管の場合、回転子表面の磁束密度はそ
れほど小さくならず、かつ、高調波成分を低減できる。
これにより、発生トルクを小さくすることなくコギング
トルクを低減することができる。しかし、鉄損を発生す
ることとなる。一方、非磁性円筒管の場合、実質的には
ギャップと同等の扱いとなる。但し、渦電流損は発生す
る。

【００４６】次に、回転電機１０で用いることができる
回転子２に関するさらに異なる実施形態を示す。図１４
から図１９に回転子２の回転軸方向に垂直な断面図を示
す。図１４に示す回転子シャフト２２の周囲に配置され
た磁石拘束部材２５は、８極の回転子を形成するための
もので、磁石ブロックを収容し、拘束するための溝２５
ａを備える。図１４（ａ）に示す例では、３つの磁石ブ
ロックを収納できる溝２５ａを８つ備える。図１４
（ｂ）に示す例では、１つの磁石ブロックを収納できる
溝２５ａを２４個備える。これらの磁石拘束部材２５
に、それぞれ磁石ブロック２１を収納したときの状態を
図１５に示す。

【００４７】図１５に示すように構成することで、磁石
ブロック同士の反発力による飛散を抑制できる。特に、
図１４（ａ）に示す構成では、１つの溝２５ａ内の３つ
の磁石はそれぞれ引き合い、安定する。

【００４８】また、図１７に示す磁石拘束部材２５も、
８極の回転子を形成するためのものである。ここで示す
磁石拘束部材２５は、磁石ブロックを収容し、拘束する
ための孔２５ｂを備える。図１７（ａ）に示す例では、
３つの磁石ブロックを収納できる孔２５ｂを８つ備え
る。図１７（ｂ）に示す例では、１つの磁石ブロックを
収納できる孔２５ｂを２４個備える。これらの磁石拘束
部材２５に、それぞれ磁石ブロック２１を収納したとき
の状態を図１７に示す。

【００４９】図１７に示すように構成することで、図１
５に示す例よりもさらに磁石ブロック同士の反発力によ
る飛散を抑制できる。特に、図１７（ａ）に示す構成で
は、１つの孔２５ｂ内の３つの磁石はそれぞれ引き合
い、安定する。

【００５０】また、図１８（ａ）は、図１４（ａ）に示
す磁石拘束部材２５に、磁石ブロック２１を収容した他
の態様であり、図１８（ｂ）は、図１４（ｂ）に示す磁
石拘束部材２５に、磁石ブロック２１を収容した他の態
様である。

【００５１】図１９は、図１４または図１７に示す磁石
拘束部材２５の変形例である。すなわち、（ａ）に示す
磁石拘束部材２５は、２つの磁気ブロックを収容するた
めの溝２５ａと一つの磁気ブロックを収容するための溝
２５ａとが交互に配置されている。（ｂ）に示す磁石拘
束部材２５は、２つの磁気ブロックを収容するための孔
２５ｂと一つの磁気ブロックを収容するための孔２５ｂ
とが交互に配置されている。これにより、１つの溝２５
ａまたは孔２５ｂに収容される磁石ブロック２１は、そ
れぞれ引き合うため、安定する。

【００５２】次に、第２の実施形態について示す。本実
施形態では、図１の回転子２と同一の形状で、磁石ブロ
ック２１をフェライト系焼結磁石で構成した。各磁石ブ
ロック２１の形状、配向および着磁方向は、いずれも第
１の実施形態と同じである。本実施形態に係る回転子を
用いて、第１の実施形態と同様に磁束密度を測定した。
その結果を図６に示す。

【００５３】これによれば、フェライト系焼結磁石で
は、測定した範囲内では固定子ティースに磁気飽和は生
じないことがわかる。さらに、この図より明らかなよう
に、分割数１ではｍ／ｐ値が大きくなってもティース最
大磁束密度の増加幅は小さい。一方、分割数が２以上で
はｍ／ｐ値の増加に従いティース最大磁束密度も増加す
る。この場合、フェライト系焼結磁石は残留磁束密度が
小さいために、ティースが磁気飽和に達しなかった。し
かし、回転子の更なる小型化を図るとティース磁束密度
が増加し磁気飽和に達する可能性も出てくる。特に、ｍ
／ｐ値が１．５を超えると１分割と２分割以上との差が
大きくなると考えられる。したがって、ティース最大磁
束密度は小さい方がよく、ｍ／ｐ値も小さい方が好まし
い。本実施形態の場合もｍ／ｐ値が１．５以下であれば
好適である。

【００５４】なお、上記の説明においては内転型の回転
電機、または、それに用いる回転子について説明した。
しかし、本発明は外転型の回転電機にも適用可能であ
る。外転型の回転子２の回転軸との垂直断面の構造を図
２０に示す。回転子２は、回転子リング２３の内側に磁
石ブロック２１を接着剤等で接着して構成することがで
きる。外転型回転子の場合、式（１）は次式で表され
る。

【００５５】（θｉ）−（θｉ＋１）＝−（Ａｉ・ｐ／２）…（１’）

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば、永久磁石式回転電機の
小型・高効率化、およびコギングトルク低減を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した内転型永久磁石式回転電機１
０の回転軸に垂直な方向の断面図である。

【図２】磁石ブロック２１の断面形状の例を示す図であ
る。

【図３】磁石ブロック２１の着磁方向２１ａを説明する
ための図である。

【図４】磁石ブロック２１の着磁方向２１ａを説明する
ための図である。

【図５】８極表面磁石式回転電機の固定子の突極極数ｐ
と回転子極数ｍとの比ｍ／ｐと、ティースの最大磁束密
度との関係を示すグラフである。

【図６】８極表面磁石式回転電機の固定子の突極極数ｐ
と回転子極数ｍとの比ｍ／ｐと、ティースの最大磁束密
度との関係を示すグラフである。

【図７】一極あたりの分割数が異なる６極表面磁石式回
転子の回転軸に垂直な方向の断面図である。

【図８】一極あたりの分割数が異なる６極表面磁石式回
転子の表面磁束密度分布を示す図である。

【図９】一極あたりの分割数が異なる６極表面磁石式回
転子の表面磁束密度分布の高調波成分の分布を示す図で
ある。

【図１０】一極あたりの分割数が異なる１０極表面磁石
式回転子の磁石の厚みｔと回転子外径ｒとの比と、表面
磁束密度基本波成分との関係を示すグラフである。

【図１１】一極あたりの分割数が異なる回転電機のコギ
ングトルク相対値を示すグラフである。

【図１２】着磁誤差とコギングトルクの増加割合を示す
グラフである。

【図１３】金属製の薄肉円筒管４を被せた回転子２の回
転軸と垂直方向の断面図である。

【図１４】磁石拘束部材２５の回転軸と垂直方向の断面
形状の例を示す図である。

【図１５】回転子２の回転軸と垂直方向の断面形状の例
を示す図である。

【図１６】磁石拘束部材２５の回転軸と垂直方向の断面
形状の例を示す図である。

【図１７】回転子２の回転軸と垂直方向の断面形状の例
を示す図である。

【図１８】回転子２の回転軸と垂直方向の断面形状の例
を示す図である。

【図１９】回転子２の回転軸と垂直方向の断面形状の例
を示す図である。

【図２０】本発明を適用した外転型永久磁石式回転電機
１０の回転軸に垂直な方向の断面図である。

【符号の説明】

１…固定子、２…回転子、１０…回転電機、１１…ティ
ース、１２…コアバック、２１…磁石ブロック、２２…
回転子シャフト。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小室又洋茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者留奥寛茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者伊藤元哉茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内Ｆターム(参考） 5H621 AA02 BB07 GA04 GA11 HH03 JK02 JK03 5H622 AA02 CA02 CA10 CA14 CB01 DD01 QB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定子と永久磁石式回転子とを備える回
転電機において、前記固定子に面した前記回転子の円周面上または円周面
近傍に、円周方向にｐｎ個（ｐは回転子磁極数、ｎは２
以上の整数）の永久磁石ブロックが配置されていて、各
永久磁石ブロックは、それぞれ、以下の条件を満たす回
転電機。（θ_i）−（θ_i+1）＝±（Ａ_i・ｐ／２）ここで、時計回りを正としたとき、ｉ番目の永久磁石ブ
ロックとｉ＋１番目の永久磁石ブロックの径方向中心線
間の角度をＡ_i、ｉ番目の永久磁石ブロックの着磁方向
と外向き径方向とのなす角をθ_i、ｉ＋１番目の永久磁
石ブロックの着磁方向と外向き径方向とのなす角をθ
_i+1、および、±は、＋が内転型回転電機の場合、−が
外転型回転電機の場合。
【請求項２】請求項１に記載の回転電機において、前記固定子は、等間隔に配置されたｍ個の突極磁極を有
し、以下の条件を満たす回転電機。ｍ／ｐ≦１．５
【請求項３】請求項１または２に記載の回転電機にお
いて、前記回転子の外径をｒ、各永久磁石ブロックの厚さをｔ
としたとき、以下の条件を満たす回転電機。ｔ／ｒ≧０．１５
【請求項４】請求項１から３のいずれかに記載の回転
電機において、前記回転子は、円周表面または円周表面近傍に永久磁石
ブロックを拘束するための拘束部を備えることを特徴と
する回転電機。
【請求項５】請求項４記載の回転電機において、前記拘束部は、円周表面上に設けられた溝であることを
特徴とする回転電機。
【請求項６】請求項４記載の回転電機において、前記拘束部は、円周表面近傍に設けられた孔であること
を特徴とする回転電機。
【請求項７】請求項１から６のいずれかに記載の回転電
機において、前記永久磁石ブロックは、NdFeB焼結磁石であることを
特徴とする回転電機。