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WO2022180777A1 - 回転電機 - Google Patents

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Publication number
WO2022180777A1
WO2022180777A1 PCT/JP2021/007322 JP2021007322W WO2022180777A1 WO 2022180777 A1 WO2022180777 A1 WO 2022180777A1 JP 2021007322 W JP2021007322 W JP 2021007322W WO 2022180777 A1 WO2022180777 A1 WO 2022180777A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
poles
magnetic
rotor
axial direction
pseudo
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/007322
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
秀徳 佐々木
研太 元吉
迪 廣谷
紘子 池田
昇平 藤倉
Original Assignee
三菱電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱電機株式会社 filed Critical 三菱電機株式会社
Priority to US18/277,317 priority Critical patent/US20240235294A9/en
Priority to CN202180093619.XA priority patent/CN116888862A/zh
Priority to JP2023501946A priority patent/JP7450796B2/ja
Priority to PCT/JP2021/007322 priority patent/WO2022180777A1/ja
Priority to EP21927879.3A priority patent/EP4300774A4/en
Publication of WO2022180777A1 publication Critical patent/WO2022180777A1/ja

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/278—Surface mounted magnets; Inset magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2746—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets arranged with the same polarity, e.g. consequent pole type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/06—Magnetic cores, or permanent magnets characterised by their skew
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the present disclosure relates to rotating electric machines.
  • Patent Document 1 describes a rotating electric machine (surface magnet type motor).
  • a plurality of magnet poles formed by permanent magnets and a plurality of pseudo poles formed by magnetic flux generated by the magnet poles are provided on the surface of the rotor in this rotating electric machine.
  • the magnet poles and pseudo poles are alternately arranged in the circumferential and axial directions.
  • An air gap is provided as a magnetic resistance portion between the magnet pole and the pseudo pole that are adjacent in the axial direction.
  • Patent Document 1 if the dimension of the magnet poles in the axial direction is increased in order to ensure the torque output, there is a problem that the axial length of the rotor increases accordingly.
  • the present disclosure has been made to solve the above problems, and aims to provide a rotating electric machine that can reduce the shaft length of the rotor while ensuring torque output.
  • a rotating electrical machine includes a stator, and a rotor arranged inside the stator in a rotatable state with respect to the stator, wherein the stator includes a core formed in an annular shape. a back, a plurality of teeth protruding radially from the core back toward the rotor, and a plurality of windings wound around the plurality of teeth; a core, an axially extending shaft arranged inside the rotor core, and a plurality of magnetic poles arranged on the surface of the rotor core, wherein the plurality of magnetic poles are formed by permanent magnets; and a plurality of quasi-poles formed by interlinking the magnetic fluxes emitted by the magnet poles with a part of the rotor core, and in both the axial direction and the circumferential direction , the magnetic poles and the pseudo poles are alternately arranged, non-magnetic holes are provided between the magnetic poles and the pseudo poles adjacent to each other in the axial direction
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a rotating electric machine according to Embodiment 1;
  • FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of a rotating electrical machine according to a modification of Embodiment 1;
  • 1 is a perspective view showing a quarter model of a rotor according to Embodiment 1.
  • FIG. Figure 2B is a side view of the quarter model shown in Figure 2A;
  • FIG. 2C is a view of the 1/4 model shown in FIG. 2B viewed from a 90° viewpoint; It is a perspective view showing a quarter model of a rotor according to a first comparative example.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a quarter model of a rotor according to a second comparative example;
  • FIG. 11 is a perspective view showing a quarter model of a rotor according to a third comparative example; 7 is a graph showing torque waveforms of rotating electrical machines according to first and second comparative examples; 7 is a graph showing torque waveforms of rotating electric machines according to the first embodiment and a second comparative example; 5 is a graph showing the effect of the axial length of a pseudo pole on the magnitude of torque in the rotating electric machine according to Embodiment 1; FIG.
  • FIG. 11 is a side view of a quarter model of the rotor 20 of the rotary electric machine according to Embodiment 2; 4 is a graph showing torque waveforms of the rotating electrical machines according to Embodiments 1 and 2; 9 is a graph showing the effect of the axial length of the non-magnetic region on the magnitude of torque in the rotary electric machine according to Embodiment 2.
  • FIG. FIG. 11 is a perspective view showing a quarter model of a rotor according to a modification of the second embodiment; FIG.
  • FIG. 11 is a side view showing a quarter model of a rotor according to Embodiment 3; 10 is a graph showing the influence of the axial length of the portion where the magnetic poles overlap each other on the magnitude of torque in the rotary electric machine according to Embodiment 3.
  • FIG. 11 is a side view showing a quarter model of a rotor according to Embodiment 3; 10 is a graph showing the influence of the axial length of the portion where the magnetic poles overlap each other on the magnitude of torque in the rotary electric machine according to Embodiment 3.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view of rotating electrical machine 100 according to Embodiment 1 taken perpendicularly to the axial direction.
  • the rotating electric machine 100 has a stator 10 and a rotor 20 provided inside the stator 10 .
  • Rotor 20 is rotatable with respect to stator 10 .
  • the direction along the axis O of the rotor 20 is called “axial direction”.
  • a cross section perpendicular to the axial direction is called a "cross section.”
  • the direction intersecting with the axis O is called “radial direction”
  • the direction around the axis O is called "circumferential direction”.
  • the stator 10 is provided so as to surround the outer circumference of the rotor 20.
  • a gap 15 is formed between the inner circumference of the stator 10 and the outer circumference of the rotor 20 .
  • the air gap 15 is formed over the entire circumference in the circumferential direction.
  • the stator 10 has multiple stator cores 11 and multiple windings 14 .
  • Each stator core 11 has core backs 12 and teeth 13 .
  • the core back 12 is formed in an arc shape along the circumferential direction.
  • the teeth 13 protrude inward in the radial direction from the central portion of each core back 12 in the circumferential direction.
  • Each winding 14 is wound around a plurality of teeth 13 by a so-called concentrated winding method.
  • FIG. 1A a plurality of stator cores 11 are arranged in the circumferential direction, and a plurality of core backs 12 form an annular shape.
  • FIG. 1B a structure in which a plurality of teeth 13 protrude from one annular core back 12 may be employed.
  • a shape in which each stator core 11 in FIG. 1A is integrated may be adopted.
  • the number of teeth 13 is twelve, and the number of windings 14 is also twelve.
  • the number of windings 14 may be less than the number of teeth 13 . That is, when the number of teeth 13 is nt and the number of windings 14 is nc, the respective numbers of teeth 13 and windings 14 can be changed appropriately as long as the relationship nc ⁇ nt is satisfied.
  • the rotor 20 has a rotor core 21 , a shaft 23 and a plurality of magnetic poles 30 .
  • the rotor core 21 has a cylindrical shape extending in the axial direction.
  • the rotor core 21 is made of a magnetic material (such as iron or an alloy containing iron).
  • the shaft 23 is arranged inside the rotor core 21 and fixed to the rotor core 21 .
  • a plurality of magnetic poles 30 are provided on the surface of the rotor core 21 at intervals in the circumferential direction.
  • the multiple magnetic poles 30 in the present embodiment include multiple magnetic poles 31 and multiple pseudo poles 32 .
  • the magnet poles 31 are formed by permanent magnets attached to the rotor core 21 .
  • the pseudo pole 32 is formed by interlinking the magnetic flux generated by the magnet pole 31 with a part of the rotor core 21 .
  • the rotor 20 is a surface magnet rotor in which a plurality of permanent magnets (magnet poles 31) are arranged on the surface of the rotor core 21. FIG.
  • the magnet poles 31 and the pseudo poles 32 are alternately arranged in the circumferential direction.
  • the rotor 20 has eight magnetic poles 30 (hereinafter referred to as the number of magnetic poles p).
  • the eight magnetic poles 30 include four (that is, p/2) magnetic poles 31 and four (that is, p/2) pseudo poles 32 .
  • the number p of magnetic poles can be changed appropriately as long as it is an even number of 2 or more.
  • magnet poles 31 and pseudopoles 32 have similar shapes. However, the magnet pole 31 and the pseudo pole 32 may have different shapes. Also, the number of magnetic poles 31 and the number of pseudo poles 32 may be different.
  • Each magnet pole 31 is configured so that an S pole or an N pole appears on its outer peripheral surface (surface facing the stator 10 side).
  • the poles appearing on the outer peripheral surface are the same between the magnet poles 31 located at the same position in the axial direction.
  • the same pole (S pole or N pole) appears on each outer peripheral surface of the plurality of magnet poles 31 in one cross section.
  • the poles appearing on the outer peripheral surface are opposite between the magnet poles 31 and the pseudo poles 32 located at the same position in the axial direction.
  • all the outer peripheral surfaces of the magnet poles 31 are N poles
  • all the outer peripheral surfaces of the pseudo poles 32 are S poles.
  • all the outer peripheral surfaces of the pseudo poles 32 are north poles.
  • a magnetic force is generated between the magnetic poles 30 and the teeth 13 when a predetermined current is passed through the winding 14 to generate a magnetic field. Due to this magnetic force, the stator 10 and the rotor 20 can be rotated about the axis O relatively.
  • FIG. 2A is a perspective view of a 1/4 model of the rotor 20.
  • FIG. A 1/4 model is a model diagram showing one of quarters obtained by dividing the rotor 20 in the circumferential direction.
  • the magnetic poles 31 and the pseudo poles 32 are alternately arranged both axially and circumferentially.
  • the magnetic poles 30 adjacent to each other in the axial direction or the circumferential direction are arranged so as to have polarities different from each other.
  • FIG. 2B is a diagram (side view) of a 1/4 model of the rotor 20 viewed from a direction perpendicular to the axial direction.
  • a non-magnetic hole 40 is provided between the magnet pole 31 and the pseudo pole 32 that are adjacent in the axial direction.
  • the non-magnetic hole 40 is a portion where no magnetic material is arranged.
  • the term “magnetic material” refers to a material having magnetism that affects the operation of rotating electric machine 100 .
  • air may exist in the non-magnetic holes 40, or a non-magnetic material (material having negligible magnetism) may exist.
  • the magnetic flux generated by the magnetic pole 31 interlinks with the pseudo pole 32 facing the magnetic pole 31 across the non-magnetic hole 40 .
  • the dimensions of the magnet pole 31 and the pseudo pole 32 in the axial direction are different.
  • the axial length of the magnet pole 31 is longer than the axial length of the pseudo pole 32 .
  • the axial length of the rotor core 21 is lc
  • the axial length of the magnet poles 31 is tm
  • the axial length of the pseudo poles 32 is tc
  • the axial length of the non-magnetic holes 40 is ta
  • FIG. 2C is a view of the 1/4 model of the rotor 20 shown in FIG. 2B, viewed from the viewpoint shifted 90° in the circumferential direction from FIG. 2B.
  • the rotor core 21 is arranged radially inside the magnet poles 31 and the pseudo poles 32 over the entire area. Since the non-magnetic holes 40 are present, the rotor core 21 located radially inside the magnet pole 31 and the rotor core 21 located radially inside the pseudo pole 32 are separated in the axial direction.
  • the shaft 23 also serves to connect the rotor cores 21 separated in the axial direction.
  • FIG. 3 is a perspective view of a quarter model of the rotor according to the first comparative example.
  • FIG. 4 is a perspective view of a quarter model of a rotor according to a second comparative example.
  • FIG. 5 is a perspective view of a quarter model of a rotor according to a third comparative example.
  • the magnet poles 31 and the pseudo poles 32 extend over the entire length of the rotor 20 in the axial direction.
  • the magnetic poles 31 and the pseudo poles 32 have different strengths of effective magnetic flux that contribute to torque. Therefore, the magnetic flux distribution in the air gap 15 in FIG. 2 has asymmetry. As a result, higher-order torque components are generated, and torque pulsation increases.
  • the magnet poles 31 and the pseudo poles 32 are arranged side by side in the axial direction.
  • torque pulsation occurs as in the first comparative example (FIG. 3).
  • the magnetic poles 31 and the pseudo poles 32 are alternately arranged not only in the circumferential direction but also in the axial direction, the torque pulsation caused by the asymmetry of the magnetic flux distribution is canceled in the rotor 20 as a whole.
  • the magnet pole 31 and the pseudo pole 32 are arranged close to each other in the axial direction. Therefore, the magnetic resistance between the magnet pole 31 and the pseudo pole 32 adjacent in the axial direction is small. As a result, leakage magnetic flux 50 that does not contribute to torque generation is generated in the axial direction, and effective magnetic flux 51 that contributes to torque generation is reduced.
  • the magnet poles 31 and the pseudo poles 32 are arranged side by side in the axial direction.
  • the magnetic poles 30 adjacent to each other in the axial direction or the circumferential direction are arranged so as to have polarities different from each other.
  • a non-magnetic hole 40 is provided between the magnet pole 31 and the pseudo pole 32 adjacent in the axial direction.
  • the presence of the non-magnetic holes 40 increases the magnetic reluctance in the axial direction between the magnet pole 31 and the pseudo pole 32 .
  • the leakage magnetic flux 50 described above is reduced, and the effective magnetic flux 51 that contributes to the torque is increased.
  • the rotor 20 of the third comparative example (FIG. 5) has an axial dimension larger than that of the second comparative example (FIG. 4) by the non-magnetic holes 40 . For this reason, the axial dimension of the rotating electrical machine also increases.
  • FIG. 6A shows the torque waveform obtained by the rotating electric machine having the rotor of the first comparative example (FIG. 3) and the torque waveform obtained by the rotating electric machine having the rotor of the second comparative example (FIG. 4); is a graph showing The vertical axis of the graph in FIG. 6A represents the torque [p.s. u. ] represents.
  • the torque waveform obtained by the rotating electrical machine according to the first comparative example has cubic pulsations.
  • the torque waveform obtained by the rotating electric machine according to the second comparative example can reduce the third order pulsation.
  • the second comparative example is advantageous over the first comparative example in that torque pulsation can be reduced, but is disadvantageous in that the magnitude of torque decreases. It is considered that the reason why the torque decreases in the second comparative example is that the magnet pole 31 and the pseudo pole 32 are arranged close to each other in the axial direction, as described above. This is because a leakage magnetic flux 50 is generated between the magnetic pole 31 and the pseudo pole 32 adjacent to each other in the axial direction, and the effective magnetic flux 51 contributing to torque generation is reduced.
  • FIG. 6B shows the torque waveform obtained by the rotating electrical machine including the rotor of the second comparative example (FIG. 4) and the torque waveform obtained by the rotating electrical machine including the rotor of the first embodiment (FIG. 2C); is a graph showing The vertical axis of the graph in FIG. 6B represents the torque [p.s. u. ] represents.
  • the rotating electrical machine according to Embodiment 1 has an average torque that is 1.32 times that of the rotating electrical machine according to the second comparative example. This is because rotor 20 according to the first embodiment has non-magnetic holes 40 .
  • Embodiment 1 the magnetic resistance in the axial direction is increased by providing the non-magnetic holes 40 between the magnetic poles 31 and the pseudo poles 32 that are adjacent in the axial direction. .
  • the leakage magnetic flux 50 in the axial direction can be reduced, the effective magnetic flux 51 contributing to torque generation can be increased, and the average torque can be improved.
  • the torque pulsation is also reduced in the first embodiment.
  • the first embodiment (Fig. 2C) and the third comparative example (Fig. 5) are compared. Also in the third comparative example, a non-magnetic hole 40 is provided between the magnet pole 31 and the pseudo pole 32 adjacent in the axial direction. Therefore, even in the structure of the third comparative example, there is a possibility that the torque pulsation can be reduced while improving the average torque. However, the structure of the first embodiment can reduce the size of the rotor 20 required to obtain the same torque as compared with the structure of the third comparative example. The reason is explained below.
  • the magnitude of the effective magnetic flux 51 (see FIG. 2A) that contributes to torque generation depends on the size of the magnet poles 31 (the amount of permanent magnets used). That is, the larger the size of the magnet pole 31, the larger the effective magnetic flux 51.
  • the axial length of the rotor core 21 is lc′
  • the axial length of the magnet poles 31 is tm′
  • the axial length of the pseudo poles 32 is tc′
  • Equation (5) Since tc ⁇ tm ⁇ 0 from Equation (2), the value on the right side of Equation (5) is less than zero. That is, when substantially the same torque performance is to be obtained in the first embodiment and the third comparative example, the dimension lc of the rotor core 21 in the first embodiment is the same as the dimension lc of the rotor core 21 in the third comparative example. ' becomes smaller. As described above, when the structure of the first embodiment is employed, torque pulsation is suppressed compared to the first comparative example, average torque is improved compared to the second comparative example, and compared to the third comparative example, It is possible to reduce the size of the rotating electric machine 100 in the axial direction.
  • the horizontal axis of FIG. 7 is the value tc/lc obtained by dividing the axial length tc of the pseudo pole 32 by the axial length lc of the rotor core 21 .
  • the normalized torque is 1.2 or more within the range of 0.210 ⁇ tc/lc ⁇ 0.465 on the horizontal axis. That is, by setting the value of tc/lc within the above range, it is possible to obtain an average torque 1.2 times or more as compared with the configuration of FIG. Further, as shown in FIG. 7, the normalized torque is substantially maximized within the range of 0.35 ⁇ tc/lc ⁇ 0.45. From the above, it is preferable to satisfy 0.210 ⁇ tc/lc ⁇ 0.465, and it is more preferable to satisfy 0.35 ⁇ tc/lc ⁇ 0.45.
  • the rotating electrical machine 100 includes the stator 10 and the rotor 20 arranged inside the stator 10 in a rotatable state with respect to the stator 10 .
  • the stator 10 includes a core back 12 formed in an annular shape, a plurality of teeth 13 protruding radially from the core back 12 toward the rotor 20 , and a plurality of windings wound around the teeth 13 . 14 and.
  • the rotor 20 has a rotor core 21 , a shaft 23 arranged inside the rotor core 21 and extending in the axial direction, and a plurality of magnetic poles 30 arranged on the surface of the rotor core 21 .
  • the plurality of magnetic poles 30 includes a plurality of magnetic poles 31 formed by permanent magnets, and a plurality of pseudo poles 32 formed by interlinking magnetic fluxes 50 generated by the magnetic poles 31 with a portion of the rotor core 21. , is included.
  • the magnetic poles 31 and the pseudo poles 32 are alternately arranged both axially and circumferentially.
  • a non-magnetic hole 40 is provided between the magnet pole 31 and the pseudo pole 32 adjacent in the axial direction.
  • Let tm be the axial length of the magnet pole 31, tc be the axial length of the pseudo pole 32, ta be the axial length of the non-magnetic hole 40, and ta be the axial length of the rotor core 21. is lc, tm>tc and lc ⁇ 2 ⁇ tm+ta are satisfied. With this configuration, the average torque can be improved while suppressing torque pulsation, and the size of the rotating electric machine 100 in the axial direction can be reduced.
  • FIG. 8 is a side view showing a quarter model of the rotor 20 according to the second embodiment.
  • the stator 10 is provided on the outer peripheral side of the rotor 20 with a gap 15 therebetween (see FIGS. 1 and 2).
  • Components having the same functions and actions as those of the first embodiment are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
  • a non-magnetic region 60 is provided inside the magnet pole 31 in the radial direction. More specifically, a notch 21 a is formed in a portion of the rotor core 21 located radially inside the magnet pole 31 . The space inside the notch 21a is the non-magnetic region 60. As shown in FIG. Although illustration of the shaft 23 is omitted in FIG. 8, the non-magnetic region 60 is located between the magnet pole 31 and the shaft 23 in the radial direction.
  • the non-magnetic region 60 is a region where no magnetic material is arranged, similar to the non-magnetic hole 40 .
  • the non-magnetic region 60 may contain air or a non-magnetic material.
  • the non-magnetic regions 60 and the non-magnetic holes 40 are adjacent and connected in the axial direction.
  • the non-magnetic region 60 may be radially inside the pseudopole 32 .
  • FIG. 9 is a graph showing a torque waveform obtained by the rotating electric machine according to Embodiment 1 (FIG. 2C) and a torque waveform obtained by the rotating electric machine according to Embodiment 2 (FIG. 8).
  • the vertical axis of the graph represents the torque [p.s. u. ] represents.
  • an average torque approximately 1.04 times as large as that of the first embodiment can be obtained.
  • the presence of the non-magnetic region 60 further increases the magnetoresistance in the axial direction in the second embodiment as compared with the first embodiment.
  • a further increase in magnetic resistance reduces the leakage flux 50 (see FIG. 4) in the axial direction and increases the effective magnetic flux 51, thereby increasing the average torque.
  • FIG. 10 shows the dependence of the average torque obtained by the rotating electric machine according to Embodiment 2 (FIG. 8) on the axial length tb of the non-magnetic region 60 .
  • the horizontal axis of FIG. 10 is the value tb/lc obtained by dividing the axial length tb of the nonmagnetic region 60 by the axial length lc of the rotor core 21 .
  • FIG. 11 is a perspective view of a 1/4 model of the rotor 20 according to the modification of the second embodiment.
  • a connecting portion 21b is provided radially inside the notch 21a (non-magnetic region 60).
  • the connecting portion 21 b is a part of the rotor core 21 .
  • a portion of the rotor core 21 positioned radially inward of the magnet pole 31 and a portion positioned radially inward of the pseudo pole 32 are connected by a connecting portion 21b.
  • the magnetic poles 31 and pseudo poles 32 are provided on the surface of the continuous rotor core 21 .
  • the non-magnetic region 60 is provided between the shaft 23 and the magnet poles 31 .
  • the presence of the non-magnetic region 60 further increases the magnetic resistance between the magnet pole 31 and the pseudo pole 32 in the axial direction, making it possible to obtain a greater average torque.
  • the rotor core 21 has the connecting portion 21b.
  • the connecting portion 21 b connects a portion of the rotor core 21 located radially inside the magnet pole 31 and a portion located radially inside the pseudo pole 32 . According to this configuration, it is possible to stabilize the positional relationship between the magnet pole 31 and the pseudo pole 32 in the axial direction, and reduce variations in torque due to manufacturing errors.
  • FIG. 12 is a side view showing a 1/4 model of the rotor 20 according to the third embodiment.
  • the stator 10 is provided on the outer peripheral side of the rotor 20 with a gap 15 therebetween (see FIGS. 1 and 2).
  • Components having the same functions and actions as those of the first embodiment are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
  • the rotor 20 includes layers (regions in the axial direction) in which the magnetic poles 31 and the pseudo poles 32 are alternately arranged in the circumferential direction, and layers in which the pseudo poles 32 are not arranged and the magnetic poles 31 are and a layer arranged in a circumferential direction.
  • tc is the axial length of the rotor core 21
  • tm is the axial length of the magnet poles 31
  • tc is the axial length of the pseudo poles 32
  • ta is the axial length of the non-magnetic holes 40
  • FIG. 13 is a graph showing average torque obtained by the rotating electric machine according to Embodiment 3 (FIG. 12).
  • the horizontal axis of FIG. 13 is a value obtained by normalizing tl with the axial length lc of the rotor core 21 .
  • the vertical axis of FIG. 13 represents the torque [p. u. ] represents.
  • the average torque increases as tl is increased. This is because the volume of the magnet pole 31 (the amount of permanent magnets used) increases as tl increases, so the effective magnetic flux 51 (see FIG. 2A) increases and the average torque improves.
  • the rotor 20 according to the third embodiment includes layers in which the magnet poles 31 and the pseudo poles 32 are alternately arranged in the circumferential direction, and layers in which the pseudo poles 32 are not arranged and the magnet poles 31 are arranged in the circumferential direction. With lined layers, you have. According to this configuration, it is possible to increase the volume of the magnet poles 31 (the amount of permanent magnets used) while suppressing the axial length lc of the rotor core 21, thereby obtaining a larger average torque.
  • each embodiment can be combined, and each embodiment can be modified or omitted as appropriate.
  • two magnetic poles 30 (a magnetic pole 31 and a pseudo pole 32) are arranged in the axial direction.
  • the rotor 20 is not limited to this, and may employ a rotor 20 in which three or more magnetic poles 30 are arranged in the axial direction.
  • 0.210 ⁇ tc/lc ⁇ 0.465 may be satisfied.
  • the rotor core 21 according to another embodiment may have the connecting portion 21b shown in FIG.

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Abstract

回転電機は、固定子および回転子を備え、前記回転子は、回転子コアと複数の磁極とを有し、前記複数の磁極には、永久磁石によって形成された複数の磁石極と、複数の疑似極と、が含まれ、前記軸方向および周方向の双方において、前記磁石極と前記疑似極とは交互に配置され、前記軸方向において隣り合う前記磁石極と前記疑似極との間には、非磁性孔が設けられ、前記磁石極の前記軸方向における長さをｔｍとし、前記疑似極の前記軸方向における長さをｔｃとし、前記非磁性孔の前記軸方向における長さをｔａとし、前記軸方向における前記回転子コアの長さをｌｃとするとき、ｔｍ＞ｔｃかつｌｃ＜２×ｔｍ＋ｔａを満足する。

Description

回転電機
　本開示は、回転電機に関する。
　特許文献１には、回転電機（表面磁石式モータ）が記載されている。この回転電機における回転子の表面には、永久磁石により形成された複数の磁石極と、磁石極が発する磁束により形成された複数の疑似極と、が設けられている。磁石極と疑似極とは、周方向および軸方向において交互に配置されている。軸方向において隣り合う磁石極と疑似極との間には、磁気抵抗部としての空隙が設けられている。
特開２０１３－１５３６３７号公報
　特許文献１の構造では、トルク出力を確保するために軸方向における磁石極の寸法を大きくすると、その分だけ回転子の軸長が大きくなるという課題があった。
　本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、トルク出力を確保しつつ回転子の軸長を小さくすることが可能な回転電機を提供することを目的とする。
　本開示に係る回転電機は、固定子と、前記固定子に対して回転可能な状態で前記固定子の内側に配置された回転子と、を備え、前記固定子は、環状に形成されたコアバックと、前記コアバックから前記回転子に向かって径方向に突出した複数のティースと、前記複数のティースにそれぞれ巻回された複数の巻線と、を有し、前記回転子は、回転子コアと、前記回転子コアの内側に配置されて軸方向に延びるシャフトと、前記回転子コアの表面に配置された複数の磁極と、を有し、前記複数の磁極には、永久磁石によって形成された複数の磁石極と、前記磁石極が発する磁束が前記回転子コアの一部に鎖交することで形成された複数の疑似極と、が含まれ、前記軸方向および周方向の双方において、前記磁石極と前記疑似極とは交互に配置され、前記軸方向において隣り合う前記磁石極と前記疑似極との間には、非磁性孔が設けられ、前記磁石極の前記軸方向における長さをｔｍとし、前記疑似極の前記軸方向における長さをｔｃとし、前記非磁性孔の前記軸方向における長さをｔａとし、前記軸方向における前記回転子コアの長さをｌｃとするとき、ｔｍ＞ｔｃかつｌｃ＜２×ｔｍ＋ｔａを満足する。
　本開示によれば、トルク出力を確保しつつ回転子の軸長を小さくすることが可能な回転電機を提供できる。
実施の形態１に係る回転電機の横断面図である。 実施の形態１の変形例に係る回転電機の横断面図である。 実施の形態１に係る回転子の１／４モデルを示した斜視図である。 図２Ａに示す１／４モデルの側面図である。 図２Ｂに示す１／４モデルの視点を９０°変えて見た図である。 第１比較例に係る回転子の１／４モデルを示した斜視図である。 第２比較例に係る回転子の１／４モデルを示した斜視図である。 第３比較例に係る回転子の１／４モデルを示した斜視図である。 第１比較例および第２比較例に係る回転電機のトルク波形を示すグラフである。 実施の形態１および第２比較例に係る回転電機のトルク波形を示すグラフである。 実施の形態１に係る回転電機において、疑似極の軸方向長さがトルクの大きさに与える影響を示すグラフである。 実施の形態２に係る回転電機の回転子２０における１／４モデルの側面図である。 実施の形態１および実施の形態２に係る回転電機のトルク波形を示すグラフである。 実施の形態２に係る回転電機において、非磁性領域の軸方向長さがトルクの大きさに与える影響を示すグラフである。 実施の形態２の変形例に係る回転子の１／４モデルを示した斜視図である。 実施の形態３に係る回転子の１／４モデルを示した側面図である。 実施の形態３に係る回転電機において、磁石極同士がオーバーラップする部分の軸方向長さがトルクの大きさに与える影響を示すグラフである。
実施の形態１．
　図１Ａは、実施の形態１における回転電機１００を、軸方向に対して垂直に切断した断面図である。回転電機１００は、固定子１０と、固定子１０の内側に設けられた回転子２０と、を有している。回転子２０は、固定子１０に対して回転自在である。
　本明細書では、回転子２０の軸心Ｏに沿う方向を「軸方向」という。また、軸方向に対して垂直な断面を「横断面」という。横断面において、軸心Ｏと交差する方向を「径方向」といい、軸心Ｏ回りに周回する方向を「周方向」という。
　固定子１０は、回転子２０の外周を囲むように設けられている。固定子１０の内周と回転子２０の外周との間には、空隙１５が形成されている。空隙１５は、周方向において全周にわたって形成されている。固定子１０は、複数の固定子コア１１と、複数の巻線１４と、を有している。各固定子コア１１は、コアバック１２と、ティース１３と、を有している。コアバック１２は、周方向に沿って円弧状に形成されている。ティース１３は、各コアバック１２の周方向における中央部から、径方向における内側に向かって突出している。各巻線１４は、いわゆる集中巻き方式で複数のティース１３にそれぞれ巻き付けられている。
　図１Ａでは複数の固定子コア１１が周方向に並べられており、複数のコアバック１２によって円環形状が形成されている。しかしながら、図１Ｂに示すように、１つの円環状のコアバック１２から複数のティース１３が突出した構造を採用してもよい。言い換えると、図１Ａにおける各固定子コア１１が一体化した形状を採用してもよい。図１Ａ、図１Ｂに示す構成では、ティース１３の数は１２個であり、巻線１４の数も１２個である。ただし、巻線１４の個数がティース１３の個数より少なくてもよい。つまり、ティース１３の個数をｎｔとし、巻線１４の個数をｎｃとするとき、ｎｃ≦ｎｔの関係を満たしていれば、ティース１３及び巻線１４のそれぞれの個数は適宜変更可能である。
　回転子２０は、回転子コア２１と、シャフト２３と、複数の磁極３０と、を有している。回転子コア２１は、軸方向に延びる円筒状である。回転子コア２１は、磁性を有する材質（例えば鉄または鉄を含む合金等）によって形成されている。シャフト２３は、回転子コア２１の内側に配置され、回転子コア２１に固定されている。複数の磁極３０は、回転子コア２１の表面に、周方向に間隔を空けて設けられている。本実施の形態における複数の磁極３０には、複数の磁石極３１と、複数の疑似極３２と、が含まれる。磁石極３１は、回転子コア２１に取り付けられた永久磁石によって形成されている。疑似極３２は、磁石極３１が発する磁束が回転子コア２１の一部に鎖交することで形成されている。回転子２０は、回転子コア２１の表面に複数の永久磁石（磁石極３１）が配置された、表面磁石型回転子である。
　磁石極３１および疑似極３２は、周方向に交互に配置されている。図１Ａの例では、回転子２０が有する磁極３０の数（以下、磁極数ｐという）は８個である。この８個の磁極３０に、４個（すなわちｐ／２個）の磁石極３１と、４個（すなわちｐ／２個）の疑似極３２と、が含まれる。磁極数ｐは、２以上の偶数であれば、適宜変更可能である。図１Ａ、図１Ｂにおける回転子２０では、磁石極３１および疑似極３２が同様の形状を有している。ただし、磁石極３１と疑似極３２とで形状が異なってもよい。また、磁石極３１の数と疑似極３２の数とが異なっていてもよい。
　各磁石極３１は、その外周面（固定子１０側を向く面）にＳ極またはＮ極が現れるように構成されている。軸方向において同じ位置にある磁石極３１同士では、外周面に現れる極が等しい。言い換えると、１つの横断面における複数の磁石極３１の各外周面には、それぞれ同一の極（Ｓ極またはＮ極）が現れる。また、軸方向において同じ位置にある磁石極３１と疑似極３２とでは、外周面に現れる極が反対になる。例えば、１つの横断面において、磁石極３１の外周面がすべてＮ極であるとき、疑似極３２の外周面はすべてＳ極となる。あるいは、１つの横断面において、磁石極３１の外周面がすべてＳ極であるとき、疑似極３２の外周面は全てＮ極となる。
　巻線１４に所定の電流が流されて磁界が発生することで、磁極３０とティース１３との間に磁力が生じる。この磁力によって、固定子１０と回転子２０とを軸心Ｏ回りに相対的に回転させることができる。
　図２Ａは、回転子２０の１／４モデルの斜視図である。１／４モデルとは、回転子２０を周方向に四等分したうちの１つを示したモデル図である。図２Ａに示すように、軸方向および周方向の双方において、磁石極３１と疑似極３２とが交互に配置されている。軸方向または周方向で隣り合う磁極３０同士は、互いに異なる極性を有するように配置されている。
　図２Ｂは、回転子２０の１／４モデルを、軸方向に直交する方向から見た図（側面図）である。図２Ｂに示すように、軸方向において隣り合う磁石極３１と疑似極３２との間には、非磁性孔４０が設けられている。非磁性孔４０は、磁性体が配置されていない部位である。本明細書において「磁性体」とは、回転電機１００の動作に影響をおよぼす程度の磁性を有する材質である。例えば、非磁性孔４０に空気が存在していてもよいし、非磁性体（無視できる程度の磁性を有する材質）が存在していてもよい。磁石極３１が発する磁束は、その磁石極３１に対して非磁性孔４０を挟んで対向する疑似極３２に鎖交する。
　図２Ｂに示すように、本実施の形態では、磁石極３１および疑似極３２の軸方向における寸法が異なっている。具体的には、磁石極３１の軸方向長さが、疑似極３２の軸方向長さに比べ長い。回転子コア２１の軸方向長さをｌｃ、磁石極３１の軸方向長さをｔｍ、疑似極３２の軸方向長さをｔｃ、非磁性孔４０の軸方向長さをｔａとすると、以下の数式（１）、（２）が成り立つ。
ｌｃ＝ｔｍ＋ｔａ＋ｔｃ　…（１）
ｔｍ＞ｔｃ　…（２）
　また、数式（１）、（２）から、ｌｃ＜２×ｔｍ＋ｔａが成り立つ。このように構成することで、回転子コア２１の軸長ｌｃを小さくしながら、磁石極３１の体積を大きくして平均トルクを確保することができる。
　図２Ｃは、図２Ｂに示す回転子２０の１／４モデルを、図２Ｂから周方向に９０°視点を移動させて見た図である。図２Ｃに示すように、磁石極３１および疑似極３２の径方向内側には、全域にわたって、回転子コア２１が配置されている。非磁性孔４０が存在しているため、磁石極３１の径方向内側に位置する回転子コア２１と疑似極３２の径方向内側に位置する回転子コア２１とは、軸方向に離れている。シャフト２３は、このように軸方向に離れた回転子コア２１同士を連結する役割も有する。
　次に、本実施の形態に係る回転電機１００の作用について、図３～５に示す比較例との対比によって説明する。
　図３は、第１比較例に係る回転子における１／４モデルの斜視図である。図４は、第２比較例に係る回転子における１／４モデルの斜視図である。図５は、第３比較例に係る回転子における１／４モデルの斜視図である。
　図３に示すように、第１比較例では、磁石極３１および疑似極３２が軸方向における回転子２０の全長にわたって延びている。図３における回転子２０の構成では、磁石極３１と疑似極３２とで、トルクに寄与する有効磁束の強さが異なる。このため、図２の空隙１５における磁束分布が非対称性を有することとなる。その結果、トルクの高次成分が発生し、トルク脈動が大きくなる。
　図４に示すように、第２比較例では、磁石極３１および疑似極３２が軸方向に並べて配置されている。第２比較例の構造では、第１比較例（図３）と同様に、トルク脈動が発生する。ただし、磁石極３１および疑似極３２が、周方向だけでなく軸方向においても交互に配置されていることで、回転子２０全体でみると、磁束分布の非対称性に起因するトルク脈動が打ち消される。しかしながら、第２比較例では、軸方向において磁石極３１および疑似極３２が接近して配置されている。このため、軸方向において隣接する磁石極３１と疑似極３２との間の磁気抵抗が小さい。その結果、トルク発生に寄与しない漏れ磁束５０が軸方向に発生し、トルク発生に寄与する有効磁束５１が低減する。
　図５に示すように、第３比較例では、磁石極３１および疑似極３２が軸方向に並べて配置されている。軸方向または周方向で隣り合う磁極３０同士は、互いに異なる極性を有するように配置されている。さらに、軸方向において隣り合う磁石極３１と疑似極３２との間には、非磁性孔４０が設けられている。非磁性孔４０の存在により、磁石極３１と疑似極３２との間の軸方向における磁気抵抗が増加する。その結果、上述の漏れ磁束５０が低減され、トルクに寄与する有効磁束５１が増加する。しかしながら、第３比較例（図５）の回転子２０は、第２比較例（図４）に比べ、非磁性孔４０の分だけ軸方向の寸法が大きくなる。このため、回転電機の軸方向の寸法も大きくなってしまう。
　図６Ａは、第１比較例（図３）の回転子を備えた回転電機により得られるトルク波形と、第２比較例（図４）の回転子を備えた回転電機により得られるトルク波形と、を示すグラフである。図６Ａにおけるグラフの縦軸は、第１比較例の回転電機により得られる平均トルク値を基準として規格化したトルク［ｐ．ｕ．］を表している。図６Ａに示すように、第１比較例に係る回転電機により得られるトルク波形は３次の脈動を有している。これに対して、第２比較例に係る回転電機により得られるトルク波形は３次の脈動を低減できていることがわかる。
　しかしながら、第１比較例に係る回転電機により得られる平均トルクを１とすると、第２比較例に係る回転電機により得られる平均トルクは０．６４である。つまり、第２比較例は第１比較例に対してトルク脈動を低減できる点で有利であるが、トルクの大きさが低下してしまう点で不利である。第２比較例においてトルクが低下する原因は、先述の通り、磁石極３１および疑似極３２が軸方向において近接して配置されているためであると考えられる。つまり、軸方向で隣り合う磁石極３１と疑似極３２との間で漏れ磁束５０が発生し、トルク発生に寄与する有効磁束５１が低減するためである。
　図６Ｂは、第２比較例（図４）の回転子を備えた回転電機により得られるトルク波形と、実施の形態１（図２Ｃ）の回転子を備えた回転電機により得られるトルク波形と、を示すグラフである。図６Ｂにおけるグラフの縦軸は、第２比較例の回転電機により得られる平均トルク値を基準として規格化したトルク［ｐ．ｕ．］を表している。図６Ｂに示すように、実施の形態１に係る回転電機は、第２比較例に係る回転電機に比べて、１．３２倍の平均トルクを有していることが確認できる。これは、実施の形態１に係る回転子２０が、非磁性孔４０を有しているためである。
　すなわち、実施の形態１（図２Ｃ）においては、軸方向で隣り合う磁石極３１と疑似極３２との間に、非磁性孔４０が設けられていることで、軸方向における磁気抵抗が増加する。この結果、軸方向における漏れ磁束５０（図４参照）を低減し、トルク発生に寄与する有効磁束５１を増加させ、平均トルクを向上させることができた。また、図６Ａに示される第１比較例のグラフと図６Ｂに示される実施の形態１のグラフとを比べると、実施の形態１ではトルク脈動も低減されていることが確認できる。
　次に、実施の形態１（図２Ｃ）と第３比較例（図５）とを比べる。第３比較例についても、軸方向で隣り合う磁石極３１と疑似極３２との間に非磁性孔４０が設けられている。このため、第３比較例の構造においても、平均トルクを向上しつつトルク脈動を低減できる可能性がある。しかしながら、実施の形態１の構造の方が、第３比較例の構造と比較して、同じトルクを得るために必要な回転子２０のサイズを小さくすることができる。以下、その理由を説明する。
　トルク発生に寄与する有効磁束５１（図２Ａ参照）の大きさは、磁石極３１のサイズ（永久磁石の使用量）に依存する。つまり、磁石極３１のサイズが大きいほど、有効磁束５１も大きくなる。図５に示す第３比較例において、回転子コア２１の軸方向長さをｌｃ’、磁石極３１の軸方向長さをｔｍ’、疑似極３２の軸方向長さをｔｃ’、非磁性孔４０の軸方向長さをｔａ’とすると、ｔｍ’＝ｔｃ’であるから、以下の数式（３）が成り立つ。
ｌｃ’＝ｔｍ’＋ｔａ’＋ｔｃ’＝ｔｍ’×２＋ｔａ’　…（３）
　ここで、先述の数式（１）と上記数式（３）とで差分を取ると、以下の数式（４）が得られる。
ｌｃ－ｌｃ’＝（ｔｍ＋ｔａ＋ｔｃ）－（ｔｍ’×２＋ｔａ’）　…（４）
　第３比較例（図５）と実施の形態１（図２Ｂ）とで、磁石極３１および非磁性孔４０の軸方向における寸法を同じにすると、略同じトルク性能が得られると考えられる。そこで、数式（４）にｔａ’＝ｔａおよびｔｍ’＝ｔｍを代入して整理すると、以下の数式（５）が得られる。
ｌｃ－ｌｃ’＝ｔｃ－ｔｍ　…（５）
　数式（２）より、ｔｃ－ｔｍ＜０であるから、数式（５）の右辺の値は０より小さくなる。つまり、実施の形態１と第３比較例とで略同じトルク性能を得ようとした場合、実施の形態１における回転子コア２１の寸法ｌｃが、第３比較例における回転子コア２１の寸法ｌｃ’より小さくなる。
　以上述べたように、実施の形態１の構造を採用した場合、第１比較例と比べてトルク脈動を抑制し、第２比較例と比べて平均トルクを向上させ、第３比較例と比べて軸方向における回転電機１００のサイズを小さくすることが可能となる。
　次に、疑似極３２の大きさの好ましい範囲について、図７を用いて説明する。図７の横軸は、疑似極３２の軸方向長さｔｃを回転子コア２１の軸方向長さｌｃで除した値ｔｃ／ｌｃである。図７の縦軸は、ｔｃ／ｌｃ＝ｔｍ／ｌｃ＝０．５とした回転子２０（すなわち、図４の構成）を備える回転電機によって得られる平均トルクを用いて規格化したトルク値を示している。なお、図７に係る試験では、軸方向における磁石極３１の寸法ｔｍは、回転子コア２１の軸長ｌｃの半分（つまり、ｔｍ＝ｌｃ／２）で固定されている。したがって、図７の横軸において、ｔｃ／ｌｃ＝０．５の場合はｔａ＝０（すなわち、非磁性孔４０が無い構造）を意味する。また、ｔｃ／ｌｃの値が小さくなるほど、ｔａが大きくなる。
　図７に示すように、横軸が０．２１０≦ｔｃ／ｌｃ≦０．４６５の範囲内において、規格化トルクが１．２以上となる。すなわち、ｔｃ／ｌｃの値を上記範囲内とすることで、図４の構成と比較して、１．２倍以上の平均トルクを得ることができる。また、図７に示すように、０．３５＜ｔｃ／ｌｃ＜０．４５の範囲内において、規格化トルクがほぼ最大となる。
　以上より、０．２１０≦ｔｃ／ｌｃ≦０．４６５を満たすことが好ましく、０．３５＜ｔｃ／ｌｃ＜０．４５を満たすことがさらに好ましい。
　以上説明したように、本実施の形態に係る回転電機１００は、固定子１０と、固定子１０に対して回転可能な状態で固定子１０の内側に配置された回転子２０と、を備える。固定子１０は、環状に形成されたコアバック１２と、コアバック１２から回転子２０に向かって径方向に突出した複数のティース１３と、複数のティース１３にそれぞれ巻回された複数の巻線１４と、を有する。回転子２０は、回転子コア２１と、回転子コア２１の内側に配置されて軸方向に延びるシャフト２３と、回転子コア２１の表面に配置された複数の磁極３０と、を有する。複数の磁極３０には、永久磁石によって形成された複数の磁石極３１と、磁石極３１が発する磁束５０が回転子コア２１の一部に鎖交することで形成された複数の疑似極３２と、が含まれる。軸方向および周方向の双方において、磁石極３１と疑似極３２とは交互に配置されている。軸方向において隣り合う磁石極３１と疑似極３２との間には、非磁性孔４０が設けられている。磁石極３１の軸方向における長さをｔｍとし、疑似極３２の軸方向における長さをｔｃとし、非磁性孔４０の軸方向における長さをｔａとし、軸方向における回転子コア２１の長さをｌｃとするとき、ｔｍ＞ｔｃかつｌｃ＜２×ｔｍ＋ｔａを満足する。この構成により、トルク脈動を抑制しつつ平均トルクを向上させ、軸方向における回転電機１００のサイズを小さくすることができる。
　また、０．２１０≦ｔｃ／ｌｃ≦０．４６５を満足させた場合には、非磁性孔４０を設けない構成（図４）と比較して、１．２倍の平均トルクを得ることができる。
　実施の形態２．
　図８は、実施の形態２に係る回転子２０の１／４モデルを示す側面図である。図示していないが、回転子２０の外周側には、空隙１５を介して固定子１０が設けられている（図１、図２参照）。なお、実施の形態１と同様の機能及び作用を有する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
　図８に示すように、実施の形態２では、磁石極３１の径方向内側に非磁性領域６０が設けられている。より具体的には、磁石極３１の径方向内側に位置する回転子コア２１の一部に切り欠き２１ａが形成されている。この切り欠き２１ａの内側の空間が、非磁性領域６０である。図８ではシャフト２３の図示を省略しているが、非磁性領域６０は、径方向において磁石極３１とシャフト２３との間に位置している。
　非磁性領域６０は、非磁性孔４０と同様の、磁性体が配置されていない部位である。例えば、非磁性領域６０に空気が存在していてもよいし、非磁性体が存在していてもよい。非磁性領域６０および非磁性孔４０は隣接しており、軸方向において連なっている。非磁性領域６０は、疑似極３２の径方向内側にあってもよい。
　図９は、実施の形態１（図２Ｃ）に係る回転電機により得られるトルク波形と、実施の形態２（図８）に係る回転電機により得られるトルク波形と、を示すグラフである。グラフの縦軸は、実施の形態１に係る回転電機により得られる平均トルク値を基準として規格化したトルク［ｐ．ｕ．］を表している。
　図９に示すように、実施の形態２に係る回転電機によれば、実施の形態１と比較して約１．０４倍の平均トルクが得られる。この要因は、非磁性領域６０の存在により、実施の形態２では実施の形態１と比較して、軸方向における磁気抵抗がさらに増加したためである。つまり実施の形態２では、磁気抵抗のさらなる増加によって軸方向の漏れ磁束５０（図４参照）が減少し、有効磁束５１が増加することで、平均トルクを上昇させることができた。
　図１０は、実施の形態２（図８）に係る回転電機により得られる平均トルクの、非磁性領域６０の軸方向長さｔｂに対する依存性を示している。図１０の横軸は、非磁性領域６０の軸方向長さｔｂを回転子コア２１の軸方向長さｌｃで除した値ｔｂ／ｌｃである。図１０の縦軸は、実施の形態１（図２Ｂ）に係る回転電機において、ｔｍ／ｌｃ＝０．５の場合に得られる平均トルクを基準として規格化したトルク値を示している。図１０に示すように、ｔｂ／ｌｃ＝０．１５付近で平均トルクが最大となることが確認できる。
　図１１は、実施の形態２の変形例に係る回転子２０の１／４モデルの斜視図である。この変形例では、図１１に示すように、切り欠き２１ａ（非磁性領域６０）の径方向内側に、連結部２１ｂが設けられている。連結部２１ｂは、回転子コア２１の一部である。回転子コア２１のうち、磁石極３１の径方向内側に位置する部分と疑似極３２の径方向内側に位置する部分とが、連結部２１ｂによって連結されている。言い換えると、連続した回転子コア２１の表面上に磁石極３１および疑似極３２が設けられている。このような構成を採用することで、軸方向における磁石極３１と疑似極３２との間の位置関係が安定する。
　以上説明したように、実施の形態２に係る回転電機１００では、シャフト２３と磁石極３１との間に非磁性領域６０が設けられている。非磁性領域６０の存在により、軸方向における磁石極３１と疑似極３２との間の磁気抵抗をさらに増加させ、より大きな平均トルクを得ることができる。
　また、実施の形態２の変形例(図１１）に係る回転子２０では、回転子コア２１が連結部２１ｂを有している。連結部２１ｂは、回転子コア２１のうち磁石極３１の径方向内側に位置する部分と疑似極３２の径方向内側に位置する部分とを連結している。この構成によれば、軸方向における磁石極３１と疑似極３２との位置関係を安定させ、製造誤差に伴うトルクのバラつき等を低減させることが可能となる。
実施の形態３．
　図１２は、実施の形態３に係る回転子２０の１／４モデルを示す側面図である。図示していないが、回転子２０の外周側には、空隙１５を介して固定子１０が設けられている（図１、図２参照）。なお、実施の形態１と同様の機能及び作用を有する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
　図１２に示すように、実施の形態３では、周方向において隣り合う２つの磁石極３１が、軸方向において一部オーバーラップするように配置されている。１つの磁石極３１に注目したとき、その磁石極３１は、周方向において疑似極３２、非磁性孔４０、および他の磁石極３１にそれぞれ隣接する。言い換えると、実施の形態３に係る回転子２０は、周方向に磁石極３１および疑似極３２が交互に配置された層（軸方向における領域）と、疑似極３２が配置されず磁石極３１が周方向に並べられた層と、を有する。回転子コア２１の軸方向長さをｌｃ、磁石極３１の軸方向長さをｔｍ、疑似極３２の軸方向長さをｔｃ、非磁性孔４０の軸方向長さをｔａとすると、ｔｃ＜ｔｍおよびｌｃ＜２×ｔｍ＋ｔａが成り立つ。また、前記オーバーラップしている部分の軸方向長さをｔｌとする。ｔｌを調整することで、永久磁石の使用量を調整することが可能となる。
　図１３は、実施の形態３（図１２）に係る回転電機により得られる平均トルクを示すグラフである。図１３の横軸はｔｌを回転子コア２１の軸長ｌｃで規格化した値である。図１３の縦軸は、実施の形態１（図２Ｃ）に係る回転電機の平均トルク値を基準として規格化したトルク［ｐ．ｕ．］を表している。図１３に示すように、ｔｌを増加させると平均トルクが増加することが確認できる。これは、ｔｌが大きいほど磁石極３１の体積（永久磁石の使用量）が増加するため、有効磁束５１（図２Ａ参照）が増加し、平均トルクが向上するためである。
　以上説明したように、実施の形態３に係る回転子２０は、周方向において磁石極３１と疑似極３２が交互に配置された層と、疑似極３２が配置されず磁石極３１が周方向に並べられた層と、有する。この構成によれば、回転子コア２１の軸長ｌｃを抑えつつ、磁石極３１の体積（永久磁石の使用量）を増加させて、より大きな平均トルクを得ることができる。
　なお、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
　例えば図２Ａに示す回転子２０では、軸方向において２つの磁極３０（磁石極３１および疑似極３２）が並べられている。これに限られず、軸方向において３つ以上の磁極３０が並べられた回転子２０を採用してもよい。
　また、実施の形態１以外の構成において、０．２１０≦ｔｃ／ｌｃ≦０．４６５を満足させてもよい。
　また、図１１に示す連結部２１ｂを、他の実施の形態に係る回転子コア２１が有していてもよい。
１０…固定子　１２…コアバック　１３…ティース　１４…巻線　２０…回転子　２１…回転子コア　２１ｂ…連結部　２３…シャフト　３０…磁極　３１…磁石極　３２…疑似極　４０…非磁性孔　６０…非磁性領域　１００…回転電機

Claims (5)

  1. 　固定子と、
    　前記固定子に対して回転可能な状態で前記固定子の内側に配置された回転子と、を備え、
    　前記固定子は、環状に形成されたコアバックと、前記コアバックから前記回転子に向かって径方向に突出した複数のティースと、前記複数のティースにそれぞれ巻回された複数の巻線と、を有し、
    　前記回転子は、回転子コアと、前記回転子コアの内側に配置されて軸方向に延びるシャフトと、前記回転子コアの表面に配置された複数の磁極と、を有し、
    　前記複数の磁極には、永久磁石によって形成された複数の磁石極と、前記磁石極が発する磁束が前記回転子コアの一部に鎖交することで形成された複数の疑似極と、が含まれ、
    　前記軸方向および周方向の双方において、前記磁石極と前記疑似極とは交互に配置され、
    　前記軸方向において隣り合う前記磁石極と前記疑似極との間には、非磁性孔が設けられ、
    　前記磁石極の前記軸方向における長さをｔｍとし、前記疑似極の前記軸方向における長さをｔｃとし、前記非磁性孔の前記軸方向における長さをｔａとし、前記軸方向における前記回転子コアの長さをｌｃとするとき、
    　ｔｍ＞ｔｃかつｌｃ＜２×ｔｍ＋ｔａを満足する、回転電機。
  2. 　前記シャフトと前記磁石極との間に非磁性領域が設けられている、請求項１に記載の回転電機。
  3. 　前記回転子が、前記周方向において前記磁石極と前記疑似極が交互に配置された層と、前記疑似極が配置されず前記磁石極が前記周方向に並べられた層と、を有する、請求項１または２に記載の回転電機。
  4. 　前記回転子コアは連結部を有し、
    　前記連結部は、前記回転子コアのうち前記磁石極の径方向内側に位置する部分と前記疑似極の径方向内側に位置する部分とを連結している、請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機。
  5. 　０．２１０≦ｔｃ／ｌｃ≦０．４６５を満足する、請求項１から４のいずれか１項に記載の回転電機。
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