旋转电机

1.本发明涉及电动机、发电机等旋转电机。


背景技术：

2.在电动机、发电机等中，采用了永磁铁的n极s极交替排列的磁体(n-s排列磁体)。在磁体中，使用所排列的永磁铁的一侧(径向的内侧或外侧)的磁场，但在n-s排列磁体中，在所排列的永磁铁的两侧产生有磁场，磁场(永磁铁产生的磁能)未被有效利用。
3.另一方面，在永磁铁排列的磁体中，例如有使磁极(磁化方向)的方向分别旋转90
°
地依次排列多个永磁铁的海尔贝克阵列磁体。在该海尔贝克阵列磁体中，能够在与排列永磁铁的方向交差的方向上产生一侧比另一侧强的磁场，能够有效利用永磁铁产生的磁场。
4.在日本特开2009-201343号公报、日本特开2010-154688号公报等中，提出了一种磁体(双海尔贝克阵列磁体)，通过以互相增强磁场的方式相向配置两组海尔贝克磁铁阵列，从而能够更有效地利用永磁铁产生的磁场。


技术实现要素：

5.发明要解决的问题
6.然而，在电动机中，通过将海尔贝克阵列磁体来用作磁体，在低速旋转时可以极大地抑制谐波分量并得到高的输出功率，实现高效率化，预期提高输出功率密度。但是，在采用了双海尔贝克阵列磁体的电动机中，随着转速升高反电动势变大。因此，在用于以高速旋转驱动电动机的电源中，要求输出超过电动机产生的反电动势的电力(电压)。
7.此外，在要求高速旋转的电动机中，电枢线圈一般用于定子侧，在采用了双海尔贝克阵列磁体的电动机中，采用由分别应用了海尔贝克阵列磁体的内转子和外转子构成的双转子构造。
8.因此，在电动机中，双转子分别为悬臂构造，导致转子大型化，并且转子构造变得复杂，在高速旋转时可能产生振动、噪声。此外，在要求高速旋转的电动机中，电枢线圈的排热需求变高，但是在双转子构造的电动机中，存在电枢线圈的排热难的问题，对于提高电动机等的输出功率密度而言有改善的余地。
9.本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够提高输出功率密度的旋转电机。
10.用于解决问题的方案
11.用于达成上述目的的第一方式的旋转电机包含：磁体部，以磁化方向依次变化的方式将多个永磁铁沿周向排列成圆环状，将大于等于3的任一整数设为分割数n，所述磁化方向按一周期电角度除以所述分割数n得到的角度而依次变化；筒体，其使用强磁性材料形成为中心轴与所述磁体部的中心轴重合的圆环状并与各个所述永磁铁相向，并且设成能够相对于所述磁体部相对旋转，所述筒体的径向尺寸设为在所述磁体部产生的磁场内使内部的磁通密度达到饱和磁通密度的尺寸；电枢，其中，分别为空心的三相线圈在所述筒体的所
述磁体部侧的面沿周向排列。
12.在第一方式的旋转电机中，在磁体部中，多个永磁铁沿周向排列成圆环状。设大于等于3的任一整数为分割数n，多个永磁铁以一周期电角度除以分割数n得到的角度依次变化磁化方向，在磁体部中应用了海尔贝克磁铁阵列。此外，筒体由强磁性材料形成为圆环状，与磁体部的各个所述永磁铁相向，在筒体的磁体部侧的面，在周向配置有电枢的三相线圈。由此，能够在磁体部与筒体之间形成磁路，在磁体部与筒体之间形成与成对的海尔贝克磁铁阵列形成的双海尔贝克磁铁阵列近似的磁场。
13.此外，在第一方式的旋转电机中，电枢的线圈为空心线圈，在磁体部与筒体之间配置有分别为空心线圈的电枢。由此，因为能够使线圈部分的磁导率为与空气相同的磁导率，所以能够使磁体部与筒体之间形成的磁通分布(沿周向的磁通分布的变化)为正弦波状，能够抑制谐波分量而有效地抑制转矩脉动。这样的三相线圈能够应用集中绕组，作为线圈的绕线能够应用利兹线。
14.使用了强磁性材料的筒体的径向尺寸设为在磁体部产生的磁场内得到大于等于残留磁通密度的磁通密度且最大磁通密度为饱和磁通密度的尺寸。筒体通过将径向尺寸设得较大，能够使最大磁通密度不达到饱和磁通密度，而筒体通过将径向尺寸设为最大磁通密度达到饱和磁通密度的尺寸，则能够减小径向尺寸。
15.在此，能够通过磁体部和筒体来形成与双海尔贝克磁铁阵列近似的磁场，能够在整体上提高输出功率，能够通过减小使用了强磁性材料的筒体的径向尺寸从而能够实现小型化，能够提高输出功率密度。
16.第二方式的旋转电机为：在第一方式中，所述磁体部设置在转子，所述筒体为定子并包围所述磁体部的外周。
17.在第二方式的旋转电机中，将使用了强磁性材料的筒体作为定子，在作为转子的磁体部的径向外侧配置定子，能够减小定子的外径，从而能够有效地提高输出功率密度。
18.第三方式的旋转电机为：在第一或第二方式中，所述筒体的径向尺寸是所述磁通密度为饱和磁通密度的最大尺寸。
19.在第三方式的旋转电机中，使筒体的径向尺寸是磁通密度为饱和磁通密度的最大尺寸。由此，能够抑制筒体中因产生磁饱和而导致的磁阻，能够抑制因产生磁饱和而导致的输出功率的降低。
20.第四方式的旋转电机为：在第一至第三任一方式中，以所述线圈的五次空间谐波分量的磁通链数小于磁极数p相对于槽数s为2比3的所述五次空间谐波分量的磁通链数的方式，设定所述磁体部的磁极数p以及作为所述电枢的线圈数的槽数s。
21.在第四方式的旋转电机中，以线圈的五次空间谐波分量的磁通链数小于磁极数p相对于槽数s为2比3的五次空间谐波分量的磁通链数的方式，设定磁体部的磁极数p以及作为电枢的线圈数的槽数s。即，磁体部的磁极数p相对于电枢的槽数s设为除了2比3以外。
22.在磁体部与筒体之间的磁场中，对于三相交流电，五次空间谐波分量的振幅最大，影响转矩脉动，特别是在磁极数p相对于槽数s为2比3时，空间谐波分量导致的转矩脉动最大。因此，通过将磁极数p相对于槽数s设为除了2比3以外，能够有效地减少线圈的第五次空间高次谐波的磁通链数，能够有效地抑制转矩脉动。
23.第五方式的旋转电机为：在第一至第四任一方式中，所述分割数n为3的倍数加2而
得到的数。
24.在第五方式的旋转电机中，分割数n为3的倍数加2而得到的任意的数。由此，能够抑制五次谐波分量，能够有效地抑制因筒体中产生磁饱和导致的转矩脉动。
25.第六方式的旋转电机为：在第一至第五任一方式中，所述磁体部的周面与所述筒体的周面之间的间隔即间隙长度为所述磁体部的所述永磁铁的极距τ的0.25倍以上且1.0倍以下。
26.在第六方式的旋转电机中，使磁体部的周面与筒体的周面之间的间隔即间隙长度为磁体部中的永磁铁的极距τ的0.25倍以上且1.0倍以下。由此，在磁体部与筒体之间，有效地形成与双海尔贝克阵列磁体的磁场近似的磁场。
27.发明效果
28.如以上说明的那样，根据本方式的旋转电机，能够得到如下效果，因为能够抑制输出功率的降低而实现小型化，所以可以得到能够提高输出功率密度的效果。
附图说明
29.图1为表示本实施方式涉及的电动机的主要部分的概略图。
30.图2为表示海尔贝克磁铁阵列的概略图。
31.图3a为表示应用了在两个海尔贝克磁铁阵列的一者中使用了强磁性材料的筒体的磁体的概略结构图。
32.图3b为表示两个海尔贝克磁铁阵列相向的海尔贝克阵列磁体的概略结构图。
33.图4a为表示电动机的主要部分的概略结构的俯视图。
34.图4b为表示与双海尔贝克阵列磁体对应的磁体部的概略结构的俯视图。
35.图5a为表示外筒部的厚度尺寸ly为ly＞lys的情况下磁体部与外筒部之间的磁感线和磁通密度的分布的概略图。
36.图5b为表示外筒部的厚度尺寸ly为ly＝lys的情况下磁体部与外筒部之间的磁感线和磁通密度的分布的概略图。
37.图5c为表示外筒部的厚度尺寸ly为ly＜lys的情况下磁体部与外筒部之间的磁感线和磁通密度的分布的概略图。
38.图6a为表示磁极数相对于槽数的一个例子的电动机的主要部分的概略图。
39.图6b为表示磁极数相对于槽数的另一个例子的电动机的主要部分的概略图。
40.图7a为表示线圈的连接的一个例子的概略接线图。
41.图7b为表示线圈的连接的另一个例子的概略接线图。
42.图8为在p比s的组合中，与线圈交链的五次空间谐波分量的磁通链数的变化的概略的线图。
具体实施方式
43.以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。
44.本实施方式包含以下的技术方案。
45.＜1＞一种旋转电机，其包含：
46.磁体部，其以磁化方向依次变化的方式将多个永磁铁沿周向排列成圆环状，将大
于等于3的任一整数设为分割数n，所述磁化方向按一周期电角度除以所述分割数n得到的角度而依次变化；
47.筒体，其使用强磁性材料形成为中心轴与所述磁体部的中心轴重合的圆环状并与各个所述永磁铁相向，并且设成能够相对于所述磁体部相对旋转，所述筒体的径向尺寸设为在所述磁体部产生的磁场内使内部的磁通密度达到饱和磁通密度的尺寸；以及
48.电枢，分别为空心的三相线圈在所述筒体的所述磁体部侧的面沿周向排列。
49.＜2＞一种旋转电机，其包含：
50.磁体部，其以磁化方向依次变化的方式将多个永磁铁沿周向排列成圆环状，设大于等于3的任一整数为分割数n，所述磁化方向以一周期电角度除以所述分割数n得到的角度而依次变化；
51.筒体，其使用强磁性材料形成为中心轴与所述磁体部的中心轴重合的圆环状并与各个所述永磁铁相向，并且设成能够相对于所述磁体部相对旋转，所述筒体的径向尺寸设为在所述磁体部产生的磁场内得到大于等于残留磁通密度的磁通密度并且该磁通密度达到饱和磁通密度的尺寸；以及
52.电枢，分别为空心的三相线圈在所述筒体的所述磁体部侧的面沿周向排列，
53.所述筒体的所述磁体部侧的周面，在将与该磁体部成对的另一磁体部配置在所述磁体部的所述筒体侧的情况下，配置在磁通密度的周向的变化为正弦波状的位置，即所述磁体部和与所述磁体部成对的另一磁体部的中央位置。
54.＜3＞根据＜1＞或＜2＞的旋转电机，所述筒体的尺寸为：在所述磁体部产生的磁场内与所述磁体部相向的表面和所述磁体部表面之间的空隙长度为零的情况下得到大于等于所述永磁铁的残留磁通密度的磁通密度，并且在规定的所述空隙长度内该磁通密度达到饱和磁通密度的尺寸。
55.在图1中，用轴向观察的俯视图示出作为本实施方式涉及的旋转电机的三相交流电动机(以下称为电动机)10的主要部分的概略结构。
56.如图1所示，电动机10具有作为转子的外形大致圆筒状的转子12以及作为定子的大致圆筒状(圆环状)的定子14。在电动机10中，转子12的中心轴线与定子14的中心轴心重合，转子12能够相对旋转地收容在定子14的内部。
57.在转子12中，在定子14侧的外周部设置有磁体部16。此外，在定子14中，设置有作为使用了强磁性材料的筒体的环状(圆环状)的外筒部18、以及电枢20，在定子14的内周面，电枢20在周向配置而整体上为大致圆筒状，所述内周面是外筒部18的磁体部16侧的面。由此，在电动机10中，电枢20与转子12的磁体部16的径向外侧相向，电枢20与外筒部18一体地能够相对于磁体部16相对旋转。
58.在电动机10中，多个永磁铁22在磁体部16沿周向排列，在电动机10中，通过转子12的磁体部16和定子14的外筒部18来构成作为磁场产生装置的磁场产生部24。磁场产生部24在磁体部16与外筒部18之间形成磁场(磁界)。
59.在电动机10中，设置有分别作为构成电枢20的三相线圈的u相的线圈20u、v相的线圈20v以及w相的线圈20w。在各个线圈20u、20v、20w(线圈20u～20w)中，能够使用利兹线作为绕线。此外，线圈20u～20w能够分别为空心线圈，线圈20u～20w能够分别集中绕组而形成。
60.在电动机10的电枢20中，三种相的线圈20u、20v、20w为一组，多组线圈20u～20w在外筒部18的内周面沿着周向以规定的顺序配置。在电动机10中，向各组线圈20u～20w分别供给在一周期电角度的范围内彼此的相位偏差了120
°
的规定频率的三相(u相、v相以及w相)的交流电。由此，在电动机10中，转子12以与向多组线圈20u～20w分别供给的三相交流电的频率相应的转速旋转，未图示的输出轴与转子12一体地被旋转驱动。
61.在此，对在电动机10中形成磁场产生部24的转子12的磁体部16和定子14的外筒部18进行详细说明。
62.在电动机10(磁场产生部24)中，在转子12的磁体部16中应用海尔贝克磁铁阵列。在图2中，用俯视图示出通常的海尔贝克磁铁阵列的概略。此外，在图3a和图3b中，分别用俯视图示出应用了海尔贝克磁铁阵列的磁场产生部(磁场产生装置)的概略。另外，在附图中，在永磁铁22中，用附图标记n表示n极侧，用附图标记s表示s极侧。此外，在下面的说明中，用从s极侧向n极侧的箭头(实线的箭头)表示永磁铁22的磁化方向，用从n极侧向s极侧(在永磁铁22内从s极侧向n极侧)的虚线箭头表示磁感线。此外，在附图中，用箭头x表示永磁铁22的排列方向的一个方向，用箭头y表示在海尔贝克磁铁阵列中有助于转矩产生的磁感线的方向。
63.如图2所示，在海尔贝克磁铁阵列中，例如沿着永磁铁22的磁化方向的截面为大致矩形(大致方形、立体上为大致长方体)。此外，在海尔贝克磁铁阵列中，设定分割数n和基于分割数n的角度θ(省略图示)，按规定的角度θ变化的与分割数n相应的n个永磁铁22在规定方向(箭头x方向)依次排列。由此，形成单海尔贝克阵列磁体26(以下简单称作海尔贝克阵列磁体26)。另外，角度θ为相邻的两个永磁铁22的磁化方向之间的角度(省略图示)。
64.作为分割数n，能够采用大于等于3的任一整数，角度θ则采用将一周期电角度(2π＝360
°
)除以分割数n(大于等于3的整数)而得到的角度。在本实施方式中，作为一个例子，设分割数n＝4，角度θ＝90
°
(θ＝360
°
/4＝90
°
)。
65.在海尔贝克阵列磁体26中，依次排列磁化方向按90
°
变化的永磁铁22a、22b、22c、22d(重复永磁铁22a～22d的排列)，永磁铁22a的两侧的永磁铁22b、22d的磁化方向朝向永磁铁22a侧。由此，在海尔贝克阵列磁体26中，增强了与排列方向交差的方向的一侧(永磁铁22a的磁化方向侧)的磁场，抑制了另一侧(永磁铁22a的与磁化方向相反侧)的磁场的强度。
66.在图3a中，作为一个例子，用俯视图示出使用了一个海尔贝克阵列磁体(单海尔贝克阵列磁体)26的磁场产生部28a的概略结构。此外，在图3b中，作为另一个例子，用俯视图示出作为使用了两个海尔贝克阵列磁体26(26a、26b)的磁场产生部28b的双海尔贝克阵列磁体30的概略结构。
67.如图3b所示，在磁场产生部28b(双海尔贝克阵列磁体30)中，海尔贝克阵列磁体26a和与该海尔贝克阵列磁体26a成对的另一个海尔贝克阵列磁体26b隔着规定的间隔(间隙长度2g)而相向。具体地，两个海尔贝克阵列磁体26(26a、26b)成对，磁场强的一侧彼此相向，形成双海尔贝克阵列磁体30。
68.此时，在构成双海尔贝克阵列磁体30的海尔贝克阵列磁体26a、26b中，一者(例如海尔贝克阵列磁体26a)的永磁铁22a与在另一者(例如海尔贝克阵列磁体26b)中磁化方向相同的永磁铁22c相向。即，海尔贝克阵列磁体26a、26b可以说是使永磁铁22a(也可以是永磁铁22c)的磁化方向为相同朝向的状态，且在海尔贝克阵列磁体26b中将永磁铁22a的两侧
的永磁铁22b与永磁铁22d交换的状态。
69.由此，在双海尔贝克阵列磁体30中，在成对配置的海尔贝克阵列磁体26a、26b之间形成了比使用一个海尔贝克阵列磁体26的情况更强的磁场。
70.另一方面，在电场(静电领域)中，已知有镜像法(电像法)。虽省略图示，但在镜像法中，隔着规定的距离(间隔尺寸)2g相向的正负点电荷+q、-q间的电场线以点电荷+q、-q的中间位置即距离g的位置为对称面的面对称(二维上为线对称)。在此状态下，将点电荷+q、-q的一者(例如点电荷-q)置换为导体(完全导体)，将导体的点电荷+q侧的面配置在距离g的位置(点电荷+q、-q的中间位置)。由此，在镜像法中，点电荷+q与导体之间的电场线和点电荷+q、-q的中间位置(对称面的位置)与点电荷+q之间的电场线相同。
71.通过应用使用了强磁性材料的强磁性体来代替导体，该镜像法对于磁场而言，也与电场同样地成立。以下，在图3a中，在双海尔贝克阵列磁体30中配置强磁性体32代替与海尔贝克阵列磁体26a相对的另一海尔贝克阵列磁体26b，强磁性体32由强磁性材料形成。在强磁性体32中，海尔贝克阵列磁体26侧的表面配置在成为海尔贝克阵列磁体26a、26b的中间位置的间隙中心gc的位置。
72.因此，在磁场产生部28a中，与双海尔贝克阵列磁体30中作为海尔贝克阵列磁体26a、26b之间的间隔的间隙长度2g相比，海尔贝克阵列磁体26与强磁性体32的间隔为空隙长度即间隙长度g。由此，在磁场产生部28a中，海尔贝克阵列磁体26与强磁性体32之间的磁通分布与双海尔贝克阵列磁体30的间隙中心gc与海尔贝克阵列磁体26a之间的磁通部分相同。
73.如图1所示，在电动机10的磁场产生部24中，在转子12的磁体部16应用海尔贝克磁铁阵列(与海尔贝克阵列磁体26对应)，在包围磁体部16的定子14的外筒部18中使用强磁性材料(外筒部18与强磁性体32对应)。
74.在电动机10中，外筒部18的内周面相对于磁体部16的外周面的位置(磁体部16的外周面与外筒部18的内周面之间的间隔)为对应双海尔贝克阵列磁体30的间隙中心gc的位置(对应间隙长度g的位置)。即，在将与磁体部16成对的另一磁体部配置在磁体部16的外筒部18侧的情况下，外筒部18的磁体部16侧的面配置在磁体部16与另一磁体部的中央位置。由此，在电动机10中，磁体部16与外筒部18之间的磁通分布与双海尔贝克阵列磁体30的间隙中心gc与海尔贝克阵列磁体26a之间的磁通部分相同。
75.接下来，对电动机10的间隙长度g进行说明。
76.在电动机10中，使用m组永磁铁22a～22d，通过永磁铁22a～22d在周向依次排列的海尔贝克磁铁阵列来形成磁体部16。在电动机10中，作为一个例子，在磁体部16中使用了8组(m＝8)永磁铁22a～22d。
77.在海尔贝克磁铁阵列中，与分割数n相应的n个永磁铁22为一组，在海尔贝克磁铁阵列中，n个永磁铁22的排列与n极/s极的两极对应，磁极数p相当于两极。由此，在电动机10中，在磁体部16中采用了8组永磁铁22a～22d即32个永磁铁22，电动机10的磁极数p为16极。
78.此外，在电动机10的磁体部16中，通过在海尔贝克阵列磁体26中的永磁铁22分别在沿着磁化方向的截面上等积变形，32个永磁铁22排列成圆筒状(圆环状)。
79.在此，一边参照图3a、图3b、图4a以及图4b，一边说明永磁铁22等积变形的海尔贝克磁铁阵列。在图4a中，用轴向观察的俯视图示出电动机10的磁场产生部24的概略结构，在
图4b中，用轴向观察的俯视图示出应用了双海尔贝克磁铁阵列的磁场产生部34。图4a与图3a(磁场产生部28a)的等积变形对应，图4b与图3b(磁场产生部28b)的等积变形对应。另外，在图4a和图4b中，为了简化说明，对等积变形前后的永磁铁22标注相同的附图标记。
80.如图4b所示，磁场产生部34通过径向内侧的磁体部34a和径向外侧的磁体部34b来形成，在磁体部34a、34b中，各个永磁铁22排列成圆弧状而形成圆筒状(圆环状)。在磁场产生部34中，磁体部34a与海尔贝克阵列磁体26a的等积变形后对应，磁体部34b与海尔贝克阵列磁体26b的等积变形后对应，磁场产生部34与双海尔贝克阵列磁体30的等积变形对应。
81.在等积变形中，设αi为内侧的磁体部34a的永磁铁22的径向截面与变形前的该部分的截面面积比，设αo为外侧的磁体部34b的永磁铁22的径向截面与变形前的该部分的截面面积比，设sg为磁体部34a和磁体部34b的永磁铁22的径向截面的1/2，设a为间隙的径向截面的面积相对于内侧的磁体部34a的永磁铁22和外侧的磁体部34b的永磁铁22的径向的平均截面面积的比，设lm为换算成变形前的永磁铁22(截面正方形)的情况的一边的长度(参照图2等)。
82.此外，如图4a和图4b所示，将rh、ri、rco、rso、rg、ro的各变量定为各部位的径向尺寸(半径)。设各个磁体部34a以及磁体部34b中成为永磁铁22总数的永磁铁22的分割数(总分割数)为nm。
83.在应用了双海尔贝克磁铁阵列的磁场产生部34中，满足以下的(1)式至(8)式的关系。
84.[数学式1]
[0085][0086][0087]
αisg＝-πr
h2
+πr
i2
…
(3)
[0088][0089]
asg＝πr
g2-πr
i2
…
(5)
[0090][0091][0092]
sg＝nml
m2
…
(8)
[0093]
由此，磁场产生部34(磁体部34a、34b)与磁场产生部24(磁体部16和外筒部18)中
的lm、ro、ri、rg的各变量满足以下的(9)式至(13)式的关系。
[0094]
[数学式2]
[0095][0096][0097][0098][0099][0100]
在此，在磁场产生部34中，能够设主要的变量为rco、nm、a。需要说明的是，a为用于对永磁铁22的总质量取最大磁通链数的参数，根据每个使用了磁场产生部34的电动机(应用了双海尔贝克磁铁阵列的电动机)来确定。
[0101]
通过使用这样设定的磁场产生部34的各变量的值(主要是rh、ri、rco)，能够确定电动机10的磁场产生部24中的外筒部18的内周面相对于磁体部16的位置。此外，可以根据以下公式得到磁体部16与外筒部18之间的间隙长度g。
[0102]
g＝(rco-ri)＝(rg-ri)/2
[0103]
另一方面，海尔贝克阵列磁体26(26a、26b)中的极距τ可以根据分割数n和永磁铁22的一边的长度lm得到，即τ＝(n
·
lm)/2。此外，间隙中心gc的极距τ可以根据分割数nm、间隙中心gc的半径rco得到，即τ＝(n
·
π
·
rco)/nm，其中，分割数nm是磁场产生部34一周的永磁铁22的数量。
[0104]
在双海尔贝克阵列磁体30中，在间隙中心gc得到最大的磁通链数的间隙长度2g为极距τ的0.5倍至2.0倍的范围(0.5τ≤2g≤2.0τ)。因此，在与双海尔贝克阵列磁体30对应的磁场产生部34中，通过上述关系式设定的间隙长度2g也包含在极距τ的0.5至2.0倍的范围。
[0105]
由此，电动机10的磁场产生部24的间隙长度g能够为极距τ的0.25倍至1.0倍的范围(0.25τ≤g≤1.0τ)。
[0106]
另一方面，在外筒部18(强磁性体32)中，作为强磁性体能够应用电磁钢板等软质磁性材料。外筒部18为在磁体部16的磁场内得到大于等于残留磁通密度的磁通密度的径向尺寸。在外筒部18中，饱和磁通密度由径向尺寸即厚度尺寸ly决定。
[0107]
此外，在外筒部18中，在磁体部16的磁场内与磁体部16相向的表面和磁体部16表面之间的空隙长度即间隙长度g为零的情况下，使用可以得到大于等于永磁铁22的残留磁通密度的磁通密度的高磁导率的强磁性材料，外筒部18的径向尺寸设为在规定的间隙长度
g内磁通密度达到饱和磁通密度的尺寸。
[0108]
在电动机10中，外筒部18磁饱和从而容易产生转矩脉动。因此，考虑使外筒部18的厚度尺寸ly足够大，以防止产生磁饱和。但是，在电动机10中，使外筒部18的厚度尺寸ly足够大，会导致单位质量的输出功率降低，输出功率密度降低。在电动机10中，为了提高单位质量的输出功率，优选外筒部18的厚度尺寸ly小(薄)，能够通过减小外筒部18的厚度尺寸ly，与厚度尺寸ly大的情况相比能够使电动机10小型化，并且能够提高输出功率密度。
[0109]
在此，设在外筒部18中磁体部16产生的最大磁通密度bm为饱和磁通密度bs的最大的外筒部18的厚度尺寸为lys。在外筒部18中，通过使厚度尺寸ly超过厚度尺寸lys(ly＞lys)从而不产生磁饱和。
[0110]
与此相对，在外筒部18中，当厚度尺寸ly小于等于厚度尺寸lys(ly≤lys)时容易产生磁饱和，当厚度尺寸ly小于厚度尺寸lys时(ly＜lys)产生磁饱和。在外筒部18中，当厚度(径向尺寸)极薄时，由于磁饱和，在磁体部16与外筒部18之间的空间明显存在谐波分量(空间谐波分量)。在电动机10中，由于在配置有线圈20u～20w的磁体部16与外筒部18之间的空间明显存在谐波分量，因此容易产生转矩脉动。
[0111]
在电动机10的磁场产生部24中，设外筒部18的厚度尺寸ly为与厚度尺寸lys相同的尺寸(ly＝lys)，或设厚度尺寸ly比厚度尺寸lys略小。由此，能够实现电动机10的小型化，并且抑制外筒部18的厚度尺寸ly导致的转矩脉动。
[0112]
此外，在磁体部16的磁场内与磁体部16相向的表面和磁体部16表面之间的间隙长度g为零的情况下，外筒部18如果是没有达到永磁铁22的残留磁通密度的磁导率低的(小的)磁性材料时，则产生漏磁(磁通泄漏)。
[0113]
与此相对，在磁场产生部24的外筒部18中，在磁体部16产生的磁场内与磁体部16相向的表面和磁体部16表面之间的间隙长度g为零的情况下，使用可以得到大于等于永磁铁22的残留磁通密度的磁通密度的高磁导率的强磁性材料(磁导率高的磁性材料)。由此，在磁场产生部24中，能够抑制在外筒部18产生漏磁(磁通泄漏)，在磁体部16与外筒部18之间有效地形成与双海尔贝克阵列磁体对应的磁场，能够更有效地抑制外筒部18的厚度尺寸ly导致的转矩脉动。
[0114]
另一方面，在应用了海尔贝克磁铁阵列的电动机10的磁体部16中，磁极数p为2的倍数，为永磁铁22的组数m的两倍(p＝2m)。此外，在供给三相交流电的电动机10中，槽数(线圈数)s为3的倍数。在电动机10中，通过增加磁极数p、槽数s能够增大输出功率。
[0115]
在图1中，分别示出电动机10的转子12和定子14的大致半周，在电动机10中，磁极数p为16(16极)，槽数s为18。由此，在电动机10中，磁极数p相对于槽数s为8比9(p：s＝8：9)，在电动机10中，磁极数p相对于槽数s为除了2比3(p：s＝2：3)和4比3(p：s＝4：3)以外。
[0116]
在这样构成的电动机10中，通过转子12的磁体部16和定子14的外筒部18来形成磁场产生部24，在该磁场产生部24中配置有电枢20(线圈20u～20w)。因此，电动机10通过向线圈20u～20w分别供给规定电压的三相交流电使转子12旋转并使输出轴旋转，转子12以与向线圈20u～20w分别供给的三相交流电的频率相应的转速旋转，输出轴被旋转驱动。
[0117]
在此，在电动机10的磁场产生部24中，磁体部16被外筒部18包围，外筒部18与磁体部16的各个永磁铁22相向，在磁体部16中，通过多个永磁铁22形成海尔贝克阵列磁体26。此外，在磁场产生部24中，外筒部18以双海尔贝克阵列磁体30中的海尔贝克阵列磁体26a、26b
的间隙中心gc对应的位置为内周面的位置的方式相对于磁体部16配置。因此，在磁场产生部24中，在磁体部16与外筒部18之间形成与应用了双海尔贝克阵列磁体30的磁场同样的磁场(近似的磁场)。
[0118]
在双海尔贝克阵列磁体30(磁场产生部34)中，可以在间隙中心gc得到最大磁通链数的间隙长度2g，为极距τ的0.5倍至2.0倍的范围(0.5τ≤2g≤2.0τ)。在电动机10中，间隙长度g为极距τ的0.25倍至1.0倍的范围(0.25τ≤g≤1.0τ)。
[0119]
在双海尔贝克阵列磁体30(磁场产生部34)中，在间隙长度2g为极距τ的0.5倍至2.0倍的范围内可以得到双海尔贝克阵列磁体的特性。因此，在磁场产生部34中，间隙中心gc的空间谐波分量被抑制，间隙中心gc的磁通密度在为电角方向的周向上以正弦波状变化。由此，在磁场产生部24中，在间隙长度g为极距τ的0.25倍至1.0倍的范围内，抑制间隙长度g的位置的空间谐波分量，间隙长度g的位置的磁通密度在为电角方向的周向上以正弦波状变化。
[0120]
在电动机10的磁场产生部24中，由于外筒部18在能够与双海尔贝克阵列磁体30近似的恰当位置相对于磁体部16配置，恰当地再现了在双海尔贝克阵列磁体30中能够抑制转矩脉动的效果。由此，在电动机10的磁场产生部24中，使用一个海尔贝克阵列磁体26就可以得到与双海尔贝克阵列磁体30相同的效果，因此在电动机10中抑制转矩脉动的产生。
[0121]
然而，在电动机10中，设外筒部18的厚度尺寸ly小于等于产生磁饱和的厚度尺寸lys(ly≤lys)。因此，在电动机10中，由于厚度尺寸ly比在外筒部18中不产生磁饱和的情况更小，所以外筒部18能够实现小型化。
[0122]
在此，在图5a至图5c中，用概略图示出与外筒部18的厚度尺寸ly相应的磁体部16和外筒部18之间的磁感线的分布和磁通密度的分布。另外，在图5a中，示出厚度尺寸ly大于厚度尺寸lys的(ly＞lys)情况的一个例子，在图5b中，示出厚度尺寸ly与厚度尺寸lys相同(ly＝lys)的情况，在图5c中，示出厚度尺寸ly小于厚度尺寸lys的(ly＜lys)情况的一个例子。
[0123]
如图5a所示，在外筒部18的厚度尺寸ly大于产生磁饱和的厚度尺寸lys的(ly＞lys)情况下，在外筒部18不产生磁饱和，外筒部18的磁通密度b在整个区域未达到饱和磁通密度bs。在磁场产生部24中，通过在外筒部18不产生磁饱和来抑制空间谐波分量的产生。由此，在电动机10中，虽然外筒部18的外径尺寸增大，但抑制了转矩脉动的产生。
[0124]
与此相对，如图5b和图5c所示，由于外筒部18的厚度尺寸ly小于等于厚度尺寸lys(ly≤lys)，在外筒部18产生磁饱和。此时，如图5b所示，在外筒部18的厚度尺寸ly与厚度尺寸lys相同的范围(ly＝lys或ly≈lys)内，磁通密度b达到饱和磁通密度bs的区域为外筒部18的周向的一部分(窄的区域)。此外，如图5c所示，由于外筒部18的厚度尺寸ly小于厚度尺寸lys(ly＜lys)，因此在外筒部18，磁通密度b为饱和磁通密度bs的区域在周向扩大。
[0125]
在电动机10中，通过使外筒部18的厚度尺寸ly小于等于厚度尺寸lys，能够减小外筒部18的外径尺寸。由此，电动机10能够实现小型化，并能够提高输出功率密度。此时，在电动机10中，通过在磁体部16与外筒部18之间形成与双海尔贝克阵列磁体30相同的磁场，与未形成与双海尔贝克阵列磁体30相同的磁场情况相比，能够抑制转矩脉动的产生。
[0126]
但是，在电动机10中，将外筒部18的厚度尺寸ly设得比厚度尺寸lys过于小，则导致在外筒部18产生磁饱和的区域在周向扩大。在磁场产生部24中，在外筒部18产生磁饱和
的区域在周向扩大，则导致磁体部16与外筒部18之间形成的磁路内的磁阻增加。在磁场产生部24中，磁路内的磁阻增加，则导致镜像法的效果减弱，空间谐波分量增加，设置了磁场产生部24的电动机10的转矩脉动增加。
[0127]
在此，在磁场产生部24中，在磁体部16中应用了海尔贝克磁铁阵列(海尔贝克阵列磁体26)。因此，在磁场产生部24中，抑制了因为镜像法的效果而在外筒部18中产生磁饱和导致产生转矩脉动。
[0128]
此外，在磁场产生部24中，线圈20u～20w分别为空心线圈。因此，由于磁体部16与外筒部18之间的介电常数与空气的介电常数大致相同，抑制与线圈20u～20w交链的磁通的谐波分量。因此，在磁场产生部24中，即使在外筒部18内的磁路中的磁阻增加，也能够抑制磁路整体的磁阻增加。由此，在磁场产生部24中，即便将外筒部18的厚度尺寸ly设为小于等于厚度尺寸lys，也能够抑制空间谐波分量的增加，能够抑制在电动机10产生的转矩脉动增加。
[0129]
因此，在电动机10中，通过设外筒部18的厚度尺寸ly小于等于厚度尺寸lys(ly≤lys)，能够实现小型化，特别是通过设厚度尺寸ly小于厚度尺寸lys(ly＜lys)，可以进一步小型化。此外，在电动机10中，通过使厚度尺寸ly接近厚度尺寸lys(ly≈lys)，能够有效地抑制转矩脉动等增大。
[0130]
另一方面，在电动机10中，磁极数p相对于槽数s(p比s)为8比9。在图6a和图6b中，用概略图示出p比s为除了8比9以外的组合。此外，在图7a和图7b中，用单线接线图示出电动机10的电枢20中线圈20u～20w的连接。另外，在图6a中，示出使磁极数p相对于槽数s(p比s)为2比3的例子，在图6b中，示出使磁极数p相对于槽数s为4比3的例子。
[0131]
如图7a所示，各相的线圈20u～20w的各自的一端以中性点n连结。此外，线圈20u～20w按每个相串联连接。因此，在槽数s为18(s＝18)的情况的情况下，每6个线圈20u、20v、20w按每个相串联连接。此外，在槽数s为24(s＝24)的情况下，每8个线圈20u、20v、20w按每个相串联连接，在槽数s为12(s＝12)的情况下，每4个线圈20u、20v、20w按每个相串联连接。
[0132]
此外，线圈20u、20v、20w分别为集中绕组，以线圈20u、线圈20v、线圈20w、线圈20u、
···
的顺序在外筒部18的周向整周地配置(参照图1、图6a、图6b)。
[0133]
另外，沿着外筒部18的周向的电枢20的配置不限于此。在图7b中，示出槽数s为9的倍数的情况的一个例子。
[0134]
如图7b所示，设置相对于各个线圈20u、20v、20w反绕的线圈20u’、20v’、20w’。在各个u相、v相、w相中，在各个正绕的线圈20u、20v、20w的两侧串联连接各个反绕的线圈20u’、20v’、20w’。例如，在u相中，将线圈20u’、线圈20u、线圈20u’串联连接形成一组，在18槽的情况下，将两组的线圈20u’、线圈20u、线圈20u’串联连接而将u相接线。在v相和w相中，分别使用线圈20v、20v’和线圈20w、20w’进行与u相同样地接线。
[0135]
此外，以如下方式将电枢20配置到外筒部18：将各个集中绕组的线圈20u～20w、20u’～20w’以线圈20u、线圈20u’、线圈20v’、线圈20v、线圈20v’、线圈20w’、线圈20w、线圈20w’、线圈20u’、
···
的顺序进行配置。在电动机10的电枢20的接线中，也可以应用图7b的接线。
[0136]
如图6a所示，磁极数p为16极，在设p比s为2比3的情况下，为24槽(线圈数为24)，8组线圈20u、20v、20w在周向依次配置。此外，如图6b所示，磁极数p为16极，在设p比s为4比3
的情况下，为12槽(线圈数为12)，4组线圈20u、20v、20w在周向依次配置。
[0137]
在外筒部18的厚度尺寸ly小(例如轭铁薄)的情况下，外筒部18产生的磁饱和导致与线圈20u～20w交链的正弦波磁通的最大振幅部分塌陷(变形)，三次谐波分量和五次谐波分量明显出现。因为三次谐波分量是电源频率的3倍的频率分量，所以在被三相交流电驱动的情况下，抑制转矩脉动明显化。但是，五次谐波分量作为电源频率的6倍的频率分量的转矩脉动而变得明显。
[0138]
旋转应用了海尔贝克磁铁阵列的磁体部16，通过使外筒部18的磁通密度接近饱和从而使在间隙中(磁体部16与外筒部18之间的空间中)产生的磁通密度分布的五次空间谐波分量与各相的线圈20u～20w交链。由此，在各相的线圈20u～20w中，以电角速度的5倍的频率产生感应电动势。对于该感应电动势从交流电源向各线圈20u～20w流入正弦波电流，从而在各相的线圈20u～20w中产生电源频率的6倍的频率的转矩脉动。因此，为了抑制转矩脉动，优选与各相的线圈20u～20w交链的五次空间谐波分量的磁通链数的总和小。
[0139]
在此，为了简化说明，设间隙中的磁通密度分布的五次空间谐波分量的振幅为1，设各线圈20u～20w以图1、图6a以及图6b分别示出的边界为线圈宽度(沿着周向的线圈宽度)进行卷绕。
[0140]
在此情况下，例如，u相的线圈20u的五次空间谐波分量的磁通链数的总和(的时间变化)ψ(ωt)由(14)式至(16)式表示。其中，在(14)式至(16)式中，x为机械角(输出轴的旋转角)、ω为驱动角速度、t为时刻。
[0141]
另外，(14)式的ψ
2to3
(ωt)表示磁极数p为16极、槽数s为24槽的情况(p比s为2比3)，(15)式的ψ
4to3
(ωt)表示磁极数p为16极、槽数s为12槽的情况(p比s为4比3)，(16)式的ψ
8to9
(ωt)表示磁极数p为16极、槽数s为18槽的情况(p比s为8比9)。
[0142]
[数学式3]
[0143][0144][0145][0146]
在图8中，用曲线图表示由各个(14)式至(16)式得到的u相与中性点n之间的线圈20u的五次空间谐波分量的磁通链数的总和(ψ)相对于时间(ωt)的变化。另外，纵轴的
“‑”
表示总和的磁感线的朝向与“+”方向相反。
[0147]
如图8所示，可知，p比s为2比3的情况与p比s为4比3、8比9的情况相比，五次空间谐波分量的磁通链数更多。此外，与p比s为2比3的情况相比，通过设p比s为4比3，可以将间隙中的磁通密度分布中的五次空间谐波分量的磁通链数减半。进而，通过设p比s为8比9，可以
将间隙中的磁通密度分布中的五次空间谐波分量的磁通链数的总数变得极少。
[0148]
由此，为了抑制因减小与磁体部16相向的外筒部18的厚度尺寸ly(ly≤lys)而产生的转矩脉动，优选设p比s为除了2比3以外，更优选设p比s为除了2比3以外以及除了4比3以外。
[0149]
因而，在设p比s为8比9的电动机10中，在设外筒部18的厚度尺寸ly与厚度尺寸lys相同(ly＝lys)的情况下当然不用说，即使在小于厚度尺寸lys(ly＜lys)的情况下也能够实现输出功率密度的提高并且有效地抑制外筒部18中的磁饱和导致的转矩脉动的产生。
[0150]
另一方面，如上所述，在三相感应电动机中，在每一周期电角度的磁通密度包含的空间谐波分量中，3的倍数的次数(三次、六次、
···
)的空间谐波分量导致的转矩脉动被抑制。此外，空间谐波分量的振幅影响转矩脉动，由于在空间谐波分量中低次数的空间谐波分量的振幅大于高次数的空间谐波分量的振幅，因此低次数的空间谐波分量影响转矩脉动。
[0151]
在应用了海尔贝克磁铁阵列的磁体中，根据一周期电角度的分割数n来确定永磁铁22的分割数m。此时，在磁场内的磁通密度的变化(电角方向上的变化)中包含空间谐波分量。海尔贝克磁铁阵列中的空间谐波分量在分割数n的倍数p(其中，p为正整数)加上1得到的次数(p
·
n+1)时振幅变大。例如，在分割数n＝4的情况下，五次(p＝1)和九次(p＝2)的空间谐波分量的振幅变大。
[0152]
由此，作为分割数n，更优选n＝3
·
k+2(其中，k为正整数)。由此，在使用了三相交流电的电动机10中，能够抑制在使用了海尔贝克磁铁阵列的磁体部16中产生影响转矩脉动的空间谐波分量。
[0153]
因此，在电动机10中，在设外筒部18的厚度尺寸ly与厚度尺寸lys相同(ly＝lys)的情况下自然不用说，在比厚度尺寸lys小的(ly＜lys)的情况下也优选设磁体部16的海尔贝克磁铁阵列中的分割数n为n＝3
·
k+2(其中，k为正整数)。由此，在电动机10中，能够实现输出功率密度的提高并且有效地抑制空间谐波分量的增加，能够有效地抑制磁饱和导致的转矩脉动的产生。
[0154]
此外，通过将磁极数p相对于槽数s的组合与分割数n＝3
·
k+2(其中，k为正整数)进行组合，能够在电动机10中更有效地抑制空间谐波分量的增加，能够更有效地抑制磁饱和导致的转矩脉动的产生。
[0155]
像这样，在电动机10中，将外筒部18的厚度尺寸ly设为与产生磁饱和的厚度尺寸lys相同的厚度或小于厚度尺寸lys(薄)。因此，电动机10能够实现小型化。此外，在电动机10中，外筒部18的磁饱和导致的空间谐波分量的产生被抑制。由此，在电动机10中，能够抑制磁场中的空间谐波分量导致的转矩脉动、齿槽转矩的振动、以及振动导致的噪声等产生，电动机10即使在以高速旋转驱动的情况下也得到稳定的输出功率。
[0156]
另一方面，在电动机10中，磁体部16的外周面与外筒部18的内周面之间的间隔即间隙长度g为双海尔贝克阵列磁体30中的间隙长度(间隙长度2g)的1/2。因此，在电动机10中，与在外筒部18的内周面配置的各个线圈20u～20w交链的磁通链数为双海尔贝克阵列磁体的磁通链数的一半(大致1/2)。由此，在电动机10中，对于相同的输入电流，输出转矩为应用了磁场产生部34(双海尔贝克阵列磁体30)的情况的一半，在电动机10中，产生与启动时相同的转矩并且使转速上升的情况的反电动势为应用了磁场产生部34的情况的反电动势
的一半。因此，在电动机10中，在电源电压相同的情况下，与在磁场产生部24应用了双海尔贝克阵列磁体30(磁场产生部34)的情况相比，能够在转速到达两倍为止产生转矩，所以在电动机10中，能够得到与在磁场产生部24应用了双海尔贝克阵列磁体30(磁场产生部34)的情况相等的输出功率。
[0157]
此外，在应用了磁场产生部34(双海尔贝克阵列磁体30)的电动机中，因为磁体部34b设置在外转子，所以需要在设置有磁体部34b的外转子的外侧设置外壳(壳体)。
[0158]
与此相对，在电动机10中，因为与磁体部16相向的外筒部18被固定，能够使外筒部18具有壳体的功能，因此电动机10能够实现小型化并削减部件数，实现低成本化和输出功率密度的提高。而且，因为在电动机10中使用了海尔贝克磁铁阵列，所以与应用了双海尔贝克磁铁阵列的情况相比，能够削减永磁铁22的数量，能够进一步实现轻量化和低成本化，能够实现输出功率密度的有效提高。
[0159]
此外，一般来说，在径向截面为相似形状且轴向长度相同的电动机之间，输出(转矩)能够以相似比的3次方成比例地增大。在电动机10中，与应用了双海尔贝克阵列磁体30的情况相比，能够在径向的大小留出余量，所以电动机10存在能够增大输出功率的可能性，与应用了双海尔贝克阵列磁体30的情况相比，电动机10能够期望得到大的输出功率密度(输出功率/体积比)。
[0160]
此外，在电动机10中，线圈20u～20w为空心线圈，并使用了利兹线。在电动机10中，通过使线圈20u～20w为空心线圈，能够抑制反电动势的产生，能够抑制在进行逆变控制的情况下逆变电路中的开关元件的发热。此外，通过将利兹线用作线圈20u～20w的绕线，能够减小电感，能够有效地抑制发热以及各个线圈20u～20w产生的反电动势。由此，在电动机10中，能够提高额定转速，能够高速旋转。
[0161]
进而，在电动机10中，由于配置了电枢20(线圈20u～20w)的外筒部18不旋转，能够用冷却叶片、冷却管等冷却单元对外筒部18进行冷却，因此在冷却外筒部18的同时也能够对外筒部18的内侧的电枢20进行冷却。由此，电动机10也能够有效地抑制发热，能够在短时间输出大转矩。
[0162]
另外，在以上说明的本实施方式中，以磁体部16的分割数n＝4为例，对优选的分割数n为n＝3
·
k+2(其中，k为正整数)的情况进行了说明。然而，分割数n至少为大于等于3的整数即可。
[0163]
此外，在本实施方式中，以电动机10为例进行了说明，旋转电机也可以在车辆的加速模式下作为驱动源工作，在减速模式(再生模式)下作为再生用发电机工作。在此情况下，在切换加速模式和再生模式时，即使电流的方向反转，也能够抑制(减小)电枢蓄积的磁能。因此，在旋转电机中，由于能够降低电流切换时产生的感应电压，所以能够抑制用于驱动旋转电机的驱动电路被旋转电机损伤。而且，旋转电机能够为车辆提供良好响应的驾驶性能。
[0164]
在本实施方式中，还将磁体部34a、34b中的径向外侧的磁体部34b置换成强磁性体(外筒部18)。然而，在用于旋转电机的磁场产生装置中，也可以将径向内侧的海尔贝克磁铁阵列置换为强磁性体，在强磁性体的径向外侧配置海尔贝克磁铁阵列的磁体。
[0165]
此外，在本实施方式中，以包围圆环状排列永磁铁22的转子12的方式配置定子14的外筒部18的电动机10为例进行了说明。然而，在旋转电机中，也可以将圆环状排列永磁铁的磁体部能够相对旋转地配置在筒体的周围。
[0166]
本实施方式中，还以电动机10为例进行了说明。然而，旋转电机也可以是通过旋转而产生三相交流电的发电机。通过将发电机用作旋转电机，能够提高发电机的输出功率密度。
[0167]
本说明书通过参照援引日本专利申请2019-155987所公开的全部内容。
[0168]
对于本说明书中记载的所有文献、专利申请及其技术标准，通过参照而援引各个文献、专利申请以及技术规格与具体且逐个记载的情况等同地，通过参照援引在本说明书中。