特開 2024-176819 回転電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024176819

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】回転電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/02 20060101AFI20241212BHJP

【ＦＩ】

H02K1/02 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023095638

(22)【出願日】2023-06-09

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業、研究成果最適展開支援プログラム（トライアウト）、「低損失・小型化を実現する磁性コンポジットリング埋込形サーボモータの開発」受託事業、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】504180239

【氏名又は名称】国立大学法人信州大学

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 光秀

(72)【発明者】

【氏名】水野 勉

(72)【発明者】

【氏名】高沢 渓吾

【テーマコード（参考）】

5H601

【Ｆターム（参考）】

5H601AA26

5H601AA29

5H601CC15

5H601DD01

5H601DD11

5H601EE27

5H601EE34

5H601EE35

5H601FF01

5H601FF02

5H601FF17

5H601GA02

5H601GA47

5H601GB05

5H601GB13

5H601GB48

5H601HH02

5H601HH05

5H601HH22

5H601HH23

5H601KK25

(57)【要約】      （修正有）

【課題】本発明は、固定子を複合磁性材からなる構造とし、回転子の永久磁石の渦電流損などの交流損失を低減できる高速回転用の回転電機を提供する。
【解決手段】本発明に係る回転電機は、永久磁石３を備える回転子と磁性材料からなる固定子コア４を備える固定子とを備え、回転子に対して回転磁界を印可するための固定子巻線５が固定子に設けられ、固定子コア４の磁性材料は磁性粉がマトリックス材中に分散された複合磁性材である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

永久磁石を備える回転子と磁性材料からなる固定子コアを備える固定子とを備え、前記回転子に対して回転磁界を印可するための固定子巻線が前記固定子に設けられている回転電機であって、
前記固定子コアの磁性材料は磁性粉がマトリックス材中に分散された複合磁性材であることを特徴とする回転電機。

【請求項2】

前記複合磁性材の比透磁率は２以上２０以下の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。

【請求項3】

前記複合磁性材において、前記磁性粉と前記マトリックス材の合計体積に対する前記磁性粉の体積の比率は１０体積％以上９０体積％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。

【請求項4】

前記磁性粉は、センダスト、鉄基アモルファス、および鉄シリコンの内の少なくとも１種であることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。

【請求項5】

前記磁性粉は、粒径が１μｍ以上１０００μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の回転電機。

【請求項6】

前記マトリックス材は、エポキシ、アクリル、ウレタン、エストラマー、フェノール、ナイロンのいずれかの樹脂であることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転子と固定子、および回転子コアの周方向に沿って並ぶように配置された複数の永久磁石とを備える回転電機に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、エネルギー消費の増加に伴って国際的に地球温暖化などの環境問題が注目され、省エネルギーを目的に低損失化が求められている。各分野で電動化が進む中、回転電機の一つである電動機（以下、「モータ」という。）は世界の消費エネルギーの４０％を占めている。モータの体格を維持して高出力化を図る手段として、回転数を増加させるモータの研究が行われ、超高速のモータの一つに埋込巻線形同期モータと呼ばれるモータが検討されている（例えば、非特許文献１）。

【0003】

非特許文献１に記載の発明においては、固定子コアのティースを複合磁性材で形成し、さらに永久磁石に対向する側に複合磁性材からなる磁性のリングを設けて巻線を埋め込んだ構造が検討されている。複合磁性材を適用することにより巻線の交流銅損や永久磁石の渦電流損、固定子の鉄損による交流損失を低減した。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】鈴木樹、楡井雅巳、堀内学、佐藤光秀、卜穎剛、水野勉、超高速回転における交流損失を低減する埋込巻線形同期モータ、日本ＡＥＭ学会誌、Ｖｏｌ２８、Ｎｏ．２（２０２０）．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

非特許文献１に記載のモータでは、固定子は、複合磁性材と電磁鋼板の二つの材料で構成され、構造面や特性面で改善の余地があった。

【0006】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、固定子コアを複合磁性材のみからなる構造とし、交流損失をさらに低減できる高速回転用の回転電機を提供すること、を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

請求項１に記載の回転電機は、永久磁石を備える回転子と磁性材料からなる固定子コアを備える固定子とを備え、前記回転子に対して回転磁界を印可するための固定子巻線が前記固定子に設けられている回転電機であって、前記固定子コアの磁性材料は磁性粉がマトリックス材中に分散された複合磁性材であることを特徴とする。

【0008】

請求項２に記載の回転電機は、請求項１に記載のものであり、前記複合磁性材の比透磁率は２以上２０未満の範囲であることを特徴とする。

【0009】

請求項３に記載の回転電機は、請求項１または２に記載のものであり、前記磁性粉と前記マトリックス材の合計体積に対する前記磁性粉の体積の比率は１０体積％以上９０体積％以下であることを特徴とする。

【0010】

請求項４に記載の回転電機は、請求項３に記載のものであり、前記磁性粉は、センダスト、鉄基アモルファス、および鉄シリコンの内の少なくとも１種であることを特徴とする。

【0011】

請求項５に記載の回転電機は、請求項４に記載のものであり、前記磁性粉は、粒径が１μｍ以上１０００μｍ以下であることを特徴とする。

【0012】

請求項６に記載の回転電機は、請求項３に記載のものであり、前記マトリックス材は、エポキシ、アクリル、ウレタン、エストラマー、フェノール、ナイロンのいずれかの樹脂であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明を適用する回転電機は、固定子コアの磁性材料として複合磁性材を用いるため、固定子コアの比透磁率を２０以下とすることができ、高速回転時における回転子の永久磁石の渦電流損を低減することができる。また、固定子コアの単位体積磁芯損失が小さいため、固定子コアの鉄損を低減することができる。さらに、固定子コアにおいて内側にリングを有しないため構造が簡単であり、一般的な集中巻モータと同じようにコイル巻き作業が容易である。

【0014】

さらに、固定子コアに使用する複合磁性材の比透磁率が２以上である場合、同一形状のコアレスモータよりもトルク定数が向上し、トルク作用時の直流銅損を低減できる。また、回転子の永久磁石の磁束が固定子の固定子巻線（コイル）に鎖交することに伴う交流銅損を低減できる。

【0015】

また、固定子コアに使用する複合磁性材は、磁性粉充填率や磁性粉種類を変えることで磁気特性が調整可能である。さらに、磁性粉とマトリックス材の合計体積に対する磁性粉の体積の比率（磁性粉の体積混合比率）が１０体積％以上９０体積％以下である場合、モータの寸法、回転速度やトルクなどの運転特性を考慮した高効率化が可能である。

【0016】

また、磁性粉がセンダスト、鉄基アモルファス、および鉄シリコンの内の少なくとも１種である場合、単位体積磁芯損失が小さい材料であるため、高速回転時の回転電機の効率を高くすることができる。
さらに、磁性粉の粒径が１μｍ以上１０００μｍ以下である場合、鉄損を小さくでき、高速回転時の回転電機の効率を高くすることができる。

【0017】

また、マトリックス材が、エポキシ、アクリル、ウレタン、エストラマー、フェノール、ナイロンのいずれかの樹脂である場合、絶縁性を確保でき、配合比を変えることで機械的強度の調整を簡便に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明を適用する回転電機を回転軸方向に垂直な平面で切断した断面図である。

【図2】本発明を適用する回転電機に使用する複合磁性材の製造方法を説明するための模式図である。

【図3】本発明を適用する回転電機の損失低減・効率向上の原理について説明する図である。

【図4】本発明を適用する別の回転電機を回転軸方向に垂直な平面で切断した断面図である。

【図5】各種磁性材料の磁気ヒステリシス曲線を示すグラフである。

【図6】各種磁性材料の単位体積磁芯損失を示すグラフである。

【図7】複合磁性材（比透磁率μｒ＝２～１０）の磁気ヒステリシス曲線を示すグラフである。

【図8】比較例５に係る回転電機を回転軸方向に垂直な平面で切断した断面図である。

【図9】電磁界解析による実施例５および比較例１～４の磁束密度分布を示す図である。

【図10】電磁界解析による実施例５および比較例１～４の損失密度分布を示す図である。

【図11】電磁界解析（回転数１２５、０００ｒｐｍ）による実施例１～５および比較例１～５のモータの損失解析結果をまとめた表である。

【図12】図１１の結果を棒グラフで表したものである。

【図13】電磁界解析（回転数５０、０００ｒｐｍ）による実施例５および比較例１～４の損失解析結果を棒グラフで表したものである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、発明を実施するための形態を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの形態に限定されるものではない。なお、各図において共通する部分については、同一のまたは対応する符号を付して説明を省略する場合がある。

【0020】

＜第１実施形態＞
[構造・構成]
図１に、本発明を適用する回転電機１０を回転軸方向に垂直な断面で表した部分構成図を示す。回転電機１０は、電動機（モータ）または発電機である。

【0021】

回転電機１０は、回転子と固定子とを備えている。回転子は、回転軸のシャフト１と回転子コア２と、回転子コア２の外周に交互に極性を変えて並ぶように配置された複数の永久磁石３とを備えている。また、固定子は、固定子コア４と固定子巻線（コイル）５を備えている。

【0022】

回転子は、固定子と同心円状であり、かつ、固定子との間にエアギャップを有するように配置されている。回転子の回転子コア２は、軟磁性材料で形成されたものであり、円筒形に形成されている。回転子コア２は、一例として、透磁率の高い金属製の鋼板を円環状に打ち抜き加工して形成された多数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成された、いわゆる積層鋼板構造により円筒形に形成されたものである。

【0023】

永久磁石３は、エアギャップを介して固定子コア４のティース４２に対向するよう回転子コア２の外周面に固定されている。永久磁石３は、予め図中のＮ極とＳ極を生じるように着磁されている。永久磁石３の磁化方向は回転子の半径方向である。永久磁石３は、材料の限定はないが、磁力の強さからネオジウム磁石やサマリウムコバルト磁石が好ましい。

【0024】

固定子は、円環形状に形成されている。固定子は、外環部のヨーク（以下、「ヨーク」という。）４１とヨーク４１から内周側に向けて突起する複数のティース４２で構成される固定子コア４と、隣接するティース４２間の空間であるスロットとから形成されている。ティース４２には、固定子巻線５が巻回されている。スロットはオープンスロットであり、固定子コア４はスロットにおいて開口部を備えている。開口部においてはティース４２と永久磁石３は対向していない。図１においては、一例として、回転電機の固定子のティース４２は、周方向に沿って６個を有する６スロット構造の例を示している。

【0025】

固定子巻線５の巻き方は限定されない。例えば、集中巻または分布巻を採用することができる。ただし、小型化の観点から集中巻が好ましい。固定子巻線５の材料として、例えば、比抵抗の小さい、銅、アルミニウムおよび超電導線材などが挙げられる。

【0026】

回転電機１０がモータの場合、固定子巻線５に交流電流を通電し、固定子は回転子に対する回転磁界を生成する。また、回転電機１０が発電機の場合、回転子の永久磁石５の回転により、固定子の固定子巻線５に磁力線が作用し電圧が発生する。回転電機１０の回転数に限定はないが、一例として、５０、０００ｒｐｍ以上が好ましく、高速回転という点から１００、０００ｒｐｍ以上であることがより好ましい。

【0027】

[固定子コアの材料・特性]
固定子コア４（ヨーク４１とティース４２）は、比透磁率が１を超える磁性材料からなる磁性体である。固定子コア４の比透磁率は、交流損失低減の点から、回転動作における、例えば周波数４ｋＨｚの交流磁界に対して、２以上２０以下が好ましく、さらに２以上１０以下がより好ましい。固定子コア４の材料（磁性材料）は、上記範囲の比透磁率を有するものであれば限定されないが、成型のし易さという点から複合磁性材が好ましい。複合磁性材において透磁率の大きさは、後述する磁性粉の種類や形状、大きさ、また、マトリックス材に対する磁性粉の混合比を変えることで制御可能である。また、固定子コア４には、透磁率の少なくとも一方の特性の異なる複数種の複合磁性材で構成されていてもよい。例えば、回転電機の特性上の必要性から、複数種の複合磁性材で固定子コアを分割して構成してもよい。

【0028】

複合磁性材は、マトリックス材中に磁性粉が分散している混合部材である。樹脂からなるバインダに磁性粉を混ぜて固化させたものであってもよく、例えば、磁性粉に樹脂と希釈材を混合・攪拌・注型し、熱硬化させたものでもよい。複合磁性材は、高周波での損失が少なく、透磁率が低く、飽和磁束密度が高いという特徴がある。

【0029】

磁性粉は、軟磁性体を粉末状（微粒子状）に形成したものである。磁性粉の材質として、例えば、鉄基アモルファス、センダスト、パーマロイ、鉄シリコン、ＮＡＮＯＭＥＴ（登録商標）、ナノ結晶合金が挙げられる。磁性粉は、これらの磁性粉の内の少なくとも１種であることが好ましい。磁性粉は、鉄損が小さく樹脂との混合が容易な材料が好ましい。特に、鉄損が小さいセンダストが好ましく、また、複数種の磁性粉を配合してもよい。磁性粉は、絶縁被覆されているものであってもよい。

【0030】

磁性粉の形状は任意である。磁性粉として、例えば、球状、塊状および扁平状の粉体から選ばれる１種または複数種の粉体を混合したものを用いることができる。また、磁性粉として、異なる形状、異なるサイズの粉体を混合して用いることができる。磁性粉の形状に限定はないが、球状が好ましい。扁平状の磁性粉では、強磁場により配向が生じ、磁束密度が飽和する可能性があるからである。磁性粉のサイズに限定はないが、一例として、磁性粉の粒径が１μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。小さなサイズの方が鉄損を少なくできるからである。

【0031】

マトリックス材は、複合磁性材における母材であり、非磁性で絶縁性を有する材料である。スラリー状から硬化する材料であれば特に限定されないが、製造性や絶縁特性などから樹脂であることが好ましい。樹脂の材質に限定は無く、例えば、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を使用することができる。熱硬化性樹脂として、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、エストラマー樹脂が挙げられる。エポキシ樹脂は、寸法安定性や耐水性・耐薬品性および電気絶縁性が高いことから好ましく使用できる。熱可塑性樹脂として、例えば、アクリル樹脂、ナイロン樹脂が挙げられる。よって、マトリックス材としては、エポキシ、アクリル、ウレタン、エストラマー、フェノール、ナイロンのいずれかの樹脂であることが望まれる。

【0032】

磁性粉とマトリックス材の樹脂との配合比に限定は無く、所望の特性に応じて適宜決めればよい。絶縁性の樹脂中で、導電性の磁性粉同士が接触すると鉄損が増えるため、磁性粉同士が多く接触しない配合比にすることが好ましい。配合の結果、磁性粉とマトリックス材の合計体積に対する磁性粉の体積の比率（磁性粉の体積混合比率）は、一例として、１０体積％以上９０体積％以下が好ましい。この範囲より低いと磁束経路が十分に制御されず、逆に高いと材料自身の剛性が低下するからである。さらに、この点から、磁性粉の体積混合比率は４０体積％以上７０体積％以下がより好ましい。

【0033】

[固定子コアの製造方法]
図２に、複合磁性材の製造方法の一例を示す。まず、磁性粉およびスラリー状（液状）のマトリックス材（樹脂材料）を準備する。続いて、樹脂材料と磁性粉とを混合し、攪拌してマトリック材中に磁性粉を均一に分散させる。混合する際に、必要に応じて溶剤、添加剤、結合剤等を適宜加えてもよい。続いて、加熱し、成形して、マトリックス材を硬化させる。これにより、ヨークとティースが一体に形成され所望の形状の固定子コアが完成する。このとき、圧粉磁心のような高圧力で圧縮成型する必要はない。

【0034】

また、固定子コアには、透磁率の異なる複数種の複合磁性材で構成されていてもよい。例えば、回転電機の特性上の必要性から、複数種の複合磁性材で固定子コアを分割して構成してもよい。

【0035】

[損失低減・効率向上の原理]
次に、本発明を適用する回転電機の損失低減・効率向上の原理について説明する。

【0036】

図３は、図１に示した構成図の一部分を示しており、回転電機の効率向上の原理を説明するための概要図である。ヨークとティースからなる固定子コア４は複合磁性材で形成されている。複合磁性材の比透磁率は２～２０と非常に低い。これにより、本発明の回転電機は固定子のスロットとティースとの間で磁気抵抗差を小さくでき、回転方向に対する磁気抵抗の差が小さくなる。そして、磁気抵抗の差を小さくした場合には、ギャップ部に発生する磁束の空間高調波の抑制に有効であり、固定子や永久磁石で発生する鉄損の低減に有効である。

【0037】

一方、非磁性樹脂で固定子コアを構成するコアレスモータも同様に空間高調波を抑制するが、非磁性樹脂は比透磁率が１であり、永久磁石の磁束が低下しやすい。その結果、トルク定数が下がりやすく、固定子巻線（コイル）に電流を通電してトルクを発生する時の銅損が増加しやすい。複合磁性材は非磁性樹脂よりも透磁率が高いため、永久磁石の磁束は減少しにくく、トルク定数の低下を抑制することができ、トルクが発生しているときの銅損を抑制しやすい。

【0038】

このように、回転電機は、透磁率の低さを利用することで空間高調波を抑制するとともに、トルク作用時の銅損を抑制することができる。

【0039】

＜第２実施形態＞
図４に、本発明を適用する別の回転電機を回転軸方向に垂直な断面で表した部分構成図（断面図）を示す。なお、既に説明した構成と同様の構成については同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

【0040】

図４に示すように、回転電機は、第１実施形態の複合磁性材Ｘと磁気特性が異なる複合磁性材Ｘａを円環状に成形して、固定子コアの外周に第２ヨーク４４を構成する。例えば、第２ヨーク４４の複合磁性材Ｘａは固定子コア４の複合磁性材よりも透磁率が高い。回転電機の他の構成は、第１実施形態で説明した回転電機と同様である。

【0041】

同図に示すように、第２ヨーク４４の複合磁性材Ｘａは、固定子コア４の外周側の約６割程度の領域に配置され、回転子の中心側の約４割程度の領域（固定子コア４のヨークに相当）には異なる磁気特性の複合磁性材Ｘが配置されている。２つの複合磁性材は接着剤などで隙間なく埋められている。２つの複合磁性材の配置割合を変更することで磁気特性、トルク特性、効率特性、熱特性などの回転電機の特性の調整を行うことができる。複合磁性材Ｘａは、第１実施形態の複合磁性材と同様に製作され、比透磁率は複合磁性材Ｘよりも高いことが望ましい。

【0042】

複合磁性材Ｘａは、複合磁性材Ｘよりも高透磁率である。つまり、複合磁性材Ｘａで固定子コアの一部を構成した場合には、第１実施形態の場合よりも、永久磁石の磁束が減少しにくく、トルク定数の低下を抑制することができ、トルクが発生しているときの銅損が増加しにくい。複合磁性材Ｘａの比透磁率としては、例えば１０以上１００以下の値が好ましく、１０以上２０以下の値がより好ましい。

【0043】

以上、発明を実施するための形態について説明してきたが、本実施の形態に係る回転電機は、回転子が永久磁石を備えるものであればモータであってもよく発電機であってもよい。また、上記実施の形態は、一例としてラジアルギャップ型の回転電機について説明したが、本発明はアキシャルギャップ型の回転電機に適用されるものであってもよい。

【実施例0044】

［磁性材料と磁気特性］
固定子コアに使用する複合磁性材の磁気特性の測定を行った。磁性粉には球状のセンダスト（ＦｅＳｉＡｌ合金）の粉（平均粒径：２０μｍ）、樹脂にエポキシ樹脂を用い、加熱と加圧し硬化させて複合磁性材を作製した。磁性粉の配合比は６９体積％とした。製造方法は、図２で説明したとおりである。また、比較として、電磁鋼鈑Ａ（日本製鉄株式会社製：３５Ｈ３００）、電磁鋼鈑Ｂ（ＪＦＥスチール株式会社製：１０ＪＮＨＦ６００）、鉄基アモルファス合金（ＭＥＴＧＬＡＳ製２６０５ＳＡ１）の磁気特性も測定した。

【0045】

図５に、複合磁性材、電磁鋼板Ａ、電磁鋼鈑Ｂ、鉄基アモルファス合金の磁気ヒステリシス曲線を示す。横軸は磁界、縦軸は磁束密度である。複合磁性材の比透磁率（μｒ）は１６、電磁鋼鈑Ａ、電磁鋼鈑Ｂ、鉄基アモルファス合金の比透磁率（μｒ）は数１０００であった。

【0046】

図６に、複合磁性材、電磁鋼板Ａ、電磁鋼鈑Ｂ、鉄基アモルファス合金の単位体積磁芯損失を示す。横軸は磁束密度、縦軸は鉄損である。電磁鋼板Ａの鉄損が最も大きく、複合磁性材の鉄損が最も小さかった。この結果から、複合磁性材を好ましく使用できることがわかった。

【0047】

［電磁界解析によるシミュレーション］
実施例１～５として、図１に示したラジアルギャップ型のモータモデルに対して、電磁界解析によるシミュレーションを行った。シミュレーションは、磁束密度分布、損失密度分布、損失について実施した。実施例５では、複合磁性材として、磁性粉に上記のセンダストを適用し、測定した磁気的特性（比透磁率μｒ＝１６）を使用してシミュレーションを実施した。さらに、実施例１～４については、複合磁性材の磁気特性として図７に示す磁気ヒステリシス曲線を仮定し、それぞれ比透磁率として、実施例１がμｒ＝２、実施例２がμｒ＝５、実施例３がμｒ＝７、実施例４がμｒ＝１０としてシミュレーションを行った。

【0048】

また、比較例１～４として、図１に示したモータモデルにおいて、固定子コア４（ヨーク４１およびティース４２）に複合磁性材を用いないモータモデルに対して、同様のシミュレーションを行った。比較例１は、固定子コアが非磁性材料（コアレスモータ）の場合、比較例２は、固定子コアが図５、図６に記載した鉄基アモルファス合金の場合、比較例３は、固定子コアが図５、図６に記載した電磁鋼鈑Ｂの場合、比較例４は、固定子コアが電磁鋼鈑Ａの場合、である。

【0049】

さらに、比較例５として、図８に示すラジアルギャップ型のモータモデルに対して、電磁界解析によるシミュレーションを行った。図８に示すモータでは、固定子コア４は、ヨーク４１とティース４２の他に、永久磁石３に対向するティース４２の内側（回転子の中心側）に磁性のリング４３が設けられている。ヨーク４１は前述の電磁鋼鈑Ａ、ティース４２とリング４３は複合磁性材（比透磁率μｒ＝１６）で構成されている。

【0050】

電磁界解析ソフトウエアには、ＪＭＡＧ－Ｄｅｓｉｇｎｅｒ（ｘ６４）Ｖｅｒ．１９．１を使用した。計算条件および材料条件の詳細をそれぞれ表１および表２に示す。また、実施例１～５および比較例１～５の各部の形状・寸法を表３に示す。さらに、実施例１～５および比較例１～５の固定子の固定子コア・固定子巻線の諸元を表４に示す。

【0051】

【表1】

【0052】

【表2】

【0053】

【表3】

【0054】

【表4】

【0055】

［モータの磁束密度分布］
図９に磁束密度分布を示す。同図（ａ）は比較例４（電磁鋼鈑Ａ）、同図（ｂ）は比較例３（電磁鋼鈑Ｂ）、同図（ｃ）は比較例２（鉄基アモルファス合金）、同図（ｄ）は比較例１（コアレスモータ）、同図（ｅ）は実施例５（複合磁性材、比透磁率μｒ＝１６）の磁束密度分布である。同図（ａ）、同図（ｂ）に比べると同図（ｅ）の複合磁性材は固定子コアを通過する磁束密度が低下するため、これらに比べると鉄損低減に有効である。また、同図（ｄ）の非磁性材料よりも複合磁性材は固定子コアの磁束密度が高いことから、銅損低減に有効である。このときの解析条件は出力５００Ｗ、トルク３８．２ｍＮｍ、回転数１２５、０００ｒｐｍである。

【0056】

なお、図１に示すモータでは、永久磁石の数は４個あり、固定子コアに対向するＮ極・Ｓ極の組は２個であるため、永久磁石の磁束の変化の周波数は、
２×１２５、０００÷６０≒４１６７ Ｈｚ
である。

【0057】

［モータの損失密度分布］
図１０に損失密度分布を示す。同図（ａ）は比較例４（電磁鋼鈑Ａ）、同図（ｂ）は比較例３（電磁鋼鈑Ｂ）、同図（ｃ）は比較例２（鉄基アモルファス合金）、同図（ｄ）は比較例１（コアレスモータ）、同図（ｅ）は実施例５（複合磁性材、比透磁率μｒ＝１６）の損失密度分布である。電磁鋼鈑Ａ、電磁鋼鈑Ｂ、鉄基アモルファス合金に比べると、非磁性材料、複合磁性材の永久磁石の損失密度は大きく低下している。また、電磁鋼鈑Ａは固定子の鉄損が他に比べて大きい。解析条件は出力５００Ｗ、トルク３８．２ｍＮｍ、回転数１２５、０００ｒｐｍである。

【0058】

一方、同図（ｄ）の比較例１（非磁性材料）は実施例５（複合磁性材）よりも巻線部分の損失密度が高くなっている。これは、トルク定数低下に伴う直流銅損の増大と永久磁石の磁束が巻線に鎖交することによる交流銅損が増加したことに起因している。解析条件は出力５００Ｗ、トルク３８．２ｍＮｍ、回転数１２５、０００ｒｐｍである。
［モータの損失解析］

【0059】

図１１および図１２に、実施例１～５および比較例１～５のモータの損失解析の結果を示す。比較例４（電磁鋼鈑Ａ）は鉄損が大部分を占めており、比較例３（電磁鋼板Ｂ）、比較例２（鉄基アモルファス合金）の順に低減している。これらのモータは磁石渦電流損の割合も大きい。損失増大の理由として、固定子コアの単位体積磁芯損失が大きいことと、ギャップ部の空間高調波が影響している。解析条件は出力５００Ｗ、トルク３８．２ｍＮｍ、回転数１２５、０００ｒｐｍである。比較例３（コアレスモータ）は固定子コアがないため鉄損は生じないが、銅損の割合が大きい。

【0060】

一方、実施例１～５（複合磁性材）のモータは、比較例４（電磁鋼板Ａ）、比較例３（電磁鋼板Ｂ）、比較例２（鉄基アモルファス合金）に比べて、固定子コアの渦電流損やヒステリシス損、磁石渦電流損は大きく低減できている。また、比較例１（コアレスモータ）に比べて銅損の割合が小さい。さらに、実施例１～５（複合磁性材）のモータは、比較例５（ティース４２とリング４３が複合磁性材）に比べて、固定子コアの渦電流損やヒステリシス損、磁石渦電流損は大きく低減できている。実施例１～５において、比透磁率の増加により直流銅損、交流銅損はともに低下するが、磁石渦電流損は増加する傾向にある。比透磁率μｒが７のとき損失は最小となった。解析条件は出力５００Ｗ、トルク３８．２ｍＮｍ、回転数１２５、０００ｒｐｍである。

【0061】

図１３は、実施例５および比較例１～４について、同一出力を維持しながら、回転数を下げてトルクを増加させた場合の損失比較である。回転数を下げてトルクを増加させているため、図１１の結果に比べていずれのモータも銅損は増大し、鉄損と磁石渦電流損の割合は低下している。比較例１（コアレスモータ）はトルク定数が低いため、トルクを得るために大電流を流す必要があり、銅損は複合磁性材に比べて大幅に増加している。解析条件は出力５００Ｗ、トルク９５．５ｍＮｍ、回転数５０、０００ｒｐｍである。

【0062】

以上のシミュレーション結果より、比透磁率２～１６の複合磁性材（センダスト）のモータが他のモータに比べて最も低損失であり、比透磁率を７まで低下させることで、さらに損失が低減することが分かった。

【符号の説明】

【0063】

１ シャフト
２ 回転子コア
３ 永久磁石
４ 固定子コア
４１ ヨーク
４２ ティース
４３ リング
４４ 第２ヨーク
５ 固定子巻線
１０ 回転電機

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】