JP2009106001A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の耐久性を確保しつつ、漏れ磁束による渦電流の低減を図ると共に、リラクタンストルクを十分に活用することができる回転電機を提供する。
【解決手段】回転電機は、環状に形成されたステータコア１３１および該ステータコア１３１に巻回されたコイル１３２を含むステータ１３０と、ステータコア１３１内に挿入され、回転可能に設けられたロータコア１２１を含むロータ１２０とを備え、ロータコア１２１は、一方の軸方向端部からロータ１２０の軸方向に延びるスリット１２７が形成された渦電流抑制領域Ｒ１と、他方の軸方向端部からロータ１２０の軸方向に延びるスリット１２５が形成された渦電流抑制領域Ｒ２と、渦電流抑制領域Ｒ１と渦電流抑制領域Ｒ２との間に位置し、第１およびスリット１２５が形成されていないトルク発生領域とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に関し、特にロータに生じる渦電流の低減が図られた回転電機に関する。

従来から、漏洩磁束の抑制や磁石間で磁束漏れが生じることを抑制するために、各種回転電機が提案されている。

たとえば、特開２００２−３４５１８９号公報に記載された永久磁石埋め込み同期電動機においては、Ｖ字配置された対の磁石片のうち、ロータ外周に近接する部分にスリットを形成している。このように、渦電流の集中しやすい部分にスリットを形成し、抵抗を高めることで、渦電流の発生を抑制している。

特開平９−１３１００９号公報に記載された永久磁石回転子においては、回転鉄心に形成された磁石挿入孔に永久磁石を挿入し、そして磁石挿入孔の外周側に環状鉄心部を配置し、この環状鉄心部材にスリットを複数形成している。このように、永久磁石と対向する部分にはスリットが形成されているため、隣り合う永久磁石間で漏れ磁束が生じることが抑制されている。

特開２００６−２１１８２３号公報に記載された永久磁石式回転電機においても、回転子鉄心の永久磁石挿入孔の外周側に複数のスリットを形成することで、回転電機の低騒音化および高効率化が図られている。

さらに、特開２００５−９４９６８号公報に記載された永久磁石電動機は、永久磁石孔に沿って離隔配置された４つ以上のスリット孔が形成された回転子鉄心を備えている。
特開２００２−３４５１８９号公報 特開平９−１３１００９号公報 特開２００６−２１１８２３号公報 特開２００５−９４９６８号公報

しかし、特開２００２−３４５１８９号公報に記載された永久磁石埋め込み同期電動機においては、かけ易い永久磁石にスリットを形成しているため、永久磁石が欠けやすくなっており、永久磁石の耐久性に問題がある。

さらに、特開平９−１３１００９号公報、特開２００６−２１１８２３号公報および特開２００５−９４９６８号公報に記載された回転電機においては、磁石収容孔より外周側に形成されたスリットがロータの両軸方向端部に亘って延びているため、リラクタンストルクを十分に活用することができない。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、永久磁石の耐久性を確保しつつ、漏れ磁束による渦電流の低減を図ると共に、リラクタンストルクを十分に活用することができる回転電機を提供することである。

本発明に係る回転電機は、環状に形成されたステータコアおよび該ステータコアに巻回されたコイルを含むステータと、ステータコア内に挿入され、回転可能に設けられたロータコアを含むロータとを備える。そして、上記ロータコアは、一方の軸方向端部からロータの軸方向に延びる第１空隙部が形成された第１渦電流抑制領域と、他方の軸方向端部からロータの軸方向に延びる第２空隙部が形成された第２渦電流抑制領域と、第１渦電流抑制領域と第２渦電流抑制領域との間に位置し、第１および第２空隙部が形成されていないトルク発生領域とを含む。

好ましくは、上記ロータは、ロータコア内に埋設され、ロータコアの両軸方向端部に亘って延びる永久磁石を含み、第１および第２空隙部は、永久磁石に対して、ロータコアの径方向外方側に設けられる。

好ましくは、上記ロータは、複数の永久磁石から形成され、ロータコアの外周面にＳ磁極を規定する第１永久磁石群と、Ｎ磁極を規定する第２永久磁石群とを含み、第１空隙部および第２空隙部は、それぞれ複数形成されると共に、第１および第２永久磁石群に対して径方向外方側にそれぞれ形成される。そして、上記第１空隙部のうち、最も、第１永久磁石群におけるロータコアの周方向端部側に位置する１つの第１空隙部の軸方向の深さは、該１つの第１空隙部に対して、第１永久磁石群におけるロータコアの周方向中央部側に位置する他の第１空隙部の軸方向の深さよりも深く形成される。さらに、上記第２空隙部のうち、最も、第２永久磁石群におけるロータコアの周方向端部側に位置する１つの第２空隙部の軸方向の深さは、該１つの第２空隙部に対して、第２永久磁石群におけるロータコアの周方向中央部側に位置する他の第２空隙部の軸方向の深さよりも深く形成される。

好ましくは、上記第１空隙部および第２空隙部のロータコアの径方向の長さは、ロータコアの周方向の長さよりも長く形成される。

好ましくは、上記ロータは、径方向外方に向けて突出し、ロータの両軸方向端部に亘って延び、ロータコアの周方向に間隔を隔てて形成された複数のロータティース部と、該ロータティース部間に規定された凹部とを含む。そして、上記第１および第２空隙部は、ロータティースのうち、凹部と隣り合う部分に形成される。好ましくは、上記ロータは、凹部内に嵌め込まれた永久磁石を含む。

本発明に係る回転電機によれば、永久磁石の耐久性を確保しつつ、漏れ磁束による渦電流の発生を低減し、リラクタンストルクを十分に利用することができる。

本実施の形態に係る回転電機について、図１から図６を用いて説明する。
なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の特徴部分を適宜組合わせることは、当初から予定されている。

（実施の形態１）
図１から図４を用いて、本実施の形態１に係る回転電機について説明する。図１は、本実施の形態１に係る回転電機１００の概略構成を示す側断面図である。そして、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図であり、図３は、図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。

図１および図２に示すように、回転電機１００は、回転可能に支持された回転シャフト１１０と、この回転シャフト１１０に固設されたロータ１２０と、環状に形成され、ロータ１２０の周囲に配置されたステータ１３０とを備えている。

ステータ１３０は、環状に形成されたステータコア１３１と、このステータコア１３１に巻回されたコイル１３２とを備えている。

なお、本実施の形態１に係る回転電機１００のステータコア１３１は、複数の分割ステータコア１４２を環状に配置し、この環状配置された分割ステータコア１４２の外周側から環状の締結部材１４５が焼き嵌め、圧入されて形成されている。

各分割ステータコア１４２は、ヨーク部１４０と、このヨーク部１４０からステータコア１３１の径方向内方に向けて突出するステータティース１４１が形成されており、各ステータティース１４１には、コイル１３２が巻回されている。コイル１３２は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルを含み、本実施の形態１の回転電機１００は、三相交流モータとされている。なお、分割ステータコア１４２は、複数の電磁鋼板を積層して構成されている。

なお、ステータコア１３１としては、このように複数の分割ステータコア１４２から構成する場合に限られず、環状に打ち抜いた電磁鋼板を積層することで、ステータコア１３１を構成するようにしてもよい。

ロータ１２０は、回転可能に支持された回転シャフト１１０に固設され、筒状に形成されたロータコア１２１と、このロータコア１２１に形成された磁石挿入孔１２６内に収容された複数の永久磁石１２２とを備えており、回転電機１００は、所謂ＩＭＰモータとされている。

磁石挿入孔１２６は、ロータコア１２１の軸方向に延びており、ロータコア１２１の軸方向の両端部に亘って延びている。

永久磁石１２２も、ロータコア１２１の両軸方向端部に亘って延びており、磁石挿入孔１２６内に充填された樹脂１２４によって、磁石挿入孔１２６内に固着されている。

図２に示すように、永久磁石１２２は、ロータコア１２１の外周縁部に沿って複数配置されており、２つの永久磁石１２２が対となって、Ｖ字状に配置されている。

そして、図１に示すように、ロータコア１２１には、ロータコア１２１の一方の軸方向端部からロータコア１２１の軸方向に向けて延びるスリット１２７が形成された渦電流抑制領域Ｒ１と、ロータコア１２１の他方の軸方向端部からロータコア１２１の軸方向に向けて延びるスリット１２５が形成された渦電流抑制領域Ｒ３と、渦電流抑制領域Ｒ１と渦電流抑制領域Ｒ３との間に位置するトルク発生領域Ｒ２とが規定されている。

ここで、スリット１２５は、トルク発生領域Ｒ２に対して、ロータコア１２１の他方の端部側に位置する部分にまで延びており、トルク発生領域Ｒ２内には達していない。また、スリット１２７も同様に、トルク発生領域Ｒ２に対して、ロータコア１２１の一方の軸方向端部側に隣り合う部分にまで延びており、トルク発生領域Ｒ２内には達していない。すなわち、トルク発生領域Ｒ２内には、スリット１２７およびスリット１２５は形成されていない。

このため、ロータコア１２１のうち、渦電流抑制領域Ｒ１および渦電流抑制領域Ｒ３が位置する部分では、スリット１２５，１２７に対応する穴部および磁石挿入孔１２６に対応する穴部が形成された電磁鋼板が積層され、トルク発生領域Ｒ２が位置する部分では、磁石挿入孔１２６に対応する穴部が形成された電磁鋼板が積層されている。そして、図３に示すように、トルク発生領域Ｒ２が位置する部分では、スリット１２５やスリット１２７に対応する穴部が形成されていない電磁鋼板が積層されている。

図４は、図２に示されたスリット１２７およびその周辺部分の拡大視した斜視図である。この図４において、回転電機１００が駆動している過程において、磁束密度が最も大きくなるのは、永久磁石１２２に対して、ロータコア１２１の径方向外方側に位置する部分であり、当該領域から漏れ磁束が生じやすくなっている。

ここで、たとえば、図４に示すように、永久磁石１２２に対してロータコア１２１の径方向外方側に位置する部分から永久磁石１２２に対してロータコア１２１の径方向内方側に位置する部分に向けての漏れ磁束ＭＦが流れたとすると、永久磁石１２２に対して外方側に位置する部分では、渦電流が流れようとする。

その一方で、本実施に形態１に係る回転電機１００においては、永久磁石１２２に対して、径方向外方側に位置する部分には、スリット１２７が形成されているため、渦電流が流れるときの抵抗が高くなっており、渦電流が流れ難くなっている。すなわち、渦状に渦電流が流れようとしても、電流経路を切断するように、スリット１２７が形成されているため、渦電流の電流流路の抵抗が高くなっている。

このように、ロータコア１２１に渦電流が流れることを抑制することができるので、渦電流に起因して、ロータ１２０の回転が抑制されたり、振動が生じることを抑制することができる。

さらに、ロータコア１２１のうち、永久磁石１２２に対して、ロータコア１２１の径方向外方側に位置する部分では、回転電機１００の駆動時に、特に、ロータコア１２１の軸方向端部に位置する部分の磁束密度が高くなっている。

このため、回転電機１００の駆動中においては、渦電流抑制領域Ｒ１および渦電流抑制領域Ｒ３における磁束密度の方が、トルク発生領域Ｒ２における磁束密度よりも高くなっている。

その一方で、本実施の形態に係る回転電機１００においては、渦電流抑制領域Ｒ１およびトルク発生領域Ｒ２には、それぞれ、スリット１２５，１２７が形成され、渦電流の発生が抑制されている。そして、磁束密度の低いトルク発生領域Ｒ２においては、スリットが形成されておらず、リラクタンストルクが確保されている。

このように、本実施の形態１に係る回転電機１００においては、磁束密度の高い部分には、スリットを形成し、磁束密度の低い部分では、スリットを形成せずに、リラクタンストルクを確保するようにして、ロータ１２０の回転を滑らかにすると共に、トルクの確保を図ることができる。

そして、図４に示すように、２つの対とされた永久磁石１２２は、Ｖ字状に配列されており、１つの磁極を規定している。

図４に示す例においては、永久磁石１２２Ａ，１２２Ａの表面のうち、ロータコア１２１の外周面側に位置する部分は、Ｎ磁極とされており、ロータコア１２１の内表面側の部分は、Ｓ磁極とされている。このため、この２つの永久磁石１２２Ａを含む永久磁石群１６０Ａによって、ロータコア１２１の外周面のうち、永久磁石群１６０Ａの径方向外方側に位置する部分には、Ｎ磁極が規定されている。

さらに、この永久磁石群１６０Ａに対してロータコア１２１の周方向の隣り合う部分に配置された２つの永久磁石１２２Ｂにおいては、ロータコア１２１の外周面側の表面は、Ｓ磁極とされており、ロータコア１２１の内周面側の表面は、Ｎ磁極とされている。

このため、この２つの永久磁石１２２Ｂを含む永久磁石群１６０Ｂによって、ロータコア１２１の表面のうち、永久磁石群１６０Ｂの径方向外方側に位置する部分には、Ｓ磁極が規定されている。

このように、ロータコア１２１の外周面には、Ｎ磁極とＳ磁極とが交互となるように、それぞれ複数規定されている。

そして、スリット１２７は、各永久磁石群１６０（１６０Ａ，１６０Ｂ）ごとに設けられており、各永久磁石群１６０に対して、ロータコア１２１の径方向外方側に形成されている。

このスリット１２７は、複数のスリット部１５１〜１５６から構成されており、スリット部１５１〜１５６はロータコア１２１の径方向に向けて長尺に形成されており、ロータコア１２１の径方向の長さは、ロータコア１２１の周方向の長さよりも長く形成されている。そして、スリット部１５１〜１５６は、互いにロータコア１２１の周方向に間隔を隔てて形成されている。

このため、たとえば、漏れ磁束ＭＦが生じた場合においても、永久磁石群１６０に対してロータコア１２１の径方向外方側に生じる渦電流は、少なくともスリット部１５１〜１５６のいずれかによってその流れが略確実に阻害され、渦電流が流れるときの抵抗が高くなる。

これにより、生じる渦電流量を低減することができ、この渦電流によってロータ１２０の回転が阻害されることを低減させることができる。なお、スリット部１５１〜１５６は、ロータコア１２１の径方向に向けて長尺に形成されているが、これに限られず、周方向に長尺に形成してもよい。

本実施の形態においては、上記のように永久磁石群１６０に対してロータコア１２１の径方向外方側にスリット１２７を形成した場合について説明したが、これに限られず、たとえば、永久磁石群１６０に対して、ロータコア１２１の径方向内方側に隣り合う部分にもスリットを形成するようにしてもよい。

この場合には、上記のように、漏れ磁束ＭＦが生じた場合において、永久磁石群１６０に対してロータコア１２１の径方向内方側に位置する部分で、渦電流が生じることを抑制することができる。すなわち、スリット１２７を、渦電流抑制領域Ｒ１のうち、永久磁石群１６０の周囲に位置する部分に形成するようにしてもよい。

さらに、この図４においては、永久磁石群１６０に対してロータコア１２１の径方向外方側に位置する部分から永久磁石群１６０に対してロータコア１２１の径方向内方側に流れる漏れ磁束ＭＦが生じたときの渦電流について説明したが、これに限られない。

たとえば、永久磁石群１６０に対してロータコア１２１の径方向内方側から永久磁石群１６０に対してロータコア１２１の径方向外方側に位置する部分に漏れ磁束が生じたときにおいても、永久磁石群１６０に対して径方向外方側に位置する部分に渦電流が生じることを抑制することができる。

ここで、ロータコア１２１のうち、永久磁石群１６０Ａに対して径方向外方側に位置する部分では、永久磁石群１６０Ａのうち、ロータコア１２１の周方向端部側に向かうに従って、磁束密度が高くなっている。このため、永久磁石群１６０Ａの周方向端部側に向かうに従って、漏れ磁束が生じやすくなっている。

すなわち、永久磁石群１６０に対して径方向外方に位置する部分では、永久磁石群１６０の周方向端部に向かうに従って、漏れ磁束が生じやすい部分が、ロータコア１２１の軸方向端部からトルク発生領域Ｒ２の近傍にまで延びる。

その一方で、各スリット部１５１〜１５６の各深さは、永久磁石群１６０Ａにおけるロータコア１２１の周方向端部側に位置するスリット部１５１〜１５６ほど、深くなるように形成されている。

このため、永久磁石群１６０の周方向端部およびその近傍において、ロータコア１２１の軸方向端部からトルク発生領域Ｒ２の近傍に亘って、漏れ磁束が生じることを抑制することができる。

そして、渦電流抑制領域Ｒ３内に形成されたスリット１２５は、上記スリット１２７と同様に形成されており、複数のスリット部を備え、永久磁石群１６０の周方向端部側に位置するスリット部ほど、深さが深くなるように形成されている。

（実施の形態２）
図５、図６および適宜図１を用いて、本実施の形態２に係る回転電機について説明する。なお、図５において、上記図１から図４に示された構成と同一または相当する構成については、同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。

図５は、本実施の形態２に係る回転電機の一部断面図である。この図５に示すように、本実施の形態２に係る回転電機のロータコア１２１の外周面には、径方向外方に向けて突出し、周方向に間隔を隔てて形成されたロータティース１７０と、このロータティース１７０間に形成された凹部１７１とが形成されている。

なお、この図５に示す回転電機においては、ロータコア１２１内には、永久磁石が設けられていない。

このような回転電機においては、コイル１３２に電力が供給されることで、磁束が発生し、この発生した磁束は、各ステータティース１４１からエアギャップを介してロータティース１７０に流れる。そして、磁束は、ロータコア１２１内を周方向に流れ、他のロータティース１７０からエアギャップを介して、他のステータティース１４１に流れる。その後、ヨーク部１４０を周方向に流れ、元のステータティース１４１に戻るように流れる。そして、ロータ１２０は、上記のように流れる磁束の流通経路長が短くなるように回転する。そして、励磁するコイル１３２が順次移ることで、ロータ１２０が回転する。

このような回転電機においては、ロータ１２０の回転時において、ロータティース１７０における磁束密度が高くなる。

特に、ロータティース１７０の周方向端部側程、磁束密度が高くなり、磁束が漏れやすくなっている。

その一方で、本実施の形態２に係る回転電機においては、ロータティース１７０のうち、ロータコア１２１の周方向端部側にスリット１８２が形成されている。このため、ロータティース１７０の周方向端部側で磁束が漏れたとしても、上記実施の形態１と同様に、ロータティース１７０に生じる渦電流の低減を図ることができ、ロータを良好に回転させることができる。

さらに、スリット１８２は、ロータコア１２１の周方向に間隔を隔てて形成された複数のスリット部１８０，１８１を備えており、周方向端部側に位置するスリット部程、ロータコア１２１の軸方向の深さが深くなるように形成されている。

なお、本実施の形態２に係る回転電機においても、同様に、渦電流抑制領域Ｒ１および渦電流抑制領域Ｒ３にスリット１８２が形成されており、渦電流抑制領域Ｒ１と渦電流抑制領域Ｒ３との間に位置するトルク発生領域Ｒ２には、スリット１８２は形成されていない。

これにより、本実施の形態２においても、上記実施の形態１に係る回転電機１００と同様にトルク発生領域Ｒ２にて、大きなリラクタンストルクを得ることができると共に、ロータ１２０に生じる振動等を抑制することができる。

図６は、本実施の形態２に係る回転電機の変形例を示す一部断面図である。この図６に示すように、凹部１７１には、永久磁石１２２が嵌め込まれている。この場合においても、上記図５に示す回転電機と同様に、図１に示す渦電流抑制領域Ｒ１および渦電流抑制領域Ｒ３に位置するロータティース１７０にスリット１８２を形成することで、ロータティース１７０における渦電流の低減を図ることができる。

なお、永久磁石１２２を凹部１７１内に配置することで、永久磁石１２２からの磁束によるトルクを得ることができると共に、永久磁石１２２によって、ステータティース１４１からロータティース１７０に向かう磁束の流れの整流効果を得ることができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。さらに、上記数値などは、例示であり、上記数値および範囲にかぎられない。

本実施の形態１に係る回転電機の概略構成を示す側断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。 図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。 図２に示されたスリットおよびその周辺の拡大視した斜視図である。 本実施の形態２に係る回転電機の一部断面図である。 本実施の形態２に係る回転電機の変形例を示す一部断面図である。

符号の説明

１００ 回転電機、１１０ 回転シャフト、１２０ ロータ、１２１ ロータコア、１２２ 永久磁石、１２４ 樹脂、１２５ スリット、１２６ 磁石挿入孔、１３１ ステータコア、１３２ コイル、１４０ ヨーク部、１４１ ステータティース、１４２ 分割ステータコア、１４５ 締結部材、Ｒ１，Ｒ３ 渦電流抑制領域、Ｒ２ トルク発生領域、１５１，１５２，１５３，１５４，１５５，１５６ スリット部、１６０ 永久磁石群。

Claims (6)

1. 環状に形成されたステータコアおよび該ステータコアに巻回されたコイルを含むステータと、
   前記ステータコア内に挿入され、回転可能に設けられたロータコアを含むロータとを備え、
   前記ロータコアは、一方の軸方向端部から前記ロータの軸方向に延びる第１空隙部が形成された第１渦電流抑制領域と、
   他方の軸方向端部から前記ロータの軸方向に延びる第２空隙部が形成された第２渦電流抑制領域と、
   前記第１渦電流抑制領域と前記第２渦電流抑制領域との間に位置し、前記第１および第２空隙部が形成されていないトルク発生領域とを含む、回転電機。
2. 前記ロータは、前記ロータコア内に埋設され、前記ロータコアの両軸方向端部に亘って延びる永久磁石を含み、
   前記第１および第２空隙部は、前記永久磁石に対して、前記ロータコアの径方向外方側に設けられた、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ロータは、複数の前記永久磁石から形成され、前記ロータコアの外周面にＳ磁極を規定する第１永久磁石群と、Ｎ磁極を規定する第２永久磁石群とを含み、
   前記第１空隙部および前記第２空隙部は、それぞれ複数形成されると共に、前記第１および第２永久磁石群に対して径方向外方側にそれぞれ形成され、
   前記第１空隙部のうち、最も、前記第１永久磁石群における前記ロータコアの周方向端部側に位置する１つの前記第１空隙部の前記軸方向の深さは、該１つの前記第１空隙部に対して、前記第１永久磁石群における前記ロータコアの周方向中央部側に位置する他の前記第１空隙部の軸方向の深さよりも深く形成され、
   前記第２空隙部のうち、最も、前記第２永久磁石群における前記ロータコアの周方向端部側に位置する１つの前記第２空隙部の前記軸方向の深さは、該１つの前記第２空隙部に対して、前記第２永久磁石群における前記ロータコアの周方向中央部側に位置する他の前記第２空隙部の軸方向の深さよりも深く形成された、請求項２に記載の回転電機。
4. 前記第１空隙部および前記第２空隙部の前記ロータコアの径方向の長さは、前記ロータコアの周方向の長さよりも長く形成された、請求項１から請求項３のいずれかに記載の回転電機。
5. 前記ロータは、径方向外方に向けて突出し、前記ロータの両軸方向端部に亘って延び、前記ロータコアの周方向に間隔を隔てて形成された複数のロータティース部と、該ロータティース部間に規定された凹部とを含み、
   前記第１および前記第２空隙部は、前記ロータティースのうち、前記凹部と隣り合う部分に形成された、請求項１に記載の回転電機。
6. 前記ロータは、前記凹部内に嵌め込まれた永久磁石を含む、請求項５に記載の回転電機。

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