JP5439904B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来、永久磁石を有するインナロータと、電磁石を有するアウタステータと、を有する回転電機において、アウタステータの一部を切り欠いた回転電機が知られている。

国際公開ＷＯ２００４−０１５８４２号パンフレット

しかしながら、この種の回転電機では、切欠部分に対して回転軸の径方向内側に位置する永久磁石によって生じた磁束が回転電機の外部に漏れて、インナロータの回転抵抗が増大してしまう虞があった。

そこで、本発明は、インナロータの永久磁石によって生じる磁束がアウタステータの切欠部分から漏れるのを低減することが可能な回転電機を得ることを目的とする。

本発明にあっては、切欠部分に対して回転軸の径方向内側となる部分のＮ極部分からＳ極部分に向けて磁束を通過させるバイパス部材を、インナロータに対して回転軸の軸方向に空隙をあけて対向させて配置したことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、切欠部分に対して回転軸の径方向内側となる位置で永久磁石によって生じる磁束を、Ｎ極部分からバイパス部材を介してＳ極部分へ向かわせることができるため、当該磁束が外部へ漏れるのを抑制することができ、磁束の漏れによって生じるインナロータの回転抵抗を減らすことができる。

図１は、本発明の第１実施形態にかかる回転電機の側面図である。 図２は、図１のII−II断面図である。 図３は、本発明の第１実施形態にかかる回転電機の内部構成の一部を示す斜視図である。 図４は、図３の一部を拡大して示す斜視図であって、磁束を模式的に示した説明図である。 図５は、本発明の第１実施形態にかかる回転電機のインナロータの一部を軸方向から見た図である。 図６は、本発明の第１実施形態にかかる回転電機のインナロータの一部を軸方向から見た図であって、Ｎ極部分からバイパス部材に向けて磁束が出る部分の断面積を模式的に示す説明図である。 図７は、本発明の第１実施形態の第１変形例にかかる回転電機のインナロータの一部を軸方向から見た図である。 図８は、本発明の第１実施形態の第２変形例にかかる回転電機のインナロータの一部を軸方向から見た図である。 図９は、本発明の第１実施形態の第３変形例にかかる回転電機の内部構成の一部を示す断面図である。 図１０は、本発明の第１実施形態の第４変形例にかかる回転電機の内部構成の一部を示す斜視図である。 図１１は、本発明の第２実施形態にかかる回転電機の内部構成の一部を示す斜視図である。 図１２は、本発明の第２実施形態にかかる回転電機の内部構成の一部を示す側面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の複数の実施形態および変形例には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、それら同様の構成要素に共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）本実施形態では、回転電機１を、自動車の車輪Ｗｈ内に設けられるインホイルモータとして実施した場合について例示する。図１に示すように、車輪Ｗｈ内では、ブレーキキャリパＢｃ等の部品が配置されて回転電機１の設置スペースに制約が生じる場合がある。この点、本実施形態にかかる回転電機１には、ケース２およびアウタステータ３の全周の一部を切り欠いて切欠部分７を設けてあり、この切欠部分７にブレーキキャリパＢｃ等の部品の少なくとも一部を収容することで、当該部品との干渉を避けながら、より直径の大きい高出力の回転電機１を配置できるようにしてある。

回転電機１は、ケース２内に固定されたアウタステータ３と、ケース２に回転自在に支持されたインナロータ４と、を備えている。

図３に示すように、アウタステータ３は、回転軸Ａｘの周方向に沿って一定のピッチで並べられた複数の電磁石５を有している。本実施形態では、回転電機１は３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の同期回転電機として構成されており、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の電磁石５が所定の順序（例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順）で配置されている。

また、このアウタステータ３には、その全周の一部を切り欠いて電磁石５の配置されない切欠部分７が形成されている。切欠部分７の周方向の長さは、３相同期回転電機の場合、電磁石５の３の倍数個分とするのが好適である。本実施形態では、切欠部分７の長さは、電磁石５の６（＝３×２）個分に相当する長さにしてある。

電磁石５は、アウタステータ３の外周部分を成す円弧状の基部５ａと、当該基部５ａから径方向内側に向けて突出するティース部５ｂと、ティース部５ｂに巻かれたリード線によって形成されるコイル部５ｃと、を有している。

インナロータ４は、回転軸Ａｘの周方向に沿って一定のピッチで並べられた複数の永久磁石６（６ｎ，６ｓ）を有している。本実施形態では、インナロータ４は、本体部４ａに形成された軸方向に沿って伸びる収容孔４ｂ内に矩形板状の永久磁石６が埋め込まれた埋込型（ＩＰＭ型）のインナロータ４として構成されている。また、本体部（コア）４ａは、例えば、同一形状の環状の鋼板を複数枚積層した積層鋼板として構成することができる。

図３，図４に示すように、永久磁石６は、インナロータ４の外周側に向けて開くＶ字形状をなすように、インナロータ４の外周に沿って配置されており、Ｎ極が径方向外側を向く永久磁石６ｎによって形成されるＶ字部分と、Ｓ極が径方向外側を向く永久磁石６ｓによって形成されるＶ字部分とが、周方向に沿って交互に配置されている。これらＶ字部分は、いずれも同じ形状としてある。かかる構成により、インナロータ４には、図４，図５に示すように、Ｎ極が径方向外側（図５の上側）を向く二つの永久磁石６ｎによって形成されるＮ極部分１０ｎと、Ｓ極が径方向外側を向く二つの永久磁石６ｓによって形成されるＳ極部分１０ｓとが、周方向に沿って一定のピッチで交互に配置されることになる。そして、Ｎ極部分１０ｎおよびＳ極部分１０ｓ（インナロータ４の径方向外側の外周面）は、アウタステータ３の電磁石５（アウタステータ３の径方向内側の内周面）に対して空隙ｇｒ（図２参照）をあけて対向して配置される。なお、本実施形態では、Ｎ極部分１０ｎおよびＳ極部分１０ｓの周方向のピッチ、ならびに電磁石５の周方向のピッチは、アウタステータ３で相互に隣接する三つの電磁石５に対してインナロータ４で相互に隣接するＮ極部分１０ｎとＳ極部分１０ｓとが正対するように、設定されている。

ここで、本実施形態では、図３等に示すように、インナロータ４のうち切欠部分７の径方向内側となる部分の軸方向両側に、それぞれ、空隙ｇａをあけて、バイパス部材８を配置してある。このバイパス部材８は、磁性体で構成されている。よって、インナロータ４のうち切欠部分７の径方向内側となる部分では、図４に示すように、Ｎ極部分１０ｎからＳ極部分１０ｓに向けてバイパス部材８を通る磁束Ｆｂ、すなわち、Ｎ極部分１０ｎから軸方向に出てバイパス部材８に入り、バイパス部材８内を周方向に沿って通り、バイパス部材８から軸方向に出てＳ極部分１０ｓに入る磁束Ｆｂが形成される。かかる構成により、インナロータ４の切欠部分７の径方向内側となる部分で、永久磁石６によって生じる磁束が回転電機１の外部へ漏れるのを抑制することができ、この磁束の漏れによって生じるインナロータ４の回転抵抗を減らすことができる。

このバイパス部材８は、回転電機１のケース２やアウタステータ３等の固定部分に取り付けられており、切欠部分７の径方向内側に対向する部分のみに設けられている。また、軸方向には一定の厚みを有するとともに径方向には一定の幅を有し、インナロータ４の軸方向の端面４ｃに略沿って（すなわち回転軸Ａｘの周方向に略沿って）円弧状に屈曲した帯板状の部材として構成されている。

かかる構成では、図４に示すように、切欠部分７に対して径方向内側となる部分では、Ｎ極部分１０ｎからバイパス部材８を経由してＳ極部分１０ｓに到達する磁束Ｆｂが形成される。本実施形態では、Ｎ極部分１０ｎの周方向の両隣にＳ極部分１０ｓが配置されているため、Ｎ極部分１０ｎから周方向の両側に二手に分かれるように磁束Ｆｂが形成される。

そして、かかる構成では、インナロータ４が回転するのに応じて磁束Ｆｂもバイパス部材８中で周方向に移動することになる。したがって、バイパス部材８は、保磁力が小さく透磁率が大きい軟磁性体（例えば、鉄 、ケイ素鋼、パーマロイ、センダスト、パーメンジュール、ソフトフェライト、アモルファス磁性合金、ナノクリスタル磁性合金等）で構成するのが好適である。軟磁性体とすることで、バイパス部材８内での磁束Ｆｂの変化に伴うヒステリシス損失を減らすことができるからである。

また、図３に示すように、バイパス部材８は、インナロータ４の切欠部分７の径方向内側となる部分のみに対応して設けるのが好適である。バイパス部材８を切欠部分７を超えて電磁石５の径方向内側となる部分にまで延伸させると、電磁石５と永久磁石６との間で形成される磁束Ｆｒの磁束密度が、バイパス部材８に磁束が漏れる分だけ減少し、効率（駆動効率または発電効率）が低下するからである。

そして、バイパス部材８の径方向の幅Ｗ（図３参照）は、インナロータ４の軸方向端面４ｃの幅Ｗ１（図５参照）以下であり、かつ、Ｎ極部分１０ｎおよびＳ極部分１０ｓの径方向の幅Ｗ２（図５参照）以上とするのが好適である。これは、幅Ｗを幅Ｗ１を超える値に設定すると、回転電機１の径方向のサイズや重量の増大につながるとともに、幅Ｗを幅Ｗ２未満に設定すると、磁束Ｆｂの磁気抵抗が増大するからである。

また、バイパス部材８の軸方向の厚みに関しては、図２に示すように、インナロータ４の軸方向一方側の端面４ｃからバイパス部材８の軸方向一方側の端面８ａまでの距離ｔ２を、インナロータの軸方向一方側の端面４ｃからコイル部５ｃの軸方向一方側の端部５ｄまでの距離ｔ１以下に設定するのが好適である。こうすることで、バイパス部材８がコイル部５ｃを超えて軸方向に張り出して、回転電機１の軸方向のサイズや重量が増大するのを抑制することができる。

さらに、バイパス部材８の周方向と直交する断面積Ｓｂ（図４参照）を、インナロータ４のＮ極部分１０ｎの軸方向端面４ｃの面積Ｓｎ（Ｎ極部分１０ｎをなす二つの永久磁石６ｎの相互に対向する縁とインナロータ４の周縁と永久磁石６ｎの径方向内側端部同士を結ぶ同心円弧とで囲まれる略扇形状の領域の面積、図６参照）、ならびにインナロータ４のＳ極部分１０ｓの軸方向端面４ｃの面積（図６のＳｎと同じ）と、略等しく設定するのが好適である。かかる構成により、磁束Ｆｂを通過させるのに十分なバイパス部材８の断面積を確保することができるため、バイパス部材８のサイズが無駄に大きくなるのを抑制することができる。

また、インナロータ４は、本体部４ａ内に永久磁石６が埋め込まれた埋込型（ＩＰＭ型）のインナロータ４として構成するのが好適である。インナロータの外周面に永久磁石が露出する表面型（ＳＰＭ型）の場合、磁束が出る部分がインナロータの外周面側だけとなるため、永久磁石とインナロータの軸方向に配置されたバイパス部材との間の磁束は、インナロータとアウタステータとの間の空隙（図２の空隙ｇｒ）を通ることになり、磁路が大きく迂回しかつ十分な断面積を確保し難くなって、磁気抵抗が高くなる。この点、本実施形態では、埋込型とすることで、バイパス部材８をＮ極部分１０ｎおよびＳ極部分１０ｓの双方に軸方向に空隙ｇａをあけて対向させ、直線的で短い磁路を形成することができるため、磁束Ｆｂの磁気抵抗を低くすることができる。

また、本実施形態では、バイパス部材８を、インナロータ４に対して軸方向の両側に配置してある。インナロータの軸方向の一方側のみにバイパス部材を配置すると、そのバイパス部材にインナロータの他方側から磁束が回り込もうとするため、磁気抵抗が増大してしまう。この点、本実施形態では、軸方向両側にバイパス部材８を配置したため、その分、磁気抵抗を低くすることができる。ただし、バイパス部材８をインナロータ４の軸方向一方側のみに配置すると、回転電機１のサイズの大型化ならびに重量増を抑制できるという利点がある。

また、インナロータ４の本体部４ａは、圧粉磁心や金属ガラス成型体等の磁気等方性材料で形成してもよい。本体部４ａを磁気等方性材料で構成した場合には、積層鋼板として構成した場合に比べて面内渦電流の発生を抑制することができる分、効率の低下を抑制することができる。

以上のように、本実施形態によれば、切欠部分７に対向する位置で、永久磁石６によって生じる磁束ＦｂをＮ極部分１０ｎからバイパス部材８を介してＳ極部分１０ｓへ向かわせることができるため、磁束Ｆｂが外部へ漏れて、インナロータ４の回転抵抗が増大するのを抑制することができる。

（第１実施形態の第１変形例）図７に示す第１変形例のように、永久磁石６を回転軸Ａｘの径方向に沿って配置した場合にあっても、Ｎ極部分１０ｎからバイパス部材８を介してＳ極部分１０ｓに至る磁束Ｆｂを形成することができるため、第１実施形態の効果を得ることができる。この場合も、バイパス部材８の周方向と直交する断面積Ｓｂ（図４参照）を、インナロータ４のＮ極部分１０ｎの軸方向端面４ｃの面積Ｓｎ（Ｎ極部分１０ｎをなす二つの永久磁石６ｎの相互に対向する縁とインナロータ４の周縁とそれら永久磁石６ｎの径方向内側端部同士を結ぶ同心円弧とで囲まれる略扇形状の領域の面積、図７参照）、ならびにインナロータ４のＳ極部分１０ｓの軸方向端面４ｃの面積（図７のＳｎと同じ）と、略等しく設定するのが好適である。かかる構成により、磁束Ｆｂを通過させるのに十分なバイパス部材８の断面積を確保することができるため、バイパス部材８のサイズが無駄に大きくなるのを抑制することができる。

（第１実施形態の第２変形例）図８に示す第２変形例にかかるインナロータ４Ｂでは、本体部４ａは、圧粉磁心や金属ガラス成型体等の磁気等方性材料からなる柱状体４Ｂｂと、この柱状体４Ｂｂを取り囲むようにして保持する保持部４Ｂａと、を有するものとして構成されている。具体的には、保持部４Ｂａを積層鋼板によって構成し、この保持部４ＢａのＮ極部分１０ｎおよびＳ極部分１０ｓ（図示せず）に、それらＮ極部分１０ｎおよびＳ極部分１０ｓの周縁部を除く大半の部分を占めるように略三角形状断面で軸方向に貫通する貫通孔４ｄを形成し、当該貫通孔４ｄに柱状体４Ｂｂを収容して固定してある。かかる構成によれば、Ｎ極部分１０ｎおよびＳ極部分１０ｓで磁束Ｆｂによる面内渦電流が生じるのを抑制して、効率の低下を抑制することができる。また、磁気等方性材料からなる部分（本変形例では柱状体４Ｂｂ）の強度や剛性を高くし難い場合にあっても、その部分より強度および剛性の高い保持部４Ｂａによって、当該部分の構成を維持することができる。本変形例では、柱状体４Ｂｂが第一部材に相当し、保持部４Ｂａが第二部材に相当する。

（第１実施形態の第３変形例）図９に示す第３変形例にかかる回転電機１Ｃでは、バイパス部材８を、インナロータ４の径方向外側（矢印Ｒｏ）の端面４ｅより切欠部分７側（図９では上側）に張り出させてある。切欠部分７を設けた部分では電磁石５（アウタステータ３）とインナロータ４との間に作用する磁力（吸引力）が弱まるため、インナロータ４には、回転軸Ａｘに対して切欠部分７を設けたのと反対側（図９では下側）に作用する磁力Ｆが大きくなる。この磁力Ｆがインナロータ４に対する径方向の加振力となって騒音や振動が生じたり、インナロータ４を支持する部分の摩耗が促進されたりする虞がある。この点、本変形例では、バイパス部材８を切欠部分７側に張り出させることで、バイパス部材８からインナロータ４に対して磁力Ｆｃを作用させ、この磁力Ｆｃによって磁力Ｆを減殺し、上記現象が生じるのを抑制することができる。

（第１実施形態の第４変形例）図１０に示す第４変形例にかかる回転電機１Ｄでは、複数の切欠部分７を回転軸Ａｘを挟んで相反する側に配置してある。上記第３変形例で示したインナロータ４に作用する径方向の磁力Ｆ（図９参照）は、切欠部分７と電磁石５とが回転軸Ａｘを挟んで配置されることで大きくなるものである。本変形例のように、複数の切欠部分７を回転軸Ａｘを挟んで配置した場合には、インナロータ４に作用する径方向の磁力をバランスさせやすくなるため、インナロータ４に対する径方向の加振力が大きくなって騒音や振動の一因となったり、インナロータ４を支持する部分の摩耗が促進されたりするのを抑制することができる。

（第２実施形態）図１１，図１２に示すように、本実施形態にかかる回転電機１Ｅでは、バイパス部材８に替えて、電磁石ユニット１２を設けてある。すなわち、インナロータ４のうち切欠部分７に対して径方向内側となる部分の軸方向外側に、空隙ｇａをあけて電磁石ユニット１２を配置し、切欠部分７に電磁石５を配置したのと同様の作用を得ようとするものである。電磁石ユニット１２は、アウタステータ３に配置した電磁石５と同じピッチで配置された複数の電磁石１１を備えている。本実施形態では、回転電機１Ｅは３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の同期回転電機として構成されており、切欠部分７は、電磁石５の３個分の長さとなっている。したがって、電磁石ユニット１２は電磁石１１を３個備えたものとなっており、それぞれ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相となる。

電磁石ユニット１２は、基部１１ａと、基部１１ａから軸方向に沿ってインナロータ４に近接する側に突出するティース部１１ｂと、ティース部１１ｂに巻かれたリード線によって形成されるコイル部１１ｃと、を有している。基部１１ａは、回転電機１Ｅのケースやアウタステータ３等の固定部分に取り付けられており、切欠部分７の径方向内側に対向する部分のみに設けられている。そして、軸方向には一定の厚みを有するとともに径方向には一定の幅を有し、インナロータ４の軸方向の端面４ｃに略沿って（すなわち回転軸Ａｘの周方向に略沿って）円弧状に屈曲した帯板状の部材として構成されている。そして、電磁石１１とインナロータ４の端面４ｃとの間には空隙ｇａが形成されている。

以上の本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様、切欠部分７を設けたことによるメリットを得られる上、切欠部分７に対応する電磁石ユニット１２を設けたため、切欠部分７に対応する永久磁石６によって生じた磁束を電磁石ユニット１２によって有効に利用して、切欠部分７を設けたことによる回転電機１Ｅとしての性能の低下を抑制することができる。

また、本実施形態でも、インナロータ４は、本体部４ａ内に永久磁石６が埋め込まれた埋込型（ＩＰＭ型）とするのが好適である。上記第１実施形態の場合と同様、表面型（ＳＰＭ型）として構成した場合に比べて、インナロータ４と電磁石ユニット１２との間の磁路における磁気抵抗を低減できるからである。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。例えば、本発明の回転電機を発電機として構成した場合にあっても、上述した作用および効果を得ることができる。また、回転電機やバイパス部材等のスペックは、上記実施形態には限定されない。

１，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ 回転電機
３ アウタステータ
４，４Ｂ インナロータ
４Ｂａ 保持部（第二部材）
４Ｂｂ 柱状体（第一部材）
４ａ 本体部
４ｃ （インナロータの軸方向の）端面
４ｅ （インナロータの径方向外側の）端面
５ 電磁石
５ａ 基部
５ｂ ティース部
５ｃ コイル部
５ｄ （コイル部の）端部
６，６ｎ，６ｓ 永久磁石
７ 切欠部分
８ バイパス部材
８ａ （バイパス部材の）端面
１０ｎ Ｎ極部分
１０ｓ Ｓ極部分
１１ 電磁石
Ａｘ 回転軸
Ｆｂ 磁束
Ｓｂ 断面積
Ｓｎ 面積
ｇａ，ｇｒ 空隙
ｔ１，ｔ２ 距離

Claims (11)

1. 回転軸の周方向に沿って並べられた複数の電磁石を有するアウタステータと、前記周方向に沿って並べられた複数の永久磁石を有するインナロータと、を備え、前記インナロータでは前記永久磁石によって形成されたＮ極部分およびＳ極部分が、前記回転軸の径方向外側で前記周方向に沿って配置されるとともに前記複数の電磁石に対して前記径方向の内側に空隙をあけて対向して配置され、前記アウタステータには全周の一部を切り欠いて電磁石が配置されない切欠部分が形成された回転電機において、
   前記インナロータのうち前記切欠部分に対して前記径方向内側となる部分の前記Ｎ極部分から前記Ｓ極部分に向けて磁束を通過させるバイパス部材を、前記インナロータに対して前記軸方向に空隙をあけて対向させて配置したことを特徴とする回転電機。
2. 前記バイパス部材を、軟磁性体で形成したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記バイパス部材を、前記切欠部分に対向する部分のみに設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記バイパス部材を、前記インナロータに対して軸方向の少なくとも一方側に配置したことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一つに記載の回転電機。
5. 前記電磁石は、アウタステータの円弧状の基部と、当該基部から径方向内側に突出するティース部と、当該ティース部に巻回されるコイル部と、を有し、
   前記コイル部は前記インナロータの軸方向一方側の端面より当該軸方向一方側に張り出しており、
   前記インナロータの軸方向一方側の端面から前記バイパス部材の前記軸方向一方側の端面までの距離を、前記インナロータの軸方向一方側の端面から前記コイル部の前記軸方向一方側の端部までの距離以下に設定したことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一つに記載の回転電機。
6. 前記バイパス部材の周方向と直交する断面積を、前記インナロータの前記Ｎ極部分の軸方向端面の面積、ならびに前記インナロータの前記Ｓ極部分の軸方向端面の面積と略等しく設定したことを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか一つに記載の回転電機。
7. 前記永久磁石が前記インナロータの本体部に埋め込まれていることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか一つに記載の回転電機。
8. 前記本体部の少なくとも一部を磁気等方性材料で形成したことを特徴とする請求項７に記載の回転電機。
9. 前記本体部は、前記磁気等方性材料で形成された第一部材と、前記第一部材を取り囲むようにして保持する第二部材と、を有することを特徴とする請求項８に記載の回転電機。
10. 前記バイパス部材を、前記インナロータの径方向外側の端面より前記切欠部分側に張り出させたことを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか一つに記載の回転電機。
11. 回転軸の周方向に沿って並べられた複数の電磁石を有するアウタステータと、前記周方向に沿って並べられた複数の永久磁石を有するインナロータと、を備え、前記インナロータでは前記永久磁石によって形成されたＮ極部分およびＳ極部分が、前記回転軸の径方向外側で前記周方向に沿って配置されるとともに前記複数の電磁石に対して前記径方向の内側に空隙をあけて対向して配置され、前記アウタステータには全周の一部を切り欠いて電磁石が配置されない切欠部分が形成された回転電機において、
    前記インナロータのうち前記切欠部分に対して前記径方向内側となる部分の軸方向外側に、空隙をあけて電磁石を配置したことを特徴とする回転電機。

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