JP5737267B2 - 回転子、および、これを用いた回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転子、および、これを用いた回転電機に関する。

従来、コア本体に肉抜部を形成した回転子が知られている。例えば特許文献１に記載された回転子では、肉抜部がコア本体の周方向に等間隔で５つ形成されている。これにより、回転子の軽量化および低慣性化を図っている。

特開２０１２−１４３０９０号公報

一般に、コア本体に肉抜部を形成した場合、回転子の回転バランスの低下、磁気バランスの低下、および、強度の低下といった問題が生じるおそれがある。そこで、特許文献１の回転子では、肉抜部間にスポーク部を形成することにより強度を確保し、肉抜部の形状を工夫することにより磁気バランスの低下を防ごうとしている。例えば特許文献１には、肉抜部の形状が台形状、すなわち、肉抜部のコア本体の径方向外側の壁面の形状が平面状のものが開示されている（特許文献１の図１９〜２３等参照）。しかしながら、このような形状の肉抜部を備える回転子では、回転バランスについては改善することができない。

また、特許文献１には、肉抜部の形状が扇形状、すなわち、肉抜部のコア本体の径方向外側の壁面の形状が曲面状のものも開示されている（特許文献１の図１８参照）。しかしながら、肉抜部、および、コア本体の径方向外側に形成される極部等の具体的な形状、例えば壁面の曲率半径等については何ら記載されていない。このような扇形状の肉抜部を備える回転子の場合、上記台形状の肉抜部を備える回転子と比べれば回転バランスは向上すると考えられるものの、回転バランスのさらなる向上が望まれる。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁気バランスおよび強度を維持しつつ回転バランスが向上する回転子を提供することにある。

本発明は、回転電機の回転子であって、コア本体と複数の第１肉抜部と複数の極部と複数の磁石とを備えている。
第１肉抜部は、コア本体の周方向に等間隔で並び、コア本体を板厚方向に貫くようにして扇形状に形成される。これにより、回転子の軽量化および低慣性化を図ることができる。また、第１肉抜部を扇形状に形成することにより、磁気バランスを維持することができる。また、第１肉抜部をコア本体の周方向に等間隔で並ぶようにして形成することにより、第１肉抜部間にスポーク部が形成される。これにより、強度を維持することができる。極部は、コア本体の周方向に等間隔で交互に並ぶようコア本体の径方向外側の外壁に形成される第１極部および第２極部を有する。磁石は、コア本体の極部に対応する位置に設けられる。

本発明では、第１肉抜部は、コア本体の径方向外側に円弧状の肉抜円弧部を有している。第１極部および第２極部は、コア本体の径方向外側に円弧状の極円弧部を有している。ここで、肉抜円弧部の曲率半径をＲ１、第１極部の極円弧部の曲率半径をＲ２、第２極部の極円弧部の曲率半径をＲ３とすると、第１肉抜部および極部は、Ｒ１≧Ｒ２、かつ、Ｒ１≧Ｒ３の関係を満たすよう形成されている。これにより、本発明の回転子を回転電機に適用した場合、回転子の回転バランスを向上させることができる。また、上記構成により、回転子の磁気特性を向上させることができる。よって、回転電機の出力を向上することができる。

（Ａ）本発明の第１実施形態による回転子を示す図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 本発明の第１実施形態による回転子を適用した回転電機を示す断面図。 本発明の第２実施形態による回転子を示す図。 本発明の第３実施形態による回転子を示す図。

以下、本発明の複数の実施形態による回転子、および、これを用いた回転電機を図面に基づき説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）

本発明の第１実施形態による回転子を図１に、当該回転子を適用した回転電機を図２に示す。
回転電機１０は、例えば車両のステアリング操作をアシストする電動パワーステアリング装置の駆動源（モータ）として用いられる。図２に示すように、回転電機１０は、回転子１、固定子７０、モータ軸２およびモータケース３等を備えている。

図１に示すように、回転子１は、コア本体２０、第１肉抜部３０、極部４１、４２、磁石５０等を備えている。
コア本体２０は、例えば鉄等の薄板を複数積層することにより、略円柱状に形成されている。コア本体２０の中心である軸中心Ｏ１には、コア本体２０を板厚方向に貫く軸穴部２１が形成されている。

第１肉抜部３０は、コア本体２０の周方向に等間隔で並び、コア本体２０を板厚方向に貫くようにして略扇形状に形成されている。本実施形態では、第１肉抜部３０は、コア本体２０の軸中心Ｏ１とコア本体２０の径方向外側の外壁２２との間に５つ形成されている。
より具体的には、第１肉抜部３０は、コア本体２０の軸中心Ｏ１に垂直な面による断面が略扇形状であって、コア本体２０の径方向外側に肉抜円弧部３１を有し、コア本体２０の径方向内側に円弧部３２を有している。肉抜円弧部３１および円弧部３２は、コア本体２０の軸中心Ｏ１を中心とする円弧により形成される曲面状の壁面を有している。肉抜円弧部３１と円弧部３２との間には、平面状の壁面が形成されている。

コア本体２０に第１肉抜部３０が形成されていることにより、軸穴部２１と第１肉抜部３０との間に環状部２３が形成されている。また、コア本体２０には、第１肉抜部３０の径方向外側に環状部２４が形成されている。さらに、コア本体２０には、隣り合う第１肉抜部３０の間、すなわち、環状部２３と環状部２４との間にスポーク部２５が形成されている。スポーク部２５は５つ形成されている。

極部４１は、コア本体２０の周方向に等間隔で並ぶようコア本体２０の径方向外側の外壁２２に形成されている。極部４２は、コア本体２０の周方向に等間隔で並ぶようコア本体２０の径方向外側の外壁２２の極部４１の間に形成されている。すなわち、極部４１と極部４２とは、コア本体２０の周方向に等間隔で交互に並ぶようにして形成されている。本実施形態では、極部４１、４２は、それぞれ５つ形成されている。

本実施形態では、極部４１は、第１肉抜部３０に対しコア本体２０の径方向外側に形成されている。極部４１は、コア本体２０の径方向外側に極円弧部４３を有している。極部４１は、コア本体２０の軸中心Ｏ１から第１肉抜部３０の肉抜円弧部３１の中央を越えて延びる直線上に極円弧部４３の中央が位置するよう形成されている。極円弧部４３は、前記直線上の点Ｐ１を中心とする円弧により形成される曲面状の壁面を有している。

極部４２は、スポーク部２５に対しコア本体２０の径方向外側に形成されている。極部４２は、コア本体２０の径方向外側に極円弧部４４を有している。極部４２は、コア本体２０の軸中心Ｏ１からスポーク部２５を越えて延びる直線上に極円弧部４４の中央が位置するよう形成されている。極円弧部４４は、前記直線上の点Ｐ２を中心とする円弧により形成される曲面状の壁面を有している。

本実施形態では、第１肉抜部３０の肉抜円弧部３１の曲率半径（軸中心Ｏ１と肉抜円弧部３１との距離）をＲ１、極部４１の極円弧部４３の曲率半径（点Ｐ１と極円弧部４３との距離）をＲ２、極部４２の極円弧部４４の曲率半径（点Ｐ２と極円弧部４４との距離）をＲ３とすると、第１肉抜部３０および極部４１、４２は、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３の関係を満たすよう形成されている。

磁石５０は、例えばネオジム磁石等の永久磁石により長い板状に形成されている。磁石５０は、長手方向の長さがコア本体２０の軸方向の長さと略同じであり、一方の面５１が曲面状に形成され、他方の面５２が平面状に形成されている。磁石５０は、長手方向がコア本体２０の軸中心Ｏ１と平行になるよう、極部４１に対応する位置に設けられている。すなわち、磁石５０は、コア本体２０の周方向に等間隔で並ぶよう５つ設けられている。

本実施形態では、磁石５０は、一方の面５１、すなわち、外壁の一部が、極部４１の極円弧部４３に一致するよう設けられている。つまり、磁石５０は、一方の面５１がコア本体２０の外壁から露出している。本実施形態では、磁石５０は、例えば接着剤によりコア本体２０に貼り付けられている。このように、本実施形態の回転子１は、ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet：表面磁石）型の回転電機１０に用いられる回転子である。

本実施形態では、磁石５０は、コア本体２０の軸中心Ｏ１から肉抜円弧部３１の中央を越えて延びる直線上に中央が位置するよう、第１肉抜部３０と同数設けられている。
本実施形態では、磁石５０は、一方の面５１がＮ極、他方の面５２がＳ極となるよう着磁されている。これにより、極部４１には磁極が形成され、極部４２には磁石５０からの磁束が通過することにより疑似極が形成される。

本実施形態では、磁石５０の数（５）は、極部４１、４２の合計の数（１０）の半分である。つまり、本実施形態の回転子１は、ハーフマグネット型の回転電機１０に用いられる回転子である。
本実施形態では、回転子１は、第１肉抜部３０の肉抜円弧部３１の中央からコア本体２０の径方向外側へ延びるようにして形成される第２肉抜部６０をさらに備えている。なお、第２肉抜部６０は、コア本体２０を板厚方向に貫いている。

図２に示すように、固定子７０は、コア本体７１および巻線７２等を有している。
コア本体７１は、例えば鉄等の薄板を複数積層することにより、略円環状に形成されている。コア本体７１は、径方向内側へ延びるようにして形成されるティース７３を有している。本実施形態では、ティース７３は、コア本体７１の周方向に等間隔で６０個形成されている。

巻線７２は、例えば銅等の金属により形成され、ティース７３の間に巻回されるようにしてコア本体７１に設けられている。巻線７２は、回転電機１０において複数の相を構成している。
モータ軸２は、例えば金属等により棒状に形成され、回転子１のコア本体２０の軸穴部２１に挿通され固定されている。モータケース３は、例えば金属等により略円筒状に形成されている。モータケース３の両端は、図示しないエンドフレームにより塞がれている。モータケース３は、内側に回転子１および固定子７０を収容している。固定子７０は、コア本体７１の径方向外側の外壁がモータケース３の内壁に当接するようにしてモータケース３内に固定されている。

モータ軸２の両端は、モータケース３の両端を塞ぐエンドフレームにより軸受けされている。これにより、回転子１は、固定子７０の内側、モータケース３の内部で回転可能である。
固定子７０の巻線７２に電力が供給されると、固定子７０に回転磁界が生じる。これにより、回転子１がモータ軸２とともに回転する。その結果、回転電機１０の回転がモータ軸２から出力される。

以上説明したように、本実施形態では、複数の第１肉抜部３０が、コア本体２０の周方向に等間隔で並び、コア本体２０を板厚方向に貫くようにして扇形状に形成されている。これにより、回転子１の軽量化および低慣性化を図ることができる。また、第１肉抜部３０を扇形状に形成することにより、磁気バランスを維持することができる。また、第１肉抜部３０をコア本体２０の周方向に等間隔で並ぶようにして形成することにより、第１肉抜部３０間にスポーク部２５が形成される。これにより、強度を維持することができる。複数の極部４１、４２は、コア本体２０の周方向に等間隔で並ぶようコア本体２０の径方向外側の外壁２２に形成されている。複数の磁石５０は、コア本体２０の極部４１に対応する位置に設けられている。

また、本実施形態では、第１肉抜部３０は、コア本体２０の径方向外側に円弧状の肉抜円弧部３１を有している。極部４１、４２は、コア本体２０の径方向外側に円弧状の極円弧部４３、４４を有している。ここで、肉抜円弧部３１の曲率半径をＲ１、極円弧部４３の曲率半径をＲ２、極円弧部４４の曲率半径をＲ３とすると、第１肉抜部３０および極部４１、４２は、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３の関係を満たすよう形成されている。これにより、本実施形態の回転子１を適用した回転電機１０では、回転子１の回転バランスを向上させることができる。また、上記構成により、回転子１の磁気特性を向上させることができる。よって、回転電機１０の出力を向上することができる。

また、本実施形態では、第１肉抜部３０の肉抜円弧部３１の中央からコア本体２０の径方向外側へ延びるようにして形成される第２肉抜部６０をさらに備えている。これにより、回転子１の高い回転バランスを維持しつつ、回転子１のさらなる軽量化を図ることができる。また、本実施形態では、磁石５０が、コア本体２０の中心（軸中心Ｏ１）から肉抜円弧部３１の中央を越えて延びる直線上に中央が位置するよう設けられている。そのため、第２肉抜部６０により、磁石５０（極部４１）からの磁束を疑似極（極部４２）へ強制的に向けることができる。これにより、磁気バランスを向上させることができる。

また、本実施形態では、磁石５０は、極部４１、４２の合計数（１０）の半分の数（５）設けられている。つまり、回転電機１０は、ハーフマグネット型の回転電機である。よって、磁石５０が設けられていない極部４２には、疑似極が形成される。
また、本実施形態では、コア本体２０は、複数の薄板を積層することにより形成されている。これにより、コア本体２０に生じるコア本体２０の軸方向の渦電流を低減することができる。その結果、回転電機１０のモータ効率を向上することができる。

また、本実施形態では、第１肉抜部３０は、極部４１、４２の合計数（１０）の半分の数（５）、すなわち、極対数と同数設けられている。そのため、回転子１の回転バランスをより向上させることができる。
また、本実施形態では、磁石５０は、一方の面５１、すなわち、外壁の一部が極円弧部４３に一致するよう設けられている。つまり、回転電機１０は、ＳＰＭ型のモータである。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による回転子を図３に示す。第２実施形態は、磁石をコア本体に保持するための構成が第１実施形態と異なる。

第２実施形態では、回転子は筒部材４をさらに備えている。筒部材４は、例えば金属等により略円筒状に形成され、内壁が磁石５０の外壁（一方の面５１）に当接可能なよう、コア本体２０の径方向外側に設けられている。これにより、磁石５０は、コア本体２０の表面に保持されている。よって、磁石５０をコア本体２０に保持するのに接着剤を用いる必要がない。

また、筒部材４は、軸方向の両端部が径方向内側に加締められることにより環状に形成された加締部５を有している。これにより、磁石５０がコア本体２０の軸方向に脱落すること、および、筒部材４がコア本体２０の軸方向にずれることを抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態では、内壁が磁石５０の外壁（一方の面５１）に当接可能なよう、コア本体２０の径方向外側に設けられる筒部材４をさらに備えている。これにより、磁石５０をコア本体２０に保持するための接着剤が不要になる。よって、回転子の製造コストを低減することができる。
また、この形態では、スポーク部２５の径方向外側に極部４２（疑似極）が配置されることで強度を向上させることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による回転子を図４に示す。第３実施形態は、磁石の配置等が第１実施形態と異なる。

第３実施形態では、磁石５３は、長い板状に形成されている。磁石５３は、長手方向の長さがコア本体２０の軸方向の長さと略同じであり、一方の面５４および他方の面５５が平面状に形成されている。磁石５３は、長手方向がコア本体２０の軸中心Ｏ１と平行になるよう、極部４２に対応する位置に設けられている。すなわち、磁石５３は、コア本体２０の周方向に等間隔で並ぶよう５つ設けられている。

本実施形態では、磁石５３は、コア本体２０の径方向外側の外壁２２の内側に設けられている。つまり、磁石５３は、コア本体２０の内部に埋め込まれるようにして設けられている。このように、本実施形態の回転子は、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet：埋込磁石）型の回転電機に用いられる回転子である。

本実施形態では、磁石５３は、コア本体２０の軸中心Ｏ１から、隣り合う第１肉抜部３０の中間位置を越えて延びる直線上に中央が位置するよう、第１肉抜部３０と同数設けられている。すなわち、磁石５３は、スポーク部２５をコア本体２０の径方向外側へ延長した位置に設けられている。
本実施形態では、磁石５３は、一方の面５４がＮ極、他方の面５５がＳ極となるよう着磁されている。これにより、極部４２には磁極が形成され、極部４１には磁石５３からの磁束が通過することにより疑似極が形成される。

本実施形態では、磁石５３の数（５）は、極部４１、４２の合計の数（１０）の半分である。つまり、本実施形態の回転子は、ハーフマグネット型の回転電機に用いられる回転子である。
本実施形態は、上述した点以外の構成は、第１実施形態と同様である。

以上説明したように、本実施形態では、複数の磁石５３は、コア本体２０の極部４２に対応する位置に設けられている。
また、本実施形態では、第１実施形態と同様、第１肉抜部３０の肉抜円弧部３１の中央からコア本体２０の径方向外側へ延びるようにして形成される第２肉抜部６０をさらに備えている。また、磁石５３は、コア本体２０の軸中心Ｏ１から、隣り合う第１肉抜部３０の中間位置を越えて延びる直線上に中央が位置するよう設けられている。そのため、第２肉抜部６０により、磁石５３（極部４２）からの磁束を疑似極（極部４１）へ強制的に向けることができる。これにより、磁気バランスを向上させることができる。
また、本実施形態では、磁石５３は、第１肉抜部３０と同数設けられている。そのため、回転バランスを向上させることができる。

また、本実施形態では、磁石５３は、極部４１、４２の合計数（１０）の半分の数（５）設けられている。つまり、本実施形態の回転子は、ハーフマグネット型の回転電機に用いられる回転子である。よって、磁石５３が設けられていない極部４１には、疑似極が形成される。

（他の実施形態）
上述の実施形態では、肉抜円弧部の曲率半径をＲ１、極円弧部の曲率半径をＲ２、Ｒ３とすると、第１肉抜部および極部が、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３の関係を満たすよう形成される例を示した。これに対し、本発明の他の実施形態では、第１肉抜部および極部が、Ｒ１＞Ｒ２、Ｒ１＞Ｒ３の関係を満たすよう形成されることとしてもよい。すなわち、本発明では、第１肉抜部および極部は、Ｒ１≧Ｒ２、Ｒ１≧Ｒ３の関係を満たすよう形成されていればよい。この構成により、回転子の回転バランスを向上させることができる。
また、本発明の他の実施形態では、第２肉抜部を備えないこととしてもよい。

また、本発明の他の実施形態では、磁石は、コア本体の中心から肉抜円弧部の中央を越えて延びる直線上に中央が位置しないよう設けられていてもよい。また、磁石は、コア本体の中心から、隣り合う第１肉抜部の中間位置を越えて延びる直線上に中央が位置しないよう設けられていてもよい。
また、本発明の他の実施形態では、磁石は、極部と同数設けられていてもよい。つまり、この構成の回転子は、フルマグネット型の回転電機に適用される。
また、本発明の他の実施形態では、コア本体は、積層した薄板に限らず、例えば鋳造、切削等の別の方法で形成されていてもよい。

また、本発明の他の実施形態では、第１肉抜部は、極部の半分の数に限らず、いくつ形成されていてもよい。また、極部は、１０個に限らず、いくつ形成されていてもよい。
また、本発明の回転子を適用した回転電機は、電動パワーステアリング装置に限らず、その他の装置、機器類の駆動源として用いることができる。
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１ ・・・・回転子
１０ ・・・回転電機
２０ ・・・コア本体
３０ ・・・第１肉抜部
４１、４２ ・・・極部
５０、５３ ・・・磁石
３１ ・・・肉抜円弧部
４３、４４ ・・・極円弧部

Claims (12)

1. 回転電機（１０）の回転子（１）であって、
   コア本体（２０）と、
   前記コア本体の周方向に等間隔で並び、前記コア本体を板厚方向に貫くようにして扇形状に形成される複数の第１肉抜部（３０）と、
   前記コア本体の周方向に等間隔で交互に並ぶよう前記コア本体の径方向外側の外壁（２２）に形成される第１極部（４１）および第２極部（４２）を有する複数の極部（４１、４２）と、
   前記コア本体の前記極部に対応する位置に設けられる複数の磁石（５０、５３）と、を備え、
   前記第１肉抜部は、前記コア本体の径方向外側に円弧状の肉抜円弧部（３１）を有し、
   前記第１極部および前記第２極部は、前記コア本体の径方向外側に円弧状の極円弧部（４３、４４）を有し、
   前記肉抜円弧部の曲率半径をＲ１、前記第１極部の極円弧部（４３）の曲率半径をＲ２、前記第２極部の極円弧部（４４）の曲率半径をＲ３とすると、前記第１肉抜部および前記極部は、Ｒ１≧Ｒ２、かつ、Ｒ１≧Ｒ３の関係を満たすよう形成されていることを特徴とする回転子。
2. 前記第１極部は、前記コア本体から径方向外側に突出して形成され、
   前記第２極部は、前記コア本体の前記第１極部以外の外壁から露出するように設けられた前記磁石からなることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
3. 前記第１肉抜部の前記肉抜円弧部の中央から前記コア本体の径方向外側へ延びるようにして形成される第２肉抜部（６０）をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の回転子。
4. 前記磁石（５０）は、前記コア本体の中心から前記肉抜円弧部の中央を越えて延びる直線上に中央が位置するよう設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転子。
5. 前記磁石（５３）は、前記コア本体の中心から隣り合う前記第１肉抜部の中間位置を越えて延びる直線上に中央が位置するよう設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転子。
6. 前記磁石（５０、５３）は、前記極部の半分の数設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転子。
7. 前記磁石は、前記極部と同数設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転子。
8. 前記コア本体は、複数の薄板を積層することにより形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の回転子。
9. 前記第１肉抜部は、前記極部の半分の数設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の回転子。
10. 前記磁石（５３）は、前記コア本体の径方向外側の外壁（２２）の内側に設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の回転子。
11. 前記磁石（５０）は、外壁の一部（５１）が前記極円弧部（４３）に一致するよう設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の回転子。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の回転子と、
    前記回転子の径方向外側に設けられ、電力を供給されることにより回転磁界を発生させることが可能な固定子（７０）と、
    を備える回転電機（１０）。

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