JP6128419B2

JP6128419B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6128419B2
Application number: JP2013004276A
Authority: JP
Inventors: 智哉上田
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec America Corp
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2033-01-15
Also published as: US20160020653A1; JP2014138433A; CN103929032A; WO2014112021A1; CN103929032B; BR112015016838A2; US9966809B2; DE112013006430T5

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来、永久磁石を埋め込んだ回転子コアを有する、永久磁石埋込型回転電機が知られている。また、従来、回転電機のコギングトルクおよびトルクリップルを低減させる方法として、回転子または固定子の磁極を軸方向に対して傾けて配置する、いわゆるスキュー構造が一般的に知られている。

従来のスキュー構造を有する永久磁石埋込型回転電機については、例えば、特開２０００−３０８２８７号公報に記載されている。特開２０００−３０８２８７号公報に記載のモータは、永久磁石を埋設した複数個のロータコアブロックを、ロータの回転方向にずらして軸方向に一体構成している（請求項１、段落００１４）。
特開２０００−３０８２８７号公報

特開２０００−３０８２８７号公報に記載のモータでは、軸方向に隣り合う２つのロータコアブロックにおいて、上側のロータコアブロックに埋め込んだＮ極と、下側のロータコアブロックに埋め込んだＳ極とが回転軸方向に重なっている（図１、段落００１５）。そのため、上側のＮ極から出た磁束が下側のＳ極に入ってしまい、ロータ外部のステータに鎖交することなくロータ内部で短絡ループを形成してしまい、トルクが低下する（段落０００９）。すなわち、ロータの有効磁束が減少する。当該公報のモータでは、上側のＮ極から下側のＳ極に流れる磁束を抑えるために、ロータコアブロック間に薄板状の非磁性体を挟み込んでいる（段落００１５）。しかしながら、当該公報のモータのように、上側のＮ極と下側のＳ極とが回転軸方向に重なったままでは、有効磁束の低下をさらに抑制することが難しい。

本発明の目的は、スキュー構造の回転子コアを有する永久磁石埋込型回転電機において、回転子コアの有効磁束の低下を抑制する技術を提供することである。

本願の例示的な第１発明は、中心軸を中心に回転する、略円柱型の回転子を有し、前記回転子は、第１回転子コアと、前記第１回転子コアと軸方向に重なる、第２回転子コアと、前記第１回転子コアと前記第２回転子コアとの間に介在する、非磁性体層と、前記第１回転子コア内および前記第２回転子コア内に埋め込まれた複数の永久磁石部と、を有し、前記第１回転子コアおよび前記第２回転子コアのそれぞれにおいて、前記複数の永久磁石部は、周方向に略等間隔に配置されており、周方向に隣り合う２つの前記永久磁石部は、径方向外側面の磁極が互いに異なり、前記第１回転子コアと前記第２回転子コアは、それぞれの前記複数の永久磁石部が周方向にずれる位置に配置された段スキュー構造を有し、前記第１回転子コアと前記第２回転子コアとのそれぞれは、周方向に隣り合う前記永久磁石部の磁極間で磁気飽和した、複数のフラックスバリア部と、前記永久磁石部の径方向外側に位置し、前記永久磁石部と前記回転子の外部との間の磁路となる、複数の有効磁束部と、を有し、前記有効磁束部の径方向外側の面が、前記フラックスバリア部の径方向外側の面よりも径方向外側に突出しており、前記フラックスバリア部は、周方向に隣り合う２つの前記永久磁石部の一部と径方向に重なる端壁部を有し、前記永久磁石の径方向外側の面の周方向の幅は、各有効磁束部の周方向の幅よりも大きく、前記複数のフラックスバリア部と、前記複数の有効磁束部とは、前記第１回転子コアおよび前記第２回転子コアのそれぞれの外周面に周方向に交互に配置され、前記第１回転子コアの前記フラックスバリア部は、第２回転子コアの前記フラックスバリア部の一部および第２回転子コアの前記有効磁束部の一部の双方と、軸方向に重なっている回転電機である。

本願の例示的な第１発明によれば、軸方向に隣り合う第１回転子コアおよび第２回転子コアにおいて、第１回転子コアのフラックスバリア部の一部と、第２回転子コアのフラックスバリア部の一部とが、軸方向に重なっている。これにより、第１回転子コアの有効磁束部と、第２回転子コアの磁極の異なる有効磁束部とが、軸方向に重ならない。その結果、軸方向に隣り合う回転子コア間において、磁束の短絡が抑制されている。すなわち、回転子コアの有効磁束の低下が抑制されている。

図１は、第１実施形態に係る回転子の斜視図である。図２は、第２実施形態に係る回転電機の縦断面図である。図３は、第２実施形態に係る回転子の斜視図である。図４は、第２実施形態に係る回転子ユニットの上面図である。図５は、第２実施形態に係る回転子ユニットの部分上面図である。図６は、第２実施形態に係る回転子の部分上面図である。図７は、変形例に係る回転子の斜視図である。図８は、変形例に係る回転子の斜視図である。図９は、変形例に係る回転子ユニットの上面図である。図１０は、変形例に係る回転子ユニットの上面図である。図１１は、変形例に係る回転子の斜視図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本願では、回転電機の中心軸と平行な方向を「軸方向」、回転電機の中心軸に直交する方向を「径方向」、回転電機の中心軸を中心とする円弧に沿う方向を「周方向」、とそれぞれ称する。また、本願では、軸方向を上下方向とし、ハウジングに対して蓋部側を上として、各部の形状や位置関係を説明する。ただし、この上下方向の定義により、本発明に係る回転電機の使用時の向きを限定する意図はない。

また、本願において「平行な方向」とは、略平行な方向も含む。また、本願において「直交する方向」とは、略直交する方向も含む。

＜１．第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る回転電機の回転子３２Ａの斜視図である。図１に示すように、回転子３２Ａは、略円柱型をしており、中心軸９Ａを中心に回転する。回転子３２Ａは、第１回転子コア５１０Ａと、第２回転子コア５２０Ａと、非磁性体層５０Ａと、複数の永久磁石部３２０Ａとを有する。

第１回転子コア５１０Ａと、第２回転子コア５２０Ａとは、軸方向に重なっている。非磁性体層５０Ａは、第１回転子コア５１０Ａと第２回転子コア５２０Ａとの間に介在している。

各永久磁石部３２０Ａは、径方向外側を向く単一の磁極を構成している。本実施形態において、複数の永久磁石部３２０Ａのそれぞれは、単独のピースの永久磁石６１Ａからなっている。すなわち、複数の永久磁石６１Ａのそれぞれが、１つの永久磁石部３２０Ａを構成している。

複数の永久磁石６１Ａは、第１回転子コア５１０Ａ内および第２回転子コア５２０Ａ内に埋め込まれている。第１回転子コア５１０Ａ内および第２回転子コア５２０Ａ内のそれぞれにおいて、複数の永久磁石６１Ａは、周方向に略等間隔に配置されている。

また、複数の永久磁石６１Ａは、径方向外側の面がＮ極となる複数の永久磁石６１１Ａと、径方向外側の面がＳ極となる複数の永久磁石６１２Ａとを含んでいる。永久磁石６１１Ａと永久磁石６１２Ａとは、交互に周方向に並んでいる。すなわち、周方向に隣り合う永久磁石６１１Ａと永久磁石６１２Ａとは、径方向外側の面の磁極が互いに異なる。

上記構成により、第１回転子コア５１０Ａおよび第２回転子コア５２０Ａは、複数のフラックスバリア部６２Ａと、複数の有効磁束部６３Ａとを有する。フラックスバリア部６２Ａと、有効磁束部６３Ａとは、第１回転子コア５１０Ａおよび第２回転子コア５２０Ａのそれぞれの外周面に周方向に交互に配置されている。

複数のフラックスバリア部６２Ａのそれぞれは、周方向に隣り合う永久磁石６１１Ａおよび永久磁石６１２Ａの磁極間で磁気飽和をしている。

複数の有効磁束部６３Ａのそれぞれは、永久磁石６１Ａのそれぞれの径方向外側に位置している。有効磁束部６３Ａは、その径方向内側に位置する永久磁石６１Ａと、回転子３２Ａの外部との間の磁路となっている。これにより、複数の有効磁束部６３Ａは、径方向外側の面がＮ極であるＮ極磁束部６３１Ａと、径方向外側の面がＳ極であるＳ極磁束部６３２Ａとを有する。径方向外側の面の磁極がＮ極である永久磁石６１１Ａの径方向外側には、Ｎ極磁束部６３１Ａが配置されている。また、径方向外側の面の磁極がＳ極である永久磁石６１２Ａの径方向外側には、Ｓ極磁束部６３２Ａが配置されている。したがって、複数のＮ極磁束部６３１Ａと、複数のＳ極磁束部６３２Ａとは、周方向に交互に配置されている。すなわち、フラックスバリア部６２Ａを挟んで周方向に隣り合う２つの有効磁束部６３Ａは、径方向外側の磁極が互いに異なる。

第１回転子コア５１０Ａと第２回転子コア５２０Ａとは、それぞれの永久磁石６１Ａ同士が周方向にずれる位置に、配置されている。これにより、図１に示すように、第１回転子コア５１０Ａのフラックスバリア部６２Ａと第２回転子コア５２０Ａのフラックスバリア部６２Ａとが、周方向にずれる位置に配置されている。同様に、第１回転子コア５１０Ａの有効磁束部６３Ａと第２回転子コア５２０Ａの有効磁束部６３Ａとが、周方向にずれる位置に配置されている。すなわち、回転子３２Ａは、いわゆる段スキュー構造を有している。これにより、回転電機のコギングトルクおよびトルクリップルが低減されている。

なお、当該段スキュー構造による第１回転子コア５１０Ａおよび第２回転子コア５２０の周方向のずれは、第１回転子コア５１０Ａの有効磁束部６３Ａと、第２回転子コア５２０Ａの磁極の異なる有効磁束部６３Ａとが軸方向に重ならない程度のずれとされる。

このような段スキュー構造においては、第１回転子コア５１０Ａのフラックスバリア部６２Ａは、第２回転子コア５２０Ａの有効磁束部６３Ａの一部と、軸方向に重なっている。同様に、第２回転子コア５２０Ａのフラックスバリア部６２Ａは、第１回転子コア５１０Ａの有効磁束部６３Ａの一部と、軸方向に重なっている。

一方、前述の通り、第１回転子コア５１０Ａと、第２回転子コア５２０Ａとの間には、非磁性体層５０Ａが介在している。これにより、第１回転子コア５１０Ａのフラックスバリア部６２Ａと第２回転子コア５２０Ａの有効磁束部６３Ａとの間において、磁束の短絡が抑制されている。同様に、第１回転子コア５１０Ａの有効磁束部６３Ａと第２回転子コア５２０Ａのフラックスバリア部６２Ａとの間において、磁束の短絡が抑制されている。すなわち、回転子３２Ａの有効磁束の低下が抑制されている。

また、第１回転子コア５１０Ａのフラックスバリア部６２Ａの一部と、第２回転子コア５２０Ａのフラックスバリア部６２Ａの一部とは、軸方向に重なっている。これにより、第１回転子コア５１０ＡのＮ極磁束部６３１Ａと、第２回転子コア５２０ＡのＳ極磁束部６３２Ａとが、軸方向に重ならない。同様に、第１回転子コア５１０ＡのＳ極磁束部６３２Ａと、第２回転子コア５２０ＡのＮ極磁束部６３２Ａとが、軸方向に重ならない。すなわち、隣り合う回転子コア間において、径方向外側の磁極の異なる有効磁束部６３Ａ同士が軸方向に重ならない。その結果、隣り合う回転子コア間における磁束の短絡がさらに抑制されている。すなわち、回転子３２Ａの有効磁束の低下がさらに抑制されている。

＜２．第２実施形態＞
＜２−１．モータの全体構成＞
次に、本発明の第２実施形態について、説明する。

図２は、第２実施形態に係るモータ１の縦断面図である。本実施形態のモータ１は、自動車に搭載され、操舵装置の駆動力を発生させるために使用される。ただし、本発明のモータ１は、自動車以外に使用されるものであってもよい。

図２に示すように、モータ１は、静止部２と回転部３とを、有している。回転部３は、静止部２に対して、回転可能に支持されている。

本実施形態の静止部２は、ハウジング２１、蓋部２２、固定子２３、下軸受部２４、および上軸受部２５を、有している。

ハウジング２１は、略円筒状の側壁２１１と、側壁の下部を塞ぐ底部２１２とを有している。蓋部２２は、ハウジング２１の上部の開口を覆っている。固定子２３および後述する回転子３２は、ハウジング２１と蓋部２２とに囲まれた内部空間に収容されている。ハウジング２１の底部２１２の中央には、下軸受部２４が配置されている。また、蓋部２２の中央には、上軸受部２５が配置されている。

固定子２３は、駆動電流に応じて磁束を発生させる電機子である。固定子２３は、固定子コア４１、インシュレータ４２、およびコイル４３を有する。固定子コア４１は、例えば、複数の電磁鋼板が軸方向に積層された積層鋼板により形成されている。固定子コア４１は、円環状のコアバック４１１と、コアバック４１１から径方向内側へ向けて突出した複数のティース４１２とを有する。コアバック４１１は、ハウジング２１の側壁２１１の内周面に、固定されている。複数のティース４１２は、周方向に略等間隔に配列されている。

インシュレータ４２は、絶縁体である樹脂により形成される。各ティース４１２の上面、下面、および周方向の両端面は、インシュレータ４２に覆われている。コイル４３は、インシュレータ４２の周囲に巻かれた導線により、構成される。インシュレータ４２は、ティース４１２とコイル４３との間に介在することによって、ティース４１２とコイル４３とが電気的に短絡することを、防止している。なお、インシュレータ４２に代えて、ティース４１２の表面に絶縁塗装が施されていてもよい。

下軸受部２４および上軸受部２５は、それぞれ、ハウジング２１および蓋部２２と、回転部３側の後述するシャフト３１との間に配置されている。これにより、シャフト３１は、ハウジング２１および蓋部２２に対して、回転可能に支持されている。本実施形態の下軸受部２４および上軸受部２５には、球体を介して外輪と内輪とを相対回転させるボールベアリングが、使用されている。ただし、ボールベアリングに代えて、すべり軸受や流体軸受等の他方式の軸受が、使用されていてもよい。

本実施形態の回転部３は、シャフト３１と、回転子３２とを、有している。

シャフト３１は、中心軸９に沿って延びる柱状の部材である。シャフト３１は、下軸受部２４および上軸受部２５に支持されながら、中心軸９を中心として回転する。また、図２に示すように、シャフト３１の上端部は、蓋部２２より上方に突出している。シャフト３１の上端部は、例えば、ギア等の動力伝達機構を介して、自動車の操舵装置に連結される。また、シャフト３１の上端部は、操舵装置以外の駆動部に連結されていてもよい。

なお、本実施形態において、シャフト３１は蓋部２２より上方へ突出しているが、本発明はこの限りではない。シャフト３１は、ハウジング２１の底部２１２より下方へ突出していて、その下端部が駆動部と連結されていてもよい。

回転子３２は、固定子２３の径方向内側に配置されて、シャフト３１とともに回転する。回転子３２の詳細な構造については、後述する。

このようなモータ１において、静止部２のコイル４３に駆動電流を与えると、固定子コア４１の複数のティース４１２に、径方向の磁束が生じる。そして、ティース４１２と回転子３２との間の磁束の作用により、周方向のトルクが発生する。その結果、静止部２に対して回転部３が、中心軸を中心として回転する。回転部３が回転すると、シャフト３１に連結された操舵装置に、駆動力が伝達される。

＜２−２．回転子の構成＞
続いて、回転子３２の詳細な構造について、説明する。図３は、回転子３２の斜視図である。図４は、第１回転子ユニット５１の上面図である。図５は、第１回転子ユニット５１の部分上面図である。図６は、回転子３２の部分上面図である。

図３に示すように、回転子３２は、略円柱型をしている。回転子３２は、第１回転子ユニット５１と、第２回転子ユニット５２と、非磁性体層５０とを有している。第１回転子ユニット５１と、第２回転子ユニット５２とは、軸方向に重なっている。そして、第１回転子ユニット５１と第２回転子ユニット５２との間に、非磁性体層５０が介在している。

図４に示すように、第１回転子ユニット５１は、第１回転子コア５１０と、複数の永久磁石部３２０とを有している。

第１回転子コア５１０は、シャフト３１を包囲する筒状の部材である。本実施形態の第１回転子コア５１０は、電磁鋼板を軸方向に積層させた積層鋼板からなる。第１回転子コア５１０には、それぞれ軸方向に第１回転子コア５１０を貫通する、シャフト孔７１、複数の磁石孔７２、および複数の非磁性孔７３が設けられている。

各永久磁石部３２０は、径方向外側を向く単一の磁極を構成している。本実施形態において、複数の永久磁石部３２０のそれぞれは、単独のピースの永久磁石６１からなっている。すなわち、複数の永久磁石６１のそれぞれが、１つの永久磁石部３２０を構成している。

図４に示すように、シャフト孔７１は、第１回転子コア５１０の中央に設けられており、シャフト３１が挿入される。

複数の磁石孔７２は、周方向に略等間隔に並んでいる。複数の磁石孔７２にはそれぞれ、複数の永久磁石６１のうちの１つが埋め込まれている。すなわち、１つの磁石孔７２内に、１つの永久磁石部３２０が形成されている。ここで、複数の永久磁石６１は、径方向外側の面の磁極がＮ極の永久磁石６１１と、径方向外側の面の磁極がＳ極の永久磁石６１２とを含んでいる。径方向外側の面の磁極がＮ極の永久磁石６１１と、径方向外側の面の磁極がＳ極の永久磁石６１２とは、周方向に交互に配置されている。したがって、周方向に隣り合う永久磁石６１１と永久磁石６１２とは、径方向外側の面の磁極が互いに異なる。

図５に示すように、それぞれの磁石孔７２の周方向の両側に隣接する位置にはそれぞれ、非磁性孔７３が設けられている。これにより、非磁性孔７３は、それぞれの永久磁石６１の周方向の側面のうち、少なくとも径方向外側端部から略中央までの部分と隣接している。非磁性孔７３は、永久磁石６１の周方向の両端からの磁束の漏れを、抑制している。本実施形態において、非磁性孔７３はそれぞれ空隙であるが、非磁性孔７３に樹脂などの非磁性部材が挿入されていてもよい。

また、第１回転子コア５１０において、磁石孔７２および非磁性孔７３より径方向外側の部分と、磁石孔７２および非磁性孔７３より径方向内側の部分とは、周方向に隣り合う２つの磁石孔７２の間に位置する径方向連結部７４によって連結されている。径方向連結部７４は、周方向に隣り合う非磁性孔７３の間に位置する外側連結部７４１と、隣り合う永久磁石６１の周方向の側面の径方向内端部付近同士の間に位置する内側連結部７４２とからなる。

外側連結部７４１の径方向外側端部は、フラックスバリア部６２の後述する中央部６２１と繋がっている。外側連結部７４１の周方向の両側面は、非磁性孔７３と隣接している。また、外側連結部７４１の周方向の幅は略一定となっている。

内側連結部７４２の径方向外側端部と、外側連結部７４１の径方向内側端部とは、繋がっている。内側連結部７４２の周方向の両側面は、隣り合う２つの永久磁石６１の周方向の両側面と隣接している。内側連結部７４２の周方向の両端面の径方向内側端部は、永久磁石６１の周方向の側面の径方向内側端部と隣接している。また、内側連結部７４２の周方向の両端面の径方向外側端部は、非磁性孔７３と隣接している。

上記構成により、第１回転子コア５１０は、複数のフラックスバリア部６２と、複数の有効磁束部６３とを有する。複数のフラックスバリア部６２と、複数の有効磁束部６３とは、第１回転子コア５１０の外周面に周方向に交互に配置されている。各フラックスバリア部６２は、周方向に隣り合う永久磁石６１の磁極間で、磁気飽和している部分である。本実施形態においては、第１回転子コア５１０のうち、モータ１の静止時において第１回転子コア５１０を構成する素材の飽和磁化の７０％以上磁化している部分をフラックスバリア部６２とする。

各有効磁束部６３は、永久磁石６１と、回転子３２の径方向外側に位置する固定子２３との間において、磁路の一部となる部分である。永久磁石６１と固定子２３との間に生じる磁束は、有効磁束部６３を通って流れる。

複数の有効磁束部６３は、径方向外側の面がＮ極となるＮ極磁束部６３１と、径方向外側の面がＳ極となるＳ極磁束部６３２とを含んでいる。径方向外側の面の磁極がＮ極の永久磁石６１１の径方向外側には、Ｎ極磁束部６３１が配置されている。また、径方向外側の面の磁極がＳ極の永久磁石６１２の径方向外側には、Ｓ極磁束部６３２が配置されている。すなわち、複数のＮ極磁束部６３１と、複数のＳ極磁束部６３２とは、周方向に交互に配置されている。

第１回転子ユニット５１と、第２回転子ユニット５２とは、略同一の構成を有している。第２回転子ユニット５２は、第１回転子ユニット５１と同様に、第２回転子コア５２０と、複数の永久磁石６１とを有する。第２回転子ユニット５２の各部の詳細については、第１回転子ユニット５１と同様であるため、重複する説明は省略する。

非磁性体層５０は、前述の通り、第１回転子ユニット５１と第２回転子ユニット５２との間に介在している。非磁性体層５０は、シャフト３１の周囲において径方向に拡がる、板状の部材である。非磁性体層５０は、例えば、樹脂材料製である。ただし、非磁性体層５０は、非磁性体であれば、銅やステンレスなどの非磁性金属材料製であってもよい。

第１回転子ユニット５１と第２回転子ユニット５２とは、それぞれの永久磁石６１同士が周方向にずれる位置に、配置されている。これにより、図３に示すように、第１回転子ユニット５１のフラックスバリア部６２と第２回転子ユニット５２のフラックスバリア部６２とが、周方向にずれる位置に配置されている。同様に、第１回転子ユニット５１の有効磁束部６３と第２回転子ユニット５２の有効磁束部６３とが、周方向にずれる位置に配置されている。すなわち、回転子３２は、いわゆる段スキュー構造を有している。これにより、第１回転子ユニット５１および第２回転子ユニット５２のそれぞれの外周面における磁束分布の変化が相殺され、回転子３２全体の外周面における磁束分布の変化が滑らかになる。その結果、モータ１のコギングトルクおよびトルクリップルが低減されている。

また、第１回転子ユニット５１と第２回転子ユニット５２とが周方向にずれていることにより、図３および図６に示すように、第１回転子ユニット５１のフラックスバリア部６２は、第２回転子ユニット５２の有効磁束部６３の一部と、軸方向に重なっている。同様に、第２回転子ユニット５２のフラックスバリア部６２は、第１回転子ユニット５１の有効磁束部６３の一部と、軸方向に重なっている。

一方、前述の通り、第１回転子ユニット５１と、第２回転子ユニット５２との間には、非磁性体層５０が介在している。これにより、第１回転子ユニット５１のフラックスバリア部６２と第２回転子ユニット５２の有効磁束部６３との間、および、第１回転子ユニット５１の有効磁束部６３と第２回転子ユニット５２のフラックスバリア部６２との間において、磁束の短絡が抑制されている。すなわち、回転子３２の有効磁束の低下が抑制されている。

また、図３および図６に示すように、このモータ１では、第１回転子ユニット５１のフラックスバリア部６２の一部と、第２回転子ユニット５２のフラックスバリア部６２の一部とが、軸方向に重なる位置に配置されている。

このため、第１回転子ユニット５１のＮ極磁束部６３１と、第２回転子ユニット５２のＳ極磁束部６３２とは、軸方向に重ならない。同様に、第１回転子ユニット５１のＳ極磁束部６３２と、第２回転子ユニット５２のＮ極磁束部６３１とは、軸方向に重ならない。その結果、第１回転子ユニット５１および第２回転子ユニット５２の間において、磁束の短絡がさらに抑制されている。すなわち、回転子３２の有効磁束の低下がさらに抑制されている。これにより、モータ１のトルクの低下が抑制されている。

＜２−３．フラックスバリア部と有効磁束部の形状について＞
続いて、フラックスバリア部６２および有効磁束部６３の形状について、説明する。

図５に示すように、フラックスバリア部６２は、径方向外側の面の磁極がＮ極の永久磁石６１１の径方向外側に位置する、Ｎ極磁束部６３１と、径方向外側の面の磁極がＳ極の永久磁石６１２の径方向外側に位置する、Ｓ極磁束部６３２と、の間に位置している。また、フラックスバリア部６２は、中央部６２１と、周方向連結部６２２と、端壁部６２３とを、有する。中央部６２１は、フラックスバリア部６２の周方向の略中央に配置されている。中央部６２１の径方向内側の端部は、外側連結部７４１の径方向外側の端部と繋がっている。周方向連結部６２２は、フラックスバリア部６２の周方向の両側に配置され、中央部６２１と端壁部６２３とを繋いでいる。周方向連結部６２２の径方向内側の端面は、非磁性孔７３と隣接している。

本実施形態において、中央部６２１および周方向連結部６２２の径方向外側の面の形状は、中心軸９に直交する断面において、直線、もしくは、中心軸９を中心とした円弧である。

端壁部６２３は、フラックスバリア部６２の周方向の両端に配置されている。本実施形態では、端壁部６２３はそれぞれ、永久磁石６１の径方向外側の面の一部と、径方向に重なっている。また、端壁部６２３の径方向外側の面と、永久磁石６１の径方向外側の面とが、略平行である。さらに、永久磁石６１の径方向外側の面と有効磁束部６３の径方向外側の面との間の径方向の幅は、永久磁石６１の径方向外側の面と端壁部６２３の径方向外側の面との間の径方向の幅よりも、大きい。

ここで、永久磁石６１の径方向外側の面と有効磁束部６３の径方向外側の面との間の径方向の幅とは、永久磁石６１の径方向外側の面と有効磁束部６３の径方向外側の面との間において、径方向の幅が最大となる位置における径方向の幅をいう。また、永久磁石６１の径方向外側の面と端壁部６２３の径方向外側の面との間の径方向の幅とは、永久磁石６１の径方向外側の面と端壁部６２３の径方向外側の面との間において、径方向の幅が最大となる位置における径方向の幅をいう。

これにより、端壁部６２３が、磁気飽和しやすい。すなわち、端壁部６２３の磁束密度が有効磁束部６３の磁束密度に比べて大きくなる。したがって、有効磁束部６３の周方向の両端部において、磁路がフラックスバリア部６２へ向かいにくくなり、かつ、径方向を向きやすくなる。

また、フラックスバリア部６２は、永久磁石６１１と永久磁石６１２との間で磁気飽和している。すなわち、フラックスバリア部６２は、永久磁石６１１の径方向外側の磁極面のうち一方の端壁部６２３と径方向に重なる部分と、永久磁石６１２の径方向外側の磁極面のうち他方の端壁部６２３と径方向に重なる部分との間で磁気飽和している。

ここで、周方向連結部６２２の径方向内側には、非磁性孔７３が位置している。非磁性孔７３の径方向外側の面と周方向連結部６２２の径方向外側の面との径方向の幅は、略一定であり、かつ、永久磁石６１の径方向外側の面と端壁部６２３の径方向外側の面との間の径方向の幅と略同一である。すなわち、非磁性孔７３により、永久磁石６１１および永久磁石６１２間の磁路が径方向に拡がるのが抑制されている。これにより、中央部６２１および周方向連結部６２２において、端壁部６２３と比べて磁束密度が小さくなるのが抑制されている。

また、本実施形態では、各永久磁石６１の径方向外側の面の周方向の幅は、各有効磁束部６３の周方向の幅よりも大きい。これにより、各永久磁石６１の径方向外側の面の周方向の幅が、各有効磁束部６３の周方向の幅より小さい場合より、モータ１のトルクをより大きくできる。つまり、各永久磁石６１によって端壁部６２３を磁気飽和させることにより、各永久磁石６１から各有効磁束部６３へ流れる磁束の効率が良くなりモータ１の回転効率をより高めることができる。

また、本実施形態では、有効磁束部６３の径方向外側の面が、フラックスバリア部６２の径方向外側の面よりも径方向外側に突出している。これにより、第１回転子コア５１０および第２回転子コア５２０の外表面における周方向の磁束密度が、矩形波と比べて、正弦波に近似する。すなわち、モータ１において発生する誘起電圧の波形が、正弦波形に近似する。また、本実施形態では、有効磁束部６３の径方向外側の面の形状が、中心軸９に直交する断面において、中心軸９より径方向外側の点を中心とする円弧である。これにより、モータ１から発生する誘起電圧の波形が、より正弦波形に近似する。

さて、図４に示すように、第１回転子コア５１０は、軸方向に見て、線対称の形状をしている。また、これと同様に、第２回転子コア５２０も、軸方向に見て、線対称の形状をしている。したがって、それぞれの有効磁束部６３の周方向の中心と、それぞれの永久磁石６１の周方向の中心とが、径方向に重なっている。これにより、回転子３２がどちらの方向に回転した場合においても、同様の波形を有する誘起電圧を得ることができる。

＜３．変形例＞
以上、本発明の例示的な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。

図７は、一変形例に係る回転子３２Ｂの斜視図である。図７の例では、軸方向に隣り合う第１回転子ユニット５１Ｂおよび第２回転子ユニット５２Ｂの間に、空隙層５０Ｂが介在している。そして、当該空隙層５０Ｂが、非磁性体層を構成している。空隙層５０Ｂは、例えば、第１回転子ユニット５１Ｂおよび第２回転子ユニット５２Ｂの間に環状の非磁性体リングを挟むことにより、設けられる。図７の例においても、第１回転子ユニット５１Ｂのフラックスバリア部６２Ｂと、当該フラックスバリア部６２Ｂと軸方向に重なる第２回転子ユニット５２Ｂの有効磁束部６３Ｂとの間において、磁束の短絡が抑制されている。同様に、第１回転子ユニット５１Ｂの有効磁束部６３Ｂと、当該有効磁束部６３Ｂと軸方向に重なる第２回転子ユニット５２Ｂのフラックスバリア部６２Ｂとの間において、磁束の短絡が抑制されている。

図８は、他の変形例に係る回転子３２Ｃの斜視図である。図８の例では、回転子３２Ｃは、第１回転子ユニット５１Ｃと、第２回転子ユニット５２Ｃと、第３回転子ユニット５３Ｃと、２つの非磁性体層５０Ｃとを有している。第１回転子ユニット５１Ｃと第２回転子ユニット５２Ｃとは、非磁性体層５０Ｃを挟んで、軸方向に隣り合っている。第２回転子ユニット５２Ｃと第３回転子ユニット５３Ｃとは、非磁性体層５０Ｃを挟んで、軸方向に隣り合っている。すなわち、２つの非磁性体層５０Ｃは、それぞれ、第１回転子ユニット５１Ｃおよび第２回転子ユニット５２Ｃの間と、第２回転子ユニット５２Ｃおよび第３回転子ユニット５３Ｃの間とに、介在している。

図８の例において、第１回転子ユニット５１Ｃのフラックスバリア部６２Ｃの一部と、第２回転子ユニット５１Ｃのフラックスバリア部６２Ｃの一部とが、軸方向に重なっている。また、第２回転子ユニット５１Ｃのフラックスバリア部６２Ｃの一部と、第３回転子ユニット５１Ｃのフラックスバリア部６２Ｃの一部とが、軸方向に重なっている。すなわち、軸方向に隣り合う２つの回転子ユニットの、一方のフラックスバリア部６２Ｃの一部と、他方のフラックスバリア部６２Ｃの一部とが、軸方向に重なっている。したがって、図８の例においても、隣り合う回転子ユニット間において、磁束の短絡が抑制されている。すなわち、回転子ユニット５１Ｃ−５３Ｃの有効磁束の低下が抑制されている。図８の例のように、回転子ユニットは２つ以上であれば３つであってもよく、４つ以上であってもよい。

図９は、他の変形例に係る第１回転子ユニット５１Ｄの上面図である。上述の実施形態において、回転子コアは軸方向に見て線対称であったが、図９の例では、第１回転子ユニット５１Ｄは、軸方向に見て線対称でない。具体的には、有効磁束部６３Ｄの径方向外側の面の形状に、周方向の偏りがある。図９の例においても、回転子の回転方向が一方のみである場合、軸方向に見て線対称でなくても、軸方向に見て回転対称であれば、安定した波形の誘起電圧を得ることができる。

図１０は、他の変形例に係る第１回転子ユニット５１Ｅの上面図である。図１０の例では、永久磁石６１Ｅの径方向外側の面は全て、有効磁束部６３Ｅと径方向に重なっている。したがって、永久磁石６１Ｅの径方向外側の面と、フラックスバリア部６２Ｅとは、径方向に重ならない。図１０の例においても、第１回転子ユニット５１Ｅのフラックスバリア部６２Ｅの一部と、第２回転子ユニット５２Ｅのフラックスバリア部６２Ｅの一部とが、軸方向に重なっていれば、隣り合う回転子コア間において、磁束の短絡が抑制されている。すなわち、回転子コアの有効磁束の低下が抑制されている。

図１１は、他の変形例に係る回転子３２Ｆの斜視図である。上記の実施形態の回転子において、複数の永久磁石部のそれぞれは、単独のピースの永久磁石からなっていたが、本発明はこれに限らない。単一の有効磁束部に対応する単一の永久磁石部のそれぞれは、２つ以上のピースの永久磁石からなっていてもよい。例えば、図１１の例においては、第１回転子ユニット５１Ｆおよび第２回転子ユニット５２Ｆのそれぞれにおいて、単一の有効磁束部６３Ｆに対応する単一の永久磁石部３２０Ｆのそれぞれは、第１ピース８１Ｆおよび第２ピース８２Ｆによって構成されている。永久磁石部３２０Ｆのそれぞれを構成する第１ピース８１Ｆおよび第２ピース８２Ｆは、径方向外側の面の磁極が同一な永久磁石である。図１１の例においては、第１ピース８１Ｆおよび第２ピース８２Ｆは、径方向外側に拡がるＶ字状に配置されている。これにより、永久磁石部３２０Ｆは、径方向外側を向く単一の磁極を形成している。

また、上記の実施形態において、非磁性体層は、板状の部材であったが、本発明はこれに限らない。２つ以上の回転子コアを挿入した金型に溶融樹脂を流し込むモールド一体形成により、回転子コアの固定と、非磁性体層の形成とが、同時に行われていてもよい。

また、上記の実施形態や変形例のモータと同等の構造で、発電機を構成することもできる。本発明の回転電機は、自動車、電動アシスト自転車、風力発電等に使用される発電機であってもよい。

また、各部材の細部の形状については、本願の各図に示された形状と、相違していてもよい。また、上記の実施形態や変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。

本発明は、回転電機に利用できる。

１モータ
２静止部
３回転部
９，９Ａ中心軸
２１ハウジング
２２蓋部
２３固定子
３１シャフト
３２，３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄ，３２Ｆ回転子
５０，５０Ａ，５０Ｃ非磁性体層
５０Ｂ空隙層
５１，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ，５１Ｆ第１回転子ユニット
５２，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｅ，５２Ｆ第２回転子ユニット
５３Ｃ第３回転子ユニット
６１，６１Ａ，６１Ｅ永久磁石
６２，６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｅフラックスバリア部
６３，６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｄ，６３Ｅ，６３Ｆ有効磁束部
７１シャフト孔
７２磁石孔
７３非磁性孔
８１Ｆ第１ピース
８２Ｆ第２ピース
３２０，３２０Ａ，３２０Ｆ永久磁石部
５１０，５１０Ａ第１回転子コア
５２０，５２０Ａ第２回転子コア
６１１，６１１Ａ永久磁石
６１２，６１２Ａ永久磁石
６２１中央部
６２２周方向連結部
６２３端壁部
６３１，６３１ＡＮ極磁束部
６３２，６３２ＡＳ極磁束部

Claims

中心軸を中心に回転する、略円柱型の回転子
を有し、
前記回転子は、
第１回転子コアと、
前記第１回転子コアと軸方向に重なる、第２回転子コアと、
前記第１回転子コアと前記第２回転子コアとの間に介在する、非磁性体層と、
前記第１回転子コア内および前記第２回転子コア内に埋め込まれた複数の永久磁石部と、
を有し、
前記第１回転子コアおよび前記第２回転子コアのそれぞれにおいて、前記複数の永久磁石部は、周方向に略等間隔に配置されており、
周方向に隣り合う２つの前記永久磁石部は、径方向外側面の磁極が互いに異なり、
前記第１回転子コアと前記第２回転子コアは、それぞれの前記複数の永久磁石部が周方向にずれる位置に配置された段スキュー構造を有し、
前記第１回転子コアと前記第２回転子コアとのそれぞれは、
周方向に隣り合う前記永久磁石部の磁極間で磁気飽和した、複数のフラックスバリア部と、
前記永久磁石部の径方向外側に位置し、前記永久磁石部と前記回転子の外部との間の磁路となる、複数の有効磁束部と、
を有し、
前記有効磁束部の径方向外側の面が、前記フラックスバリア部の径方向外側の面よりも径方向外側に突出しており、
前記フラックスバリア部は、周方向に隣り合う２つの前記永久磁石部の一部と径方向に重なる端壁部を有し、
前記永久磁石の径方向外側の面の周方向の幅は、各有効磁束部の周方向の幅よりも大きく、
前記複数のフラックスバリア部と、前記複数の有効磁束部とは、前記第１回転子コアおよび前記第２回転子コアのそれぞれの外周面に周方向に交互に配置され、
前記第１回転子コアの前記フラックスバリア部は、第２回転子コアの前記フラックスバリア部の一部および第２回転子コアの前記有効磁束部の一部の双方と、軸方向に重なっている回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記複数の永久磁石部のそれぞれは、単独のピースからなる回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記複数の永久磁石部のそれぞれは、複数のピースからなる回転電機。
請求項１から請求項３までのいずれかに記載の回転電機において、
前記フラックスバリア部は、回転子コアを構成する素材の飽和磁化の７０％以上磁化している、回転電機。
請求項１から請求項４までのいずれかに記載の回転電機において、
前記非磁性体層は、樹脂製である回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記永久磁石部の径方向外側の面と前記有効磁束部の径方向外側の面との間の径方向の幅は、前記永久磁石部の径方向外側の面と前記端壁部の径方向外側の面との間の径方向の幅よりも大きい、回転電機。
請求項６に記載の回転電機において、
前記永久磁石部の径方向外側の面と前記有効磁束部の径方向外側の面との間の径方向の幅とは、前記永久磁石部の径方向外側の面と前記有効磁束部の径方向外側の面との間において、径方向の幅が最大となる位置における径方向の幅であり、
前記永久磁石部の径方向外側の面と前記端壁部の径方向外側の面との間の径方向の幅とは、
前記永久磁石部の径方向外側の面と前記端壁部の径方向外側の面との間において、径方向の幅が最大となる位置における径方向の幅である、回転電機。
請求項６または請求項７に記載の回転電機において、
前記端壁部の径方向外側の面と、前記永久磁石部の径方向外側の面とが、略平行である回転電機。
請求項１から請求項８までのいずれかに記載の回転電機において、
前記回転子の径方向外側に配置された電機子
をさらに有し、
前記中心軸に直交する断面において、前記有効磁束部の径方向外側の面の形状は、中心軸より径方向外側の点を中心とする円弧である回転電機。
請求項１から請求項９までのいずれかに記載の回転電機において、
前記有効磁束部の周方向の中心と、前記永久磁石部の周方向の中心とが、径方向に重なる回転電機。