WO2022024337A1 - 回転電機 - Google Patents

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core
stator
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rotary electric
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貴之 安盛
貴裕 水田
甲彰 山根
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三菱電機株式会社
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    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • This application relates to a rotary electric machine.
  • stator magnet motors include, for example, those shown in Patent Document 1.
  • the stator core is equipped with a permanent magnet magnetized in the radial direction, the core is divided in the axial direction, and the position of the salient pole is half collided with the divided rotor core and the adjacent rotor core.
  • the pole pitch is off.
  • the problem is the increase in rotor vibration due to the electromagnetic vibration force.
  • the vibration of the rotor core cannot be effectively suppressed only by dividing it in the axial direction.
  • This application has been made to solve the above-mentioned problems, and defines the number of divisions of the divided rotor cores and the division ratio of the rotor cores, and the vibration of the rotor caused by the electromagnetic excitation force.
  • the purpose is to obtain a rotary electric machine that can effectively suppress.
  • the rotary electric machine is a rotary electric machine having a stator and a rotor having both sides rotatably supported by a support portion and divided into a plurality of rotor cores.
  • the axial width of the rotor core arranged at the load side end of the rotation shaft is ⁇
  • the rotation arranged at the opposite end of the rotation shaft on the load side is ⁇
  • the axial width of the child core is ⁇
  • the distance from the support portion on the load side to the rotor core on the load side is ⁇
  • the distance from the support portion on the opposite side of the load side to the opposite side of the load side is ⁇ .
  • the vibration of the rotor due to the electromagnetic excitation force can be effectively suppressed by conditioning the division dimension of the rotor core by the distance from the support portion to the rotor core.
  • FIG. It is sectional drawing which shows the rotary electric machine which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a schematic diagram which shows the rotor of the rotary electric machine which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a schematic diagram which shows the rotor of the rotary electric machine which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is sectional drawing which shows the rotary electric machine which concerns on Embodiment 3.
  • FIG. It is sectional drawing which shows the rotary electric machine which concerns on Embodiment 3.
  • FIG. It is sectional drawing which shows the rotary electric machine which concerns on Embodiment 3.
  • FIG. It is sectional drawing which shows the rotary electric machine which concerns on Embodiment 3.
  • FIG. It is sectional drawing which shows the rotary electric machine which concerns on Embodiment 3.
  • FIG. It is sectional drawing which shows the rotary
  • FIG. It is a partial cross-sectional view which shows the rotary electric machine which concerns on Embodiment 4.
  • FIG. It is a figure which shows the relationship between the axial gap width and torque density of the rotary electric machine which concerns on Embodiment 4.
  • FIG. It is a figure which shows the relationship between the axial gap width and the output of the rotary electric machine which concerns on Embodiment 4.
  • FIG. It is a partial cross-sectional view which shows the rotary electric machine which concerns on Embodiment 5.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a rotary electric machine according to the first embodiment of the present application.
  • the rotary electric machine 1 includes a rotor 2 and a tubular stator 3 that surrounds the rotor 2, and a pair of support portions 5 that are provided on the frame 4 and support the rotor 2.
  • the rotor 2 has a rotary shaft 6 and a rotor core 7, and the rotor core 7 is fixed to the rotary shaft 6 by shrink fitting or press fitting.
  • the rotor core 7 is configured by laminating electromagnetic steel sheets along the axial direction of the rotating shaft 6.
  • the rotating shaft 6 is supported by bearings 51 and 52 which are support portions 5 at both ends.
  • One of both ends of the rotating shaft 6 protrudes from the frame 4 in order to be coupled to an object to be a load 100.
  • the direction in which the rotating shaft 6 protrudes is referred to as the load 100 side.
  • the other end of the rotating shaft 6 is referred to as the opposite side of the load 100 side.
  • An encoder or the like may be attached to the rotating shaft 6 on the load 100 side.
  • a cover 10 for protecting the rotating shaft 6 may be attached.
  • the stator 3 is provided so as to cover the outer periphery of the rotor core 7, and the stator core 8 provided so as to face the rotor core 7 and the stator coil 30 in which the stator core 8 is wound in the axial direction are provided.
  • the air gap 11 is a gap between the outer peripheral surface of the rotor core 7 and the inner peripheral surface of the stator core 8.
  • the distance between the rotor core 7 and the support portion 5 of the rotating shaft 6 is different between the load 100 side and the opposite side of the load 100 side. In FIG. 1, the distance between the rotor core 7 on the load 100 side and the bearing 51 which is the support portion 5 is longer than the distance between the rotor core 7 on the opposite side on the load 100 side and the bearing 52 which is the support portion 5. ing.
  • the rotor core 7 and the stator core 8 are each divided into three in the axial direction.
  • the divided rotor cores 7 are designated as rotor cores 71, 72, 73 from the load 100 side.
  • the facing and divided stator cores 8 are designated as stator cores 81, 82, and 83 from the load 100 side.
  • the core width of the rotor core 71 is ⁇
  • the core width of the rotor core 72 is ⁇
  • the core width of the rotor core 73 is ⁇
  • the distance to the center of the bearing 51, which is 5, is ⁇
  • the distance from the end of the rotor core 73 on the opposite side of the load 100 to the center of the bearing 52, which is the support 5 on the opposite side of the load 100 is defined. Let it be ⁇ .
  • FIG. 2 is a schematic view showing a rotor and a bearing when two bearings 51a and 51b, which are support portions 5, are provided on the load 100 side. Focusing on the bearings 51a and 51b on the load 100 side, the distance from the end of the rotor core 71 to the center of the bearing 51a is ⁇ 1, and the distance from the end of the rotor core 71 to the center of the bearing 51b. Is ⁇ 2, and the distance ⁇ from the end of the rotor core 71 to the bearing may be the average value of ⁇ 1 and ⁇ 2.
  • the bending mode represents the form of vibration. In other words, it represents how the rotor deforms (vibrates).
  • the bending mode is generally represented by a mode primary, a mode secondary, and a mode tertiary from the smallest natural frequency.
  • the rotor core 7 is eccentric, and the entire rotor 2 is deformed in a bow shape with the central portion in the axial direction as the antinode.
  • the bending mode secondary is a form in which the rotor 2 is deformed in a wavy shape while the entire rotor 2 rotates in a direction perpendicular to the axial direction.
  • the third-order bending mode is a form in which the rotor 2 is deformed in a wavy shape with the central portion in the axial direction as the antinode, and the antinodes in the central portion in the axial direction and the support portion 5 are in opposite phases.
  • the wavelength of the wavy deformation becomes shorter as the mode order increases.
  • the natural frequency is the number of times an object vibrates freely in one second, and is also called the natural frequency.
  • the frequency of an external force such as an electromagnetic excitation force and the natural frequency of the rotor 2 match, the rotor 2 resonates and the vibration increases. That is, in order to effectively suppress the vibration of the rotor 2, it is important to grasp the bending mode that causes the vibration to increase and suppress the mode.
  • the electromagnetic vibration force generated by the rotor 2 and the stator 3 is configured to reverse and act for each of the divided rotor cores 7.
  • the bending mode primary is maintained by maintaining the balance between the electromagnetic vibration forces of the rotor cores 71 and 73 at both ends in the axial direction and the rotor core 72 in the center. Vibration can be prevented. Further, assuming that the electromagnetic excitation forces of the rotor 2 and the stator 3 have substantially equal magnitudes in the axial direction, it is necessary that the ratio of ⁇ + ⁇ : ⁇ is approximately 1: 1.
  • the wavelength is increased.
  • Short bending mode It is a form that promotes the third-order vibration. Therefore, there is a concern that the vibration caused by the bending mode 3rd order becomes stronger as the rotation speed becomes higher.
  • ⁇ > ⁇ the antinodes generated in the axial center of the bending mode primary and bending mode tertiary are located closer to the core end on the left side of the rotor core 71 than the core end on the right end of the rotor core 73 in FIG.
  • the axial length of the rotor core 71 near the central portion in the axial direction which is the antinode of the bending mode, is made longer, and the axial length of the rotor core 73 near the support portion 5 is shortened.
  • the vibration of the third order of the bending mode can be suppressed by the electromagnetic excitation force of the rotor cores 71 and 73 without changing the ratio of ⁇ + ⁇ : ⁇ . That is, by satisfying ⁇ ⁇ ⁇ , the vicinity of the central portion in the axial direction and the support portion 5 is suppressed by the electromagnetic excitation force of the rotor cores 71 and 73. Therefore, the vibration caused by the bending mode 3 can be effectively reduced. The same reason is that ⁇ ⁇ ⁇ when ⁇ ⁇ .
  • the number of divisions of the rotor core 7 is set to 3 in FIG. 1, the number of divisions is not particularly limited. For example, in the case of two divisions, by applying the same conditions, the vibrations of the bending mode secondary and the bending mode quaternary can be reduced, so that the vibration of the rotor 2 can be effectively suppressed.
  • Embodiment 2 the division ratio of the rotor core 7 will be described for the rotary electric machine 1 shown in FIG.
  • the rotor core 7 and the stator core 8 are each divided into three in the axial direction.
  • FIG. 3 shows a simplified model of the rotary electric machine 1 described in the second embodiment. Bending mode due to electromagnetic excitation force ⁇ ( ⁇ ) In order to reduce the primary vibration, the electromagnetic excitation force of each divided rotor core 7 may be canceled out, so Eq. (1) The division position p and the division position q may be determined with the total length of the rotor core 7 as h so as to satisfy the above conditions.
  • ⁇ is (the total core width of the rotor core 7)
  • / a numerical value of the distance from the bearing 51 on the load 100 side to the bearing 52 on the opposite side of the load 100.
  • the graph in the figure is a plot of values satisfying equation (1) in which the electromagnetic excitation force is canceled when the thickness of the rotating shaft 6 is changed.
  • the rotor cores at both ends undergo deformation due to bending mode secondary, which has an opposite phase between the support portion 5 on the load 100 side in the axial direction and the support portion on the opposite side of the load 100 side with the central portion in the axial direction as the origin. It can be suppressed by the electromagnetic excitation force of 71 and 73. As described above, according to the second embodiment, the vibration of the rotor 2 caused by the primary bending mode and the secondary bending mode can be effectively suppressed.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
  • the stator 3 is formed on a stator core 8 which is a magnetic material formed by laminating electromagnetic steel sheets along a laminating direction, and a stator coil 30 and a stator core provided on the stator core. It has a permanent magnet 12 provided.
  • the stator core 8 has a cylindrical core back portion 13, slots 14 opened at equal intervals on the inner peripheral side, and a teeth portion 15. The teeth portion 15 projects from the core back portion 13 toward the rotor core 7 and is arranged so as to be spaced apart from each other in the circumferential direction of the rotary electric machine 1.
  • the permanent magnets 12 are arranged so as to be axially divided from the center of each tooth portion 15 to the core back portion 13 of the stator core 8. Further, the permanent magnets 12 arranged in the two tooth portions 15 adjacent to each other are magnetized so that the directions of the magnetic poles face each other, for example, the north pole and the north pole face each other. On the figure, the direction of the magnetic poles of the permanent magnet 12 is indicated by an arrow from the S pole to the N pole.
  • the winding is wound through the slot 14 so as to wrap the tooth portion 15 and the permanent magnet 12 together.
  • concentrated winding or distributed winding is selected according to the combination of the number of main poles of the rotor and the number of slots 14.
  • the plurality of stator coils 30 are divided into three phases of U phase, V phase, and W phase, and the stator coils 30 having the same phase are connected in series. Further, the plurality of stator coils 30 are arranged in the order of U1, V1, W1, U2, V2, W2 in the circumferential direction of the stator 3. Further, the plurality of stator coils 30 are wound around the teeth portion 15 by centralized winding. In the figure, the direction of the current flowing through the stator coil 30 of each slot 14 is indicated by a symbol.
  • the rotor core 7 is arranged around the rotation shaft 6 and has a salient pole 9 protruding toward the stator at an equiangular pitch in the circumferential direction of the rotor core 7.
  • the number of salient poles 9 of the rotor core 7 is 5, and the number of slots and the number of poles of the permanent magnet 12 are both 6, but the present application does not limit the combination of the respective numbers.
  • the permanent magnet 12 is arranged in the central portion of each tooth portion 15, the effect of the present application can be exhibited regardless of the position of the stator 3.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the rotary electric machine 1 according to the third embodiment.
  • the stator core 8 and the rotor core 7 are divided in the axial direction.
  • the magnetizing direction of the magnet inserted in the stator core 82 is the stator core 81.
  • the permanent magnet 12 inserted in the stator core 83 is inverted with respect to the magnetizing direction.
  • the divided rotor core 7 is a rotor core 71, a rotor core 72, and a rotor core 73 from the load 100 side
  • the rotor core 72 collides with the rotor core 71 and the rotor core 73.
  • the position of the pole 9 in the circumferential direction is shifted by 1/2 pitch.
  • the direction of the electromagnetic excitation force generated in the rotor core 71 and the rotor core 73 is opposite to the direction of the electromagnetic excitation force generated in the rotor core 72. That is, since the electromagnetic vibration force generated in the rotor core 71 and the rotor core 73 cancels out with the electromagnetic vibration force generated in the rotor core 72, the bending primary mode can be suppressed, and the bending primary mode can be set. The resulting vibration of the rotor can be effectively suppressed.
  • FIG. 8 is a partial cross-sectional view of the rotary electric machine 1 according to the fourth embodiment, and the permanent magnet 12 is shown in cross section.
  • FIG. 8 there is an axial gap 16 of 4% or more in the axial direction between the cores of the stator core 8 with respect to the total length in the axial direction of the stator core 8.
  • the divided stator cores 8 are adjacent to each other in the axial direction, and the magnetizing directions of the permanent magnets 12 are different. That is, a short circuit 20 of magnetic flux occurs between the axial directions of the adjacent stator cores 8, and the effective magnetic flux decreases, so that the output per core volume decreases.
  • FIG. 9 shows the relationship between the torque density of the output of the rotary electric machine 1 per the volume of the stator core 8 and the ratio of the axial gap 16 to the total length of the stator core 8.
  • FIG. 9 shows that the output per volume of the stator core 8 increases as the ratio of the axial gap 16 to the total length of the stator core 8 increases.
  • FIG. 10 shows the relationship between the output of the rotary electric machine 1 and the ratio of the axial gap 16 to the total length of the stator core 8. According to FIG. 10, it can be seen that the ratio of the axial gap 16 to the total length of the stator core 8 is preferably in the range of 4% to 8.5%, which has the highest output.
  • the axial gap 16 may or may not be filled with a spacer.
  • the spacer is non-magnetic, such as resin. This is because when a magnetic material is used, eddy current loss occurs, so that the temperature of the spacer rises, and the temperatures of the adjacent rotor core 7, stator core 8, and permanent magnet 12 rise. If resin cannot be used for the spacer from the viewpoint of strength, a non-magnetic metal may be used. If a non-magnetic metal is used and eddy current loss occurs, thin plates may be laminated.
  • FIG. 11 is a partial cross-sectional view of the rotary electric machine 1 according to the fifth embodiment.
  • the axial width of the rotor core 7 facing the stator core 8 divided in the axial direction is smaller than the axial width of the stator core 8.
  • the permanent magnet 12 of the stator core 82 has its magnetizing direction reversed with respect to the permanent magnet 12 of the stator core 81 and the stator core 83. Therefore, for example, a short circuit 20 of magnetic flux occurs between the rotor core 72, the stator core 81 not facing the rotor core 81, and the air gap 11, and a negative torque is generated, resulting in a decrease in output. It is possible.
  • the length of the divided rotor core 7 By making the length of the divided rotor core 7 shorter than the length of the stator core 8 facing each other, the air between the rotor core 7 and the stator core 8 not facing the rotor core 7 is provided. Since it is possible to prevent the short circuit 20 of the magnetic flux from occurring between the gaps 11, it is possible to suppress a decrease in output. Further, since the mass of the rotor 2 can be reduced, the limit of the rotation speed can be increased.
  • the limit Nc of the rotation speed can be calculated from the equation (2).
  • M is the mass of the rotor 2
  • L is the distance between the supports of the bearing
  • L1 is the distance from one end of the support to the center of gravity of the rotor 2
  • L2 is the distance from the opposite end of the support to the center of gravity.
  • E is the longitudinal elasticity coefficient
  • I is the moment of inertia of area
  • a is the radius of rotation axis.
  • the outer diameter of the rotation shaft 6 can be reduced by the amount that the mass of the rotor 2 is reduced. Further, by reducing the outer diameter of the rotating shaft 6, the circumferential recess between the salient poles 9 of the rotor core 7 can be formed deeply. Alternatively, it is possible to increase the distance from the outer diameter of the recess of the rotor core 7 to the inner diameter of the recess in contact with the rotating shaft 6. By adjusting these relationships, the magnetic flux generated between the salient poles 9 of the rotor core 7 can easily pass through, and the magnetomotive force from the stator 3 can be efficiently used to generate torque for the rotor 7. The output of 1 can be increased. As described above, the configuration as in the fifth embodiment leads to miniaturization, high rotation, and high output of the rotary electric machine 1.
  • FIG. 12 is a partial cross-sectional view of the rotary electric machine 1 according to the sixth embodiment.
  • the axial end portions of the facing surfaces of the stator core 8 and the salient poles of the rotor core 7 facing each other in the axial direction are chamfered 21.
  • FIG. 13 is a partial cross-sectional view of the rotary electric machine 1 according to the seventh embodiment, and the permanent magnet 12 is shown in cross section.
  • the axial length of the permanent magnet 12 inserted into the divided stator core 8 is shorter than the core width of the stator core 8. If the magnetic flux of the magnet leaks into the axial gap 16, both ends of the permanent magnet 12 do not contribute to the effective magnetic flux. With this configuration, the length of the permanent magnet 12 that does not contribute to the effective magnetic flux can be shortened, so that the amount of magnets can be reduced and the cost can be reduced.
  • the magnets are uniformly shortened from both ends with respect to the stator core 8, but only one end of the permanent magnet 12 may be shortened.
  • FIG. 14 is a partial cross-sectional view of the rotary electric machine 1 according to the eighth embodiment, and the permanent magnet 12 is shown in cross section.
  • the axial length of the permanent magnet 12 inserted into the divided stator core 8 is longer than the core width of the stator core 8. If the magnetic flux of the permanent magnet 12 leaks in the axial direction, the effective magnetic flux decreases. With this configuration, the amount of magnets can be increased, so that the effective magnetic flux can be increased and the output can be improved.
  • the permanent magnets 12 are uniformly lengthened from both ends with respect to the stator core 8, but only one end of the magnet may be lengthened.

Landscapes

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Abstract

固定子（３）と、両側を支持部（５）によって回転自在に支持された回転軸（６）の上に設けられ、複数の回転子コア（７）に分割された回転子（２）とを有する回転電機であって、複数の前記回転子コアの中で前記回転軸の負荷（１００）側の端に配置された前記回転子コアの軸方向幅をγ、前記回転軸の前記負荷側の反対側の端に配置された前記回転子コアの軸方向幅をεとし、前記負荷側の前記支持部から前記負荷側の前記回転子コアまでの距離をα、前記負荷側の反対側の前記支持部から前記負荷側の反対側の前記回転子コアまでの距離をβとした場合、α＞βのときγ≧εであり、α＜βのときγ≦εであることにより、電磁加振力に起因する回転子の振動を効果的に抑制することができる。

Description

回転電機
　本願は、回転電機に関するものである。
　産業用および車載用モータにおいて、モータの高出力化、高速化が求められている。これらの要求に応えるモータとして、鉄心のみで構成された突形状を有する堅牢な回転子と、固定子に永久磁石と電機子巻線を備えた回転電機（以後、固定子磁石モータと呼称する）が知られている。従来の固定子磁石モータは、例えば、特許文献１に示すようなものがある。この回転電機では、固定子コアに径方向に着磁された永久磁石を備え、コアが軸方向に分割され、分割された回転子コアと隣接する回転子コアとは突極の位置が半突極ピッチずれている。
国際公開第２００９／１３６５７４号公報
　このような固定子磁石モータは、電磁加振力に起因する、回転子の振動増加が課題となる。回転子コアの振動は軸方向に分割するだけでは、効果的に抑制することはできない。回転子の振動を効果的に抑制するためには、例えば、回転子コアの軸方向分割数、および回転子コアの分割比率、あるいは、ベアリング間距離を考慮した回転子コアの分割数および回転子コアの分割比率を適切に決定する必要がある。
　本願は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、分割された回転子コアの分割数、および回転子コアの分割比率を定め、電磁加振力に起因する回転子の振動を効果的に抑制することができる回転電機を得ることを目的とする。
　本願に係わる回転電機は、固定子と、両側を支持部によって回転自在に支持された回転軸の上に設けられ、複数の回転子コアに分割された回転子とを有する回転電機であって、複数の前記回転子コアの中で前記回転軸の負荷側の端に配置された前記回転子コアの軸方向幅をγ、前記回転軸の前記負荷側の反対側の端に配置された前記回転子コアの軸方向幅をεとし、前記負荷側の前記支持部から前記負荷側の前記回転子コアまでの距離をα、前記負荷側の反対側の前記支持部から前記負荷側の反対側の前記回転子コアまでの距離をβとした場合、α＞βのときγ≧εであり、α＜βのときγ≦εであるようにしたものである。
　本願によれば、回転子コアの分割寸法を支持部から回転子コアまでの距離で条件付けることにより、電磁加振力に起因する回転子の振動を効果的に抑制することができる。
実施の形態１に係わる回転電機を示す断面図である。 実施の形態１に係わる回転電機の回転子を示す模式図である。 実施の形態２に係わる回転電機の回転子を示す模式図である。 実施の形態２に係わる回転電機の回転子コアの占有率と分割比の関係を示す図である。 実施の形態３に係わる回転電機を示す断面図である。 実施の形態３に係わる回転電機を示す断面図である。 実施の形態３に係わる回転電機を示す断面図である。 実施の形態４に係わる回転電機を示す部分断面図である。 実施の形態４に係わる回転電機の軸方向ギャップ幅とトルク密度の関係を示す図である。 実施の形態４に係わる回転電機の軸方向ギャップ幅と出力の関係を示す図である。 実施の形態５に係わる回転電機を示す部分断面図である。 実施の形態６に係わる回転電機を示す部分断面図である。 実施の形態７に係わる回転電機を示す部分断面図である。 実施の形態８に係わる回転電機を示す部分断面図である。
実施の形態１．
　以下、実施の形態１に係わる回転電機について説明する。図１は、本願の実施の形態１による回転電機を示す断面図である。図１において回転電機１は回転子２と回転子２を囲む筒状の固定子３と、フレーム４に設けられ回転子２を支持する一対の支持部５とを備えている。回転子２は回転軸６と回転子コア７を有しており、回転子コア７は焼き嵌めまたは圧入などにより回転軸６に固定されている。回転子コア７は電磁鋼板が回転軸６の軸方向に沿って積層されて構成されている。また、固定子側に突出する突極により構成された複数の突極を備えている。回転軸６は両端の支持部５であるベアリング５１、５２により支持されている。回転軸６の両端の一方は、負荷１００となる対象物と結合するため、フレーム４から飛び出している。以後、回転軸６が飛び出している方向を負荷１００側と呼称する。また、回転軸６の他端を負荷１００側の反対側と呼称する。負荷１００側の回転軸６にはエンコーダなどが取り付けられている場合がある。また、回転軸６を保護するためのカバー１０が取り付けられている場合がある。
　固定子３は回転子コア７の外周を覆うように設けられ、回転子コア７に対向して設けられた固定子コア８と固定子コア８を軸方向に巻線された固定子コイル３０を有する。エアギャップ１１は、回転子コア７の外周面と固定子コア８の内周面の隙間である。また、負荷１００側と負荷１００側の反対側では、回転子コア７と回転軸６の支持部５までの距離が異なっている。図１においては、負荷１００側の回転子コア７と支持部５であるベアリング５１の距離は、負荷１００側の反対側の回転子コア７と支持部５であるベアリング５２の距離よりも長くなっている。
　回転子コア７、および固定子コア８は軸方向にそれぞれ３分割されている。分割された回転子コア７を負荷１００側から回転子コア７１、７２、７３とする。また、対向する分割された固定子コア８を負荷１００側から固定子コア８１、８２、８３とする。さらに、回転子コア７１のコア幅をγ、回転子コア７２のコア幅をδ、回転子コア７３のコア幅をε、負荷１００側の回転子コア７１の端部から負荷１００側の支持部５であるベアリング５１の中心部までの距離をα、負荷１００側の反対側の回転子コア７３の端部から負荷１００側の反対側の支持部５であるベアリング５２の中心部までの距離をβとする。
　ここで、ベアリングが２つ以上ある場合の、回転子コア端部からベアリングの中心部までの距離の定義について説明する。図２は、支持部５であるベアリング５１ａ、５１ｂを２つ負荷１００側に有する場合の、回転子とベアリングを示す模式図である。負荷１００側のベアリング５１ａ、５１ｂに着目すると、回転子コア７１の端部から、ベアリング５１ａの中心部までの距離をα１とし、回転子コア７１の端部から、ベアリング５１ｂの中心部までの距離をα２とすると、回転子コア７１の端部からベアリングまでの距離αは、α１とα２の平均値とすればよい。図２では、負荷１００側にベアリングを２つ有している場合について、説明したがベアリングの数が片側３つ以上に増えても、回転子コア７の端部から支持部５までの距離は同様に回転子コア７の端部から各ベアリングまでの距離の平均と定義することができる。
　以上のような実施の形態１で示す回転電機において、α＞βの時、γ≧εを満たしていること、またはα＜βの時、γ≦εを満たしていることを条件とする。この条件を満たすことにより、曲げモード３次に起因する回転子２の振動を効果的に抑制することができる。
　ここで、曲げモードとは振動の形態を表している。つまり、回転子がどのように変形（振動）するかを表している。曲げモードは、一般的に固有振動数が、小さい方からモード１次、モード２次、モード３次で表される。例えば、曲げモード１次は、回転子コア７が偏心しつつ、回転子２の全体が軸方向中央部を腹として弓なりに変形する形態である。また、曲げモード２次とは、回転子２の全体が軸方向に垂直な方向のまわりに回転しつつ、回転子２が波状に変形する形態である。曲げモード３次とは、回転子２が軸方向中央部を腹として波状に変形しつつ軸方向中央部の腹と支持部５の位相が逆位相となる形態となる。波状変形の波長はモード次数が高くなるほど短くなる。
　また、固有振動数とは１秒間に物体が自由振動する回数のことであり、固有周波数とも呼ばれている。回転子２は、電磁加振力などの外力の周波数と固有振動数が一致すると、共振し、振動が増加する。つまり、回転子２の振動を効果的に抑制するためには、振動が増加する要因となる曲げモードを把握して、そのモードを抑制することが重要である。
　回転子２と固定子３による電磁加振力は分割された回転子コア７ごとに反転して作用するように構成される。そうすれば、回転子コア７の分割数を３つとした場合、軸方向両端の回転子コア７１、７３と中央の回転子コア７２の電磁加振力のバランスを保つことによって曲げモード１次の振動を防ぐことができる。また、回転子２と固定子３による電磁加振力が軸方向にほぼ均等の大きさであるとすれば、γ＋ε：δの比がほぼ１：１の関係になることが必要となる。一方、回転子コア７２の電磁加振力が軸方向中央部に加わり、その逆方向の電磁加振力が支持部５に近い両側の回転子コア７１、７３が加わるという配置にすると、波長の短い曲げモード３次の振動を助長する形となる。そのため、回転数が高くなると曲げモード３次に起因する振動が強くなるという懸念がある。
　α＞βの場合、曲げモード１次および曲げモード３次の軸方向中央部に生じる腹は、図１における回転子コア７３右端のコア端よりも回転子コア７１左側のコア端に近い位置となる。そこで、曲げモードの腹となる軸方向中央部に近い回転子コア７１の軸長をより長くし、支持部５に近い回転子コア７３の軸長を短くする。そうすることでγ＋ε：δの比率を変えずに回転子コア７１および７３の電磁加振力で、曲げモード３次の振動を抑えることができる。つまり、γ≧εを満たすことにより軸方向中央部と支持部５の近傍を、回転子コア７１、７３の電磁加振力で抑え込むことになる。そのため、曲げモード３次に起因する振動を効果的に低減することができる。また、α＜βの時、γ≦εとするのも同じ理由である。
　なお、図１では回転子コア７の分割数を３つとしているが、特に分割数を限定するものではない。例えば、２分割の場合では、同じ条件を適用することで、曲げモード２次と曲げモード４次の振動を低減することができるため、回転子２の振動を効果的に抑制することができる。
実施の形態２．
　実施の形態２では、図１に示す回転電機１について、回転子コア７の分割比率について説明する。回転子コア７、及び固定子コア８は軸方向にそれぞれ３分割されている。回転子コア７のコアの軸方向寸法は実施の形態１で述べたように、回転子コア７１のコア幅がγ、回転子コア７２のコア幅がδ、回転子コア７３のコア幅がεである。これらの寸法に対し、γ＋ε：δ＝２：１．６から１．９の範囲を満たすことを条件とする。この条件を満たすことにより、回転子コア７１と回転子コア７３に生じる電磁加振力は、回転子コア７２に生じる電磁加振力と打ち消し合うことができる。つまり、曲げモード１次による振動を低減することができる。
　つぎにその理由について説明する。図３は実施の形態２で説明する回転電機１の簡易モデルを示したものである。電磁加振力φ（ω）による曲げモード１次の振動を低減させるためには、それぞれの分割された回転子コア７の電磁加振力が打ち消されるようにすればよいので、（１）式を満たすように回転子コア７の全長をｈとして分割位置ｐと分割位置ｑを決定すればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　つぎに、γ＋ε：δ＝２：１．６から１．９の範囲とした理由について説明する。図４は縦軸を分割比κ（κはγ＋ε：δ＝２：κの関係を満たす数値）とし、横軸を回転子コア占有率η（ηは（回転子コア７のコア幅の合計）／（負荷１００側のベアリング５１から負荷１００側の反対側のベアリング５２までの距離）とした数値）とした場合の図である。また、図のグラフは、回転軸６の太さを変えたときに、電磁加振力が打ち消される（１）式を満足する値をプロットしたものである。
　図４において、製品として回転軸６の回転子コア７の周りに付属する部品から回転子コア占有率ηは０．３から０．７の範囲が現実的である。このグラフから電磁加振力を打ち消すための分割比κは、１．６から１．９の間にあると考えられる。従って、回転子コア７を３分割にしたときの分割はγ＋ε：δ＝２：１．６から１．９の範囲であるという関係にすることが望ましい。これにより、曲げモード１次に起因する回転子２の振動を効果的に抑制することができる。なお、これまで言及していなかったが、回転子コア７を３分割にすることにより、曲げモード２次に起因する振動を抑制する効果もある。すなわち、軸方向中央部を原点として軸方向の負荷１００側の支持部５と負荷１００側の反対側の支持部との間で逆位相となる曲げモード２次による変形を、両端の回転子コア７１、７３による電磁加振力で抑え込むことができる。
　以上により、本実施の形態２によれば曲げモード１次および曲げモード２次に起因する回転子２の振動を効果的に抑制することができる。
実施の形態３．
　図５は、図１のＡ－Ａ線に沿った矢視断面図である。図５において、固定子３は、電磁鋼板が積層方向に沿って積層されて構成された磁性体である固定子コア８と、固定子コアに設けられている固定子コイル３０および固定子コアに設けられている永久磁石１２とを有している。固定子コア８は筒状のコアバック部１３と内周側に等間隔に開口したスロット１４とティース部１５を有している。ティース部１５はコアバック部１３から回転子コア７の側に突出して、回転電機１の周方向について互いに間隔をおいて配置されている。永久磁石１２は各ティース部１５の中央から固定子コア８のコアバック部１３まで軸方向に分断して配置されている。また、互いに隣り合う２つのティース部１５に配置されている永久磁石１２同士は磁極の向きが互いに向き合うように、たとえばＮ極とＮ極が対向するように着磁されて配置されている。図の上では、永久磁石１２の磁極の向きをＳ極からＮ極への矢印で示している。
　巻線はティース部１５と永久磁石１２を共に包み込むようにしてスロット１４を通して巻線されている。巻線方法は回転子の主極の数とスロット１４の数の組み合わせに応じて集中巻または分布巻を選択する。図５では、複数の固定子コイル３０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に分けられており、同相の固定子コイル３０は、直列に接続されている。また、複数の固定子コイル３０は、固定子３の周方向について、Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２の順に配置されている。また、複数の固定子コイル３０は、集中巻によってティース部１５に巻かれている。図の中で、各スロット１４の固定子コイル３０に流れる電流の向きは記号で示されている。
　回転子コア７は回転軸６の周りに配置され、回転子コア７の周方向に等角ピッチで固定子側に突出した突極９を有している。図５では、回転子コア７の突極９の数が５、スロットの数と永久磁石１２の極数が共に６となっているが、本願はそれぞれの数の組み合わせを限定するものではない。さらには永久磁石１２を各ティース部１５の中央部に配置したが、固定子３のいずれの位置に配置されていても本願の効果を発揮することができる
　図６は、実施の形態３による回転電機１の断面図である。図６において、固定子コア８及び回転子コア７は軸方向に分割されている。分割された固定子コア８を負荷１００側から固定子コア８１、固定子コア８２、固定子コア８３とした時、固定子コア８２に挿入されている磁石の着磁方向は、固定子コア８１及び固定子コア８３に挿入されている永久磁石１２の着磁方向に対して反転している。また、分割された回転子コア７を負荷１００側から回転子コア７１、回転子コア７２、回転子コア７３とした時、回転子コア７２は回転子コア７１及び回転子コア７３に対して突極９の周方向の位置が１／２ピッチずれた構成となっている。以上の構成を軸方向に垂直な断面で表すと、図６のＡ－Ａ線に沿った矢視断面図およびＣ－Ｃ線に沿った矢視断面図が図５になり、図６のＢ－Ｂ線に沿った断面図が図７になる。
　この構成により、回転子コア７１と回転子コア７３に生じる電磁加振力の方向は回転子コア７２に生じる電磁加振力の方向とは逆になる。すなわち、回転子コア７１と回転子コア７３に生じる電磁加振力は、回転子コア７２に生じる電磁加振力と打ち消し合うので、曲げ１次モードを抑制することができ、曲げ１次モードに起因する回転子の振動を効果的に抑制することができる。
実施の形態４．
　図８は、実施の形態４による回転電機１の部分断面図であり、永久磁石１２は断面で示されている。図８において、固定子コア８のコア間には軸方向に、固定子コア８の軸方向の全長に対して、４％以上の軸方向ギャップ１６がある構成となっている。分割された固定子コア８は軸方向に隣り合う同士で、永久磁石１２の着磁方向が異なる。すなわち、隣接する固定子コア８の軸方向の間で磁束の短絡２０が発生し、有効磁束が減少することでコア体積あたりの出力が低下してしまう。例えば、固定子コア８１と固定子コア８２という軸方向に隣り合う固定子コア８の間に軸方向ギャップ１６を設けることにより、固定子コア８の軸方向の間の磁束の短絡２０を防止することができるので、コア体積あたりの出力の低下を防ぐことができる。
　図９は固定子コア８の体積あたりの回転電機１の出力のトルク密度と固定子コア８の全長に対する軸方向ギャップ１６の割合の関係を示したものである。図９において、固定子コア８の全長に対する軸方向ギャップ１６の割合が大きくなるにつれて、固定子コア８の体積あたりの出力が増加していることを示している。また、図１０は回転電機１の出力と固定子コア８の全長に対する軸方向ギャップ１６の割合の関係を示したものである。図１０によれば、好ましくは固定子コア８の全長に対する軸方向ギャップ１６の割合は出力が最も高くなる、４％から８．５％の範囲がよいことがわかる。
　また、軸方向ギャップ１６はスペーサで埋めてもよいし、埋めなくてもよい。埋める場合、スペーサは樹脂などの非磁性であることが望ましい。なぜなら、磁性体を使用する場合は、渦電流損失が発生するため、スペーサの温度が上昇し、隣接する、回転子コア７、固定子コア８、および永久磁石１２の温度が上昇してしまう。強度の観点からスペーサに樹脂が使えない場合は、非磁性の金属を使ってもよい。なお、非磁性の金属を用いて渦電流損失が発生する場合は薄板を積層してもよい。
実施の形態５．
　図１１は、実施の形態５による回転電機１の部分断面図である。図１１において、軸方向に分割された固定子コア８に対向する回転子コア７の軸方向幅が、固定子コア８の軸方向幅よりも小さい構成となっている。例えば、固定子コア８２の永久磁石１２は、固定子コア８１と固定子コア８３の永久磁石１２に対して着磁方向が反転している。このため、例えば、回転子コア７２とこれに対向していない固定子コア８１と、エアギャップ１１の間で磁束の短絡２０が発生し、負のトルクが発生することで出力が低下してしまうことがあり得る。分割された回転子コア７の長さを対向する固定子コア８の長さよりも短い構成とすることにより、回転子コア７とその回転子コア７に対向していない固定子コア８とのエアギャップ１１の間で、磁束の短絡２０が生じることを防止できるので、出力の低下を抑制することができる。また、回転子２の質量を減少させることができるので、回転速度の限界を増加させることができる。
　また、回転速度の限界を増加させると、回転軸６の外径を小さくできる。ここで、回転子２の質量を減少させることで、回転軸６の外径を小さくできる理由について説明する。
回転速度の限界Ｎｃは（２）式から計算することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
（２）式において、Ｍは回転子２の質量、Ｌはベアリングの支持間距離、Ｌ１は支持の片端から回転子２の重心までの距離、Ｌ２は支持の反対側の端から重心までの距離、Ｅは縦弾性係数、Ｉは断面２次モーメント、ａは回転軸半径である。
　よって、設計する回転速度の限界Ｎｃが決まっていれば、回転子２の質量が減少した分、回転軸６の外径を小さくすることができる。また、回転軸６の外径を小さくすることにより回転子コア７の突極９間である周方向凹部を深く形成できる。あるいは、回転子コア７の凹部外径から回転軸６と接する凹部内径までの距離を大きくとることが可能となる。これらの関係を調整することにより、回転子コア７の突極９間に発生する磁束が通りやすくなり、固定子３からの起磁力を効率よく回転子７のトルク発生に使用できるため、回転電機１の出力を増加させることができる。
　以上に説明したように、実施の形態５のように構成することで、回転電機１の小型化、高回転化、高出力化につながる。
実施の形態６．
　図１２は、実施の形態６による回転電機１の部分断面図である。図１２において、軸方向に分割された前記固定子コア８と対向する前記回転子コア７の突極とのそれぞれの対向面の軸方向端部が面取り２１された構成となっている。この構成により、回転子コア７に対向していない固定子コア８とエアギャップ１１の間で生じる磁束の短絡２０を防止することができる。磁束の短絡２０の経路となりうる、回転子コア７の外周と、固定子コア８の内周の両端の角部を面取り２１することで、回転子コア７の全体のコア幅を短くする必要がないので、出力を低下させることなく磁束の短絡２０を防止することができる。なお、分割されたコアの両端全てに面取りをする必要はなく、特性を確認しながら適宜実施すればよい。また、面取りでなくフィレットでも同様の効果を得ることができる。
実施の形態７．
　図１３は、実施の形態７による回転電機１の部分断面図であり、永久磁石１２は断面で示されている。図１３において、分割された固定子コア８に挿入されている永久磁石１２の軸方向長さは、固定子コア８のコア幅よりも短い構成となっている。磁石の磁束が軸方向ギャップ１６に漏れると、永久磁石１２の両端は有効磁束に寄与しない。この構成により、有効磁束に寄与しない永久磁石１２の長さを短くすることができるので、磁石量を減らせ、コストを低減することができる。なお、図９では固定子コア８に対して両端から均一に磁石を短くしているが、どちらか一方の永久磁石１２の端だけ短くしてもよい。
実施の形態８．
　図１４は、実施の形態８による回転電機１の部分断面図であり、永久磁石１２は断面で示されている。図１４において、分割された固定子コア８に挿入されている永久磁石１２の軸方向長さは、固定子コア８のコア幅よりも長い構成となっている。永久磁石１２の磁束が軸方向に漏れると、有効磁束が減少してしまう。この構成により、磁石量を増やすことができるので、有効磁束が増加し、出力を向上させることができる。なお、図１４では固定子コア８に対して両端から均一に永久磁石１２を長くしているが、どちらか一方の磁石の端だけ長くしてもよい。
　本願は、様々な例示的な実施の形態および実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１　回転電機、２　回転子、３　固定子、３０　固定子コイル、４　フレーム、５　支持部、５１，５１ａ，５１ｂ，５２　ベアリング、６　回転軸、７，７１，７２，７３　回転子コア、８，８１，８２，８３　固定子コア、９　突極、１０　カバー、１１　エアギャップ、１２　永久磁石、１３　コアバック部、１４　スロット、１５　ティース部、１６　軸方向ギャップ、２０　磁束の短絡、１００　負荷。

Claims (8)

  1. 　固定子と、両側を支持部によって回転自在に支持された回転軸の上に設けられ、複数の回転子コアに分割された回転子とを有する回転電機であって、
    複数の前記回転子コアの中で前記回転軸の負荷側の端に配置された前記回転子コアの軸方向幅をγ、前記回転軸の前記負荷側の反対側の端に配置された前記回転子コアの軸方向幅をεとし、
    前記負荷側の前記支持部から前記負荷側の前記回転子コアまでの距離をα、前記負荷側の反対側の前記支持部から前記負荷側の反対側の前記回転子コアまでの距離をβとした場合、
    α＞βのときγ≧εであり、α＜βのときγ≦εであることを特徴とする回転電機。
  2. 　固定子と、両側を支持部によって回転自在に支持された回転軸の上に設けられ、３つの回転子コアに分割された回転子とを有する回転電機であって、
    前記３つの回転子コアの軸方向幅を前記回転軸の負荷側からγ、δ、εとした場合、
    γ＋ε：δが２：１．６から１．９の範囲であることを特徴とする回転電機。
  3. 　前記固定子は、前記回転子コアの軸方向の位置に合わせて複数の固定子コアに分割され、
    前記固定子コアは、内周側に等間隔に開口したスロットと内周側に等間隔に突き出たティース部を有し、さらに前記回転子に面する前記ティース部の中央から前記固定子コアの外周となるコアバック部まで軸方向に分断し、前記ティース部ごとに磁極が互いに向き合うように着磁された永久磁石を有し、
    前記永久磁石は軸方向に分割された前記固定子コアごとに磁極を反転させて設けられ、
    前記回転子コアは、周方向に等角ピッチで配置された突極を有し、前記軸方向に分割された前記回転子コアごとに、前記突極の位置が周方向に１／２ピッチずれていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
  4. 　軸方向に分割された前記固定子コアの隣り合うコア間の軸方向ギャップは、前記固定子コアの軸方向の全長の４％以上であることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
  5. 　軸方向に分割された前記固定子コアに対向する前記回転子コアの軸方向幅が、前記固定子コアの軸方向幅よりも小さいことを特徴とする請求項３記載の回転電機。
  6. 　軸方向に分割された前記固定子コアと対向する前記回転子コアの突極とのそれぞれの対向面の軸方向端部が面取りされていることを特徴とする請求項３記載の回転電機。
  7. 　前記固定子コアに設けられた前記永久磁石の軸方向長さは、前記固定子コアの軸方向幅よりも短いことを特徴とする請求項３記載の回転電機。
  8. 　前記固定子コアに設けられた前記永久磁石の軸方向長さは、前記固定子コアの軸方向幅よりも長いことを特徴とする請求項３記載の回転電機。
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