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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024112187
(43)【公開日】2024-08-20
(54)【発明の名称】回転電機
(51)【国際特許分類】
   H02K 1/276 20220101AFI20240813BHJP
【FI】
H02K1/276
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023017092
(22)【出願日】2023-02-07
(71)【出願人】
【識別番号】000003609
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
(71)【出願人】
【識別番号】000000011
【氏名又は名称】株式会社アイシン
(74)【代理人】
【識別番号】110001210
【氏名又は名称】弁理士法人YKI国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】平本 健二
(72)【発明者】
【氏名】大谷 裕子
(72)【発明者】
【氏名】浦田 信也
(72)【発明者】
【氏名】井手上 薫樹
(72)【発明者】
【氏名】飯島 亜美
(72)【発明者】
【氏名】木戸 勇志
【テーマコード(参考)】
5H622
【Fターム(参考)】
5H622AA03
5H622CA02
5H622CA07
5H622CB03
5H622CB05
5H622PP03
(57)【要約】
【課題】回転電機の効率を向上させる。
【解決手段】ステータ102と、ステータ102に対して相対的に回転するロータ104と、を備える回転電機100であって、ロータ104は、第1磁石24が配置された第1磁石孔20を境界として、ロータ104の外周側に位置する第1コア40とロータ104の内周側に位置する第2コア42とを連結するブリッジ28を有し、ブリッジ28は、ロータ104の径方向の外周側に凹部を有し、凹部において径方向に延びる第1突起48と、周方向に延びる第2突起50が設けられている回転電機100とする。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ステータと、前記ステータに対して相対的に回転するロータと、を備える回転電機であって、
前記ロータは、
磁石が配置された磁石孔を境界として、前記ロータの外周側に位置する第1コアと前記ロータの内周側に位置する第2コアとを連結するブリッジを有し、
前記ブリッジは、前記ロータの径方向の外周側に凹部を有し、前記凹部において径方向に延びる第1突起と、周方向に延びる第2突起が設けられていることを特徴とする回転電機。
【請求項2】
請求項1に記載の回転電機であって、
前記凹部の前記ロータの外周側において、前記第1突起に向かって突き出すように前記第2突起が設けられていることを特徴とする回転電機。
【請求項3】
請求項2に記載の回転電機であって、
前記ロータの周方向に沿った前記凹部の幅W1に対する前記第2突起の張り出し幅W2の比W1:W2は10:2から10:3の範囲であることを特徴とする回転電機。
【請求項4】
請求項1に記載の回転電機であって、
前記第1突起の外周側に前記第2突起が設けられており、
前記第2突起の周方向に沿った幅は、前記第1突起の前記ブリッジとの接続部の周方向に沿った幅より大きいことを特徴とする回転電機。
【請求項5】
請求項4に記載の回転電機であって、
前記ロータの周方向に沿った前記第2突起の幅W3に対する前記接続部の幅W4の比W3:W4は10:9から10:7の範囲であることを特徴とする回転電機。
【請求項6】
請求項1~5のいずれか1項に記載の回転電機であって、
前記第2突起は、前記ロータの外周面に沿った形状を有することを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、回転電機に関する。
【背景技術】
【0002】
回転電機は、電車や自動車の電動機として適用されている。通常、回転電機は、円筒状のステータとこのステータの内側で回転自在に支持されるロータを備えている。
【0003】
ロータの鉄心に永久磁石を所定間隔で埋め込んで形成した磁石埋め込み型ロータにおいて、複数の永久磁石に対応したロータ鉄心における突極部間の外周面に、第1突起部とこの第1突起部の両側に切欠き部を形成し、永久磁石の両端部に磁束短絡防止用の非磁性部を形成し、この非磁性部と切欠き部との間のブリッジ部を磁気飽和する程度に可及的に狭くし、切欠き部に外周面方向へ伸びる1ないし複数個の第2突起部を形成した構成が開示されている(特許文献1)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2007-295676号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1に係る回転電機では、外周面方向に伸びる突起部により、磁束密度変化が小さくなり、コギングトルク、振動騒音を低減できるとされている。しかしながら、突起部の形状や突出方向を工夫することで回転電機の効率を改善する余地がある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係る回転電機は、ステータと、前記ステータに対して相対的に回転するロータと、を備える回転電機であって、前記ロータは、磁石が配置された磁石孔を境界として、前記ロータの外周側に位置する第1コアと前記ロータの内周側に位置する第2コアとを連結するブリッジを有し、前記ブリッジは、前記ロータの径方向の外周側に凹部を有し、前記凹部において径方向に延びる第1突起と、周方向に延びる第2突起が設けられていることを特徴とする回転電機である。
【0007】
ここで、前記凹部の前記ロータの外周側において、前記第1突起に向かって突き出すように前記第2突起が設けられていることが好適である。
【0008】
また、前記ロータの周方向に沿った前記凹部の幅W1に対する前記第2突起の張り出し幅W2の比W1:W2は10:2から10:3の範囲であることが好適である。
【0009】
また、前記第1突起の外周側に前記第2突起が設けられており、前記第2突起の周方向に沿った幅は、前記第1突起の前記ブリッジとの接続部の周方向に沿った幅より大きいことが好適である。
【0010】
また、前記ロータの周方向に沿った前記第2突起の幅W3に対する前記接続部の幅W4の比W3:W4は10:9から10:7の範囲であることが好適である。
【0011】
また、前記第2突起は、前記ロータの外周面に沿った形状を有することが好適である。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、ロータ磁界の空間高調波が抑制され、これに伴って高調波鉄損を低減させることで回転電機の効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】本発明の実施の形態における回転電機の構成を示す断面図である。
図2】本発明の実施の形態におけるロータの構成を示す部分拡大図である。
図3】ステータとロータとの間隙(ギャップ)における空間9次高調波成分の計算結果を示す図である。
図4】比較例1におけるロータの構成を示す部分拡大図である。
図5】比較例2におけるロータの構成を示す部分拡大図である。
図6】本発明の実施の形態におけるロータの構成の別例を示す部分拡大図である。
図7】本発明の実施の形態におけるロータの構成の別例を示す部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本発明の実施の形態における回転電機100は、図1に示すように、ステータ102及びロータ104を含んで構成される。回転電機100は、モータ、発電機及びモータ・ジェネレータとして使用することができる。
【0015】
図2は、本実施の形態におけるロータ104の構成を示す部分拡大図である。図2では、ロータ104において電気角0deg.から180deg.までの範囲を部分的に拡大して示している。ロータ104は、電気角90deg.において対称な構造とすることが好適である。
【0016】
ステータ102とロータ104は回転軸106上において同軸に配置される。ステータ102に回転磁場を発生させることで、ロータ104に回転トルクを生じさせて回転軸106を回転中心としてロータ104を回転させる。
【0017】
ステータ102は、中空の円筒形状をしている。ステータ102は、複数の電磁鋼板を回転軸方向に沿って積層して形成されている。ステータ102は、周方向にスロット10とティース12が複数交互に配置された構造を有する。スロット10には、コイルが巻回されている。ティース12は、ロータ104の外周と対向し、ロータ104からの磁束を受ける面として作用する。スロット10とティース12の外周には、バックヨーク14が配置されている。バックヨーク14は、各ティース12の間の磁束を結合するための鉄心であり、磁気回路を構成するものである
【0018】
ロータ104は、円筒形状をしている。ロータ104は、中空円筒形状のステータ102の内部において回転軸を中心に回転可能に配置される。ロータ104は、その外周面がステータ102の内周面と隙間を空けて配置される。ロータ104は、複数の電磁鋼板を回転軸方向に沿って積層して構成されている。
【0019】
ロータ104は、第1磁石孔20及び第2磁石孔22を備える。本実施の形態における回転電機100では、ロータ104の外周側から回転中心軸側に向かって第1磁石孔20及び第2磁石孔22が2層構造で設けられている。第1磁石孔20及び第2磁石孔22は、ロータ104を構成する電磁鋼板よりも透磁率が低い領域であり、例えば、ロータ104の内部に設けられた空間で構成される。
【0020】
第1磁石孔20及び第2磁石孔22の内部には、それぞれ第1磁石24及び第2磁石26が配置される。第1磁石孔20及び第2磁石孔22によって、第1磁石24及び第2磁石26から出る磁束がロータ104の側面から漏れることが抑制され、ロータ104の外周面上の磁束密度を高めることができる。
【0021】
第1磁石孔20及び第2磁石孔22に埋め込まれた第1磁石24及び第2磁石26は、ロータ104における磁極を構成する。第1磁石24及び第2磁石26は、各磁極において磁束の方向がロータ104の径方向を向くように配置される。すなわち、各磁極における磁束中心はd軸と一致する。第1磁石24及び第2磁石26は、周方向に隣り合う磁極の磁化方向が反対になるように配置され、磁極対をなすS磁極とN磁極が周方向に沿って交互に形成される。ロータ104において、S磁極とN磁極の中央がq軸と一致する。
【0022】
第1磁石孔20及び第2磁石孔22は、d軸を中心としてロータ104の周方向に沿って延設され、その両側の先端部がロータ104の外周面に向かうように湾曲した形状を有することが好適である。
【0023】
第1磁石孔20の両端の先端領域にはブリッジ28が形成される。ブリッジ28は、第1磁石孔20の両端側において、第1磁石孔20の先端部とロータ104の外面とを繋ぐ狭小な鉄心部分である。言い換えると、ブリッジ28は、第1磁石24が配置された第1磁石孔20を境界として、ロータ104の外周側に位置する第1コア40と内周側に位置する第2コア42とを連結する領域である。
【0024】
また、第2磁石孔22の両端の先端領域にはブリッジ30が形成される。ブリッジ30は、第2磁石孔22の両端側において、第2磁石孔22の先端部とロータ104の外面とを繋ぐ狭小な鉄心部分である。言い換えると、ブリッジ30は、第2磁石26が配置された第2磁石孔22を境界として、ロータ104の外周側に位置する第2コア42と内周側に位置する第3コア44とを連結する領域である。
【0025】
本実施の形態では、ブリッジ28は、ロータ104の径方向の外周側に凹部46を有する。すなわち、ブリッジ28においてロータ104の外周面に凹みが設けられる。また、凹部46には、凹部46の底部からロータ104の径方向に延びる第1突起48が設けられる。さらに、凹部46には、凹部46の側面から凹部46の内側へとロータ104の周方向に延びる第2突起50が設けられる。第1突起48及び第2突起50のステータ102に対向する面は、円筒状のロータ104の外周面に沿った形状とすることが好適である。
【0026】
ブリッジ28がロータ104の外周面に接する場合、ロータ104の回転に伴う遠心力によって応力が大きくなる。そこで、ブリッジ28において凹部46を設けて、ロータ104の外周面よりも内側にブリッジ28が位置する構成とすることで、ロータ104の回転に伴う遠心力による応力を低減できる。
【0027】
一方、ブリッジ28に凹部46を設けるとロータ104の外周面に凹みができるため、ステータ102とロータ104との間隙(ギャップ)における磁束密度の空間高調波が大きくなり、高調波成分による鉄損を増加させる。そこで、ブリッジ28の凹部46に径方向に延びる第1突起48を設けることで、間隙(ギャップ)における磁束密度の変化を緩和することができる。すなわち、第1突起48によって、空間高調波が減少し、高調波成分による鉄損を低減することができる。また、凹部46において、周方向に延びる第2突起50を設けることで、さらに間隙(ギャップ)における磁束密度の変化を緩和することができる。したがって、第2突起50によって、空間高調波が減少し、高調波成分による鉄損をより低減することができる。
【0028】
ここで、ロータ104の周方向に沿った凹部46の幅W1に対する周方向に沿った第2突起50の張り出し幅W2の比(W1:W2)は、10:2から10:3の範囲が好適であり、10:2.5(=4:1)とすることがより好適である。
【0029】
図3は、回転電機の間隙(ギャップ)の磁束密度について空間9次高調波成分を計算した結果を示す。本実施の形態における回転電機100を実施例とした。また、図4に示すように、ブリッジ28において凹部46を設け、第1突起48及び第2突起50を設けない構成を比較例1とした。また、図5に示すように、ブリッジ28において凹部46を設け、さらに第1突起48を設けるが、第2突起50は設けない構成を比較例2とした。
【0030】
図3に示すように、空間9次高調波成分は、比較例1、比較例2及び実施例の順に小さくなった。すなわち、凹部46のみを設けた比較例1より、凹部46に第1突起48を設けた比較例2の方が空間9次高調波成分を低減できた。さらに、凹部46に第1突起48を設けた比較例2より、凹部46に第1突起48及び第2突起50を設けた実施例の方が空間9次高調波成分を低減できた。
【0031】
図6は、本発明の実施の形態におけるロータ104の構成の別例を示す。当該ロータ104では、ブリッジ28における凹部46に第1突起48を設け、第1突起48の先端、すなわち第1突起48のロータ104の外周側の片側に周方向に延びる第2突起50を設ける。第2突起50のステータ102に対向する面は、円筒状のロータ104の外周面に沿った形状とすることが好適である。
【0032】
このように第1突起48の外周側に第2突起50を設けることで、第2突起50の周方向に沿った幅W3は、第1突起48のブリッジ28との接続部の周方向に沿った幅W4より大きい構造となる。ここで、第2突起50の周方向に沿った幅W3に対する第1突起48のブリッジ28との接続部の周方向に沿った幅W4の比(W3:W4)は、10:9から10:7の範囲が好適であり、10:8(=5:4)とすることがより好適である。
【0033】
図7は、本発明の実施の形態におけるロータ104の構成の別例を示す。当該ロータ104では、ブリッジ28における凹部46に第1突起48を設け、第1突起48の先端、すなわち第1突起48のロータ104の外周側の両側に周方向に延びる第2突起50を設ける。このように第1突起48の外周側に第2突起50を設けることで、第2突起50の周方向に沿った幅W3は、第1突起48のブリッジ28との接続部の周方向に沿った幅W4より大きくなる。第2突起50のステータ102に対向する面は、円筒状のロータ104の外周面に沿った形状とすることが好適である。
【0034】
この場合も、第2突起50の周方向に沿った幅W3に対する第1突起48のブリッジ28との接続部の周方向に沿った幅W4の比はW3:W4=5:4程度とすることが好適である。
【0035】
図6及び図7に示すように、第1突起48の先端に周方向に延びる第2突起50を設けることによって、ステータ102とロータ104との間隙(ギャップ)における磁束密度の変動をより効果的に低減することができる。すなわち、磁束密度の変化における空間高調波が減少し、高調波成分による鉄損をより低減することができる。
【0036】
なお、本発明は上述した実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項の範囲内において種々の変更や改良が可能であることは勿論である。
【0037】
[発明の構成]
[構成1]
ステータと、前記ステータに対して相対的に回転するロータと、を備える回転電機であって、
前記ロータは、
磁石が配置された磁石孔を境界として、前記ロータの外周側に位置する第1コアと前記ロータの内周側に位置する第2コアとを連結するブリッジを有し、
前記ブリッジは、前記ロータの径方向の外周側に凹部を有し、前記凹部において径方向に延びる第1突起と、周方向に延びる第2突起が設けられていることを特徴とする回転電機。
[構成2]
構成1に記載の回転電機であって、
前記凹部の前記ロータの外周側において、前記第1突起に向かって突き出すように前記第2突起が設けられていることを特徴とする回転電機。
[構成3]
構成2に記載の回転電機であって、
前記ロータの周方向に沿った前記凹部の幅W1に対する前記第2突起の張り出し幅W2の比W1:W2は10:2から10:3の範囲であることを特徴とする回転電機。
[構成4]
構成1に記載の回転電機であって、
前記第1突起の外周側に前記第2突起が設けられており、
前記第2突起の周方向に沿った幅は、前記第1突起の前記ブリッジとの接続部の周方向に沿った幅より大きいことを特徴とする回転電機。
[構成5]
構成4に記載の回転電機であって、
前記ロータの周方向に沿った前記第2突起の幅W3に対する前記接続部の幅W4の比W3:W4は10:9から10:7の範囲であることを特徴とする回転電機。
[構成6]
構成1~5のいずれか1項に記載の回転電機であって、
前記第2突起は、前記ロータの外周面に沿った形状を有することを特徴とする回転電機。
【符号の説明】
【0038】
10 スロット、12 ティース、14 バックヨーク、20 第1磁石孔、22 第2磁石孔、24 第1磁石、26 第2磁石、28 ブリッジ、30 ブリッジ、40 第1コア、42 第2コア、44 第3コア、46 凹部、48 第1突起、50 第2突起、100 回転電機、102 ステータ、104 ロータ、106 回転軸。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7