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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】P2024047142
(43)【公開日】2024-04-05
(54)【発明の名称】回転電機、並びに電動車両
(51)【国際特許分類】
   H02K 1/276 20220101AFI20240329BHJP
【FI】
H02K1/276
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022152591
(22)【出願日】2022-09-26
(71)【出願人】
【識別番号】319007240
【氏名又は名称】株式会社日立インダストリアルプロダクツ
(74)【代理人】
【識別番号】110000350
【氏名又は名称】ポレール弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 誠
(72)【発明者】
【氏名】高橋 暁史
(72)【発明者】
【氏名】杉本 愼治
(72)【発明者】
【氏名】藤井 克彦
(72)【発明者】
【氏名】民谷 周一
(72)【発明者】
【氏名】里 水里
【テーマコード(参考)】
5H622
【Fターム(参考)】
5H622CA02
5H622CA07
5H622CA10
5H622CA13
5H622PP10
(57)【要約】
【課題】
回転子コアの回転強度を向上できる回転電機を提供する。
【解決手段】
回転子コアは、d軸とq軸の内、第2コア領域(42)における一方の座標軸(q軸)の一方側において、第1空隙(51a,51b)に位置し、第1コア領域(41)と第1コア部(42a)とに接続される第1ブリッジ部(42BRa)と、第2空隙(52a,52b)に位置し、第1コア部と第2コア部(42b)とに接続される第2ブリッジ部(42BRb)とを有し、第1ブリッジ部は、座標軸から外周側に向かって離れ、かつ第1空隙の最外周部から座標軸に向かって離れ、第2ブリッジ部は、座標軸から外周側に向かって離れ、かつ第2空隙の最外周部から座標軸に向かって離れ、第1ブリッジ部と方の座標軸とがなす角度(θ)が鋭角であり、かつ第2ブリッジ部は、第1ブリッジ部から外周側に向かって離れている。
【選択図】図3
【特許請求の範囲】
【請求項1】
固定子と、
前記固定子と対向する回転子コアを備える回転子と、
を備える回転電機において、
前記回転子コアは、
複数の突極部を有する第1コア領域と、
複数のコア部と、複数の空隙とを有し、前記複数のコア部と前記複数の空隙とが径方向に沿って配置されている第2コア領域と、
を備え、
前記複数の空隙は、互いに隣接する第1空隙および第2空隙を含み、
前記複数のコア部は、互いに隣接する第1コア部および第2コア部を含み、
前記第1空隙は、最内周に位置するとともに、前記第1コア領域の内周側表面に接し、
前記第2空隙は、前記第1コア領域の外周側表面と、前記第2コア領域の内周側表面とに接し、
前記回転子コアは、
d軸およびq軸の内、前記第2コア領域に設定される一方の座標軸の一方側において、前記第1空隙内に位置し、前記第1コア領域と前記第1コア部とに接続される第1ブリッジ部と、
前記一方の座標軸の前記一方側において、前記第2空隙内に位置し、前記第1コア部と前記第2コア部とに接続される第2ブリッジ部と、
を有し、
前記第1ブリッジ部は、前記一方の座標軸から外周側に向かって離れるとともに、前記第1空隙の最外周部から前記一方の座標軸に向かって離れ、
前記第2ブリッジ部は、前記一方の座標軸から外周側に向かって離れるとともに、前記第2空隙の最外周部から前記一方の座標軸に向かって離れ、
前記第1ブリッジ部と前記一方の座標軸とがなす角度が鋭角であり、かつ前記第2ブリッジ部は、前記第1ブリッジ部から外周側に向かって離れていることを特徴とする回転電機。
【請求項2】
請求項1に記載の回転電機において、
前記回転子コアは、
前記一方の座標軸の他方側において、前記第1空隙内に位置し、前記第1コア領域と前記第1コア部とに接続される第3ブリッジ部と、
前記一方の座標軸の前記他方側において、前記第2空隙内に位置し、前記第1コア部と前記第2コア部とに接続される第4ブリッジ部と、
を有し、
前記第1ブリッジ部および前記第3ブリッジ部は、前記一方の座標軸を対称軸として、線対称に配置され、かつ前記第2ブリッジ部および前記第4ブリッジ部は、前記一方の座標軸を対称軸として、線対称に配置されていることを特徴とする回転電機。
【請求項3】
請求項1に記載の回転電機において、
前記鋭角は、零よりも大きく、前記回転子コアの最外周部において前記第1空隙の端部に接する接線と前記一方の座標軸とがなす角度よりも小さいことを特徴とする回転電機。
【請求項4】
請求項1に記載の回転電機において、
前記第1空隙およひ前記第2空隙は、前記回転子コアの最外周部において開口していることを特徴とする回転電機。
【請求項5】
請求項1に記載の回転電機において、
前記回転子コアは、
前記回転子コアの最外周部において、前記第1空隙の端部を覆う第1リブ部と、前記第2空隙の端部を覆う第2リブ部とを備えることを特徴とする回転電機。
【請求項6】
請求項1に記載の回転電機において、
前記回転子コアは、
前記第2コア部の両端部に接続されるリブ部と、
前記第2コア部と前記リブ部との間に位置する第3空隙と、
を備えることを特徴とする回転電機。
【請求項7】
請求項1に記載の回転電機において、
前記複数のコア部は、前記第2コア部の外周側に位置する第3コア部を含み、
前記複数の空隙は、前記第2コア部と、前記第3コア部との間に位置する第3空隙を含み、
前記回転子コアは、
前記第3空隙において、前記第2コア部と前記第3コア部とに接続される第3ブリッジ部を備えることを特徴とする回転電機。
【請求項8】
請求項1に記載の回転電機において、
前記第2コア部は、径方向で外側に向かって凸である円弧状に湾曲していることを特徴とする回転電機。
【請求項9】
請求項8に記載の回転電機において、
前記回転子コアは、
前記回転子コアの最外周部において、前記第1空隙の端部を覆う第1リブ部と、前記第2空隙の端部を覆う第2リブ部とを備えるこことを特徴とする回転電機。
【請求項10】
請求項1に記載の回転電機において、
前記回転子コアは、
前記第1空隙の中央部において、前記第1コア領域と前記第1コア部とに接続される第3ブリッジ部を有することを特徴とする回転電機。
【請求項11】
請求項10に記載の回転電機において、
前記複数のコア部は、前記第2コア部の外周側に位置する第3コア部を含み、
前記複数の空隙は、前記第2コア部と、前記第3コア部との間に位置する第3空隙を含み、
前記回転子コアは、
前記第2空隙の中央部において、前記第1コア部と前記第2コア部とに接続される第4ブリッジ部と、
前記第3空隙の中央部において、前記第2コア部と前記第3コア部とに接続される第5ブリッジ部と、
前記第3空隙の端部を覆う第1リブ部と、
前記第3コア部の両端部に接続される第2リブ部と、
を備え、
前記複数の空隙は、前記第3コア部と前記第2リブ部との間に位置する第4空隙を含み、
前記回転子は、前記第4空隙の中央部において、前記第3コア部と前記第2リブ部とに接続される第6ブリッジ部を有することを特徴とする回転電機。
【請求項12】
請求項1に記載の回転電機において、
前記第1空隙および前記第2空隙がフラックスバリアであることを特徴とする回転電機。
【請求項13】
請求項1に記載の回転電機において、
前記回転子コアは、前記第1空隙および前記第2空隙に配置される複数の永久磁石を有することを特徴とする回転電機。
【請求項14】
車輪を駆動する回転電機を備える電動車両において、
前記回転電機は、請求項1に記載される回転電機であることを特徴とする電動車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、回転電機、並びに回転電機を備える電動車両に関する。
【背景技術】
【0002】
電気鉄道車両や電気自動車などの電動車両に用いられる回転電機には、小型かつ高出力であることが求められる。このような回転電機として、永久磁石同期モータや同期リラクタンスモータの適用が進められている。
【0003】
これらのモータにおいては、回転子コアに、磁石挿入孔もしくはフラックスバリアとなる空隙を設けることにより、トルク脈動を抑制したり、リラクタンストルクを発生させたりする。
【0004】
空隙が設けられる回転子コアに関する従来技術として、特許文献1に記載された技術が知られている。
【0005】
この従来技術においては、スロットが、ブリッジ部によって磁石収容空間とバリア空間に区画される。ブリッジ部は、スロットの径方向の外周側および内周側においてコア壁面に連結している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2013-236419号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記従来技術では、回転電機が回転する時に、遠心力によりブリッジ部に生じる応力のため、回転子コアの回転強度を確保することが難しい。
【0008】
そこで、本発明は、回転子コアの回転強度を向上することができる回転電機、並びに、この回転電機を備える電動車両を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するために、本発明による回転電機は、固定子と、固定子と対向する回転子コアを備える回転子と、を備えるものであって、回転子コアは、複数の突極部を有する第1コア領域と、複数のコア部と、複数の空隙とを有し、複数のコア部と複数の空隙とが径方向に沿って配置されている第2コア領域と、を備え、複数の空隙は、互いに隣接する第1空隙および第2空隙を含み、複数のコア部は、互いに隣接する第1コア部および第2コア部を含み、第1空隙は、最内周に位置するとともに、第1コア領域の内周側表面に接し、第2空隙は、第1コア領域の外周側表面と、第2コア領域の内周側表面とに接し、回転子コアは、d軸およびq軸の内、第2コア領域に設定される一方の座標軸の一方側において、第1空隙内に位置し、第1コア領域と第1コア部とに接続される第1ブリッジ部と、一方の座標軸の一方側において、第2空隙内に位置し、第1コア部と第2コア部とに接続される第2ブリッジ部と、を有し、第1ブリッジ部は、一方の座標軸から外周側に向かって離れるとともに、第1空隙の最外周部から一方の座標軸に向かって離れ、第2ブリッジ部は、一方の座標軸から外周側に向かって離れるとともに、第2空隙の最外周部から一方の座標軸に向かって離れ、第1ブリッジ部と一方の座標軸とがなす角度が鋭角であり、かつ第2ブリッジ部は、第1ブリッジ部から外周側に向かって離れている。
【0010】
上記課題を解決するために、本発明による電動車両は、車輪を駆動する回転電機を備えるものであって、回転電機は、上記本発明による回転電機である。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、回転子コアの回転強度が向上する。
【0012】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】本発明の実施例1である回転電機の全体構成を示す断面図である。
図2】実施例1における回転子コアの構成を示す斜視図である。
図3】実施例1である回転電機における回転子の構成を示す断面図である。
図4】実施例1の回転子コアにおけるブリッジ部を示す回転子コアの部分断面図である。
図5】実施例1の第1の変形例である回転電機の回転子の構成を示す断面図である。
図6】実施例1の第2の変形例である回転電機の回転子の構成を示す断面図である。
図7】実施例1の第3の変形例である回転電機の回転子の構成を示す断面図である。
図8】実施例1の第4の変形例である回転電機の回転子の構成を示す断面図である。
図9】実施例1の第5の変形例である回転電機の回転子の構成を示す断面図である。
図10】実施例1の第6の変形例である回転電機の回転子の構成を示す断面図である。
図11】実施例2である回転電機の回転子の構成を示す断面図である。
図12】実施例2の第1の変形例である回転電機の回転子の構成を示す断面図である。
図13】実施例2の第2の変形例である回転電機の回転子の構成を示す断面図である。
図14】実施例2の第3の変形例である回転電機の回転子の構成を示す断面図である。
図15】実施例2の第4の変形例である回転電機の回転子の構成を示す断面図である。
図16】実施例2の第5の変形例である回転電機の回転子の構成を示す断面図である。
図17】実施例2の第6の変形例である回転電機の回転子の構成を示す断面図である。
図18】実施例2の第7の変形例である回転電機の回転子の構成を示す断面図である。
図19】実施例3である電気鉄道車両の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の実施形態について、下記の実施例1~3により、図面を用いながら説明する。なお、各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。
【実施例0015】
図1は、本発明の実施例1である回転電機の全体構成を示す、回転軸に平行な平面での断面図である。なお、本実施例1の回転電機は、同期リラクタンスモータである。
【0016】
図1に示すように、回転電機1は、固定子10と、固定子10の径方向内側に回転可能に支持される回転子30と、回転子30に固定されるシャフト90と、固定子10および回転子30を覆うフレーム5から構成されている。回転子30は、固定子10にギャップ100を介して対向する。固定子10は、固定子スロット(図示せず)に巻装される固定子巻線21を備えている。
【0017】
ここで、回転子30または回転子コアにおける位置や方向に関する記載の意味について、図2を用いて説明する。
【0018】
図2は、本実施例1における回転子コア400の構成を示す斜視図である。
【0019】
「内周側」および「外周側」という記載は、それぞれ回転軸心Cに対して距離が近い側および遠い側を意味する。
【0020】
「径方向」(R)という記載は、回転軸心Cと垂直に交わる直線方向を意味する。
【0021】
「周方向」(φ)という記載は、回転軸心Cまわりの回転方向を意味する。
【0022】
「軸方向」(Z)という記載は、回転軸心Cに平行な直線方向を意味する。
【0023】
これらの記載は、以下の説明において、適宜用いられる。
【0024】
図3は、実施例1である回転電機における回転子30の構成を示す、回転軸に垂直な方向の断面図である。なお、以下に説明する形状や配置は、図示する断面における形状や配置である。
【0025】
図3に示すように、回転子30は、磁性体からなる回転子コア400と、回転子30の回転軸であり、回転子コア400を貫通するシャフト90とから構成される。
【0026】
回転子コア400は、複数(本実施例では4個)の突極部41aを有する第1コア領域41と、周方向に隣り合う2個の突極部41aの間に位置する複数(本実施例では4個)の第2コア領域42とから構成されている。なお、本実施例においては、第1コア領域41と複数の第2コア領域42、並びに後述するブリッジ部(42BRa,42BRb)は、同じ磁性材からなり、図3に示す断面において、一体に構成されている。
【0027】
4個の第2コア領域42の各々は、突極間コア部42a,42bを有する。突極間コア部42a,42bは、回転軸心Cに向かって凸である円弧状に湾曲しており、径方向に沿って、配置されている。
【0028】
第1コア領域41と、突極間コア部42aは、複数(本実施例では2個)のブリッジ部42BRaによって連結される。各ブリッジ部42BRaは、周方向に隣り合う2個の突極部41aの間における第1コア領域41の表面であって、回転軸心Cに向かって凸である円弧状の表面と、突極間コア部42aにおける円弧状の内周側表面と、に接続される。
【0029】
突極間コア部42aと、突極間コア部42bは、複数(本実施例では2個)のブリッジ部42BRbによって連結される。各ブリッジ部42BRbは、突極間コア部42aにおける円弧状の外周側表面と、突極間コア部42bにおける円弧状の内周側表面と、に接続される。
【0030】
第2コア領域42は、本実施例ではフラックスバリアとなる空隙50を有している。本実施例においては、空隙50は、空隙部51a,51b,52a,52bから構成される。
【0031】
空隙部51a,51bは、突極間コア部42aの内周側表面と、この内周側表面に対向する第1コア領域41の外周側表面との間に位置する。このため、空隙部51aおよび51bは、回転軸心Cに向かって凸である円弧状の空隙を構成する。
【0032】
空隙部51aは、二個のブリッジ部42BRaの間に位置しており、これら二個のブリッジ部42BRaと第1コア領域41と突極間コア部42aによって囲まれている。二個の空隙部51bは、空隙部51aの両側に位置する。空隙部51aおよび空隙部51bは、ブリッジ部42BRaによって仕切られている。空隙部51bは、回転子コア400の最外周部において、開口している。
【0033】
空隙部52a,52bは、突極間コア部42aの外周側表面と、この外周側表面に対向する突極間コア部42bの内周側表面との間に位置する。このため、空隙部52aおよび52bは、回転軸心Cに向かって凸である円弧状の空隙を構成する。
【0034】
空隙部52aは、二個のブリッジ部42BRbの間に位置しており、これら二個のブリッジ部42BRbと突極間コア部42aと突極間コア部42bによって囲まれている。二個の空隙部52bは、空隙部52aの両側に位置する。空隙部52aおよび空隙部52bは、ブリッジ部42BRbによって仕切られている。空隙部52bは、回転子コア400の最外周部において、開口している。
【0035】
回転子コアの400の最外周表面は、突極部41aの径方向端部表面S11と、突極間コア部42aの端部表面S12と、突極間コア部42bの端部表面S13と、突極間コア部42bの外周側表面S14とからなる。S11,S12およびS13は、回転軸心Cを軸とする、図示する半径rの円筒面上に位置し、この円筒面の一部を構成する。S14は、回転軸心Cに向かう凹部であり、空隙50とともに、磁気抵抗を増大させている。これにより、突極性が向上する。
【0036】
ここで、回転子30に設定される座標軸であるd軸およびq軸が、図3に示すように定義される。
【0037】
d軸は、磁極を通る磁束の方向に設定される。本実施例では、図3に示すように、d軸は、第1コア領域41の突極部41aの断面中心を通る。q軸は、d軸と電気角で90度をなす方向に設定される。本実施例では、図3に示すように、d軸が設定された突極部41aに隣接する第2コア領域42の断面中心を通る。
【0038】
d軸は4個の突極部41aの各々において設定され、q軸は4個の第2コア領域42の各々において設定される。なお、図3においては、周方向に隣り合う1個の突極部41aおよび1個の第2コア領域42にそれぞれ設定されるd軸およびq軸のみを示す。
【0039】
突極部41aおよび第2コア領域42の断面形状は、それぞれ、d軸およびq軸を対称軸として、線対称である。したがって、突極間コア部42a,42bの各々は、q軸を対称軸として、線対称である。また、二個のブリッジ部42BRaは、q軸を対称軸として、線対称に配置されるとともに、二個のブリッジ部42BRbも、q軸を対称軸として、線対称に配置される。
【0040】
空隙50の断面形状は、q軸を対称軸として、線対称である。したがって、空隙部51a,51bから構成される円弧状の空隙、並びに空隙部52a,52bから構成される円弧状の空隙の各々は、q軸を対称軸として、線対称である。
【0041】
円弧状の突極間コア部42a,42bは、q軸上において、内周側から外周側に向かって、径方向に並置されている。したがって、空隙部51a,51bから構成される円弧状の空隙、並びに空隙部52a,52bから構成される円弧状の空隙は、q軸上において、内周側から外周側に向かって、径方向に並置されている。
【0042】
ブリッジ部42BRa,42BRbの内、回転子コア400の最内周に位置するブリッジ部42BRaの中心軸線CLとq軸のなす角度θは鋭角である。なお、本実施例においては、ブリッジ部42BRaよりも外周側に位置するブリッジ部42BRbの中心軸線(図示せず)とq軸のなす角度も鋭角である。
【0043】
ここで、図3において、中心軸線CLの方向は、ブリッジ部42BRaと回転子コア400との二つの接点、すなわち第1コア領域41との接点と突極間コア部42aとの接点を結ぶ方向である。また、ブリッジ部42BRbの中心軸線の方向は、ブリッジ部42BRbと回転子コア400との二つの接点、すなわち突極間コア部42aとの接点と突極間コア部42bとの接点を結ぶ方向である。
【0044】
q軸の両側の内の一方において、突極間コア42aに接し、突極間コア部42aを間にして隣り合うブリッジ部42BRa,42BRbは、回転子コア400の最外周に向かって、q軸から離れるとともに、最外周からも、q軸に向かって離れている。ブリッジ部42BRbとq軸との距離は、42BRaとq軸との距離よりも大きい。すなわち、ブリッジ部42BRbは、42BRaよりもq軸から離れている。したがって、ブリッジ部42BRbは、回転子コア400の最外周に向かって、42BRaから離れている。
【0045】
上述のようなブリッジ部42BRa,42BRbの配置により、次に説明するように、回転子30の強度が向上する。
【0046】
図4は、本実施例1の回転子コア400におけるブリッジ部42BRa,42BRbを示す回転子コアの部分断面図である。なお、図4においては、回転子30が回転しているときに回転子コア400に作用する力(F,F)および曲げモーメント(M,M)を示す。
【0047】
ブリッジ部42BRaと突極間コア部42aとの接続点には、突極間42aの弾性変形によるせん断力Fおよび遠心力Fが作用する。上述したように、ブリッジ部42BRaの中心軸線CLとq軸のなす角度θは鋭角である。このため、せん断力Fおよび遠心力Fの合力は、ブリッジ部42BRaの中心軸方向の引張力となる。すなわち、ブリッジ部42aにおける実効的なせん断力が低減される。
【0048】
ブリッジ部42BRaには、ブリッジ部42BRaと第1コア領域41との接続点を支点Aとして、突極間コア部42aによって、図中で時計回りの方向の曲げモーメントMが作用する。上述のように、ブリッジ部42BRbは、回転子コア400の最外周に向かって、42BRaから離れている。このため、ブリッジ部42BRaには、ブリッジ部42BRbによる引張力により、支点Aの周りに、図中で反時計回りの方向の曲げモーメントMが作用する。したがって、ブリッジ部42BRaにおける実効的な曲げモーメントが低減される。
【0049】
ブリッジ部42BRaにおけるせん断力および曲げモーメントが低減されるので、ブリッジ部BRaにおける応力が低減される。
【0050】
ブリッジ部42BRa,42BRbの内、内周側に位置するブリッジ部42BRaに作用する遠心力は、外周側に位置するブリッジ部BRbよりも大きい。すなわち、複数(二個)のブリッジ部42BRa,42BRbにおいては、最内周に位置するブリッジ部42BRaに作用する遠心力が最大となる。したがって、最内周に位置するブリッジ部42BRaにおける応力が低減されることにより、回転子コア400の回転強度が向上する。すなわち、回転子30の回転強度が向上し、回転電機を高速化することができる。
【0051】
本実施例では、図3に示すように、空隙部51a,51bからなる円弧状の空隙の開口端部において、回転子コア400の最外周部に接する接線Ltとq軸とがなす角度δと、ブリッジ部42BRaの中心軸線CLとq軸のなす角度θとは、0<θ<δという関係を有する。ブリッジ部42BRbについても、同様の関係を有する。これにより、確実に、ブリッジ部42BRaにおけるせん断力および曲げモーメントが低減できる。
【0052】
本実施例では、回転子コア400が、突極部41aと、空隙50を有する第2コア領域42とが、周方向に、交互に配置される。突極部41aと、第2コア領域42は、各々4個であり、周方向に隣り合う突極部41aおよび第2コア領域42にそれぞれ設定されるd軸およびq軸のなす角度は45度である。このように、本実施例における回転子30の極数は4極である。上述した「0<θ<δ」という関係は、本実施例を含む、回転子の極数が4極以上である回転電機において好ましい。
【0053】
本実施例では、空隙の形状が円弧状であるが、これに限らず、突極間コア部(本実施例では42a,42b)と空隙とが径方向に沿って交互に配置されれば、略V字形状や略U字形状などの他の形状でもよい。
【0054】
なお、回転子コア400を構成する磁性体として、好ましくは、回転子コア400に発生する渦電流損失を低減するために、電気的絶縁体でラミネーションされる磁性鋼板の積層体が適用される。なお、材料費や加工費を低減するためにソリッド(バルク)磁性体を使用してもよい。また、圧粉磁心などの粉末磁性体を圧縮成型した構成でもよいし、アモルファス金属やナノ結晶材で構成してもよい。
【0055】
回転子コア400は、シャフト90に対して接着、溶接、圧入、焼き嵌めなどの手段によって固定される。回転子コア400をソリッド(バルク)磁性体で構成する場合は、回転子コア400とシャフト90を一体成型してもよい。
【0056】
固定子10(図1)とフレーム5(図1)は接着、溶接、圧入、焼き嵌め等の方法を用いて固定される。
【0057】
次に、実施例1の変形例について説明する。なお、主に、実施例1と異なる点について説明する。
【0058】
図5は、実施例1の第1の変形例である回転電機の回転子30の構成を示す、回転軸に垂直な方向の断面図である。なお、以下に説明する形状や配置は、図示する断面における形状や配置である。
【0059】
本変形例においては、空隙部51a,51bからなる円弧状の空隙の最外周側端部、すなわち空隙部51bの最外周側端部にリブ部42Raが設けられ、そして、空隙部52a,52bからなる円弧状の空隙の最外周側端部、すなわち空隙部52bの最外周側端部にリブ部42Rbが設けられる。空隙部51b,52bは、それぞれ、リブ部42Ra,リブ部42Rbによって閉塞される。すなわち、本変形例における回転子30は、いわば、全閉型である。
【0060】
本変形例において、リブ部42Ra,42Rbは、第1コア領域41、第2コア領域42およびブリッジ部42BRa,42BRbと同じ磁性体から構成される。好ましくは、リブ部42Ra,42Rbの径方向の厚みは、ブリッジ部42BRa,42BRbの中心軸CLに垂直な方向の厚みよりも薄くする。これにより、第2コア領域42における漏れ磁束を低減できる。
【0061】
本変形例においては、突極部41aの径方向端部表面S11と、突極間コア部42aの端部表面S12と、突極間コア部42bの端部表面S13と、突極間コア部42bの外周側表面S14と、リブ部42Ra,42Rbの外周側表面とが、回転軸心Cを軸とする、図示する半径rの円筒面上に位置し、連続した滑らかな円筒面の一部を構成する。これにより、回転子における固定子との対向面における凹凸部によって回転時に発生する騒音(風切音)や機械損(風損)を低減できる。
【0062】
なお、リブ部42Ra,42Rbは、いずれか、もしくは両方が、開口部を有してもよい。この場合、回転子30は、いわば、半閉型である。これにより、リブ部42Ra,42Rbによる漏れ磁束を低減できる。
【0063】
図6は、実施例1の第2の変形例である回転電機の回転子30の構成を示す、回転軸に垂直な方向の断面図である。なお、以下に説明する形状や配置は、図示する断面における形状や配置である。
【0064】
本変形例においては、突極間コア部42bの最外周側両端に接続されるリブ部42Rcが設けられる。リブ部42Rcの内周側表面と突極間コア部42bの外周側表面との間に、フラックスバリアとなる空隙部53aが位置する。
【0065】
本変形例において、リブ部42Rcは、第1コア領域41、第2コア領域42およびブリッジ部42BRa,42BRbと同じ磁性体から構成される。
【0066】
本変形例においては、突極部41aの径方向端部表面S11と、突極間コア部42aの端部表面S12と、突極間コア部42bの端部表面S13と、リブ部42Rcの外周側表面S14とが、回転軸心Cを軸とする、図示する半径rの円筒面上に位置し、S13とS14は連続した滑らかな円筒面の一部を構成する。これにより、回転子の回転時に発生する騒音(風切音)や機械損(風損)を低減できる。
【0067】
本変形例においては、リブ部42Rcが磁性体からなるが、空隙53aにより、リブ部42Rcによる第2コア領域42の磁気抵抗の低下が補償できる。
【0068】
図7は、実施例1の第3の変形例である回転電機の回転子30の構成を示す、回転軸に垂直な方向の断面図である。なお、以下に説明する形状や配置は、図示する断面における形状や配置である。
【0069】
本変形例において、第2コア領域42の各々は、突極間コア部42cを有する。突極間コア部42cは、回転軸心Cに向かって凸である円弧状に湾曲しており、かつ径方向で外側に向かって凸である円弧状に湾曲している。突極間コア部42cは、突極間コア部42a,42bとともに、径方向に沿って、配置されている。
【0070】
突極間コア部42bと、突極間コア部42cは、複数(本実施例では2個)のブリッジ部42BRcによって連結される。各ブリッジ部42BRcは、突極間コア部42bにおける円弧状の外周側表面と、突極間コア部42cにおける円弧状の内周側表面と、に接続される。
【0071】
本変形例では、第2コア領域42は、フラックスバリアとなる空隙部53a,53bを有している。
【0072】
空隙部53a,53bは、突極間コア部42cの内周側表面と、この内周側表面に対向する突極間コア部42bの外周側表面との間に位置する。このため、空隙部53aおよび53bは、回転軸心Cに向かって凸である円弧状の空隙を構成する。
【0073】
空隙部53aは、二個のブリッジ部42BRcの間に位置しており、これら二個のブリッジ部42BRcと突極間コア部42bと突極間コア部42cによって囲まれている。二個の空隙部53bは、空隙部53aの両側に位置する。空隙部53aおよび空隙部53bは、ブリッジ部42BRcによって仕切られている。空隙部53bは、回転子コア400の最外周部において、開口している。
【0074】
本変形例において、突極間コア部42cおよびブリッジ部42BRcは、第1コア領域41、第2コア領域42およびブリッジ部42BRa,42BRbと同じ磁性体から構成される。
【0075】
本変形例においては、突極部41aの径方向端部表面S11と、突極間コア部42aの端部表面S12と、突極間コア部42bの端部表面S13と、突極間コア部42cの外周側表面S14とが、回転軸心Cを軸とする、図示する半径rの円筒面上に位置し、円筒面の一部を構成する。これにより、回転子の回転時に発生する騒音(風切音)や機械損(風損)を低減できる。
【0076】
本変形例においては、突極間コア部42cが磁性体からなるが、空隙53a,53bにより、突極間コア部42cによる第2コア領域42の磁気抵抗の低下が補償できる。
【0077】
図8は、実施例1の第4の変形例である回転電機の回転子30の構成を示す、回転軸に垂直な方向の断面図である。なお、以下に説明する形状や配置は、図示する断面における形状や配置である。
【0078】
本変形例において、突極間コア部42bは、回転軸心Cに向かって凸である円弧状に湾曲しているとともに、径方向で外側に向かって凸である円弧状に湾曲している。
【0079】
本変形例においては、突極部41aの径方向端部表面S11と、突極間コア部42aの端部表面S12と、突極間コア部42bの外周側表面(2S13+S14)とが、回転軸心Cを軸とする、図示する半径rの円筒面上に位置し、円筒面の一部を構成する。これにより、回転子の回転時に発生する騒音(風切音)や機械損(風損)を低減できる。
【0080】
図9は、実施例1の第5の変形例である回転電機の回転子30の構成を示す、回転軸に垂直な方向の断面図である。なお、以下に説明する形状や配置は、図示する断面における形状や配置である。
【0081】
本変形例においては、前述の第1の変形例(図5)と同様に、リブ部42Ra、リブ部42Rbが設けられる。
【0082】
本変形例においては、前述の第4の変形例(図8)と同様に、突極間コア部42bは、回転軸心Cに向かって凸である円弧状に湾曲しているとともに、径方向で外側に向かって凸である円弧状に湾曲している。
【0083】
本変形例においては、突極部41aの径方向端部表面S11と、突極間コア部42aの端部表面S12と、突極間コア部42bの外周側表面(2S13+S14)と、リブ部42Ra,42Rbの各外周側表面とが、回転軸心Cを軸とする、図示する半径rの円筒面上に位置し、連続した滑らかな円筒面を構成する。これにより、回転子の回転時に発生する騒音(風切音)や機械損(風損)を低減できる。
【0084】
図10は、実施例1の第6の変形例である回転電機の回転子30の構成を示す、回転軸に垂直な方向の断面図である。なお、以下に説明する形状や配置は、図示する断面における形状や配置である。
【0085】
本変形例において、第2コア領域42は、突極間コア部42cを有する。突極間コア部42cは、回転軸心Cに向かって凸である円弧状に湾曲している。突極間コア部42cは、突極間コア部42a,42bとともに、径方向に沿って、配置されている。また、第2コア領域42は、フラックスバリアとなる2個の空隙部53aを有している。
【0086】
第2コア領域42における2個の空隙部53aは、突極間コア部42cの内周側表面と、この内周側表面に対向する突極間コア部42bの外周側表面との間に位置する。このため、2個の空隙部53aは、回転軸心Cに向かって凸である円弧状の空隙を構成する。
【0087】
2個の空隙部53aからなる円弧状の空隙の最外周側両端部、すなわち各空隙部53aの最外周側端部にリブ部42cが設けられる。各空隙部53aは、リブ部42cによって閉塞される。
【0088】
第2コア領域42は、突極間コア部42cの最外周側両端に接続されるリブ部42Rdを有する。リブ部42Rdの内周側表面と、突極間コア部42cの外周側表面との間にフラックスバリアとなる2個の空隙54aが位置している。
【0089】
本実施例においては、ブリッジ部42BRa,42BRbのほかに、ブリッジ部42BRc,BRd,BRe,BRfが設けられる。
【0090】
ブリッジ部42BRc,BRd,BRe,BRfは、それぞれ、2個の空隙部51aおよび2個の空隙部51bからなる円弧状空隙、2個の空隙部52aおよび2個の空隙部52bからなる円弧状空隙、2個の空隙部53aおよび2個の空隙部53bからなる円弧状空隙、2個の空隙部54aからなる空隙の中央部に設けられる。本変形例では、ブリッジ部42BRc,BRd,BRe,BRfは、各中心軸が、q軸に一致するように配置される。すなわち、ブリッジ部42BRc,BRd,BRe,BRfは、径方向にそって、q軸上に、並設されている。
【0091】
ブリッジ部42BRcは、第1コア領域の最外周表面と、突極間コア部42aの内周側表面とに接続される。隣り合う2個の空隙部51aは、ブリッジ部42BRcによって仕切られる。
【0092】
ブリッジ部42BRdは、突極間コア部42aの外周側表面と、突極間コア部42bの内周側表面とに接続される。隣り合う2個の空隙部52aは、ブリッジ部42BRdによって仕切られる。
【0093】
ブリッジ部42BReは、突極間コア部42bの外周側表面と、突極間コア部42cの内周側表面とに接続される。隣り合う2個の空隙部53aは、ブリッジ部42BReによって仕切られる。
【0094】
ブリッジ部42BRfは、突極間コア部42cの外周側表面と、リブ部Rdの内周側表面とに接続される。隣り合う2個の空隙部54aは、ブリッジ部42BRfによって仕切られる。
【0095】
なお、本変形例において、ブリッジ部42BRc,BRd,BRe,BRf、リブ部42Rc,42Rd、磁極間コア部42cは、第1コア領域41、突極間コア部42a,42bおよびブリッジ部42BRa,42BRbと同じ磁性体から構成される。
【0096】
本変形例においては、ブリッジ部42BRc,BRd,BRe,BRfが、遠心力を分担するので、ブリッジ部42BRa,42BRbにおける応力が緩和される。これにより、回転子30の回転強度が向上する。
【0097】
本変形例においては、突極部41aの径方向端部表面S11と、突極間コア部42aの端部表面S12と、突極間コア部42bの端部表面S13と、リブ部42Rcの外周側表面と、突極間コア部42cの端部表面と、リブ部42Rdの外周側表面とが、回転軸心Cを軸とする、図示する半径rの円筒面上に位置し、円筒面の一部を構成する。リブ部42Rdの外周側表面と、リブ部42dの両側における突極間コア部42cの両端部表面と、突極間コア部42cの両端部に接する2個のリブ部42Rcの外周側表面と、を合わせた表面部S14と、前述のS13とは、滑らかに連続した円筒面の一部を構成する。
【0098】
これにより、回転子の回転時に発生する騒音(風切音)や機械損(風損)を低減できる。
【0099】
本変形例においては、突極間コア部42c、リブ部42Rc,42Rdが磁性体からなるが、空隙53a,54aにより、突極間コア部42cおよびリブ部42Rc,42Rdによる第2コア領域42の磁気抵抗の低下が補償できる。
【0100】
上述の実施例1(図3)、並びに実施例1の第1~6の変形例(図5~10)が示すように、一つの第2コア領域42における最内周のブリッジ部、磁極間コア部42aを間にして最内周のブリッジ部に隣接するブリッジ部は、2個(実施例1(図3)、第1~5の変形例(図5~9))または3個(第6の変形例(図10))が好ましい。これにより、ブリッジ部が磁性体からなる場合、漏れ磁束を抑制できる。
【0101】
上述の実施例1(図3)、並びに実施例1の第1~6の変形例(図5~10)が示すように、ブリッジ部42BRa,42BRbは、q軸を対称軸として、線対称に配置されることが好ましい。これにより、各ブリッジ部42BRaに作用する遠心力がバランスするとともに、各ブリッジ部42BRbに作用する遠心力がバランスする。これにより、各ブリッジ部42BRaにおける応力が均等に低減されるので、回転子コア400の回転強度が向上する。
【実施例0102】
図11は、本発明の実施例2である回転電機の回転子の構成を示す、回転軸心Cに垂直な方向の断面図である。
【0103】
本実施例の回転電機の全体構成は、実施例1(図1)と同様である(後述する変形例も同様)。また、本実施例の回転電機は、永久磁石同期モータである(後述する変形例も同様)。
【0104】
本実施例において、永久磁石を備える回転子コア400は、実施例1の回転子コア(図3)と同様の構成を有する。そこで、以下の説明においては、適宜、図3における符号が、図11においては図示せずに用いられる。
【0105】
本実施例においては、回転子コア400における空隙部51a,52a(図3参照)に、それぞれ、永久磁石61a,62aが配置される。このような回転電機は、いわゆる埋込磁石同期モータである(後述する変形例も同様)。
【0106】
空隙部51b,52bは、フラックスバリアとなるが、本実施例では、回転子30の周方向における磁石磁束の分布を調整する。これにより、回転子の構造に起因するトルクリプルを抑制することができる。
【0107】
なお、図11に示すように、本実施例においては、前術の定義により、図3におけるd軸およびq軸が、それぞれq軸およびd軸となる(後述する変形例も同様)。
【0108】
永久磁石62a,62bの磁石材料は、フェライト系、ネオジム系、サマリウムコバルト系などの磁石材料のいずれでもよい。また、永久磁石61a,62aは、図11の断面において円弧状であるが、これに限らず、空隙部の形状に合わせた形状であればよい。さらに、空隙部に、ボンド磁石(プラスチック磁石やゴム磁石など)を射出充填してもよい。
【0109】
本実施例において、永久磁石62a,62aを備える回転子コア400は、実施例1の回転子コア400(図3)と同様の構成を有する。したがって、本実施例2は、実施例1と同様の効果を有する。
【0110】
図12は、実施例2の第1の変形例である回転電機の回転子の構成を示す、回転軸心Cに垂直な方向の断面図である。
【0111】
本変形例において、永久磁石を備える回転子コア400は、実施例1の第1の変形例における回転子コア(図5)と同様の構成を有する。そこで、以下の説明においては、適宜、図5における符号が、図12においては図示せずに用いられる。
【0112】
本変形例においては、回転子コア400における空隙部51a,52a(図5参照)に、それぞれ、永久磁石61a,62aが配置される。
【0113】
空隙部51b,52bは、フラックスバリアとなるが、本変形例では、回転子30の周方向における磁石磁束の分布を調整する。これにより、回転子の構造に起因するトルクリプルを抑制することができる。
【0114】
本変形例において、永久磁石62a,62bを備える回転子コア400は、実施例1の第1の変形例における回転子コア400(図5)と同様の構成を有する。したがって、本変形例は、実施例1の第1の変形例と同様の効果を有する。
【0115】
図13は、実施例2の第2の変形例である回転電機の回転子の構成を示す、回転軸心Cに垂直な方向の断面図である。
【0116】
本変形例において、永久磁石を備える回転子コア400は、実施例1の第2の変形例における回転子コア(図6)と同様の構成を有する。そこで、以下の説明においては、適宜、図6における符号が、図13においては図示せずに用いられる。
【0117】
本変形例においては、回転子コア400における空隙部51a,52a(図6参照)に、それぞれ、永久磁石61a,62aが配置される。
【0118】
空隙部51b,52b,53aは、フラックスバリアとなるが、本変形例では、回転子30の周方向における磁石磁束の分布を調整する。これにより、回転子の構造に起因するトルクリプルを抑制することができる。
【0119】
本変形例において、永久磁石61a,62aを備える回転子コア400は、実施例1の第2の変形例における回転子コア400(図6)と同様の構成を有する。したがって、本変形例は、実施例1の第2の変形例と同様の効果を有する。
【0120】
図14は、実施例2の第3の変形例である回転電機の回転子の構成を示す、回転軸心Cに垂直な方向の断面図である。
【0121】
本変形例において、永久磁石を備える回転子コア400は、実施例1の第3の変形例における回転子コア(図7)と同様の構成を有する。そこで、以下の説明においては、適宜、図7における符号が、図14においては図示せずに用いられる。
【0122】
本変形例においては、回転子コア400における空隙部51a,52a,53a(図7参照)に、それぞれ、永久磁石61a,62a,63aが配置される。
【0123】
空隙部51b,52b,53bは、フラックスバリアとなるが、本変形例では、回転子30の周方向における磁石磁束の分布を調整する。これにより、回転子の構造に起因するトルクリプルを抑制することができる。
【0124】
本変形例において、永久磁石61a,62a,63aを備える回転子コア400は、実施例1の第3の変形例における回転子コア400(図7)と同様の構成を有する。したがって、本変形例は、実施例1の第3の変形例と同様の効果を有する。
【0125】
図15は、実施例2の第4の変形例である回転電機の回転子の構成を示す、回転軸心Cに垂直な方向の断面図である。
【0126】
本変形例において、永久磁石を備える回転子コア400は、実施例1の第4の変形例における回転子コア(図8)と同様の構成を有する。そこで、以下の説明においては、適宜、図8における符号が、図15においては図示せずに用いられる。
【0127】
本変形例においては、回転子コア400における空隙部51a,52a(図8参照)に、それぞれ、永久磁石61a,62aが配置される。
【0128】
空隙部51b,52bは、フラックスバリアとなるが、本変形例では、回転子30の周方向における磁石磁束の分布を調整する。これにより、回転子の構造に起因するトルクリプルを抑制することができる。
【0129】
本変形例において、永久磁石61a,62aを備える回転子コア400は、実施例1の第4の変形例における回転子コア400(図8)と同様の構成を有する。したがって、本変形例は、実施例1の第4の変形例と同様の効果を有する。
【0130】
図16は、実施例2の第5の変形例である回転電機の回転子の構成を示す、回転軸心Cに垂直な方向の断面図である。
【0131】
本変形例において、永久磁石を備える回転子コア400は、実施例1の第5の変形例における回転子コア(図9)と同様の構成を有する。そこで、以下の説明においては、適宜、図9における符号が、図16においては図示せずに用いられる。
【0132】
本変形例においては、回転子コア400における空隙部51a,52a(図9参照)に、それぞれ、永久磁石61a,62aが配置される。
【0133】
空隙部51b,52bは、フラックスバリアとなるが、本変形例では、回転子30の周方向における磁石磁束の分布を調整する。これにより、回転子の構造に起因するトルクリプルを抑制することができる。
【0134】
本変形例において、永久磁石61a,62aを備える回転子コア400は、実施例1の第5の変形例における回転子コア400(図9)と同様の構成を有する。したがって、本変形例は、実施例1の第5の変形例と同様の効果を有する。
【0135】
図17は、実施例2の第6の変形例である回転電機の回転子の構成を示す、回転軸心Cに垂直な方向の断面図である。
【0136】
本変形例において、永久磁石を備える回転子コア400は、実施例1の第5の変形例における回転子コア(図9)と同様の構成を有する。そこで、以下の説明においては、適宜、図9における符号が、図17においては図示せずに用いられる。
【0137】
本変形例においては、回転子コア400における空隙部51a,52a(図9参照)に、それぞれ、永久磁石61a,62aが配置される。
【0138】
本変形例において、永久磁石61a,62aを備える回転子コア400は、実施例1の第5の変形例における回転子コア400(図9)と同様の構成を有する。したがって、本変形例は、実施例1の第5の変形例と同様の効果を有する。
【0139】
図18は、実施例2の第7の変形例である回転電機の回転子の構成を示す、回転軸心Cに垂直な方向の断面図である。
【0140】
本変形例において、永久磁石を備える回転子コア400は、実施例1の第6の変形例における回転子コア(図10)と同様の構成を有する。そこで、以下の説明においては、適宜、図10における符号が、図18においては図示せずに用いられる。
【0141】
本変形例においては、回転子コア400における空隙部51a,52a(図10参照)に、それぞれ、永久磁石61a,62aが配置される。
【0142】
空隙部51b,52b,53a,54aは、フラックスバリアとなるが、本変形例では、回転子30の周方向における磁石磁束の分布を調整する。これにより、回転子の構造に起因するトルクリプルを抑制することができる。
【0143】
本変形例において、永久磁石61a,62aを備える回転子コア400は、実施例1の第5の変形例における回転子コア400(図9)と同様の構成を有する。したがって、本変形例は、実施例1の第5の変形例と同様の効果を有する。
【実施例0144】
図19は、本発明の実施例3である電気鉄道車両の概略構成図である。
【0145】
本実施例3において、図19における回転電機1として、前述の実施例1、実施例1の第1~6の変形例、実施例2、実施例2の第1~7の変形例の内のいずれかの回転電機が適用される。
【0146】
図19に示すように、電気鉄道車両500は、車輪520、回転電機1を備えた台車540を備えている。
【0147】
回転電機1は、支持部510を介して台車540に支持されている。回転電機1は、車輪520が設けられる車軸530を、減速ギアを介することなく、直接駆動方式により駆動する。回転電機1は、図示されない電力変換装置によって駆動される。なお、本実施例3では、台車540は、回転電機1を2台搭載しているが、これに限らず、1台または3台以上搭載しても良い。
【0148】
本実施例によれば、回転電機1の回転強度が向上するので、電気鉄道車両の信頼性が向上するとともに、高速化が可能になる。
【0149】
なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。
【0150】
例えば、電動車両は、上述の電気鉄道車両に限らず、電気自動車などの他の電動車両でもよい。また、車軸は、減速ギヤを介して、駆動されてもよい。
【符号の説明】
【0151】
1 回転電機
5 フレーム
10 固定子
21 固定子巻線
30 回転子
41 第1コア領域
41a 突極部
42 第2コア領域
42a,42b,42c 突極間コア部
42BRa,42BRb,42BRc,42BRd,42BRe,42BRf ブリッジ部
42Ra,42Rb,42Rc,42Rd リブ部
50 空隙
51a,51b,52a,52b,53a,53b,54a 空隙部
61a,61b,62a,62b,63a 永久磁石
90 シャフト
100 ギャップ
400 回転子コア
500 電気鉄道車両
510 支持部
520 車輪
530 車軸
540 台車
図1
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