特開 2024-49730 回転電機の回転子

(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】P2024049730

(43)【公開日】2024-04-10

(54)【発明の名称】回転電機の回転子

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/2783 20220101AFI20240403BHJP

   H02K 9/22 20060101ALI20240403BHJP

【ＦＩ】

H02K1/2783

H02K9/22 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022156139

(22)【出願日】2022-09-29

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001379

【氏名又は名称】弁理士法人大島特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】八釼 学

【テーマコード（参考）】

5H609

5H622

【Ｆターム（参考）】

5H609BB03

5H609PP02

5H609PP07

5H609QQ23

5H609RR35

5H609RR59

5H609RR61

5H622AA06

5H622CA02

5H622CA05

5H622CA10

5H622CB01

(57)【要約】

【課題】トルクむらを低減すると共に重量増加を抑制できる回転電機の回転子を提供する。
【解決手段】回転電機（１）の回転子（４）は、周方向に所定の配列をもって配置された複数の磁石１４と、磁石の径方向に配置されて磁石１４を保持するヨーク１３とを備える。ヨーク１３は、周方向に互いに隣接する１対の磁石１４の境界面の周方向位置に対応する位置に形成された厚肉部（３４）を有する。厚肉部が設けられることにより、この部分の磁束密度が疎になる。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転電機の回転子であって、
周方向に所定の配列をもって配置された複数の磁石と、前記磁石の径方向に配置されて前記磁石を保持するヨークとを備え、
前記ヨークが、前記周方向に互いに隣接する１対の前記磁石の境界面の周方向位置に対応する位置に形成された厚肉部を有する、回転電機の回転子。

【請求項2】

前記厚肉部は、前記ヨークの前記磁石と相反する側の周面に径方向に突出するように形成されている請求項１に記載の回転電機の回転子。

【請求項3】

前記厚肉部は回転子の軸線に沿って延在する突条によって形成される、請求項２に記載の回転電機の回転子。

【請求項4】

前記突条は前記軸線に直交する断面において円弧状の輪郭を有する、請求項３に記載の回転電機の回転子。

【請求項5】

前記磁石の前記周方向の中央部に対向する前記ヨークの部分に前記磁石に接するように配置された少なくとも１つの熱伝導部材を更に備える、請求項１に記載の回転電機の回転子。

【請求項6】

前記熱伝導部材は前記ヨークと前記磁石とにより挟持される、請求項５に記載の回転電機の回転子。

【請求項7】

前記熱伝導部材はベーパチャンバを備えたヒートシンクである、請求項６に記載の回転電機の回転子。

【請求項8】

前記所定の配列は、径方向内側に向く磁極方向を有する第１磁石と径方向外側に向く磁極方向を有する第２磁石との間に前記周方向に向く磁極方向を有する第３磁石が配置されたハルバッハ配列であり、
前記厚肉部が、前記第１磁石と前記第３磁石との前記境界面及び、前記第２磁石と前記第３磁石との前記境界面の各周方向位置に対応する位置に形成されている、請求項１～７のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転電機の回転子に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ハルバッハ配列の永久磁石を備えた回転電機が公知である（例えば、特許文献１）。鉄心が設けられた従来の回転電機では、鉄心に磁束が集中し、回転子と固定子との間のギャップの磁束密度が周方向において滑らかに変化しない。そのため、トルクむら（トルクリップル）が発生し、振動・騒音発生の要因となることが知られている（特許文献１の段落［０００３］参照）。

【0003】

特許文献１に記載の回転電機では、鉄心レスの構成にすることによってリップルの低減が図られる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２－１７５７５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、鉄心レスの構成では、磁石の保持力が低下するため、高出力のモータに適用するのは困難である。磁石を保持するために鉄心（コア或いはヨーク）を用いる場合、磁石の境界面の周方向位置に対応する鉄心の部分では磁束密度が高くなり、境界面間（磁石の中央）の周方向位置に対応する部分では磁束密度が低くなる。磁束密度が鉄心の周方向位置に応じて変化すると、トルクむらの発生によって回転電機の性能低下を招く虞がある。その対策として鉄心の肉厚を一定に厚くした場合には回転電機の重量が増加する。永久磁石が回転子（ロータ）に用いられる場合、回転子の重量化は回転電機の出力低下の原因になる。そのため、それらの改善が求められていた。

【0006】

本発明は、以上の背景に鑑み、トルクむらを低減すると共に重量増加を抑制できる回転電機の回転子を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために本発明のある態様は、回転電機（１）の回転子（４）であって、周方向に所定の配列をもって配置された複数の磁石（１４）と、前記磁石の径方向に配置されて前記磁石を保持するヨーク（１３）とを備え、前記ヨークが、前記周方向に互いに隣接する１対の前記磁石の境界面の周方向位置に対応する位置に形成された厚肉部（３４）を有する。

【0008】

この態様によれば、磁束密度が高い磁石の境界面の周方向位置に対応するヨークの位置に厚肉部が形成されることにより、当該位置で集中する磁束の密度が低くなり、磁束密度が周方向において滑らかに変化する。また、ヨークを全体的に厚くする必要がない。そのため、トルクむらが低減されると共に重量増加が抑制される。

【0009】

上記の態様において、前記厚肉部は、前記ヨークの前記磁石と相反する側の周面（１３ｂ）に径方向に突出するように形成されているとよい。

【0010】

この態様によれば、ヨークの磁石側の面を滑らかにすることができる。よって、磁石のヨーク側の周面を複雑な形状にする必要がない。また、厚肉部が回転時にフィンとして機能して旋回風を発生させるため、ヨークの放熱性を高めることができる。

【0011】

上記の態様において、前記厚肉部は当該回転子の軸線（２）に沿って延在する突条（３４）によって形成されるとよい。

【0012】

この態様によれば、ヨークの軸線方向における厚肉部の長さが長くなり、ヨークの放熱性をより高めることができる。

【0013】

上記の態様において、前記突条は前記軸線に直交する断面において円弧状の輪郭を有するとよい。

【0014】

この態様によれば、円弧状に形成することで、磁束の向きに沿って最小限の厚肉部を設けながら、ヨークの表面積を拡大してヨーク１３の放熱性を高めることができる。

【0015】

上記の態様において、当該回転子は、前記磁石の前記周方向の中央部に対向する前記ヨークの部分に前記磁石に接するように配置された少なくとも１つの熱伝導部材（３５）を更に備えるとよい。

【0016】

この態様によれば、境界面に比べて磁束密度が低い第１磁石及び第２磁石の周方向の中央部に配置された熱伝導部材に磁石の熱が吸収されるため、トルクむらを悪化させることなく、熱ごもりが解消され、モータの耐熱性が改善される。

【0017】

上記の態様において、前記熱伝導部材は前記ヨークと前記磁石とにより挟持されるとよい。

【0018】

この態様によれば、回転部品である回転子において、熱伝導部材の確実な固定を簡単な構造で実現できる上、ヨークの重量増加を抑制することができる。

【0019】

上記の態様において、前記熱伝導部材はベーパチャンバ（３５ａ）を備えたヒートシンク（３５）であるとよい。

【0020】

この態様によれば、熱伝導部材の熱伝導率を高めてヨークの冷却性能を向上させることができる。

【0021】

上記の態様において、前記所定の配列は、径方向内側に向く磁極方向を有する第１磁石（３１）と径方向外側に向く磁極方向を有する第２磁石（３２）との間に前記周方向に向く磁極方向を有する第３磁石（３３）が配置されたハルバッハ配列であり、前記厚肉部が、前記第１磁石と前記第３磁石との前記境界面及び、前記第２磁石と前記第３磁石との前記境界面の各周方向位置に対応する位置に形成されているとよい。

【0022】

この態様によれば、磁束を集中させる境界面を多く有するハルバッハ配列の回転電機に厚肉部が適用されることで、多数の厚肉部によって大きな冷却効果を得ることができる。

【発明の効果】

【0023】

以上の態様によれば、トルクむらを低減すると共に重量増加を抑制できる回転電機の回転子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】実施形態に係るモータの断面図

【図2】ステータ及びロータの背面図

【図3】図２中のIII部拡大図

【図4】モータの要部の斜視図

【図5】ヒートシンクの断面図

【図6】（Ａ）従来例、（Ｂ）実施形態に係る各ロータの模式図

【図7】従来例に係るロータの磁束密度分布図

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、図面を参照して、本発明に係る回転子（ロータ４）が適用された実施形態について詳細に説明する。

【0026】

図１は実施形態に係るモータ１の断面図である。図１に示すように、モータ１は、軸線２を中心とする円筒形をなすケース３と、ケース３によって軸線２の回りに回転可能に支持されたロータ４と、ロータ４の外周側に配置され、ケース３に固定されたステータ５とを有している。すなわち、モータ１は、インナロータ型且つラジアルギャップ型モータとして構成されている。モータ１は、軸線２が水平に延在する図１に示す姿勢で使用されているが、軸線２が鉛直に延在する姿勢で使用されてもよい。

【0027】

ケース３は、軸線方向に分割可能なケース本体６とケース蓋体７とを有し、ロータ４及びステータ５を収容する収容空間を内部に画定している。ケース本体６は円筒形の側壁８と、側壁８の下端を塞ぐ底壁９とを有している。ケース本体６の底壁９及びケース蓋体７には、軸線２を中心とする貫通孔１０が形成されている。

【0028】

ロータ４は、軸線２に沿って延在し、モータ１の出力軸をなす回転軸１１と、回転軸１１の周りに配置されたロータハブ１２と、ロータハブ１２の外端に設けられた円筒状のヨーク１３（ロータコア）と、複数の永久磁石（単に磁石１４という）とを備えている。ロータハブ１２は、回転軸１１に一体に設けられていてもよく、遊星歯車機構等を介して回転軸１１に相対回転可能に設けられていてもよい。いずれの構成においても、ロータハブ１２の回転に伴って回転軸１１が回転する。

【0029】

回転軸１１は、ケース本体６及びケース蓋体７にベアリング１５を介して回転可能に支持されている。回転軸１１はケース本体６及びケース蓋体７の貫通孔１０を貫通してケース３の両面から軸線方向に突出している。他の実施形態では、回転軸１１は、ケース３の片方の面のみから突出していてもよい。ヨーク１３は、軸線２を中心とした略円筒形状の回転子鉄心であり、ロータハブ１２の外縁に一体に形成され、ロータハブ１２と一体に回転する。モータ１は、永久磁石同期モータであり、ヨーク１３の外周には、複数の磁石１４が周方向に所定の配列をもって配置される。ロータ４はモータ１の界磁子をなす。

【0030】

ステータ５は、ロータ４の外面との間に径方向に所定のギャップを介してケース本体６の側壁８に沿って配置される。ステータ５は、複数のティース１６と、ティース１６の外側に配置されてティース１６を保持するティース保持リング１７（ステータヨーク）とを有するステータコア１８と、ティース１６に巻回された複数のコイル１９とを備えている。ステータ５はモータ１の電機子をなす。ティース保持リング１７は円筒状をしており、軸線２を中心として配置される。ティース１６はティース保持リング１７に沿って周方向に並べられ、ティース保持リング１７の内面から径方向内側に突出する。

【0031】

ケース本体６には、ケース本体６と協働してステータ５を覆うステータカバー２０が取り付けられる。図１の拡大図に示すように、ステータカバー２０は、円筒状の第１部分２１と、第１部分２１の軸線方向の一端から径方向外側に延出する円環板状の第２部分２２と、第１部分２１の軸線方向の他端から径方向内側に延出する円環板状の第３部分２３とを含む。ステータカバー２０は、透磁率が小さい非磁性体であり、例えば合成樹脂の射出成形品であってよい。第１部分２１は、ステータ５とロータ４との間（すなわち、上記ギャップ）に配置される。第２部分２２は、モータ１の軸線方向においてコイル１９に対向し、外縁においてシール部材２４を介してケース本体６の側壁８に密着する。第３部分２３は、内縁においてシール部材２４を介してケース本体６の底壁９に密着する。

【0032】

このように、ステータカバー２０は、ケース本体６と協働して、ステータ５を覆うことにより、ステータ５を冷却するための冷却通路２５を画定する。冷却通路２５は円筒形状をしており、冷媒として供給されるオイルが冷却通路２５を軸線方向に流通する。

【0033】

図２は、底壁９側から視たステータ５及びロータ４の背面図であり、図３は図２中のIII部拡大図である。図２及び図３に示すように、磁石１４は、径方向内側に向く磁極方向（磁化方向）を有する第１磁石３１と、径方向外側に向く磁極方向を有する第２磁石３２と、第１磁石３１と第２磁石３２との間に配置された第３磁石３３とを含んでいる。第３磁石３３は、周方向成分を含む磁極方向を有している。すなわち、磁石１４はハルバッハ配列をもって環状に配置されている。なお、磁極方向は図中に矢印で示されている。第１磁石３１及び第２磁石３２は、主磁石であり、互いに同じ形状及び寸法を有している。第３磁石３３は副磁石であり、主磁石よりも小さな周方向の寸法を有している。磁石１４の周方向の寸法は軸線２を中心とする角度で表されるが、本明細書では、これを周方向幅Ｃと呼ぶ。第３磁石３３の周方向幅Ｃは、第１磁石３１及び第２磁石３２の周方向幅Ｃの１／２とされている。

【0034】

ステータ５は、ティース１６及びコイル１９によって構成される７２個の電磁石を有している。電磁石は周方向に等間隔（５°間隔）に配置されている。ロータ４は、２４個の第１磁石３１と、２４個の第２磁石３２と、４８個の第３磁石３３とを有している。２４個の第３磁石３３は周方向の一方に向く磁極方向を有し、残りの２４個の第３磁石３３は周方向の他方に向く磁極方向を有している。第１磁石３１及び第２磁石３２は、周方向に等間隔（７．５°間隔）に配置されている。ヨーク１３の外周面１３ａは滑らかな円筒形状をなしている。一方、ヨーク１３の内周面１３ｂは凸凹な円筒形状をなしている。

【0035】

図４は、背面側から視たモータ１の要部の斜視図である。図３及び図４に示すように、ヨーク１３の内周面１３ｂには、軸線２（図１、図２参照）に沿って延在する複数の突条３４が形成されている。本実施形態では、９６本の突条３４が設けられている。全ての突条３４は同一な形状及び寸法を有する。突条３４は、ヨーク１３の内周面１３ｂから径方向に突出する円弧形状の輪郭を有し、ヨーク１３の軸線方向の全長に亘って延在している。

【0036】

突条３４は、周方向に第１間隔Ｐ１及び第２間隔Ｐ２を交互に繰り返して配置されている。第１間隔Ｐ１は２．５°であり、第２間隔Ｐ２は５°である。突条３４は、３種類の磁石１４の境界面の周方向位置に対応するヨーク１３の位置にヨーク１３に一体に形成され、ヨーク１３に厚肉部を形成している。突条３４の輪郭をなす円弧の中心は、ヨーク１３の外周面１３ａ上における磁石１４の境界面に対応する位置にある。

【0037】

突条３４の周方向の幅は、第３磁石３３の周方向幅Ｃである２．５°よりも小さく、本実施形態では１．５°程度とされている。したがって、第１間隔Ｐ１をもって配置された２つの突条３４の間には、１°程度の略平坦な面が形成され、第２間隔Ｐ２をもって配置された２つの突条３４の間には、４°程度の略平坦な面が形成される。各突条３４はヨーク１３に厚肉部を形成している。

【0038】

第１磁石３１及び第２磁石３２の周方向の中央部に対向するヨーク１３の部分には、複数のヒートシンク３５が設けられている。各ヒートシンク３５は、ヨーク１３の径方向の外側に第１磁石３１又は第２磁石３２に接するように配置され、ヨーク１３と第１磁石３１又は第２磁石３２とにより挟持されている。本実施形態では、全ての第１磁石３１及び第２磁石３２に対してヒートシンク３５が設けられている。他の実施形態では、第１磁石３１及び第２磁石３２の一部に対してヒートシンク３５が設けられてもよい。各ヒートシンク３５は、軸線方向に長い短冊形状をしており、ヨーク１３の軸線方向の全長に亘って延在している。ヒートシンク３５は、一方の面で吸収した熱を他方の面で放出する熱伝導部材として機能する。

【0039】

図５はヒートシンク３５の断面図である。ヒートシンク３５は、高熱伝導部材によって中空構造に形成され、内部にベーパチャンバ３５ａを画定している。ベーパチャンバ３５ａにはウィック３５ｂが設けられると共に作動液が封入されている。作動液は、熱源からの熱により帰化した蒸気がベーパチャンバ３５ａを移動し、熱源と相反する側で放熱することによって凝縮し、ウィック３５ｂを通って熱源へ還流される。磁石１４はコイル１９の熱を受けて高温になり得る。磁石１４は、コイル１９の熱によって高温になると、ヒートシンク３５によって冷却される。

【0040】

モータ１は以上のように構成されている。以下、このように構成されたモータ１の作用効果について説明する。

【0041】

図３及び図４に示すように、磁束密度が高い磁石１４の境界面の周方向位置に対応するヨーク１３の位置には、厚肉部を形成する突条３４が設けられている。これにより、当該位置で集中する磁束が疎になり、磁束密度が周方向において滑らかに変化する。また、ヨーク１３を全体的に厚くする必要がない。そのため、トルクむらが低減されると共に重量増加が抑制される。図６及び図７を参照して実施形態の効果について説明する。

【0042】

図６は（Ａ）従来例に係るロータ１０４、（Ｂ）実施形態に係るロータ４を示す模式図である。図７は従来例に係るロータ１０４の磁束密度分布図である。図６に示すように、従来例に係るロータ１０４は、突条３４を備えていない点で実施形態に係るロータ４と相違し、その他においては実施形態に係るロータ４と同一の構成を有する。図６（Ａ）に示すように、ヨーク１１３が一定の厚さｔを有している。

【0043】

そのため、従来例のロータ１０４では、図７に示すように、主磁石（第１磁石３１及び第２磁石３２）の周方向中央に対応するヨーク１１３の位置において、磁束密度は最も低い。一方、互いに隣接する各対の磁石１４の境界面の周方向位置に対応するヨーク１１３の位置において、磁束密度は最も高い。

【0044】

なお、本実施形態及び従来例では、磁石１４がハルバッハ配列を有するため、第３磁石３３と第１磁石３１又は第２磁石３２との境界面の周方向位置に対応するヨーク１１３の位置において、磁束密度が最も高い。磁石１４が第１磁石３１及び第２磁石３２のみを有する場合には、第１磁石３１と第２磁石３２との境界面の周方向位置に対応するヨーク１１３の位置において、磁束密度が最も高くなる。

【0045】

このように磁束密度が高い部分がヨーク１１３に部分的に存在し、磁束密度がヨーク１１３の周方向位置に応じて変化すると、トルクむらの発生によって回転電機の性能が低下する。これに対し本実施形態では、図６（Ｂ）に示すように、突条３４が設けられたことにより、円弧状の外輪郭を有する厚肉部が、ヨーク１３の磁束密度が最も高い周方向位置に形成される。厚肉部の輪郭部は、ヨーク１３の外周面１３ａ上に中心を有し且つ厚さｔよりも大きな半径Ｒを有する。これにより、この厚肉部の磁束密度は従来例に比べて低下し、磁束密度が周方向において滑らかに変化することから、トルクむらが低減される。

【0046】

図３及び図４に示すように、この厚肉部は、ヨーク１３の磁石１４と相反する側の内周面１３ｂに径方向に突出するように形成されている。これにより、ヨーク１３の磁石１４側の面を滑らかにすることができる。よって、磁石１４の径方向内側の周面を複雑な形状にする必要がない。また、厚肉部が回転時にフィンとして機能して旋回風を発生させるため、ヨーク１３の放熱性が向上する。

【0047】

上記のように厚肉部はロータ４の軸線２（図１、図２）に沿って延在する突条３４によって形成される。これにより、軸線方向における厚肉部の長さが長くなり、ヨーク１３の放熱性がより向上する。

【0048】

図３及び図６（Ｂ）に併せて示すように、突条３４は軸線２に直交する断面において円弧状の輪郭を有している。これにより、磁束の向きに沿って最小限の厚肉部を設けながら、ヨーク１３の表面積拡大によってヨーク１３の放熱性を高めることができる。

【0049】

また、磁石１４の周方向の中央部に対向するヨーク１３の部分には、熱伝導部材としてのヒートシンク３５が磁石１４に接するように配置されている。これにより、境界面に比べて磁束密度が低い第１磁石３１及び第２磁石３２の周方向の中央部に配置されたヒートシンク３５によってそれらの熱が吸収されるため、トルクむらを悪化させることなく、熱ごもりが解消され、モータ１の耐熱性が改善される。なお、ヒートシンク３５は少なくとも１つの磁石１４に対して設けられればよく、全ての磁石１４に対して設けられる必要はない。

【0050】

上記のようにヒートシンク３５はヨーク１３と磁石１４とにより挟持されている。これにより、回転部品であるロータ４において、ヒートシンク３５の確実な固定が簡単な構造で実現される上、ヨーク１３の重量増加が抑制される。

【0051】

本実施形態では、熱伝導部材として、ベーパチャンバ３５ａ（図５）を備えたヒートシンク３５が設けられている。これにより、熱伝導部材の熱伝導率を高めることができ、ヨーク１３の冷却性能が向上する。なお、熱伝導部材として、ベーパチャンバ３５ａを備えたヒートシンク３５の代わりに、ヨーク１３の材料よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導材からなるシートが設けられてもよい。

【0052】

磁石１４はハルバッハ配列をもって配置され、突条３４は、第１磁石３１と第３磁石３３との境界面及び、第２磁石３２と第３磁石３３との境界面の各周方向位置に対応する位置に形成されている。このように、磁束を集中させる境界面を多く有するハルバッハ配列のモータ１に突条３４が適用されることで、多数の突条３４によって大きな冷却効果を得ることができる。

【0053】

以上で具体的な実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態や変形例に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、本発明に係る回転子が、インナロータ型のモータ１のロータ４に適用されているが、アウタロータ型モータのアウタロータに適用されてよい。この場合、ヨーク１３は磁石１４の径方向外側に配置されるとよい。また、回転子は、モータ１ではなくジェネレータに適用されてもよい。本実施形態では、ロータ４がハルバッハ配列の磁石１４を備えているが、磁石配列はこれに限定されない。この他、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、素材など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更することができる。また、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。

【符号の説明】

【0054】

１ ：モータ（回転電機の一例）
２ ：軸線
４ ：ロータ（回転子）
１３ ：ヨーク（ロータコア）
１３ａ ：外周面
１３ｂ ：内周面
１４ ：磁石
３１ ：第１磁石
３２ ：第２磁石
３３ ：第３磁石
３４ ：突条
３５ ：ヒートシンク（熱伝導部材の一例）
３５ａ ：ベーパチャンバ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】