特開 2025-7803 回転電機のロータ

(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】P2025007803

(43)【公開日】2025-01-17

(54)【発明の名称】回転電機のロータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/276 20220101AFI20250109BHJP

   H02K 21/14 20060101ALI20250109BHJP

【ＦＩ】

H02K1/276

H02K21/14 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023109436

(22)【出願日】2023-07-03

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(72)【発明者】

【氏名】藤田 康平

(72)【発明者】

【氏名】日下部 徹

【テーマコード（参考）】

5H621

5H622

【Ｆターム（参考）】

5H621AA03

5H621HH01

5H621PP10

5H622AA03

5H622CA02

5H622CA07

5H622CB03

5H622CB05

5H622PP03

(57)【要約】

【課題】製作コストの増大および強度低下を招くことなく回転時の誘起電圧の抑制を可能とする回転電機のロータの提供にある。
【解決手段】電磁鋼板の積層により形成されるロータコア１８と、ロータコア１８の中心に挿通され、ロータコア１８と一体化された回転軸と、ロータコア１８の磁極毎に形成され、前記回転軸の軸方向に沿って延在する磁石挿入孔２１と、磁石挿入孔２１に挿入される永久磁石２２と、磁石挿入孔２１において永久磁石２２とロータコア１８により形成される空隙２３と、を有する回転電機のロータ１２である。ロータコア１８には、ロータコア１８の周方向において隣り合う一対の磁石挿入孔２１が複数対形成され、互いに隣り合う磁石挿入孔２１の間にブリッジが形成され、空隙２３に挿通され、ブリッジを軸方向に挟圧する挟圧体を有し、挟圧体は、非磁性体であって電磁鋼板よりも線膨張係数の大きい材料により形成された。
【選択図】 図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電磁鋼板の積層により形成されるロータコアと、
前記ロータコアの中心に挿通され、前記ロータコアと一体化された回転軸と、
前記ロータコアの磁極毎に形成され、前記回転軸の軸方向に沿って延在する磁石挿入孔と、
前記磁石挿入孔に挿入される永久磁石と、
前記磁石挿入孔において前記永久磁石と前記ロータコアにより形成される空隙と、を有する回転電機のロータにおいて、
前記ロータコアには、前記ロータコアの周方向において隣り合う一対の前記磁石挿入孔が複数対形成され、
互いに隣り合う前記空隙の間にブリッジが形成され、
前記空隙に挿通され、前記ブリッジを前記回転軸の軸方向に沿って挟圧する挟圧体を有し、
前記挟圧体は、非磁性体であって前記電磁鋼板よりも線膨張係数の大きい材料により形成されていることを特徴とする回転電機のロータ。

【請求項2】

前記挟圧体は、前記ブリッジに巻回される巻線であることを特徴とする請求項１記載の回転電機のロータ。

【請求項3】

前記挟圧体は、前記ブリッジに複数回巻回されていることを特徴とする請求項２記載の回転電機のロータ。

【請求項4】

前記ブリッジは、
前記ロータコアの径方向外側に形成される外側ブリッジと、
前記ロータコアの径方向内側に形成される内側ブリッジと、からなり、
前記挟圧体は、前記外側ブリッジおよび前記内側ブリッジのうち少なくとも前記外側ブリッジを挟圧することを特徴とする請求項１～３のいずれか一項記載の回転電機のロータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、回転電機のロータに関する。

【背景技術】

【0002】

回転電機のロータに関係する従来技術として、例えば、特許文献１に開示された永久磁石式回転電機が知られている。特許文献１に開示された永久磁石式回転電機は、励磁コイルを巻装した固定子と、固定子に所定の隙間をあけて相対回転自在に配置され、永久磁石を設けた回転子と、を備えている。回転子に、回転子の回転により応力が加わることで磁気特性が変化し、永久磁石の磁束を減少させる磁気特性可変素子（超磁歪素子）が設けられている。特許文献１の永久磁石式回転電機によれば、回転子の回転速度が増大すると、回転子の回転遠心力が磁気特性可変素子に応力として加わり、磁気特性可変素子の磁気特性が変化して永久磁石の磁束を減少させるので、永久磁石式回転電機の誘起電圧が抑制され、電子部品の破壊や故障を防止できるとしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２－２２８０７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に開示された永久磁石式回転電機のロータ（回転子）は、永久磁石式回転電機の誘起電圧を抑制することができるものの、高価な磁気特性可変素子を用いることで製作コストが嵩むという問題がある。また、ロータの回転時に磁気特性可変素子が変形すると、ロータに挿入されている永久磁石とロータとの間に隙間が生じ、ロータの強度が低下するおそれがある。なお、応力調整ブロックを磁気特性可変素子の径方向内側に設ける例も開示されているが、応力調整ブロックを必要とすることでさらに製作コストが増大する。

【0005】

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、製作コストの増大および強度低下を招くことなく回転時の誘起電圧の抑制を可能する回転電機のロータの提供にある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するために、本発明は、電磁鋼板の積層により形成されるロータコアと、前記ロータコアの中心に挿通され、前記ロータコアと一体化された回転軸と、前記ロータコアの磁極毎に形成され、前記回転軸の軸方向に沿って延在する磁石挿入孔と、前記磁石挿入孔に挿入される永久磁石と、前記磁石挿入孔において前記永久磁石と前記ロータコアにより形成される空隙と、を有する回転電機のロータにおいて、前記ロータコアには、前記ロータコアの周方向において隣り合う一対の前記磁石挿入孔が複数対形成され、互いに隣り合う前記空隙の間にブリッジが形成され、前記空隙に挿通され、前記ブリッジを前記回転軸の軸方向に沿って挟圧する挟圧体を有し、前記挟圧体は、非磁性体であって前記電磁鋼板よりも線膨張係数の大きい材料により形成されていることを特徴とする。

【0007】

本発明では、非磁性体の挟圧体が、永久磁石とロータコアにより形成される空隙に挿通され、ブリッジを回転軸の軸方向に沿って挟圧する。挟圧体は非磁性体であるため、挟圧体からの磁束の漏れは発生しない。ロータの回転が増大すると、鉄損の増大によりロータコアが発熱するが、挟圧体はロータコアを構成する電磁鋼板よりも線膨張係数が大きいので、発熱による挟圧体の軸方向の膨張量はロータコアよりも大きい。このため、挟圧体によるロータコアの軸方向の応力が低減される。挟圧体の挟圧によるロータコアの軸方向の応力が低減されると、漏れ磁束が大きくなるので、高回転時における誘起電圧を抑制することができる。ロータの低回転時には、高回転時と比較して鉄損による発熱が殆どないのでロータコアは軸方向に殆ど膨張せず、挟圧体の挟圧によるロータコアの軸方向の応力が維持される。その結果、ロータコアにおける漏れ磁束は抑制され、ロータの高トルクを得ることができる。

【0008】

また、上記の回転電機のロータにおいて、前記挟圧体は、前記ブリッジに巻回される巻線である構成としてもよい。
この場合、挟圧体がブリッジに巻回される巻線であるので、ブリッジを軸方向に挟圧し易い。

【0009】

また、上記の回転電機のロータにおいて、前記挟圧体は、前記ブリッジに複数回巻回されている構成としてもよい。
この場合、挟圧体である巻線が複数回ブリッジに巻回されるので、ロータの低回転時には、ブリッジにおける軸方向の応力が大きくなるので、漏れ磁束が抑制され、ロータのより高いトルクを得ることができる。

【0010】

また、上記の回転電機のロータにおいて、前記ブリッジは、前記ロータコアの径方向外側に形成される外側ブリッジと、前記ロータコアの径方向内側に形成される内側ブリッジと、からなり、前記挟圧体は、前記外側ブリッジおよび前記内側ブリッジのうち少なくとも前記外側ブリッジを挟圧する構成としてもよい。
この場合、挟圧体は、外側ブリッジおよび内側ブリッジのうち少なくとも外側ブリッジを挟圧することで、ロータの高回転時における誘起電圧を抑制することができるほか、ロータの低回転時には、漏れ磁束は抑制され、ロータの高トルクを得ることができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、製作コストの増大および強度低下を招くことなく回転時の誘起電圧の抑制を可能する回転電機のロータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１の実施形態に係る回転電機の横断面図である。

【図2】第１の実施形態に係る回転電機のロータの斜視図である。

【図3】第１の実施形態に係る回転電機のロータの要部平面図である。

【図4】（ａ）は図３におけるＡ－Ａ線の矢視図であって高回転時のロータコアと巻線を示す要部断面図であり、（ｂ）は同矢視図であって低回転時のロータコアと巻線を示す要部断面図である。

【図5】第２の実施形態に係る回転電機のロータの斜視図である。

【図6】（ａ）はロータ外周から見た高回転時のロータコアと巻線を示す要部断面図であり、（ｂ）はロータ外周から見た低回転時のロータコアと巻線を示す要部断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る回転電機のロータについて図面を参照して説明する。本実施形態の回転電機は、永久磁石埋込型同期モータであり、車両に搭載される。図面に示される回転電機および回転電機のロータはいずれも模式図であって形状を誇張して表現している。

【0014】

図１に示すように、永久磁石式回転電機（以下、単に「回転電機」と称する）１０は、ステータ１１およびロータ１２を備えている。ステータ１１は円筒状のステータコア１３を有している。ステータコア１３の内周側に複数のスロット１４が形成されている。各スロット１４は、ステータコア１３の内周面に開口している。各スロット１４の間には、ティース１５が形成されている。ティース１５には、コイル１６が巻回されている。ロータ１２は、ステータコア１３の内周面との間に隙間（ギャップ）が形成されるように設けられている。

【0015】

ステータ１１の内側には、ロータ１２が配置されている。図２に示すように、ロータ１２は、円板状の電磁鋼板１７を複数枚（例えば数十枚）積層することにより形成されるロータコア１８を有している。ロータコア１８の中心には、軸孔１９が貫通して形成されている。軸孔１９には回転軸２０が貫挿されるとともに、回転軸２０はロータコア１８に対して固定されている。ロータコア１８は回転軸２０と一体的に回転可能である。回転軸２０はモータハウジング（図示せず）に対して軸受（図示せず）を介して回転可能に支持されている。なお、図２では、説明の便宜上、回転軸２０の図示を省略している。

【0016】

図３に示すように、ロータコア１８には、ロータコア１８の周方向において隣り合う一対の磁石挿入孔２１が複数対形成されている。磁石挿入孔２１は、ロータコア１８の磁極毎に形成され、ロータコア１８を軸孔１９の貫通方向に沿って貫通している。一対の磁石挿入孔２１には、同極の一対の永久磁石２２が各々挿入されている。複数対の永久磁石２２は、対単位でロータコア１８の周方向に交互に異なる磁極となるようにロータコア１８に埋設されている。

【0017】

具体的には、ステータ１１側がＮ極の永久磁石（以下、「Ｎ極磁石」と表記する）２２と、ステータ１１側がＳ極の永久磁石（以下、「Ｓ極磁石」と表記する）２２と、を備えるとともに、２個のＳ極磁石２２が隣り合って配置されて構成される第１の組と、２個のＮ極磁石２２が隣り合って配置されて構成される第２の組とが、ロータコア１８の周方向に交互に配置されるようにロータコア１８に固定されている。

【0018】

詳述すると、ロータコア１８には、周方向に複数（この実施形態では６個）に等分割された各仮想領域に、第１の組を成す２個のＳ極磁石２２が挿通される磁石挿入孔２１と、第２の組を成す２個のＮ極磁石２２が挿通される磁石挿入孔２１がそれぞれ２個ずつ交互に形成されている。したがって、本実施形態の回転電機１０は、６極の回転電機である。なお、永久磁石２２について、Ｎ極磁石とＳ極磁石との区別をしない場合には、永久磁石２２と表記する。

【0019】

図３に示すように、磁石挿入孔２１は、永久磁石２２およびロータコア１８によって形成され、ロータコア１８の外周側に位置する空隙２３と、永久磁石２２およびロータコア１８によって形成され、ロータコア１８の内周側に位置する空隙２４と有する。各空隙２３は、フラックスバリア（磁束障壁）として磁石磁束を効果的にトルクに作用させる。互いに隣り合う空隙２３の間には、ブリッジとしてのロータコア１８の径方向外側に形成される外側ブリッジ２５が形成されている。空隙２３とロータコア１８の外周面との間には外縁部２６が形成されている。

【0020】

空隙２４は、磁石挿入孔２１における非磁性領域を形成する。互いに隣り合う空隙２４の間には、ブリッジとしてのロータコア１８の径方向内側に形成される内側ブリッジ２７が形成されている。

【0021】

ロータコア１８は、一対の磁石挿入孔２１とロータコア１８の外周面との間であって磁石挿入孔２１よりも外周側の部位であるコア外周部２８と、ロータコア１８における磁石挿入孔２１よりも内周側の部位であるコア内周部２９と、を有している。外側ブリッジ２５は、コア内周部２９からロータコア１８の外周面に向かって直線状に延びている。コア外周部２８は、内側ブリッジ２７および外縁部２６より支持されている。内側ブリッジ２７は、コア内周部２９からロータコア１８の外周面に向かって直線状に延びている。一対の永久磁石２２は、内側ブリッジ２７の延在方向に対してＶ字形状に配置されている。コア外周部２８およびコア内周部２９は、永久磁石２２によって発生する主磁束成分が流れる主磁束領域に相当する。また、外側ブリッジ２５および内側ブリッジ２７は漏れ磁束が生じる漏れ磁束領域に相当する。

【0022】

ところで、本実施形態では、挟圧体としての金属製の巻線３０が互いに隣り合う空隙２３に挿通され、外側ブリッジ２５に複数回巻回されている。図示はされないが、巻線３０の両端が互いに固定されている。巻回された巻線３０は、外側ブリッジ２５に対して回転軸２０の軸方向に沿って挟圧する。本実施形態の巻線３０は、非磁性体であるアルミニウム合金により形成されており、巻線３０の線膨張係数が電磁鋼板１７よりも大きい。

【0023】

本実施形態の巻線３０の横断面は円形であるが、巻線３０の横断面の形状については特に制限はなく、例えば、矩形でもよい。巻線３０の巻回数は、巻線３０の直径にもよるが数回程度が好ましい。数回程度の巻線３０の巻回により、外側ブリッジ２５における軸方向の応力をより適切に設定し易くなる。また、巻線３０の直径は、空隙２３に挿入可能な直径であればよい。

【0024】

次に、本実施形態の回転電機１０の作用について説明する。回転電機１０が負荷状態で駆動される場合は、ロータ１２のコイル１６に電流が供給されてステータ１１に回転磁界が発生し、ロータ１２に回転磁界が作用する。そして、回転磁界と永久磁石２２との間の磁気的な吸引力及び反発力によりロータ１２が回転磁界と同期して回転する。

【0025】

ロータ１２の回転数が増大し、ロータ１２が高回転になるにつれて、ロータ１２に生じる遠心力は増大する。ロータコア１８は鉄損の増大に伴い発熱する。図４（ａ）に示すように、ロータ１２および巻線３０は、ロータ１２の発熱により膨張する。巻線３０の線膨張係数は、ロータコア１８を構成する電磁鋼板１７の線膨張係数よりも大きいので、回転軸２０の軸方向における巻線３０の伸びは、外側ブリッジ２５の軸方向の膨張よりも大きくなる。その結果、巻線３０による外側ブリッジ２５に対する挟圧は緩和され、ロータコア１８は、発熱に応じて軸方向に膨張する。

【0026】

ロータコア１８における軸方向の膨張は、空隙２３を介した漏れ磁束を増大させ、主磁束が低減される。その結果、ロータ１２の高回転時における誘起電圧が抑制され、回転電機１０のトルクが小さくなる。

【0027】

一方、ロータ１２の低回転時には、遠心力が高回転時と比較して小さく、ロータ１２における鉄損による発熱は殆どない。このため、図４（ｂ）に示すように、ロータコア１８は軸方向に殆ど膨張せず、巻線３０による外側ブリッジ２５に対する挟圧はほぼ保たれる。このため、ロータコア１８には、巻線３０により軸方向の応力が維持され、空隙２３を介した漏れ磁束の増大は抑制されるので、回転電機１０のトルクが大きくなる。

【0028】

本実施形態に係る回転電機１０のロータ１２は以下の効果を奏する。
（１）非磁性体の挟圧体が、永久磁石２２とロータコア１８により形成される空隙２３に挿通され、ロータコア１８の外側ブリッジ２５を回転軸２０の軸方向に沿って挟圧する。挟圧体は非磁性体であるため、挟圧体からの磁束の漏れは発生しない。ロータ１２の回転が増大すると、鉄損の増大によりロータコア１８が発熱するが、挟圧体がロータコア１８を構成する電磁鋼板１７よりも線膨張係数が大きいので、発熱による挟圧体の軸方向の膨張量はロータコア１８よりも大きい。このため、挟圧体によるロータコア１８の外側ブリッジ２５の軸方向の応力が低減される。挟圧体の挟圧による外側ブリッジ２５の軸方向の応力が低減されると、漏れ磁束が大きくなるので、高回転時における誘起電圧を抑制することができる。ロータ１２の低回転時には、遠心力が高回転時と比較して小さいのでロータコア１８は軸方向に殆ど膨張せず、挟圧体によるロータコア１８の軸方向の応力が維持されるので、ロータコア１８における漏れ磁束は抑制され、ロータ１２の高トルクを得ることができる。このように、ロータ１２は、可変界磁ロータであり、高回転時に低回転時の界磁と異なる界磁とすることが可能である。また、挟圧体を用いることで、高価な磁気特性可変素子を用いる必要がなく、ロータ１２の製作コストを抑制することができるほか、ロータコア１８の強度を低下させることがない。

【0029】

（２）挟圧体は、外側ブリッジ２５に巻回される巻線３０であるので、ロータコア１８の外側ブリッジ２５を軸方向に挟圧し易い。また、挟圧体が巻線３０であることから挟圧体を空隙２３に挿入し易い。

【0030】

（３）挟圧体である巻線３０が外側ブリッジ２５に複数回巻回されるので、ロータ１２の低回転時には、ロータコア１８の外側ブリッジ２５における軸方向の応力が大きくなるので、漏れ磁束が抑制され、ロータ１２のより高いトルクを得ることができる。なお、巻線３０の直径を大きくして１回の巻回により、外側ブリッジ２５を回転軸２０の軸方向に挟圧するようにしてもよい。

【0031】

（４）巻線３０は、アルミニウム系合金であるので、非磁性体であって電磁鋼板１７よりも線膨張係数が大きい挟圧体を実現しやすい。

【0032】

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る永久磁石式回転電機のロータについて説明する。本実施形態に係るロータは、挟圧体の構成が第１の実施形態と相違する。本実施形態では、第１の実施形態と同じ構成については、第１の実施形態の説明を援用し、共通の符号を用いる。

【0033】

図５に示す回転電機４０のロータ４１では、ロータコア１８に形成された空隙２３に挟圧体としての金属体４２が挿入され、金属体４２は、外側ブリッジ２５を挟圧する。金属体４２は、空隙２３に挿入される挿入部４３と、挿入部４３の両端から挿入方向と直交する方向へ延在する押さえ部４４と、を有する。金属体４２は、非磁性体であるアルミニウム系合金により形成されている。したがって、金属体４２は、電磁鋼板１７の線膨張係数よりも大きい。

【0034】

挿入部４３は、角柱状の棒体であり、空隙２３に挿入可能な断面積に設定されている。押さえ部４４は、外側ブリッジ２５と当接し、外側ブリッジ２５に軸方向の応力を発生させる部位である。つまり、金属体４２は、外側ブリッジ２５に巻回されることなく外側ブリッジ２５に軸方向の応力を発生させる。

【0035】

本実施形態では、ロータ４１の回転数が増大し、ロータ１２が高回転になるにつれて、ロータ４１は鉄損の増大に伴い発熱する。図６（ａ）に示すように、ロータ４１および金属体４２は、ロータ４１の発熱により膨張する。金属体４２の線膨張係数は、ロータコア１８を構成する電磁鋼板１７の線膨張係数よりも大きいので、軸方向における金属体４２の伸びは、外側ブリッジ２５の軸方向の膨張よりも大きくなる。その結果、金属体４２による外側ブリッジ２５に対する挟圧は緩和され、ロータコア１８は、発熱に応じて軸方向に膨張する。

【0036】

一方、ロータ４１の低回転時には、高回転時と比較して鉄損によるロータ４１における発熱は殆どない。このため、図６（ｂ）に示すように、ロータコア１８は軸方向に殆ど膨張せず、金属体４２による外側ブリッジ２５に対する挟圧はほぼ保たれる。このため、ロータコア１８には、金属体４２により軸方向の応力が維持され、空隙２３を介した漏れ磁束の増大は抑制されるので、回転電機４０のトルクが大きくなる。

【0037】

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更してもよい。

【0038】

○ 上記の実施形態では、挟圧体の材料としてアルミニウム合金としたが、これに限定されない。挟圧体の材料は、例えば、亜鉛系の合金でもよく、線膨張係数が電磁鋼板よりも大きく、ブリッジに対して軸方向へ挟圧することが可能な非磁性体材料であればよく、金属材料に限定されない。
○ 上記の実施形態では、ロータコアにおける外側ブリッジを挟圧する外側ブリッジ用の挟圧体を例示して説明したが、これに限定されない。挟圧体は、外側ブリッジを挟圧する外側ブリッジ用の挟圧体だけでなく、例えば、内側ブリッジを挟圧するように内側ブリッジ用の挟圧体を設けてもよい。あるいは、内側ブリッジを挟圧する内側ブリッジ用の挟圧体のみを設けるようにしてもよい。
○ 上記の実施形態では、挟圧体がフラックスバリアとしての空隙に挿通し、空隙において挟圧体とロータコアとの間に隙間が残るようにしたが、これに限らない。例えば、空隙を埋めるように挟圧体を空隙に挿通させてもよい。
○ 上記の実施形態では、ロータが備える永久磁石の数を１２個としたが、これに限定されない。永久磁石の数は、例えば、４個、８個、１６個でもよく、特に限定されない。また永久磁石の配置は、Ｖ字状の配置に限定されない。

【符号の説明】

【0039】

１０、４０ 永久磁石式回転電機
１１ ステータ
１２、４１ ロータ
１３ ステータコア
１４ スロット
１５ ティース
１６ コイル
１７ 電磁鋼板
１８ ロータコア
１９ 軸孔
２０ 回転軸
２１ 磁石挿入孔
２２ 永久磁石
２３ 空隙（外側）
２４ 空隙（内側）
２５ 外側ブリッジ
２６ 外縁部
２７ 内側ブリッジ
２８ コア外周部
２９ コア内周部
３０ 巻線（挟圧体）
４２ 金属体（挟圧体）
４３ 挿入部
４４ 押さえ部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】