JP2005210828A - 回転電機のロータおよび回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 リラクタンストルクの低下を抑制し、トルクを大きくする。
【解決手段】 ロータ２００は、ロータ２００の外周部に予め定められた間隔で複数設けられた突極２１０と、突極２１０と周方向に離間して、ロータ２００の外周部に予め定められた間隔で複数設けられた磁石２２０と、非磁性材により形成された、２つのエンドプレート２３０を含む。エンドプレート２３０は、ロータ２００の端部において、ロータコア２０２および磁石２２０を挟むように、ロータ２００の回転軸に対して垂直に設けられている。エンドプレート２３０は、磁石２２０の外周部と当接する当接部２３２を含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回転電機のロータおよび回転電機に関し、特に、マグネットトルクおよびリラクタンストルクを利用して回転する回転電機のロータおよび回転電機に関する。

従来より、回転電機のロータコアに埋め込まれたマグネットによるマグネットトルクを利用して回転する回転電機が知られている。

特開平１１−３３２１４５号公報（特許文献１）は、マグネットがマグネット固定溝から飛出すことを防止することができる回転電機のロータを開示する。特許文献１に記載の回転電機のロータは、ロータコアと、ロータコアの外周面に軸方向に延びるように形成した楔形のマグネット固定溝と、マグネット固定溝内に挿入、固定されたマグネットと、回転子コアの両端面に取付けた、マグネットの両端部に係合するマグネット抑え部材とを含む。

この公報に開示された回転電機のロータによると、マグネット抑え部材がマグネットの両端部に係合しているので、マグネットがマグネット固定溝から飛出すことが防止される。
特開平１１−３３２１４５号公報

上記の公報に開示された回転電機のロータにおいては、周方向でマグネットの側方に位置するロータコアの部位を、ステータで発生した回転磁界によるｑ軸磁束が流れる突極として利用することにより、マグネットトルクに加えてリラクタンストルクによりロータを回転させることが可能である。しかしながら、上記の公報に開示された回転電機のロータにおいては、マグネットがマグネット固定溝内に挿入されているため、周方向でマグネットとロータコアとが隣接する。そのため、マグネットと隣接する部位が、マグネットからの磁束により磁気飽和し、ｑ軸磁束に対する磁気抵抗が大きくなり、リラクタンストルクが低下するという問題点があった。これについて、図９を参照して説明する。

図９は、ロータ６００を、回転軸と平行な方向から見た断面図である。ロータ６００は、ｑ軸磁束が通過する突極６１０と、磁束を発生する磁石６２０とを含む。磁石６２０は、ロータ６００に埋め込まれているため、突極６１０と磁石６２０とは当接する。磁石６２０は、図９において、実線の矢印で示すように、磁束を発生する。磁石６２０で発生した磁束は、突極６１０に伝わる。そのため、突極６１０は磁気飽和する。その結果、突極６１０を通過するｑ軸磁束の磁束密度が制限され、突極６１０が磁気飽和していない場合に比べて、リラクタンストルクが低下する。

特許文献１には、周方向でマグネットに隣接した部位を切削したロータが開示されているが、このような構成では、突極として利用する部位がなくなり、リラクタンストルクを利用することができない。

本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、トルクを大きくできる回転電機のロータを提供することである。また、本発明の目的は、トルクを大きくできるロータを有する回転電機を提供することである。

第１の発明に係る回転電機のロータは、ロータの外周部において、径方向外側に向かって、予め定められた間隔で複数設けられた突極と、ロータの外周部において、突極と周方向に離間して、予め定められた間隔で複数設けられた磁石と、非磁性体により形成され、各磁石の径方向への移動を規制する規制部材とを含む。

第１の発明によると、ロータの外周部に、径方向外側に向かって予め定められた間隔で複数の突極が設けられている。この突極と周方向に離間して、予め定められた間隔で複数の磁石が設けられている。突極と磁石とが周方向に離間しているため、磁石から発生した磁束が突極に伝わり難い。これにより、突極が磁気飽和することが抑制される。そのため、リラクタンストルクの低下を抑制し、トルクを大きくできる。ロータの回転中、各磁石は、非磁性体により形成された規制部材により、径方向への移動が規制される。これにより、磁石が径方向に離散することが抑制される。そのため、マグネットトルクを十分に利用することができる。規制部材は、非磁性体により形成されているため、規制部材を介して、磁石から発生した磁束が突極に伝わることが抑制される。その結果、トルクを大きくできる回転電機のロータを提供することができる。

第２の発明に係る回転電機のロータにおいては、第１の発明の構成に加え、規制部材は、各磁石の周方向への移動を規制する周方向規制部を含む。

第２の発明によると、規制部材は、各磁石の周方向への移動を規制する。これにより、磁石の周方向の位置を固定することができる。

第３の発明に係る回転電機のロータにおいては、第１または２の発明の構成に加え、規制部材は、磁石の外周部に当接する当接部を含む。磁石は、磁石の外周部に設けられ、当接部が当接する切欠部を含む。規制部材の外周面と磁石の外周面とは同一面上にある。

第３の発明によると、磁石の外周部に設けられた切欠部に、規制部材の当接部が当接し、規制部材の外周面と磁石の外周面とは同一面上にある。これにより、たとえば、ロータの周囲にステータを設けた場合において、磁石よりも径方向で外側に、規制部材が位置しないようにすることができる。そのため、磁石とステータとの間隙を小さくしてマグネットトルクを向上しつつ、規制部材により磁石の径方向への移動を規制することができる。

第４の発明に係る回転電機のロータにおいては、第１ないし３のいずれかに記載の発明の構成に加え、磁石は、隣接する突極の間に１つずつ位置する。ロータの回転方向側で磁石に隣接する突極と磁石との間隔は、ロータの回転方向と反対側で磁石に隣接する突極と磁石との間隔よりも短い。

第４の発明によると、磁石は、隣接する突極の間に１つずつ位置しており、ロータの回転方向側で磁石に隣接する突極と磁石との間隔は、ロータの回転方向と反対側で磁石に隣接する突極と磁石との間隔よりも短い。これにより、回転電機のステータから回転磁界を発生させた場合、リラクタンストルクがピーク値となり得る電気角（回転磁界を発生させる方向）と、マグネットトルクがピーク値となり得る電気角とを近づけることができる。その結果、トルクを大きくすることができる。

第５の発明に係る回転電機は、第１ないし４のいずれかの発明のロータを有する回転電機である。

第５の発明によると、回転電機は、トルクを大きくできるロータを有する。これにより、トルクを大きくできるロータを有する回転電機を提供することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

＜第１の実施の形態＞
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る回転電機のロータを有する回転電機について説明する。回転電機１００は、ロータ２００と、ステータ３００と、筐体４００とを含む。この回転電機１００は、ＳＳＰＭ（Salient Surface Permanent Magnet）形式の回転電機である。

ロータ２００は、ロータ２００の外周部に予め定められた間隔で複数設けられた突極２１０と、突極２１０と周方向に離間して、ロータ２００の外周部に予め定められた間隔で複数設けられた磁石２２０とを含む。磁石２２０は、隣合う突極２１０の間に１つずつ設けられている。磁石２２０は永久磁石である。

ステータ３００は、ロータ２００の外方に設けられている。ステータ３００は、ステータ３００の内周部に予め定められた間隔で複数設けられた櫛歯（図示せず）と、櫛歯に巻着されたコイル（図示せず）とを含む。コイルに電流が流れると、ステータ３００から回転磁界が発生する。ステータ３００には、周知の一般的な技術を利用すればよいため、ここではさらなる説明は繰返さない。筐体４００は、ステータ３００の外方に設けられている。筐体４００は、ロータ２００およびステータ３００を収容する。

図２（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、ロータ２００について、さらに説明する。図２（Ａ）に示すように、ロータ２００は、２つのエンドプレート２３０を含む。図２（Ｂ）に示すように、エンドプレート２３０は、ロータ２００の端部において、ロータコア２０２および磁石２２０を挟むように、ロータ２００の回転軸に対して垂直に設けられている。

図２（Ｃ）に示すように、エンドプレート２３０は、磁石２２０の外周部と当接する当接部２３２を含む。当接部２３２が、磁石２２０の外周部と当接することにより、エンドプレート２３０は、磁石２２０の周方向への移動を規制する。エンドプレート２３０は、たとえば樹脂、プラスティック、ステンレスなどの非磁性体により形成されている。

以上のような構造に基づく、本実施の形態に係る回転電機のロータの構造上の特徴により発現する作用について説明する。

図３に、ロータ２００の回転軸と平行な方向から見た断面図を示す。突極２１０と磁石２２０とは、周方向に離間しているため、磁石２２０から発生する磁束は、図３において、実線の矢印で示すように、ロータ２００の径方向に流れるが、突極２１０の方向には伝わり難い。そのため、突極２１０は、磁石２２０から発生する磁束により磁気飽和しない。そのため、図３において破線の矢印で示すｑ軸磁束に対する磁気抵抗の増加が抑制される。その結果、リラクタンストルクの低下が抑制され、マグネットトルクに加えて、リラクタンストルクを利用して、ロータ２００を回転させることができる。

ロータ２００を回転させると、磁石２２０に遠心力がかかる。遠心力は、高速回転になるほど大きくなる。エンドプレート２３０は、当接部２３２により磁石２２０の周方向への移動を規制しているため、磁石２２０にかかる遠心力が大きくなっても、磁石２２０の周方向への離散が抑制される。そのため、ロータ２００を高速で回転させることができる。エンドプレート２３０は、非磁性材により形成されているため、エンドプレート２３０を介して、磁石２２０から発生した磁束が突極２１０に伝わることが抑制される。

以上のように、本実施の形態に係る回転電機のロータは、ロータの外周部に予め定められた間隔で複数設けられた突極と、突極と周方向に離間して、ロータの外周部に予め定められた間隔で複数設けられた磁石とを含む。これにより、磁石からの磁気による突極の磁気飽和が抑制され、リラクタンストルクの低下を抑制することができる。

＜第２の実施の形態＞
図４（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。前述の第１の実施の形態において、エンドプレートの当接部は、磁石の外周部に当接していたが、本実施の形態において、エンドプレートの当接部は、磁石の外周部に設けられた切欠部に当接する。その他の構成については、前述の第１の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。

図４（Ａ）に示すように、磁石２２２の両端部には、径方向の内側に向かって凹んだ切欠部２２４が設けられている。図４（Ｂ）に示すように、エンドプレート２３０の当接部２３２は、切欠部２２４に当接する。この場合、図４（Ｃ）に示すように、エンドプレート２３０の外周面と磁石２２２の外周面とは同一面上となる。

このように構成すると、前述の第１の実施の形態における効果に加え、磁石２２２よりも径方向の外側にエンドプレート２３０が突出していないので、磁石２２２とステータ３００との間隙を小さくすることができる。そのため、ステータ３００からの回転磁界の損失が抑制され、マグネットトルクを大きくすることができる。

なお、図４（Ｄ）に示すように、エンドプレート２４０の当接部２４２を、径方向の外側にいくほど幅が広くなるように形成し、磁石２２２の両端部を斜めに切欠いて、切欠部２２６を形成してもよい。

＜第３の実施の形態＞
図５（Ａ）および（Ｂ）を参照して、本発明の第３の実施の形態について説明する。前述の第１の実施の形態において、エンドプレートは、当接部により磁石の外周部に当接し、磁石の径方向への移動を規制していたが、本実施の形態において、エンドプレートは、磁石の径方向および周方向への移動を規制する。その他の構成については、前述の第１の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。

図５（Ａ）に示すように、エンドプレート２５０は、第１当接部２５２と、第２当接部２５４とを含む。第１当接部２５２は、エンドプレート２５０の外周部で、ロータ２００の回転軸と平行に突出するように設けられている。第１当接部２５２は、前述の第１の実施の形態における当接部と同様の部位である。第２当接部２５４は、第１当接部２５２の端部から径方向に伸びるように、かつロータ２００の回転軸と平行に突出するように設けられている。

図５（Ｂ）に示すように、第１当接部２５２は、磁石２２２の外周部に当接する。これにより、磁石２２２の径方向への移動が規制される。第２当接部２５４は、磁石２２２の周方向の側部に当接する。これにより、磁石２２２の周方向への移動が規制される。

このように構成すれば、前述の第１の実施の形態における効果に加え、磁石２２２を任意の位置で固定することができる。なお、図６に示すように、エンドプレート２６０の外周部を凹ませて、第１当接部２６２および第２当接部２６４を形成してもよい。

＜第４の実施の形態＞
図７を参照して、本発明の第４の実施の形態について説明する。前述の第１の実施の形態において、磁石は、隣合う突極の中間に設けられていたが、本実施の形態において、磁石は、ロータの回転方向側に位置する突極寄りに設けられている。その他の構成については、前述の第１の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。

図７に、ロータ５００を回転軸と平行な方向から見た断面図を示す。突極５１０は、前述の第１の実施の形態における突極と同様に、ロータ５００の外周部に、予め定められた間隔で複数設けられている。磁石５２０は、隣合う突極２１０の間に１つずつ位置するように、ロータ５００の外周部に予め定められた間隔で複数設けられている。ロータ５００の回転方向側で磁石５２０に隣接する突極５１０と磁石５２０との間隔は、ロータ５００の回転方向と反対側で磁石５２０に隣接する突極５１０と磁石５２０との間隔よりも短い。

以上のような構造に基づく、本実施の形態に係る回転電機のロータの構造上の特徴により発現する作用について、図８（Ａ）および（Ｂ）を参照して説明する。

図８（Ａ）に示すように、突極５１０を通過するｑ軸を電気角０°とした場合、電気角４５°の方向から回転磁界を発生させると、図８（Ｂ）において実線で示すように、リラクタンストルクはピーク値となる。

前述の第１の実施の形態のように、磁石を隣合う突極の中間に配置していれば、図８（Ｂ）において破線で示すように、電気角０°（ｑ軸）の方向から回転磁界を発生させると、マグネットトルクはピーク値となる。本実施の形態のように、磁石５２０をロータ５００の回転方向側に位置する突極５１０寄りに配置すれば、マグネットトルクがピーク値を取りうる電気角を４５°に近づけることができる。その結果、回転電機のトルクを大きくすることができる。

電気角が４５°で、マグネットトルクがピーク値となるように、磁石５２０を配置すれば、図８（Ｂ）において、一点鎖線で示すように、リラクタンストルクとマグネットトルクがピーク値となる電気角が一致し、回転電機のトルクは最大値となる。

以上のように、本実施の形態に係る回転電機のロータにおいて、突極は、ロータの外周部に、予め定められた間隔で複数設けられている。磁石は、隣合う突極の間に１つずつ位置するように、ロータの外周部に予め定められた間隔で複数設けられている。ロータの回転方向側で磁石に隣接する突極と磁石との間隔は、ロータの回転方向と反対側で磁石に隣接する突極と磁石との間隔よりも短い。これにより、リラクタンストルクがピーク値を取りうる電気角と、マグネットトルクがピーク値を取りうる電気角とを近づけることができる。その結果、回転電機のトルクを大きくすることができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の第１の実施の形態に係る回転電機のロータを有する回転電機を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る回転電機のロータを示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る回転電機のロータにおいて、磁石から発生する磁束と、ｑ軸磁束の流れとを示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る回転電機のロータを示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る回転電機のロータを示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る回転電機のロータを示す斜視図である。 本発明の第４の実施の形態に係る回転電機のロータを示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る回転電機のロータの電気角と、リラクタンストルクおよびマグネットトルクとの関係を示す図である。 従来の回転電機のロータにおいて、磁石から発生する磁束と、ｑ軸磁束の流れとを示す図である。

符号の説明

１００ 回転電機、２００，５００ ロータ、２１０，５１０ 突極、２２０，２２２，５２０ 磁石、２２４，２２６ 切欠部、２３０，２４０，２５０，２６０ エンドプレート、２３２，２４２，２５２，２５４，２６２，２６４ 当接部、３００ ステータ、４００ 筐体。

Claims (5)

1. 回転電機のロータであって、
   前記ロータの外周部において、径方向外側に向かって、予め定められた間隔で複数設けられた突極と、
   前記ロータの外周部において、前記突極と周方向に離間して、予め定められた間隔で複数設けられた磁石と、
   非磁性体により形成され、各前記磁石の径方向への移動を規制する規制部材とを含む、回転電機のロータ。
2. 前記規制部材は、各前記磁石の周方向への移動を規制する周方向規制部を含む、請求項１に記載の回転電機のロータ。
3. 前記規制部材は、前記磁石の外周部に当接する当接部を含み、
   前記磁石は、前記磁石の外周部に設けられ、前記当接部が当接する切欠部を含み、
   前記規制部材の外周面と前記磁石の外周面とは同一面上にある、請求項１または２に記載の回転電機のロータ。
4. 前記磁石は、隣接する突極の間に１つずつ位置し、
   前記ロータの回転方向側で前記磁石に隣接する突極と前記磁石との間隔は、前記ロータの回転方向と反対側で前記磁石に隣接する突極と前記磁石との間隔よりも短い、請求項１ないし３のいずれかに記載の回転電機のロータ。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載のロータを有する回転電機。

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