JP2013099036A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導磁極列を備える第２ロータの構成の簡略化により組立性の向上を図り、且つ第２ロータの遠心力に対する剛性を向上させると共に、モータトルクを向上させる。
【解決手段】ステータとインナーロータ間に配置された誘導磁極列を構成するアウターロータ３０が、円筒状のロータコア４０と、その両端の第１フランジ３１および第２フランジ３２とを有する。ロータコア４０は、一体円環状の軟磁性体を軸線方向に積層した積層体により構成され、ロータコア４０は、周方向に一定ピッチで間隔をおいて軸線方向に延出する、誘導磁極をそれぞれ構成する複数の磁性部４１と、隣接する磁性部４１同士をそれぞれ連結する複数の連結部４３と、を有し、連結部４３は、非磁性化されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、電動機や発電機として使用可能な回転電機に係り、特に、独立して回転可能な２つのロータを備えた多重ロータ式の回転電機に関するものである。

従来、多重ロータ式の回転電機は、環状のステータと、ステータの内側で回転可能なインナーロータ（第１ロータ）と、ステータおよびインナーロータ間に配置されて、前記インナーロータと同芯に回転可能なアウターロータ（第２ロータ）とを備える。そして、ステータは、複数の電機子で構成されて円周方向に沿って回転する回転磁界を発生させる電機子列を備え、インナーロータは、複数の永久磁石で構成された磁極列を備え、アウターロータは、軟磁性体製の複数の誘導磁極で構成された誘導磁極列を備え、アウターロータの誘導磁極列の径方向の両側にステータの電機子列およびインナーロータの磁極列を対向させている（例えば、特許文献１参照。）。

この特許文献１に記載の電動機の第２ロータでは、その軸線まわりに回転可能に配置された第１フランジおよび第２フランジの外周部に、非磁性体で構成されて周方向に所定間隔で配置された複数の連結部材の両端部をそれぞれ固定し、周方向に隣接する前記連結部材間に軟磁性体よりなる誘導磁極を支持した構成が採用されている。

特開２００８−２７１７２５号公報

しかし、特許文献１に記載の回転電機では、組み立ての際に、周方向に隣接する連結部材の間にそれぞれ誘導磁極を支持させる必要があるので、構造が複雑になり組み立てが非常に煩雑であった。特に各誘導磁極は電磁鋼板の積層体で構成されているため、組立性の改善が望まれていた。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、誘導磁極列を備える第２ロータの構成を簡略化して組立性の向上を図り、且つ第２ロータの遠心力に対する剛性を高めると共にモータトルクを向上することができる回転電機を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、回転電機において、
環状のステータ（例えば、後述の実施形態におけるステータ１０）と、前記ステータの内側又は外側で回転可能に支持された第１ロータ（例えば、後述の実施形態におけるインナーロータ２０）と、前記ステータと前記第１ロータとの間に配置されて、前記インナーロータと同芯に回転可能に支持された第２ロータ（例えば、後述の実施形態におけるアウターロータ３０）とを備え、
前記第１ロータが、周方向に所定ピッチで交互に異なる極性の磁極を有するように複数の永久磁石（例えば、後述の実施形態における永久磁石２３）を配列して構成された磁極列を備え、
前記ステータが、周方向に配列された複数の電機子（例えば、後述の実施形態における複数の電機子１２）で構成され、前記磁極列に対向するように配置されると共に、前記複数の電機子に発生させる所定の複数の電機子磁極により周方向の回転磁界を生成する電機子列を備え、
前記第２ロータが、周方向に所定ピッチで配列された軟磁性体製の複数の誘導磁極（例えば、後述の実施形態における磁性部４１）で構成され、且つ前記第１ロータの磁極列と前記ステータの電機子列の間に配置された誘導磁極列を備える回転電機において、
前記第２ロータは、該第２ロータの軸線方向中央部に位置する円筒状のロータコア（例えば、後述の実施形態におけるロータコア４０）と、該ロータコアを支持するように該ロータコアの軸線方向両端側に位置した円板状の第１フランジ（例えば、後述の実施形態における第１フランジ３１）および第２フランジ（例えば、後述の実施形態における第２フランジ３２）とを備え、
前記ロータコアは、一体円環状の軟磁性体を軸線方向に積層した積層体により構成され、
前記ロータコアは、隣接する前記誘導磁極同士をそれぞれ連結する複数の連結部（例えば、後述の実施形態における連結部４３）を有し、
前記複数の連結部は、非磁性化されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の回転電機において、
前記隣接する誘導磁極と前記連結部とは、非磁性部を構成する空間部（例えば、後述の実施形態における空間部４２）を画成することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の回転電機において、
前記連結部は、窒素吸収処理により非磁性化されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１または２に記載の回転電機において、
前記連結部は、少なくとも１０００℃以上に加熱される熱処理により非磁性化されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ロータコアの構造が簡略化され、組み立てが簡単になるとともに、第２ロータの遠心力に対する剛性を向上させ、且つ、ステータからロータコアの連結部に短絡する磁束を通し難くすることで誘導磁極を貫く有効磁束を増加させてモータトルクを増加させることができる。

請求項２の発明によれば、前記隣接する誘導磁極と前記連結部とによって画成される空間部によって、軽量化を図りつつ、ステータからロータコアの連結部に短絡する磁束を通し難くすることができる。

請求項３の発明によれば、ロータコアの他の領域に影響を及ぼすことなく、窒素吸収処理により連結部だけを非磁性化することができ、モータトルクが増大する。

請求項４の発明によれば、ロータコアの他の領域に影響を及ぼすことなく、熱処理により連結部だけを非磁性化することができ、モータトルクが増大する。

本発明の第１実施形態の回転電機としての電動機を軸線方向から見た正面図である。 同回転電機の外殻体であるケーシングを省略し、アウターロータからインナーロータを取り出して示す電動機の分解斜視図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った半断面図である。 同電動機のアウターロータの分解斜視図である。 （ａ）は同アウターロータのロータコアの斜視図であり、（ｂ）は（ａ）を軸方向から見た正面図であり、（ｃ）は（ａ）のロータコアの空間部をショルダーボルトが貫通している状態を説明する要部断面図である。 同アウターロータのショルダーボルトによる結合部の構成を示す、図３の一部拡大断面図である。 （ａ）は同アウターロータのトルク伝達ピンを配置した部分の構成を示す、図３の一部拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視断面図で、スライダの配置部分の詳細を示す図である。 同アウターロータの周方向におけるスライダの配置位置を説明するための図で、フランジを軸線方向の内側から見て示す図である。 非磁性化された連結部により磁気短絡が通り難くされたロータコアの要部拡大図である。 連結部における磁気短絡防止により電流が削減される状態を示す相電流と発生トルクとの関係を示すグラフである。 誘導磁極と連結部間にアンダーカット部が設けられたロータコアの要部拡大図である。 （ａ）は第２実施形態の回転電機としての電動機のアウターロータのロータコアの斜視図であり、（ｂ）は（ａ）を軸方向から見た正面図であり、（ｃ）は（ａ）のロータコアの空間部をショルダーボルトが貫通している状態を説明する要部断面図である。 前記ロータコアの第１変形例を示す図であり、同ロータコアの空間部をショルダーボルトが貫通している状態を説明する要部断面図である。 前記ロータコアの第２変形例を示す図であり、同ロータコアの空間部をショルダーボルトが貫通している状態を説明する要部断面図である。 （ａ）は前記ロータコアの第３変形例の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）を軸方向から見た正面図であり、（ｃ）は（ａ）のロータコアの空間部をショルダーボルトが貫通している状態を説明する要部断面図である。 第３実施形態の回転電機としての電動機のアウターロータのロータコアの空間部をショルダーボルトが貫通している状態を説明する要部断面図である。 前記ロータコアの第１変形例を示す図であり、同ロータコアの空間部をショルダーボルトが貫通している状態を説明する要部断面図である。 本発明の変形例に係る回転電機としての電動機のアウターロータのロータコアの正面図である。

以下、本発明の各実施形態に係る回転電機について図面を参照して詳細に説明する。

《第１実施形態》
図１〜図９は第１実施形態の回転電機としての電動機を示す図である。図１〜図４に示すように、この電動機は、ケーシング１と、ケーシング１の内周に固定された円環状のステータ１０と、ステータ１０の内周側に収納されてステータ１０と共通な軸線ｘまわりに回転する円筒状のアウターロータ（第２ロータ）３０と、アウターロータ３０の内部に同芯に収納されて軸線ｘまわりに回転する円筒状のインナーロータ（第１ロータ）２０とで構成されている。

アウターロータ３０およびインナーロータ２０は、ケーシング１に固定されたステータ１０に対して相対回転可能であり、且つ、アウターロータ３０およびインナーロータ２０は相互に相対回転可能となっている。図３に示すように、ケーシング１は、有底筒状の本体部２と、この本体部２の開口に固定された蓋部３とで構成されている。

《ステータ》
ステータ１０は、電磁鋼板を積層した円環状のステータコア１１を備えており、ステータコア１１の内周面には、複数（本実施形態では４８個）のティース１３および複数（本実施形態では４８個）のスロット１４が円周方向に交互に形成されている。ステータコア１１のスロット１４には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルが分布巻きされており、各ティース１３と各コイルで複数の電機子１２が構成され、各電機子１２が周方向に一定ピッチで並んでいることで電機子列が構成されている。ステータ１０の電機子列は、後述するインナーロータ２０の磁極列に対向している。そして、ケーシング１に設けた３個の端子（図示略）からＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルに３相交流電流を供給することで、複数の電機子１２に発生させる所定の複数の仮想的な電機子磁極により、周方向の回転磁界を生成する。本実施形態の場合、ステータ１０に発生する電機子磁極の数は１６個に設定されており、従って、電機子磁極の磁極対数は８個に設定されている。

《アウターロータ》
図３および図５に示すように、インナーロータ２０を内部に収容するアウターロータ３０は、軸線方向中央部に位置する円筒状のロータコア４０と、ロータコア４０を各外周部で支持するようにロータコア４０の軸線方向両端側に配置された円板状の第１フランジ３１および第２フランジ３２と、を備えている。

第１フランジ３１の径方向の中心部には第１アウターロータシャフト３３が連結されており、この第１アウターロータシャフト３３は、ボールベアリング３５を介してケーシング１の蓋部３に回転自在に支持されている。また、第２フランジ３２の径方向の中心部には第２アウターロータシャフト３４が連結されており、第２アウターロータシャフト３４は、ボールベアリング３６を介してケーシング１の本体部２に回転自在に支持されている。そして、アウターロータ３０の出力軸となる第１アウターロータシャフト３３が、ケーシング１の蓋部３を貫通して外部に延出している。

本実施形態では、第１フランジ３１および第２フランジ３２は非磁性体（例えばステンレス）で構成され、第１、第２アウターロータシャフト３３、３４は、非磁性体より安価な磁性体（炭素鋼）で構成されている。第１フランジ３１および第２フランジ３２を非磁性体で構成するのは、ロータコア４０からの漏れ磁束を抑制するためである。

アウターロータ３０のロータコア４０は、周方向に所定ピッチで軟磁性体製の複数の誘導磁極を配列した誘導磁極列を有しており、誘導磁極列は、後述するインナーロータ２０の磁極列と、前述したステータ１０の電機子列との間に位置している。軟磁性体とは磁性体の一種で、磁力を加えると磁極が発生し、磁力を取り去ると磁極が消滅するものをいう。

具体的に、このアウターロータ３０のロータコア４０は、一体円環状の軟磁性体である電磁鋼板（例えば珪素鋼板）を軸線方向に積層した積層体により構成されている。このロータコア４０は、図６（ａ），（ｂ）に示すように、周方向に一定ピッチで間隔をおいて軸線方向に延出する、誘導磁極をそれぞれ構成する複数の磁性部４１と、隣接する磁性部４１同士を内周側及び外周側でそれぞれ連結する内周側連結部４３ａ及び外周側連結部４３ｂから構成される複数の連結部４３と、を有し、隣接する磁性部４１と内周側連結部４３ａと外周側連結部４３ｂとは、非磁性部を構成する略台形形状の空間部４２を画成する。

本実施形態の内周側連結部４３ａ及び外周側連結部４３ｂは、磁性部４１の内周面及び外周面に沿って略円弧形状に形成されている。これにより、本実施形態では、磁性部４１によって構成される誘導磁極の数は２０個に設定されており、従って、誘導磁極対の数は１０個に設定されている。また、円周方向に９０°ピッチで配置された４箇所の磁性部４１には、貫通穴４１ａがそれぞれ設けられている。

また、図３〜図５に示すように、アウターロータ３０の第１フランジ３１および第２フランジ３２間には、ロータコア４０に発生するトルクを第１フランジ３１および第２フランジ３２に伝達するためのトルク伝達ピン６０が配置されると共に、第１フランジ３１および第２フランジ３２間の間隔を、ロータコア４０の軸方向長さよりも僅かに大きな一定値に保持した状態で、第１フランジ３１および第２フランジ３２を相互連結するショルダーボルト（連結部材）５０が配置されている。本実施形態において、トルク伝達ピン６０は、円周方向に９０°ピッチで４本設けられている。また、ショルダーボルト５０は、円周方向に９０°ピッチで配置された４本の組が３組設けられており、合計で１２本設けられている。

図７に示すように、ショルダーボルト５０は、両端近傍に、外径が拡大したショルダー部（段部）５１を有する棒状体で、ショルダー部５１の軸方向外側に雄ねじ部５２、５３を有している。このショルダーボルト５０は、ロータコア４０の空間部４２の略中心を非接触な状態で貫通し（図６（Ｃ）中、一点鎖線はロータコア４０の径方向略中間部を示す。）、一端に設けられた雄ねじ部５２を第２フランジ３２のネジ孔３２ａに螺合することで一端を第２フランジ３２に結合し、他端に設けられた雄ねじ部５３を第１フランジ３１のネジ通し孔３１ａに通過させ第１フランジ３１の外側からナット５４を螺合することで他端を第１フランジ３１に結合している。

そして、このようにショルダーボルト５０が第１フランジ３１および第２フランジ３２に結合されることで、ショルダーボルト５０のショルダー部５１に、第１フランジ３１および第２フランジ３２の各内側面が当接して位置規制され、それにより、第１フランジ３１と第２フランジ３２が、両フランジ３１、３２の内側面間にロータコア４０の軸方向寸法よりも若干大きめの間隔を確保した状態で、相互に強固に連結され一体化されている。これにより、ロータコア４０にはショルダーボルト５０を締め付ける際に発生する軸力（圧縮応力）が掛からない。なお、このショルダーボルト５０も、ロータコア４０からの漏れ磁束を抑制するために非磁性体で構成されている。

第２フランジ３２側のショルダー部５１とロータコア４０の側面との間には、ウェーブワッシャ８０が介在されており、このウェーブワッシャ８０によって、ロータコア４０が軸方向にがたつかないように位置決めされている。また、第１フランジ３１側のショルダー部５１と第１フランジ３１の当接面間、および、ナット５４と第１フランジ３１の当接面間にはそれぞれ絶縁処理を施したワッシャ５５が挟まれている。ワッシャ５５に絶縁処理を施すことにより、ステータ１０とインナーロータ２０に挟まれた交番磁束内で回転するアウターロータ３０において、ショルダーボルト５０と、第１フランジ３１と、近接する他のショルダーボルト５０と、第２フランジ３２間の経路で発生する渦電流経路を遮蔽し、渦電流損失を低減できる。

図８に示すように、トルク伝達ピン６０は、ロータコア４０の磁性部４１に形成した貫通穴４１ａに圧入されており、両端がロータコア４０の両端面から突出している。ロータコア４０は、多数枚の電磁鋼板の積層体で構成されているものの、磁性部４１にトルク伝達ピン６０が圧入されていることにより、周方向および径方向に相互に位置決めされ、且つ、全体が一体に結合されている。したがって、アウターロータ３０の遠心力に対する剛性を向上させることができる。また、積層体を構成する電磁鋼板は加締めや接着によって結合してもよいし、加締めや接着による結合を省略しても電磁鋼板のばらけを防止することができる。

各トルク伝達ピン６０の両端は、正面から見て四角形ピース状のスライダ６５に嵌合されており、各スライダ６５は、第１フランジ３１および第２フランジ３２の外周部の内側面に径方向に沿って形成された係合溝３９に係合され、係合溝３９の互いに平行な対向側面に案内されることで、径方向（図８（ｂ）中矢印Ａ方向）にスライドできるようになっている。

この場合、係合溝３９の幅方向中心線がアウターロータ３０の軸中心を通る径方向線であり、係合溝３９の対向側面は、その係合溝３９の幅方向中心線に対し平行に形成されている。同様に、四角形ピース状のスライダ６５の係合溝３９の対向側面に摺動する対向側面は、係合溝３９の幅方向中心線に対し平行となるように形成されている。

このスライダ６５と係合溝３９によって、ロータコア４０と第１、第２フランジ３１、３２との間に、ロータコア４０と第１、第２フランジ３１、３２との径方向の相対変位（径方向の振動）を吸収する振動吸収機構が構成されている。

即ち、ロータコア４０には、回転に伴う遠心力や、ステータ１０およびインナーロータ２０との間に働く磁気力などの径方向の力が作用する。この径方向の力が作用することによって、フランジ３１、３２とロータコア４０との間には、材質の違いや形状の違いなどの要因により、径方向の相対変位が発生することになる。この相対変位を、フランジ３１、３２とロータコア４０を剛結合することによって押さえ込むと、ロータコア４０に大きな応力が発生し、磁気特性を損なうことになる。そこで、フランジ３１、３２とロータコア４０との間の径方向の相対変位を吸収するために、フランジ３１、３２とロータコア４０との間に、スライダ６５と係合溝３９からなる振動吸収機構が設けられている。

また、このスライダ６５と係合溝３９の組み合わせは、ロータコア４０からトルク伝達ピン６０に伝達された周方向のトルクをフランジ３１、３２に伝達するという役割をなす。トルク伝達ピン６０に伝達されたトルクはスライダ６５に伝えられ、スライダ６５から係合溝３９の対向側面を介してフランジ３１、３２に伝えられる。その際、力の伝達に寄与する面は、スライダ６５の対向側面と係合溝３９の対向側面の接触面である。この振動吸収機構では、四角形のスライダ６５の対向側面が全面、係合溝３９の対向側面に対する接触面になるので、接触面圧の上昇を抑えることができる。

また、この実施形態では、図９に示すように、スライダ６５を円周方向に９０°ピッチで配置しているので、互いに直交するＸ方向とＹ方向にロータコア４０を位置決めすることができる。

《インナーロータ》
図３に示すように、インナーロータ２０は、円筒状に形成されたロータボディ２１と、ロータボディ２１のハブ２１ａを貫通して固定されたインナーロータシャフト２５と、積層鋼板で構成されてロータボディ２１の外周部に配置された円環状のロータコア２２とを備えている。インナーロータシャフト２５の一端は、軸線上で第１アウターロータシャフト３３の内部にボールベアリング３８で回転自在に支持され、インナーロータシャフト２５の他端は、第２アウターロータシャフト３４の内部にボールベアリング３７で回転自在に支持されている。そして、インナーロータシャフト２５の他端は、ケーシング１の本体部２を貫通して、インナーロータ２０の出力軸としてケーシング１の外部に延出している。

ロータボディ２１の外周に圧入されたロータコア２２は、その外周面に沿って複数個の永久磁石支持孔２２ａを備えており、そこに永久磁石２３が圧入（あるいは挿入されて接着により固定）されている。ロータコア２２の隣接する永久磁石２３の極性は交互に反転しており、これにより、インナーロータ２０は、周方向に所定ピッチで交互に異なる極性の磁極を有するように複数の永久磁石２３を配列して構成された磁極列を備えている。

そして、アウターロータ３０の外周面に露出する誘導磁極の外周面に、僅かなエアギャップを介して、ステータコア１１のティース１３の内周面（電機子）が対向し、アウターロータ３０の内周面に露出する誘導磁極の内周面に、僅かなエアギャップを介して、インナーロータ２０のロータコア２２の外周面が対向している。

この場合のインナーロータ２０の永久磁石２３による磁極の数は２４個であり、磁極対の数は１２個に設定されている。
従って、この電動機においては、ステータ１０の電機子磁極の数と、インナーロータ２０の磁極の数と、アウターロータ３０の誘導磁極の数との比が、
１：ｍ：（１＋ｍ）／２ （ｍ≠１．０）
の関係に設定されている。

《アウターロータの連結部の非磁性化》
ここで、本実施形態では、アウターロータ３０の連結部４３に非磁性化が施されており、図１０の点線の矢印で示すような、ステータ１０のティース１３からアウターロータ３０の連結部４３に磁束が短絡するのを抑制している。また、ステータ１０のティース１３からアウターロータ３０の連結部４３への磁気短絡がなくなると、逆起定数Ｋｅが増加すると共にインダクタンスＬが低減し、下記式（１）で示される回転電機のモータ出力が増大する。また、磁気短絡がなくなると、磁気飽和部の損失分がなくなるため、モータ損失も低減することができる。

モータ出力 ∝ Ｋｅ×Ｉ×Ｖ／Ｌ・・・（１）
ここで、Ｋｅは逆起定数、Ｉは電流、Ｖは電圧、Ｌはインダクタンスである。

また、図１１は、磁気短絡の有無による相電流と発生トルクとの関係を示すグラフであり、磁気短絡を防止することにより、同じ発生トルクであれば、相電流を小さくすることができることが分かる。即ち、磁気短絡の防止により電流低減効果が得られ、回転電機の出力が増大する。

《窒素吸収処理による非磁性化》
連結部４３を非磁性化する方法としては、Ｃｒを含む磁性鋼板に窒素吸収処理を施して金属組織をオーステナイト化することが挙げられる。本実施形態においては、連結部４３のみを非磁性化するため、非磁性化したくない磁性部４１に１０００℃以上の耐熱性を有する防窒素処理を施した後、ロータコア４０全体を窒素雰囲中で焼鈍処理し、防窒素処理が施されていない部分（連結部４３）にのみ窒素を吸収させて金属組織をオーステナイト化して非磁性化する。

防窒素処理は、無機系の酸化物・窒化物・炭化物の単独膜、または複合膜で構成される被膜であって、熱処理・塗装・メッキ・ＰＶＤ・ＣＶＤ・クラッディング等で形成し、必要に応じて追加の熱処理を行い化合物被膜を生成する。この被膜は、ロータコア４０における積層間の絶縁被膜としても機能する。

窒素吸収処理は、バッチ式電気炉、あるいは連続式のマッフル炉内で、処理温度である１０００〜１２５０℃まで急速加熱して窒素と接触させて行う。窒素吸収処理を１０００〜１２５０℃で行うことにより、窒素を効率よく必要量吸収させてオーステナイト単層化することができる。雰囲気温度が１０００℃未満であると窒素固溶限が低いため窒素が入り難くオーステナイト単層化が困難となり、１２５０℃を超えると平衡窒素濃度が低下するため同じくオーステナイト単層化が困難となるため、処理温度としては、１０００〜１２５０℃が好適である。

このように、ロータコア４０全体を窒素雰囲中で熱処理するので、製造上ロータコア４０の形状による制約が少なく、非磁性化が容易となる。例えば、所望の形状パターンにあらかじめ防窒素処理した鋼板を窒素吸収処理した後で、ロータコア４０の形状に加工することも可能である。また、ロータコア４０の各部に温度勾配が発生しないため、磁性部４１と連結部４３（非磁性部）との境界遷移領域が少なく、境界形状や配置を防窒素処理により容易に制御できる。更に、製品への歪みの影響も最小化できる。また、オーステナイト化したくない部分に防窒素処理を行った後、窒素吸収処理を施すので、磁性部４１の磁気特性を悪化させることなく、連結部４３だけを非磁性化することができる。

窒素吸収処理された部分をオーステナイト化するのに好適なＣｒを含む磁性鋼板としては、例えば、Ｃｒ：１８〜２４質量％を含有するフェライト型ステンレス鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌ（１９％Ｃｒ）やＳＵＳ４４５（２２％Ｃｒ）が例示される。また、磁性鋼板は炭素、窒素、これら化合物等の不純元素を極力含まないことが望ましく、これによりヒステリシス損が少なくなり、モータ効率が向上する。

ここで、Ｃｒの含有量を１８〜２６質量％としたのは、Ｃｒは含有量が多い程、窒素吸収処理で窒素が入り易くなり、窒素吸収処理の時間を短く出来る。しかし、Ｃｒ含有量が２６質量％を越えると、磁性鋼板としての飽和磁束密度の低下が著しく、また、含有量が１８質量％未満になると、窒素吸収処理時間が長くなるとともに、窒素吸収処理によりオーステナイト単相組織を得ることが製造上難しくなるためである。

また、Ｍｎ（マンガン）は窒素の吸収を促進すると同時に、オーステナイト形成元素として非磁性化に有効な元素であり、その含有量を４質量％以下としたのは、含有量が４質量％を超えると、磁性鋼板としての飽和磁束密度の低下が大きくなるためである。
また、Ｎｉ（ニッケル）もオーステナイト形成元素として非磁性化に有効な元素であるが、高価な元素であることと、磁性鋼板としての飽和磁束密度を低下させることから、その含有量を２質量％以下とした。
Ｓｉ（シリコン）は磁性鋼板として軟磁気特性を向上させる効果があるが、フェライト形成元素であり、含有量が１質量％を超えると、窒素の吸収を著しく阻害して非磁性化が困難となることから１質量％以下とした。

《熱処理による非磁性化》
また、連結部４３を非磁性化する他の方法としては、連結部４３のみを少なくとも１０００℃以上に加熱する熱処理により炭化物を固溶させてオーステナイト相とすることが挙げられる。即ち、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系を基本組成とする合金は、Ａ３変態点以下での焼鈍処理によりフェライト＋炭化物相とすると強磁性を示すが、高温での溶体化処理により炭化物を固溶させてオーステナイト相とすると非磁性化する。

連結部４３の熱処理方法としては、高周波加熱コイルによりロータコア４０の外周部に高周波を印可することで、ロータコア４０の表面に発生する誘起電流と素材の電気抵抗によるジュール熱を発生させて自己発熱する。この自己発熱方式は、表面焼入れのように非溶融での熱処理が可能であり、非磁性部における巨視的な割れや変形をなくすことができ、更に寸法精度を高めることができるので、連結部４３の非磁性化のための熱処理として好適である。

本実施形態のロータコア４０においては、連結部４３は、磁性部４１よりも径方向の幅が狭く、磁性部４１との間に大きな熱容量差がある。これにより高周波誘導加熱によって連結部４３のみを局部的に必要温度域（１２００〜１３００℃）に到達させて連結部４３のみをオーステナイト相として非磁性化することができる。また、図１２に示すように、連結部４３と磁性部４１の間にアンダーカット部４４を設けて、両部の境界（焼境）位置を制御するようにしてもよい。

以上のように構成された本実施形態の電動機によれば、アウターロータ３０のロータコア４０を一体円環状の軟磁性体の積層体で構成したので、ロータコア４０の構造が簡略化され、組み立てが簡単になるとともに、アウターロータ３０の遠心力に対する剛性を向上させることができる。また、第１、第２フランジ３１、３２間に配置されたトルク伝達ピン６０によってロータコア４０に発生するトルクを確実に両フランジ３１、３２に伝達することができる。

また、ロータコア４０の両側に位置する第１フランジ３１と第２フランジ３２とを、ショルダーボルト５０で相互連結する際、ショルダーボルト５０は一体円環状に形成したロータコア４０の空間部４２を貫通する。そして、ショルダーボルト５０は非磁性材であるので、ロータコア４０の誘導磁極としての磁性部４１に悪影響を与えることなく、空間部４２という空きスペースを有効利用しながら、第１フランジ３１と第２フランジ３２を強固に結合し一体性を持たせることができる。

更に、連結部４３に窒素吸収処理や熱処理を施してオーステナイト化することで、ステータ１０から連結部４３に短絡する磁束を通し難くして、磁性部４１を貫く有効磁束を増加させ、これによりモータトルクを増加させることができる。

《第２実施形態》
図１３は第２実施形態の回転電機としての電動機に用いられるアウターロータのロータコアを示す図である。この電動機は、ロータコア４０の構造において第１実施形態と異なる。第１実施形態と同一の構成については、その構成に付された参照符号と同一の符号を本実施形態に用いた図面上に付すことで、その説明を省略する。

このロータコア４０においては、内周側連結部４３ａは磁性部４１とともに一様な内周面を形成するように、磁性部４１の内周面に沿って形成され、一方、外周側連結部４３ｂは、隣接する磁性部４１同士をその外周端よりも内周側でそれぞれ連結する。すなわち、ステータ１０のティース１３の内周面と外周側連結部４３ｂの外周面との径方向距離が、ステータ１０のティース１３の内周面と磁性部４１の外周面との径方向距離よりも大きくなるように形成されている。このように連結部４３を形成することで、ステータ１０のティース１３から外周側連結部４３ｂに短絡する磁束が減少し、磁性部４１を貫く有効磁束が増加するため、モータトルクを増加させることが可能となる。

なお、第２実施形態においても、連結部４３は非磁性化されており、ステータ１０のティース１３から連結部４３に短絡する磁束が抑制されている。

また、図１３（ｃ）に示すようにショルダーボルト５０は、その中心がロータコア４０の径方向中間部（図１３（ｃ）中の一点鎖線）よりも内周側に位置し、空間部４２を非接触に貫通している。この結果、ロータコア４０の外周側連結部４３ｂとショルダーボルト５０との間の径方向距離が短くなることを防ぐことができ、外周側連結部４３ｂとショルダーボルト５０との間に存在するエアギャップによる磁気抵抗を高く維持することができるため、ステータ１０のティース１３からの外周側連結部４３ｂを介したショルダーボルト５０への磁束短絡が抑制され、モータ効率を向上させることできる。

なお、連結部４３の外周側連結部４３ｂは、隣接する磁性部４１同士を連結するものであれば、必ずしも略円弧形状に限定されない。

例えば、図１４の変形例に示すように、外周側連結部４３ｂは、軸方向から見て略直線形状であってもよく、この場合、ロータコア４０の遠心剛性をさらに向上させることが可能となる。

また、図１５の変形例に示すように、外周側連結部４３ｂは、その周方向中心から周方向端部に向かって、径方向幅が大きくなるように形成してもよい。これにより、外周側連結部４３ｂと磁性部４１との接続部が太く形成されているので、ロータコア４０の剛性を向上させることができる。さらに、外周側連結部４３ｂの周方向中心部は周方向端部に比べて細く形成されるので、外周側連結部４３ｂの内周面とショルダーボルト５０の外周側端部との径方向距離が短くならず、ステータ１０のティース１３からの外周側連結部４３ｂを介したショルダーボルト５０への磁束の短絡を抑制することができる。

また、図１６の変形例に示すように、連結部４３は、隣り合う各磁性部４１の周方向側面と外周側連結部４３ｂの内面とをそれぞれ接続し、軸方向から見て略直線形状の一対の補強部４３ｃを有する所謂ラーメン構造としてもよく、この場合、ロータコア４０の剛性を高めることが可能となる。

《第３実施形態》
図１７は第３実施形態の回転電機としての電動機に用いられるアウターロータのロータコアの要部断面図である。この電動機は、ロータコア４０の構造において上記実施形態と異なる。上記実施形態と同一の構成については、その構成に付された参照符号と同一の符号を本実施形態に用いた図面上に付すことで、その説明を省略する。

このロータコア４０においては、連結部４３が内周側連結部４３ａを有しておらず、空間部４２が、隣接する磁性部４１と、これら隣接する磁性部４１同士を外周側で連結した外周側連結部４３ｂと、により内周側が開口するように画成されている。また、ショルダーボルト５０は、その外周側端部がロータコア４０の径方向略中間部（図１７中の一点鎖線）よりも内周側に位置し、空間部４２を非接触に貫通している。

このように本実施形態のロータコア４０においては、空間部４２が内周側に開口するように形成したため、ショルダーボルト５０を空間部４２の開口寄りに配置することが可能となる。したがって、ロータコア４０の外周側連結部４３ｂとショルダーボルト５０との間の径方向距離が大きくなり、エアギャップによる磁気抵抗が上昇するため、ステータ１０のティース１３からの外周側連結部４３ｂを介したショルダーボルト５０への磁束短絡が抑制され、モータ効率を向上することが可能となる。

なお、図１８の変形例に示すように、外周側連結部４３ｂは、第２実施形態と同様に、隣接する磁性部４１同士を外周側端部よりも内周側で連結するように形成してもよい。

また、他の変形例として、図１４，１５，１６に示したロータコア４０において、空間部４２を内周側に開口するように形成し、ショルダーボルト５０を空間部４２の内周側端部近傍に配置する構成としてもよい。

なお、第３実施形態においても、連結部４３は非磁性化されており、ステータ１０のティース１３から連結部４３に短絡する磁束が抑制されている。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。
その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

例えば、上記実施形態の連結部４３は、隣接する磁性部４１と内周側連結部４３ａと外周側連結部４３ｂとによって、非磁性部を構成する空間部４２を有する構成としたが、連結部４３は、空間部４２を有さずに中実に形成されてもよい。

具体的に、図１９に示すように、連結部４３は、ショルダーボルト５０が貫通する位置では、上記実施形態と同様、隣接する磁性部４１と内周側連結部４３ａ及び外周側連結部４３ｂによって空間部４２を形成するとともに、内周側連結部４３ａ及び外周側連結部４３ｂを非磁性化した連結部４３Ｃとし、ショルダーボルト５０が貫通しない位置では、隣接する磁性部４１同士を連結する中実な部分を非磁性化した連結部４３Ｄとしている。例えば、上記実施形態のように、磁性部４１には防窒素処理が施されている一方、連結部４３Ｃの内周側連結部４３ａ及び外周側連結部４３ｂと、連結部４３Ｄとには、窒素吸収処理が施されている。なお、空間部４２を有する連結部４３Ｃと、中実な連結部４３Ｄとの数や配置は、ショルダーボルト５０の数や配置に応じて適宜設定される。

また、この場合、円周方向に９０°ピッチで配置された４本のトルク伝達ピン６０は、磁性部４１ではなく、中実な連結部４３Ｄに形成した貫通孔に設けることができるため、磁性部４１の磁路断面積が増加し、トルク向上に寄与することができる。

また、上記実施形態では、ショルダーボルト５０を用いてロータコア４０と第１フランジ３１及び第２フランジ３２を締結することで、ロータコア４０に締め付け用の軸力が作用するのを抑制しているが、本発明の連結部材は、通常の締結ボルトを用いて、軸方向に締め付け力が付与された状態で、これら各構成部品を締結するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、１つの磁極を、単一の永久磁石の磁極で構成しているが、複数の永久磁石の磁極で構成してもよい。例えば、２つの永久磁石の磁極がステータ側で近づき合うように、これらの２つの永久磁石を逆Ｖ字状に並べることにより、１つの磁極を構成することによって、磁力線の指向性を高めるようにしてもよい。さらに、永久磁石に代えて、電磁石や移動磁界を発生可能な電機子を用いてもよい。

また、上述した実施形態では、Ｕ相〜Ｗ相のコイルをスロットに分布巻きで巻回しているが、これに限らず、集中巻きであってもよい。さらに、上述した実施形態では、コイルをＵ相〜Ｗ相の３相コイルで構成しているが、回転磁界を発生できれば、このコイルの相数はこれに限らず、任意である。

また、上述した実施形態では、インナーロータ２０とアウターロータ３０をステータ１０の内側に配置したが、これに限らず、インナーロータ２０とアウターロータ３０をステータ１０の外側に配置してもよい。

１０ ステータ
１２ 電機子
２０ インナーロータ（第１ロータ）
２３ 永久磁石
３０ アウターロータ（第２ロータ）
３１ 第１フランジ
３２ 第２フランジ
４０ ロータコア
４１ 磁性部（誘導磁極）
４２ 空間部
４３，４３Ｃ，４３Ｄ 連結部
４３ａ 内周側連結部
４３ｂ 外周側連結部

Claims (4)

1. 環状のステータと、前記ステータの内側又は外側で回転可能に支持された第１ロータと、前記ステータと前記第１ロータとの間に配置されて、前記インナーロータと同芯に回転可能に支持された第２ロータとを備え、
   前記第１ロータが、周方向に所定ピッチで交互に異なる極性の磁極を有するように複数の永久磁石を配列して構成された磁極列を備え、
   前記ステータが、周方向に配列された複数の電機子で構成され、前記磁極列に対向するように配置されると共に、前記複数の電機子に発生させる所定の複数の電機子磁極により周方向の回転磁界を生成する電機子列を備え、
   前記第２ロータが、周方向に所定ピッチで配列された軟磁性体製の複数の誘導磁極で構成され、且つ前記第１ロータの磁極列と前記ステータの電機子列の間に配置された誘導磁極列を備える回転電機において、
   前記第２ロータは、該第２ロータの軸線方向中央部に位置する円筒状のロータコアと、該ロータコアを支持するように該ロータコアの軸線方向両端側に位置した円板状の第１フランジおよび第２フランジと、を備え、
   前記ロータコアは、一体円環状の軟磁性体を軸線方向に積層した積層体により構成され、
   前記ロータコアは、隣接する前記誘導磁極同士をそれぞれ連結する複数の連結部を有し、
   前記複数の連結部は、非磁性化されていることを特徴とする回転電機。
2. 前記隣接する誘導磁極と前記連結部とは、非磁性部を構成する空間部を画成することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記連結部は、窒素吸収処理により非磁性化されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記連結部は、少なくとも１０００℃以上に加熱される熱処理により非磁性化されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。

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