JP2020202654A - 回転子及び回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】出力を確保しつつ軽量化を可能とした回転子を提供する。【解決手段】ヨーク部24の内周面における第2磁石部32の径方向内側の位置には、ヨーク部24と連結部23との接続部25が、ヨーク部24の内周面から径方向内側に延出する態様で設けられている。また、ヨーク部24の内周面における第2磁石部32の径方向内側の位置には、カバー部材16を鉄心14に固定するためのカバー固定部26が、ヨーク部24の内周面から径方向内側に延出する態様で設けられている。【選択図】図1

Description

本発明は、回転電機及び回転電機に関するものである。
従来、例えば特許文献1に開示されるように、鉄心に設けられたハルバッハ配列磁石を備えた回転子がある。ハルバッハ配列磁石は、磁化方向が径方向に沿う複数の第1磁石部と、磁化方向が周方向に沿う複数の第2磁石部とを有し、第1磁石部と第2磁石部とが周方向に交互に配置されている。
特開2007−14110号公報
本発明者らは、上記のようなハルバッハ配列磁石を備えた回転子において、鉄心のバックヨーク部分を肉抜きして軽量化を図りつつ、如何にして鉄心での磁路の確保、すなわち、所望の出力の確保を実現するかを検討していた。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、出力を確保しつつ軽量化を可能とした回転子及び回転電機を提供することにある。
上記課題を解決する回転子は、回転軸(13)と、前記回転軸に一体回転可能に設けられた鉄心(14)と、前記鉄心に固定されたハルバッハ配列磁石(15)と、を備え、前記ハルバッハ配列磁石は、磁化方向が径方向に沿う複数の第1磁石部(31)と、磁化方向が周方向に沿う複数の第2磁石部(32)とを有し、前記第1磁石部と前記第2磁石部とが周方向に交互に配置されており、前記鉄心は、前記回転軸に固定された筒状の軸固定部(21)と、前記軸固定部の径方向外側に位置するとともに、前記ハルバッハ配列磁石の径方向内側に位置して磁路を形成する筒状のヨーク部(24)と、前記軸固定部から外周側に延出して前記ヨーク部と接続された連結部(23)と、を備え、前記連結部は、周方向において互いに空隙(S)を介して複数設けられ、前記ヨーク部の内周面における前記第2磁石部の径方向内側の位置には、磁路を形成する機能に加えその他の機能も有する他機能部(25,26)が、前記ヨーク部の内周面から径方向内側に延出する態様で設けられている。
また、上記課題を解決する回転電機は、環状の固定子(11)と、前記固定子の内側に設けられた回転子(12)と、を備えた回転電機であって、前記回転子は、回転軸(13)と、前記回転軸に一体回転可能に設けられた鉄心(14)と、前記鉄心に固定されたハルバッハ配列磁石(15)と、を備え、前記ハルバッハ配列磁石は、磁化方向が径方向に沿う複数の第1磁石部(31)と、磁化方向が周方向に沿う複数の第2磁石部(32)とを有し、前記第1磁石部と前記第2磁石部とが周方向に交互に配置されており、前記鉄心は、前記回転軸に固定された筒状の軸固定部(21)と、前記軸固定部の径方向外側に位置するとともに、前記ハルバッハ配列磁石の径方向内側に位置して磁路を形成する筒状のヨーク部(24)と、前記軸固定部から外周側に延出して前記ヨーク部と接続された連結部(23)と、を備え、前記連結部は、周方向において互いに空隙(S)を介して複数設けられ、前記ヨーク部の内周面における前記第2磁石部の径方向内側の位置には、磁路を形成する機能に加えその他の機能も有する他機能部(25,26)が、前記ヨーク部の内周面から径方向内側に延出する態様で設けられている。
上記回転子及び上記回転電機によれば、ヨーク部の内周面に設けた他機能部にハルバッハ配列磁石の磁路を形成することができる。これにより、ヨーク部での磁気飽和を緩和して出力を確保しつつも、ヨーク部における他機能部以外の部分の径方向の肉厚を薄く形成して鉄心の軽量化が可能となる。
実施形態における回転電機の平面図。 同形態における回転子の部分断面図。 同形態における回転子の一部を拡大して示す平面図。 変更例における回転子の平面図。
以下、回転子及び回転電機の一実施形態について説明する。
図1及び図2に示すように、本実施形態の回転電機10は、円筒状の固定子11と、固定子11の径方向内側に回転可能に設けられた回転子12とを備えている。回転子12は、回転軸13と、回転軸13に一体回転可能に設けられた鉄心14と、鉄心14に設けられたハルバッハ配列磁石15と、鉄心14の軸方向両側に固定された一対のカバー部材16とを備えている。
[鉄心14の構成]
鉄心14は磁性体からなる。本実施形態では、鉄心14は、金属板からプレス加工により成形された複数の電磁鋼板(図示略)を軸方向に積層した構成を有している。鉄心14は、回転軸13に固定された軸固定部21と、ハルバッハ配列磁石15を支持する磁石支持部22と、軸固定部21と磁石支持部22とを繋ぐ複数の連結部23とを備えている。
軸固定部21は略円筒状をなし、軸固定部21の内側に回転軸13が挿入されて固定されている。これにより、軸固定部21が回転軸13に対して一体回転可能に構成される。磁石支持部22は略円筒状をなし、軸固定部21の外周側に形成されている。磁石支持部22は、軸固定部21の外周面から径方向に延びる複数の連結部23によって支持されている。複数の連結部23は、周方向において等間隔に複数設けられている。また、各連結部23の周方向の間には、鉄心14を軸方向に貫通する空隙Sが形成されている。各連結部23は、軸固定部21に対して磁石支持部22を固定する役割をなす。言い換えれば、各連結部23は、磁石支持部22側で生じたトルクを回転軸13側に伝達する役割をなす。
[ハルバッハ配列磁石15の構成]
図1に示すように、ハルバッハ配列磁石15は、複数の第1磁石部31と複数の第2磁石部32とが周方向に沿って交互に配置されて構成されている。なお、図1において各磁石部31,32内に図示された矢印は、各磁石部31,32の磁化方向(すなわち着磁の方向)を示しており、矢印の起点側がS極、終点側がN極に該当する。
各第1磁石部31は径方向に沿って着磁されている。各第1磁石部31は、回転子12の各磁極に対応するように周方向において等間隔に配置されている。また、第1磁石部31は、回転子12の磁極が周方向において交互に異極となるように着磁されている。すなわち、周方向に隣り合う第1磁石部31同士の磁化方向は互いに逆向きとなっている。
各第2磁石部32は、周方向に隣り合う互いに異極の第1磁石部31の間に設けられている。各第2磁石部32は、周方向において等間隔に配置されている。また、本実施形態では、第2磁石部32の周方向寸法W2(換言すると、回転子12の回転軸線を中心とする開角度)は、第1磁石部31の周方向寸法W1(換言すると、回転子12の回転軸線を中心とする開角度)よりも小さく設定されている。
各第2磁石部32は周方向に沿って着磁されている。詳しくは、各第2磁石部32の磁化方向は、第2磁石部32のN極側がN極の第1磁石部31(すなわち、外周側にN極が現れる第1磁石部31)を向き、第2磁石部32のS極側がS極の第1磁石部31(すなわち、外周側にS極が現れる第1磁石部31)を向くように設定されている。
なお、周方向に隣り合う第1磁石部31と第2磁石部32とは、互いに直接接触するように配置されていてもよいし、互いに間隔を空けて配置されていてもよい。また、各第1磁石部31は、単体の磁石から構成されていてもよいし、複数個の磁石から構成されていてもよい。同様に、各第2磁石部32は、単体の磁石から構成されていてもよいし、複数個の磁石から構成されていてもよい。
鉄心14の磁石支持部22は、ハルバッハ配列磁石15に対してその内周側で接する円環状のヨーク部24を有している。ヨーク部24は、回転子12におけるバックヨークとして機能する。
[連結部23の構成]
図1及び図3に示すように、鉄心14の各連結部23の径方向外側端部は、ヨーク部24の内周面に一体に接続されている。また、径方向に沿って延在する各連結部23は、ハルバッハ配列磁石15の第2磁石部32の径方向内側に位置している。つまり、各連結部23とヨーク部24との接続部25(すなわち、各連結部23の径方向外側端部)は、第2磁石部32の径方向内側に位置している。なお、本実施形態では、連結部23の数は、第2磁石部32の数の半数に設定されている。
また、本実施形態では、連結部23の周方向中心は、第2磁石部32の周方向中心と一致している。また、連結部23の中間部23aは径方向に沿って一定幅をなし、その幅寸法W3は、第2磁石部32の周方向寸法W2よりも小さく設定されている。
各接続部25は、ヨーク部24側である径方向外側にかけて周方向寸法が大きくなるテーパ状をなしている。そして、接続部25の径方向外側端部における周方向寸法W4は、第2磁石部32の周方向寸法W2よりも大きく設定されている。また、勿論、接続部25の前記周方向寸法W4は、連結部23の中間部23aの幅寸法W3よりも大きい。
[カバー固定部26の構成]
また、ヨーク部24の内周面には、前記カバー部材16を鉄心14に固定するための複数のカバー固定部26が形成されている。各カバー固定部26は、ヨーク部24の内周面から径方向内側に突出している。
各カバー固定部26は、ハルバッハ配列磁石15の第2磁石部32の径方向内側に位置している。複数のカバー固定部26は、周方向において等間隔に形成されている。本実施形態では、カバー固定部26の数は、第2磁石部32の数の半数(すなわち、連結部23の数と同数)に設定され、カバー固定部26と連結部23とは周方向において交互に配置されている。つまり、各第2磁石部32の径方向内側には、連結部23及びカバー固定部26のいずれかが位置している。また、ヨーク部24の主部分(すなわち、接続部25及びカバー固定部26以外の部分)の内径は一様に形成され、該ヨーク部24の主部分は、接続部25及びカバー固定部26よりも径方向に薄肉化されている。
なお、本実施形態では、カバー固定部26の径方向外側端部における周方向寸法W5は、第2磁石部32の周方向寸法W2よりも大きく設定されている。また、カバー固定部26の周方向中心は、第2磁石部32の周方向中心と一致している。
図2に示すように、カバー固定部26は、ヨーク部24の軸方向全体に亘って延在している。カバー固定部26には、該カバー固定部26を軸方向に貫通するボルト挿通孔26aが形成されている。ボルト挿通孔26aにはスルーボルト41が挿通され、ボルト挿通孔26aから軸方向に突出したスルーボルト41の先端部にナット42が螺合される。そして、一対のカバー部材16は、スルーボルト41とナット42とによって挟まれる態様で、鉄心14の軸方向両端部に固定されている。
各カバー部材16は板状の部材であり、軸方向視で円環状をなしている(図1参照)。各カバー部材16は、ハルバッハ配列磁石15の軸方向両端部を軸方向から覆っている。詳しくは、各カバー部材16は、径方向においてカバー固定部26からハルバッハ配列磁石15まで覆うことが可能な大きさに形成されている。これにより、ハルバッハ配列磁石15の各磁石部31,32の軸方向への脱落が抑制されるようになっている。
本実施形態の作用について説明する。
鉄心14のヨーク部24の径方向の肉厚は、ハルバッハ配列磁石15の第2磁石部32の径方向内側にそれぞれ位置する接続部25の形成部分及びカバー固定部26の形成部分で厚く、接続部25及びカバー固定部26以外の部分で薄く形成されている。これにより、ハルバッハ配列磁石15の磁路Mを確保して磁気飽和を抑えつつも、ヨーク部24の径方向の肉厚を薄く(すなわち、空隙Sを径方向に広く)することが可能となり、鉄心14の軽量化を図ることができる。
接続部25は、磁路Mを形成する機能の他に、ヨーク部24を含む磁石支持部22を軸固定部21に対して固定する機能を有する他機能部として構成されている。また、カバー固定部26は、磁路Mを形成する機能の他に、カバー部材16を鉄心14に固定する機能を有する他機能部として構成されている。すなわち、接続部25及びカバー固定部26は、それらの機能を持たせるためにヨーク部24の径方向の肉厚を厚くせざる得ない部位である。そのような他機能部としての接続部25及びカバー固定部26を、第2磁石部32の径方向内側に配置することで、無駄のない効率的な構成にすることができる。
本実施形態の効果について説明する。
(1)ヨーク部24の内周面における第2磁石部32の径方向内側の位置には、ヨーク部24と連結部23との接続部25が、ヨーク部24の内周面から径方向内側に延出する態様で設けられている。また、ヨーク部24の内周面における第2磁石部32の径方向内側の位置には、カバー部材16を鉄心14に固定するためのカバー固定部26が、ヨーク部24の内周面から径方向内側に延出する態様で設けられている。
この態様によれば、ヨーク部24の内周面に設けた他機能部としての接続部25及びカバー固定部26にハルバッハ配列磁石15の磁路Mを形成することができる。これにより、ヨーク部24での磁気飽和を緩和して出力を確保しつつも、ヨーク部24における接続部25及びカバー固定部26以外の部位を径方向に薄く形成して鉄心14の軽量化を図ることが可能となる。
(2)鉄心14の軽量化のために、軸固定部21と磁石支持部22を繋ぐ部位としては連結部23のみを残してその他の部位(すなわち、各連結部23間の部位)を肉抜きして空隙Sを形成している。すなわち、鉄心14において、連結部23は磁石支持部22を軸固定部21に対して固定するのに必須の部位であり、その連結部23(詳しくは接続部25)を磁路Mの形成に利用することで、無駄のない効率的な構成にすることができる。
(3)接続部25の径方向外側端部における周方向寸法W4が第2磁石部32の周方向寸法W2よりも大きいため、ヨーク部24での磁気飽和をより好適に抑えることができる。さらに、本実施形態の接続部25は、対応する第2磁石部32と周方向に隣り合う第1磁石部31とも径方向において重なるように構成されている。これにより、ヨーク部24での磁気飽和をより一層抑えることができる。
(4)接続部25は、径方向外側にかけて周方向寸法が大きくなるテーパ状をなす。すなわち、接続部25が磁路Mに沿った形状をなすため、接続部25の大きさを抑えて軽量化を図りつつも、ヨーク部24での磁気飽和をより好適に抑えることができる。
(5)回転子12は、鉄心14の軸方向端部に組み付けられたカバー部材16を備える。そして、第2磁石部32の径方向内側には、カバー部材16を鉄心14に固定するためのカバー固定部26が配置される。カバー固定部26は、カバー部材16を鉄心14に固定するのに必要となる部位であり、そのカバー固定部26を磁路Mの形成に利用することで、無駄のない効率的な構成にすることができる。
(6)カバー固定部26は、該カバー固定部26を軸方向に貫通するボルト挿通孔26aを備える。そして、ボルト挿通孔に挿通されたスルーボルト41とスルーボルト41に螺合されたナット42とによって、カバー部材16が鉄心14に対して締結固定されている。これにより、カバー固定部26は径方向においてある程度の厚さが必要になり、そのカバー固定部26を磁路Mの形成に利用することで、ヨーク部24での磁気飽和をより好適に抑えることができる。
(7)第2磁石部32の周方向寸法W2が第1磁石部31の周方向寸法W1よりも小さく設定される。このため、接続部25の周方向寸法W4及びカバー固定部26の周方向寸法W5を小さく抑えつつも、当該周方向寸法W4,W5を第2磁石部32の周方向寸法W2よりも大きい構成とすることが可能となり、鉄心14のより一層の軽量化に寄与できる。
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、連結部23とカバー固定部26とを周方向において互いに異なる位置に設けたが、これに限らず、例えば図4に示すように、連結部23とカバー固定部26とを周方向において同位置に設けてもよい。図4に示す構成では、連結部23の径方向外側端部がカバー固定部26と一体に繋がっている。言い換えれば、連結部23がカバー固定部26の機能、すなわちボルト挿通孔26aを有している。このような構成によれば、連結部23により多くの機能を持たせることができ、鉄心14のより一層の軽量化に寄与できる。
・上記実施形態では、第2磁石部32の周方向寸法W2を第1磁石部31の周方向寸法W1よりも小さく設定したが、これ以外に例えば、第2磁石部32の周方向寸法W2と第1磁石部31の周方向寸法W1とを一致させてもよい。
・上記実施形態では、接続部25の径方向外側端部における周方向寸法W4を第2磁石部32の周方向寸法W2よりも大きく設定したが、これに限らず、接続部25の径方向外側端部における周方向寸法W4を第2磁石部32の周方向寸法W2以下に設定してもよい。
・上記実施形態では、接続部25の周方向中心が第2磁石部32の周方向中心と一致しているが、これに限らず、第2磁石部32に対して接続部25の一部でも径方向に重なっていればよい。
・上記実施形態では、接続部25が径方向外側にかけて拡がるテーパ状をなし、接続部25の径方向外側端部における周方向寸法W4が、連結部23の中間部23aの幅寸法W3よりも大きくなるが、これに限らず、連結部23の幅寸法W3を接続部25に亘って一定幅としてもよい。
・上記実施形態では、カバー固定部26の径方向外側端部における周方向寸法W5を第2磁石部32の周方向寸法W2よりも大きく設定したが、これに限らず、カバー固定部26の径方向外側端部における周方向寸法W5を第2磁石部32の周方向寸法W2以下に設定してもよい。
・上記実施形態では、カバー固定部26の周方向中心が第2磁石部32の周方向中心と一致しているが、これに限らず、第2磁石部32に対してカバー固定部26の一部でも径方向に重なっていればよい。
・上記実施形態では特に言及しなかったが、ハルバッハ配列磁石15の各磁石部31,32の磁石支持部22に対する固定態様は適宜設定されるものであり、例えば、磁石支持部22におけるヨーク部24の外周面に接着などで固定するようにしてもよい。この場合、各磁石部31,32の径方向外側への脱落防止のために、各磁石部31,32の外周側に筒状のカバーを設けることが好ましい。なお、各磁石部31,32の軸方向への脱落は各カバー部材16によって抑制される。また、軸方向に延びる磁石固定孔を磁石支持部22に複数形成し、該各磁石固定孔に各磁石部31,32を挿入して接着などで固定する構成としてもよい。
・上記実施形態では、カバー固定部26に挿通されたスルーボルト41とナット42とによってカバー部材16を鉄心14に固定する構成としたが、これに特に限定されるものではない。例えば、ボルトの雄ねじが螺合される雌ねじをカバー固定部26に形成し、当該ボルトの締結によりカバー部材16を鉄心14に固定する構成としてもよい。
・上記実施形態における回転子12の極数(すなわち、第1磁石部31の数)と第1磁石部31間に配置される第2磁石部32の数は、回転電機10の構成に応じて適宜変更可能である。
・上記実施形態では特に言及しなかったが、軸方向から見た第1磁石部31と第2磁石部32との境界は、回転子12の径方向に沿うように構成してもよいし、回転子12の径方向と交差する方向に沿うように構成してもよい。
・上記実施形態における連結部23の数及びカバー固定部26の数は、回転電機10の構成に応じて適宜変更可能である。なお、上記実施形態では、連結部23の数及びカバー固定部26の数の合計が第2磁石部32の数と同数に設定されているが、これに限らず、連結部23の数及びカバー固定部26の数の合計が第2磁石部32の数よりも少ない構成、または多い構成としてもよい。また、上記実施形態では、全ての第2磁石部32の径方向内側に、連結部23及びカバー固定部26のいずれかが配置されているが、これに限らず、径方向内側に連結部23及びカバー固定部26のいずれも配置されない第2磁石部32が存在する構成であってもよい。
10…回転電機、11…固定子、12…回転子、13…回転軸、14…鉄心、15…ハルバッハ配列磁石、16…カバー部材、21…軸固定部、23…連結部、24…ヨーク部、25…接続部(他機能部)、26…カバー固定部(他機能部)、26a…ボルト挿通孔、31…第1磁石部、32…第2磁石部、41…スルーボルト、42…ナット、S…空隙。

Claims (7)

  1. 回転軸(13)と、前記回転軸に一体回転可能に設けられた鉄心(14)と、前記鉄心に固定されたハルバッハ配列磁石(15)と、を備え、
    前記ハルバッハ配列磁石は、磁化方向が径方向に沿う複数の第1磁石部(31)と、磁化方向が周方向に沿う複数の第2磁石部(32)とを有し、前記第1磁石部と前記第2磁石部とが周方向に交互に配置されており、
    前記鉄心は、前記回転軸に固定された筒状の軸固定部(21)と、前記軸固定部の径方向外側に位置するとともに、前記ハルバッハ配列磁石の径方向内側に位置して磁路を形成する筒状のヨーク部(24)と、前記軸固定部から外周側に延出して前記ヨーク部と接続された連結部(23)と、を備え、
    前記連結部は、周方向において互いに空隙(S)を介して複数設けられ、
    前記ヨーク部の内周面における前記第2磁石部の径方向内側の位置には、磁路を形成する機能に加えその他の機能も有する他機能部(25,26)が、前記ヨーク部の内周面から径方向内側に延出する態様で設けられている、回転子。
  2. 前記他機能部は、前記ヨーク部と前記連結部との接続部(25)を含む、請求項1に記載の回転子。
  3. 前記接続部の周方向寸法が前記第2磁石部の周方向寸法よりも大きい、請求項2に記載の回転子。
  4. 前記接続部は、径方向外側にかけて周方向寸法が大きくなるテーパ状をなしている、請求項2又は請求項3に記載の回転子。
  5. 前記鉄心の軸方向端部に組み付けられたカバー部材(16)を備え、
    前記他機能部は、前記カバー部材を前記鉄心に固定するためのカバー固定部(26)を含む、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の回転子。
  6. 前記カバー固定部は、該カバー固定部を軸方向に貫通するボルト挿通孔(26a)を備え、
    前記ボルト挿通孔に挿通されたスルーボルト(41)と前記スルーボルトに螺合されたナット(42)とによって、前記カバー部材が前記鉄心に対して締結固定されている、請求項5に記載の回転子。
  7. 環状の固定子(11)と、前記固定子の内側に設けられた回転子(12)と、を備えた回転電機であって、
    前記回転子は、回転軸(13)と、前記回転軸に一体回転可能に設けられた鉄心(14)と、前記鉄心に固定されたハルバッハ配列磁石(15)と、を備え、
    前記ハルバッハ配列磁石は、磁化方向が径方向に沿う複数の第1磁石部(31)と、磁化方向が周方向に沿う複数の第2磁石部(32)とを有し、前記第1磁石部と前記第2磁石部とが周方向に交互に配置されており、
    前記鉄心は、前記回転軸に固定された筒状の軸固定部(21)と、前記軸固定部の径方向外側に位置するとともに、前記ハルバッハ配列磁石の径方向内側に位置して磁路を形成する筒状のヨーク部(24)と、前記軸固定部から外周側に延出して前記ヨーク部と接続された連結部(23)と、を備え、
    前記連結部は、周方向において互いに空隙(S)を介して複数設けられ、
    前記ヨーク部の内周面における前記第2磁石部の径方向内側の位置には、磁路を形成する機能に加えその他の機能も有する他機能部(25,26)が、前記ヨーク部の内周面から径方向内側に延出する態様で設けられている、回転電機。
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