JP2021072733A - 回転子及び電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクの変動を抑えることができる回転子及び電動機を提供する。【解決手段】回転子が備えるロータコアは、ロータコアの周方向に間隔をあけて配置されて板状の永久磁石が埋め込まれる複数の磁石埋込孔と、ロータコアの径方向における永久磁石の外側に形成された突極部と、ロータコアの周方向における永久磁石の両端側からロータコアの外周面に向かって延びる空隙部と、ロータコアの外周面の一部が切り欠かれて形成された切欠き溝と、外周面と空隙部との間に形成されたブリッジ部と、を有する。切欠き溝は、同切欠き溝と空隙部との間にブリッジ部を挟むように配置され、ロータコアの回転軸に直交する平面上において、ロータコアの回転中心からの距離が最小となる切欠き最小外径部が形成される。切欠き最小外径部は、ロータコアの周方向において空隙部よりも突極部の中心側に位置する。【選択図】図３

Description

本発明は、回転子及び電動機に関する。

電動機の回転子としては、ロータコアと、ロータコアの外周側に配置されたステータコアと、を有しており、ロータコアに複数の永久磁石が埋め込まれた回転子が知られている。この種の回転子のロータコアは、板状の永久磁石が埋め込まれる複数の磁石埋込孔が、ロータコアの周方向に間隔をあけて配置されている。ロータコアとしては、ロータコアの周方向における磁石埋込孔の両端からロータコアの外周面に向かって延びる空隙部（非磁性部）と、外周面と空隙部との間に形成されたブリッジ部と、を有するものがある。

また、ロータコアには、ロータコアの径方向における磁石埋込孔の外側に形成された突極部と、ロータコアの外周面が切り欠かれて形成された切欠き溝と、を有するものがある。このように切欠き溝が形成されることにより、ロータコアにおける磁束分布が調整されている。

特開２０１２−８５５３２号公報 特開２０１２−１２０３２６号公報

先行技術文献に記載された回転子は、空隙部の径方向長さが、空隙部の周方向長さよりも長くなるように形成されており、永久磁石はロータコアの外周面から離れて配置されている。これに対して、例えば永久磁石をロータコアの外周面に近づけて配置すれば、ロータコアからステータコアに到達するまでの磁気抵抗が小さくなり、ロータコアからステータコアに流れる磁束量を増やして回転トルクを高めることができる。また、永久磁石をロータコアの外周面に近づけなくても、磁束密度の高い永久磁石を用いることで、ロータコアからステータコアに流れる磁束量を増やして回転トルクを高めることができる。一方、ロータコアからステータコアに流れる磁束量が増えると、ロータコアとステータコアが引き合う力が大きくなり、ロータコアの回転時のトルクの変動量（トルクリップル）が大きくなる問題がある。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、トルクの変動を抑えることができる回転子及び電動機を提供することを目的とする。

本願の開示する回転子の一態様は、円柱状に形成されたロータコアを備える回転子であって、ロータコアは、ロータコアの周方向に間隔をあけて配置されて板状の永久磁石が埋め込まれる複数の磁石埋込孔と、ロータコアの径方向における永久磁石の外側に形成された突極部と、永久磁石の両端側からロータコアの外周面に向かって延びる空隙部と、ロータコアの外周面の一部が切り欠かれて形成された切欠き溝と、外周面と空隙部との間に形成されたブリッジ部と、を有し、切欠き溝は、当該切欠き溝と空隙部との間にブリッジ部を挟むように配置され、ロータコアの回転軸に直交する平面上において、ロータコアの回転中心から切欠き溝までの距離が周方向に沿って変化することで、切欠き溝には、ロータコアの回転中心からの距離が最小となる切欠き最小外径部が形成され、切欠き最小外径部は、ロータコアの周方向において空隙部よりも突極部の中心側に位置する。

本願の開示する回転子の一態様によれば、トルクの変動を抑えることができる。

図１は、実施例の電動機を示す平面図である。 図２は、実施例の回転子を示す平面図である。 図３は、実施例の回転子のロータコアの要部を説明するための平面図である。 図４−１は、実施例におけるロータコアの要部を示す拡大図である。 図４−２は、実施例におけるロータコアの要部を示す拡大図である。 図５−１Ａは、実施例のロータにおける磁束密度分布の変化を説明するための拡大図である。 図５−１Ｂは、比較例のロータにおける磁束密度分布の変化を図５−１Ａと比べて示す拡大図である。 図５−２Ａは、実施例のロータにおける磁束密度分布の変化を説明するための拡大図である。 図５−２Ｂは、比較例のロータにおける磁束密度分布の変化を図５−２Ａと比べて示す拡大図である。 図５−３Ａは、実施例のロータにおける磁束密度分布の変化を説明するための拡大図である。 図５−３Ｂは、比較例のロータにおける磁束密度分布の変化を図５−３Ａと比べて示す拡大図である。 図５−４Ａは、実施例のロータにおける磁束密度分布の変化を説明するための拡大図である。 図５−４Ｂは、比較例のロータにおける磁束密度分布の変化を図５−４Ａと比べて示す拡大図である。 図６は、リラクタンストルクについて実施例と比較例の各ロータを比べて示す図である。 図７は、マグネットトルクについて実施例と比較例の各ロータを比べて示す図である。 図８Ａは、実施例のロータコアにおけるトルク波形を示す図である。 図８Ｂは、比較例のロータコアにおけるトルク波形を示す図である。 図９は、実施例におけるロータコアについて、総合効率及びトルクリップルと、空隙最外径部の距離及び切欠き最内径部の距離との関係を説明するためのグラフである。 図１０は、参考例におけるロータコアの形状を示す平面図である。

以下に、本願の開示する回転子及び電動機の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施例によって、本願の開示する回転子及び電動機が限定されるものではない。

（電動機の構成）
図１は、実施例における電動機を示す平面図である。図２は、実施例の回転子を示す平面図である。図１及び図２に示すように、本実施例の電動機６は、６極９スロットの集中巻型の３相モータである。電動機６は、回転子としてのロータ２１と、ロータ２１の外周側に配置される固定子としてのステータ２２と、を備える。ロータ２１は、ケイ素鋼板等の軟磁性体からなる複数の金属板が積層されて形成された円柱状のロータコア２３を有しており、複数の金属板は、例えばカシメにより一体化されている。ロータコア２３の中心軸には、回転軸としてのシャフト３が挿通されて、シャフト３とロータ２１が固定されている。また、ロータコア２３には、複数の冷媒ガス通路９がロータコア２３の軸方向（シャフト３の軸方向）に貫通して設けられており、複数の冷媒ガス通路９がシャフト３の軸まわりに沿って間隔をあけて配置されている。実施例におけるロータコア２３の要部については後述する。

ステータ２２は、概ね円筒形に形成されており、ロータ２１の外周側を囲むように配置されている。ステータ２２は、例えば、不図示の圧縮機の圧縮容器の内部等に固定される。図１に示すように、ステータ２２は、ステータコア２４と、上インシュレータ２５及び下インシュレータ（図示せず）と、複数の巻き線４６と、を備える。ステータコア２４は、ロータコア２３の外周面との間に所定のエアギャップをあけて配置されている。ステータコア２４は、環状のヨーク３１から内方に向かって延びる９本のティース３２が、ステータコア２４の周方向において４０ｄｅｇ（機械角）の間隔で形成されており、ティース３２の先端から、ステータコア２４の周方向に突出する先端エッジ３３が形成されている。各ティース３２には、各巻き線４６によって巻回部４５がそれぞれ形成されている。複数の巻き線４６は、３つのＵ相巻き線４６−Ｕ１〜４６−Ｕ３と、３つのＶ相巻き線４６−Ｖ１〜４６−Ｖ３と、３つのＷ相巻き線４６−Ｗ１〜４６−Ｗ３と、を有する。また、ステータ２２において、各巻回部４５から引き出されて一束にまとめられた中性線は、絶縁チューブで覆われて、ステータ２２の周方向（ロータ２１の回転方向）に隣り合う巻回部４５の隙間に挿入されている（図１参照）。上インシュレータ２５は、ステータコア２４の上端部に固定されている。下インシュレータは、ステータコア２４の下端部に固定されている。上インシュレータ２５及び下インシュレータは、ステータコア２４と巻き線４６とを絶縁する絶縁部材である。

図２に示すように、実施例の電動機６のロータコア２３は、永久磁石１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ（以下、永久磁石１３と称する。）が埋め込まれる複数の磁石埋込孔１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ（以下、磁石埋込孔１２と称する。）を有する。ロータコア２３には、６つのスリット状の磁石埋込孔１２が、シャフト３を中心として６角形の各辺をなすように形成されている。各磁石埋込孔１２は、ロータコア２３の周方向に所定間隔をあけて配置されている。磁石埋込孔１２には、板状の永久磁石１３が埋め込まれている。なお、ロータコア２３の軸方向の両端面には、永久磁石１３の抜け防止のための端板が取り付けられているが、ロータコア２３の要部の説明のため、端板の図示を省略している。端板は、リベット８によってロータコア２３に対して固定されている。

図３は、実施例の回転子のロータコア２３の要部を説明するための平面図である。また、ロータコア２３は、図２に示すように、複数の突極部１１ａ〜１１ｆ（以下、突極部１１と称する。）と、複数の空隙部１４ａ〜１４ｆ、１５ａ〜１５ｆ（以下、空隙部１４、１５と称する。）と、複数の切欠き溝１６ａ〜１６ｆ、１７ａ〜１７ｆ（以下、切欠き溝１６、１７と称する。）と、複数のブリッジ部２６と、を有する。

突極部１１は、ロータコア２３の径方向における永久磁石１３の外側に形成されている。ロータコア２３の周方向における永久磁石１３の両端側には、非磁性部（フラックスバリア）である空隙部１４、１５が磁石埋込孔１２に連続して形成されており、空隙部１４によって磁束の短絡が防止されている。言い換えれば、ロータコア２３には軸方向に貫通する貫通孔が形成されており、貫通孔において永久磁石１３によって埋まる領域が磁石埋込孔１２であり、貫通孔において永久磁石１３によって埋まらない領域が非磁性部としての空隙部１４、１５である。空隙部１４、１５は、ロータコア２３の周方向における永久磁石１３の両端側から、ロータコア２３の径方向の外側に向かって、すなわちロータコア２３の外周面２３ａに向かって延びるように形成されている。ロータコア２３の周方向において、突極部１１の一端側に空隙部１４が形成されており、突極部１１の他端側に空隙部１５が形成されている。

切欠き溝１６、１７は、円柱状のロータコア２３の外周面２３ａの一部が、ロータコア２３の径方向の内側に向かって切り欠かれて形成されている。ここで、ロータコア２３の軸方向と直交する平面において、ロータコア２３の外周面２３ａに外接する円を仮想円Ｃとしたとき、切欠き溝１６、１７は、仮想円Ｃから径方向の内側に向かって窪むように形成されるとともに、ロータコア２３の空隙部１４、１５の近傍に配置されている。ロータコア２３の周方向において、各突極部１１の一端側に切欠き溝１６が形成されており、各突極部１１の他端側に切欠き溝１７が形成されている。切欠き溝１６、１７の詳細については後述する。

また、ロータコア２３の外周面２３ａには、切欠き溝１７ａと１６ｂ、１７ｂと１６ｃ、１７ｃと１６ｄ、１７ｄと１６ｅ、１７ｅと１６ｆ、１７ｆと１６ａとの間の各々に、ロータコア２３の径方向の外側に突出する突起部１８がそれぞれ形成されている。突起部１８は、ロータコア２３の回転中心Ｏから隣り合う永久磁石１３同士の間の中央を通るように延びる、ｑ軸Ｑ上に配置されている。言い換えると、ロータコア２３の隣り合う空隙部１４と空隙部１５との間の極間部において、仮想円Ｃからロータコア２３の径方向の内側に向かって切り欠かれていない箇所が、突起部１８となっている。シャフト３の軸方向に直交する平面上において、突起部１８の先端は円弧状に形成されている。なお、ロータコア２３の回転中心Ｏは、ロータ２１の回転中心に一致している。

また、ロータコア２３の外周面２３ａには、切欠き溝１６、１７における突極部１１の中心側の一端、すなわち、ロータコア２３の回転中心Ｏから永久磁石１３の中央を通るように延びる、ｄ軸Ｄ側の一端に隣接して、微小な溝１９が形成されている。ブリッジ部２６は、ロータコア２３の外周面２３ａと空隙部１４との間、および、外周面２３ａと空隙部１５との間に形成されている。ブリッジ部２６の詳細については後述する。

以上のようにロータコア２３の外周面２３ａに、切欠き溝１６、１７、突起部１８、溝１９が形成されることにより、永久磁石１３によって発生する誘起電圧の高調波成分が低減され、誘起電圧波形を正弦波に近づけて、コギングトルクの低減が可能となる。ロータコア２３において、空隙部１４、１５、切欠き溝１６、１７、突起部１８、溝１９の各々は、各突極部１１のｄ軸Ｄに対して線対称に形成されている。

（ロータコアの特徴的な構造）
次に、実施例におけるロータコア２３の特徴的な構造について説明する。図４−１、４−２は、実施例におけるロータコア２３の要部を示す拡大図である。実施例の特徴には、ロータコア２３における切欠き溝１６、１７の位置、ブリッジ部２６の形状等が含まれる。

図３及び図４−１、図４−２に示すように、ロータコア２３の外周面２３ａには、切欠き溝１６が、当該切欠き溝１６と空隙部１４との間にブリッジ部２６を挟むように配置されており、切欠き溝１７が、当該切欠き溝１７と空隙部１５との間にブリッジ部２６を挟むように配置されている。また、シャフト３の軸方向）に直交する平面上において、切欠き溝１６、１７は、ロータコア２３の回転中心Ｏからの距離（ロータコア２３の外径）Ｒ２がロータコア２３の周方向に沿って変化することで、距離Ｒ２が最小となる切欠き最小外径部２９Ｓが形成されている。言い換えると、切欠き溝１６、１７は、ロータコア２３の外周面２３ａに外接する仮想円Ｃからロータコア２３の径方向の内側へ向けて窪んでいる深さが、ロータコア２３の周方向に沿って変化することで、切欠き溝１６、１７のそれぞれには、切り欠かれる深さが最大となる切欠き最小外径部２９Ｓが形成されている。ここで、回転中心Ｏから切欠き最小外径部２９Ｓまでの距離を、Ｒ２ｍｉｎとする。切欠き最小外径部２９Ｓは、空隙部１４、１５をロータコア２３の径方向の外側に向かって投影した仮想領域ＩＲ（回転中心Ｏからロータコア２３の径方向に延びて、空隙部１４、１５の周方向の両端を通る２本の直線の間の領域）よりも、ロータコア２３の周方向における突極部１１の中心側（ｄ軸Ｄ側）に位置する。このような切欠き溝１６、１７を有することにより、ロータコア２３の回転時におけるトルクの変動量（以下、トルクリップルと称する。）が抑制される。

空隙部１４、１５は、ロータコア２３の周方向に伸びる周方向長さをＬ１、永久磁石１３の外径側の端部を始点としてロータコア２３の径方向（ｑ軸Ｑ方向）の外側に向かって延びる径方向長さをＬ２としたとき、Ｌ１＞Ｌ２に形成されている。そのため、空隙部１４、１５の径方向長さＬ２が周方向長さＬ１よりも短いので、永久磁石１３を外周面２３ａに近い位置に配置することができ、ロータコア２３からステータコア２４に流れる磁束量を増やしてロータ２１の回転トルクを高めることができる。また、シャフト３に直交する平面上において、空隙部１４、１５は、空隙部１４、１５の内面においてロータコア２３の回転中心Ｏからの距離Ｒ１が最大となる空隙最大外径部２９Ｌを有する。そして、ロータコア２３の回転中心Ｏから空隙最大外径部２９Ｌまでの距離をＲ１ｍａｘとすると、回転中心Ｏから切欠き最小外径部２９Ｓまでの距離Ｒ２ｍｉｎとは、
Ｒ１ｍａｘ≧Ｒ２ｍｉｎ ・・・（式１）
の関係式を満たす。詳細は後述するが、式１を満たすことにより、電動機６の効率（総合効率）の低下を抑えると共に、ロータコア２３の回転時におけるトルクリップルを更に抑制することができる（図９参照）。

図４−１、図４−２に示すように、ロータコア２３において、外周面２３ａと空隙部１４、１５との間には、細長いブリッジ部２６が形成されている。ブリッジ部２６は、ロータコア２３の周方向に沿って延びる第１ブリッジ２７と、第１ブリッジ２７における突極部１１の中心側（ｄ軸Ｄ側）の一端からロータコア２３の径方向の内側に向かって傾斜して設けられた第２ブリッジ２８と、を有する。第１ブリッジ２７は、ｑ軸Ｑ側（突起部１８側）から、ロータコア２３の周方向に沿うようにｄ軸Ｄ側に延ばされており、第２ブリッジ２８に連結されている。

ブリッジ部２６が延びる長手方向において、ブリッジ部２６の幅Ｗ（外周面２３ａと空隙部１４または１５との距離）が、空隙最大外径部２９Ｌの位置において最小となる。ブリッジ部２６の幅Ｗは、例えば、第１ブリッジ２７と第２ブリッジ２８との境界付近の位置（第１ブリッジ２７から第２ブリッジ２８が傾斜している位置）において最小となるように、切欠き溝１６、１７が形成されている。なお、空隙部１４、１５や切欠き溝１６、１７の形状および配置に応じて、ブリッジ部２６の幅Ｗが最小となる位置が、第２ブリッジ２８における突極部１１側に位置してもよい。本実施例では、第１ブリッジ２７の幅Ｗが０．４（ｍｍ）に形成されており、第１ブリッジ２７と第２ブリッジ２８との境界（空隙最大外径部２９Ｌ）の位置におけるブリッジ部２６の幅Ｗが０．３６（ｍｍ）に形成されている。

また、上述のように、ブリッジ部２６において、第１ブリッジ２７の周方向長さ（空隙部１４、１５の、ロータコア２３の周方向に伸びる長さと一致）をＬ１、第２ブリッジ２８の径方向長さ（空隙部１４、１５の、永久磁石１３の外径側の端部を始点としてロータコア２３の径方向（ｑ軸Ｑ方向）の外側に向かって延びる長さと一致）をＬ２としたとき、
Ｌ１＞Ｌ２ ・・・（式２）
を満たす。詳細は後述するが、式２を満たすことにより、第２ブリッジ２８において磁気飽和を生じさせることで、ブリッジ部２６においてそれ以上の磁束が流れなくなる。これにより、ブリッジ部２６を介した漏れ磁束が抑制され（図５参照）、電動機６の効率（総合効率）の低下を抑えながら、ロータコア２３の回転時におけるトルクリップルを抑制することができる（図９参照）。

図５−１Ａ〜図５−４Ａは、実施例のロータ２１における磁束密度分布の変化を説明するための拡大図である。図５−１Ｂ〜図５−４Ｂは、比較例のロータにおける磁束密度分布の変化を図５−１Ａ〜図５−４Ａと比べて示す拡大図である。図５−１Ａと図５−１Ｂ、図５−２Ａと図５−２Ｂ、図５−３Ａと図５−３Ｂ、図５−４Ａと図５−４Ｂは、それぞれロータコアが回転動作中の同一時点での状態を示している。ロータコアは、図中の矢印Ａ方向（反時計回り）に回転する。

図５−１Ｂ〜図５−４Ｂに示す比較例において、図５−１Ａ〜図５−４Ａに示す実施例と同一の部材、同一の部分には、実施例と同一の符号を付して説明を省略する。実施例におけるロータコア２３は、ロータコア２３の回転中心Ｏから切欠き溝１６、１７までの距離Ｒ２が最小となる切欠き最小外径部２９Ｓが、空隙部１４、１５をロータコア２３の径方向の外側に向かって投影した仮想領域ＩＲよりも、ロータコア２３の周方向における突極部１１の中心側（ｄ軸Ｄ側）に形成されている。一方、比較例におけるロータコア１２３は、切欠き最小外径部２９Ｓが仮想領域ＩＲ上に形成されている点で、実施例のロータコア２３と異なる。実施例と比較例は、ロータコア２３、１２３を除く他の構造は同一である。

図５−１Ａに示す実施例のロータコア２３は、図５−１Ｂに示す比較例のロータコア１２３と比べて、Ｎ極の永久磁石１３がステータコア２４のティース３２に近づいたときに、Ｎ極の永久磁石１３からティース３２に向かって入り込む磁束が抑えられる。図５−２Ｂに示すように、比較例のロータコア１２３は、Ｎ極の永久磁石１３がステータコア２４のティース３２に更に近づいたときに、ティース３２の磁束密度が上昇する。また、図５−２Ｂ及び図５−３Ｂに示すように、比較例のロータコア１２３は、図中の矢印Ｂの位置で、ティース３２に対向する位置へ進入する突極部１１の一端側からティース３２へ入り込む磁束が増える。つまり、比較例のロータコア１２３は、実施例における特徴部を備えた切欠き溝１６、１７が形成されていないことで、図中の矢印Ｂの位置でロータ２１の永久磁石１３の極性がＳ極からＮ極に切り替わるときにＮ極の永久磁石１３からの磁束の入り込みが生じている。これに対して、図５−２Ａ及び図５−３Ａに示すように、実施例のロータコア２３は、Ｎ極の永久磁石１３がティース３２に更に近づいたときに、比較例のロータコア１２３と比べて、ティース３２の磁束密度の上昇が抑制されており、図中の矢印Ｂの位置においても、ティース３２に対向する位置へ進入する突極部１１の一端側からティース３２へ入り込む磁束が抑制される。

図５−３Ｂ及び図５−４Ｂに示すように、比較例のロータコア１２３は、図中の矢印Ｂの位置で、突極部１１の一端からティース３２に入り込む磁束が増えることにより、突極部１１がティース３２に近づくにつれてティース３２の磁束密度が上昇する。一方、図５−３Ａ及び図５−４Ａに示すように、実施例のロータコア２３は、比較例のロータコア１２３と比べて、突極部１１がティース３２に近づくときにおけるティース３２の磁束密度の上昇が抑制される。上述のように、実施例のロータコア２３は、切欠き溝１６、１７を有することにより、ロータコア２３とステータコア２４との間のエアギャップが適正に確保されるので、比較例のロータコア１２３と比べて、ロータコア２３の回転時における磁束密度の変動が抑制されて、トルクリップルが抑制される。

また、図５−１Ａ〜図５−４Ａに示されるように、実施例のロータコア２３は、ブリッジ部２６の長さについて、第１ブリッジ２７の周方向長さＬ１よりも第２ブリッジ２８の径方向長さＬ２が短くなるように形成されていることにより、第２ブリッジ２８で磁気飽和を生じさせ、第１ブリッジ２７より幅の細い第２ブリッジ２８にてそれ以上の磁束が流れないようにしている。更に、第１ブリッジ２７が第２ブリッジ２８よりも長く、また、ブリッジ部２６の幅Ｗが第１ブリッジ２７と第２ブリッジ２８の境界付近において最小となるように形成されていることにより、第２ブリッジ２８を経由して第１ブリッジ２７へ短絡する漏れ磁束が大幅に抑制されている。そのため、実施例のロータコア２３を備える電動機６の効率（総合効率）の低下が抑えられている。

（実施例と比較例のトルク波形の比較）
図６は、リラクタンストルクについて実施例と比較例の各ロータを比べて示す図である。図７は、マグネットトルクについて実施例と比較例の各ロータを比べて示す図である。図６及び図７において、切欠き溝１６、１７を有する実施例のロータコア２３を実線で示し、切欠き溝１６、１７を有していない比較例のロータコア１２３を破線で示す。また、図６及び図７において、縦軸がトルク（Ｎｍ）を示し、横軸が電気角（ｄｅｇ）を示す。

図６に示すように、実施例のロータコア２３のリラクタンストルクは、電気角によって約−０．０１±０．０３（Ｎｍ）で変動し、比較例のロータコア１２３のリラクタンストルクは、電気角によって約−０．０１±０．０４（Ｎｍ）で変動している。そのため実施例のロータコア２３は、比較例のロータコア１２３と比べて、電気角によるリラクタンストルクの変動量の幅が僅かに（約±０．０１（Ｎｍ））増加する。一方、図７に示すように、実施例のロータコア２３のマグネットトルクは、電気角によって約１．６０±０．０５（Ｎｍ）で変動し、比較例のロータコア１２３のマグネットトルクは、電気角によって約１．６０±０．１５（Ｎｍ）で変動している。そのため実施例のロータコア２３は、比較例のロータコア１２３に比べて、電気角によるマグネットトルクの変動量、の幅が約±０．１（Ｎｍ）大きい。そのため、リラクタンストルクとマグネットトルクの合成で表されるモータのトルクに関し、電気角によるトルクの変動量（トルクリップル）は、マグネットトルクの変動による影響が、リラクタンストルクの変動による影響よりも支配的となっている。実施例のロータコア２３は、比較例よりもリラクタンストルクの変動量が僅かに増加することと比べ、比較例よりもマグネットトルクの変動量の低減が顕著である。そのため、実施例のロータコアは、比較例のロータコア１２３に比べて、トルクリップルを十分に低減することができる。

図８Ａは、実施例のロータコア２３におけるトルク波形を示す図である。図８Ｂは、比較例のロータコア１２３におけるトルク波形を示す図である。図８Ａ及び図８Ｂにおいて、縦軸がトルク（Ｎｍ）を示し、横軸が電気角（ｄｅｇ）を示す。図８Ａ及び図８Ｂは、図６と図７の各波形を合成したトルクを示している。

図８Ｂに示すように、比較例のロータコア１２３は、電気角によるトルクの変動量（トルクの最大値と最小値の差）であるトルクリップルＴＢが０．２７（Ｎｍ）である。これに対して、図８Ａに示すように、実施例のロータコア２３は、トルクリップルＴＡが０．１４（Ｎｍ）に抑制される。

一般に、磁石埋込型のＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータにおいて、トルクは、リラクタンストルクとマグネットトルクとの合成である。このため、トルクリップルを小さくする観点では、リラクタンストルクの位相とマグネットトルクの位相が反転していることが望ましい。つまり、リラクタンストルクとマグネットトルクの各々の変動を示す波形と振幅が同一かつ位相は反転するように設計することで、理論上はトルクリップルをゼロにできる。

しかしながら、図６及び図７に示すように、比較例のロータコア１２３は、リラクタンストルクの位相とマグネットトルクの位相がほぼ反転しているにもかかわらず、マグネットトルクの変動量（リップル成分）が大きいので、結果的に図８Ｂに示すように、合成したトルクリップルが大きいという問題がある。このように比較例のロータコア１２３において、トルクリップルが大きくなる原因は、ロータコア２３の周方向において、空隙部１４、１５をロータコア２３の径方向の外側に向かって投影した仮想領域ＩＲよりも突極部１１の中心側（ｄ軸Ｄ側）の範囲で、切欠き溝の深さが十分に確保されないことで、ロータコアの回転時に磁極が切り替わるときに、図５−１Ｂ〜図５−４Ｂに示されるように、極間部で磁束密度の分布が早めに切り替わり始めてしまい、磁束の振れ幅が大きくなり、結果としてマグネットトルクのトルクリップルが大きくなるためである。一方、実施例のロータコア２３は、ロータコア２３の回転中心Ｏから切欠き溝１６、１７までの距離Ｒ２が最小となる切欠き最小外径部２９Ｓが、空隙部１４、１５をロータコア２３の径方向の外側に延長した仮想領域ＩＲよりも、ロータコア２３の周方向において突極部１１の中心側（ｄ軸Ｄ側）に形成されていることにより（言い換えれば、切欠き最小外径部２９Ｓが、ロータコア２３の周方向において空隙部１４、１５よりも突極部１１の中心側に形成されていることにより）、ロータ２１の回転時にロータコア２３とステータコア２４との間のエアギャップが適正に確保される。このように切欠き溝１６、１７によって、ロータコア２３の回転時に磁極が切り替わるときに、極間部におけるエアギャップが徐々に拡がることで、エアギャップの大きさに比例して磁束密度を徐々に減少させて、磁束密度分布の変動が抑制される。これにより、実施例のロータコア２３は、リラクタンストルクの変動が僅かに大きくなるものの、マグネットトルクの変動が十分に小さくなるので、トルクリップルを抑制することができる。

（空隙最大外径部の距離と切欠き最小外径部の距離との関係）
図９は、実施例におけるロータコア２３について、総合効率及びトルクリップルと、回転中心Ｏから空隙最大外径部２９Ｌまでの距離Ｒ１ｍａｘ、及び、回転中心Ｏから切欠き最小外径部２９Ｓまでの距離Ｒ２ｍｉｎとの関係を説明するためのグラフである。図９において、縦軸が電動機６の総合効率（電動機６に入力された電気エネルギー（電力）に対する出力された機械的エネルギー（動力）の割合）（％）及びトルクリップル（％）を示し、横軸がロータコア２３の回転中心Ｏから切欠き最小外径部２９Ｓまでの距離Ｒ２ｍｉｎ（図４参照）を示している。また、図９では、ロータコア２３の回転中心Ｏから空隙最大外径部２９Ｌまでの距離Ｒ１ｍａｘを２５．６（ｍｍ）で一定とし、電動機６の回転数を１７（ｒｐｓ）とし、１．８（Ｎｍ）のトルクを出力する条件としている。ここで、トルクリップル（％）は、「平均の出力トルクに対するトルクの変動量（トルクの最大値と最小値の差）の割合」で定義される。ここでは、「トルクリップル（％）＝実施例のロータコア２３のトルクリップルＴＡ（Ｎｍ）／１．８（Ｎｍ）×１００」で算出している。

図９に示すように、回転中心Ｏから切欠き最小外径部２９Ｓまでの距離Ｒ２ｍｉｎを、回転中心Ｏから空隙最大外径部２９Ｌまでの距離Ｒ１ｍａｘである２５．６（ｍｍ）以下にすること、すなわち前述の式（１）を満たすことにより、電動機６の総合効率の低下を抑えると共に、ロータコア２３の回転時におけるトルクリップル（％）を１０％以下に抑制することができる。

（参考例）
ここで、ロータコアの外周面に切欠き溝が形成された参考例のロータを説明する。参考例において実施例のロータコア２３と同一部分には、実施例と同一符号を付けて説明を省略する。図１０は、参考例におけるロータコアの形状を示す平面図である。

図１０に示すように、参考例におけるロータコア２２３は、空隙部２１４、２１５に対して、ロータコア２２３の径方向の外側となる位置に、第１切欠き溝２１６、２１７が、外周面２２３ａが切り欠かれて形成されている。ロータコア２２３は、ブリッジ部２２６の外側に第１切欠き溝２１６、２１７が形成されている。また、ロータコア２２３は、ロータコア２２３の周方向において、第１切欠き溝２１６、２１７の突極部１１側に隣接して第２切欠き溝２１９が形成されている。

参考例のロータコア２２３は、第１切欠き溝２１６、２１７、第２切欠き溝２１９を有するが、ロータコア２２３の径方向において空隙部２１４、２１５に近接する第１切欠き溝２１６、２１７における切欠き最小外径部の回転中心Ｏからの距離Ｒ２ｍｉｎが、空隙部２１４、２１５における空隙最大外径部の回転中心Ｏからの距離Ｒ１ｍａｘよりも大きい。すなわち、参考例のロータコア２２３は、Ｒ１ｍａｘ＜Ｒ２ｍｉｎとなる構造である。このため、実施例のように、Ｒ１ｍａｘ≧Ｒ２ｍｉｎとなる構造と比べて、マグネットトルクが十分に低減されず、トルクリップルを適正に抑制することができない。

（実施例の効果）
実施例の電動機６のロータコア２３において、切欠き溝１６、１７は、ロータコア２３のシャフト３に直交する平面上において、ロータコア２３の回転中心Ｏから切欠き溝１６、１７までの距離が最小となる切欠き最小外径部２９Ｓが形成されており、切欠き最小外径部２９Ｓが、ロータコア２３の周方向において空隙部１４、１５よりも突極部１１の中心側（ｄ軸Ｄ側）に形成されている。このような切欠き溝１６、１７を有することにより、ロータコア２３の回転時におけるエアギャップが適正に確保されロータコア２３の回転に伴う磁束密度分布の変動を抑制することが可能となる。このため、実施例によれば、マグネットトルクの変動量を抑制し、トルクリップルを抑えることができる。また、このような切欠き溝１６、１７を有することにより、切欠き溝１６、１７の切欠き最小外径部２９Ｓを、空隙部１４、１５の空隙最大外径部２９Ｌよりも、ロータコア２３の径方向の内側に位置させることができるので、トルクリップルを更に低減することが可能になる。

また、実施例の電動機６のロータコア２３は、ロータコア２３の回転中心Ｏから空隙最大外径部２９Ｌまでの距離をＲ１ｍａｘ、回転中心Ｏから切欠き最小外径部２９Ｓまでの距離をＲ２ｍｉｎとしたとき、Ｒ１ｍａｘ≧Ｒ２ｍｉｎ・・・（式１）を満たす。これにより、電動機６の総合効率が向上すると共に、ロータコア２３の回転時におけるトルクリップルを更に抑制することができる。

また、実施例の電動機６のロータコア２３において、ブリッジ部２６は、ロータコア２３の周方向に延びる第１ブリッジ２７と、第１ブリッジ２７における突極部１１の中心側（ｄ軸Ｄ側）の一端から、ロータコア２３の径方向の内側に向かって曲げられた第２ブリッジ２８と、を有する。これにより、ロータコア２３の回転に伴う磁束密度分布の変動を抑制することが可能となり、マグネットトルクの変動量を抑制し、トルクリップルを抑えることができる。

また、実施例の電動機６のロータコア２３は、ブリッジ部２６において、ブリッジ部２６の短手方向の幅Ｗが、第１ブリッジ２７と第２ブリッジ２８の境界付近において最小となる。これにより、ロータコア２３の回転に伴う磁束密度分布の変動を抑制することが可能となり、マグネットトルクの変動量を抑制し、トルクリップルを抑えることができる。

また、実施例の電動機６のロータコア２３は、ブリッジ部２６において、第１ブリッジ２７の周方向長さをＬ１、第２ブリッジ２８の径方向長さをＬ２としたとき、Ｌ１＞Ｌ２・・・（式２）を満たす。これにより、ロータコア２３の回転に伴う磁束密度分布の変動を抑制することが可能となり、マグネットトルクの変動量を抑制し、トルクリップルを抑えることができる。また、ロータコア２３におけるブリッジ部２６からの漏れ磁束を低減して、電動機６の総合効率を高めることができる。

また、実施例の電動機６のロータコア２３の外周面２３ａには、ロータコア２３の周方向において隣り合う空隙部１４、１５同士の間の極間部に、ロータコア２３の径方向の外側に突出する突起部１８が設けられている。これにより、永久磁石１３によって発生する誘起電圧の高調波成分が低減され、誘起電圧波形を正弦波に近づけて、コギングトルクの低減が可能となる。

３ シャフト（回転軸）
６ 電動機
１１（１１ａ〜１１ｆ） 突極部
１２（１２ａ〜１２ｆ） 磁石埋込孔
１３（１３ａ〜１３ｆ） 永久磁石
１４（１４ａ〜１４ｆ）、１５（１５ａ〜１５ｆ） 空隙部
１６（１６ａ〜１６ｆ）、１７（１７ａ〜１７ｆ） 切欠き溝
１８（１８ａ〜１８ｆ） 突起部
１９ 溝
２１ ロータ（回転子）
２２ ステータ（固定子）
２３ ロータコア
２３ａ 外周面
２６ ブリッジ部
２７ 第１ブリッジ
２８ 第２ブリッジ
２９Ｓ 切欠き最小外径部
２９Ｌ 空隙最大外径部
Ｄ ｄ軸
Ｌ１ 周方向長さ
Ｌ２ 径方向長さ
Ｏ 回転中心
ＩＲ 仮想領域
Ｒ１ 回転中心Ｏから空隙部１４、１５の内面までの距離
Ｒ２ 回転中心Ｏから切欠き溝１６、１７までの距離
Ｒ１ｍａｘ 回転中心Ｏから空隙最大外径部２９Ｌまでの距離
Ｒ２ｍｉｎ 回転中心Ｏから切欠き最小外径部２９Ｓまでの距離
Ｗ ブリッジ部２６の幅

本願の開示する回転子の一態様は、円柱状に形成されたロータコアを備える回転子であって、ロータコアは、ロータコアの周方向に間隔をあけて配置されて板状の永久磁石が埋め込まれる複数の磁石埋込孔と、ロータコアの径方向における永久磁石の外側に形成された突極部と、永久磁石の両端側からロータコアの外周面に向かって延びる空隙部と、ロータコアの外周面の一部が切り欠かれて形成された切欠き溝と、外周面と空隙部との間に形成されたブリッジ部と、を有し、切欠き溝は、当該切欠き溝と空隙部との間にブリッジ部を挟むように配置され、ロータコアの回転軸に直交する平面上において、ロータコアの回転中心から切欠き溝までの距離が周方向に沿って変化することで、切欠き溝には、ロータコアの回転中心からの距離が最小となる切欠き最小外径部が形成され、前記平面上において、空隙部は、ロータコアの径方向の外側における磁石埋込孔の側面に沿って空隙部側に延ばした直線よりも前記径方向の外側に位置する角部を有し、切欠き最小外径部は、ロータコアの周方向において空隙部よりも突極部の中心側に位置する。

Claims (7)

1. 円柱状に形成されたロータコアを備える回転子であって、
   前記ロータコアは、前記ロータコアの周方向に間隔をあけて配置されて板状の永久磁石が埋め込まれる複数の磁石埋込孔と、前記ロータコアの径方向における前記永久磁石の外側に形成された突極部と、前記周方向における前記永久磁石の両端側から前記ロータコアの外周面に向かって延びる空隙部と、前記外周面の一部が切り欠かれて形成された切欠き溝と、前記外周面と前記空隙部との間に形成されたブリッジ部と、を有し、
   前記切欠き溝は、当該切欠き溝と前記空隙部との間に前記ブリッジ部を挟むように配置され、
   前記ロータコアの回転軸に直交する平面上において、前記ロータコアの回転中心から前記切欠き溝までの距離が前記周方向に沿って変化することで、前記切欠き溝には、前記回転中心からの距離が最小となる切欠き最小外径部が形成され、
   前記切欠き最小外径部は、前記周方向において前記空隙部よりも前記突極部の中心側に位置する、回転子。
2. 前記平面上において、前記空隙部は、前記空隙部の内面において前記ロータコアの前記回転中心からの距離が最大となる空隙最大外径部を有し、
   前記回転中心から前記空隙最大外径部までの距離をＲ１ｍａｘ、前記回転中心から前記切欠き最小外径部までの距離をＲ２ｍｉｎとしたとき、
   Ｒ１ｍａｘ≧Ｒ２ｍｉｎ
   を満たす、請求項１に記載の回転子。
3. 前記ブリッジ部は、前記周方向に沿って延びる第１ブリッジと、前記第１ブリッジにおける前記突極部の前記中心側の一端から前記径方向の内側に向かって傾斜した第２ブリッジと、を有する、請求項１または２に記載の回転子。
4. 前記ブリッジ部において、前記ブリッジ部の短手方向の幅が、前記第１ブリッジと前記第２ブリッジの境界付近において最小となる、請求項３に記載の回転子。
5. 前記ブリッジ部において、前記第１ブリッジの前記周方向の長さをＬ１、前記第２ブリッジの前記径方向の長さをＬ２としたとき、
   Ｌ１＞Ｌ２
   を満たす、請求項３または４のいずれか１項に記載の回転子。
6. 前記ロータコアの前記外周面には、前記周方向において隣り合う前記空隙部同士の間に、前記径方向の外側に向かって突出する突起部が設けられている、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の回転子。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の回転子と、
   前記回転子の外周側に配置される固定子と、
   を備える電動機。

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