JP2023049634A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転シャフトが低速で回転する場合においても十分に大きな回転トルクが得られ、かつステータ（特に電磁コイル）の発熱を抑制することができるモータを提供する。【解決手段】回転電機１０のステータ１２は、ヨーク部２４と、複数個のティース部２６とを有する。隣接するティース部同士の間には、スロット２８が形成される。スロットには、電磁コイル３０が設けられる。電磁コイルの内周端は、ティース部の一部である棹部３２の内周端からヨーク部に向かってオフセットされる。オフセット量ＯＦは、ティース部の一部である鍔部３４の内周端から、電磁コイルの内周先端位置までの距離として定義される。オフセット量は、ティース部の全長ＬＯの５％～１１％である。【選択図】図２

Description

本発明は、ステータとロータとを備える回転電機に関する。

回転電機は、ステータとロータとを備える。ステータは、複数個のティース部を有する。隣接するティース部同士の間には、スロットが形成される。スロットには、電磁コイルが設けられる。その一方で、ロータは永久磁石を有する。

回転電機は、例えば、モータとして機能する。この場合、電磁コイルに通電がなされる。通電に伴い、電磁コイルが磁気を帯びて交番磁界が形成される。この交番磁界と、永久磁石による磁界とが互いに反発する。又は、前記２個の磁界同士が互いに引き合う。以上の反発及び引き合いにより、ロータが回転する。

モータは、例えば、回転体に回転駆動力を付与する。回転体が飛翔体のプロペラである場合、モータには、飛翔体の離陸時又はホバリング時等に低回転で高トルクを継続して出力できる性能が求められる。この性能を得るために、モータを大型にすることが考えられる。しかしながら、この場合、モータの重量が大きくなる。従って、飛翔体も大型となり且つ重量が大きくなる。

そこで、モータが大型となることを回避しながら、高トルクを得ることが試みられている。例えば、特許文献１には、永久磁石に面するティース部のアーク角度を規定した構造が提案されている。なお、特許文献１には、１６個の永久磁石と、１８個のティース部とを有するモータが例示されている。この場合、１個の永久磁石のＮ極又はＳ極に対面するティース部の個数は、略１個である。

特許文献２及び特許文献３にも、モータにおいて高トルクを得るための構造が提案されている。

特開２００５－８０３８１号公報 特開２００７－１５１３３２号公報 特開２００７－２０９１９７号公報

飛翔体等の一層の小型化又は一層の軽量化を図るため、モータを一層小型化することが要請されている。しかしながら、小型のモータでは、高トルクを得ることが容易ではない。

小型であっても高トルクを得るために、永久磁石の個数を多くすることが考えられる。しかしながら、この場合、永久磁石からの磁束量が大きくなる。ステータがこの磁束量を十分に受容できない場合、いわゆる漏れ磁束が生じる。漏れ磁束は、ステータ（特に電磁コイル）の発熱の一因となる。また、回転電機を発電機として機能させる場合には、発電量を低下させる可能性がある。このように、漏れ磁束は様々な不都合を招く。

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

本発明の一実施形態によれば、円環形状をなすヨーク部と、前記ヨーク部の内周縁から該ヨーク部の径方向内側に突出した複数個のティース部とを有し、前記複数個のティース部において互いに隣接するティース部同士の間にスロットが形成されたステータと、
前記ステータの内側に配置され、前記複数個のティース部に面するロータと、
を備える回転電機であって、
前記ロータは、極数が１６極～３２極である永久磁石を保持するロータコアと、前記ロータコアと一体的に回転する回転シャフトとを有し、
前記ステータは、前記スロットに設けられた電磁コイルを有し、
前記複数個のティース部の各々は、前記ヨーク部の内周縁から該ヨーク部の径方向内方に突出する棹部と、前記棹部よりも前記ロータに近接し且つ該棹部に比べて幅広な鍔部と、前記棹部と前記鍔部との間に介在し、前記棹部から前記鍔部に向かうにつれて幅広となる拡開部とを有し、
前記電磁コイルの前記ロータを向く内周端の位置が、前記スロット内で前記棹部の内周端から前記ヨーク部に向かってオフセットされ、
前記鍔部の前記内周端から、前記電磁コイルの前記内周端までの距離であるオフセット量が、前記複数個のティース部の各々の全長の５％～１１％である回転電機が提供される。

本発明においては、ティース部に設ける電磁コイルの内周端の位置を、棹部の内周端からヨーク部に向かって所定の量でオフセットしている。このオフセットにより、永久磁石と電磁コイルとの離間距離が大きくなる。その結果、漏れ磁束が低減する。従って、極数が１６極～３２極と大きい場合であっても、ステータが永久磁石の磁束を十分に受容することができる。このため、例えば、回転シャフトが低速で回転する場合においても十分に大きな回転トルクが得られる。

しかも、漏れ磁束が低減することに伴って、電磁コイルの鎖交磁束又は渦電流等が低減する。このため、ステータ（特に電磁コイル）発熱を抑制することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る回転電機の要部概略水平断面図である。 図２は、図１の要部拡大図である。 図３は、ロータコアの全体概略平面図である。 図４は、ロータコアを形成する１個の電磁鋼板の全体概略平面図である。 図５は、ロータコアの要部分解斜視図である。 図６は、別のロータコアの要部分解斜視図である。 図７は、図１の要部拡大図である。 図８は、本発明の別の実施形態に係る回転電機の要部概略水平断面図である。 図９は、本発明のまた別の実施形態に係る回転電機の要部概略水平断面図である。

図１は、本実施形態に係る回転電機１０の要部概略水平断面図である。回転電機１０は、略円環形状をなすステータ１２と、ステータ１２の内方に配置されるロータ１４とを備える。回転電機１０は、例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を有する３相モータである。

先ず、ステータ１２につき説明する。ステータ１２は、ステータコア２０を有する。ステータコア２０は、例えば、電磁鋼板等の磁性体が積層された積層体である。

ステータコア２０は、ヨーク部２４と、複数個のティース部２６とを有する。本実施形態では、回転電機１０の外径（回転シャフト５０の中心Ｏからヨーク部２４の外周縁までの距離Ｘの２倍）は、２３０ｍｍ～４５０ｍｍの範囲内である。この外径は、飛翔体のプロペラを回転させる一般的なモータの外径に比べて小さい。すなわち、回転電機１０は、小型である。

ヨーク部２４は、円環形状をなす。ティース部２６は、ヨーク部２４の内周縁から、該ヨーク部２４の径方向に沿って内方に突出する。

隣接するティース部２６同士の間には、スロット２８が形成される。回転電機１０が３相モータである場合、スロット２８の個数は、典型的には３の倍数である。図１に示した例では、ティース部２６及びスロット２８の個数はいずれも９６個である。なお、極数（後述）は１６極である。従って、回転電機１０は、いわゆる１６極９６スロットとして構成されている。スロット２８には、電磁コイル３０が設けられる。電磁コイル３０は、例えば、銅からなる線材である。線材がティース部２６に巻回されることで、電磁コイル３０が得られる。

図２は、図１の要部拡大図である。１個のティース部２６は、棹部３２と、鍔部３４と、拡開部３６とを有する。棹部３２は、ステータコア２０の径方向に沿って放射状に延在する。鍔部３４は、ティース部２６の内周先端に設けられる。拡開部３６は、棹部３２と鍔部３４との間に介在する。

棹部３２は、第１平行辺４０ａ及び第２平行辺４０ｂを有する。第１平行辺４０ａと第２平行辺４０ｂとの離間距離Ｗ１は、棹部３２の幅寸法と言い換えられる。幅方向は、ステータコア２０の径方向に対して略直交する。

拡開部３６は、棹部３２から鍔部３４に向かうに従って漸次的に幅広となる。換言すれば、拡開部３６は、棹部３２に向かってテーパー状に形成される。拡開部３６は、第１傾斜辺４２ａ及び第２傾斜辺４２ｂを有する。第１傾斜辺４２ａは、棹部３２の第１平行辺４０ａに対して交差角度θ１で交差する。第２傾斜辺４２ｂも同様に、第２平行辺４０ｂに対して交差角度θ２で交差する。本実施形態において、交差角度θ１及び交差角度θ２は、１０８°～１３０°の範囲内である。一層好ましい交差角度θ１及び交差角度θ２は、１２０°～１２５°の範囲内である。交差角度θ１及び交差角度θ２をこのような範囲とすることにより、ステータ１２における銅損及び鉄損の合計が小さくなる。交差角度θ１と交差角度θ２とは、同一であることが好ましい。ただし、交差角度θ１と交差角度θ２とは、異なっていてもよい。

第１平行辺４０ａと第１傾斜辺４２ａとの交点をＰ１とする。第２平行辺４０ｂと第２傾斜辺４２ｂとの交点をＰ２とする。交点Ｐ１から交点Ｐ２に向かって引いた直線を、第１仮想直線ＬＮ１とする。第１仮想直線ＬＮ１は、棹部３２の内周端を表す。同時に、第１仮想直線ＬＮ１は、拡開部３６の外周端を表す。

第１傾斜辺４２ａには、鍔部３４の第１径方向辺４４ａが連なる。第２傾斜辺４２ｂには、鍔部３４の第２径方向辺４４ｂが連なる。第１径方向辺４４ａ及び第２径方向辺４４ｂは略直線形状であり、且つ互いに平行に延在する。以下、第１径方向辺４４ａと第２径方向辺４４ｂとの離間距離をＷ２とする。離間距離Ｗ２は、鍔部３４の幅である。鍔部３４の幅Ｗ２は、棹部３２の幅Ｗ１よりも大きい。

隣接する鍔部３４同士の離間間隔をＧとする。電磁コイル３０を形成する線材の直径をＤＭとする。幅Ｗ２は、例えば、離間間隔Ｇが直径ＤＭよりも大きくなる範囲である。この場合、鍔部３４での磁束飽和が低減する。その結果、棹部３２が多くの磁束を受容できる。このため、回転シャフト５０の回転トルクの向上を図ることができる。また、ステータコア２０の素材（電磁鋼板等）として、飽和磁束密度が小さい磁性体を選定することが可能となる。このため、コスト低減を図ることもできる。

第１傾斜辺４２ａと第１径方向辺４４ａとの交点を、Ｐ３とする。交点Ｐ３は、第１径方向辺４４ａの外周端（第１傾斜辺４２ａの内周端）である。第２傾斜辺４２ｂと第２径方向辺４４ｂとの交点を、Ｐ４とする。交点Ｐ４は、第２径方向辺４４ｂの外周端（第２傾斜辺４２ｂの内周端）である。交点Ｐ３から交点Ｐ４に引いた直線を、第２仮想直線ＬＮ２とする。第２仮想直線ＬＮ２は、拡開部３６の内周端を表し、且つ鍔部３４の外周端を表す。

第１径方向辺４４ａの内周端から第２径方向辺４４ｂの内周端に引いた直線を、第３仮想直線ＬＮ３とする。第３仮想直線ＬＮ３は、鍔部３４の内周端である。第３仮想直線ＬＮ３と第２仮想直線ＬＮ２との離間距離を、Ｔ１とする。離間距離Ｔ１は、鍔部３４の内周端から鍔部３４の外周端までの距離を表す。以下、離間距離Ｔ１を、鍔部３４の厚みと定義する。

鍔部３４の厚みＴ１の好ましい範囲は、０．２ｍｍ～２．０ｍｍである。厚みＴ１の一層好ましい範囲は、０．３ｍｍ～１．１ｍｍである。厚みＴ１をこのような範囲にした場合、ステータ１２における銅損及び鉄損の合計が小さくなる。

棹部３２の外周端は、ヨーク部２４の内周縁に連結された箇所である。棹部３２の外周端から鍔部３４の内周端までの距離は、ティース部２６の全長ＬＯ（図２参照）として定義される。典型例では、全長ＬＯは４０ｍｍ～４５ｍｍの範囲内である。また、典型例では、全長ＬＯを１００％とするとき、棹部３２の全長は９６％以上である。この場合、鍔部３４の内周端から棹部３２の内周端までの距離は、ティース部２６の全長ＬＯの４％以下である。

本実施形態では、電磁コイル３０は、銅等の金属導体からなる。上記したように、線材がティース部２６に巻回されることによって、電磁コイル３０が形成される。本実施形態では、分布巻が行われている。図１では、いわゆる２回巻の場合を例示している。

図２に示すように、回転シャフト５０の軸方向に垂直な方向の断面において、電磁コイル３０の内周端はスロット２８内に位置する。電磁コイル３０の内周端は、鍔部３４の内周端と棹部３２の外周端との間に位置する。従って、電磁コイル３０の内周端は、ヨーク部２４（ステータコア２０の外周）に向かってオフセットされている。図２において、電磁コイル３０の内周端は、拡開部３６の外周端（棹部３２の内周端）と、棹部３２の外周端との間に位置する。鍔部３４の内周端から電磁コイル３０の内周端までの距離は、オフセット量ＯＦとして定義される。オフセット量ＯＦの好ましい範囲は、ティース部２６の全長ＬＯの５％～１１％である。例えば、全長ＬＯが４０ｍｍであるとき、好適なオフセット量ＯＦは２ｍｍ～４．４ｍｍである。オフセット量ＯＦの一層好ましい範囲は、ティース部２６の全長ＬＯの５．６％～１０．３％である。

オフセット量ＯＦがティース部２６の全長ＬＯの５％未満であると、電磁コイル３０の巻回量が多くなる。このため、電磁コイル３０の体積が大きくなる。その結果、ロータ１４の永久磁石５４から受ける磁束の量が多くなる。従って、電磁コイル３０の発熱量が高くなる懸念がある。また、銅損が大きくなる。オフセット量ＯＦが１１％を超えると、銅損が小さくなる。しかしながら、棹部３２の露出面積が大きくなるので鉄損が大きくなる。その結果、発熱量が高くなる。また、電磁コイル３０の巻回量が少なくなるので、該電磁コイル３０の体積が小さくなる。従って、回転電機１０の、モータとしての出力が低下する。

ティース部２６の全長ＬＯが４０ｍｍ～４５ｍｍであるとき、第１仮想直線ＬＮ１から電磁コイル３０の内周端までの具体的な距離は、典型的には１～３ｍｍである。上記したように、第１仮想直線ＬＮ１は、棹部３２の内周端であり且つ拡開部３６の外周端である。

ロータ１４につき説明する。図１に示すように、ロータ１４は、ティース部２６の内方に配置される。

ロータ１４は、回転シャフト５０と、ロータコア５２と、複数個（図１の例では３２個）の永久磁石５４とを有する。ロータコア５２は、回転シャフト５０と一体的に回転する。永久磁石５４は、ロータコア５２に保持されている。従って、回転シャフト５０が回転したとき、永久磁石５４は、ロータコア５２の外周縁に沿って移動する。

図３に示すように、ロータコア５２は、複数個の電磁鋼板６０を有する。ロータコア５２は、複数個の電磁鋼板６０が積層されることで形成される。すなわち、ロータコア５２は、複数個の電磁鋼板６０の積層体である。

図４に示すように、１個の電磁鋼板６０は、薄肉の円環形状体である。電磁鋼板６０は、内周に位置する内円環部６２と、外周に位置する外円環部６４とを有する。内円環部６２及び外円環部６４は略円環形状であり、且つ同心円である。内円環部６２と外円環部６４とは、複数個（図４の例では、１０個）の連結部６６を介して連結される。このように、連結部６６は、内円環部６２の外周縁と、外円環部６４の内周縁とを連結する。

内円環部６２には、円形状の第１挿入孔７０が形成される。図１に示される回転シャフト５０は、第１挿入孔７０に通される。回転シャフト５０の中心Ｏは、第１挿入孔７０の中心に一致する。

中心Ｏから内円環部６２の内周縁までの距離をＲｉｎ（図３参照）とするとき、Ｒｉｎの２倍は、ロータコア５２の内径である。中心Ｏから外円環部６４の外周縁までの距離をＲｏｕｔとするとき、Ｒｏｕｔの２倍は、ロータコア５２の外径である。以下、ロータコア５２の内径を「ロータ内径」と表記し、且つロータコア５２の外径を「ロータ外径」と表記する。ロータ外径は、ロータ内径よりも大きい。

ロータ外径は、ロータ内径の１．５倍～３．５倍であることが好ましい。すなわち、ロータ内径とロータ外径との比が１：１．５～１：３．５の範囲内であることが好ましい。この場合、Ｒｉｎ：Ｒｏｕｔ＝１：１．５～３．５が成り立つ。

隣接する連結部６６同士の間には、貫通孔７２が形成される。外円環部６４には、複数個の第２挿入孔７４（図４の例では３２個）が形成される。１個の第２挿入孔７４は、長方形をなす。２個の第２挿入孔７４は互いに近接し、１組となっている。以下、１組の第２挿入孔７４（互いに近接する２個の第２挿入孔７４）を、「孔群７６」と表記する。隣接する孔群７６同士の離間距離は、１個の孔群７６中の第２挿入孔７４同士の離間距離よりも大きい。隣接する孔群７６同士の離間角度（位相差）αは、この場合、２２．５°である。

第２挿入孔７４には、永久磁石５４が挿入される。第２挿入孔７４の個数が３２個であるので、永久磁石５４の個数も３２個である。１組の孔群７６には、同一の磁極が外周を向くようにして、２個の永久磁石５４が挿入される。図３においては、永久磁石５４のＮ極を、メッシュを付して表している。これに対し、Ｓ極にはメッシュを付していない。以降の図面においても同様である。

図３から理解されるように、任意の１組の孔群７６では、２個の永久磁石５４におけるＮ極が外周を向く。この場合、該孔群７６に隣接する孔群７６では、２個の永久磁石５４におけるＳ極が外周を向く。以下の説明において、単に「Ｎ極」又は「Ｓ極」と表記するときは、外周を向く磁極を示す。ステータ１２では、２個のＮ極と、別の２個のＮ極との間に、２個のＳ極が介在する。

以下、１組の孔群７６に収容された２個の永久磁石５４の、外周を向く同一磁極を１極と数える。すなわち、１組の孔群７６において隣接する２個のＮ極は１極である。同様に、別の１組の孔群７６において隣接する２個のＳ極も１極である。本実施形態では、１６組の孔群７６が形成されている。従って、磁極の個数は１６個である。このように、回転電機１０は、１６極の３相モータである。本明細書では、このようにして求められる磁極の個数を「極数」と定義する。

１個の連結部６６は、内円環部６２の外周縁から外円環部６４の内周縁にわたって延在する。連結部６６の延在方向は、電磁鋼板６０の直径に対して傾斜する方向である。図示例（図４）において、連結部６６の個数は１０個である。従って、隣接する連結部６６同士の交差角度βは３６°である。

ただし、連結部６６の個数は１０個に限定されない。従って、交差角度βも３６°に限定されない。連結部６６の好ましい個数は、１０個～３０個である。交差角度βの好ましい範囲は、１２°～３６°である。交差角度βがこのような範囲内であると、連結部６６が十分な剛性を示す。従って、連結部６６が、外円環部６４及び永久磁石５４の総重量を受けて曲がることが回避される。

特に、永久磁石５４の個数（又は極数）が多くなるほど、連結部６６の個数を多くすることが好ましい。例えば、極数が３２極であるときには、連結部６６の個数を３０個とすると好適である。この場合、隣接する連結部６６同士の交差角度βは１２°である。極数が２４極であるときには、連結部６６の個数を１８個とすると好適である。この場合、隣接する連結部６６同士の交差角度βは２０°である。

図５は、ロータコア５２の要部分解斜視図である。この図５では、４個の電磁鋼板６０を示している。理解を容易にするために、図５における最下の電磁鋼板６０を第１電磁鋼板６０１とする。第１電磁鋼板６０１の孔群７６を第１孔群７６１とし、且つ第１電磁鋼板６０１の連結部６６を第１連結部６６１とする。第１電磁鋼板６０１の直上に積層される電磁鋼板６０を第２電磁鋼板６０２とする。第２電磁鋼板６０２の孔群７６を第２孔群７６２とし、且つ第２電磁鋼板６０２の連結部６６を第２連結部６６２とする。第２電磁鋼板６０２の直上に積層される電磁鋼板６０を第３電磁鋼板６０３とする。第３電磁鋼板６０３の孔群７６を第３孔群７６３とし、且つ第３電磁鋼板６０３の連結部６６を第３連結部６６３とする。第３電磁鋼板６０３の直上に積層される電磁鋼板６０を第４電磁鋼板６０４とする。第４電磁鋼板６０４の孔群７６を第４孔群７６４とし、且つ第４電磁鋼板６０４の連結部６６を第４連結部６６４とする。

第２電磁鋼板６０２は、第１電磁鋼板６０１に対して４５°回転された状態で、第１電磁鋼板６０１に積層される。この場合、第１連結部６６１と第２連結部６６２との間に９°の位相差が生じる。且つ、第１孔群７６１と第２孔群７６２とが重なり合う。換言すれば、第１孔群７６１と第２孔群７６２とが互いに連なる。

第３電磁鋼板６０３は、第２電磁鋼板６０２に対して４５°回転され、且つ第１電磁鋼板６０１に対して９０°回転された状態で、第２電磁鋼板６０２に積層される。この場合、第２連結部６６２と第３連結部６６３との間に９°の位相差が生じ、且つ第１連結部６６１と第３連結部６６３との間に１８°の位相差が生じる。また、第３孔群７６３が、第１孔群７６１及び第２孔群７６２に連なる。

第４電磁鋼板６０４は、第３電磁鋼板６０３に対して４５°回転され、第２電磁鋼板６０２に対して９０°回転され、且つ第１電磁鋼板６０１に対して１３５°回転された状態で、第３電磁鋼板６０３に積層される。この場合、第３連結部６６３と第４連結部６６４との間に９°の位相差が生じ、第２連結部６６２と第４連結部６６４との間に１８°の位相差が生じ、且つ第１連結部６６１と第４連結部６６４との間に２７°の位相差が生じる。また、第４孔群７６４が、第１孔群７６１、第２孔群７６２及び第３孔群７６３に連なる。

第１～第４電磁鋼板６０１～６０４の組み合わせを、１組の板群８０とする。１組の板群８０には、別の１組の板群８０が積層される。従って、１組の板群８０中の第４電磁鋼板６０４の直上には、別の１組の板群８０中の第１電磁鋼板６０１が積層される。ロータ１４の軸方向にロータ１４を見たとき、下方の板群８０中の第１電磁鋼板６０１における第１孔群７６１及び第１連結部６６１の位置は、上方の板群８０中の第１電磁鋼板６０１における第１孔群７６１及び第１連結部６６１の位置に対応する（互いに重なり合う）。

ロータ１４の軸方向にロータ１４を見たとき、第１孔群７６１、第２孔群７６２、第３孔群７６３及び第４孔群７６４は全て連なっている。永久磁石５４は、電磁鋼板６０の積層方向に沿って、全ての孔群７６に通される。また、第１～第４電磁鋼板６０１～６０４の内円環部６２同士が全て重なる。

これに対し、ロータ１４の軸方向にロータ１４を見たとき、隣接する第１連結部６６１同士の間に、第２連結部６６２、第３連結部６６３及び第４連結部６６４が介在する。第１連結部６６１と第２連結部６６２との間には、クリアランスが形成される。第２連結部６６２と第３連結部６６３との間にも、クリアランスが形成される。第３連結部６６３と第４連結部６６４との間にも、クリアランスが形成される。第４連結部６６４と第１連結部６６１との間にも、クリアランスが形成される。従って、隣接する第１連結部６６１同士の間の貫通孔７２が、第２連結部６６２、第３連結部６６３及び第４連結部６６４で閉塞されることはない。

従って、ロータコア５２においては、電磁鋼板６０の積層方向に沿って貫通孔７２の一部が互いに重なる。このように貫通孔７２が連なることに基づき、ロータコア５２に、図３に示すように、電磁鋼板６０の積層方向に沿った流通路８２（貫通孔７２）が形成されている。

図６に示すように、複数個の電磁鋼板６０を、全ての連結部６６同士が重なる位相で積層して１群の板群８１を設けてもよい。この場合、板群８１の直上に別の板群８１を積層するとき、下方の板群８１の連結部６６と、上方の板群８１の連結部６６とが重ならない位相とする。例えば、下方の板群８１の連結部６６と、上方の板群８１の連結部６６との間に９°の位相差を設ける。次に積層する板群８１も、該板群８１の連結部６６が、既に積層された２個の板群８１の連結部６６に重ならない位相（９°の位相差）とする。次に積層する板群８１も、該板群８１の連結部６６が、既に積層された３個の板群８１の連結部６６に重ならない位相（９°の位相差）とする。以上の積層を、繰り返してもよい。いずれの場合においても、ロータ１４の軸方向にロータ１４を見たとき、図３に示す形状となる。すなわち、ロータコア５２が得られる。

１組の孔群７６に設けられた２個の永久磁石５４は、上記したようにＮ極又はＳ極のいずれかである。すなわち、１組の孔群７６における永久磁石５４の極数は１極である。２個の永久磁石５４は、鍔部３４を介して棹部３２に対面する。本実施形態では、極数が１６極であり、且つティース部２６の個数が９６個である。従って、１極（本実施形態では、１組の孔群７６に設けられた２個の永久磁石５４）の磁極に対するティース部２６の平均個数は、６個である。

ティース部２６の個数が９６個であるので、スロット２８の個数も９６個である。従って、１極の磁極に対するスロット２８の平均個数も６個である（図７参照）。このように、１極の磁極に対するティース部２６又はスロット２８の平均個数は、計算によって求められる。

図７では、１個のＮ極（１組の孔群７６に設けられた２個の永久磁石５４）が６個のスロット２８に対面した瞬間を示している。この場合、下方のＳ極にティース部２６の約半分が対面し、且つ上方のＳ極に別のティース部２６の約半分が対面する。その他、５個のティース部２６の全体が２個のＳ極に対面している。従って、この場合においても、２個のＳ極に対面するティース部２６の平均個数は６個である。

なお、ロータ１４が図７から若干回転したとき、１組の孔群７６に設けられた２個の永久磁石５４の間に、６個のティース部２６の全体が対面する。また、下方のＳ極にスロット２８の約半分が対面し、且つ上方のＳ極に別のスロット２８の約半分が対面する。その他、５個のスロット２８の全体が２個のＳ極に対面する。従って、この場合においても、２個のＳ極に対面するスロット２８の平均個数は６個である。

ロータ１４は、回転シャフト５０を有する。この回転シャフト５０は、図示しない支持部材に対し、回転可能に支持されている。回転シャフト５０には、不図示のベアリングが設けられる。該ベアリングは、回転シャフト５０と前記支持部材との間に介在する。

回転シャフト５０の先端には、図示しない回転体が取り付けられる。回転シャフト５０と回転体とを、ギア等を介して連結してもよい。いずれの場合においても、電磁コイル３０に通電が行われて回転シャフト５０が回転することに伴い、回転体が回転する。回転体は、例えば、プロペラ等である。

本実施形態に係る回転電機１０は、基本的には以上のように構成される。次に、この回転電機１０の作用効果につき説明する。

上記したように、複数個の電磁鋼板６０が積層されることでロータコア５２が形成される。個々の電磁鋼板６０には、貫通孔７２が形成されている。このため、個々の電磁鋼板６０は軽量である。従って、ロータコア５２が軽量となる。このため、回転電機１０も軽量となる。

また、上記したように、本実施形態では、回転電機１０の外径は最大で４５０ｍｍである。すなわち、回転電機１０は比較的小型である。このように、本実施形態によれば、回転電機１０の小型化及び軽量化を図ることができる。

回転電機１０は、例えば、飛翔体のプロペラの回転駆動源として用いられる。この場合、回転電機１０は、３相モータとして用いられる。

回転電機１０を３相モータとして駆動させるために、電磁コイル３０に通電を行う。通電に伴い、電磁コイル３０が交番磁界を形成する。交番磁界は、永久磁石５４の磁界に対して反発し合うか、又は引き寄せ合う。これに伴い、回転シャフト５０とロータコア５２とが一体的に回転する。従って、永久磁石５４は、ロータコア５２の外縁に沿って円を描くように移動する。

回転シャフト５０の回転速度が小さいときに高トルクを得るためには、直径が大きなベアリングを用いる必要がある。ロータ内径は、直径が大きなベアリングを支持することが可能な大きさに定められる。ここで、ロータ内径とロータ外径との比が１：１．５～１：３．５の範囲内であると、電磁鋼板６０の直径（ロータ１４の直径）が大きくなることが抑制される。従って、この場合、ロータ１４は、小型でありながら、直径が大きなベアリングを支持することができる。

ロータコア５２の個々の電磁鋼板６０は、連結部６６を有する。隣接する連結部６６同士の交差角度βは、１２°～３６°の範囲内である。これにより、連結部６６が適切な個数に定められる。従って、外円環部６４が内円環部６２に連結部６６を介して十分に支持される。これにより、ロータコア５２によって多数個の永久磁石５４を保持することが可能となる。すなわち、極数を大きくすることができる。従って、回転シャフト５０の回転トルクを大きくすることができる。

図１の例においては、磁極の極数は１６極であり、且つスロット２８の個数は９６個である。従って、１極の磁極（１組の孔群７６に挿入された２個の永久磁石５４）に対面するスロット２８の個数は６個である。このように、本実施形態では、１極の磁極に対面するスロット２８の個数が適切に定められる。これにより、回転電機１０の直径が比較的小さいにも拘わらず、回転シャフト５０の回転トルクが大きくなる。すなわち、回転電機１０は、小型且つ軽量な３相モータであるにも拘わらず、プロペラ等の回転体に大きな回転駆動力を付与することができる。

しかも、この場合、漏れ磁束が低減する。その結果、電磁コイル３０の鎖交磁束が低減する。従って、電磁コイル３０の渦電流が低減して該電磁コイル３０の発熱が抑制される。

さらに、ティース部２６において、棹部３２と拡開部３６の交差角度θ１、θ２が１０８°～１３０°の範囲内である。鍔部３４の厚みＴ１が０．２ｍｍ～２．０ｍｍの範囲内である。電磁コイル３０のティース部２６に対するオフセット量ＯＦが５～１１％の範囲内である。交差角度θ、厚みＴ１及びオフセット量ＯＦをこのような範囲内とすることにより、ステータ１２における鉄損と銅損との合計を小さくすることができる。従って、ステータ１２の発熱が抑制される。

また、オフセット量ＯＦが適切に設定されることにより、漏れ磁束が小さくなる。これにより、例えば、ティース部２６又は電磁コイル３０等が局所的に温度上昇を起こすことが回避される。従って、この温度上昇に起因してステータコア２０の素材（電磁鋼板６０等）又は電磁コイル３０の素材（銅等）が劣化することが抑制される。

以上のように、本実施形態によれば、回転電機１０の小型化及び軽量化を図りながら、回転シャフト５０の回転トルクを向上させることができる。従って、回転電機１０をモータとしたときには、高トルクを継続して出力することができる。しかも、上記したように、回転電機１０においては発熱が抑制される。

回転電機１０に対しては、冷却媒体（例えば、冷却風）が供給される。冷却媒体の一部は、ステータコア２０とロータコア５２との間を通過する。冷却媒体の別の一部は、ロータコア５２に形成された流通路８２（貫通孔７２）を通過する。以上のようにして、回転電機１０が冷却される。

ロータコア５２では、１個の電磁鋼板６０と、直上に積層された電磁鋼板６０との間に位相差が設けられている。従って、積層された２個の電磁鋼板６０では、貫通孔７２同士の間にも位相差が生じている。このため、ロータコア５２において、１個の流通路８２に冷却媒体が集中又は滞留することが回避される。換言すれば、冷却媒体が複数個の流通孔に略均等に分配され、その後、分配された冷却媒体が個々の流通孔を容易に流通する。従って、回転電機１０の全体が効率よく且つ略均等に冷却される。

ロータコア５２が回転する最中には、該ロータコア５２に応力が作用する。ここで、積層された２個の電磁鋼板６０では、連結部６６同士の間にも位相差が生じている。このため、位相差が生じた連結部６６同士に応力が分散される。従って、任意の連結部６６に応力が集中することが回避される。このような理由から、連結部６６の耐久性が向上する。

以上説明したように、本実施形態は、円環形状をなすヨーク部（２４）と、前記ヨーク部の内周縁から該ヨーク部の径方向内側に突出した複数個のティース部（２６）とを有し、前記複数個のティース部において互いに隣接するティース部同士の間にスロット（２８）が形成されたステータ（１２）と、
前記ステータの内側に配置され、前記複数個のティース部に面するロータ（１４）と、
を備える回転電機（１０）であって、
前記ロータは、極数が１６極～３２極である永久磁石（５４）を保持するロータコア（５２）と、前記ロータコアと一体的に回転する回転シャフト（５０）とを有し、
前記ステータは、前記スロットに設けられた電磁コイルを有し、
前記複数個のティース部の各々は、前記ヨーク部の内周縁から該ヨーク部の径方向内方に突出する棹部（３２）と、前記棹部よりも前記ロータに近接し且つ該棹部に比べて幅広な鍔部（３４）と、前記棹部と前記鍔部との間に介在し、前記棹部から前記鍔部に向かうにつれて幅広となる拡開部（３６）とを有し、
前記電磁コイルの前記ロータを向く内周端の位置が、前記スロット内で前記棹部の内周端から前記ヨーク部に向かってオフセットされ、
前記鍔部の前記内周端から、前記電磁コイルの前記内周端までの距離であるオフセット量（ＯＦ）が、前記複数個のティース部の各々の全長の５％～１１％である回転電機を開示する。

このように、本実施形態では、ステータのスロットに設けられる電磁コイルが、ティース部の内周端からヨーク部に向かってオフセットされる。この状態において、電磁コイルのオフセット量が所定の範囲内に定められる。オフセット量をこのように規定することにより、極数が大きい（永久磁石の個数が多い）場合であっても、漏れ磁束が低減する。従って、特に鍔部が永久磁石の磁束を十分に受容することができる。その結果、電磁コイルの鎖交磁束及び渦電流が低減する。以上のような理由から、ステータ（特に電磁コイル）の発熱を抑制することができる。

また、極数が大きい場合であってもティース部（特に鍔部）が永久磁石の磁束を十分に受容することが可能であるので、極数を１６極～３２極と大きくすることができる。これにより、例えば、回転シャフトが低速で回転する場合においても十分に大きな回転トルクが得られる。

本実施形態は、前記ステータの軸方向に前記ステータ及び前記ロータを見たとき、１極の磁極に対する前記スロットの平均個数が６個である回転電機を開示する。

この場合、１極の磁極に対面するスロット及びティース部の平均個数が適切に定められる。これにより、回転電機の直径が比較的小さい場合であっても、回転シャフトの回転トルクが大きくなる。従って、回転電機を３相モータとして用いた場合、小型且つ軽量であるにも拘わらず、回転シャフトに設けられた回転体に対して大きな回転駆動力を付与することができる。すなわち、回転電機は、高トルクを継続して出力することが可能である。

しかも、この場合、漏れ磁束が低減する。その結果、電磁コイルの鎖交磁束が低減する。従って、電磁コイルの渦電流が低減して該電磁コイルの発熱が抑制される。

加えて、極数と、スロットの個数とを上記のように定めている。この場合、回転電機の直径が過度に大きくなることを回避しながら、回転シャフトに大きな回転トルクを得ることができる。従って、小型でありながら高出力のモータを得ることが可能である。

本実施形態は、前記ロータコアに、前記回転シャフトが配置される第１挿入孔（７０）と、前記第１挿入孔の径方向外側に形成された複数個の貫通孔（７２）と、前記複数個の貫通孔の径方向外側に形成され且つ前記永久磁石が挿入される複数個の第２挿入孔（７４）とが形成され、
且つ前記ロータコアは、前記複数個の貫通孔と前記第１挿入孔との間に位置する内円環部（６２）と、前記複数個の貫通孔の径方向外側に位置し且つ前記複数個の第２挿入孔が形成された外円環部（６４）と、前記内円環部と前記外円環部とを連結する複数個の連結部（６６）とを有する、回転電機を開示する。

隣接する連結部同士の間は、貫通孔である。すなわち、ロータコアには複数個の貫通孔が形成されている。ロータコアは、貫通孔が形成されたことに基づいて軽量である。従って、回転電機の軽量化を図ることができる。

本実施形態は、前記ロータコアは、複数個の電磁鋼板（６０）の積層体であり、前記複数個の電磁鋼板の各々に、前記第１挿入孔、前記複数個の貫通孔及び前記複数個の第２挿入孔が形成され、且つ前記複数個の電磁鋼板の各々が前記内円環部、前記外円環部及び前記連結部を有する回転電機を開示する。

厚みの大きな単一部材のロータコアを得るには、例えば、円柱体形状のワークに対して穿孔加工を施すことにより、第１挿入孔、貫通孔及び第２挿入孔を形成する必要がある。しかしながら、厚みの大きなワークに対して穿孔加工を施すことは容易ではない。これに対し、上記した形状の電磁鋼板を積層してロータコアを得る場合、電磁鋼板を積層するのみで、第１挿入孔、貫通孔及び第２挿入孔が形成される。

個々の電磁鋼板は、例えば、薄肉な円板形状のワークに対して打ち抜き加工を行い、第１挿入孔、貫通孔及び第２挿入孔を形成することで得られる。薄肉な円板形状のワークに対する打ち抜き加工は、厚みの大きなワークに対する穿孔加工よりも容易に実施することができる。従って、ロータコアを容易に作製することが可能である。

本実施形態は、前記複数個の電磁鋼板が第１の態様又は第２の態様で積層された回転電機を開示する。

第１の態様は、前記複数個の電磁鋼板において互いに隣接する一方の電磁鋼板（６０１）の前記複数個の連結部（６６１）と、前記複数個の電磁鋼板において互いに隣接する他方の電磁鋼板（６０２）の前記複数個の連結部（６６２）とが、前記ロータの軸方向に前記ロータを見たときに重ならない位置となるように積層される態様である。

第２の態様は、各々が前記複数個の電磁鋼板を有する複数の板群（８１）が前記軸方向に積層され、且つ前記複数の板群において互いに隣接する一方の板群の前記複数個の連結部（６６１）と、前記複数の板群において互いに隣接する他方の板群の前記複数個の連結部（６６２）とが、前記ロータを前記軸方向に見たときに重ならない位置となるように積層される態様である。

上下に積層される２個（又は２群の板群）の電磁鋼板において連結部同士が重なっていないので、任意の位相の連結部に応力が集中することが回避される。すなわち、位相が相違する連結部の各々に対し、応力が適切に分散される。このため、連結部の耐久性が向上する。

本実施形態は、前記ステータの外径が２３０～４５０ｍｍの範囲内である回転電機を開示する。なお、「ステータの外径」は、「回転シャフトの中心からステータコアの外縁までの距離の２倍」と同義である。従って、「ステータの外径」は「回転電機の外径」と言い換えられる。

このような外径の回転電機は、比較的小型である。すなわち、回転電機は、小型でありながら、高トルクを継続して出力することが可能である。

なお、本発明は、上述した実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を取り得る。

上述の実施形態では、１６極９６スロットの回転電機１０を例示している。しかしながら、極数又はスロット２８の個数は、特にこれに限定されない。例えば、図８に示すように、２４極１４４スロットの回転電機９０であってもよい。又は、図９に示すように、３２極１９２スロットの回転電機１００であってもよい。いずれの場合も、１極に対するスロット２８の個数は６個である。なお、図８及び図９では電磁コイル３０を省略している。

極数及びスロット２８の個数が多くなるほど、ロータ１４の回転中心（回転シャフト５０の中心Ｏ）からステータコア２０の外周縁までの距離Ｘが大きくなる傾向がある。距離Ｘの２倍が回転電機１０の外径であるから、この場合、外径が大きくなる。しかしながら、各部位の寸法又は交差角度等を図１に例示した回転電機１０と同様の数値範囲とすることにより、回転電機９０、１００の外径を最大でも４５０ｍｍとすることが可能となる。従って、回転電機９０、１００においても、小型化及び軽量化を図ることができる。

しかも、各部位の寸法又は交差角度等を図１に例示した回転電機１０と同様の数値範囲とすることにより、回転シャフト５０の回転トルクを向上させることができる。従って、回転電機９０、１００によれば、高トルクを継続して出力することが可能である。すなわち、回転電機９０、１００においても、回転電機１０の作用効果と同様の作用効果が得られる。

線材をティース部２６に巻回することに代替し、特開２０２０－３９２０７号公報の図１に示される金属導体を用いてもよい。この金属導体は、２本の脚部を有する。所定個数の金属導体の脚部をスロット２８に挿入することにより、電磁コイルが形成される。

回転電機１０、９０、１００を発電機として機能させてもよい。この場合、電磁コイル３０に対して外部電源から交流電流を付与する。

１０、９０、１００…回転電機 １２…ステータ
１４…ロータ ２０…ステータコア
２４…ヨーク部 ２６…ティース部
２８…スロット ３０…電磁コイル
３２…棹部 ３４…鍔部
３６…拡開部 ４０ａ…第１平行辺
４０ｂ…第２平行辺 ４２ａ…第１傾斜辺
４２ｂ…第２傾斜辺 ４４ａ…第１径方向辺
４４ｂ…第２径方向辺 ５０…回転シャフト
５２…ロータコア ５４…永久磁石
６０、６０１～６０４…電磁鋼板 ６２…内円環部
６４…外円環部 ６６、６６１～６６４…連結部
７０…第１挿入孔 ７２…貫通孔
７４…第２挿入孔 ７６、７６１～７６４…孔群
８０、８１…板群 ８２…流通路
ＬＮ１…第１仮想直線 ＬＮ２…第２仮想直線
ＬＮ３…第３仮想直線 ＬＯ…ティース部の全長
ＯＦ…オフセット量 α…位相差
β、θ１、θ２…交差角度

Claims (6)

1. 円環形状をなすヨーク部と、前記ヨーク部の内周縁から該ヨーク部の径方向内側に突出した複数個のティース部とを有し、前記複数個のティース部において互いに隣接するティース部同士の間にスロットが形成されたステータと、
   前記ステータの内側に配置され、前記複数個のティース部に面するロータと、
   を備える回転電機であって、
   前記ロータは、極数が１６極～３２極である永久磁石を保持するロータコアと、前記ロータコアと一体的に回転する回転シャフトとを有し、
   前記ステータは、前記スロットに設けられた電磁コイルを有し、
   前記複数個のティース部の各々は、前記ヨーク部の内周縁から該ヨーク部の径方向内方に突出する棹部と、前記棹部よりも前記ロータに近接し且つ該棹部に比べて幅広な鍔部と、前記棹部と前記鍔部との間に介在し、前記棹部から前記鍔部に向かうにつれて幅広となる拡開部とを有し、
   前記電磁コイルの前記ロータを向く内周端の位置が、前記スロット内で前記棹部の内周端から前記ヨーク部に向かってオフセットされ、
   前記鍔部の前記内周端から、前記電磁コイルの前記内周端までの距離であるオフセット量が、前記複数個のティース部の各々の全長の５％～１１％である回転電機。
2. 請求項１記載の回転電機において、前記ステータの軸方向に前記ステータ及び前記ロータを見たとき、１個の磁極に対する前記スロットの平均個数が６個である回転電機。
3. 請求項１又は２記載の回転電機において、前記ロータコアに、前記回転シャフトが配置される第１挿入孔と、前記第１挿入孔の径方向外側に形成された複数個の貫通孔と、前記複数個の貫通孔の径方向外側に形成され且つ前記永久磁石が挿入される複数個の第２挿入孔とが形成され、
   且つ前記ロータコアは、前記複数個の貫通孔と前記第１挿入孔との間に位置する内円環部と、前記複数個の貫通孔の径方向外側に位置し且つ前記複数個の第２挿入孔が形成された外円環部と、前記内円環部と前記外円環部とを連結する複数個の連結部とを有する、回転電機。
4. 請求項３記載の回転電機において、前記ロータコアは、複数個の電磁鋼板の積層体であり、前記複数個の電磁鋼板の各々に、前記第１挿入孔、前記複数個の貫通孔及び前記複数個の第２挿入孔が形成され、且つ前記複数個の電磁鋼板の各々が前記内円環部、前記外円環部及び前記連結部を有する回転電機。
5. 請求項４記載の回転電機において、前記複数個の電磁鋼板は、第１の態様又は第２の態様で積層されており、
   前記第１の態様は、前記複数個の電磁鋼板において互いに隣接する一方の電磁鋼板の前記複数個の連結部と、前記複数個の電磁鋼板において互いに隣接する他方の電磁鋼板の前記複数個の連結部とが、前記ロータの軸方向に前記ロータを見たときに重ならない位置となるように積層される態様であり、
   前記第２の態様は、各々が前記複数個の電磁鋼板を有する複数の板群が前記軸方向に積層され、且つ前記複数の板群において互いに隣接する一方の板群の前記複数個の連結部と、前記複数の板群において互いに隣接する他方の板群の前記複数個の連結部とが、前記ロータを前記軸方向に見たときに重ならない位置となるように積層される態様である回転電機。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の回転電機において、前記ステータの外径が２３０～４５０ｍｍの範囲内である回転電機。

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