JP2023089324A - 回転子及び電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子に向かう磁石の磁束が減ることを抑制しつつ磁石の減磁耐性を向上させることができる回転子等を提供する。【解決手段】回転子２は、複数の穴２１を有する回転子鉄心２０と、各々が複数の穴２１の各々に配置された複数の永久磁石３０と、回転子鉄心２０に固定された回転軸２１と、を備え、複数の穴２１は、回転軸２１を中心として放射状に設けられ、かつ、回転子鉄心２０の径方向に延在し、回転子鉄心２０は、穴２１と回転子鉄心２０の外周面との間に位置するブリッジ部２２を有し、ブリッジ部２２は、径方向の長さを幅として第１の長さの幅を有する第１部位２２ａと、第１の長さよりも長い第２の長さの幅を有する第２部位２２ｂとを有し、ブリッジ部２２における第１部位２２ａと当該ブリッジ部２２に対応する穴２１に配置された永久磁石３０との間に、当該穴２１に連通する第１空隙部２３ａが存在する。【選択図】図３

Description

本開示は、回転子及び回転子を備える電動機に関する。

電動機は、家庭用機器又は産業用機器等の様々な電気機器に用いられている。電動機として、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータが知られている。ＩＰＭモータの回転子は、例えば、回転子鉄心と、回転子鉄心に設けられた複数の磁石配置穴の各々に配置された永久磁石と、回転子鉄心を貫通するようにして回転子鉄心の中心に固定された回転軸とを備える。ＩＰＭモータでは、回転子の永久磁石で発生する磁束を固定子に通すことで回転子を回転させるトルクを発生させている。

従来、この種のモータとして、回転子鉄心の複数の磁石配置穴が放射状に設けられた回転子を備えるスポーク型のＩＰＭモータが知られている（特許文献１）。スポーク型のＩＰＭモータでは、径方向の長さが円周方向の長さに比べて長い永久磁石を有しているので永久磁石の表面積を増やすことができる。これにより、固定子を通る永久磁石の磁束、つまりトルクに寄与する永久磁石の磁束を増加させることができる。

特開２０１７－４６３８６号公報

ＩＰＭモータの回転子においては、回転子鉄心の外周面と磁石配置穴との間にブリッジ部が設けられている場合がある。

この場合、回転子を高磁束化するとの観点では、ブリッジ部の幅（径方向の長さ）は、できるだけ狭くする方がよい。つまり、仮にブリッジ部の幅を広くすると、永久磁石からの磁束の一部がブリッジ部を通るために漏れ磁束が発生し、永久磁石から固定子に向かう磁束が減ってしまう。

一方、ＩＰＭモータでは、駆動中に固定子で生成される磁界が逆磁界となって永久磁石に印加される。このため、ブリッジ部の幅を狭くすると、ブリッジ部の幅が広い場合と比べて固定子から回転子に向かう磁束がブリッジ部に通りにくくなるため、固定子によって永久磁石に印加される逆磁界が強くなり、着磁された永久磁石が減磁するおそれがある。特に、ＩＰＭモータでは、固定子の巻線コイルに電流を流すことで固定子の磁界を発生させるが、高出力化のために巻線コイルに大電流を流して強い磁界を発生させると、固定子による逆磁界が永久磁石の外周側端部に集中し、永久磁石の減磁が起きやすい。

本開示は、このような課題を解決するためになされたものであり、回転子の鉄心にブリッジ部を設けた場合であっても固定子に向かう磁石の磁束が減ることを抑制しつつ磁石の減磁耐性を向上させ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。

上記目的を達成するために、本開示に係る回転子の一態様は、複数の穴を有する鉄心と、各々が前記複数の穴の各々に配置された複数の磁石と、前記鉄心に固定された回転軸と、を備え、前記複数の穴は、前記回転軸を中心として放射状に設けられ、かつ、前記鉄心の径方向に延在し、前記鉄心は、各々が前記複数の穴の各々と前記鉄心の外周面との間に位置する複数のブリッジ部を有し、前記複数のブリッジ部の各々は、前記径方向の長さを幅として第１の長さの幅を有する第１部位と、前記第１の長さよりも長い第２の長さの幅を有する第２部位とを有し、前記鉄心には、前記複数のブリッジ部の各々における前記第１部位と当該ブリッジ部に対応する前記穴に配置された前記磁石との間に、当該穴に連通する第１空隙部が設けられている。

また、本開示に係る回転子の他の一態様は、複数の穴を有する鉄心と、各々が前記複数の穴の各々に配置された複数の磁石と、前記鉄心に固定された回転軸と、を備え、前記複数の穴は、前記回転軸を中心として放射状に設けられ、かつ、前記鉄心の径方向に延在し、前記鉄心は、各々が前記複数の穴の各々と前記鉄心の外周面との間に位置する複数のブリッジ部を有し、前記複数のブリッジ部の各々は、第１の厚みを有する第１部位と、前記第１の厚みよりも厚い第２の厚みを有する第２部位とを有し、前記鉄心には、前記複数のブリッジ部の各々における前記第１部位と当該ブリッジ部に対応する前記穴に配置された前記磁石との間に、当該穴に連通する第１空隙部が設けられている。

また、本開示に係る電動機の一態様は、前記回転子と、前記回転子に対向して配置され、前記回転子に作用する磁力を発生させる固定子と、を備える。

本開示によれば、回転子の鉄心にブリッジ部を設けた場合であっても固定子を通る磁石の磁束が減ることを抑制しつつ磁石の減磁耐性を向上させることができる。

実施の形態に係る電動機の斜視図である。 実施の形態に電動機の断面図である。 実施の形態に係る回転子の断面図である。 実施の形態に係る電動機における回転子と固定子との境界部分の拡大断面図である。 比較例１の電動機における回転子の断面図である。 比較例１の電動機における回転子と固定子との境界部分の拡大断面図である。 比較例２の電動機における回転子と固定子との境界部分の拡大断面図である。 実施の形態に係る電動機における回転子と固定子との境界部分の拡大断面図である。 変形例１に係る電動機における回転子の断面図である。 変形例２に係る電動機における回転子の一部を拡大して示す拡大平面図と、同拡大平面図のX－X線における断面図である。 変形例３に係る電動機における回転子の一部を拡大して示す拡大平面図と、同拡大平面図のXI－XI線における断面図である。

以下、本開示の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、工程及び工程の順序等は、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態）
まず、実施の形態に係る電動機１の概略構成について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、実施の形態に係る電動機１の斜視図である。図２は、同電動機１の断面図である。なお、図２は、回転軸１０と直交する平面で切断したときの断面を示している。

図１及び図２に示すように、電動機１は、回転子２と固定子３とを備える。本実施の形態における電動機１は、回転子２が固定子３の内側に配置されたインナーロータ型のモータである。つまり、固定子３は、回転子２を囲むように構成されている。

回転子２（ロータ）は、固定子３に生じる磁力によって回転する。具体的には、回転子２は、回転軸１０を有しており、回転軸１０の軸心Ｃを回転中心として回転する。

回転子２は、固定子３に作用する磁力を発生する。回転子２は、周方向に亘って主磁束となるＮ極とＳ極とが複数繰り返して存在する構成になっている。本実施の形態において、回転子２が発生する主磁束の向きは、回転軸１０の軸心Ｃの方向（回転軸方向）と直交する方向である。つまり、回転子２が発生する主磁束の向きは、ラジアル方向（径方向）である。

回転子２は、固定子３とエアギャップを介して配置されている。具体的には、回転子２の表面と固定子３の表面との間には微小なエアギャップが存在する。詳細は後述するが、回転子２は、鉄心に永久磁石が埋め込まれた永久磁石埋め込み型のロータ（ＩＰＭロータ）である。したがって、本実施の形態における電動機１は、ＩＰＭモータである。

固定子３（ステータ）は、エアギャップを介して回転子２に対向して配置され、回転子２に作用する磁力を発生させる。具体的には、固定子３は、回転子２の回転子鉄心２０を囲むように配置されている。固定子３は、回転子２とともに磁気回路を構成している。

固定子３は、エアギャップ面に主磁束としてＮ極とＳ極とが周方向に交互に生成されるように構成されている。本実施の形態において、固定子３は、固定子鉄心３ａ（ステータコア）と巻線コイル３ｂ（ステータコイル）とを有する。

固定子鉄心３ａには、回転子２の回転子鉄心２０に向かって突出する複数のティース３ａ１が設けられている。具体的には、複数のティース３ａ１は、回転軸１０の軸心Ｃに向かって突出するように設けられている。また、複数のティース３ａ１は、周方向に等間隔に設けられている。したがって、複数のティース３ａ１は、回転軸１０の軸心Ｃと直交する方向（ラジアル方向）に放射状に延在している。

固定子鉄心３ａは、例えば、回転軸１０の軸心Ｃの方向に積層された複数の鋼板によって構成されている。複数の鋼板の各々は、例えば所定形状に打ち抜き加工された電磁鋼板である。なお、固定子鉄心３ａは、複数の鋼板の積層体に限るものではなく、磁性材料によって構成されたバルク体であってもよい。

巻線コイル３ｂは、固定子鉄心３ａの複数のティース３ａ１の各々に巻き回されている。具体的には、巻線コイル３ｂは、インシュレータを介して各ティース３ａ１に巻き回されている。各巻線コイル３ｂは、互いに電気的に１２０度位相が異なる、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相それぞれの単位コイルによって構成されている。つまり、各ティース３ａ１に巻き回された巻線コイル３ｂは、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の相単位でそれぞれに通電される３相の交流によって通電駆動される。これにより、各ティース３ａ１に固定子３の主磁束が生成される。

このように構成された電動機１では、固定子３の巻線コイル３ｂに通電すると、界磁電流が巻線コイル３ｂに流れて磁界が生成される。これにより、固定子３から回転子２に向かう磁束が生成される。一方、回転子２では、固定子３に向かう磁束が生成される。つまり、回転子２の永久磁石によって固定子３を通る磁束が生成される。この固定子３で生成される磁束と回転子２で生成される磁束との相互作用によって生じた磁気力が回転子２を回転させるトルクとなり、回転子２が回転する。

次に、本実施の形態に係る回転子２の詳細な構成について、図１及び図２を参照しつつ、図３及び図４を用いて説明する。図３は、実施の形態に係る回転子２の断面図である。図４は、実施の形態に係る電動機１における回転子２と固定子３との境界部分の拡大断面図である。なお、図３及び図４は、回転軸１０と直交する平面で切断したときの断面を示している。

図１～図３に示すように、回転子２は、回転軸１０と、回転子鉄心２０と、複数の永久磁石３０とを備える。

回転軸１０は、回転子２が回転する際の中心となる長尺状のシャフトである。回転軸１０は、例えば金属棒であり、回転子２の中心に固定されている。具体的には、回転軸１０は、回転子鉄心２０に固定されている。本実施の形態において、回転軸１０は、回転子２の両側に突出するように、回転子鉄心２０の中心を貫いた状態で回転子鉄心２０に固定されている。回転軸１０は、回転子鉄心２０の中心に形成された貫通孔２０ａに圧入したり焼き嵌めしたりすることで回転子鉄心２０に固定されている。

なお、図示しないが、回転子２の一方側に突出する回転軸１０の第１部位は、第１軸受けに支持され、回転子２の他方側に突出する回転軸１０の第２部位は、第２軸受けに支持されている。回転軸１０の第１部位又は第２部位に、電動機１によって駆動される負荷が取り付けられる。

回転子鉄心２０は、例えば、回転軸１０の軸心Ｃの方向に積層された複数の鋼板によって構成されている。複数の鋼板の各々は、例えば所定形状に打ち抜き加工された電磁鋼板であり、かしめ等によって互いに固定されている。なお、固定子鉄心３ａは、複数の鋼板の積層体に限るものではなく、磁性材料によって構成されたバルク体であってもよい。

回転子鉄心２０（ロータコア）は、複数の穴２１を有する鉄心である。複数の穴２１は、永久磁石３０が配置される磁石配置穴である。具体的には、穴２１には永久磁石３０が挿入される。つまり、穴２１は、永久磁石３０が挿入される磁石挿入孔である。各穴２１には、１つの永久磁石３０が挿入される。一例として、回転子２は、磁極数が１０である１０極ロータである。したがって、回転子鉄心２０には１０個の穴２１と１０個の永久磁石３０とが設けられている。

また、本実施の形態において、穴２１は、回転軸１０の軸心Ｃの方向に沿って回転子鉄心２０を貫通する貫通孔である。したがって、回転軸１０に直交する平面で切断したときの任意の断面において、穴２１の断面形状は、回転軸１０の軸心Ｃの方向において同じになっている。つまり、回転子鉄心２０を構成する全ての鋼板には、いずれも同じ形状の穴２１が形成されている。なお、穴２１は、永久磁石３０が配置することができれば、貫通孔でなくてもよい。

図３に示すように、複数の穴２１は、回転軸１０を中心として放射状に設けられている。また、複数の穴２１は、回転子鉄心２０の周方向（回転軸１０の回転方向）に沿って等間隔で設けられている。複数の穴２１の各々は、平面視において、回転子鉄心２０の径方向（回転軸１０の軸心Ｃの方向に直交する方向）に延在している。つまり、穴２１は、回転子鉄心２０の径方向に長尺状であり、径方向の長さが回転方向（円周方向）の長さに比べて長くなっている。長尺状の複数の穴２１は、回転軸１０を中心にスポーク状に形成されている。つまり、回転子２は、スポーク型のＩＰＭロータであり、電動機１は、スポーク型のＩＰＭモータである。本実施の形態において、各穴２１の平面視形状は、回転子鉄心２０の径方向を長手方向とする略長方形である。また、複数の穴２１の各々の平面視形状は、互いに同じである。

複数の穴２１の各々には、永久磁石３０が配置されている。本実施の形態において、永久磁石３０は、焼結マグネットである。複数の永久磁石３０は、磁極の方向が回転子鉄心２０の周方向（回転軸１０の回転方向）となるように配置されている。つまり、永久磁石３０は、磁極の方向が回転子鉄心２０の周方向となるように着磁されている。なお、隣り合う２つの永久磁石３０は、Ｓ極及びＮ極の磁極の向きが逆向きになっている。

永久磁石３０の平面視形状及び大きさは、穴２１の平面視形状及び大きさとほぼ同じであり、永久磁石３０は、穴２１に嵌合されている。したがって、永久磁石３０の平面視形状は、長尺状の略長方形である。一例として、永久磁石３０は、回転子鉄心２０の径方向と直交する方向を厚さとする板状の直方体である。なお、永久磁石３０は、複数に分割されていてもよい。

各穴２１において、永久磁石３０の外面と穴２１の内面との間には僅かな隙間（クリアランス）が存在していてもよい。この隙間には、永久磁石３０を穴２１に接着固定するための接着剤が設けられていてもよい。一方、この隙間に接着剤が設けられていなくてもよい。永久磁石３０の外面と穴２１の内面との間の隙間は、製造上、最低限必要となる寸法公差が確保されていればよい。

図３及び図４に示すように、回転子鉄心２０は、複数のブリッジ部２２を有する。複数のブリッジ部２２の各々は、複数の穴２１の各々と回転子鉄心２０の外周面との間に位置する。つまり、複数のブリッジ部２２の各々は、複数の穴２１の各々と一対一に対応して設けられており、対応する穴２１に配置された永久磁石３０の外周側に位置している。各ブリッジ部２２は、回転子鉄心２０の外周端部に設けられている。

図４に示すように、複数のブリッジ部２２の各々は、回転子鉄心２０の径方向に直交する方向に延在している。つまり、各ブリッジ部２２は、永久磁石３０の短手方向に延在している。永久磁石３０の短手方向における各ブリッジ部２２の長さは、永久磁石３０の短手方向の長さよりも長くなっているが、これに限らない。例えば、永久磁石３０の短手方向における各ブリッジ部２２の長さは、永久磁石３０の短手方向の長さと同じであってもよいし、永久磁石３０の短手方向の長さよりも短くてもよい。

また、複数のブリッジ部２２の各々は、回転子鉄心２０の径方向の長さを幅とすると、第１の長さの幅を有する第１部位２２ａと、第１の長さよりも長い第２の長さの幅を有する第２部位２２ｂとを有する。つまり、第１部位２２ａは、第２部位２２ｂよりも狭い幅を有する幅狭部であり、第２部位２２ｂは、第１部位よりも広い幅を有する幅広部である。本実施の形態において、第１部位２２ａと第２部位２２ｂとの境界部分は、幅が漸次変化するテーパ部になっているが、これに限らない。つまり、第１部位２２ａと第２部位２２ｂとの境界部分は、幅が不連続に変化する階段状になっていてもよい。なお、第１部位２２ａ及び第２部位２２ｂの各々の全域において、幅は一定ではないが、第１部位２２ａ及び第２部位２２ｂの各々の全域において、幅は一定であってもよい。

各ブリッジ部２２は、２つの第１部位２２ａと、２つの第１部位２２ａの間に位置する１つの第２部位２２ｂとを有する。つまり、各ブリッジ部２２は、幅広部である第２部位２２ｂの両側の各々に、幅狭部である第１部位２２ａが設けられた構成になっている。本実施の形態において、ブリッジ部２２は、永久磁石３０の中心を通り且つ回転子鉄心２０の径方向に延在する線を中心にして線対称の形状になっている。また、第２部位２２ｂの両側に位置する第１部位２２ａは、磁気飽和しているが、これに限らない。

本実施の形態では、２つの第１部位２２ａの外周側面と第２部位２２ｂの外周側面とは面一であるが、第２部位２２ｂの内周側面が２つの第１部位２２ａの内周側面よりも内側に向かって突出するように形成されている。つまり、第２部位２２ｂは、内側に向かって突出する突出部を有している。これにより、第２部位２２ｂは第１部位２２ａよりも幅広になっている。

また、回転子鉄心２０には、第１空隙部２３ａが設けられている。第１空隙部２３ａは、複数のブリッジ部２２の各々における第１部位２２ａと当該ブリッジ部２２に対応する穴２１に配置された永久磁石３０との間に位置し、当該穴２１に連通している。第１空隙部２３ａは、フラックスバリアとして磁気抵抗となるエアギャップである。本実施の形態において、ブリッジ部２２は２つの第１部位２２ａを有するので、第１空隙部２３ａも２つ設けられている。

本実施の形態では、上記のようにブリッジ部２２の第２部位２２ｂが内側に向かって突出する突出部を有しており、２つの第１空隙部２３ａは、この第２部位２２ｂの突出部を挟むように位置している。

また、２つの第１空隙部２３ａの各々は、永久磁石３０を保持するための突起２４とブリッジ部２２の第１部位２２ａとの間に位置している。突起２４は、永久磁石３０を保持するための部位であり、永久磁石３０の外周側端面３０ａに接している。つまり、突起２４は、永久磁石３０の外周側端面３０ａを押さえることで永久磁石３０を保持している。本実施の形態において、突起２４は、各穴２１において、２つ設けられている。２つの突起２４は、回転子鉄心２０の径方向と直交する方向に沿って向かい合う位置に形成されており、また、互いに向かって突出するように形成されている。２つの突起２４の一方は、永久磁石３０の外周側端面３０ａの一方の角部分に接しており、２つの突起２４の他方は、永久磁石３０の外周側端面３０ａの他方の角部分に接している。

なお、図３に示すように、回転子鉄心２０は、外周側に突起２４を有するだけではなく、内周側にも突起２５を有する。突起２５は、突起２４と同様に永久磁石３０を保持するための部位であるが、突起２５は、永久磁石３０の内周側端面３０ｂに接している。つまり、突起２５は、永久磁石３０の内周側端面３０ｂを押さえることで永久磁石３０を保持している。本実施の形態において、突起２５は、各穴２１において、１つ設けられている。突起２５は、回転子鉄心２０の径方向外側に向かって突出している。このように、各穴２１において、永久磁石３０は、回転子鉄心２０の略径方向に位置する突起２４と突起２５とに挟持されることで、穴２１内で動かないように固定されている。

また、図４に示すように、回転子鉄心２０には、第２空隙部２３ｂが設けられている。第２空隙部２３ｂは、複数のブリッジ部２２の各々における第２部位２２ｂと当該ブリッジ部２２に対応する穴２１に配置された永久磁石３０の外周側端面３０ａとの間に位置し、当該穴２１に連通している。第２空隙部２３ｂも、フラックスバリアとして磁気抵抗となるエアギャップである。

本実施の形態において、第２空隙部２３ｂは、穴２１に連通するだけではなく、第１空隙部２３ａにも連通している。具体的には、第２空隙部２３ｂは、２つの第１空隙部２３ａと一続きのエアギャップになっている。また、第２空隙部２３ｂは、２つの突起２４の間に位置している。各穴２１に第２空隙部２３ｂが存在することで、当該穴２１に配置された永久磁石３０は、ブリッジ部２２に接していない。なお、第２空隙部２３ｂが存在せず、ブリッジ部２２と永久磁石３０とが接していてもよい。

また、回転子鉄心２０には、第３空隙部２３ｃが設けられている。第３空隙部２３ｃは、永久磁石３０の側面と回転子鉄心２０との間に位置し、穴２１に連通している。第３空隙部２３ｃも、フラックスバリアとして磁気抵抗となるエアギャップである。

本実施の形態において、第３空隙部２３ｃは、永久磁石３０の側面のうち永久磁石３０の外周側端部に設けられている。また、第３空隙部２３ｃは、永久磁石３０の対向する２つの側面の各々に設けられている。２つの第３空隙部２３ｃは、永久磁石３０を挟んで対向する位置に設けられている。具体的には、各第３空隙部２３ｃは、突起２４の根元部分に設けられている。したがって、突起２４は、第１空隙部２３ａと第３空隙部２３ｃとの間に位置している。

第１空隙部２３ａ、第２空隙部２３ｂ及び第３空隙部２３ｃは、永久磁石３０の中心を通り且つ回転子鉄心２０の径方向に延在する線を中心にして線対称の形状及び位置関係になっている。

次に、本実施の形態に係る回転子２及び電動機１の作用効果について、本開示に至った経緯も含めて、図５～図８を用いて説明する。図５は、比較例１の電動機における回転子２Ｘの断面図であり、図６は、比較例１の電動機における回転子２Ｘと固定子３との境界部分の拡大断面図である。図７は、比較例２の電動機における回転子２Ｙと固定子３との境界部分の拡大断面図である。図８は、実施の形態に係る電動機１における回転子２と固定子３との境界部分の拡大断面図である。なお、図６～図８において、実線の矢印は、固定子３で生成される磁束の流れを示しており、破線の矢印は、回転子２で生成される磁束の流れを示している。

図５に示すように、比較例１の回転子２Ｘは、上記実施の形態における回転子２と同様に、スポーク型のＩＰＭロータであり、穴２１Ｘと穴２１Ｘに配置された永久磁石３０Ｘを有する回転子鉄心２０Ｘを有する。また、比較例１における回転子鉄心２０Ｘには、穴２１の外周側に位置するブリッジ部２２Ｘが設けられている。

図６に示すように、比較例１の回転子２Ｘでは、高磁束化するために、ブリッジ部２２Ｘの幅（径方向の長さ）を狭くしている。しかしながら、ブリッジ部２２Ｘの幅を狭くすると、図６に示すように、電動機の駆動中に固定子３によって永久磁石３０Ｘに印加される逆磁界が強くなり、着磁された永久磁石３０Ｘが減磁するおそれがある。

しかしながら、図７に示される比較例２の回転子２Ｙのように、穴２１Ｙと穴２１Ｙに配置された永久磁石３０Ｘとを有する回転子鉄心２０Ｙに設けられたブリッジ部２２Ｙの幅を広くすると、固定子３によって永久磁石３０Ｘに印加される逆磁界を弱めることができるものの、永久磁石３０Ｘの外周側端部からの磁束がブリッジ部２２Ｙに向かってしまう。つまり、永久磁石３０Ｘからの磁束の一部がブリッジ部２２Ｙを通るために漏れ磁束が発生する。この結果、固定子３を通る永久磁石３０Ｘの磁束、つまりトルクに寄与する永久磁石３０Ｘの磁束が低下する。

そこで、本願発明者らが鋭意検討した結果、ブリッジ部を有するスポーク型のＩＰＭロータであっても、ブリッジ部の形状を工夫することで、固定子を通る永久磁石の磁束が減ることを抑制しつつ永久磁石の減磁耐性を向上させることができる構造を見出した。

具体的には、本実施の形態に係る回転子２では、図８に示すように、回転子鉄心２０のブリッジ部２２に、相対的に幅が狭い第１部位２２ａと幅が広い第２部位２２ｂとが設けられているとともに、ブリッジ部２２の第１部位２２ａと永久磁石３０との間に、穴２１に連通する第１空隙部２３ａが設けられている。

このようにブリッジ部２２に幅が広い第２部位２２ｂを設けることで、図８に示すように、固定子３による逆磁界を意図的にブリッジ部２２に通している。これにより、固定子３による逆磁界が永久磁石３０に印加されることを抑制できる。つまり、永久磁石３０に印加される逆磁界を弱めることができる。したがって、着磁された永久磁石３０が減磁することを抑制することができる。つまり、永久磁石３０の減磁耐性を向上させることができる。

さらに、ブリッジ部２２に幅が狭い第１部位２２ａを設けるとともに、この第１部位２２ａと永久磁石３０との間に第１空隙部２３ａが設けられている。これにより、永久磁石３０からブリッジ部２２に向かう磁束に対する磁気抵抗を大きくすることができるので、永久磁石３０からブリッジ部２２への漏れ磁束を抑制できる。したがって、固定子３を通る永久磁石３０の磁束、つまりトルクに寄与する永久磁石３０の磁束が低下することを抑制することができる。

以上のとおり、本実施の形態に係る回転子２及び電動機１によれば、回転子鉄心２０にブリッジ部２２を設けた場合であっても固定子３を通る永久磁石３０の磁束が減ることを抑制しつつ永久磁石３０の減磁耐性を向上させることができる。

したがって、例えば、回転子２の高磁束化と永久磁石３０の減磁耐性の向上との両立を図ることができるので、高性能で高出力の電動機１を実現することができる。あるいは、回転子２の永久磁石３０の減磁耐性が向上するので、永久磁石３０の数を減らして省磁石化したとしても回転子２から固定子３への磁束（つまりトルクに寄与する永久磁石３０の磁束）を維持することができる。これにより、電動機１の小型化を図ることもできる。

また、本実施の形態に係る回転子２において、回転子鉄心２０には、ブリッジ部２２における第２部位２２ｂと永久磁石３０の外周側端面３０ａとの間に、穴２１に連通する第２空隙部２３ｂが設けられている。

これにより、ブリッジ部２２における幅が広い第２部位２２ｂと永久磁石３０との間の磁気抵抗を大きくすることができるので、ブリッジ部２２と永久磁石３０との間に生じる磁束のループを軽減することができる。したがって、固定子３を通る永久磁石３０の磁束が低下することを一層抑制することができる。

また、ブリッジ部２２と永久磁石３０との間の第２空隙部２３ｂは、本実施の形態のように、第１空隙部２３ａと連通しているとよい。

これにより、永久磁石３０からブリッジ部２２への漏れ磁束を一層抑制することができる。したがって、固定子３を通る永久磁石３０の磁束が低下することを一層抑制することができる。

また、本実施の形態に係る回転子２において、永久磁石３０の側面と回転子鉄心２０との間には、穴２１に連通する第３空隙部２３ｃが設けられている。

これにより、永久磁石３０からブリッジ部２２への漏れ磁束をさらに抑制することができる。したがって、固定子３を通る永久磁石３０の磁束が低下することをさらに抑制することができる。

なお、ブリッジ部２２における磁束の入り口となる第１部位２２ａは、磁気飽和しているとよい。これにより、永久磁石３０からブリッジ部２２への漏れ磁束をさらに抑制することができる。

また、本実施の形態に係る回転子２において、回転子鉄心２０は、第１空隙部２３ａと第３空隙部２３ｃとの間に、永久磁石３０の外周側端面３０ａに接する突起２４を有する。

この構成により、フラックスバリアとなる第１空隙部２３ａと第３空隙部２３ｃと設けたとしても、接着剤ではなく突起２４による回転子鉄心２０の構造によって永久磁石３０を保持することができる。

本実施の形態に係る回転子２において、ブリッジ部２２及び第１空隙部２３ａは、永久磁石３０の中心を通り且つ回転子鉄心２０の径方向に延在する線を中心にして線対称の形状になっている。

この構成により、回転子２が左回転及び右回転の両方に回転する場合であっても、漏れ磁束を減少させることができる。なお、回転子２が左回転及び右回転のいずれか一方のみにしか回転しないような場合には、ブリッジ部２２及び第１空隙部２３ａは、線対称になっていなくてもよい。例えば、ブリッジ部２２は、１つの第１部位２２ａと１つの第２部位２２ｂとによって構成されていてもよい。

（変形例）
以上、本開示に係る回転子２及び電動機１について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態において、回転子鉄心２０には、１種類の永久磁石３０が配置される１種類の穴２１が設けられていたが、これに限らない。

具体的には、図９に示される回転子２Ａのように、回転子鉄心２０Ａには、スポーク状に配置された穴２１（第１穴）に加えて、永久磁石４０が配置された磁石配置穴として穴２６（第２穴）が設けられていてもよい。

穴２６は、穴２１と同様に、回転軸１０を中心として放射状に複数設けられている。複数の穴２２は、穴２１と同様に、回転子鉄心２０Ａの周方向に沿って等間隔で設けられている。また、穴２１と穴２６とは、周方向に沿って交互に設けられている。複数の穴２６の各々において、回転子鉄心２０Ａの径方向の長さは、穴２１の回転子鉄心２０の径方向の長さよりも短くなっている。つまり、穴２１は、穴２６よりも長尺状である。具体的には、長尺状の穴２１の外周側端部は、穴２６の外周側端部よりも外周側に位置している。

穴２６に配置される永久磁石４０は、焼結マグネットであり、穴２６に挿入される。永久磁石４０は、磁極の方向が回転子鉄心２０の径方向（回転軸１０と直交する方向）となるように配置されている。なお、隣り合う２つの永久磁石４０は、Ｓ極及びＮ極の磁極の向きが逆向きになっている。本実施の形態において、第１磁石である永久磁石３０は、回転子２における主磁石であり、第２磁石である永久磁石４０は、補助磁石である。

このように、永久磁石３０と永久磁石４０との２種類の磁石を用いることで、回転子２Ａから固定子３への磁束を大きくすることができるので、高性能で高出力の電動機を実現することができる。

また、本変形例において、複数の穴２６の各々は、突出部２６ａを有する。突出部２６ａは、穴２６に連通する空隙部であり、各穴２６の両側の各々に設けられている。穴２６の平面視形状は、縦横比が小さい矩形の辺に突出部２６ａが付加された形状になっている。各穴２６において、突出部２６ａは、回転子鉄心２０Ａの径方向の内側寄りに位置し、且つ、回転子鉄心２０Ａの周方向外側に向かって突出している。

このような形状の穴２６に突出部２６ａを設けることで、穴２６における回転子鉄心２０Ａの径方向の外側寄りにおいては、穴２６と穴２１との幅を大きくしつつ、穴２６における回転子鉄心２０Ａの径方向の内側寄りにおいては、穴２６と穴２１との幅を狭めることができる。つまり、穴２６における回転子鉄心２０Ａの径方向の内側寄りにおいてのみ、穴２６（突出部２６ａ）と穴２１との間の部分の幅を狭めることができる。これにより、穴２６を設けたことで磁束の流れを阻害してしまうことを抑制することができるとともに、永久磁石３０の磁束と永久磁石４０の磁束とが干渉して固定子に鎖交する磁束が減少してしまうことを抑制することができる。したがって、漏れ磁束を低減させて固定子に鎖交する鎖交磁束を増加させることができる。

なお、図９では、永久磁石３０を主磁石とし、永久磁石４０を補助磁石としたが、これに限らない。例えば、永久磁石４０を主磁石とし、永久磁石３０を補助磁石としてもよい。また、図９では、穴２６の全てが突出部２６ａを有していたが、これに限らず、複数の穴２６の中に突出部２６ａを有していないものが含まれていてもよい。また、図９において、突出部２６ａは、穴２６の両側の各々に設けられているが、これに限らず、穴２６の片側のみに設けられていてもよい。

また、上記実施の形態において、ブリッジ部２２の長手方向の両端は切断されていなかったが、これに限らない。例えば、図１０に示される回転子２Ｂのように、回転子鉄心２０Ｂのブリッジ部２２Ｂの一方の端部が切断されていてもよい。ブリッジ部２２Ｂは、１つの第１部位２２ａと１つの第２部位２２ｂとによって構成されている。このように、ブリッジ部２２Ｂの一方の端部が切断されていることで、回転子鉄心２０Ｂには、回転子鉄心２０Ｂの外周面に連通する第４空隙部２３ｄが形成される。第４空隙部２３ｄは、第２空隙部２３ｂ及び穴２１に連通している。このように、本変形例によれば、永久磁石３０からブリッジ部２２Ｂへの漏れ磁束を一層抑制することができる。なお、本変形例において、回転子鉄心２０を構成する電磁鋼板１００Ｂは、全て同じ形状である。

また、上記実施の形態において、回転子鉄心２０を構成する電磁鋼板は、全て同じであったが、これに限らない。例えば、図１１に示される回転子２Ｃのように、電磁鋼板１００Ｂと電磁鋼板１００Ｃとの２種類の電磁鋼板が積層されていてもよい。電磁鋼板１００Ｂは、一方側が切断されたブリッジ部２２Ｂを有し、電磁鋼板１００Ｃは、他方側が切断されたブリッジ部２２Ｃを有する。つまり、ブリッジ部２２Ｂとブリッジ部２２Ｃとは逆方向が切断されている。また、ブリッジ部２２Ｂ及びブリッジ部２２Ｃは、いずれも、１つの第１部位２２ａと１つの第２部位２２ｂとによって構成されている。このように、本変形例によれば、図１０に示される回転子鉄心２０Ｂと同様に永久磁石３０からブリッジ部２２Ｂへの漏れ磁束を抑制することができるとともに、図１０に示される回転子鉄心２０Ｂと比べて回転子鉄心２０Ｃの強度を向上させることができる。なお、図１１では、電磁鋼板１００Ｂと電磁鋼板１００Ｃとを交互に積層したが、これに限らない。

また、上記実施の形態における回転子２では、図４に示すように、回転子鉄心２０の外周部分に、平面視において直線状をなす平坦面が形成されている。具体的には、穴２１と対向する位置、つまり永久磁石３０の外周側端面３０ａと対向する位置に、平坦面が形成されている。この構成により、トルクリップルを低減することができる。特に、図９のように、永久磁石３０及び永久磁石４０を用いるとともに穴２６に突出部２６ａを設けると、漏れ磁束を低減させた結果としてトルクリップルが増加するおそれがあるが、回転子鉄心２０の外周部分に平坦面を形成することで、トルクリップルの増加を抑制することができる。なお、回転子鉄心２０の外周部分に、平坦面だけではなく外方に突出する膨出面を形成することで、さらにトルクリップルを低減することができる。膨出面は、例えば外側に膨らむように湾曲した湾曲面であり、隣り合う２つの平坦面の間に形成される。

また、上記実施の形態において、固定子３は、固定子鉄心３ａにおける隣り合う２つのティース３ａ１の先端同士の間に開口部が設けられたオープンスロットステータであったが、これに限らない。例えば、固定子鉄心３ａにおける隣り合う２つのティース３ａ１の先端同士が繋がったクローズドスロットステータであってもよい。この構成により、トルクリップルを低減することができる。特に、図９のように、永久磁石３０及び永久磁石４０を用いるとともに穴２６に突出部２６ａを設けると、漏れ磁束を低減させた結果としてトルクリップルが増加するおそれがあるが、固定子３としてクローズドスロットステータを用いることで、トルクリップルの増加を抑制することができる。

また、上記実施の形態において、回転子鉄心２０のブリッジ部２２における第１部位２２ａと第２部位２２ｂとの厚さは同じであったが、これに限らない。例えば、第１部位２２ａの厚さが第２部位２２ｂの厚さよりも薄くなっていてもよい。一例として、第１部位２２ａに対応する箇所にプレス加工等を施すことで第１部位２２ａの厚さを第２部位２２ｂの厚さよりも薄くすることができる。例えば、回転子鉄心２０を構成する複数の電磁鋼板のそれぞれを積層する前に予めプレス加工しておいてもよいし、複数の電磁鋼板を積層してからプレス加工してもよい。このように、ブリッジ部２２における第１部位２２ａの厚さを薄くすることで、永久磁石３０からブリッジ部２２への漏れ磁束をさらに軽減することができる。

この場合、上記実施の形態においては、第１部位２２ａと第２部位２２ｂとの幅が異なっていたが、これに限るものではなく、第１部位２２ａの幅と第２部位２２ｂの幅とは同じであってもよい。つまり、複数のブリッジ部２２の各々は、第１の幅及び第１の厚みを有する第１部位２２ａと、第１の幅と同じ幅の第２の幅及び第１の厚みよりも厚い第２の厚みを有する第２部位２２ｂとを有していてもよい。言い換えると、第１部位２２ａは、第２の部位２２ｂの幅と同じ幅を有するとともに、第２の部位２２ｂの厚さよりも薄い厚さを有していてもよい。この形態の場合も、上記実施の形態と同様の効果を奏する。具体的には、相対的に厚さが厚い第２の部位２２ｂをブリッジ部２２に設けることで、固定子３による逆磁界を意図的にブリッジ部２２に通すことができ、固定子３による逆磁界が永久磁石３０に印加されることを抑制することができる。これにより、着磁された永久磁石３０が減磁することを抑制することができる。つまり、永久磁石３０の減磁耐性を向上させることができる。また、相対的に厚さが薄い第１部位２２ａをブリッジ部２２に設けるとともに、この第１部位２２ａと永久磁石３０との間に第１空隙部２３ａを設けることで、永久磁石３０からブリッジ部２２に向かう磁束に対する磁気抵抗を大きくすることができ、永久磁石３０からブリッジ部２２への漏れ磁束を抑制できる。したがって、固定子３を通る永久磁石３０の磁束、つまりトルクに寄与する永久磁石３０の磁束が低下することを抑制できる。これにより、回転子鉄心２０にブリッジ部２２を設けた場合であっても固定子３を通る永久磁石３０の磁束が減ることを抑制しつつ永久磁石３０の減磁耐性を向上させることができる。

また、上記実施の形態における回転子２では、磁極数が１０であったが、これに限らない。例えば、磁極数は８であってもよい。なお、回転子２の磁極数は、８、１０以外であってもよく、回転子２の磁極数は、２ｎ（ｎは自然数）であれば、任意の数が適用される。

なお、上記実施の形態において、第１空隙部２３ａ、第２空隙部２３ｂ及び第３空隙部２３ｃは、空気が存在する空気層になっていたが、これに限らない。例えば、第１空隙部２３ａ、第２空隙部２３ｂ及び第３空隙部２３ｃの一部又は全部には、接着剤等の樹脂材料が存在していてもよい。

また、上記各実施の形態における回転子を備える電動機は、種々の電気機器に用いることができる。例えば、電気掃除機、エアコン、冷蔵庫等の家庭用電気機器、又は、自動車用機器、ロボット等の産業用電気機器に利用することができる。

本開示の技術は、例えばＩＰＭロータ等の回転子に利用することができる。また、本開示の技術は、回転子だけではなく、回転子を備える電動機及び電動機を備える電気機器等の種々の製品に広く利用することができる。

１ 電動機
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ 回転子
３ 固定子
３ａ 固定子鉄心
３ａ１ ティース
３ｂ 巻線コイル
１０ 回転軸
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ 回転子鉄心
２０ａ 貫通孔
２１、２６ 穴
２２、２２Ｂ、２２Ｃ ブリッジ部
２２ａ 第１部位
２２ｂ 第２部位
２３ａ 第１空隙部
２３ｂ 第２空隙部
２３ｃ 第３空隙部
２３ｄ 第４空隙部
２４、２５ 突起
２６ａ 突出部
３０、４０ 永久磁石
３０ａ 外周側端面
３０ｂ 内周側端面
１００Ｂ、１００Ｃ 電磁鋼板

Claims (10)

1. 複数の穴を有する鉄心と、
   各々が前記複数の穴の各々に配置された複数の磁石と、
   前記鉄心に固定された回転軸と、を備え、
   前記複数の穴は、前記回転軸を中心として放射状に設けられ、かつ、前記鉄心の径方向に延在し、
   前記鉄心は、各々が前記複数の穴の各々と前記鉄心の外周面との間に位置する複数のブリッジ部を有し、
   前記複数のブリッジ部の各々は、前記径方向の長さを幅として第１の長さの幅を有する第１部位と、前記第１の長さよりも長い第２の長さの幅を有する第２部位とを有し、
   前記鉄心には、前記複数のブリッジ部の各々における前記第１部位と当該ブリッジ部に対応する前記穴に配置された前記磁石との間に、当該穴に連通する第１空隙部が設けられている、
   回転子。
2. 複数の穴を有する鉄心と、
   各々が前記複数の穴の各々に配置された複数の磁石と、
   前記鉄心に固定された回転軸と、を備え、
   前記複数の穴は、前記回転軸を中心として放射状に設けられ、かつ、前記鉄心の径方向に延在し、
   前記鉄心は、各々が前記複数の穴の各々と前記鉄心の外周面との間に位置する複数のブリッジ部を有し、
   前記複数のブリッジ部の各々は、第１の厚みを有する第１部位と、前記第１の厚みよりも厚い第２の厚みを有する第２部位とを有し、
   前記鉄心には、前記複数のブリッジ部の各々における前記第１部位と当該ブリッジ部に対応する前記穴に配置された前記磁石との間に、当該穴に連通する第１空隙部が設けられている、
   回転子。
3. 前記鉄心には、前記複数のブリッジ部の各々における前記第２部位と当該ブリッジ部に対応する前記穴に配置された前記磁石の外周側端面との間に、当該穴に連通する第２空隙部が設けられている、
   請求項１又は２に記載の回転子。
4. 前記第２空隙部は、前記第１空隙部と連通している、
   請求項３に記載の回転子。
5. 前記鉄心には、前記磁石の側面と前記鉄心との間に、前記穴に連通する第３空隙部が設けられている、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の回転子。
6. 前記鉄心は、前記第１空隙部と前記第３空隙部との間に、前記磁石の外周側端面に接する突起を有する、
   請求項５に記載の回転子。
7. 前記第１部位の厚さは、前記第２部位の厚さよりも薄い、
   請求項１、３～６のいずれか１項に記載の回転子。
8. 前記ブリッジ部及び前記第１空隙部は、前記磁石の中心を通り且つ前記径方向に延在する線を中心にして線対称の形状である、
   請求項１～７のいずれか１項に記載の回転子。
9. 前記第１部位は、磁気飽和している、
   請求項１～８のいずれか１項に記載の回転子。
10. 請求項１～９のいずれか１項に記載の回転子と、
    前記回転子に対向して配置され、前記回転子に作用する磁力を発生させる固定子と、を備える、
    電動機。

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