JP2023130805A - ロータコア、ロータおよび回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】起動時のトルクを向上する回転電機のロータを提供する。【解決手段】ロータコア２０は、中心軸線Ｊ回りに回転可能なロータコアであって、周方向に間隔を空けて配置された複数の磁極部Ｐと、周方向に隣り合う磁極部同士の間にそれぞれ位置する複数の磁極中間部Ｍと、を備える。複数の磁極中間部のそれぞれは、径方向に間隔を空けて配置された複数の貫通孔３０を含む貫通孔群を有する。各貫通孔は、ロータコアの径方向外縁部２０ｂに位置する外端部３０ａ、３０ｂを有し、複数の磁極中間部のそれぞれにおいて、磁極中間部の周方向中心を挟んで配置された第１領域Ｐ１と第２領域Ｐ２とには、それぞれ外端部が配置される。第２領域に配置された外端部の数は、第１領域に配置された外端部の数よりも少ない。【選択図】図２

Description

本発明は、ロータコア、ロータおよび回転電機に関する。

ロータコアとロータコアに設けられた孔とを備えるロータを有する回転電機が知られている。例えば、特許文献１のロータコアは、ロータコアの軸方向に見て、径方向内側に向かって凸形状であるフラックスバリアとなる複数の孔を有する。複数の孔は、隣り合う２つの磁極部の周方向中心の軸に対して、非対称な形状である。

中国特許第１０７８７２１３６号明細書

特許文献１の複数の孔は、トルクリップルを低減するために、隣り合う２つの磁極部の周方向中心の軸に対して、非対称な孔が含まれているが、このような形状の孔では、回転電機の起動時の性能と、回転電機が定格速度となる通常回転時の効率とが十分に向上できない場合があった。

本発明は、上記事情に鑑みて、回転電機において通常回転時における磁束の流れを好適に維持しつつ、起動時のトルクを向上できる構造を有するロータコア、ロータおよび回転電機を提供することを目的の一つとする。

本発明のロータコアの一つの態様は、中心軸線回りに回転可能なロータコアであって、周方向に間隔を空けて配置された複数の磁極部と、周方向に隣り合う前記磁極部同士の間にそれぞれ位置する複数の磁極中間部と、を備える。前記複数の磁極中間部のそれぞれは、径方向に間隔を空けて配置された複数の貫通孔を含む貫通孔群を有する。各前記貫通孔は、前記ロータコアの径方向外縁部に位置する外端部を有し、前記複数の磁極中間部のそれぞれにおいて、前記磁極中間部の周方向中心を挟んで配置された第１領域と第２領域とには、それぞれ前記外端部が配置される。前記第２領域に配置された前記外端部の数は、前記第１領域に配置された前記外端部の数よりも少ない。

本発明のロータの一つの態様は、上記のロータコアと、前記貫通孔内に位置する導電体と、を備える。

本発明の回転電機の一つの態様は、上記のロータと、前記ロータの径方向外側に位置するステータと、を備える。

本発明の一つの態様によれば、回転電機において通常回転時における磁束の流れを好適に維持しつつ、起動時のトルクを向上できる構造を有するロータコア、ロータおよび回転電機を提供することができる。

図１は、本実施形態の回転電機の模式図を示す断面図である。 図２は、本実施形態のロータを示す断面図であって、図１におけるＩＩ－ＩＩ断面図である。 図３は、本実施形態のロータコアの部分拡大図である。 図４は、本実施形態のロータコアの変形例を示す部分断面図である。 図５は、本実施形態のロータコアのその他の変形例を示す断面図である。 図６は、本実施形態のロータコアのその他の変形例を示す断面図である。 図７Ａは、比較例１のロータコアを示す部分拡大図である。 図７Ｂは、比較例２のロータコアを示す部分拡大図である。

各図に適宜示すＺ軸方向は、正の側を「上側」とし、負の側を「下側」とする上下方向である。各図に適宜示す中心軸線Ｊは、Ｚ軸方向と平行であり、上下方向に延びる仮想線である。以下の説明においては、中心軸線Ｊの軸方向、すなわち上下方向と平行な方向を単に「軸方向」と呼び、中心軸線Ｊを中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、中心軸線Ｊを中心とする周方向を単に「周方向」と呼ぶ。軸方向の上側から見て、周方向で時計回りに進む方向を＋θ側と呼び、反時計回りに進む方向を－θ側と呼ぶ。

なお、上下方向、上側、および下側とは、単に各部の配置関係等を説明するための名称であり、実際の配置関係等は、これらの名称で示される配置関係等以外の配置関係等であってもよい。

図１に示す本実施形態の回転電機１は、インナーロータ型のモータである。図１に示すように、本実施形態の回転電機１は、ハウジング２と、ロータ１０と、ステータ３と、ベアリングホルダ４と、ベアリング５ａ，５ｂと、を備える。ハウジング２は、ロータ１０、ステータ３、ベアリングホルダ４、およびベアリング５ａ，５ｂを内部に収容している。ハウジング２の底部は、ベアリング５ｂを保持している。ベアリングホルダ４は、ベアリング５ａを保持している。ベアリング５ａ，５ｂは、例えば、ボールベアリングである。

ステータ３は、ロータ１０の径方向外側に位置する。図１に示すように、ステータ３は、ステータコア３ａと、インシュレータ３ｄと、複数のコイル３ｅと、を有する。ステータコア３ａは、コアバック３ｂと、複数のティース３ｃと、を有する。コアバック３ｂは、中心軸線Ｊを中心とする円環状である。複数のティース３ｃは、コアバック３ｂから径方向内側に延びている。複数のティース３ｃは、周方向に沿って一周に亘って等間隔に配置されている。複数のコイル３ｅは、インシュレータ３ｄを介してステータコア３ａに装着されている。

ロータ１０は、中心軸線Ｊを中心として回転可能である。図１および図２に示すように、ロータ１０は、シャフト１１と、ロータコア２０と、導電体４０と、環状導電部５０と、を備える。シャフト１１は、中心軸線Ｊを中心として軸方向に延びる円柱状である。図１に示すように、シャフト１１は、ベアリング５ａ，５ｂによって中心軸線Ｊ回りに回転可能に支持されている。

ロータコア２０は、磁性体である。ロータコア２０の材質は、例えば、鉄と炭素との合金よりも透磁率の高く電気伝導率の低いケイ素鋼である。ロータコア２０は、シャフト１１の外周面に固定されている。ロータコア２０は、ロータコア２０を軸方向に貫通する中心貫通孔２０ａを有する。図２に示すように、中心貫通孔２０ａは、軸方向に見て、中心軸線Ｊを中心とする円形状である。中心貫通孔２０ａには、シャフト１１が通されている。シャフト１１は、例えば圧入等により、中心貫通孔２０ａ内に固定されている。図示は省略するが、ロータコア２０は、例えば、複数の電磁鋼板が軸方向に積層されて構成されている。
環状導電部５０は、ロータコア２０の軸方向両端にそれぞれ配置されている。環状導電部５０は中心軸線Ｊを中心とする円環状である。環状導電部５０の外径はロータコア２０の外径と同等であり、環状導電部５０の内径はロータコア２０の中心貫通孔２０ａの内径よりも大きい。環状導電部５０を構成する材料は、電気伝導率の高い材料である。環状導電部５０を構成する材料としては、例えばアルミニウム、銅、およびアルミニウムと銅との合金等が挙げられる。

ロータコア２０は、複数の貫通孔３０を有する。本実施形態において各貫通孔３０はロータコア２０に設けられた孔によって構成されている。貫通孔３０は、例えば、ロータコア２０を軸方向に貫通している。各貫通孔３０は、軸方向と直交する平面に沿って延びており、軸方向に見て径方向内側に凸となる形状となっている。ロータコア２０には、２つ以上の貫通孔３０を含む組が複数組設けられている。１組の貫通孔３０を貫通孔群１３０とも呼ぶ。各貫通孔群１３０は、複数の貫通孔３０を含む。

このように貫通孔３０が設けられたロータコア２０は、磁気突極構造を有するシンクロナスリラクタンスモータのロータコアとなる。より詳しくは、磁束を通しにくい貫通孔３０はロータ１０のフラックスバリアとなるため、軸方向から見て、隣り合う２組の貫通孔群１３０同士の間は磁束が通りやすい突極方向となり、１組の貫通孔群１３０の周方向における中央部には磁束が通りにくい方向が設けられる。なお、以下の説明では、上記の磁束が通りやすい突極方向を「ｄ軸方向」と呼び、上記の磁束が通りにくい方向を「ｑ軸方向」と呼ぶ。ロータコア２０はｑ軸方向およびｄ軸方向において磁気的な異方性を有するため、ステータ３により磁界が発生した際にリラクタンストルクが発生し、ロータ１０を回転させることが可能となる。

また、ｄ軸方向はロータコア２０の磁極部Ｐの周方向の中心を通る径方向であり、ｑ軸方向は周方向で隣り合う磁極部Ｐ同士の間における周方向中心を通る径方向である。周方向で隣り合う磁極部Ｐ同士の間に位置する部分を、以降、磁極中間部Ｍと呼ぶ。ｑ軸は磁極中間部Ｍを通る。
このように、ロータ１０には、周方向に沿って設けられた複数の磁極部Ｐと、周方向に隣り合う磁極部Ｐ同士の間にそれぞれ位置する複数の磁極中間部Ｍと、が設けられる。磁極中間部Ｍは、貫通孔群１３０をそれぞれ有する。

本実施形態では、貫通孔３０内には導電体４０が配置されている。複数の貫通孔３０のうち、すべての貫通孔３０の内側に導電体４０が充填されている。導電体４０を構成する材料は、電気伝導率の高い材料である。導電体４０を構成する材料は、環状導電部５０を構成する材料と同じであり、例えばアルミニウム、銅、およびアルミニウムと銅との合金等が挙げられる。導電体４０を構成する材料は、貫通孔３０により構成された磁気突極構造に影響を与えないよう、強磁性体でない金属である。
各貫通孔３０内に配置された導電体４０は、それぞれ、環状導電部５０と電気的に接続されている。このため、各貫通孔３０内の導電体４０同士は環状導電部５０を介して電気的に接続されており、環状導電部５０は各貫通孔３０内の導電体４０同士を電気短絡させている。
貫通孔３０内の導電体４０は、導電体４０となる金属を加熱して貫通孔３０内に流し込むことで作られている。
本実施形態において、導電体４０および環状導電部５０は、同一の単一部材の一部である。例えば、ロータコア２０の軸方向両側にそれぞれ環状導電部５０の金型を配置し、導電体４０および環状導電部５０となる金属を加熱して貫通孔３０および金型内に流し込むことで導電体４０および環状導電部５０は作られている。
なお、導電体４０および環状導電部５０は、別部材であってもよいし、異なる構成材料であってもよい。

シンクロナスリラクタンスモータの貫通孔３０内に導電体４０が配置された場合、回転する磁界の中に導体が配置されることになる。このため、ステータ３により発生した磁界が回転した際に、電磁誘導により導電体４０に誘導電流が流れ、誘導電流のローレンツ力によりロータ１０に回転力を発生させることが可能となる。特に、静止したロータ１０の回転を開始する時にローレンツ力によるトルクを得ることができるため、起動時の性能を高めることができる。このように、起動時の特性を向上させたシンクロナスリラクタンスモータは、特にＤＯＬ ＳｙｎＲＭ（Direct-On-Line Synchronous Reluctance Motor）とも呼ばれる。

ここで、磁気突極構造を有するロータ１０では、磁極部Ｐには導電体４０が配置されていないため、周方向において導電体４０の配置される量は均等ではない。このため、従来の誘導モータと比較して起動時に発生するローレンツ力が小さく、起動時の性能が悪い場合があった。

そこで、発明者らは、ｑ軸を対称軸とした時に非対称な形状である複数の貫通孔３０を有するロータコア２０において、径方向において最も径方向外側の配置された貫通孔３０の軸方向から見た時の断面積を大きくし、当該貫通孔３０内の導電体４０の配置領域を大きくすることで、静止したロータ１０を起動させる際により大きなローレンツ力によるトルクを得られることを見出した。また、このようなロータコア２０では、回転電機１が定格速度で回転する通常回転時における効率も好適に確保できることを見出した。

以下、図２および図３を用い、本実施形態のロータコア２０の貫通孔３０の構成についてより詳細に説明する。

（貫通孔３０）
本実施形態のロータコア２０は、最外貫通孔３１と、第１中間貫通孔３２と、第２中間貫通孔３３と、最内貫通孔３４とを含む４つの貫通孔３０をそれぞれ備える４組の貫通孔群１３０を有する。最外貫通孔３１と、第１中間貫通孔３２と、第２中間貫通孔３３と、最内貫通孔３４と、は径方向外側から径方向内側に向かって、この順に配置されている。本実施形態の貫通孔群１３０では、複数の貫通孔３０のうち、最も径方向外側に位置する貫通孔は最外貫通孔３１であり、最も径方向内側に位置する貫通孔は最内貫通孔３４である。

本実施形態では４つの貫通孔３０が、１組の貫通孔群１３０に配置されている。１組の貫通孔群１３０における貫通孔３０の数は４つに限られず、最外貫通孔３１と、最内貫通孔３４と、を含む２つ以上の貫通孔３０が配置されていればよい。すなわち、最外貫通孔３１と最内貫通孔３４との間の中間貫通孔は配置されていなくてもよい。貫通孔３０の数は、ロータコア２０の大きさにより適宜変更されてもよい。
以降、最外貫通孔３１、第１中間貫通孔３２、第２中間貫通孔３３、および最内貫通孔３４のいずれかを指す場合は、単に貫通孔３０とも呼ぶ。

４組の貫通孔群１３０はロータコア２０の周方向に沿って等間隔に並べられている。
貫通孔群１３０の各組は、それぞれ周方向に９０°回転した姿勢で配置されている点を除いて、同様の構成である。以下の各貫通孔３０の説明においては、４組の貫通孔群１３０のうち代表して１つの組に含まれる貫通孔３０について説明する。

貫通孔群１３０に含まれる、最外貫通孔３１と、第１中間貫通孔３２と、第２中間貫通孔３３と、最内貫通孔３４と、はそれぞれ接触しておらず、径方向において離れて位置している。ロータコア２０のうち、最外貫通孔３１の径方向外側の領域と、径方向に隣り合う２つの貫通孔３０同士の間の領域と、貫通孔群１３０の径方向内側の領域と、は、ステータ３により生じる磁束の流れる磁路ＭＰとなる。

貫通孔３０は、軸方向に見て径方向内側に凸となる円弧状である。第１中間貫通孔３２の円弧半径は、最外貫通孔３１の円弧半径よりも大きい。第２中間貫通孔３３の円弧半径は、第１中間貫通孔３２の円弧半径よりも大きい。最内貫通孔３４の円弧半径は、第２中間貫通孔３３の円弧半径よりも大きい。
以下の説明においては、軸方向に見て貫通孔３０が延びる方向を「延伸方向」と呼ぶ。軸方向に見て最外貫通孔３１、第１中間貫通孔３２、第２中間貫通孔３３、および最内貫通孔３４が延びる方向をそれぞれ「第１延伸方向」、「第２延伸方向」、「第３延伸方向」、および「第４延伸方向」と呼ぶ。

軸方向に見て、最外貫通孔３１、第１中間貫通孔３２および第２中間貫通孔３３では、径方向外側に位置する貫通孔３０ほど、貫通孔３０の延伸方向の寸法が短い。すなわち、最外貫通孔３１の第１延伸方向の寸法は第１中間貫通孔３２の第２延伸方向の寸法よりも短い。第１中間貫通孔３２の第２延伸方向の寸法は第２中間貫通孔３３の第３延伸方向の寸法よりも短い。
最内貫通孔３４では、第４延伸方向における２つの端部のうち一方の端部がロータコア２０の径方向外縁部２０ｂまで延びておらず、最内貫通孔３４の第４延伸方向の寸法は第２中間貫通孔３３の第３延伸方向の寸法よりも短い。なお、ロータコア２０の径方向外縁部２０ｂとは、ロータコア２０のうち、径方向においてロータコア２０の外周端よりも内側の領域であり、最外貫通孔３１、第１中間貫通孔３２および第２中間貫通孔３３の延伸方向における両端部と、最内貫通孔３４の延伸方向における－θ側の端部と、が配置される。

最外貫通孔３１、第１中間貫通孔３２および第２中間貫通孔３３の延伸方向における両端部および最内貫通孔３４の周方向における－θ側の端部は、ロータコア２０の径方向外縁部２０ｂに位置する端部であり、以降、外端部と呼ぶ。
最外貫通孔３１、第１中間貫通孔３２、第２中間貫通孔３３、および最内貫通孔３４の－θ側の外端部を第１外端部３１ａ、第１外端部３２ａ、第１外端部３３ａ、および第１外端部３４ａと符号を付して呼ぶ。最外貫通孔３１、第１中間貫通孔３２、および第２中間貫通孔３３の+θ側の外端部を第２外端部３１ｂ、第２外端部３２ｂ、第２外端部３３ｂと符号を付して呼ぶ。
以降、貫通孔３０のいずれかの第１外端部を指す場合は、単に第１外端部３０ａと呼び、貫通孔３０のいずれかの第２外端部を指す場合は、単に第２外端部３０ｂとも呼ぶ。
第１外端部３０ａおよび第２外端部３０ｂの径方向の位置は、それぞれ同等の位置となっている。

磁極中間部Ｍにおいて、磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭよりも－θ側に配置された領域を第１領域Ｐ１と呼び、磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭよりも＋θ側に配置された領域を第２領域Ｐ２と呼ぶ。本実施形態では、磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭはロータコア２０のｑ軸と一致する位置に設けられている。ただし、磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭおよびｑ軸の位置は一致していなくてもよい。
第１領域Ｐ１には、第１外端部３０ａが配置されている。第２領域には、第２外端部３０ｂが配置されている。
第４延伸方向において、最内貫通孔３４の第１外端部３４ａとは反対側の端部である第２端部３４ｍはロータコア２０の径方向外縁部２０ｂまで延びていない。すなわち最内貫通孔３４は第２外端部を有していない。このように、貫通孔群１３０において、複数の貫通孔３０のうち最も径方向内側に位置する最内貫通孔３４は、外端部を１つのみ有する。これにより、ロータコア２０において、第２中間貫通孔３３および最内貫通孔３４よりも径方向内側の領域における磁路ＭＰを好適な形状にしやすくなる。

本実施形態では、第１領域Ｐ１に配置された第１外端部３０ａの数は４つであり、第２領域Ｐ２に配置された第２外端部３０ｂの数は３つである。このように、第２領域Ｐ２に配置された第２外端部３０ｂの数は、第１領域Ｐ１に配置された第１外端部３０ａの数よりも少ない。これにより、磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭを対称軸とした時に、非対称な貫通孔３０を配置することができるため、回転電機１の起動時の性能および通常回転時の効率の両方を向上できるよう貫通孔３０の形状を好適な形状にすることが可能となる。
第２領域Ｐ２に配置された第２外端部３０ｂの数は、第１領域Ｐ１に配置された第１外端部３０ａの数よりも１つ少ない。これにより、回転電機１の起動時の性能を向上できるよう、径方向において最も外側に配置された最外貫通孔３１の第２領域Ｐ２における形状を好適な形状にすることが可能となる。

本実施形態では、最内貫通孔３４の第２端部３４ｍの位置は、磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭよりも－θ側に配置されている。すなわち、第２端部３４ｍは第１領域Ｐ１に配置されている。これにより、中心貫通孔２０ａと最内貫通孔３４との間の寸法を好適に確保できるので、ロータコア２０の強度を保つことができる。
第２端部３４ｍの位置は本実施形態の例に限られず、磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭ上に配置されていてもよいし、第２領域Ｐ２に配置されていてもよい。中心貫通孔２０ａと最内貫通孔３４との間の寸法に起因するロータコア２０の強度、および最内貫通孔３４を有する貫通孔群１３０と当該貫通孔群１３０の＋θ側に配置された他の貫通孔群１３０との間の磁極部Ｐの寸法とを考慮し、第２端部３４ｍの位置を適宜変更してもよい。

＜外端部３０ａ、３０ｂの周方向における配置＞
図３に示すように、貫通孔３０の外端部３０ａ、３０ｂの周方向の端部と磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭとの間の周方向角度τ１１～τ１８、τ２１～τ２６を以下のように定義し、外端部３０ａ、３０ｂの周方向における配置をより詳しく説明する。なお、図３では、説明のためロータコア２０以外の構成の図示を省略している。
周方向角度τ１１、τ１３、τ１５、τ１７は、それぞれ、第１外端部３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａのうち磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭに近い側の周方向端と、磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭとの間の周方向角度である。
周方向角度τ１２、τ１４、τ１６、τ１８は、それぞれ、第１外端部３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａのうち磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭから遠い側の周方向端と磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭとの間の周方向角度である。
周方向角度τ２１、τ２３、τ２５は、それぞれ、第２外端部３１ｂ、３２ｂ、３３ｂのうち磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭに近い側の周方向端と、磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭとの間の周方向角度である。
周方向角度τ２２、τ２４、τ２６は、それぞれ、第２外端部３１ｂ、３２ｂ、３３ｂのうち磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭから遠い側の周方向端と磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭとの間の周方向角度である。

最外貫通孔３１において、第２外端部３１ｂは、第１外端部３１ａよりも周方向の寸法が大きい。すなわち、第２領域Ｐ２に配置された第２外端部３０ｂは、第１領域Ｐ１に配置された第１外端部３０ａよりも周方向の寸法が大きい第２外端部３０ｂを少なくとも１つ含む。これにより、磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭを対称軸とした時に非対称な貫通孔３０を配置することができるため、回転電機１の起動時の性能および通常回転時の効率の両方を向上できるよう貫通孔３０の形状を好適な形状にすることが可能となる。

また、貫通孔群１３０において、複数の貫通孔３０のうち最も径方向外側に位置する最外貫通孔３１は、第１領域Ｐ１に位置する外端部である第１外端部３１ａと、第２領域Ｐ２に位置する外端部である第２外端部３１ｂと、を有し、第２外端部３１ｂの周方向の寸法は、第１外端部３１ａの周方向の寸法よりも大きい。すなわち、τ１２－τ１１＜τ２２－τ２１を満たす。これにより、第２領域Ｐ２に配置された第２外端部３１ｂの周方向幅を大きくして最外貫通孔３１の断面積を大きく確保できるので、最外貫通孔３１内に配置される導電体４０の配置領域も大きくすることができる。したがって、回転電機１の起動時の性能を向上できる。

第１外端部３１ａのうち磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭに近い側の周方向端と周方向中心ＩＭとの間の周方向角度τ１１は、第２外端部３１ｂのうち周方向中心ＩＭに近い側の周方向端と周方向中心ＩＭとの間の周方向角度τ２１に対して±１°となる角度である。すなわち、τ１１＝τ２１±１°を満たす。これにより、最外貫通孔３１よりも径方向外側に配置される磁路ＭＰが狭くなりすぎることを抑制できるため、通常回転時における磁束の流れを好適に維持しつつ、起動時のトルクを向上できる。また、ロータコア２０において、最外貫通孔３１よりも径方向外側に配置される領域を確保できるため、ロータコア２０の強度を高めることができる。

第１領域Ｐ１および第２領域Ｐ２のそれぞれにおいて、外端部３０ａ、３０ｂの周方向両端を含む周方向端は、周方向に間隔を空けて２つ以上設けられており、ｋを２以上の整数としたとき、第１領域Ｐ１に位置する周方向端のうち周方向中心ＩＭに対して（ｋ＋２）番目に近い周方向端と周方向中心ＩＭとの間の周方向角度は、第２領域Ｐ２に位置する周方向端のうち周方向中心ＩＭに対してｋ番目に近い周方向端と周方向中心ＩＭとの間の周方向角度に対して±１°となる角度である。すなわち、ｋがｋ≧２を満たす整数である場合、τ１（ｋ＋２）=τ２ｋ±１°を満たす。
本実施形態においては、ｋ＝２のときτ１４＝τ２２±１°、ｋ＝３のときτ１５＝τ２３±１°、ｋ＝４のときτ１６＝τ２４±１°、ｋ＝５のときτ１７＝τ２５±１°、ｋ＝６のときτ１８＝τ２６±１°を満たす。

このように周方向端が配置されるため、周方向中心ＩＭを対称軸として、第１外端部３１ａおよび第１外端部３２ａは第２外端部３１ｂに重なる位置に配置される。周方向中心ＩＭを対称軸として、第１外端部３３ａ、３４ａは、それぞれ、第２外端部３２ｂ、３３ｂと線対称に配置されている。
これにより、最外貫通孔３１の第２外端部３１ｂの周方向幅を大きくして最外貫通孔３１の断面積を大きく確保できるので、最外貫通孔３１内に配置される導電体４０の配置領域も大きくすることができる。したがって、回転電機１の起動時の性能を向上できる。
また、軸方向に見て、最外貫通孔３１では第１領域Ｐ１における断面積が第２領域Ｐ２よりも小さくなっているが、第１領域Ｐ１における第１外端部３０ａの数は、第２領域Ｐ２における第２外端部３０ｂの数よりも多い。このため、軸方向に見て、第１領域Ｐ１における貫通孔３０の断面積の和と、第２領域Ｐ２における貫通孔３０の断面積の和との差が過度に大きくならないよう複数の貫通孔３０を配置できる。これにより、ロータ１０を＋θ側および－θ側のいずれの方向に回転を開始させる際にも、性能を向上させることができる。

＜貫通孔３０の幅＞
貫通孔３０の幅とは、軸方向に見て各貫通孔３０の延伸方向と直交する方向の寸法である。
軸方向に見て、最外貫通孔３１の幅は、第１外端部３１ａから第２外端部３１ｂに向かうに従って大きくなっている。これにより、最外貫通孔３１において第２外端部３１ｂ側の周方向幅を大きくして最外貫通孔３１の断面積を大きく確保できるので、最外貫通孔３１内に配置される導電体４０の配置領域も大きくすることができる。したがって、回転電機１の起動時の性能を向上できる。
軸方向に見て、第１中間貫通孔３２の幅、第２中間貫通孔３３の幅、および第２端部３４ｍを除く最内貫通孔３４の幅は、それぞれ、延伸方向において均一になっている。これにより、最外貫通孔３１の断面積を大きくした場合でも、最外貫通孔３１と第１中間貫通孔３２との間の磁路ＭＰ、第１中間貫通孔３２と第２中間貫通孔３３との間の磁路ＭＰ、および第２中間貫通孔３３と最内貫通孔３４との間の磁路ＭＰが、それぞれ、狭くなりすぎることを抑制できる。
なお、第２端部３４ｍでは、第４延伸方向において最内貫通孔３４の幅は第２端部３４ｍの先端に向かうにしたがって小さくなっている。これにより、ロータコア２０において、中心貫通孔２０ａと最内貫通孔３４との間の寸法を確保することができるので、ロータコア２０の機械的な強度を保つことができる。

＜貫通孔３０のブリッジ部３０ｇ＞
貫通孔群１３０には、３つ以上の貫通孔３０が含まれ、貫通孔群１３０において、最も径方向外側に位置する貫通孔３０と最も径方向内側に位置する貫通孔３０とを除く貫通孔３０の少なくとも１つには、貫通孔３０の径方向内側の第１縁部３０ｅ１と径方向外側の第２縁部３０ｅ２とを繋ぐブリッジ部３０ｇが設けられている。本実施形態では、図２に示すように、最外貫通孔３１および最内貫通孔３４にはブリッジ部３０ｇが設けられておらず、第１中間貫通孔３２および第２中間貫通孔３３において、周方向中心ＩＭと重なる位置にブリッジ部３０ｇがそれぞれ配置されている。これより、ロータコア２０の機械的な強度を好適に保つことができる。また、最外貫通孔３１内には、導電体４０を電気的に分断するブリッジ部３０ｇが配置されていないため、起動時の性能を好適に向上させることができる。
なお、第１中間貫通孔３２および第２中間貫通孔３３のうち、いずれか一方のみにブリッジ部３０ｇが設けられていてもよい。各貫通孔３０に設けられるブリッジ部３０ｇの数は１つに限られず２つ以上であってもよい。また、周方向中心ＩＭ以外の位置にブリッジ部３０ｇが配置されていてもよい。

＜ロータコア２０の特性評価＞
以下、貫通孔の形状を異ならせた複数のロータコアにおいて、ロータコアの強度、起動時の性能、および通常回転時における効率を比較した結果を、表１を用いて説明する。なお、表１の実施例１（Example 1）のロータコアは図２に示すロータコア２０であり、比較例１（comparative Example 1）のロータコアは図７Ａに示されるロータコア２００であり、比較例２（comparative Example 2）のロータコアは図７Ｂに示されるロータコア２０１である。実施例１、比較例１、および比較例２のロータコアの貫通孔には、それぞれ導電体が配置されている。
各ロータコアを＋θ方向（ＣＷ：clockwise（時計回り方向））または－θ方向（ＣＣＷ：counter-clockwise（反時計回り方向））に回転させた際の特性を表１に示す。

図７Ａに示すロータコア２００は、第１貫通孔２３１と第２貫通孔２３２と第３貫通孔２３３と第４貫通孔２３４とを含む、複数の貫通孔２３０を有する。貫通孔２３０は、軸方向に見て互いに同心の円弧状である。径方向内側の貫通孔２３０の円弧半径ほど、円弧半径が大きい。貫通孔２３０の幅は、互いに同じである。複数の貫通孔２３０は磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭを対称軸として線対称な形状である。

図７Ａでは、実施例１のロータコア２０の貫通孔３０を破線で重ねて示している。図７Ａに示すように、ロータコア２００の第１外端部２３０ａのそれぞれの位置は、ロータコア２０の第１外端部３０ａの位置と同じである。
図７Ａに示すように、ロータコア２００の第１貫通孔２３１の第２外端部２３１ｂおよび第２貫通孔２３２の第２外端部２３２ｂは、ロータコア２０の最外貫通孔３１の第２外端部３１ｂに重なる位置に配置されている。ロータコア２００の第１貫通孔２３１の第２外端部２３１ｂのうち周方向中心ＩＭに近い側の周方向端は、ロータコア２０の最外貫通孔３１の第２外端部３１ｂのうち周方向中心ＩＭに近い側の周方向端と同じ位置に配置され、ロータコア２００の第２貫通孔２３２の第２外端部２３２ｂのうち周方向中心ＩＭから遠い側の周方向端は、ロータコア２０の最外貫通孔３１の第２外端部３１ｂのうち周方向中心ＩＭから遠い側の周方向端と同じ位置に配置されている。
ロータコア２００の第３貫通孔２３３の第２外端部２３３ｂおよび第４貫通孔２３４の第２外端部２３４ｂは、それぞれロータコア２０の第１中間貫通孔３２の第２外端部３２ｂおよび第２中間貫通孔３３の第２外端部３３ｂと同等の位置に配置されている。

図７Ｂに示すロータコア２０１は、第１貫通孔２３１の形状がロータコア２００とは異なる点を除き同様の形状である。より詳しくは、ロータコア２００と比較して、軸方向から見てロータコア２０１の第１貫通孔２３１は径方向外側に向かって広がっている。このため、ロータコア２００と比較して、ロータコア２０１の第１貫通孔２３１の断面積が大きくなっており、第１貫通孔２３１内に配置される導電体４０の配置領域も大きくなっている。

表１に示す「structural rigidity」の欄には、ロータコアの機械的な強度を評価した結果が示されている。径方向において最も外側に配置された第１貫通孔の断面積が比較例２よりも小さい比較例１では、強度は非常に良好であった。これは、比較例１では、ロータコア２００において第１貫通孔２３１の径方向外側の寸法が確保されているためであると考えられる。実施例１および比較例２の強度は比較例１にはやや劣るものの、良好な結果であった。実施例１のロータコア２０は、ロータコア２０の製造プロセスおよびロータ回転時にロータコア２０の変形が起こりにくい構造であることがわかる。

表１に示す「starting load capacity」の欄には、ロータコアの回転を開始させる際に必要な負荷容量を評価した結果が示されている。
比較例１では結果が不良であった。これは、比較例１では径方向において最も外側に配置された第１貫通孔２３１の断面積が比較例２および実施例１よりも小さく、ロータコア２００の径方向外周縁部に配置された導電体４０の配置領域が狭いためであると考えられる。このため、比較例１では、起動時にローレンツ力によるトルクを好適に得られなかった。
比較例１よりも導電体４０の配置領域が広い比較例２では、良好な結果であった。比較例１に対して比較例２のように径方向において最も外側の第１貫通孔２３１を径方向外側に広げることで導電体４０の配置領域を増やし、起動時の性能をある程度改善できることが示されているが、その効果は限定的であった。

実施例１の起動時の性能は、比較例２と比べても非常に良好な結果であった。実施例１では、周方向中心ＩＭを対称軸とした時に非対称な形状の貫通孔３０を有し、導電体４０の配置された位置および配置領域の面積が最適化されたため、比較例２と比較してもより起動時のローレンツ力を好適に得ることができたためと考えられる。

表１に示す「performance at rated condition」の欄には、ロータコアの回転速度が定格速度となる通常回転時における効率を評価した結果が示されている。
実施例１、比較例１、および比較例２では、いずれにおいてもフラックスバリアとなる貫通孔が配置されているため、ロータコアの磁気的な異方性により生じるリラクタンストルクにより通常回転時で良好に回転することがわかる。

以上の結果から、実施例１のロータコア２０では強度と通常回転時における回転の効率とを好適に確保しつつ、起動時の性能を良好に向上させることが可能であることがわかる。

なお、表１では、実施例１のロータコア２０の反時計回り方向の評価結果のみを示しているが、時計回りにおけるいずれの項目の評価結果も時計回りにおける評価結果と同様に良好な結果であった。ただし、実施例１のロータコア２０は磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭに対して貫通孔３０の形状が非対称であるため、時計回りと反時計回りとの起動時の性能を比較した場合、時計回りに回転を開始させる方がより性能を高めることが可能であった。

以上説明したように、本実施形態のロータコア２０は、中心軸線Ｊ回りに回転可能なロータコア２０であって、周方向に間隔を空けて配置された複数の磁極部Ｐと、周方向に隣り合う磁極部Ｐ同士の間にそれぞれ位置する複数の磁極中間部Ｍと、を備え、複数の磁極中間部Ｍのそれぞれは、径方向に間隔を空けて配置された複数の貫通孔３０を含む貫通孔群１３０を有し、各貫通孔３０は、ロータコア２０の径方向外縁部２０ｂに位置する外端部３０ａ、３０ｂを有し、複数の磁極中間部Ｍのそれぞれにおいて、磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭを挟んで配置された第１領域Ｐ１と第２領域Ｐ２とには、それぞれ外端部３０ａ、３０ｂが配置され、第２領域Ｐ２に配置された第２外端部３０ｂの数は、第１領域Ｐ１に配置された第１外端部３０ａの数よりも少ない。

これにより、第２領域Ｐ２に配置された第２外端部３０ｂの１つの周方向幅を大きくして貫通孔３０を大きくし、貫通孔３０内に配置される導電体４０の配置領域を大きくすることができる。さらに、軸方向から見て、貫通孔３０の断面積を大きくした場合であっても、貫通孔３０同士の間の磁路ＭＰが狭くなり過ぎることを抑制でき、当該磁路ＭＰに好適に磁束を流すことができる。したがって、通常回転時における磁束の流れを好適に維持しつつ、起動時のトルクを向上できる。さらに、貫通孔３０近傍におけるロータコア２０の寸法を好適に確保できるため、ロータコア２０の強度を向上させることができる。また、ロータ１０が中心軸線Ｊ周りに回転し、ステータ３に対する磁路ＭＰの周方向の位置が移動する際にトルクリップルが生じる場合があるが、各磁路ＭＰの幅を好適に確保できるため、トルクリップルを低減することができる。

また、本実施形態のロータ１０は、上述のロータコア２０と、貫通孔３０内に位置する導電体４０と、を備える。導電体４０で生じるローレンツ力により、ロータ１０の起動時のトルクを向上できる。

また、本実施形態の回転電機１は、上述のロータ１０と、ロータ１０の径方向外側に位置するステータ３と、を備える。
これにより、ロータ１０の強度と通常回転時における回転の効率とを好適に確保しつつ、起動時の性能を良好に向上させた回転電機１を得ることが可能となる。

本発明は上述の実施形態に限られず、本発明の技術的思想の範囲内において、他の構成を採用することもできる。

図２に示す例では、磁極中間部Ｍにおいて、磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭよりも－θ側に第１領域Ｐ１が配置され、磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭよりも＋θ側に第１領域Ｐ１に配置された第１外端部３０ａの数よりも少ない数の第２外端部３０ｂを有する第２領域Ｐ２が配置されていたが、この例に限られない。
例えば、磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭよりも＋θ側に第１領域Ｐ１が配置され、磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭよりも－θ側に第１領域Ｐ１に配置された第１外端部３０ａの数よりも少ない数の第２外端部３０ｂを有する第２領域Ｐ２が配置されてもよい。

また、図４に示すように、周方向に隣り合う２つの貫通孔群１３０はｄ軸を対称軸として鏡像対称であってもよい。図４に示すロータコア２０の部分拡大図には、貫通孔群１３０Ａと、貫通孔群１３０Ａの－θ側に配置された貫通孔群１３０Ｂと、を含む２つの貫通孔群１３０が示されている。貫通孔群１３０Ａおよび貫通孔群１３０Ｂは、当該２つの貫通孔群１３０Ａ、１３０Ｂの間のｄ軸に対して鏡像対称である。
すなわち、貫通孔群１３０Ａでは、磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭに対して－θ側が第１領域Ｐ１となり、＋θ側が第２領域Ｐ２となる。貫通孔群１３０Ｂでは、磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭに対して＋θ側が第１領域Ｐ１となり、－θ側が第２領域Ｐ２となる。
これにより、ロータコア２０を時計回りおよび反時計回りのいずれの方向に回転を開始させる場合においても、起動時の性能を高めることができる。

また、各貫通孔群１３０が有する貫通孔３０の数は、４つに限られず、少なくとも最外貫通孔と最内貫通孔との２つの貫通孔３０を有していればよい。例えば、各貫通孔群１３０が有する貫通孔３０の数は、２つ、３つ、または４つ以上であってもよい。
例えば、図４に示すロータコア２０では、各貫通孔群１３０の有する貫通孔３０の数は、２つであり、中間貫通孔は配置されていない。

また、ロータコア２０の磁極部Ｐの数は４極に限られず、４極よりも少なくてもよいし、４極より多くてもよい。ロータ１０の磁極部Ｐの数は、例えば、２極、６極、または８極であってもよい。
図５に、６極構造のロータ１０を示す。６組の貫通孔群１３０はロータ１０の周方向に沿って等間隔に並べられている。周方向で隣り合う貫通孔群１３０同士の間に、磁極部Ｐが設けられるため、図５に示すロータ１０では６極の磁極部Ｐが設けられている。

また、図６に示すように、貫通孔３０にブリッジ部３０ｇが設けられていなくてもよい。図６のロータコア２０では、図２に示すロータコア２０と比較して、第１中間貫通孔３２および第２中間貫通孔３３にブリッジ部３０ｇが設けられていない。
例えば、導電体４０がブリッジ部３０ｇにより電気的に分断された場合、ロータ１０の回転を開始させる際に発生するローレンツ力が好適に得られない場合がある。ブリッジ部３０ｇを設けないことで、起動時に生じるローレンツ力をより好適に得ることが可能になる。

また、図２に示されるロータコア２０では、複数の貫通孔３０の形状は、軸方向に見て径方向内側に凸となる円弧状となっているが、この例に限られず、軸方向に見て円径方向内側に凸となる折れ線状となっていてもよい。また、１組の貫通孔群１３０において、円弧状の貫通孔３０と折れ線状の貫通孔３０との両方が含まれていてもよい。

また、ロータ１０は、貫通孔３０内に位置するマグネットを備えていてもよい。例えば、少なくとも１つの貫通孔３０内の、磁極中間部Ｍの周方向中心ＩＭに重なる位置に、フェライト磁石が設けられていてもよい。または、少なくとも１つの貫通孔３０内の外端部３０ａ、３０ｂ側に、それぞれフェライト磁石が設けられていてもよい。マグネットの種類は、特に限定されず、マグネットは、ネオジム磁石であってもよい。
この場合、マグネットの磁力により、ロータ１０のトルクを向上させることができる。
マグネットは、貫通孔３０内に配置され、配置された後に溶融した導電体４０が貫通孔３０内に充填されることで貫通孔３０の内側が導電体４０およびマグネットにより塞がれていてもよい。

また、貫通孔３０は、ロータコア２０を軸方向に貫通しなくてもよい。貫通孔３０は、ロータコア２０の軸方向の端面に開口していてもよい。

貫通孔３０は、磁束の流れを抑制できるならば、特に限定されない。上述した実施形態において貫通孔３０内に導電体４０を配置した構成としたが、貫通孔３０内は空隙部としてもよい。また、当該空隙部に樹脂等の非磁性体が埋め込まれることで、貫通孔３０が構成されてもよい。

本発明が適用される回転電機の用途は、特に限定されない。回転電機は、例えば、車両に搭載されてもよいし、車両以外の機器に搭載されてもよい。以上、本明細書において説明した構成は、相互に矛盾しない範囲内において、適宜組み合わせることができる。

１…回転電機、３…ステータ、１０…ロータ、２０…ロータコア、２０ｂ…ロータコアの径方向外縁部、３０…貫通孔、３０ａ…第１外端部（外端部）、３０ｂ…第２外端部（外端部）、３０ｅ１…第１縁部、３０ｅ２…第２縁部、３０ｇ…ブリッジ部、３１…最外貫通孔、３４…最内貫通孔、４０…導電体、１３０…貫通孔群、ＩＭ…磁極中間部の周方向中心、Ｊ…中心軸線、Ｍ…磁極中間部、Ｐ…磁極部、Ｐ１…第１領域、Ｐ２…第２領域

Claims (12)

1. 中心軸線回りに回転可能なロータコアであって、
   周方向に間隔を空けて配置された複数の磁極部と、
   周方向に隣り合う前記磁極部同士の間にそれぞれ位置する複数の磁極中間部と、
   を備え、
   前記複数の磁極中間部のそれぞれは、径方向に間隔を空けて配置された複数の貫通孔を含む貫通孔群を有し、
   各前記貫通孔は、前記ロータコアの径方向外縁部に位置する外端部を有し、
   前記複数の磁極中間部のそれぞれにおいて、前記磁極中間部の周方向中心を挟んで配置された第１領域と第２領域とには、それぞれ前記外端部が配置され、
   前記第２領域に配置された前記外端部の数は、前記第１領域に配置された前記外端部の数よりも少ない、ロータコア。
2. 前記第２領域に配置された前記外端部は、前記第１領域に配置された前記外端部よりも周方向の寸法が大きい前記外端部を少なくとも１つ含む、請求項１に記載のロータコア。
3. 前記貫通孔群において、前記複数の貫通孔のうち最も径方向外側に位置する最外貫通孔は、前記第１領域に位置する前記外端部である第１外端部と、前記第２領域に位置する前記外端部である第２外端部と、を有し、
   前記第２外端部の周方向の寸法は、前記第１外端部の周方向の寸法よりも大きい、請求項２に記載のロータコア。
4. 軸方向に見て、前記最外貫通孔の幅は、前記第１外端部から前記第２外端部に向かうに従って大きくなっている、請求項３に記載のロータコア。
5. 前記第１外端部のうち前記周方向中心に近い側の周方向端と前記周方向中心との間の周方向角度は、前記第２外端部のうち前記周方向中心に近い側の周方向端と前記周方向中心との間の周方向角度に対して±１°となる角度である、請求項３または４に記載のロータコア。
6. 前記第１領域および前記第２領域のそれぞれにおいて、前記外端部の周方向両端を含む周方向端は、周方向に間隔を空けて２つ以上設けられており、
   ｋを２以上の整数としたとき、前記第１領域に位置する前記周方向端のうち前記周方向中心に対して（ｋ＋２）番目に近い前記周方向端と前記周方向中心との間の周方向角度は、前記第２領域に位置する前記周方向端のうち前記周方向中心に対してｋ番目に近い前記周方向端と前記周方向中心との間の周方向角度に対して±１°となる角度である、請求項３から５のいずれか一項に記載のロータコア。
7. 前記第２領域に配置された前記外端部の数は、前記第１領域に配置された前記外端部の数よりも１つ少ない、請求項１から６のいずれか一項に記載のロータコア。
8. 前記貫通孔群において、前記複数の貫通孔のうち最も径方向内側に位置する最内貫通孔は、前記外端部を１つのみ有する、請求項７に記載のロータコア。
9. 前記貫通孔群には、３つ以上の前記貫通孔が含まれ、
   前記貫通孔群において、最も径方向外側に位置する前記貫通孔と最も径方向内側に位置する前記貫通孔とを除く前記貫通孔の少なくとも１つには、前記貫通孔の径方向内側の第１縁部と径方向外側の第２縁部とを繋ぐブリッジ部が設けられている、請求項１から８のいずれか一項に記載のロータコア。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のロータコアと、
    前記貫通孔内に位置する導電体と、
    を備える、ロータ。
11. 前記貫通孔内に位置するマグネットを備える、請求項１０に記載のロータ。
12. 請求項１０または１１に記載のロータと、
    前記ロータの径方向外側に位置するステータと、
    を備える、回転電機。

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