JP5557713B2 - ロータ - Google Patents

Description

この発明は、インナーロータタイプの回転電機のロータに関するものである。

従来、ロータコア内部に永久磁石を備えるロータにあっては、側面視略Ｖ字状に配置される一対の永久磁石をロータコアの周方向に複数対並べて備えるロータが知られている。このロータにあっては、振動および騒音の原因となるトルクリップルを低減するために、ロータコアの外周面と永久磁石との間にスリットを設け、さらに、ロータコアの外周面に凹部を設けるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４１９８５４５号公報

しかしながら、上述した従来のロータは、スリットおよび凹部を設けてｑ軸方向の磁気抵抗を増加させることでトルクリップルを低減させているため、リラクタンストルクが低下して回転電機が発生できる平均トルクが低下してしまうという課題がある。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、回転電機の平均トルク低下を抑制しつつトルクリップルを低減することができるロータを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、略円筒形状のロータコア（例えば、実施形態におけるロータコア６）と、前記ロータコアの外周面（例えば、実施形態における外周面１１）に向かって広がる略Ｖ字状に配置された一対の磁石スロット（例えば、実施形態における磁石スロット７）からなる磁石スロット対（例えば、実施形態における磁石スロット対９）を周方向に複数対配置して、該磁石スロットにそれぞれ永久磁石（例えば、実施形態における永久磁石８）を挿入して備える回転電機のロータにおいて、前記ロータコアは、該ロータコアの周方向における前記磁石スロット対の端部（例えば、実施形態における端部１６，１７）と前記ロータコアの外周面とに挟まれた位置に磁気的貫通孔（例えば、実施形態における磁気的貫通孔２０、３１，３２）を備え、該磁気的貫通孔は、前記永久磁石の前記ロータコアの径方向における外側の磁極面（例えば、実施形態における磁極面１８）と略平行に形成される内周側内壁面（例えば、実施形態における内周側内壁面２１）と、前記ロータコアの外周面と略平行に形成される外周側内壁面（例えば、実施形態における外周側内壁面２２）と、前記ロータコアの周方向における前記磁石スロット対の中央側で、前記内周側内壁面と前記外周側内壁面との間に形成される中央側内壁面（例えば、実施形態における中央側内壁面２３）とを備えて構成され、前記外周側内壁面と前記中央側内壁面との間の隅部の曲率半径が、前記磁気的貫通孔の他の隅部の曲率半径よりも大きいことを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記磁石スロット対の周方向の端部側で、前記内周側内壁面と、前記外周側内壁面との間に端部側内壁面（例えば、実施形態における端部側内壁面３０）を備えることを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記ロータコアの前記内周側内壁面と前記磁石スロットとの間に形成される内周側リブ（例えば、実施形態における内周側リブ２５）の厚さは、前記外周側内壁面と前記ロータコアの外周面との間に形成される外周側リブ（例えば、実施形態における外周側リブ２６）の厚さよりも厚いことを特徴とする。

請求項４に記載した発明は、請求項１乃至３の何れか一項に記載の発明において、前記磁石スロット対のうち、前記ロータコアの主回転方向の回転前方側に配置される前記磁石スロットと前記ロータコアの外周面との間にのみ前記磁気的貫通孔を備えることを特徴とする。
請求項５に記載した発明は、略円筒形状のロータコアと、前記ロータコアの外周面に向かって広がる略Ｖ字状に配置された一対の磁石スロットからなる磁石スロット対を周方向に複数対配置して、該磁石スロットにそれぞれ永久磁石を挿入して備える回転電機のロータにおいて、前記ロータコアは、該ロータコアの周方向における前記磁石スロット対の端部と前記ロータコアの外周面とに挟まれた位置に磁気的貫通孔を備え、該磁気的貫通孔は、前記永久磁石の前記ロータコアの径方向における外側の磁極面と略平行に形成される内周側内壁面と、前記内周側内壁面と前記ロータコアの径方向に対向するとともに、前記ロータコアの周方向の一方側から他方側に延びる外周側内壁面と、前記ロータコアの周方向における前記磁石スロット対の中央側で、前記内周側内壁面と前記外周側内壁面との間に形成される中央側内壁面とを備えて構成され、前記外周側内壁面と前記中央側内壁面との間の隅部の曲率半径が、前記磁気的貫通孔の他の隅部の曲率半径よりも大きいことを特徴とする。

請求項１，５に記載した発明によれば、ロータコアの周方向における磁石スロット対の端部とロータコアの外周面とに挟まれた位置に磁気的貫通孔を備えることにより、トルクリップルを低減することができる。さらに、ロータコアの周方向における磁石スロット対の端部とロータコアの外周面とに挟まれた領域の磁束を、磁気的貫通孔を迂回させることができる。したがって、ロータコアの周方向における磁石スロット対の端部とロータコアの外周面とに挟まれた領域の磁束を、回転方向前方側へ傾倒させることができ、トルクリップルの原因となる方向の磁束を低減して、さらに回転トルクに寄与する方向の磁束を増加することができるため、平均トルクの低下を抑制しつつ、トルクリップルを抑制することができる効果がある。
また、外周側内壁面と中央側内壁面との間の隅部の曲率半径が大きく形成されることで、磁気的貫通孔の中央側の磁気的な抵抗を減少させることができるため、トルクリップルを抑制しつつ、回転トルクに寄与する方向の磁束をさらに増加させることができる効果がある。

請求項２に記載した発明によれば、請求項１の効果に加え、内周側内壁面と外周側内壁面との間に設けられた端部側内壁面により、磁気的貫通孔の端部側の磁気的な抵抗を減少させることができるため、トルクリップルを抑制しつつ回転トルクに寄与する方向の磁束をさらに増加させることができる効果がある。

請求項３に記載した発明によれば、請求項１又は２の効果に加え、内周側リブの厚さが外周側リブの厚さよりも厚く形成されることで、内周側リブの磁束の流れをより妨げにくくすることができるため、平均トルクの低下を抑制することができる効果がある。

請求項４に記載した発明によれば、請求項１乃至３の何れか一項の効果に加え、ロータコアの主回転方向の回転前方側にのみ磁気的貫通孔が配置されることで、ロータコアが主回転方向に回転する際に、トルクリップルの原因となるトルク変動を減少させると共に、主回転方向の回転後方側に磁気的貫通孔を形成しないことで磁気的な抵抗を低減させることができるため、主回転方向に回転する際の平均トルクの低下を抑制することができると共に、トルクリップルを抑制することができる効果がある。

本発明の第１実施形態における回転電機の側面図である。 本発明の第１実施形態における磁石スロット対の拡大図である。 本発明の第１実施形態におけるロータコアの周方向における磁石スロット対の端部の拡大図である。 本発明の第１実施形態における電気角に対するトルク変動のグラフである。 本発明の第１実施形態における電気角０度の場合の磁束線および表面力を示す図であり、（ａ）は磁気的貫通孔が無い場合、（ｂ）は磁気的貫通孔が有る場合を示している。 本発明の第１実施形態における電気角１５度の場合の図５に相当する図であり、（ａ）は磁気的貫通孔が無い場合、（ｂ）は磁気的貫通孔が有る場合を示している。 本発明の第１実施形態における電気角３０度の場合の図５に相当する図であり、（ａ）は磁気的貫通孔が無い場合、（ｂ）は磁気的貫通孔が有る場合を示している。 本発明の第１実施形態における電気角４５度の場合の図５に相当する図であり、（ａ）は磁気的貫通孔が無い場合、（ｂ）は磁気的貫通孔が有る場合を示している。 回転数に対する振動加速度レベルの変化を示すグラフである。 磁気的貫通孔の有無に応じたトルク変動成分のうち２４次成分と４８次成分とを示すグラフである。 本発明の第１実施形態の第１変形例（真の実施形態）における磁石スロット対の拡大図である。 本発明の第１実施形態の第２変形例における磁石スロット対の拡大図である。 本発明の第２実施形態における図１１に相当する拡大図である。 本発明の第２実施形態における図３に相当する拡大図である。 本発明の第２実施形態における図４に相当するグラフである。 本発明の第２実施形態における図５（ｂ）に相当する図である。 本発明の第２実施形態における図６（ｂ）に相当する図である。 本発明の第２実施形態における図７（ｂ）に相当する図である。 本発明の第２実施形態における図８（ｂ）に相当する図である。

次に、この発明の第１実施形態のロータについて図面を参照しながら説明する。
図１は、この実施形態におけるロータ１を備える回転電機１０を示している。この回転電機１０はステータ２の内側にロータ１が配置されるいわゆるインナーロータタイプのＤＣブラシレスモータなどの回転電機１０であって、ステータ２は、略円環状のヨーク３と、ヨーク３内周側に櫛歯上に配置されるティース４と、ティース４間のスロット５に巻回されるコイル（図示せず）とを備えて構成される。なお、ロータ１の回転軸方向は、図１の紙面表裏方向となっている。

図１、図２に示すように、ロータ１は、略円環状に形成されたロータコア６を備えて構成される。ロータコア６は軟磁性材料で形成され外周が側面視略円形に形成される。ロータコア６の内部には、ロータコア６の回転軸に沿って複数の磁石スロット７が形成され、これら磁石スロット７に側面視略長方形状の永久磁石８が挿入される。

ここで、上述した磁石スロット７は、ロータコア６の径方向外側に向かって広がる側面視略Ｖ字状に配置された２つの磁石スロット７からなる磁石スロット対９をそれぞれ構成し、ロータコア６の内部には、ロータコア６の外周面１１に沿って複数、より具体的には８対の磁石スロット対９が等間隔で設置される。これら複数の磁石スロット対９は、それぞれロータコア６外周面１１近傍に配置され、ロータコア６の回転軸方向の端面１２に開口１３を有し、開口１３から永久磁石８が挿入されて取り付けられる。

磁石スロット７は、それぞれロータコア６の外周側の内面７ａおよび、外周とは反対側の内面７ｂとがそれぞれ平行な平面に形成され、それぞれロータコア６の周方向における端部１４周辺に、磁石スロット７に永久磁石８にかかる応力を低減するための空間部１５が形成される。ここで、磁石スロット対９を構成する２つの磁石スロット７は、一方の内面７ａと他方の内面７ｂとの延長面同士のなす角が鈍角となるように配置され、ロータコア６の周方向における磁石スロット対９の端部１６，１７に向かうほど、ロータコア６の外周面１１に近づくように配置される。つまり、磁石スロット対９は、ロータコア６の外周面１１に向かって広がる側面視略Ｖ字状を呈している。

ロータコア６には、ロータコア６の周方向における磁石スロット対９の両端部１６，１７とロータコア６の外周面１１とに挟まれた領域に、磁気的貫通孔２０が形成される。この磁気的貫通孔２０は、ロータコア６を、ロータコア６の回転軸方向に貫通して形成される。ここで、上述した端部１６，１７とは、磁石スロット対９を構成する各磁石スロット７の側面視の長手方向の中心よりも外側の部分、より好ましくは、長手方向の外側１／３程度の部分を意味している。

図３に示すように、磁気的貫通孔２０は、ロータコア６の径方向における永久磁石８の外側の磁極面１８と略平行に形成される内周側内壁面２１と、ロータコア６の外周面１１と略平行に形成される外周側内壁面２２と、ロータコア６の周方向における磁石スロット対９の中央側に形成され、内周側内壁面２１と外周側内壁面２２との間に形成される中央側内壁面２３とを備えて構成される。これら内周側内壁面２１と外周側内壁面２２と中央側内壁面２３とはそれぞれ所定の曲率半径の曲面２４ａ〜２４ｃを介して接続された側面視で略三角形状を呈している。なお、図３中、外周側内壁面２２が平面である場合を示したが、ロータコア６の外周面１１と平行な曲面としても良い。

ロータコア６の内周側内壁面２１と磁石スロット７との間に形成される内周側リブ２５の厚さは、外周側内壁面２２とロータコア６の外周面１１との間に形成される外周側リブ２６の厚さよりも肉厚に形成される。このように内周側リブ２５を相対的に厚く形成することで内周側リブ２５における磁気的な抵抗を低減している。

次に、上述したロータ１を用いた回転電機１０に生じるトルクリップルのシミュレーション結果について図４〜図８を参照しながら説明する。なお、図４〜図８では、ステータ２のティース４が電気角度３０度ごとに形成される場合を一例に説明する。
図４は、上述したロータ１を用いた回転電機１０のトルクの変位を示すグラフであって、縦軸をトルク、横軸を電気角［ｄｅｇ］としている。なお、縦軸のトルクは、マグネットトルクとリラクタンストルクとの総合トルクであり、磁気的貫通孔２０を有さない場合（図４中、破線（従来）で示す）における平均トルクを１００％として表している。
図４に示すように、磁気的貫通孔２０を有さない場合、電気角が３０度周期で比較的大きいトルクのピークおよびボトムが交互に出現している。これに対して、上述した磁気的貫通孔２０をロータコア６に形成した場合（図４中、実線（Δ孔）で示す）、トルクのピークが低減されると共に、ボトムも底上げされており、全体的に磁気的貫通孔２０を有さない場合と比較してトルク変動の振幅が小さくなっている。この際の平均トルクは、磁気的貫通孔２０がない場合よりも磁気的貫通孔２０を有する場合の方が若干（約１％）低下したが、トルクリップルは１０％程度改善された。

図５〜図８は、図４に示した電気角度０度から４５度まで、電気角度１５度毎の磁束および表面力のシミュレーション結果の一例を示している。なお、図示都合上、図５〜図８では磁気的貫通孔２０の曲面２４ａ〜２４ｃを省略して示す。また、電気角度４５度から１８０度までは、電気角度０度から４５度までの場合と同様の結果が繰り返し得られたため説明を省略する。さらに、ロータ１の回転方向後方側の磁石スロット対９の端部１７と外周面１１との間の磁束および外周面１１の表面力のシミュレーション結果の例示は省略する。

図５（ａ）、（ｂ）は電気角度が０度の場合であって、ロータコア６の周方向における磁石スロット対９の端部１６とロータコア６の外周面１１とに挟まれた領域周辺の磁束線および、ステータ２との相互作用によってロータ１に作用する表面力ベクトル（図５中、矢印で示す）を示しており、図５（ａ）は磁気的貫通孔２０がない場合、図５（ｂ）は磁気的貫通孔２０を有する場合を示している。同様に、図６（ａ），（ｂ）は電気角度が１５度の場合、図７（ａ），（ｂ）は電気角度が３０度の場合、図８（ａ），（ｂ）は電気角度が４５度の場合である。なお、ロータ１は、図５〜図８中、反時計回りに回転される。

電気角度が０度のとき、図５（ａ）に示すように磁気的貫通孔２０が無い場合には、磁石スロット対９の端部１６と外周面１１とに挟まれた領域における永久磁石８の外周面１１側の磁極面１８から出ている磁束線は、ロータ１の外周面１１に対して比較的立った状態すなわち、より垂直に近い角度で交差される。そのため、表面力ベクトルはロータコア６の外周面１１に対して垂直に近い角度で交差している。そして、これらの表面力ベクトルのロータコア６の外周面１１に対する接線方向の成分が回転トルクに寄与し、図４においてトルクのピークを出現させている。

これに対して図５（ｂ）に示すように磁気的貫通孔２０を有する場合には、磁石スロット対９の端部１６と外周面１１とに挟まれた領域における永久磁石８の外周面１１側の磁極面１８から出ている磁束線は、磁極面１８に対して垂直に発生するため、一部、密度の低い状態で磁気的貫通孔２０の空間を貫通しているものの、そのほとんどが磁極面１８と略平行に形成された内周側内壁面２１を備える磁気的貫通孔２０によって進路を妨げられて迂回して、ロータコア６の外周面１１に向かっている。そのため、磁極面１８からロータコア６の径方向外側に向かう磁束線は、磁極面１８と略平行な内周側リブ２５および外周面１１と略平行な外周側リブ２６を通過することにより、磁気的貫通孔２０を有さない場合の磁束線よりもロータコア６の回転方向前方側へ傾倒している。すなわち、磁気的貫通孔２０を有する場合の磁束線は、磁気的貫通孔２０が無い場合の磁束線よりも、外周面１１に対して斜めに交差されており、言い換えると、磁気的貫通孔２０を有する場合の磁束線は、磁気的貫通孔２０が無い場合の磁束線よりも、ロータコア６の外周面１１に対する接線となす角度が小さい。これは、磁束が磁気的貫通孔２０を迂回しているからであると考えられる。

このことから、表面力ベクトルは、ティース４ａの回転方向後方側でロータコア６の回転方向前方側に傾倒したものが増加している。つまり、磁気的貫通孔２０を有する場合の表面力ベクトルは、磁気的貫通孔２０が無い場合の表面力ベクトルに比べて、ティース４ａの回転方向後方側で、ロータコア６の外周面１１に対する接線となす角度が小さいものが増加する。
ここで、表面力ベクトルのロータコア６の外周面１１に対する接線方向の成分が回転トルクに寄与するため、ロータコア６の外周面１１に対する接線となす角度が小さい方が、ロータコア６の外周面１１に対する接線方向の成分が大きくなり、回転トルクに寄与する割合が大きくなる。
したがって、磁気的貫通孔２０を有する場合の表面力ベクトルの内、磁気的貫通孔２０が無い場合の表面力ベクトルに比べて、ロータコア６の外周面１１に対する接線となす角度が小さいものは回転トルクに寄与する割合が大きいため、回転トルクの低下を抑制している。
以上のように、磁気的貫通孔２０を形成したことにより、磁束線の経路において磁気抵抗が増加した場合においても、回転トルクが低下することが抑制され、平均トルクの低下が防止されている。

電気角度が１５度のときも同様に、図６（ａ）に示すように磁気的貫通孔２０が無い場合には、磁石スロット対９の端部１６と外周面１１とに挟まれた領域における永久磁石８の外周面１１側の磁極面１８から出ている磁束線は、ロータコア６の外周面１１に対して比較的立った状態で交差される。すなわち、表面力ベクトルは、電気角度が０度の場合よりもさらにロータコア６の外周面１１に対して垂直に近い角度で交差している。
これらの表面力ベクトルは、ロータコア６の外周面１１に対する接線方向の成分が小さいため、ロータコア６の回転に寄与するトルクを低下させ、トルクのボトムを出現させている。

これに対して図６（ｂ）に示すように磁気的貫通孔２０を有する場合には、図５（ｂ）と同様に、磁石スロット対９の端部１６と外周面１１とに挟まれた領域における永久磁石８の外周面１１側の磁極面１８から出ている磁束線は、そのほとんどが磁気的貫通孔２０を迂回している。そして、磁極面１８近傍の内周側リブ２５の磁束線および外周側リブ２６の磁束線が、磁気的貫通孔２０を有さない場合よりもロータ回転方向前方側へ傾倒している。そのため、直近のティース４ａに対して作用する表面力ベクトルは、ロータコア６の外周面１１に対して垂直に近い角度で交差しているものが減少され、さらにティース４ａの回転方向後方側でロータコア６の回転方向前方側に傾倒したものが増加している。しかも、このロータコア６の回転方向前方側に傾倒した表面力ベクトルの大きさが大きくなっている。つまり、ティース４ａに作用する表面力ベクトルのうち、ロータコア６の回転方向へ作用するロータコア６の外周面１１に対する接線方向の成分が大幅に増加され、これにより平均トルクが底上げされている。

電気角度が３０度のとき、図７（ａ）に示すように磁気的貫通孔２０が無い場合には、電気角度０度の場合と同様の磁束線が出現している。電気角度が３０度の場合は、直近のティース４が、電気角度が０度のときに直近となっていたティース４ａの隣のティース４ｂとなる。この直近のティース４ｂに対して作用する表面力ベクトルは、電気角度０度の場合と同様な表面力ベクトルとなっている。すなわち、表面力ベクトルは、ロータコア６の外周面１１に対して垂直に近い角度で交差し、これらの表面力ベクトルのロータコア６の外周面１１に対する接線方向の成分が回転トルクに寄与し、図４においてトルクのピークを出現させている。

これに対して図７（ｂ）に示すように磁気的貫通孔２０を有する場合には、図５（ｂ）と同様に、ロータコア６の外周面１１に対して磁気的貫通孔２０を有さない場合よりもロータコア６の回転方向前方側に傾倒して交差される。すなわち、磁気的貫通孔２０を有する場合の磁束線は、磁気的貫通孔２０が無い場合の磁束線よりも、外周面１１に対して斜めに交差されており、言い換えると、磁気的貫通孔２０を有する場合の磁束線は、磁気的貫通孔２０が無い場合の磁束線よりも、ロータコア６の外周面１１に対する接線となす角度が小さい。

このことで、表面力ベクトルは、上述した電気角度０度の場合と同様に、ティース４ｂの回転方向後方側でロータコア６の回転方向前方側に傾倒したものが増加している。つまり、磁気的貫通孔２０を有する場合の表面力ベクトルは、磁気的貫通孔２０が無い場合の表面力ベクトルに比べて、ティース４ｂの回転方向後方側で、ロータコア６の外周面１１に対する接線となす角度が小さいものが増加する。したがって、磁気的貫通孔２０を有する場合の表面力ベクトルの内、磁気的貫通孔２０が無い場合の表面力ベクトルに比べて、ロータコア６の外周面１１に対する接線となす角度が小さいものは回転トルクに寄与する割合が大きいため、回転トルクの低下を抑制している。以上のように、磁気的貫通孔２０を形成したことにより、磁束線の経路において磁気抵抗が増加した場合においても、回転トルクが低下することが抑制され、平均トルクの低下が防止されている。

電気角度が４５度のとき、図８（ａ）に示すように磁気的貫通孔２０が無い場合には、電気角度１５度の場合と同様の磁束線が出現している。電気角度が４５度の場合は、直近のティース４が、電気角度が１５度のときに直近となっていたティース４ａの隣のティース４ｂとなっている点で異なる。この直近のティース４ｂに対して作用する表面力ベクトルは、電気角度１５度の場合と同様な表面力ベクトルとなっている。すなわち、表面力ベクトルは、電気角度１５度の場合と同様に、電気角度が０度や３０度の場合よりもさらにロータコア６の外周面１１に対して垂直に近い角度で交差している。これらの表面力ベクトルは、ロータコア６の外周面１１に対する接線方向の成分が小さいため、ロータコア６の回転に寄与するトルクを低下させ、トルクのボトムを出現させている。

これに対して図８（ｂ）に示すように磁気的貫通孔２０を有する場合は、図６（ｂ）と同様に、磁気的貫通孔２０を迂回することで内周側リブ２５の磁束線および外周側リブ２６の磁束線が、磁気的貫通孔２０が無い場合よりもロータ回転方向前方側へ傾倒している。そのため、直近のティース４ｂに対して作用する表面力ベクトルは、ロータコア６の外周面１１に対して垂直に近い角度で交差しているものが減少され、さらにティース４ｂの回転方向後方側でロータコア６の回転方向前方側に傾倒したものが増加している。しかも、このロータコア６の回転方向前方側に傾倒した表面力ベクトルの大きさが大きくなっている。つまり、ティース４ｂに作用する表面力ベクトルのうち、ロータコア６の回転方向へ作用するロータコア６の外周面１１に対する接線方向の成分が大幅に増加され、これにより平均トルクが底上げされている。

図９は、縦軸を振動加速度レベル［ｄＢ］、横軸をロータコア６の回転数［ｒ／ｍｉｎ］としたグラフである。このグラフに示すように、磁気的貫通孔２０を設けない場合の回転電機１０のトルク変動の主成分が４８次成分であったのに対して、磁気的貫通孔２０を設けることで、共振ピークが図９中矢印方向に低下して２４次成分に近い振動加速度レベルの特性が得られた。

一方、図１０は、磁気的貫通孔２０の有無に応じたトルクリップルの２４次成分と４８次成分との振幅の大きさを示すグラフであり、磁気的貫通孔２０が無い場合（従来）における４８次成分の振幅を１００％として表している。この図１０に示すように、磁気的貫通孔２０を有する場合（Δ孔有）は、磁気的貫通孔２０が無い場合（従来）と比較して、４８次成分の振幅が大幅に低減して、２４次成分の振幅が上回る状態となった。つまり、トルク変動の成分が低い次数となり、共振点が高回転側に移動して、回転電機１０の常用域の振動が低下された。

なお、図５〜図８では端部１６と外周面１１との間の領域の磁束および当該磁束による表面力について説明したが、ロータコア６が逆方向（図５〜図８で時計回り）に回転する場合、端部１７と外周面１１との間の領域の磁束および当該磁束による表面力は、図５〜図８を左右反転したものとなる。

したがって、上述した第１実施形態のロータ１によれば、磁気的貫通孔２０を設けたことによりトルクリップルを低減しつつ、トロータコア６の周方向における磁石スロット７の端部１６，１７とロータコア６の外周面１１とに挟まれた領域の磁束を、磁気的貫通孔２０を迂回させることで、ロータコア６の回転方向に寄与する磁束を増加することができる。したがって、磁気的貫通孔２０を形成したことにより、磁束線の経路において磁気抵抗が増加した場合においても、回転電機１０の平均トルク低下を抑制することができる。

また、内周側リブ２５の厚さが外周側リブ２６の厚さよりも厚く形成されることで、内周側リブ２５の磁束の流れをより妨げにくくすることができるため、平均トルクの低下を抑制することができる。

なお、上述した第１実施形態のロータ１は、磁気的貫通孔２０が略三角形状に形成される場合について説明したが、この形状に限られるものではなく、例えば、図１１に示す第１変形例（真の実施形態）の磁気的貫通孔３１のように、外周側内壁面２２と中央側内壁面２３との間の曲面２４ａの曲率半径を、他の曲面２４ｂ、２４ｃの曲率半径よりも大きく形成しても良い。このように形成することで、磁気的貫通孔３１の中央側における磁気的な抵抗を減少させることができるため、トルクリップルを抑制しつつ、回転トルクに寄与する方向の磁束をさらに増加させることができる。この第１変形例の場合、磁気的貫通孔３１が形成されていない場合と比較して、平均トルクはほぼ同等で、トルクリップルは１１％程度低減された。

さらに、図１２に示す第２変形例の磁気的貫通孔３２ように、上述した内周側内壁面２１と、外周側内壁面２２との間の、ロータコア６の周方向外側に端部側内壁面３０を形成するようにしても良い。この端部側内壁面３０は、図１２に示すように側面視でロータコア６の周方向外側の隅部が面取りされるように形成される。このように端部側内壁面３０を形成することで、磁気的貫通孔３２の端部１６，１７側の磁気的な抵抗を減少させることができるため、トルクリップルを抑制しつつ、回転トルクに寄与する方向の磁束をさらに増加させることができる。この第１変形例の場合、磁気的貫通孔２０が形成されていない場合と比較して、平均トルクはほぼ同等で、トルクリップルが１２％程度低減された。

次に、この発明の第２実施形態のロータ１０１について図面を参照しながら説明する。この第２実施形態のロータ１０１は、上述した第１実施形態の第２変形例における磁気的貫通孔３２を、ロータコア６の主回転方向の前方側にだけ設けたものであるため、上述した第１実施形態と同一部分に同一符号を付して説明する。

図１３，１４に示すように、第２実施形態のロータ１０１には、上述した第１実施形態のロータ１と同様に、側面視略Ｖ字状に配置された磁石スロット対９が外周面１１に沿って複数形成され、各磁石スロット７には、側面視略長方形状の永久磁石８が挿入される。そして、磁石スロット対９のうち、ロータ１０１の回転方向（図１３中、矢印で示す方向）の前方側に配置された磁石スロット７の周方向外側の端部１６と外周面１１との間の領域に、磁気的貫通孔３２が形成される。

磁気的貫通孔３２は、第１実施形態の第２変形例と同様に、内周側内壁面２１と、外周側内壁面２２と、中央側内壁面２３とを備え、内周側内壁面２１と外周側内壁面２２との間の、ロータコア６の周方向外側に端部側内壁面３０を有している。それぞれの内壁面が接する隅部には、曲面２４ａ，２４ｂ，２４ｄ，２４ｅが形成され、中央側内壁面２３と外周側内壁面２２との間の隅部が、他の隅部よりも曲率半径が大きく設定される。なお、図１４中、第１実施形態の磁気的貫通孔２０の外形を破線で示す。

次に、上述したロータ１０１を用いた回転電機１０のトルクリップルのシミュレーション結果について図１５〜図１９を参照しながら説明する。なお、ロータ１０１は、第１実施形態のロータ１と同様に、ステータ２のティース４が電気角度３０度ごとに形成される。
図１５は、第２実施形態のロータ１０１を用いた回転電機１０のトルクの変位を示すグラフであって、縦軸をトルク、横軸を電気角［ｄｅｇ］としている。なお、縦軸のトルクは、マグネットトルクとリラクタンストルクとの総合トルクであり、磁気的貫通孔３２を有さない場合（図１５中、破線（従来）で示す）における平均トルクを１００％として表している。

図１５に示すように、磁気的貫通孔３２を有さない場合は、図４と同様に、電気角が３０度周期で比較的大きいトルクのピークおよびボトムが交互に出現している。これに対して、上述した磁気的貫通孔３２をロータコア６に形成した場合（図１５中、実線（非対称）で示す）、トルクのピークが低減されると共に、ボトムも底上げされており、全体的に磁気的貫通孔３２を有さない場合と比較してトルク変動の振幅が小さくなっている。この際の平均トルクは、磁気的貫通孔３２がない場合よりも磁気的貫通孔３２を有する場合のほうが若干（約１％）増加し、さらにリップルが１１％程度改善された。

以下、図１６〜図１９は、図１５に示した電気角度０度から４５度まで、電気角度１５度ごとの磁気的貫通孔３２を有する場合の磁束線および表面力のシミュレーション結果を示している。この図１６〜図１９は、上述した第１実施形態の第２変形例の場合と同様の結果となる。なお、第１実施形態と同様に、電気角度４５度から１８０度までは、電気角度０度から４５度までの場合と同様の結果が繰り返し得られたため、ここでの説明は省略する。また、磁気的貫通孔３２が無い従来の場合は上述した図５（ａ）〜図８（ａ）と同様であるためその説明を省略する。

図１６は電気角度が０度の場合のロータコア６の回転方向における前方側の端部１６とロータコア６の外周面１１とに挟まれた領域周辺の磁束線および、ステータ２に対するロータ１０１の表面力ベクトル（図１６中、矢印で示す）を示している。同様に、図１７は電気角度が１５度の場合、図１８は電気角度が３０度の場合、図１９は電気角度が４５度の場合である。図１６〜図１９に示すロータ１０１は、反時計回りに回転される。

まず、図１６に示すように、電気角度が０度の場合、上述した図５（ｂ）の場合と同様に、磁石スロット対９の端部１６と外周面１１とに挟まれた領域においては、永久磁石８の外周面１１側の磁極面１８から出ている磁束線のほとんどが磁気的貫通孔３２を迂回して、一部だけ磁気的貫通孔３２の内部空間を貫通している。そして、磁極面１８近傍の内周側リブ２５の磁束線は、磁気的貫通孔３２を有さない場合（図５（ａ）参照）よりもロータコア６の回転方向における前方側へ傾倒している。

磁気的貫通孔３２を有する場合の磁束線は、磁気的貫通孔３２が無い場合の磁束線よりも、外周面１１に対して斜めに交差されており、言い換えると、磁気的貫通孔３２を有する場合の磁束線は、磁気的貫通孔３２が無い場合の磁束線よりも、ロータコア６の外周面１１に対する接線となす角度が小さい。これは、上述した図５（ｂ）の場合と同様に、磁束が磁気的貫通孔３２を迂回しているからであると考えられる。そして、表面力ベクトルは、ティース４ａの回転方向後方側でロータコア６の回転方向前方側に傾倒したものが増加している。

つまり、磁気的貫通孔３２を有し電気角度が０度の場合の表面力ベクトルは、磁気的貫通孔３２が無い場合の表面力ベクトルに比べて、ティース４ａの回転方向後方側で、ロータコア６の外周面１１に対する接線となす角度が小さいものが増加する。磁気的貫通孔２０を有する場合の表面力ベクトルの内、磁気的貫通孔２０が無い場合の表面力ベクトルに比べて、ロータコア６の外周面１１に対する接線となす角度が小さいものは回転トルクに寄与する割合が大きいため、回転トルクの低下を抑制している。以上のように、磁気的貫通孔２０を形成したことにより、磁束線の経路において磁気抵抗が増加した場合においても、回転トルクが低下することが抑制され、平均トルクの低下が防止されている。

次いで、図１７に示すように、電気角度が１５度の場合は、上述した図６（ｂ）の場合と同様に、磁石スロット７の端部１６と外周面１１とに挟まれた領域における永久磁石８の外周面１１側の磁極面１８から出る磁束線のほとんどが磁気的貫通孔３２を迂回している。磁極面１８近傍の内周側リブ２５の磁束線および外周側リブ２６の磁束線が、磁気的貫通孔３２を有さない場合（図６（ａ）参照）よりもロータコア６の回転方向における前方側に傾倒される。これにより、直近のティース４ａに対して作用する表面力ベクトルは、ロータコア６の外周面１１に対して垂直に近い角度で交差しているものが減少され、さらに、ティース４ａの回転方向後方側でロータコア６の回転方向前方側に傾倒したものが増加している。しかも、このロータコア６の回転方向前方側に傾倒した表面力ベクトルの大きさが大きくなっている。つまり、ロータコア６の回転方向に作用する表面力ベクトルのうち、ロータコア６の回転方向へ作用するロータコア６の外周面１１に対する接線方向の成分が大幅に増加され、これにより平均トルクが底上げされている。

また、図１７では、磁気的貫通孔３２を採用していることで、図６（ｂ）の場合よりもティース４ａの回転方向後方側でロータコア６の回転方向前方側に傾倒した表面力ベクトルが増加している。これは、磁気的貫通孔３２の中央側内壁面２３と外周側内壁面２２との間の曲面２４ａが、他の曲面２４ｂ，２４ｄ，２４ｅよりも曲率半径が大きく設定されていることで、曲面２４ａ近傍の磁気的抵抗が低下したためである。

図１８に示すように、電気角度が３０度の場合は、上述した図７（ｂ）の場合と同様に、ロータコア６の外周面１１に対して磁気的貫通孔３２を有さない場合よりもロータコア６の回転方向前方側に傾斜して交差される。すなわち、磁気的貫通孔３２を有する場合の磁束線は、磁気的貫通孔３２が無い場合の磁束線よりも、外周面１１に対して斜めに交差されており、言い換えると、磁気的貫通孔３２を有する場合の磁束線は、磁気的貫通孔３２が無い場合の磁束線よりも、ロータコア６の外周面１１に対する接線となす角度が小さい。このことで、表面力ベクトルは、上述した電気角度０度の場合と同様に、ティース４ｂの回転方向後方側でロータコア６の回転方向前方側に傾倒したものが増加している。

つまり、磁気的貫通孔３２を有し、電気角度が３０度の場合の表面力ベクトルは、磁気的貫通孔３２が無い場合の表面力ベクトルに比べて、ティース４ｂの回転方向後方側で、ロータコア６の外周面１１に対する接線となす角度が小さいものが増加する。したがって、磁気的貫通孔３２を有する場合の表面力ベクトルの内、磁気的貫通孔３２が無い場合の表面力ベクトルに比べて、ロータコア６の外周面１１に対する接線となす角度が小さいものは回転トルクに寄与する割合が大きいため、回転トルクの低下を抑制している。以上のように、磁気的貫通孔３２を形成したことにより、磁束線の経路において磁気抵抗が増加した場合においても、回転トルクが低下することが抑制され、平均トルクの低下が防止されている。

図１９に示すように、電気角度が４５度の場合は、図８（ｂ）の場合と同様に、内周側リブ２５の磁束線および外周側リブ２６の磁束線が、磁気的貫通孔３２を有さない場合よりもロータコア６の回転方向前方側へ傾倒している。そして、直近のティース４ｂに対して作用する表面力ベクトルは、ロータコア６の外周面１１に対して垂直に近い角度で交差しているものが減少され、さらにティース４ｂの回転方向後方側でロータコア６の回転方向前方側に傾倒したものが増加している。しかも、このロータコア６の回転方向前方側に傾倒した表面力ベクトルの大きさが大きくなっている。つまり、ティース４ｂに作用する表面力ベクトルのうち、ロータコア６の回転方向へ作用するロータコア６の外周面１１に対する接線方向の成分が大幅に増加され、これにより平均トルクが底上げされている。

また、図１９では、磁気的貫通孔３２を採用していることで、図８（ｂ）の場合よりもティース４ａの回転方向後方側でロータコア６の回転方向へ作用する表面力ベクトルのうち、ロータコア６の外周面１１に対する接線方向の成分が増加されている。これは、図１７の電気角度１５度の場合と同様に、磁気的貫通孔３２の中央側内壁面２３と外周側内壁面２２との間の曲面２４ａが、他の曲面２４ｂ，２４ｄ，２４ｅよりも曲率半径が大きく設定されていることで、曲面２４ａ近傍の磁気的抵抗が低下したためである。

したがって、上述した第２実施形態によれば、とりわけ、ロータコア６の主回転方向の回転前方側にのみ磁気的貫通孔３２が配置されることで、ロータコア６が主回転方向に回転する際に、トルクリップルの原因となるトルク変動を減少させると共に、主回転方向の回転後方側に磁気的貫通孔３２を形成しないことで磁気的な抵抗を低減させることができるため、とりわけ、トルク変動のボトムを底上げして主回転方向に回転する際の平均トルクの低下を抑制しつつ、磁気的貫通孔３２を全く形成しない場合と比較してトルクリップルを抑制することができる。そして、平均トルクを、主回転方向の後方側の端部１７と外周面１１との間の領域にも磁気的貫通孔３２を設ける場合と比較して、平均トルクを向上できる点で有利となる。

なお、この発明は上述した各実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。
例えば、磁石スロット対９やティース４の数は、必要に応じて適宜設定すれば良い。
また、第２実施形態では、第１実施形態の第２変形例の磁気的貫通孔３２を主回転方向の前方側の端部１６と外周面１１との間の領域にのみ設ける場合について説明したが、第１実施形態、第１実施形態の第１変形例の磁気的貫通孔２０，３１を主回転方向の前方側の端部１６と外周面１１との間の領域にのみ設けるようにしても良い。

６ ロータコア
７ 磁石スロット
８ 永久磁石
９ 磁石スロット対
１１ 外周面
１６，１７ 端部
１８ 磁極面
２０，３１，３２ 磁気的貫通孔
２１ 内周側内壁面
２２ 外周側内壁面
２３ 中央側内壁面
２５ 内周側リブ
２６ 外周側リブ
３０ 端部側内壁面

Claims (5)

1. 略円筒形状のロータコアと、
   前記ロータコアの外周面に向かって広がる略Ｖ字状に配置された一対の磁石スロットからなる磁石スロット対を周方向に複数対配置して、該磁石スロットにそれぞれ永久磁石を挿入して備える回転電機のロータにおいて、
   前記ロータコアは、該ロータコアの周方向における前記磁石スロット対の端部と前記ロータコアの外周面とに挟まれた位置に磁気的貫通孔を備え、
   該磁気的貫通孔は、
   前記永久磁石の前記ロータコアの径方向における外側の磁極面と略平行に形成される内周側内壁面と、
   前記ロータコアの外周面と略平行に形成される外周側内壁面と、
   前記ロータコアの周方向における前記磁石スロット対の中央側で、前記内周側内壁面と前記外周側内壁面との間に形成される中央側内壁面とを備えて構成され、
   前記外周側内壁面と前記中央側内壁面との間の隅部の曲率半径が、前記磁気的貫通孔の他の隅部の曲率半径よりも大きいことを特徴とするロータ。
2. 前記磁石スロット対の周方向の端部側で、前記内周側内壁面と、前記外周側内壁面との間に端部側内壁面を備えることを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 前記ロータコアの前記内周側内壁面と前記磁石スロットとの間に形成される内周側リブの厚さは、前記外周側内壁面と前記ロータコアの外周面との間に形成される外周側リブの厚さよりも厚いことを特徴とする請求項１又は２に記載のロータ。
4. 前記磁石スロット対のうち、前記ロータコアの主回転方向の回転前方側に配置される前記磁石スロットと前記ロータコアの外周面との間にのみ前記磁気的貫通孔を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のロータ。
5. 略円筒形状のロータコアと、
   前記ロータコアの外周面に向かって広がる略Ｖ字状に配置された一対の磁石スロットからなる磁石スロット対を周方向に複数対配置して、該磁石スロットにそれぞれ永久磁石を挿入して備える回転電機のロータにおいて、
   前記ロータコアは、該ロータコアの周方向における前記磁石スロット対の端部と前記ロータコアの外周面とに挟まれた位置に磁気的貫通孔を備え、
   該磁気的貫通孔は、
   前記永久磁石の前記ロータコアの径方向における外側の磁極面と略平行に形成される内周側内壁面と、
   前記内周側内壁面と前記ロータコアの径方向に対向するとともに、前記ロータコアの周方向の一方側から他方側に延びる外周側内壁面と、
   前記ロータコアの周方向における前記磁石スロット対の中央側で、前記内周側内壁面と前記外周側内壁面との間に形成される中央側内壁面とを備えて構成され、
   前記外周側内壁面と前記中央側内壁面との間の隅部の曲率半径が、前記磁気的貫通孔の他の隅部の曲率半径よりも大きいことを特徴とするロータ。

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