JP5742804B2 - 回転電機のロータ及び回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のロータ、特に、ロータコイルが巻回配置された回転電機のロータに関する。

回転電機において、ロータにロータコイルが巻回配置されたロータ構造がある。例えば、特許文献１には、回転電機として、複数相のステータコイルに複数相の交流電流を流すことでステータに回転磁界を生成し、この回転磁界の空間高調波成分をロータコイルに鎖交させてロータコイルに誘導電流を生じさせる構造が記載されている。ここでは、ロータコイルは、ロータの各ロータ突極にそれぞれ巻回され、各ロータコイルはダイオードによって短絡されて誘導電流が整流されることで、各ロータ突極が所望極性に磁化して所望のロータ磁極が得られる。これによりロータ突極には交互にＮ極とＳ極とが形成される。このため、ロータ突極がステータの回転磁界と相互作用してロータにトルクが作用する。

特開２００９−１１２０９１号公報

上記の特許文献１に記載された回転電機のロータでは、ロータ突極に巻回されたロータコイルの遠心力による飛び出しを阻止するとともに、低負荷時等に、ロータ突極が磁束飽和しない場合の損失低減を図ることが望まれている。また、ロータコイルの組み付け性向上を図ることも望まれている。

本発明に係る回転電機のロータは、周方向複数個所に設けられたロータ突極を含むロータコアと、前記各ロータ突極に巻回されるロータコイルと、前記ロータコアに支持され、隣り合う前記ロータ突極に掛け渡された梁部と、前記梁部に結合され、前記ロータコアのスロットの底部に固定された脚部とを有し、前記ロータコイルの前記スロットからの飛び出しを阻止し、非磁性材から成る保持部材と、前記梁部の周方向端部近傍に設けられた外側磁性部材と、前記脚部のうち、前記スロット内の空間に配置される部分の外周部に埋め込み固定された中央磁性部材と、を備えることを特徴とすることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機のロータにおいて、好ましくは、前記外側磁性部材は、前記梁部に一体的に埋め込まれている。

また、本発明に係る回転電機のロータにおいて、好ましくは、前記保持部材は、Ｔ字状の断面形状を有する。

また、本発明に係る回転電機のロータにおいて、好ましくは、前記梁部の周方向端部は、前記ロータ突極の側面に設けられた係止凹部に係止されている。

また、本発明に係る回転電機のロータにおいて、好ましくは、前記外側磁性部材は、前記保持部材の周方向端部の前記ロータ径方向に関して内側に前記保持部材に対向するように設けられるとともに、前記ロータ突極と前記ロータコアに固定された部材との間で周方向に挟持されている。

また、本発明に係る回転電機のロータにおいて、好ましくは、前記外側磁性部材は、前記保持部材の周方向端部の前記ロータ径方向外側面に周方向に窪むように形成された係止溝と前記ロータ突極の周方向側面に形成された第２係止凹部との間で周方向に挟持された状態で、前記係止溝と前記第２係止凹部とに係止されている。

本発明の回転電機のロータによれば、保持部材によりロータコイルの飛び出しを阻止できる。また、梁部の周方向端部近傍には外側磁性部材が設けられているので、ロータ突極がステータの磁極に直接対向しない場合でも、外側磁性部材がステータの磁極に対向する場合があり、ロータ及びステータの間のギャップ部の磁気抵抗を低減でき、ロータ突極が磁束飽和しない場合の損失低減を図れる。

本発明の第１実施形態のロータを含む回転電機の一部を示す概略断面図である。 図１のロータの一部拡大図である。 図２のＡ部拡大図である。 図１のロータにおいて、ロータコイルにダイオードを接続して示す回路実装図である。 図１のロータにおいて、ロータの周方向に隣り合う２つのロータ突極に巻回した複数のロータコイルの等価回路を示す図である。 図１の回転電機において、ステータから流出しロータを介してステータに戻る基本波の磁束の流れを示す模式図である。 ステータ突極とロータ突極との対向面積がギャップ部の磁気抵抗に及ぼす影響を説明するための図６のＢ部に対応する図である。 比較例を示す図２に対応する図である。 本発明の回転電機の損失を比較例の損失と比較して示す図である。 本発明の第２実施形態のロータを示す図２に対応する図である。 図１０のＣ部拡大図である。 本発明の第３実施形態のロータを示す図２に対応する図である。 図１２のＤ部拡大図である。 本発明に係る保持部材の別形状を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。なお、以下ではロータコアのスロットに４種類のロータコイルが配置されるものを説明するが、これは１例であって、スロットに配置されるロータコイルの種類の数は４以外でもよい。例えば２種類のロータコイルがスロットに配置されてもよい。例えば、スロットに配置されるロータコイルとして、ステータによって形成される回転磁界の空間高調波成分を利用するＮ極及びＳ極それぞれの誘導コイルと共通コイルとの４種類のコイルを説明するが、Ｎ極及びＳ極それぞれ１種類ずつ、合計２種類のコイルをスロットに配置してもよい。

［第１実施形態］
図１〜６は、本発明の第１実施形態を示している。図１は、本実施形態の回転電機のロータを含む回転電機１０のステータ１２及びロータ１４の一部を示す概略断面図である。回転電機１０は、電動機または発電機として機能するものであり、図示しないケーシングに固定されたステータ１２と、ステータ１２と所定の空隙をあけて径方向内側に対向配置され、ステータ１２に対し回転可能なロータ１４とを備える。なお、「径方向」とは、ロータ１４の回転中心軸に対し直交する放射方向をいう。また、「周方向」とは、ロータ１４の回転中心軸を中心とするロータ円周方向をいう。また、「軸方向」とは、ロータ１４の軸方向をいう。

ステータ１２は、ステータコア１６と、複数相(例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相)のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗとを含む。ステータコア１６は、けい素鋼板等の金属板の積層体等の磁性材料により形成される。ステータコア１６は、周方向に複数の等間隔位置に、ロータ１４へ向けて径方向内側へ突出して設けられた複数の突極１８と、各突極１８間に形成されたスロット１９とを含んでいる。ステータコア１６は、分割コア型または磁性粉末の圧粉成形型としてもよい。

ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、スロット１９を通ってステータコア１６の突極１８に集中巻で巻回されている。そして、複数相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに例えば三相交流電流を流すことで、各突極１８が磁化し、回転磁界をステータ１２に生成できる。

なお、ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、ステータ１２の突極１８に巻回する構成に限定するものではなく、ステータコア１６の環状部分の周方向複数個所に複数相のステータコイルを巻回するトロイダル巻きとし、ステータ１２に回転磁界を生じさせてもよい。

ロータ１４は、略円筒状のロータコア２４と、このロータコア２４に巻回された４種類のロータコイル２８ｎ、２８ｓ、３０ｎ、３０ｓと、ロータ１４のスロット３４（図２）内に支持された保持部材４６とを含む。ロータコア２４は、中心部にシャフト穴２６が軸方向に貫通して形成されている。シャフト穴２６には、図示しない回転電機シャフトが挿入されて固定される。このように固定されたシャフトは、ケーシングの軸受部材によって回転可能に支持される。これにより、ロータ１４は、ステータ１２に対して回転可能に設けられる。

ロータコア２４は、複数の磁性鋼板の積層体等の磁性材により、一体に形成される。ロータコア２４は、磁性粉末の圧粉成形型としてもよい。

図２は、図１に示したロータ１４の一部拡大図である。図３は、図２のＡ部拡大図である。ロータコア２４は、円筒状のロータヨーク２５と、ロータヨーク２５の外周側に周方向等間隔の複数個所に設けられたロータ突極３２ｎ，３２ｓとを含む。ここで、ロータ突極３２ｎは、後述するようにロータコイル２８ｎ，３０ｎによってＮ極に磁化されるＮ極突極である。また、ロータ突極３２ｓは、後述するロータコイル２８ｓ、３０ｓによってＳ極に磁化されるＳ極突極である。ロータ突極３２ｎとロータ突極３２ｓとは周方向に交互に配置されている。

ロータコイル２８ｎは、ロータ突極３２ｎの径方向外方の先端側に集中巻きで巻回されたＮ極誘導コイルである。ロータコイル２８ｓは、同様にロータ突極３２ｓに巻回されたＳ極誘導コイルである。ロータコイル３０ｎは、ロータ突極３２ｎの径方向内方の根元側に集中巻きで巻回されたＮ極共通コイルである。ロータコイル３０ｓは、同様にロータ突極３２ｓに巻回されたＳ極共通コイルである。また、ロータコイル２８ｎ、２８ｓ、３０ｎ、３０ｓは、後述する整流部であるダイオードを介して互いに接続されている。

各ロータコイル２８ｎ、２８ｓ、３０ｎ、３０ｓは、それぞれロータ突極３２ｎ，３２ｓの周囲に複数層の複数列に整列させて巻回される、いわゆる整列巻きとしている。なお、各コイル２８ｎ、２８ｓ、３０ｎ、３０ｓは、単純なソレノイドコイルとしてもよい。

また、ロータ突極３２ｎ、３２ｓとロータコイル２８ｎ、２８ｓ、３０ｎ、３０ｓとの間には、後述するインシュレータ４２が介在される。

保持部材４６は、ロータ１４のスロット３４内に配置され、略Ｔ字状の断面形状を有し、ロータコア２４の軸方向全長とほぼ同じか、またはこの軸方向全長よりも少し短い長さを有する。保持部材４６は、樹脂等の非磁性部材である本体部４４と、この本体部４４内に固定された中央磁性部材４８及び一対の外側磁性部材５０とから成る。

本体部４４はロータコア２４の軸方向全長とほぼ同じか、またはこの軸方向全長よりも少し短い長さを有する。本体部４４は、板状の脚部５２と、脚部５２の径方向外側の端部から周方向両側に伸びるように一体形成された断面円弧形の薄板状の梁部５４とを含む。

保持部材４６の脚部５２における内側端部５６は、ロータコア２４のスロット底部であるロータヨーク２５の外周に固定されている。より具体的には、脚部５２の端部５６は、脚部５２部分よりも膨出形成され、この端部５６と対応する形状のロータヨーク２５の係止溝５８に係止される。この係止溝５８は、ロータコア２４の軸方向両端面に開口する。

図３に示すように、ロータ突極３２ｎの先端部側面には係止凹部６０が軸方向に伸びて形成され、保持部材４６の梁部５４の先端部がこの係止凹部６０に係合し、この結果、梁部５４はその両端が隣り合うロータ突極３２ｎ，３２ｓに掛け渡されて係止される。

中央磁性部材４８は、脚部５２の外周部に埋込固定されている。中央磁性部材４８は、隣り合う突極３２ｎ，３２ｓ同士の間に配置される隣り合うロータコイル２８ｎ，２８ｓ同士の間に設けられている。また、中央磁性部材４８は、けい素鋼板等の金属板等の磁性材料により、ロータ径方向に長い断面略矩形で軸方向に長い薄板状に形成されている。

このような中央磁性部材４８は、ロータコア２４と非磁性材の本体部４４を介して連結されるので、ロータコア２４と磁気的に結合されることがない。

外側磁性部材５０は、保持部材４６の梁部５４の先端部に一体的に埋め込まれている。外側磁性部材５０は、けい素鋼板等の金属板等の磁性材料により、例えばロータ周方向に長い断面略矩形で軸方向に長い薄板状に形成されている。このため、外側磁性部材５０は、ロータコイル２８ｎ，２８ｓの外側に配置される。

保持部材４６がロータコア２４に取り付けられた状態で、保持部材４６の梁部５４はロータコイル２８ｎ，２８ｓの外側でロータ突極３２ｎ，３２ｓに掛け渡され、ロータコイル２８ｎ、２８ｓの径方向への飛び出しを阻止する。

インシュレータ４２は、ロータコイル２８ｎ、３０ｎ（または２８ｓ、３０ｓ）を外側に巻回した状態で保持する。インシュレータ４２は、樹脂等から成り、電気絶縁性を有する。また、インシュレータ４２は、ロータ突極３２ｎ、３２ｓにほぼがたつきなく嵌合可能な筒部８０を含む。筒部８０には、側面のロータ径方向中間部からスロット３４に延出する中間鍔部８６と、ロータ径方向外端部からスロット３４に延出する外側鍔部８８とを含む。ロータコイル３０ｎ（または３０ｓ)は中間鍔部８６よりもロータ径方向内側に配置され、ロータコイル２８ｎ(または２８ｓ)は外側鍔部８８と中間鍔部８６との間に配置される。

次にロータコア２４に保持部材４６及び各ロータコイル２８ｎ，２８ｓ，３０ｎ，３０ｓを組み付ける方法を説明する。まず、対応するロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓを２個のインシュレータ４２の外側に密に巻回して、いわゆるカセットコイルを構成し、ロータ径方向の外側からロータ突極３２ｎ，３２ｓの周囲に嵌合させる。これによって、ロータ突極３２ｎ，３２ｓの周囲に対応するロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓが巻回配置される。

次いで、ロータコア２４の軸方向片側から他側に向かうように、隣り合うロータ突極３２ｎ、３２ｓ同士の間に軸方向に摺動させながら保持部材４６を配置する。この場合、ロータヨーク２５に形成された係止溝５８に脚部５２の端部５６が係止される。また、ロータ突極３２ｎに形成された係止凹部６０に梁部５４の先端部が係止される。この結果、保持部材４６の脚部５２の端部５６が係止溝５８に嵌合して固定されるとともに、各梁部５４の先端部が係止凹部６０に係止される。このように保持部材４６の径方向外側への移動が規制され、その結果、ロータ１４の回転時にロータコイル２８ｎ、２８ｓ、３０ｎ、３０ｓに作用する遠心力に抗する保持力を発揮することができる。

以上がロータ１４の基本構成であるが、上記で説明したように各ロータコイル２８ｎ，２８ｓ，３０ｎ，３０ｓはダイオードを介して接続されており、次にこれを図４、図５を用いて説明する。図４は、本実施形態のロータ１４において、ロータコイル２８ｎ，２８ｓ，３０ｎ，３０ｓにダイオード３８，４０を接続して示す回路実装図である。図５は、本実施形態のロータにおいて、隣り合う２つのロータ突極に巻回された複数のロータコイル２８ｎ，２８ｓ，３０ｎ，３０ｓの接続回路の等価回路を示す図である。

図４、図５に示すように、ロータ周方向に隣り合う２つのロータ突極３２ｎ，３２ｓを１組として、ロータ突極３２ｎに巻かれたロータコイル２８ｎの一端と、ロータ突極３２ｓに巻かれたロータコイル２８ｓの一端とは、整流部である第１ダイオード３８及び第２ダイオード４０を介して接続されている。第１ダイオード３８はロータコイル２８ｎの一端に接続され、第２ダイオード４０はロータコイル２８ｓの一端に接続されている。互いに順方向が逆になる第１ダイオード３８及び第２ダイオード４０は接続点Ｒで接続されている。

各組でロータ突極３２ｎに巻かれたロータコイル３０ｎの一端は、別のロータ突極３２ｓに巻かれたロータコイル３０ｓの一端に接続されている。ロータコイル３０ｎ，３０ｓは互いに直列に接続されることで、共通コイル組３６を形成している。ロータコイル３０ｓの他端は接続点Ｒに接続され、ロータコイル３０ｎの他端は、ロータコイル２８ｎ，２８ｓの接続点Ｒとは反対側の接続点Ｇに接続されている。

この接続関係によって、ロータコイル２８ｎを通過する電流として、ロータコイル２８ｎ−第１ダイオード３８−接続点Ｒ−ロータコイル３０ｓ−ロータコイル３０ｎ−接続点Ｇ−ロータコイル２８ｎの経路に電流が流れる。また、ロータコイル２８ｓを通過する電流として、ロータコイル２８ｓ−第１ダイオード４０−接続点Ｒ−ロータコイル３０ｓ−ロータコイル３０ｎ−接続点Ｇ−ロータコイル２８ｓの経路に電流が流れる。

これによって、ステータ１２によって形成される回転磁界の空間高調波成分がロータコイル２８ｎ、２８ｓに鎖交することで誘導電流が発生し、ロータコイル２８ｎ(または２８ｓ)でダイオード３８（または４０）により整流された一方向の電流がロータコイル３０ｎ、３０ｓに流れる。

このような構成では、ロータコイル２８ｎ，２８ｓ，３０ｎ，３０ｓに整流された電流が流れることで各ロータ突極３２ｎ，３２ｓが磁化し、磁極部として機能する。また、ロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓの巻き方向を整流方向に応じて適切に設定することで、複数のロータ突極３２ｎ，３２ｓで周方向にＮ極とＳ極とを交互に配置することができる。すなわち、ロータコイル２８ｎ，３０ｎが巻回されたロータ突極３２ｎがＮ極となり、ロータコイル２８ｓ，３０ｓが巻回されたロータ突極３２ｓがＳ極となる。

なお、上記では２つのロータ突極３２ｎ、３２ｓについて２つのダイオード３８，４０を用いる場合を説明した。ただし、ロータ１４全体で２つのダイオード３８，４０だけを用いることもできる。すなわち、すべてのＮ極のロータコイル２８ｎを直列に接続して１つのＮ極の直列接続誘導コイルとして扱い、すべてのＳ極のロータコイル２８ｓを直列に接続して１つのＳ極の直列接続誘導コイルとして扱い、すべてのＮ極のロータコイル３０ｎを直列に接続して１つのＮ極の直列接続共通コイルとして扱い、すべてのＳ極のロータコイル３０ｓを直列に接続して１つのＳ極の直列接続共通コイルとして扱う。その上で、図５の接続関係を用いることで、２つのダイオード３８，４０だけで済ますことができる。この場合、隣り合うロータ突極３２ｎ，３２ｓの根元側に巻回されたロータコイル３０ｎ、３０ｓ同士を別のロータコイルを介さずに直列に接続してもよい。

次に、図面を用いて上記のロータ１４及びロータ１４を含む回転電機１０の作用効果を説明する。回転電機１０において、ステータコイル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに定められた順序で交流電流を流すことで、ステータ１２が回転磁界を生成するが、この回転磁界は、基本波成分の磁界だけでなく、基本波よりも高い次数の高調波成分の磁界を含んでいる。

より詳しくは、ステータ１２に回転磁界を発生させる起磁力の分布は、各相のステータコイル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗの配置や、突極１８及びスロット１９によるステータコア１６の形状に起因して、基本波のみの正弦波分布にはならず、高調波成分を含むものとなる。特に、集中巻においては、各相のステータコイル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗが互いに重なり合わないため、ステータ１２の起磁力分布に生じる高調波成分の振幅レベルが増大する。例えばステータコイル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗが３相集中巻の場合は、高調波成分として、入力電気周波数の時間的３次成分であり、空間的な２次成分の振幅レベルが増大する。このようにステータコイル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗの配置やステータコア１６の形状に起因して起磁力に生じる高調波成分は空間高調波と呼ばれている。

ステータ１２からロータ１４に、この空間強調波を含む回転磁界が作用すると、空間高調波の磁束変動により、ロータ１４のロータ突極３２ｎ、３２ｓ間の空間に漏れ出す漏れ磁束の変動が発生し、これにより図４に示す各ロータコイル２８ｎ、２８ｓの少なくともいずれかのロータコイル２８ｎ、２８ｓに誘導起電力が発生する。ステータ１２から近い、ロータ突極３２ｎ、３２ｓの先端側のロータコイル２８ｎ、２８ｓは、主にステータ１２から回転磁界の磁束が鎖交して誘導電流を発生させる機能を有する。また、ステータ１２から遠い、ロータコイル３０ｎ、３０ｓは、主にロータ突極３２ｎ、３２ｓを磁化する電磁石としての機能を有する。このように、ロータ１４は、ステータ１２で生成される磁界に含まれる高調波成分が鎖交することにより、周方向にＮ極及びＳ極が交互に形成される。この場合、第１ダイオード３８及び第２ダイオード４０は、複数のロータコイル２８ｎ、２８ｓのうち、隣り合う２つのロータコイル２８ｎ、２８ｓに接続され、各ロータコイル２８ｎ、２８ｓに流れる誘導電流により生成されて突極３２ｎ、３２ｓに生じる起磁力の方向を、周方向に配置されたロータ突極３２ｎ、３２ｓでロータ周方向に交互に異ならせる。

このような回転電機１０（図１）では、３相のステータコイル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに３相の交流電流を流すことで突極１８（図１）に形成された回転磁界の基本波成分がロータ１４に作用し、これに応じて、ロータ１４の磁気抵抗が小さくなるように、突極３２ｎ、３２ｓが突極１８の回転磁界に吸引される。これによって、ロータ１４にリラクタンストルクが作用する。

また、突極１８に形成された空間高調波を含む回転磁界がロータ１４の各ロータコイル２８ｎ、２８ｓに鎖交すると、各ロータコイル２８ｎ、２８ｓには、空間高調波に起因するロータ１４の回転周波数とは異なる周波数の磁束変動によって、各ロータコイル２８ｎ、２８ｓに誘導起電力が発生する。この誘導起電力の発生によって各ロータコイル２８ｎ、２８ｓに流れる電流は、各ダイオード３８，４０により整流されて一方向となる。そして、各ダイオード３８，４０で整流された電流が各ロータコイル２８ｎ、２８ｓ及び各ロータコイル３０ｎ、３０ｓに流れるのに応じて各ロータ突極３２ｎ、３２ｓが磁化することで、各ロータ突極３２ｎ、３２ｓは、Ｎ極かＳ極のいずれか一方に磁化して所望のロータ磁極が得られる。

このようにして形成されるロータ磁極の磁界と、ステータ１２で形成される回転磁界の基本波成分との相互作用によってロータ１４が回転し、ロータ１４にトルクが発生する。このトルクはリラクタンストルクとは別のトルクであり、一種の磁石トルクに相当する。このように回転磁界の空間高調波成分を有効に利用して、回転電機１０のトルクを増大できる。

さらに、上記のロータ１４及び回転電機１０によれば、保持部材４６がロータコイル２８ｎ、２８ｓの径方向外側への飛び出しを阻止しているため、保持部材４６によりロータコイル２８ｎ、２８ｓと、ロータコイル２８ｎ、２８ｓよりも径方向内側のロータコイル３０ｎ、３０ｓとの飛び出しを確実に阻止できる。

また、ロータ突極３２ｎ、３２ｓがステータ１２の磁極である突極１８にロータ径方向に直接対向しない場合でも、保持部材４６において、ロータ突極３２ｎ、３２ｓと対向する周方向端部である各梁部５４の先端部に外側磁性部材５０が設けられており、この外側磁性部材５０が突極１８にロータ径方向に保持部材４６の外側部分を介して対向する場合がある。このため、外側磁性部材５０によりロータ１４及びステータ１２の間のギャップ部の磁気抵抗を低減でき、例えば低負荷時等のロータ突極３２ｎ、３２ｓが磁束飽和しない場合での回転電機１０の損失低減を図れる。

これについて、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態のロータ１４が用いられる回転電機１０において、ステータ１２の突極１８から流出しロータ１４を介してステータ１２の別の突極１８に流入する基本波の磁束の流れを示す模式図である。図６に示すように、ステータ１２の１つの突極１８から基本波の磁束が流出し、ロータ突極３２ｓ、ロータヨーク２５、別のロータ突極３２ｎを介して別の突極１８に磁束が流入する場合を考える。この場合、ロータ１４は、突極１８とロータ突極３２ｎ(または３２ｓ)との間での磁束が流れる磁路を短くする方向に回転する。また、ロータ突極３２ｎ、３２ｓの先端部の周方向端部に外側磁性部材５０が近接配置されるため、突極１８とロータ突極３２ｎ、３２ｓとの位相が完全に一致するように径方向に対向しない場合でも、突極１８がロータ１４側の磁性材部分である、ロータ突極３２ｎ、３２ｓと外側磁性部材５０とを含む広い部分のいずれかに径方向に対向しやすい。このため、突極１８と対向するロータ１４側の磁性材の周方向の対向幅を大きくし、ロータ１４とステータ１２との間のギャップ６２の磁気抵抗を小さくして、ロータ突極３２ｎ、３２ｓが磁気飽和しない場合の回転電機１０の損失を低減できる。また、上記のロータ１４によれば、ロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓの組み付け性の向上を図れる。次にこれを詳しく説明する。

図２、図３で説明したように、ロータ突極３２ｎ（または３２ｓ）にロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓが巻回される回転電機１０では、ロータ突極３２ｎ（または３２ｓ）に組み付ける以前のインシュレータ４２に予めロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓを密に巻回してカセットコイルとし、このカセットコイルをロータ突極３２ｎ（または３２ｓ）にロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓとともに嵌合させることが考えられる。この場合、ロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓのスロット３４内での占積率を高くできる。一方、ロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓは、ロータ径方向の外側からロータ突極３２ｎ（または３２ｓ）の周囲に予め巻回した状態で嵌合させるが、ロータ突極３２ｎ（または３２ｓ）の先端部にロータコイルの脱落防止用の周方向に突出する磁性材の鍔部が一体に形成される場合がある。この場合、鍔部がこの巻回配置の妨げになり、組み付け性の向上を図れない。言い換えれば、ロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓの組み付け性を向上する面からは、ロータ突極３２ｎ（または３２ｓ）の径方向外端部の周方向の幅を径方向内側の周方向幅よりも大きくしないことが望まれる。また、ロータ突極３２ｎ（または３２ｓ）に鍔部が形成される場合、この鍔部によりロータ突極３２ｎ（または３２ｓ）と突極１８との周方向の対向幅を大きくできて、低負荷時等、ロータ突極３２ｎ（または３２ｓ）の磁束飽和が生じない場合の低負荷時損失等の損失低減を図れる。ただし、鍔部がない場合に何ら工夫しないと、この損失低減を図れない。

これについて、図７を用いて説明する。図７は、ステータ１２の突極１８とロータ突極３２ｎとの対向面積がギャップ部の磁気抵抗に及ぼす影響を説明するための図６のＢ部に対応する図である。なお、ロータ突極３２ｎについて説明するが、ロータ突極３２ｓの場合も同様である。図７に示すように、ステータ１２の突極１８にロータ突極３２ｎが周方向の反対側の端部同士でのみ、ギャップ６２を介して径方向(図７の上下方向)に対向する場合を想定する。この場合、真空の透磁率をμ₀とし、ギャップ長をｇとし、ギャップ６２を介しての突極１８とロータ突極３２ｎとの対向面積をＳとすると、ギャップｇでの磁気抵抗Ｒｍは次式で表される。

Ｒｍ＝μ₀×ｇ／Ｓ ・・・（１）

本実施形態の回転電機の損失の多くは銅損で占められるが、ロータ突極３２ｎが磁気飽和しない場合には、ギャップ６２の磁気抵抗が損失に大きく影響する。このため、磁気抵抗を小さくすることが損失低減につながる。ステータ１２の突極１８とロータ突極３２ｎとの周方向の対向幅ｄｓが大きくなるほど、対向面積Ｓが大きくなるので、(１)式から対向幅ｄｓを大きくすることでギャップ６２の磁気抵抗Ｒｍを小さくできることが分かる。したがって、ロータ突極３２ｎの先端部に鍔部が形成されると、磁気抵抗Ｒｍを小さくでき、ロータ突極３２ｎが磁気飽和しない場合の損失を小さくできる。ただし、鍔部があると上記のように組み付け性の向上を図れない。

図１〜６に示した実施形態のロータ１４を含む回転電機１０では、ロータ突極３２ｎ（または３２ｓ）の周方向両側に保持部材４６の周方向端部に設けられた外側磁性部材５０を近接させることができる。この外側磁性部材５０がロータ突極３２ｎ（または３２ｓ）の周方向の鍔部と同様に機能して、ロータ突極３２ｎ，３２ｓと一体の鍔部を形成することなく、低負荷時等、ロータ突極３２ｎ，３２ｓに磁束飽和が生じない場合の損失を低減できる。このように鍔部の形成の必要がないので、ロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓをロータ突極３２ｎ，３２ｓの周囲に径方向外側から配置した後、外側磁性部材５０を配置可能であり、ロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓの組み付け性の向上を図れる。

また、外側磁性部材５０は、保持部材４６の周方向端部に一体的に埋め込まれているので、ロータ突極３２ｎ，３２ｓの先端部の周方向両側に外側磁性部材５０を容易に近接配置できる。しかも、保持部材４６をロータコア２４から分離した状態でロータ突極３２ｎ，３２ｓの周囲に径方向外側からロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓを容易に配置できる。このため、回転電機１０の損失低減を図れるとともに、ロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓの組み付け性をより向上できる。

また、ロータ突極３２ｎ，３２ｓは、保持部材４６の端部と対向する側面に設けられた係止凹部６０を含み、保持部材４６の周方向端部はこの係止凹部６０に係止されている。このため、ロータ回転時にロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓに遠心力が生じて、保持部材４６にこのロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓから力が加わる場合でも、保持部材４６の周方向端部とロータ突極３２ｎ，３２ｓとの意図しない分離を容易に防止でき、ロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓの脱落を容易に防止できる。

また、ロータ突極３２ｎ，３２ｓの周囲に嵌合され、ロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓを巻回した状態で外側に保持するインシュレータ４２を備え、インシュレータ４２は、ロータコア２４から保持部材４６が分離された状態でロータ突極３２ｎ，３２ｓの周囲に径方向外側から嵌合可能であるので、ロータコイル２８ｎ、２８ｓ，３０ｎ、３０ｓの組み付け性をより向上できる。

図８は、比較例を示す図２に対応する図である。図９は、本発明の回転電機の損失を比較例の損失と比較して示す図である。図１から図６に示した上記の説明では、保持部材４６の周方向端部に外側磁性部材５０(図２、図３)を一体的に設けることで、ロータ突極３２ｎ，３２ｓが磁束飽和しない場合の損失を低減できることを説明した。一方、図８の比較例のように保持部材４６の周方向端部に外側磁性部材を設けない場合、ロータ突極３２ｎ，３２ｓの周方向端部の外側に磁性部材が近接配置されないので、ステータとロータ１４との間のギャップでの磁気抵抗が増大し回転電機の損失が増大する原因となる。言い換えれば、図９に示すように、本発明の実施形態では比較例に比べて回転電機の損失を低減できる。

また、本実施形態では、保持部材４６は、隣り合うロータ突極３２ｎ，３２ｓ同士の間で、隣り合うロータコイル２８ｎ、２８ｓの間に設けられた中央磁性部材４８を含むので、ステータ１２からの空間高調波成分による磁束を、中央磁性部材４８により効率よくロータコイル２８ｎ、２８ｓに導くことができる。このため、各ロータ突極３２ｎ，３２ｓについての起磁力を大きくでき、回転電機１０のトルクを向上できる。

しかも、中央磁性部材４８はロータコア２４を構成するロータ突極３２ｎ，３２ｓ及びロータヨーク２５に磁気的には結合されていない。このため、中央磁性部材４８を突極３２ｎ、３２ｓやロータヨーク２５に磁気的に結合している場合と異なり、ロータ１４内部の短絡磁束によるトルク及び出力の低下を抑制できる。なお、中央磁性部材４８を省略することもできる。

なお、各突極３２ｎ、３２ｓと保持部材４６との外周部に、強化繊維樹脂等により形成される線材を巻き付けて各ロータコイル２８ｎ、２８ｓ、３０ｎ、３０ｓのロータコア２４に対する抜け止め強化を図ることもできる。

［第２実施形態］
図１０は、本発明の第２実施形態のロータ１４を示す図２に対応する図である。図１１は、図１０のＣ部拡大図である。図１０、図１１に示すように、本実施形態では、保持部材４６の周方向端部に外側磁性部材が一体的に埋め込まれていない。その代わりに保持部材４６の周方向両端部の径方向内側でロータコイル２８ｎ、２８ｓの径方向外側に、保持部材４６とは別部材としてこの保持部材４６に対向するように、板状の外側磁性部材６４が設けられている。より詳しくは、図１１に示すように、ロータコア２４に固定され、ロータコイル２８ｎを保持するインシュレータ４２の筒部８０の径方向外端部外周面に連結され、ロータコイル２８ｎの径方向外側を覆う外周端部６６と、保持部材４６の梁部５４との間で外側磁性部材６４を挟んでいる。なお、図１１で図示しないロータコイル２８ｓ側も同様である。また、ロータ突極３２ｎの周方向側面の係止凹部６０よりも径方向内側に第２係止凹部６８が形成され、第２係止凹部６８に外側磁性部材６４の端部が係止されている。外側磁性部材６４は、インシュレータ４２の外周端部６６に形成された段部７０と第２係止凹部６８との間で周方向に挟持されている。このため、第２係止凹部６８の内面に外側磁性部材６４の端部が接触している。

ロータコア２４に保持部材４６及び外側磁性部材６４を組み付ける場合、先ずロータ突極３２ｎの周囲に径方向外側から、インシュレータ４２を介してロータコイル２８ｎ，３０ｎを嵌合させるように組み付ける。その後、インシュレータ４２に形成された段部７０と第２係止凹部６８との間に外側磁性部材６４を、径方向外側から内側へ、または軸方向へ挿入する。そしてこの状態で保持部材４６を隣り合うロータ突極３２ｎ，３２ｓ間に軸方向に挿入し、外側磁性部材６４の外側に保持部材４６を組み付ける。この状態で、外側磁性部材６４は、保持部材４６によりロータ径方向の外側への変位を規制される。また、インシュレータ４２の段部７０と第２係止凹部６８との間で外側磁性部材６４が周方向に挟持され、外側磁性部材６４がロータ突極３２ｎに直接接触している。このため、ロータ１４とステータとの間の磁気抵抗をより低減できて回転電機の損失をより低減できる。また、保持部材４６に外側磁性部材６４を一体的に埋め込む場合と異なり、外側磁性部材６４の埋め込み用の孔を保持部材４６に形成する必要がない。このため、保持部材４６の加工の手間を少なくできる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図７に示した実施形態と同様である。

［第３実施形態］
図１２は、本発明の第３実施形態のロータ１４を示す図２に対応する図である。図１３は、図１２のＤ部拡大図である。図１２、図１３に示すように、本実施形態の場合も、第２実施形態と同様に、保持部材４６の周方向端部に外側磁性部材が一体的に埋め込まれていない。その代わりに保持部材４６の周方向両端部の径方向外側に保持部材４６とは別部材として板状の外側磁性部材７２が設けられている。より詳しくは、図１３に示すように、ロータコイル２８ｎを保持するインシュレータ４２の筒部８０の径方向外端部外周面に連結され、ロータコイル２８ｎの径方向外側を覆う外側鍔部８８の外側に保持部材４６の梁部５４が設けられている。なお、図１３で図示しないロータコイル２８ｓ側も同様である。また、保持部材４６の梁部５４の先端部の径方向外側面に周方向に窪むように係止溝７６が形成され、ロータ突極３２ｎの周方向側面の係止凹部６０よりも径方向外側に形成された第２係止凹部７８と、係止溝７６との間で外側磁性部材７２が周方向に挟持されている。そしてこの状態で、第２係止凹部７８と係止溝７６とに外側磁性部材７２が係止されている。すなわち、外側磁性部材７２の周方向両端部が、図１３のＰ１，Ｐ２の一点鎖線で囲んだ部分で突き当てられながら第２係止凹部７８と係止溝７６とに係止されている。このため、第２係止凹部７８の内面に外側磁性部材７２が接触している。

ロータコア２４に保持部材４６及び外側磁性部材７２を組み付ける場合、先ずロータ突極３２ｎの周囲にインシュレータ４２を介してロータコイル２８ｎ，３０ｎを嵌合させるように径方向外側から組み付ける。そしてこの状態で保持部材４６を隣り合うロータ突極３２ｎ，３２ｓ間に軸方向に挿入し、さらに、保持部材４６に形成された係止溝７６と第２係止凹部７８との間に外側磁性部材７２を軸方向へ挿入する。この状態で、外側磁性部材７２は、保持部材４６によりロータ径方向の外側への変位が規制される。このような構成の場合も、図１０、図１１の第２実施形態と同様に、ロータ突極３２ｎ，３２ｓに外側磁性部材７２が直接接触するので、ロータ１４とステータとの間の磁気抵抗をより低減して回転電機の損失をより低減できる。また、ステータの突極に外側磁性部材７２が他の部材を介さずに対向し、ロータ突極３２ｎのギャップ面である先端面とロータ径方向に関して同位置または近傍に外側磁性部材７２を配置できる。このため、外側磁性部材７２の外側面もギャップ部に対向するギャップ面となり、ギャップ面についての磁気抵抗のみがステータとロータ１４との間のギャップ部の磁気抵抗要因となる。このため、回転電機の損失低減を図れる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図７に示した実施形態と同様である。なお、外側磁性部材７２と保持部材４６とを、図１３のＰ３の一点鎖線で囲んだ部分で接合して固定することもできる。

また、上記では、保持部材４６が略Ｔ字状の断面形状を有する場合を説明したが、保持部材４６はこのような形状に限定するものではなく種々の形状を採用できる。例えば図１４は、保持部材４６の別形状を示す図である。図１４の例では、保持部材４６の脚部５２の径方向外端部から周方向両側に湾曲させた梁部９０を突出させている。また、中央磁性部材４８を保持した脚部５２の径方向外端部を梁部９０との接続部よりも径方向外側へ突出させている。このような形状を有する保持部材４６を使用する場合でも、上記の実施形態と同様の効果を得られる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１０ 回転電機、１２ ステータ、１４ ロータ、１６ ステータコア、１８ 突極、２０ｕ、２０ｖ、２０ｗ ステータコイル、２４ ロータコア、２５ ロータヨーク、２８ｎ，２８ｓ，３０ｎ，３０ｓ ロータコイル、３２ｎ，３２ｓ ロータ突極、３４ スロット、３６ 共通コイル組、３８ 第１ダイオード、４０ 第２ダイオード、４２ インシュレータ、４４ 本体部、４６ 保持部材、４８ 中央磁性部材、５０ 外側磁性部材、５２ 脚部、５４ 梁部、５６ 内側端部、５８ 係止溝、６０ 係止凹部、６２ ギャップ、６４ 外側磁性部材。

Claims (7)

1. 周方向複数個所に設けられたロータ突極を含むロータコアと、
   前記各ロータ突極に巻回されるロータコイルと、
   前記ロータコアに支持され、隣り合う前記ロータ突極に掛け渡された梁部と、前記梁部に結合され、前記ロータコアのスロットの底部に固定された脚部とを有し、前記ロータコイルの前記スロットからの飛び出しを阻止し、非磁性材から成る保持部材と、
   前記梁部の周方向端部近傍に設けられた外側磁性部材と、
   前記脚部のうち、前記スロット内の空間に配置される部分の外周部に埋め込み固定された中央磁性部材と、を備えることを特徴とする回転電機のロータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記外側磁性部材は、前記梁部に一体的に埋め込まれていることを特徴とする回転電機のロータ。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記保持部材は、Ｔ字状の断面形状を有することを特徴とする回転電機のロータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記梁部の周方向端部は、前記ロータ突極の側面に設けられた係止凹部に係止されていることを特徴とする回転電機のロータ。
5. 請求項１，３，４のいずれか１に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記外側磁性部材は、前記保持部材の周方向端部の前記ロータ径方向に関して内側に前記保持部材に対向するように設けられるとともに、前記ロータ突極と前記ロータコアに固定された部材との間で周方向に挟持されていることを特徴とする回転電機のロータ。
6. 請求項１，３，４のいずれか１に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記外側磁性部材は、前記保持部材の周方向端部の前記ロータ径方向外側面に周方向に窪むように形成された係止溝と前記ロータ突極の周方向側面に形成された第２係止凹部との間で周方向に挟持された状態で、前記係止溝と前記第２係止凹部とに係止されていることを特徴とする回転電機のロータ。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１に記載の回転電機のロータと、
   前記ロータに対向配置されるステータとを備え、
   前記ステータは、
   周方向複数個所に設けられたステータ突極を含むステータコアと、
   前記各ステータ突極に集中巻で巻回されるステータコイルとを備え、
   前記ステータによって形成される回転磁界の空間高調波成分が前記スロットに漏れ出して磁束変動が生じることで、前記各ロータコイルの少なくともいずれか１つに誘導起電力が発生し、
   前記ロータは、前記ロータコイルに発生する誘導起電力によって前記複数のロータ突極に生じる起磁力の方向をロータ周方向に交互に異ならせる整流部とを含むことを特徴とする回転電機。

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