JP6005591B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、円環形状の回転子を備えた、回転電機に関する。

円柱形状の電機子の外周を囲むようにして設けられた、円環形状の回転子を備えた回転電機が、従来から知られている。回転子には、その周方向に、磁極が設けられている。この磁極は、例えば、一対の磁極（Ｎ極とＳ極）の各々が、交互に複数配置されている。

また、円環形状の回転子には、それを支持する支持シャフトが設けられている。例えば、特許文献１では、隣り合う磁極間から、回転子の回転中心軸方向に、支持シャフトを延設させている。支持シャフトは、それぞれ、回転子から離間した側にて回転中心軸側に折り曲げられ、さらに回転中心軸方向に延設されたシャフトに統合される。

ここで、すべての磁極間に支持シャフトを設けると、かご型の回転電機と同様に、渦電流損失が生じることが知られている。そこで、特許文献２では、回転子の磁極ごとに支持シャフトを設ける形態に代えて、磁極対ごとに支持シャフトを設けることで、渦電流損失の低減を図っている。

特開平９−２１５１１０号公報 特開２００７−８９２７０号公報

ところで、磁極対ごとに支持シャフトを設ける場合、言い換えると、すべての磁極間には支持シャフトを設けない場合、回転子の回転に伴う遠心力により、回転子の変形が生じるおそれがある。そこで、本発明では、渦電流損失の低減を図りつつ、回転子の変形を抑制することの可能な、回転電機を提供することを目的とする。

本発明は、回転電機に関するものである。当該回転電機は、円柱形状の電機子の外周を囲むように設けられた円環形状であって、その周方向に、一対の磁極の各々が交互に複数配置された、回転子と、前記回転子の磁極対間に設けられるとともに、前記回転子の回転中心軸方向に延設された、回転子支持用の支持シャフトと、を備える。一対となる前記磁極の間には、前記回転子に設けられ、前記一対となる磁極間の磁束の導通を抑制するギャップ部が形成され、前記ギャップ部には、前記回転子の内周側と外周側とを繋ぎ前記回転子の径方向に延設されたリブ部が形成されている。

また、上記発明において、前記リブ部は、前記回転子の周方向に隣り合う前記支持シャフトの、中間位置のみに設けられることが好適である。

また、上記発明において、前記回転子の内周面または外周面には、周方向に複数の溝が形成され、前記回転中心軸から、前記一対となる磁極の中間位置を通る、リブ部側基準軸からの前記溝の配置角度と、前記回転中心軸から、隣り合う前記磁極対の中間位置を通る、支持シャフト側基準軸からの前記溝の配置角度とが、異なるように、前記複数の溝が形成されていることが好適である。

また、上記発明において、前記リブ部側基準軸から電気角５２°の位置、及び、前記支持シャフト側基準軸から電気角１２°の位置に、前記溝が形成されていることが好適である。

本発明によれば、渦電流損失の低減を図りつつ、回転子の変形を抑制することが可能となる。

本実施形態に係る回転電機を搭載した、車両の構成図である。 本実施形態に係る回転電機の回転子を例示する図である。 本実施形態に係る回転電機の回転子の一部拡大図である。 本実施形態に係る回転電機の回転子の変形量の演算結果を例示する図である。 本実施形態に係る回転電機の回転子の応力分布の演算結果を例示する図である。 本実施形態に係る回転電機の回転子の別例を示す図である。 本実施形態に係る回転電機の回転子の変形量の演算結果を例示する図である。 本実施形態に係る回転電機の回転子の別例を示す図である。 本実施形態に係る回転電機の回転子の一部拡大図である。 回転子の溝配置について説明する図である。 回転子の溝配置について説明する図である。 回転子の溝配置について説明する図である。

図１に、本実施形態に係る回転電機１０を例示する。図１に示す実施形態では、回転電機１０は、車両の駆動源として用いられている。回転電機１０は、いわゆる中空ロータ型の回転電機であってよく、電機子１２、回転子１４（ロータ）、固定子１６（ステータ）、及び支持シャフト１８を備えている。

固定子１６は円環形状であって、所定のエアギャップを介して、回転子１４の外周を囲むようにして設けられる。固定子１６には、その内周面側に、周方向に複数相の巻線が組み付けられている。この巻線に、二次電池等の蓄電装置２０から、インバータ２２を介して、交流電流が供給される。交流電流が供給されると、巻線から、回転磁界が発生する。この回転磁界によって、回転子１４が回転させられる。

電機子１２は円柱形状であって、所定のエアギャップを介して、回転子１４に囲まれるようにして設けられる。電機子１２には、その外周面に、周方向に複数相の巻線が組み付けられている。さらに、電機子１２は、エンジン２４の駆動シャフト２６に連結されており、駆動シャフト２６の回転に伴って回転させられる。この回転に伴い、電機子１２の巻線に誘導起電力が発生し、この誘導起電力に起因して、電機子１２の巻線に誘導電流が流れることで、回転磁界が生じる。この回転磁界によって、回転子１４が回転させられる。

支持シャフト１８は、回転子１４を支持するための支持部材である。支持シャフト１８は、図２に示すように、回転子１４の磁極対３４間に設けられる。また、支持シャフト１８は、回転子１４の回転中心軸Ｃ０方向に延設されている。なお、本実施形態に係る回転電機１０では、図１に示すように、回転子１４の回転中心軸Ｃ０は、駆動シャフト２６に一致している。

支持シャフト１８は、回転子１４とは離間した側において、回転中心軸Ｃ０側に屈曲され、更に、回転中心軸Ｃ０方向に延設される伝達シャフト２８に統合される。伝達シャフト２８は、車両の変速機３０に連結される。回転子１４の回転駆動は、支持シャフト１８及び伝達シャフト２８を介して、変速機３０及び車輪３３に伝達される。

また、支持シャフト１８は、駆動シャフト２６と連結するためのクラッチ機構３１を備えていてよい。駆動シャフト２６と支持シャフト１８を連結することで、電機子１２と回転子１４とが連結される。

また、支持シャフト１８は、後述する、隣り合う磁極３４Ａ，３４Ｂ間の磁束の導通を抑制する部材から構成されることが好適である。例えば、支持シャフト１８は、非磁性材料から構成されることが好適である。

回転子１４は円環形状であって、所定のエアギャップを介して、電機子１２の外周を囲むようにして設けられる。図２に示すように、回転子１４は、ヨーク３２、磁極対３４、ギャップ部３６、及び、リブ部３８を備える。

ヨーク３２は継鉄とも呼ばれ、磁極３４Ａ，３４Ｂの磁束や電機子１２及び固定子１６からの鎖交磁束の磁路として機能する。

また、上述したように、回転子１４の磁極対３４間には、支持シャフト１８が固定される。このため、ヨーク３２の、磁極対３４間には、支持シャフト１８を嵌挿固定させるための、固定穴が設けられている。

磁極対３４は、一対の磁極３４Ａ，３４Ｂから構成され、例えば、Ｎ極とＳ極から構成される。磁極３４Ａ，３４Ｂは、永久磁石から構成されてよい。一対の磁極３４Ａ，３４Ｂの各々は、回転子１４の周方向に、交互に複数配置されている。例えば、ヨーク３２の周方向に、永久磁石スロットを形成するとともに、当該スロットに永久磁石を嵌着させることで、磁極３４Ａ，３４Ｂを構成する。

ギャップ部３６は、一対となる磁極３４Ａ，３４Ｂ間の磁束の導通を抑制する。一対となる磁極３４Ａ，３４Ｂ間の磁束の導通を抑制することで、電機子１２及び固定子１６への鎖交磁束を確保することができる。

ギャップ部３６は、一対となる磁極３４Ａ，３４Ｂの間に設けられている。ギャップ部３６は、回転子１４の径方向中間部に形成され、例えば、回転中心軸Ｃ０方向に貫通するように形成されている。言い換えると、ギャップ部３６は、ヨーク３２の径方向中間部を肉抜きすることで形成される。また、一対となる磁極３４Ａ，３４Ｂ間の磁束の導通を抑制するという観点から、ギャップ部３６は、空隙（エアギャップ）であってもよいし、非磁性材料が充填されていてもよい。

また、ギャップ部３６は、永久磁石スロットの端部であってもよい。つまり、永久磁石スロットの周方向長さを、永久磁石の周方向長さよりも長く設けて、永久磁石スロットの両端を、ギャップ部３６として形成してもよい。このとき、支持シャフト１８が固定された側のギャップ部３６Ａよりも、一対となる磁極３４Ａ，３４Ｂの間に設けられるギャップ部３６Ｂの周方向長さを長くするように、ギャップ部３６Ａ，３６Ｂを形成してもよい。

リブ部３８は、回転子１４の変形を抑制する（曲げ剛性を高める）ための補強部材である。図３に示すように、リブ部３８は、ギャップ部３６Ｂに設けられ、回転子１４の内周側と外周側とを繋ぐように設けられている。また、リブ部３８は、回転子１４の径方向に延設されている。

リブ部３８を、回転子１４の径方向に延設させることで、効果的に、回転子１４の変形を抑制することが可能となる。図４には、従来技術に係る回転子１００と、本実施形態に係る回転子１４のそれぞれ一部分について、回転時の、回転子１４の径方向の変形量を演算したシミュレーションの結果が示されている。図４の紙面左側が従来技術に係る回転子１００であり、紙面右側が、本実施形態に係る回転子１４である。従来技術に係る回転子１００では、一対となる磁極３４Ａ，３４Ｂ間に、単に支持シャフト１８用の固定穴を設けたのみの構成を採っている。

また、図４では、変形量の大小を、ハッチングパターンの疎密で表している。ここでは、ハッチングパターンが密になるほど、変形量が多いことを表している。図４に示すシミュレーションでは、従来技術に係る回転子１００と、本実施形態に係る回転子１４に対して、同一の遠心力を与えている。また、図４に示す例では、リブ部３８の厚さＴ１を、従来技術に係る回転子１００の、リブ部３８に対応する、固定穴の壁部材１０２の厚さＴ２の１／２としている。この図の、特に破線で囲った部分に着目すると、本実施形態に係る回転子１４の変形量は、従来技術に係る回転子１００と比較して、抑えられていることが理解される。

次に、図５には、従来技術に係る回転子１００と、本実施形態に係る回転子１４のそれぞれ一部分について、回転時の応力分布を演算したシミュレーションの結果が示されている。この図では、図４と同様に、紙面左側が従来技術に係る回転子１００であり、紙面右側が、本実施形態に係る回転子１４である。また、図４のシミュレーションと同様にして、従来技術に係る回転子１００と、本実施形態に係る回転子１４に対して、同一の遠心力を与えている。また、リブ部３８の厚さＴ１を、従来技術に係る回転子１００の、リブ部３８に対応する壁部材１０２の厚さＴ２の１／２としている。

従来技術に係る回転子１００の応力分布の、特に破線で囲った部分に着目すると、支持シャフト１８から最も離間した箇所にて応力が最大となっていることが理解される。これに対して、本実施形態に係る回転子１４では、応力が最大となる箇所に、径方向に延設されるリブ部３８を設けることで、当該箇所での応力を軽減させている。

上記のシミュレーション結果から、リブ部３８は、応力が最大となる箇所、つまり、回転子１４の周方向に隣り合う支持シャフト１８の、中間位置にのみ設けるようにしてもよい。従来技術に係る回転子１００では、支持シャフト１８の固定穴の側壁が壁部材１０２となるため、壁部材１０２は、２箇所に設けられることになるが、これが１箇所のみで済むために、軽量化や、加工の簡易化が図られる。さらに、リブ部３８が１箇所のみで済むために、ギャップ部３６Ｂを大きく形成することができ、磁極３４Ａ，３４Ｂ間の磁束の導通を、効果的に抑制することが可能となる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限るものではない。例えば図６に示すように、リブ部３８を、一対の磁極３４Ａ，３４Ｂ間に２箇所設けるようにしてもよい。この場合においても、リブ部３８を、回転子１４の径方向に延設することが好適である。

図７には、図６に示す回転子１４の、リブ部３８の延設方向を変更した場合の、回転子１４の径方向の変形量を演算した、シミュレーション結果が示されている。紙面左側に、回転子１４の径方向には沿わずにリブ部３８を延設させた回転子１４を示し、紙面右側に、回転子１４の径方向にリブ部３８を延設させた回転子１４を示す。また、両者のリブ部３８の厚さＴ３及びＴ４は、等しいものとした。この図の、特に破線で囲った部分に着目すると、回転子１４の径方向にリブ部３８を延設させることで、回転子１４の変形量を抑えられることが理解される。

また、図８に示すように、リブ部３８を、支持シャフト１８の固定穴の内部に形成させるようにしてもよい。この場合においても、リブ部３８を、回転子１４の径方向に延設させることが好適である。また、このリブ部３８は、回転子１４の周方向に隣り合う支持シャフト１８の、中間位置に設けることが好適である。

なお、図９に示すように、本実施形態に係る回転子１４では、その内周面または外周面に、周方向に複数の溝４０を設けている。この溝４０は、回転子１４の回転に伴うトルクリップルを軽減させるために設けられる。本実施形態では、この溝４０を、磁極３４Ａ，３４Ｂの周方向から見て、非対称に配置している。

本実施形態に係る回転電機１０では、任意の磁極３４Ａ及び３４Ｂ（例えば、図３の磁極３４Ａ）の周方向の両側で、磁気的な特性が異なっている。例えば、磁極３４Ａの紙面右側には相対的に小型のギャップ部３６Ａ及び支持シャフト１８が設けられ、紙面右側には、相対的に大型のギャップ部３６Ｂ及びリブ部３８が設けられており、両者の磁気特性（磁気抵抗や磁束の通り方）が異なっている。

本実施形態に係る回転子１４では、この、磁気特性の非対称性に応じて、トルクリップル軽減のための溝４０の配置を、磁極３４Ａ，３４Ｂに対して、非対称となるようにしている。

図９に示すように、回転中心軸Ｃ０から、一対となる磁極３４Ａ，３４Ｂの中間位置を通る軸を、リブ部側基準軸Ｃ１と呼ぶ。また、回転中心軸Ｃ０から、隣り合う磁極対３４の中間位置を通る軸を、支持シャフト側基準軸Ｃ２と呼ぶ。図９に示されているように、リブ部側基準軸Ｃ１と支持シャフト側基準軸Ｃ２との成す角の２等分線は、磁極３４Ａの中心を通過する。

本実施形態では、リブ部側基準軸Ｃ１からの溝４０の配置角度αと、支持シャフト側基準軸Ｃ２からの溝４０の配置角度βとが、異なるように、それぞれの溝４０を形成している。ここで、基準軸からの溝４０の配置角度とは、溝４０の中心位置の配置角度を指すものとしてよい。

配置角度を異ならせることによる、トルクリップル軽減の効果について、図１０及び図１１を用いて説明する。図１０には、従来技術に係る回転子１００の、溝の配置角度に応じた、トルクリップルの軽減度合いについてのグラフが示されている。なお、回転子１４の極数は１６（８極対）としている。ここで、従来技術に係る回転子１００とは、図４の紙面左側の回転子１００を指している。また、グラフの横軸は、基準軸Ｃ２からの溝の配置角度β（機械角）を示し、縦軸は、トルクリップルの割合（所定の基準値との相対値）を示している。また、グラフ上のプロットは、それぞれ、基準軸Ｃ１からの溝の配置角度α（機械角）を示している。

さらに、グラフ上の直線は、配置角度αと配置角度βとが等しいプロットを結んだものである。このグラフから理解されるように、従来の回転子１００においては、トルクリップルを最も軽減させる（トルクリップル≒２０％）のは、配置角度αとβとが等しい（α＝β＝２．０°）ときとなる。

これに対して図１１には、本実施形態に係る回転子１４の、溝４０の配置角度に応じた、トルクリップルの軽減度合いについてのグラフが示されている。ここで、本実施形態に係る回転子１４とは、図４の紙面右側の回転子１４を指すものとする。また、グラフの横軸、縦軸、及びグラフ上の直線は、図１０のものと同様である。なお、回転子１４の極数は、図１０と同様に、１６（８極対）としている。

このグラフから理解されるように、トルクリップルを最も軽減させる（トルクリップル≒１０％）のは、配置角度αとβとが異なる（α＝６．５°、β＝１．５°）ときとなる。α（機械角）＝６．５°、β（機械角）＝１．５°を、それぞれ電気角で表すと、８極対のとき、機械角４５°で電気角３６０°となるため、α（電気角）＝５２°、β（電気角）＝１２°となる。

このように、本実施形態に係る回転子１４では、配置角度α及びβを異ならせることで、トルクリップルを最小化できる。さらに、図１０と図１１における、トルクリップルの最小値を比較すると理解されるように、本実施形態に係る回転子１４では、配置角度α及びβを異ならせることで、従来の回転子よりも、トルクリップルを軽減させることが可能となる。

なお、図９では、リブ部側基準軸Ｃ１からの溝４０の配置角度α（電気角）を５２°とし、支持シャフト側基準軸Ｃ２からの溝４０の配置角度β（電気角）を１２°とする実施形態が例示されている。この形態によれば、支持シャフト側の基準軸Ｃ２側の溝４０は、回転子１４の径方向から見て、ギャップ部３６Ｂの前後には配置されない。ギャップ部３６Ｂはヨーク３２の肉厚が薄くなり、強度が比較的低くなる部分であるところ、その箇所には溝４０を設けないようにすることで、回転子１４の強度の低下を避けることが可能となる。

なお、上述した実施形態では、回転子１４の外周面のみに溝４０を設けていたが、この形態に限らない。例えば、図１２に示すように、回転子１４の内周面にも溝４０を設けたり、内周面のみに溝４０を設けるようにしてもよい。

１０ 回転電機、１２ 電機子、１４ 回転子、１６ 固定子、１８ 支持シャフト、２０ 蓄電装置、２２ インバータ、２４ エンジン、２６ 駆動シャフト、２８ 伝達シャフト、３０ 変速機、３１ クラッチ機構、３２ ヨーク、３４ 磁極対、３４Ａ，３４Ｂ 磁極、３６Ａ，３６Ｂ ギャップ部、３８ リブ部、４０ 溝。

Claims (4)

1. 円柱形状の電機子の外周を囲むように設けられた円環形状であって、その周方向に、一対の磁極の各々が交互に複数配置された、回転子と、
   前記回転子の磁極対間に設けられるとともに、前記回転子の回転中心軸方向に延設された、回転子支持用の支持シャフトと、
   を備え、
   一対となる前記磁極の間には、前記回転子に設けられ、前記一対となる磁極間の磁束の導通を抑制するギャップ部が形成され、
   前記ギャップ部には、前記回転子の内周側と外周側とを繋ぎ前記回転子の径方向に延設されたリブ部が形成されていることを特徴とする、回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記リブ部は、前記回転子の周方向に隣り合う前記支持シャフトの、中間位置のみに設けられることを特徴とする、回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機であって、
   前記回転子の内周面または外周面には、周方向に複数の溝が形成され、
   前記回転中心軸から、前記一対となる磁極の中間位置を通る、リブ部側基準軸からの前記溝の配置角度と、前記回転中心軸から、隣り合う前記磁極対の中間位置を通る、支持シャフト側基準軸からの前記溝の配置角度とが、異なるように、前記複数の溝が形成されていることを特徴とする、回転電機。
4. 請求項３に記載の回転電機であって、
   前記リブ部側基準軸から電気角５２°の位置、及び、前記支持シャフト側基準軸から電気角１２°の位置に、前記溝が形成されていることを特徴とする、回転電機。

Images