JP6399071B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、例えば回転軸の径方向でロータとステータとが対向配置されたラジアルギャップ型であって、モータ、発電機、あるいはモータ兼発電機として用いられるような回転電機に関する。

モータ、発電機、あるいはモータ兼発電機のような回転電機として、回転軸の径方向でロータとステータとが、エアギャップを介して対向配置されたラジアルギャップ型の回転電機がある。

さらに、このようなラジアルギャップ型の回転電機において、１極あたりの永久磁石の数を３個にするとともに、３つ１組の永久磁石が略Ｕ字状に配置されたロータを備えた回転電機がある。このような構成の回転電機は、ステータの磁界がロータに作用した際、ステータの磁界の影響をロータが効率良く受けることができるため、回転軸に生じる軸トルクを向上できることが知られている。

例えば、特許文献１に記載の回転電機には、外周近傍に開口した第１収納孔、及び第１収納孔を対象中心として周方向に対象形成した２つの第２収納孔を有するロータコアと、第１収納孔、及び第２収納孔に収納された３つの永久磁石とを備えたロータが記載されている。

加えて、特許文献１の回転電機におけるロータには、第１収納孔、及び第２収納孔を隔てる第１リブと永久磁石との間に所定面積の空隙を設けるとともに、第２収納孔、及びエアギャップを隔てる第２リブと永久磁石との間に所定面積の空隙を設けている。

そして、特許文献１では、第１リブと永久磁石との間に設けた空隙の面積が、第２リブと永久磁石との間に設けた空隙の面積よりも大きい面積となるよう第１リブが形成されている。これにより、特許文献１は、軸トルクを向上するとともに、第１リブを流れる漏れ磁束の抑制を図ることができるとされている。

ところで、特許文献１のようなロータは、遠心力が作用した永久磁石によってロータコアがステータ側へ押圧されると、第１リブの基部などに応力が集中し易いという問題があった。

さらに、特許文献１の回転電機では、各永久磁石に隣接する空隙の断面積が大きくなり易いため、隣接する永久磁石の間隔を広く確保する必要がある。このため、特許文献１では、１組の永久磁石における磁束を有効に活用することができず、軸トルクの向上を図るという本来の目的が達成できないおそれがあった。

特開２０１４−１６５９３８号公報

本発明は、上述の問題に鑑み、遠心力によってロータコアに生じる応力を抑制するとともに、１組の永久磁石の磁束を有効に活用して、回転軸に生じる軸トルクを向上できる回転電機を提供することを目的とする。

この発明は、回転軸に一体的に設けたロータコア、及び前記回転軸の軸方向から見て軸方向視略Ｕ字状に配置された１極あたり３つ１組の略直方体形状の永久磁石を有するとともに、前記３つ１組の前記永久磁石が前記ロータコアの外周近傍に形成した磁石装着部に装着されたロータと、前記回転軸の径方向における前記ロータの外側にエアギャップを介して配置されたステータとで構成された回転電機であって、前記径方向に沿った断面において、前記ロータコアの前記磁石装着部が、前記径方向で前記永久磁石を挟持する形状に開口形成された第１装着孔と、前記回転軸の周方向で前記第１装着孔の両側に隣接するとともに、前記周方向で前記永久磁石を挟持する形状に開口形成された２つの第２装着孔とで構成され、前記第１装着孔によって挟持される前記永久磁石の面を、永久磁石の支持面として、前記径方向に沿った断面において、前記ロータコアが、前記第１装着孔と前記第２装着孔とを隔てる一対の中央ブリッジと、前記第１装着孔の内面となる前記一対の中央ブリッジの面に沿って形成された略円弧状の円弧面を有するとともに、前記ロータコアの外周面に近い前記永久磁石の前記支持面を支持する面と交差するように凹設された凹設部とを備え、前記径方向に沿った断面において、前記ロータが、前記ロータコアの前記凹設部と、前記永久磁石における前記支持面の端部近傍とで形成された端部空隙を備え、前記径方向に沿った断面において、前記ロータコアの前記凹設部が、扇状の円弧部分である前記円弧面と、前記円弧面から連続するとともに、前記ロータコアの外周面に近い前記永久磁石の前記支持面に対して略直交する直交面とで形成されたことを特徴とする。

上記回転電機は、モータ、発電機、あるいはモータ兼発電機とすることができる。
上記円弧面は、径方向に沿った断面において、扇形状の円弧面、あるいは半円形状の円弧面とすることができる。

この発明により、遠心力によってロータコアに生じる応力を抑制するとともに、１組の永久磁石の磁束を有効に活用して、回転軸に生じる軸トルクを向上することができる。
具体的には、ロータコアの凹設部と永久磁石の支持面とで構成された端部空隙により、ロータは、ステータの磁界が作用していない状態において、ブリッジへ向かう永久磁石の磁束の流れを、端部空隙を迂回するような流れにすることができる。

つまり、ステータの磁界が作用していない状態において、ロータは、端部空隙を設けていない場合に比べて、ステータにより近い位置をとおるようにブリッジへ向かう永久磁石の磁束の流れを形成することができる。

これにより、回転電機は、ステータの磁界の影響を永久磁石の磁束が受け易くすることができる。このため、ステータの磁界が作用した際、回転電機は、ロータの端部空隙を迂回してブリッジへ向かう永久磁石の磁束の流れを、ステータ側へより多く偏向させるとともに、ブリッジへ流れる漏れ磁束を抑制することができる。

さらに、簡素な構成でブリッジへ流れる漏れ磁束を抑制できるため、回転電機は、例えば、３つの永久磁石を近接配置するなど、ステータの磁界の影響を効率よく受けることができる位置に、１組の永久磁石を容易に配置することができる。

加えて、円弧面を有する凹設部としたことにより、例えば、ロータの回転に伴ってブリッジに引張り荷重が作用した際、凹設部の円弧面部分が、他の部位に比べて弾性変形し易くなる。これにより、回転電機は、遠心力が作用した永久磁石によってロータコアが押圧された際、ブリッジの基部に発生する応力を抑制することができる。

従って、回転電機は、遠心力によってロータコアに生じる応力を抑制するとともに、１組の永久磁石の磁束を有効に活用して、回転軸に生じる軸トルクを向上することができる。

さらにこの発明は、前記径方向に沿った断面において、前記ロータコアの前記凹設部が、扇状の円弧部分である前記円弧面と、前記円弧面から連続するとともに、前記永久磁石の前記支持面に対して略直交する直交面とで形成されたことを特徴とする。

この発明により、回転電機は、ロータコアの機械的強度を損なうことなく、１組の永久磁石の磁束をより有効に活用することができる。
具体的には、径方向に沿った断面において、永久磁石の支持面となす角が鋭角な傾斜面と円弧面とで形成された凹設部の場合、傾斜面によって永久磁石の磁束がブリッジへ向けて案内され易くなる。

これに対して、径方向に沿った断面において、永久磁石の支持面に対して略直交する直交面と円弧面とで形成された凹設部により、ロータは、永久磁石の磁束がブリッジへ向けて案内されることを抑制できる。
さらに、略半円状の円弧面で凹設部を形成した場合に比べて、ロータは、円弧面の半径を大きくできるとともに、直交面の長さを長く確保することができる。

これにより、回転電機は、ロータが回転した際に凹設部が応力集中部位となることを抑制できるとともに、よりステータに近い位置をとおるように永久磁石の磁束の流れを制御することができる。

従って、回転電機は、永久磁石の支持面に対して略直交する直交面と円弧面とで形成された凹設部により、ロータコアの機械的強度を損なうことなく、１組の永久磁石の磁束をより有効に活用することができる。

またこの発明の態様として、前記径方向に沿った断面において、前記一対の中央ブリッジが、前記支持面に対して略直交する前記永久磁石の面を挟持する形状に形成されたものである。
この発明により、回転電機は、ステータの磁界がロータに作用した際、１組の永久磁石における磁束をより有効に活用できるため、より安定した軸トルクを得ることができる。

具体的には、ロータコアは、径方向と直交する方向への永久磁石の移動を一対の中央ブリッジで規制できるため、第１装着孔における永久磁石の位置をより安定させることができる。

これにより、ロータは、ステータの磁界に対する永久磁石の位置を安定させることができるため、第１装着孔に装着された永久磁石の磁束が、ステータの磁界の影響を効率よく安定して受けることができる。

従って、回転電機は、径方向と直交する方向で永久磁石を支持する一対の中央ブリッジにより、ステータの磁界がロータに作用した際、１組の永久磁石における磁束をより有効に活用できるため、より安定した軸トルクを得ることができる。

本発明により、遠心力によってロータコアに生じる応力を抑制するとともに、１組の永久磁石の磁束を有効に活用して、回転軸に生じる軸トルクを向上できる回転電機を提供することができる。

回転軸の軸方向視における回転電機の外観を示す正面図。 軸方向視における１極あたりの構成を示す正面図。 径方向断面における１極あたりのロータの断面を示す断面図。 径方向断面における磁石装着部の断面形状を示す断面図。 比較例における磁束の流れを説明する説明図 本実施例における磁束の流れを説明する説明図。 回転した際のロータの変形状態を示す断面図。 比較例におけるロータの変形状態を示す断面図。 本実施例の応力値と比較例の応力値とを相対比較で説明する説明図。 別の実施形態における１極あたりのロータの断面を示す断面図。

この発明の一実施形態を以下図面と共に説明する。
なお、図１は回転軸２の軸方向視における回転電機１の正面図を示し、図２は軸方向視における１極あたりの正面図を示し、図３は径方向断面における１極あたりのロータ３の断面図を示し、図４は径方向断面における磁石装着部３３の断面図を示している。
また、図１中においてハウジング５を断面で図示すとともに、図２中においてロータコア３２の説明を容易にするために、一部の巻線４２を二点鎖線で図示している。

本実施形態における回転電機１は、図１に示すように、例えば８極４８スロットのラジアルギャップ型モータであって、回転軸２と、回転軸２に一体的に設けた略柱状体のロータ３と、ロータ３の径方向外側にエアギャップを介して配置された略円環状のステータ４と、これらを収容保持するハウジング５とで構成されている。

回転軸２は、図１に示すように、所定方向に延びる略円柱状であって、図示を省略した軸受を介してハウジング５に回転自在に支持されている。なお、回転軸２には、回転軸２の軸方向へのロータ３の移動を規制するフランジ部２ａが設けられている。

ロータ３は、図１及び図２に示すように、２４個の永久磁石３１と、回転軸２の軸方向から見た軸方向視が略円形状のロータコア３２とで構成されている。なお、ロータ３における１極あたりの構成については、後ほど詳述するため、ここでは簡単に説明する。

２４個の永久磁石３１は、１極あたり３個１組として、径方向外側の極性がＳ極である４組の永久磁石と、径方向外側の極性がＮ極である４組の永久磁石とで構成されている。なお、２４個の永久磁石３１は、径方向外側の極性がＳ極である１組の永久磁石と、径方向外側の極性がＮ極である１組の永久磁石とが、ロータコア３２の周方向で交互に配置されている。

ロータコア３２は、図１及び図２に示すように、１極あたり３つの開口からなるとともに、永久磁石３１が装着される磁石装着部３３が、回転軸２の周方向に所定間隔を隔てて８つ形成されている。なお、ロータコア３２は、予め磁石装着部３３が形成された電磁鋼板製の薄板材を軸方向に沿って積層して形成している。

また、ステータ４は、図１及び図２に示すように、軸方向視略円環状のステータコア４１と、ステータコア４１に巻着された巻線４２とで構成されている。
ステータコア４１は、電磁鋼板製の薄板材を軸方向に積層した積層体であって、軸方向視略円環状のバックヨーク部４１ａと、バックヨーク部４１ａから突出した４８個のティース部４１ｂとで一体形成されている。

バックヨーク部４１ａは、軸方向視において、ステータ４の外周面をなす外径を有する軸方向視円環状に形成されている。
ティース部４１ｂは、バックヨーク部４１ａの周方向に所定間隔を隔てて、バックヨーク部４１ａの内周面から、ステータ４の中心へ向けて突出するように形成されている。

巻線４２は、導電性を有する銅線などであって、ステータコア４１のティース部４１ｂに対して所定の巻き数で巻着されている。この巻線４２の端部は、外部からの電力の供給を受付ける端子（図示省略）に電気的に接続されている。
また、ハウジング５は、図１に示すように、ステータ４よりも大径の略筒状体の本体を有する収容体であって、ステータ４を回転不可に保持するとともに、回転軸２を回転自在に支持するよう構成されている。

このような回転電機１において、１極あたりのロータ３の構成について具体的に説明する。
上述したように１極あたりのロータ３の構成は、図２及び図３に示すように、１組の永久磁石３１と、接着剤（図示省略）を介して１組の永久磁石３１が固定される１つの磁石装着部３３とで構成されている。

１組の永久磁石３１は、図３に示すように、ロータコア３２の径方向に沿った断面形状が、略同一形状の３つの永久磁石３１で構成されている。この３つの永久磁石３１は、同一極性をエアギャップ側に向けて、軸方向視略Ｕ字状になるように配置されている。

なお、永久磁石３１は、径方向に沿った断面形状が、一方の辺の長さに対して他方の辺の長さが長い断面略矩形に形成されるともに、長辺側の面が磁石装着部３３に支持される支持面３１ａをなしている。

一方、ロータコア３２の磁石装着部３３は、図３及び図４に示すように、径方向に沿った断面において、ロータコア３２の外周近傍に開口形成された第１装着孔３４と、第１装着孔３４に隣接するとともに、ロータコア３２の外周面側へ延びる２つの第２装着孔３５とで構成されている。

さらに、ロータコア３２には、第１装着孔３４と第２装着孔３５とを隔てる一対の中央ブリッジ３６、及び第２装着孔３５とエアギャップとを隔てるとともに、ロータコア３２の外周縁をなす２つの周縁ブリッジ３７が、１つの第１装着孔３４、及び２つの第２装着孔３５によって形成されている。
なお、１つの第１装着孔３４、及び２つの第２装着孔３５には、それぞれ永久磁石３１が１つずつ接着剤を介して接着固定されている。

第１装着孔３４は、図３及び図４に示すように、径方向に沿った断面形状が、径方向外側が短辺の断面略台形状の開口であって、永久磁石３１が装着された状態において、中央ブリッジ３６と永久磁石３１との間に、所定断面積の空隙Ｇ１が形成される大きさで開口形成されている。

より詳しくは、第１装着孔３４は、図４に示すように、径方向に沿った断面において、径方向に直交する直交方向と略平行で、径方向に所定間隔を隔てた一対の直交平面３４ａと、直交方向で対面する中央ブリッジ３６の面である一対の中央ブリッジ面３４ｂとで構成された断面略台形状に開口形成されている。

第１装着孔３４の直交平面３４ａは、図３及び図４に示すように、径方向に沿った断面において、径方向の間隔が永久磁石３１における一対の支持面３１ａの間隔と略同等の間隔となるように形成されている。

第１装着孔３４の中央ブリッジ面３４ｂは、図３及び図４に示すように、径方向に沿った断面において、径方向内側の直交平面３４ａから面取り部分である面取り部３４ｃを介して径方向外側、かつ他方の中央ブリッジ面３４ｂへ向けて僅かに傾斜した傾斜部分と、永久磁石３１の径方向に沿った側面と当接する位置で傾斜部分から径方向外側へ僅かに延設した当接部分とで一体形成されている。

このように第１装着孔３４は、永久磁石３１が装着された状態において、一対の直交平面３４ａが、永久磁石３１の支持面３１ａを支持するとともに、中央ブリッジ面３４ｂの当接部分が、永久磁石３１の径方向に沿った側面を支持するように構成されている。

２つの第２装着孔３５は、図４に示すように、径方向に沿った断面において、第１装着孔３４をとおる径方向を対象軸として、直交方向で対称に開口形成されている。
さらに、第２装着孔３５は、図３に示すように、永久磁石３１が装着された状態において、周縁ブリッジ３７と永久磁石３１との間に、第１装着孔３４の空隙Ｇ１よりも大きい断面積の空隙Ｇ２が形成され、中央ブリッジ３６と永久磁石３１との間に、周縁ブリッジ３７に隣接する空隙Ｇ２よりも大きい断面積の空隙Ｇ３が形成される大きさで開口形成されている。

より詳しくは、第２装着孔３５は、図４に示すように、径方向に沿った断面において、中央ブリッジ３６の面である中央ブリッジ面３５ａと、直交方向と略平行で、径方向に所定間隔を隔てた一対の直交平面３５ｂと、直交平面３５ｂに対して傾斜した略平行な一対の傾斜面３５ｃと、周縁ブリッジ３７の面である周縁ブリッジ面３５ｄとで構成された断面形状に開口形成されている。

第２装着孔３５の中央ブリッジ面３５ａは、図４に示すように、第１装着孔３４の中央ブリッジ面３４ｂにおける傾斜部分と略平行に形成されている。この中央ブリッジ面３５ａは、第１装着孔３４の中央ブリッジ面３４ｂとの間隔、すなわち中央ブリッジ３６の肉厚が、例えば０．８ｍｍ程度になる位置に形成されている。

第２装着孔３５における一対の直交平面３５ｂは、図４に示すように、径方向に沿った断面において、中央ブリッジ３６を挟んで第１装着孔３４の直交平面３４ａと連続するように、中央ブリッジ面３５ａの径方向外側端部、及び径方向内側端部から延設されている。

このうち、径方向内側の直交平面３５ｂは、中央ブリッジ面３５ａの径方向内側端部から、面取り部分である面取り部３５ｅを介して延設されている。一方、径方向外側の直交平面３５ｂは、面取り部分を設けることなく、中央ブリッジ面３５ａの径方向外側端部から延設されている。

第２装着孔３５における一対の傾斜面３５ｃは、図４に示すように、径方向に沿った断面において、ロータコア３２の径方向、及び周方向と交差する角度で傾斜した傾斜面であって、永久磁石３１における一対の支持面３１ａの間隔と略同等の間隔を隔てて略平行に形成されている。

なお、一対の傾斜面３５ｃのうち、径方向内側の直交平面３５ｂと交差する傾斜面３５ｃが、永久磁石３１における支持面３１ａの長さよりも長い長さで形成され、径方向外側の直交平面３５ｂと交差する傾斜面３５ｃが、永久磁石３１における支持面３１ａの長さよりも僅かに短い長さで形成されている。

第２装着孔３５の周縁ブリッジ面３５ｄは、図３及び図４に示すように、径方向に沿った断面において、ロータコア３２の外周面と略平行に形成されている。なお、径方向内側の直交平面３５ｂから連続する傾斜面３５ｃと周縁ブリッジ面３５ｄとの境界は、段付き形状に形成されるとともに、所定半径で面取りされている。この面取り部分を面取り部３５ｆとする。
このように第２装着孔３５は、永久磁石３１が装着された状態において、一対の傾斜面３５ｃが、永久磁石３１の支持面３１ａを支持するように構成されている。

そして、上述したロータコア３２には、図３及び図４に示すように、径方向に沿った断面において、第１装着孔３４における径方向外側の直交平面３４ａと交差するように、第１装着孔３４の中央ブリッジ面３４ｂに沿って凹設された一対の中央凹設部３８と、ロータコア３２の外周面に近い第２装着孔３５の傾斜面３５ｃと交差するように、第２装着孔３５の周縁ブリッジ面３５ｄに沿って凹設された一対の周縁凹設部３９とが形成されている。

中央凹設部３８は、図３に示すように、径方向に沿った断面において、第１装着孔３４と一体的に開口形成されるとともに、第１装着孔３４に装着された永久磁石３１の支持面３１ａとで、所定の断面積を有する空間である端部空隙Ｇ４を構成するように形成されている。

より詳しくは、中央凹設部３８は、図４に示すように、径方向に沿った断面において、第１装着孔３４の中央ブリッジ面３４ｂから径方向外側、かつ他方の中央ブリッジ３６へ向けて湾曲した円弧状の円弧面３８ａと、第１装着孔３４の直交平面３４ａに対して略鉛直な鉛直面３８ｂとで構成された形状で凹設されている。

中央凹設部３８の円弧面３８ａは、図４に示すように、径方向に沿った断面において、第１装着孔３４の直交平面３４ａ上に中心が位置する円の円弧であって、第１装着孔３４の中央ブリッジ面３４ｂから連続するように形成されている。

一方、中央凹設部３８の鉛直面３８ｂは、図４に示すように、径方向に沿った断面において、円弧面３８ａを形成する円の中心位置よりも近接する第２装着孔３５へオフセットした位置で、円弧面３８ａから連続するように形成されている。

また、周縁凹設部３９は、図３に示すように、径方向に沿った断面において、第２装着孔３５と一体的に開口形成されるとともに、第２装着孔３５に装着された永久磁石３１の支持面３１ａとで、所定の断面積を有する空間である端部空隙Ｇ５を構成するように形成されている。

より詳しくは、周縁凹設部３９は、図４に示すように、径方向に沿った断面において、第２装着孔３５の周縁ブリッジ面３５ｄから他方の周縁ブリッジ３７へ向けて湾曲した略半円状の円弧面３９ａで構成された形状に形成されている。なお、周縁凹設部３９の円弧面３９ａは、永久磁石３１の支持面３１ａと交差可能な直径で形成されている。

次に、上述した構成の回転電機１において、ステータ４の磁界が作用した際におけるロータ３の磁束の流れについて、図５及び図６を用いて説明する。
なお、図５は比較例における磁束の流れを説明する説明図を示し、図６は本実施例における磁束の流れを説明する説明図を示している。
また、図５及び図６中において、磁束を破線で示すとともに、磁束の流れを明確にするため、巻線４２の図示を省略している。

まず、比較例として、中央凹設部、及び周縁凹設部を設けていないロータ３０１における磁束の流れについて説明する。なお、ロータ３０１は、中央凹設部、及び周縁凹設部がロータコア３２に設けられていない点を除けば、本実施例のロータ３と同一の構成とする。

中央凹設部を設けていないロータ３０１の場合、ステータ４の磁界がロータ３０１に作用すると、各永久磁石３１における中央近傍の磁束Ｍ１は、図５に示すように、永久磁石３１からロータコア３２、及びステータ４を介して再び永久磁石３１に戻るループ状の経路を流れることとなる。

一方、永久磁石３１の磁束の一部、具体的には、第２装着孔３５に装着された永久磁石３１の磁束のうち、中央ブリッジ３６に近い磁束Ｍ２は、図５に示すように、永久磁石３１から中央ブリッジ３６を介して再び永久磁石３１に戻るループ状の経路を流れている。

さらに、第２装着孔３５に装着された永久磁石３１の磁束のうち、周縁ブリッジ３７に近い磁束Ｍ３は、図５に示すように、永久磁石３１から周縁ブリッジ３７を介して再び永久磁石３１に戻るループ状の経路を流れている。

また、第１装着孔３４に装着された永久磁石３１の磁束のうち、中央ブリッジ３６に近い磁束Ｍ４は、図５に示すように、永久磁石３１からロータコア３２、及びステータ４を介して再び永久磁石３１に戻るループ状の経路と、永久磁石３１から中央ブリッジ３６を介して再び永久磁石３１に戻るループ状の経路とに分かれて流れている。

このような磁束の流れとなる比較例に対して、本実施例のロータ３の場合、ステータ４の磁界がロータ３に作用すると、各永久磁石３１における中央近傍の磁束Ｍ１は、図６に示すように、永久磁石３１からロータコア３２、及びステータ４を介して再び永久磁石３１に戻るループ状の経路を流れている。

一方、永久磁石３１の磁束の一部、具体的には、第２装着孔３５に装着された永久磁石３１の磁束のうち、中央ブリッジ３６に近い磁束Ｍ２は、図６に示すように、永久磁石３１から中央ブリッジ３６を介して再び永久磁石３１に戻るループ状の経路を流れている。

さらに、第２装着孔３５に装着された永久磁石３１の磁束のうち、周縁ブリッジ３７に近い磁束Ｍ３は、図６に示すように、永久磁石３１からロータコア３２、及びステータ４を介して再び永久磁石３１に戻るループ状の経路と、永久磁石３１から周縁ブリッジ３７を介して再び永久磁石３１に戻るループ状の経路とに分かれて流れている。

つまり、周縁ブリッジ３７に近い磁束Ｍ３は、周縁ブリッジ３７へ流れる磁束の量が比較例に比べて低減されている。これは、ステータ４の磁界がロータ３に作用していない状態において、周縁ブリッジ３７に近い永久磁石３１の磁束Ｍ３が、端部空隙Ｇ５を迂回するようにして周縁ブリッジ３７へ流れる、すなわちステータ４の磁界の影響を受け易い位置をとおって、周縁ブリッジ３７へ流れるためである。

また、第１装着孔３４に装着された永久磁石３１の磁束のうち、中央ブリッジ３６に近い磁束Ｍ４は、図６に示すように、比較例における磁束Ｍ４の流れとは異なり、永久磁石３１からロータコア３２、及びステータ４を介して再び永久磁石３１に戻るループ状の経路を流れている。

これは、ステータ４の磁界がロータ３に作用していない状態において、中央ブリッジ３６に近い永久磁石３１の磁束Ｍ４が、端部空隙Ｇ４を迂回するようにして中央ブリッジ３６へ流れる、すなわちステータ４により近い位置をとおって中央ブリッジ３６へ流れるため、ステータ４の磁界の影響を受け易くなったことによるものである。

引き続き、ロータ３が回転した際のロータコア３２の変形状態について、図７から図９を用いて説明する。
なお、図７は回転した際のロータ３の変形状態の断面図を示し、図８は比較例におけるロータ３の変形状態の断面図を示し、図９は本実施例の応力値と比較例の応力値とを相対比較で説明する説明図を示している。

詳述すると、例えば、高回転数でロータ３が回転したことで、永久磁石３１を固定する接着剤が剥がれた場合、第１装着孔３４における径方向外側の直交平面３４ａには、図７に示すように、遠心力が作用した永久磁石３１によって径方向外側への押圧荷重が作用する。

同様に、周縁凹設部３９と連続する第２装着孔３５の傾斜面３５ｃ、及び周縁ブリッジ面３５ｄには、図７に示すように、遠心力が作用した永久磁石３１によって径方向外側へ押圧荷重が作用する。このため、中央ブリッジ３６には径方向に沿った引張り荷重が加わり、周縁ブリッジ３７には周方向に沿った引張り荷重が加わることとなる。

この際、中央凹設部３８、及び周縁凹設部３９は、図７に示すように、引張り荷重に対して弾性変形容易な部分となるため、引張り荷重の増加に応じて延びるように弾性変形を開始する。
なお、第２装着孔３５における径方向外側の直交平面３５ｂと傾斜面３５ｃとの境界近傍（図７中のＣ部）は、引張り荷重に対して弾性変形し難い部分であるため、ロータコア３２における応力集中部位となる。

ここで、比較例として、中央凹設部を設けていないロータ３０２における応力集中部位について説明する。なお、ロータ３０２は、中央凹設部がロータコア３２に設けられていない点を除けば、本実施例のロータ３と同一の構成とする。

中央凹設部を設けていないロータ３０２の場合、遠心力による永久磁石３１の押圧荷重がロータコア３２に作用すると、ロータコア３２は、図８に示すように、本実施例と同様に変形を開始する。

この際、第１装着孔３４における径方向外側の直交平面３４ａには、周縁凹設部３９と連続する第２装着孔３５の傾斜面３５ｃに加わる径方向外側への押圧荷重に比べて高い押圧荷重が加わり易い。

さらに、第１装着孔３４における径方向外側の直交平面３４ａと中央ブリッジ面３４ｂとの境界近傍（図８中のＤ部）は、第１装着孔３４の面取り部３４ｃ、第２装着孔３５の面取り部３５ｅ、第２装着孔３５の面取り部３５ｆ、及び周縁凹設部３９に比べて、弾性変形し難い部分となる。

このため、中央凹設部を設けていないロータ３０２において、第１装着孔３４における径方向外側の直交平面３４ａと中央ブリッジ面３４ｂとの境界近傍（図８中のＤ部）が、ロータコア３２が変形した際の応力集中部位となる。

このように中央凹設部３８の有無によって、ロータコア３２が変形した際の応力集中部位が変化する。さらに、比較例における応力集中部位の最大応力を「１．０」として、本実施例のロータ３における応力集中部位の最大応力を相対比較すると、本実施例のロータ３の最大応力は、図９に示すように、「０．５」となり、比較例と比べて約５０％の応力低減効果が得られた。

つまり、中央凹設部３８を有する本実施例の回転電機１は、比較例の回転電機に比べて、ロータコア３２の応力集中部位の移動と、最大応力の低減効果とが得られることが確認できた。

以上のような構成の回転電機１は、遠心力によってロータコア３２に生じる応力を抑制するとともに、１組の永久磁石３１の磁束を有効に活用して、回転軸２に生じる軸トルクを向上することができる。

具体的には、端部空隙Ｇ４，Ｇ５により、ロータ３は、ステータ４の磁界が作用していない状態において、中央ブリッジ３６、及び周縁ブリッジ３７へ向かう永久磁石３１の磁束の流れを、端部空隙Ｇ４，Ｇ５を迂回するような流れにすることができる。

つまり、ステータ４の磁界が作用していない状態において、ロータ３は、端部空隙Ｇ４，Ｇ５を設けていない場合に比べて、ステータ４により近い位置をとおるように中央ブリッジ３６、及び周縁ブリッジ３７へ向かう永久磁石３１の磁束の流れを形成することができる。

これにより、回転電機１は、ステータ４の磁界の影響を永久磁石３１の磁束が受け易くすることができる。このため、ステータ４の磁界が作用した際、回転電機１は、ロータ３の端部空隙Ｇ４，Ｇ５を迂回して中央ブリッジ３６、及び周縁ブリッジ３７へ向かう永久磁石３１の磁束の流れを、ステータ４側へより多く偏向させるとともに、中央ブリッジ３６、及び周縁ブリッジ３７へ流れる漏れ磁束を抑制することができる。

さらに、簡素な構成で中央ブリッジ３６、及び周縁ブリッジ３７へ流れる漏れ磁束を抑制できるため、回転電機１は、３個の永久磁石３１を近接配置するなど、ステータ４の磁界の影響を効率よく受けることができる位置に、１組の永久磁石３１を容易に配置することができる。

加えて、円弧面３８ａを有する中央凹設部３８、及び円弧面３９ａを有する周縁凹設部３９としたことにより、ロータ３の回転に伴って中央ブリッジ３６、及び周縁ブリッジ３７に引張り荷重が作用した際、中央凹設部３８の円弧面３８ａ、及び周縁凹設部３９の円弧面３９ａの部分が、他の部位に比べて弾性変形し易くなる。これにより、回転電機１は、遠心力が作用した永久磁石３１によってロータコア３２が押圧された際、中央ブリッジ３６、及び周縁ブリッジ３７の基部に発生する応力を抑制することができる。

従って、回転電機１は、遠心力によってロータコア３２に生じる応力を抑制するとともに、１組の永久磁石３１の磁束を有効に活用して、回転軸２に生じる軸トルクを向上することができる。

また、扇状の円弧部分である円弧面３８ａと、永久磁石３１の支持面３１ａに対して略鉛直な鉛直面３８ｂとで中央凹設部３８が形成されたことにより、回転電機１は、ロータコア３２の機械的強度を損なうことなく、１組の永久磁石３１の磁束をより有効に活用することができる。

具体的には、径方向に沿った断面において、永久磁石３１の支持面３１ａとなす角が鋭角な傾斜面と円弧面とで形成された中央凹設部の場合、傾斜面によって永久磁石３１の磁束が中央ブリッジ３６へ向けて案内され易くなる。

これに対して、径方向に沿った断面において、永久磁石３１の支持面３１ａに対して略鉛直な鉛直面３８ｂと円弧面３８ａとで形成された中央凹設部３８により、ロータ３は、永久磁石３１の磁束が中央ブリッジ３６へ向けて案内されることを抑制できる。

さらに、略半円状の円弧面で中央凹設部を形成した場合に比べて、ロータ３は、円弧面３８ａの半径を大きくできるとともに、鉛直面３８ｂの長さを長く確保することができる。

これにより、回転電機１は、ロータ３が回転した際に中央凹設部３８が応力集中部位となることを抑制できるとともに、よりステータ４に近い位置をとおるように永久磁石３１の磁束の流れを制御することができる。

従って、回転電機１は、永久磁石３１の支持面３１ａに対して鉛直な鉛直面３８ｂと円弧面３８ａとで形成された中央凹設部３８により、ロータコア３２の機械的強度を損なうことなく、１組の永久磁石３１の磁束をより有効に活用することができる。

また、直交方向で永久磁石３１を支持する形状に一対の中央ブリッジ３６が形成されたことにより、回転電機１は、ステータ４の磁界がロータ３に作用した際、１組の永久磁石３１における磁束をより有効に活用できるため、より安定した軸トルクを得ることができる。

具体的には、ロータコア３２は、直交方向への永久磁石３１の移動を一対の中央ブリッジ３６で規制できるため、第１装着孔３４における永久磁石３１の位置をより安定させることができる。

これにより、ロータ３は、ステータ４の磁界に対する永久磁石３１の位置を安定させることができるため、第１装着孔３４に装着された永久磁石３１の磁束が、ステータ４の磁界の影響を効率よく安定して受けることができる。

従って、回転電機１は、径方向と直交する方向で永久磁石３１を支持する一対の中央ブリッジ３６により、ステータ４の磁界がロータ３に作用した際、１組の永久磁石３１における磁束をより有効に活用できるため、より安定した軸トルクを得ることができる。

この発明の構成と、上述の実施形態との対応において、
この発明の凹設部は、実施形態の中央凹設部３８、及び周縁凹設部３９に対応し、
以下同様に、
永久磁石の前記支持面を支持する面は、第１装着孔３４における径方向外側の直交平面３４ａ、及び第２装着孔３５における径方向外側の直交平面３５ｂに対して傾斜した傾斜面３５ｃに対応し、
永久磁石の支持面に対して略直交する直交面は、中央凹設部３８の鉛直面３８ｂに対応し、
径方向と直交する方向は、直交方向に対応するが、
この発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。

例えば、上述した実施形態において、円弧状の円弧面３８ａと鉛直面３８ｂと中央凹設部３８を形成したが、これに限定せず、別の実施形態における１極あたりのロータ３の断面図を示す図１０のように、径方向に沿った断面形状が、断面略半円状の円弧面で形成された中央凹設部３８としてもよい。

また、断面略半円状の円弧面３８ａで形成された周縁凹設部３９としたが、これに限定せず、径方向に沿った断面において、周縁ブリッジ面３５ｄから延設した円弧面と、永久磁石３１の支持面３１ａに対して略鉛直な鉛直面とで構成された周縁凹設部としてもよい。

また、中央凹設部３８、及び周縁凹設部３９を備えたロータコア３２としたが、これに限定せず、中央凹設部３８、及び周縁凹設部３９のいずれか一方だけを備えたロータコアとしてもよい。

また、第２装着孔３５における径方向外側の直交平面３５ｂを切り欠いて、中央ブリッジ面３５ａから連続する円弧面を有するとともに、第２装着孔３５と一体的に開口形成された中央凹設部を備えたロータコアとしてもよい。

本発明は、各種装置や自動車における駆動用モータ、電力を出力する発電機、あるいはモータ兼発電機として用いられる回転電機に適用することができ、より好ましくは高出力が所望される回転電機に適用することができる。

１…回転電機
２…回転軸
３…ロータ
４…ステータ
３１…永久磁石
３１ａ…支持面
３２…ロータコア
３３…磁石装着部
３４…第１装着孔
３４ａ…直交平面
３５…第２装着孔
３５ｃ…傾斜面
３６…中央ブリッジ
３７…周縁ブリッジ
３８…中央凹設部
３８ａ…円弧面
３８ｂ…鉛直面
３９…周縁凹設部
３９ａ…円弧面
Ｇ４…端部空隙
Ｇ５…端部空隙

Claims (2)

1. 回転軸に一体的に設けたロータコア、及び前記回転軸の軸方向から見て軸方向視略Ｕ字状に配置された１極あたり３つ１組の略直方体形状の永久磁石を有するとともに、前記３つ１組の前記永久磁石が前記ロータコアの外周近傍に形成した磁石装着部に装着されたロータと、
   前記回転軸の径方向における前記ロータの外側にエアギャップを介して配置されたステータとで構成された回転電機であって、
   前記径方向に沿った断面において、前記ロータコアの前記磁石装着部が、
   前記径方向で前記永久磁石を挟持する形状に開口形成された第１装着孔と、
   前記回転軸の周方向で前記第１装着孔の両側に隣接するとともに、前記周方向で前記永久磁石を挟持する形状に開口形成された２つの第２装着孔とで構成され、
   前記第１装着孔によって挟持される前記永久磁石の面を、永久磁石の支持面として、
   前記径方向に沿った断面において、前記ロータコアが、
   前記第１装着孔と前記第２装着孔とを隔てる一対の中央ブリッジと、
   前記第１装着孔の内面となる前記一対の中央ブリッジの面に沿って形成された略円弧状の円弧面を有するとともに、前記ロータコアの外周面に近い前記永久磁石の前記支持面を支持する面と交差するように凹設された凹設部とを備え、
   前記径方向に沿った断面において、前記ロータが、
   前記ロータコアの前記凹設部と、前記永久磁石における前記支持面の端部近傍とで形成された端部空隙を備え、
   前記径方向に沿った断面において、前記ロータコアの前記凹設部が、
   扇状の円弧部分である前記円弧面と、
   前記円弧面から連続するとともに、前記ロータコアの外周面に近い前記永久磁石の前記支持面に対して略直交する直交面とで形成された
   回転電機。
2. 前記径方向に沿った断面において、前記一対の中央ブリッジが、
   前記支持面に対して略直交する前記永久磁石の面を挟持する形状に形成された
   請求項１に記載の回転電機。
   

Images