JP6596827B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、ロータおよびステータを備える回転電機に関するものである。

従来、この種の回転電機（すなわち、電動機、発電機）として、例えば特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された回転電機は、所謂アウターロータ式電動機であり、ヨークの円筒部の内周側に永久磁石が固定されたアウターロータと、鉄心にコイルが巻装されたステータとを備え、ステータが発生する電磁力によりアウターロータを回転させるようになっている。

特開２０１３−１７６２０２号公報

アウターロータ式電動機は、ステータが発生する電磁力の周波数とアウターロータの共振周波数が一致したときに、共振が励起されて騒音となることが知られている。

ここで、ステータが発生する電磁力（すなわち加振力）の分布は、楕円形（すなわち、円環２次モード）である。

また、アウターロータのヨークは、偏心や電磁力分布の歪み発生を防止するため、出来るだけ精度良く軸対称に作られている。そして、軸対称のヨークを有するアウターロータは、回転方向のどの位置でも振動の腹になるため、腹と節の位置が固定されない楕円形の共振モード（すなわち、円環２次モード）となり、電磁力は１００％振動に変換され、アウターロータ共振に起因する騒音が極めて大きくなるという問題があった。

さらに、アウターロータ式電動機において、ステータ共振に起因する騒音も発生する。さらにまた、アウターロータ式発電機、インナーロータ式回転電機、ロータにコイルが巻装されステータに永久磁石が固定された形式の回転電機においても、ロータやステータの共振に起因する騒音が極めて大きくなるという問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、回転電機におけるロータの共振による騒音を低減することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、ロータ（６）のヨーク円筒部における回転電機回転方向の少なくとも一箇所に、電磁力が変換された振動の節として、残部とは剛性が異なる異剛性部（６１２ｂ）を備え、異剛性部は、ヨーク円筒部のうち、ヨーク円筒部の内周側に当該ヨーク円筒部の厚みを残す状態で切欠部（６１２ａ）が形成されることで構成されていることを特徴とする。

これによると、ロータの共振モードとして、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向にずれた２つの円環２次モードが、２つの共振周波数において現れる。このように、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向にずれることにより、各々の共振周波数において電磁力の一部は振動に変換されなくなるため、ロータの共振による騒音を低減することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る回転電機の正面断面図である。 図１の回転電機におけるヨークのＡ矢視図である。 図１のステータが発生する電磁力の分布を示す図である。 （ａ）は従来の回転電機におけるステータの電磁力がヨークに伝達される際の伝達関数、（ｂ）は第１実施形態に係る回転電機におけるステータの電磁力がヨークに伝達される際の伝達関数である。 図１の回転電機におけるアウターロータの振動応答レベルと周波数との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る回転電機におけるステータを示す図である。 本発明の第３実施形態に係る回転電機におけるアウターロータのヨークを示す図である。 本発明の第４実施形態に係る回転電機におけるアウターロータのヨークを示す図である。 本発明の第５実施形態に係る回転電機におけるアウターロータを示す図である。 図９のアウターロータの素材を形成する工程を示す図である。 本発明の第６実施形態に係る回転電機の正面断面図である。 図１１のステータのＣ−Ｃ断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１、図２に示すように、本実施形態の回転電機は、アウターロータ式電動機であり、円筒部を有するベース１の内周側に第１軸受け２が装着され、ベース１に嵌合された円筒状の軸受けホルダ３の内周側に第２軸受け４が装着されている。そして、第１軸受け２および第２軸受け４により、回転軸５が回転自在に支持されている。

回転軸５には、アウターロータ６が圧入固定されている。このアウターロータ６は、金属製のヨーク６１と、ヨーク６１の内周側に固定された永久磁石６２とからなる。

ヨーク６１は、中心部に回転軸５が圧入されるとともに回転軸直交方向に延びる円盤状のヨーク板部６１１と、このヨーク板部６１１の外縁部から回転軸方向に延びる円筒状のヨーク円筒部６１２とを備え、有底円筒状になっている。

また、ヨーク円筒部６１２の内周側には、ヨーク円筒部６１２の周方向（換言すると、回転電機回転方向）に沿って９０°間隔の等ピッチで、半円状の切欠部６１２ａが４個形成されている。そして、ヨーク円筒部６１２における切欠部６１２ａが形成された部位の剛性は、切欠部６１２ａが形成されていない部位の剛性よりも低くなっている。

以下、ヨーク円筒部６１２における切欠部６１２ａが形成された部位を、低剛性部６１２ｂという。この低剛性部６１２ｂは、回転電機回転方向に沿って等ピッチに４個配置されている。なお、低剛性部６１２ｂは、本発明の異剛性部に相当する。

ベース１の円筒部の外周側には、鉄心７１にコイル７２を巻装したステータ７が固定されている。また、ステータ７は、ヨーク円筒部６１２の内側に配置されている。

このように構成されたアウターロータ式電動機は、コイル７２に電力が供給されるとステータ７が電磁力を発生し（図３参照）、回転する電磁力を受けて回転軸５およびアウターロータ６が回転する。なお、図３の横軸θは、ステータ７における周方向角度（すなわち、周方向位置）である。

ここで、従来のアウターロータ式電動機のように、ヨークの剛性が回転電機回転方向に沿って均一である場合は、ヨークにおける回転電機回転方向のどの位置でも振動の腹になるため、図４（ａ）に示すように、ステータの電磁力がヨークに伝達される際の伝達関数は、ヨークにおける周方向角度θ（すなわち、周方向位置）にかかわらず一定になる。

一方、本実施形態においては、低剛性部６１２ｂは振動の節になるため、ステータ７の電磁力がヨーク６１に伝達される際の伝達関数は、図４（ｂ）に示すように、ヨーク６１における周方向角度θ（すなわち、周方向位置）の変化に伴って変動する。

また、図５に示すように、本実施形態のように低剛性部６１２ｂを回転電機回転方向に沿って等ピッチに４個配置した場合、アウターロータ６の共振モードは、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向に４５°ずれた２つの円環２次モードとなり、その円環２次モードは２つの共振周波数において現れる。

このように、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向にずれる（すなわち、腹と節の位置が固定された楕円形の重根にする）ことにより、各々の共振周波数において電磁力の一部は振動に変換されなくなるため、アウターロータ６の共振による騒音が低減される。

因みに、低剛性部６１２ｂが回転電機回転方向に沿って等ピッチに４個配置され、且つアウターロータ６における２つの共振周波数の差が３７Ｈｚとなるアウターロータ式電動機（以下、本実施形態電動機という）と、低剛性部６１２ｂがなくアウターロータの共振周波数が１つである従来のアウターロータ式電動機とについて、騒音を測定したところ、本実施形態電動機の騒音レベルは、従来のアウターロータ式電動機の騒音レベルよりも２．８ｄＢ（Ａ）下がった。

また、本実施形態では、複数の低剛性部６１２ｂのうち任意の低剛性部６１２ｂに対し、他の低剛性部６１２ｂのうちの１つが回転電機回転方向に沿って１８０°ずれた位置に配置されているため、アウターロータ６の回転方向の重量バランスがとれ、アンバランスによる振動や騒音が防止される。

また、本実施形態のように、低剛性部６１２ｂを回転電機回転方向に沿って等ピッチに４個配置した場合、アウターロータ６における２つの共振周波数の差を、最大限に大きくすることができる。

なお、本実施形態においては、低剛性部６１２ｂを４個設けたが、低剛性部６１２ｂは１個でもよい。この場合でも、アウターロータ６の共振モードは、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向にずれた２つの円環２次モードとなるため、アウターロータ６の共振による騒音が低減される。

また、本実施形態においては、ヨーク円筒部６１２の内周側に切欠部６１２ａを形成したが、ヨーク円筒部６１２の外周側に切欠部６１２ａを形成してもよい。

また、本実施形態においては、低剛性部６１２ｂを回転電機回転方向に沿って９０°間隔の等ピッチで４個設けたが、９０°間隔に配置した４個の低剛性部６１２ｂの位置とは異なる位置に、さらに低剛性部６１２ｂを形成してもよい。

ただし、この場合、さらに形成する低剛性部６１２ｂの数は、９０°間隔に配置した低剛性部６１２ｂの数（すなわち４個）と異ならせる。

換言すると、低剛性部６１２ｂのうち任意の低剛性部の位置を点Ａ（１）とし、点Ａ１を基点として回転電機回転方向に沿って４５°ピッチの位置を点Ａ（２）〜点Ａ（８）としたとき、点Ａ（２ｎ−１）（ただし、ｎ＝１、２、３、４）に設けられた低剛性部の数と、点Ａ（２ｎ）に設けられた低剛性部の数を、異ならせる。このようにすれば、アウターロータ６の２つの共振周波数を、確実に異ならせることができる。

なお、本実施形態では、半円状の切欠部６１２ａを設けたが、切欠部６１２ａは、三角形状（すなわち、楔状）や四角形状でもよい。

また、本実施形態では、切欠部６１２ａを形成して低剛性部６１２ｂを設けたが、切欠部６１２ａの代わりに、ヨーク円筒部６１２から径方向に突出する突起部を形成してもよい。この場合、ヨーク円筒部６１２における突起部が形成された部位の剛性は、突起部が形成されていない部位の剛性よりも高くなる。そして、突起部が形成された高剛性部は、本発明の異剛性部に相当する。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態の回転電機はアウターロータ式電動機であり、図６は、アウターロータ式電動機におけるステータ７を、回転軸方向に沿って見たときの図である。

図６に示すように、ステータ７は、コイル７２が巻装された１２個の鉄心７１を備えている。鉄心７１は、回転電機回転方向に沿って３０°間隔の等ピッチで配置されている。

そして、１２個の鉄心７１のうち４個の鉄心７１には、その外周部に半円状の切欠部７１１が形成されている。この切欠部７１１が形成された鉄心７１の剛性は、切欠部７１１が形成されていない鉄心７１の剛性よりも低くなっている。

以下、切欠部７１１が形成された鉄心を低剛性鉄心７１ａという。この低剛性鉄心７１ａは、回転電機回転方向に沿って等ピッチに４個配置されている。なお、低剛性鉄心７１ａは、本発明の異剛性部に相当する。

本実施形態のように、低剛性鉄心７１ａを回転電機回転方向に沿って等ピッチに４個配置した場合、ステータ７の共振モードは、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向に４５°ずれた２つの円環２次モードとなり、その円環２次モードは２つの共振周波数において現れる。したがって、ステータ７の共振による騒音が低減される。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態の回転電機はアウターロータ式電動機であり、図７は、アウターロータ式電動機におけるアウターロータ６のヨーク６１を、回転軸方向に沿って見たときの図である。

図７に示すように、ヨーク円筒部６１２は、ヨーク板部６１１と同密度の材料よりなる円弧状の第１ヨーク円弧部６１２ｃと、ヨーク板部６１１および第１ヨーク円弧部６１２ｃとは密度の異なる材料よりなる円弧状の第２ヨーク円弧部６１２ｄとを備えている。

そして、第１ヨーク円弧部６１２ｃと第２ヨーク円弧部６１２ｄを、回転電機回転方向に沿って交互に９０°間隔の等ピッチでそれぞれ４個配置することにより、円筒状のヨーク円筒部６１２を形成している。なお、図７では、第２ヨーク円弧部６１２ｄの範囲を明瞭にするために、便宜的に第２ヨーク円弧部６１２ｄの部位を綾目模様で示している。

ここで、ヨーク円筒部６１２における回転電機回転方向の所定範囲毎の重量を所定範囲重量とした場合、第２ヨーク円弧部６１２ｄを含む部位の所定範囲重量と、第２ヨーク円弧部６１２ｄを含まない部位の所定範囲重量は、異なるものになる。なお、第２ヨーク円弧部６１２ｄを含む部位は、本発明の異重量部に相当する。

本実施形態のように、第２ヨーク円弧部６１２ｄを回転電機回転方向に沿って等ピッチに４個配置した場合、アウターロータ６の共振モードは、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向に４５°ずれた２つの円環２次モードとなり、その円環２次モードは２つの共振周波数において現れる。したがって、アウターロータ６の共振による騒音が低減される。

（第４実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態の回転電機はアウターロータ式電動機であり、図８は、アウターロータ式電動機におけるアウターロータ６のヨーク６１を、回転軸方向に沿って見たときの図である。

図８に示すように、ヨーク円筒部６１２の外周側には、回転電機回転方向に沿って９０°間隔の等ピッチで、金属または樹脂よりなる薄板状の板部材６１３が４個接合されている。

ここで、ヨーク円筒部６１２における回転電機回転方向の所定範囲毎の重量を所定範囲重量とした場合、板部材６１３を含む部位の所定範囲重量と、板部材６１３を含まない部位の所定範囲重量は、異なるものになる。なお、板部材６１３を含む部位は、本発明の異重量部に相当する。

また、ヨーク円筒部６１２における板部材６１３が接合された部位の剛性は、板部材６１３が接合されていない部位の剛性よりも高くなる。したがって、ヨーク円筒部６１２における板部材６１３が接合された部位は、本発明の異剛性部に相当する。

本実施形態のように、板部材６１３を回転電機回転方向に沿って等ピッチに４個配置した場合、アウターロータ６の共振モードは、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向に４５°ずれた２つの円環２次モードとなり、その円環２次モードは２つの共振周波数において現れる。したがって、アウターロータ６の共振による騒音が低減される。

（第５実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態の回転電機はアウターロータ式電動機であり、図９（ａ）は、アウターロータ式電動機におけるアウターロータ６のヨーク６１の正面断面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＢ矢視図である。

本実施形態のヨーク６１は、以下のようにして形成される。まず、図１０（ａ）に示すように、材質が異なる直方体状の２種類の金属素材Ｘ、Ｙを用意する。第１金属素材Ｘと第２金属素材Ｙは、いずれも等方性材料であるが、強度や弾性係数等が異なっている。続いて、図１０（ｂ）に示すように、第１金属素材Ｘと第２金属素材Ｙを交互に積層して接合した後、図１０（ｃ）に示すように、円盤状に打ち出す。そして、円盤状の素材を絞り加工して、図９に示すような有底円筒状のヨーク６１を形成する。なお、図９、図１０では、第１金属素材Ｘと第２金属素材Ｙを明瞭に区別するために、便宜的に第２金属素材Ｙを綾目模様で示している。

このようにして形成されたヨーク６１は、ヨーク６１に対してその径方向に力を作用させた場合、力を作用させる位置によって剛性が異なる。したがって、アウターロータ６の共振モードは、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向にずれた２つの円環２次モードとなり、その円環２次モードは２つの共振周波数において現れる。したがって、アウターロータ６の共振による騒音が低減される。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態について説明する。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１１、図１２に示すように、本実施形態の回転電機は、インナーロータ式電動機であり、回転軸５に永久磁石のインナーロータ９が圧入固定され、鉄心８１にコイル８２を巻装した円筒状のステータ８がインナーロータ９を囲むようにして配置されている。

鉄心８１の内周側には、回転電機回転方向に沿って複数のスロット８１１が形成されている。また、鉄心８１の外周側には、回転電機回転方向に沿って９０°間隔の等ピッチで、半円状の切欠部８１２が４個形成されている。そして、鉄心８１における切欠部８１２が形成された部位の剛性は、切欠部８１２が形成されていない部位の剛性よりも低くなっている。

以下、鉄心８１における切欠部８１２が形成された部位を、低剛性部８１３という。この低剛性部８１３は、回転電機回転方向に沿って等ピッチに４個配置されている。なお、低剛性部８１３は、本発明の異剛性部に相当する。

このように構成されたインナーロータ式電動機は、コイル８２に電力が供給されるとステータ８が電磁力を発生し、その電磁力を受けて回転軸５およびインナーロータ９が回転する。

本実施形態のように、低剛性部８１３を回転電機回転方向に沿って等ピッチに４個配置した場合、ステータ８の共振モードは、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向に４５°ずれた２つの円環２次モードとなり、その円環２次モードは２つの共振周波数において現れる。したがって、ステータ８の共振による騒音が低減される。

（他の実施形態）
なお、共振による騒音の低減効果の観点からは、円環２次の共振モードの場合、異剛性部または異重量部を２個または４個設けることが望ましく、円環３次の共振モードの場合、異剛性部または異重量部を３個または６個設けることが望ましい。換言すると、円環ｍ次の共振モードに対し、異剛性部または異重量部をｍ個または２ｍ個設けることが望ましい。
また、異剛性部または異重量部は回転電機回転方向に沿って等ピッチに配置することで最大の騒音低減効果が得られるが、ロータのヨーク円筒部６１２またはステータの鉄心７１、８１を、回転電機回転方向に沿って等ピッチに２ｍ個の領域に仮想的に分割し、分割された各仮想領域の適宜位置にそれぞれ一箇所ずつ異剛性部または異重量部を設けても、換言すると、異剛性部または異重量部を回転電機回転方向に沿って不等ピッチに配置しても、騒音低減効果が得られる。
また、磁極数が１０で且つスロット数が１２の回転電機は、円環２次の共振モードを誘発しやすいため、本発明は、磁極数が１０で且つスロット数が１２の回転電機に好適である。

また、上記各実施形態では、アウターロータ式電動機またはインナーロータ式電動機を示したが、本発明は、アウターロータ式発電機、インナーロータ式回転電機、ロータにコイルが巻装されステータに永久磁石が固定された形式の回転電機にも適用することができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。

また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。

また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

６ アウターロータ
７ ステータ
８ ステータ
９ インナーロータ
６１ ヨーク
６２ 永久磁石
７１ 鉄心
７２ コイル
６１２ ヨーク円筒部
７１ａ 低剛性鉄心（異剛性部）
８１３ 低剛性部（異剛性部）
６１２ｂ 低剛性部（異剛性部）

Claims (9)

1. ロータ（６）のヨーク円筒部における回転電機回転方向の少なくとも一箇所に、電磁力が変換された振動の節として、残部とは剛性が異なる異剛性部（６１２ｂ）を備え、
   前記異剛性部は、前記ヨーク円筒部のうち、前記ヨーク円筒部の内周側に当該ヨーク円筒部の厚みを残す状態で切欠部（６１２ａ）が形成されることで構成されていることを特徴とする回転電機。
2. 円環ｍ次の共振モードに対し、前記異剛性部をｍ個または２ｍ個備えることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ロータのヨーク円筒部を回転電機回転方向に沿って等ピッチに２ｍ個の領域に仮想的に分割し、分割された各仮想領域の適宜位置にそれぞれ一箇所ずつ前記異剛性部を備えることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
4. 前記異剛性部を複数備え、
   複数の前記異剛性部のうち任意の異剛性部に対し、他の異剛性部のうちの１つが、回転電機回転方向に沿って１８０°ずれた位置に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の回転電機。
5. 前記異剛性部を複数備え、
   複数の前記異剛性部は、回転電機回転方向に沿って等ピッチに配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の回転電機。
6. 前記異剛性部を複数備え、
   複数の前記異剛性部のうち任意の異剛性部の位置を点Ａ（１）とし、前記点Ａ（１）を基点として回転電機回転方向に沿って４５°ピッチの位置を点Ａ（２）〜点Ａ（８）としたとき、
   点Ａ（２ｎ−１）（ただし、ｎ＝１、２、３、４）に設けられた異剛性部の数と点Ａ（２ｎ）に設けられた異剛性部の数が異なることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
7. 前記異剛性部は、回転電機回転方向に沿って等ピッチに４個配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の回転電機。
8. 前記ロータは、ヨーク（６１）におけるヨーク円筒部（６１２）の内周側に永久磁石（６２）が固定されており、
   ステータ（７）は、前記ロータの内側に配置され、鉄心（７１）にコイル（７２）が巻装されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の回転電機。
9. 前記ロータの磁極数が１０であり、前記ロータのスロット数が１２であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の回転電機。

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