JP6660046B2

JP6660046B2 - 回転電機

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Publication number: JP6660046B2
Application number: JP2018523354A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　誠; 伊藤　　誠; 愼治杉本; 周一民谷
Original assignee: Hitachi Industrial Products Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Products Ltd
Priority date: 2016-06-24
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2037-04-11
Also published as: WO2017221521A1; JPWO2017221521A1

Description

本発明は回転子に空隙を設けた回転電機に関する

回転子に磁極を構成するために永久磁石を用いた回転電機であって、永久磁石の漏洩磁束を低減する回転子構造を持つものとして、特許文献１には、磁束の漏洩経路となるブリッジ部を非磁性体で構成して漏洩磁束を低減する構造が開示されている。また、特許文献２には、コアを貫くシャフトでコアを保持することでコアのブリッジ部をなくして漏洩磁束を低減する構造が開示されている。

特開２０１５―１２２８２０号公報特開２０１３−５５９５号公報

回転子の磁極形成に永久磁石を使用する回転電機は、一般に、永久磁石の残留磁束をトルク発生に活用することでコイルに流れる電流を低減し、小型化および高効率化できるようにしている。永久磁石を貫く磁力線にはコイルと鎖交するいわゆる電機子鎖交磁束があり、電機子鎖交磁束はトルク発生に寄与する磁束である一方で、永久磁石を貫く磁力線の中にはコイルと鎖交しない漏洩磁束があり、漏洩磁束はトルク発生に寄与しない。そのため、回転電機の小型化及び高効率化をするためには、この漏洩磁束を低減し、永久磁石の残留磁束を有効活用する構造が必要となる。

一方、回転子に永久磁石を使用する場合、回転子の回転に伴う遠心力が永久磁石に働き、この永久磁石による遠心力荷重を機械的に支持するための構成が回転子に要求される。特に、永久磁石を回転子コアの中に埋め込んだいわゆる埋込磁石同期回転電機の場合、永久磁石の遠心力荷重を機械的に支持するブリッジ部を必要とする。ブリッジ部は一般には磁性体である回転子コアと一体で構成されているため磁束が通りやすく、永久磁石を貫く磁力線の一部は、永久磁石とブリッジ部のみを短絡した漏洩磁束となる。ブリッジ部を通る漏洩磁束はブリッジ部の非透磁率が１に近づきブリッジ部が磁気飽和するまで発生するため、ブリッジを通る漏洩磁束を低減するには、ブリッジ部の幅を狭めて磁気飽和しやすくする必要がある。しかしながら、ブリッジ部の幅を狭くすると、永久磁石を支持する十分な機械的強度得るのが難しいという問題があった。

特許文献１には、ブリッジ部を非磁性体で構成して漏洩磁束を低減する構造が記載されている。回転軸から近い側にあるコア中心部と、回転軸から遠い側にあるコア外周部とを非磁性体で作られたブリッジで連結することで、ブリッジからの漏洩磁束低減ができる構造となっている。また、コア外周部と非磁性体ブリッジとを嵌め合わす外周係止部を、コア中心部と非磁性体ブリッジとを嵌め合わす内周係止部よりも小さくすることで、遠心力荷重が最も大きくなる内周係止部の応力低減をして、ブリッジの強度を確保できる構造が記載されている。しかしながら、異なる部材をそれぞれ加工し、さらに局所的な応力集中を避けるためにはそれらを精度良く嵌めわせる必要があるため、材料費、加工費及び製作費のそれぞれでコストが増大する問題があった。

特許文献２では、それぞれの磁極を構成する磁極用コア体を軸方向に伸びたシャフトで保持し、各磁性用コア体が互いに磁気的に非短絡状態となるようにした構造が記載されている。各磁性用コア体はブリッジ部をもたないため、ブリッジ部を介した漏洩磁束に相当する磁束は、磁気的に離間された空間を介して漏洩する磁束になる。磁気的に離間された空間は例えば空気など非透磁率がほぼ１の非磁性の空間であるため、漏洩磁束を低減することができる。しかしながら、特許文献１と同様、複数の部材の組み合わせ加工をするための、材料費、加工費及び制作費のそれぞれでコストの増大が懸念される。

以上より、永久磁石を使用する回転電機の回転子における、永久磁石の漏洩磁束を低減するための課題に対して、従来技術では非磁性体の適用や、コア同士の磁気的な離間により漏洩磁束を低減できるものの、低コストで課題を解決できる手段はなかった。また、従来技術では漏洩磁束の低減による高効率化は可能であったが、軽量化を兼ねる手段はなかった。

本発明は上記事情を鑑み、低コストで軽量化及び高効率化できる回転電機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明の回転電機は、固定子と回転子とからなる回転電機であって、前記回転子は、複数個の磁極が構成された回転子コアと、該回転子コアを固定したシャフトと、前記回転子コアの各磁極に設けられたスロットと、前記スロットに収納された永久磁石と、を有しており、前記磁極における前記スロットと前記回転子コアの外周側端部面によって囲まれたコア磁極領域には、該コア磁極領域の重心の内周側領域に空隙が設けられるとともに、該コア磁極領域の重心の外周側領域にも空隙が設けられており、該外周側領域を周方向に等角度で分割した複数の分割領域のうち、端部の分割領域での空隙占有率は、他の分割領域での空隙占有率よりも小さいものとした。

本発明によれば、低コストで軽量化及び高効率化できる回転電機の回転子を提供することができる。

実施例１の回転子１の断面図実施例１の回転子の一つの磁極を示す断面図実施例１の空隙１００を設けない場合の磁力線を示す断面図。実施例１の空隙１００を設けた場合の磁力線を示す断面図。実施例１の空隙１００の効果を示すシミュレーション結果実施例２の回転子の一つの磁極を示す断面図実施例３の回転子の一つの磁極を示す断面図実施例４の回転子の一つの磁極を示す断面図実施例５の回転子の一つの磁極を示す断面図実施例６の回転子の一つの磁極を示す断面図実施例６の回転子の一つの磁極を示す断面図実施例７の回転子の一つの磁極を示す断面図実施例７の回転子の一つの磁極における磁力線を示す断面図実施例９の回転子の一つの磁極を示す断面図実施例１０の回転子の一つの磁極を示す断面図実施例１０の回転子の側面図実施例１０の回転子コアを重ねたときの磁極位置関係を示す図。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

実施例１の回転電機は、外周側の固定子と、内周側の回転子１から構成されている。図１Ａは本実施例の回転子１の断面図である。ここに示すように、回転子１は回転子コア１０、シャフト２０から構成されるとともに、偶数個（ここでは６個）の磁極を有している。また、各磁極は、スロット３０、その内部に収容された永久磁石４０（４０ａ、４０ｂ）、ブリッジ１１１〜１１３を有している。

回転子コア１０には図１Ａに示す断面内で一体成型した磁性体が用いられる。回転子コア１０に発生する渦電流損失を低減するために、回転子コア１０の材料としては電気的絶縁体でラミネーションされた積層鋼板を使用することが望ましいが、材料費や加工費を低減するためにソリッドの磁性体を使用してもよい。回転子コア１０はシャフト２０に、例えば、接着、溶接、焼き嵌め等の方法を用いて固定される。回転子コア１０をソリッドの磁性体で構成する場合は、回転子コア１０とシャフト２０を一体成型してもよい。

ここで、一般に、回転電機に電力を供給すると回転子コア１０の各磁極には、図１Ｃに示す磁力線、すなわち、進み位相側領域および外周側領域で磁束密度が高く、遅れ位相側領域および内周側領域で磁束密度が低い磁力線が発生している。

図１Ｂは回転子１の一つの磁極を示す断面図である。ここに示すように、磁極には少なくとも１つのスロット３０が設けられており、スロット３０には回転子１の磁極を構成するための永久磁石４０が収容されている。各磁極は、少なくとも１つ以上の永久磁石４０によって構成される。図１Ｂでは、その一例として２つの永久磁石４０ａと永久磁石４０ｂをＶ字型に配置することで１つの磁極を構成した例を示しているが、一つの永久磁石４０で一つの磁極を構成しても良いし、三つ以上の永久磁石４０で磁極を構成してもよい。また、二つの永久磁石４０で磁極を構成する場合でも、磁石配置をＶ字型に限定する必要はなく、例えばスポーク型など、その他の磁石配置で磁極を構成した場合でも、本実施例の効果を得ることができる。なお、本実施例では永久磁石４０の材質に制約はなく、フェライト系、ネオジム系、サマリウムコバルト系などを例とする、いずれの材料を使用しても本実施例の効果を得ることができる。

回転子コア１０の各磁極は、スロット３０によって、図１Ｂに示す、スロット３０と回転子コア１０の外周側端部面１３０に囲まれる略扇状のコア磁極領域１５０と、それ以外の非コア磁極領域１５２に仕切られる。両領域をつなぎ留めている部分はブリッジと呼ばれ、以下では、スロット３０間に位置する部分をブリッジ１１１、スロット３０と外周側端部面１３０との間に位置している部分をそれぞれブリッジ１１２、１１３と呼ぶ。なお、ブリッジの数は永久磁石４０の数や配置によって異なり、例えば、一つの磁極を構成する永久磁石４０が一つのときは、ブリッジ１１１は存在しない。また、一つの磁極を構成する永久磁石４０が三つ以上のときは、複数のスロットのうち、周方向両端にあるスロット３０と外周側端部面１３０に囲まれた領域をコア磁極領域１５０としてブリッジ１１１〜１１３を決定する。このようにブリッジを定義することによって、ブリッジの配置及び数に因らず以下で説明する本実施例の効果を得ることができる。

本実施例では、コア磁極領域１５０に少なくとも一つ以上の空隙１００を設けており、個々の空隙１００の重心は、回転軸３００からコア磁極領域１５０の重心位置Ｇまでの距離Ｒを半径とした円Ｃよりも内径側に位置している。図１Ｂでは、空隙１００の形状を円形状としたが、三角形状、四角形状などの多角形状や、惰円形状、または複数の形状を組み合わせたような複雑な形状など、いかなる形状でも後述する本実施例の効果を得ることができる。また、複数の空隙１００を設ける場合は、空隙１００の形状や寸法を一種類に統一する必要はなく、複数の形状の組み合わせや、複数の寸法の組み合わせでもよい。さらに、回転軸３００方向に垂直な各々の回転子コア１０断面において空隙１００の寸法、形状、位置がそろっている必要はなく、例えば、回転子コア１０を積層鋼鈑で製作する場合、各積層鋼鈑における空隙１００の寸法、形状、位置は異なっていても本実施例の効果を得ることができる。なお、空隙１００は密度の低い気体、例えば大気で満たされていることが望ましいが、回転子コア１０に使用する材料よりも低密度であれば、その他の気体、液体、固体または真空であっても、後述する本実施例の効果を得ることができる。

なお、コア磁極領域１５０に空隙１００を設けることで、図１Ｃに示した磁力線は、図１Ｄに示すようになるが、重心位置Ｇよりも内周側では磁束密度が低いため、磁気抵抗増加への影響は抑制されている。

次に本実施例の作用について説明する。まず、本実施例では、コア磁極領域１５０に空隙１００を設けることで、コア磁極領域１５０のコア材を削減でき、コア磁極領域１５０を軽量化できる。この軽量化により、回転子１の角速度を一定と仮定すると、ブリッジ１１１〜１１３に加わる遠心力荷重は、空隙１００の体積相当のコア材の重量と、回転軸３００から全ての空隙１００を１つの集合体としてとらえたときの重心位置までの距離の積に相当する荷重分だけ小さくすることができる。このため、ブリッジ１１１〜１１３に必要な強度は遠心力荷重の低下分だけ小さくなり、ブリッジ１１１〜１１３の機械的強度を抑制、すなわち、各ブリッジの幅ａ１〜ａ３をそれぞれ狭めることができる。これにより、ブリッジ１１１〜１１３を介してコア磁極領域１５０から非コア磁極領域１５２に漏洩する磁束を低減することができる。

一方、コア磁極領域１５０に空隙１００を設けると、コア磁極領域１５０内の磁気抵抗が増加するが、コア磁極領域１５０の磁束密度が外周側で高く内周側で低いことを考慮し（図１Ｃ参照）、本実施例では、磁束密度の低い円Ｃの内側に空隙１００を設けた。このような構成とすることで、磁束密度の高い円Ｃの外側に空隙１００を設けた場合と比べて、コア磁極領域１５０での磁気抵抗増加を抑制でき（図１Ｄ）、磁気抵抗増加に起因したコイル電流の増加、銅損や鉄損の増加、発熱も抑制できる。

図１Ｅは、空隙１００の有無が回転電機（モータ）の効率に与える影響を、コア磁極領域１５０の形状、回転数、トルクなどを同条件として磁場解析したシミュレーション結果である。同図の縦軸は空隙１００を設けない回転電機との効率差を示し、評価点Ａの値を１として正規化している。ここから明らかなように、重心位置Ｇより内側（回転軸３００側）に空隙１００を設けた場合には、従来構造より高効率化を実現できることがわかる。一方、重心位置Ｇより外側に空隙１００を設けた場合には、従来構造よりも効率が低下することが分かる。

すなわち、本実施例では、コア磁極領域１５０の重心位置Ｇより内周側に空隙１００を設けてコア磁極領域１５０を軽量化することで、ブリッジに必要とされる機械的強度を小さくし各ブリッジ幅を狭くした。これより、空隙１００によるコア磁極領域１５０内での磁気抵抗増加があるものの、ブリッジ幅を狭めることでコア磁極領域１５０からの漏洩磁束を大きく低減できるため、これによる電流低減及び銅損低減、または鉄心材総量の低減による鉄損低減、またはその両方の損失低減効果により、回転電機全体としての効率を大きく向上させることができる。

なお、空隙１００を回転子コア１０に使用する材料よりも低密度の物体で満たすことでも、コア磁極領域１５０の軽量化が可能である。また本実施例の構成は、従来のモータ製作工程に回転子コア１０に対する穴あけ工程を追加するだけで実現できるので、低コストで大きな効率向上を図ることが可能である。

以上から、本実施例を適用することで、低コストで軽量化及び高効率化できる回転電機を提供することができる。

図２は実施例２の回転子を示す断面図である。実施例１と重複する事項については説明を省略する。なお、実施例２の回転子１は、実施例１のように円Ｃ内側に設けた空隙１００に加え、回転子コア１０の更なる軽量化、すなわち、回転電機の高効率化を図るべく、円Ｃ外側にも空隙１００を設けたものである。

実施例２では、コア磁極領域１５０のうち円Ｃよりも外径側の領域を、回転子１の周方向に等角度で複数個分割した。これらの分割領域において、一端側を領域１７０ａ、他端側を領域１７０ｂとし、残りを領域１７１と定義する。例えば、図２では、四分割した領域のうち、右端領域を領域１７０ａ、左端領域を領域１７０ｂ、それらに挟まれた２領域を領域１７１としている。

各領域には空隙１００が設けられているが、回転子コア１０に対する空隙１００の占有率は、領域１７０ａ、１７０ｂで小さく、領域１７１で大きくなるように設定する。両端領域の占有率を小さくする形態としては、領域１７０ａまたは領域１７０ｂまたはその両方の領域における空隙１００の数を減らしても、各々の空隙１００の面積を小さくしてもどちらでもよい。

本実施例では、トルクを発生させる際に磁束が集中し、磁気飽和しやすい領域１７０ａまたは領域１７０ｂまたはその両方の領域における空隙１００の占有率を小さくすることで、空隙１００を設けたことに起因する局所的な磁気飽和を発生しにくくすることができる。これにより、空隙１００を設けることによる領域１７０ａまたは領域１７０ｂにおける損失増加を小さくできる。このため空隙１００を設けたことに起因する磁気抵抗増加による損失増加よりも、ブリッジ１１１〜１１３を狭めたことによる漏洩磁束低減による損失低減効果を大きくすることができるため高効率化が可能となる。

なお、一方向にしか回転させない場合、例えば図２において反時計回りでのみ回転子１を回転させる場合は、トルクを発生させるために領域１７０ａ側に磁力線が集中する。この場合は、領域１７０ａにおける空隙１００の占有率のみを小さくすることで、本実施例の効果を得ることができる。また、両方向に回転する場合でも、一方向でのみ大きな高効率化効果を得たい場合は、回転方向側の端部領域における空隙１００の占有率のみを小さくすればよい。

また、両方向に回転子１を回転させる場合や、一方向に回転子１を回転させる場合でもブレーキトルクを発生させる場合や、回転子１を組み込んだ回転電機を電動機としてだけでなく発電機としても使用する場合は、領域１７０ａ及び領域１７０ｂのどちらの領域にも磁力線が集中する。この場合は、領域１７０ａ及び領域１７０ｂの両方の領域における空隙１００の占有率を小さくすることで、本実施例の効果を得ることができる。

図３は実施例３の回転子を示す断面図である。他の実施例と重複する事項については説明を省略する。なお、ここでは、円Ｃよりも外径側の領域を外径側領域１８０、円Ｃよりも内径側の領域を領域１８１（図示せず）と定義する。

実施例３によれば、外径側領域１８０における回転子コア１０に対する空隙１００の占有率が、内径側の領域１８１おける回転子コア１０に対する空隙１００の占有率よりも小さい構造となっている。

本実施例では、トルクを発生させる際に磁束が集中し、磁気飽和しやすい磁極部の外径側領域１８０における空隙１００の占有率を小さくすることで、空隙１００を設けたことに起因する局所的な磁気飽和を発生しにくくすることができる。これにより、空隙１００を設けることによる磁極部の外径側領域１８０での損失増加を小さくできる。このため空隙１００を設けたことに起因する磁気抵抗増加による損失増加よりも、ブリッジ１１１〜１１３を狭めたことによる漏洩磁束低減による損失低減効果を大きくすることができるため高効率化が可能となる。実施例３は、実施例２で定義した領域１７０ａ、１７０ｂだけでなく、領域１７１における磁気飽和による損失増加が大きな場合、例えば高出力密度化により回転子外径部全体で磁束密度が高くなっている場合に特に大きな高効率効果を得ることができる。

図４は実施例４の回転子を示す断面図である。他の実施例と重複する事項については説明を省略する。

実施例４では、コア磁極領域１５０は複数の空隙１００を有しており、回転子１の内径側に位置する空隙１００と、この空隙１００と隣接する空隙１００との最小距離Ｄ１よりも、回転子１の外径側に位置する空隙１００と、この空隙１００と隣接する空隙１００との最小距離Ｄ２の方が大きい。すなわち、トルクを発生させる際に磁束が集中し、磁気飽和しやすい磁極部の外径側領域１８０（図３）における空隙１００の占有率を小さくすることができ、空隙１００を設けたことに起因する局所的な磁気飽和を発生しにくくすることができる。

これにより、空隙１００を設けることによるコア磁極領域１５０の外径側における損失増加を小さくできる。このため空隙１００を設けたことに起因する磁気抵抗増加による損失増加よりも、ブリッジ１１１〜１１３を狭めたことによる漏洩磁束低減による損失低減効果を大きくすることができるため高効率化が可能となる。

図５は実施例５の回転子を示す断面図である。他の実施例と重複する事項については説明を省略する。

実施例５では、コア磁極領域１５０の磁極の中心軸よりも各磁極の進み位相側の磁極部領域を領域１９０、各磁極の遅れ位相側の磁極部領域を領域１９１と定義する。

図５は、電動機として使用する回転電機における回転子１を示したものであり、左側の進み位相側領域（領域１９０）における空隙１００の占有率が、右側の遅れ位相側領域（領域１９１）における空隙１００の占有率よりも小さい構造となっている。

回転電機を電動機として使用する場合、回転子１の進み位相側に磁力線が集中する。このため、領域１９１と比べて領域１９０では、空隙１００を設けたことに起因する局所的な磁気飽和が発生しやすくなる。このため、領域１９０における空隙１００の占有率を小さくすることで、空隙１００を設けたことに起因する局所的な磁気飽和を発生しにくくすることができる。これにより、空隙１００を設けたことによるコア磁極領域１５０の損失増加を小さくできる。このため空隙１００を設けたことに起因する磁気抵抗増加による損失増加よりも、ブリッジ１１１〜１１３を狭めたことによる漏洩磁束低減による損失低減効果を大きくすることができるため高効率化が可能となる。

これに対し、回転電機を発電機として利用する場合、回転子１の遅れ位相側領域に磁力線が集中する。このため、領域１９０と比べて領域１９１では、空隙１００を設けたことに起因する局所的な磁気飽和が発生しやすくなる。このため、領域１９１における空隙１００の占有率を小さくすることで、空隙１００を設けたことに起因する局所的な磁気飽和を発生しにくくすることができる。これにより、空隙１００を設けることによるコア磁極領域１５０の損失増加を小さくできる。このため空隙１００を設けたことに起因する磁気抵抗増加による損失増加よりも、ブリッジ１１１〜１１３を狭めたことによる漏洩磁束低減による損失低減効果を大きくすることができるため高効率化が可能となる。

また、両方向に回転子１を回転させる場合でも、一方の方向でのみ大きな高効率化効果を得たい場合は、領域１９０もしくは領域１９１の一方における空隙１００の占有率を小さくすればよい。

図６および図７は実施例６の回転子を示す断面図である。他の実施例と重複する事項については説明を省略する。

実施例６では、コア磁極領域１５０の空隙１００とスロット３０、または空隙１００同士の対向する辺が平行になるように、空隙１００を多角形状とした。例として、図６では空隙１００が四角形の場合、図７では空隙１００が三角形の場合を示す。なお、空隙１００の形状は、四角形状および三角形状に限定されるものではなく、その他の多角形であっても、また複数の多角形状が混在した場合でも、同様の効果を得ることができる。

スロット３０と空隙１００、または、空隙１００同士が対向する領域１２０において、局所的に狭まった箇所があると、磁力線が通ったときに初めに局所的に狭まった箇所で領域１２０が磁気飽和し、磁気抵抗が大きくなるため磁力線が通りにくくなる。これにより、トルクを得るのに必要な磁力線を通すための電流が増えて銅損が増大する。また、局所的に磁気飽和した回転子コア１０の領域１２０での鉄損増加や、磁気飽和した領域１２０を避けるように、より磁気抵抗の小さい領域１２０に移動した磁力線により磁気飽和した回転子コア１０の領域以外でも磁束密度が増えることによる鉄損増加が生じる。このため空隙１００を設けたことに起因する磁気抵抗増加による損失増加が、ブリッジ１１１〜１１３を狭めたことによる漏洩磁束低減による損失低減効果よりも大きくなることで高効率化が困難になる場合がある。

そこで、本実施例では、図６または図７の領域１２０に示すように、スロット３０と空隙１００、または、空隙１００同士の対向する辺を平行とすることで、領域１２０の幅Ｄ３は一定となり、同じ本数の磁力線が通った場合、この回転子コア１０の領域１２０は一様な磁束密度となる。このため前述した局所的な磁気抵抗の増大による損失の増加が発生せず、空隙１００の面積を拡大できる。このため空隙１００を設けたことに起因する磁気抵抗増加による損失増加よりも、ブリッジ１１１〜１１３を狭めたことによる漏洩磁束低減による損失低減効果を大きくすることができるため高効率化が可能となる。

図８は実施例７の回転子を示す断面図である。他の実施例と重複する事項については説明を省略する。

実施例７によれば、コア磁極領域１５０は複数の空隙１００を有しており、この複数の空隙１００の各々の重心位置が、おおよそ格子形状の交点に配置された構造となっている。本実施例では、全ての空隙１００の重心が半径Ｒよりも内径側に位置している必要はなく、コア磁極領域１５０に広く空隙１００を分散させてもよい。また空隙１００の形状や寸法を一種類に統一する必要はない。

本実施例では、空隙１００をコア磁極領域１５０に広く分散させることで、コア磁極領域１５０を軽量化でき、ひいては、軽量な回転子を提供することができる。

また、本実施例では、空隙１００の各重心位置を略格子状に配置することで、永久磁石４０を貫く磁力線の取りうる経路を複数個存在させることができる。図９に実施例７の回転子を示す断面図における磁力線の例を示す。図９では、例として、永久磁石４０を貫く磁力線２００を示す。固定子コイル（図示せず）を流れる電流の位相角が進んでいる場合は、例えば、経路としてＰ１→Ｐ２→Ｐ３→Ｐ４を通る磁力線Ｌ１となる。一方、電流位相角が磁力線Ｌ１となる場合に比べて遅れている場合は、例えば、経路としてＰ１→Ｐ５→Ｐ６→Ｐ７を通る磁力線Ｌ２となる。このように、空隙１００の各重心位置を略格子状に配置することで、空隙１００が磁力線の経路を制限する効果を小さくすることができる。なお、図９で示した磁力線Ｌ１、Ｌ２の経路は、空隙１００による磁力線の経路制限効果の小ささを示すための例であり、実際は、他の磁力線が通ることによる磁束密度分布と、回転子コア１０の材料特性で決まる回転子コア１０の透磁率分布により、最も低い磁気的エネルギーで通ることができる経路を選ぶように磁力線２００の経路は決定される。

回転子１の角速度を一定と仮定すると、遠心力荷重は設けた全ての空隙１００を１つの集合体としてとらえたときの重心位置と回転軸３００との距離に比例するため、空隙１００をコア磁極領域１５０に広く分散させることで、特に回転子１の外径側に配置した空隙１００により、ブリッジ１１１〜１１３に働く遠心力荷重低減効果を高めることができる。これにより、ブリッジ１１１〜１１３に必要な強度は遠心力荷重の低下分だけ小さくなるため、ブリッジ１１１の幅ａ１、ブリッジ１１２の幅ａ２、及びブリッジ１１３の幅ａ３をそれぞれ狭めることができる。これにより、ブリッジ１１１〜１１３を介して漏洩する磁束を低減することができる。また、空隙１００の各重心位置を略格子状に配置することで、空隙１００は磁力線の経路を制限しにくくなるため、コア磁極領域１５０において空隙１００を設けたことに起因する局所的な磁気飽和が発生しにくくなる。したがって、この局所的な磁気飽和に起因する磁石磁束低下による電流の増加、及びこれによる銅損の増加、または局所的な磁気飽和による鉄損の増加の影響を小さくすることができる。したがって、本実施例では、空隙１００を設けることによる損失増加よりも、ブリッジ１１１〜１１３を狭めたことによる漏洩磁束低減による損失低減効果を大きくすることができるため高効率化が可能となる。

次に実施例８を説明する。他の実施例と重複する事項については説明を省略する。

実施例８によれば、少なくとも１つの空隙１００が、回転軸３００方向に貫通しており、通風可能な構造となっている。ここで通風可能とは、空隙１００が固体で満たされておらず、気体または液体が流出入可能な構成であることを意味している。なお、通風可能な空隙の回転軸３００方向に垂直な断面積は、通風時の圧力損失を最小にするために、一定であることが望ましいが、異なっていても本実施例の効果を得ることができる。

本実施例では、空隙１００をコア磁極領域１５０の軽量化のためだけでなく、冷却のための通風口としても利用することができる。これにより、回転子１を適用した回転電機の高効率化だけでなく、冷却効果を向上させることができる。これにより、回転電機の小型化、高出力密度化、または冷却装置の小型化や冷却装置削減による低コスト化が可能である。

また、永久磁石４０の近傍の空隙１００を通風可能とすることで、回転子１の永久磁石４０を冷却することができる。これにより永久磁石４０の熱減磁を防ぐことができる。

図１０は実施例９の回転子１を示す断面図である。実施例８と重複する事項については省略する。

実施例９の回転子１は鋼板を積層したものであり、少なくとも１つのスキュー角αの段スキューが施されている。各鋼板のコア磁極領域１５０は複数の空隙１００を有しており、回転軸３００を中心とした半径γの円上に、少なくとも２つ以上の空隙１００が回転子１の周方向角度α毎に配置されている。図１０では、半径γ上の空隙１００の一例として１０１〜１０４を示す。なお、図１０では、半径γは１つのみで空隙１００は１０１〜１０４の４つとしたが、異なる半径γの複数の円上に複数の空隙１００が周方向角度α毎に配置されていてもよい。

本実施例では、回転子コア１０の各鋼板を全く同形状で製作しても、段スキューのスキュー角αと、半径γの円上の空隙１００間の角度αが等しいため、半径γの円状の空隙１００を通風口として利用することができる。例えば、図１０のように空隙１０１〜１０４の４つの空隙を開け、１段の段スキューをする場合、１段目の空隙１０２、１０３、１０４と２段目の空隙１０１、１０２、１０３の空隙がそれぞれ重なるため、３つの空隙１００を通風口として利用することができる。これにより、回転子コア１０の製作時に、段ごとに異なるジグの用意や製法が不要となり、製作コストを低減できる。

図１１Ａは実施例１０の回転子１の側面図、図１１Ｂは実施例１０の回転子１を示す断面図、図１１Ｃは実施例１０の回転子コアを重ねたときの磁極位置関係を示す図である。実施例９と重複する事項については説明を省略する。

図１１Ａに示すように、実施例１０の回転子１は、回転子コア４０１と回転子コア４０２から構成されており、両者の間にはスキュー角αの段スキューが一段施されている。また、図１１Ｂに示すように、回転子コア４０１は磁極の中心軸に対して角度β時計周りに傾けた空隙１００群をもつのに対し、回転子コア４０２は磁極の中心軸に対して角度β反時計周りに傾けた同数同形状同配置関係にある空隙１００群をもつ。

本実施例では、スキュー角αと磁極の中心軸に対する角度βとは以下の関係にある。

α＝２β
これにより、回転子コア４０１と回転子コア４０２をスキュー角αで重ねたとき、両回転子コアの各空隙１００の位置が一致するので、各空隙１００は回転子１の回転軸方向に貫通することになる。これにより、コアを貫通した空隙１００を通風口として利用できる。

なお、回転子コア４０１を裏返したものが回転子コア４０２であるので、回転子コア１０の製作時に、段ごとに異なるジグの用意や製法が不要となり、製作コストを低減できる。

１…回転子、１０、４０１、４０２…回転子コア、２０…シャフト、３０…スロット、４０、４０ａ、４０ｂ…永久磁石、１００、１０１、１０２、１０３、１０４…空隙、１１１、１１２、１１３…ブリッジ、１３０…外周側端部面１５０…コア磁極領域、２００…磁力線、３００…回転軸１７０ａ、１７０ｂ、１７１、１８１、１９０、１９１、１２０…領域ａ１、ａ２、ａ３…幅Ｄ１、Ｄ２…最小距離Ｌ１、Ｌ２…磁力線

Claims

固定子と回転子とからなる回転電機であって、
前記回転子は、
複数個の磁極が構成された回転子コアと、
該回転子コアを固定したシャフトと、
前記回転子コアの各磁極に設けられたスロットと、
前記スロットに収納された永久磁石と、
を有しており、
前記磁極における前記スロットと前記回転子コアの外周側端部面によって囲まれたコア磁極領域には、該コア磁極領域の重心の内周側領域に空隙が設けられるとともに、該コア磁極領域の重心の外周側領域にも空隙が設けられており、
該外周側領域を周方向に等角度で分割した複数の分割領域のうち、
端部の分割領域での空隙占有率は、他の分割領域での空隙占有率よりも小さいことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記コア磁極領域には、該コア磁極領域の重心よりも外周側の領域にも空隙が設けられており、
前記外周側領域での空隙占有率は、前記内周側領域での空隙占有率よりも小さいことを特徴とする回転電機。
請求項１または請求項２に記載の回転電機において、
前記回転子コアに設けられた複数の空隙は、隣接する空隙同士の対向する辺が平行であることを特徴とする回転電機。
請求項１または請求項２に記載の回転電機において、
前記回転子コアに設けられた複数の空隙は、各空隙の重心位置が格子形状の交点に配置されていることを特徴とする回転電機。
請求項１または請求項２に記載の回転電機において、
前記空隙は前記回転子コアを回転軸方向に貫通していることを特徴とする回転電機。
請求項５に記載の回転電機において、
前記回転子はスキュー角αの段スキューが施されており、
前記回転子の回転軸から同一半径上に配置された複数の空隙は、
前記スキュー角αと等しい角度間隔で配置されていることを特徴とする回転電機。
請求項６に記載の回転電機において、
前記回転子の段スキューの各段には、前記磁極の中心軸に対して角度βだけ時計回りに傾いた軸上、または、角度βだけ反時計回りに傾いた軸上に前記空隙が配置されており、
前記スキュー角αと前記角度βの関係が α＝２β であることを特徴とする回転電機。