JP6752379B1 - 回転電機の回転子および回転電機 - Google Patents

Abstract

回転子鉄心の温度上昇を抑制することができる回転電機の回転子を得る。この回転電機の回転子は、円筒形状の回転子鉄心円筒部と、回転子鉄心円筒部の周方向について並べて設けられ、回転子鉄心円筒部から固定子側に突出し、磁性材料から構成された複数の主極と、回転子鉄心円筒部の周方向について互いに隣り合う主極の間のそれぞれに設けられ、回転子鉄心円筒部から固定子側に突出する複数の補極とを備え、複数の補極は、非磁性金属から構成されている。

Description

この発明は、回転電機の回転子および回転電機に関する。

従来、円筒形状の回転子鉄心円筒部と、回転子鉄心円筒部の周方向に並べて設けられた複数の磁極とを有する回転子鉄心を備えた回転電機の回転子が知られている。複数の磁極のそれぞれは、回転子鉄心円筒部の外周面から固定子側に突出している。また、複数の磁極のそれぞれは、磁性材料から構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２４６５７１号公報

しかしながら、回転子鉄心には、渦電流が発生する。これにより、回転子鉄心の温度が上昇してしまうという課題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、回転子鉄心の温度上昇を抑制することができる回転電機の回転子および回転電機を提供するものである。

この発明に係る回転電機の回転子は、円筒形状の回転子鉄心円筒部と、回転子鉄心円筒部の周方向について並べて設けられ、回転子鉄心円筒部から固定子側に突出し、磁性材料から構成された複数の主極と、周方向について互いに隣り合う主極の間に設けられ、回転子鉄心円筒部から固定子側に突出する補極とを備え、補極は、非磁性金属から構成され、補極は、周方向に延びる鍔部を有し、回転子鉄心円筒部には、鍔部が嵌め合わされる溝部が形成され、または、回転子鉄心円筒部は、鍔部を有し、補極には、鍔部が嵌め合わされる溝部が形成され、補極の鍔部と回転子鉄心円筒部の溝部とが嵌め合わされている、または、回転子鉄心円筒部の鍔部と補極の溝部とが嵌め合わされ、主極の周方向側面と補極の周方向側面とは、互いに離れて配置されて、風路を構成し、風路は、回転子鉄心円筒部の径方向について内側よりも外側の方が周方向の距離が大きい。

この発明に係る回転電機の回転子によれば、回転子鉄心の温度上昇を抑制することができる。

この発明の実施の形態１に係る回転電機を示す断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子を示す斜視図である。 この発明の実施の形態４に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。 この発明の実施の形態５に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。 この発明の実施の形態６に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。 この発明の実施の形態７に係る回転電機の回転子の要部を示す分解斜視図である。 図８の回転子の要部が組み立てられた状態を示す斜視図である。 この発明の実施の形態８に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。 図１０の補極の質量と回転子鉄心円筒部に発生する最大応力との関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態９に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。 この発明の実施の形態１０に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。 図１３の回転電機の回転子の要部の変形例を示す平面図である。 この発明の実施の形態１１に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。 回転子が高速回転する場合の補極に発生する渦電流損失を示すコンター図である。 この発明の実施の形態１２に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。 回転子が高速回転する場合の補極に発生する渦電流損失を示すコンター図である。 この発明の実施の形態１３に係る回転電機の回転子を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１４に係る回転電機の回転子を示す斜視図である。 図２０の回転電機の回転子の変形例を示す斜視図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る回転電機を示す断面図である。回転電機１は、フレーム２と、フレーム２に設けられ、円筒形状に形成された固定子３と、固定子３の内側に設けられた回転子４と、フレーム２に設けられ、回転子４を支持する一対のベアリング５とを備えている。

フレーム２は、円筒形状に形成された外周部２１と、外周部２１の軸方向についての外周部２１の両端部に設けられた一対の端板２２とを有している。一対の端板２２のそれぞれに、ベアリング５が１つずつ設けられている。固定子３は、外周部２１の内周面に固定されている。また、固定子３は、外周部２１の軸方向について、一対の端板２２の間に配置されている。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面図である。図２には、フレーム２が示されていない。回転子４は、シャフト４０１と、シャフト４０１に設けられた回転子鉄心４０２とを備えている。シャフト４０１は、固定子３の軸方向に延びるように配置されている。図１に示すように、シャフト４０１は、一対のベアリング５に支持されている。シャフト４０１が一対のベアリング５を介して固定子３に支持されることによって、回転子４は、固定子３に対して回転子４の周方向に回転可能となっている。

図２に示すように、回転子鉄心４０２は、円筒形状に形成された回転子鉄心円筒部４０３と、回転子鉄心円筒部４０３の外周面に設けられた複数の主極４０４と、回転子鉄心円筒部４０３の外周面に設けられた複数の補極４０５とを有している。

回転子鉄心円筒部４０３および主極４０４は、複数の電磁鋼板が回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に積層されることによって構成されている。回転子鉄心円筒部４０３および主極４０４を構成する複数の電磁鋼板のそれぞれは、回転子鉄心円筒部４０３を構成する部分と主極４０４を構成する部分とが繋がった状態で形成されている。言い換えれば、回転子鉄心円筒部４０３および主極４０４を構成する複数の電磁鋼板のそれぞれは、１枚の電磁鋼板から形成されている。

回転子鉄心円筒部４０３の内周面には、シャフト４０１が挿入されている。回転子鉄心円筒部４０３は、焼き嵌め、圧入などによってシャフト４０１に固定されている。

複数の主極４０４は、回転子鉄心円筒部４０３の周方向について、間隔をおいて並べて配置されている。主極４０４は、回転子鉄心円筒部４０３の外周面から固定子３側に向かって突出している。

複数の補極４０５は、回転子鉄心円筒部４０３の周方向について、間隔をおいて並べて配置されている。補極４０５は、回転子鉄心円筒部４０３の周方向について互いに隣り合う主極４０４の間に配置されている。また、補極４０５は、回転子鉄心円筒部４０３の外周面から固定子３側に向かって突出している。

回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての補極４０５の寸法は、回転子鉄心円筒部４０３の径方向についての位置によらずに一定となっている。

回転子鉄心円筒部４０３の径方向についての補極４０５の外周面、言い換えれば、補極４０５における固定子３に対向する面を補極外周面４０６とする。回転子鉄心円筒部４０３の径方向についての主極４０４の外周面、言い換えれば、主極４０４における固定子３に対向する面を主極外周面４０７とする。補極外周面４０６および主極外周面４０７は、回転子鉄心円筒部４０３の径方向についての高さが互いに同一となっている。

回転子鉄心円筒部４０３および主極４０４は、磁性材料から構成されている。補極４０５は、非磁性金属から構成されている。非磁性金属としては、例えば、ステンレスが挙げられる。

固定子３は、固定子鉄心３１と、固定子鉄心３１に設けられた複数の固定子コイル３２と、固定子鉄心３１に設けられた複数の永久磁石３３とを備えている。固定子鉄心３１は、複数の電磁鋼板が固定子３の軸方向に積層されることによって構成されている。また、固定子鉄心３１は、磁性材料から構成されている。

固定子鉄心３１は、固定子３の周方向に延びるコアバック３１１と、コアバック３１１から回転子４側に突出する複数のティース３１２とを有している。複数のティース３１２は、固定子３の周方向について、間隔をおいて並べて配置されている。固定子３の周方向に互いに隣り合うティース３１２の間には、スロット３１３が形成されている。

永久磁石３３は、固定子３の周方向について、ティース３１２の中央部に配置されている。固定子３の周方向について互いに隣り合う永久磁石３３は、それぞれの磁極の向きが固定子３の周方向について互いに向かい合うように、または、互いに反対方向を向くように配置されている。図２では、永久磁石３３の磁極の向きが矢印Ａで示されている。

固定子コイル３２は、ティース３１２に設けられている。固定子コイル３２は、ティース３１２と、ティース３１２に設けられた永久磁石３３とを囲むように配置されている。固定子コイル３２の巻線方法としては、集中巻きおよび分布巻きが挙げられる。回転子４の主極４０４の数と固定子３のスロット３１３の数との組み合わせに応じて、集中巻きおよび分布巻きの何れかが選択される。

なお、図２では、複数の固定子コイル３２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に分けられており、同相の固定子コイル３２は、直列に接続されている。また、図２では、複数の固定子コイル３２は、固定子３の周方向について、Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２の順に配置されている。また、図２では、複数の固定子コイル３２は、集中巻きによってティース３１２に巻かれている。図２には、固定子コイル３２の内側には、固定子コイル３２に流れる電流の向きが示されている。

回転子鉄心円筒部４０３の径方向について、主極４０４の外周面および補極４０５の外周面と固定子鉄心３１の内周面との間には、隙間であるエアギャップ６が形成されている。

次に、回転子鉄心４０２において渦電流損失が発生するメカニズムについて説明する。永久磁石３３に基づく磁力線は、固定子３の周方向についての永久磁石３３の一方面から出て、永久磁石３３が設けられたティース３１２およびエアギャップ６を順に通り、主極４０４に達する。主極４０４に達した磁力線は、エアギャップ６およびティース３１２を順に通り、固定子３の周方向についての永久磁石３３の他方面に戻る。

回転子４が固定子３に対して回転する場合に、主極４０４における磁界の移り変わりは、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極の順に繰り返される。したがって、主極４０４における磁界は、永久磁石３３に基づく磁界によって、交番磁界または回転磁界となる。回転子鉄心円筒部４０３および主極４０４は、電磁鋼板から構成されているために、導電性を有している。したがって、回転子鉄心円筒部４０３および主極４０４では、交番磁界または回転磁界を打ち消すように渦電流が発生する。回転子鉄心円筒部４０３および主極４０４に発生する渦電流と回転子鉄心円筒部４０３および主極４０４における電気抵抗とによって、回転子鉄心円筒部４０３および主極４０４に渦電流損失が発生する。したがって、回転子鉄心円筒部４０３および主極４０４に熱が発生する。

補極４０５が非磁性金属から構成されていることによって、補極４０５に鎖交する磁界は、主極４０４に鎖交する磁界よりも弱い。これにより、補極４０５に発生する渦電流損失は、主極４０４に発生する渦電流損失よりも小さい。

回転子鉄心４０２に発生した熱は、回転子鉄心４０２からエアギャップ６を介して固定子鉄心３１に伝達される。図２では、回転子鉄心４０２から固定子鉄心３１に熱が伝わる熱経路Ｒが示されている。

回転子鉄心４０２に発生した熱は、シャフト４０１を介して回転電機１に接続された負荷部材へ伝達される。回転電機１に接続された負荷部材に熱が伝達されることによって、負荷部材に変形などが発生する。したがって、負荷部材への熱の伝達は、一般的に好ましくない。実施の形態１では、回転子鉄心４０２に発生した熱は、主極４０４および補極４０５を介して、固定子鉄心３１に伝達され、回転電機１の外周面から放出される。したがって、回転子鉄心４０２の温度上昇が抑制され、また、回転子鉄心４０２に発生した熱が負荷部材へ伝達されることが抑制される。

以上説明したように、この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子４によれば、回転子鉄心円筒部４０３の周方向に互いに隣り合う主極４０４の間には、回転子鉄心円筒部４０３から固定子３側に突出する補極４０５が設けられており、補極４０５は、非磁性金属から構成されている。これにより、回転子鉄心４０２の外周面と固定子鉄心３１の内周面との間の対向面積が増加する。したがって、エアギャップ６を介して、回転子鉄心４０２から固定子鉄心３１への熱の伝達が容易となる。以上により、回転子鉄心４０２の温度上昇を抑制することができる。また、回転子鉄心４０２から固定子鉄心３１への熱の伝達が容易となることによって、回転電機１に接続された負荷部材への熱の伝達を抑制することができる。

また、補極外周面４０６および主極外周面４０７は、回転子鉄心円筒部４０３の径方向についての高さが互いに同一となっている。これにより、補極４０５と固定子鉄心３１との間の熱の伝達量を増加させることができる。

なお、実施の形態１では、主極４０４の数が５、スロット３１３の数および永久磁石３３の数が６である回転電機１の構成について説明した。しかしながら、主極４０４の数、スロット３１３の数および永久磁石３３の数は、これに限らず、その他の数であってもよい。固定子３に永久磁石３３が含まれる固定子磁石回転電機では、起磁力が回転子４のパーミアンスによって変調される。したがって、固定子磁石回転電機の回転起磁力の空間次数は、主極４０４の数から永久磁石３３の極対数を引いた値によって表すことができる。図１に示す回転電機１では、主極４０４の数が５、永久磁石３３の極対数が３である。したがって、空間次数が２となる。この場合に、回転電機１は、４極６スロット回転電機として駆動する。回転電機１の渦電流損失は、永久磁石３３の極数、主極４０４の数、回転子４の回転速度に依存して変化する。したがって、永久磁石３３の極数が多く、主極４０４の数が多く、回転子４の回転速度が大きい回転電機１の場合に、回転子鉄心４０２の温度上昇の抑制の効果をより高く得ることができる。

補極４０５の形状は、補極外周面４０６の面積が大きい方が望ましい。補極外周面４０６の面積が大きくなることによって、回転子鉄心４０２と固定子鉄心３１との間の対向面積が大きくなる。これにより、回転子鉄心４０２から固定子鉄心３１への熱の伝達の量を増加させることができる。

補極４０５と回転子鉄心円筒部４０３との間の接触面積は、大きい方が望ましい。補極４０５と回転子鉄心円筒部４０３との間の接触面積が大きくなることによって、回転子鉄心円筒部４０３および主極４０４に発生する熱が補極４０５へと伝達され易くなる。その結果、回転子鉄心４０２から固定子鉄心３１への熱の伝達の量を増加させることができる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子を示す斜視図である。補極４０５は、複数の薄板が積層されることによって構成されている。補極４０５を構成する複数の薄板は、回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に積層されている。補極４０５を構成する薄板は、非磁性金属から構成されている。非磁性金属としては、例えば、ステンレスが挙げられる。

補極４０５を構成する薄板の板厚は、主極４０４を構成する電磁鋼板の板厚と同一となっている。具体的には、補極４０５を構成する薄板の板厚は、０．２５ｍｍ〜０．５ｍｍとなっている。その他の構成は、実施の形態１と同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子４は、補極４０５が、回転子鉄心円筒部４０３の軸方向について積層された複数の薄板から構成されている。回転子４が高速で回転する場合には、非磁性金属から構成され補極４０５に発生する渦電流損失が顕在化する。しかしながら、積層された複数の薄板から補極４０５が構成されることによって、補極４０５に発生する渦電流損失を低減させることができる。

また、補極４０５を構成する薄板の板厚は、主極４０４を構成する電磁鋼板の板厚と同一となっている。これにより、補極４０５に発生する渦電流損失を低減させることができるとともに、補極４０５の製造の容易化を図ることができる。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子を示す斜視図である。回転子鉄心円筒部４０３の周方向について、主極４０４における補極４０５に対向する面を主極周方向側面４０８とする。回転子鉄心円筒部４０３の周方向について、補極４０５における主極４０４に対向する面を補極周方向側面４０９とする。

回転子鉄心円筒部４０３の周方向について、主極周方向側面４０８と補極周方向側面４０９との間には、隙間が形成されている。言い換えれば、回転子鉄心円筒部４０３の周方向について隣り合う主極４０４と補極４０５との間には、隙間が形成されている。つまり、回転子鉄心円筒部４０３の周方向について主極周方向側面４０８と補極周方向側面４０９とは、互いに離れて配置されている。回転子鉄心円筒部４０３の周方向について主極周方向側面４０８と補極周方向側面４０９とが互いに離れて配置されることによって、回転子４には、通風溝４１０が形成されている。通風溝４１０は、回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に延びて配置されている。通風溝４１０は、回転子鉄心円筒部４０３の軸方向について回転子４を通過する風が通る風路４１１を構成する。

補極外周面４０６の面積は、大きい方が望ましい。補極外周面４０６の面積が大きくなることによって、回転子鉄心４０２の放熱の効率を高めることができるとともに、回転電機１に流れる空気の風損を低減させることができる。なお、回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての通風溝４１０の大きさは、回転子鉄心４０２の冷却効果、風損低減効果、補極４０５の質量などに応じて、適宜設定することができる。その他の構成は、実施の形態１または実施の形態２と同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子４によれば、回転子鉄心円筒部４０３の周方向について隣り合う主極４０４と補極４０５との間には、隙間が形成されている。これにより、回転子４には、回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に延びる通風溝４１０が形成される。したがって、回転子鉄心４０２の放熱の効率を高めることができる。その結果、回転子鉄心４０２の温度上昇を抑制することができる。

実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。補極４０５は、補極本体４１２と、補極本体４１２に固定された突起４１３とを有している。突起４１３は、回転子鉄心円筒部４０３の径方向についての補極４０５の内側部分である。

突起４１３は、補極本体４１２における回転子鉄心円筒部４０３側の面に設けられている。突起４１３は、断面Ｔ字形状に形成されている。突起４１３は、補極本体４１２から回転子鉄心円筒部４０３側に突出する基部４１４と、基部４１４から回転子鉄心円筒部４０３の周方向に延びる一対の鍔部４１５とを有している。一対の鍔部４１５は、回転子鉄心円筒部４０３の周方向について、互いに反対方向に基部４１４から突出している。

回転子鉄心円筒部４０３の径方向についての回転子鉄心円筒部４０３の外側部分には、突起４１３が嵌められる溝部４１６が形成されている。溝部４１６には、鍔部４１５が嵌められる部分が含まれる。鍔部４１５が溝部４１６に嵌められることによって、回転子鉄心円筒部４０３の径方向について、回転子鉄心円筒部４０３から補極４０５が離れることが防止される。言い換えれば、遠心力によって補極４０５が回転子鉄心円筒部４０３から径方向外側へ飛び出すことが防止される。その他の構成は、実施の形態１から実施の形態３までの何れかと同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態４に係る回転電機の回転子４によれば、補極４０５は、周方向の延びる鍔部４１５を有しており、回転子鉄心円筒部４０３には、鍔部４１５が嵌められる溝部４１６が形成されている。鍔部４１５が溝部４１６に嵌められることによって、補極４０５が回転子鉄心円筒部４０３から径方向外側に移動することを防止することができる。

なお、回転子４が高速回転する場合には、補極４０５に作用する遠心力が大きくなる。したがって、この場合には、突起４１３の強度が向上するように、突起４１３が太くなってもよい。

また、補極４０５が突起４１３を有し、回転子鉄心円筒部４０３に溝部４１６が形成された構成について説明した。しかしながら、回転子鉄心円筒部４０３が突起を有し、突起部が嵌められる溝部が補極４０５に形成された構成であってもよい。

実施の形態５．
図６は、この発明の実施の形態５に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。回転子鉄心円筒部４０３の径方向についての回転子鉄心円筒部４０３の内周面と溝部４１６との間の寸法をＸとする。回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての主極外周面４０７の寸法をＹとする。この場合に、回転子４は、Ｘ＞Ｙ／２を満たす。その他の構成は、実施の形態４と同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態５に係る回転電機の回転子４によれば、Ｘ＞Ｙ／２を満たす。これにより、回転子鉄心円筒部４０３に流れる磁束の経路が妨げられることが抑制される。したがって、回転子鉄心４０２の磁束飽和が抑制される。その結果、回転電機１の出力の低下を抑制するとともに、遠心力による補極４０５の径方向外側への飛び出しを防止することができる。

実施の形態６．
図７は、この発明の実施の形態６に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。シャフト４０１の中心軸Ｏと主極外周面４０７との間の寸法を主極外径寸法Ｒｍとする。シャフト４０１の中心軸Ｏと補極外周面４０６との間の寸法を補極外径寸法Ｒｓとする。この場合に、回転子４は、Ｒｓ＜Ｒｍを満たす。

補極４０５に用いられる材料の特性、補極４０５の質量、溝部４１６の大きさなどによっては、遠心力によって補極４０５が回転子鉄心円筒部４０３に対して径方向外側に移動する場合がある。主極外径寸法Ｒｍおよび補極外径寸法Ｒｓは、補極４０５の移動量に対応して決められる。これにより、補極４０５が固定子３に接触することが防止される。その他の構成は、実施の形態４または実施の形態５と同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態６に係る回転電機の回転子４によれば、Ｒｓ＜Ｒｍを満たす。これにより、補極４０５が固定子３に接触することを防止することができる。

実施の形態７．
図８は、この発明の実施の形態７に係る回転電機の回転子の要部を示す分解斜視図である。図９は、図８の回転子の要部が組み立てられた状態を示す斜視図である。回転子鉄心円筒部４０３は、複数の第１鋼板４１７と複数の第２鋼板４１８とが回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に１枚ずつ交互に積層されて構成されている。第２鋼板４１８における補極４０５側の部分には、鉄心切欠き部４１９が形成されている。

補極４０５は、複数の第１薄板４２０と複数の第２薄板４２１とが回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に１枚ずつ交互に積層されて構成されている。第２薄板４２１における回転子鉄心側の部分には、補極切欠き部４２２が形成されている。したがって、回転子鉄心円筒部４０３の径方向について、第２薄板４２１の寸法は、第１薄板４２０の寸法よりも小さい。

鉄心切欠き部４１９には、第１薄板４２０が挿入される。補極切欠き部４２２には、第１鋼板４１７が挿入される。第１鋼板４１７および第１薄板４２０の挿入方向Ｄ１は、回転子鉄心円筒部４０３の径方向となっている。

第１鋼板４１７が補極切欠き部４２２に挿入された状態で、第１鋼板４１７が第１薄板４２０に重ねられている。第１薄板４２０が鉄心切欠き部４１９に挿入された状態で、第１薄板４２０が第１鋼板４１７に重ねられている。

第１鋼板４１７には、回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に延びた貫通孔４２３が形成されている。第１薄板４２０には、回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に延びた貫通孔４２４が形成されている。第１鋼板４１７および第１薄板４２０が互いに重ねられた状態で、貫通孔４２３および貫通孔４２４は、回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に互いに重なり合っている。

回転子４は、第１鋼板４１７の貫通孔４２３および第１薄板４２０の貫通孔４２４に挿入されたピン４２５をさらに備えている。ピン４２５の挿入方向Ｄ２は、回転子鉄心円筒部４０３の軸方向となっている。その他の構成は、実施の形態１から実施の形態３までの何れかと同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態７に係る回転電機の回転子４によれば、ピン４２５が第１鋼板４１７の貫通孔４２３および第１薄板４２０の貫通孔４２４に挿入されている。これにより、遠心力によって補極４０５が回転子鉄心円筒部４０３に対して径方向外側に移動することを防止することができる。

なお、実施の形態７では、複数の第１鋼板４１７と複数の第２鋼板４１８とが回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に１枚ずつ交互に積層され、複数の第１薄板４２０と複数の第２薄板４２１とが回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に１枚ずつ交互に積層された構成について説明した。しかしながら、例えば、複数の第１鋼板４１７と複数の第２鋼板４１８とが回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に複数枚ずつ交互に積層された構成であってもよい。また、複数の第１薄板４２０と複数の第２薄板４２１とが回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に複数枚ずつ交互に積層された構成であってもよい。

実施の形態８．
図１０は、この発明の実施の形態８に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。主極４０４の質量をＭ１とする。補極４０５の質量をＭ２とする。回転子鉄心円筒部４０３の周方向について互いに隣り合う主極４０４の間の全領域に補極４０５が埋められた場合の補極４０５の質量をＭ３とする。この場合に、回転子４は、Ｍ１×０．３５＜Ｍ２＜Ｍ３を満たす。

図１１は、図１０の補極４０５の質量と回転子鉄心円筒部４０３に発生する最大応力との関係を示すグラフである。回転子鉄心円筒部４０３の周方向について互いに隣り合う主極４０４の間の領域を主極間領域とする。回転子鉄心円筒部４０３に発生する応力は、回転子鉄心円筒部４０３の径方向について主極間領域に対して内側に隣り合う回転子鉄心円筒部４０３の部分に集中する。回転子４がＭ１×０．３５＜Ｍ２＜Ｍ３を満たすことによって、回転子鉄心円筒部４０３の周方向について互いに隣り合う主極４０４の間の全領域に補極４０５が埋められた場合よりも、回転子鉄心円筒部４０３に発生する応力が小さくなる。これは、遠心力によって主極４０４および補極４０５が径方向外側に引っ張られることに起因する回転子鉄心円筒部４０３の応力が軽減されることを示している。

回転子４がＭ２＝Ｍ１を満たす場合が最も望ましい。この場合に、回転子鉄心円筒部４０３に発生する応力は、回転子鉄心円筒部４０３の周方向について均一となり、最も小さくなる。その他の構成は、実施の形態１から実施の形態７までの何れかと同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態８に係る回転電機の回転子４によれば、回転子４がＭ１×０．３５＜Ｍ２＜Ｍ３を満たす。これにより、回転子鉄心円筒部４０３に発生する応力を小さくすることができる。

実施の形態９．
図１２は、この発明の実施の形態９に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。補極外周面４０６は、回転子鉄心円筒部４０３の径方向についての補極４０５の外周面である。主極外周面４０７は、回転子鉄心円筒部４０３の径方向についての主極４０４の外周面である。

回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に視た場合に、補極外周面４０６は、回転子鉄心円筒部４０３の周方向に互いに隣り合う主極４０４のそれぞれの主極外周面４０７に渡って形成されている。また、回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に視た場合に、補極外周面４０６および主極外周面４０７は、同一円上に配置されている。これにより、その他の構成は、実施の形態１から実施の形態８までの何れかと同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態９に係る回転電機の回転子４によれば、回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に視た場合に、補極外周面４０６は、回転子鉄心円筒部４０３の周方向に互いに隣り合う主極４０４のそれぞれの主極外周面４０７に渡って形成されている。また、回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に視た場合に、補極外周面４０６および主極外周面４０７は、同一円上に配置されている。これにより、補極外周面４０６の面積を大きくすることができる。その結果、回転子鉄心円筒部４０３の温度上昇を抑制することができる。また、回転子鉄心４０２の形状が円筒形状となる。これにより、回転電機１に流れる空気の風損を低減させることができる。

実施の形態１０．
図１３は、この発明の実施の形態１０に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。補極４０５には、穴４２６が形成されている。穴４２６は、回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に延びて形成されている。また、穴４２６の形状は、回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に視た場合に、回転子鉄心円筒部４０３の周方向に延びる長穴形状となっている。その他の構成は、実施の形態１から実施の形態９までの何れかと同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態１０に係る回転電機の回転子４によれば、補極４０５には、穴４２６が形成されている。これにより、補極４０５の質量を減少させることができる。また、補極４０５に穴４２６が形成されることによって、補極４０５に発生する渦電流損失を低減させることができる。また、補極４０５の質量が減少することによって、回転子４のイナーシャを低減させることができる。

なお、実施の形態１０では、補極４０５に穴４２６が形成された構成について説明した。しかしながら、図１４に示すように、補極４０５における回転子鉄心円筒部４０３側の部分であって、回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての端部に切欠き部４２７が形成された構成であってもよい。図１４では、補極４０５における回転子鉄心円筒部４０３側の部分であって、回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての両端部に切欠き部４２７が形成されている。したがって、補極４０５は、断面Ｔ字形状に形成されている。

実施の形態１１．
図１５は、この発明の実施の形態１１に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。回転子鉄心円筒部４０３の径方向についての補極４０５における外側部分であって回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての端部には、面取り部４２８が形成されている。

図１６は、回転子４が高速回転する場合の補極４０５に発生する渦電流損失を示すコンター図である。回転子４が高速回転する場合には、補極４０５と永久磁石３３とが対向する際に、回転子鉄心円筒部４０３の径方向についての補極４０５における外側部分であって回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての端部には、渦電流損失が集中する。しかしながら、実施の形態１１では、回転子鉄心円筒部４０３の径方向についての補極４０５における外側部分であって回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての端部には、面取り部４２８が形成されている。その他の構成は、実施の形態４から実施の形態１０までの何れかと同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態１１に係る回転電機の回転子４によれば、回転子鉄心円筒部４０３の径方向についての補極４０５における外側部分であって回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての端部には、面取り部４２８が形成されている。これにより、補極４０５に発生する渦電流損失を低減させることができる。したがって、回転子鉄心４０２の温度上昇を抑制することができる。

なお、実施の形態１１では、回転子鉄心円筒部４０３の径方向についての補極４０５における外側部分であって回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての端部に、面取り部４２８が形成されている構成について説明した。しかしながら、例えば、回転子鉄心円筒部４０３の径方向についての補極４０５における外側部分であって回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての端部に、角部が滑らかになるようにフィレットが形成された構成であってもよい。この場合であっても、補極４０５に発生する渦電流損失を低減させることができる。

実施の形態１２．
図１７は、この発明の実施の形態１２に係る回転電機の回転子の要部を示す平面図である。回転子鉄心円筒部４０３の径方向についての補極４０５における中間部分を補極中間部分４２９とする。補極中間部分４２９における回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての寸法は、補極外周面４０６における回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての寸法Ｌ１よりも小さい。

回転子鉄心円筒部４０３の径方向についての補極４０５の内周面、言い換えれば、補極４０５における回転子鉄心円筒部４０３に対向する面を補極内周面４３０とする。補極中間部分４２９における回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての寸法は、補極内周面４３０における回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての寸法Ｌ２よりも小さい。

図１８は、回転子４が高速回転する場合の補極４０５に発生する渦電流損失を示すコンター図である。回転子４が高速回転する場合には、回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての補極４０５の端部に渦電流損失が集中する。しかしながら、実施の形態１２では、補極中間部分４２９における回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての寸法は、補極外周面４０６における回転子鉄心円筒部４０３の周方向の寸法Ｌ１よりも小さい。また、補極中間部分４２９における回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての寸法は、補極内周面４３０における回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての寸法Ｌ２よりも小さい。その他の構成は、実施の形態１から実施の形態１１までの何れかと同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態１２に係る回転電機の回転子４によれば、補極中間部分４２９における回転子鉄心円筒部４０３の周方向について寸法は、補極外周面４０６における回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての寸法Ｌ１よりも小さい。また、補極中間部分４２９における回転子鉄心円筒部４０３の周方向について寸法は、補極内周面４３０における回転子鉄心円筒部４０３の周方向についての寸法Ｌ２よりも小さい。これにより、補極４０５に発生する渦電流損失を低減させることができる。したがって、回転子鉄心４０２の温度上昇を抑制することができる。

実施の形態１３．
図１９は、この発明の実施の形態１３に係る回転電機の回転子を示す斜視図である。回転子鉄心４０２は、回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に２つに分割されている。なお、回転子鉄心４０２は、２つに限らず、３つ以上に分割されてもよい。

２つに分割された回転子鉄心４０２の部分の一方を第１回転子鉄心部４３１とし、他方を第２回転子鉄心部４３２とする。第１回転子鉄心部４３１および第２回転子鉄心部４３２は、回転子鉄心円筒部４０３の周方向について互いにずれて配置されている。言い換えれば、回転子鉄心４０２には、段スキューが形成されている。段スキューのスキュー角は、電気角で、３０°、９０°、１５０°など、３０°の奇数倍となっている。これにより、回転電機１に発生するコギングトルクおよびトルクリップルの６次成分が低減される。

第１回転子鉄心部４３１および第２回転子鉄心部４３２のそれぞれは、回転子鉄心円筒部４０３と、複数の主極４０４と、複数の補極４０５とを備えている。その他の構成は、実施の形態１から実施の形態１２までの何れかと同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態１３に係る回転電機の回転子４によれば、回転子４には、段スキューが形成されている。これにより、回転子鉄心４０２の温度上昇を低減するとともに、回転電機１に発生するコギングトルクおよびトルクリップルを低減させることができる。

実施の形態１４．
図２０は、この発明の実施の形態１４に係る回転電機の回転子を示す斜視図である。主極４０４を構成する複数の電磁鋼板は、回転子鉄心円筒部４０３の軸方向について一端部から他端部に向かうにつれて、回転子鉄心円筒部４０３の周方向について連続して回転して配置されている。言い換えれば、回転子鉄心４０２には、連続スキューが形成されている。これにより、回転電機１に発生するコギングトルクおよびトルクリップルが低減される。その他の構成は、実施の形態１から実施の形態１２までの何れかと同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態１４に係る回転電機の回転子４によれば、回転子鉄心４０２には、連続スキューが形成されている。これにより、回転電機１に発生するコギングトルクおよびトルクリップルを低減させることができる。また、回転子鉄心４０２に連続スキューが形成されることによって、回転子鉄心円筒部４０３の軸方向に通る気流を発生させることができる。

なお、実施の形態１４では、補極４０５が回転子鉄心円筒部４０３の軸方向にまっすぐに延びる構成について説明した。しかしながら、図２１に示すように、補極４０５を構成する複数の薄板は、回転子鉄心円筒部４０３の軸方向について一端部から他端部に向かうにつれて、回転子鉄心円筒部４０３の周方向について連続して回転して配置されてもよい。

１ 回転電機、２ フレーム、３ 固定子、４ 回転子、５ ベアリング、６ エアギャップ、２１ 外周部、２２ 端板、３１ 固定子鉄心、３２ 固定子コイル、３３ 永久磁石、３１１ コアバック、３１２ ティース、３１３ スロット、４０１ シャフト、４０２ 回転子鉄心、４０３ 回転子鉄心円筒部、４０４ 主極、４０５ 補極、４０６ 補極外周面、４０７ 主極外周面、４０８ 主極周方向側面、４０９ 補極周方向側面、４１０ 通風溝、４１１ 風路、４１２ 補極本体、４１３ 突起、４１４ 基部、４１５ 鍔部、４１６ 溝部、４１７ 第１鋼板、４１８ 第２鋼板、４１９ 鉄心切欠き部、４２０ 第１薄板、４２１ 第２薄板、４２２ 補極切欠き部、４２３ 貫通孔、４２４ 貫通孔、４２５ ピン、４２６ 穴、４２７ 切欠き部、４２８ 面取り部、４２９ 補極中間部分、４３０ 補極内周面、４３１ 第１回転子鉄心部、４３２ 第２回転子鉄心部。

Claims (14)

1. 円筒形状の回転子鉄心円筒部と、
   前記回転子鉄心円筒部の周方向について並べて設けられ、前記回転子鉄心円筒部から固定子側に突出し、磁性材料から構成された複数の主極と、
   前記周方向について互いに隣り合う前記主極の間に設けられ、前記回転子鉄心円筒部から前記固定子側に突出する補極と
   を備え、
   前記補極は、非磁性金属から構成され、
   前記補極は、前記周方向に延びる鍔部を有し、前記回転子鉄心円筒部には、前記鍔部が嵌め合わされる溝部が形成され、または、前記回転子鉄心円筒部は、鍔部を有し、前記補極には、前記鍔部が嵌め合わされる溝部が形成され、
   前記補極の前記鍔部と前記回転子鉄心円筒部の前記溝部とが嵌め合わされている、または、前記回転子鉄心円筒部の前記鍔部と前記補極の前記溝部とが嵌め合わされ、
   前記主極の周方向側面と前記補極の周方向側面とは、互いに離れて配置されており風路を構成し、前記風路は、前記回転子鉄心円筒部の径方向について内側よりも外側の方が前記周方向の距離が大きい回転電機の回転子。
2. 前記補極における前記鍔部または前記溝部は、前記補極における径方向内側の部分に配置されている請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記主極は、ティースと、前記ティースに配置され前記周方向について互いに隣り合う永久磁石と、を備えた固定子に対向し、
   前記補極の外周面および前記主極の外周面は、前記回転子鉄心円筒部の径方向についての高さと互いに同一である請求項１または請求項２に記載の回転電機の回転子。
4. 前記回転子鉄心円筒部に前記溝部が形成されている場合であって、前記回転子鉄心円筒部の径方向についての前記回転子鉄心円筒部の内周面と前記溝部との間の寸法をＸとし、前記径方向についての前記主極の外周面における前記周方向についての寸法をＹとした場合に、Ｘ＞Ｙ／２を満たす請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の回転電機の回転子。
5. 前記回転子鉄心円筒部の径方向についての前記補極の外側部分であって前記周方向についての端部には、面取り部またはフィレットが形成されている請求項１から請求項４までの何れか一項に回転電機の回転子。
6. 円筒形状の回転子鉄心円筒部と、
   前記回転子鉄心円筒部の周方向について並べて設けられ、前記回転子鉄心円筒部から固定子側に突出し、磁性材料から構成された複数の主極と、
   前記周方向について互いに隣り合う前記主極の間に設けられ、前記回転子鉄心円筒部から前記固定子側に突出する補極と
   を備え、
   前記補極は、非磁性金属から構成され、
   前記回転子鉄心円筒部の径方向についての前記補極の中間部分における前記周方向の寸法は、前記径方向についての前記補極の外周面における前記周方向の寸法および前記径方向についての前記補極の内周面における前記周方向の寸法よりも小さい回転電機の回転子。
7. 前記補極は、前記回転子鉄心円筒部の軸方向について積層された複数の薄板から構成されている請求項１から請求項６までの何れか一項に記載の回転電機の回転子。
8. 前記周方向について隣り合う前記主極と前記補極との間には、隙間が形成されている請求項１から請求項４までの何れか一項に記載の回転電機の回転子。
9. 前記回転子鉄心円筒部は、複数の第１鋼板と前記補極側の部分に鉄心切欠き部が形成された複数の第２鋼板とが前記回転子鉄心円筒部の軸方向に交互に積層されて構成されており、
   前記補極は、複数の第１薄板と前記回転子鉄心円筒部側の部分に補極切欠き部が形成された複数の第２薄板とが前記軸方向に交互に積層されて構成されており、
   前記第１鋼板は、前記補極切欠き部に挿入された状態で前記第１薄板に重ねられ、
   前記第１薄板は、前記鉄心切欠き部に挿入された状態で前記第１鋼板に重ねられ、
   前記第１鋼板および前記第１薄板のそれぞれには、前記軸方向について互いに重なり合うとともに前記軸方向に延びる貫通孔が形成され、
   前記第１鋼板の前記貫通孔および前記第２薄板の前記貫通孔に挿入されたピンをさらに備えた請求項１から請求項８までの何れか一項に記載の回転電機の回転子。
10. 前記主極の質量をＭ１とし、前記補極の質量をＭ２とし、前記周方向について互いに隣り合う前記主極の間の全領域に前記補極が埋められた場合の前記補極の質量をＭ３とした場合に、Ｍ１×０．３５＜Ｍ２＜Ｍ３を満たす請求項１から請求項９までの何れか一項に記載の回転電機の回転子。
11. 前記主極の質量をＭ１とし、前記補極の質量をＭ２とした場合に、Ｍ１＝Ｍ２を満たす請求項１から請求項９までの何れか一項に記載の回転電機の回転子。
12. 前記回転子鉄心円筒部の径方向についての前記補極の外周面は、前記周方向に互いに隣り合う前記主極のそれぞれの前記回転子鉄心円筒部の径方向についての外周面に渡って形成されており、
    前記回転子鉄心円筒部の軸方向に視た場合に、前記補極の外周面および前記主極の外周面は、同一円上に配置されている請求項１から請求項９までの何れか一項に記載の回転電機の回転子。
13. 前記補極には、穴が形成されている請求項１から請求項１２までの何れか一項に記載の回転電機の回転子。
14. 請求項１から請求項１３までの何れか一項に記載の前記回転子と、
    前記固定子と
    を備えた回転電機。

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