JP7203175B1

JP7203175B1 - 回転電機

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Publication number: JP7203175B1
Application number: JP2021170078A
Authority: JP
Inventors: 義浩深山; 朋平高橋; 純士北尾; 慎二西村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-10-18
Filing date: 2021-10-18
Publication date: 2023-01-12
Anticipated expiration: 2041-10-18
Also published as: JP2023060453A; CN115995894A; US20230123457A1

Abstract

【課題】エンドプレートの発熱がロータコアの発熱以下であり、故障を防止した永久磁石式の回転電機を得ること。【解決手段】軸方向に積層された電磁鋼板を有し、回転軸と一体回転するロータコアと、軸方向に積層された電磁鋼板を有し、ロータコアの径方向外側に間隔を空けて配置されたステータコアと、ロータコアを軸方向に貫通し、周方向に間隔を空けて配置された複数の貫通孔のそれぞれに挿入された磁石と、ロータコアの軸方向一方側の端面及び軸方向他方側の端面の一方または双方に当接し、単数の磁性体の板または軸方向に積層された複数の磁性体の板を有する磁性体エンドプレートとを備え、ステータコアからの磁束により磁性体エンドプレートに生じた渦電流による磁性体エンドプレートの発熱が、ステータコアからの磁束によりロータコアに生じた渦電流によるロータコアの発熱以下である。【選択図】図２

Description

本願は、回転電機に関するものである。

産業用の回転電機、及び電気自動車またはハイブリッド自動車用の回転電機には、小型化及び高出力化に有利な永久磁石式の回転電機が数多く採用されている。永久磁石式の回転電機は、ロータに永久磁石を備える。永久磁石式の回転電機のロータは、ロータコアの端面の両方あるいは片方に、さらに金属製のエンドプレートを備える場合がある。エンドプレートは、ロータコアまたは永久磁石を固定すること、回転電機を冷却するための冷媒の経路を規定することなどの様々な機能を有している。永久磁石式の回転電機の稼働時において、ステータコアから発生した漏れ磁束がエンドプレートを通過する際に、エンドプレート内で渦電流が発生する場合がある。渦電流が生じることでエンドプレートは発熱するため、回転電機の効率は低下する。

特に、エンドプレートがロータコアよりも過剰に発熱した場合、ロータコアに埋め込まれている永久磁石に熱が伝播し、予期せぬ不可逆減磁を永久磁石に引き起こすことがある。また、エンドプレートにおいて熱膨張が発生した場合、エンドプレートによる永久磁石の固定機能の低下などが生じるため、エンドプレートの過剰な発熱は重大な回転電機の故障の原因になりうる。したがって、エンドプレートの発熱がロータコアの発熱以下となるように、渦電流に起因したエンドプレートの発熱を抑制することが望ましい。エンドプレートにおける渦電流の経路を遮断してエンドプレートの発熱を抑制するために、エンドプレートにスリット加工またはローレット加工を設けた構成が開示されている。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５－２５３２７５号公報

上記特許文献１においては、エンドプレートにスリット加工またはローレット加工を設けたため、エンドプレートにおける渦電流の経路を遮断することができるので、エンドプレートの発熱を抑制することができる。しかしながら、エンドプレートにおける発熱抑制の効果について定量的な説明がないため、エンドプレートの発熱がステータコアからの磁束によりロータコアに生じた渦電流によるロータコアの発熱以下になるかが不明であるという課題があった。また、エンドプレートの発熱がロータコアの発熱よりも大きかった場合に発生しうる重大な回転電機の故障を防止できないという課題があった。

そこで、本願は、エンドプレートの発熱がロータコアの発熱以下であり、故障を防止した永久磁石式の回転電機を得ることを目的としている。

本願に開示される回転電機は、軸方向に積層された電磁鋼板を有し、回転軸と一体回転するロータコアと、軸方向に積層された電磁鋼板を有し、ロータコアの径方向外側に間隔を空けて配置されたステータコアと、ロータコアを軸方向に貫通し、周方向に間隔を空けて配置された複数の貫通孔のそれぞれに挿入された磁石と、ロータコアの軸方向一方側の端面及び軸方向他方側の端面の一方または双方に当接し、単数の磁性体の板または軸方向に積層された複数の磁性体の板を有する磁性体エンドプレートとを備え、磁性体エンドプレートの径方向外側の端面は、ロータコアの径方向外側の端面よりも径方向内側に配置されると共に、磁石の径方向内側の端面よりも径方向外側に配置され、ロータコアの１枚あたりの電磁鋼板の厚さをｔ _１とし、磁性体エンドプレートの１枚あたりの磁性体の板の厚さをｔ _２とし、ロータコアの電磁鋼板の電気伝導率をσ _１とし、磁性体エンドプレートの磁性体の板の電気伝導率をσ _２とし、ステータコアの径方向内側の端面の径方向位置とロータコアの径方向外側の端面の径方向位置との間の径方向の距離であるロータコア距離をｇ _１とし、ステータコアの径方向内側の端面の径方向位置と磁性体エンドプレートの径方向外側の端面の径方向位置との間の径方向の距離であるエンドプレート距離をｇ _２とし、少なくとも１枚の磁性体エンドプレートの磁性体の板において、
（（ｔ _２ ^２・σ _２）／（ｔ _１ ^２・σ _１））≦（ｇ _２ ^２／ｇ _１ ^２）
が成り立つように、電磁鋼板の厚さ、磁性体の板の厚さ、電磁鋼板の電気伝導率、磁性体の板の電気伝導率、ロータコア距離、及びエンドプレート距離が設定され、ステータコアからの磁束により磁性体エンドプレートに生じた渦電流による前記磁性体エンドプレートの発熱が、ステータコアからの磁束によりロータコアに生じた渦電流によるロータコアの発熱以下である。

本願に開示される回転電機によれば、磁石を有したロータコアと、ステータコアと、ロータコアの軸方向一方側の端面及び軸方向他方側の端面の一方または双方に当接した磁性体エンドプレートとを備え、ステータコアからの磁束により磁性体エンドプレートに生じた渦電流による磁性体エンドプレートの発熱が、ステータコアからの磁束によりロータコアに生じた渦電流によるロータコアの発熱以下であるため、磁石の不可逆減磁及び磁性体エンドプレートによる磁石の固定機能の低下を抑制して故障を防止した永久磁石式の回転電機を得ることができる。

実施の形態１に係る回転電機の概略を示す断面図である。実施の形態１に係る回転電機の要部を示す断面図である。実施の形態１に係る回転電機の要部における磁束の流れを示した図である。実施の形態１に係る回転電機の要部における渦電流の流れを示した図である。実施の形態１に係る回転電機におけるロータコアの電磁鋼板及び磁性体エンドプレートの厚さと発熱との関係を示した図である。実施の形態１に係る回転電機におけるロータコアの電磁鋼板及び磁性体エンドプレートの電気伝導率と発熱との関係を示した図である。実施の形態１に係る回転電機におけるロータコア距離及びエンドプレート距離と発熱との関係を示した図である。実施の形態１に係る回転電機におけるロータコア距離及びエンドプレート距離と発熱との関係を示した図である。実施の形態１に係る回転電機におけるロータコア距離及びエンドプレート距離と発熱との関係を示した図である。実施の形態１に係る別の回転電機の要部を示す断面図である。実施の形態１に係る別の回転電機の要部を示す断面図である。実施の形態１に係る別の回転電機の要部を示す断面図である。実施の形態２に係る回転電機の概略を示す断面図である。実施の形態２に係る回転電機の要部を示す断面図である。

以下、本願の実施の形態による回転電機を図に基づいて説明する。なお、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る回転電機１の概略を示す断面図で、軸方向に回転電機１を切断した図、図２は回転電機１の要部を示す断面図、図３は回転電機１の要部における磁束の流れを示した図、図４は回転電機１の要部における渦電流４２の流れを示した図、図５は回転電機１におけるロータコア２１の電磁鋼板及び磁性体エンドプレート２４の厚さと発熱との関係を示した図、図６は回転電機１におけるロータコア２１の電磁鋼板及び磁性体エンドプレート２４の電気伝導率と発熱との関係を示した図、図７から図９は回転電機１におけるロータコア距離３０ａ及びエンドプレート距離３０ｂと発熱との関係を示した図である。回転電機１は、ロータ２０が磁石２２を有した永久磁石式の回転電機である。

＜回転電機１＞
回転電機１は、円柱状のロータ２０と、ロータ２０の径方向外側に配置されたステータ１０とを備える。ロータ２０とステータ１０との間に微小な隙間が設けられているため、ロータ２０は回転可能である。図１の右下に示した矢印の方向が軸方向である。他の図においても図に示した矢印は軸方向を示す。

ロータ２０は、ロータコア２１、磁石２２、シャフト２３、及び磁性体エンドプレート２４を有する。ロータコア２１は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板を有し、回転軸であるシャフト２３と一体回転する。ロータコア２１の有した電磁鋼板の軸方向に垂直な面は、それぞれが絶縁被膜で覆われている。そのため、複数の電磁鋼板は、それぞれが軸方向に電気的に独立している。磁石２２は永久磁石で、ロータコア２１を軸方向に貫通し、周方向に間隔を空けて配置された複数の貫通孔のそれぞれに挿入される。

磁性体エンドプレート２４は、ロータコア２１の軸方向一方側の端面及び軸方向他方側の端面の一方または双方に当接し、単数の磁性体の板または軸方向に積層された複数の磁性体の板を有する。磁性体エンドプレート２４は、例えば、電磁鋼板で円板状に作製される。磁性体エンドプレート２４は磁石２２を固定する機能を備え、磁性体エンドプレート２４の周囲の磁束の流れを規定する。図１に示した本実施の形態の回転電機１は、ロータコア２１の軸方向一方側の端面及び軸方向他方側の端面の双方に当接した単数の磁性体の板からなる磁性体エンドプレート２４を備える。回転電機１は、磁性体エンドプレート２４に加えて、非磁性体からなる板状のエンドプレートを設けても構わない。エンドプレートの枚数を増加させることで磁石２２の固定を強化することができる。磁性体に限定しないことで材料の選択の幅が広がり、選択した材料によるが回転電機１の重量の増加を抑制することができる。また、磁性体エンドプレート２４は必ずしもロータコア２１の軸方向両側に設置されなくてもよく、片側のみに設置しても構わない。

ステータ１０は、ステータコア１１及びコイル１２を有する。ステータコア１１は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板を有し、ロータコア２１の径方向外側に間隔を空けて配置される。コイル１２は、ステータコア１１に巻回して設けられる。

図２は、磁性体エンドプレート２４の径方向外側の周囲の部分を拡大して示した図である。ステータコア１１の径方向内側の端面の径方向位置とロータコア２１の径方向外側の端面の径方向位置との間の径方向の距離をロータコア距離３０ａとし、ステータコア１１の径方向内側の端面の径方向位置と磁性体エンドプレート２４の径方向外側の端面の径方向位置との間の径方向の距離をエンドプレート距離３０ｂとする。図２に示すように、磁性体エンドプレート２４の径方向外側の端面は、ロータコア２１の径方向外側の端面よりも径方向内側に配置される。このように構成することで、エンドプレート距離３０ｂはロータコア距離３０ａよりも大きくなる。また、磁性体エンドプレート２４の径方向外側の端面は、磁石２２の径方向内側の端面よりも径方向外側に配置される。このように構成することで、磁性体エンドプレート２４と磁石２２が当接するので、磁石２２をロータコア２１の中に保持することができる。

＜渦電流と発熱＞
発熱の原因となる渦電流の発生原理について説明する。物体に磁束が鎖交すると、ファラデーの電磁誘導の法則により起電力が発生し、鎖交した磁束を妨げる向きに渦電流が発生する。ステータコア１１からロータコア２１及び磁性体エンドプレート２４に流れる磁束４１を、図２と同じ拡大図である図３に、破線矢印で示す。図４は、図３に示したロータコア２１及び磁性体エンドプレート２４の部分の斜視図である。図４に示すように、ロータコア２１及び磁性体エンドプレート２４に発生した渦電流４２は、流入する磁束４１に対して垂直、かつ軸方向に対して水平に、渦を巻くように流れる。また、ロータコア２１の電磁鋼板は１枚１枚が電気的に独立しているため、それぞれの電磁鋼板の中で渦を巻くように渦電流４２は流れる。

渦電流４２が生じることで、磁性体エンドプレート２４及びロータコア２１の電磁鋼板は発熱する。特に、磁性体エンドプレート２４がロータコア２１よりも発熱した場合、ロータコア２１が有した磁石２２に熱が伝播するため、磁石２２に不可逆減磁が引き起こされることがある。また、磁性体エンドプレート２４において熱膨張が発生した場合、磁性体エンドプレート２４による磁石２２を固定する機能は低下する。このように磁性体エンドプレート２４の発熱は回転電機１の故障の原因になりうるため、磁性体エンドプレート２４の発熱がロータコア２１の発熱以下となるように、渦電流４２に起因した磁性体エンドプレート２４の発熱を抑制することが望ましい。

＜磁性体エンドプレート２４の発熱の抑制＞
ステータコア１１からの磁束により磁性体エンドプレート２４に生じた渦電流による磁性体エンドプレート２４の発熱が、ステータコア１１からの磁束によりロータコア２１に生じた渦電流によるロータコア２１の発熱以下になるように、ロータコア２１の１枚あたりの電磁鋼板の厚さ、磁性体エンドプレート２４の１枚あたりの磁性体の板の厚さ、ロータコア２１の電磁鋼板の電気伝導率、磁性体エンドプレート２４の磁性体の板の電気伝導率、ロータコア距離３０ａ、及びエンドプレート距離３０ｂが設定される。

少なくとも１枚の磁性体エンドプレート２４の磁性体の板において、
（（ｔ_２ ^２・σ_２）／（ｔ_１ ^２・σ_１））≦（ｇ_２ ^２／ｇ_１ ^２）・・・（１）
を満たすことで、ステータコア１１からの磁束により磁性体エンドプレート２４に生じた渦電流による磁性体エンドプレート２４の発熱を、ステータコア１１からの磁束によりロータコア２１に生じた渦電流によるロータコア２１の発熱以下にすることができる。式（１）において、ロータコア２１の１枚あたりの電磁鋼板の厚さをｔ_１、磁性体エンドプレート２４の１枚あたりの磁性体の板の厚さをｔ_２、ロータコア２１の１枚あたりの電磁鋼板の電気伝導率をσ_１、磁性体エンドプレート２４の１枚あたりの磁性体の板の電気伝導率をσ_２、ロータコア距離３０ａをｇ_１、エンドプレート距離３０ｂをｇ_２とする。式（１）が成り立つように、電磁鋼板の厚さｔ_１、磁性体の板の厚さｔ_２、電磁鋼板の電気伝導率σ_１、磁性体の板の電気伝導率σ_２、ロータコア距離ｇ_１、及びエンドプレート距離ｇ_２が設定される。

式（１）の詳細について説明する。図４において、ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４に流入する磁束４１の量は、それぞれの厚さに比例する。また、ファラデーの電磁誘導の法則から、起電力の大きさは単位時間あたりの磁束量の変化に比例する。したがって、ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４に発生する起電力の大きさは、それぞれの厚さに比例する。また、ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４に生じた渦電流の経路における抵抗値は、それぞれの厚さに反比例する。オームの法則より、ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４に流れる渦電流は、起電力から抵抗値を除して得られる。したがって、ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４に流れる渦電流の大きさは、それぞれの厚さの２乗に比例する。また、ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４の中で生じた渦電流による損失は、起電力と渦電流の積によって得られる。したがって、ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしく磁性体エンドプレート２４の渦電流による損失は、それぞれの厚さの３乗に比例する。また、ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４の体積は、それぞれの厚さに反比例するため、結果として、ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４の単位体積あたりの渦電流による損失は、それぞれの厚さの２乗に比例する。

また、ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４の抵抗値は、それぞれの電気伝導率に反比例する。ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４に発生する起電力が一定の場合、オームの法則より、それぞれに流れる渦電流の大きさは、それぞれの電気伝導率に比例する。ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４の中で発生する渦電流による損失は、起電力と渦電流の積によって得られる。結果として、ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４の単位体積あたりの渦電流による損失は、それぞれの電気伝導率に比例する。

また、ロータコア距離３０ａ及びエンドプレート距離３０ｂの磁気抵抗はロータコア距離３０ａ及びエンドプレート距離３０ｂの長さに比例する。さらに、最適に磁気設計された多くの回転電機においては、磁束の経路においてロータコア距離３０ａ及びエンドプレート距離３０ｂが最も大きな磁気抵抗となり、かつ唯一の磁気抵抗と見なすことができる。したがって、ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４に流入する磁束４１の量は、ロータコア距離３０ａ及びエンドプレート距離３０ｂの長さに反比例する。ゆえに、ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４に発生する起電力の大きさも、ロータコア距離３０ａ及びエンドプレート距離３０ｂの長さに反比例する。ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４の抵抗値が一定の場合、オームの法則より、渦電流の大きさもロータコア距離３０ａ及びエンドプレート距離３０ｂの長さに反比例する。ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４の中で発生する渦電流による損失は、起電力と渦電流の積によって得られる。結果として、ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４の単位体積あたりの渦電流による損失は、ロータコア距離３０ａ及びエンドプレート距離３０ｂの長さの２乗に反比例する。

以上より、ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４の単位体積あたりの渦電流による損失は、それぞれの厚さの２乗と電気伝導率に比例し、ロータコア距離３０ａ及びエンドプレート距離３０ｂの長さの２乗に反比例する。磁性体エンドプレート２４はロータコア２１と同様に磁性体からなり、多くの場合、双方の熱容量はほぼ等しく、単位体積あたりの損失に依存して温度が同等に上昇する。

図を用いてさらに説明する。ここで、ロータコア２１の電磁鋼板１枚あたりの発熱を１とする。図５は、σ_２／σ_１＝ｇ_２／ｇ_１＝１とした場合の、ｔ_２／ｔ_１に対する磁性体エンドプレートで生じる発熱量の増減の関係を示している。図６は、ｔ_２／ｔ_１＝ｇ_２／ｇ_１＝１とした場合の、σ_２／σ_１に対する磁性体エンドプレートで生じる発熱量の増減の関係を示している。図７は、ｔ_２／ｔ_１＝σ_２／σ_１＝１とした場合の、ｇ_２／ｇ_１に対する磁性体エンドプレートで生じる発熱量の増減の関係を示している。図５から図７のいずれの図においても、縦軸の発熱量の増減を示す発熱増減が正の値であれば、その値の割合だけ発熱が増え、発熱増減が負の値であれば、その値の割合だけ発熱が減ることを示している。図５及び図６より、ｔ_２／ｔ_１及びσ_２／σ_１の増加に対して、磁性体エンドプレートの発熱は増加する。一方、図７より、ｇ_２／ｇ_１の増加に対して、磁性体エンドプレートの発熱は減少する。もし、強度の問題から磁性体エンドプレート２４の厚さをロータコア２１の電磁鋼板の厚さより大きくする必要がある場合、または材料コストの問題から磁性体エンドプレート２４の電気伝導率をロータコア２１の電磁鋼板の電気伝導率よりも大きくする必要がある場合は、ｇ_２／ｇ_１を調整することで、磁性体エンドプレートの発熱を抑制することができる。

図８はσ_２／σ_１＝１として、ｔ_２／ｔ_１＞１に変化させた場合の、ｇ_２／ｇ_１に対する磁性体エンドプレートで生じる発熱量の増減の関係を示している。発熱量の増減が０である横軸を、発熱増減ラインとする。このラインを上回ると発熱は増加し、下回ると発熱は減少する。ｔ_２／ｔ_１が１より大きくなっても、ｇ_２／ｇ_１も合わせて大きくすることで、発熱増減値を０以下に抑制することが可能である。ただし、ｔ_２／ｔ_１が大きくなるほど、ｇ_２／ｇ_１も大きくすることが必要である。

図９はｔ_２／ｔ_１＝１として、σ_２／σ_１＞１に変化させた場合の、ｇ_２／ｇ_１に対する磁性体エンドプレートで生じる発熱量の増減の関係を示している。ｔ_２／ｔ_１＞１の変化時と同様に、σ_２／σ_１が１より大きくなっても、ｇ_２／ｇ_１も合わせて大きくすることで、発熱増減値を０以下に抑制することが可能である。ただし、σ_２／σ_１が大きくなるほど、ｇ_２／ｇ_１も大きくすることが必要である。

ロータコア２１の電磁鋼板１枚もしくは磁性体エンドプレート２４の単位体積あたりの渦電流による損失は、それぞれの厚さの２乗と電気伝導率に比例し、ギャップの長さの２乗に反比例するという関係から、磁性体エンドプレート２４の発熱をロータコア２１の発熱より抑制するためには、磁性体エンドプレート２４の厚さの２乗を分子とし、ロータコア２１の厚さの２乗を分母とした分数と、磁性体エンドプレート２４の電気伝導率を分子とし、ロータコア２１の電気伝導率を分母とした分数と、を乗算した値より、ロータコア距離３０ａの長さの２乗を分母とし、エンドプレート距離３０ｂの長さの２乗を分子とした分数が大きくなるように、磁性体エンドプレート２４の外径を決定すると良い。すなわち、式（１）を満たせば良い。

＜変形例＞
変形例について説明する。図２に示した構成では、ステータコア１１の径方向内側の端面と磁性体エンドプレート２４の径方向外側の端面とが径方向において対向しているが、双方の端面が対向した構成に限るものではない。図１０に示すように、ステータコア１１の径方向内側の端面と磁性体エンドプレート２４の径方向外側の端面が径方向において対向していなくても構わない。エンドプレート距離３０ｂは、図２の場合と同様に、ステータコア１１の径方向内側の端面の径方向位置（図１０における破線部分）と磁性体エンドプレート２４の径方向外側の端面の径方向位置との間の径方向の距離で規定される。図１０ではステータコア１１の径方向内側の端面と磁性体エンドプレート２４の径方向外側の端面とが径方向において対向していないため、ステータコア１１の径方向内側の端面と磁性体エンドプレート２４の径方向外側の端面との距離は、エンドプレート距離３０ｂよりも大きくなる。そのため、ステータコア１１からの磁性体エンドプレート２４に流入する磁束４１が図２に示した構成よりも増加することはないので、図１０に示した構成では磁性体エンドプレート２４の発熱をロータコア２１の発熱より抑制する効果をさらに得ることができる。

また、図２に示した構成では、磁性体エンドプレート２４の径方向外側の端面は、ロータコア２１の径方向外側の端面よりも径方向内側に配置され、磁石２２の径方向外側の端面よりも径方向外側に配置されている。このように、磁性体エンドプレート２４が磁石２２の端面の全てを覆って磁性体エンドプレート２４が磁石２２に当接した構成に限るものではない。図１１に示すように、磁石２２の端面の少なくとも一部を覆うように磁性体エンドプレート２４を配置しても構わない。図１１に示した構成では、磁性体エンドプレート２４の径方向外側の端面は、磁石２２の径方向外側の端面よりも径方向内側に配置され、磁石２２の径方向内側の端面よりも径方向外側に配置されている。このような構成では、磁石２２を保持するという機能を保ったままエンドプレート距離３０ｂが大きくなるので、磁性体エンドプレート２４の発熱をロータコア２１の発熱より抑制する効果をさらに得ることができる。

ロータコア２１の１枚あたりの電磁鋼板の厚さと、磁性体エンドプレート２４の１枚あたりの磁性体の板の厚さを同じにしても構わない。これらの厚さが同じである場合、表皮効果の影響が同等になるため、磁性体エンドプレート２４の発熱をロータコア２１の発熱より抑制する効果を得ることかできる。また、磁性体エンドプレート２４の材料が、ロータコア２１の材料である電磁鋼板と同じであっても構わない。これらの材料が同じである場合、表皮効果の影響が同等になるため、磁性体エンドプレート２４の発熱をロータコア２１の発熱より抑制する効果を得ることができる。

磁性体エンドプレート２４の透磁率は、ロータコア２１の電磁鋼板の透磁率よりも低いことが望ましい。磁性体エンドプレート２４の透磁率が、ロータコア２１の電磁鋼板の透磁率よりも低い場合、磁性体エンドプレート２４に鎖交する磁束量が減るため、磁性体エンドプレート２４の発熱をロータコア２１の発熱より抑制する効果を得ることができる。電磁鋼板の透磁率よりも低い磁性体エンドプレート２４の材料は、例えば、炭素鋼、ステンレスである。

また、図２に示した構成では、単数の磁性体の板からなる磁性体エンドプレート２４を設けたが、磁性体エンドプレート２４の数は単数に限るものではなく複数であっても構わない。図１２では、２枚の磁性体エンドプレート２４ａ、２４ｂが配置されている。複数設けられた磁性体エンドプレート２４の径方向の大きさは、それぞれで異なっていても構わない。複数の磁性体エンドプレート２４が設けられた場合、少なくとも、ロータコア２１の軸方向一方側の端面及び軸方向他方側の端面の一方または双方に当接している磁性体の板において、式（１）が成り立つように、電磁鋼板の厚さｔ_１、磁性体の板の厚さｔ_２、電磁鋼板の電気伝導率σ_１、磁性体の板の電気伝導率σ_２、ロータコア距離ｇ_１、及びエンドプレート距離ｇ_２が設定されている。ロータコア２１に近いほうの磁性体エンドプレート２４ａにおいてロータコア２１に与える発熱の影響は大きく、ロータコア２１に近い磁性体エンドプレート２４ａの発熱がロータコア２１の発熱以下になるので、確実に故障を防止した永久磁石式の回転電機を得ることができる。ロータコア２１から遠いほうの２枚目の磁性体エンドプレート２４ｂを設けることで、ロータコア２１及び磁石２２を保持する機能をより高めることができる。磁性体エンドプレート２４ｂにおいても式（１）が満たされる場合は、磁性体エンドプレート２４ａの放熱性を高めることができる。

以上のように、実施の形態１による回転電機１において、磁石２２を有したロータコア２１と、ステータコア１１と、ロータコア２１の軸方向一方側の端面及び軸方向他方側の端面の一方または双方に当接した磁性体エンドプレート２４とを備え、ステータコア１１からの磁束により磁性体エンドプレート２４に生じた渦電流による磁性体エンドプレート２４の発熱が、ステータコア１１からの磁束によりロータコア２１に生じた渦電流によるロータコア２１の発熱以下であるため、磁性体エンドプレート２４の発熱がロータコア２１の発熱以下であり、磁石２２の不可逆減磁及び磁性体エンドプレート２４による磁石２２の固定機能の低下を抑制して故障を防止した永久磁石式の回転電機を得ることができる。

磁性体エンドプレート２４の径方向外側の端面は、ロータコア２１の径方向外側の端面よりも径方向内側に配置されると共に、磁石２２の径方向内側の端面よりも径方向外側に配置され、ステータコア１１からの磁束により磁性体エンドプレート２４に生じた渦電流による磁性体エンドプレート２４の発熱が、ステータコア１１からの磁束によりロータコア２１に生じた渦電流によるロータコア２１の発熱以下になるように、ロータコア２１の１枚あたりの電磁鋼板の厚さ、磁性体エンドプレート２４の１枚あたりの磁性体の板の厚さ、ロータコア２１の電磁鋼板の電気伝導率、磁性体エンドプレート２４の磁性体の板の電気伝導率、ロータコア距離３０ａ、及びエンドプレート距離３０ｂが設定される場合、磁性体エンドプレート２４の発熱がロータコア２１の発熱以下であり、容易に磁石２２の不可逆減磁及び磁性体エンドプレート２４による磁石２２の固定機能の低下を抑制して故障を防止した永久磁石式の回転電機を得ることができる。

少なくとも１枚の磁性体エンドプレート２４の磁性体の板において、式（１）が成り立つように、電磁鋼板の厚さｔ_１、磁性体の板の厚さｔ_２、電磁鋼板の電気伝導率σ_１、磁性体の板の電気伝導率σ_２、ロータコア距離ｇ_１、及びエンドプレート距離ｇ_２が設定された場合、磁性体エンドプレート２４の発熱がロータコア２１の発熱以下であり、容易に磁石２２の不可逆減磁及び磁性体エンドプレート２４による磁石２２の固定機能の低下を抑制して故障を防止した永久磁石式の回転電機を得ることができる。

ロータコア２１の１枚あたりの電磁鋼板の厚さと、磁性体エンドプレート２４の１枚あたりの磁性体の板の厚さとが同じである場合、表皮効果の影響が同等になるため、磁性体エンドプレート２４の発熱をロータコア２１の発熱より抑制する効果を得ることかできる。また、磁性体エンドプレート２４の材料が、ロータコア２１の材料である電磁鋼板と同じである場合、表皮効果の影響が同等になるため、磁性体エンドプレート２４の発熱をロータコア２１の発熱より抑制する効果を得ることができる。

磁性体エンドプレート２４の透磁率が、ロータコア２１の電磁鋼板の透磁率よりも低い場合、磁性体エンドプレート２４に鎖交する磁束量が減るため、磁性体エンドプレート２４の発熱をロータコア２１の発熱より抑制する効果を得ることができる。また、磁性体エンドプレート２４は、ロータコア２１の軸方向一方側の端面及び軸方向他方側の端面の一方または双方に当接し、軸方向に積層された複数の磁性体の板を有し、少なくとも、ロータコア２１の軸方向一方側の端面及び軸方向他方側の端面の一方または双方に当接している磁性体の板において、式（１）が成り立つように、電磁鋼板の厚さｔ_１、磁性体の板の厚さｔ_２、電磁鋼板の電気伝導率σ_１、磁性体の板の電気伝導率σ_２、ロータコア距離ｇ_１、及びエンドプレート距離ｇ_２が設定されている場合、ロータコア２１に近いほうの磁性体エンドプレート２４ａにおいてロータコア２１に与える発熱の影響は大きく、ロータコア２１に近い磁性体エンドプレート２４ａの発熱がロータコア２１の発熱以下になるので、確実に故障を防止した永久磁石式の回転電機を得ることができる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る回転電機１について説明する。図１３は実施の形態２に係る回転電機１の概略を示す断面図で、軸方向に回転電機１を切断した図、図１４は回転電機１の要部を示す断面図で、磁性体エンドプレート２４ａ、２４ｂの径方向外側の周囲の部分を拡大して示した図である。実施の形態２に係る回転電機１は、冷媒流路２５を備えた構成になっている。

回転電機１は、冷媒が流れる冷媒流路２５を備える。冷媒は、例えば、空気である。回転電機１は、少なくともロータコア２１の軸方向一方側に磁性体エンドプレートを有する。本実施の形態では、図１３に示すように、軸方向一方側に磁性体エンドプレート２４ａ、２４ｂを有し、軸方向他方側に磁性体エンドプレート２４を有する。冷媒流路２５に冷媒を流すことで、ロータコア２１、磁石２２、及び磁性体エンドプレート２４、２４ａ、２４ｂは冷却される。

冷媒流路２５は、軸体流路２５ａと、貫通流路２５ｂと、連通流路２５ｃと、エンドプレート貫通孔２５ｄとから構成される。軸体流路２５ａは、冷媒が供給されるシャフト２３に設けられた流路である。貫通流路２５ｂは、ロータコア２１における磁石２２の径方向内側を軸方向に貫通した流路である。連通流路２５ｃは、軸体流路２５ａと貫通流路２５ｂとを連通する流路である。エンドプレート貫通孔２５ｄは、軸方向一方側に設けられた磁性体エンドプレート２４ａ、２４ｂを軸方向に貫通し、貫通流路２５ｂと連通した孔である。図１４に示した拡大図に、貫通流路２５ｂとエンドプレート貫通孔２５ｄを通過して外部に流出する冷媒４３を破線矢印で示す。

ステータコア１１には、軸方向一方側に設けられた磁性体エンドプレート２４ｂの軸方向一方側の端面よりも軸方向一方側の軸方向位置まで、ロータコア２１から軸方向一方側に延出しているコイル１２が巻回されている。ロータ２０の回転時において、エンドプレート貫通孔２５ｄを通過した冷媒４３はコイル１２に向かう。そのため、冷媒４３は、ロータコア２１、磁石２２、及び磁性体エンドプレート２４、２４ａ、２４ｂに加えて、コイル１２を冷却することができる。

以上のように、実施の形態２による回転電機１において、冷媒４３が流れる冷媒流路２５を備え、冷媒流路２５が軸体流路２５ａと、貫通流路２５ｂと、連通流路２５ｃと、エンドプレート貫通孔２５ｄとから構成され、ステータコア１１には軸方向一方側に設けられた磁性体エンドプレート２４ｂの軸方向一方側の端面よりも軸方向一方側の軸方向位置まで、ロータコア２１から軸方向一方側に延出しているコイル１２が巻回されているため、冷媒４３はロータコア２１、磁石２２、及び磁性体エンドプレート２４、２４ａ、２４ｂに加えて、コイル１２を冷却することができるので、磁性体エンドプレート２４、２４ａ、２４ｂを効率よく冷却すると共に、発熱部位であるコイル１２を効率よく冷却することができる。

実施の形態１、２においては、磁性体エンドプレート２４の厚み、外径、材質は均一として示したが、磁性体エンドプレート２４の厚み、外径、材質のいずれかもしくはすべてが不均一であっても構わない。不均一とした構成においても同様の効果を奏する。

また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１回転電機、１０ステータ、１１ステータコア、１２コイル、２０ロータ、２１ロータコア、２２磁石、２３シャフト、２４磁性体エンドプレート、２５冷媒流路、２５ａ軸体流路、２５ｂ貫通流路、２５ｃ連通流路、２５ｄエンドプレート貫通孔、３０ａロータコア距離、３０ｂエンドプレート距離、４１磁束、４２渦電流、４３冷媒

Claims

軸方向に積層された電磁鋼板を有し、回転軸と一体回転するロータコアと、
軸方向に積層された電磁鋼板を有し、前記ロータコアの径方向外側に間隔を空けて配置されたステータコアと、
前記ロータコアを軸方向に貫通し、周方向に間隔を空けて配置された複数の貫通孔のそれぞれに挿入された磁石と、
前記ロータコアの軸方向一方側の端面及び軸方向他方側の端面の一方または双方に当接し、単数の磁性体の板または軸方向に積層された複数の磁性体の板を有する磁性体エンドプレートと、を備え、
前記磁性体エンドプレートの径方向外側の端面は、前記ロータコアの径方向外側の端面よりも径方向内側に配置されると共に、前記磁石の径方向内側の端面よりも径方向外側に配置され、
前記ロータコアの１枚あたりの電磁鋼板の厚さをｔ _１とし、
前記磁性体エンドプレートの１枚あたりの磁性体の板の厚さをｔ _２とし、
前記ロータコアの電磁鋼板の電気伝導率をσ _１とし、
前記磁性体エンドプレートの磁性体の板の電気伝導率をσ _２とし、
前記ステータコアの径方向内側の端面の径方向位置と前記ロータコアの径方向外側の端面の径方向位置との間の径方向の距離であるロータコア距離をｇ _１とし、
前記ステータコアの径方向内側の端面の径方向位置と前記磁性体エンドプレートの径方向外側の端面の径方向位置との間の径方向の距離であるエンドプレート距離をｇ _２とし、
少なくとも１枚の前記磁性体エンドプレートの磁性体の板において、
（（ｔ _２ ^２・σ _２）／（ｔ _１ ^２・σ _１））≦（ｇ _２ ^２／ｇ _１ ^２）
が成り立つように、前記電磁鋼板の厚さ、前記磁性体の板の厚さ、前記電磁鋼板の電気伝導率、前記磁性体の板の電気伝導率、前記ロータコア距離、及び前記エンドプレート距離が設定され、
前記ステータコアからの磁束により前記磁性体エンドプレートに生じた渦電流による前記磁性体エンドプレートの発熱が、前記ステータコアからの磁束により前記ロータコアに生じた渦電流による前記ロータコアの発熱以下である回転電機。
軸方向に積層された電磁鋼板を有し、回転軸と一体回転するロータコアと、
軸方向に積層された電磁鋼板を有し、前記ロータコアの径方向外側に間隔を空けて配置されたステータコアと、
前記ロータコアを軸方向に貫通し、周方向に間隔を空けて配置された複数の貫通孔のそれぞれに挿入された磁石と、
前記ロータコアの軸方向一方側の端面及び軸方向他方側の端面の一方または双方に当接し、単数の磁性体の板または軸方向に積層された複数の磁性体の板を有する磁性体エンドプレートと、を備え、
前記ロータコアの１枚あたりの電磁鋼板の厚さと前記磁性体エンドプレートの１枚あたりの磁性体の板の厚さとが同じである、
または、前記磁性体エンドプレートの材料は、前記ロータコアの材料である電磁鋼板と同じであり、
前記ステータコアからの磁束により前記磁性体エンドプレートに生じた渦電流による前記磁性体エンドプレートの発熱が、前記ステータコアからの磁束により前記ロータコアに生じた渦電流による前記ロータコアの発熱以下である回転電機。
軸方向に積層された電磁鋼板を有し、回転軸と一体回転するロータコアと、
軸方向に積層された電磁鋼板を有し、前記ロータコアの径方向外側に間隔を空けて配置されたステータコアと、
前記ロータコアを軸方向に貫通し、周方向に間隔を空けて配置された複数の貫通孔のそれぞれに挿入された磁石と、
前記ロータコアの軸方向一方側の端面及び軸方向他方側の端面の一方または双方に当接し、単数の磁性体の板または軸方向に積層された複数の磁性体の板を有する磁性体エンドプレートと、を備え、
前記磁性体エンドプレートの透磁率は、前記ロータコアの電磁鋼板の透磁率よりも低く、
前記ステータコアからの磁束により前記磁性体エンドプレートに生じた渦電流による前記磁性体エンドプレートの発熱が、前記ステータコアからの磁束により前記ロータコアに生じた渦電流による前記ロータコアの発熱以下である回転電機。
前記磁性体エンドプレートの径方向外側の端面は、前記ロータコアの径方向外側の端面よりも径方向内側に配置されると共に、前記磁石の径方向内側の端面よりも径方向外側に配置され、
前記ステータコアからの磁束により前記磁性体エンドプレートに生じた渦電流による前記磁性体エンドプレートの発熱が、前記ステータコアからの磁束により前記ロータコアに生じた渦電流による前記ロータコアの発熱以下になるように、前記ロータコアの１枚あたりの電磁鋼板の厚さ、前記磁性体エンドプレートの１枚あたりの磁性体の板の厚さ、前記ロータコアの電磁鋼板の電気伝導率、前記磁性体エンドプレートの磁性体の板の電気伝導率、前記ステータコアの径方向内側の端面の径方向位置と前記ロータコアの径方向外側の端面の径方向位置との間の径方向の距離であるロータコア距離、及び前記ステータコアの径方向内側の端面の径方向位置と前記磁性体エンドプレートの径方向外側の端面の径方向位置との間の径方向の距離であるエンドプレート距離が設定されている請求項２または３に記載の回転電機。
前記電磁鋼板の厚さをｔ_１とし、
前記磁性体の板の厚さをｔ_２とし、
前記電磁鋼板の電気伝導率をσ_１とし、
前記磁性体の板の電気伝導率をσ_２とし、
前記ロータコア距離をｇ_１とし、
前記エンドプレート距離をｇ_２とし、
少なくとも１枚の前記磁性体エンドプレートの磁性体の板において、
（（ｔ_２ ^２・σ_２）／（ｔ_１ ^２・σ_１））≦（ｇ_２ ^２／ｇ_１ ^２）
が成り立つように、前記電磁鋼板の厚さ、前記磁性体の板の厚さ、前記電磁鋼板の電気伝導率、前記磁性体の板の電気伝導率、前記磁性体の板の電気伝導率、前記ロータコア距離、及び前記エンドプレート距離が設定されている請求項４に記載の回転電機。
前記電磁鋼板の厚さと前記磁性体の板の厚さとが同じである請求項１に記載の回転電機。
前記磁性体エンドプレートの材料は、前記ロータコアの材料である電磁鋼板と同じである請求項１に記載の回転電機。
前記磁性体エンドプレートは、前記ロータコアの軸方向一方側の端面及び軸方向他方側の端面の一方または双方に当接し、軸方向に積層された複数の磁性体の板を有し、
少なくとも、前記ロータコアの軸方向一方側の端面及び軸方向他方側の端面の一方または双方に当接している前記磁性体の板は、
（（ｔ_２ ^２・σ_２）／（ｔ_１ ^２・σ_１））≦（ｇ_２ ^２／ｇ_１ ^２）
が成り立つように、前記電磁鋼板の厚さ、前記磁性体の板の厚さ、前記電磁鋼板の電気伝導率、前記磁性体の板の電気伝導率、前記ロータコア距離、及び前記エンドプレート距離が設定されている請求項１または５に記載の回転電機。
冷媒が流れる冷媒流路を備え、
前記磁性体エンドプレートは、少なくとも前記ロータコアの軸方向一方側に設けられ、
前記冷媒流路は、前記冷媒が供給される前記回転軸に設けられた軸体流路と、前記ロータコアにおける前記磁石の径方向内側を軸方向に貫通した貫通流路と、前記軸体流路と前記貫通流路とを連通する連通流路と、軸方向一方側に設けられた前記磁性体エンドプレートを軸方向に貫通し、前記貫通流路と連通したエンドプレート貫通孔と、から構成され、
前記ステータコアには、軸方向一方側に設けられた前記磁性体エンドプレートの軸方向一方側の端面よりも軸方向一方側の軸方向位置まで、前記ロータコアから軸方向一方側に延出しているコイルが巻回されている請求項１から８のいずれか１項に記載の回転電機。