WO2018052033A1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

回転電機２０は、ステータ２２と、ロータ２４と、を備える。ステータ２２は、ステータコア４０と、ステータコア４０に巻装されている電機子巻線４２と、を有する。ロータ２４は、界磁コア５０と、界磁巻線５２と、筒状の短絡部材５４と、を有し、ステータの内周側に径方向に対向して配置されている。界磁コアは、筒状のボス部５８及びボス部の外周側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部６２を有する。界磁巻線は、ボス部の外周側に巻装されている。短絡部材は、爪状磁極部の外周側に爪状磁極部の外周面を覆うように配置されて、周方向に隣り合う爪状磁極部同士を磁気的に接続する。短絡部材の、ステータに対する対向面は、径方向に沿って突出する突部８０と、径方向に沿って窪んだ溝部８２とが、交互に連続して配置される凹凸形状に形成されている。

Description

回転電機

　本開示は、回転電機に関する。

　従来、車両の電動機や発電機などに用いられる、ステータとロータとを備える回転電機が知られている（例えば、特許文献１など）。この回転電機において、ステータは、ステータコアと、ステータコアに巻装されている電機子巻線と、を有している。ロータは、界磁コアと、界磁巻線と、短絡部材と、を有している。

　界磁コアは、ボス部と、ディスク部と、磁極部と、を有している。ディスク部は、ボス部の軸方向一端から径方向外側に広がる。磁極部は、ディスク部に連接してボス部の外周側に配置されると共に、軸方向に沿って突出する。磁極部は、軸回りに所定角度ごとに設けられており、周方向に交互に異なる極性の磁極が形成されるように複数設けられている。界磁巻線は、ボス部の外周側に巻装されている。短絡部材は、磁極部の外周側に、その磁極部の外周面を覆うように配置されており、周方向に隣接する磁極部同士を磁気的に接続する。短絡部材は、複数枚の軟磁性板が軸方向に沿って積層された積層部材である。従って、かかる短絡部材の構造によれば、短絡部材で発生する渦電流損を低減する。

特開２００９－１４８０５７号公報

　短絡部材で発生する渦電流損の低減効果を向上させるためには、層間すなわち軟磁性板の間に、電気的絶縁層を設けることが考えられる。しかしながら、電気的絶縁層を設けた構造では、その電気的絶縁層の絶縁破壊が生じたときなどに、渦電流損の低減効果を上げることができなくなるなどの不都合が生ずる。

　本開示は、短絡部材で発生する渦電流損の低減効果を向上させることが可能な回転電機を提供する。

　本開示の技術の一態様である回転電機は、ステータと、ロータと、を備える。ステータは、ステータコアと、当該ステータコアに巻装されている電機子巻線と、を有する。ロータは、界磁コアと、界磁巻線と、筒状の短絡部材と、を有し、ステータの内周側に径方向に対向して配置されている。界磁コアは、筒状のボス部及びボス部の外周側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の磁極部を有する。界磁巻線は、ボス部の外周側に巻装されている。短絡部材は、磁極部の外周側に、磁極部の外周面を覆うように配置されて、周方向に隣り合う磁極部同士を磁気的に接続する。短絡部材の、ステータに対する対向面は、径方向に沿って突出する突部と、径方向に沿って窪んだ溝部とが、交互に連続して配置される凹凸形状に形成されている。

　この構成によれば、本開示の回転電機において、短絡部材の、ステータに対する対向面は、径方向への突部と溝部とが、交互に連続して配置される凹凸形状に形成される。回転電機では、このような短絡部材の凹凸形状により、突部に磁束を集中させて他の部位に磁束飽和を生じさせない。よって、回転電機では、磁束密度が下がって渦電流損が低減される。従って、回転電機では、短絡部材の表面形状を凹凸形状とすることで、渦電流損の低減効果を向上できる。

　本開示の回転電機において、突部は、径方向先端の断面形状が曲面形状又は角張った形状となるように形成されている。この構成によれば、本開示の回転電機は、短絡部材の表面に凹凸形状を形成できる。

　本開示の回転電機において、突部は、径方向先端の断面形状が、短辺の上底がステータ側に、かつ、長辺の下底が前記磁極部側に、それぞれ配置される台形形状となるように形成されている。この構成によれば、本開示の回転電機は、短絡部材の表面に凹凸形状を形成できる。

　本開示の回転電機において、短絡部材と磁極部とは、電気的に導通している。この構成によれば、本開示の回転電機は、短絡部材に大きな渦電流が発生しても、その渦電流によりロータの電位を上げられる。よって、回転電機は、電機子巻線に電力を供給するためのスイッチングのタイミングずれに起因する、ステータからベアリングを介したロータへの導通電流を減らせる。回転電機は、電蝕によるベアリングの寿命低下が抑えられる。

　本開示の回転電機は、短絡部材と磁極部との間の隙間、及び、溝部の少なくとも何れかに樹脂が充填されている。この構成によれば、本開示の回転電機は、熱伝導体である樹脂の存在により熱容量を向上させられる。よって、回転電機は、ロータの耐熱性を向上させられる。また、回転電機は、ロータが回転しなくても、或いは、その回転数が低くても、ロータの冷却性能を十分に高められる。

　本開示の回転電機において、突部及び溝部は、螺旋状に形成されつつ、軸方向に沿って延びている。この構成によれば、本開示の回転電機は、ロータの回転時に、冷媒を短絡部材の軸方向の一端側から他端側へ送り出せる。よって、回転電機は、冷媒の流れによりロータの冷却を効率良く行え、ロータの冷却性能を高められる。

　本開示の回転電機において、短絡部材は、所定部材が軸方向に沿って積層された積層部材である。この構成によれば、本開示の回転電機は、短絡部材の表面に凹凸形状を容易に形成できる。

第１実施形態に係る回転電機の断面図である。 第１実施形態の回転電機が備えるロータを径方向外側から見た際の図である。 第１実施形態の回転電機が備えるロータの斜視図である。 第１実施形態の回転電機が備えるロータの、短絡部材を除いたときの斜視図である。 第１実施形態の回転電機が備えるロータの一部の斜視図である。 第１実施形態の回転電機が備えるロータの断面図である。 第１実施形態の回転電機において、ロータが有する短絡部材を模式的に表した断面図である。 第１実施形態の回転電機における短絡部材の一例の断面図である。 第１実施形態の回転電機における短絡部材の一例の断面図である。 第１実施形態の回転電機における短絡部材の一例の断面図である。 第１実施形態の回転電機における短絡部材の一例の断面図である。 第１実施形態の回転電機における短絡部材の一例の断面図である。 変形例に係る回転電機が備えるロータの短絡部材の斜視図である。 他の一変形例に係る回転電機が備えるロータの要部の一例の断面図である。 他の一変形例に係る回転電機が備えるロータの要部の一例の断面図である。

　以下、本開示の技術の一態様である回転電機の具体的な実施形態について、図１～図１５を参照し説明する。

　＜第１実施形態＞
　本実施形態において、回転電機２０は、例えば車両などに搭載される。回転電機２０は、バッテリなどの電源から電力が供給されることにより、車両を駆動するための駆動力を発生する。また、回転電機２０は、車両のエンジンから動力が供給されることにより、バッテリを充電するための電力を発生する。回転電機２０は、図１に示す如く、ステータ２２と、ロータ２４と、ハウジング２６と、ブラシ装置２８と、整流装置３０と、電圧調整器３２と、プーリ３４と、を備えている。

　ステータ２２は、磁路の一部を構成すると共に、ロータ２４の回転による回転磁界が付与されることにより、起電力を発生する部材である。ステータ２２は、ステータコア４０と、電機子巻線４２と、を有している。ステータコア４０は、円筒状に形成された部材である。ステータコア４０の径方向内径側には、ティースと、スロットと、が形成されている。ティースは、ステータコア４０の径方向内側に向けて突出する。スロットは、ステータコア４０の径方向外側に向けて窪んでいる。ティース及びスロットはそれぞれ、所定角度をおいて配置されるように複数設けられており、周方向において交互に連続して配置されている。

　電機子巻線４２は、ステータコア４０（ステータコア４０のティース）に巻装されている。電機子巻線４２は、直線状のスロット収容部（非図示）と、湾曲状のコイルエンド部４４と、を有している。スロット収容部は、ステータコア４０のスロットに収容されている。コイルエンド部４４は、ステータコア４０の軸方向端部側から軸方向外側に突出する。電機子巻線４２は、回転電機２０の相数に対応した多相巻線（例えば三相巻線）を有している。

　ロータ２４は、ステータ２２（ステータコア４０のティースの先端）に対して、径方向内側に所定のエアギャップ（すなわち空隙）を空けて対向配置されている。ロータ２４は、磁路の一部を構成すると共に、電流が流れることにより、磁極を形成する部材である。ロータ２４は、いわゆるランデル型回転子である。ロータ２４は、界磁コア５０と、界磁巻線５２と、短絡部材５４と、永久磁石５６と、を有している。

　界磁コア５０は、ボス部５８と、ディスク部６０と、爪状磁極部６２と、を有している。ボス部５８は、シャフト孔６６を有する筒状部材である。シャフト孔６６は、回転シャフト６４が挿入可能な中心軸上に空いている。ボス部５８は、回転シャフト６４の外周側に嵌合固定される部位である。ディスク部６０は、ボス部５８の軸方向端部側から径方向外側に向けて延びる円盤状の部位である。

　爪状磁極部６２は、ディスク部６０の外周端に連接する。爪状磁極部６２は、その連接部から軸方向に沿って爪状に突出する部材である。爪状磁極部６２は、その連接部からボス部５８に沿って延びている。爪状磁極部６２は、ボス部５８の外周側に配置されている。ボス部５８とディスク部６０と爪状磁極部６２とは、ポールコア（界磁鉄心）を形成する。ポールコアは、例えば鍛造成形されている。爪状磁極部６２は、略円弧状に形成された外周面を有している。爪状磁極部６２の外周面は、回転シャフト６４の軸中心近傍を中心にした円弧を有している。具体的には、爪状磁極部６２の外周面は、回転シャフト６４の軸中心又はその軸中心よりも該爪状磁極部６２に近い側の位置を中心にした円弧を有している。

　爪状磁極部６２は、互いに異なる極性（Ｎ極及びＳ極）の磁極が形成される第１爪状磁極部６２－１及び第２爪状磁極部６２－２を含む。第１爪状磁極部６２－１及び第２爪状磁極部６２－２は、一対のポールコアを構成する。第１爪状磁極部６２－１及び第２爪状磁極部６２－２は、ロータ２４の軸回りに、それぞれ同じ数（例えば８個）ずつ設けられている。第１爪状磁極部６２－１と第２爪状磁極部６２－２とは、周方向に隙間空間６８を空けて交互に配置されている。

　第１爪状磁極部６２－１は、ボス部５８の軸方向一端側から径方向外側に広がるディスク部６０の外周端に連接している。そして、軸方向他端側に向けて突出している。また、第２爪状磁極部６２－２は、ボス部５８の軸方向他端側から径方向外側に広がるディスク部６０の外周端に連接している。そして、軸方向一端側に向けて突出している。第１爪状磁極部６２－１と第２爪状磁極部６２－２とは、配置位置や突出する軸方向の向きを除いて、互いに共通した形状に形成されている。第１爪状磁極部６２－１と第２爪状磁極部６２－２とは、軸方向根元側（又は軸方向先端側）が、互いに軸方向逆側となるように周方向に交互に配置されている。そして、互いに異なる極性に磁化される。

　各爪状磁極部６２は、周方向において所定の幅（周方向幅）を有し、径方向において所定の厚さ（径方向厚さ）を有するように形成されている。各爪状磁極部６２は、ディスク部６０との連接部近傍の根元側から軸方向先端側にかけて、周方向幅が徐々に小さくなり、かつ、径方向厚さが徐々に小さくなるように形成されている。すなわち、各爪状磁極部６２は、軸方向先端側ほど、周方向及び径方向の双方において細くなるように形成されている。各爪状磁極部６２は、周方向中心を挟んで、周方向に左右対称となるように形成されていることが好ましい。

　上記の隙間空間６８は、周方向に隣接する第１爪状磁極部６２－１と第２爪状磁極部６２－２との間ごとに設けられている。隙間空間６８は、軸方向斜めに延在している。そして、軸方向一端側から軸方向他端側にかけて、ロータ２４の回転軸に対して所定角度で傾斜している。すべての隙間空間６８の形状は、互いに同じである。各隙間空間６８は、周方向の大きさ（寸法）が、軸方向位置に応じて変化することがほとんど無いように設定されている。すなわち、各隙間空間６８は、周方向寸法が、一定、若しくは、その一定値を含む極僅かな範囲内に維持されるように設定されている。つまり、第１爪状磁極部６２－１と第２爪状磁極部６２－２とは、隙間空間６８が何れの軸方向位置においても、一定の周方向寸法を有するように形成され、かつ、周方向のすべての隙間空間６８が、互いに同じ形状に形成されるように配置されている。

　ロータ２４において、磁気的なアンバランスが生じるのを回避するために、周方向のすべての隙間空間６８は、同一形状であることが好ましい。しかし、特に、片側方向にのみ回転するロータ２４においては、鉄損の低減などのために、爪状磁極部６２の形状を、周方向中心を挟んで、周方向に左右非対称形状として、隙間空間６８の軸方向位置ごとの周方向寸法を一定でないものとしてもよい。

　爪状磁極部６２の形状を、周方向に左右非対称形状とするのは、一般的に回転方向が一方向である場合や、例えば回転方向の逆方向の磁気特性を、順方向の磁気特性に比べて下げてよい場合などである。これは、次のような技術である。回転方向が一定であれば、ステータ２２からの界磁作用は、爪状磁極部６２の中央付近を境にして、爪状磁極部６２の界磁力が作用する方向に対して、強めと弱めとに変化する。よって、強めの界磁作用が働いている爪状磁極部６２を境として、爪状磁極部６２の半分をステータ２２から遠ざけて、ステータ２２との磁気的な空隙を大きくする。これにより、渦電流が発生し易い磁束飽和を緩和させて、渦電流を大きく低下させられる。一方で、爪状磁極部６２の残り半分をステータ２２から遠ざけていない。これにより、空隙増加による磁束低下要因を少なくできる。本実施形態においては、後述の如く、ロータ２４の外周面付近に磁束飽和を促して、渦電流損の低減効果を得る。よって、本実施形態では、爪状磁極部６２の形状を、磁束を減らしてまで左右非対称とする必要はなく、左右対称とすることが望ましい。

　界磁巻線５２は、ボス部５８と爪状磁極部６２との径方向隙間に配置されている。界磁巻線５２は、直流電流の流通により界磁コア５０に磁束を発生させ、通電により起磁力を発生させるコイル部材である。界磁巻線５２は、ボス部５８の外周側において、軸回りに巻装されている。界磁巻線５２により発生した磁束は、ボス部５８及びディスク部６０を介して爪状磁極部６２に導かれる。すなわち、ボス部５８及びディスク部６０は、界磁巻線５２にて発生した磁束が爪状磁極部６２に導かれる磁路を形成する。界磁巻線５２は、発生磁束により、第１爪状磁極部６２－１をＮ極に磁化させ、かつ、第２爪状磁極部６２－２をＳ極に磁化させる機能を有する。

　短絡部材５４は、爪状磁極部６２（第１爪状磁極部６２－１及び第２爪状磁極部６２－２）の外周側に配置されている。短絡部材５４は、その爪状磁極部６２の外周を覆う、円筒状の部材である。短絡部材５４は、爪状磁極部６２のディスク部６０との連接部から、その爪状磁極部６２の軸方向先端までの距離程度の軸方向長さを有している。短絡部材５４は、径方向において所定厚さを有する薄板部材である。所定厚さとは、例えばロータ２４の機械強度と磁気性能とを両立可能な０．６［ｍｍ］～１．０［ｍｍ］程度である。短絡部材５４は、爪状磁極部６２の外周面側に対向して、爪状磁極部６２に接する。そして、周方向に隣接する第１爪状磁極部６２－１と第２爪状磁極部６２－２との間の隙間空間６８の径方向外側で、隙間空間６８を閉じる。これにより、周方向に隣接する爪状磁極部６２同士（爪状磁極部６２－１，６２－２同士）を磁気的に接続する。

　短絡部材５４は、非磁性体でも構わない。しかし、非磁性体では、ステータ２２とロータ２４との磁気的な空隙が増加してしまう。よって、短絡部材５４は、その空隙増加を生じさせないために、磁性体であることが好ましい。短絡部材５４は、その断面積が、爪状磁極部６２の、ステータ２２との対向面の表面積よりも小さければ、ロータ２４からステータ２２へ有効な磁力を送り出せる。

　短絡部材５４は、例えば鉄やケイ素鋼からなる電磁鋼板などの軟磁性材により構成されている。短絡部材５４は、円筒状に形成されたパイプ状部材である。又は、短絡部材５４は、所定部材が軸方向に沿って積層された積層部材である。短絡部材５４は、焼き嵌めや圧入，溶接或いはそれらの組み合わせなどによって、爪状磁極部６２に対して固定される。短絡部材５４が積層部材である場合は、その積層は、打ち抜き加工した電磁鋼板などの複数枚の軟磁性の薄板部材が、軸方向に沿って積層された構造を有していてもよい。この際、薄板部材はそれぞれ、渦電流損を抑制するために、軸方向に隣接する薄板部材に対して層間絶縁されていてもよい。また、その積層は、一本の線状部材、又は、一帯の帯状部材が、螺旋状に延在して、軸方向に沿って積層されていてもよい。この線状部材や帯状部材は、強度や磁気性能の観点から、断面矩形状の角材であってもよく、また、丸線或いは角部が湾曲した形状であってもよい。

　短絡部材５４は、ロータ２４の外周面を滑らかにして、ロータ２４の外周面に形成される凹凸に起因する風切り音を低減する機能を有する。また、短絡部材５４は、周方向に並んだ複数の爪状磁極部６２を互いに連結して、各爪状磁極部６２の変形（特に径方向への変形）を抑える機能を有する。

　永久磁石５６は、短絡部材５４の内周側に収容されている。永久磁石５６は、周方向に隣接する爪状磁極部６２の間（第１爪状磁極部６２－１と第２爪状磁極部６２－２との間）に、その隙間空間６８を埋めるように配置されている磁極間磁石である。永久磁石５６は、隙間空間６８ごとに配置されており、隙間空間６８と同じ数だけ設けられている。各永久磁石５６は、隙間空間６８の形状に合わせて、ロータ２４の回転軸に対して斜めに傾斜して延在している。そして、概ね直方体形状に形成されている。永久磁石５６は、爪状磁極部６２の間における磁束の漏れを低減して、爪状磁極部６２とステータ２２のステータコア４０との間の磁束を強化する機能を有している。

　永久磁石５６は、周方向に隣接する爪状磁極部６２の間の漏れ磁束を減少させる向きの磁極が形成されるように配置されている。永久磁石５６は、起磁力が周方向に向くように着磁されている。具体的には、永久磁石５６は、Ｎ極に磁化される第１爪状磁極部６２－１に対向する周方向の面の磁極がＮ極となる。そして、Ｓ極に磁化される第２爪状磁極部６２－２に対向する周方向の面の磁極がＳ極となる。永久磁石５６は、このように構成されている。尚、永久磁石５６は、着磁された後に、ロータ２４に組み込まれる構成に適用してもよい。また、永久磁石５６は、ロータ２４に組み込まれた後に着磁される構成に適用してもよい。

　ハウジング２６は、ステータ２２及びロータ２４を収容するケース部材である。ハウジング２６は、回転シャフト６４（すなわちロータ２４）を、ベアリング６９を介して軸回りに回転可能に支持する。そして、ステータ２２を固定する。

　ブラシ装置２８は、スリップリング７０と、ブラシ７２と、を有している。スリップリング７０は、回転シャフト６４の軸方向一端に固定されている。スリップリング７０は、ロータ２４の界磁巻線５２に直流電流を供給する機能を有している。ブラシ７２は、２個一対に設けられている。そして、ハウジング２６に取り付け固定されたブラシホルダに保持されている。ブラシ７２は、その径方向内側の先端がスリップリング７０の表面に摺動するように、回転シャフト６４側に押圧されつつ配置されている。ブラシ７２は、スリップリング７０を介して界磁巻線５２に直流電流を流す。

　整流装置３０は、ステータ２２の電機子巻線４２に電気的に接続されている。整流装置３０は、電機子巻線４２により生じた交流を直流に整流して出力する装置である。電圧調整器３２は、界磁巻線５２に流す界磁電流を制御することにより、回転電機２０の出力電圧を調整する。電圧調整器３２は、電気負荷や発電量に応じて変化する出力電圧を、略一定に維持させる機能を有している。プーリ３４は、車両エンジンの回転を回転電機２０のロータ２４に伝達する。プーリ３４は、回転シャフト６４の軸方向他端に締め付け固定されている。

　このような構造を有する回転電機２０においては、電源からブラシ装置２８を介してロータ２４の界磁巻線５２に直流電流が供給される。すると、その電流の通電により界磁巻線５２を貫いて、ボス部５８、ディスク部６０、及び爪状磁極部６２を流通する磁束が発生する。この磁束は、例えば、一方のポールコアのボス部５８→ディスク部６０→第１爪状磁極部６２－１→ステータコア４０→第２爪状磁極部６２－２→他方のポールコアのディスク部６０→ボス部５８→一方のポールコアのボス部５８の順に流れる磁気回路を形成する。この磁気回路は、ロータ２４の逆起電力を発生する。

　上記の磁束は、第１爪状磁極部６２－１及び第２爪状磁極部６２－２に導かれる。その結果、第１爪状磁極部６２－１はＮ極に磁化される。そして、第２爪状磁極部６２－２はＳ極に磁化される。このような爪状磁極部６２の磁化が行われた状態で、電源から供給される直流は、例えば三相交流に変換されて電機子巻線４２に供給される。これにより、ロータ２４がステータ２２に対して回転する。従って、本実施形態に係る構成では、回転電機２０を、電機子巻線４２への電力供給により回転駆動させる電動機として機能させることができる。

　回転電機２０のロータ２４は、車両エンジンの回転トルクが、プーリ３４を介して回転シャフト６４に伝達されることにより回転する。ロータ２４の回転は、ステータ２２の電機子巻線４２に回転磁界を付与することによって、電機子巻線４２に交流の起電力を発生させる。電機子巻線４２で発生した交流の起電力は、整流装置３０を通って直流に整流された後、バッテリに供給される。従って、本実施形態に係る構成では、回転電機２０を、電機子巻線４２の起電力発生によりバッテリを充電させる発電機として機能させることができる。

　次に、本実施形態の回転電機２０の特徴部について説明する。

　本実施形態において、回転電機２０は、径方向に所定のエアギャップを空けて対向配置されたステータ２２及びロータ２４を備えている。ロータ２４は、周方向に複数配設された爪状磁極部６２の外周側に、その爪状磁極部６２の外周面を覆う円筒状の短絡部材５４を有している。短絡部材５４の、ステータ２２に対する対向面は、凹凸形状に形成されている。

　短絡部材５４は、図７に示す如く、径方向に沿って突出する突部８０と、径方向に沿って窪んだ溝部８２と、を有している。すなわち、突部８０は、ステータ２２側に向けて突出する。溝部８２は、爪状磁極部６２側に向けて窪んでいる。突部８０及び溝部８２は共に、短絡部材５４の外周面に形成されている。短絡部材５４の、ステータ２２に対する対向面（短絡部材５４の外周面）は、突部８０と溝部８２とが、交互に連続して配置される凹凸形状に形成されている。

　上記した短絡部材５４の凹凸形状は、突部８０と溝部８２とが、軸方向に沿って交互に連続して配置され形成されている。尚、短絡部材５４は、薄板部材が軸方向に沿って積層された積層部材であってもよい。また、短絡部材５４は、線状部材や帯状部材が螺旋状に延在して、軸方向に沿って積層された積層部材であってもよい。更には、円筒状に形成されたパイプ状部材であってもよい。短絡部材５４が上記の積層部材である場合は、上記の凹凸形状は、各層の薄板部材や線状部材，帯状部材の径方向外端部により、突部８０が形成され、２つの層の間の空隙により、溝部８２が形成される。短絡部材５４の凹凸形状は、このように形成されればよい。

　一般的に、信号周波数が高くなるほど、導体表面に電流が集中する表皮効果が知られている。回転電機２０において、ロータ２４の表面から、短絡部材５４で渦電流が発生する地点までの深さ（表皮深さ）δ〔ｍｍ〕は、次式（１）で表される。また、渦電流損Ｗｅ〔Ｗ〕は、次式（２）で表される。但し、μは透磁率である。σは導電率である。ｆは信号周波数である。Ｋｅは短絡部材５４などの材料によって決まる渦電流損係数である。Ｂは磁束密度である。αは短絡部材５４などの材料によって決まる値であって、一般的に四捨五入によって「２」になる数である。
　　　δ＝√（１／（π・μ・σ・ｆ））・・・（１）
　　　Ｗｅ＝Ｋｅ・Ｂ^α・ｆ^２　　　　　　・・・（２）

　Ｋｅ及びαはそれぞれ、上記の如く、短絡部材５４などの材料によって決まる値である。よって、材料を決めたうえで、渦電流損Ｗｅを低減させるためには、磁束密度Ｂを低減させる必要がある。磁束密度Ｂは、回転電機２０の磁力上昇に伴って、材料自体の磁束密度まで上昇する値である。磁束密度Ｂが高いと磁束飽和が生じて透磁率μは下がってしまう。しかし、磁束密度Ｂは、渦電流損Ｗｅに対して概ね２乗で作用するパラメータである。よって、磁束密度Ｂを下げることは、渦電流損Ｗｅを低減させて高効率化を図るうえで有効である。

　渦電流は、突部８０同士の間を通過することができない。よって、各突部８０の表皮深さδは小さい。また、磁束密度Ｂの小さい箇所では、渦電流の発生量が著しく少ない。よって、渦電流損Ｗｅは小さい。上記の如く、短絡部材５４は、突部８０と溝部８２とが、軸方向に沿って交互に連続して配置された凹凸形状に形成されている。このような短絡部材５４の凹凸形状においては、短絡部材５４の突部８０の径方向先端ほど、磁束飽和が生じ易い。よって、磁束密度Ｂは高く、渦電流損Ｗｅは大きい。一方、短絡部材５４の爪状磁極部６２寄りの部位やポールコアを形成する爪状磁極部６２などの大部分は、磁束飽和しない。よって、磁束密度Ｂは低く、渦電流損Ｗｅは小さい。

　このように、渦電流損Ｗｅが大きい箇所は、短絡部材５４の径方向先端部にある狭小の突部８０に限られる。その結果、短絡部材５４は、当該部材全体としての渦電流損Ｗｅを低減できる。すなわち、回転電機２０は、短絡部材５４の、ステータ２２に対する対向面に、磁束が集中するように、突部８０を設ける。これにより、回転電機２０では、渦電流損Ｗｅが大きい箇所を少なく、或いは、狭くして、短絡部材５４全体での渦電流損Ｗｅを低減できる。本実施形態の回転電機２０によれば、短絡部材５４の表面形状を凹凸形状とすることによって、その渦電流損Ｗｅの低減効果を向上させられる。

　仮に、短絡部材５４が、次のような分割層で構成されているとする。分割層は、同一の厚みを有する平板で構成された薄板部材などが、軸方向に積層されている。このような場合において、各分割層の厚みが（表皮深さδ×２）以上であると、各分割層に渦電流のループが生じてしまう。各分割層に渦電流のループを生じさせないためには、各分割層の厚みを（表皮深さδ×２）未満として、絶縁する必要がある。これに対して、本実施形態の回転電機２０においては、短絡部材５４の径方向先端側の表面形状を、突部８０と溝部８２とからなる凹凸形状としている。これにより、回転電機２０では、渦電流のループを生じさせないために、分割層の厚みを一律に小さくする必要がない。また、回転電機２０では、短絡部材５４に細かいピッチで電気的絶縁層を設ける必要もない。また、回転電機２０では、その電気的絶縁層が破れ、或いは、絶縁破壊されたときの損失増加を抑制できる。

　渦電流は、短絡部材５４の凹凸形状により、磁束飽和が生じ易いロータ２４の表面側（ステータ２２に対する対向面側）で打ち消される。一方、渦電流は、磁束飽和が生じ難いロータ２４の裏面側（爪状磁極部６２側）で少ない。このため、短絡部材５４は、ロータ２４の表面側だけでなくロータ２４の裏面側にも、別部材や空隙，酸化被膜などによる電気的絶縁層を設ける必要がない。その結果、回転電機２０では、短絡部材５４に電気的絶縁層を設けることなく、短絡部材５４での渦電流損の低減効果を向上させられる。また仮に、短絡部材５４に電気的絶縁層を設けるとしても、回転電機２０では、局所的に磁束飽和が生じる分割層の厚みを大きくできる。これにより、回転電機２０では、短絡部材５４の各分割層を構成する部材の厚みを小さくする必要がなく、製造時の工数などを低減できる。

　尚、突部８０は、軸方向に沿って切断した場合の径方向先端の断面形状が、図８に示す如き曲面形状となるように形成されてもよい。例えば短絡部材５４が、次のような積層部材で構成されているとする。積層部材は、薄板部材や線状部材などの所定部材９０が、軸方向に積層されている。このような場合において、突部８０の曲面形状を形成するためには、短絡部材５４を構成する所定部材９０を、断面形状が円形となる丸線により構成すればよい。所定部材９０は、爪状磁極部６２と電気的に導通して短絡するように、爪状磁極部６２に接触している。そして、各層の所定部材９０同士も接触している。所定部材９０の接触は、断面において、点接触であればよく、又は、それに準じた接触であればよい。

　所定部材９０が丸線により構成された構造では、各層の所定部材９０において、径方向外側へ突出する円形面により突部８０が形成される。また、軸方向に並んだ２つの層（２つの所定部材９０）の円形面の間に溝部８２が形成される。かかる構成によれば、上記の如く、短絡部材５４に生じる渦電流損の低減効果を向上させられる。

　また、突部８０は、軸方向に沿って切断した場合の径方向先端の断面形状が、図９、図１０、及び図１１に示す如き角張った形状となるように形成されてもよい。例えば短絡部材５４が、次のような積層部材で構成されているとする。積層部材は、薄板部材や線状部材などの所定部材９２，９４，９６が、軸方向に積層されている。このような場合において、突部８０の角張った形状を形成するためには、短絡部材５４を構成する所定部材９２，９４，９６を、断面形状が例えば正方形，長方形，六角形などの多角形となる角線により構成すればよい。具体的には、各層の角線が斜めに配置され、角線の角部がステータ２２側に向けて突出するように、軸方向に沿って積層する構成とすればよい。所定部材９２，９４，９６は、爪状磁極部６２と電気的に導通して短絡するように、爪状磁極部６２に接触している。そして、各層の所定部材９２，９４，９６同士も接触している。所定部材９２，９４，９６の接触は、断面において、点接触や線接触であればよく、又は、それに準じた接触であればよい。

　所定部材９２，９４，９６が角線により構成され、かつ、各層の角線を斜めに配置した状態で軸方向に沿って積層された構造では、各層の所定部材９２，９４，９６において、径方向外側へ突出する角部により突部８０が形成される。また、軸方向に並んだ２つの層の角部の間に溝部８２が形成される。かかる構成においても、上記の如く、短絡部材５４に生じる渦電流損の低減効果を向上させられる。

　また、突部８０は、軸方向に沿って切断した場合の径方向先端の断面形状が、図１２に示す如き台形形状となるように形成されてもよい。具体的には、断面形状は、短辺の上底がステータ２２側に、かつ、長辺の下底が爪状磁極部６２側に、それぞれ配置される台形形状となるように形成されてもよい。例えば短絡部材５４が、次のような積層部材で構成されているとする。積層部材は、薄板部材や線状部材などの所定部材９８が、軸方向に積層されている。このような場合において、突部８０の台形形状を形成するためには、短絡部材５４を構成する所定部材９８を、断面形状が径方向先端にかけて細くなる台形となるように形成すればよい。所定部材９８は、爪状磁極部６２と電気的に導通して短絡するように、爪状磁極部６２に断面において線接触している。そして、各層の所定部材９８同士も断面において点接触している。所定部材９８の接触は、それらの接触に準じたものであってもよい。

　所定部材９８が台形形状に形成された構造では、各層の所定部材９８において、台形の上底部により突部８０が形成される。また、軸方向に並んだ２つの層の上底部の間（台形形状の相対する側面の間）に溝部８２が形成される。かかる構成においても、上記の如く、短絡部材５４に生じる渦電流損の低減効果を向上させられる。

　また、回転電機２０において、短絡部材５４の、ステータ２２に対する対向面は、突部８０と溝部８２とが、交互に連続して配置される凹凸形状に形成されている。短絡部材５４は、ロータ２４の表面側に配置されている。つまり、短絡部材５４は、ロータ２４内で最も磁束をやり取りする量が多い領域（磁束が集中する領域）に配置されている。この短絡部材５４によれば、凹凸形状が形成されていない短絡部材に比べて、放熱面積を確保でき、高い冷却性能を発揮する。

　ところで、ステータ２２の電機子巻線４２に直流電源から交流電力を供給するためには、インバータ回路が有するＭＯＳトランジスタ等をスイッチングさせる必要がある。例えば電機子巻線４２が三相巻線であるとする。この場合、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のスイッチングタイミングは、所望のタイミングからずれることがある。このようなタイミングのずれが生じると、ステータ２２に、軸方向間の電位差が発生する。そして、その電位差に起因して、ハウジング２６及びベアリング６９を介して、ステータ２２からロータ２４へ電流が流れる。このような導通電流が流れると、ベアリング６９に電蝕が発生する。その結果、ベアリング６９の寿命低下を招くおそれがある。

　これに対して、本実施形態の回転電機２０においては、短絡部材５４、或いは、短絡部材５４を構成する所定部材９０，９２，９４，９６，９８は、爪状磁極部６２に接して、その爪状磁極部６２と電気的に導通している。このような回転電機２０において、短絡部材５４に電気的絶縁層が設けられていない場合は、その短絡部材５４に渦電流が発生し易くなる。しかし、ロータ２４において渦電流による電位差が発生する。よって、渦電流が小さい、或いは、渦電流が発生しないときに比べて、ロータ２４の電位は上がる。その結果、ロータ２４とステータ２２との間の電位差は減少する。このため、回転電機２０では、電機子巻線４２に電力を供給するためのスイッチングのタイミングにずれが生じ、かつ、大きな渦電流が発生しても、ステータ２２からベアリング６９を介したロータ２４への導通電流を減らせる。回転電機２０は、電蝕によるベアリング６９の寿命低下が抑えられる。

　以上、説明したことから明らかなように、本実施形態の回転電機２０は、ステータ２２と、ロータ２４と、を備える。ステータ２２は、ステータコア４０と、当該ステータコア４０に巻装されている電機子巻線４２と、を有する。ロータ２４は、界磁コア５０と、界磁巻線５２と、筒状の短絡部材５４と、を有し、ステータ２２の内周側に径方向に対向して配置されている。界磁コア５０は、筒状のボス部５８及びボス部５８の外周側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部６２を有する。界磁巻線５２は、ボス部５８の外周側に巻装されている。短絡部材５４は、爪状磁極部６２の外周側に、爪状磁極部６２の外周面を覆うように配置されて、周方向に隣り合う爪状磁極部６２同士を磁気的に接続する。短絡部材５４の、ステータ２２に対する対向面は、径方向に沿って突出する突部８０と、径方向に沿って窪んだ溝部８２とが、交互に連続して配置される凹凸形状に形成されている。

　この構成によれば、回転電機２０において、短絡部材５４の、ステータ２２に対する対向面は、径方向への突部８０と溝部８２とが、交互に連続して配置される凹凸形状に形成される。回転電機２０では、このような短絡部材５４の凹凸形状により、突部８０に磁束を集中させて他の部位に磁束飽和を生じさせない。よって、回転電機２０では、磁束密度が下がって渦電流損が低減される。従って、回転電機２０では、短絡部材５４の表面形状を凹凸形状とすることで、渦電流損の低減効果を向上できる。

　また、回転電機２０において、突部８０は、径方向先端の断面形状が曲面形状又は角張った形状となるように形成されてもよい。又は、突部８０は、径方向先端の断面形状が、短辺の上底がステータ２２側に、かつ、長辺の下底が爪状磁極部６２側に、それぞれ配置される台形形状となるように形成されてもよい。これらの構成によれば、回転電機２０は、短絡部材５４の表面に凹凸形状を形成できる。

　また、回転電機２０において、短絡部材５４と爪状磁極部６２とは、電気的に導通している。この構成によれば、回転電機２０は、短絡部材５４に大きな渦電流が発生しても、その渦電流によりロータ２４の電位を上げられる。よって、回転電機２０は、電機子巻線４２に電力を供給するためのスイッチングのタイミングずれに起因する、ステータ２２からベアリング６９を介したロータ２４への導通電流を減らせる。回転電機２０は、電蝕によるベアリング６９の寿命低下が抑えられる。

　また、回転電機２０において、短絡部材５４は、所定部材９０，９２，９４，９６，９８が軸方向に沿って積層された積層部材であってもよい。この構成によれば、回転電機２０は、短絡部材５４の表面に凹凸形状を容易に形成できる。

　ところで、上記実施形態においては、ロータ２４の短絡部材５４を、円筒状に形成されたパイプ状部材である場合を例示した。又は、短絡部材５４を、所定部材９０，９２，９４，９６，９８が軸方向に沿って積層された積層部材である場合を例示した。本開示の技術は、これに限定されない。例えばロータ２４の冷却性能を高めるためには、ロータ２４の回転時に、冷媒に流れを付与できるように、短絡部材５４を螺旋状に形成することが望ましい。

　すなわち、短絡部材５４は、例えば図１３に示す如く、線状部材１００が螺旋状に延在して、軸方向に沿って積層された積層部材であってもよい。この場合、突部８０及び溝部８２は、螺旋状に形成されつつ、軸方向に沿って延びている。これにより、本変形例では、ロータ２４の回転時に、冷媒を短絡部材５４の軸方向の一端側から他端側へ送り出せる。よって、回転電機２０は、冷媒の流れによりロータ２４の冷却を効率良く行え、ロータ２４の冷却性能を高められる。特に、回転電機２０では、次のような３つの方向を一致させることによって、ロータ２４の冷却性能をより一層高められる。具体的には、ロータ２４の回転方向を一方向に限定したうえで、ロータ２４の回転シャフト６４が延びる方向と、ロータ２４の回転により冷媒が送り出される方向と、ガイドベーン，ファン，ポンプなどにより冷媒が送り出される方向と、を一致させる。

　上記実施形態においては、短絡部材５４の突部８０と突部８０との間にある溝部８２が、空隙であると共に、短絡部材５４と爪状磁極部６２との間に樹脂等が充填されていない構成を例示した。本開示の技術は、これに限定されない。溝部８２には、樹脂が充填されてもよい。また、短絡部材５４と爪状磁極部６２との間には、樹脂が充填されてもよい。すなわち、ロータ２４において、例えば図１４に示す如く、短絡部材５４と爪状磁極部６２との間の隙間と、溝部８２との双方に、樹脂１１０が充填されてもよい。尚、樹脂１１０が充填される短絡部材５４と爪状磁極部６２との間の隙間は、短絡部材５４と爪状磁極部６２とに囲まれる空間を主に含む。この空間は、短絡部材５４と爪状磁極部６２との電気的導通を確保した状態で形成される空間である。

　樹脂１１０は、短絡部材５４において、軸方向に沿って積層されるすべての層を一体的に覆うように、短絡部材５４と爪状磁極部６２との間の隙間と、溝部８２との双方に、充填されればよい。樹脂１１０を構成する樹脂剤は、例えば熱伝導率の高いエポキシや液晶ポリマーなどの樹脂を用いればよい。本変形例の構成によれば、回転電機２０は、熱伝導体である樹脂の存在により熱容量を向上させられる。よって、回転電機２０は、ロータ２４の耐熱性を向上させられる。また、回転電機２０は、ロータ２４が回転しなくても、或いは、その回転数が低くても、ロータ２４の冷却性能を十分に高められる。

　尚、上記には、樹脂１１０が、溝部８２に充填されると共に、短絡部材５４と爪状磁極部６２との間に充填される構成を例示したが、これに限定されない。例えば、短絡部材５４と爪状磁極部６２との間の隙間、及び、溝部８２のうち少なくとも何れかに充填されればよい。

　回転電機２０において、短絡部材５４を、線状部材１００が螺旋状に延在して、軸方向に沿って積層された積層部材としたことによる冷却効果と、樹脂１１０を充填したことによる冷却効果とを、併せ持つ構成とする。そのためには、例えば図１５に示す如く、樹脂１２０の充填を、短絡部材５４と爪状磁極部６２との間の隙間に対して行い、ロータ２４の表面側にある溝部８２に対しては行わない構成が好ましい。すなわち、樹脂１２０は、短絡部材５４と爪状磁極部６２との間の隙間にのみ充填される構成が好ましい。本変形例の構成によれば、回転電機２０は、ロータ２４の回転時に、冷媒を短絡部材５４の軸方向の一端側から他端側へ送り出せる。そして、樹脂１２０の存在により熱容量を向上させられる。

　本開示の技術は、上述した実施形態や変形例に限定されない。本開示の回転電機２０は、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。

２０・・・回転電機、２２・・・ステータ、２４・・・ロータ、４０・・・ステータコア、４２・・・電機子巻線、５０・・・界磁コア、５２・・・界磁巻線、５４・・・短絡部材、５８・・・ボス部、６２・・・爪状磁極部、８０・・・突部、８２・・・溝部、９０，９２，９４，９６，９８・・・所定部材、１００・・・線状部材、１１０，１２０・・・樹脂。

Claims (7)

1. 　ステータコア（４０）と、前記ステータコアに巻装されている電機子巻線（４２）と、を有するステータ（２２）と、
   　筒状のボス部（５８）及び前記ボス部の外周側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の磁極部（６２）を有する界磁コア（５０）と、前記ボス部の外周側に巻装されている界磁巻線（５２）と、前記磁極部の外周側に、前記磁極部の外周面を覆うように配置されて、周方向に隣り合う前記磁極部同士を磁気的に接続する筒状の短絡部材（５４）と、を有し、前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータ（２４）と、
   を備える回転電機（２０）であって、
   　前記短絡部材の、前記ステータに対する対向面は、径方向に沿って突出する突部（８０）と、径方向に沿って窪んだ溝部（８２）とが、交互に連続して配置される凹凸形状に形成されている、回転電機。
2. 　前記突部は、径方向先端の断面形状が曲面形状又は角張った形状となるように形成されている、請求項１に記載の回転電機。
3. 　前記突部は、径方向先端の断面形状が、短辺の上底が前記ステータ側に、かつ、長辺の下底が前記磁極部側に、それぞれ配置される台形形状となるように形成されている、請求項１に記載の回転電機。
4. 　前記短絡部材と前記磁極部とは、電気的に導通している、請求項１乃至３の何れか一項に記載の回転電機。
5. 　前記短絡部材と前記磁極部との間の隙間、及び、前記溝部の少なくとも何れかに樹脂（１１０，１２０）が充填されている、請求項１乃至４の何れか一項に記載の回転電機。
6. 　前記突部及び前記溝部は、螺旋状に形成されつつ、軸方向に沿って延びている、請求項１乃至５の何れか一項に記載の回転電機。
7. 　前記短絡部材は、所定部材（９０，９２，９４，９６，９８）が軸方向に沿って積層された積層部材である、請求項１乃至６の何れか一項に記載の回転電機。

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