WO2025215992A1 - 回転電機の回転子、回転電機、インホイールモータ、車両 - Google Patents

回転電機の回転子、回転電機、インホイールモータ、車両

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WO2025215992A1
WO2025215992A1 PCT/JP2025/009147 JP2025009147W WO2025215992A1 WO 2025215992 A1 WO2025215992 A1 WO 2025215992A1 JP 2025009147 W JP2025009147 W JP 2025009147W WO 2025215992 A1 WO2025215992 A1 WO 2025215992A1
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WO
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rotor
spoke
electric machine
rotating electric
magnet
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PCT/JP2025/009147
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English (en)
French (fr)
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誠 伊藤
哲也 須藤
暁史 高橋
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Astemo Ltd
Original Assignee
Astemo Ltd
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2786—Outer rotors
    • H02K1/2787—Outer rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/2789—Outer rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/279—Magnets embedded in the magnetic core
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to a rotor for a rotating electric machine, a rotating electric machine, an in-wheel motor, and a vehicle.
  • Patent Document 1 listed below discloses a configuration in which a magnet is composed of a main pole magnet whose principal surfaces face radially of the machine and spoke magnets whose principal surfaces face circumferentially of the machine, and a back yoke is formed circumferentially connected to the main pole magnet and spoke magnets on the opposite gap side.
  • the back yoke on the opposite gap side from the spoke magnets is a path for magnetic flux that is not necessary for torque generation, and it shorts the south and north poles of the spoke magnets, forming a magnetic circuit through which leakage magnetic flux flows.
  • the magnetizing magnetic flux leaks from this back yoke, which creates the problem of preventing the spoke magnets from being sufficiently magnetized, increasing iron loss due to the leakage magnetic flux and potentially reducing motor efficiency.
  • a rotor for a rotating electric machine comprising a magnet, a rotor core into which the magnet is inserted, and a rotor frame that secures the rotor core
  • the magnet including a main pole magnet whose magnetization direction faces radially and a spoke magnet whose magnetization direction faces circumferentially
  • the rotor core being formed by assembling a plurality of rotor core sheets, the rotor core sheets comprising main pole magnet slots into which the main pole magnets are inserted, spoke magnet slots into which the spoke magnets are inserted, and a back yoke formed on the outer periphery of the main pole magnet slots and the spoke magnet slots
  • the rotor core sheets have a plurality of divided core sheets that are adjacent to each other in the circumferential direction and arranged at a predetermined interval
  • the back yoke has a back yoke air gap that is a first air gap provided at the position where the spoke magnet slot is formed, and the back yoke air gap is formed in at
  • the present invention makes it possible to provide a rotor for a rotating electric machine, a rotating electric machine, an in-wheel motor, and a vehicle that achieves improved post-deposition magnetism, low iron loss, and improved motor efficiency.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a rotating electric machine according to a first embodiment of the present invention
  • 1 is a cross-sectional view of a rotor for a rotating electric machine according to a first embodiment of the present invention
  • 1 is a diagram of a divided core sheet according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A and 1B are a perspective view and a partially enlarged view of a rotor core according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is an explanatory diagram showing the difference in magnetization magnetic flux between a conventional structure and the present invention.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view of a rotor core illustrating the difference in leakage flux during driving between a conventional structure and the present invention.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a rotor core showing the flow of magnetizing magnetic flux according to the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram of two separate core sheets according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an overall perspective view of a rotor core according to a second embodiment of the present invention.
  • 10A and 10B are an overall perspective view and a partially enlarged view of a rotor core according to a third embodiment of the present invention;
  • FIG. 10 is a diagram of two separate core sheets according to a fourth embodiment of the present invention.
  • 10A and 10B are a cross-sectional view and a partially enlarged view of a rotor and a rotor frame according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram of two separate core sheets according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an overall perspective view of a rotor core according to a second embodiment of the present invention.
  • 10A and 10B
  • FIG. 10 is a diagram showing the configuration of an in-wheel motor equipped with a rotating electric machine according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a partial cross-sectional view showing the configuration of an in-wheel motor equipped with a rotating electric machine according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing the configuration of an electric motorcycle employing an in-wheel motor according to a seventh embodiment of the present invention.
  • the radial direction is a linear direction perpendicular to the rotation axis C (FIG. 2) of the rotor 10, and is a radial direction centered on the rotation axis C.
  • the circumferential direction is a circumferential direction centered on the rotation axis C, and is a direction of rotation around the rotation axis C.
  • the axial direction is a linear direction parallel to the rotation axis C. Furthermore, the inner peripheral side and the outer peripheral side are closer to the rotation axis C, and the outer peripheral side is farther from it.
  • Figure 1 shows a cross section perpendicular to the rotation axis C.
  • the rotating electric machine 1 comprises a stator 20 and a rotor 10 rotatably supported by the stator 20 and positioned on the outer periphery of the stator 20.
  • a gap 2 which is a gap having a predetermined distance, is formed between the stator 20 and the rotor 10, so that the stator 20 and the rotor 10 face each other and do not come into contact with each other.
  • the rotating electric machine 1 can be applied to either an inner rotor type in which the rotor 10 is rotatably supported on the inner periphery of the stator 20, or an outer rotor type in which the rotor 10 is rotatably supported on the outer periphery of the stator 20.
  • the stator 20 has the same rotational axis C as the rotor 10, and includes a stator core 21 formed by stacking multiple split core sheets 30a, and a coil (not shown).
  • the stator 20 has coils of three different phases, for example, U-phase, V-phase, and W-phase, arranged to generate a rotating magnetic field in the gap 2. Furthermore, the phases of the input current fundamental wave components of the coils of each phase in the stator 20 differ by 120° from each other, which generates a rotating magnetic field in the gap 2 and enables the rotor 10 to rotate.
  • the rotor 10 has a rotor core 11 and magnets inserted into magnet slots 13 formed in the rotor core 11.
  • the rotor core 11 is formed by stacking multiple divided core sheets 30a in the axial direction.
  • the rotor core 11 may be made of an integrally molded solid member, or may be made of a powder magnetic material such as a dust core that has been compression molded, or may be made of an amorphous metal or nanocrystalline material.
  • the axis passing through the center of each magnetic pole of the rotor 10 is the d-axis
  • the axis passing through the boundary of each magnetic pole of the rotor 10 is the q-axis. Note that if the rotor 10 is skewed, the d-axis and q-axis are defined for each magnetic pole central axis direction.
  • the slots 13 are holes provided in the rotor core 11 for inserting the main pole magnets 14 and spoke magnets 15, which are permanent magnets.
  • the slots 13 have main pole magnet slots 13a into which the main pole magnets 14 on the d-axis are inserted, and spoke magnet slots 13b into which the spoke magnets 15 on the q-axis are inserted.
  • the main pole magnets 14 and spoke magnets 15 are arranged alternately along the circumferential direction.
  • the magnetization direction (magnetization direction) of the main pole magnets 14 is radial.
  • the magnetization direction of the spoke magnets 15 is circumferential.
  • the main pole magnets 14 and spoke magnets 15 are arranged in a Halbach array.
  • magnetic flux entering from the south pole passes through the main pole magnet 14, then the back yoke 12, the spoke magnets 15, the north pole back yoke 12, and the north pole main pole magnet 14 in that order (see Figure 7).
  • the d-axis core 16 is located on the rotor core 11, closer to the radial gap 2 than the main pole magnet 14.
  • the d-axis core 16 concentrates the magnetic flux of the main pole magnet 14 and spoke magnets 15, increasing the magnetic flux density in the gap 2. This increases the torque density of the rotating electric machine 1.
  • the split core sheet 30a has an inter-magnet bridge 17 between each main pole magnet slot 13a and spoke magnet slot 13b.
  • the inter-magnet bridge 17 is a path for torque-induced magnetic flux passing through both the main pole magnet 14 and spoke magnets 15, and is also a path for magnetizing magnetic flux to magnetize the spoke magnets 15, but it is also a path for leakage magnetic flux that short-circuits the magnetic flux of the magnets inserted into the slots.
  • the inter-magnet bridge 17 generates large stress due to the centrifugal force and electromagnetic force load acting on the rotor 10. Therefore, it is desirable to make the circumferential width of the inter-magnet bridge 17 as small as possible while ensuring the reliability of the split core sheet 30a, taking into account the balance between the magnetic properties related to torque and magnetization and mechanical strength.
  • the divided core sheet 30a includes a rotor back yoke 12 that forms a path for guiding the magnetic flux of the main pole magnet 14 (Figure 2) to the adjacent spoke magnet 15 ( Figure 2).
  • the back yoke 12 is provided on the radially opposite side of the rotor core 11 from the side where the gap 2 ( Figure 1) is provided.
  • Circumferentially adjacent divided core sheets 30a have a back yoke gap 31 between each back yoke 12 on the back yoke 12 side.
  • the back yoke gap 31 is formed in the spoke magnet slot 13b.
  • the circumferential width of the back yoke gap 31 may be approximately half the circumferential width of the spoke magnet 15.
  • the back yoke gap 31 does not need to be air, and may be filled with a non-magnetic material.
  • Each divided core sheet 30a has one pole, i.e., one main pole magnet slot 13a and one d-axis core 16.
  • the split core 11a is a rotor core 11 for one pole, in which split core sheets 30a (FIG. 3) are laminated.
  • the back yoke air gaps 31 are provided circumferentially, one for each pole, and are provided continuously in the axial direction. Note that it is sufficient that the back yoke air gap 31 is provided in at least one location circumferentially in each spoke magnet slot 13b.
  • FIG. 5(a) is a partial cross-sectional view of the rotor core 11 showing the magnetizing magnetic flux in a conventional structure
  • FIG. 5(b) is a partial cross-sectional view of the rotor core 11 showing the magnetizing magnetic flux in the structure of the present invention.
  • the main pole magnet 14 and spoke magnets 15 are inserted into the main pole magnet slots 13a and spoke magnet slots 13b in a rotor core 11 formed by an assembly of multiple rotor core sheets 30.
  • the conventional structure in common with the configuration of the present invention, does not have a bridge formed on the gap side of the rotor core 11, but instead has gap-side claws 19 formed by excluding part of the gap-side bridge. This structure retains the spoke magnets 15 while reducing leakage magnetic flux that short-circuits the magnetic flux of the permanent magnet through the gaps between the gap-side claws 19.
  • the gap-side claw portion 19 is able to reduce leakage magnetic flux that short-circuits the magnetic flux of the spoke magnet 15, but it is also a part where large stress occurs due to the centrifugal force and electromagnetic force load acting on the spoke magnet 15. Therefore, it is desirable to form it with consideration for the balance between magnetic properties such as torque and mechanical strength.
  • the back yoke 12 is formed on the outer periphery of the main pole magnet slot 13a and the spoke magnet slot 13b. In this way, the integrally formed back yoke 12 has low magnetic resistance. Therefore, as shown in Figure 5(a), after inserting the unmagnetized spoke magnet 15 into the spoke magnet slot 13b, when a magnetizer (not shown) is brought close to the rotor 10 from the gap 2 side and a magnetizing current is passed through to generate magnetic flux, part of the magnetic flux can be magnetized by passing through the spoke magnet 15 circumferentially as magnetizing flux 40 as desired, but leakage magnetic flux 41 is also generated.
  • the leakage magnetic flux 41 passes through the inter-magnet bridge 17 and back yoke 12 that make up the spoke magnet slot 13b, and follows a path that does not penetrate the spoke magnet 15.
  • the magnetization rate of the spoke magnet 15 may deteriorate, or it may not be possible to magnetize it at all.
  • more magnetizing current is required to compensate for the leaked magnetic flux, which increases the amount of power consumed by the magnetizer, increasing the amount of heat generated by the magnetizer and increasing the cooling time for the magnetizer. This increases the tact time of the rotating electric machine 1, raising concerns that productivity may decline.
  • the rotor core 11 is formed from multiple divided core sheets 30a that are adjacent to each other in the circumferential direction and arranged at a predetermined interval, and a back yoke gap 31, which is a predetermined gap, is provided in at least one of the multiple spoke magnet slots 13b formed in the circumferential direction of the rotor core 11.
  • the magnetic resistance of the back yoke gap 31 is the magnetic resistance of air. Therefore, it is greater than the magnetic resistance of the back yoke 12, and the magnetic resistance of the entire axial direction of the rotor core 11 is also higher than in the conventional structure.
  • leakage magnetic flux 41 as shown in Figure 5(a) does not occur.
  • the back yoke 12 is located in part of the circumferential direction of the rotor core 11, magnetic saturation occurs with a small amount of leakage magnetic flux 41, so leakage magnetic flux 41 is reduced compared to the conventional structure.
  • This configuration improves the magnetization rate of the spoke magnets 15 and improves post-magnetization. Furthermore, because the magnetization current can be reduced compared to conventional structures, the amount of power consumed by the magnetizer can be reduced, reducing the environmental impact due to energy consumption. Furthermore, because the amount of heat generated by the magnetizer can be reduced, the cooling time of the magnetizer can be shortened, and the tact time of the rotating electric machine 1 can be reduced, thereby improving productivity. Specifically, the magnetization rate with the configuration of the present invention is improved by several percent or more compared to conventional structures, and the magnetizing current can be reduced by several percent.
  • the cooling time can also be reduced by several tens of percent compared to conventional structures. If the cooling time of the magnetizer is considered to be the rate-limiting factor in the production process, the present invention improves productivity (the number of rotating electric machines 1 that can be produced per unit time) by several tens of percent compared to conventional structures.
  • the stator core 21 forming the stator 20 has a circular stator back yoke 22, a plurality of teeth 24 connected to the stator back yoke 22 and provided on the radial side of the gap 2, and coil slots 23 provided between the plurality of teeth 24.
  • the stator core 21 may be constructed from a single, integrally molded solid member, or may be constructed from a compressed magnetic powder such as a dust core, or may be constructed from an amorphous metal or nanocrystalline material.
  • the coils (not shown) are inserted into the coil slots 23 of the stator 20 and wound around the teeth 24 and coil slots 23, generating a magnetic field by passing a coil current 43 through them.
  • the coils include an in-slot coil inserted into the coil slots 23, coil ends that span between coil slots 23 in different positions, and lead wires that input current from an external circuit to connect the coils in different positions.
  • the coils be arranged in fractional slot concentrated winding for fractional slots where the number of slots per pole per phase is a fraction.
  • the number of slots per pole per phase is a fraction, which is the number of coil slots 23 in the stator 20 divided by the number of coil phases and the number of poles in the rotor 10.
  • coils inserted into the coil slots 23 of the stator 20 are inserted so that coils of the same phase straddle at least two or more consecutive adjacent coil slots 23, thereby creating a rotating magnetic field.
  • the position (phase) of the stator tooth 24 that faces a certain pole of the rotor 10 is different from the position (phase) of the tooth 24 that faces the adjacent pole.
  • the distribution of magnetic flux from one north pole to the adjacent south pole is different from the distribution of magnetic flux from that south pole to the adjacent north pole.
  • fractional slot concentrated winding when multiple coils of the same phase that continuously straddle adjacent coil slots 23 are considered as one coil group, magnetic flux is generated between two adjacent coil groups due to the current flowing through these two coil groups.
  • leakage magnetic flux 42 that straddles multiple poles flows through the rotor back yoke 12. This leakage magnetic flux 42 is different from the magnetic flux that contributes to torque; it generates torque pulsation and increases iron loss in the back yoke 12.
  • the magnetic resistance of the back yoke gap 31 is increased, increasing the effective magnetic resistance in the entire axial direction. This makes it possible to reduce the leakage magnetic flux 42 that flows through the back yoke 12 across multiple poles without reducing the basic performance of the rotating electric machine 1, such as torque and output.
  • the present invention can reduce iron loss by several percent to 20% compared to conventional methods, thereby improving efficiency by several tenths of a percent to several percent compared to conventional methods.
  • the split core sheet 30a may have two or more poles integrally.
  • the split core sheet 30a has a configuration for two poles, including two main pole magnet slots 13a, two d-axis cores 16, and one first spoke magnet slot 15a.
  • the split core sheet 30a may also have three or more poles, for example, three main pole magnet slots 13a, three d-axis cores 16, and two first spoke magnet slots 15a.
  • Split core sheets 30a each having a different number of poles may also be arranged circumferentially.
  • the rotor core 11 may also be configured as a collection of split cores or an integrated core by stacking split core sheets 30a each having two or more poles integrally in the axial direction.
  • the spoke magnet slot 13b has a first spoke magnet slot 15a located on the side opposite the gap 2 where the back yoke 12 is formed, integrating two circumferentially adjacent divided core sheets 30a, and a second spoke magnet slot 15b located on the side opposite the gap 2 where the back yoke gap 31 is formed.
  • the opening 19a is located where at least one of the first spoke magnet slot 15a and second spoke magnet slot 15b is located, and is formed in a position facing the stator 20 ( Figure 6).
  • the rotor core 11 may be configured by stacking multiple divided core sheets 30a in the axial direction, with the axial positions of the second spoke magnet slots 15b aligned at least in two locations in the circumferential direction.
  • a single rotor core 11 may be formed by stacking multiple divided core sheets 30a in the axial direction and overlapping at least one first spoke magnet slot 15a and at least one second spoke magnet slot 15b in the axial direction.
  • back yoke gaps 31 are provided every other pole in the circumferential direction, with one gap formed for each pole pair consisting of two poles.
  • the back yoke gaps 31 are also formed continuously in the axial direction.
  • gap-side claw portions 19 are formed on the gap 2 side of the second spoke magnet slot 15b, and openings 19a are formed on the gap 2 side between adjacent divided core sheets 30a.
  • Enlarged view B is a diagram showing in detail the configuration in which multiple divided core sheets 30a are stacked in the axial direction with a one-pole offset from each other in the rotor core 11.
  • the multiple divided core sheets 30a are stacked in the axial direction while shifting the circumferential pole positions of each phase by one pole in the circumferential direction, and are then rotated to form an integrated rotor core 11.
  • the first spoke magnet slots 15a and the second spoke magnet slots 15b are arranged alternately in the axial direction.
  • back yokes 12 are provided in odd-numbered layers from the bottom in the axial direction, and back yoke gaps 31 are provided in even-numbered layers.
  • back yokes 12 are provided in even-numbered layers, and back yoke gaps 31 are provided in odd-numbered layers.
  • the extent to which the magnetic resistance of the back yoke 12 increases depends on the ratio of the back yoke air gap 31 to the back yoke 12, but for example, in the configuration shown in Figure 10, the back yoke 12 that forms the spoke magnet slots becomes magnetically saturated (magnetic resistance is approximately twice as high) with half the amount of magnetic flux compared to conventional structures.
  • the rotor 10 is an integrated rotor core 11, the number of parts can be reduced compared to when it is divided into split cores 11a ( Figures 4 and 9), and productivity can be improved.
  • the circumferential width of the back yoke air gap 31 may be equal to or greater than the circumferential width of the spoke magnets 15.
  • the convex portions 12a protrude from the back yoke 12 with the back yoke air gap 31 between them, but in the embodiment of Fig. 11, these convex portions 12a are not provided. This makes it possible to further increase the magnetic resistance of the back yoke air gap 31, contributing to a reduction in leakage magnetic flux 41 (Fig. 5) and an improvement in the magnetization rate.
  • FIG. 12 Fifth Embodiment ( Figure 12) Enlarged view C shows the detailed configuration of the rotor frame 50 and the ring-shaped spring 60.
  • the ring-shaped spring 60 has a ring-shaped spring protrusion 61.
  • the rotor core 11 is fixed by the ring-shaped spring 60, the ring-shaped spring protrusion 61, and the rotor frame 50, which is made of a non-magnetic material. This allows the rotor 10 to be connected to a load via the ring-shaped spring 60 and the rotor frame 50, enabling the rotation and torque of the rotor 10 to be efficiently transmitted to the load.
  • the ring-shaped spring 60 has predetermined spring characteristics and may be a spring molded into a ring shape or a spring bent into an approximately C-shape.
  • the ring-shaped spring 60 is inserted into the gap between the rotor 10 and the rotor frame 50 and is compressed and deformed by the rotor 10 and the rotor frame 50, generating static friction forces at the contact points between the rotor 10 and the ring-shaped spring 60 and at the contact points between the rotor frame 50 and the ring-shaped spring 60. This integrates the rotor 10 and the rotor frame 50.
  • the circumferential position of the ring-shaped spring protrusion 61 is not limited, as long as it is in a position that makes contact with the back yoke 12 on the d-axis of the rotor 10.
  • a core-frame gap 62 which is a predetermined gap, can be formed between the rotor core 11 and the rotor frame 50.
  • the circumferential position of the core-frame gap 62 and the circumferential position of the back yoke gap 31 coincide in at least one location.
  • the refrigerant can enter the core-frame gap 62, the cooling performance of the rotating electric machine 1 is improved.
  • the refrigerant that has entered the core-frame gap 62 can further enter the back yoke gap 31 of the rotor 10, thereby directly cooling the spoke magnets 15, which are prone to heat generation due to the high susceptibility to harmonic magnetic flux flowing into them near the gap 2, and suppressing temperature increases. This also prevents torque reduction due to a decrease in residual magnetic flux density caused by magnet heat generation, as well as the possibility of irreversible demagnetization of the magnets.
  • the back yoke 12 and back yoke gaps 31 are arranged alternately in the axial direction, allowing the back yoke 12 to function as cooling fins. This increases the heat dissipation area, suppressing temperature increases in the spoke magnets 15, which tend to generate heat, and preventing torque reduction due to a decrease in residual magnetic flux density and irreversible demagnetization of the magnets.
  • the in-wheel motor 70 includes a rotor frame 50 and a stator frame (not shown) that secures the stator 20.
  • the in-wheel motor 70 has a high power density configuration due to the rotor 10 being configured with a Halbach magnet arrangement that combines the main pole magnet 14 and spoke magnets 15, as described above.
  • the in-wheel motor 70 achieves good post-magnetization of the inserted permanent magnets, shortening the takt time of the rotor 10 manufacturing process and reducing the power required for magnetization.
  • the in-wheel motor 70 is lighter and uses less material than conventional in-wheel motors with the same power output. Therefore, an in-wheel motor 70 that can achieve high power output with less power can be provided at low cost.
  • iron loss generated in the back yoke 12 described above can be reduced, allowing for highly efficient driving.
  • An in-wheel motor 70 having a rotor 10 of a rotating electric machine may be mounted on both the front and rear wheels of an electric motorcycle 80, which is a two-wheeled vehicle, or on only the front or rear wheel.
  • the in-wheel motor 70 of the present invention can also be applied to, for example, four-wheeled vehicles and compact mobility vehicles. This makes it possible to provide an electric motorcycle 80 that achieves high power density, low-cost production, reduced iron loss, and highly efficient drive, thereby contributing to reduced power consumption, reduced environmental impact, and improved cruising range.
  • the rotor 10 comprises a magnet, a rotor core 11 into which the magnet is inserted, and a rotor frame 50 that fixes the rotor core 11, the magnet including a main pole magnet 14 whose magnetization direction faces radially and a spoke magnet 15 whose magnetization direction faces circumferentially, the rotor core 11 being formed by assembling a plurality of rotor core sheets 30, the rotor core sheet 30 comprising a main pole magnet slot 13a into which the main pole magnet 14 is inserted, a spoke magnet slot 13b into which the spoke magnet 15 is inserted, and a back yoke 12 formed on the outer periphery of the main pole magnet slot 13a and the spoke magnet slot 13b, the rotor core sheet 30 has a plurality of divided core sheets 30a that are adjacent to each other in the circumferential direction and arranged at a predetermined interval, the back yoke 12 has a back yoke air gap 31 that is a first air gap
  • the spoke magnet slot 13b has a first spoke magnet slot 15a provided at a position where the back yoke 12 is formed, integrating two circumferentially adjacent divided core sheets 30a, and a second spoke magnet slot 15b provided at a position where the back yoke gap 31 is formed. This allows for the application of a configuration in which two divided core sheets 30a are connected, contributing to improved productivity of the rotor 10 of the rotating electric machine 1.
  • the rotor core 11 is formed by stacking multiple divided core sheets 30a in the axial direction. This makes it possible to provide a rotor core 11 that achieves improved post-deposition magnetism, reduced iron loss, and improved motor efficiency.
  • the rotor core 11 is formed by stacking multiple divided core sheets on top of each other in the axial direction. This reduces leakage flux compared to conventional methods, while providing a rotor 10 for an integrated rotating electric machine 1.
  • the rotor core 11 has an opening 19a facing the stator 20 at the position where at least one of the first spoke magnet slot 15a and the second spoke magnet slot 15b is provided. This reduces leakage magnetic flux and improves the magnetization rate.
  • the circumferential width of the back yoke gap 31 is equal to or greater than the circumferential width of the spoke magnets 15. This further reduces leakage magnetic flux and improves the magnetization rate.
  • the rotor core 11 is fixed to the rotor frame 50 by a ring-shaped spring 60 that has predetermined spring characteristics and is integrally molded in a ring shape or C-shape, and a second gap 62 is provided between the rotor core 11 and the rotor frame 50. This allows refrigerant to enter the second gap 62, improving the cooling performance of the rotating electric machine 1.
  • the rotor frame 50 is made of a non-magnetic material. This allows the rotation and torque of the rotor 10 to be efficiently transmitted to the load.
  • the rotating electric machine includes a rotor 10 having the configuration of the present invention and a stator 20 that faces the rotor 10 of the rotating electric machine 1 across a predetermined gap 2. This configuration generates a rotating magnetic field in the rotor 10 of the rotating electric machine 1.
  • the stator 20 has coil slots 23 into which coils are inserted.
  • the coil slots 23 are fractional slots, so that the number of slots per pole per phase is a fraction, and coils of the same phase are inserted into coil slots 23 across at least two adjacent coil slots. In this way, the configuration of the present invention can be realized.
  • An in-wheel motor 70 is employed that includes a rotating electric machine 1 having the configuration of the present invention, a rotor frame 50, and a stator frame that secures the stator. This makes it possible to provide an in-wheel motor 70 that is low in power, high in output, and low in cost.
  • a vehicle equipped with a rotor 10 of a rotating electric machine 1 having the configuration of the present invention and an in-wheel motor 70 is employed.
  • the present invention can be applied to vehicles such as an electric motorcycle 80, for example.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and other configurations can be combined without departing from the spirit of the invention. Furthermore, the present invention is not limited to those that include all of the configurations described in the above embodiments, and also includes those in which some of the configurations are omitted.

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Abstract

磁石と、前記磁石が挿入される回転子コアと、前記回転子コアを固定する回転子フレームと、を備え、前記磁石は、着磁方向が径方向を向く主極磁石と、前記着磁方向が周方向を向くスポーク磁石と、を含み、前記回転子コアは、複数の回転子コアシートが集合されて形成され、前記回転子コアシートは、前記主極磁石が挿入される主極磁石スロットと、前記スポーク磁石が挿入されるスポーク磁石スロットと、前記主極磁石スロットおよび前記スポーク磁石スロットの外周側に形成されるバックヨークと、を備える回転電機の回転子において、前記回転子コアシートは、前記周方向に隣り合い、かつ所定の間隔を設けてそれぞれ配置されている複数の分割コアシートを有し、前記バックヨークは、前記スポーク磁石スロットが形成される位置に設けられる第１空隙であるバックヨーク空隙を有し、前記バックヨーク空隙は、前記回転子コアにおいて少なくとも１か所形成されている。

Description

回転電機の回転子、回転電機、インホイールモータ、車両
　本発明は、回転電機の回転子、回転電機、インホイールモータ、車両に関する。
　車両において、駆動系をホイールに集約するインホイールモータの小型・軽量ニーズが高まっている。これに伴い、インホイールモータのトルク密度の向上と、インホイールモータ内に搭載される回転電機の軽量化および高トルク化が求められている。
　回転電機の軽量化をする方法として、例えば、回転電機の極数を増やし、固定子および回転子を径方向に薄肉化する方法が知られている。また、回転電機を高トルク化する方法として、回転子コアに永久磁石を埋め込む方法が知られており、例えば下記の特許文献１には、主面が回転電機の径方向に対向する主極磁石と、主面が回転電機の周方向に対向するスポーク磁石と、によって磁石が構成され、主極磁石およびスポーク磁石の反ギャップ面側において周方向につながったバックヨークが形成されている構成が開示されている。
国際公開第２０２３／２８６６０６号
　特許文献１に記載の磁石の配置では、スポーク磁石に対して反ギャップ面側のバックヨークは、トルク発生には不必要な磁束の通り道であり、スポーク磁石のＳ極とＮ極とを短絡して漏れ磁束が流れる磁気回路を形成する。これにより、回転子の磁石の着磁の際に、着磁磁束がこのバックヨークから漏れるため、スポーク磁石が十分に着磁されることを阻害する課題が生じ、漏れ磁束による鉄損の増加と、これに伴うモータの効率が低下する可能性がある。
　磁石と、前記磁石が挿入される回転子コアと、前記回転子コアを固定する回転子フレームと、を備え、前記磁石は、着磁方向が径方向を向く主極磁石と、前記着磁方向が周方向を向くスポーク磁石と、を含み、前記回転子コアは、複数の回転子コアシートが集合されて形成され、前記回転子コアシートは、前記主極磁石が挿入される主極磁石スロットと、前記スポーク磁石が挿入されるスポーク磁石スロットと、前記主極磁石スロットおよび前記スポーク磁石スロットの外周側に形成されるバックヨークと、を備える回転電機の回転子において、前記回転子コアシートは、前記周方向に隣り合い、かつ所定の間隔を設けてそれぞれ配置されている複数の分割コアシートを有し、前記バックヨークは、前記スポーク磁石スロットが形成される位置に設けられる第１空隙であるバックヨーク空隙を有し、前記バックヨーク空隙は、前記回転子コアにおいて少なくとも１か所形成されている。
　本発明によれば、後着磁性の向上、低鉄損化、モータ効率の向上を実現した回転電機の回転子、回転電機、インホイールモータ、車両を提供することができる。
本発明の第１実施形態に係る、回転電機の断面図。 本発明の第１実施形態に係る、回転電機の回転子の断面図。 本発明の第１実施形態に係る、分割コアシートの図。 本発明の第１実施形態に係る、回転子コアの斜視図と部分拡大図。 従来構造と本発明において、着磁磁束の違いを表す説明図。 従来構造と本発明の駆動時の漏れ磁束の違いを表す回転子コアの部分断面図。 本発明の着磁磁束の流れを示す回転子コアの部分断面図。 本発明の第２実施形態に係る、２つの分割コアシートの図。 本発明の第２実施形態に係る、回転子コアの全体斜視図。 本発明の第３実施形態に係る、回転子コアの全体斜視図と部分拡大図。 本発明の第４実施形態に係る、２つの分割コアシートの図。 本発明の第５実施形態に係る、回転子および回転子フレームの断面図と部分拡大図。 本発明の第６実施形態に係る、回転電機を搭載したインホイールモータの構成を示す図。 本発明の第６実施形態に係る、回転電機を搭載したインホイールモータの構成を示す部分断面図。 本発明の第７実施形態に係る、インホイールモータを採用した電動バイクの構成を示す概略図。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
　図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
（第１実施形態および全体構成）
（図１～図３）
　本発明に係る回転電機１の回転子１０の構成の説明において、径方向は、回転子１０の回転軸心Ｃ（図２）と垂直に交わる直線方向であり、回転軸心Ｃを中心とする放射方向である。周方向は、回転軸心Ｃを中心とする周方向であり、回転軸心Ｃまわりの回転方向である。軸方向は、回転軸心Ｃに沿って平行な直線方向である。また、内周側および外周側は、回転軸心Ｃに対して距離の近い側が内周側、遠い側が外周側である。
　図１は、回転軸心Ｃに対して垂直な断面である。回転電機１は、固定子２０と、固定子２０に回転可能に支持され、固定子２０の外周側に配置されている回転子１０と、を備えている。固定子２０と回転子１０との間には、所定の距離を有する隙間であるギャップ２が形成され、固定子２０と回転子１０が互いに対向して接触しない構成である。
　なお、本発明に係る回転電機１は、回転子１０が固定子２０の内周側に回転可能に支持されるインナーロータ型、回転子１０が固定子２０の外周側に回転可能に支持されるアウターロータ型のいずれにも適用可能である。
　固定子２０は、回転子１０と同一の回転軸心Ｃを有し、分割コアシート３０ａを複数枚積層して形成される固定子コア２１とコイル（不図示）とを有する。固定子２０は、ギャップ２に回転磁界を発生させるために、例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つの相の異なるコイルが配置されている。また固定子２０における各相のコイル同士は、入力される電流基本波成分の位相が互いに１２０°ずつ異なっており、これによりギャップ２に回転磁界が発生して、回転子１０を回転可能にしている。
　回転子１０には、回転子１０と回転中心が同じであるシャフト（不図示）または回転子フレーム５０（図１２）が固定されている。これにより、回転子１０はシャフトや回転子フレーム５０等の構造部材を介して負荷と接続され、回転子１０が回転することで負荷に対して回転とトルクを伝達できる。なお、回転子フレーム５０は、回転子１０から回転子フレーム５０に対して磁束が漏れないように、非磁性材で構成されることが望ましい。
　回転子１０は、回転子コア１１と、回転子コア１１に形成された磁石スロット１３に挿入される磁石と、を有する。回転子コア１１は、複数の分割コアシート３０ａが軸方向に積層されて形成されている。なお、回転子コア１１は、一体成形されたソリッド部材で構成されていてもよく、また、圧粉磁心などの粉末磁性体を圧縮成型で構成されていてもよいし、アモルファス金属やナノ結晶材で構成されていてもよい。
　図３に示すように、回転子１０の各磁極中心を通る軸をｄ軸、回転子１０の各磁極境界を通る軸をｑ軸とする。なお、回転子１０がスキューされる場合は、それぞれの磁極中心軸方向ごとにｄ軸及びｑ軸が定義される。
　スロット１３は、回転子コア１１に設けられた空孔であり、永久磁石である主極磁石１４とスポーク磁石１５を挿入するための空孔である。スロット１３は、ｄ軸上の主極磁石１４が挿入される主極磁石スロット１３ａと、ｑ軸上のスポーク磁石１５が挿入されるスポーク磁石スロット１３ｂと、を有する。主極磁石１４とスポーク磁石１５は、周方向に沿って交互に並んだ配置である。主極磁石１４は、磁化方向（着磁方向）が径方向である。また、スポーク磁石１５は、磁化方向が周方向である。
　なお、主極磁石１４とスポーク磁石１５との配列構成は、ハルバッハ配列であり、このような構成の回転子１０では、例えばＳ極から入った磁束が、主極磁石１４を通った後に、バックヨーク１２、スポーク磁石１５、Ｎ極側のバックヨーク１２、Ｎ極側の主極磁石１４を順に通過する（図７参照）。
　ｄ軸コア１６は、回転子コア１１において、主極磁石１４よりも径方向ギャップ２側に設けられている。ｄ軸コア１６は、主極磁石１４とスポーク磁石１５の磁束を集中させ、ギャップ２における磁束密度を高める。これにより、回転電機１のトルク密度を高めることができる。
　分割コアシート３０ａは、それぞれ主極磁石スロット１３ａとスポーク磁石スロット１３ｂとの間において、磁石間ブリッジ１７を有している。磁石間ブリッジ１７は、主極磁石１４とスポーク磁石１５の両方を通りトルクに起因する磁束が通る経路であり、スポーク磁石１５を着磁するための着磁磁束の通る経路であるが、スロットに挿入される磁石の磁束を短絡させる漏洩磁束の経路でもある。また、磁石間ブリッジ１７は、回転子１０に働く遠心力や電磁力の荷重によって大きな応力が発生する。そのため、磁石間ブリッジ１７の周方向の幅は、トルクや着磁性に関する磁気特性と機械強度とのバランスを考慮して、分割コアシート３０ａの信頼性を確保しつつ、できるだけ小さく形成されることが望ましい。
　図３では、３つの分割コアシート３０ａが周方向に並んでいるが、分割コアシート３０ａのギャップ側爪部１９側が固定子２０（図１）との対抗面である。ギャップ側爪部１９同士の間には、開口部１９ａが形成されている。このような構成により、漏れ磁束が低減し、着磁率が向上する。
　分割コアシート３０ａは、主極磁石１４（図２）の磁束を隣接するスポーク磁石１５（図２）に誘導する経路を形成する回転子バックヨーク１２、を備える。バックヨーク１２は、回転子コア１１においてギャップ２（図１）が設けられている側とは径方向反対側に設けられている。周方向に隣接する分割コアシート３０ａは、バックヨーク１２側において、それぞれのバックヨーク１２同士の間にバックヨーク空隙３１を設けている。バックヨーク空隙３１は、スポーク磁石スロット１３ｂにおいて形成されている。バックヨーク空隙３１の周方向の幅は、スポーク磁石１５の周方向幅の半分程度の寸法でもよい。なお、バックヨーク空隙３１は空気である必要はなく、非磁性の材料を設けてもよい。
　複数の分割コアシート３０ａは、軸方向に積層されて回転子コア１１（回転子１０）を形成している。分割コアシート３０ａは、１極分、すなわち１つの主極磁石スロット１３ａと１つのｄ軸コア１６とを備えている。
（図４）
　分割コア１１ａは、分割コアシート３０ａ（図３）が積層された１極分の回転子コア１１である。バックヨーク空隙３１は、周方向において１極につき１つずつ設けられ、軸方向に連続して設けられている。なお、バックヨーク空隙３１は、各スポーク磁石スロット１３ｂにおいて、少なくとも周方向に１か所に設けられていればよい。
（図５）
　図５（ａ）は従来構造における着磁磁束を表す回転子コア１１の部分断面図、図５（ｂ）は本発明の構造における着磁磁束を表す回転子コア１１の部分断面図である。
　従来構造では、主極磁石１４とスポーク磁石１５は、複数の回転子コアシート３０の集合によって形成される回転子コア１１において、主極磁石スロット１３ａおよびスポーク磁石スロット１３ｂに挿入されている。従来構造は本発明の構成と共通して、回転子コア１１のギャップ側にはブリッジが形成される代わりに、ギャップ側ブリッジの一部を除いて形成されるギャップ側爪部１９を形成している。このような構造は、スポーク磁石１５を保持したまま、ギャップ側爪部１９間の空隙によって、永久磁石の磁束を短絡させる漏洩磁束を低減している。
　ギャップ側爪部１９は、スポーク磁石１５の磁束を短絡させる漏洩磁束を低減できているが、スポーク磁石１５にはたらく遠心力や電磁力の荷重によって大きな応力が発生する部分でもあるため、トルクなどの磁気特性と機械強度とのバランスを考慮して形成されることが望ましい。
　従来構造では、主極磁石スロット１３ａおよびスポーク磁石スロット１３ｂの外周側にバックヨーク１２が形成されている。このように、一体に形成されたバックヨーク１２は磁気抵抗が低い。そのため、図５（ａ）に示すように、無着磁のスポーク磁石１５をスポーク磁石スロット１３ｂに挿入した後に、ギャップ２側から着磁器（不図示）を回転子１０に近接させ、着磁電流を流して磁束を発生させる際に、磁束の一部は所望通りに着磁磁束４０としてスポーク磁石１５を周方向に貫くことで着磁させることができるが、一方で漏れ磁束４１も発生する。
　漏れ磁束４１は、スポーク磁石スロット１３ｂを構成する磁石間ブリッジ１７とバックヨーク１２を通り、スポーク磁石１５を貫かない経路を通る。そのため、スポーク磁石１５の着磁率が悪化するか、もしくは着磁できない可能性がある。また、スポーク磁石１５が着磁できたとしても、漏れた磁束分を補うためにさらに多くの着磁電流が必要なため、着磁器の消費する電力量が増大することで着磁器の発熱量が増え、着磁器の冷却時間が増加してしまう。これにより、回転電機１のタクトタイムが増大し、生産性が悪化する懸念が生じる。
　一方で本発明の構成では、回転子コア１１は、周方向に隣り合い、かつ所定の間隔を設けてそれぞれ配置されている複数の分割コアシート３０ａによって形成されており、回転子コア１１の周方向に形成される複数のスポーク磁石スロット１３ｂの少なくとも１か所には、所定の空隙であるバックヨーク空隙３１が設けられている。バックヨーク空隙３１の磁気抵抗は、空気の磁気抵抗である。そのため、バックヨーク１２の磁気抵抗よりも大きく、回転子コア１１の軸方向全体の磁気抵抗も従来構造よりも高くなる。これにより、着磁磁束４０を発生させる際に、図５（ａ）に図示したような漏れ磁束４１が生じない。また、回転子コア１１の周方向の一部にバックヨーク１２があったとしても、少量の漏れ磁束４１で磁気飽和するため、従来構造と比較して漏れ磁束４１は減少する。
　このような構成により、スポーク磁石１５の着磁率が向上し、後着磁性が向上する。また、従来構造と比較して着磁電流を低減できるため、着磁器の消費する電力量を低減でき、エネルギー消費による環境負荷を低減することができる。さらに、着磁器の発熱量も低減できるため、着磁器の冷却時間は短縮され、回転電機１のタクトタイムが削減されることで、生産性が向上する。具体的に、本発明の構成による着磁率は、従来構造よりも数％以上改善し、着磁電流は数％低減できる。またこれにより、着磁器の発熱量は従来構造よりも１０数％低減するので、冷却時間も従来よりも１０数％短縮できる。着磁器の冷却時間が生産プロセスの律速になっているとすると、本発明により生産性（単位時間で生産できる回転電機１の数量）は従来よりも１０数％向上する。
（図６）
　固定子２０を形成する固定子コア２１は、円環状の固定子バックヨーク２２と、固定子バックヨーク２２と接続されかつ径方向のギャップ２側に複数設けられたティース２４と、複数のティース２４間にそれぞれ設けられたコイルスロット２３と、を有する。
　固定子コア２１は、一体成形されたソリッド部材で構成されていてもよく、また、圧粉磁心などの粉末磁性体を圧縮成型した構成でもよいし、アモルファス金属やナノ結晶材で構成されていてもよい。
　コイル（不図示）は、固定子２０が有するコイルスロット２３に挿入され、かつティース２４とコイルスロット２３を取り巻くように巻装されて、コイル電流４３を流通させることで、磁界を発生させている。コイルは、コイルスロット２３の中に挿入されたスロット内コイルと、位置が異なるコイルスロット２３間を渡るコイルエンドと、外部回路から電流を入力して位置が異なるコイルどうしを接続するための引出線と、を含む。
　なお、本発明は毎極毎相スロット数が分数となるような分数スロットに対して、コイルの配置が分数スロット集中巻であることが好ましい。なお、コイルが分数スロット集中巻されている固定子２０では、固定子２０のコイルスロット２３の数を、コイルの相数と回転子１０の極数とで除した数である毎極毎相スロット数が分数となる。この場合、固定子２０のコイルスロット２３に挿入されるコイルは、同相のコイルが隣接するコイルスロット２３を少なくとも２つ以上連続して跨いでコイルスロット２３に挿入されることで、回転磁界を構成する。
　分数スロット集中巻の固定子２０の場合、回転子１０のある極が対向している固定子ティース２４の位置（位相）と、その隣の極が対向するティース２４の位置（位相）とが異なる。言い換えると、あるＮ極から隣のＳ極に渡る磁束の分布と、そのＳ極からさらに隣のＮ極に渡る磁束の分布とは異なる。特に、分数スロット集中巻では、隣接するコイルスロット２３を連続して跨ぐ同相の複数のコイルを１つのコイル群とみなした時、隣接する２つのコイル群の間にも、これら２つのコイル群を流れる電流に起因する磁束が生じる。前述の従来構造では、極毎の磁束分布の非対称性に起因して、複数の極を跨ぐ漏れ磁束４２が回転子バックヨーク１２を流れるようになる。この漏れ磁束４２は、トルクに寄与する磁束とは異なり、トルクの脈動を生み、かつバックヨーク１２の鉄損を増大させる。
　また、従来構造におけるハルバッハ磁石配列は後着磁が困難であり、前着磁の磁石をスロットに挿入することで対応していたことで、着磁済の磁石はコアと強く引き合うため、磁石のスロットへの挿入作業が困難であったり、着磁済み磁石どうしが吸引反発することで取り扱いが困難であったり、磁石のスロットへの挿入作業時に磁石やコアが削れて生じる磁粉の除去が困難であった。
　本発明では、各スポーク磁石スロット１３ｂの少なくとも１か所にバックヨーク空隙３１を設けていることにより、バックヨーク空隙３１の磁気抵抗が高くなり、軸方向全体の実効的な磁気抵抗が大きくなる。よって、回転電機１の基本性能であるトルクや出力などを低下させることなく、複数の極を跨いでバックヨーク１２を流れる漏れ磁束４２を低減できる。
　また、漏れ磁束４２に起因して発生していたトルク脈動や、バックヨーク１２に発生していた鉄損を低減することができる。これにより、回転電機１の静粛性を向上することができ、回転電機１の効率を向上させることができる。また、後着磁できる構成を実現できる。具体的には、本発明により鉄損は従来よりも数％～２０数％低減でき、これにより、効率は従来よりも０．数％～数％程度向上する。
（図７）
　本発明の構成では、回転電機１の駆動時において、トルクの発生に寄与する磁束Φ１は、Ｓ極のｄ軸コア１６Ｓから順に、Ｓ極の主極磁石１４Ｓ、バックヨーク１２Ｓ、磁石間ブリッジ１７Ｓ１、スポーク磁石１５、磁石間ブリッジ１７Ｎ２、バックヨーク１２Ｎ、Ｎ極の主極磁石１４Ｎ、Ｎ極のｄ軸コア１６Ｎのように流れる。
（第２実施形態）
（図８、図９）
　分割コアシート３０ａは、２極以上を一体で備えていてもよい。図８では、分割コアシート３０ａは２極分の構成を有しており、２つの主極磁石スロット１３ａ、２つのｄ軸コア１６、１つの第１スポーク磁石スロット１５ａ、を備えている。また、分割コアシート３０ａは３極以上であってもよく、例えば、３つの主極磁石スロット１３ａ、３つのｄ軸コア１６、２つの第１スポーク磁石スロット１５ａ、を備えていていもよい。また、異なる極数をそれぞれ有する分割コアシート３０ａ同士を、周方向に互いに配置する構成であってもよい。また、回転子コア１１は、２極以上を一体で備えた分割コアシート３０ａを軸方向に積層させ、分割コアの集合あるいは一体コアとして構成してもよい。
　スポーク磁石スロット１３ｂは、ギャップ２側とは反対側に形成されかつ周方向に隣り合う２つ分割コアシート３０ａを、一体にするバックヨーク１２が形成されている位置に設けられている第１スポーク磁石スロット１５ａと、ギャップ２側とは反対側にバックヨーク空隙３１が形成される位置に設けられている第２スポーク磁石スロット１５ｂと、を有する。開口部１９ａは、第１スポーク磁石スロット１５ａおよび第２スポーク磁石スロット１５ｂの少なくとも一方が設けられる位置であって、固定子２０（図６）と対向する位置に形成されている。
　回転子コア１１は、複数の分割コアシート３０ａを軸方向に積層させ、周方向において少なくとも２か所において、第２スポーク磁石スロット１５ｂの軸方向位置を揃えている構成であってもよい。また、複数の分割コアシート３０ａを軸方向に積層させ、少なくとも１つの第１スポーク磁石スロット１５ａと、少なくとも１つの第２スポーク磁石スロット１５ｂを軸方向に重ねることで、一体の回転子コア１１としてもよい。
　図９に図示するように、回転子コア１１において、バックヨーク空隙３１は、周方向において１極飛ばしで設けられ、２つの極が組み合わさった１極対に１つ形成されている。また、バックヨーク空隙３１は軸方向には連続して形成されている。また、第２スポーク磁石スロット１５ｂのギャップ２側はギャップ側爪部１９が形成されており、隣り合う分割コアシート３０ａ同士の間には、ギャップ２側において開口部１９ａが形成されている。
　このような構成により、無着磁のスポーク磁石１５をスポーク磁石スロット１５ａ，１５ｂに挿入した後に着磁磁束を発生させても、スポーク磁石１５を貫かない漏れ磁束は発生しない。またこれにより、バックヨーク空隙３１の磁気抵抗は高いため、従来構造と比較して漏れ磁束は減少する。またこれにより、スポーク磁石１５の着磁率の向上、後着磁性の向上、着磁電流の低減、着磁器の消費する電力量の低減、エネルギー消費による環境負荷の低減、着磁器の発熱量の低減、着磁器の冷却時間の短縮、回転電機１のタクトタイムの削減、生産性の向上を実現できる。
（第３実施形態）
（図１０）
　拡大図Ｂは、回転子コア１１において複数の分割コアシート３０ａが互いに１極分ずれて軸方向に積層されている構成を詳細に示すための図である。複数の分割コアシート３０ａは軸方向に１相ごとに周方向の極の位置を１極分ずつ周方向にずらしながら積層させることで、互いに転積されて一体の回転子コア１１として形成されている。これにより、第１スポーク磁石スロット１５ａと第２スポーク磁石スロット１５ｂ（図８）が軸方向において、交互に配置されている。
　このような構成は、例えばあるスポーク磁石スロットを基準にすると、軸方向下から奇数番目の層にはバックヨーク１２が設けられ、偶数番目の層にはバックヨーク空隙３１が設けられているような構成である。または、偶数番目の層にはバックヨーク１２が設けられ、奇数番目の層にはバックヨーク空隙３１が設けられている構成である。
　これにより、着磁磁束を発生させる場合において、スポーク磁石スロット１３ｂを構成する磁石間ブリッジ１７とバックヨーク空隙３１を通るため、スポーク磁石１５を貫かない漏れ磁束４１は生じない。また、バックヨーク空隙３１の磁気抵抗は高いため、従来構造と比較して漏れ磁束４１が減少する。
　なお、バックヨーク１２の磁気抵抗がどのくらい大きくなるかはバックヨーク１２に対するバックヨーク空隙３１の比率によるが、例えば図１０のような構成では、スポーク磁石スロットを構成するバックヨーク１２は、従来構造と比較して半分の磁束量で磁気飽和（磁気抵抗が約２倍程度）する。このような構成を採用することで、前述と同様の効果を奏することができる。また、回転子１０は一体の回転子コア１１であることから、分割コア１１ａ（図４、図９）に分けている場合と比べて、部品点数を削減でき、生産性を向上させることができる。
（第４実施形態）
（図１１）
　バックヨーク空隙３１の周方向幅は、スポーク磁石１５の周方向幅と等しいか、それ以上の幅であってもよい。図８は、バックヨーク空隙３１を間にして、凸部１２ａがバックヨーク１２から互いに突出しているが、図１１の実施形態では、この凸部１２ａが設けられていない状態である。これにより、バックヨーク空隙３１の磁気抵抗をさらに大きくすることができ、漏れ磁束４１（図５）の減少に貢献し、着磁率の向上に貢献する。
（第５実施形態）
（図１２）
　拡大図Ｃは、回転子フレーム５０とリング状バネ６０との構成を詳細に図示した図である。リング状バネ６０は、リング状バネ凸部６１を有する。回転子コア１１は、リング状バネ６０およびリング状バネ凸部６１と、非磁性体である回転子フレーム５０と、によって固定されている。これにより、回転子１０はリング状バネ６０および回転子フレーム５０を介して負荷と接続され、効率よく回転子１０の回転とトルクを負荷に対して伝達できる。
　リング状バネ６０は、所定のバネ特性を有しており、リング状に一体成型されたバネでも略Ｃ字状に曲げられたバネでもよい。リング状バネ６０は、回転子１０と回転子フレーム５０の隙間に挿入され、回転子１０と回転子フレーム５０により圧縮変形されることで、回転子１０とリング状バネ６０との接触部および回転子フレーム５０とリング状バネ６０との接触部において静止摩擦力が生じる。これにより、回転子１０と回転子フレーム５０を一体化させている。
　なお、リング状バネ凸部６１の周方向における位置は限定されず、回転子１０のｄ軸上のバックヨーク１２と接触する位置であればよい。回転子１０を、回転子フレーム５０とリング状バネ６０とによって固定することで、回転子コア１１と回転子フレーム５０との間には、所定の空隙であるコア・フレーム間隙間６２を形成できる。なお、コア・フレーム間隙間６２の周方向における位置と、バックヨーク空隙３１の周方向における位置とが、少なくとも１か所が一致する構成である。
　コア・フレーム間隙間６２には、冷媒を侵入させることができるため、回転電機１の冷却性能が向上する。特に、コア・フレーム間隙間６２に侵入した冷媒は、さらに回転子１０のバックヨーク空隙３１に侵入させることができるため、ギャップ２に近い位置で高調波磁束が流れ込みやすいことから発熱しやすいスポーク磁石１５を直接冷却でき、温度上昇を抑制することができる。またこれにより、磁石の発熱による残留磁束密度の低下に伴うトルクの低下や、磁石が不可逆減磁する可能性等を防止できる。
　また、図９の回転子コア１１の構成の場合、軸方向にバックヨーク１２とバックヨーク空隙３１が交互に並ぶことで、バックヨーク１２は冷却フィンとしての役割を果たすことができる。これにより、放熱面積が拡大し、発熱しやすいスポーク磁石１５の温度上昇を抑制し、残留磁束密度が低下することによるトルクの低下や、磁石の不可逆減磁を防ぐことができる。
（第６実施形態）
（図１３、図１４）
　インホイールモータ７０は、回転子フレーム５０と、固定子２０を固定する固定子フレーム（不図示）を備えている。インホイールモータ７０は、回転子１０において、前述のように、主極磁石１４とスポーク磁石１５とを組み合わせてハルバッハ磁石配列としていることで、高出力密度の構成である。インホイールモータ７０は、本発明の構成を採用することにより、挿入された永久磁石の後着磁性がよいため、回転子１０の製造プロセスのタクトタイムが短く、かつ着磁に必要な電力を削減できる。また、高出力密度であるため、従来の同出力のインホイールモータよりも軽く、使用する材料が少ない。よって、少ない電力で高出力を実現できるインホイールモータ７０を、低コストで提供できる。また、前述のバックヨーク１２で発生する鉄損を低減できるため、高効率で駆動させることができる。
（第７実施形態）
（図１５）
　回転電機の回転子１０を有するインホイールモータ７０は、二輪車両である電動バイク８０において前後輪に搭載してもよいし、前輪だけまたは後輪だけに搭載してもよい。また本発明のインホイールモータ７０は、例えば四輪車や小型モビリティなどにも適用できる。これにより、高出力密度化、低コストの生産性、鉄損の低減、高効率の駆動を実現した電動バイク８０を提供でき、これにより、電力消費の削減や、環境負荷の低減、航続距離の向上に貢献する。
　以上説明した本発明の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）磁石と、磁石が挿入される回転子コア１１と、回転子コア１１を固定する回転子フレーム５０と、を備え、磁石は、着磁方向が径方向を向く主極磁石１４と、着磁方向が周方向を向くスポーク磁石１５と、を含み、回転子コア１１は、複数の回転子コアシート３０が集合されて形成され、回転子コアシート３０は、主極磁石１４が挿入される主極磁石スロット１３ａと、スポーク磁石１５が挿入されるスポーク磁石スロット１３ｂと、主極磁石スロット１３ａおよびスポーク磁石スロット１３ｂの外周側に形成されるバックヨーク１２と、を備える回転電機１の回転子１０において、回転子コアシート３０は、周方向に隣り合い、かつ所定の間隔を設けてそれぞれ配置されている複数の分割コアシート３０ａを有し、バックヨーク１２は、スポーク磁石スロット１３ｂが形成される位置に設けられる第１空隙であるバックヨーク空隙３１を有し、バックヨーク空隙３１は、回転子コア１１において少なくとも１か所形成されている。このようにしたことで、後着磁性の向上、低鉄損化、モータ効率の向上を実現した回転電機１の回転子１０を提供できる。
（２）スポーク磁石スロット１３ｂは、周方向に隣り合う２つ分割コアシート３０ａを一体にするバックヨーク１２が形成される位置に設けられる第１スポーク磁石スロット１５ａと、バックヨーク空隙３１が形成される位置に設けられる第２スポーク磁石スロット１５ｂと、を有する。このようにしたことで、２つ分割コアシート３０ａが連結した構成が適用でき、回転電機１の回転子１０の生産性の向上に貢献する。
（３）回転子コア１１は、複数の分割コアシート３０ａが軸方向に積層して形成される。このようにしたことで、後着磁性の向上、低鉄損化、モータ効率の向上を実現する回転子コア１１を提供できる。
（４）回転子コア１１は、複数の分割コアシートが軸方向において互いに転積されて形成される。このようにしたことで、従来に比べて漏れ磁束を低減しつつ、一体型の回転電機１の回転子１０を提供できる。
（５）回転子コア１１は、第１スポーク磁石スロット１５ａおよび第２スポーク磁石スロット１５ｂの少なくとも一方が設けられる位置において、固定子２０と対向する開口部１９ａを有する。このようにしたことで、漏れ磁束を低減し、着磁率を向上させることができる。
（６）バックヨーク空隙３１の周方向幅は、スポーク磁石１５の周方向幅以上である。このようにしたことで、さらに漏れ磁束を低減し、着磁率を向上させることができる。
（７）回転子コア１１は、回転子フレーム５０と、所定のバネ特性を有しかつリング状に一体成形もしくはＣ字形状に成形されているリング状バネ６０と、によって固定され、回転子コア１１と回転子フレーム５０との間には、第２空隙６２が設けられている。このようにしたことで、第２空隙６２に冷媒を侵入させて、回転電機１の冷却性能を向上させることができる。
（８）第２空隙６２の周方向における位置と、バックヨーク空隙３１の周方向における位置とが、少なくとも１か所が一致する。このようにしたことで、スポーク磁石１５の冷却性を向上させることができる。
（９）回転子フレーム５０は、非磁性体である。このようにしたことで、効率よく回転子１０の回転とトルクを負荷に対して伝達できる。
（１０）本発明の構成を有する回転電機１の回転子１０と、回転電機１の回転子１０に所定のギャップ２を介して対向する固定子２０と、を備える。このようにしたことで、回転電機１の回転子１０に回転磁界が発生する。
（１１）固定子２０は、コイルが挿入されるコイルスロット２３を有し、コイルスロット２３は、毎極毎相スロット数が分数となるような分数スロットであり、同相のコイルは、隣接するコイルスロットを少なくとも２つ以上跨いでコイルスロット２３に挿入される。このようにしたことで、本発明の構成を実現できる。
（１２）本発明の構成を有する回転電機１と、回転子フレーム５０と、固定子を固定する固定子フレームと、を備えたインホイールモータ７０を採用する。このようにしたことで、少ない電力で高出力、かつ低コストのインホイールモータ７０を提供できる。
（１３）本発明の構成を有する回転電機１の回転子１０と、インホイールモータ７０とを備えた車両を採用する。このようにしたことで、例えば電動バイク８０等の車両に本発明を適用できる。
　なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や他の構成を組み合わせることができる。また本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。
１　回転電機
２　ギャップ
１０　回転子
１１　回転子コア
　１１ａ　分割コア
　１１ｂ　コア端部
１２　バックヨーク
　１２ａ　凸部
１３　磁石スロット
　１３ａ　主極磁石スロット
　１３ｂ　スポーク磁石スロット
１４　主極磁石
１５　スポーク磁石
　１５ａ　第１スポーク磁石スロット
　１５ｂ　第２スポーク磁石スロット
１６　ｄ軸コア
１７　磁石間ブリッジ
１９　ギャップ側爪部
　１９ａ　開口部
２０　固定子
２１　固定子コア
２２　固定子バックヨーク
２３　コイルスロット
２４　ティース
３０　回転子コアシート
　３０ａ　分割コアシート
３１　バックヨーク空隙
　３１ａ　周方向幅
４０　着磁磁束
４１　漏れ磁束
４２　漏れ磁束
４３　コイル電流
５０　回転子フレーム
６０　リング状バネ
６１　リング状バネ凸部
６２　コア・フレーム間隙間
７０　インホイールモータ
８０　電動バイク
Ｃ　回転軸心
Φ１　トルクに寄与する磁束

Claims (13)

  1. 　磁石と、
    　前記磁石が挿入される回転子コアと、
    　前記回転子コアを固定する回転子フレームと、を備え、
    　前記磁石は、着磁方向が径方向を向く主極磁石と、前記着磁方向が周方向を向くスポーク磁石と、を含み、
    　前記回転子コアは、複数の回転子コアシートが集合されて形成され、
    　前記回転子コアシートは、前記主極磁石が挿入される主極磁石スロットと、前記スポーク磁石が挿入されるスポーク磁石スロットと、前記主極磁石スロットおよび前記スポーク磁石スロットの外周側に形成されるバックヨークと、を備える回転電機の回転子において、
    　前記回転子コアシートは、前記周方向に隣り合い、かつ所定の間隔を設けてそれぞれ配置されている複数の分割コアシートを有し、
    　前記バックヨークは、前記スポーク磁石スロットが形成される位置に設けられる第１空隙であるバックヨーク空隙を有し、
    　前記バックヨーク空隙は、前記回転子コアにおいて少なくとも１か所形成されている
    　回転電機の回転子。
  2. 　請求項１に記載の回転電機の回転子であって、
    　前記スポーク磁石スロットは、前記周方向に隣り合う２つ前記分割コアシートを一体にする前記バックヨークが形成される位置に設けられる第１スポーク磁石スロットと、前記バックヨーク空隙が形成される位置に設けられる第２スポーク磁石スロットと、を有する
    　回転電機の回転子。
  3. 　請求項１に記載の回転電機の回転子において、
    　前記回転子コアは、前記複数の分割コアシートが軸方向に積層して形成される
    　回転電機の回転子。
  4. 　請求項２に記載の回転電機の回転子において、
    　前記回転子コアは、複数の前記分割コアシートが軸方向において互いに転積されて形成される
    　回転電機の回転子。
  5. 　請求項２に記載の回転電機の回転子において、
    　前記回転子コアは、前記第１スポーク磁石スロットおよび前記第２スポーク磁石スロットの少なくとも一方が設けられる位置において、固定子と対向する開口部を有する
    　回転電機の回転子。
  6. 　請求項１に記載の回転電機の回転子において、
    　前記バックヨーク空隙の周方向幅は、前記スポーク磁石の前記周方向幅以上である
    　回転電機の回転子。
  7. 　請求項１に記載の回転電機の回転子において、
    　前記回転子コアは、前記回転子フレームと、所定のバネ特性を有しかつリング状に一体成形もしくはＣ字形状に成形されているリング状バネと、によって固定され、
    　前記回転子コアと前記回転子フレームとの間には、第２空隙が設けられている
    　回転電機の回転子。
  8. 　請求項７に記載の回転電機の回転子において、
    　前記第２空隙の前記周方向における位置と、前記バックヨーク空隙の前記周方向における位置とが、少なくとも１か所が一致する
    　回転電機の回転子。
  9. 　請求項７に記載の回転電機の回転子において、
    　前記回転子フレームは、非磁性体である
    　回転電機の回転子。
  10. 　請求項１に記載の回転電機の回転子と、前記回転電機の回転子に所定のギャップを介して対向する固定子と、を備えた
    　回転電機。
  11. 　請求項１０に記載の回転電機において、
    　前記固定子は、コイルが挿入されるコイルスロットを有し、
    　前記コイルスロットは、毎極毎相スロット数が分数となるような分数スロットであり、
    　同相の前記コイルは、隣接する前記コイルスロットを少なくとも２つ以上跨いで前記コイルスロットに挿入される
    　回転電機。
  12. 　請求項１０に記載の回転電機と、前記回転子フレームと、前記固定子を固定する固定子フレームと、を備えた
    　インホイールモータ。
  13. 　請求項１に記載の回転電機の回転子と、請求項１２に記載のインホイールモータと、を備えた
    　車両。
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