(57)【要約】【課題】回転子に生じる応力を緩和しつつ、回転子を通過できる磁束の減少を抑えること。【解決手段】回転子４は、回転軸１０が挿入される挿入孔１１を有する円筒状の基部８と、基部８から径方向の外側に突設された複数の突極９と、を備え、基部８のうち少なくとも挿入孔１１と各突極９との間の領域において、複数の孔２０，２１，２２を有する孔群１２が、前記領域内に収まるように形成されている。孔群１２によって、回転子４に作用する遠心力が低減し、応力が緩和される。また、突極９の全体が磁性材料で形成されるため、突極９における磁気飽和が起こりにくい。基部８の外径は突極９の周方向の幅よりも大きく、基部８における磁気飽和も起こりにくい。孔同士の間にも磁路が確保されるため、基部８を通過できる磁束の減少を抑えることができる。従って、回転子４に生じる応力を緩和しつつ、回転子４を通過できる磁束の減少を抑えることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機械用の回転子であって、
回転軸が挿入される挿入孔を有する円筒状の基部と、
前記基部から径方向の外側に突設された複数の突極と、を備え、
前記基部のうち少なくとも前記挿入孔と前記各突極との間の領域に、前記基部の軸方向に貫通する複数の孔を有する孔群が、前記領域内に収まるように形成されていることを特徴とする回転子。
【請求項２】
前記孔群は、前記軸方向から見たときに、前記孔群に対向する前記突極の周方向の中心と、前記基部の中心とを通る中心線に対して、対称に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
【請求項３】
それぞれの前記孔群に属する前記孔のうちの少なくとも１つは、前記中心線上に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の回転子。
【請求項４】
前記中心線上に形成された前記孔である第１孔の、前記周方向の両側それぞれに第２孔が形成されており、前記第１孔の輪郭のうち前記各第２孔と対向する部分が、前記各第２孔の輪郭のうち前記第１孔と対向する部分に沿うように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の回転子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の回転子を備えることを特徴とする回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機械、及び回転機械に使用される回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えばスイッチトリラクタンスモータ等の回転機械が知られている。また、回転機械に使用される回転子として、電磁鋼板等の磁性材料で形成された回転子が知られている。この回転子は、回転軸が挿入される挿入孔を有し、回転軸に固定される円筒状の基部と、基部から径方向の外側に突設された複数の突極とを備える。上記回転機械に備えられた固定子のコイルを流れる電流によって回転磁界が発生すると、回転磁界の磁束は、主に、上記基部を挟んで互いに対向する２つの突極を通過する。磁束がそのように回転子を通過すると、回転磁界の磁極と回転子の突極との間に磁気吸引力が発生し、回転子は回転磁界に追随して回転する。このような回転子は、同じく従来から知られている永久磁石型の回転子と比べて、高温でも磁性が失われにくく、また、高速回転時に材料が飛散する等の問題が少ない。そのため、このような回転子は、高温環境での使用や高速回転に適している。
【０００３】
上記のような回転子が高速回転すると、遠心力によって大きな応力が発生する。特に、回転軸から遠い位置にある突極による遠心力の影響が大きく、突極が設けられている箇所では、回転子は、径方向の外側に強く引っ張られる。そのため、回転子の特定の箇所、特に挿入孔の近傍に応力が集中しやすい。このような応力集中による回転子の破断を回避するため、応力を緩和するための対策がされた回転子が、特許文献１，２に開示されている。
【０００４】
特許文献１に記載された回転子は、基部と、基部から径方向の外側に突出する複数の突極とを備え、各突極において穴が設けられている。この穴によって、突極の質量が低減し、回転子に作用する遠心力が低減するため、応力が緩和される。同様に、特許文献２に記載された回転子において、応力を緩和するための穴が、基部と突極との境界を含む領域に形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５８４１３５１号公報
【特許文献２】特許第５３８８９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
突極の幅（周方向寸法）は小さいため、磁束が通りやすい経路（磁路）が狭く、回転子を通過する磁束は、突極において集中しやすい。さらに、特許文献１〜２に記載の回転子においては、突極に応力緩和用の穴が形成されている。穴は、磁性材料と比べて磁気抵抗が高い空気で満たされているので、磁束は、突極のうち磁性材料で形成された部分（穴以外の部分）を集中的に通り、その部分における磁束密度が増加する。しかし、ある断面を通過できる磁束の量には、材料等に応じて上限があるため、上記の部分において、磁束密度が一定以上に増加しなくなる磁気飽和という現象が起こりやすい。このように、特許文献１〜２に記載の回転子では、突極において磁気飽和が起こりやすく、回転子を通過できる磁束の量が少ないため、回転子を高速回転させるために必要なトルクが得られないという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、回転子に生じる応力を緩和しつつ、回転子を通過できる磁束の減少を抑えることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明の回転子は、回転機械用の回転子であって、回転軸が挿入される挿入孔を有する円筒状の基部と、前記基部から径方向の外側に突設された複数の突極と、を備え、前記基部のうち少なくとも前記挿入孔と前記各突極との間の領域に、前記基部の軸方向に貫通する複数の孔を有する孔群が、前記領域内に収まるように形成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
まず、本発明では、回転子の基部のうち少なくとも前記挿入孔と前記各突極との間の領域に、複数の孔を有する孔群が形成されている。この孔群によって回転子の質量が低減し、回転子に作用する遠心力が低減するため、回転子の内部、特に挿入孔近傍に生じる応力を緩和することができる。また、孔群は、前記領域内に収まるように形成されている。すなわち、突極には磁束を通しにくい孔群が形成されておらず、突極全体において、磁束を通しやすい磁性材料からなる磁路が確保される。したがって、突極に孔が形成されている場合と比べて、突極における磁気飽和を起こりにくくすることができる。一方、基部に孔群が形成されていることで、基部において磁気飽和が起こりやすくなることが懸念される。しかしながら、元々、基部は突極よりも磁路が広く、孔群を設けたことの影響は相対的に小さい。さらに、各孔群は複数の孔を有するため、孔同士の間に、磁性材料からなる磁路が確保される。そのため、基部に孔群が形成されていても、基部における磁気飽和を起こりにくくすることができる。したがって、回転子に生じる応力を緩和しつつ、回転子を通過できる磁束の減少を抑えることができる。
【００１０】
第２の発明の回転子は、前記第１の発明において、前記孔群は、前記軸方向から見たときに、前記孔群に対向する前記突極の周方向の中心と、前記基部の中心とを通る中心線に対して、対称に形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
孔群が、突極の周方向の中心と基部の中心とを通る中心線に対して対称に形成されているため、回転子において応力が非対称に生じることが抑制される。したがって、特定の箇所への応力集中を抑制することができる。
【００１２】
第３の発明の回転子は、前記第２の発明において、それぞれの前記孔群に属する前記孔のうちの少なくとも１つは、前記中心線上に形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
上記中心線上においては、基部の中心から遠い位置まで突極があり、この突極の回転によって大きな遠心力が回転子に作用する。本発明では、上記中心線上に少なくとも１つの孔を設けることで、上記の大きな遠心力が低減し、挿入孔の近傍に生じる応力が緩和される。したがって、回転子に生じる応力を効果的に緩和できる。
【００１４】
第４の発明の回転子は、前記第３の発明において、前記中心線上に形成された前記孔である第１孔の、前記周方向の両側それぞれに第２孔が形成されており、前記第１孔の輪郭のうち前記各第２孔と対向する部分が、前記各第２孔の輪郭のうち前記第１孔と対向する部分に沿うように形成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明によれば、基部の、第１孔と第２孔との間の領域が、特定の箇所で極端に狭くなることを回避できる。したがって、磁気飽和を起こりにくくすることができる。
【００１６】
第５の発明の回転機械は、前記第１〜第４のいずれかの発明の回転子を備えることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の回転機械においては、回転子に生じる応力が緩和されるため、回転子が破断しにくい。また、回転子を通過できる磁束の減少が抑えられるため、回転子が高速回転するために必要なトルクが得られる。したがって、回転機械の信頼性と性能との両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係る回転子を備えたスイッチトリラクタンスモータの断面図である。
【図２】（ａ）は、回転子を軸方向から見た図であり、（ｂ）は、その拡大図である。
【図３】代表的な磁路を示す説明図である。
【図４】変形例に係る回転子を軸方向から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、本発明の実施の形態について、図１〜図３を参照しながら説明する。なお、図１及び図２において、紙面に垂直な、回転軸１０が延びる方向を軸方向とする。軸方向と直交する、後述する回転子４の基部８の径方向を径方向とする。また、回転子４の基部８の円周方向を周方向とする。
【００２０】
（スイッチトリラクタンスモータの概略構成）
図１は、本実施形態に係る回転子４を備えたスイッチトリラクタンスモータ１を、軸方向から見た断面図である。スイッチトリラクタンスモータ１は、モータケース２と、固定子３と、回転子４等を備える。回転子４は、例えば電磁鋼板等の磁性材料で形成されており、永久磁石型と比べて材料の飛散等の問題が少ないため、スイッチトリラクタンスモータ１は高速回転に適する。
【００２１】
モータケース２は、略円筒状の筐体部品である。モータケース２内には、固定子３等が収容される。
【００２２】
固定子３は、固定子本体５と、ティース６等を備える。固定子本体５は、略円筒状に形成された磁性材料製の部材である。ティース６は、固定子本体５の内面から、径方向の内側に突設された部分である。本実施形態では、４つのティース６が周方向に９０度間隔で配置されており、１８０度離れて配置された２つのティース６が互いに対向している。各ティース６には、コイル７が巻きつけられている。固定子３は、モータケース２内に収容される。
【００２３】
回転子４は、円筒状の基部８と、突極９とを備える磁性材料製の部材である。基部８は、円筒状に形成された部分である。図１〜図３において、二点鎖線で円状に囲まれた部分が基部８である。基部８は、その中心部を軸方向に貫通し、回転軸１０が挿入される挿入孔１１を有する。基部８は、回転軸１０に固定され、固定子３よりも径方向の内側に配置される。また、基部８には、後述する孔群１２が形成されている。突極９は、基部８から径方向の外側に突設され、周方向に沿って湾曲した部分である。本実施形態では、２つの突極９が、周方向に１８０度離れて配置され、基部８を挟んで互いに対向している。
【００２４】
上記の構成を有するスイッチトリラクタンスモータ１は、以下のように動作する。固定子３において、互いに対向する２つのコイル７に同位相の交流電流が流れ、他の２つのコイル７に上記の交流電流と位相が９０度ずれた交流電流が流れる（２相交流）と、周方向に一定周期で回転する回転磁界が発生する。この回転磁界の磁極と回転子４の突極９との間に磁気吸引力が発生する。回転磁界が周方向に回転すると、回転子４は、回転磁界に追随して回転軸１０とともに回転する。
【００２５】
（回転子の詳細構成）
次に、回転子４の基部８の詳細構成について、図２を用いて説明する。図２は、回転子４を軸方向から見た図である。基部８の中心部には、軸方向から見て略円形状の挿入孔１１が形成されている。前述したように、挿入孔１１には回転軸１０が挿入され、基部８は回転軸１０に固定される。
【００２６】
基部８のうち、挿入孔１１と各突極９との間の領域２００には、孔群１２が形成されている。本実施形態において、領域２００は、例えば図２（ｂ）においてハッチングされた領域である。各孔群１２は、孔２０（本発明の第１孔）と、孔２０の周方向の両側に形成された孔２１，２２（本発明の第２孔）とを有する。本実施形態においては、１つの孔群１２に、計３つ（奇数個）の孔２０，２１，２２が属する。各孔群１２は、領域２００内に収まるように形成されている。なお、勿論、領域２００は、図２（ｂ）でハッチングされた領域に限定されるものではない。
【００２７】
孔２０は、軸方向から見て、角部が丸められた略二等辺三角形状の孔であり、基部８を軸方向に貫通している。孔２０の頂部は、底辺よりも径方向の外側に位置する。また、孔２０は、図２（ｂ）に示すように、孔群１２に対向する突極９の周方向の中心１０１と、基部８の中心１０２とを通る中心線１０３上に形成されている。すなわち、孔２０は、中心線１０３に対して対称に形成されている。孔２０は、空気で満たされている。
【００２８】
孔２１，２２は、軸方向から見て略楕円形状の孔であり、基部８を軸方向に貫通している。孔２１，２２は、孔２０の周方向の両側に形成されており、孔２１と孔２２とは、中心線１０３に対して互いに対称に形成されている。したがって、孔群１２全体が、中心線１０３に対して対称に形成されている。また、孔２１，２２は、互いの周方向の距離が、径方向の内側に向かうほど大きくなるように形成されている。孔２１，２２も、空気で満たされている。
【００２９】
また、図２（ｂ）に示すように、孔２１は、中心線１０３に平行な、挿入孔１１の輪郭の接線１０５に形成されている。すなわち、孔２１は、挿入孔１１の輪郭の接点１０４を通る接線１０５上に形成されている。孔２２も同様に、接点１０６を通る接線１０７上に形成されている。
【００３０】
軸方向から見て、孔２０の面積は、孔２１及び孔２２の面積よりも小さい。また、孔２０の輪郭のうち、孔２１，２２とそれぞれ対向する部分１１１，１１２は、孔２１，２２の輪郭のうち、孔２０と対向する部分１１３，１１４にそれぞれ沿うように形成されている。さらに、孔２０は、孔２１及び孔２２の、それぞれ最も径方向の内側の点同士を結んだ線分１２１と、それぞれ最も径方向の外側の点同士を結んだ線分１２２と、孔２１，２２とによって囲まれる領域に収まるように配置されている。
【００３１】
以上のような回転子４では、基部８のうち挿入孔１１と突極９との間の領域２００に孔２０，２１，２２が形成されているため、それらによって回転子４の質量が低減する。そのため、回転子４に作用する遠心力が低減し、回転子４の内部、特に挿入孔１１の近傍に生じる応力が緩和される。特に、以下の構成によって、応力を効果的に緩和することができる。
【００３２】
まず、本実施形態では、中心線１０３上に孔２０が形成されている。中心線１０３上においては、基部８の中心から遠い位置まで突極９があり、この突極９の回転によって大きな遠心力が回転子４に作用する。孔２０が形成されていることで、その大きな遠心力が低減し、挿入孔１１の近傍に生じる応力が緩和される。したがって、回転子４に生じる応力を効果的に緩和できる。
【００３３】
また、孔群１２が、中心線１０３に対して対称に形成されているため、回転子４において応力が非対称に生じることが抑制される。したがって、特定の箇所への応力集中を抑制することができる。
【００３４】
また、回転子４では、挿入孔１１を挟んで互いに対向する２つの突極９によって、中心線１０３に沿った両方向に強い遠心力が作用する。このため、中心線１０３に平行な、挿入孔１１の輪郭に接する接線１０５，１０７の接点１０４，１０６の近傍では、大きな応力集中が生じる。そこで、接点１０４，１０６を通る接線１０５，１０７上に孔２１，２２を設けることで、接点１０４，１０６の近傍に両方向に作用する遠心力を低減させることができ、ひいては、接点１０４，１０６の近傍に生じる応力集中を緩和することができる。
【００３５】
次に、上記の回転子４を通過する磁束の経路（磁路）について、図３を用いて模式的に説明する。図３において、４つの矢印で示される磁路２０１〜２０４が、代表的な磁路である。但し、磁路は勿論これ以外にもありうる。なお、便宜上、図３において、磁束が回転子４に入ってくる側を入口側、磁束が回転子４から出ていく側を出口側とする。また、突極９などのように、回転子４内に同じ構成要素が２つあるものについて、入口側と出口側とで区別する必要がある場合、各符号の末尾に記号を付加して記載する。例えば、入口側の突極９を突極９ａとするなどのように、入口側の構成要素には“ａ”を、出口側の構成要素については“ｂ”を、それぞれ必要に応じて付加する。
【００３６】
まず、磁路２０１，２０４について説明する。磁路２０１，２０４は、孔群１２の両側（図３における左右両側）を通過する磁路である。まず、磁路２０１，２０４は、入口側の突極９ａの周方向の両端部を通り、基部８の入口側の領域に入っていく。
【００３７】
基部８の入口側の領域には、孔群１２ａに属する孔２０ａ，２１ａ、２２ａが形成されている。孔２０ａ，２１ａ、２２ａは、磁性材料と比べて磁気抵抗が高い空気で満たされているため、磁束は主に、磁性材料で形成された部分を通る。したがって、磁路２０１は、孔２２ａよりも外側（図３における左側）の領域を通り、磁路２０４は、孔２１ａよりも外側（図３における右側）の領域を通る。そして、磁路２０１，２０４は、基部８の出口側の領域へ向かう。
【００３８】
基部８の出口側の領域には、孔群１２ｂに属する孔２０ｂ，２１ｂ，２２ｂが形成されている。磁路２０１は、孔２１ｂよりも外側（図３における左側）の領域を通り、磁路２０４は、孔２２ｂよりも外側（図３における右側）の領域を通る。最後に、磁路２０１，２０４は、出口側の突極９ｂへ向かい、突極９ｂの周方向の両端部をそれぞれ通過する。
【００３９】
次に、磁路２０２，２０３について説明する。磁路２０２，２０３は、図３における左右方向の中央部を通過する磁路である。まず、磁路２０２，２０３は、入口側の突極９ａの周方向の中央部を通過し、基部８の入口側の領域に入っていく。
【００４０】
基部８の入口側の領域では、前述したように、孔２０ａ，２１ａ、２２ａが形成されている。まず、磁路２０２，２０３は、孔２１ａと孔２２ａとの間の領域を通る。磁路２０２は、さらに、孔２０ａと孔２２ａとの間の領域を通り、孔２２ａと挿入孔１１との間の領域を通る。磁路２０３は、さらに、孔２０ａと孔２１ａとの間の領域を通り、孔２１ａと挿入孔１１との間の領域を通る。このように、複数の孔２０ａ，２１ａ，２２ａの間に、磁性材料からなる磁路２０２，２０３が確保される。そして、磁路２０２，２０３は、挿入孔１１の近傍を通って、基部８の出口側の領域へ向かう。
【００４１】
基部８の出口側の領域では、磁路２０２は、挿入孔１１と孔２１ｂとの間の領域を通り、孔２０ｂと孔２１ｂとの間の領域を通る。磁路２０３は、挿入孔１１と孔２２ｂとの間の領域を通り、孔２０ｂと孔２２ｂとの間の領域を通る。さらに、磁路２０２，２０３は、孔２１ｂと孔２２ｂとの間の領域を通る。最後に、磁路２０２，２０３は、突極９ｂの周方向の中央部を通過する。
【００４２】
以上のように、回転子４において、孔群１２が領域２００内に収まるように形成され、突極９の全体において、磁性材料からなる磁路が確保される。したがって、突極９に孔が形成されている場合と比べて、突極９における磁気飽和を起こりにくくすることができる。一方、基部８は突極９よりも磁路が広く、孔群１２を設けたことの影響は相対的に小さい。さらに、各孔群１２は複数の孔２０，２１，２２を有するため、孔同士の間に、磁性材料からなる磁路２０２，２０３が確保される。そのため、基部８に孔群１２が形成されていても、基部８における磁気飽和を起こりにくくすることができる。したがって、回転子４に生じる応力を緩和しつつ、回転子４を通過できる磁束の減少を抑えることができる。
【００４３】
また、孔２０は孔２１，２２よりも小さいため、孔２０の周辺において、磁性材料からなる磁路が広く確保される。したがって、孔２０と孔２１，２２との間の領域における磁気飽和を起こりにくくすることができる。
【００４４】
また、孔２０の輪郭のうち、孔２１、２２とそれぞれ対向する部分１１１、１１２が、孔２１、２２それぞれの輪郭のうち、孔２０と対向する部分１１３、１１４にそれぞれ沿うように形成されている。そのため、基部８の、孔２０と孔２１，２２との間の領域が、特定の箇所で極端に狭くなることを回避できる。したがって、磁気飽和を起こりにくくすることができる。
【００４５】
また、孔２１と孔２２との間の周方向の距離が、径方向の内側に向かうほど大きいため、挿入孔１１の近傍の磁路２０２，２０３を通る磁束は、孔２１と孔２２との間の領域に集まりやすい。そのため、上記の領域を通って突極９の周方向の中央部を通過する磁束が多くなり、突極９の周方向の中央部と両端部とに磁束が分散する。したがって、磁気飽和を起こりにくくすることができる。
【００４６】
また、孔２０が、孔２１及び孔２２の、それぞれ最も径方向の内側の点同士を結んだ線分１２１と、それぞれ最も径方向の外側の点同士を結んだ線分１２２と、孔２１，２２とによって囲まれる領域に収まるように形成されている。そのため、回転子４の質量低減による遠心力低減の効果を得つつ、孔２０と孔２１、２２との間における磁路を広く確保することができる。したがって、応力緩和を図りつつ、基部８を通過できる磁束の減少を抑えることができる。
【００４７】
また、回転子４を備えるリラクタンスモータ１において、回転子４に生じる応力が緩和されるため、回転子４が破断しにくい。また、回転子４を通過できる磁束の減少が抑えられるため、回転子４が高速回転するために必要なトルクが得られる。したがって、リラクタンスモータ１の信頼性と性能との両立を図ることができる。
【００４８】
次に、前記実施形態に変更を加えた変形例について説明する。但し、前記実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。
【００４９】
（１）孔の個数、形状、位置等は、適宜変更することができる。例えば、図４（ａ）に示すように、回転子３０において、孔群３１が５つの孔３２，３３，３４，３５，３６を有しており、中心線１０３上の孔３２が、その周方向の両側の孔３３，３４よりも大きくても良い。また、孔３３と孔３４との周方向の距離が、径方向の内側に向かうほど大きくなっていなくても良い。さらに、孔３２が、孔３３，３４の、それぞれ最も径方向の内側の点同士を結んだ線分１３１と、それぞれ最も径方向の外側の点同士を結んだ線分１３２と、孔３３，３４とによって形成される領域に収まっていなくても良い。
【００５０】
図４（ｂ）に示すように、回転子４０において、孔群４１が４つの孔４２，４３，４４，４５を有しており、中心線１０３上に２つの孔４２，４３が形成されていても良い。すなわち、孔の数は奇数でなくても良い。また、孔４２，４３の輪郭が、孔４４，４５の輪郭に沿うように形成されていなくても良い。さらに、孔４４，４５が、接線１０５，１０７上に形成されていなくても良い。
【００５１】
図４（ｃ）に示すように、回転子５０において、孔群５１が２つの孔５２，５３を有しており、孔５２，５３が中心線１０３上に形成されていなくても良い。また、孔の数は、以上に示したものに限られず、さらに多くても良い。
【００５２】
（２）突極の数は、２つに限定されない。例えば、図４（ｄ）に示すように、回転子６０が４つの突極６１を備えていても良い。或いは、突極の数は、さらに多くても良い。
【００５３】
（３）以上のような回転子は、スイッチトリラクタンスモータ１にのみ適用されるものではなく、他のモータ或いはジェネレータ等、磁性材料製の回転子が用いられる様々な回転機械に適用可能である。
【符号の説明】
【００５４】
４                                      回転子
８                                      基部
９                                      突極
１０                                    回転軸
１１                                    挿入孔
１２                                    孔群
２０，２１，２２                        孔
１０３                                  中心線
１０５，１０７                          接線
２００                                  領域
【図１】
2018019547.tif 000003
【図２】
2018019547.tif 000004
【図３】
2018019547.tif 000005
【図４】
2018019547.tif 000006