(57)【要約】      （修正有）【課題】埋込磁石型の回転電機の回転子で、回転電機の作動中において回転子中のブリッジ部に生じる応力が不均一となることを抑制することができる。【解決手段】回転子は、円筒状の回転子コア２１と、回転子コア２１の内部に埋め込まれると共に回転子コア２１の周方向に所定角度ごとに磁極を形成する複数の永久磁石２２と、を備える。更に、回転子コア２１は、回転子コア２１の内周面から径方向内側に突出する凸部、及び、回転子コアの内周面よりも径方向外側に窪む凹部であって凸部を始点として回転子コア２１の周方向に所定角度ごとに設けられた凹部、を有する。【選択図】図２
2015220846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
埋込磁石型の回転電機の回転子であって、
円筒状の回転子コアと、前記回転子コアの内部に埋め込まれると共に前記回転子コアの周方向に所定角度ごとに磁極を形成する複数の永久磁石と、を備え、
前記回転子コアは、
該回転子コアの内周面から径方向内側に突出する凸部、及び、該回転子コアの内周面よりも径方向外側に窪む凹部であって前記凸部を始点として該回転子コアの周方向に前記所定角度ごとに設けられる凹部、を有する、
回転電機の回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、埋込磁石型の回転電機の回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、車両の駆動源等として用いられる回転電機（例えば、ハイブリッド自動車に搭載される電動発電機）が提案されている。この種の回転電機として、例えば、永久磁石が内部に埋め込まれた回転子と、電機子巻線を有する固定子と、を備えた埋込磁石型の回転電機（いわゆるＩＰＭ同期モータ）が挙げられる。
【０００３】
埋込磁石型の回転電機に適用される回転子の構造に着目すると、例えば、従来の埋込磁石型の回転電機の一つにおいて、回転子を構成する円筒状の回転子コア（鉄心）は、その内周面から径方向内側に突出した凸部（キー部）を有する。この凸部は、回転子コアの筒内に挿入される回転子シャフト（回転軸）と噛み合うようになっている。これにより、回転子コアがこの凸部を有さない場合に比べ、回転子コアと回転子シャフトとがより強固に連結される（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−５１８９６号公報
【発明の概要】
【０００５】
一般に、埋込磁石型の回転電機において、永久磁石は、回転子コアを構成する母材（珪素鋼など）に取り囲まれるように回転子コアに埋め込まれ、回転子コアの内部に固定される。そのため、一般に、回転電機の作動時（即ち、回転子コアが回転するとき）、永久磁石および母材自身に働く遠心力に起因し、永久磁石の近傍の母材中に生じる応力が、永久磁石から離れた母材中に生じる応力よりも大きくなる。即ち、永久磁石の周辺に応力集中が生じる。特に、発生トルクを増大する観点等から永久磁石が回転子コアの外周面の近傍に埋め込まれる場合、回転子コアの外周面と永久磁石とに挟まれる狭小領域（以下「ブリッジ部」という。）に応力集中が生じることが知られている。
【０００６】
この応力集中について発明者が行った実験等によれば、上述した従来の回転電機のように回転子コアに「凸部」を設けた場合、回転子コア中の永久磁石の位置（例えば、凸部と永久磁石との間の距離）によってブリッジ部における応力の大きさが異なる現象が生じることが明らかになった。以下、この現象を「ブリッジ部応力のインバランス」と称呼する。なお、発明者の考察等によれば、ブリッジ部応力のインバランスが生じる原因は、凸部の近傍の母材に働く遠心力と凸部から離れた母材に働く遠心力との差、及び、回転子シャフトが凸部に及ぼす外力などであると考えられる。
【０００７】
一般に、回転電機の回転子コアを設計する際、ブリッジ部の形状（例えば、回転子コアの径方向におけるブリッジ部の厚さ）は、例えば、回転電機の作動時にブリッジ部に生じ得る最大の応力によってもブリッジ部が破損等しない形状（厚さ）に設計される。そのため、ブリッジ部応力のインバランスが生じる場合、複数のブリッジ部の中で最大の応力が発生するブリッジ部の形状を基準とし、他の全てのブリッジ部の形状を設計する必要がある。換言すると、発生する応力が小さいブリッジ部であっても、最大の応力が発生するブリッジ部と同等の（本来必要とする厚さ等を超えた）形状に設計されることになる。
【０００８】
その結果、ブリッジ部応力のインバランスが生じる場合、同インバランスが生じない場合に比べ、回転子コアの大きさ（外径）が大きくなる分だけ最高回転数を高め難く、ブリッジ部の厚さが大きくなる分だけ発生トルクを高め難いことになる。
【０００９】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、回転子コアと回転子シャフトとを連結するための凸部を回転子コアに設ける場合であっても、ブリッジ部応力のインバランスの発生を抑制することができる、回転電機の回転子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による埋込磁石型の回転電機の回転子は、円筒状の回転子コアと、前記回転子コアの内部に埋め込まれると共に前記回転子コアの周方向に所定角度ごとに磁極を形成する複数の永久磁石と、を備えている。
【００１１】
更に、前記回転子コアは、
該回転子コアの内周面から径方向内側に突出する「凸部」、及び、該回転子コアの内周面よりも径方向外側に窪む凹部であって前記凸部を始点として該回転子コアの周方向に前記所定角度ごとに設けられる「凹部」、を有している。
【００１２】
発明者が行った実験および考察等によれば、上記構成を備えた回転子コアは、従来の回転電機の回転子（即ち、回転子コアが「凹部」を有さない回転子）に比べ、ブリッジ部応力のインバランスが生じ難いことが分かった。これは、回転電機の作動時における回転子コアの内周面の変形の度合い（内径の変化量）が、上記凹部によって均一化されるためであると考えられる。
【００１３】
したがって、本発明の回転電機の回転子は、回転子コアと回転子シャフトとを連結するための凸部を回転子コアに設ける場合であっても、ブリッジ部応力のインバランスの発生を抑制することが可能である。
【００１４】
ところで、上記「磁極」の磁束軸をｄ軸と定義し、且つ、ｄ軸と磁気的に直交する軸（通常、隣接する２つの磁極のｄ軸間角度を二等分する軸）をｑ軸と定義すると、上記「回転子コア」は、上記「凸部」を特定のｑ軸上（即ち、隣接する２つの磁極の中間）に設け、上記「凹部」を凸部が設けられたｑ軸以外のｑ軸上に設けるように構成されても良い。
【００１５】
更に、永久磁石によるトルク（マグネットトルク）に加えてリラクタンストルクを効率良く発生させる観点から、上記「永久磁石」は、隣接する２つの永久磁石を∨字型に配置することによって１つの磁極を形成するように、回転子コア内に配列されても良い。
【００１６】
なお、上記「凸部」は、回転子コアの筒内に回転子シャフトが挿入されたときにその回転子シャフトと係合可能な突起部、と表現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る回転子を備えた回転電機を回転子の軸線に垂直な平面で切断したときの概略断面図である。
【図２】図１の回転子を軸線に垂直な平面で切断したときの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（実施形態）
以下、本発明による回転子の実施形態が、図面を参照しながら説明される。
【００１９】
図１の概略断面図に示すように、本発明の実施形態に係る回転子を備えた回転電機１０は、埋込磁石型の同期電動機（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｍｏｔｏｒ）である。
【００２０】
回転電機１０は、回転子２０と、回転子シャフト３０と、固定子４０と、を備えている。回転子２０は、円筒状（中空の柱状）の回転子コア２１、及び、回転子コア２１の内部に埋め込まれた複数の永久磁石２２を含んでいる。回転子シャフト３０は、円柱状の形状を有し、回転子コア２１の筒内（内周面の内側。中空部）に挿入されている。固定子４０は、円筒状の形状を有し、回転子コア２１の周囲を取り囲んでいる。
【００２１】
より詳細に述べると、図２の概略断面図に示すように、複数の永久磁石２２は、隣接する２つの永久磁石が∨字型（回転子コア２１の径方向内側に突出する山型）に配置されて１つの磁極（Ｓ極又はＮ極）を形成するように、回転子コア２１の内部に配列されている（図中の破線を参照。）。更に、複数の永久磁石２２は、磁極が回転子コア２１の周方向における所定角度ごとに（図中のθ度ごとに）形成されるように、配列されている。
【００２２】
以下、磁極の磁束軸（図中の実線）はｄ軸と称呼され、ｄ軸と磁気的に直交する軸（図中の一点鎖線）はｑ軸と称呼される。本実施形態において、ｑ軸は、隣接する２つのｄ軸の間の角度を二等分するようになっている。なお、図２においては、便宜上、図中の一部の磁極についてのみｄ軸およびｑ軸が表示されている。
【００２３】
回転子コア２１の内周面には、回転子コア２１の内周面から径方向内側に突出する凸部（キー部）２３ａ，２３ｂが設けられている。凸部２３ａ，２３ｂは、回転子シャフト３０に設けられた溝（図１を参照）と噛み合うことにより、回転子シャフト３０と係合するようになっている。凸部２３ａ，２３ｂは、隣接する２つの磁極の間に位置するように設けられている。具体的には、本実施形態において、凸部２３ａは一の磁極のｑ軸上に設けられており、凸部２３ｂは凸部２３ａと回転子コア２１の軸対称となる位置（凸部２３ａが設けられるｑ軸と軸対称なｑ軸上）に設けられている。
【００２４】
回転子コア２１の内周面には、更に、回転子コア２１の内周面よりも径方向外側に窪む凹部（溝部）２４ａ〜２４ｆが設けられている。凹部２４ａ〜２４ｆは、凸部２３ａ，２３ｂと同様、隣接する２つの磁極の間に位置するように設けられている。具体的には、凹部２４ａ〜２４ｆは、凸部２３ａ，２３ｂを始点として回転子コア２１の周方向に上記所定角度ごとに（即ち、θ度ごとに）設けられている。本実施形態においては、凸部２３ａ，２３ｂがｑ軸上に設けられているため、凹部２４ａ〜２４ｆは、凸部２３ａ，２３ｂが設けられたｑ軸以外のｑ軸上に設けられている。
【００２５】
なお、凸部２３ａ，２３ｂ並びに凹部２４ａ〜２４ｆの構造（配置、形状および大きさ等）は、例えば、回転子コア２１の大きさ及び材質、永久磁石２２の大きさ及び配置、回転電機１０の作動時に生じる回転子コア２１内の応力分布、並びに、回転電機１０に要求される出力トルク等を考慮して、磁極ごとの（例えば、各々のｄ軸上の）内周面の変形の度合いが均一になるように、設定され得る。
【００２６】
再び図１を参照すると、回転子シャフト３０は、回転子コア２１の凸部２３ａ，２３ｂに対応する溝部分を外周面に備えている。回転子シャフト３０と回転子コア２１とは、回転子シャフト３０の溝部分と回転子コア２１の凸部２３ａ，２３ｂとが係合するだけでなく、回転子シャフト３０の外周面と回転子コア２１の内周面とが互いに密着することにより、相対回転不能に連結されている（即ち、締まり嵌めされている）。なお、回転子シャフト３０と回転子コア２１とは、両者が必ずしも密着しないように連結されてもよい（即ち、隙間嵌めでもよい）。
【００２７】
固定子４０は、回転子２０を回転させるための回転磁界を発生可能な固定子巻線（図示省略）を備えている。固定子４０は、例えば、回転電機１０の操作者からの指示（要求トルク及び回転数など）に対応した回転磁界を形成し、回転子２０を同指示に従って回転駆動させるようになっている。
【００２８】
発明者が行った実験等によれば、上述した構成を備えた回転電機１０の作動させたとき、回転子コア２１の外周面と永久磁石２２とに挟まれる領域（ブリッジ部。図２の部分拡大図における領域２５）に生じる応力のばらつき（ブリッジ部応力のインバランス）が、回転子コア２１に凹部２４ａ〜２４ｆが設けられない場合に比べて小さくなることが明らかになった。即ち、上記構成を備えた回転子２０がブリッジ部応力のインバランスを低減可能であることが分かった。
【００２９】
このように、回転子２０は、回転子コア２１と回転子シャフト２２とを連結するための凸部２３ａ，２３ｂを回転子コア２１に設ける場合であっても、ブリッジ部応力のインバランスの発生を抑制することができる。
【００３０】
これにより、回転子２０を備えた回転電機１０は、ブリッジ部応力のインバランスが生じる場合に比べ、ブリッジ部の厚さを小さくできる分だけ発生トルクを高め易い。別の言い方をすると、発生トルクを維持しながら回転子２０の大きさ（軸方向の長さ）を小さくすることができる。また、ブリッジ部の厚さに対する最大許容回転数が高まるので、出力（＝トルク×回転数）を比較的小さいトルクで得ることができる。そのため、回転電機１０そのものの小型化および製造コストの低減が可能である。
【００３１】
更に、回転子２０は、作動中の回転子を冷却する等の観点から回転子コア２１の内部に冷媒を通過させる空洞を設けた回転子（例えば、特開２００９−２９６８８２号公報を参照。）に比べ、例えば空洞内の冷媒の分布などを考慮する必要がない分だけ、ブリッジ部応力のインバランスを抑制し易いという利点もある。
【００３２】
以上が、本発明の実施形態に係る回転子２０についての説明である。
【００３３】
（他の態様）
本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。
【００３４】
例えば、回転子コア２１は、２つの凸部２３ａ，２３ｂを備えている。しかし、凸部は、必ずしも２つである必要はなく、１つだけ設けられてもよく、３つ以上設けられてもよい。なお、２以上の凸部を設ける場合、回転子２０が回転する際に偏心することを避ける等の観点から、回転子コア２１の周方向における凸部間の角度が等しいことが好ましい。
【００３５】
更に、回転子２０を備えた回転電機１０は、例えば、ハイブリッド自動車および電気自動車等に電動発電機として搭載されてもよく、それら以外の機器に搭載されてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１０…回転電機１０、２０…回転子、２１…回転子コア、２２…永久磁石、２３ａ，２３ｂ…凸部（キー部）、２４ａ〜２４ｆ…凹部（溝部）、２５…ブリッジ部、３０…回転子シャフト、４０…固定子
【図１】
2015220846.tif 000003
【図２】
2015220846.tif 000004