(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ、および
前記ステータの内側に配置されたロータコアと、前記ロータコアの内周面から径方向に突出して形成され、１８０°対向して２箇所に設けられたキー部と、前記キー部の両端に設けられ、前記ロータコアの内周面よりも径方向外側に窪んで形成された応力緩和溝と、前記ロータコアの複数の磁極間にそれぞれ設けられた複数のバランス孔とを有するロータ、を備え、
前記ロータコアの中心と前記キー部の中心とを通る第１直線上に配置される前記バランス孔の中心から前記ロータコアの中心までの長さは、前記ロータコアの中心から前記第１直線と垂直に交差する直線上に配置される前記バランス孔の中心までの長さよりも小さいことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記ロータコアの中心を始点として、前記キー部の中心を通る半直線上の前記バランス孔の中心までの前記第１直線をｄ１と定義し、
前記ロータコアの中心を始点として、前記第１直線と垂直に交差する半直線上の前記バランス孔の中心までの第ｎ直線（ただし、自然数ｎ＞１）をｄｎと定義し、
前記ロータコアの中心を始点として、前記第１直線上の前記バランス孔と前記第ｎ直線上の前記バランス孔に周方向に挟まれた複数の各磁極間の前記バランス孔の中心までの直線を前記第１直線上の前記バランス孔に近い順からｄ２、・・・と定義すると、
ｄ１からｄｎは、ｄｎ≧ｄｎ−１≧・・・≧ｄ１を満足することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記第１直線上の前記バランス孔の面積をＳ１と定義し、周方向に隣り合う、前記第ｎ直線上の前記バランス孔までの面積を順にＳ２、Ｓ３、・・・、Ｓｎと定義すると、
Ｓ１からＳｎは、Ｓｎ≦Ｓｎ−１≦・・・≦Ｓ１を満足することを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記ロータコアには、複数の永久磁石が埋設されており、
１磁極には、２つの前記永久磁石がＶ字状に配置されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項５】
前記ロータコアには、圧入で嵌合されたシャフトが設けられたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、回転電機のロータコアとシャフト間でトルクを効率よく伝達させる構造として以下の２つが採用されている。１つ目は、ロータコア内周面から内周側に突出した凸部（以下、キー部と記載する）とシャフトの外周面に設けられた凹部（以下、キー溝部と記載する）を嵌合させることで位置決めを行うキー構造である。また、２つ目は、ロータコア内周面とシャフト外周面を締まり嵌めとして、接触部の摩擦力でトルクを伝達させる構造である。
また、埋込磁石型の回転電機では、遠心力の影響によりロータコア外周面と磁石挿入孔とに挟まれる複数の狭小領域（ブリッジ部）に応力集中が発生する。ロータコアにキー部を設けた場合、キー部に作用する遠心力の影響により複数のブリッジ部における応力が不均一となる問題がある。従来、応力集中を低減する構造として以下の技術が開示されている。【０００３】
例えば、特許文献１に開示された従来の回転電機の回転子では、磁極を構成する複数の永久磁石を有する回転子において、回転子コアが、回転子コアの内周面から径方向内側に突出するキー部と、キー部を始点として回転子コアの周方向に所定角度ごとに設けられ、回転子コアの内周面よりも径方向外側に窪む凹部（バランス溝）とを有する構造が提案されている。【０００４】
また、例えば特許文献２に開示された従来の回転電機では、いわゆるキー構造を有するロータコアに、永久磁石よりもロータコア半径方向の内側に回転子の外周面径方向側に伸びる凸条を伴う三角孔を設ける構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２２０８４６号公報
【特許文献２】特開２０１５−０６１３２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述した特許文献１によれば、回転電機のロータコアが非常に高速回転する場合、ブリッジ部のアンバランスを低減する構造は応力緩和溝の影響を考慮しておらず、応力緩和溝を設けた場合は、溝の影響を考慮してより効率的にアンバランスを解消する必要がある。また、特許文献１に示した構造は、キー部に作用する遠心力に起因したアンバランスをさらに増加させる。
また、前述した特許文献２によれば、ロータコアのキー部とシャフトの凹部を嵌合してトルクを伝達する構造であり、高速回転時でもトルク伝達は可能だが、偏心による剛体アンバランスの抑制が対象であり、変形時のアンバランスの抑制を対象としていない。また、三角孔内の凸条は一度回転させてから先端を切削する必要がある。
以上より、従来、回転電機のロータが非常に高速回転する場合、ロータの変形および応力のアンバランスが生じて、回転電機の耐久性が低下する問題があった。【０００７】
本願は、上述のような課題を解決するための技術を開示するものであり、ロータの変形および応力アンバランスを効率的に抑制でき耐久性が向上した回転電機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願に開示される回転電機は、ステータ、および前記ステータの内側に配置されたロータコアと、前記ロータコアの内周面から径方向に突出して形成され、１８０°対向して２箇所に設けられたキー部と、前記キー部の両端に設けられ、前記ロータコアの内周面よりも径方向外側に窪んで形成された応力緩和溝と、前記ロータコアの複数の磁極間にそれぞれ設けられた複数のバランス孔とを有するロータ、を備え、前記ロータコアの中心と前記キー部の中心とを通る第１直線上に配置される前記バランス孔の中心から前記ロータコアの中心までの長さは、前記ロータコアの中心から前記第１直線と垂直に交差する直線上に配置される前記バランス孔の中心までの長さよりも小さいことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本願に開示される回転電機によれば、ロータの変形および応力アンバランスを効率的に抑制でき耐久性が向上した回転電機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１による回転電機を模式的に示す縦断面図である。
【図２】実施の形態１による回転電機のロータを示す平面図である。
【図３】図２を部分的に拡大した平面図である。
【図４】実施の形態１による回転電機のロータにおけるバランス孔の設置位置を説明するための平面図である。
【図５Ａ】比較例１によるロータの１／４領域を示す平面図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示すロータの回転時の変形状態を示す平面図である。
【図６】図５Ａに示す平面図を用いてバランス溝の効果を説明するための図である。
【図７Ａ】比較例２によるロータの１／４領域を示す平面図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示すロータの回転時の変形状態を示す平面図である。
【図８Ａ】比較例３によるロータの１／４領域を示す平面図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示すロータの回転時のシャフトとの接触分布を示す平面図である。
【図９Ａ】比較例４によるロータの１／４領域を示す平面図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示すロータの回転時のシャフトとの接触分布を示す平面図である。
【図１０Ａ】実施の形態１による回転電機のロータの１／４領域を示す平面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示すロータの回転時の変形状態を示す平面図である。
【図１１Ａ】実施の形態１による回転電機のロータと比較例１および比較例２のロータの応力を比較した図である。
【図１１Ｂ】実施の形態１による回転電機のロータと比較例３および比較例４のロータの径方向接触力を比較した図である。
【図１２Ａ】実施の形態１による回転電機の変形例１を示す平面図である。
【図１２Ｂ】実施の形態１による回転電機の変形例２を示す平面図である。
【図１２Ｃ】実施の形態１による回転電機の変形例３を示す平面図である。
【図１３】実施の形態１による回転電機の変形例１、変形例２および変形例３のロータと比較例２のロータの外周ブリッジ部の応力を比較した図である。
【図１４】実施の形態２による回転電機のロータを示す平面図である。
【図１５】実施の形態２による回転電機のロータにおけるバランス孔の設置位置を説明するための平面図である。
【図１６Ａ】実施の形態２による回転電機のロータの１／４領域を示す平面図である。
【図１６Ｂ】図１６Ａに示すロータの回転時の変形状態を示す平面図である。
【図１７Ａ】実施の形態２による回転電機のロータと比較例１、比較例２、および実施の形態１のロータの応力を比較した図である。
【図１７Ｂ】実施の形態２による回転電機のロータと比較例３、比較例４、および実施の形態１のロータの径方向接触力を比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて実施の形態１による回転電機について説明する。
なお、各図面中において、同一符号は同一あるいは相当のものであることを示す。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による回転電機を模式的に示す縦断面図である。図１において、回転電機１００は、ステータ７とロータ１とを備えており、ロータ１はロータコア２と、ロータコア２に埋設された永久磁石３と、ロータコア２の内周部を貫通するシャフト４とを備えている。実施の形態１において、永久磁石３は軸方向に複数個に分割されている。ロータコア２とシャフト４は、圧入、焼き嵌め、またはロータコア２の内周とシャフト４の外周に設けたキー構造を介して嵌合されている。また、ステータ７は、軸方向に複数の鋼板を積層したステータコア５と、ステータコア５に巻回されたコイル６とを備えている。なお、ステータ７の回転中心と質量重心は一致しており、バランス調整用のプレートなどを付加してもよい。
【００１３】
図２は、実施の形態１による回転電機のロータを示す平面図である。図２において、ロータコア２には２４個の磁石挿入孔２１が配置され、磁石挿入孔２１には２４個の永久磁石３が埋設されている。磁石挿入孔２１に設けられた永久磁石３は２個で１セットとなり、永久磁石３はシャフト４の中心側から外周側に向かって広がるような状態でＶ字状に１２セット配置されている。１つの磁極は、Ｖ字状に配置された２つの磁石挿入孔２１と２つの永久磁石３で構成され、１２個の磁極が周方向に並べて配置されている。また、磁極間には、バランス孔３１が設けられている。
【００１４】
ロータコア２の内周部には、シャフト４が配置されている。ロータコア２とシャフト４の間でトルクを効率よく伝達させるため、ロータコア２には、ロータコア２の内周面から径方向内側に突出したキー部２２が設けられ、シャフト４には、シャフト４の外周面にキー部２２と嵌合するキー溝部４１が設けられている。キー部２２およびキー溝部４１は、キー構造を形成しており、キー構造は１８０°対向して２箇所に設けられている。
次に、ロータコア２の内周構造について説明する。図３は、図２を部分的に拡大した平面図である。図３を参照して、実施の形態１による回転電機１００のロータコア２のキー部２２および内周部の構造を説明する。なお、図３において、シャフト４は省略している。
【００１５】
ロータコア２の内周面には、周方向引張応力によってキー部２２に発生する応力集中を緩和するため、キー側面２２１の外周側と接続しシャフト４の外周面から離れる方向に窪んだ応力緩和溝２３がキー部２２の両端に設けられている。
実施の形態１による応力緩和溝２３は、キー側面２２１の外周側と接続する第一円弧２３Ｒ１と、第一円弧２３Ｒ１と滑らかに接続しロータコア２の内周面に延びる第二円弧２３Ｒ２を有している。
【００１６】
また、高速回転時に磁石挿入孔２１とロータコア２の外周面に挟まれて構成された外周ブリッジ部２７１とロータコア２の変形アンバランスおよび応力アンバランスを抑制するため、隣り合う磁極の間には軽量化および磁石挿入孔２１に作用する応力を低減するための抜き穴であるバランス孔３１が設けられている。
次に、実施の形態１による回転電機１００のロータ１におけるバランス孔３１の設置位置について説明する。図４は、実施の形態１による回転電機のロータにおけるバランス孔の設置位置を説明するための平面図である。図４では、実施の形態１による回転電機１００のロータ１を１／４だけ表示しており、シャフト４は省略している。
【００１７】
図４において、ロータコア２の中心を始点８とし、キー部２２の中心を通ることによりキー部２２を二等分し、バランス孔３１を通る半直線を第１のバランス孔中心線３１１Ｌと定義し一点鎖線で示す。また、ロータコア２の中心を始点８とし、第１のバランス孔中心線３１１Ｌと垂直に交差する半直線を第４のバランス孔中心線３１４Ｌと定義し一点鎖線で示す。さらに、ロータコア２の中心を始点８とし、第１のバランス孔中心線３１１Ｌから周方向に見て、第４のバランス孔中心線３１４Ｌまでに存在するバランス孔３１の中心を通る半直線をそれぞれ第２のバランス孔中心線３１２Ｌ、第３のバランス孔中心線３１３Ｌと定義し一点鎖線で示す。
【００１８】
実施の形態１による回転電機１００のロータ１では、図４に示すように、ロータコア２の中心を始点８として、第１のバランス孔中心線３１１Ｌ、第２のバランス孔中心線３１２Ｌ、第３のバランス孔中心線３１３Ｌ、および第４のバランス孔中心線３１４Ｌ上のバランス孔３１の中心までの直線をそれぞれｄ１、ｄ２、ｄ３、およびｄ４と定義し、式（１）および式（２）が成立するようにバランス孔３１を配置している。
ｄ４≧ｄ３≧ｄ２≧ｄ１      （１）
ｄ４＞ｄ１                  （２）
【００１９】
図５Ａは、比較例１によるロータの１／４領域を示す平面図であり、図５Ｂは、図５Ａに示すロータの回転時の変形状態を示す平面図である。また、図６は図５Ａに示す平面図を用いてバランス溝の効果を説明するための図である。以下、図５Ａ、図５Ｂ、図６を参照して比較例１を検証することにより、実施の形態１の作用および効果について検証する。
図５Ａにおいて、比較例１としてのロータ１は、ロータコア２に埋設された永久磁石３、キー部２２、バランス溝２４、およびバランス孔３１を備えており、応力緩和溝２３を備えていない。バランス溝２４は、キー部２２を始点として各磁極を構成する角度と同じ角度ごとに設けられており、特許文献１と同様の構成とした。
また、図５Ｂは、図５Ａに示すロータの回転時の変形状態を示しており、具体的には、ロータコア２の原形線１１と、ロータ１を１３０００ｒｐｍで回転させたときのロータコア２の変形線１０を２００倍に拡大した状態を示している。キー部２２の取り付け方向をＸ軸、Ｘ軸と直交する方向をＹ軸とおく。ここで、５Ａおよび図５Ｂは、Ｘ軸およびＹ軸に対して対称である。
【００２０】
上述の条件においてロータ１を回転させた結果、図５Ｂに示すように、Ｘ軸方向の変形量ＡはＹ軸方向の変形量Ｂに対して大きくなった。すなわち、ロータコア２はＸ軸方向に凸の楕円変形となった。図５Ｂにおいて、変形量Ａは、ロータ１に作用する遠心力にキー部２２に作用する遠心力とバランス溝２４による周方向の剛性低下を加えたものである（変形量Ａ：ロータ１に作用する遠心力＋キー部２２に作用する遠心力＋バランス溝２４による周方向の剛性低下）。また、変形量Ｂは、ロータ１に作用する遠心力からバランス溝２４に作用する遠心力を差し引いたものである（変形量Ｂ：ロータ１に作用する遠心力−バランス溝２４に作用する遠心力）。
ここで、比較例１のロータ１を示した図６を用いてバランス溝２４の効果について説明する。図６において、矢印Ｃは、バランス溝２４に生じる遠心力の消失による変形アンバランスを示し、矢印Ｄは、周方向剛性低下による変形アンバランスを示す。バランス溝２４の効果は２つ挙げられる。
【００２１】
１つ目は、バランス溝２４を設けたことでロータコア２に作用する遠心力が低下し、径方向変形が抑制されることである。この変形抑制効果はロータコア２におけるバランス溝２４を設けた角度で局所的に発生するため、図６のロータ１ではバランス溝２４を設けた角度の径方向変形量がバランス溝２４を設けていないキー部方向（Ｘ軸方向）の径方向変形量よりも大きくなる。
２つ目は、バランス溝２４によってロータコア２の内周部の断面積２６ｄが減少することで内周部の剛性が低下し、周方向変形量が大きくなることである。この変形増加効果はロータコア２におけるバランス溝２４を設けた角度で局所的に発生する。また、ある位置の周方向変形量が増加すると、増加位置と直交する方向の径方向変形量が増加する。すなわち図６のロータ１では、バランス溝２４を設けていないキー部２２方向（Ｘ軸方向）の径方向変形量がバランス溝２４を設けた角度の径方向変形量よりも大きくなる。
比較例１では、キー部２２を設けることでＸ軸方向の径方向変形が大きくなり、バランス溝２４を設けることで周方向剛性が低下し、周方向変形が増加する。それに伴い直交する径方向の変形量も増加するが、遠心力低下による径方向変形の抑制効果により径方向変形は相殺される。そのため、残る周方向変形がＸ軸方向の変化量Ａにプラスされる。
【００２２】
図７Ａは、比較例２によるロータの１／４領域を示す平面図であり、図７Ｂは、図７Ａに示すロータの回転時の変形状態を示す平面図である。図７Ａにおいて、比較例２としてのロータ１は、ロータコア２に埋設された永久磁石３、キー部２２、応力緩和溝２３、およびバランス孔３１を備えており、バランス溝２４を備えていない。
また、図７Ｂは、図７Ａに示すロータの回転時の変形状態を示しており、具体的には、ロータコア２の原形線１１と、ロータ１を１３０００ｒｐｍで回転させたときのロータコア２の変形線１０を２００倍に拡大した状態を示している。キー部２２の取り付け方向をＸ軸、Ｘ軸と直交する方向をＹ軸とおく。ここで図７Ａおよび図７Ｂは、Ｘ軸およびＹ軸に対して対称である。
【００２３】
上述の条件においてロータ１を回転させた結果、図７Ｂに示すように、Ｙ軸方向の変形量Ｅは、Ｘ軸方向の変形量Ｆに対して大きいことが分かる。すなわち、ロータコア２はＹ軸方向に凸の楕円変形となった。図７Ｂにおいて、変形量Ｅは、ロータ１に作用する遠心力に応力緩和溝２３による周方向の剛性低下を加えたものである（変形量Ｅ：ロータ１に作用する遠心力＋応力緩和溝２３による周方向剛性低下）。また、変形量Ｆは、ロータ１に作用する遠心力にキー部２２に作用する遠心力を加えて、応力緩和溝２３に作用する遠心力を差し引いたものである（変形量Ｆ：ロータ１に作用する遠心力＋キー部２２に作用する遠心力−応力緩和溝２３に作用する遠心力）。
【００２４】
比較例２では、応力のアンバランスおよび変形アンバランスにより２つの問題が発生する。
１つ目は、応力のアンバランスによる耐久性の低下である。ロータ１が高速で回転する場合、ロータコア２の変形により各磁極の外周ブリッジ部２７１Ｂ−２７６Ｂ、およびバランス孔３１は応力集中部となり高い応力が発生する。各磁極の変形形状が均一であれば応力集中部に作用する応力も均一となるが、比較例１および比較例２のロータコア２では応力アンバランスにより応力集中部に作用する応力が不均一となりロータコア２の耐久性が低下する。
２つ目は、変形のアンバランスによる破損回転数の低下である。回転電機１００のロータ１は静的強度および疲労限度を考慮して許容回転数を決定し、最高回転数以上で回さないように制御することが望ましい。ところが、電気自動車、ハイブリッド自動車用の回転電機１００などでは駆動系からの回転の伝達により強制的に許容回転数を超えた回転数でロータ１が回転する場合がある。許容回転数を超えるとロータコア２が外径側に塑性変形し、径方向変形量がロータコア２とステータコア５とのギャップ幅を超過すると接触して回転電機１００が破損する。比較例１および比較例２のロータコア２では、変形アンバランスにより楕円変形の凸側が優先的にステータコア５と接触するため破損回転数が低下する。
【００２５】
ここで、応力緩和溝２３の効果について説明する。応力緩和溝２３は、図６を用いて説明したバランス溝２４の効果と同様に遠心力低減と周方向剛性低減の２つの効果を持ち、Ｙ軸方向変形をＸ軸方向変形よりも大きくなるようにアンバランスを生じさせる。
比較例２では、応力緩和溝２３によるＹ方向変形の増加が、キー部２２によるＸ方向変形の増加を上回ったことが、Ｙ軸方向に凸の楕円変形となった原因である。
比較例２において、キー部２２によるＸ方向変形と応力緩和溝２３のＹ方向変形のバランスを確保すればアンバランスを解消できるが、応力緩和溝２３はキー部２２に作用する応力を低減するために大きな径の円弧などで構成する必要があるためキー部２２とのバランスを確保することが困難である。また、キー部２２は遠心力の増加によりアンバランスを生じさせるが、応力緩和溝２３は遠心力の低下と周方向剛性の低下の２つの効果によりアンバランスを生じさせるため、バランスを確保するには応力緩和溝２３のサイズをキー部２２のサイズの１／２程度にする必要があり、一層設計が困難となる。
【００２６】
図８Ａは、比較例３によるロータの１／４領域を示す平面図であり、図８Ｂは、図８Ａに示すロータの回転時のシャフトとの接触分布を示す平面図である。
図８Ａにおいて、比較例３としてのロータ１は、ロータコア２に埋設された永久磁石３、キー部２２、応力緩和溝２３、バランス孔３１、バランス溝２４、およびシャフト４を備えている。ロータコア２は、シャフト４に対して圧入により嵌合している。また、図８Ｂは、図８Ａに示すロータ１を１３０００ｒｐｍで回転させたときのロータコア２とシャフト４間の圧入部の接触分布を示している。
【００２７】
また、図９Ａは、比較例４によるロータの１／４領域を示す平面図であり、図９Ｂは、図９Ａに示すロータの回転時のシャフトとの接触分布を示す平面図である。
図９Ａにおいて、比較例４としてのロータ１は、ロータコア２に埋設された永久磁石３、キー部２２、応力緩和溝２３、バランス孔３１、およびシャフト４を備えており、バランス溝２４を備えていない。また、ロータコア２はシャフト４に対し圧入により嵌合している。
また、図９Ｂは、図９Ａに示すロータ１を１３０００ｒｐｍで回転させたときのロータコア２とシャフト４間の圧入部の接触分布を示している。比較例４は、比較例３と比べると、ロータコア２とシャフト４間の圧入部の接触分布が広域であることが分かる。すなわち、比較例４の方が比較例３よりもロータコア２とシャフト４間の接触面積が大きく伝達するトルクが大きいことが分かる。
【００２８】
ここで、トルクの伝達に関して説明する。回転電機１００によるロータ１のロータコア２とシャフト４間でトルクを伝達する手段は２つ挙げられる。
１つ目は、ロータコア２の内周面から内周側に突出したキー部２２とシャフト４の外周面に設けられたキー溝部４１を嵌合させることで位置決めを行うキー構造である。このキー構造は、高速回転時でもロータコア２とシャフト４間でトルクを伝達できるが、遠心力によるロータコア２の内径増またはキー部２２の寸法公差だけガタが生じるため、ロータコア２とシャフト４の位置決め精度が低下するという問題がある。
２つ目は、ロータコア２の内周面とシャフト４の外周面を圧入または焼き嵌めの締まり嵌めとして、接触部の摩擦力でトルクを伝達させる構造である。この構造は、高速回転時に遠心力によりロータコア２がシャフト４から離間し、ロータコア２の内径が増加し締め代がなくなるとトルクを伝達できなくなるという問題がある。
そのため、上述した２つの構造を併用することでお互いの問題点を解消した構造が用いられることが多い。
【００２９】
図１０Ａは、実施の形態１による回転電機のロータの１／４領域を示す平面図である。また、図１０Ｂは、図１０Ａに示すロータの回転時の変形状態を示す平面図である。
図１０Ａにおいて、実施の形態１におけるロータ１は、ロータコア２に埋設された永久磁石３、キー部２２、応力緩和溝２３、バランス孔３１を有している。すなわち、ロータコア２の中心を始点８として各々のバランス孔３１の中心までの直線ｄ１、ｄ２、ｄ３、およびｄ４は、式（３）の関係である。なお、実施の形態１では直線ｄ４の大きさを基準としている。
ｄ４＞ｄ３＞ｄ２＞ｄ１      （３）
【００３０】
また、図１０Ｂは、図１０Ａに示すロータ１の回転時の変形状態を示しており、具体的には、ロータコア２の原形線１１とロータ１を１３０００ｒｐｍで回転させたときのロータコア２の変形線１０を２００倍に拡大した状態を示している。キー部２２の取り付け方向をＸ軸、Ｘ軸と直交する方向をＹ軸とおく。図１０Ａおよび図１０ＢはＸ軸およびＹ軸に対して対称である。
図１０Ｂにおいて、Ｙ軸方向の変形量ＥはＸ軸方向の変形量Ｆに対して大きいことが分かる。すなわち、ロータコア２はＹ軸方向に凸の楕円変形となった。Ｙ軸方向は比較例１よりも変形が大きくなったが、比較例２よりは小さくなった。すなわち、実施の形態１の回転電機１００のロータ１によれば、比較例２と比べると、回転時の変形アンバランスを抑制することができる。変形量Ｅは、ロータ１に作用する遠心力に応力緩和溝２３による周方向の剛性低下を加えたものである（変形量Ｅ：ロータ１に作用する遠心力＋応力緩和溝２３による周方向剛性低下）。また、変形量Ｆは、ロータ１に作用する遠心力にキー部２２に作用する遠心力を加えて、応力緩和溝２３に作用する遠心力を差し引いたものである（変形量Ｆ：ロータ１に作用する遠心力＋キー部２２に作用する遠心力−応力緩和溝２３に作用する遠心力）。
【００３１】
図１１Ａは、実施の形態１による回転電機のロータと比較例１および比較例２のロータの応力を比較した図である。また、図１１Ｂは、実施の形態１による回転電機のロータと比較例３および比較例４のロータの径方向接触力を比較した図である。
ここで、実施の形態１と比較例１および比較例２の応力と、実施の形態１と比較例３および４の径方向接触力を比較する。応力および径方向接触力は、ロータ１を１３０００ｒｐｍで回転させたときのロータコア２で評価する。図１１Ａには、外周ブリッジ部２７１Ｂ−２７６Ｂに作用する最大応力とそれらの標準偏差を示す。また、図１１Ｂには、ロータコア２とシャフト４間の径方向接触力を示す。
【００３２】
図１１Ａより、実施の形態１は外周ブリッジ部２７１Ｂ−２７６Ｂにおいて、比較例２の最大応力を下回っている。また、外周ブリッジ部２７１Ｂ−２７６Ｂに作用する最大応力の標準偏差も比較例２を下回っている点から、実施の形態１では応力不均一が抑制されており、より耐久性の高いロータコア２であることが分かる。比較例１は、図６を用いて説明したバランス溝２４の効果により実施の形態１と同様に応力の不均一は抑制されており、耐久性の高いロータコア２であることが分かる。しかし、図１１Ｂに示すように、径方向接触力に着目すると、実施の形態１は比較例３、および比較例４の径方向接触力を上回っている。すなわち、実施の形態１は比較例３および比較例４と比べ、ロータコア２とシャフト４間の伝達トルクを大きく保つことができる。
【００３３】
以上の２点より、実施の形態１は、外周ブリッジ部２７１Ｂ−２７６Ｂの応力の均一性は比較例１と同程度だが、保持トルクを高く保つことができ、高速回転時にロータコア２とシャフト４間の離間を防止する構造を提供できる。
ここで、実施の形態１のロータ１を示した図１０Ａを用いてバランス孔３１の設置位置変更による効果を説明する。バランス孔３１の設置位置を式（３）にすることで得られる効果は２つある。
【００３４】
１つ目は、ロータコア２の中心からバランス孔３１の中心までの距離を小さくすることで、ロータコア２に作用する遠心力が低下し、径方向変形が抑制される。この変形抑制効果は、バランス孔３１の位置を変更した箇所で局所的に発生するため、図１０Ａに示すロータ１では、バランス孔３１の中心までの長さを小さくした方向（Ｘ軸方向）の径方向変形量が長さの大きい方向（Ｙ軸方向）の径方向変形量よりも大きくなる。
２つ目は、第１のバランス孔中心線３１１Ｌ上の直線ｄ１を第４のバランス孔中心線３１４Ｌ上の直線ｄ４より小さくすることで内周部の剛性が低下し、周方向変形量が大きくなる。ある位置の周方向変形量が増加すると、増加位置と直交する方向の径方向変形量が増加する。
【００３５】
すなわち、図１０Ａのロータ１では、バランス孔３１の中心までの直線ｄ１の長さを小さくした方向（Ｘ軸方向）の径方向変形量が直線ｄ４方向（Ｙ軸方向）の径方向変形量よりも大きくなる。
上記で説明した効果により、実施の形態１のロータコア２は比較例２よりもＸ軸方向への変形が助長され、発生していたＹ軸方向に凸の楕円変形となるアンバランスを抑制可能であることが分かる。
【００３６】
図１２Ａは、実施の形態１による回転電機の変形例１を示す平面図であり、図１２Ｂは、実施の形態１による回転電機の変形例２を示す平面図である。また、図１２Ｃは、実施の形態１による回転電機の変形例３を示す平面図である。
図１２Ａに示すように、実施の形態１の変形例１は、バランス孔３１の中心までの直線ｄ１のみｄ４に比べ小さくした構成を示す。すなわち、図１２Ａに示すロータコア２のバランス孔３１の中心までの直線ｄ１〜ｄ４は式（４）の関係である。
ｄ４＝ｄ３＝ｄ２＞ｄ１      （４）
【００３７】
次に、図１２Ｂに示すように、実施の形態１の変形例２は、バランス孔３１の中心までの直線ｄ１およびｄ２を等しくｄ４に比べ小さくした構成を示す。すなわち、図１２Ｂに示すロータコア２のバランス孔３１の中心までの直線ｄ１〜ｄ４は式（５）の関係である。
ｄ４＝ｄ３＞ｄ２＝ｄ１      （５）
【００３８】
さらに、図１２Ｃに示すように、実施の形態１の変形例３は、バランス孔３１の中心までの直線ｄ１、ｄ２、およびｄ３を等しくして、ｄ４に比べて小さくした構成を示す。すなわち、図１２Ｃに示すロータコア２のバランス孔３１の中心までの直線ｄ１〜ｄ４は式（６）の関係である。
ｄ４＞ｄ３＝ｄ２＝ｄ１      （６）
【００３９】
ここで、実施の形態１の変形例１、変形例２、変形例３、および比較例２の応力を比較する。応力は、図１２Ａから図１２Ｃに示すロータ１を１３０００ｒｐｍで回転させたときのロータコア２で評価する。
図１３は、実施の形態１による回転電機の変形例１、変形例２および変形例３のロータと比較例２のロータの外周ブリッジ部２７１Ｂ−２７６Ｂに作用する最大応力を比較した図である。図１３に示すように、実施の形態１における変形例１、変形例２、変形例３は、すべて比較例２の最大応力を下回っていることがわかる。
【００４０】
すなわち、第４のバランス孔中心線３１４Ｌ上のバランス孔３１以外のバランス孔３１の位置をｄ４より小さくすることでアンバランスが抑制され、外周ブリッジ部２７１Ｂ−２７６Ｂに作用する応力を低減可能であることが分かる。すなわち、式（３）〜（６）より式（１）および式（２）を満たすロータ１の構造が応力アンバランスの抑制に効果的な構造であることがわかる。
ｄ４≧ｄ３≧ｄ２≧ｄ１      （１）
ｄ４＞ｄ１                  （２）
【００４１】
以上のように、実施の形態１による回転電機１００によれば、ステータ７、このステータ７の内側に配置されたロータコア２と、ロータコア２の内周面から径方向に突出して形成されたキー部２２と、キー部２２の両端に設けられ、ロータコア２の内周面よりも径方向外側に窪んで形成された応力緩和溝２３と、ロータコア２の複数の磁極間にそれぞれ設けられた複数のバランス孔３１とを有するロータ１、を備え、ロータコア２の中心から複数のバランス孔３１のそれぞれの中心までの長さは、キー部２２の中心を通る第１直線ｄ１の長さが、第１直線ｄ１と垂直に交差する第ｎ直線ｄｎの長さよりも小さいことを特徴とするものである。
【００４２】
また、実施の形態１による回転電機１００によれば、ロータコア２の中心を始点８として、キー部２２の中心を通る半直線上のバランス孔３１の中心までの第１直線をｄ１と定義し、ロータコア２の中心を始点８として、第１直線ｄ１と垂直に交差する半直線上のバランス孔３１の中心までの第ｎ直線をｄｎと定義し、ロータコア２の中心を始点８として、この２つのバランス孔３１（第１直線上のバランス孔と第ｎ直線上のバランス孔）に周方向に挟まれた複数の各磁極間のバランス孔３１の中心までの直線を第１直線であるｄ１上のバランス孔３１に近い順からｄ２、ｄ３、・・・、ｄｎ−１と定義すると、ｄ１からｄｎは、式（７）および式（８）を満足することを特徴とするものである（ただし、自然数ｎ＞１）。
ｄｎ≧ｄｎ−１≧・・・≧ｄ１      （７）
ｄｎ＞ｄ１                        （８）
【００４３】
実施の形態１による回転電機１００によれば、ロータコア２内周にキー部２２およびキー部２２両端に応力緩和溝２３を設けた場合において、磁極間に設けたバランス孔３１の位置を統一しないことにより、ロータコア２とシャフト４との接触面積を確保し両者の離間を防ぎつつ、キー部２２および応力緩和溝２３に起因するロータコア２の変形アンバランスおよび応力アンバランスを効率的に抑制でき耐久性が向上した回転電機１００を提供することができる。
【００４４】
実施の形態２．
図１４は、実施の形態２による回転電機のロータを示す平面図である。図１４において、実施の形態１における回転電機１００を説明するために用いた符号と同一の符号をつけたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。実施の形態２におけるロータコア２には、高速回転時の変形アンバランスおよび応力アンバランスを抑制するため、隣り合う磁極の間には軽量化および磁石挿入孔２１に作用する応力を低減するための非統一形状の抜き穴（非統一のバランス孔３１Ｈ、３２Ｈ、３３Ｈ、３４Ｈ）が設けられている。
図１５は、実施の形態２による回転電機のロータにおけるバランス孔の設置位置を説明するための平面図である。図１５は、実施の形態２による回転電機１００のロータ１を１／４だけ表示して拡大して図示しており、シャフト４は省略している。
【００４５】
実施の形態２による回転電機のロータ１は、図１５に示すように、第１のバランス孔中心線３１１Ｌ、第２のバランス孔中心線３１２Ｌ、第３のバランス孔中心線３１３Ｌ、および第４のバランス孔中心線３１４Ｌ上のバランス孔の面積を順に、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、およびＳ４と定義し、式（１）、式（２）、および式（９）が成立するようにバランス孔３１Ｈ、３２Ｈ、３３Ｈ、３４Ｈを配置している。
Ｓ４≦Ｓ３≦Ｓ２≦Ｓ１      （９）
【００４６】
図１６Ａは、実施の形態２による回転電機のロータの１／４領域を示す平面図であり、図１６Ｂは、図１６Ａに示すロータの回転時の変形状態を示す平面図である。
図１６Ａにおいて、実施の形態２によるロータ１は、ロータコア２に埋設された永久磁石３、キー部２２、応力緩和溝２３、非統一のバランス孔３１Ｈ、３２Ｈ、３３Ｈ、３４Ｈを備えている。すなわち、直線ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４および、非統一のバランス孔３１Ｈ、３２Ｈ、３３Ｈ、３４Ｈの面積Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は式（３）、（２）、（９）の関係である。
ｄ４＞ｄ３＞ｄ２＞ｄ１      （３）
ｄ４＞ｄ１                  （２）
Ｓ４≦Ｓ３≦Ｓ２≦Ｓ１      （９）
【００４７】
また、図１６Ｂは、図１６Ａに示すロータ１の回転時の変形状態を示しており、具体的には、ロータコア２の原形線１１とロータ１を１３０００ｒｐｍで回転させたときのロータコア２の変形線１０を２００倍に拡大した状態を示している。キー部２２の取り付け方向をＸ軸、Ｘ軸と直交する方向をＹ軸とおく。図１６Ａおよび図１６Ｂは、Ｘ軸およびＹ軸に対して対称である。
ここで、実施の形態２と比較例１、比較例２、および実施の形態１の応力と、実施の形態２と比較例３、比較例４、および実施の形態１の径方向接触力を比較する。
図１７Ａは、実施の形態２による回転電機のロータと比較例１、比較例２、および実施の形態１のロータの外周ブリッジ部２７１Ｂ−２７６Ｂに作用する最大応力とそれらの標準偏差を比較した図である。また、図１７Ｂは、実施の形態２による回転電機のロータと比較例３、比較例４、および実施の形態１のロータのロータコア２とシャフト４間の径方向接触力を比較した図である。
図１７Ａ、図１７Ｂに示すように、実施の形態２による回転電機１００のロータ１は、全ての外周ブリッジ部２７１Ｂ−２７６Ｂにおいて、比較例２の最大応力を下回っている。また、外周ブリッジ部２７１Ｂ−２７６Ｂに作用する最大応力の標準偏差は、比較例１、比較例２、および実施の形態１を下回っている。
【００４８】
すなわち、実施の形態２による回転電機１００のロータ１は、バランス孔３１Ｈ、３２Ｈ、３３Ｈ、３４Ｈの設置位置を非統一にするだけでなく、バランス孔３１Ｈ、３２Ｈ、３３Ｈ、３４Ｈの面積も不統一にすることで、実施の形態１に比べ、応力不均一がより抑制されており、耐久性の高いロータ１であることが分かる。また、径方向接触力に着目すると、実施の形態２による回転電機１００のロータ１は、比較例３を上回り、比較例４および実施の形態１と同程度である。すなわち、実施の形態２による回転電機１００のロータ１は比較例３および比較例４と比べ、ロータコア２とシャフト４間の伝達トルクを同程度ないし大きく保つことができる。
以上より、実施の形態２は、外周ブリッジ部２７１Ｂ−２７６Ｂの応力の不均一を解決し、ロータコア２とシャフト４間の保持トルクを高く保つことができる回転電機１００を提供できる。
【００４９】
以上のように、実施の形態２による回転電機１００によれば、実施の形態１による回転電機と同様に、ステータ７、このステータ７の内側に配置されたロータコア２と、ロータコア２の内周面から径方向に突出して形成されたキー部２２と、キー部２２の両端に設けられ、ロータコア２の内周面よりも径方向外側に窪んで形成された応力緩和溝２３と、ロータコア２の複数の磁極間にそれぞれ設けられた複数のバランス孔３１Ｈ、３２Ｈ、３３Ｈ、３４Ｈとを有するロータ１、を備え、ロータコア２の中心から複数のバランス孔３１Ｈ、３２Ｈ、３３Ｈ、３４Ｈのそれぞれの中心までの長さは、キー部２２の中心を通る第１直線ｄ１の長さが、第１直線ｄ１と垂直に交差する第ｎ直線ｄｎ（ただし、自然数ｎ＞１）の長さよりも小さいことを特徴として有している。
【００５０】
さらに、実施の形態２による回転電機１００によれば、ロータコア２の中心を始点８として、キー部２２の中心を通る半直線上のバランス孔３１Ｈの中心までの第１直線をｄ１と定義し、ロータコア２の中心を始点８として、第１直線ｄ１と垂直に交差する半直線上のバランス孔３４Ｈの中心までの第ｎ直線をｄｎと定義し、第１直線であるｄ１上のバランス孔３１Ｈの面積をＳ１と定義し、周方向に隣り合う、第ｎ直線であるｄｎ上のバランス孔３４Ｈまでの面積を順にＳ２、Ｓ３、・・・、Ｓｎと定義すると、Ｓ１からＳｎは、式（１０）を満足することを特徴とするものである。
Ｓｎ≦Ｓｎ−１≦・・・≦Ｓ１      （１０）
【００５１】
実施の形態２による回転電機１００によれば、ロータコア２内周にキー部２２およびキー部２２両端に応力緩和溝２３を設けた場合において、磁極間に設けたバランス孔３１Ｈ、３２Ｈ、３３Ｈ、３４Ｈの位置および形状を統一しないことにより、ロータコア２とシャフト４との接触面積を確保し両者の離間を防ぎつつ、キー部２２および応力緩和溝２３に起因するロータコア２の変形アンバランスおよび応力アンバランスを効率的に抑制でき耐久性が向上した回転電機１００を提供することができる。
【００５２】
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。
【符号の説明】
【００５３】
１  ロータ、２  ロータコア、３  永久磁石、４  シャフト、５  ステータコア、６  コイル、７  ステータ、８  始点、１０  変形線、１１  原形線、２１  磁石挿入孔、２２  キー部、２３  応力緩和溝、２２１  キー側面、２３Ｒ１  第一円弧、２３Ｒ２  第二円弧、２４  バランス溝、２６ｄ  断面積、３１  バランス孔、３１Ｈ、３２Ｈ、３３Ｈ、３４Ｈ  バランス孔、３１１Ｌ  第１のバランス孔中心線、３１２Ｌ  第２のバランス孔中心線、３１３Ｌ  第３のバランス孔中心線、３１４Ｌ  第４のバランス孔中心線、２７１  外周ブリッジ部、２７１Ｂ−２７６Ｂ  外周ブリッジ部、４１  キー溝部、１００  回転電機
【要約】
ロータ（１）の変形および応力のアンバランスを効率的に抑制でき耐久性が向上した回転電機（１００）を得る。回転電機（１００）は、ステータ（７）、ステータ（７）の内側に配置されたロータコア（２）と、ロータコア（２）の内周面から径方向に突出して形成されたキー部（２２）と、キー部（２２）の両端に設けられ、ロータコア（２）の内周面よりも径方向外側に窪んで形成された応力緩和溝（２３）と、ロータコア（２）の複数の磁極間にそれぞれ設けられた複数のバランス孔（３１）とを有するロータ（１）、を備え、ロータコア（２）の中心から複数のバランス孔（３１）のそれぞれの中心までの長さは、キー部（２２）の中心を通る第１直線（ｄ１）の長さが、第１直線（ｄ１）と垂直に交差する第ｎ直線（ｄ４）（ただし、自然数ｎ＞１）の長さよりも小さいことを特徴とするものである。【図１】
0006793888.tif 000002
【図２】
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【図３】
0006793888.tif 000004
【図４】
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【図５Ａ】
0006793888.tif 000006
【図５Ｂ】
0006793888.tif 000007
【図６】
0006793888.tif 000008
【図７Ａ】
0006793888.tif 000009
【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
0006793888.tif 000011
【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
0006793888.tif 000014
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
0006793888.tif 000016
【図１１Ａ】
0006793888.tif 000017
【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
0006793888.tif 000019
【図１２Ｂ】
0006793888.tif 000020
【図１２Ｃ】
0006793888.tif 000021
【図１３】
0006793888.tif 000022
【図１４】
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【図１５】
0006793888.tif 000024
【図１６Ａ】
0006793888.tif 000025
【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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