(57)【要約】  回転電気機械構造のステーターに対して回転するシャフトに取り付け可能な積層薄板ローターであって、該ローターは重ね合せて一体にされ、磁石を中に格納する複数の孔を有し、前記積層薄板ローターを形成する複数の薄板と磁石を中に格納する複数の孔を有する。同ローターは内部にシャフトを通すことが可能なシャフト開口を囲み、前記シャフト開口から半径方向外側のローター外周面まで延設される環状部であって、複数の孔グループに含まれる前記複数の孔の波状に連なる並び列であって、半径方向外側のローター外周面から前記シャフト開口に向かって連設され、さらに前記半径方向外側のローター外周面に戻るように連設された波状に連なる並び列を含む環状部を有する。各孔グループの遠位孔の対と隣り合う孔グループの遠位孔とは、前記半径方向外側のローター外周面の隣り合う円弧部を隔離する間隙を画定する。【代表図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電気機械構造のステーターに対して回転するシャフトに取り付け可能な積層薄板ローターであって、該ローターは、重ね合せて一体にされ、磁石を中に格納する複数の孔を有し、前記積層薄板ローターを形成する複数の薄板を有し、
内部にシャフトを通すことが可能なシャフト開口を囲み、前記シャフト開口から半径方向外側のローター外周面まで延設される環状部であって、複数の孔グループに含まれる前記複数の孔の波状に連なる並び列であって、半径方向外側のローター外周面から前記シャフト開口に向かって連設され、さらに前記半径方向外側のローター外周面に戻るように連設された波状に連なる並び列を含む環状部を含み、
各孔グループの遠位孔の対と隣り合う孔グループの遠位孔とは、前記半径方向外側のローター外周面の隣り合う円弧部を分離する間隙を画定することを特徴とする積層薄板ローター。
【請求項２】
前記複数の孔グループのそれぞれの中の隣り合う孔の間に配置されたウェブは、前記円弧部を画定する前記ローターの部分を主として前記ローターの半径方向で支持する請求項１に記載のローター。
【請求項３】
前記円弧部を画定する前記ローターの複数の部分は、前記複数の孔グループのそれぞれに含まれる隣り合う孔の間にあるウェブのみによって、ローター中心部と接続していることを特徴とする請求項１に記載のローター。
【請求項４】
前記複数の孔グループの少なくとも一つに含まれる複数の孔のうちの中心の孔に格納される中心永久磁石は、前記複数の孔グループの少なくとも一つに含まれる他の磁石よりも横幅が大きいことを特徴とする請求項１に記載のローター。
【請求項５】
前記複数の孔グループのそれぞれに含まれる複数の孔の少なくともいくつかは互いに連通していることを特徴とする請求項１に記載のローター。
【請求項６】
前記複数のウェブのうちの少なくとも一つは、前記複数の孔グループの少なくとも一つの孔の中心に位置していることを特徴とする請求項３に記載のローター。
【請求項７】
前記複数のウェブのうちのいずれのウェブも、前記複数の孔グループのいずれの孔グループの中心に位置していないことを特徴とする請求項３に記載のローター。
【請求項８】
前記複数のウェブのうちの少なくとも一つは、前記複数の孔グループのそれぞれの中心に位置することを特徴とする請求項３に記載のローター。
【請求項９】
前記複数の孔のそれぞれは、実質的に長方形の断面を有していることを特徴とする請求項１に記載のローター。
【請求項１０】
前記複数の孔の波状に連なる並び列は前記ローターの外周に連設され、前記ローターを一回りしていることを特徴とする請求項１に記載のローター。
【請求項１１】
回転電気機械構造のステーターに対して回転するシャフトに取り付け可能な積層薄板ローターに含まれる薄板であり、磁石を格納するための複数の孔を有し、
内部にシャフトを通すことが可能なシャフト開口を囲み、前記シャフト開口から半径方向外側のローター外周面まで延設される環状部であって、複数の孔グループに含まれる前記複数の孔の波状に連なる並び列であって、半径方向外側のローター外周面から前記シャフト開口に向かって連設され、さらに前記半径方向外側のローター外周面に戻るように連設された波状に連なる並び列を含む環状部を含み、
各孔グループの遠位孔の対と隣り合う孔グループの遠位孔とは、前記半径方向外側のローター外周面の隣り合う円弧部を分離する間隙を画定することを特徴とする薄板。
【請求項１２】
前記複数の孔グループのそれぞれの中の隣り合う孔の間に配置されたウェブは、前記円弧部を画定する前記薄板の部分を主として前記薄板の半径方向で支持する請求項１１に記載の薄板。
【請求項１３】
前記円弧部を画定する前記薄板の複数の部分は、前記複数の孔グループのそれぞれに含まれる隣り合う孔の間にあるウェブのみによって、薄板中心部と接続していることを特徴とする請求項１１に記載の薄板。
【請求項１４】
前記複数の孔グループの少なくとも一つに含まれる複数の孔のうちの中心の孔に格納される中心永久磁石は、前記複数の孔グループの少なくとも一つに含まれる他の磁石よりも横幅が大きいことを特徴とする請求項１に記載の薄板。
【請求項１５】
前記複数の孔グループのそれぞれに含まれる複数の孔の少なくともいくつかは互いに連通していることを特徴とする請求項１１に記載の薄板。
【請求項１６】
前記複数のウェブのうちの少なくとも一つは、前記複数の孔グループの少なくとも一つの孔の中心に位置していることを特徴とする請求項１３に記載の薄板。
【請求項１７】
前記複数のウェブのうちのいずれのウェブも、前記複数の孔グループのいずれの孔グループの中心に位置していないことを特徴とする請求項１３に記載の薄板。
【請求項１８】
前記複数のウェブのうちの少なくとも一つは、前記複数の孔グループのそれぞれの中心に位置することを特徴とする請求項１３に記載の薄板。
【請求項１９】
前記複数の孔のそれぞれは、実質的に長方形の断面を有していることを特徴とする請求項１１に記載の薄板。
【請求項２０】
前記複数の孔の波状に連なる並び列は前記薄板の外周に連設され、前記ローターを一回りしていることを特徴とする請求項１１に記載の薄板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
２０１１年８月２３日に出願した米国特許出願第１３／２１５、２９６号「内部に設けられ、冷却を促進するブリッジを有する磁石ローター」は、本願とともに譲渡され、ともに米国特許庁に係属しており、本願に関して参照される。
【０００２】
本願発明は、回転電気機械に使用可能な薄板積層ローター構造に関する。
【背景技術】
【０００３】
ヌードルマンによる米国特許第３９７９８２１号は、磁石材料からなる複数の磁石片が格納される複数の開口を有する薄板積層永久磁石ローターを開示している。これらの開口のそれぞれは、対応する磁石材料ピースをその中に保持する複数のリップ部または複数のフランジ部を有する。
【０００４】
ロイヤーによる米国特許第５１６２６８６号は、磁極、薄板またはポケットを延設することにより、複数の磁石を半径方向の所定位置に保持するローターに関する。  
【０００５】
ガーヴェンらによる米国特許第７４３６０９６号は、ローターの外周に隣接する位置に複数の群または複数のグループとして配置される複数の永久磁石を有するローターを含む電気機械に関する。
【０００６】
さらに、西山らによる米国特許第６３４０８５７号、小原木らによる米国特許第６５２５４４２号、スミスによる米国特許第６７００２８８号、金子らによる米国特許第６７０３７４３号、高橋らによる米国特許第６７９４７８４号、ヤーンズらによる米国特許第７５０４７５４号、落合らによる米国特許第７６８７９５７号、郡らによる米国特許第７８４７４５６号、カイらによる米国特許第７８５１９５８号、ハンらによる米国特許第７９０２７１０号および郡らによる米国特許第７９５２２４９号は、本願発明と関連するものである。
【０００７】
ヌードルマンによる米国特許第３９７９８２１号、ロイヤーによる米国特許第５１６２６８６号およびガーヴェンらによる米国特許第７４３６０９６号の開示内容は、参照することにより、そのすべてが非本質的な主題として本願に包含される。
【発明の概要】
【０００８】
本願発明にかかる薄板積層型ローターは、回転電気機械構造のステーターに対して回転するシャフトに取り付け可能であり、重ね合せて一体にされ、磁石を中に格納する複数の孔を有し、前記積層薄板ローターを形成する複数の薄板を有する。このローターは、内部にシャフトを通すことが可能なシャフト開口を囲み、前記シャフト開口から半径方向外側のローター外周面まで延設される環状部であって、複数の孔グループに含まれる前記複数の孔の波状に連なる並び列であって、半径方向外側のローター外周面から前記シャフト開口に向かって連設され、さらに前記半径方向外側のローター外周面に戻るように連設された波状に連なる並び列を含む環状部を有する。各孔グループの遠位孔の対と隣り合う孔グループの遠位孔とは、前記半径方向外側のローター外周面の隣り合う円弧部を分離する間隙を画定する。
【０００９】
前記した複数の孔は、様々な態様で配置してよいが、それぞれの構造において、複数の孔グループのそれぞれに含まれる隣り合う孔の間に配置されるウェブが、前記円弧部を画定するローター部分をローター半径方向で支持し、前記円弧部を画定するローター部分が前記複数の孔グループのそれぞれに含まれる隣り合う孔の間に配置されたウェブのみによってローター中心部分と接続されている。前記複数の孔グループの少なくとも一つに含まれる複数の孔のうちの中心の孔に格納される中心永久磁石は、例えば、前記複数の孔グループの少なくとも一つに含まれる他の磁石よりも横幅が大きい。前記複数の孔グループのそれぞれに含まれる複数の孔のうちいくつかは互いに連通していてよ、さらに、前記複数のウェブのうちの少なくとも一つは、前記複数の孔グループの少なくとも一つの孔の中心に位置していてよい。しかし、前記複数のウェブのうちのいずれのウェブも、前記複数の孔グループのいずれかの孔グループの中心に位置している必要はない。  
【００１０】
前記複数の孔が平面図で概ね長方形であることを主に想定しているが、他の孔形状を用いることも可能である。また、前記した複数の孔の波状に連なる並び列は、ローターの外周に連設されローターを一回りしている。本願発明には、さらに既に述べた積層薄板ローターに含まれる薄板に関するものも含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図1は、本願発明にしたがう永久磁石を保持するローターの端面の平面概略図である。
【図２】図２は、図1に示すローター端面のローター薄板の部分Ｐの拡大図である。
【図３】図３は、図２と同様な拡大図であり、図２とは磁石格納部の配置が異なる薄板の部分Ｐを示す。
【図４】図４は、図２と同様な拡大図であり、図２とは磁石格納部の配置が異なる薄板の部分Ｐを示す。
【図５】図５は、図２と同様な拡大図であり、図２とは磁石格納部の配置が異なる薄板の部分Ｐを示す。
【図６】図６は、図２に示すローター薄板の部分Ｑの拡大図である。磁石は示されていない。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本願発明にかかる薄板積層ローターの製造に用いる内設永久磁石ローター薄板１０の平面図を図１に示す。当業者ならばわかることであるが、図１に示す薄板１０は、複数枚の薄板（例えば、５０枚）を結合して一体にした薄板積層体の端面の薄板であり、同薄板スタックを用いてモータ、発電機またはモータ／発電機のような回転電気機械の構造の一部を構成するローター１２が製造される。これらの薄板はすべて鋼または他の適切な材料からなる板をプレス打ち抜きして作製される。ローターシャフト（図示されていない）は、ローター１２のシャフト開口１４内に嵌入することができ、同ローターシャフトによりローターが回転運動する。半径方向で中心に向かって突出している歯またはキー１６が対応するローターシャフトの凹部と嵌合することにより、ローター１２がローターシャフトに対しては回転しない。
【００１３】
薄板１０のそれぞれには、シャフト開口１４を囲み、シャフト開口１４とローター１２の半径方向外側の全外周表面との間に延設される環状部がある。この環状部は、半径方向外側の薄板面に隣接する位置に磁石を格納する複数の穴、孔または隙間（以下、簡単化するため「孔」と呼ぶ）の並び列１８を有する。薄板１０をすべて重ね合わせて一体にした積層体とし、この積層体によりローター１２を画定すると、隣接する薄板のすべての孔の位置が合い、これらの孔は半径方向外側のローター外周面２０の近傍に位置する。図２乃至図６に関して説明するように、すべての孔の中に永久磁石２２が格納可能である。すべての永久磁石２２は、薄板をすべて重ね合わせて一体にした後、これら薄板の孔の中に挿入される。または、所望の場合は、ローターを組む立てる際に、薄板１０をすべて配置された磁石２２に通して、磁石２２をガイドとして働かせて、薄板１０をすべて適切に配置して、すべての孔を磁石２２によって位置合わせしてもよい。一度、選択した枚数の薄板１０を重ね合せた一体にし、樹脂で埋め込むか、接着剤で接着するか、または他の方法で固定するかして磁石２２を所定の位置に配置して、薄板ローター１２が完成する。永久磁石２２は、複数の薄板１０からなる積層体の位置合わせされた複数の孔を通り、ローター１２の軸方向に所望の長さ延設されている。磁石２２はすべてこれらの孔の中で固定された状態で保持され、ステーターの極の内部でローター１２は回転可能であり、磁石２２とステーターの極のまわりの巻線とが協働作用をする。
【００１４】
図１に示すように、複数の孔の並び列１８は波状に連なり、複数の孔グループ２４からなる。各孔グループ２４は、半径方向外側のローター外周面から中心のシャフト開口１４に向かって連設され、さらにローター外周面２０に向かって連設され戻る。並び列１８は薄板積層体の外周全体にわたって連設され、この薄板積層体を含むローターを一回りしている。図１および図２で示す構成では、各孔グループ２４は、互いに対称位置にある遠位孔２６，２８の対、互いに対称位置にある近位孔３０，３２の対および互いに対称位置にある中間孔３４，３６の対を含む。この構成では、遠位孔２６，２８のそれぞれは、隣の位置にある中間孔３４または３６と、薄板材料からなるウェブ３８、４０のいずれかにより、隔離されている。しかし、近位孔３０、３２のそれぞれは、隣の位置にある中間孔３４または３６と、部分的なウェブを構成するフランジ、節部または突起部４２，４４のいずれかによって隔離されており、近位孔と中間孔の組は、相互に連結している。各孔グループ２４中の隣り合う近位孔３０、３２は、この孔グループの中心に位置する中間ウェブ４６によって隔離されている。図２によって与えられる平面図中の概ね長方形で示されているすべての孔は、それぞれの孔の一部のまたはすべての隅部に凹部４８が形成されていてもよい。これらの凹部４８により、理想的な応力集中特性が得られる。もちろん、他の孔形状を用いることも可能である。この特定な構成の一部の特徴は、図６によって与えられる拡大図によりさらに明確に説明される。
【００１５】
「埋め込み磁石」構造を用いる通常のローター薄板では、半径方向外側に連続的な外周面を有し、同ローター薄板の材料が各孔グループのすべての孔の中の磁石を完全に囲むようになっている。しかし、後記するように本願発明の各実施形態においては、各孔グループの遠位孔の外径領域からローター薄板材料が除かれているか、または外されている。このようにローター薄板材料を除くことには、積層ウェブの薄い外側部分から回転円周応力をなくし、そのかわり構造支持部を片持ち梁にするので、構造上の利点がある。この構成を用いれば、残っているウェブは主として半径方向の支持をすることになる。
【００１６】
図２をもう一度見てみると、隣接する２つの孔グループに属する遠位孔２６、２８がローター全体にわたって互いに隣り合うように、複数の孔の並び列１８が配置されている。各孔グループの遠位孔２６、２８のそれぞれと隣接する孔グループの遠位孔との間には、半径方向外側のローター外周面の隣り合う円弧部を分離する間隙５２を形成される。したがって、ローター外周面のこれらの隣り合うアーク部は、それらの間のローター材料を機械加工により削り落としたり、または初めから除くことによって形成される間隙５２によって分離される。このような構造の場合、遠位孔２６、２８は、開口を有し、露出しているが、隣り合うローター外周面円弧部の隣り合う端部の、ローター材料からなるフランジ、節部または突起部５０と、遠位孔２６、２８の間に配置され、ローター材料からなるこれら隣り合う遠位孔に共通のフランジ、節部または突起部５４とによって、遠位孔２６、２８内に磁石２２が配置され、保持される。このように、支持ウェブにより永久磁石を囲む構成にしないで、半径方向外側のローター外周領域から間隙５２から支持ウェブを除いている。ローター１２の半径方向外側の外周面２０の全体にわたって複数の間隙を分散して配置することにより、応力を低減し、高回転速度での性能を高める改良をしたローター積層体形状となっている。既に説明したが、間隙５２内からローター材料をなくすことにより、構造的な利点が生じる。すなわち、そのような構造ではローター積層体の外側の通常薄い部分の応力を無くし、またローター材料をなくすことにより必然的に構造支持部が片持ち梁になる。したがって、図２が示す構造では、残っているウェブ３８、４０および４６は主に半径方向の支持を行い、磁束の漏れる経路が少なくなることにより、これらの間隙によって電気的特性が向上するという利点が加わる。もちろん、様々な孔並び列のパターンを用いることができる。例えば、孔並び列１８と同様な概ねＶ字形状が続く、概ねＵ字形状が続くまたは平坦に続く孔並び列１８とすることもできる。
【００１７】
図３は別の孔グループ構成を示す。この構成では、各孔グループ１２４は対称位置にある遠位孔１２６，１２８の対、単一のＶ字形状の近位孔１３０および対称位置にあり、近位孔１３０と遠位孔１２６，１２８の間に配置される中間孔１３４，１３６の対を含む。遠位孔１２６，１２８のそれぞれは、隣り合う中間孔１３４，１３６のいずれかと薄板材料からなるウェブ１３８、１４０のいずれかによって隔離されている。一方、近位孔１３０は、その対称位置にある端部において薄板材料からなるウェブ１４２、１４４により、隣り合う中間孔１３４、１３６と隔離されている。この特定の構造では、Ｖ字形状の近位孔１３０内に格納される隣り合う複数の磁石２２を隔離するウェブはない。図３に示す構造の他の特徴に関しては、図２に示す構造と同じである。既に説明したことと同様であるが、この構造においても、すべての孔は、そのいくつかのまたはすべての隅部に凹部１４８を含み、応力集中を最適化するものでもよい。
【００１８】
したがって、複数の孔の並び列は図３に示すような構成となり、ローター全体にわたり、隣り合う２つの孔グループに属する遠位孔１２６、１２８が互いに隣り合うように位置している。隣り合う円弧部はローター外周面１２０の間隙１５２によって分離されており、間隙１５２は隣り合う円弧部の間にあったローター材料を機械研削により削り落としたり、初めから除くことにより、作製される。隣り合うローター外周面の円弧部の隣り合う端部にあるローター材料からなるフランジ、節部、突起部または他の突出部１５０と遠位孔１２６、１２８の間に位置するローター材料からなる隣り合う孔に共通の内部フランジ、節部、突起部または他の突出部１５４によって、磁石２２が孔１２６、１２８内に配置され保持される。さらに、支持ウェブにより永久磁石を囲む構成にしないで、半径方向外側のローター外周領域にある間隙５２から支持ウェブを除いている。ローターの半径方向外側の外周面１２０の全体にわたって複数の間隙１５２を分散して配置することにより、応力を低減し、高回転速度での性能を高める改良をしたローター積層体形状となっている。前記したのと同様に、間隙１５２内からローター材料をなくすことにより、構造的な利点が生じる。すなわち、そのような構造ではローター積層体の外側の通常薄い部分の応力を無くし、ローター材料をなくすことにより必然的に構造支持部が片持ち梁になる。さらに前記したのと同様に、残っているウェブ１３８、１４０、１４２および１４４は主に半径方向の支持を行い、磁束の漏れる経路が少なくなることにより、これらの間隙によって電気的特性が向上するという利点が生じる。
【００１９】
他の孔グループの構成を図４に示す。図４に示す構成は、図４に示す単一の細長い近位孔２３０が平面視でＶ字形ではなく長方形であることを除けば、実質的に図３に示す構成と同じであり、この構成によれば、横幅がより大きい単一の磁石２２２を内部に格納可能である。図４中の孔２２６、２２８、２３４および２３６は、それぞれ図３中の孔１２６、１２８、１３４および１３６と実質的に同じであり、複数の磁石２２を保持する。細長い孔２３０があるために、図４の孔並び列のパターンは、略Ｕ字形と表すのが最も適している。複数の間隙２５２が半径方向外側のローター外周面２２０全体にわたって分散しており、ウェブ２３８、２４０、２４２および２４４は主に半径方向の支持を与える。磁束の漏れる経路が少なくなることにより、前記した構成と同様により高性能な電気的特性が得られる。
【００２０】
さらにもう一つの孔グループの構成を図５に示す。図５に示す構成は、図５中の孔３３０、３３４および３３６のそれぞれが長方形であり、直接接触して隣り合う一対の磁石または必要ならば単一のより横幅の大きい磁石を内部に格納できることを除けば、実質的に図４に示す構成と同じである。複数の間隙３５２が半径方向外側のローター外周面３２０の全体にわたって分散しており、ウェブ３４２および３４４は主に半径方向の支持を与える。磁束の漏れる経路が少なくなることにより、前記した構成と同様により高性能な電気的特性が得られる。
【００２１】
以上述べたように本願発明は、機械的応力を低減し、磁石支持ウェブによる電磁気的性能低下を抑制する薄板積層ローター形状を提供する。この形状により、より高回転速度で、より高性能な電気モータおよび発電機が可能になる。埋め込み型永久磁石を用いて永久磁石を支持ウェブにより完全に囲む従来の薄板積層モータの構造と違い、本願発明の改良された薄板積層ローター形状は応力を低減し、高回転速度での性能を向上させる。ローターの外径領域から支持ウェブをなくすことにより、通常薄い外側ウェブ部分から回転円周応力をなくしている。構造支持部は必然的に片持ち梁になっており、残っているウェブは主にローター半径方向の引張り力に対する支持をする。前記したように、本願発明は平坦形状、Ｖ字形状およびＵ字形状に配向した多くの異なる磁石片を用いて実施可能であるが、ほんのわずかな例についてのみ記載した。これらの例は本願発明を限定しようとするものではない。
【００２２】
前記した内容はすべて本願発明を説明するために記載したものであり、本願発明を限定しようとずるものではない。当業者は本願発明の思想と実質を包含する開示した実施形態を変形した形態を思いつくはずであり、特許請求の範囲に記載した発明の技術的範囲にある発明すべてを本願発明は含むものと解釈すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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