(57)【要約】【課題】永久磁石の製造コストを低減しながら磁気バランスの悪化を抑制することが可能なロータ及びこれを備える回転電機を提供する。【解決手段】回転電機１００のロータ２は、回転軸１に一体回転可能に固定されるロータコア２１と、ロータコア２１の外周面に周方向に亘って等間隔で配設される複数の永久磁石２２と、を備える。永久磁石２２は、径方向外側に膨出する曲面状に形成される外側面２２ａと、平面状に形成されてロータコア２１の外周面に固定される内側面２２ｂと、を有する。ロータコア２１の外周面における隣接する永久磁石２２間には、径方向内側に向けて凹設されるコア溝２５が形成される。【選択図】図２
2016082819.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機のロータであって、
回転軸に一体回転可能に固定されるロータコアと、
前記ロータコアの外周面に周方向に亘って等間隔で配設される複数の永久磁石と、
を備え、
前記永久磁石は、径方向外側に膨出する曲面状に形成される外側面と、平面状に形成されて前記ロータコアの前記外周面に固定される内側面と、を有し、
前記ロータコアの外周面における隣接する前記永久磁石間には、径方向内側に向けて凹設されるコア溝が形成される、
ことを特徴とするロータ。
【請求項２】
前記コア溝は、前記回転軸に垂直な平面で切断した断面形状が円弧状となる丸溝である、
ことを特徴とする請求項１に記載のロータ。
【請求項３】
前記ロータの直径をφ［ｍｍ］とし、前記コア溝の断面形状の曲率半径をＲ［ｍｍ］とした場合、φ／Ｒは、２８≦φ／Ｒ≦４０となるように設定される、
ことを特徴とする請求項２に記載のロータ。
【請求項４】
前記曲率半径Ｒ［ｍｍ］は、０．６０≦Ｒ≦１．６０となるように設定される、ことを特徴とする請求項３に記載のロータ。
【請求項５】
前記コア溝は、前記回転軸に垂直な平面で切断した断面形状が角形となる角溝である、
ことを特徴とする請求項１に記載のロータ。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のロータを備えることを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータ及びこれを備える回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、周方向に複数の永久磁石が配設されたロータを備えるモータが開示されている。モータの回転軸に垂直な平面で切断した断面における永久磁石の形状は、モータのコギングトルクやトルクリップルを低減するため、所定の条件を満たす円弧状に形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２１００３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の技術では、永久磁石の外周面及び内周面をともに円弧状に形成する必要があるので、永久磁石の製造時における削り面が多く、製造コストが上昇する。
【０００５】
そこで、コスト低減のため、永久磁石の内周面を平面状にしたＤ形状に形成することが考えられる。これにより、永久磁石の内周面は削り加工を必要としないので、永久磁石の製造コストを低減することができる。
【０００６】
しかし、永久磁石の内周面を平面状にすることで、磁気バランスが悪化してコギングトルク及びトルクリップルが増大する可能性がある。
【０００７】
本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであり、永久磁石の製造コストを低減しながら磁気バランスの悪化を抑制することが可能なロータ及びこれを備える回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、回転電機のロータであって、回転軸に一体回転可能に固定されるロータコアと、ロータコアの外周面に周方向に亘って等間隔で配設される複数の永久磁石と、を備え、永久磁石は、径方向外側に膨出する曲面状に形成される外側面と、平面状に形成されてロータコアの外周面に固定される内側面と、を有し、ロータコアの外周面における隣接する永久磁石間には、径方向内側に向けて凹設されるコア溝が形成される、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ロータコアの外周面における隣接する永久磁石間にコア溝が形成されるので、磁束をロータコア側へ導いて永久磁石間における磁束の短絡を抑制することができる。よって、永久磁石の製造コストを低減しながら磁気バランスの悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係るロータを備える回転電機を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るロータを示す断面図である。
【図３】図２の範囲Ａを拡大して示す拡大図である。
【図４】ロータの変形例を示す断面図である。
【図５】コア溝の形状の違いによる回転電機の特性の変化を示すテーブルである。
【図６】ロータ径φと溝Ｒとの比に対するコギングトルク、トルクリップル及び定格電流時の発生トルクの溝Ｒ＝０からの変化率を示すグラフであり、ロータ径φが３４ｍｍである場合を示す。
【図７】ロータ径φと溝Ｒとの比に対するコギングトルク、トルクリップル及び定格電流時の発生トルクの溝Ｒ＝０からの変化率を示すグラフであり、ロータ径φが５１ｍｍである場合を示す。
【図８】ロータ径φと溝Ｒとの比に対するコギングトルク、トルクリップル及び定格電流時の発生トルクの溝Ｒ＝０からの変化率を示すグラフであり、ロータ径φが１７ｍｍである場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態におけるロータ２を備える回転電機１００を回転軸に垂直な方向に切断した断面を示す断面図である。
【００１３】
回転電機１００は、モータ及び発電機の少なくとも一方として機能し、回転可能な回転軸としてのシャフト１と、シャフト１に一体的に固定されるロータ２と、ロータ２の外周側にロータ２と所定の空隙を介して配設されるステータ３と、を備える。
【００１４】
ロータ２は、シャフト１の外周に固定されてシャフト１とともに回転するロータコア２１と、ロータコア２１の外周面に周方向に亘って等間隔で配設される永久磁石２２と、永久磁石２２及びロータコア２１の外周に覆設される絶縁性樹脂２３と、を備える。
【００１５】
ステータ３は、ロータ２と所定の空隙を介してロータ２を取り囲むように配設される円環状のステータコア３１と、ステータコア３１に巻装される巻線３２と、を備える。
【００１６】
ステータコア３１は、環状のヨーク部３３と、ヨーク部３３から径方向内側に向けて突設され周方向に所定の間隔で配置される複数のティース３４と、隣接するティース３４によってヨーク部３３の内周側に画成されるスロット３５と、を有する。
【００１７】
巻線３２は、ステータコア３１のティース３４に巻回され、各ティース３４にはコイルが形成される。巻線３２の端末は、ステータ３に設けられる電極（図示せず）に接続される。電極を介してコイルに電力が供給されるとステータコア３１が磁化し、ロータ２の永久磁石２２との作用によってロータ２がシャフト１を軸として回転する。
【００１８】
図２は、本実施形態におけるロータ２を示す断面図である。
【００１９】
永久磁石２２は、径方向外側に膨出する曲面状に形成される外側面２２ａと、平面状に形成されてロータコア２１の外周面に固定される内側面２２ｂと、を有するＤ形状に形成される。永久磁石２２の製造時には、ブロック状の永久磁石２２が所定の寸法に切断された後、外側面２２ａを削り加工して外側面２２ａの曲面が形成される。このとき、内側面２２ｂは切断するだけでよいので、永久磁石２２の製造コストを低減することができる。
【００２０】
ロータコア２１は、外周に平面状に形成され永久磁石２２の内側面２２ｂが接着固定される取付部２４と、隣接する取付部２４間に形成され外周面から径方向内側に向けて凹設されるコア溝２５と、を有する。
【００２１】
取付部２４は、周方向に亘って等間隔で設けられ周方向の幅が永久磁石２２の内側面２２ｂとほぼ同一となるように設定される。なお、取付部２４は、永久磁石２２の内側面２２ｂを接着固定できるのであれば平面状でなく曲面状に形成されていてもよい。
【００２２】
コア溝２５は、シャフト１に垂直な平面で切断した断面形状が円弧状となる丸溝である。
【００２３】
ここで、図３を参照しながらロータ２における磁束の流れについて説明する。図３は、図２の範囲Ａを拡大して示す拡大図であり、ロータ２の隣接する永久磁石２２間に生じる磁束の流れを概念的に示す。
【００２４】
図３に破線で示すように、ロータコア２１にコア溝２５が形成されない比較例の場合、隣接する永久磁石２２間には、磁束の短絡が生じる。これにより、ロータ２の磁気バランスが悪化してトルクリップル及びコギングトルクが増大する。
【００２５】
これに対し、本実施形態では、ロータコア２１にコア溝２５が形成されるので、隣接する永久磁石２２間において磁束はロータコア２１側に回り込む。これにより、トルクリップル及びコギングトルクが低減され、磁気バランスの悪化が抑制される。さらに、磁束の短絡が抑制されることで磁力のロスが少なくなるので、磁束を有効にロータ２の回転トルクに利用することができる。
【００２６】
コギングトルク及びトルクリップルは、コア溝２５の深さを深くするほど減少させることができるが、深くし過ぎるとロータ２の回転トルクが低下する。そこで、コア溝２５の深さは、ロータ２の回転トルクが低下しない範囲で極力深くなるように形成される。コア溝２５の深さについて詳細は後述する。
【００２７】
上記のように形成されたコア溝２５を有するロータコア２１の外周に永久磁石２２が取り付けられると、ロータ２は永久磁石２２の飛散防止のため絶縁性樹脂２３によってモールドされる。このとき、絶縁性樹脂２３がコア溝２５の内部まで行き渡るようにモールドされる。
【００２８】
なお、本実施形態では、コア溝２５をシャフト１に垂直な平面で切断した断面形状が円弧状となる丸溝としたが、これに代えて、図４に示すように、シャフト１に垂直な平面で切断した断面形状が角形となる角溝２６としてもよい。
【００２９】
次に、図５を参照しながらコア溝２５、２６の形状の違いによる特性の変化について説明する。
【００３０】
なお、以下の説明では、図３に示すように、コア溝２５を設けない場合のロータコア２１の角部とコア溝２５の最奥部との距離である径方向の深さを「溝深さ」と称し、コア溝２５の最奥部の曲率を「溝Ｒ」と称する。
【００３１】
また、コア溝２５、２６の形状にかかわらず、コア溝２５、２６とコア溝２５、２６の周方向両側のロータコア２１の取付部２４とは、曲率Ｒ＝０．２の滑らかな曲面によって接続される。ロータコア２１は、積層鋼板から成り、型により打ち抜いて製造されるので、コア溝２５、２６の周方向両側に上記のような滑らかな曲線部分を設けることで積層鋼板を打ち抜く際に鋭角の角部が生じないので欠けが生じるといったことを防止できる。これにより、ロータコア２１の歩留まりを向上させることができる。
【００３２】
図５に示すように、コア溝２５、２６を設けない場合、溝深さは０であり、上述のように磁束の短絡が生じることで磁気バランスが悪化し、コギングトルクが９．０ｍＮ・ｍ、トルクリップルが２４０．９ｍＮ・ｍとなる。
【００３３】
これに対し、コア溝２５を丸溝として設けた場合、溝Ｒを０．９０とすると溝深さは１．９ｍｍとなる。この場合、コギングトルクは４．７ｍＮ・ｍとなり、トルクリップルは２２１．６ｍＮ・ｍとなる。従って、コギングトルク及びトルクリップルはコア溝２５、２６を設けない場合と比較して大幅に減少する。
【００３４】
さらに、コア溝２６を角溝として設け、比較のため溝深さを丸溝の場合と同一の１．９ｍｍとした場合、コギングトルクは５．１ｍＮ・ｍとなり、トルクリップルは２３１．１ｍＮ・ｍとなる。従って、コギングトルク及びトルクリップルはコア溝２５、２６を設けない場合と比較して大幅に減少する。
【００３５】
このように、コア溝２５、２６の形状にかかわらずコア溝２５、２６を設けることで、コギングトルク及びトルクリップルを減少させることができるが、図５に示すように、角溝より丸溝形状とした方が、コギングトルク及びトルクリップルをより顕著に減少させることができる。これは、角溝より丸溝形状とした方がロータコア２１を通る磁束の流れが改善されるからである。よって、コア溝２５、２６として角溝より丸溝を採用した方がより確実に回転電機１００の特性向上に寄与することができる。
【００３６】
次に、図６〜図８を参照しながら丸溝としてのコア溝２５の溝Ｒとロータ径φとの比の違いによる特性の変化について説明する。なお、「ロータ径φ」とはロータの直径であり、図２に示すように、永久磁石２２の頭頂部間の距離である。以下の説明において、ロータ径φの大きさにかかわらず、ロータコア２１の直径（取付部２４間の距離）は２６ｍｍで、永久磁石の厚さは４ｍｍで一定値であるとする。
【００３７】
図６は、ロータ径φと溝Ｒとの比に対するコギングトルク、トルクリップル及び定格電流時の発生トルクの溝Ｒ＝０からの変化率を示すグラフであり、ロータ径が３４ｍｍである場合を示す。
【００３８】
この場合、２６≦〔ロータ径φ／溝Ｒ〕≦４０（０．８５ｍｍ≦溝Ｒ≦１．３ｍｍ）の範囲において溝Ｒ＝０の場合と比べてコギングトルクが減少する。また、上記範囲内では溝＝０の場合と比べてトルクリップルも減少する。これは、〔ロータ径φ／溝Ｒ〕が上記範囲内に設定された場合に永久磁石から空隙へ向けて出る磁気バランスが改善されるためである。
【００３９】
なお、定格電流時発生トルクについては、溝Ｒ＝０の場合と比べて大きく変化しない。溝Ｒを大きくすると、ロータコア２１を通る磁束の流れが妨げられることが考えられるが、溝Ｒを１．４ｍｍまで大きくした場合であっても、定格電流時発生トルク変動値は１％以下であり、実用上問題ない程度である。
【００４０】
よって、ロータ径が３４ｍｍである場合には、２６≦〔ロータ径φ／溝Ｒ〕≦４０となるようにロータ径φ及び溝Ｒを設定することが好ましい。
【００４１】
図７は、ロータ径φと溝Ｒとの比に対するコギングトルク、トルクリップル及び定格電流時の発生トルクの溝Ｒ＝０からの変化率を示すグラフであり、ロータ径が５１ｍｍである場合を示す。
【００４２】
この場合、２７≦〔ロータ径φ／溝Ｒ〕≦４４（１．１８ｍｍ≦溝Ｒ≦１．９０ｍｍ）の範囲において溝Ｒ＝０の場合と比べてコギングトルクが減少する。これは、〔ロータ径φ／溝Ｒ〕が上記範囲内に設定された場合に永久磁石から空隙へ向けて出る磁気バランスが改善されるためである。
【００４３】
ただ、〔ロータ径φ／溝Ｒ〕が３２より小さく（Ｒが１．６ｍｍより大きく）なると、溝Ｒ＝０の場合と比べてトルクリップルが上昇する。これは、溝Ｒを大きくすると、ロータコア２１を通る磁束の流れが妨げられ、磁気バランスが悪化するためである。
【００４４】
よって、ロータ径が５１ｍｍである場合には、３２≦〔ロータ径φ／溝Ｒ〕≦４４となるようにロータ径φ及び溝Ｒを設定することが好ましい。
【００４５】
また、定格電流時発生トルクについては、〔ロータ径φ／溝Ｒ〕が溝Ｒ＝０の場合と比べて大きく減少することはない。溝Ｒを２．０ｍｍまで大きくしても、定格電流時発生トルク変動値は１％以下であり、実用上問題ない程度である。
【００４６】
図８は、ロータ径φと溝Ｒとの比に対するコギングトルク、トルクリップル及び定格電流時の発生トルクの溝Ｒ＝０からの変化率を示すグラフであり、ロータ径が１７ｍｍである場合を示す。
【００４７】
この場合、２８≦〔ロータ径φ／溝Ｒ〕≦４０（０．４２ｍｍ≦溝Ｒ≦０．６０ｍｍ）の範囲において溝Ｒ＝０の場合と比べてコギングトルクが減少する。また、上記範囲内では、溝Ｒ＝０の場合と比べてトルクリップルも減少する。これは、〔ロータ径φ／溝Ｒ〕が上記範囲内に設定された場合に永久磁石から空隙へ向けて出る磁気バランスが改善されるためである。また、定格電流時発生トルクは、溝Ｒ＝０の場合と比べて変化しない。
【００４８】
よって、ロータ径が１７ｍｍである場合には、２８≦〔ロータ径φ／溝Ｒ〕≦４０となるようにロータ径φ及び溝Ｒを設定することが好ましい。
【００４９】
図６〜図８に示したように、ロータ径φを変化させた場合、ロータ径φと溝Ｒとの比〔ロータ径φ／溝Ｒ〕とコギングトルクの減少率との間には、ほぼ一定の相関関係がある。具体的には、ロータ径φと溝Ｒとの比〔ロータ径φ／溝Ｒ〕を２８〜４０の範囲に設定することで、各ロータ径φにおいて溝Ｒ＝０の場合と比べてコギングトルクの値をより減少させることができる。
【００５０】
また、溝Ｒを１．６ｍｍ以下に設定することで、各ロータ径φにおいてトルクリップルの値を減少させることができる。ロータコア２１は、積層鋼板を打ち抜いて加工されるので溝Ｒが０．５０以下の場合、打ち抜き時に欠けが発生しやすくなり加工が難しくなる。そこで、溝Ｒは０．６０以上とすることが好ましい。なお、積層鋼板を打ち抜き後に削り加工により溝Ｒを０．５０以下とすることも可能であるが、加工の工数が増加して加工費用が上昇する。そこで、溝Ｒの加工上、Ｒ＝０．６０ｍｍ以上とするのが好ましい。
【００５１】
したがって、〔ロータ径φ／溝Ｒ〕を２８〜４０の範囲に設定することに加えて、さらに溝Ｒを０．６０ｍｍ〜１．６ｍｍの範囲に設定することがより好ましい。
【００５２】
以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。
【００５３】
ロータコア２１の外周面における隣接する永久磁石２２間にコア溝２５、２６が形成されるので、磁束をロータコア２１側へ導いて永久磁石２２間における磁束の短絡を抑制することができる。よって、永久磁石２２をＤ形状として製造コストを低減しながら磁気バランスの悪化を抑制してトルクリップル及びコギングトルクを抑制することができる。
【００５４】
さらに、隣接する永久磁石２２間における磁束の短絡を抑制することで永久磁石２２の磁力のロスが少なくなるので、磁束を有効にロータ２の回転トルクに利用でき、モータの発生トルクを十分に確保することができる。
【００５５】
さらに、コア溝２５は断面が円弧状の丸溝として形成されるので、磁束の理想的な流れを妨げることが防止され、磁束の短絡をより確実に抑制することができる。また、コア溝２６を角溝として形成する場合と比較してコギングトルク及びトルクリップルをより確実に低減することができる。
【００５６】
さらに、コア溝２５の曲率である溝Ｒは０．６０以上かつ０．９０以下の範囲に設定されるので、定格電流時の回転電機１００の発生トルクの低下を抑制しながら、コギングトルク及びトルクリップルを低減させることができる。また、溝Ｒがある程度大きく設定されるので、ロータコア２１の製造時であって積層鋼板の打ち抜き時に欠けが発生することを防止して歩留まりの低下を防止することができる。
【００５７】
さらに、ロータ２はロータコア２１の外周面に永久磁石２２が配設された状態で樹脂モールドされるので、絶縁性樹脂２３がコア溝２５、２６内において固化することで永久磁石２２の周方向の位置ずれ及び絶縁性樹脂２３自体の周方向の位置ずれを防止することができる。
【００５８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【００５９】
例えば、上記実施形態では、ロータコア２１の外周面に永久磁石２２が配設された状態でロータ２を樹脂モールドしているが、これに代えて、絶縁性材料から成る円筒部材をロータ２の外周に覆設してもよい。
【００６０】
さらに、上記実施形態では、ロータコア２１が略六角形状である場合を例示したが、そのような形状に限らず、略八角形や略十角形など、他の形状にしてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１    シャフト（回転軸）
２    ロータ
２１    ロータコア
２２    永久磁石
２２ａ  外側面
２２ｂ  内側面
２５    コア溝
２６    コア溝
１００    回転電機
【図１】
2016082819.tif 000003
【図２】
2016082819.tif 000004
【図３】
2016082819.tif 000005
【図４】
2016082819.tif 000006
【図５】
2016082819.tif 000007
【図６】
2016082819.tif 000008
【図７】
2016082819.tif 000009
【図８】
2016082819.tif 000010