WO2021019692A1

WO2021019692A1 - 回転電機

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Publication number: WO2021019692A1
Application number: PCT/JP2019/029865
Authority: WO
Inventors: 甲彰山根; 純士北尾; 朋平高橋; 義浩深山; 裕輔木本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: JPWO2021019692A1; JP7126557B2

Abstract

ステータ（１）と、ステータ（１）の内周で回転するロータ（２）とを備え、ロータコア（３）には磁極を構成する複数の永久磁石（４）がロータコア（３）の軸方向に貫通した磁石挿入孔（２１）に埋設され、各磁極は２つ以上の永久磁石（４）によって構成され、各磁極において永久磁石（４）とロータ外周面（２０）とによって取り囲む外周鉄部（２４）にロータ外周面（２０）からロータ（２）の径方向内側へ切込まれたスリット（２５）を備え、スリット（２５）の径方向内側の先端には空隙部（２５２）を有する。

Description

回転電機

　本願は、回転電機に関するものである。

　産業用、電気自動車用回転電機には、小型化および高出力化に有利な永久磁石式回転電機が多く採用されている。この回転電機の回転子には、永久磁石を埋設する磁石挿入孔が形成され、ロータコアの外周面と磁石挿入孔の間にブリッジ部が形成される。この回転子が高速回転すると、遠心力によりブリッジ部に応力が集中する。

　この問題を解決するため、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、磁極の異なる永久磁石間にスリットを形成する構成が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０－１７８４７１号公報（段落［０００８］、［００１８］、［００２９］および図１、２）

　特許文献１の回転電機では、永久磁石からの磁石磁束と、ロータコアの磁気抵抗に起因するリラクタンス磁束の内、リラクタンス磁束を阻害する位置にスリットを設ける必要がある。このため、回転電機の耐久性を向上させるが最大トルクが低下する問題がある。

　本願は、上記の問題を解決するためになされたものであり、回転電機のトルク低下を抑制しつつ、ブリッジ部の応力を低減させて、ロータコアの耐久性を向上させることができる回転電機を得ることを目的とする。

　本願に開示される回転電機は、電機子巻線を有するステータと、ステータの内周で回転するロータを備える回転電機において、ロータのコアには磁極を構成する複数の永久磁石がコアの軸方向に貫通した磁石挿入孔に埋設され、各磁極は２つ以上の永久磁石によって構成され、各磁極において永久磁石とロータ外周面によって取り囲む外周鉄部にロータ外周面からロータの径方向内側へ切込まれたスリットを備え、スリットの径方向内側の先端には、スリットの周方向の幅よりも大きな周方向の幅の空隙部を有するものである。

　本願に開示される回転電機によれば、ブリッジ部応力を低減すると共に、トルク低下を抑制し、ロータコアの耐久性を向上させることができる。

実施の形態１による回転電機の構成を模式的に示した縦断面図である。実施の形態１による回転電機のロータを軸方向から見た平面図である。実施の形態１による回転電機のロータの１極を拡大した平面図である。実施の形態１による回転電機のロータにおける作用応力メカニズムを説明するための比較例の平面図である。実施の形態１による回転電機のロータにおける作用応力メカニズムを説明するための比較例の平面図である。実施の形態１による回転電機のロータにおける作用応力メカニズムを説明するための平面図である。実施の形態１による回転電機のロータにおける磁石磁束およびリラクタンス磁束の経路を説明するための平面図である。実施の形態１による回転電機のロータにおけるスリット形状と長さの定義の説明図である。実施の形態１による回転電機の効果を説明するための比較例のロータのスリットの定義の説明図である。実施の形態１による回転電機の効果を説明するための比較例のロータの外周ブリッジとスリットに作用する応力の説明図である。実施の形態１による回転電機のロータの外周ブリッジとスリットに作用する応力の説明図である。実施の形態１による回転電機のロータの変形例の平面図である。実施の形態２による回転電機のロータの１極を拡大した平面図である。実施の形態２による回転電機のロータにおける磁石磁束およびリラクタンス磁束の経路を説明するための平面図である。実施の形態２による回転電機のロータの変形例の平面図である。実施の形態２による回転電機のロータの変形例の平面図である。実施の形態２による回転電機のロータの変形例の平面図である。実施の形態２による回転電機のロータの変形例の平面図である。実施の形態３による回転電機のロータの１極を拡大した平面図である。実施の形態３による回転電機のロータの磁石挿入孔周辺を拡大した平面図である。実施の形態３による回転電機のロータの磁石挿入孔回りの構造との対比の説明図である。実施の形態３による回転電機のロータの応力緩和孔と冷媒経路の説明図である。実施の形態３による回転電機の効果を説明するための比較例の説明図である。実施の形態３による回転電機のロータの遠心力作用の説明図である。実施の形態４による回転電機のロータの１極を拡大した平面図である。

実施の形態１．
　実施の形態１は、電機子巻線を有するステータと、ステータの内周で回転するロータを備え、ロータのコアには磁極を構成する複数の永久磁石がコアの軸方向に貫通した磁石挿入孔に埋設され、各磁極は２つの永久磁石によって構成され、各磁極において永久磁石とロータ外周面によって取り囲む外周鉄部にロータ外周面からロータの径方向内側へ切込まれたスリットを備え、スリットの径方向内側の先端には空隙部を有する回転電機に関するものである。

　以下、実施の形態１に係る回転電機の構成について、回転電機の構成を模式的に示した縦断面図である図１、ロータを軸方向から見た平面図である図２、ロータの１極を拡大した平面図である図３、ロータにおける作用応力メカニズムを説明するための比較例の平面図である図４、図５、ロータにおける作用応力メカニズムを説明するための平面図である図６、ロータにおける磁石磁束およびリラクタンス磁束の経路を説明するための平面図である図７、ロータにおけるスリット形状と長さの定義の説明図である図８、効果を説明するための比較例のスリットの定義の説明図である図９、効果を説明するための比較例の外周ブリッジとスリットに作用する応力の説明図である図１０、ロータの外周ブリッジとスリットに作用する応力の説明図である図１１、およびロータの変形例の平面図である図１２に基づいて説明する。
　なお、以下の説明において、回転電機１００における各方向を、軸方向Ｇ、周方向Ｓ、径方向Ｋとしてそれぞれ示す。したがって、他の部分においても、これらの方向を基準として各方向を示して説明する。
　また、実施の形態２以降においても各方向のそれぞれを同様に示す。

　実施の形態１の回転電機の全体構成を、構成を模式的に示した縦断面図である図１に基づいて説明する。
　図１において、回転電機１００はステータ１とロータ２とを備えている。
　ステータ１は軸方向に複数の鋼板を積層したステータコア６と、ステータコア６に巻回したコイル７を備えている。
　ロータ２はロータコア３と、ロータコア３に埋設された永久磁石４と、ロータコア３の内周部を貫通するシャフト５から構成される。
　実施の形態１において、永久磁石４は軸方向に複数個に分割されている。ロータコア３とシャフト５は、圧入および焼き嵌め、またはロータコア３の内周とシャフト５の外周に設けたキー構造を介して嵌合している。
　なお、図において、回転電機１００の軸方向をＧで表している。

　次に、ロータ２の構成を、回転電機１００のロータ２を軸方向から見た平面図である図２に基づいて説明する。図において、回転電機１００の周方向、すなわちロータ２の周方向をＳで表し、回転電機１００の径方向、すなわちロータ２の径方向をＫで表している。
　ロータコア３には２４個の磁石挿入孔２１が周方向に間隔を置いて配置され、磁石挿入孔２１にはそれぞれ永久磁石４が埋設されている。
　磁石挿入孔２１と永久磁石４は周方向に隣接する２個で１セットとなり、回転軸の中心側から径方向外側に向かって広がる１２個のＶ字を構成する。１つの磁極はＶ字に構成された２つの磁石挿入孔２１と２つの永久磁石４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。

　次に、１つの磁極の構成の詳細を、ロータ２の１つの磁極を拡大した平面図である図３に基づいて説明する。
　磁石挿入孔２１とロータコア３のロータ外周面２０とに挟まれて構成された薄肉部を外周ブリッジ部２２とする。また、Ｖ字を構成する２つの磁石挿入孔２１（２１ａ、２１ｂ）に挟まれ、Ｖ字の周方向の中央部であり径方向内側に構成される薄肉部を中央ブリッジ部２３とする。また、各磁極に挟まれた部分を磁極間２８とする。
　２つの磁石挿入孔２１（２１ａ、２１ｂ）およびロータ外周面２０で囲む三角型の部分を外周鉄部２４とする。なお、区別する必要がない場合は、適宜磁石挿入孔２１と記載する。
　外周鉄部２４にはスリット２５が形成されている。スリット２５はロータ外周面２０から径方向の内側に切り込んで延びる延伸部２５１と、空隙部２５２とを備える。
　延伸部２５１は磁極の中心を通り径方向に延びるように配置している。空隙部２５２はスリット２５の径方向内側の先端に位置し、延伸部２５１の周方向の最小幅よりも大きな周方向の幅を有する。
　なお、図において、空隙部２５２は円弧形状を想定しているが、四角形または多角形でもよい。

　次に、実施の形態１においてロータ２の外周鉄部２４に設けたスリット２５の効果を、比較例を用いて説明する。
　まず、スリットを有さないロータコア３Ａを備えたロータ２Ａを比較例１として、図４に基づいて説明する。図４は、比較例１のロータ２に作用する荷重の概要、すなわち作用応力メカニズムを説明する図である。
　なお、実施の形態１のロータ２等と区別するため、ロータ２Ａ、ロータコア３Ａ、外周ブリッジ部２２Ａ、および外周鉄部２４Ａと記載している。

　図４において、矢印Ｅは遠心力を受けて外周鉄部２４が動く方向を表している。後で説明する図５、図６においても同様である。
　ロータ２Ａに遠心力が作用するとき、ロータコア３Ａには次の２つのメカニズムにより外周ブリッジ部２２Ａに応力（Ｐ、Ｑ）が発生する。
　１つは、図４において、遠心力を受けてロータコア３Ａ全体が径方向に膨らみ、周方向の長さが伸びることで外周ブリッジ部２２Ａを含む外周部および内周部に生じる周方向引張応力（Ｐ）である。
　もう１つは、図４において、遠心力を受けて外周鉄部２４Ａが径方向にせり出すことで外周ブリッジ部２２Ａに局所的に生じる曲げ応力（Ｑ）である。この曲げ応力（Ｑ）によって外周ブリッジ部２２Ａは径方向内側に凸となる曲げ変形が生じる。

　次に、径方向内側の先端を延伸部の幅と等しい直径の円弧で構成したスリットを有するロータコア３Ｂを備えたロータ２Ｂを比較例２として、図５に基づいて説明する。図５は、比較例２のロータ２Ｂに作用する荷重の概要、すなわち作用応力メカニズムを説明する図である。
　なお、実施の形態１のロータ２等と区別するため、ロータ２Ｂ、ロータコア３Ｂ、外周ブリッジ部２２Ｂ、外周鉄部２４Ｂ、およびスリット２５Ｂと記載している。

　比較例２のロータ２Ｂでは、比較例１のロータ２Ａと同様に図４で説明した内周部に生じる周方向引張応力（Ｐ）と外周ブリッジ部２２Ｂに局所的に生じる曲げ応力（Ｑ）とが生じる。なお、図６で説明するように、外周ブリッジ部２２Ｂを含む外周部に生じる周方向引張応力（Ｐ）は軽減される。
　比較例２のロータ２Ｂでは、さらに遠心力の作用で外周鉄部２４Ｂが径方向外側にせり出すためにスリット２５Ｂに応力（Ｒ）が作用する。
　なお、比較例１でも、遠心力の作用で外周鉄部２４Ａが径方向外側にせり出すが、スリットがないため、応力（Ｒ）は働かない。

　次に、実施の形態１のロータ２に作用する荷重の概要を、図３のロータ２に対応する図６に基づいて説明する。
　実施の形態１および比較例２では、共に設けられたスリット２５および２５Ｂによって、比較例１で示した周方向への引張応力（Ｐ）の伝達が阻害されるため、外周ブリッジ部２２および２２Ｂの応力を低減させることができる。スリット２５および２５Ｂの長さが長いほど引張応力Ｐの伝達を阻害することができる。

　比較例２では、図５に示したように、外周鉄部２４Ｂが径方向外側にせり出すためにスリット２５Ｂに応力（Ｒ）が作用していた。
　一方、実施の形態１のロータ２では、図６に示すように、空隙部２５２により応力（Ｒ）が緩和される。このため、比較例２のロータ２Ｂよりも耐久性を向上させることができる。

　ここで、スリット２５を設ける位置について検討する。
　外周ブリッジ部２２に作用する応力を低減させるためのスリット２５は、外周鉄部２４ではなく磁極と磁極に挟まれた磁極間２８に設けることも考えられる。

　一般的に永久磁石式回転電機の内、永久磁石がロータコアの中に埋め込まれる構造である場合には、永久磁石からの磁石磁束によって発生する磁石トルクと、ロータコアの磁気抵抗に起因するリラクタンス磁束によって発生するリラクタンストルクとの２種類のトルクを得ることができる。そして、最終的な回転電機のトルクは、その２種類のトルクの合成トルクとなる。

　図７は、実施の形態１のロータ２の１極を拡大した平面図である図３に磁石磁束とリラクタンス磁束を追加したものである。
　なお、図７において磁石磁束をＭＦとリラクタンス磁束をＲＦと記載し、磁極間２８の幅を２８Ｗとしている。また、磁石磁束とリラクタンス磁束の経路を分かりやすくするために、図３に対して参照符号を一部省略している。

　リラクタンス磁束は磁極間２８を通過するため、磁極間２８にスリットを設けると、磁極間の幅２８Ｗが狭くなりリラクタンス磁束の経路を阻害する。したがって、リラクタンストルク自体の低下を招くため、最終的なトルクが低下する。
　一方、外周鉄部２４にスリット２５を設ける場合は、リラクタンストルクの低下を防ぐことができ、結果的に最終的なトルクの低下を防ぐことができる。
　すなわち、実施の形態１によれば、回転電機１００の最大トルクを低下させずにロータコア３に発生する応力を低減することができ、ロータコア３の耐久性を向上させることができる。

　さらに、磁極間２８にスリットを設ける場合、遠心力によってコア内周に発生する周方向の引張り応力が径方向内側のスリット端部に集中するため、スリット端部に空隙部を設ける必要がある。
　しかし、応力緩和のためにスリット端部に空隙部を設けると周方向の引張り応力を受けるコア内周面積を減少させる。このため、ロータコア内周に作用する応力が増加する。
　したがって、ロータコアとシャフトを圧入で保持した場合の内周部応力、およびキー構造で保持した場合のキー部応力が増加する。

　一方、実施の形態１のように、外周鉄部２４に空隙部２５２を有するスリット２５を設ける場合は、ロータコア内周に発生する応力に直接影響を与えない。

　ここで、ロータコア３に設けるスリット２５の空隙部２５２の好適な構成方法を図８に基づいて説明する。図８は、実施の形態１のロータコア３に設けるスリット形状と長さの定義の説明図である。
　Ｖ字を構成する磁石挿入孔２１（２１ａ、２１ｂ）において、永久磁石４の周方向で径方向外側に位置する外郭線を延長しＶ字中心で交差させた線を、Ｖ字形成線２６０ａ、２６０ｂとする。なお、Ｖ字形成線２６０ａ、２６０ｂを区別する必要がない場合は、Ｖ字形成線２６０と記載する。
　次に、スリット２５とＶ字形成線２６０ｂの最短距離を結ぶ線を第一スリット線２６１とする。スリット２５の径方向外側を始点として、延伸部２５１の中央を通り、空隙部２５２において第一スリット線２６１と最短距離で結合する線を第二スリット線２６２とする。第一スリット線２６１、第二スリット線２６２が結合する点をスリット端点２７とする。
　そして、第一スリット線２６１の長さをＬ２６１、第二スリット線２６２の長さをＬ２６２とする。
　なお、スリット２５とＶ字形成線２６０ａの最短距離を結ぶ線も存在するが、省略している。

　スリット２５に作用する応力の最大位置は、磁石挿入孔２１とスリット２５が最短距離となる位置の近傍、すなわちスリット端点２７の近傍となる。したがって、スリット２５の空隙部２５２において、スリット端点２７近傍は応力集中を低減するために曲率が小さな曲線または直線となっていることが好ましい。
　具体的には、スリット端点２７が延伸部２５１の最小幅の半分よりも大きな径の曲線であれば、図５で説明した比較例２よりもスリットに作用する応力を低減させることができる。なお、スリット端点２７における曲線の径を大きくしていけば、Ｖ字形成線２６０ｂと平行な直線と同等となる。

　実施の形態１において、スリット２５の空隙部２５２に発生する応力は磁石挿入孔２１との位置関係に依存する。永久磁石４がＶ字配置の場合、応力集中部は空隙部２５２の先端ではなくスリット端点２７近傍となり、磁極中心に対して対称に２箇所となる。
　一方で、磁極間２８にスリットを設けた場合は、遠心力によってコア内周に発生する周方向の引張り応力が作用するため応力集中部は径方向内側のスリット先端となる。
　したがって、実施の形態１のように磁極中心にスリットを設けた場合と磁極間にスリットを設けた場合では、応力発生位置および応力発生メカニズムが異なり、合わせて空隙部の好適な構成方法も大きく異なる。

　次に、比較例２に対する実施の形態１の効果を、ロータの外周ブリッジとスリットに作用する応力の説明図を用いて説明する。

　図９は、比較例２として図５に示したロータ２Ｂと同様の、延伸部２５１Ｂと径方向内側の先端を延伸部２５１Ｂの幅と等しい直径の円弧で構成したスリット２５Ｂを有するロータ２Ｂを示している。さらに、図９は、ロータコア３Ｂに設けるスリット形状と長さの定義の説明図である。
　Ｖ字を構成する磁石挿入孔２１（２１ａ、２１ｂ）の径方向外側で周方向に延びる外郭線を延長しＶ字中心で交差させた線を、Ｖ字形成線２６０Ｂａ、２６０Ｂｂとする。なお、Ｖ字形成線２６０Ｂａ、２６０Ｂｂを区別する必要がない場合は、Ｖ字形成線２６０Ｂと記載する。
　次に、スリット２５ＢとＶ字形成線２６０Ｂｂの最短距離を結ぶ線を第一スリット線２６１Ｂとする。スリット２５Ｂの径方向外側を始点として、延伸部２５１Ｂの中央を通り、径方向内側の先端において第一スリット線２６１Ｂと最短距離で結合する線を第二スリット線２６２Ｂとする。第一スリット線２６１Ｂ、第二スリット線２６２Ｂが結合する点をスリット端点２７Ｂとする。
　そして、第一スリット線２６１Ｂの長さをＬ２６１Ｂ、第二スリット線２６２Ｂの長さをＬ２６２Ｂとする。

　図１０は、比較例２について、図９のＬ２６１ＢとＬ２６２Ｂの割合を変化させて、１３０００ｒｐｍでロータコア３Ｂを回転させたときの、外周ブリッジ部２２Ｂとスリット２５Ｂに発生する最大応力値を示している。
　図１０において、横軸はＬ２６２Ｂ／（Ｌ２６１Ｂ＋Ｌ２６２Ｂ）、縦軸は応力（単位はＭＰａ）である。また実線は、外周ブリッジ部応力を表し、点線は、スリット部応力を表す。
　図から明らかにように、Ｌ２６２Ｂ／（Ｌ２６１Ｂ＋Ｌ２６２Ｂ）の値が大きいほど、すなわちスリット２５Ｂの長さが長いほど、外周ブリッジ部応力が低減した。しかし、同時にスリットに作用する応力が上昇し、Ｌ２６２Ｂ／（Ｌ２６１Ｂ＋Ｌ２６２Ｂ）の値が０．７０を超えると外周ブリッジ部応力を上回った。Ｌ２６２Ｂ／（Ｌ２６１Ｂ＋Ｌ２６２Ｂ）の値が０．７０におけるスリット部応力は２４３ＭＰａであった。

　図１１は、実施の形態１について、図８のＬ２６１とＬ２６２の割合を変化させて、１３０００ｒｐｍでロータコア３を回転させたときの、外周ブリッジ部２２とスリット２５に発生する最大応力値を示している。
　図１１において、横軸はＬ２６２／（Ｌ２６１＋Ｌ２６２）、縦軸は応力（単位はＭＰａ）である。実線は、外周ブリッジ部応力を表し、点線は、スリット部応力を表す。
　図１０の比較例２と同様にＬ２６２／（Ｌ２６１＋Ｌ２６２）の値が大きいほど、すなわちスリット２５の長さが長いほど、外周ブリッジ部応力が低減した。
　さらに、比較例２と比較してスリット部応力が低下しており、スリットに作用する応力が外周ブリッジ部応力を上回るＬ２６２／（Ｌ２６１＋Ｌ２６２）の値は０．８６であった。また、Ｌ２６２／（Ｌ２６１＋Ｌ２６２）の値が０．８６におけるスリット部応力は２０９ＭＰａであった。したがって、実施の形態１ではロータコアに作用する応力を、比較例２よりも３４ＭＰａ低減できた。
　すなわち、実施の形態１によれば、ロータコア３で発生する応力を低減することができ、ロータコア３の耐久性を向上させることができる。

　なお、スリット２５の延伸部２５１はせん断加工機を用いることで幅を極力小さく抑えることができる。しかし、鋼板が面方向以外に変形する場合があるため、打抜き加工で形成されることが好ましい。
　さらに、打ち抜き加工による場合は、生成させるスリット２５と磁石挿入孔２１との相対位置を一定に保つことができる利点がある。さらに、量産性を損なわないという利点もある。
　ただし、打抜き加工によりスリット２５を形成する場合、スリット２５はある程度の幅がある。ここで、外周鉄部２４は永久磁石４によって生じる磁石磁束が通るため、磁石磁束の磁路を確保し、磁気飽和を防ぐためにスリット２５の延伸部２５１は外周鉄部２４に磁気飽和が発生しない程度に細くすることが好ましい。

　また、磁石挿入孔２１において永久磁石４が占める領域以外の領域に非磁性材料を充填してもよい。具体的には、樹脂を充填すれば遠心力およびトルク変動によって永久磁石４が動くことを防止する効果がある。また、放熱材を充填すれば磁石の温度上昇を改善する効果がある。
　また、各磁極を形成する永久磁石４の数、形状、および位置などは変更しても良い。例えば、実施の形態１による回転電機のロータの変形例の平面図である図１２のように各磁極の永久磁石を３個とした場合でも、図３のロータ２と同様の効果が得られる。なお、永久磁石の数は、２個、３個に限定されず、４個以上でもよい。

　以上説明したように、実施の形態１の回転電機は、電機子巻線を有するステータと、ステータの内周で回転するロータを備え、ロータのコアには磁極を構成する複数の永久磁石がコアの軸方向に貫通した磁石挿入孔に埋設され、各磁極は２つの永久磁石によって構成され、各磁極において永久磁石とロータ外周面によって取り囲む外周鉄部にロータ外周面からロータの径方向内側へ切込まれたスリットを備え、スリットの径方向内側の先端には空隙部を有するものである。
　したがって、実施の形態１の回転電機は、ブリッジ部応力を低減すると共に、トルク低下を抑制し、ロータコアの耐久性を向上させることができる。

実施の形態２．
　実施の形態２の回転電機は、回転電機の軸方向に対して垂直なロータの断面において、ロータの径方向内側へ切込まれたスリットの角度をロータの径方向に対して周方向に傾けたものである。

　実施の形態２の回転電機について、ロータの１極を拡大した平面図である図１３、ロータにおける磁石磁束およびリラクタンス磁束の経路を説明するための平面図である図１４、およびロータの変形例の平面図である図１５ー図１８に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。
　実施の形態２の図１３－図１８において、実施の形態１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
　なお、実施の形態１と区別するために、回転電機２００としている。

　実施の形態２のロータ２の全体構成は、実施の形態１の図２と同様である。すなわち、ロータコア３には２４個の磁石挿入孔２１が周方向に間隔を置いて配置され、磁石挿入孔２１にはそれぞれ永久磁石４が埋設されている。
　磁石挿入孔２１と永久磁石４は周方向に隣接する２個で１セットとなり、回転軸の中心側から径方向外側に向かって広がる１２個のＶ字を構成する。１つの磁極はＶ字に構成された２つの磁石挿入孔２１と２つの永久磁石４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。

　実施の形態２のロータ２の１つの極の構成の詳細を、ロータ２の１極を拡大した平面図である図１３に基づいて説明する。
　磁石挿入孔２１とロータコア３のロータ外周面２０とに挟まれて構成された薄肉部を外周ブリッジ部２２とする。また、Ｖ字を構成する２つの磁石挿入孔２１（２１ａ、２１ｂ）に挟まれ、Ｖ字の周方向の中央部であり径方向内側に構成される薄肉部を中央ブリッジ部２３とする。
　２つの磁石挿入孔２１（２１ａ、２１ｂ）およびロータ外周面２０で囲む三角型の部分を外周鉄部２４とする。
　外周鉄部２４にはスリット２５が形成されている。スリット２５はロータ外周面２０から径方向の内側に切り込んで延びる延伸部２５１と、径方向内側の先端には延伸部２５１の周方向の幅よりも大きな周方向の幅の空隙部２５２を有する。延伸部２５１は、径方向に対して周方向に配置している。

　実施の形態２では、実施の形態１と同様にスリット２５によって外周ブリッジ部２２に作用する周方向の引張応力を低減できる。したがって、実施の形態２においても、ロータコア３で発生する応力を低減することができ、ロータコア３の耐久性を向上させることができる。

　また、各磁極が左右対称に設計された一般的な永久磁石式回転電機の場合、磁石トルクとリラクタンストルクがピーク値となるロータの回転位相角はそれぞれ異なる。そのため、最大トルクの値は２種類のトルクのピーク値合計より低くなる。

　図１４は、実施の形態２のロータ２の１極を拡大した平面図である図１３に磁石磁束とリラクタンス磁束を追加したものである。
　なお、図１４において磁石磁束をＭＦとリラクタンス磁束をＲＦと記載している。また、磁石磁束とリラクタンス磁束の経路を分かりやすくするために、図１３に対して参照符号を一部省略している。

　実施の形態２ではスリット２５を磁極に対して非対称に配置することで、外周鉄部２４において図１４に示すようなリラクタンス磁束の経路を生成できる。リラクタンス磁束の経路によって生じるリラクタンストルクにより、リラクタンストルクがピーク値となる回転位相角を一般的な回転電機の位相角からずらすことができる。

　さらに、図１４に示すように磁石磁束もスリット２５により一方へ偏在化させることができる。したがって、磁石トルクがピーク値となる回転位相角も一般的な回転電機の位相角からずらすことができる。
　このため、磁石トルクとリラクタンストルクがピーク値となるロータ２の回転位相角を近づけるように設計することができ、最終的なトルクを向上させることができる。

　ここで、スリット２５によって２つに分割した外周鉄部２４において、分割したエリアの双方に磁束が漏れる磁路がある場合、最終的なトルクの増加量が低下する。すなわち、トルクを増加させるには磁石挿入孔２１とスリット２５との間に形成される磁路を狭くする必要がある。

　実施の形態２の構成によれば、空隙部がない斜めスリットの場合よりも、スリット２５の長さを増加させて磁石挿入孔２１との間に形成される磁路を狭くできる。このため、２つに分割した外周鉄部２４に生じる漏れ磁束を低減させることができ、空隙部がない斜めスリットの場合よりも最終的なトルクを向上させることができる。

　また、各磁極を形成する永久磁石４および磁石挿入孔２１の数、形状、および位置などを変更してもよい。
　例えば、実施の形態２の回転電機のロータの変形例１の図１５に示すように、各磁極を構成する複数の磁石挿入孔２１それぞれを別形状にしてもよい。
　また、実施の形態２の回転電機のロータの変形例２の図１６に示すように、各磁極を構成する複数の永久磁石４のそれぞれの大きさを変更してもよい。

　図１５に示すロータ２は、スリット２５を斜めに構成させることで磁石挿入孔に発生する応力のアンバランスを、磁石挿入孔それぞれを別形状とすることで低減する効果がある。
　図１６に示すロータ２は、複数の永久磁石４のそれぞれの大きさを変更することで、ステータと鎖交する磁石磁束を周方向に調整することができる。

　また、スリット２５の延伸部２５１の形状は、直線でなくてもよい。
　例えば、実施の形態２の回転電機のロータの変形例３の図１７に示すように径方向外側に凹となる曲線としたり、変形例４の図１８に示すように径方向外側に凸となる曲線としたりしてもよい。
　スリット２５の延伸部２５１を非直線で構成する、すなわち湾曲させることにより、磁石磁束が磁気飽和することを防ぐこと、およびスリット２５で分断された外周鉄部の左右の面積を調整することで、外周ブリッジ部２２に作用する曲げ応力を調整することができる。

　以上説明したように、実施の形態２の回転電機は、回転電機の軸方向に対して垂直なロータの断面において、ロータの径方向内側へ切込まれたスリットの角度をロータの径方向に対して周方向に傾けたものである。
　したがって、実施の形態２の回転電機は、ブリッジ部応力を低減すると共に、トルク低下を抑制し、ロータコアの耐久性を向上させることができる。さらに、最終的なトルクを向上させることができる。

実施の形態３．
　実施の形態３の回転電機は、ロータ回転時の遠心力に対して、ロータに埋設された永久磁石の径方向側をロータコアの径方向外側で保持する構成としたものである。

　実施の形態３の回転電機について、ロータの１極を拡大した平面図である図１９、ロータの磁石挿入孔周辺を拡大した平面図である図２０、ロータの磁石挿入孔回りの構造との対比の説明図である図２１、ロータの応力緩和孔と冷媒経路の説明図である図２２、効果を説明するための比較例の説明図である図２３、およびロータの遠心力作用の説明図である図２４に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。
　実施の形態３の図１９ー図２４において、実施の形態１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
　なお、実施の形態１と区別するために、回転電機３００としている。

　実施の形態３のロータ２の全体構成は、実施の形態１の図２と同様である。すなわち、　ロータコア３には２４個の磁石挿入孔２１が周方向に間隔を置いて配置され、磁石挿入孔２１にはそれぞれ永久磁石４が埋設されている。
　磁石挿入孔２１と永久磁石４は周方向に隣接する２個で１セットとなり、回転軸の中心側から径方向外側に向かって広がる１２個のＶ字を構成する。１つの磁極はＶ字に構成された２つの磁石挿入孔２１と２つの永久磁石４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。

　実施の形態３のロータ２の１つの極の構成の詳細を、ロータ２の１極を拡大した平面図である図１９に基づいて説明する。
　磁石挿入孔２１とロータコア３のロータ外周面２０とに挟まれて構成された薄肉部を外周ブリッジ部２２とする。また、Ｖ字を構成する２つの磁石挿入孔２１（２１ａ、２１ｂ）に挟まれ、Ｖ字の周方向の中央部であり径方向内側に構成される薄肉部を中央ブリッジ部２３とする。
　２つの磁石挿入孔２１（２１ａ、２１ｂ）およびロータ外周面２０で囲む三角型の部分を外周鉄部２４とする。
　外周鉄部２４にはスリット２５が形成されている。スリット２５はロータ外周面２０から径方向の内側に切り込んで延びる延伸部２５１と、空隙部２５２とを備える。
　延伸部２５１は磁極の中心を通り径方向に延びるように配置している。空隙部２５２はスリット２５の径方向内側の先端に位置し、延伸部２５１の周方向の最小幅よりも大きな周方向の幅を有する。

　次に、実施の形態３の回転電機３００の構成上の特徴を、ロータの磁石挿入孔周辺を拡大した平面図である図２０に基づいて説明する。
　ロータ２が回転すると永久磁石４に遠心力が作用し、径方向外側の向き（正の向き）に飛散しようとする。しかし、磁石挿入孔２１によって永久磁石４に径方向内側の向き（負の向き）の力が加えられ、永久磁石４の位置が保持される。

　ロータ２が回転するときの遠心力に対して、永久磁石４を保持する磁石挿入孔２１の面のうち、永久磁石の周方向外側を保持する面を第一磁石保持面２１１とする。永久磁石の径方向を保持する面を第二磁石保持面２１２とする。また、第一磁石保持面２１１によって保持される永久磁石の周方向の面を第一磁石面３１とする。第二磁石保持面２１２によって保持される永久磁石の径方向の面を第二磁石面３２とする。
　なお、図２０において、分かり易くするために、第一磁石保持面２１１と第一磁石面３１との間、および第二磁石保持面２１２と第二磁石面３２との間に空間を設けているが、実際には密着している。

　実施の形態３では、第二磁石保持面２１２の中央部（ｄ点）が、第二磁石面３２の中央部（ｅ点）よりも第一磁石保持面２１１に近い位置となるように磁石挿入孔２１を構成する。
　すなわち、実施の形態３では永久磁石４の径方向の端面側をロータコア３の径方向外側で保持する。
　一方、実施の形態１では、図３で明らかなように永久磁石４の径方向の端面側をロータコア３の径方向内側で保持している。

　実施の形態３では、実施の形態１と同様にスリット２５によって外周ブリッジ部２２に作用する周方向の引張応力を低減できる。したがって、実施の形態３においても、ロータコア３で発生する応力を低減することができ、ロータコア３の耐久性を向上させることができる。

　さらに、永久磁石４の径方向の端面側をロータコア３の径方向外側で保持する利点は二つある。この利点について、図２１および図２２に基づいて説明する。
　一つ目は、第二磁石保持面に隣接する応力緩和用の空隙部がリラクタンス磁束を阻害しないことである。
　図２１は、実施の形態１に係る回転電機のロータにおける磁石挿入孔周りの構造を示す対比用の図である。図２２は、実施の形態３に係る回転電機のロータにおける磁石挿入孔周りの構造を示す図である。
　ロータ２が回転すると、第二磁石保持面２１２は径方向外側の向き（正の向き）に飛散しようとする永久磁石４から力を受けるため、図２１、図２２のように応力緩和孔２１３を設ける必要がある。すなわち、応力緩和孔２１３を図２１では、ロータコア３の径方向内側に設けられている。一方、図２２では、応力緩和孔２１３をロータコア３の径方向外側に設けられている。

　ここで、図２１に示した実施の形態１の応力緩和孔２１３は図７に示したリラクタンス磁束の経路上にあるため、永久磁石４の周方向とロータコア３の径方向とがなす角度が小さい場合および回転数が大きく応力緩和孔２１３が大きくなる場合には、リラクタンス磁束が阻害されリラクタンストルクが低下する。
　一方、図２２に示した実施の形態３の応力緩和孔２１３のように、永久磁石４の径方向外側で保持する場合には、応力緩和孔２１３がリラクタンス磁束を阻害しないためリラクタンストルクの低下を防止できる。

　二つ目は、永久磁石の冷却効果を高められることである。図２２に示すように、永久磁石４の周方向の径方向内側の面に平行に走る磁石挿入孔２１の面に冷媒入口孔２１４を設けることを考える。冷媒入口孔２１４にはロータ軸方向端部から冷媒を供給する。供給された冷媒は遠心力により磁石挿入孔２１と永久磁石４の間に構成される隙間を図２２に示す矢印（Ｌ）の向きに流れる。冷媒は、磁石挿入孔２１の径方向外側に位置する冷媒出口孔２１５に集まり、ロータ軸方向端部から排出される。このように、永久磁石４の周方向と径方向を同時に効率よく冷却でき、永久磁石４の減磁を防止できる。

　しかし、永久磁石４の径方向の端面を径方向外側で保持する場合、外周ブリッジ部２２以外にも高応力が発生する。これに対して、外周鉄部２４に設けたスリット２５の効果について、比較例を用いて説明する。
　図２３は、比較例３として、外周鉄部にスリットがなく、永久磁石を径方向外側で保持する構造を有するロータコアに遠心力が作用した場合の変形形状を１２０倍に拡大した図である。なお、図２３において、実施の形態３のロータ２等と区別するため、ロータ２Ｃ、ロータコア３Ｃ、外周ブリッジ部２２Ｃ、外周鉄部２４Ｃ、準外周ブリッジ部２９Ｃ、および第二磁石保持面２１２Ｃと記載している。

　図２３において、Ｆは遠心力によって、永久磁石４が第二磁石保持面２１２Ｃに作用する力を表している。
　外周ブリッジ部２２Ｃには周方向の長さが増加することによって生じる引張り応力と外周鉄部２４Ｃが径方向外側の向き（正の向き）にせり出して径方向内側に凸の曲げ変形が生じることで発生する曲げ応力が作用する。図２３において、Ｓは「周方向引っ張り＋径方向内側に凸の曲げ」である。
　一方、第二磁石保持面２１２Ｃには、永久磁石４を保持する力の反力が第二磁石保持面２１２Ｃの法線方向外周向きに作用する。この反力により、外周ブリッジ部２２Ｃと接続して第二磁石保持面２１２Ｃを形成するために外周ブリッジ部２２Ｃよりも大きな厚みとなる準外周ブリッジ部２９Ｃに局所的に径方向外側に凸の曲げ変形が生じる。この結果、準外周ブリッジ部２９Ｃには周方向の長さが増加することによって生じる引張り応力と径方向外側に凸の曲げ変形が生じることで発生する曲げ応力が作用する。Ｔは「周方向引っ張り＋径方向外側に凸の曲げ」である。

　外周ブリッジ部２２Ｃと準外周ブリッジ部２９Ｃの大きな違いは、外周ブリッジ部２２Ｃはブリッジ内周側が応力集中部となるが、準外周ブリッジ部２９Ｃはブリッジ外周側が応力集中部となることである。

　これに対して、図２４は、実施の形態３として、外周鉄部２４にスリット２５を備え、永久磁石４を径方向外側で保持した構造を有するロータコア３に遠心力が作用した場合の変形形状を１２０倍に拡大した図である。
　実施の形態１の効果で説明した通り、図２４に示す実施の形態３のロータコア３では、比較例３のロータコア３Ｃで作用していた周方向への引張応力の伝達が阻害される。したがって、外周ブリッジ部２２および準外周ブリッジ部２９には、主に曲げ応力のみが作用するため、比較例３のロータ２Ｃと比べて作用応力を低減させることができる。

　図２４において、Ｆは遠心力によって、永久磁石４が第二磁石保持面２１２Ｃに作用する力を表している。
　この外周ブリッジ部２２には、外周鉄部２４が径方向外側の向き（正の向き）にせり出して径方向内側に凸の曲げ変形が生じることで発生する曲げ応力が作用する。図２４において、Ｕは「径方向内側に凸の曲げ」である。
　準外周ブリッジ部２９には、径方向外側に凸の曲げ変形が生じることで発生する曲げ応力が作用する。Ｖは「径方向外側に凸の曲げ」である。

　なお、第一磁石保持面２１１、第二磁石保持面２１２は回転時に永久磁石４を保持する作用があれば永久磁石４と直接当接していなくてもよい。具体的には、第一磁石保持面２１１、第二磁石保持面２１２と永久磁石４との隙間に、位置を固定するための接着剤および樹脂が挟まれていてもよい。

　以上説明したように、実施の形態３の回転電機は、ロータ回転時の遠心力に対して、ロータに埋設された永久磁石の径方向側をロータコアの径方向外側で保持する構成としたものである。
　したがって、実施の形態３の回転電機は、ブリッジ部応力を低減すると共に、トルク低下を抑制し、ロータコアの耐久性を向上させることができる。さらに、リラクタンストルクの低下を防止すると共に永久磁石の冷却効果を高めることができる。

実施の形態４．
　実施の形態４の回転電機は、スリットに充填剤を充填したものである。

　実施の形態４の回転電機について、ロータの１極を拡大した平面図である図２５に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。
　実施の形態４の図２５において、実施の形態１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
　なお、実施の形態１と区別するために、回転電機４００としている。

　実施の形態４のロータ２の全体構成は、実施の形態１の図２と同様である。すなわち、ロータコア３には２４個の磁石挿入孔２１が周方向に間隔を置いて配置され、磁石挿入孔２１にはそれぞれ永久磁石４が埋設されている。
　磁石挿入孔２１と永久磁石４は周方向に隣接する２個で１セットとなり、回転軸の中心側から径方向外側に向かって広がる１２個のＶ字を構成する。１つの磁極はＶ字に構成された２つの磁石挿入孔２１と２つの永久磁石４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。

　実施の形態４のロータ２の１つの極の構成の詳細を、ロータ２の１極を拡大した平面図である図２５に基づいて説明する。
　磁石挿入孔２１とロータコア３のロータ外周面２０とに挟まれて構成された薄肉部を外周ブリッジ部２２とする。また、Ｖ字を構成する２つの磁石挿入孔２１（２１ａ、２１ｂ）に挟まれ、Ｖ字の周方向の中央部であり径方向内側に構成される薄肉部を中央ブリッジ部２３とする。
　２つの磁石挿入孔２１（２１ａ、２１ｂ）およびロータ外周面２０で囲む三角型の部分を外周鉄部２４とする。
　外周鉄部２４にはスリット２５が形成されている。スリット２５はロータ外周面２０から径方向内側に切り込んで延びる延伸部２５１と、空隙部２５２とを備える。
　延伸部２５１は磁極の中心を通り径方向に延びるように配置している。空隙部２５２はスリット２５の径方向内側の先端に位置し、延伸部２５１の周方向の最小幅よりも大きな周方向の幅を有する。

　次に、実施の形態４の回転電機４００の構成上の特徴は、スリット２５には充填剤２５３が充填されていることである。
　実施の形態４では、実施の形態１と同様にスリット２５によって外周ブリッジ部２２に作用する周方向の引張応力を低減できる。よって、実施の形態４においても、ロータコア３で発生する応力を低減することができる。

　ここで、ロータコア３のロータ外周面２０にスリットおよび切欠きがある場合など、ロータコア３のロータ外周面２０が周方向に一様な円でない場合には、ロータ２の回転によってロータ表面の空気の流れが乱される。したがって、風損が大きくなり効率が低下し、さらに風切り音が発生する問題がある。

　実施の形態４においては、スリット２５に充填剤２５３を充填することで、ロータ表面に生じる空気の乱れを抑制できる。したがって、ロータコア３の耐久性を向上させながら風損および騒音を低減した回転電機を提供できる。
　さらに、スリット２５を延伸部２５１と空隙部２５２から構成しているため、充填剤２５３が径方向に移動しようとする場合には空隙部２５２に引っ掛かり移動が抑制される。すなわち、充填剤２５３が遠心力によって径方向外側の向き飛散することを防止できる。
　ここで、充填剤２５３はロータコア３と同程度の剛性を持つ場合、ロータコア３の外周部で周方向応力が伝達するためスリット２５による応力低減効果が損なわれる。したがって、充填された充填剤２５３はロータコアの数十分の一の剛性を持つ材料が好ましく、例えば非磁性体の樹脂材料が好適である。

　以上説明したように、実施の形態４の回転電機は、スリットに充填剤を充填したものである。
　したがって、実施の形態４の回転電機は、ブリッジ部応力を低減すると共に、トルク低下を抑制し、ロータコアの耐久性を向上させることができる。さらに、スリットにより発生する風損および騒音を抑制できる。

　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、または様々な組合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合せる場合が含まれるものとする。

　本願は、ブリッジ部応力を低減すると共に、トルク低下を抑制し、ロータコアの耐久性を向上させることができるため、回転電機に広く適用できる。

１　ステータ、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ　ロータ、３，３Ａ，３Ｂ　ロータコア、４　永久磁石、５　シャフト、６　ステータコア、７　コイル、２０　ロータ外周面、２１，２１ａ，２１ｂ　磁石挿入孔、２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ　外周ブリッジ部、２３　中央ブリッジ部、２４，２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ　外周鉄部、２５，２５Ｂ　スリット、２７，２７Ｂ　スリット端点、２８　磁極間、２９，２９Ｃ　準外周ブリッジ部、３１　第一磁石面、３２　第二磁石面、１００，２００，３００，４００　回転電機、２１１　第一磁石保持面、２１２　第二磁石保持面、２１３　応力緩和孔、２１４　冷媒入口孔、２１５　冷媒出口孔、２５１，２５１Ｂ　延伸部、２５２　空隙部、２５３　充填剤、２６０，２６０ａ，２６０ｂ，２６０Ｂ，２６０Ｂａ，２６０Ｂｂ　Ｖ字形成線、２６１，２６１Ｂ　第一スリット線、２６２，２６２Ｂ　第二スリット線。

Claims

電機子巻線を有するステータと、前記ステータの内周で回転するロータとを備える回転電機において、
前記ロータのコアには磁極を構成する複数の永久磁石が前記コアの軸方向に貫通した磁石挿入孔に埋設され、
各前記磁極は２つ以上の前記永久磁石によって構成され、
各前記磁極において前記永久磁石とロータ外周面とによって取り囲む外周鉄部に前記ロータ外周面から前記ロータの径方向内側へ切込まれたスリットを備え、
前記スリットの径方向内側の先端には、前記スリットの周方向の幅よりも大きな周方向の幅の空隙部を有する回転電機。
前記回転電機の軸に対して垂直な前記ロータの断面において、前記磁石挿入孔の径方向外側で周方向に延びる外郭線を延長した線と前記空隙部との距離が最短となる前記空隙部は、前記スリットの幅の最小値の１／２よりも大きな径の曲線、または前記延長した線と平行な直線で構成されている請求項１に記載の回転電機。
前記回転電機の軸に対して垂直な前記ロータの断面において、前記スリットの前記ロータ外周面に対する角度は前記ロータの径方向に対して周方向に傾いている請求項１または請求項２に記載の回転電機。
前記磁石挿入孔に発生する応力のアンバランスを調整するために、各前記磁極を構成する前記磁石挿入孔は異なる形状である請求項３に記載の回転電機。
前記ステータと鎖交する前記永久磁石の磁束を調整するために、各前記磁極を構成する前記永久磁石は、異なる大きさである請求項３に記載の回転電機。
前記スリットで分断される前記外周鉄部の面積を調整するために、前記スリットは湾曲している請求項３に記載の回転電機。
前記回転電機の軸に対して垂直な前記ロータの断面において、前記磁石挿入孔は、前記ロータの回転時の遠心力に対して前記永久磁石の周方向の径方向外側を保持する第一磁石保持面と、径方向を保持する第二磁石保持面とを有し、
前記永久磁石は、前記第一磁石保持面によって保持される第一磁石面と、前記第二磁石保持面によって保持される第二磁石面とを有し、
前記第二磁石保持面の中央部は、前記第二磁石面の中央部よりも前記第一磁石保持面に近い位置である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転電機。
前記スリットに、非磁性体の樹脂材料である充填剤を備えた請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。