JP2020014322A - 回転電機のロータおよび回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータを構成する積層鋼板に磁石位置決め突起や外周ブリッジが設けられているため、漏れ磁束が発生し、トルクリプルを十分低減できない。【解決手段】第１積層鋼板５１は、ポールピース部１７をロータ３の内周側で保持する内周ブリッジ１３を有する。永久磁石５の磁化方向１５に沿う永久磁石５の側面のうちロータ３の外周側の側面５ｂは第１積層鋼板５１と接触せず、磁石収納部９がロータ３とステータ１との間に形成されるエアギャップ１２に連通する。すなわち、永久磁石５の外周側の側面５ｂには、永久磁石５の位置決め突起と外周ブリッジとの両者が無いため、漏れ磁束を十分低減することができる。【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機のロータおよび回転電機に関する。

埋め込み永久磁石型回転電機は、永久磁石の飛び出し防止のため、永久磁石の磁石収納部の外周側には外周ブリッジや磁石位置決め用の突起が設けられている。そのため、外周ブリッジや磁石位置決め用の突起への漏れ磁束により、回転電機のトルク低下やトルクリプルが増加する。例えば、電動パワーステアリング装置（以下、ＥＰＳ装置）に使用される回転電機では、回転電機のトルク変動が車室内の騒音や振動の原因となり、乗り心地を悪化させる。回転電機に設けられた外周ブリッジや磁石位置決め突起への漏れ磁束によるトルクリプルの低減技術としては、例えば、特許文献１に記載のように、漏れ磁束の大きい外周ブリッジを有する積層鋼板と漏れ磁束の小さい中央ブリッジを有する積層鋼板とを１枚ずつ、又は数枚単位で交互に積層する技術がある。また、特許文献２に記載のように、外周ブリッジが一部存在しない積層鋼板をロータの回転軸を中心に所定角度回転した状態で積層する技術がある。また、特許文献３に記載のように、磁石位置決め突起のない積層鋼板を積層する技術がある。

特開２０１１−４４８０号公報 特開２００６−５０８２０号公報 特開２０１６−４６９４９号公報

特許文献１および特許文献２では、全ての積層鋼板の磁石収納部の外周側の位置に、磁石位置決めの突起が設けられている。また、外周ブリッジが無い積層鋼板においても、替わりに磁石位置決め突起への漏れ磁束が増加するため、トルクリプルを十分低減できない。特許文献３においては、磁石位置決め突起のない積層鋼板を積層しているが、全ての積層鋼板に外周ブリッジが設けられているため、漏れ磁束が発生し、トルクリプルを十分低減できない。

本発明の第１の態様によると、複数枚の積層鋼板により構成され複数の磁石収納部を設けたロータコアと、前記複数の磁石収納部にそれぞれ収納されて磁極を形成する複数の永久磁石とを備えた回転電機のロータにおいて、前記複数枚の積層鋼板は、前記ロータの外周側であって前記磁石収納部で区分された複数のポールピース部を備え、前記複数枚の積層鋼板のうち、少なくとも１枚の第１積層鋼板は、前記ポールピース部を前記ロータの内周側で保持する内周ブリッジを備え、前記永久磁石の磁化方向に沿う前記永久磁石の側面のうち前記ロータの外周側の側面は前記第１積層鋼板と接触せず、前記磁石収納部が前記ロータとステータとの間に形成されるエアギャップに連通する。
本発明の第２の態様によると、複数枚の積層鋼板により構成され複数の磁石収納部を設けたロータコアと、前記複数の磁石収納部にそれぞれ収納されて磁極を形成する複数の永久磁石とを備えた回転電機のロータにおいて、前記複数枚の積層鋼板のうち、少なくとも１枚は、前記永久磁石の磁化方向に沿う永久磁石の側面のうち前記ロータの内周側の側面を拘束する内周ブリッジを有する第１磁石収納部、および前記永久磁石の側面のうち前記ロータの外周側の側面を拘束する外周ブリッジを有する第２磁石収納部を備える。

本発明によれば、ロータコアを形成する積層鋼板からの漏れ磁束を低減することで、回転電機の低トルクリプル化、高トルク化を実現できる。

第１の実施形態に係る回転電機の軸方向断面図である。 Ａ−Ａ断面におけるステータ及びロータの径方向断面図である。 第１積層鋼板の１磁極分を拡大して示す拡大図である。 Ｂ−Ｂ断面におけるステータ及びロータの径方向断面図である。 第２積層鋼板の１磁極分を拡大して示す拡大図である。 変形例１に係るロータの軸方向断面図を示す。 変形例２に係る第１積層鋼板の１磁極分を拡大して示す拡大図である。 変形例２に係る第２積層鋼板の１磁極分を拡大して示す拡大図である。 変形例３に係る第１積層鋼板の１磁極分を拡大して示す拡大図である。 変形例３の他の例に係る第１積層鋼板の１磁極分を拡大して示す拡大図である。 第２の実施形態に係るステータ及びロータの径方向断面図である。 第２の実施形態に係る第３積層鋼板の１磁極分を拡大して示す拡大図である。 第２の実施形態の変形例に係る第３積層鋼板の１磁極分を拡大して示す拡大図である。 第３の実施形態に係るステータ及びロータの径方向断面図である。 第３の実施形態に係るロータの径方向断面の１磁極分を拡大して示す拡大図である。 第４の実施形態に係るロータの径方向断面の１磁極分を拡大して示す拡大図である。 第４の実施形態に係るロータの径方向断面の１磁極分を拡大して示す拡大図である。 第４の実施形態に係るロータの径方向断面の１磁極分を拡大して示す拡大図である。 第５の実施形態に係るスポーク式埋め込み磁石型回転電機のロータの径方向断面図である。 第５の実施形態に係るスポーク式埋め込み磁石型回転電機のロータの径方向断面図である。 第５の実施形態に係るスポーク式埋め込み磁石型回転電機のロータの径方向断面図である。 第６の実施形態に係るコンシクエントポール式回転電機のロータの径方向断面図を示す。 第６の実施形態に係るコンシクエントポール式回転電機のロータの径方向断面図を示す。 第６の実施形態に係るコンシクエントポール式回転電機のロータの径方向断面図を示す。 第７の実施形態に係る回転電機の駆動システムの構成を示す図である。 第８の実施形態に係るＥＰＳ装置を示した図である。 本実施形態と比較例とのトルク、トルクリプル、コギングトルクの比を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る回転電機１００について説明する。なお、以下の実施形態における回転電機１００は、電動パワーステアリング装置をはじめ、電動ブレーキ装置など、その他の自動車用電動補機装置の回転電機１００へも適用可能である。さらには、産業用の回転電機１００全般にも適用可能である。なお、各図において同一構成には同一の符号を記し、重複する説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１〜図１０を参照して、第１の実施形態である回転電機１００の構成を説明する。図１は、本実施形態に係る回転電機１００の軸方向断面図である。本実施形態の回転電機１００は、ステータ１と、ステータ１内に、エアギャップ１２を介して、回転可能に配置されたロータ３と、駆動軸７と、ステータ１を保持するフレーム８とを備える。ステータ１は、ステータコア２と、ステータコア２のティース１１（図２参照）に巻回されるコイル１０（図２参照）と、コイル１０のコイルエンド部６とを有する。ロータ３は、複数枚の積層鋼板から構成されたロータコア４と、ロータコア４の磁石収納部９に収納された複数の永久磁石５を備える。

図２は、図１のＡ−Ａ断面におけるステータ１及びロータ３の径方向断面図である。ティース１１にコイル１０が巻き回される。ロータ３のこの断面における第１積層鋼板５１は、Ｖ字状の磁石収納部９を設けたロータコア４と、Ｖ字状の磁石収納部９にＶ字状に配置されて１つの磁極を形成する複数（図２では２つ）の永久磁石５を備え、永久磁石５の内周側の磁極中央付近には、内周ブリッジ１３を有する。

図３は、図２の破線２Ａで囲ったロータ３の１磁極分の磁極付近の拡大図であり、第１積層鋼板５１を示す。この第１積層鋼板５１は、Ｖ字状の磁石収納部９で区分されたポールピース部１７を有する。また、このポールピース部１７をロータの内周側で保持する内周ブリッジ１３を有する。内周ブリッジ１３は、永久磁石５の磁化方向１５に沿う永久磁石５の側面のうちロータ３の内周側の側面５ａを拘束する機能も有する。永久磁石５の磁化方向１５に沿う永久磁石５の側面のうちロータ３の外周側の側面５ｂは第１積層鋼板５１と接触せず、磁石収納部９はステータ１との間に形成されるエアギャップ１２に凹部１８を介して連通する。すなわち、永久磁石５の外周側の側面５ｂには、永久磁石５の位置決め突起と外周ブリッジとの両者が無いため、漏れ磁束を十分低減することができる。

第１積層鋼板５１は、Ｖ字状の磁石収納部９で区分され、内周ブリッジ１３で保持されるポールピース部１７を有する。回転電機１００の回転時において、ポールピース部１７には自身と永久磁石５の遠心力が作用する。そのため、内周ブリッジ１３は外周ブリッジ（後述する図５の外周ブリッジ１４参照）の替わりに、ポールピース部１７を支持する。ここで、外周ブリッジと内周ブリッジ１３の機械的、磁気的な特徴について述べる。ポールピース部１７に作用する遠心力に対し、外周ブリッジにかかる応力は曲げ応力であり、内周ブリッジ１３にかかる力は引っ張り応力と近似できる。材料力学の一般論として、曲げ応力より引っ張り応力のほうが、同じ力（ここではポールピース部１７に作用する遠心力）に対する応力が小さい。そのため、外周ブリッジよりも内周ブリッジ１３の方が機械強度が優れ、内周ブリッジ１３の幅を細くすることができる。また、外周ブリッジ１つ当たりには、永久磁石５の１つ分の磁束が通るのに対し、内周ブリッジ１３の１つ当たりには、永久磁石５の２つ分の磁束が通ることになる。その結果、外周ブリッジの幅と内周ブリッジ１３の幅が同じと仮定すると、単純に内周ブリッジ１３の磁気抵抗は外周ブリッジの２倍となり、内周ブリッジ１３の方が漏れ磁束が小さくなる。

以上のように、ロータ３を構成する第１積層鋼板５１の割合を多くして、回転電機１００のロータ３を製造すれば、機械特性と磁気特性の両方を向上し、低トルクリプル・高トルクな回転電機１００を提供できる。Ｖ字状に配置された永久磁石５の開き角度が十分大きく、永久磁石５がほぼ横一文字に配置される時や、永久磁石５の残留磁束密度が十分大きい時には、回転時においても、磁気吸引力と摩擦力のみで永久磁石５は磁石収納部９に固定されるため、この第１積層鋼板５１のみを積層してロータ３を製造することができる。

（変形例１）
次に第１の実施形態における変形例１について説明する。図４は、図１のＢ−Ｂ断面におけるステータ１及びロータ３の径方向断面図である。ロータ３のこの断面の第２積層鋼板５２は、Ｖ字状の磁石収納部９を設けたロータコア４と、Ｖ字状の磁石収納部９にＶ字状に配置されて１つの磁極を形成する複数の永久磁石５を備え、永久磁石５の外周側５ｂを拘束する外周ブリッジ１４を有する。第１積層鋼板５１に設けられていた内周ブリッジ１３は、第２積層鋼板５２には設けられていない。

図５は、図４の破線４Ａで囲ったロータ３の１磁極分を拡大して示す拡大図であり、第２積層鋼板５２を示す。第２積層鋼板５２は、永久磁石５の外周側５ｂが外周ブリッジ１４で拘束されているため、外周ブリッジ１４への漏れ磁束は発生するが、遠心力による永久磁石５の飛び出しを防止することができる。

Ｖ字状に配置された永久磁石５の開き角度がある程度大きい場合は、ロータコア４を構成する複数枚の積層鋼板５１、５２のうち、永久磁石５の飛び出しを防止するために必要な最低限の枚数の第２積層鋼板５２を用い、残りは第１積層鋼板５１とする。これにより、永久磁石５の飛び出しを防止して、低トルクリプル・高トルクな回転電機１００を提供できる。図６は、この変形例１に係るロータ３の軸方向断面図を示す。図６に示すとおり、第２積層鋼板５２をロータ３の軸方向両端部と中央部に配置する。このように、第２積層鋼板５２を少なくともロータ３の軸方向両端部に配置することで、破損しやすい永久磁石５の角部を第２積層鋼板５２の外周ブリッジ１４で保護しつつ、永久磁石５の本体の飛び出しも防止することができる。また、永久磁石５が軸方向に長い場合や、永久磁石５が軸方向に複数に分割されて配置されている場合においても、図６に示すとおり、軸方向両端部以外にも第２積層鋼板５２を配置することで、永久磁石５の角部を第２積層鋼板の外周ブリッジ１４で保護しつつ、永久磁石５の本体の飛び出しを確実に防止することができる。

また、第１積層鋼板５１と第２積層鋼板５２とを積層してロータ３を構成した場合は、ロータ３のポールピース部１７を内周ブリッジ１３と外周ブリッジ１４の両方で支持することができる。このため、内周ブリッジ１３のみでロータ３を構成した場合よりも、回転電機１００の回転時のポールピース部１７のがたつきを抑制し、ポールピース部１７のがたつきに伴うコギングトルクやトルクリプルの発生を抑制できる。

また、図３の第１積層鋼板５１や図５の第２積層鋼板５２に示すとおり、各積層鋼板５１、５２は周方向に隣り合うポールピース部１７の間に、ポールピース部１７の外周面（ステータ１との対向面）よりも内周側に凹んだ凹部１８を有している。一般に、磁極間（ｑ軸）において、ロータコア４の最外周部がステータ１に近いとそこに磁束が通り、トルクリプルが大きくなる。したがって、第１積層鋼板５１や第２積層鋼板５２の隣り合うポールピース部１７の間に凹部１８を設けることで、このトルクリプルの増加を抑制することができる。

（変形例２）
次に第１の実施形態における変形例２について説明する。図７は、図２の破線２Ａで囲ったロータ３の１磁極分の磁極付近の拡大図であり、第１積層鋼板５１を示す。また、図８は、図４の破線４Ａで囲ったロータ３の１磁極分を拡大して示す拡大図であり、第２積層鋼板５２を示す。図７の第１積層鋼板５１、図８の第２積層鋼板５２は、磁石収納部９の外径側に形成された複数のポールピース部１７を備え、ポールピース部１７は、隣接して積層する積層鋼板同士を連結するための連結部１９を有する。この連結部１９を用いて、第１積層鋼板５１同士や、第１積層鋼板５１と第２積層鋼板５２を、位置ずれを小さくして、強固に連結して積層することができる。

これにより、コギングトルクに悪影響を及ぼす、ポールピース部１７の外径形状のばらつきや積層鋼板の積層間の隙間の発生を抑制することができる。ここで、連結部１９の位置を、ポールピース部１７の重心付近に設けることにより、ポールピース部１７の外縁全体で積層ばらつきや積層間の隙間を抑制することができる。

また、連結部１９におけるロータ３の径方向断面形状は、ロータ３の径方向がロータ３の周方向より長くなるように形成する。これにより、ポールピース部１７の径方向を通る磁石磁束を阻害せず、トルク低下を避けることができる。連結部１９は、カシメ、接着剤、リベット、ボルト、ねじ、ビスなどにより形成され、隣接して積層する積層鋼板を互いに連結して固定する。

（変形例３）
図９は、変形例３に係る第１積層鋼板５１の１磁極分を拡大して示す拡大図である。図３に示した１磁極分の変形例であり、第１積層鋼板５１を例に説明するが、第２積層鋼板５２やその他の種類の積層鋼板の少なくとも一つの積層鋼板に以下に述べる構造を設けてもよい。図９に示すように、第１積層鋼板５１は、ポールピース部１７を内周ブリッジ１３で支持する。そして、第１積層鋼板５１は、永久磁石５の側面のうちロータ３の外周側の側面５ｂを拘束する突起２０を備える。また、ポールピース部１７は突起２１を備える。金型により、第１積層鋼板５１を打ち抜く場合、これらの突起２０及び突起２１が押さえとして用いられる。そしてこれらの突起２０及び突起２１が永久磁石５の側面５ａ、５ｂと接触しないので、漏れ磁束を低減できる。

図１０は、変形例３の他の例に係る第１積層鋼板５１の１磁極分を拡大して示す拡大図である。第１積層鋼板５１は、内周ブリッジ１３とは別に、永久磁石５の内周側５ａに磁石位置決め突起２２を備えている。なお、内周ブリッジ１３に永久磁石５の内周側５ａに当接する突起を設けて、この突起により永久磁石５の内周側５ａの位置決めを行ってもよい。

［第２の実施形態］
図１１〜図１３を参照して、第２の実施形態に係る回転電機１００のロータ３の構成を説明する。図１１は、第２の実施形態に係る回転電機１００のステータ１及びロータ３の径方向断面図を示す。ロータ３のこの断面における第３積層鋼板５３は、Ｖ字状の磁石収納部９を設けたロータコア４と、Ｖ字状の磁石収納部９にＶ字状に配置されて１つの磁極を形成する複数の永久磁石５を備える。

第１の実施形態では、磁石収納部９の周囲に、内周ブリッジ１３や外周ブリッジ１４を有する例を説明したが、第２の実施形態の第３積層鋼板５３は、内周ブリッジ１３や外周ブリッジ１４を有しておらず、連結部１９を設けている。

図１２は、図１１の破線１１Ａで囲ったロータ３の１磁極分の磁極付近の拡大図であり、第３積層鋼板５３を示す。ロータ３を構成する複数枚の積層鋼板のうち、少なくとも１枚の積層鋼板は、第３積層鋼板５３であり、図１２に示すように、ポールピース部１７を内周側で保持し、永久磁石５の内周側を拘束するブリッジや永久磁石５の外周側を拘束するブリッジの両方を持たない。永久磁石５の周囲にブリッジ部がないため、第１積層鋼板５１よりも漏れ磁束を低減できる。第３積層鋼板５３を第１の実施形態で示した第１積層鋼板５１や第２積層鋼板５２とともに積層することで、第１の実施形態で示した回転電機１００よりもさらに低トルクリプル・高トルクな回転電機１００を提供できる。この第３積層鋼板５３も、第１積層鋼板５１や第２積層鋼板５２と同様、隣り合うポールピース部１７の間に凹部１８を設けておけば、トルクリプルを低減できる。ポールピース部１７には、隣接して積層する積層鋼板同士を連結するための連結部１９が設けられ、同種の連結部１９を設けた第１積層鋼板５１や第２積層鋼板５２と積層することで、ポールピース部１７を確実に固定する。連結部１９の位置や形状等は第１の実施形態で説明したとおりである。

図１３は、第２の実施形態の変形例に係る第３積層鋼板５３の１磁極分を拡大して示す拡大図である。図１３に示すように、ブリッジを形成しない程度に永久磁石５の外周側５ｂに当接して、磁石位置決め突起２２を設けても良い。ブリッジを形成しないので、漏れ磁束を抑制して、永久磁石５の飛び出しを防止できる。

［第３の実施形態］
図１４〜図１５を参照して、第３の実施形態である回転電機１００のロータ３の構成を説明する。図１４は、第３の実施形態に係る回転電機１００の径方向断面図を示す。図１５は、第３の実施形態に係る回転電機１００のロータ３の磁極付近１４Ａの拡大図を示す。

図１４、図１５に示すとおり、ロータ３を構成する複数枚の各積層鋼板５４において、少なくとも１枚の積層鋼板５４は、複数の磁石収納部９のうち、半数は永久磁石５の内周側５ａを拘束する内周ブリッジ１３を有する第１磁石収納部２３であり、残りの半数は、永久磁石５の外周側５ｂを拘束する外周ブリッジ１４を有する第２磁石収納部２４である。この積層鋼板５４を、１枚毎または数枚毎に所定の角度ずつ回転して積層する。すなわち、ロータコア４は、第１磁石収納部２３および第２磁石収納部２４を備えた複数枚の積層鋼板５４を、ロータ３の軸を中心とする回転方向に所定角度ずつ互いにずらした状態で積層して形成される。このようにロータ３を製作することで、永久磁石５の飛び出しを防止しつつ、外周ブリッジ１４の数を減らし、内周ブリッジ１３の数を増やすことができ、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図１４と図１５では、第１磁石収納部２３を持つ磁極数と、第２磁石収納部２４を持つ磁極数を同数にしているが、ロータ３の機械強度を満たす範囲で、第２磁石収納部２４を持つ磁極数を減らし、第１磁石収納部２３を持つ磁極数を増やせば、回転電機１００の磁気特性をさらに向上できる。第３の実施形態では、１種類の積層鋼板５４を積層して製造するため、積層鋼板５４を打ち抜く金型の数を減らすこともできる。図１４、図１５ではＶ字型の埋め込み磁石式回転電機を例に取り説明したが、磁石収納部がＩ字状に配置された後述するスポーク式埋め込み磁石型回転電機についても、本技術を適用できる。

［第４の実施形態］
図１６〜図１８を参照して、第４の実施形態である回転電機１００のロータ３の構成を説明する。図１６〜図１８は、第４の実施形態に係る回転電機１００のロータ３の１磁極分の拡大図を示す。図１６、図１７、図１８が、第１の実施形態及び第２の実施形態における、第１積層鋼板５１、第２積層鋼板５２、第３積層鋼板５３に、それぞれ対応している。第１の実施形態の第１積層鋼板５１や第２の実施形態の第３積層鋼板５３においては、永久磁石５の磁化方向１５に沿う外周側の側面５ｂがステータ１とロータ３の間のエアギャップ１２に開放されている。そのため、振動などで永久磁石５が破損した場合、開放部より微小な永久磁石５の破片は、エアギャップ１２中に飛び出し、回転中の回転電機１００がロックする懼れがある。

本実施形態では、図１６〜図１８に示すとおり、永久磁石５の磁化方向１５に沿う外周側の側面５ｂを覆うように、紙やテープなどの永久磁石５の飛散防止部材２５で永久磁石５の表面を保護する。これにより、永久磁石５の表面の破損を防止し、たとえ破損したとしても永久磁石５の破片が飛散することを防止することができる。この永久磁石５の飛散防止部材２５は、図１７の外周ブリッジ１４を持つ第２積層鋼板５２が積層されることにより、永久磁石５の表面からはがれることなく、確実に固定できる。飛散防止部材２５の形状は、図１６〜図１８に示すとおり、永久磁石５の磁化方向１５に沿う外周側の側面５ｂを含む周方向の一部を覆うようにしても良いし、永久磁石５の周方向全体または永久磁石５の全体を覆っても良い。

［第５の実施形態］
図１９〜図２１を参照して、第５の実施形態である回転電機１００のロータ３の構成を説明する。図１９〜図２１は、第５の実施形態に係る回転電機１００のロータ３の径方向断面図を示す。I字状の磁石収納部９を設けたロータコア４と、I字状の磁石収納部９にI字状に配置されて１つの磁極を形成する永久磁石５とを備えた、いわゆるスポーク式埋め込み磁石型回転電機のロータ３である。図１９、図２０、図２１が、第１の実施形態及び第２の実施形態における、第１積層鋼板５１、第２積層鋼板５２、第３積層鋼板５３に、それぞれ対応している。Ｖ字状の磁石配置に対し、I字状の磁石配置とすることで、磁石の厚さは２倍になるが、磁石個数を半分にできる。その結果、磁石の径方向断面積を減らさずに、モータの極数(すなわち磁石の個数)を増やすことができるため、多極にして高トルクのモータを設計することができる。

図１９に示すように、第１積層鋼板５１は、I字状の磁石収納部９で区分されたポールピース部１７を有し、このポールピース部１７をロータの内周側で保持する内周ブリッジ１３を有する。内周ブリッジ１３は、ポールピース部１７を半径方向で保持する内周ブリッジ１３ａとポールピース部１７を周方向で保持する内周ブリッジ１３ｂとを有する。永久磁石５の磁化方向１５に沿う永久磁石５の側面のうちロータ３の外周側の側面５ｂは第１積層鋼板５１と接触せず、磁石収納部９はステータ１との間に形成されるエアギャップ１２に連通する。

ここで、内周ブリッジ１３ａと内周ブリッジ１３ｂの機械的、磁気的な特徴について述べる。ポールピース部１７に作用する遠心力に対し、内周ブリッジ１３ａにかかる応力は引っ張り応力であり、内周ブリッジ１３ｂにかかる応力は外周ブリッジ１４（図２０参照）と同様に曲げ応力と近似できる。そのため、内周ブリッジ１３ｂより内周ブリッジ１３ａの方が、機械強度に優れ、ブリッジ幅を細くしたり、ブリッジ数を減らすことができる。一方、単純に内周ブリッジ１３ａと内周ブリッジ１３ｂのブリッジ幅とブリッジ長さが同じと仮定すると、漏れ磁束が内周ブリッジ１３ａを通る磁路長よりも内周ブリッジ１３ｂを通る磁路長の方が、通過するブリッジの数が半分になるため短くなる。そのため、内周ブリッジ１３ｂの方が、内周ブリッジ１３ａよりも磁気抵抗が小さくなり漏れ磁束が大きい。以上より、内周ブリッジ１３ａと内周ブリッジ１３ｂのどちらか一方あるいは両方の個数や幅を減少させれば、漏れ磁束を低減できる。また、ロータ３には慣性や漏れ磁束の低減のため、肉抜き穴６０が開けられており、その外縁の一部は内周ブリッジ１３ａと内周ブリッジ１３ｂから成る。そのため、内周ブリッジ１３ａと内周ブリッジ１３ｂの機械強度や磁気特性は、この肉抜き穴６０の形状にも依存する。図１９のように、内周ブリッジ１３ａ(すなわち肉抜き穴６０の周方向外縁)は、回転時の過渡な応力集中を避けるため、内周ブリッジ１３ｂではなくポールピース１７の内周側に接続されていることが望ましい。

図２０に示すように、第２積層鋼板５２は、永久磁石５の外周側の側面５ｂが外周ブリッジ１４で拘束されているため、外周ブリッジ１４への漏れ磁束は発生するが、遠心力による永久磁石５の飛び出しを防止することができる。図２０の第２積層鋼板５２において、内周ブリッジ１３ａや内周ブリッジ１３ｂは、ロータ３の強度上必要な最低限の本数まで減らすこともできる。一例として、図２０の第２積層鋼板５２では、内周ブリッジ１３ａの本数を、図１９の第１積層鋼板５１の半分にして、内周ブリッジ１３ｂの本数を第１積層鋼板５１と同数にしている。機械強度の裕度に応じて、内周ブリッジ１３ａの本数を増減させることもできる。他の例として、第２積層鋼板５２では、内周ブリッジ１３ｂのみ、図１９の第１積層鋼板５１より減らしても良いし、内周ブリッジ１３ａと内周ブリッジ１３ｂの両方を図１９の第１積層鋼板５１より減らしても良いし、内周ブリッジ１３ａと内周ブリッジ１３ｂを全て無くしても良い。内周ブリッジ１３ａを多用すれば、機械強度を上げることができる。一方、内周ブリッジ１３ｂを多用すれば、漏れ磁束を効果的に減らすことができる。

図２１に示すように、第３積層鋼板５３は、永久磁石５の外周側の側面５ｂを拘束する外周ブリッジ１４やポールピース部１７をロータ３の内周側で半径方向に保持する内周ブリッジ１３ａを持たず、ポールピース部１７をロータの内周側で周方向に保持する内周ブリッジ１３ｂと連結部１９を備える。連結部１９は、磁極の一つおきに設けた例を示したが、ロータ３の強度に応じて増減できる。永久磁石５の周囲にあるブリッジは内周ブリッジ１３ｂのみのため、図１９の第２積層鋼板５２よりも漏れ磁束を低減できる。また、図２１の第３積層鋼板５３では、各ポールピース部１７が内周ブリッジ１３ｂを介して連結しているため、ポールピース部１７のがたつきを抑制し、ポールピース部１７のがたつきに伴うコギングトルクやトルクリプルの発生を抑制できる。図２１は１例であり、第３積層鋼板５３の他の例として、内周ブリッジ１３ｂの本数を減らしても良いし、内周ブリッジ１３ｂを持たない代わりに内周ブリッジ１３ａを備えても良いし、内周ブリッジ１３ａと内周ブリッジ１３ｂの両方が無くても良い。内周ブリッジ１３ｂの本数を減らしたり無くす場合は、ポールピース部１７のがたつきや積層した時の位置ずれを抑制するため、各ポールピース部１７に連結部１９を備えて、各積層鋼板を強固に連結して積層することが望ましい。

［第６の実施形態］
図２２〜図２４を参照して、第６の実施形態である回転電機１００のロータ３の構成を説明する。図２２〜図２４は、第６の実施形態に係る回転電機１００のロータ３の径方向断面図を示す。ロータ３が、ロータコア４と、複数の永久磁石５と、１対の永久磁石５を有する磁極間に形成された軟磁性材からなる複数の疑似磁極２６を有する、いわゆるコンシクエントポール式回転電機である。図２２、図２３、図２４が、第１の実施形態及び第２の実施形態における、第１積層鋼板５１、第２積層鋼板５２、第３積層鋼板５３に、それぞれ対応している。コンシクエントポール式回転電機は、ロータ３の磁極が、軟磁性材料からなる疑似磁極２６と永久磁石５とで構成されるため、使用する永久磁石５の量を少なくできる。

図２２に示すように、第１積層鋼板５１は、永久磁石５の磁化方向１５に沿う永久磁石５の側面のうちロータ３の内周側の側面５ａを拘束する内周ブリッジ１３を有する。
図２３に示すように、第２積層鋼板５２は、永久磁石５の外周側５ｂが外周ブリッジ１４で拘束されているため、外周ブリッジ１４への漏れ磁束は発生するが、遠心力による永久磁石５の飛び出しを防止することができる。
図２４に示すように、第３積層鋼板５３は、永久磁石５の内周側を拘束するブリッジや永久磁石５の外周側を拘束するブリッジの両方を持たず、連結部１９を備える。

第１の実施形態〜第６の実施形態では、Ｖ字状の磁石収納部９に永久磁石５を配置した例や、Ｉ字状の磁石収納部９に永久磁石５を配置した例で説明した。しかし、本発明はこれらに限定せず、例えば、Ｕ字状の磁石収納部９にＵ字状の永久磁石５を配置してもよく、Ｕ字状に限らずその他の形状であってもよい。

［第７の実施形態］
図２５を参照して、第７の実施形態である回転電機１００の駆動システムの構成を説明する。第１の実施形態から第６の実施形態で示したロータ３を備えた回転電機１００は、同一のインバータで駆動させても良いし、別のインバータで駆動させても良い。別のインバータで駆動させた場合、片方のインバータが故障した際でも、もう片方のインバータで回転電機１００を駆動させることができ、緊急時のフェールセーフの観点から有効である。図２５に本実施形態における回転電機１００の駆動システムを示す。

図２等で示した１０極６０スロットの回転電機１００において、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を２つのグループに分け、第１インバータ４１により、Ｕ１１〜Ｕ１５相、Ｖ１１〜Ｖ１５相、Ｗ１１〜Ｗ１５相が駆動され、第２インバータ４２により、Ｕ２１〜Ｕ２５相、Ｖ２１〜Ｖ２５相、Ｗ２１〜Ｗ２５相が駆動される。なお、２つのインバータで駆動する例を示したが、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を複数のグループに分け、複数のインバータで駆動してもよい。

［第８の実施形態］
図２６を参照して、第８の実施形態であるＥＰＳ装置について説明する。第１の実施形態から第６の実施形態で示した回転電機１００を電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ装置）に適用した例である。このＥＰＳ装置は、ステアリングコラム付近にアシストトルクを発生させるための回転電機１００を備えていることから、コラムアシスト式と呼ばれる。本方式のＥＰＳ装置は、ステアリングホイールＳＴと、ステアリングホイールＳＴの回転駆動力を検出するトルクセンサＴＳと、トルクセンサＴＳの出力に基づいて、アシストトルクを制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）と、アシストルクを制御するＥＣＵの信号に基づいて、アシストルクを出力する回転電機１００とを備える。

さらに、ＥＣＵおよび回転電機１００のエネルギー供給源となる車載用バッテリーＢＡと、回転電機１００の回転駆動力を歯車によって減速し、所望のトルクを出力するためのギア機構ＧＥとを備える。さらに、ギア機構ＧＥで発生したトルクを伝達するためのピニオンギアＰＮと、ピニオンギアＰＮとギア機構ＧＥをつなぐための一つまたは複数のロッドＲＯと、一つまたは複数のジョイントＪＴとを備える。

さらに、ピニオンギアＰＮに発生する回転駆動力を水平方向の力に変化するラックギアＲＣＧと、ラックギアを覆うラックギアケースＲＣと、ラックケース内に塵などが入らないために設けられる第１のダストブーツＤＢ１と第２のダストブーツＤＢ２と、実際に舵取りが行われる第１のタイヤＷＨ１と、第２のタイヤＷＨ２と、ラック軸に発生する水平方向の力を第１のタイヤＷＨ１に伝えるための第１のタイロッドＴＲ１と、同じくラック軸に発生する水平方向の力を第２のタイヤＷＨ２に伝えるための第２のタイロッドＴＲ２とを備える。

次に、コラムアシスト式ＥＰＳ装置の動作を説明する。ステアリングホイールＳＴを回転させると、その回転駆動力をトルクセンサＴＳが検出する。トルクセンサＴＳの検出信号に基づいて、ＥＣＵが所望のアシストトルクを発生させるための通電パターンを演算して、回転電機１００に指令を出す。回転電機１００はＥＣＵの指令に基づいて通電を行い、アシストトルクを発生させる。回転電機１００に接続されたギア機構ＧＥにより減速され、ロッドＲＯとジョイントＪＴを介して、ピニオンギアＰＮに回転駆動力が伝達される。ピニオンギアＰＮはラックギアＲＣＧと噛合っており、それによって、ピニオンギアＰＮの回転駆動力は車の進行方向に対して直角方向の推力に変換される。こうして発生した水平方向の推力は、タイロッドＴＲ１およびＴＲ２を介して、タイヤＷＨ１およびＷＨ２の舵取りを行う。

コラムアシスト式ＥＰＳ装置の他に、ピニオンギアＰＮ付近にアシストトルクを発生させるための回転電機１００を備えているピニオンアシスト式ＥＰＳ装置、ラックギアＲＣＧに対してアシストトルクを発生させるための回転電機１００が備えられているラックアシスト式ＥＰＳ装置などがある。

以上で説明した様々なＥＰＳ装置では、重大事故に直結するため、破損した永久磁石５による回転電機１００のロックは許されない。また、回転電機１００の振動エネルギーが、ギア機構ＧＥ、ロッドＲＯ、ピニオンギアＰＮなどの機械部品を介して、車室内に伝播し、運転席付近のパネルや内壁から音波として放出される。これを運転者が騒音（所謂、ジッパー音やファスナー音）として感じることになる。この騒音発生メカニズムは、回転電機１００を車室内に配置したコラムアシスト式ＥＰＳ装置、回転電機１００をエンジンルーム内に配置するピニオンアシスト式、ラックアシスト式などのＥＰＳ装置に共通である。

第１の実施形態から第６の実施形態で示した回転電機１００を装着したＥＰＳ装置によれば、高信頼の回転電機１００のロック防止と、ステアリングホイール操作時のアシスト性能向上と、車室内の静音化を両立可能なＥＰＳ装置を提供できる。同様の効果は、ＥＰＳ装置のみならず他の自動車補機システム、例えば、電動ブレーキシステムに適用した場合においても発揮することができる。

（効果の検証）
図２７に、第２積層鋼板５２のみを積層してなる比較例の回転電機１００と第１の実施形態および第２の実施形態との対比結果を示す。回転電機１００のトルクＴ１、トルクリプルＴ２、コギングトルクＴ３のそれぞれについて、比較例を１とした場合の、第１の実施形態および第２の実施形態における比を示す。これらの結果は、磁界解析によるシミュレーションを用いて計算したものである。ここで、第１の実施形態は比較例の第２積層鋼板５２のうち８０％を第１積層鋼板５１で置き換えた回転電機１００である。第２の実施形態は比較例の第２積層鋼板５２のうち３３％を第１積層鋼板５１で置き換え、第２積層鋼板５２のうち５０％を第３積層鋼板５３で置き換えた回転電機１００である。

図２７に示すように、比較例よりも第１の実施形態の方が、漏れ磁束が小さいため、トルクＴ１が増加し、トルクリプルＴ２とコギングトルクＴ３が低減することが確認できる。さらに、第１の実施形態よりも第２の実施形態の方が、漏れ磁束が小さくなるため、トルクＴ１が増加し、トルクリプルＴ２が低減する。コギングトルクＴ３に関しては、位相が反転したために増加しているが、比較例に対しては低減していることが確認できる。
以上の実施形態では、１０極６０スロットの回転電機１００について述べたが、任意の極数、スロット数の回転電機１００に適用できる。また、ステータ巻線は、集中巻でも分布巻でも良い。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）回転電機１００のロータ３は、複数枚の積層鋼板により構成され複数の磁石収納部９を設けたロータコア４と、複数の磁石収納部９にそれぞれ収納されて磁極を形成する複数の永久磁石５とを備え、複数枚の積層鋼板は、ロータ３の外周側であって磁石収納部９で区分された複数のポールピース部１７を備え、複数枚の積層鋼板のうち、少なくとも１枚の第１積層鋼板５１は、ポールピース部１７をロータ３の内周側で保持する内周ブリッジ１３を備え、永久磁石５の磁化方向１５に沿う永久磁石５の側面のうちロータ３の外周側の側面５ｂは第１積層鋼板５１と接触せず、磁石収納部９がロータ３とステータ１との間に形成されるエアギャップ１２に連通する。これにより、ロータコア４を形成する積層鋼板からの漏れ磁束を低減することで、回転電機１００の低トルクリプル化、高トルク化を実現できる。

（２）回転電機１００のロータ３は、複数枚の積層鋼板により構成され複数の磁石収納部２３、２４を設けたロータコアと、複数の磁石収納部２３、２４にそれぞれ収納されて磁極を形成する複数の永久磁石５とを備え、複数枚の積層鋼板のうち、少なくとも１枚は、永久磁石５の磁化方向１５に沿う永久磁石５の側面のうちロータ３の内周側の側面５ａを拘束する内周ブリッジ１３を有する第１磁石収納部２３、および永久磁石５の側面のうちロータ３の外周側の側面５ｂを拘束する外周ブリッジ１４を有する第２磁石収納部２４を備える。これにより、ロータコア４を形成する積層鋼板からの漏れ磁束を低減することで、回転電機１００の低トルクリプル化、高トルク化を実現できる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、第１〜第８の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。例えば、各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上述の実施形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。

１…ステータ、２…ステータコア、３…ロータ、４…ロータ-コア、５…永久磁石、６…コイルエンド部、７…駆動軸、８…フレーム、９…磁石収納部、１０…コイル、１１…ティース、１２…エアギャップ、１３…内周ブリッジ、１４…外周ブリッジ、１５…磁化方向、１７…ポールピース部、１８…凹部、１９…連結部、２０・２１…突起、２２…磁石位置決め突起、２３…第１磁石収納部、２４…第２磁石収納部、２５…飛散防止部材、２６…疑似磁極、４１…第１インバータ、４２…第２インバータ、５１…第１積層鋼板、５２…第２積層鋼板、５３…第３積層鋼板、６０…肉抜き穴、１００…回転電機、ＳＴ…ステアリングホイール、ＴＳ…トルクセンサ、ＧＥ…ギア機構、ＥＣＵ…制御装置、ＢＡ…車載用バッテリー、ＪＴ…ジョイント、ＲＯ…ロッド、ＲＣＧ…ラックギア、ＲＣ…ラックギアケース、ＰＮ…ピニオンギア、ＤＢ…ダストブーツ、ＴＲ…タイロッド、ＷＨ…タイヤ、ＢＳ…ボールスクリュー、ＢＴ…ベルト。

Claims (18)

1. 複数枚の積層鋼板により構成され複数の磁石収納部を設けたロータコアと、前記複数の磁石収納部にそれぞれ収納されて磁極を形成する複数の永久磁石とを備えた回転電機のロータにおいて、
   前記複数枚の積層鋼板は、前記ロータの外周側であって前記磁石収納部で区分された複数のポールピース部を備え、
   前記複数枚の積層鋼板のうち、少なくとも１枚の第１積層鋼板は、前記ポールピース部を前記ロータの内周側で保持する内周ブリッジを備え、
   前記永久磁石の磁化方向に沿う前記永久磁石の側面のうち前記ロータの外周側の側面は前記第１積層鋼板と接触せず、前記磁石収納部が前記ロータとステータとの間に形成されるエアギャップに連通する回転電機のロータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記磁石収納部は、Ｖ字状に配置され、前記永久磁石は、前記Ｖ字状に配置された前記磁石収納部に収納されて磁極を形成する回転電機のロータ。
3. 請求項１に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記磁石収納部は、Ｉ字状に配置され、前記永久磁石は、前記Ｉ字状に配置された前記磁石収納部に収納されて磁極を形成する回転電機のロータ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記複数枚の積層鋼板のうち、少なくとも１枚の第２積層鋼板は、前記永久磁石の前記外周側の側面を拘束する外周ブリッジを備える回転電機のロータ。
5. 請求項４に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記第２積層鋼板は、前記ロータの軸方向両端部付近に配置される回転電機のロータ。
6. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記ポールピース部は、隣接して積層する積層鋼板を連結する連結部を備える回転電機のロータ。
7. 請求項６に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記連結部は、前記ポールピース部の重心付近に設けられる回転電機のロータ。
8. 請求項６に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記連結部における前記ロータの径方向断面形状は、前記ロータの径方向が前記ロータの周方向より長く形成される回転電機のロータ。
9. 請求項６に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記連結部は、カシメ、接着剤、リベット、ボルト、ねじ、ビスのいずれか一つにより形成される回転電機のロータ。
10. 請求項１に記載の回転電機のロータにおいて、
    前記ポールピース部を備える前記積層鋼板は、周方向に隣り合う前記ポールピース部の間に、前記ポールピース部の外周面よりも内周側に凹んだ凹部が形成されている回転電機のロータ。
11. 請求項４に記載の回転電機のロータにおいて、
    前記複数枚の積層鋼板のうち、少なくとも１枚の第３積層鋼板は、前記内周ブリッジおよび前記外周ブリッジを有しない回転電機のロータ。
12. 請求項１１に記載の回転電機のロータにおいて、
    前記第１積層鋼板、もしくは前記第３積層鋼板の少なくとも一つの積層鋼板は、前記永久磁石の前記外周側の側面を拘束する突起を備える回転電機のロータ。
13. 複数枚の積層鋼板により構成され複数の磁石収納部を設けたロータコアと、前記複数の磁石収納部にそれぞれ収納されて磁極を形成する複数の永久磁石とを備えた回転電機のロータにおいて、
    前記複数枚の積層鋼板のうち、少なくとも１枚は、前記永久磁石の磁化方向に沿う永久磁石の側面のうち前記ロータの内周側の側面を拘束する内周ブリッジを有する第１磁石収納部、および前記永久磁石の側面のうち前記ロータの外周側の側面を拘束する外周ブリッジを有する第２磁石収納部を備える回転電機のロータ。
14. 請求項１３に記載の回転電機のロータにおいて、
    前記磁石収納部は、Ｖ字状に配置され、前記永久磁石は、前記Ｖ字状に配置された前記第１磁石収納部および前記第２磁石収納部に収納されて磁極を形成する回転電機のロータ。
15. 請求項１３に記載の回転電機のロータにおいて、
    前記磁石収納部は、Ｉ字状に配置され、前記永久磁石は、前記Ｉ字状に配置された前記第１磁石収納部および前記第２磁石収納部に収納されて磁極を形成する回転電機のロータ。
16. 請求項１３から請求項１５までのいずれか一項に記載の回転電機のロータにおいて、
    前記ロータコアは、前記第１磁石収納部および前記第２磁石収納部を備えた複数枚の積層鋼板を、前記ロータの軸を中心とする回転方向に所定角度ずつ互いにずらした状態で積層して形成される回転電機のロータ。
17. 請求項１または請求項１２に記載の回転電機のロータにおいて、
    前記磁極の間に軟磁性材から成る疑似磁極が形成されている回転電機のロータ。
18. 請求項１または請求項１３に記載の回転電機のロータを備えた回転電機において、
    前記回転電機は、２つ以上のインバータで駆動される回転電機。

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