JP5195804B2 - 回転電機の回転子 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の回転子に関するものであり、例えば、車両用交流発電機に好適に利用できる回転子に係わる。

従来から、例えば、車両用交流発電機の回転子は、円環状に巻かれた界磁コイルと、この界磁コイルを軸方向に挟み込む２つのロータコアとを備えるものが公知である（例えば、特許文献１参照）。

ここで、個々のロータコアは、界磁コイルの内周に配される円筒状の第１継鉄部と、第１継鉄部から外周側に広がる第２継鉄部と、第２継鉄部の最外周に設けられる複数の爪状磁極とを有するランデル型鉄心（または、ポールコア）と呼ばれるものであり、２つのロータコアの内の一方のロータコアが有する爪状磁極と他方のロータコアが有する爪状磁極とが周方向に交互に配されて界磁コイルを外周側で包囲している。

これにより、界磁コイルに通電を行うと、周方向に隣り合う２つの爪状磁極の間では、爪状磁極の外周側に配される固定子のコア（ステータコア）を介して間接的に磁束が受け渡され、一方のロータコアの第１継鉄部と他方のロータコアの第１継鉄部との間では、直接的に磁束が受け渡されて、ロータコアとステータコアとの間に磁気回路が形成される（特許文献１の図１〜図７参照）。

ところで、車両用交流発電機のような回転電機の回転子では、軽量化や発電能力向上が常時要求されており、様々な観点から技術的検討が行われている。
例えば、特許文献１では、発電能力の指標として、回転電機の単位質量あたりの出力（出力／重量）を採用し、爪状磁極の回転直径Ｒ１と第１継鉄部の外周径Ｒ２との比率（Ｒ２／Ｒ１）を、０．５４〜０．６０の範囲に限定することで出力／重量を高めている（特許文献１の図１１参照）。

また、特許文献２には、周方向に隣り合う２つの爪状磁極の間に永久磁石を配し、これら２つの爪状磁極の間で磁束が直接的に受け渡される現象を抑制して漏洩磁束を減らすことで発電能力を高める技術が開示されている。
しかし、回転電機の回転子における軽量化や発電能力向上の要求は高まる一方であり、さらなる改善が要求されている。

特開平１１−１６４４９９号公報 特開２００８−５４３９２号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、回転電機の回転子において軽量化や発電能力向上を促進することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の回転電機の回転子は、複数の単位コア層を軸方向に積層することで形成され、１つの単位コア層は、円環状に巻かれた界磁コイルと、界磁コイルを軸方向に挟み込む２つのロータコアとを備える。また、個々のロータコアは、界磁コイルの内周に配される円筒状の第１継鉄部と、第１継鉄部から外周側に広がる第２継鉄部と、第２継鉄部の最外周に設けられる複数の爪状磁極とを有する。

また、一方のロータコアの第１継鉄部と他方のロータコアの第１継鉄部との間では直接的に磁束が受け渡される。また、一方のロータコアの爪状磁極と他方のロータコアの爪状磁極とは、周方向に交互に並んで界磁コイルを外周側で包囲し、周方向に隣り合う２つの爪状磁極の間では、爪状磁極の外周側に配される磁性体（ステータコア）を介して間接的に磁束が受け渡される。そして、爪状磁極の回転直径Ｒ１と第１継鉄部の外周径Ｒ２との比率（Ｒ２／Ｒ１）は、０．５４未満である。

これにより、従来のようにロータコアを２つのみ、界磁コイルを１つのみ準備して回転子を設ける場合、つまり、１つの回転子において、厚さが大きいロータコアを２つだけ準備するとともに巻き数が多い界磁コイルを１つだけ準備して１つの単位コア層のみを形成する場合に比べて、磁束を複数の単位コア層に分散させて磁路長を短縮することができる。このため、従来よりも、磁束量を大きくして発電能力を高めたり、ロータコアの質量合計を低減することで軽量化を達成したりすることができる（詳細は、実施例にて説明する。）。
また、１つの単位コア層に含まれる２つのロータコアの内、軸方向一端側のロータコアでは、爪状磁極の内周側で軸方向他端側から非磁性材が第２継鉄部に当接しており、軸方向他端側のロータコアでは、爪状磁極の内周側で軸方向一端側から非磁性材が第２継鉄部に当接している。
これにより、周方向に隣り合う２つの爪状磁極間の磁束の受け渡しに影響を与えることなく、第２継鉄部や爪状磁極の剛性を高めて爪状磁極の振れや第２継鉄部の振れ上がりをさらに抑制することができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の回転電機の回転子によれば、軸方向に隣り合う２つの単位コア層の内、軸方向一端側の単位コア層に含まれる軸方向他端側のロータコアと、軸方向他端側の単位コア層に含まれる軸方向一端側のロータコアとは、各々が有する爪状磁極が周方向に関して同じ位置にある。
爪状磁極には、回転による遠心力や、ステータコアとの間の磁気的な吸引力が作用する。このため、爪状磁極は外周側に振れやすく、この爪状磁極の振れによって、第２継鉄部が曲がって軸方向に振れ上がってしまう。

そこで、爪状磁極の位置を周方向に関して合わせることで、第２継鉄部の内で爪状磁極近傍の部分を背中合わせにする。これにより、爪状磁極に遠心力や吸引力が作用しても、第２継鉄部は振れ上がりにくくなるので、結果的に爪状磁極の振れも抑制される。このため、爪状磁極の振れや第２継鉄部の振れ上がりに伴う騒音を低減することができるとともに、ロータコアの耐久性を高めることができる。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の回転電機の回転子によれば、軸方向一端側のロータコアの第２継鉄部に当接する非磁性材と、軸方向他端側のロータコアの第２継鉄部に当接する非磁性材とは、一体物であって１つの環状体である。
第２継鉄部や爪状磁極の剛性を高めるべく、非磁性材を爪状磁極ごとに分割して配した場合、非磁性材自身に作用する遠心力により、非磁性材が爪状磁極を外周側に押すようになって爪状磁極に別の負荷がかかる虞がある。

そこで、非磁性材を一体物の環状体として設けることにより、非磁性材が爪状磁極を外周側に押す虞を大幅に低減する。これにより、爪状磁極に別の負荷をかけることなく、第２継鉄部や爪状磁極の剛性を高めることができる。

〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の回転電機の回転子によれば、軸方向に隣り合う２つの単位コア層の内、軸方向一端側の単位コア層に含まれる界磁コイルと、軸方向他端側の単位コア層に含まれる界磁コイルとは渡り線により電気的に接続されている。また、複数の単位コア層の内、軸方向両端にある単位コア層に含まれる界磁コイルは、１つのコイル端から渡り線が伸びており、別のコイル端からは、スリップリングに電気的に接続するための引出し線が伸びている。そして、渡り線および引出し線は、環状体の内周側に配されている。
これにより、渡り線および引出し線に作用する遠心力を抑制して渡り線や引出し線が断線する虞を低減することができる。

〔請求項５の手段〕
請求項５に記載の回転電機の回転子によれば、爪状磁極は、周方向の幅を先端に向かって段階的に狭めるように周方向の両側に段を有しており、周方向に隣り合う２つの爪状磁極の間には補強材が装着されている。そして、補強材は、周方向一端側の爪状磁極が有する周方向他端側の段と、周方向他端側の爪状磁極が有する周方向一端側の段とに嵌合して２つの爪状磁極に軸方向に当接している。

これにより、補強材によって爪状磁極の振れを直接的に抑制することができるので、結果的に第２継鉄部の振れ上がりも抑制することができる。このため、爪状磁極の振れや第２継鉄部の振れ上がりに伴う騒音を低減することができるとともに、ロータコアの耐久性を高めることができる。

〔請求項６の手段〕
請求項６に記載の回転電機の回転子によれば、第１継鉄部の外周側かつ界磁コイルの内周側に磁性材からなる環状体が配されている。
これにより、各単位コア層に形成される磁気回路の磁気抵抗が小さくなるので、単位コア層ごとに磁束量をさらに大きくして発電能力を高めることができる。また、ロータコア全体が内周側の環状体によって内周側に拘束されるので、外力の作用に伴うロータコアの動きを抑制できる。

〔請求項７の手段〕
請求項７に記載の回転電機の回転子によれば、爪状磁極の先端部は、内周側に折れ曲がる折れ曲り部をなす。また、軸方向に隣り合う２つの単位コア層の内、軸方向一端側の単位コア層に含まれる軸方向一端側のロータコアと、軸方向他端側の単位コア層に含まれる軸方向他端側のロータコアとは、各々が有する爪状磁極が周方向に関して同じ位置にある。そして、軸方向一端側の単位コア層に含まれる軸方向一端側のロータコアと、軸方向他端側の単位コア層に含まれる軸方向他端側のロータコアとは、各々が有する折れ曲り部が接合されている。

これにより、爪状磁極同士の接合によって爪状磁極の振れを直接的に抑制することができるので、結果的に第２継鉄部の振れ上がりも抑制することができる。このため、爪状磁極の振れや第２継鉄部の振れ上がりに伴う騒音を低減することができるとともに、ロータコアの耐久性を高めることができる。

〔請求項８の手段〕
請求項８に記載の回転電機の回転子によれば、１つの単位コア層では、界磁コイルと２つロータコアのそれぞれとの間を電気的に絶縁する板状の絶縁材が界磁コイルの軸方向両端に配されている。そして、渡り線および引出し線は、絶縁材の外周縁に設けられた爪に外周側から引っ掛かっている。
これにより、渡り線および引出し線を係止して遠心力による断線の虞を低減することができる。

回転子の側面図である（実施例１）。 回転子の部分断面図である（実施例１）。 単位コア層の展開図である（実施例１）。 （ａ）はロータコアの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である（実施例１）。 （ａ）は軸方向他端側のロータコアを分離した状態の単位コア層の側面図であり、（ｂ）は軸方向他端側のロータコアを分離した状態の単位コア層の平面図である（実施例１）。 （ａ）は単位コア層の側面図であり、（ｂ）は単位コア層の平面図である（実施例１）。 （ａ）はボビンの平面図であり、（ｂ）はボビンの下面図であり、（ｃ）は（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である（実施例１）。 （ａ）は渡り線等が爪に引っ掛かっている状態を平面視により示す説明図であり、（ｂ）は渡り線等が爪に引っ掛かっている状態を側面視により示す説明図である（実施例１）。 回転子の積層体からボビンおよび導体を取り出して示す説明図である（実施例１）。 比較対象となる回転子の部分断面図である（実施例１）。 回転子の部分断面図である（実施例２）。 ロータコアの斜視図である（実施例３）。 回転子の側面図である（実施例３）。 回転子の部分断面図である（実施例４）。 （ａ）はロータコアの斜視図であり、（ｂ）は折れ曲り部の接合を示す斜視図である（実施例５）。

実施形態１の回転電機の回転子は、複数の単位コア層を軸方向に積層することで形成され、１つの単位コア層は、円環状に巻かれた界磁コイルと、界磁コイルを軸方向に挟み込む２つのロータコアとを備える。また、個々のロータコアは、界磁コイルの内周に配される円筒状の第１継鉄部と、第１継鉄部から外周側に広がる第２継鉄部と、第２継鉄部の最外周に設けられる複数の爪状磁極とを有する。

また、一方のロータコアの第１継鉄部と他方のロータコアの第１継鉄部との間では直接的に磁束が受け渡される。また、一方のロータコアの爪状磁極と他方のロータコアの爪状磁極とは、周方向に交互に並んで界磁コイルを外周側で包囲し、周方向に隣り合う２つの爪状磁極の間では、爪状磁極の外周側に配される磁性体（ステータコア）を介して間接的に磁束が受け渡される。そして、爪状磁極の回転直径Ｒ１と第１継鉄部の外周径Ｒ２との比率（Ｒ２／Ｒ１）は、０．５４未満である。

また、軸方向に隣り合う２つの単位コア層の内、軸方向一端側の単位コア層に含まれる軸方向他端側のロータコアと、軸方向他端側の単位コア層に含まれる軸方向一端側のロータコアとは、各々が有する爪状磁極が周方向に関して同じ位置にある。

また、１つの単位コア層に含まれる２つのロータコアの内、軸方向一端側のロータコアでは、爪状磁極の内周側で軸方向他端側から非磁性材が第２継鉄部に当接しており、軸方向他端側のロータコアでは、爪状磁極の内周側で軸方向一端側から非磁性材が第２継鉄部に当接している。
そして、軸方向一端側のロータコアの第２継鉄部に当接する非磁性材と、軸方向他端側のロータコアの第２継鉄部に当接する非磁性材とは、一体物であって１つの環状体である。

また、軸方向に隣り合う２つの単位コア層の内、軸方向一端側の単位コア層に含まれる界磁コイルと、軸方向他端側の単位コア層に含まれる界磁コイルとは渡り線により電気的に接続されている。また、複数の単位コア層の内、軸方向両端にある単位コア層に含まれる界磁コイルは、１つのコイル端から渡り線が伸びており、別のコイル端からは、スリップリングに電気的に接続するための引出し線が伸びている。そして、渡り線および引出し線は、環状体の内周側に配されている。

また、１つの単位コア層では、界磁コイルと２つロータコアのそれぞれとの間を電気的に絶縁する板状の絶縁材が界磁コイルの軸方向両端に配されている。そして、渡り線および引出し線は、絶縁材の外周縁に設けられた爪に外周側から引っ掛かっている。

実施形態２の回転電機の回転子によれば、爪状磁極は、周方向の幅を先端に向かって段階的に狭めるように周方向の両側に段を有しており、周方向に隣り合う２つの爪状磁極の間には補強材が装着されている。そして、補強材は、周方向一端側の爪状磁極が有する周方向他端側の段と、周方向他端側の爪状磁極が有する周方向一端側の段とに嵌合して２つの爪状磁極に軸方向に当接している。
実施形態３の回転電機の回転子によれば、第１継鉄部の外周側かつ界磁コイルの内周側に磁性材からなる環状体が配されている。

実施形態４の回転電機の回転子によれば、爪状磁極の先端部は、内周側に折れ曲がる折れ曲り部をなす。また、軸方向に隣り合う２つの単位コア層の内、軸方向一端側の単位コア層に含まれる軸方向一端側のロータコアと、軸方向他端側の単位コア層に含まれる軸方向他端側のロータコアとは、各々が有する爪状磁極が周方向に関して同じ位置にある。そして、軸方向一端側の単位コア層に含まれる軸方向一端側のロータコアと、軸方向他端側の単位コア層に含まれる軸方向他端側のロータコアとは、各々が有する折れ曲り部が接合されている。

〔実施例１の構成〕
実施例１の回転電機の回転子１の構成を、図面に基づいて説明する。
回転子１は、図１および図２等に示すように、後記するランデル型鉄心を有する複数の単位コア層２を軸方向に積層したタンデム式構造を採用するものであり、例えば、車両用交流発電機に好適に利用できるものである。なお、車両用交流発電機は、回転子１の外周側に固定子（図示せず）等が配されて構成される。

回転子１は、例えば、３以上の単位コア層２を軸方向に積層することで形成された積層体３、積層体３の中心軸を通るように積層体３を貫通する回転軸４、積層体３の界磁コイル５に給電するためのスリップリング６、車両用交流発電機を冷却するためのファン７、積層体３と回転軸４との間に介在するスペーサ８等を含んで構成されている。
なお、以下の説明では、軸方向に関して、スリップリング６の反対側を軸方向一端側とし、スリップリング６側を軸方向他端側とする。

１つの単位コア層２は、例えば、図３等に示すように、円環状に巻かれた界磁コイル５と、界磁コイル５を軸方向に挟み込む２つのロータコア１０、１１と、界磁コイル５とロータコア１０、１１のそれぞれとの間を電気的に絶縁する樹脂製の２つの絶縁材１２と、界磁コイル５の外周側に配される環状体１３とを備える。なお、ロータコア１０、１１は、それぞれ、界磁コイル５の軸方向一端側、他端側から界磁コイル５を軸方向に挟み込んでいる。

ロータコア１０、１１は、例えば、図３および図４等に示すように、界磁コイル５の内周に配される円筒状の第１継鉄部１５と、第１継鉄部１５から外周側に広がる板状の第２継鉄部１６と、第２継鉄部１６の最外周に設けられる複数の爪状磁極１７とを有するランデル型鉄心（または、ポールコア）と呼ばれるものである。

また、第２継鉄部１６は、外周の爪状磁極１７に向かって放射状に枝分かれしており、爪状磁極１７と同数の板状枝部１８を有し、板状枝部１８の外周端に爪状磁極１７が設けられている。このため、周方向に隣り合う２つの板状枝部１８の間は、扇形状かつ板状の空間１９が形成されている。
そして、ロータコア１０、１１は、図３および図５等に示すように、界磁コイル５を軸方向に挟み込むとともに、ロータコア１０が有する爪状磁極１７と、ロータコア１１が有する爪状磁極１７とが周方向に交互に配されて界磁コイル５を外周側で包囲している。

これにより、界磁コイル５に通電を行うと、周方向に隣り合う２つの爪状磁極１７の間では、爪状磁極１７の外周側に配される固定子のコア（ステータコア：図示せず）を介して間接的に磁束が受け渡され、ロータコア１０の第１継鉄部１５とロータコア１１の第１継鉄部１５との間では、直接的に磁束が受け渡されて、ロータコア１０、１１とステータコアとの間に磁気回路が形成される。このため、エンジン出力により回転子１が回転した状態で界磁コイル５に通電を行うと、ステータコアに内蔵されたコイル（図示せず）に電力が発生する。

エンジン出力は回転軸４の軸方向一端側に装着されたプーリ（図示せず）を介して回転軸４に伝達される。そして、プーリから回転軸４に伝達されたエンジン出力はスペーサ８を介して積層体３に伝達され、回転子１全体が一体となって回転する。なお、スペーサ８は、非磁性の金属素材や樹脂素材により設けられている。

ここで、爪状磁極１７の回転直径Ｒ１と第１継鉄部１５の外周径Ｒ２との比率（Ｒ２／Ｒ１）は、０．５４未満である。なお、爪状磁極１７の回転直径Ｒ１とは、回転子１の回転軸心（積層体３の中心軸）から爪状磁極１７までの径方向距離であり、第１継鉄部１５の外周径Ｒ２とは、回転子１の回転軸心（積層体３の中心軸）から第１継鉄部１５の外周面までの径方向距離である（図２参照）。

また、軸方向に隣り合う２つの単位コア層２において、軸方向一端側の単位コア層２に含まれるロータコア１１と、軸方向他端側の単位コア層２に含まれるロータコア１０とは、各々が有する爪状磁極１７が周方向に関して同じ位置にある（図１）。

２つの絶縁材１２は、図３等に示すように、それぞれ、界磁コイル５とロータコア１０、１１との間に挟まって界磁コイル５とロータコア１０、１１との間を電気的に絶縁する板状の絶縁部２２、２３を有する（つまり、絶縁部２２、２３はそれぞれ界磁コイル５の軸方向一端側、他端側に配される。）。

そして、２つの絶縁材１２は、軸方向に組み合わされて一体化され、界磁コイル５の巻き軸としてのボビンを構成する（以下、絶縁材１２をボビン１２と呼ぶ。）。すなわち、ボビン１２は、図７等に示すように、界磁コイル５とロータコア１０、１１との間をそれぞれ電気的に絶縁する板状の絶縁部２２、２３と、界磁コイル５が巻き付けられる巻き軸部２４とを有する。

絶縁部２２、２３は、外周に向かって放射状に枝分かれしており、第２継鉄部１６の板状枝部１８と同数の板状枝部２５を有している。また、絶縁部２２、２３には、それぞれ互いに形状が異なる爪２７、２８が設けられている（図３および図７等参照）。

まず、軸方向一端側の爪２７は、板状枝部２５の側縁に沿って略Ｖ字状に設けられて軸方向一端側に隆起する爪部２９と、爪部２９の２つの外周端近傍のそれぞれからさらに軸方向一端側に伸びる爪部３０とからなり、２本の爪部３０は軸方向一端側ほど周方向に接近するように設けられている。また、軸方向他端側の爪２８は、板状枝部２５の側縁に沿って略Ｖ字状に設けられて軸方向他端側に隆起している。

そして、軸方向一端側の爪部２９は、ロータコア１０の空間１９に嵌まり込んで隣り合う２つの板状枝部１８に当接し、軸方向他端側の爪２８は、ロータコア１１の空間１９に嵌まり込んで隣り合う２つの板状枝部１８に当接している（図６および図８等参照）。そして、爪部２９および爪２８が板状枝部１８に当接することで、ロータコア１０、１１とボビン１２との間の回り止めが形成される。

また、軸方向一端側の爪部３０は、積層体３に組み込まれた状態において、空間１９内に折れ曲がって軸方向一端側にある別のボビン１２の爪２８に当接している（図８等参照）。ここで、爪部３０は、後記するように、渡り線３２や引出し線３３が引っ掛かる部位であり、空間１９内に折れ曲がることで、渡り線３２や引出し線３３をより強固に引っ掛けて固定している。

環状体１３は、非磁性材を素材として設けられており、図１〜図３、図５および図６等に示すように、爪状磁極１７の内周側、かつ界磁コイル５の外周側に配されて、界磁コイル５が遠心力等により外周側に膨らむのを阻止する。また、環状体１３は、軸方向他端側からロータコア１０の第２継鉄部１６に当接し、軸方向一端側からロータコア１１の第２継鉄部１６に当接している。

また、積層体３において、図９等に示すように、軸方向に隣り合う２つの単位コア層２では、軸方向一端側の単位コア層２に含まれる界磁コイル５と、軸方向他端側の単位コア層２に含まれる界磁コイル５とは渡り線３２により電気的に接続されている。また、積層体３の軸方向両端にある単位コア層２に含まれる界磁コイル５は、渡り線３２とは別に、スリップリング６に電気的に接続するための引出し線３３が伸びている。

つまり、軸方向両端にある単位コア層２の界磁コイル５は、一方のコイル端から渡り線３２が伸びており、他方のコイル端から引出し線３３が伸びている。
なお、以下の説明では、２つの引出し線３３の内、軸方向一端の界磁コイル５から伸びる引出し線３３を引出し線３３ａと呼び、軸方向他端の界磁コイル５から伸びる引出し線３３を引出し線３３ｂと呼ぶ。

そして、界磁コイル５、渡り線３２および引出し線３３ａ、３３ｂは、引出し線３３ａ→界磁コイル５→渡り線３２→（「界磁コイル５→渡り線３２→」の繰り返し）界磁コイル５→引出し線３３ｂの順に１本の導体をなす。また、渡り線３２および引出し線３３ａは、爪２７の爪部３０に引っ掛かった状態で環状体１３の内周側に配されている。

ここで、軸方向に隣り合う２つの界磁コイル５において、軸方向一端側の界磁コイル５と軸方向他端側の界磁コイル５とを接続する渡り線３２は、例えば、軸方向一端側の界磁コイル５の内周と軸方向他端側の界磁コイル５の外周とを接続している（図８等参照）。

そして、渡り線３２の両端の内、軸方向一端側の界磁コイル５の内周にある方を内周端３２ａ、軸方向他端側の界磁コイル５の外周にある方を外周端３２ｂとすると、渡り線３２は、例えば、内周端３２ａから外周側に伸び、爪２８により形成される扇形状の領域から爪２７により形成される扇形状の領域に伸びており、外周端３２ｂは、爪２７により形成された領域に存在している。

つまり、軸方向に隣り合う２つの界磁コイル５において、渡り線３２は、軸方向一端側のボビン１２の爪２８および軸方向他端側のボビン１２の爪２７から取り出されている（図９等参照）。

なお、引出し線３３ａは、例えば、軸方向に隣り合う２つの界磁コイル５間において渡り線３２と同様に取り出されるように積層体３に組み入れられている。そして、引出し線３３ａの端末は、例えば、軸方向他端のボビン１２の爪２８から取り出されている。
また、引出し線３３ｂは、例えば、軸方向他端のボビン１２の爪２８から取り出されている。

〔実施例１の効果〕
実施例１の回転子１は、複数の単位コア層２を軸方向に積層することで形成され、各々の単位コア層２を形成するロータコア１０、１１に関して、爪状磁極１７の回転直径Ｒ１と第１継鉄部１５の外周径Ｒ２との比率（Ｒ２／Ｒ１）は、０．５４未満である。
これにより、従来よりも、磁束量を大きくして発電能力を高めたり、全てのロータコア１０、１１の質量合計を低減することで軽量化を達成したりすることができる。

ここで、回転子１に用いられる全てのロータコア１０、１１の質量合計や磁束量合計に関する比較の対象として、図１０に示す従来型の回転子１Ａを用いて、実施例１の回転子１の効果「磁束量を大きくして発電能力を高めたり、全てのロータコア１０、１１の質量合計を低減することで軽量化を達成したりすることができる」ことを説明する。なお、従来型の回転子１Ａは、厚さが大きいロータコア１０Ａ、１１Ａを各々１つだけ準備するとともに巻き数が多い界磁コイル５Ａを１つだけ準備し、１つの単位コア層２のみを形成して設けたものである。

回転子１Ａに関して、回転軸心を含む切断面で界磁コイル５Ａおよびロータコア１０Ａ、１１Ａの断面を考え、この断面上で磁力線を描くと、各々の磁力線は交差することなく環状に並走するので、界磁コイル５Ａから遠い外周側ほど磁力線の長さ（磁路長）が長くなって磁気抵抗が大きくなる。これにより、ロータコア１０Ａ、１１Ａの厚さが大きいほど、外周側を通る磁力線は磁路長が長くなって磁気抵抗が大きくなる。

このため、ロータコア１０Ａ、１１Ａの厚さが大きいほど磁路断面積が大きくなって磁気抵抗が下がるものの、外周側を通る磁力線の磁路長が長くなって磁気抵抗が上がってしまい、ロータコア１０Ａ、１１Ａ全体として見れば、所望の磁束量を得るための界磁コイル５Ａの巻き数や界磁コイル５Ａへの通電量が高くなる虞がある。

これに対し、実施例１の回転子１のように、厚さが薄い板状のロータコア１０、１１により単位コア層２を設けて複数の単位コア層２を軸方向に積層することで、それぞれの単位コア層２に磁束を均一に分散させる。
これにより、所望の磁束量を減らすことなく、各単位コア層２における磁力線の磁路長を、例えば、従来型の回転子１Ａにおける最内周側の磁路長よりも短縮することができる。このため、実施例１の回転子１では、従来型の回転子１Ａよりも大幅に磁気抵抗を低減できるので、磁束量を大きくして発電能力を高めることができる。

また、厚さが薄い板状のロータコア１０、１１により単位コア層２を設けて複数の単位コア層２を軸方向に積層することで、従来型のロータコア１０Ａ、１１Ａを使用する場合に比べて、第１継鉄部１５および爪状磁極１７において大幅に素材の使用量を減らすことができる。このため、実施例１の回転子１では、スペーサ８の追加質量があるものの、スペーサ８の素材を適切に選択することで、従来型の回転子１Ａに対して軽量化を達成することができる。

ここで、特許文献１によれば、出力／質量は、Ｒ２／Ｒ１が０．５６のときにピークを示している（特許文献１の図１１参照）。しかし、実施例１によれば、上記のような発電能力の向上等により０．５４未満でも、充分にピーク以上の出力／質量を達成することができる。

さらに、実施例１のロータコア１０、１１は、従来型のロータコア１０Ａ、１１Ａに比べて大幅に薄いので、渦電流の発生を抑制することができ、結果的に磁気エネルギーの損失を低減することができる。
また、実施例１のロータコア１０、１１は、従来型のロータコア１０Ａ、１１Ａに比べて、爪状磁極１７の軸方向高さが大幅に低いので、回転による遠心力や、ステータコアとの間の磁気的な吸引力による倒れ量が小さくなる。このため、高速回転に対する余裕度を増すことができるとともに、破損に対する安全率を高めることができる。

また、軸方向に隣り合う２つの単位コア層２の内、軸方向一端側の単位コア層２に含まれるロータコア１１と、軸方向他端側の単位コア層２に含まれるロータコア１０とは、各々が有する爪状磁極１７が周方向に関して同じ位置にある。
爪状磁極１７には、回転による遠心力や、ステータコアとの間の磁気的な吸引力が作用するため、爪状磁極１７は外周側に振れやすく、爪状磁極１７の振れによって第２継鉄部１６が曲がって軸方向に振れ上がってしまう。

そこで、軸方向に隣り合う２つの単位コア層２に関して、上記のように爪状磁極１７の位置を周方向に関して合わせることで、軸方向一端側の単位コア層２のロータコア１１の板状枝部１８と、軸方向他端側の単位コア層２のロータコア１０の板状枝部１８とを背中合わせにする。これにより、爪状磁極１７に遠心力や吸引力が作用しても、第２継鉄部１６は振れ上がりにくくなるので、結果的に爪状磁極１７の振れも抑制される。このため、爪状磁極１７の振れや第２継鉄部１６の振れ上がりに伴う騒音を低減することができるとともに、ロータコア１０、１１の耐久性を高めることができる。

また、単位コア層２は、非磁性材を素材とする環状体１３を有し、環状体１３は、軸方向他端側からロータコア１０の第２継鉄部１６に当接し、軸方向一端側からロータコア１１の第２継鉄部１６に当接している。
これにより、周方向に隣り合う２つの爪状磁極１７間の磁束の受け渡しに影響を与えることなく、第２継鉄部１６や爪状磁極１７の剛性を高めて爪状磁極１７の振れや第２継鉄部１６の振れ上がりをさらに抑制することができる。

また、環状体１３は一体物として設けられているので、環状体１３に遠心力が作用しても、環状体１３自身が外周側に移動して爪状磁極１７に負荷をかける虞がない。このため、環状体１３は、爪状磁極１７に負荷をかけることなく、第２継鉄部１６や爪状磁極１７の剛性を高めることができる。

また、渡り線３２および引出し線３３ａは、環状体１３の内周側に配されている。
これにより、渡り線３２および引出し線３３ａに作用する遠心力を抑制して渡り線や引出し線３３ａが断線する虞を低減することができる。

また、渡り線３２および引出し線３３ａは、爪２７の爪部３０に引っ掛かった状態で環状体１３の内周側に配されている。
これにより、渡り線３２および引出し線３３ａを係止して遠心力による断線の虞を低減することができる。

〔実施例２〕
実施例２の回転子１によれば、図１１に示すように、積層体３と回転軸４との間にスペーサ８が介在しておらず、各単位コア層２において、界磁コイル５が実施例１の回転子１よりも内周側に巻かれている。
これにより、巻き数を変えることなく界磁コイル５を内周側に寄せることができるので、導線の使用量を大幅に低減しても、通電量を上げることなく所望の磁束量を得ることができる。

なお、実施例２の回転子１では、界磁コイル５が実施例１の回転子１よりも内周側で巻かれていることから、環状体１３が実施例１の回転子１よりも内周側に幅広になっている。
しかし、環状体１３の素材を適切に選択することで、実施例１と同様に、従来型の回転子１Ａに対して軽量化を達成することができる。

〔実施例３〕
実施例３の回転子１によれば、爪状磁極１７は、図１２に示すように、周方向の幅を先端に向かって段階的に狭めるように周方向の両側に段３５を有している。
ここで、周方向に関して、回転子１を軸方向の他端側から一端側を見た場合に反時計回りに回る方向を、周方向一端側に向かう方向と定義し、時計回りに回る方向を、周方向他端側に向かう方向と定義する。

そして、周方向に隣り合う２つの爪状磁極１７の内、周方向一端側の爪状磁極１７を爪状磁極１７ａとし、周方向他端側の爪状磁極１７を爪状磁極１７ｂとすると、爪状磁極１７ａ、１７ｂ間には、図１３に示すように補強材３６が装着されている。そして、補強材３６は、爪状磁極１７ａが有する周方向他端側の段３５と、爪状磁極１７ｂが有する周方向一端側の段３５とに嵌合して爪状磁極１７ａ、１７ｂの両方に軸方向に当接している。

これにより、補強材３６によって爪状磁極１７の振れを直接的に抑制することができるので、結果的に第２継鉄部１６の振れ上がりも抑制することができる。このため、爪状磁極１７の振れや第２継鉄部１６の振れ上がりに伴う騒音を低減することができるとともに、ロータコア１０、１１の耐久性を高めることができる。

〔実施例４〕
実施例４の回転子１によれば、図１４に示すように、第１継鉄部１５の外周側かつ界磁コイル５の内周側に磁性材からなる環状体３８が配されている。
これにより、各単位コア層２に形成される磁気回路の磁気抵抗が小さくなるので、単位コア層２ごとに磁束量をさらに大きくして発電能力を高めることができる。また、ロータコア１０、１１が内周側の環状体３８によって内周側に拘束されるので、外力の作用に伴うロータコア１０、１１の無用の動きを抑制できる。

〔実施例５〕
実施例５の回転子１によれば、図１５に示すように、爪状磁極１７の先端部は、内周側に折れ曲がる折れ曲り部４０をなす。また、軸方向に隣り合う２つの単位コア層２の内、軸方向一端側の単位コア層２に含まれるロータコア１０と、軸方向他端側の単位コア層２に含まれるロータコア１１とは、各々が有する爪状磁極１７が周方向に関して同じ位置にある。

そして、軸方向一端側の単位コア層２に含まれるロータコア１０と、軸方向他端側の単位コア層２に含まれるロータコア１１とは、各々が有する折れ曲り部４０が、例えば、ロータコア１０、１１に通電することで接合されている。
これにより、爪状磁極１７同士の接合によって爪状磁極１７の振れを直接的に抑制することができるので、結果的に第２継鉄部１６の振れ上がりも抑制することができる。このため、爪状磁極１７の振れや第２継鉄部１６の振れ上がりに伴う騒音を低減することができるとともに、ロータコア１０、１１の耐久性を高めることができる。

〔変形例〕
回転子１の態様は、実施例に限定されるものではなく、様々な変形例を考えることができる。
例えば、実施例の回転子１によれば、渡り線３２や引出し線３３ａを引っ掛ける部位は爪２７の爪部３０であったが、ボビン１２に爪部３０を設けることなく、他の部位により渡り線３２や引出し線３３ａを引っ掛けて係止してもよい。

また、実施例の回転子１によれば、折れ曲り部４０はロータコア１０、１１の両方に設けられるか、または、ロータコア１０、１１のどちらにも設けられないかのいずれかであったが、ロータコア１０、１１の一方に折れ曲り部４０を設けて他方に折れ曲り部４０を設けないようにしてもよい。

１ 回転子
２ 単位コア層
５ 界磁コイル
６ スリップリング
１０ ロータコア
１１ ロータコア
１２ ボビン（絶縁材）
１３ 環状体（非磁性材）
１５ 第１継鉄部
１６ 第２継鉄部
１７ 爪状磁極
２７ 爪
３２ 渡り線
３３ 引出し線
３５ 段
３６ 補強材
３８ 環状体
４０ 折れ曲り部

Claims (8)

1. 回転電機の回転子であって、
   複数の単位コア層を軸方向に積層することで形成され、
   １つの単位コア層は、円環状に巻かれた界磁コイルと、この界磁コイルを軸方向に挟み込む２つのロータコアとを備え、
   個々のロータコアは、前記界磁コイルの内周に配される円筒状の第１継鉄部と、この第１継鉄部から外周側に広がる第２継鉄部と、この第２継鉄部の最外周に設けられる複数の爪状磁極とを有し、
   一方のロータコアの前記第１継鉄部と他方のロータコアの前記第１継鉄部との間では直接的に磁束が受け渡され、
   一方のロータコアの前記爪状磁極と他方のロータコアの前記爪状磁極とは、周方向に交互に並んで前記界磁コイルを外周側で包囲し、
   周方向に隣り合う２つの前記爪状磁極の間では、前記爪状磁極の外周側に配される磁性体を介して間接的に磁束が受け渡され、
   前記爪状磁極の回転直径Ｒ１と前記第１継鉄部の外周径Ｒ２との比率（Ｒ２／Ｒ１）は、０．５４未満であり、
   前記１つの単位コア層に含まれる２つのロータコアの内、軸方向一端側のロータコアでは、前記爪状磁極の内周側で軸方向他端側から非磁性材が前記第２継鉄部に当接しており、軸方向他端側のロータコアでは、前記爪状磁極の内周側で軸方向一端側から非磁性材が前記第２継鉄部に当接していることを特徴とする回転電機の回転子。
2. 請求項１に記載の回転電機の回転子において、
   軸方向に隣り合う２つの単位コア層の内、軸方向一端側の単位コア層に含まれる軸方向他端側のロータコアと、軸方向他端側の単位コア層に含まれる軸方向一端側のロータコアとは、各々が有する前記爪状磁極が周方向に関して同じ位置にあることを特徴とする回転電機の回転子。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転電機の回転子において、
   前記軸方向一端側のロータコアの前記第２継鉄部に当接する非磁性材と、前記軸方向他端側のロータコアの前記第２継鉄部に当接する非磁性材とは、一体物であって１つの環状体であることを特徴とする回転電機の回転子。
4. 請求項３に記載の回転電機の回転子において、
   軸方向に隣り合う２つの単位コア層の内、軸方向一端側の単位コア層に含まれる前記界磁コイルと、軸方向他端側の単位コア層に含まれる前記界磁コイルとは渡り線により電気的に接続され、
   前記複数の単位コア層の内、軸方向両端にある単位コア層に含まれる前記界磁コイルは、１つのコイル端から前記渡り線が伸びており、別のコイル端からは、スリップリングに電気的に接続するための引出し線が伸びており、
   前記渡り線および前記引出し線は、前記環状体の内周側に配されていることを特徴とする回転電機の回転子。
5. 請求項１ないし請求項４の内のいずれか１つに記載の回転電機の回転子において、
   前記爪状磁極は、周方向の幅を先端に向かって段階的に狭めるように周方向の両側に段を有しており、
   周方向に隣り合う２つの前記爪状磁極の間には補強材が装着され、
   この補強材は、周方向一端側の前記爪状磁極が有する周方向他端側の前記段と、周方向他端側の前記爪状磁極が有する周方向一端側の前記段とに嵌合して前記２つの前記爪状磁極に軸方向に当接していることを特徴とする回転電機の回転子。
6. 請求項１ないし請求項５の内のいずれか１つに記載の回転電機の回転子において、
   前記第１継鉄部の外周側かつ前記界磁コイルの内周側に磁性材からなる環状体が配されていることを特徴とする回転電機の回転子。
7. 請求項１ないし請求項６の内のいずれか１つに記載の回転電機の回転子において、
   前記爪状磁極の先端部は、内周側に折れ曲がる折れ曲り部をなし、
   軸方向に隣り合う２つの単位コア層の内、軸方向一端側の単位コア層に含まれる軸方向一端側のロータコアと、軸方向他端側の単位コア層に含まれる軸方向他端側のロータコアとは、各々が有する前記爪状磁極が周方向に関して同じ位置にあり、
   前記軸方向一端側の単位コア層に含まれる軸方向一端側のロータコアと、前記軸方向他端側の単位コア層に含まれる軸方向他端側のロータコアとは、各々が有する前記折れ曲り部が接合されていることを特徴とする回転電機の回転子。
8. 請求項１ないし請求項７の内のいずれか１つに記載の回転電機の回転子において、
   前記１つの単位コア層では、前記界磁コイルと前記２つロータコアのそれぞれとの間を電気的に絶縁する板状の絶縁材が前記界磁コイルの軸方向両端に配され、
   軸方向に隣り合う２つの単位コア層の内、軸方向一端側の単位コア層に含まれる前記界磁コイルと、軸方向他端側の単位コア層に含まれる前記界磁コイルとは渡り線により電気的に接続され、
   前記複数の単位コア層の内、軸方向両端にある単位コア層に含まれる前記界磁コイルは、１つのコイル端から前記渡り線が伸びており、別のコイル端からは、スリップリングに電気的に接続するための引出し線が伸びており、
   前記渡り線および前記引出し線は、前記絶縁材の外周縁に設けられた爪に外周側から引っ掛かっていることを特徴とする回転電機の回転子。

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