JP2008211934A - 回転電機の回転子及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子に回転子の径方向と交差する状態で埋設された永久磁石の回転子内周側の端部における応力集中を抑制することができるとともに、従来技術より回転子の強度の低減を抑制することができる回転電機の回転子を提供する。
【解決手段】回転子１４の各磁極に回転子１４の内周側に向かって凸となるように複数個の永久磁石１７が埋め込まれた回転電機の回転子である。そして、永久磁石１７のうち、回転子１４の径方向と交差する状態で埋設された永久磁石１７のｄ軸寄りの端部に連続する状態で空隙２０が設けられている。空隙２０は、永久磁石１７の内周側の角部１７ａに跨るように、かつ曲率中心が永久磁石１７の内部になる曲面部２０ａを有する形状に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機の回転子及び回転電機に係り、詳しくは永久磁石が埋設されている回転電機の回転子及び回転電機に関する。

永久磁石を回転子（ロータ）のコア（鉄心）に埋め込んだ永久磁石式回転電機（所謂ＩＰＭモータ）は、電流位相を制御することにより、リラクタンストルクを利用することができ、電流位相を制御することにより最大トルクの制御が可能になる。そして、一般に、永久磁石は断面矩形状に形成されているため、永久磁石が装着された装着孔の永久磁石の角部と対応する部分に応力集中が生じ易くなる。そこで、従来、永久磁石の角部と対応する部分に生じる応力集中を抑制した回転子が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１には、図３（ａ），（ｂ）に示すように、鉄心に形成された磁石用溝５１の隅部（角部）５１ａが、永久磁石５２の角部５２ａと接触するのを避けるように、外側へ円弧状に膨らむように形成することが開示されている。隅部５１ａの形状として、略半円弧状のものと略３／４円弧状のものが開示されている。その結果、応力集中を避けることができるとともに、永久磁石５２の角部５２ａの面取りがされていなくても、永久磁石５２の角部５２ａと磁石用溝５１の隅部５１ａとが接触するのを避けることができる。
特開平９−２９４３４４号公報

磁石用溝５１に発生する応力集中の大きさは、永久磁石５２の角部５２ａの位置によって異なる。また、永久磁石５２の外側に形成される隅部５１ａの大きさが大きい程、即ち空隙部が大きい程、鉄心の強度の面では好ましくない。ところが、特許文献１の回転子では、磁石用溝５１の隅部５１ａが永久磁石５２の角部５２ａと接触するのを避けるように、隅部５１ａの形状を外側に膨らむ円弧状としている。そして、隅部５１ａの位置に拘わらず、同じ形状で同じ大きさにしている。また、円弧の中心は永久磁石５２の周面または周面より若干外側になるように形成されている。即ち、特許文献１では、単純に永久磁石５２の角部５２ａが磁石用溝５１の隅部５１ａに接触するのを防止することにより応力集中を緩和することが図られており、永久磁石５２の角部５２ａの場所による応力集中の大きさの違いや鉄心の強度に対する配慮は何らなされていない。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、回転子に回転子の径方向と交差する状態で埋設された永久磁石の回転子内周側の端部における応力集中を抑制することができるとともに、従来技術より回転子の強度の低減を抑制することができる回転電機の回転子及び回転電機を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、回転子の各磁極に回転子の内周側に向かって凸となるように複数個の永久磁石が埋め込まれた回転電機の回転子である。そして、前記永久磁石のうち、回転子の径方向と交差する状態で埋設された永久磁石のｄ軸寄りの端部に連続する状態で空隙が設けられ、前記空隙は、前記永久磁石の内周側の角部に跨るように、かつ曲率中心が前記永久磁石の内部になる曲面部を有する形状に形成されている。

回転子の径方向と交差する状態で埋設された永久磁石の回転子内周側の端部においては、回転子の回転時、内周側の角部に向かって回転子の内周側から応力が作用する状態となる。この発明では、回転子の永久磁石の内周側角部に跨る曲面部を有する空隙が設けられているため、応力集中が抑制される。また、曲面部の曲率が同じ場合は、曲面部と永久磁石の角部との距離が多少変わっても応力集中の抑制効果は同等となる。そして、この発明では、曲面部はその曲率中心が永久磁石の内部になるように形成されているため、曲率中心が永久磁石の周面または周面より若干外側になるように形成された従来技術に比較して空隙部の体積が小さくなる。したがって、回転子に回転子の径方向と交差する状態で埋設された永久磁石の回転子内周側の端部における応力集中を抑制することができるとともに、従来技術より回転子の強度の低減を抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記永久磁石は、平板状に形成されるとともに一磁極当たり２個ずつ設けられ、かつ回転子の外周側に向かって拡がるＶ字状に配置されている。この発明では、広く使用されるＶ字状配置の永久磁石を備えた回転子において、請求項１の作用、効果を奏する。

請求項３に記載の発明の回転電機は、請求項１又は請求項２に記載の回転子を備えている。この発明の回転電機は、対応する前記請求項１又は請求項２に記載の発明の作用、効果を奏する。

本発明によれば、回転子に回転子の径方向と交差する状態で埋設された永久磁石の回転子内周側の端部における応力集中を抑制することができるとともに、従来技術より回転子の強度の低減を抑制することができる回転電機の回転子及び回転電機を提供することができる。

以下、本発明を電動機に具体化した一実施形態を図１にしたがって説明する。図１（ａ）は電動機の回転子（ロータ）及び固定子（ステータ）全体の１／２の部分に対応する模式図である。

図１（ａ）に示すように、固定子１１は、円筒状で内側に複数のティース１２が等間隔に設けられている。ティース１２にはコイル（巻線）１３が巻かれている。この実施形態ではコイル１３は分布巻で巻かれている。

固定子１１の内側には、回転子が配置されている。回転子１４は、円板状の電磁鋼板を複数枚（例えば数十枚）積層したロータコア１５と、ロータコア１５の中心に貫挿されたロータ軸（回転軸）１６とを備えている。そして、回転子１４は、ロータコア１５の外周面がティース１２と所定の間隔を置いた状態で、図示しないハウジングの軸受けにロータ軸１６を介して回転可能に支持されている。

ロータコア１５には、ロータコア１５を周方向に等分割（この実施形態では８分割）した各仮想領域に、永久磁石１７が２個ずつ回転子１４の径方向と交差する状態で埋め込まれている。各永久磁石１７は、断面矩形の平板状に形成され、回転子１４の外周側に向かって拡がるＶ字状に形成された装着孔１８に装着された状態で埋設されている。即ち、永久磁石１７は、平板状に形成されるとともに一磁極当たり２個ずつ設けられ、かつ回転子１４の外周側に向かって拡がるＶ字状に配置されている。永久磁石１７は、着磁方向が厚さ方向となるように着磁されるとともに、同じ側（例えば、回転子１４の外周側）が同極になるように配置されている。また、隣り合う仮想領域に配置された永久磁石１７は、回転子１４の外周側が異なる極になるように配置されている。例えば、ある一組のＶ字配置の永久磁石１７が、ティース１２側がＳ極になるように配置されると、隣の仮想領域に配置される永久磁石１７は、ティース１２側がＮ極になるように配置される。

図１（ｂ）に示すように、回転子１４（ロータコア１５）には、永久磁石１７のｑ軸２２側の端部に連続する状態でフラックスバリア（孔）１９が設けられ、ｄ軸側の端部に連続する状態で空隙２０が設けられている。図１（ｃ）に示すように、空隙２０は、回転子１４のｄ軸２１寄りで永久磁石１７の内周側の角部１７ａと対応する位置に、角部１７ａに跨るように、かつ曲率中心Ｏが永久磁石１７の内部になる曲面部２０ａを有する形状に形成されている。空隙２０は、角部１７ａに跨るように形成された曲面部２０ａのｄ軸２１寄りの端部に連続してｄ軸２１と平行に延びる平面部２０ｂを備えている。

平面部２０ｂの端部は、装着孔１８に永久磁石１７の幅方向（厚方向）の中央で連続するように形成されている。なお、回転子１４には、永久磁石１７の他の角部と対応する位置にも空隙が形成されている。

次に前記のように構成された電動機の作用を説明する。
電動機が負荷状態で駆動される場合は、固定子１１のコイル１３に電流が供給されて固定子１１に回転磁界が発生し、回転子１４に回転磁界が作用する。そして、回転磁界と永久磁石１７との間の磁気的な吸引力及び反発力により回転子１４が回転磁界と同期して回転する。

回転子１４が回転すると、永久磁石１７が装着された装着孔１８の角部（隅部）は回転子１４の回転に伴って発生する遠心力に対抗する応力の集中箇所となる。永久磁石１７がＶ字状に配置されている場合、応力集中の大きさは角部の位置によって異なる。そして、応力集中が最も大きな箇所は永久磁石１７のｑ軸側の端部で回転子１４の外周側の角部１７ｂとなり、二番目に大きな箇所は永久磁石１７のｄ軸２１側の端部で回転子１４の内周側の角部１７ａとなる。回転子１４には、外周側の角部１７ｂと対応する箇所にフラックスバリア１９が設けられており、フラックスバリア１９は応力集中を緩和する役割も果たす。

一方、回転子１４には永久磁石１７のｄ軸２１側の端部に連続する状態で空隙２０が設けられているため、永久磁石１７の角部１７ａに対する応力集中が抑制される。空隙２０は曲率中心Ｏが永久磁石１７の内部になる曲面部２０ａを有する形状に形成されている。そのため、曲面部２０ａの曲率を小さくして応力集中の大きさを小さくなるようにした場合、特許文献１のように、曲面部をその曲率中心が永久磁石１７の周面または周面より若干外側になるように形成された場合に比較して、空隙２０の体積が小さくなる。空隙２０の体積が小さくなるということは、ロータコア１５を形成する電磁鋼板からプレスで除去される量が少なくなり、ロータコア１５の強度にプラスになる。その結果、電動機の高速化、即ち回転子１４の高速回転に対応することができる。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）回転子１４の各磁極に回転子１４の内周側に向かって凸となるように複数個の永久磁石１７が埋め込まれている。永久磁石１７は、回転子１４の径方向と交差する状態で埋設され、永久磁石１７のｄ軸寄りの端部に連続する状態で空隙２０が設けられ、空隙２０は、永久磁石１７の内周側の角部１７ａに跨るように、かつ曲率中心Ｏが永久磁石１７の内部になる曲面部２０ａを有する形状に形成されている。したがって、回転子１４に回転子１４の径方向と交差する状態で埋設された永久磁石１７の回転子内周側の端部における応力集中を抑制することができるとともに、従来技術より回転子１４の強度の低減を抑制することができる。その結果、高速回転に対応することができる。また、空隙２０の形状を変更するだけで対応できるため、部品点数の増加やコストの増加はない。

（２）永久磁石１７は、平板状に形成されるとともに一磁極当たり２個ずつ設けられ、かつ回転子１４の外周側に向かって拡がるＶ字状に配置され、空隙２０は回転子１４のｄ軸２１寄りで内周側の永久磁石１７の角部１７ａと対応する位置に形成されている。したがって、広く使用されるＶ字状配置の永久磁石１７を備えた回転子１４において、永久磁石１７の回転子内周側の端部における応力集中を抑制することができるとともに、従来技術より回転子１４の強度の低減を抑制することができる。

（３）空隙２０は曲面部２０ａに連続するとともに、ｄ軸２１と平行に延びる平面部２０ｂを備えている。したがって、永久磁石１７から発生した磁束がｄ軸２１に対応する部分を通って固定子１１のティース１２に流れ易くなる。

（４）永久磁石１７のｄ軸２１側端部は、永久磁石１７の厚さ方向の中央より回転子外周側の部分が装着孔１８に接触する。したがって、空隙２０の形状の自由度が高くなる。
（５）永久磁石１７が断面矩形の平板状に形成されているため製造が容易である。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 回転子１４の各磁極に回転子１４の内周側に向かって凸となるように複数個の永久磁石１７が埋め込まれ、回転子１４の径方向と交差する状態で埋設された永久磁石１７が存在する配置であれば、永久磁石１７の配置はＶ字状に限らない。例えば、図２に示すように、平板状に形成されるとともに厚さ方向に着磁された永久磁石１７が、各磁極に３個ずつ、３個の永久磁石１７全体として回転子１４の内周側が凸となる状態で設けてもよい。そして、３個の永久磁石１７のうち、回転子１４の径方向と交差する状態で埋設された永久磁石１７のｄ軸寄りの端部に連続する状態で空隙２０が設けられ、空隙２０は、永久磁石１７の内周側の角部１７ａに跨るように、かつ曲率中心が永久磁石１７の内部になる曲面部２０ａを有する形状に形成される。

○ 空隙２０は、平面部２０ｂが存在せず、永久磁石１７の内周側の角部１７ａに跨るように、かつ曲率中心が永久磁石１７の内部になる曲面部２０ａのみでロータコア１５と区画された形状としてもよい。

○ 空隙２０が永久磁石１７のｄ軸２１側端部と接触する部分は、永久磁石１７の厚さ方向の中央より回転子外周側に限らない。
○ コイル１３の巻き付け方法は分布巻に限らず、集中巻であってもよい。図２の場合は集中巻の例である。

○ 電動機の極数は８極に限らず偶数極であればよいが、４極以上が好ましい。
○ 電動機に限らず発電機に適用してもよい。

（ａ）は一実施形態の回転子と固定子の関係を示す部分模式図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図、（ｃ）は（ｂ）の部分拡大図。 別の実施形態の回転子を示す部分模式図 （ａ），（ｂ）は従来技術の回転子の磁石用溝の模式図。

符号の説明

Ｏ…曲率中心、１４…回転子、１７…永久磁石、１７ａ…角部、２０…空隙、２０ａ…曲面部、２１…ｄ軸。

Claims (3)

1. 回転子の各磁極に回転子の内周側に向かって凸となるように複数個の永久磁石が埋め込まれた回転電機の回転子であって、
   前記永久磁石のうち、回転子の径方向と交差する状態で埋設された永久磁石のｄ軸寄りの端部に連続する状態で空隙が設けられ、前記空隙は、前記永久磁石の内周側の角部に跨るように、かつ曲率中心が前記永久磁石の内部になる曲面部を有する形状に形成されていることを特徴とする回転電機の回転子。
2. 前記永久磁石は、平板状に形成されるとともに一磁極当たり２個ずつ設けられ、かつ回転子の外周側に向かって拡がるＶ字状に配置されている請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 請求項１又は請求項２に記載の回転子を備えた回転電機。

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