JP2009106051A - ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】電動機などに使用する、径方向に着磁された第一の磁極部と回転軸方向に着磁された第二の磁極部とを備えるロータにおいて、ロータコアを積層鋼板により形成すると、通常より第二の磁極部を構成する磁石の分だけ、ロータの重量が増加するため、電動機に組み込む際の作業性が低下した。
【解決手段】回転電気機械のステータの内部に回転軸により回転可能に設けられるロータであって、内部に回転軸方向に貫通し回転軸にほぼ平行な空間が径方向に所定間隔をあけて配置されて回転軸に取り付けられるコアと、径方向に着磁された第一の磁極部、及び回転軸方向に着磁された第二の磁極部を備えてコアに形成された空間より外周位置に配置される複数のロータ磁極部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機や発電機などの回転電気機械のロータに関するものである。

従来、例えば電動機は、ステータと、そのステータの内部に回転可能に取り付けられるロータとを備えている。このような電動機のうち、例えば特許文献１に記載された、径方向に配置される第一のロータ磁極部と回転軸方向に配置される第二のロータ磁極部とを備えるロータを有する永久磁石同期モータが知られている。

また、特許文献２に記載のものでは、磁石を埋め込むロータの鉄心を、複数枚の鋼板を積層して形成することを開示している。この特許文献２のものでは、ロータの鉄心の外周部分の近傍に磁石埋め込み孔を形成し、その内部に磁石を埋め込むものである。
特開２００５−２０４４３９ 特開２００３−９４７６

ところで、特許文献１のロータを、特許文献２のもののように、積層鋼板により形成すると、通常より回転軸方向の第二のロータ磁極部を構成する磁石の分だけ、ロータの重量が増加する。したがって、このような構成のものであると、電動機に組み込む際の作業性が低下した。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明のロータは、回転電気機械のステータの内部に回転軸により回転可能に設けられるロータであって、内部に回転軸方向に貫通し回転軸にほぼ平行な空間が径方向に所定間隔をあけて配置されて回転軸に取り付けられるコアと、径方向に着磁された第一の磁極部、及び回転軸方向に着磁された第二の磁極部を備えてコアに形成された空間より外周位置に配置される複数のロータ磁極部とを備えることを特徴とする。

このような構成によれば、コアは複数のロータ磁極部の内側に径方向に所定間隔をあけて配置される空間を備えているので、これらの空間が実質的に肉抜き部分になる。この結果、コアの重量を軽減することができ、総重量の増加を抑制することが可能になる。

第一及び第二の磁極部としては、永久磁石により形成され、それぞれの永久磁石が磁束の短絡を回避してコアに埋め込まれてなるものが好ましい。

このような第一及び第二の磁極部を備えるロータ磁極部はそれぞれ、相互に隣接するロータ磁極部とは反対極性に配置されるもの、さらには、相互に隣接するロータ磁極部が同一極性で配置されるものであって、それぞれのロータ磁極部間にはロータ磁極部にほぼ等しい磁性体領域が設けられるものが挙げられる。

この発明において、回転電気機械とは、電動機、発電機及び電動発電機を含むものである。

本発明は、以上説明したような構成であり、コアは複数のロータ磁極部の内側に径方向に所定間隔をあけて配置される空間を備えているので、これらの空間が実質的に肉抜き部分となり、コアの重量を軽減することができ、総重量の増加を抑制することができる。したがって、回転電気機械を組み立てる場合の作業性を改善することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜５を参照して説明する。

この実施形態においては、回転電気機械である電動機Ｍを説明する。電動機Ｍは、ステータ１と、そのステータ１の内部に配置されるロータ２と、ロータ２の中心を貫通して取り付けられる回転軸３と、ステータ１を支持するヨーク４とを備えている。なお、図１においては、ステータ１及びロータ２の構成を明確に図示するために、回転軸３を回転可能に支持する軸受け部やステータ１を構成するコイル５の外部接続部等については、図示を省略している。

ステータ１は、ステータコア６と、そのステータコア６の内面に沿って設けられる複数のコイル５とを備えてなる。

ステータコア６は、図２に示すように、例えば磁性体の粉体を圧縮して成形した圧粉コアであり、ほぼ円筒形状をしている。ステータコア６は、図２に示すように、胴部６ａと、胴部６ａの一方の端部に胴部６ａに対して約９０度をなして設けられる軸側壁部６ｂとを備えるものである。軸側壁部６ｂは、その中央部分に、回転軸３が通る開口６ｃを備えている。ステータコア６はその内面に、コイル５を配置して磁極を形成するための複数の凸状部７を有している。凸状部７は、胴部６ａの内面において回転軸方向に延び、周方向に所定の間隔をあけて径方向に設けられる第一部分７ａと、その第一部分７ａに連続して軸側壁部６ｂの内面に開口６ｃの中心を中心とみなして放射状に回転軸方向に形成される第二部分７ｂとからなる。第一部分７ａは、コイル５と協働して、ロータ２に設けられるロータ磁極部８の第一の磁極部８ａに対応するものであり、第二部分７ｂは、同様にコイル５と協働して、ロータ磁極部８の第二の磁極部８ｂに対応するものである。第一部分７ａの反軸側壁部端面７ｃは、ステータコア６の外周端面６ｄより内側に位置するように形成される。これにより、コイル５の端部がステータコア６から外側にはみ出すことがない。

コイル５は、巻き枠に巻いて環状に作るもので、巻き枠からはずした後、ステータコア６の形状に合わせて折り曲げて形成する。コイル５は、それぞれの凸状部７を包囲するようにしてステータコア６に取り付けられ、ステータコア６の開口６ｃの位置で相互に接続される。

このような構成のステータ１に対して、ロータ２は、ロータコア９と、そのロータコア９に埋め込まれる永久磁石である第一永久磁石２０及び第二永久磁石２２と、第一永久磁石２０及び第二永久磁石２２の周囲に配置される磁性体２３とで構成される。

ロータコア９は、円柱形状をしており、この実施形態にあっては、複数の円形鋼板を回転軸方向に所定枚数積層して形成してある。積層される鋼板の枚数、言い換えれば、ロータコア９の長さは、ステータコア６の胴部６ａに収まる寸法になっている。積層される一枚の鋼板は、円板の中央に回転軸３の外径とほぼ等しい内径の中央孔部１２と、その中央孔部１２を包囲して周方向に所定間隔をあけてあけられた肉抜き孔部１３と、肉抜き孔部１３の外側に形成される磁石取付孔部１４とを有している。このような構成において、それぞれの肉抜き孔部１３と磁石取付孔部１４との間には、中央孔部１２から周縁部１５に向かって放射状に延びるようにビーム部分１６が形成されるとともに、それぞれの肉抜き孔部１３と磁石取付孔部１４との径方向のおける中間部には、それぞれのビーム部分１６を連結するように環状部分１７が形成される。そして、このような鋼板の複数枚を、肉抜き孔部１３、磁石取付孔部１４、ビーム部分１６及び環状部分１７が完全に重なり合った状態に積層することにより、ロータコア９を形成する。

鋼板の複数枚を積層することにより、それぞれの肉抜き孔部１３が積層方向に連続することで、ロータコア９にその一方の端部から他方の端部に貫通する空間１８を形成することになる。この空間１８は、肉抜き孔部１３と同数形成されるもので、中央孔部１２を積層することにより形成される中央孔１２ａ、言い換えればその中央孔１２ａに取り付けられる回転軸３にほぼ平行に形成される。また、磁石取付孔部１４が鋼板の積層方向に連続することにより、磁石取付孔１４ａが形成される。

磁石取付孔部１４の内、ロータコア９の端部において積層する鋼板のものは、第二の磁極部８ｂを構成する永久磁石を取り付けるための一対の突起１９を有している。具体的には、それぞれの突起１９は、磁石取付孔部１４の外周側の縁部から中央孔部１２の方向に向かって突出するものである。この実施形態においては、一対の突起１９は、平面形状が矩形の永久磁石の背向する角部分を挟み込むように配置され、そのそれぞれが永久磁石の角部分を挟む楔形状の切欠１９ａを有している。突起１９を有していない磁石取付孔部１４は、後述する第一永久磁石２０を取り付けた際に短絡磁束が形成されるのを防止するために、内部に取り付けられる第一永久磁石２０とビーム部分１６との間に空隙２１が形成される大きさに形成してある。

このようなロータコア９に対して、径方向に着磁された第一の磁極部８ａを形成する第一永久磁石２０と、回転軸方向に着磁された第二の磁極部８ｂを形成する第二永久磁石２２とを、所定の姿勢を保持するように、磁石取付孔部１４を積層して形成されるそれぞれの磁石取付孔１４ａに固定して、ロータ磁極部８を形成する。第一及び第二永久磁石２０，２２は、板形状をしてなり、磁石取付孔１４ａ内に空間を残して埋設できる大きさに形成してある。第一及び第二永久磁石２０，２２を以下に説明する姿勢に磁石取付孔１４ａに取り付けた後、磁石取付孔１４ａ内に残った空間には磁性体２３を充填するものである。充填する磁性体２３は、固体（ソリッド）磁性体、積層鋼板、さらには粉体を圧縮成形した圧粉磁心材などである。

ロータ磁極部８は、この実施形態においては、相互に隣接するものが、反対極性で配置されるものである。すなわち、Ｓ極を外側に向けて第一永久磁石２０を配置するロータ磁極部（以下、Ｓ磁極部と称する）８Ｓと、Ｎ極を外側に向けて第一永久磁石２０を配置するロータ磁極部（以下、Ｎ磁極部と称する）８Ｎとを、交互に形成する。Ｓ磁極部８Ｓでは、第二永久磁石２２が露出する面、言い換えればステータコア６の軸側壁部６ｂに対向する外面をＳ極にして配置される。同様にして、Ｎ磁極部８Ｎでは、第二永久磁石２２が露出する面、つまりステータコア６の軸側壁部６ｂに対向する外面をＮ極にして配置される。このようにして配置される第二永久磁石２２とビーム部分１６との間には、上述した第一永久磁石２０の場合と同様に、空隙２４が形成されるものである。

第一永久磁石２０は、第二永久磁石２２の厚みにほぼ等しい厚みに積層された磁石取付孔１４ａの複数枚の突起１９により、ステータコア６の軸側壁部６ｂの方向への移動を禁止されて、上述した姿勢に固定される。また、第二永久磁石２２は、複数枚の突起１９によりその外側に位置する角部が挟まれて、上述した姿勢に固定される。

このような構成によれば、ロータコア９が遠心力に対して強い鋼板を積層して形成されているので、ロータコア９の強度を高くすることができる。その一方で、ロータコア９の磁石取付孔１４ａより内側つまり回転軸３に近い部位に肉抜き孔部１３により形成された空間１８を複数備えているので、強度を保持したまま軽量化することができる。このため、ロータ２を軽量化することができ、その取り扱いが容易になり、電動機Ｍの組立時の作業性を向上させることができる。

このロータコア９にあっては、第一永久磁石２０により径方向に磁束が形成されるとともに、第二永久磁石２２により回転軸方向に磁束が形成される。この場合に、第一永久磁石２０の周方向の両側面と磁石取付孔１４ａの内面との間、また第二永久磁石２２とビーム部分１６との間にはそれぞれ、空隙２１，２４が形成してあるので、隣接する第一永久磁石２０及び第二永久磁石２２により磁束が短絡することを防止するものとなる。なお、これらの空隙２１，２４には、第一及び第二永久磁石２０，２２の固定をより強固にする目的で、合成樹脂を充填するものであってもよい。

また、このようにロータ磁極部８と中央孔１２ａとの間をビーム部分１６で連結することにより、中央孔１２ａつまり回転軸３の取り付けのための孔を小さくすることにより、小径の回転軸への取付を実現することができる。

なお、上述の実施形態にあっては、鋼板を積層させてロータコア９を形成したが、ロータコアは、磁性体、特には軟磁性体の粉体を圧縮して成形するものや、合成樹脂に軟磁性体の粉体を混合して成形するものなどであってもよい。このような軟磁性体の粉体を使用するロータコアにおいては、成形が容易であるので、製造過程を簡素化することができる。

ロータ磁極部８の配置については、上述のものの外に、図６に示す、いわゆるコンシクエントポール型のロータ１０２になるようにするものであってもよい。すなわち、この他の実施形態においては、ロータコア９は、上述の実施形態のものと同一のものであってよく、また、使用する板形状の永久磁石についても上述の実施形態のものと同一のものであってよい。

この他の実施形態にあっては、ロータ磁極部１０８は、ロータコア９に形成した全ての磁石取付孔１４ａに形成されるものではなく、八個ある磁石取付孔１４ａの内、間隔をあけてその内の四個を使用するものである。しかも、それぞれのロータ磁極部１０８は、同一の極性になるように永久磁石を配置して形成されるものである。具体的には、第一及び第二永久磁石２０，２２をそれぞれ、外側の面をＮ極として、一つおきに形成された磁石取付孔１４ａに取り付けて、ロータ磁極部１０８を形成する。そして、それらのロータ磁極部１０８の間に位置する磁石取付孔１４ｂには、磁性材料を充填して仮想磁極部１２５を形成する。したがって、ロータ磁極部１０８は全てが上述のＮ磁極部となり、Ｎ磁極部に挟まれて仮想磁極部１２５を有するロータ１０２となる。仮想磁極部１２５は、その両隣にあるＮ磁極部からの磁束により実質的にＳ磁極部として機能するものである。

上述した実施形態にあっては、ロータコア９の軸側壁部６ｂに背向する端部に、第二の磁極部８ｂを形成していないので、図７に示すように、二個のロータ２，２を、ロータコア９，９の軸側壁部６ｂに背向する端部同士を連結して共通の回転軸２０３に取り付けることにより、ロータコア９の両端部に第二の磁極部８ｂを備えるロータ２０２とするものであってもよい。この場合、ステータ１及びヨーク４についても、上述の実施形態のものを使用することができる。さらには、このようにして形成した電動機Ｍ２を複数、図８に示すように、共通の回転軸３０３により連結して一台の電動機とするものであってもよい。この場合、隣接する単位となる電動機Ｍ２，Ｍ２との間には、それぞれの単位となる電動機Ｍ２，Ｍ２で発生する熱の相互の伝達を良好に保つため、熱伝導を良好にする素材３２６を挟むようにすることが好ましい。なお、このような電動機の構成にする場合、単位となるロータのそれぞれのロータ磁極部は、回転軸の周りに同じ角度位置に配置することは言うまでもない。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の実施形態の電動機の構成を示す端面図。 同実施形態のステータコアの斜視図。 同実施形態のロータの正面図。 同実施例の要部を拡大して示す正面図。 図３のＡ−Ａ線に沿った部分端面図。 本発明の他の実施形態のロータの正面図。 本発明の実施形態の応用を示す端面図。 本発明の実施形態の応用を示す端面図。

符号の説明

１…ステータ
２…ロータ
３…回転軸
８…ロータ磁極部
８ａ…第一の磁極部
８ｂ…第二の磁極部
９…ロータコア
１８…空間

Claims (4)

1. 回転電気機械のステータの内部に回転軸により回転可能に設けられるロータであって、
   内部に回転軸方向に貫通し回転軸にほぼ平行な空間が径方向に所定間隔をあけて配置されて回転軸に取り付けられるコアと、
   径方向に着磁された第一の磁極部、及び回転軸方向に着磁された第二の磁極部を備えてコアに形成された空間より外周位置に配置される複数のロータ磁極部とを備えるロータ。
2. 第一及び第二の磁極部が永久磁石により形成され、それぞれの永久磁石が磁束の短絡を回避してコアに埋め込まれてなる請求項１記載のロータ。
3. ロータ磁極部は、相互に隣接するロータ磁極部とは反対極性に配置される請求項２記載のロータ。
4. ロータ磁極部は、相互に隣接するロータ磁極部が同一極性で配置されるものであって、それぞれのロータ磁極部間にはロータ磁極部にほぼ等しい磁性体領域が設けられる請求項２記載のロータ。

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