JP2013229955A

JP2013229955A - 磁石埋込型永久磁石回転電機のロータおよびその組立方法

Info

Publication number: JP2013229955A
Application number: JP2012098689A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Mochida; 敏治持田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2032-04-24
Also published as: JP5995057B2

Abstract

【課題】ロータコアの外周部に形成した凹溝状の磁石スロットに収容した永久磁石，磁石抑え部材の遠心荷重を簡易な構造で支える磁石埋込型のロータ組立構造を提供する。
【解決手段】ロータシャフト１２に組み付けたロータコア８に、セグメント永久磁石９を周方向に配列して埋設した磁石埋込型のロータで、その磁極配列に対応してロータコア８に形成した凹溝状の磁石スロット８ａに、永久磁石９と軟磁性体の磁石抑え部材１５を積層して嵌入配置したものにおいて、磁石スロット８ａの凹溝幅を永久磁石，磁石抑え部材より一回り大に設定し、かつその開口端部には磁石抑え部材１５と間隙を隔てて対向するスペーサ係合段部８ｂを軸方向に沿って形成した上で、該スペーサ係合段部８ｂと磁石抑え部材１５の間に非磁性金属（銅）のパイプ内部を非磁性固体（ハンダ）１７を満たしたパイプ状スペーサ１６を嵌挿して永久磁石９，磁石抑え部材１７の遠心荷重を担持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁石埋込型永久磁石回転電機におけるロータの組立構造，およびその組立方法に関する。

先ず、磁石埋込型永久磁石回転電機（ＩＰＭ）を例に、その全体の組立構造を図６に示す。図６において、１は円筒状の外囲フレーム１とその両端に締結ボルト３を介してブラケット４，５を結合したモータケーシング、６は前記フレーム１の内側に支持したステータ、７はステータの内周側にギャップを隔てて対向するロータ組立体、８はロータコア、９はロータコア８の周方向に配列してその外周近くに埋設したセグメント永久磁石（以下、「永久磁石」と略称する）、１０はロータコア９の両端に配した非磁性体のエンドプレート、１１はロータコア８の締結ボルト、１２はロータコア８を搭載したロータシャフト、１３はロータシャフト１２をブラケット４，５に軸支する軸受、１４は冷却ファンである。

一方、ＩＰＭモータのロータについて、鋳鉄系磁性体になるロータコアの外周面近くに穿設した磁石挿入孔に嵌入して埋設した永久磁石の漏れ磁束を抑えるために、永久磁石の磁極配列に合わせてロータコアの外周部に永久磁石を収容する凹溝を形成した上で、この凹溝に収容した永久磁石を外周側から抑え込むように電磁鋼板の積層体になる抑え材を前記凹溝と非接触の姿勢に配置した上で、この抑え材，および永久磁石をロータコアから前記凹溝に張り出すリブ状の張り出し箇所とロータコアの両端に配したエンドプレートとの間に挟み込んで固定し、さらに前記抑え材，およびコアの張り出し箇所を軸方向に貫通する棒材の両端エンドプレートに固定し、ロータの回転に伴って永久磁石，磁石抑え部材の遠心荷重を支えるようにしたロータの組立構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１２５１０４号公報

前記特許文献１に開示されているロータの組立構造によれば、永久磁石の漏れ磁束を抑えつつ、ロータの回転に伴いロータコアの凹溝内に収容した永久磁石，抑え材の遠心荷重を支えることができるものの、一方では高速回転時における耐遠心力強度の確保、ロータの組立性など面で次記のような課題が残る。

すなわち、軸方向に分割した永久磁石，および電磁鋼板積層体の抑え材をロータコアの両端に配したエンドプレートとロータコアに一体形成した前記張り出し箇所の間に挟み込んで軸方向に挟持締結した構造では、ロータコアの軸方向の長さが大きくなると、永久磁石，抑え材の中央部分に加わる遠心荷重をエンドプレート，コアの張り出し箇所で支えることかできず、このままでは高速回転に対して信頼性の高い耐遠心荷重強度を確保することが困難である。

この点について特許文献１では、抑え材，およびロータコアの張り出し箇所を軸方向に貫通する棒材を追加してその両端をエンドプレートで支持するようにしているが、この棒材で抑え材の遠心荷重を支えるには、前記張り出し箇所の数を増やしてその相互間隔（棒材の支点間スパン）を狭める必要がある。しかしながら、この張り出し箇所はモータの駆動トルクに寄与せず、逆に永久磁石の漏れ磁束の経路になるために、ロータコアに一体形成した前記張り出し箇所の数が増えると、ロータコアの軸長が増加してモータのトルク密度が低下する。そのほか、ロータコアに組み込む永久磁石，抑え材は、前記張り出し箇所の相互間隔に合わせて軸方向に分割する必要があり、前記棒材の組立構造も複雑となるほか組立工数も増すなどして製品コストが嵩む。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的はロータコアに埋設した永久磁石の漏れ磁束を抑えつつ、ロータコアの外周部に形成した凹溝の中に収容配置した永久磁石，およびその磁石抑え部材に加わる遠心荷重を簡易な構造で確実に支えることができるように改良した磁石埋込型永久磁石回転電機のロータ組立構造，およびその組立方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、ロータシャフトに組み付けたロータコアに、複数のセグメント永久磁石を周方向に配列して埋設した磁石埋込型永久磁石回転電機のロータであり、その磁極配列に対応してロータコアの外周部には軸方向に延在する凹溝状の磁石スロットを形成した上で、該磁石スロットに永久磁石，および軟磁性体の磁石抑え部材をｄ軸方向に積層して嵌入配置したものにおいて、
前記磁石スロットの開口端部には前記磁石抑え部材と間隙を隔てて対向するスペーサ係合段部を軸方向に沿って形成した上で、該スペーサ係合段部と磁石抑え部材との間に嵌挿した非磁性金属になるパイプ状のスペーサを介して永久磁石，磁石抑え部材に加わる遠心力荷重を支えるようにし（請求項１）、具体的には次記のような態様で構成する。
（１）前記のロータコア，および磁石抑え部材を電磁鋼板の積層体で構成する（請求項２）。
（２）前記磁石スロットの凹溝幅を永久磁石，磁石抑え部材より一回り大に設定する（請求項３）。
（３）前記ロータコアと磁石抑え部材との間に介挿したパイプ状スペーサの内部を非磁性の固体で満たす（請求項４）。
（３）前項（３）において、パイプ状スペーサの材質が銅、該スペーサの内部を満たした非磁性の固体がハンダである（請求項５）。

また、本発明によれば、前記組立構造のロータを次記工程からなる組立方法により組み立てるものとする。すなわち、
第１の工程では永久磁石に磁石抑え部材をｄ軸方向に重ね合わせた上で、この積層体をロータコアの磁石スロット内に嵌入し、続く第２の工程で磁石スロットの開口端部に形成したスペーサ係合段部と磁石抑え部材との間に非磁性金属のパイプ状スペーサを軸方向に嵌挿する。次に、第３の工程でロータコアのシャフト貫通穴にロータシャフトを圧入してロータコアを「しまりばめ」した後、第４の工程でパイプ状スペーサの内部を非磁性の固体で満たす（請求項６）。

上記組立構造になるロータによれば、次記の効果を奏することができる。
（１）ロータの組立状態では、ロータコアの磁石スロット（凹溝）に収容した永久磁石，および磁石抑え部材の積層体を、磁石スロットの開口端部に沿って軸方向に形成したスペーサ係合段部と磁石抑え部材との間の間隙に嵌挿した非磁性金属のパイプ状スペーサを介して永久磁石，磁石抑え部材の遠心荷重をその軸方向の全長域で担持することができる。

これにより、ロータの組立工程では特許文献１の開示構造のように永久磁石，抑え材を軸方向に分割したり、抑え材，コアの張り出し箇所を貫通して両端のエンドプレートに支持する棒材を設けたりする必要が無く、ロータの組立作業性が向上する。また、ロータコアには磁石スロットを軸方向に分割する張り出し箇所を設ける必要がないので、この張り出し箇所の配列によるモータのトルク密度低下、ロータの軸長増大化も回避できる。
（２）ここで、ロータに外周部に形成した凹溝状の磁石スロットについて、その周方向の溝幅を永久磁石，磁石抑え部材より一回り大に設定しておくことにより、ロータの組立時には永久磁石と磁石抑え部材の積層体をロータのｄ軸方向から容易に挿入することができて組立作業性の簡易化が図れる。
（３）また、ロータの組立方法において、ロータコアに形成した凹溝状の磁石スロットに永久磁石，磁石抑え部材を収容し、次いで磁石スロットの凹溝開口端の側縁に沿って形成したスペーサ係合段部と間隙を隔てて対峙する磁石抑え部材との間に非磁性のパイプ状スペーサを軸方向に嵌挿した組立状態で、次にロータコアの中心部に穿設したシャフト挿通孔にロータシャフトを圧入（ないし焼き嵌め）して「しまりばめ」すると、「しまりばめ」荷重を受けてロータコアが僅かに変形（圧入膨れ）してパイプ状スペーサを嵌挿した部分の隙間が圧縮され、この変形を受けてスペーサのパイプが僅かに押し潰されたかたちで磁石スロットと磁石抑え部材との間に遊び隙間を残さずに密着状態に挟み込まれる。そして、この組立段階でパイプの内部にハンダ等の非磁性固体を満たすことにより、パイプ状のスペーサが中実体となって永久磁石，磁石抑え材の全長域に作用する遠心荷重をロータコアで確実に支えることができる。
（４）さらに、ロータのコア本体，および磁石抑え部材を電磁鋼板の積層体で構成することにより、コア本体と磁石スロットの張り出し箇所を鋳鉄系の磁性体で一体に構成した構造（特許文献１）と比べて、ロータコアの鉄損を低めて高トルク，大出力のモータを小型コンパクトに構成できる。

本発明の実施例によるロータの主要部構造を軸方向から見た模式図である。図１における各部品の形状図であって、（ａ）はロータコア，（ｂ）は永久磁石，（ｃ）は磁石抑え部材の模式断面図である。図１に示したロータの組立手順(工程：Ｉ)の説明図である。図１に示したロータの組立手順(工程：II)の説明図である。図１に示したロータの組立手順(工程：III)の説明図である。磁石埋込型永久磁石回転電機の構成断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図５に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図６に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
すなわち、永久磁石の配列に合わせてロータコア８の外周部には軸方向に延在する凹溝状の磁石スロット８ａを形成し、該磁石スロット８ａの凹溝内には永久磁石９，および軟磁性体の磁石抑え部材１５をｄ軸方向に積層して嵌入配置されている。

ここで、ロータコア８，および磁石抑え部材１５は電磁鋼板の積層体である。また、永久磁石８は平角形のセグメント永久磁石（図２（ｂ）参照）であり、磁石抑え部材１５はその長手方向（軸方向）に沿って左右両側縁部に頂部より一段低い肩部１５ａが形成された台形形状になる。

一方、ロータコア８の外周部に形成した凹溝状の磁石スロット８は、その周方向の溝幅Ａ（図２参照）を永久磁石９，磁石抑え部材１５の横幅Ｂよりも一回り大きく（Ａ＞Ｂ）設定し、さらに凹溝開口端部の溝内側壁面には前記磁石抑え部材１５の肩部１５ａとの間に間隙を隔てて対向する凹状のスペーサ係合段部８ｂがロータの軸方向に沿って形成されている。また、図示構造では永久磁石９の左右側面に対向してスペーサ係合段部８ｂと凹溝底面との中間に突起部８ｃを形成している。

そして、前記スペーサ係合段部８ｂと磁石抑え部材１５の肩部１５ａとの間の間隙には非磁性金属製のパイプ状スペーサ１６を軸方向に嵌挿して永久磁石９，磁石抑え部材１５ａを磁石スロット８ａの凹溝底面に抑え込むようにしている。

ここで、前記のパイプ状スペーサ１６は銅などで作られた非磁性金属パイプ（外径が例えば３mm程度）であり、後記のようにロータコア８をロータシャフト１２に圧入して「しまりばめ」した組立段階で、パイプの内部にハンダ等の非磁性固体１７を満たしてパイプ状スペーサ１６の剛性を高めるようにしている。

上記の組立構造によれば、永久磁石９のＮ極とロータコア８との間が間隙を隔てて隔離され、さらに永久磁石９に積層した軟磁性体の磁石抑え部材１５とロータコア８との間には非磁性金属のパイプ状スペーサ１６を介挿しているので、永久磁石９の漏れ磁束を効果的に抑制しつつ、ロータの回転に伴って発生する永久磁石１０，および磁石抑え部材１６の遠心荷重を、パイプ状スペーサ１６を介してロータコア８に支えることができる。しかも、このパイプ状スペーサ１６は磁石スロット８ａの軸方向全域に延在しているので、遠心荷重をパイプ全長で分担して高速回転に伴う大きな遠心荷重も安全に支えることができる。
また、磁石スロット８ａの凹溝内の側壁には永久磁石９の左右側面に細隙を隔てて対峙する突起部８ｃ（図１参照）が形成されているので、回転電機の運転時に永久磁石９がトルク荷重を受けて定位置から周方向にずれ動いてｄ軸が変位するのを防ぐことができる。

次に、図１のロータ組立構造について、その組立工程，作業手順を図３〜図５により説明する。
まず、第１の工程では永久磁石９に磁石抑え部材１５をｄ軸方向に重ね合わせて一体化した上で、この積層体をロータコア８の磁石スロット８ａに挿入する（図３参照）。この際に、磁石スロット８ａの溝幅Ａを永久磁石９，磁石抑え部材１５の横幅Ｂよりも一回り大きく（Ａ＞Ｂ）設定しておくことで、永久磁石９と磁石抑え部材１５の積層体をロータコア８のｄ軸方向から挿入することが可能であり、特にロータコア８，永久磁石９の軸長が大である場合でも、ラジアル方向から作業性よく容易に嵌入できる。また、永久磁石９（例えば、ネオジウム磁石）は脆くて機械強度が低いが、前記のように永久磁石９に磁石抑え部材１５をあらかじめ接着して一体化しておけば、ロータコア９に組み込む際には磁石抑え部材１５を治具で把持して磁石スロット８ａへの嵌入作業を安全に行える。

続く第２の工程では、磁石スロット８ａの開口端部に形成した凹状のスペーサ係合段部８ｂと磁石抑え部材１５の肩部１５ａとの間に非磁性金属のパイプ状スペーサ１６を軸方向に嵌挿する（図４参照）。なお、この嵌挿作業が楽に行えるようにするために、パイプ状スペーサ１６はその外径を前記隙間に対して僅かなクリアランス（数百μｍ程度）を確保するように細めに設定しておくものとする。

次に、第３の工程でロータコア８の軸中心に穿設したシャフト嵌挿孔にロータシャフト１２を圧入，ないし焼き嵌めしてロータコア８をロータシャフト１２に「しまりばめ」する（図５参照）。このシャフトの圧入によりロータコア８は「しまりばめ」荷重Ｆを受けて僅かに膨れ変形し、磁石スロット８ａの開口端側ではパイプ状スペーサ１６を嵌挿した部分の隙間が圧縮されるので、パイプ状スペーサ１６はパイプ自身が僅かに押し潰された状態でスペーサ係合段部８ｂと磁石抑え部材１５との間に隙間無く密着して挟み込まれるようになる。これにより、ロータコア９，磁石抑え部材１５の寸法精度の誤差をパイプ状スペーサ１６の潰れ変形により吸収させることができる。

次の第４工程では、パイプ状スペーサ１６のパイプ内を非磁性固体１７で満たす。これにより今まで中空体であったパイプ状のスペーサ１６が中実体になって剛性が増し、永久磁石９，磁石抑え材１５の全長域に加わる遠心荷重を確実に支えることができる。

なお、前記の非磁性固体１７に例えばハンダを採用し、このハンダを溶融状態でパイプ内に満たした後に冷却，固化させるものとし、具体的にはパイプ状スペーサ１６のパイプ径に対応した太さの棒状ハンダにあらかじめ細いニクロム線（ヒータ線）を仕込んでおき、この棒状ハンダをパイプ内に挿入した状態でニクロム線に通電してハンダを溶かし、パイプ内を隙間無く満たす。そして、パイプを冷却してハンダ層を固化した後にニクロム線と一緒にパイプの端部を封じ切る。なお、パイプ状スペーサ９の内部を満たす非磁性固体１７としては、ハンダ以外に例えば熱硬化性樹脂を充填して硬化させてもよい。

６ステータ
７ロータ組立体
８ロータコア
８ａ磁石スロット
８ｂスペーサ係合段部
９永久磁石
１２ロータシャフト
１５磁石抑え部材
１５ａ肩部
１６非磁性のパイプ状スペーサ
１７非磁性固体

Claims

ロータシャフトに組み付けたロータコアに、複数のセグメント永久磁石を周方向に配列して埋設した磁石埋込型永久磁石回転電機のロータであり、その磁極配列に対応してロータコアの外周部には軸方向に延在する凹溝状の磁石スロットを形成した上で、該磁石スロットに永久磁石，および軟磁性体の磁石抑え部材をｄ軸方向に積層して嵌入配置したものにおいて、
前記磁石スロットの開口端部には前記磁石抑え部材と間隙を隔てて対向するスペーサ係合段部を軸方向に沿って形成した上で、該スペーサ係合段部と磁石抑え部材との間の間隙に嵌挿した非磁性金属のパイプ状スペーサを介して永久磁石，磁石抑え部材の遠心荷重を支えるようにしたことを特徴とする磁石埋込型永久磁石回転電機のロータ。
請求項１に記載のロータにおいて、ロータコア，および磁石抑え部材を電磁鋼板の積層体で構成したことを特徴とする磁石埋込型永久磁石回転電機のロータ。
請求項１または２に記載のロータにおいて、磁石スロットの凹溝幅を永久磁石，磁石抑え部材より一回り大に設定したことを特徴とする磁石埋込型永久磁石回転電機のロータ。
請求項１ないし3のいずれかの項に記載のロータにおいて、ロータコアと磁石抑え部材との間に介挿したパイプ状スペーサの内部を非磁性の固体で満たしたことを特徴とする磁石埋込型永久磁石回転電機のロータ。
請求項４に記載のロータにおいて、パイプ状スペーサの材質が銅、該スペーサの内部を満たした非磁性の固体がハンダであることを特徴とする磁石埋込型永久磁石回転電機のロータ。
請求項１ないし４に記載のロータの組立方法であって、永久磁石に磁石抑え部材をｄ軸方向に重ね合わせた上で、この積層体をロータコアに形成した磁石スロット内に嵌入する第１の工程と、磁石スロットの開口端側部に形成したスペーサ係合段部と磁石抑え部材との間に非磁性金属のパイプ状スペーサを軸方向に嵌挿する第２の工程と、ロータコアの軸中心部に穿設したシャフト挿通孔にロータシャフトを圧入して「しまりばめ」する第３の工程と、その後にパイプ状スペーサの内部を非磁性の固体で満たす第４の工程からなる磁石埋込型永久磁石回転電機のロータ組立方法。