JP2016116308A - 回転電気機械のロータ及びそれを備える回転電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電気機械のロータにおいて、磁極間の隔壁部に発生する応力を低減して高速回転にも耐えられるようにする。【解決手段】互いに異なる磁極に対応して隣接する磁石挿入用孔部（12）の間とロータコア（11）の外縁との間に空隙（16）を形成する隔壁部（15）を設け、この隔壁部（15）にロータコア（11）の軸心方向から見たときに隣接する磁石挿入用孔部（12）の間を区画すると共にロータコア（11）の径方向に延びる径方向隔壁（15a）と、径方向隔壁（15a）から空隙（16）を形成するように分岐してロータコア（11）の外縁に向かって磁石挿入用孔部（12）側へ膨らむようにそれぞれ延びる円弧状隔壁（15b）とを設ける。【選択図】図２

Description

本発明は、埋め込み磁石形モータ（いわゆるＩＰＭモータ）などの回転電気機械のロータ及びそれを備える回転電気機械に関する。

従来より、回転子鉄心と、この回転子鉄心の外周部に周方向に一定の間隔を空けて設けられた複数の磁石挿入孔部と、これらの磁石挿入孔部にそれぞれ挿入固定された磁極形成用の永久磁石と、回転子鉄心の外周部に設けられ、磁極の中心に対する所定の角度位置から中心より離れる方向側の所定の角度位置までの範囲にわたる外周孔部とを具備した回転電気の回転子が知られている（例えば特許文献１参照）。この外周孔部は、磁極の中心に対する所定の角度位置から中心より離れる方向側に向かうに従って開口面積が順次大きくなるように形成されている。これにより、トルクリプル、鉄損及び高調波の低減が図られている。

特開２００９−７７５２５号公報

しかしながら、特許文献１のような従来の回転電気機械のロータでは、回転子の回転速度を高速にすると、遠心力により、外周孔部を区画するチップ部（隔壁部）に大きな曲げ応力が発生するという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、磁極間の隔壁部に発生する応力を低減して高速回転にも耐えられるようにすることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、隔壁部の形状を応力集中を避けることができる円弧状のものにした。

具体的には、第１の発明では、周方向に複数の磁石挿入用孔部（12）が形成されたロータコア（11）と、
上記複数の磁石挿入用孔部（12）にそれぞれ埋め込まれて磁極を形成する永久磁石（13）と、
互いに異なる磁極に対応して隣接する上記磁石挿入用孔部（12）の間と上記ロータコア（11）の外縁との間に空隙（16）を形成する隔壁部（15）とを備え、
上記隔壁部（15）は、上記ロータコア（11）の軸心方向から見たときに
上記隣接する上記磁石挿入用孔部（12）の間を区画すると共に上記ロータコア（11）の径方向に延びる径方向隔壁（15a）と、
上記径方向隔壁（15a）から上記空隙（16）を形成するように分岐して上記ロータコア（11）の外縁に向かって上記磁石挿入用孔部（12）側へ膨らむようにそれぞれ延びる円弧状隔壁（15b）とを備えるものとする。

すなわち、高速回転時には、遠心力により、径方向隔壁（15a）を引っ張る方向に力が加わる。径方向隔壁（15a）は、引っ張り力に耐えればよいので、それに耐えうる強度があればよいが、径方向隔壁（15a）に発生する引っ張り力がロータコア（11）の外縁側に伝達される際には、曲げ応力などによる応力集中を避ける必要がある。上記の構成によると、径方向隔壁（15a）は、荷重が滑らかに伝達されやすい円弧状隔壁（15b）に繋がっているので、径方向隔壁（15a）に発生した引っ張り力は、円弧状隔壁（15b）に滑らかに伝達され、応力集中が発生しにくい。

第２の発明では、第１の発明において、
上記円弧状隔壁（15b）の上記永久磁石（13）側表面を形成する第１円弧と、上記永久磁石（13）と反対側表面を形成する第２円弧とは、同心であるとした。

上記の構成によると、径方向隔壁（15a）に発生した引っ張り力（F）が肉厚の変化がほとんどない円弧状隔壁（15b）に滑らかに伝達される。

第３の発明では、第２の発明において、
上記第１円弧と上記第２円弧との中心は、上記ロータコア（11）の外縁よりも外側に配置されている。

上記の構成によると、円弧状隔壁（15b）の第１円弧と第２円弧とが大きくなるので、径方向隔壁（15a）に発生した引っ張り力（F）がより滑らかに円弧状隔壁（15b）に伝達される。

第４の発明では、第１の発明において、
上記円弧状隔壁（15b）は、上記径方向隔壁（15a）側の肉厚（t1）よりも上記ロータコア（11）の外縁側の肉厚（t2）が厚い構成とする。

上記の構成によると、円弧状隔壁（15b）において外縁側の肉厚（t2）を厚くすることで、径方向隔壁（15a）から伝わってくる荷重が外縁側へさらに滑らかに伝達されて応力が緩和される。また、径方向隔壁（15a）側の肉厚（t1）を必要以上に厚くしないことで、ステータ（20）に有効にわたる磁束の減少が避けられる。

第５の発明の回転電気機械（1）は、第１から第４のいずれか１つの発明のロータ（10）と、上記ロータ（10）が挿通されるステータ（20）とを備えている。

上記の構成によると、回転電気機械（1）は、高速回転を行っても遠心力によって応力集中が発生しない。

以上説明したように、本発明によれば、高速回転時の遠心力により発生した荷重が隔壁部（15）内で滑らかに伝達されて応力集中が発生しにくくなるので、高速回転にも耐えうる回転電気機械（1）のロータ（10）が得られる。

また上記第２の発明によれば、円弧状隔壁（15b）の肉厚が一定となって滑らかに荷重が伝達されるので、応力集中を適切に避けることができる。

また上記第３の発明によれば、円弧状隔壁（15b）の半径を大きくすることで、さらに荷重を滑らかに伝達して応力集中を避けることができる。

また上記第４の発明によれば、径方向隔壁（15a）からの荷重を外縁側へ滑らかに伝達されて応力を緩和できるだけでなく、ステータ（20）への有効な磁束の減少を効果的に避けることができる。

また上記第５の発明によれば、高速回転を行っても応力集中が発生しないので、壊れにくく耐久性の高い高速運転可能な回転電気機械（1）を得ることができる。

本発明の実施形態に係るＩＰＭモータを示す横断面図である。 ロータを示す横断面図である。 隔壁部及びその周辺を拡大して示す横断面図である。 図４（Ａ）が本発明の実施形態に係る隔壁部に発生する高応力部分をハッチングで示す図であり、図４（Ｂ）が比較例に係るロータの隔壁部に発生する高応力部分をハッチングで示す図である。 図５（Ａ）は、第１円弧及び第２円弧の同心円の中心位置がロータコアの外縁にあるときの横断面図であり、図５（Ｂ）は、第１円弧及び第２円弧の同心円の中心位置がロータコアの外縁よりも外側にあるときの横断面図を示す。 同心円の中心位置とミーゼス応力との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態の変形例に係るロータを示す図３相当図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

本発明の回転電気機械の一例としてモータ（1）を説明する。図１は、本発明の実施形態１に係るモータ（1）の横断面図である。このモータ（1）は、例えば空気調和機（図示は省略）の電動圧縮機に用いる。

〈全体構成〉
モータ（1）は、ロータ（10）の内部に永久磁石（13）が埋め込まれたモータ（いわゆるＩＰＭモータである。この例では、モータ（1）は、図１に示すように、ロータ（10）、ステータ（20）及び駆動軸（40）を備え、電動圧縮機のケーシング（50）に収容されている。なお、以下において、軸心方向とは、モータ（1）の回転軸心方向であって、駆動軸（40）の軸心（Ｏ）の方向をいい、径方向とは、この軸心（Ｏ）と直交する方向をいう。また、外周側とは、軸心（Ｏ）からより遠い側をいい、内周側とは、軸心（Ｏ）により近い側をいう。

〈ステータの構成〉
ステータ（20）は、図１に示すように、円筒状のステータコア（21）と、コイル（26）とを備えている。ステータコア（21）は、例えば電磁鋼板をプレス加工によって打ち抜いて図１の平面形状の積層板を作成し、多数枚の積層板を軸方向に積層した積層コアである。ステータコア（21）は、圧粉磁心で形成してもよい。ステータコア（21）は、１つのバックヨーク部（22）と、複数（この例では６つ）のティース部（23）と、ツバ部（24）とを備えている。

バックヨーク部（22）は、ステータコア（21）の外周部に形成された円環状の部分である。バックヨーク部（22）の外周がケーシング（50）の内面に固定されている。ティース部（23）は、バックヨーク部（22）の内周面から径方向に伸びる直方体状に形成された部分である。それぞれのティース部（23）の間には、コイル（26）が収容されるコイル用スロット（25）が形成されている。それぞれのティース部（23）には、いわゆる集中巻方式で、コイル（26）が巻回されている。巻回されたコイル（26）はコイル用スロット（25）内に収容されている。これにより各ティース部（23）において電磁石が形成される。ツバ部（24）は、それぞれのティース部（23）の内周側に連続形成されている。ツバ部（24）は、ティース部（23）よりも幅（周方向の長さ）が大きく構成され、内周側の面が円筒面に形成されている。ツバ部（24）の円筒面は、ロータ（10）の外周面（円筒面）と所定の距離、すなわちエアギャップ（Ｇ）をもって対向している。

〈ロータの構造〉
ロータ（10）は、図２に示すように、中心に駆動軸（40）が挿入されて固定される軸挿通孔（14）が形成されると共に、周方向に複数の磁石挿入用孔部（12）が形成された円筒形のロータコア（11）を有する。ロータコア（11）は、例えば電磁鋼板をプレス加工によって打ち抜いて図２の平面形状の積層板を作成し、多数の積層板を軸方向に積層した積層コアである。ロータコア（11）は、圧粉磁心で形成してもよい。また、各磁石挿入用孔部（12）には、例えば４つの磁極を形成する永久磁石（13）がそれぞれ埋め込まれている。永久磁石（13）によってマグネットトルクを発生させるとともに、ロータコア（11）によってリラクタンストルクも発生させるように構成されている。

ロータコア（11）には、互いに異なる磁極に対応して隣接する磁石挿入用孔部（12）の間とロータコア（11）の外縁との間に空隙（16）を形成する隔壁部（15）が設けられている。具体的には、本実施形態のロータ（10）は、４極であるので４つの隔壁部(15）を有する。他の４ヶ所の磁石挿入用孔部（12）は、直線状の隔壁のみが設けられ、空隙（16）は形成されていない。適度な大きさの空隙（16）を形成することで、磁束の短絡の防止が図られている。

各隔壁部（15）は、図３に拡大して示すように、ロータコア（11）の軸心方向から見たときに、隣接する磁石挿入用孔部（12）の間を区画すると共にロータコア（11）の径方向に延びる径方向隔壁（15a）を備えている。空隙（16）は、上下に貫通された扇形の空間よりなる。空隙（16）の外縁が薄肉部（16a）で覆われているのは、回転時の空気抵抗などを防ぐためである。隔壁部（15）は、径方向隔壁（15a）から空隙（16）を形成するように分岐してロータコア（11）の外縁に向かって上記磁石挿入用孔部（12）側へ膨らむようにそれぞれ延びる円弧状隔壁（15b）を備える。本実施形態では、径方向隔壁（15a）は、直線状に伸びているが、例えば、径方向外側に向かって徐々に太くなっていてもよい。

図３に示すように軸心方向から見たときに、円弧状隔壁（15b）の永久磁石（13）側表面を形成する第１円弧と、永久磁石（13）と反対側表面を形成する第２円弧とは、同心であるとした。第１円弧の半径（R1）は、第２円弧の半径（R2）よりも大きく（R1＞R2）、同心であるため、その半径の差の分だけほぼ肉厚の等しい円弧状隔壁（15b）が形成されている。

次に、本実施形態に係る回転電気機械のロータ（10）の作動について説明する。高速回転時には、図４（Ａ）に示すように、遠心力により、径方向隔壁（15a）を引っ張る方向に荷重が加わる。このとき径方向隔壁（15a）は、引っ張り力（F）に耐えればよいので、それに耐えうる強度があればよい。径方向隔壁（15a）に発生する引っ張り力（F）は、ロータコア（11）の外縁側に伝達されるので、円弧状隔壁（15b）は、その荷重に耐える必要がある。

図４（Ｂ）に空隙（16）のない比較例に係るロータコア（111）における解析による応力分布を一例を示す。この比較例では、高速運転時に発生した遠心力（F）は、径方向隔壁（115a）を径方向に引っ張り、その荷重がロータコア（111）の外縁部（115b）に伝わる。外縁部（115b）は、径方向隔壁（115a）にほぼ垂直に交わっているので、外縁部（115b）を曲げる方向に応力が発生する。このため、高応力領域（S）が広範囲に発生する。

一方、図４（Ａ）に示すように、本発明の実施形態に係るロータコア（11）では、径方向隔壁（15a）は、荷重を滑らかに伝達する円弧状隔壁（15b）に繋がっているので、径方向隔壁（15a）に発生した引っ張り力（F）は、円弧状隔壁（15b）に滑らかに伝達され、応力集中が発生しにくい。つまり、できるだけ曲げ応力の発生が防止されている。円弧状隔壁（15b）の両端の隅にわずかに高応力領域（S）が発生しているが、この部分は、この隅の半径Ｒをさらに大きくするなどにより容易に応力緩和を図ることもできる。

また、図５（Ａ）に示すように、本実施形態では、第１円弧と第２円弧とを同心としたので、円弧状隔壁（15b）の肉厚が一定となって適切に応力集中を避けることができる。一方、図５（Ｂ）に示すように、第１円弧と第２円弧との中心Ｃをロータコア（11）の外縁よりも外側に配置してもよい（R1’＞R1、R2’＞R2）。そうすれば、円弧状隔壁（15b）の第１円弧と第２円弧とが大きくなる。

次いで、同心円の中心位置ｘ（図５（Ｂ）参照）を移動させたときに隔壁部（15）に発生するミーゼス応力の解析結果の概略を図６に示す。これを見ればわかるように、ｘの値を大きくするほど、応力が緩和されていることがわかる。このようにｘの値をできるだけ大きくすることで、径方向隔壁（15a）に発生した引っ張り力が滑らかに円弧状隔壁（15b）に伝達される。

したがって、本実施形態に係る回転電気機械のロータ（10）によると、高速回転時の遠心力により発生した荷重が隔壁部（15）内で滑らかに伝達されて応力集中が発生しにくくなるので、高速回転にも耐えうる回転電気機械のロータ（10）が得られる。

−変形例−
図７は本発明の実施形態の変形例を示し、円弧状隔壁（15b）の形状が異なる点で上記実施形態と異なる。なお、以下の各変形例では、図１〜図６と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

本変形例では、円弧状隔壁（15b）の肉厚を変化させている。具体的には、径方向隔壁（15a）側の肉厚（t1）よりも薄肉部（16a）側を膨らませて肉厚（t2）を厚くしている（t2＞t1）。本変形例では空隙（16）側を厚くしているが、磁石挿入用孔部（12）側を膨らませて厚くしてもよい。

このように薄肉部（16a）側の肉厚（t2）を厚くすることで、図４（Ａ）で現れた高応力領域（S）もさらに応力緩和される。また、径方向隔壁（15a）側の肉厚（t1）を必要以上に厚くしないことで、応力緩和を図りながらも、ステータ（20）に有効にわたる磁束の減少を避けることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、上記実施形態では、磁極が４極の場合について説明したが、６極、８極など特に限定されない。その場合には、磁極の数に合わせて空隙（16）、隔壁部（15）を形成すればよい。

また、上記実施形態では、回転電気機械は、空気調和機の電動圧縮機に用いるモータ（1）としたが、その用途は特に限定されず、また発電機であってもよい。

以上説明したように、本発明は、高速回転可能なモータ、発電機などの回転電気機械のロータについて有用である。

１ モータ（回転電気機械）
１０ ロータ
１１ ロータコア
１２ 磁石挿入用孔部
１３ 永久磁石
１５ 隔壁部
１５ａ 径方向隔壁
１５ｂ 円弧状隔壁
１６ 空隙
２０ ステータ

Claims (5)

1. 周方向に複数の磁石挿入用孔部（12）が形成されたロータコア（11）と、
   上記複数の磁石挿入用孔部（12）にそれぞれ埋め込まれて磁極を形成する永久磁石（13）と、
   互いに異なる磁極に対応して隣接する上記磁石挿入用孔部（12）の間と上記ロータコア（11）の外縁との間に空隙（16）を形成する隔壁部（15）とを備え、
   上記隔壁部（15）は、上記ロータコア（11）の軸心方向から見たときに
   上記隣接する上記磁石挿入用孔部（12）の間を区画すると共に上記ロータコア（11）の径方向に延びる径方向隔壁（15a）と、
   上記径方向隔壁（15a）から上記空隙（16）を形成するように分岐して上記ロータコア（11）の外縁に向かって上記磁石挿入用孔部（12）側へ膨らむようにそれぞれ延びる円弧状隔壁（15b）とを備える
   ことを特徴とする回転電気機械のロータ（10）。
2. 請求項１に記載の回転電気機械のロータ（10）において、
   上記円弧状隔壁（15b）の上記永久磁石（13）側表面を形成する第１円弧と、上記永久磁石（13）と反対側表面を形成する第２円弧とは、同心である
   ことを特徴とする回転電気機械のロータ（10）。
3. 請求項２に記載の回転電気機械のロータ（10）において、
   上記第１円弧と上記第２円弧との中心は、上記ロータコア（11）の外縁よりも外側に配置されている
   ことを特徴とする回転電気機械のロータ（10）。
4. 請求項１に記載の回転電気機械のロータ（10）において、
   上記円弧状隔壁（15b）は、上記径方向隔壁（15a）側の肉厚（t1）よりも上記ロータコア（11）の外縁側の肉厚（t2）が厚い
   ことを特徴とする回転電気機械のロータ（10）。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の回転電気機械のロータ（10）と、
   上記ロータ（10）が挿通されるステータ（20）とを備えている
   ことを特徴とする回転電気機械。

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