JP5904907B2 - 回転電機の回転子 - Google Patents

Description

この発明は、永久磁石の配置に特徴を有する回転電機の回転子に関するものである。

従来から、ファンモータ等のブラシレスモータにおいて、回転軸と一体のコア部分に永久磁石が放射状に収容された回転子が利用されている。
モータ出力を向上できる回転子として、回転子の永久磁石の外周面に直接永久磁石のＳＮ極を結ぶ磁路が形成されにくいように永久磁石の周方向外側のブリッジ部を薄肉化したり、永久磁石を保持する部分であって、回転子の外周側に開口部を形成したりして、磁束が漏れにくい構成の回転子が提案されていた。

しかしながら、単純に回転子のブリッジ部を薄肉化したり開口を形成したりした場合には磁石に作用する遠心力により回転子の機械的強度が十分でなくなる。
そこで特許文献１においては、スロット開口部に非磁性のストッパを挿入して、永久磁石を保持する回転子が示されている。
非磁性のストッパを挿入することで、機械的強度を確保しつつ漏れ磁束を低減する効果がある。
また、特許文献２においては、鉄心の永久磁石の外周側を加熱処理することで弱磁性とする回転子が示されている。
このように回転子のブリッジ部を弱磁性とすることで部品点数を増やすことなく機械的強度を確保することができ、漏れ磁束を低減できる回転子が提案されている。

特開２００９−１５３２９９号公報 特開２０１０−２２０３５９号公報

しかしながら、特許文献１の回転子においては、磁石を保持するためにストッパを挿入するので部品点数が増加して製造コストが増加する問題があった。
また、部品の寸法バラツキによりストッパの挿入穴がストッパの寸法に対して大きくなった場合にはストッパにガタが生じ、小さくなった場合にはストッパの挿入作業性が著しく悪化するため、厳しい寸法管理が必要であった。

また、特許文献２の回転子においては、回転子のブリッジ部を加熱処理するために工数が増加して製造コストが増加する問題があった。
また、回転子のブリッジ部を加熱した際にブリッジ部以外の温度が上昇してしまい、鉄心全体の磁気特性が低下して回転電機の出力が低下してしまう問題があった。
さらに、回転子のブリッジ部の加熱が不均一になった場合には各磁極における漏れ磁束の量が不均一となりコギングトルクが増加するという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、磁気特性に優れた回転電機の回転子を提供することを目的とする。

この発明に係る、回転電機の回転子は、
鉄心の内部に、前記鉄心の周方向に等間隔に放射状に埋設された永久磁石を有する回転電機の回転子において、
前記永久磁石は、前記回転子の径方向に２列以上に並んで、前記回転子の軸方向に平行に延在する永久磁石挿入孔の中に保持され、
前記回転子の回転軸は、フランジ部を有し、
前記鉄心は、前記回転子の径方向に隣接する前記永久磁石挿入孔の間の隔壁内に前記回転子の軸方向に貫通するように設けた固定穴を有し、
前記鉄心は、前記固定穴に挿通した締結部材によって前記フランジ部に固定されているものである。

この発明に係る回転電機の回転子によれば、永久磁石を保持するブリッジ部を薄肉化することが可能であり、漏れ磁束を低減して回転電機の出力を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子の正面図である。 図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 従来例の回転子の１本の永久磁石にかかる遠心力と、実施の形態１に係る回転子の外側の永久磁石にかかる遠心力を示す模式図である。 実施の形態１に係る他の回転電機の回転子の正面図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子の正面図である。 本実施の形態３に係る回転電機の回転子の正面図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子を、図を用いて説明する。
図１（ａ）は、回転電機の回転子１００の正面図である。
図１（ｂ）は、図１（ａ）の丸印部分の要部拡大図である。
図２は、図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
図２に示すように、回転子１００は、フランジ部１１を有する回転軸１に、磁性鋼板を打ち抜いて製造した鉄心片を回転軸１の軸方向に積層した積層コア２（鉄心）を装着して構成している。
積層コア２は、軸方向に貫通するように等間隔に開けた固定穴２１に、締結部材としてのボルト３を挿入してフランジ部１１に固定されている。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、積層コア２には、回転子１００の回転軸１を中心として等間隔かつ放射状に、回転子１００の径方向に対して２列の永久磁石挿入孔２２ａ、２２ｂが設けられている。
永久磁石挿入孔２２ａ、２２ｂは、それぞれ積層コア２の積層方向（軸方向）に平行に貫通している。
そして、それぞれの永久磁石挿入孔２２ａ、２２ｂには、同じ形状の永久磁石４が挿入されている。

外側の永久磁石４の、積層コア２の径方向外側部分であって、薄肉に永久磁石挿入孔２２ａの壁面を形成する部分をブリッジ部２３ａと称する。
また、内側の永久磁石４の、積層コア２の径方向内側部分であって、薄肉に永久磁石挿入孔２２ｂの壁面を形成する部分をブリッジ部２３ｂと称する。
そして、回転子１００の径方向に並んだ２つの永久磁石４の中間部分であって、薄肉に永久磁石挿入孔２２ａと永久磁石挿入孔２２ｂを隔離する隔壁を形成する部分をブリッジ部２３ｃ（特許請求の範囲では隔壁に相当）と称する。

図１（ｂ）に示すように、回転子１００の径方向に並んだ２つの永久磁石４は、回転子１００の周方向の一端部がＳ極又はＮ極となり、他端部が反対の極となるように、かつ、外側の永久磁石４と内側の永久磁石４が同じ向きになるように着磁されている。
そして、回転子１００の周方向に隣り合う永久磁石４同士は、対向する磁極が互いに反発するように、逆向きに挿入されている。
このように永久磁石４を回転子１００の径方向に複数配置することで、従来のように１つの大型永久磁石を使用する場合に比べて、永久磁石の１個あたりに作用する遠心力を小さくすることができる。

次に、図３（ａ）および（ｂ）を用いて、本実施の形態に係る回転子１００の永久磁石４に及ぼす遠心力低減効果について説明する。
図３（ａ）は、従来例の、１本の永久磁石４ｐを使用した回転子１００ｐの永久磁石４ｐにかかる遠心力を示す模式図である。
ブリッジ部２３ｐにかかる遠心力をＦ１、回転子１００ｐの中心から永久磁石４ｐの中心までの距離をＲ１、永久磁石４ｐの重量をＭ、永久磁石４ｐの径方向の長さをＬ、回転子１００ｐの角速度をωとする。
この時、遠心力Ｆ１は、Ｆ１＝ＭＲ１ω^２で求められる。

次に、本実施の形態において、回転子１００の外周のブリッジ部２３ａにかかる遠心力Ｆ２について説明する。
図３（ｂ）は、本実施の形態のおける２本の永久磁石４を使用した回転子１００の外側の永久磁石４にかかる遠心力を示す模式図である。
回転子１００の中心から外側の永久磁石４の中心までの距離をＲ２とする。
従来例における永久磁石４ｐを概略２分割したとして、永久磁石４ｐの重量Ｍおよび永久磁石４ｐの径方向長さＬが半分になったと仮定し、同じ角速度ωで回転するとする。
この時、ブリッジ部２３ａにかかる遠心力Ｆ２は、Ｆ２＝０．５Ｍ（Ｒ１＋０．２５Ｌ）ω^２となる。
ここで遠心力低減効果をＦ２／Ｆ１によって定義すると、
Ｆ２／Ｆ１＝０．５＋０．１２５Ｌ／Ｒ１となる。
図３から分かるように、Ｌ／Ｒ１＜１であれば、Ｆ２／Ｆ１＜０．６２５となり、ブリッジ部２３ａに作用する遠心力Ｆ２は少なくとも３７．５％以上低減することができる。

本発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子によれば、ブリッジ部２３ａを従来例のブリッジ部２３ｐに比べて薄肉化することができるので、漏れ磁束を低減して回転電機の出力を向上させることができる。
本実施の形態では、外側の永久磁石４と内側の永久磁石４を同じ永久磁石４とすることで、更に磁石の生産性を向上させることができる。

また、永久磁石４としてフェライト磁石を用いても良い。フェライト磁石を用いることで、ネオジム磁石と比較して製造コストを安価にすることができる。
図４は、本実施の形態に係る他の回転電機の回転子の正面図である。
これまで、永久磁石４が、回転子１００の径方向に２列に配置された例を用いて記載したが、図４に示すように永久磁石４ｂを３列以上に配置することでも同様の効果が得られる。
なお、本実施の形態においては、積層コア２を回転軸１のフランジ部１１にボルト３で固定する構造を説明したが、圧入や焼き嵌めによって積層コア２を回転軸に固定する構成を採用しても同様の効果が得られる。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子を図を用いて実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
図５（ａ）は、本実施の形態に係る回転電機の回転子２００の正面図である。
図５（ｂ）は、図５（ａ）の要部拡大図である。
図５（ｃ）は、永久磁石挿入孔２２２ａ、２２２ｂの形状を示す図である。
本実施の形態に係る回転子２００と実施の形態１に係る回転子１００との異なる点は、実施の形態１における外側の永久磁石４と内側の永久磁石４との間のブリッジ部２３ｃ（隔壁）の中央部分に、積層コア２０２の軸方向に延在する開口部を有する点である。
即ち、積層コア２から周方向に対向して突出する２つの突起２５ａ、２５ｂが存在し、それらの間が外側と内側の２つの永久磁石挿入孔２２２ａと２２２ｂを連通させる開口部を形成している。
そして、突起２５ａ、２５ｂが、それぞれの永久磁石４を回転子２００の径方向に保持している。

また、突起２５ａ、２５ｂの間の開口部は、２つの永久磁石４の間に挟まれて空隙部２６を形成する。
これにより、空隙部２６を通る漏れ磁束を低減することが可能となり、回転子２００を使用する回転電機の出力を向上させることができる。
また、空隙部２６には、接着剤等の充填材を充填しても良い。充填材を充填することにより、外側の永久磁石４および内側の永久磁石４をより強固に積層コア２０２内に固定することができる。

実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子３００を図を用いて実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
図６は、本実施の形態３に係る回転子３００の正面図である。
回転子３００が、実施の形態１で説明した回転子１００と異なる点は、ブリッジ部３２３ｃに固定穴３２１を設けた点である。
積層コア３０２内に、径方向に並んだ外側の永久磁石間４と内側の永久磁石４の間に積層コア３０２と回転軸１との締結手段を有することで、締結部から永久磁石４（力の作用点）までの距離が短くなり、永久磁石４の保持強度を向上させ、内側の永久磁石４にかかる遠心力を確実に受け止めることができる。

尚、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１００，１００ｐ，２００，３００ 回転子、１ 回転軸、１１ フランジ部、
２，２０２，３０２ 積層コア、２１，３２１ 固定穴、
２２ａ，２２ｂ，２２２ａ，２２２ｂ 永久磁石挿入孔、
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｐ，３２３ｃ ブリッジ部、２５ａ 突起、
２６ 空隙部、３ ボルト、４，４ｐ 永久磁石、Ｆ１，Ｆ２ 遠心力。

Claims (3)

1. 鉄心の内部に、前記鉄心の周方向に等間隔に放射状に埋設された永久磁石を有する回転電機の回転子において、
   前記永久磁石は、前記回転子の径方向に２列以上に並んで、前記回転子の軸方向に平行に延在する永久磁石挿入孔の中に保持され、
   前記回転子の回転軸は、フランジ部を有し、
   前記鉄心は、前記回転子の径方向に隣接する前記永久磁石挿入孔の間の隔壁内に前記回転子の軸方向に貫通するように設けた固定穴を有し、
   前記鉄心は、前記固定穴に挿通した締結部材によって前記フランジ部に固定されている回転電機の回転子。
2. 前記永久磁石は、当該永久磁石の前記回転子の周方向両端部に相当する部分がそれぞれ異なる磁極となるように着磁され、
   前記回転子の径方向に隣接する前記永久磁石は、互いに、Ｎ極Ｓ極が同一方向となるように配置され、
   前記回転子の周方向に隣接する前記永久磁石は、互いに、Ｎ極Ｓ極が反対方向となるよう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. 使用する前記永久磁石は全て同形状である請求項１又は請求項２に記載の回転電機の回転子。

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