JP6315086B2 - 永久磁石埋め込み式回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、電動機や発電機等、ロータを有する回転電機に係り、特にロータに永久磁石が埋め込まれた永久磁石埋め込み式回転電機に関する。

図９（ａ）、図９（ｂ）は、従来の永久磁石埋め込み式回転電機の一例であるＩＰＭモータのロータの構成を示す断面図であり、図９（ｃ）は、その外周面を示す図である。この従来例のＩＰＭモータは、特許文献１に開示されたものである。このＩＰＭモータは、ロータ３の外側に向かって広がるようにＶ字状に配置した２つの永久磁石１３ａ、１３ｂを一極分とするものであり、２つの永久磁石１３ａ、１３ｂをロータ３の内部に複数組埋め込んで、複数の極を形成したものである。また、ロータ３は、図９（ａ）に示す積層鋼板１１と、図９（ｂ）に示す積層鋼板１２を、図９（ｃ）に示すように一枚ずつ、または数枚単位で交互に積層して構成したものである。

図９（ａ）に示すように、積層鋼板１１には、一極分として、２つの保持穴部１８ａ、１８ｂと、２つの空洞部１４ａ、１４ｂと、２つの空洞部１５ａ、１５ｂとを形成し、これらを複数組形成している。具体的には、一極分として、Ｖ字状に配置され、２つの永久磁石１３ａ、１３ｂを保持する２つの保持穴部１８ａ、１８ｂと、２つの保持穴部１８ａ、１８ｂ同士の間の部分（Ｖ字の中央部分）に配置され、各保持穴部１８ａ、１８ｂと各々連通する２つの空洞部１４ａ、１４ｂと、隣接する他極との間の部分（Ｖ字の端部分）に配置され、各保持穴部１８ａ、１８ｂと各々連通する２つの空洞部１５ａ、１５ｂとを形成している。

保持穴部１８ａ、空洞部１４ａ、空洞部１５ａは、連続した１つの領域（穴）となっており、また、保持穴部１８ｂ、空洞部１４ｂ、空洞部１５ｂも、連続した１つの領域（穴）となっており、積層鋼板１１の打ち抜き加工時には、各々、１つの穴として打ち抜けばよい。打ち抜き加工により、空洞部１５ａ、１５ｂの外縁側にサイドブリッジ１９ａ、１９ｂが形成されることになる。

また、図９（ｂ）に示すように、積層鋼板１２には、一極分として、２つの保持穴部１８ａ’、１８ｂ’と、２つの空洞部１４ａ’、１４ｂ’と、２つの切欠部１６ａ、１６ｂとを形成し、これらを複数組形成している。積層鋼板１２における保持穴部１８ａ’、１８ｂ’、空洞部１４ａ’、１４ｂ’は、各々、積層鋼板１１における保持穴部１８ａ、１８ｂ、空洞部１４ａ、１４ｂと同等のものである。具体的には、一極分として、Ｖ字状に配置され、２つの永久磁石１３ａ、１３ｂを保持する２つの保持穴部１８ａ’、１８ｂ’と、２つの保持穴部１８ａ’、１８ｂ’同士の間の部分（Ｖ字の中央部分）に配置され、各保持穴部１８ａ’、１８ｂ’と各々連通する２つの空洞部１４ａ’、１４ｂ’と、各空洞部１５ａ、１５ｂと各々重なるように配置され、各保持穴部１８ａ’、１８ｂ’と各々連通すると共に積層鋼板１２の外縁まで通じる２つの切欠部１６ａ、１６ｂとを形成している。各切欠部１６ａ、１６ｂは、各空洞部１５ａ、１５ｂを各々内部に含むように配置されており、これにより、各空洞部１５ａ、１５ｂと各々重なるように配置される。

保持穴部１８ａ’、空洞部１４ａ’、切欠部１６ａは、連続した１つの領域（切り欠き）となっており、また、保持穴部１８ｂ’、空洞部１４ｂ’、切欠部１６ｂも、連続した１つの領域（切り欠き）となっており、積層鋼板１２の打ち抜き加工時には、各々、１つの切り欠きとして打ち抜けばよい。

積層鋼板１１における空洞部１４ａと空洞部１４ｂの間、積層鋼板１２における空洞部１４ａ’と空洞部１４ｂ’との間には、センタブリッジ１９ｃがある。積層鋼板１１および１２において、永久磁石よりも内周側の領域と外周側の領域は、このセンタブリッジ１９ｃを介して繋がっている。

そして、上記積層鋼板１１、１２を一枚ずつ交互に積層した場合には、ロータ３の外周面は、図９（ｃ）に示す外観となり、切欠部１６ａ、１６ｂが各々列になって、積層鋼板１枚おきに配置されることになる。

この従来例においては、積層鋼板１１と積層鋼板１２とを交互積層しており、積層鋼板１２においては、磁束が切欠部１６ａ、１６ｂを通過することになるので、積層鋼板１１においては、サイドブリッジ１９ａ、１９ｂの幅を細くしなくても、磁気短絡を低減することができる。具体的には、積層鋼板１２に切欠部１６ａ、１６ｂが有るため、各鋼板における永久磁石とロータ外周面との間の鉄心の断面積を総計した総断面積（即ち、サイドブリッジ１９ａ、１９ｂの部分の断面積を総計した総断面積）が１／２となり、その結果、磁気短絡を低減することになる。

また、積層鋼板１２においては、隣接する他極との間の部位に切欠部１６ａ、１６ｂが形成され、鉄心が存在しないため、切欠部１６ａ、１６ｂにおける磁気抵抗を、サイドブリッジ１９ａ、１９ｂにおける磁気抵抗よりも大きくすることができる。そして、積層鋼板１１と積層鋼板１２とを交互積層しているので、積層鋼板１１のみを用いた場合よりも磁気抵抗を大きくすることができる。従って、切欠部１６ａ、１６ｂにおける磁気短絡の低減により、磁束漏れを抑制して、多くの磁束をステータ側に供給でき、モータ効率の向上を図ることができる。更に、積層鋼板１２において、ｄ軸磁束、ｑ軸磁束の通過部分には鉄心が存在しているので、所望のリラクタンストルクを維持することができる。

上記構成により、打ち抜き加工性や耐遠心力性のために、サイドブリッジ１９ａ、１９ｂを所定の幅とする必要がある場合でも、切欠部１６ａ、１６ｂの存在により、サイドブリッジ１９ａ、１９ｂの幅として、所定の幅を確保しつつ、磁気抵抗を大きくして、磁束漏れを抑制することができる。

特開２０１１−４４８０号公報

ところで、上述した従来の永久磁石埋め込み式回転電機は、形状の異なる複数種類のロータ鋼材によりロータが構成されていたため、次のような問題があった。まず、ロータの製造時に、ロータ鋼材を製造するための複数種類の打ち抜き型が必要になり、部材・型の管理が煩雑になる問題があった。また、形状の異なるロータ鋼材は強度特性が互いに異なる。それにも拘わらず、従来の永久磁石埋め込み式回転電機では、複数種類のロータ鋼材の各間で、磁石・シャフトの形状・配置を同一とする必要がある。このため、磁石・シャフトの形状・配置の設計範囲が大幅に狭められることとなる。この結果、小さな磁石・細いシャフトとせざるを得ず、このため、回転電機の回転数若しくはトルクが大きく制限される。また、形状の異なる複数種類のロータ鋼材を積層させてロータを構成する場合、ロータの設計時に、３次元での磁界計算・強度計算が必要であり、計算負荷が増大し、また、計算精度が低下する問題があった。また、形状の異なる複数種類のロータ鋼材は、一体物の鋼材から例えばワイヤカットなどによる除去加工によって形成することができない。このため、加工コストが増大する問題があった。

また、従来の永久磁石埋め込み式回転電機は、ロータを構成する２種類の鋼板のうちの１種類にサイドブリッジ１９ａおよび１９ｂがあるため、以下の問題があった。まず、サイドブリッジ１９ａおよび１９ｂがあることにより、永久磁石の漏れ磁束が依然として少なからず残存しており、また、磁気抵抗もゼロには程遠い。これがロータに発生させるトルクを増加させるのを妨げていた。また、従来の永久磁石埋め込み式回転電機は、ロータにサイドブリッジ１９ａおよび１９ｂがあるため、ロータ軸方向の風通しが悪い。このロータの風通しの悪さが、ロータ、その中でも特に永久磁石の冷却を妨げる要因となっていた。また、ロータにサイドブリッジ１９ａおよび１９ｂがあるため、遠心力に対して永久磁石を支える力が不均一になり、永久磁石内部に大きな応力が発生する、という問題があった。

また、一般に永久磁石埋め込み式回転電機は、シャフトに対してロータ鋼材を嵌め合い固定する場合に、ロータ鋼材に周方向の組み立て残留応力が残る。この組み立て残留応力が主に残留する範囲は、ロータ軸を中心とした円周上に穴や切り欠きが存在しない半径範囲（つまりリング状につながっている範囲）である。従来例の場合、サイドブリッジ１９ａおよび１９ｂがあるので、ロータの最外周にはリング状領域があり、この最外周のリング状領域には引張残留応力が残る。また、サイドブリッジ１９ａおよび１９ｂには、ロータの回転時に遠心力に起因したせん断応力が加わる。従って、ロータの回転時にサイドブリッジ１９ａおよび１９ｂが破損するのを防止するために、サイドブリッジ１９ａおよび１９ｂの幅を広げる必要がある。このため、従来例では、漏れ磁束を削減することが困難であった。

また、従来例では、センタブリッジ１９ｃのある位置の近くに大きな組み立て残留応力が残存する。加えて、ロータの回転時には、遠心力による大きな引っ張り応力（以下、遠心応力）がセンタブリッジ１９ｃに発生する。従来の永久磁石埋め込み式回転電機のロータは、この組み立て残留応力が発生する領域と、遠心応力が発生する領域が近接しており、ロータの強度設計が難しかった。ロータの高速回転を可能にするためには、引張残留応力の発生範囲に大きな応力が発生しないようにする必要がある。この応力緩和のために、例えばセンタブリッジ１９ｃに曲率半径の大きな面取りを行うことも考えられる。しかし、そのような曲率半径の大きな面取りを施すと、磁石を配置するスペースが減り、トルクが制限される。このように、従来例においては、応力を緩和する有効な手段がなかったため、ロータの回転数が制約され、あるいは磁石の大きさが制約されてトルクが制約されるといった問題があった。

また、一般に、ロータの外周面に凹凸を設けると、ロータに発生するトルクの高調波成分を基本波成分に転換することができ、トルク脈動を減らし、トルクを増大させることができる。しかし、従来例のように、磁石埋め込み穴の外側に穴や窪みのないリング状の最外周領域のあるロータの場合、最外周のリング状の領域に組み立て残留応力が残存する。従って、従来のロータにおいて、このような残留応力の残存しているロータの最外周面に応力集中を招く凹凸を設けるのは困難である。このため、従来の永久磁石埋め込み式回転電機は、ロータの外周面に凹凸を設けてトルクを高めることが困難であった。

また、従来例のように、積層鋼板１１と積層鋼板１２を積層する場合、精度良く積層するのが困難であった。精度良く積層できなければ、保持穴部１８ａおよび１８ｂに永久磁石１３ａおよび１３ｂを挿入することが難しくなり、ロータ３のバランスが崩れ、永久磁石１３ａおよび１３ｂの磁気吸引力が偏ってベアリングに対する負担が増大する。さらに、製造時などに積層鋼板１１や積層鋼板１２を積層したロータ３を持ち歩くのも困難であった。

この発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、ロータの強度に優れ、かつ、低コストで製造することができる永久磁石埋め込み式回転電機を提供することにある。また、この発明の第２の目的は、ロータの強度を低下させることなく、ロータが発生するトルクを増加させることにある。また、この発明の第３の目的は、ロータ鋼板を精度よく積層し、第１および第２の目的を達成する永久磁石埋め込み式回転電機を安定して製造することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、２個の永久磁石で１極を構成し、複数のロータ鋼板を積層してなるロータ内部に複数極の永久磁石を埋め込んだ永久磁石式埋め込み式回転電機において、前記ロータは、ロータ外周と前記永久磁石を収容する磁石埋め込穴が連通しており、前記ロータを構成する各ロータ鋼板における前記磁石埋め込み穴の内接円と前記ロータ外周の間の領域に、隣接する各ロータ鋼板を互いに位置固定するため補助加工を施したことを特徴とする永久磁石埋め込み式回転電機を提供する。

この発明によれば、磁石埋め込み穴をロータ外周に連通させたため、ロータの最外周に組み立て残留応力の残存領域が発生しない。このため、回転時におけるロータの強度を高めることができる。また、磁石埋め込み穴をロータ外周に連通させる構成であり、そもそもサイドブリッジが不要であるため、漏れ磁束低減のためにサイドブリッジのない鋼板とサイドブリッジのある鋼板とを組み合わせてロータを構成する必要もない。従って、１種類の鋼板のみを積層させてロータを製造できる。さらに、補助加工により、ロータ鋼板を精度良く積層することができる。また、補助加工が施される領域は、ロータ鋼板における磁石埋め込み穴の内接円とロータ外周の間の領域であり、この領域の組み立て残留応力は少ない。従って、補助加工がロータ鋼板に与える影響を少なくすることができる。

この発明の一実施形態である永久磁石埋め込み式回転電機の全体構成を示す縦断面図である。 同実施形態におけるロータの１極分の構成を示す斜視図である。 同実施形態における回転中心軸方向からロータの１極分を見た正面図である。 同実施形態における補助加工の施される位置を例示した１極分のロータの正面図である。 Ｖ字加工を施したロータの軸方向断面図である。 ボス加工を施したロータの軸方向断面図である。 ピン穴加工を施したロータの軸方向断面図である。 ボルト穴加工を施したロータの軸方向断面図である。 従来の永久磁石埋め込み式回転電機のロータの構成を示す図である。

以下、図面を参照しつつこの発明の実施形態について説明する。
図１は、この発明の一実施形態である永久磁石埋め込み式回転電機の全体構成を示す縦断面図である。図１において、フレーム１は、永久磁石埋め込み式回転電機全体を覆う筐体であり、鉄、アルミ、ステンレスなどにより構成されている。フレーム１の内側には、中空円筒状の固定側鉄心２が設けられている。この固定側鉄心２は、珪素鋼板を積層してなるものである。この固定側鉄心２には、穴が設けられており、この穴には銅線などによるステータ巻線が挿通されている（図示略）。固定側鉄心２の内側には、固定側鉄心２との間に所定のギャップを挟んだ状態で、回転側鉄心であるロータ３が挿通されている。このロータ３は、珪素鋼板を積層してなるものである。ロータ３は、その中心を鉄などによるシャフト４が貫通している。理想的には、シャフト４の中心軸がロータ３の回転中心軸４ａとなる。そして、シャフト４は、ベアリング鋼などからなる転がり軸受け５を介して、フレーム１の前後両端に設けられたシールド６に支持されている。

この例において、永久磁石埋め込み式回転電機はモータである。このモータにおいてロータ３は、ステータ巻線（図示せず）によって作られる回転磁界によってエネルギを与えられ、回転中心軸４ａ廻りに回転する。

本実施形態の特徴は、ロータ３の構成にある。図２は本実施形態におけるロータ３の１極分の構成を示す斜視図である。また、図３は回転中心軸４ａ方向からロータ３の１極分を見た正面図である。なお、図３では、ロータ３の構成の理解を容易にするため、１極分の構成に加えて、その回転方向両隣の極の構成を破線により示した。

本実施形態によるロータ３は、回転中心軸４ａ寄りの芯部３１と、極毎に設けられた２個の永久磁石３４ａおよび３４ｂと、回転中心軸４ａからみて永久磁石３４ａおよび３４ｂの外側のロータ鋼材からなる各極の外周縁部３３と、芯部３１と外周縁部３３とを各々繋ぐ各極のセンタブリッジ３２と、極間に設けられたｑ軸突起３７とに大別することができる。

１極分の外周縁部３３は、略円弧状の断面形状を有しており、ロータ回転方向中央において、センタブリッジ３２を介して芯部３１と繋がっている。この外周縁部３３の外周面は、回転中心軸４ａからロータ最外周部までの距離よりも小さい曲率半径を有している。これは、本願発明者らによる磁界計算により、外周縁部３３をこのような形状とすることで、トルクの高調波成分が削減され、その削減された分だけロータ３に発生するトルクの基本波成分が増加することが明らかになったためである。なお、このように外周縁部３３の全部ではなく、外周縁部３３の一部の曲率半径を回転中心軸４ａからロータ最外周部までの距離より小さくしてもよい。

外周縁部３３の内側には、永久磁石３４ａを保持するための磁石埋め込み穴３５ａと、永久磁石３４ｂを保持するための磁石埋め込み穴３５ｂが設けられている。この磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂは、外周縁部３３、センタブリッジ３２および芯部３１により３方向から囲まれている。外周縁部３３は、ロータ３の回転時に永久磁石３４ａおよび３４ｂに働く遠心力に対抗して永久磁石３４ａおよび３４ｂを回転中心軸４ａ側に支持する。各極に対応した各外周縁部３３は、隣のものとの間に隙間を挟んでロータ回転方向に並んでいる。２個の外周縁部３３間の隙間は、極間の中央に位置している。磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂは、この２個の外周縁部３３間の隙間を介してロータ外周に連通している。

磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂは、逆Ｖ字状に配列されている。そして、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂの内周壁における回転中心軸４ａ側の領域（芯部３１）は、隣接する極間の中心から離れて２個の磁石埋め込み穴の間（すなわち、センタブリッジ３２）に近づくに従って回転中心軸４ａから離れる方向に傾いている。このため、センタブリッジ３２は、ロータ３の全ての磁石埋め込み穴３５ａ、３５ｂの内接円３６からロータ半径方向外側に離れた位置にある。

ｑ軸突起３７は、芯部３１の極間の中央の位置において２個の外周縁部３３間の隙間を通過して遠心方向（回転中心軸４ａから離れる方向）に突き出している。磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂには、このｑ軸突起３７側への永久磁石３４ａおよび３４ｂの移動を規制する位置決め突起３８ａおよび３８ｂが設けられている。この位置決め突起３８ａおよび３８ｂは、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂの内壁のうち永久磁石３４ａおよび３４ｂからみてロータ半径方向外側にある領域、すなわち、外周縁部３３の内側のｑ軸突起３７側の端部において、回転中心軸４ａに向けて突出している。永久磁石３４ａおよび３４ｂは、この位置決め突起３８ａおよび３８ｂに押し当てられ、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂ内に固定される。その際、永久磁石３４ａおよび３４ｂの磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂへの固定を補助するために接着剤が使用される。

また、ロータ３を構成する各ロータ鋼板には、隣接する各ロータ鋼板を互いに位置固定するために、補助加工が施されている。この補助加工はロータ鋼板の打ち抜き加工時に行われ、ロータ鋼板を積層する時には補助加工が施された位置を基準に正確に積層することができる。また、積層したロータ鋼板をカシメて互いに位置固定することも可能であるので、製造時等のロータ３の持ち運びが容易となる。図４は、補助加工の施される位置を例示した１極分のロータ３の正面図である。なお、図４では、ロータ３の１極分の構成のみを図示した。

具体的には、本実施形態では、ロータ３を構成する各ロータ鋼板に対し、Ｖ字突起部１０１を形成するＶ字加工、ボス突起部１０２を形成するボス加工、ピン穴１０３を形成するピン穴加工、ボルト穴１０４を形成するボルト穴加工等の補助加工を施す。なお、Ｖ字突起部１０１はＶ字陥没部であってもよいし、ボス突起部１０２はボス陥没部であってもよい。ロータ３には各補助加工のうち１種類のみまたは複数種類の補助加工が施される。また、各補助加工が施される位置は必ずしも図４に示す位置に限定されるものではなく、補助加工箇所は内接円３６よりもロータ３外周側に位置していればよい。ただし、センタブリッジ３２には補助加工を施さない。

また、本実施形態では、ロータ３における複数極分の領域内に１箇所の補助加工が施される。具体的には、Ｎ極Ｓ極１対で構成される１磁極対ごとに１箇所または複数の磁極対ごとに１箇所の補助加工が施される。ただし、ロータ鋼板を精度良く積層する必要があるので、ロータ３全体で少なくとも２箇所の補助加工が行われている必要がある。さらに、バランスを取る観点から、複数箇所において施された補助加工の位置は、ロータ３の縦断面で見ると、回転中心軸４ａを中心に対称性を有している。

図５〜８は、Ｖ字加工、ボス加工、ピン穴加工およびボルト穴加工の補助加工を各々施したロータ３の軸方向断面図である。なお、図５〜８では第１のロータ鋼板１０５と第２のロータ鋼板１０６の２枚分のみ図示しており、残りのロータ鋼板は省略している。さらに、図７と図８では、ナットやワッシャー等の図示も省略している。

図５に示すＶ字加工のロータ３では、第１のロータ鋼板１０５の陥没部に第２のロータ鋼板１０６の突起部を重ねている。残りのロータ鋼板も同様に重ねることで、各ロータ鋼板を相互に位置固定して精度良く積層している。図６に示すボス加工のロータ３では、第１のロータ鋼板１０５の陥没部に第２のロータ鋼板１０６の突起部を重ねている。残りのロータ鋼板も同様に重ねることでロータ鋼板を精度良く積層している。図７に示すピン穴加工のロータ３では、第１のロータ鋼板１０５と第２のロータ鋼板１０６の両方に開いたピン穴１０３に非磁性材からなるピン１０７を挿入している。残りのロータ鋼板もピン穴１０３に非磁性材からなるピン１０７を同様に挿入している。図８に示すボルト穴加工のロータ３では、第１のロータ鋼板１０５と第２のロータ鋼板１０６の両方に開いたボルト穴１０４に非磁性材からなるボルト１０８を挿入している。残りのロータ鋼板も開いたボルト穴１０４に非磁性材からなるボルト１０８を同様に挿入している。ここで、ピン１０７やボルト１０８として非磁性材からなるものを使用するのは、ロータ３の発生するトルクの損失を生じさせないためである。
以上が本実施形態におけるロータ３の構成である。

本実施形態におけるロータ３は、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂがロータ外周に連通した構成となっている。以下、この構成を採用した理由を説明する。

モータの製造では、焼き嵌めなどの締り嵌めによって、シャフトとロータ鋼材を組み立てる方法が一般的である。この締り嵌めの工程において、ロータ鋼材には周方向に引張応力が残留する。このロータの組み立て時に発生する残留応力は、ロータの高速回転中にも残ったままである。本願発明者らが有限要素法により計算したところ、この残留応力は、ロータ鋼材に穴や窪みなどのある部分と同じ半径を持つ円周上には殆ど発生しないことが確認された（すなわち、穴も窪みもなく、リング状につながっている部分でないと応力は残存しない）。

一方、ロータの回転時、特に高速回転時には、ロータの各部分に強大な遠心力が発生する。その際、従来例のように、ロータがセンタブリッジとサイドブリッジを持つ場合には、このセンタブリッジとサイドブリッジに大きな遠心応力が発生する。この場合、ロータの回転により発生する遠心力により、センタブリッジに引っ張り応力が働くのに対し、サイドブリッジにはせん断応力が発生する。このため、高速回転によるロータの破損を防止するためには、センタブリッジよりはむしろサイドブリッジの強度を十分に高くする必要があり、この点がロータの強度設計を難しくしていた。

また、従来例では、漏れ磁束の低減という目的とロータの強度を確保するという目的の両方を達成するために、サイドブリッジのあるロータ鋼板とサイドブリッジのないロータ鋼板とを組み合わせてロータを構成していた。このため、従来例のロータには、製造コストが嵩む等の問題があった。

そこで、本実施形態では、ロータ３の構成として、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂがロータ外周に連通した構成、すなわち、従来例におけるサイドブリッジのない構成を採用した。本実施形態によれば、ロータ３が最外周にサイドブリッジを有していないため、ロータ３の最外周には組み立て残留応力が残存しない。ロータ３の回転時の遠心力により発生する遠心応力はセンタブリッジ３２に集中する。しかしながら、センタブリッジ３２に働く遠心応力は引っ張り応力であるため、センタブリッジ３２の幅の調整等によりセンタブリッジ３２が破損に至らないように対処することが容易である。しかも、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂがロータ外周に連通したロータ３の構成は、以下に述べる大きな利点をもたらす。

まず、従来例と異なり、本実施形態におけるロータ３は、ロータ回転軸に垂直な如何なる平面で切断しても同じ断面形状となる。このため、本実施形態におけるロータ３には、製作面での利点がある。ロータ３を積層鋼板で形成する場合も、穴形状の異なる複数種類の鋼板を用意する必要がなく、１種類の鋼板のみを用意すればよい。従って、鋼板を形成するための内抜き型の投資費用の面からも、部品管理の面からも、強度・磁界設計の面からも鋼板のコストを圧倒的に低く抑えることができる。

また、本実施形態におけるロータ３は、サイドブリッジのある従来例に比して磁束の漏れ経路が少ない。このため、磁石磁束が巻線に鎖交しやすく、これがトルクの増加に貢献する。

さらに本実施形態によるロータ３には冷却面でも利点がある。すなわち、ロータ３は、回転軸方向の風通しがよく、冷却、とりわけ磁石冷却に有利である。従って、本実施形態によるロータ３を採用することにより、モータ容量に関する規制を緩和することができる。

さらに全ての磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂをロータ外周に連通させた場合には、永久磁石３４ａおよび３４ｂは、外周縁部３３により全長に亙って均一な応力で支えられることになる。このため、永久磁石３４ａおよび３４ｂの内部に応力が発生しにくく、永久磁石３４ａおよび３４ｂを破損から保護することができる。

本実施形態の他の特徴としてｑ軸突起３７がある。このｑ軸突起３７は、強いリラクタンストルクを生むことができ、ロータ３に発生するトルクの増加に貢献する。

さらに本実施形態の他の特徴として、外周縁部３３の形状がある。ロータ３の外周面に凹凸を設けると、ロータ３に発生するトルクの高調波成分を基本波成分に転換することができ、トルク脈動を減らし、トルクを増大させることができる。一方、凹凸部に力が加わると、応力集中と呼ばれる現象により、局所的に高い応力が発生することが広く知られている。従来例のように磁石埋め込み穴がロータ外周に連通しておらず、最外周がリング状に連続したロータの場合、ロータ外周面付近のリング状の領域に組み立て残留応力が残存する。このため従来例のロータにおいて、このような残留応力の残存しているロータの最外周面に応力集中を招く凹凸を設けるのは困難である。しかしながら、本実施形態において、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂをロータ外周と連通させているため、ロータ３の最外周領域である外周縁部３３に残留応力は残存しない。従って、本実施形態では、トルクを増大させるために、ロータ３の最外周領域である外周縁部３３の外周面に凹凸を設けることが容易である。そこで、本実施形態において、ロータ回転中心からみて永久磁石の外側にある外周縁部３３の外周面の曲率半径を、ロータ回転中心からロータ最外周部までの距離よりも小さくしている。このように本実施形態では、発生応力を高めることなく、ロータ３に発生するトルクの脈動を減らし、トルクを増大させることができる。

また、本実施形態の特徴として、逆Ｖ字状に配列された磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂがある。この特徴により得られる効果を説明すると、次の通りである。

まず、シャフト４のロータ３への締り嵌め工程において、ロータ鋼材には周方向に引張応力が残留する。この残留応力は、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂと同じ半径を持つ円周上には殆ど発生しない。従って、本実施形態におけるロータ３では、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂの内接円３６よりもロータ半径方向外側には、組み立て残留応力は殆ど残存しない。一方、ロータ３の回転時には、遠心力による引っ張り応力（遠心応力）がセンタブリッジ３２に発生する。磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂを逆Ｖ字状に配列した場合、このセンタブリッジ３２の位置は、残留応力が主に発生する内接円３６内よりもロータ半径方向外側に遠ざかる。このように本実施形態によれば、ロータ３の回転時に遠心応力が集中するセンタブリッジ３２は、締り嵌め加工による残留応力が主に発生する内接円３６内から遠ざかっているため、ロータ３の回転時におけるセンタブリッジ３２の強度を高めることができる。

また、本実施形態では、永久磁石３４ａおよび３４ｂからみて半径方向外側にある外周縁部３３に位置決め突起３８ａおよび３８ｂが設けられている。従って、永久磁石３４ａおよび３４ｂを位置決め突起３８ａおよび３８ｂに押し当てて固定することで、１極をなす２つの永久磁石３４ａおよび３４ｂに発生する遠心力のアンバランスを防ぐことができる。それとともに、各永久磁石が発生する磁束分布のアンバランスを防ぐことができる。

なお、従来例のように、永久磁石から見て半径方向内側のロータ鋼材に位置決め突起を設ける方法もあるが、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂを逆Ｖ字状に配置してこれを行うには問題がある。組み立て残留応力が発生する範囲近くに、位置決め突起を設けることになるからである。位置決め突起を設ければ同時に凹みもできる。凹みは元来応力集中が発生し易い。この場合、面取り半径を大きくして凹部の面取りをすることができれば、応力集中をある程度は緩和することができるが、十分に応力を緩和できる面取り半径は、磁石の厚みと同等、若しくはそれ以上となることが多く、位置決めの用を成さない。よって従来例のように永久磁石から見て半径方向内側のロータ鋼材に位置決め突起を設けることは、組み立て残留応力に対する位置決め突起の強度を弱めることとなるので好ましくない。

また、本実施形態では、ロータ３を構成する各ロータ鋼板に対して、Ｖ字加工、ボス加工、ピン穴加工およびボルト穴加工の４種類の補助加工の中の１種類のみまたは複数種類の補助加工が施される。従って、本実施形態によれば、ロータ鋼板を積層してロータ３を構成する際、隣接する各ロータ鋼板を相互に位置固定することができる。従って、ロータ鋼板を精度よく積層してロータ３を構成し、永久磁石埋め込み式回転電動機を安定して製造することができる。

また、本実施形態では、ロータ鋼板において、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂの内接円３６とロータ３外周との間の領域に補助加工が施される。この領域は、シャフト４とロータ鋼材の締り嵌めの工程において発生する応力の残留応力が少ない領域である。従って、この領域に補助加工を施してもロータ３の高速回転中に亀裂等による破損が生じる可能性は低い。また、本実施形態において、センタブリッジ３２には遠心力に起因した引っ張り応力が働くので、このセンタブリッジ３２を避けて補助加工を施す。従って、本実施形態ではセンタブリッジ３２の破損を防止することができる。

また、本実施形態では、ロータ３の複数極分の領域に１箇所の補助加工、すなわち１磁極対ごとに１箇所または複数磁極対ごとに１箇所の補助加工が施される。この効果は次の通りである。まず、ロータ鋼板には、軸方向に流れる循環電流の発生を抑制するために表面に絶縁処理が施されている。ここで、ロータ鋼板に補助加工を施すと、ロータ鋼板表面の絶縁膜が剥がれ、隣のロータ鋼板と導通する。そして、仮にロータ３の１磁極対に２箇所以上の補助加工を施すと、ロータ３の１つの極に対応した領域内において、各ロータ鋼板の補助加工箇所を軸方向に繋いだ電流路が形成される。さらに、その隣の１極に対応した領域内においても、各ロータ鋼板の補助加工箇所を軸方向に繋いだ電流路が形成される。そして、永久磁石埋め込み型電動機の稼働時には、このようにして形成された２つの電流路を循環電流が流れ易くなり、ロータ３の発熱や発生するトルクの損失を招くことになる。しかしながら、本実施形態では、ロータ３の複数極分の領域に１箇所の補助加工が施される。このため、循環電流を流す２つの電流路が形成されるのを回避し、ロータ３の発熱や発生するトルクの損失を防止することができる。

また、本実施形態では、補助加工において、ピン１０７やボルト１０８として非磁性材からなるものを使用する。仮にピン１０７やボルト１０８が磁性材であると、ロータ鋼板の軸方向に循環電流が発生しやすくなり、ロータ３の発生するトルクの損失に繋がる。しかしながら、本実施形態では、非磁性材からなるピン１０７やボルト１０８によりロータ鋼板に対する補助加工を行うので、このような問題が生じない。

以上のように、本実施形態によれば、この発明の第１の目的である、ロータの強度に優れ、かつ、低コストで製造することができる永久磁石埋め込み式回転電機の提供が実現できる。また、この発明の第２の目的である、ロータの強度を低下させることなく、ロータが発生するトルクを増加させることも実現できる。さらに、この発明の第３の目的である、ロータ鋼板を精度よく積層し、第１および第２の目的を達成する永久磁石埋め込み式回転電機の安定した製造が実現できる。

以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば上記実施形態では、４種類の補助加工を施した位置を基準としてロータ鋼板の精度の高い積層を行ったが、ロータ鋼板同士を溶接することによってロータ鋼板の精度の高い積層を実現することも可能である。ただし、溶接の場合にはロータ鋼板を積層させるための治具が必要であるので、上記実施形態よりもコストアップに繋がる。また、上記実施形態ではこの発明をモータに適用したが、この発明は発電機にも勿論適用可能である。

１……フレーム、２……鉄心、３……ロータ、３１……芯部、３２……センタブリッジ、３３……外周縁部、３４ａ、３４ｂ……永久磁石、３５ａ、３５ｂ……磁石埋め込み穴、３６……内接円、３７……ｑ軸突起、３８ａ、３８ｂ……位置決め突起、４……シャフト、４ａ……回転中心軸、５……転がり軸受け、６……シールド、１１、１２……積層鋼板、１３ａ、１３ｂ……永久磁石、１４ａ、１４ｂ、１４ａ’、１４ｂ’、１５ａ、１５ｂ……空洞部、１６ａ、１６ｂ……切欠部、１８ａ、１８ｂ、１８ａ’、１８ｂ’……保持穴部、１９ａ、１９ｂ……サイドブリッジ、１９ｃ……センタブリッジ、１０１……Ｖ字突起部、１０２……ボス突起部、１０３……ピン穴、１０４……ボルト穴、１０５……第１のロータ鋼板、１０６……第２のロータ鋼板、１０７……ピン、１０８……ボルト。

Claims (9)

1. ２個の永久磁石で１極を構成し、複数のロータ鋼板を積層してなるロータ内部に複数極の永久磁石を埋め込んだ永久磁石埋め込み式回転電機において、
   前記ロータは、極毎に、前記２個の永久磁石を各々収容する穴であって、センタブリッジを各々の間に挟み、かつ、ロータ外周に各々連通する２個の磁石埋め込み穴を有し、
   前記ロータを構成する各ロータ鋼板は、前記センタブリッジの外周側を避けて前記磁石埋め込み穴の内接円と前記ロータ外周の間の領域、かつ、前記磁石埋め込み穴の前記ロータの半径方向外周側、または、隣接する極間に、隣接する各ロータ鋼板を互いに位置固定するための補助加工が施されている
   ことを特徴とする永久磁石埋め込み式回転電機。
2. 磁石埋め込み穴の内周壁におけるロータ回転中心軸側の領域は、隣接する極間の中心から離れて前記２個の磁石埋め込み穴の間に近づくに従ってロータ回転中心から離れる方向に張り出していることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
3. 前記ロータ鋼板における複数極分の領域内１箇所に前記補助加工を行うことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
4. 前記ロータは、隣接する極間にロータ回転中心軸から離れる方向に突出したｑ軸突起を有することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
5. 前記磁石埋め込み穴の内壁のうち前記永久磁石からみてロータ半径方向外側にある領域に、永久磁石の移動を規制する位置決め突起を有することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
6. 前記位置決め突起は、ロータ外周と連通する側に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
7. ロータ回転中心からみて永久磁石の外側のロータ鋼材の外周面の一部または全部が、ロータ回転中心軸からロータ最外周部までの距離よりも小さい曲率半径を有していることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
8. 接着剤により前記永久磁石の固定を補助したことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
9. 前記補助加工は、Ｖ字加工、ボス加工、ピン穴加工、ボルト穴加工のうちいずれか１種類以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１の請求項に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。

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