JP5353917B2 - 回転電機用回転子 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機用回転子に係り、特に、回転子鉄心の外周側内部に周方向に間隔を置いて埋設された複数の永久磁石を含む回転電機用回転子に関する。

従来、例えば特開２００９−１２４８９９号公報（以下、特許文献１という）には、内周部にステータコイルが巻装された固定子２と、固定子２内に回転可能に設けられた永久埋込型の回転子６２とを備える回転電機６０が開示されている。上記回転子６２は、回転シャフト（不図示）とこれに固定された円筒状の回転子鉄心１２とから構成されている。

上記回転子鉄心１２は、円環状に打ち抜き加工された磁性鋼板を軸方向に積層してかしめ等により一体に構成されている。そして、回転子鉄心１２の外周部には複数の磁極が円周方向に等間隔で設けられている。図６に、１つの磁極を軸方向端面視状態で拡大して示す。図６では、回転子６２の回転子鉄心１２の外周部に等間隔（すなわち回転シャフトの中心軸を扇形の中心とする４５°の角度間隔）で配置されているもののうち１つの磁極２４が固定子２の一部とともに示されている。

固定子２の内周には、複数のティース３が円周方向に等間隔で且つ径方向内側へ向かって突設されている。隣り合うティース３間には、それぞれ、ティースと同数のスロット４が内周側と軸方向両端で開口して形成されている。そして、スロット４には、ティース３の周囲に巻回される固定子コイル（不図示）が挿入配置される。これにより、固定子コイルに通電されると、回転子６２を回転駆動させる回転磁界が固定子２の内側に形成されることになる。

回転子鉄心１２に設けられた磁極２４は、外周面１３に向かって互いの間隔が広がるように配置された一対の永久磁石２６と、これらの永久磁石２６の内周端部２７間であって径方向内方に形成された磁束抑制穴２８とを有する。磁束抑制穴２８は、３つの穴２８ａ，２８ａ，２８ｂによって構成されている。２つの略三角状をなす２つの端穴２８ａ，２８ａは、扁平長方形の端面形状（および断面形状）を有する永久磁石２６が挿入配置されている磁石挿入穴３２にそれぞれ連通して形成される。また、略矩形状をなす中央穴２８ｂは、細い鉄心領域であるブリッジ部３６をそれぞれ介して上記２つの端穴２８ａ，２８ａの間に形成されている。ここで、上記３つの穴２８ａ，２８ａ，２８ｂの各外周側縁部は、一対の永久磁石２６の周方向内側の角部（または縁部）を結ぶ仮想直線上にそろって形成されている。

このように各磁極２４を構成した回転子６２を備える回転電機６０では、磁極２４の径方向内方の中央に空隙を含む磁極抑制穴２８を設けることで、磁極２４におけるｑ軸インダクタンスＬqとｄ軸インダクタンスＬdとの差を大きくしてリラクタンストルクの向上を図ることが記載されている。

特開２００９−１２４８９９号公報

上記特許文献１の回転子６２の磁極２４では、一対の永久磁石２６と磁束抑制穴２８との三方を囲まれた鉄心部分が磁路領域３８として形成されているが、磁路領域３８において上記中央穴２８ｂの外周側縁部の近傍は永久磁石２６からの磁石磁束、および、固定子２のティース３から回転子鉄心１２内の通って流れるｑ軸磁束（図６中に点線で示される）があまり流れない領域となっており、この領域をより有効活用する余地が残されている。

本発明の目的は、磁極における磁気飽和を生じさせることなく磁極のｄ軸インダクタンスを低減してトルク向上を図れる回転電機用回転子を提供することにある。

本発明に係る回転電機用回転子は、回転子鉄心の外周部に複数の磁極が周方向に間隔を置いて設けられている回転電機用回転子であって、前記磁極はそれぞれ、周方向に離れて配置される一対の永久磁石と、前記各永久磁石の内周端部間であって径方向内方に拡張して形成されて磁束の流れを抑制する磁束抑制穴とを含み、前記磁束抑制穴は、前記永久磁石が挿入される磁石挿入穴にそれぞれ連通する２つの第１の穴と、前記第１の穴の間にブリッジ部を介して設けられる第２の穴とから構成され、前記第２の穴の外周側縁部が前記一対の永久磁石の各内周側縁部を結ぶ仮想直線よりも外周方向にせり出して拡張されており、前記２つの第１の穴と前記第２の穴との間に２つのブリッジ部が設けられ、前記第１の穴および前記第２の穴の各外周側縁部は前記仮想直線に沿って直線状に形成されるとともに、前記ブリッジ部の外周側端部が前記一対の永久磁石の各内周側縁部から、周方向磁極中心位置を通る径方向線である磁極中心線側に離れて位置しているものである。

本発明に係る回転電機用回転子において、前記第２の穴は、磁極中央に対応する中央穴とその周方向両側に位置する周方向側方穴とに分割されており、前記中央穴の外周側へのせり出し幅が前記周方向側方穴のせり出し幅よりも大きく形成されていてもよい。

また、本発明に係る回転電機用回転子において、前記一対の永久磁石は周方向に離れた位置で径方向にほぼ沿った姿勢で配置されており、前記一対の永久磁石の間であって回転子鉄心の外周面近傍に別の永久磁石が前記外周面にほぼ沿って配置されていてもよい。

本発明に係る回転電機用回転子によれば、磁極に含まれる一対の永久磁石の内周端部間であって径方向内方に拡張して形成されている磁束抑制穴のうち、磁束中央に対応する第２の穴の外周側縁部を一対の永久磁石の各内周側縁部を結ぶ仮想直線よりも外周側にせり出して拡張されていることから、一対の永久磁石と磁束抑制穴とに三方を囲まれた磁路領域を通るｑ軸磁束に影響を与えることなく、磁極２４のｄ軸インダクタンスＬdを低下させることができる。これにより、ｑ軸インダクタンスＬqとｄ軸インダクタンスＬdとの差に比例して大きくなるリアクタンストルクを増加させることができる。

本発明の一実施形態である回転電機用回転子（以下、適宜に回転子とだけいう）の軸方向断面図である。 図１の回転子を構成する回転子鉄心の軸方向端面を示す図である。 図２中の１つの磁極を拡大して固定子の一部とともに示す部分拡大図である。 図２中の磁束抑制穴の第２の穴を周方向に複数に分割した例を示す図である。 一対の永久磁石の間に別の永久磁石を配置した例を示す図である。 一対の永久磁石と磁極抑制穴とを有する磁極の従来例を示す部分拡大図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本実施形態の回転電機用回転子１０の軸方向断面を示す。回転子１０の周囲には、所定ギャップを隔てて筒状の固定子２（図３参照）が設けられる。固定子２の内周には、複数のティース３が円周方向に等間隔で且つ径方向内側へ向かって突設されている。隣り合うティース３間には、それぞれ、ティースと同数のスロット４が内周側と軸方向両端で開口して形成されている。そして、スロット４には、ティース３の周囲に巻回される固定子コイル（不図示）が挿入配置される。これにより、固定子コイルに通電されると、回転子１０を回転駆動させる回転磁界が固定子２の内側に形成されることになる。

回転子１０は、径方向中心部に軸穴２３を有する円柱状または円柱状をなす回転子鉄心１２と、回転子鉄心１２の軸穴２３を貫通して固定されるシャフト１４と、矢印Ｘで示すシャフト１４（および回転子鉄心１２）の軸方向に関して回転子鉄心１２の両側に接して配置されるエンドプレート１６と、回転子鉄心１２およびエンドプレート１６をシャフト１４上に固定する固定部材１８とを備える。

回転子鉄心１２は、例えば板厚０．３ｍｍの珪素鋼板等を円環状に打ち抜き加工してそれぞれ形成された多数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成されている。回転子鉄心１２を構成する各電磁鋼板は、回転子鉄心１２を軸方向に複数分割したブロックごとに又は全て一括してカシメ、接着、溶接等の方法によって一体に連結されている。また、回転子鉄心１２には、複数の磁極が周方向に均等な間隔で設けられている。各磁極は複数の永久磁石と磁束抑制穴とを含んで構成されるが、その詳細については後述する。さらに、回転子鉄心１２は、締り嵌めによる固定またはキー嵌合によってシャフト１４上での周方向位置が決められている。

シャフト１４は、丸棒鋼材から形成されており、その外周には径方向外側へ突出するフランジ部１５が形成されている。このフランジ部は、回転子１０が組み立てられる際にエンドプレート１６に当接してシャフト１４での回転子鉄心１２の軸方向位置を決める当り部として機能する。

エンドプレート１６は、回転子鉄心１２の軸方向端面とほぼ同じ外形状の円板によって構成される。エンドプレート１６は、例えばアルミニウム、銅等の非磁性金属材料により好適に形成されている。ここで非磁性金属材料とするのは、磁極を構成する永久磁石の軸方向端部における磁束の短絡を抑制するためである。ただし、非磁性材料であれば金属材料に限定されるものではなく、樹脂材料で形成されてもよい。

回転子鉄心１２の軸方向両側に設けられるエンドプレート１６には、回転子鉄心１２を両側から押え付ける機能、回転子１０が組み上がった後に部分的に切削加工を施して回転子１０のアンバランスを修正する機能、磁極を構成する永久磁石が回転子鉄心１２から軸方向に飛び出すのを防止する機能などがある。

なお、本実施形態ではエンドプレート１６が回転子鉄心１２とほぼ同等の直径を有するものとして説明および図示するが、磁極を構成する永久磁石が回転子鉄心内に樹脂等によって固定される場合等には、エンドプレートを小径化または廃止等してコスト低減を図ってもよい。

固定部材１８は、円筒状をなすかしめ部２０と、かしめ部２０の一方端部から径方向外側へ突出する押え部２２とを含む。固定部材１８は、その押え部２２によって回転子鉄心１２および２枚のエンドプレート１６を上記フランジ部１５に向かって押圧した状態で、かしめ部２０がシャフト１４に対してかしめられることによってシャフト１４上に固定される。これにより、回転子鉄心１２がエンドプレート１６と共にシャフト１４に対して固定されることになる。

次に、図２，３を参照して、回転子鉄心１２の構成について説明する。図２は、回転子鉄心１２の軸方向端面を示す図であるが、回転子鉄心１２を軸方向に垂直な断面の構成もこれと同様である。また、図３は、図２中の１つの磁極２４を拡大して固定子２の一部とともに示す図である。

円柱状の外形をなす回転子鉄心１２の中心部には、シャフト１４を挿入して固定するための軸穴２３が貫通して形成されている。回転子鉄心１２がシャフト１４に締り嵌めによって固定される場合、図２に示すように軸穴２３は円形であってその縁部にキーは形成されていない。ただし、回転子鉄心１２がキー嵌合を介してシャフト１４に取り付けられる場合、軸穴２３の縁部にキー（またはキー溝）が突設（または凹設）されることになる。

回転子鉄心１２の外周部には、複数の磁極２４が周方向に等間隔で設けられている。本実施形態では、８つの磁極２４が周方向に４５°間隔で設けられて例を示す。各磁極２４は、永久磁石２６の着磁方向を除いて同一構成であるため、以下においては１つの磁極２４について説明する。

磁極２４は、一対の永久磁石２６と、磁束抑制穴２８とを含む。一対の永久磁石２６は、回転子鉄心１２の外周面１３近傍の内部に埋設されている。図３に示すように、磁極２４に含まれる２つの永久磁石２６は、同じ形状および大きさを有している。すなわち、永久磁石２６は、各２つの短辺側面および長辺側面を有する扁平長方形の軸方向端面（および断面）を有するとともに、回転子鉄心１２と略同一の軸方向長さに形成されている。ただし、これに限定されるものではなく、２つの永久磁石２６の形状または大きさの少なくとも一方が異なっていてもよい。

磁極２４内において一対の永久磁石２６は、それぞれ、磁石挿入穴３２内に挿入および固定されて埋設されている。これにより、２つの永久磁石２６は、回転子鉄心１２の外周面１３へ向かって互いに間隔が広がるように略Ｖ字状または漢字の「八」の字状に配置されている。逆にいえば、一対の永久磁石２６は、内周側へ向かって互いの間隔が狭まるように配置されている。さらに、一対の永久磁石２６は、周方向磁極中心位置を通る径方向線である磁極中心線Ｃに対して両側に対称に配置されている。ただし、これに限定されるものではなく、一対の永久磁石２６が磁極中心線Ｃに対して非対称に配置されてもよい。

永久磁石２６は、回転子鉄心１２内に軸方向に延伸して形成された磁石挿入穴３２内に挿入され、永久磁石２６の長辺側面と穴内壁面との間の狭い隙間に注入される例えば熱硬化性の樹脂によって固定されている。また、永久磁石２６は、長辺側面が回転子鉄心１２の径方向に略沿った姿勢で配置されている。

上記磁石挿入穴３２の外周側には、ポケット部３４が磁石挿入穴３２に連通して形成されている。このポケット部３４は、永久磁石２６の短辺側面に沿って軸方向に延伸して形成されている。ポケット部３４は、電磁鋼板に比べて低透磁率の空隙または樹脂を内部に含むことから、永久磁石２６の長辺方向の外周端部における磁束の短絡を抑制する機能を有する。永久磁石２６を固定するための樹脂は、このポケット部３４を介して永久磁石２６の長辺側面と磁石挿入穴３２の内壁面との間に注入されてもよい。

上記磁束抑制穴２８は、磁極２４に含まれる２つの永久磁石２６の内周端部２７間であって径方向内方の位置（図３中の下側）に形成されている。磁束抑制穴２８は、電磁鋼板に比べて低透磁率の空隙（または樹脂）を内部に含むことから、永久磁石２６から発生した磁束、および固定子２から回転子鉄心１２内に進入する磁束の流れを規定する又は抑制する機能を有する。

本実施形態では磁束抑制穴２８は、２つの第１の穴２８ａ，２８ａと１つの第２の穴によって構成されている。第１の穴２８ａ，２８ａは、永久磁石２６が挿入されている磁石挿入穴３２の内周端部に連通してそれぞれ形成される。第１の穴２８ａ，２８ａは、磁極中心線Ｃに対して鏡面対対称をなす略三角形状にそれぞれ形成されている。また、第１の穴２８ａ，２８ａは、電磁鋼板に比べて低透磁率の空隙（または樹脂）を内部に含むことから、永久磁石２６の長辺方向の内周端部２７における磁束の漏れおよび短絡を抑制する機能を有する。なお、永久磁石２６を固定するための樹脂が第１の穴２８ａを介して磁石挿入穴３２に注入されてもよい。

略矩形状をなす第２の穴２８ｂは、第１の穴２８ａ，２８ａの間にブリッジ部３６をそれぞれ介して形成されている。また、第２の穴２８ｂは、周方向に関して２つの永久磁石２６，２６間の中央位置（すなわち磁極中心線Ｃに対して対称位置）にあって外周面１３に対向している。第２の穴も同様に、電磁鋼板に比べて低透磁率の空隙（または樹脂）を内部に含むことから、一対の永久磁石２６の対向面側から発生した磁束を外周側へと向かわせる機能を有するとともに、一対の永久磁石２６間の磁路領域３８を略円弧状に通過する固定子２からのｑ軸磁束の流れ（図３中に点線で示す）を規定する機能を果たす。

磁束抑制穴２８を構成する第２の穴２８ｂの外周側縁部は、一対の永久磁石２６の各内周側縁部または各内周側角部を結ぶ仮想直線３０よりも外周方向にせり出して拡張されている。これに対し、第１の穴２８ａの外周側縁部は、仮想直線３０上に位置している。したがって、第２の穴２８ｂの外周側縁部は、第１の穴２８ａの外周側縁部よりも外周方向へ幅Ｗ１だけせり出して形成されていることになる。

このようにせり出し幅Ｗ１だけ外周方向へ拡張された第２の穴２８ｂの拡張部分は、元々、一対の永久磁石２６と磁束抑制穴２８とに三方を囲まれた磁路領域３８のうちｑ軸磁束が流れないほとんど領域であり、有効活用できていなかった領域といえる。したがって、上記のように磁束抑制穴２８のうち第２の穴２８ｂを拡張することによって、ｑ軸磁束の流れに影響を与えることなく、磁極２４のｄ軸インダクタンスＬdを低下させることができる。これにより、ｑ軸インダクタンスＬqとｄ軸インダクタンスＬdとの差に比例して大きくなるリアクタンストルクを増加させることができる。

また、上記のように磁束抑制穴２８のうち第２の穴２８ｂを拡張したことで、鉄心領域の減少によって回転子鉄心１２の軽量化を図れる。これにより、トルク向上により有利になるとともに、ブリッジ部３６の幅を縮小することも可能になる。

なお、図３の例では第１の穴２８ａの外周側縁部を仮想直線３０上に位置するものとして説明したが、これに限定されるものではなく、上記第１の穴２８の外周側縁部を第２の穴２８ｂと同様に外周方向へせり出して拡張してもよい。この場合、第１の穴２８ａのせり出し幅は、上記第２の穴２８ｂのせり出し幅Ｗ１よりも小さく設定されてもよいし、あるいは、上記第２の上記第２の穴２８のせり出し幅Ｗ１と等しく設定されてもよい。

次に、図４を参照して、上記実施形態の変形例について説明する。

図４は、磁極２４を構成する磁束抑制穴２８の第２の穴２８ｂを複数の穴で構成した例を示す。この例では、上記第２の穴２８ｂが周方向に３つに分割されている。すなわち、磁極中央に対応する中央穴２８ｄと、その周方向両側にブリッジ部３６ｂを介して隣接する周方向側方穴２８ｃとに分割されている。この場合、周方向側方穴２８ｃのせり出し幅Ｗ２は、中央穴２８ｄのせり出し幅Ｗ１よりも小さく設定されている。ただし、これに限定されるのもではなく、中央穴２８ｄおよび周方向側方穴２８ｃの各せり出し幅を等しく設定してもよい。この例による磁極２４を有する回転子によっても上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。加えて、１磁極当りのブリッジ部の本数が増えることで、磁極２４における耐遠心力強度および耐トルク強度も向上する。

なお、上記においては各磁極に２つの永久磁石が含まれる例について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図５に示すように、一対の永久磁石２６に加えて別の永久磁石４０をさらに含んでもよい。この場合、永久磁石４０は、回転子鉄心１２内において外周面１３近傍に周方向に略沿って配置されている。これにより、上記永久磁石４０と一対の永久磁石２６および磁束抑制穴２８との間には、略円弧状または略Ｕ字状に磁路領域３８が形成されることになる。

１０ 回転電機用回転子、１２ 回転子鉄心、１３ 外周面、１４ シャフト、１５ フランジ部、１６ エンドプレート、１８ 固定部材、２０ かしめ部、２２ 押え部、２３ 軸穴、２４ 磁極、２６，４０ 永久磁石、２７ 内周端部、２８ 磁束抑制穴、２８ａ 第１の穴、２８ｂ 第２の穴、２８ｃ 周方向側方穴、２８ｄ 中央穴、３０ 仮想直線、３２ 磁石挿入穴、３４，４２ ポケット部、３６，３６ａ，３６ｂ ブリッジ部、３８ 磁路領域、Ｌd ｄ軸インダクタンス、Ｌq ｑ軸インダクタンス、Ｗ１，Ｗ２ せり出し幅。

Claims (3)

1. 回転子鉄心の外周部に複数の磁極が周方向に間隔を置いて設けられている回転電機用回転子であって、
   前記磁極はそれぞれ、周方向に離れて配置される一対の永久磁石と、前記各永久磁石の内周端部間であって径方向内方に拡張して形成されて磁束の流れを抑制する磁束抑制穴とを含み、前記磁束抑制穴は、前記永久磁石が挿入される磁石挿入穴にそれぞれ連通する２つの第１の穴と、前記第１の穴の間にブリッジ部を介して設けられる第２の穴とから構成され、前記第２の穴の外周側縁部が前記一対の永久磁石の各内周側縁部を結ぶ仮想直線よりも外周方向にせり出して拡張されており、
   前記２つの第１の穴と前記第２の穴との間に２つのブリッジ部が設けられ、前記第１の穴および前記第２の穴の各外周側縁部は前記仮想直線に沿って直線状に形成されるとともに、前記ブリッジ部の外周側端部が前記一対の永久磁石の各内周側縁部から、周方向磁極中心位置を通る径方向線である磁極中心線側に離れて位置している、
   回転電機用回転子。
2. 請求項１に記載の回転電機用回転子において、
   前記第２の穴は、磁極中央に対応する中央穴とその周方向両側に位置する周方向側方穴とに分割されており、前記中央穴の外周側へのせり出し幅が前記周方向側方穴のせり出し幅よりも大きく形成されていることを特徴とする回転電機用回転子。
3. 請求項１または２に記載の回転電機用回転子において、
   前記一対の永久磁石は周方向に離れた位置で径方向にほぼ沿った姿勢で配置されており、前記一対の永久磁石の間であって回転子鉄心の外周面近傍に別の永久磁石が前記外周面にほぼ沿って配置されていることを特徴とする回転電機用回転子。

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