JP5722301B2 - 埋込磁石型同期電動機の回転子および埋込磁石型同期電動機 - Google Patents

Description

本発明は、高速回転可能な埋込磁石型同期電動機の回転子および埋込磁石型同期電動機に関する。

従来より、略円同状の回転子コアに周方向複数の磁石収容孔を設け、各磁石収容孔にそれぞれ永久磁石を埋め込んで回転子を構成するようにした埋込磁石型の同期電動機が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の電動機では、互いに対向する直線状の外壁および内壁と、外壁の端部から周方向に延びる端部壁と、端部壁と内壁とを接続する通路壁とにより磁石収容孔が形成される。そして、外壁と内壁との間に磁石が埋め込まれ、磁石の周方向両側（端部壁の内径側）に間隙が形成される。さらに、端部壁の径方向外側における回転子コアの外周面に、端部壁と平行に凹部が設けられ、端部壁と凹部との間に、径方向の厚さが一定のブリッジ部が形成される。

特許第３５３３２０９号公報

上記特許文献１記載の回転子は、空隙の径方向外側に厚さ一定の薄肉のブリッジ部を有しており、回転子コアの断面形状が端部壁の周方向両端部で急激に変化する。このため、回転子コアの端部壁の両端部に応力が集中し、回転子を回転させた際に、遠心力によって薄肉のブリッジ部が破断するおそれがある。

本発明の一態様は、軸線を中心に回転する回転子コアと、回転子コアに周方向複数箇所に開口され、軸線に対し平行に延在する複数のスロット孔と、複数のスロット孔にそれぞれ収容された長方形の断面形状を有する複数の永久磁石であって、周方向に隣り合う前記スロット孔に、径方向に互いに異なる磁極が位置するように収容された複数の永久磁石とを備えた埋込磁石型同期電動機の回転子である。この回転子コアのスロット孔は、周方向に延在する第１外径面と、第１外径面よりも径方向内側において第１外径面に対向して周方向に延在する第１内径面との間に形成され、永久磁石が収容される収容部と、第１外径面から周方向に延在する第２外径面と、第１内径面から周方向に延在する第２内径面と、第２外径面と第２内径面とを接続する接続面とにより形成され、収容部の周方向両側に開口された開口部とを有する。そして、第２外径面は、回転子コアの外周面までの径方向の距離が、第２外径面の周方向両端部から周方向中間部にかけて徐々に小さくなるように曲面状に形成され、接続面は、開口部の断面形状が略三角形状となるように開口部の周方向外側に向けて凸状をなす曲面により構成され、開口部の径方向における最大長さは、永久磁石の径方向の厚さよりも長い。

また、本発明の一態様による埋込磁石型同期電動機は、上記回転子と、回転子の周囲に配置された固定子とを有する。

本発明によれば、スロット孔の開口部の第２外径面を、回転子コアの外周面までの径方向の距離が周方向中間部にかけて徐々に小さくなるように曲面状に形成したので、断面形状が緩やかに変化するブリッジ部の中間部において径方向の断面積が最小となり、ブリッジ部に作用する最大応力を低減することができる。

本発明の実施形態に係る埋込磁石型同期電動機の概略構成を示す断面図。 図１の回転子の要部構成を拡大して示す図。 図２の比較例を示す図。 図２の比較例を示す図。 図２の開口部の周方向および径方向の長さの設定を説明する図。 図１の変形例を示す図。 図６の比較例を示す図。 図２の変形例を示す図。

以下、図１〜図８を参照して本発明の実施形態に係る埋込磁石型同期電動機について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る埋込磁石型同期電動機の概略構成を示す断面図である。図１に示す電動機１００は、軸線Ｌ０を中心に回転する略円筒形状の回転子１と、回転子１の全周を包囲するように、回転子１の周囲に配置された略円筒形状の固定子２（周方向一部の図示を省略）とを有する。固定子２は、電磁鋼板を軸方向に積層してなる固定子コア３を有する。固定子コア３の内周面には、周方向複数のスロット溝３ａが径方向外側に向けて形成され、スロット溝３ａにコイル４が配置されている。

回転子１は、電磁鋼板を軸方向に積層してなり、全周にわたって円筒状の内周面１０ａと外周面１０ｂとを有する回転子コア１０と、回転子コア１０に周方向複数個所に開口され、軸線Ｌ０に対し平行に延在する複数のスロット孔２０と、各スロット孔２０に装填された（埋め込まれた）複数の永久磁石３０とを有する。磁石３０は、周方向に隣り合うスロット孔２０に、径方向に向けて互いに異なる磁極が位置するように収容されている。したがって、回転子コア１０の外周面１０ｂに沿ってＮ極とＳ極とが交互に形成され、図では、極数が１２極となっている。回転子１は、コイル４に３相交流を流して回転磁界を発生させることで、回転磁界に同期して回転する。

本実施形態に係る電動機１００は、例えばビルトインモータとして工作機械の主軸に組み込まれる。すなわち、主軸の外周面に回転子コア１０の内周面１０ａが焼嵌め等により固定される。一般に、工作機械の主軸には、十分な加工精度を確保するために高い剛性が要求される。主軸の剛性を高めるためには、主軸を大径化して、断面二次モーメントを大きくする必要がある。このため、回転子１は主軸の直径に対応した比較的大きい内径を有する。一方、回転子１には主軸を高速回転させる機能が要求され、そのためには遠心力によって作用する回転子１の最大応力を抑える必要がある。

図２は、図１の回転子１の要部構成を拡大して示す図であり、とくにスロット孔２０の端部の形状を示している。図２に示すように、スロット孔２０は、磁石３０が収容される収容部２１と、収容部２１に連なり、収容部２１の側方に開口された開口部２２とを有する。なお、図１に示すように、スロット孔２０および磁石３０は周方向対称形状を呈し、開口部２２は収容部２１の周方向両側に形成されている。このため、図２に示すように、回転子コア１０は、周方向に隣り合う開口部２２と開口部２２との間に、径方向に延在する歯部２３（ｑ軸歯部）を有する。

歯部２３は、回転子１のリラクタンストルクの発生に寄与するため、リラクタンストルクを大きくするためには、周方向の幅Ｗ（ｑ軸歯幅）はできるだけ大きい方が好ましい。一方、ｑ軸歯幅を大きくすると、磁石３０の幅が狭くなり、磁束が減少するとともに、インダクタンスが大きくなり、電圧不足に陥るおそれがある。この点を考慮して、ｑ軸歯幅が設定される。すなわち、リラクタンストルクの利用度合いを高める場合には、ｑ軸歯幅を大きくし、リラクタンストルクの利用度合いを高める必要がない場合には、ｑ軸歯幅を小さくする。

開口部２２は、磁石３０の側方における磁束の短絡を防止するために設けられる。例えば、図３に示すように磁石３０の側方に開口部２２がない場合、磁束の一部は固定子２を経由せず、図の矢印に示すように磁石３０の対極側に回り込む。すなわち、磁束が短絡（ショートカット）する。このような磁束の短絡はトルクの発生に寄与しないため、磁束の短絡をできるだけ抑える必要がある。そこで、本実施形態では、図２に示すように磁石３０の側方に電磁鋼板（いわゆる鉄心）が存在しない部分（開口部２２）を設け、磁束が効率的に固定子２を通過するように構成する。なお、開口部２２は単なる空隙でもよく、樹脂等の非磁性体を充填するようにしてもよい。

このような埋込磁石型電動機１００において、回転子１が回転した際に回転子コア１０に作用する応力が高くなりやすい領域は、開口部２２の径方向外側の部分（以下、ブリッジ部２４と呼ぶ）と、スロット孔２０の内径側の鉄心部分（以下、スロット孔内径部２５と呼ぶ）である。このうち、スロット孔２０の内径側の部分は、スロット孔内径部２５の径方向の厚さ（断面積）が最小となる部分において特に応力が大きくなる。このスロット孔内径部２５の最大応力は、回転子１の内径を小さくする等、断面積を適宜変更することで、低減することができる。

一方、ブリッジ部２４については、回転子１の内径を小さくしても応力低減効果が得られない。その理由は、ブリッジ部２４には、磁石３０の質量による遠心力と回転子コア１０のスロット孔２０の径方向外側部分の質量による遠心力とによって、主に周方向の引張応力が作用するからである。とくに、本実施形態では、回転子１が高速回転するため、ブリッジ部近傍に作用する応力が大きくなりやすい。そこで、本実施形態では、ブリッジ部近傍に作用する最大応力を低減するために、以下のように回転子１を構成する。なお、スロット孔内径部２５の破損は電動機全体に大きな被害をもたらすため、スロット孔内径部２５の最大応力がブリッジ部２４の最大応力よりも小さくなるように構成することが好ましい。

図２に示すように、スロット孔２０の収容部２１は、軸線Ｌ０を中心とした円の接線方向に延在する外径側収容辺２１１と、外径側収容辺２１１よりも内径側において軸線Ｌ０を中心とした円の接線方向に延在し、外径側収容辺２１１に対向する内径側収容辺２１２とにより形成されている。これら一対の収容辺２１１，２１２は、互いに平行かつそれぞれ直線状に延在し、断面矩形状の磁石３０が収容部２１に装填されている。

磁石３０は、磁石３０のＮ極およびＳ極を形成する一対の磁極面３０１，３０２の長さが磁極面３０１，３０２に交差する一対の側面３０３よりも長く、断面長方形状を呈する。磁極面３０１，３０２の中心を通る中心線Ｌ１により磁石３０の向きを定義すると、磁石３０（中心線Ｌ１）は、軸線Ｌ０を中心とした円の接線方向に延在している。

磁石３０は、フェライト磁石よりも磁気エネルギーの大きい磁石、例えば希土類磁石によって構成することが好ましい。希土類磁石としては、例えばネオジム−鉄−ボロン系の希土類磁石を用いることができる。これにより磁石３０の厚さを薄くすることができ、回転子１の内径を容易に大きくすることができる。また、磁石３０を薄肉化すると、磁石３０の質量による遠心力が減少するため、ブリッジ部２４に作用する応力を低減することができる。

スロット孔２０の開口部２２は、外径側収容辺２１１から周方向に延在する外径側開口辺２２１と、外径側開口辺２２１に対向し、内径側収容辺２１２から周方向に延在する内径側開口辺２２２と、外径側開口辺２２１と内径側開口辺２２２とを接続する接続辺２２３とにより形成される。なお、スロット孔２０は軸線Ｌ０方向に延在しており、図２の各辺２１１，２１２，２２１〜２２３は、それぞれ軸線方向に延在する面を定義する。

図中の点線Ｓ１は、外径側収容辺２１１と外径側開口辺２２１との接続点Ｐ１と軸線Ｌ０とを結ぶ線であり、点線Ｓ２は、歯部２３の幅Ｗが最小となる接続辺２２３上の点Ｐ２と軸線Ｌ０とを結ぶ線である。これら点線Ｓ１，Ｓ２と外径側開口辺２２１と、回転子コア１０の外周面１０ｂとによって囲まれる領域が、ブリッジ部２４となる。

外径側開口辺２２１は、径方向外側に凸状の滑らかな曲線（例えば曲率半径がｒ１の円弧）によって形成され、外径側開口辺２２１と外径側収容辺２１１および接続辺２２３とは滑らかに接続されている。外径側開口辺２２１の曲率半径ｒ１は、軸線Ｌ０から外径側開口辺２２１までの長さより小さい。したがって、外径側開口辺２２１から回転子コア１０の外周面１０ｂまでの径方向の長さは、ブリッジ部２４の周方向両端部２４１，２４２から周方向中間部２４３にかけて徐々に小さくなっている。すなわち、ブリッジ部２４の点線Ｓ１，Ｓ２上の長さΔＬ１，ΔＬ２よりも中間部２４３における径方向長さΔＬ３の方が小さくなっており、ブリッジ部２４は中間部２４３において最小厚さとなっている。なお、ブリッジ部２４の両端部２４１，２４２における厚さΔＬ１，ΔＬ２は互いにほぼ等しい。

外径側開口辺２２１を単一の円弧ではなく、複数の円弧を組み合わせた滑らかな複合曲線により構成してもよい。この場合、最大曲率半径が、軸線Ｌ０から外径側開口辺２１１の最外径部までの長さよりも小さくなるように、換言すると、固定子コア１０の外周面１０ｂを最小厚さΔＬ３分だけ内径側にオフセットした円弧の曲率半径よりも小さくなるようにすればよい。ここで、「滑らか」とは、応力集中を抑えるように外径側開口辺２２１の曲線を構成することを意味する。例えば、曲率半径の異なる複数の曲線を接続して外径側開口辺２２１を構成する場合、両者が幾何学的に接する関係、すなわち、複数の曲線の接点において両者が共通の接線を有するように接続することが好ましい。

接続辺２２３は、開口部２２の周方向外側に向けて凸状に形成され、外径側開口辺２２１と内径側開口辺２２２と磁石３０の側面３０３とによって囲まれた開口部２２は、全体が略三角形状を呈する。接続辺２２３は、単一の円弧からなる曲線または複数の円弧を組み合わせた滑らかな複合曲線により構成することができる。この接続辺２２３を構成する円弧の曲率半径（複合曲線の場合には曲率半径の最小値）は、開口辺２２１，２２２の曲率半径よりも小さい。本実施形態では、内径側開口辺２２２の端部に凸部２２ｂを設けているが、この凸部２２ｂを無視すると、接続辺２２３の曲率半径は、開口部２２を形成する辺の中で最小である。

接続辺２２３を凸状に形成することで、歯部２３にくびれ部（点Ｐ２）が形成される。このため、歯部２３は周方向の幅が一定の直線部分を有さず、歯部幅Ｗ（ｑ軸歯幅）は、くびれ部で最小となる。これに対し、本実施形態の比較例である図４に示すように、開口部２２が外径側および内径側の一対の辺２２１ａ，２２２ａと径方向に延在する辺２２３ａとにより構成されると、歯部２３は幅Ｗが一定の直線部分を有することとなる。

図２に示すように、内径側開口辺２２２は、接続辺２２３から内径側に斜めに傾斜した直線部２２ａと、開口辺２２２と収容辺２１２の境界部において径方向外側に突出した凸部２２ｂとを有する。内径側開口辺２２２は、接続辺２２３から直線部２２ａ、凸部２２ｂおよび内径側収容辺２１２にかけて滑らかに接続されている。

直線部２２ａを内径側に傾斜して設けることで、開口部２２の径方向の最大長さ（図５のＤ２）を拡大することができる。凸部２２ｂは、収容部２１における磁石３０の位置を規制する位置決め部として機能する。外径側開口辺２２１に比べて応力が小さい内径側開口辺２２２に凸部２２ｂを設けているので、凸部２２ｂの近傍における応力は、ブリッジ部２４に作用する最大応力よりも小さい。

以上のように構成された本実施形態に係る電動機１００において、回転子１が回転すると、磁石３０およびスロット孔２０の径方向外側部分の遠心力によりブリッジ部２４に応力が作用する。この場合、外径側開口辺２２１の端部（例えば接続辺２２３側の端部２４１）においてブリッジ部２４の断面形状が急激に変化するが、開口部２２は略三角形状であるため、端部２４１の径方向厚さΔＬ１は中間部２４３の径方向長さΔＬ３に比べて長い。このため、ブリッジ部２４の断面積が最小である中間部２４３において応力が最大となる。

本実施形態では、外径側開口辺２２１が直線部分を含まない滑らかな曲線により構成されている。このため、中間部２４３の応力集中が抑えられ、ブリッジ部２４の最大応力を低減することができる。すなわち、ブリッジ部２４に作用する応力は中間部２４３を中心として両端部２４１，２４２にかけて緩やかに減少し、ブリッジ部２４の全域の広範囲にわたって緩やかに応力が変化する変化域が生じる。これにより、中間部２４３の最大応力を抑えることができ、回転子１の高回転が可能となる。

これに対し、図４に示すようにブリッジ部２４の径方向厚さΔＬが周方向にわたって一定となるように外径側の辺２２１ａを構成すると、辺２２１ａの周方向両端部Ａ１，Ａ２においてブリッジ部２４の断面形状が急激に変化する。この場合、ブリッジ部２４の両端部Ａ１，Ａに最大応力が発生する。この最大応力の発生する部位Ａ１，Ａ２の曲率半径は、本実施形態の最大応力が発生する部位（中間部２４３）の曲率半径よりも小さいため、図４の構成では最大応力が大きくなりやすい。その結果、Ａ１，Ａ２の２箇所を起点としてブリッジ部２４が破断し、破断部分が径方向に飛散して、電動機１００が大きく損傷するおそれがある。

なお、図４の開口部２２の辺２２１ａを、例えば軸線Ｌ０を中心とした円の接線方向に沿って直線状に形成した場合には、ブリッジ部２４の両端部の断面積が最小となる。このため、Ａ１、Ａ２における最大応力が一層増大し、ブリッジ部２４はＡ１，Ａ２を起点としてより破断しやすくなる。

本実施形態の回転子１において、開口部２２の周方向および径方向の長さは以下のように構成することが好ましい。図５は、開口部２２の周方向および径方向の長さの設定を説明する図である。図５に示すように、歯部２３の幅が最小となる接続辺２２３上の点Ｐ２から磁石３０の側面３０３までの最短距離をＤ１、開口部２２の径方向長さの最大値をＤ２、磁石の厚さ（磁極面間の距離）をＤ３とする。

このとき、Ｄ１はＤ２よりも長く、Ｄ２はＤ３よりも長い。例えばＤ１はＤ３の１．５倍以上であり、開口部２２は周方向および径方向に十分な長さを有する。このため、図示のように回転子１に減磁方向の磁界が作用すると、減磁界は開口部２２よりも磁気抵抗の小さいブリッジ部２４を通過するようになり、磁石３０が減磁されにくい。

これに対し、図４に示すように開口部２２の周方向および径方向の長さが磁石３０の厚さよりも短い場合、開口部２２の磁気抵抗が十分に大きくならず、減磁界が図の矢印のように開口部２２を通過する。その結果、磁石３０の角部が減磁されるおそれがある。

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）回転子１のスロット孔２０に、磁石３０が収容される収容部２１と、収容部２１の周方向両側に開口された開口部２２とを設けた。すなわち、互いに対向して周方向に延在する外径側収容辺２１１および内径側収容辺２１２により収容部２１を形成するとともに、外径側収容辺２１１から周方向に延在する外径側開口辺２２１と、内径側収容辺２１２から周方向に延在する内径側開口辺２２２と、これら開口辺２２１，２２２を接続する接続辺２２３とにより開口部２２を形成した。そして、外径側開口辺２２１から回転子コア１０の外周面１０ｂまでの径方向の長さが、その周方向両端部２４１，２４２から周方向中間部２４３にかけて徐々に小さくなるように外径側開口辺２２１を曲面状に形成した。すなわち、外径側開口辺２２１を径方向外側に向けて凸状に形成し、中間部２４３にブリッジ部２４の径方向厚さの極小値が生じるようにした。

これにより、ブリッジ部２４は中間部２４３で径方向の断面積が最小となって、断面形状が緩やかに変化する中間部２４３において最大応力が作用するようになる。その結果、ブリッジ部２４に作用する最大応力を低減することができ、回転子１を高速回転させることができる。最大応力はブリッジ部２４の複数個所ではなく１箇所（中間部２４３）に作用するため、仮にその部位が破断しても、ブリッジ部２４が固定子２側に飛散することを防止できる。

（２）接続辺２２３を、開口部２２の周方向外側に向けて凸状をなす曲面状に構成するので、ブリッジ部２４の周方向端部２４１の断面積を容易に増大させることができ、周方向端部２４１の応力を低減することができる。また、開口部２２が略三角形状となり、開口部２２の外径側開口辺２２１および内径側開口辺２２２に沿って磁束を効率よく通過させることができる。

（３）スロット孔２０の収容部２１をなす外径側収容辺２１１および内径側収容辺２１２を、それぞれ平坦かつ互いに平行に形成するようにしたので、収容部２１には凹凸がなく、収容部２１の応力集中を抑えることができる。また、収容部２１の形状に対応して長方形断面の磁石３０を用いることができ、磁石３０の構成も容易である。

（４）回転子コア１０が凹凸のない円弧状の外周面１０ｂを全周にわたって有するようにしたので、ブリッジ部２４の径方向の厚さが滑らかに変化するようになり、応力集中を軽減することができる。また、外周面１０ｂにおける形状的な応力集中も防ぐことができる。

（５）フェライト磁石よりも磁気エネルギーの高い希土類磁石により磁石３０を構成すれば、少ない磁石で必要な磁束を得ることができ、必要トルクを得るための磁石３０の体積を抑えることができる。その結果、磁石３０の質量により作用する遠心力が減少し、回転子１の高速化が可能となる。

（６）回転子コア１０の歯部２３の幅Ｗが最小となる接続辺２２３上の点Ｐ２から磁石３０の側面３０３までの開口部２２の長さＤ１を、磁石３０の径方向の厚さＤ３よりも長くした。これにより、開口部２２における磁気抵抗が大きくなり、減磁方向の磁界が作用した際に、磁石３０の角部および開口部２２を通って歯部２３へと抜ける減磁界を低減することができる。

（７）開口部２２の径方向における最大長さＤ２を、磁石３０の径方向の厚さＤ３よりも長くしたので、開口部２２における磁気抵抗が径方向においても大きくなり、磁石３０の角部の減磁作用を抑えることができる。

（８）開口部２２の内径側開口辺２２２に、径方向外側に向けて突出した凸部２２ｂを設けるようにしたので、凸部２２ｂにより磁石３０を収容部２１に容易に位置決めすることができる。この場合、開口部２２の内径側は外径側に比べて径方向の厚さが厚く、発生する応力は小さいので、凸部２２ｂ近傍の応力は過大とならずに済む。

（９）内径側開口辺２２２に、周方向に直線状に延在する直線部２２ａを設けるようにしたので、内径側磁極面３０２へスムーズに磁束を通すことができる。すなわち、磁束が余計な弧を描かずに最短距離で通るようになり、効率的である。

なお、上記実施形態では、回転子１の極数を１２極としたが、極数はこれより多くても少なくてもよい。例えば、４極、６極、８極等、極数が少ない場合、周方向の磁石３０の幅が長くなり、磁石３０の質量が増大して、ブリッジ部２４に作用する応力も増加する。この場合には、スロット孔２０と磁石３０をそれぞれ周方向で２分割し、分割された一対のスロット孔２０，２０の間に回転子コア１０が介在することで、ブリッジ部２４に作用する応力を軽減することができる。以下、この点について説明する。

図６は、スロット孔２０と磁石３０を周方向で２分割した回転子１の一例を示す図である。図６に示すように、各スロット孔２０は、その周方向中間部である回転子コア１０の分断部２６を介して２分割され、軸線Ｌ０を中心とした円の接線方向に沿って一対のスロット孔２０１，２０２（第１スロット孔２０１、第２スロット孔２０２）が並設されている。第１スロット孔２０１および第２スロット孔２０２には、径方向に互いに同一の磁極が位置するようにそれぞれ磁石３１，３２が収容されている。

このように回転子コア１０に分断部２６を設けてスロット穴２０を第１スロット孔２０１と第２スロット孔２０２とに周方向に分断することで、分断部２６で遠心力を受け持つことができる。その結果、ブリッジ部２４に負荷される荷重が軽減され、ブリッジ部２４の最大応力を低減することができる。

また、第１スロット孔２０１と第２スロット孔２０２は、軸線Ｌ０を中心とした円の接線方向に沿って直線状に並設されているので、分断部２６が回転子コア１０の外径寄りに位置し、回転子コア１０の大内径化を容易に実現できるとともに、回転子コア１０の内径部における過大な応力の発生を防止することができる。すなわち、例えば図７に示すように一対のスロット孔２０１ａ，２０２ａをＶ字状に配置すると、スロット孔２０の周方向端部Ａにおける回転子コア１０の肉厚ΔＬが極小となり、端部Ａに過大な応力が作用する。これを避けるためには、回転子コア１０の内径を小さくして肉厚ΔＬを増加させる必要があり、回転子コア１０の大内経化を阻害する。

なお、上記実施形態（図２）では、外径側収容辺２１１（第１外径面）と内径側収容辺２１２（第１内径面）をそれぞれ直線状に形成したが、互いに対向して周方向に延在するのであれば、第１外径面と第１内径面の構成、すなわち収容部２１の構成は上述したものに限らない。また、外径側収容辺２１１から周方向に延在する外径側開口辺２２１（第２外径面）と、内径側収容辺２１２から周方向に延在する内径側開口辺２２２（第２内径面）と、これら開口辺２２１，２２２を接続する接続辺２２３（接続面）とにより開口部２１を形成したが、これら第２外径面、第２内径面および接続面の構成、すなわち開口部の構成も上述したものに限らない。

接続辺２２３を周方向外側に向けて凸状に形成し、開口部２２を略三角形状としたが、外径側開口辺２２２から回転子コア１０の外周面１０ｂまでの径方向の距離（ブリッジ部２４の径方向長さ）が、その周方向両端部２４１，２４２から周方向中間部２４３にかけて徐々に小さくなるように、外径側開口辺２２１が曲面状に形成されるのであれば、開口部２２の形状は上述したものに限らず、例えば略四角形状でもよい。したがって、周方向に隣り合う一対の開口部２２の間の歯部２３（非スロット孔部）の形状も上述したものに限らない。歯部２３に直線部がある場合であっても、その歯部２３の幅Ｗが最小となる接続辺２２３上の点から磁石３０の側面３０３までの開口部２２の長さＤ１は、磁石３０の径方向の厚さＤ３よりも長いことが好ましい。

内径側開口辺２２に直線部２２ａと位置決め用の凸部２２ｂとを設けたが、内径側開口辺２２の形状には種々のもの考えられる。例えば、図８に示すように、直線部２２ａの代わりに、径方向内側に凸状をなす曲線部２２ｃを設けるようにしてもよい。これによっても、内径側磁極面３０２へスムーズに磁束が通り、効率的な磁束の流れが可能である。内径側開口辺２２が、直線部２２ａと曲線部２２ｃの両方を有するものとしてもよい。上記実施形態では、回転子コア１０の外周面１０ｂを、全周にわたって凹凸のない円弧状に形成したが、外周面１０ｂのうち、少なくともブリッジ部２４の外周面を凹凸のない円弧状に形成するのであれば、他の部位に凹凸があってもよい。例えば、応力状態に与える影響が小さい歯部２３の外周面に凹部を設けてもよい。

なお、回転子コア１０は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層して一体に形成されるが、複数の電磁鋼板は、接着剤によって接合される接着鋼板として構成することが好ましい。例えば、電磁鋼板の表面（スロット孔２０を除く全面）に熱可塑性の接着剤を塗布して複数の電磁鋼板を積層し、この積層された電磁鋼板に、治具等を用いて軸方向に所定の圧縮力を負荷する。さらに、圧縮力を負荷した電磁鋼板を電気炉に入れて、接着剤が溶融する温度まで加熱した後に冷却し、電気炉から取り出す。これにより接着剤を介して複数の電磁鋼板が一体に接合される。このように接着剤を用いて回転子コア１０を形成すると、複数の電磁鋼板を結合するための構造的な結合部を設ける必要がなく、新たな応力集中の発生を抑えることができる。

電磁鋼板を結合する他の方法として、例えばカシメによる結合と、ボルト（タイボルト）による結合が考えられる。カシメにより電磁鋼板を結合する場合、まず、各電磁鋼板の一部分（例えば内周縁部）を金型によってせん断し、せん断箇所を軸方向に折り曲げて塑性変形させ、突き出し部を形成するとともに電磁鋼板の内周縁部に凹部を形成する。この突き出し部を、隣接する電磁鋼板の凹部に押し込み、電磁鋼板同士を結合する。この場合、突き出し部と凹部がカシメ部となり、カシメ部が周方向複数個所に存在する。カシメ部には応力集中が発生するため、カシメによる結合は、高速回転する回転子コア１０に適用するには不向きである。

また、タイボルトにより電磁鋼板を結合する場合、各電磁鋼板に貫通孔を穿設し、積層した電磁鋼板の貫通孔に軸方向全長にわたりタイボルトを挿入し、タイボルトの端部にナットを締結する。このように複数の電磁鋼板をタイボルトを介して締結すると、貫通孔が新たな応力集中箇所となるため、この場合も、高速回転する回転子コア１０に適用するには不向きである。

回転子１の周囲に固定子２を配置して埋込磁石型同期電動機１００を構成するのであれば、電動機１００の構成は図１に示したものに限らない。上記実施形態では、埋込磁石型同期電動機１００を工作機械の主軸駆動用として用いるようにしたが、他の機械にも同様に適用することができる。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態および変形例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。すなわち、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能である。

１ 回転子
２ 固定子
１０ 回転子コア
２０ スロット孔
２１ 収容部
２２ 開口部
２２ｂ 凸部
２３ 歯部
２６ 分断部
３０ 永久磁石
１００ 埋込磁石型同期電動機
２０１ 第１スロット孔
２０２ 第２スロット孔
２１１ 外径側収容辺
２１２ 内径側収容辺
２２１ 外径側開口辺
２２２ 内径側開口辺
２２３ 接続辺

Claims (11)

1. 軸線を中心に回転する回転子コアと、
   前記回転子コアに周方向複数箇所に開口され、前記軸線に対し平行に延在する複数のスロット孔と、
   前記複数のスロット孔にそれぞれ収容された長方形の断面形状を有する複数の永久磁石であって、周方向に隣り合う前記スロット孔に、径方向に互いに異なる磁極が位置するように収容された複数の永久磁石と、を備えた埋込磁石型同期電動機の回転子において、
   前記スロット孔は、
   周方向に延在する第１外径面と、該第１外径面よりも径方向内側において第１外径面に対向して周方向に延在する第１内径面との間に形成され、前記永久磁石が収容される収容部と、
   前記第１外径面から周方向に延在する第２外径面と、前記第１内径面から周方向に延在する第２内径面と、前記第２外径面と前記第２内径面とを接続する接続面とにより形成され、前記収容部の周方向両側に開口された開口部と、を有し、
   前記第２外径面は、前記回転子コアの外周面までの径方向の距離が、前記第２外径面の周方向両端部から周方向中間部にかけて徐々に小さくなるように曲面状に形成され、
   前記接続面は、前記開口部の断面形状が略三角形状となるように前記開口部の周方向外側に向けて凸状をなす曲面により構成され、
   前記開口部の径方向における最大長さは、前記永久磁石の径方向の厚さよりも長いことを特徴とする埋込磁石型同期電動機の回転子。
2. 請求項１に記載の埋込磁石型同期電動機の回転子において、
   前記第１外径面および前記第１内径面は、それぞれ平坦に、かつ、互いに平行に形成されていることを特徴とする埋込磁石型同期電動機の回転子。
3. 請求項１または２に記載の埋込磁石型同期電動機の回転子において、
   前記回転子コアは、凹凸のない円弧状の外周面を全周にわたって有することを特徴とする埋込磁石型同期電動機の回転子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の埋込磁石型同期電動機の回転子において、
   前記回転子コアは、前記複数のスロット孔をそれぞれ第１スロット孔と第２スロット孔とに周方向に分断する分断部を有し、
   前記永久磁石は、前記第１スロット孔および前記第２スロット孔に、径方向に互いに同一の磁極が位置するようにそれぞれ収容されていることを特徴とする埋込磁石型同期電動機の回転子。
5. 請求項４に記載の埋込磁石型同期電動機の回転子において、
   前記第１スロット孔および前記第２スロット孔は、前記軸線を中心とした円の周方向の接線に沿って並設されていることを特徴とする埋込磁石型同期電動機の回転子。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の埋込磁石型同期電動機の回転子において、
   前記永久磁石は、フェライト磁石よりも磁気エネルギーの高い希土類磁石であることを特徴とする埋込磁石型同期電動機の回転子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の埋込磁石型同期電動機の回転子において、
   前記回転子コアは、周方向に隣り合う一対の前記開口部の間に非スロット孔部を有し、
   前記非スロット孔部の幅が最小となる前記接続部上の点から前記永久磁石の周方向端面までの前記開口部の長さは、前記永久磁石の径方向の厚さよりも長いことを特徴とする埋込磁石型同期電動機の回転子。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の埋込磁石型同期電動機の回転子において、
   前記第２内径面は、径方向外側に向けて突出した、前記永久磁石の位置決め用の凸部を有することを特徴とする埋込磁石型同期電動機の回転子。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の埋込磁石型同期電動機の回転子において、
   前記第２内径面は、直線部および径方向内側に凸状をなす曲線部の少なくとも一方を周方向にかけて有することを特徴とする埋込磁石型同期電動機の回転子。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の埋込磁石型同期電動機の回転子において、
    前記回転子コアは、複数の電磁鋼板を積層してなり、軸方向に隣り合う電磁鋼板は、接着剤を介して互いに接合されていることを特徴とする埋込磁石型同期電動機の回転子。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の回転子と、
    前記回転子の周囲に配置された固定子と、を有することを特徴とする埋込磁石型同期電動機。

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