JP2001028852A - 永久磁石回転型回転電機及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】コギングトルクを減少させるとともに、騒音の
低減を図り、かつ、安価な材料で構成された永久磁石回
転型回転子が遠心力により破損するのを防止する。 【解決手段】積層回転子コアの外周近傍には、軸方向に
延びる磁石挿入孔が円周方向に沿って複数個設けられて
おり、磁石挿入孔は軸方向に複数分割されかつそれぞれ
周方向に所定の角度だけシフトして設けられており、永
久磁石は、磁石挿入孔内に配置され、磁石挿入孔との隙
間に充填された隙間充填剤により積層回転子コアに固定
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、永久磁石回転型回
転電機に係り、特に高速回転に適し、信頼性の高い永久
磁石回転型回転電機及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】永久磁石回転子を有する回転電機では、
コギングトルクを減少させるために回転子をスキューさ
せることが行われている。例えば、特開昭63−140645号
公報や特開昭64−64548 号公報には、積層回転子コアを
永久磁石とともに、積層方向に複数個分割し、各分割コ
アを一定角度ずつ階段状にずらせて組み付けたものが記
載されている。

【０００３】また、特開平5−199685 号公報には、永久
磁石を複数個に分割し、積層回転子コアの表面に分割磁
石を一定角度ずつ階段状にずらせて取り付けたものが記
載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記前者二つ
の永久磁石回転子では並設する相互の回転子間の回転角
を一定に保たなければならず、その組み付け固定に神経
を使い必ずしも生産性の良いものとは言えないし、結果
的には高価ものになる懸念があった。

【０００５】また後者の永久磁石回転子では、積層回転
子コアの表面にずらせて取り付けられた分割磁石が、高
速回転時の騒音の原因となる。また、高速回転時には、
永久磁石の遠心力により大きな応力が発生し、積層回転
子コアを安価な材料で構成すると破損を生じる可能性が
ある。

【０００６】本発明の目的は、永久磁石回転型回転電機
において、コギングトルクを減少させるとともに、騒音
の低減を図り、かつ、安価な材料で構成された積層回転
子コアが遠心力により破損を生じる可能性のない、高速
回転に適した永久磁石回転型回転電機及びその製法を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、積層された回
転子コアに永久磁石を埋設してなる永久磁石回転子と、
該回転子に回転空隙を介して同心的に配置されたステー
タとを備えた永久磁石回転型回転電機において、前記積
層回転子コアはその外周近傍に軸方向に延び、かつ円周
方向に沿って複数個設けられる磁石挿入孔を備え、該磁
石挿入孔は軸方向に複数分割されかつそれぞれ周方向に
所定の角度だけシフトして設けられてなり、前記永久磁
石は、前記磁石挿入孔内に隙間充填剤を介して固定され
ることにより達成される。

【０００８】本発明の好ましくは、前記永久磁石の断面
積Ｓｍと前記磁石挿入孔の断面積Ｓｃとの比Ｓｃ／Ｓｍ
を、１.０２〜１.１５とすることにより達成される。

【０００９】本発明の好ましくは、前記隙間充填剤の粘
度を５,０００〜３０,０００cps とすることにより達成
される。

【００１０】本発明の好ましくは、前記隙間充填剤を常
温硬化型高分子物質にすることにより達成される。

【００１１】本発明の一つは、積層された珪素鋼板に永
久磁石を埋設してなる永久磁石回転子と、該回転子に回
転空隙を介して同心的に配置されたステータとを備え、
前記回転子の最大周速度を５０ｍ／ｓ以上とした永久磁
石回転子型回転電機において、前記積層回転子コアの外
周近傍には、軸方向に延びる磁石挿入孔が円周方向に沿
って複数個設けられており、前記磁石挿入孔は軸方向に
複数分割されかつそれぞれ周方向に所定の角度だけシフ
トして設けられており、前記永久磁石の断面積Ｓｍと前
記孔の断面積Ｓｃとの比を、１.０２≦Ｓｃ／Ｓｍ≦１.
１５とし、前記永久磁石は、前記磁石挿入孔内に配置さ
れ、前記磁石挿入孔との隙間に充填された常温硬化型高
分子物質からなる隙間充填剤により積層回転子コアに固
定されており、前記磁石挿入孔が設けられている部分の
前記積層回転子コアの外周部付近の肉厚を１mm以上とす
ることにより達成される。

【００１２】本発明の一つは、積層された回転子コアに
永久磁石を埋設してなる永久磁石回転子と、該回転子に
回転空隙を介して同心的に配置されたステータとを備
え、前記永久磁石回転子は、軸方向に積層されている複
数のコア片からなり、前記ステータと対向する側の表層
に回転方向に沿って、かつ軸方向に延びる複数の孔が形
成され、該孔に前記永久磁石が埋め込まれている永久磁
石回転型回転電機の製造方法であって、前記永久磁石を
軸方向に複数分割し回転方向に沿って軸方向に延びるコ
アの孔に複数分割された永久磁石の一片を挿入し、次に
適量の隙間充填剤を注入し、次に前記永久磁石の他の一
片を挿入することを順次繰り返し、複数個に分割した前
記永久磁石を前記コアの孔に挿入するときに生じるポン
ピング作用によって前記隙間充填剤を前記永久磁石と前
記コアの孔の間に生じた隙間に均等に流れ込むようにし
て永久磁石回転子を形成することにより達成される。

【００１３】本発明によれば、永久磁石を軸方向に複数
分割することにより、永久磁石を周方向に任意の角度シ
フトすることによりスキュー効果を持たせることがで
き、コギングトルクの低減，騒音の低減が可能になる。

【００１４】また、永久磁石とコアの孔との隙間を埋め
る隙間充填剤を均等に流し込めるので、永久磁石とコア
が直接接触することがなくなり、永久磁石の遠心力によ
る応力の増大を防止できる。したがって、積層回転子コ
アとして安価な材料を使用した、高速回転用の回転電機
を提供することが可能になる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係る永久磁石回
転子を有する回転電機の回転子の一実施例について図面
に基づいて説明する。

【００１６】図１は、永久磁石回転子１とステータ１０
とを有する回転電機の縦断面図であり、図２は図１のＸ
−Ｘ断面、図３は図１のＹ−Ｙ断面を示す。本発明の回
転電機は、回転子の最高周速が５０ｍ／ｓ以上の高速回
転で使用される、例えばバッテリーを電源とする電気自
動車の駆動源として好適な磁石回転型回転電機である。

【００１７】永久磁石回転子１は、軸方向に積層された
複数のコア片がシャフト２に固定された積層回転子コア
３と、軸方向に複数分割（実施例では２分割）されて積
層回転子コア３に固定された永久磁石４とを備えてお
り、積層回転子コア３及び永久磁石４の両外側端にはエ
ンドリング５（５Ａ，５Ｂ）が設けられている。シャフ
ト２はその両端部がエンドブラケット１１（１１Ａ，１
１Ｂ）に軸受支持されている。ステータ１０は、ステー
タコイル１２とステータコア１３及び冷却パイプ１４を
備えている。積層回転子コア３の材料としては、例えば
珪素鋼板のような安価な材料を用いる。

【００１８】図２に示すように、永久磁石回転子１の積
層回転子コア３の外周近傍には、軸方向に延びて貫通す
る磁石挿入孔６が円周方向に沿って等間隔に複数個設け
られており、この磁石挿入孔６には永久磁石４Ａ(４
ａ₁，４ａ₂，４ａ₃，……）が、隣合うもの同士が円周
方向に互いに逆極性になるようにして、配置されてい
る。

【００１９】図３に示すように、磁石挿入孔６の外側端
と積層回転子コア３の外周との差、すなわち磁石挿入孔
６が設けられている部分の積層回転子コア３の外周部付
近の肉厚Ｔは、強度上少なくとも１mm以上、望ましく
は、２mm程度必要である。

【００２０】磁石挿入孔６の寸法は、永久磁石４の寸法
よりも若干大きくなっており、永久磁石４と磁石挿入孔
６との間の微小隙間には、接着剤を兼ねる隙間充填剤７
が充填されている。したがって、各永久磁石４Ａは磁石
挿入孔６に埋め込まれて、積層回転子コア３と一体化さ
れている。隙間充填剤７としては、例えば、常温硬化型
エポキシ樹脂が適している。１５は、ステータコア１３
の内周に沿って角度βの間隔で設けられた巻線スロット
である。

【００２１】図２と図３の比較から明らかなとおり、軸
方向に２分割された永久磁石４Ａと永久磁石４Ｂは、積
層回転子コア３の円周方向に沿って所定の角度δだけシ
フトした位置関係になるようにして、積層回転子コア３
に固定されている。一例として、このシフト角度δは、
巻線スロットの間隔βに等しい。永久磁石を軸方向に複
数分割することにより、永久磁石を周方向に任意の角度
シフトすることによりスキュー効果を持たせることがで
き、コギングトルクの低減，騒音の低減が可能になる。
シフト角度δは、永久磁石回転子１の永久磁石４の全体
で、ステータの０.５〜２スロット程度になるようにす
れば良い。

【００２２】ここで、スキュー効果について説明する。
図５において、（１）は本発明にかかる２分割した永久
磁石構造の一実施例であり、（２）は従来の連続したス
キュー構造の永久磁石の例である。（２）の例では、ス
キューすることによりステータ巻線と鎖交する磁束はロ
ータの回転に伴い徐々に増加，徐々に減少する。一方、
（１）の構成では、ステータ巻線と鎖交する磁束は、永
久磁石の分割の数だけ段階的に増加，段階的に減少し、
空間磁界は実質的に従来例と等価的に作用し、（２）の
例と同様なスキュー効果を発生する。

【００２３】そして、永久磁石を分割することにより、
永久磁石とコアの孔との隙間を埋める隙間充填剤を均等
に流し込めるので、永久磁石の遠心力による応力の増大
を防止できる。以下、この点について説明する。

【００２４】まず、永久磁石４と磁石挿入孔６との間の
微小隙間は、強度確保のために、いずれの部分でもほぼ
均しいことが望ましい。しかしながら、図５の（２）に
示したような一個の連続したスキュー構造の永久磁石で
は、永久磁石４と磁石挿入孔６との間の微小隙間に、隙
間充填剤を均等に流し込むことは、非常に困難であり、
永久磁石とコア３が直接接触する場合が生じ、永久磁石
の遠心力による応力がコア３に作用して永久磁石の破損
などの原因となる。

【００２５】永久磁石を分割すると、永久磁石とコアの
孔との隙間に隙間充填剤を均等に流し込むことが容易に
なる。これを実現するための手段として、図６に、本発
明の回転電機の回転子の製法の一例を示す。まず、図６
（１）に示すように、エンドリング５Ａと積層回転子コ
ア３をシャフト２に固定する。次に、回転子を縦方向に
置き、回転方向に沿って軸方向に延びる積層回転子コア
３の磁石挿入孔６孔に、複数分割された永久磁石４の一
片４Ａを挿入し、次いで、永久磁石４の一片４Ａの上端
部分すなわち、磁石挿入孔６の高さ方向の中央付近に、
適量の隙間充填剤７を注入する。次いで、永久磁石の他
の一片４Ｂを挿入する。このとき、図６（２）に示すよ
うに、永久磁石４Ｂをコアの磁石挿入孔６に挿入すると
きに生じるポンピング作用によって、隙間充填剤７は、
永久磁石４Ａ，４Ｂとコア３の磁石挿入孔６の間に生じ
た隙間に均等に、すなわち、磁石挿入孔６の中央付近か
ら上下方向にほぼ均等に流れ込む。

【００２６】このような操作を、各磁石挿入孔６につい
て順次繰り返し、隙間充填剤を永久磁石４とコアの磁石
挿入孔６の隙間全体に均等に流れ込ませる。最後に、図
６（３）に示すように、他方のエンドリング５Ｂを固定
して、作業を終了する。永久磁石４の長さに応じて、磁
石の数を変えることにより、隙間充填剤の流れを均一化
することが出来る。

【００２７】実験結果によれば、隙間充填剤７を永久磁
石４と磁石挿入孔６の隙間に均等に流れ込ませるには、
図４に示した磁石の断面積Ｓｍと磁石を埋め込む穴の断
面積Ｓｃとの比Ｓｃ／Ｓｍが、１.０２〜１.１５である
のが良いことが実験結果から判った。面積比Ｓｃ／Ｓｍ
が１.０２未満のときは、充填剤の粘度を５,０００cps
未満にしなければならず、一方１.１５を超えると隙間
を大きくしなければならず、回転電機としての性能低下
を来すためである。

【００２８】また、ロータコアの積層作業に特別の配慮
をすることなく従来の方法を採用できる充填剤の粘度
は、実験結果によれば、５,０００〜３０,０００cps で
よいことが判った。充填剤の粘度が５,０００cps未満の
ときは、積層されたロータコアの間から充填剤が流れ出
す。一方、充填剤の粘度が３０,０００cpsを超えると、
回転電機としての性能低下を生じない小さい隙間では、
充填剤が流れていかなかった。

【００２９】このようにして、永久磁石４とコアの磁石
挿入孔６との隙間を埋める隙間充填剤を均等に流し込む
ことにより、永久磁石４と積層回転子コア３が直接接触
することがなくなり、永久磁石４の遠心力による応力の
増大を防止できる。

【００３０】磁石挿入孔６を設ける位置は、永久磁石回
転子１の積層回転子コア３の外周近傍で、かつ、円周方
向に沿ったものとするのが良い。図７は、積層回転子コ
ア３と永久磁石４の位置関係が、積層回転子コア３の強
度に及ぼす影響について実験した結果を示すものであ
る。

【００３１】図７の（ａ）は、リング状回転子コアの外
側に永久磁石を直接接着配置した場合、（ｂ）は、本発
明により回転子コアの外周近傍に円周方向に設けられた
略円弧（アーク）状の磁石挿入孔６に永久磁石４を入れ
隙間を隙間充填剤で埋めた場合である。磁石挿入孔６の
外側の回転子コアの厚みは２.０mm 、隙間充填剤の厚み
は１.５mm である。また、図７の（ｃ）は、本発明によ
り回転子コアの外周近傍に円周方向に設けられた直線状
（ブロック）状の磁石挿入孔６に永久磁石４を入れ隙間
を隙間充填剤で埋めた場合である。さらに、図７の
（ｄ）は、回転子コアの半径方向に放射状（リパルジョ
ン）に永久磁石４を接着配置した場合であり、（ｅ）
は、回転子コアの外周近傍に円周方向に設けられた略円
弧（アーク）状の磁石挿入孔６に永久磁石４を入れただ
けで、隙間には隙間充填剤を埋めない場合である。ま
た、回転子コアの外周の周速は、８０ｍ／ｓとする。さ
らに、回転子コア，永久磁石及び隙間充填剤の材料の物
性値は、表１の通りである。

【００３２】

【表１】

【００３３】このときの、積層回転子コア３に生じる最
大応力及び変位量は、表２の通りである。

【００３４】

【表２】

【００３５】表２から明らかなとおり、図７の（ｂ）に
示す本発明の構成になるコア３は、コア最大応力，永久
磁石最大応力及びコア変位量のいずれの観点から見て
も、最大応力の小さい、優れた構造であることが分か
る。また、図７の（ｃ）に示す構成になるコア３がこれ
に次いで優れた特性を示している。図７の（ａ）は、磁
石挿入孔６がないので、永久磁石に作用する最大応力が
大きくなり、高速回転になると永久磁石が遠心力で破損
する恐れがある。図７の（ｄ）は、永久磁石の遠心力に
よりコア中心近傍に作用する最大応力が過大になり、高
速回転になるとコアが遠心力で破損する恐れがある。さ
らに、図７の（ｅ）は、磁石挿入孔６に隙間充填剤がな
いので、永久磁石がコアに面接触し、コアに作用する最
大応力が大きくなり、高速回転になると永久磁石が遠心
力で破損する恐れがある。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、永
久磁石を軸方向に複数分割し、かつ周方向に任意の角度
シフトすることによりスキュー効果を持たせることがで
き、コギングトルクの低減，騒音の低減が可能になる。

【００３７】また、永久磁石とコアの孔との隙間を埋め
る隙間充填剤を均等に流し込むことで、永久磁石とコア
が直接接触することがなくなり、永久磁石の遠心力によ
る応力の増大を防止できる。したがって、結果的に積層
回転子コアとして安価な材料を使用した、高速回転用の
回転電機を提供することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における永久磁石型回転子を有
する回転電機の縦断面図。

【図２】図１のＸ−Ｘ断面を示す図。

【図３】図１のＹ−Ｙ断面を示す図。

【図４】同実施例における磁石挿入孔と積層回転子コア
の関係示す要部拡大図。

【図５】同実施例における永久磁石構造のスキュー構造
を示す回転子の平面図。

【図６】本発明の回転電機の回転子の製法の一例を示す
工程図。

【図７】積層回転子コアと永久磁石の位置関係が、積層
回転子コアの強度に及ぼす影響についての実験の説明図
である。

【符号の説明】

１…永久磁石回転子、２…シャフト、３…積層回転子コ
ア、４…永久磁石、６…磁石挿入孔、７…隙間充填剤。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小田 圭二 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者 平野 嘉良 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 門脇 好和 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 田島 文男 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】積層された回転子コアに永久磁石を埋設し
   てなる永久磁石回転子と、該回転子に回転空隙を介して
   同心的に配置されたステータとを備えた永久磁石回転型
   回転電機において、 前記積層回転子コアはその外周近傍に軸方向に延び、か
   つ円周方向に沿って複数個設けられる磁石挿入孔を備
   え、該磁石挿入孔は軸方向に複数分割されかつそれぞれ
   周方向に所定の角度だけシフトして設けられてなり、 前記永久磁石は、前記磁石挿入孔内に隙間充填剤を介し
   て固定されていることを特徴とする永久磁石回転型回転
   電機。
2. 【請求項２】請求項１において、前記永久磁石の断面積
   Ｓｍと前記磁石挿入孔の断面積Ｓｃとの比Ｓｃ／Ｓｍ
   が、１.０２〜１.１５であることを特徴とする永久磁石
   回転型回転電機。
3. 【請求項３】請求項１において、前記隙間充填剤の粘度
   が、５,０００〜３０,０００cps であることを特徴とす
   る永久磁石回転型回転電機。
4. 【請求項４】請求項１において、前記隙間充填剤は常温
   硬化型高分子物質であることを特徴とする永久磁石回転
   型回転電機。
5. 【請求項５】積層された珪素鋼板に永久磁石を埋設して
   なる永久磁石回転子と、該回転子に回転空隙を介して同
   心的に配置されたステータとを備え、前記回転子の最大
   周速度を５０ｍ／ｓ以上とした永久磁石回転子型回転電
   機において、 前記積層回転子コアの外周近傍には、軸方向に延びる磁
   石挿入孔が円周方向に沿って複数個設けられており、前
   記磁石挿入孔は軸方向に複数分割されかつそれぞれ周方
   向に所定の角度だけシフトして設けられており、 前記永久磁石の断面積Ｓｍと前記孔の断面積Ｓｃとの比
   を、１.０２≦Ｓｃ／Ｓｍ≦１.１５とし、 前記永久磁石は、前記磁石挿入孔内に配置され、前記磁
   石挿入孔との隙間に充填された常温硬化型高分子物質か
   らなる隙間充填剤により積層回転子コアに固定されてお
   り、前記磁石挿入孔が設けられている部分の前記積層回
   転子コアの外周部付近の肉厚が１mm以上であることを特
   徴とする永久磁石回転型回転電機。
6. 【請求項６】請求項１ないし５のいずれかの永久磁石回
   転型回転電機を駆動源として用いたことを特徴とする電
   気自動車。
7. 【請求項７】積層された回転子コアに永久磁石を埋設し
   てなる永久磁石回転子と、該回転子に回転空隙を介して
   同心的に配置されたステータとを備え、前記永久磁石回
   転子は、軸方向に積層されている複数のコア片からな
   り、前記ステータと対向する側の表層に回転方向に沿っ
   て、かつ軸方向に延びる複数の孔が形成され、該孔に前
   記永久磁石が埋め込まれている永久磁石回転型回転電機
   の製造方法であって、 前記永久磁石を軸方向に複数分割し回転方向に沿って軸
   方向に延びるコアの孔に複数分割された永久磁石の一片
   を挿入し、 次に適量の隙間充填剤を注入し、次に前記永久磁石の他
   の一片を挿入することを順次繰り返し、複数個に分割し
   た前記永久磁石を前記コアの孔に挿入するときに生じる
   ポンピング作用によって前記隙間充填剤を前記永久磁石
   と前記コアの孔の間に生じた隙間に均等に流れ込むよう
   にして永久磁石回転子を形成することを特徴とする永久
   磁石回転型回転電機の製造方法。
8. 【請求項８】請求項７において、前記隙間充填剤は常温
   硬化型高分子物質であり、該隙間充填剤の粘度が５,０
   ００〜３０,０００cps であることを特徴とする永久磁
   石回転型回転電機の製造方法。
9. 【請求項９】積層された回転子コアに永久磁石を埋設し
   てなる永久磁石回転子と、該回転子に回転空隙を介して
   同心的に配置されたステータとを備え、前記永久磁石回
   転子は、軸方向に積層されている複数のコア片からな
   り、前記ステータと対向する側の表層に回転方向に沿っ
   て、かつ軸方向に延びる複数の孔が形成され、該孔に前
   記永久磁石が埋め込まれている永久磁石回転型回転電機
   の製造方法であって、 エンドブラケットと、積層回転子コアにシャフトを固定
   して形成した回転子を縦方向に置き、 回転方向に沿って、かつ軸方向に延びる積層回転子コア
   の磁石挿入孔に、複数分割された前記永久磁石の一片を
   挿入し、次に前記磁石挿入孔の高さ方向の中央付近に隙
   間充填剤を注入し、次に、前記永久磁石の他の一片を挿
   入し、該永久磁石を前記磁石挿入孔に挿入するときに生
   じるポンピング作用によって、前記隙間充填剤を、前記
   永久磁石と前記磁石挿入孔の間に生じた隙間にほぼ均等
   に流れ込ませる操作を、前記各磁石挿入孔について順次
   繰り返し、前記隙間充填剤を前記永久磁石と前記磁石挿
   入孔の隙間全体に均等に流れ込ませ、他方のエンドブラ
   ケットを固定して永久磁石回転子を形成することを特徴
   とする永久磁石回転型回転電機の製造方法。