JP2003174747A - 回転機のロータ - Google Patents

回転機のロータ

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JP2003174747A
JP2003174747A JP2001370897A JP2001370897A JP2003174747A JP 2003174747 A JP2003174747 A JP 2003174747A JP 2001370897 A JP2001370897 A JP 2001370897A JP 2001370897 A JP2001370897 A JP 2001370897A JP 2003174747 A JP2003174747 A JP 2003174747A
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JP
Japan
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rotor
space
stress
permanent magnet
permanent magnets
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JP2001370897A
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English (en)
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Hiromitsu Watanabe
広光 渡辺
Takeharu Kubo
武春 久保
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Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64Electric machine technologies in electromobility

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  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 遠心力に対抗する応力の集中を防ぎ、強度を
向上させた回転機のロータを提供する。 【解決手段】 永久磁石4を挿入する複数の挿入孔5及
び永久磁石4の漏れ磁束を低減する複数の空間7aを有
し、前記挿入孔5に複数の永久磁石4が挿入される回転
機のロータ6において、ロータ6の回転中心から前記永
久磁石4の最内端部Rminの位置よりも、前記空間7
aを外側に配置する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ダイナモメータ、
電動機又は発電機などとして使われ、ロータ(回転子)
に永久磁石を用いた永久磁石型回転機のロータに関す
る。
【0002】
【従来の技術】永久磁石型同期電動回転機(以下、PM
モータと呼ぶ。)は、誘導電動回転機として自己始動を
し、加速した後、自然に電源周波数に同期引き入れする
タイプの電動回転機である。回転センサ無しで高精度の
回転速度を得ることができ、多数台のPMモータの同期
運転ができるため、産業分野で広く使用されている。最
近ではPMモータの特徴である高効率、小型、高回転を
生かして、電気自動車等にも採用されている。
【0003】PMモータのロータ(回転子)には、永久
磁石を用いており、永久磁石がロータコアに埋め込まれ
ている構造を、埋め込み磁石構造型(以下、IPM型と
呼ぶ。)と言う。他方、永久磁石がロータ表面に取付け
られている構造を、表面磁石構造型(SPM型と呼
ぶ。)と言う。
【0004】IPM型モータの利点は、永久磁石がロー
タコアに埋め込まれているため、永久磁石自身の機械的
な強度の確保に有利なことである。しかしながら、ロー
タコアの材料が磁性体であるため、挿入した永久磁石の
漏れ磁束が生じてしまう。従って、永久磁石の磁束を有
効に利用して、回転トルクに寄与させるためには、漏れ
磁束の発生している箇所において、磁路を狭くして磁気
飽和を生じさせ、漏れ磁束を減少させる必要がある。こ
の磁路を狭くするために、一般的に、ロータコアの永久
磁石間やステータとのギャップ近傍に空間等を設けた構
造にしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ロータ(回転子)に
は、外力として、回転することにより発生する遠心力
が、回転の法線方向外向きに働いており、ロータ内部で
は、この遠心力に対抗する応力が、回転中心方向へ働い
ている。一般的には、この応力のために、補強用の部材
を用いてロータを構成して、ロータの構造を工夫し、ロ
ータ自身の強度を高めている。
【0006】しかしながら、IPM型モータのロータに
は、前述のように永久磁石を挿入するための空間及び漏
れ磁束を低減させるための空間が必要であり、これらの
空間は、ロータが回転することにより発生する遠心力に
対抗する応力の集中源となってしまう。
【0007】ロータにおいて、このような応力の集中源
ができてしまうと、ロータを構成するロータコア自身の
強度上の問題が発生し、ロータコアの変形、ひいては挿
入した永久磁石の破損等のトラブルにつながりかねな
い。そのため、遠心力の増加(応力の増加)に直接つな
がる回転速度の高速化や、ロータの直径の増加が困難で
あった。
【0008】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
で、遠心力に対抗する応力の集中を防ぎ、強度を向上さ
せた回転機のロータを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明に係る回転機のロータは、永久磁石を挿入する複数の
挿入孔及び永久磁石の漏れ磁束を低減する複数の空間を
有し、前記挿入孔に複数の永久磁石が挿入される回転機
のロータにおいて、回転中心から前記永久磁石の最内端
部の位置よりも、前記空間を外側に配置したことを特徴
とする。上記発明により、遠心力に対抗する応力のより
小さい場所に、前記空間の位置を配置することとなる。
【0010】又、上記課題を解決する本発明に係る回転
機のロータは、応力集中を低減させるため、前記挿入孔
及び前記空間の角部を排し、円弧状としたことを特徴と
する。
【0011】更に、上記課題を解決する本発明に係る回
転機のロータは、前記空間に非磁性材料を挿入又は充填
したことを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】図1は、一様な材質、厚さで、中
心孔のある円板を回転させたときに、回転により発生す
る遠心力に対抗する円板内部の応力の分布を示した図で
ある。これは、ロータの形状に類似する中心孔のある円
板を回転させたときに、遠心力に対抗する応力がどのよ
うな分布になるのかを示すものである。図1では、遠心
力のみに対抗する応力を主応力とし、円板の最外周部に
働く主応力の大きさを1として主応力の分布を表してい
る。又、主応力の分布は、わかりやすいように、円板の
一部にて示しているが、この応力分布は円板全体に、同
心円状に分布している。
【0013】図1に示すように、単純な円板(ロータに
永久磁石挿入用の穴等が無いような構造)の場合は、内
径側で応力が大きく、外径側で応力が小さくなる。この
応力分布の傾向は、ロータに永久磁石挿入用の穴等があ
る構造の円板状のものでも同様の傾向である。しかしな
がら、穴や切り欠き等がある場合、穴の周囲や切り欠き
の先端等に局所的に非常に大きな応力が働く応力集中が
起こり、穴や切り欠きが回転中心に近いほど、応力集中
する応力の大きさも大きくなる。
【0014】図2は、IPM型モータのロータにおけ
る、永久磁石の一般的な挿入位置を示すロータの側端面
の概略図である。本来は、ロータの外周部には、回転始
動時に誘導電動回転機となるかご形の導体を有している
が、簡略化のため、図2では図示していない。又、永久
磁石も本来はロータ内を周回するように、複数挿入され
ているが、これも簡略化のため一部のみ図示する。
【0015】図2に示すように、IPM型モータのロー
タ1は、その中心に回転軸となるシャフト2を有し、シ
ャフト2にロータコア3が取付けられている。ロータコ
ア3は薄い磁性鋼板をシャフト2の軸方向に積層して、
円柱状に形成している。ロータコア3には、複数の永久
磁石4を挿入するための複数の挿入孔5が、シャフト2
の軸方向に貫通するように形成されている。この挿入孔
5に、永久磁石4が挿入されており、一つ又は複数個の
永久磁石4を一つの磁極として配置している。このよう
な磁極を交互に極性の方向が逆になるように、ロータ1
内を周回して複数配置している。最適な回転トルクを得
るため、永久磁石4の挿入位置、形状及び大きさ等につ
いては様々な工夫がされており、各々のIPM型モータ
でそれぞれ異なっている。ここでRminはロータ1の
回転中心から永久磁石4の最内端部までの距離を表す。
【0016】(実施例1)図3は、本発明に係る実施形
態の一例を示す図である。IPM型モータのロータの側
端面の形状を破断してその一部の概略を示す。ロータ6
の基本的な構成は、図2で示すロータ1と同じであり、
図2と同様に、ロータの外周部にあるかご形の導体を、
簡略化のため図示していない。又、図示していないが、
IPM型モータには、ロータ外周部に、ロータとのギャ
ップを持って配置するステータ(固定子)がある。
【0017】図3に示すように、永久磁石4間には、空
間7aが配置されている。この空間7aは、永久磁石4
間の磁束の一部を遮断して、磁路を短絡しないように
し、磁路の通る空間を狭くして磁気飽和を起こすもので
ある。空間7aによる磁気飽和により、ロータコア3内
に磁束の通りにくい部分ができ、これは上記ステータに
働かない磁束、即ち、漏れ磁束を低減させることとなる
ため、上記ステータに働くロータの永久磁石からの磁束
量を増やすことができ、回転トルクに寄与させることが
できる。
【0018】ロータ6の形状においては、図1に示す円
板の応力の分布を考慮して、ロータ6の回転中心から永
久磁石4(又は挿入孔5)の最内端部までの距離である
Rminよりも、空間7aの位置を外径側に配置してい
るのが特徴である。そのような配置にすることで、空間
7aを応力のより小さい位置に配置することとなり、応
力集中部の応力の大きさを低減できる。
【0019】従って、ロータを上記形状とすることで、
遠心力に対抗する応力に耐える高い強度(高耐遠心力強
度)を持つロータとすることができ、ロータの機械的信
頼性を高めることができる。その結果、ロータの回転速
度を高くすることができ、又、遠心力によるロータの疲
労寿命を長くすることができる。
【0020】(実施例2)図4は、本発明に係る実施形
態の他の一例を示す図である。比較のために、図4
(a)では、実施例1でのロータ6の空間7aの配置状
況及び形状を示し、図4(b)では、実施例2でのロー
タ9の空間7bの配置状況及び形状を示す。又、簡略化
のため、IPM型モータのロータの側端面の形状を破断
してその一部の概略を示す。
【0021】図4(b)に示すように、ロータ9では、
図4(a)のロータ6の空間7aの角部8を、円弧状の
Rを持つ空間7bとしたのが特徴である。一般的に、一
様な材質の物体において、その物体全体に外力(例えば
遠心力等)がかかっている場合、切り欠き(溝、穴等)
があると、その切り欠きの先端部(例えば、四角の穴の
場合、その角部)に応力が集中する。従って、上記応力
集中を避けるため、磁路を狭くする空間7aの形状につ
いて、角部8をなくすように、緩やかな円弧状のRをつ
ける形状にして、応力集中係数を低減させ、最大応力を
低くする。
【0022】上記形状により、応力集中箇所を少なく
し、最大応力を低くすることができるため、ロータの耐
遠心力強度をさらに高くすることができ、ロータの機械
的信頼性もさらに高めることができる。その結果、ロー
タの回転速度を高くすることができ、又、遠心力による
ロータの疲労寿命を長くすることができる。
【0023】なお、上記実施例1及び実施例2における
磁路を狭くするための空間7a、7bは、空間のままで
もよいが、この空間7a、7bに非磁性材料を挿入、充
填してもよい。この場合、非磁性材料として、弾性係数
の低いものを選択すれば、磁路に対する作用は変えず
に、空間7a、7bの応力集中をさらに緩和させること
ができる。非磁性材料としては、例えば、銅、アルミニ
ウムや樹脂等を用いることが可能である。
【0024】又、最適な回転トルクを得るため、空間7
a、7b及び永久磁石4の位置、形状及び大きさ等につ
いては、様々な工夫がされているが、本発明は、いずれ
の状態においても、応力集中緩和のために適用可能であ
る。
【0025】更に、本発明は、磁石埋め込み型の電動回
転機のみならず、磁石埋め込み型の発電機にも適用でき
る。
【0026】
【発明の効果】請求項1に係る発明によれば、永久磁石
を挿入する複数の挿入孔及び永久磁石の漏れ磁束を低減
する複数の空間を有し、前記挿入孔に複数の永久磁石が
挿入される回転機のロータにおいて、回転中心から前記
永久磁石の最内端部までの位置よりも、前記空間を外側
に配置した構成であるので、遠心力に対抗する応力の集
中を防ぎ、高耐遠心力強度を持つロータとすることがで
き、ロータの機械的信頼性を高めることができる。その
ため、ロータの回転速度を高くすることができ、又、遠
心力によるロータの疲労寿命を長くすることができる。
【0027】請求項2に係る発明によれば、応力集中を
低減させるため、前記挿入孔及び前記空間の角部を排
し、円弧状とした構成であるので、応力集中箇所を少な
くし、最大応力を低くすることができるため、ロータの
耐遠心力強度をさらに高くすることができ、ロータの機
械的強度の信頼性もさらに高めることができる。
【0028】請求項3に係る発明によれば、前記空間に
非磁性材料を挿入又は充填した構成であるので、磁路に
対する作用は変えずに、前記空間の応力集中をさらに緩
和させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一様な材質、厚さで、中心孔のある円板を回転
させたときに、遠心力に対抗する円板内部の応力の分布
を示した図である。
【図2】IPM型モータのロータにおける、永久磁石の
一般的な挿入位置を示す図である。
【図3】本発明に係る実施形態の一例を示す図である。
【図4】本発明に係る実施形態の他の一例を示す図であ
る。(a)は実施例1での空間の配置状況及び形状を示
す図であり、(b)は実施例2での空間の配置状況及び
形状を示す図である。
【符号の説明】
1 ロータ 2 シャフト 3 ロータコア 4 永久磁石 5 挿入孔 6 ロータ 7a 空間 7b 空間 8 空間の角部 9 ロータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H002 AA02 AB07 AE07 AE08 5H622 AA03 AA04 CA02 CA07 CA13 CB01 CB05 PP07 PP10

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 永久磁石を挿入する複数の挿入孔及び
    永久磁石の漏れ磁束を低減する複数の空間を有し、前記
    挿入孔に複数の永久磁石が挿入される回転機のロータに
    おいて、 回転中心から前記永久磁石の最内端部までの位置より
    も、前記空間を外側に配置したことを特徴とする回転機
    のロータ。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の回転機のロータにおい
    て、 応力集中を低減させるため、前記挿入孔及び前記空間の
    角部を排し、円弧状としたことを特徴とする回転機のロ
    ータ。
  3. 【請求項3】 請求項1又は請求項2記載の回転機の
    ロータにおいて、 前記空間に非磁性材料を挿入又は充填したことを特徴と
    する回転機のロータ。
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