JP2006271057A - 永久磁石同期電動機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】 永久磁石を回転子コアに容易かつ強固に固定でき、回転子外径を小さくすることで高速低慣性化が実現できる永久磁石同期電動機の回転子を提供する。
【解決手段】 電磁鋼板による積層体または電磁材料の塊状体の回転子コア２に、複数の永久磁石３を設けて同期回転する永久磁石同期電動機の回転子１であって、回転子コア２には、その外周面に開口する径方向断面形状が部分円環の部分円筒形状に削設された埋め込み溝６が、隣接する溝との間に磁気路部７を設けて円周方向に複数形成されていると共に、埋め込み溝６に、この溝と略同形状に形成された永久磁石３が、その外表面を回転子コア２の外表面と略同じ面を形成して開口に露出するよう接着剤を用いて取着されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、高速回転する永久磁石同期電動機の回転子に関する。

周知の通り、回転数が例えば４０００〜２００００ｒ．ｐ．ｍ程度の高速回転が可能な永久磁石同期電動機は、工作機械の主軸用モータや大容量のサーボモータなどに用いられている。そして、その回転子は、回転子コアに回転シャフトを焼き嵌めしたり、回転子コアと回転シャフトとを削り出し等により一体に形成したりした構成となっている。さらに回転子コアについては、珪素鋼板等の電磁鋼板を積層して形成した積層体や、軟磁性材料である純鉄や電磁軟鉄等の電磁材料によって単一体として形成された塊状体などの形態がある。また回転子コアには、磁極を形成する複数の希土類磁石あるいはフェライト磁石の永久磁石が、要求される性能に対応した数だけ設けられている。

以下、永久磁石を設けた回転子の形態を、それぞれ断面を示す図７乃至図９を参照して説明する。

先ず、図７は、第１の従来技術を示すもので、１０１は永久磁石同期電動機の回転子であり、回転子コア１０２と永久磁石１０３、回転シャフト１０４を主構成要素として構成されている。また、回転子コア１０２には、例えば珪素鋼板等を積層した積層体であり、回転子コア１０２に形成された軸嵌合孔１０５には、回転シャフト１０４が焼き嵌めされる。さらに、円柱状の回転子コア１０２には、その円柱表面に、円周方向に等しい所定の空間距離を間に設けて部分円筒形状の４つの永久磁石１０３が、その回転子コア１０２に当接する一面を接着剤等によって接着することにより固着されている。

このように永久磁石１０３が回転子コア１０２から突出するように接着剤等で接着されている構成のものでは、接着剤等での接着強度に対し回転に伴う遠心力の方が大きい場合には適用することができない。また、回転子コア１０２と永久磁石１０３とは、構成材料が異なることから熱膨張率が違っており、このため、両者の接着には、一般に弾性特性の大きな接着剤が用いられる。しかし、弾性特性の大きな接着剤は、使用環境が高温になると急激に接着強度が低下する特性となっており、回転子１０１が高温となるような条件下では適用することが困難である。こうしたことから、より強固に永久磁石１０３を回転子コア１０２に固着できる構成が必要とされている。

また、図８は、第２の従来技術を示すもので、１１１は永久磁石同期電動機の回転子で、その回転子コア１１２には、外周部に４つの平板形状の永久磁石１１３を挿入して取り付ける磁石と略同形状の軸方向の装着孔１１４が、所定の間隔を間に設けるようにして４つ形成されている。そして、回転子コア１１２の４つの装着孔１１４には、それぞれ永久磁石１１３が軸方向から挿入され取り付けられ、永久磁石１１３の回転子コア１１２への固着がなされている。なお、１１５は回転シャフトである。

このように永久磁石１１３が回転子コア１１２に埋め込むように設けられている構成のものでは、高速低慣性化のために回転子１１１の外径を小さくしようとした場合、永久磁石１１３を埋込む必要があることから回転子１１１の外径の最小化に限界が生じてしまう。さらに、永久磁石１１３を回転子コア１１２内に保持して高速回転させるようにするためには、磁石保持のために回転子コア１１２の装着孔１１４形成部分に所定の機械的な強度を確保しなければならず、回転子コア１１２の外径が必然的に大きなものとなる。

そして、回転子コア１１２が、珪素鋼板等を積層した構成のものでは、積層前の珪素鋼板等に永久磁石１１３を挿入する装着孔１１４を形成しておき、これを必要数積層すれば、容易に回転子コア１１２を形成することができるが、高速低慣性化のために回転子１１１の外径を小さくしようとした場合には、珪素鋼板等での回転子コア１１２の製作が困難なものとなり、回転子１１１は、回転子コア１１２と回転シャフト１１５を単一体とした塊状体構造となる。しかし、こうした塊状体とした場合も、回転子コア１１２の内部に永久磁石１１３を埋め込むための装着孔１１４を形成することは、回転子１１１の外径を小さくしようとした場合、困難なものとなる。

図９は、第３の従来技術を示すもので、１２１は永久磁石同期電動機の回転子で、例えば珪素鋼板等を積層した円柱状の回転子コア１２２には、回転シャフト１０４が焼き嵌めされ、また、その外周表面に断面形状が略４分の１円環である部分円筒形状の４つの永久磁石１２３が接着剤により接着されている。さらに、永久磁石１２３の外側に非磁性材料のステンレス鋼で形成された薄厚円筒状の保持部材１２４が焼き嵌められて、永久磁石１２３がより強固に回転子コア１２２に固着されている。なお、円筒状の保持部材１２４に代えて強度の優れたチタン繊維やタングステン線などのバインド線を巻き付けて、より強固に回転子コア１２２に固着する場合もある。

このように永久磁石１２３が回転子コア１２２に接着され、保持部材１２４やバインド線で覆われている構成のものでは、こうした回転子１２１を高速低慣性化しようとする永久磁石同期電動機に適用しようとした場合、回転子１２１の慣性モーメントが大きくなり、さらに固定子コアと回転子コア１２２との間のギャップが、保持部材１２４やバインド線が介在することによって、磁気回路上で等価的に大きくなるため、電気特性的に限界が生じてしまう。

上記のような状況に鑑みて本発明はなされたもので、その目的とするところは、永久磁石を回転子コアにより強固に、より容易に固着できると共に、回転子外径を小さくすることによって高速低慣性化を実現することができる永久磁石同期電動機の回転子を提供することを目的とする。

本発明の永久磁石同期電動機の回転子は、
電磁鋼板による積層体または電磁材料の塊状体の回転子コアに、複数の永久磁石を設けて同期回転する永久磁石同期電動機の回転子であって、
前記回転子コアには、その外周面に開口する所定の径方向断面形状を有して回転軸方向に削設された埋め込み溝が、円周方向に所定間隔を設けて複数設けられていると共に、前記埋め込み溝に、該埋め込み溝と略同形状に形成された前記永久磁石が、その外表面を前記回転子コアの外表面と略同じ面を形成して前記開口に露出するよう固定されていることを特徴とするものであり、
さらに、前記埋め込み溝は、その径方向断面形状が部分円環の部分円筒形状であり、該埋め込み溝には、前記永久磁石が接着剤を用いて取着されていることを特徴とするものであり、
さらに、前記埋め込み溝が、その開口縁に、開口幅方向に突出する突出部を有していることを特徴とするものであり、
さらに、前記回転子コアが、塊状体をなし、その外表面には、軸方向に所定間隔を設けて刻設された円周方向の小溝を有していることを特徴とするものであり、
さらに、前記永久磁石が、その外表面に、軸方向に所定間隔を設けて刻設された円周方向の小溝を有していることを特徴とするものであり、
さらに、前記永久磁石が、ネオジム‐鉄‐ほう素系磁石であることを特徴とするものである。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、永久磁石を回転子コアにより強固に、より容易に固着でき、また、回転子外径を小さくすることができるため、高速低慣性化を実現することができる等の効果を奏する。

以下本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

先ず第１の実施形態を図１及び図２により説明する。図１は回転子を示す断面図であり、図２は回転子の斜視図である。

図１及び図２において、１は回転子で、例えば４０００〜２００００ｒ．ｐ．ｍ程度の回転数を有する高速回転する永久磁石同期電動機（不図示）に用いられる。この回転子１は、回転子コア２と永久磁石３、回転シャフト４を主構成要素として構成されている。また、回転子コア２は、例えば電磁鋼板の珪素鋼板等を積層した略円柱状の積層体、あるいは軟磁性材料である純鉄や電磁軟鉄等の電磁材料によって単一体として形成された略円柱状の塊状体の構成となっている。

そして、積層体構成の回転子コア２においては、回転子コア２に形成された軸嵌合孔５に、切削加工、研削加工等で形成された回転シャフト４が焼き嵌め等により強固に取り付けられている。さらに、回転子コア２には、その外周部分に、外周面に開口する部分円環の径方向断面形状を有して回転軸方向に削設された部分円筒形状をなす埋め込み溝６が、隣接する溝６の間に所要の磁気路部７が形成されるように円周方向に所定間隔を設けて複数、例えば４つ設けられている。

また、回転子１の磁極を形成する永久磁石３は、埋め込み溝６と略同形状に形成された径方向断面形状が部分円環の部分円筒形状のもので、例えば希土類磁石あるいはフェライト磁石からなる。そして、永久磁石３は、その外表面を回転子コア２の外表面と略同じ面を形成して開口に露出するようにして、略同形状の埋め込み溝６に、接着剤により残りの３面を溝底、溝側壁に接着することによって固着されている。

なお、回転子コア２が略円柱状の塊状体の構成である場合には、回転シャフト４が回転子コア２と共に鍛造等によって一体に形成される。そして、回転子コア２には、上記と同様に、永久磁石３が接着剤により３面を接着することによって埋め込み溝６内に固着される。

以上の通り構成されているので、永久磁石３は、回転子コア２の埋め込み溝６内に３面で接着されることになり、接着部位が増して、より強い接着力で固着され、高速化することができる。また回転子コア２の外表面に永久磁石３を接着するものではないため、回転子１の外径をより小さくでき、低慣性化を図ることができる。

さらに永久磁石３を、隣接するものと間に磁気飽和を起こさないような所要寸法の磁気路部７を設けて回転子コア２の埋め込み溝６内に固着しているので、駆動トルクとして、永久磁石の磁束によるトルクの他に、永久磁石３間に設けた磁気路部７によるリラクタンストルクを加えて利用することができ、発生トルクが大きなものとなるため、回転子１をより小形化することができ、高速低慣性が実現できる。

なお、必要であれば、さらにより強固に永久磁石３を固定する場合は、図示しないが、回転子コア２と永久磁石３の外側に非磁性材料のステンレス鋼で形成された薄厚円筒状の保持部材を焼き嵌めたり、チタン繊維やタングステン線などのバインド線を巻き付けるようにして固定してもよい。また、回転子コア２の外周上での永久磁石３部分が占める割合については、約２／３程度とすることが望ましく、例えば極数が４である場合は、１つの永久磁石３の周上長さが６０°〜８０°程度とすればよい。

次に第２の実施形態を図３により説明する。図３は回転子を示す断面図である。なお、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と異なる本実施形態の構成を中心に説明する。

図３において、１１は回転子で、同様に、高速回転する永久磁石同期電動機（不図示）に用いられる。この回転子１１は、回転子コア１２と永久磁石１３、回転シャフト４を主構成要素として構成されている。また、回転子コア１２は、上記第１の実施形態の回転子コア２と同様に、例えば電磁鋼板の珪素鋼板等を積層した略円柱状の積層体、あるいは軟磁性材料である純鉄や電磁軟鉄等の電磁材料によって単一体として形成された略円柱状の塊状体の構成となっている。

そして、回転子コア１２には、その外周部分に、外周面に開口する略長円形の径方向断面形状を有して回転軸方向に削設されたかまぼこ形状をなし、さらに外周面の開口縁に、開口幅方向に幅寸法を狭めるよう突出する爪形状の突出部１４を有する埋め込み溝１５が、隣接する溝との間に磁気飽和を起こさないよう所要寸法とした磁気路部１６が形成されるようにして、円周方向に所定間隔を設けて複数、例えば４つ形成されている。

また、回転子１１の磁極を形成する永久磁石１３は、埋め込み溝１５と略同形状に形成された径方向断面形状が略長円形のかまぼこ形状のもので、例えば希土類磁石あるいはフェライト磁石によって形成されている。そして、永久磁石１３は、その外表面が回転子コア１２の外表面と略同じ面を形成して外周面の開口に露出するように、回転子コア１２の端面に開口する端面開口から略同形状の埋め込み溝１５内に、回転軸方向に挿入される。

このように回転軸方向に挿入することで、永久磁石１３は、埋め込み溝１５内に固定され、また突出部１４によって埋め込み溝１５の外周面の開口幅が狭められているため、径方向の力が永久磁石１３に加わっても、突出部１４によって溝内からの飛び出しが制限される。

以上の通り構成されているので、永久磁石１３の回転子コア１２への固定は、単に端面開口から回転軸方向に埋め込み溝１５内に挿入するだけでよく、容易なものとなる。さらに、回転子１の回転に伴い永久磁石１３に加わる遠心力は、埋め込み溝１５の外周面の開口縁に設けられた突出部１４で受けることになり、永久磁石１３は機械的に非常に強固に保持されることになる。また、この保持構造は、回転子コア１２の外形寸法を大きくするものでないため、回転子コア１２の外径は小さいままでよく、さらに永久磁石１３間に設けた磁気路部１６によるリラクタンストルクも同様に利用することができ、回転子１１がより小形化することで高速低慣性が実現できる。

次に第３の実施形態を図４および図５により説明する。図４は回転子を示す斜視図であり、図５は回転子コアの部分断面図である。なお、本実施形態は回転子コア表面に小溝を形成した点で第２の実施形態と主として異なるため、第２の実施形態と同一の部分には同一符号を付して説明を省略し、第２の実施形態と異なる本実施形態の構成を中心に説明する。

図４および図５において、２１は高速回転する永久磁石同期電動機（不図示）に用いられる回転子で、回転子コア２２と永久磁石１３、回転シャフト４を主構成要素として構成されている。また、回転子コア２２は、例えば軟磁性材料である純鉄や電磁軟鉄等の電磁材料によって単一体として形成された略円柱状の塊状体の構成となっており、回転シャフト４は、回転子コア２２と共に鍛造等によって一体に形成される。

さらに、回転子コア２２には、その外周部分に、突出部１４を設けて外周面に開口する埋め込み溝１５が、隣接する溝との間に磁気路部１６が形成されるようにして、円周方向に所定間隔を設けて複数形成されている。そして、回転子コア２２の埋め込み溝１５には、これと略同形状の、例えば希土類磁石あるいはフェライト磁石によって形成された永久磁石１３が、端面開口から回転軸方向に挿入されている。

またさらに、回転子コア２２の外表面には、所定断面形状として所要の溝深さとした円周方向のコア小溝２３が、回転軸方向に所定間隔を設けて多数刻設されている。このコア小溝２３は、回転子２１が回転することによって導体である回転子コア２２の外表面に軸方向に流れる渦電流を分断するもので、その形状は、渦電流の流れを小さく分割するよう製造可能な範囲で刻設間隔及び溝幅は小さい方がよく、また溝深さは深いほうがよい。

以上の通り構成されているので、第２の実施形態と同様に、永久磁石１３の回転子コア２２への固定は、容易であると共に確実かつ強固に行え、回転子２１がより小形化できる。さらに、コア小溝２３を回転子コア２２の外表面に設けて発生する渦電流の流れを小さく分割するようにしたので、渦電流によるジュール熱を低減することができ、回転子コア２２の温度上昇を抑制することができる。その結果、塊状体構成の回転子２１をより一層小形化することが可能となって、一層の高速低慣性が実現できる。

次に第４の実施形態を図６により説明する。図６は回転子を示す斜視図である。なお、本実施形態は永久磁石表面に小溝を形成した点で第３の実施形態と異なるため、第３の実施形態と同一の部分には同一符号を付して説明を省略し、第３の実施形態と異なる本実施形態の構成を中心に説明する。

図６において、２５は高速回転する永久磁石同期電動機（不図示）に用いられる回転子で、その塊状体構成の回転子コア２２に、突出部１４を設け外周面に開口するように形成された埋め込み溝１５内には、これと略同形状の導電率の大きな磁石、例えば希土類ボンド磁石のネオジム‐鉄‐ほう素系磁石等によって形成された永久磁石２６が、端面開口から回転軸方向に挿入されている。

また、埋め込み溝１５内に挿入された永久磁石２６は、回転子コア２２の外周面の開口に露出する磁石表面に、例えば回転子コア２２の外表面に刻設されたコア小溝２３と同様の、所定断面形状で所要の溝深さを有する円周方向の磁石小溝２７が、回転軸方向に所定間隔を設けて多数刻設されている。この磁石小溝２７は、回転子コア２２のコア小溝２３と同様に、回転子２５が回転することによって導電率の大きい永久磁石２６の露出磁石表面に軸方向に流れる渦電流を分断するもので、その形状は、渦電流の流れを小さく分割するよう製造可能な範囲で刻設間隔及び溝幅は小さい方がよく、また溝深さは深いほうがよい。

以上の通り構成されているので、第３の実施形態と同様に、永久磁石２６の回転子コア２２への固定は、容易であると共に確実かつ強固に行え、回転子２５がより小形化できる。さらに、回転子コア２２の外表面にコア小溝２３を設け、また永久磁石２６の露出磁石に磁石小溝２７を設け、それによって両表面に発生する渦電流の流れを小さく分割するようにしたので、導電率の大きなネオジム‐鉄‐ほう素系磁石等を永久磁石２６として用いた場合でも、渦電流によるジュール熱を低減することができ、回転子２５の温度上昇を抑制することができる。その結果、塊状体構成の回転子２５をより一層小形化することが可能となって、一層の高速低慣性が実現できる。

本発明の第１の実施形態を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態におけるコア小溝を示す部分断面図である。 本発明の第４の実施形態を示す斜視図である。 第１の従来例を示す断面図である。 第２の従来例を示す断面図である。 第３の従来例を示す断面図である。

符号の説明

１，１１，２１，２５…回転子
２，１２，２２…回転子コア
３，１３，２６…永久磁石
６，１５…埋め込み溝
７，１６…磁気路部
２３…コア小溝
２７…磁石小溝

Claims (6)

1. 電磁鋼板による積層体または電磁材料の塊状体の回転子コアに、複数の永久磁石を設けて同期回転する永久磁石同期電動機の回転子であって、前記回転子コアには、その外周面に開口する所定の径方向断面形状を有して回転軸方向に削設された埋め込み溝が、円周方向に所定間隔を設けて複数設けられていると共に、前記埋め込み溝に、該埋め込み溝と略同形状に形成された前記永久磁石が、その外表面を前記回転子コアの外表面と略同じ面を形成して前記開口に露出するよう固定されていることを特徴とする永久磁石同期電動機の回転子。
2. 前記埋め込み溝は、その径方向断面形状が部分円環の部分円筒形状であり、該埋め込み溝には、前記永久磁石が接着剤を用いて取着されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期電動機の回転子。
3. 前記埋め込み溝が、その開口縁に、開口幅方向に突出する突出部を有していることを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期電動機の回転子。
4. 前記回転子コアが、塊状体をなし、その外表面には、軸方向に所定間隔を設けて刻設された円周方向の小溝を有していることを特徴とする請求項１または請求項３記載の永久磁石同期電動機の回転子。
5. 前記永久磁石が、その外表面に、軸方向に所定間隔を設けて刻設された円周方向の小溝を有していることを特徴とする請求項４記載の永久磁石同期電動機の回転子。
6. 前記永久磁石が、ネオジム‐鉄‐ほう素系磁石であることを特徴とする請求項５記載の永久磁石同期電動機の回転子。

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