JP2007068357A - 回転電機の回転子及びそれを用いた回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機に用いる永久磁石埋め込み型の回転子であって高速回転に適した回転子及びそれを用いた回転電機を提供する。
【解決手段】回転子鉄心（９）に設けた磁石挿入孔に永久磁石を埋設してなる回転電機（１）の回転子（３）において、多角形状に配置した各磁石挿入孔を二分割してその間にブリッジ（１３）を設けるとともに、ブリッジ（１３）の外周側のｄ軸上に軸方向に貫通する孔（１７）を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石を回転子に取り付けて界磁を構成する回転電機の回転子構造に係り、特に高速回転に適した回転子及びそれを用いた回転電機に関する。

永久磁石を回転子に埋設して界磁を構成する永久磁石界磁方式の回転電機が電動機として、また発電機として多用されている。ここで、図６に現在一般的に使用されている永久磁石界磁方式による回転電機の断面構成の一例を示し、図７にその回転子の断面構成を示す。

先ず、回転電機５１は、図６に示すように固定子５２及び回転子５３により構成されている。固定子５２は、略円筒状に形成されたヨーク５４を備え、このヨーク５４の内周面側には、開口部を有する固定子スロット５５が等間隔をもって複数個形成されている。これら固定子スロット５５には多相・多極の固定子コイル５６が収納されていて、回転電機５１が電動機として使用される場合には、この固定子コイル５６に特定の位相関係を有する多相交流電流が供給されて電機子として機能する。

他方、回転子５３は、図７に示すように円柱状に形成された回転子鉄心５７とその軸中心に嵌合された回転軸５８と回転子鉄心５７内に埋設された永久磁石５９とを備えて構成されており、固定子５２の内周面との間に僅かな空隙を隔てて回転可能に支持されている。前記回転子鉄心５７には、軸方向に貫通する矩形状の磁石挿入孔６０が回転軸５８を略正方形状に囲むように配置されていて、この磁石挿入孔６０内には永久磁石５９が埋め込まれている。また、磁石挿入孔６０より外周側たる外周部６１は、磁石挿入孔６０の端部と外周との間に位置する幅狭なチップ部６２によって隣の外周部６１に繋がるとともに、磁石挿入孔６０より回転軸側たる中心側部６３にも繋がった構造となっている。

このような従来構造の回転子５３は洗濯機、冷蔵庫等用の電動機として、また、小型の発電機用として多用されている。しかし、この従来構造の回転子５３を高速回転用の回転電機に使用するには多少の問題がある。

即ち、回転子５３が回転すると前記外周部６１には自身の質量から生じる遠心力が径方向に働く。このとき、前記遠心力に抗する力がチップ部６２に働いて、チップ部６２近傍に応力集中が生じる。これにより外周部６１が径方向に外側に膨らみ、固定子５２との間の空隙寸法が変化して特性にばらつきが生じることがある。また、チップ部６２は、その強度が不足して前記応力に耐えられない場合には破壊に至ることがある。従って、回転子が高速回転する際には、強い遠心力が働くためにこうした応力集中や空隙寸法の変化が大きな問題となる。

従来技術として、外周部６１に軸方向に貫通する孔を穿孔したものが特許文献１に開示されている。穿孔された孔は外周部６１の質量を減少させて遠心力を弱める効果を持つが、この文献の技術は高速回転対策を意識したものではないため効果は限定的である。
特開平５−１０３４５３号公報

本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その課題は、回転電機に用いる永久磁石埋め込み型の回転子であって、特に高速回転に適した回転子を提供することにある。

前記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、回転子鉄心の周辺部に永久磁石を埋設し中心に回転軸を取り付けた構成の回転電機の回転子であって、前記永久磁石を埋設するための略矩形で軸方向に貫通する極数個分の磁石挿入孔を前記回転軸を囲むように多角形状に配設し、前記各磁石挿入孔は２分割してその間に前記多角形状の外側部と内側部とを繋ぐブリッジを形成し、該ブリッジを通る径方向で前記多角形状の各外側部には軸方向に貫通する孔を設けたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転電機の回転子であって、前記２分割した磁石挿入孔は前記回転軸側から見て「Ｖ」の字状に配置したことを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、回転子鉄心の周辺部に永久磁石を埋設し中心に回転軸を取り付けた構成の回転電機の回転子であって、前記永久磁石を埋設するための略矩形で軸方向に貫通する極数個分の磁石挿入孔を前記回転軸を囲むように多角形状に配設し、前記各磁石挿入孔は２分割してその間に前記多角形状の外側部と内側部とを繋ぐブリッジを形成し、２分割した磁石挿入孔は前記回転軸側から見て「ハ」の字状に配置したことを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、回転子鉄心の周辺部に永久磁石を埋設し中心に回転軸を取り付けた構成の回転電機の回転子であって、前記永久磁石を埋設するための略矩形で軸方向に貫通する極数個分の磁石挿入孔を前記回転軸を囲むように多角形状に配設し、前記各磁石挿入孔は２分割してその間に前記多角形状の外側部と内側部とを繋ぐブリッジを形成し、２分割した磁石挿入孔は前記多角形状の外側部に臨む面を回転子の軸心を中心軸とする円筒面状に形成したことを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れかに記載の回転電機の回転子において、前記多角形状の各角と中心を結ぶ線上に軸方に貫通する貫通孔を設けたことを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、固定子を電機子に、永久磁石を埋設した回転子を界磁とした回転電機であって、前記回転子として請求項１乃至５の何れかに記載の回転子を用いたことを特徴とする。

上記した発明によれば、前記外周部と回転子鉄心の中心側部とはチップ部に加えてブリッジによっても繋がっているため、個々のチップ部あるいはブリッジに生じる集中応力は大幅に減少する。従って、外周部の外径側への膨らみは少なくなって、電気特性のばらつきが減少するとともに外周部の破壊の危険性も少なくなる効果を奏する。

また、回転子鉄心の外周部に孔を設けて外周部の質量を減少させたため外周部に働く遠心力が従来より小さくなる。従って、外周部の外径側への膨らみは更に少なくなって電気特性のばらつきが減少するとともに外周部の破壊の危険性も更に少なくなる。
また、前記孔は、永久磁石が作る磁束方向であるｄ軸上に位置させてあるので、ｄ軸インダクタンスを減少させてリラクタンストルクを向上させる効果も奏する。

＜第１の実施形態＞
以下、この発明の第１の実施形態について図面を参照して詳しく説明する。図１乃至図３は本発明を８極構造の回転子に適用した一例を示すもので図３はその回転子の断面構成を、図２はその回転子を組み込んだ回転電機の断面構成を示している。

回転電機１は、固定子２及び回転子３により構成されている。固定子２は、円環状に打ち抜いた多数の珪素鋼板を積層して略円筒状に形成したヨーク４を備える。ヨーク４の内周面側には開口部を有する固定子スロット６が等間隔で複数個形成されている。これら固定子スロット６には多相・多極の固定子コイル５が収納されており、隣り合う固定子スロット６間は磁極歯７を構成している。

前記回転電機１が電動機として使用される場合には、固定子コイル５に特定の位相関係を有する多相交流電流が供給されて電機子として機能する。反対に回転電機１が発電機として使用される場合には、固定子コイル５より出力電流が取り出される。

回転子３は、回転子鉄心９、回転軸１０及び永久磁石１１を備えて構成され、前記固定子２の内周面との間に僅かな空隙を隔てて回転可能に支持されている。前記回転子鉄心９は、円環状の多数の珪素鋼板を積層して円柱状に形成されており、その軸中心部には回転軸１０が挿通固定されている。そして、回転子鉄心９には断面が略矩形状の１６個の磁石挿入孔１２が軸方向に貫通して設けられている。

これら１６個の磁石挿入孔１２は、各２個ずつが略八角形の一辺を構成するようにして回転軸１０を囲むように配設されている。各辺を構成する二個の磁石挿入孔１２，１２（以下、一対の磁石挿入孔１２と称す。）は、詳細には、回転子鉄心９の外周側が開いた「Ｖ」の字状に配置されており、各磁石挿入孔１２内には板状の永久磁石１１が埋設されている。図１は、この磁石挿入孔１２，１２部分の拡大図を示すものであり、「Ｖ」の字状に誇張して示している。

この場合、図３に示すように一対の磁石挿入孔１２内に埋め込まれた永久磁石１１，１１は径方向に同極となるように、そして隣り合う辺の永久磁石１１，１１との関係では径方向の極性が逆となるように着磁されている。

また、各磁石挿入孔１２には、その両端部に長手方向に延びる補助孔１２ａ及び１２ｂが形成されており、一対の磁石挿入孔１２の補助孔１２ａ，１２ａ間は幅寸法の小なるブリッジ１３を形成している。また、一対の磁石挿入孔１２の端部を構成する補助孔１２ｂ，１２ｂと外周との間に位置して幅寸法の小なるチップ部１４，１４が形成されている（図１参照）。尚、前記補助孔１２ａ，１２ｂには永久磁石１１の端面と係合する係止部が設けられており、磁石挿入孔１２内において永久磁石１１を位置決めするように構成されている。また、前記係止部の近傍には、切欠部１２ｃ，１２ｄが形成されており、永久磁石１１の磁石挿入孔１２への挿入を容易にしている。

このように、一対の磁石挿入孔１２は、あたかも八角形の各辺の磁石挿入孔を２分割して形成されたようになっている。また、ブリッジ１３及びチップ部１４は、磁石挿入孔１２より外周側たる外周部１５と回転軸側たる中心側部１６とを繋ぎ、その形状は機械的強度を保ち、且つ磁路が磁気的飽和を起こすように設定されている。
更に本実施形態の回転子３には、前記八角形状の外側部たる各外周部１５に軸方向に貫通する孔１７が設けてある。永久磁石の作る磁束方向はｄ軸と呼ばれ、本実施形態の回転子３では前記ブリッジ１３と回転軸１０の軸心とを結ぶ線がｄ軸に相当する。孔１７は、前記外周部１５にあってｄ軸上に位置して形成されている。

更に本実施形態の回転子３には、前記八角形状の内側である中心側部１６にも軸方向に貫通する貫通孔２０が複数設けてある。前記ｄ軸から電気角でπ／２位相が進んだ方向はｑ軸と呼ばれ、本実施形態の回転子３では前記八角形状の角と回転軸１０の軸心とを結ぶ線がｑ軸に相当する。貫通孔２０は、前記八角形状の内側にあってｑ軸上に位置して形成されている。この貫通孔２０は、ｑ軸磁束の磁路を避けるべく回転軸１０寄りの位置に設けてある。
本実施形態の回転電機１及びその回転子３は以上のように構成されている。
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。

回転子３が回転すると回転子３の各部に遠心力が働く。遠心力は速度の二乗に比例し回転中心からの距離に反比例するため、高速回転時には回転子３の外周部１５に大きな遠心力が働く。

本実施形態の回転子３の場合、回転軸側から見て「Ｖ」の字状に配設した一対の磁石挿入孔１２間に孔１７を設けて外周部１５の断面積が小さくなるようにしている。このため外周部１５は、その質量が図７に示した従来の回転子３の場合に比べて少なくなり高速回転時に外周部１５に働く遠心力がその分だけ減少する効果を奏する。

この孔１７は永久磁石１１が作る磁束方向であるｄ軸上に位置させてあるので、ｄ軸インダクタンスを減少させてリラクタンストルクを向上させる効果も奏する。
また、前記遠心力に抗する力が外周部１５と回転子鉄心９の中心側部１６との繋ぎ個所に働きその部分に応力集中を生じさせるが、本実施形態の回転子３では、外周部１５と回転子鉄心９の中心側部１６とはチップ部１４に加えてブリッジ１３によっても繋がっている。このため、個々のチップ部１４或いはブリッジ１３に生じる集中応力は小さくなり、高速回転時の遠心力による外周部１５の外径側への膨らみはブリッジ１３が無い場合に比べて少なくなり電気特性のばらつきが減少する。同時に外周部１５の破壊の危険性も少なくなる。

また、本実施形態の回転子３では、回転子鉄心９に貫通孔２０を設けて回転子３の軽量化を図っている。回転子３の軽量化は回転モーメントを小さくし、回転速度を変化させる際の応答性を向上させる効果を奏する。

＜第２の実施形態＞
図４に、本発明の第２の実施形態に係る回転子の断面構成を示す。
本実施形態の回転子２１は、第１実施形態の回転子３とは次の２点で相違する。即ち、第１点として前記第１の実施形態では分割した一対の磁石挿入孔１２は回転軸１０側から見て「Ｖ」の字状に配置したが、本実施形態では、反対に回転軸１０側から見て「ハ」の字状に配置している。分割した磁石挿入孔１２間にブリッジを設けている点は同じである。

このように「ハ」の字状に配置した場合には、ブリッジ１３の外側に当たる回転子３の外周部１５の厚みが第１の実施形態より薄くなる。従って、第２の相違点として本実施形態の回転子２１では、第１の実施形態の回転子３には設けた孔１７を設けていない。これら２点を除く構成は、第１の実施形態の回転子３の構成と同じである。

磁石挿入孔１２は外周部１５の厚みが減るように配設されているので、一対の磁石挿入孔１２を直列に配置した場合より外周部１５の質量が小さくなる。このため、第１の実施形態の場合と同様に高速回転時に外周部１５に働く遠心力が減少する効果を奏する。
また、第１実施形態と同様に外周部１５と回転子鉄心９の中心側部１６とはチップ部１４に加えてブリッジ１３によっても繋がっているため、個々のチップ部１４或いはブリッジ１３に生じる集中応力も減少する。このため高速回転時における外周部１５の径方向への膨らみは少なくなり、電気特性のばらつきが減少するとともに外周部１５の破壊の危険性も少なくなる効果を奏する。

＜第３の実施形態＞
図５に、本発明の第３の実施形態に係る回転子の断面構成を示す。本実施形態の回転子２２も第１、第２の実施形態の回転子３，２１と同様に略８角形に配置した磁石挿入孔１２の各磁石挿入孔１２を２分割した構成にしてある。そして、分割した磁石挿入孔１２間には同じように、ブリッジ１３を設けている。

本実施形態の回転子２２が第２の実施形態の回転子２１と異なる点は、分割した一対の磁石挿入孔１２の配列の仕方とその孔１２の断面形状にある。本実施形態の回転子２２では、分割した一対の磁石挿入孔１２は直線状に配置してある。そして、その断面形状は回転軸１０を臨む側は直線状とし、回転子２２の外周を臨む面は、回転子２２の軸心を軸とする円筒面状になっている。磁石挿入孔１２に挿入する永久磁石１１の断面形状もその磁石挿入孔１２の断面形状に合わせて形成してある。

この回転子２２の場合もブリッジ１３の外側に当たる回転子２２の外周部１５は径方向の幅が狭くなる。このため第２の実施形態の回転子２１の場合と同様にこの部分に孔１７は設けていない。

磁石挿入孔１２の断面形状の一部を円弧状にしたことにより一対の磁石挿入孔１２と回転子２２の外周面との間の外周部１５の厚みが薄くなり、その部分の質量が小さくなる。従って、高速回転時にその外周部１５に働く遠心力が小さくなり、外周部１５の外側への膨らみは少なくなる。その結果として電気特性のばらつきは減少し、外周部１５が破壊する危険性も弱まる効果を奏する。

＜変形実施形態＞
尚、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、次のように変形して実施しても良い。
前記各実施形態では、８極構造の回転子を例に挙げて説明したが、８極に限定されるものではなく他の極数の回転子、回転電機に適用しても良い。その場合も前述の各実施形態と同様の効果を奏する。

また、第２及び第３の実施形態においては、ブリッジ１３の外周側に孔を設けなかったが、第１の実施形態の場合と同様に断面細長の孔を設けても良い。この孔は外周部１５に働く遠心力を減少させるとともにリラクタンストルクを向上させる効果を奏する。
また、第１の実施形態の回転子３に設けた孔１７は、長円状に限定されるものでなく、三角形、四角形等の多角形や、円形としても良い。この場合も同様の効果が得られる。
また、外周部１５には孔１７に加えて他の孔を追加して設けても良い。

本発明の第１の実施形態に係る回転子の要部の拡大断面図である。 本発明に係る回転電機の断面構成である。 第１の実施形態に係る回転子の断面構成である。 本発明の第２の実施形態に係る回転子の断面構成である。 本発明の第３の実施形態に係る回転子の断面構成である。 従来技術に係る図２相当図である。 従来技術に係る図３相当図である。

符号の説明

図面中、１は回転電機、２は固定子、３は回転子、９は回転子鉄心、１０は回転軸、１１は永久磁石、１２は磁石挿入孔、１３はブリッジ、１５は外周部（外側部）、１６は中心側部（内側部）、１７は孔、２０は貫通孔、２１，２２は回転子を示す。

Claims (6)

1. 回転子鉄心の周辺部に永久磁石を埋設し中心に回転軸を取り付けた構成の回転電機の回転子であって、
   前記永久磁石を埋設するための略矩形で軸方向に貫通する極数個分の磁石挿入孔を前記回転軸を囲むように多角形状に配設し、
   前記各磁石挿入孔は２分割してその間に前記多角形状の外側部と内側部とを繋ぐブリッジを形成し、
   該ブリッジを通る径方向で前記多角形状の各外側部には軸方向に貫通する孔を設けたことを特徴とする回転電機の回転子。
2. 請求項１に記載の回転電機の回転子であって、前記２分割した磁石挿入孔は前記回転軸側から見て「Ｖ」の字状に配置したことを特徴とする回転電機の回転子。
3. 回転子鉄心の周辺部に永久磁石を埋設し中心に回転軸を取り付けた構成の回転電機の回転子であって、
   前記永久磁石を埋設するための略矩形で軸方向に貫通する極数個分の磁石挿入孔を前記回転軸を囲むように多角形状に配設し、
   前記各磁石挿入孔は２分割してその間に前記多角形状の外側部と内側部とを繋ぐブリッジを形成し、
   ２分割した磁石挿入孔は前記回転軸側から見て「ハ」の字状に配置したことを特徴とする回転電機の回転子。
4. 回転子鉄心の周辺部に永久磁石を埋設し中心に回転軸を取り付けた構成の回転電機の回転子であって、
   前記永久磁石を埋設するための略矩形で軸方向に貫通する極数個分の磁石挿入孔を前記回転軸を囲むように多角形状に配設し、
   前記各磁石挿入孔は２分割してその間に前記多角形状の外側部と内側部とを繋ぐブリッジを形成し、
   ２分割した磁石挿入孔は前記多角形状の外側部に臨む面を回転子の軸心を中心軸とする円筒面状に形成したことを特徴とする回転電機の回転子。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の回転電機の回転子において、前記多角形状の各角と中心を結ぶ線上に軸方に貫通する貫通孔を設けたことを特徴とする回転電機の回転子。
6. 固定子を電機子に、永久磁石を埋設した回転子を界磁とした回転電機であって、前記回転子として請求項１乃至５の何れかに記載の回転子を用いたことを特徴とする回転電機。
   
   

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