JP2007336671A - 永久磁石回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子鉄心の外径寸法を大きくすることなく、鉄ブリッジ部を通る永久磁石の漏れ磁束を低減し、高速回転化、高トルク化を図る。
【解決手段】永久磁石回転電機の回転子１１は、電磁鋼板を積層した積層体または磁性材料の塊状体により形成された回転子鉄心１２に、周方向に間隔をおいて複数個のスロット１２ａを形成し、各スロット１２ａに永久磁石１４を挿入して構成されている。回転子鉄心１２の各スロット１２ａには、凸部１２ｅが形成され、また永久磁石１４には、凸部１２ｅに嵌合する凹部１４ａが形成されて嵌合部が構成されている。この嵌合部により永久磁石１４が回転子鉄心１２に強固に保持されるので、回転子鉄心１２は、鉄ブリッジ部１２ｃの幅寸法を小さくできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石を回転子鉄心内に挿入して構成した永久磁石回転電機の回転子に関するものである。

永久磁石回転電機である永久磁石界磁同期機は、高速回転化、高トルク化が可能であり、車両用、家電用、工作機械用などの様々な製品に多用されている。永久磁石回転電機の回転子鉄心は、けい素鋼板等の電磁材料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り、この回転子鉄心に回転軸を焼き嵌めにより取り付けたり、あるいは回転子鉄心と回転軸とを削り出しや叩き出し等により一体に成形したりして構成されている。また回転子鉄心には、複数個のスロットが形成され、この各スロット内に磁極を構成する永久磁石が挿入されている。

図６は従来の永久磁石回転電機の回転子を示す横断面図である。永久磁石回転電機の回転子１は、主要構成要素として回転子鉄心２、回転子軸３および永久磁石４を備えている。回転子鉄心２には、横断面長方形の複数個のスロット２ａが周方向に間隔をおいて形成されており、各スロット２ａに横断面長方形の永久磁石４が挿入されて埋め込まれた状態に保持されている。回転子軸３は、回転子鉄心２の軸中心に形成された円形の嵌合孔２ｂに焼き嵌め等の手段により挿入されて一体に取り付けられている。

このような構造の永久磁石回転電機の回転子は、たとえば特許文献１に記載されている。
特開２００１−３３９９１９号公報

ところで、上記のような永久磁石回転電機の回転子１においては、永久磁石４を回転子鉄心２内に保持して高速回転させるために、回転子鉄心２に所定の機械的強度を確保する必要がある。特に永久磁石４と回転子鉄心２の外周縁との間に位置する鉄ブリッジ部２ｃは、他の部分に比して幅寸法が小さいので、遠心力が作用する永久磁石４を保持するためには、この部分の幅寸法を大きくして機械的強度を高める必要がある。しかしながら、鉄ブリッジ部２ｃの幅寸法を大きくすると、回転子鉄心２の外径寸法が必然的に大きくなり、また鉄ブリッジ部２ｃを通る永久磁石４の漏れ磁束が増大して永久磁石回転電機のトルク低下を生じる問題がある。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、回転子鉄心の外径寸法を大きくすることなく、鉄ブリッジ部を通る永久磁石の漏れ磁束を低減することができて高速回転化、高トルク化を図ることが可能な永久磁石回転電機の回転子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明による永久磁石回転電機の回転子においては、回転子鉄心に周方向に間隔をおいて複数個のスロットを形成し、各スロットに永久磁石を挿入して構成した永久磁石回転電機の回転子において、前記回転子鉄心のスロットの少なくとも一箇所に凸部を形成するとともに前記永久磁石に凹部を形成して前記凸部および凹部を嵌合して構成したことを特徴とする。

本発明の永久磁石回転電機の回転子によれば、回転子鉄心のスロットに形成した凸部と永久磁石に形成した凹部との嵌合部に遠心力に対する強度を分担させることができる。これにより遠心力に対する鉄ブリッジ部の負担を軽減することができるので、鉄ブリッジ部の幅寸法を大きくする必要がなくなる。これにより、回転子鉄心の外径寸法を小さく抑えることができ、鉄ブリッジ部を通る永久磁石の漏れ磁束を低減することができて高速回転化、高トルク化を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の回転子を示す横断面図である。図１において、１１は永久磁石界磁同期機などの永久磁石回転電機の回転子である。この回転子１１は、主要構成要素として回転子鉄心１２、回転子軸１３および永久磁石１４を備えている。回転子鉄心１２は、たとえばけい素鋼板などの電磁鋼板を積層した円柱状の積層体で構成されている。回転子鉄心１２の軸中心に形成された嵌合孔１２ｂに、切削加工あるいは研削加工等により形成された回転子軸１３が焼き嵌め等の手段により強固に一体的に固定されている。なお、回転子鉄心１２は、たとえば磁性材料の塊状体であってもよい。

また回転子鉄心１２には、横断面Ｖ字状をなす複数個のスロット１２ａが周方向に間隔をおいて、たとえば４個形成されている。複数個のスロット１２ａ間には所定の磁気路１２ｄが形成されている。Ｖ字状のスロット１２ａの各長辺部には、それぞれ横断面長方形を有する永久磁石１４が挿入されている。この永久磁石１４は、たとえば希土類磁石あるいはフェライト磁石により形成されている。

各Ｖ字状のスロット１２ａの回転子軸１３側に位置する屈曲部には、各長辺部に向けて突出する２個の凸部１２ｅが形成されている。永久磁石１４の回転子軸１３側に位置する短辺側には、Ｖ字状のスロット１２ａの屈曲部に設けられた凸部１２ｅに嵌合する凹部１４ａが形成されており、永久磁石１４はこの凹部１４ａが回転子鉄心１２の凸部１２ｅと嵌合するようにスロット１２ａ内に挿入されて位置決めされた状態に保持されている。また回転子鉄心１２のスロット１２ａの屈曲部には、２個の永久磁石１４の短辺間に位置して透磁率の低い空隙部１２ｆが形成されている。

このように構成された永久磁石回転電機の回転子１１は、回転中に発生する遠心力に対する強度を、鉄ブリッジ部１２ｃのみならず、回転子鉄心１２の凸部１２ｅおよび永久磁石１４の凹部１４ａによる嵌合部で分担して永久磁石１４を強固に保持することができる。これにより鉄ブリッジ部１２ｃの機械的強度を大きくする必要がなくなり、幅寸法を小さくできるので、回転子鉄心１２の外径寸法を大きくする必要がなくなる。また従来のように鉄ブリッジ部だけでは機械的強度が足りず、Ｖ字状のスロットの屈曲部を鉄で繋いで分離したスロットとして構成する必要もなく、Ｖ字状のスロット１２ａの屈曲部に漏れ磁束の通り難い空隙部１２ｆを形成した状態で永久磁石１４を保持することができる。

このようにして鉄ブリッジ部１２ｃを狭くすることができることにより、また、回転子鉄心１２のスロット１２ａの屈曲部に空隙部１２ｆを設けることができることにより、鉄ブリッジ部１２ｃやＶ字状のスロット１２ａの屈曲部を通る漏れ磁束が低減できて永久磁石回転電機の高速回転化、高トルク化を図ることができる。

図２は本発明の第２の実施形態に係る永久磁石回転電機の回転子を示す横断面図である。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、回転子鉄心２２の凸部２２ｅと永久磁石２４の凹部２４ａとの嵌合部を、Ｖ字状のスロット２２ａの外周側に位置する各先端部に設けたところにある。回転子鉄心２２の各Ｖ字状スロット２２ａの先端部には、回転子軸中心方向に突出する凸部２２ｅをそれぞれ形成し、各永久磁石２４の外周側に位置する短辺側には、凸部２２ｅに嵌合する凹部２４ａを形成し、Ｖ字状スロット２２ａの屈曲部には２個の永久磁石２４の短辺間に位置する空隙部２２ｆを形成している。

このように構成された永久磁石回転電機の回転子２１においても、回転中に発生する遠心力に対する強度を、鉄ブリッジ部２２ｃのみならず、回転子鉄心２２の凸部２２ｅおよび永久磁石２４の凹部２２ａによる嵌合部で分担して永久磁石２４を強固に保持することができる。これにより、第１の実施形態と同様に、鉄ブリッジ部２２ｃの幅寸法を小さくでき、回転子鉄心２２の外径寸法を大きくする必要がなくなる。またＶ字状のスロット２２ａの屈曲部に空隙部２２ｆを形成した状態で永久磁石２４を保持することができ、鉄ブリッジ部２２ｃや空隙部２２ｆの漏れ磁束が低減できる。

なお、本実施形態と第１の実施形態とを組み合わせて構成することもできる。

図３は本発明の第３の実施形態に係る永久磁石回転電機の回転子を示す横断面図である。

本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、回転子鉄心３２の凸部３２ｅと永久磁石３４の凹部３４ａとの嵌合部をＶ字状のスロット３２ａの長辺部に設けたところにある。回転子鉄心３２の各Ｖ字状スロット３２ａの長辺部には、周方向に突出する凸部３２ｅを、対向する面のそれぞれに形成し、各永久磁石３４の長辺側には、凸部３２ｅに嵌合する凹部３４ａをそれぞれ形成し、Ｖ字状スロット３２ａの屈曲部には２個の永久磁石３４の短辺間に位置する台形状の空隙部３２ｆを形成している。

このように構成された永久磁石回転電機の回転子３１においても、回転中に発生する遠心力に対する強度を、鉄ブリッジ部３２ｃのみならず、回転子鉄心３２の凸部３２ｅおよび永久磁石３４の凹部３２ａによる嵌合部で分担して永久磁石３４を強固に保持することができる。

これにより、第１の実施形態と同様に、鉄ブリッジ部３２ｃの幅寸法を小さくでき、回転子鉄心３２の外径寸法を大きくする必要がなくなる。またＶ字状のスロット３２ａの屈曲部に空隙部３２ｆを形成した状態で永久磁石３４を保持することができ、鉄ブリッジ部３２ｃや空隙部３２ｆの漏れ磁束が低減できる。

図４は本発明の第４の実施形態に係る永久磁石回転電機の回転子を示す横断面図である。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、回転子鉄心４２に形成されたスロット４２ａを横断面略長方形に形成して周方向に間隔をおいて複数個（実施形態では４個）設け、この各スロット４２ａ内にそれぞれ横断面長方形を有する永久磁石４４を挿入したところにある。スロット４２ａの両短辺側には、それぞれ凸部４２ｅを形成し、永久磁石４４の両短辺側にそれぞれ凸部４２ｅに嵌合する凹部４４ａを形成する。

このように構成された永久磁石回転電機の回転子４１においても、回転中に発生する遠心力に対する強度を、鉄ブリッジ部４２ｃのみならず、回転子鉄心４２の凸部４２ｅおよび永久磁石４４の凹部４４ａによる嵌合部で分担して永久磁石４４を強固に保持することができる。これにより、第１の実施形態と同様に、鉄ブリッジ部４２ｃの幅寸法を小さくでき、回転子鉄心４２の外径寸法を小さくすることができる。また、鉄ブリッジ部４２ｃの漏れ磁束が低減できて永久磁石回転電機の高速回転化、高トルク化を図ることができる。

図５（ａ）ないし（ｃ）は本発明の永久磁石回転電機の回転子における回転子鉄心と永久磁石との嵌合部の異なる実施形態を示す要部拡大横断面図である。上記各実施形態における回転子鉄心の凸部と永久磁石の凹部との嵌合部は、たとえば図５（ａ）に示すように半円状の凸部１２ｅおよび凹部１４ａで構成した場合について説明したが、同図（ｂ）に示すように三角形の凸部１２ｅおよび凹部１４ａや同図（ｃ）に示すように矩形の凸部１２ｅおよび凹部１４ａなど、多角形で構成することもできる。

本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の回転子を示す横断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る永久磁石回転電機の回転子を示す横断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る永久磁石回転電機の回転子を示す横断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る永久磁石回転電機の回転子を示す横断面図である。 （ａ）ないし（ｃ）は本発明の永久磁石回転電機の回転子における回転子鉄心と永久磁石との嵌合部の異なる実施形態を示す要部拡大横断面図である。 従来の永久磁石回転電機の回転子を示す横断面図である。

符号の説明

１，１１，２１，３１，４１…永久磁石回転電機の回転子
２，１２，２２，３２，４２…回転子鉄心
２ａ，１２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａ…スロット
２ｂ，１２ｂ…嵌合孔
２ｃ，１２ｃ，２２ｃ，３２ｃ，４２ｃ…鉄ブリッジ部
３，１３，２３，３３，４３…回転子軸
４，１４，２４，３４，４４…永久磁石
１２ｄ…磁気路
１２ｅ，２２ｅ，３２ｅ，４２ｅ…凸部
１２ｆ，２２ｆ，３２ｆ…空隙部
１４ａ，２４ａ，３４ａ，４４ａ…凹部

Claims (6)

1. 回転子鉄心に周方向に間隔をおいて複数個のスロットを形成し、各スロットに永久磁石を挿入して構成した永久磁石回転電機の回転子において、
   前記回転子鉄心のスロットの少なくとも一箇所に凸部を形成するとともに前記永久磁石に凹部を形成して前記凸部および凹部を嵌合して構成したことを特徴とする永久磁石回転電機の回転子。
2. 前記回転子鉄心に形成された各スロットを横断面Ｖ字状に形成して、この各Ｖ字状のスロット内にそれぞれ横断面長方形を有する２個の永久磁石を挿入し、前記Ｖ字状のスロットの回転子軸側に位置する屈曲部に前記凸部を形成し、前記永久磁石の回転子軸側に位置する短辺側に前記凸部に嵌合する凹部を形成し、前記Ｖ字状のスロットの屈曲部に前記２個の永久磁石の短辺間に位置する空隙部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石回転電機の回転子。
3. 前記回転子鉄心に形成された各スロットを横断面Ｖ字状に形成して、この各Ｖ字状のスロット内にそれぞれ横断面長方形を有する２個の永久磁石を挿入し、前記Ｖ字状のスロットの各先端部にそれぞれ前記凸部を形成し、前記各永久磁石の外周側に位置する短辺側に前記凸部に嵌合する凹部をそれぞれ形成し、前記Ｖ字状のスロットの屈曲部に前記２個の永久磁石の短辺間に位置する空隙部を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石回転電機の回転子。
4. 前記回転子鉄心に形成された各スロットを横断面Ｖ字状に形成して、この各Ｖ字状のスロット内にそれぞれ横断面長方形を有する２個の永久磁石を挿入し、前記Ｖ字状のスロットの長辺部にそれぞれ前記凸部を形成し、前記永久磁石の長辺側に前記凸部に嵌合する凹部を形成し、前記Ｖ字状のスロットの屈曲部に前記２個の永久磁石の短辺間に位置する空隙部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石回転電機の回転子。
5. 前記回転子鉄心に形成された各スロットを横断面長方形に形成して、この各スロット内にそれぞれ横断面長方形を有する永久磁石を挿入し、前記スロットの両短辺側にそれぞれ前記凸部を形成し、前記永久磁石の両短辺側にそれぞれ前記凸部に嵌合する凹部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石回転電機の回転子。
6. 前記スロットの凸部および凹部の横断面形状を、半円形または多角形に形成したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の永久磁石回転電機の回転子。

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