JP2010081676A - 回転電機の回転子及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石にスキューを施す場合に、製造コストと作業工数とを削減するとともに、特性を改善する回転電機の回転子及び回転電機を提供する。
【解決手段】鉄心材４積層して回転子鉄心２を形成するとき、鉄心材４を周方向に徐々に回転させながら積層するいわゆる回し積みを行うことにより、円弧状の断面を有し、回転子鉄心２を軸方向に貫き、軸方向に対して連続した傾きを有する磁性体スロット５を形成する。そして、この磁性体スロット５の形状に対応した、平面視で略平行四辺形の永久磁石７を収納することにより、連続したスキューを有する回転子鉄心２を形成する。このとき、永久磁石７を、その周方向に２分割する台形状の磁石片７ａと磁石片７ｂとから構成し、回転子鉄心２の軸方向の両端側からそれぞれ磁性体スロット５に挿入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁極形成用の永久磁石を備えた回転電機の回転子及び回転電機に関する。

回転電機、例えば誘導電動機の回転子は、トルクリプル、逆起電圧、鉄損及びこれらの高調波を低減し、始動時および運転時の特性を改善するために磁極にスキューを与えることが知られている。例えば、埋込型の永久磁石を用いる回転子では、永久磁石を回転子の軸方向に対して複数に分割し、各分割部分を周方向にずらして配設することにより、段階的な擬似的スキューを与えることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２４８４２２号公報

ところで、永久磁石を分割すると、高調波が発生するとともに、分割部分で磁束の漏れが発生してトルクが低下する。そのため、回転子の特性を改善するためには、連続的なスキューを設けるほうが望ましい。しかしながら、永久磁石型回転子の場合、スキューを連続的にするためには回転子に埋め込む永久磁石の分割数を増やして各分割部分のずれを小さくすることが必要となっていた。この場合、永久磁石の個数が増加するため、永久磁石の製造コストが増加するとともに、組立時の作業工数が増加するという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁極形成用の永久磁石にスキューを施す場合に、製造コストと作業工数とを削減するとともに、特性を改善する回転電機の回転子及び回転電機を提供することにある。

本発明の回転電機の回転子は、界磁空間側の外周部或いは内周部に、その外周部或いは内周部に沿う円弧状をなし且つスキューが施された磁石挿入用孔が所定間隔を存して複数個形成された回転子鉄心と、この回転子鉄心の磁石挿入用孔に挿入され、前記磁石挿入用孔に対応する円弧状をなし且つその磁石挿入用孔に対応して平面視で略平行四辺形をなす磁極形成用の永久磁石と、を具備し、前記永久磁石は、周方向に複数に分割されていることを特徴とする。

本発明の回転電機は、上記の回転子を用いたことを特徴とする。

本発明の回転子によれば、永久磁石を周方向に分割するようにしたので、スキューを形成した部分を分割することなく、挿入組立が可能な最小限の分割で済み、従って製造コストと作業工数とを削減することができ、また、スキューを連続的に設けたので、高調波を抑制することができるとともにトルクの低下を抑えることが可能となり、トルクリプルに起因する振動及び騒音を低減することができるなど、特性を向上させることができる。

また、特性が向上した上記の回転子を用いることにより、高静粛な回転電機を製造することができる。

（第１実施形態）
以下、本発明をインナーロータ型の回転電機の回転子に適用した第１実施形態につき、図１から図６に基づいて説明する。

永久磁石型回転電機の回転子１（以下、単に回転子１と称する）は、図１に示すように回転子鉄心２及び回転軸３を備えている。回転子鉄心２は、複数の鉄心材４を板厚方向に積層して形成されている。回転軸３は、回転子鉄心２を鉄心材４の積層方向に貫いており、回転子鉄心２に固定されている。鉄心材４は、例えば帯状の電磁鋼板をプレスなどで打ち抜くことにより形成されている。

回転子鉄心２は、図２に示すように、磁性体スロット５及び軸孔６を有している。磁石挿入用孔としての磁性体スロット５は、回転子鉄心２の周方向に等間隔で複数個、例えば４個設けられており、回転子鉄心２を鉄心材４の積層方向（軸方向）に貫いている。磁性体スロット５は、その断面が鉄心材４の円周に沿った円弧状に形成されている。軸孔６は、回転子鉄心２の内周に設けられ、回転軸３が挿入されている。

回転子鉄心２は、同一形状に形成された複数の鉄心材４を僅かに回転させながら積層するいわゆる回し積み、あるいは積層した後に捻りを加えるなどの作業により形成されている。そのため、回転子鉄心２には、軸方向に貫通し、且つその中心位置が周方向に徐々にずれた磁性体スロット５が形成される。このように形成された磁性体スロット５は、図１に示すように、回転子１の軸方向に対して連続した傾きを有することになる。

磁性体スロット５には、図２に示すように、永久磁石７が収納されている。永久磁石７は、例えばフェライト磁石、或いはニオジムなどの希土類元素を含む希土類磁石などで形成されている。この永久磁石７は、磁性体スロット５の形状に対応して、その断面が円弧状に形成されている。つまり、永久磁石７と回転子１の表面との距離は、周方向において一定である。また、上述のように磁性体スロット５には回転子１の軸方向に対して連続的な傾きが与えられていることから、この磁性体スロット５に挿入される永久磁石７も軸方向において連続した傾きを有している。つまり、回転子１は、連続的な磁極のずれ、すなわち連続的なスキューを有している。

ところで、断面が円弧状でスキューを有する永久磁石７は、そのままの形状では、円弧状に形成され且つ傾きを有する磁性体スロット５に挿入することが困難又は不可能である。そこで、本実施形態では、永久磁石７を周方向に複数に分割することにより、磁性体スロット５への永久磁石７の挿入を可能としている。

図３は、永久磁石７の外形の概略を示す図である。磁性体スロット５に収納されている永久磁石７は、円弧面側つまり回転子１の径方向外側からの平面視において、同図（Ａ）に示すように略平行四辺形の形状を有している。また、永久磁石７は、同図（Ｂ）に示すように、その断面が円弧状に形成されている。この永久磁石７は、周方向に分割され、複数個、本実施形態では２個の磁石片７ａ及び７ｂから構成されている。各磁石片７ａ及び７ｂは、接触面Ｐで互いに接触することにより略平行四辺形の永久磁石７を形成している。また、各磁石片７ａ及び７ｂは、回転子１の軸方向に対して所定の角度傾いた斜辺７ｃを有している。これにより、回転子１にはスキューが施される。

図４は、各磁石片７ａ及び７ｂを磁性体スロット５へ挿入する手順を模式的に示している。複数の鉄心材４を積層して回転子鉄心２を形成し、回し積みなどにより磁性体スロット５にスキューを与えた後、各磁石片７ａ及び７ｂは、同図（Ａ）に矢印で示すように、回転子鉄心２の軸方向における両側からそれぞれ磁性体スロット５に挿入される。各磁石片７ａ及び７ｂは、挿入方向における先端側が後端側よりも細く形成された、いわゆる先細りの形状を有している。例えば、磁石片７ａの場合、挿入方向において先端部分の幅Ｌ１は、後端部分の幅Ｌ２よりも短く形成されている。また、磁石片７ｂも、挿入方向において先端部分の幅Ｌ１が後端部分の幅Ｌ２よりも短く形成されている。これら各磁石片７ａ及び７ｂは、同図（Ｂ）に示すように回転子鉄心２に収納された後、例えば接着剤や充填剤などにより回転子鉄心２に固定される。なお、各磁石片７ａ及び７ｂは、金型などにより予め台形状に形成してもよく、磁性体スロット５の形状に形成した磁石を切断することにより台形状に形成してもよい。また、各磁石片７ａ及び７ｂを挿入する方向は上記の方向に限定されない。例えば、図４（Ｂ）において、まず磁石片７ｂを回転子鉄心２の左方から挿入した後、磁石片７ａを同じく左方から回転子鉄心２に挿入してもよい。

図５に上記のように形成された回転子１の斜視図を示す。回転子１には、断面が円弧状で、その中心位置が周方向にずれた永久磁石７が埋め込まれている。これにより、回転子１には、軸方向において連続的なスキューが与えられる。なお、回転子１に収納された複数の永久磁石７は、隣接する永久磁石７同士の磁極が互いに逆、つまり回転子の径方向外側から見た場合、Ｎ極とＳ極とが交互になるように配置されている。

次に上述した構成による回転子１を用いた回転電機１０について説明する。
図６は、上述の回転子１を用いた回転電機１０の概略を示す断面図である。回転電機１０は、固定子１１と、この固定子１１の内周側に配置された回転子１とから構成されている。固定子１１は、略円筒状に形成された固定子鉄心１２と、これに巻回された固定子コイル１３とを有している。固定子鉄心１２は、例えば電磁鋼板を積層することなどにより形成されている。固定子鉄心１２の内周面側には固定子コイル１３用の開口部１４を有する固定子スロット１５が等間隔で複数個形成されている。また隣接する固定子スロット１５間には、磁極ティース１６が形成されている。固定子コイル１３は、この磁極ティース間に巻回され、固定子スロット１５に収容されている。回転子１は、固定子１１の内周面との間に僅かな空隙（エアギャップ）を隔てて回転可能に支持されている。回転子１は、４極構成の界磁極を構成している。このような構成の回転電機１０は、電動機や発電機として使用される。

例えば、回転電機１０を電動機として使用する場合、図示しない電源回路から例えば３相の交流電源が固定子コイル１３に供給されると、固定子コイル１３は供給された電流に応じた磁束を発生する。この磁束がエアギャップを介して回転子１に作用すると、回転子１の永久磁石７は、磁束による磁界の極性に応じて反発または吸引を繰り返す。これにより、回転子１が回転する。この場合、回転子１に埋め込まれている各永久磁石７が磁界の変化点を乗り越えるときにトルクの脈動、すなわちトルクリプルが生じるおそれがある。しかし、本実施形態の回転電機１０は、スキューを施した回転子１を用いることにより、各永久磁石７が磁界の変化点を乗り越えるタイミングがスキュー分だけずれるように構成されている。

以上説明した構成による回転子１、及びこの回転子１を用いた回転電機１０によれば次のような効果を得ることができる。
回転子１は、軸方向に連続的なスキューを有している。これにより、永久磁石７が磁界の変化点を乗り越えるときに発生するトルクリプルを低減されるとともに、軸方向に対して分割部分がないことから磁束の漏れを低減することが可能となる。したがって、回転子１の特性を向上させることができる。

各永久磁石７は、周方向に２分割された各磁石片７ａ及び７ｂで構成されている。そのため、連続したスキューを与える場合であっても使用する磁石の数を最小限に抑制することが可能となり、磁石の製造コストを低減することができる。また、各磁石片７ａ及び７ｂは、台形状、つまり挿入方向における先端部側が後端部側よりも細くなるように形成されているため、磁性体スロット５への挿入作業がスムーズになり、組立作業時の作業工数を削減することができる。

回転電機１０に連続したスキューを有する回転子１を用いることにより、トルクリプルなどの特性が改善され、それに伴う振動などが低減される。従って、高静粛な回転電機を提供することができる。また、永久磁石７の断面を円弧状に形成しているので、磁極すなわち永久磁石７と固定子１１との間の距離は、周方向において均一となる。これにより、固定子１１側から見た各磁極の磁束密度分布が一定となり、特性を向上させることができる。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態の回転子を図７に基づいて説明する。第２実施形態では、回転子に収納されている永久磁石が周方向に３分割されている点において第１実施形態の回転子１と異なっている。

図７（Ａ）は、第２実施形態の回転子２０の外観を示している。回転子２０に収納されている永久磁石２１は、同図（Ａ）に示すように、周方向に３分割されている。この場合、永久磁石２１は、平面視で矩形状（長方形）の磁石片２１ａと、平面視で三角形状の２つの磁石片２１ｂ及び２１ｃとから構成されている。磁石片２１ｂ及び２１ｃは、スキューを形成する斜辺２１ｄを有している。なお、磁石片２１ｂ及び２１ｃは、三角形状だけでなく台形状の形状としてもよい。

このように、永久磁石２１を各磁石片２１ａ〜２１ｃに３分割することによっても、磁性体スロット５への挿入がスムーズになるなど、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。特に、第２実施形態では、平面視で長方形に形成された磁石片２１ａの円弧形状部分の幅、つまり図７（Ｂ）に示す周方向における磁石片２１ａの幅Ｌ３を変更することにより、磁極の大きさが変更可能となる。これにより、周方向に配置される磁極の数を任意に変更することが可能となる。なお、第１実施形態の回転子１の代わりに、この回転子２０を回転電機１０に適用してもよい。

（第３実施形態）
以下、本発明の第３実施形態の回転子を図８及び図９に基づいて説明する。第３実施形態の回転子は、平面視でＶ字形状のスキューが与えられている点において第１実施形態の回転子１と異なっている。なお、実質的に第１実施形態の回転子１と同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。

回転子３０の回転子鉄心３１は、図８（Ａ）に示すように、回転子３０の軸方向に対して２つの回転子ブロック３１ａ及び３１ｂに分割されている。各回転子ブロック３１ａ及び３１ｂに収納されている永久磁石３２及び３３は、回転子３０の中央部においてスキューの角度がそれぞれ異なっている。つまり、回転子３０には、Ｖ字形状のスキューが与えられている。この回転子３０は、第１実施形態と同様に形成された２つの回転子ブロック３１ａ及び３２ｂを積層することにより形成されている。

具体的には、回転子ブロック３１ａは、鉄心材４を積層するとき、磁性体スロット５の位置を、同図（Ｂ）に示すように、時計回りに徐々に回転させながら積層して形成されている。そして、第１実施形態と同様に、周方向に２分割された磁石片３２ａ及び３２ｂを回転子ブロック３１ａの軸方向における両側からそれぞれ挿入することにより、スキューを有した回転子ブロック３１ａが形成される。なお、鉄心材４の積層順は、同図（Ａ）において左方から右方の順である。そのため、回転子ブロック３１ａでは、積層方向において後方、つまり回転子ブロック３１ｂとの接触面側の磁性体スロット５を点線で模式的に示している。一方、回転子ブロック３１ｂは、磁性体スロット５の位置を、同図（Ｃ）に示すように、反時計回りに徐々に回転させながら積層して形成されている。そして、永久磁石３３ａ及び３３ｂがそれぞれ挿入されることにより、スキューの方向が回転子ブロック３１ａとは異なる回転子ブロック３１ｂが形成される。

これらの回転子ブロック３１ａ及び３１ｂを、図８（Ａ）に示すように、永久磁石３２と永久磁石３３との断面が一致する位置関係で組み合わせることにより、平面視でＶ字形状のスキューを有する回転子鉄心３１が形成される。なお、各永久磁石３２及び３３は、第２実施形態の永久磁石２１のように３分割してもよい。

以上のように形成された回転子３０は、平面視でＶ字形状に連続したスキューを有している。そのため、特性が向上するなど第１実施形態と同様の効果を得ることができる。特に、第３実施形態の回転子３０では、永久磁石２１のスキューをＶ字形状にしているので、そのＶ字形状の角度を任意に設定することにより、所望の次数の高調波を低減することができる。なお、第１実施形態の回転子１の代わりに、この回転子３０を回転電機１０に適用してもよい。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えばアウターロータ型の回転電機に適用するなど、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

本発明の第１実施形態による回転子を示す概略図 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図 永久磁石の概略を示す模式図 永久磁石の挿入方法を示す模式図で、（Ａ）は挿入前の状態を示す図で、（Ｂ）は挿入後の状態を示す図 回転子の概略を示す斜視図 回転電機の概略を示す断面図 本発明の第２実施形態による回転子を示す概略図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図 本発明の第３実施形態による回転子を示す概略図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図

符号の説明

図面中、１、２０、３０は回転子、２、３１は回転子鉄心、５は磁性体スロット（磁石挿入用孔）、７、２１、３２、３３は永久磁石、１０は回転電機を示す。

Claims (5)

1. 界磁空間側の外周部或いは内周部に、その外周部或いは内周部に沿う円弧状をなし且つスキューが施された磁石挿入用孔が所定間隔を存して複数個形成された回転子鉄心と、
   この回転子鉄心の磁石挿入用孔に挿入され、前記磁石挿入用孔に対応する円弧状をなし且つその磁石挿入用孔に対応して平面視で略平行四辺形をなす磁極形成用の永久磁石と、を具備し、
   前記永久磁石は、周方向に複数に分割されていることを特徴とする回転電機の回転子。
2. 永久磁石は、平面視で台形状に２分割されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機の回転子。
3. 永久磁石は、１つの矩形状と２つの三角形状に３分割されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機の回転子。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の回転子を２個組合せた形態に構成され、永久磁石が平面視でＶ字形状をなすことを特徴とする回転電機の回転子。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項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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