JP2011066964A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡易な構成で回転子を高速に回転させることができる回転電機を提供する。
【解決手段】回転電機１は、周方向に回転する円筒状の回転子３と、空隙を介して回転子３の外周側に設けられ、回転子３を回転させる磁界を発生させる固定子４と、を備え、回転子３は、磁石穴が回転軸方向に形成された回転子コア６と、磁石穴内に設けられた永久磁石７と、永久磁石７の回転子外周側の表面に設けられた非磁性部材と、を有するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に関し、特に、永久磁石が回転子コアに与える遠心力を低減した永久磁石埋込型の回転電機に関する。

永久磁石埋込型の回転電機は、回転子の内部に永久磁石を埋め込んだ回転電機である。永久磁石埋込型の回転電機は、回転子の表面に永久磁石を貼り付けた表面磁石型の回転電機よりも、遠心力に強く高速回転に向いていると言われている。一般的に、電動機は同じ出力であれば、高速回転させた方が小型化できる。したがって、永久磁石埋込型の回転電機は、搭載スペースが限られる用途、特に工作機械や、移動台車、電気自動車などに用いられている。

永久磁石埋込型の回転電機においては、永久磁石を埋め込むために回転子に形成された矩形状の磁石穴に平板の永久磁石が挿入される。ここで、回転子を高速で回転させた場合に、磁石穴の角部に応力が集中し、磁石の遠心力により回転子コアが破損する可能性がある。そこで、磁石穴の形状を複雑なものに変えて磁石穴の角部に集中する応力を緩和するなどの方策が報告されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０９−２９４３４４号公報（第４頁、図１，図２）

しかし、従来の永久磁石埋込型の回転電機においては、比較的簡易な構成で高速回転を実現するものは存在しなかった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、比較的簡易な構成で高速に回転させることができる回転子を有する回転電機を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明の回転電機は、周方向に回転する円筒状の回転子と、空隙を介して回転子の外周側に設けられ、回転子を回転させる磁界を発生させる固定子と、を備え、回転子は、磁石穴が回転軸方向に形成された回転子コアと、磁石穴内に設けられた永久磁石と、永久磁石の回転子外周側の表面に設けられた非磁性部材とを有するものである。

本発明の回転電機によれば、回転子コアの回転によって発生する永久磁石の遠心力を低減させることができるとともに、回転子コアに発生する応力を低減することができ、比較的簡易な構成で回転子を高速に回転させることができる。

本発明の回転電機の側断面図 本発明の回転電機の正断面図 回転子コアの正断面の部分拡大図 磁石穴と永久磁石の寸法を示す図 磁石穴に永久磁石から作用する磁力を示す図

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。まず、図１、図２を参照して回転電機の全体構造を説明する。

図１および図２において、永久磁石埋込型の回転電機１は、中空のシャフト２を回転軸としている。回転電機１は、周方向に回転する円筒状の回転子３と、回転子３を回転させる磁界を発生させる固定子４とを備えている。固定子４は、空隙を介して回転子３の外周側に設けられている。回転子３は、磁石穴５（図３参照）が回転軸方向に形成された回転子コア６と、磁石穴５内に設けられた永久磁石７とからなっている。
図２に示すように、永久磁石７は回転子コア６に略Ｖ字状に繰り返し配列されている。なお、永久磁石７の配列はこれに限られるものではない。永久磁石７の長手方向が回転子コア６の外周に沿うように繰り返し配列してもよい。

回転子３は、略円筒形状のフレーム９に対し、フレーム９に配設された軸受９ａによりシャフト２を介して回転自在に支持されている。回転子３は、略円筒状の回転子コア６の内径側でシャフト２に固定されている。
固定子４は、固定子コア４ａと巻線１０とからなっている。銅線をコイル状にした巻線１０は磁性体である固定子コア４ａに巻設されている。

次に図３を参照して磁石穴５と永久磁石７について詳細に説明する。図３は図２におけるＡ部分を拡大したものである。図３において、磁石穴５の断面形状は長尺状の矩形である。磁石穴５に挿入された状態で保持される永久磁石７の形状は、平板状のブロックである。永久磁石７には製作誤差があるため、磁石穴５は、永久磁石７の製造ばらつきを考慮して、かなり大きめに形成されている。
ここで、回転子３が回転する際に永久磁石７に発生する遠心力は、回転子３の回転速度および、回転中心から永久磁石７までの距離が大きいほど、大きくなる。このため、永久磁石７に発生する遠心力を小さくするためには、永久磁石７をなるべく回転子コア６の内径側に配置すること、すなわち回転子コア６の内径側に密着させることが望ましい。

そこで、永久磁石７の回転子３の外周側（回転子コア６の外径側）の表面には、非磁性部材８が設けられている。これにより、永久磁石７が回転子コア６の内径側に密着しやすくなっている。これは、磁石穴５の中央付近を狙って永久磁石７を挿入しようとすると、永久磁石７の回転子外周側の表面に設けられた非磁性部材８の存在により、永久磁石７と回転子コア６の内径側との距離が近づいた状態で永久磁石７が挿入されやすいからである。
このように、永久磁石７の回転子外周側の表面に、非磁性部材８が設けられておりさえすれば、永久磁石７が回転子コア６の内径側に密着しやすくなるという効果を得られるが、更にこの効果を確実にするための実施形態を以下で説明する。

図４は、磁石穴５と永久磁石７と非磁性部材８の寸法関係を示すものである。図４において、寸法Ｔは、磁石穴５の短辺方向における磁石穴５の寸法、寸法ｈは磁石穴５の短辺方向における永久磁石７の寸法、寸法ｔは、磁石穴５の短辺方向における非磁性部材８の寸法である。

次に、図５を参照して、永久磁石７に作用する磁力について説明する。図５は、永久磁石７が、非磁性部材８を介して回転子コア６の外径側に接触して挿入された場合（以下、「外径接触挿入時」という）を示している。図５において、永久磁石７には、回転子コア６の内径側からＦ１、回転子コア６の外径側からＦ２という、永久磁石７を回転子コア６に引き寄せる力が働いている。ここで、外径接触挿入時に次式、
（数１）
Ｆ１＞Ｆ２
という条件が満足されるならば、永久磁石７を磁石穴５のどの位置に挿入しても、永久磁石７は回転子コア６の内径側に引き寄せられて磁力により密着することとなる。
一般に、磁石と磁性体との距離が短いほど磁力が強くなるため、（数１）が成り立つためには、回転子コア６の外径側から永久磁石７までの距離と、回転子コア６の内径側から永久磁石７までの距離について、次式、
（数２）
Ｔ−（ｈ＋ｔ）＜ｔ
が成り立てばよい。
また、非磁性部材８を有する永久磁石７が磁石穴５に挿入可能なためには、次式、
（数３）
Ｔ＞ｈ＋ｔ
を満たす必要もある。結局、（数２）と（数３）より、次式、
（数４）
（Ｔ−ｈ）／２＜ｔ＜Ｔ−ｈ
が導かれ、この条件を満足すれば、永久磁石７を磁石穴５内のどの位置に挿入しても、永久磁石７は回転子コア６の内径側に引き寄せられて磁力により密着することとなる。

なお、永久磁石７の回転子３の内周側（回転子コア６の内径側）の表面に、磁性粉を含む接着剤が塗布されていると、より確実に永久磁石７が回転子コア６の内径側に密着することとなるので望ましい。

また、テープ状部材を永久磁石７の回転子外周側の表面に貼着することによって、非磁性部材８を所定の厚みをもつテープ状部材で構成すると、テープ状部材を何層か積み重ねることによって、非磁性部材８の厚さの調整が容易に可能となるので望ましい。また、テープ状部材を樹脂で構成すると、非磁性部材８を比較的安価に簡便に構成できるので望ましい。

なお、本実施の形態では、インナーロータタイプのモデルを用いて本発明を説明したが、これに限られるものではない。本発明は、アウターロータタイプのモデルにも適用可能である。
すなわち、周方向に回転する円筒状の回転子と、空隙を介して回転子の内周側に設けられ、回転子を回転させる磁界を発生させる固定子と、を備え、回転子は、磁石穴が回転軸方向に形成された回転子コアと、磁石穴内に設けられた永久磁石と、永久磁石の回転子外周側の表面に設けられた非磁性部材と、を有する、回転電機においても同様の効果を得ることができる。

また、８極１２スロットのモデルで本発明を説明したが、これに限られるものではない。本発明は、電動機の極数およびスロット数に関係なく、適用可能である。
なお、永久磁石７の表面に腐食防止のためのコーティングが予め施されている場合であっても、本発明を適用できる。そして、このコーティングの材質が非磁性部材として機能する場合には、永久磁石における回転子の内周側よりも外周側のコーティングの厚さを厚くすることとなる。

このように、本発明の回転電機は、磁石穴に複雑な加工をしなくても、回転子コアの回転によって発生する永久磁石の遠心力を低減させることができるとともに、回転子コアに発生する応力を低減することができ、比較的簡易な構成で回転子を高速に回転させることができる。

本発明は、比較的簡易な構成で高速に回転させることができる回転子を有する回転電機を提供できるので回転電機の分野で有用である。

１ 回転電機
２ シャフト
３ 回転子
４ 固定子
５ 磁石穴
６ 回転子コア
７ 永久磁石
８ 非磁性部材
９ フレーム
１０ 巻線

Claims (6)

1. 周方向に回転する円筒状の回転子と、
   空隙を介して前記回転子の外周側に設けられ、前記回転子を回転させる磁界を発生させる固定子と、を備え、
   前記回転子は、
   磁石穴が回転軸方向に形成された回転子コアと、
   前記磁石穴内に設けられた永久磁石と、
   前記永久磁石の前記回転子外周側の表面に設けられた非磁性部材と、を有する、回転電機。
2. 周方向に回転する円筒状の回転子と、
   空隙を介して前記回転子の内周側に設けられ、前記回転子を回転させる磁界を発生させる固定子と、を備え、
   前記回転子は、
   磁石穴が回転軸方向に形成された回転子コアと、
   前記磁石穴内に設けられた永久磁石と、
   前記永久磁石の前記回転子外周側の表面に設けられた非磁性部材と、を有する、回転電機。
3. 前記磁石穴の断面形状は長尺状の矩形であり、
   前記磁石穴の短辺方向における前記磁石穴の寸法をＴとし、当該短辺方向における前記永久磁石の寸法をｈとしたとき、
   前記短辺方向における前記非磁性部材の寸法ｔは、次の関係式、（Ｔ−ｈ）／２＜ｔ＜Ｔ−ｈを満たすように設定される、請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記永久磁石の前記回転子内周側の表面には磁性粉を含む接着剤が塗布されている、請求項１または２に記載の回転電機。
5. 前記非磁性部材は、所定の厚みをもつテープ状部材で構成される、請求項１または２に記載の回転電機。
6. 前記テープ状部材は、樹脂で構成される、請求項５に記載の回転電機。
   

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