JP2011199944A - 回転電機の永久磁石埋設型回転子及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁束短絡を抑制しつつ減磁耐量を向上できる永久磁石埋設型回転子を提供する。
【解決手段】永久磁石収容部１９Ａ，１９Ｂには永久磁石１７Ａ，１７Ｂが収容されている。空隙２０Ａ，２０Ｂを形成する磁極側形成面２０１Ａ，２０１Ｂには凸部２２Ａ，２２Ｂが磁極側形成面２０１Ａ，２０１Ｂから反磁極側形成面２０２Ａ，２０２Ｂに向けて突設されている。空隙２０Ａ，２０Ｂを形成する反磁極側形成面２０２Ａ，２０２Ｂには凸部２３Ａ，２３Ｂが反磁極側形成面２０２Ａ，２０２Ｂから磁極側形成面２０１Ａ，２０１Ｂに向けて突設されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機の永久磁石埋設型回転子及び回転電機に関する。

回転子のロータコアに埋設された複数の永久磁石によって複数の磁極を構成する永久磁石埋設型回転子では、隣り合う磁極が互いに異なっている。そのため、隣り合う磁極を構成する隣り合う永久磁石の磁石端部間で磁束の短絡が生じやすい。

特許文献１に開示のロータ（回転子）では、永久磁石の磁石端部に接すると共に、ロータコアの外周面に近接する位置まで延びる磁気的空隙がロータコアに設けられている。磁気的空隙は、隣り合う永久磁石の磁石端部間での磁束の短絡を抑制して短絡磁束を低減する。

特許第３４８７６６７号公報

回転電機が高負荷状態（ステータコイルへ供給される電流量が大きい状態）では磁石端部周辺のロータコアの部位が磁気飽和状態になり、磁石端部におけるパーミアンス係数が低下する。そのため、磁石端部の減磁耐量が低下する。特許文献１に開示の磁気的空隙は、永久磁石の磁石端部の減磁耐量を更に低下させる。

本発明は、磁束短絡を抑制しつつ減磁耐量を向上できる永久磁石埋設型回転子を提供することを目的とする。

請求項１乃至請求項５の発明は、ロータコアに形成された収容孔に永久磁石が収容されている回転電機の永久磁石埋設型回転子を対象とし、請求項１の発明では、前記収容孔は、少なくとも、前記永久磁石が収容可能な永久磁石収容部及び前記永久磁石収容部のｑ軸側の空隙からなり、前記空隙の形成面は、少なくとも、前記永久磁石の磁極面と向き合う前記収容孔の磁極側対向面に連なる磁極側形成面と、前記永久磁石の反磁極面と向き合う前記収容孔の反磁極側対向面に連なる反磁極側形成面とから構成されており、前記空隙は、前記磁極側形成面において凸形状となる形状に形成されている。

磁極面からの磁束の一部は、凸形状に形成された磁極側形成面と交差する経路を通る。そのため、磁石端部におけるパーミアンス係数の低下が抑制され、磁石端部における減磁耐量が向上する。

好適な例では、前記空隙は、前記反磁極側形成面において凸形状となる形状に形成されている。
凸形状に形成された反磁極側形成面は、磁極面からの磁束が磁極側形成面と交差する経路を通り易くなることに寄与する。

好適な例では、前記空隙の前記磁極側形成面は、前記永久磁石のｑ軸側の磁石端面から離れた位置で前記反磁極側形成面に向けて突出する凸部となる形状に形成されており、前記凸部の根元の幅は、前記ロータコアの外周面から前記空隙の形成面に至る最短距離よりも小さい。

好適な例では、前記回転子の回転軸線を中心として前記ロータコアの外周面に最も近く前記空隙の形成面に接する仮想円と、前記磁極側対向面と同一面の仮想平面との交点に関し、前記凸部の根元は、前記磁石端面と前記交点との間にある。

ここにおける交点とは、ロータコアの断面（回転軸線と直交する平面）における交点である。
請求項５の発明は、ロータコアに形成された収容孔に永久磁石が収容されている永久磁石埋設型回転子を備えた回転電機において、前記永久磁石埋設型回転子が請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の永久磁石埋設型回転子である。

本発明の永久磁石埋設型回転子は、磁束短絡を抑制しつつ減磁耐量を向上できるという優れた効果を奏する。

一実施形態を示し、（ａ）は、回転電機の断面図。（ｂ）は、回転電機の側断面図。 （ａ）は、部分拡大断面図。（ｂ）は、要部拡大断面図。 別の実施形態を示す部分拡大断面図。 別の実施形態を示す部分拡大断面図。 別の実施形態を示す部分拡大断面図。 別の実施形態を示す要部拡大断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、永久磁石埋設型回転電機Ｍを構成する固定子１１は、環状のステータコア１２と、ステータコア１２の内周に複数配列されたティース１２１間のスロット１２２に施されたコイル１３とからなる。スロット１２２は、環状の固定子１１の周方向に等ピッチで配列されている。

図１（ｂ）に示すように、ステータコア１２は、磁性体（鋼板）製の複数枚のコア板１４を積層して構成されている。
図１（ａ）に示すように、永久磁石埋設型回転電機Ｍを構成する回転子１５は、ロータコア１６と、ロータコア１６内に埋設された平板形状の複数対（本実施形態では８対）の永久磁石１７Ａ，１７Ｂとからなる。対となるように隣り合う永久磁石１７Ａ，１７Ｂは、全て同形同大である。複数対の永久磁石１７Ａ，１７Ｂは、対単位で回転子１５の回転軸線Ｃを中心とした回転対称に配置されている。

図１（ｂ）に示すように、ロータコア１６は、磁性体（鋼板）製の複数枚のコア板１８を積層して構成されている。ロータコア１６の中心部には軸孔１６１が貫設されている。軸孔１６１には出力軸（図示略）が通されて固定される。

図２（ａ）に示すように、対の永久磁石１７Ａ，１７Ｂは、回転軸線Ｃ〔図１（ｂ）参照〕と平行な方向にロータコア１６に貫設された永久磁石収容部１９Ａ，１９Ｂに嵌入されている。ロータコア１６の外周面１６２側における永久磁石１７Ａの面１７０Ａと永久磁石１７Ｂの面１７０Ｂとは、同じ磁極の磁極面１７０Ａ，１７０Ｂである。つまり、対の永久磁石１７Ａ，１７Ｂが１つの磁極を構成しており、複数対の永久磁石１７Ａ，１７Ｂは、対単位で周方向に交互に異なる磁極となるようにロータコア１６内に磁極として埋設されている。

永久磁石１７Ａにおける外周面１６２に近い方の端面１７１Ａは、対の永久磁石１７Ａ，１７Ｂの一方の磁石端面１７１Ａである。永久磁石１７Ｂにおける外周面１６２に近い方の端面１７１Ｂは、対の永久磁石１７Ａ，１７Ｂの他方の磁石端面１７１Ｂである。磁極面１７０Ａにおける外周面１６２に近い方の端部１７２Ａは、対の永久磁石１７Ａ，１７Ｂの一方の磁極端部１７２Ａである。磁極面１７０Ｂにおける外周面１６２に近い方の端部１７２Ｂは、対の永久磁石１７Ａ，１７Ｂの他方の磁極端部１７２Ｂである。

永久磁石収容部１９Ａにおける外周面１６２に近い方の端には空隙２０Ａが設けられており、永久磁石収容部１９Ｂにおける外周面１６２に近い方の端には空隙２０Ｂが設けられている。永久磁石収容部１９Ａ，１９Ｂに永久磁石１７Ａ，１７Ｂが収容された状態では、永久磁石１７Ａ，１７Ｂの両端側に磁束短絡防止用の空隙２０Ａ，２０Ｂが残される。永久磁石１７Ａを収容可能な永久磁石収容部１９Ａと、永久磁石１７Ａの磁極端部１７２Ａ側の空隙２０Ａとは、ロータコア１６に形成された収容孔を構成する。永久磁石１７Ｂを収容可能な永久磁石収容部１９Ｂと、永久磁石１７Ｂの磁極端部１７２Ｂ側の空隙２０Ｂとは、ロータコア１６に形成された収容孔を構成する。

図１（ａ）に示すｄ軸は、磁極がつくる磁束の方向（同磁極の永久磁石間の中心軸）を表し、ｑ軸は、ｄ軸と電気的、磁気的に直交する軸（異磁極の永久磁石間の軸）を表す。永久磁石１７Ａを収容する収容孔は、永久磁石収容部１９Ａ及び永久磁石収容部１９Ａのｑ軸側の空隙２０Ａからなる。永久磁石１７Ｂを収容する収容孔は、永久磁石収容部１９Ｂ及び永久磁石収容部１９Ｂのｑ軸側の空隙２０Ｂからなる。空隙２０Ａ，２０Ｂは、フラックスバリア（磁束障壁）として磁石磁束を効果的にトルクに作用するものである。

図２（ａ）に示すように、一磁極当たりの永久磁石の個数は２個であり、磁極端部１７２Ａ，１７２Ｂは、永久磁石１７Ａ，１７Ｂのｑ軸側の磁極端部である。
永久磁石収容部１９Ａの形成面は、少なくとも、永久磁石１７Ａの磁極面１７０Ａと向き合う磁極側対向面１９１Ａと、永久磁石１７Ａの反磁極面１７３Ａと向き合う反磁極側対向面１９２Ａとから構成されている。永久磁石収容部１９Ｂの形成面は、少なくとも、永久磁石１７Ｂの磁極面１７０Ｂと向き合う磁極側対向面１９１Ｂと、永久磁石１７Ｂの反磁極面１７３Ｂと向き合う反磁極側対向面１９２Ｂとから構成されている。

空隙２０Ａの形成面は、少なくとも、磁極側対向面１９１Ａに連なる磁極側形成面２０１Ａと、反磁極側対向面１９２Ａに連なる反磁極側形成面２０２Ａとから構成されている。空隙２０Ｂの形成面は、少なくとも、磁極側対向面１９１Ｂに連なる磁極側形成面２０１Ｂと、反磁極側対向面１９２Ｂに連なる反磁極側形成面２０２Ｂとから構成されている。

磁極側形成面２０１Ａには凸部２２Ａが回転軸線Ｃ〔図１（ｂ）参照〕と平行な方向へロータコア１６を貫通するように設けられている。凸部２２Ａは、磁極側形成面２０１Ａから反磁極側形成面２０２Ａに向けて突設されている。凸部２２Ａは、空隙２０Ａ側（永久磁石１７Ａのｑ軸側）の磁石端面１７１Ａから離れた位置に設けられている。つまり、空隙２０Ａは、磁極側形成面２０１Ａにおいて凸形状となる形状に形成されている。

反磁極側形成面２０２Ａには凸部２３Ａが回転軸線Ｃと平行な方向へロータコア１６を貫通するように設けられている。凸部２３Ａは、反磁極側形成面２０２Ａから磁極側形成面２０１Ａに向けて突設されている。凸部２３Ａは、空隙２０Ａ側の磁石端面１７１Ａから離れた位置に設けられている。つまり、空隙２０Ａは、反磁極側形成面２０２Ａにおいて凸形状となる形状に形成されている。

図２（ｂ）に示すように、凸部２２Ａの断面形状（回転子１５の回転軸線Ｃ〔図１（ａ），（ｂ）参照〕と直交する仮想平面上での形状）は、矩形である。凸部２３Ａの断面形状（回転子１５の回転軸線Ｃと直交する仮想平面上での形状）は、矩形である。

凸部２２Ａの幅Ｗ１と凸部２３Ａの幅Ｗ２とは、同一であり、凸部２２Ａの先端面２２１と凸部２３Ａの先端面２３１とは、対向している。
鎖線曲線の仮想円Ｅは、回転子１５の回転軸線Ｃが中心である。仮想円Ｅは、点Ｐで空隙２０Ａの形成面に接する。つまり、仮想円Ｅは、回転軸線Ｃを中心としてロータコア１６の外周面１６２に最も近く空隙２０Ａの形成面に接する。幅Ｗ１は、外周面１６２から空隙２０Ａの形成面に至る最短距離（以下においてはブリッジ幅Ｂｒと記す）よりも小さい。鎖線直線の仮想平面Ｌは、磁極側対向面１９１Ａと同一面である。凸部２２Ａは、仮想平面Ｌと仮想円Ｅとの交点Ｑ〔ロータコア１６の断面（回転軸線Ｃと直交する平面）における交点〕と磁石端面１７１Ａとの間にある。

図２（ａ）に示すように、空隙２０Ｂ側にも凸部２２Ａ及び凸部２３Ａと同様の凸部２２Ｂ及び凸部２３Ｂが形成されている。
コイル１３への通電によって回転子１５が図１（ａ）に矢印Ｒで示す方向に回転するとする。固定子１１に生じる回転磁界による磁束及び永久磁石１７Ａの磁極面１７０Ａの中央部からの磁束が永久磁石１７Ａの磁極端部１７２Ａとロータコア１６の外周面１６２との間に集中する。コイル１３への通電量が大きくなって空隙２０Ａとロータコア１６の外周面１６２との間で磁気飽和状態になったとする。このような場合にも、永久磁石１７Ａの磁極面１７０Ａにおける磁極端部１７２Ａ付近の部位から出る磁束の一部が凸部２２Ａへ流れる。凸部２２Ａへ流れた磁束の一部は、永久磁石１７Ａの磁石端面１７１Ａへ向かう。つまり、凸部２２Ａは、永久磁石１７Ａの磁石端部（磁極面１７０Ａにおける磁極端部１７２Ａ付近の部位）におけるパーミアンス係数の低下を抑制する。その結果、永久磁石１７Ａの磁石端部における減磁耐量が向上する。

凸部２２Ａへ流れた磁束の一部は、凸部２３Ａへ向かう。凸部２３Ａは、永久磁石１７Ａの磁極面１７０Ａにおける磁極端部１７２Ａ付近の部位から出る磁束を凸部２２Ａへ流れ易くする。つまり、凸部２３Ａは、永久磁石１７Ａの磁石端部（磁極面１７０Ａにおける磁極端部１７２Ａ付近の部位）におけるパーミアンス係数の低下の抑制に寄与する。つまり、凸部２３Ａは、永久磁石１７Ａの磁石端部における減磁耐量の向上に寄与する。

コイル１３への通電によって回転子１５が図１（ａ）に矢印Ｒで示す方向とは逆方向に回転するとする。この場合には、固定子１１に生じる回転磁界による磁束及び永久磁石１７Ｂの磁極面１７０Ｂの中央部からの磁束が永久磁石１７Ｂの磁極端部１７２Ｂとロータコア１６の外周面１６２との間に集中する。コイル１３への通電量が大きくなって磁極端部１７２Ｂとロータコア１６の外周面１６２との間で磁気飽和状態になった場合にも、永久磁石１７Ｂの磁極面１７０Ｂにおける磁極端部１７２Ｂ付近の部位から出る磁束の一部が凸部２２Ｂへ流れる。凸部２２Ｂへ流れた磁束の一部は、永久磁石１７Ｂの磁石端面１７１Ｂへ向かう。つまり、凸部２２Ｂは、永久磁石１７Ｂの磁石端部（磁極面１７０Ｂにおける磁極端部１７２Ｂ付近の部位）におけるパーミアンス係数の低下を抑制する。その結果、永久磁石１７Ｂの磁石端部における減磁耐量が向上する。

凸部２２Ｂへ流れた磁束の一部は、凸部２３Ｂへ向かう。凸部２３Ｂは、永久磁石１７Ｂの磁極面１７０Ｂにおける磁極端部１７２Ｂ付近の部位から出る磁束を凸部２２Ｂへ流れ易くする。つまり、凸部２３Ｂは、永久磁石１７Ｂの磁石端部（磁極面１７０Ｂにおける磁極端部１７２Ｂ付近の部位）におけるパーミアンス係数の低下の抑制に寄与する。つまり、凸部２３Ｂは、永久磁石１７Ｂの磁石端部における減磁耐量の向上に寄与する。

本実施形態では以下の効果が得られる。
（１）磁石端面１７１Ａから離れた位置で空隙２０Ａの磁極側形成面２０１Ａから反磁極側形成面２０２Ａに向けて突設した凸部２２Ａは、永久磁石１７Ａの磁石端部におけるパーミアンス係数の低下を抑制する。その結果、永久磁石１７Ａの空隙２０Ａ側の磁石端部における減磁耐量が向上する。

同様に、磁石端面１７１Ｂから離れた位置で空隙２０Ｂの磁極側形成面２０１Ｂから反磁極側形成面２０２Ｂに向けて突設した凸部２２Ｂは、永久磁石１７Ｂの磁石端部におけるパーミアンス係数の低下を抑制する。その結果、永久磁石１７Ｂの空隙２０Ｂ側の磁石端部における減磁耐量が向上する。

（２）磁石端面１７１Ａから離れた位置で空隙２０Ａの反磁極側形成面２０２Ａから磁極側形成面２０１Ａに向けて突設した凸部２３Ａは、永久磁石１７Ａの磁石端部におけるパーミアンス係数の低下の抑制に寄与する。その結果、凸部２３Ａは、永久磁石１７Ａの磁石端部における減磁耐量の向上に寄与する。

同様に、磁石端面１７１Ｂから離れた位置で空隙２０Ｂの反磁極側形成面２０２Ｂから磁極側形成面２０１Ｂに向けて突設した凸部２３Ｂは、永久磁石１７Ｂの磁石端部におけるパーミアンス係数の低下の抑制に寄与する。その結果、凸部２３Ｂは、永久磁石１７Ｂの磁石端部における減磁耐量の向上に寄与する。

（３）空隙２０Ａ，２０Ｂのいずれの側にも凸部２２Ａ，２２Ｂ及び凸部２３Ａ，２３Ｂを設ける構成は、回転子１５の回転方向側の空隙に近い磁石端部における減磁耐量を向上する。従って、空隙２０Ａ，２０Ｂのいずれの側にも凸部２２Ａ，２２Ｂ及び凸部２３Ａ，２３Ｂを設ける構成は、回転子１５を両方に回転して使用する場合に好適である。

（４）平板形状の永久磁石１７Ａ，１７Ｂの厚みを増せば減磁耐量を向上することもできるが、減磁耐量の向上をもたらす凸部２２Ａ，２２Ｂ及び凸部２３Ａ，２３Ｂを設ける構成は、平板形状の永久磁石１７Ａ，１７Ｂの厚みの低減化に寄与する。

本発明では以下のような実施形態も可能である。
○図３に示すように、磁極側形成面２０１Ａ，２０１Ｂ側から反磁極側形成面２０２Ａ，２０２Ｂ側に向かうにつれて凸部２２Ａ，２２Ｂが磁石端面１７１Ａ，１７１Ｂに近づいてゆくようにしてもよい。又、反磁極側形成面２０２Ａ，２０２Ｂ側から磁極側形成面２０１Ａ，２０１Ｂ側に向かうにつれて凸部２３Ａ，２３Ｂが磁石端面１７１Ａ，１７１Ｂに近づいてゆくようにしてもよい。

○図４に示すように、磁極側形成面２０１Ａ，２０１Ｂ側から反磁極側形成面２０２Ａ，２０２Ｂ側に向かうにつれて凸部２２Ａ，２２Ｂが磁石端面１７１Ａ，１７１Ｂから遠ざかるようにしてもよい。又、反磁極側形成面２０２Ａ，２０２Ｂ側から磁極側形成面２０１Ａ，２０１Ｂ側に向かうにつれて凸部２３Ａ，２３Ｂが磁石端面１７１Ａ，１７１Ｂから遠ざかるようにしてもよい。

○図５に示すように、凸部は設けないで凸部２２Ａ，２２Ｂのみを設けるようにしてもよい。
○図６に示すように、永久磁石位置決め用の小さな突起２４を反磁極側形成面２０２Ａに設けてもよい。

○第１の実施形態において、凸部２２Ａ，２２Ｂの幅Ｗ１と凸部２３Ａ，２３Ｂの幅Ｗ２とを異ならせてもよい。
○凸部２２Ａ，２２Ｂの先端面２２１の幅が凸部２２Ａ，２２Ｂの根元の幅よりも小さくなるようにしてもよい。又、凸部２３Ａ，２３Ｂの先端面２３１の幅が凸部２３Ａ，２３Ｂの根元の幅よりも小さくなるようにしてもよい。

○回転子１５が一方向にのみ回転される場合には、回転子１５の回転方向側の空隙側にのみ凸部を設けてもよい。
○回転子１５が一方向にのみ回転される場合には、回転子１５の回転方向側の空隙側にのみ凸部及び凸部を設けてもよい。

○同じ磁極面を有する永久磁石の組み合わせは、1個であってもよいし、３個以上で一組であってもよい。
○単一の平板形状の永久磁石によって磁極を構成するようにした回転子に本発明を適用してもよい。この場合にも、（１）〜（４）項と同様の効果が得られる。

１５…回転子。１６…ロータコア。１７Ａ，１７Ｂ…対の永久磁石。１７０Ａ，１７０Ｂ…磁極面。１７１Ａ，１７１Ｂ…磁石端面。１７２Ａ，１７２Ｂ…磁極端部。１９Ａ，１９Ｂ…収容孔を構成する永久磁石収容部。１９１Ａ，１９１Ｂ…磁極側対向面。１９２Ａ，１９２Ｂ…反磁極側対向面。２０Ａ，２０Ｂ…収容孔を構成する空隙。２０１Ａ，２０１Ｂ…磁極側形成面。２０２Ａ，２０２Ｂ…反磁極側形成面。２２Ａ，２２Ｂ…凸部。２３Ａ，２３Ｂ…凸部。Ｍ…永久磁石埋設型回転電機。

Claims (5)

1. ロータコアに形成された収容孔に永久磁石が収容されている回転電機の永久磁石埋設型回転子において、
   前記収容孔は、少なくとも、前記永久磁石が収容可能な永久磁石収容部及び前記永久磁石収容部のｑ軸側の空隙からなり、
   前記空隙の形成面は、少なくとも、前記永久磁石の磁極面と向き合う前記収容孔の磁極側対向面に連なる磁極側形成面と、前記永久磁石の反磁極面と向き合う前記収容孔の反磁極側対向面に連なる反磁極側形成面とから構成されており、
   前記空隙は、前記磁極側形成面において凸形状となる形状に形成されている回転電機の永久磁石埋設型回転子。
2. 前記空隙は、前記反磁極側形成面において凸形状となる形状に形成されている請求項１に記載の回転電機の永久磁石埋設型回転子。
3. 前記空隙の前記磁極側形成面は、前記永久磁石のｑ軸側の磁石端面から離れた位置で前記反磁極側形成面に向けて突出する凸部となる形状に形成されており、前記凸部の根元の幅は、前記ロータコアの外周面から前記空隙の形成面に至る最短距離よりも小さい請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の回転電機の永久磁石埋設型回転子。
4. 前記回転子の回転軸線を中心として前記ロータコアの外周面に最も近く前記空隙の形成面に接する仮想円と、前記磁極側対向面と同一面の仮想平面との交点に関し、前記凸部の根元は、前記磁石端面と前記交点との間にある請求項３に記載の回転電機の永久磁石埋設型回転子。
5. ロータコアに形成された収容孔に永久磁石が収容されている永久磁石埋設型回転子を備えた回転電機において、
   前記永久磁石埋設型回転子は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の永久磁石埋設型回転子である回転電機。

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