JP2011199945A - 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】機械的強度を向上しつつ磁束短絡を抑制できる永久磁石埋設型回転子を提供する。
【解決手段】収容孔１９Ａ，１９Ｂには永久磁石１７Ａ，１７Ｂが収容されている。空隙２０Ａ，２０Ｂは、補強ブリッジ２１Ａ，２１Ｂを介して収容孔１９Ａ，１９Ｂから離されている。補強ブリッジ２１Ａ，２１Ｂの空隙２０Ａ，２０Ｂ側の側面２１１Ａ，２１１Ｂには凹部２２Ａ，２２Ｂが空隙２０Ａ，２０Ｂ側から収容孔１９Ａ，１９Ｂ側に向けて凹み形成されている。
【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。短絡磁束が多くなると、トルクが低下する。

特許文献２に開示の回転子では、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フラックスバリア（空隙）がロータコアに設けられている。フラックスバリアは、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。

フラックスバリアとロータコアの外周面との間の部位（ブリッジ部）の幅が小さいほど、磁束の短絡を抑制する効果が高くなる。しかし、ブリッジ部の幅を小さくするほど、回転子の高速回転時におけるブリッジ部の機械的強度が不足する。

特許文献１に開示のロータ（回転子）では、スリット（空隙）が挿入孔部（収容孔）から離されており、スリットと挿入孔部との間の肉部が機械的な補強部となっている。この肉部の幅が大きいほど、機械的強度が増す。

特開２００７−５３８６４号公報 特開２００８−２１１９３４号公報

しかし、前記した肉部の幅が大きいほど、磁石端部側の磁極面（永久磁石のロータコア外周面側の面）から肉部を経由して磁石端部側の反磁極面（永久磁石のロータコア外周面側とは反対側の面）へ流れる磁束が増大する。つまり、短絡磁束が増大し、トルクが低下する。

本発明は、機械的強度を向上しつつ磁束短絡を抑制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、前記収容孔からｑ軸側に離れて空隙が前記ロータコアに形成されており、前記空隙を形成する形成面の一部は、前記空隙から前記収容孔に向けて凹む形状に形成されている。

空隙と収容孔との間におけるロータコアの部位は、機械的補強部となり、この機械的補強部となる部位の幅が空隙側から収容孔側に向けて凹む形状によって狭められている。そのため、磁石端部側の磁極面（永久磁石のロータコア外周面側の面）から前記部位を経由して磁石端部側の反磁極面（永久磁石のロータコア外周面側とは反対側の面）へ流れる磁束が低減し、短絡磁束が低減する。

好適な例では、前記収容孔の形成面は、前記永久磁石のｑ軸寄りの磁石端面と向き合う対向端面を有し、前記空隙の形成面は、前記対向端面に向けて凹む形状の凹部を有する形状に形成されており、前記凹部の幅の最大は、前記対向端面の幅よりも小さい。

好適な例では、前記永久磁石は、平板形状であり、前記収容孔は、少なくとも、前記永久磁石の磁極面と向き合う平面の磁極側対向面と、前記永久磁石の反磁極面と向き合う平面の反磁極側対向面とから構成されており、前記凹部は、前記磁極側対向面と同一面の第１仮想平面と、前記反磁極側対向面と同一面の第２仮想平面との間にある。

好適な例では、前記凹部は、凹曲面で形成されている。
好適な例では、前記収容孔と前記空隙との最大間隔は、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大きい。

請求項６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５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、機械的強度を向上しつつ磁束短絡を抑制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。

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に貫設された収容孔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。

一磁極当たりの永久磁石の個数は２個であり、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。

収容孔１９Ａにおける外周面１６２に近い方の端付近には空隙２０Ａが収容孔１９Ａから離れて設けられており、空隙２０Ａと収容孔１９Ａとの間が補強ブリッジ２１Ａとなっている。収容孔１９Ｂにおける外周面１６２に近い方の端付近には空隙２０Ｂが収容孔１９Ｂから離れて設けられており、空隙２０Ｂと収容孔１９Ｂとの間が補強ブリッジ２１Ｂとなっている。

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。空隙２０Ａは、収容孔１９Ａからｑ軸側に離れてロータコア１６に形成されており、空隙２０Ｂは、収容孔１９Ｂからｑ軸側に離れてロータコア１６に形成されている。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、収容孔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、永久磁石１７Ａのｑ軸寄りの磁石端面１７１Ａと向き合う対向端面１９３Ａとから構成されている。対向端面１９３Ａは、補強ブリッジ２１Ａの収容孔１９Ａ側の側面である。収容孔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、永久磁石１７Ｂのｑ軸寄りの磁石端面１７１Ｂと対向する対向端面１９３Ｂとから構成されている。対向端面１９３Ｂは、補強ブリッジ２１Ｂの収容孔１９Ｂ側の側面である。

補強ブリッジ２１Ａの空隙２０Ａ側の側面２１１Ａは、空隙２０Ａの形成面の一部であり、補強ブリッジ２１Ｂの空隙２０Ｂ側の側面２１１Ｂは、空隙２０Ｂの形成面の一部である。側面２１１Ａと対向端面１９３Ａとは、平行であり、側面２１１Ｂと対向端面１９３Ｂとは、平行である。

補強ブリッジ２１Ａの側面２１１Ａには凹部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。凹部２２Ａは、空隙２０Ａ側から収容孔１９Ａ側に向けて凹むように設けられている。つまり、空隙２０Ａの形成面の一部は、補強ブリッジ２１Ａの側面２１１Ａにおいて空隙２０Ａ側から収容孔１９Ａ側に向けて凹む形状に形成されている。

補強ブリッジ２１Ｂの側面２１１Ｂには凹部２２Ｂが回転軸線Ｃの方向へロータコア１６を貫通するように設けられている。凹部２２Ｂは、空隙２０Ｂ側から収容孔１９Ｂ側に向けて凹むように設けられている。つまり、空隙２０Ｂの形成面の一部は、補強ブリッジ２１Ｂの側面２１１Ｂにおいて空隙２０Ｂ側から収容孔１９Ｂ側に向けて凹む形状に形成されている。

図２（ｂ）に示すように、凹部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。
鎖線直線の第１仮想平面Ｌ１は、磁極側対向面１９１Ａと同一面で、鎖線直線の第２仮想平面Ｌ２は、反磁極側対向面１９２Ａと同一面である。凹部２２Ａは、第１仮想平面Ｌ１と第２仮想平面Ｌ２との間にあって第１仮想平面Ｌ１及び第２仮想平面Ｌ２から離れている。

鎖線曲線の仮想円Ｅは、回転子１５の回転軸線Ｃを中心としている。仮想円Ｅは、点Ｐで空隙２０Ａの形成面に接する。補強ブリッジ２１Ａの幅（鎖線直線Ｌ１の長さ方向の長さ）の最大幅Ｗ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）よりも大きい。

図２（ａ）に示すように、空隙２０Ｂ側にも凹部２２Ａと同様の凹部２２Ｂが形成されている。鎖線直線の第１仮想平面Ｌ３は、磁極側対向面１９１Ｂと同一面で、鎖線直線の第２仮想平面Ｌ４は、反磁極側対向面１９２Ｂと同一面である。凹部２２Ｂは、第１仮想平面Ｌ３と第２仮想平面Ｌ４との間にあって第１仮想平面Ｌ３及び第２仮想平面Ｌ４から離れている。

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補強ブリッジ２１Ａへ流れる。補強ブリッジ２１Ａへ流れた磁束は、反磁極側対向面１９２Ａへ向かう。

凹部２２Ａは、補強ブリッジ２１Ａの幅を途中で狭めており、磁極端部１７２Ａ付近の部位から補強ブリッジ２１Ａへ流れる磁束が低減される。
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空隙２０Ｂ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補強ブリッジ２１Ｂへ流れる。補強ブリッジ２１Ｂへ流れた磁束は、反磁極側対向面１９２Ｂへ向かう。

凹部２２Ｂは、補強ブリッジ２１Ｂの幅を途中で狭めており、磁極端部１７２Ｂ付近の部位から補強ブリッジ２１Ｂへ流れる磁束が低減される。
本実施形態では以下の効果が得られる。

（１）機械的補強部となる補強ブリッジ２１Ａ，２１Ｂの幅が凹部２２Ａ，２２Ｂによって狭められている。そのため、永久磁石１７Ａの磁石端部側（空隙２０Ａ側）の磁極面１７０Ａから補強ブリッジ２１Ａを経由して反磁極面１７３Ａへ流れる磁束が低減する。同様に、永久磁石１７Ｂの磁石端部側（空隙２０Ｂ側）の磁極面１７０Ｂから補強ブリッジ２１Ｂを経由して反磁極面１７３Ｂへ流れる磁束が低減する。つまり、補強ブリッジ２１Ａ，２１Ｂによって機械的強度を向上しつつ、凹部２２Ａ，２２Ｂによって磁束短絡を抑制することができる。

（２）空隙２０Ａ，２０Ｂのいずれの側にも凹部２２Ａ，２２Ｂ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短絡磁束を低減する。従って、空隙２０Ａ，２０Ｂのいずれの側にも凹部２２Ａ，２２Ｂ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。

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、凹部２２Ｃ，２２Ｄの底と側面との間を凹曲面２２１，２２２で形成してもよい。このようにすれば応力集中が緩和され、機械的強度が更に増す。

○図４に示すように、凹部２２Ｅ，２２Ｆを円弧面で形成してもよい。このようにすれば機械的強度が更に増す。
○図５に示すように、底に近いほど幅が狭くなる凹部２２Ｇ，２２Ｈを採用してもよい。

○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凹部を設けてもよい。
○補強ブリッジの両側面が平行でなくもよい。

○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），（２）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。１９１Ａ，１９１Ｂ…磁極側対向面。１９２Ａ，１９２Ｂ…反磁極側対向面。１９３Ａ，１９３Ｂ…対向端面。２０Ａ，２０Ｂ…空隙。２０２Ａ，２０２Ｂ…反磁極側形成面。２２Ａ，２２Ｂ…凹部。Ｍ…永久磁石埋設型回転電機。Ｗ…最大幅。Ｌ１，Ｌ３…第１仮想平面。Ｌ２，Ｌ４…第２仮想平面。

Claims (6)

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、
   前記収容孔からｑ軸側に離れて空隙が前記ロータコアに形成されており、
   前記空隙を形成する形成面の一部は、前記空隙から前記収容孔に向けて凹む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. 前記収容孔の形成面は、前記永久磁石のｑ軸寄りの磁石端面と向き合う対向端面を有し、前記空隙の形成面は、前記対向端面に向けて凹む形状の凹部を有する形状に形成されており、前記凹部の幅の最大は、前記対向端面の幅よりも小さい請求項１に記載の回転電機の永久磁石埋設型回転子。
3. 前記永久磁石は、平板形状であり、前記収容孔は、少なくとも、前記永久磁石の磁極面と向き合う平面の磁極側対向面と、前記永久磁石の反磁極面と向き合う平面の反磁極側対向面とから構成されており、前記凹部は、前記磁極側対向面と同一面の第１仮想平面と、前記反磁極側対向面と同一面の第２仮想平面との間にある請求項２に記載の回転電機の永久磁石埋設型回転子。
4. 前記凹部は、凹曲面で形成されている請求項２及び請求項３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。
5. 前記収容孔と前記空隙との最大間隔は、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大きい請求項１乃至請求項４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。
6. 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５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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