JP2012044769A - 回転機のロータ - Google Patents

Abstract

【課題】隣り合う異磁極間における磁束短絡の抑制及び磁石の外周側角部とスロットの外周側角部との接触を避けて応力集中を防止する。
【解決手段】ロータは、複数のケイ素鋼板を積層して形成され、周方向に複数のスロット２５が設けられたロータコア２０と、前記スロット２５に挿入される永久磁石３０と、を有する。隣り合う各スロット２５の間には、ロータコアの外周面から凹設された小さい複数の溝部２３が形成されている。スロット２５の外周側角部２５ｃが、磁石３０の外周側角部３０ｃよりも径方向及び周方向に膨らむことによって、これら２つの角部２５ｃ，３０ｃの間に空隙Ｓが形成される。空隙Ｓとロータコア２０の外周面２０ｓとの間に延びる周方向リブ２７ａは、電磁鋼板の厚みの２〜３．５倍の径方向幅Ａを有し、空隙Ｓと溝部２３との間に延びる径方向リブ２７ｂは、電磁鋼板の厚みの２〜３．５倍の周方向幅Ｂを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転機のロータに関する。

従来、回転機に使用されるロータにおいては、円板状の鋼板が多数積層されたロータコアに複数のスロットを設け、各スロットにそれぞれ永久磁石が挿入される回転機のロータが知られている（例えば特許文献１や特許文献２参照）。

図４に示すように、特許文献１に記載のロータ１１０では、複数枚の鋼板が積層されているロータコア１２０と、ロータコア１２０に設けられた８個のスロット１２５に挿入された８個の永久磁石１３０と、シャフト１４０から構成されている。８個の永久磁石１３０は、極性が互いに反対方向になるように、ロータコア１２０に周方向等間隔で配置されている。また、ロータコア１２０に設けられたスロット１２５の長手方向幅を、永久磁石１３０の長手方向幅より大きくして、空隙１１０Ｓを構成している。そして、空隙１１０Ｓは接着剤等で埋められる。

このように構成されたロータ１１０では、永久磁石１３０の両端部に設けられた空隙１１０Ｓにより、隣り合う永久磁石１３０，１３０の間へ漏洩する磁束が減少し、トルクの低減を抑えることができ、また、磁束密度の周方向の傾斜が緩やかになり、脈動トルクやコギングトルクの発生を低減している。

特許３５９２９４８号公報 特開２００１−１６８０９号公報

しかしながら、図４に示したロータ１１０においては、隣り合う永久磁石１３０，１３０間にロータコア１２０が介在するため、このロータコア１２０を介して隣り合う異磁極間で磁束が短絡してしまうおそれがあった。
さらに、ロータ回転中の遠心力により、永久磁石１３０の外周側角部１３０ｃと、接着剤等で埋められたスロット１２５との接触部に応力が集中することによって、疲労強度が低下し、ロータとしての性能を低下させる、という問題があった。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、隣り合う異磁極間における磁束短絡を抑制するとともに、磁石の外周側角部とスロットの外周側角部の接触を避けて応力集中を防ぎ、疲労強度を高めることにある。

前述した目的を達成するために、
請求項１に係る発明は、複数の電磁鋼板（例えば、後述する実施形態におけるケイ素鋼板２１）を積層して形成され、かつ周方向に亘って複数のスロット（例えば、後述する実施形態におけるスロット２５）が設けられたロータコア（例えば、後述する実施形態におけるロータコア２０）と、
所定数の前記スロット毎に磁極の向きを変えながら、前記複数のスロットに挿入される複数の磁石（例えば、後述する実施形態における永久磁石３０）と、
を有する回転機のロータ（例えば、後述する実施形態における回転機のロータ１０）であって、
前記磁石の磁極の向きが異なる周方向に隣り合う前記各スロットの間には、前記ロータコアの外周面から凹設され、その最内径が前記磁石の最外径よりも小さい複数の溝部（例えば、後述する実施形態における溝部２３）が形成されており、
前記溝部に対向する前記スロットの外周側角部（例えば、後述する実施形態におけるスロットの外周側角部２５ｃ）が、前記磁石の外周側角部（例えば、後述する実施形態における永久磁石の外周側角部３０ｃ）よりも径方向及び周方向に膨らむことによって、これら２つの角部の間に空隙（例えば、後述する実施形態における空隙Ｓ）が形成され、
前記空隙と前記ロータコアの外周面（例えば、後述する実施形態における外周面２０ｓ）との間に延びる周方向リブ（例えば、後述する実施形態における周方向リブ２７ａ）は、前記電磁鋼板の厚みの２〜３．５倍の径方向幅（例えば、後述する実施形態における径方向幅Ａ）を有し、
前記空隙と前記溝部との間に延びる径方向リブ（例えば、後述する実施形態における径方向リブ２７ｂ）は、前記電磁鋼板の厚みの２〜３．５倍の周方向幅（例えば、後述する実施形態における周方向幅Ｂ）を有することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１の構成に加えて、
前記空隙の内径側端部（例えば、後述する実施形態における内径側端部Ｓａ）は、前記磁石の周方向端面（例えば、後述する実施形態における周方向端面３０ｔ）に位置することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２の構成に加えて、
前記磁石は、一対のスロット毎に磁極の向きを変えながら前記複数のスロットに挿入され、
前記一対のスロット間には、径方向に延びるセンターリブ（例えば、後述する実施形態におけるセンターリブ２６）が形成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３いずれか１項の構成に加えて、
前記溝部は、その周方向中間部を通って径方向に延びる仮想線（例えば、後述する実施形態における仮想線ａ）に対して略対称に形成されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、スロットの外周側角部と磁石の外周側角部の間に空隙が形成されることによって、これら２つの角部の接触を防ぐことができ、ロータコアに応力が集中することを防ぐことができる。
また、周方向リブ及び径方向リブを形成し、これらのリブにおいて磁気飽和を起こりやすくすることにより、隣り合う異磁極間における磁束短絡を抑制することができる。
さらに、周方向リブの径方向幅及び径方向リブの周方向幅が、電磁鋼板の厚さの２〜３．５倍程度であるため、回転中の遠心力によって生じる応力集中の防止による疲労強度の向上、及び磁束短絡の抑制によるロータのトルク向上を両立することができる。

請求項２の発明によれば、空隙の内径側端部が、磁石の周方向端面に位置することによって、磁石の内周側角部とスロットの内周側角部が接触するため、磁石が周方向に位置決めされ、磁石の振動を抑制することができる。

請求項３の発明によれば、同じ磁極の隣り合う一対の磁石をセンターリブによって分割された一対のスロットに挿入することで、一対の磁石の合計寸法と同じ寸法の単一の磁石に比べて、磁石１個当りの質量が小さくなるため、ロータが回転する際に磁石の遠心力によってロータコアに加わる応力を低減することができる。

請求項４の発明によれば、溝部が径方向に延びて形成されるため、磁石の周方向幅を大きくすることが出来、磁束量を増やすことができる。

本発明の一実施形態にかかる回転機のロータの正面図である。 図１のロータの要部拡大図である。 図１のロータの周方向リブの径方向幅及び径方向リブの周方向幅に対する、ロータコアの疲労強度安全率及び回転機のトルクの関係を示す図である。 従来のロータの正面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る回転機のロータを図１〜図２を参照して詳細に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１及び図２に示すように、本実施形態の回転機のロータ１０は、回転軸である略円筒状のロータシャフト（不図示）と、ロータシャフトの外周側に取り付けられるロータコア２０と、ロータコア２０に取り付けられる複数の永久磁石３０を備え、不図示のステータの内側に配置されている。

ロータコア２０は、同一形状の円板上の電磁鋼板、例えばケイ素鋼板２１を多数積層して形成されており、ロータコア２０の外周部には、略Ｕ字形状の複数の溝部２３が所定間隔で凹設され、隣り合う溝部２３の間には、略矩形の一対のスロット２５がそれぞれ形成される。

一対のスロット２５間には、径方向に延びるセンターリブ２６が形成されており、一対のスロット２５は、センターリブ２６に対して線対称に配置されている。複数の永久磁石３０は、一対のスロット２５毎に磁極を変えながら複数のスロット２５にそれぞれ挿入される。例えば、２つの永久磁石３０ａでは、外周側がＮ極とすると、溝部２３を挟んで隣接する２つの永久磁石３０ｂでは、外周側がＳ極となる。このため、溝部２３は、ロータコア２０の隣り合う磁極毎に形成されている。

溝部２３は、その周方向中間部を通って径方向に延びる仮想線ａに対して略対称に形成されており、永久磁石３０をスロット２５に挿入した状態において、最内径部（最深部）が永久磁石３０の最外径部よりも径方向内側に位置するように形成される。図２において溝部２３の最内径部は、永久磁石３０の内周側角部２５ｄよりも径方向外側に位置し、かつ空隙Ｓの内径側端部Ｓａよりも径方向内側に位置している。なお、溝部２３の形状は、図１及び２に示すような略Ｕ字形状に限定されるものではなく、仮想線ａに対して略対称形状である限り、半円形状、略Ｖ字形状、略矩形形状などであっても良い。

スロット２５は、溝部２３と対向する外周側角部２５ｃが、永久磁石３０をスロット２５に挿入した状態で、永久磁石３０の外周側角部３０ｃよりも径方向及び周方向に膨らんでおり、外周側角部２５ｃ以外の部分は永久磁石３０と略同等の形状を有している。これによって、永久磁石３０をスロット２５に挿入したとき、これら２つの外周側角部２５ｃ，３０ｃの間には空隙Ｓが形成される。即ち、空隙Ｓは、径方向及び周方向に膨らんだスロット２５の外周側角部２５ｃと、外周側角部３０ｃを構成する永久磁石３０の径方向端面３０ｓ及び周方向端面３０ｔとの間で周方向及び径方向に延出して形成され、空隙Ｓの径方向に延びた部分の内径側端部Ｓａが永久磁石３０の周方向端面３０ｔの中間部分に位置する。従って、永久磁石３０の内周側角部３０ｄとスロット２５の内周側角部２５ｄは接触し、永久磁石３０は周方向に位置決めされる。なお、符号２５ｅは、永久磁石３０を固定するため、スロット２５内に樹脂を注入するための穴である。

空隙Ｓ及び溝部２３が設けられたことにより、ロータコア２０には、空隙Ｓとロータコア２０の外周面２０ｓとの間に周方向リブ２７ａが、空隙Ｓと溝部２３との間には径方向リブ２７ｂが延設される。

このとき、周方向リブ２７ａの径方向幅Ａ及び径方向リブ２７ｂの周方向幅Ｂは、回転中の遠心力によって生じる応力集中の防止による疲労強度の向上、及び磁束短絡の抑制によるロータのトルクの向上を両立するように設定している。具体的に、周方向リブ２７ａは、ケイ素鋼板２１の厚みの２〜３．５倍の径方向幅Ａを有し、径方向リブ２７ｂは、ケイ素鋼板２１の厚みの２〜３．５倍の周方向幅Ｂを有する。図２においては、周方向リブ２７ａの径方向幅Ａと、径方向リブ２７ｂの周方向幅Ｂは略同一である。さらに、周方向リブ２７ａと径方向リブ２７ｂとの間の湾曲部の幅も、周方向リブ２７ａの径方向幅Ａ及び径方向リブ２７ｂの周方向幅Ｂと略同一に形成されている。

図３は、これらの幅Ａ，Ｂを略同一幅とした場合の、本実施形態のロータコアの疲労強度安全率及び回転機のトルクの関係を示す。すなわち、この図３に示す関係から、これらの幅Ａ，Ｂをケイ素鋼板２１の厚さの２〜３．５倍と実質的に対応する０．６０〜１．００ｍｍとすることで、所定の疲労強度目標安全率を保ちつつ、十分なロータのトルクを得ることができる。これらの幅Ａ，Ｂが０．６０ｍｍ未満では、空隙Ｓ及び溝部２３が大きく形成されるため、ロータコア２０を介して隣り合う異磁極間での磁束短絡が抑制され、ロータのトルクを向上することができるが、応力集中による疲労強度安全率が減少する。逆に、これらの幅Ａ，Ｂが１．００ｍｍ超では、疲労強度安全率を向上させることは可能だが、磁束短絡が起こりやすくなり、ロータのトルクが減少する。

なお、これらの幅Ａ，Ｂは、同一幅であることが望ましいが、ケイ素鋼板２１の厚さの２〜３．５倍程度の範囲であれば、それぞれ任意の値を設定しても良い。例えば、周方向リブ２７ａの径方向幅Ａをケイ素鋼板２１の厚さの２倍とし、径方向リブ２７ｂの周方向幅Ｂをケイ素鋼板２１の厚さの３．５倍としても良く、逆に、周方向リブ２７ａの径方向幅Ａをケイ素鋼板２１の厚さの３．５倍とし、径方向リブ２７ｂの周方向幅Ｂをケイ素鋼板２１の厚さの２倍としても良い。また、周方向リブ２７ａの径方向幅Ａが周方向に亘って２〜３．５倍の範囲内で変化してもよく、径方向リブ２７ｂの周方向幅Ｂも径方向に亘って２〜３．５倍の範囲内で変化してもよい。

以上、説明した本発明の本実施形態に係る回転機のロータ１０によれば、スロット２５の外周側角部２５ｃと永久磁石３０の外周側角部３０ｃの間に空隙Ｓが形成されることによって、これら２つの角部２５ｃ，３０ｃの接触を防ぐことができ、ロータ回転中に遠心力によって生じる応力が集中することを防ぎ、ロータコア２０の疲労強度を高めることができる。加えて、高速回転が可能となり、ヨーク低強度材の使用が可能となる。

また、周方向リブ２７ａ及び径方向リブ２７ｂが形成されることにより、これらのリブ２７ａ，２７ｂにおいて磁気飽和を起こりやすくし、隣り合う異磁極間における磁束短絡を抑制することができる。これによって、ロータの回転トルクを向上させることができる。また、トルク向上により積厚を薄くすることによる小型化、比較的廉価な磁石を用いることによる低コスト化、ロータ鉄損低減による磁石保磁力を下げることによる低コスト化が可能となる。

また、これらの幅Ａ，Ｂは、０．６０〜１．００ｍｍ程度、すなわちケイ素鋼板２１の厚さの２〜３．５倍程度としたことにより、回転中の遠心力によって生じる応力集中の防止による疲労強度の向上、及び磁束短絡の抑制によるロータのトルク向上を両立することができる。また、湾曲部の幅も周方向リブ２７ａの径方向幅Ａあるいは径方向リブ２７ｂの周方向幅Ｂと略同一に形成されていることにより、磁気飽和の起こる部分の距離をさらに長くすることで、磁束短絡をさらに効果的に抑制することができる。

さらに、空隙Ｓの内径側端部Ｓａが永久磁石３０の周方向端面３０ｔの中間部分に位置するように形成したため、永久磁石３０の内周側角部３０ｄとスロット２５の内周側角部２５ｄが接触し、永久磁石３０は周方向に位置決めされるため、ロータ回転中において、永久磁石３０の振動を抑えることが可能となる。

また、一対のスロット２５間には、径方向に延びるセンターリブ２６が形成されているので、一対の永久磁石３０の合計寸法と同じ寸法の単一の永久磁石に比べて、磁石１個当りの質量が小さくなるため、ロータ１０が回転する際に磁石の遠心力によってロータコア２０に加わる応力を低減することができる。また、同じ寸法の単一の永久磁石に比べて、磁石１個当りの径方向に直交する断面の面積が小さくなるため、渦電流損失を低減することができる。

加えて、溝部２３がその周方向中間部を通って径方向に延びる仮想線ａに対して略対称に形成されているので、溝部２３を周方向に幅広に設計する必要がなく、永久磁石３０の周方向幅を大きく設定できるため、磁束量を増やすことができ、ロータ１０のトルク向上が実現できる。

なお、本発明の回転機のロータは、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良などが可能である。
例えば、前述した実施形態において、１つの磁極を２つの永久磁石３０で構成した場合について説明したが、１つの磁極を１つの永久磁石３０で構成する場合にも適用可能である。この場合には、スロット２５は、センターリブ２６によって分割されず、溝部２３毎に１つずつ設けられ、空隙Ｓは、スロット２５の周方向両側の外径側角部２５ｃに形成される。

１０ 回転機のロータ
２０ ロータコア
２０ｓ 外周面
２１ ケイ素鋼板（電磁鋼板）
２３ 溝部
２５ スロット
２５ｃ 外周側角部
２６ センターリブ
２７ａ 周方向リブ
２７ｂ 径方向リブ
３０ 永久磁石（磁石）
３０ｃ 外周側角部
３０ｔ 周方向端面
Ａ 径方向幅
Ｂ 周方向幅
Ｓ 空隙
Ｓａ 内径側端部

Claims (4)

1. 複数の電磁鋼板を積層して形成され、かつ周方向に亘って複数のスロットが設けられたロータコアと、
   所定数の前記スロット毎に磁極の向きを変えながら、前記複数のスロットに挿入される複数の磁石と、
   を有する回転機のロータであって、
   前記磁石の磁極の向きが異なる周方向に隣り合う前記各スロットの間には、前記ロータコアの外周面から凹設され、その最内径が前記磁石の最外径よりも小さい複数の溝部が形成されており、
   前記溝部に対向する前記スロットの外周側角部が、前記磁石の外周側角部よりも径方向及び周方向に膨らむことによって、これら２つの角部の間に空隙が形成され、
   前記空隙と前記ロータコアの外周面との間に延びる周方向リブは、前記電磁鋼板の厚みの２〜３．５倍の径方向幅を有し、
   前記空隙と前記溝部との間に延びる径方向リブは、前記電磁鋼板の厚みの２〜３．５倍の周方向幅を有することを特徴とする回転機のロータ。
2. 前記空隙の内径側端部は、前記磁石の周方向端面に位置することを特徴とする請求項１に記載の回転機のロータ。
3. 前記磁石は、一対のスロット毎に磁極の向きを変えながら前記複数のスロットに挿入され、
   前記一対のスロット間には、径方向に延びるセンターリブが形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転機のロータ。
4. 前記溝部は、その周方向中間部を通って径方向に延びる仮想線に対して略対称に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転機のロータ。

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