JP2013132178A - 積層鉄心の破損を防止する構造を有する回転電動機の回転子及び回転電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】積層鉄心の破損を防止する構造を有する回転電動機の回転子及びそのような回転子を備えた回転電動機が求められている。
【解決手段】電磁鋼板を積層して形成される鉄心１２と、鉄心１２の積層方向に延在する複数の磁石列１４とを備える回転電動機の回転子１０が提供される。各磁石列１４を構成する磁石片は、積層方向における長さの比が１対２である第１の磁石片１６ａと第２の磁石片１６ｂとから選定される。磁石列１４は、第２の磁石片１６ｂを少なくとも２つ含むように配列されるとともに、磁石片１６の間の境界面が積層方向Ｄに直交する方向において一致しないようにずらして配列される。
【選択図】図１

Description

本発明は回転電動機の回転子に関し、特に、電磁鋼板を積層して形成される鉄心と磁石とを備えた回転電動機の回転子に関する。また、本発明は、そのような回転子を備えた回転電動機に関する。

図１２は、従来技術に係る回転電動機の回転子１００を半円筒状に切断した状態において示す斜視図である。図１３は、図１２に係る回転電動機の回転子１００を構成する磁石列１０２を同一平面上に展開して示す概念図である。回転子１００は、電磁鋼板を積層方向Ｄにおいて積層して形成される鉄心１０４と、該鉄心１０４の円周方向に沿って鉄心１０４の内部に埋込まれる複数の磁石列１０２とから構成される。各磁石列１０２は、複数の磁石片１０６を鉄心１０４の積層方向Ｄに並置して形成される。磁石列１０２を形成するのに使用される磁石片１０６は、磁石片１０６の調達コスト及び管理コストを削減する観点から同一形状の磁石片１０６であることが一般的である。そのため、図示されるように、各磁石列１０２における磁石片１０６の間の境界面は、鉄心１０４の円周方向に隣接する他の磁石列１０２に対して整列するように配置される。しかしながら、これら磁石片１０６の境界面が局所的に集中していると、磁石片１０６の間に作用する反発力に起因して、鉄心１０４を構成する電磁鋼板の接着面又はかしめ部分に沿って亀裂又は隙間が形成されたり、場合によっては鉄心１０４が分離して、回転子１００の破損の原因となるおそれがある。

一方、特許文献１は、各磁石列をそれぞれ長さの異なる複数の磁石片から構成して、磁石間の境界面をずらすことを開示している。図１４は、参考例に係る回転電動機の回転子を構成する磁石列１１０を同一平面上に展開して示す概念図である。図１４に示される参考例は、特許文献１に開示される概念を応用して、鉄心（図示せず）の積層方向に長尺化された磁石列１１０を表している。図示されるように、この参考例においては、磁石片１１２の間の境界面は、回転子の回転方向において不揃いになっている。したがって、前述されたように鉄心が破損するのを回避できる。

しかしながら、この参考例においては、積層方向における寸法が異なる多数の種類の磁石を利用している。そのため、適切な配列を選定するのに手間がかかったり、磁石の調達コスト及び管理コストが増大する。

特開２０００−１３４８３６号公報

積層鉄心の破損を防止する構造を有する回転電動機の回転子及びそのような回転子を備えた回転電動機が求められている。

本願に係る１番目の発明によれば、電磁鋼板を積層して形成される鉄心と、前記鉄心の積層方向に対して平行に延在するように前記鉄心に取付けられる複数の磁石列とを備える回転電動機の回転子であって、前記複数の磁石列の各磁石列は、第１の磁石片及び第２の磁石片の２種類の磁石片のうちの少なくとも一方を前記積層方向に複数個並置されて構成されており、前記第１の磁石片と前記第２の磁石片との前記積層方向における長さの比は１対２であり、前記複数の磁石列のうちの少なくとも２つの磁石列は、少なくとも２つの前記第２の磁石片を含むように配列されており、前記複数の磁石列の各磁石列を構成する前記磁石片間の境界面が前記積層方向に直交する前記鉄心の断面にわたって一致しないようにずらして配列される、回転電動機の回転子が提供される。

本願に係る２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記複数の磁石列を構成するために使用される前記第１の磁石片の数は、前記磁石列の数と同数である、回転電動機の回転子が提供される。

本願に係る３番目の発明によれば、１番目又は２番目の発明において、前記鉄心は、前記積層方向の長さが、前記第１の磁石片の前記積層方向の長さの整数倍であって、かつ４倍以上に対応するように積層形成される、回転電動機の回転子が提供される。

本願に係る４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明に係る回転子を具備する、回転電動機が提供される。

１番目の発明によれば、回転子における積層鉄心の破損を確実に防止できる。また、２種類の磁石片のみを使用して積層方向において長尺化された回転子を構成できるので、磁石の管理コスト、調達コストを削減できる。

２番目の発明によれば、積層方向の寸法が小さい第１の磁石片の使用数が制限される。換言すると、長尺である第２の磁石片をできるだけ多く使用する。したがって、磁石片の使用個数が全体として少なくなり、磁石片を鉄心に対して設置する際の作業効率が向上する。そして、結果的に回転子の生産コストが削減される。

３番目の発明によれば、鉄心の積層方向の寸法が大きい長尺化された回転子において、磁石列を効率よく形成できるようになる。

４番目の発明によれば、１番目から３番目の発明に関連して前述された利点を有する回転電動機が提供される。

本発明の一実施形態に係る回転電動機の回転子を半円筒状に切断した状態において示す斜視図である。 図１に係る回転電動機の回転子の断面図である。 図１に係る回転子を構成する磁石列を同一平面上に展開して示す概念図である。 本発明の別の実施形態に係る回転電動機の回転子を構成する磁石列を同一平面上に展開して示す概念図である。 本発明の別の実施形態に係る回転電動機の回転子を構成する磁石列を同一平面上に展開して示す概念図である。 本発明の別の実施形態に係る回転電動機の回転子を構成する磁石列を同一平面上に展開して示す概念図である。 本発明の別の実施形態に係る回転電動機の回転子を構成する磁石列を同一平面上に展開して示す概念図である。 本発明の別の実施形態に係る回転電動機の回転子を構成する磁石列を同一平面上に展開して示す概念図である。 本発明の別の実施形態に係る回転電動機の回転子の断面図である。 図９に係る回転子を構成する磁石列を同一平面上に展開して示す概念図である。 本発明の別の実施形態に係る回転電動機の回転子を構成する磁石列を同一平面上に展開して示す概念図である。 従来技術に係る回転電動機の回転子を半円筒状に切断した状態において示す斜視図である。 図１２に係る回転電動機の回転子を構成する磁石列を同一平面上に展開して示す概念図である。 参考例に係る回転電動機の回転子を構成する磁石列を同一平面上に展開して示す概念図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図示される実施形態において、各構成要素間の相対的な寸法は、説明の便宜上、実用的な実施形態における大きさとは異なる場合がある。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転電動機の回転子１０を半円筒状に切断した状態において示す斜視図である。図２は、図１に係る回転電動機の回転子１０の断面図である。図１においては、説明の便宜上、一方の半円筒体１０ａのみが示されている。図示される半円筒体１０ａは、図示されない他方の半円筒体とともに一体の円筒状の回転子１０を構成する。回転子１０は、電磁鋼板を積層して形成される鉄心１２と、鉄心１２の積層方向Ｄに延在するように鉄心１２に取付けられる複数の磁石列１４とを備える。積層方向Ｄは、回転子１０の回転軸線に対して平行に延在している。鉄心１２は、薄板状の電磁鋼板を積層方向に重ね合わせて互いに接着し、又はかしめて一体的に形成されていて、円筒形状の外形を有している。

磁石列１４は、鉄心１２に形成されたスロットに収容されるように、鉄心１２の内部に埋め込まれている。磁石列１４は、後述する磁石片１６をスロット内において接着し、又は磁石片１６とスロットとの間の隙間に樹脂を充填するなど公知の態様により取付けられる。磁石列１４は、図２においてより明確に示されるように、鉄心１２の円周方向に概ね等間隔に配置されている。なお、磁石列１４は、接着剤を用いて鉄心１２の外周面１２ａに対して貼付けられてもよい。また、鉄心１２と磁石列１４との間の固定作用を外的に補強する補強構造をさらに備えてもよい。補強構造は、例えば磁石列１４を外部から被覆するとともに磁石列１４を鉄心１２に対して押圧しながら固定する作用を有する金属、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）又はＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）などから構成される管体でありうる。このような補強構造は、特に回転子１０の回転数が大きい用途において信頼性を向上させるのに有効である。

各磁石列１４は、鉄心１２の積層方向Ｄにおいて並置される複数の磁石片１６から形成される。本実施形態においては、磁石列１４を構成する磁石片１６として、第１の磁石片１６ａと、第２の磁石片１６ｂとが使用される。第１の磁石片１６ａは、積層方向Ｄにおいて或る長さＬの寸法を有している。第２の磁石１６ｂは、積層方向Ｄにおいて、第１の磁石片１６ａ長さＬの２倍の長さ２Ｌの寸法を有している。すなわち、第１の磁石片１６ａと第２の磁石片１６ｂとの積層方向Ｄにおける長さの比は１対２になっている。例えば、第１の磁石片１６ａは積層方向Ｄにおいて５０ｍｍの長さを有しており、第２の磁石片１６ｂは積層方向Ｄにおいて１００ｍｍの長さを有している。各磁石列１４は、第１の磁石片１６ａ及び第２の磁石片１６ｂの２種類の磁石片１６のうちの少なくとも一方を複数個並置して構成されている。各磁石列１４の積層方向Ｄにおける寸法は、鉄心１２の積層方向Ｄの寸法と概ね一致するように形成される。

同一の磁石列１４を構成する磁石片１６は、鉄心１２の半径方向において互いに同一方向に磁化されていて、１つの極を形成している。すなわち、各磁石列１４は、積層方向Ｄにおけるその全長にわたって延在する１つの極を形成している。図２を参照すると、各磁石列１４の磁化方向は、隣接する磁石列１４に対して磁化方向が互いに反対向きになるようになっている。すなわち、或る磁石列１４が鉄心１２の半径方向外向きにＮ極を形成するとともに、鉄心１２の半径方向内向きにＳ極を形成する場合、その磁石列１４の両側に隣接する他の磁石列１４は、鉄心１２の半径方向外向きにＳ極を形成し、鉄心１２の半径方向内向きにＮ極を形成するように配列される。なお、回転子１０の半径方向外方には、図示されない回転電動機の固定子が回転子１０を包囲するように設けられる。固定子には、回転子１０の各磁石列１４に対向するように電磁石が配置されており、回転子１０の磁石列１４と固定子の電磁石との間の反発力及び吸引力により、回転子１０が回転駆動されるようになっている。

次に、図３を参照して、磁石片１６の配列方法について説明する。図３は、図１に係る回転子１０を構成する磁石列１４を同一平面上に展開して示す概念図である。前述されたように、磁石片１６は、第１の磁石片１６ａと第２の磁石片１６ｂとからなる。図示された例では、各磁石列１４の積層方向Ｄの長さ（すなわち鉄心１２の積層方向Ｄの長さ）は、第１の磁石片１６ａの積層方向Ｄの長さＬの４倍である。図示された実施形態において、磁石列１４は、第１の配列パターンと第２の配列パターンとが交互に配置されている。第１の配列パターンは、積層方向Ｄに並置される２つの第２の磁石片１６ｂから構成されている。第２の配列パターンは、２つの第１の磁石片１６ａと、それら第１の磁石片１６ａの間に挟まれるように配置される第２の磁石片１６ｂとから構成されている。

図示されるように、各磁石列１４は、磁石片１６の間の境界面が、積層方向Ｄに対して直交する方向（回転子１０の回転方向）において一致しないようにずらして配列されている。このように磁石片１６の境界面をずらして配列することによって、磁気的作用が局所的に集中するのを防止できる。それにより、磁石列１４の磁気的作用によって鉄心１２に作用する力が分散され、積層構造からなる鉄心１２に亀裂又は隙間が形成されるのを防止できる。また、本発明によれば、第１の磁石片１６ａと第２の磁石片１６ｂとの２種類の磁石片１６のみを使用すればよいので、磁石片１６の調達コスト及び管理コストが削減される。また、図示された実施形態においては、８つの磁石列１４を構成するために、磁石列１４の列数と同数の８つの第１の磁石片１６ａが使用される。このように、本実施形態においては寸法の小さい第１の磁石片１６ａの使用個数を抑制して、寸法の大きい第２の磁石片１６ｂを優先的に使用する。一般的に、磁石片の使用個数が少なければ磁石片を鉄心に対して取付ける作業効率が向上するので、本実施形態によって生産コストが削減される。したがって、本実施形態によれば、安価な回転子１０を提供することができる。

次に、図４を参照して、本発明の別の実施形態を説明する。なお、以下に説明する各実施形態ないし変形例において、前述された実施形態における構成要素と同一の、又は対応する構成要素に対しては同一の参照符号を使用し、重複する説明は適宜省略する。

図４は、本発明の別の実施形態に係る回転電動機の回転子を構成する磁石列２０を同一平面上に展開して示す概念図である。この実施形態においては、一対の隣接する磁石列２０が同一の配列パターンに基づいて構成されている。そして、それら一対の磁石列２０に隣接する別個の一対の磁石列２０は、異なる配列パターンに基づいて構成されている。すなわち、例えば一対の磁石列２０が前述された第１の配列パターンにより構成されている場合、その両側に隣接して配置される各対の磁石列２０は、第２の配列パターンにより構成される。

この実施形態においても、各磁石列２０を構成する磁石片１６の間の境界面が積層方向Ｄに直交する回転子の回転方向にわたって一致しないようにずらして配列されている。そして、使用される短尺の第１の磁石１６ａの個数は、磁石列２０の列数と同数である。したがって、この実施形態においても、前述された実施形態と同様の利点を有する回転電動機及びそれに使用される回転子を提供できる。

図５は、本発明の別の実施形態に係る回転電動機の回転子を構成する磁石列３０を同一平面上に展開して示す概念図である。本実施形態においては、各磁石列３０の積層方向の長さ（すなわち鉄心（図示せず）の積層方向の長さ）は、第１の磁石片１６ａの長さＬの５倍になっている。各磁石列３０は、図示されるように第３の配列パターンと第４の配列パターンとが交互に現れるように配置される。第３の配列パターンは、積層方向Ｄに並置された２つの第２の磁石片１６ｂと、積層方向Ｄの基端側に配置される１つの第１の磁石片１６ａとを組合せた配列パターンである。第４の配列パターンは、第３の配列パターンを１８０度反転させたもので、積層方向Ｄに並置された２つの第２の磁石片１６ｂと、積層方向Ｄの末端側に配置される１つの第１の磁石片１６ａとを組合せた配列パターンである。この実施形態においても、各磁石列３０を構成する磁石片１６の間の境界面が積層方向Ｄに直交する回転子の回転方向にわたって一致しないようにずらして配列されている。そして、使用される短尺の第１の磁石１６ａの個数は、磁石列３０の列数と同数である。したがって、この実施形態においても、前述された実施形態と同様の利点を有する回転電動機及びそれに使用される回転子を提供できる。

図６は、本発明の別の実施形態に係る回転電動機の回転子を構成する磁石列４０を同一平面上に展開して示す概念図である。この実施形態においては、一対の隣接する磁石列４０が同一の配列パターンに基づいて構成されている。そして、それら一対の磁石列４０に隣接する別個の一対の磁石列４０は、異なる配列パターンに基づいて構成されている。すなわち、例えば一対の磁石列４０が前述された第３の配列パターンにより構成されている場合、その両側に隣接して配置される各対の磁石列４０は、第４の配列パターンにより構成される。

この実施形態においても、各磁石列４０を構成する磁石片１６の間の境界面が積層方向Ｄに直交する回転子の回転方向にわたって一致しないようにずらして配列されている。そして、使用される短尺の第１の磁石１６ａの個数は、磁石列４０の列数と同数である。したがって、この実施形態においても、前述された実施形態と同様の利点を有する回転電動機及びそれに使用される回転子を提供できる。

図７は、本発明の別の実施形態に係る回転電動機の回転子を構成する磁石列５０を同一平面上に展開して示す概念図である。本実施形態においては、各磁石列５０の積層方向Ｄの長さ（すなわち鉄心（図示せず）の積層方向Ｄの長さ）は、第１の磁石片１６ａの長さＬの６倍になっている。各磁石列５０は、図示されるように第５の配列パターンと第６の配列パターンとが交互に現れるように配置される。第５の配列パターンは、３つの第２の磁石片１６ｂが積層方向Ｄに並置される配列パターンである。第６の配列パターンは、積層方向Ｄに並置された２つの第２の磁石片１６ｂと、それら２つの第２の磁石片１６ｂを積層方向Ｄの両側から挟み込むように配置される２つの第１の磁石片１６ａとから構成される配列パターンである。この実施形態においても、各磁石列５０を構成する磁石片１６の間の境界面が積層方向Ｄに直交する回転子の回転方向にわたって一致しないようにずらして配列されている。そして、使用される短尺の第１の磁石１６ａの個数は、磁石列５０の列数と同数である。したがって、この実施形態においても、前述された実施形態と同様の利点を有する回転電動機及びそれに使用される回転子を提供できる。

図８は、本発明の別の実施形態に係る回転電動機の回転子を構成する磁石列６０を同一平面上に展開して示す概念図である。この実施形態においては、一対の隣接する磁石列６０が同一の配列パターンに基づいて構成されている。そして、それら一対の磁石列６０に隣接する別個の一対の磁石列６０は、異なる配列パターンに基づいて構成されている。すなわち、例えば一対の磁石列６０が前述された第５の配列パターンにより構成されている場合、その両側に隣接して配置される各対の磁石列６０は、第６の配列パターンにより構成される。

この実施形態においても、各磁石列６０を構成する磁石片１６の間の境界面が積層方向Ｄに直交する回転子の回転方向にわたって一致しないようにずらして配列されている。そして、使用される短尺の第１の磁石１６ａの個数は、磁石列６０の列数と同数である。したがって、この実施形態においても、前述された実施形態と同様の利点を有する回転電動機及びそれに使用される回転子を提供できる。

図９は、本発明の別の実施形態に係る回転電動機の回転子７０の断面図である。本実施形態に係る回転子７０においては、複数の磁石列７２が同一の極を構成している。具体的には、２つの磁石列７２によって同一の極を形成している。すなわち、一対の磁石列７２は、図示されるように同一の方向に磁化されている。そして、それら磁石列７２に対して鉄心７４の円周方向に隣接して配列される別個の対をなす２つの磁石列７２は、反対方向に磁化されている。このように磁化方向は、隣接する各極ごとに反対方向を向くように互い違いに配置されている。ところで、この実施形態においては比較的大きな磁力が得られるので、高速回転用途に適している。そこで、高速回転時の遠心力にも耐えられるように、同一の極を構成する一対の磁石列７２の間には、補強作用をもたらす鉄心７４の一部が延在しており、磁石列７２は互いに隔離されている。

図１０は、図９に係る回転子を構成する磁石列７２を同一平面上に展開して示す概念図である。本実施形態においては、各磁石列７２の積層方向Ｄの長さ（すなわち鉄心（図示せず）の積層方向Ｄの長さ）は、第１の磁石片１６ａの６倍の長さになっている。各磁石列７２は、図示されるように前述された第５の配列パターンと第６の配列パターンとが交互に現れるように配置される。なお、本実施形態においては、図９に示されるように合計１６列の磁石列７２が形成されるものの、図面の視認性を考慮して、中間部分に配列される磁石列７２は省略されている。この実施形態においても、各磁石列７２を構成する磁石片１６の間の境界面が積層方向Ｄに直交する回転子７０の回転方向にわたって一致しないようにずらして配列されている。そして、使用される短尺の第１の磁石１６ａの個数は、磁石列７２の列数と同数である。したがって、この実施形態においても、前述された実施形態と同様の利点を有する回転電動機及びそれに使用される回転子７０を提供できる。

図１１は、本発明の別の実施形態に係る回転電動機の回転子を構成する磁石列８０を同一平面上に展開して示す概念図である。なお、図１１においても、図１０と同様に磁石列８０の中間部分が省略されている。この実施形態においては、一対の隣接する磁石列８０が同一の配列パターンに基づいて構成されている。そして、それら一対の磁石列８０に隣接して配置される別個の一対の磁石列８０は、異なる配列パターンに基づいて構成されている。すなわち、例えば一対の磁石列８０が前述された第５の配列パターンにより構成されている場合、その両側に隣接する各対の磁石列８０は、第６の配列パターンにより構成される。

この実施形態においても、各磁石列８０を構成する磁石片１６の間の境界面が積層方向Ｄに直交する回転子の回転方向にわたって一致しないようにずらして配列されている。そして、使用される短尺の第１の磁石１６ａの個数は、磁石列８０の列数と同数である。したがって、この実施形態においても、前述された実施形態と同様の利点を有する回転電動機及びそれに使用される回転子を提供できる。

なお、前述された実施形態において、１つの極を２つの磁石列により構成する場合を例示して説明したが、場合によっては３つ以上の磁石列により各極を構成するようにしてもよい。また、本発明は、特に前述された接着又はかしめにより一体化される積層鉄心に限らず、積層鉄心全般に対して好適に適用されうる。

具体的な磁石の配列方法は、図示された具体例に限定されない。回転子の品質を考慮すると、添付図面に図示されたように回転方向において対称な配列パターンであることが望ましいが、このことは必ずしも要求されない。以上、添付図面を参照して、鉄心の積層方向における磁石列の長さが第１の磁石片の長さの４倍、５倍又は６倍の実施形態について説明したが、本発明は、第１の磁石片の７倍以上の長さを有する、より長尺化された磁石列にも同様に適用される。

１０ 回転子
１２ 鉄心
１４ 磁石列
１６ 磁石片
１６ａ 第１の磁石片
１６ｂ 第２の磁石片
２０ 磁石列
３０ 磁石列
４０ 磁石列
５０ 磁石列
６０ 磁石列
７０ 回転子
７２ 磁石列
７４ 鉄心
８０ 磁石列
Ｄ 積層方向
Ｌ 第１の磁石片の長さ

Claims (4)

1. 電磁鋼板を積層して形成される鉄心と、前記鉄心の積層方向に延在するように前記鉄心に取付けられる複数の磁石列とを備える回転電動機の回転子であって、
   前記複数の磁石列の各磁石列は、第１の磁石片及び第２の磁石片の２種類の磁石片のうちの少なくとも一方を前記積層方向に複数個並置されて構成されており、
   前記第１の磁石片と前記第２の磁石片との前記積層方向における長さの比は１対２であり、
   前記複数の磁石列のうちの少なくとも２つの磁石列は、少なくとも２つの前記第２の磁石片を含むように配列されており、
   前記複数の磁石列の各磁石列を構成する前記磁石片間の境界面が前記積層方向に直交する前記鉄心の断面にわたって一致しないようにずらして配列される、回転電動機の回転子。
2. 前記複数の磁石列を構成するために使用される前記第１の磁石片の数は、前記磁石列の数と同数である、請求項１に記載の回転電動機の回転子。
3. 前記鉄心は、前記積層方向の長さが、前記第１の磁石片の前記積層方向の長さの整数倍であって、かつ４倍以上に対応するように積層形成される、請求項１又は２に記載の回転電動機の回転子。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の回転子を具備する、回転電動機。

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