JP2013223407A

JP2013223407A - 磁石埋込型永久磁石回転電機のロータ

Info

Publication number: JP2013223407A
Application number: JP2012095768A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Mochida; 敏治持田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2013-10-28

Abstract

【課題】ロータコアの周上に形成した凹溝状の磁石スロットに収容配置した永久磁石，およびその磁石抑え部材に加わる遠心力荷重を簡易な構造で安全に支えることができるように改良した磁石埋込型永久磁石回転電機のロータの組立構造を提供する。
【解決手段】ロータコア９の周上に、永久磁石１０の配列に対応する凹溝状の磁石スロット９ａを形成した上で、該磁石スロット９ａに永久磁石１０，および電磁鋼板積層体になる磁石抑え部材１６をｄ軸方向に重ね合わせて嵌入配置したものにおいて、ロータコア９には、磁石スロット９ａの開口端縁に沿って磁石抑え部材１６の肩部１６ａと対峙する鍔状突起９ｂを迫り出し形成した上で、該鍔状突起９ｂと磁石抑え部材１６の肩部１６ａとの間に棒状の非磁性スペーサ１７を介挿して永久磁石１０，磁石抑え部材１６に加わる遠心力荷重をロータコア９の鍔状突起９ｂで支えるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁石埋込型永久磁石回転電機におけるロータの組立構造に関する。

先ず、ＩＰＭモータを例に、磁石埋込型永久磁石回転電機の全体組立構造を図５に示す。図において、１は円筒状の外囲フレーム１とその両端に締結ボルト３を介してブラケット４，５を結合したモータケーシング、６は前記フレーム１の内側に支持したステータコア、７はステータコア６に巻装したステータコイル、８はステータの内周側にギャップを隔てて対向するロータの組立体、９はロータコア、１０はロータコア９の周方向に配列してその外周面近くに埋設したセグメント永久磁石（以下、「永久磁石」と略称する）、１１はロータコア９の両端に配した非磁性体のエンドプレート、１２は締結ボルト、１３はロータシャフト（回転軸）、１４はロータシャフト１３をブラケット４，５に軸支する軸受、１５は冷却ファンである。

一方、ＩＰＭモータのロータについて、鋳鉄系磁性体になるロータコアの周面近くに穿設した磁石スロット（磁石穴）に嵌挿して埋設した永久磁石の漏れ磁束を抑えるために、永久磁石の配列に合わせてロータコアの周面に永久磁石を収容する凹溝を刻設した上で、この凹溝に収容した永久磁石を外周側から抑え込むように電磁鋼板の積層体からなる抑え材を前記凹溝と非接触の姿勢に配置した上で、この抑え材，および永久磁石を前記凹溝に張り出すロータコアの張り出し箇所とロータコアの両端に配したエンドプレートとの間に挟み込んでかしめ固定し、さらに前記抑え材，およびコアの張り出し箇所を軸方向に貫通する棒材を介してエンドプレートに固定してロータの回転に伴って発生する遠心力荷重を支えるようにしたロータの組立構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１２５１０４号公報

前記特許文献１に開示されているロータの組立構造によれば、永久磁石の漏れ磁束を抑えつつ、ロータの回転に伴いロータコアの凹溝内に収容した永久磁石，抑え材に加わる遠心力荷重を支えることができるものの、一方では高速回転時における耐遠心力強度の確保、ロータの組立性、および高トルク，大出力モータの小型コンパクト化など面で次記のような課題が残る。

すなわち、軸方向に分割した永久磁石，および電磁鋼板積層体の抑え材をロータコアの両端に配したエンドプレートとロータコアに一体形成した前記張り出し箇所の間に挟み込んで軸方向に挟持締結した構造では、ロータコアの軸方向の長さが大きくなると、エンドプレート，コアの張り出し箇所から離れた永久磁石，抑え材の中央部分に加わる遠心力荷重を十分に支えることかできず、このままでは高速回転に対して信頼性の高い耐遠心荷重強度を確保することが困難である。

この点について特許文献１では、抑え材，およびロータコアの張り出し箇所を軸方向に貫通する棒材を追加してその両端をエンドプレートで支持するようにしているが、この棒材で抑え材の遠心力荷重を支えるには、前記張り出し箇所の数を増やしてその相互間隔（棒材の支点間スパン）を狭める必要がある。しかしながら、ロータコアの張り出し箇所の部分はモータの駆動トルクに寄与せず、逆に永久磁石の漏れ磁束の経路になるために、軸方向に並べてロータコアに一体形成した張り出し箇所の数が増えるとロータ全体でのトルク密度が低下して高トルク，大出力仕様のモータが必要以上に大型化する。さらに、ロータコアに組み込む永久磁石，抑え材は、前記張り出し箇所の相互間隔に合わせて軸方向に分割する必要があるほか、前記棒材の組立構造も複雑化してその組立工数が増すなどして製品コストが嵩む。

そのほか、ロータコアの本体を構成している鋳鉄系磁性体は電磁鋼板の積層体と比べて電気抵抗が小さく、磁束の通過に伴う渦電流損が大きくなる。また、一般に鋳鉄は透磁率が低く、このためにモータのトルク密度が低下する問題もある。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的はロータコアに埋設した永久磁石の漏れ磁束を抑えつつ、ロータコアの周上に形成した凹溝に収容配置した永久磁石，およびその磁石抑え部材に加わる遠心力荷重を簡易な構造で安全に支えることができるように改良した磁石埋込型永久磁石回転電機のロータの組立構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、ステータのコア内周側にギャップを隔てて対向するロータのコアに、複数のセグメント永久磁石を周方向に配列して埋設した磁石埋込型永久磁石回転電機のロータであって、前記ロータコアの周上には永久磁石の配列に対応してロータの軸方向に延在する凹溝状の磁石スロットを形成した上で、該磁石スロットに永久磁石，および軟磁性体になる磁石抑え部材をｄ軸方向に重ね合わせて嵌入配置したものにおいて、
ロータコアに、前記磁石スロットの凹溝開口端の側縁に沿って鍔状突起を迫り出し形成し、この鍔状突起で永久磁石，磁石抑え部材に加わる遠心力荷重を支えるようにし（請求項１）、その支持構造は具体的には次記のような態様で構成することができる。
（１）前記構成のロータにおいて、ロータコア，および磁石抑え部材を電磁鋼板の積層体で構成する（請求項２）。
（２）前記磁石スロット内に嵌入配置した磁石抑え部材と前記鍔状突起との間に、ロータの軸方向に延在する棒状の非磁性スペーサを介挿する（請求項３）。
（３）前項（２）において、棒状の非磁性スペーサを板ばね形状として、磁石スロット，および磁石抑え部材の加工精度のばらつきを吸収するようにする（請求項４）。
（４）さらに、ロータコアに形成した前記磁石スロットの内壁面と該磁石スロット内に嵌入配置した永久磁石，磁石抑え部材との間の間隙に非磁性体を充填するようにし（請求項５）し、該非磁性体としてエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を充填する（請求項６）。

上記のロータ組立構造によれば、次記の効果を奏することができる。
（１）ロータの組立状態では、ロータコアの磁石スロット（凹溝）に収容した永久磁石，および磁石抑え部材を、その軸方向の長さに関係なく全長に亙りスロット開口端縁に沿って形成したロータコアの鍔状突起に非磁性のスペーサ，充填体を介して担持し、ロータの回転に伴い永久磁石，磁石抑え部材に生じる遠心力荷重を前記の鍔状突起を介してロータのコア本体で安定よく支えることができる。

これにより、ロータの組立工程では特許文献１の開示構造のように永久磁石，抑え材を軸方向に分割したり、支持構造が複雑化する棒材を使用する必要が無くてロータの組立作業性が向上するほか、ロータコアの本体には凹溝内の張り出し箇所を設ける必要もないので、この張り出し箇所の配列に起因するモータのトルク密度低下、ロータの軸長増大化も回避できる。
（２）また、磁石抑え部材とこれに対峙するロータコアの鍔状突起との間に介挿した棒状の非磁性スペーサを板ばね形状とすることで、ロータコアの磁石スロット，磁石抑え部材の寸法精度のばらつきをスペーサのばね効果により吸収できる。そのほか、ロータのコア本体を電磁鋼板の積層体で構成することにより、鋳鉄系磁性体で構成した張り出し箇所一体形の構造と比べて、コアの鉄損を低めて高トルク，大出力のモータを小型コンパクトに構成できる。

本発明の実施例１に係わる磁石埋込型ロータの要部構造を模式的に表す図である。本発明の実施例２に係わる磁石埋込型ロータの要部構造を模式的に表す図である。本発明の実施例３に係わる磁石埋込型ロータの要部構造を模式的に表す図である。本発明の実施例４に係わる磁石埋込型ロータの要部構造を模式的に表す図である。磁石埋込型永久磁石回転電機の一般的な組立構造図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図４に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図５に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

まず、本発明の請求項１〜３に対応する実施例１に係わるロータの要部組立構造を図１に示す。この実施例ではロータコアに埋設する永久磁石１０の配列に合わせて、ロータコア９の周上には軸方向に延在する凹溝状の磁石スロット９ａが形成されており、この磁石スロット９ａの内方には上下端面をＮ，Ｓ極とする平角形のセグメント永久磁石１０と磁石抑え部材１６が図示のようにｄ軸（磁極の中心軸）方向に積層して収容されている。

ここで、ロータコア９の本体，および磁石抑え部材１６は共に電磁鋼板の積層体で作られている。また、磁石抑え部材１６は永久磁石１０と同じ幅で、その軸方向に沿った左右両端には外周頂面から一段低い肩部１６ａが形成されている。

一方、前記磁石スロット９ａは、その凹溝の横幅が永久磁石１０よりも一回り大きく設定されている。また、磁石スロット９ａの開口端側は、凹溝の側縁に沿ってロータコア９から溝内に向けて迫り出す鍔状突起９ｂが形成されており、この鍔状突起９ｂが図示のように前記磁石抑え部材１６の肩部１６ａに間隙を隔てて対峙する。そして、この鍔状突起９ｂと磁石抑え部材１６の肩部１６ａとの間の間隙には、軸方向に沿って延在する断面角形になる棒状の非磁性のスペーサ１７を介挿し、該非磁性スペーサ１７を介して永久磁石１０，および磁石抑え部材１６を磁石スロット９ａの底部に抑え込むようにしている。

上記の組立構造によれば、永久磁石１０の側面とロータコア９とが間隙を隔てて隔離されていて永久磁石の漏れ磁束を抑制できるとともに、ロータの回転に伴い永久磁石１０，および磁石抑え部材１６に加わる遠心力荷重を前記の非磁性スペーサ１７を介してロータコア９の鍔状突起９ｂで支えることができる。しかも、この鍔状突起９ｂは磁石スロット９ａの側縁に沿って軸方向全域に迫り出しているので、その全長域で遠心力荷重を分担して安定よく支えることができる。また、その組立作業性についても、あらかじめ上下に重ね合わせた磁石抑え部材１６と永久磁石１０の積層体をロータコア９の凹溝状の磁石スロット９ａに軸方向から遊嵌して所定位置に位置決め配置した上で、磁石抑え部材１６の肩部１６ａとロータコア９の鍔状突起９ｂとの間に棒状の非磁性スペーサ１７を押し込んで介挿するだけの簡単な作業手順で組み立てることかできる。

次に、本発明の請求項４に対応する変形実施例を図２に示す。この実施例２では、先記実施例１で述べた棒状の非磁性スペーサ１７を、ばね性を有する非磁性金属（例えば、ステンレス鋼）の棒材を長手方向に湾曲して板ばね形状に加工し、図２で示すように磁石抑え部材１６の肩部１６ａとロータコア９の鍔状突起９ｂとの間の隙間に介挿する。

これにより、ロータコア９の磁石スロット９ａ，ないし磁石抑え部材１６の加工精度にバラツキあっても、この加工精度のバラツキを非磁性スペーサ１７のばね効果で吸収して磁石抑え部材１６を安定よく押さえ込むことができる。

図３に示す実施例３は、本発明の請求項５に対応する応用実施例を示すものである。この実施例では、磁石抑え部材１６の肩部１６ａとロータコア９の鍔状突起９ｂとの間に棒状の非磁性スペーサ１７を介挿する（図１，図２参照）代わりに、磁石スロット９ａの内壁面と永久磁石１０，磁石抑え部材１６の積層体との間の隙間に、非磁性体として例えば熱硬化性のエポキシ樹脂１８を充填して硬化し、このエポキシ樹脂１８の層を介して遠心力荷重をロータコア９の鍔状突起９ｂで支えるようにている。

この実施例によれば、回転電機の駆動トルクを受けて磁石スロット９ａに収容した永久磁石１０，磁石抑え部材１６が定位置から周方向にずれるのを確実に防止できる。

次に先記の実施例１と実施例３を組み合わせた変形実施例の組立構造を図４に示す。この実施例では、磁石抑え部材１６の肩部１６ａとロータコア９の鍔状突起９ｂとの間に棒状の非磁性スペーサ１７を介挿した上で、さらに磁石スロット９ａ内における残余の間隙にエポキシ樹脂１８を充填して溝内の隙間を埋めるようにしており、これにより永久磁石１０，磁石抑え部材１６の支持機能の信頼性が更に向上する。

６ステータコア
８ロータ組立体
９ロータコア
９ａ磁石スロット
９ｂ鍔状突起
１０永久磁石
１３ロータシャフト
１６磁石抑え部材
１６ａ肩部
１７非磁性スペーサ
１８エポキシ樹脂

Claims

ステータのコア内周側にギャップを隔てて対向するロータのコアに、複数のセグメント永久磁石を周方向に配列して埋設した磁石埋込型永久磁石回転電機のロータであって、前記ロータコアの周上には永久磁石の配列に対応してロータの軸方向に延在する凹溝状の磁石スロットを形成した上で、該磁石スロットに永久磁石，および軟磁性体になる磁石抑え部材をｄ軸方向に重ね合わせて嵌入配置したものにおいて、
ロータコアに、前記磁石スロットの凹溝開口端の側縁に沿って鍔状突起を迫り出し形成し、この鍔状突起で永久磁石，磁石抑え部材に加わる遠心力荷重を支えるようにしたことを特徴とする磁石埋込型永久磁石回転電機のロータ。
請求項１に記載のロータにおいて、ロータコア，および磁石抑え部材が電磁鋼板の積層体になることを特徴とする磁石埋込型永久磁石回転電機のロータ。
請求項１または２に記載のロータにおいて、磁石スロット内に嵌入配置した磁石抑え部材と前記鍔状突起との間に、ロータの軸方向に延在する棒状の非磁性スペーサを介挿したことを特徴とする磁石埋込型永久磁石回転電機のロータ。
請求項３のロータにおいて、棒状の非磁性スペーサが板ばね形状になることを特徴とする磁石埋込型永久磁石回転電機のロータ。
請求項１または２に記載のロータにおいて、ロータコアに形成した磁石スロットの内壁面と該磁石スロット内に嵌入配置した永久磁石，磁石抑え部材との間の間隙に非磁性体を充填したことを特徴とする磁石埋込型永久磁石回転電機のロータ。
請求項５において、磁石抑え部材との間の間隙に充填した非磁性体がエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂であることを特徴とする磁石埋込型永久磁石回転電機のロータ。