JP2016046949A - 回転電機のロータ - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石１４が埋め込まれた回転電機のロータコアにおいて、永久磁石の両極を結ぶ方向に交差する方向において永久磁石の位置決めを行う位置決め部３２，３４を少なくしつつ、永久磁石を安定的に支持する。【解決手段】永久磁石１４を収容する磁石収容孔２０の縁に、永久磁石１４の位置決めを行う磁石位置決め部３２，３４を有する第１のコア鋼板１６と、磁石位置決め部を有さない第２のコア鋼板１８によりロータコアを形成する。ロータコアの軸線方向において両端部に第１のコア鋼板１６を配置し、両端部の間の部分には第２のコア鋼板１８を配置し、第１および第２のコア鋼板１６，１８を積層してロータコアを形成する。【選択図】図４

Description

本発明は、回転電機のロータ、特にロータコアに永久磁石が埋め込まれたロータの構造に関する。

電気エネルギを回転の運動エネルギに変換する電動機、回転の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機、さらに電動機と発電機どちらにも機能する電気機器が知られている。以下において、これらの電気機器を回転電機と記す。

回転電機は、同軸に配置されて相対的に回転する二つの部材を有する。通常は、一方が固定され、他方が回転する。固定された部材（ステータ）にコイルを配置し、このコイルに電力を供給することにより回転する磁界を形成する。この磁界との相互作用により他方の部材（ロータ）が回転する。

ロータコアに永久磁石が埋め込まれた回転電機が知られている。下記特許文献１には、ロータコアとなる積層体（１）に、永久磁石（５）を収容する挿入孔（１Ｒ，１Ｌ）を設けた回転電機のロータが示されている。積層体（１）は、コア片（２）を積層して形成され、各コア片には積層されたとき挿入孔（１Ｒ，１Ｌ）となる挿入孔（１０Ｒ，１０Ｌ，２０Ｒ，２０Ｌ）が設けられている。１枚のコア片（２）には８組、１６個の挿入孔が設けられている。８組の挿入孔のうちの１組である挿入孔（１０Ｒ，１０Ｌ）の縁には、その長手方向において永久磁石（５）の側面に接する外側位置決め部（１３Ｒ，１３Ｌ）および内側位置決め部（１４Ｒ，１４Ｌ）が設けられている。他の７組の挿入孔（２０Ｒ，２０Ｌ）の縁には、外側および内側位置決め部は設けられていない。外側および内側位置決め部を有する挿入孔（１０Ｒ，１０Ｌ）の位置をずらしてコア片（２）を積層することにより、積層方向において挿入孔（１Ｒ，１Ｌ）の内壁に間隔を空けて位置決め部が配置される。なお、（ ）内の符号は、特許文献１で用いられている符号であり、本願の実施形態で用いられる符号とは関連しない。

特開２０１４−７９２５号公報

ロータコアに埋め込まれた永久磁石の両極を結ぶ方向に交差する方向においては、ロータコアと永久磁石の間に間隙を設けることが好ましい。これは、永久磁石の磁束が効率よくロータコアの外部に延び、ステータの形成する磁界との相互作用に寄与するようにするためである。上記の間隙がないとロータコア内で一方の極から他方の極に向かう磁束が多くなり、磁束をステータの磁束との相互作用に効率よく利用できなくなる。

一方で、永久磁石の両極を結ぶ方向と交差する方向において、永久磁石の位置決めをするためには、ロータコアとの間の間隙の少なくとも一部を埋める部材、例えば上記特許文献１の外側及び内側位置決め部が必要である。このような位置決め部材は、磁束の効率的な利用の妨げとなる場合があり、これらを少なくし、磁束を効率よく利用する技術が求められている。

本発明は、永久磁石を収めるための磁石収容孔が設けられたコア鋼板を積層して形成されたコアを有する回転電機のロータに関する。コア鋼板は、磁石収容孔の形状が異なる２種類のコア鋼板を有する。第１のコア鋼板は、全ての磁石収容孔において、その縁に、収容する永久磁石の両極を結ぶ方向に交差する方向において永久磁石に当接して永久磁石の位置決めを行う磁石位置決め部が設けられている。第２のコア鋼板は、全ての磁石収容孔において、その縁に磁石位置決め部が設けられていない、すなわち、磁石収容孔は永久磁石の両短辺に対して開放されている。そして、ロータのコアは、ロータの軸線方向の両側の端部において第１のコア鋼板により構成され、両側の端部の間である中央部において第２のコア鋼板により構成される。

ロータの軸線方向両端で永久磁石の位置決めを行うため、永久磁石を安定して支持することができる。また、ロータ軸線方向の中央部では磁石収容孔の縁と永久磁石の両短辺との間に間隙を形成することで、ステータが形成する磁界との相互作用に寄与する磁束を効率的に集中することができる。

ロータコアの外観を示す斜視図である。 第１のコア鋼板を示す図である。 第２のコア鋼板を示す図である。 磁石収容孔の詳細な形状を示す図である。 図２，３に示すＡ−Ａ線による断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、回転電機のロータコア１０を示す図である。ロータコア１０は、円環形状を有し、円環の内側にロータシャフト等が配置されてロータを形成する。ロータコア１０の円環の軸線は、ロータの回転の軸線と一致する。ロータコア１０の円環の外周部には、円環の軸線に沿う方向に延びる穴の形態の磁石収容部１２が設けられている。磁石収容部１２は、隣接する２個が対をなし、半径方向外側に開いたＶ字形となるように配置されている。この対をなす磁石収容部１２同士を区別する必要がある場合には、符号の後に「Ｌ」「Ｒ」を付す。以下、磁石収容部１２に関連する構成についても同様にそれぞれの符号にＬ，Ｒを付して区別する。磁石収容部１２は、この実施形態では８対、１６個が配置される。

磁石収容部１２内には、永久磁石１４が配置される（図２，３，４参照）。Ｖ字を形成する対をなす磁石収容部１２Ｌ，１２Ｒに収容される永久磁石１４Ｌ，１４Ｒは、極性の向きが同じになるように配置される。例えば、対をなす永久磁石１４Ｌ，１４ＲのそれぞれのＳ極が半径方向外側に向くよう配置される。この対に隣接する対においては、Ｎ極が半径方向外側を向くように配置される。Ｖ字に配置される対をなす２個の永久磁石１４Ｌ，１４Ｒが一つの磁極を形成する。

ロータコア１０は、円環板形状の２種類のコア鋼板１６，１８を積層して形成される。コア鋼板１６，１８には、これらが積層されたとき磁石収容部１２を形成する磁石収容孔２０，２２が設けられている。２種のコア鋼板１６，１８は、磁石収容孔２０，２２の形状によって区別される。

図２は第１のコア鋼板１６を示す図であり、図３は第２のコア鋼板１８を示す図である。図４は磁石収容孔２０，２２の詳細な形状を、収容される永久磁石１４と共に示す図である。

第１のコア鋼板１６は、概略円環板形状であり、その外周に沿って第１の磁石収容孔２０が配列されている。第１の磁石収容孔２０は、収容される永久磁石１４の長方形断面よりやや長い長穴形状である。第１の磁石収容孔２０は、隣接する２個（２０Ｌ，２０Ｒ）が半径方向外側に開いたＶ字形に配置される。対をなす第１の磁石収容孔２０Ｌ，２０Ｒは、これらの中央を通る半径に対して対称な形状を有する。第２のコア鋼板１８も概略円環板形状であり、その外周に沿って第２の磁石収容孔２２が配列されている。第２の磁石収容孔２２は、収容される永久磁石１４の長方形断面よりやや長い長穴形状である。第２の磁石収容孔２２は、隣接する２個（２２Ｌ，２２Ｒ）が半径方向外側に開いたＶ字形に配置される。対をなす第２の磁石収容孔２２Ｌ，２２Ｒは、これらの中央を通る半径に対して対称な形状を有する。第１および第２の磁石収容孔２０，２２は、この実施例では、それぞれ８対、１６個が設けられている。第１および第２の磁石収容孔２０，２２の位置を合わせるようにして、第１および第２のコア鋼板１６，１８を積層することにより、磁石収容部１２が形成される。

永久磁石１４は直方体であり、最も面積の大きい側面に磁極が形成されている。図４に表される断面において、長方形の長辺の部分に磁極が形成される。永久磁石１４は、磁石収容部１２に収容されたとき、その両極を結ぶ方向がロータコア１０の径方向に対しやや傾いた方向となる。この傾きは、対をなす磁石収容部１２Ｌ，１２Ｒに収容された永久磁石１４同士で反対となり、この２個の永久磁石１４により形成される磁束は、傾きが打ち消しあって、ロータコア１０の半径に沿ってロータコア１０の外側に延びる。

永久磁石１４は、磁石収容孔２０，２２に収容された状態で、長辺が第１および第２コア鋼板１６，１８に接し、一方短辺と第１および第２コア鋼板１６，１８との間には、間隙２４，２６が形成されている。対をなす磁石収容孔２０Ｌ，２０Ｒおよび２２Ｌ，２２Ｒの間の部分に形成された間隙２４を内側間隙２４、外側に形成された間隙を外側間隙２６と記す。間隙２４，２６を設けることにより、永久磁石１４の側方の磁路２８，３０を狭くし、磁束がコア内で短絡することを抑制している。これにより、磁束のより多くの部分がコアの外に向けて延びて、ステータが形成する磁界との相互作用に寄与するようになる。

図４の（ｂ）に示されるように、間隙２４，２６が永久磁石１４の短辺全体に対して形成されていると、長辺に沿う方向において永久磁石１４の位置を定めることができない。そこで、第１のコア鋼板１６においては、磁石収容孔２０の縁に、永久磁石１４の短辺に当接する突起または隆起が設けられている（図４の（ａ）参照）。対をなす磁石収容孔２０Ｌ，２０Ｒの間の部分に位置する突起または隆起を内側磁石位置決め部３２、外側に位置する突起または隆起を外側磁石位置決め部３４と記す。内側および外側磁石位置決め部３２，３４は、ロータコア１０の半径方向内側において永久磁石１４の短辺に当接し、永久磁石１４を両側から挟むようにして位置決めを行う。

第１のコア鋼板１６の全ての磁石収容孔２０の形状は同一であり、その縁には、内側および外側磁石位置決め部３２，３４が設けられている。一方、第２のコア鋼板１８の全ての磁石収容孔２２は互いに同一であるが、その縁には内側および外側磁石位置決め部３２，３４は設けられておらず、永久磁石１４の短辺には、コア鋼板１８は接していない。つまり、永久磁石１４の短辺全体が対応する内側間隙２４および外側間隙２６に対面している。

永久磁石１４の両極を結ぶ方向に交差する方向における位置決めは、ロータコア１０の軸線方向の両端部で行えば、永久磁石１４を安定的に支持できる。そこで、この実施形態では、両端部に第１のコア鋼板１６を配置し、両端部の間の部分である中間部に 第２のコア鋼板１８を配置する。図５は、図２および図３のＡ−Ａ線による断面図である。ロータコア１０の軸線方向における両端（図５中、上下の端）には、所定枚数の第１のコア鋼板１６が積層され、その間には第２のコア鋼板１８が積層されている。第１のコア鋼板１６の内側および外側磁石位置決め部３２，３４が、図において左右から永久磁石１４に当接して、永久磁石１４の位置決めを行っている。第２のコア鋼板１８と永久磁石１４の間には、間隙２４，２６が設けられている。第１のコア鋼板１６の枚数は、永久磁石１４を安定的に支持できる最小の枚数とすることができる。永久磁石１４は、ロータコア１０の軸線方向の両端で支持されるので安定的に支持される。また、磁石位置決め部３２，３４を有する第１のコア鋼板１６の使用枚数を少なくすることで、磁束を有効に利用することができるようになり、回転電機の出力低下を抑制することができる。

１０ ロータコア、１２ 磁石収容部、１４ 永久磁石、１６ 第１のコア鋼板、１８ 第２のコア鋼板、２０ 第１の磁石収容孔、２２ 第２の磁石収容孔、２４ 内側間隙、２６ 外側間隙、３２ 内側磁石位置決め部、３４ 外側磁石位置決め部。

Claims (1)

1. 永久磁石を収めるための磁石収容孔が設けられたコア鋼板を積層して形成されたコアを有する回転電機のロータであって、
   コア鋼板は、全ての磁石収容孔の縁に、収容する永久磁石の両極を結ぶ方向に交差する方向において永久磁石に当接して永久磁石の位置決めを行う磁石位置決め部が設けられている第１のコア鋼板と、磁石位置決め部が設けられていない第２のコア鋼板と、を含み、
   ロータのコアは、ロータの軸線方向の両側の端部において第１のコア鋼板により構成され、両側の端部の間である中央部において第２のコア鋼板により構成される、
   回転電機のロータ。

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