JP2018026965A - 回転子及び永久磁石式回転電機 - Google Patents

回転子及び永久磁石式回転電機 Download PDF

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英樹 大口
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仁 中園
秀樹 西川
Hideki Nishikawa
秀樹 西川
敏哉 佐々木
Toshiya Sasaki
敏哉 佐々木
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Abstract

【課題】高速回転時の遠心力による応力集中を十分に緩和できる回転子及びこの回転子を備えた永久磁石式回転電機を提供する。【解決手段】回転子の回転子コア２１における各磁石スロット２４は、周方向に細長く延びる永久磁石挿入部２４ａと、永久磁石挿入部２４ａの周方向両端に形成された一対の空気領域２４ｂとを備える。各空気領域２４ｂは、永久磁石挿入部２４ａの周方向端部から周方向外側に延びる周方向第１延出部２４ｃと、周方向第１延出部２４ｃから径方向内側に延びる径方向延出部２４ｄと、径方向延出部２４ｄから周方向内側に永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２と軸孔２２との間に至るまで延びる周方向第２延出部２４ｅとを備える。径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３及び周方向第２延出部２４ｅの径方向内端面２４ｅ３は、径方向延出部２４ｄの直線状に形成された周方向外側面２４ｄ２に接する円弧Ｃ３の一部で構成される。【選択図】図３

Description

本発明は、高速回転時の遠心力による応力集中を緩和することができる回転子及びこの回転子を備えた永久磁石式回転電機に関する。
従来のこの種の永久磁石埋め込み型回転子として、例えば、特許文献１に示すものが知られている。
特許文献１に示す永久磁石埋め込み型回転子は、電磁鋼板を積層して形成される回転子鉄心と、回転子鉄心の外周部に沿って設けられた複数の磁石挿入孔と、複数の磁石挿入孔に埋め込まれた複数の永久磁石とを備えている。そして、各磁石挿入孔は、全体が略コの字状であり、各磁石挿入孔の両端は回転子鉄心の半径方向内側に屈曲して永久磁石が存在しない周方向端部が円弧状の空気領域を形成している。そして、この空気領域は、永久磁石の外周側表面よりも軸孔側に配置するように構成されるとともに、永久磁石の内周面側表面よりも軸孔側に延びるよう構成されている。具体的に述べると、空気領域の周方向端部は、磁石挿入孔の外周側の直線部に接する円弧の一部で構成され、空気領域の半径方向内側端はその円弧の一部に接する半径の小さな円弧の一部で構成されている。
この特許文献１に示す永久磁石埋め込み型回転子によれば、高速回転時の遠心力による応力集中を緩和することができる。
特開２０１０−８８２１９号公報
しかしながら、この従来の特許文献１に示す永久磁石埋め込み型回転子にあっては、以下の問題点があった。
即ち、この永久磁石埋め込み型回転子が高速回転した際に、最も応力が集中するのは、空気領域の最も軸孔に近い空気領域の半径方向内側端の円弧のところである。しかし、この空気領域の半径方向内側端の円弧は半径が小さいため、応力集中の緩和効果が十分ではない。
従って、本発明はこの従来の問題点を解決するためのなされたものであり、その目的は、高速回転時の遠心力による応力集中を十分に緩和することができる回転子及びこの回転子を備えた永久磁石式回転電機を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る回転子は、軸孔を中心に形成すると共に複数の磁石スロットを外周部に沿って配設した円筒状の回転子コアと、前記複数の磁石スロットの各々に埋め込まれた複数の永久磁石とを備え、前記複数の磁石スロットの各々が、周方向に細長く延びる径方向外周面及び径方向内周面を有する永久磁石挿入部と、該永久磁石挿入部の周方向両端に形成された一対の空気領域とを備え、該一対の空気領域の各々は、前記永久磁石挿入部の周方向端部から周方向外側に延びる周方向第１延出部と、該周方向第１延出部から径方向内側に前記永久磁石挿入部の径方向内周面よりも軸孔側に至るまで延び、周方向外側面が直線状に形成された径方向延出部と、該径方向延出部から周方向内側に前記永久磁石挿入部の径方向内周面と軸孔との間に至るまで延びる周方向第２延出部とを備え、前記径方向延出部の径方向内端面及び前記周方向第２延出部の径方向内端面は、前記径方向延出部の直線状に形成された周方向外側面に接する円弧の一部で構成されていることを要旨とする。
また、本発明の別の態様に係る永久磁石式回転電機は、固定子巻線を巻装した固定子と、該固定子の内周側に回転自在に配置された前述の回転子とを備えたことを要旨とする。
本発明に係る回転子及び永久磁石式回転電機によれば、高速回転時の遠心力による応力集中を十分に緩和することができる回転子及びこの回転子を備えた永久磁石式回転電機を提供できる。
本発明の第１実施形態に係る回転子を備えた永久磁石式回転電機の概略構成を示す断面図である。 図１に示す永久磁石式回転電機における回転子の断面図である。 図２に示す回転子の回転子コアのうち１つの磁極における磁石スロットを拡大して示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る回転子の概略構成を示す断面図である。 図４に示す回転子の回転子コアのうち１つの磁極における磁石スロットを拡大して示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る回転子を部分的に示す断面図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る回転子を備えた永久磁石式回転電機は、図１に示されており、永久磁石式回転電機１は、８極４８スロットの埋込磁石型同期電動機である。なお、本発明は、極数やスロット数、その他の各部分の寸法などによって何ら制約を受けるものではない。
図１に示す永久磁石式回転電機１は、この固定子１０の内周側に回転自在に配置された回転子２０とを備えている。
ここで、固定子１０は、円筒状の固定子コア１１を備えている。固定子コア１１の内周面側には、円周方向に等間隔で形成された４８個のスロット１２及び４８個の磁極ティース１３が形成される。各スロット１２には、複数の固定子巻線１４が設置されている。
また、回転子２０は、図１乃至図３に示すように、軸孔２２を中心に形成した円筒状に形成され、積層鉄心で構成された回転子コア２１と、この回転子コア２１に設けられた８つの磁極２３とを備えている。回転子コア２１の軸孔２２には回転軸３０が嵌挿固定され、回転子２０は、回転軸３０によって回転する。
８つの磁極２３の各々は、回転子コア２１の外周部に沿って配設された磁石スロット２４を備えている。各磁石スロット２４は、回転子コア２１の軸方向の両端にまで貫通する貫通孔で形成されている。
そして、各磁石スロット２４は、図３に示すように、回転子コア２１の周方向に細長く延びる径方向外周面２４ａ１及び径方向内周面２４ａ２を有する矩形状の永久磁石挿入部２４ａと、永久磁石挿入部２４ａの周方向両端に形成された一対の空気領域２４ｂとを備えている。永久磁石挿入部２４ａには、図１及び図２に示すように、断面が矩形状の永久磁石２５が埋め込まれる。永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２の周方向両端部には、径方向外側に突出する一対のストッパ２４ｆが形成されている。これらストッパ２４ｆは、永久磁石挿入部２４ａ内に埋め込まれた永久磁石２５の周方向両側への移動を規制する。
ここで、一対の空気領域２４ｂの各々は、図３に示すように、永久磁石挿入部２４ａの周方向端部から周方向外側（図３において、永久磁石挿入部２４ａの左端部では左側、永久磁石挿入部２４ａの右端部では右側）に延びる周方向第１延出部２４ｃと、周方向第１延出部２４ｃから径方向内側に永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２よりも軸孔２２側に至るまで延びる径方向延出部２４ｄと、径方向延出部２４ｄから周方向内側に永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２と軸孔２２との間に至るまで延びる周方向第２延出部２４ｅとを備えている。周方向第２延出部２４ｅは、永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２と軸孔２２との間に至るまで延びるので、図３に示すように、永久磁石挿入部２４ａの周方向端面（ストッパ２４ｆの周方向内側面）から長さｌ１だけ周方向内側に突出する。この突出する長さｌ１は、後述するように、応力集中の緩和効果と磁気的特性の悪化の程度を考慮して適宜決定する。
そして、周方向第１延出部２４ｃの径方向外周面２４ｃ１及び径方向延出部２４ｄの径方向外周面２４ｄ１は、永久磁石挿入部２４ａの径方向外周面２４ａ１に接する回転子コア２１と同心円の円弧Ｃ１の一部で構成されている。円弧Ｃ１の中心は、回転子コア２１の中心ＣＬと同一である。
また、径方向延出部２４ｄの周方向外側面２４ｄ２は、図３に示すように、ｑ軸に対して間隔ｄ１だけ離れた直線状に形成されている。この間隔ｄ１は、隣接する磁石スロット２４と適切な間隔を保つために適宜決定される大きさである。但し、間隔ｄ１は、後述する円弧Ｃ３の半径を大きくするためにできるだけ小さいことが好ましい。
そして、周方向第１延出部２４ｃの径方向外周面２４ｃ１及び径方向延出部２４ｄの径方向外周面２４ｄ１をなす円弧Ｃ１の一部と、径方向延出部２４ｄの周方向外側面２４ｄ２との双方に接するように適宜決定された半径を有するＲ面が形成されている。
また、径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３及び周方向第２延出部２４ｅの径方向内端面２４ｅ３は、径方向延出部２４ｄの直線状に形成された周方向外側面２４ｄ２と、軸孔２２から径方向外側に回転子コア２１の機械的強度を最低限確保できる所定距離ｄ２離れた軸孔２２の同心円Ｃ２との双方に接する円弧Ｃ３の一部で構成されている。
ここで、円弧Ｃ３の半径の大きさは、径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３の近傍における応力集中の緩和効果を増加させる重要なポイントであり、円弧Ｃ３の半径の大きさが大きければ大きい程、応力集中の緩和効果が大きい。従って、この円弧Ｃ３の半径の大きさを大きくするために、径方向延出部２４ｄの直線状に形成された周方向外側面２４ｄ２とｑ軸との間隔ｄ１を小さくする、軸孔２２の同心円Ｃ２の半径を小さくする、周方向第２延出部２４ｅの突出長さｌ１を大きくすることが好ましい。
しかし、前述の間隔ｄ１を小さくすると、隣接する磁石スロット２４との間隔が狭くなり、機械的強度が弱くなるという不都合がある。従って、回転子コア２１の機械的強度と応力緩和効果の双方を考慮し、適宜、間隔ｄ１の大きさを決定する。
また、軸孔２２の同心円Ｃ２の半径を小さくすると、軸孔２２と周方向第２延出部２４ｅの径方向内端面２４ｅ３との間の距離ｄ２が短くなり、回転子コア２１の機械的強度が弱くなる。従って、回転子コア２１の機械的強度を考慮し、軸孔２２の同心円Ｃ２の半径の大きさ、即ち軸孔２２からの所定距離ｄ２は、回転子コア２１の機械的強度を最低限確保できる距離とする。
さらに、周方向第２延出部２４ｅの突出する長さｌ１を大きくすると、一対の空気領域２４ｂの周方向第２延出部２４ｅ間の距離が短くなるため、磁束が通る間隔が短くなり、磁気的特性が悪化することになる。従って、周方向第２延出部２４ｅの突出する長さｌ１は、応力集中の緩和効果と磁気的特性の悪化の程度を考慮して適宜決定する。
そして、周方向第２延出部２４ｅの径方向外側面２４ｅ１は、周方向第２延出部２４ｅの径方向の幅を考慮して永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２と平行な直線状に形成される。この直線状に形成された周方向第２延出部２４ｅの径方向外側面２４ｅ１と周方向第２延出部２４ｅの径方向内端面２４ｅ３を構成する円弧Ｃ３との双方に接するＲ面を形成し、これにより周方向第２延出部２４ｅの周方向内側面２４ｅ２を形成する。
また、各空気領域２４ｂにおいて、ストッパ２４ｆの周方向外側面、即ち径方向延出部２４ｄの周方向内側面２４ｄ４と、周方向第２延出部２４ｅの径方向外側面２４ｅ１とは、双方に接する円弧により繋がれている。
このように構成された永久磁石式回転電機１において、回転子２０が高速（例えば、５４００ｒｐｍ程度）で回転すると、遠心力によって、特に、各空気領域２４ｂにおける周方向第１延出部２４ｃの径方向外周面２４ｃ１及び径方向延出部２４ｄの径方向外周面２４ｄ１の近傍と、径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３の近傍とに比較的大きな応力が集中する。
ここで、径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３、及び径方向延出部２４ｄから周方向内側に永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２と軸孔２２との間に至るまで延びる周方向第２延出部２４ｅの径方向内端面２４ｅ３が、径方向延出部２４ｄの直線状に形成された周方向外側面２４ｄ２に接する円弧Ｃ３の一部で構成されている。このため、径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３に形成される円弧の半径が比較的大きいため、遠心力による径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３近傍における応力集中を適切に緩和することができる。
また、周方向第１延出部２４ｃの径方向外周面２４ｃ１及び径方向延出部２４ｄの径方向外周面２４ｄ１は、永久磁石挿入部２４ａの径方向外周面２４ａ１に接する回転子コア２１と同心円の円弧Ｃ１の一部で構成されているから、比較的大きな円弧の一部で構成されており、周方向第１延出部２４ｃの径方向外周面２４ｃ１及び径方向延出部２４ｄの径方向外周面２４ｄ１の近傍における応力集中を適切に緩和することができる。
更に、円弧Ｃ３は、径方向延出部２４ｄの直線状に形成された周方向外側面２４ｄ２と、軸孔２２から径方向外側に回転子コア２１の機械的強度を最低限確保できる所定距離ｄ２離れた軸孔２２の同心円Ｃ２との双方に接する円弧であるので、径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３近傍における応力集中を適切に緩和できる一方で、回転子コア２１の機械的強度を最低限確保することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る回転子について図４及び図５を参照して説明する。図４及び図５において、図２及び図３に示す部材と同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
図４に示す回転子２０は、図２に示す回転子２０と基本構成は同様であるが、図２に示す複数（８個）の磁石スロット２４の各々が、永久磁石挿入部２４ａの周方向中央部のところで仕切り壁２１ａによって周方向左側と周方向右側とに２分割されて、２つの磁石スロット２４１、２４２で構成されている点で相違している。
具体的に述べると、分割された周方向左側の磁石スロット２４１は、図５に示すように、回転子コア２１の周方向に細長く延びる径方向外周面２４ａ１及び径方向内周面２４ａ２を有する矩形状の永久磁石挿入部２４ａと、永久磁石挿入部２４ａの周方向左端に形成された空気領域２４ｂとを備えている。また、分割された周方向右側の磁石スロット２４２は、回転子コア２１の周方向に細長く延びる径方向外周面２４ａ１及び径方向内周面２４ａ２を有する矩形状の永久磁石挿入部２４ａと、永久磁石挿入部２４ａの周方向右端に形成された空気領域２４ｂとを備えている。
そして、周方向左側の磁石スロット２４１の永久磁石挿入部２４ａには、図４に示すように、断面が矩形状の永久磁石２５が埋め込まれ、周方向右側の磁石スロット２４２の永久磁石挿入部２４ａには、断面が矩形状の永久磁石２５が埋め込まれる。各永久磁石２５の周方向長さは各永久磁石挿入部２４ａの周方向長さに合わせて、図２に示す永久磁石２５の周方向長さの約半分程度である。そして、磁石スロット２４１の永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２の周方向左端部には、径方向外側に突出するストッパ２４ｆが形成され、磁石スロット２４２の永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２の周方向右端部には、径方向外側に突出するストッパ２４ｆが形成される。
磁石スロット２４１側の空気領域２４ｂと磁石スロット２４２側の空気領域２４ｂとは、線対称形状を有するため、磁石スロット２４１側の空気領域２４ｂのみについて説明する。この空気領域２４ｂは、図５に示すように、永久磁石挿入部２４ａの周方向左端部から周方向外側（周方向左側）に延びる周方向第１延出部２４ｃと、周方向第１延出部２４ｃから径方向内側に永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２よりも軸孔２２側に至るまで延びる径方向延出部２４ｄと、径方向延出部２４ｄから周方向内側に永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２と軸孔２２との間に至るまで延びる周方向第２延出部２４ｅとを備えている。周方向第２延出部２４ｅは、永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２と軸孔２２との間に至るまで延びるので、図５に示すように、永久磁石挿入部２４ａの周方向端面（ストッパ２４ｆの周方向内側面）から長さｌ２だけ周方向内側に突出する。この突出する長さｌ２は、前述した長さｌ１と同様に、応力集中の緩和効果と磁気的特性の悪化の程度を考慮して適宜決定する。
そして、周方向第１延出部２４ｃの径方向外周面２４ｃ１及び径方向延出部２４ｄの径方向外周面２４ｄ１は、永久磁石挿入部２４ａの径方向外周面２４ａ１に接する回転子コア２１と同心円の円弧Ｃ４の一部で構成されている。円弧Ｃ４の中心は、回転子コア２１の中心ＣＬと同一である。
また、径方向延出部２４ｄの周方向外側面２４ｄ２は、図５に示すように、ｑ軸に対して間隔ｄ３だけ離れた直線状に形成されている。この間隔ｄ３は、隣接する磁石スロット２４と適切な間隔を保つために適宜決定される大きさである。但し、間隔ｄ３は、後述する円弧Ｃ６の半径を大きくするためにできるだけ小さいことが好ましい。
そして、周方向第１延出部２４ｃの径方向外周面２４ｃ１及び径方向延出部２４ｄの径方向外周面２４ｄ１をなす円弧Ｃ４の一部と、径方向延出部２４ｄの周方向外側面２４ｄ２との双方に接するように適宜決定された半径を有するＲ面が形成されている。
また、径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３及び周方向第２延出部２４ｅの径方向内端面２４ｅ３は、径方向延出部２４ｄの直線状に形成された周方向外側面２４ｄ２と、軸孔２２から径方向外側に回転子コア２１の機械的強度を最低限確保できる所定距離ｄ４離れた軸孔２２の同心円Ｃ５との双方に接する円弧Ｃ６の一部で構成されている。
ここで、円弧Ｃ６の半径の大きさは、前述の円弧Ｃ３と同様に、径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３の近傍における応力集中の緩和効果を増加させる重要なポイントであり、円弧Ｃ６の半径の大きさが大きければ大きい程、応力集中の緩和効果が大きい。従って、この円弧Ｃ６の半径の大きさを大きくするために、径方向延出部２４ｄの直線状に形成された周方向外側面２４ｄ２とｑ軸との間隔ｄ３を小さくする、軸孔２２の同心円Ｃ５の半径を小さくする、周方向第２延出部２４ｅの突出長さｌ２を大きくすることが好ましい。
しかし、前述の間隔ｄ３を小さくすると、隣接する磁石スロット２４との間隔が狭くなり、機械的強度が弱くなるという不都合がある。従って、回転子コア２１の機械的強度と応力緩和効果の双方を考慮し、適宜、間隔ｄ３の大きさを決定する。
また、軸孔２２の同心円Ｃ５の半径を小さくすると、軸孔２２と周方向第２延出部２４ｅの径方向内端面２４ｅ３との間の距離ｄ４が短くなり、回転子コア２１の機械的強度が弱くなる。従って、回転子コア２１の機械的強度を考慮し、軸孔２２の同心円Ｃ５の半径の大きさ、即ち軸孔２２からの所定距離ｄ４は、回転子コア２１の機械的強度を最低限確保できる距離とする。
さらに、周方向第２延出部２４ｅの突出する長さｌ２を大きくすると、一対の空気領域２４ｂの周方向第２延出部２４ｅ間の距離が短くなるため、磁束が通る間隔が短くなり、磁気的特性が悪化することになる。従って、周方向第２延出部２４ｅの突出する長さｌ２は、応力集中の緩和効果と磁気的特性の悪化の程度を考慮して適宜決定する。
そして、周方向第２延出部２４ｅの径方向外側面２４ｅ１は、周方向第２延出部２４ｅの径方向の幅を考慮して永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２と平行な直線状に形成される。この直線状に形成された周方向第２延出部２４ｅの径方向外側面２４ｅ１と周方向第２延出部２４ｅの径方向内端面２４ｅ３を構成する円弧Ｃ３との双方に接するＲ面を形成し、これにより周方向第２延出部２４ｅの周方向内側面２４ｅ２を形成する。
また、各空気領域２４ｂにおいて、ストッパ２４ｆの周方向外側面、即ち径方向延出部２４ｄの周方向内側面２４ｄ４と、周方向第２延出部２４ｅの径方向外側面２４ｅ１とは、双方に接する小さな円弧により繋がれている。
このように構成された永久磁石式回転電機１においても、径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３、及び径方向延出部２４ｄから周方向内側に永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２と軸孔２２との間に至るまで延びる周方向第２延出部２４ｅの径方向内端面２４ｅ３が、径方向延出部２４ｄの直線状に形成された周方向外側面２４ｄ２に接する円弧Ｃ６の一部で構成されている。このため、径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３に形成される円弧の半径が比較的大きいため、遠心力による径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３近傍における応力集中を適切に緩和することができる。
また、周方向第１延出部２４ｃの径方向外周面２４ｃ１及び径方向延出部２４ｄの径方向外周面２４ｄ１は、永久磁石挿入部２４ａの径方向外周面２４ａ１に接する回転子コア２１と同心円の円弧Ｃ４の一部で構成されているから、比較的大きな円弧の一部で構成されており、周方向第１延出部２４ｃの径方向外周面２４ｃ１及び径方向延出部２４ｄの径方向外周面２４ｄ１の近傍における応力集中を適切に緩和することができる。
また、 更に、円弧Ｃ６は、径方向延出部２４ｄの直線状に形成された周方向外側面２４ｄ２と、軸孔２２から径方向外側に回転子コア２１の機械的強度を最低限確保できる所定距離ｄ４離れた軸孔２２の同心円Ｃ５との双方に接する円弧であるので、径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３近傍における応力集中を適切に緩和できる一方で、回転子コア２１の機械的強度を最低限確保することができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る回転子を構成する回転子コアについて図６を参照して説明する。図６において、図３に示す部材と同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
図６に示す回転子コア２１は、図３に示す回転子コアと基本構成は同様であるが、各磁石スロット２４における永久磁石挿入部２４ａ及び空気領域２４ｂの形状が相違している。
具体的に述べると、各磁石スロット２４は、回転子コア２１の周方向に細長く延びる径方向外周面２４ａ１及び径方向内周面２４ａ２を有する矩形状の永久磁石挿入部２４ａと、永久磁石挿入部２４ａの周方向両端に形成された一対の空気領域２４ｂとを備えている。
そして、各磁石スロット２４における永久磁石挿入部２４ａは、径方向外周面２４ａ１が回転子コア２１と同心円の円弧Ｃ７の一部で構成され、径方向内周面２４ａ２が、径方向外周面２４ａ１よりも小さい半径を有する、回転子コア２１と同心円の円弧Ｃ８の一部で構成される形状に形成されている。
この永久磁石挿入部２４ａには、図示はしないが、断面形状を永久磁石挿入部２４ａの形状に対応させた永久磁石が埋め込まれる。永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２の周方向両端部には、径方向外側に突出する一対のストッパ２４ｆが形成されている。これらストッパ２４ｆは、永久磁石挿入部２４ａ内に埋め込まれた永久磁石の周方向両側への移動を規制する。
また、一対の空気領域２４ｂの各々は、永久磁石挿入部２４ａの周方向端部から周方向外側（図６において、永久磁石挿入部２４ａの左端部では左側、永久磁石挿入部２４ａの右端部では右側）に延びる周方向第１延出部２４ｃと、周方向第１延出部２４ｃから径方向内側に永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２よりも軸孔２２側に至るまで延びる径方向延出部２４ｄと、径方向延出部２４ｄから周方向内側に永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２と軸孔２２との間に至るまで延びる周方向第２延出部２４ｅとを備えている。周方向第２延出部２４ｅは、永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２と軸孔２２との間に至るまで延びるので、図６に示すように、永久磁石挿入部２４ａの周方向端面（ストッパ２４ｆの周方向内側面）から長さｌ３だけ周方向内側に突出する。この突出する長さｌ３は、前述の長さｌ１と同様に、応力集中の緩和効果と磁気的特性の悪化の程度を考慮して適宜決定する。
そして、周方向第１延出部２４ｃの径方向外周面２４ｃ１及び径方向延出部２４ｄの径方向外周面２４ｄ１は、永久磁石挿入部２４ａの径方向外周面２４ａ１及び径方向延出部２４ｄの直線状に形成された周方向外側面２４ｄ２に接する円弧Ｃ９の一部で構成されている。周方向第１延出部２４ｃの径方向外周面２４ｃ１及び径方向延出部２４ｄの径方向外周面２４ｄ１の近傍には、高速回転時に応力が集中するからこの円弧Ｃ９の半径をできるだけ大きくすることが好ましい。
また、径方向延出部２４ｄの周方向外側面２４ｄ２は、図６に示すように、ｑ軸に対して間隔ｄ５だけ離れた直線状に形成されている。この間隔ｄ５は、隣接する磁石スロット２４と適切な間隔を保つために適宜決定される大きさである。但し、間隔ｄ５は、円弧Ｃ９及び後述する円弧Ｃ１１の半径を大きくするためにできるだけ小さいことが好ましい。
また、径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３及び周方向第２延出部２４ｅの径方向内端面２４ｅ３は、径方向延出部２４ｄの直線状に形成された周方向外側面２４ｄ２と、軸孔２２から径方向外側に回転子コア２１の機械的強度を最低限確保できる所定距離ｄ６離れた軸孔２２の同心円Ｃ１０との双方に接する円弧Ｃ１１の一部で構成されている。
ここで、円弧Ｃ１１の半径の大きさは、径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３の近傍における応力集中の緩和効果を増加させる重要なポイントであり、円弧Ｃ１１の半径の大きさが大きければ大きい程、応力集中の緩和効果が大きい。従って、この円弧Ｃ１１の半径の大きさを大きくするために、径方向延出部２４ｄの直線状に形成された周方向外側面２４ｄ２とｑ軸との間隔ｄ５を小さくする、軸孔２２の同心円Ｃ１０の半径を小さくする、周方向第２延出部２４ｅの突出長さｌ３を大きくすることが好ましい。
しかし、前述の間隔ｄ５を小さくすると、隣接する磁石スロット２４との間隔が狭くなり、機械的強度が弱くなるという不都合がある。従って、回転子コア２１の機械的強度と応力緩和効果の双方を考慮し、適宜、間隔ｄ５の大きさを決定する。
また、軸孔２２の同心円Ｃ１０の半径を小さくすると、軸孔２２と周方向第２延出部２４ｅの径方向内端面２４ｅ３との間の距離ｄ６が短くなり、回転子コア２１の機械的強度が弱くなる。従って、回転子コア２１の機械的強度を考慮し、軸孔２２の同心円Ｃ１０の半径の大きさ、即ち軸孔２２からの所定距離ｄ６は、回転子コア２１の機械的強度を最低限確保できる距離とする。
さらに、周方向第２延出部２４ｅの突出する長さｌ３を大きくすると、一対の空気領域２４ｂの周方向第２延出部２４ｅ間の距離が短くなるため、磁束が通る間隔が短くなり、磁気的特性が悪化することになる。従って、周方向第２延出部２４ｅの突出する長さｌ３は、応力集中の緩和効果と磁気的特性の悪化の程度を考慮して適宜決定する。
そして、周方向第２延出部２４ｅの径方向外側面２４ｅ１は、周方向第２延出部２４ｅの径方向の幅を考慮し直線状に形成される。この直線状に形成された周方向第２延出部２４ｅの径方向外側面２４ｅ１と周方向第２延出部２４ｅの径方向内端面２４ｅ３を構成する円弧Ｃ１１との双方に接するＲ面を形成し、これにより周方向第２延出部２４ｅの周方向内側面２４ｅ２を形成する。
また、各空気領域２４ｂにおいて、ストッパ２４ｆの周方向外側面、即ち径方向延出部２４ｄの周方向内側面２４ｄ４と、周方向第２延出部２４ｅの径方向外側面２４ｅ１とは、双方に接する円弧により繋がれている。
このように構成された永久磁石式回転電機１においても、径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３、及び径方向延出部２４ｄから周方向内側に永久磁石挿入部２４ａの径方向内周面２４ａ２と軸孔２２との間に至るまで延びる周方向第２延出部２４ｅの径方向内端面２４ｅ３が、径方向延出部２４ｄの直線状に形成された周方向外側面２４ｄ２に接する円弧Ｃ１１の一部で構成されている。このため、径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３に形成される円弧の半径が比較的大きくなり、遠心力による径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３近傍における応力集中を適切に緩和することができる。
また、円弧Ｃ１１は、径方向延出部２４ｄの直線状に形成された周方向外側面２４ｄ２と、軸孔２２から径方向外側に回転子コア２１の機械的強度を最低限確保できる所定距離ｄ６離れた軸孔２２の同心円Ｃ１０との双方に接する円弧であるので、径方向延出部２４ｄの径方向内端面２４ｄ３近傍における応力集中を適切に緩和できる一方で、回転子コア２１の機械的強度を最低限確保することができる。
なお、第１乃至第３実施形態における軸孔２２からの所定距離ｄ２、ｄ４、ｄ６について詳細に説明すると、回転子コア２１に回転軸３０を焼き嵌めたとき、回転子コア２１にかかる応力は同心円Ｃ２、Ｃ５、Ｃ６から軸孔２２に向かうに従って急激に大きくなり、軸孔２２部分で最大となる。この応力の最大値は、所定距離ｄ２、ｄ４、ｄ６が小さいほど大きくなる。従って、所定距離ｄ２、ｄ４、ｄ６は、この応力の最大値が回転子コア２１の応力限界を超えない距離以上確保する必要がある。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。
例えば、図２に示す第１実施形態に係る回転子２０において、１つの磁極２３につき１つの磁石スロット２４及び１つの永久磁石２５を配置しているが、２つの磁極２３に配置される２つの永久磁石２５の極性を同一にして、１つの磁極につき２つの磁石スロット２４及び２つの永久磁石を配置するようにしてもよい。
また、図４及び図５に示す第２実施形態に係る回転子２０において、図２に示す複数（８個）の磁石スロット２４の各々が、永久磁石挿入部２４ａの周方向中央部のところで仕切り壁２１ａによって周方向左側と周方向右側とに２分割されて、２つの磁石スロット２４１、２４２で構成されているが、永久磁石挿入部２４ａのところで３分割以上に分割されてもよい。
１ 永久磁石式回転電機
１０ 固定子
１４ 固定子巻線
２０ 回転子
２１ 回転子コア
２２ 軸孔
２４ 磁石スロット
２４ａ 永久磁石挿入部
２４ａ１ 径方向外周面
２４ａ２ 径方向内周面
２４ｂ 空気領域
２４ｃ 周方向第１延出部
２４ｃ１ 径方向外周面
２４ｄ 径方向延出部
２４ｄ１ 径方向外周面
２４ｄ２ 周方向外側面
２４ｄ３ 径方向内端面
２４ｅ 周方向第２延出部
２４ｅ３ 径方向内端面
２５ 永久磁石
Ｃ１、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９、Ｃ１１ 円弧
Ｃ２、Ｃ５、Ｃ１０ 同心円

Claims (8)

  1. 軸孔を中心に複数の磁石スロットを外周部に沿って配設した円筒状の回転子コアと、前記複数の磁石スロットの各々に埋め込まれた複数の永久磁石とを備え、
    前記複数の磁石スロットの各々が、周方向に細長く延びる径方向外周面及び径方向内周面を有する永久磁石挿入部と、該永久磁石挿入部の周方向両端に形成された一対の空気領域とを備え、
    前記一対の空気領域の各々は、前記永久磁石挿入部の周方向端部から周方向外側に延びる周方向第１延出部と、該周方向第１延出部から径方向内側に前記永久磁石挿入部の径方向内周面よりも軸孔側に至るまで延び、周方向外側面が直線状に形成された径方向延出部と、該径方向延出部から周方向内側に前記永久磁石挿入部の径方向内周面と軸孔との間に至るまで延びる周方向第２延出部とを備え、
    前記径方向延出部の径方向内端面及び前記周方向第２延出部の径方向内端面は、前記径方向延出部の直線状に形成された周方向外側面に接する円弧の一部で構成されていることを特徴とする回転子。
  2. 前記円弧は、前記径方向延出部の直線状に形成された周方向外側面と、前記軸孔から径方向外側に前記回転子コアの機械的強度を最低限確保できる所定距離離れた前記軸孔の同心円との双方に接する円弧であることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
  3. 前記永久磁石挿入部は、周方向に細長く延びる矩形状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の回転子。
  4. 前記周方向第１延出部の径方向外周面及び前記径方向延出部の径方向外周面は、前記永久磁石挿入部の径方向外周面に接する前記回転子コアと同心円の円弧の一部で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の回転子。
  5. 前記複数の磁石スロットの各々は、前記永久磁石挿入部のところで複数分割されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の回転子。
  6. 前記永久磁石挿入部は、前記径方向外周面が前記回転子コアと同心円の円弧の一部で構成され、前記径方向内周面が、前記径方向外周面の円弧よりも小さい半径を有する、前記回転子コアと同心円の円弧の一部で構成される形状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の回転子。
  7. 前記周方向第１延出部の径方向外周面及び前記径方向延出部の径方向外周面は、前記永久磁石挿入部の径方向外周面及び前記径方向延出部の直線状に形成された周方向外側面に接する円弧の一部で構成されることを特徴とする請求項６に記載の回転子。
  8. 固定子巻線を巻装した固定子と、該固定子の内周側に回転自在に配置された、請求項１乃至７のうちいずれか一項に記載の回転子とを備えたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
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