JP2018196302A - 回転電機の回転子、回転電機および圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石を効率よく冷却し、小型、高効率、高出力、かつ、組立性に優れる回転電機の回転子、回転電機および圧縮機を提供する。【解決手段】回転子２の積層鉄心５０を構成する第一鉄心片２０ａは、第一鉄心片２０ａが複数枚積層されて第三流路５２となる流路孔２２と、第一鉄心片２０ａが複数枚積層されて第二流路５５となる第二溝２５と、第一鉄心片２０ａが複数枚積層されて磁石保持孔５１となる長孔２１と、第一鉄心片２０ａが複数枚積層されて第一流路５４となる第一溝２４とを備え、少なくとも、第二溝２５の内側の端部の軸方向の一面に、面取りされた第二勾配部２５Ｍを備える。【選択図】図３

Description

この発明は、回転電機の回転子、回転電機および圧縮機に関し、特に、永久磁石を効率的に冷却できる回転電機の回転子、回転電機および圧縮機に関するものである。

永久磁石を埋込んだ回転子を用いる回転電機では、稼働時に生じる発熱の影響により、回転子の永久磁石の温度が上昇し、磁束の低下によりトルクが減少したり、材料の熱劣化による故障等の不具合を起こしたりする。そこで、従来から、回転子を冷却する技術が提案されている。

特許文献１の回転電機の回転子は、ロータコアと、ロータコアに埋め込まれた永久磁石とを備え、回転軸により支持される回転電機のロータであって、ロータコアには回転軸内に形成された軸内冷媒路から供給された冷媒を当該ロータコアの外周端まで導いて、ステータとの間のギャップに放出する１以上のコア内冷媒路が形成されており、コア内冷媒路は、永久磁石より内周側位置において、軸方向に延びる中央冷媒路と、前記ロータコアの軸方向両端近傍に設けられ、前記軸内冷媒路と前記中央冷媒路とを連通する一対の内周側冷媒路と、前記中央冷媒路の軸方向略中央から径方向外側に延びて前記ギャップに連通する外周側冷媒路と、を備え、前記中央冷媒路の径方向外側端部は、前記軸方向略中央に近づくにつれて径方向外側に進むような勾配を有している。

特開２０１７−００５９６１号公報（３〜４頁、段落００１０、図２、３）

特許文献１のようなＩＰＭ型（永久磁石埋め込み型）回転電機の回転子の構成によれば、中央冷媒路から外周側冷媒路への曲げ角度が緩くなり、当該部分においては圧力損失を低減できる。ただし、回転軸内部に冷媒流路を形成する必要があるため、回転軸の外径が太くなり、回転電機が大型化するという課題があった。また、冷媒の流路方向が、径方向（シャフト→コア）、軸方向（コア内部）、径方向（コア内部）と変化するため、全体としては圧力損失が大きくなるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、永久磁石を効率よく冷却し、小型、高効率、高出力、かつ、組立性に優れる回転電機の回転子、回転電機および圧縮機を得ることを目的としている。

この発明に係る回転電機の回転子は、
複数の第一鉄心片を積層して形成する積層鉄心と、前記積層鉄心に軸方向に挿入した複数の永久磁石と、前記積層鉄心に挿入したシャフトとを有する回転電機の回転子であって、
前記積層鉄心は、
中央に設けた前記シャフトを挿入するシャフト挿入孔と、
周方向に間隔を空けて、軸方向に貫通するように形成された磁石保持孔と、
隣り合う２つの前記磁石保持孔の間の径方向内側にそれぞれ設けられ、軸方向に貫通し、外部からの冷媒が前記積層鉄心の内部を流れ、外部に排出される流路の一部となる第三流路と、
前記流路の一部であり、前記第三流路から径方向に連通する第二流路と、
前記流路の一部であり、前記磁石保持孔と径方向に連通し、前記積層鉄心の径方向外側に開口する第一流路とを備え、
前記磁石保持孔は、
前記永久磁石を挿入する磁石挿入部と、
前記永久磁石の周方向側面に沿って形成され、前記第二流路から径方向に連通する、前記流路の一部である空隙部とからなり、
前記第一鉄心片は、
前記第一鉄心片が複数枚積層されて前記第三流路となる流路孔と、
前記第一鉄心片が複数枚積層されて前記第二流路となる第二溝と、
前記第一鉄心片が複数枚積層されて前記磁石保持孔となる長孔と、
前記第一鉄心片が複数枚積層されて前記第一流路となる第一溝とを備え、
少なくとも、前記第二溝の内側の端部の軸方向の一面に、面取りされた第二勾配部を備えるものである。

この発明に係る回転電機は、
固定子と、前記固定子の内周面に、所定の間隔を設けて外周面を対向させるように配設された前記回転子とを備えるものである。

この発明に係る圧縮機は、
前記回転電機と、前記回転電機のシャフトに接続された圧縮機構とを備えるものである。

本発明に係る回転電機の回転子、回転電機および圧縮機によれば、外部から積層鉄心内に流入した冷媒が、軸方向に流れる第三流路から径方向に分岐する第二流路の入り口に第二勾配部を設けることにより、冷媒の流れをスムーズに方向転換できるので、冷媒の圧力損失を抑制し、永久磁石の冷却効果に優れた回転電機の回転子、回転電機、圧縮機を提供できる。

本発明の実施の形態１に係る回転電機の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る回転子の積層鉄心の斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る回転子の断面模式図である。 本発明の実施の形態１に係る積層鉄心を構成する鉄心片の正面図である。 図４、Ａ部の要部斜視図である。 図４を裏側から見た図である。 図６、Ｃ部の要部斜視図である。 図４のＢ−Ｂ線における断面図である。 本発明の実施の形態１に係る磁石孔に、永久磁石を挿入した際の永久磁石の占有範囲を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態１に係る積層鉄心を構成する他の鉄心片の正面図である。 図１０、Ｄ部の要部斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る他の回転子の断面模式図である。 本発明の実施の形態１に係る他の回転子の断面模式図である。 本発明の実施の形態１に係る鉄心片の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る積層間を溶接した積層鉄心の斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る他の積層鉄心の斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る回転子の断面模式図である。 本発明の実施の形態２に係る積層鉄心を構成する鉄心片の正面図である。 図１８、Ｅ部の要部斜視図である。 図１８を裏側から見た図である。 図１８のＦ−Ｆ線における断面図である。 本発明の実施の形態２に係る他の回転子の断面模式図である。 本発明の実施の形態３に係る回転子の断面模式図である。 本発明の実施の形態４に係る回転子の断面模式図である。 本発明の実施の形態４に係る端板の正面図である。 本発明の実施の形態４に係る回転子の要部上面図である。 本発明の実施の形態４に係る圧縮機の断面図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子および回転電機を図を用いて説明する。
本明細書で、特に断り無く「軸方向」、「周方向」、「径方向」、「内周側」、「外周側」、「内周面」、「外周面」、「内側」、「外側」というときは、それぞれ、回転子の「軸方向」、「周方向」、「径方向」、「内周側」、「外周側」、「内周面」、「外周面」、「内側」、「外側」をいうものとする。また、特に断り無く「上」、「下」と言うときは、基準となる場所において、軸方向に垂直な面を想定し、その面を境界として回転子の中心点が含まれる側を「下」、その反対を「上」とする。また、高さの高低を比較する場合は、回転子の中心からの距離が長い方を「高い」とする。

図１は、本発明の実施の形態１に係る回転電機１００の構成を示す断面図である。
回転電機１００は、固定子１と、この固定子１の内周面に、所定の間隔を設けて外周面を対向させるように配設された回転子２とからなる。固定子１は、ヨーク部と、ヨーク部の内周面から径方向内側に突出する複数のティース部とからなる固定子鉄心１１および、ティース部に巻回された固定子コイル１２とを備える。

図２は、回転子２の積層鉄心５０の斜視図である。
図３は、回転子２を、その中心軸を通る２つの平面で切断した断面模式図である。
図４は、積層鉄心５０を構成する鉄心片２０ａ（第一鉄心片）の正面図である。
図５は、図４、Ａ部の要部斜視図である。
図６は、図４を裏側から見た図である。
図７は、図６、Ｃ部の要部斜視図である。
図８は、図４のＢ−Ｂ線における断面図である。

図１〜８に示すように、積層鉄心５０の鉄心片２０ａには、積層されることにより永久磁石４が軸方向に挿入される、後述する磁石保持孔５１となる部分である６つの長孔２１と、冷媒が軸方向に流れる第三流路５２となる部分である６つの流路孔２２と、シャフト３が挿入されるシャフト挿入孔５３となる部分であるシャフト孔２３と、径方向かつ外側に開口し、長孔２１に連通する１２個の第一溝２４と、長孔２１及び流路孔２２に対して共に径方向に連通する６つの第二溝２５とを有する。第一溝２４及び第二溝２５とは、鉄心片２０ａの同じ面に形成されている。

また、第一溝２４の内側端部の軸方向の一面には、面取りされた第一勾配部２４Ｍが設けられ、第二溝２５の内側端部にも面取りされた第二勾配部２５Ｍが設けられている。長孔２１は、鉄心片２０ａの外周面に近い位置に、周方向に均等に設けられている。隣り合う長孔２１間を周方向に仕切る部分を境界部２６とする。

図９は、長孔２１に、永久磁石４を挿入した際の永久磁石４の占有範囲を示す要部断面図である。
図９に示すように、長孔２１に挿入された永久磁石４が占有する範囲が、鉄心片磁石挿入部２１ｇである。鉄心片磁石挿入部２１ｇの両端部と境界部２６との間には隙間が残り、この部分を鉄心片空隙部２１Ｓとする。鉄心片空隙部２１Ｓは、境界部２６に沿って、第一溝２４の縁まで続いている。鉄心片空隙部２１Ｓに繋がって、周方向に延びる隙間は、磁気遮断部２７である。磁気遮断部２７は、この部分を磁束が通らないようにするために設けている。

図５に示すように、２つの第一溝２４が、１つの境界部２６を周方向に挟んでおり、流路孔２２は、境界部２６の径方向内側に１つずつ設けられている。すなわち、周方向に並んだ２つの第一流路５４が、それぞれ異なる空隙部５１Ｓを介して、１つの第二流路５５に連通する。また、この流路孔２２の周方向の幅と第二溝２５の周方向の幅と、境界部２６及びこれを挟む２つの第一溝２４との周方向の幅は、等しい。よって、２つの第一溝２４、２つの鉄心片空隙部２１Ｓ、１つの第二溝２５、流路孔２２は、径方向に真っ直ぐに繋がる。

第二溝２５の第二勾配部２５Ｍは、流路孔２２と第二溝２５との境界に形成されている。なお、同様の勾配部を第二溝２５と鉄心片空隙部２１Ｓ（長孔２１）との境界にも形成してもよい。また、第一溝２４の第一勾配部２４Ｍは、鉄心片空隙部２１Ｓと第一溝２４との境界に形成されている。なお、同様の勾配部を第一溝２４の外周の縁部に形成してもよい。

なお、図４〜９に示した鉄心片２０ａでは、第二勾配部２５Ｍ及び第一勾配部２４Ｍを、第二溝２５と第一溝２４とを形成した面と同一面（図５で示した軸方向の一面）に形成しているが、反対面（図７で示した他面）に形成してもよい。これについては、後述する積層鉄心５０の構成と併せて説明する。

長孔２１は、より外周側に設置することが好ましいが、極端に外周側に設けると、第一溝２４の径方向の幅が小さくなり、第一溝２４の強度が低下する。そこで、長孔２１は、回転子２を回転電機１００に用いた場合に加わる最大負荷に耐えられる範囲で、極力外周側に設置する。

流路孔２２は、鉄心片空隙部２１Ｓに近いほど好ましいが、鉄心片空隙部２１Ｓに近づけすぎると、第二溝２５の強度が低下する。そこで、流路孔２２は、回転子２を回転電機１００に用いた場合に加わる最大負荷に耐えられる範囲で、鉄心片空隙部２１Ｓに近づけて設置する。

図１０は、積層鉄心５０を構成する鉄心片２０ｂ（第二鉄心片）の正面図である。
図１１は、図１０、Ｄ部の要部斜視図である。
鉄心片２０ａと鉄心片２０ｂとの違いは、鉄心片２０ｂには、第一溝２４と第二溝２５の双方が形成されていない点である。その他の構成は、鉄心片２０ａと同じである。

次に、積層鉄心５０と回転子２の構成について図２、３を用いて説明する。
図３に示す回転子２は、積層鉄心５０と、鉄心片２０ａの長孔２１が積層させて形成された、軸方向に貫通する磁石保持孔５１の磁石挿入部５１ｇに挿入される永久磁石４と、積層鉄心５０の軸方向両端面と接して設けられた端板２９と、積層鉄心５０の中央に設けられたシャフト挿入孔５３および端板２９の中央に設けられたシャフト挿入孔２９ｓに挿入して、積層鉄心５０および端板２９を固定しているシャフト３とを備えている。長孔２１の鉄心片磁石挿入部２１ｇが積層された部分が、磁石保持孔５１の磁石挿入部５１ｇであり、各磁石挿入部５１ｇに挿入されている永久磁石４は、１つの極を形成している。

図２、３に示すように、積層鉄心５０は、軸方向の両端側に鉄心片２０ｂを４枚ずつ積層しており、軸方向中央部には、鉄心片２０ａを１２枚積層している。また、１２枚の鉄心片２０ａの内、紙面上側の６枚と紙面下側の６枚とは、表裏を反転させている。鉄心片２０ａを積層した部分では、鉄心片２０ａの第一溝２４と第二溝２５とを形成した面（図４、５で示した面）と、第一溝２４と第二溝２５とを形成していない面（図６、７で示した面）とが重なることにより、鉄心片２０ａの積層間に２つの第一流路５４と、１つの第二流路５５とが形成される。

また、鉄心片２０ａと２０ｂとを積層することにより、長孔２１が軸方向に重なった磁石保持孔５１と、流路孔２２が軸方向に重なった第三流路５２とが形成されている。磁石保持孔５１と第三流路５２とは、回転子の積層鉄心５０を軸方向に貫通している。鉄心片空隙部２１Ｓが軸方向に積層された部分が、空隙部５１Ｓである。同様に、磁気遮断部２７も軸方向に連なって軸方向に延びる磁気遮断路５７を形成している。そして端板２９には、第三流路５２に対応する位置に、冷媒を吸入する第一冷媒流入口２９ｉｎを設けている。

次に、図３を用いて、本実施の形態１の回転子２における永久磁石４を冷却する機構について説明する。
第三流路５２と第二流路５５とは径方向に連通し、第二流路５５と空隙部５１Ｓとも径方向に連通する。空隙部５１Ｓは、第一流路５４とも径方向に連通するので、積層鉄心５０の鉄心片２０ａが積層された部分では、これら全ての流路及び空隙部５１Ｓは、第三流路から積層鉄心５０の外部まで、径方向に繋がっている。

回転子２が回転すると、遠心力により、空隙部５１Ｓ内の冷媒が、第一流路５４を通って回転子２の外部に放出される。すると、空隙部５１Ｓの圧力が低下するので、第二流路５５を通って、第三流路５２から空隙部５１Ｓへ冷媒が流入する。すると同様に、第三流路５２の圧力が低下するので、端板２９の第一冷媒流入口２９ｉｎから、第三流路５２内へ、外部から冷媒が取り入れられる。

すなわち、図３の破線矢印で示すように、外部の冷媒は、まず、第一冷媒流入口２９ｉｎを通過して積層鉄心５０の第三流路５２へ流れ込む。次に、第三流路５２から、第二流路５５、空隙部５１Ｓ、第一流路５４と順に通過して、回転子２の外部に放出される。そして、積層鉄心５０の外周側に対向して配置された固定子鉄心１１も冷却される。

さらに、冷媒が固定子鉄心１１と積層鉄心５０の隙間を通って、固定子コイル１２に到達しこれを冷却するため、固定子１の冷却効果も優れている。

冷媒は、空隙部５１Ｓを通過する際に、永久磁石４の周方向側面と接触しながら流れるので、永久磁石４を直接冷却する。さらに、第二溝２５に第二勾配部２５Ｍを設けることで、冷媒が、第三流路５２から第二流路５５に流入する際に、冷媒を軸方向から径方向に緩やかに曲げることができるため、流路の圧力損失を低減させることができる。

また、同様に第一溝２４に第一勾配部２４Ｍを設けることで、冷媒が第一流路５４を通って外部に排出される際に、急激に圧縮されることを抑制できるため、流路の圧力損失を低減させることができる。以上により、冷媒により、効率的に永久磁石４を冷却することが可能となる。

なお、図４に示す通り、鉄心片２０ａ、２０ｂに設けた、第三流路５２を構成する流路孔２２の径方向の寸法ａと周方向の寸法ｂとは、以下の関係を満たすものとする。
ａ＞ｂ

積層鉄心５０の中を流れる冷媒は、回転子２の回転による遠心力により積層鉄心５０内を流れる。遠心力は、径方向に生じる。よって第三流路５２から径方向にスムーズに冷媒を流すには、２つの第一流路５４の周方向の幅と、第二流路５５の周方向の幅と、第三流路の周方向の幅が同じであることが好ましい。よって、第三流路の断面積を増やすには、径方向の寸法を大きくする方がより効率的に永久磁石４を冷却することが可能となる。各流路の周方向の幅を揃えることにより、流路中の障害物を減らし、より効率的に永久磁石４を冷却することが可能となる。

図３に示すように、回転子２は、冷媒を吸入する第一冷媒流入口２９ｉｎを積層鉄心５０の軸方向両端面に設けている。これにより冷媒の流れる方向は軸方向の２方向となるため、冷媒の流れる方向と第二勾配部２５Ｍの向きを合わせる必要がある。よって、上述のように、各鉄心片２０ａは、積層鉄心５０の軸方向中央を境に、鉄心片２０ａの表裏を反転させて積層している。すなわち図３では、全ての鉄心片２０ａを、第一溝２４と第二溝２５とが形成された面を積層鉄心５０の軸方向中央に向けた状態で積層している。

図１２、１３は、本実施の形態１に係る他の回転子の断面模式図であり、積層鉄心５０の他のバリエーションを示す断面模式図である。
図１２に示す積層鉄心５０Ｂは、鉄心片２０ａに替えて鉄心片２０Ｂａを積層している。
鉄心片２０ａと鉄心片２０Ｂａとの違いは、第一勾配部２４ＢＭ、第二勾配部２５ＢＭの形成面が、各溝部を設けた面と反対面となっている点である。すなわち、鉄心片２０Ｂａでは、図７に示す面側に第一勾配部２４ＢＭと第二勾配部２５ＢＭとを有する。各鉄心片２０Ｂａは、第一溝２４と第二溝２５とが形成された面を積層鉄心５０の端板２９側に向けた状態で積層されている。

図１３に示す積層鉄心５０Ｃは、鉄心片２０ａに替えて鉄心片２０Ｃａを積層している。鉄心片２０ａと鉄心片２０Ｃａとの違いは、第一勾配部２４ＣＭ、第二勾配部２５ＣＭの形成面が、各溝部を設けた部分の両面となっている点である。この場合、各鉄心片２０Ｃａを、全て同一向きに積層しても低損失の流路を形成することができる。

また、以上の説明では、第二溝２５と鉄心片空隙部２１Ｓとの境界部と、第一溝２４と積層鉄心５０の外周との境界部には勾配部を形成していないが、これらの場所に勾配部を形成してもよい。

次に、回転子２の製造方法について説明する。
図１４（ａ）は、鉄心片２０ｂの製造工程を示す図である。
図１４（ｂ）は、鉄心片２０ｂを鉄心片２０ａに加工する製造工程を示す図である。
図１４（ａ）に示すように、鉄心片２０ｂは、電磁鋼板Ｋをパンチで打ち抜いて製造する。まず、鉄心片２０ｂを先に製造する。所定の数の鉄心片２０ｂから、更にプレス加工して鉄心片２０ａを得る。

まず、図１４（ａ）に示すように、電磁鋼板Ｋから鉄心片２０ｂの外周部と、シャフト孔２３と、長孔２１と、流路孔２２とを同時に打ち抜いて、鉄心片２０ｂを製造する。鉄心片２０ｂを打ち抜くには、打ち抜く各部分を凹形状に成形した下型Ｄ２０ｂと、打ち抜く各部分を凸形状に成形した上型Ｕ２０ｂとの間に電磁鋼板Ｋを挟んでプレス加工する。このようにして、まず、積層鉄心５０の製造に必要な鉄心片２０ａ及び鉄心片２０ｂの総数である２０枚分の鉄心片２０ｂを製造する。

次に、図１４（ｂ）に示すように、製造した鉄心片２０ｂの内の１２枚を更にプレス加工して鉄心片２０ａを製造する。
平板上の下型Ｄ２０ａの上に鉄心片２０ｂを載置し、第一溝２４、第二溝２５、第一勾配部２４Ｍ、第二勾配部２５Ｍに対応する部分を凸形状に成形した上型Ｕ２０ａを用いて鉄心片２０ｂの一方の面に、プレス加工により第一溝２４、第二溝２５、第一勾配部２４Ｍと第二勾配部２５Ｍを形成して鉄心片２０ａを得る。なお、第一勾配部２４Ｍ、第二勾配部２５Ｍは、必ずしも両方備える必要はなく、少なくとも第二勾配部２５Ｍを設ければよい。

次に、鉄心片２０ａにおける第一溝２４の厚さについて説明する。図８に示すように、鉄心片２０ａの溝無し部の板厚をＴ、第一溝２４、第二溝２５部分の板厚をＴｃとする。Ｔｃを薄くすると、各溝の断面積が増え、より多くの冷媒を流すことが可能になるが、反対に当該部分の強度が落ち、また加工が困難になる。したがって、Ｔｃの範囲を０．５Ｔ≦Ｔｃ≦０．７Ｔとする。

鉄心片２０ａの変形例である上述の鉄心片２０Ｂａ、鉄心片２０Ｃａについても同様に鉄心片２０ｂから製造するが、第一溝、第二溝、及び各勾配部を形成する工程が異なる。

鉄心片２０ａに第一勾配部２４Ｍ、第二勾配部２５Ｍを設けることで、金型によりで電磁鋼板Ｋを打ち抜く際に、せん断面の切り口に生じる「ばり」を除去することができる。これにより、鉄心片２０ａ、２０ｂの積層時に、積層間への「ばり」の混入を抑制でき、回転子２およびこれを用いる回転電機１００の組立性、信頼性を向上できる。

以上のようにして１２枚の鉄心片２０ａと、８枚の鉄心片２０ｂを製造後、まず、６枚の鉄心片２０ａを、同じ面が上になるように積層したものを２セット製造し、各セットの第一溝２４および第二溝２５が形成された面を合わせるように積層する。このような向きに１２枚の鉄心片２０ａを積層した後、その軸方向の両側に、それぞれ４枚の鉄心片２０ｂを積層する。

図１５は、積層間を溶接した積層鉄心５０の斜視図である。
図１５の溶接ビードＹに示すように、全ての鉄心片２０ａ、２０ｂを、溶接により軸方向に接合し、積層鉄心５０を得る。なお、溶接により鉄心片２０ａ、２０ｂを接合する際は、図に示す通り、周方向に２つ並んだ第一流路５４を挟んで、軸方向にその近傍部を二列に接合すると溝形成部（薄肉部）の剛性を増し、積層鉄心５０の強度を上げることができる。なお、積層間の結合は、溶接に替えてカシメ等で行ってもよい。

次に、磁石挿入部５１ｇに永久磁石４を挿入した後、積層鉄心５０の両端部に端板２９を取り付け、端板２９の中央部に形成されたシャフト挿入孔２９ｓと積層鉄心５０の中央部に形成されたシャフト挿入孔５３にシャフト３を挿入し、焼きばめ、圧入等でシャフト３に積層鉄心５０と端板２９とを固定し、図３に示す回転子２を得る。
本実施の形態１では、鉄心片２０ａ、２０ｂに電磁鋼板を用いているが、ＳＰＣＣ等の磁気特性を有する板状の材料であり、溝加工が可能なものであれば他の板材を用いてもよい。

図１６は、積層鉄心５０Ｄの斜視図である。
これまでの説明では、二種類の鉄心片２０ａと鉄心片２０ｂとを使用する積層鉄心について説明したが、鉄心片２０ａだけを用いて積層鉄心５０Ｄを構成してもよい。この場合、積層鉄心５０Ｄの内部を通って径方向に抜ける流路を増やすことができ、永久磁石４の冷却効果を向上できる。

本発明の実施の形態１に係る回転電機１００の回転子２および回転電機１００によれば、外部から積層鉄心５０内に流入した冷媒が、軸方向に流れる第三流路から径方向に分岐する第二流路の入り口に第二勾配部を設けることにより、冷媒の流れをスムーズに方向転換できるので、冷媒の圧力損失を抑制し、永久磁石４の冷却効果に優れた回転電機１００の回転子２および、これを用いる回転電機１００を提供できる。

また、積層鉄心５０の第三流路５２は、空隙部５１Ｓの近くに設けられており、空隙部５１Ｓは、第三流路５２から流れてくる冷媒を積層鉄心５０の外部に排出する径方向の流路の一部を形成し、この流路を短くできる。これにより、流路損失を減らして冷媒流量を増やすことができる。また、空隙部５１Ｓは、軸方向にも繋がり、永久磁石４の周方向側面に沿って形成されているので、永久磁石４の冷却効果に優れた回転子２および、これを用いる回転電機１００を得ることができる。

また、第三流路５２を、空隙部５１Ｓより径方向内側に配置しているので、第一冷媒流入口２９ｉｎから吸入した冷媒を、全て永久磁石４の周方向側面に流してこれを冷却することができる。これにより、永久磁石４の冷却効果に優れる回転子２および、これを用いる回転電機１００を得ることができる。
また、第三流路５２は、磁極間に配置しているので、永久磁石４が減磁しやすい極間部の冷却能力を高めることができる。これにより、性能が安定した回転子２および、これを用いる回転電機１００を得ることができる。

また、第一溝２４は、周方向に隣接する永久磁石４の間に設けているので、回転子２から固定子１に向かう磁路抵抗を増やすことなく、第一流路５４を形成することができる。これにより、永久磁石４の磁束を効率的に利用し、かつ、冷却効果に優れ、磁気特性と冷却特性を両立できる回転子２および、これを用いる回転電機１００を得ることができる。

また、流路孔２２の径方向の寸法は、周方向の寸法よりも大きくしている。これにより、積層鉄心５０の外部から第三流路５２に流入した冷媒を、スムーズに径方向に流すことができるため、流路損失が低減し、永久磁石４の冷却効果に優れた回転子２および、これを用いる回転電機１００を得ることができる。

また、第一冷媒流入口２９ｉｎは、軸方向両端面に設けられているので、冷媒吸入量が増え、かつ、第一冷媒流入口２９ｉｎの１つ当たりの第三流路の長さを短くできる。これにより、流路の圧力損失を低減させ、積層鉄心５０に吸入できる冷媒流量を増やすことができるので、永久磁石４の冷却効果に優れる回転子２および、これを用いる回転電機１００を得ることができる。

また、長孔２１と流路孔２２を形成後、第一溝２４と第二溝２５と第二勾配部２５Ｍと第一勾配部２４Ｍとを設けるため、鉄心片２０ａの切り口に生じる「ばり」を除去することができる。これにより、鉄心片２０ａ、２０ｂを積層する際に、「ばり」の混入を抑制し、組立性、信頼性に優れる回転子２および、これを用いる回転電機１００を得ることができる。

回転電機１００は、積層鉄心５０の軸方向中央部に各径方向の流路が設けられた回転子２を用いているので、一般的に、最も温度が上がりやすい固定子コイル１２の軸方向中央部を、気体冷媒で直接に冷却することが可能であるため、固定子１の冷却効果に優れた回転電機１００を提供できる。

さらに、回転子２を構成する、鉄心片２０ａ、２０Ｂａ、２０Ｃａは、鉄心片２０ｂを更にプレス加工して形成されるので、冷媒流路の配置を容易に変更できる。これにより、永久磁石４の発熱量に応じて第一流路５４、第二流路５５を設ける積層数を変更し、永久磁石４の温度が高くなる軸方向中央部を集中的に冷却する等、回転電機１００の設計仕様に合わせた積層鉄心５０を製造することができる。また、多品種に対応しつつ、組立設備を小規模化し、回転子２および、これを用いる回転電機１００の製造コストを下げることができる。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子および回転電機を図を用いて実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
各図において、実施の形態１と実質的に同じ構成部分に対しては同じ符号を付す。

図１７は、本発明の実施の形態２に係る回転子２０２を、その中心軸を通る２つの平面で切断した断面模式図である。
図１８は、本発明の実施の形態２に係る積層鉄心２５０を構成する鉄心片２２０ａの正面図である。
図１９は、図１８、Ｅ部の要部斜視図である。
図２０は、図１８を裏側から見た図である。
図２１は、図１８のＦ−Ｆ線における断面図である。
実施の形態１で説明した回転子２と本実施の形態２に係る回転子２０２との違いは、第三流路２５２のうち、鉄心片２２０ａを積層した部分の径方向の幅を、積層鉄心２５０の軸方向中央に近づくにつれて径方向外側に広がるように拡大している点である。従って、図１７では、鉄心片２２０ａに全て同じ符号を付しているが、図１８〜２１に示す鉄心片２２０ａの流路孔２２２の径方向の幅は、各鉄心片２２０ａにより異なり、積層鉄心２５０の中心側の鉄心片２２０ａほど大きくなる。反対に、図１７、１９に示す第二溝２２５の径方向の幅は、積層鉄心２５０の軸方向の中心側ほど小さくなっている。なお、各鉄心片２２０ａの第二溝２２５の径方向外側の位置は軸方向に揃っている。

なお、図１９では、実施の形態１と同様に第二溝２２５と鉄心片空隙部２１Ｓとの境界、第一溝２４と積層鉄心５０の外周との境界には勾配部を設けていないが、これを設けてもよい。また、勾配部の形成面も、第二溝２２５、第一溝２４の形成面と同一面のみでなく、反対面（図２０で示した面）に形成してもよい。

次に、図１７を用いて、本実施の形態２に係る回転子２０２における永久磁石４を冷却する機構について説明する。
冷媒を流す各流路の構造、遠心力を利用して冷媒を流す基本的な構成は、実施の形態１と同様である。ただし、遠心力は、同じ角速度で回転する回転体では、中心からの距離に比例するため、第三流路２５２の径方向の幅を拡大すると、積層鉄心２５０の軸方向中央部において第三流路内２５２内の冷媒に生じる遠心力を大きくすることができる。これにより、冷媒の積層鉄心２５０内部への吸引力が増し、積層鉄心２５０内に流入する冷媒量を増やすことができる。さらに、第三流路２５２の外周側の側面のうち、鉄心片２２０ａを積層した部分では、軸方向中心側が、径方向外側に位置する第二勾配部２２５Ｍを有するため、第三流路２５２から第二流路２５５へと曲がる部分で冷媒に生じる曲がり損失を低減させ、永久磁石４の冷却性能を向上することができる。

図２２は、本実施の形態２に係る他の回転子２０２Ｂの断面模式図であり、積層鉄心２５０の他のバリエーションを示す断面模式図である。図２２は、実施の形態１の図１２に対応する。
図２２に示す積層鉄心２５０Ｂは、鉄心片２２０ａに替えて鉄心片２２０Ｂａを積層している。鉄心片２２０ａと鉄心片２２０Ｂａとの違いは、第一勾配部２４ＢＭ、第二勾配部２２５ＢＭの形成面が、各溝部を設けた面と反対面となっている点である。その他、実施の形態１で説明したように、各勾配部は、鉄心片の両面に設けてもよい。また、本実施の形態では、各図において、流路孔２２２を楕円形状としたが、実施の形態１と同じ形状でもよい。

なお、鉄心片２２０ａの製造方法は基本的に実施の形態１と同じであるが、各積層を構成する鉄心片２２０ａごとの金型もしくは、パンチを径方向にずらして打ち抜く機構が必要となる。

本発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子２０２および回転電機によれば、実施の形態１で説明した効果に加えて、以下の効果を奏する。
まず、第三流路２５２のうち、鉄心片２２０ａを積層した部分の径方向の幅を、積層鉄心２５０の軸方向中央に近づくにつれて径方向外側に広がるように拡大しているので、流路の曲がり損失を低減させ、冷媒流量を増やすことができる。これにより永久磁石４の冷却効果に優れる回転子２０２および、これを用いる回転電機を得ることができる。

また、積層鉄心２５０の軸方向中央部において第三流路内の冷媒に生じる遠心力を大きくすることができるので、冷媒の積層鉄心２５０内部への吸引力を増し、流入する冷媒量を増加させることができる。これにより永久磁石４の冷却効果に優れる回転子２０２および、これを用いる回転電機を得ることができる。

さらに、第三流路２５２の径方向の幅を、大きな冷却効果が必要な軸方向中央部ほど径方向外側に拡大しているので、第三流路２５２全体としては、第三流路２５２が、積層鉄心２５０内で占有する径方向の幅を抑制できる。これにより、小型で冷却性能に優れる回転子２０２および、これを用いる回転電機を得ることができる。

実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子および回転電機を図を用いて実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
各図において、実施の形態１と実質的に同じ構成部分に対しては同じ符号を付す。
図２３は、本発明の実施の形態３に係る回転子３０２を、その中心軸を通る２つの平面で切断した断面模式図である。実施の形態１で説明した回転子２と本実施の形態に係る回転子３０２との違いは、回転子３０２では、磁石挿入部５１ｇの外周側壁面と永久磁石４の外周側側面との間および、磁石保持孔５１の内周側壁面と永久磁石４の内周側側面との間の各隙間に、グリス７又は接着剤を塗布して永久磁石４を固着している点である。

これまで説明したように、冷媒は、第一冷媒流入口２９ｉｎから流入し、積層鉄心３５０の内部に形成する第三流路５２、第二流路５５、空隙部５１Ｓ、第一流路５４の各流路を通り、積層鉄心３５０の外部へ流出する。冷媒は、永久磁石４が発生する熱の他に、積層鉄心３５０自身が発生する熱、もしくは他から受ける熱を外部に放熱する役目を担う。そこで、永久磁石４と磁石挿入部５１ｇの径方向間の隙間に、冷媒よりも熱伝導率の高いグリス７又は接着剤を塗布し、永久磁石４から発生する熱を積層鉄心３５０に効率よく伝熱させるために、積層鉄心３５０にヒートシンクの役割を果たさせる。これにより、永久磁石４の冷却性能を更に向上させることができる。

実施の形態４．
以下、本発明の実施の形態４に係る回転電機の回転子および回転電機を図を用いて実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
各図において、実施の形態１と実質的に同じ構成部分に対しては同じ符号を付す。
図２４は、本発明の実施の形態４に係る回転子４０２を、その中心軸を通る２つの平面で切断した断面模式図である。
図２５は、端板４２９の正面図である。
図２６は、回転子４０２の要部上面図である。
実施の形態１で説明した回転子２と本実施の形態に係る回転子４０２との違いは、積層鉄心５０の軸方向両端面に取り付けた、端板４２９の構成にある。

端板４２９には、永久磁石４の軸方向端面の一部を外部に露出させる永久磁石露出孔４２９ｇおよび、空隙部５１Ｓを軸方向に外部に開口させる第二冷媒流入口４２９ｉｎを設けている。

端板４２９に、空隙部５１Ｓと軸方向に連通する第二冷媒流入口４２９ｉｎを設けることにより、第二冷媒流入口４２９ｉｎからも積層鉄心５０内に冷媒を流入させることができる。これにより、積層鉄心５０内を通る冷媒の流量を増加させ、永久磁石４の冷却性能を向上することができる。

図２６に符号４で示す部分が、端板４２９の下の永久磁石４が存在する範囲である。端板４２９は、永久磁石４の軸方向への抜けを防止する機能を有するが、永久磁石４の軸方向の端面の全域を押さえる必要はなく、一部でよい。回転子４０２は、所定の速度で回転しているため、冷媒と回転子４０２との接触面は、回転速度と同等速度で冷媒を吹き付けるのと同様の冷却効果を得る。そこで、端板４２９に永久磁石４の軸方向端面を一部露出する永久磁石露出孔４２９ｇを形成することで、外部に露出する永久磁石４の軸方向の端面を直接冷却することが可能となり、永久磁石４の冷却性能を更に向上することができる。

なお、実施の形態１〜４で説明した各回転子２〜４０２において、鉄心片２０ａ〜２２０Ｂａ、鉄心片２０ｂの枚数、および組み合わせは、各図に限定されるものではない。また、鉄心片２０ａ〜２２０Ｂａ、２０ｂに形成する各孔、溝、勾配部の形状、位置、個数も各図に限定されるものではない。また、永久磁石４の個数、位置、形状もこれに限定されるものではない。また、一つの磁石保持孔５１に複数個の永久磁石を挿入しても問題はない。

また、各実施の形態で示した回転電機において、極数、固定子の仕様（分布巻き、集中巻き、スロット数など）も特に制約はない。

実施の形態５．
以下、本発明の実施の形態５に係る圧縮機を図を用いて説明する。
各図において、実施の形態１と実質的に同じ構成部分に対しては同じ符号を付す。
図２７は、圧縮機１１０の断面図である。
圧縮機１１０は、フレーム１１０Ｆと、実施の形態１に係る回転電機１００と、圧縮機構７０とからなる。

回転電機１００の回転子のシャフト３は、圧縮機構７０に接続されている。そして、回転電機１００が回転すると、圧縮機構７０が駆動する。このように、回転電機１００を備える圧縮機１１０によれば、高効率で安定性の高い圧縮機を提供できる。本実施の形態では、回転電機１００をエアコン用の圧縮機１１０を駆動するモータに使用する例を示したが回転電機１００の用途はこれに限定するものではない。また、回転子２に替えて、各実施の形態で説明した回転子２０２〜４０２を使用してもよい。

本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１００ 回転電機、１１０ 圧縮機、１１０Ｆ フレーム、１ 固定子、
２，２０２，２０２Ｂ，３０２，４０２ 回転子、３ シャフト、４ 永久磁石、
１１ 固定子鉄心、１２ 固定子コイル、
２０ａ，２０ｂ，２０Ｂａ，２０Ｃａ，２２０ａ，２２０Ｂａ 鉄心片、２１ 長孔、
２１Ｓ 鉄心片空隙部、２１ｇ 鉄心片磁石挿入部、２２，２２２ 流路孔、
２３ シャフト孔、２４ 第一溝、２４Ｍ，２４ＢＭ、２４ＣＭ 第一勾配部、
２５，２２５ 第二溝、
２５Ｍ，２５ＢＭ，２５ＣＭ，２２５Ｍ，２２５ＢＭ 第二勾配部、２６ 境界部、
２７ 磁気遮断部、２９，４２９ 端板、４２９ｇ 永久磁石露出孔、
２９ｉｎ 第一冷媒流入口、４２９ｉｎ 第二冷媒流入口、２９ｓ シャフト挿入孔、
５０，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ，２５０，２５０Ｂ，３５０ 積層鉄心、
５１ 磁石保持孔、５１ｇ 磁石挿入部、５１Ｓ 空隙部、５２，２５２ 第三流路、
５３ シャフト挿入孔、５４ 第一流路、５５，２５５ 第二流路、５７ 磁気遮断路、７０ 圧縮機構、Ｄ２０ａ，Ｄ２０ｂ 下型、Ｕ２０ａ，Ｕ２０ｂ 上型、
７ グリス、Ｋ 電磁鋼板、Ｙ 溶接ビード。

Claims (17)

1. 複数の第一鉄心片を積層して形成する積層鉄心と、前記積層鉄心に軸方向に挿入した複数の永久磁石と、前記積層鉄心に挿入したシャフトとを有する回転電機の回転子であって、
   前記積層鉄心は、
   中央に設けた前記シャフトを挿入するシャフト挿入孔と、
   周方向に間隔を空けて、軸方向に貫通するように形成された磁石保持孔と、
   隣り合う２つの前記磁石保持孔の間の径方向内側にそれぞれ設けられ、軸方向に貫通し、外部からの冷媒が前記積層鉄心の内部を流れ、外部に排出される流路の一部となる第三流路と、
   前記流路の一部であり、前記第三流路から径方向に連通する第二流路と、
   前記流路の一部であり、前記磁石保持孔と径方向に連通し、前記積層鉄心の径方向外側に開口する第一流路とを備え、
   前記磁石保持孔は、
   前記永久磁石を挿入する磁石挿入部と、
   前記永久磁石の周方向側面に沿って形成され、前記第二流路から径方向に連通する、前記流路の一部である空隙部とからなり、
   前記第一鉄心片は、
   前記第一鉄心片が複数枚積層されて前記第三流路となる流路孔と、
   前記第一鉄心片が複数枚積層されて前記第二流路となる第二溝と、
   前記第一鉄心片が複数枚積層されて前記磁石保持孔となる長孔と、
   前記第一鉄心片が複数枚積層されて前記第一流路となる第一溝とを備え、
   少なくとも、前記第二溝の内側の端部の軸方向の一面に、面取りされた第二勾配部を備える回転電機の回転子。
2. 前記第二溝の内側の端部の軸方向の他面に、面取りされた第二勾配部を備える請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 少なくとも、前記第一溝の内側の端部の軸方向の一面に、面取りされた第一勾配部を備える請求項１又は請求項２に記載の回転電機の回転子。
4. 少なくとも、前記第二溝と前記長孔の境界の軸方向の一面に、面取りされた勾配部を備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
5. 少なくとも、前記第一溝の外周の縁部の一面に、面取りされた勾配部を備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
6. 周方向に並んだ２つの前記第一流路が、それぞれ異なる前記空隙部を介して、１つの前記第二流路に連通する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
7. ２つの前記第一流路を合わせた周方向の幅と、前記第二流路の周方向の幅と、前記第三流路の周方向の幅とは同じである請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
8. 前記第三流路の径方向の幅は、周方向の幅よりも大きい請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
9. 軸方向中央部から軸方向の一方に積層された複数の前記第一鉄心片と、
   軸方向の他方に積層された複数の前記第一鉄心片とは、表裏が逆に積層されている請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
10. 前記積層鉄心は、軸方向の中央部に複数の前記第一鉄心片が積層され、
    積層された前記第一鉄心片の軸方向の両側に、それぞれ複数の第二鉄心片が積層され、
    前記第二鉄心片は、
    前記第二鉄心片が複数枚積層されて前記第三流路となる流路孔と、
    前記第二鉄心片が複数枚積層されて前記磁石保持孔となる長孔とを有する請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
11. 前記第三流路の径方向の幅は、前記積層鉄心の軸方向中央に近づくにつれて径方向外側に広がるように拡大している請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
12. 前記永久磁石は、前記磁石保持孔の径方向の両壁面に、グリスまたは接着剤で固着されている請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載される回転電機の回転子。
13. 前記積層鉄心の軸方向の両端面に、前記第三流路と連通する第一冷媒流入口を有する端板を備える請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
14. 前記端板は、前記空隙部に連通する、第二冷媒流入口を備える請求項１３に記載の回転電機の回転子。
15. 前記端板は、前記永久磁石の軸方向端面の一部を外部に露出させる永久磁石露出孔を有する請求項１３又は請求項１４に記載の回転電機の回転子。
16. 固定子と、前記固定子の内周面に、所定の間隔を設けて外周面を対向させるように配設された請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の回転子とを備える回転電機。
17. 請求項１６に記載の回転電機と、前記回転電機のシャフトに接続された圧縮機構とを備える圧縮機。

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