JP2020014336A

JP2020014336A - 回転電気機械

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Publication number: JP2020014336A
Application number: JP2018135779A
Authority: JP
Inventors: 浅野　能成; Yoshinari Asano; 能成浅野; 三箇　義仁; Yoshihito Sanga; 義仁三箇; 森本　茂雄; Shigeo Morimoto; 茂雄森本; 真田　雅之; Masayuki Sanada; 雅之真田; 征則井上; Masanori Inoue
Original assignee: Daikin Industries Ltd; University Public Corporation Osaka
Current assignee: Daikin Industries Ltd; University Public Corporation Osaka
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2020-01-23

Abstract

【課題】回転電気機械の回転子の強度を向上する。【解決手段】固定子（10）と回転子（20）とを設ける。回転子（20）は、磁極毎に、周方向に並んだ複数の貫通孔（25）からなる貫通孔群（100）を径方向に多層に形成する。貫通孔群（100）内において互いに隣接する貫通孔（25）は、互いに対向した端部に、Ｒ面取りを形成する。各貫通孔群（100）の貫通孔（25）におけるＲ面取りの寸法の最小値（Rin）を、自身よりも外周側の貫通孔群（100）の貫通孔（25）におけるＲ面取りの寸法の最大値（Rout）と比べて、自身のＲ面取りの寸法の最小値（Rin）の方を大きくする。【選択図】図３

Description

本開示は、回転電気機械に関するものである。

回転電気機械の中には、その回転子において、遠心力による破壊防止を図るものがある（例えば特許文献１を参照）。特許文献１では、複数の埋込溝の対の中で、外側埋込溝の対のセンターポストを、内側埋込溝の対のセンターポストより狭く形成するとされている。

特開２００５−１９８４８７号公報

特許文献１の構成でも強度の向上は可能であるが、高速回転する回転電気機械においては、センターポストを一定以上広げても応力は減らない場合もあり、更なる強度向上の要望もある。

本開示の目的は、回転電気機械の回転子の強度を向上することにある。

本開示の第１の態様は、固定子（10）と、
前記固定子（10）の内側に配置された回転子（20）とを備え、
前記回転子（20）は、磁極毎に、周方向に並んだ複数の貫通孔（25）からなる貫通孔群（100）が、径方向に多層に形成され、
前記貫通孔群（100）内において互いに隣接する貫通孔（25）は、互いに対向した端部に、Ｒ面取りが形成され、
各貫通孔群（100）の貫通孔（25）における前記Ｒ面取りの寸法の最小値（Rin）を、自身よりも外周側の貫通孔群（100）の貫通孔（25）における前記Ｒ面取りの寸法の最大値（Rout）と比べると、自身の前記Ｒ面取りの寸法の最小値（Rin）の方が大きいことを特徴とする回転電気機械である。

第１の態様では、回転電気機械の回転子の強度を向上することが可能になる。

本開示の第２の態様は、第１の態様において、
自身の前記Ｒ面取りは、半円弧状であることを特徴とする回転電気機械である。

第２の態様では、形成可能な最大のＲ面取りが形成される。

本開示の第３の態様は、固定子（10）と、
前記固定子（10）の内側に配置された回転子（20）とを備え、
前記回転子（20）は、磁極毎に、周方向に並んだ複数の貫通孔（25）からなる貫通孔群（100）が、径方向に多層に形成され、
前記貫通孔群（100）内において互いに隣接する貫通孔（25）は、互いに対向した端部に、Ｃ面取りが形成され、
各貫通孔群（100）の貫通孔（25）における前記Ｃ面取りの寸法の最小値を、自身よりも外周側の貫通孔群の貫通孔における前記Ｃ面取りの寸法の最大値と比べると、自身の前記Ｃ面取りの寸法の最小値の方が大きいことを特徴とする回転電気機械である。

第３の態様では、回転電気機械の回転子の強度を向上することが可能になる。

本開示の第４の態様は、第１から第３の態様の何れかにおいて、
前記複数の貫通孔（25）の一部又は全部に、永久磁石（26）が配置されていることを特徴とする回転電気機械である。

図１は、実施形態１に係る電動機を示す。図２は、本実施形態におけるコア部材を平面図で示す図３は、ひとつの磁極に対応する貫通孔群（貫通孔）を示す。図４は、端部（境界部）にＣ面取りが形成された貫通孔を例示する。図５は、面取り部の形状例を示す。図６は、実施形態２に係る回転子を示す。

《実施形態１》
図１は、実施形態１に係る電動機（1）を断面図で示す。電動機（1）は、回転電気機械の一例である。この電動機（1）は、磁石埋込型の電動機であり、図１に示すように、固定子（10）、回転子（20）、駆動軸（30）、及びケーシング（2）を備えている。以下、電動機（1）の構成について説明する。なお、以下の説明において、軸方向とは駆動軸（30）の軸心の方向を、また、径方向とは軸方向と直交する方向をそれぞれ意味する。外周側とは軸心から遠離する側を、また、内周側とは軸心に近接する側をそれぞれ意味する。

〈固定子〉
固定子（10）は、円筒状の固定子コア（11）とコイル（図示を省略）を備えている。

固定子コア（11）は、プレス加工機によって電磁鋼板を打ち抜き加工して形成した複数の板状部材が軸方向に積層されて構成されている。すなわち、固定子コア（11）は、いわゆる積層コアである。

固定子コア（11）は、１つのバックヨーク部（12）、複数のティース（13）、及び、ティース（13）と同数のツバ部（14）を備えている。固定子コア（11）は、ケーシング（2）に、バックヨーク部（12）の外周面がケーシング（2）の内周面に接触するように嵌め入れられて固定されている。

バックヨーク部（12）は、固定子コア（11）の外周側の、平面視で環状の部分である。また、各ティース（13）は、固定子コア（11）において径方向に伸びる直方体状の部分である。各ティース（13）には、例えば分布巻方式で前記コイルが巻回される。相互に隣接するティース（13）間の空間が前記コイルを収容するためのコイル用スロット（15）として機能する。以上により、各ティース（13）には電磁石が構成されている。

ツバ部（14）は、各ティース（13）の内周側に連続して両側に張り出した部分である。したがって、ツバ部（14）は、ティース（13）よりも幅（周方向の長さ）が大きく形成されている。ツバ部（14）は、内周側の面が円筒面であり、その円筒面は、回転子（20）の外周面（円筒面）と所定の距離（エアギャップ）をもって対向している。

〈回転子〉
回転子（20）は、回転子コア（21）、及び複数の永久磁石（26）を備えている。回転子（20）では、これらの永久磁石（26）によって８つの磁極が形成されている。これらの永久磁石（26）は、例えば焼結磁石によって構成される。この例の永久磁石（26）は、希土類元素を用いたいわゆる希土類磁石である。永久磁石（26）は、回転子コア（21）を軸方向に貫通している。

回転子コア（21）は、プレス加工機によって例えば厚さが０．３〜０．５ｍｍの電磁鋼板を打ち抜き加工して形成したコア部材（22）が、軸方向に多数枚積層されて円筒状に構成されている。すなわち、回転子コア（21）は、いわゆる積層コアである。

この回転子コア（21）は、その中心に軸穴（23）が形成されている。軸穴（23）には、負荷（例えば空調装置のロータリ式圧縮機）を駆動するための駆動軸（30）が絞まり嵌め（例えば焼き嵌め）によって固定されている。したがって、回転子コア（21）の軸心（O）と駆動軸（30）の軸心は同軸上に存在する。

また、コア部材（22）には、複数の貫通孔（25）が形成されている。これらの貫通孔（25）は、永久磁石（26）を収容する磁石用スロット（24）を形成する。なお、図１から分かるように、磁石用スロット（24）は、永久磁石（26）を挿入した状態で、空隙ができるようにその形状が定められている。

図２に、本実施形態におけるコア部材（22）を平面図で示す。コア部材（22）には、磁極毎に、周方向に並んだ複数の貫通孔（25）からなる貫通孔群（100）が、径方向に多層に形成されている。図３に、ひとつの磁極に対応する貫通孔群（100）（貫通孔（25））を示す。図３では、各貫通孔（25）や各貫通孔群（100）を識別するために、参照符合の末尾に枝番を付してある（例えば25-1、25-2、100-1等）。

図３に示すように、ひとつの磁極には、２つ（２層ともいう）の貫通孔群（100-1,100-2）がある。外周側の層の貫通孔群（100-1）は、２つの貫通孔（25-1,25-2）によって形成されている。また、内周側の層の貫通孔群（100）は、３つの貫通孔（25-3,25-4,25-5）よって形成されている。

各貫通孔群（100）では、互いに対向した２つの貫通孔（25）は近接している。すなわち、２つの貫通孔（25）の境界部（22a）は、幅が狭く形成されている。境界部（22a）の幅は、この部分における漏れ磁束を小さくするという観点からはなるべく狭いのが望ましい。その一方で、強度確保の観点からは、なるべく広い方が望ましい。

例えば、境界部（22a）は、運転中に回転子コア（21）に作用する遠心力に耐えうるだけの幅を確保する必要がある。本実施形態では、なるべく狭い幅で境界部（22a）において強度を確保できるように、これらの貫通孔（25）（磁石用スロット（24））の形状に工夫を加えてある。この点について、以下に説明する。

〈磁石用スロットの形状〉
本実施形態では、貫通孔群（100）内において互いに隣接する貫通孔（25）は、互いに対向した端部（境界部（22a））に、Ｒ面取りが形成されている。ここで、Ｒ面取りとは、交差する面の部分を丸めた形状にする加工である。例えば、Ｒ面取りは、軸方向から見た輪郭形状が円弧となるように形成してもよいし、円弧以外の曲線（例えば楕円）となるように形成してもよい。なお、本実施形態では、各端部には、円弧によるＲ面取りが形成されているものとする。

このＲ面取りの寸法は、Ｒ面取りを軸方向から見た場合における輪郭曲線の曲率半径である。例えば、軸方向から見た形状が円弧となるようにＲ面取りを形成した場合には、Ｒ面取りの寸法は、その円弧の半径である。

そして、回転子コア（21）では、各貫通孔群（100）の貫通孔（25）におけるＲ面取りの寸法の最小値（Rin）を、自身よりも外周側の貫通孔群（100）の貫通孔（25）におけるＲ面取りの寸法の最大値（Rout）と比べると、自身のＲ面取りの寸法の最小値（Rin）の方が大きく形成されている。

これを図３で見ると、同図の磁極では、外周側には、周方向に並んだ２つの貫通孔（25-1,25-2）が形成されている。これらの２つの貫通孔（25-1,25-2）が、貫通孔群（100-1）を構成している。２つの貫通孔（25-1,25-2）は、磁極の中心線（Pc）に対して線対称の関係にある。

また、この回転子コア（21）では、内周側には、周方向に並んだ３つの貫通孔（25-3,25-4,25-5）が形成されている。これらの３つの貫通孔（25-3,25-4,25-5）が、貫通孔群（100-2）を構成している。貫通孔（25-3）と貫通孔（25-5）とは、中心線（Pc）に対して線対称の関係にある。また、貫通孔（25-4）自身も中心線（Pc）に対して対称形である。

外周側の貫通孔群（100-1）内において互いに隣接する貫通孔（25-1,25-2）は、互いに対向したそれぞれの端部（境界部（22a））に、Ｒ面取りが形成されている。以下では、貫通孔（25-1,25-2）の外周側のＲ面取りをＲ面取り（Rc1）とする（図３参照）。また、貫通孔（25-1,25-2）の内周側のＲ面取りをＲ面取り（Rc2）とする（図３参照）。

この例では、外周側の貫通孔群（100-1）におけるＲ面取りの寸法は、Ｒ面取り（Rc2）の方が、Ｒ面取り（Rc1）よりも大きく形成されている。したがって、外周側の貫通孔群（100-1）の貫通孔（25）におけるＲ面取りの寸法の最大値（Rout）は、Ｒ面取り（Rc2）の面取り寸法である。

一方、貫通孔群（100-2）内では、貫通孔（25-4）と貫通孔（25-5）とが互いに隣接している。したがって、貫通孔（25-4）と貫通孔（25-5）とは、互いに対向した端部（境界部（22a））に、Ｒ面取り（Rc3,Rc4）が形成されている。これらのＲ面取り（Rc3,Rc4）は、半円弧状である。すなわち、境界部（22a）において形成可能な、最大寸法のＲ面取りが形成されている。

また、内周側の貫通孔群（100-2）内では、貫通孔（25-3）と貫通孔（25-4）とが互いに隣接している。したがって、貫通孔（25-3）と貫通孔（25-4）とは、互いに対向した端部に、Ｒ面取り（以下、Ｒ面取り（Rc5,Rc6）とする）が形成されている。これらのＲ面取り（Rc5,Rc6）も、半円弧状である。すなわち、境界部（22a）において形成可能な、最大寸法のＲ面取りが形成されている。

内周側の貫通孔群（100-2）内では、これらのＲ面取り（Rc3,Rc4,Rc5,Rc6）は、同寸法である。すなわち、Ｒ面取り（Rc3,Rc4,Rc5,Rc6）の何れの寸法を、貫通孔群（100-2）における面取り寸法の最小値（Rin）と見なしてもよい。これらのＲ面取り（Rc3,Rc4,Rc5,Rc6）の寸法（Rin）は、外周側のＲ面取り（Rc2）の寸法（Rout）よりも大きく形成されている。

また、本実施形態では、外周側の貫通孔（25-1,25-2）（磁石用スロット（24））に挿入される永久磁石（26）の厚さの方が、内周側の貫通孔（25-3,25-4,25-5）（すなわち磁石用スロット（24））に挿入される永久磁石（26）の厚さよりも厚く形成されている。つまり、外周側の貫通孔（25-1,25-2）の幅は、内周側の貫通孔（25-3,25-4,25-5）の幅よりも大きい。

永久磁石（26）の厚さをこのような設定にするのは、より大きな逆磁界が作用する、外周側の永久磁石（26）の減磁を抑制するためである。なお、内周側のＲ面取りを半円弧状としたのは、永久磁石（26）を外周側の永久磁石（26）よりも薄くした上で、Ｒ面取りの寸法を外周側よりも大きくするには、半円弧状のＲ面取りが適しているからである。

〈貫通孔端部の応力〉
回転子（20）が回転すると、回転子コア（21）では、貫通孔（25）間の境界部（22a）に遠心力が作用する。境界部（22a）の半径は、内周側の方が外周側よりも小さい。一方、境界部（22a）に作用する遠心力に寄与する質量は、内周側の方が外周側よりも大きい。そして、この遠心力に関しては、半径の差異よりも、質量の差異の方が支配的である。すなわち、回転子コア（21）では、外周側の境界部（22a）に作用する遠心力よりも、内周側の境界部（22a）に作用する遠心力の方が大きくなる。

本実施形態では、各貫通孔群（100）の貫通孔（25）におけるＲ面取りの寸法の最小値（Rin）を、自身よりも外周側の貫通孔群（100）の貫通孔（25）におけるＲ面取りの寸法の最大値（Rout）と比べると、自身のＲ面取りの寸法の最小値（Rin）の方が大きい。したがって、回転子コア（21）では、内周側の境界部（22a）における応力を外周側の境界部（22a）の応力よりも小さくできる。

〈本実施形態における効果〉
以上のように、本実施形態は、固定子（10）と、固定子（10）の内側に配置された回転子（20）とを備えた電動機（1）に関する。そして、回転子（20）は、磁極毎に、周方向に並んだ複数の貫通孔（25）からなる貫通孔群（100）が、径方向に多層に形成され、貫通孔群（100）内において互いに隣接する貫通孔（25）は、互いに対向した端部に、Ｒ面取りが形成され、各貫通孔群（100）の貫通孔（25）におけるＲ面取りの寸法の最小値（Rin）を、自身よりも外周側の貫通孔群（100）の貫通孔（25）におけるＲ面取りの寸法の最大値（Rout）と比べると、自身のＲ面取りの寸法の最小値（Rin）の方が大きい。

この構成により、回転子（20）（回転子コア（21））では、作用する遠心力がより大きな境界部（22a）において、応力を緩和することが可能になる。よって、本実施形態によれば、回転電気機械の回転子の強度を向上することが可能になる。

《実施形態１の変形例》
貫通孔（25）の前記端部には、Ｒ面取りに代えてＣ面取りを設けてもよい。ここで、Ｃ面取りとは、角部における面の交差角度を鈍角にする加工のことであり、本実施形態では、４５°の面取りを意味している。図４に端部（境界部（22a））にＣ面取りが形成された貫通孔（25）を例示する。図４も、ひとつの磁極に対応する貫通孔群（100）（貫通孔（25））を示している。

この変形例では、各貫通孔群（100）の貫通孔（25）におけるＣ面取りの寸法の最小値（Cin）を、自身よりも外周側の貫通孔群（100）の貫通孔（25）におけるＣ面取りの寸法の最大値（Cout）と比べると、自身のＣ面取りの寸法の最小値（Cin）の方が大きく形成されている。したがって、本変形例でも、内周側の境界部（22a）における応力を外周側の境界部（22a）よりも小さくできる。

なお、端部における、Ｃ面取りを除いた部分の幅は、Ｃ面取りの寸法以上に構成するのが望ましい（図５参照）。図５の例では、面取り寸法は、２箇所ともＬ１である。また、端部における、Ｃ面取りを除いた幅はＬ２である。そして、Ｌ２＞Ｌ１である。こうすることで、内周側の境界部（22a）における応力を外周側の境界部（22a）よりも確実に小さくすることが可能になる。

《実施形態２》
図６に、実施形態２に係る回転子（20）を示す。図６でも、ひとつの磁極を表している。図６に示すように、各磁極には、３層の貫通孔群（100）が形成されている。また、各貫通孔群（100）の所定の貫通孔（25）には、回転子コア（21）の外周面に開口する開口部（25a）が形成されている。

本実施形態でも、貫通孔群（100）内において互いに隣接する貫通孔（25）には、互いに対向した端部に、Ｒ面取りが形成されている。そして、各貫通孔群（100）の貫通孔（25）におけるＲ面取りの寸法の最小値（Rin）を、自身よりも外周側の貫通孔群（100）の貫通孔（25）におけるＲ面取りの寸法の最大値（Rout）と比べると、自身のＲ面取りの寸法の最小値（Rin）の方が大きくなっている。

したがって、この回転子（20）でも、内周側の境界部（22a）における応力を外周側の境界部（22a）よりも小さくできる。すなわち、本実施形態においても、実施形態１と同様の効果を得ることが可能になる。なお、本実施形態の回転子（20）においても、Ｒ面取りに代えて、Ｃ面取りを施しても同様の効果を得ることが可能になる。

《その他の実施形態》
なお、回転子（20）では、例えば、複数の貫通孔（25）に一部にのみ永久磁石（26）を設けるようにしてもよいし、全く永久磁石（26）を設けない構成（すなわち、リラクタンスモータ用の回転子の構成）も可能である。

また、各実施形態や変形例で説明した回転子（20）の構成は、発電機（回転電気機械の一例）にも採用できる。

また、コイルの巻き方は例示であり、分布巻には限定されない。例えばコイルは、集中巻で形成してもよい。

また、各実施形態や変形例で説明した磁極数は例示であり、例示したものには限定されない。

また、永久磁石（26）の材料や製造方法は例示である。例えば、永久磁石（26）には、フェライト磁石を採用できる。また、永久磁石（26）として、いわゆるボンド磁石を採用してもよい。

以上、実施形態および変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態および変形例は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。

以上説明したように、本開示は、回転電気機械について有用である。

１電動機（回転電気機械）
１０固定子
２０回転子
２５貫通孔
２６永久磁石
１００貫通孔群

Claims

固定子（10）と、
前記固定子（10）の内側に配置された回転子（20）とを備え、
前記回転子（20）は、磁極毎に、周方向に並んだ複数の貫通孔（25）からなる貫通孔群（100）が、径方向に多層に形成され、
前記貫通孔群（100）内において互いに隣接する貫通孔（25）は、互いに対向した端部に、Ｒ面取りが形成され、
各貫通孔群（100）の貫通孔（25）における前記Ｒ面取りの寸法の最小値（Rin）を、自身よりも外周側の貫通孔群（100）の貫通孔（25）における前記Ｒ面取りの寸法の最大値（Rout）と比べると、自身の前記Ｒ面取りの寸法の最小値（Rin）の方が大きいことを特徴とする回転電気機械。
請求項１において、
自身の前記Ｒ面取りは、半円弧状であることを特徴とする回転電気機械。
固定子（10）と、
前記固定子（10）の内側に配置された回転子（20）とを備え、
前記回転子（20）は、磁極毎に、周方向に並んだ複数の貫通孔（25）からなる貫通孔群（100）が、径方向に多層に形成され、
前記貫通孔群（100）内において互いに隣接する貫通孔（25）は、互いに対向した端部に、Ｃ面取りが形成され、
各貫通孔群（100）の貫通孔（25）における前記Ｃ面取りの寸法の最小値を、自身よりも外周側の貫通孔群の貫通孔における前記Ｃ面取りの寸法の最大値と比べると、自身の前記Ｃ面取りの寸法の最小値の方が大きいことを特徴とする回転電気機械。
請求項１から請求項３の何れかにおいて、
前記複数の貫通孔（25）の一部又は全部に、永久磁石（26）が配置されていることを特徴とする回転電気機械。