JP4291211B2 - 回転電機の回転子および回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、回転子鉄心に永久磁石を備えた回転子及び回転電機の構造に関するものである。

回転子鉄心に永久磁石を備える方式の回転電機として、回転子鉄心の表面に永久磁石を搭載する表面貼り付け型（Ｓｕｒｆｉｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ；以下、ＳＰＭと呼ぶ）と、回転子鉄心に設けた穴に永久磁石を埋めこむタイプ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ；以下、ＩＰＭと呼ぶ）がある。

ＩＰＭとＳＰＭを比較すると、磁石を埋め込んだＩＰＭ型の回転子は、永久磁石の外周に鉄心を配置することでリラクタンストルクを利用することができ、また、永久磁石が固定されるので、永久磁石の保持が容易であるという利点がある。一方、回転子の表面は固定子からの磁束の影響で磁束方向の変化が激しいので、回転子表面に永久磁石が設置されるＳＰＭ型では、永久磁石の減磁が進みやすいという問題があるが、ＩＰＭだと表面に鉄心が配置されるので磁石の減磁耐力が改善する。しかしながら、ＩＰＭは永久磁石の保持のための穴と穴の間が鉄心でつながっているため磁束が漏れて永久磁石が作る磁束量を最大限利用することができないという問題がある。

この問題を回避するために、ＩＰＭ型の回転子ではブリッジにさまざまな工夫がなされる。例えば、特許文献１では、磁極の間に溝部を設け、ブリッジの方向を径方向とすることで磁石保持の強度を向上している。強度が向上するのでブリッジを細くすることができ、磁束の漏れを低減できる。

また、ＳＰＭ型の回転子として、主軸に接続された回転子磁性体と、回転子磁性体の固定子に対向する第１面に接合された複数の永久磁石と、永久磁石の外周側の第２面に接合された磁性体片とを含み、永久磁石の円周方向側の第３面は空間に面するものがあった（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−２８１７００号公報 特開２００３−２１９６１８号公報

しかしながら、上記特許文献１では、細くなったもののブリッジは存在するので磁束の漏れがある問題がある。

また、上記特許文献２では、永久磁石の円周方向への漏れ磁束が依然存在する問題があった。

この発明は上記のような従来の課題を解消するためになされたものであり、磁束の漏れがなくリラクタンストルクを利用することができ、さらに永久磁石の減磁耐力を向上することができる回転子および回転電機の構造を提供することを目的とする。

この発明による回転電機の回転子は、
回転子鉄心と、回転子鉄心の外周面に周方向に一定間隔ごとに配設された複数の永久磁石と、それぞれの永久磁石の外周面に配設された外周鉄心とを備えた回転電機の回転子において、
永久磁石及び外周鉄心を一組とし、周方向に隣り合う組の間には、回転子軸方向に直交する断面上で外周側に広がるテーパ形状の開口部が、回転子軸方向に延在して形成され、
回転子鉄心の開口部位置に対応した周方向位置に、開口部に連通し、回転子鉄心内の径方向に形成された、テーパ形状の開口部の最小開口寸法よりも周方向開口幅の大きな部分を有する溝部を有し、
外周鉄心の周方向上端部から、開口部の周方向内壁面及び溝部の周方向内壁面に沿って延在する薄板部材と、
開口部を介して対向して配置された薄板部材の間に、回転子内径方向に圧入されて、薄板部材が内径方向に引き込まれることにより、永久磁石及び外周鉄心が、回転子鉄心に押圧されて固定される弾性部材とを備えたものである。

この発明による回転電機の回転子は、
永久磁石及び外周鉄心を一組とし、周方向に隣り合う組の間には、回転子軸方向に直交する断面上で外周側に広がるテーパ形状の開口部が、回転子軸方向に延在して形成され、
回転子鉄心の開口部位置に対応した周方向位置に、開口部に連通し、回転子鉄心内の径方向に形成された、テーパ形状の開口部の最小開口寸法よりも周方向開口幅の大きな部分を有する溝部を有し、
外周鉄心の周方向上端部から、開口部の周方向内壁面及び溝部の周方向内壁面に沿って延在する薄板部材と、
開口部を介して対向して配置された薄板部材の間に、回転子内径方向に圧入されて、薄板部材が内径方向に引き込まれることにより、永久磁石及び外周鉄心が、回転子鉄心に押圧されて固定される弾性部材とを備えたものなので、永久磁石と外周鉄心を固定するために別部材を必要とせず、安価で高性能な回転子を得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による回転電機の回転子を示す斜視図であり、図２は図１の回転電機の回転子の平面図である。

本実施の形態による回転子１０は、回転軸（図示せず）が接続される開口部１１を有する円筒状の回転子鉄心１２と、回転子鉄心１２の外周面に一定間隔ごとに配設された複数の永久磁石１３と、永久磁石１３の外周面に配設された外周鉄心１４を備え、永久磁石１３の間の回転子鉄心１２には径方向の溝部１５が設けられている。

永久磁石１３は、回転子１０の回転軸を中心とした略同一円周上に等間隔に配設されている。また、永久磁石１３は直方体であり、回転子鉄心１２に接着剤により固定されている。隣接する永久磁石１３の発生する界磁磁束の向きは反対であり、それぞれ径方向外側及び内側に界磁磁束を発生する。

外周鉄心１４は、回転子１０の回転軸を中心とした略同一円周上に配設されている。また、外周鉄心１４は、永久磁石１３に接着剤により固定されている。外周鉄心１４の外径側の形状は円弧形状であり、その半径は最外位置と回転子１０の中心を結ぶ距離よりも小さい。そのため、外周鉄心１４と固定子（図示せず）との距離（エアギャップ）は外周鉄心１４の中央部よりも両端部の方が長い。外部鉄心１４の円弧形状が回転子の中心径よりも曲率を小さくすることにより、回転電機としてのトルクリップルを低減し、騒音を小さくすることができる。また、この場合、永久磁石１３は直方体形状とすることができるので磁石の製造コストを低くすることができる。

また、本実施の形態では、永久磁石１３の間の回転子鉄心１２には径方向に溝部１５が施されており、その溝部１５の入り口の幅は各永久磁石１３の間の幅と略等しい。このように、回転子鉄心１２に径方向の溝部１５が施されていることにより、回転子鉄心１２に発生する磁束の方向が溝部１５と同じ方向を向く。すなわち、永久磁石１３の接合面である円周方向面と垂直な方向を向く。これは、永久磁石１３が作る磁束の方向と一致するので、固定子からの磁束が永久磁石と同じ向きに通過し、永久磁石を減磁しにくくすることができる。

外部鉄心１４は、固定子が発生する磁束の影響を受けて、渦電流が発生しやすく、鉄損となりモータ効率を悪化させることになる。そこで、外部鉄心１４を積層体とすることで、渦電流を抑制しモータ効率の悪化を防止できる。また、外部鉄心１４を絶縁層を有する粉体鉄心、例えば樹脂コーティングした鉄粉からなる粉体鉄心とすることで同様の効果を得ることができる。この場合、粉体鉄心と永久磁石を焼結により固定することができる。その結果、永久磁石と外周鉄心を固定するのに別部材を使用しなくて済み安価でかつ高性能なロータを得ることができる。

固定子は、図示していないが、固定子鉄心、磁極ティース、固定子コイル等から構成されている。磁極ティースは、固定子鉄心に所定間隔ごとに径方向に配設され、回転子１０に対して所定の距離（エアギャップ）を介して対向している。磁極ティースには固定子コイルが巻回されており、固定子コイルは電流が供給されると回転磁界を発生する。固定子コイルが発生した回転磁界と、永久磁石１３が発生する界磁磁束との相互作用により、回転子１０に回転力が付与される。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２による回転電機の回転子を示す平面図である。本実施の形態による回転子１０は、実施の形態１と同様に、回転軸（図示せず）が接続される開口部１１を有する円筒状の回転子鉄心１２と、回転子鉄心１２の外周面に一定間隔ごとに配設された複数の永久磁石１３と、永久磁石１３の外周面に配設された外周鉄心１４を備え、永久磁石１３の間の回転子鉄心１２には径方向の溝部１５が設けられている。さらに、本実施の形態では、外周鉄心１４の外周面に接するようにリング部材１６が設けられている。このリング部材１６は、非磁性体で構成され、外周鉄心１４と永久磁石１３とを回転子鉄心１２に向けて締め付けて固定する。これにより、外周鉄心１４及び永久磁石１３が回転子鉄心１２から回転時に離脱することを防止する。また、リング状部材１６が非磁性体で構成されているので、永久磁石１３が発生する磁束の円周方向への漏れを防止することができる。

実施の形態３．
図４及び図５はこの発明の実施の形態３による回転電機の回転子を示す平面図であり、図４はくさび状部材を設置する前の状態を示し、図５はくさび状部材を設置した後の状態を示している。

本実施の形態の回転子は、実施の形態１と同様に、回転軸（図示せず）が接続される開口部１１を有する円筒状の回転子鉄心１２と、回転子鉄心１２の外周面に一定間隔ごとに配設された複数の永久磁石１３と、永久磁石１３の外周面に配設された外周鉄心１４を備え、永久磁石１３の間の回転子鉄心１２に径方向の溝部２０が設けられている。

本実施の形態では、溝部２０の形状を内周側が外周側よりも周方向に大きくなるように構成する。そして、溝部２０が形成する空間と、外周鉄心１４の両端部のエアギャップが広くなった部分とを挟むようなくさび状部材２５を設置する。このくさび状部材２５は、樹脂やステンレス等の非磁性材料で構成する。

以上のように、本実施の形態によれば、溝部２０の形状を内周側が外周側よりも周方向に大きくなるように構成するとともに、溝部２０が形成する空間と外周鉄心１４の両端部のエアギャップが広くなった部分とを挟むようなくさび状部材２５を設置したので、回転時の遠心力に対しても、外周鉄心１４や永久磁石１３を径方向に簡単に抜けないように固定することができる。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４による回転電機の回転子を示す拡大断面図である。

本実施の形態では、実施の形態３と同様に、溝部３０の形状を内周側が外周側よりも周方向に大きくなるように構成する。そして、溝部３０が形成する空間と、外周鉄心１４の両端部のエアギャップが広くなった部分とを挟むようなくさび状部材４０を設置する。

くさび状部材４０は、図６に示すように薄板形状とし、その間にさらに弾性体４５を挿入することにより、永久磁石１３や外周鉄心１４の径方向寸法がばらついたとしても、それらのバラツキを吸収して、安定して固定することができる。また、くさび状部材４０を非磁性の金属とすることで強度を高くすることができる。なおこの場合には、渦電流が発生しモータ効率を低下させるという問題があるが、軸方向に溝部または切れ目５０を設けることにより、渦電流を抑制しモータ効率の悪化を防止できる。

なお、くさび状部材の最外径の位置を、外周鉄心の最外径の位置と略同じまたは内側にすることにより、くさび状部材が回転電機に与える磁気的影響を最小限に抑えることができる。

この発明の実施の形態１による回転電機の回転子を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１による回転電機の回転子を示す平面図である。 この発明の実施の形態２による回転電機の回転子を示す平面図である。 この発明の実施の形態３による回転電機の回転子を示す平面図である。 この発明の実施の形態３による回転電機の回転子を示す平面図である。 この発明の実施の形態４による回転電機の回転子を示す部分拡大図である。

符号の説明

１０ 回転子、１２ 回転子鉄心、１３ 永久磁石、１４ 外周鉄心、
１５，２０，３０ 溝部、１６ リング状部材、２５，４０ くさび状部材、
４５ 弾性部材、５０ 溝部または切れ目。

Claims (4)

1. 回転子鉄心と、上記回転子鉄心の外周面に周方向に一定間隔ごとに配設された複数の永久磁石と、それぞれの上記永久磁石の外周面に配設された外周鉄心とを備えた回転電機の回転子において、
   上記永久磁石及び上記外周鉄心を一組とし、周方向に隣り合う上記組の間には、上記回転子軸方向に直交する断面上で外周側に広がるテーパ形状の開口部が、上記回転子軸方向に延在して形成され、
   上記回転子鉄心の上記開口部位置に対応した周方向位置に、上記開口部に連通し、上記回転子鉄心内の径方向に形成された、上記テーパ形状の開口部の最小開口寸法よりも周方向開口幅の大きな部分を有する溝部を有し、
   上記外周鉄心の周方向上端部から、上記開口部の周方向内壁面及び上記溝部の周方向内壁面に沿って延在する薄板部材と、
   上記開口部を介して対向して配置された上記薄板部材の間に、上記回転子内径方向に圧入されて、上記薄板部材が内径方向に引き込まれることにより、上記永久磁石及び上記外周鉄心が、回転子鉄心に押圧されて固定される弾性部材とを備えたことを特徴とする回転電機の回転子。
2. 上記弾性部材は上記開口部に備えたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 上記薄板部材は非磁性金属であって、回転子鉄心軸方向に、上記薄板部材を分割する溝部または切れ目が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機の回転子。
4. 固定子と、上記固定子から受ける磁気的相互作用により回転する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の回転子とを備えた回転電機。

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