JP5215486B1 - 永久磁石同期電動機の回転子、電動機および工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】同極磁石スロット間鉄心部の外縁部で且つ磁石スロット底辺近傍の応力を抑える。
【解決手段】埋込磁石型の電動機の回転子（１０）の各々の磁極は、同極の２列の磁石（Ｍ１、Ｍ２）で構成され、該２列の磁石が配置される磁石スロット（３１、３２）の間には同極磁石スロット間鉄心部（１２）が配置されており、磁石スロットを構成する辺のうち径方向内側にある辺（３１ａ、３１ｂ）と同極磁石スロット間鉄心部の外縁部とが繋がる部分は、径方向内側にある辺から始まり同極磁石スロット間鉄心部の外縁部に向かうに従って、曲率の小さな曲線から曲率の大きな曲線に接続される湾曲部分（４１、４２）を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、埋込磁石型の永久磁石同期回転電動機の回転子に関する。

さらに、本発明は、そのような回転子を搭載した電動機、およびそのような電動機を搭載した工作機械にも関する。

埋込磁石型の同期電動機が広範に使用されている。そのような電動機は、例えば工作機械の主軸に直接組み込まれて主軸をダイレクトドライブする、ビルトインモータであり、比較的大きい内径および高速回転が要求される。

ビルトインモータの回転子は、一般に、焼嵌めなどの手法で、主軸の外径に固定される。従って、ビルトインモータの回転子の内径は、主軸の外径と略同じ程度であることが要求される。

ところで、工作機械の主軸には、加工されるべき被加工物の寸法精度および表面粗さ等に応じてマイクロメートルオーダの加工精度が要求される。例えば主軸の剛性が低い場合には主軸が振動し、その結果、被加工物の仕上がり寸法の精度や表面の粗さ、美しさに影響を及ぼす。このことは、主軸性能が低いということに繋がる。

主軸の剛性は、例えば主軸の直径に応じて定まる。一般に主軸は、その直径が大きいほど断面二次モーメントが大きくなり、その結果、主軸の剛性は高まる。このため、主軸の直径は、主軸の最高回転数が許す範囲で大きいのが好ましい。

前述したように、ビルトインモータの回転子は焼嵌めなどの手法によって主軸に直接組付けられている。従って、ビルトインモータの回転子にも、主軸の直径に対応した比較的大きい内径が要求される。

ここで、ビルトインモータの回転子としての中空の円筒を、その中心軸線回りに回転させることを考える。外径が同一の円筒の場合、内径が大きい円筒ほど円筒に発生する応力は大きくなる。そして、回転子が耐え得る最高回転数は、そのような応力の上昇に伴って低下する。埋込磁石型の同期電動機の回転子の場合も同様であり、内径が大きくなるほど各部に発生する最大応力は大きくなり、回転可能な最高回転数は低下することとなる。

従って、前述したように、埋込磁石型の同期電動機、特に工作機械の主軸に組込まれるビルトインモータ形式の電動機の回転子には、高速回転と大内径との両立が求められる。ところが、前述したように、大内径化すると、回転時に発生する応力が増大するので、回転可能な最高回転数を低下させる必要がある。つまり、高速回転化と大内径化とは、もともと、相反する技術要素である。

図１７は従来技術における埋込磁石型同期電動機の、代表的な磁石スロット形状を表す横断方向断面図である。図１７においては、鉄心１１０に、八つの磁石Ｍからなる八極が周方向に配置されている。図１７に示されるように、磁石Ｍは、ＮＳＮＳ・・・と交互に磁極が現れるように周方向に配置される。図１７においては、各極は、軸方向１列の磁石で構成されている。

また、図１８は図１７に示される電動機の１極を拡大して示す部分拡大図である。図１８に示されるように、一般的には、一つの磁極に対応する磁石スロット３００は一つである。そして、それぞれの磁極に対応する磁石Ｍは軸方向磁極が同じ向きに一列、即ち一つの磁石スロット３００内に配置されている。

しかしながら、回転数が上がるにつれて、遠心力も高まり、磁石Ｍの両端における鉄心部分に対する強度的な負担が増加する。そして、回転により生じた応力が鉄心の許容値を超えると、鉄心１１０が破損する。このため、最高回転数を上げるには限界がある。

このことを避けるために、同極内の磁石スロットを複数に分割し、分割された磁石スロットの間の領域に鉄心を配置することが行われている。図１９は従来技術における埋込磁石型同期電動機の、代表的な磁石スロット形状を表す他の断面図である。図１９においては、分割された磁石スロット３１０、３２０に配置された二つの磁石Ｍ１、Ｍ２が一つの極を構成している。そして、磁石Ｍ１、Ｍ２がそれぞれ配置される磁石スロット３１０、３２０の間に鉄心部１２０が設けられている。この鉄心部１２０によって、図１９においては、遠心力に対する強度を高められる。それゆえ、最高回転数がそれほど高くなくて、回転子の内径を大きくする必要がなくて、応力集中の程度が小さい場合には、図１９に示される鉄心部１２０を設ければ十分である。

しかしながら、この形状では、さらなる高速化や、さらなる大内径化が必要になった場合に、鉄心部１２０の径方向内側周辺と、磁石Ｍ１、Ｍ２の端部周辺の鉄心１１０とにおける応力はさらに大きくなり、早々に限界に達する。

このような問題を解消するために、例えば特許文献１には、高速回転時の応力抑制を意識した埋込磁石型の永久磁石同期電動機の回転子の磁石スロットの形状が開示されている。特許文献１においては、同極磁石間の径方向に伸びる鉄心部（＝以降、同極磁石スロット間鉄心部、と呼称する）とその近傍の形状について開示されている。特許文献１においては、この鉄心部により、応力集中を抑制して、最高回転数を高められる。

電動機が回転する際、磁石に対して径方向外側に位置する外側鉄心部分には、磁石の質量と該外側鉄心部分自体の質量とによって生じる遠心力によって荷重が発生する。そして、そのような荷重の大きさは回転数と共に増大する。

特許文献１に開示されたスロット形状では、同極磁石スロット間鉄心部が、遠心力により発生する径方向の荷重を分担する。従って、磁石両端外周部に発生する応力を低減させることができ、その結果、回転数を高めることが可能である。つまり、特許文献１に開示される手法は、回転数の高い電動機にとっては、一定の効果がある。

特開２００２−２８１７００号公報

前述したように、より大きな内径の回転子が要求されると共に、高速回転が要求される場合がある。

回転子の構造的強度を考える場合、磁石スロットよりも径方向内側にある鉄心部分は、強度を支えている重要な部分である。即ち、磁石と、磁石スロットよりも径方向外側にある鉄心部分とによる遠心力は、磁石スロットよりも径方向内側にある鉄心部分に荷重としてかかる。

内径が大きいということは、径方向内側にある鉄心部分の、径方向の厚みが小さいことを意味する。言い換えれば、遠心力が最終的に作用する構造体（＝径方向内側にある鉄心部分）の断面積が小さい。従って、径方向内側にある鉄心部分の応力は特に高くなる。

前述したように、回転子の内径を大きくすると、遠心力による応力を支えている構造体の肉厚が低下する。特に、磁石スロットよりも径方向内側にある鉄心部分近傍であって、同極磁石スロット間鉄心部近傍においては、鉄心の径方向の厚みがさらに小さくなる。従って、そのような部分においては、回転による遠心力からの荷重を支える断面積が最も小さいことになる。それゆえ、内径を大きくするほど、この部分には応力の影響が顕著に現れることとなる。

このため、特許文献１に開示される形状は、大きい内径が要求される場合には不利である。特に同極磁石スロット間鉄心部の外縁部と、径方向内側における磁石スロットの辺とが繋がるコーナの近傍においては、鉄心の内周面からの径方向の距離が最も小さくなる。そのような部分では、内径を大きくすると、応力が増大し易い。特許文献１に開示された形状は、以下の理由により最高回転数を上げるには不十分である。

特許文献１において、同極磁石スロット間鉄心部は、径方向例えば内周側から外周側に進む場合、内周側から外周側に向かって、その幅が変化している。

すなわち、同極磁石スロット間鉄心部の或る幅は狭く、他の幅は広い。同極磁石スロット間鉄心部の幅狭部分は、鉄心部を通ってトルク発生に寄与せずにループを閉じてしまう磁束、即ち漏れ磁束を抑える。これに対し、同極磁石スロット間鉄心部の幅広部分には磁石が突き当たっているので、磁石の回転方向の位置が定まり、磁石が回転時に動かないようになる。

特許文献１においては、このような幅狭部分と幅広部分とが、同極磁石スロット間鉄心部において径方向に交互に設けられている。

例えば特許文献１の一つの実施例では、同極磁石スロット間鉄心部の径方向において、径方向内側から外側に向かって第一の幅狭部分と、幅広部分と、第二の幅狭部分とが順番に配置されている。

また、幅狭部分と幅広部分との間には、応力を緩和する目的で、円弧部分を設ける必要がある。一般に、このような円弧部分は、その半径が大きいほど応力緩和の効果が大きい。ところで、従来技術においては、同極磁石スロット間鉄心部に凹凸を設けるため、幅狭部分と幅広部分とを繋ぐ各々の箇所に円弧部分を設ける必要がある。従って、概ね磁石厚さに対応する寸法内に、多数の円弧部分を設ける必要がある。それ故、それぞれ円弧の半径には限界があり、磁石の厚さによっては、応力を緩和するのに十分な大きさの円弧部分を設けることが出来ない場合がある。

目標とする最高回転数が高くなるほど、発生する応力も大きくなり、それを緩和する円弧部分の半径もより大きくする必要がある。この点に関し、特許文献１においては、確保可能な円弧の最大径は磁石厚さに応じて定まる。そして、その制約のもとで、確保可能な最大径の円弧によって生じる最大応力によって、回転子の最高回転数の上限が決まることになる。

また、特許文献１には、同極磁石スロット間鉄心部の外縁部に設ける円弧は、回転軸寄りと、外周寄りとで概ね等しい寸法である。しかしながら、内径が大きい回転子の場合には、前述したように磁石スロットの回転軸側にある鉄心部にかかる力の負担が特に大きくなるので、回転軸側鉄心部は全般に応力が高くなる傾向がある。このため、わずかな形状変化であっても応力集中が起き易くなる。それゆえ、同極磁石スロット間鉄心部の外縁部に設ける円弧の寸法よりも回転軸側鉄心部寄りの円弧の寸法を大きくすること等により、応力集中に対して配慮する必要がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、同極磁石スロット間鉄心部の外縁部において磁石スロット底辺近傍での応力を抑えることにより、安定してさらに高速回転可能な回転子、そのような回転子を搭載した電動機、およびそのような電動機を搭載した工作機械を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、埋込磁石型の電動機の回転子において、該回転子の各々の磁極は、同極の２列の磁石で構成され、該２列の磁石が配置される磁石スロットの間には同極磁石スロット間鉄心部が配置されており、前記磁石スロットを構成する辺のうち径方向内側にある辺と同極磁石スロット間鉄心部の外縁部とが繋がる部分は、前記径方向内側にある辺から始まり前記同極磁石スロット間鉄心部の外縁部に向かうに従って、曲率の小さな曲線から曲率の大きな曲線に接続される湾曲部分を有することを特徴とする、埋込磁石型の電動機の回転子が提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記湾曲部分は、複数の連続する円弧から構成され、前記径方向内側にある辺から始まり前記同極磁石スロット間鉄心部の外縁部に向かうに従って、前記複数の円弧の半径が小さくなるようにした。
３番目の発明によれば、１番目の発明において、前記湾曲部分は、複数の円弧または曲線と少なくとも一つの直線とから構成され、前記径方向内側にある辺から始まり前記同極磁石スロット間鉄心部の外縁部に向かうに従って、複数の円弧または曲線の曲率が大きくなるようにした。
４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、前記磁石スロットを構成する辺のうち径方向外側にある辺は、前記径方向内側にある辺に向かって延びる凸部または段部を含んでおり、前記径方向内側にある辺には前記同極磁石スロット間鉄心部に向かって延びる湾曲部分が形成されており、前記径方向外側にある辺は、前記湾曲部分と前記径方向内側にある辺との間の接続点に対応した位置において前記凸部または段部を含んでいる。
５番目の発明によれば、１番目から４番目のいずれかの発明の回転子を搭載した、電動機が提供される。
６番目の発明によれば、５番目の発明の電動機を搭載した、工作機械が提供される。

１番目から３番目の発明においては、径方向内側にある辺近傍においては曲率半径が比較的大きい曲線または円弧が位置することになる。従って、同極磁石スロット間鉄心部の外縁部において磁石スロット底辺近傍での応力を抑えることができる。その結果、従来よりもさらなる高速化が可能となり、大内径化を同時に達成した、埋込磁石型の同期電動機の回転子を得ることができる。
４番目の発明においては、凸部または段部に磁石スロット内の磁石を突き当てることにより、磁石を確実に位置決めできる。回転子の内径を大きくした場合であっても、径方向外側にある磁石スロットの辺近傍における応力変化は、径方向内側にある磁石スロットの辺近傍における応力変化よりも小さい。従って、凸部または段部を径方向外側にある辺に設けても、凸部または段部の近傍には応力集中は生じない。従って、磁石を安定して位置決めできる。
５番目、６番目の発明においては、このような回転子を搭載した電動機を工作機械の主軸に適用する。これにより、主軸の直径を細くすることなく、即ち主軸の剛性を低下させることなしに、工作機械の主軸をより高速で回転させられる。従って、より高速回転が可能で、加工精度の高い工作機械を提供できる。

本発明に基づく回転子の鉄心の部分破断斜視図である。 本発明の実施形態に係る回転子の鉄心の横断方向断面図である。 図１の回転子を拡大して示す部分拡大図である。 （ａ）同極磁石スロット間鉄心部を拡大して示す拡大図である。（ｂ）同極磁石スロット間鉄心部を拡大して示す他の拡大図である。 本発明の第一の実施例を示す図４と同様な図である。 本発明の第二の実施例を示す図４と同様な図である。 本発明の第三の実施例を示す図４と同様な図である。 本発明の第四の実施例を示す図４と同様な図である。 凸部近傍の寸法を示す図である。 本発明の他の実施例を示す図４と同様な図である。 本発明のさらに他の実施例を示す図４と同様な図である。 従来技術の形状における応力分布を示す有限要素解析結果を示す図である。 本発明の形状における応力分布を示す有限要素解析結果を示す図である。 図１２の解析に用いた形状の寸法図である。 （ａ）他の実施形態において同極磁石スロット間鉄心部を拡大して示す拡大図である。（ｂ）他の実施形態において同極磁石スロット間鉄心部を拡大して示す他の拡大図である。 （ａ）図４（a）の形状における磁界分布を示す有限要素法解析結果を示す図である。（ｂ）図１６（ａ）に示される結果の磁石部分のみ抽出した解析結果である。（ｃ）図１５（a）の形状における磁界分布を示す有限要素法解析結果を示す図である。（ｄ）図１６（ｃ）に示される結果の磁石部分のみ抽出した解析結果である。 従来技術における埋込磁石型同期電動機の、代表的な磁石スロット形状を表す横断方向断面図である。 図１７に示される電動機の１極を拡大して示す部分拡大図である。 従来技術における埋込磁石型同期電動機の、代表的な磁石スロット形状を表す他の断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明に基づく回転子の鉄心の部分破断斜視図であり、図２は本発明の実施形態に係る回転子の鉄心の横断方向断面図である。これら図面に示されるように、本発明に基づく電動機の回転子１０は、鉄心１１と、鉄心１１内に整列された複数の永久磁石Ｍ１、Ｍ２…から主に構成されている。磁石Ｍ１、Ｍ２の断面は細長長方形である。なお、図１においては、本発明の実施形態に係る部分についての図示を省略している。

図１に示される回転子１０の極数は八であり、一つの極は、同極に並んだ２列の磁石Ｍ１、Ｍ２を含んでいる。鉄心１１は、電磁鋼板の積層体で構成されており、積層された電磁鋼板は、接着やカシメ、溶接、軸方向に締め付けるタイボルト等の手法によって一体化されている。図１および図２から分かるように、回転子１０の内径は、電動機の要求によりその外径に対して比較的大きい。

図３は、図２の回転子を拡大して示す部分拡大図である。図３に示されるように、磁石Ｍ１、Ｍ２は対応する形状の磁石スロット３１、３２内にそれぞれ配置されている。これら磁石Ｍ１、Ｍ２は、接着剤等により磁石スロット３１、３２内に固定される。図１を再び参照して分かるように、一つの磁石スロットには軸方向に三つの磁石が配置されている。以下、同極内における磁石スロット３１、３２をまとめて「同極磁石スロット３０」と呼ぶ場合がある。

図３に示されるように、磁石スロット３１、３２の間には、鉄心部１２が配置されている。この鉄心部１２は、回転子１０が回転する際に、磁石Ｍ１、Ｍ２よりも径方向外側にある外側鉄心部分１１ｂにかかる遠心力を支え、構造的強度の観点で回転子１０の高速化に寄与する。同極磁石スロット３０間に通っていて、二つ磁石Ｍ１、Ｍ２を隔てる鉄心部１２を、以下、「同極磁石スロット間鉄心部１２」と呼ぶ場合がある。

さらに、回転方向は、図３に従い横方向と呼称し、また径方向は、磁石の厚さ方向と呼称する。また、図３における磁石の横方向の長さを磁石の幅と呼称し、磁石の径方向の長さを、磁石の厚さと呼称する。

図４（ａ）は同極磁石スロット間鉄心部を拡大して示す拡大図である。図４（ａ）に示されるように、磁石スロット３１、３２の辺（長辺）のうち、磁石厚さ方向で回転軸側の辺を磁石スロットの底辺３１ａ、３２ａ（径方向内側にある辺）と呼称する。そして、磁石スロット３１、３２の辺のうち、磁石厚さ方向で回転子の外周側の辺を磁石スロットの上辺３１ｂ、３２ｂ（径方向外側にある辺）と呼称する。また、内側鉄心部分１１ａに続く同極磁石スロット間鉄心部１２の根元部分を同極磁石スロット間鉄心部１２の内側根元１２ａと呼称し、外側鉄心部分１１ｂに続く根元部分を同極磁石スロット間鉄心部１２の外側根元１２ｂと呼称する。

再び図３を参照すると、磁石Ｍ１、Ｍ２の横方向両側には空間がある。異極間鉄心部１３の空間は、磁束の漏れを抑えるために形成されている。異極間鉄心部１３の空間は、磁気回路的な特性と、回転時の構造的な強度とのバランスを考慮して、設計される。

電動機の最高回転数を決める要因の一つが回転子１０の構造的な強度である。通常は、異極間鉄心部１３の近傍、或いは同極磁石スロット間鉄心部１２の近傍に最大応力が発生し、最大応力の値が電動機の回転数の上限を抑えることになる。

本願明細書においては、これらのうち特に、同極磁石スロット間鉄心部１２近傍についての応力を緩和することを目的としている。このため、異極間鉄心部１３近傍の応力については、構造的に十分小さくなるように設計してあるものとする。

図４（ａ）を再び参照すると、磁石スロット３１、３２は、磁石スロット３１、３２の底辺３１ａ、３２ａから同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部まで延びる湾曲部分４１、４２をそれぞれ含んでいる。これら湾曲部分４１、４２は互いに左右対称の形状であるので、以下においては、簡潔にする目的で、湾曲部分４１およびその関連部分についてのみ説明する。

図４（ａ）においては、湾曲部分４１は、底辺３１ａ近傍（接続点４１ａ）においてはその曲率が小さく（曲率半径が大きく）、同極磁石スロット間鉄心部１２近傍（接続点４１ｂ）においてはその曲率が大きく（曲率半径が小さく）なるように形成されている。

図５から図８は本発明の実施例をそれぞれ示す図である。これら図面に於いて、各部の直線、曲線、および半径の異なる各円弧は互いに滑らかに繋がっていることが好ましく、特に、互いに接する関係になっていることが好ましい。本願明細書において「互いに接する」とは、接続点における接線が、両者の共通接線になっているということを意味する。また、図５から図８においては簡潔にする目的で、磁石Ｍ１、Ｍ２の図示を省略している。

従って、例えば、半径の異なる円弧同士が繋がる場合、両者は互いに接する関係が好ましく、即ち接続点での接線は両者の共通接線であることが好ましい。その結果、二つの円弧の中心は、何れも、該共通接線に対して垂直で且つ該接続点を通る直線上に存在することになる。さらに言い換えると、接続点と一方の円弧の中心とを結ぶ直線上に、他方の円弧の中心も存在する関係になることになる。

また、直線および円弧の場合は、接続点での円弧の半径が該直線と直交するという関係が好ましい。

また、楕円の一部などその他一般的な曲線と円弧とが繋がる場合も、両者の接点に於ける接線が同一であることが好ましい。

また、直線と楕円の一部などその他一般的な曲線とが繋がる場合には、当該直線が、その接点に於ける、該曲線に対する接線そのものになっていることが好ましい。

図５は本発明の第一の実施例を示す図である。図５においては、大きさの異なる二つの円弧が湾曲部分４１を形成している。二つの円弧から湾曲部分４１を形成した場合には、湾曲部分４１の形状がシンプルになり、前述した効果も大きく、実用性が高くなる。また、特に好ましい接続状態として、二つの円弧同士、円弧と磁石スロット３１の底辺３１ａ、円弧と同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部とは、互いに接する関係になっている。

図５から分かるように、磁石スロット３１の底辺３１ａは、Ｒ２．８（半径２．８ｍｍ、以下同様）の第一円弧の接線になっている。次いでＲ２．８の第一円弧は、Ｒ０．８の第二円弧と接している。即ち、第一円弧および第二円弧の接続点を通るＲ２．８の半径線上に、Ｒ０．８の第二円弧の中心が存在している。また、図５においては、Ｒ０．８の第二円弧に接続する同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部は直線であり、この直線はＲ０．８の第二円弧の接線になっている。

図６は本発明の第二の実施例を示す図である。図６においては、同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部が曲線である。磁石スロット３１の底辺３１ａにＲ２．８の第一円弧が接し、次いでこの第一円弧にＲ０．８の第二円弧が接し、さらに第二円弧にＲ５の円弧が接し、この円弧が同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部を形成している。

図７は本発明の第三の実施例を示す図である。図７においては、底辺３１ａから同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部まで曲率が順に増大していく他の湾曲部分４１が示されている。図７に示される湾曲部分４１は、長軸が３．２ｍｍ、短軸が１．８ｍｍの楕円の１／４部分に対応している。図７から分かるように、磁石スロット３１の底辺３１ａと、同極磁石スロット間鉄心部１２の直線状の外縁部とは、この楕円の１／４部分の接線になっている。

図７に示される実施例の曲率の変化を接線の傾きで見ていくと、磁石スロット３１の底辺３１ａに対する接続点では接線の傾きは０°である。次いで、同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部に向かうに従い、接線の傾きは単調に増加する。そして、同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部に対する接続点では接線の傾きは、９０°である。

なお、図７に示される実施例では、同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部における接線の傾きは、９０°であるが、９０°以外の角度であってもよい。また、同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部が直線でない場合であっても、本発明の範囲に含まれるものとする。

図８は、本発明の第四の実施例を示す図である。図８においては、湾曲部分４１は、磁石スロット３１の底辺３１ａに接するＲ３の第一円弧と、同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部に接するＲ０．６の第二円弧と、これら第一円弧および第二円弧の共通接線をなす直線部分４５とを含んでいる。

ところで、従来技術においては、磁石Ｍ１、Ｍ２は同極磁石スロット間鉄心部１２０に直接突き当たるか、或いは、図１４に示されるように、同極磁石スロット間鉄心部１２０に設けられた磁石位置決め突起５１０，５２０によって位置決めされていた。

ところが、本発明においては、磁石スロット３１、３２の底辺３１ａ、３２ａの壁面は、同極磁石スロット間鉄心部１２に向かって、非常に緩い湾曲部分４１、４２を形成している。回転子１０の製造時に磁石Ｍ１、Ｍ２を磁石スロット３１、３２にそれぞれ挿入する場合には、磁石Ｍ１、Ｍ２が非常に緩い湾曲部分４１、４２に乗上げ、磁石Ｍ１、Ｍ２がわずかながら底辺３１ａ、３２ａから浮く可能性がある。そのような状況は回転子１０の性能上、好ましいものではない。言い換えれば、湾曲部分４１、４２の部分を、磁石Ｍ１、Ｍ２を位置決めするために使用するのは適切でない。また、回転子１０の性能上、磁石Ｍ１、Ｍ２は適切な精度でもって位置決めされる必要がある。このため、磁石Ｍ１、Ｍ２を位置決めするための特別の形状を配設する必要がある。

図４（ａ）等を再び参照して分かるように、本発明においては、磁石スロット３１、３２の上辺３１ｂ、３２ｂに、底辺３１ａ、３２ａに向かって延びる凸部５１、５２がそれぞれ形成されている。これら凸部５１、５２は湾曲部分４１の接続点４１ａに対応した位置において上辺３１ｂ、３２ｂに配置されている。凸部５１、５２は磁石Ｍ１、Ｍ２を位置決めするのに使用される。なお、図４において、磁石スロット３１、３２と磁石Ｍ１、Ｍ２との間の隙間は作業上必要な最小限の隙間であり、通常０．０１ｍｍ程度乃至０．３ｍｍ程度の範囲である。この隙間は、磁気特性上、小さいほど好ましい。

位置決め用の凸部５１０，５２０が同極磁石スロット間鉄心部１２に設けられる従来技術の場合（図示しない）には、凸部５１０，５２０近傍で、応力の緩和が妨げられる。これに対し、図４（ａ）等に示されるように、凸部５１、５２を磁石スロット３１、３２の上辺３１ｂ、３２ｂに設ける場合には、凸部５１、５２に磁石スロット３１、３２内の磁石Ｍ１、Ｍ２をそれぞれ突き当てることにより、磁石を確実に位置決めできる。回転子の内径を大きくした場合であっても、径方向外側にある磁石スロット３１、３２の上辺３１ｂ、３２ｂ近傍における応力変化は、径方向内側にある磁石スロット３１、３２の底辺３１ａ、３２ａ近傍における応力変化よりも小さい。従って、凸部５１、５２を径方向外側にある上辺３１ｂ、３２ｂに設けても、凸部５１、５２の近傍には応力集中は生じない。従って、本発明では、磁石Ｍ１、Ｍ２を安定して位置決めできる。

図４（ａ）等において凸部５１、５２と上辺３１ｂ、３２ｂとの間の領域のコーナＲは、磁石Ｍ１、Ｍ２の角部に対応するか、またはより小さいのが望ましい。凸部近傍の寸法を示す図である図９においては、Ｒ０．３の円弧が上辺３１ｂと凸部５１との間に示されている。

また、図４（ａ）等においては、凸部５１、５２の根元および凸部５１、５２と同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部との間の接続部も、異なる寸法の互いに接する複数の円弧を含むのが好ましい。図９においては、凸部５１、５２から同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部に向かって順番に、Ｒ０．２の第一円弧、Ｒ０．８の第二円弧、Ｒ０．４の第三円弧が示されている。無用な応力集中を避ける為、凸部５１、５２と同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部との間は、互いに接する幾何関係で接続されることが望ましい。但し、この部分の応力は内側鉄心部分１１ａの応力よりも小さいので、とり得る形状の自由度は大きいことに留意されたい。

図４（ｂ）は同極磁石スロット間鉄心部を拡大して示す他の拡大図である。図４（ｂ）においては、磁石スロット３１、３２の上辺３１ｂ、３２ｂに、底辺３１ａ、３２ａに向かって延びる段部５３、５４がそれぞれ形成されている。これら段部５３、５４は湾曲部分４１の接続点４１ａに対応した位置において上辺３１ｂ、３２ｂに配置されている。図４（ｂ）から分かるように、磁石Ｍ１、Ｍ２の端部はこれら段部５３、５４にそれぞれ突き当たっており、段部５３、５４は磁石Ｍ１、Ｍ２を位置決めするのに使用される。

図１０は本発明の他の実施例を示す図である。図１０は図７の変更例であり、同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部が直線ではなく、Ｒ４の円弧になっている。図１０から分かるように、このＲ４の円弧は、前述した楕円との接続点において楕円に接する外接円の一部をなしている。楕円は、磁石スロット３１の底辺３１ａに接し、同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部に向かうにつれて、その曲率が増加している。図示される楕円は、長軸３．２ｍｍ、短軸１．８ｍｍである。

図１１は本発明のさらに他の実施例を示す図である。図１１は図７の変形例であり、同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部が直線ではなく、Ｒ４の円弧になっている。このＲ４の円弧は、楕円の長軸の最大径部分で該楕円と交差している。前述したように楕円は、磁石スロット３１の底辺３１ａに接し、同極磁石スロット間鉄心部１２に向かうにつれて、その曲率が増加している。図示される楕円は、長軸２．８ｍｍ、短軸１．８ｍｍである。図１１においてはそのような楕円の１／４部分のみが示されている。

図１１に示される実施例においては、応力集中の起き易い磁石スロット３１の底辺３１ａ側の接続部分で、磁石スロット３１の底辺３１ａと楕円とが「接する」関係になっている。これに対し、同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部と楕円とは、応力に幾分余裕があるため、「接する」関係になっていない。図１１に示される実施例のように、同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部と湾曲部分４１とを交点を残して接続してもよい。

次いで、これらの実施例について有限要素解析を用い、その効果を比較する。図１２は従来技術の形状における応力分布を示す有限要素解析結果を示す図である。その形状の寸法については図１４に示す。また、図１３は本発明の形状における応力分布を示す有限要素解析結果を示す図である。図１３に示される形状の寸法は図５に示される通りである。これら図１２および図１３においては、色が濃い部分ほど、応力が大きいことを表している。また、解析条件については表１に示す。

図１２においては、下側が回転軸側である。図１２から分かるように、同極磁石スロット間鉄心部の外縁部においては、特に回転軸側の、磁石スロット３１０、３２０の底辺に接続する近傍で、応力が高くなっている。前述したように、この傾向は鉄心の内径が大きくなるほど顕著である。特に、図１２において曲率半径の小さい磁石スロットの底辺近傍では、その応力値はより急激に大きくなる。つまり、図１２の解析結果から、先行技術例の形状では、応力が集中する箇所の円弧の半径が小さく、応力集中が十分に抑制されていないことが分かる。その結果、狭い範囲に応力が集中し、応力値が高くなっている。

図１３においては、同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部と磁石スロット３１、３２の底辺３１ａ、３１ｂとの間の湾曲部分４１、４２において応力が高くなっていることが分かる。特に、磁石スロット３１、３２の底辺３１ａ、３２ａから湾曲部分４１、４２に進入した直後で、応力が高くなっている。しかし、表１に示されるように、図１３に示される応力の極値は２３３ＭＰａであるのに対し、図１２に示される応力の極値は３５０ＭＰａである。つまり、本発明の形状の方が、応力をより抑える効果がある。

例えば疲労限度が３００ＭＰａの材料から鉄心を作成して図１２に示される形状の回転子を解析回転数１２０００回転／分での使用に供すると、そのうちに、鉄心が破損する可能性がある。この場合には、回転数を低下させる必要がある。これに対し、同様な材料から鉄心を作成して図１３に示される形状の回転子１０を解析回転数１２０００回転／分で回転させた場合であっても、鉄心は強度的に余裕がある。つまり、本発明の形状であれば、回転数をさらに高めることも可能である。

言い換えれば、本発明の構成によって、同極磁石スロット間鉄心部１２の外縁部において磁石スロット３１、３２の底辺３１ａ、３１ｂ近傍での応力を抑えられる。その結果、従来よりもさらなる高速化が可能となり、大内径化を同時に達成した、埋込磁石型の同期電動機の回転子１０を得ることが可能となる。

図１２および図１３の有限要素解析結果において、磁石スロットの上辺で且つ同極磁石スロット間鉄心部１２近傍における応力値は、図１２および図１３何れの形状においても小さい。このため、図１３のように、磁石スロット３１、３２の上辺３１ｂ、３２ｂに磁石位置決め用の凸部５１、５２を設けた場合であっても、特に凸部５１、５２の周辺に応力値が大きくなるような部分は見られない。またそもそも、磁石スロット３１、３２の上辺３１ｂ、３２ｂ近傍における応力値は、底辺３１ａ、３２ａ近傍における応力値よりも小さい。以上のことから、凸部５１、５２を、磁石スロット３１、３２の上辺３１ｂ、３２ｂに設けたとしても、強度的に問題となるような影響は、無いことが分かる。

言い換えれば、図１３のように、磁石スロット３１、３２の上辺３１ｂ、３２ｂに磁石位置決め用の凸部５１、５２を設けることは、磁石の確実な位置決めと、回転子１０の最高回転数の向上、とを両立させる効果があり、有利である。

図１２および図１３に示される同極内の磁石スロット同士の成す角度は概ね１８０°である。大内径が要求される回転子１０においては、この角度は１８０°が最も好ましく、少なくとも、１８０°±１０°程度であるのが、強度的に好ましい。

各々の磁石列の回転方向両側面にある非鉄心部は、非磁性であることが必要な条件であり、通常は空洞であるが、必ずしも空洞でなくてもよい。また、磁石の固定方法によっては、非鉄心部の空洞が樹脂や接着剤で満たされていても良い。

図から分かるように、本発明においては、同極磁石スロット間鉄心部１２から磁石Ｍ１、Ｍ２がわずかながら離間することになる。従って、従来技術の構造よりも磁石Ｍ１、Ｍ２の重心が僅かに互いに離間するように移動する。このため、同極磁石スロット間鉄心部１２にかかる荷重はわずかながら小さくなる。しかしながら、その影響は小さく、本発明による効果に影響するものではない。

ところで、図４（ａ）を参照すると、凸部５１、５２の縦断面は矩形であり、凸部５１、５２は磁石スロット３１、３２の上辺３１ｂ、３２ｂに、底辺３１ａ、３２ａに向かって単に延びているにすぎない。このような単純な形状では、磁束の一部が磁石Ｍ１、Ｍ２を局所的に短絡させる可能性がある。そのような場合には、局所的に大きな減磁界を生じることになる。このことを防ぐためには、磁石Ｍ１、Ｍ２の厚さを増やせばよいものの、磁石Ｍ１、Ｍ２の厚さを増やすと、高速回転させるのが困難になり、また回転子１０を大内径にするのも難しい。

このため、他の実施形態において同極磁石スロット間鉄心部を拡大して示す拡大図である図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示される構成を採用するのが好ましい。これら図面においては、凸部５１、５２の先端から凸部５１、５２の突出方向に更に部分的に突出する部分凸部６１、６２が凸部５１、５２のそれぞれに設けられている。

図１５（ａ）においては部分凸部６１、６２の縦断面は矩形であり、図１５（ｂ）においては部分凸部６１、６２の縦断面は略三角形状である。このため、図１５（ｂ）における部分凸部６１、６２は、磁石Ｍ１、Ｍ２の厚さ方向に対して傾斜する傾斜辺６３、６４をそれぞれ含んでいる。これら傾斜辺６３、６４を備える場合には、縦断面が矩形の部分凸部６１、６２を作成する場合に比較して、部分凸部６１、６２をより容易に作成できるのが分かるであろう。

図１５（ａ）および図１５（ｂ）から分かるように、これら部分凸部６１、６２は、磁石Ｍ１、Ｍ２に隣接しない凸部５１、５２の一辺に沿って延びている。このため、凸部５１、５２は磁石Ｍ１、Ｍ２に隣接しているものの、部分凸部６１、６２は、磁石Ｍ１、Ｍ２から比較的離間されている。

部分凸部６１、６２がこのような形状であるので、磁石Ｍ１、Ｍ２を局所的に短絡する磁束は低減される。このため、局所的な減磁界の大きさも緩和される。さらに、図４（ａ）および図４（ｂ）を参照して説明したように、回転子１０の高速回転と大内径化を両立することも可能となる。

次いで、これらの実施例について有限要素解析を用い、その効果を比較する。 図１６（a）は、図４（a）の形状における磁界分布を示す有限要素解析結果を示す図であり、図１６（b）は、図１６（a）に示される結果内、磁石部分のみを表したものである。同様に、図１６（c）は、図１５（a）の形状における磁界分布を示す有限要素解析結果を示す図であり、図１６（ｄ）は、図１６（ｃ）に示される結果の内、磁石部分のみを表したものである。
図１６（a）および図１６（ｃ）と、図１６（ｂ）および図１６（ｄ）とにおいては、それぞれ磁界のレンジは比較のために合わせて表示している。これらの結果は、色が濃い部分ほど減磁界が大きいことを表している。

図１６（a）では、磁石Ｍ１、Ｍ２と凸部５１、５２の底辺の交点にて、最も大きな磁界が生じている。一方、図１６（c）では、部分凸部６１、６２に最も大きな磁界が生じている。すなわち、図１６（c）では、図１６（a）に比べて、最も大きな磁界が生じている位置が、磁石Ｍ１、Ｍ２から離間する。
この結果、磁石部分を短絡する磁束が低減され、図１６（ｄ）では、図１６（ｂ）に比べて、その減磁界が低減されている。本解析では、磁石Ｍ１、Ｍ２に生じる減磁界が、図１６（ｂ）では、１０７３ｋＡ／ｍだったのに対して図１６（ｄ）では、９０８ｋＡ／ｍまで低減されている。

すなわち、図４（a）の形状に対して本実施例である図１５（a）の構成を採用すると、同一の減磁性能を実現する場合には磁石をより薄くできる。従って、さらなる高速化や大内径化を実現できる可能性があるので有利である。

また、本発明に基づく回転子１０は電動機に搭載される。そして、そのような電動機は工作機械の主軸を駆動するのに使用されるのが好ましい。この場合には、主軸の直径を細くすることなく、即ち主軸の剛性を低下させることなしに、工作機械の主軸をより高速で回転させられる。つまり、本発明の回転子１０を備えた電動機を採用することにより、より高速回転および大内径化が可能で、加工精度の高い工作機械を提供できるのが分かるであろう。

１０ 回転子
１１ 鉄心
１１ａ 内側鉄心部分
１１ｂ 外側鉄心部分
１２ 同極磁石スロット間鉄心部
１３ 異極間鉄心部
３０ 同極磁石スロット
３１、３２ 磁石スロット
３１ａ、３２ａ 底辺（径方向内側にある辺）
３１ｂ、３２ｂ 上辺（径方向外側にある辺）
４１、４２ 湾曲部分
５１、５２ 凸部
５３、５４ 段部
６１、６２ 部分凸部
６３ 傾斜辺

Claims (6)

1. 埋込磁石型の電動機の回転子において、
   該回転子の各々の磁極は、同極の２列の磁石で構成され、
   該２列の磁石が配置される磁石スロットの間には同極磁石スロット間鉄心部が配置されており、
   前記磁石スロットを構成する辺のうち径方向内側にある辺と同極磁石スロット間鉄心部の外縁部とが繋がる部分は、前記径方向内側にある辺から始まり前記同極磁石スロット間鉄心部の外縁部に向かうに従って、曲率の小さな曲線から曲率の大きな曲線に接続される湾曲部分を有することを特徴とする、埋込磁石型の電動機の回転子。
2. 前記湾曲部分は、複数の連続する円弧から構成され、前記径方向内側にある辺から始まり前記同極磁石スロット間鉄心部の外縁部に向かうに従って、前記複数の円弧の半径が小さくなるようにした請求項１に記載の電動機の回転子。
3. 前記湾曲部分は、複数の円弧または曲線と少なくとも一つの直線とから構成され、前記径方向内側にある辺から始まり前記同極磁石スロット間鉄心部の外縁部に向かうに従って、複数の円弧または曲線の曲率が大きくなるようにした請求項１に記載の電動機の回転子。
4. 前記磁石スロットを構成する辺のうち径方向外側にある辺は、前記径方向内側にある辺に向かって延びる凸部または段部を含んでおり、前記径方向内側にある辺には前記同極磁石スロット間鉄心部に向かって延びる湾曲部分が形成されており、前記径方向外側にある辺は、前記湾曲部分と前記径方向内側にある辺との間の接続点に対応した位置において前記凸部または段部を含んでいる請求項１から３のいずれか一項に記載の電動機の回転子。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の回転子を搭載した、電動機。
6. 請求項５に記載の電動機を搭載した、工作機械。