JP5240593B2

JP5240593B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5240593B2
Application number: JP2011151637A
Authority: JP
Inventors: 賢司渡邊; 俊幸山岸; 孝野見山; 尚剛吉澤
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2031-07-08
Also published as: US9281723B2; CN102868245A; EP2544336A2; US20130009505A1; JP2013021776A; BR102012016875A2; CN202759303U

Description

開示の実施形態は、回転電機に関する。

特許文献１には、回転軸を囲む環状の連結部及び連結部の外側に極数に応じた数の扇形の磁極部を一体に形成した積層鉄心と、磁極部相互間に配置された角形の永久磁石と、鉄心の磁極部と連結部とにまたがり両端に拡大部を有する打抜孔とを備え、この打抜孔に充填挿入した非磁性の補強部材を設ける技術が記載されている。

実公平７−３６４５９号公報

回転電機の回転子に設ける永久磁石として、ネオジム磁石等のレアアース磁石が広く用いられている。レアアース磁石は磁束密度が高いため、回転子の永久磁石を小さく抑えることが可能であるが、コストが高いという欠点がある。そこで、フェライト磁石等のコストの低い磁石を用いることが考えられるが、その場合にはレアアース磁石に比べて磁束密度が低いため、永久磁石の体積を大きくする必要がある。

上記従来技術の回転子では、永久磁石の相互間に漏洩磁束を減少するための打抜孔が設けられている。このため、永久磁石の半径方向寸法及び半径方向に垂直な方向の寸法が制限され、回転子の直径を大きくすることなく、永久磁石の体積を大きくすることは困難である。一方、永久磁石の体積を大きくするために打抜孔を有しない構成とした場合、漏洩磁束が増大してしまう。このように、漏洩磁束の減少と永久磁石の増量を両立させることができないという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、漏洩磁束を減少しつつ永久磁石の体積を大きくすることができる回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、固定子と回転子を有する回転電機であって、前記回転子は、回転軸を囲む筒状の連結部及び前記連結部の半径方向外側に極数に応じて設けられた複数の磁極部を一体に備えた鉄心と、前記磁極部相互間に配置された複数の永久磁石と、を有し、前記鉄心は、前記連結部の半径方向外側における前記磁極部相互間に、軸方向に貫通した複数の磁石用空隙を有するとともに、前記連結部より半径方向外側に延びる、板状の接続部を有しており、前記永久磁石は、円周方向両側それぞれにおける半径方向内側端部を欠き取るように設けたテーパ部を備えた、略矩形の断面形状を備えており、かつ、隣接する２つの前記永久磁石において、前記テーパ部より半径方向外側部分を円周方向に離間させつつ、互いの前記テーパ部同士を前記板状の接続部を介し円周方向に対向して配置されており、かつ、前記永久磁石は、半径方向外側の表面が前記磁石用空隙の内周面に密着し、半径方向内側の表面と前記連結部との間に所定の隙間を有するように、前記磁石用空隙に設置されている回転電機が適用される。

本発明の回転電機によれば、漏洩磁束を減少しつつ永久磁石の体積を大きくすることができる。

一実施の形態の回転電機の全体構成を表す縦断面図である。図１中ＩＩ−ＩＩ断面に相当する断面図である。図２中Ａ部の部分拡大図である。磁石用空隙を半径方向外側に開口しない孔状とする変形例における、図１中ＩＩ−ＩＩ断面に対応する断面図である。

以下、一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、本実施形態の回転電機１は、径方向に対向して配置された固定子２及び回転子３を有し、回転子３を固定子２の内側に備えたインナーロータ型の電動機である。具体的に言えば、回転電機１は、回転子３の内部に永久磁石を備えたＩＰＭ（ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）モータである。この回転電機１は、電機子である上記固定子２と、界磁である上記回転子３と、固定子２の外周側に設けられたフレーム４と、フレーム４の負荷側（図１中右側）端部に設けられた負荷側ブラケット５と、負荷側ブラケット５に外輪が嵌合された負荷側軸受６と、フレーム４の反負荷側（図１中左側）端部に設けられた反負荷側ブラケット７と、反負荷側ブラケット７に外輪が嵌合された反負荷側軸受８と、負荷側軸受６及び反負荷側軸受８により回転自在に支持されたシャフト９（回転軸）とを有している。

回転子３は、シャフト９の外周側に設けられている。この回転子３は、図２及び図３に示すように、積層鉄心１０（鉄心）と、複数（この例では１０個）の永久磁石１１とを有している。

積層鉄心１０は、シャフト９を囲む筒状の連結部１２と、この連結部１２の半径方向外側に極数に応じて放射線状に設けられた複数（この例では１０個）の磁極部１３とを一体に備えている。すなわち、積層鉄心１０は、筒状の連結部１２から放射線状に１０個の磁極部１３が半径方向外側に向けて突出した構造となっている。また、積層鉄心１０は、連結部１２の半径方向外側における磁極部１３相互間（言い換えれば、隣接する磁極部１３同士の間）に、軸方向（図２及び図３中紙面手前−奥行き方向）に貫通すると共に半径方向外側に開口する溝状の磁石用空隙１４をそれぞれ有している。各磁石用空隙１４には、上記永久磁石１１がそれぞれ設置されている（詳細は後述）。

連結部１２は、その外周面（半径方向外側の表面）が磁極部１３との接続部位Ｃ相互間（言い換えれば、隣接する接続部位Ｃ同士の間）においてそれぞれ平坦面となっており、円周方向における各接続部位Ｃ近傍に、当該接続部位Ｃ以外の円周方向位置よりも半径方向の厚みが大きい肉厚部１５をそれぞれ有している。すなわち、連結部１２の半径方向の厚みは、円周方向全体で均一とはなっておらず、接続部位Ｃ近傍での半径方向の厚み（言い換えれば、肉厚部１５の半径方向の厚み）が、接続部位Ｃ以外の円周方向位置での半径方向の厚みよりも大きくなっている。例えば、連結部１２の接続部位Ｃでの半径方向の厚みＴ１は、連結部１２の接続部位Ｃ以外の円周方向位置の１つである接続部位Ｃ相互間（言い換えれば、隣接する接続位置Ｃ同士の間）の中間位置ａでの半径方向の厚みＴ２よりも大きくなっている。

各磁極部１３は、半径方向に垂直な方向の寸法Ｌ１が半径方向内側に向けて小さくなる、断面視において略扇形状の本体部１６と、この本体部１６と上記連結部１２とを接続し、半径方向に垂直な方向の寸法Ｌ２が略一定である、板状の接続部１７とをそれぞれ有している。本体部１６は、半径方向外側端部における円周方向両側に、鍔部１８を有している。鍔部１８は、上記磁石用空隙１４に設置された永久磁石１１の外面（半径方向外側の表面）の一部が露出するように当該外面の一部を覆うように、構成されている。接続部１７は、上記磁石用空隙１４に設置された後述の永久磁石１１のテーパ部１９相互間（言い換えれば、隣接する永久磁石１１のテーパ部１９同士の間）に位置するように、構成されている。

各永久磁石１１は、フェライト磁石でそれぞれ構成されており、その半径方向内側に、半径方向に垂直な方向の寸法Ｌ３が半径方向内側に向けて小さくなるテーパ部１９をそれぞれ有すると共に、その内面（半径方向内側の表面）がそれぞれ平坦面となっている。そして、これら各永久磁石１１は、その外面が上記鍔部１８の内面（半径方向内側の表面。言い換えれば、上記磁石用空隙１４の内周面）に密着し、その内面と上記連結部１２との間に所定の隙間２０を有するように、上記磁石用空隙１４において半径方向外側に寄せてそれぞれ設置されている。

本実施形態では、永久磁石１１は、磁石用空隙１４に軸方向に挿入されて、磁石用空隙１４において半径方向外側に寄せて接着により固定されるようになっており、磁石用空隙１４は、永久磁石１１の挿入を容易とするために、永久磁石１１の寸法よりも大きめに形成されている。すなわち、永久磁石１１を磁石用空隙１４に設置する際は、永久磁石１１を磁石用空隙１４に軸方向に挿入する。このとき、永久磁石１１がテーパ部１９を有することから、永久磁石１１を磁石用空隙１４の半径方向外側に寄せて挿入することとなる。そして、治具を用いて永久磁石１１の内面を半径方向外側に向けて押し、永久磁石１１の外面を鍔部１８の内面に突き当て、接着により固定するようになっている。

ここで、本実施形態の回転電機１は、積層鉄心１０による磁束と永久磁石１１による磁束とが直軸方向に合成された磁束φｄ（図２参照）により発生するマグネットトルクを、回転子３のトルクとして利用するようになっている。

以上説明したように、本実施形態の回転電機１においては、回転子３が、連結部１２及び１０個の磁極部１３を一体に備えた積層鉄心１０と、積層鉄心１０の磁極部１３相互間に配置された１０個の永久磁石１１とを有している。永久磁石１１は、その外面が鍔部１８の内面に密着し、その内面と連結部１２との間に所定の隙間２０を有するように、磁石用空隙１４に設置されている。すなわち、永久磁石１１は、磁石用空隙１４内において外側に寄せて設置されている。

このように永久磁石１１を外側寄せの配置とすることにより、永久磁石１１と連結部１２との間に空隙（隙間２０）を形成し、漏洩磁束を減少させることができる。また、このようにして漏洩磁束を減少させることができるので、永久磁石１１の相互間に、漏洩磁束を減少するための打抜孔等を設ける必要がない。その結果、永久磁石１１の半径方向寸法及び半径方向に垂直な方向の寸法Ｌ３が制限されることがなく、回転子３の直径を大きくせずに永久磁石１１の体積を大きくすることが可能となる。したがって、漏洩磁束を減少しつつ永久磁石１１の体積を大きくすることができる。その結果、回転電機１の性能を維持しつつ、永久磁石１１として、ネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石等のレアアース磁石（希土類磁石）の代わりに、コストの低いフェライト磁石を用いることが可能となり、コストを大幅に削減した回転電機１を実現することができる。

また、永久磁石１１と連結部１２との間に形成される空隙（隙間２０）に接着剤を充填することで、永久磁石１１と積層鉄心１０との間の接着強度を増大できる効果もある。

また、本実施形態では特に、次のような効果を得ることができる。すなわち、永久磁石の体積を大きくしようとした場合、永久磁石相互間に配置された積層鉄心の磁極部の外周面が回転電機の特性上円周方向に一定の寸法を有する必要があることから、永久磁石の半径方向に垂直な方向の寸法は当該磁極部により制限される。そこで本実施形態においては、積層鉄心１０の磁極部１３が、永久磁石１１の外面の一部を覆う鍔部１８を有する構成とする。この鍔部１８により、磁極部１３の外周面の円周方向に必要な寸法を確保することができるので、上記制限に関わらず永久磁石１１の半径方向に垂直な方向の寸法Ｌ３を大きくすることが可能となる。

一方で、永久磁石の半径方向寸法及び半径方向に垂直な方向の寸法を所定寸法より大きくすると、隣接する永久磁石同士が半径方向内側の両端部において接触するため、永久磁石の半径方向寸法及び半径方向に垂直な方向の寸法は永久磁石の円周方向における間隔（極ピッチ）により制限される。そこで本実施形態においては、永久磁石１１が、半径方向内側に、半径方向に垂直な方向の寸法Ｌ３が半径方向内側に向けて小さくなるテーパ部１９を有する構成とする。テーパ部１９を永久磁石１１の半径方向内側に設けることにより、隣接する永久磁石１１同士が半径方向内側の両端部において接触するのを防止することができるので、上記制限に関わらず永久磁石１１の半径方向寸法及び半径方向に垂直な方向の寸法Ｌ３を大きくすることが可能となる。

以上により、回転子３の直径、すなわち回転電機１の体格を大きくすることなく永久磁石１１を大きくすることができる。

また、本実施形態では特に、次のような効果を得ることができる。すなわち、積層鉄心１０は、上述したように筒状の連結部１２から１０個の磁極部１３が半径方向外側に向けて突出した構造となっているため、連結部１２と磁極部１３との接続部位Ｃに応力が集中し易い。本実施形態においては、連結部１２が、円周方向における磁極部１３との接続部位Ｃ近傍に、当該接続部位Ｃ以外の円周方向位置よりも半径方向の厚みが大きい肉厚部１５を有する構成とする。これにより、応力が集中し易い連結部１２と磁極部１３との接続部位Ｃの強度を向上することができるので、積層鉄心１０を強度的に安定した構造とすることができる。

また、本実施形態では特に、連結部１２の外周面が、磁極部１３との接続部位Ｃ相互間において平坦面となっている。これにより、連結部１２の磁極部１３との接続部位Ｃ近傍が肉厚となるため、応力が集中し易い連結部１２と磁極部１３との接続部位Ｃの強度を向上できる。また、連結部１２の外周面を曲面とし、連結部１２の半径方向の厚みを円周方向全体で均一にする場合に比べ、連結部１２の外周面と磁極部１３の接続部１７とがなす角度θ（図３参照）を大きくすることができるので、連結部１２と磁極部１３との接続部位Ｃにおける応力集中を緩和できる効果もある。

また、本実施形態では特に、磁極部１３が、半径方向外側端部における円周方向両側に鍔部１８を有し、半径方向に垂直な方向の寸法Ｌ１が半径方向内側に向けて小さくなる本体部１６と、本体部１６と連結部１２とを接続し、半径方向に垂直な方向の寸法Ｌ２が略一定である接続部１７とを有している。接続部１７は、永久磁石１１のテーパ部１９相互間に位置するので、接続部１７の半径方向に垂直な方向の寸法Ｌ２を極力薄く構成することによって、永久磁石１１の体積を大きくすると共に、漏洩磁束φ（図２参照）を減少することが可能となる。これにより、磁束φｄを多くすることができ、マグネットトルクを大きくすることができるので、回転子３のトルクを大きくすることが可能となる。

なお、実施の形態は、上記内容に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、永久磁石１１を設置する磁石用空隙１４を、軸方向に貫通すると共に半径方向外側に開口する溝状としたが、これに限られない。すなわち、図４に示すように、永久磁石１１を設置する磁石用空隙１４′を、軸方向に貫通すると共に半径方向外側に開口しない孔状としてもよい。本変形例の積層鉄心１０は、磁極部１３における本体部１６′の半径方向外側端部相互間（言い換えれば、隣接する磁極部１３における本体部１６′の半径方向外側端部同士の間）が円周方向にそれぞれ接続されている。そして、各永久磁石１１は、その外面が磁石用空隙１４′の内周面に密着し、その内面と連結部１２との間に所定の隙間２０を有するように、磁石用空隙１４′において半径方向外側に寄せてそれぞれ設置されている。本変形例によれば、上記実施形態と同様、漏洩磁束を減少しつつ永久磁石１１の体積を大きくすることができる。また、本変形例においては、磁石用空隙１４′を半径方向外側に開口しない孔状とし、積層鉄心１０を外周つなぎを介して一体化された形状としている。これにより、磁石用空隙を半径方向外側に開口する溝状とする場合に比べ、ねじれ剛性を高くすることができる。さらに、磁石用空隙を半径方向外側に開口する溝状とする場合に比べ、接着面積を大きく取ることができるので、接着の信頼性を向上することができる。

また以上では、回転電機１が回転子３を固定子２の内側に備えたインナーロータ型である場合を一例として説明したが、これに限られず、回転電機が回転子を固定子の外側に備えたアウターロータ型である場合にも適用可能である。

さらに以上では、回転電機１が電動機である場合を一例として説明したが、これに限られず、回転電機が発電機である場合にも適用することができる。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１回転電機
２固定子
３回転子
９シャフト（回転軸）
１０積層鉄心（鉄心）
１１永久磁石
１２連結部
１３磁極部
１４磁石用空隙
１４′ 磁石用空隙
１５肉厚部
１６本体部
１６′ 本体部
１７接続部
１８鍔部
１９テーパ部
２０所定の隙間
Ｃ接続部位

Claims

固定子と回転子を有する回転電機であって、
前記回転子は、
回転軸を囲む筒状の連結部及び前記連結部の半径方向外側に極数に応じて設けられた複数の磁極部を一体に備えた鉄心と、
前記磁極部相互間に配置された複数の永久磁石と、
を有し、
前記鉄心は、
前記連結部の半径方向外側における前記磁極部相互間に、軸方向に貫通した複数の磁石用空隙を有するとともに、
前記連結部より半径方向外側に延びる、板状の接続部を有しており、
前記永久磁石は、
円周方向両側それぞれにおける半径方向内側端部を欠き取るように設けたテーパ部を備えた、略矩形の断面形状を備えており、
かつ、隣接する２つの前記永久磁石において、前記テーパ部より半径方向外側部分を円周方向に離間させつつ、互いの前記テーパ部同士を前記板状の接続部を介し円周方向に対向して配置されており、
かつ、前記永久磁石は、
半径方向外側の表面が前記磁石用空隙の内周面に密着し、半径方向内側の表面と前記連結部との間に所定の隙間を有するように、前記磁石用空隙に設置されている
ことを特徴とする回転電機。
前記磁極部は、
前記永久磁石の半径方向外側の表面の少なくとも一部が露出するように当該表面の一部を覆う鍔部を有し、
前記永久磁石は、
前記半径方向外側の表面が前記鍔部の半径方向内側の表面に密着するように、前記磁石用空隙に設置される
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記連結部は、
円周方向における前記磁極部との接続部位近傍に、当該接続部位以外の円周方向位置よりも半径方向の厚みが大きい肉厚部を有している
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
前記連結部の半径方向外側の表面は、
前記磁極部との接続部位相互間において平坦面となっている
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機。