JP5350342B2

JP5350342B2 - 同期電動機の回転子

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Publication number: JP5350342B2
Application number: JP2010201447A
Authority: JP
Inventors: 篤松岡; 和彦馬場
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2030-09-08
Also published as: JP2012060773A

Description

この発明は、永久磁石を用いる同期電動機の回転子に関する。

空気調和機を含む家庭用電気製品の、例えば、送風機等に用いられる同期電動機（ブラシレスＤＣモータ）は、効率の高いこと、あるいは小型、軽量であることが求められる場合が多い。これらの要求に応えるために、ＮｄＦｅＢの焼結磁石に代表されるような、磁力の高い永久磁石を採用するものが多い。

ＮｄＦｅＢは、ネオジム、鉄、ホウ素の化合物であり、代表的なものとして、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂが大変強力な永久磁石・ネオジム磁石となることで、いろいろな分野で利用されている。

ＮｄＦｅＢのような希土類の焼結磁石の場合、大きな塊から必要な形状の永久磁石を切り出すという製造方法をとることが多い。そのため、加工コストを含めた永久磁石の価格を抑えるために、比較的単純な形状である平板の永久磁石が多く用いられる。

このような平板状の永久磁石を用いる同期電動機では、磁性材料の内部に永久磁石を配置する、磁石埋め込み型（ＩＰＭ：ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）の回転子を用いることが多い。この場合、隣り合って配置される永久磁石の間には磁性体（回転子鉄心）が存在する。そのため、この磁性体の部分で磁極間の磁束が短絡してしまい、固定子の巻線に鎖交する回転子の磁束が減少してしまう。磁極数が多くなると、この磁束が短絡する場所が増えることになるため、固定子の巻線に鎖交する磁束がさらに減少してしまう。このため、一般的には、磁極間の磁性体を極力薄肉で構成し、部分的に磁気飽和を起こさせて、磁極間で磁束の短絡が生じることを抑えるという方法がとられる。

磁束の短絡をさらに抑える方法として、磁極間の磁性体を取り除いた形態をとる回転子が提案されている。即ち、回転子を構成する磁性体を一体の部品で構成せず、平板状の永久磁石の内周側の磁性体部と永久磁石の外周側の磁性体部を別部品で構成して、軸方向の両側から、それらを貫通して一体化する部材を用いて構成する回転子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、回転子を構成する磁性体での磁束の短絡を抑える効果は少なくなるが、永久磁石の片側の磁極間の磁性体を取り除いた形状の鉄心を積層して構成し、樹脂のモールドによって固定するアウターロータ型の回転子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−１６４７８４号公報特開２００４−２５４４３号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の回転子は、磁極間の磁束短絡を防止して、固定子巻線により多くの磁束を鎖交させることが可能であるが、回転子の永久磁石内側の磁性体材料と永久磁石外側の磁性体材料が別部品となるため、組立の工程が増えるという課題が生じる。

また、回転子の磁極間に磁性体がないため、磁極間付近での磁束の密度の変化が大きく、同期電動機のコギングトルクが増加し、振動・騒音の要因となりやすい。

また、上記特許文献２記載の回転子は、鉄心および永久磁石を樹脂によってモールドすることで、これらを一体化することが可能であるが、樹脂と鉄心では材料の温度変化に対する線膨張係数が大きく異なるため、ヒートショック等の環境変化の繰り返しの中で、鉄心と樹脂が剥離する可能性がある。特許文献２記載の回転子の場合、アウターロータ型の回転子であるため、仮に鉄心と樹脂に剥離が生じても樹脂が飛散することは無いが、インナーロータ型の回転子で同回転子を製造した場合、遠心力によって剥離した樹脂が飛散したり、永久磁石外周部の鉄心が薄肉部で変形を起こして固定子と接触する可能性もある。

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、以下に示す同期電動機の回転子を提供する。
（１）回転子の磁束をより多く固定子巻線に鎖交させ、効率の良い同期電動機を実現するための同期電動機の回転子；
（２）組立工程が複雑にならず、加工コストの増加を抑えることができる同期電動機の回転子；
（３）遠心力による鉄心の変形など強度の低下を抑えた同期電動機の回転子；
（４）コギングトルクの増大を抑えて振動、騒音の悪化を抑制することができる同期電動機を実現するための同期電動機の回転子。

この発明に係る同期電動機の回転子は、所定の形状に打ち抜かれた軟磁性体を所定枚数積層して形成される回転子鉄心の内部に磁極を構成する永久磁石が配置される同期電動機の回転子において、
回転子鉄心は、二種類の第１の回転子鉄心と第２の回転子鉄心とを所定枚数適宜積層して形成され、第１の回転子鉄心と第２の回転子鉄心とは、夫々、
第１の回転子鉄心もしくは第２の回転子鉄心の外周縁に沿って形成され、永久磁石が挿入される永久磁石挿入部と、
永久磁石挿入部の内側に形成される内側鉄心部と、
永久磁石挿入部の外側の各磁極に形成される外周鉄心部と、
内側鉄心部と外周鉄心部とを、各磁極の端部において連結する連結部並びに外周薄肉部と、
外周薄肉部の内側に形成され、永久磁石挿入部に連通する非磁性部と、
各磁極の連結部並びに外周薄肉部が設けられる端部と反対側の端部に設けられ、永久磁石挿入部に連通する開口部と、を備え、
第１の回転子鉄心と第２の回転子鉄心とは、開口部が各磁極の異なる端部に配置され、第１の回転子鉄心と第２の回転子鉄心とが積層されることで、一方の開口部と他方の非磁性部、もしくは一方の非磁性部と他方の開口部とが軸方向に連通し、連通した非磁性部と開口部とに非磁性材料が充填されることを特徴とする。

この発明に係る同期電動機の回転子は、永久磁石の磁束が回転子鉄心の内部で短絡するのが抑えられると共に、回転子の加工コスト、回転子の強度の低下、さらにはコギングトルクの増加が抑えられることで、高効率、低コスト、低騒音の同期電動機の回転子が得られる。

実施の形態１を示す図で、回転子２００の斜視図。実施の形態１を示す図で、回転子２００の平面図。実施の形態１を示す図で、回転子組立２００−１（樹脂成形前）の斜視図。実施の形態１を示す図で、回転子組立２００−１（樹脂成形前）の平面図。実施の形態１を示す図で、回転子鉄心２０１の斜視図。実施の形態１を示す図で、第１の回転子鉄心２０１−１の平面図。実施の形態１を示す図で、第２の回転子鉄心２０１−２の平面図。（ａ）は図６のＡ部拡大図、（ｂ）は図７のＢ部拡大図。実施の形態１を示す図で、第１の回転子鉄心２０１−１と第２の回転子鉄心２０１−２とを重ねた状態の部分平面図。実施の形態１を示す図で、変形例１の回転子３００の斜視図。実施の形態１を示す図で、変形例２の回転子６００の斜視図。実施の形態１を示す図で、本実施の形態の回転子を用いた同期電動機と、一般的な回転子を用いた同期電動機の誘起電圧の実効値を比較した図。実施の形態１を示す図で、本実施の形態の回転子を用いた同期電動機と、一般的な回転子を用いた同期電動機の誘起電圧の波形を比較した図。実施の形態１を示す図で、本実施の形態の回転子を用いた同期電動機と、一般的な回転子を用いた同期電動機のコギングトルク振幅を比較した図。実施の形態１を示す図で、本実施の形態の回転子を用いた同期電動機と、一般的な回転子を用いた同期電動機のコギングトルクの波形を比較した図。実施の形態１を示す図で、変形例３の回転子７００の斜視図。実施の形態１を示す図で、変形例３の回転子７００の平面図。実施の形態１を示す図で、変形例３の回転子組立７００−１（樹脂成形前）の斜視図。実施の形態１を示す図で、変形例３の回転子組立７００−１（樹脂成形前）の平面図。実施の形態１を示す図で、変形例３の回転子鉄心７０１の斜視図。実施の形態１を示す図で、変形例３の第１の回転子鉄心７０１−１、第２の回転子鉄心７０１−２の平面図。実施の形態１を示す図で、変形例４の回転子８００の斜視図。実施の形態１を示す図で、変形例５の回転子９００の斜視図。比較のために示す図で、一般的な同期電動機の回転子４００の横断面図。比較のために示す図で、一般的な同期電動機の回転子５００の横断面図。

実施の形態１．

図１、図２は実施の形態１を示す図で、回転子２００の斜視図、図２は回転子２００の平面図である。同期電動機の回転子を、回転子２００と呼ぶことにする。また、回転子２００を、単にロータと呼ぶ場合もある。

同期電動機は、例えば、固定子（図示せず）に三相巻線が施され、インバータにより駆動されるブラシレスＤＣモータである。

回転子２００は、図１、図２に示すように、少なくとも略円柱状の回転子鉄心２０１（第１の回転子鉄心２０１−１と、第２の回転子鉄心２０１−２とからなる）と、回転子鉄心２０１の永久磁石挿入部（後述）に挿入される平板状の永久磁石２０３と、回転子鉄心２０１（第１の回転子鉄心２０１−１と、第２の回転子鉄心２０１−２とからなる）の夫々の永久磁石挿入部（後述）の端部に形成される開口部（後述）及び非磁性部（後述）に充填される非磁性材料２１０（樹脂）と、回転子鉄心２０１の略中心に形成される軸孔２０５に固定される回転軸（図示せず）とを備える。

図１、図２に示す回転子２００は、周方向に極性が交互に異なるように配置される永久磁石２０３を８個備える８極のロータである。

尚、図示はしないが、回転子２００の軸方向両端部に、永久磁石２０３の軸方向の抜けを止める端板が設けられる。端板は、例えば、回転子鉄心２０１を貫通するリベット等により固定される。

また、図示はしないが、永久磁石２０３は、例えば、永久磁石挿入部２０２に位置決め用の突出部を設け、その突出部により周方向の位置決めがなされる。位置決め用の突出部は、例えば、永久磁石挿入部２０２の内側の面の二箇所に設けられる。

回転子２００の特徴は、後述する回転子鉄心２０１（第１の回転子鉄心２０１−１と、第２の回転子鉄心２０１−２とからなる）の夫々の永久磁石挿入部２０２の端部に形成される開口部（後述）及び非磁性部（後述）に非磁性材料２１０（樹脂）を充填して、内側鉄心部２０１ｂと外周薄肉部で連結している比較的強度の弱い外周鉄心部２０１ａを補強して、遠心力により生じる回転子鉄心２０１の変形を抑制する点にある。図１、図２に示す符号で、説明を省略している符号については後述する。

図３、図４は実施の形態１を示す図で、図３は回転子組立２００−１（樹脂成形前）の斜視図、図４は回転子組立２００−１（樹脂成形前）の平面図である。樹脂充填前の状態のものを回転子組立２００−１と呼ぶことにする。樹脂充填前の回転子組立２００−１は、永久磁石挿入部２０２（後述）の端部に形成される開口部２０８及び非磁性部２０２ａ（永久磁石２０３が存在する状態では軸方向両端を除いて閉じた空間）が、空間になっている。

本実施の形態の回転子２００並びに回転子鉄心２０１の特徴を分かりやすくするために、一般的な同期電動機の回転子について説明しておく。

図２４は比較のために示す図で、一般的な同期電動機の回転子４００の横断面図である。一般的な同期電動機の回転子４００は（以下、回転子４００）は、略円柱状の回転子鉄心４０１と、回転子鉄心４０１の永久磁石挿入部４０２に挿入される平板状の永久磁石４０３と、回転子鉄心４０１の略中心に回転軸（図示せず）固定される軸孔４０５とを備える。

回転子鉄心４０１は、回転子鉄心２０１と同様、電磁鋼板に代表される軟磁性体（厚さが、０．１〜１．０ｍｍ程度）を所定の形状に打ち抜き、所定枚数積層して形成される。所定の形状に打ち抜かれた軟磁性体板は、各軟磁性体板に形成される切り起こし突起を軸方向に隣接する軟磁性体板で嵌合させて固定する一般的なカシメ（カシメ部４０７）により積層される。

回転子鉄心４０１には、外周部に沿って８個の永久磁石挿入部４０２（断面が略バスタブ形状、内側に凸）が、略正八角形に形成されている。これらの永久磁石挿入部４０２を間にして、永久磁石挿入部４０２よりも外側の鉄心部分を外周鉄心部４０１ａ、永久磁石挿入部４０２よりも内側の鉄心部分を内側鉄心部４０１ｂとする。

回転子鉄心４０１は、全ての極間において、外周鉄心部４０１ａと内側鉄心部４０１ｂとが、連結部４０６並びに外周薄肉部４０６ａで連結している。

回転子鉄心４０１は、隣接して配置される永久磁石４０３の間に磁性体（連結部４０６並びに外周薄肉部４０６ａ）が存在する。そのため、この磁性体の部分で磁極間の磁束が短絡してしまい、固定子の巻線に鎖交する回転子４００の磁束が減少する。また、磁極数が多くなると、この磁束が短絡する箇所が増えるため、固定子の巻線に鎖交する磁束がさらに減少する。それにより、回転子４００を用いる同期電動機は、永久磁石４０３の磁束をフルに利用できないためトルクが出ないという課題がある。

図２５は比較のために示す図で、一般的な同期電動機の回転子５００の横断面図である。一般的な同期電動機の回転子５００は（以下、回転子５００）は、回転子鉄心５０１と、回転子鉄心５０１の永久磁石挿入部５０２に挿入される平板状の永久磁石５０３と、回転子鉄心５０１の略中心に回転軸（図示せず）が固定される軸孔５０５とを備える。

回転子鉄心５０１が分割された外周鉄心部５０１ａ並びに内側鉄心部５０１ｂとで構成される。永久磁石５０３は、外周鉄心部５０１ａと内側鉄心部５０１ｂとの間に設けられる。分割された外周鉄心部５０１ａ並びに内側鉄心部５０１ｂは、図示しないが、軸方向の両側から外周鉄心部５０１ａ並びに内側鉄心部５０１ｂを貫通して一体化する部材を用いて一体化している。外周鉄心部５０１ａ並びに内側鉄心部５０１ｂは、軟磁性体板に形成される切り起こし突起を軸方向に隣接する軟磁性体板で嵌合させて固定する一般的なカシメ（カシメ部５０７）により積層される。

磁極間に開口部５０８が形成されているので、磁極間の磁束短絡を防止して、固定子の巻線により多くの磁束をさせることが可能であるが、回転子５００の永久磁石５０３内側の内側鉄心部５０１ｂと、永久磁石５０３外側の外周鉄心部５０１ａが別部品となるため、組立の工程が増えるという課題が生じる。

また、回転子５００の磁極間に磁性体がないため、磁極間付近での磁束の密度の変化が大きく、同期電動機のコギングトルクが増加し、振動・騒音の要因となりやすい。

本実施の形態の回転子鉄心２０１は、外周鉄心部２０１ａと内側鉄心部２０１ｂとが、一磁極において片側の極間で連結部２０６並びに外周薄肉部２０６ａで連結している。そして、一磁極の他方の極間は、開口部２０８が形成されていて、外周鉄心部２０１ａと内側鉄心部２０１ｂとは分離している。開口部２０８は外周側が内側よりも幅が広くなっていることを特徴する。

言い換えれば、永久磁石挿入部２０２（後述）は、回転子鉄心２０１において磁性体で完全に囲まれた空間ではなく、開口部２０８において回転子鉄心２０１外周に開口している。

一般的に、永久磁石より生じる磁束は、磁気抵抗の低い磁性体を通過しやすく、固定子鉄心（磁性体）と回転子の外周部に空隙（数百μｍの狭い空間である）が存在することもあり、固定子鉄心へ流れるよりも回転子の内部で隣り合う磁極の外周部間を通過しやすい。このため、回転子の隣り合う外周部を通して磁極間で磁束が短絡しやすく、固定子の巻線に鎖交する磁束を減少させている。薄肉連結部（例えば、回転子４００の連結部４０６、外周薄肉部４０６ａ）は、磁束が通過しようとする磁性体の断面積を小さくすることで、磁束密度を飽和するまで高くして磁気抵抗を上げて回転子内で短絡する磁束を減らすようになっているが、完全に無くすものではない。

図５乃至図８は実施の形態１を示す図で、図５は回転子鉄心２０１の斜視図、図６は第１の回転子鉄心２０１−１の平面図、図７は第２の回転子鉄心２０１−２の平面図、図８（ａ）は図６のＡ部拡大図、図８（ｂ）は図７のＢ部拡大図である。

図５乃至図８を参照しながら回転子鉄心２０１について説明する。本実施の形態は、回転子鉄心２０１に特徴があるので、詳細に説明する。回転子鉄心２０１は、図５に示すように、第１の回転子鉄心２０１−１と第２の回転子鉄心２０１−２とを上下に二段に積層している。回転子鉄心２０１は、軟磁性体板がプレス型の中で所定の形状に打ち抜かれながら、各軟磁性体板に形成される切り起こし突起を軸方向に隣接する軟磁性体板で嵌合させて固定する一般的なカシメ（カシメ部２０７）により積層される。従って、第１の回転子鉄心２０１−１と第２の回転子鉄心２０１−２とは、カシメ部２０７にて連結している。

第１の回転子鉄心２０１−１は、外周鉄心部２０１ａと内側鉄心部２０１ｂとが、一磁極において片側の極間（図６において、一磁極において時計方向側の極間）で連結部２０６並びに外周薄肉部２０６ａで連結している。そして、一磁極の他方の極間（図６において、一磁極において反時計方向側の極間）は、開口部２０８が形成されていて、外周鉄心部２０１ａと内側鉄心部２０１ｂとは分離している。

図６に示すように、第１の回転子鉄心２０１−１には、外周部に沿って８個の永久磁石挿入部２０２（断面が略バスタブ形状、内側に凸）が、略正八角形に形成されている。これらの永久磁石挿入部２０２を間にして、永久磁石挿入部２０２よりも外側の鉄心部分を外周鉄心部２０１ａ、永久磁石挿入部２０２よりも内側の鉄心部分を内側鉄心部２０１ｂとする。第１の回転子鉄心２０１−１の中心部に回転軸（図示せず）が嵌合する軸孔２０５が形成されている。

図６に示すように、磁極間の薄肉連結部（連結部２０６、外周薄肉部２０６ａ）を各磁極において片側だけにすることで、隣り合う磁極間の磁束の短絡を抑制することができる。即ち、各磁極の一方の端部（極間）に、永久磁石挿入部２０２に連通する開口部２０８を設ける。

この場合でも、永久磁石２０３の磁束の一部は、外周薄肉部２０６ａ、連結部２０６、内側鉄心部２０１ｂを通って、磁極自身で短絡する部分が生じる。そのため、完全に永久磁石２０３の磁束の短絡を防止することはできないが、回転子２００内部で短絡する磁束は従来の半分にすることができる。それにより、より多くの磁束を固定子の巻線に鎖交することができ、同期電動機の誘起電圧の向上、トルクアップが図れ、同期電動機の高効率化を可能にする。

また、第１の回転子鉄心２０１−１の内側鉄心部２０１ｂと外周鉄心部２０１ａとが、少なくとも一箇所の外周薄肉部２０６ａで結合されているため、回転子２００の磁性体の部品数は増えることがない。このため、組立コストの増加を抑えることができる。

例えば、回転子鉄心２０１を第１の回転子鉄心２０１−１のみで構成すると、内側鉄心部２０１ｂと外周鉄心部２０１ａとを一箇所の外周薄肉部２０６ａで連結することになり、回転子２００の回転で生じる遠心力（主に、永久磁石２０３による遠心力）が外周薄肉部２０６ａに加わり、外周薄肉部２０６ａに応力が集中して変形する可能性がある。このため、本実施の形態においては、開口部２０８の位置が異なる第１の回転子鉄心２０１−１と第２の回転子鉄心２０１−２とを組合せることで、遠心力により生じる回転子鉄心２０１の変形を抑制する。

一方、第２の回転子鉄心２０１−２は、図７に示すように、外周鉄心部２０１ａと内側鉄心部２０１ｂとを連結する連結部２０６並びに外周薄肉部２０６ａが、一磁極において反時計方向側の極間に設けられる。また、一磁極において時計方向側の極間に開口部２０８が形成されていて、外周鉄心部２０１ａと内側鉄心部２０１ｂとは分離している。その他は、第１の回転子鉄心２０１−１と同じ形状である。

図９は実施の形態１を示す図で、第１の回転子鉄心２０１−１と第２の回転子鉄心２０１−２とを重ねた状態の部分平面図である。第１の回転子鉄心２０１−１と並びに第２の回転子鉄心２０１−２とを重ねて上側から見ると、一方（第１の回転子鉄心２０１−１）の開口部２０８と、他方（第２の回転子鉄心２０１−２）の外周薄肉部２０６ａ内側の非磁性部２０２ａとが同じ位置に重なるように存在している。言い換えれば、開口部２０８と非磁性部２０２ａとは積層された回転子鉄心２０１において上下に連通している。図９に示す非磁性部２０２ａ（ハッチング部）は、開口部２０８と完全に重なる。

本実施の形態の回転子２００では、第１の回転子鉄心２０１−１と第２の回転子鉄心２０１−２とを積層した回転子鉄心２０１に永久磁石２０３を挿入した後、この開口部２０８と非磁性部２０２ａに非磁性の材料（樹脂）を注入して、固着する。これによって、外周鉄心部２０１ａは、薄肉連結部（外周薄肉部２０６ａ、連結部２０６）と固着した非磁性材料２１０（樹脂）によって両端を内側鉄心部２０１ｂに固定されるため、遠心力により生じる回転子鉄心２０１の変形を抑制することができる。

非磁性材料２１０には、樹脂を用いる。一般的な射出成形で一体に成形すればよい。しかし、樹脂と鉄心材料では、温度変化に対して線膨張係数が異なるため、樹脂が鉄心から剥離する場合がある。しかし、本実施の形態の場合、非磁性材料２１０が、薄肉連結部（外周薄肉部２０６ａ、連結部２０６）の内側の空間（非磁性部２０２ａ）に充填され、開口部２０８に充填される材料と一体化しており、非磁性材料２１０が剥離による飛散するのを防止できる。また、開口部２０８を外周側が内周側より幅を広くすることで、外周鉄心部２０１ａに生じる遠心力を非磁性材料２１０で受けることとなり、外周鉄心部２０１ａおよび永久磁石２０３に生じる遠心力を外周鉄心部２０１ａの両側で受けえることとなり、回転子鉄心２０１の変形を抑制することができる。

第１の回転子鉄心２０１−１、第２の回転子鉄心２０１−２は、裏返しにすれば同じ形状になるが、プレス金型の中では一連の動作において裏返すことは困難である。従って、第１の回転子鉄心２０１−１と第２の回転子鉄心２０１−２とは、形状の異なるものとなる。

図１０は実施の形態１を示す図で、変形例１の回転子３００の斜視図である。回転子２００では、非磁性材料２１０を、夫々の非磁性部２０２ａもしくは開口部２０８に直接注入するようにしたが、樹脂注入時のゲートの数が減るとともに、永久磁石２０３の抜け止めのための端板を省略できる変形例１の回転子３００について説明する。

図１０に示すように、変形例１の回転子３００は、非磁性材料３１０が、回転子３００の軸方向両端部にリング状に形成されている点だけが、回転子２００と異なる。回転子３００の軸方向両端部にリング状に形成される非磁性材料３１０（樹脂）の形状は、誘導機のエンドリングに酷似している。このように構成することにより、樹脂注入時のゲートの数が減るとともに、永久磁石の抜け止めのための端板を省略できる。

変形例１の回転子３００の回転子鉄心３０１は、第１の回転子鉄心３０１−１と、第２の回転子鉄心３０１−２とで構成される。

図１１は実施の形態１を示す図で、変形例２の回転子６００の斜視図である。図５に示す回転子鉄心２０１の場合、永久磁石挿入部２０２の反時計方向側が開口部２０８となっている第１の回転子鉄心２０１−１と、永久磁石挿入部２０２の時計方向側が開口部２０８となっている第２の回転子鉄心２０１−２とが、軸方向において２分割されている。そのため、例えば、回転子２００の回転数が高くなり、外周薄肉部２０６ａに加わる遠心力が大きくなると、開口部２０８の非磁性材料２１０で、外周薄肉部２０６ａの内側の非磁性部２０２ａから距離のある部分（軸方向に離れた部分）では、回転子２００の強度が不足する場合がある。

その場合には、ロータのコア幅（軸方向の長さ）を一定とし、ロータを軸方向に２分割した形状でなく、例えば、３分割、４分割（３分割以上）にして開口部の非磁性材料の充填部の体積を小さくすることでロータコアの強度を上げることができる。

図１１に示す変形例２の回転子６００は、ロータを軸方向に３分割した一例である。変形例２の回転子６００は、回転子２００，３００とコア幅（軸方向の長さ）は同じである。変形例２の回転子鉄心６０１は、二つの第１の回転子鉄心６０１−１と、二つの第１の回転子鉄心６０１−１の間に挟まれる第２の回転子鉄心６０１−２で構成される。第１の回転子鉄心６０１−１のコア幅（軸方向の長さ）は、第２の回転子鉄心６０１−２のコア幅（軸方向の長さ）の１／２である。

第２の回転子鉄心６０１−２の非磁性材料６１０（樹脂）は、二つの第１の回転子鉄心６０１−１の非磁性部（図示せず）に軸方向の両端が連結しているため、外周薄肉部（図示せず）に加わる遠心力が大きくなっても回転子６００の強度が不足する恐れが少ない。

変形例２の回転子６００は、軸方向両端部にリング状の非磁性材料６１０（樹脂）が形成されているが、このリング状の非磁性材料６１０がないものでもよい。

図１２は実施の形態１を示す図で、本実施の形態の回転子を用いた同期電動機と、一般的な回転子を用いた同期電動機の誘起電圧の実効値を比較した図である。縦軸は誘起電圧を示すが、一般的な開口部無の回転子４００を用いた同期電動機の誘起電圧を基準（１００［％］）とする。

図１２に示すグラフは、左より外周部の両側を薄肉連結部で結合した開口部の無い一般的な回転子４００、外周鉄心部を別部品で構成し、外周鉄心部の両側に開口部を設けた一般的な回転子５００、外周鉄心部を片方のみ外周薄肉部並びに連結部で結合した、片側に開口部を有する本実施の形態の回転子（但し、例えば、回転子２００のケースでは、第１の回転子鉄心２０１−１もしくは第２の回転子鉄心２０１−２いずれかで構成されるもの）を並べて示している。

開口部の無い回転子４００に対して、両側に開口部を設けた回転子５００は、誘起電圧が１０％以上高くなっており、ロータ内部で短絡しない磁束が固定子の巻線に鎖交していることがわかる。

本実施の形態の回転子は、片側に開口部を設けてロータ内の磁束の短絡を抑えているため、両側に開口部がある回転子５００よりは効果が少ないが、開口部の無い一般的な回転子４００より大きな誘起電圧が得られている。

図１３は実施の形態１を示す図で、本実施の形態の回転子を用いた同期電動機と、一般的な回転子を用いた同期電動機の誘起電圧の波形を比較した図である。図１３において、実線が開口部の無い一般的な回転子４００、三角（黒ぬり）が両側に開口部を設けた一般的な回転子５００、白ぬき丸が本実施の形態の片側に開口部を有する回転子（但し、例えば、回転子２００のケースでは、第１の回転子鉄心２０１−１もしくは第２の回転子鉄心２０１−２いずれかで構成されるもの）の波形である。

図１３に示すように、開口部の無い回転子４００の場合、台形波に近い波形である。また、両側に開口部を設けた回転子５００は、波形のピーク付近に二カ所のピークを持った歪みの大きい波形であり、次数の高い高調波成分を含んだ波形である。これらに対して、本実施の形態の回転子は、一般的な回転子４００，５００の誘起電圧に比べると歪みの少ない波形が得られている。

図１４は実施の形態１を示す図で、本実施の形態の回転子を用いた同期電動機と、一般的な回転子を用いた同期電動機のコギングトルク振幅を比較した図である。

図１４のグラフは、同期電動機で生じるコギングトルクを電磁界解析によって求め、実施の形態１の回転子を用いた同期電動機で生じるコギングトルクと、一般的な回転子を用いた同期電動機で生じるコギングトルクとを比較したものである。

図１４のグラフは、左より外周部の両側を外周薄肉部で結合した開口部の無い一般的な回転子４００、外周鉄心部を別部品で構成し、外周鉄心部の両側に開口部を設けた一般的な回転子５００、外周鉄心部を片側のみ外周薄肉部で結合し、片側に開口部を設けた本実施の形態の回転子（但し、例えば、回転子２００のケースでは、第１の回転子鉄心２０１−１もしくは第２の回転子鉄心２０１−２いずれかで構成されるもの（一段））、例えば図１に示した２種類の形状のコアを積層した回転子２００（二段））を並べている。縦軸は従来の開口部無しの回転子を基準（１００［％］）にした比率［％］を示している。

図１５は実施の形態１を示す図で、本実施の形態の回転子を用いた同期電動機と、一般的な回転子を用いた同期電動機のコギングトルクの波形を比較した図である。太線が開口部の無い一般的な回転子４００、三角（黒ぬり）が外周鉄心部を別部品で構成し、外周鉄心部の両側に開口部を設けた一般的な回転子５００、細線が開口部を磁極の片側のみに設置した本実施の形態の回転子（但し、例えば、回転子２００のケースでは、第１の回転子鉄心２０１−１もしくは第２の回転子鉄心２０１−２いずれかで構成されるもの（一段）））、白ぬき丸が、図１に示す本実施の形態の、開口部の位置が異なる二つのロータコア（第１の回転子鉄心２０１−１、第２の回転子鉄心２０１−２（二段）））を組合せた回転子２００の波形である。

開口部の無い一般的な回転子４００に対して、外周鉄心部を別部品で構成し、外周鉄心部の両側に開口部を設けた一般的な回転子５００は、固定子に対して外周鉄心部と開口部で空隙間の磁束密度の変化が大きくなり、外周に開口部を持たない回転子４００に対して２倍以上の大きなコギングトルクが発生している。

細線が開口部を磁極の片側のみに設置した本実施の形態の回転子では、影響が少なく６０％程度の増加に抑えられている。

図１に示す回転子２００の場合、軸方向上下のロータコアで開口部２０８の位置が異なり、それぞれで発生するコギングトルクの位相がずれるために、これらが打ち消し合うことでコギングトルクは２０％程度の増加に抑えられる。

上述の説明では、ロータコアをブロックに分割して、異なる二種類のコア（例えば、第１の回転子鉄心２０１−１、第２の回転子鉄心２０１−２）を２段、もしくは３段に積層するのものを示したが、異なる二種類のコアの積層方法は任意でよい。例えば、異なる二種類のコアを交互に積層してもよい。また、或る部分は、異なる二種類のコアを交互に積層し、他の部分は異なるコアのブロック単位で積層してもよい。

図１６乃至図２１は実施の形態１を示す図で、図１６は変形例３の回転子７００の斜視図、図１７は変形例３の回転子７００の平面図、図１８は変形例３の回転子組立７００−１（樹脂成形前）の斜視図、図１９は変形例３の回転子組立７００−１（樹脂成形前）の平面図、図２０は変形例３の回転子鉄心７０１の斜視図、図２１は変形例３の第１の回転子鉄心７０１−１、第２の回転子鉄心７０１−２の平面図である。

図１６乃至図２１を参照しながら、変形例３の回転子７００について説明する。変形例３の回転子７００が、回転子２００，３００，６００と異なるのは、第１の回転子鉄心７０１−１、第２の回転子鉄心７０１−２の夫々の永久磁石挿入部７０２の開口部７０８の位置が隣り合う磁極で異なっている点である。隣り合う磁極で、開口部７０８もしくは連結部７０６（外周薄肉部７０６ａを含む）が、極間に集めて配置されている。

変形例３の回転子鉄心７０１は、第１の回転子鉄心７０１−１と第２の回転子鉄心７０１−２とを一磁極分回転させてずらして積層される。ロータコアの形状は一種類である。ロータコアを金型で打ち抜いて積層する場合には、最終段階で打ち抜いてカシメを行う際に、ロータコアを一磁極分、図１６の場合でいえば、８極であるため４５°回転させて積層すれば、回転子７００を製造することが可能である。

このような構成でも、回転子７００の磁性体内部で短絡する磁束の量を減らすことができるため、回転子２００，３００，６００と同様の効果を得ることができる。

図１６乃至図２１において、その他の符号は、図１乃至図７に示す符号に対して、一桁目を「２」から「７」に変えているが、その他の桁の数字もしくはアルファベットが同じものは、同じ箇所を指す。例えば、軸孔７０５は、軸孔２０５と同じものである。

回転子７００は、永久磁石７０３の磁束の一部は、外周薄肉部７０６ａ、連結部７０６が集まる極間において、磁極自身並びに磁極間で短絡する。但し、開口部７０８が形成された極間では、永久磁石７０３の磁束の短絡は無いので、全体的にみると回転子７００内部で短絡する磁束は従来の半分にすることができる。それにより、より多くの磁束を固定子の巻線に鎖交することができる。

図２２は実施の形態１を示す図で、変形例４の回転子８００の斜視図である。回転子７００では、非磁性材料７１０を、夫々の非磁性部７０２ａもしくは開口部７０８に直接注入するものであるが、変形例４の回転子８００は樹脂注入時のゲートの数が減るとともに、永久磁石の抜け止めのための端板を省略できるものである。

図２２に示すように、変形例４の回転子８００は、非磁性材料８１０が、回転子８００の軸方向両端部にリング状に形成されている点だけが、回転子７００と異なる。回転子８００の軸方向両端部にリング状に形成される非磁性材料８１０（樹脂）の形状は、誘導機のエンドリングに酷似している。このように構成することにより、樹脂注入時のゲートの数が減るとともに、永久磁石の抜け止めのための端板を省略できる。

図２３は実施の形態１を示す図で、変形例５の回転子９００の斜視図である。図２２に示す回転子８００の場合、回転子鉄心８０１を構成する第１の回転子鉄心８０１−１と、第２の回転子鉄心８０１−２とが、軸方向において２分割されている。そのため、例えば、回転子８００の回転数が高くなり、外周薄肉部に加わる遠心力が大きくなると、開口部の非磁性材料８１０で、外周薄肉部の内側の非磁性部から距離のある部分（軸方向に離れた部分）では、回転子８００の強度が不足する場合がある。

図２３に示す変形例５の回転子９００は、ロータを軸方向に３分割した一例である。変形例５の回転子９００は、回転子７００，８００とコア幅（軸方向の長さ）は同じである。変形例５の回転子９００の回転子鉄心９０１は、二つの第１の回転子鉄心９０１−１と、二つの第１の回転子鉄心９０１−１の間に挟まれる第２の回転子鉄心９０１−２で構成される。第１の回転子鉄心９０１−１のコア幅（軸方向の長さ）は、第２の回転子鉄心９０１−２のコア幅（軸方向の長さ）の１／２である。

第２の回転子鉄心９０１−２の非磁性材料９１０（樹脂）は、二つの第１の回転子鉄心９０１−１の非磁性部（図示せず）に軸方向の両端が連結しているため、外周薄肉部（図示せず）に加わる遠心力が大きくなっても回転子９００の強度が不足する恐れが少ない。

変形例５の回転子９００は、軸方向両端部にリング状の非磁性材料９１０（樹脂）が形成されているが、このリング状の非磁性材料９１０がないものでもよい。

本発明の活用例として、比較的運転回転数の低い送風機に用いられる同期電動機への適用が可能である。

２００回転子、２００−１回転子組立、２０１回転子鉄心、２０１ａ外周鉄心部、２０１ｂ内側鉄心部、２０１−１第１の回転子鉄心、２０１−２第２の回転子鉄心、２０２永久磁石挿入部、２０２ａ非磁性部、２０３永久磁石、２０５軸孔、２０６連結部、２０６ａ外周薄肉部、２０７カシメ部、２０８開口部、２１０非磁性材料、３００回転子、３０１回転子鉄心、３０１−１第１の回転子鉄心、３０１−２第２の回転子鉄心、３１０非磁性材料、４００回転子、４０１回転子鉄心、４０１ａ外周鉄心部、４０１ｂ内側鉄心部、４０２永久磁石挿入部、４０３永久磁石、４０５軸孔、４０６連結部、４０６ａ外周薄肉部、４０７カシメ部、５００回転子、５０１回転子鉄心、５０１ａ外周鉄心部、５０１ｂ内側鉄心部、５０２永久磁石挿入部、５０３永久磁石、５０４軸孔、５０７カシメ部、５０８開口部、６００回転子、６０１回転子鉄心、６０１−１第１の回転子鉄心、６０１−２第２の回転子鉄心、６１０非磁性材料、７００回転子、７００−１回転子組立、７０１回転子鉄心、７０１−１第１の回転子鉄心、７０１−２第２の回転子鉄心、７０２永久磁石挿入部、７０２ａ非磁性部、７０３永久磁石、７０５軸孔、７０６連結部、７０６ａ外周薄肉部、７０８開口部、７１０非磁性材料、８００回転子、８０１回転子鉄心、８０１−１第１の回転子鉄心、８０１−２第２の回転子鉄心、８１０非磁性材料、９００回転子、９０１回転子鉄心、９０１−１第１の回転子鉄心、９０１−２第２の回転子鉄心、９１０非磁性材料。

Claims

所定の形状に打ち抜かれた軟磁性体を積層して形成される回転子鉄心の内部に磁極を構成する永久磁石が配置される同期電動機の回転子において、
前記回転子鉄心は、軟磁性体を複数積層して形成される第１の回転子鉄心と第２の回転子鉄心とが組み合わされて形成され、前記第１の回転子鉄心と前記第２の回転子鉄心とは、夫々、
前記第１の回転子鉄心もしくは前記第２の回転子鉄心の外周縁に沿って形成され、前記永久磁石が挿入される永久磁石挿入部と、
前記永久磁石挿入部の内側に形成される内側鉄心部と、
前記永久磁石挿入部の外側の各磁極に形成される外周鉄心部と、
前記内側鉄心部と前記外周鉄心部とを、各磁極の端部において連結する連結部並びに外周薄肉部と、
前記外周薄肉部の内側に形成され、前記永久磁石挿入部に連通する非磁性部と、
各磁極の前記連結部並びに前記外周薄肉部が設けられる端部と反対側の端部に設けられ、前記外周縁から前記永久磁石挿入部まで連通する開口部と、を備え、
前記第１の回転子鉄心と前記第２の回転子鉄心とは、前記開口部が各磁極の異なる端部に配置され、前記第１の回転子鉄心と前記第２の回転子鉄心とが積層されることで、一方の前記開口部と他方の前記非磁性部とが軸方向に連通するとともに、一方の前記非磁性部と他方の前記開口部とが軸方向に連通し、連通した前記非磁性部と前記開口部とには全体に一体化した非磁性材料が充填されたことを特徴とする同期電動機の回転子。
前記開口部は外周側が内側よりも幅が広くなっていることを特徴する請求項１記載の同期電動機の回転子。
前記非磁性材料の充填を射出成形により行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の同期電動機の回転子。
前記非磁性部と前記開口部とに充填される非磁性材料により、当該回転子の軸方向両端部にリング形状部が形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の同期電動機の回転子。