JP5533879B2 - 永久磁石形回転電機の回転子 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石形回転電機の永久磁石が埋め込まれた回転子に関し、コギングトルクの過大な増加を抑制することができる永久磁石形回転電機の回転子に関する。

近年、電動モータの高効率化のため、従来から用いられている誘導電動機に代えて、永久磁石を用いた永久磁石形回転電機が注目を浴び、その適用が拡大している。
永久磁石形回転電機は磁石配置によって２種類に大別され、回転子コアの表面に永久磁石を貼り付けた構成の表面磁石形回転電機と、回転子コアに磁石挿入スロットを設け、そこに永久磁石を挿入する埋込磁石形回転電機とがある。

表面磁石形回転電機においては、通常、回転子コアの表面に永久磁石を接着剤で接着して固定するようにしている。しかしながら、回転子を高速回転させると、これに応じて永久磁石に掛かる遠心力が大きくなり、永久磁石が回転子コアから剥がれて飛散することがある。
これに対して埋込磁石形回転電機では、永久磁石が回転子コア内に埋め込まれていることから永久磁石が剥がれることはなく、耐久性が良い利点がある。

このような埋込磁石形回転電機において、回転子コアは通常電磁鋼板を積層して構成されている。この回転子コアは、一般的には、図１０に示すように、電磁鋼板が積層された回転子コア１００の軸方向両端に非磁性材料の端板１０１を配置し、これらを貫通させたボルト１０２にナット１０３を螺合させて締めつけることで一体化するようにしている。
このような構成とすることで、単に積層された複数の電磁鋼板を一体化するだけではなく、端板にバランスウェイトを取付又は端板を削ることで回転子の静的バランスを保持することが可能となる。

しかし，このボルト締めによる方法では、回転子の外径が大きくなるほど非磁性材料の端板の外径も大きくなることから非磁性材料の端板の使用量が増加し、また回転子の軸方向が長くなるほど長い締め付けボルトが必要となるため製造コストが嵩むことになる。また、回転子の軸方向全長が長くなり、回転子質量も大きくなってしまう。
この問題点を解決するために、ボルト締めに代えて、電磁鋼板の外周面を溶接することが実施されている。

例えば、コスト高を招くことなく、コギングトルクが小さく、振動や騒音、ひいては回転むらを小さくできることを目的として、回転子鉄心の円周方向に回転子の極数分等間隔に矩形の磁石装着孔を設け、磁石装着孔の各々に磁極面を鉄心径方向として互いに隣接する磁極が異なるように永久磁石を装着し、永久磁石の各々の外周側磁極面に形成される鉄心磁極部の外周形状を、周方向中央部で鉄心中心よりの距離が最も大きくなり、磁極間部で鉄心中心よりの距離が最も小さくなるような鉄心磁極部毎に円弧状とした永久磁石型電動機の永久磁石型回転子が提案されている(例えば、特許文献１参照)。

また、磁束交番により誘導電流が流れて発生するジュール損を抑え、高いモータ効率を実現することを目的として、インナーロータ、アウターロータの少なくとも１つは、電磁鋼板を複数の溶接部により一体化すると共に、一体化したロータにおける複数の溶接部は、溶接部で囲まれた平面を交番する他方のロータの回転に伴う磁束密度の積分値がゼロとなる位置に設けた回転電機が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、渦電流の発生を極めて低く抑えることができ、また内部に配置される永久磁石のレイアウトを自由に構成することができることを目的として、ロータの鉄心の内部に、複数の永久磁石が、それぞれの磁極面がロータの半径方向を向くように、ロータの回転軸を中心に配置され、前記鉄心は、複数の電磁鋼板が積層されて形成されるとともに、前記鉄心の外周上にあって、かつ前記複数の永久磁石のそれぞれの磁極中心から前記半径方向にある位置においてのみ、前記ロータの回転軸と平行に溶接された永久磁石型モータが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

さらにまた、コギングトルクを低減でき、加工性、機械強度に優れた永久磁石回転電機を提供することを目的として、固定子の内周に回転空隙を介して回転可能に配置されるとともに、ブロック形状、台形状及び凸部が固定子側を向くアーク形状のいずれかの形状からなる複数個の永久磁石が鉄心内部に円周状にかつ前記永久磁石の極性が交互になるように埋込配置された回転子を有し、前記鉄心の表面であって、前記鉄心の外周部の前記永久磁石の周方向幅の外面との間における部分かつ前記永久磁石の磁極の中心付近に対応する位置には、前記固定子と前記回転子の回転時の磁気変動によって生じるコギングトルクの低減のための磁気変動を生じさせる溝が設けられている永久磁石回転電機が提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開２０００−１９７２９２号公報 特許第４２２０３２４号公報 特許第３７７８２７１号公報 特許第３８０７２１４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、永久磁石のそれぞれの外周側磁極面に形成される鉄心磁極部の外周形状が、周方向中央部で鉄心中心よりの距離か最も大きくなり、極間部で鉄心中心よりの距離が最も小さくなるように鉄心磁極部毎の円弧状をなしている回転子形状を有し、溶接位置は鉄心磁極部外周の極間部としており、この位置での溶接は、コギングトルクへの影響は少ないが溶接し難い場所であり、製造過程において時間とコストが掛かるという未解決の課題がある。

また、上記特許文献２に記載された従来例にあっては、ロータにおける複数の溶接部は、該溶接部で囲まれた平面を交番する他方のロータの回転に伴う積分値がゼロとなる位置としている。インナーロータ側に着目した場合、極対間毎の極間部を溶接することを示しており、溶接個所が極対数しか存在しないことから、特に極数が少ない回転電機ではロータの溶接強度に関して問題があるという未解決の課題がある。

さらに、上記特許文献３に記載された従来例にあっては、溶接部が永久磁石のそれぞれの磁極中心から半径方向にある位置においてのみ、ロータの回転軸と平行に溶接するようにしており、磁石形状が一文字などに限定されており、また、コギングトルクを低減させるために２段以上の段スキューを設けた回転子構造では溶接が困難となるという未解決の課題がある。

さらにまた、上記特許文献４に記載された従来例にあっては、コギングトルクを打ち消すために、コギングトルクが発生する位置に溝を設けることで、全体のコギングトルクを低減させる永久磁石回転電機の回転子を示している。しかしながら、製造時のバラツキを考慮した場合、コギングトルクが大きくなる可能性がある。また、段スキュー構造とした場合もコギングトルクが大きくなる可能性がある。溝の位置は、磁極の中心位置付近であり、コギングトルクと同じ次数でほぼ逆相のコギングトルクを発生させる溝とあるが明確な位置は示されていない。さらにリラクタンストルクを有効に活用できる２枚の磁石で１極を構成するＶ字形状の回転子構造については明確でない。さらにまた、積層された電磁鋼板を安価、かつ機械強度をもつ回転子として一体化する方法が明確でない等の未解決の課題がある。

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、製造時における溶接溝位置及び溶接にバラツキがあった場合でも、コギングトルクの過大な増加を抑制し、大きな誘起電圧の変動が無く、安価に製造可能な溶接溝を持つ永久磁石形回転電機の回転子を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一の形態に係る永久磁石形回転電機の回転子は、コイルを巻装した固定子と、永久磁石が埋め込まれた回転子とを有する永久磁石形回転電機の回転子である。そして、電磁鋼板を積層して構成される回転子コアの外周面における、中心点と埋設された永久磁石で構成される磁極の隣接する磁極との間の中心とを結ぶ線を電気角で表される角度θの基準とするとき、
π／６＜θ＜π／２［ｒａｄ］及びπ／２＜θ＜５π／６［ｒａｄ］
の何れか一方の範囲内に軸方向に延長する溶接溝が形成されている。

ここで、永久磁石としては、断面形状がＶ字形状、Ｕ字形状等の屈曲形状や平板形状の何れであってもよい。
また、本発明の他の形態に係る永久磁石形回転電機の回転子は、電磁鋼板を積層して構成される第１の積層体と、前記電磁鋼板を裏返して積層して構成される第２の積層体とを互いの前記溶接溝を軸方向に直線状に配置して段スキュー構造としている。

さらに、本発明の他の形態に係る永久磁石形回転電機の回転子は、前記永久磁石が、磁極を構成する永久磁石の回転子外周側磁極面が前記回転子の中心点と前記磁極の円周方向中心を通る磁極中心線を挟んで対向するように配置されている。
また、本発明の他の形態に係る永久磁石形回転電機の回転子は、前記永久磁石が、前記回転子の中心点と前記磁極の円周方向中心を通る磁極中心線と直交する線上に配置されている。

また、本発明の一の形態に係る永久磁石形回転電機の回転子は、前記溶接溝の断面形状が円弧形状、半楕円形状、矩形形状及びＷ字形状の何れか１つの形状とされている。

本発明によれば、製造時において、溶接溝位置及び溶接工程にバラツキがあっても、コギングトルクの過大な増加を抑制し、大きな誘起電圧の変動がなく、安価に製造が可能な永久磁石形回転電機の回転子を提供することができる。

本発明の第１の実施形態を示す永久磁石形回転電機の１磁極分を示すモデル図である。 第１の実施形態における回転中心と磁極間の中心位置とを結ぶ線を基準とする溶接溝の配置角度θ（電気角）とコギングトルクとの関係を示す特性線図である。 第１の実施形態における回転中心と磁極間の中心位置とを結ぶ線を基準とする溶接溝の配置角度θ（電気角）と誘起電圧との関係を示す特性線図である。 本発明の第２の実施形態を示す回転子の側面図である。 図４の回転子コアの断面図である。 第２の実施形態における回転中心と磁極間の中心位置とを結ぶ線を基準とする溶接溝の配置角度θ（電気角）とコギングトルクとの関係を示す特性線図である。 第２の実施形態における回転中心と磁極間の中心位置とを結ぶ線を基準とする溶接溝の配置角度θ（電気角）と誘起電圧との関係を示す特性線図である。 溶接溝の変形例を示す拡大断面図である。 回転子の永久磁石形状の変形例を示す図である。 従来例の回転子を示す側面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る回転子を永久磁石形回転電機に適用した場合の第１の実施形態を示す断面図である。
この図１において、１は埋込磁石形回転電機で構成されている永久磁石形回転電機である。この永久磁石形回転電機１は、例えば円筒状の固定子２と、この固定子２の内周面に所定の空隙３を介して対向し、回転軸４に取付けられて回転自在に支持された回転子５とを備えている。

固定子２は、電磁鋼板を積層して形成した固定子コア６を有する。この固定子コア６は、円筒状のヨーク部７と、このヨーク部７の内周面に円周方向に所定間隔を保って半径方向に延長して形成された多数の固定子スロット８と、これら固定子スロット８間に形成されたティース部９とから構成されている。
回転子５は、電磁鋼板を積層して形成された回転子コア１１を有する。この回転子コア１１は、例えば円周方向に等間隔で６個の磁極１２が形成され、隣接する磁極間で半径方向の着磁方向が逆となるように設定されている。

磁極１２には、回転子コア１１の外周面から内側に頂部が回転中心側となる内側角φが鈍角のＶ字形状となるように２つの永久磁石スロット１３ａ及び１３ｂが軸方向に貫通して形成されている。これら永久磁石スロット１３ａ及び１３ｂは、磁極１２の円周方向の中心線Ｌｃを中心として線対称に形成されている。各永久磁石スロット１３ａ及び１３ｂには、例えば希土類の永久磁石１４ａ及び１４ｂが挿通されて接着剤等の固定手段で固定されている。したがって、永久磁石１４ａ及び１４ｂの外周側磁極面が中心線Ｌｃを挟んで互いに対向している。

また、磁極１２を構成する回転子コア１１の外周面に断面半円状の溶接溝１５が軸方向に延長して形成されている。この溶接溝１５は、コギングトルクの過大な増加を抑制し、大きな誘起電圧の変動が無いように、回転中心Ｏを通り例えば時計方向側に隣接する磁極１２との間の中心となる境界線Ｌｂを基準（０ｒａｄ）とする電気角で表される角度θを考えたときに、角度θがπ／６＜θ＜５π／６の範囲となる位置に形成されている。

このように、上記第１の実施形態によると、永久磁石形回転電機１が埋込永久磁石形回転電機の構成を有するので、回転子５の永久磁石１４ａ及び１４ｂの中間部がｄ軸となり、隣接する磁極１２との境界位置がｑ軸となって、励磁コイル（図示せず）に通電して例えばｄ−ｑ軸電流制御することにより、回転子５を回転駆動することができる。
上記構成を有する第１の実施形態では、回転子コア１１を構成する積層された電磁鋼板を溶接する溶接溝１５をπ／６＜θ＜５π／６の範囲内の角度θに設定しているので、コギングトルクの過大な増加を抑制し、大きな誘起電圧の変動がなく、さらに溶接溝１５の設置位置は回転子コア１１の円筒面であり、特殊な加工を必要としないので低コストで製造することできる。

すなわち、一例として固定子スロット８の数を３６とし、回転子５の磁極１２の数を６とした永久磁石形回転電機１を用いて、溶接溝１５を形成する角度θとコギングトルクとの関係をシミュレーションした結果を図２に示す。この図２から明らかなように、溶接溝１５をπ／６＜θ＜５π／６の範囲に設けることにより、コギングトルク［Ｎｍ］の変動幅を±１０％以内に抑制することができる。回転電機の定格トルクに対しては約２％である。このため、溶接溝１５の製造時に溶接溝１５の形成位置がずれたり、溶接溝１５での溶接工程にバラツキがあったりしても、コギングトルクの変動幅は±１０％の範囲内に収まることになり、コギングトルクの過大な増加を抑制することができる。

また、上記と同様の固定子スロット数３６及び回転子５の磁極数６の永久磁石形回転電機１を用いて、溶接溝１５を形成する角度θと誘起電圧［Ｖ］との関係をシミュレーションした結果を図３に示す。この図３から明らかなように、溶接溝１５をπ／６＜θ＜５π／６の範囲に設けることにより、誘起電圧の変動幅は３％以下に抑制することができる。このため、溶接溝１５の製造時に溶接溝１５の形成位置がずれたり、溶接溝１５での溶接工程にバラツキがあったりしても、誘起電圧の変動は少なくとも３％以下となることから誘起電圧の大きな変動を防止することができる。

さらに、溶接溝１５の位置を固定子２のスロット開口部中央とすることで、コギングトルクの増大を抑制することが可能となる。
なお、溶接溝１５を前述した角度θの範囲外であるθ＝０すなわち隣接する磁極１２間の中央位置に形成する場合には、図２から明らかなように、コギングトルクを最も小さく抑えることが可能である。しかし、この磁極１２間の中央位置に溶接溝１５を形成する場合には、永久磁石形回転電機１の負荷運転時において磁極間中央部を流れようとする磁束の障害となり、リラクタンストルクを有効に活用できないことから特性の低下につながる。

次に、本発明の第２の実施形態を図４及び図５について説明する。
この第２の実施形態は、回転子５に段スキューを形成するようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態では、図５に示すように、回転子コア１１を、電磁鋼板を積層した第１の積層体２１ａと、同じ電磁鋼板を裏返して積層した第２の積層体２１ｂとを軸方向に結合して形成されている。このとき、溶接溝１５は、図４に示すように、磁極１２の円周方向の中心線Ｌｏ位置すなわち角度θ＝π／２を避けた位置すなわちπ／６＜θ＜π／２［ｒａｄ］及びπ／２＜θ＜５π／６［ｒａｄ］の何れか一方の角度範囲内に溶接溝１５を形成する。これにより、第１の積層体２１ａ及び第２の積層体２１ｂの溶接溝１５を軸方向に直線上に揃えたときに、第１の積層体２１ａでは、永久磁石スロット１３ａ及び１３ｂが図４で実線図示のように回転中心Ｏと溶接溝１５の円周方向の中心を通る線Ｌａに対して反時計方向に角度δだけずれて配置されることになる。一方、第２の積層体２１ｂでは、永久磁石スロット１３ａ及び１３ｂが図４で破線図示のように前記線Ｌａに対して時計方向に角度δだけずれて配置されることになる。

このため、第１の積層体２１ａ及び第２の積層体２１ｂとで磁極１２が２δ分ずれた段スキュー構造を形成することができる。このとき、第１の積層体２１ａ及び第２の積層体２１ｂとは同じ形状に形成した電磁鋼板を裏返した状態で積層するだけであるので、一つのプレス金型を利用して電磁鋼板を加工することができ、金型費を抑制することが可能となる。
また、第１の積層体２１ａ及び第２の積層体２１ｂの溶接溝１５が直線状となるので、溶接を容易に行うことができる。
このように、上記第２の実施形態では、回転子を２段スキュー構造としたので、コギングトルクをより抑制することができる。

すなわち、一例として固定子スロット８の数を３６とし、回転子５の磁極１２の数を６とした２段スキュー構造の永久磁石形回転電機１を用いて、溶接溝１５を形成する電気角で表される角度θとコギングトルクとの関係をシミュレーションした結果を図６に示す。この図６から明らかなように、コギングトルクを前述した第１の実施形態の図２に比較して略半減させることができる。そして、上述した第１の実施形態と同様に、溶接溝１５をπ／６＜θ＜５π／６の範囲に設けることにより、コギングトルク［Ｎｍ］の変動幅を定格トルクの１％以内に抑制することができる。このため、溶接溝１５の製造時に溶接溝１５の形成位置がずれたり、溶接溝１５での溶接工程にバラツキがあったりしても、コギングトルクの変動幅は定格トルクの１％以内に収まることになり、コギングトルクの過大な増加を抑制することができ、コギングトルク自体を低減することができる。

また、上記と同様の固定子スロット数３６及び回転子５の磁極数６の永久磁石形回転電機１を用いて、溶接溝１５を形成する電気角で表される角度θと誘起電圧［Ｖ］との関係をシミュレーションした結果を図７に示す。この図７から明らかなように、溶接溝１５をπ／６＜θ＜５π／６の範囲に設けることにより、誘起電圧の変動幅は前述した第１の実施形態と同様に３％以下に抑制することができる。このため、溶接溝１５の製造時に溶接溝１５の形成位置がずれたり、溶接溝１５での溶接工程にバラツキがあったりしても、誘起電圧の変動は少なくとも３％以下となることから誘起電圧の大きな変動を防止することができる。

さらに、図４に示すように、一つ溶接溝１５の円周方向の中心点を通る線上にキー溝２２を形成することにより、段スキュー構造とした場合でもキー溝２２は軸方向に直線上に配列されることになり、溶接時の位置決めの役割を果たすことが可能となる。
なお、上記第２の実施形態においては、回転子５を２段スキュー構造とした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、電磁鋼板を表・裏・表と積層することで第３の積層体を合わせた３段のスキュー構造、第４の積層体を合わせた４段のスキュー構造を持つ回転子５を構成することが可能である。

また、上記第１及び第２の実施形態においては、溶接溝１５の断面形状が半円形である場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図８（ａ）に示すように、断面半楕円形状の溶接溝３１としたり、図８（ｂ）に示す断面矩形形状の溶接溝３２としたり、図８（ｃ）に示す断面Ｗ字形状の溶接溝３３としたり、任意の溝形状を適用することができる。ここで、コギングトルクの過大な増加を抑制するためには、回転子外周からの溶接溝の深さはできるだけ浅い形状とすることが望ましい。さらにコギングトルクの過大な増加を抑制するために、回転子外周における回転方向の溶接溝の幅はできるだけ狭い形状が望ましく、固定子２のスロット開口幅以下の形状がより望ましい。

また、上記第１及び第２の実施形態においては、回転子コア１１にＶ字形状に永久磁石１４ａ及び１４ｂを配置して磁極１２を形成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図９（ａ）に示すように磁極中心位置の半径が一番小さくなるように湾曲させた断面Ｕ字形状に永久磁石４１を配置したり、図９（ｂ）に示すように、円弧に外接する複数の永久磁石４２ａ〜４２ｃを配置したりすることができる。要は、永久磁石の外周側磁極面が磁極１２の中心線Ｌｃを挟んで対向するように配置すれば、Ｖ字形状、Ｕ字形状等の任意の形状とすることができる。また、図９（ｃ）に示すように、磁極の中心線に対して直交する方向に沿う平板形状の永久磁石４３を配置するようにしてもよい。この平板形状の永久磁石４３を適用する場合には、段スキュー構造とするときには前述したように溶接溝１５の配置角度θ（電気角）をπ／２を除く位置に形成する必要があることから、溶接溝１５を配置する角度θ（電気角）をπ／２を除く位置に形成することが好ましい。

以上のように本発明は、積層電磁鋼板の溶接溝の配置範囲を特定することにより、製造時において、溶接溝位置及び溶接工程にバラツキがあっても、コギングトルクの過大な増加を抑制し、大きな誘起電圧の変動がなく、安価に製造が可能な永久磁石形回転電機の回転子を提供できる。

１…永久磁石形回転電機、２…固定子、３…空隙、４…回転軸、５…回転子、６…固定子コア、１２…磁極、１３ａ，１３ｂ…永久磁石スロット、１４ａ，１４ｂ…永久磁石、１５…溶接溝、２１ａ…第１の積層体、２１ｂ…第２の積層体、２２…キー溝、３１〜３３…溶接溝、４１、４２ａ〜４２ｃ、４３…永久磁石

Claims (5)

1. コイルを巻装した固定子と、永久磁石が埋め込まれた回転子とを有する永久磁石形回転電機の回転子であって、
   電磁鋼板を積層して構成される回転子コアの外周面における、中心点と埋設された永久磁石で構成される磁極の隣接する磁極との間の中心とを結ぶ線を電気角で表される角度θの基準とするとき、
   π／６＜θ＜π／２［ｒａｄ］及びπ／２＜θ＜５π／６［ｒａｄ］
   の何れか一方の範囲内に軸方向に延長する溶接溝が形成されていることを特徴とする永久磁石形回転電機の回転子。
2. 電磁鋼板を積層して構成される第１の積層体と、前記電磁鋼板を裏返して積層して構成される第２の積層体とを互いの前記溶接溝を軸方向に直線状に配置して段スキュー構造としたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形回転電機の回転子。
3. 前記永久磁石は、磁極を構成する永久磁石の回転子外周側磁極面が前記回転子の中心点と前記磁極の円周方向中心を通る磁極中心線を挟んで対向するように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石形回転電機の回転子。
4. 前記永久磁石は、前記回転子の中心点と前記磁極の円周方向中心を通る磁極中心線と直交する線上に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石形回転電機の回転子。
5. 前記溶接溝は、断面形状が円弧形状、半楕円形状、矩形形状及びＷ字形状の何れか１つの形状とされていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の永久磁石形回転電機の回転子。

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