JP5668646B2 - 回転電機のロータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のロータに関し、より詳しくは、ロータコアに永久磁石が固定された回転電機のロータに関する。

電動機や発電機等の回転電機において、ロータコアに永久磁石が固定された永久磁石埋め込み型のロータが知られている。このようなロータでは、円筒状磁性体からなるロータコアに、その軸方向に延びた磁石挿入孔が形成されている。一般的に、永久磁石は、かかる磁石挿入孔内に挿入され、接着剤や樹脂モールドを用いて固定される。

ところで、接着剤や樹脂モールドにより永久磁石を固定する場合、材料コストの問題がある。さらに、金型を準備する必要があり、また煩雑な工程を多く含むなど、プロセス面でも問題がある。かかる状況に鑑みて、接着剤等を使用しない永久磁石の固定構造が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開平９‐２８９７５８号公報 特開２００４‐３２８９６３号公報

しかし、上記特許文献の固定構造では、永久磁石をしっかり固定することが難しい。
即ち、本発明の目的は、接着剤等を使用しない又は使用量を低減した場合であっても、永久磁石をより確実に固定できる回転電機のロータを提供することである。

本発明の回転電機のロータは、ロータコアと、前記ロータコアに固定される永久磁石とを備える回転電機のロータにおいて、前記永久磁石には、その外面にネジ形状が形成されており、前記ロータコアは、前記永久磁石を固定するための孔であって、前記ネジ形状のネジ山ピッチに対応した凹凸ピッチで内面凹凸形状が形成された磁石挿入孔を有することを特徴とする。

本発明の回転電機のロータにおいて、前記ロータコアは、複数の電磁鋼板の積層体であり、前記磁石挿入孔は、前記電磁鋼板の積層方向に前記凹凸ピッチが繰り返されることが好適である。

また、本発明の回転電機のロータにおいて、電磁鋼板は、前記ネジ形状の外径よりも大きな大孔が形成された第１電磁鋼板と、前記ネジ形状の外径よりも小さな小孔が形成された第２電磁鋼板とを含み、前記磁石挿入孔は、前記凹凸ピッチで前記第１電磁鋼板と前記第２電磁鋼板とを交互に積層し、前記大孔と小孔とを重ね合わせてなる前記内面凹凸形状を有する構成を適用できる。
当該構成において、前記小孔の縁には、前記大孔よりも張り出した部分に切り込みを形成することができる。

また、本発明の回転電機のロータにおいて、前記電磁鋼板には、前記ネジ形状の外径よりも大きな長径、及び当該外径よりも小さな短径を有する長孔が形成されており、前記磁石挿入孔は、前記凹凸ピッチで前記長径の方向をずらして前記電磁鋼板を積層し、前記長孔を重ね合わせてなる前記内面凹凸形状を有する構成を適用できる。

また、本発明の回転電機のロータにおいて、前記内面凹凸形状は、前記ネジ形状に螺合する内ネジ形状である構成を適用できる。

本発明の回転電機のロータによれば、永久磁石のネジ形状が磁石挿入孔の内面凹凸形状に嵌合するため、接着剤等を使用しない又は使用量を低減した場合であっても、永久磁石を確実に固定することができる。

また、ロータコアが複数の電磁鋼板の積層体である構成において、磁石挿入孔のサイズや形状、形成方向等が異なる２種以上の電磁鋼板を用いることにより、永久磁石のネジ形状に対応した内面凹凸形状を容易に形成することができる。
さらに、内面凹凸形状の凸部（張り出し部）に切り込みを形成すること、或いは楕円形状等の長孔が形成された電磁鋼板を、長孔の向きがずれるように積層すること等によって、例えば、永久磁石のネジ山に接触する凸部を撓み易くして、永久磁石の挿入を容易にすることができる。

本発明の実施形態である回転電機のロータを示す平面図である。 本発明の実施形態である永久磁石を示す斜視図である。 図１のＡ‐Ａ線断面図である。 図１のＢ‐Ｂ線断面の一部を拡大して示す図である。 本発明の実施形態である回転電機のロータの第１の変形例を示す図である。 本発明の実施形態である回転電機のロータの第２の変形例を示す図である。 本発明の実施形態である回転電機のロータの第３の変形例を示す図である。

図面を参照しながら、本発明の実施形態である回転電機のロータ１０（以下、「ロータ１０」とする）について詳細に説明する。

図１は、ロータ１０の軸方向端面を示す平面図であり、図２は、ロータ１０に適用される永久磁石３０を示す斜視図である。図３は、図１のＡ‐Ａ線断面図であって、永久磁石３０が挿入されていない磁石挿入孔２３をロータ１０の軸方向（以下、単に「軸方向」ともいう）に切断した図である。図４は、図１のＢ‐Ｂ線断面図であって、永久磁石３０が挿入された磁石挿入孔２３を軸方向に切断した図である。
なお、ロータ１０の周囲には、図示しない筒状のステータが所定のギャップを隔てて設けられ、回転電機が構成される。

ロータ１０は、ロータコア２０と、ロータコア２０に固定される永久磁石３０とを備える。ロータコア２０は、複数の電磁鋼板２１を軸方向に積層して構成されている。電磁鋼板２１は、例えば、板厚０．３ｍｍの珪素鋼板等を円環状に打ち抜き加工して形成される。ロータコア２０を構成する複数の電磁鋼板２１は、ロータコア２０を軸方向に複数分割したブロック毎に、又は全て一括してカシメ、接着、又は溶接することで一体に連結されている。

ロータコア２０は、図示しないシャフトが挿通されるシャフト挿通孔２２を有する。ロータコア２０がシャフトに締り嵌めによって固定される場合、シャフト挿通孔２２を真円形状とすることができる。但し、ロータコア２０がキー嵌合によりシャフトに取り付けられる場合、シャフト挿通孔２２の縁には、キー溝が形成される。なお、ロータコア２０には、図示しないエンドプレート等が取り付けられる。

ロータコア２０の外周部には、複数の磁極１１が周方向に等間隔で設けられている。図１に例示する形態では、８つの磁極１１が周方向に４５°間隔で設けられている。また、１つの磁極１１は、６つの永久磁石３０により構成されている。６つの永久磁石３０は、３つ単位で１つの列を構成している。そして、１つの磁極１１を構成する永久磁石３０の各列は、ロータコア２０の外側に向かって互いの間隔が広がった略Ｖ字状に配置されている。なお、磁極１１内における永久磁石３０の配置は、略Ｖ字状に限定されず、例えば、直線状やロータコア２０の外形に沿った円弧状であってもよい。

ロータコア２０は、永久磁石３０を固定するための磁石挿入孔２３を有する。つまり、磁石挿入孔２３は、ロータコア２０の外周部に、永久磁石３０が略Ｖ字状に配置されるように、ロータコア２０の軸方向に延びて形成されている。図１では、１つを除く磁石挿入孔２３に永久磁石３０が挿入されて固定された様子を示している。

ロータ１０では、永久磁石３０の固定構造、即ち磁石挿入孔２３及び永久磁石３０の構成が従来のロータと大きく異なる。
以下、磁石挿入孔２３及び永久磁石３０の構成について、さらに詳説する。

永久磁石３０は、細長い略円柱形状に加工されている。永久磁石３０は、頭部３１と、軸部３２とを有し、軸部３２の軸方向長さは、例えば、ロータコア２０の軸方向長さと略同等、又はロータコア２０の軸方向長さの略１／２程度に設定される。後者の場合には、ロータコア２０の軸方向両端から永久磁石３０を磁石挿入孔２３に挿入することが好適である。

永久磁石３０は、その外面にネジ形状３３が形成されている。ネジ形状３３は、軸部３２の軸方向に沿った外周面において、ネジ山３４が螺旋状に形成された形状である。ネジ山３４の間には、同じく螺旋状のネジ溝３５が形成されている。また、頭部３１の端面には、マイナス形状の凹部が形成されている。この凹部には、例えば、永久磁石３０を磁石挿入孔２３に圧入するときに使用される工具が嵌め込まれる。つまり、永久磁石３０は、所謂セットボルト形状に加工されている。

なお、頭部３１の端面に形成される凹部は、マイナス形状に限定されず、プラス形状であってもよい。また、頭部３１の外周面が六角形状等に加工されていてもよい。場合によっては、頭部３１を有さず、永久磁石３０の軸方向全長に亘ってネジ形状３３が形成された所謂スタットボルト形状としてもよい。

磁石挿入孔２３は、ボルト形状に加工された永久磁石３０を固定するための貫通孔であって、ロータコア２０を軸方向に貫通して形成されている。つまり、磁石挿入孔２３は、電磁鋼板２１の積層方向に延びて形成されている。

磁石挿入孔２３の内面には、ネジ形状３３のネジ山３４のピッチＰ１（以下、ねじ山ピッチＰ１とする）に対応した凹凸ピッチＰ２で内面凹凸形状２４が形成されている。つまり、ネジ山ピッチＰ１と、内面凹凸形状２４の凹凸ピッチＰ２（凸ピッチ、又は凹ピッチでも同じ）とが略同等に設定される。磁石挿入孔２３では、電磁鋼板２１の積層方向に凹凸ピッチＰ２が繰り返され、複数の電磁鋼板２１に跨って１つの凹凸ピッチＰ２が形成される。

磁石挿入孔２３が形成される多数の電磁鋼板２１には、ネジ形状３３の外径よりも大きな大孔２５ａが形成された第１電磁鋼板２１ａと、ネジ形状３３の外径よりも小さな小孔２５ｂが形成された第２電磁鋼板２１ｂとが含まれる。磁石挿入孔２３では、大孔２５ａにより凹部が、小孔２５ｂにより凸部（張り出し部２６）が形成される。ここで、ネジ形状３３の「外径」とは、ネジ山３４が形成された部分の直径、即ち軸部３２の最大径を意味する。ネジ溝３５が形成された部分の直径は、「内径」と呼ばれる。小孔２５ｂ（凸部、張り出し部２６）は、ネジ形状３３の内径よりも大きいことが好適である。

磁石挿入孔２３は、凹凸ピッチＰ２で第１電磁鋼板２１ａと第２電磁鋼板２１ｂとを交互に積層し、大孔２５ａと小孔２５ｂとを重ね合わせてなる内面凹凸形状２４を有する。図３に例示する形態では、３枚の第１電磁鋼板２１ａ、及び２枚の第２電磁鋼板２１ｂの計５枚により、内面凹凸形状２４の１つの凹凸ピッチＰ２が形成されている。そして、３枚の第１電磁鋼板２１ａの積層単位と、２枚の第２電磁鋼板２１ｂの積層単位とを、大孔２５ａと小孔２５ｂとを一致させた状態で交互に積層することにより、電磁鋼板２１の積層方向に凹凸ピッチＰ２が繰り返された磁石挿入孔２３となる。

つまり、磁石挿入孔２３は、孔の内周面からリング状に張り出した張り出し部２６が、軸方向に沿って所定間隔（例えば、０．３ｍｍ×３枚＝０．９ｍｍ）で形成された貫通孔と言える。なお、張り出し部２６は、第２電磁鋼板２１ｂの小孔２５ｂの縁に相当する部分であって、内面凹凸形状２４の凸部である。

ここで、図４を参照して、磁石挿入孔２３の内面凹凸形状２４と、永久磁石３０のネジ形状３３との嵌合形態、及び嵌合方法について詳説する。

図４では、第１電磁鋼板２１ａの大孔２５ａにより形成される凹部に、永久磁石３０のネジ山３４が嵌まり込んだ様子を示している。そして、ネジ山３４の軸方向両端が張り出し部２６に当接している。なお、ネジ山３４は連続した螺旋形状を有するため、張り出し部２６の一部（図４の紙面後方に位置する部分）は、ネジ山３４が乗り上げて撓んだ状態である。こうして、永久磁石３０が磁石挿入孔２３にしっかりと固定される。大孔２５ａは、ネジ形状３３の外径よりも大きく形成されるが、これを外径のサイズに近づけるほど、或いは小孔２５ｂをネジ形状３３の内径のサイズに近づけるほど、ガタツキがなくより確実な固定が可能となる。

永久磁石３０を磁石挿入孔２３に挿入する際には、頭部３１の端面に形成された凹部を利用して、永久磁石３０を回転させながら所定の圧力を加える。磁石挿入孔２３の張り出し部２６は、ネジ山ピッチＰ１に対応するピッチ（凹凸ピッチＰ２）で形成されているが、ネジ溝３５に螺合する螺旋形状ではないため、永久磁石３０を圧入する必要がある。圧入する際の所定の圧力は、例えば、磁石挿入孔２３の張り出し部２６が、永久磁石３０のネジ山３４に押されて撓み、ネジ山３４が張り出し部２６を乗り越えることができる程度に設定される。場合によっては、ネジ山３４、或いは張り出し部２６及びネジ山３４の両方が撓んでもよい。ネジ山３４が張り出し部２６を乗り越えた後、張り出し部２６が弾性変形して元の形状に戻ることで、図４に示す嵌合形態が得られる。

以上のように、ロータ１０によれば、永久磁石３０のネジ形状３３が、磁石挿入孔２３の内面凹凸形状２４に嵌合するため、接着剤等を使用しなくても、永久磁石３０をしっかり固定することができる。

また、磁石挿入孔２３の内面凹凸形状２４は、貫通孔の形状が異なる２種類の第１電磁鋼板２１ａ及び第２電磁鋼板２１ｂを、ネジ山ピッチＰ１に対応する凹凸ピッチＰ２で積層することにより、容易に形成することができる。

上記実施形態は、本発明の目的を損なわない範囲で設計変更することができる。
以下、図面を参照しながら、設計変更例（変形例）を示すが、上記実施形態と同じ構成要素には同一符号を付して上記と重複する説明は省略する。

図５は、第１の変形例を示す平面図であって、磁石挿入孔５０をロータコア２０の軸方向端面側から見た様子を示す。
図５に例示する形態では、磁石挿入孔５０は、磁石挿入孔２３と同様に、大孔２５ａが形成された第１電磁鋼板２１ａと、小孔２５ｂが形成された第２電磁鋼板２１ｂとを凹凸ピッチＰ２で積層することにより形成される。但し、磁石挿入孔５０は、張り出し部２６、即ち小孔２５ｂの縁に切り込み５１が形成されている点で、磁石挿入孔２３と異なる。

図５に例示する形態では、略Ｖ字状を呈する複数（例えば、８つ）の切り込み５１が小孔２５ｂの周囲に形成されている。なお、切り込み５１の形状は、略Ｖ字状に限定されず、Ｌ字状や円弧状、或いは線状であってもよい。

この形態によれば、永久磁石３０のネジ山３４に引っ掛かる張り出し部２６（凸部）が、切り込み５１が形成されたことで撓み易くなる。したがって、永久磁石３０を挿入し易くなる。そして、永久磁石３０の挿入後は、図４と同様の嵌合形態が得られるため、永久磁石３０を確実に固定することができる。

図６は、第２変形例を示す図である。図６（Ａ）は、磁石挿入孔６０をロータコア６３の軸方向端面側から見た様子を示す平面図であり、図６（Ｂ）は、電磁鋼板６４，６５を積層する様子を示す図である。
図６に例示する形態では、貫通孔６１が形成された電磁鋼板６４と、貫通孔６２が形成された電磁鋼板６５とが、永久磁石３０のねじ山ピッチＰ１に対応する凹凸ピッチＰ２で交互に積層されたロータコア６３を有する。ここで、貫通孔６１，６２は、ネジ形状３３の外径よりも大きな長径、及びネジ形状３３の外径よりも小さな短径を有する楕円形状の長孔である。

磁石挿入孔６０は、凹凸ピッチＰ２で電磁鋼板６４と電磁鋼板６５とを交互に積層して、貫通孔６１と貫通孔６２とを重ね合わせてなる内面凹凸形状を有する。かかる内面凹凸形状は、貫通孔６１の長径の方向と、貫通孔６２の長径の方向とが、例えば、互いに直交するようにずらす、即ち貫通孔６１，６２の向きのみが異なる電磁鋼板６４，６５を凹凸ピッチＰ２で交互に積層することにより形成される。

この形態によれば、永久磁石３０のネジ山３４に引っ掛かる張り出し部６６（一点差線で示す永久磁石３０の内側に位置する部分）の面積が、磁石挿入孔２３の場合と比較して小さくなる。したがって、張り出し部６６が撓み易くなり、永久磁石３０を挿入し易くなる。そして、永久磁石３０の挿入後は、図４と同様の嵌合形態が得られるため、永久磁石３０を確実に固定することができる。

図７は、第３変形例を示す断面図であって、永久磁石３０が磁石挿入孔７０に挿入された様子を示す。
図７に例示する形態では、磁石挿入孔７０の内面凹凸形状は、永久磁石３０のネジ形状３３に螺合する内ネジ形状である。つまり、磁石挿入孔７０は、永久磁石３０のねじ山ピッチＰ１に対応して螺旋状に形成されたネジ溝７１を有する。なお、ロータコア７２は、電磁鋼板の積層体であってもよいし、圧粉鉄心であってもよい。

図７に例示する形態は、通常の雄ネジ・雌ネジと同様の嵌合形態である。したがって、永久磁石３０を容易に挿入することができる。また、永久磁石３０の抜けを防止するために、公知のセルフロック機構を採用してもよい。

なお、上記では、永久磁石３０のネジ山３４が軸方向に連続した螺旋形状を有するものとして説明したが、ネジ山３４は断続的に形成されてもよい。

１０ 回転電機のロータ（ロータ）、１１ 磁極、２０ ロータコア、２１ 電磁鋼板、２１ａ 第１電磁鋼板、２１ｂ 第２電磁鋼板、２２ シャフト挿通孔、２３ 磁石挿入孔、２４ 内面凹凸形状、２５ａ 大孔、２５ｂ 小孔、２６ 張り出し部、３０ 永久磁石、３１ 頭部、３２ 軸部、３３ ネジ形状、３４ ネジ山、３５ ネジ溝。

Claims (6)

1. ロータコアと、
   前記ロータコアに固定される永久磁石と、
   を備える回転電機のロータにおいて、
   前記永久磁石には、その外面にネジ形状が形成されており、
   前記ロータコアは、前記永久磁石を固定するための孔であって、前記ネジ形状のネジ山ピッチに対応した凹凸ピッチで内面凹凸形状が形成された磁石挿入孔を有することを特徴とする回転電機のロータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記ロータコアは、複数の電磁鋼板の積層体であり、
   前記磁石挿入孔は、前記電磁鋼板の積層方向に前記凹凸ピッチが繰り返されることを特徴とする回転電機のロータ。
3. 請求項２に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記電磁鋼板は、
   前記ネジ形状の外径よりも大きな大孔が形成された第１電磁鋼板と、
   前記ネジ形状の外径よりも小さな小孔が形成された第２電磁鋼板と、
   を含み、
   前記磁石挿入孔は、前記凹凸ピッチで前記第１電磁鋼板と前記第２電磁鋼板とを交互に積層し、前記大孔と小孔とを重ね合わせてなる前記内面凹凸形状を有することを特徴とする回転電機のロータ。
4. 請求項３に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記小孔の縁には、前記大孔よりも張り出した部分に切り込みが形成されていることを特徴とする回転電機のロータ。
5. 請求項２に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記電磁鋼板には、前記ネジ形状の外径よりも大きな長径、及び当該外径よりも小さな短径を有する長孔が形成されており、
   前記磁石挿入孔は、前記凹凸ピッチで前記長径の方向をずらして前記電磁鋼板を積層し、前記長孔を重ね合わせてなる前記内面凹凸形状を有することを特徴とする回転電機のロータ。
6. 請求項１又は２に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記内面凹凸形状は、前記ネジ形状に螺合する内ネジ形状であることを特徴とする回転電機のロータ。

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