JP5917333B2 - 回転電機の回転子 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の回転子に関するものであり、特に、回転子において磁石が発生する磁束を高密度化する構造に係わる。

従来から、円筒形の磁石（以下、円筒形磁石と略す場合がある。）を有する回転子に関し、円筒形磁石が発生する磁束を高密度化する構造として特許文献１に記載された構造が公知となっている。
すなわち、特許文献１の回転電機によれば、回転子は、円筒形磁石であって径方向に磁化されて周方向等間隔で交互に逆の極が現れる径方向磁化部と、径方向磁化部のそれぞれの極間の外周部から外径側に突出する磁石であって周方向に磁化された複数の周方向磁化部とを有する。

また、周方向に隣り合う２つの周方向磁化部における周方向に向かい合う側の極性と、周方向に隣り合う２つの周方向磁化部の間の径方向磁化部の極性とが一致している。さらに、周方向に隣り合う２つの周方向磁化部と径方向磁化部との間に形成される空間が磁性部により埋められ、磁性部にて磁束が高密度化されて磁性部の周縁に極が現れる。

しかし、特許文献１の回転子によれば、円筒形磁石は、径方向に磁化されているため、径方向に関して固定子が存在しない内径側にも磁性部を配置して磁束を通す必要がある。このため、回転電機の体格に係わる制約から周方向磁化部の周方向長さを充分に伸ばすことができず、磁束の高密度化に関して制限を受ける場合がある。

例えば、円筒形磁石の内径側に回転電機の回転軸（シャフト）を配置する場合、シャフトは、様々な制約からさほど小径にすることができない。この結果、回転電機の体格低減（小径化）を志向する場合、円筒形磁石の内径側に磁性体を配置する必要があることから、周方向磁化部の周方向長さを充分に伸ばすことができなくなる。したがって、円筒形磁石の内径側から磁性部を除去するとともに、円筒形磁石の内径側にはできる限り余分な構成を配置しないことが望ましい。

特開２０１１−０７８２９８号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、円筒形の磁石と複数の周方向磁化部とを有する回転電機の回転子において、円筒形磁石の内径側への磁性部の配置を不要にして周方向磁化部の周方向長さを伸ばせるようにすることにある。

本願の第１発明によれば、回転電機の回転子は、円筒形に設けられた磁石であって極異方に磁化されて外周部に異なる極が周方向に交互に現れる極異方磁化部と、極異方磁化部のそれぞれの極間の外周部から外径側に突出する磁石であって周方向に磁化された複数の周方向磁化部と、周方向に隣り合う２つの周方向磁化部と極異方磁化部との間に形成される空間を埋める磁性部とを備える。そして、周方向に隣り合う２つの周方向磁化部における周方向に向かい合う側の極性と、周方向に隣り合う２つの周方向磁化部の間の極異方磁化部の極性とが一致している。
また、磁性部は、極異方磁化部の少なくとも軸方向一方側で回転子の回転軸と機械的に接続し、極異方磁化部および周方向磁化部は、一体化された１つのボンド磁石である。

これにより、円筒形磁石の内径側に磁性部を配置しなくても、円筒形磁石の外周部において周方向に交互に逆の極を現わすことができるとともに、円筒形磁石の外径側に配置される磁性部において磁束を高密度化することができる。このため、円筒形磁石と複数の周方向磁化部とを有する回転子において、円筒形磁石の内径側への磁性部の配置を不要にして周方向磁化部の周方向長さを伸ばすことができる。

第１発明に従属する第２発明によれば、周方向磁化部の周方向幅は外径側ほど小さい。
磁性部では、固定子に近い外径側ほど磁束が集中して高密度化するので、外径側ほど磁気飽和が発生しやすい。そこで、周方向磁化部の周方向幅を外径側ほど小さくすることで、磁性部の周方向幅を外径側ほど大きくする。これにより、磁性部において外径側ほど磁路断面を拡大することができるので、磁性部における磁気飽和を緩和することができる。

第１、第２発明に従属する第３発明によれば、固定子と径方向に向かい合う磁性部の周縁は、周方向中央に近いほど外径側に膨らんでギャップを狭めている。
これにより、回転子と固定子との周方向に関する相対位置に関わらず、回転子の周縁において極が現れる位置を、磁性部の周縁において最も外径側に向かって膨らんでいる部位に安定させることができる。このため、回転電機のトルク等のリップルを抑制することができる。

回転子の磁石の磁化の様子を示す説明図である（実施例１）。 磁性部と回転軸との機械的接続を示す説明図である（実施例１）。 回転子の磁石の磁化の様子を示す説明図である（実施例２）。 回転子の磁石の磁化の様子を示す説明図である（実施例３）。 回転子の磁石がスキュー変形している様子を示す説明図である（実施例４）。

実施形態の回転電機の回転子を実施例に基づき説明する。

〔実施例１の構成〕
実施例１の回転子１の構成を、図１および図２を用いて説明する。
回転子１は、図１に示すように、外径側に固定子２が配されて回転電機３を構成するものであり、例えば永久磁石界磁の同期機を構成する。そして、回転子１は、以下に説明する極異方磁化部４、複数の周方向磁化部５および複数の磁性部６を備える。
なお、固定子２は、内径側に突出する複数のティース８を有し、ティース８に巻線９が装着された周知構造である。

極異方磁化部４は、円筒形に設けられた磁石であって極異方に磁化されて外周部に周方向等間隔で異なる極が交互に現れる。すなわち、極異方磁化部４の外周面では、周方向に交互にＮ極、Ｓ極が現れ、極異方磁化部４の内部では、周方向に隣り合うＮ極とＳ極とを略円弧状に結ぶように磁化されている。また、極異方磁化部４は、内周において回転子１の回転軸（以下、シャフトと呼ぶ。）１１と一体化している。

周方向磁化部５は、極異方磁化部４のそれぞれの極間の外周部から外径側に突出する磁石であって周方向に磁化されており、極異方磁化部４の極と同数だけ設けられて外径側に向かって放射状に伸びている。また、周方向に隣り合う２つの周方向磁化部５における周方向に向かい合う側の極性と、周方向に隣り合う２つの周方向磁化部５の間の極異方磁化部４の極性とが一致している。

すなわち、周方向磁化部５は、極異方磁化部４の周方向に隣り合うＮ極とＳ極との間の外周部から外径側に突出している。そして、極異方磁化部４のＮ極を周方向に挟む２つの周方向磁化部５では、周方向に向かい合う側がＮ極を現し、極異方磁化部４のＳ極を周方向に挟む２つの周方向磁化部５では、周方向に向かい合う側がＳ極を現している。

磁性部６は、周方向に隣り合う２つの周方向磁化部５と極異方磁化部４との間に形成される略扇形断面の柱状空間を埋めるものであり、極異方磁化部４の極数や周方向磁化部５の数と同数だけ設けられている。そして、それぞれの磁性部６は、極異方磁化部４および周方向磁化部５により発生する磁束を集中させて通すとともに固定子２との間で受け渡す。すなわち、それぞれの磁性部６の外周部は回転子１の極を形成しており、磁束が集中するとともに集中した磁束が固定子２との間で受け渡される。

そして、極異方磁化部４のＮ極、２つの周方向磁化部５のＮ極で囲われる空間を埋める磁性部６は外周部においてＮ極を現し、極異方磁化部４のＳ極、２つの周方向磁化部５のＳ極で囲われる空間を埋める磁性部６は外周部においてＳ極を現す。
なお、磁性部６の外周は、周方向磁化部５の最外周とともに１つの円筒面を形成するように周方向磁化部５の最外周と面一になっている。

また、極異方磁化部４および周方向磁化部５は、一体化された１つのボンド磁石１２であって射出成型により円筒状かつ放射状を呈するように設けられている。さらに、ボンド磁石１２は、回転子１のシャフト１１をインサート品とする射出成型によりシャフト１１と一体化している。また、磁性部６は、極異方磁化部４の少なくとも軸方向一方側でシャフト１１と機械的に接続している（図２参照。）。そして、周方向に隣り合う２つの周方向磁化部５と極異方磁化部４との間に形成される空間を磁性部６により埋めた状態で、周方向磁化部５および極異方磁化部４が着磁される。

すなわち、回転子１は、例えば、以下のようにして製造される。
まず、磁性部６とシャフト１１とを極異方磁化部４の軸方向一方側で接続することができるように、凸状の突起１３を磁性部６の軸方向一端寄りの内周に設けるとともに、突起１３が嵌まる嵌合穴１４をシャフト１１の軸方向一端寄りの外周に設ける（図２参照。）。

そして、突起１３を嵌合穴１４に嵌めて磁性部６とシャフト１１とを機械的に接続した後、磁性部６とシャフト１１との接続物をインサート品として射出成型装置（図示せず。）のキャビティ内の所定の位置に配置する。引き続き、キャビティ内を密閉するとともに所定の成型材料をキャビティ内に注入することで、シャフト１１および磁性部６と一体化したボンド磁石１２を射出成型する。

なお、成型材料は、磁性粉末と樹脂材料との混合物であり、磁性粉末や樹脂材料は、ボンド磁石１２の成型材料として周知のものが用いられる。
その後、キャビティ内から、成型品としての回転子１を取り出して周方向磁化部５および極異方磁化部４を着磁する。

〔実施例１の効果〕
実施例１の回転子１によれば、極異方磁化部４は、円筒形に設けられた磁石であって極異方に磁化されて外周部に異なる極が周方向に交互に現れる。周方向磁化部５は、極異方磁化部４のそれぞれの極間の外周部から外径側に突出する磁石であって周方向に磁化されており、放射状に複数設けられる。磁性部６は、周方向に隣り合う２つの周方向磁化部５と極異方磁化部４との間に形成される空間を埋める。そして、周方向に隣り合う２つの周方向磁化部５における周方向に向かい合う側の極性と、周方向に隣り合う２つの周方向磁化部５の間の極異方磁化部４の極性とが一致している。

これにより、円筒形磁石である極異方磁化部４の内径側に磁束を通す領域を設けなくても、極異方磁化部４の外周部において周方向に交互に逆の極を現わすことができるとともに、極異方磁化部４の外径側に配置される磁性部６において磁束を高密度化することができる。このため、円筒形磁石と複数の周方向磁化部５とを有する構成において、円筒形磁石の内径側から磁束を通す領域を削除して周方向磁化部５の周方向長さを伸ばすことができる。

また、極異方磁化部４および周方向磁化部５は、一体化された１つのボンド磁石１２であって射出成型により設けられている。
これにより、極異方磁化部４および周方向磁化部５を一体化した円筒状かつ放射状の複雑形状の磁石を安価に製造することができる。

また、極異方磁化部４および周方向磁化部５の一体物としてのボンド磁石１２は、シャフト１１および磁性部６をインサート品とする射出成型によりシャフト１１および磁性部６と一体化している。
これにより、射出成型を利用することで回転子１を安価に製造することができる。また、円筒形磁石である極異方磁化部４の内径側に磁束を通す領域がないので、キャビティ内に配置すべき部品数を減らすことができる。このため、回転子１をさらに安価に製造することができる。

また、周方向に隣り合う２つの周方向磁化部５と極異方磁化部４との間に形成される空間を磁性部６により埋めた状態で、極異方磁化部４および周方向磁化部５を着磁する。
これにより、極異方磁化部４および周方向磁化部５の磁化を強化することができる。

さらに、磁性部６は、極異方磁化部４の軸方向一方側でシャフト１１と機械的に接続している。
これにより、磁性部６が磁気力や遠心力等によって外れるのを抑制することができる。

〔実施例２〕
実施例２の回転子１によれば、図３に示すように、周方向磁化部５の周方向幅は外径側ほど小さい。
磁性部６では、固定子２に近い外径側ほど磁束が集中して高密度化するので、外径側ほど磁気飽和が発生しやすい。そこで、周方向磁化部５の周方向幅を外径側ほど小さくすることで、磁性部６の周方向幅を外径側ほど大きくする。これにより、磁性部６において外径側ほど磁路断面を拡大することができるので、磁性部６における磁気飽和を緩和することができる。

〔実施例３〕
実施例３の回転子１によれば、図４に示すように、固定子２と径方向に向かい合う磁性部６の周縁は、周方向中央に近いほど外径側に向かって円弧状に膨らんでギャップを狭めている。
これにより、回転子１と固定子２との周方向に関する相対位置に関わらず、回転子１の周縁において極が現れる位置を、磁性部６の周縁において最も外径側に向かって膨らんでいる部位に安定させることができる。このため、回転電機３のトルク等のリップルを抑制することができる。

〔実施例４〕
実施例４の回転子１によれば、図５に示すように、極異方磁化部４、周方向磁化部５および磁性部６は周方向にスキュー変形している。
これにより、回転子１と固定子２との周方向に関する相対位置に関わらず、固定子２側の極（ティース８）と磁性部６の周縁との径方向における対向状態を均一にすることができる。このため、回転電機３のトルク等のリップルを抑制することができる。
なお、回転子１の態様は、実施例に限定されず、本願発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形例を考えることができる。

１ 回転子 ３ 回転電機 ４ 極異方磁化部 ５ 周方向磁化部 ６ 磁性部

Claims (6)

1. 円筒形に設けられた磁石であって極異方に磁化されて外周部に異なる極が周方向に交互に現れる極異方磁化部（４）と、
   この極異方磁化部（４）のそれぞれの極間の外周部から外径側に突出する磁石であって周方向に磁化された複数の周方向磁化部（５）と、
   周方向に隣り合う２つの前記周方向磁化部（５）と前記極異方磁化部（４）との間に形成される空間を埋める磁性部（６）とを備え、
   周方向に隣り合う２つの前記周方向磁化部（５）における周方向に向かい合う側の極性と、前記周方向に隣り合う２つの前記周方向磁化部（５）の間の前記極異方磁化部（４）の極性とが一致し、
   前記磁性部（６）は、前記極異方磁化部（４）の少なくとも軸方向一方側で前記回転子（１）の回転軸（１１）と機械的に接続し、
   前記極異方磁化部（４）および前記周方向磁化部（５）は、一体化された１つのボンド磁石（１２）であることを特徴とする回転電機（３）の回転子（１）。
2. 請求項１に記載の回転電機（３）の回転子（１）において、
   前記周方向磁化部（５）の周方向幅は外径側ほど小さいことを特徴とする回転電機（３）の回転子（１）。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転電機（３）の回転子（１）において、
   固定子（２）と径方向に向かい合う前記磁性部（６）の周縁は、周方向中央に近いほど外径側に膨らんでギャップを狭めていることを特徴とする回転電機（３）の回転子（１）。
4. 請求項１ないし請求項３の内のいずれか１つに記載の回転電機（３）の回転子（１）の製造方法において、
   前記極異方磁化部（４）および前記周方向磁化部（５）の一体物としての前記ボンド磁石（１２）を射出成型により設けることを特徴とする回転電機（３）の回転子（１）の製造方法。
5. 請求項４に記載の回転電機（３）の回転子（１）の製造方法において、
   前記回転子（１）の回転軸（１１）をインサート品とする射出成型により、前記ボンド磁石（１２）を前記回転軸（１１）と一体化することを特徴とする回転電機（３）の回転子（１）の製造方法。
6. 請求項４または請求項５に記載の回転電機（３）の回転子（１）の製造方法において、
   周方向に隣り合う２つの前記周方向磁化部（５）と前記極異方磁化部（４）との間に形成される空間を前記磁性部（６）により埋めた状態で、前記極異方磁化部（４）および前記周方向磁化部（５）を着磁することを特徴とする回転電機（３）の回転子（１）の製造方法。

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