JP6121002B2 - 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る。

回転電機の回転子のなかには、回転子の周囲に装着した永久磁石を保持するための非磁性リングを備えたものがある。

例えば、特許文献１には、回転子鉄心と、複数の磁石と、非磁性リングとを少なくとも含む回転子が開示されている。複数の磁石は、回転子鉄心の外周に、周方向に並べて固定されており、非磁性リングは、それら複数の磁石を外側から囲むように設けられている。

また、特許文献２には、コギングトルクやトルクリップルを低減させるために、回転子を、上下段で周方向に所定角度ずらした段スキューとする構成が開示されている。

特開２００９−１０６０６５号公報 特開２０１１−５５７０６号公報

ここで、特許文献２に示されているように、回転子を段スキューの構成とする場合において、特許文献１に示された構成のように非磁性リングを永久磁石と接触させると、段スキュー境界周辺とその他の部位との間で、非磁性リングの周長差が大きくなり、過大な荷重が非磁性リングに発生し、非磁性リングの座屈や破損が発生する場合がある。また、これを回避すべく、段スキューの両方にわたって最大径となるように非磁性リングを構成して用いると、今度は、非磁性リングと磁石との圧接が不十分となる恐れがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、段スキュー境界周辺で非磁性リングの歪量増加を回避し、座屈や破損を回避することができる、回転電機の回転子を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明は、複数の磁極を有し且つ２段以上の段スキュー構造を有する回転子であって、前記回転子の回転子鉄心は、少なくとも段スキュー境界側に複数の突起を備えるとともに、前記複数の磁極の外周に、前記段スキュー境界を覆うように装着された筒状の非磁性リングを備え、前記非磁性リングは、複数の内径膨出部を有しており、前記複数の磁極のそれぞれと前記複数の突起のそれぞれとが、対応する前記内径膨出部と当接している。

本発明によれば、段スキュー境界周辺で非磁性リングの歪量増加を回避し、座屈や破損を回避することができる。

本発明の実施の形態１の回転電機の回転子（非磁性リング装着前）の斜視図である。 本発明の実施の形態１の回転電機の回転子（非磁性リング装着前）の平面図である。 本発明の実施の形態１の回転電機の回転子の斜視図である。 本発明の実施の形態１の回転電機の回転子の平面図である。 図４のＶ部の拡大図である。 段スキュー角５、８、１０°の場合それぞれに関し、各多角形状の非磁性リングに発生する歪量を示すグラフである。 段スキュー角１０°における、四角形状のコアの斜視図である。 段スキュー角１０°における、四角形状のコアおよび非磁性リングを示す図である。 本発明の実施の形態２の回転電機の回転子（非磁性リング装着前）の斜視図である。 本発明の実施の形態２による回転電機の回転子の平面図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

実施の形態１．
図１および図２はそれぞれ、非磁性リング装着前の本実施の形態１の回転電機の回転子の斜視図および平面図である。図３は、本実施の形態１の回転電機の回転子の斜視図である。図４は、本実施の形態１の回転電機の回転子の上面図であり、図５は、図４のＶ部の拡大図である。

図１〜図５に示されるように、回転子１は、回転子第１段部２と、回転子第２段部３とを含んでいる。回転子第１段部２と回転子第２段部３とは、回転子軸４の延びる方向に並んでいる。また、回転子第１段部２と回転子第２段部３とは、周方向（回転方向）に関し、段スキュー角１０°だけずれている以外、同様に構成されている。

回転子第１段部２は、回転子鉄心２１と、複数の永久磁石（磁極）２２とを備えている。回転子鉄心２１は、周方向に等間隔に配置された複数の突起２１１を備えた複数の電磁鋼板（磁性材料からなる）を積層して構成されている。複数の永久磁石２２は、対応する一対の突起２１１の間に貼り付けられており、且つ、それら一対の突起２１１とは非接触に配置されている。

回転子第２段部３も、回転子第１段部２と同様に構成されており、回転子鉄心３１と、複数の永久磁石（磁極）３２とを備えている。回転子鉄心３１は、周方向に等間隔に配置された複数の突起３１１を備えた複数の電磁鋼板（磁性材料からなる）を積層して構成されている。複数の永久磁石３２は、対応する一対の突起３１１の間に貼り付けられており、且つ、それら一対の突起３１１とは非接触に配置されている。

複数の永久磁石と、複数の突起とは、周方向に等角ピッチで配置されている。本発明の一例である本実施の形態１では、段数は２であり、磁極数は８である場合を例示している。よって、回転子第１段部２および回転子第２段部３のそれぞれにおいて、永久磁石２２、３２および突起２１１、３１１はそれぞれ、８つ設けられている。

本発明の回転子鉄心は、少なくとも境界６側に複数の突起を備えており、一例である本実施の形態１では、突起２１１、３１１はそれぞれ、対応する回転子第１段部２または回転子第２段部３における回転軸方向の全長にわたって連続して延びている。換言すれば、永久磁石２２、３２それぞれが、対応する回転子第１段部２または回転子第２段部３における回転軸方向の全長にわたって連続して延びており、突起２１１、３１１のそれぞれの長さ（回転軸方向長さ）は、永久磁石２２、３２の長さ（回転軸方向長さ）と同じである。また、突起２１１、３１１のそれぞれの外周面は、平面視、径方向外側に膨らむ向きに湾曲した円弧状をなすように形成されている。

また、回転子第１段部２および回転子第２段部３のそれぞれにおいて、回転子軸４の軸心（回転子の回転中心）から回転子鉄心２１、３１の突起２１１、３１１の最外部までの径方向距離をＬ１とし、突起２１１、３１１の曲率半径をＲ１とし、回転子軸４の軸心（回転子の回転中心）から磁極（永久磁石２２、３２）の最外部までの径方向距離をＬ２とし、磁極（永久磁石２２、３２）の曲率半径をＲ２としたとき、距離Ｌ１≦距離Ｌ２、且つ、曲率半径Ｒ１＝曲率半径Ｒ２となるように、関係各部が構成されている。

さらに、回転子１は、非磁性リング５を含んでいる。非磁性リング５は、非磁性材料（例えばステンレス鋼）より形成された、平面視（回転子軸４の延びる方向に沿ってみて）、略正１６角形状をなす筒部材である。

非磁性リング５は、回転子第１段部２および回転子第２段部３それぞれの８個の永久磁石２２、３２の外周と、回転子第１段部２および回転子第２段部３それぞれの８個の突起２１１、３１１の外周と、さらに、それら回転子第１段部２および回転子第２段部３の境界６の外周とを、覆うように装着されている。

非磁性リング５は、磁極の数と回転子鉄心の突起の数との和である１６個の円弧状の内径膨出部５１を備える。これにより、非磁性リング５の外形（外径）は、これらの複数の内径膨出部５１を緩やかな稜線として結んだような略正１６角形のループ状の輪郭を有している。

非磁性リング５は、その内径膨出部５１の内周面（内径側の面）が複数個の磁極（永久磁石２２、３２）のそれぞれと回転子鉄心の複数の突起のそれぞれの外周面と接触し、それぞれの磁極に対して径方向内側に向かう付勢力を与えている。

また、複数の磁極と回転子鉄心の複数の突起との全てに接する仮想外接円の周長をＬ３とし、非磁性リング５の内周長をＬ４としたとき、仮想外接円の周長Ｌ３＞非磁性リングの内周長Ｌ４となるように、非磁性リング５が構成されている。

また、回転子鉄心の突起は、その突起の両隣にある一対の磁極に接する共通の接線Ｃよりも径方向外側に突出している。

ここで、磁極、回転子鉄心の突起、非磁性リングの構成を一般化して説明すると、回転電機の回転子の極数、つまり磁極の数をｎとすれば、回転子鉄心の突起の数はｎ、非磁性リングは正２ｎ角形状（正ｍ角形状）に形成され、磁極と回転子鉄心の突起とは等ピッチで配置される。平面的にみて、回転子軸４の軸心を通り磁極の中央部を通る径方向の線と、回転子軸４の軸心を通り突起の中央部を通る径方向の線との、なす角度θは、
θ＝３６０°／２ｎ・・・（１）
となる。

次に、段スキュー角度に対する非磁性リングの角数と歪量との関係を、図６および図７を用いながら説明する。

図６は、段スキュー角５、８、１０°の場合に、各多角形状の非磁性リングに発生する歪量を示したグラフである。ここで、非磁性リングの歪量γは、図７および図８に模式的にあらわしているように、段スキュー境界以外での回転子鉄心の周長をＬ５とし、段スキュー境界６での周長をＬ６とした場合、次の式（２）であらわされる。
γ＝（Ｌ６−Ｌ５）／Ｌ５×１００・・・（２）
また周長Ｌ５、Ｌ６はそれぞれ、ｍ角形において、対角線の長さの半分をａとし、対角線のなす角度をθｍとし、段スキュー角θ’とした場合、次の式（３）、式（４）であらわされる。
Ｌ５＝ｍ×ａ×｛２×（１−ｃｏｓθｍ）｝＾（１／２）・・・（３）
Ｌ６＝ｍ×ａ×｛２×（１−ｃｏｓθ’）｝＾（１／２）＋ｍ×ａ×｛２×（１−ｃｏｓ（θｍ−θ’））｝＾（１／２）・・・（４）

そして、上記の式（２）を、式（３）および式（４）を用いてあらわすと、次の式（５）のように示すことができる。
γ＝｛（１−ｃｏｓθ’）＾（１／２）＋（１−ｃｏｓ（θｍ−θ’））＾（１／２）｝／｛（１−ｃｏｓθｍ）＾（１／２）｝・・・（５）

図７および図８は、回転子鉄心が正方形で段スキュー角２０°の場合の例であり、すなわちｍ＝４、θｍ＝９０°、θ’＝１０°とした場合の説明図である。図６から、非磁性リングに発生する歪量は、角数が減るほど増加し、また、段スキュー角が大きくなるほど増加することが分かる。図７および図８の構成であれば、非磁性リングに発生する歪量は３．２％程度となる。

図１〜図５に示す構成の場合には、段スキュー角１０°、非磁性リングの変形形状１６角形であったので、すなわち、ｍ＝１６、θｍ＝２２．５°、θ’＝１０°の例であり、
非磁性リングに発生する歪量は０．５％程度となる。これに対し、同じ段スキュー角１０°であって、回転子鉄心に突起が無くつまり非磁性リングの変形形状８角形の場合の構成では、すなわち、ｍ＝８、θｍ＝４５°、θ’＝１０°の構成では、非磁性リングに発生する歪量は１．４％程度である。よって、回転子鉄心に突起を有する本実施の形態１では、回転子鉄心に突起が無い場合に比べて、非磁性リングに発生する歪量を、６０％程度も低減することができる。

以上に説明したように、本実施の形態１においては、回転子鉄心の磁石間に突起を設けて、これに非磁性リングを配置して磁石と回転子鉄心の突起との両方で、非磁性リングと当接させるようにしたので、非磁性リングとの当接箇所をより多点にし、非磁性リングをより角数の多い多角形に変形させることができる。そして、このように非磁性リングをより角数の多い多角形に変形させることで、部品点数の増加や磁石と固定子の距離拡大を伴わずに、段スキューに伴う段スキュー境界付近での非磁性リングの歪量増加を回避し、座屈や破損を回避することができる。

実施の形態２．
次に、図９および図１０に基づいて、本発明の実施の形態２ついて説明する。図９は、本発明の実施の形態２の回転電機の回転子（非磁性リング装着前）の斜視図である。図１０は、本発明の実施の形態２による回転電機の回転子の平面図である。なお、本実施の形態２は、以下に説明する部分を除いては、上記実施の形態１と同様であるものとする。

本実施の形態２では、突起を、回転子の回転軸方向にわたって部分的（少なくとも境界側）に設けることを特徴とする。図９〜図１０には、そのような本実施の形態２の特徴の一例を示している。本実施の形態２の回転子７は、実施の形態１と同様、回転子第１段部８と、回転子第２段部９とを含んでいる。回転子第１段部８と回転子第２段部９とは、回転子軸４の延びる方向に並んでいる。また、回転子第１段部８と回転子第２段部９とは、周方向（回転方向）に関し、段スキュー角１０°だけずれている以外、同様に構成されている。

回転子第１段部８は、回転子鉄心と、複数の永久磁石８２２とを備えているが、回転子第１段部８の回転子鉄心は、突起を備えていない電磁鋼板（磁性材料からなる）により形成された回転子鉄心部分８３と、突起８１１を備えた非磁性材料により形成された回転子鉄心部分８１とで構成されている。

同様に、回転子第２段部９も、回転子鉄心と、複数の永久磁石８２２とを備え、回転子第２段部９の回転子鉄心も、突起を備えていない電磁鋼板（磁性材料からなる）により形成された回転子鉄心部分８３と、突起８１１を備えた非磁性材料により形成された回転子鉄心部分８１とで構成されている。

回転子第１段部８の回転子鉄心部分８１と、回転子第２段部９の回転子鉄心部分８１とは、回転子第１段部８および回転子第２段部９の境界１０側の領域に位置している。すなわち、回転子第１段部８の突起８１１と、回転子第２段部９の突起８１１とは、回転子第１段部８および回転子第２段部９の境界１０側だけに設けられている。

また、回転子第１段部８の永久磁石８２２は、その側面が、突起８１１の側面と接触しており、回転子第２段部９の永久磁石８３２も、その側面が、突起８１１の側面と接触している。

かかる実施の形態２による回転電機の回転子によれば、実施の形態１と同様の理由で段スキュー境界周辺において非磁性リングに発生する歪量を低減できるとともに、永久磁石を回転子鉄心の突起と接触させることで永久磁石の周方向の位置を確実に規制することができ、突起を備えた回転子鉄心部分を非磁性材料にすることで、永久磁石から磁束が漏れることによるトルク低下を回避することができる。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

１、７ 回転子、５ 非磁性リング、６、１０ 境界、２１、３１ 回転子鉄心、２２、３２、８２２、８３２ 永久磁石（磁極）、２１１、３１１、８１１ 突起、５１ 内径膨出部、８１ 回転子鉄心部分。

Claims (9)

1. 複数の磁極を有し且つ２段以上の段スキュー構造を有する回転子であって、
   前記回転子の回転子鉄心は、少なくとも段スキュー境界側に複数の突起を備えるとともに、前記複数の磁極の外周に、前記段スキュー境界を覆うように装着された筒状の非磁性リングを備え、
   前記非磁性リングは、複数の内径膨出部を有しており、
   前記複数の磁極のそれぞれと前記複数の突起のそれぞれとが、対応する前記内径膨出部と当接している、
   回転子。
2. 前記回転子鉄心の前記突起は、その突起の両隣にある一対の前記磁極に接する共通の接線よりも径方向外側に突出している、
   請求項１の回転子。
3. 前記回転子の回転中心から前記突起の最外部までの径方向距離をＬ１とし、前記回転子の回転中心から前記磁極の最外部までの径方向距離をＬ２としたとき、
   距離Ｌ１≦距離Ｌ２である、
   請求項１または２の回転子。
4. 前記突起のそれぞれの長さは、前記磁極の長さと同じである、
   請求項１〜３の何れか一項の回転子。
5. 前記突起は、前記段スキュー境界側にだけ設けられている、
   請求項１〜３の何れか一項の回転子。
6. 前記突起のそれぞれの外周面は、平面視、径方向外側に膨らむ向きに湾曲した円弧状をなすように形成されている、
   請求項１〜５の何れか一項の回転子。
7. 前記突起を有する回転子鉄心は磁性材料からなり、前記突起は、隣接する一対の前記磁極と非接触である、
   請求項１〜６の何れか一項の回転子。
8. 前記突起を有する回転子鉄心部分は非磁性材料からなり、前記突起は、隣接する一対の前記磁極と接触している、
   請求項１〜６の何れか一項の回転子。
9. 前記複数の磁極と、前記複数の突起とは、周方向に等角ピッチで配置されている、
   請求項１〜８の何れか一項の回転子。

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