JP6390212B2

JP6390212B2 - 永久磁石埋め込み式回転電機

Info

Publication number: JP6390212B2
Application number: JP2014135026A
Authority: JP
Inventors: 英樹大口; 鳥羽　章夫; 章夫鳥羽
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2034-06-30
Also published as: JP2016013046A

Description

本発明は、電動機や発電機等、回転子を有する回転電機に係り、特に回転子に永久磁石が埋め込まれた永久磁石埋め込み式回転電機に関する。

永久磁石埋め込み式回転電機では、回転子の内部に、回転子の周方向に沿って、複数極分の永久磁石が埋め込まれている。この永久磁石埋め込み式回転電機では、永久磁石から発生され、固定子巻線と鎖交する磁束量に応じたマグネットトルクと、回転子コアの磁気抵抗を減らす方向に回転子コアを回転させるリラクタンストルクとが回転子に発生する。従って、永久磁石埋め込み式回転電機は、小型高出力高効率回転電機として広く用いられている。

図２は特許文献１に開示された永久磁石埋め込み式電動機の回転子２の構成を示す断面図である。図２において、回転子２を構成する回転子コア４の１極分の領域には、センタブリッジ（回転子コアの薄肉部分）Ｙを挟んで回転子コア４の周方向に沿って一対のスロット６Ａが形成されている。この一対のスロット６Ａは、回転子コア４の回転中心軸（図２では下方）を下側にして見た場合にＶ字状をなしており、外周４Ａに向けて広がっている。また、一対のスロット６Ａのｑ軸側端部には、回転子コア４の外周４Ａに連通される一対の切り欠き部７Ａが形成されている。すなわち、回転子コア４において、一対のスロット６Ａの外周側の領域Ｘは、センタブリッジＹを介して一対のスロット６Ａの内周側の領域に接続されている。そして、一対のスロット６Ａには、一対の永久磁石８が挿入されている。この永久磁石８が挿入された状態において、スロット６Ａのｄ軸側端部には空隙部９が存在する。この空隙部９の形成により、一対の永久磁石８間におけるセンタブリッジＹでの磁束漏れが低減される。従って、永久磁石を大きくする必要がなく、コスト低減を図ることができる。

特開２０１３−４６４２１号公報

ところで、上述した従来の永久磁石埋め込み式電動機は、回転子を台や床に置く場合または回転子を電動機に組み込む際に、回転子の床や固定子等への接触により、センタブリッジが周方向に曲がり、これにより永久磁石を破損する可能性がある。

この発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、永久磁石を埋め込むためのスロットが回転子の外周に連通した構成の永久磁石埋め込み式回転電機において回転子の強度を高めることにある。

この発明は、回転子の内部に、前記回転子の周方向に沿って、複数極分の永久磁石を埋め込んでなる永久磁石埋め込み式回転電機において、前記回転子には、１極を構成するために、前記回転子の周方向に並んだ３個以上のスロットが形成され、この３個以上のスロットに３個以上の永久磁石が埋め込まれるとともに、前記１極分の３個以上のスロットのうち前記回転子の周方向両側の２個のスロットを、前記回転子の外周と連通させる２個の切り欠き部が形成され、前記１極分の３個以上のスロットにおける前記回転子の周方向両側の２個のスロットまたは前記２個の切り欠き部よりも前記回転子の外周側に、前記１極分の３個以上のスロットにおける隣接する２個のスロット間の薄肉部分を有することを特徴とする永久磁石埋め込み式回転電機を提供する。

この発明によれば、回転子において１極分の３個以上のスロットの外周側の領域は、２個以上の薄肉部分を介して１極分の３個以上のスロットの内周側の領域に繋がっている。従って、回転子を台や床に置く場合または回転子を回転電機に組み込む際に、回転子の床等への接触により、薄肉部分が周方向に曲がるのを抑制することができる。

この発明による永久磁石埋め込み式回転電機の一実施形態である永久磁石埋め込み式電動機の回転子の構成を示す断面図である。従来の永久磁石埋め込み式電動機の回転子の構成を示す断面図である。

以下、図面を参照しつつこの発明の実施形態について説明する。
図１は、この発明の一実施形態である永久磁石埋め込み式回転電機の回転子２０の構成を示す断面図である。この回転子２０は、高透磁率の鋼板を回転軸方向に積層した回転子コア４０に対してシャフト２１を締り嵌めしたものである。なお、回転子コア４０は、このような構造の他、磁性鉄粉を必要な形状に成形したものであってもよい。

図１には、回転子コア４０の極間の軸であるｑ軸と、極の中央を貫通するｄ軸が一点鎖線で示されている。図１に示すように、回転子コア４０の１極分の領域には、回転子コア４０の周方向に並んだ３個のスロット６１、６２および６３が形成されている。この３個のスロット６１、６２および６３には永久磁石８１、８２および８３が各々挿入されている。これらの永久磁石８１、８２および８３は回転子コア４０の外周４０ａに対して同じ極性の磁極を向けている。そして、中央の永久磁石８２の磁軸の方向が極の中央を貫通するｄ軸の方向と一致している。なお、図１では１個のスロットに対してそれぞれ１個の永久磁石を挿入しているが、１個のスロットに２個以上の永久磁石を挿入するようにしてもよい。

回転子コア４０における１極分の領域において、２個のスロット６１および６２間には回転子コア４０の薄肉部分であるセンタブリッジＹａがあり、２個のスロット６２および６３間には回転子コア４０の薄肉部分であるセンタブリッジＹｂがある。また、回転子コア４０における１極分の領域には、回転子２０の周方向両側のスロット６１および６３を回転子コア４０の外周４０ａに連通させる２個の切り欠き部７０が各々形成されている。そして、回転子コア４０における３個のスロット６１、６２および６３の外周側の領域Ｘは、２個のセンタブリッジＹａおよびＹｂを介して、回転子コア４０における３個のスロット６１、６２および６３の内周側の領域と繋がっている。

また、回転子コア４０における１極分の領域において、スロット６１および６３のｄ軸側端部には空隙部６１ｃおよび６３ｃが各々設けられている。これらの空隙部６１ｃおよび６３ｃは、センタブリッジＹａおよびＹｂを介した磁束漏れを防ぐためのものである。そして、スロット６１および６３の外周側の側壁のｄ軸側端部には、永久磁石８１および８３が空隙部６１ｃおよび６３ｃ側に移動するのを規制するストッパ６１ａおよび６３ａが各々設けられている。また、スロット６１および６３の内周側の側壁のｑ軸側端部には、永久磁石８１および８３が切り欠き部７０側に移動するのを規制するストッパ６１ｂおよび６３ｂが各々設けられている。

また、回転子コア４０における１極分の領域において、左側のスロット６１の左側端部および右側のスロット６３の右側端部は、中央のスロット６２よりも回転中心軸Ｑ側に位置している。そして、３個のスロット６１、６２および６３は、回転中心軸Ｑを下にして見た場合に逆Ｖ字状をなしている。また、本実施形態では、２個の切り欠き部７０の内周側端部は、スロット６１の左側端部およびスロット６３の右側端部よりも回転中心軸Ｑ側に位置している。従って、スロット６１、６２、６３、センタブリッジＹａおよびＹｂは、回転中心軸Ｑを中心とし、２個の切り欠き部７０と内接する内接円４０ｃの外周側に位置している。

回転子コア４０において、隣り合った２極の２個の切り欠き部７０間の領域は、回転子コア４０の外周４０ａ側に突出したｑ軸突起７１となっている。このｑ軸突起７１は、ｑ軸に沿った磁路の磁気抵抗を下げて、ｑ軸インダクタンスを低下させ、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスの差分に依存したリラクタンストルクを増加させる役割を果たす。
以上が本実施形態における回転子２０の構成である。

本実施形態によれば、回転子コア４０における３個のスロット６１、６２および６３の外周側の領域Ｘは、２個のセンタブリッジＹａおよびＹｂを介して、回転子コア４０における３個のスロット６１、６２および６３の内周側の領域と繋がっている。従って、回転子コア４０の強度を強くすることができ、回転子を台や床に置く場合または回転子を回転電機に組み込む際に、回転子２０の床等への接触により、センタブリッジＹａおよびＹｂが周方向に曲がるのを防止し、永久磁石８１、８２および８３が破損するのを防止することができる。

また、本実施形態によれば、１極分の３個の永久磁石８１、８２および８３を逆Ｖ字状に配列したため、従来技術（図２）に比べて、他にも優れた効果が得られる。この効果について説明すると、次の通りである。

まず、シャフト２１の回転子コア４０への締り嵌め工程において、回転子鋼材には周方向に残留応力が残留する。この残留応力は、回転子２０の高速回転中にも残ったままである。本願発明者らが有限要素法により計算したところ、この残留応力は、回転子鋼材に穴や窪みなどのある部分と同じ半径を持つ円周上には殆ど発生しないことが確認された（すなわち、穴も窪みもなく、リング状につながっている部分でないと応力は残存しない）。

従来技術（図２）の回転子コア４では、一対のスロット６ＡにおいてセンタブリッジＹに臨む内側空洞部９が回転子コア４の回転中心軸に最も近い。このため、内側空洞部９が接する内接円の円周内に残留応力が集中する。これに対し、本実施形態における回転子コア４０では、センタブリッジＹａおよびＹｂよりも内周側の切り欠き部７０の内周側端部に内接する円の円周内に残留応力が集中する。

一方、回転子の高速回転時には、遠心力による引っ張り応力（遠心応力）がセンタブリッジに発生する。従来技術における回転子コア４では、センタブリッジＹの位置は、残留応力が集中する内接円内に近いのに対し、本実施形態における回転子コア４０では、センタブリッジＹａおよびＹｂの位置は、残留応力が集中する内接円４０ｃ内よりも回転子コア４０の半径方向外側に遠ざかる。

このように本実施形態によれば、回転子２０の高速回転時に遠心力による引っ張り応力が集中するセンタブリッジＹａおよびＹｂは、締り嵌め加工による残留応力が集中する内接円内から遠ざかっているため、回転子２０の高速回転時におけるセンタブリッジＹａおよびＹｂの強度を高めることができる。

また、１極分の永久磁石を逆Ｖ字状に配列した場合、Ｖ字状に配列する場合に比べて、スロット６１、６２および６３よりも外周側の回転子コア４０の面積（領域Ｘの面積）を小さくすることができる。従って、１極分の永久磁石を逆Ｖ字状に配列した場合、同一回転速度においてセンタブリッジＹａおよびＹｂに加わる遠心力による応力が小さくなる。よって、１極分の永久磁石を逆Ｖ字状に配列した方が高速化に適している。

また、１極分の永久磁石をＶ字状に配列するよりも逆Ｖ字状に配列した方が、永久磁石の位置が回転子コア４０の外周４０ａ側に近くなる。このため、サーボモータとして利用される表面磁石型電動機のようにインダクタンスを小さくして、図示しない固定子巻線に流れる電流の立ち上がりを高速化し、応答性を高めることができる。

また、高速回転時に端子電圧一定制御を行う場合、インダクタンスが小さい方が電流が流れやすい。このため、１極分の永久磁石をＶ字状に配列するよりも逆Ｖ字状に配列した方が、高速回転時に高出力を得ることができる。

なお、１極分の永久磁石を逆Ｖ字状に配列した場合、永久磁石が回転子コア４０の外周側に配置されるため、突極比をあまり高くすることができない。しかし、図１に示すように、ｑ軸突起７１を大きくすれば、突極比を改善してリラクタンスを高め、大トルク領域における電流が抑制することが可能である。

＜他の実施形態＞
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば上記実施形態では、この発明を永久磁石埋め込み式電動機に適用したが、この発明は永久磁石埋め込み式発電機にも適用可能である。また、上記実施形態では、回転子コアにおける１極分の領域に３個のスロットを設けたが、４個以上のスロットを設けてもよい。

２０……回転子、４０……回転子コア、２１……シャフト、６１，６２，６３……スロット、８１，８２，８３……永久磁石、６１ａ，６３ａ，６１ｂ，６３ｂ……ストッパ、６１ｃ，６３ｃ……空隙部、７０……切り欠き部、７１……ｑ軸突起。

Claims

回転子の内部に、前記回転子の周方向に沿って、複数極分の永久磁石を埋め込んでなる永久磁石埋め込み式回転電機において、
前記回転子には、１極を構成するために、前記回転子の周方向に並んだ３個以上のスロットが形成され、この３個以上のスロットに３個以上の永久磁石が埋め込まれるとともに、前記１極分の３個以上のスロットのうち前記回転子の周方向両側の２個のスロットを、前記回転子の外周と連通させる２個の切り欠き部が形成され、
前記回転子の周方向両側の２個のスロットの内周側端部または前記２個の切り欠き部の内周側端部のうち前記回転子の中心に近い内周側端部に内接する円よりも前記回転子の外周側に、前記１極分の３個以上のスロットにおける隣接する２個のスロット間の薄肉部分を有することを特徴とする永久磁石埋め込み式回転電機。
前記１極分の３個以上のスロットは、前記回転子の回転中心軸を下側にして見た場合に逆Ｖ字状をなすことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
前記回転子は、隣接する極間に前記回転子の回転中心軸から離れる方向に突出したｑ軸突起を有することを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。