JP6847315B2 - 回転電機の回転子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石が磁石挿入穴に挿入された回転電機の回転子およびその製造方法に関するものである。

従来、複数の磁石挿入穴が形成された回転子鉄心と、複数の磁石挿入穴のそれぞれに１つずつ挿入された複数の永久磁石とを備えた回転電機の回転子が知られている（例えば特許文献１）。

特開２０１０−０６３２８３号公報

しかしながら、永久磁石は、焼結磁石から構成されている。したがって、複数の永久磁石におけるそれぞれの厚み方向の寸法には、ばらつきが発生する。これにより、複数の永久磁石のそれぞれが磁石挿入穴に挿入可能となるように、磁石挿入穴の寸法が大きくなる。したがって、磁石挿入穴の壁面と永久磁石との間の隙間が大きくなってしまう。その結果、回転電機の効率が低下するという課題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、回転電機の効率を向上させることができる回転電機の回転子およびその製造方法を提供するものである。

この発明に係る回転電機の回転子は、複数の磁石挿入穴が周方向に並べて形成された回転子鉄心と、複数の磁石挿入穴のそれぞれに挿入された複数の永久磁石とを備え、複数の永久磁石は、厚み方向の寸法が設計寸法から設定公差の範囲内であって設定値よりも小さい第１永久磁石と、厚み方向の寸法が設計寸法から設定公差の範囲内であって設定値よりも大きい第２永久磁石と、を有し、複数の磁石挿入穴は、第１永久磁石が挿入される第１磁石挿入穴と、第１磁石挿入穴の幅方向寸法よりも幅方向寸法が大きく、第２永久磁石が挿入される第２磁石挿入穴と、を有している。
また、この発明に係る回転電機の回転子は、複数の永久磁石を周方向に並べて形成された鉄心が回転する回転電機の回転子であって、複数の永久磁石に含まれる第１永久磁石と、複数の永久磁石に含まれ、第１永久磁石よりも径方向の厚みが大きい第２永久磁石と、第１永久磁石が挿入される、第１永久磁石の厚みよりも径方向の幅寸法が大きい第１磁石挿入穴と、第２永久磁石が挿入される、第２永久磁石の厚みよりも径方向の幅寸法が大きい第２磁石挿入穴と、を備え、第１磁石挿入穴の幅寸法と第１永久磁石の厚みの平均値との差は、第２磁石挿入穴の幅寸法と第２永久磁石の厚みの平均値との差よりも小さい。

この発明に係る回転電機の回転子の製造方法は、複数の永久磁石のそれぞれの厚み方向の寸法を測定する厚み寸法測定工程と、厚み寸法測定工程の後、厚み方向の寸法が設定公差の範囲内であって設定値よりも小さい永久磁石を第１永久磁石とし、厚み方向の寸法が設定公差の範囲内であって設定値よりも大きい永久磁石を第２永久磁石とする永久磁石選別工程と、永久磁石選別工程の後、回転子鉄心に形成された第１磁石挿入穴に第１永久磁石を挿入し、回転子鉄心に形成され、第１磁石挿入穴の幅方向寸法よりも幅方向寸法が大きい第２磁石挿入穴に第２永久磁石を挿入する永久磁石挿入工程とを備えている。

この発明に係る回転電機の回転子およびその製造方法によれば、回転電機の効率を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子を示す断面図である。 比較例の回転電機の回転子を示す断面図である。 図２の永久磁石の厚み方向の寸法の頻度を示すグラフである。 図１の永久磁石の厚み方向の寸法の頻度を示すグラフである。 永久磁石の動作点を算出するための磁気回路を示す図である。 永久磁石の動作点を示すグラフである。 磁石挿入穴の壁面と永久磁石との間の平均隙間が小さくなった場合の永久磁石の動作点を示すグラフである。 図１の回転子の製造方法を示すフローチャートである。 図４の永久磁石の厚み方向の寸法の頻度の変形例を示すグラフである。 この発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子を示す断面図である。 図１０の磁石挿入穴に挿入された永久磁石の厚み方向の寸法の頻度を示すグラフである。 実施の形態２に係る回転電機の回転子における永久磁石の動作点を示すグラフである。 図１０の回転子を通る磁束の流れを示す図である。 図１１の永久磁石の厚み方向の寸法の頻度の変形例を示すグラフである。 実施の形態２に係る回転電機の回転子の変形例における永久磁石の動作点を示すグラフである。 この発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子を示す断面図である。 図１６の磁石挿入穴に挿入された永久磁石の厚み方向の寸法の頻度を示すグラフである。 実施の形態３に係る回転電機の回転子における永久磁石の動作点を示すグラフである。 図１７の永久磁石の厚み方向の寸法の頻度の変形例を示すグラフである。 実施の形態３に係る回転電機の回転子の変形例における永久磁石の動作点を示すグラフである。 この発明の実施の形態４に係る回転電機の回転子を示す断面図である。 図１の永久磁石の変形例を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子を示す断面図である。回転電機の回転子１は、円柱形状の回転子鉄心２と、回転子鉄心２に設けられ、直方体形状に形成された複数の永久磁石３とを備えている。回転子鉄心２には、周方向に並べて配置された複数の磁石挿入穴２１が形成されている。この例では、周方向とは、回転子鉄心２についての周方向とする。永久磁石３は、磁石挿入穴２１の壁面であって、径方向外側に配置された壁面に面接触している。磁石挿入穴２１の壁面であって径方向内側に配置された壁面と永久磁石３との間には、隙間が形成されている。磁石挿入穴２１の壁面と永久磁石３との間の隙間とは、磁石挿入穴２１の壁面であって径方向内側に配置された壁面と永久磁石３との間に形成された隙間とする。

複数の永久磁石３のそれぞれは、磁石挿入穴２１に１個ずつ挿入されている。この例では、回転子１の極数が６となっている。なお、回転子１の極数は、これに限らず、その他の数であってもよい。また、この例では、回転子１の１個の磁極に１個の永久磁石３が配置されている。言い換えれば、１個の永久磁石３は、回転子１の１個の磁極を構成する。周方向に隣り合う一対の永久磁石３は、径方向外側部分の磁極が互いに異なるように配置されている。言い換えれば、複数の永久磁石３におけるそれぞれについての径方向外側部分の磁極は、周方向についてＮ極とＳ極とが交互に並べられるように、配置されている。この例では、径方向とは、回転子鉄心２についての径方向とする。

複数の永久磁石３は、第１永久磁石３１と、第２永久磁石３２とに分けられている。第１永久磁石３１の厚み方向の寸法は、第２永久磁石３２の厚み方向の寸法よりも小さい。この例では、厚み方向とは、径方向と一致する。第１永久磁石３１の厚み方向の寸法をｍ１とする。第２永久磁石３２の厚み方向の寸法をｍ２とする。この場合に、ｍ１＜ｍ２が満たされる。複数の永久磁石３は、第１永久磁石３１と第２永久磁石３２とが周方向に交互に並べて配置されている。

第１永久磁石３１における径方向外側部分にＮ極が配置され、第２永久磁石３２における径方向外側部分にＳ極が配置されている。第１永久磁石３１のＮ極から回転子鉄心２を通って第２永久磁石３２のＳ極に戻る磁束の流れＹが形成されている。

複数の磁石挿入穴２１は、第１磁石挿入穴２１１と、第２磁石挿入穴２１２とに分けられている。第１磁石挿入穴２１１の幅方向寸法は、第２磁石挿入穴２１２の幅方向寸法よりも小さい。磁石挿入穴２１における幅方向は、磁石挿入穴２１に挿入された永久磁石３の厚み方向と一致する。第１磁石挿入穴２１１には、第１永久磁石３１が挿入されている。第２磁石挿入穴２１２には、第２永久磁石３２が挿入されている。第１磁石挿入穴２１１の幅方向寸法をｄ１とする。第２磁石挿入穴２１２の幅方向寸法をｄ２とする。この場合に、ｄ１＜ｄ２が満たされる。複数の磁石挿入穴２１は、第１磁石挿入穴２１１と第２磁石挿入穴２１２とが周方向に交互に並べて配置されている。

次に、永久磁石３の厚み方向の寸法について説明する。永久磁石３としては、ネオジム磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石などの焼結磁石が用いられている。永久磁石３は、ブロック形状の焼結体から設定された寸法に切り出されて製造される。複数の永久磁石３のそれぞれの厚み方向の寸法には、製造上の誤差が発生する。永久磁石３の厚み方向の寸法の誤差の範囲は、設定値に対して±０．１ｍｍ程度の範囲となる。設定値に対して±０．１ｍｍの範囲を永久磁石３の厚み方向の寸法の設定公差とする。なお、設定公差は、これに限らず、その他の値であってもよい。この例では、複数の永久磁石３の厚み方向の寸法の平均値を設定値とする。なお、設定値は、これに限らず、その他の値であってもよい。

磁石挿入穴２１は、一般的に、金型等の刃物を用いて回転子鉄心２を打ち抜くことによって形成される。したがって、複数の磁石挿入穴２１のそれぞれの幅方向寸法には、製造上の誤差が発生する。磁石挿入穴２１の幅方向寸法の誤差の範囲は、設定値に対して数μｍ〜１０数μｍ程度の範囲となる。永久磁石３の厚み方向の寸法の誤差の範囲は、磁石挿入穴２１の幅方向寸法の誤差の範囲と比較して、十分に大きい。したがって、この例では、磁石挿入穴２１の幅方向寸法に誤差が発生せず、永久磁石３の厚み方向の寸法に誤差が発生する場合について説明する。

図２は、比較例の回転電機の回転子１Ａを示す断面図である。回転子１Ａは、回転子１と同様に、回転子鉄心２Ａと、回転子鉄心２Ａに設けられ、直方体形状に形成された複数の永久磁石３Ａとを備えている。回転子鉄心２Ａには、周方向に並べて配置された複数の磁石挿入穴２１Ａが形成されている。複数の永久磁石３Ａのそれぞれは、磁石挿入穴２１Ａに１個ずつ挿入されている。

複数の磁石挿入穴２１Ａのそれぞれの幅方向寸法は、互いに同一となっている。複数の磁石挿入穴２１Ａのそれぞれは、永久磁石３Ａの厚み方向の寸法に誤差が発生した場合であっても永久磁石３Ａが磁石挿入穴２１Ａに挿入できるように、永久磁石３の厚み方向の寸法についての設定公差に対して裕度をもって形成されている。

図３は、図２の永久磁石３Ａの厚み方向の寸法の頻度を示すグラフである。図３では、横軸が永久磁石３Ａの厚み方向の寸法を示し、縦軸が頻度を示している。図３では、磁石挿入穴２１Ａの幅方向寸法も示されている。図３では、永久磁石３Ａの厚み方向の寸法の頻度が正規分布に従う場合を示している。永久磁石３Ａの厚み方向の寸法の平均値をｍ_centerとする。永久磁石３Ａの厚み方向の寸法がｍ_centerとなる頻度が最も大きい。永久磁石３Ａの厚み方向の寸法の最大値をｍ_maxとする。磁石挿入穴２１Ａには、永久磁石３Ａの厚み方向の寸法にばらつきが発生しても、永久磁石３Ａが挿入可能となっている。磁石挿入穴２１Ａの幅方向寸法をｄとする。ｄは、ｍ_maxに対して設定寸法αだけ大きくなっている。したがって、ｄ＝ｍ_max＋αが満たされる。磁石挿入穴２１Ａの壁面と永久磁石３Ａとの間の平均隙間の寸法は、ｄ−ｍ_centerとなる。

図４は、図１の永久磁石３の厚み方向の寸法の頻度を示すグラフである。図４では、横軸が永久磁石３の厚み方向の寸法を示し、縦軸が頻度を示している。図４では、磁石挿入穴２１の幅方向寸法も示されている。図４では、永久磁石３の厚み方向の寸法の頻度が正規分布に従う場合を示している。永久磁石３の厚み方向の寸法の平均値をｍ_centerとする。永久磁石３の厚み方向の寸法の最大値をｍ_maxとする。

複数の永久磁石３のそれぞれは、厚み方向の寸法がｍ_centerよりも小さい永久磁石３と、厚み方向の寸法がｍ_centerよりも大きい永久磁石３とに分けられる。複数の永久磁石３のうちで、厚み方向の寸法がｍ_centerよりも小さい永久磁石３を第１永久磁石３１とし、厚み方向の寸法がｍ_centerよりも大きい永久磁石３を第２永久磁石３２とする。第１永久磁石３１の厚み方向の寸法の平均値をｍ１とし、第２永久磁石３２の厚み方向の寸法の平均値をｍ２とする。この場合、ｍ１＜ｍ_center＜ｍ２が満たされる。

第１永久磁石３１の厚み方向の寸法の最大値は、ｍ_centerとなる。したがって、ｄ１＝ｍ_center＋αが満たされることによって、第１永久磁石３１を第１磁石挿入穴２１１に挿入することができる。

第２永久磁石３２の厚み方向の寸法の最大値は、ｍ_maxとなる。したがって、ｄ２＝ｍ_max＋αが満たされることによって、第２永久磁石３２を第２磁石挿入穴２１２に挿入することができる。

次に、磁石挿入穴２１の壁面と永久磁石３との間の隙間の寸法について説明する。第１磁石挿入穴２１１の壁面と第１永久磁石３１との間の平均隙間の寸法は、ｄ１−ｍ１となる。第２磁石挿入穴２１２の壁面と第２永久磁石３２との間の平均隙間の寸法は、ｄ２−ｍ２となる。

一方、磁石挿入穴２１Ａの壁面と永久磁石３Ａとの間の平均隙間の寸法は、ｄ−ｍ_centerとなる。ここで、ｍ_center＜ｍ２であり、ｄ＝ｄ２である。したがって、ｄ２−ｍ２＜ｄ−ｍ_centerが満たされる。

永久磁石３の厚み方向の寸法の頻度が正規分布に従う場合には、複数の永久磁石３のうちで厚み方向の寸法がｍ_centerとなる頻度が他の寸法となる頻度よりも大きい。したがって、ｍ_center−ｍ１＜ｍ_max−ｍ２が満たされる。これにより、ｍ_center−ｍ１＋α＜ｍ_max−ｍ２＋αが満たされる。また、ｍ_center＋α＝ｄ１であり、ｍ_max＋α＝ｄ２である。したがって、ｄ１−ｍ１＜ｄ２−ｍ２が満たされる。これにより、ｄ１−ｍ１＜ｄ２−ｍ２＜ｄ−ｍ_centerが満たされる。言い換えれば、第１磁石挿入穴２１１の壁面と第１永久磁石３１との間の平均隙間の寸法および第２磁石挿入穴２１２の壁面と第２永久磁石３２との間の平均隙間の寸法は、磁石挿入穴２１Ａの壁面と永久磁石３Ａとの間の平均隙間の寸法よりも小さくなる。

次に、永久磁石３の動作点について説明する。図５は、永久磁石３の動作点を算出するための磁気回路を示す図である。図６は、永久磁石３の動作点を示すグラフである。図７は、磁石挿入穴２１の壁面と永久磁石３との間の平均隙間が小さくなった場合の永久磁石３の動作点を示すグラフである。図５では、Ｃ型に形成された鉄心部１０１の長手方向一端部に永久磁石３が設けられており、鉄心部１０１の長手方向他端部と永久磁石３との間に空隙部１０２が形成されている。永久磁石３の厚さ方向の寸法をＴ_mとし、空隙部１０２の寸法をＴ_gとし、鉄心部１０１の磁路長をＴ_cとする。永久磁石３の断面積、空隙部１０２の断面積、および鉄心部１０１の断面積のそれぞれをＳとし、互いに同一とする。この場合に、アンペールの法則によって、下記の式（１）が成立する。

ΦＨ・ｄｌ＝０ （１）

したがって、永久磁石３の磁界をＨ_mとし、空隙部１０２の磁界をＨ_gとし、鉄心部１０１の磁界をＨ_cとすると、下記の式（２）が導出される。

Ｈ_m・Ｔ_m＋Ｈ_g・Ｔ_g＋Ｈ_c・Ｔ_c＝０ （２）

また、磁束は、どの部位であっても一定であるため、断面積Ｓが一定であれば磁束密度も一定となる。したがって、永久磁石３の内部の磁束密度をＢ_mとし、空隙部１０２の磁束密度をＢ_gとし、鉄心部１０１の内部の磁束密度をＢ_cとすると、それぞれの値は、互いに同一となる。一方、磁界と磁束密度との関係は、下記の式（３）、式（４）および式（５）を満たす。

Ｂ_m＝μ₀μ_rmＨ_m （３）
Ｂ_g＝μ₀Ｈ_g （４）
Ｂ_c＝μ₀μ_rcＨ_c （５）

なお、μ₀は、真空の透磁率を表し、μ_rmは永久磁石３の比透磁率を表し、μ_rcは、鉄の比透磁率を表している。永久磁石３がネオジム磁石である場合には、μ_rmは、約１．０５となる。上記の式（３）、式（４）および式（５）から、空隙部１０２の磁界Ｈ_gおよび鉄心部１０１の磁界Ｈ_cは、下記の式（６）および式（７）を満たす。

Ｈ_g＝Ｂ_m／μ₀ （６）
Ｈ_c＝Ｂ_m／（μ₀μ_rc） （７）

上記の式（６）および式（７）を上記の式（２）に代入することによって、下記の式（８）が導出される。

Ｈ_m・Ｔ_m＋Ｂ_m／μ₀・Ｔ_g＋Ｂ_m／（μ₀μ_rc）・Ｔ_c＝０ （８）

ここで、鉄心部１０１の磁束が飽和していない場合には、μ₀は、１０００以上となる。この場合に、上記の式（８）において、第３項が示す値は、第１項が示す値および第２項が示す値と比較して、十分小さい。したがって、この場合に、上記の式（８）は、下記の式（９）とすることができる。

Ｈ_m・Ｔ_m＋Ｂ_m／μ₀・Ｔ_g＝０ （９）

上記の式（９）から下記の式（１０）が導出される。

ｐ＝Ｂ_m／Ｈ_m＝−μ₀・Ｔ_m／Ｔ_g （１０）

ここで、ｐは、パーミアンス係数と呼ばれる値である。永久磁石３の磁束密度は、下記の式（１１）で表すことができる。

Ｂ_m＝μ₀μ_rmＨ_m＋Ｍ （１１）

永久磁石３の磁束密度と磁界との関係は、図６に示す通りである。上記の式（１０）を図６に示すと、第２象限において傾き−ｐで表される直線となる。このとき、永久磁石３の動作点は、上記の式（１０）および式（１１）の両方を満たすＺ点となる。

実施の形態１では、比較例と比べて、空隙部１０２が小さくなる構成となっている。したがって、上記の式（１０）において、Ｔ_gが小さくなる。これにより、パーミアンス係数ｐが大きくなる。この場合のパーミアンス係数をｐ₁とする。図７に示すように、パーミアンス係数がｐ₁である場合に、永久磁石３の動作点は、Ｚ点よりも磁束密度が高いＺ₁が交点となる。なお、平均隙間を小さくした場合の永久磁石３の動作点の向上を図４のＣ型の磁気回路を用いて説明したが、回転電機においても、同様の原理によって、永久磁石３の動作点を向上させることができる。

次に、回転電機の回転子１の製造方法について説明する。図８は、図１の回転子１の製造方法を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１において、厚み寸法測定工程が行われる。厚み寸法測定工程では、複数の永久磁石３のそれぞれの厚み方向の寸法を測定する。また、厚み寸法測定工程では、複数の永久磁石３の厚み方向の寸法の平均値を算出する。

その後、ステップＳ２において、永久磁石選別工程が行われる。永久磁石選別工程では、厚み方向の寸法が設定公差の範囲内であって設定値よりも小さい永久磁石３を第１永久磁石３１とする。また、永久磁石選別工程では、厚み方向の寸法が設定公差の範囲内であって設定値よりも大きい永久磁石３を第２永久磁石３２とする。永久磁石選別工程では、平均値が設定値として用いられる。

その後、ステップＳ３において、永久磁石挿入工程が行われる。永久磁石挿入工程では、第１磁石挿入穴２１１に第１永久磁石３１を挿入し、第２磁石挿入穴２１２に第２永久磁石３２を挿入する。

その後、ステップＳ４において、着磁工程が行われる。着磁工程では、第１永久磁石３１および第２永久磁石３２が着磁される。

その後、ステップＳ５において、軸受組立工程が行われる。軸受組立工程では、回転子１の図示しないシャフトに図示しない軸受を取り付ける。以上により、回転電機の回転子１の製造が終了する。

以上説明したように、この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子１によれば、複数の永久磁石３は、第１永久磁石３１と第２永久磁石３２とに分けられている。複数の磁石挿入穴２１は、第１磁石挿入穴２１１と第２磁石挿入穴２１２とに分けられている。第１永久磁石３１は、第１磁石挿入穴２１１に挿入され、第２永久磁石３２は、第２磁石挿入穴２１２に挿入されている。これにより、第１磁石挿入穴２１１の壁面と第１永久磁石３１との間の平均隙間の寸法および第２磁石挿入穴２１２の壁面と第２永久磁石３２との間の平均隙間の寸法を小さくすることができる。したがって、永久磁石３の動作点を向上させることができる。その結果、回転電機の効率を向上させることができる。

また、第１永久磁石３１および第２永久磁石３２は、回転子１における互いに異なる磁極を構成する。これにより、回転子１における周方向についての重量のバランスを向上させることができる。したがって、回転子１における極対数毎の磁気特性が安定する。その結果、回転電機における音および振動の発生を抑制することができる。

また、この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子１の製造方法によれば、第１磁石挿入穴２１１に第１永久磁石３１を挿入し、第２磁石挿入穴２１２に第２永久磁石３２を挿入する。これにより、第１磁石挿入穴２１１の壁面と第１永久磁石３１との間の平均隙間の寸法および第２磁石挿入穴２１２の壁面と第２永久磁石３２との間の平均隙間の寸法を小さくすることができる。したがって、永久磁石３の動作点を向上させることができる。その結果、回転電機の効率を向上させることができる。

また、永久磁石３の厚み方向の寸法の平均値が永久磁石３の厚み方向の寸法の設定値として用いられる。これにより、複数の永久磁石３を第１永久磁石３１および第２永久磁石３２に均等に分けることができる。

なお、上記実施の形態１では、第１永久磁石３１における径方向外側部分にＮ極が配置され、第２永久磁石３２における径方向外側部分にＳ極が配置される構成について説明した。しかしながら、第１永久磁石３１における径方向外側部分にＳ極が配置され、第２永久磁石３２における径方向外側部分にＮ極が配置される構成であってもよい。この場合であっても、第２永久磁石３２のＮ極から回転子鉄心を通って第１永久磁石３１のＳ極に戻る磁束の流れＹが形成される。

また、上記実施の形態１では、永久磁石３の厚み方向の寸法の頻度が正規分布に従う場合について説明した。しかしながら、図９に示すように、永久磁石３の厚み方向の寸法の頻度が一定の場合であってもよい。この場合、ｄ１−ｍ１＝ｄ２−ｍ２＜ｄ−ｍ_centerが満たされる。したがって、第１磁石挿入穴２１１の壁面と第１永久磁石３１との間の平均隙間の寸法および第２磁石挿入穴２１２の壁面と第２永久磁石３２との間の平均隙間の寸法は、磁石挿入穴２１Ａの壁面と永久磁石３Ａとの間の平均隙間の寸法よりも小さくなる。

また、永久磁石挿入工程の後に、着磁工程が行われる回転電機の回転子１の製造方法について説明した。しかしながら、永久磁石挿入工程の前に着磁工程が行われる回転電機の回転子１の製造方法であってもよい。

実施の形態２．
図１０は、この発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子を示す断面図である。この例では、回転子１の極数が４となっている。一対の永久磁石３が回転子１の１個の磁極を構成する。回転子１の１個の磁極を構成する一対の永久磁石３は、Ｖ字型に配置されている。一対の永久磁石３は、径方向外側に向かうにつれて互いに離れるように配置されている。一対の永久磁石３は、実施の形態１と同様に、第１永久磁石３１と、第２永久磁石３２とに分けられる。

回転子鉄心２には、一対の永久磁石３が挿入される一対の磁石挿入穴２１が形成されている。一対の磁石挿入穴２１は、実施の形態１と同様に、第１磁石挿入穴２１１と、第２磁石挿入穴２１２とに分けられている。一対の磁石挿入穴２１のうちで、回転子１のトルク発生方向に対して遅れ側に配置された磁石挿入穴２１が第１磁石挿入穴２１１となり、トルク発生方向に対して進み側に配置された磁石挿入穴２１が第２磁石挿入穴２１２となっている。

図１１は、図１０の磁石挿入穴２１に挿入された永久磁石３の厚み方向の寸法の頻度を示すグラフである。図１１では、横軸が永久磁石３の厚み方向の寸法を示し、縦軸が頻度を示している。図１１では、磁石挿入穴２１の幅方向寸法も示されている。図１１では、永久磁石３の厚み方向の寸法の頻度が正規分布に従う場合を示している。

永久磁石３の厚み方向の寸法の設定値は、５ｍｍとなっている。永久磁石３の厚み方向の寸法の設定公差は±０．１ｍｍとなっている。磁石挿入穴２１の幅方向寸法は、永久磁石３の最大値に対して０．１ｍｍを加えた値となっている。永久磁石３としては、代表的なネオジム焼結磁石が用いられている。残留磁束密度は、１．３Ｔとなっている。比透磁率は、１．０５となっている。回転子１と固定子との間の隙間は、１ｍｍとなっている。

図１２は、実施の形態２に係る回転電機の回転子１における永久磁石３の動作点を示すグラフである。図１２では、永久磁石３から回転子１の内部に漏れる磁束がないものとし、また、回転子鉄心２に磁気飽和が生じないものとした。また、図１２では、比較例における永久磁石３の動作点も示している。図に示すように、第１磁石挿入穴２１１に挿入された第１永久磁石３１の動作点は、第２磁石挿入穴２１２に挿入された第２永久磁石３２の動作点よりも高くなる。これは、第１磁石挿入穴２１１の壁面と第１永久磁石３１との間の隙間寸法が、第２磁石挿入穴２１２の壁面と第２永久磁石３２との間の隙間寸法よりも小さいからである。また、図に示すように、第２磁石挿入穴２１２に挿入された第２永久磁石３２の動作点は、比較例の場合の磁石挿入穴に挿入された永久磁石の動作点よりも高くなる。

図１３は、図１０の回転子１を通る磁束の流れＹを示す図である。図１３では、回転子１を囲む固定子４も示されている。回転子１にトルクが発生するためには、回転子１の磁極に対して、固定子４の磁極がトルク発生方向Ｄに対してずれる必要がある。言い換えれば、回転子１のＳ極と固定子４のＮ極とが引き付けられ、回転子１のＮ極と固定子４のＳ極とが引き付けられるように、回転子１の磁極に対応して固定子４の磁極を配置する必要がある。図に示すように、回転子１の磁極に対して、固定子４の磁極が９０度だけトルク発生方向Ｄについてシフトされている。これにより、図において、回転子１には、反時計回りにトルクが発生する。回転子１の回転方向と同方向に回転子１にトルクが発生する場合が力行動作であり、回転子１の回転方向と反対方向に回転子１にトルクが発生する場合が回生動作である。

２個の永久磁石３が配置された回転子鉄心２の部分を同一磁極構成部分２２とする。同一磁極構成部分２２のうちでトルク発生方向Ｄについて遅れ側の部分を同一磁極遅れ側部分２３とする。同一磁極構成部分２２のうちでトルク発生方向Ｄについて進み側の部分を同一磁極進み側部分２４とする。固定子４と回転子１との間を通る磁束は、Ｎ極からＳ極に向かって流れる。したがって、同一磁極遅れ側部分２３において、固定子４から回転子１に磁束が入り、同一磁極進み側部分２４において、回転子１から固定子４に磁束が出る流れが形成される。

同一磁極遅れ側部分２３では、永久磁石３によって発生する磁束と、固定子４から回転子１に入る磁束とが互いに打ち消す方向に流れる。一方、同一磁極進み側部分２４では、永久磁石３によって発生する磁束と回転子１から固定子４へ出る磁束とが同じ方向に流れる。したがって、同一磁極遅れ側部分２３に配置された永久磁石３は、同一磁極進み側部分２４に配置された永久磁石３と比較して、減磁しやすい。

動作点の高い第１永久磁石３１がトルク発生方向Ｄについて遅れ側に配置され、動作点の低い第２永久磁石３２がトルク発生方向Ｄについて進み側に配置されている。これにより、永久磁石３の耐減磁性が向上する。その他の構成は、実施の形態１と同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子１によれば、第１永久磁石３１および第２永久磁石３２は、回転子１において互いに同一の磁極を構成している。これにより、磁極毎の重量のバランスを向上させることができる。これにより、回転子１の磁気特性が安定する。その結果、回転電機における音および振動の発生を抑制することができる。

また、第１永久磁石３１および第２永久磁石３２のそれぞれは、トルク発生方向Ｄに対して遅れ側に配置された永久磁石３の動作点が、トルク発生方向Ｄに対して進み側に配置された永久磁石３の動作点よりも高くなるように、配置されている。これにより、永久磁石３の耐減磁性を向上させることができる。その結果、回転電機の効率を向上させることができる。

なお、上記実施の形態２では、トルク発生方向Ｄについて第１永久磁石３１が第２永久磁石３２よりも遅れ側に配置された構成について説明した。しかしながら、トルク発生方向Ｄが入れ替わる場合には、トルク発生方向Ｄについて第１永久磁石３１が第２永久磁石３２よりも進み側に配置されてもよい。

また、上記実施の形態２では、１つの磁極の中で第１永久磁石３１と第２永久磁石３２が配置される構成について説明した。しかしながら、１つの磁極に第１永久磁石３１および第２永久磁石３２の一方が配置され、この磁極に隣り合う１つの磁極に第１永久磁石３１および第２永久磁石３２の他方が配置される構成であってもよい。

また、上記実施の形態２では、永久磁石３の厚み方向の寸法の頻度が正規分布に従う場合について説明した。しかしながら、図１４に示すように、永久磁石３の厚み方向の寸法の頻度が一定であってもよい。この場合、磁石挿入穴２１の壁面と永久磁石３との間の平均隙間は、一定となる。この場合に、図１５に示すように、第２磁石挿入穴２１２に挿入された第２永久磁石３２の動作点は、第１磁石挿入穴２１１に挿入された第１永久磁石３１の動作点よりも高くなる。したがって、第２永久磁石３２は、回転子１のトルク発生方向Ｄについて、第１永久磁石３１よりも遅れ側に配置される。これにより、トルク発生方向Ｄに対して遅れ側に配置された永久磁石３の動作点が、トルク発生方向Ｄに対して進み側に配置された永久磁石３の動作点よりも高くなるように、配置されている。したがって、永久磁石３の耐減磁性を向上させることができる。その結果、回転電機の効率を向上させることができる。

実施の形態３．
図１６は、この発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子を示す断面図である。この例では、３個の永久磁石３が回転子１の１個の磁極を構成する。言い換えれば、回転子１の１つの磁極について、３個の永久磁石３が用いられている。３個の永久磁石３は、Ｕ字型に並べて配置されている。言い換えれば、３個の永久磁石３は、バスタブ型に並べて配置されている。３個の永久磁石３のうちで、トルク発生方向Ｄについて最も進み側に配置された永久磁石３を第１永久磁石３１とし、トルク発生方向Ｄについて最も遅れ側に配置された永久磁石３を第２永久磁石３２とし、残りの１個の永久磁石３を第３永久磁石３３とする。

回転子鉄心２には、第１永久磁石３１が挿入される第１磁石挿入穴２１１と、第２永久磁石３２が挿入される第２磁石挿入穴２１２と、第３永久磁石３３が挿入される第３磁石挿入穴２１３とが形成されている。第１磁石挿入穴２１１、第２磁石挿入穴２１２および第３磁石挿入穴２１３は、Ｕ字型に並べて配置されている。

図１７は、図１６の磁石挿入穴２１に挿入された永久磁石３の厚み方向の寸法の頻度を示すグラフである。図１７では、横軸が永久磁石３の厚み方向の寸法を示し、縦軸が頻度を示している。図１７では、磁石挿入穴２１の幅方向寸法も示されている。図１７では、永久磁石３の厚み方向の寸法の頻度が正規分布に従う場合を示している。第１永久磁石３１の厚み方向の寸法の平均値をｍ１とする。第２永久磁石３２の厚み方向の寸法の平均値をｍ２とする。第３永久磁石３３の厚み方向の寸法の平均値をｍ３とする。この場合、ｍ１＜ｍ２＜ｍ３が満たされる。また、ｍ２＝ｍ_centerとなっている。

第１磁石挿入穴２１１の幅方向寸法をｄ１とする。第２磁石挿入穴２１２の幅方向寸法をｄ２とする。第３磁石挿入穴２１３の幅方向寸法をｄ３とする。この場合、ｄ１＜ｄ２＜ｄ３が満たされる。ｄ１は、第１永久磁石３１の厚み方向の寸法の最大値にαを加えた値となっている。ｄ２は、第２永久磁石３２の厚み方向の寸法の最大値にαを加えた値となっている。ｄ３は、第３永久磁石３３の厚み方向の寸法の最大値にαを加えた値となっている。

永久磁石３の厚み方向の寸法の設定値は、５ｍｍとなっている。永久磁石３の厚み方向の寸法の設定公差は±０．１ｍｍとなっている。磁石挿入穴２１の幅方向寸法は、永久磁石３の最大値に対して０．１ｍｍを加えた値となっている。永久磁石３としては、代表的なネオジム焼結磁石が用いられている。残留磁束密度は、１．３Ｔとなっている。比透磁率は、１．０５となっている。回転子１と固定子との間の隙間は、１ｍｍとなっている。

図１８は、実施の形態３に係る回転電機の回転子における永久磁石３の動作点を示すグラフである。図１８では、永久磁石３から回転子１内部に漏れる磁束がないものとし、また、回転子鉄心２に磁気飽和が生じないものとした。また、図１８では、比較例における永久磁石の動作点も示している。図に示すように、第２磁石挿入穴２１２に挿入された第２永久磁石３２の動作点は、第１磁石挿入穴２１１に挿入された第１永久磁石３１の動作点よりも高い。また、第１磁石挿入穴２１１に挿入された第１永久磁石３１の動作点は、第３磁石挿入穴２１３に挿入された第３永久磁石３３の動作点よりも高い。言い換えれば、第２磁石挿入穴２１２に挿入された第２永久磁石３２の動作点、第１磁石挿入穴２１１に挿入された第１永久磁石３１の動作点、第３磁石挿入穴２１３に挿入された第３永久磁石３３の動作点の順に低くなる。また、第３磁石挿入穴２１３に挿入された第３永久磁石３３の動作点は、比較例の場合の磁石挿入穴に挿入された永久磁石の動作点よりも高い。

図１６に示すように、３個の永久磁石３が配置された回転子鉄心２の部分を同一磁極構成部分２２とする。同一磁極構成部分２２のうちでトルク発生方向Ｄについて遅れ側の部分を同一磁極遅れ側部分２３とする。同一磁極構成部分２２のうちで同一磁極遅れ側部分２３が最も減磁しやすい。第２永久磁石３２は、同一磁極遅れ側部分２３に配置されている。

同一磁極構成部分２２のうちでトルク発生方向Ｄについて進み側の部分を同一磁極進み側部分２４とする。同一磁極構成部分２２のうちで同一磁極進み側部分２４が、同一磁極遅れ側部分２３の次に減磁しやすい。同一磁極遅れ側部分２３に固定子４のティースが隣り合うか否かに対応して、同一磁極遅れ側部分２３には、高次成分の磁束変動が発生する。これにより、同一磁極遅れ側部分２３には、磁束の変化が発生する。第１永久磁石３１は、同一磁極進み側部分２４に配置されている。

同一磁極構成部分２２のうちで径方向内側の部分を同一磁極径方向内側部分２５とする。同一磁極径方向内側部分２５は、同一磁極遅れ側部分２３および同一磁極進み側部分２４よりも固定子４から離れて配置される。したがって、同一磁極径方向内側部分２５には、固定子４のティースが隣り合うことがない。したがって、同一磁極径方向内側部分２５は、同一磁極構成部分２２のうちで最も減磁し難い。同一磁極径方向内側部分２５には、第３永久磁石３３が配置されている。その他の構成は、実施の形態２と同様である。

以上説明したように、この発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子１によれば、第１永久磁石３１、第２永久磁石３２および第３永久磁石３３は、回転子１において互いに同一の磁極を構成している。これにより、磁極毎の重量のバランスを向上させることができる。これにより、回転子１の磁気特性が安定する。その結果、回転電機における音および振動の発生を抑制することができる。

なお、上記実施の形態３では、永久磁石３の厚み方向の寸法の頻度が正規分布に従う場合について説明した。しかしながら、図１９に示すように、永久磁石３の厚み方向の寸法の頻度が一定であってもよい。この場合、磁石挿入穴２１の壁面と永久磁石３との間の平均隙間は、一定となる。この場合に、図２０に示すように、第２磁石挿入穴２１２に挿入された第２永久磁石３２の動作点は、第１磁石挿入穴２１１に挿入された第１永久磁石３１の動作点よりも高くなる。第３磁石挿入穴２１３に挿入された第３永久磁石３３の動作点は、第２磁石挿入穴２１２に挿入された第２永久磁石３２の動作点よりも高くなる。言い換えれば、第３磁石挿入穴２１３に挿入された第３永久磁石３３の動作点、第２磁石挿入穴２１２に挿入された第２永久磁石３２の動作点、第１磁石挿入穴２１１に挿入された第１永久磁石３１の動作点の順に低くなる。したがって、第３永久磁石３３は、同一磁極遅れ側部分２３に配置され、第２永久磁石３２は、同一磁極進み側部分２４に配置され、第１永久磁石３１は、同一磁極径方向内側部分２５に配置される。

実施の形態４．
図２１は、この発明の実施の形態４に係る回転電機の回転子を示す断面図である。この例では、６個の永久磁石３が回転子鉄心２に設けられている。それぞれの永久磁石３は、回転子鉄心２の周方向に着磁されている。回転子鉄心２の表面には、永久磁石３によって形成された磁束の流れＹによって、Ｎ極およびＳ極が形成されている。なお、永久磁石３と回転子鉄心２との間には、実施の形態１で示したように隙間が発生しているが、図２１では、この隙間が省略されている。

この構成において、実施の形態４における永久磁石３の厚み方向は、図２１に示すように、回転子鉄心２の周方向となる。言い換えれば、第１永久磁石３１の寸法ｄ１は、第１永久磁石３１の周方向の寸法となり、第２永久磁石３２の寸法ｄ２は、第２永久磁石３２の周方向の寸法となる。したがって、永久磁石３の厚み方向は、永久磁石３における磁束の流れＹの方向と同じ方向となる。実施の形態１と同様に、周方向について、第１磁石挿入穴２１１および第２磁石挿入穴２１２が１個ずつ交互に配置され、第１磁石挿入穴２１１に第１永久磁石３１が挿入され、第２磁石挿入穴２１２に第２永久磁石３２が挿入されている。その他の構成は、実施の形態１から実施の形態３までと同様である。

以上説明したように、実施の形態４に係る回転電機の回転子１によれば、実施の形態１と同様に、それぞれの永久磁石３と磁石挿入穴２１との間に発生する隙間を小さくすることができる。これにより、永久磁石３の動作点を向上させることができ、回転電機のトルクの向上を図ることができる。

なお、上記実施の形態１〜３では、永久磁石３の形状を直方体形状である構成について説明した。しかしながら、例えば、図２２に示すように、永久磁石３における径方向外側面が湾曲する形状であってもよい。言い換えれば、永久磁石３の形状は、かまぼこ形状であってもよい。この場合、永久磁石３の厚み方向の寸法は、永久磁石３の最大厚み部分の寸法とする。

１、１Ａ 回転子、２、２Ａ 回転子鉄心、３、３Ａ 永久磁石、４ 固定子、２１、２１Ａ 磁石挿入穴、２２ 同一磁極構成部分、２３ 同一磁極遅れ側部分、２４ 同一磁極進み側部分、２５ 同一磁極径方向内側部分、３１ 第１永久磁石、３２ 第２永久磁石、１０１ 鉄心部、１０２ 空隙部、２１１ 第１磁石挿入穴、２１２ 第２磁石挿入穴、２１３ 第３磁石挿入穴。

Claims (8)

1. 複数の磁石挿入穴が周方向に並べて形成された回転子鉄心と、
   複数の前記磁石挿入穴のそれぞれに挿入された複数の永久磁石と
   を備え、
   複数の前記永久磁石は、厚み方向の寸法が設計寸法から設定公差の範囲内であって設定値よりも小さい第１永久磁石と、前記厚み方向の寸法が設計寸法から前記設定公差の範囲内であって前記設定値よりも大きい第２永久磁石と、を有し、
   複数の前記磁石挿入穴は、前記第１永久磁石が挿入される第１磁石挿入穴と、前記第１磁石挿入穴の幅方向寸法よりも幅方向寸法が大きく、前記第２永久磁石が挿入される第２磁石挿入穴と、を有している回転電機の回転子。
2. 複数の永久磁石を周方向に並べて形成された鉄心が回転する回転電機の回転子であって、
   前記複数の永久磁石に含まれる第１永久磁石と、
   前記複数の永久磁石に含まれ、前記第１永久磁石よりも径方向の厚みが大きい第２永久磁石と、
   前記第１永久磁石が挿入される、前記第１永久磁石の厚みよりも径方向の幅寸法が大きい第１磁石挿入穴と、
   前記第２永久磁石が挿入される、前記第２永久磁石の厚みよりも径方向の幅寸法が大きい第２磁石挿入穴と、
   を備え、
   前記第１磁石挿入穴の幅寸法と前記第１永久磁石の厚みの平均値との差は、前記第２磁石挿入穴の幅寸法と前記第２永久磁石の厚みの平均値との差よりも小さい回転電機の回転子。
3. 前記第１永久磁石の厚みは、前記複数の永久磁石の厚みの平均値であり、または、前記平均値よりも小さく、
   前記第２永久磁石の厚みは、前記複数の永久磁石の厚みの前記平均値よりも大きい請求項２に記載の回転電機の回転子。
4. 前記第１永久磁石および前記第２永久磁石は、互いに異なる磁極を構成する請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の回転電機の回転子。
5. 前記第１永久磁石および前記第２永久磁石は、互いに同一の磁極を構成する請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の回転電機の回転子。
6. 前記第１永久磁石および前記第２永久磁石のそれぞれは、トルク発生方向に対して遅れ側に配置された前記永久磁石の動作点が、前記トルク発生方向に対して進み側に配置された前記永久磁石の動作点よりも高くなるように、配置されている請求項５に記載の回転電機の回転子。
7. 複数の永久磁石のそれぞれの厚み方向の寸法を測定する厚み寸法測定工程と、
   前記厚み寸法測定工程の後、前記厚み方向の寸法が設定公差の範囲内であって設定値よりも小さい前記永久磁石を第１永久磁石とし、前記厚み方向の寸法が前記設定公差の範囲内であって前記設定値よりも大きい前記永久磁石を第２永久磁石とする永久磁石選別工程と、
   前記永久磁石選別工程の後、回転子鉄心に形成された第１磁石挿入穴に前記第１永久磁石を挿入し、前記回転子鉄心に形成され、前記第１磁石挿入穴の幅方向寸法よりも幅方向寸法が大きい第２磁石挿入穴に前記第２永久磁石を挿入する永久磁石挿入工程と
   を備えた回転電機の回転子の製造方法。
8. 前記厚み寸法測定工程では、複数の前記永久磁石のそれぞれの前記厚み方向の寸法から複数の前記永久磁石の前記厚み方向の寸法の平均値を算出し、
   前記永久磁石選別工程では、前記平均値を前記設定値として用いる請求項７に記載の回転電機の回転子の製造方法。

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