JP6851816B2 - 回転子 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転子に関する。

従来から、回転子の回転子鉄心に永久磁石が埋設された、いわゆる磁石埋め込み型の回転電機が知られている。この種の回転電機の回転子では、駆動時の騒音や振動の要因となるトルクリップルを低減するために、複数の回転子鉄心を周方向にずらしながら回転軸線に沿って積層する、いわゆるスキュー構造を採用する場合があった。このような構造を採用する場合、回転子鉄心の表面に形成される磁気的凹凸が滑らかになるので、トルクリップルを低減できる。

ここで、スキュー構造を採用することにより、永久磁石の軸方向端面が回転子鉄心に接触する。このような部位では見かけ上磁気抵抗が小さくなり、電気子反作用による反磁界がより永久磁石に加わることとなる。このような場合、耐減磁性能が弱いために、永久磁石の減磁を発生させる原因となる。この結果、回転子全体でみたときの永久磁石の耐減磁性能が、低下してしまう可能性があった。

この永久磁石の耐減磁性能の低下を補うために、永久磁石の表面に重希土類を拡散させることにより、永久磁石の保磁力を向上させる方法も考えられる。しかしながら、例えば、回転子鉄心のスキュー構造に対応させて永久磁石を分断して使用する場合、スキューされた回転子鉄心同士の重ね合わせ面に永久磁石の内部が露出することになる。永久磁石の表面に重希土類を拡散させる場合、永久磁石の内部の保磁力は基材と同程度に留まる。このため、結局回転子鉄心の永久磁石同士が重ね合わさる箇所で耐減磁性能が低下し、回転子全体でみたときの永久磁石の耐減磁性能の低下も抑えられない可能性があった。

特開２００９−１３６０４０号公報

本発明が解決しようとする課題は、スキュー構造を採用した場合の永久磁石の耐減磁性能の低下を抑制できる回転子を提供することである。

実施形態の回転子は、シャフトと、３以上の複数の回転子鉄心と、複数の永久磁石と、を持つ。シャフトは、回転軸線回りに回転する。３以上の複数の回転子鉄心は、シャフトに隣接して固定され、回転軸線に沿って積層される。複数の永久磁石は、複数の回転子鉄心ごとに埋設される。また、複数の永久磁石のうち、少なくとも１つの永久磁石を間に挟んで回転軸線方向の両側に位置する外側永久磁石は、回転軸線方向で外側永久磁石の間に位置する中間永久磁石に対し、周方向に所定角度ずれて配置されている。また、２つの外側永久磁石と中間永久磁石との互いに対向する端面に、それぞれ永久磁石の内部と比較して保磁力の高い高保磁力処理を施してなる膜が形成されている。また、各永久磁石の内部の保磁力が同一である。

第１の実施形態の回転電機を示す斜視図。 第１の実施形態の回転電機を中心軸方向に沿う断面でみたときの概略構成図。 第１の実施形態の永久磁石の端面同士の重なり状況を示す説明図。 第１の実施形態の同一軸線上の２つの永久磁石を示す模式図。 第２の実施形態の同一軸線上の２つの永久磁石を示す模式図。 第２の実施形態の永久磁石の製造方法を示す説明図。 第３の実施形態の同一軸線上の２つの永久磁石を示す模式図。 第４の実施形態の同一軸線上の４つの永久磁石を示す模式図。

以下、実施形態の回転子を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の回転子３を備えた回転電機１の斜視図である。
同図に示すように、回転電機１は、略円筒状の固定子２（固定子鉄心４）と、固定子２よりも径方向内側に設けられ、固定子２に対して回転自在に設けられた回転子３と、を備えている。
なお、固定子２および回転子３は、それぞれの中心軸線が共通軸上に位置した状態で配置されている。以下、共通軸を中心軸（回転軸線）Ｏと称し、中心軸Ｏに直交する方向を径方向と称し、中心軸Ｏ回りに周回する方向を周方向と称する。

固定子２は、略円筒状の固定子鉄心４を有している。固定子鉄心４は、電磁鋼板を複数枚積層したり、軟磁性粉を加圧成形したりして形成することが可能である。固定子鉄心４の内周面には、中心軸Ｏに向かって突出し、周方向に等間隔で配列された複数のティース５が一体成形されている。ティース５は、断面略矩形状に形成されている。そして、隣接する各ティース５間には、それぞれスロット６が形成されている。これらスロット６を介し、各ティース５に電機子巻線７が巻回されている。この電機子巻線７に給電することにより、固定子２に所定の磁束が形成される。

回転子３は、固定子鉄心４よりも径方向内側に配置されている。回転子３は、中心軸Ｏに沿って延びるシャフト１３と、シャフト１３に外嵌固定された略円柱状の回転子鉄心８と、を備えている。
回転子鉄心８は、電磁鋼板を複数枚積層したり、軟磁性粉を加圧成形したりして形成することが可能である。回転子鉄心８の外径は、径方向で対向する各ティース５との間に、所定のエアギャップＧが形成されるように設定されている。また、回転子鉄心８の径方向中央には、中心軸Ｏ方向に貫通する貫通孔９が形成されている。この貫通孔９に、シャフト１３が圧入等され、シャフト１３と回転子鉄心８とが一体となって回転する。

さらに、回転子鉄心８には、１／８周の周角度領域のそれぞれに、２つの永久磁石収納孔１０が形成されている。２つの永久磁石収納孔１０は、それぞれ中心軸Ｏ方向からみて矩形状となるように形成されている。また、２つの永久磁石収納孔１０は、中心軸Ｏ方向からみて径方向外側が開口するＶ字状となるように周方向に所定間隔をあけて並んで配置されている。

このように形成された各永久磁石収納孔１０に、それぞれ永久磁石１１が挿入され、例えば接着剤等により固定される。永久磁石１１は、永久磁石収納孔１０の形状に対応するように直方体状に形成されており、永久磁石収納孔１０を埋めている。これにより、回転子鉄心８の外周面に、８つの磁極が形成される。

ここで、１／８周の周角度領域のそれぞれに、２つの永久磁石１１が中心軸Ｏ方向からみて径方向外側が開口するＶ字状に配置されているので、各永久磁石１１により回転子鉄心８に形成される磁束を横切る固定子２による磁束を打ち消すように作用する。そして、各磁極の端部の漏れ磁界を抑制する。

すなわち、１／８周の周角度領域のそれぞれに配置された２つの永久磁石１１は、磁化方向が同一方向に沿っており、且つ磁化方向が同じとなる。
つまり、例えば、１／８周の周角度領域のそれぞれに配置された２つの永久磁石１１は、それぞれ径方向外側の面がＮ極に着磁されている。この場合、周方向で隣り合う別の１／８周の周角度領域に配置された２つの永久磁石１１は、それぞれ径方向外側の面がＳ極に着磁されている。なお、永久磁石１１の保磁力についての詳細は、後述する。

また、永久磁石収納孔１０には、中心軸Ｏ方向からみて長手方向両端に、それぞれフラックスバリア１２が形成されている。
フラックスバリア１２は、永久磁石収納孔１０に収納される永久磁石１１の回転子鉄心８への磁束漏れを抑制するためのものである。すなわち、フラックスバリア１２は、磁束が通りにくくなるように構成されていればよく、例えば、空洞部としたり、この空洞部に樹脂を充填させたりして構成することが可能である。

図２は、回転電機１を中心軸Ｏ方向に沿う断面でみたときの概略構成図である。
同図に示すように、回転子３は回転子鉄心８を２つ備えており、これら２つの回転子鉄心８が中心軸Ｏ方向に沿って積層されている。また、２つの回転子鉄心８は、互いに周方向に所定角度ずれて配置されている。これにより、中心軸Ｏ方向で並ぶ永久磁石１１が互いに周方向に所定角度ずれ、いわゆるスキュー構造になる。このため、２つの回転子鉄心８同士の重ね合わせ面８ａに面する永久磁石１１の端面１１ａ同士（中心軸Ｏ方向で互いに対向する永久磁石１１の端面１１ａ同士）が接触している面積は、各永久磁石１１の径方向に沿う断面積よりも小さくなる。

より詳しく、図３に基づいて説明する。
図３は、２つの回転子鉄心８に埋設されたそれぞれの永久磁石１１の端面１１ａ同士の重なり状況を説明するための図である。
同図の実線で示すように一方の回転子鉄心８に対し、図３中二点鎖線で示すように他方の回転子鉄心８を所定角度ずらすと、永久磁石１１の端面１１ａ同士が接触している面積Ａｒ１は、永久磁石１１の径方向に沿う断面積Ａｒ２よりも小さくなる。
前述したように、永久磁石１１の端面１１ａ同士が接触している面積Ａｒ１が減少すると、反磁界磁束が通り易くなり、この結果、回転子３全体（２つの回転子鉄心８）でみたときの永久磁石１１の耐減磁性能が低下してしまう可能性があった。そこで、本第１の実施形態の永久磁石１１では、以下のような構成を採用している。

図４は、２つの回転子鉄心８に埋設されている同一軸線上の２つの永久磁石１１を模式的に示した図である。
同図に示すように、各回転子鉄心８の永久磁石１１は、外周面全体に高保磁力処理部１４（ハッチ部参照、以下の実施形態でも同様）が施されている。

この高保磁力処理部１４は、例えば、まず、ジスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）等の重希土類を永久磁石１１の外表面全体に塗布または蒸着させ、重希土類膜を形成する。そして、この重希土類膜を拡散することにより、永久磁石１１の母材の表面に重希土類膜よりも厚い高保磁力処理部１４が形成される。すなわち、高保磁力処理部１４は、永久磁石１１の母材の表面に形成された重希土類膜といえる。

なお、高保磁力処理部１４の厚みは、例えば１．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度である。また、塗布の方法としては、例えば処理液に永久磁石１１を浸す、いわゆる浸漬方法などが挙げられる。さらに、永久磁石１１の母材としては、例えばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ焼結磁石が用いられている。このＮｄ−Ｆｅ−Ｂ焼結磁石は、ネオジム、鉄、およびボロンを主成分とする合金である。

永久磁石１１の外周面全体に高保磁力処理部１４を施すことにより、回転子鉄心８同士の重ね合わせ面８ａに面する永久磁石１１の端面１１ａの保磁力を高めることができる。より具体的には、永久磁石１１の角部で母材からの保磁力向上は、４００ｋＡ／ｍ〜５００ｋＡ／ｍ程度になる。このため、永久磁石１１の端面１１ａの端面に反磁界が作用しても、永久磁石１１の減磁を抑制できる。

したがって、上述の第１の実施形態によれば、回転子３にスキュー構造を採用した場合であっても、回転子３全体として永久磁石１１の減磁を抑制できる。このため、所望のトルクを確保しつつ、トルクリップルを低減できる高性能な回転電機１を提供できる。

（第２の実施形態）
次に、図２を援用し、図５、図６に基づいて、第２の実施形態について説明する。
図５は、同一軸線上の２つの永久磁石２１１を模式的に示した図であって、前述の図４に対応している。
ここで、前述の第１の実施形態と本第２の実施形態との相違点は、第１の実施形態の永久磁石１１に施されている高保磁力処理部１４の箇所と、第２の実施形態の永久磁石２１１に施されている高保磁力処理部１４の箇所とが異なる点にある（以下の実施形態についても同様）。

より具体的には、図５に示すように、第２の実施形態の永久磁石２１１には、回転子鉄心８同士の重ね合わせ面８ａ（図２参照）に面する永久磁石２１１の端面２１１ａとは反対側の端面２１１ｂを除いた全ての外周面に、高保磁力処理部１４が施されている。

このような永久磁石２１１の具体的な製造方法について説明する。
すなわち、まず、図６に示すように、回転子鉄心８を２つ積層した中心軸Ｏ方向の高さＨ１（図２参照）と同一長さＨ２の永久磁石２１１を用意し、この永久磁石２１１の外表面全体に高保磁力処理部１４を施す。なお、高保磁力処理部１４を施す工程については、前述の第１の実施形態と同様である。

続いて、永久磁石２１１を高さ方向Ｈ２で半分となるように切断して２分割する。そして、２分割された各々永久磁石２１１の切断面２１１ｃとは反対側の面が重ね合わさるように、それぞれ回転子鉄心８に組み付ける。すなわち、永久磁石２１１の端面２１１ａとは反対側の高保磁力処理部１４が施されていない端面２１１ｂは、切断面２１１ｃとされている。

したがって、上述の第２の実施形態によれば、前述の第１の実施形態と同様の効果を奏する。また、これに加え、１本の永久磁石２１１から、積層される各回転子鉄心８のそれぞれに組付け可能な２つの永久磁石２１１を製造することができるので、回転子３の製造コストを低減することができる。

（第３の実施形態）
次に、図２を援用し、図７に基づいて、第３の実施形態について説明する。
図７は、同一軸線上の２つの永久磁石３１１を模式的に示した図であって、前述の図４に対応している。
同図に示すように、第３の実施形態の永久磁石３１１には、回転子鉄心８同士の重ね合わせ面８ａ（図２参照）に面する永久磁石３１１の端面３１１ａのみに、高保磁力処理部１４が施されている。

永久磁石３１１の端面３１１ａのみに高保磁力処理部１４を施す方法としては、例えば、以下のような方法が挙げられる。
まず、永久磁石３１１の端面３１１ａを除いた全ての外表面にマスクを施す。そして、このマスクを施した状態で、永久磁石３１１の表面にジスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）等の重希土類を塗布または蒸着させ、重希土類膜を形成する。この後、マスクを除去し、永久磁石３１１に重希土類膜を拡散させる。これにより、永久磁石３１１の端面３１１ａのみに高保磁力処理部１４を施すことができる。

したがって、上述の第３の実施形態によれば、前述の第１の実施形態と同様の効果を奏する。また、永久磁石３１１の高保磁力処理部１４を施すにあたり、この高保磁力処理部１４が最低限必要な箇所（永久磁石３１１の減磁易い箇所、つまり、回転子鉄心８同士の重ね合わせ面８ａ近傍）のみに高保磁力処理部１４を施している。このため、永久磁石３１１の製造コストを、さらに低減することが可能になる。

（第４の実施形態）
次に、図８に基づいて、第４の実施形態について説明する。
図８は、同一軸線上の４つの永久磁石４１１を模式的に示した図であって、前述の図４に対応している。
同図に示すように、本第４の実施形態では、回転子４０３は、回転子鉄心８を４つ備えており、これら４つの回転子鉄心８が中心軸Ｏ方向（図８において不図示）に沿って積層されている。また、４つの回転子鉄心８のうち、中心軸Ｏ方向中央の２つの回転子鉄心８は、周方向の相対位置がずれておらず、中心軸Ｏ方向で対向する２つの永久磁石４１１の端面４１１ａ同士が全て重なり合っている。

これに対し、４つの回転子鉄心８のうち、中心軸Ｏ方向外側に配置されている２つの回転子鉄心８は、これら回転子鉄心８よりも中心軸Ｏ方向中央に配置されている２つの回転子鉄心８に対し、周方向に所定角度ずれて配置されている。これにより、回転子３全体として（永久磁石４１１が全体として）スキュー構造になっている。

このような場合、回転子鉄心８同士の重ね合わせ面８ａが周方向にずれていない箇所の永久磁石４１１の端面４１１ａには、高保磁力処理部１４が施されていない。これは、永久磁石４１１の端面４１１ａ同士が接触している面積が、各永久磁石１１の径方向に沿う断面積と同一になり、とりわけ固定子２による反磁界磁束が通り易くなるわけではない。

このため、中心軸Ｏ方向中央の２つの回転子鉄心８に組み付ける永久磁石４１１は、例えば、以下の製造方法を採用できる。
すなわち、前述の第２の実施形態の図６で示したように、まず、回転子鉄心８を２つ積層した中心軸Ｏ方向の高さＨ１と同一長さＨ２の永久磁石２１１の外表面に高保磁力処理部１４を施したものを２分割する。そして、そのまま向きを変更せずに、第４の実施形態の永久磁石４１１として、中心軸Ｏ方向中央の２つの回転子鉄心８に組み付ける。

これに対し、回転子鉄心８に対し、周方向に所定角度ずれて配置されている中心軸Ｏ方向外側の永久磁石４１１は、例えば、以下の製造方法を採用できる。
すなわち、前述の第２の実施形態の図６で示したように、まず、永久磁石２１１を２分割する。この後、それぞれ永久磁石２１１の切断面２１１ｃとは反対側の面が、他の回転子鉄心８の永久磁石４１１と重ね合わさるように向きを変更する。そして、第４の実施形態の永久磁石４１１として、中心軸Ｏ方向外側の２つの回転子鉄心８に組み付ける。
このように、中心軸Ｏ方向外側の永久磁石４１１は、回転子鉄心８同士の重ね合わせ面８ａとは反対側の端面（高保磁力処理部１４が施されていない端面、中心軸Ｏ方向外側に露出している端面）４１１ｂが、切断面４１１ｃとされる。

したがって、上述の第４の実施形態によれば、前述の第２の実施形態と同様の効果を奏する。また、回転子鉄心８を４つ積層する分、回転電機１の回転トルクを向上させることができる。

なお、上述の実施形態の回転子３，４０３は、回転子鉄心８が２つまたは４つ積層されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、３つまたは５つ以上積層されていてもよい。望ましくは、回転子鉄心８が偶数個積層されていることが望ましい。回転子鉄心８の積層個数を偶数個の設定することにより、上記第２の実施形態や第４の実施形態のような効果を奏することができる。
また、回転子鉄心８が複数個積層されている場合において、中心軸Ｏ方向で並び、且つ周方向に所定角度ずれた２つの永久磁石のうちの少なくとも１つが、互いに対向する端面同士とは反対側の端面（中心軸Ｏ方向外側に露出している端面）を切断面とすることが望ましい。

さらに、上述の実施形態では、回転子鉄心８は、８つの磁極の凸極を形成するように構成されている場合について説明した。さらに、回転子鉄心８は、１つの磁極を、２つの永久磁石１１〜４１１を中心軸Ｏ方向からみて径方向外側が開口するＶ字状に並べて形成する場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、磁石埋め込み型のさまざまな回転電機に、上述の永久磁石１１〜４１１の構成を採用することができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、回転子３，４０３にスキュー構造を採用した場合であっても、回転子３，４０３全体として永久磁石１１〜４１１の耐減磁性能の低下を抑制できる。このため、所望のトルクを確保しつつ、トルクリップルを低減できる高性能な回転電機１を提供できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…回転電機、３，４０３…回転子、８…回転子鉄心、８ａ…重ね合わせ面、１１，２１１，３１１，４１１…永久磁石、１１ａ，２１１ａ，３１１ａ，４１１ａ…端面，２１１ｃ，４１１ｃ…切断面、１３…シャフト、１４…高保磁力処理部、Ｏ…中心軸（回転軸線）

Claims (3)

1. 回転軸線回りに回転するシャフトと、
   前記シャフトに隣接して固定され、前記回転軸線に沿って積層される３以上の複数の回転子鉄心と、
   前記複数の回転子鉄心ごとに埋設される複数の永久磁石と、を備え、
   前記複数の永久磁石のうち、少なくとも１つの前記永久磁石を間に挟んで前記回転軸線方向の両側に位置する外側永久磁石は、前記回転軸線方向で前記外側永久磁石の間に位置する中間永久磁石に対し、周方向に所定角度ずれて配置されており、
   前記２つの外側永久磁石と前記中間永久磁石との互いに対向する端面に、それぞれ前記永久磁石の内部と比較して保磁力の高い高保磁力処理を施してなる膜が形成されており、
   各前記永久磁石の前記内部の保磁力が同一である回転子。
2. 前記外側永久磁石は、前記中間永久磁石と前記回転軸線方向で対向する端面とは反対側の端面が、切断面である請求項１に記載の回転子。
3. 前記回転子鉄心は、前記回転軸線に沿って４つ積層されており、
   前記回転軸線方向中央の２つの前記回転子鉄心に設けられた各々前記中間永久磁石は、周方向の相対位置がずれておらず、
   前記２つの前記回転子鉄心に設けられた各前記中間永久磁石は、前記膜が形成されていない互いの重ね合わせ面となる端面を有する請求項２に記載の回転子。

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