JP6876692B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石を介装部材で回転子鉄心に固定した回転電機に関する。

回転子と固定子とからなる回転電機において、固定子は、複数のスロットが形成される固定子鉄心と、スロット間に設けられるティースに巻着されたコイルとから構成される。

回転子は、電磁鋼板が複数積層された回転子鉄心と、磁力を帯びた永久磁石と、回転軸となるシャフトとから構成される。また、前記回転子の種類には永久磁石収納孔を形成された鉄心に複数の永久磁石が埋め込まれる、磁石埋込型回転子はよく知られている。

そして、前記コイルに電流を通すことにより、磁界が発生する。発生した磁界に基づいて、回転子と固定子との間に磁束の流れが形成されることにより、回転子は回転力を得る。

前記磁石埋込型回転子においては、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石収納孔の寸法は永久磁石の外形寸法よりも大きく設定されており、永久磁石収納孔と永久磁石の固定は、永久磁石と永久磁石収納孔の空隙に充填された接着剤などを介しておこなわれている。また、永久磁石と永久磁石収納穴との固定として接着剤を設けるほかに、永久磁石と永久磁石収納孔の空隙にモールド樹脂を前記空隙に充填した永久磁石固定方法も知られている。以下、永久磁石と永久磁石収納孔を固定する部材を介装部材と示す。

前記介装部材は、回転電機運転時に永久磁石は高温になることから、耐熱性に優れた熱硬化性樹脂等が用いられることはよく知られている。

前記熱硬化性樹脂等の介装部材により永久磁石を回転子鉄心の永久磁石収納孔へ固定する工程は、前記永久磁石、前記熱硬化性樹脂等を回転子鉄心の永久磁石収納孔へ挿入または充填した後、前記熱硬化性樹脂等を加熱することで硬化し、固定される。

前記熱硬化性樹脂の性質は、加熱されると、ある決められた温度で粘度が低下する。そのため、粘度が低下した熱硬化性樹脂は、複数積層された電磁鋼板間のすきまを放射方向に通り、回転子の外部へ流出する。結果、回転子外部に流出した前記熱硬化性樹脂は、回転子外形に付着した状態で硬化される。

前記熱硬化性樹脂の固着により外形が大きくなった回転子は、回転電機運転時、回転子近傍に設定されている部品と干渉し、破損により運転停止を発生させる。

特許文献１には、介装部材である接着剤をあらかじめ永久磁石に直接コーティング（以下、コーティング磁石とする）させ、前記コーティング磁石を回転子鉄心に形成された永久磁石収納孔に挿入後、磁石にコーティングされた介装部材を硬化させることで、永久磁石を固定する方法が開示されている。

一方、特許文献２には、介装部材である樹脂成形体の被膜層を少なくとも永久磁石収納孔の断面積よりも大きな断面積を有するように永久磁石の外周に形成させ、該磁石を回転子鉄心の永久磁石収納孔に挿入時に、永久磁石収納孔の開口エッジで削られながら挿入することで、永久磁石と永久磁石収納孔とを全面接触させ、固定する方法が発案されている。

特開２００３−１９９３０３号公報 特開２００６−１７４５３７号公報

特許文献１の回転子によれば、前記コーティング磁石を、回転子鉄心に形成された永久磁石収納孔への挿入後に介装部材である接着剤を硬化するため、永久磁石と回転子鉄心収納孔とを固定することができる。しかし、介装部材である接着剤は、回転子鉄心に形成された永久磁石収納孔内部で硬化させるため、複数積層された電磁鋼板間のすきまを放射方向に通り、回転子の外部へ流出する可能性がある。結果、回転子外形は、コーティングの固着により大きくなり、前記回転子は、回転電機運転時、回転子近傍に設定されている部品と干渉し、破損により運転停止を発生させてしまう。

一方、特許文献２の回転子によれば、介装部材付磁石は、回転子鉄心の永久磁石収納孔に挿入時に、永久磁石収納孔の開口エッジで削られながら挿入されるため、介装部材が回転子の外部へ流出する可能性は無い。しかし、永久磁石全面に介装部材である樹脂成形体の被膜層が形成されているため、永久磁石から回転子鉄心への熱抵抗が大きくなり、発熱体である永久磁石は、温度が上昇しやすい構造になってしまう。

本発明は、永久磁石埋込型回転子において、回転子鉄心に形成された複数の永久磁石収納孔と永久磁石を介装部材により固定することができ、かつ、介装部材が回転子鉄心外形に流出しない、かつ、磁石から回転子鉄心への熱抵抗を小さくすることで、永久磁石の温度上昇を抑制できる回転子の構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の回転電機は、回転子と固定子とからなる回転電機であって、前記回転子は、回転軸と、永久磁石と、該永久磁石を収納する収納部を形成した回転子鉄心と、前記永久磁石を前記収納部に固定するとともに、前記収納部の内面側の固着面と前記永久磁石側のせん断面を有する、前記永久磁石より硬度の低い、かつ、耐熱性温度１００度以上の熱硬化性樹脂製の介装部材と、を具備しており、前記回転子鉄心は前記介装部材を固着しない一面で前記永久磁石と接触しているものとした。

本発明によれば、介装部材は回転子鉄心永久磁石収納孔の外部への流出防止を実現でき、かつ、磁石から回転子鉄心への熱抵抗を小さくすることで、永久磁石の温度上昇を抑制できる。

回転子の半径方向断面図。 回転子鉄心の斜視図。 回転子鉄心の上面図。 実施例１の永久磁石の一面に介装部材を固着した斜視図。 実施例１の永久磁石の一面に介装部材を固着した上面図。 実施例１の回転子鉄心へ介装部材付磁石を挿入する手順を示す図。 実施例１の回転子鉄心へ介装部材付磁石を挿入する手順を示す図。 実施例２の回転子鉄心の磁石収納孔外周側に介装部材を固着した斜視図。 実施例２の回転子鉄心の磁石収納孔外周側に介装部材を固着した平面図。 実施例２の回転子鉄心の磁石収納孔内周側に介装部材を固着した斜視図。 実施例２の回転子鉄心の磁石収納孔内周側に介装部材を固着した平面図。 実施例２の介装部材付回転子鉄心へ永久磁石を挿入する手順を示す図。 実施例２の介装部材付回転子鉄心へ永久磁石を挿入する手順を示す図。

まず、図１と図２Ａ、図２Ｂを用いて、本発明の回転電機の回転子の概略を説明する。

図１は、回転電機の要部を半径方向に切断した断面図である。ここに示すように、回転電機は回転子１とその外周に設けられた固定子２とからなっている。回転子１は、積層した回転子鉄心１０の磁石収納孔１１を貫通する永久磁石２０を介装部材３０で固定した構成であり、回転子鉄心１０の中心に回転軸５０を挿入するシャフト孔５が設けてある。また、永久磁石２０は介装部材３０により回転子鉄心１０に固定されているが、更なる信頼性向上のため、回転子鉄心１０の軸方向端部に永久磁石２０の飛散を防止する押え板を配設しても良い。

一方、固定子２は、複数のスロットが形成される固定子鉄心と、スロット間に設けられるティースに巻着されたコイルから構成され、回転子がインナーロータの場合、回転子外部に配設され、回転子がアウターロータ場合、回転子内部に配設される。前記コイルに電流を通すことによる磁束と、回転子１の永久磁石２０による磁束により回転磁界が形成され、回転子１に回転力を発生させ、シャフト孔５に取り付ける出力軸を介して回転電機外部に動力を伝達する。このとき、前記コイルに電流を通すことによる磁束が、永久磁石２０に鎖交することにより発生する渦電流損で永久磁石２０は高温となる。

図２Ａは回転子鉄心１０の斜視図であり、図２Ｂはその上面図である。回転子鉄心１０はプレスの打ち抜きにより成形した永久磁石２０を収納する磁石収納孔１１を形成された鋼板を積み重ねた積層鋼板で構成されており、例えば、鋼板は電磁鋼板もしくはアモルファス鋼板で構成してもよい。なお、ここに示すように、磁石収納孔１１の半径方向の寸法をＢとしている。

実施例１の回転子について、図３Ａ、図３Ｂ、図４、図５を用いて説明する。なお、図３Ａは永久磁石２０の一面に介装部材３０を固着した斜視図であり、図３Ｂはその上面図である。以下では、永久磁石２０に介装部材３０が固着したものを、介装部材付磁石４０と称する。また、図４は内周側面に介装部材３０を固着した介装部材付磁石４０を磁石収納孔１１に挿入する手順を示す斜視図、図５は外周側面に介装部材３０を固着した介装部材付磁石４０を磁石収納孔１１に挿入する手順を示す斜視図である。

本実施例において、磁石収納孔１１に収納される永久磁石２０は、希土類永久磁石であり、ネオジウム系、サマリウム系の焼結磁石やフェライト磁石等の磁石種類は問わない。また、永久磁石２０の表面処理の有無は問わない。また、回転電機運転時、永久磁石２０が高温になることから、永久磁石２０を固定する介装部材３０は、耐熱性に優れた材料とする必要がある。したがって、耐熱性温度１００度以上の熱硬化性樹脂などの採用が好ましい。

本実施例では、図３Ａ、図３Ｂに示すように、磁石収納孔１１へ挿入する前に、永久磁石２０に介装部材３０を塗布し硬化させている。これにより、挿入後に介装部材を硬化させる特許文献１とは異なり、介装部材が回転子１の外部に流出することがない。介装部材３０を塗布する面は、図４では永久磁石２０の内周側面であり、図５では永久磁石２０の内周側面である。また、既に成形された介装部材３０を永久磁石２０の何れかの面に固着してもよい。図４の構成によれば、永久磁石２０が外周側で回転子鉄心１０と接触しており、永久磁石２０の熱が回転子鉄心１０の外周面に良く伝わるため、回転子鉄心１０の外周面を冷却することで永久磁石２０も効率よく冷却でき、回転電機の効率を向上させることができる。また、図５の構成によれば、遠心力の影響を受けやすい永久磁石２０の外周面に設けた介装部材３０が保護部材としても機能するので、永久磁石２０の破損などを防止することができる。

なお、介装部材３０は磁石収納孔１１への挿入時に削り取られるものであるため、介装部材３０の硬度は回転子鉄心１０の硬度より低く設定されなければならない。例えば、介装部材３０の硬度は、デュロメータ硬さＨＤＡ９０以下が好ましい。

また、介装部材３０によって永久磁石２０が磁石収納孔１１に固定されるためには、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂに示すように、永久磁石２０の厚さ方向の寸法をＡ、介装部材付磁石４０の厚さ方向の寸法をＣとしたとき、これらと磁石収納孔１１の寸法Ｂとの関係が、
Ａ＜Ｂ＜Ｃ
を満たす必要がある。

このような寸法に設定した介装部材付磁石４０を磁石収納孔１１へ挿入する手順を、図４、図５の斜視図を用いて説明する。

図４または図５の（ａ）（ｂ）に示すように、前記の寸法通り設定した介装部材付磁石４０を磁石収納孔１１へ挿入すると、介装部材３０は、磁石収納孔１１の開口部エッジ１２によってＣ−Ｂに相当する寸法だけ削られ、せん断面が形成されるとともに、介装部材付磁石４０の寸法が磁石収納孔１１の寸法Ｂと略等しくなる。回転子鉄心１０は、プレスにより成形されているため、プレス方向にバリが形成される。なお、磁石収納孔１１のプレス方向を磁石の挿入方向に対し反対方向に設定することで、磁石収納孔１１の開口部エッジ１２にバリが形成されるため、介装部材３０は削られやすくなる。

一方、介装部材付磁石４０の反介装部材側である磁石面は、介装部材付磁石４０の挿入時、回転子鉄心１０の磁石収納孔内面と接触する。

前記の通り、磁石面は回転子鉄心１０の磁石収納孔の内面と接触させながら磁石収納孔に挿入されるため、前記磁石収納孔の開口部エッジ１２によって削られる介装部材３０は不要な量のみ削られる。従って、介装部材付磁石４０は、図４または図５の（ｃ）に示すように、回転子鉄心１０へ固定される。かつ、介装部材３０を固着しない面においては永久磁石２０と回転子鉄心１０が接触することにより、永久磁石２０から回転子鉄心１０の熱抵抗を低減できるため、永久磁石２０の温度上昇を抑制できる。

以上で説明したように、本実施例の回転電機によれば、永久磁石収納孔の外部への介装部材の流出を防止でき、かつ、磁石から回転子鉄心への熱抵抗を小さくすることで、永久磁石の温度上昇を抑制することができる。

実施例２の回転電機について、図６から図９を用いて説明する。実施例１と重複する事項は説明を省略する。なお、図６は磁石収納孔１１１の外周側壁面に介装部材１３０を固着した斜視図（図６Ａ）と上面図（図６Ｂ）、図７は磁石収納孔１１１の内周側壁面に介装部材１３０を固着した斜視図（図７Ａ）と上面図（図７Ｂ）である。以下では、磁石収納孔１１１の側壁に介装部材１３０が固着したものを、介装部材付磁石収納孔１１０と称する。

永久磁石２０を磁石収納孔１１１へ挿入する前に、磁石収納孔１１１の側壁に介装部材１３０を塗布し硬化させる。磁石収納孔１１１の側壁に介装部材１３０を塗布する面は、図１３では磁石収納孔１１１の内周側壁面であり、図１４では磁石収納孔１１１の外周側壁面である。また、既に成形された介装部材１３０を磁石収納孔１１１の何れかの側壁に固着してもよい。なお、介装部材１３０は永久磁石２０の挿入により削り取られるものであるので、介装部材１３０の硬度は永久磁石２０の硬度より低く設定されなければならない。例えば、デュロメータ硬さＨＤＡ９０以下が好ましい。

また、介装部材１３０によって永久磁石２０が磁石収納孔１１１に固定されるためには、図１１または図１２に示すように、磁石収納孔１１１の厚さ方向の寸法をＤ、介装部材付磁石収納孔１１０の寸法をＥとしたとき、これらと永久磁石２０の厚さ方向の寸法Ａとの関係が、
Ｅ＜Ａ＜Ｄ
を満たす必要がある。

図８、図９は、介装部材付磁石収納孔１１０へ永久磁石２０を挿入する手順を示す図である。

前記の寸法通り設定した介装部材付磁石収納孔１１０へ永久磁石２０を挿入すると、介装部材１３０は永久磁石エッジ２１によってＡ−Ｅに相当する寸法だけ削られ、せん断面が形成されるとともに、介装部材付磁石収納孔１１０の寸法が永久磁石２０の寸法Ａと略等しくなる。

一方、介装部材付磁石収納孔１１０の介装部材が固着されている面の対面は、永久磁石２０の挿入時、永久磁石２０と接触する。

前記の通り、永久磁石２０は回転子鉄心１０の介装部材１３０が付いていない磁石収納孔の内壁と接触させながら磁石収納孔１１１に挿入されるため、永久磁石エッジ２１によって削られる磁石収納孔の介装部材１３０は不要な量のみ削られる。従って、永久磁石２０は、回転子鉄心１０へ固定される。かつ、介装部材１３０を固着しない面においては永久磁石２０と回転子鉄心１０が接触することにより、永久磁石２０から回転子の熱抵抗を低減できるため、永久磁石２０の温度上昇を抑制できる。

１…回転子
２…固定子
５…シャフト孔、
１０…回転子鉄心、
１１…磁石収納孔
１２…開口部エッジ、
２０…永久磁石、
２１…永久磁石エッジ、
３０…介装部材、
４０…介装部材付磁石、
５０…回転軸
１１０…介装部材付磁石収納孔、
１１１…磁石収納孔、
１３０…介装部材、

Claims (4)

1. 回転子と固定子とからなる回転電機であって、
   前記回転子は、
   回転軸と、
   永久磁石と、
   該永久磁石を収納する収納部を形成した回転子鉄心と、
   前記永久磁石を前記収納部に固定するとともに、前記収納部の内面側の固着面と前記永久磁石側のせん断面を有する、前記永久磁石より硬度の低い、かつ、耐熱性温度１００度以上の熱硬化性樹脂製の介装部材と、を具備しており、
   前記回転子鉄心は、
   前記介装部材を固着しない一面で前記永久磁石と接触していることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記介装部材は前記永久磁石の内周側面に配置されていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記介装部材は前記永久磁石の外周側面に配置されていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記永久磁石と前記回転子鉄心の間の熱抵抗は、
   前記介装部材を設けた面において高く、前記介装部材を設けない面において低いことを特徴とする回転電機。

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