JP7346771B1 - 埋込磁石式回転子および埋込磁石式回転電機 - Google Patents

Abstract

実施形態によれば埋込磁石式回転子（１０）は、回転軸方向に延びたロータシャフトと、回転子鉄心（１２）と、複数の永久磁石（２０）とを具備する。回転子鉄心（１２）は、各磁極において形成され第１の壁（１２ｄ）と第２の壁（１２ｅ）に挟まれた少なくとも一つの磁石収納孔（１２ａ）を有し、ロータシャフトに取り付けられる。複数の永久磁石（２０）は、磁石収納孔（１２ａ）に収納されその断面において一方向に連なるように配されている。各永久磁石（２０）は、ほぼ直方体の外形であって、互いに反対側にある２つの角部に傾斜面が長手方向にわたって形成されている。

Description

本発明の実施形態は、埋込磁石式回転子およびこれを有する埋込磁石式回転電機に関する。

回転子に永久磁石を有する埋込磁石式同期電動機などの同期機においては、当該永久磁石は直方体の形状に形成される。この永久磁石は、脆性材であり衝撃により欠けやすく、欠けることにより脱落片が生じると、磁石体積低下に伴う磁束量および特性の低下をもたらす。また、欠けることにより脱落片が生じると、脱落片が、同期機内の隙間に噛み込む、詰まるなどで、回転を拘束するような機械的な悪影響、および短絡などの電気的な悪影響を引き起こす。また、防錆のための表面処理を行った後に欠けが発生し脱落すると、素材がむき出しになるため、欠けた部分からの腐食（錆の発生）が起こりえる。

これらの理由から、ほぼ直方体の形状のように、頂部（稜線部）を有する形状の場合、当該形状に加工した後に、４つの角について面取りにより頂部を除去して傾斜面を形成することにより、製造中の頂点部同士の接触による欠けを防いでいる。

また、近年では回転電機の効率を向上するため、回転子鉄心の磁石孔に、単一の永久磁石に代えて、複数の永久磁石を収納する、すなわち実質的に永久磁石を複数に分割することにより、永久磁石に発生する渦電流を抑制することもある。この結果、製品化の状態で、複数の永久磁石が互いに隣接し接触する状態となっている。

特許第５７７６２７５号公報 国債公開第２０１４／０３０５４７号

前述の面取り加工は、たとえば、バレル研磨やグラインダー研磨によって行う場合、手間のかかる作業となる。また、型によって予め傾斜面を形成することは、製造コストの上昇をもたらす。

さらに、前述のように頂部を除去して傾斜面を形成することは、言い換えれば、予め磁石を直方体形状から欠けた状態にして磁力を低下させることであり、電磁気的にはメリットの無い加工である。また、回転子に挿入される磁石が複数に分割されることは、製造過程において、磁石同士の角部の接触の頻度の増加をもたらすことに留意する必要がある。

本発明の目的は、磁石収納孔に一列に収納される複数の永久磁石について、渦電流の増加および頂部の欠けのリスクの増加をもたらすことなく、永久磁石の減磁率の減少が可能な埋込磁石式回転子を提供することである。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態に係る埋込磁石式回転子は、回転軸方向に延びたロータシャフトと、それぞれの磁極において形成され第１の壁と第２の壁に挟まれた少なくとも一つの磁石収納孔を有し、前記ロータシャフトに取り付けられた回転子鉄心と、前記磁石収納孔に収納され当該磁石収納孔の断面において一方向に連なるように配された複数の永久磁石と、を具備する埋込磁石式回転子であって、前記複数の永久磁石のそれぞれは、ほぼ直方体の外形であって、互いに反対側にある２つの角部に傾斜面が長手方向にわたって形成されている、ことを特徴とする。

実施形態に係る埋込磁石式回転電機の構成を示す部分横断面図である。 実施形態に係る埋込磁石式回転子の永久磁石を示す斜視図である。 実施形態に係る埋込磁石式回転子の永久磁石および回転子鉄心を示す部分横断面図である。 実施形態に係る埋込磁石式回転子の第１の永久磁石まわりを示す部分横断面図である。 実施形態に係る埋込磁石式回転子の第２の永久磁石まわりを示す部分横断面図である。 埋込磁石式回転子の永久磁石の従来例を示す永久磁石および回転子鉄心を示す部分横断面図である。 実施形態に係る埋込磁石式回転子の効果を説明する減磁率の比較例を示すグラフである。 実施形態に係る埋込磁石式回転子の効果を説明するトルク・電流特性の比較例を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る埋込磁石式回転子および埋込磁石式回転電機について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

図１は、実施形態に係る埋込磁石式回転電機１の構成を示す部分横断面図である。

埋込磁石式回転電機１は、埋込磁石式回転子１０、固定子３０、およびフレーム４０を有する。固定子３０は、回転子鉄心１２の径方向外側に間隙を介して配された固定子鉄心３１、および固定子鉄心３１に巻回された固定子巻線３２を有する。フレーム４０は、固定子３０を収納する。

埋込磁石式回転子１０は、ロータシャフト１１、ロータシャフト１１の径方向の外側に取り付けられた回転子鉄心１２、および回転子鉄心１２内に収納された複数の永久磁石２０を有する。

永久磁石２０は、直列に配された第１の永久磁石２１および第２の永久磁石２２を有する。

図１は、１つの磁極１０ａの部分を示している。なお、図１では、埋込磁石式回転子１０における２つの永久磁石２０が互いに対を成すように形成され配置されている場合を例にとって示しているが、これに限定されない。たとえば、一方の永久磁石２０が単独で１つの磁極を成す場合であってもよい。

本実施形態の特徴は、永久磁石２０が、直列に配された複数の永久磁石を有する場合の、それぞれの永久磁石に関するものである。なお、以下では、図１に示すように永久磁石２０が有する複数の永久磁石が、第１の永久磁石２１および第２の永久磁石２２の２つである場合を例にとって説明するが、３つ以上の永久磁石の場合であってもよい。

図２は、実施形態に係る埋込磁石式回転子１０の永久磁石２０を示す斜視図である。図２は、第１の永久磁石２１と第２の永久磁石２２が一列に並んでいる状態を示す。

第１の永久磁石２１の概ねの形状は直方体である。第１の永久磁石２１は、長手方向すなわちロータシャフト１１の軸方向に沿って、第１側面２１ａ、第２側面２１ｂ、第３側面２１ｃ、および第４側面２１ｄの４つの側面を有する。第１側面２１ａと第２側面２１ｂが接続する角部には、第１の角部傾斜面２１ｐが形成されている。また、第３側面２１ｃと第４側面２１ｄが接続する角部には、第２の角部傾斜面２１ｑが形成されている。第１の角部傾斜面２１ｐが第１側面２１ａおよび第２側面２１ｂとなす角度は４５度である。同様に、第２の角部傾斜面２１ｑが第３側面２１ｃおよび第４側面２１ｄとなす角度は４５度である。

第２の永久磁石２２も同様に、概ねの形状は直方体であり、長手方向すなわちロータシャフト１１の軸方向に沿って、第１側面２２ａ、第２側面２２ｂ、第３側面２２ｃ、および第４側面２２ｄの４つの側面を有する。第１側面２２ａと第２側面２２ｂが接続する角部には、第１の角部傾斜面２２ｐが形成されている。また、第３側面２２ｃと第４側面２２ｄが接続する角部には、第２の角部傾斜面２２ｑが形成されている。第１の角部傾斜面２２ｐが第１側面２２ａおよび第２側面２２ｂとなす角度は４５度である。同様に、第２の角部傾斜面２２ｑが第３側面２２ｃおよび第４側面２２ｄとなす角度は４５度である。

なお、この角度は、４５度に限定されず、たとえば一方に対して６０度の場合であってもよいし、第１の角部傾斜面２１ｐと第２の角部傾斜面２１ｑとが互いに異なる角度でもよい。さらに、第１の角部傾斜面２１ｐと第２の角部傾斜面２１ｑとが互いに異なる面積であってもよい。以下では、いずれも４５度で互いに同じ面積を有する場合を例にとって説明する。

第１の永久磁石２１と第２の永久磁石２２は、第１の永久磁石２１の第１側面２１ａと第２の永久磁石２２の第１側面２２ａが同じ方向を向き、かつ、第１の永久磁石２１の第２側面２１ｂと第２の永久磁石２２の第３側面２２ｃが互いに対向し隣接するような向きで、配置されている。いいかえれば、第１の永久磁石２１と第２の永久磁石２２は、互いに同じ向きとなるように配置されている。

したがって、第１の永久磁石２１の第１の角部傾斜面２１ｐおよび第２の角部傾斜面２１ｑ、第２の永久磁石２２の第１の角部傾斜面２２ｐおよび第２の角部傾斜面２２ｑは、いずれも、隣接する相手は、いずれかの側面である。すなわち、第１の永久磁石２１の第１の角部傾斜面２１ｐおよび第２の角部傾斜面２１ｑのいずれも有さない角部と、第２の永久磁石２２の第１の角部傾斜面２２ｐおよび第２の角部傾斜面２２ｑのいずれかも有さない角部とが、互いに隣接することはない。

それぞれの角部傾斜面は、例えば、直方体形状の永久磁石２０の角部にバレル研磨やグラインダー研磨によって面取り加工を施すことによって形成することができる。あるいは、永久磁石の焼結前に、角部傾斜面を有する形状に成型することによっても形成可能である。

図３は、実施形態に係る埋込磁石式回転子１０の永久磁石２０および回転子鉄心１２を示す部分横断面図である。図３は、図１に示した１つの磁極１０ａを構成する２つの永久磁石２０の一方のみを示している。

回転子鉄心１２の磁石収納孔１２ａにおいては、磁石収納孔１２ａの径方向内側面１２ｄの径方向の外側に外側位置決め突起１２ｃが形成されており、径方向外側に向かっての段付き部となっている。また、磁石収納孔１２ａの径方向外側面１２ｅの径方向の内側に内側位置決め突起１２ｂが形成されており、径方向内側に向かっての段付き部となっている。

磁石収納孔１２ａ内の内側位置決め突起１２ｂと外側位置決め突起１２ｃに挟まれた領域に、永久磁石２０が収納され、固定されている。すなわち、永久磁石２０として、径方向の内側に第１の永久磁石２１、これに隣接して径方向外側に第２の永久磁石２２が配置されている。

第１の永久磁石２１は、その第１側面２１ａが磁石収納孔１２ａの径方向外側面１２ｅに、第２側面２１ｂが第２の永久磁石２２に、第３側面２１ｃが磁石収納孔１２ａの径方向内側面１２ｄに、第４側面２１ｄの一部が内側位置決め突起１２ｂにそれぞれ対向するような向きに配されている。

また、第２の永久磁石２２は、その第１側面２２ａが磁石収納孔１２ａの径方向外側面１２ｅに、第２側面２２ｂの一部が外側位置決め突起１２ｃに、第３側面２２ｃが磁石収納孔１２ａの径方向内側面１２ｄに、第４側面２２ｄが第１の永久磁石２１にそれぞれ対向するような向きに配されている。

今、第１の永久磁石２１および第２の永久磁石２２の厚みをｄとする。また、第２の永久磁石２２の側から第１の永久磁石２１を見たときの第１の永久磁石２１の第１の角部傾斜面２１ｐの幅をｗ１とする。また、第１の永久磁石２１の側から第２の永久磁石２２を見たときの第２の永久磁石２２の第２の角部傾斜面２２ｑの幅をｗ２とする。

第１の永久磁石２１と第２の永久磁石２２がこのように配置されていることによって、第１の永久磁石２１と第２の永久磁石２２の接する面の幅は、［ｄ－（ｗ１＋ｗ２）］となる。

図４は、実施形態に係る埋込磁石式回転子１０の第１の永久磁石２１まわりを示す部分横断面図である。

埋込磁石式回転子１０に形成された磁石収納孔１２ａにおいて、磁石収納孔１２ａそれ自身、および磁石収納孔１２ａに収納される永久磁石２０は、外部磁界に対する磁気抵抗が大きく、フラックスバリアの機能を有する。フラックスバリアの幅は、概ね、磁石収納孔１２ａの径方向内側面１２ｄと径方向外側面１２ｅとの間隔ｄ０である。

第１の永久磁石２１まわりで、フラックスバリアの幅が最も小さいのは、図４の断面上の点Ｐ１と点Ｐ２の間の間隔ｄ１である。ここで、点Ｐ１は、内側位置決め突起１２ｂの頂部である。また、点Ｐ２は、第１の永久磁石２１の第３側面２１ｃの径方向の最内部である。この点Ｐ１と点Ｐ２との間を磁束が最短で通過するためには、第１の永久磁石２１内を通過する必要がある。

図５は、実施形態に係る埋込磁石式回転子１０の第２の永久磁石２２まわりを示す部分横断面図である。

第２の永久磁石２２まわりで、フラックスバリアの幅が最も小さいのは、図５の断面上の点Ｐ３と点Ｐ４の間の間隔ｄ２である。ここで、点Ｐ３は、第２の永久磁石２２の第１側面２２ａの径方向の最外部である。また、点Ｐ４は、外側位置決め突起１２ｃの頂部である。この点Ｐ３と点Ｐ４との間を磁束が最短で通過するためには、第２の永久磁石２２内を通過する必要がある。

図６は、埋込磁石式回転子の永久磁石の従来例を示す永久磁石および回転子鉄心を示す部分横断面図である。図６では、本実施形態との比較例として従来例を示している。

比較例においては、２つの従来型永久磁石５０が径方向に並んで配されている。従来型永久磁石５０は、第１の角部傾斜面５０ｐ、第２の角部傾斜面５０ｒ、第３の角部傾斜面５０ｑ、第４の角部傾斜面５０ｓと、４か所に傾斜面を有する点が本実施形態と異なる。

比較のために、従来型永久磁石５０における２つの面間距離は、本実施形態の第１の永久磁石２１および第２の永久磁石２２と同じである。すなわち、傾斜面を無視した時の直方体の寸法は同一である。また、それぞれの傾斜面の大きさも同一であるとする。異なるのは、直方体に比べての欠損相当部となる傾斜面の数が、本実施形態では互いに反対の角部で２か所、比較例の場合は全角部で４か所である点である。

したがって、２つの従来型永久磁石５０を収納する磁石収納孔６０の形状は、本実施形態における磁石収納孔１２ａの形状とほぼ同様である。比較例の磁石収納孔６０における外側位置決め突起６１と内側位置決め突起６２の寸法が、本実施形態の磁石収納孔１２ａにおける内側位置決め突起１２ｂおよび外側位置決め突起１２ｃの寸法と異なる点のみが相違する。

すなわち、比較例において、内側位置決め突起６１が径方向の内側に配された従来型永久磁石５０を保持するためには、内側位置決め突起６１の先端が、従来型永久磁石５０に形成された第４の角部傾斜面５０ｓの途中とならないように、その先端を磁石収納孔６０内に延ばす必要がある。

いま、第４の角部傾斜面５０ｓの幅の、内側位置決め突起６１の延びる方向に沿った成分をΔｗ１とする。本実施形態の内側位置決め突起１２ｂが第１の永久磁石２１を保持する幅と同じ幅を確保しようとすると、比較例においては、最短距離は、近似的に（ｄ１－Δｗ１）に減少する。

同様に、比較例において、外側位置決め突起６２が径方向の外側に配された従来型永久磁石５０を保持するためには、外側位置決め突起６２の先端が、従来型永久磁石５０に形成された第２の角部傾斜面５０ｒの途中とならないように、その先端を磁石収納孔６０内に延ばす必要がある。

いま、第２の角部傾斜面５０ｒの幅の、外側位置決め突起６２の延びる方向に沿った成分をΔｗ２とする。本実施形態の外側位置決め突起１２ｃが第２の永久磁石２２を保持する幅と同じ幅を確保しようとすると、比較例においては、最短距離は、近似的に（ｄ２－Δｗ２）に減少する。

以上のことから、本実施形態の場合は、比較例に比べて、内側位置決め突起１２ｂおよび外側位置決め突起１２ｃを低背化でき、その結果、反磁界の印加時の磁気抵抗が増加し、減磁耐性を向上することができる。

図７は、実施形態に係る埋込磁石式回転子１０の効果を説明する減磁率の比較例を示すグラフである。横軸は、ケースを示しており、永久磁石が薄い場合と厚い場合を示す。また、それぞれについて、比較例の場合を灰色の棒で、また、本実施形態の場合を白抜きの棒で示している。縦軸は、減磁率［Ｐ．Ｕ．］であり、比較例を基準とした相対値である。

図７に示すように、永久磁石が薄い場合には、本実施形態の場合の減磁率［Ｐ．Ｕ．］は比較例から３３％減少する。また、永久磁石が厚い場合には、本実施形態の場合の減磁率［Ｐ．Ｕ．］は比較例から９％減少する。

このように、本実施形態では、特に、内側位置決め突起１２ｂおよび外側位置決め突起１２ｃの低背化によりフラックスバリアの幅が最小となる部分の幅を増加させることによって、反磁界の印加時の磁気抵抗を増加させ、減磁耐性を向上することができる。

図８は、実施形態に係る埋込磁石式回転子１０の効果を説明するトルク・電流特性の比較例を示すグラフである。横軸は、トルクの相対値である。縦軸は、そのトルクを発生させるに必要な固定子巻線３２を流れる電機子電流であり、比較例の場合を基準とした相対値である。白抜き丸印が比較例、黒塗り四角が本実施形態の場合を示す。

本実施形態における永久磁石２０は、傾斜面を形成することによる直方体からの欠損相当部が、比較例に比べて半分であり、その分、直方体形状と比較しての磁力の減少分が比較例に比べて少ない。この結果、図８に示すように、約０．６％以上、電機子電流の減少を図ることができる。すなわち、同じ電機子電流の値に対しては、より大きなトルクを得ることができる。

以上のように、比較例における従来型永久磁石５０では４つの傾斜面を有していたものを、本実施形態における永久磁石２０では、傾斜面を互いの反対側の２か所として直方体からの欠損相当部を比較例の半分としている。さらに、磁石収納孔１２ａにおけるフラックスバリアの幅が最小となる部分の幅を増加させることができる。なお、互いに隣接する第１の永久磁石２１と第２の永久磁石２２との接触面積は、比較例と同様である。

この結果、永久磁石２０の減磁率を減少させ、また、トルク・電流特性を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、渦電流の程度に影響する指標である互いに隣接する永久磁石２０同士の接触幅は、比較例と同様である。また、互いに隣接する永久磁石２０に関して、一方の永久磁石２０の傾斜面を有さない角部には、隣接する永久磁石２０の傾斜面が隣接することによって、傾斜面を有さない角部同士が隣接することがない。この結果、角部が欠けることを防止する点については比較例と同様の効果を有する。

さらに、たとえば、傾斜面をバレル研磨やグラインダー研磨によって形成する場合は、傾斜面小数が半減することにより、製作工数の低減を図ることができる。

以上、説明した実施形態によれば、磁石収納孔に一列に収納される複数の永久磁石について、渦電流の増加および頂部の欠けのリスクの増加をもたらすことなく、永久磁石の減磁率の減少が可能な埋込磁石式回転子を提供することができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、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。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、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。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…埋込磁石式回転電機、１０…埋込磁石式回転子、１０ａ…磁極、１１…ロータシャフト、１２…回転子鉄心、１２ａ…磁石収納孔、１２ｂ…内側位置決め突起、１２ｃ…外側位置決め突起、１２ｄ…径方向内側面、１２ｅ…径方向外側面、２０…永久磁石、２１…第１の永久磁石、２１ａ…第１側面、２１ｂ…第２側面、２１ｃ…第３側面、２１ｄ…第４側面、２１ｐ…第１の角部傾斜面、２１ｑ…第２の角部傾斜面、２２…第２の永久磁石、２２ａ…第１側面、２２ｂ…第２側面、２２ｃ…第３側面、２２ｄ…第４側面、２２ｐ…第１の角部傾斜面、２２ｑ…第２の角部傾斜面、３０…固定子、３１…固定子鉄心、３２…固定子巻線、４０…フレーム、５０…従来型永久磁石、５０ｐ…第１の角部傾斜面、５０ｒ…第２の角部傾斜面、５０ｑ…第３の角部傾斜面、５０ｓ…第４の角部傾斜面、６０…磁石収納孔、６１…内側位置決め突起、６２…外側位置決め突起

Claims (4)

1. 回転軸方向に延びたロータシャフトと、
   それぞれの磁極において形成され第１の壁と第２の壁に挟まれた少なくとも一つの磁石収納孔を有し、前記ロータシャフトに取り付けられた回転子鉄心と、
   前記磁石収納孔に収納され当該磁石収納孔の断面において一方向に連なるように配された複数の永久磁石と、
   を具備する埋込磁石式回転子であって、
   前記複数の永久磁石のそれぞれは、ほぼ直方体の外形であって、互いに反対側にある２つの角部に傾斜面が長手方向にわたって形成されている、
   ことを特徴とする埋込磁石式回転子。
2. 前記複数の永久磁石は、前記傾斜面の方向が同じ方向となるように連なっていることを特徴とする請求項１に記載の埋込磁石式回転子。
3. 前記磁石収納孔の前記第１の壁および前記第２の壁には当該磁石収納孔に突出して前記複数の永久磁石を保持する第１の保持突起および第２の保持突起が形成され、
   前記第１の保持突起および第２の保持突起にそれぞれ対向する前記永久磁石の対向部分は、前記傾斜面が設けられていない側の角部であることを特徴とする請求項１に記載の埋込磁石式回転子。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の埋込磁石式回転子と、
   固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線を有する固定子と、
   を備えることを特徴とする埋込磁石式回転電機。

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