JPWO2014162804A1 - 永久磁石埋め込み式回転電機 - Google Patents

Abstract

ロータの製造時、ロータを破壊から保護することができる永久磁石埋め込み式回転電機を提供する。２個の永久磁石３４ａ、３４ｂで１極を構成し、複数極の永久磁石をロータ内部に埋め込んだ永久磁石埋め込み式電動機において、ロータ外周と磁石埋め込み穴３５ａ、３５ｂが連通しているロータ３を有する。ロータ３は、隣接する極間にロータ回転中心から離れる方向に突出したｑ軸突起３７を有する。磁石埋め込み穴３５ａ、３５ｂは、逆Ｖ字状をなすように配列されている。永久磁石３４ａ、３４ｂの外側の外周縁部３３は、回転中心軸４ａからロータ最外周部までの距離よりも小さい曲率半径を有している。ロータ３のロータ回転軸方向の中間には、ロータ鋼板の外径より大きな外径の円状の中間板３００が設けられている。

Description

本発明は、電動機や発電機等、ロータを有する回転電機に係り、特にロータ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。

図７（ａ）、図７（ｂ）は、従来の永久磁石埋め込み式回転電機の一例であるＩＰＭモータのロータの構成を示す断面図であり、図７（ｃ）は、その外周面を示す図である。この従来例のＩＰＭモータは、特許文献１に開示されたものである。このＩＰＭモータは、ロータ１０の外側に向かって広がるようにＶ字状に配置した２つの永久磁石１３ａ、１３ｂを一極分とするものであり、２つの永久磁石１３ａ、１３ｂをロータ１０の内部に複数組埋め込んで、複数の極を形成したものである。また、ロータ１０は、図７（ａ）に示す積層鋼板１１と、図７（ｂ）に示す積層鋼板１２を、図７（ｃ）に示すように一枚ずつ、または数枚単位で交互に積層して構成したものである。

図７（ａ）に示すように、積層鋼板１１には、一極分として、２つの保持穴部１８ａ、１８ｂと、２つの空洞部１４ａ、１４ｂと、２つの空洞部１５ａ、１５ｂとを形成し、これらを複数組形成している。具体的には、一極分として、Ｖ字状に配置され、２つの永久磁石１３ａ、１３ｂを保持する２つの保持穴部１８ａ、１８ｂと、２つの保持穴部１８ａ、１８ｂ同士の間の部分（Ｖ字の中央部分）に配置され、各保持穴部１８ａ、１８ｂと各々連通する２つの空洞部１４ａ、１４ｂと、隣接する他極との間の部分（Ｖ字の端部分）に配置され、各保持穴部１８ａ、１８ｂと各々連通する２つの空洞部１５ａ、１５ｂとを形成している。

保持穴部１８ａ、空洞部１４ａ、空洞部１５ａは、連続した１つの領域（穴）となっており、また、保持穴部１８ｂ、空洞部１４ｂ、空洞部１５ｂも、連続した１つの領域（穴）となっており、積層鋼板１１の打ち抜き加工時には、各々、１つの穴として打ち抜けばよい。打ち抜き加工により、空洞部１５ａ、１５ｂの外縁側にサイドブリッジ１９ａ、１９ｂが形成されることになる。

また、図７（ｂ）に示すように、積層鋼板１２には、一極分として、２つの保持穴部１８ａ’、１８ｂ’と、２つの空洞部１４ａ’、１４ｂ’と、２つの切欠部１６ａ、１６ｂとを形成し、これらを複数組形成している。積層鋼板１２における保持穴部１８ａ’、１８ｂ’、空洞部１４ａ’、１４ｂ’は、各々、積層鋼板１１における保持穴部１８ａ、１８ｂ、空洞部１４ａ、１４ｂと同等のものである。具体的には、一極分として、Ｖ字状に配置され、２つの永久磁石１３ａ、１３ｂを保持する２つの保持穴部１８ａ’、１８ｂ’と、２つの保持穴部１８ａ’、１８ｂ’同士の間の部分（Ｖ字の中央部分）に配置され、各保持穴部１８ａ’、１８ｂ’と各々連通する２つの空洞部１４ａ’、１４ｂ’と、各空洞部１５ａ、１５ｂと各々重なるように配置され、各保持穴部１８ａ’、１８ｂ’と各々連通すると共に積層鋼板１２の外縁まで通じる２つの切欠部１６ａ、１６ｂとを形成している。各切欠部１６ａ、１６ｂは、各空洞部１５ａ、１５ｂを各々内部に含むように配置されており、これにより、各空洞部１５ａ、１５ｂと各々重なるように配置される。

保持穴部１８ａ’、空洞部１４ａ’、切欠部１６ａは、連続した１つの領域（切り欠き）となっており、また、保持穴部１８ｂ’、空洞部１４ｂ’、切欠部１６ｂも、連続した１つの領域（切り欠き）となっており、積層鋼板１２の打ち抜き加工時には、各々、１つの切り欠きとして打ち抜けばよい。

積層鋼板１１における空洞部１４ａと空洞部１４ｂの間、積層鋼板１２における空洞部１４ａ’と空洞部１４ｂ‘との間には、センタブリッジ１９ｃがある。積層鋼板１１および１２において、永久磁石よりも内周側の領域と外周側の領域は、このセンタブリッジ１９ｃを介して繋がっている。

そして、上記積層鋼板１１、１２を一枚ずつ交互に積層した場合には、ロータ１０の外周面は、図７（ｃ）に示す外観となり、切欠部１６ａ、１６ｂが各々列になって、積層鋼板１枚おきに配置されることになる。

この従来例においては、積層鋼板１１と積層鋼板１２とを交互積層しており、積層鋼板１２においては、磁束が切欠部１６ａ、１６ｂを通過することになるので、積層鋼板１１においては、サイドブリッジ１９ａ、１９ｂの幅を細くしなくても、磁気短絡を低減することができる。具体的には、積層鋼板１２に切欠部１６ａ、１６ｂが有るため、各鋼板における永久磁石とロータ外周面との間の鉄心の断面積を総計した総断面積（即ち、サイドブリッジ１９ａ、１９ｂの部分の断面積を総計した総断面積）が１／２となり、その結果、磁気短絡を低減することになる。

また、積層鋼板１２においては、隣接する他極との間の部位に切欠部１６ａ、１６ｂが形成され、鉄心が存在しないため、切欠部１６ａ、１６ｂにおける磁気抵抗を、サイドブリッジ１９ａ、１９ｂにおける磁気抵抗よりも大きくすることができる。そして、積層鋼板１１と積層鋼板１２とを交互積層しているので、積層鋼板１１のみを用いた場合よりも磁気抵抗を大きくすることができる。従って、切欠部１６ａ、１６ｂにおける磁気短絡の低減により、磁束漏れを抑制して、多くの磁束をステータ側に供給でき、モータ効率の向上を図ることができる。更に、積層鋼板１２において、ｄ軸磁束、ｑ軸磁束の通過部分には鉄心が存在しているので、所望のリラクタンストルクを維持することができる。

上記構成により、打ち抜き加工性や耐遠心力性のために、サイドブリッジ１９ａ、１９ｂを所定の幅とする必要がある場合でも、切欠部１６ａ、１６ｂの存在により、サイドブリッジ１９ａ、１９ｂの幅として、所定の幅を確保しつつ、磁気抵抗を大きくして、磁束漏れを抑制することができる。

特開２０１１−４４８０号公報

ところで、上述した従来の永久磁石埋め込み式回転電機は、その製造過程において、ロータ回転軸を水平にして、ロータを床に直置きする場合がある。その際に、センタブリッジに応力が集中してロータが破損する虞があるという問題があった。

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、ロータを破損から保護する手段を備えた永久磁石埋め込み式回転電機を提供することにある。

この発明は、２個の永久磁石で１極を構成し、複数極の永久磁石をロータ内部に埋め込んだ永久磁石埋め込み式電動機において、ロータ鋼材のロータ軸方向中間に、外周が概ね円形のディスク状の中間板を１枚または複数枚配置した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、ロータの製造工程においてロータ回転軸を水平にしてロータを床に直置きした場合に、中間板によってロータが支持される。従って、回転電機の製造時に、ロータ各部に大きな応力が加わるのを防止し、ロータを破損から保護することができる。

好ましい態様では、ロータ鋼材内において前記永久磁石を収容する磁石埋め込み穴がロータ外周と連通している。

この態様によれば、磁石埋め込み穴をロータ外周に連通させる構成であり、サイドブリッジがないのでセンタブリッジのみでロータにおけるセンタブリッジの遠心方向外側の領域を支持することとなる。しかしながら、ロータは中間板を有しているため、ロータの製造工程においてロータ回転軸を水平にしてロータを床に直置きした場合に、中間板によってロータが支持され、センタブリッジに加わる応力を緩和することができる。

好ましい態様では、前記中間板の外径が前記ロータ鋼材の外径よりも大きい。また、前記中間板は、金属材料、より好ましくは鉄を主成分とする金属材料により構成されている。この材料は、弾力性、強靭性に優れているので、中間板自体を破損から守り、また、ロータを破損から守ることができる。

好ましい態様において、前記中間板の表面には非磁性膜が形成される。この態様によれば、磁束漏れを抑制することができる。

また、好ましい態様において、前記非磁性膜が非電導性である。この態様によれば、渦電流を防止し、ロータの過熱を防止することができる。

なお、前記中間板の表面に非磁性膜を形成する代わりに、前記中間板のロータ軸方向隣に非磁性の薄板を配置してもよい。また、この場合の非磁性の薄板が非電導性であってもよい。

好ましい態様において、前記中間板は、ロータのシャフトを貫通させるための穴以外の穴を有しない。この態様によれば、中間板を非常に強固なものにすることができる。

他の好ましい態様において、前記中間板は、穴内の少なくとも一部の領域が前記ロータ鋼材の磁石埋め込み穴内の領域と対向し、かつ、前記磁石埋め込み穴と異なる形状または大きさの穴を有する。この態様によれば、中間板に穴があるので、永久磁石から中間板を経由して永久磁石の収容されているロータ鋼材に戻る経路の磁気抵抗を高くし、漏れ磁束を少なくすることができる。また、中間板の両側のロータ鋼材に設けられた磁石埋め込み穴が中間板の穴を介して連通するので、通気性がよい。

他の好ましい態様では、前記中間板に設けられた穴が、前記磁石埋め込み穴に埋め込まれる永久磁石を挿通可能な形状および大きさを有する穴である。この態様では、ロータ回転軸方向の永久磁石の移動が可能である。従って、ロータの構造によっては、ロータの組み立てが簡易になる場合がある。

他の好ましい態様では、前記中間板に設けられた穴は、前記磁石埋め込み穴に埋め込まれる永久磁石の一部を包含し、前記永久磁石の残りの部分が穴から食み出る形状および大きさを有する穴である。この態様では、中間板がロータ回転軸方向の永久磁石の移動止めとなる。従って、ロータの構造によっては、ロータの組み立てが簡易になる場合がある。

この発明の第１実施形態である永久磁石埋め込み式回転電機の構成を示す縦断面図である。 同実施形態におけるロータの構成を示す斜視図である。 同実施形態におけるロータの構成を示す正面図である。 この発明の第２実施形態におけるロータの構成を示す斜視図である。 同実施形態におけるロータの構成を示す正面図である。 この発明の第３実施形態におけるロータの構成を示す正面図である。 従来の永久磁石埋め込み式回転電機のロータの構成を示す図である。

以下、図面を参照し、この発明の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図１はこの発明の第１実施形態である永久磁石埋め込み式回転電機の全体構成を示す縦断面図である。図１において、フレーム１は、永久磁石埋め込み式回転電機全体を覆う筐体であり、鉄、アルミ、ステンレスなどにより構成されている。フレーム１の内側には、中空円筒状の固定側鉄心２が設けられている。この固定側鉄心２は、けい素鋼板を積層してなるものである。この固定側鉄心２には、穴が設けられており、この穴には銅線などによるステータ巻線が挿通されている（図示略）。固定側鉄心２の内側には、固定側鉄心２との間に所定のギャップを挟んだ状態で、回転側鉄心であるロータ３が挿通されている。このロータ３は、けい素鋼板を積層してなるものである。なお、単純な鉄ブロックを切削加工することによりロータ３が構成される場合もある。ロータ３は、その中心を鉄などによるシャフト４が貫通している。理想的には、シャフト４の中心軸がロータ３の回転中心軸４ａとなる。そして、シャフト４は、ベアリング鋼などからなる転がり軸受け５を介して、フレーム１の前後両端に設けられたシールド６に支持されている。

この例において、永久磁石埋め込み式回転電機はモータである。このモータにおいてロータ３は、ステータ巻線（図示せず）によって作られる回転磁界によってエネルギを与えられ、回転中心軸４ａ廻りに回転する。

本実施形態の特徴は、ロータ３の構成、具体的にはロータ３に設けた中間板３００にある。図２は本実施形態におけるロータ３の構成を示す斜視図である。また、図３は回転中心軸４ａ方向からロータ３を見た正面図である。なお、図２および図３では、ロータ３の構成の理解を容易にするため、回転中心軸４ａにおいて直交した２つの平面により一部が切除された状態のロータ３の構成を示している。

本実施形態によるロータ３は、回転中心軸４ａ寄りの芯部３１と、極毎に設けられた２個の永久磁石３４ａおよび３４ｂと、回転中心軸４ａからみて永久磁石３４ａおよび３４ｂの外側のロータ鋼材からなる各極の外周縁部３３と、芯部３１と外周縁部３３とを各々繋ぐ各極のセンタブリッジ３２と、極間に設けられたｑ軸突起３７とに大別することができる。

１極分の外周縁部３３は、略円弧状の断面形状を有しており、ロータ回転方向中央において、センタブリッジ３２を介して芯部３１と繋がっている。この外周縁部３３の外周面は、回転中心軸４ａからロータ最外周部までの距離よりも小さい曲率半径を有している。これは、本願発明者らによる磁界計算により、外周縁部３３をこのような形状とすることで、トルクの高調波成分が削減され、その削減された分だけロータ３に発生するトルクの基本波成分が増加することが明らかになったためである。なお、このように外周縁部３３の全部ではなく、外周縁部３３の一部の曲率半径を回転中心軸４ａからロータ最外周部までの距離より小さくしてもよい。

外周縁部３３の内側には、永久磁石３４ａを保持するための磁石埋め込み穴３５ａと、永久磁石３４ｂを保持するための磁石埋め込み穴３５ｂが設けられている。この磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂは、外周縁部３３、センタブリッジ３２および芯部３１により３方向から囲まれている。外周縁部３３は、ロータ３の回転時に永久磁石３４ａおよび３４ｂに働く遠心力に対抗して永久磁石３４ａおよび３５ｂを回転中心軸４ａ側に支持する。各極に対応した各外周縁部３３は、隣のものとの間に隙間を挟んでロータ回転方向に並んでいる。２個の外周縁部３３間の隙間は、極間の中央に位置している。磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂは、この２個の外周縁部３３間の隙間を介してロータ外周に連通している。

磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂは、逆Ｖ字状に配列されている。そして、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂの内周壁における回転中心軸４ａ側の領域（芯部３１）は、隣接する極間の中心から離れて２個の磁石埋め込み穴の間（すなわち、センタブリッジ３２）に近づくに従って回転中心軸４ａから離れる方向に傾いている。このため、センタブリッジ３２は、ロータ３の全ての磁石埋め込み穴３５ａ、３５ｂの内接円からロータ半径方向外側に離れた位置にある。

ｑ軸突起３７は、芯部３１の極間の中央の位置において２個の外周縁部３３間の隙間を通過して遠心方向（回転中心軸４ａから離れる方向）に突き出している。磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂには、このｑ軸突起３７側への永久磁石３４ａおよび３４ｂの移動を規制する位置決め突起３８ａおよび３８ｂが設けられている。この位置決め突起３８ａおよび３８ｂは、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂの内壁のうち永久磁石３４ａおよび３４ｂからみてロータ半径方向外側にある領域、すなわち、外周縁部３３の内側のｑ軸突起３７側の端部において、回転中心軸４ａに向けて突出している。永久磁石３４ａおよび３４ｂは、この位置決め突起３８ａおよび３８ｂに押し当てられ、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂ内に固定される。その際、永久磁石３４ａおよび３４ｂの磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂへの固定を補助するために接着剤が使用される。

本実施形態において、ロータ３は、ロータ軸方向に沿った１または複数の位置（図示の例では３カ所）に外周が概ね円形のディスク状の中間板３００を有している。この中間板３００により区切られたロータ鋼板のロータ回転軸方向の厚みは、中間板３００の厚みに比べて十分に大きい。また、中間板３００は、シャフト４を貫通させるための穴以外の穴を有していない。また、図示の通り、中間板３００の外径は、ロータ３の鋼材の外径よりも大きい。そして、中間板３００は、金属材料により構成されている。より具体的には、中間板３００は、鋼、ステンレス等、鉄を主成分とする金属材料により構成されている。

本実施形態では、中間板３００として、表面に非磁性膜の形成されたものが用いられる。また、中間板３００に形成する非磁性膜は、非電導性である。なお、中間板３００の表面に非磁性膜を形成する代わりに、中間板３００のロータ軸方向両隣に非磁性の薄板を配置してもよい。また、この非磁性の薄板は、非電導性であってもよい。
以上が本実施形態におけるロータ３の構成である。

本実施形態におけるロータ３は、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂがロータ外周に連通した構成となっている。この構成に本実施形態の１つの特徴がある。以下、この構成を採用した理由を説明する。

モータの製造では、焼き嵌めなどの締り嵌めによって、シャフトとロータ鋼材を組み立てる方法が一般的である。この締り嵌めの工程において、ロータ鋼材には周方向に引張応力が残留する。この残留応力は、ロータ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、ロータ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）。

一方、ロータの回転時、特に高速回転時には、ロータの各部分に強大な遠心力が発生する。その際、従来例のように、ロータがセンタブリッジとサイドブリッジを持つ場合には、このセンタブリッジとサイドブリッジに大きな応力が発生する。この場合、ロータの回転により発生する遠心力により、センタブリッジに引っ張り応力が働くのに対し、サイドブリッジにはせん断応力が発生する。このため、高速回転によるロータの破損を防止するためには、センタブリッジよりはむしろサイドブリッジの強度を十分に高くする必要があり、この点がロータの強度設計を難しくしていた。

また、従来例では、漏れ磁束の低減という目的とロータの強度を確保するという目的の両方を達成するために、サイドブリッジのあるロータ鋼板とサイドブリッジのないロータ鋼板とを組み合わせてロータを構成していた。このため、従来例のロータには、製造コストが嵩む等の問題があった。

そこで、本実施形態では、ロータの構成として、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂがロータ外周に連通した構成、すなわち、従来例におけるサイドブリッジのない構成を採用した。本実施形態によれば、ロータが最外周にサイドブリッジを有していないため、ロータの最外周には組み立て残留応力が残存しない。ロータの回転時の遠心力により発生する応力はセンタブリッジに集中するが、このセンタブリッジに働く応力は引っ張り応力である。また、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂを逆Ｖ字に配置したことにより、センタブリッジ付近にも残留応力が残らない。従って、センタブリッジの幅の調整等によりセンタブリッジが破損に至らないように対処することが容易である。しかも、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂがロータ外周に連通したロータ構成は、以下に述べる大きな利点をもたらす。

まず、従来例と異なり、本実施形態におけるロータ３のうち中間板３００により区切られたロータ鋼材は、ロータ回転軸に垂直な如何なる平面で切断しても同じ断面形状となる。このため、本実施形態におけるロータ３には、製作面での利点がある。すなわち、本実施形態によるロータ３は、一体物の金属塊から切り出すことが可能である。また、本実施形態におけるロータ３を積層鋼板で形成する場合も、穴形状の異なる複数種類の鋼板を用意する必要がなく、１種類の鋼板のみを用意すればよい。従って、鋼板を形成するための内抜き型の投資費用の面からも、部品管理の面からも、強度・磁界設計の面からも鋼板のコストを圧倒的に低く抑えることができる。

また、本実施形態におけるロータ３は、サイドブリッジのある従来例に比して磁束の漏れ経路が少ない。このため、磁石磁束が巻線に鎖交しやすく、これがトルクの増加に貢献する。

さらに磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂをロータ外周に連通させた場合には、永久磁石３４ａおよび３４ｂは、外周縁部３３によりロータ軸方向の全長に亙って均一な応力で支えられることになる。このため、永久磁石３４ａおよび３４ｂの内部に応力が発生しにくく、永久磁石３４ａおよび３４ｂを破損から保護することができる。

本実施形態の他の特徴としてｑ軸突起３７がある。このｑ軸突起３７は、強いリラクタンストルクを生むことができ、ロータに発生するトルクの増加に貢献する。

さらに本実施形態の他の特徴として、外周縁部３３の形状がある。ロータの外周面に凹凸を設けると、ロータに発生するトルクの高調波成分を基本波成分に転換することができ、トルク脈動を減らし、トルクを増大させることができる。しかし、従来例のように磁石埋め込み穴がロータ外周に連通しておらず、最外周がリング状に連続したロータの場合、ロータ外周面付近のリング状の領域に組み立て残留応力が残存する。従って、従来のロータにおいて、このような残留応力の残存しているロータの最外周面に応力集中を招く凹凸を設けるのは困難である。しかしながら、本実施形態において、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂをロータ外周と連通させているため、ロータ３の最外周領域である外周縁部３３に残留応力は残存しない。従って、本実施形態では、トルクを増大させるために、ロータ３の最外周領域である外周縁部３３の外周面に凹凸を設けることが可能である。そこで、本実施形態において、ロータ回転中心からみて永久磁石の外側にある外周縁部３３の外周面の曲率半径を、ロータ回転中心からロータ最外周部までの距離よりも小さくしている。このため、本実施形態では、ロータ３に発生するトルクの脈動を減らし、トルクを増大させることができる。

また、本実施形態の他の特徴として、逆Ｖ字状に配列された磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂがある。この特徴により得られる効果を説明すると、次の通りである。

まず、シャフト４のロータ３への締り嵌め工程において、ロータ鋼材には周方向に引張応力が残留する。この残留応力は、回転中心軸４ａから遠ざかるに従って小さくなるが、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂと同じ半径を持つ円周上では、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂによってリング状の繋がりが分断されるため、残留応力は殆ど発生しない。従って、本実施形態におけるロータ３では、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂの内接円３６の円周上において、応力集中による残留応力が最大となる。一方、ロータ３の回転時には、遠心力による引っ張り応力がセンタブリッジ３２に発生する。磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂを逆Ｖ字状に配列した場合、このセンタブリッジ３２の位置は、残留応力が最大となる内接円３６上の位置よりもロータ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、ロータ３の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３２のある領域では、締り嵌め加工による残留応力が殆ど発生しないので、ロータ３の回転時におけるセンタブリッジ３２の強度を高めることができる。

また、本実施形態では、永久磁石３４ａおよび３４ｂからみて半径方向外側にある外周縁部３３に位置決め突起３８ａおよび３８ｂが設けられている。従って、永久磁石３４ａおよび３４ｂを位置決め突起３８ａおよび３８ｂに押し当てて固定することで、１極をなす２つの永久磁石３４ａおよび３４ｂに発生する遠心力のアンバランスを防ぐとともに、各永久磁石が発生する磁束分布のアンバランスを防ぐことができる。

さらに本実施形態の重要な特徴として、ロータ３のロータ回転軸方向の中間の位置に設けられた中間板３００がある。モータの製造工程では、ロータ回転軸を水平にして、ロータ３を床に直置きする場合がある。その際に、センタブリッジ３２に応力が集中する。特に本実施形態では、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂをロータ外周に連通させており、外周縁部３３、永久磁石３４ａおよび３４ｂをセンタブリッジ３２のみにより支持しているため、このセンタブリッジ３２に応力が集中する。しかしながら、本実施形態におけるロータ３は、ロータ軸方向に沿った１または複数の位置に外周が概ね円形のディスク状の中間板３００を有している。そして、この中間板３００の外径は、ロータ３の鋼材の外径よりも大きい。このため、ロータ３を床に直置きした状態では、ロータ鋼材は中間板３００により支持されることとなり、センタブリッジ３２に加わる応力を緩和することができる。また、中間板３００は、シャフト４を貫通させるための穴以外の穴を有していない。さらに中間板３００は、鋼、ステンレス等、鉄を主成分とする金属材料により構成されている。そして、この材料は、弾性、靱性に富み、強度が強い。このため、中間板３００は、応力に対して極めて強く、中間板３００自体の損傷を防止するとともに、ロータ鋼材を守る効果を奏する。

また、本実施形態では、中間板３００として、表面に非磁性膜の形成されたものが用いられているので、ロータ回転軸方向の磁束の流れを妨げ、磁束漏れを抑制することができる。従って、永久磁石を強力なものにしなくても、ロータ３に発生するトルクを増大させることができる。あるいは磁石の量を減らしても同じトルクを発生することが可能なので、モータを高速化することができる。また、本実施形態において、中間板３００に形成する非磁性膜は、非電導性である。この態様によれば、渦電流の発生を防止して、過熱を防止することができる。

なお、中間板３００の表面に非磁性膜を形成する代わりに、中間板３００のロータ軸方向両隣に非磁性、非電導性の薄板を配置した場合も同様な効果が得られる。

＜第２実施形態＞
図４はこの発明の第２実施形態におけるロータ３Ａの構成を示す斜視図である。また、図５は回転中心軸４ａ方向からロータ３Ａを見た正面図である。なお、図４および図５では、ロータ３Ａの構成の理解を容易にするため、回転中心軸４ａにおいて直交した２つの平面により一部を切除した状態のロータ３Ａの構成を示している。また、図４および図５では、前掲図２および図３に示された部分の同一の部分には共通の符号を付けて、その説明を省略する。

本実施形態におけるロータ３Ａにおいて、中間板３００Ａは、穴内の少なくとも一部の領域がロータ鋼材の磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂ内の領域と対向し、かつ、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂと異なる形状または大きさの穴３０１ａおよび３０１ｂを有する。さらに詳述すると、この穴３０１ａおよび３０１ｂは、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂに埋め込まれる永久磁石３４ａおよび３４ｂの一部を包含し、永久磁石３４ａおよび３４ｂの残りの部分が穴から食み出る形状および大きさを有する。

本実施形態における中間板３００Ａは、穴３０１ａおよび３０１ｂを有するので、強度の点では上記第１実施形態の中間板３００に劣る。しかし、中間板３００Ａの穴は、従来例のロータ鋼板に設けられるような穴よりは小さいので、中間板３００Ａではロータを支えるに足る十分な強度が得られる。また、本実施形態では、中間板３００Ａがロータ回転軸方向の永久磁石３４ａおよび３４ｂの移動止めとなる。従って、ロータ３Ａの構造によっては、ロータ３Ａの組み立てが簡易になる場合がある。さらに本実施形態によるロータ３Ａには冷却面でも利点がある。すなわち、ロータ３Ａは、中間板３００Ａの穴３０１ａおよび３０１ｂを介して中間板３００Ａの両側のロータ鋼板内の磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂが連通しているため、回転軸方向の風通しがよく、冷却、とりわけ磁石冷却に有利である。従って、本実施形態によるロータ３Ａを採用することにより、モータ容量に関する規制を緩和することができる。

＜第３実施形態＞
図６はこの発明の第３実施形態におけるロータ３Ｂを回転中心軸４ａ方向から見た正面図である。なお、図６では、ロータ３Ｂの構成の理解を容易にするため、回転中心軸４ａにおいて直交した２つの平面により一部を切除した状態のロータ３Ｂの構成を示している。また、図６では、前掲図３に示された部分の同一の部分には共通の符号を付けて、その説明を省略する。

本実施形態におけるロータ３Ｂは、上記第２実施形態と同様、穴の開いた中間板３００Ｂを有する。しかしながら、本実施形態において、中間板３００Ｂに設けられた穴３０２ａおよび３０２ｂは、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂに埋め込まれる永久磁石３４ａおよび３４ｂを挿通可能な形状および大きさを有する。

本実施形態においても上記第２実施形態と同様な効果が得られる。また、本実施形態において、中間板３００Ｂは、永久磁石３４ａおよび３４ｂのロータ回転軸方向の移動を妨げない。従って、ロータ３Ｂの構造によっては、ロータ３Ｂの組み立て工程を簡易にすることができる。

３……ロータ、３４ａ，３４ｂ……永久磁石、３５ａ，３５ｂ……磁石埋め込み穴、４ａ……回転中心軸、３１……芯部、３２……センタブリッジ、３３……外周縁部、３７……ｑ軸突起、３８ａ，３８ｂ……位置決め突起、３００，３００Ａ，３００Ｂ……中間板、３０１ａ，３０１ｂ，３０２ａ，３０２ｂ……穴。

図７（ａ）に示すように、積層鋼板１１には、一極分として、２つの保持穴部１８ａ、１８ｂと、２つの空洞部１４ａ、１４ｂと、２つの空洞部１５ａ、１５ｂとを形成し、これらを複数組形成している。具体的には、一極分として、Ｖ字状に配置され、２つの永久磁石１３ａ、１３ｂを保持する２つの保持穴部１８ａ、１８ｂと、２つの保持穴部１８ａ、１８ｂ同士の間の部分（Ｖ字の中央部分）に配置され、各保持穴部１８ａ、１８ｂと各々連通する２つの空洞部１４ａ、１４ｂと、保持穴部と隣接する他極との間の部分（Ｖ字の端部分）に配置され、各保持穴部１８ａ、１８ｂと各々連通する２つの空洞部１５ａ、１５ｂとを形成している。

また、積層鋼板１２においては、保持穴部と隣接する他極との間の部位に切欠部１６ａ、１６ｂが形成され、鉄心が存在しないため、切欠部１６ａ、１６ｂにおける磁気抵抗を、サイドブリッジ１９ａ、１９ｂにおける磁気抵抗よりも大きくすることができる。そして、積層鋼板１１と積層鋼板１２とを交互積層しているので、積層鋼板１１のみを用いた場合よりも磁気抵抗を大きくすることができる。従って、切欠部１６ａ、１６ｂにおける磁気短絡の低減により、磁束漏れを抑制して、多くの磁束をステータ側に供給でき、モータ効率の向上を図ることができる。更に、積層鋼板１２において、ｄ軸磁束、ｑ軸磁束の通過部分には鉄心が存在しているので、所望のリラクタンストルクを維持することができる。

まず、シャフト４のロータ３への締り嵌め工程において、ロータ鋼材には周方向に引張応力が残留する。この残留応力は、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂと同じ半径を持つ円周上には殆ど発生しない。従って、本実施形態におけるロータ３では、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂの内接円３６よりもロータ半径方向の外側には、組み立て残留応力は殆ど残存しない。一方、ロータ３の回転時には、遠心力による引っ張り応力（遠心応力）がセンタブリッジ３２に発生する。磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂを逆Ｖ字状に配列した場合、このセンタブリッジ３２の位置は、残留応力が主に発生する内接円３６内よりもロータ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、ロータ３の回転時に遠心応力が集中するセンタブリッジ３２は、締り嵌め加工による残留応力が主に発生する内接円３６内から遠ざかっているため、ロータ３の回転時におけるセンタブリッジ３２の強度を高めることができる。

また、本実施形態では、永久磁石３４ａおよび３４ｂからみて半径方向外側にある外周縁部３３に位置決め突起３８ａおよび３８ｂが設けられている。従って、永久磁石３４ａおよび３４ｂを位置決め突起３８ａおよび３８ｂに押し当てて固定することで、１極をなす２つの永久磁石３４ａおよび３４ｂに発生する遠心力のアンバランスを防ぐとともに、各永久磁石が発生する磁束分布のアンバランスを防ぐことができる。
なお、従来例のように、永久磁石から見て半径方向内側のロータ鋼材に位置決め突起を設ける方法もあるが、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂを逆Ｖ字状に配置してこれを行うには問題がある。組み立て残留応力が発生する範囲近くに、位置決め突起を設けることになるからである。位置決め突起を設ければ同時に凹みもできる。凹みは元来応力集中が発生し易い。この場合、面取り半径を大きくして凹部の面取りをすることができれば、応力集中をある程度は緩和することができるが、十分に応力を緩和できる面取り半径は、磁石の厚みと同等、若しくはそれ以上になることが多く、位置決めの用を成さない。よって従来例のように永久磁石から見て半径方向内側のロータ鋼材に位置決め突起を設けることは、組み立て残留応力に対する位置決め突起の強度を弱めることとなるので好ましくない。

Claims (13)

1. ２個の永久磁石で１極を構成し、複数極の永久磁石をロータ内部に埋め込んだ永久磁石埋め込み式電動機において、
   ロータ鋼材のロータ軸方向中間に、外周が概ね円形のディスク状の中間板を１枚または複数枚配置したことを特徴とする永久磁石埋め込み式回転電機。
2. ロータ鋼材内において前記永久磁石を収容する磁石埋め込み穴がロータ外周と連通している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。
3. 前記中間板の外径が前記ロータ鋼材の外径よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
4. 前記中間板が金属材料により構成されていることを特徴とする請求項３に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
5. 前記中間板を構成する金属材料が鉄を主成分とすることを特徴とする請求項４に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
6. 前記中間板の表面に非磁性膜を形成してなることを特徴とする請求項５に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
7. 前記非磁性膜が非電導性であることを特徴とする請求項６に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
8. 前記中間板のロータ軸方向隣に非磁性の薄板を配置したことを特徴とする請求項５に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
9. 前記非磁性の薄板が非電導性であることを特徴とする請求項８に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
10. 前記中間板は、穴内の少なくとも一部の領域が前記ロータ鋼材の磁石埋め込み穴内の領域と対向し、かつ、前記磁石埋め込み穴と異なる形状または大きさの穴を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１の請求項に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
11. 前記中間板に設けられた穴が、前記磁石埋め込み穴に埋め込まれる永久磁石を挿通可能な形状および大きさを有する穴であることを特徴とする請求項１０に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
12. 前記中間板に設けられた穴は、前記磁石埋め込み穴に埋め込まれる永久磁石の一部を包含し、前記永久磁石の残りの部分が穴から食み出る形状および大きさを有する穴であることを特徴とする請求項１０に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
13. 前記中間板は、ロータのシャフトを貫通させるための穴以外の穴を有しないことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１の請求項に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
    

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