WO2013111335A1

WO2013111335A1 - 回転電機

Info

Publication number: WO2013111335A1
Application number: PCT/JP2012/051857
Authority: WO
Inventors: 俊幸山岸
Original assignee: 株式会社安川電機
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2012-01-27
Publication date: 2013-08-01

Abstract

【課題】永久磁石の体積を大きく確保しつつ鉄心の剛性を高めるようにする。【解決手段】固定子２と回転子３を有する回転電機１であって、回転子３は、シャフト９に固定された筒状の円筒部１２及び当該円筒部１２の半径方向外側に極数に応じて設けられた複数の磁極部１３を一体に備えた積層鉄心１０と、磁極部１３の相互間に配置された永久磁石１１と、を有し、積層鉄心１０は、非磁性体により形成され、複数の磁極部１３を回転子３の回転方向に連結する第２の鋼板４０を有する。

Description

回転電機

　開示の実施形態は、回転電機に関する。

　特許文献１には、回転軸を囲む環状の連結部及び連結部の外側に極数に応じた数の扇形の磁極部を一体に形成した積層鉄心と、磁極部相互間に配置された角形の永久磁石と、鉄心の磁極部と連結部とにまたがり両端に拡大部を有する打抜孔とを備え、この打抜孔に充填挿入した非磁性の補強部材を設ける技術が記載されている。

実公平７－３６４５９号公報

　回転電機の回転子に設ける永久磁石として、ネオジム磁石等のレアアース磁石が広く用いられている。レアアース磁石は磁束密度が高いので、回転子の永久磁石を小さく抑えることが可能であるが、コストが高いという欠点がある。そこで、フェライト磁石等のコストの低い磁石を用いることが考えられるが、その場合にはレアアース磁石に比べて磁束密度が低いので、永久磁石の体積を大きくする必要がある。

　上記従来技術の回転子では、打抜孔に非磁性の補強部材を充填することで、永久磁石の漏洩磁束を減少しつつ、磁極部と連結部との接続部分の強度を向上させている。しかしながら、打抜孔により永久磁石の寸法（半径方向に垂直な方向の寸法）が制限されるので、永久磁石の体積を大きくすることが困難である。一方、永久磁石の体積を大きくするために打抜孔を有しない構成とした場合、補強部材が無くなると共に磁極部と連結部との接続部分の寸法が小さくなるので、鉄心の剛性が低下し、磁極部に加わるトルクや外力によっては鉄心に変形が生じる可能性がある。このように、永久磁石の体積と鉄心の剛性を両立することができないという問題があった。

　本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、永久磁石の体積を大きく確保しつつ鉄心の剛性を高めることができる回転電機を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、固定子と回転子を有する回転電機であって、前記回転子は、回転軸に固定された筒状の円筒部及び前記円筒部の半径方向外側に極数に応じて設けられた複数の磁極部を一体に備えた鉄心と、前記磁極部の相互間に配置された永久磁石と、を有し、前記鉄心は、非磁性体により形成され、少なくとも２つの前記磁極部を前記回転子の回転方向に連結する連結部を有する回転電機が適用される。

　本発明の回転電機によれば、永久磁石の体積を大きく確保しつつ鉄心の剛性を高めることができる。

実施形態の回転電機の全体構成を表す縦断面図である。図１中ＩＩ－ＩＩ断面に相当する断面図である。図２中Ａ部の部分拡大図である。積層鉄心の全体構造を表す斜視図である。円環状の第２の鋼板の平面図である。第２の鋼板を両端に設けた積層鉄心の全体構造を表す斜視図である。一部に円弧部を有しそれ以外が第１の鋼板と同形状である第２の鋼板を設けた積層鉄心の全体構造を表す斜視図である。一部に円弧部を有しそれ以外が第１の鋼板と同形状である第２の鋼板の平面図である。円筒部と磁極部との接続部分に肉盛部を設けた場合における図２中Ａ部の部分拡大図に相当する図である。

　以下、一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

　＜回転電機の構成＞
　まず、本実施形態の回転電機１の全体構成について図１を用いて説明する。図１に示すように、回転電機１は、半径方向に磁気的空隙を介して対向配置された固定子２及び回転子３を有し、回転子３を固定子２の内側に備えたインナーロータ型のモータである。具体的には、回転電機１は、回転子３の内部に永久磁石を備えたＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）モータである。この回転電機１は、電機子である上記固定子２と、界磁である上記回転子３と、固定子２の外周側に設けられたフレーム４と、フレーム４の負荷側（図１中右側）端部に設けられた負荷側ブラケット５と、負荷側ブラケット５に外輪が嵌合された負荷側軸受６と、フレーム４の反負荷側（図１中左側）端部に設けられた反負荷側ブラケット７と、反負荷側ブラケット７に外輪が嵌合された反負荷側軸受８と、負荷側軸受６及び反負荷側軸受８により回転自在に支持されたシャフト９（回転軸に相当）とを有している。

　＜回転子の構成＞
　次に、回転子３の構成について図２乃至図５を用いて説明する。図２に示すように、回転子３は、シャフト９の外周面に固定されている。この回転子３は、積層鉄心１０（鉄心に相当）と、複数（この例では１０）の永久磁石１１とを有している。

　図２乃至図４に示すように、積層鉄心１０は、シャフト９に固定された筒状の円筒部１２と、この円筒部１２の半径方向外側に極数に応じて放射線状に設けられた複数（この例では１０）の磁極部１３とを一体に備えている。すなわち、積層鉄心１０は、円筒部１２及び磁極部１３に対応する形状を備えた第１の鋼板３０（図２参照）がシャフト９の軸方向に積層されることで、筒状の円筒部１２から放射線状に１０の磁極部１３が半径方向外側に向けて突出した構造となっている。なお、図４では煩雑防止のため第１の鋼板３０による積層構造の図示を省略し、一体的に示している（後述の図６、図７も同様）。

　また図４に示すように、積層鉄心１０は、当該積層鉄心１０の一部として積層された第２の鋼板４０を有している。第２の鋼板４０（連結部、円環状鋼板に相当）は、非磁性体（例えば非磁性ステンレス鋼）により形成され、積層鉄心１０の軸方向における略中央位置に配置されている。図５に示すように、第２の鋼板４０は円環状に形成されており、中心部にシャフト９を貫通するための開口４０ａを有している。開口４０ａの口径はシャフト９の外径と略一致しており、積層鉄心１０の円筒部１２の内周面の一部を構成する。第２の鋼板４０は、複数の磁極部１３を回転子３の回転方向に連結する役目を果たす。

　また、積層鉄心１０は、円筒部１２の半径方向外側における磁極部１３の相互間（言い換えれば、隣接する磁極部１３同士の間）に、磁石用溝１４を有している。これらの磁石用溝１４には、永久磁石１１が接着により固定されている。なお、各磁石用溝１４は、第２の鋼板４０により積層鉄心１０の軸方向略中央位置において分割されている。これにより、各永久磁石１１の軸方向寸法は、積層鉄心１０の軸方向寸法の略半分となっている。

　磁極部１３は、本体部１６と接続部１７を有している。図３に示すように、本体部１６は、半径方向に垂直な方向の寸法Ｌ１が半径方向内側に向けて小さくなるように、断面視において略扇形状に形成されている。接続部１７は、本体部１６と円筒部１２とを接続しており、半径方向に垂直な方向の寸法Ｌ２が略一定である板状に形成されている。接続部１７は、上記磁石用溝１４に設置された後述の永久磁石１１のテーパ部１９相互間（言い換えれば、隣接する永久磁石１１のテーパ部１９同士の間）に位置している。

　永久磁石１１は、例えばフェライト磁石で構成されており、その半径方向内側に、半径方向に垂直な方向の寸法Ｌ３が半径方向内側に向けて小さくなるテーパ部１９を有している。各永久磁石１１は、各磁石用溝１４に径方向外側あるいは軸方向両端側より挿入されて、磁石用溝１４に接着により固定される。このとき、各永久磁石１１は、その内周面（半径方向内側の表面）が円筒部１２の外周面に接着され、その回転方向における両側面が磁極部１３の本体部１６及び接続部１７の側面に接着され、軸方向中央側の面が第２の鋼板４０に接着される。

　上記回転子３の構成により、回転電機１は、積層鉄心１０による磁束と永久磁石１１による磁束とが直軸方向に合成された磁束φｄ（図２参照）により発生するマグネットトルクを、回転子３のトルクとして利用する。なお、第２の鋼板４０は非磁性体であるので上記磁束φｄに影響を与えることはない。

　＜実施形態の効果＞
　一般に、回転電機の回転子に設ける永久磁石として、ネオジム磁石等のレアアース磁石が広く用いられている。レアアース磁石は磁束密度が高いので、回転子の永久磁石の体積を小さく抑えることが可能であるが、コストが高いという欠点がある。そこで、フェライト磁石等のコストの低い磁石を用いることが考えられるが、その場合にはレアアース磁石に比べて磁束密度が低いので、永久磁石の体積を大きくする必要がある。

　本実施形態の回転電機１において、永久磁石１１の体積を大きくするためには、永久磁石１１の半径方向に垂直な方向の寸法Ｌ３を大きくする必要がある。しかしながら、磁極部１３の接続部１７の寸法Ｌ２が小さくなるので、鉄心の剛性が低下し、磁極部１３に加わるトルクや外力によっては積層鉄心１０に変形が生じる可能性がある。

　本実施形態の回転電機１では、回転子３の積層鉄心１０が非磁性体により形成された第２の鋼板４０を有している。この第２の鋼板４０は、円筒部１２の外側に設けられた複数の磁極部１３を回転子３の回転方向に連結する。この磁極部１３の連結によって積層鉄心１０の剛性を高めることができるので、磁極部１３にトルクや外力が加わっても積層鉄心１０に変形が生じるのを防止できる。また、第２の鋼板４０によって積層鉄心１０の剛性を高めることができるので、磁極部１３の接続部１７の寸法Ｌ２を可能な範囲で最小限とすることができる。したがって、永久磁石１１の体積を大きく確保することができる。その結果、回転電機１の性能を維持しつつ、永久磁石１１として、ネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石等のレアアース磁石（希土類磁石）の代わりに、コストの低いフェライト磁石を用いることが可能となり、コストを大幅に削減した回転電機１を実現することができる。

　また、接続部１７の寸法Ｌ２を極力薄く構成することによって、漏洩磁束φ（図２参照）を減少することが可能となる。これにより、磁束φｄを多くすることができ、マグネットトルクを大きくすることができるので、回転子３のトルクを大きくすることが可能となる。

　また、本実施形態では特に、磁極部１３を連結する連結部として、積層鉄心１０の一部として積層された第２の鋼板４０を用いるので、永久磁石１１を円筒部１２の外周面及び磁極部１３の側面に加えて第２の鋼板４０に対しても接着することができる。したがって、永久磁石１１の接着面積を増加させることができるので、接着の信頼性を高めることができる。

　また、本実施形態では特に、第２の鋼板４０を円環状とするので、円筒部１２の外側に設けられた複数の磁極部１３の全部について連結することができる。これにより、積層鉄心１０の剛性を確実に、且つ、回転方向にバランス良く高くすることができる。

　また、本実施形態では特に、第２の鋼板４０を積層鉄心１０の軸方向における略中央位置に配置する。これにより、最小限（１枚）の第２の鋼板４０によって積層鉄心１０の剛性を軸方向にバランス良く高くすることができる。

　また、本実施形態では特に、第２の鋼板４０の開口４０ａが円筒部１２の内周面の一部としてシャフト９の外周面に固着されるので、例えばシャフト９と第２の鋼板４０との間に隙間がある場合に比べて第２の鋼板４０の変形が生じにくい。したがって、積層鉄心１０の剛性をより高める効果がある。さらに、積層鉄心１０が有する円筒部１２の内周面がシャフト９と密着して固定されることで、シャフト９と積層鉄心１０との固着面積を大きく確保することができ、シャフト９の回転トルクを回転子３に確実に伝達できる。したがって、回転電機１の信頼性を向上できる。

　＜変形例＞
　なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を順を追って説明する。

　（１）円環状の第２の鋼板を複数とする場合
　上記実施形態では、積層鉄心１０が１枚の第２の鋼板４０を有する場合を一例として説明したが、複数の第２の鋼板４０を有してもよい。図６に本変形例の一例を示す。

　図６に示す例では、積層鉄心１０Ａは２枚の第２の鋼板４０を有している。２枚の第２の鋼板４０は、積層鉄心１０Ａの軸方向における両端位置にそれぞれ配置され、それらの間に複数の第１の鋼板３０が積層されて、積層鉄心１０Ａが形成されている。その他の構成については、上記実施形態と同様である。

　本変形例によれば、全ての磁極部１３について軸方向両端位置で連結することができるので、上記実施形態のように１枚の第２の鋼板４０を用いる場合よりも積層鉄心１０Ａの剛性をさらに高めることができる。また、積層鉄心１０Ａと同じ軸方向長さの永久磁石１１を用いることができるので、永久磁石１１の分割が不要であり、部品点数を少なくできると共に組立性を向上できる。さらに、永久磁石１１の軸方向両端の面を第２の鋼板４０にそれぞれ接着することができるので、接着の信頼性をさらに高めることができる。

　なお、図６に示す例では第２鋼板４０を軸方向両端位置に配置したが、積層鉄心１０Ａの軸方向中間位置、例えば積層鉄心１０Ａの軸方向寸法を３等分する位置にそれぞれ配置してもよい。また、第２の鋼板４０の数は２枚に限定されるものではなく、３枚以上としてもよい。例えば３枚とする場合には、第２の鋼板４０を積層鉄心１０Ａの軸方向両端位置と中央位置に配置する構成等が考えられる。

　（２）第２の鋼板が円弧部を有する場合
　上記実施形態では、第２の鋼板４０を円環状としたが、この形状に限定するものではない。例えば、一部を円弧状とし、それ以外の部分を第１の鋼板３０と同形状としてもよい。図７及び図８に本変形例の一例を示す。

　図８に示すように、本変形例における第２の鋼板５０（円弧状鋼板に相当）は、その一部に円弧部５１を有し、この円弧部５１以外の部分が第１の鋼板３０と同形状、すなわち円筒部１２及び磁極部１３に対応する形状を備えている。円弧部５１は、円弧状に形成されており、この例では６つの磁極部１３を連結するように（言い換えれば５つの磁石用溝１４を遮断するように）設けられている。前述の第２の鋼板４０と同様に、第２の鋼板５０は非磁性体（例えば非磁性ステンレス鋼）により形成されている。第２の鋼板５０の内周側には、シャフト９を貫通するための開口５０ａが形成されている。開口５０ａの口径はシャフト９の外径と略一致しており、積層鉄心１０Ｂの円筒部１２の内周面の一部を構成する。

　本変形例では、第２の鋼板５０が２枚設けられている。図７に示すように、２枚の第２の鋼板５０は、積層鉄心１０Ｂの軸方向寸法Ｌを３等分する位置に軸方向にずらして配置されている。また、各々の第２の鋼板５０の円弧部５１が回転方向全体に亘って配置されるように、円弧部５１が回転方向における反対位置（１８０度ずれた位置）となるように配置されている。これにより、各々の第２の鋼板５０は、円弧部５１によって６つの磁極部１３を回転子３の回転方向にそれぞれ連結する。なお、各々の第２の鋼板５０が連結する６つの磁極部１３のうちの両端の磁極部１３は互いに重複することとなる。

　本変形例によれば、２枚の第２の鋼板５０の円弧部５１を積層鉄心１０Ｂの回転方向全体に亘って配置することができるので、積層鉄心１０Ｂの剛性を回転方向にバランス良く高くすることができる。また、２枚の第２の鋼板５０を積層鉄心１０Ｂの軸方向寸法を３等分する位置にそれぞれ配置するので、積層鉄心１０Ｂの剛性を軸方向についてもバランス良く高くすることができる。さらに、本変形例では長さの異なる複数種類の永久磁石１１（図７に示す例では軸方向寸法がＬ／３と（２Ｌ）／３である２種類の永久磁石１１）を使用することになる。これにより、当該回転電機１よりも軸方向寸法（容量）の小さい他の回転電機の永久磁石を適宜組み合わせて当該回転電機１に適用することが可能となり、異なる軸方向寸法（容量）の回転電機間において永久磁石の共通化を図ることができる。

　なお、第２の鋼板５０を必ずしも積層鉄心１０Ｂの軸方向寸法Ｌを等分する位置に配置する必要はない。例えば、第２の鋼板５０同士の間隔を第２の鋼板５０と積層鉄心１０Ｂの端部との間隔よりも大きくするように配置してもよい。

　また、上記では円弧部５１が６つの磁極部１３を連結する（５つの磁石用溝１４を遮断する）場合を一例として説明したが、これに限定されるものではない。円弧部５１が連結する磁極部１３の数（円弧部５１が遮断する磁石用溝１４の数）は、第２の鋼板５０の枚数や極数等に応じて適宜の値に変更可能である。例えば、極数が１２（磁極部１３及び磁石用溝１４の数が１２）で第２の鋼板５０を２枚とした場合、円弧部５１が遮断する磁石用溝１４の数は１２／２＝６となり、円弧部５１が連結する磁極部１３の数は６＋１＝７となる。また例えば、極数が１２で第２の鋼板５０を３枚とした場合、円弧部５１が遮断する磁石用溝１４の数は１２／３＝４となり、円弧部５１が連結する磁極部１３の数は４＋１＝５となる。同様に、極数が１２で第２の鋼板５０を４枚とした場合、円弧部５１が遮断する磁石用溝１４の数は１２／４＝３となり、円弧部５１が連結する磁極部１３の数は３＋１＝４となる。すなわち、第２の鋼板５０の枚数をｎ（但しｎは２以上の整数）とした場合に、円弧部５１を（極数／ｎ）個の磁石用溝１４を遮断する円弧形状、言い換えれば、（極数／ｎ）＋１個の磁極部１３を連結する円弧形状とすることができる。

　なお、第２の鋼板の数が３枚（ｎ＝３）である場合には、積層鉄心の軸方向寸法Ｌを４（＝３＋１）等分する位置にそれぞれ配置してもよく、第２の鋼板の数が４枚（ｎ＝４）である場合には、積層鉄心の軸方向寸法Ｌを５（＝４＋１）等分する位置にそれぞれ配置してもよい。これにより、上記変形例と同様の効果を得ることができる。

　また、上記では第２の鋼板５０の円弧部５１を積層鉄心の回転方向全体に亘って配置するようにしたが、回転方向における一部の領域にのみ配置し、複数の磁極部１３のうち一部の磁極部１３のみを連結してもよい。これにより、例えば他の磁極部１３よりも大きなトルクや外力が加わる磁極部１３（あるいは他の磁極部１３よりも強度の弱い磁極部１３）が存在する場合に、当該磁極部１３を連結させて積層鉄心の剛性を局所的に高めることが可能となり、設計の自由度を大きくすることができる。

　また、本変形例の第２の鋼板５０と上記実施形態の円環状の第２の鋼板４０の両方を設けてもよい。例えば、図７に示す積層鉄心１０Ｂの軸方向両端に円環状の第２鋼板４０をそれぞれ配置する構成等が考えられる。

　（３）円筒部と磁極部との接続部分を肉盛りする場合
　積層鉄心１０は、筒状の円筒部１２から複数の磁極部１３が半径方向外側に向けて突出した構造となっているので、磁極部１３にトルクや外力が加わった際に円筒部１２と磁極部１３との接続部分には応力が集中し易い。そこで図９に示すように、円筒部１２と磁極部１３（詳細には接続部１７）とを接続する接続部分Ｃに肉盛部１５を設けてもよい。これにより、当該接続部分Ｃの強度を大きくすることができるので、積層鉄心１０の剛性をさらに高めることができる。

　（４）その他
　上記実施形態では、回転電機１の鉄心を積層鉄心１０としたが、例えば圧粉磁心を用いる等により、積層鋼板でない鉄心としてもよい。圧粉磁心は、鉄等の強磁性体を微細な粉末とし、その表面を絶縁被膜で覆い、圧縮して固めることで成形されるが、この際に磁極部１３を連結する形状に直接成形してもよいし、第２の鋼板をインサート成形してもよい。

　また、上記実施形態では、回転電機１が回転子３を固定子２の内側に備えたインナーロータ型である場合を一例として説明したが、これに限られず、回転電機が回転子を固定子の外側に備えたアウターロータ型である場合にも適用可能である。

　また、上記実施形態では、回転電機１がモータである場合を一例として説明したが、これに限られず、回転電機が発電機である場合にも適用することができる。

　また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

　その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

　１　　　　　　回転電機
　２　　　　　　固定子
　３　　　　　　回転子
　９　　　　　　シャフト（回転軸）
　１０　　　　　積層鉄心（鉄心）
　１０Ａ　　　　積層鉄心（鉄心）
　１０Ｂ　　　　積層鉄心（鉄心）
　１１　　　　　永久磁石
　１２　　　　　円筒部
　１３　　　　　磁極部
　１５　　　　　肉盛部
　３０　　　　　第１の鋼板
　４０　　　　　第２の鋼板（連結部、円環状鋼板）
　５０　　　　　第２の鋼板（連結部、円弧状鋼板）
　Ｃ　　　　　　接続部分

Claims

　固定子と回転子を有する回転電機であって、
　前記回転子は、
　回転軸に固定された筒状の円筒部及び前記円筒部の半径方向外側に極数に応じて設けられた複数の磁極部を一体に備えた鉄心と、
　前記磁極部の相互間に配置された永久磁石と、を有し、
　前記鉄心は、
　非磁性体により形成され、少なくとも２つの前記磁極部を前記回転子の回転方向に連結する連結部を有する
ことを特徴とする回転電機。
　前記鉄心は、
　前記円筒部及び前記磁極部に対応する形状を備えた第１の鋼板が前記回転軸の軸方向に積層された積層鉄心であり、
　前記連結部は、
　前記積層鉄心の一部として積層され、少なくとも２つの前記磁極部を前記回転子の回転方向に連結する形状を備えた１以上の第２の鋼板である
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
　前記第２の鋼板は、
　円環状鋼板を含む
ことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
　前記第２の鋼板は、
　その一部に円弧部を有し、前記円弧部以外の部分が前記第１の鋼板と同形状である円弧状鋼板を含む
ことを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
　前記第２の鋼板のうち少なくとも１枚は、
　前記積層鉄心の前記軸方向における略中央位置に配置されている
ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の回転電機。
　前記第２の鋼板のうち少なくとも２枚は、
　前記積層鉄心の前記軸方向における両端位置にそれぞれ配置されている
ことを特徴とする請求項５に記載の回転電機。
　前記鉄心は、
　前記円筒部と前記磁極部とを接続する接続部分に肉盛部を有する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転電機。