WO2014122947A1 - 永久磁石埋め込み式回転電機 - Google Patents

Abstract

ロータの強度に優れ、低コストで製造することができ、大きなトルクの得られ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。外周縁部（３３）には、隣接する極間に向けての永久磁石（３４ａ、３４ｂ）の移動を規制する永久磁石位置決め突起（３８ａ、３８ｂ）が設けられている。

Description

永久磁石埋め込み式回転電機

　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４（ａ）、図４（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４（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４（ａ）に示す積層鋼板１１と、図４（ｂ）に示す積層鋼板１２を、図４（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４（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４（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４（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、形状の異なる複数種類のロータ鋼材によりロータが構成されていたため、次のような問題があった。まず、ロータの製造時に、ロータ鋼材を製造するための複数種類の打ち抜き型が必要になり、部材・型の管理が煩雑になる問題があった。また、形状の異なるロータ鋼材は強度特性が互いに異なる。それにも拘わらず、従来の永久磁石埋め込み式回転電機では、複数種類のロータ鋼材の各間で、磁石・シャフトの形状・配置を同一とする必要がある。このため、磁石・シャフトの形状・配置の設計範囲が大幅に狭められることとなる。この結果、小さな磁石・細いシャフトとせざるを得ず、このため、回転電機の回転数若しくはトルクが大きく制限される。また、形状の異なる複数種類のロータ鋼材を積層させてロータを構成する場合、ロータの設計時に、３次元での磁界計算・強度計算が必要であり、計算負荷が増大し、また、計算精度が低下する問題があった。また、形状の異なる複数種類のロータ鋼材は、一体物の鋼材から例えばワイヤカットなどによる除去加工によって形成することができない。このため、加工コストが増大する問題があった。

　また、従来の永久磁石埋め込み式回転電機は、ロータを構成する２種類の鋼板のうちの１種類にサイドブリッジ１９ａおよび１９ｂがあるため、以下の問題があった。まず、サイドブリッジ１９ａおよび１９ｂがあることにより、永久磁石の漏れ磁束が依然として少なからず残存しており、また、磁気抵抗もゼロには程遠い。これがロータに発生させるトルクを増加させるのを妨げていた。また、従来の永久磁石埋め込み式回転電機は、ロータにサイドブリッジ１９ａおよび１９ｂがあるため、ロータ軸方向の風通しが悪い。このロータの風通しの悪さが、ロータ、その中でも特に永久磁石の冷却を妨げる要因となっていた。また、ロータにサイドブリッジ１９ａおよび１９ｂがあるため、遠心力に対して永久磁石を支える力が不均一になり、永久磁石内部に大きな応力が発生する、という問題があった。

　また、一般に永久磁石埋め込み式回転電機は、シャフトに対してロータ鋼材を嵌め合い固定する場合に、ロータ鋼材に周方向の組み立て残留応力が残る。この組み立て残留応力が主に残留する範囲は、ロータ軸を中心とした円周上に穴や切り欠きが存在しない半径範囲（つまりリング状につながっている範囲）である。従来例の場合、サイドブリッジ１９ａおよび１９ｂがあるので、ロータの最外周にはリング状領域があり、この最外周のリング状領域には引張残留応力が残る。また、サイドブリッジ１９ａおよび１９ｂには、ロータの回転時に遠心力に起因したせん断応力が加わる。従って、ロータの回転時にサイドブリッジ１９ａおよび１９ｂが破損するのを防止するために、サイドブリッジ１９ａおよび１９ｂの幅を広げる必要がある。このため、従来例では、漏れ磁束を削減することが困難であった。

　また、従来例では、センタブリッジ１９ｃのある位置の近くに大きな組み立て残留応力が残存する。一方、ロータの回転時には、遠心力による大きな引っ張り応力（以下、遠心応力）がセンタブリッジ１９ｃに発生する。従来の永久磁石埋め込み式回転電機のロータは、この組み立て残留応力が発生する領域と、遠心応力が発生する領域が近接しており、ロータの強度設計が難しかった。ロータの高速回転を可能にするためには、引張残留応力の発生範囲に大きな応力が発生しないようにする必要がある。この応力緩和のために、例えばセンタブリッジ１９ｃに曲率半径の大きな面取りを行うことも考えられる。しかし、そのような曲率半径の大きな面取りを施すと、磁石を配置するスペースが減り、トルクが制限される。このように、従来例においては、応力を緩和する有効な手段がなかったため、ロータの回転数が制約されたり、あるいは磁石の大きさが制約されてトルクが制約されるといった問題があった。

　また、一般に、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、磁石埋め込み穴の外側に穴や窪みのないリング状の最外周領域のあるロータの場合、最外周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。このため、従来の永久磁石埋め込み式回転電機は、ロータの外周面に凹凸を設けてトルクを高めることが困難であった。

　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、その第１の目的は、ロータの強度に優れ、かつ、低コストで製造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ことにある。また、この発明の第２の目的は、ロータの強度を低下させることなく、ロータが発生するトルクを増加させることにある。

　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、ロータ外周と前記永久磁石を収容する磁石埋め込み穴が連通しているロータを有することを特徴とする永久磁石埋め込み式電動機を提供する。

　かかる発明によれば、磁石埋め込み穴をロータ外周に連通させたため、ロータの最外周に組み立て残留応力の残存領域が発生しない。このため、回転時におけるロータの強度を高めることができる。また、磁石埋め込み穴をロータ外周に連通させる構成であり、そもそもサイドブリッジが不要であるため、漏れ磁束低減のためにサイドブリッジのない鋼板とサイドブリッジのある鋼板とを組み合わせてロータを構成する必要もない。従って、１種類の鋼板のみを積層させてロータを製造し、あるいは一体物の金属塊からロータを製造することができ、製造コストを低下させることができる。

　好ましい態様において、前記ロータは、隣接する極間にロータ回転中心軸から離れる方向に突出したｑ軸突起を有する。

　この態様によれば、ｑ軸磁束に対する磁気抵抗を減らしてリラクタンストルクを高めることができ、ロータのトルクを増大させることができる。

　他の好ましい態様において、磁石埋め込み穴の内周壁におけるロータ回転中心軸側の領域は、隣接する極間の中心から離れて前記２個の磁石埋め込み穴の間に近づくに従ってロータ回転中心から離れる方向に張り出している。

　この態様において、組み立て残留応力は、遠心応力が強く発生する部位には殆ど発生しない。すなわち、遠心応力が主に発生するのは、前記２個の磁石埋め込み穴の間に位置する細い部分（センタブリッジ部分）のロータ鋼材であり、この細い部分と同一半径上には磁石埋め込み穴がある。このように磁石埋め込み穴により同一半径上でリング状のつながりが切れている領域にあるため、細い部分には組み立て残留応力は殆ど発生しない。この様にして遠心応力が主に発生する領域と、組み立て残留応力が主に発生する領域とを、分散して配置できるため、ロータの回転数を高めることができたり、或いは磁石を大きくしてトルクを高めたりしやすい。

　他の好ましい態様において、永久磁石埋め込み式電動機は、前記磁石埋め込み穴の内壁のうち前記永久磁石からみてロータ半径方向外側にある領域に、永久磁石の移動を規制する位置決め突起を有する。なお、永久磁石の固定を補助するために接着剤を使用してもよい。

　この態様によれば、位置決め突起により、永久磁石のロータ回転方向における位置を固定し、安定した磁束を発生することができる。

　他の好ましい態様では、ロータ回転中心軸からみて永久磁石の外側のロータ鋼材の外周面の一部または全部が、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い曲率半径を有している。

　この態様によれば、ロータが発生するトルクの脈動成分を減らし、トルクを増加させることができる。

この発明の一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１極分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１極分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。
　図１はこの発明の一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の構成にある。図２は本実施形態におけるロータ３の１極分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の１極分を見た正面図である。なお、図３では、ロータ３の構成の理解を容易にするため、１極分の構成に加えて、その回転方向両隣の極の構成を破線により示した。

　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３６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。
　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。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。このロータの組み立て時に発生する残留応力は、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遠心応力が発生する。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遠心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遠心応力は引っ張り応力であるため、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。

　さらに本実施形態によるロータ３には冷却面でも利点がある。すなわち、ロータ３は、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３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。

　さらに全ての磁石埋め込み穴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。一方、凹凸部に力が加わると、応力集中と呼ばれる現象により、局所的に高い応力が発生することが広く知られている。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。このため従来例のロータにおいて、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容易である。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。このように、本実施形態では、発生応力を高めることなく、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、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。

　以上のように、本実施形態によれば、ロータの強度に優れ、低コストで製造することができ、大きなトルクの得られる永久磁石埋め込み式回転電機を実現することができる。

　以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば上記実施形態ではこの発明をモータに適用したが、この発明は発電機にも勿論適用可能である。

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。

Claims (10)

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、
   　ロータ外周と前記永久磁石を収容する磁石埋め込み穴が連通しているロータを有することを特徴とする永久磁石埋め込み式電動機。
2. 　前記ロータは、隣接する極間にロータ回転中心軸から離れる方向に突出したｑ軸突起を有す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電動機。
3. 　磁石埋め込み穴の内周壁におけるロータ回転中心軸側の領域は、隣接する極間の中心から離れて前記２個の磁石埋め込み穴の間に近づくに従ってロータ回転中心から離れる方向に張り出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電動機。
4. 　前記磁石埋め込み穴の内壁のうち前記永久磁石からみてロータ半径方向外側にある領域に、永久磁石の移動を規制する位置決め突起を有することを特徴とする請求項１～３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。
5. 　ロータ回転中心からみて永久磁石の外側のロータ鋼材の外周面の一部または全部が、ロータ回転中心軸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とを特徴とする請求項１～３に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
6. 　接着剤により前記永久磁石の固定を補助したことを特徴とする請求項１～３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。
7. 　ロータ回転中心からみて永久磁石の外側のロータ鋼材の外周面の一部または全部が、ロータ回転中心軸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。
8. 　接着剤により前記永久磁石の固定を補助した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。
9. 　接着剤により前記永久磁石の固定を補助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。
10. 　接着剤により前記永久磁石の固定を補助したことを特徴とする請求項７に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
     

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