WO2015189938A1 - 永久磁石埋込型電動機 - Google Patents

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WO2015189938A1
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permanent magnet
core
magnetic
rotor
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直弘 桶谷
馬場　和彦
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三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
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    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
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    • H02K1/2766—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect
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    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
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    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the present invention relates to a permanent magnet embedded type electric motor.
  • a general embedded permanent magnet electric motor includes a stator core and a rotor in which a permanent magnet is embedded in a rotor core disposed on the inner diameter side of the stator core.
  • the rotor core is made by punching electromagnetic steel sheets into a predetermined shape and laminating multiple punched electromagnetic steel sheets while caulking them. Magnets are inserted into the rotor core at approximately equal intervals in the circumferential direction corresponding to the number of magnetic poles of the permanent magnet. A hole is formed. Each magnet insertion hole extends in the axial direction, and a permanent magnet is inserted into each magnet insertion hole.
  • each permanent magnet inserted into each magnet insertion hole is connected by a thin portion formed between the magnetic poles of the permanent magnet.
  • the magnetic flux generated by each permanent magnet returns to the rotor core again after passing through the core back of the stator core.
  • a part of the magnetic flux emitted from the surface of each permanent magnet remains inside the rotor core by passing through the thin wall portion, and becomes a leakage magnetic flux that returns to the permanent magnet without going to the core back. That is, a part of the magnetic flux emitted from one surface of each permanent magnet passes through the thin part and enters the other surface of the permanent magnet without passing through the stator iron core.
  • Such a leakage magnetic flux does not contribute to torque and causes an increase in rotor iron loss. Therefore, it is preferable to suppress as much as possible. Thus, since the thin part formed between the magnetic poles becomes a path for leakage magnetic flux, it is desirable that the width be as small as possible.
  • the centrifugal force during high-speed rotation of the rotor of the permanent magnet embedded motor acts on the permanent magnet
  • the centrifugal force acting on each part of the rotor core is It increases in proportion to the square of the number. Therefore, it is necessary to increase the strength of the portion supporting the radially outer surface of the permanent magnet in the thin portion of the rotor core. For example, the width of the thin portion must be increased in proportion to the square of the rotational speed. Absent.
  • each of the permanent magnet and the magnet insertion hole constituting each magnetic pole is divided into two or more in the circumferential direction. It is conceivable to provide a bridge for connecting the radially outer side and the radially inner side of the rotor core between the magnet insertion holes.
  • this bridge like the thin portion between the magnetic poles described above, becomes a path for leakage magnetic flux, and the width in the circumferential direction of the magnet is reduced by the width of the bridge. Therefore, the provision of the bridge and the reduction in the circumferential width of the magnet reduce the effective magnetic flux that contributes to the torque, and in order to compensate for this, there is a problem that the physique of the permanent magnet embedded motor expands. is there.
  • high-strength steel plate As a method that does not depend on the installation of the bridge, it is considered to use a steel plate (hereinafter referred to as “high-strength steel plate”) that has better mechanical strength than the electromagnetic steel plate made of silicon steel or armco iron for the rotor core. It is done.
  • high strength steel sheets are inferior to magnetic steel sheets in magnetic properties, particularly iron loss characteristics. Therefore, replacing the entire rotor core from electromagnetic steel sheets to high strength steel sheets greatly increases rotor iron loss. Therefore, iron cores made of electromagnetic steel plates are used for the part where most of the iron loss of the rotor occurs, that is, radially outer parts of the permanent magnets, and iron cores made of high-strength steel plates for the other parts. It is necessary to devise such as using.
  • the rotating shaft has an iron core portion (hereinafter referred to as “A portion”) on the radially outer side of a plurality of permanent magnets, and an iron core portion other than the A portion (hereinafter referred to as “B portion”). It is comprised by this.
  • B part is comprised by the iron core part inside the radial direction of each permanent magnet, and the iron core part between each magnetic pole. Silicon steel or arm iron with excellent magnetic properties is used for the A part, and carbon steel with better mechanical strength than the A part is used for the B part.
  • the iron core part between magnetic poles is formed in T shape.
  • this T-shaped iron core is referred to as an “engagement portion”.
  • the engaging portion extends radially outward from the outer peripheral portion of the B portion between the magnetic poles, and its tip branches in a T-shape. Furthermore, a concave portion that engages with the convex portion at the circumferential end portion of the A portion is formed at the tip of the portion branched in a T-shape.
  • Patent Document 1 it is possible to increase the strength against centrifugal force, but this document does not disclose a method for reducing the leakage magnetic flux.
  • the strength of centrifugal force can be increased, but there is a problem that an increase in iron loss and leakage magnetic flux cannot be suppressed.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain an embedded permanent magnet electric motor that can suppress an increase in iron loss and leakage magnetic flux while ensuring mechanical strength that can withstand centrifugal force. .
  • the present invention provides a permanent magnet embedded type electric motor in which a plurality of magnets are embedded in a rotor core, and the rotor core includes a plurality of electromagnetic steel plates laminated.
  • a plurality of first iron cores formed and disposed radially outside each magnet, and a plurality of electromagnetic steel plates having a mechanical strength higher than the mechanical strength of the plurality of electromagnetic steel plates of each first iron core.
  • An inner core formed by stacking and disposed radially inside each magnet, and a plurality of inter-pole cores formed integrally with the inner core and disposed between the magnetic poles of each magnet.
  • each inter-magnetic core extends from the circumferential end of each first iron core to the inner iron core so as to regulate the position of each first iron core.
  • a flux is formed between each magnet and each iron core between the magnetic poles. The rear is formed.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of an embedded permanent magnet electric motor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the rotor core shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a rotor in which a permanent magnet is embedded in the magnet insertion hole of FIG.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the intermagnetic core shown in FIG. 3 and its periphery.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a rotor core of a permanent magnet embedded electric motor according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a rotor core of a permanent magnet embedded electric motor according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of an embedded permanent magnet electric motor 100 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the rotor iron core 5 shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the rotor 1 in which the permanent magnet 7 is embedded in the magnet insertion hole 9 of FIG.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the intermagnetic core 5B2 shown in FIG. 3 and its periphery.
  • the embedded permanent magnet motor 100 includes a rotor 1, a stator 2, a frame 3, and a bracket 4.
  • the frame 3 is formed in a bottomed cylindrical shape, and one end in the axial direction of the frame 3 is formed in a bowl shape toward the radially outer side.
  • the flange portion 3 a formed in a hook shape is disposed so as to be in contact with the flange portion 4 a formed in the bracket 4.
  • a projecting concave portion 3 c is formed toward the counterload side (the lower side in FIG. 1) of the rotor 1.
  • a bearing 10 that supports the shaft 6 on the side opposite to the load of the rotor 1 is disposed in the recess 3c.
  • a wave washer 12 is disposed between the bottom surface (seat surface portion 3 b) of the recess 3 c and the bearing 10. Since the wave washer 12 urges the outer ring of the bearing 10 in the axial direction, the bearing 10 can be preloaded and vibration of the shaft 6 can be suppressed.
  • the bracket 4 is formed in a cylindrical shape, and one end in the axial direction of the bracket 4 is formed in a bowl shape toward the radially outer side.
  • the flange portion 4 a formed in a hook shape is disposed so as to be in contact with the flange portion 3 a formed in the frame 3.
  • a projecting recess 4c is formed toward the load side of the rotor 1 (upper side in FIG. 1).
  • a bearing 11 that supports the shaft 6 on the load side of the rotor 1 is disposed in the recess 4c.
  • a hole 4d for passing the load-side shaft 6 of the rotor 1 is formed in the center of the bottom surface (seat surface portion 4b) of the recess 4c.
  • the fastening member After installing the bracket 4 so as to close the opening of the frame 3, the fastening member is inserted into the flange portion 3a and the flange portion 4a, and the bracket 4 is fixed to the frame 3 by fastening the fastening member.
  • the stator 2 has an annular stator core 13 and a winding 14 to which electric power from the outside is supplied.
  • the stator 2 is fixed to the inside of the frame 3 by a method such as shrink fitting.
  • the stator iron core 13 is formed by laminating a plurality of electromagnetic steel sheets punched into a predetermined shape in the axial direction.
  • a plurality of teeth are provided on the inner peripheral side of the stator core 13 at equal intervals in the circumferential direction.
  • Each tooth is wound with a winding 14 via an insulator (not shown).
  • the rotor 1 is arranged on the inner diameter side of the stator 2 with a predetermined gap 15 therebetween.
  • the rotor 1 includes an annular rotor core 5, a shaft 6, a plurality of permanent magnets 7 (magnets), and an end plate 8.
  • the rotor 1 is disposed through a gap 15 on the inner diameter side of the rotor core 5.
  • a shaft 6 is provided at the center of the rotor 1.
  • a plurality of magnet insertion holes 9 (see FIG. 2) corresponding to the number of magnetic poles are arranged in the rotor core 5 constituting the rotor 1.
  • Each magnet insertion hole 9 is a hole for inserting a magnet in a space surrounded by a radially inner side surface 5A3 of the first iron core 5A described later, a radially outer side surface 5B1a of the second iron core 5B, and the flux barrier 16. Is formed. Each magnet insertion hole 9 extends in the axial direction so as to penetrate both ends of the rotor core 5.
  • the inner iron core 5B1 has a plurality of protrusions 5B1b for restricting the movement of each permanent magnet 7 (see FIG. 4).
  • Each protrusion 5B1b is formed at both ends in the circumferential direction on the radially inner side surface 5B1a of the inner iron core 5B1.
  • the protrusion 5B1b becomes the shortest magnetic path of the magnetic flux generated by the winding 14, and irreversible demagnetization tends to occur when the permanent magnet 7 is crossed in the direction opposite to the magnetization direction of the permanent magnet 7. Therefore, it is desirable that the height in the radial direction of the protrusion 5B1b be as small as possible within a range in which each permanent magnet 7 can be held.
  • each magnet insertion hole 9 permanent magnets 7 having different polarities are alternately arranged in the circumferential direction.
  • the number of poles of the permanent magnet 7 is six (see FIG. 3), but the number of magnetic poles of the permanent magnet 7 is not limited to this.
  • each permanent magnet 7 shown in FIG. 3 is a flat plate having a rectangular cross section, but the shape of each permanent magnet 7 is not limited to this, and for the purpose of reducing noise and improving demagnetization resistance. Other shapes may be used.
  • the shape of the radial inner surface 5A3 of the first iron core 5A and the shape of the radial outer surface 5B1a of the inner iron core 5B1 of the second iron core 5B are formed in a shape corresponding to the shape of each permanent magnet 7. It shall be.
  • Disc-shaped end plates 8 are attached to both end faces of the rotor core 5 (see FIG. 1). Each end plate 8 is for preventing the permanent magnet 7 inserted in each magnet insertion hole 9 from coming out.
  • a through hole is provided in each of the rotor core 5 and the end plate 8, and the through hole is fastened with a bolt, or It is also possible to squeeze the through hole with a rivet.
  • an inlay structure may be provided on the contact surface between the end surface of the rotor core 5 and the end plate 8, and the end plate 8 may be attached to the end surface of the rotor core 5.
  • a concave portion is formed on the surface of the rotor core 5 facing the end plate 8
  • a convex portion is provided on the surface of the end plate 8 facing the rotor core 5, so that the convex portion and the concave portion are fitted together. Composed.
  • a shaft fitting hole 18 is provided at the radial center of the rotor core 5.
  • a shaft 6 for transmitting rotational energy is fitted into the shaft fitting hole 18 by shrink fitting or press fitting.
  • the shaft 6 has a cylindrical shape, and the shaft fitting hole 18 has a shape corresponding to this.
  • the both ends of the shaft 6 fitted in the shaft fitting hole 18 are rotatably supported by the bearing 11 arranged in the bracket 4 and the bearing 10 arranged in the frame 3.
  • the rotor core 5 includes a plurality of first iron cores 5A and a second iron core 5B.
  • Each of the first iron cores 5A is formed by punching and stacking a plurality of electromagnetic steel plates made of silicon steel, armco iron or the like having excellent magnetic properties.
  • Each first iron core 5 ⁇ / b> A is disposed on the radially outer side of each permanent magnet 7 (see FIG. 3).
  • the second iron core 5B is formed by punching a high-strength steel plate made of carbon steel having a higher mechanical strength than the electromagnetic steel plate of each first iron core 5A and laminating a plurality thereof.
  • the second iron core 5B is composed of an inner iron core 5B1 and a plurality of inter-magnetic cores 5B2.
  • the inner iron core 5B1 is arranged on the inner side in the radial direction of each permanent magnet 7, and each inter-magnetic core 5B2 is formed integrally with the inner iron core 5B1 and arranged between the magnetic poles 17 of each permanent magnet 7.
  • the first iron core 5 ⁇ / b> A and the second iron core 5 ⁇ / b> B are arranged such that when each permanent magnet 7 is disposed, the outer peripheral surface 5 ⁇ / b> B ⁇ b> 2 a of each inter-magnetic core 5 ⁇ / b> B ⁇ b> 2 and the outer peripheral surface of each first iron core 5 ⁇ / b> A. 5A1 is located on the same circumference.
  • Each inter-magnetic core 5B2 includes a trunk portion 5B21 extending radially outward from the inner iron core 5B1, and two branch portions 5B22 in which the end portion of the trunk portion 5B21 branches in two and comes into contact with the circumferential end portion 5A2 of each first iron core 5A. And have.
  • each inter-magnetic core 5B2 extends from the inner core 5B1 to the circumferential end 5A2 of each first core 5A so as to regulate the radial and circumferential positions of each first core 5A.
  • the cross-sectional shape is T-shaped.
  • each branch portion 5B22 When each permanent magnet 7 is disposed, the distal end portion 5B22A of each branch portion 5B22 has its circumferential contact surface 5B22a in contact with the circumferential contact surface 5A22 of each first iron core 5A and its radial contact surface. 5B22b is in contact with the radial contact surface 5A21 of each first iron core 5A. That is, the front end portion 5B22A of each branch portion 5B22 is formed to regulate the circumferential position and radial position of each first iron core 5A.
  • each first iron core 5A and each permanent magnet 7 are caused by this centrifugal force. It is possible to reliably prevent the magnet 7 from coming off the rotor core 5.
  • a flux barrier 16 which is a gap for preventing magnetic flux short-circuiting is formed between each permanent magnet 7 and each inter-magnetic core 5B2. Twelve flux barriers 16 are formed on the rotor core 5 of FIG.
  • the flux barrier 16 is formed, for example, from the contact surface between the first iron core 5A and each inter-magnetic core 5B2 to the circumferential end surface 7c of each permanent magnet 7.
  • the contact surface between the first iron core 5A and each inter-magnetic core 5B2 is the contact surface in the radial direction between the first iron core 5A and the inter-magnetic core 5B2, and the first iron core 5A and the inter-magnetic core 5B2. And the contact surface in the circumferential direction.
  • the contact surface in the radial direction means the radial contact surface 5A21 of the first iron core 5A and the radial contact surface 5B22b of the inter-magnetic core 5B2, and the contact surface in the circumferential direction is the first iron core. It means the circumferential contact surface 5A22 of 5A and the circumferential contact surface 5B22a of the inter-magnetic core 5B2.
  • the rotor iron core 5 includes a plurality of first iron cores 5A using magnetic steel sheets having excellent magnetic properties and a second iron core 5B using high-strength steel sheets having excellent mechanical strength.
  • the flux barrier 16 is provided.
  • each permanent magnet 7 disposed in each magnet insertion hole 9 are connected by an inter-magnetic core 5B2 formed between the magnetic poles 17 of the permanent magnet 7.
  • the magnetic flux generated by each permanent magnet 7 returns to the rotor core 5 again after passing through, for example, the stator core 13 (see FIG. 1). However, a part of the magnetic flux emitted from each permanent magnet 7 becomes leakage magnetic flux that does not contribute to torque by passing through the inter-magnetic core 5B2.
  • the rotor iron core 5 is required to have mechanical strength that can withstand this centrifugal force.
  • the mechanical strength that can withstand the centrifugal force during high-speed rotation of the rotor 1 can be satisfied, but when a general electromagnetic steel plate that is not a high-strength steel plate is used. In comparison, the rotor iron loss increases.
  • the rotor core 5 includes a plurality of first iron cores 5A using magnetic steel sheets having excellent magnetic properties and a second steel core using high-strength steel sheets having excellent mechanical strength. It comprises the iron core 5B and has a flux barrier 16.
  • the first iron core 5A in which most of the iron loss of the entire rotor is generated, is made of an electromagnetic steel sheet, and therefore, it is possible to suppress an increase in rotor iron loss. it can.
  • the inter-magnetic core 5B2 supporting the centrifugal force acting on the first iron core 5A and the permanent magnet 7 is composed of a high-strength steel plate, it is possible to improve the strength of the centrifugal force.
  • the flux barrier 16 has a role of narrowing the width of the magnetic path through which the leakage magnetic flux passes. That is, the flux barrier 16 has a role of narrowing the circumferential width of the trunk portion 5B21 through which the leakage magnetic flux passes and the radial width of the branch portion 5B22 through which the leakage magnetic flux passes. In other words, the flux barrier 16 has a role of increasing the effective magnetic flux. With this configuration, short-circuiting of the magnetic flux at the circumferential end portion of each permanent magnet 7 is prevented, and this magnetic flux is easily transferred to the stator 2 (see FIG. 1), and the generated torque can be increased.
  • the magnetic flux flowing on the surface of the rotor core 5 can be made close to a sine wave shape, and the rotor iron loss can be reduced. Noise can be reduced.
  • the branch portion 5B22 may be configured as follows. 4, the number of magnetic poles is P, the angular velocity (maximum angular velocity) of rotation of the rotor 1 is ⁇ , the thickness of each high-strength steel plate constituting the second iron core 5B is t, the strength of each high-strength steel plate is ⁇ y , The mass of one pole of the first iron core 5A having a thickness corresponding to the plate thickness t and the permanent magnet 7 is m, the distance from the center of gravity G of the set to the shaft center C is r, and the branch portion 5B22 When the radial width of the branch part 5B22 at a position spaced apart from the circumferential contact surface 5B22a of the distal end part 5B22A by a certain distance x in the circumferential direction toward the inter-magnetic core 5B2 is h, the radial width h of the branch part 5B22 Is set to satisfy the equation (1).
  • the radial width h of the branch portion 5B22 is The safety factor is determined by equation (2), where ⁇ is a value ( ⁇ is a value greater than 1).
  • the value of the safety factor ⁇ is set in consideration of material characteristics, manufacturing variations, and the like. Further, the strength ⁇ y of each high-strength steel sheet is usually obtained by using a yield stress, and if fatigue becomes a problem (the frequency at which the rotational speed changes frequently), a fatigue limit may be used.
  • the magnitude F of the centrifugal force acting on the one-pole assembly of the first iron core 5A having the thickness corresponding to the plate thickness t and the permanent magnet 7 is the largest when the rotor 1 is rotated at the maximum angular velocity ⁇ . It becomes large and is expressed as in equation (3).
  • the angle ⁇ can be regarded as the equation (5).
  • equation (4) is expressed as equation (6).
  • the branch portion 5B22 having a thickness corresponding to the plate thickness t is concentrated on the tip portion 5B22A ( It can be regarded as a cantilever beam to which force f) is applied.
  • the bending moment M at the position of the constant distance x described above is expressed as in equation (8).
  • the flux barrier 16 of the present embodiment is formed from the contact surface between the first iron core 5A and each inter-magnetic core 5B2 to the circumferential end surface 7c of each permanent magnet 7. You may form only in the area
  • the rotor iron core 5 of the permanent magnet embedded electric motor 100 is formed by laminating a plurality of electromagnetic steel plates, and a plurality of magnetic cores arranged radially outside each permanent magnet 7.
  • the first iron core 5A and a plurality of electromagnetic steel plates (high strength steel plates) having a mechanical strength higher than the mechanical strength of the plurality of electromagnetic steel plates of the first iron core 5A are laminated,
  • Each inter-magnetic core 5B2 is formed from the circumferential end 5A2 of each first iron core 5A to the inner iron core 5B1 so as to regulate the position of each first iron core 5A. Between the permanent magnet 7 and the iron core 5B2 between the magnetic poles, Kusubaria 16 is formed.
  • the increase in the rotor iron loss can be suppressed by configuring the first iron core 5A, in which most of the iron loss of the entire rotor is generated by the magnetic steel sheet.
  • the inter-magnetic core 5B2 supporting the centrifugal force acting on the first iron core 5A and the permanent magnet 7 is made of a high-strength steel plate, the strength against centrifugal force can be improved. That is, it is possible to achieve both improvement in centrifugal strength and suppression of increase in iron loss.
  • the effective magnetic flux can be increased by the flux barrier 16, the generated torque can be increased.
  • the flux barrier 16 is formed from the contact surface between each first iron core 5A and each inter-magnetic core 5B2 to the circumferential end surface 7c of each permanent magnet 7. Compared with the case where the flux barrier 16 is formed only in a part of the region between the contact surface between the first iron core 5A and each inter-magnetic core 5B2 and the circumferential end surface 7c of each permanent magnet 7 by this configuration. Thus, an increase in leakage magnetic flux can be suppressed.
  • the inner iron core 5B1 has a plurality of protrusions 5B1b that are formed at both ends in the circumferential direction of the radial outer surface 5B1a with which the permanent magnets 7 are in contact, and that regulate the positions of the permanent magnets 7. It is formed from the contact surface between the first iron core 5A and each inter-magnetic core 5B2 to each projection 5B1b. With this configuration, since the circumferential end surface 7c of each permanent magnet 7 is held by each protrusion 5B1b, the permanent magnet 7 can be held so as not to move during driving, and an increase in leakage magnetic flux can be suppressed. Is possible.
  • FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view of rotor core 5 of embedded permanent magnet electric motor 100 according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the easy magnetization direction 19 of each electromagnetic steel sheet constituting the first iron core 5A (the direction of the crystal axis of the material constituting the electromagnetic steel sheet is the most)
  • the direction in which it is easily magnetized is set in the radial direction as shown in FIG.
  • the direction of the magnetic flux passing through the first iron core 5A slightly changes. Throughout the entire phase, it is oriented substantially in the radial direction. Therefore, the magnetic circuit efficiency can be improved and the iron loss can be reduced by improving the magnetic characteristics by aligning the easy magnetization direction 19 of each electromagnetic steel sheet constituting the first iron core 5A with the radial direction. be able to. Therefore, it is possible to achieve high efficiency and high output of the embedded permanent magnet electric motor 100.
  • the high-strength steel plate constituting the second iron core 5B does not have directionality in the magnetic characteristics.
  • FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of rotor core 5 of permanent magnet embedded electric motor 100 according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the distal end portion 5B22A of each branch portion 5B22 is a biasing force directed radially inward when the permanent magnets 7 are arranged, and the radial contact surface 5B22b of the first iron core 5A. Is formed such that the position before each permanent magnet 7 is arranged is radially inward from the position after each permanent magnet 7 is arranged.
  • the tip 5B22A-1 indicated by a solid line shows a state before each permanent magnet 7 is arranged
  • the tip 5B22A-2 shown by a dotted line shows a state after each permanent magnet 7 is arranged. Show.
  • the inter-magnetic core 5B2 has a diameter of the tip 5B22A of the branch 5B22 before the positions of the permanent magnets 7 are larger than the positions after the positions of the permanent magnets 7. It is formed to be inside in the direction.
  • each permanent magnet 7 is inserted into each magnet insertion hole 9 shown in FIG. 2, the tip 5B22A is deformed from the position indicated by the dotted line to the position indicated by the solid line.
  • a force is applied to the branch portion 5B22 so that the position of the tip portion 5B22A returns to the position indicated by the solid line.
  • This force urges the first iron core 5A located on the radially inner side of the distal end portion 5B22A in the axial center direction. Therefore, the first iron core 5A can be brought into contact with the permanent magnet 7 with a predetermined pressing force.
  • the permanent magnet 7 is elastically sandwiched between the first iron core 5A and the second iron core 5B. It is firmly fixed between the first iron core 5A and the second iron core 5B. Therefore, noise and vibration during operation can be reduced, or cracks and chipping of the permanent magnet 7 can be prevented.
  • the configuration shown in the above embodiment is an example of the configuration of the present invention, and can be combined with another known technique, and a part thereof is omitted without departing from the gist of the present invention. Needless to say, it is possible to change the configuration.
  • the present invention can be applied to a permanent magnet embedded motor, and is particularly useful as an invention that can suppress an increase in iron loss and leakage magnetic flux while ensuring mechanical strength that can withstand centrifugal force. It is.

Abstract

　ロータ鉄心５は、複数の電磁鋼板を積層して形成され、各永久磁石７の径方向外側に配置される複数の第一の鉄心５Ａと、前記各第一の鉄心５Ａの複数の電磁鋼板の機械的強度よりも高い機械的強度を有する複数の電磁鋼板（高強度鋼板）を積層して形成され、各永久磁石７の径方向内側に配置される内側鉄心５Ｂ１と、内側鉄心５Ｂ１と一体的に形成され各永久磁石７の磁極間１７に配置される複数の磁極間鉄心５Ｂ２と、で形成される第二の鉄心５Ｂと、を備え、各磁極間鉄心５Ｂ２は、各第一の鉄心５Ａの位置を規制するように、各第一の鉄心５Ａの周方向端部５Ａ２から内側鉄心５Ｂ１までに渡って形成され、各永久磁石７と各磁極間鉄心５Ｂ２との間には、フラックスバリア１６が形成されている。

Description

永久磁石埋込型電動機
　本発明は、永久磁石埋込型電動機に関するものである。
　一般的な永久磁石埋込型電動機は、ステータ鉄心と、ステータ鉄心の内径側に配置されるロータ鉄心の内部に永久磁石を埋め込んだロータとを備える。ロータ鉄心は電磁鋼板を所定形状に打ち抜き、打ち抜かれた電磁鋼板を複数枚かしめながら積層したものであり、ロータ鉄心には、永久磁石の磁極数に対応して周方向に略等間隔に磁石挿入穴が形成されている。各磁石挿入穴はそれぞれ軸方向に延伸し、各磁石挿入穴の内部に永久磁石が挿入される。
　ここで、各磁石挿入穴に挿入された永久磁石の径方向外側面と径方向内側面とは、永久磁石の磁極間に形成された薄肉部でつながっている。そして、各永久磁石で発生した磁束は、ステータ鉄心のコアバックを通った後に再びロータ鉄心に戻ってくる。ところが、各永久磁石の表面から出た磁束の一部は、薄肉部を通過することでロータ鉄心の内部に留まり、コアバックへ向かわずに永久磁石に戻ってくるような漏れ磁束となる。すなわち、各永久磁石の一の表面から出た磁束の一部は、ステータ鉄心を通らずに、薄肉部を通過して永久磁石の他の表面に入る。このような漏れ磁束は、トルクに寄与することなく、またロータ鉄損の増加要因となるため、可能な限り抑制することが好ましい。このように、磁極間に形成された薄肉部は、漏れ磁束の通り道となるため、可能な限り、その幅が小さくなるように構成することが望ましい。
　ただし、永久磁石埋込型電動機の回転子の高速回転時の遠心力が永久磁石に作用することから、回転子の回転数の上限を上げる場合、ロータ鉄心の各部に作用する遠心力は、回転数の２乗に比例して大きくなる。そのため、ロータ鉄心の薄肉部の内、永久磁石の径方向外側の面を支える部分の強度を高める必要があり、例えばこの薄肉部の幅を回転数の２乗に比例して拡大せざるを得ない。
　磁極間の薄肉部の幅を拡大する以外にロータ鉄心の強度を向上する方法としては、各磁極を構成する永久磁石および磁石挿入穴のそれぞれを、周方向に２以上に分割し、分割された各磁石挿入穴の間に、ロータ鉄心の径方向外側と径方向内側とを連結するブリッジを設けることが考えられる。
　しかしながらこのブリッジは、前述した磁極間の薄肉部と同様に、漏れ磁束の通り道となり、またブリッジの幅の分だけ磁石の周方向の幅が小さくなる。従って、ブリッジを設けることと、磁石の周方向の幅が小さくなることによって、トルクに寄与する有効な磁束が減り、それを補うため、永久磁石埋込型電動機の体格が拡大するという問題点がある。
　ブリッジの設置に頼らない方法としては、珪素鋼やアームコ鉄などで構成された電磁鋼板よりも、機械的強度が優れる鋼板（以下「高強度鋼板」と呼ぶ）を、ロータ鉄心に用いることが考えられる。ただし、一般に高強度鋼板は、電磁鋼板より磁気特性、特に鉄損特性が劣るため、ロータ鉄心の全体を電磁鋼板から高強度鋼板に置き換えると、ロータ鉄損が大幅に増加してしまう。そこでロータ全体の鉄損の内、その大半が発生する部分、すなわち永久磁石の径方向外側の部分には電磁鋼板で構成された鉄心を使い、その他の部分には高強度鋼板で構成された鉄心を使うといった工夫が必要である。
　例えば下記特許文献１に示される電動機は、回転軸が、複数の永久磁石の径方向外側の鉄心部（以下「Ａ部」と称する）と、Ａ部以外の鉄心部（以下「Ｂ部」と称する）とで構成されている。Ｂ部は各永久磁石の径方向内側の鉄心部と各磁極間の鉄心部とで構成される。Ａ部には磁気特性が優れる珪素鋼やアームコ鉄などが用いられ、Ｂ部にはＡ部より機械的強度が優れる炭素鋼などが用いられている。そして磁極間の鉄心部はＴ字状に形成されている。以下、このＴ字状の鉄心部を「係合部」と称する。係合部は、各磁極間において、Ｂ部の外周部から径方向外側に伸び、その先端がＴ字状に分岐している。さらに、Ｔ字状に分岐した部分の先端には、Ａ部の周方向端部の凸部と係合する凹部が形成されている。この構成により、回転軸の回転による遠心力でＡ部の鉄心部が回転軸から外れることを防いでいる。
特開２００８－１５４３２９号公報
　しかしながら、上記特許文献１の従来技術によれば、耐遠心力強度を高めることは可能であるが、この文献には漏れ磁束を低減する方法について開示されていない。すなわち、Ｔ字状の係合部が漏れ磁束の通り道となるため、耐遠心力強度を高めることはできるものの、鉄損と漏れ磁束の増加を抑制することができないという課題があった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、遠心力に耐える機械的強度を確保しながら鉄損と漏れ磁束の増加を抑制可能な永久磁石埋込型電動機を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ロータ鉄心に複数の磁石を埋め込んだ永久磁石埋込型電動機であって、前記ロータ鉄心は、複数の電磁鋼板を積層して形成され、前記各磁石の径方向外側に配置される複数の第一の鉄心と、前記各第一の鉄心の複数の電磁鋼板の機械的強度よりも高い機械的強度を有する複数の電磁鋼板を積層して形成され、前記各磁石の径方向内側に配置される内側鉄心と、前記内側鉄心と一体的に形成され前記各磁石の磁極間に配置される複数の磁極間鉄心と、で形成される第二の鉄心と、を備え、前記各磁極間鉄心は、前記各第一の鉄心の位置を規制するように、前記各第一の鉄心の周方向端部から前記内側鉄心までに渡って形成され、前記各磁石と前記各磁極間鉄心との間にはフラックスバリアが形成されている。
　この発明によれば、遠心力に耐える機械的強度を確保しながら鉄損と漏れ磁束の増加を抑制することができる、という効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機の概略構成を示す縦断面図である。 図２は、図１に示されるロータ鉄心のＡ－Ａ矢視断面図である。 図３は、図２の磁石挿入穴に永久磁石を埋め込んだロータの断面図である。 図４は、図３に示される磁極間鉄心とその周辺を拡大した図である。 図５は、本発明の実施の形態２に係る永久磁石埋込型電動機のロータ鉄心の断面図である。 図６は、本発明の実施の形態３に係る永久磁石埋込型電動機のロータ鉄心の断面図である。
　以下に、本発明に係る永久磁石埋込型電動機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機１００の概略構成を示す縦断面図である。図２は、図１に示されるロータ鉄心５のＡ－Ａ矢視断面図である。図３は、図２の磁石挿入穴９に永久磁石７を埋め込んだロータ１の断面図である。図４は、図３に示される磁極間鉄心５Ｂ２とその周辺を拡大した図である。
　永久磁石埋込型電動機１００は、ロータ１、ステータ２、フレーム３、およびブラケット４を有して構成されている。
　フレーム３は有底円筒状に形成され、フレーム３の軸方向一端は、径方向外側へ向けて鍔状に形成されている。鍔状に形成された鍔部３ａは、ブラケット４に形成された鍔部４ａと接するように配置される。
　フレーム３の軸方向他端（底部）の中心部には、ロータ１の反負荷側（図１の下方側）に向けて突状の凹部３ｃが形成されている。この凹部３ｃには、ロータ１の反負荷側のシャフト６を支持するベアリング１０が配置される。
　なお、凹部３ｃの底面（座面部３ｂ）とベアリング１０との間にはウェーブワッシャ１２が配置されている。ウェーブワッシャ１２がベアリング１０の外輪を軸方向に付勢することで、ベアリング１０に予圧をかけてシャフト６の振動を抑制することができる。
　ブラケット４は円筒状に形成され、ブラケット４の軸方向一端は、径方向外側へ向けて鍔状に形成されている。鍔状に形成された鍔部４ａはフレーム３に形成された鍔部３ａと接するように配置されている。
　ブラケット４の軸方向他端の中心部には、ロータ１の負荷側（図１の上方側）に向けて突状の凹部４ｃが形成されている。この凹部４ｃには、ロータ１の負荷側のシャフト６を支持するベアリング１１が配置される。凹部４ｃの底面（座面部４ｂ）の中心には、ロータ１の負荷側のシャフト６を通すための穴４ｄが形成されている。
　フレーム３の開口部を塞ぐようにブラケット４を設置した後、鍔部３ａおよび鍔部４ａに締結部材を挿入し、この締結部材を締結することで、フレーム３にブラケット４が固定される。
　ステータ２は、環状のステータ鉄心１３と、外部からの電力が供給される巻線１４とを有して構成されている。ステータ２は、例えば焼嵌めなどの方法でフレーム３の内側に固定される。
　ステータ鉄心１３は、所定形状に打ち抜かれた電磁鋼板を軸方向に複数積層したものである。ステータ鉄心１３の内周側には、円周方向に等間隔で複数のティース（図示せず）が設けられている。
　各ティースには、インシュレータ（図示しない）を介して巻線１４が巻かれている。そして、ステータ２の内径側には、所定の隙間１５を隔ててロータ１が配置される。
　ロータ１は、環状のロータ鉄心５と、シャフト６と、複数の永久磁石７（磁石）と、端板８とを有して構成されている。
　ロータ１は、ロータ鉄心５の内径側の隙間１５を介して配置される。ロータ１の中心にはシャフト６が設けられている。
　ロータ１を構成するロータ鉄心５には、磁極数に対応した複数の磁石挿入穴９（図２参照）が配置される。
　各磁石挿入穴９は、後述する第一の鉄心５Ａの径方向内側面５Ａ３と、第二の鉄心５Ｂの径方向外側面５Ｂ１ａと、フラックスバリア１６とによって囲まれる空間が、磁石挿入用の穴として形成されたものである。各磁石挿入穴９は、ロータ鉄心５の両端を貫通するようにそれぞれ軸方向に延びている。
　内側鉄心５Ｂ１は、各永久磁石７の動きを規制するための複数の突起５Ｂ１ｂを有する（図４参照）。各突起５Ｂ１ｂは、内側鉄心５Ｂ１の径方向内側面５Ｂ１ａにおいて周方向両端部に形成されている。このように突起５Ｂ１ｂを設けることで各永久磁石７の周方向端面７ｃが各突起５Ｂ１ｂで保持されるため、駆動中に永久磁石７が動かないように保持することができる。
　ただし、突起５Ｂ１ｂを設けることにより、突起５Ｂ１ｂが巻線１４により発生する磁束の最短磁路となり、永久磁石７の着磁の向きと逆方向に永久磁石７を横断すると不可逆減磁し易くなる。そのため、突起５Ｂ１ｂの径方向の高さは、各永久磁石７を保持可能な範囲で極力小さく形成することが望ましい。
　各磁石挿入穴９には、互いに異なる極性の永久磁石７が周方向に交互に配置される。図示例のロータ１では、永久磁石７の極数が６極（図３参照）であるが、永久磁石７の磁極数はこれに限定されるものではない。また図３に示される各永久磁石７は、断面が長方形の平板状であるが各永久磁石７の形状はこれに限定されるものではなく、騒音の低減や減磁耐力の向上などの目的に応じた他の形状としてもよい。その場合、第一の鉄心５Ａの径方向内側面５Ａ３の形状や、第二の鉄心５Ｂの内側鉄心５Ｂ１の径方向外側面５Ｂ１ａの形状は、各永久磁石７の形状に対応した形に形成されているものとする。
　ロータ鉄心５の両端面には、それぞれ円盤状の端板８が取り付けられている（図１参照）。各端板８は、各磁石挿入穴９に挿入された永久磁石７が抜け出さないようにするためのものである。
　ロータ鉄心５の端面への端板８の固定方法としては、溶接や接着以外にも、例えばロータ鉄心５と端板８にそれぞれ貫通穴を設けておき、この貫通穴にボルトを通して締結し、あるいはこの貫通穴にリベットを通してかしめるなどでもよい。
　他の方法としては、ロータ鉄心５の端面と端板８との当接面にインロー構造を設け、ロータ鉄心５の端面に端板８を取り付けてもよい。インロー構造は、例えばロータ鉄心５の端板８との対向面に凹部を形成し、端板８のロータ鉄心５との対向面に凸部を設けておき、凸部と凹部を嵌め合わせるように構成される。
　ロータ鉄心５の径方向中心部にはシャフト嵌合穴１８が設けられている。シャフト嵌合穴１８には、回転エネルギーを伝達するためのシャフト６が焼嵌あるいは圧入で嵌め合わされる。シャフト６は円筒形状であり、シャフト嵌合穴１８もこれに対応した形状である。
　シャフト嵌合穴１８に嵌め合わされたシャフト６の両端部は、ブラケット４に配置されたベアリング１１とフレーム３に配置されたベアリング１０により、回転自在に支持される。
　図２に示すようにロータ鉄心５は、複数の第一の鉄心５Ａと、第二の鉄心５Ｂとで構成されている。
　各第一の鉄心５Ａは、磁気特性が優れる珪素鋼やアームコ鉄などからなる電磁鋼板を打ち抜き、複数積層して形成されている。各第一の鉄心５Ａは、それぞれ各永久磁石７（図３参照）の径方向外側に配置されている。
　第二の鉄心５Ｂは、各第一の鉄心５Ａの電磁鋼板よりも高い機械的強度を有する炭素鋼などからなる高強度鋼板を打ち抜き、複数積層して形成されている。
　第二の鉄心５Ｂは、内側鉄心５Ｂ１と複数の磁極間鉄心５Ｂ２とで構成されている。内側鉄心５Ｂ１は、各永久磁石７の径方向内側に配置され、各磁極間鉄心５Ｂ２は、内側鉄心５Ｂ１と一体的に形成され、かつ、各永久磁石７の磁極間１７に配置される。
　図４に示すように、第一の鉄心５Ａと第二の鉄心５Ｂは、各永久磁石７を配置したときに、各磁極間鉄心５Ｂ２の外周面５Ｂ２ａと、各第一の鉄心５Ａの外周面５Ａ１とが、同一円周上に位置するように構成されている。
　各磁極間鉄心５Ｂ２は、内側鉄心５Ｂ１から径方向外側へ延びる幹部５Ｂ２１と、幹部５Ｂ２１の端部が二手に分岐して各第一の鉄心５Ａの周方向端部５Ａ２に接する２つの枝部５Ｂ２２とを有する。このように各磁極間鉄心５Ｂ２は、各第一の鉄心５Ａの径方向と周方向の位置を規制するように、内側鉄心５Ｂ１から各第一の鉄心５Ａの周方向端部５Ａ２までに渡って形成されており、その断面形状がＴ字状である。
　各枝部５Ｂ２２の先端部５Ｂ２２Ａは、各永久磁石７を配置したとき、その周方向当接面５Ｂ２２ａが各第一の鉄心５Ａの周方向当接面５Ａ２２と接すると共に、その径方向当接面５Ｂ２２ｂが、各第一の鉄心５Ａの径方向当接面５Ａ２１と接する。すなわち各枝部５Ｂ２２の先端部５Ｂ２２Ａは、各第一の鉄心５Ａの周方向の位置と径方向の位置を規制するように形成されている。
　このように構成することで、ロータ１が回転することによって、各第一の鉄心５Ａと各永久磁石７とに遠心力が作用した場合でも、この遠心力によって各第一の鉄心５Ａと各永久磁石７とがロータ鉄心５から外れるのを確実に防止することができる。
　各永久磁石７と各磁極間鉄心５Ｂ２との間には、磁束短絡防止用の隙間であるフラックスバリア１６が形成されている。図３のロータ鉄心５には１２個のフラックスバリア１６が形成されている。
　図４に示されるようにフラックスバリア１６は、例えば第一の鉄心５Ａと各磁極間鉄心５Ｂ２との当接面から、各永久磁石７の周方向端面７ｃまでに渡って形成されている。なお、第一の鉄心５Ａと各磁極間鉄心５Ｂ２との当接面は、第一の鉄心５Ａと磁極間鉄心５Ｂ２との径方向における当接面と、第一の鉄心５Ａと磁極間鉄心５Ｂ２との周方向における当接面とを意味する。また、径方向における当接面は、第一の鉄心５Ａの径方向当接面５Ａ２１、磁極間鉄心５Ｂ２の径方向当接面５Ｂ２２ｂを意味し、周方向における当接面は、第一の鉄心５Ａの周方向当接面５Ａ２２と、磁極間鉄心５Ｂ２の周方向当接面５Ｂ２２ａを意味する。
　このように本実施の形態に係るロータ鉄心５は、磁気特性が優れる電磁鋼板を用いた複数の第一の鉄心５Ａと、機械的強度が優れる高強度鋼板を用いた第二の鉄心５Ｂとで構成すると共に、フラックスバリア１６を有する。以下、その効果について説明する。
　各磁石挿入穴９に配置された各永久磁石７の径方向外側面７ａと径方向内側面７ｂとは、永久磁石７の磁極間１７に形成された磁極間鉄心５Ｂ２でつながっている。各永久磁石７で発生した磁束は、例えばステータ鉄心１３（図１参照）を通った後、再びロータ鉄心５に戻ってくる。ところが、各永久磁石７から出た磁束の一部は、磁極間鉄心５Ｂ２を通過することで、トルクに寄与しない漏れ磁束となる。
　一方、ロータ１の高速回転時の遠心力が永久磁石７および第一の鉄心５Ａに作用するため、ロータ鉄心５には、この遠心力に耐える機械的強度が要求される。高強度鋼板をロータ鉄心５の全体に用いた場合、ロータ１の高速回転時の遠心力に耐える機械的強度を満たすことはできるが、高強度鋼板ではない一般的な電磁鋼板を用いた場合に比べてロータ鉄損が増加することとなる。
　このような問題を鑑みて本実施の形態に係るロータ鉄心５は、磁気特性が優れる電磁鋼板を用いた複数の第一の鉄心５Ａと、機械的強度が優れる高強度鋼板を用いた第二の鉄心５Ｂとで構成すると共に、フラックスバリア１６を有する。
　このように構成したロータ鉄心５によれば、ロータ全体の鉄損の内、その大半が発生する第一の鉄心５Ａが電磁鋼板で構成されているため、ロータ鉄損の増加を抑制することができる。
　また、第一の鉄心５Ａと永久磁石７に作用する遠心力を支える磁極間鉄心５Ｂ２が高強度鋼板で構成されているため、耐遠心力強度の向上を図ることができる。
　また、フラックスバリア１６が漏れ磁束が通る磁路の幅を狭くする役割を持つ。すなわちフラックスバリア１６は、漏れ磁束が通る幹部５Ｂ２１の周方向幅を狭くすると共に、漏れ磁束が通る枝部５Ｂ２２の径方向の幅とを狭くする役割を持つ。換言すると、フラックスバリア１６は、有効磁束を増やす役割を持つ。この構成により、各永久磁石７の周方向端部での磁束の短絡が防止され、この磁束がステータ２（図１参照）に渡り易くなり、発生トルクを大きくすることができる。
　なお、枝部５Ｂ２２に沿って周方向に延びるフラックスバリア１６の長さと幅を適切に設定することで、ロータ鉄心５の表面に流れる磁束を正弦波状に近付けて、ロータ鉄損を低減できると共に、騒音を低減することができる。
　また枝部５Ｂ２２は以下のように構成してもよい。図４において、磁極数をＰ、ロータ１の回転の角速度（最大角速度）をω、第二の鉄心５Ｂを構成する各高強度鋼板の板厚をｔ、各高強度鋼板の強度をσy、この板厚ｔに相当する厚みの第一の鉄心５Ａと永久磁石７との１極分の組みの質量をｍ、この組みの重心位置Ｇからシャフト中心Ｃまでの距離をｒ、枝部５Ｂ２２の先端部５Ｂ２２Ａの周方向当接面５Ｂ２２ａから磁極間鉄心５Ｂ２に向かって周方向へ一定距離ｘを隔てた位置における枝部５Ｂ２２の径方向幅をｈとしたとき、枝部５Ｂ２２の径方向幅ｈは、（１）式を満たすように設定されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　このように設定することで、ロータ１の高速回転時の遠心力に耐える機械的強度を満たすことができる。例えば、ロータ鉄心５の表面の磁束密度の分布（正弦波状からの乱れ）に関しては無視して、枝部５Ｂ２２の径方向幅ｈを可能な限り狭くする場合、枝部５Ｂ２２の径方向幅ｈは、安全率をα（αは１よりも大きい値）として、（２）式により決定する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　なお、安全率αの値は、材料特性や製造面のばらつき等を考慮して設定する。また、各高強度鋼板の強度σyは、通常では降伏応力を用い、疲労が問題になる（回転数が変化する頻度が多い）場合は疲労限度を用いればよい。
　ここで、一定距離ｘについて、（１）式を満たすように枝部５Ｂ２２の径方向幅ｈを設定すればよい理由を以下に説明する。
　前述した板厚ｔに相当する厚みの第一の鉄心５Ａと永久磁石７との１極分の組みに作用する遠心力の大きさＦは、ロータ１が最大角速度ωで回転している時に最も大きくなり、（３）式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　（３）式の遠心力Ｆは、第一の鉄心５Ａの左右両側にある２つの枝部５Ｂ２２で支えるため、枝部５Ｂ２２の先端部５Ｂ２２Ａの径方向に働く力ｆは、シャフト中心Ｃと重心位置Ｇとを結ぶ線と、シャフト中心Ｃと枝部５Ｂ２２の先端部５Ｂ２２Ａ（周方向当接面５Ｂ２２ａ）とを結ぶ線とが成す角度をθ（単位はrad）としたとき、（４）式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　通常は枝部５Ｂ２２の周方向長さが１つの磁極の周方向長さに比べて十分小さく設定されるため、角度θは（５）式のようにみなすことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　従って、（４）式は（６）式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　（３）式と（６）式より、力ｆは、（７）式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　先述の通り、通常は枝部５Ｂ２２の周方向長さが１つの磁極の周方向長さに比べて十分小さいため、板厚ｔに相当する厚みの枝部５Ｂ２２は、先端部５Ｂ２２Ａに集中荷重（力ｆ）が加わる片持ち梁とみなすことができる。前述した一定距離ｘの位置における曲げモーメントＭは、（８）式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　（７）式と（８）式より、曲げモーメントＭは、（９）式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　一定距離ｘの位置における断面係数Ｚは、（１０）式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　一定距離ｘの位置における応力の最大値σmaxは、（１１）式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　式（９）、式（１０）、式（１１）より、応力の最大値σmaxは、（１２）式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　応力の最大値σmaxは、枝部５Ｂ２２の任意の位置において、各高強度鋼板の強度σyを下回る必要があるので、一定距離ｘの値は、（１３）式を満たす必要がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　（１３）式は、径方向幅ｈについて書き直すと（１４）式のように表され、（１４）式から（１）式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　なお本実施の形態のフラックスバリア１６は、第一の鉄心５Ａと各磁極間鉄心５Ｂ２との当接面から、各永久磁石７の周方向端面７ｃまでに渡って形成されているが、例えば各永久磁石７の周方向端面７ｃと幹部５Ｂ２１との間の領域１６ａ（図４参照）のみに形成してもよい。またフラックスバリア１６は、各第一の鉄心５Ａの周方向先端部５Ａ２３と枝部５Ｂ２２との間の領域１６ｂのみに形成してもよい。
　このように第一の鉄心５Ａと各磁極間鉄心５Ｂ２との当接面から各永久磁石７の周方向端面７ｃまでの間の一部の領域のみに、フラックスバリア１６を形成した場合でも、遠心力に耐える機械的強度を確保しながら、前述した従来技術に比べて鉄損と漏れ磁束の増加を抑制することが可能である。
　以上に説明したように本実施の形態に係る永久磁石埋込型電動機１００のロータ鉄心５は、複数の電磁鋼板を積層して形成され、各永久磁石７の径方向外側に配置される複数の第一の鉄心５Ａと、第一の鉄心５Ａの複数の電磁鋼板の機械的強度よりも高い機械的強度を有する複数の電磁鋼板（高強度鋼板）を積層して形成され、各永久磁石７の径方向内側に配置される内側鉄心５Ｂ１と、内側鉄心５Ｂ１と一体的に形成され各永久磁石７の磁極間１７に配置される複数の磁極間鉄心５Ｂ２と、で形成される第二の鉄心５Ｂと、を備え、各磁極間鉄心５Ｂ２は、各第一の鉄心５Ａの位置を規制するように、各第一の鉄心５Ａの周方向端部５Ａ２から内側鉄心５Ｂ１までに渡って形成され、各永久磁石７と各磁極間鉄心５Ｂ２との間には、フラックスバリア１６が形成されている。
　このように、ロータ全体の鉄損の内、その大半が発生する第一の鉄心５Ａが電磁鋼板で構成されることによって、ロータ鉄損の増加を抑制することができる。また、第一の鉄心５Ａと永久磁石７に作用する遠心力を支える磁極間鉄心５Ｂ２が高強度鋼板で構成されるため、耐遠心力強度の向上を図ることができる。すなわち耐遠心力強度の向上と、鉄損増加の抑制との両立を図ることができる。また、フラックスバリア１６によって有効磁束を増やすことができるため、発生トルクを大きくすることができる。
　また、フラックスバリア１６は、各第一の鉄心５Ａと各磁極間鉄心５Ｂ２との当接面から各永久磁石７の周方向端面７ｃまでに渡って形成されている。この構成により、第一の鉄心５Ａと各磁極間鉄心５Ｂ２との当接面から各永久磁石７の周方向端面７ｃまでの間の一部の領域のみに、フラックスバリア１６を形成した場合に比べて、漏れ磁束の増加を抑制することが可能である。
　内側鉄心５Ｂ１は、各永久磁石７が接する径方向外側面５Ｂ１ａの周方向両端部に形成され、かつ、各永久磁石７の位置を規制する複数の突起５Ｂ１ｂを有し、フラックスバリア１６は、各第一の鉄心５Ａと各磁極間鉄心５Ｂ２との当接面から各突起５Ｂ１ｂまでに渡って形成されている。この構成により、各永久磁石７の周方向端面７ｃが各突起５Ｂ１ｂで保持されるため、駆動中に永久磁石７が動かないように保持することができると共に、漏れ磁束の増加を抑制することが可能である。
実施の形態２．
　図５は、本発明の実施の形態２に係る永久磁石埋込型電動機１００のロータ鉄心５の断面図である。実施の形態２のロータ鉄心５は、実施の形態１の構成に加えて、第一の鉄心５Ａを構成する各電磁鋼板の磁化容易方向１９（電磁鋼板を構成する材質の結晶軸の方向が最も磁化されやすい方向）が、図５に示されるように径方向に設定されている。
　第一の鉄心５Ａとステータ鉄心１３のティースとの周方向の相対位置（位相）と、巻線１４への通電状態とにより、第一の鉄心５Ａを通る磁束の方向は、わずかに変化するものの、位相全体を通しては、略径方向を向いている。そのため、第一の鉄心５Ａを構成する各電磁鋼板の磁化容易方向１９を径方向に合わせて、磁気特性を良くすることで、磁気回路の効率を向上させることができ、また鉄損を低減することができる。そのため、永久磁石埋込型電動機１００の高効率化と高出力化を図ることができる。
　なお、永久磁石７の径方向内側の磁束の方向は、位相によってはほとんど変化しないものの、永久磁石７の径方向内側の磁束は、様々な方向を向いている。そのため、第二の鉄心５Ｂを構成する高強度鋼板は、磁気特性に方向性を持たせないほうが望ましい。
実施の形態３．
　図６は、本発明の実施の形態３に係る永久磁石埋込型電動機１００のロータ鉄心５の断面図である。実施の形態３のロータ鉄心５は、各枝部５Ｂ２２の先端部５Ｂ２２Ａが、各永久磁石７を配置したときに径方向内側へ向う付勢力で、第一の鉄心５Ａの径方向当接面５Ｂ２２ｂを付勢するように、各永久磁石７を配置する前の位置が、各永久磁石７を配置した後の位置よりも、径方向内側となるように形成されている。
　図６において、実線で示される先端部５Ｂ２２Ａ－１は、各永久磁石７を配置する前の状態を示し、点線で示される先端部５Ｂ２２Ａ－２は、各永久磁石７を配置した後の状態を示している。
　このように実施の形態３の磁極間鉄心５Ｂ２は、その枝部５Ｂ２２の先端部５Ｂ２２Ａが、各永久磁石７を配置する前の位置が、各永久磁石７を配置した後の位置よりも、径方向内側となるように形成されている。
　このことにより、図２に示される各磁石挿入穴９へ各永久磁石７が挿入されたとき、先端部５Ｂ２２Ａが点線で示される位置から実線で示される位置へ変形する。このとき、枝部５Ｂ２２には、その先端部５Ｂ２２Ａの位置が実線で示される位置へ戻ろうとする力が働く。この力が、先端部５Ｂ２２Ａの径方向内側に位置する第一の鉄心５Ａを、軸中心方向に付勢する。そのため、第一の鉄心５Ａを永久磁石７に所定の押圧力で接触させることができる。すなわち第一の鉄心５Ａと第二の鉄心５Ｂと永久磁石７との組立後において、永久磁石７は、第一の鉄心５Ａと第二の鉄心５Ｂとの間に弾性的に挟み込まれる状態となり、第一の鉄心５Ａと第二の鉄心５Ｂとの間に堅固に固定される。そのため、運転中の騒音や振動の軽減、あるいは永久磁石７の割れや欠けを防止することができる。
　なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
　以上のように、本発明は、永久磁石埋込型電動機に適用可能であり、特に、遠心力に耐える機械的強度を確保しながら鉄損と漏れ磁束の増加を抑制することができる発明として有用である。
　１　ロータ、２　ステータ、３　フレーム、３ａ　鍔部、３ｂ　座面部、３ｃ　凹部、４　ブラケット、４ａ　鍔部、４ｂ　座面部、４ｃ　凹部、４ｄ　穴、５　ロータ鉄心、５Ａ　第一の鉄心、５Ａ１　外周面、５Ａ２　周方向端部、５Ａ２１　径方向当接面、５Ａ２２　周方向当接面、５Ａ２３　周方向先端部、５Ａ３　径方向内側面、５Ｂ　第二の鉄心、５Ｂ１　内側鉄心、５Ｂ１ａ　径方向外側面、５Ｂ１ｂ　突起、５Ｂ２　磁極間鉄心、５Ｂ２ａ　外周面、５Ｂ２１　幹部、５Ｂ２２　枝部、５Ｂ２２Ａ，５Ｂ２２Ａ－１，５Ｂ２２Ａ－２　先端部、５Ｂ２２ａ　周方向当接面、５Ｂ２２ｂ　径方向当接面、６　シャフト、７　永久磁石（磁石）、７ａ　径方向外側面、７ｂ　径方向内側面、７ｃ　周方向端面、８　端板、９　磁石挿入穴、１０，１１　ベアリング、１２　ウェーブワッシャ、１３　ステータ鉄心、１４　巻線、１５　隙間、１６　フラックスバリア、１６ａ，１６ｂ　領域、１７　磁極間、１８　シャフト嵌合穴、１９　磁化容易方向、１００　永久磁石埋込型電動機。

Claims (6)

  1. 　ロータ鉄心に複数の磁石を埋め込んだ永久磁石埋込型電動機であって、
    　前記ロータ鉄心は、
    　複数の電磁鋼板を積層して形成され、前記各磁石の径方向外側に配置される複数の第一の鉄心と、
    　前記各第一の鉄心の複数の電磁鋼板の機械的強度よりも高い機械的強度を有する複数の電磁鋼板を積層して形成され、前記各磁石の径方向内側に配置される内側鉄心と、前記内側鉄心と一体的に形成され前記各磁石の磁極間に配置される複数の磁極間鉄心と、で形成される第二の鉄心と、
    　を備え、
    　前記各磁極間鉄心は、前記各第一の鉄心の位置を規制するように、前記各第一の鉄心の周方向端部から前記内側鉄心までに渡って形成され、
    　前記各磁石と前記各磁極間鉄心との間にはフラックスバリアが形成されている永久磁石埋込型電動機。
  2. 　前記フラックスバリアは、前記各第一の鉄心と前記各磁極間鉄心との当接面から各磁石の周方向端面までに渡って形成されている請求項１に記載の永久磁石埋込型電動機。
  3. 　前記内側鉄心は、前記各磁石が接する径方向外側面の周方向両端部に形成され、かつ、前記磁石の位置を規制する複数の突起を有し、
    　前記フラックスバリアは、前記各第一の鉄心と前記各磁極間鉄心との当接面から前記各突起までに渡って形成されている請求項１に記載の永久磁石埋込型電動機。
  4. 　前記各第一の鉄心は、磁化容易方向が径方向に設定されている請求項１から３の何れか１項に記載の永久磁石埋込型電動機。
  5. 　前記各磁極間鉄心は、前記内側鉄心から径方向外側へ延びる幹部と、前記幹部の端部が二手に分岐して前記各第一の鉄心の周方向端部に接する２つの枝部とを有し、
    　前記各枝部の先端部は、前記各磁石を配置したときに径方向内側へ向う付勢力で前記第一の鉄心の径方向当接面を付勢するように、前記各磁石を配置する前の位置が、前記各磁石を配置した後の位置よりも、径方向内側となるように形成される請求項１から４の何れか１項に記載の永久磁石埋込型電動機。
  6. 　前記磁石の磁極数をＰ、ロータの回転の角速度をω、前記第二の鉄心を構成する各高強度鋼板の板厚をｔ、前記各高強度鋼板の強度をσy、前記板厚ｔに相当する厚みの前記第一の鉄心と前記磁石との１極分の組みの質量をｍ、この組みの重心位置Ｇからシャフト中心Ｃまでの距離をｒ、前記枝部の先端部の周方向当接面から前記磁極間鉄心に向かって周方向へ一定距離ｘを隔てた位置における前記枝部の径方向幅をｈとしたとき、前記枝部の径方向幅ｈは、以下の式を満たすように設定されている請求項５に記載の永久磁石埋込型電動機。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
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