WO2016024324A1

WO2016024324A1 - 回転電機

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Publication number: WO2016024324A1
Application number: PCT/JP2014/071252
Authority: WO
Inventors: 敏治持田; 聡今盛
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2014-08-11
Filing date: 2014-08-11
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Abstract

　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、ロータが発生するトルクを増加させることが可能な回転電機を提供する。ロータ（３）には、周方向に沿って１極当たり２個の穴（３５ａ）および（３５ｂ）が形成されている。２個の穴（３５ａ）および（３５ｂ）は、ロータ外周と連通し、各極において２個の穴のロータの半径方向外側の外周縁部（３３）がロータの半径方向内側の芯部（３１）と当該２個の穴間のセンタブリッジ（３２）を介して繋がっている。このセンタブリッジ（３２）は、非磁性化または低透磁率化されている。従って、センタブリッジ（３２）の幅を広くしても、センタブリッジ（３２）を介した漏れ磁束を低減することができる。

Description

回転電機

　この発明は、電動機、発電機等の回転電機に関する。

　図８（ａ）、図８（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電動機のロータの構成を示す断面図であり、図８（ｃ）は、その外周面を示す図である。この従来例のＩＰＭ電動機は、特許文献１に開示されたものである。このＩＰＭ電動機は、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８（ａ）に示す積層鋼板１１と、図８（ｂ）に示す積層鋼板１２を、図８（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８（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８（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３の外周面は、図８（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、電動機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。加えて、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、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。

　また、従来例では、センタブリッジが強磁性材料のままのため、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ゼロには程遠い。これがロータに発生させるトルクを増大させるのを妨げていた。

　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、センタブリッジを間に挟んで周方向に隣り合った偶数個の穴が極毎に形成されてなるロータを有し、前記ロータの各極において前記センタブリッジを挟んだ偶数個の穴は前記センタブリッジの反対側において前記ロータの外周と連通しており、前記センタブリッジを非磁性化または前記ロータにおける前記センタブリッジ以外の部分よりも透磁率を低下させたことを特徴とする回転電機を提供する。

　この発明によれば、１極分の偶数個の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、１極分の偶数個の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できる。さらに、センタブリッジが非磁性化、或いは低透磁率化されているため、漏れ磁束は極めて少ない。これにより、同じ磁石量でも、出力トルクに寄与する磁束を増やすことができる。

この発明による回転電機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。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回転中心軸方向からロータの１極分を見た正面図である。この発明の他の実施形態である同期リラクタンス回転電機のロータの構成を示す正面図である。この発明の他の実施形態である同期リラクタンス回転電機のロータの構成を示す正面図である。この発明の他の実施形態である永久磁石埋め込み式回転電機のロータの構成を示す正面図である。この発明の他の実施形態である永久磁石埋め込み式回転電機の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、図面を参照しつつ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、珪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、珪素鋼板を積層してなるものである。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電動機である。この電動機においてロータ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、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂの間に形成され、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。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。また、外周縁部３３の外周面は曲面である必要はなく、ロータ回転中心からみてセンタブリッジ３２を通る延長線上に位置する外周縁部３３の外周面がその他の位置の外周面に対し、ロータ回転中心からの距離が長ければよい。このようにして、センタブリッジ３２は磁気抵抗を高くし、ロータの外周に配置されたステータと外周縁部３３との磁気抵抗を低くすることで永久磁石埋め込み式回転電機のトルクを増大することができる。

　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、センタブリッジ３２と反対側、すなわち、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。

　また、ロータ３を構成するセンタブリッジ３２は、特開２００２－６９５９３号公報に開示された方法で、窒化および加熱されることでオーステナイト化（非磁性化）されており、その後冷却および焼き鈍しにより熱歪が除去されている。具体的には次の通りである。

　本実施形態では、ロータ３の積層鋼板の製造時、センタブリッジ３２について窒化処理し、その部分に飽和磁束密度の低い窒化相を生成することで、部材の一部の飽和磁束密度を低下させる。窒化処理の対象となるロータ鋼板としては、例えば、圧延した強磁性材料板が用いられる。窒化処理は、イオン窒化、イオン注入、ガス窒化等の窒化処理が用いられる。通常、８００℃以下の温度で処理する。また、非磁性金属等をあらかじめ付着させる必要はない。さらに窒化可能な強磁性材料であればよく、その材質は限定されない。従って、Ｆｅ系材料であれば、量産されていて、比較的コストの安いＦｅ－Ｓｉ系の電磁鋼板等、または、フェライト系ステンレス鋼等であっても良い。

　ロータ鋼板において飽和磁束密度を小さくしたいセンタブリッジ３２のみ窒化させるため、窒化させない部分については、金属板等でマスキングする。マスキングしたロータ鋼板をチャンバに収容し、基板温度を５００－８００℃に加熱し、チャンバ内に窒素を含むガス、例えば、窒素と水素の混合ガスを導入後、ガスによりプラズマを生成して窒化処理し、電磁鋼板の表面から窒化相を形成する。

　窒素はオーステナイト形成元素であるので、窒化後の冷却速度に依存してオーステナイト（γＦｅ－Ｎ）が形成されるか、あるいは、Ｆｅ_４Ｎ、Ｆｅ_２－３Ｎが形成される。これらの相の中で飽和磁束密度はＦｅ_４Ｎがもっとも大きく、Ｆｅ_２－３Ｎ、γＦｅ－Ｎの順に飽和磁束密度は小さくなる。特に、γＦｅ－Ｎは非磁性相となっている。これらの相の飽和磁束密度はαＦｅの値よりも小さい。

　窒化を加速させるために、母合金中に他の添加元素を含ませるか、または、窒化処理中に別の元素を添加しても良い。ケイ素鋼の場合、Ｓｉ自体が窒化を促進させる元素である。

　窒化処理を高温で長時間進めれば、窒化層の厚さも厚くなり、飽和磁束密度は減少する。そのため、窒化処理時間等の窒化処理条件を変えることにより、鋼板の飽和磁束密度を目的の値にすることが可能となる。

　このような温度、時間以外に、ガス種、ガス組成比、ガス圧力、ガス流量、結晶方位、結晶粒径、表面状態、冷却速度、加速電圧等が、窒化相の形成に影響する。すなわち、窒素化合物を表面から母材内部まで形成するためには、処理温度を高くすること、窒化処理中のガス種を選択すること、母材の組成を選択することが挙げられる。プラズマ窒化の場合には、浸硫窒化あるいは浸炭窒化方法も適用することができる。ガス種および流量比を選択することにより、Ｆｅ_４ＮよりもＦｅ_２－３Ｎを優先的に成長させることが可能である。

　また、プラズマ窒化以外にも、イオン注入法あるいはガス窒化法によって窒化が可能である。例えば、イオン注入法を用いる場合に、窒素イオンを注入した部分で上記化合物が形成され、飽和磁束密度が減少する。これらによっても、条件を適正化することにより飽和磁束密度Ｂｓを低下させることが可能である。

　窒化処理で飽和磁束密度が低下するのは窒化物が形成されるためであるから、ケイ素鋼板のみでなく、炭素鋼、フェライト系ステンレス鋼等のＦｅを含む強磁性合金鋼であれば、窒化処理による飽和磁束密度の低下を実現することが可能である。特に、窒素との化合物を形成しやすい合金元素やＣ（炭素）の存在によって窒化相の厚さが変化するので、設定した飽和磁束密度を得るためにはこれらの母材の合金元素濃度を考慮する必要がある。

　窒化処理後は、歪みを除去するため、または、歪みを拡散させるために、追加熱処理を行う。
　以上がセンタブリッジ３２を非磁性化する方法の詳細である。

　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。

　電動機の製造では、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。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、電動機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、若しくはそれ以上となることが多く、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。

　加えて本実施形態においては、センタブリッジ３２が非磁性化されていることで、センタブリッジを経路とした永久磁石の漏れ磁束を大幅に削減している。これによりステータ巻線に鎖交する磁石磁束が増加させることができ、トルクアップに寄与している。

　本実施形態のようにセンタブリッジ１本で磁石遠心力を支える構造は、以下の理由により、ロータの一部を非磁性化する上で有利である。

　フェライトやマルテンサイトは体心立方格子であり、格子間距離が長い。一方、オーステナイトは面心立方格子であり、格子間距離が短い。つまり、一般的に、フェライト・マルテンサイトからオーステナイトに改質することで寸法が縮む性質がある。

　本実施形態と同様にブリッジのオーステナイト化による非磁性化によりを行ってトルクアップを図った例として、特開２００２－６９５９３号公報、特開２００５－２６９８４０号公報、特開２０１３－１４３７９１号公報などがあるが、これらは非磁性化処理と同時に大きな応力を発生する。何故なら、これらは回転軸を中心としてリング状に繋がっている部分をオーステナイト化しているからである。

　このような形状ではブリッジ部の寸法が拘束されているため、伸縮が起きると大きな応力を生じる。例えば一般的な電磁鋼板の場合、ヤング率は２００［ＧＰａ］程度であり、例え０．１［％］程度の小さな伸縮が発生したとしても、単純計算で２００［ＭＰａ］もの応力が発生する。しかし、一般的な電磁鋼板の降伏応力は４００［ＭＰａ］程度のため、組み立て残留応力や、遠心応力を、残りの２００［ＭＰａ］の範囲内に収まるよう設計する必要がある。このような理由により特開２００２－６９５９３号公報、特開２００５－２６９８４０号公報、特開２０１３－１４３７９１号公報などは、非磁性化した時点でブリッジに大きな応力を生じ、その結果許容できる遠心応力が小さくなる。これが回転数の制限や磁石量の制限となり、電動機性能を制限する。

　なお、これらはサイドブリッジがある場合のセンタブリッジに関しても同様である（サイドブリッジによりセンタブリッジの寸法が拘束される）。

　これに対し、本実施形態による構造のように、センタブリッジ１本で磁石の遠心力を支える構造の場合は、寸法拘束されない部位（センタブリッジ）をオーステナイト化すれば漏れ磁束を絶つことが可能である。寸法拘束されていない自由に伸び縮みできる部位の非磁性化のため、応力が発生することはない。

　以上のように本実施形態は、特開２００２－６９５９３号公報、特開２００５－２６９８４０号公報、特開２０１３－１４３７９１号公報などに開示されたものと比較しても、強度的に優位である。

　以上のように、本実施形態によれば、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実現することができる。また、本実施形態によれば、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。

（１）例えば上記実施形態では、オーステナイト化の例として予め窒化処理するものを挙げたが窒化処理がなくてもよい。

（２）また、上記実施形態ではオーステナイト安定化元素であるＮｉやＣｒの付与を行わない例を挙げたが、ＮｉやＣｒを付与してもよい。

（３）また、上記実施形態では、非磁性化の例として改質を挙げたが、加工硬化や熱歪を用いて透磁率を低下させても良い。例えば、ロータの製造時、レーザあるいは電子ビームを使ってロータ鋼板におけるセンタブリッジの局部加熱を行った後、徐冷を行うことにより、センタブリッジの透磁率を低下させてもよい。加工や歪みが起きるということは、必ず寸法変化を伴うため、サイドブリッジがある場合には応力が発生する。しかしながら、センタブリッジの場合は加工硬化等によって寸法変化が発生したとしてもそのような応力は発生しない。

（４）また、上記実施形態では、ロータ材として珪素鋼板を用いたが一般鋼材を用いても良いし、フェライト系・マルテンサイト系の強磁性ステンレスや、オーステナイト系ステンレスを加工硬化により強磁性化させたものを用いても良い。

（５）また、上記実施形態では、シャフトとの結合方法として締り嵌めを挙げたが、隙間嵌めの上、トルク伝達をキーで行う方法や、スプラインやそれに類似した構造でトルク伝達を行う方法でもよい。隙間嵌めの場合、サイドブリッジがあっても組み立て残留応力は発生しないが、オーステナイト化や熱歪による寸法変化を原因とした応力は発生し、遠心力によるせん断応力も発生する。

（６）また、上記実施形態ではこの発明を電動機に適用したが、この発明は発電機にも勿論適用可能である。

（７）また、上記実施例では永久磁石埋め込み式電動機を例として挙げたが、同期リラクタンス電動機等の磁石レス電動機にも適用可能である。図４はこの発明の他の実施形態である同期リラクタンス電動機のロータ３’の構成を示す正面図である。このロータ３’において、穴３５ａおよび３５ｂは、磁石を保持せず、横軸インダクタンスを小さくする役割を果たす。トルクアップを図るためには、図４において、外周縁部３３の外周面の一部または全部が、ロータ回転中心軸４ａからロータ最外周部までの距離よりも大きい曲率半径を有していることが好ましい。また、外周縁部３３の外周面は曲面である必要はなく、ロータ回転中心からみてセンタブリッジ３２を通る延長線上に位置する外周縁部３３の外周面がその他の位置の外周面に対し、ロータ回転中心からの距離が短ければよい。この形状は、リラクタンスモータにおいてトルクを増大させる効果がある。このような同期リラクタンス電動機の場合、磁石がない分だけ遠心応力は小さいが、サイドブリッジがあればそこには組み立て残留応力が発生し、外周縁部３３に発生する遠心力を原因として、せん断応力も発生する。図４に示す構成では、穴３５ａおよび３５ｂがロータ外周に連通しているため、そのような問題は生じない。また、センタブリッジ３２を非磁性化または低透磁率化することにより上記実施形態と同様な効果が得られる。

（８）上記実施形態では、１つの極を形成するためにセンタブリッジを間に挟んだ２個の穴をロータに形成した。しかし、１つのセンタブリッジに対して設ける穴は、２個に限定されるものではなく、偶数個であればよい。例えば１つの極を形成するために、ロータ回転方向にセンタブリッジ３２を間に挟んだ穴の対をロータ半径方向に沿って複数対形成してもよい。図５は、そのような同期リラクタンス電動機のロータの構成例を示すものである。この例では、センタブリッジ３２のロータ回転方向左側にロータ半径方向に並んだ２個の横軸穴３５ａ１および３５ａ２があり、センタブリッジ３２のロータ回転方向右側にロータ半径方向に並んだ２個の横軸穴３５ｂ１および３５ｂ２がある。各横軸穴３５ａ１、３５ａ２、３５ｂ１、３５ｂ２は、センタブリッジ３２と反対側においてロータ外周と連通している。なお、この例では、１つの極を形成するためにセンタブリッジ３２を間に挟んだ穴の対をロータ半径方向に２対形成したが、穴の対を３対またはそれ以上形成してもよい。また、この構成は、同期リラクタンス回転電機のみならず、永久磁石埋め込み式回転電機にも適用可能である。すなわち、図５における横軸穴を永久磁石を埋め込むための穴として使用し、永久磁石埋め込み式回転電機のロータを構成してもよい。

（９）上記実施形態では、１つの極を形成するためにセンタブリッジのロータ回転方向両側に各１個の穴をロータに形成したが、１つの極を形成するために、ロータ回転方向両側に２個以上の穴を形成してもよい。図６は、そのような永久磁石埋め込み式回転電機のロータの構成例を示すものである。この例では、センタブリッジ３２のロータ回転方向左側にロータ回転方向に並んだ２個の永久磁石埋め込み穴３５ａ３および３５ａ４があり、センタブリッジ３２のロータ回転方向右側にロータ回転方向に並んだ２個の永久磁石埋め込み穴３５ｂ３および３５ｂ４がある。なお、この例では、１つの極を形成するためにセンタブリッジ３２を間に挟んだ穴３５ａ３および３５ｂ３の対と穴３５ａ４および３５ｂ４の対を形成したが、穴の対を３対またはそれ以上形成してもよい。

（１０）上記実施形態では、ロータ回転方向に１極当たり１個のセンタブリッジを設けたが、ロータ回転方向に１極当たり複数個のセンタブリッジを設けてもよい。図７はそのような永久磁石埋め込み式回転電機のロータ３ｂの構成を示す図である。

　このロータ３ｂでは、ロータ回転方向に沿って１極当たり２個のセンタブリッジ３２が形成されている。各センタブリッジ３２のロータ回転方向両側には２個の穴３５が形成されている。ロータ３ｂの芯部３１は、各センタブリッジ３２を介して穴３５のロータ回転方向外側の外周縁部３３と各々接続されている。１極内の４個の穴３５のうち中央の２個の穴３５には磁石３４がロータ回転方向に沿って２個ずつ埋め込まれている。また、１極内の４個の穴３５のうちロータ回転方向外側の２個の穴３５はそれぞれ、ロータ回転方向内側に１個の磁石３４が埋め込まれ、ロータ回転方向外側に１個のオモリ３４ａが埋め込まれている。また、ロータ３ｂにおいて、磁極間の境界付近には、２個の放射突起３９が突出しており、磁極中央付近に１個の放射突起３９ａが突出している。以上がロータ３ｂにおける１磁極分の概略構成である。そして、図７に示す例では、ロータ３ｂ全体で４磁極が構成されている。

　１磁極内の３個の放射突起のうちロータ回転方向両側の２個の放射突起３９は、回転中心軸４ａから離れる方向に突き出している。この放射突起３９のロータ回転方向両側の側面には、放射突起３９の両側の外周縁部３３の外周面の角部に頂上部を向けた山形状の側面突起３９１が形成されている。また、１磁極内の３個の放射突起のうち中央の放射突起３９ａは傘状になっている。そこで、以下、このロータ回転方向中央の放射突起３９ａを傘状放射突起３９ａという。この傘状放射突起３９ａは、ロータ回転方向両側の２個の外周縁部３３の一部または全部をロータ外周側から覆う側面突起３９２を有している。これに対し、２個の放射突起３９は、山形状の側面突起３９１を有しているものの、この側面突起３９１は、外周縁部３３の端部からロータ回転方向に離れている。すなわち、この態様では、ロータ回転方向の外周縁部３３との距離が複数の放射突起間で異なっており、磁極中央に位置する傘状放射突起３９ａと外周縁部３３との距離は、磁極間境界に位置する帯状の放射突起３９と外周縁部３３との距離よりも短い。

　また、この態様において、磁極中央に位置する傘状放射突起３９ａの側面突起３９２よりもロータ半径方向内側の部分の幅（ロータ回転方向の寸法）は、そのロータ回転方向両側の帯状の放射突起３９の幅よりも狭くなっている。

　また、この態様において、磁極中央に位置する傘状放射突起３９ａの最外周と回転中心軸４ａとの間の距離は、外周縁部３３の最外周と回転中心軸４ａとの間の距離よりも長い。すなわち、傘状放射突起３９ａの最外周は、外周縁部３３の最外周よりもステータに接近している。

　この態様において、ロータ外周面は、外周縁部３３と側面突起３９１および３９２を各々有する放射突起３９および３９ａが概略滑らかに繋がったものとなり、気流の剥離が起こり難い。従って、この態様によれば、ロータ３ｂの風損を低減することができる。

　また、この態様では、上記実施形態（図２および図３参照）に比べて、ロータ３ｂの磁極数を低減することができる。以下、この効果について説明する。

ａ．まず、この態様では、磁極中央の傘状放射突起３９ａが、そのロータ回転方向両側の外周縁部３３の広い範囲を覆い、かつ、外周縁部３３との距離が近い。このため、この態様では、磁極中央の傘状放射突起３９ａと２個の外周縁部３３との間の磁気抵抗が小さい。

ｂ．また、磁極中央の傘状放射突起３９ａは、外周縁部３３よりもステータに近く、ステータとの間の磁気抵抗が小さい。このため、磁束は、傘状放射突起３９ａのある磁極中央を通り易い。

ｃ．また、傘状放射突起３９ａは、半径方向中央付近の部分の幅が狭い。このため、傘状放射突起３９ａを経路とした磁気短絡が起きにくい。

ｄ．また、この態様では、ロータ回転方向両側に起磁力を持たないオモリ３５ａが配置されており、傘状放射突起３９ａ付近の起磁力が高くなっている。このため、１磁極の範囲内において、１正弦波に近い起磁力の分布が得られる。

　以上のａ～ｄの効果により、この態様では、図７に示すように、センタブリッジ３２を２個含む範囲を１磁極とし、ロータ全体の磁極数を半減させることができる。このため、１磁極当たり１個のセンタブリッジ３２を含むロータに比べて、永久磁石埋め込み式回転電機を駆動するインバータの制御速度を半分に低下させることができる。

　そして、この態様では、上記実施形態（図２および図３）と同様、センタブリッジ３２が非磁性化されている。従って、上記実施形態と同様、センタブリッジ３２のロータ回転方向の幅を広げて、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可能になる。

１……フレーム、２……鉄心、３，３’，３ｂ……ロータ、３１……芯部、３２……センタブリッジ、３３……外周縁部、３４ａ，３４ｂ……永久磁石、３５ａ，３５ｂ，３５ａ１～３５ａ４，３５ｂ１～３５ｂ４……穴、３６……内接円、３７……ｑ軸突起、３８ａ、３８ｂ……位置決め突起、３９，３９ａ……放射突起、３９１，３９２……側面突起、４……シャフト、４ａ……回転中心軸、５……転がり軸受け、６……シールド。

Claims

　センタブリッジを間に挟んで周方向に隣り合った偶数個の穴が極毎に形成されてなるロータを有し、
　前記ロータの各極において前記センタブリッジを挟んだ偶数個の穴は前記センタブリッジの反対側において前記ロータの外周と連通しており、
　前記センタブリッジを非磁性化または前記ロータにおける前記センタブリッジ以外の部分よりも透磁率を低下させたことを特徴とする回転電機。
　前記センタブリッジは、熱処理または加工硬化を利用することにより、変態または歪み発生が行われて非磁性化または低透磁率化されたものであ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。
　前記センタブリッジが前記偶数個の穴の内接円よりも前記ロータの半径方向外側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
　前記センタブリッジが前記偶数個の穴の内接円よりも前記ロータの半径方向外側に位置していることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
　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に記載の回転電機。
　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２に記載の回転電機。
　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３に記載の回転電機。
　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４に記載の回転電機。
　前記穴が永久磁石を保持し、前記回転電機が永久磁石埋め込み型回転電機であることを特徴とする請求項１～８のいずれか１の請求項に記載の回転電機。
　前記外周縁部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９に記載の回転電機。
　前記穴の内壁のうち前記ロータ半径方向外側の領域に、前記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９に記載の回転電機。
　前記永久磁石の固定を接着剤により補助したことを特徴とする請求項９に記載の回転電機。
　前記回転電機が同期リラクタンス回転電機であることを特徴とする請求項１～８のいずれか１の請求項に記載の回転電機。
　前記外周縁部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大きい曲率半径を有していることを特徴とする請求項１３に記載の回転電機。