WO2018070226A1

WO2018070226A1 - 回転子および回転電機

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Publication number: WO2018070226A1
Application number: PCT/JP2017/034475
Authority: WO
Inventors: 川村　浩司; 文貴戸塚; 一将伊藤; 迪廣谷; 紘子池田; 広大岡崎
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2018-04-19
Also published as: CN109845070B; CN109845070A; JPWO2018070226A1; JP6591084B2

Abstract

積層鉄心（７）の軸方向（Ｙ）の両端に第一端板（１４）および第二端板（１６）とを備え、積層鉄心（７）は、回転軸（９）が貫通する貫通孔（３０）を有する環状の基部（１１）と、基部（１１）の外側（Ｘ１）に径方向（Ｘ）に間隔（Ｗ１）を隔てて形成され、周方向（Ｚ）に互いに所定の間隔（Ｗ２）を空けて、周方向（Ｚ）に複数個形成された磁極部（１２）と、基部（１１）から径方向（Ｘ）の外側（Ｘ１）に延在して各磁極部（１２）とそれぞれ連結する連結部（１０）とから構成され、積層鉄心（７）の各磁極部（１２）の周方向（Ｚ）間にそれぞれ配置された磁石（８）と、各磁石（８）の径方向（Ｘ）の外側（Ｘ１）を覆う非磁性体の第一ウェッジ（１３）と、各磁石（８）の径方向（Ｘ）の内側（Ｘ２）を覆う非磁性体の第二ウェッジ（１５）とを備える。

Description

回転子および回転電機

　この発明は、固定子の径方向の内側に回転子が配置された内転型の回転電機および回転子に関し、特に、回転子内での漏洩磁束を防止するとともに磁石の飛散を防止するものである。

　従来の回転電機は、各極に用いる磁石量を増やして回転電機の出力を向上させる方法が考えられている。回転子の外周面に磁石を配置する構造の場合、各磁石の周方向の幅は「回転子外周の周長÷極数」以下でなければならない。この条件により、極数が増えてくると磁石の幅が狭くなりがちであり、磁石量を増やして回転電機の特性向上を図る際の制約となる。これを回避する方策として、回転子の鉄心内に内周部側から外周部側まで半径方向に延びるよう、磁石を放射状に組み込む回転電機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許５４２９２４１号公報（図２）

　回転電機は、磁石による磁束が回転子内で短絡する漏洩磁束が生じると、その磁束は回転子のトルク発生に全く寄与しないため、漏洩磁束を抑えることが回転電機の特性向上になる。放射状に配置された磁石の外周側の面は積層鉄心で完全に覆ってしまうと、そこで磁束が短絡して回転子内での漏洩磁束となる。また、各磁石に挟まれた扇状の積層鉄心は、その内周側で幅の細い連結部を介してお互いに繋がっている。これは構造上、それぞれを連結する必要があるが、連結部を介した漏洩磁束を低減するために連結部の幅を狭くして当該箇所の磁気抵抗を増大させたものである。

　従来の回転電機においては磁石の外周面において積層鉄心を鉤状にして磁石を固定するための部位を設けつつ、磁石外周側を完全には鉄心で覆わないようにしているが、積層鉄心に鉤状の部分が存在するため、漏洩磁束の要因になるという問題点があった。

　回転子の磁石は衝撃によって欠け易い素材であるため、回転電機の用途によっては磁石の欠片が生じた場合でもそれが飛散しないよう対策する必要がある。しかし、従来の磁石は回転子の外周側が露出しており、飛散防止効果がないという問題点があった。

　この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、回転子内での漏洩磁束を防止するとともに磁石の飛散を防止する回転子および回転電機を提供することを目的とする。

　この発明の回転子は、
回転電機の固定子の内側に配置され回転軸にて回転する回転子において、
薄板の鉄心が積層された積層鉄心と、
前記積層鉄心の軸方向の両端にそれぞれ設置され、中央に前記回転軸が貫通する第一貫通孔および第二貫通孔をそれぞれ有する第一端板および第二端板とを備え、
前記積層鉄心は、前記回転軸が貫通する貫通孔を有する環状の基部と、
前記基部の外側に径方向に間隔を隔てて形成され、周方向に互いに所定の間隔を空けて、周方向に複数個形成された磁極部と、
前記基部から径方向の外側に延在して各前記磁極部とそれぞれ連結する連結部とから構成され、
前記積層鉄心の各前記磁極部の周方向間にそれぞれ配置された磁石と、
各前記磁石の径方向の外側を覆う非磁性体の第一ウェッジと、
各前記磁石の径方向の内側を覆う非磁性体の第二ウェッジとを備えた
ものである。
　また、この発明の回転子は、
回転電機の固定子の内側に配置され回転軸にて回転する回転子において、
薄板の鉄心が積層された積層鉄心と、
前記積層鉄心の軸方向の両端にそれぞれ設置され、中央に前記回転軸が貫通する第一貫通孔および第二貫通孔をそれぞれ有する第一端板および第二端板とを備え、
前記積層鉄心は、前記回転軸が貫通する貫通孔を有する環状の基部と、
前記基部の外側に径方向に間隔を隔てて形成され、周方向に互いに所定の間隔を空けて、周方向に複数個形成された磁極部と、
前記基部から径方向の外側に延在して各前記磁極部とそれぞれ連結する連結部とから構成され、
前記積層鉄心の各前記磁極部の周方向間にそれぞれ配置された磁石と、
各前記磁石の径方向の外側を覆う非磁性体の第一ウェッジと、
前記第一端板および前記第二端板の前記第一貫通孔および前記第二貫通孔は前記基部の外径より小さく形成された
ものである。
　この発明の回転電機は、
上記記載の回転子と、
前記回転子の外周面と間隔を設けてかつ同心円状に配設された前記固定子とを備えた
ものである。

　この発明の回転子および回転電機によれば、
回転子内での漏洩磁束を防止するとともに磁石の飛散を防止する。

この発明の実施の形態１の回転電機の構成を示す断面図である。図１に示した回転電機の回転子の構成を示す分解斜視図である。図１に示した回転電機の回転子の構成を示す断面図である。図３に示した回転子の構成を示す拡大断面図である。図２に示した回転子の構成を示す断面図である。図２に示した回転子の製造方法を示す斜視図である。図２に示した回転子の製造方法を示す斜視図である。図２に示した回転子の製造方法を示す斜視図である。図１に示した回転電機の回転子の他の例の構成を示す断面図である。この発明の実施の形態２の回転電機の固定子の構成を示す断面図である。図１０に示した回転子の構成を示す断面図である。この発明の実施の形態３の回転電機の固定子の構成を示す断面図である。図１２に示した回転子の構成を示す分解斜視図である。図１２に示した回転子の構成を示す断面図である。図１に示した回転電機の回転子の構成および他の製造方法を示す分解斜視図である。

実施の形態１．
　以下、本願発明の実施の形態について説明する。以下の説明において、本願発明の実施の形態の回転電機１における各方向を、周方向Ｚ、軸方向Ｙ、径方向Ｘ、径方向Ｘの外側Ｘ１、径方向Ｘの内側Ｘ２としてそれぞれ示す。よって、固定子３および回転子６においても、これらの方向は同一方向となる。

　図１はこの発明の実施の形態１における回転電機１の軸方向Ｙに垂直な断面を示す断面図である。図２は図１に示した回転電機の回転子６の構成を示す分解斜視図である。図２は積層鉄心７の構成および磁石８の配置が判るように示したもので、後述する、積層鉄心７が薄板の鉄心７０を軸方向Ｙに積み重ねて構成されていること、および、直方体の磁石８が放射状に配置され、積層鉄心７内に嵌め込まれていることを示している。

　図３は図１に示した回転電機１の回転子６の軸方向Ｙに垂直な断面を示した断面図である。図４は図３に示した回転子６の磁石８が組み込まれた箇所を拡大して示した断面図である。図５は図３に示したＡ１－Ａ２線における回転子６の軸方向Ｙに平行な断面を示した断面図である。図１５は図１に示した回転電機の回転子の構成および他の製造方法を示す分解斜視図である。尚、各図において、軸方向Ｙに垂直な断面を示す図には、後述する第一端板１４および第二端板１６は図示されないものである。このことは、以下の実施の形態においても同様であるためその説明は適宜省略する。

　図において、回転電機１は、モータフレーム２と、モータフレーム２の内側Ｘ２に固定された円筒形の固定子３と、固定子３の内側Ｘ２に所定の間隔を隔てて配置された回転子６とにて構成される。固定子３は固定子鉄心４に巻線５を巻回したものである。固定子鉄心４と巻線５との間には両者が電気的に短絡するのを防止するための絶縁部材が配置されているが、図においては省略している。巻線５は３以上の多相の巻線群にて構成され、外部に存在する制御装置を用いて回転子６の位相に応じて所定の電流を各相の巻線５に順次通電することで、回転子６を回転させる。

　回転子６は積層鉄心７と、磁石８と、回転軸９とから構成される。回転軸９は図示しない軸受によって固定子３、モータフレーム２に対して回転可能に支持されている。積層鉄心７は、例えば強磁性体の薄板の鉄心７０が軸方向Ｙに複数枚積層され形成される。積層された各鉄心７０は、軸方向Ｙに隣接する鉄心７０同士が例えばかしめによって固定する方法が一般的であるが、鉄心７０同士を溶接する、あるいは接着剤にて接着するといった固定方法も適用可能である。

　また、固定子鉄心４も積層鉄心７と同様に薄板の鉄心を積層して構成することが一般的であるが、固定子鉄心４に用いる鉄心の表面に絶縁被膜を備えており、積層された鉄心間が電気的に絶縁されており、これにより固定子鉄心４内で渦電流を生じにくくさせ、渦電流による損失の低減を図っている。また、積層鉄心７に用いる鉄心７０も固定子鉄心４の鉄心と同様に絶縁被膜を備えた鉄心７０を用いてもよいが、積層鉄心７の場合は絶縁被膜を備えない鉄心７０を用いてもよい。

　積層鉄心７は、基部１１と、複数の磁極部１２と、複数の連結部１０とから構成される。基部１１は、回転軸９が貫通する貫通孔３０を有し環状にて形成される。回転軸９は、基部１１の貫通孔３０に固定される。回転子６で発生する回転トルクが回転軸９を介して外部に出力されるため、基部１１と回転軸９とは回転トルクに耐えるよう強固に固定される。固定方法として圧入や溶接あるいは回り止めのキーを組み込むといった構成が考えられる。

　磁極部１２は、基部１１の径方向Ｘの外側Ｘ１に間隔Ｗ１を隔てて形成され、周方向Ｚに互いに所定の間隔Ｗ２を空けて、周方向Ｚに複数個、ここでは、１４個形成される。連結部１０は、基部１１と、基部１１から径方向Ｘの外側Ｘ１に延在して各磁極部１２とをそれぞれ連結する。よって、連結部１０は磁極部１２と同一の１４個が形成される。そして、連結部１０の周方向のＺの幅は、磁極部１２の周方向Ｚの幅より小さく形成されている。これにより、積層鉄心７の基部１１と磁極部１２との径方向Ｘの間には、空隙部４０が形成される。

　積層鉄心７の各磁極部１２の周方向Ｚ間にはそれぞれ磁石８が配置される。よって、ここでは１４個の磁石８が配置される。磁石８は、略直方体にて形成される。磁石８は、回転子６の径方向Ｘに、内側Ｘ２から外側Ｘ１まで径方向Ｘに延びるように設置されている。隣接する磁石８の磁極は互い逆向きに形成されており、その間に挟まれた積層鉄心７の磁極部１２が回転子６の磁極として機能する。

　本実施の形態１における回転電機１の磁石８が略直方体にて形成される理由について説明する。回転電機１の磁石８には、磁束密度の高い焼結磁石を用いる。磁石粉末を焼き固めて成型する焼結磁石は、焼結工程での寸法変化が大きいので、所望の磁石形状精度を得るために焼結後の研磨工程が必要となる。その際、単純な形状であれば、少ない研磨量で仕上げることができるとともに、研磨時間が短くなるので、同じ体積の磁石８の中では最も安価に仕上げるために直方体を用いる。

　積層鉄心７の軸方向Ｙの両端には、第一端板１４および第二端板１６がそれぞれ密着して設置される。第一端板１４および第二端板１６は、中央に回転軸９が貫通する第一貫通孔３１および第二貫通孔３２がそれぞれ形成される。第一ウェッジ１３は、各磁石８の径方向Ｘの外側Ｘ１において軸方向Ｙの上下全てを覆うように形成される。第二ウェッジ１５は、各磁石８の径方向Ｘの内側Ｘ２において軸方向Ｙの上下全てを覆うように形成される。第一ウェッジ１３および第二ウェッジ１５は非磁性体にて形成され、例えば樹脂やアルミニウム合金にて形成される。第一ウェッジ１３は、軸方向Ｙの一端が第一端板１４に一体に形成される。第二ウェッジ１５は、軸方向Ｙの一端が第二端板１６に一体に形成される。

　第一端板１４には、径方向Ｘの内側Ｘ２である第一貫通孔３１に第二ウェッジ１５を嵌め合わせるための第二嵌合部１９が形成される。第二端板１６には、径方向Ｘの外側Ｘ１に第一ウェッジ１３を嵌め合わせるための第一嵌合部１７が形成される。磁極部１２は、周方向Ｚに隣接する磁極部１２側に軸方向Ｙに延在する第一嵌合溝１８が形成される（図４）。磁極部１２は、径方向Ｘの内側Ｘ２に軸方向Ｙに延在する第二嵌合溝２０が形成される（図４）。第一ウェッジ１３は、磁極部１２の第一嵌合溝１８に挿入され、周方向Ｚに隣接する磁極部１２同士を連結する。第二ウェッジ１５は、磁極部１２の第二嵌合溝２０に挿入され、周方向Ｚに隣接する磁極部１２同士を連結する。

　第一ウェッジ１３は、軸方向Ｙの第二端板１６側が、第二端板１６の第一嵌合部１７に嵌合される。第二ウェッジ１５は、軸方向Ｙの第一端板１４側が、第一端板１４の第二嵌合部１９に嵌合される。これは、第一ウェッジ１３および第二ウェッジ１５の軸方向Ｙの長さは積層鉄心７の軸方向Ｙの長さよりも長く形成されているためである。従って、積層鉄心７に組み込まれた第一ウェッジ１３および第二ウェッジ１５は、第一端板１４および第二端板１６と一体に形成されていない側の端部が、積層鉄心７を貫通して軸方向Ｙに外側に突出する。そして突出した位置には第一端板１４および第二端板１６に第二嵌合部１９および第一嵌合部１７が形成されている。よって、積層鉄心７から軸方向Ｙの外側に突出した第一ウェッジ１３および第二ウェッジ１５の端部は第二端板１６および第一端板１４の第一嵌合部１７および第二嵌合部１９に嵌め込まれる。

　第一ウェッジ１３および第二ウェッジ１５と、第一端板１４および第二端板１６とを一体化して形成する方法について説明する。アルミニウムを用いた場合、例えばダイカストにより一体で成形する方法にて行う。他には、押し出し成形で第一ウェッジ１３および第二ウェッジ１５を作成し、第一端板１４および第二端板１６に嵌め込んで、溶接やカシメで固定して一体化して形成する方法にて行う。ダイカストにて成形する場合には、鋳造性に優れたダイカスト用のアルミニウム合金を用いる。押し出し成形する場合には、押し出し加工に適したアルミニウム合金を用いる。

　また、第一ウェッジ１３および第二ウェッジ１５の材料としてアルミニウム合金以外に樹脂を用いることが考えられるが、樹脂を用いた場合にはクリープの懸念がある。しかし、本実施の形態においては通常時には第一ウェッジ１３、第二ウェッジ１５、第一端板１４および第二端板１６にはほとんど荷重が作用しないため、クリープに対する問題は生じないものと考える。これは、磁石８はその周方向Ｚの両側を積層鉄心７の磁極部１２に挟まれた状態であり、通常は磁石８と積層鉄心７とが吸着しているため、回転子６が回転することによる遠心力は、通常、第一ウェッジ１３、第二ウェッジ１５、第一端板１４および第二端板１６には作用しないためである。

　回転子６に外力が作用することによって磁石８に吸着力を超える遠心力等が作用することが考えられるが、その頻度はわずかであり第一ウェッジ１３の変形に繋がる程度のものではないと考えられる。従って、樹脂材料として特に限定するものではないが、上述のようにイレギュラーな状態で外力によって回転子６が回転させられた場合における磁石８に作用する遠心力を第一ウェッジ１３で支持することを考慮に入れて、比較的強度の高い樹脂材料を使用することが望ましい。例えば、ＰＡ（ｐｏｌｙａｍｉｄｅ、ポリアミド）やＰＢＴ（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅ　ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ポリブチレンテレフタレート）、ＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ポリエチレンテレフタレート）等の比較的強度の高い樹脂材料が適している。

　上記に示したように、本実施の形態１においては、回転子６の積層鉄心７の各磁極部１２は連結部１０によって基部１１と繋がっている。したがって、回転子６が回転した場合に各磁極部１２に生じる遠心力はそれぞれの磁極部１２に備えられた連結部１０によって支持される。そのため、第一ウェッジ１３に作用するのは、磁石８に作用する遠心力のみとなるため、上述した樹脂材料にて第一ウェッジ１３を作成すれば、第一ウェッジ１３にて磁石８を保持することが十分に可能である。

　次に上記のように構成された実施の形態１の回転電機の回転子の製造方法について図６から図８を交えて説明する。製造方法としては、積層鉄心７に対して第一ウェッジ１３、第二ウェッジ１５および磁石８を組み込むものである。まず、第一工程として、積層鉄心７に第一ウェッジ１３または第二ウェッジ１５を軸方向Ｙの一方から組み込む。第二工程として、磁石８を嵌め込む。第三工程として、もう一方の第一ウェッジ１３または第二ウェッジ１５を組み込むものである。

　第一工程において、第一ウェッジ１３または第二ウェッジ１５のいずれも組み立て可能である。しかし、第二工程の際に磁石８を外側Ｘ１から保持する方法が望ましく、回転子６の外側Ｘ１から磁石８を保持することができるよう、第一工程では第二ウェッジ１５が一体に形成された第二端板１６を、第二ウェッジ１５が上方となるように載置し（図６）、積層鉄心７を軸方向Ｙの上方から第二ウェッジ１５を組み込む（図７）。この際、第二ウェッジ１５を磁極部１２に形成された第二嵌合溝２０に挿入して嵌合させる。

　次に、第一工程で組み込んだ第二ウェッジ１５と一体化された第二端板１６とは反対側の軸方向Ｙから積層鉄心７に磁石８を組み込む（図８）。または、積層鉄心７に対して外側Ｘ１から内側Ｘ２に向けて径方向Ｘに磁石８を移動させて組み込んでもよい。次に、第一ウェッジ１３が一体に形成された第一端板１４を、第一ウェッジ１３が下方となるように配置し、軸方向Ｙから積層鉄心７に組み込む。この際、第一ウェッジ１３を磁極部１２に形成された第一嵌合溝１８に挿入して嵌合させる。これとともに、第一ウェッジ１３および第二ウェッジ１５の軸方向Ｙにおいて、第一端板１４および第二端板１６と一体に形成されていない側の端部を、第二端板１６の第一嵌合部１７および第一端板１４の第二嵌合部１９にそれぞれ嵌合させる。

　尚、回転子６として用いるには、磁石８に強力な磁界を与えて磁化させる着磁工程が必須である。本実施の形態の回転子６においては、着磁されていない磁石８を用いて回転子６を組み立て、回転電機１に回転子６を組み込む直前に着磁する方法を用いてもよいし、予め個々の磁石８を着磁しておき、それを積層鉄心７に組み込む方法を用いてもよい。

　しかしながら、本実施の形態１のように回転子６に放射状に磁石８を組み込んだ後に着磁する場合、外部から磁界を与えても磁石８の径方向Ｘの内側Ｘ２に十分な磁束が流れず、磁石８の径方向Ｘの内側Ｘ２の磁化が不十分になる可能性がある。そのため、先に磁化しておいた磁石８を積層鉄心７に組み込む方法が採用される場合が多い。

　また、上記に示したように本実施の形態１の回転子６は、積層鉄心７に複数の磁石８を組み込む必要がある。よって、この複数の磁石８を組み込むのに要する時間を短縮して生産性を向上させるには、複数の磁石８を積層鉄心７に同時に組み込むことが望ましい。積層鉄心７の磁極部１２間に磁石８を同時に組み込む方法としては、磁石８を回転子６の軸方向Ｙから組み込む方法、あるいは磁石８を回転子６の径方向Ｘの外側Ｘ１から内側Ｘ２に向けて組み込む方法という２つの組み込み方法が可能である。

　上記実施の形態１の図８にて示したように、複数の磁石８を回転子６の軸方向Ｙから同時に組み込む方法の場合には、積層鉄心７の大きさの軸方向Ｙの範囲内にて、複数の磁石８を同時に把持する設備が必要となる。しかしながら、積層鉄心７の大きさの軸方向Ｙの範囲内という狭い範囲内にて、複数の磁石８の把持を行うには余裕がなく、設備の構成が複雑になる。これは、特に小型の回転電機１おいては、積層鉄心７の大きさが小さく顕著となる。また、小型の回転電機１は、安価に多数個を生産する必要があり、生産性の観点から不利となる。

　よって、磁石８を組み込む設備の構成が簡便となり、複数の磁石８を同時に組み込むことによる生産性の向上を両立させるため、回転子６の径方向Ｘの外側Ｘ１の余裕のある箇所にて、複数の磁石８を把持する設備を設置し、磁石８を積層鉄心７の径方向Ｘの外側Ｘ１から内側Ｘ２に組み込む方法が採用されることが考えられる。

　図１５を用いて、磁石８を積層鉄心７の径方向Ｘの外側Ｘ１から内側Ｘ２に組み込む方法について説明する。まず、上記実施の形態１と同様に、積層鉄心７の各磁極部１２間に、第二ウェッジ１５を軸方向Ｙに挿入して嵌め込む（図７）。次に、図１５に示すように、積層鉄心７の径方向Ｘの外側Ｘ１に放射状に配置された磁石８を、積層鉄心７の磁極部１２間に径方向Ｘの外側Ｘ１から内側Ｘ２に向かって挿し込む。次に、上記実施の形態１と同様に、積層鉄心７の第一ウェッジ１３を軸方向Ｙに挿入して嵌め込み、図３に示したように回転子６が構成される。

　尚、当該方法、磁石８を積層鉄心７の径方向Ｘの外側Ｘ１から磁極部１２間に組み込む方法の場合には、当然のことながら、各磁極部１２間が磁石８の周方向Ｚの幅以上にて形成されるとともに、各磁極部１２間が積層鉄心７の径方向Ｘの外側Ｘ１まで貫通している構成を有する。

　従来の回転電機の場合、各磁石に挟まれた磁極部が細い連結部を介してのみ繋がっているため、積層鉄心の強度が弱い。このため、積層鉄心の軸方向の両端に端板を配置し、積層鉄心を貫通するバーによって両端板の固定と積層鉄心との強度確保を図っている。そのためには、積層鉄心内にバーを通す穴を設ける必要があり、磁気抵抗が増大して回転電機の特性が低下していた。しかし、本実施の形態１においては、第一ウェッジ１３および第二ウェッジ１５が周方向Ｚに隣接する磁極部１２間を連結しているため回転子６としての剛性を向上する。

　上記のように構成された実施の形態１の回転子および回転電機によれば、磁石の径方向の外側および内側を第一ウェッジおよび第二ウェッジにて覆い、磁石を保持しているため、磁石を保持するための磁石と積層鉄心との接触部分が減少し、積層鉄心内で生じる漏洩磁束を低減しつつ、磁石の保持が可能となる。よって、回転電機の特性向上あるいは小型化を実現できる。また、磁石の径方向の外側および内側の軸方向の上下全てを第一ウェッジおよび第二ウェッジにて覆うため、磁石の欠片の飛散による回転電機の動作不良を防止できる。

　また、本実施の形態１のように、積層鉄心内に内側Ｘ２から外側Ｘ１まで径方向Ｘに延びるよう磁石を埋め込んだ構造では、１極あたりの磁石量を多くして回転電機の特性向上を図ることができる。他の磁石の配置方法として、積層鉄心の周方向に磁石を配置して固定する方法があるが、この場合は各磁石の周方向の幅は「積層鉄心の周長÷極数」より大きくすることができない。そのため、特に極数の多い回転子においては磁石量を増やすためには軸方向長さを伸ばす必要があり、回転電機の軸方向長さが大きくなってしまう。これに対し、本実施の形態１における磁石の配置では磁石幅は積層鉄心の半径で制約されるため、極数が多い場合でも磁石幅を広くして磁石量を増やすことが可能であり、軸方向長さを大きくすることなく出力を増大させることができる。

　また、本実施の形態１においては、部品数の低減と、磁石の組み込み時の積層鉄心の位置決めを容易にするために、磁極部の内側とその内側に配置された基部とを連結部で繋げている。ただし、この連結部を経由した漏洩磁束を低減するために連結部を細長く構成しており、その結果、各磁極部の周方向の剛性は低くなる可能性がある。周方向の剛性が低いと回転電機の駆動時に各磁極部がそれぞれ周方向に変位し、振動や音の発生要因となる。周方向に隣接する磁極部の間に第一ウェッジおよび第二ウェッジを配置してこれらを連結することにより、磁気的には繋がらず機械的には接続された状態となるため、積層鉄心の剛性を高めることができる。

　また、本実施の形態１では第一ウェッジおよび第二ウェッジの軸方向の一端が第一端板または第二端板と一体で構成しており、第一ウェッジおよび第二ウェッジの軸方向の他端はもう一方の第一端板または第二端板の第二嵌合部または第一嵌合部と嵌合させているため、第一ウェッジおよび第二ウェッジの回転方向の変形も抑制できる。

　また、本実施の形態１における放射状に磁石を配置した回転子においては磁束密度の高い焼結による磁石を用いることが一般的である。焼結磁石は脆い素材であり、衝撃力等が作用することによって磁石に割れや欠けが発生することがある。磁石の欠片が飛散した場合、それが固定子と回転子との間に噛みこんだ場合には回転子が回転不能となる恐れがある。また、飛散した欠片により固定子の巻線等の絶縁破壊が生じる恐れもある。

　そのため、温度、振動といった使用環境が過酷であるにもかかわらず高い信頼性が求められる用途、例えば自動車の車載用途においては磁石の欠片が飛散して回転電機が不動状態にならないように対処する必要がある。積層鉄心においては漏洩磁束低減のため連結部を細長くしており、その形状を大量生産に適した加工方法であるプレスで加工するには薄板を用いる必要がある。そのため、積層鉄心を薄板の鉄心を積層して構成している。これにより磁気抵抗を大きくして漏洩磁束を低減した細長い連結部を備えた積層鉄心を得ることができる。

　しかし、積層鉄心を構成する薄板の鉄心の板厚にはばらつきが避けられないため、それを積層した積層鉄心全体の積層方向の高さにもばらつきが生じる。積層枚数を調整して高さを調整することは可能だが、薄板の鉄心の板厚単位でしか調整できないので、積層全体の軸方向高さには板厚程度のばらつきは避けられない。

　本実施の形態では各磁石の径方向の外側および内側の近傍に配置された第一ウェッジおよび第二ウェッジの軸方向の一端は第一端板または第二端板と一体化され、その第一端板および第二端板は積層鉄心の軸方向の端部に密着して取り付けられているため、この部分で磁石の欠片が回転子の外に飛散する隙間はない。また、第一ウェッジおよび第二ウェッジの軸方向の他端は反対側の第一端板または第二端板の第二嵌合部または第二嵌合部に嵌め込まれており、こちらの端板も積層鉄心の積層端に密着して取り付けられているため、この部分でも同じく欠片が飛散する隙間はない。

　このように、第一ウェッジおよび第二ウェッジの軸方向の一端を第一端板または第二端板と一体化することで当該箇所の隙間を排除し、第一ウェッジおよび第二ウェッジの軸方向の他端をもう一方の第一端板または第二端板と嵌め合わせることにより積層鉄心の積層全体の軸方向の高さがばらついた場合でも当該箇所に隙間を生じさせないため、磁石の欠片の飛散を防止することが可能である。

　上記実施の形態１においては、端板とウェッジとを同一素材から形成し、第一端板１４は第一ウェッジ１３と、第二端板１６は第二ウェッジ１５と一体に形成する例を示したが、これに限られることはなく、第一端板１４または第二端板１６のいずれか一方に、第一ウェッジ１３および第二ウェッジ１５の両方ともが一体となった構成にて形成することも可能である。第一ウェッジ１３および第二ウェッジ１５が第一端板１４および第二端板１６のいずれかに一体に形成されていればよい。

　また、第一ウェッジ１３および第二ウェッジ１５を積層鉄心７に嵌め込む際に、圧入する形状とすることで一体化された第一端板１４および第二端板１６も固定される。ただし、これだけでは第一端板１４および第二端板１６の固定力が不足する場合には、第一端板１４および第二端板１６を積層鉄心７に接着剤により接着する、あるいは、ネジにて固定するといった構成を用いることも可能である。また、図９に示すように第一端板１４および第二端板１６の第一貫通孔３１０および第二貫通孔３２０の大きさを、回転軸９の大きさまで小さくして、回転軸９に圧入固定することも可能である。

実施の形態２．
　図１０はこの発明の実施の形態２における回転子６の軸方向Ｙに垂直な断面を示した断面図である。図１１は図１０に示した回転子６のＢ１－Ｂ２線における軸方向Ｙに平行な断面を示した断面図である。図において、上記実施の形態１と同様の部分は同一符号を付して説明を省略し、上記実施の形態１と異なる部分について説明する。第二ウェッジ１５０は、第一端板１４に一体に形成されている。第二ウェッジ１５１は第二端板１６に一体に形成されている。

　第二ウェッジ１５０、１５１の軸方向Ｙの長さは、積層鉄心７の軸方向Ｙの長さ、すなわち磁石８の軸方向Ｙの長さより短く、１枚の鉄心７０の軸方向Ｙの長さ（厚さ）より長く形成されている。よって、磁石８の径方向Ｘの内側Ｘ２の一部のみが、第二ウェッジ１５０、１５１にて覆われている。

　第一端板１４の第一貫通孔３１０および第二端板１６の第二貫通孔３２０の径は、積層鉄心７の貫通孔３０の径と同様の大きさにて形成される。よって、第一貫通孔３１０および第二貫通孔３２０は、積層鉄心７の基部１１の外径より小さく形成される。

　上記のように構成された実施の形態２の回転電機の回転子は、上記実施の形態１と同様に第一ウェッジ１３は作用するとともに、第二ウェッジ１５０、１５１によって磁石８の内側Ｘ２が軸方向Ｙの上下で一部が保持され、磁石８が内側Ｘ２に移動しないように形成される。すなわち、第二ウェッジ１５は磁石８の径方向Ｘの位置決めとして機能する。

　また、第一端板１４および第二端板１６の第一貫通孔３１０および第二貫通孔３２０の径が、基部１１の外形より小さく形成されているため、第一端板１４および第二端板１６の内側Ｘ２部分が基部１１と軸方向Ｙにおいて重なる。よって、磁石８の内側Ｘ２が露出している積層鉄心７の空隙部４０は、軸方向Ｙにおいて第一端板１４および第二端板１６にて蓋をされた状態となり、磁石８の欠片が飛散するのを防止できる。

　上記のように構成された実施の形態２の回転電機の回転子によれば、上記実施の形態１と同様の効果を奏するとともに、第二ウェッジが磁極部に嵌合されておらず、軸方向において積層鉄心より短く形成されているため、積層鉄心への第二ウェッジの組み込みが容易である。また、第二ウェッジと磁極部との位置関係の精度が緩和される。

　尚、上記実施の形態２においては、第一端板１４および第二端板１６のいずれにも第二ウェッジ１５０、１５１をそれぞれ形成する例を示したが、これに限られることはなく、回転子６の軸方向Ｙの長さが短い場合には、第一端板１４および第二端板１６のいずれか一方にだけ第二ウェッジ１５０または１５１を形成することも可能である。

実施の形態３．
　図１２はこの発明の実施の形態３における回転子６の軸方向Ｙに垂直な断面を示した断面図である。図１３は図１２に示した回転子６の構成を示す分解斜視図である。図１４は図１２に示した回転子６のＣ１－Ｃ２線における軸方向Ｙに平行な断面を示した断面図である。図において、上記各実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略し、上記各実施の形態と異なる部分について説明する。

　本実施の形態３においては、上記実施の形態２と同様に、第一端板１４の第一貫通孔３１０および第二端板１６の第二貫通孔３２０の径は、積層鉄心７の貫通孔３０の径と同様の大きさにて形成される。よって、第一貫通孔３１０および第二貫通孔３２０は、積層鉄心７の基部１１の外径より小さく形成される。そして、第二ウェッジが形成されていない。また、積層鉄心７の磁極部１２と磁石８とは接着剤にて固定される。

　このように、積層鉄心７と磁石８とを接着剤にて固定することは、通常の手法である。しかし、接着剤での固定は接着対象物の表面状態に接着力が影響され易く、また積層鉄心７の磁極部１２と磁石８との対向面のうち、どの程度が接着されているかの確認することが困難である。そのため、表面状態や接着面積にばらつきがあっても、必要とされる磁石８の固定力に対し十分な接着力が得られるように接着力の高い接着剤を用いたり、接着面を増やしたりといった対策が講じられる。この場合、接着剤のコストが上がる、接着剤の塗布に時間を要する、といった製品コスト上のデメリットが生じる。

　回転子６の高速回転時に遠心力によって磁石８の外側Ｘ１の方向に大きな力が作用するが、内側Ｘ２に作用する力は大きなものではない。本実施の形態３では磁石８の外側Ｘ１には第一ウェッジ１３を組み込んであり、接着剤での接着力に加えて第一ウェッジ１３により遠心力を支持することができる。その結果、接着剤のみで磁石８を保持する必要があるのは磁石８の内側Ｘ２の方向のみであり、接着力の要求値を下げることができる。これにより、安価な接着剤を用いたり、接着面積を減らしたりして接着力を下げることが可能となる。

　上記のように構成された実施の形態３の回転子によれば、上記各実施の形態と同様の効果を奏するとともに、回転子および回転電機を低コストにて製作することが可能となる。

　尚、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

　１　回転電機、２　モータフレーム、３　固定子、４　固定子鉄心、５　巻線、６　回転子、７　積層鉄心、８　磁石、９　回転軸、１０　連結部、１１　基部、１２　磁極部、１３　第一ウェッジ、１４　第一端板、１５　第二ウェッジ、１６　第二端板、１７　第一嵌合部、１８　第一嵌合溝、１９　第二嵌合部、２０　第二嵌合溝、３０　貫通孔、３１　第一貫通孔、３２　第二貫通孔、４０　空隙部、７０　鉄心、１５０　第二ウェッジ、１５１　第二ウェッジ、３１０　第一貫通孔、３２０　第二貫通孔、Ｘ　径方向、Ｘ１　外側、Ｘ２　内側、Ｙ　軸方向、Ｚ　周方向。

Claims

回転電機の固定子の内側に配置され回転軸にて回転する回転子において、
薄板の鉄心が積層された積層鉄心と、
前記積層鉄心の軸方向の両端にそれぞれ設置され、中央に前記回転軸が貫通する第一貫通孔および第二貫通孔をそれぞれ有する第一端板および第二端板とを備え、
前記積層鉄心は、前記回転軸が貫通する貫通孔を有する環状の基部と、
前記基部の外側に径方向に間隔を隔てて形成され、周方向に互いに所定の間隔を空けて、周方向に複数個形成された磁極部と、
前記基部から径方向の外側に延在して各前記磁極部とそれぞれ連結する連結部とから構成され、
前記積層鉄心の各前記磁極部の周方向間にそれぞれ配置された磁石と、
各前記磁石の径方向の外側を覆う非磁性体の第一ウェッジと、
各前記磁石の径方向の内側を覆う非磁性体の第二ウェッジとを備えた回転子。
各前記第二ウェッジは、軸方向の一端が前記第一端板または前記第二端板に一体に形成され、かつ、軸方向の他端が他方の前記第一端板または前記第二端板に形成された第二嵌合部に嵌合して形成された請求項１に記載の回転子。
各前記第二ウェッジは、当該第二ウェッジの周方向に隣接する前記磁極部に形成された第二嵌合溝に嵌合し、周方向に隣接する前記磁極部同士を当該第二ウェッジにて連結する請求項１または請求項２に記載の回転子。
前記第一端板および前記第二端板の前記第一貫通孔および前記第二貫通孔は、前記基部の外径より小さく形成された請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転子。
回転電機の固定子の内側に配置され回転軸にて回転する回転子において、
薄板の鉄心が積層された積層鉄心と、
前記積層鉄心の軸方向の両端にそれぞれ設置され、中央に前記回転軸が貫通する第一貫通孔および第二貫通孔をそれぞれ有する第一端板および第二端板とを備え、
前記積層鉄心は、前記回転軸が貫通する貫通孔を有する環状の基部と、
前記基部の外側に径方向に間隔を隔てて形成され、周方向に互いに所定の間隔を空けて、周方向に複数個形成された磁極部と、
前記基部から径方向の外側に延在して各前記磁極部とそれぞれ連結する連結部とから構成され、
前記積層鉄心の各前記磁極部の周方向間にそれぞれ配置された磁石と、
各前記磁石の径方向の外側を覆う非磁性体の第一ウェッジと、
前記第一端板および前記第二端板の前記第一貫通孔および前記第二貫通孔は前記基部の外径より小さく形成された回転子。
前記第一ウェッジは、各前記磁石の径方向の外側の軸方向の上下全てを覆う請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転子。
各前記第一ウェッジは、軸方向の一端が前記第一端板または前記第二端板に一体に形成され、かつ、軸方向の他端が他方の前記第一端板または前記第二端板に形成された第一嵌合部に嵌合して形成された請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転子。
各前記第一ウェッジは、当該第一ウェッジの周方向に隣接する前記磁極部に形成された第一嵌合溝に嵌合し、周方向に隣接する前記磁極部同士を当該第一ウェッジにて連結する請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転子。
前記積層鉄心の前記磁極部と前記磁石とは接着剤にて固定されている請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転子。
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の回転子と、
前記回転子の外周面と間隔を設けてかつ同心円状に配設された前記固定子とを備えた回転電機。