WO2023209851A1

WO2023209851A1 - 埋め込み磁石型回転子および回転電機

Info

Publication number: WO2023209851A1
Application number: PCT/JP2022/019037
Authority: WO
Inventors: 正克松原; 将鹿野; 大介森; 直哉佐々木
Original assignee: 株式会社東芝; 東芝インフラシステムズ株式会社
Priority date: 2022-04-27
Filing date: 2022-04-27
Publication date: 2023-11-02
Also published as: JPWO2023209851A1; US20240014701A1; CN117321885A

Abstract

実施形態によれば、埋め込み磁石型回転子（１００）は、軸方向に延びるロータシャフトと、径方向外側部分に周方向に互いに間隔を置いてそれぞれのｄ軸を挟んで配された２つの永久磁石収納孔（１２１）が形成された回転子鉄心（１２０）と、それぞれの永久磁石収納孔（１２１）に収納された板状の永久磁石（１３０）とを有する。永久磁石収納孔（１２１）は、回転子鉄心（１２０）の外周面の外側に連通しており、永久磁石収納孔（１２１）の永久磁石（１３０）を収納する収納部分は、永久磁石（１３０）との間に間隙（１２１ｆ、１２１ｇ）を有し、間隙（１２１ｆ、１２１ｇ）には、充填材が充填されている。

Description

埋め込み磁石型回転子および回転電機

　本発明は、埋め込み磁石型回転子および回転電機に関する。

　埋め込み磁石型の回転子を有する回転電機においては、回転子鉄心内の径方向の外側に近い領域に、軸方向に伸びた貫通孔を形成して、永久磁石を収納している。通常、この貫通孔は、永久磁石を収納する空間のみではなく、その径方向の外側および内側にも部分空間を有する。これらの部分空間は、磁束の通過を抑制するフラックスバリアとなっている。

　多くの場合、この径方向外側の部分空間と回転子鉄心の外側表面との間には、回転子鉄心の一部であるトップブリッジが存在し、回転子鉄心の構造強度を確保する要素の一部となっている。

　このトップブリッジは、永久磁石に起因する磁束の通路、すなわち磁路となる。この磁路を通過する磁束は回転子内のみにとどまり固定子側と鎖交しない漏れ磁束となり、回転電機のトルク効率の低下をもたらす。

　このような背景により、トップブリッジを取り除き、上述の径方向外側のフラックスバリアを回転子鉄心の外側空間（回転子と固定子間のギャップ空間）に連通させる方式の回転子が用いられる例がある。

特開２０２０－１８２３５８号公報

　トップブリッジのない埋め込み磁石型回転子においては、上述のように漏れ磁束の低減を図ることができる一方で、回転子のトルクにより磁石や磁石外周側の回転子鉄心に周方向の荷重が印加されると、径方向内側のセンターブリッジに過大な曲げ応力が発生する。このため、センターブリッジを太くする必要があるが、それによって漏れ磁束が増え、トルク性能が低下するという課題があった。

　本発明の目的は、トップブリッジのない埋め込み磁石型の回転子において、センターブリッジへの過大な曲げ応力の発生防止を可能とする回転電機を提供することである。

　上述の目的を達成するため、本発明の実施形態に係る埋め込み磁石型回転子は、軸方向に延びるロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に取り付けられ、その径方向外側部分に周方向に互いに間隔を置いてそれぞれのｄ軸を挟んで配された２つの永久磁石収納孔が形成された回転子鉄心と、それぞれの前記永久磁石収納孔に収納された板状の永久磁石と、を有する埋め込み磁石型回転子であって、前記永久磁石収納孔は、前記回転子鉄心の外周面の外側に連通しており、前記永久磁石収納孔における前記永久磁石を収納する収納部分は、前記永久磁石との間に間隙を有し、前記間隙には、充填材が充填されている、ことを特徴とする。

第１の実施形態に係る回転電機の構成を示す横断面図である。第１の実施形態に係る埋め込み磁石型回転子の磁極間部分の構成を示す部分横断面図である。第１の実施形態に係る埋め込み磁石型回転子の変形例の磁極間部分の構成を示す部分横断面図である。第１の実施形態に係る埋め込み磁石型回転子の効果を説明するための、磁極間部分の構成を示す部分横断面図である。第２の実施形態に係る埋め込み磁石型回転子の磁極間部分の構成を示す部分横断面図である。

　以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る埋め込み磁石型回転子および回転電機について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

　［第１の実施形態］
　図１は、第１の実施形態に係る回転電機２００の構成を示す横断面図である。

　回転電機２００は、回転軸方向に延びたロータシャフト１１０、ロータシャフト１１０に取り付けられた回転子鉄心１２０、および複数の永久磁石１３０を有する埋め込み磁石型回転子１００と、固定子１０と、ロータシャフト１１０を回転可能に支持する２つの軸受（図示せず）とを備える。

　回転子鉄心１２０には、複数の永久磁石収納孔１２１が形成される。詳細には、それぞれのｄ軸およびセンターブリッジ１２５を挟んで、２つの永久磁石収納孔１２１が、径方向内側に向かって凸のＶ字配置となるように形成されている。図１では、８つのｄ軸のうちの一つのみを示している。なお、図１では、それぞれ、Ｖ字配置が１層の場合を例にとって示しているが、これに限定されない。径方向に複数層が形成されていてもよい。

　永久磁石１３０は板状である。なお、図１では永久磁石１３０が平板状の場合を例にとって示しているが、たとえばロータシャフト１１０の回転軸に垂直な断面（垂直断面）において湾曲した形状でもよい。

　固定子１０は、回転子鉄心１２０の径方向外側に、ギャップ１５を介して回転子鉄心１２０を囲むように配され固定子ティース１１ａが形成された円筒状の固定子鉄心１１を有する。固定子１０の内周側には、図示しない固定子巻線を巻回するための複数の固定子ティース１１ａが、周方向に互いに間隔をおいて形成されている。

　図２は、第１の実施形態に係る埋め込み磁石型回転子１００の磁極間部分の構成を示す部分横断面図である。図２は、１つのｄ軸まわりの部分を示している。

　前述のように、ｄ軸に関して、２つの永久磁石収納孔１２１が、センターブリッジ１２５を挟んで径方向内側に向かって凸のＶ字配置となるように形成されている。

　それぞれの永久磁石収納孔１２１は、外側壁１２１ａおよび内側壁１２１ｂにより形成されて永久磁石１３０を保持する保持空間と、保持空間の径方向外側に隣接する外側空間１２１ｃ、および保持空間の径方向内側に隣接する内側空間１２１ｄを有する。

　外側空間１２１ｃは、回転子鉄心１２０の外周面に形成された開口部１２６を介して、ギャップ１５に連通している。この結果、回転子鉄心１２０において、センターブリッジ１２５を扇の要とするように、２つの永久磁石収納孔１２１に挟まれた扇状部１２８が形成される。

　それぞれの永久磁石収納孔１２１の外側壁１２１ａと内側壁１２１ｂとの間隔は、永久磁石１３０の厚みより大きくなるように形成されている。このため、外側壁１２１ａと永久磁石１３０との間、および内側壁１２１ｂと永久磁石１３０との間には、それぞれ、外側間隙１２１ｆおよび内側間隙１２１ｇが形成されている。

　外側間隙１２１ｆおよび内側間隙１２１ｇには、充填材が充填され、それぞれ、充填部１４１および充填部１４２が形成されている。ここで、充填材は、たとえば、高分子化合物などのモールド材、あるいは接着剤である。

　なお、外側間隙１２１ｆおよび内側間隙１２１ｇのそれぞれの幅の合計値は一定であるが、それぞれの割合は限定されない。一方が０％ないし１００％の割合でも良い、すなわち、一方に偏っていてもよい。

　図３は、第１の実施形態に係る埋め込み磁石型回転子１００の変形例の磁極間部分の構成を示す部分横断面図である。

　この変形例では、図２に示した例に加えて、さらに、外側空間１２１ｃおよび内側空間１２１ｄにも充填材が充填され、それぞれ充填部１４３および充填部１４４が形成されている。

　次に、本実施形態および変形例の作用、効果を説明する。

　図４は、第１の実施形態に係る埋め込み磁石型回転子１００の効果を説明するための、磁極間部分の構成を示す部分横断面図である。ここで、説明の便宜上、実施形態と共通の部分については、同一の符号を付している。

　図４は、本実施形態および変形例とは異なり、永久磁石収納孔１２１に充填部が形成されていない従来の場合を示している。従来の場合は、意図的に、本実施形態のような外側間隙１２１ｆおよび内側間隙１２１ｇに対応するような間隙を形成させるものではないが、永久磁石収納孔１２１に永久磁石１３０を挿入するために必要な間隙が存在する。

　回転子１００の回転中には、そのトルクにより永久磁石１３０や扇状部１２８に周方向の荷重が印加される。特に、加速あるいは減速の際には過大な加重が付加される。この周方向の荷重により、センターブリッジ１２５に過大な曲げ応力が発生する。

　一方、本実施形態および変形例においては、少なくとも充填部１４１および充填部１４２を介して、扇状部１２８と回転子鉄心１２０の隣接する部分とが機械的に一体となっている。この結果、扇状部１２８に付加される荷重は、回転子鉄心１２０の隣接する部分に伝達され、センターブリッジ１２５への曲げ応力は生じないこととなる。

　したがって、センターブリッジ１２５の剛性確保のためにセンターブリッジ１２５の幅を大きくするという、漏れ磁束増大をもたらすような対策が不要となる。

　［第２の実施形態］
　図５は、第２の実施形態に係る埋め込み磁石型回転子１００ａの磁極間部分の構成を示す部分横断面図である。

　本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態における回転電機２００ａの埋め込み磁石型回転子１００ａは、第１の実施形態における永久磁石１３０に代えて、永久磁石１３１を有する。

　ここで、永久磁石１３１は、ボンド磁石である。永久磁石収納孔１２２には、ボンド磁石が充填されて永久磁石１３１が形成されている。したがって、第１の実施形態とは異なり。永久磁石１３１と永久磁石収納孔１２２との間に、間隙が形成されていない。

　なお、図５では、永久磁石１３１が平板状ではなく、幅方向に局面状となっているが、これに限定されない。たとえば、平板状の永久磁石を収納するように形成されていてもよい。

　以上のように形成された本実施形態においても、永久磁石１３１を介して、扇状部１２８と回転子鉄心１２０の隣接する部分とが機械的に一体となっている。この結果、扇状部１２８に付加される荷重は、回転子鉄心１２０の隣接する部分に伝達され、センターブリッジ１２５への曲げ応力は生じない。

　以上、説明した実施形態によれば、トップブリッジのない埋め込み磁石型の回転子において、センターブリッジへの過大な曲げ応力の発生防止を可能とする回転電機を提供するが可能となる。

　［その他の実施形態］
　以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

　１０…固定子、１１…固定子鉄心、１１ａ…固定子ティース、１５…ギャップ、１００…回転子、１１０…ロータシャフト、１２０…回転子鉄心、１２１、１２１ａ…永久磁石収納孔、１２１ａ…外側壁、１２１ｂ…内側壁、１２１ｃ…外側空間、１２１ｄ…内側空間、１２１ｆ…外側間隙、１２１ｇ…内側間隙、１２２…永久磁石収納孔、１２５…センターブリッジ、１２６…開口部、１２８、１２８ａ…扇状部、１３０、１３１…永久磁石、１４１、１４２、１４３、１４４…充填部、２００…回転電機

Claims

　軸方向に延びるロータシャフトと、
　前記ロータシャフトの径方向外側に取り付けられ、その径方向外側部分に周方向に互いに間隔を置いてそれぞれのｄ軸を挟んで配された２つの永久磁石収納孔が形成された回転子鉄心と、
　それぞれの前記永久磁石収納孔に収納された板状の永久磁石と、
　を有する埋め込み磁石型回転子であって、
　前記永久磁石収納孔は、前記回転子鉄心の外周面の外側に連通しており、
　前記永久磁石収納孔における前記永久磁石を収納する収納部分は、前記永久磁石との間に間隙を有し、
　前記間隙には、充填材が充填されている、
　ことを特徴とする埋め込み磁石型回転子。
　前記永久磁石収納孔において、前記収納部分以外の部分にも前記充填材が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の埋め込み磁石型回転子。
　前記充填材は、モールド材または接着剤であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の埋め込み磁石型回転子。
　軸方向に延びるロータシャフトと、
　前記ロータシャフトの径方向外側に取り付けられ、その径方向外側部分に周方向に互いに間隔を置いてそれぞれのｄ軸を挟んで配された２つの永久磁石収納孔が形成された回転子鉄心と、
　それぞれの前記永久磁石収納孔に収納された永久磁石と、
　を有する埋め込み磁石型回転子であって、
　前記永久磁石収納孔は、前記回転子鉄心の外周面の外側に連通しており、
　前記永久磁石はボンド磁石であり、前記永久磁石収納孔に充填されている、
　ことを特徴とする埋め込み磁石型回転子。
　請求項１または請求項４に記載の埋め込み磁石型回転子と、
　前記回転子鉄心の径方向外側に配された固定子と、
　を備えることを特徴とする回転電機。