JP7631367B2 - 埋め込み磁石型回転子および回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、埋め込み磁石型回転子およびこれを有する回転電機に関する。

回転電機は、ロータシャフトと回転子鉄心を有する回転子と、回転子鉄心の径方向外側に設けられた固定子を備える。

固定子は、固定子鉄心に形成された固定子ティースを巻回する高電圧の部分である固定子巻線を有する。固定子巻線は、固定子鉄心を貫通して固定子スロット内に収納される部分と、固定子鉄心の軸方向の両側から軸方向外側に突出し、互いに接続されるコイルエンド部とを有する。

埋め込み磁石型の回転子においては、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。回転子鉄心は、通常、軸方向に積層された複数の電磁鋼鈑を有する。積層された電磁鋼鈑の軸方向の両端には、永久磁石の軸方向外側への突出を防止するために、端板が設けられている。

端板は、高圧の固定子巻線のコイルエンド部に近い位置にあることから、絶縁上、絶縁距離、すなわち、固定子端部構造との間隔を確保する必要がある。したがって、電機絶縁の観点からは、端板の径は、出来る限り小さくすることが好ましい。このため、端板の径は、通常、回転子鉄心の径より小さい。

多くの場合、永久磁石収納用の貫通孔と回転子鉄心の外側表面との間には、回転子鉄心の構造強度確保のために、回転子鉄心の一部であるトップブリッジが存在する。このトップブリッジは、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、永久磁石の収納空間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）に連通させ漏れ磁束の低減を図る方式のトップブリッジレスの回転子が用いられる例がある。

特許第５４４７４１８号公報

上述のトップブリッジレスの埋め込み磁石型の回転子においても、通常、端板の径が回転子鉄心の径より小さい。すなわち、回転子鉄心の径方向外側端部は、端板の径方向の外側端部より径方向外側にある。

このような構成の場合、永久磁石にかかる遠心力に起因する力、および回転子の回転による風圧により、特に回転子鉄心の軸方向の両端近傍の領域において、電磁鋼鈑の端板より径方向外側の部分が変形し、回転子の破損を招く恐れがあるという問題があった。

本発明の目的は、回転子鉄心を構成する電磁鋼鈑の端部の変形を防止できる埋め込み磁石型回転子および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、回転軸方向に延びるロータシャフトと、前記回転軸方向に積層された複数の電磁鋼板を有し、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軸を挟んで径方向内側に向かって凸状に配された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、前記回転子鉄心の外径より小さな外径を有し、複数の前記電磁鋼板の前記回転軸方向の両端に配されて前記永久磁石の前記回転軸方向の外側への突出を防止する２つの端板と、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、前記回転子鉄心の前記回転軸方向に前記端板の近傍領域の複数の前記電磁鋼板は、回転で生ずる風圧による変形を防止するための複数の当該電磁鋼板を互いに結合する結合部を有し、前記結合部は、前記回転子鉄心において周方向に前記永久磁石収納孔に挟まれた扇状部の径方向かつ周方向両側の端部である扇状部端部領域に形成されている、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の実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図である。 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効果を説明するための従来の埋め込み磁石型回転子の例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。 第３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４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。

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。また、図２は、第１の実施形態に係る回転電機２００の構成を示す縦断面図である。

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（図３参照）を有する埋め込み磁石型回転子１００と、回転子鉄心１２０の径方向外側に、ギャップ空間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は、回転軸方向に積層された複数の電磁鋼板１２０ａを有する。各電磁鋼板１２０ａには、ロータシャフト１１０が貫通するための打ち抜き部と、永久磁石１３０が貫通するための打ち抜き部が形成されている。複数の電磁鋼板１２０ａを積層することにより、回転子鉄心１２０において回転軸方向に延びたロータシャフト貫通孔１１０ｈ（図２）および複数の永久磁石収納孔１２１（図１）が形成される。

それぞれのｄ軸およびセンターブリッジ１２６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。なお、図１では、径方向に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Ｖ字配置が複数層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。

永久磁石１３０の回転子鉄心１２０から回転軸方向外側への突出を防止するために、回転子鉄心１２０の回転軸方向の両端には、２つの端板１４０が設けられている。端板１４０は、垂直断面において永久磁石１３０が配されている範囲をカバーすればよいこと、後述するコイルエンド部１２ａには高電圧が印加されることからコイルエンド部１２ａとの絶縁距離を出来るだけ確保すること、などの理由により、回転子鉄心１２０の外径より小さな外径を有する。また、端板１４０は、回転子鉄心１２０に収納されている永久磁石１３０の径方向の最外部の包絡円筒の外径より大きな外径を有する。

回転子鉄心１２０の端板１４０に近い領域を、端板近傍領域１２０ｎ（図２）と呼ぶものとする。ここで、端板近傍領域１２０ｎとは、従来、端板１４０の外形が回転子鉄心１２０の外径より小さいことに起因して、電磁鋼鈑１２０ａの径方向外側の部分の変形、回転子の破損を招く恐れがある電磁鋼鈑１２０ａを含む範囲である。

固定子１０の内周側には、固定子巻線１２（図２）を巻回するための複数の固定子ティース１１が、周方向に互いに間隔をおいて形成されている。固定子巻線１２は、固定子鉄心１１の端部から回転軸方向外側に配されたコイルエンド部１２ａを有する。

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

互いに隣接する磁極の永久磁石収納孔１２１は、ｄ軸およびセンターブリッジ１２６を挟んで配されており、径方向外側に行くに従って互いに離れていく。このため、回転子鉄心１２０の、周方向に永久磁石収納孔１２１に挟まれた部分は、センターブリッジ１２６から径方向外側に向かって周方向に広がる扇状部１２３を形成する。

回転子鉄心１２０の端板近傍領域１２０ｎ内の複数の電磁鋼鈑１２０ａは、扇状部１２３の扇状部端部領域１２３ａに形成された結合部１２５を有する。

ここで、扇状部端部領域１２３ａとは、扇状部１２３において、径方向に端板１４０より外側の部分で、かつ周方向の両側の端部の近傍の領域を言うものとする。

本実施形態においては、結合部１２５は、加締め部１２５ａである。たとえば、図３に示すように、複数の電磁鋼鈑１２０ａにおいて、端板１４０に近い側の電磁鋼鈑１２０ａに孔を形成し、端板１４０から遠い側の電磁鋼鈑１２０ａの一部を外側に折り曲げて、複数の電磁鋼鈑１２０ａを折り曲げる。たとえば、数枚ないし１０枚程度のグループで結合部１２５を形成してもよい。あるいは、このような電磁鋼鈑１２０ａのグループを回転軸方向に複数設けてもよい。あるいは、すべての電磁鋼鈑１２０ａを同様のグループで構成してもよい。

図４は、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従来の埋め込み磁石型回転子の例を示す部分横断面図である。

従来例においては、永久磁石１３０にかかる遠心力に起因して扇状部１２３にかかる力、および回転子の回転による風圧により、端板近傍領域１２０ｎの電磁鋼鈑１２０ａにおいて、扇状部端部領域１２３ａの部分の変形、めくれ上がりなどが生ずる。

本実施形態による埋め込み磁石型回転子１００においては、従来の形状のままで、少なくとも端板近傍領域１２０ｎの電磁鋼鈑１２０ａについて、その扇状部端部領域１２３ａの部分に結合部１２５を設けることにより、回転子鉄心を構成する電磁鋼鈑の端部の変形を防止することができる。

〔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。本実施形態においては、結合部１２５は、扇状部１２３において互いに接着された電磁鋼鈑１２０ａにより形成された結合部１２５である。結合部１２５ｂは、少なくとも端板近傍領域１２０ｎの電磁鋼鈑１２０ａについて形成されている。

図５では、接着範囲が扇状部１２３全体の場合を例にとって示したが、これに限定されない。少なくとも、電磁鋼鈑１２０ａにおいて、端板１４０の外周より外側の部分に形成されていればよい。

本実施形態による埋め込み磁石型回転子１００においては、電磁鋼鈑１２０ａに加工を施すことなく、接着剤を施すのみで結合部１２５を形成することができ、第１の実施形態と同様の効果を得ることが出来る。

〔第３の実施形態〕
図６は、第３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。

本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態においては、結合部１２５は、溶接部１２５ｃである。少なくとも端板近傍領域１２０ｎの電磁鋼鈑１２０ａについて、図６の破線楕円に示すように、扇状部端部領域１２３ａの端部に溶接部１２５ｃが形成されている。溶接部１２５ｃは、１箇所あるいは複数個所の点溶接によるものでよい。

本実施形態による埋め込み磁石型回転子１００においては、電磁鋼鈑１２０ａにたとえば点付け溶接を施すのみで結合部１２５を形成することができ、第１の実施形態と同様の効果を得ることが出来る。

〔第４の実施形態〕
図７は、第４の実施形態に係る回転電機２００ａの構成を示す横断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。

第１ないし第３の実施形態では、端板１４０の外径が回転子鉄心１２０の外径より小さい場合に、端板近傍領域１２０ｎ内の複数の電磁鋼鈑１２０ａに結合部１２５を設ける場合を示した。

一方、本実施形態に係る回転電機２００ａの埋め込み磁石型回転子１００ａにおいては、端板１４１の外径が回転子鉄心１２０の外径と実質的に等しい。ここで、実質的に等しいとは、製作誤差、測定誤差等を含む誤差の範囲で、等しいことを言うものとする。

端板１４１は、非磁性体部１４１ａとその径方向外側に配された環状絶縁体部１４１ｂを有する。ここで、環状絶縁体部１４１ｂは、たとえば、樹脂、あるいは炭化珪素などの炭素化合物などの絶縁物である。

非磁性体部１４１ａと環状絶縁体部１４１ｂとの接触面は、非磁性体部１４１ａでの締め付け力が環状絶縁体部１４１ｂに伝達されるように、テーパ面となっている。テーパ面は端板１４１の回転軸方向の外側から内側（回転子鉄心１２０側）に向かう方向に対して、径方向外側から径方向内側に向かう、すなわち径が縮小するような面となっている。非磁性体部１４１ａと環状絶縁体部１４１ｂとは、接着剤等で互いに接着されていてもよい。

以上のように、本実施形態による埋め込み磁石型回転子１００ａにおいては、端板１４１を用いることによって、従来の電磁鋼鈑１２０ａをそのまま使用するができ、第１の実施形態と同様の効果を得ることが出来る。

以上、説明した実施形態によれば、回転子鉄心を構成する電磁鋼鈑の端部の変形を防止できる埋め込み磁石型回転子および回転電機を提供することが可能となる。

［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、１２…固定子巻線、１２ａ…コイルエンド部、１５…ギャップ空間、１００…埋め込み磁石型回転子、１１０…ロータシャフト、１１０ａ…シャフトつば、１２０…回転子鉄心、１２０ａ…電磁鋼板、１２０ｎ…端板近傍領域、１２１…永久磁石収納孔、１２２…連通開口、１２３…扇状部、１２３ａ…扇状部端部領域、１２３ｂ…センターブリッジ、１２３ｆ…センターフラックスバリア、１２５…結合部、１２５ａ…加締め部、１２５ｂ…接着部、１２５ｃ…溶接部、１３０…永久磁石、１４０、１４１…端板、１４１ａ…非磁性体部、１４１ｂ…環状絶縁体部、２００…回転電機

Claims (6)

1. 回転軸方向に延びるロータシャフトと、
   前記回転軸方向に積層された複数の電磁鋼板を有し、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軸を挟んで径方向内側に向かって凸状に配された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、
   前記回転子鉄心の外径より小さな外径を有し、複数の前記電磁鋼板の前記回転軸方向の両端に配されて前記永久磁石の前記回転軸方向の外側への突出を防止する２つの端板と、
   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、
   前記回転子鉄心の前記回転軸方向に前記端板の近傍領域の複数の前記電磁鋼板は、回転で生ずる風圧による変形を防止するための複数の当該電磁鋼板を互いに結合する結合部を有し、
   前記結合部は、前記回転子鉄心において周方向に前記永久磁石収納孔に挟まれた扇状部の径方向かつ周方向両側の端部である扇状部端部領域に形成されている、
   ことを特徴とする埋め込み磁石型回転子。
2. ２つの前記端板のそれぞれは、前記回転子鉄心に収納されている前記永久磁石の径方向の最外部の包絡円筒の外径より大きな外径を有す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。
3. 前記結合部は、前記端板の近傍領域の複数の前記電磁鋼板の前記扇状部端部領域に形成された溶接部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。
4. 前記結合部は、前記端板の近傍領域の複数の前記電磁鋼板の少なくとも前記扇状部端部領域に形成された被接着部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。
5. 回転軸方向に延びるロータシャフトと、
   前記回転軸方向に積層された複数の電磁鋼板を有し、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Ｖ字配置に配された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、
   前記回転子鉄心の外径に実質的に等しい外径を有し、その径方向外側部分は環状絶縁体部である２つの端板と、
   を有し、
   前記回転子鉄心の前記回転軸方向に前記端板の近傍領域の複数の前記電磁鋼板は、回転で生ずる風圧による変形を防止するための複数の当該電磁鋼板を互いに結合する結合部を有し、
   前記結合部は、前記回転子鉄心において周方向に前記永久磁石収納孔に挟まれた扇状部の径方向かつ周方向両側の端部である扇状部端部領域に形成されている、
   ことを特徴とする埋め込み磁石型回転子。
6. 請求項１または請求項５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。
   

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