(57)【要約】      （修正有）【課題】応力集中を防ぎ、高回転速度化による小型化が可能な回転電機を提供する。【解決手段】回転子コアは、第１磁石を収納する第１収納部８ｂと、第２磁石を収納する第２収納部８ｃと、第３磁石を収納しかつ第１収納部と第２収納部とに挟まれる第３収納部８ａとを含む略Ｕ字状収納部群を周方向に複数形成する。第１収納部及び第２収納部の各々の内径側端部から外径側に滑らかな壁面を形成して突出する第１突出空間９を設け、第３収納部を横切るｄ軸方向において、第１突出空間の径方向高さＨｓが、第３収納部の径方向高さＨｃ以上に形成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機の回転子であって、
複数の磁石と、前記複数の磁石を収納する複数の収納部を形成する回転子コアとを備え、
前記回転子コアは、第１磁石を収納する第１収納部と、第２磁石を収納する第２収納部と、第３磁石を収納しかつ前記第１収納部と前記第２収納部とに挟まれる第３収納部とを含む略Ｕ字状収納部群を周方向に複数形成し、
前記第１収納部及び第２収納部の各々の内径側端部から外径側に滑らかな壁面を形成して突出する第１突出空間を設け、
前記第３収納部を横切るｄ軸方向において、前記第１突出空間の径方向高さＨｓが、前記第３収納部の径方向高さＨｃ以上に形成される回転電機の回転子。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機の回転子であって、
前記第１突出空間は、前記第１収納部の内径側端部から、外径側に所定曲率の曲面で突出する回転電機の回転子。
【請求項３】
請求項１に記載の回転電機の回転子であって、
前記第３収納部の長辺方向に対する前記第１収納部の長辺方向の角度θｓ及び前記第３収納部の長辺方向に対する前記第２収納部の長辺方向の角度θｓが、９０°から１３５°となるように形成される回転電機の回転子。
【請求項４】
請求項１に記載の回転電機の回転子であって、
前記第１収納部と前記第１磁石との間、前記第２収納部と前記第２磁石との間、及び前記第３収納部と前記第３磁石間との間に非磁性体が介在する回転電機の回転子。
【請求項５】
請求項１に記載の回転電機の回転子であって、
前記第１収納部の外径側、内径側、及び前記第２収納部の外径側、内径側の少なくとも一つに、内部に収容される磁石の移動を規制する突起部が形成される回転電機の回転子。
【請求項６】
請求項１に記載の回転電機の回転子であって、
前記第１収納部及び前記第２収納部の各々において、その外径側を極間方向に延伸する第２突出空間が形成される回転電機の回転子。
【請求項７】
請求項６に記載の回転電機の回転子であって、
前記第２突出空間の長さＬが、前記第１収納部と極間部との距離Ｌｚ及び第２収納部と極間部との距離Ｌｚの０．２倍から０．８倍となるよう形成される回転電機の回転子。
【請求項８】
請求項１に記載の回転電機の回転子であって、
前記第３収納部は、短辺側から外径側にかけて一定曲率の面で形成されており、
前記一定曲率の面と前記第３磁石とは、前記第３磁石の角部で最接近する回転電機の回転子。
【請求項９】
請求項１に記載の回転電機の回転子であって、
前記第３収納部は、短辺側から内径側にかけて一定曲率の面で形成されており、
前記一定曲率の面と前記第３磁石とは、前記第３磁石の角部で最接近する回転電機の回転子。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれか一つに記載の回転子を有する回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は永久磁石回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気・機械エネルギー変換装置である回転電機は、さまざまな機器に内蔵されており、機器の小型化に伴い、回転電機も小型化が求められている。特に、自動車の主機用の回転電機の小型化及び軽量化が求められている。回転電機を小型化するための一つの方法として、回転電機（モータ）の仕様である回転速度の高速化がある。回転電機の出力は回転速度×トルクであり、回転電機の大きさとトルクはおおよそ比例する。このため、回転電機の回転速度の高速化によって、外形を大きくすることなく、回転電機の出力を向上できる。
【０００３】
一方、回転電機の回転速度を高速化すると回転子の強度に問題が生じる。永久磁石埋込み型回転電機では、回転子を構成する回転子コアに設けられた磁石挿入孔に永久磁石を埋没している。回転子が回転すると、永久磁石に加わる遠心力と、回転子コア自身に加わる遠心力とによって、回転子コアに応力が発生し、変形による歪が生じる。発生した応力が回転子コアの材料の降伏応力を超えると塑性変形や破断によって、回転子コアが破壊する可能性がある。そのため、最大応力を低減するため、応力集中を防ぐ回転子コアの形状（例えば、磁石挿入孔の形状や配置）が必要となる。
【０００４】
磁石挿入孔の形状や配置は、前述した最大応力の低減の観点だけでなく、電磁気の観点からも検討する必要がある。これは、永久磁石による磁束が固定子と鎖交することで、トルクを発生させるためである。しかし、永久磁石は回転子に埋没しているため、回転子内で磁束が短絡することがある。そのため、回転子コアの一部を細くしたブリッジ部を構成し、積極的に磁気飽和をすることで、磁束の短絡を防ぐ構造が必要となる。しかし、ブリッジ部は変形しやすく、応力が集中する。このように、電磁気特性と強度特性にはトレードオフの関係がある。よって、応力集中を防ぐ磁石挿入孔の形状や配置と、電磁気特性の向上との両立が求められている。
【０００５】
応力集中を防ぐ回転子形状に関しては、例えば、特許文献１及び特許文献２に記載された技術がある。特許文献１には、ロータコアの磁石装着部に、１極あたり３つ１組の永久磁石が装着されたロータと、エアギャップを介して配置されたステータとで構成された回転電機であって、磁石装着部が、第１装着孔と、回転軸の周方向で第１装着孔に隣接して開口形成された２つの第２装着孔とで構成され、ロータコアが、第１装着孔と第２装着孔とを隔てる一対の中央ブリッジに沿って形成された円弧面を有するとともに、径方向外側の直交平面と交差するように凹設された中央凹設部を備え、ロータが、ロータコアの中央凹設部と、永久磁石とで形成された端部空隙を備える回転電機が記載されている（要約参照）。
【０００６】
また、特許文献２には、電磁鋼板を積層して構成されるロータコアと、ロータコアにおける一磁極を構成する少なくとも一つの永久磁石と、該永久磁石を埋設するための磁石挿入孔と、を備えた回転子構造であって、ロータコアは、磁石挿入孔において、一磁極が構成するｄ軸と電気的に直交するｑ軸側の端部に設けられたフラックスバリアを有しており、該フラックスバリアは、ロータコアの外周に最も近い部分が、永久磁石の端部からｄ軸へ向かって該ロータコアの外周と略平行に延在する突出部を有する回転子構造が記載されている（要約参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１８−６１３５６号公報
【特許文献２】特開２０１７−５０９６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載された技術は、第１装着孔に端部空間を設けることで変形を容易とし、応力集中を防ぐことで、最大応力を低減している。しかし、第１装着孔は、ロータの回転による遠心力により径方向に引っ張られ、端部空間の先端部に応力が集中する可能性がある。
【０００９】
特許文献２に記載された技術は、突出部によってブリッジ部の周方向長さを長くし、応力集中を防いでいる。しかし、突出部を磁極中心側に設けているため、磁石磁束を妨げ、最大トルクが低減する可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願において開示される発明の代表的な一例を示せば以下の通りである。すなわち、回転電機の回転子であって、複数の磁石と、前記複数の磁石を収納する複数の収納部を形成する回転子コアとを備え、前記回転子コアは、第１磁石を収納する第１収納部と、第２磁石を収納する第２収納部と、第３磁石を収納しかつ前記第１収納部と前記第２収納部とに挟まれる第３収納部とを含む略Ｕ字状収納部群を周方向に複数形成し、前記第１収納部及び第２収納部の各々の内径側端部から外径側に滑らかな壁面を形成して突出する第１突出空間を設け、前記第３収納部を横切るｄ軸方向において、前記第１突出空間の径方向高さＨｓが、前記第３収納部の径方向高さＨｃ以上に形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様によれば、応力集中を防ぎ、高回転速度化による小型化が可能な回転電機を提供できる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明によって明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１の永久磁石回転電機の軸方向断面図である。
【図２】本発明の実施例１の回転子の１極分を示す軸方向断面図である。
【図３】本発明の実施例１に関し、磁石挿入孔の内径側端部からの突出空間端部長さＨｓに対するブリッジ部Ａの最大応力を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に関し、磁石挿入孔に対する磁石挿入孔の角度θｓに対するブリッジ部Ｂの最大応力と回転電機の最大トルクを示す図である。
【図５】本発明の実施例２の回転子の１極分を示す軸方向断面図である。
【図６】本発明の実施例３の回転子の１極分を示す軸方向断面図である。
【図７】本発明の実施例３の突出空間の長さＬに対する最大応力と最大トルクを示す図である。
【図８】本発明の実施例４の回転子の１極分を示す軸方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図示した実施例に基づいて本発明の永久磁石回転電機を説明する。本明細書に開示する実施例では、小型・軽量化が必要となる自動車主機用の回転電機について説明するが、本発明は他の用途の回転電機にも適用できる。なお、各実施例において、同じ構成要素には同じ符号を付して、それらの説明を省略することがある。下記の説明はあくまでも実施例であって、本発明の範囲が以下に具体的に説明される実施例に限定されることを意図する趣旨ではない。
【００１４】
＜実施例１＞
図１は、本発明の実施例１の永久磁石回転電機を軸方向に垂直な面で切断した軸方向断面図である。
【００１５】
本実施例の永久磁石回転電機１は、回転子コア２と永久磁石３とによって構成された回転子４と、回転子４の外径側に所定の間隙を設けて配置され、固定子コア５と固定子コア５に設けられたスロットに埋没されたコイル６とによって構成された固定子７とを有する。なお、コイル６は、円形断面の丸線で構成してもよいが、平角線で構成するとよい。コイル６を平角線で構成することによって、スロット内の占積率が向上し、コイル抵抗を低減できる。
【００１６】
回転子コア２は、例えば、打ち抜き加工又はエッチング加工によって、永久磁石３を埋設するための磁石挿入孔が成形された薄厚の電磁鋼板を複数積層して形成される。
【００１７】
図２は、回転子４の１極分を示す軸方向断面図である。
【００１８】
永久磁石３は、１極内に三つ配置した磁石挿入孔８ａ、８ｂ、８ｃに埋設されている。磁石挿入孔８ａは、磁極中心軸（ｄ軸）上で、その長手方向がｄ軸に対し略垂直となるように配置される。磁石挿入孔８ｂ、８ｃは、磁石挿入孔８ａの両側に、磁石挿入孔８ａに対して９０°〜１８０°の角度で配置される。よって、磁石挿入孔８ａ、８ｂ、８ｃは略Ｕ字状の収納部群を構成する。磁石挿入孔８ｂ及び８ｃの内径側端部には、突出空間９を設けている。突出空間９は、磁石挿入孔８ｂ、８ｃの内径側端部から外径側に滑らかに連接された（例えば、所定の曲率又は直線の）側面１０により形成される。これにより、回転時の遠心力による応力の集中を抑制し、ブリッジ部Ａに発生する最大応力を低減できる。
【００１９】
図３は、磁石挿入孔８ｂの内径側端部からの突出空間端部長さＨｓに対するブリッジ部Ａの最大応力を示す図である。なお、図３は、磁石挿入孔８ｂの内径側端部からの磁石挿入孔８ａの径方向長さをＨｃとし、Ｈｓ＝Ｈｃの場合の応力を１としたｐ．ｕ．（ｐｅｒ ｕｎｉｔ）表記で示す。
【００２０】
図３に示すように、Ｈｓ＜Ｈｃの場合に比べ、Ｈｓ＞Ｈｃの場合の方が最大応力が低い。特に、ＨｓとＨｃとがほぼ同じ大きさで最大応力が低くなる。これは、Ｈｓ≒Ｈｃの場合に磁石挿入孔８ａ側と磁石挿入孔８ｃ側との応力の分散によって、バランスが良くなり、回転子コア２の破損を防止できるためである。よって、Ｈｓ≒Ｈｃとなることが望ましい。
【００２１】
図４は、磁石挿入孔８ａに対する磁石挿入孔８ｂの角度θｓに対するブリッジ部Ｂの最大応力と回転電機の最大トルクを示す図である。なお、図４はθｓ＝９０°の場合の最大応力、最大トルクを１としたｐ．ｕ．表記で示す。
【００２２】
図４に示すように、最大応力の観点では、θｓが大きいほど最大応力が大きくなり、９０°≦θｓ≦１１２．５°の間で最大応力が小さくなる。最大トルクの観点では、１１２．５°≦θｓ≦１３５°の間で最大トルクが大きくなる。よって、最大応力低減と最大トルク増加の観点から、９０°≦θｓ≦１３５°の範囲とすることが望ましく、回転電機の用途や仕様に応じて適切な角度θｓを選択するとよい。
【００２３】
なお、図１には、８極４８スロットの永久磁石回転電機を示すが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、他のスロットコンビネーションでも同様の効果を得られる。また、前述した永久磁石回転電機が両方向に回転する場合には、磁極中心に対して磁石挿入孔８ｂ、８ｃを対称に設けることが望ましい。さらに、磁石挿入孔８ａ、８ｂ、８ｃと磁石との間は非磁性体で構成すればよく、空気でもよいが、樹脂などの絶縁材料で充填してもよい。加えて、回転電機の要求性能を達成できれば、磁石挿入孔８ａには永久磁石３を埋設しなくてもよい。
【００２４】
＜実施例２＞
図５は、実施例２の回転子４の１極分を示す軸方向断面図である。
【００２５】
図５に示すように、実施例２の回転子４には、磁石挿入孔８ｂ、８ｃの外径側に永久磁石３の移動を抑制する突起１１ａ、１１ｂを設ける。これは、永久磁石３が遠心力により磁石挿入孔８ｂ、８ｃ内で外径方向に移動すると、回転のバランスが悪化する可能性があるためである。実施例２では、遠心力が加わっても、突起１１ａ、１１ｂによって永久磁石３の位置が一定となるため、回転子４の回転バランスが悪化する可能性を低減できる。なお、図５では、二つの突起を設けているが、突起１１ａ、１１ｂのいずれか一方を設けてもよい。また、内径側ではなく外径側に突起を設けてもよく、内径側及び外径側の両方に突起を設けてもよい。
【００２６】
＜実施例３＞
図６は、実施例３の回転子４の１極分を示す軸方向断面図である。
【００２７】
図６に示すように、実施例３の回転子４には、磁石挿入孔８ｂ、８ｃの外径側端部で極間側に延伸する突出空間１２を設けた。永久磁石３及び回転子コア２に遠心力が加わるとブリッジ部Ｂが、外径側に付勢される回転子コア２のＣ部に引っ張られ、磁極中心外径側に反るように変形する。突出空間１２によりブリッジ部Ｂが長くなるため、単位長さ当たりの変形量が小さくなり、応力の集中を抑制できる。実施例３では、突出空間１２を磁石挿入孔８ｂ、８ｃの外径側端部で極間側に延伸するが、磁極中心側に延伸しても同様の応力分散効果が得られる。しかし、突出空間１２を磁石挿入孔８ｂ、８ｃの極間側に延伸すると、磁極中心側に延伸する場合に比べ、永久磁石３が発生する磁束に対する影響が少なくなるため、最大トルクの低下を抑制でき。これは、磁石挿入孔８ｂ、８ｃの磁極中心側の外径側端部は磁束密度が高くなることから、この部分の回転子コア２を除去すると固定子７へ向かう磁路が妨げられ、コイル６と鎖交する磁束が減少するからである。
【００２８】
図７は、突出空間１２の長さＬに対するブリッジ部Ｂの最大応力と最大トルクを示す図である。なお、Ｌは磁石挿入孔８ｂと極間部との距離Ｌｚを１としたｐ．ｕ．表記で示し、Ｌ＝０．０の場合の最大応力及び最大トルクを１としたｐ．ｕ．表記で示す。最大応力はＬが大きいほど低くなり、最大トルクはＬが０．２Ｌｚから０．４Ｌｚ付近で最大となる。これは、Ｌが小さい場合は永久磁石３の漏れ磁束が増加し、Ｌが大きい場合は極間部の磁路を妨げるようになり、リラクタンストルクが低下するためである。よって、最大応力と最大トルクのバランスの観点から、０．２Ｌｚ＜Ｌ＜０．８Ｌｚの範囲とすることが望ましい。
【００２９】
＜実施例４＞
図８は、実施例４の回転子４の１極分を示す軸方向断面図である。
【００３０】
図８に示すように、実施例４の回転子４では、磁石挿入孔８ａの角部の曲率を小さく（曲率半径を大きく）するため、永久磁石３の側面側から外径面にかけて一定曲率の側面１３を有するように磁石挿入孔８ａが形成される。一定曲率の側面１３は、永久磁石３の角部１４で永久磁石３に最接近するように形成される。磁石挿入孔８ａは、遠心力により外径側に引っ張られ角部が変形し、角部に応力が集中する。このため、角部の曲率を小さくすることで、応力を分散して、最大応力を低減でき、局所的な変形を抑制できる。なお、内径側も同様に、永久磁石３の側面側から内周面にかけて一定の曲率の側面１５によって形成し、内径側の一定曲率の側面１５は、永久磁石３の角部１６で永久磁石３に最接近するように形成することが望ましい。
【００３１】
なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲の趣旨内における様々な変形例及び同等の構成が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに本発明は限定されない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えてもよい。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えてもよい。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をしてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１…回転電機、２…回転子コア、３…永久磁石、４…回転子、５…固定子コア、６…コイル、７…固定子、８ａ、８ｂ、８ｃ…磁石挿入孔、９…突出空間（内径側）、１０…一定曲率の側面（磁石挿入孔８ｂ又は８ｃ）、１１ａ、１１ｂ…突起部、１２…突出空間（外径側）、１３、１５…一定曲率の側面（磁石挿入孔８ａ）、１４、１６…永久磁石の角部
【図１】
2020202673.tif 000003
【図２】
2020202673.tif 000004
【図３】
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【図４】
2020202673.tif 000006
【図５】
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【図６】
2020202673.tif 000008
【図７】
2020202673.tif 000009
【図８】
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