(57)【要約】【課題】高速回転時の遠心力による回転子コアの破損を防止できると共に製造コストの大幅な上昇を招くことなく回転子を高トルクで回転させることのできる磁石埋込型の永久磁石式回転機を提供する。【解決手段】回転子コア８内に埋め込まれる複数の永久磁石９のうち磁極の向きを一致させて磁石挿入スロット１０に挿入される少なくとも二つの永久磁石９の配置が回転子軸７に向かって凸状に湾曲した円弧状の配置となり、かつ回転子コア外周面８ａと回転子コア８の外周側に位置する磁石挿入スロット１０との間にブリッジ部１１が形成されると共に隣り合う二つの磁石挿入スロット間に回転子コア薄肉部１２が形成されるように、長方形または長方形に近似した形状の複数の磁石挿入スロット１０を回転子コア８に形成した。【選択図】図２
2010093906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状に形成されたヨーク、該ヨークから内径方向に突出する複数のティース及び該ティースに巻装された複数の励磁コイルを有する固定子と、該固定子に対して回転可能に設けられた回転子とを備え、
前記回転子が前記ヨークの中心部に配置された回転子軸と、該回転子軸の周囲に形成された回転子コアと、該回転子コアの内部に埋め込まれた複数の永久磁石とを含んで構成されるとともに、
前記回転子コアが前記回転子軸の軸方向に開口する複数の磁石挿入スロットを有する永久磁石式回転機であって、
前記複数の永久磁石のうち磁極の向きを一致させて前記磁石挿入スロットに挿入される少なくとも二つの永久磁石の配置が前記回転子軸に向かって凸状に湾曲した円弧状の配置となり、かつ前記回転子コアの外周面と前記回転子コアの外周側に位置する磁石挿入スロットとの間にブリッジ部が形成されると共に隣り合う二つの磁石挿入スロット間に回転子コア薄肉部が形成されるように、前記磁石挿入スロットが長方形または長方形に近似した形状で前記回転子コアに形成されていることを特徴とする永久磁石式回転機。
【請求項２】
請求項１記載の永久磁石式回転機において、零を除く正の整数をｎとしたとき、前記永久磁石により形成される回転子磁極の１磁極あたりの磁石挿入スロット数が２（ｎ＋１）を満たすと共に前記回転子磁極の中心線に対して線対称になるように、かつ前記回転子磁極の中心線上に位置する回転子コア薄肉部を挟んで隣り合う二つの磁石挿入スロットの最小間隔をｄａ、前記回転子磁極の中心線上に位置しない回転子コア薄肉部を挟んで隣り合う二つの磁石挿入スロットの最小間隔をｄｂ、前記回転子軸の軸方向に沿う前記磁石挿入スロットの長さをＬとしたとき、ｄａ×Ｌ＞ｄｂ×Ｌを満たすように前記磁石挿入スロットが前記回転子コアに形成されていることを特徴とする永久磁石式回転機。
【請求項３】
請求項１または２記載の永久磁石式回転機において、前記回転子コア薄肉部が非磁性材で形成されていることを特徴とする永久磁石式回転機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項記載の永久磁石式回転機において、前記ブリッジ部が非磁性材で形成されていることを特徴とする永久磁石式回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ、発電機などに適用される永久磁石式回転機に関し、特に、回転子の内部に永久磁石が埋め込まれた永久磁石式回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
埋込磁石型回転機と称される永久磁石式回転機は、回転子の内部に埋め込まれた永久磁石の鎖交磁束量（永久磁石で発生した磁束が固定子の励磁コイルと鎖交する磁束量）に応じて発生するマグネットトルクに加え、回転子コアの磁気抵抗を利用したリラクタンストルクを利用できるため、小型かつ高出力の回転機として広く用いられている。また、この種の永久磁石式回転機は高速回転時の遠心力により永久磁石が破損しても破片が飛散してしまう可能性が少ないため、回転子の外周面に永久磁石を配設したものと比較して、永久磁石の破片が飛散することによる固定子の破損などを防止することができる。
【０００３】
このような埋込磁石型回転機の回転子を高トルクで回転させる方法の一つとして、回転子の内部に埋め込まれる永久磁石の数を増やしてマグネットトルクを増大させる方法が考えられる。しかし、回転子コストの内訳を見ると磁石価格が大部分を占めているため、上記の方法を適用すると、近年の磁石価格高騰により回転機の製造コストが大幅に増加してしまうという問題が生じる。
【０００４】
また、永久磁石の数を大幅に増加せることなくトルクを大きくする方策としては、特許文献１に示される埋込磁石型回転機のように、回転子の内部に円弧状の永久磁石を内外２層に埋め込み、回転子の磁極中心方向に延びるｄ軸方向のインダクタンスとｄ軸から電気角が９０度ずれたｑ軸方向のインダクタンスとの差が大きくなるように内層と外層の磁石厚み比率を規定してリラクタンストルクを増大させる方策もあるが、円弧状の永久磁石は板状の永久磁石を円弧状に削る若しくは円弧状の型を用いて磁石素材を円弧状に成形する方法によって得られるため、加工や成形に多くの時間を要する。このため、特許文献１に示される埋込磁石型回転機では、回転子コア内部に埋め込まれる永久磁石として平板状の永久磁石を用いたものと比較して、回転子のコストが増大するという問題がある。
【０００５】
また、回転子コアに形成された磁石挿入スロットと回転子コア外周面との間の回転子コア外周部の質量をｍ（ｋｇ）、回転子コアの中心部から上記回転子コア外周部の質点までの距離をｒ（ｍ）とすると、下式（１）で表される遠心力Ｆ（Ｎ）が上記回転子コア外周部の質点に発生すると共に下式（２）で表わされる引張応力Ｐ（Ｎ）が磁石挿入スロットに挿入された円弧状永久磁石の端面と回転子コア外周面との間のブリッジ部に発生する。このため、特許文献１に示される回転機では、回転子を高速で回転させたときにブリッジ部が破断して回転子コアが破損してしまうという問題が生じる。
Ｆ＝ｍ・ｒ・ω２      （１）
Ｐ＝Ｆａ／Ｓ          （２）
ただし、ω：ω＝２π・（Ｎ／６０）
Ｎ：回転子コアの回転速度（ｍｉｎ−１）
Ｆａ：回転子コアの径方向に対して垂直なブリッジ部の断面に作用する力
Ｓ：回転子コアの径方向に対して垂直なブリッジ部の回転子コア外周側の断面積（ｍ２）
【０００６】
そこで、かかる問題を解決するため、各磁石挿入スロットを複数の分割スロットから形成し、ブリッジ部に作用する引張応力を分割スロットの間に形成された回転子コア薄肉部により緩和して回転子コアの破損を防止するようした埋込磁石型回転機が提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平８−３３１７８３号公報
【特許文献２】特開２００５−２２３９５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に示されるような永久磁石式回転機では、ブリッジ部を通しての磁束短絡に加えて、回転子コア薄肉部を通しての磁束短絡が増加するため、固定子の励磁コイルと鎖交する永久磁石の有効磁束量が減少し、マグネットトルクの減少を招いてしまうという問題があった。
本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものであり、高速回転時の遠心力による回転子コアの破損を防止できると共に製造コストの大幅な上昇を招くことなく回転子を高トルクで回転させることのできる磁石埋込型の永久磁石式回転機を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明に係る永久磁石式回転機は、環状に形成されたヨーク、該ヨークから内径方向に突出する複数のティース及び該ティースに装着された複数の励磁コイルを有する固定子と、該固定子に対して回転可能に設けられた回転子とを備え、前記回転子が前記ヨークの中心部に配置された回転子軸と、該回転子軸の周囲に形成された回転子コアと、該回転子コアの内部に埋め込まれた複数の永久磁石とを含んで構成されるとともに、前記回転子コアが前記回転子軸の軸方向に開口する複数の磁石挿入スロットを有する永久磁石式回転機であって、前記複数の永久磁石のうち磁極の向きを一致させて前記磁石挿入スロットに挿入される少なくとも二つの永久磁石の配置が前記回転子軸に向かって凸状に湾曲した円弧状の配置となり、かつ前記回転子コアの外周面と前記回転子コアの外周側に位置する磁石挿入スロットとの間にブリッジ部が形成されると共に隣り合う二つの磁石挿入スロット間に回転子コア薄肉部が形成されるように、前記磁石挿入スロットが長方形または長方形に近似した形状で前記回転子コアに形成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２記載の発明に係る永久磁石式回転機は、請求項１記載の永久磁石式回転機において、零を除く正の整数をｎとしたとき、前記永久磁石により形成される回転子磁極の１磁極あたりの磁石挿入スロット数が２（ｎ＋１）を満たすと共に前記回転子磁極の中心線に対して線対称になるように、かつ前記回転子磁極の中心線上に位置する回転子コア薄肉部を挟んで隣り合う二つの磁石挿入スロットの最小間隔をｄａ、前記回転子磁極の中心線上に位置しない回転子コア薄肉部を挟んで隣り合う二つの磁石挿入スロットの最小間隔をｄｂ、前記回転子軸の軸方向に沿う前記磁石挿入スロットの長さをＬとしたとき、ｄａ×Ｌ＞ｄｂ×Ｌを満たすように前記磁石挿入スロットが前記回転子コアに形成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３記載の発明に係る永久磁石式回転機は、請求項１または２記載の永久磁石式回転機において、前記回転子コア薄肉部が非磁性材で形成されていることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明に係る永久磁石式回転機は、請求項１〜３のいずれか一項記載の永久磁石式回転機において、前記ブリッジ部が非磁性材で形成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１記載の発明によると、各磁石挿入スロットに挿入された永久磁石の磁束がｑ軸方向に流れやすくなり、ｑ軸方向のインダクタンスが高くなることによってｄ軸方向のインダクタンスとｑ軸方向のインダクタンスとの差が大きくなるため、リラクタンストルクを増大させることができる。また、磁石挿入スロットに挿入される永久磁石として平板状に形成されたものを使用でき、円弧状に形成されたものを使用しないで済むため、磁石コストを低減することができる。さらに、互いに隣り合う二つの磁石挿入スロット間に回転子コア薄肉部が形成されることによって、回転子を高速回転させたときにブリッジ部に発生する応力が回転子コア薄肉部によって緩和されるため、回転子を高速で回転させたときにブリッジ部が破断して回転子コアが破損することを防止することができる。
【００１２】
請求項２記載の発明によると、回転子磁極の中心線上に位置する回転子コア薄肉部を挟んで隣り合う二つの磁石挿入スロットの最小間隔をｄａ、回転子磁極の中心線上に位置しない回転子コア薄肉部を挟んで隣り合う二つの磁石挿入スロットの最小間隔をｄｂ、回転子軸の軸方向に沿う磁石挿入スロットの長さをＬとしたとき、ｄａ×Ｌ＞ｄｂ×Ｌを満たすように磁石挿入スロットを回転子コアに形成したことで、ｄａ×Ｌ＝ｄｂ×Ｌとした場合と比較して、回転子コア薄肉部を通しての磁束短絡が減少するため、磁束短絡によるマグネットトルクの減少を緩和することができる。また、回転子磁極の中心線上に位置しない回転子コア薄肉部の軸方向断面に作用する遠心力がｄａ×Ｌ＝ｄｂ×Ｌとした場合よりも小さくなるため、高速回転時の遠心力による回転子コアの破損を防止することができる。
【００１３】
請求項３記載の発明によると、回転子コア薄肉部を通過する漏れ磁束量が減少するので、漏れ磁束によるマグネットトルクの減少を抑制して回転子を高トルクで回転させることができる。
請求項４記載の発明によると、ブリッジ部を通過する漏れ磁束量が減少するので、漏れ磁束によるマグネットトルクの減少を抑制して回転子を高トルクで回転させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明に係る永久磁石式回転機について説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る永久磁石式回転機を示す断面図、図２は本発明の第１の実施形態に係る永久磁石式回転機の回転子を示す断面図、図３は本発明の第１の実施形態に係る永久磁石式回転機の回転子の一部を示す断面図であり、図１に示されるように、本発明の第１の実施形態に係る永久磁石式回転機は固定子１と、この固定子１に対して回転可能に設けられた回転子６とを備えている。
【００１５】
固定子１は固定子コア２を有しており、この固定子コア２は環状に形成されたヨーク３とヨーク３の内周面から内径方向に突出する複数（例えば９個）のティース４とで形成されている。また、固定子１は複数の励磁コイル５を有しており、これらの励磁コイル５は固定子コア２の各ティース４に巻装されている。
一方、回転子６は、図２に示すように、回転子軸７を有している。この回転子軸７はヨーク３の中心部に配置されており、この回転子軸７の周囲には、例えば透磁率の高い複数の鋼板を回転子軸７の軸方向に積層してなる回転子コア８が形成されている。
【００１６】
また、回転子６は回転子磁極を形成する複数の永久磁石９を有している。これらの永久磁石９は平板状に形成されており、各永久磁石９は回転子コア８に形成された複数の磁石挿入スロット１０に１個ずつ挿入されて不図示の接着剤または充填剤により磁石挿入スロット１０内に固定されている。
磁石挿入スロット１０は、回転子軸７の軸方向に開口するように長方形または長方形に近似した形状で回転子コア８に形成されている。また、磁石挿入スロット１０は、図２に示されるように、磁極の向きを一致させて磁石挿入スロット１０に挿入される少なくとも二つ（本実施形態では４つ）の永久磁石９の配置が回転子軸７に向かって凸状に湾曲した円弧状の配置となり、かつ回転子コア８の外周面８ａと回転子コア８の外周側に位置する磁石挿入スロット１０との間にブリッジ部１１が形成されると共に隣り合う二つの磁石挿入スロット間に回転子コア薄肉部１２が形成されるように回転子コア８に形成されている。
【００１７】
また、磁石挿入スロット１０は、零を除く正の整数をｎとしたとき、永久磁石９により形成される回転子磁極の１磁極あたりの磁石挿入スロット数が２（ｎ＋１）を満たすと共に回転子磁極の中心線Ｒに対して線対称になるように回転子コア８に形成されている。さらに、磁石挿入スロット１０は、図３に示すように、回転子磁極の中心線Ｒに位置する回転子コア薄肉部１２を挟んで隣り合う二つの磁石挿入スロット１０の最小間隔をｄａ、回転子磁極の中心線Ｒ上に位置しない回転子コア薄肉部１２を挟んで隣り合う二つの磁石挿入スロット１０の最小間隔をｄｂ、回転子軸７の軸方向に沿う磁石挿入スロット１０の長さをＬとしたとき、ｄａ×Ｌ＞ｄｂ×Ｌを満たすように回転子コア８に形成されている。
なお、磁石挿入スロット１０の形成方法は特に限定されないが、回転子コア８が積層鋼板から形成されている場合は、鋼板を積層する前または積層した後に打ち抜いて磁石挿入スロット１０を形成する方法を適用することができる。
【００１８】
上述のように、回転子コア８内に埋め込まれる複数の永久磁石９のうち磁極の向きを一致させて磁石挿入スロット１０に挿入される少なくとも二つの永久磁石９の配置が回転子軸７に向かって凸状に湾曲した円弧状の配置となり、かつ回転子コア外周面８ａと回転子コア８の外周側に位置する磁石挿入スロット１０との間にブリッジ部１１が形成されると共に隣り合う二つの磁石挿入スロット間に回転子コア薄肉部１２が形成されるように、長方形または長方形に近似した形状の複数の磁石挿入スロット１０を回転子コア８に形成すると、各磁石挿入スロット１０に挿入された永久磁石９の磁束が図２に示すｑ軸方向に流れやすくなる。これにより、ｑ軸方向のインダクタンスが高くなることによってｄ軸方向のインダクタンスとｑ軸方向のインダクタンスとの差が大きくなるため、リラクタンストルクを増大させることができる。
【００１９】
また、磁石挿入スロット１０に挿入される永久磁石として平板状に形成されたものを使用でき、円弧状に形成されたものを使用しないで済むため、磁石コストを低減することができる。
さらに、互いに隣り合う二つの磁石挿入スロット間に回転子コア薄肉部１２が形成されることによって、回転子６を高速回転させたときにブリッジ部１１に発生する応力が回転子コア薄肉部１２によって緩和されるため、回転子６を高速で回転させたときにブリッジ部１１が破断して回転子コア８が破損することを防止することができる。
【００２０】
また、本実施形態においては、磁石挿入スロット１０がｄａ×Ｌ＞ｄｂ×Ｌを満たすように回転子コア８に形成されているため、次のような効果を得ることができる。すなわち、一般に遠心力は対象物体の質点すなわち重心に働くため、図２に示した回転子では、図３に示す点Ｐに式（１）で表わされる遠心力Ｆが回転子の径方向に働く。ここで、回転子を回転させたときに回転子コア薄肉部１２に発生する応力は回転子コア薄肉部１２の径方向断面に対して垂直に作用する力（遠心力）で計算されるため、ｄａ×Ｌで表わされる断面積Ｓａを有する回転子コア薄肉部断面に作用する応力Ｆ１は、点Ｐに作用する遠心力Ｆと同一直線上に存在するため、図３の点Ｐに発生する遠心力Ｆと等しくなる（Ｆ１＝Ｆ）。
【００２１】
一方、ｄｂ×Ｌで表わされる断面積Ｓｂを有する回転子コア薄肉部断面に作用する応力Ｆ２は、遠心力Ｆを垂直方向成分に分解したものであるから、遠心力Ｆより小さい値となる（Ｆ２＜Ｆ）。
したがって、応力Ｆ１と応力Ｆ２はＦ１＞Ｆ２の関係にあり、回転子磁極の中心線上に位置しない回転子コア薄肉部１２の軸方向断面に作用する遠心力がｄａ×Ｌ＝ｄｂ×Ｌとした場合よりも小さくなるため、高速回転時の遠心力による回転子コア８の破損を防止することができる。
【００２２】
また、ｄａ×Ｌ＝ｄｂ×Ｌとした場合と比較して、回転子コア薄肉部１２を通しての磁束短絡が減少するため、磁束短絡によるマグネットトルクの減少を緩和することができる。
上述した第１の実施形態では、回転子６の回転子コア８として透磁率の高い複数の鋼板を回転子軸の軸方向に積層して形成されたものを示したが、これに限られるものではなく、回転子コア８は例えば磁性鉄粉を所定の形状に成形して形成されたものであってもよい。
【００２３】
図４は本発明の第２の実施形態に係る永久磁石式回転機の回転子の一部を示す断面図であり、第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、回転子コア８の回転子コア薄肉部１２を比透磁率が３未満の非磁性部材１３（例えば、合成樹脂、ステンレス鋼、空気など）で形成した点である。
このように回転子コア薄肉部１２を非磁性部材１３で形成すると、回転子コア薄肉部１２を通過する漏れ磁束量が減少するので、漏れ磁束によるマグネットトルクの減少を抑制して回転子を高トルクで回転させることができる。
【００２４】
図５は本発明の第３の実施形態に係る永久磁石式回転機の回転子の一部を示す断面図であり、第３の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、回転子コア８のブリッジ部１１及び回転子コア薄肉部１２を比透磁率が３未満の非磁性部材１３（例えば、合成樹脂、ステンレス鋼、空気など）で形成した点である。
このようにブリッジ部１１及び回転子コア薄肉部１２を非磁性部材１３で形成すると、ブリッジ部１１及び回転子コア薄肉部１２を通過する漏れ磁束量が減少するので、漏れ磁束によるマグネットトルクの減少を抑制して回転子を高トルクで回転させることができる。
【００２５】
図６は図４に示した第２の実施形態と図５に示した第３の実施形態の効果を説明するための図であり、図４及び図５に示した非磁性部材１３として非透磁率が１．００７と１．４のものを用い、第１の実施形態で得られるトルクを１００％としたときの第２の実施形態及び第３の実施形態で得られるトルクを比較したものである。
図６から明らかなように、第２の実施形態では第１の実施形態よりもトルクが約２．７％高い回転子が得られ、第３の実施形態では第１の実施形態よりもトルクが約３．６％高い回転子が得られることがわかる。また、比透磁率の低い材料を使用する程、より高トルクの回転子を得られることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る永久磁石式回転機を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る永久磁石式回転機の回転子を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る永久磁石式回転機の回転子の一部を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る永久磁石式回転機の回転子の一部を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る永久磁石式回転機の回転子の一部を示す断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態と第３の実施形態の効果を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  固定子
２  固定子コア
３  ヨーク
４  ティース
５  励磁コイル
６  回転子
７  回転子軸
８  回転子コア
９  永久磁石
１０  磁石挿入スロット
１１  ブリッジ部
１２  回転子コア薄肉部
１３  非磁性部材
【図１】
2010093906.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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