(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、回転子と、を備えた回転電機であって、
前記回転子は、
シャフトに固定され、半径方向及び軸方向を備えた円筒状の鉄心と、
前記鉄心に埋め込まれた複数の永久磁石と、
前記鉄心の前記半径方向内側の部位に設けられた複数の空隙と、
前記空隙の内部に前記軸方向に沿って突出して設けられた楔部と、
前記空隙の内部に充填された非磁性の補強部材と、
を有し、
前記空隙の、前記軸方向に直交する断面における断面形状は、多角形であり、
前記空隙は、
周方向両側に位置して前記永久磁石の磁束発生面である側面とそれぞれ対向し、前記回転子の前記半径方向内側への漏洩磁束を低減するための、前記多角形のうちの２辺を構成する磁石対向面と、
前記磁石対向面よりも前記半径方向外側にそれぞれ位置し、前記永久磁石の磁束を前記回転子の前記半径方向外側へ導くための、前記多角形のうちの少なくとも１辺を構成する磁束ガイド面と、を有し、
前記楔部は、
前記磁束ガイド面の端部に位置する、前記多角形の前記角部に設けられる
ことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記楔部は、
突出方向及び円周方向の少なくとも一方の長さが軸方向で変化するように形成される
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示の実施形態は、回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、固定子と、固定子に径方向のギャップを介して対向する回転子を有し、回転子の各極の中央の磁極部とその両側に放射状に配置された極数と同数の永久磁石を有する埋込磁石型モータが記載されている。この埋込磁石型モータは、それぞれの永久磁石の間の回転子鉄心の内周側に、永久磁石の磁束発生面である側面と対向し、回転子鉄心の内側連結部への漏れ磁束を制限する漏れ磁束制限面と、永久磁石の磁束を回転子の外周へ導くガイド面とを有する多角形の空隙を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００８／０７８５８４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術では、回転子鉄心の永久磁石間に多角形の空隙を複数設けると、回転子の漏洩磁束を低減できるものの、回転子鉄心の剛性低下を生じやすくなる。そこで、回転子鉄心の剛性の向上を講じる必要がある。
【０００５】
本発明は係る必要性に鑑みてなされたものであり、漏洩磁束を低減しつつ、回転子鉄心の剛性を向上することができる回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、固定子と、回転子と、を備えた回転電機であって、前記回転子は、シャフトに固定され、半径方向及び軸方向を備えた円筒状の鉄心と、前記鉄心に埋め込まれた複数の永久磁石と、前記鉄心の前記半径方向内側の部位に設けられた複数の空隙と、前記空隙の内部に前記軸方向に沿って突出して設けられた楔部と、前記空隙の内部に充填された非磁性の補強部材と、を有し、前記空隙の、前記軸方向に直交する断面における断面形状は、多角形であり、前記空隙は、周方向両側に位置して前記永久磁石の磁束発生面である側面とそれぞれ対向し、前記回転子の前記半径方向内側への漏洩磁束を低減するための、前記多角形のうちの２辺を構成する磁石対向面と、前記磁石対向面よりも前記半径方向外側にそれぞれ位置し、前記永久磁石の磁束を前記回転子の前記半径方向外側へ導くための、前記多角形のうちの少なくとも１辺を構成する磁束ガイド面と、を有し、前記楔部は、前記磁束ガイド面の端部に位置する、前記多角形の前記角部に設けられる回転電機が適用される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の回転電機によれば、漏洩磁束を防止しつつ、回転子鉄心の剛性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態の回転電機の全体構成を表す縦断面図である。
【図２】図１中ＩＩ−ＩＩ面から見た回転子の端面図である。
【図３】回転子の鉄心の内周側に形成された楔部を有する空隙の形状を表す横断面図、及び図３（ａ）中ＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ面による断面図である。
【図４】複数の楔部を設けた場合の空隙の形状を表す横断面図である。
【図５】楔部の突出方向の長さを軸方向で変化させた場合の空隙の形状を表す横断面図である。
【図６】楔部の幅を軸方向で変化させた場合の楔の形状を抽出して表す斜視図である。
【図７】五角形以外の多角形に形成した場合の空隙の形状を表す斜視図である。
【図８】セミオープン型の回転子の端面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１０】
＜回転電機の構成＞
まず、本実施形態の回転電機１の全体構成について図１を用いて説明する。図１に示すように、回転電機１は、半径方向に磁気的空隙を介して対向配置された固定子２及び回転子３を有し、回転子３を固定子２の内側に備えたインナーロータ型のモータである。具体的には、回転電機１は、回転子３の内部に永久磁石を備えたＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ）モータである。この回転電機１は、固定子２と、回転子３と、固定子２の外周側に設けられたフレーム４と、フレーム４の負荷側（図１中右側）端部に設けられた負荷側ブラケット５と、負荷側ブラケット５に外輪が嵌合された負荷側軸受６と、フレーム４の反負荷側（図１中左側）端部に設けられた反負荷側ブラケット７と、反負荷側ブラケット７に外輪が嵌合された反負荷側軸受８と、負荷側軸受６及び反負荷側軸受８により回転自在に支持されたシャフト９と、シャフト９に固定され、鉄心１０の軸方向一端側に突き当てられた押さえ板２０と、を有する。なお、この例では１枚であるが、押さえ板２０は、鉄心１０の軸方向一端側及び他端側に突き当てられるように、シャフト９に２枚設けてもよい。この押さえ板２０は、鉄心１０の軸方向一端側及び他端側の一方又は両方に突き当たることで、鉄心１０の位置決めを行うためのものである。
【００１１】
＜回転子の構成＞
次に、回転子３の構成について図２及び図３を用いて説明する。図２に示すように、回転子３は、シャフト９の外周面に固定されている。この回転子３は、円筒状の鉄心１０と、鉄心１０に埋め込まれた複数（この例では１０）の永久磁石１１とを有している。
【００１２】
鉄心１０は、シャフト９に固定された筒状の円筒部１２と、この円筒部１２の半径方向外側に極数に応じて放射線状に設けられた複数（この例では１０）の磁極部１３とを一体に備えている。鉄心１０は、円環状の電磁鋼板をシャフト９の軸方向に積層した積層体構造に形成されており、積層した電磁鋼板同士の間には絶縁体層が介挿されている。永久磁石１１は、鉄心１０の軸方向に長い直方体形状に形成され、軸方向と直交する断面は半径方向に長い矩形状を有する。永久磁石１１は、鉄心１０内に放射状に配置され、鉄心１０に設けた軸方向の貫通孔に装着して、鉄心１０を貫通するように設けられている。永久磁石１１の半径方向外側端及び内側端は、鉄心１０の外周面及び内周面との間に狭い間隙を有するようにそれぞれ位置している。
【００１３】
各永久磁石１１は、鉄心１０の半径方向及び軸方向と直交する方向（略円周方向）に磁化されている。複数の永久磁石１１は、ある磁極部１３でＮ極を互いに向かい合わせ、隣りの磁極部１３でＳ極を互いに向かい合わせるように配置される。磁極部１３は、隣り合う永久磁石１１によって、永久磁石１１同士の間の円筒部１２の半径方向外側に形成されている。永久磁石１１のＮ極が向かい合った磁極部１３はＮ極となり、永久磁石１１のＳ極が向かい合った磁極部１３はＳ極となる。Ｎ極となる磁極部１３からＳ極となる磁極部１３に向かう磁束が固定子２の巻線と鎖交し、回転子３の回転トルクを発生させる。
【００１４】
鉄心１０の隣り合う永久磁石１１の間の半径方向内側（内周側）には、鉄心１０を軸方向に貫通する空隙１６が設けられている。空隙１６は、この例では軸方向と直交する横断面形状が五角形状であり、図２及び図３（ａ）に示すように、永久磁石１１の磁束発生面である側面と対向する半径方向の磁石対向面１６ａと、磁石対向面１６ａに接続した半径方向外側の磁束ガイド面１６ｂと、を有している。空隙１６の磁石対向面１６ａは、永久磁石１１の磁束発生面との間に狭い間隙を有し、且つ略平行である。空隙１６は、磁束ガイド面１６ｂにより、Ｎ極となる磁極部１３における永久磁石１１の磁束を回転子３の外周側に誘導する一方、磁石対向面１６ａにより、隣り合う２つの永久磁石１１の間の回転子３の内周側への漏洩磁束を低減する効果がある。
【００１５】
空隙１６の内部には、図３（ａ）に示すように、鉄心１０の剛性を高めるために、非磁性材料の補強部材として樹脂１７（接着剤でもよい）が充填されている。そして、空隙１６には、五角形の外周側となる位置の角部、すなわち空隙１６の磁束ガイド面１６ｂ同士の間に位置する半径方向外側の角部に、半径方向内側に突出した楔部１８が設けられている。楔部１８は、軸方向から見た断面形状が略Ｖ字状を有しており、図３（ｂ）に示すように、軸方向に沿って同一高さで延設されて、空隙１６の内部に充填された樹脂１７に軸方向全体が食い込んでいる。なお、楔部１８は、一枚一枚の電磁鋼板について楔部分を有する形状に形成し、それらを軸方向に積層することで得られる。
【００１６】
＜実施形態の効果＞
以上説明したように、本実施形態の回転電機１では、回転子３の鉄心１０の内周側に複数の空隙１６が設けられ、この空隙１６の内部に樹脂１７が充填されている。樹脂１７は非磁性であるので、樹脂１７を充填した空隙１６は磁気的には空隙そのものとみなすことができる。したがって、空隙１６により回転子３の内周側への漏洩磁束を遮断し、漏洩磁束を低減することができる。そして、空隙１６の内部に充填された樹脂１７により、空隙１６を設けたことによる鉄心１０の剛性の低下を防止することができる。
【００１７】
さらに、空隙１６の内側に、軸方向から見た断面形状が略Ｖ字状である楔部１８が、軸方向に沿って突出して設けられている。鉄心１０は、空隙１６に楔部１８を設けたことにより、空隙１６における機械的強度が向上する。また、楔部１８が空隙１６に充填された樹脂１７に食い込むことによる楔作用、すなわち、樹脂１７が楔部１８を両側から挟んで掴む効果と、空隙１６の内面と樹脂１７との接触面積が増大する効果とによって、鉄心１０と樹脂１７との接合が強固となる。その結果、鉄心１０の剛性を向上できる。
【００１８】
また、本実施形態では特に、楔部１８が空隙１６の内側の外周側となる位置に設けられる。これにより、次のような効果を得る。すなわち、回転子３の鉄心１０には回転による遠心力が作用する。したがって、各空隙１６では、充填された樹脂１７と空隙１６の内面との間に作用する遠心力方向の剥離力が、空隙１６の外周側となる位置において大きくなる。本実施形態では、楔部１８が空隙１６の外周側となる位置に設けられるので、その楔作用によって、鉄心１０と樹脂１７との間で遠心力方向に高い接合力を得ることができる。これにより、樹脂１７と空隙１６の内面との剥離を防止することが可能となり、鉄心１０の剛性の向上効果をより高めることができる。
【００１９】
また、本実施形態では特に、空隙１６が五角形であり、楔部１８が空隙１６の角部となる位置に設けられる。これにより、次のような効果を得る。すなわち、空隙１６が多角形である場合、空隙１６の形状が不連続となる角部に応力集中が生じやすくなり、ひび割れ等を招くおそれがある。本実施形態では、楔部１８を空隙１６の角部に設けているので、角部の応力を分散させ、応力集中を緩和することができる。したがって、鉄心１０の剛性の向上効果をより高めることができる。
【００２０】
また、本実施形態では特に、空隙１６が磁石対向面１６ａと磁束ガイド面１６ｂを有している。これにより、回転子３の内周側への漏洩磁束を効果的に低減しつつ、永久磁石１１の磁束を回転子３の外周側へ効率的に導くことができる。したがって、永久磁石１１の使用量に見合うトルクが得られ、回転電機１のモータ特性を向上することができる。
【００２１】
また、楔部１８が、空隙１６の磁束ガイド面１６ｂ同士の間に位置する角部に設けられることにより、次のような効果が得られる。すなわち、磁石対向面１６ａは永久磁石１１の磁束発生面である側面と対向するので、磁束の方向は磁石対向面１６ａの面方向に対して垂直に近い方向となる。このため、楔部１８を磁石対向面１６ａの近傍に設けると、楔部１８を伝って磁束が空隙１６の内部を透過するおそれがあり、漏洩磁束の増大を招く。一方、磁束ガイド面１６ｂは、永久磁石１１の磁束を誘導する面であるので、磁束の方向は磁束ガイド面１６ｂの面方向に対して平行に近い方向となる。このため、楔部１８を磁束ガイド面１６ｂの近傍に設けても、楔部１８を伝って磁束が空隙１６の内部を透過するおそれは少なく、漏洩磁束の増大を招くことはない。したがって、楔部１８を磁束ガイド面１６ｂ同士の間に位置する角部に設けることにより、漏洩磁束の増大を招くことなく、鉄心１０の剛性を向上することができる。
【００２２】
＜変形例＞
なお、開示の実施形態は、上記に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を説明する。
【００２３】
（１）空隙に複数の楔部を設ける場合
上記実施形態では、空隙１６の１箇所の角部にのみ楔部１８を設けたが、楔部１８は、空隙１６の他の角部に設けることもできる。本変形例の一例を図４に示す。
【００２４】
図４（ａ）に示す例では、楔部１８を、五角形の空隙１６の外周側となる位置の角部に加えて、五角形の内周側となる位置の角部、すなわち空隙１６のシャフト９と対向する半径方向内側のシャフト対向面１６ｃと各磁石対向面１６ａとの間に位置する２つの角部に設けている。各楔部１８は、上実施形態と同様、軸方向から見た断面形状が略Ｖ字状であり、軸方向に沿って延設されている。また、空隙１６には樹脂１７を充填している。
【００２５】
図４（ｂ）に示す例では、楔部１８を、五角形の空隙１６の外周側となる位置の角部に加えて、五角形の側面側となる位置の角部、すなわち空隙１６の磁石対向面１６ａと磁束ガイド面１６ｂとの間に位置する各角部に設けている。
【００２６】
図４（ｃ）に示す例では、楔部１８を、五角形の空隙１６の全ての角部に設けている。
【００２７】
本変形例では、空隙１６に複数の楔部１８を設けたことにより、鉄心１０の空隙１６における機械的強度がさらに向上し、また、複数の楔部１８が空隙１６に充填された樹脂１７に食い込むことによる楔作用により、鉄心１０と樹脂７の接合がより強固となる。その結果、鉄心１０の剛性を一層向上することができる。
【００２８】
（２）楔部の突出方向の長さを軸方向で変化させた場合
上記実施形態では、楔部１８の突出方向の長さ（高さ）は空隙１６の軸方向に沿って一様であったが、楔部１８の突出方向の長さを空隙１６の軸方向で変化させて形成することもできる。本変形例の一例を図５に示す。なお、理解を容易とするために、図５では楔部１８の突出方向の長さを誇張して図示している。
【００２９】
図５（ａ）に示す例では、楔部１８の突出方向の長さは、空隙１６の軸方向一端（図５（ａ）中左側）でＨ１、空隙１６の軸方向他端（図５（ａ）中右側）でそれよりも長いＨ２である。すなわち、楔部１８の突出方向の長さは、空隙１６の軸方向一端のＨ１から他端のＨ２まで軸方向に連続的に増大している。
【００３０】
図５（ｂ）に示す例では、楔部１８の突出方向の長さは、空隙１６の軸方向中央部でＨ１、軸方向一端及び他端でＨ２である。すなわち、楔部１８の突出方向の長さは、空隙１６の軸方向一端のＨ２から中央部のＨ１まで連続的に減少した後、空隙１６の軸方向中央部のＨ１から軸方向他端のＨ２まで連続的に増加している。
【００３１】
図５（ｃ）に示す例では、楔部１８の突出方向の長さは、空隙１６の軸方向中央部でＨ２、軸方向一端及び他端でＨ１である。すなわち、楔部１８の突出方向の長さは、空隙１６の軸方向一端のＨ１から中央部のＨ２まで連続的に増加した後、空隙１６の軸方向中央部のＨ２から軸方向他端のＨ１まで連続的に減少している。
【００３２】
本変形例では、空隙１６の楔部１８の突出長さを軸方向に変化させて形成したので、空隙１６に充填された樹脂１７は、楔部１８の突出長さ（高さ）が大きくなる方向への移動が規制される。これにより、例えば図５（ａ）の場合は、空隙１６内の樹脂１７が白抜きの矢印で示す軸方向他方側（図５（ａ）中右側）へ抜け出るのを防止でき、図５（ｂ）及び図５（ｃ）の場合は、空隙１６内の樹脂１７が白抜きの矢印で示す軸方向一方側及び他方側の両側（図５（ｂ）、図５（ｃ）中左右両側）へ抜け出るのを防止できる。その結果、鉄心１０の剛性の向上効果を安定して得ることができる。
【００３３】
（３）楔部の幅を軸方向で変化させた場合
上記実施形態では、楔部１８の幅、すなわち楔部１８のＶ字状断面の基端の幅が軸方向に一様であったが、楔部１８の幅を空隙１６の軸方向で変化させることもできる。本変形例の一例を図６に示す。なお、理解を容易とするために、図６では楔部１８のみを抽出して図示している。
【００３４】
図６（ａ）に示す例では、楔部１８の幅は、空隙１６の軸方向一端（図６（ａ）中左側）でＷ１、空隙１６の軸方向他端（図６（ａ）中右側）でそれよりも広いＷ２である。すなわち、楔部１８の幅は、空隙１６の軸方向一端のＷ１から他端のＷ２まで軸方向に連続的に増大するように変化している。
【００３５】
図６（ｂ）に示す例では、楔部１８の幅は、空隙１６の軸方向中央部でＷ２、軸方向一端及び他端でＷ１である。すなわち、楔部１８の幅は、空隙１６の軸方向一端のＷ１から中央部のＷ２まで連続的に増加した後、空隙１６の軸方向中央部のＷ２から軸方向他端のＷ１まで連続的に減少している。
【００３６】
図６（ｃ）に示す例では、楔部１８の幅は、空隙１６の軸方向中央部でＷ１、軸方向一端及び他端でＷ２である。すなわち、楔部１８の幅は、空隙１６の軸方向一端のＷ２から中央部のＷ１まで連続的に減少した後、空隙１６の軸方向中央部のＷ１から軸方向他端のＷ２まで連続的に増加している。
【００３７】
本変形例では、空隙１６の楔部１８の幅を軸方向に変化させて形成したので、空隙１６に充填された樹脂１７は、楔部１８の幅が大きくなる方向への移動が規制される。これにより、図６（ａ）の場合は、空隙１６内の樹脂１７が白抜きの矢印で示す軸方向一方側（図６（ａ）中右側）へ抜け出るのを防止でき、図６（ｂ）及び図６（ｃ）の場合は、空隙１６内の樹脂１７が白抜きの矢印で示す軸方向一方側及び他方側の両側（図６（ｂ）、図６（ｃ）中左右両側）へ抜け出るのを防止できる。その結果、鉄心１０の剛性の向上効果を安定して得ることができる。
【００３８】
（４）空隙の形状を五角形以外の多角形とした場合
上記実施形態では、空隙１６を、軸方向から見た断面形状（横断面形状）が五角形状となるように形成したが、五角形以外の多角形とすることができる。本変形例の一例を図７に示す。
図７（ａ）に示す例では、空隙１６は軸方向から見た断面形状が三角形状に形成されている。空隙１６には、三角形の外周側となる角部に、内側に突出した楔部１８が設けられ、空隙１６の内部に樹脂１７が充填されている。
【００３９】
図７（ｂ）に示す例では、空隙１６は四角形状に形成されている。空隙１６には、四角形の外周側となる角部に、内側に突出した楔部１８が設けられている。
【００４０】
図７（ｃ）に示す例では、空隙１６は六角形状に形成されている。空隙１６には、六角形の外周側となる２つの角部に、内側に突出した楔部１８がそれぞれ設けられている。
【００４１】
本変形例によっても、上記実施形態と同様に鉄心１０の剛性を向上することができる。
【００４２】
（５）セミオープン型の回転子の場合
上記実施形態では、回転子３は、鉄心１０の円筒状の外周部が閉じたいわゆるクローズド型であったが、鉄心の円筒状の外周部が永久磁石１１の箇所で開口したいわゆるセミオープン型であってもよい。本変形例の回転子の一例を図８に示す。
【００４３】
図８に示すように、本変形例の回転子３Ａは、鉄心１０Ａの永久磁石１１の半径方向外側部分に開口部１９を有しており、鉄心１０の円筒状の外周部が閉じられていないセミオープン型として構成されている。
【００４４】
固定子２への通電時、固定子２から回転子３Ａの永久磁石１１に磁石の備える磁性とは逆向きの逆磁界が加わることで、永久磁石１１にはいわゆる減磁が生じる。ここで、上記通電時において固定子２からの最大磁束が加わるのは、鉄心１０Ａの永久磁石１１の半径方向の最外側部分である。そこで本変形例では、鉄心１０Ａの永久磁石１１の半径方向の最外側部分に開口部１９を設けることで、永久磁石１１の減磁が最も顕著に生じる配置を回避し、上記通電時において固定子２からの最大磁束が永久磁石１１に加わるのを防止した。これにより、回転子３の回転特性の低下を小さくすることができる。
【００４５】
本変形例における回転子３Ａのその他の構成は、上記実施形態における回転子３と同様である。
【００４６】
本変形例においても、上記実施形態と同様に、鉄心１０Ａの剛性を向上することができる。
【００４７】
（６）その他
なお、上記実施形態及び各変形例では、空隙１６の形状を多角形として説明したが、これに限定されることはなく、円形、扇形など任意の形状とすることができる。また、回転電機としてモータを例に説明したが、発電機に適用してもよい。
【００４８】
以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
【符号の説明】
【００４９】
１            回転電機
２            固定子
３            回転子
３Ａ          回転子
９            シャフト
１０          鉄心
１０Ａ        鉄心
１１          永久磁石
１６          空隙
１６ａ        磁石対向面
１６ｂ        磁束ガイド面
１７          樹脂（補強部材）
１８          楔部
１９          開口部
【図１】
0005594492.tif 000002
【図２】
0005594492.tif 000003
【図３】
0005594492.tif 000004
【図４】
0005594492.tif 000005
【図５】
0005594492.tif 000006
【図６】
0005594492.tif 000007
【図７】
0005594492.tif 000008
【図８】
0005594492.tif 000009