(57)【要約】  遠心力に対する強度を保持しつつ、漏れ磁束の発生を効果的に抑制した永久磁石型回転電機を提供するため、スロットの内部に固定子コイルを収納してなる固定子に回転空隙を介して回転可能に配置される回転子鉄心６の内部に１極あたり３個の永久磁石８ａ〜８ｃが埋め込まれる回転子５を具備する。回転子鉄心６には、永久磁石８ａ〜８ｃを埋め込む磁石挿入穴が回転子５の外周面に向かって概略Ｕ字状に並べて設けられ、各磁石挿入穴に埋め込まれた永久磁石８ａ〜８ｃの側面部には空洞部９ａ１，９ａ２，９ｂ１，９ｂ２，９ｃ１，９ｃ２が形成される。
2011002043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スロットの内部に固定子コイルを収納してなる固定子と、
前記固定子に回転空隙を介して回転可能に配置される回転子鉄心を有し、この回転子鉄心の内部に１極あたり３個以上の永久磁石が埋め込まれる回転子と、
を備え、
前記回転子鉄心には、前記永久磁石を埋め込む磁石挿入穴が回転子の外周面に向かって概略Ｕ字状に並べて設けられ、前記各磁石挿入穴に埋め込まれた永久磁石のうち、少なくとも前記回転子鉄心の最外周部側に位置する１極あたり２個の永久磁石の両側面部には空洞部が形成されることを特徴とする永久磁石型回転電機。
【請求項２】
前記回転子鉄心の中央部側に位置する永久磁石の両側面部にも空洞部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項３】
前記回転子鉄心は、前記回転子の外周面に向かって収束するような方向に着磁された第１の永久磁石の組と、前記回転子の中心部に向かって同心円状に広がる方向に着磁された第２の永久磁石の組と、が交互に配列されることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項４】
前記磁石挿入穴の大きさは、前記回転子鉄心の最外周部側に位置する磁石挿入穴の方が、他の磁石挿入穴よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項５】
前記回転子鉄心の最外周部側に位置する１極あたり２個の磁石挿入穴において、
これらの磁石挿入穴に永久磁石を埋め込んだときに形成される空洞部の大きさは、外周部側に形成される空洞部の方が、中心部側に形成される空洞部よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項６】
前記回転子鉄心の最外周部側に位置する１極あたり２個の永久磁石における外周面側の角部が面取りされていることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項７】
前記磁石挿入穴と前記永久磁石との接触面の一部が粗面処理されていることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項８】
前記永久磁石は、前記磁石挿入穴との接触面が前記回転子鉄心の中心部に向かって幅広となるテーパ形状であることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項９】
前記回転子鉄心の最外周部側に位置する１極あたり２個の永久磁石は、非磁性部材のスペーサにて固定されていることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項１０】
前記回転子鉄心の中央部側に位置する永久磁石は、前記回転子鉄心の最外周部側に位置する永久磁石よりも磁化方向の厚さが薄いことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項１１】
前記回転子鉄心の中央部側に位置する永久磁石は、前記回転子鉄心の最外周部側に位置する永久磁石よりも保持力が小さいことを特徴とする請求項２または１０に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項１２】
前記各永久磁石を前記回転子の軸方向に分割することを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項１３】
前記回転子鉄心の中央部側に位置する永久磁石の分割数は、前記回転子鉄心の最外周部側に位置する永久磁石の分割数よりも小さいことを特徴とする請求項１２に記載の永久磁石型回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用電動機などの回転電機に係り、特に、回転子の内部に永久磁石を配置した回転電機の回転子の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転子の内部に永久磁石を配置した回転電機の一つに、永久磁石を内蔵した電動機（永久磁石型電動機）がある。この永久磁石型電動機は、各種の分野で広く使用されている誘導電動機と比較して、回転子に内蔵された永久磁石による磁束が確立しているので励磁電流が不要であることや、誘導電動機のように回転子導体に電流が流れないため、二次銅損が発生しないことなどから、高効率な電動機として知られている。車両用電動機を備えた電気車には、従来から誘導電動機が使用されてきたが、近年、効率の向上、小型高出力化、冷却構造の簡素化を図るために永久磁石型同期電動機の適用が検討されている。【０００３】
なお、永久磁石型電動機には、回転子の表面に永久磁石を張り付けた表面磁石構造の電動機（ＳＰＭＭ：Surface  Permanent  Magnet  Motor）と、回転子の内部に永久磁石を埋め込んだ埋込磁石構造の電動機（ＩＰＭＭ：Interior  Permanent  Magnet  Motor）とに大別されるが、例えば、下記特許文献１に示される永久磁石型リラクタンス回転電機は、後者に属するものである。【０００４】
この永久磁石型リラクタンス回転電機は、回転子鉄心に磁気的突極部を形成するために１極につき２個の永久磁石を円周方向に所定間隔存して埋め込んでなる回転子を有し、各永久磁石の一端が回転子鉄心の外周との間に薄肉なチップ部を形成するように外周側に寄り、他端が中心側に寄る配置となし、２個の永久磁石により形成される２個のチップ部の内端角の開角が所定の電気角となるように配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−９７２９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、電気車用として用いられる永久磁石型電動機は、回転子の内部に永久磁石を埋め込んだ埋込磁石構造のものが殆どである。【０００７】
具体的に、電気車用として用いられる永久磁石型電動機では、１個あたりの重さが１〜数ｋｇある永久磁石が外形サイズ（すなわち半径）の大きな回転子の内部に埋め込まれ、この回転子が定格約６０００ｒｐｍの回転速度で回転する。このため、表面磁石構造のものでは、永久磁石を強固に保持する機構を別途設けなければならず、構成に難がある。このような理由で、電気車用の永久磁石型電動機では、埋込磁石構造のものが多用されることになる。ただし、埋込磁石構造の永久磁石型電動機であっても、永久磁石に生ずる遠心力を受け止めるだけの構造が回転子に対して要求されることは無論である。【０００８】
一方、上記特許文献１に開示された回転電機では、永久磁石の遠心力に対する保持は回転子表面方向にある回転子鉄心の強度のみで持たせる構造であるため、回転子の外形サイズが大きくなった場合、遠心力に対する強度が不足するという問題点が懸念される。したがって、特許文献１に示される永久磁石型電動機を例えば電気車に適用する場合には、永久磁石を回転子の内側（中心部側）に挿入する必要性が生じるが、その結果、今度は、永久磁石の両端部における漏れ磁束が大きくなって駆動トルクの低下を招来するという問題点が懸念される。【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、遠心力に対する強度を保持しつつ、漏れ磁束の発生を効果的に抑制した永久磁石型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】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる永久磁石型回転電機は、スロットの内部に固定子コイルを収納してなる固定子と、前記固定子に回転空隙を介して回転可能に配置される回転子鉄心を有し、この回転子鉄心の内部に１極あたり３個以上の永久磁石が埋め込まれる回転子と、を備え、前記回転子鉄心には、前記永久磁石を埋め込む磁石挿入穴が回転子の外周面に向かって概略Ｕ字状に並べて設けられ、前記各磁石挿入穴に埋め込まれた永久磁石の側面部には空洞部が形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にかかる永久磁石型回転電機によれば、遠心力に対する強度を保持しつつ、漏れ磁束の発生を効果的に抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１にかかる永久磁石型電動機の断面図である。
【図２】図２は、図１に示す回転子の構造を示す模式断面図である。
【図３】図３は、永久磁石が挿入されていない場合の部分拡大図である。
【図４】図４は、永久磁石が挿入されている場合の部分拡大図である。
【図５】図５は、永久磁石の漏れ磁束による影響を説明する図である。
【図６】図６は、比較対象としての従来例を示す図である。
【図７】図７は、磁石挿入穴に生ずる最大応力を従来と実施の形態１との間で比較して示した図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態２にかかる回転子鉄心の構造を示す模式断面図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態３にかかる回転子鉄心の構造を示す模式断面図である。
【図１０】図１０は、図９に示した磁石挿入穴の部分拡大図および実施の形態３の効果を説明する図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態４にかかる回転子鉄心の構造を示す模式断面図である。
【図１２】図１２は、図１１に示す構成の変形例を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態５にかかる回転子鉄心の構造を示す模式断面図である。
【図１４】図１４は、磁石挿入穴に生ずる最大応力を従来、実施の形態１および実施の形態５の間で比較して示した図である。
【図１５】図１５は、図１３に示す構成の変形例を示す図である。
【図１６】図１６は、図１３に示す構成の他の変形例を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態６にかかる回転子鉄心の構造を示す模式断面図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施の形態７にかかる回転子鉄心の構造を示す模式断面図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施の形態８にかかる回転子鉄心の構造を示す模式断面図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施の形態９にかかる永久磁石のうちの両側面部側にある永久磁石の軸方向断面図である。
【図２１】図２１は、本発明の実施の形態９にかかる永久磁石のうちの中央部側にある永久磁石の軸方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる永久磁石型回転電機について詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる永久磁石型回転電機の一例である永久磁石型電動機の断面図であり、図２は、図１に示す永久磁石型電動機における回転子の構造を示す模式断面図である。また、図３および図４は、図２の回転子における破線部で示した部分の拡大図であり、図３は、永久磁石が挿入されていない場合の部分拡大図であり、図４は、永久磁石が挿入されている場合の部分拡大図である。
【００１５】
実施の形態１にかかる永久磁石型電動機１は、固定子２および回転子５を備えている。固定子２は、円筒形状を成す固定子鉄心３と、固定子鉄心３に巻装されるように配置された固定子コイル４と、を備えている。固定子鉄心３は、その内周部側にティース３ｂを間欠的に形成することによってスロット３ａが形成され、固定子コイル４は、ティース３ｂに巻装された導体線がスロット３ａのそれぞれに収納されるように配置される。
【００１６】
回転子５は、例えば所定枚数の磁性鋼板を積層および一体化して作製され、外周面が円筒面を成し、１８個の磁石挿入穴７（図２および図３参照）が等角ピッチで配列されるように形成された回転子鉄心６と、各磁石挿入穴７内にそれぞれ収納された永久磁石８（８ａ〜８ｃ）と、を備え、固定子２に対し回転空隙１８を介して回転可能となるように配置されている。
【００１７】
ここで、磁石挿入穴７の配置は、図３に示すように、１つの磁石挿入穴７ｂの両端部に２つの磁石挿入穴７ａ，７ｃがある。また、この磁石挿入穴７の組７ａ〜７ｃは、図２に示すように、回転子５の外周面に向かって概略Ｕ字状に６組配置されている。そして、第１の永久磁石の組である永久磁石８ａ〜８ｃによる磁束の向きが回転子５の外周面に向かって収束するような方向に着磁（磁化）される一方で、隣接する組（第２の永久磁石の組）の永久磁石１６ａ〜１６ｃは、磁束の向きが回転子５の中心部に向かって同心円状に広がる方向に着磁されている。すなわち、実施の形態１の永久磁石型電動機における回転子では、永久磁石による磁束の向きが回転子の外周面に向かって収束するような方向に着磁された永久磁石群と、回転子の中心部に向かって同心円状に広がる方向に着磁された永久磁石群と、が交互に配列されるように構成されている。
【００１８】
なお、永久磁石群による着磁方向を上記のように構成したのは、固定子コイルの誘起電圧を正弦波状にするためであり、固定子コイルの誘起電圧を正弦波状にする必要のない用途では、この限りではない。すなわち回転子の外周面に向かう方向または回転子の中心部に向かう方向に着磁された各永久磁石群の各着磁方向が平行であっても構わない。
【００１９】
また、磁石挿入穴７ａ〜７ｃに埋め込まれた永久磁石８ａ〜８ｃの両側面部には、図４に示すような空洞部９（永久磁石８ａの両側面部には空洞部９ａ１，９ａ２、永久磁石８ｂの両側面部には空洞部９ｂ１，９ｂ２、永久磁石８ｃの両側面部には空洞部９ｃ１，９ｃ２）が形成されるようになっている。この空洞部９の効果については、後述する。
【００２０】
なお、図１では、３６個のスロット３ａが固定子２の周方向に等角ピッチで配列されると共に、１８個の永久磁石８が回転子５の周方向に埋め込まれる６極の電動機（１極あたり６個のスロットおよび１極あたり３個の永久磁石）を一例として示しているが、電動機の極数やスロットの数および永久磁石の数等、図１の構成に限定されるものではなく、任意の数の選択が可能である。
【００２１】
つぎに、永久磁石８の漏れ磁束について図４および図５を参照して説明する。なお、図５は、永久磁石８の漏れ磁束による影響を説明する図である。
【００２２】
永久磁石８ａ〜８ｃで発生した磁束は、固定子鉄心３のコアバック部１５（図１参照）を通った後に再び回転子鉄心６に戻ってくる（図示せず）。しかしながら、図５に示すように、一部の磁束は、コアバック部１５に向かわずに、回転子鉄心６の内部に留まり、永久磁石８に戻ってくるような回転子鉄心６内でループとなる漏れ磁束１２がある。この漏れ磁束１２は、トルクに寄与することなく、また、鉄損の増加要因となるため、可能な限り抑制することが好ましい。
【００２３】
そこで、本実施の形態における回転子では、概略Ｕ字状に配置する永久磁石群に関し、図４に示すように、磁石挿入穴７の両側面部側の空洞部が両側面部以外の空洞部よりも大きくなるようにしている。具体的な構成で見ると、磁石挿入穴７ｂに永久磁石８ｂを埋め込むことによって生じた空洞部９ｂ１と９ｂ２の大きさは概略等しく、磁石挿入穴７ａに永久磁石８ａを埋め込むことによって生じた空洞部９ａ１と９ａ２とでは、空洞部９ａ１の方が大きくなるように磁石挿入穴７ａを形成し、磁石挿入穴７ｃに永久磁石８ｃを埋め込むことによって生じた空洞部９ｃ１と９ｃ２とでは、空洞部９ｃ２の方が大きくなるように磁石挿入穴７ｃを形成している。
【００２４】
別言すれば、回転子鉄心６の外周部側に形成される空洞部（例えば空洞部９ａ１）の方が、回転子鉄心６の中心部側に形成される空洞部（例えば空洞部９ａ２，９ｂ１，…）よりも大きな空間となるように磁石挿入穴７の形状を形成しておく。このように構成された回転子鉄心６によれば、永久磁石８による漏れ磁束１２は、永久磁石８ａ，８ｂ間に形成されるブリッジ部１０ａと、永久磁石８ｂ，８ｃ間に形成されるブリッジ部１０ｂと、永久磁石８ａ，８ｃと回転子鉄心６の外周面との間にそれぞれ形成されるブリッジ部１１ａ，１１ｂとが磁束の経路となる。したがって、これらの磁束経路を狭くすることにより、漏れ磁束を低減することが可能となる。
【００２５】
ここで、ブリッジ部１０ａ，１０ｂおよび１１ａ，１１ｂについては、遠心力強度とのトレードオフとなる。ところが、本実施の形態における回転子５では、永久磁石の個数を３個に分割して、１個あたりの永久磁石の重さを低減すると共に、これら３個の永久磁石を図示のように曲率を持たせて概略Ｕ字形状に並べて配置しているので、従来の構成に比して、ブリッジ部１０ａ，１０ｂおよび１１ａ，１１ｂの薄肉化が可能となり、これらのブリッジ部を通過する漏れ磁束の低減が可能である。
【００２６】
つぎに、実施の形態１の効果について図７を参照して説明する。図７は、磁石挿入穴に生ずる最大応力を従来と実施の形態１とで比較して示した図である。図７において、従来例とあるのは上記特許文献１に開示された回転子の磁石挿入穴に生ずる最大応力をシミュレーションにより求めた値である。なお、特許文献１における永久磁石の配置構成は図６に示すとおりであり、回転子鉄心１０６において、永久磁石１０８を概略Ｖ字形状に配置している。
【００２７】
図７に示すように、従来例の最大応力を“１”とすれば、実施の形態１の最大応力は０．５５であり、従来例に比して４５％の低減効果がある。したがって、実施の形態１の回転子によれば、遠心力に対する強度を保持しつつ、漏れ磁束発生の効果的な抑制が可能となる。
【００２８】
また、実施の形態１の回転子によれば、遠心力に対する強度一定の条件下で、より薄型化を図ることができるので、漏れ磁束の更なる低減が可能となる。
【００２９】
実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２にかかる回転子鉄心の構造を示す模式断面図である。実施の形態１では、磁石挿入穴７に埋め込む永久磁石８として、例えば図４に示すような概略矩形形状のものを例示したが、実施の形態２の永久磁石８は、図８に示すように、３個の永久磁石のうち、両端側に位置する永久磁石８ａ’，８ｃ’の外周面側の角部を面取りするようにしている。
【００３０】
一般に、電動機が回転子トルクを発生する場合、図示しない固定子から流入する磁束１３が回転子鉄心６の最外周部側に位置する永久磁石８（図８では、永久磁石８ａ’）に鎖交する。このとき鎖交する磁束１３は、永久磁石８ａ’の着磁方向とは反対向きであるため、永久磁石８が減磁して、トルクが低下する。その結果、永久磁石８ａ’の角部にある部分の回転子トルクに対する寄与度は小さい。そこで、回転子鉄心６の最外周部側に位置する永久磁石８の角部を面取りするようにすれば、回転子トルクの低下を抑止しつつ、永久磁石の重量の効果的な低減が可能となる。
【００３１】
また、磁束が通過すると、通過した部位には渦電流が流れるので、上記面取りによって、永久磁石に生ずる渦電流損の低減も可能となる。
【００３２】
また、本実施の形態では、回転子鉄心６の最外周部側に位置する永久磁石８の角部のみを面取りし、永久磁石８を挿入するための磁石挿入穴７については、実施の形態１の形状を維持しているので、漏れ磁束を低減する実施の形態１の効果を維持することが可能である。
【００３３】
実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３にかかる回転子鉄心の構造を示す模式断面図であり、図１０は、図９に示した磁石挿入穴の部分拡大図および実施の形態３の効果を説明する図である。実施の形態３では、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、磁石挿入穴７における永久磁石８との接触面の一部である接触面１４の表面が粗面処理されている。このような接触面１４の構造により、磁石挿入穴７に埋め込まれる永久磁石８と接触面１４との接触によって得られる摩擦力により、永久磁石８に生ずる遠心力に抗する摩擦保持力を得ることができ、永久磁石保持が容易となる。
【００３４】
実施の形態４．
図１１は、本発明の実施の形態４にかかる回転子鉄心の構造を示す模式断面図である。実施の形態１では、磁石挿入穴７に埋め込む永久磁石８として、例えば図４に示すような概略矩形形状のものを例示したが、実施の形態４では、図１１に示すように、３個の永久磁石のうち、中央部に位置する永久磁石８ｄとして、概略台形形状のものを用いている。なお、ここでいう概略台形形状とは、外周部側よりも中心部側の方が幅広となるように、永久磁石８の磁石挿入穴７との接触面がテーパ形状になっているもの意味する。
【００３５】
一般に、高速回転時や回転子の外径が大きい場合、遠心力は大きくなる。このため、遠心力の影響が最も大きく現れる中央部の永久磁石の保持力を高めることが望まれる。そこで、図１１に示すように、中央部に位置する永久磁石８ｄの形状を概略台形形状とすれば、永久磁石８ｄが磁石挿入穴７にくさび状に埋め込まれることになり、遠心力に抗する力を回転子鉄心６の構造により得ることができ、永久磁石保持が容易となる。
【００３６】
なお、図１１では、３個の永久磁石のうち、中央部に位置する永久磁石のみを概略台形形状とする構成を例示したが、永久磁石の生産性を考慮し、図１２に示すように、両端部の永久磁石８ｆ，８ｇも併せて概略台形形状とすることが好ましい。全ての永久磁石を概略台形形状とすることにより、各永久磁石間に形成されるブリッジ部（図４参照）および各両端部永久磁石と回転子鉄心６の外周面との間に形成されるブリッジ部（図４参照）における耐遠心力強度を向上させることができる。その結果、上記両ブリッジ部の面積（容積）を更に小さくすることが可能であり、更なる漏れ磁束の低減および鉄損の低減が可能となる。
【００３７】
実施の形態５．
図１３は、本発明の実施の形態５にかかる回転子鉄心の構造を示す模式断面図である。実施の形態１では、例えば図４に示すような１極あたり３個の永久磁石を有する回転子鉄心の構成を例示したが、実施の形態５の回転子鉄心では、図１３に示すように、中央部に位置する永久磁石を２分割した概略矩形形状の永久磁石８ｈ，８ｉとし、両端側に位置する概略矩形形状の永久磁石８ａ，８ｃと併せて４個の永久磁石を有する回転子鉄心の構造を例示するものである。
【００３８】
図１４は、磁石挿入穴に生ずる最大応力を従来、実施の形態１および実施の形態５の間で比較して示した図である。図１４において、従来例および実施の形態１とあるのは図７に示したものと同一である。
【００３９】
図１４に示すように、従来例の最大応力を“１”とすれば、実施の形態５の最大応力は０．４５であり、従来例に比して５５％の低減効果がある。また、実施の形態１に比しても２０％弱（1−(0.45／0.55)≒0.19）の低減効果がある。したがって、実施の形態５の回転子によれば、遠心力に対する強度を保持しつつ、漏れ磁束発生の更なる抑制効果が得られる。
【００４０】
なお、実施の形態５では、中央部に位置する永久磁石を２分割した永久磁石８ｈ，８ｉとして図１３に示すような概略矩形形状のものを例示したが、図１５に永久磁石８ｊ，８ｋとして示すように、両端部に位置する永久磁石側の接触面をテーパ形状にした概略台形形状としても構わないし、また、図１１のように他の接触面もテーパ形状にした概略台形形状としても構わない。
【００４１】
また、実施の形態５では、両端部に位置する永久磁石８ａ，８ｃとして図１３に示すような概略矩形形状のものを例示したが、図１６に永久磁石８ｌ，８ｍとして示すように、両端部に位置する永久磁石も概略台形形状としても構わない。
【００４２】
また、実施の形態５では、中央部に位置する永久磁石を２分割した１極あたり４個の永久磁石を有する回転子鉄心の構成を例示したが、両端部に位置する永久磁石のサイズを変更することも無論可能である。
【００４３】
また、実施の形態５では、１極あたり４個の永久磁石を有する回転子鉄心の構成を例示したが、１極あたり５個以上の永久磁石を有する構成とすることも無論可能である。
【００４４】
実施の形態６．
図１７は、本発明の実施の形態６にかかる回転子鉄心の構造を示す模式断面図である。実施の形態１では、磁石挿入穴７ａ〜７ｃとして、例えば図３，４に示すように、永久磁石８ａ〜８ｃをそれぞれの磁石挿入穴７ａ〜７ｃに挿入した場合に、両端部に位置する２個の磁石挿入穴（図３，４の例では、磁石挿入穴７ａ，７ｃ）の両側面部のみならず、中央部に位置する磁石挿入穴（図３，４の例では、磁石挿入穴７ｂ）の両側面部にも空洞部が形成されるものを例示した。一方、実施の形態６では、図１７に示すように、両端部に位置する２個の磁石挿入穴７ａ，７ｃの両側面部のみに空洞部が形成されるものを例示している。
【００４５】
実施の形態４では、両端部に位置する永久磁石よりも中央部に位置する永久磁石の方が遠心力の影響が大きく現れることについて説明し、中央部に位置する永久磁石の形状を概略台形形状にする一例を例示した（図１１参照）。一方、この実施の形態では、上述のように、両端部に位置する２個の磁石挿入穴７ａ，７ｃの両側面部のみに空洞部が形成されるようにし、中央部に位置する磁石挿入穴７ｂの両側面部には空洞部が形成されない構成を採用している。
【００４６】
空洞部を設けない場合、永久磁石と磁石挿入穴との接触面積が増えるので、永久磁石保持力が増大するという効果が得られる。その一方で、永久磁石８ａ，８ｂ間に形成されるブリッジ部１０ａおよび永久磁石８ｂ，８ｃ間に形成されるブリッジ部１０ｂが広くなり、ブリッジ部１０ａ，１０ｂ間を通過する漏れ磁束が増大することの懸念がある。しかしながら、図１７の構成において、両端部に位置する２個の磁石挿入穴７ａ，７ｃに形成される空洞部のうち、中央部側の側面部に形成される空洞部９ａ２，９ｃ１を、図４のものと比べて大きく形成すれば、ブリッジ部１０ａ，１０ｂの幅を小さくすることができるので、漏れ磁束の増大を抑制することが可能となる。
【００４７】
なお、本実施の形態では、両端部に位置する２個の磁石挿入穴７ａ，７ｃの両側面部のみに空洞部が形成される構成を実施の形態１の回転子鉄心に適用する場合の一例を示したが、実施の形態２〜５に示す回転子鉄心に適用することも可能であり、本実施の形態と同様な効果が得られる。
【００４８】
実施の形態７．
図１８は、本発明の実施の形態７にかかる回転子鉄心の構造を示す模式断面図である。本実施の形態では、図１８に示すように、両端部に位置する磁石挿入穴７ａ，７ｃと、これら磁石挿入穴７ａ，７ｃに挿入される永久磁石８ａ，８ｃとの間に、それぞれスペーサ２１ａ，２１ｃを設けて保持することとしている。なお、スペーサ２１ａ，２１ｃとしては、回転子鉄心での磁界の影響を小さくするため、非磁性材料であることが好ましい。
【００４９】
実施の形態４，６において、遠心力の影響は、両端部に位置する永久磁石よりも中央部に位置する永久磁石の方が大きく現れると説明した。その一方で、永久磁石８ａ〜８ｃを配置する概略Ｕ字状の磁石挿入穴７ａ〜７ｃを結ぶ曲線の曲率が大きい場合（曲率半径が小さい場合）、両端部の永久磁石である永久磁石８ａ，８ｃでは、着磁方向（磁石長手方向に直交する方向）と遠心力の方向との差異が大きくなり、永久磁石８ａ，８ｃには、横向き（長手方向）の力が働くことになる。なお、中央部の永久磁石である永久磁石８ｂでは、着磁方向と遠心力の方向とは略一致するため、永久磁石８ｂに働く横向きの力は小さい。
【００５０】
図１８に示すように、磁石挿入穴７ａ，７ｃと永久磁石８ａ，８ｃとの間に、それぞれスペーサ２１ａ，２１ｃを設けるようにすれば、永久磁石８ａ，８ｃとスペーサ２１ａ，２１ｃとの摩擦力にて長手方向に働く遠心力を抑えることができるので、永久磁石の保持が容易となる。
【００５１】
実施の形態８．
図１９は、本発明の実施の形態８にかかる回転子鉄心の構造を示す模式断面図である。図１９において、永久磁石８ａ〜８ｃに付した片方向の矢印線は、それぞれの着磁方向を示しており、中央部にある永久磁石８ｂの着磁方向の厚み３１ｂは、両側面側にある永久磁石８ａ，８ｃにおける着磁方向の厚み３１ａ，３１ｃよりも小さく（薄く）なっている。ここで、固定子２からの磁束（図示せず）が大きい場合、回転子表面に近い側面の永久磁石の端部に磁束が鎖交する。また、永久磁石の着磁方向の厚みが小さいほど固定子からの磁束の磁気抵抗が小さくなるために永久磁石が減磁しやすい。ところが、永久磁石９ｂのように回転子表面からの距離が遠い場合、固定子２からの磁束が届きにくくなる。このため、中央部にある永久磁石９ｂは減磁しにくく、永久磁石９ｂの着磁方向の厚みを小さく（薄く）することが可能となる。
【００５２】
なお、中央部にある永久磁石９ｂの着磁方向の厚みを薄くせずに、両側面部にある永久磁石９ａ，９ｃよりも保磁力の小さい永久磁石にしてもよい。一般的に、永久磁石保磁力を高めるほど残留磁束密度が小さくなり、保磁力を小さくすれば残留磁束密度を大きくすることができる。このため、実施の形態８による磁石構造を採用すれば、回転子の軸方向短縮による軽量化が可能である。また、永久磁石の単価は、保磁力が小さいほど安価な傾向にあるため、回転子の低コスト化、ひいては回転電機の低コスト化が可能となる。
【００５３】
実施の形態９．
図２０，２１は、本発明の実施の形態９にかかる永久磁石の軸方向断面図であり、図２０は、両側面側にある永久磁石８ａ，８ｃにおける回転子軸方向の断面構造を示し、図２１は、中央部側にある永久磁石８ｂの回転子軸方向の断面構造を示している。両側面側にある永久磁石８ａ，８ｃの磁石分割数は、図２０に示すように、例えば１０個であり、中央部側にある永久磁石８ｂの磁石分割数は、図２１に示すように、例えば５個である。この差異は、永久磁石の渦電流損に関係しており、磁石分割数を増やすことにより永久磁石の渦電流損が小さくなるという性質を利用するためである。
【００５４】
より詳細に説明すると、固定子磁束によって発生する永久磁石の渦電流損は回転子表面に近い永久磁石８ａ，８ｃの方が大きいため、磁石分割数を増やすことが必要であるが、永久磁石８ｂのように回転子表面から遠い位置に配置されている永久磁石８ｂでは、固定子磁束による磁石渦電流損が小さくなるため、磁石分割数を小さくすることができ、低コスト化が可能となる。
【００５５】
また，磁石分割数の異なる永久磁石を配置する場合、永久磁石８ａ（８）の磁石形状と、永久磁石８ｂの磁石形状とを図１９に示すように異ならせておくのが好ましい。磁石分割数の少ない永久磁石を両側面部側に挿入してしまった場合、渦電流損が大きくなってしまう可能性がある。一方、図１９に示すようにが、永久磁石８ａ（８ｃ）と永久磁石８ｂの大きさを異ならせた場合、これらを間違えて挿入する可能性がなくなるため、歩留まりの向上を図ることができるという効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上のように、本発明は、遠心力に対する強度を保持しつつ、漏れ磁束の発生を効果的に抑制した永久磁石型回転電機およびその回転子として有用である。
【符号の説明】
【００５７】
１  永久磁石型電動機
２  固定子
３  固定子鉄心
３ａ  スロット
３ｂ  ティース
４  固定子コイル
５  回転子
６  回転子鉄心
７，７ａ〜７ｃ  磁石挿入穴
８，８ａ〜８ｍ，８ａ'，８ｃ'，１６，１６ａ〜１６ｃ  永久磁石
９，９ａ１，９ａ２，９ｂ１，９ｂ２，９ｃ１，９ｃ２  空洞部
１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ  ブリッジ部
１２  漏れ磁束
１３  磁束
１４  接触面
１５  コアバック部
１８  回転空隙
２１ａ，２１ｃ  スペーサ
３１ａ〜３１ｃ  着磁方向の厚み
【図１】
2011002043.tif 000003
【図２】
2011002043.tif 000004
【図３】
2011002043.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011002043.tif 000009
【図８】
2011002043.tif 000010
【図９】
2011002043.tif 000011
【図１０】
2011002043.tif 000012
【図１１】
2011002043.tif 000013
【図１２】
2011002043.tif 000014
【図１３】
2011002043.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2011002043.tif 000018
【図１７】
2011002043.tif 000019
【図１８】
2011002043.tif 000020
【図１９】
2011002043.tif 000021
【図２０】
2011002043.tif 000022
【図２１】
2011002043.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成23年9月22日(2011.9.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スロットの内部に固定子コイルを収納してなる固定子と、
前記固定子に回転空隙を介して回転可能に配置される回転子鉄心を有し、この回転子鉄心の内部に１極あたり３個以上の永久磁石が埋め込まれる回転子と、
を備え、
前記回転子鉄心には、前記永久磁石を埋め込む磁石挿入穴が回転子の外周面に向かって概略Ｕ字状に並べて設けられ、前記各磁石挿入穴に埋め込まれた永久磁石のうち、少なくとも前記回転子鉄心の最外周部側に位置する１極あたり２個の永久磁石の両側面部には空洞部が形成され、
前記各磁石挿入穴の間には前記回転子鉄心からなるブリッジ部が形成されることを特徴とする永久磁石型回転電機。
【請求項２】
前記回転子鉄心の中央部側に位置する永久磁石の両側面部にも空洞部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項３】
前記回転子鉄心は、前記回転子の外周面に向かって収束するような方向に着磁された第１の永久磁石の組と、前記回転子の中心部に向かって同心円状に広がる方向に着磁された第２の永久磁石の組と、が交互に配列されることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項４】
前記磁石挿入穴の大きさは、前記回転子鉄心の最外周部側に位置する磁石挿入穴の方が、他の磁石挿入穴よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項５】
前記回転子鉄心の最外周部側に位置する１極あたり２個の磁石挿入穴において、
これらの磁石挿入穴に永久磁石を埋め込んだときに形成される空洞部の大きさは、外周部側に形成される空洞部の方が、中心部側に形成される空洞部よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項６】
前記回転子鉄心の最外周部側に位置する１極あたり２個の永久磁石における外周面側の角部が面取りされていることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項７】
前記磁石挿入穴と前記永久磁石との接触面の一部が粗面処理されていることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項８】
前記永久磁石は、前記磁石挿入穴との接触面が前記回転子鉄心の中心部に向かって幅広となるテーパ形状であることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項９】
前記回転子鉄心の最外周部側に位置する１極あたり２個の永久磁石は、非磁性部材のスペーサにて固定されていることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項１０】
前記回転子鉄心の中央部側に位置する永久磁石は、前記回転子鉄心の最外周部側に位置する永久磁石よりも磁化方向の厚さが薄いことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項１１】
前記回転子鉄心の中央部側に位置する永久磁石は、前記回転子鉄心の最外周部側に位置する永久磁石よりも保持力が小さいことを特徴とする請求項２または１０に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項１２】
前記各永久磁石を前記回転子の軸方向に分割することを特徴とする請求項２に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項１３】
前記回転子鉄心の中央部側に位置する永久磁石の分割数は、前記回転子鉄心の最外周部側に位置する永久磁石の分割数よりも小さいことを特徴とする請求項１２に記載の永久磁石型回転電機。
【手続補正書】
【提出日】平成23年12月28日(2011.12.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スロットの内部に固定子コイルを収納してなる固定子と、前記固定子に回転空隙を介して回転可能に配置される回転子鉄心を有し、この回転子鉄心の内部に１極あたり３個の永久磁石が埋め込まれる回転子と、
を備え、
前記回転子鉄心には、前記永久磁石を埋め込む磁石挿入穴が回転子の外周面に向かって概略Ｕ字状に並べて設けられ、前記各磁石挿入穴に埋め込まれた永久磁石の着磁方向に直交する方向の両側面部には空洞部が形成され、
前記空洞部はその開口幅が前記永久磁石の当該端面の長さよりも短く、前記回転子鉄心と前記永久磁石の当該端面の一部とが接触する接触面を有し、
前記各磁石挿入穴の間には前記回転子鉄心からなるブリッジ部が形成される
ことを特徴とする永久磁石型回転電機。
【請求項２】
前記空洞部は、前記永久磁石の当該端面の前記回転子鉄心の外周部側に形成され、
前記接触面は、前記永久磁石の当該端面の前記回転子鉄心の中心部側に形成さていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項３】
前記空洞部は、前記永久磁石の当該端面の前記回転子鉄心の外周部側を頂点とした略三角形に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項４】
前記磁石挿入穴の大きさは、前記回転子鉄心の最外周部側に位置する磁石挿入穴の方が、他の磁石挿入穴よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項５】
前記回転子鉄心の外周部側に位置する１極あたり２個の磁石挿入穴において、
これらの磁石挿入穴に永久磁石を埋め込んだときに形成される空洞部の大きさは、外周部側に形成される空洞部の方が、中心部側に形成される空洞部よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項６】
前記回転子鉄心の外周部側に位置する１極あたり２個の永久磁石における外周面側の角部が面取りされていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項７】
前記接触面の一部が粗面処理されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項８】
前記永久磁石は、前記磁石挿入穴との接触面が前記回転子鉄心の中心部に向かって幅広となるテーパ形状であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項９】
前記回転子鉄心の外周部側に位置する１極あたり２個の永久磁石は、非磁性部材のスペーサにて固定されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項１０】
前記回転子鉄心の中央部側に位置する永久磁石は、前記回転子鉄心の外周部側に位置する永久磁石よりも磁化方向の厚さが薄いことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項１１】
前記回転子鉄心の中央部側に位置する永久磁石は、前記回転子鉄心の外周部側に位置する永久磁石よりも保持力が小さいことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項１２】
前記各永久磁石を前記回転子の軸方向に分割することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
【請求項１３】
前記回転子鉄心の中央部側に位置する永久磁石の分割数は、前記回転子鉄心の最外周部側に位置する永久磁石の分割数よりも小さいことを特徴とする請求項１２に記載の永久磁石型回転電機。
【国際調査報告】
2011002043.tif 000024
2011002043.tif 000025
2011002043.tif 000026
2011002043.tif 000027