(57)【要約】【課題】回転電機に用いる永久磁石埋め込み型の回転子であって高速回転に適した回転子構造及びそれを用いた回転電機を提供する。【解決手段】回転子コアの回転軸を囲むように極数個の矩形スロットを多角形状に配置してその中に永久磁石を埋め込んだ回転子において、極数個の各矩形スロットを更に２分割し、分割した２つのスロットを回転軸側から見て略「ハ」の字をなすように配置すると共に２つのスロット間に多角形状スロット外側である突極部と内側の中心部とを繋ぐブリッジを構成する。【選択図】図２
2006333656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層電磁鋼板よりなる円柱状回転子コア（９）の軸中心に回転軸（１０）を嵌合させ、該回転軸を多角形状に囲むように極数個の矩形スロット（１２ａ）を配置して内部に永久磁石（１１）を埋め込んだ構成の回転電機（１）の回転子（３ａ）において、
前記極数個の各矩形スロットを更に２分割し、分割した２個のスロットを前記回転軸側から見て略「ハ」の字をなすように配置すると共に２個のスロット間に前記多角形状の外側の突極部（１４）と内側部とを繋ぐブリッジ（１７）を構成し、各スロット内に永久磁石を埋め込んだことを特徴とす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において、前記各矩形スロットを２分割する代わりに３分割し、分割した各３個のスロットを前記回転軸側から見て山形に配置して各スロット間に多角形状の外側の突極部（１４）と内側部とを繋ぐブリッジ（１７）を構成し、各スロット内に永久磁石を埋め込んだことを特徴と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において、前記各矩形スロットを２分割する代わりに４分割し、分割した各４個のスロットを前記回転軸側から見て山形に配置して各スロット間に多角形状の外側の突極部（１４）と内側部とを繋ぐブリッジ（１７）を構成し、各スロット内に永久磁石を埋め込んだことを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載の回転電機の回転子において、前記突極部に前記回転軸の軸方向に貫通する孔（１８）を複数個設けたことを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項５】
固定子を電機子に、永久磁石を埋め込んだ回転子を界磁にした回転電機であって、前記回転子として請求項１乃至４の何れかに記載の回転子を用いたことを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石を回転子に取り付けて界磁を構成する回転電機の回転子構造に係り、特に高速回転に適した回転子構造及びそれを用いた回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石を回転子に埋め込んで界磁を構成する永久磁石界磁方式の回転電機が電動機として、また発電機として多用されている。図８、図９は、現在一般的に使用されている永久磁石界磁方式による回転電機の断面構造の一例を示したものである。
【０００３】
回転電機５０は固定子２と回転子３により構成される。固定子２はほぼ円筒状に形成されており、ヨーク４の内周面側には開口部を有する固定子スロット６が等間隔をもって複数個形成されている。これら固定子スロット６には多相・多極の固定子コイル５が収納されている。回転電機５０が電動機として使用される場合には、この固定子コイル５に特定の位相関係を有する多相交流電流が供給されて電機子として機能する。
【０００４】
回転子３は、積層電磁鋼板により円柱状に形成された回転子コア９とその軸中心に嵌合された回転軸１０と回転子コア９内に埋め込まれた永久磁石１１とにより構成されており、固定子２の内周面との間に僅かな空隙を隔てて回転可能に支持されている。回転子コア９には軸方向に貫通する矩形のスロット１２が回転軸１０を囲むようにほぼ正方形状をなして配置されており、スロット１２内には永久磁石１１が埋め込まれている。回転子コア９における正方形状に配置された４個のスロット１２の外側部は突極部１４を構成している。
【０００５】
このような従来構造の回転子３は洗濯機、冷蔵庫等用の電動機として、また、小型の発電機用として多用されている。しかし、この従来構造の回転子３を高速回転用の回転電機に使用するには多少の問題がある。図９に示す回転子３では、ほぼ正方形状に配置されたスロット１２の外側部に突極部１４が存在する。この突極部１４は４個のスロット１２の頂部に設けられた残部１５により隣の突極部１４につながると共に回転子コア９の回転軸側部分にも繋がった構造となっている。
【０００６】
回転子３が回転すると突極部１４には自身の質量から生じる遠心力が外径方向に働く。この遠心力に抗する力が残部１５に働き、このとき残部１５近傍に応力集中が生じる。これにより突極部１４が外径側に膨らみ、固定子２との間の空隙寸法が変化して特性にばらつきの生じることがある。また、残部１５の強度が不足してこの集中応力に耐えられない場合には破壊に至ることがある。高速回転では強い遠心力が働くためにこうした応力集中や空隙寸法の変化が大きな問題となる。
【０００７】
従来技術として突極部１４に軸方向に貫通する孔を穿孔したものが特許文献１に開示されている。穿孔された孔は突極部１４の質量を減少させて遠心力を弱める効果を持つが、この文献の技術は高速回転対策を意識したものではないため効果は限定的である。
【特許文献１】特開平５−１０３４５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その課題は、回転電機に用いる永久磁石埋め込み型の回転子であって、特に高速回転に適した回転子構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、積層電磁鋼板よりなる円柱状回転子コア（９）の軸中心に回転軸（１０）を嵌合させ、回転軸を多角形状に囲むように極数個の矩形スロット（１２ａ）を配置して内部に永久磁石（１１）を埋め込んだ構成の回転電機（１）の回転子（３ａ）において、極数個の各矩形スロットを更に２分割し、分割した２個のスロットを回転軸側から見て略「ハ」の字をなすように配置すると共に２個のスロット間に多角形状の外側の突極部（１４）と内側部とを繋ぐブリッジ（１７）を構成し、各スロット内に永久磁石を埋め込んだことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転電機の回転子において、前記各矩形スロットを２分割する代わりに３分割し、分割した各３個のスロットを前記回転軸側から見て山形に配置して各スロット間に多角形状の外側の突極部（１４）と内側部とを繋ぐブリッジ（１７）を構成し、各スロット内に永久磁石を埋め込んだことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の回転電機の回転子において、各矩形スロットを２分割する代わりに４分割し、分割した各４個のスロットを回転軸側から見て山形に配置して各スロット間に多角形状スロットの外側の突極部と内側とを繋ぐブリッジを構成し、各スロット内に永久磁石を埋め込んだことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の回転電機の回転子において、突極部（１４）に回転軸の軸方向に貫通する孔（１８）を複数個設けたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、固定子を電機子に、永久磁石を埋め込んだ回転子を界磁にした回転電機であって、前記回転子として請求項１乃至４の何れかに記載の回転子を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の回転子では、各辺を構成する２個のスロットが回転軸側からみて略「ハ」の字あるいは山形に配置してある。このため突極部の厚みが薄くなり質量が従来の回転子より減少し突極部に働く遠心力がその分だけ小さくなる。従って、突極部の変形が少なくなり破壊の危険性も減る効果を生ずる。また、突極部と回転子コアの中心側部分とは４個所の残部に加えて複数個所のブリッジによっても繋がっている。このため個々の残部あるいはブリッジ部分に生ずる集中応力は大幅に減少する。従って、このことによっても突極部の外径側への膨らみは少なくなり、破壊の危険性も少なくなる効果も奏する。
【００１５】
また、突極部に設けた複数の孔は突極部の質量を減少させるためこれによっても突極部に働く遠心力が更に減少する。従って、突極部の外径側への膨らみが更に少なくなって電気特性のばらつきが減少すると共に突極部の破壊の危険性も更に少なくなる効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳しく説明する。図１、図２は本発明を４極構造の回転子に適用した第１の実施形態に係る図であり、図１はその回転子を組み込んだ回転電機の断面構成を、図２は回転子の断面構成を示している。なお、図中、「背景技術」で説明した図８、図９と同一又は相当部分には同一符号が付してある。
【００１７】
回転電機１は、固定子２と回転子３ａにより構成される。固定子２は、積層電磁鋼板によりほぼ円筒状に形成されたヨーク４と固定子コイル５により構成される。ヨーク４の内周面側には開口部を有する固定子スロット６が等間隔で複数個形成されている。これら固定子スロット６には多相・多極の固定子コイル５が収納されている。隣り合う固定子スロット６間は磁極ティース７を構成している。回転電機１が電動機として使用される場合には、この固定子コイル５に特定の位相関係を有する多相交流電流が供給されて電機子として機能する。反対に回転電機１が発電機として使用される場合には、固定子コイル５より出力電流が取り出される。
【００１８】
回転子３ａは、回転子コア９と回転軸１０と永久磁石１１により構成される。回転子コア９は積層電磁鋼板を用いて円柱状に形成されており、その軸中心部には回転軸１０が嵌合されている。回転子３ａは固定子２の内周面との間に僅かな空隙を隔てて回転可能に支持されている。回転子コア９には、軸方向に貫通する矩形の８個のスロット１２ａが設けられている。８個のスロット１２ａは、各２個ずつが略正方形の一辺を構成するようにして回転軸１０を囲むように配置されている。
【００１９】
各辺を構成する２個のスロット１２ａは、回転軸１０側からみて略「ハ」の字をなすように配置されている。即ち、各辺の２個のスロット１２ａ間には狭い間隙部分（ブリッジ１７）が設けられ、２個のスロット１２ａは各辺の中央部分が外径側に少し近づくようにして折れ曲がった形状で対称に配置されている。また、略正方形の頂部を構成する２個のスロット１２ａ間にも狭い間隙部分（残部１５）が設けられている。
【００２０】
各スロット１２ａ内には板状の永久磁石１１が埋め込まれている。各辺を構成する２個のスロット１２ａ内に埋め込まれた永久磁石１１は半径方向に同極となるように、そして隣り合う辺の永久磁石１１との関係では半径方向の極性が逆となるように着磁されている。
【００２１】
回転子コア９における略正方形に配置されたスロット１２ａの外側部分は突極部１４を構成している。この突極部１４はスロット１２ａに埋め込まれた永久磁石１１により磁化された状態となっている。突極部１４はブリッジ１７及び残部１５により回転子コア９の中心側部分に繋がると共に、略正方形の角部分でも相互に繋がって保持された状態となっている。ブリッジ１７及び残部１５の形状は、機械的強度を保ち、且つ磁路が電磁気的に飽和するように決められている。
【００２２】
このような構成により本実施形態の回転子３ａは、４極構成の界磁極を構成している。回転子３ａが回転すると回転子３ａ各部に遠心力が働く。遠心力は速度の二乗に比例し回転中心からの距離に反比例する。このため、高速回転時には回転子３ａの外径側に位置する突極部１４に大きな遠心力が働く。この遠心力に抗する力が突極部１４と回転子コア９の中心側部分との繋ぎ個所に働き、その部分に応力集中を生じさせる。集中応力は繋ぎ個所に変形を生じさせ突極部１４を外径側に膨らませる。膨らみは固定子２と回転子３ａとの間の空隙寸法を変化させて電気特性にばらつきを生じさせ、場合によっては突極部１４に破壊を生じさせる。
【００２３】
本実施形態の回転子３ａの場合、各辺を構成する２個のスロット１２ａが回転軸１０側からみて略「ハ」の字をなすように配置されている。このため突極部１４の半径方向の厚みが減り、質量が図８に示した従来の回転子３の場合に比べて少なくなり突極部１４に働く遠心力がその分だけ減少する。従って、突極部１４の変形が少なくなり、破壊の危険性も弱まる効果を生ずる。
【００２４】
また、「背景技術」で説明した図８、図９の従来構成の場合には、突極部１４と回転子コア９の中心側部分とは４個所の残部１５によって繋がっていた。これに対して本実施形態の回転子３ａでは、突極部１４は４個所の残部１５に加えて４個所のブリッジ１７によっても回転子コア９の中心側部分と繋がっている。このため個々の残部１５あるいはブリッジ１７部分に生ずる集中応力は大幅に減少する。このことによっても変形による突極部１４の外径側への膨らみは少なくなって電気特性のばらつきが減少すると共に、突極部１４の破壊の危険性も弱まる効果を奏する。
【００２５】
図３は、本発明を４極構造の回転子に適用した第２の実施形態に係る回転子３ｂの断面構成を示している。本実施形態の回転子３ｂが第１の実施形態に係る図２の回転子３ａと異なる点は、突極部１４に軸方向に貫通する複数の孔１８を追加して設けた点である。
【００２６】
新たに設けた複数の孔１８は、突極部１４の質量を減少させる。これにより突極部１４に働く遠心力は更に減少する。従って、変形による突極部１４の外径側への膨らみは更に少なくなって電気特性のばらつきが減少すると共に、突極部１４の破壊の危険性も更に少なくなる効果を奏する。
【００２７】
図４は、本発明を４極構造の回転子に適用した第３の実施形態に係る回転子３ｃの断面構成を示している。本実施形態の回転子３ｃでは、軸方向に貫通する矩形の１２個のスロット１２ａが回転子コア９に設けられている。１２個のスロット１２ｂは、各３個ずつが略正方形の一辺を構成するようにして回転軸１０を囲むように配置されている。各スロット１２ｂには板状の永久磁石１１が埋め込まれている。
【００２８】
各辺を構成する３個のスロット１２ｂは、回転軸１０側からみて低い山形をなすように配置されている。即ち、各辺の中央に位置するスロット１２ｂは回転子３ｃの外周寄りに位置して設けられている。そして各スロット１２ｂ間には狭いブリッジ１７が設けられている。
【００２９】
このような構成により本実施形態の回転子３ｃの場合も突極部１４の質量が図９に示す従来技術の回転子３の場合より少なくなり、突極部１４に働く遠心力が減少する。また、突極部１４は４個所の残部１５に加えて８個所のブリッジ１７によっても回転子コア９の中心側部分と繋がっている。このため個々の残部１５あるいはブリッジ１７部分に生ずる集中応力も大幅に減少する。こうしたことから変形による突極部１４の外径側への膨らみは一層少なくなって電気特性のばらつきが減少すると共に、突極部１４の破壊の危険性も一層少なくなる効果を奏する。
【００３０】
図５は、本発明を４極構造の回転子に適用した第４の実施形態に係る回転子３ｄの断面構成を示している。本実施形態の回転子３ｄが第３の実施形態に係る図４の回転子３ｃと異なる点は、突極部１４に軸方向に貫通する複数の孔１８を追加して設けた点である。
【００３１】
新たに設けた複数の孔１８は、突極部１４の質量を減少させる。これにより突極部１４に働く遠心力は更に減少する。従って、突極部１４の外径側への膨らみは更に少なくなって電気特性のばらつきが減少すると共に、突極部１４の破壊の危険性も更に少なくなる効果を奏する。
【００３２】
図６は、本発明を４極構造の回転子に適用した第５の実施形態に係る回転子３ｅの断面構成を示している。本実施形態の回転子３ｅでは、軸方向に貫通する矩形の１６個のスロット１２ｃが回転子コア９に設けられている。１６個のスロット１２ｃは、各４個ずつが略正方形の一辺を構成するようにして回転軸１０を囲むように配置されている。各スロット１２ｃには板状の永久磁石１１が埋め込まれている。
【００３３】
各辺を構成する４個のスロット１２ｃは、回転軸１０側からみて低い山形をなすように配置されている。即ち、各辺の中央寄り２個のスロット１２ｃは回転子３ｅの外周寄りに位置して設けられている。そして各スロット１２ｃ間には狭いブリッジ１７が設けられている。
【００３４】
このような構成により本実施形態の回転子３ｅの場合も突極部１４の質量が図９に示す従来技術の回転子３の場合より少なくなり、突極部１４に働く遠心力が減少する。また、突極部１４は４個所の残部１５に加えて１２個所のブリッジ１７によっても回転子コア９の中心側部分と繋がっている。このため個々の残部１５あるいはブリッジ１７部分に生ずる集中応力も大幅に減少する。こうしたことから変形による突極部１４の外径側への膨らみは一層少なくなって電気特性のばらつきが減少すると共に、突極部１４の破壊の危険性も一層少なくなる効果を奏する。
【００３５】
図７は、本発明を４極構造の回転子に適用した第６の実施形態に係る回転子３ｆの断面構成を示している。本実施形態の回転子３ｆが第５の実施形態に係る図６の回転子３ｅと異なる点は、突極部１４に軸方向に貫通する複数の孔１８を追加して設けた点である。
【００３６】
新たに設けた複数の孔１８は、突極部１４の質量を減少させる。これにより突極部１４に働く遠心力は更に減少する。従って、変形による突極部１４の外径側への膨らみは更に少なくなって電気特性のばらつきが減少すると共に、突極部１４の破壊の危険性も更に少なくなる効果を奏する。
【００３７】
なお、これまでの実施形態は何れも４極構造の回転子に適用した場合の例であったが、本発明は同様の考えにより６極、８極等の多極の回転子にも適用できるものであり、その場合も前述の各実施形態と同様の効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１の実施形態に係る回転電機１の断面構成である。
【図２】第１の実施形態に係る回転子３ａの断面構成である。
【図３】第２の実施形態に係る回転子３ｂの断面構成である。
【図４】第３の実施形態に係る回転子３ｃの断面構成である。
【図５】第４の実施形態に係る回転子３ｄの断面構成である。
【図６】第５の実施形態に係る回転子３ｅの断面構成である。
【図７】第６の実施形態に係る回転子３ｆの断面構成である。
【図８】従来技術に係る図１相当図である。
【図９】従来技術に係る図２相当図である。
【符号の説明】
【００３９】
図面中、１は回転電機、２は固定子、３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆは回転子、６は固定子スロット、９は回転子コア、１０は回転軸、１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃはスロット、１１は永久磁石、１４は突極部、１５は残部、１７はブリッジ、１８は孔を示す。
【図１】
2006333656.tif 000003
【図２】
2006333656.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006333656.tif 000006
【図５】
2006333656.tif 000007
【図６】
2006333656.tif 000008
【図７】
2006333656.tif 000009
【図８】
2006333656.tif 000010
【図９】
2006333656.tif 000011