(57)【要約】【課題】  サイドブリッジを有しない回転子を備えた永久磁石埋め込み式回転電機において、回転子の風損を減少させる。【解決手段】  回転軸方向に貫通するスロット２が１極当たり２個ずつ回転子１の周方向に複数極分形成され、各スロット２に永久磁石３が埋め込まれている。また、回転子１は、各極の２個のスロット２において隣の極の側の端部を回転子１の外周に連通させる切り欠き部１０を有する。この切り欠き部１０には、非磁性材からなる補充部材４が充填されている。ここで、切り欠き部１０は、漏れ磁束の通過を遮断する役割を果たす。また、補充部材４は、回転子１の回転時の風損を低減する役割を果たす。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸方向に貫通するスロットを１極当たり２個ずつ回転子の周方向に複数極分形成し、各スロットに永久磁石を埋め込んでなり、
前記回転子は、各極の２個のスロットにおいて隣の極の側の端部を前記回転子の外周に連通させる切り欠き部を有し、前記切り欠き部に非磁性材からなる補充部材を充填してなることを特徴とする永久磁石埋め込み式回転電機。
【請求項２】
前記回転子の外周に内周が接触した非磁性材のリングを具備することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
【請求項３】
前記補充部材が前記永久磁石を前記スロット内に固定し、前記永久磁石が前記スロットから回転軸方向に脱落するのを防止することを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石埋め込み式回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機や発電機等、ロータを有する回転電機に係り、特にロータに永久磁石が埋め込まれた永久磁石埋め込み式回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は、この種の永久磁石埋め込み式回転電機の固定子１１と回転子１ｃの１極分の構成を示す断面図である。この永久磁石埋め込み式回転電機において、回転子１ｃの回転子コア５ｃには、１極を構成するために２個のスロット２が形成され、この２個のスロット２の中に２個の永久磁石３が埋め込まれている。ここで、１極における２個のスロット２の間には、回転子コア５ｃの薄肉部分であるセンタブリッジ９があり、２個のスロット２におけるセンタブリッジ９と反対側の端部と回転子コア５ｃの外周との間にも同様な回転子コア５ｃの薄肉部分であるサイドブリッジ１４がある。そして、回転子コア５ｃにおいて、スロット２の内周側の領域とスロット２の外周側の領域は、センタブリッジ９およびサイドブリッジ１４を介して繋がっている。
【０００３】
固定子１１は、中空円筒状の固定子コア１２を有している。この固定子コア１２の内側に、回転子１ｃが挿通されている。固定子コア１２には、周方向に沿って複数のスロットが設けられ、それらのスロット内に固定子コイル１３が巻装されている。
【０００４】
回転子コア５ｃの永久磁石３から生ずる磁束は固定子コア１２を介して、異極の永久磁石３へ流れる。しかし、永久磁石３から生ずる磁束の一部は、固定子コア１２を経由することなく、センタブリッジ９やサイドブリッジ１４を介して流れ、磁束の短絡状態を招く。一般的には、この短絡する磁束を漏れ磁束と呼んでいる。この漏れ磁束が発生することで、永久磁石埋め込み式回転電機の出力トルクの低下を招く。
【０００５】
漏れ磁束を抑制するためには、センタブリッジ９やサイドブリッジ１４を極力細くすることが望ましい。しかし、センタブリッジ９やサイドブリッジ１４を細くすると、回転子１ｃの回転中に生じる遠心力に対する耐力が低下する。そのため、回転子１ｃの回転速度に応じてセンタブリッジ９やサイドブリッジ１４の太さを設計する必要がある。しかし、センタブリッジ９やサイドブリッジ１４を有する限り、漏れ磁束をゼロとすることはできない。
【０００６】
この問題を解決するための技術を開示した文献として、特許文献１がある。図７は、この特許文献１に開示された永久磁石埋め込み式回転電機の回転子１ｄの構成を示す断面図である。なお、この図７において前掲図６の各部と対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。この回転子１ｄの回転子コア５ｄは、図６におけるサイドブリッジ１４に相当するものを有していない。回転子コア５ｄには、スロット２を回転子コア５ｄの外周に連通させる切り欠き部１０が形成されている。この切り欠き部１０は、スロット２内の永久磁石３の例えばN極から生じた磁束が、固定子コア（図示略）を経由しない回転子コア５ｄ内の閉じた磁路を経由して同永久磁石３の例えばS極に至る漏れ磁束を阻止するフラックスバリアとして機能する。この回転子１ｄによれば、切り欠き部１０を設けたことにより、漏れ磁束をほぼゼロとすることができので、図６のサイドブリッジ１４がある回転子１ｃを備えた永久磁石埋め込み式回転電機に比べてマグネットトルクを大きくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−４６４２１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｊ．Ｅ．Ｖｒａｃｋｃｉｋ，“Ｐｒｅｄｉｃｔｉоｎ  оｆ  ｗｉｎｄａｇｅ  ｐоｗｅｒ  ｌоｓｓ  ｉｎ  ａｌｔｅｒｎａｔоｒｓ”，ＮＡＳＡ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｎоｔｅ  Ｄ−４８４９（１９６８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、図７に示す回転子コア５ｄは、切り欠き部１０を有するため、図６に示す回転子コア５ｃに比べて、回転時に空気抵抗によって失われるエネルギーである風損が大きい。また、図７に示す回転子コア５ｄは、回転中に永久磁石３が破損した場合に、永久磁石３がスロット２から切り欠き部１０を介して回転子１ｄの外部へ飛散し、固定子コアに接触する可能性がある。また、図７に示す回転子コア５ｄは、スロット２内の永久磁石３が回転子コア５ｄの回転軸方向に移動可能である。このため、永久磁石３の脱落を防止するための端板を回転子コア５ｄの回転軸方向両端に設ける必要がある。
【００１０】
図８は、このような端板７を備えた回転子１ｄの構成例を示す側面図である。この図８において、回転子コア５ｄを回転軸であるシャフト８が貫通しており、この回転子コア５ｄの回転軸方向両端に２枚の端板７が固定されている。このように従来の永久磁石埋め込み式回転電機は、永久磁石３の脱落を防止するために、回転子コア５ｄの回転軸の軸方向両端に端板７を設ける必要があり、端板７に関するコストアップを招く問題があった。
【００１１】
この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、サイドブリッジを排した回転子を備えた永久磁石埋め込み式回転電機において、回転子の風損を低下させ、出力トルクの低下を防止することにある。また、この発明の第２の目的は、永久磁石埋め込み式回転電機において、回転子から永久磁石が脱落するのを防止するための端板を不要にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明は、回転軸方向に貫通するスロットを１極当たり２個ずつ回転子の周方向に複数極分形成し、各スロットに永久磁石を埋め込んでなり、前記回転子は、各極の２個のスロットにおいて隣の極の側の端部を前記回転子の外周に連通させる切り欠き部を有し、前記切り欠き部に非磁性材からなる補充部材を充填してなることを特徴とする永久磁石埋め込み式回転電機を提供する。
【００１３】
好ましい態様では、前記補充部材が前記永久磁石を前記スロット内に固定し、前記永久磁石が前記スロットから回転軸方向に脱落するのを防止する。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、スロットが回転子の外周と連通した部分に非磁性材からなる補充部材を充填することで、回転子の風損を減少させ、永久磁石埋め込み式回転電機の出力トルクの低下を防止することができる。また、この発明において、補充部材が永久磁石をスロット内に固定し、永久磁石がスロットから回転軸方向に脱落するのを防止するようにした場合、永久磁石の脱落防止のための端板が不要になる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の第１実施形態である永久磁石式電動機の回転子の構成を示す断面図である。
【図２】突極型回転子の断面図である。
【図３】突極型回転子の斜視図である。
【図４】真円回転子と突極型回転子について風損の計算結果を示したグラフである。
【図５】この発明の第２実施形態である永久磁石式電動機の回転子の構成を示す断面図である。
【図６】従来の永久磁石埋め込み式回転電機の固定子と回転子の１極分の構成を示す断面図である。
【図７】従来のサイドブリッジを排した永久磁石埋め込み式回転電機の回転子の構成を示す断面図である。
【図８】同回転子の構成を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつこの発明の実施形態について説明する。
【００１７】
＜第１実施形態＞
図１は、この発明の第１実施形態である永久磁石埋め込み式回転電機の回転子１の構成を示す断面図である。なお、図１において前掲図６、図７の各部と対応する部分には同一の符号が付されている。また、図１では、シャフト８の図示は省略されている。
【００１８】
回転子１は、回転子コア５を有する。この回転子コア５は、珪素鋼板を積層してなるものである。なお、単純な鉄ブロックを切削加工することにより回転子コア５が構成される場合もある。回転子コア５には、１極当たり２個のスロット２が回転軸方向に貫通しており、この２個のスロット２の中に２個の永久磁石３が埋め込まれている。１極分の２個のスロット２に埋め込まれた２個の永久磁石３は、固定子コア（図示略）に対して同じ極性の磁極を対向させている。また、回転子コア５の隣接する極間では、一方の極の２個の永久磁石３と、他方の極の２個の永久磁石３は、極間で互いに異なる磁極を固定子コア（図示略）に対向させている。永久磁石３としては、ネオジム磁石やフェライト磁石が好適であるが、必ずしもこれらに限定するものではない。なお、図１に示す回転子コア５では、１６個のスロット２により８極が形成されているが、回転子コア５に形成する極数は、８極に限定されるものではない。また、固定子に対するコイルの巻き方は大別すると集中巻と分布巻に分けられるが、どちらの巻き方であってもよい。また、図１では、回転子１の中心軸を下側に見た場合にＶ字形状をなすように１極分の２個のスロット２が配列されているが、１極分の２個のスロット２は、一文字状に配列されてもよく、逆Ｖ字状に配列されてもよい。
【００１９】
回転子コア５において、１極分の２個のスロット２の間には、回転子コア５の薄肉部分であるセンタブリッジ９がある。また、１極における２個のスロット２のセンタブリッジ９と反対側には、当該スロット２を回転子コア５の外周に連通させる切り欠き部１０が形成されている。この切り欠き部１０は、漏れ磁束の通過を阻止するフラックスバリアとして機能する。そして、この切り欠き部１０に補充部材４が充填されている。この補充部材４は、回転子コア５の回転時の風損を低減する役割を果たす。補充部材４は、非磁性材からなる樹脂である。補充部材４を非磁性材とするのは、切り欠き部１０のフラックスバリアとしての機能を損なわないためである。好ましい態様において、補充部材４は、それが充填された状態の回転子コア５の断面が凸凹のない真円をなすよう充填される。しかし、補充部材４が充填された状態の回転子コア５の断面は、必ずしも真円である必要はなく、風損の原因となる回転子コア５の外周面の凸凹の差が小さくなるようにすればよい。
【００２０】
本実施形態において、永久磁石埋め込み式回転電機の回転子１には、次式に示すトルクＴが発生する。
Ｔ＝Ｐｎ×Ψｍ×ｉｑ＋Ｐｎ×（Ｌｄ−Ｌｑ）×ｉｄ×ｉｑ              ……（１）
上記式（１）において、Ｐｎは回転子１の極対数、Ψｍは永久磁石３が発生する磁束のうち固定子のコイルと鎖交する磁束、ｉｄは固定子のコイルに流れるｄ軸電流、ｉｑは固定子のコイルに流れるｑ軸電流、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンスである。そして、上記式（１）の右辺第１項がマグネットトルクであり、右辺第２項がリラクタンストルクである。
【００２１】
ここで、磁束Ψｍと誘起電圧Ｖｅｍｆの関係は次式のようになる。
Ψｍ＝Ｖｅｍｆ／（２πｆ）                                          ……（２）
上記式（２）において、ｆは固定子のコイルに流れる電流の周波数、Ｖｅｍｆは同周波数ｆにおける誘起電圧である。
【００２２】
上記式（１）と（２）より、同一のマグネットトルクを得る場合、磁束Ψｍが高いほどｑ軸電流ｉｑを低減することができる。本実施形態のように回転子１からサイドブリッジを排してフラックスバリアを設けた場合、フラックスバリアの働きにより漏れ磁束を減らして磁束Ψｍを増加させることができる。このため、本実施形態によれば、図６のようにサイドブリッジ１４がある場合に比してｑ軸電流ｉｑを低減することができる。
【００２３】
また、本実施形態では、フラックスバリアとしての切り欠き部１０に充填した補充部材４が風損を低減する効果をもたらす。以下、この効果の理解を容易にするため、参考例を示す。非特許文献１には、図２および図３に例示するような突極型回転子１ａに生じる風損が説明されている。なお、図２は突極型回転子１ａの断面図、図３は突極型回転子１ａの斜視図であり、スロットや磁石の図示は省略されている。
【００２４】
非特許文献１によると、突極型回転子１ａに発生する風損の真円回転子に発生する風損に対する増分割合Ｋは、次式のように表すことができる。
Ｋ＝８．５（Ｈ／Ｒ）＋２．２                                        ……（３）
上記式（３）において、Ｒは回転軸中心１５ａから突極部１６ａを含めた突極型回転子コア５ａの外周までの長さである回転子半径、Ｈは突極部１６ａの径方向長さである。ただし、Ｈ／Ｒ＞０．０６である。
【００２５】
図４は、真円回転子と突極型回転子１ａについて風損の計算結果を示したグラフである。図４では、回転子半径Ｒを１００ｍｍ、回転子軸方向長さを１００ｍｍ、突極部径方向長さＨを１０ｍｍとして計算を行った。ただし、空気の密度と動粘度係数は温度２５℃の値を用いた。この場合、Ｈ／Ｒ＝０．１となり、上記式（３）にこのＨ／Ｒ＝０．１を代入すると、Ｋ＝３．０５となる。従ってこの場合、真円回転子に対する突極型回転子１ａの風損は３．０５倍となる。図４では、真円回転子および突極型回転子１ａを例えば１２０００ｒ／ｍｉｎの回転速度で回転させた場合、真円回転子に発生する風損が５００Ｗであるのに対し、突極型回転子１ａに発生する風損は１５２１Ｗとなっている。図７に示すようなサイドブリッジ１４を排した回転子１ｄについても同様であり、真円回転子に比して、風損が非常に大きくなる。
【００２６】
本実施形態では、切り欠き部１０に補充部材４を充填したことにより、回転子１の風損を真円回転子と同等の風損に低減することができる。なお、補充部材４が充填過多もしくは充填過少であると回転子１の外周表面に凹凸が生じるが、このような場合であっても、補充部材４の充填を全く行わない図７の回転子１ｄに比べると回転子１の風損は低減する。
【００２７】
また、本実施形態によれば、回転子コア５の切り欠き部１０に補充部材４を充填したため、他にも効果が生じる。まず、補充部材４が切り欠き部１０に充填されているので、回転子１の回転中にスロット２内の永久磁石３が破損しても、永久磁石３が回転子１外部への飛散することがなく、永久磁石３が固定子コアに接触するのを防止することができる。
【００２８】
また、切り欠き部１０に補充部材４を充填することにより永久磁石３が錆難くなる。永久磁石３は鉄系材料を用いる場合が多いので、永久磁石３が空気中に晒されていると、永久磁石３の鉄に空気中の酸素が結合して錆が発生しやすくなる。しかし、補充部材４が切り欠き部１０に充填されていると、永久磁石３が空気に接することが少なくなり、永久磁石３が錆難くなる。
【００２９】
また、補充部材４の充填により回転子１の回転軸方向に対するバランス取りが行えるようになる。さらに詳述すると、回転子１とシャフトの締り嵌めの工程において、回転子１の回転軸とシャフトの中心軸がずれて締り嵌めされると、回転軸に対する回転子コア５の重量バランスが不均一となる。従来技術の下では、このような場合に、回転子１の軸方向両端に設けられた端板７（図８参照）の重量を調整してバランスを均一にしていた。しかしながら、本実施形態では、回転子１の補充部材４の一部を削るあるいは切り欠き部１０への補充部材４の充填量を調整することが可能である。このように補充部材４の量でバランスを調整することにより、永久磁石埋め込み式回転電機の回転子１のバランス取りを容易に行うことができる。
【００３０】
また、本実施形態では、切り欠き部１０に充填される補充部材４が永久磁石３をスロット２内に固定するので、永久磁石３が回転軸方向に移動して回転子コア５から脱落するのを防止することができる。従って、本実施形態では、永久磁石３の脱落を防止するために図８に示すような端板７を回転子１に設ける必要がない。従って、本実施形態によれば、端板７の分だけ回転子１の製造コストを低減することができる。
【００３１】
＜第２実施形態＞
図５は、この発明の第２実施形態である永久磁石埋め込み式回転電機の回転子１ｂの構成を示す断面図である。なお、この図５において前掲図１の各部と対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３２】
本実施形態における回転子１ｂは、上記第１実施形態（図１）における回転子１に対してその外周側にリング６を追加した構成となっている。このリング６は、中空円筒形状をなし、回転子コア５の外径とほぼ一致する内径を有している。そして、リング６は、その内周を回転子コア５の外周に接触させ、回転子コア５を覆っている。
【００３３】
本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様、スロット２を回転子コア５の外周に連通させる切り欠き部１０に非磁性材からなる補充部材４を充填したので、上記第１実施形態と同様な効果が得られる。また、本実施形態によれば、さらにリング６により回転子コア５の外周を覆ったので、上記第１実施形態に比べて、さらに回転子１の外周表面の凹凸を少なくし、風損を低減することができ、より真円回転子の風損に近づけることができる。
【００３４】
以上、この発明の第１および第２実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば次の通りである。
【００３５】
上記第１実施形態では、回転子１の断面が真円状になるように切り欠き部１０への補充部材４の充填を行ったが、回転子１の断面が真円状になる分量よりも少ない分量の補充部材４を切り欠き部１０に充填し、または当該分量よりも多い分量の補充部材４を切り欠き部１０に充填してもよい。この態様においても、補充部材４を全く充填しない従来の回転子１ｃに比べると、風損の減少が望め、永久磁石埋め込み式回転電機の出力トルクの増大が望める。
【符号の説明】
【００３６】
１，１ｂ，１ｃ，１ｄ……回転子、１ａ……突極型回転子、２……スロット、３……永久磁石、４……補充部材、５，５ｂ，５ｃ，５ｄ……回転子コア、５ａ……突極型回転子コア、６……リング、７……端板、８……シャフト、９……センタブリッジ、１０……切り欠き部、１１……固定子、１２……固定子コア、１３……コイル、１４……サイドブリッジ、１５ａ……回転軸中心、１６ａ……突極部、Ｒ……回転子半径、Ｈ……突極部径方向長さ、Ｋ……風損増分割合。
【図１】
2015226371.tif 000003
【図２】
2015226371.tif 000004
【図３】
2015226371.tif 000005
【図４】
2015226371.tif 000006
【図５】
2015226371.tif 000007
【図６】
2015226371.tif 000008
【図７】
2015226371.tif 000009
【図８】
2015226371.tif 000010