(57)【要約】【課題】限られた大きさの鉄心領域を有効利用してｑ軸インダクタンスＬqを増加させることによって効率的に高トルク出力を得ることができる回転電機用回転子を提供する。【解決手段】回転子鉄心１２は、外周側内部に埋設された第１永久磁石２６と、第１永久磁石２６の周方向両側に埋設され外周側へ向かって略Ｖ字状に配置される第２永久磁石２８ａ，２８ｂと、第２永久磁石２８ａ，２８ｂ間の内周側位置で第１永久磁石２６に対向する低透磁率の第１領域４０とを備える。第１永久磁石２６と第２永久磁石２８ａ，２８ｂおよび第1領域４０との間の鉄心領域にｑ軸磁路が形成される。そして、第１永久磁石２６と第１領域４０との間に形成されるｑ軸磁路中央部分５０ｃと、第１永久磁石２６の周方向両側に設けられた低透磁率の第２領域３４と第２永久磁石２８ａ，２８ｂとの間に形成されるｑ軸磁路出入口部分５０ａ，５０ｂとが略同一の距離に形成される。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子鉄心の外周側内部に周方向に間隔を置いて複数の磁極が設けられている回転電機用回転子であって、
前記各磁極は、周方向中央位置に配置される第１永久磁石と、前記第１永久磁石の周方向両側にそれぞれ埋設され外周側へ向かって互いの間隔が広がるように配置される第２永久磁石と、前記第２永久磁石間の内周側位置で前記第１永久磁石に対向して設けられ透磁率が鉄心材料よりも低い第１領域とを備え、
前記第１永久磁石と前記第２永久磁石および前記第1領域との間の鉄心領域にｑ軸磁路が形成されており、前記第１永久磁石と前記第１領域との間に形成されるｑ軸磁路中央部分と、前記第１永久磁石の周方向両側に設けられ透磁率が鉄心材料よりも低い第２領域と前記第２永久磁石との間に形成されるｑ軸磁路出入口部分とが略同一の距離に設定されている
回転電機用回転子。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機回転子において、
前記第１領域は、前記第２永久磁石が挿入されている第２磁石挿入穴の内周側端部に連通して形成される２つの第１の穴と、前記第１の穴の間にブリッジ部を介して形成されている第２の穴とを含み、前記第２の穴は前記第１永久磁石と略等しい幅に形成されていることを特徴とする回転電機用回転子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の回転電機用回転子において、
前記第２領域は、前記第１永久磁石の周方向両側であって外周寄り位置に、前記第１永久磁石が挿入される第１磁石挿入穴から離れて設けられており、前記第２永久磁石と前記第２領域との間に前記ｑ軸磁路出入口部分が形成されていることを特徴とする回転電機用回転子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機用回転子において、
前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とは同一の形状および大きさを有することを特徴とする回転電機用回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機用回転子に係り、特に、回転子鉄心の外周側内部に周方向に間隔を置いて埋設された複数の永久磁石を含む回転電機用回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２００３−１３４７０４号公報（以下、特許文献１という）において図３に示すような電動機の回転子８０が知られている。図３は、回転子８０の一部を示す図であり、シャフト８２の軸に垂直な方向の断面の１／４（すなわち円周の９０°範囲）を示す。
【０００３】
図１において、回転子８０は、回転可能に支持された回転子の回転軸であるシャフト８２と、シャフト８２に固定された回転子鉄心８４と、回転子鉄心８４の外周に沿って鉄心内部に設けられた複数の永久磁石８６（図１では１個のみを示す）と、永久磁石８６よりも回転子鉄心８４の内周側に略Ｖ字状に配置された断面長方形状の２枚の永久磁石８８ａ，８８ｂと、永久磁石８８ａ，８８ｂのそれぞれ内周側に備えられた永久磁石９０ａ，９０ｂとから構成されている。
【０００４】
回転子鉄心８４は多数の電磁鋼板を軸方向に積層して形成されている。また、永久磁石８６とＶ字状に配置された２枚の永久磁石８８ａ，８８ｂは、それぞれネオジム磁石等の磁束密度の高い磁石であり、永久磁石９０ａ，９０ｂは永久磁石８６や永久磁石８８ａ，８８ｂよりも磁束密度の低いフェライト磁石等で構成されている。さらに、永久磁石８８ａ，８８ｂは角部が相互に接するように配置されている。
【０００５】
上記構成からなる回転子８０では、永久磁石８８ａ，８８ｂの内周側に、永久磁石８８ａ，８８ｂよりも磁束密度の低い永久磁石９０ａ，９０ｂを備えているため、ｄ軸インダクタンスＬdを低下させると共に、永久磁石８６および永久磁石８８ａ，８８ｂをネオジウム等の磁束密度の高い磁石とした場合にも、永久磁石８６と永久磁石８８ａ，８８ｂの間の磁気飽和を防止して、ｑ軸インダクタンスＬqを増大することができるので、これを用いた回転電機の発生トルクを向上させることができると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１３４７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献1の回転子８０においては、永久磁石８６とその両側に略Ｖ字状に配置された２つの永久磁石８８ａ，８８ｂとによって囲まれた略三角状の鉄心領域９２が一点鎖線で示すｑ軸磁路の一部として含まれる。この場合、ｑ軸磁路の入口部分８４ａおよび出口部分８４ｂの磁路幅が狭くなっているために、これらの部分でｑ軸磁束の磁気飽和が生じ易い。特に、このような傾向は、略Ｖ字状に配置された２つの永久磁石８８ａ，８８ｂをネオジウム等の磁束密度の高い磁石とした場合により顕著となる。
【０００８】
また、ｑ軸磁路の中央部分に相当する上記略三角状の鉄心領域９２において、内周側の頂部に当る部分でｑ軸磁束が流れにくいか又は流れなくなっており、限られた大きさ又は断面積の鉄心領域を有効に活用できていないという課題もある。
【０００９】
本発明の目的は、限られた大きさの鉄心領域をより有効に利用してｑ軸インダクタンスＬqを増加させることによって効率的に高トルク出力を得ることができる回転電機用回転子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る回転電機用回転子は、回転子鉄心の外周側内部に周方向に間隔を置いて複数の磁極が設けられている回転電機用回転子であって、前記各磁極は、周方向中央位置に配置される第１永久磁石と、前記第１永久磁石の周方向両側にそれぞれ埋設され外周側へ向かって互いの間隔が広がるように配置される第２永久磁石と、前記第２永久磁石間の内周側位置で前記第１永久磁石に対向して設けられ透磁率が鉄心材料よりも低い第１領域とを備え、
前記第１永久磁石と前記第２永久磁石および前記第1領域との間の鉄心領域にｑ軸磁路が形成されており、前記第１永久磁石と前記第１領域との間に形成されるｑ軸磁路中央部分と、前記第１永久磁石の周方向両側に設けられ透磁率が鉄心材料よりも低い第２領域と前記第２永久磁石との間に形成されるｑ軸磁路出入口部分とが略同一の距離に設定されているものである。ここで、略同一の距離とは、完全に同一である場合のほかに、実質的に同一であるとみなせる程度に相違する場合も含むことを意図している。
【００１１】
本発明に係る回転電機用回転子において、前記第１領域は、前記第２永久磁石が挿入されている第２磁石挿入穴の内周側端部に連通して形成される２つの第１の穴と、前記第１の穴の間にブリッジ部を介して形成されている第２の穴とを含み、前記第２の穴は前記第１永久磁石と略等しい幅に形成されていてもよい。
【００１２】
また、本発明に係る回転電機用回転子において、前記第２領域は、前記第１永久磁石の周方向両側であって外周寄り位置に、前記第１永久磁石が挿入される第１磁石挿入穴から離れて設けられており、前記第２永久磁石と前記第２領域との間に前記ｑ軸磁路出入口部分が形成されていてもよい。
【００１３】
さらに、本発明に係る回転電機用回転子において、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とは同一の形状および大きさを有してもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る回転電機用回転子によれば、第１永久磁石と第２永久磁石および第１領域との間に形成されるｑ軸磁路において、第１永久磁石と第１領域との間に形成されるｑ軸磁路中央部分と、第１永久磁石の周方向両側に形成されている第２領域と第２永久磁石との間に形成されるｑ軸磁路出入口部分とが略同の距離に設定されているから、ｑ軸磁路出入口部分での磁気飽和を抑制しながらｑ軸磁路出入口からｑ軸磁路中央部分にかけての鉄心領域をｑ軸磁路として有効に活用することができる。これにより、ｑ軸インダクタンスが増加してリアクタンストルクが増すことにより、効率的に高トルク出力を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態である回転子の軸方向断面図である。
【図２Ａ】図１の回転子を構成する回転子鉄心の１つの磁極を示す部分拡大図である。
【図２Ｂ】従来例の回転子鉄心の１つの磁極におけるｑ軸磁束の流れを模式的に示す図２Ａと同様の部分拡大図である。
【図３】従来例の回転子における１つの磁極の構成とｄ軸磁路およびｑ軸磁路とを示す部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明に係る実施の形態（以下、実施形態という）について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。
【００１７】
図１は、本実施形態の回転電機用回転子（以下、適宜に回転子とだけいう）１０の軸方向断面を示す。回転子１０の周囲には、筒状の固定子（図示せず）が設けられる。固定子は、回転子１０を回転駆動するための磁界を形成するものである。
【００１８】
回転子１０は、中心穴を有する円柱状または円柱状をなす回転子鉄心１２と、回転子鉄心１２の中心穴を貫通して固定されるシャフト１４と、矢印Ｘで示すシャフト１４（および回転子鉄心１２）の軸方向に関して回転子鉄心１２の両側に接して配置されるエンドプレート１６と、回転子鉄心１２およびエンドプレート１６とをシャフト１４上に固定する固定部材１８とを備える。
【００１９】
回転子鉄心１２は、例えば板厚０．３ｍｍの珪素鋼板等を円環状に打ち抜き加工してそれぞれ形成された多数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成されている。回転子鉄心１２を構成する各電磁鋼板は、回転子鉄心１２を軸方向に複数分割したブロックごとに又は全て一括してカシメ、接着、溶接等の方法によって一体に連結されている。また、回転子鉄心１２には、複数の磁極が周方向に均等な配置で設けられている。各磁極は複数の永久磁石を含んで構成されるが、その詳細については後述する。
【００２０】
シャフト１４は、丸棒鋼材から形成されており、その外周には径方向外側へ突出するフランジ部１５が形成されている。このフランジ部は、回転子１０が組み立てられる際にエンドプレート１６に当接してシャフト１４での回転子鉄心１２の軸方向位置を決める当り部として機能する。また、シャフト１４の外表面には、回転子鉄心１２の周方向位置を固定するためのキー溝が軸方向に延伸して形成されていてもよい。
【００２１】
エンドプレート１６は、回転子鉄心１２の軸方向端面とほぼ同じ外形状の円板によって構成される。エンドプレート１６は、例えばアルミニウム、銅等の非磁性金属材料により好適に形成されている。ここで非磁性金属材料とするのは、磁極を構成する永久磁石の軸方向端部における磁束の短絡を抑制するためである。ただし、非磁性材料であれば金属材料に限定されるものではなく、樹脂材料で形成されてもよい。
【００２２】
回転子鉄心１２の軸方向両側に設けられるエンドプレート１６には、回転子鉄心１２を両側から押え付ける機能、回転子１０が組み上がった後に部分的に切削加工を施して回転子１０のアンバランスを修正する機能、磁極を構成する永久磁石が回転子鉄心１２から軸方向に飛び出すのを防止する機能などがある。
【００２３】
なお、本実施形態ではエンドプレート１６が回転子鉄心１２とほぼ同等の直径を有するものとして説明および図示するが、磁極を構成する永久磁石が回転子鉄心内に樹脂等によって固定される場合等には、エンドプレートを小径化または廃止等してコスト低減を図ってもよい。
【００２４】
固定部材１８は、円筒状をなすかしめ部２０と、かしめ部２０の一方端部から径方向外側へ突出する押え部２２とを含む。固定部材１８は、その押え部２２によって回転子鉄心１２および２枚のエンドプレート１６を上記フランジ部１５に向かって押圧した状態で、かしめ部２０がシャフト１４に対してかしめられることによってシャフト１４上に固定される。これにより、回転子鉄心１２がエンドプレート１６と共にシャフト１４に対して固定されることになる。
【００２５】
次に、図２Ａを参照して、回転子鉄心１２に含まれる磁極の構成について説明する。図２Ａは、回転子鉄心１２の軸方向端面を見たときの１つの磁極２４を示す拡大図であるが、回転子鉄心１２を軸方向に垂直な断面で見たときの磁極２４の構成もこれと同様である。
【００２６】
回転子鉄心１２には、例えば８つの磁極２４が周方向に等間隔で設けられている。各磁極２４は、それぞれ、１つの第１永久磁石２６と２つの第２永久磁石２８ａ，２８ｂとを含んで構成される。第１永久磁石２６は、回転子鉄心１２の外周面１３近傍の内部であって磁極２４の周方向中央に埋設されている。
【００２７】
第１永久磁石２６は、各２つの短辺側面および長辺側面を有する扁平長方形の端面（および断面）を有するとともに、回転子鉄心１２とほぼ同じ軸方向長さを有している。第１永久磁石２６は、回転子鉄心１２内に形成された第１磁石挿入穴３０内に軸方向から挿入され、第１永久磁石２６の長辺側面と穴内壁面との間の狭い隙間に注入される例えば熱硬化性の樹脂によって固定されている。また、第１永久磁石２６は、長辺側面が回転子鉄心１２の外周面１３に略沿った姿勢で配置されている。
【００２８】
上記第１磁石挿入穴３０の周方向両側には、２つのポケット部３２が第１磁石挿入穴３０に連通して形成されている。これらのポケット部３２は、第１永久磁石２６の短辺側面に沿って軸方向に延伸して形成されている。ポケット部３２は、回転子鉄心１２を構成する電磁鋼板に比べて透磁率が低い空隙または樹脂を内部に含むことから、第１永久磁石２６の長辺方向の端部における磁束の短絡を抑制する機能、および、ｑ軸磁路の一部を画定する機能を有する。第１永久磁石２８を固定するための樹脂は、少なくとも一方のポケット部３２を介して注入されてもよい。
【００２９】
また、ポケット部３２の近傍であって回転子鉄心１２の外周寄り位置には、２つの外周側穴（第２領域）３４が形成されている。外周側穴３４は、第１永久磁石２６の周方向両側であって第１磁石挿入穴３０およびポケット部３２から離れて形成されている。また、外周側穴３４は、回転子鉄心１２を構成する電磁鋼板に比べて透磁率が低い空隙を内部に含むことにより低透磁率領域を構成する。そして、後述するように外周側穴３４と第２永久磁石２８ａ，２８ｂとの間の鉄心領域にｑ軸磁路出入口部分５０ａ，５０ｂが形成されている。
【００３０】
なお、本実施形態では、外周側穴３４を第１磁石挿入穴３０に連通するポケット部３２から離れて形成したが、これに限定されるものではなく、外周側穴３４は第１磁石挿入穴３０の一部をなすポケット部３２に連通して形成されてもよい。また、外周側穴３４内に、電磁鋼板よりも低透磁率である樹脂等の低透磁率材料を充填してもよい。
【００３１】
第２永久磁石２８ａ，２８ｂは、第１永久磁石２６の周方向両側に埋設され外周面１３側へ向かって略Ｖ字状に、または、漢字の「八」の字状に広がって配置されている。第２永久磁石２８ａ，２８ｂは、第１永久磁石２６と同一の形状および大きさを有することが好ましい。また、第２永久磁石２８ａ，２８ｂは、第２磁石挿入穴３６内に軸方向から挿入されて配置され、そして第１永久磁石２６と同様に固定されている。
【００３２】
第２永久磁石２８ａ，２８ｂの外周側には、ポケット部３８が第２磁石挿入穴３６に連通して形成されている。ポケット部３８は、透磁率の低い空隙または樹脂を内部に含むことから、第２永久磁石２８ａ，２８ｂの長辺方向の外周側端部における磁束の短絡を抑制する機能、および、ｑ軸磁路の出入口端部を画定する機能を有する。また、第２永久磁石２８を固定するための樹脂がポケット部３８を介して注入されてもよい。
【００３３】
第２永久磁石２８ａ，２８ｂ間の内周側位置には、３つの穴４１，４２，４３を含む低透磁率領域（第１領域）４０が形成されている。各穴４１，４２，４３は、電磁鋼板よりも透磁率が低い空隙（または樹脂）を内部に含むことから、低透磁率領域を構成する。第１の穴４１，４２は、第２永久磁石２８ａ，２８ｂが挿入されている第２磁石挿入穴３６の内周側端部に連通してそれぞれ形成される。第１の穴４１，４２は、第２永久磁石２８ａ，２８ｂの内周側の長辺方向端部における磁束の短絡を抑制する機能、および、ｑ軸磁路の一部を画定する機能を有する。
【００３４】
第２の穴４３は、第１の穴４１，４２の間にブリッジ部４４をそれぞれ介して形成されている。また、第２の穴４３は、第１永久磁石２６と平行な略矩形状の穴であり、ｑ軸磁路中央部分５０ｃを介して第１永久磁石２６に対向している。さらに、第２の穴４３は、第１永久磁石２６と略同じ幅に形成されていることが好ましい。このような幅にすることで、第１永久磁石２６を径方向に貫いて形成されるｄ軸磁路におけるｄ軸インダクタンスＬdを効果的に低減することができ、リアクタンストルクの向上に寄与できる。
【００３５】
上記のように構成される本実施形態の回転子鉄心１２では、第１永久磁石２６、ポケット部３２、外周側穴３４、第２永久磁石２８ａ，２８ｂ、および第１領域４０との間の鉄心領域にｑ軸磁路が形成されている。詳細には、第１永久磁石２６と低透磁率領域４０の第２の穴４３との間にｑ軸磁路中央部分が形成され、第２永久磁石２８ａ，２８ｂと外周側穴３４との間にｑ軸磁路出入口部分５０ａ，５０ｂが形成されている。そして、本実施形態では、ｑ軸磁路中央部分５０ｃとｑ軸磁路出入口部分５０ａ，５０ｂとが同一又は略同一の距離に設定されていることが特徴的な事項である。
【００３６】
ここで、磁路の距離は、そこを通るｑ軸磁束（図２Ａ中の一点鎖線）と略直交する方向の幅または長さである。また、図２中では、右側の第２永久磁石２８ｂおよび外周側穴３４間がｑ軸磁路の入口部分で、左側の第２永久磁石２８ａおよび外周側穴３４間がｑ軸磁路の出口部分となっているが、図示しない固定子の励磁状態および回転子１０の回転位置によってはｑ軸磁束が図２Ａとは反対方向にｑ軸磁束が通ることもあるため、「ｑ軸磁路出入口部分」ということとした。
【００３７】
上記において背景技術に関連して述べたように、図２Ｂに示す一般的な３枚永久磁石タイプの磁極２５を含む回転子では、第１永久磁石２７の周方向両端部と第２永久磁石２９ａ，２９ｂとの間に形成されるｑ軸磁路出入口部分が狭くて、第１永久磁石２７の周方向中央部と第２永久磁石２９ａ，２９ｂとの間に形成されるｑ軸磁路中央部分が広くなっていることで、ｑ軸磁路出入口部分における磁気飽和が起こり易く、かつ、第１および第２永久磁石で囲まれた略三角状の鉄心領域をｑ軸磁路として有効活用できていなかった。
【００３８】
これに対し、本実施形態の回転子１０によれば、磁極２４内におけるｑ軸磁路に関して、中央部分５０ｃと出入口部分５０ａ，５０ｂとが略同一幅に形成されているから、ｑ軸磁路出入口部分５０ａ，５０ｂでの磁気飽和を抑制しながらｑ軸磁路出入口部分５０ａ（または５０ｂ）からｑ軸磁路中央部分５０ｃにかけての鉄心領域をｑ軸磁路として有効に活用することができる。これにより、ｑ軸インダクタンスＬqが増加してリアクタンストルクが増すことにより、固定子巻線の電流が同一であってもより効率的に高トルク出力を得ることが可能になる。
【００３９】
また、上記のように第１永久磁石２６の内周側に略同一幅の第２の穴４３を対向配置してｄ軸インダクタンスＬdを効果的に低減することによっても、ｄ軸インダクタンスＬdとｑ軸インダクタンスＬqとの差（「Ｌd−Ｌｑ」の絶対値）に比例して大きくなるリアクタンストルクの増加につながる。
【００４０】
換言すれば、同一トルクを得るための永久磁石の使用量を減らすことができ、磁石コストを低減することができる。加えて、第１および第２永久磁石２６，２８ａ，２８ｂを同一形状および大きさを有するものとすれば、磁石の製造および管理に要するコストを低減できるとともに磁石組付性も向上する。
【００４１】
なお、上述した構成の実施形態においては種々の変更および改良が許容される。例えば、上記においては、低透磁率領域４０が３つの穴４１，４２，４３を含んで構成されるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、１つのブリッジ部によって区画された２つの穴によって構成されてもよいし、あるいは、ブリッジ部が存在しない１つの穴によって構成されてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１０  回転電機用回転子、１２  回転子鉄心、１３  外周面、１４  シャフト、１５  フランジ部、１６  エンドプレート、１８  固定部材、２０  かしめ部、２２  押え部、２４  磁極、２６  第１永久磁石、２８ａ，２８ｂ  第２永久磁石、３２  ポケット部、３４  外周側穴、３６  第２磁石挿入穴、３８  ポケット部、４０  低透磁率領域、４１，４２  第１の穴、４３  第２の穴、４４  ブリッジ部、５０ａ  ｑ軸磁路出入口部分、５０ｃ  ｑ軸磁路中央部分、Ｌd  ｄ軸インダクタンス、Ｌq  ｑ軸インダクタンス。
【図１】
2012161226.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2012161226.tif 000005
【図３】
2012161226.tif 000006