(57)【要約】【課題】磁束量の不足を低減し、性能向上を図ることが可能な永久磁石同期電動機を提供する。【解決手段】永久磁石同期電動機は、回転自在に支持された回転軸１４と、回転軸に取付けられ、回転軸と一体的に回転可能な円筒状の回転子鉄心１８と、回転子鉄心に取り付けられた永久磁石２４と、回転軸に取り付けられ、回転子鉄心の軸方向両端部をそれぞれ押えた押え板２２と、永久磁石と対向して設けられているとともに回転子鉄心と同軸的に設けられた固定子鉄心３０と、を有している。回転軸の軸方向に沿った固定子鉄心の長さＬ１および回転軸の軸方向に沿った回転子鉄心の長さＬ２は、Ｌ２＞Ｌ１に形成されている。【選択図】図１
2009027842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転自在に支持された回転軸と、
前記回転軸に取付けられ、回転軸と一体的に回転可能な円筒状の回転子鉄心と、
前記回転子鉄心に取り付けられた永久磁石と、
前記回転軸に取り付けられ、前記回転子鉄心の軸方向両端部をそれぞれ押えた押え板と、
前記永久磁石と対向して設けられているとともに前記回転子鉄心と同軸的に設けられた固定子鉄心と、を備え、
前記回転軸の軸方向に沿った前記固定子鉄心の長さＬ１および前記回転軸の軸方向に沿った前記回転子鉄心の長さＬ２は、Ｌ２＞Ｌ１に形成されている永久磁石同期電動機。
【請求項２】
前記回転子鉄心の軸方向両端にそれぞれ対向して設けられ、それぞれ前記回転子鉄心と前記押え板との間に位置した磁気遮蔽板を備えている請求項１に記載の永久磁石同期電動機。
【請求項３】
前記押え板は磁性体又は非磁性体で形成されている請求項１又は２に記載の永久磁石同期電動機。
【請求項４】
前記永久磁石は、前記回転子鉄心の外周側部分に設けられ、
前記各押え板は、前記永久磁石が設けられている径方向位置よりも小さな外径を有し、前記永久磁石に対して径方向にずれて設けられている請求項１又は２に記載の永久磁石同期電動機。
【請求項５】
前記永久磁石は、前記回転子鉄心の外周側部分に設けられ、
前記各押え板は、磁性体で形成され前記回転子鉄心の軸方向端に対向した内周部と、非磁性体で形成され前記永久磁石の軸方向端と対向して位置した外周部と、を有している請求項１又は２に記載の永久磁石同期電動機。
【請求項６】
前記永久磁石は、前記回転子鉄心の軸方向に沿って設けられ、その軸方向長さＬ３は、
Ｌ１≦Ｌ３＜Ｌ２となるように構成されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機。
【請求項７】
前記回転子鉄心は、その軸方向両端部が前記固定子鉄心の軸方向両端から外側に延出して配設されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機
【請求項８】
前記回転子鉄心は、その軸方向一端が前記固定子鉄心の軸方向一端と整列し、軸方向他端が前記固定子鉄心の軸方向他端から外側に延出して配設されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機
【請求項９】
密閉されたケースを備え、前記回転軸は前記ケースに回転自在に支持され、
前記回転子鉄心は前記回転軸の外周に同軸的に支持され、
前記固定子鉄心は、前記ケースに支持され、前記固定子鉄心の外側に同軸的に配設されている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機に関し、特に、ロータに界磁用の永久磁石が設けられた永久磁石同期電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用駆動装置、例えば、鉄道車両用の駆動装置は、車輪の近傍で台車内にそれぞれ設置された複数の主電動機と、これらの主電動機を駆動する制御装置と、を備えている。近年、磁石の高性能化や磁束密度を向上させる技術の進歩により、主電動機として永久磁石同期電動機が適用されるようになってきた。この場合、主電動機と、電力を供給する制御装置とは１：１に対応する。そのため、制御装置は、各主電動機の近傍に設置、または主電動機と一体型にすることが可能となる。
【０００３】
永久磁石同期電動機、例えば、インナーローラ型の永久磁石同期電動機は、一般に、回転軸に取り付けられた円筒形状の回転子鉄心と、回転子鉄心の周囲に配設された固定子鉄心と、を備えている。回転子鉄心の軸方向両端部は、回転軸に取り付けられた鉄心押さえにより押さえられ、所定位置に位置決めされている。回転子鉄心の外周部に、複数の永久磁石が取り付けられている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
通常、固定子鉄心と回転子鉄心の軸方向長さは互いに同じ長さに形成されている。そして、回転子鉄心および固定子鉄心は、その軸方向両端が径方向に沿って整列した状態で配置されている。
【特許文献１】特開平５−２２９１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のように構成された永久磁石同期電動機では、回転子鉄心の鉄心押さえから磁束が漏れてしまうため、軸方向の磁束分布で鉄心端部付近の磁束が弱くなってしまう。そのため、設計どおりの電動機性能を得ることが難しい。
【０００６】
例えば、上述した車両用駆動装置のように電動機を台車に設置する場合、電動機の軸方向の寸法を充分に取ることが難しい。このような場合、磁束漏れによる僅かな磁束量の減少も性能に大きく影響を与えてしまう。
【０００７】
この発明は、以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、磁束量の不足を抑制し、性能向上を図ることが可能な永久磁石同期電動機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の態様に係る永久磁石同期電動機は、回転自在に支持された回転軸と、前記回転軸に取付けられ、回転軸と一体的に回転可能な円筒状の回転子鉄心と、前記回転子鉄心に取り付けられた永久磁石と、前記回転軸に取り付けられ、前記回転子鉄心の軸方向両端部をそれぞれ押えた押え板と、前記永久磁石と対向して設けられているとともに前記回転子鉄心と同軸的に設けられた固定子鉄心と、を備え、  
前記回転軸の軸方向に沿った前記固定子鉄心の長さＬ１および前記回転軸の軸方向に沿った前記回転子鉄心の長さＬ２は、Ｌ２＞Ｌ１に形成されている。
【発明の効果】
【０００９】
発明の様態によれば、回転子鉄心の軸方向長さを固定子鉄心の軸方向長さより長くすることで、固定子鉄心端部付近で不足してしまう磁束量を極力少なくすることにより、性能向上を図ることが可能な永久磁石同期電動機が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態に係る永久磁石同期電動機について詳細にする。  
図１は、第１の実施形態に係る永久磁石同期電動機の縦断面図であり、回転中心から上部を示している。図２は同実施形態における回転子鉄心の一部を拡大して示す径方向断面図である。
【００１１】
図１に示すように、永久磁石同期電動機１０は、両端が閉塞したほぼ円筒状のケース１２と、ケースをほぼ同軸的に貫通して設けられた回転軸１４とを備えている。回転軸１の両端部は、それぞれ軸受１６によりケース１２に対して回転自在に支持されている。回転軸１４の一端部はケース１２から外方に突出し、出力端１４ａを構成している。
【００１２】
図１および図２に示すように、ケース１２内において、回転軸１の軸方向中央部に、円筒状の回転子鉄心１８が同軸的に固定されている。ロータとして機能する回転子鉄心１８は、磁性材、例えば、珪素鋼板からなる環状の金属板１８ａを多数枚積層して構成されている。回転子鉄心１８は、その内周面に形成されたキー溝１９を回転軸１４側に形成されたキー２１に係合させた状態で回転軸の外周に装着されている。この場合、回転子鉄心１８は、キー溝１９の中心位置が後述する磁極間の中心線上に一致するようにして装着されている。
【００１３】
回転子鉄心１８の軸方向両端面には、例えば、ステンレスで形成された環状の磁気遮蔽板２０が密着して設けられている。各磁気遮蔽板２０は、回転子鉄心１８と同一の径に形成されている。回転子鉄心１８は、回転軸１４に固定された一対の鉄心押え板２２により、軸方向両側から挟まれ、所定位置に支持および位置決めされている。各磁気遮蔽板２０は、回転子鉄心１８と鉄心押え板２２との間に位置している。鉄心押え板２２は、磁性材あるいは非磁性材により形成されている。また、各鉄心押え板２２は、環状に形成され、その外径は、回転子鉄心１８の外径よりも僅かに小さく形成されている。
【００１４】
回転子鉄心１８、鉄心押さえ２２および磁気遮蔽板２０には、これらを軸方向に貫通して延びた複数の通気孔２６が形成されている。これらの通気孔２６は、円周方向に沿って互いに等間隔を置いて形成されている。
【００１５】
回転子鉄心１８には、界磁用の複数の永久磁石２４が設けられている。各永久磁石２４は細長い板状に形成され、回転子鉄心１８の外周部に形成された空洞部２８内に埋め込まれている。図２に示すように、空洞部２８は、回転子鉄心１８の円周方向に等間隔を存して形成される磁極１８ｂとなる鉄心部分に、回転子鉄心の外周側から鉄心内に向けて所定角度傾斜し、Ｖ字状をなすように設けられている。各空洞部２８の断面はほぼ楕円形に形成されている。各空洞部２８内に、永久磁石２４が埋め込まれている。そして、Ｖ字形に配置された２つの永久磁石１３間の鉄心部分に磁極１８ｂが形成されている。
【００１６】
各永久磁石２４は、回転軸１４の軸方向に沿って延び、その軸方向長さは、回転子鉄心１８の軸方向長さＬ２と等しく形成されている。そして、各永久磁石２４は、その軸方向両端が、回転子鉄心１８の軸方向両端と一致した状態で配置されている。複数の永久磁石２４は、回転子鉄心１８の円周方向に所定の間隔をおいて配設されている。
【００１７】
各押え板２２は、永久磁石２４が設けられている径方向位置よりも大きな外径を有し、その最外周部分は永久磁石２４と軸方向に重なって配置されている。なお、永久磁石２４は、回転子鉄心１８に埋め込まれた構成に限らず、回転子鉄心の外周面に貼付された構成としてもよい。  
図１に示すように、回転子鉄心１８の外周側にはエアギャップ（空隙）を介して、円筒状の固定子鉄心３０が設けられている。固定子鉄心３０は、ケース１２の内周面に固定され、回転子鉄心１８と同軸的に配置されている。固定子鉄心３０は、磁性材、例えば、珪素鋼板からなる環状の金属板を多数枚積層して構成されている。固定子鉄心３０の内周部には、それぞれ軸方向に延びた図示しない複数のスロットが形成され、これらのスロットに固定子コイル３２が埋め込まれている。固定子コイル３２のコイルエンドは固定子鉄心３０の両端面から軸方向に張り出している。固定子鉄心３０および固定子コイル３２によりステータが構成されている。
【００１８】
図１に示すように、固定子鉄心３０の軸方向の長さをＬ１とした場合、回転子鉄心１８の軸方向長さＬ２は、Ｌ１よりも僅かに大きく（Ｌ２＞Ｌ１）形成されている。回転子鉄心１８および固定子鉄心３０は、回転子鉄心の軸方向両端部が固定子鉄心の軸方向両端から外側に延出するように、軸方向の位置を調整して配設されている。すなわち、回転子鉄心１８の内、固定子コイル３２のコイルエンド部分に対応する部位は、回転子鉄心１８の軸方向寸法に多少の余裕がある。このため、この部分を利用して、回転子鉄心１８の軸方向長さを可能か限り長く確保している。本実施形態において、回転子鉄心１８の軸方向の両端部は、それぞれ固定子鉄心３０の軸方向端からそれぞれ５ｍｍ程度、外側に突出していている。
【００１９】
ケース１２の外面には、永久磁石同期電動機１０を、例えば、電機車の台車フレームに取り付けるための図示しない台座、および他の機器と接続するための取付け座３４が設けられている。
【００２０】
以上のように構成された永久磁石同期電動機１０によれば、回転子鉄心１８の軸方向長さＬ２を固定子鉄心３０の軸方向長さＬ１より若干長くし、回転子鉄心１８の軸方向両端部を固定子鉄心の軸方向両端部を越えて外側へ突出させることで、回転子鉄心の端部付近における磁束量の不足を極力少なくすることができる。これにより、回転子鉄心の軸方向端部付近の磁束低下を抑制し、電動機の性能向上を図ることが可能となる。
【００２１】
次に、この発明の他の実施形態に係る永久磁石同期電動機について説明する。  
図３は、第２の実施形態に係る永久磁石同期電動機の縦断面図であり、回転中心から上部を示している。図中、第１の実施形態と同一の要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００２２】
図３に示すように、第２の実施形態に係る永久磁石同期電動機によれば、磁気遮蔽板が省略され、回転子鉄心１８の軸方向両端は、鉄心押え板２０に当接している。第２の実施形態において、他の構成は第１の実施形態と同一であり、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００２３】
図４は、この発明の第３の実施形態に係る永久磁石同期電動機の縦断面図であり、回転中心から上部を示している。図中、第１の実施形態と同一の要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００２４】
図４に示すように、第３の実施形態に係る永久磁石同期電動機によれば、回転子鉄心１８を保持している一対の鉄心押え板２２は、永久磁石２４が設けられている径方向位置よりも小さな外径に形成されている。これにより、各鉄心押え板２２は、回転子鉄心１８の軸方向に沿って永久磁石２４と重なることがなく、永久磁石２４に対して径方向にずれて設けられている。
【００２５】
第３の実施形態において、他の構成は第１の実施形態と同一である。第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができるとともに、鉄心押え板２２を通る磁束漏れを低減し、一層の特性向上を図ることが可能となる。
【００２６】
図５は、この発明の第４の実施形態に係る永久磁石同期電動機の縦断面図であり、回転中心から上部を示している。図中、第１の実施形態と同一の要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００２７】
図５に示すように、第４の実施形態に係る永久磁石同期電動機によれば、回転子鉄心１８を保持している一対の鉄心押え板２２は、磁性体で形成され回転子鉄心１８の軸方向端に対向した内周部２２ａと、非磁性体で形成され永久磁石２４の軸方向端と対向して位置した外周部２２ｂと、を有している。内周部２２ａは、永久磁石２４が設けられている径方向位置よりも小さな外径に形成されている。これにより、内周部２２ａは、回転子鉄心１８の軸方向に沿って永久磁石２４と重なることがなく、永久磁石２４に対して径方向にずれて設けられている。そして、非磁性体で形成された外周部２２ｂのみが回転子鉄心１８の軸方向に沿って永久磁石２４と重なって設けられている。
【００２８】
第４の実施形態において、他の構成は第１の実施形態と同一である。第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができるとともに、鉄心押え板２２を通る磁束漏れを低減し、一層の特性向上を図ることが可能となる。
【００２９】
図６は、この発明の第５の実施形態に係る永久磁石同期電動機の縦断面図であり、回転中心から上部を示している。図中、第１の実施形態と同一の要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００３０】
図６に示すように、第５の実施形態に係る永久磁石同期電動機によれば、回転子鉄心１８に埋め込まれた永久磁石２４は、回転子鉄心の軸方向に沿って設けられ、その軸方向長さＬ３は、Ｌ１≦Ｌ３＜Ｌ２となるように構成されている。ここでは、永久磁石２４は、その長さＬ３が固定子鉄心３０の軸方向長さＬ１とほぼ同一に形成され、その長手方向両端が、固定子鉄心３０の軸方向両端と整列した状態で配設されている。これにより、各永久磁石２４の長手方向両端は、回転子鉄心１８の軸方向両端から、それぞれ僅かに、例えば、５ｍｍ程度、内側にずれて位置している。
【００３１】
第５の実施形態において、他の構成は第１の実施形態と同一である。第５の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができるとともに、鉄心押え板２２を通る磁束漏れを低減し、電動機の特性向上を図ることが可能となる。
【００３２】
図７は、この発明の第６の実施形態に係る永久磁石同期電動機の縦断面図であり、回転中心から上部を示している。図中、第１の実施形態と同一の要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００３３】
図７に示すように、第６の実施形態に係る永久磁石同期電動機によれば、回転子鉄心１８の軸方向長さＬ２は、固定子鉄心３０の軸方向長さＬ１よりも長く（Ｌ２＞Ｌ１）に形成されている。回転子鉄心１８は、その軸方向一端が、固定子鉄心３０の軸方向一端と整列して、つまり、面一に位置し、軸方向他端が固定子鉄心３０の軸方向他端から外側へ延出するように配設されている。すなわち、本実施形態によれば、回転子鉄心１８の軸方向一端側のみが、固定子鉄心３０の軸方向一端から突出して配設されている。  
第６の実施形態において、他の構成は第１の実施形態と同一である。
【００３４】
以上のように構成された永久磁石同期電動機１０によれば、回転子鉄心１８の軸方向長さＬ２を固定子鉄心３０の軸方向長さＬ１より若干長くし、回転子鉄心１８の軸方向一端を固定子鉄心の軸方向一端を越えて外側へ突出させることで、回転子鉄心の一端部付近における磁束量の不足を極力少なくすることができる。これにより、回転子鉄心の軸方向端部付近の磁束低下を抑制し、電動機の性能向上を図ることが可能となる。
【００３５】
この発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００３６】
この発明に係る永久磁石同期電動機は、車両用駆動装置の電動機に限らず、自動車用モータ、産業用モータ、発電機など種々の回転電動機に適用可能である。永久磁石同期電動機の構成要素の材質、寸法等は、上述した実施形態に限定されることなく、必要に応じて種々選択可能である。永久磁石同期電動機は、インナーロータ型に限らず、アウターロータ型にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る永久磁石同期電動機の回転中心から上部のみを示した縦断面図。
【図２】図２は、上記永久磁石同期電動機における回転子鉄心の一部を拡大して示す横断面図。
【図３】図３は、本発明の第２の実施形態に係る永久磁石同期電動機の回転中心から上部のみを示した縦断面図。
【図４】図４は、本発明の第３の実施形態に係る永久磁石同期電動機の回転中心から上部のみを示した縦断面図。
【図５】図５は、本発明の第４の実施形態に係る永久磁石同期電動機の回転中心から上部のみを示した縦断面図。
【図６】図６は、本発明の第５の実施形態に係る永久磁石同期電動機の回転中心から上部のみを示した縦断面図。
【図７】図７は、本発明の第６の実施形態に係る永久磁石同期電動機の回転中心から上部のみを示した縦断面図。
【符号の説明】
【００３８】
１０…永久磁石同期電動機、１２…ケース、１４…回転軸、１６…軸受、
１８…回転子鉄心、２０…磁気遮蔽板、２２…鉄心押え板、２４…永久磁石、
３０…固定子鉄心、３２…固定子コイル、
【図１】
2009027842.tif 000003
【図２】
2009027842.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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