JP2005176424A - 回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】発生トルクを減少することなく、コギングトルクを抑制可能な回転電機の回転子を提供する。
【解決手段】回転軸１１と、回転軸に設けられた回転子鉄心１２と、回転子鉄心の外周付近に設けられた永久磁石１３とを有する回転電機の回転子であって、回転子鉄心１２は、永久磁石よりも外周側に形成され、軸方向の位置によって周方向に異なる位置に配置された空隙通路１４ｂ，１５ｂを備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機の回転子であって、外周側に永久磁石を備える永久磁石付回転子に関するものである。

回転子に永久磁石を埋め込んだ永久磁石付回転子を使用する回転電機は、損失が少なく効率がよい、出力が大きい等の理由から数多く使用されている。しかし、永久磁石付回転子を使用するとコギングトルクが発生する。ここにコギングトルクとは超低速で回転子を回転させた場合に生じる保持トルクであり、すなわち、回転電機を無励磁状態で外力により回転させた場合に生じるトルクのことである。このコギングトルクは、低負荷時の騒音や振動の原因となる。またコギングトルクが大きいと、通常の運転時のトルクリップル（脈動）も大きくなる。特に巻線が集中巻のときには一層大きくなる。そこで、特許文献１においては、集中巻の回転電機において、永久磁石式回転電機の永久磁石をずらすことで、トルクの集中を防ぎ、コギングトルクを抑制している。
特開２００３−３２９２７号公報

しかし、前述のように永久磁石をずらす構成では、固定子と回転子の極性が異なることで全体の磁束量の減少したり、ずれた磁石間で磁束が短絡する等に起因して発生トルクも減少してしまう。また、磁石をずらすための製造工程が複雑になる等の問題点があった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、発生トルクを減少することなく、コギングトルクを抑制可能な回転電機の回転子を提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段により前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、回転軸（１１）と、前記回転軸に設けられた回転子鉄心（１２）と、前記回転子鉄心の外周付近に設けられた永久磁石（１３）とを有する回転電機の回転子であって、前記回転子鉄心は、前記永久磁石よりも外周側に形成され、軸方向の位置によって周方向に異なる位置に配置された空隙通路（１４ｂ，１５ｂ）を備えることを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石よりも外周側に形成され、軸方向の位置によって周方向に異なる位置に配置された空隙通路を備えるようにした。空隙通路の位置によりコギングトルクの発生周期が異なるが、空隙通路の位置を軸方向の位置によって周方向に異なるようにしたので、互いのコギングトルクが打ち消しあうようになり、コギングトルクを抑制することができる。

以下、図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による回転子を組み込んだ回転電機を示す図であり、図１（Ａ）は回転軸に沿って切断した断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

ここでは３相８極１２スロットの集中巻永久磁石式回転電機を例に挙げて説明する。

回転子１０は、回転電機１を構成する一部品である。回転電機１は、ケース３０の内壁に保持された固定子２０を備え、さらにその内側に回転子１０を配置している。

固定子２０の歯部２１には、絶縁体２２を挟んで巻線２３が巻かれている。

回転子１０は、軸１１を有し、その軸１１がケース３０のベアリング３１で回転自在に支持されている。軸１１の周囲には、回転子鉄心１２が取り付けられてる。回転子鉄心１２の外周部分には永久磁石１３が配されている。この永久磁石１３は、図１（Ａ）に示すように回転子１０のほぼ全長に渡って延設されている。また、永久磁石１３は隣接する永久磁石の磁極が互いに相違するよう配置されている。巻線２３に電流が流れると磁束を生じて永久磁石１３に反力が発生し、回転子１０が軸１１を中心に回転する。

なお、回転子１０と固定子２０との間には隙間が存在し、互いに接触することはない。

図２は、本発明の第１実施形態に係る回転電機の回転子の斜視図である。図３は、回転子の軸に対して直交する切断面の一部（図２に破線で示した永久磁石の付近）を拡大して示した図である。なお、図３（Ａ）は第１鉄心部１４の断面を示し、図３（Ｂ）は第２鉄心部１５の断面を示す。

図２に示すように、回転子１０は軸１１の周囲に回転子鉄心１２を有している。なお、回転子鉄心１２の永久磁石１３のうちのひとつを図２に破線で示す。この回転子鉄心１２は第１鉄心部１４及び第２鉄心部１５を備える。この第１鉄心部１４及び第２鉄心部１５の軸方向長さは、同一又は略同一である。

また図３に示すように、第１鉄心部１４及び第２鉄心部１５は、外縁１４ａ，１５ａに凹設されたエアギャップ溝１４ｂ，１５ｂを有する。このエアギャップ溝１４ｂ、１５ｂは、互いに周方向にズレて、すなわち、軸方向から透視して見ればエアギャップ溝１４ｂ、１５ｂが等間隔に並んで、エアギャップ溝１４ｂが、エアギャップ溝１５ｂ間の真中に位置するように配置されている。またこのエアギャップ溝１４ｂ、１５ｂは、永久磁石１３の一極当たり２本形成されている。

続いて図４を参照して本実施形態の効果を説明する。図４（Ａ）は本実施形態及び従来の回転子のコギングトルクを示す図であり、図４（Ｂ）はトルク及びトルクリップルを示す図である。なお、図中、太実線は本実施形態であり、細実線は従来の回転子（外周表面にエアギャップ溝が形成されていない回転子）である。また、図４（Ａ）に、一点破線で第１鉄心部１４によって生じるコギングトルクを示し、点線で第２鉄心部１５によって生じるコギングトルクを示す。

図４（Ａ）に示されているように、第１鉄心部１４及び第２鉄心部１５のコギングトルクは、いずれも従来の回転子よりも大きくなる。しかし、両者を組み合わせることでコギングトルクを従来の回転子よりも小さくすることができる。

また、このときの発生トルクは、図４（Ｂ）に示す通りであるが、この図より従来の発生トルクを低減することなく、トルクリップルを低減していることがわかる。

また、例えば、特開２００３−３２９２７号公報（図１０参照）では、永久磁石をずらす構成とすることで、トルクの集中を防ぎ、コギングトルクを抑制している。しかし、この方法では、固定子と回転子の極性が異なることでの全体の磁束量の減少、ずれた磁石間で磁束が短絡する等により発生トルクも減少してしまう。また、磁石をずらすための製造工程が複雑になる。ところが、本実施形態では、永久磁石１３自体は、回転子１０のほぼ全長に渡って延設するようにしたので、発生トルクを低下させない。また製造も容易である。

さらに、特開２００３−２３７４０号公報（図１１参照）に開示されているように、永久磁石式回転電機の回転子の外周を、円形状から誘起電圧が略正弦波状になるようなアーク形状とすることで、コギングトルクを抑制している。しかし、この方法では、全体の磁気抵抗が増加することにより磁束量が減少し、発生トルクも減少してしまう。また、回転子外周が円形状でないため、製作しづらい。さらに、集中巻では、固定子の歯部が少ないため、効果が得にくい。ところが、本実施形態では、全体の磁気抵抗が増加することがなく発生トルクを減少させない。また本実施形態では、形状も複雑でないので製造が容易である。また、固定子の歯部が少ない回転電機の固定子の巻線が集中巻きであっても、本発明の永久磁石付回転子を使用すれば、発生トルクを低減することなく、コギングトルク及びトルクリップルを低減することができる。

なお、第１鉄心部１４及び第２鉄心部１５は、それぞれ独自の鉄心を使用して作製してもよいが、例えば、同一の鉄心を表裏逆にすることでエアギャップ溝を周方向に変化させる構成としてもよい。そのようにすれば、独自の鉄心を製造する必要がなく、同一の鉄心を用いればよいので、金型を増やすことなく、工程を簡略化して製造可能であり、すなわち、製造コストを安価に抑えつつ、コギングトルク及びトルクリップルを低減することが可能である。

また、本実施形態では、図３に示すように、磁石１極組当り２つのエアギャップ溝を回転子の外周に形成しているが、これを、さらに増やせば、１つ当りのエアギャップ溝を小さくすることができ、コギングトルクの調整が一層容易になり、コギングトルク及びトルクリップルを低減することができる。

（第２実施形態）
図５は本発明による回転子の第２実施形態を示す斜視図である。また図６は、回転子の軸に対して直交する切断面の一部を拡大して示した図であり、第１実施形態の図３に相当する図である。すなわち、図６（Ａ）は第１鉄心部の断面を示し、図６（Ｂ）は第２鉄心部の断面を示す。

なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

本実施形態では、回転子１０の外周表面にはエアギャップ溝は形成されていないが（図５参照）、第１鉄心部１４及び第２鉄心部１５の外縁１４ａ，１５ａと永久磁石１３とのあいだの部分を貫通してエアギャップ孔１４ｃ，１５ｃが形成されている（図６参照）。これらのエアギャップ孔１４ｃ，１５ｃは、互いに周方向にズレて、すなわち、軸方向から透視して見ればエアギャップ孔１４ｃ，１５ｃが等間隔に並んで、エアギャップ孔１４ｃが、エアギャップ孔１５ｃ間の真中に位置するように配置されている。

本実施形態によってもコギングトルク及びトルクリップルの低減を図ることができる。また、回転子１０の外周表面にはエアギャップ溝等は形成されていないので、最外周面は円筒形を保つことができる。したがって、回転時の風損の増加、異音の発生を防止可能である。

なお、本実施形態においても、同一の鉄心を表裏逆にすることでエアギャップ孔１４ｃ，１５ｃを周方向に変化させる構成とすれば製造コストを安価に抑えることができる。

（第３実施形態）
図７は本発明による回転子の第３実施形態を示す斜視図である。

本実施形態では、軸１１の方向に沿って、回転子１０の外周部のエアギャップ溝が周方向に２回以上（本実施形態では４回）ズレるように、２種類の回転子鉄心１４，１５を互い違いに用いている。なお、本実施形態においても、同一の鉄心を表裏逆にしてエアギャップ溝を周方向に変化させる構成としてもよい。

このように２種類の回転子鉄心１４，１５を互い違いに配置することで、少ない回転子鉄心で、ラジアル方向に発生するアンバランスを低減することが可能となる。

（第４実施形態）
図８は本発明による回転子の第４実施形態を示す斜視図である。

本実施形態では、２種類以上の複数種類（本実施形態では４種類）の回転子鉄心１６，１７，１８，１９を用いて、軸１１の方向に沿って、エアギャップ溝１６ｂ，１７ｂ，１８ｂ，１９ｂが周方向に徐々にズレるようにした。

このようにすることで、一層精緻にコギングトルクを調整することができるようになり、コギングトルク・トルクリップルを低減することが可能である。なお、本実施形態においても、２種類の鉄心を表裏逆に使用することで、例えば、一の鉄心で回転子鉄心１６，１９を形成し、他の鉄心で回転子鉄心１７，１８を形成してもよい。また、本実施形態では、エアギャップ溝が周方向に徐々にズレるようにしたが、例えば、軸先端側から、回転子鉄心１６，１８，１７，１９というように配置してもよい。すなわち、エアギャップ溝が周方向に異なるように配置すれば、軸方向に沿って徐々にズレるようにしなくてもよい。

（第５実施形態）
図９は本発明による回転子の第５実施形態を示す断面図であり、第１実施形態の図３に相当する図である。

本実施形態では、回転子鉄心１２（第１鉄心部１４及び第２鉄心部１５）の外周に形成されたエアギャップ溝１４ｂ，１５ｂに樹脂を充填して埋めた。

このようにすることで、回転子の強度の向上を図ることができる。また、回転時の風損、異音を低減することができる。

なお、このような樹脂の充填は、上記の第２実施形態のように回転子鉄心１２（第１鉄心部１４及び第２鉄心部１５）の外周部分にエアギャップ孔１４ｃ，１５ｃを形成したタイプであっても実施可能である。このようにエアギャップ孔１４ｃ，１５ｃに樹脂を充填して埋めれば、回転子１０の強度アップを図ることができる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

例えば、上記では極数が８極のものを例示して説明したが、他の極数であっても本発明は適用可能である。

また、上記では回転子鉄心を電磁鋼板を積層することを仮定して説明しているが、回転子鉄心は圧粉コアでもよい。

さらに、上記説明においては回転電機と述べているが、それは電動機でも発電機でもよい。

本発明による回転子を組み込んだ回転電機を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る回転電機の回転子の斜視図である。 回転子の軸に対して直交する切断面の一部（図２に破線で示した永久磁石の付近）を拡大して示した図である。 本実施形態の効果を説明する図である。 本発明による回転子の第２実施形態を示す斜視図である。 回転子の軸に対して直交する切断面の一部を拡大して示した図である。 本発明による回転子の第３実施形態を示す斜視図である。 本発明による回転子の第４実施形態を示す斜視図である。 本発明による回転子の第５実施形態を示す断面図である。 従来例１の回転子の斜視図である。 従来例２の回転子の断面図である。

符号の説明

１ 回転電機
１０ 回転子
１１ 軸
１２ 回転子鉄心
１３ 永久磁石
１４ 第１鉄心部
１４ｂ エアギャップ溝（空隙通路）
１４ｃ エアギャップ孔（空隙通路）
１５ 第２鉄心部
１５ｂ エアギャップ溝（空隙通路）
１５ｃ エアギャップ孔（空隙通路）
２０ 固定子
３０ ケース

Claims (8)

1. 回転軸と、
   前記回転軸に設けられた回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の外周付近に設けられた永久磁石と、
   を有する回転電機の回転子であって、
   前記回転子鉄心は、前記永久磁石よりも外周側に形成され、軸方向の位置によって周方向に異なる位置に配置された空隙通路を備える、
   ことを特徴とする回転電機の回転子。
2. 前記回転子鉄心は、前記永久磁石を挿入する挿入孔と、前記空隙通路を形成する空隙部とを有する複数種類の鉄心部を軸方向に並べており、
   前記複数種類の鉄心部は、各種類ごとに、前記空隙部の前記挿入孔に対する周方向の相対位置が異なるように形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記回転子鉄心は、単一種類の鉄心部の表裏を逆に配置することで前記複数種類の鉄心部を構成する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の回転電機の回転子。
4. 前記空隙通路は、軸方向から透視して見たときに各空隙通路が等間隔に並ぶように配置されている、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
5. 前記空隙通路は、前記回転子鉄心の外縁に凹設されたエアギャップ溝である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
6. 前記空隙通路は、前記回転子鉄心の外縁と前記永久磁石とのあいだを貫通して形成されたエアギャップ孔である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
7. 前記空隙通路は、前記永久磁石１極組当たり２つ以上の通路が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
8. 前記空隙通路は、樹脂が充填されている、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の回転電機の回転子。

Images