JP5279777B2

JP5279777B2 - 同期電動機の回転子

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Publication number: JP5279777B2
Application number: JP2010191600A
Authority: JP
Inventors: 篤松岡; 和彦馬場
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-08-28
Filing date: 2010-08-28
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2030-08-28
Also published as: JP2012050274A

Description

この発明は、永久磁石を用いる同期電動機の回転子に関する。

空気調和機を含む家庭用電気製品の、例えば、送風機等に用いられる同期電動機（ブラシレスＤＣモータ）は、効率の高いこと、あるいは小型、軽量であることが求められる場合が多い。これらの要求に応えるために、ＮｄＦｅＢの焼結磁石に代表されるような、磁力の高い永久磁石を採用するものが多い。

ＮｄＦｅＢは、ネオジム、鉄、ホウ素の化合物であり、代表的なものとして、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂが大変強力な永久磁石・ネオジム磁石となることで、いろいろな分野で利用されている。

ＮｄＦｅＢのような希土類の焼結磁石の場合、大きな塊から必要な形状の永久磁石を切り出すという製造方法をとることが多い。そのため、加工コストを含めた永久磁石の価格を抑えるために、比較的単純な形状である平板の永久磁石が多く用いられる。

このような平板状の永久磁石を用いる同期電動機では、磁性材料の内部に永久磁石を配置する、磁石埋め込み型（ＩＰＭ：ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）の回転子を用いることが多い。この場合、隣り合って配置される永久磁石の間には磁性体（回転子鉄心）が存在する。そのため、この磁性体の部分で磁極間の磁束が短絡してしまい、固定子の巻線に鎖交する回転子の磁束が減少してしまう。磁極数が多くなると、この磁束が短絡する場所が増えることになるため、固定子の巻線に鎖交する磁束がさらに減少してしまう。このため、一般的には、磁極間の磁性体を極力薄肉で構成し、部分的に磁気飽和を起こさせて、磁極間で磁束の短絡が生じることを抑えるという方法がとられる。

磁束の短絡をさらに抑える方法として、磁極間の磁性体を取り除いた形態をとる回転子が提案されている。即ち、回転子を構成する磁性体を一体の部品で構成せず、平板状の永久磁石の内周側の磁性体部と永久磁石の外周側の磁性体部を別部品で構成して、軸方向の両側から、それらを貫通して一体化する部材を用いて構成する回転子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−１６４７８４号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の回転子は、磁極間の磁束短絡を防止して、固定子巻線により多くの磁束を鎖交させることが可能であるが、回転子の永久磁石内側の磁性体材料と永久磁石外側の磁性体材料が別部品となるため、組立の工程が増えるという課題が生じる。

また、回転子の磁極間に磁性体がないため、磁極間付近での磁束の密度の変化が大きく、同期電動機のコギングトルクが増加し、振動・騒音の要因となりやすい。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、以下に示す同期電動機の回転子を提供する。
（１）回転子の磁束をより多く固定子巻線に鎖交させ、効率の良い同期電動機を実現するための同期電動機の回転子；
（２）組立工程が複雑にならず、加工コストの増加を抑えることができる同期電動機の回転子；
（３）コギングトルクの増大を抑えて振動、騒音の悪化を抑制することができる同期電動機を実現するための同期電動機の回転子。

この発明に係る同期電動機の回転子は、所定の形状に打ち抜かれた軟磁性体を所定枚数、外周鉄心部においてカシメにより積層して形成される回転子鉄心の内部に磁極を構成する永久磁石が配置される同期電動機の回転子において、
回転子鉄心は、
回転子鉄心の外周縁に沿って形成され、永久磁石が挿入される永久磁石挿入部と、
永久磁石挿入部の内側に形成される内側鉄心部と、
永久磁石挿入部の外側の各磁極に形成される外周鉄心部と、
内側鉄心部と前記外周鉄心部とを、各磁極のいずれか一方の端部において連結する連結部並びに外周薄肉部と、
各磁極の連結部並びに外周薄肉部が設けられる一方の端部と反対側の端部に設けられ、永久磁石挿入部に連通する開口部と、を備えたものである。

この発明に係る同期電動機の回転子は、永久磁石の磁束が回転子鉄心の内部で短絡するのを抑えていると共に、回転子の加工コストを抑え、さらにはコギングトルクの増加を抑えることで、高効率、低コスト、低騒音である同期電動機の回転子の実現が可能となる。

実施の形態１を示す図で、同期電動機の回転子１００の横断面図。実施の形態１を示す図で、同期電動機の回転子１００の斜視図。実施の形態１を示す図で、回転子鉄心１０１の横断面図。実施の形態１を示す図で、回転子鉄心１０１の斜視図。図３のＡ部拡大図。実施の形態１を示す図で、変形例１の同期電動機の回転子２００の斜視図。実施の形態１を示す図で、変形例１の回転子鉄心２０１の斜視図。実施の形態１を示す図で、第１の回転子鉄心２０１−１の横断面図。実施の形態１を示す図で、第２の回転子鉄心２０１−２の横断面図。（ａ）は図８のＢ部拡大図、（ｂ）は図８のＣ部拡大図。実施の形態１を示す図で、変形例２の同期電動機の回転子３００の斜視図。実施の形態１を示す図で、変形例２の回転子鉄心３０１の部分拡大図。実施の形態１を示す図で、回転子１００〜３００を用いた同期電動機と従来の同期電動機の誘起電圧の実効値を比較した図。実施の形態１を示す図で、回転子１００〜３００を用いた同期電動機と従来の同期電動機の誘起電圧の波形の比較した図。実施の形態１を示す図で、回転子１００〜３００を用いた同期電動機と従来の同期電動機のコギングトルク振幅を比較した図。実施の形態１を示す図で、回転子１００〜３００を用いた同期電動機と従来の同期電動機のコギングトルクの波形を比較した図。実施の形態１を示す図で、変形例３の同期電動機の回転子６００の横断面図。実施の形態１を示す図で、変形例３の同期電動機の回転子６００の斜視図。実施の形態１を示す図で、変形例３の回転子鉄心６０１の横断面図。実施の形態１を示す図で、変形例４の同期電動機の回転子７００の斜視図。実施の形態１を示す図で、変形例５の同期電動機の回転子８００の斜視図。比較のために示す図で、一般的な同期電動機の回転子４００の横断面図。比較のために示す図で、一般的な同期電動機の回転子５００の横断面図。

実施の形態１．
図１乃至図５は実施の形態１を示す図で、図１は同期電動機の回転子１００の横断面図、図２は同期電動機の回転子１００の斜視図、図３は回転子鉄心１０１の横断面図、図４は回転子鉄心１０１の斜視図、図５は図３のＡ部拡大図である。

同期電動機の回転子１００を、回転子１００と呼ぶことにする。また、回転子１００を、単にロータと呼ぶ場合もある。
同期電動機は、例えば、固定子（図示せず）に三相巻線が施され、インバータにより駆動されるブラシレスＤＣモータである。

回転子１００は、図１、図２に示すように、少なくとも略円柱状の回転子鉄心１０１と、回転子鉄心１０１の永久磁石挿入部１０２に挿入される平板状の永久磁石１０３と、回転子鉄心１０１の略中心に固定される回転軸１０４とを備える。

図１、図２に示す回転子１００は、周方向に極性が交互に異なるように配置される永久磁石１０３を８個備える８極のロータである。

尚、図示はしないが、回転子１００の軸方向両端部に、永久磁石１０３の軸方向の抜けを止める端板が設けられる。端板は、例えば、回転子鉄心１０１を貫通するリベット等により固定される。

また、図示はしないが、永久磁石１０３は、例えば、永久磁石挿入部１０２に位置決め用の突出部を設け、その突出部により周方向の位置決めがなされる。位置決め用の突出部は、例えば、永久磁石挿入部１０２の内側の面の二箇所に設けられる。

図３乃至図５を参照しながら回転子鉄心１０１について説明する。本実施の形態は、回転子鉄心１０１に特徴があるので、詳細に説明する。回転子鉄心１０１は、電磁鋼板に代表される軟磁性体（厚さが、０．１〜１．０ｍｍ程度）を所定の形状に打ち抜き、所定枚数積層して形成される。所定の形状に打ち抜かれた軟磁性体板は、各軟磁性体板に形成される切り起こし突起を軸方向に隣接する軟磁性体板で嵌合させて固定する一般的なカシメ（カシメ部１０７）により積層される。

回転子鉄心１０１には、外周部に沿って８個の永久磁石挿入部１０２（断面が略バスタブ形状、内側に凸）が、略正八角形に形成されている。これらの永久磁石挿入部１０２を間にして、永久磁石挿入部１０２よりも外側の鉄心部分を外周鉄心部１０１ａ、永久磁石挿入部１０２よりも内側の鉄心部分を内側鉄心部１０１ｂとする。回転子鉄心１０１の中心部に回転軸１０４が嵌合する軸孔１０５が形成されている。

本実施の形態の回転子１００並びに回転子鉄心１０１の特徴を分かりやすくするために、一般的な同期電動機の回転子４００，５００について説明しておく。

図２２は比較のために示す図で、一般的な同期電動機の回転子４００の横断面図である。一般的な同期電動機の回転子４００は（以下、回転子４００）は、略円柱状の回転子鉄心４０１と、回転子鉄心４０１の永久磁石挿入部４０２に挿入される平板状の永久磁石４０３と、回転子鉄心４０１の略中心に固定される回転軸４０４とを備える。

回転子鉄心４０１は、回転子鉄心１０１と同様、電磁鋼板に代表される軟磁性体（厚さが、０．１〜１．０ｍｍ程度）を所定の形状に打ち抜き、所定枚数積層して形成される。所定の形状に打ち抜かれた軟磁性体板は、各軟磁性体板に形成される切り起こし突起を軸方向に隣接する軟磁性体板で嵌合させて固定する一般的なカシメ（カシメ部４０７）により積層される。

回転子鉄心４０１には、外周部に沿って８個の永久磁石挿入部４０２（断面が略バスタブ形状、内側に凸）が、略正八角形に形成されている。これらの永久磁石挿入部４０２を間にして、永久磁石挿入部４０２よりも外側の鉄心部分を外周鉄心部４０１ａ、永久磁石挿入部４０２よりも内側の鉄心部分を内側鉄心部４０１ｂとする。

回転子鉄心４０１は、全ての極間において、外周鉄心部４０１ａと内側鉄心部４０１ｂとが、連結部４０６並びに外周薄肉部４０６ａで連結している。

回転子鉄心４０１は、隣接して配置される永久磁石４０３の間に磁性体（連結部４０６並びに外周薄肉部４０６ａ）が存在する。そのため、この磁性体の部分で磁極間の磁束が短絡してしまい、固定子の巻線に鎖交する回転子４００の磁束が減少する。また、磁極数が多くなると、この磁束が短絡する箇所が増えるため、固定子の巻線に鎖交する磁束がさらに減少する。それにより、回転子４００を用いる同期電動機は、永久磁石４０３の磁束をフルに利用できないためトルクが出ないという課題がある。

図２３は比較のために示す図で、一般的な同期電動機の回転子５０の横断面図である。一般的な同期電動機の回転子５００は（以下、回転子５００）は、回転子鉄心５０１と、回転子鉄心５０１の永久磁石挿入部５０２に挿入される平板状の永久磁石５０３と、回転子鉄心５０１の略中心に固定される回転軸５０４とを備える。

回転子鉄心５０１が分割された外周鉄心部５０１ａ並びに内側鉄心部５０１ｂとで構成される。永久磁石５０３は、外周鉄心部５０１ａと内側鉄心部５０１ｂとの間に設けられる。分割された外周鉄心部５０１ａ並びに内側鉄心部５０１ｂは、図示しないが、軸方向の両側から外周鉄心部５０１ａ並びに内側鉄心部５０１ｂを貫通して一体化する部材を用いて一体化している。

磁極間に開口部５０８が形成されているので、磁極間の磁束短絡を防止して、固定子の巻線により多くの磁束をさせることが可能であるが、回転子５００の永久磁石５０３内側の内側鉄心部５０１ｂと、永久磁石５０３外側の外周鉄心部５０１ａが別部品となるため、組立の工程が増えるという課題が生じる。

また、回転子５００の磁極間に磁性体がないため、磁極間付近での磁束の密度の変化が大きく、同期電動機のコギングトルクが増加し、振動・騒音の要因となりやすい。

本実施の形態の回転子鉄心１０１は、外周鉄心部１０１ａと内側鉄心部１０１ｂとが、一磁極において片側の極間で連結部１０６並びに外周薄肉部１０６ａで連結している。そして、一磁極の他方の極間は、開口部１０８が形成されていて、外周鉄心部１０１ａと内側鉄心部１０１ｂとは分離している。

言い換えれば、永久磁石挿入部１０２は、回転子鉄心１０１において磁性体で完全に囲まれた空間ではなく、開口部１０８において回転子鉄心１０１外周に開口している。

一般的に、永久磁石より生じる磁束は、磁気抵抗の低い磁性体を通過しやすく、固定子鉄心（磁性体）と回転子の外周部に空隙（数百μｍの狭い空間である）が存在することもあり、固定子鉄心へ流れるよりも回転子の内部で隣り合う磁極の外周部間を通過しやすい。このため、回転子の隣り合う外周部を通して磁極間で磁束が短絡しやすく、固定子の巻線に鎖交する磁束を減少させている。薄肉連結部（例えば、回転子４００の連結部４０６、外周薄肉部４０６ａ）は、磁束が通過しようとする磁性体の断面積を小さくすることで、磁束密度を飽和するまで高くして磁気抵抗を上げて回転子内で短絡する磁束を減らすようになっているが、完全に無くすものではない。

図３乃至図５に示すように、磁極間の薄肉連結部（連結部１０６、外周薄肉部１０６ａ）を各磁極において片側だけにすることで、隣り合う磁極間の磁束の短絡を抑制することができる。即ち、各磁極の一方の端部（極間）に、永久磁石挿入部１０２に連通する開口部１０８を設ける。

この場合でも、永久磁石１０３の磁束の一部は、外周薄肉部１０６ａ、連結部１０６、内側鉄心部１０１ｂを通って、磁極自身で短絡する部分が生じる。そのため、完全に永久磁石１０３の磁束の短絡を防止することはできないが、回転子１００内部で短絡する磁束は従来の半分にすることができる。それにより、より多くの磁束を固定子の巻線に鎖交することができ、同期電動機の誘起電圧の向上、トルクアップが図れ、同期電動機の高効率化を可能にする。

また、回転子鉄心１０１の内側鉄心部１０１ｂと外周鉄心部１０１ａとが、少なくとも一箇所の外周薄肉部１０６ａで結合されているため、回転子１００の磁性体の部品数は増えることがない。このため、組立コストの増加を抑えることができる。

図１、図２に示す回転子１００の場合、内側鉄心部１０１ｂと外周鉄心部１０１ａとを一箇所の外周薄肉部１０６ａで連結しているため、回転子１００の回転で生じる遠心力（主に、永久磁石１０３による遠心力）が外周薄肉部１０６ａに加わり、外周薄肉部１０６ａに応力が集中して変形する可能性がある。この場合、例えば、開口部の位置が異なる回転子鉄心を組合せることで、遠心力により生じる回転子鉄心１０１の変形を抑制することができる。

図６乃至図１０は実施の形態１を示す図で、図６は変形例１の同期電動機の回転子２００の斜視図、図７は変形例１の回転子鉄心２０１の斜視図、図８は第１の回転子鉄心２０１−１の横断面図、図９は第２の回転子鉄心２０１−２の横断面図、図１０（ａ）は図８のＢ部拡大図、図１０（ｂ）は図８のＣ部拡大図である。

図６乃至図１０を参照しながら、開口部の位置が異なる回転子鉄心を組合せた変形例１の同期電動機の回転子２００について説明する。同期電動機の回転子２００を、単に回転子２００と呼ぶ。また、回転子２００を、単にロータと呼ぶ場合もある。同期電動機は、例えば、固定子（図示せず）に三相巻線が施され、インバータにより駆動されるブラシレスＤＣモータである。

変形例１の回転子２００は、図６に示すように、少なくとも第１の回転子鉄心２０１−１と第２の回転子鉄心２０１−２とからなる略円柱状の回転子鉄心２０１と、回転子鉄心２０１の永久磁石挿入部２０２に挿入される平板状の永久磁石２０３と、回転子鉄心２０１の略中心に固定される回転軸２０４とを備える。

図６に示す回転子２００は、周方向に極性が交互に異なるように配置される永久磁石２０３を８個備える８極のロータである。

尚、図示はしないが、回転子１００と同様、回転子２００の軸方向両端部に、永久磁石１０３の軸方向の抜けを止める端板が設けられる。端板は、例えば、回転子鉄心２０１を貫通するリベット等により固定される。

また、図示はしないが、永久磁石２０３は、例えば、永久磁石挿入部２０２に位置決め用の突出部を設け、その突出部により周方向の位置決めがなされる。位置決め用の突出部は、例えば、永久磁石挿入部２０２の内側の面の二箇所に設けられる。

回転子鉄心２０１は、図７に示すように、第１の回転子鉄心２０１−１と第２の回転子鉄心２０１−２とを上下に二段に積層している。回転子鉄心２０１は、軟磁性体板がプレス型の中で所定の形状に打ち抜かれながら、各軟磁性体板に形成される切り起こし突起を軸方向に隣接する軟磁性体板で嵌合させて固定する一般的なカシメ（カシメ部２０７）により積層される。従って、第１の回転子鉄心２０１−１と第２の回転子鉄心２０１−２とは、カシメ部２０７にて連結している。

第１の回転子鉄心２０１−１は、図８に示すように、回転子鉄心１０１と同じ形状である。即ち、回転子鉄心２０１には、外周部に沿って８個の永久磁石挿入部２０２（断面が略バスタブ形状、内側に凸）が、略正八角形に形成されている。これらの永久磁石挿入部２０２を間にして、永久磁石挿入部２０２よりも外側の鉄心部分を外周鉄心部２０１ａ、永久磁石挿入部２０２よりも内側の鉄心部分を内側鉄心部２０１ｂとする。第１の回転子鉄心２０１−１の略中心部に回転軸２０４が嵌合する軸孔２０５が形成されている。

第１の回転子鉄心２０１−１は、外周鉄心部２０１ａと内側鉄心部２０１ｂとが、一磁極において片側の極間（図８において、一磁極において反時計方向側の極間）で連結部２０６並びに外周薄肉部２０６ａで連結している。そして、一磁極の他方の極間（図８において、一磁極において時計方向側の極間）は、開口部２０８が形成されていて、外周鉄心部２０１ａと内側鉄心部２０１ｂとは分離している（図１０も参照）。

一方、第２の回転子鉄心２０１−２は、図９に示すように、外周鉄心部２０１ａと内側鉄心部２０１ｂとを連結する連結部２０６並びに外周薄肉部２０６ａが、一磁極において時計方向側の極間に設けられる。第２の回転子鉄心２０１−２の略中心部に回転軸２０４が嵌合する軸孔２０５が形成されている。

また、一磁極において反時計方向側の極間に開口部２０８が形成されていて、外周鉄心部２０１ａと内側鉄心部２０１ｂとは分離している（図１０も参照）。その他は、第１の回転子鉄心２０１−１と同じ形状である。

回転子鉄心２０１は、第１の回転子鉄心２０１−１並びに第２の回転子鉄心２０１−２の外周鉄心部２０１ａがカシメ部２０７で結合しているため、外周鉄心部２０１ａは軸方向にみて全体が一体化されている。且つ、外周鉄心部２０１ａは、第１の回転子鉄心２０１−１並びに第２の回転子鉄心２０１−２の連結部２０６並びに外周薄肉部２０６ａにより、外周鉄心部２０１ａの両側で連結している。そのため、回転子２００の回転で生じ、外周薄肉部２０６ａに加わる遠心力（主に、永久磁石２０３による遠心力）より生じる回転子鉄心２０１の変形を抑制することができる。

第１の回転子鉄心２０１−１、第２の回転子鉄心２０１−２は、裏返しにすれば同じ形状になるが、プレス金型の中では一連の動作において裏返すことは困難である。従って、第１の回転子鉄心２０１−１と第２の回転子鉄心２０１−２とは、形状の異なるものとなる。

図７に示す回転子鉄心２０１の場合、永久磁石挿入部２０２の時計方向側が開口部２０８となっている第１の回転子鉄心２０１−１（図８）と、永久磁石挿入部２０２の反時計方向側が開口部２０８となっている第２の回転子鉄心２０１−２（図９）とが、一磁極において一箇所のカシメ部２０７で連結されているだけである。そのため、例えば、回転子２００の回転数が高くなり、外周薄肉部２０６ａに加わる遠心力（主に、永久磁石２０３による遠心力）が大きくなると一箇所のカシメ部２０７では、強度が不足する場合がある。

その場合には、ロータのコア幅（軸方向の長さ）を一定とし、ロータを軸方向に２分割した形状でなく、例えば、３分割、４分割（３分割以上）にして異なるコア同士を結合するカシメ部の数を増やすことで、ロータコアの強度を上げることができる。

図１１は実施の形態１を示す図で、変形例２の同期電動機の回転子３００の斜視図である。変形例２の回転子３００は、回転子鉄心３０１を３分割した例である。

回転子３００の回転子鉄心３０１は、上から順に第１の回転子鉄心３０１−１、第２の回転子鉄心３０１−２、第１の回転子鉄心３０１−１で構成される。第１の回転子鉄心３０１−１は、回転子鉄心２０１の第１の回転子鉄心２０１−１のコア幅（軸方向の長さ）を略半分にしたものである。また、第２の回転子鉄心３０１−２は、回転子鉄心２０１の第２の回転子鉄心２０１−２と同じ構成である。

図１１に示すその他の符号は、図６に示す符号に対して、一桁目を「２」から「３」に変えているが、その他の桁の数字もしくはアルファベットが同じものは、同じ箇所を指す。例えば、永久磁石３０３は、永久磁石２０３と同じものである。

回転子鉄心３０１は、第１の回転子鉄心３０１−１が、略半分のコア幅の二つに分割されている。従って、分割されたコアを連結するカシメ部３０７は、回転子２００の一箇所に対して、二箇所に増えている。回転子３００が回転したときの永久磁石３０３による遠心力を二箇所のカシメ部３０７で受けるため、一つのカシメ部３０７に作用する遠心力は、回転子２００（分割されたコアを連結するカシメ部２０７が一箇所）のそれの半分になる。

ロータコアを４分割すれば、分割されたコアを連結するカシメ部は三箇所になり、さらに一つのカシメ部に作用する遠心力は小さくなる。

図１２は実施の形態１を示す図で、変形例２の回転子鉄心３０１の部分拡大図である。図１２では、第１の回転子鉄心３０１−１を実線、第２の回転子鉄心３０１−２を破線で示している。

上記の変形例２の回転子３００のように異なる形状のロータコア（例えば、二つの第１の回転子鉄心３０１−１、一つの第２の回転子鉄心３０１−２）を積層する場合、内側鉄心部３０１ｂからロータ外周に延びている磁性体部分である連結部３０６があり、形状の異なるロータコアを積層した場合でも、この部分は、上下で重なり合う（図１２でハッチングで示す）。このため、内側鉄心部３０１ｂのロータ外周に延びている連結部３０６で隣り合う磁極の磁束が軸方向に流れて短絡する磁束が増加する可能性がある。

図６、図１１の場合、内側鉄心部２０１ｂ，３０１ｂから外周に延びている連結部２０６，３０６は、外周鉄心部２０１ａ，３０１ａと外周薄肉部２０６ａ，３０６ａで連結されているが、外周薄肉部２０６ａ，３０６ａはロータコアを積層したときに形状が異なるロータコア同士で上下に接触する部分が無いように構成されている。このため、外周薄肉部２０６ａ，３０６ａの磁束密度が高く磁気飽和している状態に変化は無く、異なる形状のロータコアを積層しても隣り合う磁極間の磁束の短絡量はほとんど増加しない。

図１３は実施の形態１を示す図で、回転子１００〜３００を用いた同期電動機と従来の同期電動機の誘起電圧の実効値を比較した図である。縦軸は誘起電圧を示すが、従来の開口部なしの同期電動機の誘起電圧を基準（１００［％］）とする。

図１３に示すグラフは、左より外周部の両側を薄肉連結部で結合した開口部の無い一般的な回転子４００（図２２）、外周鉄心部５０１ａを別部品で構成した、外周鉄心部５０１ａの両側に開口部５０８を設けた一般的な回転子５００（図２３）、外周鉄心部を片方のみ外周薄肉部並びに連結部で結合した、片側に開口部を持った本実施の形態の回転子１００〜３００を並べて示している。

開口部の無い回転子４００に対して、両側に開口部５０８を設けた回転子５００は、誘起電圧が１０％以上高くなっており、ロータ内部で短絡しない磁束が固定子の巻線に鎖交していることがわかる。

本実施の形態の示す回転子１００〜３００は、片側に開口部を設けてロータ内の磁束の短絡を抑えているため、両側に開口部がある回転子５００よりは効果が少ないが、開口部の無い従来の回転子４００より大きな誘起電圧が得られている。

図１４は実施の形態１を示す図で、回転子１００〜３００を用いた同期電動機と従来の同期電動機の誘起電圧の波形の比較した図である。図１４において、実線が開口部の無い一般的な回転子４００（図２２）、三角（黒ぬり）が両側に開口部５０８を設けた一般的な回転子５００（図２３）、白ぬき丸が本実施の形態の片側に開口部をもつ回転子１００〜３００の波形である。

図１４に示すように、開口部の無い回転子４００の場合、台形波に近い波形である。また、両側に開口部５０８を設けた回転子５００は、波形のピーク付近に２カ所のピークを持った歪みの大きい波形であり、次数の高い高調波成分を含んだ波形である。これらに対して、本実施の形態の回転子１００〜３００は、従来の回転子４００，５００の誘起電圧に比べると歪みの少ない波形が得られている。

図１５は実施の形態１を示す図で、回転子１００〜３００を用いた同期電動機と従来の同期電動機のコギングトルク振幅を比較した図である。

図１５は、同期電動機で生じるコギングトルクを電磁界解析によって求め、実施の形態１の回転子１００〜３００を用いた同期電動機で生じるコギングトルクと、従来の回転子４００，５００を用いた同期電動機で生じるコギングトルクとを比較したグラフである。図１５のグラフは、左より外周部の両側を外周薄肉部で結合した開口部の無い従来の回転子４００、外周鉄心部５０１ａを別部品で構成した、外周鉄心部５０１ａの両側に開口部５０８を設けた従来の回転子５００、外周鉄心部１０１ａを片側のみ外周薄肉部１０６ａで結合した、片側に開口部１０８を設けた本実施の形態の回転子１００、図６に示した２種類の形状のコアを積層した回転子２００を並べている。縦軸は従来の開口部無しの回転子４００を基準（１００［％］）にした比率［％］を示している。

図１６は実施の形態１を示す図で、回転子１００〜３００を用いた同期電動機と従来の同期電動機のコギングトルクの波形を比較した図である。また、図１６は、図１５で比較しているコギングトルクの波形を示す。

太線が開口部の無い回転子４００、三角（黒ぬり）が両側に開口部５０８を設けた回転子５００、細線が本実施の形態の開口部１０８を磁極の片側のみに設置した回転子１００、片側白ぬき丸が、図６に示す本実施の形態の、開口部２０８の位置が異なる二つのロータコア（第１の回転子鉄心２０１−１、第２の回転子鉄心２０１−２）を組合せた回転子２００の波形である。

開口部の無い回転子４００に対して、両側に開口部５０８を設けた回転子５００は、固定子に対して外周鉄心部５０１ａと開口部５０８で空隙間の磁束密度の変化が大きくなり、外周に開口部を持たない回転子４００に対して２倍以上の大きなコギングトルクが発生している。

本実施の形態の回転子１００は、開口部１０８が磁極の片側のみであるため、影響が少なく６０％程度の増加に抑えられている。

図６に示す回転子２００の場合、軸方向上下のロータコア（第１の回転子鉄心２０１−１、第２の回転子鉄心２０１−２）で開口部２０８の位置が異なり、それぞれで発生するコギングトルクの位相がずれるために、これらが打ち消し合うことでコギングトルクは２０％程度の増加に抑えられる。

図１７乃至図１９は実施の形態１を示す図で、図１７は変形例３の同期電動機の回転子６００の横断面図、図１８は変形例３の同期電動機の回転子６００の斜視図、図１９は変形例３の回転子鉄心６０１の横断面図である。

変形例３の同期電動機の回転子６００（以下、回転子６００）が、回転子１００〜３００と異なるのは、回転子６００の外周にある永久磁石挿入部６０２の開口部６０８の位置が隣り合う磁極で異なっている点である。隣り合う磁極で、開口部６０８もしくは連結部６０６（外周薄肉部６０６ａを含む）が、極間に集めて配置されている。

図１７乃至図１９において、その他の符号は、図１に示す符号に対して、一桁目を「１」から「６」に変えているが、その他の桁の数字もしくはアルファベットが同じものは、同じ箇所を指す。例えば、永久磁石６０３は、永久磁石１０３と同じものである。

図１７乃至図１９に示すような形状であっても、回転子６００の磁性体内部で短絡する磁束の量を減らすことができるため、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

回転子６００は、永久磁石６０３の磁束の一部は、外周薄肉部６０６ａ、連結部６０６が集まる極間において、磁極自身並びに磁極間で短絡する。但し、開口部６０８が形成された極間では、永久磁石６０３の磁束の短絡は無いので、全体的にみると回転子６００内部で短絡する磁束は従来の半分にすることができる。それにより、より多くの磁束を固定子の巻線に鎖交することができる。

図２０は実施の形態１を示す図で、変形例４の同期電動機の回転子７００の斜視図である。図６に示す回転子２００と同様に、形状の異なるコアを積層する回転子２００と同様の効果を得るためには、回転子７００の外周の開口部７０８、連結部７０６（外周薄肉部７０６ａを含む）の位置を一磁極分回転させてずらして積層すれば良く、ロータコアの形状は一種類で構成することができる。ロータコアを金型で打ち抜いて積層する場合には、最終段階で打ち抜いてカシメを行う際に、ロータコアを一磁極分、図２０の場合でいえば８極であるため４５°回転させて積層すれば、回転子７００を製造することが可能である。

図２０において、その他の符号は、図１７に示す符号に対して、一桁目を「６」から「７」に変えているが、その他の桁の数字もしくはアルファベットが同じものは、同じ箇所を指す。例えば、永久磁石７０３は、永久磁石６０３と同じものである。

図２１は実施の形態１を示す図で、変形例５の同期電動機の回転子８００の斜視図である。図１１に示す回転子３００と同様の効果を得るためには、図２１に示すように、回転子８００の回転子鉄心８０１を、上から順に第１の回転子鉄心８０１−１、第２の回転子鉄心８０１−２、第１の回転子鉄心８０１−１で構成すればよい。

回転子鉄心８０１は、第１の回転子鉄心８０１−１が、略半分のコア幅の二つに分割されている。従って、分割されたコアを連結するカシメ部８０７は、回転子７００の一箇所に対して、二箇所に増えている。回転子８００が回転したときの永久磁石８０３による遠心力を二箇所のカシメ部８０７で受けるため、一つのカシメ部８０７に作用する遠心力は、回転子７００（分割されたコアを連結するカシメ部７０７が一箇所）のそれの半分になる。

図２１に示すその他の符号は、図２０に示す符号に対して、一桁目を「７」から「８」に変えているが、その他の桁の数字もしくはアルファベットが同じものは、同じ箇所を指す。例えば、永久磁石挿入部８０２は、永久磁石挿入部７０２と同じものである。

本発明の活用例として、比較的運転回転数の低い送風機に用いられる同期電動機への適用が可能である。

１００回転子、１０１回転子鉄心、１０１ａ外周鉄心部、１０１ｂ内側鉄心部、１０２永久磁石挿入部、１０３永久磁石、１０４回転軸、１０５軸孔、１０６連結部、１０６ａ外周薄肉部、１０７カシメ部、１０８開口部、２００回転子、２０１回転子鉄心、２０１−１第１の回転子鉄心、２０１−２第２の回転子鉄心、２０１ａ外周鉄心部、２０１ｂ内側鉄心部、２０２永久磁石挿入部、２０３永久磁石、２０４回転軸、２０５軸孔、２０６連結部、２０６ａ外周薄肉部、２０７カシメ部、２０８開口部、３００回転子、３０１回転子鉄心、３０１−１第１の回転子鉄心、３０１−２第２の回転子鉄心、３０１ａ外周鉄心部、３０１ｂ内側鉄心部、３０２永久磁石挿入部、３０３永久磁石、３０４回転軸、３０６連結部、３０６ａ外周薄肉部、３０７カシメ部、３０８開口部、４００回転子、４０１回転子鉄心、４０１ａ外周鉄心部、４０１ｂ内側鉄心部、４０２永久磁石挿入部、４０３永久磁石、４０４回転軸、４０７カシメ部、４０８開口部、５００回転子、５０１回転子鉄心、５０１ａ外周鉄心部、５０１ｂ内側鉄心部、５０２永久磁石挿入部、５０３永久磁石、５０４回転軸、５０７カシメ部、５０８開口部、６００回転子、６０１回転子鉄心、６０１ａ外周鉄心部、６０１ｂ内側鉄心部、６０２永久磁石挿入部、６０３永久磁石、６０４回転軸、６０５軸孔、６０６連結部、６０６ａ外周薄肉部、６０７カシメ部、６０８開口部、７００回転子、７０１回転子鉄心、７０１−１第１の回転子鉄心、７０１−２第２の回転子鉄心、７０１ａ外周鉄心部、７０１ｂ内側鉄心部、７０２永久磁石挿入部、７０３永久磁石、７０４回転軸、７０６連結部、７０６ａ外周薄肉部、７０７カシメ部、７０８開口部、８００回転子、８０１回転子鉄心、８０１−１第１の回転子鉄心、８０１−２第２の回転子鉄心、８０１ａ外周鉄心部、８０１ｂ内側鉄心部、８０２永久磁石挿入部、８０３永久磁石、８０４回転軸、８０６連結部、８０６ａ外周薄肉部、８０７カシメ部、８０８開口部。

Claims

所定の形状に打ち抜かれた軟磁性体を所定枚数、外周鉄心部においてカシメにより積層して形成される回転子鉄心の内部に磁極を構成する永久磁石が配置される同期電動機の回転子において、
前記回転子鉄心は、前記軟磁性体を複数積層して形成される第１の回転子鉄心と第２の回転子鉄心とが組み合わされて形成され、前記第１の回転子鉄心と前記第２の回転子鉄心とは、夫々、
前記第１の回転子鉄心もしくは前記第２の回転子鉄心の外周縁に沿って形成され、前記永久磁石が挿入される永久磁石挿入部と、
前記永久磁石挿入部の内側に形成される内側鉄心部と、
前記永久磁石挿入部の外側の各磁極に形成される前記外周鉄心部と、
前記内側鉄心部と前記外周鉄心部とを、各磁極のいずれか一方の端部において連結する連結部並びに外周薄肉部と、
各磁極の前記連結部並びに前記外周薄肉部が設けられる一方の端部と反対側の端部に設けられ、前記外周縁から前記永久磁石挿入部まで連通する開口部と、を備え、
前記第１の回転子鉄心と前記第２の回転子鉄心とは、夫々、全ての前記磁極において、前記開口部が磁極中心に対して同じ方向の端部に存在し、前記第１の回転子鉄心と前記第２の回転子鉄心とは、前記開口部が各磁極の異なる端部に配置され、前記第１の回転子鉄心と前記第２の回転子鉄心とが組み合わされることで、前記連結部が上下で重なり合い、且つ前記外周薄肉部が上下に接触する部分が無いように構成された
ことを特徴とする同期電動機の回転子。
所定の段数重ねて形成される夫々の回転子鉄心は、前記外周鉄心部においてカシメにより結合されることを特徴とする請求項１記載の同期電動機の回転子。