JP2013236418A - 回転電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータのブリッジ長を確保しつつ、ブリッジの変形を低減する。
【解決手段】ロータコア（11）の空隙（12a,12b,12c）の外周側部分と内周側部分とを一対のブリッジ部（15,15）で連結する。ブリッジ部（15）の連結方向（X）の長さ（W1）を空隙（12a,12b,12c）の径方向の幅（W2）よりも大きくし、磁極中心線（L1）と連結方向（X）とがなす角度（θ1）を、磁極中心線（L1）と、軸心（O）とブリッジ部（15）とを結ぶ線（L2）とがなす角度（θ2）よりも小さくする。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電気機械に関し、特にロータ構造に関するものである。

埋め込み磁石形モータ（いわゆるＩＰＭモータ）などの回転電気機械では、磁石の内側のコアと外側のコアとを薄肉のブリッジで繋いでロータコアを構成することが多い(例えば特許文献１を参照)。このブリッジは、磁気抵抗が大きい方が望ましいので、長さ（磁路長）も長い方がよいと考えられる。

特許３５０９４０７号公報

しかしながら、特許文献１の構造では、ブリッジは概ね周方向に延びているので、ブリッジを長くするとより大きな曲げ応力が作用し、強度低下が懸念される。

本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、回転電気機械用のロータにおいて、ブリッジ長を確保しつつ、該ブリッジの変形を低減することを目的としている。

前記の課題を解決するため、第１の発明は、
コイル（26）が巻回されるステータコア（21）と、
回転軸回りに磁極を構成する複数の空隙（12a,12b,12c）が形成されたロータコア（11）とを備え、
前記ロータコア（11）における前記空隙（12a,12b,12c）の外周側部分と内周側部分とは、一対のブリッジ部（15,15）で連結され、
それぞれのブリッジ部（15）は、連結方向（X）の長さ（W1）が前記空隙（12a,12b,12c）の径方向の幅（W2）よりも大きく形成されるとともに、前記磁極の中心（Pc）と前記ロータコア（11）の軸心（O）を結ぶ磁極中心線（L1）と、前記連結方向（X）とがなす角度（θ1）は、前記磁極中心線（L1）と、前記軸心（O）と前記ブリッジ部（15）とを結ぶ線（L2）とがなす角度（θ2）よりも小さいことを特徴とする。

この構成では、ロータコア（11）に遠心力（F）が作用すると、ブリッジ部（15）には、引張り応力と曲げ応力が作用する。すなわち、ブリッジ部（15）に作用する力（F1）は、引張り応力にも分散されることになり、ブリッジ部が周方向に形成されて曲げ応力が主に作用する従来のロータと比べ、ブリッジ部（15）の強度が向上する。

また、第２の発明は、
第１の発明の回転電気機械において、
前記空隙（12a,12b,12c）は、前記磁極毎に複数設けられていることを特徴とする。

この構成では、磁極が多層構造を有する回転電気機械において、ブリッジ部（15）の強度が向上する。

また、第３の発明は、
第１又は第２の発明の回転電気機械において、
前記空隙（12a,12b,12c）には磁石（13）が挿入されていることを特徴とする。

この構成では、埋め込み磁石形の回転電気機械（例えばＩＰＭモータ）において、ブリッジ部（15）の強度が向上する。

また、第４の発明は、
第１から第３の発明の回転電気機械の何れかにおいて、
前記ロータコア（11）において隣接する磁極間部分（11e）は、ロータコア（11）の最外周まで延びていることを特徴とする。

この構成では、ｑ軸インダクタンスがより大きくなる。

第１の発明によれば、ブリッジ部（15）の強度が向上するので、ブリッジ長を確保しつつ、該ブリッジ部（15）の変形を低減させることが可能になる。

また、第２の発明によれば、磁極が多層構造を有する回転電気機械において、ブリッジ部（15）の変形を低減させることが可能になる。

また、第３の発明によれば、埋め込み磁石形の回転電気機械において、ブリッジ長を確保しつつ、該ブリッジ部（15）の変形を低減させることが可能になる。

また、第４の発明によれば、リラクタンストルクの向上が可能になる。

図１は、実施形態１に係るモータの横断面図である。 図２は、実施形態１に係るロータコアの構成を示す平面図である。 図３は、層間のコアの形状を説明する平面図である。 図４は、ロータコアに作用する遠心力を説明する図である。 図５は、実施形態２に係るロータコアの平面図である。 図６は、実施形態３に係るロータコアの平面図である。 図７は、実施形態４に係るロータコアの平面図である。 図８は、ロータコアの変形例１に係る平面図である。 図９は、磁石の異方性（磁化方向）を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態１》
本発明の回転電気機械の一例としてモータを説明する。図１は、本発明の実施形態１に係るモータ（1）の横断面図である。このモータ（1）は、例えば空気調和機（図示は省略）の電動圧縮機に用いる。

〈全体構成〉
モータ（1）は、ロータの内部に磁石が埋め込まれたモータ（いわゆるＩＰＭモータである。この例では、モータ（1）は、図１に示すように、ロータ（10）、ステータ（20）、及び駆動軸（40）を備え、前記電動圧縮機のケーシング（50）に収容されている。なお、以下において、軸方向とは、モータ（1）の回転軸方向であって、駆動軸（40）の軸心（O）の方向をいい、径方向とは、前記軸心（O）と直交する方向をいう。また、外周側とは、前記軸心（O）からより遠い側をいい、内周側とは、前記軸心（O）により近い側をいう。

〈ステータの構成〉
ステータ（20）は、図１に示すように、円筒状のステータコア（21）と、コイル（26）とを備えている。

ステータコア（21）は、電磁鋼板をプレス加工によって打ち抜いて図１の平面形状の積層板を作成し、多数枚の積層板を軸方向に積層した積層コアである。ステータコア（21）は、１つのバックヨーク部（22）と、複数（この例では６つ）のティース部（23）と、ツバ部（24）とを備えている。

バックヨーク部（22）は、ステータコア（21）の外周部に形成された円環状の部分である。バックヨーク部（22）の外周がケーシング（50）の内面に固定されている。ティース部（23）は、バックヨーク部（22）の内周面から径方向に伸びる直方体状に形成された部分である。それぞれのティース部（23）の間には、コイル（26）が収容されるコイル用スロット（25）が形成されている。それぞれのティース部（23）には、いわゆる集中巻方式で、コイル（26）が巻回されている。巻回されたコイル（26）はコイル用スロット（25）内に収容されている。これにより各ティース部（23）において電磁石が形成される。ツバ部（24）は、それぞれのティース部（23）の内周側に連続形成されている。ツバ部（24）は、ティース部（23）よりも幅（周方向の長さ）が大きく構成され、内周側の面が円筒面に形成されている。ツバ部（24）の円筒面は、ロータ（10）の外周面（円筒面）と所定の距離（エアギャップ（G））をもって対向している。

〈ロータの構造〉
ロータ（10）は、図１に示すように、ロータコア（11）と、複数の磁石（13）（永久磁石）とを備え、円筒状である。ロータ（10）は、磁石（13）によってマグネットトルクを発生させるとともに、ロータコア（11）によってリラクタンストルクも発生させる。

ロータ（10）は、４つの磁極が形成されている。それぞれの磁極は、磁石（13）が径方向に多層（この例では３層）を構成するように設けられている。それぞれの磁石（13）は、軸方向から見て、内周側が凸となる円弧状に形成されている。本実施形態では、外周側の磁石（13）ほど長さ（弧長）が小さく形成されている。本実施形態の磁石（13）は、磁石用スロット（12a,12b,12c）に射出成形によって形成した、いわゆるボンド磁石である。

図２は、実施形態１に係るロータコア（11）の構成を示す平面図である。ロータコア（11）は、電磁鋼板をプレス加工によって打ち抜いて図２の平面形状の積層板を作成し、多数の積層板を軸方向に積層した積層コアである。ロータコア（11）の中心には、駆動軸（40）を取り付ける孔（14）が形成されている。

ロータコア（11）には、磁極毎に３つの空隙（12a,12b,12c）が形成されている。本実施形態では、これらの空隙（12a,12b,12c）は、磁石（13）をそれぞれ装着する磁石用スロットである。この例では、各磁極の磁石用スロット（12a,12b,12c）は、ロータコア（11）の軸心回りに９０°ピッチで多層に配置されている。磁石用スロット（12a,12b,12c）は、軸方向から見て、内周側が凸となる概ね円弧状に形成され、ロータコア（11）を軸方向に貫通している。

ロータコア（11）では、磁石用スロット（12a,12b,12c）の外周側部分と内周側部分とは、一対のブリッジ部（15）で連結されている。例えば図１の例では、磁石用スロット（12a）の外側部分のコア（11a）と、磁石用スロット（12a）よりも内周側の部分であるコア（11b）とが一対のブリッジ部（15）で連結されている。同様に、コア（11b）と、磁石用スロット（12b）の内周側の部分であるコア（11c）とがそれぞれ一対のブリッジ部（15）で連結され、コア（11c）と、磁石用スロット（12c）よりも内周側の部分であるコア（11d）とがそれぞれ一対のブリッジ部（15）で連結されている。

それぞれのブリッジ部（15）は、ロータコア（11）の最外周面(ステータコア（21）とエアギャップ（G）を持って対向する面)よりも内周側に設けられている。具体的には、磁石（13）の大きさ（長さ）を定め、磁石（13）の端部とブリッジ部（15）が接するようにブリッジ部（15）の位置を決めてある。これは、ボンド磁石でそれぞれの磁石（13）を構成する場合に都合がよいからである。例えば、磁石長よりも大きな磁石用スロット内にボンド磁石を形成し、磁石の両端に磁束短絡防止用の空間（磁気障壁）を形成するとすれば、ボンド磁石の射出成形時に、磁気障壁となる位置に治具を挿入するなどの手段を講じて、注入した磁石用材料が磁気障壁部分に浸入するのを防止しなければならない。

しかしながら、ブリッジ部（15）を前記位置に設けることで、前記治具は不用になり、磁石用スロット（12a,12b,12c）内に磁石用材料を射出すれば、ブリッジ部（15）によって磁石（13）の大きさを規定できる。この構成では、ブリッジ部（15）よりも外周側には空間が形成され、この空間は磁束短絡防止用の空間（バリア空間（16））として機能する。

それぞれのブリッジ部（15）は、平面形状が、連結方向が長手となる長方形であり、長手方向が磁路となる。そして、それぞれのブリッジ部（15）は、連結方向（X）の長さ（W1）が、磁石用スロット（12a,12b,12c）（空隙）の径方向の幅（W2）よりも大きく形成されている。また、磁極の中心（Pc）とロータコア（11）の軸心（O）を結ぶ線（以下、磁極中心線（L1）と呼ぶ）と、連結方向（X）とがなす角度（θ1）は、磁極中心線（L1）と、軸心（O）とブリッジ部（15）とを結ぶ線（L2）とがなす角度（θ2）よりも小さく構成されている（θ２≠０）。本実施形態では、具体的には、連結方向（X）と磁極中心線（L1）は平行、すなわち磁極中心線（L1）と連結方向（X）とが成す角度（θ1）はゼロである。なお、線（L2）は、磁石用スロット毎に定義される。したがって、θ２も磁石用スロット毎に定義される。図２では、代表で磁石用スロット（12a）についてのみ線（L2）やθ２を図示してある。図２では、線（L2）は、磁石用スロット（12a）では、コア（11a）とブリッジ部（15）との連結端部と軸心（O）とを結んでいる（他の磁石用スロットも同様）。

本実施形態では、ロータコア（11）において隣接する磁極間部分(コア（11e）)は、ロータコア（11）の前記最外周面まで延びている。これにより、ｑ軸インダクタンスがより大きくなり、リラクタンストルクの向上が可能になる。また、本実施形態では、各磁極において、層間のコア（11f,11g）は、径方向に延びている（図３参照）。こうすることで、層間のコア（11f,11g）には、引張り応力が主に作用して、曲げ応力が小さくなる。

〈ブリッジ部に作用する力〉
ロータ（10）が回転すると、ロータコア（11）には遠心力が作用する。図４は、ロータコア（11）に作用する遠心力を説明する図である。図４に示すように、例えば、ロータコア（11）のコア（11a）部分に遠心力（F）が作用すると、該コア（11a）につながる一対のブリッジ部（15,15）にもその力が作用する。遠心力（F）に応じてブリッジ部（15,15）作用する力（F1）の向きは、連結方向（X）となる。これは、ブリッジ部（15,15）の連結方向（X）と磁極中心線（L1）とが平行に形成されているからである。他のコア（11b,11c）につながるブリッジ部（15）にも同様に連結方向（X）の力（F2,F3）が作用する。

これにより、ブリッジ部（15）に作用する力（F1,F2,F3）は、ブリッジ部（15）においては主に引張り応力として作用し、曲げ応力としては殆ど作用しない。ブリッジ部（15）の変形に寄与するのは主に曲げ応力であり、ブリッジ部が周方向に形成されて曲げ応力が主に作用するロータ（以下、従来のロータと呼ぶ）と比べ、ブリッジ部（15）の強度が向上する。この利点は、ブリッジ長が長くなるほど顕著になる。

〈本実施形態における効果〉
以上の通り本実施形態によれば、ブリッジ部（15）に作用する曲げ応力を低減できるので、ブリッジ長を確保しつつ、ブリッジ部（15）の変形を低減することが可能になる。

《発明の実施形態２》
図５は、本発明の実施形態２に係るロータコア（11）の平面図である。この例では、各磁極は、一層の磁石で構成されている。すなわち、各磁極を構成する磁石（13）の層数は、前記のような３層には限らない。この例においても、ブリッジ部（15）は、連結方向（X）の長さ（W1）が、磁石用スロット（12a,12b,12c）（空隙）の径方向の幅（W2）よりも大きく形成されている。また、それぞれのブリッジ部（15）の連結方向（X）と磁極中心線（L1）は平行、すなわち磁極中心線（L1）と連結方向（X）とが成す角度（θ1）はゼロである。

《発明の実施形態３》
図６は、本発明の実施形態３に係るロータコア（11）の平面図である。この例は、ブリッジ部（15）の連結方向（X）が、実施形態１の例とは異なっている。図６に示すように、それぞれのブリッジ部（15）は、平面形状が、連結方向（X）が長手となる長方形であり、連結方向（X）（長手方向）が、軸心（O）とブリッジ部（15）とを結ぶ線（L2）と平行となるように形成されている（すなわち、θ２＝θ１である）。

本実施形態においてロータコア（11）のコア（11a）部分に遠心力（F）が作用すると、該コア（11a）につながる一対のブリッジ部（15,15）にも、遠心力（F）と同方向の力が作用する。実施形態１および２では、磁石（13）より外側のコア（11a）や、磁石（13）と磁石（13）の間のコア（11b,11c）は剛体として扱い、これらのコア（11b,11c）には、磁極中心における径方向にしか遠心力が働かないとして考えた。そのため、θ２＝０としてきた。しかし、多層の場合や回転数が大きい場合等は、磁石（13）より外側のコア（11a）や、磁石（13）と磁石（13）の間のコア（11b,11c）は遠心力によって変形し、伸びることとなり、ブリッジ部（15）における遠心力の向きは、Ｌ２の方向に近くなる。すなわち、ブリッジ部（15）に作用する力（F1）は、引張り応力が主となり、本実施形態でも従来のロータと比べ、曲げ応力が低減し、ブリッジ部（15）の強度が向上する。

《発明の実施形態４》
図７は、本発明の実施形態４に係るロータコア（11）の平面図である。このロータコア（11）は、ロータ（10）において６つの磁極を形成する。詳しくは、本実施形態では、２つの磁石（13）を外周側が開いたＶ字状に配置してひとつの磁極を構成する。そのため、それぞれの磁石用スロット（12a）は、軸方向から見て概ねＶ字状に形成され、ロータコア（11）の軸心（O）の回りに６０°ピッチで配置されている。

この例でも、磁石用スロット（12a）の外周側部分と内周側部分とは、一対のブリッジ部（15）で連結されている。それぞれのブリッジ部（15）は、平面形状が、連結方向（X）が長手となる長方形であり、その長手方向が磁路となる。そして、ブリッジ部（15）は、連結方向（X）の長さ（W1）が、磁石用スロット（12a,12b,12c）（空隙）の径方向の幅（W2）よりも大きく形成されている。また、磁極中心線（L1）と連結方向（X）とがなす角度（θ1）は、磁極中心線（L1）と、軸心（O）とブリッジ部（15）とを結ぶ線（L2）とがなす角度（θ2）よりも小さく構成されている。より具体的には、連結方向（X）と磁極中心線（L1）は平行、すなわち磁極中心線（L1）と連結方向（X）とが成す角度（θ1）はゼロである。

この例においても、ロータコア（11）のコア（11a）部分に遠心力（F）が作用すると、該コア（11a）につながる一対のブリッジ部（15,15）にもその力が作用する。このときブリッジ部（15,15）に作用する力（F1）の向きは、連結方向（X）となる。そのため、それぞれのブリッジ部（15）には、引張り応力が主に作用し、曲げ応力は殆ど作用しない。したがって、本実施形態も、従来のロータと比べ、ブリッジ部（15）の強度が向上する。すなわち、磁石（13）がＶ字状に配置されるロータ（10）においても、実施形態１と同様の効果を得ることが可能になる。

《実施形態の変形例》
前記実施形態は、以下の変形も可能である。

〈変形例１〉
図８は、ロータコア（11）の変形例１に係る平面図である。この例は実施形態２のロータコア（11）の磁石用スロット（12a）の形状を変更したものである。図８に示すように、本変形例の磁石用スロット（12a）は、ブリッジ部（15）付近を、外周側に突出（拡大）させて突出部（17）を構成してある。実施形態２では、磁石（13）は、ブリッジ部（15）付近の角が鋭角になっている。それに対し本変形例では、磁石（13）の突出部（17）付近のコーナーの角度を９０°以上とすることが可能になる。このように磁石（13）の鋭角部分がなくなることで、減磁に対し有利になる。また、磁石用スロット（12a）を外周側に突出させたことにより、ブリッジ長もより長くなり、ブリッジ部（15）における所望の磁気抵抗をより容易に得ることが可能になる。

なお、減磁対策の観点からは、磁石（13）の異方性（磁化方向）を、ブリッジ部（15）付近では、ブリッジ部（15）の長手方向と平行とするのが好ましい（図９参照）。

〈変形例２〉
また、前記実施形態のロータコア（11）は、埋め込み磁石形モータに利用する他に、いわゆるリラクタンストルクモータに用いてもよい。すなわち、前記実施形態のロータコア（11）において、空隙（12a,12b,12c）に磁石（13）を挿入せずに、これらの空隙（12a,12b,12c）を磁気障壁として用いるのである。その場合においても、ブリッジ部（15）の強度が向上するので、ブリッジ長をより長くすることができる。これにより、ブリッジ部（15）において所望の磁気抵抗を容易に得ることが可能になり、モータ（1）の性能向上が可能になる。

《その他の実施形態》
なお、ロータコア（11）やステータコア（21）は、圧粉磁心で形成してもよい。

また、前記実施形態のロータ（10）は、発電機に適用してもよい。

また、前記実施形態の磁石（13）は、ボンド磁石には限定されず、例えば焼結磁石であってコアに挿入したものであってもよい。

本発明は、回転電気機械のロータ構造として有用である。

１ モータ
１１ ロータコア
１１ｅ コア（磁極間部分）
１２ａ 磁石用スロット（空隙）
１２ｂ 磁石用スロット（空隙）
１２ｃ 磁石用スロット（空隙）
１３ 磁石
１５ ブリッジ部
２１ ステータコア
２６ コイル

Claims (4)

1. コイル（26）が巻回されるステータコア（21）と、
   回転軸回りに磁極を構成する複数の空隙（12a,12b,12c）が形成されたロータコア（11）とを備え、
   前記ロータコア（11）における前記空隙（12a,12b,12c）の外周側部分と内周側部分とは、一対のブリッジ部（15,15）で連結され、
   それぞれのブリッジ部（15）は、連結方向（X）の長さ（W1）が前記空隙（12a,12b,12c）の径方向の幅（W2）よりも大きく形成されるとともに、前記磁極の中心（Pc）と前記ロータコア（11）の軸心（O）を結ぶ磁極中心線（L1）と、前記連結方向（X）とがなす角度（θ1）は、前記磁極中心線（L1）と、前記軸心（O）と前記ブリッジ部（15）とを結ぶ線（L2）とがなす角度（θ2）よりも小さいことを特徴とする回転電気機械。
2. 請求項１の回転電気機械において、
   前記空隙（12a,12b,12c）は、前記磁極毎に複数設けられていることを特徴とする回転電気機械。
3. 請求項１又は請求項２の回転電気機械において、
   前記空隙（12a,12b,12c）には磁石（13）が挿入されていることを特徴とする回転電気機械。
4. 請求項１から請求項３の回転電気機械の何れかにおいて、
   前記ロータコア（11）において隣接する磁極間部分（11e）は、ロータコア（11）の最外周まで延びていることを特徴とする回転電気機械。

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