特開 2024-92790 電動機の回転子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024092790

(43)【公開日】2024-07-08

(54)【発明の名称】電動機の回転子

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/276 20220101AFI20240701BHJP

【ＦＩ】

H02K1/276

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022208948

(22)【出願日】2022-12-26

(71)【出願人】

【識別番号】000003115

【氏名又は名称】東洋電機製造株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000305

【氏名又は名称】弁理士法人青莪

(72)【発明者】

【氏名】永徳 航一

【テーマコード（参考）】

5H622

【Ｆターム（参考）】

5H622AA03

5H622CA02

5H622CA05

5H622CA10

5H622CB04

5H622CB05

(57)【要約】

【課題】外周寄り部分に、スロットが複数開設され、各スロットに永久磁石３が内挿され、各スロットの軸方向に直交する方向の断面形状は、径方向外側の辺の周方向長さが径方向内側の辺の周方向長さよりも長い、線対称な四角形の４つの角部がＲ状に形成された形状であり、永久磁石３の径方向の断面形状は、４つの角部Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８がＲ状に形成された形状である電動機の回転子において、各スロットが開設された部分に加わる、径方向外方に向かう応力を低減させて磁気特性と機械的耐久性との両立を図る。
【解決手段】各スロットの少なくとも径方向外側に位置する２つのＲ部の曲率が、径方向外側に位置する永久磁石３の２つのＲ部の曲率よりも大きく、永久磁石３の径方向外側に位置する各Ｒ部が、各スロットの径方向外側に位置する各Ｒ部の一部に内接する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外周寄り部分に、軸方向にのびるスロットが、周方向の間隔を存して複数開設され、各スロットに永久磁石が内挿される電動機の回転子であって、
各スロットの軸方向に直交する方向の断面形状は、径方向外側の辺の周方向長さが径方向内側の辺の周方向長さよりも長く、各辺の中点と回転子の回転中心とを通る直線を対称軸とする線対称な四角形の４つの角部がＲ状に形成された形状であり、永久磁石の径方向の断面形状は、各スロットの断面形状に対応して４つの角部がＲ状に形成された形状であるものにおいて、
各スロットの少なくとも径方向外側に位置する２つのＲ部の曲率が、各スロットの内部で径方向外側に位置する永久磁石の２つのＲ部の曲率よりも大きく、永久磁石の径方向外側に位置する各Ｒ部が、各スロットの径方向外側に位置する各Ｒ部の一部に内接するようになっていることを特徴とする電動機の回転子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、外周寄り部分に、軸方向にのびるスロットが、周方向の間隔を存して複数開設され、各スロットに永久磁石が内挿される電動機の回転子に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の電動機（いわゆる、ＩＰＭモータ）の回転子として、各スロットの軸方向に直交する方向の断面形状は、径方向外側の辺の周方向長さが径方向内側の辺の周方向長さよりも長く、各辺の中点と回転子の回転中心とを通る直線を対称軸とする線対称な四角形の４つの角部がＲ状に形成された形状であり、永久磁石の径方向の断面形状は、各スロットの断面形状に対応して４つの角部がＲ状に形成された形状であるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

このような電動機の回転子では、外周寄り部分に複数開設された各スロットに永久磁石が内挿されるため、永久磁石の漏れ磁束が減少して磁気特性が向上する。したがって、誘起電圧を高くすることができれば、回転子を囲うように設けられる固定子への通電電流が低くても、十分なトルクが発生し、電動機の出力が向上すると期待される。その一方で、回転子の径方向外端から各スロットの径方向外側の辺までの、軸方向に直交する方向の厚さが薄いため、回転子の機械的耐久性が低下しやすい。このように、電動機の上記回転子では、磁気特性と機械的耐久性とはトレードオフ関係にある。具体的には、電動機の上記回転子の機械的耐久性は、概ね回転子の周速で決まると言え、例えば、周速が１００ｍ／ｓを超えるような高速回転領域では、磁気特性と機械的特性との両立が非常に難しい。

【0004】

また、最近、上記電動機には高速回転化且つ高トルク化が要求されてきており、特許文献１記載の電動機の回転子では、その要求に応えるのが難しくなっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２１－１５８８４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、以上の点に鑑み、例えば、周速が１００ｍ／ｓを超えるような高速回転時でも、各スロットが開設された部分に加わる、径方向外方に向かう応力を低減させることができ、磁気特性と機械的耐久性との両立を図ることができる電動機の回転子を提供することをその課題としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明は、外周寄り部分に、軸方向にのびるスロットが、周方向の間隔を存して複数開設され、各スロットに永久磁石が内挿される電動機の回転子であって、各スロットの軸方向に直交する方向の断面形状は、径方向外側の辺の周方向長さが径方向内側の辺の周方向長さよりも長く、各辺の中点と回転子の回転中心とを通る直線を対称軸とする線対称な四角形の４つの角部がＲ状に形成された形状であり、永久磁石の径方向の断面形状は、各スロットの断面形状に対応して４つの角部がＲ状に形成された形状であるものにおいて、各スロットの少なくとも径方向外側に位置する２つのＲ部の曲率が、各スロットの内部で径方向外側に位置する永久磁石の２つのＲ部の曲率よりも大きく、永久磁石の径方向外側に位置する各Ｒ部が、各スロットの径方向外側に位置する各Ｒ部の一部に内接するようになっていることを特徴とする。

【0008】

本発明によれば、回転子の回転時に、永久磁石の径方向外側に位置する各Ｒ部が、各スロットの径方向外側に位置する各Ｒ部の一部に内接するため、回転子の外周寄り部分に加わる、軸方向に直交する方向の応力が、各スロットが開設された部分に集中することはなく、回転子の外周寄り部分の全体に分散し、低減する。したがって、各スロットが開設された部分の、軸方向に直交する方向外方への変形が抑えられ、磁気特性と機械的耐久性との両立が図られる。例えば、周速が１００ｍ／ｓを超える高速回転に耐え得る電動機の回転子の実現が有望視される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の電動機の回転子の一実施形態を概略的に示す要部斜視図。

【図2】図１に示す電動機の回転子を構成する電磁鋼板の正面図。

【図3】（ａ）は、図２に示す電磁鋼板に開設された、隣接する２つを示す正面図、（ｂ）は、図２に示すスロットに内挿される永久磁石を示す、軸方向に直交する方向の断面図。

【図4】図１に示す電動機の回転子を回転させた時の、永久磁石のスロットへの接触状態を示す要部拡大断面図。

【図5】図１に示す電動機の回転子を回転させた時の、回転子の径方向の変位分布を解析した変位分布図。

【図6】各スロット及び永久磁石のＲ部の夫々の曲率を同一にした電動機の回転子を回転させた時の、回転子の径方向の変位分布を解析した変位分布図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１～図４を参照して、本実施形態の電動機の回転子（以下、単に回転子と記す）について説明する。回転子１は、図２に示す複数枚の電磁鋼板１１を、図外の、電動機に設けられる回転軸の軸方向に積層し、加圧した状態で回転軸に焼嵌めしたアッセンブリである。各電磁鋼板１１は、中央部に、上記回転軸に外嵌可能な内径を有する中央開孔１１１が開設された環状の板材である。各電磁鋼板１１には、その外周寄り部分に、図１に示す各スロット２を形成する開孔１１２が、周方向の間隔を存して複数開設されている。具体的には、図３（ａ）に示すように、各開孔１１２の平面形状は、径方向外側の辺１１２ａの周方向長さＬ１が径方向内側の辺１１２ｂの周方向長さＬ２よりも長く、各辺１１２ａ，１１２ｂの中点と回転子１の回転中心とを通る直線ＣＬ１を対称軸とする線対称な四角形の４つの角部Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４がＲ状に形成された形状である。このため、回転子１では、各スロット２の軸方向に直交する方向の断面形状は、径方向外側の辺の周方向長さが径方向内側の辺の周方向長さよりも長く、各辺の中点と回転子１の回転中心とを通る直線を対称軸とする線対称な四角形の４つの角部がＲ状に形成された形状になる。そして、各スロット２では、各電磁鋼板１１の各開孔１１２でＲ状に形成された４つの角部Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４がＲ部に相当する

【0011】

また、回転子１の外周寄り部分に対応する、各電磁鋼板１１の外周寄り部分では、回転子１の磁気特性向上のために、径方向外端から各開孔１１２の径方向外側の辺１１２ａまでの、軸方向に直交する方向の厚さが薄くなっている。このような開孔１１２の重なり合いによって形成される回転子１の各スロット２には、永久磁石３が内挿される。永久磁石３の断面形状は、図３（ｂ）に示す通り、各スロット２の断面形状、すなわち、各電磁鋼板１１に開設された各開孔１１２の平面形状に対応する形状になっている。つまり、永久磁石３の断面の形状及び大きさは、各スロット２への内挿が可能になる程度に、各電磁鋼板１１に開設された各開孔１１２の形状及び大きさよりも若干小さい形状になっている。具体的には、永久磁石３の断面形状は、各開孔１１２の平面形状と同様に、各スロット２に内挿された際の、径方向外側の辺３ａの周方向長さＬ３が径方向内側の辺３ｂの周方向長さよりも長く、各辺３ａ，３ｂの中点と回転子１の回転中心とを通る直線ＣＬ２を対称軸とする線対称な四角形の４つの角部Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８がＲ状に形成された形状である。そして、永久磁石３では、Ｒ状に形成された４つの角部Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８がＲ部に相当する。

【0012】

さらに、各スロット２の少なくとも径方向外側に位置する、図１に示す２つのＲ部２１，２２の曲率、言い換えると、図３（ａ）に示す各電磁鋼板１１に開設された各開孔１１２の径方向外側に位置する、Ｒ状に形成された角部Ｃ１，Ｃ２の曲率Ｒ１が、各スロット２の内部で径方向外側に位置する永久磁石３の２つのＲ部（Ｒ状に形成された角部Ｃ５，Ｃ６）の曲率Ｒ２よりも大きくしている。Ｒ１＞Ｒ２とすることによって、回転子１では、永久磁石３の径方向外側に位置する各Ｒ部（Ｒ状に形成された角部Ｃ５，Ｃ６）が、回転子１の回転時に、各スロット２の径方向外側に位置する各Ｒ部２１，２２の一部に内接するようにしている。

【0013】

図４に示すように、回転子１が回転する時、永久磁石３には、軸方向に直交する方向の外方に遠心力が作用するため、永久磁石３は、各スロット２の内部で径方向外側に移動する。この時、永久磁石３の２つのＲ部（Ｒ状に形成された角部Ｃ５，Ｃ６）が、各スロット２の径方向外側に位置する各Ｒ部２１，２２の一部に内接する。永久磁石３の２つのＲ部の、各スロット２の各Ｒ部２１，２２への内接は、回転子１の全体では、軸方向に沿った線接触になる。このように、永久磁石３の２つのＲ部が各スロット２の各Ｒ部２１，２２に内接すると、永久磁石３の径方向外側の面３１は、各スロット２の径方向外側の面２３には接触せず、両者間に微小なギャップＧ１が生じる。同様に、永久磁石３の周方向外側の面３２も、各スロット２の周方向内側の面２４には接触せず、両者間にも微小なギャップＧ２が生じる。このため、回転子１の回転に伴う遠心力によって、回転子１の外周寄り部分に加わる、軸方向に直交する方向の応力が、各スロット２が開設された部分に集中することはなく、回転子１の外周寄り部分の全体に分散する。したがって、各スロット１が開設された部分の、軸方向に直交する方向外方への変形を抑制することができ、電動機の回転子１の、磁気特性と機械的耐久性との両立を図ることができる。

【0014】

実際に、外径１４１ｍｍの各電磁鋼板１１において、径方向外端から２．８ｍｍの位置に、径方向外側の辺１１２ａの周方向長さが１６．７ｍｍ、径方向内側の辺１１２ｂの周方向長さが１５．０ｍｍで、径方向幅が６．５ｍｍである四角形の各開孔１１２を、隣接する２つの開孔１１２，１１２の各直線ＣＬ１間の間隔を３０°として複数開設すると共に、各開孔１１２の４つの角部Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を曲率１．５ｍｍでＲ状に形成した。各電磁鋼板１１を回転軸の軸方向に積層し、加圧した状態で回転軸に焼嵌めした。また、各開孔１１２によって形成される各スロット２に内挿する永久磁石３として、径方向外側の辺３ａの周方向長さＬ３が１６．５ｍｍ、径方向内側の辺３ｂの周方向長さＬ４が１４．８ｍｍで、径方向幅が６．４ｍｍである四角形の４つの角部Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８を曲率１．３５ｍｍでＲ状に形成した断面形状を有するものを作製した。そして、永久磁石３を各スロット２に内挿し、回転子１を高速回転させた（２０，０００ｒｐｍ）。以下、実施例と呼称する。

【0015】

一方、永久磁石３の断面の形状及び大きさを、実施例の各スロット２の断面の形状及び大きさと同じものを作製し、各スロット２に内挿した以外は、実施例と同一にした。以下、比較例と呼称する。なお、図５，６では、永久磁石３は図示を省略している。

【0016】

高速回転時の回転子１の外周寄り部分の変位を有限要素法の構造解析で求めたのが、図５（実施例）及び図６（比較例）である。図５及び図６に示す各数値の単位はｍｍである。図５と図６の対比から明らかであるように、実施例では、回転軸１の外周寄り部分の内、永久磁石３の径方向外側に位置する各Ｒ部が内接する、各スロット２の径方向外側に位置する各Ｒ部２１，２２の間の範囲内で、径方向外方への変位が減少している。また、この変位の減少は、隣接する２つのスロット２，２の間の部分、通称リブ部での変位よりも小さくなっている。ただし、実施例の、リブ部での変位の大きさは、各スロット２の径方向外側に位置する各Ｒ部２１，２２の間の範囲内での変位の大きさとの対比であって、比較例の、リブ部での変位の大きさとの対比ではない。

【0017】

これに対し、比較例では、永久磁石３は、径方向外側に位置する各Ｒ部のみならず、各スロット２の径方向外側の部分に面接触するため、各スロット２の、径方向外側に位置すると共に、周方向中央に位置する部分から回転子１の径方向外方に向かう変位が、実施例と比較して大きい。この変位は、リブ部での変位に比べかなり大きい。

【0018】

以上の結果から、実施例では、回転子１の外周寄り部分に加わる、軸方向に直交する方向の応力が、各スロット２が開設された部分に集中することはなく、回転子１の外周寄り部分の全体に分散して、低減していることが確認される。したがって、各スロット２が開設された部分の、軸方向に直交する方向外方への変形が抑えられ、磁気特性と機械的耐久性との両立が図られると合理的に考えられる。例えば、周速が１００ｍ／ｓを超える高速回転に耐え得る電動機の回転子の実現が有望視される。

【0019】

一方、比較例では、回転子１の外周寄り部分に加わる、軸方向に直交する方向の応力が、各スロット２が開設された部分に集中することが確認される。したがって、各スロット２が開設された部分の、軸方向に直交する方向外方への変形を抑制するのが難しいと合理的に考えられ、磁気特性と機械的耐久性との両立は難しいと結論される。

【0020】

以上、本発明の実施形態及び実施例について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、各スロット２及び永久磁石３の具体的な寸法及び個数をはじめ、Ｒ部の曲率等については様々な態様が可能である。また、Ｒ１＞Ｒ２は、各スロット２の径方向外側に位置する少なくとも２つのＲ部２１，２２と、各スロット２に内挿される永久磁石３の径方向外側に位置する各Ｒ部との間で成立すればよく、例えば、径方向内側に位置する各スロット２の各Ｒ部と永久磁石３の各Ｒ部とでは、Ｒ１＝Ｒ２であっても構わない。

【符号の説明】

【0021】

１…回転子、２…スロット、３…永久磁石、１１２ａ…各スロット２を形成する、各電磁鋼板１１に開設された各開孔１１２の、軸方向に直交する方向の断面の径方向外側の辺、Ｌ１…辺１１２ａの周方向長さ、１１２ｂ…各スロット２を形成する、各電磁鋼板１１に開設された各開孔１１２の、軸方向に直交する方向の断面の径方向内側の辺、Ｌ２…辺１１２ｂの周方向長さ、ＣＬ１…直線、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４…各開孔１１２の角部、２１，２２…各スロット２の径方向外側に位置するＲ部、Ｒ１…Ｒ部２１，２２に相当する、各開孔１１２の角部Ｃ１，Ｃ２の曲率、Ｒ２…各スロット２の内部で径方向外側に位置する永久磁石３の各Ｒ部に相当する角部Ｃ５，Ｃ６の曲率。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】