特許 7151023 埋め込み磁石型回転子および回転電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-30

(45)【発行日】2022-10-11

(54)【発明の名称】埋め込み磁石型回転子および回転電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/276 20220101AFI20221003BHJP

【ＦＩ】

H02K1/276

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022543524

(86)(22)【出願日】2022-03-29

(86)【国際出願番号】 JP2022015396

【審査請求日】2022-07-29

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】弁理士法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松原 正克

(72)【発明者】

【氏名】鹿野 将

(72)【発明者】

【氏名】山岸 大介

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 直哉

【審査官】池田 貴俊

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－２０２０２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１３０６０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－６４４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１９５６３８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ １／２７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸方向に延びるロータシャフトと、
前記ロータシャフトの径方向外側に配され、径方向外側近傍に周方向に互いに間隔を置いて複数の永久磁石収納空間が形成された回転子鉄心と、
前記複数の永久磁石収納空間のそれぞれに収納された平板状の永久磁石と、
を有する埋め込み磁石型回転子であって、
前記永久磁石収納空間は、前記永久磁石が前記回転子鉄心に形成された磁石保持外側突起により保持されている範囲よりさらに径方向外側に向かって広がっており、当該埋め込み磁石型回転子と、当該埋め込み磁石型回転子の径方向外側に配された固定子との間のギャップ空間に連通する連通開口を有し、
前記連通開口は、前記回転子鉄心の一部であって、周方向に沿って延びた２つのチップに挟まれて形成されており、
前記回転軸方向に垂直な断面において、前記２つのチップの径方向の厚みおよび前記連通開口の周方向の幅は、前記永久磁石が破損した場合に生じた破片が、前記連通開口より突出して、前記固定子に接触することがないような寸法関係に形成されている、
ことを特徴とする埋め込み磁石型回転子。

【請求項2】

前記回転子鉄心は、積層された複数の電磁鋼板を有し、
前記寸法関係は、次の式（１）および式（２）を満たす関係であることを特徴とする請求項１に記載の埋め込み磁石型回転子。
２・Ｔ＝＜Ｌ＜Ｈ （１）
Ｌ／２－Ｗ＜δ （２）
ここで、Ｈは前記磁石保持外側突起の先端と前記磁石保持外側突起に対向する径方向外側壁との間隔、Ｌは前記連通開口の幅、Ｗは前記２つのチップの径方向の厚み、Ｔは前記電磁鋼板の板厚、δは前記ギャップ空間の径方向の幅である。なお、「Ｘ＝＜Ｙ」は、ＸがＹ以下であることを示す。

【請求項3】

前記複数の永久磁石収納空間は、それぞれの磁極部分において２つずつが径方向内側に向かって凸のＶ字状に配されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の埋め込み磁石型回転子。

【請求項4】

前記請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の埋め込み磁石型回転子と、
前記回転子鉄心の径方向外側に配された固定子と、
を備えることを特徴とする回転電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、埋め込み磁石型回転子およびこれを有する回転電機に関する。

【背景技術】

【0002】

埋め込み磁石型の回転子を有する回転電機においては、回転子鉄心内の径方向の外側に近い領域に、軸方向に伸びた貫通孔を形成して、永久磁石を収納している。通常、この貫通孔は、永久磁石を収納する空間のみではなく、その径方向の外側にも部分空間を有する。この径方向外側の部分空間は、磁束の通過を抑制するフラックスバリアとなっている。

【0003】

多くの場合、この径方向外側の部分空間と回転子鉄心の外側表面との間には、回転子鉄心の構造強度確保のために、回転子鉄心の一部であるトップブリッジが存在する。

【0004】

このトップブリッジは、磁束の通路、すなわち磁路となる。この磁路を通過する磁束は回転子内のみにとどまり固定子側と鎖交しない漏れ磁束となり、回転電機のトルク効率の低下をもたらす。

【0005】

このような背景により、トップブリッジを取り除き、上述の径方向外側の部分空間を回転子鉄心の外側空間（回転子と固定子間のギャップ空間）に連通させる方式の回転子が用いられる例がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特許第５４４７４１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

トップブリッジのない埋め込み磁石型の回転子においては、上述のように漏れ磁束の低減を図ることができる一方で、回転数の異常上昇時などの異常時において磁石の破損を生じる場合の対策をとる必要がある。すなわち、磁石の破片が、生じた場合、径方向外側の部分空間を介して、回転子鉄心の外側のギャップ空間に飛び出す可能性がある。

【0008】

仮に、磁石の破片が、ギャップ空間に飛び出した場合、回転子と固定子との間に挟まり、回転子がロックし、回転子の外側表面あるいは固定子の内側表面を破損する恐れがあるという問題がある。

【0009】

本発明の目的は、永久磁石が破損した場合でもその破片がギャップ空間に突出することのない埋め込み磁石型回転子および回転電機を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態に係る埋め込み磁石型回転子は、回転軸方向に延びるロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に配され、径方向外側近傍に周方向に互いに間隔を置いて複数の永久磁石収納空間が形成された回転子鉄心と、前記複数の永久磁石収納空間のそれぞれに収納された平板状の永久磁石と、を有する埋め込み磁石型回転子であって、前記永久磁石収納空間は、前記永久磁石が前記回転子鉄心に形成された磁石保持外側突起により保持されている範囲よりさらに径方向外側に向かって広がっており、当該埋め込み磁石型回転子と、当該埋め込み磁石型回転子の径方向外側に配された固定子との間のギャップ空間に連通する連通開口を有し、前記連通開口は、前記回転子鉄心の一部であって、周方向に沿って延びた２つのチップに挟まれて形成されており、前記回転軸方向に垂直な断面において、前記２つのチップの径方向の厚みおよび前記連通開口の周方向の幅は、前記永久磁石が破損した場合に生じた破片が、前記連通開口より突出して、前記固定子に接触することがないような寸法関係に形成されている、ことを特徴とする。

【0011】

また、本発明の実施形態に係る回転電機は、上述の埋め込み磁石型回転子と、前記固定子と、前記ロータシャフトを回転可能に支持する２つの軸受と、を備えることを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態に係る回転電機の構成を示す横断面図である。

【図2】実施形態に係る埋め込み磁石型回転子の１つの磁極部分の構成を示す部分横断面図である。

【図3】実施形態に係る埋め込み磁石型回転子の１つの永久磁石の破損の例を示す部分横断面図である。

【図4】実施形態に係る埋め込み磁石型回転子の１つの永久磁石の破損の例の場合の破片の状態を示す部分横断面図である。

【図5】実施形態に係る埋め込み磁石型回転子の１つの永久磁石の破損の例の場合の破片の状態を示す図４の連通開口近傍の拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る埋め込み磁石型回転子および回転電機について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

【0014】

図１は、実施形態に係る回転電機２００の構成を示す横断面図である。

【0015】

回転電機２００は、回転軸方向に延びたロータシャフト１１０、ロータシャフト１１０に取り付けられた回転子鉄心１２０、および複数の永久磁石１３０を有する埋め込み磁石型回転子１００と、回転子鉄心１２０の径方向外側に、ギャップ空間１５を介して回転子鉄心１２０を囲むように配された円筒状の固定子１０と、ロータシャフト１１０を回転可能に支持する２つの軸受（図示せず）とを備える。

【0016】

回転子鉄心１２０は、回転軸方向に積層された複数の電磁鋼板１２０ａを有する。各電磁鋼板１２０ａには、ロータシャフト１１０が貫通するための打ち抜き部と、永久磁石１３０が貫通するための打ち抜き部が形成されている。複数の電磁鋼板１２０ａが積層されることにより、回転子鉄心１２０において回転軸方向に延びたそれぞれの貫通孔が形成される。なお、図１では、回転子鉄心１２０が電磁鋼板１２０ａを有する場合を例にとって示しているが、これに限定されず、ロータシャフトと回転子鉄心が一体の塊状型の回転子についても適用可能である。

【0017】

永久磁石１３０は平板状である。各磁極に対応して、２つの永久磁石１３０のそれぞれを収納する２つの永久磁石収納空間１２１が径方向内側に向かって凸のＶ字状に配されている。なお、図１では、永久磁石１３０が、Ｖ字状に配されている場合を例にとって示しているが、これに限定されず、破片が突出する問題を有する配置の場合は適用が可能である。

【0018】

固定子１０の内周側には、固定子巻線（図示しない）を巻回するための複数の固定子ティース１１が、周方向に互いに間隔をおいて形成されている。

【0019】

ここで、ギャップ空間１５の径方向の幅をδとする。すなわち、ギャップ空間１５の径方向の幅δは、回転子鉄心１２０の外周面と、固定子１０の内周包絡面すなわち固定子ティース１１の径方向内側頂部との間の間隔である。

【0020】

図２は、実施形態に係る埋め込み磁石型回転子１００の１つの磁極部分の構成を示す部分横断面図である。

【0021】

Ｖ字形状を成す２つの永久磁石収納空間１２１の径方向内側端部に挟まれた領域は、回転子鉄心１２０において、２つの永久磁石収納空間１２１の径方向外側の部分と径方向内側の部分とを接続するセンターブリッジ１２６として機能する。なお、図２では、センターブリッジ１２６の中央にセンターフラックスバリア１２５が形成されているが、これがない場合であってもよい。

【0022】

それぞれの永久磁石収納空間１２１においては、永久磁石１３０を収納する部分の他に、永久磁石１３０の径方向の外側となる部分空間が存在する。

【0023】

具体的には、永久磁石収納空間１２１において永久磁石１３０より径方向外側となる部分、すなわち、センターブリッジ１２６から遠い側の部分として外側部分空間１２２が存在する。外側部分空間１２２は、連通開口１２８を介してギャップ空間１５と連通している。

【0024】

連通開口１２８は、回転子鉄心１２０の外周面の一部を形成する２つのチップ１２７ａとチップ１２７ｂとに挟まれるように形成されている。

【0025】

永久磁石収納空間１２１において、永久磁石１３０と外側部分空間１２２との間に、埋め込み磁石型回転子１００の回転中における永久磁石１３０の遠心力に抗するように、回転子鉄心１２０の一部である凸状の磁石保持外側突起１２３ｂが形成されている。磁石保持外側突起１２３ｂは、永久磁石収納空間１２１の径方向内側の面に形成されている。

【0026】

また、永久磁石収納空間１２１において永久磁石１３０より径方向内側となる部分、すなわち、センターブリッジ１２６に近い部分として内側部分空間１２４が存在する。

【0027】

図３は、実施形態に係る埋め込み磁石型回転子１００の１つの永久磁石１３０の破損の例を示す部分横断面図である。

【0028】

埋め込み磁石型回転子１００の回転中には、永久磁石１３０に掛かる遠心力は、永久磁石収納空間１２１の径方向外側壁１２１ａと、磁石保持外側突起１２３ｂとにより受けられる。

【0029】

永久磁石１３０の径方向外側側面１３０ａが接触する径方向外側壁１２１ａには突起は存在しない。

【0030】

ここで、図３に示すように、磁石保持外側突起１２３ｂの先端と径方向外側壁１２１ａとの間隔をＨとする。

【0031】

一方、永久磁石１３０の径方向外側端面１３０ｂは、径方向内側側面１３０ｃに近い側部分が磁石保持外側突起１２３ｂに接触し、その他の部分、すなわち、長さＨの部分には何も接触するものはない。したがって、永久磁石１３０の径方向外側端面１３０ｂは、磁石保持外側突起１２３ｂの先端部が接触する先端接触部１２３ｐに応力集中が生ずる。

【0032】

したがって、永久磁石１３０の欠陥は、先端接触部１２３ｐを起点として生ずる可能性が大きい。また、永久磁石１３０の径方向外側端面１３０ｂのうち、磁石保持外側突起１２３ｂに保持されている部分には圧縮応力が生ずるが、磁石保持外側突起１２３ｂに保持されていない部分には遠心力による径方向外側への荷重が掛かる。この結果、先端接触部１２３ｐを起点として生ずる欠陥には、永久磁石１３０の径方向外側端面１３０ｂに沿う方向に引張応力成分が生じる。この引張応力成分は、先端接触部１２３ｐを起点として生ずる欠陥が永久磁石１３０の内側に向かってき裂１３１として進展する原因となる。

【0033】

以上のような関係から、き裂１３１は、永久磁石１３０の径方向外側角部１３２ｃの径方向内側に向かって進展する。

【0034】

図４は、実施形態に係る埋め込み磁石型回転子１００の１つの永久磁石１３０の破損の例の場合の破片１３２の状態を示す部分横断面図である。

【0035】

図３で示したき裂１３１が、永久磁石１３０を貫通することにより破片１３２が生ずる。上述のように、き裂１３１が、永久磁石１３０の径方向外側角部１３２ｃの径方向内側に向かって進展するので、破片１３２には、径方向外側角部１３２ｃが残ることになる。

【0036】

また、埋め込み磁石型回転子１００においては、破片１３２は、破片１３２に掛かる遠心力の方向によって、径方向外側角部１３２ｃが径方向外側となった状態で移動すると考えられる。

【0037】

すなわち、チップ１２７ａに径方向外側端面１３０ｂの部分が、チップ１２７ｂに径方向外側側面１３０ａの部分が、それぞれ拘束され、径方向外側角部１３２ｃが連通開口１２８内に存在する状態であると考えられる。

【0038】

図５は、実施形態に係る埋め込み磁石型回転子１００の１つの永久磁石１３０の破損の例の場合の破片１３２の状態を示す図４の連通開口１２８の近傍の拡大図である。

【0039】

破片１３２は、外側部分空間１２２内から連通開口１２８内に突出している。

【0040】

破片１３２の径方向外側側面１３０ａがＰ１においてチップ１２７ｂの内側角部に接触し、かつ、破片１３２の径方向外側端面１３０ｂがＰ２においてチップ１２７ａの内側角部に接触している状態である。

【0041】

ロータシャフト１１０の回転軸の延びる方向に垂直な図５に示す断面において、破片１３２の径方向外側角部１３２ｃである点Ｐｔと、点Ｐ１および点Ｐ２とは、直角三角形を形成している。したがって、点Ｐｔの軌跡は、図５に示すような点Ｐ１と点Ｐ２間の間隔、すなわち連通開口１２８の幅Ｌを直径とする半円となる。ここで、直径Ｌの１／２を半径ｒとする。

【0042】

なお、連通開口１２８の幅Ｌは、製造上の制約を考慮すると、電磁鋼板１２０ａの厚みＴの２倍以上の寸法が必要である。

【0043】

この結果、半径ｒが、チップ１２７ａおよびチップ１２７ｂの厚みＷより小さい場合は、破片１３２の径方向外側側面１３０ａは、埋め込み磁石型回転子１００の外周面から突出しないことになる。

【0044】

以上より、本実施形態に係る埋め込み磁石型回転子１００は、永久磁石収納空間１２１の外側部分空間１２２に関して、以下の式（１）および式（２）の条件を満たす。
２・Ｔ＝＜Ｌ＜Ｈ （１）
Ｌ／２－Ｗ＜δ （２）
ここで、Ｈは図３に示した磁石保持外側突起１２３ｂの先端と径方向外側壁１２１ａとの間隔、Ｌは連通開口の幅、Ｗは２つのチップの径方向の厚み、Ｔは電磁鋼板１２０ａの板厚、δはギャップ空間１５の径方向の幅である。なお、「Ｘ＝＜Ｙ」は、ＸがＹ以下であることを示す。

【0045】

なお、破片１３２が回転軸方向に対して傾いた状態である場合には、図６において、破片１３２の径方向外側角部１３２ｃの図６の平面図における角度は、９０度より大きくなることから、上述の（１）をさらに余裕をもって満たすことになる。

【0046】

すなわち、本実施形態に係る埋め込み磁石型回転子１００は、式（１）および式（２）の条件を満たすことから、永久磁石１３０の破片１３２は、ギャップ空間１５に突出することがない。

【0047】

以上のように、本実施形態によれば、永久磁石が破損した場合でもその破片がギャップ空間に突出することのない埋め込み磁石型回転子および回転電機を提供することができる。

【0048】

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0049】

１０…固定子、１１…固定子ティース、１５…ギャップ空間、１００…埋め込み磁石型回転子、１１０…ロータシャフト、１２０…回転子鉄心、１２０ａ…電磁鋼板、１２１…永久磁石収納空間、１２１ａ…径方向外側壁、１２２…外側部分空間、１２３ａ…磁石保持内側突起、１２３ｂ…磁石保持外側突起、１２３ｐ…先端接触部、１２４…内側部分空間、１２５…センターフラックスバリア、１２６…センターブリッジ、１２７ａ、１２７ｂ…チップ、１２８…連通開口、１３０…永久磁石、１３０ａ…径方向外側側面、１３０ｂ…径方向外側端面、１３０ｃ…径方向内側側面、１３１…き裂、１３２…破片、１３２ｃ…径方向外側角部、２００…回転電機

【要約】

実施形態によれば、埋め込み磁石型回転子（１００）は、ロータシャフトと、複数の永久磁石収納空間（１２１）が形成された回転子鉄心（１２０）と、平板状の永久磁石（１３０）とを有する。永久磁石収納空間（１２１）は、永久磁石（１３０）が磁石保持外側突起（１２３ｂ）により保持されている範囲よりさらに径方向外側に向かって広がっており、ギャップ空間（１５）に連通する連通開口（１２８）を有する。連通開口（１２８）は、２つのチップ（１２７ａ、１２７ｂ）に挟まれて形成される。回転軸方向に垂直な断面において、２つのチップ（１２７ａ、１２７ｂ）の径方向の厚みおよび連通開口（１２８）の周方向の幅は、永久磁石（１３０）の破損により生じた破片が、連通開口（１２８）より突出して固定子に接触することがないような寸法関係に形成されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】