特許 7612887 二層型磁石埋込式回転子、二層型磁石埋込式回転電機および二層型磁石埋込式回転子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-27

(45)【発行日】2025-01-14

(54)【発明の名称】二層型磁石埋込式回転子、二層型磁石埋込式回転電機および二層型磁石埋込式回転子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/276 20220101AFI20250106BHJP

【ＦＩ】

H02K1/276

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2023550634

(86)(22)【出願日】2022-11-04

(86)【国際出願番号】 JP2022041177

(87)【国際公開番号】W WO2024095452

(87)【国際公開日】2024-05-10

【審査請求日】2023-09-01

(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】森 大介

【審査官】若林 治男

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－０７３４１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０７５２５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６８４８１３５（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ １／２７６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸方向に延びたロータシャフトと、
前記ロータシャフトに取り付けられて、それぞれの磁極において、径方向の外側において互いに対を成すように形成された第１の外側収納孔および第２の外側収納孔と、前記第１の外側収納孔および前記第２の外側収納孔よりも径方向の内側において互いに対を成すように形成された第１の内側収納孔および第２の内側収納孔とを有する回転子鉄心と、
前記第１の外側収納孔および前記第２の外側収納孔のそれぞれに収納された第１の外側磁石および第２の外側磁石と、
前記第１の内側収納孔および前記第２の内側収納孔のそれぞれに収納された第１の内側磁石および第２の内側磁石と、
を具備する二層型磁石埋込式回転子であって、
前記第１の外側収納孔および前記第２の外側収納孔は、前記回転子鉄心の外周の外側と連通せず、
前記第１の内側収納孔および前記第２の内側収納孔は、前記回転子鉄心の外周の外側と連通する開口部が形成されており、
前記第１の内側収納孔の第１の内側収納孔径方向外側壁と前記第２の内側収納孔の第２の内側収納孔径方向外側壁とが径方向の外側に向かって開く内側開角度の値は、所定の値以上であり、かつ、前記第１の外側収納孔の第１の外側収納孔径方向外側壁と前記第２の外側収納孔の第２の外側収納孔径方向外側壁とが径方向の外側に向かって開く外側開角度の値に１０度を加えた値以下である、
ことを特徴とする二層型磁石埋込式回転子。

【請求項2】

前記外側開角度は１００度以上かつ１３０度以下であって、
前記内側開角度の前記所定の値は９６度である、
ことを特徴とする請求項１に記載の二層型磁石埋込式回転子。

【請求項3】

前記外側開角度は１００度以上かつ１４０度以下であって、
前記内側開角度の前記所定の値は前記外側開角度の値から１０度を減じた値である、
ことを特徴とする請求項１に記載の二層型磁石埋込式回転子。

【請求項4】

前記外側開角度は１００度以上かつ１４０度以下であって、
前記内側開角度の前記所定の値は、前記外側開角度の値に０．３９３を乗じた後に５１．０を加えた値である、
ことを特徴とする請求項１に記載の二層型磁石埋込式回転子。

【請求項5】

前記第１の外側収納孔と前記第２の外側収納孔とを周方向に隔てるブリッジ部は、１本であり、
前記第１の内側収納孔と前記第２の内側収納孔とを周方向に隔てるブリッジ部は、２本である、
ことを特徴とする請求項１に記載の二層型磁石埋込式回転子。

【請求項6】

請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の二層型磁石埋込式回転子と、
前記回転子鉄心の径方向外側に配された円筒形上の固定子鉄心と前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有する固定子と、
前記ロータシャフトの前記回転軸方向の両側を回転可能に支持する２つの軸受と、
前記２つの軸受のそれぞれを静止支持する２つの軸受ブラケットと、
前記固定子の径方向外側を覆うように配されて前記２つの軸受ブラケットを支持するフレームと、
を備えることを特徴とする磁石埋込式回転電機。

【請求項7】

ロータシャフトと、前記ロータシャフトに取り付けられてそれぞれの磁極において、径方向の外側において互いに対を成すように形成されそれぞれ径方向外側に開口部が形成されていない第１の外側収納孔および第２の外側収納孔と、前記第１の外側収納孔および前記第２の外側収納孔よりも径方向の内側において互いに対を成すように形成されそれぞれ径方向外側に開口部が形成された第１の内側収納孔および第２の内側収納孔とを有する回転子鉄心と、前記第１の外側収納孔および前記第２の外側収納孔のそれぞれに収納された第１の外側磁石および第２の外側磁石と、前記第１の内側収納孔および前記第２の内側収納孔のそれぞれに収納された第１の内側磁石および第２の内側磁石と、を具備する二層型磁石埋込式回転子の製造方法であって、
前記二層型磁石埋込式回転子の基本仕様を決定するステップと、
前記基本仕様に基づいて前記ロータシャフトを製作するステップと、
前記基本仕様に基づいて前記第１の外側磁石、前記第２の外側磁石、前記第１の内側磁石および前記第２の内側磁石のそれぞれの永久磁石仕様を決定するステップと、
前記第１の外側収納孔、前記第２の外側収納孔、前記第１の内側収納孔および前記第２の内側収納孔のそれぞれの収納孔基準形状を決定するステップと、
前記第１の外側収納孔の第１の外側収納孔径方向外側壁と前記第２の外側収納孔の第２の外側収納孔径方向外側壁とが径方向の外側に向かって開く外側開角度の値を決定するステップと、
前記外側開角度の値から、前記第１の内側収納孔の第１の内側収納孔径方向外側壁と前記第２の内側収納孔の第２の内側収納孔径方向外側壁とが径方向の外側に向かって開く内側開角度について、前記第１の外側収納孔および前記第２の外側収納孔の径方向外側に開口部が形成されている比較対象例に対して応力低減の上で有効となる前記内側開角度を導出するステップと、
前記永久磁石仕様に基づいて、前記第１の外側磁石、前記第２の外側磁石、前記第１の内側磁石および前記第２の内側磁石を製作するステップと、
前記収納孔基準形状、前記外側開角度および前記内側開角度に基づいて複数の電磁鋼板を製作するステップと、
前記複数の電磁鋼板を積層構造に組み立てるステップと、
前記ロータシャフト、前記積層構造、および前記第１の外側磁石、前記第２の外側磁石、前記第１の内側磁石および前記第２の内側磁石を組み立てるステップと、
を有することを特徴とする二層型磁石埋込式回転子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、二層型磁石埋込式回転子、二層型磁石埋込式回転電機および二層型磁石埋込式回転子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

回転子の内部に永久磁石が埋め込まれているＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）型の回転電機において、漏れ磁束を減らすため、外周側のブリッジが接続されておらず、回転子鉄心の外側に開口している形状が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２０－０１４３２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

回転子の各極に、周方向に対となって配されている２つの磁石が、径方向に２層配置されている構成において、両層の外周側のブリッジを開口すると、高回転で発生する遠心応力により、層間の鉄部の機械強度を超えて変形しやすく、破断の原因となる。ここで、対となっている2つの磁石が、当該磁極の中心であるｄ軸に関して互いに対象となっている配置（Ｖ字配置）を有する例も多く存在する。

【0005】

変形を抑制するためには、層間の磁石の距離を離し、周方向中央のブリッジを太くする必要がある。これには、例えば、２層目の対となっている磁石の開角度を小さく、鋭角にすることが考えられる。しかし、この方法では、２層目の磁石の内側の端部がより径方向の内側に位置することになる。この結果、トルク特性への影響が少ない内径側の鉄心の肉抜きを行えず、回転子の軽量化が困難となる。

【0006】

また、対となっている磁石配置が２層の場合の回転子において、２層のアウターブリッジをそれぞれカット・抜き落とした場合、回転子に発生する遠心応力が強度基準値を超える部分が生ずる。遠心応力を基準値以下に抑えるため、２層目の対となっている2つの磁石の径方向外側についての開角度を小さくする形状があるが、２層目の開角度を小さくしすぎると、中速ないし高速領域でのトルクが低下する。

【0007】

本発明の目的は、各磁極において対となる２つの磁石が２層配置されている構成において、トルク性能と強度確保の両立を可能とする二層型磁石埋込式回転子および二層型磁石埋込式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】

【0008】

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子は、回転軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトに取り付けられて、それぞれの磁極において、径方向の外側において互いに対を成すように形成された第１の外側収納孔および第２の外側収納孔と、前記第１の外側収納孔および前記第２の外側収納孔よりも径方向の内側において互いに対を成すように形成された第１の内側収納孔および第２の内側収納孔とを有する回転子鉄心と、前記第１の外側収納孔および前記第２の外側収納孔のそれぞれに収納された第１の外側磁石および第２の外側磁石と、前記第１の内側収納孔および前記第２の内側収納孔のそれぞれに収納された第１の内側磁石および第２の内側磁石と、を具備する二層型磁石埋込式回転子であって、前記第１の外側収納孔および前記第２の外側収納孔は、前記回転子鉄心の外周の外側と連通せず、前記第１の内側収納孔および前記第２の内側収納孔は、前記回転子鉄心の外周の外側と連通する開口部が形成されており、前記第１の内側収納孔の第１の内側収納孔径方向外側壁と前記第２の内側収納孔の第２の内側収納孔径方向外側壁とが径方向の外側に向かって開く内側開角度の値は、所定の値以上であり、かつ、前記第１の外側収納孔の第１の外側収納孔径方向外側壁と前記第２の外側収納孔の第２の外側収納孔径方向外側壁とが径方向の外側に向かって開く外側開角度の値に１０度を加えた値以下である、
ことを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係る二層型磁石埋込式回転電機の構成例を示す縦断面図である。

【図2】実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子の構成例を示す部分横断面図である。

【図3】実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子の製造方法の手順を示すフロー図である。

【図4】実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子との比較のためのベースとなる例を示す部分横断面図である。

【図5】実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子を示す部分横断面図である。

【図6】実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子の効果を説明するための比較例としての２層カットの場合のトルクと応力を示すグラフである。

【図7】実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子の効果を説明するための実施形態に係る１層カットの場合のトルクと応力を示すグラフである。

【図8】実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子における開き角度の角度差の発生応力に与える影響を示す第１のグラフである。

【図9】実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子における開き角度の角度差の発生応力に与える影響を示す第２のグラフである。

【図10】実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子における開き角度の角度差の発生応力に与える影響を示す第３のグラフである。

【図11】実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子における開き角度の角度差の発生応力に与える影響を示す第４のグラフである。

【図12】実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子における開き角度の角度差の発生応力に与える影響を示す第５のグラフである。

【図13】実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子における開き角度および角度差に関する傾向を示すグラフである。

【図14】実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子における外側開き角度に対する有効な内側開き角度の範囲を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るおよび二層型磁石埋込式回転子、二層型磁石埋込式回転電機および二層型磁石埋込式回転子の製造方法について説明する。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。

【0011】

図１は、実施形態に係る二層型磁石埋込式回転電機１の構成例を示す縦断面図である。

【0012】

二層型磁石埋込式回転電機１は、二層型磁石埋込式回転子１００、固定子１０、２つの軸受２０、２つの軸受ブラケット３０、およびフレーム４０を有する。

【0013】

二層型磁石埋込式回転子１００は、回転軸の方向に延びたロータシャフト１１０、ロータシャフト１１０の径方向の外側に取り付けられた回転子鉄心１２０、および回転子鉄心１２０内に埋め込まれた永久磁石１３０を有する。図１では、永久磁石１３０のうち第１の外側磁石１３１および第１の内側磁石１３３を示しているが、詳細は、後に図２を引用しながら説明する。

【0014】

固定子１０は、回転子鉄心１２０の径方向外側に配された円筒状の固定子鉄心１１、および、固定子鉄心１１に巻回された固定子巻線１２を有する。

【0015】

２つの軸受２０は、ロータシャフト１１０を回転可能に支持する。２つの軸受ブラケット３０のそれぞれは、２つの軸受２０のそれぞれを静止支持する。フレーム４０は、筒状であり、固定子１０を収納し、両端が２つの軸受ブラケット３０のそれぞれに接続され、これらを支持する。

【0016】

図２は、実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子１００の構成例を示す部分横断面図である。二層型磁石埋込式回転子１００は、偶数の磁極１３９を有し、互いに極性が反対の磁極すなわち磁力線の方向が反対となる磁極１３９が、周方向に互いに隣接するように交互に配置されている。図２は、これらのうちの一つの磁極１３９を示している。

【0017】

ここで、説明の便宜上、方向を定義する。ロータシャフト１１０の軸芯ＣＬの延びる方向に平行な方向、すなわち図２に垂直な方向（図２の紙面の前後方向）を軸方向という。ロータシャフト１１０の軸芯ＣＬから離れる方向を径方向という。また、二層型磁石埋込式回転子１００が回転する方向を周方向という。

【0018】

本実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子１００は、それぞれの磁極１３９において、第１の外側磁石１３１、第２の外側磁石１３２、第１の内側磁石１３３、および第２の内側磁石１３４を有する。

【0019】

第１層をなす第１の外側磁石１３１および第２の外側磁石１３２は、周方向に間隔を置いて並んで配列され、周方向の中央について互いに対向する位置にある。また、第２層をなす第１の内側磁石１３３および第２の内側磁石１３４も同様に、周方向に間隔を置いて並んで配列され、周方向の中央について互いに対向する位置にある。第２層をなす第１の内側磁石１３３および第２の内側磁石１３４はそれぞれ、第１層をなす第１の外側磁石１３１および第２の外側磁石１３２の径方向の内側に配されている。

【0020】

なお、図２では、軸方向に垂直な断面においての磁極１３９の中心軸（ｄ軸）に関して、第１の外側磁石１３１と第２の外側磁石１３２が互いに対称であり、第１の内側磁石１３３と第２の内側磁石１３４とが互いに対称である場合、すなわちいわゆるＶ字配置の場合を例にとって示しているが、これに限定されない、すなわち、第１の外側磁石１３１と第２の外側磁石１３２は、互いに大きさが異なってもよいし、方向が互いに対称ではなくともよい。同様に、第１の内側磁石１３３と第２の内側磁石１３４は、互いに大きさが異なってもよいし、方向が互いに対称ではなくともよい。

【0021】

回転子鉄心１２０には、複数の収納孔が形成されている。すなわち、第１層の第１の外側磁石１３１および第２の外側磁石１３２、第２層の第１の内側磁石１３３および第２の内側磁石１３４をそれぞれ収納するための第１の外側収納孔１２１、第２の外側収納孔１２２、第１の内側収納孔１２４、および第２の内側収納孔１２５が形成されている。第１の外側収納孔１２１、第２の外側収納孔１２２、第１の内側収納孔１２４、および第２の内側収納孔１２５は、磁気抵抗の大きな領域でありそれぞれ、フラックスバリアとして機能する。

【0022】

回転子鉄心１２０は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板１２０ａを有する。回転子鉄心１２０に形成される各収納孔、回転子鉄心１２０の形状等は、電磁鋼板１２０ａが積層されることによってその断面が電磁鋼板１２０ａにおける形状に形成される。

【0023】

第１の外側収納孔１２１および第２の外側収納孔１２２は、径方向の内側において、１つの外側センターブリッジ１２３を挟んで互いに隣接している。また、第１の外側収納孔１２１および第２の外側収納孔１２２のそれぞれの径方向外側部分は、回転子鉄心１２０の径方向外側に連通せず、それぞれのアウターブリッジが存在する。

【0024】

第１の内側収納孔１２４および第２の内側収納孔１２５は、径方向の内側において、２つの内側センターブリッジ１２６を挟んで互いに隣接している。また、第１の内側収納孔１２４および第２の内側収納孔１２５のそれぞれの径方向外側部分は、回転子鉄心１２０の径方向外側に連通している。すなわち、それぞれのアウターブリッジは存在しない。

【0025】

ここで、第１の外側収納孔１２１の第１の外側収納孔径方向外側壁１２１ａと、第２の外側収納孔１２２の第２の外側収納孔径方向外側壁１２２ａとがなす角度、すなわち、これらが径方向外側に向かって開く角度を外側開角度Θａと呼ぶ。同様に、第１の内側収納孔１２４の第１の内側収納孔径方向外側壁１２４ａと、第２の内側収納孔１２５の第２の内側収納孔径方向外側壁１２５ａとがなす角度、すなわち、これらが径方向外側に向かって開く角度を内側開角度Θｂと呼ぶ。

【0026】

図３は、実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子１００の製造方法の手順を示すフロー図である。

【0027】

二層型磁石埋込式回転子１００の製造方法は、製作条件決定ステップＳ１０と製作ステップＳ２０を有する。

【0028】

まず、製作条件決定ステップＳ１０について説明する。製作条件決定ステップＳ１０としては、まず、二層型磁石埋込式回転子１００の全体仕様を決定する（ステップＳ１１）。この段階で、ロータシャフト１１０の形状、寸法およびロータシャフト１１０に取り付けられる回転子鉄心１２０等とロータシャフト１１０との取り合い形状、寸法が決定される。

【0029】

次に、永久磁石１３０、回転子鉄心１２０の仕様を決定する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２の詳細な手順は以下の通りである。

【0030】

まず、永久磁石１３０の仕様を決定する（ステップＳ１２ａ）。具体的には、外側の層に配される第１の外側磁石１３１および第２の外側磁石１３２、内側の層に配される第１の内側磁石１３３および第２の内側磁石１３４のそれぞれの材料、形状、寸法等の仕様を決定する。

【0031】

次に、決定された形状、寸法の永久磁石１３０に基づいて、従来の方式により、収納孔の形状を決定する（ステップＳ１２ｂ）。すなわち、永久磁石１３０のそれぞれの形状、寸法に基づいて、各収納孔、すなわち、第１の外側収納孔１２１、第２の外側収納孔１２２、第１の内側収納孔１２４、および第２の内側収納孔１２５の形状、寸法を決定する。

【0032】

次に、外側開角度Θａの基準値を決定する（ステップＳ１２ｃ）。すなわち、第１の外側収納孔１２１の第１の外側収納孔径方向外側壁１２１ａと、第２の外側収納孔１２２の第２の外側収納孔径方向外側壁１２２ａとのなす角度である外側開角度Θａの値を基準値として決定する。ここで、第１の外側収納孔１２１と第２の外側収納孔１２２とが同一形状であれば、当該磁極１３９の中心軸（ｄ軸）について対称となるように配置する。以下、これを基準形状とする。

【0033】

次に、外側開角度Θａの範囲を決定する（ステップＳ１２ｄ）。外側開角度Θａの値の範囲は、外側開角度Θａの基準値を含んだ範囲とする。なお、範囲は、実現可能と考えられる範囲あるいは実現したい範囲に設定することが好ましいが、その外側を含めた傾向を把握するために、範囲をさらに広く設定してもよい。

【0034】

次に、開角度差ΔΘおよび内側開角度Θｂの範囲を決定する（ステップＳ１２ｅ）。すなわち、外側開角度Θａの範囲に基づいて、開角度差ΔΘを変化させ、トルクと、遠心力に起因する内側センターブリッジ１２６における引張り応力（以下、「応力」）を算出し、適切な外側開角度Θａの範囲、開角度差ΔΘおよび内側開角度Θｂの範囲を決定する。この結果、回転子鉄心１２０の形状が決定される。ここで、開角度差ΔΘは、外側開角度Θａから内側開角度Θｂを減じた値である。

【0035】

次に、製作ステップＳ２０について説明する。製作ステップＳ２０は、製作条件決定ステップＳ１０の進展に伴って、順次進められる。

【0036】

まず、製作条件決定ステップＳ１０において基本仕様の決定ステップＳ１１がなされた後に、ロータシャフト１１０の製作を行う（ステップＳ２１）。

【0037】

次に、製作条件決定ステップＳ１０において永久磁石の仕様決定ステップＳ１２ａがなされた後に、永久磁石１３０の製作（ステップＳ２２）のうちの材料確保を行う（ステップＳ２２ａ）。なお、この段階で永久磁石１３０の形状がフィックスし変更がない場合は、後述する永久磁石加工ステップＳ２２ｂをこの時点で行ってもよい。あるいは、納期的にも永久磁石１３０の材料手配の期間に問題がない場合などで、製作条件決定ステップＳ１０の終了までに永久磁石１３０の形状の最終調整を行う場合には、このステップＳ２２ａと永久磁石加工ステップＳ２２ｂを併せて、製作条件決定ステップＳ１０の終了までの適切な時期に行うことでもよい。以下では、予め永久磁石１３０の材料を確保し、かつ、製作条件決定ステップＳ１０の終了後に永久磁石加工ステップＳ２２ｂを行う場合を例にとって示している。すなわち、製作条件決定ステップＳ１０の終了までに外側開角度Θａさらには内側開角度Θｂの決定結果に基づいて永久磁石１３０の形状の最終調整を行う場合を示している。

【0038】

次に、製作条件決定ステップＳ１０において開角度差ΔΘおよび内側開角度Θｂの範囲の決定ステップＳ１２ｅまでがなされた後に、永久磁石１３０の製作（ステップＳ２２）のうちの永久磁石加工（ステップＳ２２ｂ）を行う。なお、前述の様に、ステップＳ２２ａの材料確保を含めて永久磁石１３０の製作（ステップＳ２２）を行うことでもよい。

【0039】

また、ステップＳ１２ｅまでがなされた後に、打ち抜き等によって電磁鋼板１２０ａの製作を行う（ステップＳ２３）。次に、製作された電磁鋼板１２０ａを軸方向に積層し、積層構造の回転子鉄心１２０を組み立てる（ステップＳ２４）。

【0040】

ステップＳ２１、ステップＳ２２、およびステップＳ２４を終了したら、これらを組み立てる（ステップＳ２５）。すなわち、ロータシャフト１１０に回転子鉄心１２０を取り付け、回転子鉄心１２０の各収納孔に永久磁石１３０を収納する。次に、ステップＳ２５で組み立てたものに、その他の付属部材を取り付ける（ステップＳ２６）。これにより、二層型磁石埋込式回転子１００の組み立てが終了する。次に、二層型磁石埋込式回転子１００の組み立て後の検査を行う（ステップＳ２７）。

【0041】

次に、製作条件決定ステップＳ１０中の主要なステップについて、実施例を用いて説明する。

【0042】

図４は、実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子１００との比較のためのベースとなる例、すなわち基準例２００を示す部分横断面図である。

【0043】

この基準例は、第１の外側収納孔１２１、第２の外側収納孔１２２、第１の内側収納孔１２４、および第２の内側収納孔１２５の形状、寸法はステップＳ１２ｂによって、また、外側開角度ΘａはステップＳ１２ｃの結果得られたものである。基準例２００においては、開角度差ΔΘ０（＝Θａ－Θｂ０）は、たとえば１０度など、任意の値に設定してよい。

【0044】

図５は、実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子１００を示す部分横断面図である。

【0045】

破線は、基準例２００の場合の内側収納孔を示す。実線は、二層型磁石埋込式回転子１００を決定するステップＳ１２ｄにおける外側開角度Θａの範囲の決定、およびステップＳ１２ｅにおける開角度差ΔΘおよび内側開角度Θｂの範囲の決定のための対象モデルを示す。

【0046】

ステップＳ１２ｄにおける外側開角度Θａの範囲の決定に関しては、以下の例では、１００度～１４０度としている。

【0047】

ステップＳ１２ｅにおける開角度差ΔΘの決定、すなわち内側開角度Θｂの決定においては、第１の内側磁石１３３の径方向最外部が第１の内側収納孔径方向外側壁１２４ａと接する点Ｐ１の位置を固定して第１の内側収納孔径方向外側壁１２４ａの傾きを変更する。同様に、第２の内側磁石１３４の径方向最外部が第２の内側収納孔径方向外側壁１２５ａと接する点Ｐ２の位置を固定して第２の内側収納孔径方向外側壁１２５ａの傾きを変更する。この際、第１の内側磁石１３３および第２の内側磁石１３４の長さは変わらないものとしている。

【0048】

なお、この内側開角度Θｂの変更方法は、磁極１３９（図１）同士の周方向の間隔を確保するためである。したがって、これは一例であり、これに限定されない。たとえば、開口部１２４ｃ、１２５ｃの先端部を固定してもよい。あるいは、固定する箇所を、開口部チップ１２７ａ、開口部チップ１２７ｂ、あるいは磁石保持突起１２７ｃの一部の箇所としてもよい。また、第１の内側磁石１３３および第２の内側磁石１３４の長さを調整してもよい。

【0049】

以下に、開角度差ΔΘおよび内側開角度Θｂの範囲の決定ステップＳ１２ｅにおける評価結果を示す。

【0050】

図６は、実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子１００の効果を説明するための比較例としての２層カットの場合のトルクと応力を示すグラフである。

【0051】

ここで、２層カットの場合とは、内側収納孔の径方向外側にアウターブリッジがなく内側収納孔が回転子鉄心１２０の外周面の外側に連通しているのみならず、さらに、外側収納孔の径方向外側にアウターブリッジがなく内側収納孔が回転子鉄心１２０の外周面の外側に連通している場合を言うものとする。

【0052】

図６の横軸は、ケースであり、内側開角度Θｂを、外側開角度Θａより小さいが外側開角度に近づけて広くした場合と、それより狭めた場合の、それぞれ内側収納孔の径方向内側に、軽量化のための肉抜が無い場合と有る場合とを示す。縦軸は、第１軸がトルクであり、第２軸が応力である。また、各棒は、薄い表示から濃い表示に向かって、低速時の最大トルク、中速時の最大トルク、および高速時の最大トルクである。また、それぞれの右端のまだらの色抜きの棒は、応力を示す。また、応力については、応力基準に対する相対値である。

【0053】

「角度広」で示す内側開角度Θｂを広くした場合は、肉抜の有無の影響はほとんど無い。また、内側開角度Θｂを広くした場合は、応力は、応力基準値の約１．９倍となっており、構造的に成立していない。

【0054】

「角度狭」で示す内側開角度Θｂを狭くした場合は、肉抜の有無に関わらず応力は減少する。すなわち肉抜なしのケースでは応力基準値の０．９８倍まで減少している。一方、肉抜ありのケースでは応力基準値の１．０３倍までしか減少せず構造的に成立していない。

【0055】

また、内側開角度Θｂを狭くした場合、肉抜なしのケースでは、低速時の最大トルクは微増するが、中速時および高速時の最大トルクはそれぞれ２％程度および４％程度低下する。また、肉抜ありのケースでは、低速時、中速時および高速時の最大トルクがさらに低下する。

【0056】

このように、比較例としての２層カットの場合は、応力を基準値以下に抑えるため内側の開角度を狭くすると、特に、中速域および高速域でのトルクが低下する。また、軽量化のために永久磁石よりも内径側に肉抜きを施そうとすると、開角度が広い場合にはトルクへの影響が出ない形状の肉抜き穴を、開角度が狭いものに適用するとトルクが低下する。このため、軽量化しづらいという問題がある。

【0057】

図７は、実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子１００の効果を説明するための実施形態に係る１層カットの場合のトルクと応力を示すグラフである。ここで、１層カットの場合とは、内側収納孔の径方向外側にアウターブリッジがなく内側収納孔が回転子鉄心１２０の外周面の外側に連通しているのみで、外側収納孔の径方向外側にはアウターブリッジがある場合を言うものとする。

【0058】

図７の横軸および縦軸は、図６と同様である。また、各棒についても図６と同様である。

【0059】

図７において、「角度狭」で示す内側開角度Θｂを狭くした場合とは、図６の「角度狭」で示すケースと、外側収納孔の径方向外側にはアウターブリッジがあるという条件のみが異なるケースである。この場合も、図６において「角度狭」で示す内側開角度Θｂを狭くした場合と同様の傾向を有する。

【0060】

すなわち、１層カットで「角度狭」で示す場合においては、肉抜なしのケースでは、応力基準値未満となるが、肉抜ありのケースでは応力基準値を満たさない。また、肉抜なしのケースでは、中速時および高速時の最大トルクは低速時の最大トルクに比べて低下している。また、肉抜ありのケースでは、低速時、中速時の最大トルクがさらに低下する。このように、応力を基準値以下に抑えるため、内側の開角度を狭くすると、特に、中速域および高速域でのトルクが低下する。

【0061】

一方、１層カットで「角度広」で示す内側開角度Θｂを広くしたケースでは、図７に示すように、肉抜の有無に関わらず、中速域および高速域での最大トルクが低速域の最大トルクと同程度以上に増大する点では、２層カットの場合と同様である。一方、応力については、１層カットの場合は２層カットの場合とは異なり、「角度広」で示す内側開角度Θｂを広くしたケースでも、応力は増大せず、肉抜の有無に関わらず、応力が応力基準値を満たすという結果が得られる。

【0062】

また、内側開角度Θｂを広くとることにより、内側センターブリッジ１２６の径方向内側の空間が広がる（図５参照）。この結果、軽量化のための肉抜の形成が容易となる。

【0063】

以上が、本実施刑態において、回転子鉄心１２０を２層カットではなく１層カットとした根拠であり、この結果は、収納孔の基準形状の決定ステップＳ１２ｂに反映されている。

【0064】

なお、この内側開角度Θｂの減少方法は、前述のように、磁極１３９（図１）同士の周方向の間隔を確保するためである。したがって、これは一例であり、これに限定されない。たとえば、開口部１２４ｃ、１２５ｃの先端部を固定してもよい。あるいは、固定する箇所を、開口部チップ１２７ａ、開口部チップ１２７ｂ、あるいは磁石保持突起１２７ｃの一部の箇所としてもよい。また、第１の内側磁石１３３および第２の内側磁石１３４の長さを調整してもよい。

【0065】

次に、開角度差ΔΘおよび内側開角度Θｂの範囲の決定ステップＳ１２ｅにおける評価結果を示す。

【0066】

図８は、実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子１００における開き角度の角度差の発生応力に与える影響を示す第１のグラフである。横軸は、開角度差ΔΘすなわち外側開角度Θａから内側開角度Θｂを減じた値である。縦軸は、発生応力すなわち遠心力に起因する内側センターブリッジ１２６に発生する応力（引張応力）である。図９および図１０についても同様である。

【0067】

図８は、外側開角度Θａが１００度の場合の例である。図８に示すように、開角度差ΔΘの値すなわち正の絶対値が大きい領域（図８の右側）では、１層カットの場合と２層カットの場合の発生応力は同程度あるいは１層カットの場合がわずかに大きい。開角度差ΔΘの値が小さくなる、すなわち内側開角度Θｂの値が大きくなるにつれて、２層カットの場合は応力が増大するのに対して、１層カットの場合は応力が徐々に減少する。

【0068】

開角度差ΔΘの値の減少方向に見て、１層カットの場合は応力の傾向が、２層カットの場合の応力の傾向と分岐する開角度差ΔΘの値である分岐開角度差ΔΘｂはグラフ上で１０．４度程度である。すなわち、開角度差ΔΘの値が約１０度以下においては、１層カットの方が２層カットの場合より発生応力が小さく、１層カットの効果が生じている。言い換えれば、内側開角度Θｂの値を（Θａ－ΔΘ）すなわち９０（＝１００－１０）度より大きくしていくと、１層カットの効果が生ずる。

【0069】

図９は、実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子１００における開き角度の角度差の発生応力に与える影響を示す第２のグラフである。

【0070】

図９は、外側開角度Θａが１１２度の場合の例である。この場合の分岐開角度差ΔΘｂはグラフ上で１７度程度である。すなわち、開角度差ΔΘの値が約１７度以下においては、１層カットの方が２層カットの場合より発生応力が小さく、１層カットの効果が生じている。言い換えれば、内側開角度Θｂの値を、９５（＝１１２－１７）度より大きくしていくと、１層カットの効果が生ずる。

【0071】

図１０は、実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子１００における開き角度の角度差の発生応力に与える影響を示す第３のグラフである。

【0072】

図１０は、外側開角度Θａが１２０度の場合の例である。この場合の分岐開角度差ΔΘｂはグラフ上で２９度程度である。すなわち、開角度差ΔΘの値が約２９度以下においては、１層カットの方が２層カットの場合より発生応力が小さく、１層カットの効果が生じている。言い換えれば、内側開角度Θｂの値を、９１（＝１２０－２９）度より大きくしていくと、１層カットの効果が生ずる。

【0073】

図１１は、実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子における開き角度の角度差の発生応力に与える影響を示す第４のグラフである。

【0074】

図１１は、外側開角度Θａが１３０度の場合の例である。この場合の分岐開角度差ΔΘｂはグラフ上で３６度程度である。すなわち、開角度差ΔΘの値が約３６度以下においては、１層カットの方が２層カットの場合より発生応力が小さく、１層カットの効果が生じている。言い換えれば、内側開角度Θｂの値を、９４（＝１３０－３６）度より大きくしていくと、１層カットの効果が生ずる。

【0075】

図１２は、外側開角度Θａが１４０度の場合の例である。この場合の分岐開角度差ΔΘｂはグラフ上で３４度程度である。すなわち、開角度差ΔΘの値が約３４度以下においては、１層カットの方が２層カットの場合より発生応力が小さく、１層カットの効果が生じている。言い換えれば、内側開角度Θｂの値を、１０６（＝１４０－３４）度より大きくしていくと、１層カットの効果が生ずる。

【0076】

図１３は、実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子１００における開き角度および角度差に関する傾向を示すグラフであり、図８ないし図１２に示した結果をまとめたものである。横軸は外側開角度Θａ（度）、縦軸の第１軸は開角度差ΔΘ（度）、第２軸は内側開角度（度）である。実線で示しているのが分岐開角度差ΔΘｂ、破線で示しているのが分岐内側開角度Θｂｂである。すなわち、内側開角度Θｂが図１３に示す分岐時内側開角度Θｂｂより大きければ、１層カットの方が２層カットの場合より発生応力が小さく、１層カットの効果が生ずる。

【0077】

図１４は、実施形態に係る二層型磁石埋込式回転子における外側開き角度に対する有効な内側開き角度の範囲を示すグラフである。横軸は、外側開角度Θａ（度）、縦軸は、内側開角度Θｂ（度）である。

【0078】

まず、有効な内側開角度Θｂの範囲の上限値Θｂｍａｘについて述べる。図８ないし図１２から明らかなように、開角度差ΔΘがマイナス側に絶対値が大きくなるほど、１層カットの方が２層カットの場合より発生応力が小さくなる程度が単調に増加している。いま、図８ないし図１２に示す横軸の最小値である開角度差ΔΘがマイナス１０度の場合、内側開角度Θｂの上限値は（外側開角度Θａプラス１０度）となる。たとえば、外側開角度Θａが１００度の場合には内側開角度Θｂの上限値は１１０度、外側開角度Θａが１４０度の場合には内側開角度Θｂの上限値は１５０度となる。

【0079】

なお、内側開角度Θｂが外側開角度Θａプラス１０度よりさらに大きくなると、第１の外側磁石１３１および第２の外側磁石１３２と、第１の内側磁石１３３および第２の内側磁石１３４との間の鉄の量の差が減少し、リラクタンストルクが低下するため、マイナスの効果を生ずる。したがって、内側開角度Θｂが外側開角度Θａプラス１０度となるようなΘｂｍａｘを上側境界線として、図１４において太線で示している。

【0080】

次に、図１３で示した分岐開角度Θｂｂを、図１４においては下側限界線Ｘとして太線で示している。

【0081】

上述のように、外側開角度Θａの領域として１００度から１４０度までの角度範囲を選択すると、この外側開角度Θａの領域においては、内側開角度Θｂが、下側限界線Ｘとしての太線で示す分岐開角度Θｂｂよりも大きく、かつ、上側境界線としての太線で示すΘｍａｘの直線の値以下の領域が、１層カットの効果が生ずる有効領域である。

【0082】

ここで、下側の境界として、図１４に示すような折れ線状の下側限界線Ｘを使用することは実用的ではないので、直線状の境界線を用いることが有効である。そのような観点から、新たな下側境界線を設定し、その下側境界線の値以上かつ上述の上側境界線（Θｂｍａｘによる）の値以下の領域を、１層カットの効果が生ずる有効領域とする。このような新たな下側境界線として、図１４に直線Ａ、直線Ｂおよび直線Ｃを示す。

【0083】

直線Ａは、一定値を有する直線である。図１３で示すように、外側開角度Θａが、１００度から１３０度の範囲では、分岐内側開角度Θｂｂは、９０～９５度である。したがって、外側開角度Θａを１００度から１３０度の範囲とし、下側限界線Ｘを共通して９６度（＞９５）とする。

【0084】

直線Ｂは、Θｂ＝Θａ－１０（度）の直線である。Θａが１００度におけるΘｂｂは８９．６度であり、直線Ａの値は９０度である。したがって、直線Ａは、図１４において下側限界線Ｘよりも上方にある。この場合は、内側開角度Θｂが、外側開角度Θａ±１０度であり、内側開角度Θｂが、外側開角度Θａの近傍の範囲であるとの規定の仕方となる。

【0085】

直線Ｃは、下側限界線Ｘを包絡する直線を上方に移動した直線である。具体的には、図１４においては、外側開角度Θａが１１２度のときの下側限界線Ｘの値と外側開角度Θａが１４０度のときの下側限界線Ｘの値を結んだ直線（Θｂ＝０．３９３・Θａ＋５１．０）に余裕を持たせるように、上方に移動し、たとえば、次の式（１）で与えるものである。
Θｂ＝０．３９３Θａ・ｘ＋５２．０ …（１）

【0086】

以上のように、各磁極において対となる２つの磁石が２層配置されている構成を有する二層型磁石埋込式回転子１００において、内側の層の収納孔のみ開口部１２４ｃ、１２５ｃを設ける１層カットとして、外側開角度Θａの範囲を決定し、開角度差ΔΘおよび内側開角度Θｂの範囲を決定していくことにより、トルク性能および構造強度確保のいずれも確保できる二層型磁石埋込式回転子を製作することができる。

【0087】

なお、以上は、一例を示したものであり、永久磁石の収納孔の形状、寸法、位置、磁極１３９の周方向の幅などの条件は、適切に選定して、上述の手順に従って決定していけばよい。

【0088】

以上、説明した実施形態によれば、各磁極において対となる２つの磁石が２層配置されている構成において、１層カットとすることにより、トルク性能と強度確保を両立することができる。

【0089】

［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】

【0090】

１…二層型磁石埋込式回転電機、１０…固定子、１１…固定子鉄心、１２…固定子巻線、２０…軸受、３０…軸受ブラケット、４０…フレーム、１００…二層型磁石埋込式回転子、１１０…ロータシャフト、１２０…回転子鉄心、１２０ａ…電磁鋼板、１２１…第１の外側収納孔、１２１ａ…第１の外側収納孔径方向外側壁、１２１ｂ…第１の外側収納孔周方向内側壁、１２２…第２の外側収納孔、１２２ａ…第２の外側収納孔径方向外側壁、１２２ｂ…第１の外側収納孔周方向内側壁、１２３…外側センターブリッジ、１２４…第１の内側収納孔、１２４ａ…第１の内側収納孔径方向外側壁、１２４ｂ…第１の内側収納孔周方向内側壁、１２４ｃ…開口部、１２５…第２の内側収納孔、１２５ａ…第２の内側収納孔径方向外側壁、１２５ｂ…第１の内側収納孔周方向内側壁、１２５ｃ…開口部、１２６…内側センターブリッジ、１２７ａ、１２７ｂ…開口部チップ、１２７ｃ…磁石保持突起、１３０…永久磁石、１３１…第１の外側磁石、１３２…第２の外側磁石、１３３…第１の内側磁石、１３４…第２の内側磁石、１３９…磁極、２００…基準例

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】