JP2012143128A - 埋込磁石形回転電機のロータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸が軸穴に締まりばめにより嵌合しているロータコアに対してロータスロットの最内周側端部の応力集中を抑制することができる埋込磁石形回転電機のロータを提供する。
【解決手段】回転軸４が軸穴３に締まりばめにより嵌合しているロータコア２に形成したロータスロット２３Ａ，２３Ｂの最内周側端部に作用する引張応力は、一対のロータスロット２３Ａ，２３Ｂの最も軸穴３側に近い位置（一端２３ａ１，２３ｂ１の軸穴３側の端部）を通過する回転軸の中心から半径ｒ２の第１の仮想円Ｋ１と、回転軸４の中心から半径ｒ１の第２の仮想円Ｋ２で囲まれた領域で発生する。この第１の仮想円Ｋ１及び第２の仮想円Ｋ２に囲まれた円周方向の領域に一部がかかるように、複数の応力緩和スリット２６が所定間隔をあけて形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロータコアに永久磁石を埋め込んだ埋込磁石形回転電機のロータに関する。

従来の埋込磁石形回転電機の一例として埋込磁石形同期電動機が挙げられる。
埋込磁石形同期電動機は、ロータ内部に永久磁石を備えている。この永久磁石から発生する磁束を固定子に備える励磁コイルとの鎖交磁束量に応じて発生するマグネットトルクに加えて、ロータの磁気抵抗を利用したリラクタンストルクを利用した同期電動機である。

図４に示すものは、埋込磁石形同期電動機のロータを示すものである（例えば特許文献１）。
図４で示すロータ１の符号２は、中央部に軸穴３を形成した積層電磁鋼板からなるロータコアであり、軸穴３に締まりばめにより回転軸４が嵌合している。
ロータコア２には、４つの磁極５Ａ〜５Ｄが設けられている。各磁極（例えば磁極５Ａ）は、互いに長手方向が一直線上に延在するようにロータコア２に形成した一対の矩形のロータスロット６Ａ，６Ｂと、これらロータスロット６Ａ，６Ｂに内嵌した界磁用永久磁石７Ａ，７Ｂと、を備えており、界磁用永久磁石７Ａ，７Ｂの上面が突極部８とされている。

一対のロータスロット６Ａ，６Ｂの間には、突極部８と一対のロータスロット６Ａ、６Ｂを繋ぐように形成され、界磁用永久磁石７Ａ，７Ｂの間を分割するブリッジ９が設けられている。
ロータコア２の両翼部には、隣接する磁極５Ａ，５Ｂ及び磁極５Ａ，５Ｄの間に、漏洩磁束を防止するための抜き穴１０が形成されている。
抜き穴１０の周縁には薄肉部１１が設けられており、前述したブリッジ９、薄肉部１１の幅は、機械的な強度を保ち、かつ、電磁気的に磁路が飽和するような値に設定されている。
そして、ロータコア２には、抜き穴１０と軸穴３との間に、略円弧状のスリット１２が形成されている。

上記構成のロータ１によると、回転軸４に軸穴３が締まりばめで嵌合しているロータコア２の回転時には、抜き穴１０と軸穴３との間に設けたスリット１２が、抜き穴１０周縁の薄肉部１１への応力集中を軽減している。ここで、スリット１２の内周と軸穴３との径方向厚みを、ロータスロット６Ａ，６Ｂ内周と軸穴３との間の径方向厚みと等しくしている。

特開２００２−３５４７２６号公報（図１）

しかし、特許文献１のロータコア２は、回転時において、ブリッジ９を形成した部位（一対のロータスロット６Ａ、６Ｂの長手方向の端部同士が対向している部位）と軸穴３とが近接している径方向厚みが小さい部位にも応力集中が発生し、強度的に弱い部分となる。このため、スリット１２を設けることで薄肉部１１の応力集中を軽減している特許文献１のロータコア２は、ブリッジ部のロータスロット６Ａ，６Ｂの互いに対向する端部での応力集中を軽減することはできない。

また、各磁極の界磁用永久磁石を直線状に配置した特許文献１のロータコア２と異なり、各磁極の界磁用永久磁石を径方向外方に向かって開形状が拡大するように配置したロータコアも存在するが、この種のロータコアでも、回転軸に近い部分のロータスロットに最も応力が集中する。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、回転軸が軸穴に締まりばめにより嵌合しているロータコアに対してロータスロットの回転軸に近い部位の応力集中を抑制することができる埋込磁石形回転電機のロータを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る埋込磁石形回転電機のロータの第１の態様は、円板形状のロータコアと、このロータコアの中央部に設けた軸穴に締まりばめにより嵌合している回転軸と、前記ロータコアの周方向に設けた複数対のロータスロットと、周方向に隣り合う磁極が異極性となるように前記複数対のロータスロットに嵌合されている界磁用永久磁石と、これら界磁用永久磁石の上面に形成した突極部と、各対のロータスロットの間で前記突極部及び前記ロータコアを繋ぐように形成したブリッジと、を備えた埋込磁石形回転電機のロータにおいて、前記複数対のロータスロットの最内周部より前記回転軸に寄った位置の前記ロータコアの円周上に、当該ロータスロットの最内周側端部に作用する応力集中を緩和する応力緩和スリットを複数形成している。

この構成によると、回転軸が締まりばめで嵌合しているロータコアに形成したロータスロットの最内周側端部に作用する周方向の引張応力は、各磁極の一対のロータスロットより軸穴側に寄った領域で発生する。本発明のロータコアは、引張応力が発生する位置と同じ領域である複数対のロータスロットが周方向に設けられている領域より回転軸に寄った位置の円周上に複数の応力緩和スリットを設けているので、ロータスロットの最内周側端部の応力集中を抑制することができる。

また、本発明に係る埋込磁石形回転電機のロータの第２の態様は、上記第１の態様の埋込磁石形回転電機のロータにおいて、前記応力緩和スリットは、前記回転軸の中心と前記各対のロータスロット間で前記突極部および当該ロータスロットより内側のロータコアとを繋ぐブリッジ部の円周方向中央位置とを結ぶ仮想線に対して円周方向にずれた位置に形成されている。

この発明によると、応力緩和スリットが、各対のロータスロットの最も前記回転軸に近接する部位に対して周方向にずれた位置に形成されているので、各対のロータスロットの間に形成したブリッジ部と干渉せずに、応力緩和スリットの周方向両端部の丸みを大きく形成することができ、応力緩和スリットに発生する応力最大値を抑制することができる。

さらに、本発明に係る埋込磁石形回転電機のロータの第３の態様は、上記第２の態様において、前記応力緩和スリットは、前記回転軸の中心と前記ブリッジ部の円周方向中央部とを結ぶ仮想線の隣接する仮想線間の円周方向中央位置に形成されている。
この構成によると、ブリッジ部の円周方向中心と回転軸の中心とを結ぶ仮想線とこの仮想線に隣接する仮想線との間の円周方向中央位置に応力緩和スロットを形成するので、ロータスロットとの干渉をより確実に避けることができる。

なおさらに、本発明に係る埋込磁石形回転電機のロータの第４の態様は、前記各対のロータスロットは、前記ロータコアの径方向外方に向かって開形状が拡大するように前記ロータコアに形成されている。
この構成によると、ロータコアの径方向外方に向かって開形状が拡大するように形成したロータコアは、ロータスロットの最内周側端部に応力が集中するが、各磁極の一対のロータスロットと軸穴との間に形成した応力緩和スリットが、ロータスロットの最内周側端部の内側に発生する円周応力を確実に緩和する。

また、本発明に係る埋込磁石形回転電機のロータの第５の態様は、前記各対のロータスロットが、前記回転軸の中心軸に向かって凸となるＶ字形状に形成されている。
この構成によると、上記第４の態様と同様に、ロータスロットの最内周側端部に応力が集中するが、各磁極の一対のロータスロットと軸穴との間に形成した応力緩和スリットが、ロータスロットの最内周側端部の内側に発生する円周応力を確実に緩和する。

本発明に係る埋込磁石形回転電機のロータによると、回転軸が締まりばめで嵌合しているロータコアに、複数対のロータスロットの最内周側端部より前記回転軸に寄った位置の当該ロータコアの円周上に形成した複数の応力緩和スリットによって、各ロータスロットの最内周側端部に作用する応力集中を緩和することができる。

本発明の一実施形態を示す埋込磁石形同期電動機のロータを構成するロータコアを示す図である。 図１で示したロータコアの要部を拡大して示した図である。 本発明に係るロータを埋込磁石形同期電動機に適用するに際して、ＦＥＭ解析によりロータコアへの応力緩和スリットの配置半径と、ロータコアに発生する引張り応力最大値の解析を行った結果を示すグラフである。 従来の埋込磁石形同期電動機のロータを構成するロータコアを示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図１及び図２を参照しながら詳細に説明する。なお、図４で示した構成と同一構成部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
図１は、埋込磁石形回転電機の一実施形態である埋込磁石形同期電動機のロータ２０を示すものである。
本実施形態のロータ２０は、中央部に軸穴３を形成した円板形状の積層鋼板で構成されるロータコア２に、例えば６つの磁極２２Ａ〜２２Ｆが設けられている。
磁極２２Ａは、図２にも示すように、回転軸４の中心軸に向かって凸となるＶ字形状にロータコア２に形成した（径方向外方に向かって開形状が拡大するように形成した）一対のロータスロット２３Ａ，２３Ｂと、これらロータスロット２３Ａ，２３Ｂに内嵌された界磁用永久磁石２４Ａ，２４Ｂと、を備えている。

一対のロータスロット２３Ａ，２３Ｂは、台形形状（長四角形状）に開口したスロットであり、互いの長手方向の延長線がＶ字状に交差し、Ｖ字状の頂部が軸穴３に近接するようにロータコア２に形成されている。これら一対のロータスロット２３Ａ，２３Ｂに嵌合された界磁用永久磁石２４Ａ，２４ＢはＶ字状に配置されている。ここで、一対のロータスロット２３Ａ，２３Ｂは、界磁用永久磁石２４Ａ，２４Ｂを嵌合する磁石嵌合部２４ａと、この磁石嵌合部２４ａの図１で見て両端に形成された漏洩磁束を防止する開口部２４ｂとを備えている。

互いに対向している一対のロータスロット２３Ａ，２３Ｂの一端２３ａ１，２３ｂ１の間には、ロータコア２の突極部８側と軸穴３を形成している部位とを繋ぐブリッジ部２５が設けられている。また、他の磁極２２Ｂ〜２２Ｆも、上述した磁極２２Ａと同一構成とされている。

ここで、本実施形態のロータコア２には、図１及び図２に示すように、第１の仮想円Ｋ１及び第２の仮想円Ｋ２に囲まれた円周方向の領域に、複数の応力緩和スリット２６が所定間隔をあけて形成されている。すなわち、複数の応力緩和スリット２６は、各磁極２２Ａ〜２２Ｆのロータスロット２３Ａ，２３Ｂにラップしないロータスロット２３Ａ，２３Ｂより回転軸４に寄った位置の円周上に形成されている。ここで、第１の仮想円Ｋ１は、ロータスロット２３Ａ，２３Ｂの最内周側端部に接する内接円である。また、第２の仮想円Ｋ２は、第１の仮想円Ｋ１から応力緩和スリット２６のスリット幅に略対応する半径方向距離分狭めた円である。

各々の応力緩和スリット２６は、周方向の両端部に応力集中を抑制可能な丸み２６ａを設けた円弧形状のスリットである。
図２に示すように、一対のロータスロット２３Ａ，２３Ｂの最も軸穴３側に近い位置（一端２３ａ１，２３ｂ１の軸穴３側の端部に接する位置）と、回転軸４の中心軸とを結ぶ線を仮想線Ｋ３とすると、各々の応力緩和スリット２６は、仮想線Ｋ３に直接交差しない位置に形成されている。すなわち、各々の応力緩和スリット２６は、一対のロータスロット２３Ａ，２３Ｂの最も軸穴３側に近い位置に対して周方向にずれた位置に形成されている。

本実施形態のロータコア２の軸穴３には、焼きばめや圧入などの締まりばめにより回転軸４が嵌合している。
回転軸４が締まりばめで嵌合しているロータコア２には、回転軸４からの内圧のみを受けることになり、以下の式（１）で示す周方向の引張応力である円周応力σθが発生する。
σθ＝{（ｐ０×ｒ０²）／（ｒ１²−ｒ０²）}×（１＋ｒ１²／ｒ²）………（１）
なお、ｐ０：回転軸４と軸穴３との接触面に発生する面圧、ｒ０：回転軸４の半径、ｒ１：ロータスロット２３Ａ，２３Ｂの半径方向最内側の内接円となる第１の仮想円Ｋ１の半径、ｒ：ロータコア２の回転軸４の中心からの距離すなわち半径である。

式（１）から明らかなように、ロータコア２に作用する円周応力σθは、各磁極２２Ａ〜２２Ｆいのロータスロット２３Ａ，２３Ｂより内側で軸穴３に近い部位すなわち半径ｒが半径ｒ０に一致したときに最大となる。また、半径ｒが半径ｒ０より大きくなる部位すなわち軸穴３より外周側に向かうに従って減少する。
そして、６組のロータスロット２３Ａ，２３Ｂが設けられているロータコア２の外周側では、軸穴３に回転軸４を締まりばめで嵌合することにより発生する円周応力は殆ど発生しない。

ところが、ロータスロット２３Ａ，２３Ｂの最内周側の端部すなわちブリッジ部２５に対向する端部の最内周部には、比較的大きな応力集中が発生する。その理由は、ロータスロット２３Ａ，２３Ｂの最内周側の端部を通る仮想円Ｋ１より内側すなわち軸穴３側ではロータコアが円周方向に３６０°繋がっており、軸穴３の周縁部に比較して円周応力が小さいとはいえ、ロータコア２の外周側に比較して大きな円周応力が発生するためである。

本発明者等は、ロータスロット２３Ａ，２３Ｂの最内周側端部の応力集中を抑制する応力緩和スリット２６の半径方向の設置位置とロータコア２のロータスロット２３Ａ，２３Ｂの最内周側端部と接する部位すなわち前述した仮想円Ｋ１上に発生する円周応力との関係を有限要素法解析（以下、ＦＥＭ解析と称す）で解析した。
この解析結果を図３に示す。この図３では、横軸が応力緩和スリット２６の内周側縁と回転軸４の中心との半径ｒを表し、縦軸がロータコア２に発生する円周応力最大値σを表している。

この図３において、応力緩和スリット２６の内側側縁の半径ｒが前述した仮想円Ｋ１の半径ｒ１と一致するときに、ロータコア２に発生する円周応力の最大値σが比較的大きい値となっている。そして、応力緩和スリット２６の内側側縁の半径ｒが仮想円Ｋ１の半径ｒ１よりも長くなるすなわち応力緩和スリット２６の内側側縁が仮想円Ｋ１の外側となるとロータコア２に発生する円周応力の最大値σが増加していることが分かる。

これに対して、応力緩和スリット２６の内側側縁の半径ｒが仮想円Ｋ１の半径ｒ１より短くなるすなわち応力緩和スリット２６の内側側縁が仮想円Ｋ１の内側となるとロータコア２に発生する円周応力の最大値σが減少していることが分かる。
そして、応力緩和スリット２６の内側側縁の半径ｒが第２の仮想円Ｋ２の半径ｒ２まで減少すると、ロータコア２に発生する円周応力の最大値σが最小値σ_ｍｉｎとなり、さらに応力緩和スリット２６の内側側縁の半径ｒが半径ｒ_Ｓより減少すると、軸穴３に近づき締まりばめによる円周応力自体が大きくなることから応力緩和スリット２６による応力緩和効果が薄れロータコア２に発生する円周応力σが増加に転じることがわかる。

この図３から明らかなように、前述した従来例のように応力緩和スリット２６の内周側と軸穴３との間の径方向厚みを、ロータスロット２４Ａ，２４Ｂ内周と軸穴３との間の径方向厚みに等しくした場合には、ロータコア２間に発生する円周応力の応力最大値σが最大値σ_ＭＡＸに近い値となり、ロータスロット２３Ａ，２３Ｂの最内周側端部に発生する応力集中を十分に抑制することはできない。

このため、応力緩和スリット２６の内側側縁の半径ｒを仮想円Ｋ１すなわちロータスロット２３Ａ，２３Ｂの最内周側端部に接する内接円より小さく設定し、この半径ｒ上に複数の応力緩和スリット２６を形成すると、ロータコア２のロータスロット２３Ａ，２３Ｂの最内周側端部より内側に生じる円周応力の最大値σが減少する。このため、ロータスロット２３Ａ，２３Ｂの最内周側端部に対する応力緩和の効果を発揮することができる。
しかしながら、応力緩和スリット２６の内周側縁の半径ｒを仮想円Ｋ２の半径ｒ２より短くすると、軸穴３に近づき締まりばめによる円周応力自体が大きくなることから、今度はｒ０部の応力が増大してしまう。

したがって、本実施形態のロータ２０によると、回転軸４が締まりばめで嵌合しているロータコア２に、周方向の引張応力すなわち円周応力が発生しても、ロータコア２には、各磁極２２Ａ〜２２Ｆのロータスロット２３Ａ，２３Ｂの最内周側端より軸穴３寄り位置に形成した複数の応力緩和スリット２６によってロータスロット２３Ａ，２３Ｂの最内周側端の円周応力を緩和することができる。このため、ロータスロット２３Ａ，２３Ｂの最内周側端部の応力集中を抑制することができる。

また、各々の応力緩和スリット２６は、一対のロータスロット２３Ａ，２３Ｂの最も軸穴３側に近い位置に対して周方向にずれた位置に形成されているので、一対のロータスロット２３Ａ，２３Ｂの間に形成したブリッジ部２５と干渉せずに、各応力緩和スリット２６の周方向両端部の丸み２６ａを大きく形成することができ、各応力緩和スリット２６に発生する応力集中を抑制することができる。

なお、本実施形態は、一対のロータスロット２３Ａ，２３Ｂに界磁用永久磁石２４Ａ，２４ＢをＶ字状に埋設した構造を示したが、一対の界磁用永久磁石をロータコアの径方向外方に向かって開形状が拡大するように一対のロータスロットに埋設した他の形状、例えばＵ字状に埋設した形状であっても良い。また、前述した従来例を示す図４のように永久磁石２４Ａ，２４Ｂを接線方向に直線状に配置した場合でも、ロータスロットの最内周側の円周上に応力緩和スリットを形成することにより、ロータスロットの最内周側端部の応力集中を減少させることができる。

また、本実施形態では、ロータコア２に６極を形成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ロータコア２に形成する極数は任意の偶数極数を設定することができる。
また、本実施形態では、締まりばめによる円周応力について説明したが、ロータ２０を高速回転させる場合には、遠心力による引張応力も加わることになるので、この遠心力による引張応力も考慮して応力緩和スリット２６の形成位置を決定することが好ましい。
また、本実施形態は、埋込磁石形回転電機として埋込磁石形同期電動機を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、埋込磁石形発電機にも本発明を適用することができる。

２…ロータコア、３…軸穴、４…回転軸、８…突極部、２０…ロータ、２２Ａ〜２２Ｆ…磁極、２３Ａ，２３Ｂ…ロータスロット、２３ａ１，２３ｂ１…ロータスロットの一端、２４Ａ，２４Ｂ…界磁用永久磁石、２５…ブリッジ部、２６…応力緩和スリット、Ｋ１…第１の仮想円、Ｋ２…第２の仮想円、Ｋ３…仮想線

Claims (5)

1. 円板形状のロータコアと、このロータコアの中央部に設けた軸穴に締まりばめにより嵌合している回転軸と、前記ロータコアの周方向に設けた複数対のロータスロットと、周方向に隣り合う磁極が異極性となるように前記複数対のロータスロットに嵌合されている界磁用永久磁石と、これら界磁用永久磁石の上面に形成した突極部と、各対のロータスロットの間で前記突極部及び前記ロータコアを繋ぐように形成したブリッジと、を備えた埋込磁石形回転電機のロータにおいて、
   前記複数対のロータスロットの最内周部より前記回転軸に寄った位置の前記ロータコアの円周上に、当該ロータスロットの最内周側端部に作用する応力集中を緩和する応力緩和スリットを複数形成したことを埋込磁石形回転電機のロータ。
2. 前記応力緩和スリットは、前記回転軸の中心と前記各対のロータスロット間で前記突極部および当該ロータスロットより内側のロータコアとを繋ぐブリッジ部の円周方向中央位置とを結ぶ仮想線に対して円周方向にずれた位置に形成されていることを特徴とする請求項１記載の埋込磁石形回転電機のロータ。
3. 前記応力緩和スリットは、前記回転軸の中心と前記ブリッジ部の円周方向中央部とを結ぶ仮想線の隣接する仮想線間の円周方向中央位置に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の埋込磁石形回転電機のロータ。
4. 前記各対のロータスロットは、前記ロータコアの径方向外方に向かって開形状が拡大するように前記ロータコアに形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の埋込磁石形回転電機のロータ。
5. 前記各対のロータスロットは、前記回転軸の中心軸に向かって凸となるＶ字形状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の埋込磁石形回転電機のロータ。

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