JP2019146448A - 回転子、及び、回転子を有する回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】追加部材を用いることなく永久磁石を固定する。【解決手段】回転子（１００）は、磁石挿入孔（１３）を備える電磁鋼板（１１）が、磁石挿入孔（１３）が軸方向に重なるように積層されて構成される回転子コア（１０）と、回転子コア（１０）において軸方向に重なる磁石挿入孔（１３）に挿入される永久磁石（３０）と、を有する。電磁鋼板（１１）のうちの少なくとも一の電磁鋼板である第１電磁鋼板（１１Ａ）は、磁石挿入孔（１３）の側面に、一部が磁石挿入孔（１３）に向かって突出し、磁石挿入孔（１３）に挿入される永久磁石（３０）によって軸方向に屈曲可能に構成される突出部（１５）を有する。永久磁石（３０）は、屈曲する突出部（１５）と磁石挿入孔（１３）との間に固定される。【選択図】図３

Description

本発明は、回転子、及び、回転子を有する回転電機に関する。

永久磁石内蔵型の同期モータ（ＩＰＭ）の回転子では、永久磁石が回転子コアの磁石挿入孔に挿入される。永久磁石を磁石挿入孔に圧入にする場合には、回転子コアに内部応力が発生してしまい回転子コアの耐遠心力強度が低下してしまう。一方で永久磁石の磁石挿入孔に対する大きさに余裕がある場合には、モータの運転時に永久磁石が磁石挿入孔の中で動いてしまうおそれがある。

そこで、特許文献１に開示されている技術によれば、別途設けられる固定バネによって永久磁石を磁石挿入孔に固定することで、モータの運転時に永久磁石が磁石挿入孔の中で動いてしまうことが抑制されている。

特開２０００−１７５３８８号公報

特許文献１に開示される技術によれば、固定バネという追加部品を用いるため製造コスト上昇するおそれがある。したがって、追加部材を用いることなく永久磁石を固定する必要性が高まっている。

本発明はこのような課題を解決するために発明されたもので、追加部材を用いることなく永久磁石を固定可能な回転子を提供するものである。

本発明のある態様の回転子は、磁石挿入孔を備える電磁鋼板が、磁石挿入孔が軸方向に重なるように積層されて構成される回転子コアと、回転子コアにおいて軸方向に重なる磁石挿入孔に挿入される永久磁石と、を有する。電磁鋼板のうちの少なくとも一の電磁鋼板である第１電磁鋼板は、磁石挿入孔の側面に、一部が磁石挿入孔に向かって突出し、磁石挿入孔に挿入される永久磁石によって軸方向に屈曲可能に構成される突出部を有する。永久磁石は、屈曲する突出部と磁石挿入孔との間に固定される。

本発明によれば、追加部品を用いることなく永久磁石を固定することができる。

図１は、第１実施形態のロータを備えるモータの分解斜視図である。 図２は、図１のＡ−Ａにおけるロータ断面図である。 図３は、第１電磁鋼板の上面図である。 図４は、第２電磁鋼板の上面図である。 図５は、図２のＢから見たロータの上面図である。 図６は、突出部の斜視図である。 図７は、図５のＣ−Ｃにおけるロータの断面図である。 図８は、一の変形例におけるロータの断面図である。 図９は、他の変形例におけるロータの断面図である。 図１０Ａは、第２実施形態における第１電磁鋼板の上面図である。 図１０Ｂは、第２電磁鋼板の上面図である。 図１１は、反力と応力との関係を示す図である。 図１２Ａは、第２実施形態における変形例における第１電磁鋼板の上面図である。 図１２Ｂは、第２電磁鋼板の上面図である。 図１３は、反力と応力との関係を示すグラフである。 図１４Ａは、第３実施形態の第１電磁鋼板の上面図である。 図１４Ｂは、図１４Ａの領域Ａの拡大図である。 図１４Ｃは、突出部の斜視図である。 図１５Ａは、第４実施形態の第１電磁鋼板の上面図である。 図１５Ｂは、図１５Ａの領域Ａの拡大図である。 図１５Ｃは、突出部の斜視図である。 図１６は、ロータの断面図の一例である。 図１７は、反力と変位との関係を示すグラフである。 図１８は、変位と応力との関係を示すグラフである。 図１９は、平均応力と変動応力との関係を示すグラフである。 図２０は、ロータの断面図である。

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るロータ（回転子）の分解斜視図である。図２は、図１に示すロータを組み立てた場合のＡ−Ａ断面図である。これらの図に示されるロータ１００は、不図示のステ−タに設けられる中空部に挿入されることで、電動モータ（回転電機）を構成する。

ロータ１００は、円盤状の電磁鋼板１１の積層により構成されるロータコア（回転子コア）１０を有する。そして、電磁鋼板１１は、それぞれに設けられた磁石挿入孔１３が重なるように積層され、それらの磁石挿入孔１３に永久磁石３０が挿入される。また、電磁鋼板１１には、ロータコア１０の軸中心にシャフト孔１２が設けられており、積層によって重なって配置されるシャフト孔１２にシャフト２０が挿入される。なお、電磁鋼板１１は、軟磁性材料で構成されており、後に図３、図４に示すような２種類の電磁鋼板１１である第１電磁鋼板１１Ａと第２電磁鋼板１１Ｂとが積層されている。

また、電磁鋼板１１には、軸方向に延在し、周方向に等間隔で複数（図１においては４つ）並設される磁石挿入孔１３が設けられている。そして、ロータコア１０の両端面に第１エンドプレート４１、及び、第２エンドプレート４２が設けられることで、磁石挿入孔１３に挿入される永久磁石３０の軸方向の移動が規制される。なお、図上側に第１エンドプレート４１が、図下側に第２エンドプレート４２が設けられているものとする。なお、第１エンドプレート４１、及び、第２エンドプレート４２にも中心にシャフト孔４３が設けられる。

図２に示されるように、シャフト２０には、図下側の一端にロータコア１０のシャフト孔１２よりも大径であって第２エンドプレート４２を係止可能なストッパ２１が設けられている。シャフト２０は、第２エンドプレート４２のシャフト孔４３、ロータコア１０のシャフト孔１２、及び、第１エンドプレート４１のシャフト孔４３に順に挿入される。

再び図１を参照すれば、シャフト２０の外周の一部には、軸方向に延在し断面が凹状であるキー溝２２が設けられている。また、シャフト孔１２、及び、４３には、軸方向に延在し断面が凸状であって、キー溝２２に挿入可能なキー１４が設けられている。シャフト孔１２にシャフト２０が挿入される状態では、キー１４がキー溝２２にはまりこむことで、複数の電磁鋼板１１の位置きめがされる。

そして、ナット状でシャフト２０と螺合するリテーナ（保持機構）２３によって、第１エンドプレート４１、ロータコア１０、及び、第２エンドプレート４２が固定される。具体的には、リテーナ２３は、内周にネジ溝が設けられており、上端の外周にネジ山が設けられたシャフト２０と螺合可能に構成されている。

次に、図３、４を用いて、複数の第１電磁鋼板１１Ａと第２電磁鋼板１１Ｂとにより構成されるロータコア１０の構成を詳細に説明する。

図３は、第１電磁鋼板１１Ａの上面図である。

第１電磁鋼板１１Ａには、中央にシャフト孔１２が設けられるとともに、外周側の位置において周方向に矩形の磁石挿入孔１３が並んで設けられている。シャフト孔１２には、中心に向かって突出するキー１４が設けられている。そして、磁石挿入孔１３には、内周側面の周方向の中央部に、等幅の突出部１５が設けられている。

図中の一点鎖線の円内にて拡大して示されるように、突出部１５は、磁石挿入孔１３の対向する外周側面に向かって突出するように構成されている。そして、突出部１５の周方向の両側のそれぞれには、内側に向かって、突出部１５の突出方向の反対方向（内径側）へと向かって、２つの第１切り欠き１６（１６Ａ、１６Ｂ）が設けられている。

図４は、第２電磁鋼板１１Ｂの上面図である。

第２電磁鋼板１１Ｂには、第１電磁鋼板１１Ａと同様に、中心にキー１４を備えるシャフト孔１２が設けられるとともに、外周側の位置において周方向に矩形状の磁石挿入孔１３が並んで設けられている。そして、磁石挿入孔１３には、内周側面における周方向中央部に、内径側へと向かって構成される第２切り欠き１７が設けられている。

なお、第１電磁鋼板１１Ａと第２電磁鋼板１１Ｂとを積層させた状態においては、第１電磁鋼板１１Ａの第１切り欠き１６Ａ及び１６Ｂは、第２電磁鋼板１１Ｂの第２切り欠き１７と連通する。詳細には、軸方向の投影面において、第１切り欠き１６Ａ、１６Ｂの周方向外側、及び、径方向内側の側面は、第２切り欠き１７の周方向外側、及び、径方向内側の側面と一致する。

図５は、図２のＢから見たロータ１００の上面図である。

ロータ１００の最上部には図５に示すように第１電磁鋼板１１Ａが配置されている。そして、磁石挿入孔１３には永久磁石３０が挿入されている。永久磁石３０が磁石挿入孔１３に挿入されることによって、突出部１５が磁石挿入孔１３の内において軸方向、すなわち、内面側に沿って、屈曲する。

図６は、突出部１５の斜視図である。

図６には、磁石挿入孔１３に挿入される永久磁石３０によって押圧されて屈曲する過程における突出部１５が示されている。屈曲した状態の突出部１５は、第１切り欠き１６Ａ、１６Ｂの中に収容される。なお、この図は、屈曲した突出部１５の一例を示すものであってこれに限られない。例えば、突出部１５は、第１切り欠き１６Ａ、１６Ｂから突出する根元部分において屈曲してもよい。

図７は、図５のＣ−Ｃにおけるロータ１００の断面図である。

第１電磁鋼板１１Ａが１枚に対して第２電磁鋼板１１Ｂが２枚ずつ積層される。すなわち、１枚の第１電磁鋼板１１Ａと１枚の第１電磁鋼板１１Ａとの間に、２枚の第２電磁鋼板１１Ｂが積層される。

永久磁石３０は磁石挿入孔１３の上方から挿入され、挿入される永久磁石３０によって、第１電磁鋼板１１Ａの突出部１５は下方向に屈曲し、屈曲した突出部１５は、第２電磁鋼板１１Ｂの第２切り欠き１７に収容される。このように、屈曲してたわみ変形した突出部１５は復元力としての反力が発生し、その反力によって永久磁石３０は磁石挿入孔１３の外周面に押し付けられて固定される。

なお、第１切り欠き１６及び第２切り欠き１７の径方向内側へと向かう深さは、突出部１５の厚さよりも深い。そのため、屈曲した突出部１５は、断面方向において第２切り欠き１７の中に配置されるので、永久磁石３０と磁石挿入孔１３との間の隙間（クリアランス）に突出部１５の厚さを考慮する必要がない。

第１実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。

第１実施形態のロータ１００によれば、ロータ１００を構成する第１電磁鋼板１１Ａは、磁石挿入孔１３において折り曲げ可能な突出部１５を備える。突出部１５は、磁石挿入孔１３の側面の一部が磁石挿入孔１３の中央に向かって突出するように設けられている。そして、突出部１５は磁石挿入孔１３に挿入される永久磁石３０によって軸方向に屈曲される。このように屈曲された突出部１５には復元力としての反力が発生し、この反力によって永久磁石３０は磁石挿入孔１３の他面に向かって押し付けられる。これにより、永久磁石３０の固定のための追加部材を用いることなく、磁石挿入孔１３の中に永久磁石３０を固定することができる。

第１実施形態のロータ１００によれば、ロータ１００を構成する第１電磁鋼板１１Ａは、磁石挿入孔１３の内面において、突出部１５と隣接し、突出部１５との突出方向とは逆方向に構成される第１切り欠き１６が設けられている。このように、第１切り欠き１６を突出部１５の根元に設けることによって、突出部１５の屈曲が磁石挿入孔１３の側面よりも外側に設けられた第１切り欠き１６にて行われる。したがって、第１切り欠き１６を除く磁石挿入孔１３と永久磁石３０との間のクリアランスに突出部１５の厚さを含める必要がなくなるので、クリアランスに起因するモータ性能の低下を抑制できる。

第１実施形態のロータ１００によれば、ロータ１００を構成する第２電磁鋼板１１Ｂは、屈曲した突出部１５を収容可能な第２切り欠き１７を有する。このように、屈曲する突出部１５が第２切り欠き１７に格納されることで、第２切り欠き１７を除く磁石挿入孔１３と永久磁石３０との間のクリアランスに突出部１５の厚さを含める必要がなくなるので、クリアランスに起因するモータ性能の低下を抑制できる。

第１実施形態のロータ１００によれば、第１電磁鋼板１１Ａの第１切り欠き１６と、第２電磁鋼板１１Ｂの第２切り欠き１７とは軸方向に連通する。すなわち、第１切り欠き１６Ａ，１６Ｂと、第２切り欠き１７とは、周方向の外側、及び、内径側の側面が一致する。このように構成されることで、同一のプレスで第１電磁鋼板１１Ａと第２電磁鋼板１１Ｂとを構成することができる。すなわち、突出部１５と第１切り欠き１６とを備える磁石挿入孔１３をプレスにより設けることで第１電磁鋼板１１Ａを構成した後に、その第１電磁鋼板１１Ａの突出部１５を切断することで第２電磁鋼板１１Ｂを構成することができるので、製造工程を簡略化できる。

第１実施形態のロータ１００をモータに用いることにより、ロータ１００において磁石挿入孔１３に挿入される永久磁石３０によって突出部１５は軸方向に屈曲される。このように屈曲された突出部１５には復元力としての反力が発生し、この反力によって永久磁石３０は磁石挿入孔１３の他面に向かって押し付けられる。そのため、永久磁石３０の固定のための追加部材を用いることなく、磁石挿入孔１３の中に永久磁石３０を固定されたモータを構成することができる。

（第１変形例）
第１実施形態においては、１つの磁石挿入孔１３に１つの永久磁石３０が挿入される例について示したが、これに限らない。本実施形態においては、１つの磁石挿入孔１３に複数の磁石片が挿入される例について説明する。

図８は、第１変形例におけるロータ１００の断面図である。

この図に示されるように、磁石挿入孔１３には、複数の磁石片３１からなる永久磁石３０が挿入されている。なお、複数の磁石片３１は接着剤や樹脂によって固定されて１つの永久磁石３０が構成される。

それぞれの磁石片３１は、１つの第１電磁鋼板１１Ａの突出部１５によって固定される。それぞれの磁石片３１が突出部１５により固定されるので、磁石片３１同士の締結が解けて剥離することが抑制される。

なお、第１変形例においては、１つの磁石片３１が１つの突出部１５により固定されたが、これに限らない。１つの磁石片３１は、２以上の突出部１５により固定されてもよいし、図９に示すように３つの突出部１５により固定されてもよい。このように１つの磁石片３１が複数の突出部１５により固定されることで、磁石片３１同士の締結が解けて剥離することがさらに抑制される。

第１変形例によれば以下の効果を得ることができる。

第１変形例のロータ１００によれば、永久磁石３０は複数の磁石片３１により構成されている。そして、１つの磁石片３１は、１以上の屈曲された突出部１５から反力を受けて磁石挿入孔１３内に固定される。このように構成されることで、磁石片３１のそれぞれは屈曲する突出部１５により固定されるので、磁石片３１同士の締結が解除されて分離するのが抑制される。

（第２実施形態）
第１実施形態においては、１枚の第１電磁鋼板１１Ａにおいて、１つの突出部１５が設けられる例について説明したがこれに限らない。第２実施形態においては、１枚の第１電磁鋼板１１Ａにおいて、２つの突出部１５が設けられる例について説明する。

図１０Ａは第２実施形態における第１電磁鋼板１１Ａの上面図である。

磁石挿入孔１３においては、矩形の断面において内周側の２つの角部に突出部１５が設けられている。そして、突出部１５の根元の両側には２つの第１切り欠き１６Ａ、１６Ｂが設けられている。永久磁石３０の挿入によって突出部１５は軸方向に屈曲し、屈曲した突出部１５によって永久磁石３０の内側角部が押され、その結果、永久磁石３０の外側面が磁石挿入孔１３内に固定される。したがって、これらの突出部１５によって、二点鎖線で示される位置にある永久磁石３０が磁石挿入孔１３の外側面に押し付けられることで永久磁石３０が固定されることになる。

図１０Ｂは、第１電磁鋼板１１Ａと積層される第２電磁鋼板１１Ｂの上面図である。この図に示されるように、第２電磁鋼板１１Ｂの第２切り欠き１７は、第１電磁鋼板１１Ａと第２電磁鋼板１１Ｂとが積層する状態において、第１電磁鋼板１１Ａの第１切り欠き１６Ａ、１６Ｂと連通するように構成される。

図１１は、１つの突出部１５における屈曲時の反力Ｆと、２つの突出部１５の反力が作用する永久磁石３０において磁石挿入孔１３から作用される応力Ｓとの関係を示す図である。この図によれば、突出部１５による反力Ｆと、永久磁石３０に作用する応力Ｓとは比例関係にある。

そして、永久磁石３０に作用する応力には上限応力Ｓｍａｘと下限応力Ｓｍｉｎとが存在する。上限応力Ｓｍａｘは、永久磁石３０が損傷しない値であって、下限応力Ｓｍｉｎは、ロータ１００の回転時に永久磁石３０が固定される力、すなわち、永久磁石３０に対するステータからの磁力による反発力と等しい。

このグラフより、下限応力Ｓｍｉｎと対応する最小反力Ｆｍｉｎ、及び、上限応力Ｓｍａｘと対応する最大反力Ｆｍａｘが求められる。そして、突出部１５は、発生する反力が最小反力Ｆｍｉｎと最大反力Ｆｍａｘとの間となるように突出部１５の幅や長さなどが設計されることで、永久磁石３０を損傷することなく固定するとともに、回転時において固定が解けることがない。

第２実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

第２実施形態のロータ１００によれば、断面が矩形の磁石挿入孔１３において隣接する２つの角部に突出部１５が設けられる。このようにすることで、永久磁石３０には、永久磁石３０の長辺方向（周方向）、及び、短辺方向（径方向）のいずれにも反力が作用することになるので、永久磁石３０を確実に固定することができる。

第２実施形態のロータ１００によれば、磁石挿入孔１３の内周面に突出部１５が設けられる。ロータ１００の回転駆動時には、永久磁石３０は遠心力が、突出部１５の反力と同じ方向である内径から外径に向かって作用する。そのため、ロータ１００の回転駆動時には、永久磁石３０に対してはステータからの磁力による反発力から遠心力を控除した値が固定に必要な応力となる。したがって、突出部１５において発生する反力は比較的小さくてもよいので、突出部１５の幅を小さくするなど構成を簡略化できる。

（第２変形例）
第２実施形態においては、１枚の第１電磁鋼板１１Ａにおいて、２つの突出部１５が磁石挿入孔１３の内周面に設けられる例について説明したが、これに限らない。２つの突出部１５が磁石挿入孔１３の外周面に設けられてもよい。

図１２Ａは第２実施形態における第２変形例における第１電磁鋼板１１Ａの上面図である。

磁石挿入孔１３においては、その矩形の断面において外周側の２つの角部に突出部１５が設けられている。そして、永久磁石３０の挿入によって突出部１５は軸方向に屈曲し、屈曲した突出部１５によって永久磁石３０の内側角部が押され、その結果、永久磁石３０の内側面が磁石挿入孔１３内に固定される。したがって、これらの突出部１５によって、二点鎖線で示される位置にある永久磁石３０の内側面が磁石挿入孔１３に押し付けられる。

図１２Ｂは、第１電磁鋼板１１Ａと積層される第２電磁鋼板１１Ｂの上面図である。第２電磁鋼板１１Ｂの第２切り欠き１７は、積層状態において、第１電磁鋼板１１Ａの第１切り欠き１６Ａ、１６Ｂと連通する。

図１３は、１つの突出部１５による反力Ｆと、２つの突出部１５によって永久磁石３０の中心側に向かって作用する応力Ｓとの関係を示す図である。この図によれば、突出部１５による反力Ｆと、永久磁石３０に作用する応力Ｓとは比例関係にある。

永久磁石３０に作用する上限応力Ｓｍａｘには、永久磁石３０が損傷しない値が設定される。そして、下限応力Ｓｍｉｎ’には、ロータ１００の回転時に永久磁石３０が固定される力、すなわち、永久磁石３０に対するステータからの磁力に起因する反発力に、永久磁石３０の回転による遠心力が加算された和によって定められる。

そして、突出部１５は、発生する反力が、下限応力Ｓｍｉｎ’と対応する最小反力Ｆｍｉｎ’と、上限応力Ｓｍａｘと対応する最大反力Ｆｍａｘとの間となるように電磁鋼板１１の板厚や突出部１５の幅や長さなどが設計される。

第２変形例によれば以下の効果を得ることができる。

第２変形例施形態のロータ１００によれば、磁石挿入孔１３の外周面に突出部１５が設けられる。このようにすることで、永久磁石３０が磁石挿入孔１３の内周面に固定されるため、ロータ１００の回転駆動時には、外径側に向かう遠心力によって永久磁石３０へ作用する応力が軽減されるため、応力による永久磁石３０の損傷を抑制することができる。

（第３実施形態）
第１及び第２実施形態においては、図６に示すように突出部１５が等幅の板状に構成される例について説明した。本実施形態においては、突出部１５の他の形態について説明する。

図１４Ａは、第３実施形態の第１電磁鋼板１１Ａの上面図である。図１４Ｂは、図１４Ａの領域Ａの拡大図である。また、図１４Ｃは、屈曲される場合の突出部１５の斜視図である。

図１４Ａに示されるように、突出部１５は、磁石挿入孔１３の内側面の径方向の中心に設けられている。図１４Ｂに示されるように、突出部１５は、磁石挿入孔１３の壁面と接続し等幅に構成される第１突出部１５Ａと、第１突出部１５Ａと接続し突出方向に向かって幅が狭くなるように構成される第２突出部１５Ｂとにより構成されている。

図１４Ｂに示されるように、永久磁石３０が挿入されて突出部１５が屈曲する場合には、第１突出部１５Ａと第２突出部１５Ｂとの境界を支点として第１突出部１５Ａが屈曲される。

ここで、突出部１５が等幅に構成される場合には、屈曲部に応力が集中してしまう。これに対して、本実施形態のように第２突出部１５Ｂの先端が狭くなるように構成されることにより、第２突出部１５Ｂが屈曲してたわみ変形する際に生じる応力が、第２突出部１５Ｂの全体へと広く分散されるので、屈曲部に集中しない。

第３実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

第３実施形態のロータ１００によれば、突出部１５は突出方向に向かって幅が狭くなるように構成されている。このように構成されることによって、突出部１５がたわみ変形により反力が生じる際に生じる応力は、第２突出部１５Ｂの全体へと分散するので、屈曲部への応力集中が抑制される。このようにして、応力集中による破断のおそれを低減することができる。

（第４実施形態）
第３実施形態においては、図１４Ａ及び１４Ｂに示すような、突出部１５が台形状に構成される例について説明した。本実施形態においては、突出部１５の他の形態について説明する。

図１５Ａは、第４実施形態の第１電磁鋼板１１Ａの上面図である。図１５Ｂは、図１５Ａの領域Ａの拡大図である。また、図１５Ｃは、屈曲されている場合の突出部１５の斜視図である。

図１５Ｂに示されるように、第２突出部１５Ｂは、第１突出部１５Ａと接続する部分から突出方向に向かって幅が狭くなるとともに、突出方向に向かって幅の減少率が小さくなるように構成されている。

なお、突出部１５の設計においては、主に、第１電磁鋼板１１Ａ（第１突出部１５Ａ及び第２突出部１５Ｂ）の厚さｔや、第２突出部１５Ｂにおける第１突出部１５Ａと接続する側の接続幅Ｗ、第２突出部１５Ｂの先端幅Ｗ１、第２突出部１５Ｂの径方向長Ｌ、及び、第２突出部１５Ｂの側面のカーブの曲率Ｒなどが、シミュレーションなどによって最適値が定められる。

図１６は、突出部１５が屈曲されたロータ１００の断面図の一例が示されている。

この図においては、磁石挿入孔１３に永久磁石３０が挿入されている。なお、比較のために、最上部に点線によって、一部が屈曲するが反力が比較的小さい場合の突出部１５’が示されている。すなわち、それ以外の突出部１５は、挿入される永久磁石３０によって屈曲されて反力が発生している。また、以下の説明においては、第１突出部１５Ａの長さを考慮せず、突出部１５が第２突出部１５Ｂにより構成される例が示されている。

例えば、磁石挿入孔１３は永久磁石３０に対して径方向にクリアランスＣがあり、突出部１５の先端は、永久磁石３０の内壁に対して変位Ｄだけ内側に押し込まれているものとする。クリアランスＣ及び変位Ｄは、突出部１５の設計に用いられる。

そして、突出部１５の屈曲時におけるたわみ変形によって生ずる反力Ｆは、第２突出部１５Ｂの形状（厚さｔ、接続幅をＷ、先端幅Ｗ１、径方向長Ｌ、曲率Ｒ）や、１つの磁石挿入孔１３あたりの突出部１５の接触数、及び、突出部１５の配置に起因する反力の作用方向などによって定められる。

図１７には、反力Ｆと変位Ｄとの変位−反力特性が示されている。この図に示されるように、第２突出部１５Ｂの側面の曲率Ｒが大きくなるにつれて、反力Ｆに対する変位Ｄの変化率は小さくなる。このような変位−反力特性が考慮されて突出部１５が設計される。

また、突出部１５の反力によって永久磁石３０が磁石挿入孔１３に押し付けられることにより生じる応力Ｓは、突出部１５の形状によって異なる。

図１８には、変位Ｄと応力Ｓとの変位―応力特性が示されている。この図に示されるように、変位―応力特性は、突出部１５の形状によって定まる。具体的には、第１実施形態のような板状、第３実施形態のような台形状、本実施形態のような屈曲状の順に、変位Ｄに対する応力Ｓの変化率は小さくなる。このような変位―応力特性が考慮されて突出部１５が設計される。

なお、図１７に示した変位−反力特性も、図１８に示した変位―応力特性も、一次関数に近似できる。

以下では、突出部１５の設計の詳細について説明する。

以下のように、永久磁石３０の固定に必要な反力が得られるように、突出部１５を有する第１電磁鋼板１１Ａの枚数が求められる。

まず、ロータ１００の回転時に永久磁石３０に対して磁石挿入孔１３から作用される力について検討する。この作用力としては、ロータ１００の回転速度に起因する遠心力や、ステータへの印加電流に応じた電磁力による反発力が考えられる。これらの状態を考慮した最大の作用力Ｘ１が、以下の計算において用いられる。

まず、作用力Ｘ１を上回る反力を作用させるように第１電磁鋼板１１Ａの枚数が定められる。例えば、変位Ｄ、及び、変位―反力特性によって突出部１５の１枚あたりの反力Ｆを求め、作用力Ｘ１を反力Ｆで除することによって、永久磁石３０の固定に必要な第１電磁鋼板１１Ａの必要枚数を求めることができる。

また、以下のように、永久磁石３０に発生する応力Ｓが上限応力Ｓｍａｘを上回らないように、突出部１５の外形、厚さｔ、接続幅Ｗ、先端幅Ｗ１、径方向長Ｌ、及び、第２突出部１５Ｂの曲率Ｒなどの、形状が定められる。

突出部１５によって永久磁石３０に発生する応力Ｓは、変位Ｄ、及び、変位―応力特性によって定められる、ここで、応力Ｓには、永久磁石３０が損傷しない程度の上限応力Ｓｍａｘがあるため、応力Ｓが上限を上回らないように、変位Ｄ、及び、突出部１５の形状から、適切な応力Ｓとなるように突出部１５の形状が定められてもよい。

また、以下のように、ロータ１００の回転駆動時の永久磁石３０の変動が考慮されて、突出部１５の形状及びサイズが定められる。

駆動開始時などには、突出部１５に抑えられた永久磁石３０が径方向に変動することがある。この変動により、突出部１５が金属疲労により破断したり、不可逆的に降伏したりしてしまう。

図１９は、応力が変動する場合における平均応力と変動応力との関係を示すグラフである。この図には、疲労により破断する限界、及び、降伏する限界の平均応力と変動応力との関係が示されている。その図に示される疲労限界及び降伏限界を上回らないような平均応力及び変動応力となるように、突出部１５の形状が定められる。

なお、平均応力は、上限応力Ｓｍａｘとしてもよく、変動応力は、予想される変動変位Ｄ、及び、変位―応力特性によって求めてもよい。そして、平均応力及び変動応力が、図１９に示したグラフから疲労限界及び降伏限界を上回らないように、突出部１５が設計される。

また、以下のように、複数の隣り合う突出部１５は、屈曲した状態では、接触せずに離間するように形状が定められる。

図２０は、突出部１５が屈曲した状態のロータ１００の断面図である。

この図に示されるように、１つの突出部１５−１と、突出部１５−１と隣り合う他の突出部１５−２とは、屈曲している状態で接触しないように離間し、スペース１８が設けられている。このような状態が考慮されて、第１電磁鋼板１１Ａ及び第２電磁鋼板１１Ｂの積層枚数や、電磁鋼板１１の厚さｔ、クリアランスＣなどが設計される。

第４実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

第４実施形態のロータ１００によれば、突出部１５は、突出方向に向かって幅の減少率が緩やかになるように構成されている。このように構成されることによって、突出部１５がたわみ変形により反力が生じる際に生じる応力をは、第２突出部１５Ｂの全体に分散するので、屈曲部への応力集中が抑制される。このように、屈曲部への応力を低減することができる。

第４実施形態のロータ１００によれば、第１電磁鋼板１１Ａは、ロータ１００が回転する場合において永久磁石３０が固定されるように複数設けられる。すなわち、永久磁石３０に作用する最大の作用力Ｘ１を算出し、その作用力Ｘ１を上回るように、複数枚の第１電磁鋼板１１Ａが設けられる。

このように構成されることで、ロータ１００が回転駆動中に永久磁石３０が移動することがないため、突出部１５が軸方向に変動することはないため応力振幅が生じない。そのため、突出部１５の疲労破壊のおそれを低減できる。

第４実施形態のロータ１００によれば、一の第１電磁鋼板１１Ａの突出部１５−１と、一の第１電磁鋼板１１Ａと隣り合う他の第１電磁鋼板１１Ａの突出部１５Ｂ―２とは、屈曲した状態において接触せずに離間する。

仮に、第１突出部１５Ａと第２突出部１５Ｂとが、屈曲した状態において離間せずに接触して干渉してしまうと、永久磁石３０は磁石挿入孔１３に対して圧入状態になる。したがって、永久磁石３０には磁石挿入孔１３との接触面にて大きな応力が発生してしまい、永久磁石３０を損傷してしまうおそれがある。

隣り合う突出部１５が離間することにより、突出部１５の弾性変形力に起因する反力によって永久磁石３０が固定されることになるので、永久磁石３０の損傷を抑制しながら固定することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１０ ロータコア
１１ 電磁鋼板
１１Ａ 第１電磁鋼板
１１Ｂ 第２電磁鋼板
１３ 磁石挿入孔
１５ 突出部
１６ 第１切り欠き
１７ 第２切り欠き
３０ 永久磁石
３１ 磁石片
１００ ロータ

Claims (13)

1. 磁石挿入孔を備える電磁鋼板が、前記磁石挿入孔が軸方向に重なるように積層されて構成される回転子コアと、
   前記回転子コアにおいて軸方向に重なる前記磁石挿入孔に挿入される永久磁石と、を有する回転子であって、
   前記電磁鋼板のうちの少なくとも一の電磁鋼板である第１電磁鋼板は、前記磁石挿入孔の側面に、一部が前記磁石挿入孔に向かって突出し、前記磁石挿入孔に挿入される前記永久磁石によって軸方向に屈曲可能に構成される突出部を有し、
   前記永久磁石は、屈曲する前記突出部と前記磁石挿入孔との間に固定される、回転子。
2. 請求項１に記載の回転子であって、
   前記第１電磁鋼板は、前記磁石挿入孔の側面において、前記突出部と隣接する位置に前記突出部の突出方向とは反対方向に切り欠かれる第１切り欠きを有する、回転子。
3. 請求項１または２に記載の回転子であって、
   前記回転子コアは、前記第１電磁鋼板と、前記第１電磁鋼板とは異なる第２電磁鋼板とが積層されて構成され、
   前記第２電磁鋼板は、前記磁石挿入孔の側面において、屈曲した前記突出部を収容する第２切り欠きを有する、回転子。
4. 請求項２に記載の回転子であって、
   前記回転子コアは、前記第１電磁鋼板と、前記第１電磁鋼板とは異なる第２電磁鋼板とが積層されて構成され、
   前記第２電磁鋼板は、前記磁石挿入孔の側面において、屈曲した前記突出部を収容する第２切り欠きを有し、
   前記第１電磁鋼板と前記第２電磁鋼板とが積層される状態において、前記第１切り欠きと前記第２切り欠きとは連通する、回転子。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の回転子であって、
   前記第１電磁鋼板は、前記磁石挿入孔の断面が矩形であり、前記磁石挿入孔の隣接する２つの角部に前記突出部を有する、回転子。
6. 請求項５に記載の回転子であって、
   前記第１電磁鋼板は、前記磁石挿入孔の内周側面側に前記突出部を有する、回転子。
7. 請求項５に記載の回転子であって、
   前記第１電磁鋼板は、前記磁石挿入孔の外周側面側に前記突出部を有する、回転子。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の回転子であって、
   前記永久磁石は、複数の磁石片により構成され、
   前記磁石片は、１以上の前記突出部により固定される、回転子。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の回転子であって、
   前記突出部は、突出方向に向かって幅が狭くなるように構成される、回転子。
10. 請求項９に記載の回転子であって、
    前記突出部は、突出方向に向かって幅の減少率が緩やかになるように構成される、回転子。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の回転子であって、
    前記突出部は、屈曲する場合に生じる反力が、前記回転子が回転する場合に前記永久磁石に作用する応力を上回るように、構成される回転子。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の回転子であって、
    一の前記第１電磁鋼板の前記突出部は、該一の前記第１電磁鋼板と隣り合う他の前記第１電磁鋼板の前記突出部とは、屈曲した状態において離間する、回転子。
13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の回転子を有する、回転電機。

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