JP7373394B2

JP7373394B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP7373394B2
Application number: JP2019237594A
Authority: JP
Inventors: 学玉置; 周一民谷; 水里里; 隼人瀧澤
Original assignee: Hitachi Industrial Products Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Products Ltd
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2023-11-02
Anticipated expiration: 2039-12-27
Also published as: EP4084295A4; JP2021106479A; KR20220101709A; KR102740824B1; WO2021131298A1; EP4084295B1; EP4084295A1

Description

本発明は、永久磁石を有する回転電機に関する。

一般的に、永久磁石を有する回転電機として、埋め込み磁石型同期回転電機がある。この埋め込み磁石型同期回転電機は、電磁鋼板を積層して構成されるロータコアの内部に、永久磁石が挿入される。そして、ロータコアの両端部には、ロータ端板が設置され、ロータ端板は、積層した電磁鋼板を固定し、ロータコアからの永久磁石の飛び出しを防止する。

このロータ端板には、永久磁石からの漏れ磁束による鉄損防止の観点及び強度の観点から、非磁性材料であるステンレス鋼材が使用される。しかし、ステンレス鋼材は、鉄材（鋼）と比較して、高価であり、回転電機のコストの増加の要因となっていた。

こうした本技術分野の背景技術として、特開２０１８－８８７４８号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、ロータコアの磁石挿入孔には永久磁石が挿入され、ロータコアの端面にはロータ端板が設置され、ロータコア及びロータ端板は、焼き嵌めによりシャフトに固定される埋め込み磁石型同期回転電機であって、ロータ端板は、強度部材で形成した内周側リング体と、内周側リング体に対して同心状に設置され、非磁性材料で形成した外周側リング体と、で形成され、内周側リング体はトルクを伝達し、外周側リング体は磁石挿入孔の端面を閉塞する埋め込み磁石型同期回転電機が記載されている。

特開２０１８－８８７４８号公報

特許文献１には、内周側リング体と、内周側リング体に対して同心状に設置され、非磁性材料で形成した外周側リング体と、で形成されたロータ端板を有する埋め込み磁石型同期回転電機が記載されている。

しかし、特許文献１には、高価な非磁性材料の使用を低減しつつ、機能性、作業性を向上させ、製造コストを低減する回転電機については、記載されていない。

そこで、本発明は、高価な非磁性材料の使用を低減しつつ、機能性、作業性を向上させ、製造コストを低減する回転電機を提供する。

上記した課題を解決するため、本発明の回転電機は、ステータとロータとを有し、ロータは、軸方向に電磁鋼板を積層して構成されるロータコアと、ロータコアの軸方向に設置された磁石挿入孔に挿入されている永久磁石と、ロータコアの径方向の中央部を貫通し、回転軸となるシャフトと、シャフトに設置される固定部と、ロータコアの一端には、非磁性材料で形成された第１ロータ端板と鉄材（鋼）で形成された第２ロータ端板とが軸方向に設置され、ロータコアの他端には、鉄材（鋼）で形成された第３ロータ端板と非磁性材料で形成された第４ロータ端板とが径方向に設置され、第１ロータ端板は、第２ロータ端板よりも軸方向内側に設置され、第１ロータ端板が、磁石挿入孔を覆い、永久磁石に接し、第４ロータ端板は、第３ロータ端板よりも径方向外側に設置され、第４ロータ端板が、磁石挿入孔を覆い、永久磁石に接し、固定部、第２ロータ端板、第１ロータ端板、及びロータコアが、シャフトに、この順番で固定され、第４ロータ端板が、第３ロータ端板に固定されていることを特徴とする。

本発明によれば、高価な非磁性材料の使用を低減しつつ、機能性、作業性を向上させ、製造コストを低減する回転電機を提供することができる。

なお、上記した以外の課題、構成及び効果については、下記する実施例の説明により、明らかにされる。

本実施例に記載する回転電機に使用するロータ１の概略構成を模式的に説明する軸方向断面図である。本実施例に記載する回転電機に使用するロータ１の概略構成を模式的に説明する径方向断面図である。

以下、本発明の実施例を、図面を使用して説明する。なお、実質的に同一又は類似の構成には、同一の符号を付し、説明が重複する場合には、その説明を省略する場合がある。

まず、軸方向から見た、本実施例に記載する回転電機に使用するロータ１の概略構成を模式的に説明する。

図１は、本実施例に記載する回転電機に使用するロータ１の概略構成を模式的に説明する軸方向断面図である。

本実施例に記載する回転電機は、ロータ１とその外周側に設置されるステータ４とを有する。回転電機が発電機である場合には、ロータ１を外部からの動力により回転させ、ステータ４から電流を取り出すことができる。また、回転電機が電動機である場合には、ステータ４に電流を流し、ロータ１を回転させ、動力を外部に供給することができる。

また、ロータ１は、ロータコア２、シャフト３、ロータ端板（第１ロータ端板）７、ロータ端板（第２ロータ端板）８、ロータ端板（第３ロータ端板）９、ロータ端板（第４ロータ端板）１０、永久磁石６を有する。

ロータコア２は、軸方向に電磁鋼板を積層して構成される。また、ロータコア２（ロータコア２を構成する電磁鋼板）には、軸方向に磁石挿入孔５が形成され、磁石挿入孔５には、永久磁石６が挿入される（埋め込まれる）。永久磁石６は、磁石挿入孔５に挿入された後に、ワニスなどの樹脂や接着剤などにより、ロータコア２に固定される。

シャフト３は、ロータコア２の径方向の中央部を貫通し、ロータ１の回転軸となる。シャフト３には、ロータ端板を固定する固定部３１が設置される。なお、シャフト３は、削り出しなどにより、一体に形成される。

ロータコア２の一端には、非磁性材料で形成されたロータ端板７、鉄材（鋼）で形成されたロータ端板８が設置され、ロータコア２の他端には、鉄材（鋼）で形成されたロータ端板９、非磁性材料で形成されたロータ端板１０が設置される。

つまり、ロータコア２の両端部には、これらロータ端板が設置され、これらロータ端板は、積層された電磁鋼板を固定し、ロータコア２からの永久磁石６の飛び出しを防止する。

ここで、ロータ１の製造方法を、説明する。

まず、シャフト３に、ロータ端板８、ロータ端板７、ロータコア２を構成する電磁鋼板、ロータ端板９が、順次、焼き嵌めにより、図中、左側から、設置される。ロータ端板８は、シャフト３の固定部３１に接触し、固定される。つまり、シャフト３の固定部３１の径は、ロータ端板８、ロータ端板７、ロータコア２を構成する電磁鋼板、ロータ端板９のそれぞれの中央部に形成される貫通孔の径よりも、大きい。

なお、ロータ端板８及びロータ端板７とロータ端板９とは、両端部から、ロータ端板８及びロータ端板７とロータ端板９とが相互に近づく方向に、加締めされた状態で、焼き嵌めにより、シャフト３に固定される。

次に、ロータ端板８、ロータ端板７、ロータコア２を構成する電磁鋼板、ロータ端板９が、シャフト３に固定された後に、磁石挿入孔５に、永久磁石６が挿入される。永久磁石６は、磁石挿入孔５に挿入された後に、ワニスなどの樹脂や接着剤などにより、ロータコア２に固定される。

最後に、永久磁石６がロータコア２に固定された後に、ロータ端板９の外周側に、ロータ端板１０が、ボルトなどの締結部３２などにより、固定される。

つまり、ロータコア２の一端には、非磁性材料で形成されたロータ端板７と鉄材（鋼）で形成されたロータ端板８とが軸方向に設置され、ロータコア２の他端には、鉄材（鋼）で形成されたロータ端板９と非磁性材料で形成されたロータ端板１０とが径方向に設置される。

このように、本実施例に記載する回転電機は、ロータ端板８及びロータ端板７を一連の作業工程（一連の焼き嵌め）により、設置することができ、作業性を向上させ、製造コストを低減することができる。

ロータ端板７は、ロータコア２と接触した状態で設置され、例えば、ステンレス鋼材のような非磁性材料で構成される。また、ロータ端板７は、径方向に対して、磁石挿入孔５が設置される位置よりも、外周側まで設置され、磁石挿入孔５を覆うように設置される。ロータ端板７が非磁性材料で構成され、磁石挿入孔５を覆うように設置されることにより、永久磁石６に起因する漏れ磁束による鉄損の発生を抑制することができる。

ロータ端板８は、ロータ端板７とシャフト３の固定部３１と接触した状態で設置され、例えば、鉄材（鋼）で構成される。なお、ロータ端板８は、磁性材料で構成されてもよい。一般的に、鉄材（鋼）は、ステンレス鋼材と比較して、安価であり、ステンレス鋼材の使用量を低減することにより、回転電機のコストを低減することができる。

このように、ロータ端板７は、ロータ端板８よりも軸方向内側に設置され、ロータ端板７が永久磁石６に接する。

また、ロータ端板８は、径方向に対して、磁石挿入孔５が設置される位置よりも、内周側に設置され、磁石挿入孔５を覆わないように設置される。つまり、ロータ端板８の径は、ロータ端板７の径よりも、小さい。なお、ロータ端板８の径は、シャフト３の固定部３１の径よりも、大きい。これにより、ロータ端板７及びロータ端板８の強度を向上させることができる。

また、本実施例に記載する回転電機は、図中、右側から、ロータ１とステータ４とを冷却する冷却風が供給される。つまり、本実施例に記載する回転電機は、シャフト３の固定部３１側（ロータ端板７及びロータ端板８が設置される側）に、ロータ１とステータ４とを冷却する冷却風を発生するファン（図示せず）が設置される。そして、この冷却風は、シャフト３の固定部３１側（ロータ端板７及びロータ端板８が設置される側）から供給され、ロータ１とステータ４との間の間隙２３に導入される。

一方、ロータ端板８の径を、ロータ端板７の径よりも、小さくすることにより、ロータ端板８とロータ端板７との間で、径方向に、段差２２が形成される。そして、段差２２により、冷却風が、ロータ１とステータ４との間の間隙２３に、より抵抗なく、より容易に、導入され、冷却効率を向上させることができる。

このように、本実施例に記載する回転電機は、冷却風が供給される側のロータ端板（ロータ端板８及ロータ端板７）の形状と、その反対側のロータ端板（ロータ端板９及びロータ端板１０）の形状と、が相違する。つまり、それぞれのロータ端板は、それぞれの機能を有するように、構成される。

また、ロータ端板８の軸方向の厚みは、ロータ端板７の軸方向の厚みよりも、厚い。ロータ端板８の軸方向の厚みは、ロータ端板７の軸方向の厚みの５倍～６倍である。例えば、ロータ端板７の軸方向の厚みを２～４ｍｍとする場合、ロータ端板８の軸方向の厚みは１０～２４ｍｍとなる。これにより、ステンレス鋼材の使用量を低減しつつ、ロータ端板７及びロータ端板８の強度を向上させることができる。

ロータ端板９は、ロータ端板７の反対側に、ロータコア２と接触した状態で設置され、例えば、例えば、鉄材（鋼）で構成される。なお、ロータ端板８は、磁性材料で構成されてもよい。また、ロータ端板９の径は、ロータ端板８の径と同等であり、ロータ端板９の軸方向の厚みは、ロータ端板８の軸方向の厚みと同等である。

ロータ端板１０は、ロータ端板９の外周側に、ロータコア２と接触した状態で設置され、例えば、ステンレス鋼材のような非磁性材料で構成される。また、ロータ端板１０は、磁石挿入孔５を覆うように設置される。ロータ端板１０が非磁性材料で構成され、磁石挿入孔５を覆うように設置されることにより、永久磁石６に起因する漏れ磁束による鉄損の発生を抑制することができる。そして、ロータ端板１０は、ロータ端板９に、ボルトなどの締結部３２などにより、固定される。

このように、ロータ端板１０は、ロータ端板９よりも径方向外側に設置され、ロータ端板１０が永久磁石６に接する。

また、ロータ端板１０の軸方向の厚みは、ロータ端板９の軸方向の厚みと同等である。これにより、ステンレス鋼材の使用量を低減しつつ、ロータ端板９及びロータ端板１０の強度を向上させることができる。

このように、本実施例に記載する回転電機は、ロータコア２の一端には、ロータ端板７とロータ端板８とが軸方向に設置され、ロータコア２の他端には、ロータ端板９とロータ端板１０とが径方向に設置され、高価な非磁性材料の使用を低減しつつ、機能性、作業性を向上させ、製造コストを低減することができる。

なお、ロータ１には、ロータ端板８、ロータ端板７、ロータコア２を構成する電磁鋼板、ロータ端板９を貫通する冷却孔２１が、形成される。この冷却孔２１は、径方向に対して、磁石挿入孔５が設置される位置よりも、内周側に設置される。これにより、ロータコア２を構成する電磁鋼板及び磁石挿入孔５に挿入される永久磁石６を冷却することができる。

次に、径方向から見た、本実施例に記載する回転電機に使用するロータ１の概略構成を模式的に説明する。

図２は、本実施例に記載する回転電機に使用するロータ１の概略構成を模式的に説明する径方向断面図である。

本実施例に記載する回転電機は、ロータ１とその外周側に設置されるステータ４とを有し、ロータ１とステータ４との間には、間隙２３が形成される。

そして、磁石挿入孔５には、永久磁石６が挿入される。永久磁石６は、ロータコア２に、周方向に、所定の間隔を形成して、設置される。また、永久磁石６は、２つづつ近接して、設置される。これにより、永久磁石６の磁力を、より効率よく使用することができる。なお、永久磁石６は、周方向に隣接する同士、磁気極性（Ｎ極及びＳ極）が相違するように、磁化される。

また、永久磁石６が設置される位置に対向するロータ端板７（永久磁石６に接するロータ端板７の部分）には、永久磁石６の誤挿入に対応するため、穴２４が形成される。ロータ端板８の径を、ロータ端板７の径よりも、小さくすることにより、穴２４を、ロータ端板７にのみ形成すればよく、作業性を向上させることができる。

また、ロータ１には、ロータ端板８、ロータ端板７、ロータコア２を構成する電磁鋼板、ロータ端板９を貫通する冷却孔２１が、形成される。この冷却孔２１は、径方向に対して、永久磁石６が設置される位置よりも、内周側に、周方向に、所定の間隔を形成して、設置される。そして、この冷却孔２１は、径方向に対して、永久磁石６が設置される位置と同方向に、設置される。これにより、永久磁石６を、より効率よく冷却することができる。

本実施例に記載する回転電機は、ステータ４とロータ１とを有し、ロータ１は、軸方向に電磁鋼板を積層して構成されるロータコア２と、ロータコア２に、軸方向に挿入される永久磁石６と、ロータコア２の径方向の中央部を貫通し、回転軸となるシャフト３と、ロータコア２の一端には、非磁性材料で形成されたロータ端板７と鉄材（鋼）で形成されたロータ端板８とが軸方向に設置され、ロータコア２の他端には、鉄材（鋼）で形成されたロータ端板９と非磁性材料で形成されたロータ端板１０とが径方向に設置される。

そして、本実施例に記載する回転電機は、ロータ端板７は、ロータ端板８よりも軸方向内側に設置され、ロータ端板７が、永久磁石６に接し、ロータ端板１０は、ロータ端板９よりも径方向外側に設置され、ロータ端板１０が、永久磁石６に接する。

このように本実施例によれば、永久磁石６に起因する漏れ磁束による鉄損の発生を抑制し、高価な非磁性材料の使用を低減しつつ、機能性、作業性を向上させ、製造コストを低減することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために、具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を有するものに限定されるものではない。

１・・・ロータ
２・・・ロータコア
３・・・シャフト
４・・・ステータ
５・・・磁石挿入孔
６・・・永久磁石
７・・・ロータ端板
８・・・ロータ端板
９・・・ロータ端板
１０・・・ロータ端板
２１・・・冷却孔
２２・・・段差
２３・・・間隙
２４・・・穴
３１・・・固定部
３２・・・締結部

Claims

ステータとロータとを有する回転電機であって、
前記ロータは、軸方向に電磁鋼板を積層して構成されるロータコアと、前記ロータコアの軸方向に設置された磁石挿入孔に挿入されている永久磁石と、前記ロータコアの径方向の中央部を貫通し、回転軸となるシャフトと、前記シャフトに設置される固定部と、前記ロータコアの一端には、非磁性材料で形成された第１ロータ端板と鉄材で形成された第２ロータ端板とが軸方向に設置され、前記ロータコアの他端には、鉄材で形成された第３ロータ端板と非磁性材料で形成された第４ロータ端板とが径方向に設置され、
前記第１ロータ端板は、前記第２ロータ端板よりも軸方向内側に設置され、前記第１ロータ端板が、前記磁石挿入孔を覆い、前記永久磁石に接し、前記第４ロータ端板は、前記第３ロータ端板よりも径方向外側に設置され、前記第４ロータ端板が、前記磁石挿入孔を覆い、前記永久磁石に接し、
前記固定部、前記第２ロータ端板、前記第１ロータ端板、及び前記ロータコアが、前記シャフトに、この順番で固定され、前記第４ロータ端板が、前記第３ロータ端板に固定されていることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載する回転電機であって、
前記第２ロータ端板の径は、前記第１ロータ端板の径よりも、小さいことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載する回転電機であって、
前記第２ロータ端板の軸方向の厚みは、前記第１ロータ端板の軸方向の厚みよりも、厚いことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載する回転電機であって、
前記ロータを冷却する冷却風が、前記第１ロータ端板が設置される側から供給されることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載する回転電機であって、
前記ロータには、前記第２ロータ端板、前記第１ロータ端板、前記ロータコア、前記第３ロータ端板を貫通する冷却孔が形成されていることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載する回転電機であって、
前記永久磁石が設置される位置に対向する前記第１ロータ端板には穴が形成されていることを特徴とする回転電機。