JP2006025482A - ディスク型回転電機のロータ構造およびロータ製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 永久磁石の磁力強度を最大限に活用でき、その結果、モータの出力向上を達成することができるディスク型回転電機のロータ構造を提供すること。
【解決手段】 ディスク形のロータコア４０に複数の永久磁石４３を配置したロータ２を備え、前記ロータ２とステータ３が軸方向に配設され、前記ロータ２は、ステータ３との間にエアギャップ１１をもって回転可能に保持されたディスク型回転電機において、前記ディスク形のロータコア４０に、磁石単体として着磁した永久磁石４３，４４を接着剤を用いて貼り付けた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ステータとロータが軸方向に対向配置されるディスク型回転電機のロータ構造およびロータ製造方法の技術分野に属する。

永久磁石をロータ内部に埋め込んだ埋込磁石同期モータ（IPMSM：Interior Permanent Magnet Synchronus Motor）や永久磁石をロータ表面に貼り付けた表面磁石同期モータ（SPMSM：Surface Permanent Magnet Synchronus Motor）は、損失が少なく、効率が良く、出力が大きい（マグネットトルクのほかにリラクタンストルクも利用できる）等の理由により、電気自動車用モータやハイブリッド車用モータ等の用途にその応用範囲を拡大している。

このような永久磁石同期モータであって、ステータとロータが軸方向に対向配置されるアキシャルエアギャップモータは、薄型化が可能であり、レイアウトに制限がある用途に使用されている。例えば、１個のステータと１個のロータが軸方向でエアギャップを保持したモータが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２０４５５９号公報

しかしながら、従来のアキシャルエアギャップモータのロータ構造にあっては、リング状磁石にＮ極とＳ極とが交互配置となるように帯磁したものであるため、このロータの磁石では磁力が弱くモーターの一層の出力向上は難しい、という問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、永久磁石の磁力強度を最大限に活用でき、その結果、モータの出力向上を達成することができるディスク型回転電機のロータ構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、ディスク形のロータコアに複数の永久磁石を配置したロータを備え、前記ロータとステータが軸方向に配設されたディスク型回転電機において、
前記ディスク形のロータコアに、磁石単体として着磁した永久磁石を接着剤を用いて貼り付けた。

よって、本発明のディスク型回転電機のロータ構造にあっては、ディスク形のロータコアに、磁石単体として着磁した永久磁石を接着剤を用いて貼り付けたため、永久磁石の磁力強度を最大限に活用でき、その結果、モータの出力向上を達成することができる。

以下、本発明のディスク型回転電機のロータ構造を実施するための最良の形態を、図面に示す実施例１〜実施例３に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は実施例１のロータ構造が適用されたディスク型回転電機を示す全体断面図であり。ディスク型回転電機は、ロータシャフト１と、ロータ２と、第１ステータ３と、第２ステータ４と、回転電機ケース５と、を備えている。前記回転電機ケース５は、フロント側サイドケース５ａと、リヤ側サイドケース５ｂと、両サイドケース５ａ，５ｂに結合された外周ケース５ｃにより構成されている。

前記ロータシャフト１は、フロント側サイドケース５ａに設けられた第１軸受け６とリヤ側サイドケース５ｂに設けられた第２軸受け７によって回転自在に支持されている。また、前記リヤ側サイドケース５ｂには、センサ設定カバー８とシャフトカバー９とがボルト５０により共締め固定され、両カバー８，９に囲まれた空間位置には、ロータシャフト１の回転数を検出するレゾルバによる回転センサ１０が設けられている。

前記ロータ２は、前記ロータシャフト１に固定され、第１ステータ３と第２ステータ４から与えられる回転磁束に対し、永久磁石に反力を発生させ、ロータシャフト１を中心に回転するように構成されている。前記複数の永久磁石は、周方向に隣接する表面磁極（Ｎ極，Ｓ極）が、互いに相違するよう配置されていて、ロータ２と第１ステータ３の間、および、ロータ２と第２ステータ４との間には、それぞれエアエアギャップ１１，１２と呼ばれる隙間が存在し、互いに接触することはない。このロータ２の詳しい構成については、後述する。

前記第１ステータ３は、前記フロント側サイドケース５ａに固定され、第１ステータコア１３と、第１絶縁部材１４と、第１ステータコイル１５と、第１バックコア１６と、第１コア固定プレート１７と、第１コア冷却プレート１８と、を有して構成されている。
前記第１ステータコイル１５は、第１絶縁部材１４（絶縁体または絶縁紙等）を介し、第１バックコア１６に固定された分割構造の第１ステータコア１３に巻き回される。
前記第１ステータコア１３の固定は、第１ステータコア１３が固定された第１バックコア１６と第１コア固定プレート１７とを予め第１ボルト５１により固定しておき、フロント側サイドケース５ａに対し、コア固定プレート１７とコア冷却プレート１８とを第２ボルト５２により共締め固定すると共に、バックコア１６とコア固定プレート１７とコア冷却プレート１８とを第３ボルト５３により共締め固定することでなされる。
前記第１コア冷却プレート１８は、ケース側に突出する冷却フィン１８ａを有し、この冷却フィン１８ａとフロント側サイドケース５ａの凹環部５ｄとの間には第１冷媒路１９を形成している。この第１冷媒路１９には、フロント側サイドケース５ａに形成された冷媒出入口２０及び冷媒路２１が連通する。

前記第２ステータ４は、前記リヤ側サイドケース５ｂに固定され、第２ステータコア２３と、第２絶縁部材２４と、第２ステータコイル２５と、第２バックコア２６と、第２コア固定プレート２７と、第２コア冷却プレート２８と、を有して構成されている。
前記第２ステータコイル２５は、第２絶縁部材２４（絶縁体または絶縁紙等）を介し、第２バックコア２６に固定された分割構造の第２ステータコア２３に巻き回される。
前記第２ステータコア２３の固定は、予め第２ステータコア２３が固定された第２バックコア２６と第２コア固定プレート２７とを第１ボルト５１により固定しておき、リヤ側サイドケース５ｂに対し、コア固定プレート２７とコア冷却プレート２８とを第２ボルト５２により共締め固定すると共に、バックコア２６とコア固定プレート２７とコア冷却プレート２８とを第３ボルト５３により共締め固定することでなされる。
前記第２コア冷却プレート２８は、ケース側に突出する冷却フィン２８ａを有し、この冷却フィン２８ａとリヤ側サイドケース５ｂの凹環部５ｅとの間には第２冷媒路２９を形成している。この第１冷媒路２９には、リヤ側サイドケース５ｂに形成された冷媒出入口３０及び冷媒路３１が連通する。

図２は実施例１のディスク型回転電機のロータ構造を示す正面図、図２は実施例１のディスク型回転電機のロータ構造を示す断面図であり、実施例１のロータ構造について、図２及び図３に基づき説明する。

実施例１では、前記ロータ２は、ディスク形のロータコア４０に、磁石単体として着磁した永久磁石４３，４４をシート状接着剤４５（接着剤）を用いて貼り付けた。

前記ロータコア４０は、磁性体材料とし、永久磁石４３，４４の外周部分に段差構造のリブ４０ａを設けた。

前記ロータコア４０と永久磁石４３，４４との接着は、図３に示すように、シート状接着剤４５を段差構造のリブ４０ａを用いて位置決めし、その後、永久磁石４３，４４をシート状接着剤４５に接着した。

前記ロータコア４０は、図３に示すように、段差構造のリブ４０ａの内側位置にエポキシ等の非磁性体接着剤４６を付着することでアンバランス修正を行う。

前記ロータコア４０は、図２に示すように、段差構造のリブ４０ａに連なって、周方向に隣接する永久磁石４３，４４間位置を規制する径方向の位置規制凸部４０ｂ（突起部）を設けた。すなわち、ロータコア４０の両側面に、前記リブ４０ａと、該リブ４０ａより高さの低い位置規制凸部４０ｂと、で囲まれる凹溝部を形成し、この凹溝部にシート状接着剤４５を位置決めして貼り付け、このシート状接着剤４５上に凹溝部により位置を規定して永久磁石４３，４４を貼り付けた。

次に、作用を説明する。
実施例１のディスク型回転電機のロータ構造は、ロータ２を、ディスク形のロータコア４０に、磁石単体として着磁した永久磁石４３，４４をシート状接着剤４５を用いて貼り付けることにより構成することで、永久磁石４３，４４の磁力強度を最大限に活用でき、その結果、モータの出力向上を達成しようとするものである。

すなわち、実施例１では、ロータコア４０と永久磁石４３，４４とによって構成されるローター構造とし、永久磁石４３，４４はシート状接着剤４５にてロータコア４０に結合され、コア外周部には段差構造のリブ４０ａを設けることで、永久磁石４３，４４に作用する遠心力を受ける構造としている。

よって、磁石単体として着磁した永久磁石４３，４４を利用でき、永久磁石４３，４４の磁力強度を最大限活用できモータの出力密度を高くすることができるし、ロータコア４０を磁性体材料としたことで、永久磁石４３，４４の磁束の漏れが最小限に抑えられ、モータ性能が不必要に悪化することもない。

さらに、ロータコア４０の外周部分には段差構造のリブ４０ａを設けたため、遠心力により永久磁石４３，４４に作用する力をこの段差構造のリブ４０ａで受け、シート接着剤４５に作用する力を、弱い剪断力から強い引っ張り力に変換することができる。

次に、効果を説明する。
実施例１のディスク型回転電機のロータ構造にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。

(1) ディスク形のロータコア４０に複数の永久磁石４３を配置したロータ２を備え、前記ロータ２とステータ３が軸方向に配設されたディスク型回転電機において、前記ディスク形のロータコア４０に、磁石単体として着磁した永久磁石４３，４４を接着剤を用いて貼り付けたため、永久磁石４３，４４の磁力強度を最大限に活用でき、その結果、モータの出力向上を達成することができる。

(2) 前記ロータコア４０を、磁性体材料としたため、永久磁石４３，４４の磁束の漏れが最小限に抑えられ、モータ性能が不必要に悪化することもない。

(3) 前記ロータコア４０は、永久磁石４３，４４の外周部分に段差構造のリブ４０ａを設けたため、遠心力により永久磁石４３，４４に作用する力をこの段差構造のリブ４０ａで受け、シート接着剤４５に作用する力を、弱い剪断力から強い引っ張り力に変換することができる。

(4) 前記ロータコア４０と永久磁石４３，４４との接着に、シート状接着剤４５を用いたため、接着剤の塗布ムラによる磁石表面の平面度悪化を防ぐことができる。

(5) 前記ロータコア４０と永久磁石４３，４４との接着は、シート状接着剤４５を段差構造のリブ４０ａを用いて位置決めし、その後、永久磁石４３，４４をシート状接着剤４５に接着したため、シート状接着剤４５のサイズを必要最小限にすることができる。

(6) 前記ロータコア４０は、段差構造のリブ４０ａの内側位置に非磁性体接着剤４６を付着することでアンバランス修正を行うため、永久磁石４３，４４を接着後でも鉄粉をだすことなくロータ２のバランス修正ができる。

(7) 前記ロータコア４０は、段差構造のリブ４０ａに永久磁石４３，４４間位置を規制する位置規制凸部４０ｂを設けたため、分割した永久磁石４３，４４のθ方向（回転方向）隙間を均一にすることができる。

(8) 前記永久磁石４３，４４を、ロータコア４０の両側面に貼り付けたため、２ロータ・２ステータ構造よりロータ２の厚みを薄くしながら、１ロータ・１ステータ構造より一層のモータ出力の向上を達成することができる。

実施例２は、ロータコアを鉄損での発熱を効率的に放熱する形状に設定した例である。

すなわち、図４に示すように、ロータコア４０に形成された段差構造のリブ４０ａの断面形状を、外周部方向の表面積が広くなる形状、例えば、リブ４０ａの外側に２つの斜面４０ｃ，４０ｃを形成し、ロータコア４０の外周部をホームベース状の断面形状に設定する。なお、他の構成は実施例１と同様であるので全体図並びに説明を省略する。

作用を説明すると、永久磁石４３，４４やロータコア４０がモータ運転時に発熱すると、表面積の広い２つの斜面４０ｃ，４０ｃから効果的に放熱し、ロータコア４０が高温になることを抑制することができる。なお、他の作用は実施例１と同様であるので説明を省略する。

次に、効果を説明すると、実施例２のディスク型回転電機のロータ構造にあっては、実施例１の効果に加え、下記の効果を得ることができる。

(9) 前記ロータコア４０に形成された段差構造のリブ４０ａの断面形状を、外周部方向の表面積が広くなる形状に設定したため、渦電流等によるいわゆる鉄損での発熱を効率的に放熱することができる。

実施例３は、ディスク型回転電機のロータ製造方法の例である。

すなわち、ディスク形のロータコア４０に複数の永久磁石４３，４４を配置したロータ２を製造するディスク型回転電機のロータ製造方法において、前記永久磁石４３，４４の位置を規定するフレーム４７をロータコア４０に配置し、分割した各永久磁石４３，４４を熱硬化性接着剤にてロータコア４０に結合した。なお、前記フレーム４７は、ロータコア４０や永久磁石４３，４４より熱膨張率の大きな素材（例えば、アルミ素材）により形成し、また、前記熱硬化性接着剤は、熱硬化性のシート状接着剤４５とした。

具体的に実施例１及び実施例２にて示したロータコア４０の両面に永久磁石４３，４４を備えたロータ２の製造方法を、図５に基づいて説明する。
第１工程は、図５(a)に示すように、永久磁石４３を接着する面を上面にしてロータコア４０を水平に配置する。
第２工程は、図５(b)に示すように、ロータコア４０に対しシート状接着剤４５を段差構造のリブ４０ａを用いて位置決めする。
第３工程は、図５(c)に示すように、各永久磁石４３の周りを囲むような窓枠構造のフレーム４７を、ロータコア４０に対し位置決めして配置する。
第４工程は、図５(d)に示すように、フレーム４７の各窓枠開口部４７ａから永久磁石４３を挿入し、その後、加熱して熱硬化性のシート状接着剤４５を硬化させて永久磁石４３を接着する。なお、この加熱によりシート状接着剤４５の粘度が一時的に低下するとき、必要に応じてフレーム４７により永久磁石４３の位置校正を行う。
第５工程は、図５(e)に示すように、ロータコア４０に対する永久磁石４３の接着完了により、フレーム４７を外す。なお、永久磁石４４についても、上記第１行程〜第５行程を実行する。
以上の工程を経過し、ロータコア４０の両面に永久磁石４３，４４を備えたロータ２が製造される。

次に、作用を説明する。
例えば、特開２００２−２０４５５９号公報の図６に示すように、一体型磁石にて構成されたロータの場合、磁石は専用の着磁機を用意する必要がある。専用の着磁機は高価であり、また、距離の狭い範囲にNS偽薬の磁石を作るように設計されている。

この方法では、量産数が少ない場合、着磁機のコストの元が取れるまでに非常に長い期間を要するし、距離の狭い範囲に逆の着磁方向の磁石を構成するので、淡々で着磁するよりも磁力が弱くなるおそれがある。

実施例３のロータ製造方法は、上記のような問題を解決するために考えられたもので、組み付け性、コスト、磁力を高いバランスで実現できる製造方法である。

すなわち、実施例１のロータ製造方法によれば、着磁済みの分割型の永久磁石４３，４４をロータコア４０に結合することができるので、磁石を接着した後に着磁させる場合のような着磁中間層がなく、単体着磁による高いマグネットトルクによるモータ性能を発揮することができる。また、永久磁石４３，４４の減磁温度よりも低い温度でシート状接着剤４５を硬化するので、加熱接着によってもモータ性能の悪化が無い。また、フレーム４７により永久磁石４３，４４の位置が高精度で規制され、バランスや強度も確保できる。

さらに、熱硬化性樹脂が硬化する際に粘性が一時的に低くなることと、フレーム４７とロータコア４０との熱膨張率差を利用し、接着磁に永久磁石４３，４４の位置を自動的に調整し、発生するアンバランス量を最小限にすることができる。つまり、フレーム４７は永久磁石４３，４４に対して熱膨張係数の高い材質でできており、熱硬化性樹脂を固める際の温度で永久磁石４３，４４とフレーム４７間の隙間が小さくなり、結果的に各永久磁石４３，４４間の間隔が均一化される。一方、熱硬化性樹脂は固まる際にその粘度が一時的に大きく低下する。この結果、上記フレーム４７による校正が容易になる。

次に、効果を説明する。
実施例３のディスク型回転電機のロータ製造方法にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。

(10) ディスク形のロータコア４０に複数の永久磁石４３，４４を配置したロータ２を製造するディスク型回転電機のロータ製造方法において、前記永久磁石４３，４４の位置を規定するフレーム４７をロータコア４０に配置し、分割した各永久磁石４３，４４を熱硬化性接着剤にてロータコア４０に結合したため、組み付け性、コスト、磁力を高いバランスで実現することができる。

(11) 前記フレーム４７は、熱膨張率の大きな素材により形成したため、フレーム４７による永久磁石４３，４４の位置調整作用により、組み付け後の永久磁石４３，４４のアンバランス修正を最小限に抑えることができる。

(12) 前記熱硬化性接着剤は、熱硬化性のシート状接着剤４５であるため、無駄なく均一厚の接着剤塗布を容易に達成できると共に、分割型の永久磁石４３，４４としながら、各永久磁石４３，４４の表面位置を高精度で一致させることができる。

以上、本発明のディスク型回転電機のロータ構造およびロータ製造方法を実施例１〜実施例３に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

実施例１〜３では、ロータが１つ、ステータが２つの場合を述べているが、例えば、ロータが１つ、ステータが１つの場合、ロータが２つ、ステータが１つの場合、ロータが２つ、ステータが３つの場合、ロータが３つ、ステータが２つの場合等、それら以外の組み合わせでも良い。

実施例３では、ロータコア４０の両面に永久磁石４３，４４を備えたロータ２の製造方法の例を示したが、ロータコア４０の片面のみに永久磁石４３を備えたロータ２の製造方法にも流用することができる。

実施例１〜３では、ロータ２と第１ステータ３の間、および、ロータ２と第２ステータ４との間には、それぞれエアギャップ１１，１２と呼ばれる隙間が存在する例を示したが、ロータとステータとの間のエアギャップには油膜が存在するだけで、実質的にエアギャップを介在させることなく軸方向にロータとステータとを対向させたものであっても良い。

実施例１〜３では、ディスク型回転電機のロータ構造と述べているが、それはディスク型モータのロータ構造として適用しても良いし、また、ディスク型ジェネレータのロータ構造として適用しても良い。

実施例１のロータ構造が適用されたディスク型回転電機を示す全体断面図である。 実施例１のディスク型回転電機のロータを示す正面図である。 実施例１のディスク型回転電機のロータを示す拡大断面図である。 実施例２のディスク型回転電機のロータを示す拡大断面図である。 実施例３のディスク型回転電機のロータ製造方法を説明する工程説明図である。

符号の説明

１ ロータシャフト
２ ロータ
３ 第１ステータ
４ 第２ステータ
５ 回転電機ケース
６ 第１軸受け
７ 第２軸受け
４０ ロータコア
４０ａ リブ
４０ｂ 位置規制凸部（突起部）
４０ｃ 傾斜面
４３，４４ 永久磁石
４５ シート状接着剤
４６ 非磁性体接着剤

Claims (12)

1. ディスク形のロータコアに複数の永久磁石を配置したロータを備え、前記ロータとステータが軸方向に配設されたディスク型回転電機において、
   前記ディスク形のロータコアに、磁石単体として着磁した永久磁石を接着剤を用いて貼り付けたことを特徴とするディスク型回転電機のロータ構造。
2. 請求項１に記載のディスク型回転電機のロータ構造において、
   前記ロータコアを、磁性体材料としたことを特徴とするディスク型回転電機のロータ構造。
3. 請求項１または２に記載のディスク型回転電機のロータ構造において、
   前記ロータコアは、永久磁石の外周部分に段差構造のリブを設けたことを特徴とするディスク型回転電機のロータ構造。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のディスク型回転電機のロータ構造において、
   前記ロータコアと永久磁石との接着に、シート状接着剤を用いたことを特徴とするディスク型回転電機のロータ構造。
5. 請求項４に記載のディスク型回転電機のロータ構造において、
   前記ロータコアと永久磁石との接着は、シート状接着剤を段差構造のリブを用いて位置決めし、その後、永久磁石をシート状接着剤に接着したことを特徴とするディスク型回転電機のロータ構造。
6. 請求項３、４、５の何れか１項に記載のディスク型回転電機のロータ構造において、
   前記ロータコアは、段差構造のリブの内側位置に非磁性体接着剤を付着することでアンバランス修正を行うことを特徴とするディスク型回転電機のロータ構造。
7. 請求項３乃至６の何れか１項に記載のディスク型回転電機のロータ構造において、
   前記ロータコアは、段差構造のリブに永久磁石間位置を規制する突起部を設けたことを特徴とするディスク型回転電機のロータ構造。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載のディスク型回転電機のロータ構造において、
   前記永久磁石を、ロータコアの両側面に貼り付けたことを特徴とするディスク型回転電機のロータ構造。
9. 請求項１乃至７の何れか１項に記載のディスク型回転電機のロータ構造において、
   前記ロータコアに形成された段差構造のリブの断面形状を、外周部方向の表面積が広くなる形状に設定したことを特徴とするディスク型回転電機のロータ構造。
10. ディスク形のロータコアに複数の永久磁石を配置したロータを製造するディスク型回転電機のロータ製造方法において、
    前記永久磁石の位置を規定するフレームをロータコアに配置し、分割した各永久磁石を熱硬化性接着剤にてロータコアに結合したことを特徴とするディスク型回転電機のロータ製造方法。
11. 請求項１０に記載のディスク型回転電機のロータ製造方法において、
    前記フレームは、熱膨張率の大きな素材により形成したことを特徴とするディスク型回転電機のロータ製造方法。
12. 請求項１０または請求項１１に記載のディスク型回転電機のロータ製造方法において、
    前記熱硬化性接着剤は、熱硬化性のシート状接着剤であることを特徴とするディスク型回転電機のロータ製造方法。

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