JP2008154436A - ロータおよび回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコアの軸方向の伝熱が促進されたロータおよび該ロータを含む回転電機を提供する。
【解決手段】ロータ１２０は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成されたロータコア１２１と、ロータコア１２１に埋設された永久磁石１２２とを備える。ロータコア１２１には、複数の電磁鋼板をかしめたカシメ部１２１Ａが形成されている。カシメ部１２１Ａは、永久磁石１２２の近傍における相対的に磁束密度が低い部分、または、電磁鋼板における相対的に発熱量が大きい部分に形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロータおよび回転電機に関し、特に、複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成されたロータコアを有するロータおよび該ロータを含む回転電機に関する。

複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成されたロータコアを有するロータが従来から知られている。

たとえば、特開平１１−２３４９３２号公報（特許文献１）には、積層鉄心の中央孔に銅系またはアルミ系の金属からなるスリーブを挿入し、該スリーブ内にシャフトを圧入するようにしたロータ構造が開示されている。

また、特開平９−２３３７４９号公報（特許文献２）、特開２００３−３２９２１号公報（特許文献３）および特開２００５−１０２４６０号公報（特許文献４）においては、ロータコアを構成する積層鋼板をリベットまたはボルトにより軸方向に締結することが記載されている。
特開平１１−２３４９３２号公報 特開平９−２３３７４９号公報 特開２００３−３２９２１号公報 特開２００５−１０２４６０号公報

複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成されたロータコアにおいては、各々の電磁鋼板どうしが積層方向に絶縁されており、ロータコアの軸方向への伝熱が抑制されるという問題があった。

特許文献１〜４においては、ロータコアの軸方向に金属製スリーブ、リベットまたはボルトが挿入されているが、これらの部材と積層鋼板との間には隙間が形成されるため、これらの部材は、ロータコアの軸方向の伝熱を促進する部材として必ずしも十分に機能しない。なお、特許文献１〜４における上記の各部材は、そもそも、軸方向の伝熱促進を意図して設けられたものでは無い。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ロータコアの軸方向の伝熱が促進されたロータおよび該ロータを含む回転電機を提供することにある。

本発明に係るロータは、１つの局面では、複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成され、該軸方向に形成された穴部を有するロータコアと、穴部に挿入された永久磁石とを備える。

本局面において、１つの例として、永久磁石の近傍における相対的に磁束密度が低い部分に、複数の電磁鋼板をかしめたカシメ部が形成される。また、他の例として、電磁鋼板における相対的に発熱量が大きい部分に、複数の電磁鋼板をかしめたカシメ部が形成される。

上記構成によれば、複数の電磁鋼板をかしめたカシメ部を形成することにより、複数の電磁鋼板間での伝熱を促進することができるので、ロータコアにおける軸方向の伝熱を促進することができる。

好ましくは、上記ロータにおいて、カシメ部は、その外形が電磁鋼板の主表面上において磁束の流れに沿うように形成される。

これにより、ロータコアにおける磁束の流れに与える影響を低減しながら、ロータコアにおける軸方向の伝熱を促進することができる。

本発明に係るロータは、他の局面では、回転シャフトと接する内周面を有するリング状の電磁鋼板を軸方向に積層して構成されたロータコアを備え、複数の電磁鋼板が内周面上で溶接により接合されている。

上記構成によれば、ロータコアの内周面に溶接部を設けることにより、複数の電磁鋼板間での伝熱を促進することができるので、ロータコアにおける軸方向の伝熱を促進することができる。

本発明に係るロータは、さらに他の局面では、複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成され、該軸方向に形成された穴部を有するロータコアと、穴部に挿入された棒状の熱伝達部材と、穴部の内周面と熱伝達部材の外周面との間に充填された、空気よりも熱伝達係数の高い充填材とを備える。

上記構成によれば、ロータコア内に軸方向に延びる熱伝達部材を設けることにより、ロータコアにおける軸方向の伝熱を促進することができる。ここで、穴部の内周面と熱伝達部材の外周面との間に充填材が設けられることで、ロータコアと熱伝達部材との間の熱伝達が促進される。

好ましくは、上記ロータにおいて、穴部の内周面および熱伝達部材の外周面に互いの対向面積を増大させる凹凸部が形成される。

上記構成によれば、ロータコアに形成された穴部の内周面と熱伝達部材の外周面との対向面積が増大するので、ロータコアと熱伝達部材との間の熱伝達がさらに促進される。

本発明に係る回転電機は、上述したロータを含む。これにより、ロータコアの軸方向の伝熱が促進された回転電機が提供される。

本発明によれば、ロータコアの軸方向の伝熱を促進することができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の特徴部分を適宜組合わせることは、当初から予定されている。

図１は、後述する本発明の実施の形態１〜３に係るロータを含む回転電機を示す断面図である。図１を参照して、モータおよび／またはジェネレータである回転電機１００は、回転シャフト１１０と、回転シャフト１１０に固設されたロータ１２０と、ステータ１３０とを含んで構成される。

ロータ１２０は、回転シャフト１１０に取り付けられたロータコア１２１を有する。ロータコア１２１には、軸方向に延びる穴部１２１１が形成され、穴部１２１１に永久磁石１２２が埋め込まれている。ロータコア１２１は、鉄または鉄合金などからなる電磁鋼板を積層することにより構成される。永久磁石１２２は、たとえば、ロータコア１２１の外周近傍にほぼ等間隔を隔てて配置される。回転シャフト１１０は、軸受部（図示せず）を介して回転電機のケース（図示せず）に回転可能に取り付けられる。

ステータ１３０はリング状のステータコア１３１を有する。ステータコア１３１は、鉄または鉄合金などからなる電磁鋼板を積層することにより構成される。ステータコア１３１の内周面上には複数のティース部（図示せず）および該ティース部間に形成される凹部としてのスロット部（図示せず）が形成されている。スロット部は、ステータコア１３１の内周側に開口するように設けられる。

３つの巻線相であるＵ相、Ｖ相およびＷ相を含むステータコイル１３２は、スロット部に嵌り合うようにティース部に巻き付けられる。Ｕ相、Ｖ相およびＷ相は、互いに円周上でずれるように巻き付けられる。なお、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相は、それぞれが互いに異なる１つのティース部に巻回されてもよいし（本願明細書では、これを「集中巻」と称する。）、一部が互いにオーバーラップするようにそれぞれが複数のティース部に巻回されてもよい（本願明細書では、これを「分布巻」と称する。）。

図１に示される回転電機１００は、典型的には、ハイブリッド車（ＨＶ：hybrid vehicle）に搭載されるが、その用途はハイブリッド車に限定されず、たとえば燃料電池車や電気自動車に搭載されてもよい。

回転電機１００の動作時に、ロータ１２０は発熱する。ロータ１２０の放熱性が十分でないと、永久磁石１２２が熱減磁し、回転電機１００の駆動力が低下する場合がある。したがって、ロータ１２０の放熱性を向上させることは重要である。集中巻の場合は、分布巻の場合と比較して、回転時の磁束の変動がより大きく、発熱量が大きいため、ロータ１２０の放熱性を向上させることがさらに重要である。

ロータコア１２１を構成する各々の電磁鋼板の主表面上には、「絶縁部」となる無機塗料が塗布されている。この無機塗料は、電磁鋼板を構成する鉄や鉄合金などに比べて熱を伝え難いので、積層鋼板からなるロータコア１２１においては、軸方向の伝熱が制限されるという問題がある。

本願発明者らは、後述する実施の形態１〜３のように、ロータコア１２１の軸方向に延在する「熱伝達促進部」を構成することにより、ロータ１２０の軸方向の伝熱を促進する構造を考案した。

（実施の形態１）
図２は、実施の形態１に係るロータを示す断面図である。図２を参照して、本実施の形態に係るロータ１２０においては、複数の電磁鋼板をかしめた「熱伝達促進部」としてのカシメ部１２１Ａがロータコア１２１の軸方向に延びるように形成されている。カシメ部１２１Ａにおいては、複数の電磁鋼板を構成する鉄や鉄合金が、無機塗料を介さずに接触するため、複数の電磁鋼板間の熱伝達が促進される。そして、カシメ部１２１Ａがロータコア１２１の軸方向に延びるように形成されることにより、ロータコア１２１の軸方向における熱伝達が促進される。ロータ１２０では、図２に示すように、ロータコア１２１の軸方向全体にわたってカシメ部１２１Ａが形成されている。

図３は、ロータ１２０の上面図である。図３を参照して、カシメ部１２１Ａは、永久磁石１２２の近傍に位置するように、永久磁石１２２の径方向内方に形成されている。ロータ１２０の回転時には、永久磁石１２２が発熱することにより、永久磁石１２２の近傍に位置するロータコア１２１の温度が高くなる傾向にある。したがって、永久磁石１２２の近傍にカシメ部１２１Ａを形成することにより、この部分での軸方向の伝熱を促進して、ロータ１２０の温度が過度に上昇することを効果的に抑制することができる。

また、図３において、カシメ部１２１Ａは、永久磁石１２２の幅方向中心（磁極の中心）の近傍に設けられている。永久磁石１２２の内径側の磁極の中心付近では、磁束密度は比較的低い（より具体的には、永久磁石１２２から一定距離だけ離れた位置における永久磁石１２２の周方向全体の平均値よりも低い）傾向にある。したがって、上記のように、カシメ部１２１Ａを永久磁石１２２の内径側の磁極の中心に設けることで、磁束の流れに対する影響を最小限にとどめながら、ロータ１２０の軸方向の伝熱を促進することができる。

また、図３において、カシメ部１２１Ａは、ロータコア１２１の径方向に延びる長方形の平面形状を有している。このようにすることで、図３中の矢印のように永久磁石１２２からロータコア１２１の内径側に向かう磁束の流れが形成されるロータ１２０において、カシメ部１２１Ａの外形を磁束の流れ方向に沿わせることができる。この結果、磁束の流れに対する影響を最小限にとどめながら、ロータ１２０の軸方向の伝熱を促進することができる。

図４は、変形例に係るロータ１２０の上面図である。図４を参照して、本変形例に係るロータ１２０においては、カシメ部１２１Ａが三角形の平面形状を有している。このようにすることで、図４中の矢印のように、永久磁石１２２から該磁石の幅方向に広がりながらロータコア１２１の内径側に向かう磁束の流れが形成されるロータ１２０において、カシメ部１２１Ａの外形を磁束の流れ方向に沿わせることができる。この結果、磁束の流れに対する影響を最小限にとどめながら、ロータ１２０の軸方向の伝熱を促進することができる。

図５は、他の変形例に係るロータ１２０の上面図である。図５を参照して、本変形例に係るロータ１２０においては、カシメ部１２１Ａが略円形の平面形状を有している。カシメ部１２１Ａは、このような丸カシメにより構成されてもよい。丸カシメは、その外形が磁束の流れに沿いやすい傾向にある。

図６は、さらに他の変形例に係るロータ１２０の上面図である。図６を参照して、本変形例においては、永久磁石１２２が略Ｖ字形状に配置されている。そして、カシメ部１２１Ａは、略Ｖ字形状の中心付近に形成されている。この部分では、磁束密度は比較的低い傾向にあるので、磁束の流れに対する影響を最小限にとどめながら、ロータ１２０の軸方向の伝熱を促進することができる。

ロータコア１２１における磁束密度の分布および磁束の流れ方向は、回転電機１００の仕様によって変化する。カシメ部１２１Ａの位置および平面形状は、個々の仕様の回転電機１００におけるロータコア１２１内の磁束密度の分布および磁束の流れに応じて、たとえば図３〜図６に示されるように、適宜変更される。

図７は、さらに他の変形例に係るロータ１２０の上面図である。図７を参照して、本変形例においては、永久磁石１２２の近傍ではなく、複数の永久磁石１２２の中心付近であって、ロータコア１２１の外周面近傍に位置する部分にカシメ部１２１Ａが形成されている。この部分では、ロータ１２０の回転時における電磁鋼板の発熱が相対的に大きく（より具体的には、ロータコア１２１全体の平均値よりも大きく）、ロータコア１２１の温度が比較的高くなる傾向にある。したがって、図７に示す位置にカシメ部１２１Ａを形成することにより、ロータ１２０の温度が過度に上昇することを効果的に抑制することができる。

以上説明したように、本実施の形態に係るロータ１２０によれば、複数の電磁鋼板をかしめたカシメ部１２１Ａをロータコア１２１に形成することにより、複数の電磁鋼板間での伝熱を促進することができるので、ロータコア１２１における軸方向の伝熱を促進することができる。

上述した内容について要約すると、以下の様になる。すなわち、本実施の形態に係るロータ１２０は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成され、該軸方向に形成された穴部１２１１を有するロータコア１２１と、穴部１２１１に挿入された永久磁石１２２とを備える。ロータコア１２１には、複数の電磁鋼板をかしめたカシメ部１２１Ａが形成されている。

図３〜図６の例では、カシメ部１２１Ａは、永久磁石１２２の近傍における磁極の中心付近（すなわち、永久磁石１２２の近傍における相対的に磁束密度が低い部分）に形成されている。また、図７の例では、カシメ部１２１Ａは、複数の永久磁石１２２の間であって、ロータコア１２１の外周面近傍に位置する部分（すなわち、電磁鋼板における相対的に発熱量が大きい部分）に形成されている。

（実施の形態２）
図８，図９は、それぞれ、実施の形態２に係るロータを示す断面図および上面図である。図８，図９を参照して、本実施の形態に係るロータ１２０においては、複数の電磁鋼板を溶接により接合した「熱伝達促進部」としての溶接部１２１Ｂがロータコア１２１の軸方向に延びるように形成されている。溶接部１２１Ｂは、ロータコア１２１と回転シャフト１１０とが接触する部分、すなわち、ロータコア１２１の内周面上に設けられる。溶接部１２１Ｂは、たとえば、ＴＩＧ溶接により形成されてもよいし、スポット溶接により形成されてもよい。

本実施の形態においては、図９に示すように、溶接部１２１Ｂは、回転シャフト１１０の全周にわたって形成されているが、溶接部１２１Ｂは、回転シャフト１１０の周方向の一部にのみ形成されていてもよい。

本実施の形態に係るロータ１２０によれば、ロータコア１２１の内周面に複数の電磁鋼板を一体化した溶接部１２１Ｂを設けることにより、複数の電磁鋼板間での伝熱を促進することができるので、ロータコア１２１における軸方向の伝熱を促進することができる。

また、ロータコア１２１の内周面近傍は、ロータ１２０の回転時の磁束の変動が比較的小さい。したがって、溶接部１２１Ｂをロータコア１２１の内周面上に設けることで、回転電機１００の性能への影響を抑制しながら、ロータコア１２１における軸方向の伝熱を促進することができる。

（実施の形態３）
図１０，図１１は、それぞれ、実施の形態３に係るロータを示す断面図および上面図である。図１０，図１１を参照して、本実施の形態に係るロータ１２０においては、軸方向に延びる穴部１２１２がロータコア１２１に形成され、「熱伝達促進部」としての熱伝達部材１２４が穴部１２１２内に埋設されている。熱伝達部材１２４は、たとえば、アルミニウムや銅などの金属から構成される。また、熱伝達部材１２４は、典型的には、永久磁石１２２よりもロータコア１２１の内径側に設けられる。

本実施の形態に係るロータ１２０によれば、ロータコア１２１内に軸方向に延びる熱伝達部材１２４を設けることにより、ロータコア１２１における軸方向の伝熱を促進することができる。

なお、本実施の形態においては、図１１に示すように、周方向に並ぶ各々の永久磁石１２２の内径側に熱伝達部材１２４が１つずつ設けられているが、熱伝達部材１２４は、必ずしもすべての永久磁石１２２の内径側に設けられている必要は無く、また、各々の永久磁石１２２の内径側に複数の熱伝達部材１２４が設けられていてもよい。

ところで、図１２に示すように、穴部１２１２の内周面と熱伝達部材１２４との隙間には、たとえば、ペースト状の金属フィラーまたはシリカフィラーからなる充填材１２４Ａが充填されている。充填材１２４Ａの熱伝達係数は、たとえば、０．２〜１．０（Ｗ／ｍＫ）程度であり、空気の熱伝達係数（０．０３（Ｗ／ｍＫ）程度）よりも大きい。一例としては、充填材１２４Ａの熱伝達係数は、空気の熱伝達係数の１０倍〜１００倍程度である。したがって、ロータコア１２１と熱伝達部材１２４との隙間に充填材１２４Ａが充填されることにより、ロータコア１２１の熱が熱伝達部材１２４に伝わりやすくなり、ロータコア１２１における軸方向の伝熱をさらに促進することができる。

なお、充填材１２４Ａは、穴部１２１２に挿入される熱伝達部材１２４の表面に塗布され、熱伝達部材１２４とともに穴部１２１２に挿入されることで形成されてもよいし、穴部１２１２に熱伝達部材１２４を挿入した後、その隙間に注入されることで形成されてもよい。

図１３は、本実施の形態に係るロータ１２０の変形例における熱伝達部材１２４の周辺を示した上面図である。図１３を参照して、本変形例においては、ロータコア１２１と熱伝達部材１２４とがスプライン嵌合している。このようにすることで、穴部１２１２の内周面と熱伝達部材１２４の外周面との対向面積が増大するため、ロータコア１２１と熱伝達部材１２４との間の熱伝達がさらに促進される。

なお、ロータコア１２１と熱伝達部材との間の熱伝達を促進する形状は、図１３のようなスプライン形状に限定されず、穴部１２１２の内周面および熱伝達部材１２４の外周面の対向面積を増大させる任意の凹凸形状を採用することが可能である。

上述した内容について要約すると、以下の様になる。すなわち、本実施の形態に係るロータ１２０は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成され、該軸方向に形成された穴部１２１２を有するロータコア１２１と、穴部１２１２に挿入された棒状の熱伝達部材１２４と、穴部１２１２の内周面と熱伝達部材１２４の外周面との間に充填された、空気よりも熱伝達率の高い充填材１２４Ａとを備える。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態１〜３に係るロータを含む回転電機を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係るロータを示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係るロータを示す上面図である。 本発明の実施の形態１に係るロータの変形例を示す上面図である。 本発明の実施の形態１に係るロータの他の変形例を示す上面図である。 本発明の実施の形態１に係るロータのさらに他の変形例を示す上面図である。 本発明の実施の形態１に係るロータのさらに他の変形例を示す上面図である。 本発明の実施の形態２に係るロータを示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係るロータを示す上面図である。 本発明の実施の形態３に係るロータを示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係るロータを示す上面図である。 図１０，図１１に示すロータにおける熱伝達部材周辺の構造を詳細に示した断面図である。 図１０〜図１２に示すロータの変形例における熱伝達部材周辺の構造を詳細に示した上面図である。

符号の説明

１００ 回転電機、１１０ 回転シャフト、１２０ ロータ、１２１ ロータコア、１２１Ａ カシメ部、１２１Ｂ 溶接部、１２２ 永久磁石、１２３ エンドプレート、１２４ 熱伝達部材、１２４Ａ フィラー、１３０ ステータ、１３１ ステータコア、１３２ ステータコイル、１２１１，１２１２ 穴部。

Claims (7)

1. 複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成され、該軸方向に形成された穴部を有するロータコアと、
   前記穴部に挿入された永久磁石とを備え、
   前記永久磁石の近傍における相対的に磁束密度が低い部分に、複数の前記電磁鋼板をかしめたカシメ部が形成される、ロータ。
2. 複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成され、該軸方向に形成された穴部を有するロータコアと、
   前記穴部に挿入された永久磁石とを備え、
   前記電磁鋼板における相対的に発熱量が大きい部分に、複数の前記電磁鋼板をかしめたカシメ部が形成される、ロータ。
3. 前記カシメ部は、その外形が前記電磁鋼板の主表面上において磁束の流れに沿うように形成される、請求項１または請求項２に記載のロータ。
4. 回転シャフトと接する内周面を有するリング状の電磁鋼板を軸方向に積層して構成されたロータコアを備え、
   複数の前記電磁鋼板が前記内周面上で溶接により接合された、ロータ。
5. 複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成され、該軸方向に形成された穴部を有するロータコアと、
   前記穴部に挿入された棒状の熱伝達部材と、
   前記穴部の内周面と前記熱伝達部材の外周面との間に充填された、空気よりも熱伝達係数の高い充填材とを備えた、ロータ。
6. 前記穴部の内周面および前記熱伝達部材の外周面に互いの対向面積を増大させる凹凸部が形成された、請求項５に記載のロータ。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載のロータを含む、回転電機。

Images