JP2008167549A - 回転電機のロータ - Google Patents

Abstract

【課題】 ロータコアの永久磁石支持孔の径方向外側の隅部における応力集中を緩和してロータコアの耐久性を高める。
【解決手段】 ロータハブ１２の外周面１２ｅにロータコア１３のハブ挿入孔１３ａを圧入すると、ロータコア１３の外周部が円周方向に引き伸ばされて永久磁石支持孔１３ｃの径方向外側の隅部１３ｇに引張応力が集中し、しかもロータが回転するとロータコア１３の外周部および永久磁石１４に作用する遠心力によって前記引張応力が強まってしまう。しかしながら、ロータコア１３のハブ挿入孔１３ａおよび永久磁石支持孔１３ｃ間に、円周方向に配置される複数の肉抜き孔１３ｅを挟んで複数のリブ１３ｆを形成したので、前記圧入により発生する応力集中をリブ１３ｆの変形により緩和してロータコア１３の耐久性を高めることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ロータハブの外周面にロータコアのハブ挿入孔を圧入することで前記ロータハブに前記ロータコアを固定し、前記ロータコアの外周面に沿って所定間隔で設けた複数の永久磁石支持孔にそれぞれ永久磁石を挿入して固定した回転電機のロータに関する。

ロータシャフトにスプライン結合されたロータコアの外周部に複数のスロットを形成し、それらのスロットにそれぞれ永久磁石を挿入した回転電機のロータにおいて、隣接するスロット間のブリッジ部に曲げ荷重を受ける形状のリブを形成することで、永久磁石に作用する遠心力でスロットの径方向外側の隅部の応力が集中するのを回避するものが、下記特許文献１により公知である。

またロータ鉄心の外周部に複数の永久磁石を固定した回転子をエンジンのクランクシャフトの端面および変速機の入力軸の端面にボルトやリベットのような締結部材で固定した電動機において、永久磁石の径方向内側のロータ鉄心に複数の肉抜き部を形成したものが下記特許文献２により公知である。
特開２００５−１１７７９６号公報 特開２００４−２４２４９４号公報

ところで、この種の回転電機のロータにおいて、ロータハブにロータコアを圧入し、かつロータコアに形成した永久磁石支持孔に永久磁石を挿入すると、前記圧入荷重によってロータコアの外周部が円周方向に引き伸ばされて永久磁石支持孔の径方向外側の隅部に強い引張応力が集中してしまい、しかもロータの回転に伴って永久磁石に遠心力が加わると、その遠心力がロータコアの外周部を円周方向に引き伸ばすように作用するため、前記引張応力が更に高くなってロータコアの耐久性に悪影響を及ぼす可能性がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ロータコアの永久磁石支持孔の径方向外側の隅部における応力集中を緩和してロータコアの耐久性を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、ロータハブの外周面にロータコアのハブ挿入孔を圧入することで前記ロータハブに前記ロータコアを固定し、前記ロータコアの外周面に沿って所定間隔で設けた複数の永久磁石支持孔にそれぞれ永久磁石を挿入して固定した回転電機のロータであって、前記ロータコアのハブ挿入孔および永久磁石支持孔間に、円周方向に配置される複数の肉抜き孔を挟んで複数のリブを形成し、前記ロータハブの外周面に前記ロータコアのハブ挿入孔を圧入する際に前記永久磁石支持孔の隅部に生じる応力を、前記リブの変形により緩和することを特徴とする回転電機のロータが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記リブは湾曲していることを特徴とする回転電機のロータが提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、前記ロータコアの外周面に、隣接する永久磁石支持孔間に延びるＶ字状の切欠きを形成したことを特徴とする回転電機のロータが提案される。

請求項１の構成によれば、ロータハブの外周面にロータコアのハブ挿入孔を圧入すると、ロータコアの外周部が円周方向に引き伸ばされて永久磁石支持孔の径方向外側の隅部に引張応力が集中し、しかもロータが回転するとロータコアの外周部および永久磁石に作用する遠心力によって前記引張応力が更に強まってしまう。しかしながら、ロータコアのハブ挿入孔および永久磁石支持孔間に円周方向に配置される複数の肉抜き孔を挟んで複数のリブを形成したので、前記圧入により発生する前記隅部の応力集中をリブの変形により緩和してロータコアの耐久性を高めることができ、これにより磁気的に高性能であるが疲労強度が高くない材料や、安価であるが疲労強度が高くない材料でロータコアを製作することができる。

また請求項２の構成によれば、ロータコアの隣接する肉抜き孔に挟まれたリブを湾曲させたので、ロータハブの外周面にロータコアのハブ挿入孔を圧入する際の荷重で前記リブを容易に変形させ、前記圧入による引張応力が永久磁石支持孔の径方向外側の隅部に集中するのを一層効果的に抑制することができる。

また請求項３の構成によれば、ロータコアの外周面に、隣接する永久磁石支持孔間に延びるＶ字状の切欠きを形成したので、該永久磁石と隣接する他の永久磁石との間での磁気短絡を防止して磁気効率を高めることができる。前記切欠きを形成すると永久磁石支持孔の径方向外側の隅部に応力が集中し易くなるが、ロータコアの肉抜き孔およびリブによる応力緩和効果により、前記応力集中を許容範囲内に納めることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。

図１〜図５は本発明の実施の形態を示すもので、図１はロータの斜視図、図２は図１の２−２線拡大断面図（図３の２−２線断面図）、図３は図２の３−３線矢視図、図４は永久磁石支持孔の隅部に加わる応力の時間変化を示すグラフ、図５は永久磁石支持孔の隅部に加わる平均応力および応力振幅を示すグラフである。

図１および図２に示すように、モータのステータの内部に軸線Ｌまわりに回転自在に配置されるロータ１１は、ロータハブ１２と、ロータコア１３と、複数の永久磁石１４…と、第１端板１５と、第２端板１６と、リテーナ１７とで構成される。

ロータハブ１２は、ハブ本体部１２ａと、ハブ本体部１２ａから放射方向に延びる複数個のスポーク部１２ｂ…と、スポーク部１２ｂ…の先端を一体に連結する環状のロータコア支持部１２ｃとを備えており、ロータコア支持部１２ｃの軸線Ｌ方向一端面から径方向外向きにフランジ１２ｄが突出する。ロータハブ１２のロータコア支持部１２ｃの外周面１２ｅに、環状のロータコア１３のハブ挿入孔１３ａが圧入により固定される。ロータコア１３は複数の鋼板を積層したもので、その外周面１３ｂに沿うように等間隔で複数の永久磁石支持孔１３ｃ…が形成される。各々の永久磁石支持孔１３ｃは断面長方形をなしてロータコア１３の軸線Ｌ方向両端面に開口しており、そこに直方体状の永久磁石１４が挿入されて接着等により固定される。

図３を併せて参照すると明らかなように、ロータコア１３の外周面１３ｂから隣接する永久磁石支持孔１３ｃ…間にＶ字状の切欠き１３ｄ…が延びており、この切欠き１３ｄ…により永久磁石１４…の間での磁気短絡を防止し、磁束をトルク発生のために効率良く利用することができる。

ロータコア１３のハブ挿入孔１３ａと永久磁石支持孔１３ｃ…との間に、全体として環状に配置された複数の肉抜き孔１３ｅ…が形成される。これらの肉抜き孔１３ｅ…は各々がＳ字状に湾曲した形状を有しており、ロータコア１３の内周側と外周側を接続するＳ字状に湾曲した複数のリブ１３ｆ…により仕切られている。

尚、永久磁石支持孔１３ｃ…と肉抜き孔１３ｅ…とに挟まれた部分（バックヨーク）は磁路としての役割を果たす部分であるため、そのバックヨークの厚さＴは永久磁石１４…の幅Ｗの０．５〜０．７倍程度が必要になる。

図２から明らかなように、ロータハブ１２の外周面１２ｅに、第１端板１５と、ロータコア１３のハブ挿入孔１３ａと、第２端板１６と、リテーナ１７とを圧入することで、ロータハブ１２のフランジ１２ｄとリテーナ１７との間に第１端板１５、ロータコア１３および第２端板１６が挟まれて軸線Ｌ方向に移動不能に固定される。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

ロータハブ１２のロータコア支持部１２ｃの外周面１２ｅにロータコア１３のハブ挿入孔１３ａを圧入すると、環状のロータコア１３が円周方向に引き伸ばされることで引張応力が発生する。本実施の形態の如く、ロータコア１３の直径に対するロータハブ１２の直径の比率が高い場合、つまりロータハブ１２の直径が大きい場合には、前記引張応力は大きなものとなる。そして、図３に示す永久磁石支持孔１３ｃ…の径方向外側の隅部１３ｇ…は、前記Ｖ字状の切欠き１３ｄ…を形成したことで細幅になっているために、特に大きな引張応力が作用する。

またロータ１１が回転するとロータコア１３自体も遠心力で径方向外向きに付勢されるため、ロータコア１３の外周部が円周方向に引き伸ばされて隅部１３ｇ…の引張応力は更に高くなる。しかもロータ１１が回転すると遠心力で永久磁石１４…が径方向外向きに付勢されるため、永久磁石１４…から伝達される荷重で隅部１３ｇ…の引張応力は更に高くなり、ロータコア１３の耐久性を低下させる可能性がある。

しかしながら、本実施の形態では、ロータコア１３の内周部および外周部を複数のＳ字状のリブ１３ｆ…で接続したので、ロータコア１３のハブ挿入孔１３ａにロータハブ１２の外周面１２ｅを圧入することで発生する円周方向の引張荷重をリブ１３ｆ…の変形により吸収し、その引張荷重がロータコア１３の外周部に伝達され難くすることができる。これにより、永久磁石支持孔１３ｃ…の隅部１３ｇ…の応力集中を緩和し、ロータコア１３の耐久性を高めることができる。特に、リブ１３ｆ…はＳ字状に湾曲しているため、円周方向の引張荷重で容易に変形して該引張荷重の伝達を確実に抑制することができる。

図４のグラフは、ロータ１１が回転および停止を繰り返したときの永久磁石支持孔１３ｃ…の隅部１３ｇ…の応力の変化を示すもので、実線は本実施の形態のロータ１１に対応し、破線は肉抜き孔１３ｅ…およびリブ１３ｆ…を持たない従来のロータに対応している。

ロータ１１が回転すると遠心力による応力が発生し、ロータ１１が停止すると遠心力による応力が消滅するために所定の振幅では応力が増減するが、この遠心力による応力振幅Δσは実施の形態のものと従来のものとで同じである。しかしながら、実施の形態のロータハブ１２は圧入による応力σａが従来例の応力σａ′よりも大幅に減少するため、実施の形態の平均応力σｂは従来例の平均応力σｂ′よりも大幅に減少する。

図５のグラフは、平均応力および応力振幅に基づくロータコア１３の疲労限度を示すもので、実線は本実施の形態のロータ１１に対応し、破線は肉抜き孔１３ｅ…およびリブ１３ｆ…を持たない従来のロータに対応している。

実施の形態のロータコア１３は圧入による応力の減少により平均応力が低くなるため、廉価材を使用しても必要な耐久性を満たすことが可能であるが、従来例のロータコア１３は圧入による応力の減少が見込めないために平均応力が高くなり、高価な高強度材を使用しないと必要な耐久性を満たすことが困難になる。

しかして、本実施の形態のロータコア１３は、磁気的に高性能であるが疲労強度が高くない材料や、安価であるが疲労強度が高くない材料を使用した場合でも、永久磁石支持孔１３ｃ…の隅部１３ｇ…の応力集中を緩和して耐久性を確保することができる。

以上、本発明の実施の形態を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態ではモータのロータ１１を例示したが、本発明は発電機のロータに対しても適用することができる。

また実施の形態のリブ１３ｆ…はＳ字状に湾曲しているが、リブ１３ｆ…の形状は任意である。

ロータの斜視図 図１の２−２線拡大断面図（図３の２−２線断面図） 図２の３−３線矢視図 永久磁石支持孔の隅部に加わる応力の時間変化を示すグラフ 永久磁石支持孔の隅部に加わる平均応力および応力振幅を示すグラフ

符号の説明

１２ ロータハブ
１２ｅ 外周面
１３ ロータコア
１３ａ ハブ挿入孔
１３ｂ 外周面
１３ｃ 永久磁石支持孔
１３ｄ 切欠き
１３ｅ 肉抜き孔
１３ｆ リブ
１３ｇ 隅部
１４ 永久磁石

Claims (3)

1. ロータハブ（１２）の外周面（１２ｅ）にロータコア（１３）のハブ挿入孔（１３ａ）を圧入することで前記ロータハブ（１２）に前記ロータコア（１３）を固定し、前記ロータコア（１３）の外周面（１３ｂ）に沿って所定間隔で設けた複数の永久磁石支持孔（１３ｃ）にそれぞれ永久磁石（１４）を挿入して固定した回転電機のロータであって、
   前記ロータコア（１３）のハブ挿入孔（１３ａ）および永久磁石支持孔（１３ｃ）間に、円周方向に配置される複数の肉抜き孔（１３ｅ）を挟んで複数のリブ（１３ｆ）を形成し、前記ロータハブ（１２）の外周面（１２ｅ）に前記ロータコア（１３）のハブ挿入孔（１３ａ）を圧入する際に前記永久磁石支持孔（１３ｃ）の隅部（１３ｇ）に生じる応力を、前記リブ（１３ｆ）の変形により緩和することを特徴とする回転電機のロータ。
2. 前記リブ（１３ｆ）は湾曲していることを特徴とする、請求項１に記載の回転電機のロータ。
3. 前記ロータコア（１３）の外周面（１３ｂ）に、隣接する永久磁石支持孔（１３ｃ）間に延びるＶ字状の切欠き（１３ｄ）を形成したことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の回転電機のロータ。

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