JP2011172310A - 回転子およびその回転子を用いた回転電機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 凹部は、キー255の側面と、凹部の底部に形成された平面部と、回転子鉄心252の内周252Iから平面部に向かって伸びる接続側面と、側面と平面部とを連結する円弧状の第1隅部と、平面部と側面とを連結する円弧状の第2隅部key2と、側面と内周とを連結する円弧状の角部key3とによって形成される。凹部は、平面部によって底部における応力集中を阻止するとともに、第1、第2隅部に応力を分散する。第1、第2隅部,2は円弧状であり、第1、第2隅部,2における応力集中を緩和している。なお角部には応力集中は生じない。さらに、第1、第2隅部,2の角度を充分大きくすることによって、応力集中を緩和している。
【選択図】 図9
Description
(2)請求項2の発明による回転子は、外周面軸方向にキー溝が1箇所以上設けられた回転軸と、内周側に突設されて前記キー溝に嵌め合わされるキーを有する回転子鉄心とを備え、前記回転子鉄心には、前記キーの周方向両側で、径方向外側に広がる凹部256が形成され、前記凹部の底部には、前記キーの周方向両側における応力を緩和するための平面部400が形成され、前記平面部400は、前記キーの突出方向と直交する方向に所定長さ延在する直線部であり、前記直線部400の反キー側端には、前記回転子鉄心の内周まで延在する接続側面が連設され、前記キーの側面257と前記直線部400のキー側端とを接続する第1隅部key1を円弧面とし、前記直線部400の反キー側端と前記接続側面とを接続する第2の隅部を円弧面とし、前記第1の隅部と第2の隅部の応力が略等しくなるように、前記キーの側面257と前記直線部400とがなす角度θ1、前記直線部400と前記接続側面401とがなす角度θ2を決定したことを特徴とする。
(3)請求項3の発明は、請求項2に記載の回転子において、前記第1の隅部と第2の隅部の応力が略等しくなるように、前記直線部400の延在長さWを決定したことを特徴とする。
(4)請求項4の発明は、外周面軸方向にキー溝が1箇所以上設けられた回転軸と、内周側に突設されて前記キー溝に嵌め合わされるキーを有する回転子鉄心とを備え、前記回転子鉄心には、前記キーの周方向両側で、径方向外側に広がる凹部が形成され、前記凹部の底部には、前記キーの周方向両側における応力を緩和するための平面部が形成され、前記平面部は、前記キーの突出方向と直交する方向に所定長さ延在する直線部であり、前記直線部の反キー側端には、前記回転子鉄心の内周まで延在する接続側面が連設され、前記キーの側面と前記直線部のキー側端とを接続する第1隅部を円弧面とし、前記直線部の反キー側端と前記接続側面とを接続する第2の隅部を円弧面とし、前記第1の隅部と第2の隅部の応力が略等しくなるように、前記平面部の延在長さW、前記キーの側面と前記直線とのなす角度θ1、前記直線部と前記接続側面とがなす角度θ2、前記第1の隅部の曲率半径R1、および前記第2の隅部の曲率半径R2を決定したことを特徴とする。
(5)請求項5の発明は、外周面軸方向にキー溝が1箇所以上設けられた回転軸と、内周側に突設されて前記キー溝に嵌め合わされるキーを有する回転子鉄心とを備え、前記回転子鉄心には、前記キーの周方向両側で、径方向外側に広がる凹部が形成され、前記凹部の底部には、内周に向かって凹の円弧面410が形成されることを特徴とする。
(6)請求項6の発明は、請求項5に記載の回転子において、前記回転子の回転に伴って前記回転子鉄心に遠心力が働くとき、前記遠心力によって前記キーの近傍に発生する応力が予め定めた閾値以下となるように、前記円弧面の半径R4が決定されていることを特徴とする。
(7)請求項7の発明は、請求項6に記載の回転子において、前記円弧面の半径R4は前記回転子鉄心の内周半径の1/10以上であることを特徴とする。
(8)請求項8の発明は、請求項5に記載の回転子において、前記円弧面の反キー側端には、回転子鉄心の内周まで延在する接続側面401が連設され、前記キーのキー側面257と前記円弧面のキー側端とを接続する第1隅部key1を円弧面R1とし、前記円弧面の反キー側端と前記接続側面401とを接続する第2の隅部key2を円弧面R2としたことを特徴とする。
(9)請求項9の発明は、請求項8に記載の回転子において、前記回転子の回転に伴って前記回転子鉄心に遠心力が働くとき、前記遠心力によって前記キーの近傍に発生する応力が予め定めた閾値以下となるように、前記円弧面の半径R4と、前記第1の隅部の円弧面の曲率半径R1と、前記第2の隅部の円弧面の曲率半径R2とがそれぞれ決定されていることを特徴とする。
(10)請求項10の発明は、請求項1乃至9のいずれか1項に記載の回転子において、前記キーの側面と前記底部とのなす角度θ1が85度≦θ1<90度であることを特徴とする。
(11)請求項11の発明は、請求項1乃至9のいずれか1項に記載の回転子において、前記キーの側面と前記底部とのなす角度θ1が90度より大きいことを特徴とする。
(12)請求項12の発明による回転電機は、請求項1乃至11のいずれか1項に記載の回転子と、前記回転子の外周側に空隙をあけて設けられた固定子とを備えたことを特徴とする。
本発明による回転電機の第1の実施の形態について説明する。
[回転電機全体]
第1の実施の形態を備えた回転電機は、以下に説明するように、高回転化が可能であることから、例えば、電気自動車の走行用モータとして好適である。本発明による回転電機は、回転電機のみによって走行する純粋な電気自動車や、エンジンと回転電機の双方によって駆動されるハイブリッド自動車にも適用できる。以下ではハイブリッド自動車を例に説明する。
図2に示すように、電力変換装置600には、回転電機200のための第1のインバータ装置と、回転電機202のための第2のインバータ装置とが設けられている。第1のインバータ装置は、パワーモジュール610と、パワーモジュール610の各パワー半導体21のスイッチング動作を制御する第1の駆動回路652と、回転電機200の電流を検知する電流センサ660とを備えている。駆動回路652は駆動回路基板650に設けられている。
なお、図2では、各相の各上下アームのIGBTを1つしか図示していないが、制御する電流容量が大きいので、実際には複数のIGBTが電気的に並列に接続されて構成されている。以下では、説明を簡単にするため、1個のパワー半導体として説明する。
図3に示すように、回転電機200はハウジング212と、ハウジング212の内部に保持された固定子230とを有し、固定子230は固定子鉄心232と固定子巻線238とを備えている。固定子鉄心232の内側には、回転子250が空隙222を介して回転可能に保持されている。回転子250は、回転子鉄心252と、永久磁石254と、非磁性体のあて板226とを備えており、回転子鉄心252は円柱状のシャフト(回転軸体)218に固定されている。
なお、図4では、スロットおよびティースの全てに符号を付すことはせず、代表して一部のティースとスロットにのみ符号を付した。
図6〜図8は、本実施の形態の応力集中緩和のコンセプトを理解するための図であり、簡単なモデルによる応力集中を説明するものである。
本実施の形態による回転子のキー近傍の応力緩和は、図5〜図8に関連して説明した知見に基づくものである。すなわち、キー255の両側に設けられた凹部256を以下のように形成している。
とくに、図10のように第1隅部key1、第2隅部key2の応力を等しくし、直線部400でも応力を分散させるようにしたので、特許文献2の回転電機のキーに比較して、キー全体の応力最適化を図ることができる。
図12〜図15は、高速回転条件下において、平面部400の長さWを0mmから大きくしたときの第1隅部key1、第2隅部key2の応力変化を示す線図である。いずれも場合も図5および図11に示すキー基部の応力を100%として、Wを変化させたときの第1隅部key1、第2隅部key2の応力変化をパーセントで表している。
図16〜図19は、高速回転条件下において、平面部400の長さWを2mm、θ2を150度としたとき、θ1を変化させたときの第1隅部key1、第2隅部key2の応力変化を示す線図である。いずれも場合も、図5および図11に示すキー基部の応力を100%として、θ1を変化させたときの第1隅部key1、第2隅部key2の応力変化をパーセントで表している。
図20および図21は、高速回転条件下において、平面部400の長さWを2mmとし、θ2を変化させたときの第1隅部key1、第2隅部key2の応力変化を示す線図である。いずれも場合も、(図5および図11に示すキー基部の応力を100%として、θ2を変化させたときの第1隅部key1、第2隅部key2の応力変化をパーセントで表している。
θ2による応力の変動は、θ1による応力変動に比べて小さいことが分かる。
データとしては示さないが、円弧R2の半径は第1隅部key1の応力集中には影響を与えないことが分かっている。
なお、第1の実施の形態においては、第1の隅部key1の円弧面の曲率半径R1と、第2の隅部key2の円弧面の曲率半径R2をも加味して平面部400の長さを決定している。
(1)回転子250のキー255の近傍に平面部400を含む凹部256を設けることにより、キー255の近傍の応力を簡単な構成で低減することができる。その結果、回転子鉄心に高価な高張力鋼板を用いることなく、モータの高速回転化が可能となる。
たとえば、第1の隅部key1と第2の隅部key2の応力が略等しくなるように、キー側面257と直線部400とがなす角度θ1、直線部400と接続側面401とがなす角度θ2を決定する。
あるいは、第1の隅部key1と第2の隅部key2の応力が略等しくなるように、平面部の延在長さW、キーの側面と直線部とのなす角度θ1、直線部と接続側面とがなす角度θ2、第1の隅部の曲率半径R1、および第2の隅部の曲率半径R2を決定する。
(6)θ1が90度よりも大きいときは、キーの加工が容易になり、抜き型も摩耗し難くなる。
次に本発明に係る回転子および回転電機の第2の実施の形態を図22、図23を参照して説明する。第2の実施の形態は、第1の実施の形態における平面部400に代えて、内周に向かって凹の円弧面410を採用したものである。なお図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。
なお、角度θ1、距離WRおよび半径R4の曲率半径が決まれば、半径R4の中心は自動的に位置が決まる。
255:キー 256:凹部
257:キー側面 300:接線
310:中心線 400:平面部
401:側面 410:円弧部
R1、R2:円弧 θ1、θ2:角度
key1:第1隅部 key2:第2隅部
Claims (12)
- 外周面軸方向にキー溝が1箇所以上設けられた回転軸と、
内周側に突設されて前記キー溝に嵌め合わされるキーを有する回転子鉄心とを備え、
前記回転子鉄心には、前記キーの周方向両側で、径方向外側に広がる凹部が形成され、
前記凹部の底部には、前記キーの周方向両側における応力を緩和するための平面部が形成され、
前記平面部は、前記キーの突出方向と直交する方向に所定長さ延在する直線部であり、前記直線部の反キー側端には、前記回転子鉄心の内周まで延在する接続側面が連設され、
前記キーの側面と前記直線部のキー側端とを接続する第1隅部を円弧面とし、
前記直線部の反キー側端と前記接続側面とを接続する第2の隅部を円弧面とし、
前記第1の隅部と第2の隅部の応力が略等しくなるように各部の寸法、形状を定めたことを特徴とする回転子。 - 外周面軸方向にキー溝が1箇所以上設けられた回転軸と、
内周側に突設されて前記キー溝に嵌め合わされるキーを有する回転子鉄心とを備え、
前記回転子鉄心には、前記キーの周方向両側で、径方向外側に広がる凹部が形成され、
前記凹部の底部には、前記キーの周方向両側における応力を緩和するための平面部が形成され、
前記平面部は、前記キーの突出方向と直交する方向に所定長さ延在する直線部であり、前記直線部の反キー側端には、前記回転子鉄心の内周まで延在する接続側面が連設され、
前記キーの側面と前記直線部のキー側端とを接続する第1隅部を円弧面とし、
前記直線部の反キー側端と前記接続側面とを接続する第2の隅部を円弧面とし、
前記第1の隅部と第2の隅部の応力が略等しくなるように、前記キーの側面と前記直線部とがなす角度、前記直線部と前記接続側面とがなす角度を決定したことを特徴とする回転子。 - 請求項2に記載の回転子において、
前記第1の隅部と第2の隅部の応力が略等しくなるように、前記直線部の延在長さを決定したことを特徴とする回転子。 - 外周面軸方向にキー溝が1箇所以上設けられた回転軸と、
内周側に突設されて前記キー溝に嵌め合わされるキーを有する回転子鉄心とを備え、
前記回転子鉄心には、前記キーの周方向両側で、径方向外側に広がる凹部が形成され、
前記凹部の底部には、前記キーの周方向両側における応力を緩和するための平面部が形成され、
前記平面部は、前記キーの突出方向と直交する方向に所定長さ延在する直線部であり、前記直線部の反キー側端には、前記回転子鉄心の内周まで延在する接続側面が連設され、
前記キーの側面と前記直線部のキー側端とを接続する第1隅部を円弧面とし、
前記直線部の反キー側端と前記接続側面とを接続する第2の隅部を円弧面とし、
前記第1の隅部と第2の隅部の応力が略等しくなるように、前記平面部の延在長さ、前記キーの側面と前記直線とのなす角度、前記直線部と前記接続側面とがなす角度、前記第1の隅部の曲率半径、および前記第2の隅部の曲率半径を決定したことを特徴とする回転子。 - 外周面軸方向にキー溝が1箇所以上設けられた回転軸と、
内周側に突設されて前記キー溝に嵌め合わされるキーを有する回転子鉄心とを備え、
前記回転子鉄心には、前記キーの周方向両側で、径方向外側に広がる凹部が形成され、
前記凹部の底部には、内周に向かって凹の円弧面が形成されることを特徴とする回転子。 - 請求項5に記載の回転子において、
前記回転子の回転に伴って前記回転子鉄心に遠心力が働くとき、前記遠心力によって前記キーの近傍に発生する応力が予め定めた閾値以下となるように、前記円弧面の半径が決定されていることを特徴とする回転子。 - 請求項6に記載の回転子において、
前記円弧面の半径は前記回転子鉄心の内周半径の1/10以上であることを特徴とする回転子。 - 請求項5に記載の回転子において、
前記円弧面の反キー側端には、回転子鉄心の内周まで延在する接続側面が連設され、
前記キーのキー側面と前記円弧面のキー側端とを接続する第1隅部を円弧面とし、
前記円弧面の反キー側端と前記接続側面とを接続する第2の隅部を円弧面としたことを特徴とする回転子。 - 請求項8に記載の回転子において、
前記回転子の回転に伴って前記回転子鉄心に遠心力が働くとき、前記遠心力によって前記キーの近傍に発生する応力が予め定めた閾値以下となるように、前記円弧面の半径と、前記第1の隅部の円弧面の曲率半径と、前記第2の隅部の円弧面の曲率半径とがそれぞれ決定されていることを特徴とする回転子。 - 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の回転子において、
前記キーの側面と前記底部とのなす角度が85度≦<90度であることを特徴とする回転子。 - 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の回転子において、
前記キーの側面と前記底部とのなす角度が90度より大きいことを特徴とする回転子。 - 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の回転子と、
前記回転子の外周側に空隙をあけて設けられた固定子とを備えたことを特徴とする回転電機。
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