JP2012010556A

JP2012010556A - 回転電機用ロータ

Info

Publication number: JP2012010556A
Application number: JP2010146500A
Authority: JP
Inventors: Makoto Tsukahara; 誠塚原; Norikazu Okada; 則和岡田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2012-01-12

Abstract

【課題】低コストで回転電機の出力トルクを向上することが可能な回転電機用ロータを提供する。
【解決手段】回転電機用ロータＲは、ロータ軸ＲＳと一体回転するように固定され、円筒コアの外周面に軸方向と平行に扇形で切り欠いた切欠部１１を有する第１コア１と、当該第１コア１と離間して配置され、軸方向に貫通する貫通孔２２が形成された第２コア２と、貫通孔２２に貫通される金属の磁性体からなる貫通ピン３と、第１コア１と第２コア２との間に軸方向と平行に配置される永久磁石ＰＭと、第１コア１と第２コア２との間に永久磁石ＰＭを配置した状態で軸方向両側から貫通ピン３が挿入される一対のエンドプレートＥＰと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータコアと当該ロータコアと一体回転するロータ軸とを有する回転電機用ロータに関する。

従来、様々な機器の動力源として回転電機が広く利用されている。このような回転電機は、コイルを有するステータと永久磁石を有するロータとを備えて構成される。特に、永久磁石は、ロータが有するロータコアにロータ軸と平行に設けられる磁石貫通孔に挿入して配置される。このようなロータを高速回転するには、ロータコアに所定の機械的強度を確保する必要がある。この機械的強度は、ロータコアの軸方向視において、磁石貫通孔とロータコアの外周面（外周縁）との間に形成されるアウターブリッジの幅寸法を大きくすることにより確保されてきた。しかしながら、アウターブリッジの幅寸法を大きくすると、永久磁石の漏れ磁束が増大し、回転電機の出力トルクが低下するといった問題があった。このような回転電機の出力トルクの低下を防止するためには、アウターブリッジの幅寸法を小さくする以外に、ロータコアの軸方向視において、互いに隣接する２つの磁石貫通孔の短辺間に形成されるセンターブリッジの幅寸法を小さくすることも有効である。

そこで、アウターブリッジ及びセンターブリッジの幅寸法を小さくしつつ、ロータコアの機械的強度を高める技術開発が行われてきた。そのような技術の一つとして、下記に出典を示す特許文献１に記載のものがある。

特許文献１に記載の永久磁石回転電機の回転子（ロータ）は、永久磁石に形成された凹部とコアに形成された凸部とを嵌合させることにより、遠心力に対する強度を確保している。これにより、アウターブリッジの幅寸法を小さくすることが可能とされる。また、永久磁石は、上記嵌合により位置決めされた状態で保持される。これにより、互いに隣接する一対の永久磁石の短辺間に空隙部を形成し、センターブリッジを無くすことが可能とされる。

しかしながら、当該永久磁石回転電機の回転子は、アウターブリッジを有して構成されているので、回転電機の出力トルクの改善は十分ではない。また、空隙部を設けてセンターブリッジを無くしているが、永久磁石と嵌合するコアの凸部に隣接する部分が当該凸部とは逆方向に突出するため、上記空隙部（互いに隣接する永久磁石の間隔）が狭くなり回転電機の出力トルクの改善は十分ではない。更に、永久磁石に凹部を形成する必要があるため、一般的な形状（例えば四角形）の永久磁石を用いることができず、製造コストが高くなる。

特開２００７−３３６６７１号公報

本発明の目的は、上記問題に鑑み、低コストで回転電機の出力トルクを向上することが可能な回転電機用ロータを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る回転電機用ロータの特徴構成は、ロータ軸と一体回転するように固定され、円筒コアの外周面に軸方向と平行に扇形で切り欠いた切欠部を有する第１コアと、前記第１コアと離間して配置され、軸方向に貫通する貫通孔が形成された第２コアと、前記貫通孔に貫通される金属の磁性体からなる貫通ピンと、前記第１コアと前記第２コアとの間に軸方向と平行に配置される永久磁石と、前記第１コアと前記第２コアとの間に前記永久磁石を配置した状態で軸方向両側から前記貫通ピンが挿入される一対のエンドプレートと、を備えている点にある。

このような特徴構成とすれば、第１コアと第２コアとを完全に分離して配置することができる。このため、互いに隣接する永久磁石の短辺間を仕切るセンターブリッジ及び永久磁石とロータコアの外周面とを仕切るアウターブリッジの双方を無くすことができる。したがって、永久磁石の漏れ磁束の影響を受けないようにすることができるので、回転電機の出力トルクの低下を防止できる。また、第１コア及び第２コアは従来のプレス加工を用いて形成することができ、一般的な形状（例えば四角形）の永久磁石を用いることができるので低コストで出力トルクの向上を実現できる。

また、前記貫通ピンが軟磁性体であると好適である。

このような構成とすれば、軟磁性体はヒステリシス特性に優れているので、回転電機の出力トルクを向上することができる。

また、前記貫通ピンが板状の金属の磁性体を積層して形成され、積層方向が径方向と交差するように配置されると好適である。

このような構成とすれば、金属の磁性体を用いて貫通ピンを容易に形成できると共に、回転電機用ロータに生じる遠心力に基づき貫通ピンが歪みを生じ難くすることができる。

また、前記貫通ピンが絶縁皮膜で覆われていると好適である。

このような構成とすれば、貫通ピンに起因するうず電流の発生を抑制できる。したがって、回転電機の出力トルクの低下を防止できる。

また、前記第１コアの切欠部が有する切欠面と前記切欠面に対向する前記第２コアの対向面との夫々に、前記永久磁石の一部が収容される凹溝が形成されていると好適である。

このような構成とすれば、第１コア及び第２コアの双方に形成された凹溝で永久磁石の一部を収容するので、永久磁石を第１コア及び第２コアに対して位置決めをした状態で確実に固定することができる。したがって、回転電機用ロータの回転に応じて遠心力が生じても、永久磁石が第１コアと第２コアとの間から抜け出ることを防止できる。

また、前記貫通ピンが前記第２コアを径方向中心側に押し付ける押付手段を備えていると好適である。

このような構成とすれば、第２コアを介して永久磁石を第１コア側に押し付けることができるので、回転電機用ロータの回転に応じて生じる遠心力に抗して、永久磁石が第１コアと第２コアとの間から抜け出ることを防止できる。

また、前記貫通ピンが、径方向に沿って湾曲して形成されていると好適である。

このような構成とすれば、貫通ピンに付勢力を与えることができる。したがって、永久磁石を第１コアに押し付けることができるので、回転電機用ロータの回転に応じて生じる遠心力に抗して、永久磁石が第１コアと第２コアとの間から抜け出ることを防止できる。

回転電機用ロータの概略構成を示す斜視図である。第１ロータコアと第２ロータコアとの配置関係について示す図である。その他の実施形態に係る貫通ピンの形態について示す図である。その他の実施形態に係る貫通ピンの形態について示す図である。その他の実施形態に係る貫通ピンの形態について示す図である。その他の実施形態に係る貫通ピンの形態について示す図である。貫通ピンを複数用いた場合の例を示す図である。その他の実施形態に係る永久磁石の配置について示す図である。その他の実施形態に係る貫通ピンについて示す図である。その他の実施形態に係る貫通ピンについて示す図である。

以下、本発明に係る回転電機用ロータＲ（以下「ロータＲ」とする）に関して説明する。詳細は後述するが、本ロータＲは、永久磁石ＰＭに隣接するセンターブリッジ及びアウターブリッジを無くして回転電機の性能（出力トルク）を向上することが可能なように構成されている。以下に図を用いて説明する。

図１には本実施形態に係るロータＲが示される。図示はしないが、ロータＲはステータと共に回転電機に配設される。ロータＲは径方向中心部にロータ軸ＲＳが貫通挿入され、当該ロータ軸ＲＳは回転電機のケース本体に回転可能に支持される。ステータは、ロータＲの外周面と所定のギャップを有してロータＲの径方向外側に配置され、ケース本体に固定される。本実施形態に係るロータＲには永久磁石ＰＭが配置され、ステータにはコイルが配置される。以下では、本発明に係るロータＲを中心に説明する。

本ロータＲは、第１コア１、第２コア２、貫通ピン３、ロータ軸ＲＳ、永久磁石ＰＭ、エンドプレートＥＰを備えて構成される。第１コア１は、円筒コアの外周面に軸方向と平行に扇形で切り欠いた切欠部１１を有する。ここで、第１コア１は、複数の板状鋼板を積層して構成される。このような板状鋼板は、円環板状のコアの外周面を扇形で切り欠いて形成される。このような扇形で切り欠いた部分が、切欠部１１に相当する。本実施形態では、切欠部１１は円環板状のコアの外周面に沿って８つ形成される。このような切欠部１１を有する板状コアは、板状鋼板を所定の形状の金型を用いてプレス加工により形成される。第１コア１は、このようにプレス加工により形成された板状コアを切欠部１１が軸方向に整列するように積層して形成される。したがって、切欠部１１は第１コア１の軸方向と平行に配置された状態となる。また、第１コア１の径方向中心部には、軸方向に貫通する貫通孔１２が形成される。貫通孔１２の内周面には、スプライン溝１２Ａが形成される。

ロータ軸ＲＳは、第１コア１と一体回転するように固定される。ロータ軸ＲＳの外周面には、スプライン溝ＲＳＡが形成される。ロータ軸ＲＳは貫通孔１２に挿入され、互いのスプライン溝１２Ａ、ＲＳＡにより嵌合固定される。これにより、第１コア１とロータ軸ＲＳとが一体回転することが可能となる。

第２コア２は、第１コア１と離間して配置され、軸方向に貫通する貫通孔２２が形成される。上述のように、切欠部１１は、軸方向視において扇型で形成される。本実施形態における第２コア２は、ロータＲの回転中に空気抵抗となって回転損失が生じないように、扇形の切欠部１１に収容可能に構成される。また、貫通孔２２は扇形の軸方向中央部を貫通するように形成される。本実施形態では貫通孔２２は長方形で形成され、当該長方形が有する一対の短辺が、ロータＲの径方向に対して直交するように配置される。

このような第２コア２は、板状鋼板を基材として所定の形状の金型を用いてプレス成形されたコアを軸方向に積層して形成される。したがって、第２コア２は、第１コアの切欠部１１と平行に配置される。ここで、詳細は後述するが、第１コア１と第２コア２との間には、永久磁石ＰＭが配置される。すなわち、第１コア１と第２コア２とにより、永久磁石ＰＭが挟持される。

貫通ピン３は、貫通孔２２に貫通される金属の磁性体から構成される。上述のように、第２コア２の中央部には軸方向に貫通する、軸方向視が長方形の貫通孔２２が形成される。このため、貫通ピン３も軸方向視が長方形で構成される。また、貫通孔２２は、長方形が有する一対の短辺がロータＲの径方向に対して直交するように配置されているので、貫通ピン３も一対の短辺がロータＲの径方向に対して直交するように配置される。このため、貫通ピン３のロータＲの回転に応じて生じる遠心力に対する強度を強くすることができる。また、貫通ピン３は、金属の磁性体から構成される。このような金属の磁性体としては、純鉄、ケイ素鋼、鉄アルミ合金等を用いると好適である。

永久磁石ＰＭは、第１コア１と第２コア２との間に軸方向に平行に配置される。第１コア１及び第２コア２は、軸方向に延設して設けられる。これにしたがい、永久磁石ＰＭも軸方向に延設して配置される。図２には、第１コア１と第２コア２との配置関係が示される。図２に示されるように、切欠部１１は軸方向視が扇形で形成される。この扇形の一対の平面部分（上述の円弧部分以外の部分）が、切欠面１３に相当する。また、第２コア２も軸方向視が扇形で形成される。第２コア２が有する一対の平面部分は、第１コア１の切欠面１３に対向して配置され、対向面２１となる。このような切欠面１３と対向面２１との間には、ロータ軸方向に平行に長尺状の永久磁石ＰＭが配置される。このように、第１コア１と第２コア２との間には永久磁石ＰＭが配置され、第１コア１と第２コア２とが完全に離間した状態とされる。したがって、第１コア１と第２コア２との間には、センターブリッジ及びアウターブリッジを備えずに構成することができる。なお、永久磁石ＰＭは、第１コア１及び第２コア２との間に接着剤や硬化樹脂等を用いて固定すると好適である。これにより、永久磁石ＰＭがロータＲの回転に応じて生じる遠心力により位置ずれすることを防止できる。なお、第１コア１、第２コア２、永久磁石ＰＭは、図１においては、一組しか記載していないが、実際には切欠部１１毎に（すなわち、図１においては、合計８組）備えられる。

図１に戻り、エンドプレートＥＰは、一対からなり、第１コア１及び第２コア２との間に永久磁石ＰＭを配置した状態で軸方向両側から貫通ピン３が挿入される。図１に示されるように第１コア１及び第２コア２の軸方向両側にエンドプレートＥＰが配置される。したがって、エンドプレートＥＰは一対からなる。一対のエンドプレートＥＰは、径方向中央部にロータ軸貫通孔ＥＰ１を有し、当該ロータ軸貫通孔ＥＰ１にロータ軸ＲＳが貫通挿入される。また、一対のエンドプレートＥＰは、ロータ軸ＲＳと一体回転可能に構成される。このような一体回転を実現するために、ロータ軸貫通孔ＥＰ１の内周面にスプライン溝ＥＰＡを形成し、当該スプライン溝ＥＰＡがロータ軸ＲＳのスプライン溝ＲＳＡとスプライン嵌合することにより構成すると好適である。また、このようなエンドプレートＥＰとしては、比強度が高く、且つ非磁性であることが好ましく、Ｔｉ合金、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）、ジュラルミン等が好適である。また、エンドプレートＥＰ及び第１コア１からロータ軸ＲＳが抜けないように、一対のエンドプレートＥＰを装着後、ロータ軸ＲＣの挿入方向他方側を例えばクリップ３０で挟持すると好適である。

エンドプレートＥＰは、第１コア１と第２コア２との間に永久磁石ＰＭを挟んだ状態で第２コア２の貫通孔２２と対向する位置に孔部ＥＰ２が形成される。したがって、貫通孔２２と孔部ＥＰ２とは、軸方向に一致するように形成される。本実施形態では、切欠部１１は周方向に沿って８つ形成され、切欠部１１の中央部には貫通孔２２が１つずつ形成される。このため、貫通孔２２は周方向に沿って８つ形成される。孔部ＥＰ２は、貫通孔２２と対向して周方向に沿って８つ形成される。

上述のように、第２コア２の貫通孔２２には軸方向に貫通ピン３が貫通挿入される。また、第１コア１の切欠部１１に永久磁石ＰＭが配置され、当該永久磁石ＰＭに第２コア２が配置される。一対のエンドプレートＥＰは、このような状態における第２コア２の貫通孔２２に貫通挿入されている貫通ピン３を孔部ＥＰ２に挿入するよう軸方向両側に配置される。これにより、第２コア２が径方向外側に位置ずれしないようにすることができる。なお、図示はしないが、貫通ピン３が孔部ＥＰ２及び貫通孔２２から軸方向に抜けないように、エンドプレートＥＰの軸方向外側で貫通ピン３をナット（図示せず）で留める構成にすると好適である。また、エンドプレートＥＰの軸方向外側で貫通ピン３をかしめて抜けないようにするように構成することも可能である。

このように、本ロータＲによれば、第１コア１と第２コア２とを完全に分離して配置することができる。このため、互いに隣接する永久磁石ＰＭの短辺間を仕切るセンターブリッジ及び永久磁石ＰＭとロータコアの外周面とを仕切るアウターブリッジの双方を無くすことができる。したがって、永久磁石ＰＭの漏れ磁束の影響を受けないようにすることができるので、回転電機の出力トルクの低下を防止できる。また、第１コア１及び第２コア２は従来のプレス加工を用いて形成することができ、一般的な形状（例えば四角形）の永久磁石ＰＭを用いることができるので低コストで出力トルクの向上を実現できる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、貫通ピン３が金属の磁性体からなるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、貫通ピン３を軟磁性体で構成すると好適である。軟磁性体はヒステリシス特性に優れているので、所望する特性を容易に実現することができる。

上記実施形態では、貫通ピン３は軸方向視が四角形で構成されるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、図３に示されるような楕円状のものを用いることが可能である。係る場合には、楕円の長軸方向がロータＲの径方向と一致するように配置すると好適である。このような構成であれば、貫通ピン３の遠心力に対する強度を強くすることができる。また、例えば、図４（ａ）に示されるように貫通ピン３が板状の金属の磁性体を積層して形成されると好適である。係る場合には、積層方向が径方向と交差するように配置すると好適である。このような構成であれば、貫通ピン３を容易に構成できると共に、遠心力に対して折れにくくすることができる。また、図５に示されるようにシート状の磁性体をロール状に巻いて構成することも可能である。係る場合には、ロール状に巻かれた磁性体がシート状に延びようとするので、貫通孔２２の内周面に押し付けられる。したがって、貫通ピン３が貫通孔２２から抜けないように、ナットを用いたりかしめたりする必要がなくなる。

また、図６に示されるように、貫通ピン３を絶縁皮膜３１で覆うと好適である。これにより貫通ピン３と第２コア２とを絶縁分離することができるので、貫通ピン３に起因するうず電流の発生を防止できる。したがって、回転電機の出力トルクの低下を防止できる。

また、上記実施形態では、第２コア２に対して１本の貫通ピン３が貫通されるように説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。図７に示されるように、第２コア２に対して複数の貫通ピン３を貫通するように構成することも可能である。係る場合、夫々の貫通ピン３は一点鎖線で示されるロータＲの径方向に沿って配設されると好適である。

上記実施形態では、永久磁石ＰＭが第１コア１と第２コア２とに挟持されてあるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、図８に示されるように、第１コア１の切欠部１１が有する切欠面１３と切欠面１３に対向する対向面２１との夫々に、永久磁石ＰＭの一部が収容される凹溝１４、２３を形成すると好適である。これにより、ロータＲの回転に応じて生じる遠心力により、永久磁石ＰＭが第１コア１と第２コア２との隙間から抜けることを防止できる。

上記実施形態では、貫通ピン３がエンドプレートＥＰの孔部ＥＰ２に貫通挿入されるとして説明した。このような貫通ピン３が、第２コア２を径方向中心側に押し付ける押付手段３Ａを備えると好適である。係る場合、図９（ａ）に示されるように貫通ピン３の軸方向両端部の径方向外側の角部をカットして押付手段３Ａを形成し、貫通ピン３の軸方向中心部をエンドプレートＥＰの孔部ＥＰ２の軸方向中心部よりも径方向外側にずらして構成すると良い。このような構成とすることにより、図９（ｂ）に示されるようにエンドプレートＥＰを装着することで、貫通ピン３を径方向中央側に押し付けることが可能となる。したがって、図９（ｂ）に示される矢印のように、貫通ピン３により第２コア２及び永久磁石ＰＭの軸方向全領域を径方向中央側に押し付けることができるので、永久磁石ＰＭの位置ずれを防止できる。

また、貫通ピン３を、径方向に沿って湾曲して形成することも可能である。図１０（ａ）には、貫通ピン３が、径方向中央側を凸形状とする弓型状に形成されている例が示される。このように構成することにより、図１０（ｂ）に示されるようにエンドプレートＥＰを装着することで、貫通ピン３により第２コア２及び永久磁石ＰＭを径方向中央側に押し付けることが可能となる。したがって、図１０（ｂ）に示される矢印のように、貫通ピン３により第２コア２及び永久磁石ＰＭの軸方向中央領域を径方向中央側に押し付けることができるので、永久磁石ＰＭの位置ずれを防止できる。また、上述の押付手段３Ａと共に、貫通ピン３を湾曲して形成することにより、貫通ピン３の軸方向両端側も径方向中央側に押し付けることもできる。

また、図示はしないが、径方向外側を凸形状とする弓型状で貫通ピン３を形成することも可能である。係る場合には、貫通ピン３により第２コア２及び永久磁石ＰＭの軸方向両端側を径方向中央側に押し付けることが可能となる。したがって、貫通ピン３により永久磁石ＰＭの位置ずれを防止できる。更には、弓型以外の形状で径方向に沿って湾曲するように形成することも当然に可能である。係る場合であっても、永久磁石ＰＭを第１コア１に押し付けることができるので、永久磁石ＰＭの位置ずれを防止することは可能である。

本発明は、ロータコアと当該ロータコアと一体回転するロータ軸とを有する回転電機用ロータに用いることが可能である。

１：第１コア
２：第２コア
ＲＳ：ロータ軸
１１：切欠部
１３：切欠面
２１：対向面
ＰＭ：永久磁石
ＥＰ：エンドプレート
３：貫通ピン
Ｒ：ロータ（回転電機用ロータ）
１４：凹溝
２３：凹溝

Claims

ロータ軸と一体回転するように固定され、円筒コアの外周面に軸方向と平行に扇形で切り欠いた切欠部を有する第１コアと、
前記第１コアと離間して配置され、軸方向に貫通する貫通孔が形成された第２コアと、
前記貫通孔に貫通される金属の磁性体からなる貫通ピンと、
前記第１コアと前記第２コアとの間に軸方向と平行に配置される永久磁石と、
前記第１コアと前記第２コアとの間に前記永久磁石を配置した状態で軸方向両側から前記貫通ピンが挿入される一対のエンドプレートと、
を備える回転電機用ロータ。
前記貫通ピンが軟磁性体である請求項１に記載の回転電機用ロータ。
前記貫通ピンが板状の金属の磁性体を積層して形成され、積層方向が径方向と交差するように配置される請求項１又は２に記載の回転電機用ロータ。
前記貫通ピンが絶縁皮膜で覆われている請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機用ロータ。
前記第１コアの切欠部が有する切欠面と前記切欠面に対向する前記第２コアの対向面との夫々に、前記永久磁石の一部が収容される凹溝が形成されている請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機用ロータ。
前記貫通ピンが前記第２コアを径方向中心側に押し付ける押付手段を備えている請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電機用ロータ。
前記貫通ピンが、径方向に沿って湾曲して形成されている請求項１から６のいずれか一項に記載の回転電機用ロータ。