JP2012075208A - ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】トルク低下を招くことなく更なる軽量化が可能なロータを提供する。
【解決手段】ロータは、リブ部７によって連結されたハブ部５とロータコア部６とを備え、リブ部７間に穴部８が形成されている。ロータコア部６の外周部における隣り合う開口部１１，１１間に突極１０が形成され、ロータを軸線方向から見た正面視にて、永久磁石１１が配置されたロータコア部６の磁極部９の周方向における中央Ｑ１とハブ部５の中心Ｐとを結ぶ第１の仮想線Ｓ１と、磁極部９に対してロータの回転方向前側にて隣接する突極１０の周方向における中央Ｑ２とハブ部５の中心Ｐとを結ぶ第２の仮想線Ｓ２とによって挟まれた領域内に、ロータコア部６の内周面の一部が他部よりも径方向外側に膨出して形成された凹部８を有する。
【選択図】図２

Description

この発明は、永久磁石電動機のロータに関するものである。

永久磁石電動機のロータには、軽量化等を目的として肉抜きをしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
図８の図面を参照して、肉抜きをした従来のロータを簡単に説明すると、ロータ１００は、出力軸に固定される筒状のハブ部１０１と、ハブ部１０１の径方向外側に配置された環状のロータコア部１０２と、ハブ部１０１とロータコア部１０２とを連結する複数のリブ部１０３とが一体に形成されており、ハブ部１０１とロータコア部１０２との間にはリブ部１０３によって複数に区画された穴部１０４が形成されている。この穴部１０４が肉抜き孔である。ロータコア部１０４の外周部には磁極部１０５と突極１０６が周方向に交互に設けられており、各磁極部１０５に形成された開口部１０７に永久磁石１０８が挿入固定されている。

磁極部１０５と突極１０６との間にはコア部１０２の外周面から径方向内側に向かって延びる溝部１０９が設けられており、換言すると、一対の溝部１０９に挟まれて突極１０６が形成されている。穴部１０４は全て同一形状をなしており、穴部１０４の径方向外側の壁面（換言すると、ロータコア部の内周面）１１０はハブ部１０１およびロータコア部１０２と同心上の円に沿った円弧面に形成されている。

特許第３９５４０１８号公報

ところで、穴部１０４の外径を大きくすれば（換言すると、ロータコア部１０２の内径を大きくすれば）ロータ１００の軽量化を図ることはできるが、ロータコア部１０２は磁路として機能するため、必要以上にロータコア部１０２の内径を拡大すると磁路を狭めることとなり、磁束飽和を起こしてトルクが低下してしまう。したがって、所定のトルクを確保しつつロータ１００の軽量化を図る場合、ロータコア部１０２の内径拡大には限界があり、軽量化に限界があった。

そこで、この発明は、トルク低下を招くことなく更なる軽量化が可能なロータを提供するものである。

この発明に係るロータでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、出力軸に固定される筒状のハブ部（例えば、後述する実施例におけるハブ部５）と、前記ハブ部の径方向外側に配置され複数のリブ部（例えば、後述する実施例におけるリブ部７）を介して前記ハブ部に連なり該ハブ部と一体に形成された環状のロータコア部（例えば、後述する実施例におけるロータコア部６）と、前記ハブ部と前記ロータコア部の間にて各リブ部間に形成された穴部（例えば、後述する実施例における穴部８）と、前記ロータコア部の外周側に周方向略等間隔に形成された開口部（例えば、後述する実施例における開口部１１，１１Ａ，１１Ｂ）内に保持された永久磁石（例えば、後述する実施例における永久磁石３，３Ａ，３Ｂ）と、を備えたロータ（例えば、後述する実施例におけるロータ１）であって、前記ロータコア部の外周部における隣り合う前記開口部間に突極（例えば、後述する実施例における突極１０）が形成され、前記ロータを軸線方向から見た正面視にて、前記永久磁石が配置された前記ロータコア部の磁極部の周方向における中央と前記ハブ部の中心とを結ぶ第１の仮想線（例えば、後述する実施例における第１の仮想線Ｓ１）と、前記磁極部に対してロータの回転方向前側にて隣接する前記突極の周方向における中央と前記ハブ部の中心とを結ぶ第２の仮想線（例えば、後述する実施例における第２の仮想線Ｓ２）とによって挟まれた領域内に、前記ロータコア部の内周面の一部が他部（例えば、後述する実施例における主部３５）よりも径方向外側に膨出して形成された凹部（例えば、後述する実施例における凹部３６）を有することを特徴とするロータである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記凹部はロータの径方向外側に膨出する曲面からなる壁面を有し、この壁面の一端が前記リブ部を形成する壁面に直結していることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記凹部は、前記第１の仮想線と前記第２の仮想線とに挟まれた領域内であって、且つ前記ロータの最高出力時にロータコア部を通過する磁束が疎となる部位に形成されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、トルク低下を招くことなくロータの軽量化が可能となる。
請求項２に係る発明によれば、ロータの回転時においてリブ部の径方向外側端部に応力集中が生じるのを緩和することができる。また、ロータの形状を簡素化することができるので、歩留まりが向上し、コストを低減することができる
請求項３に係る発明によれば、最高出力を低下させることなくロータの軽量化が可能となる。

この発明に係るロータの実施例における正面図である。 前記実施例のロータの要部を拡大して示す正面図である。 前記実施例のロータの最大トルク時における磁束線図である。 凹部を有さないロータにおける無通電時の磁束線図である。 凹部を有さないロータにおける低負荷時の磁束線図である。 凹部を有さないロータにおける高負荷時の磁束線図である。 この発明に係るロータの他の実施例における正面図である。 従来のロータの一部を示す正面図である。

以下、この発明に係るロータの実施例を図１から図７の図面を参照して説明する。なお、この実施例におけるロータは、車両用モータユニットのモータに組み込まれるロータとしての態様である。
図１はこの実施例におけるロータを軸線方向から見た正面図であり、図２はその一部を拡大した図である。

このロータ１は、複数積層された正面視略円形の磁性鋼板をかしめて一体化されたコア２と、コア２の外周近傍に保持された複数の永久磁石３とを備えて構成されている。なお、以下の説明において径方向とは、特に断らない限りコア２の径方向をいうものとする。
コア２は、中央に出力軸固定用の丸孔４を有する筒状のハブ部５と、ハブ部５に対し径方向外側に配置された環状のロータコア部６と、ハブ部５とロータコア部６とを連結する複数のリブ部７とが一体に形成されてなり、ハブ部５とロータコア部６との間にはリブ部７によって区画された穴部８が複数形成されている。ハブ部５は図示しない出力軸に固定される。

ロータコア部６の外周部には、８つの磁極部９が周方向等間隔（即ち、４５度間隔）に設けられ、隣接する磁極部９，９間に突極１０が設けられている。磁極部９の外周面は、周方向における中央Ｑ１においてハブ部５の中心Ｐからの半径が最大となっていて、周方向の端部に接近するに従って徐々に半径が小さくなり、周方向の端部Ｑ３において最小半径となっている。
磁極部９には永久磁石３を保持するための開口部１１が形成されている。開口部１１は、径方向に沿って形成されたリブ１２によって、ロータ１の回転方向前側（図１，図２において左側）の開口部１１Ａと、回転方向後側（図１，図２において右側）の開口部１１Ｂに二分割されている。リブ１２は磁極部９において周方向の中央に位置している。永久磁石３も同一磁性の２つの永久磁石３Ａ，３Ｂに分割されていて、開口部１１Ａに永久磁石３Ａが、開口部１１Ｂに永久磁石３Ｂが装着されている。永久磁石３Ａ，３Ｂは薄い直方体形状をなし、同一形状、同一寸法に形成されている。

開口部１１Ａ，１１Ｂはリブ１２を挟んで左右対称形をなしている。ここでは、ロータ１の回転方向前側の開口部１１Ａについて説明し、開口部１１Ｂについては説明を省略する。
開口部１１Ａは、永久磁石３Ａの各側面を保持する４つの壁部１３，１４，１５，１６を備え、リブ１２の外面に対応する第１壁部１３と第１壁部１３に対向して配置された第２壁部１４は、ほぼ径方向に沿って直線状に形成され、径方向内側と外側にて互いに平行に配置された第３壁部１５と第４壁部１６は、第１壁部１３および第２壁部１４に対して直交する方向に直線状に形成されている。第２壁部１４と第４壁部１６との間には、隣接する突極１０に接近する方向に膨出するフラックスバリア１７が形成されている。

ロータコア部６の磁極部９と突極１０との間には、ロータコア部６の外周面から径方向内側に延びる溝部２０が形成されている。つまり、突極１０は、隣り合う開口部１１，１１間において周方向に離間して形成された一対の溝部２０，２０に挟まれて形成されている。溝部２０と開口部１１のフラックスバリア１７との間にはリブ２１が形成されている。溝部２０は最深部（つまり、径方向の最も内側部分）を除いて周方向の幅がほぼ同一となっており、前記最深部は周方向の幅を徐々に狭めながらリブ２１から遠ざかる方向に湾曲している。

ハブ部５とロータコア部６との間に形成されている穴部８は、磁極部９に対応して計８つ形成されている。隣り合う穴部８，８の間に形成されているリブ部７は直線状をなし、磁極部９の外周面の周方向の中央Ｑ１とハブ部５の中心Ｐとを結ぶ第１の仮想線Ｓ１に対して約４５度の傾きで交差するように配置されており、リブ部７の径方向外側に向かう延長線上に開口部１１Ａのフラックスバリア１７が位置するように設定されている。また、リブ部７における径方向外側の端部７ａは、ハブ部５の中心Ｐと、磁極部９の周方向の端部Ｑ３であってロータ１の回転方向後側の端部Ｑ３とを結ぶ仮想線上に、ほぼ位置している。

穴部８は、リブ部７の一方の側面に対応する第１壁面３１と、リブ部７の他方の側面およびハブ部５の外面に対応する第２壁面３２と、ロータコア部６の内周面に対応する第３壁面３３によって囲まれて形成されており、第３壁面３３が磁極部９における開口部１１と対向するように配置されている。
第１壁面３１と第２壁面３２は直線状をなし、これらは径方向内側において円弧部３４によって滑らかに接続されている。

第３壁面３３は、ハブ部５の中心Ｐを中心とする円弧状の主部３５と、主部３５よりもロータ１の回転方向前側に形成され径方向外側に膨出する略半円状の凹部３６とを備え、主部３５と凹部３６とは、径方向内側に膨出する円弧部３７によって滑らかに接続されている。なお、凹部３６は、ロータコア部６の内周面の一部が他部（主部３５）よりも径方向外側に膨出して形成されていると言うこともできる。
第２壁面３２と第３壁面３３の主部３５は、径方向外側に膨出する円弧部３８によって滑らかに接続されている。第１壁面３１と第３壁面３３の凹部３６は、径方向外側に膨出する円弧部３９とこれに連続して径方向内側に膨出する円弧部４０とによって滑らかに接続されている。
このように穴部８の壁面を円弧部によって滑らかに接続することにより、ロータ１の回転時において穴部８の内面に応力集中が生じるのを緩和することができる。
凹部３６は、磁極部９の外周面の周方向の中央Ｑ１とハブ部５の中心Ｐとを結ぶ第１の仮想線Ｓ１と、この磁極部９に対してロータ１の回転方向前側にて隣接する突極９の外周面の周方向における中央Ｑ２とハブ部５の中心Ｐとを結ぶ第２の仮想線Ｓ２とによって挟まれた領域内に配置されている。

ここで、穴部８の第３壁面３３に凹部３６を設けず主部３５を第１壁面３１まで延長してそれ以外は同一形状、同一寸法に形成したコア（以下、比較例のコアという）と、この実施例のコア１とを比較すると、実施例のコア１は、穴部８に凹部３６を設けた分だけ、比較例のコアよりも軽量にすることができる。

次に、穴部８の凹部３６の位置について考察する。
図４から図６は、前記比較例と同様に凹部３６を有さないロータをステータに組み付けたときの磁束ループを解析したものであり、図中細線は磁束を示す。図中、符号５０はステータであり、多数のティース５１にコイル５２が巻回されている。ロータ６０はステータ５０の内側に配置され、コイル５２への通電により発生する回転磁界により図中反時計回り方向に回転するものとする。なお、以下の説明では、ロータ６０のロータコア部６２において、永久磁石６１Ａ，６１Ｂよりも径方向内側部分をバックヨーク部と称す。

図４は、無通電時を示し、この場合には、ロータ６０の永久磁石６１Ａ，６１Ｂによる磁束のみとなり、図４において太線で示す磁束ループが主となる。そして、ロータ６０にロータコア部６２の内周面側であっては磁極部６３の周方向中央に対応する部位に、磁束密度が極めて低い部分（以下、低磁束密度部という）Ｌが生じる。

図５は、コイル５２に低負荷に相当する電流を流したときを示し、この場合には、ｑ軸電流（トルクを発生させる電流）による磁束が付加されるので、永久磁石６１の磁束と総合すると図５において太線で示す磁束ループが主となる。そして、ロータコア部６２のバックヨーク部において、回転方向前側の永久磁石６１Ａの磁束の一部が、回転方向後側の永久磁石６１Ｂの磁束が通る部分と同一箇所を通るため、永久磁石６１Ｂの回転方向後側のバックヨーク部で磁束密度が高くなり（以下、この部位を高磁束密度部Ｈという）、逆に低磁束密度部Ｌが回転方向前側へ移動する。

図６は、コイル５２に高負荷に相当する電流を流したときを示し、この場合には、ｑ軸電流による磁束の寄与度が高くなるので、低磁束密度部Ｌがさらに回転方向前側へ移動する。但し、低磁束密度部Ｌは、コイル５２に最大負荷に相当する電流を流しても、磁極部６３に対してロータ６０の回転方向前側にて隣接する突極６４の外周面の周方向における中央とロータ６０の中心とを結ぶ仮想線よりも回転方向前側へ移動することはない。

このように、ロータコア部６２の内周面側には、磁路として殆ど利用されない低磁束密度部Ｌが生じる。そこで、高磁束密度部Ｈにおいて磁束飽和しないようにロータコア部６２の径方向長さを確保すれば、低磁束密度部Ｌに対応する部分を切り欠いても、トルク低下を起こさず、ロータの軽量化が可能となる。

前述した実施例のロータ１は、この考えに基づいて穴部８における凹部３６の位置を設定している。したがって、穴部８における第３壁面３３の主部３５の内径は、主部３５の径方向内側のロータコア部６において磁束飽和が生じない大きさに設定する。
また、凹部３６は、磁極部９の外周面の周方向の中央Ｑ１とハブ部５の中心Ｐとを結ぶ第１の仮想線Ｓ１と、この磁極部９に対してロータ１の回転方向前側にて隣接する突極９の外周面の周方向における中央Ｑ２とハブ部５の中心Ｐとを結ぶ第２の仮想線Ｓ２とによって挟まれた領域内に配置するが、好ましくは、ロータ１の最高出力時において低磁束密度部Ｌとなる部位に形成するのがよい。このようにすると、最高出力を低下させることなくロータ１の軽量化を達成することができる。

図３は、最高出力時において低磁束密度部Ｌとなる部位に凹部３６を形成したロータ１の場合の磁束線図であり、最高出力時に磁束が凹部３６を避けるようにして通ることがわかる。

なお、このように穴部８に凹部３６を形成しても、中負荷トルクと磁気特性、最大トルク負荷時のコア２の各部の機械的強度、磁石飛散強度などに悪影響を及ぼさないことが実験により確認された。

図７は、別の実施例におけるロータ１の正面図である。前述した実施例のロータ１との相違点は、穴部８の形状にある。以下、相違点についてのみ説明し、前述した実施例と同一態様部分には同一符号を付して説明を省略する。
この実施例のロータ１では、第３壁面３３の凹部３６（ロータ１の径方向外側に膨出する曲面からなる壁面）の回転方向前側の縁部（壁面の一端）が、穴部８の第１壁面３１（リブ部７を形成する壁面）の径方向外縁に直結しており、該縁部において凹部３６に対して引いた接線上に第１壁面３１が配置された構成となっている。つまり、前述した実施例において凹部３６と第１壁面３１とを接続する円弧部３９，４０がない。
このようにすると、ロータ１の回転時においてリブ部７の径方向外側端部７ａに応力集中が生じるのを緩和することができる。また、コア２の形状を簡素化することができるので、歩留まりが向上し、コストを低減することができる

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、穴部８の形状、および、凹部３６の形状は実施例の形状に限られるものではない。また、磁極部９および突極１０の数もそれぞれ８つに限るものではない。

１ ロータ
３，３Ａ，３Ｂ 永久磁石
５ ハブ部
６ ロータコア部
７ リブ部
８ 穴部
９ 磁極部
１０ 突極
１１，１１Ａ，１１Ｂ 開口部
３５ 主部（他部）
３６ 凹部
Ｓ１ 第１の仮想性
Ｓ２ 第２の仮想線

Claims (3)

1. 出力軸に固定される筒状のハブ部と、前記ハブ部の径方向外側に配置され複数のリブ部を介して前記ハブ部に連なり該ハブ部と一体に形成された環状のロータコア部と、前記ハブ部と前記ロータコア部の間にて各リブ部間に形成された穴部と、前記ロータコア部の外周側に周方向略等間隔に形成された開口部内に保持された永久磁石と、を備えたロータであって、
   前記ロータコア部の外周部における隣り合う前記開口部間に突極が形成され、
   前記ロータを軸線方向から見た正面視にて、前記永久磁石が配置された前記ロータコア部の磁極部の周方向における中央と前記ハブ部の中心とを結ぶ第１の仮想線と、前記磁極部に対してロータの回転方向前側にて隣接する前記突極の周方向における中央と前記ハブ部の中心とを結ぶ第２の仮想線とによって挟まれた領域内に、前記ロータコア部の内周面の一部が他部よりも径方向外側に膨出して形成された凹部を有することを特徴とするロータ。
2. 前記凹部はロータの径方向外側に膨出する曲面からなる壁面を有し、この壁面の一端が前記リブ部を形成する壁面に直結していることを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 前記凹部は、前記第１の仮想線と前記第２の仮想線とに挟まれた領域内であって、且つ前記ロータの最高出力時にロータコア部を通過する磁束が疎となる部位に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のロータ。

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