JP2012120353A

JP2012120353A - 回転電機用ロータ

Info

Publication number: JP2012120353A
Application number: JP2010268969A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hattori; 宏之服部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2030-12-02
Also published as: JP5691451B2

Abstract

【課題】回転電機用ロータにおいて、部品点数を少なくし、かつ、強度を高くするとともに、回転電機の出力及び効率を高くすることである。
【解決手段】ロータ１６は、複数の鋼板を積層することにより構成される積層体であるロータコア２６を含む。ロータコア２６は、軸方向両端部に設けられた端部鋼板３２ａ、３２ｂと、端部鋼板３２ａ、３２ｂよりも軸方向中央側に設けられ、外周部に係止部３８を有する係止部付鋼板３４とを含む。係止部３８は、係止部付鋼板３４に設けられた突部を軸方向外側に折り曲げ、さらにその折り曲げた部分の先端部で端部鋼板３２ａ、３２ｂよりも軸方向外側に突出する部分を径方向内側に曲げ形成することで形成し、端部鋼板３２ａに係止部付鋼板３４側に押さえ付ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の鋼板を積層することにより構成される積層体を含み、回転軸の外周側に固定される回転電機用ロータに関する。

従来から知られている、車両用電動機等の回転電機は、ステータとロータとを備える。また、ロータを、複数の鋼板を積層することにより構成される積層体を含むように構成することも考えられている。例えば、ロータは、積層体の円周方向複数個所に永久磁石を配置する磁石付ロータとする場合がある。

例えば、特許文献１に記載された電動機は、ステータの径方向内側にロータを対向配置しており、ロータは、自動積層方式により外周の溝、シャフト用の孔等を打ち抜いたコアシートを積層し、そのロータのコアの孔にＩＰＭ方式で永久磁石を埋め込んでいる。また、積層したコアの両端側にエンドプレートに対応する蓋を配置するとともに、複数のリベットを通すとされている。

また、特許文献２に記載された、複数の鋼板を積層してなる積層鉄心では、内周側にコイルを収容するスロットを形成するとともに、複数の鋼板を、外周部に切欠溝を設けた鋼板Ａと、外周部にＶ形状に曲げ形成した舌片を設けた鋼板Ｂとにより構成し、切欠溝を一致させて積み重ねた２枚の鋼板Ａに、切欠溝と対応する位置に舌片を配置するように１枚の鋼板Ｂを積み重ね、それを繰り返すとされている。また、このように積み重ねた後、舌片を切欠溝内にＶ形状を平板状に伸展させながら折り曲げ、切欠溝の溝幅と舌片幅との間の締め代により結合し、一体化した積層鉄心が得られるとされている。

特開２００２−１３６０１１号公報特開昭５７−８２８４５号公報

上記の特許文献１に記載されたロータでは、コアシートを積層することにより積層体が構成され、複数のリベットを積層体に通すことでコアが飛び出さないようにしている。ただし、このように複数のリベットを用いる場合、リベットの材質に工夫しないと、コアの内部を通過する磁束を阻害して回転電機の出力性能の低下を招いたり、回転電機の効率が低下する可能性がある。また、複数のリベットを必要とすることで、ロータの構成部品の部品点数が増大する。これに対して、リベットを使用せずにエンドプレートでロータコアの両端部が開くのを防止することも考えられる。ただし、この場合、エンドプレートとして大きな直径を有し、かつ、剛性の高いものが必要となる。

一方、鋼板の積層体を有するロータにおいて、リベットを省略したり、エンドプレートをロータコアよりも小径化したり、エンドプレートに剛性の低いものを使用した場合には、ロータの軸方向端部の鋼板の外周端部が他のロータコア部分に対し軸方向外側に開くように変位する可能性がある。例えば、ロータコアに永久磁石を配置している場合に永久磁石の端部とロータコアの端部との間で作用する磁気吸引力により、端部の鋼板の外周端部が外側に離れるように変位する可能性がある。また、ロータに対向するステータコアの軸方向長さがロータの軸方向長さよりも長い場合、回転電機の使用時にステータとロータとの間で作用する磁気吸引力により、やはり端部の鋼板の外周端部が外側に離れるように変位する可能性もある。また、ロータの各鋼板同士を溶接により接合することにより上記の変位を防止することも考えられるが、製造コストの過度な増加を招く可能性がある。

このようにロータコアの軸方向端部の鋼板の外周端部が外側に離れるように変位した場合、磁力や回転時に永久磁石に作用する遠心力等に対するロータコアの耐力が低くなり、場合により、ロータコアに破損等の不都合が生じる可能性がないとはいえない。特に、回転電機の効率向上のためにロータコアを構成する鋼板の板厚を薄くしたり、ロータコアの磁石挿入孔とロータコアの外周面との間の間隔を小さくすることが考えられるが、この場合には、ロータコアの耐力が低くなりやすい。また、ロータコアの軸方向端部の鋼板の外周端部が外側に離れるように変位した場合には、ロータコアにおける着磁効率の低下が生じる可能性もある。

また、特許文献２に記載された積層鉄心は、ステータの構造であると考えられ、この構造をロータとして使用することは困難である。また、積層鉄心には、ロータ対向側である内周側にコイルを収容するためのスロットが形成されており、この内周側に端部の鋼板が軸方向外側に離れるように変位するのを阻止する手段を設ける必要はほとんどない。すなわち、積層鉄心にコイルが内周側で巻装されると、積層鉄心を構成する複数の鋼板がコイルで結合される。このような特許文献２には、部品点数を少なくでき、かつ、強度を高くできるとともに、回転電機の出力及び効率を高くできるロータは開示されていない。

本発明の目的は、回転電機用ロータにおいて、部品点数を少なくし、かつ、強度を高くするとともに、回転電機の出力及び効率を高くすることを目的とする。

本発明に係る回転電機用ロータは、複数の鋼板を積層することにより構成される積層体を含み、回転軸の外周側に固定される回転電機用ロータであって、積層体は、積層体の軸方向一端に設けられた少なくとも１枚の端部鋼板と、１枚の端部鋼板よりも軸方向中央側に設けられ、外周部に係止部を有する係止部付鋼板とを含み、係止部は、係止部付鋼板の外周面に径方向に突出するように設けられた突部を軸方向外側に折り曲げ、さらにその折り曲げた部分の先端部で端部鋼板よりも軸方向外側に突出する部分を径方向内側に曲げ形成することで構成され、係止部の先端部が端部鋼板に係止部付鋼板側に押さえ付けられていることを特徴とする回転電機用ロータである。

本発明に係る回転電機用ロータによれば、係止部付鋼板の係止部で端部鋼板を押さえ付けることができるので、使用時にステータとロータとの間で軸方向の磁気的吸引力が作用する場合でも、リベットや溶接を用いることなく、端部鋼板の外周端部が軸方向外側に離れるように変位することを防止できる。このため、ロータを含む回転電機の出力及び効率を有効に高くできる。

また、本発明に係る回転電機用ロータにおいて、好ましくは、積層体は、係止部付鋼板よりも軸方向外側に配置された鋼板の外周面に設けられ、係止部付鋼板に設けられた係止部が挿入される凹部を含んでいる。

上記構成によれば、係止部が各鋼板の外周面よりも径方向外側に大きく突出することを防止して、ロータとステータとの間の径方向の隙間を有効に小さくでき、回転電機の出力向上をより有効に図れる。

また、本発明に係る回転電機用ロータにおいて、好ましくは、積層体は、円周方向複数個所に挿入するように設けられた永久磁石を含んでいる。

上記構成によれば、永久磁石の磁力により積層体の軸方向端部に設けられた端部鋼板の外周側が軸方向外側に離れるように変位しやすくなるのにもかかわらず、その変位を有効に防止できるため、積層体の軸方向端部の外周部の強度を十分に高くできる。このため、積層体に対する着磁効率を高くできるとともに、使用時にロータとステータとの間で作用する磁気吸引力や、永久磁石に作用する遠心力にかかわらず、積層体に対する応力を緩和できる。

本発明に係る回転電機用ロータによれば、部品点数を少なくでき、かつ、強度を高くできるとともに、回転電機の出力及び効率を高くできる。

本発明に係る実施の形態の１例の回転電機用ロータを含む回転電機を部分的に示す概略断面図である。図１からロータのみを取り出して、図１の軸方向片側から他側に見た上半部の図である。図１からロータコアの中央部を構成する中央寄り鋼板を取り出して、図１の軸方向片側から他側に見た周方向の１／４部分の図である。図１からロータコアを構成する係止部付鋼板を取り出して、突部を折り曲げる以前の状態を示す、図１の軸方向片側から他側に見た周方向の１／４部分の図である。図１からロータコアの端部を構成する端部鋼板を取り出して、図１の軸方向片側から他側に見た周方向の１／４部分の図である。ロータコアを構成する各鋼板を積層して係止部付鋼板の突部を折り曲げる以前の状態を示す、図２に対応する図である。本発明と異なる比較例の回転電機用ロータを含む回転電機を部分的に示す概略断面図である。本発明に係る実施の形態の別例の回転電機用ロータを含む回転電機を部分的に示す概略断面図である。

以下において、図１から図６を用いて本発明に係る実施の形態の１例を説明する。本実施の形態の回転電機用ロータ（以下、単に「ロータ」という。）を含む回転電機は、例えばハイブリッド車両を駆動するモータとして、または、発電するための発電機として、または、その両方の機能を有するものとして使用する。図１に示すように、回転電機１０は、例えば、３相交流電流で駆動する同期電動機であり、ハウジングである図示しないモータケースの内面に固定したステータ１４と、ステータ１４の径方向内側に対向配置したロータ１６と、ロータ１６を固定した回転軸１８とを備える。なお、回転電機１０の種類は同期電動機に限定するものではない。

ステータ１４は、複数の電磁鋼板等の鋼板を軸方向に積層することにより構成するステータコア２０と、ステータコア２０の内周面の周方向複数個所に設けたティースに集中巻きまたは分布巻きで巻装した３相のステータコイル２２とを含む。ステータコイル２２において、ステータコア２０の軸方向両側面よりも外側に突出する部分により、一対のコイルエンドを構成している。ステータコア２０は、モータケースの内側に固定されている。

回転軸１８は、モータケースに軸受（図示せず）により回転可能に支持されている。ロータ１６は、回転軸１８の軸方向中間部の外径側に固定され、ステータ１４の径方向内側に、エアギャップ２４を介して対向配置されている。

また、ロータ１６は、複数の電磁鋼板等の鋼板を軸方向に積層することにより構成される積層体であるロータコア２６と、ロータコア２６の周方向複数個所に挿入するように設けられた永久磁石２８とを含む。すなわち、永久磁石２８は、ロータコア２６にＩＰＭ方式で埋め込まれている。永久磁石２８は、ロータ１６の径方向に対し傾斜した方向に着磁している。すなわち、図２に示すように、永久磁石２８は２個１組として、複数組の永久磁石２８をロータコア２６の周方向等間隔の複数個所に貫通するように設けた磁石孔３０に挿入している。この状態で、各組の永久磁石２８は、径方向外側に向かうほど互いの間隔が大きくなる形状に配置されている。また、各組で永久磁石２８の径方向に関する着磁方向は同じとし、かつ、隣り合う異なる組の永久磁石２８同士で径方向に関する着磁方向は異ならせている。なお、本実施の形態は、このような永久磁石２８の配置構成に限定するものではなく、複数の永久磁石２８をロータ１６の径方向に向け、径方向に着磁するように配置した構成も採用できる。

図１に戻り、積層体であるロータコア２６は、軸方向両端部にそれぞれ設けられた２枚ずつ合計４枚の同形状の端部鋼板３２ａ、３２ｂと、軸方向両端部の端部鋼板３２ａ、３２ｂの組よりもそれぞれ軸方向中央側に設けられた１枚ずつ合計２枚の同形状の係止部付鋼板３４と、各係止部付鋼板３４により両側から挟まれた複数枚の同形状の中央寄り鋼板３６とを含む。端部鋼板３２ａ、３２ｂは、ロータコア２６の軸方向両端に設けられた１枚ずつ合計２枚の外側（外側とは、ロータコア２６の軸方向両端側をいう。）の端部鋼板３２ａと、１枚ずつ合計２枚の内側の端部鋼板３２ｂ（内側とは、ロータコア２６の軸方向中央側をいう。）とを有する。

各係止部付鋼板３４の外周部の複数個所に断面略Ｌ字形に曲げられた係止部３８が設けられている。また、各端部鋼板３２ａ、３２ｂの外周面において、各係止部付鋼板３４の係止部３８と対応する複数個所に軸方向全長にわたって凹部４０が形成されている。凹部４０には、各係止部付鋼板３４の係止部３８が挿入されている。このように、ロータコア２６は、係止部付鋼板３４よりも軸方向外側に配置された端部鋼板３２ａ、３２ｂの外周面に設けられ、係止部付鋼板３４に設けられた係止部３８が挿入される凹部４０を含んでいる。各端部鋼板３２ａ、３２ｂは同一形状である。

係止部３８は、係止部付鋼板３４の外周面の周方向複数個所に設けられた突部４２（図４）を軸方向外側に折り曲げ、さらにその折り曲げた部分の先端部で端部鋼板３２ａ、３２ｂよりも軸方向外側に突出する部分を径方向内側に曲げ形成することで構成されている。各係止部３８の先端部は、ロータコア２６の軸方向両端の１枚ずつ合計２枚の端部鋼板３２ａの外側面の外周端部に、軸方向中央側、すなわち係止部付鋼板３４側に押さえ付けられている。

このようにロータ１６を構成するために、ロータコア２６を構成する各鋼板３２ａ、３２ｂ、３４，３６は、それぞれ図３から図５に示すように構成されている。図３は、ロータコア２６の中央部を構成する中央寄り鋼板３６の一部を示す図であり、図４は、ロータコア２６を構成する係止部付鋼板３４において、突部４２を折り曲げる以前の状態の一部を示す図であり、図５は、ロータコア２６の端部を構成する端部鋼板３２ａ、３２ｂの一部を示す図である。

図３から図５に示す各鋼板３２ａ、３２ｂ、３４，３６は、薄板の略円板状で周方向複数個所に磁石孔３０（図１、図２）を構成する矩形孔４４が形成されている。また、図３に示す中央寄り鋼板３６は、外周面の断面形状を単なる円形としている。これに対して、図４に示す係止部付鋼板３４は、外周面の周方向等間隔の複数個所に、径方向外側に突出する突部４２が形成されている。また、図示の例では、係止部付鋼板３４の外周面でロータ１６（図１）が構成された場合に隣り合う磁極間中心、すなわちロータ１６の周方向に関して隣り合う異なる組の永久磁石２８の間の中央に、突部４２が設けられている。ただし、突部４２は、係止部付鋼板３４の外周面でロータ１６が構成された場合に各磁極の周方向中央、すなわちロータ１６の周方向に関して各組で２の永久磁石２８の間の中央に設けることもできる。

また、図５に示す端部鋼板３２ａ、３２ｂの外周面には、突部４２（図４）と対応する周方向等間隔の複数個所に凹部４０が、軸方向全長にわたって形成されている。なお、凹部４０は、図示の例では断面矩形状としているが、それ以外の種々の形状とすることもできる。また、各鋼板３２ａ、３２ｂ、３４，３６の中心部に回転軸１８（図１）を嵌合させるための中心孔が形成されている。

そして、図６に示すように、各鋼板３２ａ、３２ｂ、３４，３６を、互いの矩形孔４４を整合させるとともに、互いの突部４２及び凹部４０を整合させるように積層する。そしてこの状態で、図１に示すように各突部４２を軸方向外側にほぼ直角に折り曲げ、折り曲げた部分を端部鋼板３２ａ、３２ｂの凹部４０に挿入し、各突部４２の折り曲げた部分の先端部を径方向内側に曲げ形成することでかしめ部である、係止部３８が設けられている。また、係止部３８の先端部によりロータコア２６の両端の端部鋼板３２ａの外側面の外周部が係止部付鋼板３４側に密着するように押さえ付けられている。この状態で、各係止部３８の外接円の直径が中央寄り鋼板３６及び端部鋼板３２ａ、３２ｂの外径とほぼ同じになるようにしている。このために凹部４０の周方向長さＷ１（図５）は、突部４２の周方向長さＷ２（図４）以上とし、凹部４０の径方向長さ、すなわち深さＤ１（図５）は、突部４２の厚さ以上としている。

このような回転電機１０によれば、使用時に３相の交流電流を各相のステータコイル２２のそれぞれに供給することにより、ステータ１４に回転磁界を発生させ、その回転磁界の影響を受けて永久磁石２８付きのロータ１６が回転する。このようなロータ１６によれば、係止部付鋼板３４の突部４２により構成される係止部３８で端部鋼板３２ａを押さえ付けることができる。このため、使用時にステータ１４とロータ１６との間で軸方向の磁気的吸引力が作用する場合でも、リベットや溶接を用いることなく、ロータ１６の軸方向端部に設けられた端部鋼板３２ａの外周端部が軸方向外側に離れる方向に変位することを防止できる。このため、ロータ１６を含む回転電機１０の出力及び効率を有効に高くできる。この結果、部品点数を少なくでき、かつ、強度を高くできるとともに、回転電機１０の出力及び効率を高くできる。

また、ロータコア２６は、係止部付鋼板３４よりも軸方向外側に配置された端部鋼板３２ａ、３２ｂの外周面に設けられ、係止部付鋼板３４に設けられた係止部３８が挿入される凹部４０を含んでいる。このため、係止部３８が各鋼板３２ａ、３２ｂ、３４，３６の外周面よりも径方向外側に大きく突出することを防止して、ロータ１６とステータ１４との間の径方向の隙間であるエアギャップ２４を有効に小さくでき、回転電機１０の出力向上をより有効に図れる。

また、ロータコア２６は、円周方向複数個所に挿入するように設けられた永久磁石２８を含んでいる。このため、永久磁石２８の磁力によりロータコア２６の軸方向端部に設けられた端部鋼板３２ａの外周側が軸方向外側に離れるように変位しやすくなるのにもかかわらず、その変位を有効に防止できるため、ロータコア２６の軸方向端部の外周部の強度を十分に高くできる。このため、ロータコア２６に対する着磁効率を高くできるとともに、使用時にロータ１６とステータ１４との間で作用する磁気吸引力や、永久磁石２８に作用する遠心力にかかわらず、ロータコア２６に対する応力を緩和できる。また、本実施の形態では、ロータコア２６の軸方向外側への開きを防止するために、直径が大きく、かつ剛性の高いエンドプレートを使用する必要がない。このため、回転電機１０の出力向上をより有効に図れる。また、製造工程数の低減及び低コスト化を図れる。

図７は、本発明とは異なる比較例のロータ１６を含む回転電機１０を示している。この比較例では、ロータ１６に設けられたロータコア２６を構成する各鋼板４６をすべて同形状の円板状としている。各鋼板４６には外周側に突出する突部や、係止部は形成されていない。このような比較例では、例えば図示のように、ステータコア２０の軸方向長さがロータコア２６の軸方向長さよりも大きい場合に、使用時にロータコア２６の軸方向両端の鋼板４６に、図７の矢印α方向の磁気吸引力がステータ１４から作用し、この磁気吸引力の軸方向成分により両端の鋼板４６の外周部が外側に開くように変位しやすくなる。また、図７の矢印β方向または矢印γ方向に示すように、両端の鋼板４６の外周部と永久磁石２８との間で短絡磁束により作用する磁気吸引力により、軸方向端部の鋼板４６の外周部が外側に開くように変位する可能性もある。このような比較例では、ロータコア２６の着磁効率が低下したり、ロータコア２６の外周部の強度を十分に確保できない可能性がある。これに対して、本実施の形態では、上記のように突部を折り曲げることにより構成される係止部３８（図１）によりロータコア２６の外周部の軸方向の開きが有効に防止されるため、このような不都合が生じることがない。

なお、本実施の形態では、係止部付鋼板３４よりも軸方向両側に配置する鋼板を２枚ずつの端部鋼板３２ａ、３２ｂとしているが、係止部付鋼板３４よりも軸方向両側に配置する鋼板は１枚ずつ、または３枚ずつ以上とすることもできる。また、係止部付鋼板３４に設ける係止部３８の数、及び、端部鋼板３２ａ、３２ｂに設ける凹部４０の数は、特に限定するものではない。

次に、図８は、本発明に係る実施の形態の別例を示している。図８は、別例のロータ１６を含む回転電機１０を部分的に示す概略断面図である。別例のロータ１６では、上記の図１から図６に示した構成と異なり、ロータコア２６の軸方向両端に、各鋼板３２ａ、３２ｂ、３４，３６よりも小径の磁性材または非磁性材のエンドプレート４８を配置し、エンドプレート４８により両側からロータコア２６を挟んでいる。エンドプレート４８の外周面は、係止部付鋼板３４の係止部３８の先端から離れている。このように本発明では、エンドプレート４８を設けることもできるが、エンドプレート４８として、大径の構成を使用したり、剛性の高い構成を使用する必要がないという効果を得られる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図６に示した実施の形態と同様であるので、重複する説明を省略する。

また、上記の各実施の形態では、ロータ１６に永久磁石２８を設ける場合を説明したが、本発明では、このような構成に限定するものではなく、ロータから永久磁石を省略した構成にも適用可能である。例えば、ロータは、積層体の外周面の複数個所に軸方向に長い突部を設けた断面非円形の形状とし、回転電機をリラクタンストルクを使用して回転させるリラクタンス型とすることもできる。本発明は、このような構成でも使用時の磁気吸引力によりロータの軸方向端部で軸方向外側に変位するのを有効に防止できるため、有効である。

さらに、上記の各実施の形態では、端部鋼板３２ａ、３２ｂの外周面に係止部付鋼板３４の係止部３８を挿入する凹部４０を形成する場合を説明したが、本発明は、このような構成に限定するものではなく、端部鋼板の外周面の断面形状を単なる円形とすることもできる。この場合、係止部３８が各鋼板の外周面よりも突出するが、本発明の構成を採用することにより、部品点数を少なくでき、かつ、強度を高くできるとともに、回転電機の出力及び効率を高くできるという効果を得られる。

１０回転電機、１４ステータ、１６ロータ、１８回転軸、２０ステータコア、２２ステータコイル、２４エアギャップ、２６ロータコア、２８永久磁石、３０磁石孔、３２ａ、３２ｂ端部鋼板、３４係止部付鋼板、３６中央寄り鋼板、３８係止部、４０凹部、４２突部、４４矩形孔、４６鋼板、４８エンドプレート。

Claims

複数の鋼板を積層することにより構成される積層体を含み、
回転軸の外周側に固定される回転電機用ロータであって、
積層体は、
積層体の軸方向一端に設けられた少なくとも１枚の端部鋼板と、
１枚の端部鋼板よりも軸方向中央側に設けられ、外周部に係止部を有する係止部付鋼板とを含み、
係止部は、係止部付鋼板の外周面に径方向に突出するように設けられた突部を軸方向外側に折り曲げ、さらにその折り曲げた部分の先端部で端部鋼板よりも軸方向外側に突出する部分を径方向内側に曲げ形成することで構成され、
係止部の先端部が端部鋼板に係止部付鋼板側に押さえ付けられていることを特徴とする回転電機用ロータ。
請求項１に記載の回転電機用ロータにおいて、
積層体は、
係止部付鋼板よりも軸方向外側に配置された鋼板の外周面に設けられ、係止部付鋼板に設けられた係止部が挿入される凹部を含んでいることを特徴とする回転電機用ロータ。
請求項１または請求項２に記載の回転電機用ロータにおいて、
積層体は、円周方向複数個所に挿入するように設けられた永久磁石を含んでいることを特徴とする回転電機用ロータ。