JP2012228020A - 回転電機のロータおよび回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコアを構成する複数の鋼板の間の隙間の発生を抑制することが可能な構成を備えるロータおよび回転電機を提供する。
【解決手段】ロータコア１２は、ロータシャフト１１の軸周りに沿って埋設され、ロータシャフト１１の軸方向に沿って延びる磁石２２を含み、第１エンドプレート３１および第２エンドプレート３６は、磁石２２よりも半径方向外側の位置において、ロータコア１２を軸方向（Ａ）に向けて挟み込む加圧領域ＰＲを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機のロータおよび回転電機に関する。

ロータとステータと備える回転電機において、ロータを構成するロータコアのロータシャフトへの固定構造が、下記特許文献１から特許文献４に開示されている。

特開２０１０−２３３２９１号公報 特開平０６−１６９５３９号公報 特開２００９−１２４８８１号公報 特開昭６４−０７７４４９号公報

ロータコアをロータシャフトに固定する場合には、ロータシャフトに設けられた半径方向に張出すフランジと、ロータシャフトに設けられ、半径方向の外方に向けて折り曲げられる折り曲げ部とが用いられる。

具体的には、フランジと折り曲げ部との間に、両端にエンドプレートが配設されたロータコアを配置し、折り曲げ部を半径方向の外方に向けて折り曲げられることにより、フランジと折り曲げ部とにより、両端にエンドプレートが配設されたロータコアの半径方向の内径側が軸方向から挟み込む力が加えられることで、ロータコアはロータシャフトに固定される。

しかし、この固定構造を採用した場合には、内径側に力が加わることから、ロータコアを構成する複数の鋼板の半径方向の外径側において、磁石を支点にして、鋼板同士の隙間が拡大する場合がある。その結果、高回転するロータの遠心力に対するロータコアの剛性が低下するおそれがある。

したがって、この発明は上記課題に鑑みてなされたもので、この発明の目的は、ロータコアを構成する複数の鋼板の間の隙間の発生を抑制することが可能な構成を備える回転電機のロータおよび回転電機を提供することにある。

この発明に基づいた回転電機のロータにおいては、ロータシャフトと、上記ロータシャフトの外周面上に嵌め合わされ、複数の板材が積層されたロータコアと、上記ロータシャフトの軸方向の両側から上記ロータコアを挟み込むように上記ロータシャフトの外周面上に嵌め合わされ、上記ロータコアの第１端面に接する第１エンドプレートおよび上記ロータコアの第２端面に接する第２エンドプレートを備える。

上記ロータシャフトは、上記第２エンドプレート側において、半径方向の外方に張出し、上記第２エンドプレートの半径方向の内径側を上記第１エンドプレート側に向けて挟み込むフランジと、上記第１エンドプレート側において、半径方向の外側に向けて折り曲げられることにより、上記第１エンドプレートの半径方向の内径側を上記第２エンドプレート側に向けて挟み込む折り曲げ部とを含む。

上記ロータコアは、上記ロータシャフトの軸周りに沿って埋設され、上記ロータシャフトの軸方向に沿って延びる磁石を含み、上記第１エンドプレートおよび上記第２エンドプレートは、上記磁石よりも半径方向の外側の位置において、上記ロータコアを上記軸方向に向けて挟み込む加圧領域を有する。

他の形態において、上記ロータコアの上記第１端面および上記第２端面には、上記磁石よりも半径方向の外側の位置に、軸方向に向けて窪む凹み領域が設けられ、上記第１エンドプレートおよび上記第２エンドプレートの上記凹み領域に対向する位置が、上記凹み領域を押さえ付けるように上記凹み領域に向けて突出させられることにより、上記加圧領域が形成されている。

他の形態において、上記凹み領域は、上記ロータコアの上記第１端面から上記第２端面に達する貫通孔である。

他の形態において、上記凹み領域は、上記ロータコアの上記第１端面および上記第２端面にそれぞれ設けられる底有凹部である。

他の形態において、上記ロータコアの上記第１端面から上記第２端面に達するロータコア貫通孔が設けられ、上記第１エンドプレートおよび上記第２エンドプレートには、それぞれ上記ロータコア貫通孔に通じるプレート貫通孔が設けられ、上記プレート貫通孔および上記ロータコア貫通孔に軸部材を挿通し、上記軸部材を用いて、上記第１エンドプレートと上記第２エンドプレートとの間を締め付けることにより、上記加圧領域が形成されている。

この発明に基づいた回転電機においては、ステータと、上記発明のいずれかに記載の回転電機のロータとを備える。

この発明に基づいた回転電機のロータおよび回転電機によれば、ロータコアを構成する複数の鋼板の間の隙間の発生を抑制することが可能な構成を備えるロータおよび回転電機を提供することを可能とする。

ハイブリッド自動車に搭載されるトランスアクスルを模式的に表す断面図である。 実施の形態１の回転電機に採用されるロータの分解図である。 実施の形態１の回転電機に採用されるロータの部分断面図である。 実施の形態１の回転電機に採用されるロータの製造方法を示す模式断面図である。 実施の形態２におけるロータの部分断面図である。 実施の形態３におけるロータの部分断面図である。 実施の形態４におけるロータの部分断面図である。 各実施の形態におけるロータに採用される磁石の配置を示す第１の図である。 各実施の形態におけるロータに採用される磁石の配置を示す第２の図である。

本発明に基づいた各実施の形態における回転電機のロータおよび回転電機について、以下、図を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。また、各実施の形態における構成を適宜組み合わせて用いることは当初から予定されていることである。

（実施の形態１）
図１は、一例として、ハイブリッド自動車に搭載されるトランスアクスルを模式的に表わす断面図である。図１中のトランスアクスルを搭載するハイブリッド自動車は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な２次電池（バッテリ）から電力供給されるモータとを動力源とする。

トランスアクスルは、モータジェネレータ１０を有する。モータジェネレータ１０は、電動機もしくは発電機としての機能を有する回転電機である。モータジェネレータ１０は、図示しないケース体に収容されている。

モータジェネレータ１０は、ロータシャフト１１、ロータコア１２、およびステータ１３を有する。ロータシャフト１１は、軸受けを介して図示しないモータケースに対して回転自在に支持されている。ロータコア１２は、ロータシャフト１１に固定されている。

ロータシャフト１１は、ロータコア１２と一緒になって仮想軸である中心軸Ａ１を中心に回転する。ステータ１３は、図示しないモータケースに固定されている。ステータ１３は、ロータコア１２の外周上を取り囲むように設けられている。ロータシャフト１１は、複数の歯車を含んで構成された減速機構１４に接続されている。

ステータ１３には、図示しないＵ相、Ｖ相およびＷ相コイルが巻回されている。これら各相コイルに対応する端子が、インバータ１７を介してバッテリ１８に電気的に接続されている。インバータ１７は、バッテリ１８からの直流電流をモータ駆動用の交流電流に変換するとともに、回生ブレーキにより発電された交流電流を、バッテリ１８に充電するための直流電流に変換する。

モータジェネレータ１０から出力された動力は、減速機構１４からディファレンシャル機構１５を介してドライブシャフト受け部１６に伝達される。ドライブシャフト受け部１６に伝達された動力は、ドライブシャフトを介して図示しない車輪に回転力として伝達される。

一方、ハイブリッド車両の回生制動時には、車輪は車体の慣性力により回転させられる。車輪からの回転力によりドライブシャフト受け部１６、ディファレンシャル機構１５、および減速機構１４を介してモータジェネレータ１０が駆動される。このとき、モータジェネレータ１０が発電機として作動する。モータジェネレータ１０により発電された電力は、インバータ１７を介してバッテリ１８に蓄えられる。

図２および図３を参照して、ロータシャフト１１は、外周面１１ｐを有する。外周面１１ｐは、中心軸Ａ１を中心とする円筒の外周面の形状を有する。ロータコア１２は、外周面１１ｐ上に嵌め合わされている。外周面１１ｐには、軸方向に延びるキー溝１１ｘが設けられ、ロータコア１２の内周面には、このキー溝１１ｘに勘合するキー１２ｘが設けられている。キー溝１１ｘにキー１２ｘが勘合することで、ロータコア１２のロータシャフト１１に対する軸周りの位置決めが行なわれる。

ロータコア１２は、中心軸Ａ１の軸方向に沿って円筒状に延びる形状を有する。ロータコア１２は、中心軸Ａ１の軸方向に積層された複数枚の電磁鋼板１２ａから形成されている。電磁鋼板１２ａは、円板形状を有する。電磁鋼板１２ａの一枚一枚は、薄い板材である。電磁鋼板１２ａは、一方の周縁を把持した場合に他方の周縁が鉛直下方向に垂れる程度の厚みに形成されている。

ロータコア１２は、第１端面１２ｔ１および第２端面１２ｔ２を有する。ロータコア１２の第１端面１２ｔ１には、第１エンドプレート３１が接するように配置され、ロータコア１２の第２端面１２ｔ２には、第２エンドプレート３６とが接するように配置されている。第１エンドプレート３１および第２エンドプレート３６は、中心軸Ａ１に直交する平面内で環状に延在する円板形状を有する。第１エンドプレート３１および第２エンドプレート３６は、電磁鋼板１２ａと同様に外周面１１ｐ上に嵌め合わされている。

ロータコア１２は、ロータシャフト１１の外周面１１ｐ上に設けられた半径方向に張出すフランジ１１ａと、ロータシャフト１１の外周面１１ｐ上に設けられ、半径方向の外方に向けて折り曲げ可能に設けられた折り曲げ部１１ｂとを有する。

具体的には、フランジ１１ａと折り曲げ部１１ｂとの間に、両端に第１エンドプレート３１および第２エンドプレート３６が配設されたロータコア１２を配置する。折り曲げ部１１ｂが半径方向の外方に向けて折り曲げられることにより、フランジ１１ａと折り曲げ部１１ｂとにより、両端に第１エンドプレート３１および第２エンドプレート３６が配設されたロータコア１２の半径方向の内径側に、軸方向から挟み込む力が加えられる。

ロータコア１２には、複数の永久磁石２２が埋設されている。ロータコア１２には、複数の磁石用孔２１が形成されている。複数の磁石用孔２１は、中心軸Ａ１を中心とする周方向に互いに間隔を隔てて、中心軸Ａ１の軸方向に延びて形成されている。永久磁石２２は、磁石用孔２１に挿入されている。永久磁石２２は、磁石用孔２１に充填された樹脂あるいは永久磁石２２の外表面に塗布された接着剤により、磁石用孔２１内に保持されている。

本実施の形態におけるモータジェネレータ１０は、永久磁石２２がロータコア１２に埋設されるＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータである。

本実施の形態において、永久磁石２２は、断面が矩形形状の２本の永久磁石２２によりＶ字形状となるように配置され、このＶ字形状が円周上に８組配置されている。また、第１エンドプレート３１および第２エンドプレート３６には、半径方向（Ｒ）外方から見て永久磁石２２よりも半径方向外側の位置において、ロータコア１２を軸方向（Ａ）から挟み込む複数の加圧領域ＰＲを有している。本実施の形態では、永久磁石２２により形成されたＶ字形状の間の領域に加圧領域ＰＲが、４５°ピッチで８箇所に設けられている。

図３を参照して、本実施の形態において、加圧領域ＰＲに相当する位置のロータコア１２には、ロータコア１２の第１端面１２ｔ１から第２端面１２ｔ２に通じる貫通孔２２ｈ１が設けられている。これにより、ロータコア１２の第１端面１２ｔ１および第２端面１２ｔ２には、永久磁石２２よりも半径方向外側の位置に、軸方向（Ａ方向）に沿う凹み領域が設けられることになる。

また、第１エンドプレート３１の、貫通孔２２ｈ１によって形成される凹み領域に対向する位置には、この凹み領域に向けて突出させられる凸部３１ｐが形成される。同様に、第２エンドプレート３６の、貫通孔２２ｈ１によって形成される凹み領域に対向する位置には、この凹み領域に向けて突出させられる凸部３６ｐが形成される。

このように、第１エンドプレート３１および第２エンドプレート３６にそれぞれ、貫通孔２２ｈ１によって形成される凹み領域に向けて突出する凸部３６ｐが形成されることで、凸部３６ｐが貫通孔２２ｈ１に押し付けられて加圧領域ＰＲが形成される。

ここで、図４を参照して、第１エンドプレート３１への凸部３１ｐの形成工程および第２エンドプレート３６への凸部３６ｐの形成工程の一例について説明する。ロータシャフト１１の外周面１１ｐ上に、第１エンドプレート３１、ロータコア１２、および第２エンドプレート３６を嵌め合わせた状態で、ロータシャフト１１の軸方向（Ａ）の両側から第１治具１０１および第２治具１１１を押圧（図中矢印Ｆ方向）する。

第１治具１０１には、第１エンドプレート３１に凸部３１ｐを形成するための凸部加工面１０２と、折り曲げ部１１ｂを半径方向の外方に向けて折り曲げるための凹部加工面１０３とが設けられている。また、第２治具１１１にも、第２エンドプレート３６に凸部３６ｐを形成するための凸部加工面１１２が設けられている。なお、第１治具１０１は、凸部加工面１０２を含む部品と、凹部加工面１０３を含む部品とに分割されていても良い。

ロータシャフト１１の軸方向（Ａ）の両側から第１治具１０１および第２治具１１１を押圧（図中矢印Ｆ方向）することで、折り曲げ部１１ｂの折り曲げ加工、第１エンドプレート３１への凸部３１ｐ形成加工、および第２エンドプレート３６への凸部３６ｐ形成加工が同時に行なわれる。

このように、本実施の形態におけるロータおよびこのロータを備える回転電機においては、ロータコアのロータシャフトへの固定に際して、半径方向（Ｒ方向）の内径側だけでなく、第１エンドプレート３１および第２エンドプレート３６には、永久磁石２２よりも半径方向外側の位置において、ロータコア１２を軸方向（Ａ方向）から加圧状態で挟み込む複数の加圧領域ＰＲが設けられている。

これにより、ロータコア１２を構成する複数の電磁鋼板１２ａの半径方向（Ｒ方向）の外径側において、永久磁石２２を支点にした、電磁鋼板１２ａ同士の隙間の拡大を抑制することが可能となる。その結果、高回転するロータの遠心力に対するロータコア１２の剛性の低下を抑制することができる。

また、永久磁石２２の外周側においては、短絡磁束の発生抑えるために、永久磁石の埋設位置をロータコア１２の外周寄りに寄せる方が好ましい。そのため、ロータコア１２の外周寄りの剛性が低くなるとともに、第１エンドプレート３１および第２エンドプレート３６が開き（軸方向から見て、ロータコア１２から離れる方向）やすくなる。

本実施の形態に示すように、永久磁石２２よりも半径方向外側の位置において、ロータコア１２を軸方向（Ａ方向）から挟み込む複数の加圧領域ＰＲを設けることで、第１エンドプレート３１および第２エンドプレート３６の開きを抑えることも可能となる。

さらに、永久磁石２２を外周側に設けると、磁束密度が高く磁束変化も大きくなるため、ロータコア１２および永久磁石２２の損失が大きくなる。本実施の形態に示すように、永久磁石２２よりも半径方向外側の位置において、ロータコア１２を軸方向（Ａ方向）から挟み込む複数の加圧領域ＰＲを設けることで、損失がより大きい領域において、電磁鋼板１２ａの相互の密着性、およびロータコア１２と第１エンドプレート３１および第２エンドプレート３６との密着性を高めることで、伝熱性能を向上させて永久磁石温度の昇温を抑制することができる。

また、ロータコア１２に対して第１エンドプレート３１および第２エンドプレート３６の位置決めが行なわれることから、第１エンドプレート３１および第２エンドプレート３６へのキー（ロータコア１２のキー１２ｘの相当）の形成も不要となる。

（実施の形態２）
次に、図５を参照して、実施の形態２におけるロータおよび回転電機について説明する。上記実施の形態におけるロータコア１２に設けられた加圧領域ＰＲにおいては、ロータコア１２に貫通孔２２ｈ１が設けられ、この貫通孔２２ｈ１によってロータコア１２の両端面に凹み領域を設けていた。

一方、本実施の形態においては、ロータコア１２に貫通孔を設けず、ロータコア１２の両端面にそれぞれ、底有凹部２２ｈ２を設けている。底有凹部２２ｈ２の深さ（ｗ１）は、第１エンドプレート３１に形成される凸部３１ｐ、および第２エンドプレート３６に形成される凸部３６ｐを受け入れることができる深さであれば良い。

この構成を採用することによっても、ロータコアのロータシャフトへの固定に際して、半径方向（Ｒ方向）の内径側だけでなく、第１エンドプレート３１および第２エンドプレート３６には、永久磁石２２よりも半径方向外側の位置において、ロータコア１２を軸方向（Ａ方向）から加圧状態で挟み込む複数の加圧領域ＰＲを設けることができる。その結果、上記実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。

なお、上記実施の形態１および２においては、ロータコア１２の第１端面１２ｔ１および第２端面１２ｔ２に凹部領域を設けるようにしているが、ロータコア１２の第１端面１２ｔ１および第２端面１２ｔ２に凹部領域を設けず、第１エンドプレート３１および第２エンドプレート３６にぞれぞれロータコア１２側を押圧するような領域を設けることも可能である。

（実施の形態３）
次に、図６を参照して、実施の形態３におけるロータおよび回転電機について説明する。上記実施の形態１におけるロータコア１２に設けられた加圧領域ＰＲにおいては、ロータコア１２に貫通孔２２ｈ１が設けられ、この貫通孔２２ｈ１によってロータコア１２の両端面に形成される凹み領域を利用していた。

一方、本実施の形態においては、ロータコア１２にロータコア貫通孔２２ｈ３を設け、さらに、第１エンドプレート３１および第２エンドプレート３６には、それぞれロータコア貫通孔２２ｈ３に通じるプレート貫通孔３１ｈ、３６ｈが設けられている。

さらに、プレート貫通孔３１ｈ、３６ｈおよびロータコア貫通孔２２ｈ３に軸部材としてボルト２００を挿通し、ナット２０１を用いて、第１エンドプレート３１と第２エンドプレート３６との間を締め付けを行なっている。

この構成を採用することによっても、ロータコアのロータシャフトへの固定に際して、半径方向（Ｒ方向）の内径側だけでなく、第１エンドプレート３１および第２エンドプレート３６には、永久磁石２２よりも半径方向外側の位置において、ロータコア１２を軸方向（Ａ方向）から加圧状態で挟み込む複数の加圧領域ＰＲを設けることができる。その結果、上記実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施の形態４）
次に、図７を参照して、実施の形態４におけるロータおよび回転電機について説明する。上記実施の形態３においては、ボルト２００とナット２０１とを用いて、第１エンドプレート３１と第２エンドプレート３６との間を締め付けを行なっている。

一方、本実施の形態においては、ボルト２００およびナット２０１に代わり、リベット２１０を用いている。リベット２１０を用いることによっても、第１エンドプレート３１と第２エンドプレート３６との間を締め付けを行なうことができる。

この構成を採用することによっても、ロータコアのロータシャフトへの固定に際して、半径方向（Ｒ方向）の内径側だけでなく、第１エンドプレート３１および第２エンドプレート３６には、永久磁石２２よりも半径方向外側の位置において、ロータコア１２を軸方向（Ａ方向）から加圧状態で挟み込む複数の加圧領域ＰＲを設けることができる。その結果、上記実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。

（その他の実施の形態）
上記各実施の形態において、図８に示すように、永久磁石２２には、断面が矩形形状の２本の永久磁石２２によりＶ字形状となるように配置し、このＶ字形状が円周上に８組配置される構成を採用している。また、加圧領域ＰＲを、永久磁石２２により形成されたＶ字形状の間の領域に、４５°ピッチで８箇所に設ける構成を採用してる。

しかし、本発明の構成はこの配置に限定されるものでなく、図９に示すように、永久磁石２２を周方向に沿って配置し、この永久磁石２２よりも半径方向外側の位置に、上記各実施の形態において説明した加圧領域ＰＲを設けるようにしてもかまわない。また、永久磁石の数量も、図８および図９に示される数量に限定されず、回転電機に要求される性能に応じて、適宜変更することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１０ モータジェネレータ、１１ ロータシャフト、１１ａ フランジ、１１ｂ 折り曲げ部、１１ｐ 外周面、１１ｘ キー溝、１２ ロータコア、１２ａ 電磁鋼板、１２ｔ１ 第１端面、１２ｔ２ 第２端面、１２ｘ キー、１３ ステータ、１４ 減速機構、１５ ディファレンシャル機構、１７ インバータ、１８ バッテリ、２１ 磁石用孔、２２ 永久磁石、２２ｈ２ 底有凹部、２２ｈ１ 貫通孔、２２ｈ３ ロータコア貫通孔、３１ 第１エンドプレート、３１ｈ，３６ｈ プレート貫通孔、３１ｐ，３６ｐ 凸部、３６ 第２エンドプレート、１０１ 第１治具、１０２，１１２ 凸部加工面、１０３ 凹部加工面、１１１ 第２治具、２００ ボルト、２０１ ナット、２１０ リベット、Ａ１ 中心軸、ＰＲ 加圧領域。

Claims (6)

1. ロータシャフトと、
   前記ロータシャフトの外周面上に嵌め合わされ、複数の板材が積層されたロータコアと、
   前記ロータシャフトの軸方向の両側から前記ロータコアを挟み込むように前記ロータシャフトの外周面上に嵌め合わされ、前記ロータコアの第１端面に接する第１エンドプレートおよび前記ロータコアの第２端面に接する第２エンドプレートと、を備え、
   前記ロータシャフトは、
   前記第２エンドプレート側において、半径方向の外方に張出し、前記第２エンドプレートの半径方向の内径側を前記第１エンドプレート側に向けて挟み込むフランジと、
   前記第１エンドプレート側において、半径方向の外側に向けて折り曲げられることにより、前記第１エンドプレートの半径方向の内径側を前記第２エンドプレート側に向けて挟み込む折り曲げ部と、を含み、
   前記ロータコアは、前記ロータシャフトの軸周りに沿って埋設され、前記ロータシャフトの軸方向に沿って延びる磁石を含み、
   前記第１エンドプレートおよび前記第２エンドプレートは、前記磁石よりも半径方向の外側の位置において、前記ロータコアを前記軸方向に向けて挟み込む加圧領域を有する、回転電機のロータ。
2. 前記ロータコアの前記第１端面および前記第２端面には、前記磁石よりも半径方向の外側の位置に、軸方向に向けて窪む凹み領域が設けられ、
   前記第１エンドプレートおよび前記第２エンドプレートの前記凹み領域に対向する位置が、前記凹み領域を押さえ付けるように前記凹み領域に向けて突出させられることにより、前記加圧領域が形成されている、請求項１に記載の回転電機のロータ。
3. 前記凹み領域は、前記ロータコアの前記第１端面から前記第２端面に達する貫通孔である、請求項２に記載の回転電機のロータ。
4. 前記凹み領域は、前記ロータコアの前記第１端面および前記第２端面にそれぞれ設けられる底有凹部である、請求項２に記載の回転電機のロータ。
5. 前記ロータコアの前記第１端面から前記第２端面に達するロータコア貫通孔が設けられ、
   前記第１エンドプレートおよび前記第２エンドプレートには、それぞれ前記ロータコア貫通孔に通じるプレート貫通孔が設けられ、
   前記プレート貫通孔および前記ロータコア貫通孔に軸部材を挿通し、前記軸部材を用いて、前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとの間を締め付けることにより、前記加圧領域が形成されている、請求項１に記載の回転電機のロータ。
6. ステータと、
   請求項１から５のいずれかに記載の回転電機のロータと、
   を備える、回転電機。

Images