JP2012231586A

JP2012231586A - 回転電機

Info

Publication number: JP2012231586A
Application number: JP2011097833A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Furukawa; 友則古川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2012-11-22

Abstract

【課題】回転電機において、積層されるコア薄板の剥がれを抑制してエンドプレートレスロータとすることである。
【解決手段】回転電機のロータコア３０は、電磁鋼板３２を軸方向に積層したものであるが、その積層厚さがステータコア２０の積層厚さよりも厚く、軸方向端部において、端部突出長ΔＬだけ突き出している。端部突出長ΔＬは、軸方向端部の最端部の電磁鋼板３８において、その隣接する電磁鋼板３２との間で相互に剥離する方向に働く剥離力４２の大きさと、軸方向端部の最端部の電磁鋼板３８ステータコア２０に向かって吸引される方向に働く押付力５０の大きさとが釣り合うように設定される。押付力５０は、ステータコア２０とロータコア３０の間の径方向ギャップ長Ｇに基づいて定まる。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に係り、特に、エンドプレートを設けないエンドプレートレスロータを備える回転電機に関する。

回転電機は、ステータとロータとを含んで構成されるが、ステータもロータも電磁鋼板のようなコア薄板を積層して、それぞれステータコア、ロータコアとすることが行われる。この場合、積層したコア薄板が剥がれないようにすることを目的の１つとして、積層の両端側にエンドプレートまたは端板と呼ばれる補強板が設けられる。特にロータは回転するので、コア薄板が剥がれやすく、また、埋め込み磁石型ロータの場合は、磁石の保持の必要もあって、エンドプレートが用いられる。

本発明に関連する技術として、特許文献１には、磁石が埋め込まれるロータのエンドプレートの一部に第２の磁石を設け、エンドプレートもトルク発生に寄与させるモータが開示されている。

また、特許文献２には、圧縮ガスを用いる冷媒回路の冷媒圧縮に用いられる圧縮機のモータにおいて、圧縮ガスと、その圧縮ガスのガス漏れ部のシール特性を向上させるための油との混合流体が固定子と回転子との間のエアギャップに入り込むことを抑制する構成が開示されている。ここでは、積層鋼板が積層するロータの軸方向長さは、積層鋼板が積層するステータの軸方向長さよりも長いが、ロータの積層鋼板の端部には端板が設けられ、その端板の直径をロータの積層鋼板の内径よりも大きくし、その箇所の混合流体に対する遠心力を大きくして、エアギャップに入り込もうとすることを抑制する。

特許文献３には、従来技術として、ロータコアの軸長がステータコアの軸長よりも長いブラシレスモータがあることを述べ、同じ積層鋼板を打ち抜いてロータコア用の薄板とステータコア用の薄板を作ると、ステータコア用の薄板が余ってしまい、その分、材料の歩留まりが悪くなることを指摘している。ここでは、ロータコアの薄板間全体として、ステータコアの薄板間全体の間隙よりも大きな間隙を形成するようにして、同じ積層鋼板を打ち抜いてロータコア用の薄板とステータコア用の薄板を作っても、ステータコア用の薄板が余らないようにできることが開示されている。

特許文献４には、マグネットトルクに合わせてリラクタンストルクも有効利用する永久磁石ロータにおいて、永久磁石の外縁とコアシートの外周円とで囲まれた領域Ａ内に、コアシートを積層体として一体化するカシメピンのための穴を設けることが述べられている。そして、その穴を、領域Ａの中央ではなく、コアシートの回転方向の後ろ側に偏位させることで、リラクタンストルクを有効に発生させることができると述べられている。

特開２００６−１４４７３号公報特開２００８−２２０１３３号公報特開２００６−２２３０２４号公報特開平１０−１２６９８６号公報

エンドプレートを設けることで、回転電機の軸方向長さが長くなる。そこでエンドプレートを設けないエンドプレートレスロータが検討される。

本発明の目的は、積層されるコア薄板の剥がれを抑制してエンドプレートレスロータを可能とする回転電機を提供することである。

本発明に係る回転電機は、予め定められたステータ厚さのステータコアを有するステータと、複数のコア薄板を軸方向に積層し、その積層厚さがステータ厚さよりも厚く、軸方向端部において、コア薄板が剥がれないように予め定めた端部突出長だけ突き出し、軸方向端部にエンドプレートが設けられないエンドプレートレスのロータコアを有するロータと、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機において、ロータコアは、軸方向端部の隣接するコア薄板が相互に剥離する方向に働く剥離力と、軸方向端部のコア薄板がステータコアに向かって吸引される方向に働く押付力とが釣り合う端部突出長を有することが好ましい。

また、本発明に係る回転電機において、ロータコアは、端部突出長に応じて定まる剥離力と、端部突出長とロータコアとステータコアとの間の径方向ギャップ長とに基づいて定まる押付力とが釣り合う端部突出長を有することが好ましい。

上記構成により、回転電機は、複数のコア薄板を軸方向に積層し、その積層厚さがステータ厚さよりも厚く、軸方向端部において、コア薄板が剥がれないように予め定めた端部突出長だけ突き出し、軸方向端部にエンドプレートが設けられないエンドプレートレスのロータコアを有する。エンドプレートレスにしたときに、端部突出長を適切に設定することでコア薄板が剥がれないことを見出した。その知見に基づき、コア薄板が剥がれないように予め定めた端部突出長だけ突き出すようにステータコアとロータコアの軸方向長さを設定する。これによって、エンドプレートレスロータが可能になる。

また、回転電機において、ロータコアは、軸方向端部の隣接するコア薄板が相互に剥離する方向に働く剥離力と、軸方向端部のコア薄板がステータコアに向かって吸引される方向に働く押付力とが釣り合う端部突出長を有する。このように、端部突出長によって、剥離力と押付力が変化するので、その釣り合いのところで突出長を設定する。これによって、エンドプレートレスロータコアが可能になる。

また、回転電機において、ロータコアは、端部突出長に応じて定まる剥離力と、端部突出長とロータコアとステータコアとの間の径方向ギャップ長とに基づいて定まる押付力とが釣り合う端部突出長を有する。このように、径方向ギャップ長も関係して、コア薄板が剥がれない端部突出長が設定される。これによって、エンドプレートレスロータコアが可能になる。

本発明に係る実施の形態の回転電機の構成を示す断面図である。図１の部分拡大図である。比較のために、エンドプレートを備える従来技術の回転電機の構成を示す断面図である。図３の部分拡大図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、回転電機のロータコアおよびステータコアのコア薄板を電磁鋼板として説明するが、電磁鋼板以外の磁性薄板であってもよい。また、ステータコアは、電磁鋼板の積層型でなくてもよい。例えば、成形コアであってもよい。また、回転電機のロータとして、永久磁石がロータコアに埋め込まれる埋め込み磁石型を説明するが、永久磁石の配置は埋め込み型でなくてもよい。また、永久磁石を用いないリラクタンス型ロータであってもよい。

以下で述べるコア薄板の枚数、寸法、材質、形状等は、説明のための例示であり、回転電機の仕様等に応じ、適宜変更が可能である。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、回転電機１０の構造を説明する図である。回転電機１０は、モータケース１４と、ステータと、ロータとを含んで構成される。なお、図１では、ステータをステータコア２０とコイルエンド２４とに分けて示し、ロータを、ロータ軸１２と、永久磁石３４が埋め込まれるロータコア３０とに分けて示している。

モータケース１４に固定されるステータは、複数の電磁鋼板２２を積層したステータコア２０と、ステータコア２０に巻回されるコイルで構成される。図１では、コイルがステータコア２０の両端面からはみ出して突き出るコイルエンド２４が示されている。電磁鋼板２２の積層は、適当なカシメによって互いに密着して固定される。

ロータ軸１２は、ロータが取り付けられ、ステータとロータの協働によって発生する回転トルクを外部に取り出す軸で、回転電機１０の出力軸に相当する。ロータ軸１２は、図示されていない適当な軸受機構によって、モータケース１４に回転自在に支持される。

ロータコア３０は、コア薄板としての電磁鋼板３２を複数枚積層して構成される。電磁鋼板３２は、ステータコア２０を構成する電磁鋼板２２と同じ原材料薄板から打ち抜いたものが用いられる。すなわち、ロータコア３０の各電磁鋼板３２は、ステータコア２０の電磁鋼板２２と同じ材質、同じ厚さである。電磁鋼板３２の積層も、ステータコア２０の場合と同様に、適当なカシメによって互いに密着して固定される。なお、ロータコア３０には軸方向に沿って磁石挿入孔が設けられ、この磁石挿入孔に永久磁石３４が埋め込まれる。永久磁石は、ロータ磁極を形成する磁石である。

ロータコア３０は、電磁鋼板３２を軸方向に積層したものであるが、その積層厚さがステータコアの積層厚さよりも厚い。図１では、軸方向端部において、端部突出長ΔＬだけ突き出している。端部突出長ΔＬは、ロータコア３０の軸方向の両側端部のそれぞれにおいて同じ長さである。

端部突出長ΔＬは、電磁鋼板３２の厚さｔの整数倍である。つまり、端部突出長ΔＬの部分は、ＮΔ_L＝ΔＬ／ｔの枚数だけ、ロータコア３０の電磁鋼板３２の枚数がステータコア２０の電磁鋼板２２の枚数より多い。ステータコア２０の軸方向長さをＬ_Sとし、ロータコア３０の軸方向長さをＬ_Rとすると、Ｌ_R＝Ｌ_S＋２ΔＬである。ステータコア２０の電磁鋼板２２の積層枚数をＮ_Sとし、ロータコア３０の電磁鋼板３２の枚数をＮ_Rとすると、Ｎ_R＝Ｎ_S＋２ＮΔ_L＝Ｎ_S＋２ΔＬ／ｔである。

端部突出長ΔＬを変化させると、ロータコア３０の軸方向端部において、電磁鋼板３２の剥がれかたが異なることを見出した。そこで、端部突出長ΔＬは、コア薄板である電磁鋼板３２が剥がれないように予め定めた長さに設定される。そして、軸方向端部には、電磁鋼板３２の剥がれを抑制するためのエンドプレートを設けることを省略した。すなわち、ロータコア３０は、端部突出長ΔＬだけステータコア２０より軸方向端部で突き出すが、エンドプレートを用いないエンドプレートレスロータコアである。

端部突出長ΔＬの設定について、図２を用いて説明する。図２は、図１において、ロータコア３０とステータコア２０がギャップ長Ｇを隔てて向かい合う部分で、ロータコア３０の端部における部分拡大図である。ここでは、永久磁石３４の図示を省略した。

ロータコア３０の端部において、最端部の電磁鋼板３８には、２つの力が働く。１つは、最端部の次の電磁鋼板３２との間に働く剥離力４２である。もう１つは、ステータコア２０との間に働く押付力５０である。

剥離力４２は、隣接する電磁鋼板３２にステータコア２０から同じ方向に磁束が流れることによる相互斥力によるものである。つまり、最端部の電磁鋼板３８とその隣の電磁鋼板３２との間に磁束が流れると、この隣接する２枚の電磁鋼板３８，３２の間には、大きさが同じで方向が逆の互いに反発する斥力が生じる。

この互いに反発する斥力は、ロータコア３０のどの部分でも、隣接する電磁鋼板３２の間で生じるが、最端部においては、その外側に電磁鋼板３２がないために、その斥力が、外向きの剥離力４２として働く。なお、図２では、最端部の次の電磁鋼板３２に働く斥力４０が示されている。この斥力４０は、もう１つ内側の電磁鋼板３２に生じるこれと反対向きの力と釣り合っている。したがって、剥離力４２は斥力４０と釣り合わずに残され、最端部の電磁鋼板３８を外側に剥がすような力として働く。

この剥離力４２は、ステータコア２０とロータコア３０の間に流れる磁束によるもので、磁束が強いほど、剥離力４２は大きな値となる。ステータコア２０とロータコア３０の間の磁束の強さは、ステータコア２０の最端部から離れるほど弱くなる。つまり、端部突出長ΔＬが大きくなると、剥離力４２は小さくなる。したがって、ロータの回転による遠心力や、永久磁石３４の影響等、他の要因が働かないと仮定すると、端部突出長ΔＬを十分大きくすれば、エンドプレートを設けなくても、最端部の電磁鋼板３８の剥がれは生じなくなる。しかし、端部突出長ΔＬを十分大きくすると、ロータコア３０の軸方向長さＬ_Rがかなり大きくなる。

図２には、最端部の電磁鋼板３８に働くもう１つの力である押付力５０が示される。この押付力５０は、ロータコア３０の磁極とステータコア２０の磁極との間に働く吸引力によるものである。ここでは、端部突出長ΔＬがあるために、最端部の電磁鋼板３８がステータコア２０に向かって下向きに吸引され、下向きの押付力５０として作用する。この押付力５０は、最端部の電磁鋼板３８とステータコア２０の間の距離が短いほど大きく、長いほど小さくなる。ステータコア２０とロータコア３０との間の径方向ギャップ長Ｇが短いほど吸引力は大きいが、径方向ギャップ長Ｇを同じとすれば、端部突出長ΔＬが小さいほど、押付力５０は大きい。

まとめると、剥離力４２は、端部突出長ΔＬが大きくなると小さくなるが、径方向ギャップ長Ｇには関係しない。押付力５０も端部突出長ΔＬが大きくなるほど小さくなるが、径方向ギャップ長Ｇが短いほど大きくなる。したがって、径方向ギャップ長Ｇが決まっているときの押付力５０と端部突出長ΔＬとを関係付ける特性線を求め、一方で、端部突出長ΔＬと剥離力４２とを関係付ける特性線を求める。そして、その２つの特性線が交差する端部突出長ΔＬを求める。このようにして求められた端部突出長ΔＬにおいては、剥離力４２と押付力５０が釣り合っているので、最端部の電磁鋼板３８は剥がれない。

このように端部突出長ΔＬを設定することで、エンドプレートを省略しても最端部の電磁鋼板３８が剥がれないようにするためのロータコア３０の軸方向長さＬ_Rを最適の長さとできる。

また、ステータコア２０とロータコア３０の間の径方向ギャップ長Ｇが短いほど押付力５０は大きくなるので、径方向ギャップ長Ｇが短いほど、エンドプレートを省略しても最端部の電磁鋼板３８が剥がれないようにするためのロータコア３０の軸方向長さＬ_Rを短くできる。このように、径方向ギャップ長Ｇに応じて、端部突出長ΔＬを設定することで、電磁鋼板の剥がれが生じないエンドプレートレスロータコアとすることができる。

図３と図４は、比較のために、エンドプレート３６を用いる従来技術の回転電機１１の構成を示す図である。図３は図１に対応し、図４は図２に対応する。この回転電機１１は、ロータコア３１の軸方向端部にそれぞれエンドプレート３６を設け、エンドプレートを含めたロータの軸方向長さをステータコア２０の軸方向長さと同じとしてある。

この構成のままでエンドプレート３６を省略すると、ステータコア２０の軸方向長さよりもロータコア３１の軸方向長さが短い。その場合の端部の様子は図４に示されるようになる。すなわち、ロータコア３１の端部は、ステータコア２０の端部からΔＳだけ引き下がった位置となる。これによって、ロータコア３１の最端部の電磁鋼板３８には、剥離力４３の他に、ステータコア２０からの吸引力５１で上向きに引き上げられるような力が働き、より剥離が起こりやすくなっている。図２との相違は、ΔＬがステータコア２０の端部に対し突き出し方向であるのに対し、ΔＳが引き下がった方向であることと、これに応じて、最端部の電磁鋼板３８に対するステータコア２０の影響が、押付力５０と吸引力５１と互いに逆方向であることである。したがって、従来技術の回転電機１１では、エンドプレート３６を省略することができなくなっている。

本発明に係る回転電機は、コア薄板を積層するロータコアを有する回転電機として利用できる。

１０，１１回転電機、１２ロータ軸、１４モータケース、２０ステータコア、２２、３２電磁鋼板、２４コイルエンド、３０，３１ロータコア、３４永久磁石、３６エンドプレート、３８（最端部の）電磁鋼板、４０斥力、４２，４３剥離力、５０押付力、５１吸引力。

Claims

予め定められたステータ厚さのステータコアを有するステータと、
複数のコア薄板を軸方向に積層し、その積層厚さがステータ厚さよりも厚く、軸方向端部において、コア薄板が剥がれないように予め定めた端部突出長だけ突き出し、軸方向端部にエンドプレートが設けられないエンドプレートレスのロータコアを有するロータと、
を備えることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
ロータコアは、
軸方向端部の隣接するコア薄板が相互に剥離する方向に働く剥離力と、軸方向端部のコア薄板がステータコアに向かって吸引される方向に働く押付力とが釣り合う端部突出長を有することを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、
ロータコアは、
端部突出長に応じて定まる剥離力と、端部突出長とロータコアとステータコアとの間の径方向ギャップ長とに基づいて定まる押付力とが釣り合う端部突出長を有することを特徴とする回転電機。