JP2013143805A - 回転電機のロータ、およびこれを備えた回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ブリッジ部を太くすることなく、熱衝撃および遠心力に対する分割型ロータコアの強度向上を図れる回転電機のロータを提供する。
【解決手段】回転電機のロータは、磁石固定孔３５を有する帯状磁性板材製の複数の分割コア片４４が環状に成形されたコア素材３８を軸方向に積層して構成される筒状のロータコアと、磁石固定孔３５内に固定された磁石３４とを備える。そして、分割コア片４４は、コア素材３８が環状に成形された状態で周方向に隣り合う分割コア片４４同士で隙間５０を介して対向する分割端面４８ａ，４８ｂと、磁石挿入穴３５の周方向端部５２とロータコアの外周面２７との間に形成されるブリッジ部５４と、分割端面４８ａ，４８ｂおよびブリッジ部５４の近傍に設けられ、分割コア片４４を構成する帯状磁性板材を軸方向に隣接する分割コア片４４に対して固定するカシメ部５６とを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、回転電機のロータ、およびこれを備えた回転電機に係り、特に、帯状磁性板製のコア素材を軸方向に積層して構成される筒状のロータコアと、ロータコアに形成された磁石固定孔内に固定された磁石とを含む回転電機のロータおよびこれを備えた回転電機に関する。

従来、帯状鉄心片を螺旋状に巻回しながら軸方向に積層して、筒状の回転子鉄心を製造することが知られている。例えば、特開２００６−１６６４９８号公報（特許文献１）には、省エネルギー化、高出力化および高効率化を図った積層回転子鉄心を、形状精度良く、かつ生産性良く製造することを解決課題とした積層回転子鉄心の製造方法が開示されている。この製造方法では、積層回転子鉄心を直線状に展開した形状を呈し、内周相当側縁に所定の間隔で形成された切欠部を有するとともに、隣り合う切欠部の間の内周相当側縁を軸孔の内周に対応する円弧形状とし、かつ幅方向の中間部に所定の間隔で形成された磁石装着孔を有する帯状鉄心片を金属板から打抜き形成する工程と、帯状鉄心片の外周相当側縁を局部的に押圧して展延しつつ、帯状鉄心片を螺旋状に巻回して積層し、かつ積層された帯状鉄心片を互いにカシメ結合する工程とを含む。

特開２００６−１６６４９８号公報

上記特許文献１に記載される方法で製造された回転子鉄心では、磁石の周方向端部において磁束の短絡が生じると回転電機の出力低下を招くことになる。そのため、磁石装着孔と回転鉄心の外周面との間の鉄心領域であるブリッジ部の幅をできるだけ狭く（または小さく）形成して、上記磁束の短絡を抑制するのが好ましい。

しかしながら、ブリッジ部を狭くするほど、回転子の回転によって磁石に作用する遠心力に対する強度が低下し、ブリッジ部で変形または歪みが生じやすくなる。

また、回転電機の動作時に回転子が受ける熱衝撃（または温度変化）によって磁石が磁石装着孔内で膨張または伸縮すると、鉄心を構成する材料との線膨張率の違いに起因してブリッジ部に応力が作用することがある。この場合、上記のように磁束短絡を抑制するためにブリッジ部を細く形成すると、このような熱的応力が大きく作用することによっても変形等が生じやすくなる。

そこで、本発明の目的は、ブリッジ部を太くすることなく（すなわち磁石の端部における短絡磁束を抑制しつつ）、熱衝撃および遠心力に対する分割型ロータコアの強度向上を図れる回転電機のロータを提供することである。

本発明は、磁石固定孔を有する帯状磁性板材製の複数の分割コア片が環状に成形されたコア素材を軸方向に積層して構成される筒状のロータコアと、前記ロータコア内に延伸する前記磁石固定孔内に固定された磁石とを備える回転電機のロータであって、前記分割コア片は、前記コア素材が環状に成形された状態で周方向に隣り合う分割コア片同士で隙間を介して対向する分割端面と、前記磁石挿入穴の周方向端部と前記ロータコアの外周面との間に形成されるブリッジ部と、前記分割端面および前記ブリッジ部の近傍に設けられ、当該分割コア片を構成する帯状磁性板材を軸方向に隣接する分割コア片に対して固定するカシメ部と、を有するものである。

本発明に係る回転電機のロータにおいて、前記コア素材を構成する複数の分割コア片は、筒状をなす前記ロータコアの少なくとも１周分についてはヒンジ部を介して互いに繋がっており、前記カシメ部は前記ヒンジ部の近傍であって前記隙間を挟んで周方向両側に設けられていてもよい。

また、本発明に係る回転電機のロータにおいて、前記カシメ部の位置は、前記ブリッジ部を形成する前記磁石固定孔の周方向端部の内径側縁部より外周側に設定されていてもよい。

本発明の別の態様である回転電機は、上記いずれかの構成のロータと、前記ロータに対向配置されて回転磁界を作用させるステータとを備えるものである。

本発明に係る回転電機のロータおよびこれを備えた回転電機によれば、カシメ部によって分割コア片を構成する帯状磁性板の端部が軸方向に隣接する分割コア片に固定されているので、磁石固定孔内に固定された磁石が熱応力によって伸縮するのに伴って分割コア片の分割端面が隙間方向に移動するのが規制され、その結果、上記分割端面の移動によってブリッジ部に作用することとなる応力を低減できる。したがって、ブリッジ部を太くすることなく（すなわち磁石の端部における短絡磁束を抑制しつつ）、熱衝撃および遠心力に対する分割型ロータコアの強度向上を図れる。

本発明の一実施形態である回転電機の軸方向断面図である。 本実施形態におけるロータコアを示す斜視図である。 図２に示すロータコアを構成する帯状のコア素材が円環状に巻かれる様子を部分的に示す平面図である。 円環状に成形されたコア素材のヒンジ部とその近傍を拡大して示す平面図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

図１は、本発明の一実施形態である回転電機１０の軸方向断面図である。回転電機１０は、ステータコア１２およびコイル１４を含むステータ１６と、ステータ１６の内周側にギャップを隔てて対向配置されたロータ１８とを備える。ステータ１６のコイル１４に例えば三相交流電流が通電されると、ステータ１６の内側に回転磁界が発生し、この回転磁界の作用によってロータ１８が回転駆動されるようになっている。なお、図１においてコイル１４は、ステータコア１２の軸方向端面から外側に突出したコイルエンド部だけが示されている。

ステータ１６は、略筒状をなすステータコア１２とステータコア１２の内周側に巻装されたコイル１４を含む。ステータコア１２は、電磁鋼板等の磁性金属板材を環状に打ち抜き加工したものを多数枚積層および連結して構成される。ただし、これに限定されるものではなく、後述するロータコア２６と同様に、ステータコア１２もまた、帯状に打ち抜き加工されたコア素材を円環状に成形して構成されるコア素材を軸方向に複数積層して形成されてもよいし、または、帯状に打ち抜き加工されたコア素材を螺旋状に巻いてステータコア１２が形成されてもよい。

ロータ１８は、径方向中心部にシャフト穴２４を有する円筒状のロータコア２６と、ロータコア２６のシャフト穴２４を貫通して固定されるシャフト２８と、矢印Ｘで示すシャフト２８（およびロータコア２６）の軸方向に関してロータコア２６の両側に接して配置されるエンドプレート３０とを備える。

シャフト２８は、丸棒状のシャフト部２８ａと、シャフト部２８ａの外周面から径方向外側へ突出して形成されているフランジ部２８ｂと、フランジ部２８ｂの径方向外側に連結された円筒状の取付部２８ｃとを有している。そして、シャフト２８の取付部２８ｃの外周面上にロータコア２６が固定されている。

円筒状をなすロータコア２６の外周面近傍の内部には、複数の永久磁石３４が周方向に間隔を置いて埋め込み固定されている。本実施形態では、ロータコア２６は周方向に複数の磁極を含んでおり、各磁極にはそれぞれ２つの永久磁石が略Ｖ字状に配置されている。また、ロータコア２６は、締り嵌めによる固定またはキー嵌合によってシャフト２８の取付部２８ｃ上での周方向位置が決められている。

エンドプレート３０は、ロータコア２６の軸方向端面とほぼ同じ外形状の円環部材により構成される。エンドプレート３０は、例えばアルミニウム、銅等の非磁性金属材料により好適に形成されている。ここで非磁性金属材料とするのは、磁極を構成する永久磁石の軸方向端部における磁束の短絡を抑制するためである。ただし、非磁性材料であれば金属材料に限定されるものではなく、樹脂材料で形成されてもよい。また、エンドプレート３０をロータコア２６よりも小径化するか又は省略することにより、コスト低減を図ってもよい。

図２は本実施形態におけるロータコア２６を示す斜視図である。図３は、図２に示すロータコア２６を構成する帯状のコア素材３８が円環状に巻かれる様子を部分的に示す平面図である。

図２に示すように、円筒状のロータコア２６は、円環状をなすコア素材３８を軸方向に多数枚積層して構成されている。上述したようにロータコア２６は、外周面２７近傍の内部に複数の磁極３２が周方向に所定ピッチで配設されている。本実施形態では、２０個の磁極３２が設けられた例を示している。そして、各磁極３２には、一対の永久磁石３４が径方向外側へ向かって略Ｖ字状をなして広がるように配置されている。

なお、本実施形態では、各磁極３２に２つの永久磁石３４が埋め込まれている例について説明するが、これに限定されるものではなく、各磁極に含まれる永久磁石が１つであってもよいし、あるいは、３つ以上であってもよい。

ロータコア２６において、各磁極３２の内径側の位置には、位置決め用カシメ部４２が設けられている。位置決め用カシメ部４２は、周知の円形状の半抜きカシメ部として形成されている。具体的には、位置決め用カシメ部４２は、磁性金属板材の一方表面側が凹状に、他方表面側が凸状に形成されており、軸方向に隣接するコア素材３８同士で位置決め用カシメ部４２が凹凸嵌合されることにより、各磁極３２が軸方向に揃った状態でコア素材３８が一体に連結されてロータコア２６が構成されている。

なお、位置決め用カシメ部４２は、円形状のものに限定されるものではなく、他の周知のカシメ形状（例えばＶ字状）であってもよい。

図３に示すように、コア素材３８は、帯状に連なった複数の分割コア片４４がヒンジ部４０によって繋がった状態で電磁鋼板ウェブ等から打ち抜き加工され、その後、ヒンジ部４０で曲げ加工されて円環状に成形されたものとすることができる。各分割コア片４４は、略円弧状の外形を有して打ち抜き加工されており、それぞれ２つの磁極３２に相当する４つの磁石固定孔３５が貫通して形成されている。

また、円弧状をなす各分割コア片４４は、略Ｖ字状の切込み部４６によって区画されている。切込み部４６によって切り残された細幅の帯状部分がヒンジ部４０を形成している。

本実施形態では、複数の分割コア片４４がヒンジ部４０によって繋がった帯状のコア素材３８が一端部３８ａと他端部３８ｂとを有している。これにより、図２に示すように、ヒンジ部４０で曲げられて円環状に成形されたコア素材３８の両端部３８ａ，３８ｂが若干の隙間を介して対向配置されている。このようにコア素材３８の両端部３８ａ，３８ｂが非連結状態としているため、本実施形態のロータコア２６では、コア素材３８の端部位置を周方向において所定ピッチＰ分だけずらすようにして各コア素材３８を積層している。

より詳しくは、各コア素材３８は、１つの磁極３２に相当するピッチＰだけ周方向に交互にずれた状態で積層されている。このようにコア素材３８の端部位置を周方向にずらして積層してロータコア２６を構成することにより、ロータコア２６の周方向および軸方向における強度を確保することが可能になる。

図４は、円環状に成形されたコア素材３８のヒンジ部４０とその近傍を拡大して示す平面図である。図４においては、ステータコア１２の内周部を構成する複数のティースＴの先端部がギャップＧを隔ててロータコア２６に対向する様子が示されている。

図４に示すように、帯状に打ち抜き加工されたコア素材３８を構成する分割コア片４４は、切込み部４６によって形成された分割端面４８ａ，４８ｂを周方向両側に有している。これにより、コア素材３８がヒンジ部４０を塑性変形させて曲げて円環状に成形されたとき、各分割コア片４４の内周縁部が同一半径の略円形をなすとともに、各分割コア片４４の分割端面４８ａ，４８ｂ同士が隙間５０を介して対向するように構成されている。

このように円環状をなすコア素材３８において各分割コア片４４の分割端面４８ａ，４８ｂ同士を突き当てることなく隙間５０を形成するようにしたことで、円環状に形成されたときに分割コア片４４の分割端面４８ａ，４８ｂ同士が突き当たって周方向に押圧されることにより磁気抵抗が増大するのを無くすか又は抑制することが可能になる。その結果、回転電機１０のロータ１８において、良好な磁束の流れを確保でき、トルク出力の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、ヒンジ部４０に隣接して径方向内側に切り欠き部５１が形成されている。これにより、ヒンジ部４０が細幅の帯状金属板部分として形成されている。このようにヒンジ部４０が形成されることによって、コア素材３８を円環状に成形しやすくなるとともに、分割コア片４４の分割端面４８ａ，４８ｂ間に径方向にわたって一定幅の隙間５０を形成しやすくなるという利点がある。

さらに図４を参照すると、分割コア片４４には、２つの磁極３２に相当する計４つの永久磁石３４を挿入および固定するための磁石固定孔３５が形成されている。ロータコア２６において積層されたコア素材３８の分割コア片４４の磁石固定孔３５が軸方向に揃って位置することにより、ロータコア２６内で軸方向に貫通する磁石固定孔３５が形成されている。これにより、ロータコア２６の軸方向一方端面から扁平直方体形状の永久磁石３４を挿入して配置することが可能になる。

また、磁石固定孔３５は、永久磁石３４の周方向端部からロータコア２６の外周面２７に向かって拡張された空隙部分であるポケット部５２を含む。そして、ポケット部５２とロータコア２６の外周面２７との間に残された細幅の磁性金属板材部分がブリッジ部５４となっている。

上記ポケット部５２は、磁性金属板材と比較して低透磁率の空隙部を含むことから、永久磁石３４の周方向外側端部における磁束の回り込みによる短絡を抑制する機能を果たす。加えて、ポケット部５２にモールド樹脂を充填することにより、磁石固定孔３５内に永久磁石３４をしっかりと固定することにも使用することが可能である。

また、上記のように永久磁石３４の周方向外側端部における磁束の短絡を抑制するためにブリッジ部５４の幅は細くするのが好ましい。しかしながら、ブリッジ部５４は、ロータ回転時に永久磁石３４に作用する遠心力を支える支持部としての機能を果たすため、ある程度の強度が必要となる。

さらに、磁石固定孔３５内に固定された永久磁石３４は、回転電機１０の作動によって熱衝撃または温度変化を受けると、熱応力によって膨張または収縮する変形を生じる。例えば、永久磁石３４は、温度が上がると、径方向に略沿った方向の厚みが増す一方で、周方向に略沿った方向の幅が小さくなる。反対に、永久磁石３４は、温度が下がると、径方向に略沿った方向の厚みが小さくなる一方で、周方向に略沿った方向の幅が長くなる。

磁石固定孔３５内に固定された永久磁石３４が上記のような熱的変形を生じるとき、ロータコア２６を構成する磁性金属板材との線膨張率の相違から、磁石固定孔３５の外周側縁部であるブリッジ部５４に周方向および径方向の応力が作用し、上記遠心力と相まって変形または歪みを生じやすくなる。

ここで、電磁鋼板ウェブからコア素材が円環状に一体に打ち抜き加工されたものを多数枚積層して構成されるロータコアの場合では、永久磁石について上記のような熱的変形が生じても周方向に隣り合う磁極間で互いに押し合う状態となるために、ロータコア２６の全周について見るとブリッジ部の歪み量は小さく抑えられる傾向にある。

これに対し、本実施形態のロータコア２６のように、ロータコア２６を構成するコア素材３８に含まれる分割コア片４４が周方向に隙間５０を空けて配置されている構成では、上記のような永久磁石３４の熱的変形に伴って分割コア片４４の分割端面４８ａ，４８ｂの隙間方向への移動が許容されると、細幅のブリッジ部５４に作用する応力が増大して歪み量が大きくなる。

そこで、本実施形態では、分割コア片４４において、分割端面４８ａ，４８ｂおよびブリッジ部５４の近傍に、分割コア片４４を構成する帯状磁性金属板材を軸方向に隣接する分割コア片４４に対して固定するカシメ部５６を設けてある。より詳しくは、カシメ部５６は、分割コア片４４同士を互いに繋いでいるヒンジ部の近傍であって、分割コア片４４間に形成された隙間５０を挟んで周方向両側に設けられている。カシメ部５６は、周知の円形の半抜きカシメ部であってもよいし、他の形状（例えばＶ字状）のカシメ部であってもよい。

このように分割コア片４４がブリッジ部５４および分割端面４８ａ，４８ｂの近傍で軸方向に隣接する分割コア片に対して固定されることで、磁石固定孔３５内に固定された永久磁石３４が熱応力によって伸縮するのに伴って分割コア片４４の分割端面４８ａ，４８ｂが隙間５０の方向（すなわち周方向）に移動するのが規制され、その結果、上記分割端面４８ａ，４８ｂの移動によってブリッジ部５４に作用することとなる応力を低減できる。したがって、ブリッジ部５４を太くすることなく（すなわち永久磁石３４の周方向端部における短絡磁束を抑制しつつ）、熱衝撃および遠心力に対する分割型ロータコア２６の強度向上を図れる。

ここで、上記カシメ部５６の径方向位置は、ポケット部５２の内径側縁部の半径位置Ｒよりも外周側に形成されるのが好ましく、また、カシメ部５６の周方向位置は磁石固定孔３５のポケット部５２と隙間５０との間に形成されるのが好ましい。このようにすることでブリッジ部５４に近い位置で分割コア片４４の移動をより確実に規制することができ、上記のようなロータコア２６の強度向上により有効である。

なお、本発明に係る回転電機のロータおよびこれを備えた回転電機は、上述した実施形態およびその変形例の構成に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項の範囲内において種々の変更や改良が可能である。

例えば、上記においては、それぞれ円環状に成形されたコア素材３８が軸方向に多数枚積層されてロータコア２６が構成されると説明したが、これに限定されるものではなく、帯状に連続して打ち抜き加工されたコア素材がヒンジ部で曲げながら螺旋状に巻回されてロータコアが構成されてもよい。

また、上記においては、コア素材３８に含まれる複数の分割コア片４４がそれぞれ２つの磁極３２に相当する磁石固定孔が形成されるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、それぞれ１つの磁極に相当する磁石固定孔を含むように形成されてもよいし、あるいは、３つ以上の磁極に相当する磁石固定孔を含むように形成されてもよい。

１０ 回転電機、１２ ステータコア、１４ コイル、１６ ステータ、１８ ロータ、２４ シャフト穴、２６ ロータコア、２７ 外周面、２８ シャフト、２８ａ シャフト部、２８ｂ フランジ部、２８ｃ 取付部、３０ エンドプレート、３２ 磁極、３４ 永久磁石、３５ 磁石固定孔、３８ コア素材、３８ａ 一端部、３８ｂ 他端部、４０ ヒンジ部、４２ 位置決め用カシメ部、４４ 分割コア片、４６ 切込み部、４８ａ，４８ｂ 分割端面、５０ 隙間、５１ 切り欠き部、５２ ポケット部（周方向端部）、５４ ブリッジ部、５６ カシメ部、Ｔ ティース。

Claims (4)

1. 磁石固定孔を有する帯状磁性板材製の複数の分割コア片が環状に成形されたコア素材を軸方向に積層して構成される筒状のロータコアと、前記ロータコア内に延伸する前記磁石固定孔内に固定された磁石とを備える、回転電機のロータであって、
   前記分割コア片は、前記コア素材が環状に成形された状態で周方向に隣り合う分割コア片同士で隙間を介して対向する分割端面と、前記磁石挿入穴の周方向端部と前記ロータコアの外周面との間に形成されるブリッジ部と、前記分割端面および前記ブリッジ部の近傍に設けられ、当該分割コア片を構成する帯状磁性板材を軸方向に隣接する分割コア片に対して固定するカシメ部と、を有する、
   回転電機のロータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記コア素材を構成する複数の分割コア片は、筒状をなす前記ロータコアの少なくとも１周分についてはヒンジ部を介して互いに繋がっており、前記カシメ部は前記ヒンジ部の近傍であって前記隙間を挟んで周方向両側に設けられている、回転電機のロータ。
3. 請求項１または２に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記カシメ部の位置は、前記ブリッジ部を形成する前記磁石固定孔の周方向端部の内径側縁部より外周側に設定されている、回転電機のロータ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のロータと、
   前記ロータに対向配置されて回転磁界を作用させるステータと、を備える回転電機。

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