JP2014003815A

JP2014003815A - 回転電機の回転子鉄心

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Publication number: JP2014003815A
Application number: JP2012137714A
Authority: JP
Inventors: Toshinori Okochi; 利典大河内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2032-06-19
Also published as: JP5900180B2

Abstract

【課題】分割コア片に埋設された永久磁石の温度変化による伸長によって生じる分割コア片への伝達を低減し、分割コア片における磁石挿入穴と外周面との間のブリッジ部の応力を抑制する。
【解決手段】回転子鉄心は、磁性板材によって一体に形成され互いにヒンジ部４０でつながった複数の分割コア片４４を、ヒンジ部４０で曲げて環状に成形して積層することにより構成される。各分割コア片４４には永久磁石３４が挿入配置される磁石挿入穴３５が形成される。磁石挿入穴３５の周方向端部の内周縁には磁石挿入穴３５内に配置される永久磁石３４の周方向端部に当接することにより永久磁石３４を位置決めする突片６０が一体に形成されている。突片６０は、永久磁石３４の温度変化による周方向長さの伸長を吸収して変形可能である。
【選択図】図６

Description

本発明は、回転電機の回転子鉄心に係り、特に、磁性板材によって一体に形成され互いにヒンジ部でつながった複数の分割コア片を、上記ヒンジ部で曲げて環状に成形して積層することにより構成される回転電機の固定子鉄心に関する。

従来、例えば特開２００８−３０１６１０号公報（以下、特許文献１という）には、複数の鉄心分割片が環状に連結されて回転子鉄心を構成する回転電機が開示されている。この回転電機では、鉄心分割片の分割面と鉄心分割片に形成された永久磁石配置用スロットとの間の距離を、回転子鉄心の外周面と前記スロットとの間の距離よりも小さくすることにより、永久磁石の周方向端部における漏れ磁束を抑制して固定子鉄心に生じる渦損失を低減し、その結果、回転電機のトルク発生効率を良くすることが記載されている。

また、特開２００１−２５８１８７号公報（以下、特許文献２という）には、永久磁石モータの永久磁石埋め込み型回転子が開示されている。この回転子は、環状に打ち抜かれた珪素鋼板の積層体からなる回転子鉄心に軸方向に貫通形成されている磁石埋め込み用穴内に永久磁石を挿入して配置し、上記磁石埋め込み用穴の周方向両端部に一体に成形された永久磁石位置決め用突片を折り曲げて永久磁石の周方向両側の角部に当接させることにより、上記穴内に永久磁石を固定することが記載されている。

さらに、特開２０１１−２５９６１０号公報（以下、特許文献３という）には、上記特許文献２と同様に環状に打ち抜き加工された電磁鋼板を積層して構成される固定子鉄心において、磁石埋め込み用穴の周方向両側の内周縁部に一体形成した突片を永久磁石挿入前に弾性変形させた状態で永久磁石を挿入し、弾性復元した突片が永久磁石の周方向両側の角部に押し付けられることによって、磁石埋め込み用穴内に永久磁石を固定することが記載されている。

特開２００８−３０１６１０号公報特開２００１−２５８１８７号公報特開２０１１−２５９６１０号公報

ところで、電磁鋼板等の磁性板材からヒンジ部で互いにつながった状態で一体に打ち抜き加工された分割コア片を上記ヒンジ部で曲げながら環状に成形したものを積層することによって、筒状の回転子鉄心が構成されることがある。この回転子鉄心に永久磁石が埋め込まれる場合、各分割コア片には磁石挿入穴がそれぞれ形成されており、磁石挿入穴の内周縁には、穴内に永久磁石を位置決めする突起部が形成される。そして、上記のようにして作製された回転子鉄心の磁石挿入穴内に永久磁石を上記突起で位置決めした状態で挿入した後、樹脂注入等によって永久磁石を回転子鉄心に固定することが行われる。

しかし、上記のように磁石挿入穴内に永久磁石を突起部で位置決めして固定したとき、回転電機に組み込まれた回転子鉄心が受ける温度変化によって、回転子鉄心に含まれる永久磁石が膨張または収縮することがある。そのとき、永久磁石の周方向長さの伸長力が上記突起部を介して分割コア片に伝達されると、磁石挿入穴と回転子鉄心の外周面との間に形成される比較的細い部分であるブリッジ部に大きな応力が作用し、ブリッジ部が変形する可能性がある。

このようなブリッジ部の変形を抑えるには、ブリッジ部の幅を太く形成することが考えられるが、ブリッジ部の幅を広くすると永久磁石の周方向端部における漏れ磁束が増加して回転電機の効率が低下することは特許文献１に述べられているところである。また、環状に打ち抜き加工された電磁鋼板を積層して構成される回転子鉄心に関する特許文献２および３では、回転子鉄心が周方向に一体に構成されることから、回転子鉄心内に埋設された永久磁石の温度変化による伸長や収縮によって生じる応力は周方向全体で見れば相殺し合うために回転子鉄心のブリッジ部における変形等の問題は表面化せず、これに対する解決策も明らかとなっていない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、互いにヒンジ部でつながった分割コア片を環状に成形して積層することにより構成される回転電機の回転子鉄心において、分割コア片に埋設された永久磁石の温度変化による伸長によって生じる分割コア片への伝達を低減し、分割コア片における磁石挿入穴と外周面との間のブリッジ部の応力を抑制して変形を防止することである。

本発明に係る回転電機の回転子鉄心は、磁性板材によって一体に形成され互いにヒンジ部でつながった複数の分割コア片を、前記ヒンジ部で曲げて環状に成形して積層することにより構成される回転電機の回転子鉄心であって、前記各分割コア片には永久磁石が挿入配置される磁石挿入穴が形成され、前記磁石挿入穴の周方向端部の内周縁には前記磁石挿入穴内に配置される永久磁石の周方向端部に当接することにより該永久磁石を位置決めする突片が一体に形成されており、前記突片は、前記永久磁石の温度変化による周方向長さの伸長を吸収して変形可能である。

本発明に係る回転電機の回転子鉄心によれば、磁石挿入穴の内周縁に一体に形成されている磁石位置決め用の突片が、永久磁石の温度変化による周方向の伸長に応じて変形することにより上記伸長を吸収できる。これにより、永久磁石の温度変化による伸長が分割コア片に対して周方向の押圧力として伝達されるのを低減でき、分割コア片における磁石挿入穴と外周面との間のブリッジ部に作用する応力を低減できる。

本発明の一実施形態である回転子鉄心を含む回転電機の軸方向断面図である。本実施形態における回転子鉄心を示す斜視図である。図２に示す回転子鉄心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。（ａ）は永久磁石の周方向の伸長が分割コア片に伝達される様子を概略的に示す図、（ｂ）は該伝達によって分割コア片の分割端面が周方向に移動する様子を概略的に示す図である。本実施形態における磁石挿入穴の周方向端部に形成された磁石位置決め用突片を拡大して示す図である。磁石位置決め用突片の別の例を示す図である。

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子鉄心を備える回転電機１０の軸方向断面図である。回転電機１０は、固定子鉄心１２およびコイル１４を含む固定子１６と、固定子１６の内周側にギャップを隔てて対向配置された回転子１８とを備える。固定子１６のコイル１４に例えば三相交流電流が通電されると、固定子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回転子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、固定子鉄心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。

固定子１６は、筒状をなす固定子鉄心１２と固定子鉄心１２の内周側に巻装されたコイル１４を含む。固定子鉄心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、後述する回転子鉄心２６と同様に、固定子鉄心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固定子鉄心１２が形成されてもよい。

回転子１８は、径方向中心部にシャフト穴２４を有する円筒状の回転子鉄心２６と、回転子鉄心２６のシャフト穴２４を貫通して回転子鉄心２６を固定するシャフト２８と、シャフト２８（および回転子鉄心２６）の軸方向に関して回転子鉄心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の外周面上に回転子鉄心２６が貫通固定されている。

円筒状をなす回転子鉄心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、回転子鉄心２６は周方向に複数の磁極を有しており、各磁極にはそれぞれ２つの永久磁石３４が、図２，３に示されるように、略Ｖ字状に配置されている。また、回転子鉄心２６は、締り嵌めによる固定またはキー嵌合等によってシャフト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、回転子鉄心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を回転子鉄心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。エンドプレート３０は、取付部２８ｃの軸方向端部に一体的に形成した図示しないカシメ部を径方向外側へ折り曲げてかしめることによって、シャフト２８に直接固定することができる。

図２は本実施形態における回転子鉄心２６を示す斜視図である。図３は、図２に示す回転子鉄心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、円筒状の回転子鉄心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。上述したように回転子鉄心２６には、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。

回転子鉄心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回転子鉄心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によって互いにつながった状態で電磁鋼板ウェブ等の磁性板材から一体に打ち抜き加工され、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、略扇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つの磁石挿入穴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金属板部分がヒンジ部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によってつな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を非連結状態としているため、本実施形態の回転子鉄心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回転子鉄心２６を構成することにより、回転子鉄心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、固定子鉄心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を隔てて回転子鉄心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円弧をなすとともに、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の回転子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を挿入および配置するための磁石挿入穴３５が形成されている。回転子鉄心２６において積層されたコア素材３８の分割コア片４４の磁石挿入穴３５が軸方向に揃って位置することにより、回転子鉄心２６内で軸方向に揃った磁石挿入穴３５が形成される。これにより、回転子鉄心２６の軸方向端面から扁平直方体形状の永久磁石３４を磁石挿入穴３５に貫通挿入して配設することが可能になる。

また、磁石挿入穴３５は、永久磁石３４の周方向端部から回転子鉄心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と回転子鉄心２６の外周面２７との間に残された細幅の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、磁石挿入穴３５内に永久磁石３４をしっかりと固定することも可能である。

図４に示すように、分割コア片４４においてカシメ部４２の周方向両側には、軸方向に隣接する分割コア片４４同士を連結する連結部５６を設けてある。連結部５６は、例えばカシメ部によって構成される。連結部５６は、後述するように永久磁石３４の温度変化で周方向に伸長することによって分割コア片４４に周方向の押圧力が入力されたときに、分割端面４８ａ，４８ｂが隙間５０側へ移動するのを規制する機能を有する。この機能を有効に発揮するように、連結部５６は、分割端部４８ａ，４８ｂの近傍に形成されてもよい。

永久磁石３４の周方向外側端部における漏れ磁束を抑制するために、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、回転子１８の回転時に永久磁石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。

また、磁石挿入穴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、温度が上がると、永久磁石３４は、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。逆に、温度が下がると、永久磁石３４は、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長さが伸長する。これについて図５を参照して説明する。

図５（ａ）は永久磁石３４の周方向の伸長が分割コア片４４に伝達される様子を概略的に示す図、（ｂ）は該入力によって分割コア片４４の分割端面４８ｂが周方向に移動する様子を概略的に示す図である。図５に示すように、回転作動によって昇温した回転子１８の温度が低下するとき、回転子鉄心の分割コア片４４は熱膨張した状態から径方向および周方向に収縮するが、永久磁石３４は分割コア片４４を構成する電磁鋼板との線膨張率の相違から、白抜き矢印で示すように径方向の幅は収縮するが周方向長さが伸長するように変形する。

このとき、磁石挿入穴３５のポケット部５２の内周縁部に略三角状に突出した位置決め用突起部５８が永久磁石３４の周方向端部の側面または角部に係合していると、上記のような永久磁石３４の周方向の伸長が突起部５８を介して分割コア片４４に伝達されることになる。そうすると、分割コア片４４には周方向の引っ張り力が作用することになり、図５（ｂ）中に破線で示すように分割端面４８ｂが隙間５０側へ移動することが生じ得る。

この場合、分割コア片４４の内周側部分については、カシメ部４２および連結部５６によって、軸方向に隣接する分割コア片４４同士で互いに固定されているため、分割端面４８ｂの内周側部分では移動が規制されるが、分割端面４８ｂの外周側部分では上記のような引張り力によって分割端面４８ｂの移動が生じる。その結果、細幅のブリッジ部５４に大きな応力が発生することとなり、分割コア片４４によって構成される回転子鉄心２６の強度低下が懸念される。他方、上述したように漏れ磁束低減によるトルク発生効率の向上の観点から、ブリッジ部５４の幅はできるだけ狭くしたい要求がある。

そこで、本実施形態の回転子鉄心２６では、磁石挿入穴３５における磁石位置決め部として機能する突片を変形させることによって、永久磁石３４の温度変化による周方向の伸長を吸収し、これにより分割コア片４４への伸長力の伝達を抑制することとしている。次に、図６を参照して、本実施形態における磁石位置決め用突片６０について説明する。

図６は、磁石挿入穴３５の周方向端部に形成された磁石位置決め用突片６０を拡大して示す図である。図６に示すように、本実施形態の回転子鉄心２６では、磁石挿入穴３５の周方向外側の端部の内周縁に、磁石位置決め用の突片６０が一体に形成されている。突片６０は、例えば、磁石挿入穴３５のポケット部５２における径方向内側の内周縁から突出する細い突出部として形成されており、その先端部が永久磁石３４の周方向端部の内径側の側面または角部に当接している。

このような突片６０を設けられていることで、永久磁石３４は磁石挿入穴３５内において周方向位置が決められる。また、永久磁石３４が上記のような温度変化によって周方向に伸長したとき、この伸長に応じて突片６０は、図６中の下図に示すように矢印方向に揺動するように変形して、永久磁石３４の伸長を吸収することができる。したがって、永久磁石３４の温度変化による伸長が分割コア片４４に対して引っ張り力として伝達されるのを低減することができ、その結果、細幅のブリッジ部５４における引張り応力を抑制することができる。よって、分割コア片４４がヒンジ部４０を介して環状につらなって構成される回転子鉄心２６において、ブリッジ部５４の幅をできるだけ狭くしながら強度を確保することができ、漏れ磁束低減によるトルク発生効率の向上に寄与することができる。

ここで、上記においては、磁石位置決め用の突片６０を磁石挿入穴３５の径方向内側の内周縁から突出して形成するとしたが、これに限定されるものではなく、図７に示すように、磁石挿入穴３５において永久磁石３４の周方向側面が対向する内周縁から突片６０を突出させて形成してもよい。

また、磁石位置決め用の突片６０の形状は、細く真っ直ぐに突出するものに限定されるものではなく、折れ曲った形状であってもよいし、湾曲して突出した形状であってもよい。

さらに、磁石位置決め用の突片６０の数は、２つ以上設けられてもよく、例えば図６中の下図に示す突片６０と図７に示す突片６０とを併設してもよい。

さらにまた、磁石位置決め用の突片は、片持ち形状の突起部に限定されるものではなく、永久磁石の熱的伸長を変形によって吸収可能であれば、両持ち形状の突起部として形成されてもよい。

なお、本発明に係る回転電機の回転子鉄心は、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回転子鉄心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をヒンジ部で曲げながら螺旋状に巻回して回転子鉄心を構成してもよい。

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に相当する磁石挿入穴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挿入穴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挿入穴を含むように形成されてもよい。

１０回転電機、１２固定子鉄心、１４コイル、１６固定子、１８回転子、２４シャフト穴、２６回転子鉄心、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磁石挿入穴、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、５４ブリッジ部、５６連結部、５８突起部、６０突片、Ｔティース。

Claims

磁性板材によって一体に形成され互いにヒンジ部でつながった複数の分割コア片を、前記ヒンジ部で曲げて環状に成形して積層することにより構成される回転電機の回転子鉄心であって、
前記各分割コア片には永久磁石が挿入配置される磁石挿入穴が形成され、前記磁石挿入穴の周方向端部の内周縁には前記磁石挿入穴内に配置される永久磁石の周方向端部に当接することにより該永久磁石を位置決めする突片が一体に形成されており、
前記突片は、前記永久磁石の温度変化による周方向長さの伸長を吸収して変形可能である、
回転電機の回転子鉄心。