JP2014003841A - 回転子およびそれを用いた回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 カバーによる永久磁石の保持力を確保可能であり、永久磁石の破損を防止可能であり、カバーの圧入荷重を低減可能な回転子を提供する。
【解決手段】 回転子３０は、固定子コア３２の突出部３４の第１径外面３５の中央部３７がカバー５０に当接し、第１径外面３５の端部３８がカバー５０に対し径内方向へ離間している。そのため、永久磁石４０の第２径外面４１の全面をカバー５０に確実に接触させることができ、カバー５０による永久磁石４０の保持力を確保可能である。また、永久磁石４０とカバー５０とが局所的に接触することに起因して永久磁石４０に作用する圧縮応力が大きくなることを回避し、永久磁石４０の破損を防止可能である。また、カバー５０圧入時の摩擦抵抗を小さくし、圧入荷重Ｌを低減可能である。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転子およびそれを用いた回転電機に関する。

例えば希土類磁石などの永久磁石は、エネルギー密度が高く、電動機の小型化には欠かせない材料である一方で、資源の偏在性より調達リスクが高い。そのため、従来、永久磁石の使用量を極力抑える機器設計がなされている。特許文献１に開示された回転子のうち回転軸心方向の中間部は、回転子コアのボス部から径外方向に突き出す複数の突出部と、各突出部間に位置する永久磁石とからなるコンシクエントポール型構造であり、永久磁石の使用量が抑えられている。永久磁石は、径外方向に圧入された円筒状のカバーにより保持され、遠心力による飛散が防止されている。

特開平２０１０−２５９３０４号公報

特許文献１に開示された回転子では、永久磁石の径外面の曲率半径および中心と突出部の径外面の曲率半径および中心とが一致するように設計されている。そのため、物の出来栄えによっては、突出部とカバーとが全面で接触する代わりに、永久磁石とカバーとの接触が不十分となる場合があり、永久磁石の保持力を十分に確保することができない。さらに、永久磁石とカバーとの接触面積が小さいことに起因して、永久磁石に作用する圧縮応力が大きくなり、永久磁石が破損する恐れがある。

また、物の出来栄えによってカバーが突出部と永久磁石とに全面で接触する場合には、カバーを突出部および永久磁石に圧入するときの摩擦抵抗が大きくなり、圧入荷重が過大となる。特に、回転子コアが複数の鋼板の積層構造である場合、カバーの内面に接触する突出部の径外面がプレス破断面であるため、そのプレス破断面のバリやダレなどの影響で圧入時の摩擦抵抗が一様ではなく、圧入荷重が一層過大となる。このように圧入荷重が過大であると、圧入設備の大型化が必要となるため製造コストが高くなる問題、および、カバーが圧入過程で座屈するという問題が生じる。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、カバーによる永久磁石の保持力を確保可能であり、永久磁石の破損を防止可能であり、永久磁石および突出部へのカバーの圧入荷重を低減可能な回転子およびそれを用いた回転電機を提供することである。

本発明は、回転子コアの突出部と永久磁石とが周方向で交互に配置され、突出部の第１径外面と永久磁石の第２径外面とにカバーが嵌合している回転子であって、第１径外面の周方向の中央部がカバーの内面に当接するとともに、第１径外面の周方向の端部がカバーの内面に対し径内方向へ離間していることを特徴する。

したがって、第１径外面の端部に隣接する永久磁石の第２径外面の略全面をカバーに確実に接触させることができる。また、突出部の周方向の両端部がカバーから離間していることから、永久磁石の周方向の端面とカバーとがなす角度が小さくなり、カバーが永久磁石を回転軸心側に押圧する力を大きくすることができる。そのため、カバーによる永久磁石の保持力を確保可能である。

また、永久磁石とカバーとが局所的に接触することに起因して永久磁石に作用する圧縮応力が大きくなることを回避し、永久磁石の破損を防止可能である。
また、突出部の周方向の両端部がカバーから離間しているため、カバー圧入時の摩擦抵抗を小さくし、圧入荷重を低減可能である。
本明細書において、「径外方向」および「径内方向」は、回転子の回転軸心を基準とする径方向の外側および内側という意味である。

本発明の第１実施形態による回転子が適用されたモータの概略構成を説明する模式図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面を示す模式図である。 図２の回転子の一部を切り欠いて示す断面図である。 図３の矢印ＩＶ部の拡大図である。 図４の矢印Ｖ部の拡大図である。 実験により導かれた面積接触率と圧入荷重との関係を示す図である。 実験により導かれた面積接触率と駆動トルクとの関係を示す図である。 本発明の第２実施形態による回転子の一部を切り欠いて示す断面図である。 本発明の第３実施形態による回転子の一部を切り欠いて示す断面図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による回転子は、図１および図２に示すモータに適用されている。モータ１は、３相ブラシレスモータであり、ケース１０、固定子２０および回転子３０を備えている。

ケース１０は、筒部１１、筒部１１の一端を塞ぐ第１側部１２、および、筒部１１の他端を塞ぐ第２側部１４から構成されている。第１側部１２の中央の通孔１３には軸受１６が取り付けられ、第２側部１４の中央の通孔１５には軸受１７が取り付けられている。

固定子２０は、ケース１０の筒部１１の径内方向に位置する固定子コア２１、および、固定子コア２１に巻回されている複数のコイル２２〜２７から構成されている。
固定子コア２１は、ケース１０の筒部１１の内面に例えば圧入により固定されているリング部２８と、リング部２８から径内方向に突き出す複数のティース部２９とから一体に形成されている。本実施形態では、ティース部２９は１２個設けられ、各ティース部２９は周方向において３０°間隔で配置されている。

コイル２２〜２７は、固定子コア２１のティース部２９に巻回されている導線からなる。Ｕ１コイル２２、Ｕ２コイル２３、Ｖ１コイル２４、Ｖ２コイル２５、Ｗ１コイル２６およびＷ２コイル２７がこの順に時計回りに配置されてなるコイル群が２群、回転軸心φに対して点対称に配置されている。

回転子３０は、コンシクエントポール型であり、回転軸３１、回転子コア３２、永久磁石４０およびカバー５０から構成されている。
回転軸３１は、軸受１６、１７により回転可能に支持されている。
回転子コア３２は、軟磁性材からなり、回転軸３１に例えば圧入により固定されているボス部３３、および、ボス部３３から径外方向に突き出し、周方向で互いに離間している軟磁性極としての複数の突出部３４を有している。本実施形態では、回転子３０は、回転軸心φ方向に積層された複数の鋼板からなる。

磁石極としての永久磁石４０は、各突出部３４間に１個ずつ設けられている。回転子コア３２のボス部３３は、永久磁石４０の発する磁束を伝達するヨークとして機能する。
カバー５０は、突出部３４および永久磁石４０に嵌合している薄肉の筒状部材である。カバー５０は、圧入により回転子コア３２に固定されている。本実施形態では、カバー５０は、非磁性材料の例えばＳＵＳ３０４などから構成されている。

以上のように構成されたモータ１では、各コイル２２〜２７は、インバータ、制御装置およびバッテリ等から構成される図示しない電力変換装置に接続され、Ｕ１コイル２２、Ｖ１コイル２４およびＷ１コイル２６への通電が切り替えられるとともに、Ｕ２コイル２３、Ｖ２コイル２５およびＷ２コイル２７への通電が切り替えられることにより、周方向に回転する磁界を発生させる。この磁界に応じて回転子３０は回転する。

次に、本実施形態の特徴である回転子３０の詳細な構成を図２〜図７に基づき説明する。
回転子コア３２の突出部３４は、回転軸心φに垂直な断面で径外方向に位置する第１径外面３５が円弧状であり、第１径外面３５の周方向の中央部３７が端部３８よりも径外方向に位置している。永久磁石４０は、回転軸心φに垂直な断面で径外方向に位置する第２径外面４１が円弧状である。

突出部３４の第１径外面３５は、中央部３７がカバー５０の内面５１に当接するとともに、端部３８がカバー５０の内面５１に対し径内方向へ離間している。具体的には、第１径外面３５の曲率半径ｒ１は、第２径外面４１の曲率半径ｒ２よりも小さく、第１径外面３５の曲率中心ａ１は、第２径外面４１の曲率中心ａ２よりも回転軸心φから離間している。また、第１径外面３５のうち周方向の端に位置する第１端３６から回転軸心φまでの距離を第１距離Ｄ１とし、第２径外面４１のうち周方向の端に位置する第２端４２から回転軸心までの距離を第２距離Ｄ２とすると、第１距離Ｄ１は第２距離Ｄ２よりも小さい。また、中央部３７は、周方向で隣接する第２端４２同士を結んだ仮想直線に対し径外方向に位置している。

ここで、第１径外面３５の面積に対する、第１径外面３５とカバー５０との接触面積の割合を「面積接触率Ｒ」とし、カバー５０を永久磁石４０および突出部３４に圧入するときの荷重を「圧入荷重Ｌ」とする。実験により導かれた面積接触率Ｒと圧入荷重Ｌとの関係を示す図５のように、面積接触率Ｒの低下に対する圧入荷重Ｌの低減の割合は、面積接触率Ｒが８０％以下であるとき大きくなる。
また、モータ１の駆動時に回転子３０に作用するトルクを「駆動トルクＴ」とする。実験により導かれた面積接触率Ｒと駆動トルクＴとの関係を示す図６のように、面積接触率Ｒの上昇に対する駆動トルクＴの増加の割合は、面積接触率Ｒが５０％以上であるとき大きくなる。
本実施形態では、上記に鑑み、回転子コア３２の突出部３４は、面積接触率Ｒが例えば６５％となるように形成されている。

永久磁石４０は、第２径外面４１とは反対側の径内面４３が径方向に直交する平面であり、周方向の中央部４５から第２端４２側に向かうに従って径方向の厚みが小さくなっている。また、永久磁石４０の周方向の幅は、突出部３４の周方向の幅と同じである。また、各永久磁石４０は、同一の極性であるＮ極が径外方向に位置するように設けられている。なお、図に示す「Ｎ」は、永久磁石４０の径外方向に位置する磁極がＮ極であることを示している。また、カバー５０の肉厚は、回転子コア３２を構成する鋼板の板厚以下である。また、カバー５０は、第１径外面３５との周方向当接幅が第２径外面４１との周方向当接幅よりも小さい。

以上説明したように、第１実施形態による回転子３０では、突出部３４の第１径外面３５の中央部３７はカバー５０の内面５１に当接し、第１径外面３５の端部３８はカバー５０の内面５１に対し径内方向へ離間している。
したがって、第１径外面３５の端部３８に隣接する永久磁石４０の第２径外面４１の全面をカバー５０に確実に接触させることができる。また、突出部３４の周方向の両端部３８がカバー５０から離間していることから、永久磁石４０の周方向の端面４４とカバー５０とがなす角度θ（図５参照）が小さくなり、カバー５０が永久磁石４０を回転軸心φ側に押圧する力を大きくすることができる。そのため、カバー５０による永久磁石４０の保持力を確保可能である。

また、永久磁石４０とカバー５０とが局所的に接触することに起因して永久磁石４０に作用する圧縮応力が大きくなることを回避し、永久磁石４０の破損を防止可能である。
また、突出部３４の周方向の両端部３８がカバー５０から離間しているため、カバー５０圧入時の摩擦抵抗を小さくし、圧入荷重Ｌを低減可能である。

また、第１実施形態では、回転子コア３２の突出部３４は、面積接触率Ｒが６５％となるように形成されている。面積接触率Ｒが８０％よりも大きくなると圧入荷重Ｌの低減効果が薄れることから、面積接触率Ｒを６５％とすることで圧入荷重Ｌの低減効果を十分に得ることができる。
また、面積接触率Ｒが小さくなるということは、突出部３４の第１径外面３５が固定子２０のティース部２９の径内面から遠ざかることを意味しており、固定子２０への有効鎖交磁束が減少してしまうことが懸念される。これに対し、第１実施形態では、面積接触率Ｒを５０％以上の６５％とすることで、固定子２０との空隙長の拡大を抑え、駆動トルクＴの低下を抑制することができる。
ここで、軟磁性材は磁石材に比べて飽和磁束密度が高く、磁気抵抗が小さい。そのため、カバー５０との隙間を確保することにより固定子２０との空隙長が部分的に大きくなる結果、固定子２０への有効鎖交磁束が減少することは、駆動トルクＴの低下に影響しにくい。

また、第１実施形態では、突出部３４の第１径外面３５は、回転軸心φに垂直な断面の形状が円弧状である。このように構成することで、第１径外面３５の周方向の中央部３７をカバー５０の内面５１に当接させるとともに、第１径外面３５の周方向の端部３８をカバー５０の内面５１に対し径内方向へ離間させることができる。

また、第１実施形態では、突出部３４の第１径外面３５の曲率半径ｒ１は、永久磁石４０の第２径外面４１の曲率半径ｒ２よりも小さく、第１径外面３５の曲率中心ａ１は、第２径外面４１の曲率中心ａ２よりも回転軸心φから離間している。
したがって、各磁極の径外面と固定子２０のティース部２９の径内面との空隙長を周方向でほぼ等しく設定することができ、駆動トルクＴの低下を抑制することができる。

また、第１実施形態では、永久磁石４０は、第２径外面４１とは反対側の径内面４３が径方向に直交する平面であり、周方向の中央部４５から端４２側に向かうに従って径方向の厚みが小さくなっている。
したがって、突出部３４のボス部３３とカバー５０とで区画形成される空間、即ち永久磁石４０の収容空間が回転方向に対してクサビ効果を生むので、永久磁石４０の周方向のズレを抑制することができる。

また、第１実施形態では、永久磁石４０の周方向の幅は、突出部３４の周方向の幅と同じである。また、各永久磁石４０は、同一の極性が径外方向に位置するように設けられている。
したがって、永久磁石４０の使用量を低減することができる。

また、第１実施形態では、回転子コア３２は、回転軸心φ方向に積層された複数の鋼板から構成され、カバー５０の肉厚は、回転子コア３２を構成する鋼板の板厚以下である。
したがって、カバー５０が各磁極の径外面に沿って容易に変形するため、圧入荷重Ｌを一層低減することができる。

また、第１実施形態では、カバー５０は、第１径外面３５との周方向当接幅が第２径外面４１との周方向当接幅よりも小さい。
したがって、カバー５０の圧入が容易であり、永久磁石４０の固定も確実なものとなる。

また、第１実施形態では、回転子３０をモータ１に適用している。その結果、回転子３０の永久磁石４０の保持力とモータ１の基本特性とを維持しながらカバー５０の圧入荷重Ｌを低減し、永久磁石４０に作用する応力も低減することができる安価で簡便なモータ１を得ることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による回転子を図８に基づき説明する。
回転子６０において、回転子コア６１の突出部６２の第１径外面６３のうち周方向の端部６４は、中央部６５から端６６に向かうに従って径内方向に傾斜している。また、第１径外面６３の端６６から回転軸心φまでの第１距離Ｄ１は、第２径外面４１の端４２から回転軸心φまでの第２距離Ｄ２よりも小さく設定されている。また、中央部６５は、周方向で隣接する第２端４２同士を結んだ仮想直線に対し径外方向に位置している。以上により、第１径外面６３の中央部６５はカバー５０の内面５１に当接するとともに、第１径外面６３の端部６４はカバー５０の内面５１に対し径内方向へ離間している。
第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による回転子を図９に基づき説明する。
回転子７０において、回転子コア７１の突出部７２の第１径外面７３のうち周方向の端部７４は、周方向の中央部７５よりも段階的に径内方向に引っ込んでいる。また、第１径外面７３の端７６から回転軸心φまでの第１距離Ｄ１は、第２径外面４１の端４２から回転軸心φまでの第２距離Ｄ２よりも小さく設定されている。また、中央部７５は、周方向で隣接する第２端４２同士を結んだ仮想直線に対し径外方向に位置している。以上により、第１径外面７３の中央部７５はカバー５０の内面５１に当接するとともに、第１径外面７３の端部７４はカバー５０の内面５１に対し径内方向へ離間している。
第３実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（他の実施形態）
本発明の他の実施形態では、回転子コアは、鋼板を積層して作られなくてもよく、例えば磁性粉体を圧縮成形して作られてもよい。
本発明の他の実施形態では、回転子コアの突出部の第１径外面の面積に対する、第１径外面とカバーとの接触面積の割合は、６５％以外であってもよい。上記割合は、５０％以上であり且つ８０％以下に設定されると、カバーの圧入荷重の低減効果が大きく、また駆動トルクの低下を抑制可能である。
本発明は、軸方向の一部がコンシクエントポール型構造である回転子にも適用可能である。

前述の実施形態では、永久磁石４０の第２端４２は、面取りが施されていないものの角であった。これに対し、本発明の他の実施形態では、永久磁石の第２端は、面取りが施されたものの角であってもよい。この場合、面取りの形状によっては、面取り部にカバーが当接しない場合もある。
本発明の他の実施形態では、回転子の極数は、１０個以外であってよい。
本発明の他の実施形態では、固定子のコイル数は、１２個以外であってもよい。また、固定子の個々のティース部は、別部材から構成してもよい。
本発明の他の実施形態では、回転子は、発電機などの他の回転電機に適用されてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

３０、６０、７０・・・回転子
３１・・・回転軸
３２、６１、７１・・・回転子コア
３３・・・ボス部
３４、６２、７２・・・突出部
３５、６３、７３・・・第１径外面
３６、６６、７６・・・第１端
３７、６５、７５・・・中央部
３８、６４、７４・・・端部
４０・・・永久磁石
４１・・・第２径外面
４２・・・第２端
５０・・・カバー

Claims (10)

1. 回転軸（３１）と、
   前記回転軸に固定されているボス部（３３）、および、前記ボス部から径外方向に突き出し、回転軸心（φ）に垂直な断面で径外方向に位置する第１径外面（３５、６３、７３）のうち周方向の中央部（３７、６５、７５）が端部（３８、６４、７４）よりも径外方向に位置し、周方向で互いに離間している軟磁性極としての複数の突出部（３４、６２、７２）、を有する回転子コア（３２、６１、７１）と、
   各前記突出部間に設けられ、回転軸心に垂直な断面で径外方向に位置する第２径外面（４１）が円弧状である磁石極としての永久磁石（４０）と、
   前記第１径外面および前記第２径外面に嵌合している筒状のカバー（５０）と、
   を備え、
   前記回転子コアの前記突出部は、前記第１径外面のうち周方向の中央部が前記カバーの内面（５１）に当接するとともに、周方向の端部が前記内面に対し径内方向へ離間していることを特徴とする回転子（３０、６０、７０）。
2. 前記第１径外面の面積に対する、前記第１径外面と前記カバーとの接触面積の割合（Ｒ）は、５０％以上であり且つ８０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の回転子（３０、６０、７０）。
3. 前記第１径外面は、回転軸心に垂直な断面の形状が円弧状であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転子（３０）。
4. 前記第１径外面の曲率半径（ｒ１）は、前記第２径外面の曲率半径（ｒ２）よりも小さく、
   前記第１径外面の曲率中心（ａ１）は、前記第２径外面の曲率中心（ａ２）よりも回転軸心から離間していることを特徴とする請求項３に記載の回転子（３０）。
5. 前記永久磁石は、周方向の中央部から前記第２端側に向かうに従って径方向の厚みが小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転子（３０、６０、７０）。
6. 前記永久磁石の周方向の幅は、前記突出部の周方向の幅以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転子（３０、６０、７０）。
7. 各前記永久磁石は、同一の極性が径外方向に位置するように設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の回転子（３０、６０、７０）。
8. 前記回転子コアは、回転軸心方向に積層された複数の鋼板から構成され、
   前記カバーの肉厚は、前記回転子コアを構成する鋼板の板厚以下であること特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の回転子（３０、６０、７０）。
9. 前記カバーは、前記第１径外面との周方向当接幅が前記第２径外面との周方向当接幅よりも小さいことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の回転子（３０、６０、７０）。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の回転子（３０、６０、７０）と、
    前記回転子に対し径外方向に位置し、回転軸心まわりに回転する磁界を発生させる固定子（２０）と、
    を備えることを特徴とする回転電機（１）。

Images