JP2014045602A - Ｉｐｍモータ用ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】コアブロックのキーとの接触部に発生する応力およびこの応力による磁気歪みを低減することで、磁気歪による損失を低減することができるＩＰＭモータ用ロータを提供すること。
【解決手段】ロータ１０は、ロータシャフト３０の外周面にキー溝３０ｋが形成されるとともにコアブロックの内周面にキー溝が形成され、キー溝３０ｋにキー５０が挿入され、キー５０のコアブロックとの接触面を凹凸形状としたものから構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ロータコアが軸線方向で複数のコアブロックに分割されたＩＰＭモータ用ロータに関する。

ブラシレスＤＣモータをはじめとする各種のモータの中で、ロータコア内部に複数の永久磁石が埋め込まれてなる永久磁石埋め込み型のロータを具備するモータ（以下、ＩＰＭモータという）は、高トルクかつ高効率であるため、高出力性能が要求されるハイブリット自動車や電気自動車用の駆動用モータとして使用されている。

この種のＩＰＭモータ用ロータとしては、ＮＶすなわちノイズや振動を低減するため、ロータコアを構成する複数のコアブロックとシャフトとのキーによる固定部位を、周方向に所定角度だけそれぞれずらすようにしたスキュー配置とすることにより、コギングトルクと呼ばれるトルク脈動を低減するようにした技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１６６９５１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、コアブロックがキー溝においてキーと面接触している部位では、キーから受ける圧力によって応力が発生し、この応力によって発生する磁気歪によって損失（鉄損）が発生してしまうという問題があった。

本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、コアブロックのキーとの接触部に発生する応力およびこの応力による磁気歪みを低減することで、磁気歪による損失を低減することができるＩＰＭモータ用ロータを提供することを目的とする。

本発明に係るＩＰＭモータ用ロータは、上記目的達成のため、（１）ロータシャフトと、前記ロータシャフトに挿通される複数の円環状のコアブロックからなるロータコアとを備え、前記複数のコアブロックを、前記ロータシャフトとの固定部位をその周方向にそれぞれ所定角度ずらしてスキュー配置したＩＰＭモータ用ロータにおいて、前記ロータシャフトの外周面および前記コアブロックの内周面にキー溝が形成されるとともに、前記キー溝にキーが挿入され、前記キーの前記コアブロックとの接触面を凹凸形状としたものから構成されている。

この構成により、コアブロックではキーの凸部との接触部位でのみ応力が発生することになるため、キーと全面で接触する場合より応力の発生部位の面積を減少することができる。このため、応力に起因する磁気歪の面積を減少することができるので、磁気歪による損失を低減することができる。

したがって、コアブロックのキーとの接触部に発生する応力およびこの応力による磁気歪みを低減することで、磁気歪による損失を低減することができるＩＰＭモータ用ロータを提供することができる。

上記（１）に記載のＩＰＭモータ用ロータにおいては、（２）前記キーが、前記コアブロックのキー溝の接触面に対して傾斜するテーパ部を備えることが好ましい。

この構成により、キーのテーパ部の上端部のみがコアブロックと接触するため、コアブロックでの応力の発生部位の面積を一層減少することができる。また、キーのテーパ部の上端部がコアブロックに食い込むため、コアブロックとロータシャフトとの結合強度を増加することができる。

本発明によれば、コアブロックのキーとの接触部に発生する応力およびこの応力による磁気歪みを低減することで、磁気歪による損失を低減することができるＩＰＭモータ用ロータを提供することができる。

本発明の一実施の形態に係るＩＰＭモータ用ロータの側面図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 本発明の一実施の形態に係るＩＰＭモータ用ロータのシャフトの側面図である。 図３のＢ−Ｂ矢視断面図である。 本発明の一実施の形態に係るＩＰＭモータ用ロータのキーとコアブロックの接触面を説明する拡大断面図である。 本発明の一実施の形態に係るＩＰＭモータ用ロータのキーの斜視図である。 本発明の一実施の形態に係るＩＰＭモータ用ロータのコアブロックにおける応力および磁気歪の発生部位を示す図である。

以下、本発明に係るＩＰＭモータ用ロータの実施の形態について、図面を用いて説明する。

図１〜図７は、本発明に係るＩＰＭモータ用ロータの一実施の形態を示す図である。

まず、構成を説明する。図１において、ロータ１０は、ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ：永久磁石埋め込み型）モータ用のロータとして構成されており、ロータシャフト３０と、ロータシャフト３０に挿通されたロータコア２０と、ロータコア２０の両端に設けられるエンドプレート４１、４２とを備えている。このロータ１０は、電磁鋼板が積層されてなる不図示のステータの内側に配置される。

ロータコア２０は、軸線方向に並んで配置された複数（本実施の形態では３つ）の円環状のコアブロック２１、２２、２３から構成されている。換言すると、本実施のロータコア２０は、軸線方向に分割されて構成されている。

各コアブロック２１、２２、２３は、プレス加工で形成された円環状の電磁鋼板を複数積層してこれらをかしめ等により固定することでその形状を保っている。

ロータコア２０を構成する各コアブロック２１、２２、２３は、図中のハッチングで示すキー配設部２０ａ、２０ｂ、２０ｃの部位において、後述するキー５０（図２参照）によってロータシャフト３０に固定されている。キー配設部２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、本発明における固定部位を構成する。

各コアブロック２１、２２、２３には、コギングトルクと呼ばれるトルク脈動を低減するため、キー配設部２０ａ、２０ｂ、２０ｃの位置を互いに円周方向に所定角度ずらして配置するスキューが施されている。

このように構成されたロータ１０が不図示のステータの内側に配置されるとともに、ロータ１０に挿通されたロータシャフト３０がロータ１０の外部で例えば２つのベアリングギアにて回転自在に固定されることで、ＩＰＭモータが構成される。

図２を参照してロータコア２０を構成するコアブロック２１、２２、２３の内部構成を説明する。なお、コアブロック２１、２２、２３は互いに同様の構成を有しているため、以下ではコアブロック２２について説明する。

コアブロック２２の内部には、複数の永久磁石４３が周方向に並んで同心円状に埋設されている。本実施の形態では、コアブロック２２の内部には１６個の永久磁石４３が設けられている。

具体的には、コアブロック２２の内部には、隣り合う２つの永久磁石４３が平面視で略Ｖの字状になるように、複数の永久磁石４３が配設されており、略Ｖの字をなす２つの永久磁石４３が１つの磁極を形成している。このため、コアブロック２２の内部には、周方向に８極の磁極が形成されている。

永久磁石４３は、例えば、コアブロック２２内に形成された不図示の磁石用スロットに挿入され、この磁石用スロットと永久磁石４３の間に接着剤としての固定用樹脂を充填することによりコアブロック２２に固定されるようになっている。

永久磁石４３としては、ネオジムに鉄とボロンを加えた３成分系のネオジム磁石、サマリウムとコバルトとの２成分系の合金からなるサマリウムコバルト磁石、鉄酸化物粉末を主原料としたフェライト磁石、アルミニウム、ニッケル、コバルトなどを原料としたアルニコ磁石などを挙げることができる。

また、コアブロック２２の内周面にはキー溝２２ｋが形成されるとともに、ロータシャフト３０の外周面にはキー溝３０ｋが形成されている。コアブロック２２のキー溝２２ｋは、コアブロック２２を構成する電磁鋼板の積層体の内周面に直接的に形成される。これらキー溝２２ｋ、３０ｋにより成る空間にはキー５０が配置されている。

このキー５０は、各コアブロック２１、２２、２３の図１のキー配設部２０ａ、２０ｂ、２０ｃの位置にそれぞれ設けられている。キー５０は、各コアブロック２１、２２、２３の軸線方向の長さと略等しい長さを有している。
また、キー５０は、焼きバメによりロータシャフト３０および各コアブロック２１、２２、２３に固定される。なお、ロータシャフト３０および各コアブロック２１、２２、２３へのキー５０の固定は、焼きバメに限らず、締りバメ等であってもよい。

なお、ロータ１０および不図示のステータはともに、電磁鋼板を積層した構成以外にも、鉄、鉄−シリコン系合金、鉄−窒素系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−炭素系合金、鉄−ホウ素系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−リン系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金および鉄−アルミニウム−シリコン系合金などの軟磁性金属粉末、もしくは軟磁性金属酸化物粉末がシリコン樹脂等の樹脂バインダーで被覆された磁性粉末などからなる圧粉磁心にて成形されるものであってもよい。

次に、キー５０の詳細な構成について説明する。図３、図４に示すように、ロータシャフト３０には、キー溝３０ｋが、周方向に所定角度ずらして軸線方向に複数形成されている。各キー溝３０ｋにはキー５０が配置される。

図５、図６に示すように、キー５０は、略四角柱状に形成されており、概ね上側半分の部位は、コアブロック２２に形成されたキー溝２２ｋ内に嵌入されるコアブロック嵌入部５０ａを構成し、概ね下側半分の部位が、ロータシャフト３０に形成されたキー溝３０ｋ内に嵌入されるシャフト嵌入部５０ｂを構成している。

キー５０のコアブロック嵌入部５０ａは、倒立した台形形状の断面を有しており、上面の幅をｔ１とし、シャフト嵌入部５０ｂに連続する下部の幅をｔ２とするとｔ１＞ｔ２の関係を有している。

コアブロック嵌入部５０ａの側面は、コアブロック２２のキー溝２２ｋの接触面、すなわち側面部分に対して側面視で傾斜するテーパ面となっている。コアブロック嵌入部５０ａは、本発明におけるテーパ部を構成している。一方、キー５０のシャフト嵌入部５０ｂは、矩形形状の断面を有しており、全体的にｔ２の幅を有している。

また、図３、図６に示すように、コアブロック嵌入部５０ａの側面であるテーパ面には、平面視で凸部５０ｃを有する波形状の凹凸が形成されている。キー５０は、コアブロック嵌入部５０ａの凸部５０ｃにおいてコアブロック２２のキー溝２２ｋの側面に接触するようになっている。

本実施の形態では、コアブロック嵌入部５０ａの側面がテーパ面となっているため、コアブロック嵌入部５０ａの凸部５０ｃが、コアブロック嵌入部５０ａの上面の端部において、コアブロック２２のキー溝２２ｋの側面に接触して食い込むようになっている。

このように、凸部５０ｃの上面の端部がコアブロック２２のキー溝２２ｋの側面に接触して食い込むことにより、コアブロック２２においてキー５０との接触による応力の発生部位の面積が減少するとともに、コアブロック２２とロータシャフト３０との結合強度が増加するようになっている。

なお、コアブロック嵌入部５０ａのテーパ面に形成される凹凸形状は、図３、図６に例示するような正弦波の波形状だけでなく、方形波の波形状、三角波の並形状、または波形状以外の凹凸形状であってもよい。

キー５０は、例えば、ボルト等の製作に用いられる冷間鍛造により製作することができ、研磨や切削等の加工工程が不要であるため、従来のように一般的な直方体の形状のものと同様に、特殊な寸法管理を不要とし、管理費に負担をかけることなく容易に製作することができる。

ここで、キー５０の組み付け手順について説明する。まず、温めたロータシャフト３０の一番奥のキー溝３０ｋ（例えば、図３の左端のキー５０に対応するキー溝３０ｋ）に、冷やしたキー５０を挿入し、温めたコアブロック２３を挿入する。ついで、このキー５０に熱を加えてキー５０を膨張させることで、焼きバメして固定する。

ついで、ロータシャフト３０の奥から二番目のキー溝３０ｋ（例えば、図３の中間のキー５０に対応するキー溝３０ｋ）に、冷やしたキー５０を挿入するとともに、温めたコアブロック２２を挿入し、このキー５０に熱を加えてキー５０を膨張させることで、焼きバメして固定する。

最後に、ロータシャフト３０の一番手前のキー溝３０ｋ（例えば、図３の右端のキー５０に対応するキー溝３０ｋ）に、冷やしたキー５０を挿入するとともに、温めたコアブロック２１を挿入し、このキー５０に熱を加えてキー５０を膨張させることで、焼きバメして固定する。

なお、ロータコア２０が３つを超える数のコアブロックを備えている場合であっても、上記のように、温めたロータシャフト３０のキー溝３０ｋに冷やしたキー５０を挿入するとともに温めたコアブロック２１、２２、２３の何れかを挿入してキー５０に熱を加えて焼きバメするという工程を繰り返すことによりキー５０の組み付けを行うことができる。

なお、キー５０の組み付けの完了後は、エンドプレート４１、４２の内周部をロータシャフト３０の外周部にカシメ加工で固定する。

次に、作用を説明する。図７に示すように、キー５０は、凸部５０ｃにおいてコアブロック２２のキー溝２２ｋの側面に接触する。このため、コアブロック２２では、キー溝２２ｋの側面の全体ではなく、キー５０の凸部５０ｃが接触している部位のみにおいて応力およびこの応力に起因する磁気歪が発生する。なお、コアブロック２２に発生するこの応力の種類は残留応力である。

したがって、コアブロック２２のキー溝２２ｋの内部では、キー５０の凸部５０ｃが接触して応力が発生している部位のみにおいて磁気歪が発生するので、コアブロック２２のキー溝２２ｋの側面全体にキー５０が接触する場合と比較して、応力が発生する面積が減少し、磁気歪が減少する。また、磁気歪の減少により損失が減少する。

このように本実施の形態のロータ１０は、ロータシャフト３０の外周面およびコアブロック２２の内周面にキー溝３０ｋ、２２ｋが形成されるとともに、キー溝３０ｋ、２２ｋにキー５０が挿入され、キー５０のコアブロック２２との接触面を凹凸形状としたものから構成されている。

この構成により、コアブロック２２のキー溝２２ｋではキー５０の凸部５０ｃとの接触部位でのみ応力が発生することになるため、キー５０と全面で接触する場合より応力の発生部位の面積を減少することができる。このため、応力に起因する磁気歪の面積を減少することができるので、磁気歪による損失を低減することができる。

また、本実施の形態のロータ１０は、キー５０が、コアブロック２２のキー溝２２ｋの接触面に対して傾斜するテーパ部としてのコアブロック嵌入部５０ａを備えたものから構成されている。

この構成により、キー５０のコアブロック嵌入部５０ａの上端部のみがコアブロック２２と接触するため、コアブロック２２での応力の発生部位の面積を一層減少することができる。また、キー５０のコアブロック嵌入部５０ａの上端部がコアブロック２２に食い込むため、コアブロック２２とロータシャフト３０との結合強度を増加することができる。

以上のように、本発明に係るＩＰＭモータ用ロータは、コアブロックのキーとの接触部に発生する応力およびこの応力による磁気歪みを低減することで、磁気歪による損失を低減することができるという効果を奏するものであり、ロータコアが軸線方向で複数のコアブロックに分割されたＩＰＭモータ用ロータ等として有用である。

１０・・・ロータ（ＩＰＭモータ用ロータ）、２０…ロータコア、２１,２２,２３…コアブロック、２０ａ,２０ｂ,２０ｃ…キー配設部（固定部位）、２２ｋ,３０ｋ…キー溝、３０…ロータシャフト、４１,４２…エンドプレート、４３…永久磁石、５０…キー、５０ａ…コアブロック嵌入部（テーパ部）、５０ｂ…シャフト嵌入部、５０ｃ…凸部

Claims (2)

1. ロータシャフトと、前記ロータシャフトに挿通される複数の円環状のコアブロックからなるロータコアとを備え、前記複数のコアブロックを、前記ロータシャフトとの固定部位をその周方向にそれぞれ所定角度ずらしてスキュー配置したＩＰＭモータ用ロータにおいて、
   前記ロータシャフトの外周面および前記コアブロックの内周面にキー溝が形成されるとともに、前記キー溝にキーが挿入され、
   前記キーの前記コアブロックとの接触面を凹凸形状としたことを特徴とするＩＰＭモータ用ロータ。
2. 前記キーが、前記コアブロックのキー溝の接触面に対して傾斜するテーパ部を備えたことを特徴とする請求項１に記載のＩＰＭモータ用ロータ。

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