JP2014060836A

JP2014060836A - 回転電機のロータ

Info

Publication number: JP2014060836A
Application number: JP2012203247A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Takahashi; 裕樹高橋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2032-09-14
Also published as: JP5936060B2; US9312731B2; US20140077650A1

Abstract

【課題】局所的に発生する応力集中をより確実に低減し得るようにする。
【解決手段】ロータ１０は、２個で対をなし外周側に向かうにつれて対向間距離が大きくなるようにＶ字状に配置された複数対の磁石収容孔１２を有するロータコア１１と、Ｖ字状に配置された対をなす磁石収容孔１２に収容されてそれぞれ一つの磁極を形成する複数対の磁石１３と、を備える。ロータコア１１は、一対の磁石収容孔１２の間に形成された中央ブリッジ１５の外周側に磁石１３の周方向の位置決めをする突起部２０を有するとともに、磁石収容孔１２の最内周側角部１２ｃに第１フラックスバリア１６を有する。第１フラックスバリア１６は、曲率の異なる第１〜第４円弧面１６ａ〜１６ｄを含む曲面により区画され、第１〜第４円弧面１６ａ〜１６ｄのうち最小曲率の第２円弧面１６ｂがロータコア１１の中心軸線Ｏから最短距離となる位置に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド車両や電気自動車等の車両等に搭載されて電動機や発電機として用いられる回転電機のロータに関する。

従来、車両等に搭載されて使用される回転電機のロータとして、ステータと径方向に対向配置され、２個で対をなしステータ側に向かうにつれて対向間距離が大きくなるようにＶ字状に配置された複数対の磁石収容孔を有するロータコアと、Ｖ字状に配置された対をなす前記磁石収容孔に収容されてそれぞれ一つの磁極を形成する複数対の磁石と、を備えたものが知られている。

そして、特許文献１には、ロータコアの軸方向断面において、磁石の幅方向中央部においてロータコアと磁石の外周側側面との間に隙間が形成され、磁石の幅方向端部における記隙間は、磁石の幅方向中央部における隙間よりも幅が広い部分を有するロータが開示されている。この特許文献１によれば、ロータコアに局部的に過大な応力が生じることを抑制することが可能とされている。

特開２００６−３１１７３０号公報

ところで、上記特許文献１においては、磁石とｑ軸コアを結ぶブリッジに関する強度緩和について開示されているが、磁石収容孔の最内周部に発生する応力集中には対応していない。この部分の応力集中は、コア面積の少ないロータのときに起こる応力であり、ロータ内部にギアや大径シャフトが入るタイプのモータジェネレータ等では、前述のブリッジと同等の最大応力となるため、無視できない問題である。また、特許文献１のように、磁石収容孔の最内周部に磁石の位置決め用の突起部を設けた場合には、磁石収容孔の最内周部が熱応力の最大応力発生ポイントにもなっている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、局所的に発生する応力集中をより確実に低減し得るようにした回転電機のロータを提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明は、２個で対をなし外周側に向かうにつれて対向間距離が大きくなるようにＶ字状に配置された複数対の磁石収容孔（１２）を有するロータコア（１１）と、Ｖ字状に配置された対をなす前記磁石収容孔（１２）に収容されてそれぞれ一つの磁極を形成する複数対の磁石（１３）と、を備えた回転電機のロータにおいて、前記ロータコア（１１）は、一対の前記磁石収容孔（１２）の間に形成された径方向に延びる中央ブリッジ（１５）の外周側に前記磁石（１３）の周方向の位置決めをする突起部（２０）を有するとともに、前記磁石収容孔（１２）の最内周側角部（１２ｃ）にフラックスバリア（１６）を有し、前記フラックスバリア（１６，１１６）は、曲率の異なる３以上の複数の円弧面（１６ａ〜１６ｊ）を含む面により区画され、複数の前記円弧面（１６ａ〜１６ｊ）のうち最小曲率の円弧面（１６ｂ，１６ｇ）が前記ロータコア（１１）の中心軸線（Ｏ）から最短距離となる位置に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、ロータコアは、一対の磁石収容孔の間に形成された径方向に延びる中央ブリッジの外周側に磁石の周方向の位置決めをする突起部を有するとともに、磁石収容孔の最内周側角部にフラックスバリアを有する。即ち、本発明では、従来、磁石収容孔の最内周側角部に設けられていた磁石の周方向の位置決めをする突起部が中央ブリッジの外周側に移設され、磁石収容孔の最内周側角部にはフラックスバリアが設けられている。そのため、遠心応力が発生する中央ブリッジに近い磁石収容孔の最内周側角部に磁石位置決め用の突起部がないので、中央ブリッジに発生する遠心応力に与える影響が少なくなり、中央ブリッジでの過大な応力集中を回避することができる。

また、磁石収容孔の最内周側角部に設けられたフラックスバリアは、曲率の異なる３以上の複数の円弧面を含む面により区画され、複数の円弧面のうち最小曲率の円弧面がロータコアの中心軸線から最短距離となる位置に配置されている。これにより、フラックスバリアにおいて遠心応力の集中点となるロータコアの中心軸線からの最短距離部が、中央ブリッジから遠ざけられているので、応力集中が分散され強く起こらない。

また、本発明では、熱応力の最大応力発生ポイントとなる磁石の位置決め用の突起部が中央ブリッジの外周側に移設されているため、局所的な応力集中が起きない。したがって、本発明によれば、局所的に発生する応力集中をより確実に低減することができる。

実施形態１に係るロータの１磁極部分の部分平面図である。図１の実施形態１に係るロータの１磁極部分の部分平面図である。実施形態１に係るロータのフラックスバリアの形状を示す説明図である。実施形態２に係るロータのフラックスバリアの形状を示す説明図である。

以下、本発明に係る回転電機のロータの実施形態について図面を参照して具体的に説明する。

〔実施形態１〕
本実施形態に係る回転電機のロータについて図１〜図３を参照して説明する。本実施形態のロータ１０は、例えば車両用モータとして使用される回転電機（図示せず）に搭載されるものであって、回転電機のハウジング内において、固定子（図示せず）の内周側に回転自在に収容配置される。回転電機は、ハウジングに軸受を介して両端部を回転自在に支持された回転軸（図示せず）を有し、本実施形態のロータ１０は、この回転軸の外周面に嵌合固定されている。

本実施形態のロータ１０は、図１及び図２に示すように、回転軸の外周に嵌合固定され、周方向に配列された複数の磁石収容孔１２を有するロータコア１１と、各磁石収容孔１２にそれぞれ埋設された複数の磁石（永久磁石）１３と、磁石収容孔１２と磁石１３の間に配置された空気を含む非磁性体よりなるスペーサ部材１４と、を備えている。

ロータコア１１は、中央に貫通孔１１ａを有する円環状の電磁鋼板を軸方向に複数積層して厚肉円筒状に形成されている。このロータコア１１は、回転軸の外周に貫通孔１１ａを嵌合することにより固定されている。このロータコア１１の、固定子の内周面と対向する外周面側には、軸方向に貫通する複数（本実施形態では２４個）の磁石収容孔１２が周方向に所定距離を隔てて設けられている。各磁石収容孔１２は、ロータコア１１の中心軸線Ｏと直角方向の断面形状が略長方形の異形であり、２個で対をなし外周側に向かうにつれて対向間距離が大きくなるようにＶ字状に配置された合計１２対の磁石収容孔１２が周方向に等間隔に設けられている。なお、一対の磁石収容孔１２，１２の間には、当該部位に磁束飽和を起こさせ、磁気回路の形成を阻害させるための中央ブリッジ１５が径方向に延伸するよう形成されている。

各磁石収容孔１２には、ロータコア１１の中心軸線Ｏと直角方向の断面形状が長方形の磁石（永久磁石）１３がそれぞれ埋め込まれている。本実施形態の場合、Ｖ字状に配置された一対の磁石収容孔１２，１２に収容された一対の磁石１３，１３により１つの磁極が形成されている。この場合、１２対の磁石１３，１３によって、周方向に極性が交互に異なる複数の磁極（本実施形態では１２極（Ｎ極：６、Ｓ極：６））が形成されている。なお、図１及び図２に示すように、１つの磁極を形成する一対の磁石１３，１３は、ロータコア１１の中心軸線Ｏと磁極中心とを通る中心線Ｃ１に対して線対称となる状態（外周側が開くＶ字状）に配置されている。

Ｖ字状に配置された一対の磁石収容孔１２，１２において、中央ブリッジ１５の径方向中央から外周側に寄った所には、磁石１３の周方向中央ブリッジ１５側の位置決めをする突起部２０が設けられている。この突起部２０の径方向両側の角部には、第１フラックスバリア１６及び第２フラックスバリア１７がそれぞれ設けられている。したがって、磁石収容孔１２の中心線Ｃ１側の径方向に広がる壁面１２ａは、突起部２０の突出先端面のみにより形成されている。

第１フラックスバリア１６は、中心線Ｃ１側の径方向に広がる壁面１２ａと内周側壁面１２ｂとが交わる角部（以下、「最内周側角部１２ｃ」という。）に設けられている。この第１フラックスバリア１６は、曲率の異なる３以上の複数の円弧面を含む面により区画形成されている。本実施形態の場合、図３に示すように、外周側に位置する点Ｐ１を中心とする半径Ｒ１の第１円弧面１６ａ（Ａ〜Ｂ）と、外周側に位置する点Ｐ２を中心とする最小曲率となる半径Ｒｂ１の第２円弧面１６ｂ（Ｂ〜Ｃ）と、外周側に位置する点Ｐ３を中心とする半径Ｒ３の第３円弧面１６ｃ（Ｃ〜Ｄ）と、内周側に位置する点Ｐ４を中心とする半径Ｒ４の第４円弧面１６ｄ（Ｄ〜Ｅ）とを含む。

ここで、最小曲率の第２円弧面１６ｂは、ロータコア１１の中心軸線Ｏ（図１参照）から最短距離となる位置に配置されている。これにより、第１フラックスバリア１６において、遠心応力の集中点となるロータコア１１の中心軸線Ｏからの最短距離部が、中央ブリッジ１５から遠ざけられて、応力集中が分散するようにされている。また、磁石収容孔１２の内周側壁面１２ｂと第３円弧面１６ｃの間に設けられた第４円弧面１６ｄは、第３円弧面１６ｃとは逆方向の外周側に凸となった円弧面であるため、第３円弧面１６ｃと内周側壁面１２ｂが滑らかに接続する。なお、第１フラックスバリア１６の第１円弧面１６ａの外周側は、任意の平面や曲面を介して突起部２０に到達する。

第２フラックスバリア１７は、磁極中心にて磁気短絡を起こさせるように、中心線Ｃ１に近い側の径方向に広がる壁面１２ａと外周側壁面１２ｄとが交わる角部に設けられている。第２フラックスバリア１７は、所定の周方向幅で外周側壁面１２ｄから径方向外方へ所定高さ突出するように形成されている。

また、Ｖ字状に配置された一対の磁石収容孔１２，１２において、内周側壁面１２ｂの反中央ブリッジ１５側の端部には、磁石１３の周方向反中央ブリッジ１５側の位置決めをする突起部２１が設けられている。そして、突起部２１の外周側には、第３フラックスバリア１８が設けられている。

なお、各磁石収容孔１２内に収容された磁石１３は、磁石収容孔１２の壁面と磁石１３との間の隙間、及び第１〜第３フラックスバリア１６〜１８に充填された例えばエポキシ系の樹脂よりなるスペーサ部材１４によって、磁石収容孔１２に固定保持されている。即ち、第１〜第３フラックスバリア１６〜１８には、スペーサ部材１４としての樹脂（非磁性体）が充填されている。

以上のように構成された本実施形態のロータ１０によれば、ロータコア１１は、中央ブリッジ１５の外周側に磁石１３の周方向の位置決めをする突起部２０を有するとともに、磁石収容孔１２の最内周側角部１２ｃに第１フラックスバリア１６を有する。即ち、本実施形態では、従来、磁石収容孔１２の最内周側角部１２ｃに設けられていた磁石１３の位置決め用の突起部２０が中央ブリッジ１５の外周側に移設され、磁石収容孔１２の最内周側角部１２ｃには第１フラックスバリア１６が設けられている。そのため、遠心応力が発生する中央ブリッジ１５に近い磁石収容孔１２の最内周側角部１２ｃに突起部２０がないので、中央ブリッジ１５に発生する遠心応力に与える影響が少なくなり、中央ブリッジ１５での過大な応力集中を回避することができる。

また、磁石収容孔１２の最内周側角部１２ｃに設けられた第１フラックスバリア１６は、曲率の異なる第１〜第４円弧面１６ａ〜１６ｄにより区画され、第１〜第４円弧面１６ａ〜１６ｄのうち最小曲率の第２円弧面１６ｂがロータコア１１の中心軸線Ｏから最短距離となる位置に配置されている。これにより、第１フラックスバリア１６において遠心応力の集中点となるロータコア１１の中心軸線Ｏからの最短距離部が、中央ブリッジ１５から遠ざけられているので、応力集中が分散され強く起こらない。

また、本実施形態では、熱応力の最大応力発生ポイントとなる磁石１３の位置決め用の突起部２０が中央ブリッジ１５の外周側に移設されているため、局所的な応力集中が起きない。したがって、本実施形態によれば、局所的に発生する応力集中をより確実に低減することができる。

また、本実施形態の第１フラックスバリア１６は、第１円弧面１６ａと第２円弧面１６ｂと第３円弧面１６ｃとを含む曲面により区画形成されているので、上記の効果を奏する第１フラックスバリア１６の構成を容易に実現することができる。

また、本実施形態では、第１フラックスバリア１６は、磁石収容孔１２の内周側壁面１２ｂと第３円弧面１６ｃの間に、内周側に位置する点Ｐ４を中心とする半径Ｒ４の第４円弧面１６ｄを有するため、第３円弧面１６ｃと内周側壁面１２ｂとを滑らかに接続させることができる。

また、本実施形態では、ロータコア１１は、中央ブリッジ１５に設けられた突起部２０の外周側に、磁極中心にて磁気短絡を起こさせる第２フラックスバリア１７を有する。これにより、応力発生部位が大きくなったことで、磁極間ブリッジに発生する遠心応力の応力集中が分散し、応力集中低減効果が増大される。さらに、磁束飽和も強まるため、モータとしての性能も上昇する。

〔実施形態２〕
実施形態２に係る回転電機のロータは、ロータコア１１に設けられる第１フラックスバリア１１６の形状のみが実施形態１のものと異なる。よって、実施形態１と共通する部材や構成についての詳しい説明は省略し、異なる点及び重要な点について説明する。なお、実施形態１と共通する部材については、同じ符号を用いる。

実施形態２の第１フラックスバリア１１６は、曲率の異なる６個の第１〜第６円弧面１６ｅ〜１６ｊを含む面により区画形成されている。本実施形態の場合、図４に示すように、外周側に位置する点Ｐ５を中心とする半径Ｒ５の第５円弧面１６ｅ（Ｇ〜Ｈ）と、外周側に位置する点Ｐ６を中心とする半径Ｒ６の第６円弧面１６ｆ（Ｈ〜Ｉ）と、外周側に位置する点Ｐ７を中心とする最小曲率となる半径Ｒｂ１の第７円弧面１６ｇ（Ｉ〜Ｊ）と、外周側に位置する点Ｐ８を中心とする半径Ｒ８の第４円弧面１６ｈ（Ｊ〜Ｋ）と、外周側に位置する点Ｐ９を中心とする半径Ｒ９の第５円弧面１６ｉ（Ｋ〜Ｌ）と、内周側に位置する点Ｐ１０を中心とする半径Ｒ１０の第６円弧面１６ｊ（Ｌ〜Ｍ）とを含む。

即ち、実施形態２の場合には、最小曲率の第３円弧面１６ｇの一端側（突起部２０側）に連続する曲率の異なる複数の第１及び第２円弧面１６ｅ，１６ｆを有するとともに、最小曲率の第３円弧面１６ｇの他端側（内周側壁面１２ｂ側）に連続する曲率の異なる複数の第４〜第６円弧面１６ｈ，１６ｉ，１６ｊを有する点で実施形態１と異なる。

なお、実施形態２の場合にも、第１〜第６円弧面１６ｅ〜１６ｊのうち最小曲率の第３円弧面１６ｇがロータコア１１の中心軸線Ｏから最短距離となる位置に配置されていることは実施形態１の場合と同じである。

以上のように構成された実施形態２のロータは、実施形態１のロータと同様の作用及び効果を奏する。さらに、実施形態２のロータは、曲率の異なる６個の第１〜第６円弧面１６ｅ〜１６ｊを含む面により区画形成されていることから、円弧面の曲率を多段階に変化させることができるので、応力集中をより確実に低減することができる。

〔他の実施形態〕
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することが可能である。

例えば、上記の実施形態では、本発明に係る回転電機のロータを車両用モータのロータに適用した例を説明したが、車両に搭載されて電動機や発電機として使用される回転電機のロータ、あるいは両者を選択的に使用し得る回転電機のロータにも、本発明を適用することができる。

特に、内部にギアや大径シャフトが入るタイプのロータでは、磁石収容孔の最内周側角部に局所的に発生する応力集中が顕著であるため、本発明を適用すれば、応力集中の低減効果を最大限に発揮させることができる。

１０…ロータ、１１…ロータコア、１２…磁石収容孔、１２ｂ…内周側壁面、１２ｃ…最内周側角部、１３…磁石、１５…中央ブリッジ、１６，１１６…第１フラックスバリア、１６ａ，１６ｅ…第１円弧面、１６ｂ，１６ｆ…第２円弧面、１６ｃ，１６ｇ…第３円弧面、１６ｄ，１６ｈ…第４円弧面、１６ｉ…第５円弧面、１６ｊ…第６円弧面、１７…第２フラックスバリア、１８…第３フラックスバリア、２０，２１…突起部、Ｐ１〜Ｐ１０…点。

Claims

２個で対をなし外周側に向かうにつれて対向間距離が大きくなるようにＶ字状に配置された複数対の磁石収容孔（１２）を有するロータコア（１１）と、
Ｖ字状に配置された対をなす前記磁石収容孔（１２）に収容されてそれぞれ一つの磁極を形成する複数対の磁石（１３）と、を備えた回転電機のロータにおいて、
前記ロータコア（１１）は、一対の前記磁石収容孔（１２）の間に形成された径方向に延びる中央ブリッジ（１５）の外周側に前記磁石（１３）の周方向の位置決めをする突起部（２０）を有するとともに、前記磁石収容孔（１２）の最内周側角部（１２ｃ）にフラックスバリア（１６）を有し、
前記フラックスバリア（１６，１１６）は、曲率の異なる３以上の複数の円弧面（１６ａ〜１６ｊ）を含む面により区画され、複数の前記円弧面（１６ａ〜１６ｊ）のうち最小曲率の円弧面（１６ｂ，１６ｇ）が前記ロータコア（１１）の中心軸線（Ｏ）から最短距離となる位置に配置されていることを特徴とする回転電機のロータ。
前記フラックスバリア（１６）は、外周側に位置する点（Ｐ１）を中心とする半径（Ｒ１）の第１円弧面（１６ａ）と、外周側に位置する点（Ｐ２）を中心とする最小曲率となる半径（Ｒｂ１）の第２円弧面（１６ｂ）と、外周側に位置する点（Ｐ３）を中心とする半径（Ｒ３）の第３円弧面（１６ｃ）と、を含む曲面により区画されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機のロータ。
前記フラックスバリア（１６）は、前記磁石収容孔（１２）の内周側壁面（１２ｂ）と前記第３円弧面（１６ｃ）の間に、内周側に位置する点（Ｐ４）を中心とする半径（Ｒ４）の第４円弧面（１６ｄ）を有することを特徴とする請求項２に記載の回転電機のロータ。
前記フラックスバリア（１１６）は、最小曲率の円弧面（１６ｇ）の一端側に連続する曲率の異なる複数の円弧面（１６ｅ，１６ｆ）を有するとともに、最小曲率の円弧面（１６ｇ）の他端側に連続する曲率の異なる複数の円弧面（１６ｈ，１６ｉ）を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の回転電機のロータ。
前記ロータコア（１１）は、前記中央ブリッジ（１５）に設けられた前記突起部（２０）の外周側に、磁極中心にて磁気短絡を起こさせる第２フラックスバリア（１７）を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の回転電機のロータ。