JP2014075892A

JP2014075892A - 回転電機のロータ

Info

Publication number: JP2014075892A
Application number: JP2012221445A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hattori; 宏之服部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-10-03
Filing date: 2012-10-03
Publication date: 2014-04-24

Abstract

【課題】回転電機のロータにおいて、ロータコアに設けられるフラックスバリアの間のブリッジを細くしてもロータコアの強度を維持できるようにすることである。
【解決手段】ステータの外周側内部に周方向に間隔を置いて複数の磁極が設けられる回転電機のロータ２０における各磁極は、磁極を形成する第１磁石２６、第２磁石２８、第３磁石３０の両端にそれぞれ設けられる端部空隙部４１〜４６と、磁石よりも内径側に配置され、ブリッジに囲まれた内径側空隙部４０と、磁石よりも外径側に配置され、ブリッジに囲まれた外径側空隙部４７，４８と、内径側空隙部４０の径方向端面７０，７２に予め定めた結合手段で結合されて内径側空隙部４０に充填される非磁性体６０を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機のロータに係り、特に、ロータコアにフラックスバリアとなる空隙部が設けられる回転電機のロータに関する。

リラクタンスモータのトルクは、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとの差に比例する。そこで、特許文献１に述べられるように、磁路を列設したロータにおいて、切断部（フラックスバリア）をロータ内周側に配置することで、Ｌｄ／Ｌｑの値を大きくすることが行われる。

特許文献２，３には、ロータが、外周側内部に埋設された第１磁石と、第１磁石の周方向両側に埋設され外周側に向かって略Ｖ字状に配置される２つの第２永久磁石と、２つの第２永久磁石の内周側位置で第１永久磁石に対向する低透磁率の第１領域を有する構成が開示される。ここで、第１領域は空隙穴、あるいは樹脂等が充填された穴である。

なお、特許文献４には、周方向に並ぶ複数の穴部にそれぞれ磁石が挿入され、磁石挿入孔に樹脂部材を充填し接着ではなく充填によって磁石を固定することが述べられている。また、特許文献５には、ロータ回転軸の軸方向に貫通させて磁石挿入孔を設け、磁石挿入孔を永久磁石が収容されて占有する部分よりも拡張してそこに冷媒通路を設けることが述べられている。

特開２００９−２９６６８５号公報特開２０１２−１６１２２６号公報特開２０１２−１６１２２７号公報特開２００７−２３６０２０号公報特開２００９−３０３２９３号公報

高トルク化のためにフラックスバリアを広くすると、フラックスバリア間あるいはフラックスバリアとロータコアの端部との間のブリッジが細くなり、ロータコアの強度が低下する。なお、フラックスバリアに樹脂等を単に充填すると、その分の質量が増加して、ロータ回転の際の遠心力によりブリッジに大きな応力がかかることになる。

本発明の目的は、ブリッジを細くしてもロータコアの強度を維持できる回転電機のロータを提供することである。

本発明に係る回転電機のロータは、ステータの内周側に配置され、周方向に間隔を置いて複数の磁極が設けられる回転電機のロータであって、各磁極は、磁極を形成する磁石の両端に設けられる端部空隙部と、磁石よりも内径側に配置され、ブリッジに囲まれた内径側空隙部と、内径側空隙部の径方向端面に予め定めた結合手段で結合されて内径側空隙部に充填される非磁性体と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機のロータにおいて、非磁性体は、冷媒が流通できる中空状であることが好ましい。

また、本発明に係る回転電機のロータにおいて、端部空隙部に予め定めた結合手段で結合される非磁性体が充填されることが好ましい。

また、本発明に係る回転電機のロータにおいて、各磁極は、磁石よりも外径側に配置され、ブリッジに囲まれた外径側空隙部を含み、外径側空隙部は、非磁性体が充填されない空隙のままであることが好ましい。

上記構成により、回転電機のロータは、磁石よりも内径側に配置され、ブリッジに囲まれた内径側空隙部に非磁性体がその径方向端面に予め定めた結合手段で結合されて充填される。非磁性体は、内径側空隙部に単に充填されるだけでなく、予め定めた結合手段で結合されるので、ロータコアの剛性が高まり、ブリッジを細くしてもロータコアの強度を維持できる。

ブリッジを細くすることでフラックスバリア性が高まってトルクに無効な磁束を低減できる。これによって磁石量を低減でき、また、ロータの小型化が可能になる。さらに、回転電機の高回転化が可能になり、回転電機の小型化、低コスト化も可能となる。また、トルクに無効な磁束を低減できることから回転電機の損失が低減し、回転電機の発熱を抑制でき、回転電機を搭載する車両の燃費が向上する。

また、回転電機のロータにおいて、非磁性体は、冷媒が流通できる中空状であるので、ロータコアを冷却することができ、また、軽量化を図れる。

また、回転電機のロータにおいて、磁石の両端の端部空隙部に非磁性体が予め定めた結合手段で結合されて充填される。これによりロータコアの剛性がさらに高まり、ブリッジをさらに細くしてもロータコアの強度を維持できる。

なお、磁石の両端の端部空隙部に充填される非磁性体を冷媒が流通する中空状として、ロータコアを冷却し、軽量化を図れる。特に、ロータコアの熱膨張係数と磁石の熱膨張係数の差によって非磁性体が損傷することを避けることができる。

また、回転電機のロータにおいて、磁石よりも外径側に配置され、ブリッジに囲まれた外径側空隙部を含む。この外径側空隙部には非磁性体が充填されず、空隙のままである。非磁性体を充填した場合に比べ空隙のままとすることで、ロータが回転して生じる遠心力によってロータコア端面と外径側空隙部との間のブリッジにかかる応力を小さくすることができる。

本発明の実施の形態におけるロータが組み込まれる回転電機の構成図である。図１のＡ部の拡大図で、ロータの１つの磁極の構成図である。本発明の実施の形態において、内径側空隙部に中空部を有する磁性体が配置される例を示す図である。本発明の実施の形態において、端部空隙部にも非磁性体が充填される例を示す図である。図４の変形例として、内径側空隙部と共に端部空隙部にも中空部を有する磁性体が配置される例を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、ロータが８つの磁極を有するものとして述べるが、これは一例であって、回転電機のロータの仕様に応じて磁極数は適宜変更できる。以下で述べる磁石の配置、各種空隙部の形状と配置等は例示であって、回転電機のロータの仕様に応じ、適宜変更が可能である。

以下では、全ての図面において、一または対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、車両に搭載される回転電機１０の軸方向に垂直な面における断面図である。回転電機１０は、回転電機のステータ１２と回転電機のロータ２０を含み、三相同期型回転電機である。

回転電機のステータ１２は、図１では部分断面図で示されているが、ステータコア１４と、ステータコア１４の周方向に沿って配置される複数の突極１６と、突極１６に複数回巻回される巻線部１８を含む。

ステータコア１４は、内周側に複数の突極１６が配置される円環状の磁性体部材である。かかるステータコア１４は、所定の形状の電磁鋼板を複数枚積層して形成される。

巻線部１８は、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線の三相巻線を含む。各相巻線は、予め定められた分布巻配置方法に従い、隣接する突極１６の間の空間であるスロットを順次通って、所定の突極１６に順次巻回される。ステータコア１４の周方向に沿って、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線が順次配置され、一周するので、突極１６の数は、３の倍数である。

回転電機のロータ２０は、ロータコア２２の周方向に沿って複数の磁石が埋め込まれて複数の磁極を形成する磁石埋込型ロータである。図１では、８つの磁極が示されている。図２は、１つの磁極についての拡大図である。

ロータコア２２は、中心部に回転軸が固定される中心穴２４を有し、周方向に沿って配置される磁極ごとに所定の形状を有する複数の穴が打ち抜かれた円環状の磁性体部材である。かかるロータコア２２は、所定の形状の電磁鋼板を複数枚積層して形成される。したがって、ロータコア２２に形成される複数の穴は、すべて軸方向に貫通している。

第１磁石２６は、ロータコア２２の外周側において、長手方向が周方向に沿うように配置される永久磁石である。かかる第１磁石２６として、ネオジム磁石等を用いることができる。

第１磁石２６は、第１磁石挿入用の穴に挿入されて配置されるが、第１磁石挿入用の穴は、第１磁石２６の長手方向よりも長い長手方向を有する穴である。図２に示される端部空隙部４１，４２は、第１磁石挿入用の穴に第１磁石２６が挿入されたときに第１磁石２６の両端部において空隙となる穴の一部である。

第２磁石２８と第３磁石３０は、第１磁石２６の周方向の両側にそれぞれ対称的に配置される永久磁石である。第２磁石２８と第３磁石３０は、長手方向がロータコア２２のほぼ径方向に沿うように若干傾斜し、両磁石２８，３０が略Ｖ字型に配置される。図２に示されるように、略Ｖ字型をなす第２磁石２８と第３磁石３０のなす角度は、１つの磁極がロータコア２２の中心から見た見込角度よりもやや小さい角度に設定される。図１の例では、８つの磁極であるので１つの磁極がロータコア２２の中心から見た見込角度は（３６０度／８）＝４５度であるが、略Ｖ字型をなす第２磁石２８と第３磁石３０のなす角度は、これより小さい４０〜３５度程度に設定される。かかる第２磁石２８と第３磁石３０は、第１磁石２６と同じ材質、同じ寸法のものを用いることができる。

第２磁石２８、第２磁石３０は、それぞれ第２磁石挿入用の穴、第３磁石挿入用の穴に挿入されるが、これらの穴は、第２磁石２８の長手方向、第３磁石３０の長手方向よりも長い長手方向を有する穴である。図２に示される端部空隙部４３，４４は、第２磁石挿入用の穴に第２磁石２８が挿入されたときに第２磁石２８の両端部において空隙となる穴の一部で、端部空隙部４５，４６は、第３磁石挿入用の穴に第３磁石３０が挿入されたときに第３磁石３０の両端部において空隙となる穴の一部である。

このように端部空隙部４１，４２，４３，４４，４５，４６は、ロータコア２２に配置される第１磁石２６、第２磁石２８、第３磁石３０の両端に設けられる空隙部で、磁石を磁石挿入穴に固定するための固定用樹脂供給穴として用いることができる。また、ロータコア２２において磁束の流れを制限するフラックスバリアとして機能する。

内径側空隙部４０は、第１磁石２６、第２磁石２８、第３磁石３０のどれよりもロータコア２２の内径側に配置され、磁石が挿入されない穴である。

外径側空隙部４７，４８は、第１磁石２６、第２磁石２８、第３磁石３０のどれよりもロータコア２２の外径側に配置され、磁石が挿入されない穴である。

ブリッジ５０は、第２磁石２８の端部空隙部４３と内径側空隙部４０との間の磁性体の部分である。同様に、ブリッジ５１は、第３磁石３０の端部空隙部４５と内径側空隙部４０との間の磁性体の部分である。

ブリッジ５２は、第２磁石２８の端部空隙部４４とロータコア２２の外周端部との間の磁性体の部分である。同様に、ブリッジ５３は、第３磁石３０の端部空隙部４６とロータコア２２の外周端部との間の磁性体の部分である。

ブリッジ５４は、第１磁石２６の端部空隙部４１と外径側空隙部４７との間の磁性体の部分である。同様に、ブリッジ５５は、第１磁石２６の端部空隙部４２と外径側空隙部４８との間の磁性体の部分である。

ブリッジ５６は、外径側空隙部４７とロータコア２２の外周端部との間の磁性体の部分である。同様に、ブリッジ５７は、外径側空隙部４８とロータコア２２の外周端部との間の磁性体の部分である。

内径側空隙部４０における非磁性体６０は、内径側空隙部４０の径方向端面７０，７２に予め定めた結合手段で結合されて内径側空隙部４０に充填される樹脂である。樹脂としては、エポキシ系樹脂等を用いることができる。樹脂以外の非磁性金属、セラミック等を用いてもよい。その場合には、遠心力の影響を考慮し、できるだけ小さい比質量を有する材料を用いることがよい。

予め定めた結合手段とは、単に樹脂を内径側空隙部４０に注入して配置するだけではなく、少なくとも径方向端面７０，７２において、ロータコア２２の磁性体と樹脂である非磁性体６０が強固に結合して、ロータコア２２の強度を向上させる手段である。向上したときのロータコア２２の強度は、回転電機の小型化等の仕様等から設定されるブリッジ５０〜５７の幅寸法において、回転電機の仕様の高速回転下の遠心力によってブリッジ５０〜５７が破断しないように設定される。例えば、従来仕様のブリッジ５０〜５７の幅寸法を約２ｍｍとして、これを小型化等の仕様から約１ｍｍとしたとして、同じ高速回転下の条件の下で、ブリッジ５０〜５７の強度が従来仕様の約２ｍｍの幅のときと同程度となるように設定される。なお、これは説明のための例示であって、ブリッジ５０〜５７の幅寸法はこれ以外であってもよい。

予め定めた結合手段は、接着や溶接等の外部部材による結合方法、物理的結合方法、分子間の化学的結合方法を用いることができる。物理的結合方法の一例は、内径側空隙部４０の内壁面に凹凸部を設け、非磁性体６０を噛みこませるアンカー効果を用いる方法である。化学的結合方法の一例は、内径側空隙部４０の内壁面に所定の薬剤処理によって皮膜を形成し、この皮膜と非磁性体６０との間の化学反応によって分子的に結合させる方法である。

上記構成の作用効果は以下の通りである。磁石と空隙部の透磁率は、ロータコア２２の磁性体の透磁率よりも小さい。そこで、外径側空隙部４７と、端部空隙部４１と、第１磁石２６と、端部空隙部４２と、外径側空隙部４８は、ロータコア２２の各磁極において、略Ｕ字型となる外径側のフラックスバリアを形成する。また、端部空隙部４４、第２磁石２８、端部空隙部４３、内径側空隙部４０、端部空隙部４５、第３磁石３０、端部空隙部４６は、ロータコア２２の各磁極において、略Ｕ字型となる内径側のフラックスバリアを形成する。

この内径側のＵ字型のフラックスバリアと、外径側の略Ｕ字型のフラックスバリアで挟まれる部分は、ロータコア２２の磁性体で構成されるので透磁率が高く、例えば、特許文献２，３の構成の回転電機に用いるときは、この部分がｑ軸磁路となる。内径側のＵ字型のフラックスバリアは、ブリッジ５６，５４，５５，５７によって断続的となり、外径側のＵ字型のフラックスバリアは、ブリッジ５２，５０，５１，５３によって断続的となり、これらのブリッジ５０〜５７を通って、上記のｑ軸磁路から無効磁束が漏れる。

ここで、内径側空隙部４０には、所定の結合手段によって結合された非磁性体６０が充填されるので、ロータコア２２の強度が向上する。非磁性体６０が充填されることで回転電機の回転による遠心力の影響でブリッジ５０〜５７に応力が働くが、その影響の下でもブリッジ５０〜５７が破断しないロータコア２２の強度となるように、非磁性体６０は内径側空隙部４０にしっかりと結合される。内径側空隙部４０以外の外径側空隙部４７，４８、端部空隙部４１〜４６に非磁性体を充填しないのは、これらの空隙部が内径側空隙部４０よりも外径側にあるので遠心力の影響が内径側空隙部４０よりも大きく、より強い結合が必要となるためである。換言すれば、ロータコア２２の強度を向上しやすいのは、より内径側の空隙部に非磁性体６０を結合によって配置することである。

このようにロータコア２２の強度が向上するので、ブリッジ５０〜５７の幅寸法を狭くすることができる。ブリッジ５０〜５７の幅寸法を狭くすることで、ブリッジ５０〜５７を通って漏れる無効磁束を低減できる。

無効磁束が低減されることで、まず、磁石量を低減できる。これによってロータの小型化が可能になる。また、ロータコア２２の強度が向上するので、回転電機の高回転化が可能になる。この面からも回転電機の小型化、低コスト化が可能となる。また、無効磁束が低減されることから、回転電機の損失が低減し、回転電機の発熱を抑制でき、回転電機を搭載する車両の燃費が向上する。

上記では、内径側空隙部４０の内部全体に非磁性体６０を配置するものとした。非磁性体６０は、内径側空隙部４０の内壁面に強固に結合させることでロータコア２２の強度向上を図るものである。したがって、内径側空隙部４０の内壁面側に非磁性体６０を強固に結合すればよく、内径側空隙部４０の中心部に非磁性体６０を配置しなくてもよい。図３に示す回転電機のロータ８０は、内径側空隙部４０に配置される非磁性体８２の中心部に冷媒を通すことができる貫通穴８４を設け、中空状とした例を示す図である。

非磁性体８２は、内径側空隙部４０の少なくとも径方向端面７０，７２を含む内壁面において、予め定めた結合手段によって強固に結合されることは、図２の場合と同様である。したがって、ロータコア２２の強度は図２の場合と同様に向上する。非磁性体８２を中空状とすることで、非磁性体８２の量を少なくでき、遠心力の影響を少なくできる。また、ロータコア２２のより一層の軽量化を図ることができる。また、貫通穴８４に冷媒を流すことで、回転電機のロータ８０を冷却することができる。

上記では、内径側空隙部４０よりも外径側にある外径側空隙部４７，４８、端部空隙部４１〜４６に非磁性体を充填しないものとして説明した。最も遠心力の影響を受けるのは、最外周にある外径側空隙部４７，４８であるので、回転電機の仕様によっては、端部空隙部４１〜４６に非磁性体を充填することができる。図４に示す回転電機のロータ９０は、端部空隙部４１〜４６に、それぞれ、予め定めた結合手段によって結合させた非磁性体５１〜５７を充填した例を示す図である。これによって、ロータコア２２の強度が向上する分だけ、ブリッジ５０〜５７の幅寸法を狭くすることができる。この場合でも、外径側空隙部４７，４８は、空隙のままとすることが好ましい。

図３では、内径側空隙部４０に配置される非磁性体８２を中空状としたが、図４の構成において、端部空隙部４１〜４６にそれぞれ配置される非磁性体６１〜６６を中空状としてもよい。図５は、そのような構造の回転電機のロータ１００の部分図で、ここでは、内径側空隙部４０に隣接する端部空隙部４３，４５が示されている。端部空隙部４３に充填される非磁性体１０２は、冷媒を通すことができる貫通穴１０４を中心部に有する中空状である。同様に、端部空隙部４５に充填される非磁性体１０６は、冷媒を通すことができる貫通穴１０８を中心部に有する中空状である。

これによってロータコア２２を冷却し、ロータコア２２のさらなる軽量化を図れる。また、ロータコア２２の磁性体の熱膨張係数と、第２磁石２８または第３磁石３０の熱膨張係数の差によって、非磁性体１０２，１０６が応力を受けることが考えられるが、中空状とすることで、その応力によって非磁性体１０２，１０６が損傷することを避けることができる。

１０回転電機、１２回転電機のステータ、１４ステータコア、１６突極、１８巻線部、２０，８０，９０，１００回転電機のロータ、２２ロータコア、２４中心穴、２６第１磁石、２８第２磁石、３０第３磁石、４０内径側空隙部、４１，４２，４３，４４，４５，４６端部空隙部、４７，４８外径側空隙部、５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７ブリッジ、６０，６１，６２，６３，６４，６５，６６，８２，１０２，１０６非磁性体、７０，７２径方向端面、８４，１０４，１０８貫通穴。

Claims

ステータの内周側に配置され、周方向に間隔を置いて複数の磁極が設けられる回転電機のロータであって、
各磁極は、
磁極を形成する磁石の両端に設けられる端部空隙部と、
磁石よりも内径側に配置され、ブリッジに囲まれた内径側空隙部と、
内径側空隙部の径方向端面に予め定めた結合手段で結合されて内径側空隙部に充填される非磁性体と、
を含むことを特徴とする回転電機のロータ。
請求項１に記載の回転電機のロータにおいて、
非磁性体は、冷媒が流通できる中空状であることを特徴とする回転電機のロータ。
請求項１または２に記載の回転電機のロータにおいて、
端部空隙部に予め定めた結合手段で結合される非磁性体が充填されることを特徴とする回転電機のロータ。
請求項１から３のいずれか１に記載の回転電機のロータにおいて、
各磁極は、磁石よりも外径側に配置され、ブリッジに囲まれた外径側空隙部を含み、外径側空隙部は、非磁性体が充填されない空隙のままであることを特徴とする回転電機のロータ。