JP2014197971A

JP2014197971A - 電動機

Info

Publication number: JP2014197971A
Application number: JP2013073378A
Authority: JP
Inventors: 夏樹渡辺; Natsuki Watanabe; 貞一郎千葉; Teiichiro Chiba; 敦誉小柴; Atsuyoshi Koshiba
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP6133657B2; WO2014156678A1

Abstract

【課題】電動機としての特性を良好に維持しつつ、耐久性を向上させることができる電動機を提供すること。【解決手段】ハウジング内に装着された環状のステータと、ステータ内に配置されてハウジングに回転可能に支持されたロータとを備えるとともに、ロータのロータコア４１に複数の永久磁石４３が埋め込まれている電動機であって、ロータコア４１には、永久磁石４３の端面４３Ｂが位置するフラックスバリア４１Ｃ，４１Ｄと、ロータコア４１の外周寄りに位置したフラックスバリア４１Ｃとロータコア４１の外周表面との間で形成されるサイドブリッジ４４と、サイドブリッジ４４の周方向の両端からロータコア４１の内方に向けて窪んだ第１凹部６１および第２凹部６２とが設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、電動機に係り、特に埋込永久磁石型同期電動機のロータの改良に関する。

従来、埋込永久磁石型同期電動機では、トルク脈動や、鉄損、磁束高調波、あるいはコギングトルクを低下させる目的で、ロータを構成するロータコアの外周表面に凹部を設けることが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。電動機を電動車両やハイブリッド車両の走行用の駆動源として用いる場合、そのような諸特性は、電動機での振動や騒音の発生、電動機の小型化、ハイブリッド車両での燃費等に大きく影響するため、特許文献１，２以外にも、凹部の形状や位置に関する多くの提案がなされている。そして、そのような凹部は、ロータコア内に埋め込まれる永久磁石の端部近傍に位置することとなる。

一方、ロータコアには、永久磁石の端部に対応した位置に空隙が設けられ、端部からの漏れ磁束を低減させている。この空隙は、ロータの外周表面の近くに位置することから、空隙とロータコアの外周表面との間の部位は、所定の厚みを有したブリッジ状に形成される。このような部位は、サイドブリッジと称されることとなる。

特開２００４−３２８９５６号公報特開２００９−２７８８６０号公報

しかし、前述のサイドブリッジでは、空隙の形状によっては、ロータの回転によって生じる遠心力により、ブリッジの基端部分に応力が集中し、ロータの回転中にサイドブリッジが破損する可能性があるなど、耐久性に問題が生じる。
これに対して、サイドブリッジの破損を防止するために、サイドブリッジの基端部分の肉厚を大きくすることも考えられるが、このような場合には、永久磁石からの漏れ磁束が増えるうえ、凹部がもたらす特性に影響を及ぼすこが懸念される。

本発明の目的は、電動機としての特性を良好に維持しつつ、耐久性を向上させることができる電動機を提供することにある。

第１発明に係る電動機は、ハウジング内に装着された環状のステータと、前記ステータ内に配置されて前記ハウジングに回転可能に支持されたロータとを備えるとともに、前記ロータのロータコアに複数の永久磁石が埋め込まれている電動機であって、前記ロータコアには、前記永久磁石の端面が位置するフラックスバリアと、前記ロータコアの外周寄りに位置した前記フラックスバリアと前記ロータコアの外周表面との間で形成されるサイドブリッジと、前記サイドブリッジの周方向の両端から前記ロータコアの内方に向けて窪んだ第１凹部および第２凹部とが設けられることを特徴とする。

第２発明に係る電動機では、前記サイドブリッジは、前記ロータコアの径方向の外方に突出するように湾曲したアーチ状に形成されていることが望ましい。
第３発明に係る発電機では、前記サイドブリッジは、前記ロータコアの周方向において略均一な厚さを有していることが望ましい。
第４発明に係る電動機では、一対の前記永久磁石は、前記ロータの軸中心から見てＶ字形状に配置され、前記一対の永久磁石の前記ロータコアの内方側の端面が位置するフラックスバリアは、センタブリッジを介して互いに隣設されていることが望ましい。

第５発明に係る電動機は、ハウジング内に装着された環状のステータと、前記ステータ内に配置されて前記ハウジングに回転可能に支持されたロータとを備えるとともに、前記ロータのロータコアに複数の断面矩形状の永久磁石が埋め込まれている電動機であって、前記ロータの軸中心から見てＶ字形状に配置された一対の前記永久磁石により１つの磁極が形成され、前記ロータコアには、前記永久磁石の短辺側の一方の端面が位置し、かつ前記ロータコアの外周寄りに位置した外周側のフラックスバリアと、前記永久磁石の短辺側の他方の端面が位置し、かつ前記フラックスバリアよりも内方側に位置した内方側のフラックスバリアと、前記外周側のフラックスバリアと前記ロータコアの外周表面との間で形成されるサイドブリッジと、互いに隣設する一対の前記内方側のフラックスバリアの間に形成されるセンタブリッジと、前記サイドブリッジの周方向の両端から前記ロータコアの内方に向けて窪んだ第１凹部および第２凹部とが設けられ、前記サイドブリッジは、前記ロータコアの径方向の外方に突出するように湾曲したアーチ状に形成されているとともに、前記ロータコアの周方向において略均一な厚さを有し、前記第１凹部と前記ロータコアの軸中心とを結ぶ線、および第２凹部と前記ロータコアの軸中心とを結ぶ線の間に、前記外周側のフラックスバリアが設けられていることを特徴とする。

第１発明によれば、サイドブリッジの両端に第１、第２凹部を設けるので、ロータの回転時の遠心力による応力を、第１、第２凹部およびサイドブリッジの周方向の中央の３箇所に分散させて生じさせることができ、各箇所での応力の大きさを低減できて耐久性を向上させることができる。また、第１、第２凹部のいずれかを従来の凹部として機能させることが可能であり、凹部が電動機にもたらす特性を良好に維持できる。なお、サイドブリッジは、周方向の中央に応力が生じるように薄肉に形成されるが、こうすることで永久磁石からの漏れ磁束も軽減できる。

第２発明によれば、サイドブリッジが外方に向けて湾曲して突出しているため、サイドブリッジの両端に形成される第１，第２凹部を内方に窪んだより明瞭な形状にでき、トルク脈動や鉄損等の諸特性を良好に維持できる。
第３発明によれば、サイドブリッジが周方向に均一な厚さを有しているので、周方向の中程で生じる応力を該周方向に沿って分散でき、極小部位に大きく集中して生じるのを抑制できる。
第４発明によれば、隣接されるフラックスバリア間にセンタブリッジを設けることになるので、ロータ回転時の遠心力に対してより確実に対抗でき、耐久性を一層向上させることができる。
第５発明によれば、第１発明ないし第４発明での作用効果を同様に得ることができる。

本発明の一実施形態に係る電動機の全体を示す断面図。前記電動機のロータコアを示す図。前記ロータコアの要部を拡大して示す拡大図。本発明の変形例を示す図。

〔電動機の全体構成〕
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の電動機１の全体を示す断面図である。図２は、電動機１のロータコア４１を示す図である。

図１において、電動機１は、ハウジング２の内部に装着された環状のステータ３と、ステータ３内に配置されるとともに、ハウジング２内で回転可能に支持されたロータ４とを備える。このような電動機１は、ロータ４のロータコア４１内に永久磁石４３が埋め込まれた埋込永久磁石型同期電動機として構成されている。

〔ステータ〕
ステータ３は、図には明示していないが、電磁鋼板を軸方向に沿って多数積層することにより構成されたステータコア３１を備える。ステータコア３１は、周方向に連続した外周側のヨーク３２と、ヨーク３２から中央のロータ４側に向けて突出した複数のティース３３とを備える。複数のティース３３は、ヨーク３２の周方向に沿って互いに等間隔で設けられている。このようなティース３３には、電磁コイル３４が巻線されている。

〔ロータ〕
ロータ４は、ステータコア３１と同様に電磁鋼板を軸方向に沿って多数積層することにより構成された環状のロータコア４１と、ロータコア４１の中央に設けられた挿通孔４１Ａに挿通されたロータシャフト４２と、ロータコア４１の埋込孔４１Ｂ内に嵌合された合計１６個の角柱状の永久磁石４３とを備える。

図２において、ロータコア４１の埋込孔４１Ｂは、軸心側から見て対称となるようにＶ字形状に設けられている。このような埋込孔４１Ｂの一対を一組とし、この一組の埋込孔４１Ｂ内に埋め込まれた一対の永久磁石４３により１つの磁極が形成される。すなわち、本実施形態のロータ４の極数は、８極である。隣り合う磁極の極性は、互いに相違している。それぞれの磁極は、ロータコア４１の周方向に沿って等間隔で形成されている。

ロータコア４１において、開口形状が長孔とされた埋込孔４１Ｂの長手方向の一端は、空隙からなるフラックスバリア４１Ｃになっている。このフラックスバリア４１Ｃには、断面矩形状の永久磁石４３の短辺側の一対の端面４３Ｂ、４３Ｂのうち、一方の端面４３Ｂ（図３参照）が位置する。同様に埋込孔４１Ｂの長手方向の他端は、永久磁石４３の他方の端面４３Ｂが位置する同様なフラックスバリア４１Ｄになっている。つまり、埋込孔４１Ｂの内面に対しては、後述の支持部７１，７２に当接する端面４３Ｂの一部を除き、永久磁石４３の長辺側の一対の側面４３Ａ（図３参照）が接触している。

フラックスバリア４１Ｃ，４１Ｄのうち、ロータコア４１の外周側に位置するフラックスバリア４１Ｃは、永久磁石４３からの漏れ磁束を低減するために設けられている。ロータコア４１の外周表面から遠い内方側に位置したフラックスバリア４１Ｄは、永久磁石４３からの漏れ磁束の低減、および後述する冷却構造の一部を構成するために設けられている。なお、フラックスバリア４１Ｃとロータコア４１の外周表面との間は、サイドブリッジ４４となっており、磁極の中心側で隣設し合うフラックスバリア４１Ｄの間は、センタブリッジ４５となっている。サイドブリッジ４４については後述する。

このようなロータコア４１の軸方向の両側には、環状のエンドプレート４６，４７が取り付けられている。ロータシャフト４２の出力部４２Ａ（図１中の左側）側にて、ロータコア４１に取り付けられたエンドプレート４６には、ロータコア４１のフラックスバリア４１Ｄに対応した部位とロータシャフト４２側とを連通させる油路４６Ａが、径方向に沿って設けられている。油路４６Ａの端部には、ハウジング２内に開口した吐出孔４６Ｂが設けられている。もう一方のエンドプレート４７には、フラックスバリア４１Ｄに対応した位置に吐出開口４７Ａが設けられ、フラックスバリア４１Ｄとハウジング２内とが連通している。なお、本実施形態では、ロータシャフト４２の軸方向が略水平とされた横置きの電動機１について説明しているが、本発明としては、ロータシャフトの軸方向が略鉛直とされた縦置きの電動機であってもよい。そして、縦置きとした場合には、吐出孔４６Ｂを省略してもよい。

ロータシャフト４２の中央には、出力部４２Ａとは反対側に開口し、軸方向に沿って出力部４２Ａ側に向かって延びた油路４２Ｂが設けられている。油路４２Ｂの出力部４２Ａ側の端部は、径方向に貫通した油路４２Ｃと連通している。油路４２Ｃは、エンドプレート４６の油路４６Ａと連通している。

永久磁石４３としては、ネオジウムやジスプロシウムなどの希土類永久磁石が好適に用いられる。このような永久磁石４３は、ロータコア４１の埋込孔４１Ｂ内に嵌合された状態で接着剤により固定される。永久磁石４３の固定構造に関しては後述する。

〔冷却構造〕
電動機１では、ヒステリシス損や渦電流損を要因とする発熱によってステータコア３１、電磁コイル３４、ロータコア４１、永久磁石４３が高温状態となる。このため、本実施形態においては、ハウジング２の内部と、外部の冷却油タンク５１との間で冷却油が循環し、電動機１を冷却する構造を採用している。

本構造において、電動機１のロータシャフト４２に設けられた油路４２Ｂの開口側には、冷却油タンク５１からの供給流路５２が接続されている。一方、電動機１を構成するハウジング２の底部分に設けられたドレン開口２Ａには、冷却油タンク５１へのドレン流路５３が接続されている。供給流路５２には油圧ポンプ５４が設けられ、ドレン流路５３にはオイルクーラ５５が設けられている。

冷却油タンク５１から油圧ポンプ５４にて吸い上げられた冷却油は、ロータシャフト４２の油路４２Ｂに入り込み、油路４２Ｂ内を軸方向に沿って一端側から他端側に向けて流れ、他端側に設けられた径方向の油路４２Ｃを通ってエンドプレート４６の油路４６Ａに流れ込む。

油路４６Ａに入り込んだ冷却油の一部は、吐出孔４６Ｂからハウジング２内に噴射され、ロータコア４１および電磁コイル３４を冷却する。また、油路４６Ａに入り込んだ他の冷却油は、ロータコア４１のフラックスバリア４１Ｄに入り込み、フラックスバリア４１Ｄ内を軸方向に沿って流れることでロータコア４１および永久磁石４３を冷却する。フラックスバリア４１Ｄを流れ終えた冷却油は、エンドプレート４７の吐出開口４７Ａからハウジング２内に噴射され、やはりロータコア４１および電磁コイル３４を冷却する。

吐出孔４６Ｂおよび吐出開口４７Ａから噴射された冷却油は、ロータコア４１および電磁コイル３４を冷却する他、ロータシャフト４２を回転支持するベアリング２１，２２を冷却する。これらを冷却した冷却油は、ハウジング２内を滴下等して底部分の油溜部２３に集約される。集約された冷却油は、油溜部２３からドレン開口２Ａを通してドレン流路５３を流れ、オイルクーラ５５にて冷却された後に冷却油タンク５１に戻る。

〔サイドブリッジ〕
図３は、ロータコア４１の要部を拡大して示す拡大図である。この図３には、隣り合う２極分が示されている。
図３に示すように、ロータコア４１の外周表面には、この外周寄りに位置したフラックスバリア４１Ｃの近傍において、内方に向けて窪んだ第１凹部６１および第２凹部６２が設けられている。各磁極では、第１凹部６１同士が磁極の中心に対して周方向の外側の位置に設けられ、第２凹部６２同士が磁極の中心に対して周方向の内側の位置に設けられている。そして、第１凹部６１および第２凹部６２の周方向の間隔は、フラックスバリア４１Ｃを周方向に跨ぐ程度の大きさである。すなわち、第１凹部６１とロータコア４１の軸中心とを結ぶ線をＬ１とし、第２凹部６２とロータコア４１の軸中心とを結ぶ線をＬ２としたとき、線Ｌ１，Ｌ２の間にフラックスバリア４１Ｃが設けられている。この結果、フラックスバリア４１Ｃとロータコア４１の外周表面との間の薄肉部分により、第１凹部６１および第２凹部６２の間を連結するサイドブリッジ４４が形成される。

サイドブリッジ４４は、フラックスバリア４１Ｃの開口形状との関係で、ロータコア４１の周方向において略均一な厚さ（径方向の肉厚）を有しているとともに、ロータコアの径方向の外方に突出するように湾曲したアーチ状に形成されている。つまり、アーチ状とされたサイドブリッジ４４の基端側に第１凹部６１および第２凹部６２が設けられている。サイドブリッジ４４の曲率半径は、ロータコア４１の外周の半径よりも小さい。

このような形状のサイドブリッジ４４では、ロータ４の回転に伴う遠心力によって応力集中が生じるが、生じる箇所は、サイドブリッジ４４の周方向の両端部および周方向の中央付近である。具体的には、第１凹部６１および第２凹部６２の底部分と、サイドブリッジ４４（フラックスバリア４１Ｃ）の内面側の部分との３箇所に分散して応力が生じる。従って、１点に応力集中が生じていた従来と比較して、各箇所で生じる応力を小さくでき、耐久性が向上する。また、第１凹部６１および第２凹部６２のうち、本実施形態では特に、第２凹部６２を従来からの凹部として機能させることができ、電動機１の特性を良好に維持することが可能である。

〔永久磁石の固定構造〕
以下には、図３に基づき、永久磁石４３の固定構造について説明する。
図３に示すように、鋼板７のフラックスバリア４１Ｃ，４１Ｄを形成する部分には、永久磁石４３の２箇所の対角位置に向けて突出した支持部７１，７２が設けられている。フラックスバリア４１Ｃ側の支持部７１は、永久磁石４３の一方の端面４３Ｂの中でも、ロータコア４１の外周表面から遠い方の辺縁に当接している。フラックスバリア４１Ｄ側の支持部７２は、センタブリッジ４５の外方側の基端部分に設けられており、永久磁石４３の他方の端面４３Ｂの中でも、ロータコア４１の外周表面に近い方の辺縁に当接している。このように、永久磁石４３は、対向する短辺側の辺縁の２箇所の対角位置にてロータコア４１に支持されている。

ここで、支持部７１，７２が永久磁石４３の端面４３Ｂに当接する当接幅は、端面４３Ｂが設けられている永久磁石４３の短辺側の全幅に対して、略１／５（５分の１）よりも短いことが望ましい。１／５よりも短いことで、端面４３Ｂからの漏れ磁束を低減できる。また、支持部７１，７２の端面４３Ｂでの当接箇所は、永久磁石４３の角部である端面４３Ｂの幅方向の端部から離れていてもよい。

そして、鋼板７の埋込孔４１Ｂを形成する部分には、支持部７１，７２とは永久磁石４３の角部を挟んで反対側の位置に拡張部７３が設けられている。拡張部７３は、永久磁石４３の側面４３Ａとの間に僅かな隙間を形成するために、埋込孔４１Ｂの一部を拡張して設けられている。拡張部７３はまた、積層される全ての鋼板７に設けられている。積層される鋼板７は全て同一形状であり、それぞれを位置合わせすることで積層方向（ロータコア４１の軸方向と同じ）に連通した埋込孔４１Ｂが形成され、この埋込孔４１Ｂに永久磁石４３を組み込むことが可能である。

積層方向に連通した全ての拡張部７３により、埋込孔４１Ｂにおける永久磁石４３の別の対角位置にある２箇所には、ロータコア４１を軸方向に沿って貫通した充填孔４８が形成される。つまり、このような充填孔４８は、永久磁石４３が埋込孔４１Ｂに組み込まれた状態で、永久磁石４３と拡張部７３との間に形成される。軸方向に連続した充填孔４８に対して接着剤を充填することにより、永久磁石４３の対向する長辺側の辺縁の２箇所の対角位置がロータコア４１に固定されることになる。なお、モールド材等の樹脂材料などを接着剤として用いてもよい。

従って、本実施形態では、永久磁石４３の側面４３Ａ全体に接着剤を回して固定する必要がなく、接着剤を充填する手間を大幅に省くことができ、組立作業を容易にできる。しかも、永久磁石４３は埋込孔４１Ｂ内に嵌合されており、永久磁石４３の両側の側面４３Ａが埋込孔４１Ｂの内面と接触した状態にある。従って、接着剤の充填量が少なくとも、永久磁石４３を埋込孔４１Ｂ内に確実に保持しておくことができる。

〔変形例〕
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、永久磁石４３が充填孔４８に充填される接着剤にてロータコア４１に固定されていたが、永久磁石４３の固定構造としてはこれに限定されない。例えば、埋込孔４１Ｂの大きさを永久磁石４３が遊嵌される大きさに設けておき、埋込孔４１Ｂの内面と永久磁石４３の側面４３Ａとの間に生じる隙間に接着剤を充填して、永久磁石４３をスロータコア４１に固定してもよいし、永久磁石４３の軸方向での両端面をエンドプレート４６，４７に接着剤にて固定してもよい。

前記実施形態では、Ｖ字形状に配置された一対の永久磁石４３を一組として１つの磁極を形成していたが、例えば、図４に示すように、ロータコア４１の外周に沿って複数の永久磁石４３を設け、各々の永久磁石４３にて１つの磁極を形成してもよい。
このような構成では、各永久磁石４３の両端にフラックスバリア４１Ｃが線対称な形状に設けられ、各フラックスバリア４１Ｃに対応してサイドブリッジ４４および第１，第２凹部６１，６２が設けられる。

本発明は、電動自動車、ハイブリッド自動車、電動建設機械、ハイブリッド建設機械等の車両に用いられ、好ましくはこれら建設機械の走行用の電動機として利用できる。

１…電動機、２…ハウジング、３…ステータ、４…ロータ、４１…ロータコア、４１Ｃ，４１Ｄ…フラックスバリア、４３…永久磁石、４３Ｂ…端面、４４…サイドブリッジ、４５…センタブリッジ、６１…第１凹部、６２…第２凹部。

Claims

ハウジング内に装着された環状のステータと、前記ステータ内に配置されて前記ハウジングに回転可能に支持されたロータとを備えるとともに、前記ロータのロータコアに複数の永久磁石が埋め込まれている電動機であって、
前記ロータコアには、
前記永久磁石の端面が位置するフラックスバリアと、
前記ロータコアの外周寄りに位置した前記フラックスバリアと前記ロータコアの外周表面との間で形成されるサイドブリッジと、
前記サイドブリッジの周方向の両端から前記ロータコアの内方に向けて窪んだ第１凹部および第２凹部とが設けられる
ことを特徴とする電動機。
請求項１に記載の電動機において、
前記サイドブリッジは、前記ロータコアの径方向の外方に突出するように湾曲したアーチ状に形成されている
ことを特徴とする電動機。
請求項１または請求項２に記載の電動機において、
前記サイドブリッジは、前記ロータコアの周方向において略均一な厚さを有している
ことを特徴とする電動機。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電動機において、
一対の前記永久磁石は、前記ロータの軸中心から見てＶ字形状に配置され、
前記一対の永久磁石の前記ロータコアの内方側の端面が位置するフラックスバリアは、センタブリッジを介して互いに隣設されている
ことを特徴とする電動機。
ハウジング内に装着された環状のステータと、前記ステータ内に配置されて前記ハウジングに回転可能に支持されたロータとを備えるとともに、前記ロータのロータコアに複数の断面矩形状の永久磁石が埋め込まれている電動機であって、
前記ロータの軸中心から見てＶ字形状に配置された一対の前記永久磁石により１つの磁極が形成され、
前記ロータコアには、
前記永久磁石の短辺側の一方の端面が位置し、かつ前記ロータコアの外周寄りに位置した外周側のフラックスバリアと、
前記永久磁石の短辺側の他方の端面が位置し、かつ前記フラックスバリアよりも内方側に位置した内方側のフラックスバリアと、
前記外周側のフラックスバリアと前記ロータコアの外周表面との間で形成されるサイドブリッジと、
互いに隣設する一対の前記内方側のフラックスバリアの間に形成されるセンタブリッジと、
前記サイドブリッジの周方向の両端から前記ロータコアの内方に向けて窪んだ第１凹部および第２凹部とが設けられ、
前記サイドブリッジは、前記ロータコアの径方向の外方に突出するように湾曲したアーチ状に形成されているとともに、前記ロータコアの周方向において略均一な厚さを有し、
前記第１凹部と前記ロータコアの軸中心とを結ぶ線、および第２凹部と前記ロータコアの軸中心とを結ぶ線の間に、前記外周側のフラックスバリアが設けられている
ことを特徴とする電動機。