JP2016127771A

JP2016127771A - 回転電機ロータ

Info

Publication number: JP2016127771A
Application number: JP2015002093A
Authority: JP
Inventors: 憲野田; Ken Noda; 服部　宏之; Hiroyuki Hattori; 宏之服部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2016-07-11

Abstract

【課題】回転電機ロータにおいて、永久磁石をロータコアに安定して固定することである。【解決手段】回転電機ロータ１０のロータコア１２は、磁石ポケット部２２と磁石ポケット部２２から張出して設けられる溝部２４とを含む磁石挿入孔２０と、磁石ポケット部２２に配置される永久磁石３０であって、ロータコア１２の周方向に沿った両側面を有し、一方側の側面が溝部２４に向かい合い溝幅よりも長い周方向長さを有する永久磁石３０と、溝部２４に配置されるシート状の発泡材４０であって、常温状態で溝部形状よりも小さい外形を有し、加熱によって溝部を形成する溝底部、溝両壁部、及び磁石ポケット部２２に配置される永久磁石３０の一方側側面で規制される空間内で膨張し永久磁石３０の一方側側面に押付力を与えて永久磁石３０の他方側側面を磁石ポケット部２２の内壁面に押し付ける発泡材と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機ロータに係り、特に、磁石挿入孔に永久磁石を挿入して固定する回転電機ロータに関する。

埋め込み磁石型の回転電機では、磁極を形成する複数の永久磁石がロータの周方向に沿って埋め込まれる。

例えば、特許文献１には、積層鋼板で構成されるロータにおいて、積層鋼板の製造公差によって凹凸の孔内面となる磁石挿入孔に、永久磁石と共に発泡性接着シートを挿入し、その後加熱し、発泡性接着シートを膨張させて積層鋼板の製造公差を吸収することが述べられている。ここで、発泡性接着シートは、可撓性を与える固形エポキシ樹脂、熱硬化成分である液状エポキシ樹脂、エポキシ硬化剤であるアミン硬化剤を含み、さらに発泡材料として加熱すると体積が急激に膨張する膨張カプセルが含まれる。

特開２００６−３１１７８２号公報

磁石挿入孔に永久磁石とともに接着シートを挿入して固定する方法では、永久磁石を挿入するための小さな孔形状に先に接着シートを入れ、残った隙間に永久磁石を挿入することが多い。磁石挿入時にはロータコアと永久磁石と接着シートが狭い空間の中で接触するので、接着シートがずれ、あるいは擦れや剥がれ等の損傷を生じ、場合によっては磁石挿入孔から接着シートがはみ出すことが生じる。これによって、ロータコアに対する永久磁石の固定力が不足し、ばらつき、回転電機特性が低下する。特許文献１の発泡性接着シートでは、上記の課題の他に、さらに、発泡によって永久磁石を押し付ける方向以外の隙間方向にも膨張するので、押付力が安定しないことが生じる。

本発明の目的は、永久磁石がロータコアに安定して固定される回転電機ロータを提供することである。

本発明に係る回転電機ロータは、ロータコアの軸方向に沿って設けられる磁石挿入孔であって、磁石ポケット部と磁石ポケット部から張出して設けられる溝部とを含む磁石挿入孔と、磁石ポケット部に配置される永久磁石であって、ロータコアの周方向に沿った両側面を有し、一方側の側面が溝部に向かい合い溝幅よりも長い周方向長さを有する永久磁石と、溝部に配置されるシート状の発泡材であって、常温状態で溝部形状よりも小さい外形を有し、加熱によって溝部を形成する溝底部、溝両壁部、及び磁石ポケットに配置される永久磁石の一方側側面で規制される空間内で膨張し永久磁石の一方側側面に押付力を与えて永久磁石の他方側側面を磁石ポケットの内壁面に押し付ける発泡材と、を有することを特徴とする。

本発明に係る回転電機ロータは、永久磁石が配置される磁石ポケット部と磁石ポケット部から張出して設けられ発泡材が配置される溝部とを含む磁石挿入孔を有する。発泡材は溝部、永久磁石は磁石ポケット孔にそれぞれ挿入することができ、磁石挿入時に接着シートがずれることも、擦れや剥がれ等の損傷を生じることも、磁石挿入孔から接着シートがはみ出すことも生じない。また、発泡材の膨張は、溝部を形成する溝底部、溝両壁部、及び磁石ポケットに配置される永久磁石の一方側側面で規制されるので、永久磁石を押し付ける方向に効果的に膨張し、安定した押付力で永久磁石を磁石ポケットの内壁面に押し付ける。これによって、永久磁石がロータコアに安定して固定される。

本発明に係る実施の形態の回転電機ロータを軸方向の端面から見た構成図である。本発明に係る実施の形態の回転電機ロータにおける磁石挿入孔の詳細図である。本発明に係る実施の形態の回転電機ロータにおける磁石挿入孔に永久磁石が配置される手順を示す図である。図３（ａ）は発泡材が挿入された状態を示す図であり、（ｂ）はさらに永久磁石が挿入された状態を示す図であり、（ｃ）は発泡材が加熱により膨張して永久磁石を押し付け固定した状態を示す図である。

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。以下に述べる寸法、形状、材質、磁極の極数等は、説明のための例示であって、回転電機ロータの仕様等により、適宜変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の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、車両搭載用回転電機を構成する回転電機ロータ１０を示す図である。以下では、特に断らない限り、回転電機ロータ１０をロータ１０と呼ぶ。図１は、ロータ１０の軸方向の端面から見た図である。図１には、ロータ１０の周方向θ、径方向Ｒ、軸方向Ｚを示した。

ロータ１０が用いられる回転電機は、車両が力行するときは電動機として機能し、車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相同期型回転電機である。回転電機は、図１に示されるロータ１０と、ロータ１０の外周側に所定の隙間を隔てて配置され巻線コイルが巻回される円環状のステータとで構成される。図１ではステータの図示を省略した。

ロータ１０は、ロータコア１２と、ロータコア１２に設けられる中心穴１４に挿入固定されるロータ回転軸を含む。図１ではロータ回転軸の図示を省略した。ロータコア１２は、所定の形状に成形された複数の積層鋼板を積層して形成される円環状の磁性体部品である。積層鋼板に代えて、磁性粉末を一体化成形したものを用いてもよい。ロータ１０が回転電機に用いられるときには、ロータコア１２と一体化されたロータ回転軸の軸方向の両端が軸受によって回転自在に支持され、図示されていないステータと協働してロータコア１２と共にロータ回転軸が回転する。このように、回転電機においては、中心穴１４に設けられるロータ回転軸がトルクを出力する出力軸となる。

ロータ１０には、周方向にそって予め定められた数の磁極１６が設けられる。図１の例では、極数は８である。

磁石挿入孔２０は、各磁極１６にそれぞれ設けられ、ロータコア１２の軸方向に貫通する孔で、ロータコア１２の磁極１６を形成する永久磁石３０と、永久磁石３０を磁石挿入孔２０において位置決めし固定するための発泡材４０が配置される。磁石挿入孔２０は、磁石ポケット部２２と溝部２４とを含んで構成される。図２は、磁石挿入孔２０の詳細図である。

磁石ポケット部２２は、磁石挿入孔２０において、永久磁石３０が配置される部分である。磁石ポケット部２２の開口形状は、永久磁石３０の外形に基づいて設定される。永久磁石３０の軸方向に垂直な断面形状が矩形断面であるときは、磁石ポケット部２２の開口形状は矩形形状に設定される。永久磁石３０が矩形断面以外の断面形状を有するときは、その断面形状に従った開口形状に設定される。また、ロータコア１２における磁路設計の観点から、永久磁石３０の外形の断面形状を基本として若干の修正を加えた開口形状としてもよい。以下では、永久磁石３０が矩形断面を有し、磁石ポケット部２２の開口形状がθ方向にＷ₁、Ｒ方向にＤ₁の寸法を有する矩形形状を有するものとする。

溝部２４は、磁石挿入孔２０において、発泡材３８が配置される部分である。ここで発泡材３８は、加熱によって膨張する前の常温における外形を有するものを指す。なお、図１の発泡材４０は、加熱によって膨張した後の形状のものである。溝部２４は、磁石ポケット部２２からＲ方向に張出して設けられる。Ｒ方向は、ロータ１０が回転するときの遠心力が働く方向である。図１、図２では、磁石ポケット部２２からロータ１０の外周側に張出すものとしたが、磁石ポケット部２２からロータ１０の内周側に張出すものでもよい。

溝部２４は、磁石ポケット部２２の開口形状に接続する矩形形状の開口を有する。図２では、Ｒ方向に沿った溝両壁部２６，２７、θ方向に沿った溝底部２８で形成される部分が、磁石ポケット部２２のθ方向に沿った両側面のうち、Ｒ方向の外周側の一方側側面に接続する。接続部分で溝部２４と磁石ポケット部２２は空間的に一体化する。接続部分は、磁石ポケット部２２の一方側側面のθ方向に沿ったほぼ中央部に配置される。

溝部２４の溝底部２８のθ方向に沿った長さＷ₂は、磁石ポケット部２２のＷ₁よりも短く設定される。また、溝両壁部２６，２７のＲ方向に沿った長さＤ₂は、磁石ポケット部２２のＤ₁よりも短く設定される。一例を上げると、Ｗ₂はＷ₁の１／２程度で、Ｄ₂はＤ₁の１／４から１／６程度である。これは一例であって、これ以外の設定でも構わない。

永久磁石３０は、各磁極１６の磁石挿入孔２０の磁石ポケット部２２にそれぞれ配置され、ロータコア１２の磁極を形成する磁石である。図１では、永久磁石３０が配置される磁極１６の隣の磁極１６に配置されるものをそれぞれ永久磁石２９，３１として示した。
永久磁石２９，３０，３１はＲ方向に沿って着磁され、隣り合う磁極１６では、永久磁石２９，３０、３１の着磁方向は互いに逆方向である。例えば、永久磁石３０においてロータコア１２の外周側がＮ極、内周側がＳ極に着磁されるとすると、永久磁石２９，３０においては、ロータコア１２の外周側がＳ極、内周側がＮ極に着磁される。かかる永久磁石３０の材質としては、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石、サマリウムとコバルトを主成分とするサマリウムコバルト磁石等の希土類磁石が用いられる。これ以外にフェライト磁石、アルニコ磁石等を用いてもよい。

永久磁石３０の外形寸法は、溝部２４のθ方向の寸法Ｗ₂よりも大きく、磁石ポケット部２２の開口形状の寸法よりも一回り小さく設定される。永久磁石３０の外形寸法をθ方向にＷ_M、Ｒ方向にＤ_Mとする（図３（ｂ）参照）と、Ｗ₁＞Ｗ_M＞Ｗ₂であり、Ｄ₁＞Ｄ_Mである。（Ｗ₁−Ｗ_M），（Ｄ₁−Ｄ_M）は、永久磁石３０を磁石ポケット部２２に挿入するときの余裕隙間である。これらの大きさは、寸法公差を考慮し、挿入作業が滑らかに行える最小寸法に設定することがよい。

発泡材３８は、溝部２４に配置され、軸方向に延びるシート状の発泡材で、常温状態で溝部形状よりも小さい外形を有し、加熱によって膨張する材料で構成される。発泡材３８のシート状の軸方向に垂直な断面寸法は、溝部２４の開口形状の寸法よりも一回り小さく設定される。常温状態の発泡材３８の断面寸法をθ方向にＷ_S、Ｒ方向にＤ_Sとする（図３（ａ）参照）と、Ｗ₂＞Ｗ_Sであり、Ｄ₂＞Ｄ_Sである。（Ｗ₂−Ｗ_S），（Ｄ₂−Ｄ_S）は、発泡材３８を溝部２４に挿入するときの余裕隙間である。これらの大きさは、寸法公差を考慮し、挿入作業が滑らかに行える最小寸法に設定することがよい。

かかる発泡材３８としては、樹脂シートに膨張カプセルを含ませたものを用いることができる。樹脂シートとしては耐熱性と絶縁性を有する樹脂材料をシート状に成形したものを用いる。例えば、固形エポキシ樹脂シートを用いることができる。膨張カプセルは、加熱によって急激に体積が膨張するカプセルで、発泡性ウレタン樹脂カプセル等を用いることができる。発泡材３８は液体状の熱硬化性樹脂ではないので、溝部２４への挿入作業性がよい。

上記構成の作用について図３を用いて説明する。最初に、磁石挿入孔２０の溝部２４に、シート状の発泡材３８が挿入される。以後の工程で溝部２４から発泡材３８がずれないように仮接着等を行ってもよい。図３（ａ）は、溝部２４に発泡材３８が挿入された状態を示す図である。

次に、磁石挿入孔２０の磁石ポケット部２２に永久磁石３０が挿入される。磁石ポケット部２２は、永久磁石３０が滑らかに挿入できる大きさに設定されているので、永久磁石３０の挿入時に、永久磁石３０と発泡材３８が接触することはほとんどなく、したがって、発泡材３８の位置がずれることもなく、擦れが生じることもなく、損傷を生じることがない。図３（ｂ）は、磁石ポケット部２２に永久磁石３０が挿入された状態を示す図である。図３（ａ）の手順と（ｂ）の手順は、場合によって逆にしてもよい。あるいは、永久磁石３０の一方側側面に位置決めを行って予め発泡材３８を貼付してもよい。

磁石挿入孔２０に永久磁石３０と発泡材３８が挿入されると、その状態のロータコア１２を加熱する。加熱温度は、発泡材３８に含まれる発泡カプセルの膨張温度以上とする。発泡カプセルの仕様によるが、加熱温度は例えば、１００℃から１５０℃程度である。

発泡材３８は加熱により膨張し、溝部２４を形成する溝底部２８、溝両壁部２６，２７と、及び磁石ポケット部２２に配置されている永久磁石３０の一方側側面３２で規制される空間内で膨張する。永久磁石３０の一方側側面３２とは、発泡材３８に向かい合う側面である。これにより、膨張した発泡材４０は、永久磁石の一方側側面３２に押付力Ｆを与えて、永久磁石３０の他方側側面３４を磁石ポケットの内壁面に押し付ける。この押付力Ｆによって、永久磁石３０は磁石挿入孔２０の中に固定される。なお、磁石ポケット部２２の一方側内壁と永久磁石３０の一方側側面３２との隙間（Ｄ₁−Ｄ_M）にも膨張した発泡材４０が侵入し、その隙間を埋める。これにより、永久磁石３０を磁石挿入孔２０の内部でがたつかない。

上記構成によれば、永久磁石３０の挿入時に発泡材３８を損傷することもなく、膨張した発泡材４０は、溝部２４のθ方向の全幅に渡って永久磁石３０を磁石挿入孔２０の他方側内壁に効果的に押し付けるので、永久磁石を安定的にロータコア１２に固定することができる。

１０（回転電機）ロータ、１２ロータコア、１６磁極、２０磁石挿入孔、
２２磁石ポケット部、２４溝部、２６，２７溝両壁部、２８溝底部、２９，３０，３１永久磁石、３２一方側側面、３４他方側側面、３８（常温状態の）発泡材、４０（加熱後の）発泡材。

Claims

ロータコアの軸方向に沿って設けられる磁石挿入孔であって、磁石ポケット部と磁石ポケット部から張出して設けられる溝部とを含む磁石挿入孔と、
磁石ポケット部に配置される永久磁石であって、ロータコアの周方向に沿った両側面を有し、一方側の側面が溝部に向かい合い溝幅よりも長い周方向長さを有する永久磁石と、
溝部に配置されるシート状の発泡材であって、常温状態で溝部形状よりも小さい外形を有し、加熱によって溝部を形成する溝底部、溝両壁部、及び磁石ポケットに配置される永久磁石の一方側側面で規制される空間内で膨張し永久磁石の一方側側面に押付力を与えて永久磁石の他方側側面を磁石ポケットの内壁面に押し付ける発泡材と、
を有することを特徴とする回転電機ロータ。