JP2018186604A - 回転電機のロータコア及び回転電機のロータ - Google Patents

Abstract

【課題】挿入孔内における永久磁石の位置決めをしつつ、径方向流路部を構成する鋼板の強度を確保すること。【解決手段】ロータコア１２を構成する積層体２０の内部には、軸方向に延在する軸方向流路部２７と、中心孔２２と軸方向流路部２７とを連通する径方向流路部２８とを有し、冷却媒体としてのオイルが流通する積層体流路２６が形成されている。複数の鋼板４１〜４３のうち軸方向流路部２７のみを構成する第３の鋼板４３の第２の挿入孔の内周面には、同第２の挿入孔内における永久磁石３０の位置決めをする位置決め部が設けられている。複数の鋼板４１〜４３のうち径方向流路部２８を構成する鋼板（第１の鋼板４１及び第２の鋼板４２）の第１の挿入孔の内周面に対して永久磁石３０が全周にわたって間隔をおいて配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機のロータコア、及びロータコアとその中心孔に挿通して固定されたロータシャフトとを備える回転電機のロータに関する。

永久磁石挿入型の回転電機のロータは、複数の鋼板を積層して構成され、中心孔及び周方向に間隔をおいて形成された複数の挿入孔を有する積層体、及び複数の挿入孔にそれぞれ挿入されるとともに充填材を介して積層体に固定された永久磁石を備えるロータコアと、ロータコアの中心孔に挿通して固定されたロータシャフトとを備えている。

特許文献１に記載の回転電機では、ロータコアを構成する積層体の内部に、ロータシャフトの内部通路に連通する積層体流路が形成されている。上記積層体流路は、軸方向に延在する軸方向流路部と、ロータコアの中心孔と軸方向流路部とを連通する径方向流路部とを有している。軸方向流路部は、各鋼板に形成された貫通孔によって形成されている。また、径方向流路部は、軸方向の中央部に位置する鋼板に形成されたスリットや貫通孔によって形成されている。そして、内部通路を介して積層体流路に冷却媒体を流通させることにより、ロータコアの冷却が行われる。

特許文献２に記載のモータにおいては、ロータコアを構成する積層体の挿入孔の内周面に、内周側に向けて突出するとともに挿入孔内における永久磁石の位置決めをする位置決め部が設けられている。これにより、ロータの動的アンバランスが低減される。

特許第５９１３１６０号 特開２００７−２０３５０号公報

ところで、特許文献１に記載のロータのように積層体の内部に軸方向流路部及び径方向流路部を有する積層体流路が形成されている場合、径方向流路部が形成された鋼板では、径方向流路部を構成するスリットの内周面に対して応力が発生しやすい。

また、特許文献２に記載のロータのように挿入孔の内周面に位置決め部が設けられている場合、ロータの回転時には、永久磁石の遠心力が位置決め部に作用しやすくなることにより挿入孔の内周面に対して応力が発生しやすい。

これらのことから、径方向流路及び挿入孔の位置決め部の双方が形成された鋼板では、挿入孔の内周面に応力が発生するとともに、径方向流路部の内周面に対して応力が発生することとなり、強度を確保することが難しくなる。その結果、ロータの高速回転化を図る上での障害の１つとなっている。

本発明の目的は、挿入孔内における永久磁石の位置決めをしつつ、径方向流路部を構成する鋼板の強度を確保することのできる回転電機のロータコア及び回転電機のロータを提供することにある。

上記目的を達成するための回転電機のロータコアは、複数の鋼板により構成され、中心孔及び周方向に間隔をおいて形成された複数の挿入孔を有する積層体と、前記複数の挿入孔にそれぞれ挿入されるとともに充填材を介して前記積層体に固定された永久磁石と、を備え、前記積層体の内部には、軸方向に延在する軸方向流路部と、前記中心孔と前記軸方向流路部とを連通する径方向流路部とを有し、冷却媒体が流通する積層体流路が形成されたものにおいて、前記複数の鋼板のうち前記軸方向流路部のみを構成する鋼板の前記挿入孔の内周面には、前記挿入孔内における前記永久磁石の位置決めをする位置決め部が設けられており、前記複数の鋼板のうち前記径方向流路部を構成する鋼板の前記挿入孔の内周面に対して前記永久磁石が全周にわたって間隔をおいて配置されている。

また、上記目的を達成するための回転電機のロータは、前記ロータコアと、前記ロータコアの中心孔に挿通して固定されたロータシャフトと、を備え、前記ロータシャフトの内部には、冷却媒体が流通するシャフト流路が形成されるとともに、前記ロータシャフトには、前記シャフト流路と前記径方向流路部とを連通する連通路が形成されている。

同構成によれば、複数の鋼板のうち軸方向流路部のみを構成する鋼板の挿入孔には位置決め部が設けられている。ここで、当該鋼板は積層体全体の大部分を占めるため、ロータコアの挿入孔内において永久磁石を適切に位置決めすることができる。

一方、複数の鋼板のうち径方向流路部を構成する鋼板の挿入孔には、上記位置決め部に相当する部位が設けられておらず、挿入孔の内周面に対して永久磁石が全周にわたって間隔をおいて配置されている。このため、径方向流路部を構成する鋼板では、永久磁石の接触が回避され、ロータ回転時に永久磁石の遠心力により鋼板に発生する応力を低減することができる。

本発明によれば、挿入孔内における永久磁石の位置決めをしつつ、径方向流路部を構成する鋼板の強度を確保することができる。

回転電機のロータの一実施形態について、ロータの軸方向の一端面を示す平面図。 図１の２−２線に沿ったロータの断面構造を示す断面図。 同実施形態の鋼板の平面図と、同鋼板の挿入孔に挿入して固定された永久磁石の断面図とを合わせ示す図であって、（ａ）は、第１の鋼板を示す図、（ｂ）は、第２の鋼板を示す図。 同実施形態の第３の鋼板の平面図と、第３の鋼板の挿入孔に挿入して固定された永久磁石の断面図とを合わせ示す図。 比較例のロータについて、図２に対応する断面図。 同比較例の鋼板の平面図と、同鋼板の挿入孔に挿入して固定された永久磁石の断面図とを合わせ示す図であって、（ａ）は、第１の鋼板を示す図、（ｂ）は、第２の鋼板を示す図、（ｃ）は、第３の鋼板を示す図、（ｄ）は、第４の鋼板を示す図。 図３（ａ）に対応する図であって、変形例の第１の鋼板を示す平面図。

以下、図１〜図４を参照して、一実施形態について説明する。
まず、本実施形態の電動機のロータ１０の全体構成について説明する。
図１及び図２に示すように、ロータ１０は、中心孔２２を有する円筒状のロータコア１２と、ロータコア１２の中心孔２２に挿通されるロータシャフト１４と、ロータシャフト１４に対してワッシャ１６を介してロータコア１２を固定するナット１８とを備えている。

ロータコア１２は、複数の鋼板４１〜４３により形成され、中心孔２２及び周方向に間隔をおいて形成された複数の挿入孔２４を有する積層体２０と、複数の挿入孔２４にそれぞれ挿入されるとともに充填材３２を介して積層体２０に固定された永久磁石３０とを備えている。

なお、充填材としては例えば、熱硬化性のエポキシ樹脂が好ましい。
図１に示すように、本実施形態の積層体２０には、周方向において互いに隣り合う都合十対の挿入孔２４が形成されている。一対の挿入孔２４は、それぞれ長尺状の断面形状を有するとともに、互いに近接するほど外周側に位置している。永久磁石３０は、挿入孔２４の断面長手方向に対して長い矩形状の断面形状を有している。

なお、一般には、同図に二点鎖線にて囲まれた２つの挿入孔２４、すなわち互いに近接するほど内周側に位置する２つの挿入孔２４に挿入して固定される一対の永久磁石３０によって、電動機の各磁極が構成される。

図２に示すように、ロータシャフト１４には、積層体２０の一方の端面（同図の左端面）を支持するフランジ１４１が形成されている。ロータシャフト１４には、上記一方の端面とは反対側（同図の右側）からワッシャ１６を介してナット１８が螺合されている。ナット１８を締め付けることにより、ワッシャ１６がロータコア１２を押圧し、ロータシャフト１４に対してロータコア１２が固定されている。

図２に示すように、ロータ１０の内部には、永久磁石３０を冷却する冷却媒体としてのオイルを流通させる冷却流路が設けられている。
すなわち、冷却流路は、ロータシャフト１４の内部に形成されたシャフト流路１４２と、積層体２０の内部に形成されるとともに上記シャフト流路１４２に連通された積層体流路２６とを有している。

積層体流路２６は、積層体２０の軸方向（同図の左右方向）に沿って延在する軸方向流路部２７と、中心孔２２と軸方向流路部２７とを連通する径方向流路部２８とを有している。

軸方向流路部２７は、積層体２０を構成する複数の鋼板４１〜４３の全てに形成されており、積層体２０を軸方向に貫通している。
径方向流路部２８は、積層体２０を構成する複数の鋼板４１〜４３のうち軸方向の中央部に位置する鋼板４１，４２に形成されている。径方向流路部２８は、中心孔２２に連通するとともに径方向に沿って延在するスリット２８１と、スリット２８１の外周部分からそれぞれ２つに分岐するとともに径方向外側に向けて延在して軸方向流路部２７と一体に形成された貫通孔２８２とを有している。スリット２８１は、ロータシャフト１４の周壁を貫通する連通孔１４３を介してシャフト流路１４２に連通している。

本実施形態の積層体２０は、軸方向の中央部に位置する複数の第１の鋼板４１と、複数の第１の鋼板４１を軸方向の両側からそれぞれ挟む複数の第２の鋼板４２と、複数の第２の鋼板４２を軸方向の両側からそれぞれ挟む複数の第３の鋼板４３とから構成されている。

次に、図３及び図４を参照して、各鋼板４１〜４３の構成について説明する。
図３（ａ）に示すように、第１の鋼板４１には、上記スリット２８１が設けられている。スリット２８１は、中心孔２２に連通するとともに径方向に沿って延在している。

スリット２８１の径方向外側には、周方向に沿って延在する略円弧状の１つの軸方向流路部２７が設けられている。
軸方向流路部２７の径方向外側には、一対の挿入孔２４を構成する一対の第１の挿入孔５１が設けられている。

なお、図３（ａ）では、スリット２８１及び軸方向流路部２７が１つずつ示されているが、第１の鋼板４１には、複数（本実施形態では１０個）のスリット２８１及び軸方向流路部２７が周方向に等間隔にて設けられている。

図３（ｂ）に示すように、第２の鋼板４２には、上記貫通孔２８２が設けられている。貫通孔２８２は、径方向外側ほど周方向の幅が大きくされた略角丸二等辺三角形状をなしている。

貫通孔２８２の径方向外側には、一対の挿入孔２４を構成する一対の第１の挿入孔５１が設けられている。
なお、図３（ｂ）では、１つの貫通孔２８２が示されているが、第２の鋼板４２には、複数（本実施形態では１０個）の貫通孔２８２が周方向に等間隔にて設けられている。

図３（ａ）に二点鎖線にて示すように、貫通孔２８２の内周部がスリット２８１の外周部と軸方向にオーバーラップしている。
図３（ｂ）に二点鎖線にて示すように、軸方向流路部２７が貫通孔２８２の外周部と軸方向にオーバーラップしている。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、第１の挿入孔５１の内周面は永久磁石３０の外周面を一回り大きくした形状を有しており、第１の挿入孔５１の内周面と永久磁石３０の外周面との間には全周にわたって充填材３２が介設されている。すなわち、第１の挿入孔５１の内周面に対して永久磁石３０が全周にわたって間隔をおいて配置されている。

図４に示すように、各第３の鋼板４３には、第１の鋼板４１と同一形状の軸方向流路部２７が設けられている。
軸方向流路部２７の径方向外側には、一対の挿入孔２４を構成する一対の第２の挿入孔５２が設けられている。

なお、図４では、１つの軸方向流路部２７が示されているが、図１に示すように、第３の鋼板４３には、複数（本実施形態では１０個）の軸方向流路部２７が周方向に等間隔にて設けられている。

図４に示すように、第２の挿入孔５２の内周面には、第２の挿入孔５２の内周側に向けて突出するとともに永久磁石３０の断面長手方向における変位を規制することにより、第２の挿入孔５２内における永久磁石３０の位置決めをする一対の位置決め部５２１，５２２が設けられている。

第２の挿入孔５２の内周面のうち位置決め部５２１，５２２以外の部分と永久磁石３０の外周面との間には、充填材３２が介設されている。
次に、本実施形態の作用について説明する。

本実施形態のロータ１０（ロータコア１２）によれば、複数の鋼板４１〜４３のうち軸方向流路部２７のみを構成する第３の鋼板４３の第２の挿入孔５２には位置決め部５２１，５２２が設けられている。ここで、当該第３の鋼板４３は積層体２０全体の大部分を占めるため、ロータコア１２の挿入孔２４内において永久磁石３０を適切に位置決めすることができる。

一方、複数の鋼板４１〜４３のうち径方向流路部２８を構成する第１の鋼板４１及び第２の鋼板４２の第１の挿入孔５１には、上記位置決め部に相当する部位が設けられておらず、第２の挿入孔５２の内周面に対して永久磁石３０が全周にわたって間隔をおいて配置されている。

このため、径方向流路部２８を構成する第１の鋼板４１及び第２の鋼板４２では、永久磁石３０の接触が回避され、ロータ１０の回転時に永久磁石３０の遠心力により鋼板４１，４２に発生する応力を低減することができる。

したがって、挿入孔２４内における永久磁石３０の位置決めをしつつ、径方向流路部２８を構成する第１の鋼板４１及び第２の鋼板４２の強度を確保することができる。
本実施形態では、互いに形状の異なるスリット２８１及び貫通孔２８２を有する２種類の鋼板４１，４２を積層することにより、径方向流路部２８が構成されている。

これに対して、図５及び図６（ａ）〜図６（ｄ）に示すように、比較例のロータ１１０（ロータコア１１２）では、互いに形状の異なるスリット２９１及び貫通孔２９２，２９３を有する３種類の鋼板６１〜６３を積層することにより、径方向流路部２９が構成されている。なお、比較例のロータ１１０において、上記実施形態と同一の構成については同一の符号を付すとともに、上記実施形態と対応する構成については、上記実施形態の符号「＊＊」に「１００」を加算した「１＊＊」を付すことにより、重複する説明を省略する。

比較例のロータ１１０（ロータコア１１２）によれば、本実施形態に比べて、スリット２９１や貫通孔２９２，２９３の径方向の長さを短くできることから、径方向流路部２９を構成する鋼板６１〜６３に発生する応力を低減することができる。このため、図６に示すように、位置決め部５２１，５２２を有する第２の挿入孔５２を第４の鋼板６４に加えて第１〜３の鋼板６１〜６３に設けたとしても、当該鋼板６１〜６３の強度不足が生じにくい。

ただし、この場合には、当該鋼板６１〜６３の種類が増えることにより、ロータコア１１２の構成が複雑になるという背反がある。
この点、本実施形態のロータ１０（ロータコア１２）によれば、前述したように、径方向流路部２８を構成する第１の鋼板４１及び第２の鋼板４２の強度を確保することができるため、径方向流路部２８を構成するスリット２８１や貫通孔２８２の径方向長さを長くすることが可能となる。これにより、径方向流路部２８を構成する鋼板の各々について、スリットや貫通孔の形状を細かく徐変させることが不要となり、当該鋼板４１，４２の種類を減らすことができる。したがって、ロータコア１２の構成を簡単にすることができる。

以上説明した本実施形態に係るロータコアによれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）ロータコア１２を構成する積層体２０の内部には、軸方向に延在する軸方向流路部２７と、中心孔２２と軸方向流路部２７とを連通する径方向流路部２８とを有し、冷却媒体としてのオイルが流通する積層体流路２６が形成されている。複数の鋼板４１〜４３のうち軸方向流路部２７のみを構成する第３の鋼板４３の挿入孔（第２の挿入孔５２）の内周面には、第２の挿入孔５２内における永久磁石３０の位置決めをする位置決め部５２１，５２２が設けられている。複数の鋼板４１〜４３のうち径方向流路部２８を構成する第１の鋼板４１及び第２の鋼板４２の挿入孔（第１の挿入孔５１）の内周面に対して永久磁石３０が全周にわたって間隔をおいて配置されている。

こうした構成によれば、上述した作用を奏することから、挿入孔２４内における永久磁石３０の位置決めをしつつ、径方向流路部２８を構成する第１の鋼板４１及び第２の鋼板４２の強度を確保することができる。

また、上記構成によれば、上述したように、径方向流路部２８を構成する鋼板４１，４２の種類を減らすことができるため、ロータコア１２の構成を簡単にすることができる。
（２）回転電機のロータ１０は、ロータコア１２と、ロータコア１２の中心孔２２に挿通して固定されたロータシャフト１４とを備えている。ロータシャフト１４の内部には、オイルが流通するとともに径方向流路部２８と連通するシャフト流路１４２が形成されている。

こうした構成によれば、上記効果（１）と同様な効果を奏することができる。
＜変形例＞
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。

・図７に示すように、第１の鋼板４１において、スリット２８１を径方向外側に向けて延伸させることにより、軸方向流路部２７と直接連通させてもよい。この場合、貫通孔２８２を有する第２の鋼板４２を省略することが可能となる。したがって、径方向流路部を１種類の鋼板により構成することができ、ロータコアの構成を簡単にすることができる。

・第２の挿入孔の位置決め部の位置や形状を適宜変更してもよい。
・本発明を発電機のロータ及びロータコアに対して適用することもできる。

１０，１１０…ロータ、１２，１１２…ロータコア、１４…ロータシャフト、１４１…フランジ、１４２…シャフト流路、１４３…連通孔、１６…ワッシャ、１８…ナット、２０，１２０…積層体、２２，１２２…中心孔、２４，１２４…挿入孔、２６，１２６…積層体流路、２７，１２７…軸方向流路部、２８…径方向流路部、２８１…スリット、２８２…貫通孔、２９…径方向流路部、２９１…スリット、２９２…第１貫通孔、２９３…第２貫通孔、３０…永久磁石、３２…充填材、４１…第１の鋼板、４２…第２の鋼板、４３…第３の鋼板、５１…第１の挿入孔、５２…第２の挿入孔、５２１…位置決め部、５２２…位置決め部、６１…第１の鋼板、６２…第２の鋼板、６３…第３の鋼板、６４…第４の鋼板。

Claims (3)

1. 複数の鋼板により構成され、中心孔及び周方向に間隔をおいて形成された複数の挿入孔を有する積層体と、
   前記複数の挿入孔にそれぞれ挿入されるとともに充填材を介して前記積層体に固定された永久磁石と、
   を備え、
   前記積層体の内部には、軸方向に延在する軸方向流路部と、前記中心孔と前記軸方向流路部とを連通する径方向流路部とを有し、冷却媒体が流通する積層体流路が形成されたロータコアにおいて、
   前記複数の鋼板のうち前記軸方向流路部のみを構成する鋼板の前記挿入孔の内周面には、前記挿入孔内における前記永久磁石の位置決めをする位置決め部が設けられており、
   前記複数の鋼板のうち前記径方向流路部を構成する鋼板の前記挿入孔の内周面に対して前記永久磁石が全周にわたって間隔をおいて配置されている、
   回転電機のロータコア。
2. 前記挿入孔及び前記永久磁石は、長尺状の断面形状を有するものであり、
   前記位置決め部は、前記挿入孔の内周側に向けて突出するとともに前記永久磁石の長手方向における変位を規制するものである、
   請求項１に記載の回転電機のロータコア。
3. 請求項１または請求項２に記載のロータコアと、
   前記ロータコアの中心孔に挿通して固定されたロータシャフトと、を備え、
   前記ロータシャフトには、冷却媒体が流通するとともに前記径方向流路部に連通するシャフト流路が形成されている、
   回転電機のロータ。