JP2019103187A - 回転電機のロータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機のロータにおいて、ロータコアとエンドプレートの線膨張係数の差に基づく応力がブリッジ部に生じた場合に、その応力を緩和することである。【解決手段】回転電機のロータ１０は、磁極を形成する永久磁石４０が挿入された磁石挿入孔３０が周方向に沿って配置された磁性体のロータコア１２と、ロータコア１２と締結部で固定されて設けられた非磁性体のエンドプレート１４，１５とを備える。ロータコア１２は、磁極のそれぞれにおいて、磁極中心線に対し線対称に配置され、磁極中心線に対し互いに近接してブリッジ部を形成する一対の磁石挿入孔を有する。締結部は、ロータコア１２及びエンドプレート１４の外周面と、磁極中心線との交点に設けられ、エンドプレート１４は、隣接する磁極の境界線上で外周側から内周側に向かって所定の長さで延びる応力緩和用のスリット５０を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、回転電機のロータに係り、特に、埋込磁石型の回転電機のロータに関する。

埋込磁石型（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ：ＩＰＭ）回転電機のロータコアは、磁石挿入孔が設けられた磁性体薄板を複数枚積層した積層体を形成し、各磁石挿入孔に永久磁石が挿入されて埋め込まれる。矩形断面の永久磁石の場合、磁石挿入孔は、永久磁石より大きめの矩形孔とされるが、矩形孔の両端部を延ばして隣接する磁石挿入孔の間の磁路を狭くしてブリッジ部を形成し、隣接する永久磁石間での磁束の漏れを抑制することが行われる。

また、ロータが回転する場合に磁石挿入孔から永久磁石が飛び出さないように、ロータコアの軸方向両側に非磁性体のエンドプレートが設けられる。ロータコアが磁性体薄板の積層体の場合には、エンドプレートは積層薄板を軸方向に押さえる機能も有する。

特許文献１には、ＩＰＭ回転電機のロータとして、永久磁石とロータコアとを固定するエンドプレートがロータコアの端部に配置され、エンドプレートは、その外郭で屈曲する爪部を有し、その爪部がロータコアの側面の一部を押える構成が開示されている。

特開２０１１−００４５２９号公報

ロータコアは磁性体で、エンドプレートは非磁性体であるので、互いに材料が異なり、線膨張係数が異なる。ロータコアとエンドプレートとが複数の締結部において互いに固定されていると、温度環境が変化した場合、線膨張係数の差によって、ロータコアとエンドプレートの一方が相対的に伸長し、他方が相対的に縮小する。ロータコアが締結部の間で伸長または縮小すると、ロータコアの磁性体部分が最も細い箇所であるブリッジ部において他の箇所に比べて大きな応力が生じ得る。ブリッジ部に過大な応力が発生すると、回転電機のトルク特性に影響を与え、場合によってはロータの破損につながる恐れがある。ブリッジ部における応力を少なくするためにブリッジ部の狭い部分を広くすることが考えられるが、回転電機が大型化する。そこで、線膨張係数の差に基づく応力がブリッジ部に生じた場合に、その応力を緩和できる回転電機のロータが要望される。

本開示に係る回転電機のロータは、磁極を形成する永久磁石が挿入された磁石挿入孔が周方向に沿って配置された磁性体のロータコアと、ロータコアと同じ外径を有しロータコアと外径を合わせて重ねられた状態で締結部で固定されて設けられた非磁性体のエンドプレートと、を備え、ロータコアは、磁極のそれぞれにおいて、磁極中心線に対し線対称に配置され、磁極中心線に対し互いに近接してブリッジ部を形成する一対の磁石挿入孔を有し、締結部は、ロータコア及びエンドプレートが重ねられた状態の外周面と、磁極中心線との交点に設けられ、エンドプレートは、隣接する磁極の境界線上で外周側から内周側に向かって所定の長さで延びる応力緩和用のスリットを有する。

上記構成によれば、エンドプレートは、隣接する磁極の境界線上で外周側から内周側に向かって延びる応力緩和用のスリットを有する。これによって、ロータの温度環境が変化した場合に線膨張係数の差によってエンドプレートの径方向に生じる伸長または縮小の変形を緩和できる。これに対応して、ロータコアのブリッジ部近傍の変形が抑制され、ブリッジ部に生じる応力を緩和できる。

上記構成の回転電機のロータによれば、線膨張係数の差に基づく応力がブリッジ部に生じた場合に、その応力を緩和できる。

実施の形態に係る回転電機のロータについて、エンドプレートの一部を破断して示す斜視図である。 図１のロータコアの上面図である。 図１のエンドプレートの上面図である。 ロータコアとエンドプレートについて、図２のＡ部に対応する部分を抜き出して示す図である。図４（ａ）は、ロータコアのＡ部を示す図で、（ｂ）は、Ａ部に対応するエンドプレートの部分を示す図である。 図４を軸方向視で重ねて示す図である。 実施の形態に係る回転電機のロータの作用効果を示す図で、図６（ａ）は、ロータの温度環境が変化した場合に線膨張係数の差によってエンドプレートに生じる径方向の応力を示す図であり、（ｂ）は、スリットがあることで応力が緩和されることを示す図である。

以下に図面を用いて本実施の形態につき詳細に説明する。以下では、ロータコアとして磁性体薄板の積層体を述べるが、これは説明のための例示であって、永久磁石を埋め込み、ブリッジ部が形成できる磁性体であれば、一体型のロータコアであってもよい。また、以下では、エンドプレートとして非磁性のステンレススチール（ＳＵＳ）を述べるが、これは説明のための例示であって、ロータコアと線膨張係数の異なる非磁性材料であればよい。例えば、アルミニウム、銅等の非磁性金属材料のエンドプレート、あるいは、適当な強度を有する樹脂材料のエンドプレートでもよい。

以下に述べる形状、材質、孔部の個数、磁極数等は、説明のための例示であって、回転電機の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、車両に搭載される回転電機に用いられる回転電機のロータ１０の斜視図である。以下では、特に断らない限り、回転電機のロータ１０を、ロータ１０と呼ぶ。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、ロータ１０と、図示しないが、ロータ１０の外周側に所定の間隔を隔てて配置され、巻線コイルが巻回される円環状のステータとを含む。

ロータ１０は、円環状のロータコア１２と、ロータコア１２と同じ外径を有する円板状のエンドプレート１４，１５とを含む。エンドプレート１４，１５は、ロータコア１２と外径を合わせて軸方向の両端部にそれぞれ重ねあわされて配置され、締結部１６，１７においてロータコア１２と固定されて、一体化したロータ１０を形成する。締結部１６，１７の形成には、溶接が用いられる。溶接に代えて、かしめ、爪部等による係止固定等の一体化接合手段を用いてもよい。一体化の際に、円環状のロータコア１２の中心穴と円板状のエンドプレート１４，１５の中心穴とは位置合わせされ、一体化されたロータ１０を貫通する中心穴１８となる。そこで、以下では、ロータコア１２の中心穴もエンドプレート１４，１５の中心穴も、中心穴１８と呼ぶ。ロータ１０の中心穴１８には、回転電機の出力軸であるロータ軸が固定される。

図１に、中心穴１８の中心軸ＣＬと軸方向と径方向とを示す。軸方向は、中心軸ＣＬに沿った方向で、軸方向の両側を区別する場合は、エンドプレート１４側を一方側、エンドプレート１５側を他方側と呼ぶ。径方向はロータコア１２の内周側と外周側を指す方向である。図１では、エンドプレート１４の一部を破断して、ロータコア１２の一方側の端面１３を示す。ロータコア１２には、複数の磁石挿入孔３０と、各磁石挿入孔３０にそれぞれ挿入される複数の永久磁石４０が配置される。エンドプレート１４には、応力緩和用のスリット５０が複数設けられる。

ロータコア１２は、所定枚数の磁性体薄板２０を軸方向に積層した積層体に、複数の永久磁石４０を埋め込んで配置したものである。ロータコア１２を磁性体薄板２０の積層体で構成するのは、ロータコア１２に生じ得る渦電流を抑制するためで、所定の形状に成形される前の磁性体薄板２０の両面には、絶縁コート等の絶縁処理が施される。これによって、積層された各磁性体薄板２０の間が電気的に絶縁されて、外部変動磁界により発生し得る渦電流が小さなループに分割され、渦電流損失が抑制される。磁性体薄板２０は、ロータ軸を通す中心穴１８と、複数の磁石挿入孔３０とを含み、所定の形状に成形された円環状形状を有する。かかる磁性体薄板２０としては、電磁鋼板が用いられる。磁性体薄板２０の積層体に代えて、複数の磁石挿入孔３０を有する一体型の磁性体でロータコア１２を構成してもよい。

図２は、ロータコア１２の上面図であり、これは、ロータコア１２の軸方向の一方側の端面１３における１枚の磁性体薄板２０において、磁性体薄板２０に設けられた磁石挿入孔３０にそれぞれ永久磁石４０を配置した状態の平面図でもある。ロータ１０は、８つの磁極を有し、これに対応して、ロータコア１２は、磁極Ｐの数が８で、１つの磁極Ｐ当り２つの永久磁石４０を含む。図２では、８つの磁極Ｐを区別して、Ｐ１〜Ｐ８と示す。したがって、ロータコア１２は、１６個の磁石挿入孔３０と、１６個の永久磁石４０を含む。磁極Ｐの数、１つの磁極Ｐ当りの永久磁石４０の数は例示であり、ロータ１０及びロータコア１２の仕様によって変更可能である。図２の磁極Ｐ５に、永久磁石４０が配置される前の状態を示す。８つの磁極Ｐの全てがＰ５の状態の場合が、磁性体薄板２０の平面図に相当する。

各磁極Ｐは、同じ構成であるので、図２で一点鎖線の太枠で囲んだ磁極Ｐ１について説明する。磁極Ｐ１は、磁石挿入孔３０として、一対の磁石挿入孔６０，６２を有し、永久磁石４０として、一対の永久磁石７０，７２を有する。永久磁石７０は磁石挿入孔６０に挿入され、永久磁石７２は磁石挿入孔６２に挿入される。

一対の磁石挿入孔６０，６２は、それぞれ磁極Ｐ１の磁極中心線ＣＰに対し線対称に配置され、ロータコア１２の外周側に向かって互いの間隔距離が拡がり、ロータコア１２の内周側で互いに近接したＶ字状に配置される。

一対の磁石挿入孔６０，６２は、平面図において、挿入される永久磁石７０，７２の短辺寸法よりやや大きめの孔幅と、永久磁石７０，７２の長辺よりもやや長めの長手寸法を有し、ロータコア１２において軸方向に貫通する孔である。磁石挿入孔６０，６２の長手方向には永久磁石７０，７２の長辺の両端部からさらに延びた端部を有する。磁極Ｐ１の磁極中心線ＣＰを挟んで向かい合った磁石挿入孔６０の端部と、磁石挿入孔６２の端部は、ロータコア１２において磁束の流れを規制するためのブリッジ部８０を形成する形状に設定される。磁極中心線ＣＰは、磁石挿入孔６０と磁石挿入孔６２の間のブリッジ部８０の位置を通る。

永久磁石７０，７２は、ロータコア１２の軸方向に貫通する磁石挿入孔６０，６２に挿入される長方形の棒磁石である。軸方向の長さはロータコア１２の軸方向の長さよりやや短めで、軸方向に垂直な断面形状は、磁石挿入孔６０，６２に挿入される大きさの矩形である。永久磁石７０，７２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７０，７２を磁石挿入孔６０，６２の内部に固定するには樹脂が用いられる。固定用の樹脂の磁石挿入孔６０，６２への注入には、磁石挿入孔６０，６２の長手方向において永久磁石７０，７２の長辺の両端部からさらに延びた端部が用いられる。永久磁石７０，７２の固定のための樹脂としては、成形性と耐熱性に優れた熱硬化樹脂が用いられる。熱硬化樹脂としては、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等が用いられる。

図１に戻り、エンドプレート１４，１５は、ロータ１０が回転する場合に磁石挿入孔３０から永久磁石４０が飛び出さないように、ロータコア１２の軸方向両側に設けられた非磁性のステンレススチール製の中心穴１８付きの環状円板である。エンドプレート１４，１５には、中心穴１８の他に、応力緩和用のスリット５０が設けられる。応力緩和用のスリット５０は、ロータ１０の環境温度が変化した場合に、ロータコア１２の線膨張係数とエンドプレート１４，１５の線膨張係数との差によってブリッジ部８０に応力が生じた場合に、その応力を緩和するために設けられる。スリット５０は、エンドプレート１４，１５のそれぞれに設けられ、エンドプレート１４，１５の外周側の開口端部から内周側に向かって所定の長さで延び、板厚方向には貫通する。応力緩和用のスリット５０の配置について、図３から図５を用いて説明する。なお、エンドプレート１５は、エンドプレート１４と同じ構造であるので、以下では、特に断らない限り、エンドプレート１４について述べる。

図３は、図１のエンドプレート１４の上面図である。応力緩和用のスリット５０は、ロータ１０において隣接する磁極の境界線上に沿って、外周側から内周側に向かって所定の長さで延びる。応力緩和用のスリット５０は、エンドプレート１４の周方向に沿って、８つ配置され、配置間隔は、隣接する磁極の間隔と同じである。図３では、エンドプレート１４において、ロータコア１２の８つの磁極Ｐ１〜Ｐ８に対応する位置を示す。応力緩和用のスリット５０は、磁極Ｐ１と磁極Ｐ２の境界線上に沿って、外周側の開口端から内周側に向かって所定の長さで延び、板厚方向に貫通して設けられる。以下同様に、磁極Ｐ２と磁極Ｐ３の境界線上、磁極Ｐ３と磁極Ｐ４の境界線上、磁極Ｐ４と磁極Ｐ５の境界線上、磁極Ｐ５と磁極Ｐ６の境界線上、磁極Ｐ６と磁極Ｐ７の境界線上、磁極Ｐ７と磁極Ｐ８の境界線上、磁極Ｐ８と磁極Ｐ１の境界線上にも設けられる。所定の長さは、中心穴１８に達しない範囲で、ロータコア１２の線膨張係数とエンドプレート１４，１５の線膨張係数との差によってブリッジ部８０に生じ得る応力の大きさに基づいて設定される。図３の例では、所定の長さは、エンドプレート１４の外径と内径との中間位置の付近まで、外周側の開口端から延びる長さに設定されている。

図４は、ロータコア１２とエンドプレート１４について、図２の磁極Ｐ１のＡ部に対応する部分を抜き出して示す図である。図４（ａ）は、ロータコア１２のＡ部を示す図で、（ｂ）は、Ａ部に対応するエンドプレート１４の部分を示す図である。これらの図において、ロータコア１２とエンドプレート１４におけるそれぞれの締結部１６を示す。締結部１６は、ロータコア１２及びエンドプレート１４が重ねられた状態の外周面と、磁極中心線ＣＰとの交点に設けられる。この配置によって、ロータ１０に温度環境の変化がある場合に、ロータコア１２及びエンドプレート１４に生じる引張または圧縮の変形やそれに伴う応力の分布が偏らずに、磁極中心線ＣＰに対し線対称となる。エンドプレート１４における応力緩和用のスリット５０は、磁極Ｐ１の締結部１６を挟んで、磁極Ｐ１の両側の境界線上に配置されるので、図４（ｂ）では、スリット５０の幅の半分が図示される。

エンドプレート１４のスリット５０を、磁極Ｐ１の締結部１６を挟んで磁極Ｐ１の両側の境界線上に配置するのは、以下の理由による。すなわち、ロータコア１２とエンドプレート１４とがロータ１０における複数の締結部１６において互いに固定されていると、温度環境が変化した場合、線膨張係数の差によって、ロータコア１２とエンドプレート１４の一方が相対的に伸長し、他方が相対的に縮小する。隣接する締結部１６の間でロータコア１２が伸長または縮小すると、ロータコア１２の磁性体部分が最も細い箇所であるブリッジ部８０において他の箇所に比べて大きな応力が生じる。スリット５０が設けられない場合には、エンドプレート１５はロータコア１２の伸長または縮小と反対方向に、縮小または伸長する。例えば、ロータコア１２が縮小してエンドプレート１５が伸長する。逆の場合として、ロータコア１２が伸長してエンドプレート１５が縮小する。エンドプレート１５にスリット５０が設けられる場合には、エンドプレート１５の伸長または縮小の変形がスリット５０によって吸収される。例えば、エンドプレート１５が径方向に伸長する場合でも、スリット５０が設けられると、径方向の伸長が緩和される。これによって、ロータコア１２において、径方向の縮小が緩和され、ロータコア１２のブリッジ部８０において生じ得る応力が緩和される。ブリッジ部８０は磁極中心線ＣＰ上にあるので、スリット５０を磁極中心線ＣＰに対して対称の磁極境界線上に設けることで、ブリッジ部８０に発生し得る応力を効果的に緩和できる。

図５は、ロータコア１２のＡ部の上に、Ａ部に対応するエンドプレート１４の部分を重ねて、締結部１６で固定された状態を上方側から軸方向視した図である。これは、図１のロータ１０において、エンドプレート１４を破断せずに、軸方向の一方側から軸方向視した図に相当する。ロータコア１２のＡ部はエンドプレート１４に隠れて視認できないので、磁石挿入孔６０，６２を破線で示す。図５に示すように、ロータ１０において軸方向視した場合に、締結部１６は、磁極Ｐ１の磁極中心線ＣＰ上にあり、スリット５０は、磁極Ｐ１の境界線上に配置される。スリット５０はエンドプレート１４の板厚方向に貫通しているので、図５では、スリット５０の貫通部分にロータコア１２が現われる。

図６は、上記構成のロータ１０の作用効果を示す図である。ここでは、ロータ１０の温度環境が変化した場合に線膨張係数の差によって、ロータコア１２が縮小し、エンドプレート１４が伸長する場合について述べる。図６（ａ）は、スリット５０の作用効果がないとして、エンドプレート１４がロータコア１２に与える径方向の力Ｆを示す。力Ｆは、ロータコア１２を径方向の外周側に引っ張る方向の力である。これに対応して、ロータコア１２には、エンドプレート１４を内周側に縮小する力が生じるので、ブリッジ部８０に大きな応力が生じ得る。（ｂ）は、スリット５０の作用効果を示す図で、（ａ）に示す力Ｆは、周方向に沿ってスリット５０の隙間を小さくする力Ｆ’の成分と、ロータコア１２を径方向の外周側に引っ張る力Ｆ’’の成分に分散する。（ａ）の力Ｆが、力Ｆ’の成分と力Ｆ’’の成分に分散することで、力Ｆ’’＜ 力Ｆとなる。このように、スリット５０を設けることで、ロータ１０の温度環境が変化した場合に線膨張係数の差によってエンドプレート１４がロータコア１２を径方向に引っ張る力が緩和され、ブリッジ部８０に生じる応力を緩和することができる。上記では、ロータ１０の温度環境が変化した場合に線膨張係数の差によって、ロータコア１２が縮小しエンドプレート１４が伸長する場合について述べたが、ロータコア１２が伸長しエンドプレート１４が縮小する場合でも同様の作用効果を生じる。

上記構成の回転電機のロータ１０によれば、エンドプレート１４，１５は、ロータ１０において隣接する磁極の境界線上で外周側から内周側に向かって所定の長さで延びる応力緩和用のスリットを有する。これによって、ロータコア１２とエンドプレート１４，１５の線膨張係数の差によってロータコア１２のブリッジ部８０に応力が生じた場合に、その応力を緩和できる。ブリッジ部８０の応力緩和の効果として、回転電機のトルク特性の安定化、ロータ１０の破損防止が図られ、さらにブリッジ部８０を細くすることが可能となり、回転電機のトルク特性の向上、高回転化、小型化を図ることができる。

１０ （回転電機の）ロータ、１２ ロータコア、１３ 一方側の端面、１４，１５ エンドプレート、１６，１７ 締結部、１８ 中心穴、２０ 磁性体薄板、３０，６０，６２ 磁石挿入孔、４０，７０，７２ 永久磁石、５０ (応力緩和用の)スリット、８０ ブリッジ部。

Claims (1)

1. 磁極を形成する永久磁石が挿入された磁石挿入孔が周方向に沿って配置された磁性体のロータコアと、
   前記ロータコアと同じ外径を有し前記ロータコアと外径を合わせて重ねられた状態で締結部で固定されて設けられた非磁性体のエンドプレートと、
   を備え、
   前記ロータコアは、
   前記磁極のそれぞれにおいて、磁極中心線に対し線対称に配置され、前記磁極中心線に対し互いに近接してブリッジ部を形成する一対の前記磁石挿入孔を有し、
   前記締結部は、
   前記ロータコア及び前記エンドプレートが重ねられた状態の外周面と、前記磁極中心線との交点に設けられ、
   前記エンドプレートは、
   隣接する前記磁極の境界線上で外周側から内周側に向かって所定の長さで延びる応力緩和用のスリットを有する、回転電機のロータ。

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