JP2019106795A - 回転電機のロータ - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の磁束がステータ側に流れるのを防ぎ、トルクリップルも抑制できるようにした回転電機のロータの提供。【解決手段】ロータは、圧延電磁鋼板からなる円環状のロータコア単板１０の複数枚が積層されて形成されている。前記ロータコア単板１０は、半径方向のセンターブリッジ部３１ａと、センターブリッジ部３１ａを中心として円周方向にＶ字状に拡開する一対の磁石挿入孔３ａ、３ｂと、磁石挿入孔の半径方向の端面３３とロータコア単板１０の外周１１との間に形成される周方向のサイドブリッジ部３４とを備える。電磁鋼板の圧延方向を基準軸Ｌとした場合に、基準軸Ｌとセンターブリッジ部３１ａの軸線３２ａとの角度が大きいほどセンターブリッジ部の円周方向幅Ｗａが狭く、基準軸Ｌとサイドブリッジ部の接線方向軸線３５とのなす角度α１が大きいほどサイドブリッジ部の半径方向幅Ｈａが狭く形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機のロータに関する。

下記の特許文献１には、電磁鋼板からなる円環状のロータコア単板の複数枚が積層されて形成されたロータコアと、該ロータコアの内部に円周方向に所定距離を隔てて埋設された複数の永久磁石とを備える回転電機のロータであって、前記ロータコア単板は、中心軸と、半径方向に延びるセンターブリッジ部と、該センターブリッジ部を中心として円周方向にＶ字状に拡開する一対の磁石挿入孔と、該磁石挿入孔の半径方向端部とロータコア単板の外周との間に形成されるサイドブリッジ部とを備えており、ロータコア単板を積層して形成されるロータコアにおける前記隣接する一対の磁石挿入孔内に埋設された永久磁石により磁極が形成されるようにした、回転電機のロータが記載されている。

特開２０１６−０３２３４０号公報

特許文献１に記載される、センターブリッジ部を介して円周方向にＶ字状に隣接する一対の磁石挿入孔内に永久磁石を埋設して磁極を形成するようにした回転電機のロータにおいては、ロータ回転時に発生するトルクリップルを低減させるため、円周方向に複数形成される各磁極を同一形状とすることが行われる。

一方、ロータコアの素材としては、通常、一方向に圧延された電磁鋼板が用いられる。この種の圧延鋼板は圧延方向からの角度によって強度に異方性が存在する。回転電機のロータは、ロータ回転時に発生する永久磁石からの遠心力に耐え得る寸法のセンターブリッジ部およびサイドブリッジ部を持つロータコアが必要とされる。

現在のロータコアにおいては、前記した電磁鋼板の圧延方向に依存する強度の異方性に格別の配慮がなされてなく、設計に当たり、ロータコアのセンターブリッジ部およびサイドブリッジ部の寸法は、用いる電磁鋼板の強度が最も弱い位置の強度をベースとして設定されるのが通常である。そのために、センターブリッジ部およびサイドブリッジ部の幅が本来必要とされる寸法よりも大きくなる部位が生じることとなり、結果、永久磁石の磁束がステータ側に流れるのを必要以上に妨げてしまい、最大トルクも低減することが起こっている。また、トルクリップルの抑制にも限度がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、永久磁石の磁束がステータ側に流れるのを必要以上に妨げてしまうのを防ぐことで、最大トルクを増加することができ、同時に、ロータ回転時にロータに生じるトルクリップルも十分に抑制できるようにした回転電機のロータを提供することを課題とする。

本発明による回転電機のロータは、一方向に圧延された電磁鋼板からなる円環状のロータコア単板の複数枚が積層されて形成されたロータコアと、前記ロータコアの内部に円周方向に所定距離を隔てて埋設された複数の永久磁石と、を備える回転電機のロータにおいて、前記ロータコア単板は、中心軸と、半径方向のセンターブリッジ部と、前記センターブリッジ部を中心として円周方向にＶ字状に拡開する一対の磁石挿入孔と、前記磁石挿入孔の半径方向の端面と前記ロータコア単板の外周との間に形成される周方向のサイドブリッジ部と、を備え、前記センターブリッジ部は半径方向の軸線を有し、前記サイドブリッジ部は半径方向に直交する接線方向軸線を有し、前記電磁鋼板の圧延方向を基準軸とした場合に、前記基準軸と前記センターブリッジ部の前記軸線との角度が大きいほど前記センターブリッジ部の円周方向幅が狭く、前記基準軸と前記センターブリッジ部の前記軸線との角度が小さいほど前記センターブリッジ部の円周方向幅が広くされ、前記基準軸と前記サイドブリッジ部の前記接線方向軸線とのなす角度が大きいほど前記サイドブリッジ部の半径方向幅が狭く、前記基準軸と前記サイドブリッジ部の前記接線方向軸線とのなす角度が小さいほど前記サイドブリッジ部の半径方向幅が広く形成されており、前記ロータコア単板を積層して形成されたロータコアにおける前記隣接する一対の磁石挿入孔内に埋設された前記永久磁石により磁極が形成され、前記複数枚のロータコア単板は前記磁極が形成される位相と同じ位相だけ円周方向に位相をずらして順次積層されている、ことを特徴とする。

本発明による回転電機のロータでは、ロータを構成するロータコア単板が、素材である電磁鋼板の圧延方向に依存する強度の異方性を考慮して、そのセンターブリッジ部およびサイドブリッジ部のそれぞれが、ロータ回転時に発生する永久磁石の遠心力に耐え得ることのできる異なる寸法で形成されるとともに、複数枚のロータコア単板は、形成される電極の位相と同じ位相だけ円周方向に位相をずらして積層されている。それにより、永久磁石の磁束がステータ側に流れるのを必要以上に妨げてしまうことを防ぐとともに、ロータコアの円周方向の各位置における半径方向の厚さもほぼ均一化されて、ロータ回転時に発生するトルクリップルを抑制することも可能となる。また、最大トルクの向上も可能となる。

本発明の実施の形態にかかる回転電機のロータをその回転軸に沿った方向から見て示す概略構成図。 回転電機のロータを構成するロータコア単板を示す平面図。 図２の一部を示す拡大図。 ロータコア単板を示す平面図であってサイドブリッジ部の半径方向幅の違いを説明するための図。 電磁鋼板の強度と圧延方向からの角度との関係を示すグラフ。 本実施の形態にかかる回転電機のロータでの複数枚のロータコア単板を積層した状態を説明するための図。 本実施の形態にかかる回転電機のロータのトルクへの効果を示すグラフ。 本実施の形態にかかる回転電機のロータのトルクリップルへの効果を示すグラフ。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照して説明する。

［ロータ］
図１は、本発明の実施の形態に係る回転電機のロータの概略構成を示す図であり、ロータの回転軸１ａに沿った方向から見て示している。ロータ１は、図示しないステータの内周側に径方向に空隙を空けて対向配置され、ステータに対し相対回転する。ロータ１は、ロータコア２と、ロータコア２に配設された複数の磁極３とを含む。ロータコア２は、一方向に圧延された電磁鋼板からなる円環状のロータコア単板１０の複数枚が積層されて形成されている。

前記複数の磁極３は、ロータコア２の円周方向に沿って、互いに間隔をおいて（等間隔で）配置される。図示のロータコア２では、周方向に４５度の位相で、等間隔に８個の磁極３が形成されている。ロータコア２には、内周側にシャフト嵌合穴４が形成されている。該シャフト嵌合穴４の中心軸はロータの回転軸１ａに一致する。ロータシャフト５は、シャフト嵌合穴４に圧入され、ロータコア２と一体に固定されている。

前記した複数の磁極３の各々においては、一対の磁石挿入孔３ａ、３ｂが、ロータコア２の外周側が拡開するＶ字状に形成されており、永久磁石６ａ、６ｂが磁石挿入孔３ａ、３ｂにそれぞれ挿入されることで、１つの磁極３が構成される。

［ロータコア単板］
前記のように、ロータコア２は、一方向に圧延された電磁鋼板からなる円環状のロータコア単板１０の複数枚が積層されて形成されている。図２は、ロータコア単板１０の平面図である。ロータコア単板１０は、中心軸１０ａを持つ。この中心軸１０ａは、ロータ１の回転軸１ａと一致する。

この例において、素材である圧延電磁鋼板の圧延方向はＬ方向であり、前記した永久磁石６ａ、６ｂを挿入するための一対の磁石挿入孔３ａ、３ｂが計８組、すなわち、前記Ｌ方向に中心軸１０ａに点対称に２か所、前記Ｌ方向に４５度で傾斜するＮ方向に中心軸１０ａに点対称に４か所、そして、前記Ｌ方向に直交するＣ方向（９０度の方向）に中心軸１０ａに点対称に２か所、の計８組の一対の磁石挿入孔３ａ、３ｂが形成されている。以下、前記Ｌ方向に形成されている組を磁石挿入孔組３０Ａ、前記Ｎ方向に形成されている組を磁石挿入孔組３０Ｂ、前記Ｃ方向に形成されている組を磁石挿入孔組３０Ｃという。

［センターブリッジ部］
各磁石挿入孔組３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃにおいて、磁石挿入孔３ａと磁石挿入孔３ｂは同じ形状である。一対の磁石挿入孔３ａと磁石挿入孔３ｂは、半径方向に延びるセンターブリッジ部３１の半径方向の軸線３２を対称軸として、鏡面対称に、ロータコア単板１０の外周側が拡開するＶ字状に、円周方向に配置している。

図３に、磁石挿入孔組３０Ａを代表例として示す。前記のように、磁石挿入孔組３０Ａのセンターブリッジ部３１ａは半径方向の軸線３２ａを有し、磁石挿入孔３ａと磁石挿入孔３ｂとは、半径方向の軸線３２ａを対称軸として鏡面対称の姿勢で位置している。センターブリッジ部３１ａには、ロータ１が回転したときに、磁石挿入孔組３０Ａに挿入した永久磁石６ａ、６ｂに起因する半径方向の応力（遠心力）Ｆ１が主に作用する。このことは、磁石挿入孔組３０Ｂ、３０Ｃについても同様である。

圧延電磁鋼板の圧延方向であるＬ方向を基準軸Ｌとした場合、磁石挿入孔組３０Ａの半径方向の軸線３２ａが前記基準軸Ｌとなす角度は０度であり、図２に示すように、磁石挿入孔組３０Ｂの半径方向の軸線３２ｂが前記基準軸Ｌとなす角度は４５度、磁石挿入孔組３０Ｃの半径方向の軸線３２ｃが前記基準軸Ｌとなす角度は９０度、である。

図２に示すように、磁石挿入孔組３０Ａにおけるセンターブリッジ部３１ａの周方向の幅をＷａ、磁石挿入孔組３０Ｂにおけるセンターブリッジ部３１ｂの周方向の幅をＷｂ、磁石挿入孔組３０Ｃにおけるセンターブリッジ部３１ｃの周方向の幅をＷｃとしたときに、ロータコア単板１０では、Ｗａ＞Ｗｂ＞Ｗｃとされている。

すなわち、各センターブリッジ部３１では、前記のように、ロータ１の回転時に主に半径方向の応力Ｆ１が作用することから、電磁鋼板の圧延方向（Ｌ方向）を基準軸Ｌとした場合に、基準軸Ｌとセンターブリッジ部３１の軸線３２とのなす角度が最も大きい、すなわち９０度である磁石挿入孔組３０Ｃでは、センターブリッジ部３１ｃの円周方向幅Ｗｃが最も狭く、基準軸Ｌとセンターブリッジ部の軸線３２との角度が最も小さい、すなわち０度である磁石挿入孔組３０Ａでは、センターブリッジ部３１ａの円周方向幅Ｗａが最も広くされている。基準軸Ｌとセンターブリッジ部３１ｂの半径方向の軸線３２ｂとのなす角度が４５度である磁石挿入孔組３０Ｂでは、センターブリッジ部３１ｂの円周方向幅Ｗｂは両者の中間の幅となっている。

［サイドブリッジ部］
各磁石挿入孔組３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃにおいて、磁石挿入孔３ａと磁石挿入孔３ｂの半径方向での端部３３とロータコア単板１０の外周１１との間にはサイドブリッジ部３４が存在している。図２、図３に示すよう、図示の例では、前記端部３３は半径方向に直交する接線方向の直交面であり、該直交面である端部３３とロータコア単板１０の外周１１との間がサイドブリッジ部３４とされている。

図３に磁石挿入孔組３０Ａの場合を示すように、各サイドブリッジ部３４には、ロータ１が回転するときに、磁石挿入孔組３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃに挿入した永久磁石６ａ、６ｂからの応力Ｆ２が主に周方向に作用する。

各サイドブリッジ部３４は周方向に所定の長さを有し、半径方向に直交する接線方向軸線３５を持つ。図示のロータコア単板１０では、前記端部３３は半径方向に直交する接線方向の直交面であり、ここでは、前記端部３３を通る直線が前記接線方向軸線３５に相当する。端部３３が半径方向に直交する接線方向の直交面でない場合には、任意の接線方向の直線が接線方向軸線となる。

サイドブリッジ部３４を構成する一方の縁（内縁）である前記端部３３は、前記のように、半径方向に直交しており、他方の縁（外縁）であるロータコア単板１０の外周１１は円弧である。したがって、サイドブリッジ部３４の半径方向の幅Ｈは周方向で変化する。本実施の形態では、周方向で変化する幅の平均の幅を、「サイドブリッジ部の半径方向幅Ｈ」とする。

本実施の形態では、前記した磁石挿入孔組３０Ａにおけるサイドブリッジ部３４ａの半径方向幅をＨａ、磁石挿入孔組３０Ｂにおけるサイドブリッジ部３４ｂの半径方向幅をＨｂ、磁石挿入孔組３０Ｃにおけるサイドブリッジ部３４ｃの半径方向幅をＨｃとしたときに、Ｈａ＜Ｈｂ＜Ｈｃとされている。すなわち、サイドブリッジ部３４では、周方向の応力Ｆ２が主に作用することから、基準軸Ｌと各サイドブリッジ部３４の前記接線方向軸線３５とのなす角度が大きいほどサイドブリッジ部３４の半径方向幅が狭く、基準軸Ｌとサイドブリッジ部３４の前記接線方向軸線３５とのなす角度が小さいほどサイドブリッジ部の半径方向幅が広くされている。

具体的には、図４に示すように、磁石挿入孔組３０Ａにおける基準軸Ｌとサイドブリッジ部３４ａの接線方向軸線３５ａとのなす角度をα１、磁石挿入孔組３０Ｂにおける基準軸Ｌとサイドブリッジ部３４ｂの接線方向軸線３５ｂとのなす角度をα２、磁石挿入孔組３０Ｃにおける基準軸Ｌとサイドブリッジ部３４ｃの接線方向軸線３５ｃとのなす角度をα３、としたときに、α１＞α２＞α３であり、したがって、前記のように、Ｈａ＜Ｈｂ＜Ｈｃとされている。

なお、磁石挿入孔組３０Ａおよび磁石挿入孔組３０Ｃにおいては、磁石挿入孔３ａに対応するサイドブリッジ部３４と、磁石挿入孔３ｂに対応するサイドブリッジ部３４の半径方向の幅Ｈは、同じである。しかし、例えば、磁石挿入孔組３０Ｂのように、その半径方向の軸線３２ｂが、電磁鋼板の圧延方向（Ｌ方向）の基準軸Ｌと同方向（０度方向）または直交する方向（９０度方向）でない場合には、一方の磁石挿入孔３ａに対応するサイドブリッジ部３４ｂ１と、他方の磁石挿入孔３ｂに対応するサイドブリッジ部３４ｂ２とでは、接線方向軸線３５ｂ１、接線方向軸線３５ｂ２が基準軸Ｌとなす角度α２が異なってくる。実際のロータコア単板１０の設計に当たっては、比較して基準軸Ｌとの角度α２が小さい方のサイドブリッジ部３４ｂ２の幅Ｈｂ２に、双方のサイドブリッジ部の幅を設定することが望ましい。

［圧延鋼板の特性］
図５は、電磁鋼板の強度と圧延方向からの角度との関係を示すグラフであり、圧延方向（Ｌ方向）での強度を１００とした場合、電磁鋼板の強度は、圧延方向からそれに直交する９０度の方向に向けて、次第に大きくなる。上記のように本実施の形態によるロータコア単板１０では、強度に異方性が存在する圧延鋼板を用いながら、その強度に対応してセンターブリッジ部３１およびサイドブリッジ部３４の幅をそれぞれ設定している。

すなわち、センターブリッジ部３１については、圧延方向（Ｌ方向）に延長するセンターブリッジ部３１では周方向の幅Ｗを最も広く、圧延方向に直交する方向に延長するセンターブリッジ部３１では周方向の幅Ｗを最も狭く設定し、また、サイドブリッジ部３４については、その接線方向軸線と圧延方向（Ｌ方向）とのなす角度αが大きいほど半径方向幅Ｈを狭く設定し、その接線方向軸線と圧延方向（Ｌ方向）とのなす角度αが小さいほど半径方向幅Ｈを広く設定することで、従来の最も弱い部位を基準としてセンターブリッジ部およびサイドブリッジ部を設計したロータコア単板と比較して、ロータコアとして組み付けたときに、全体として、センターブリッジ部３１およびサイドブリッジ部３４における磁石の磁束漏れを低減することが可能となる。

［ロータコアの作製］
上記のロータコア単板１０の複数枚を積層することで、ロータコア２とされる。例えば、Ｋ枚数のロータコア単板１０を積層する場合に、１枚ごとに、４５度位相を変えて積層してもよく、図６（ａ）に示すように、Ｋ枚を１／３・Ｋ枚のグループに分け、それぞれ４５度ずつ位相をずらして積層してもよく、図６（ｂ）に示すように、１／６・Ｋ枚の６つのグループに分け、それぞれ４５度ずつ位相をずらして積層してもよい。

各磁極でのセンターブリッジ部の円周方向の幅およびサイドブリッジ部での半径方向の幅が異なるときに、位相を変えないで積層した場合には、トルクリップルが大きくなる恐れがあるが、上記のように、ロータコア単板１０に形成されている各磁石挿入孔組３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃの周方向の位相をずらして、この例では、４５度ずつ円周方向に位相をずらして、複数枚のロータコア単板１０を順次積層する積層することで、トルクリップルを低減することが可能となる。

［従来のロータコアとの比較］
従来の設計思想によるロータコアにおけるセンターブリッジ部の円周方向の幅をＷ、サイドブリッジ部での半径方向幅をＨとし、それと本実施の形態によるロータコアとを比較した。ロータコアの全体形状の概略構成は、両者とも図１に示す形状であり、同じである。従来の設計思想によるロータコアでは、最も弱い部位、すなわち電磁鋼板の強度が最も弱い部位での磁石挿入孔組におけるセンターブリッジ部の円周方向の幅、図２で磁石挿入孔組３０Ａに相当する磁石挿入孔組でのセンターブリッジ部の円周方向の幅をＷとし、磁石挿入孔組３０Ｂと磁石挿入孔組３０Ｃにおけるセンターブリッジ部の円周方向の幅もすべてＷとした。

サイドブリッジ部での半径方向幅Ｈも、図２で磁石挿入孔組３０Ｃに相当する磁石挿入孔組でのサイドブリッジ部の半径方向の幅をＨとし、磁石挿入孔組３０Ａ、磁石挿入孔組３０Ｂにおけるサイドブリッジ部の半径方向の幅はすべてＨとした。

本実施の形態によるロータコアでは、センターブリッジ部の円周方向の幅と、サイドブリッジ部の半径方向の幅を、次表のように設定した。

同じ材料を用いて、従来の設計思想によるロータコアと本実施の形態によるロータコアを作製し、同じ枚数を積層してロータコアとし、巻線を施して、ロータとした。それぞれのロータを同じ規格のステータに取り付けて、回転電機とした。従来構造による回転電機と本発明による回転電機とを同じ条件で回転させて、最大トルクとトルクリップルを測定した。その結果を図７および図８に示した。図７は、従来構造による回転電機の最大トルクを１００とした場合での比較であり、図８は、従来構造による回転電機のトルクリップルを１００とした場合での比較である。

本発明による回転電機では、図７に示すように、最大トルクが比較して上昇しており、図８に示すように、トルクリップルは比較して小さくなっている。これにより、本発明の優位性が立証される。

１…回転電機のロータ、
１ａ…ロータの回転軸、
２…ロータコア、
３…磁極、
３ａ、３ｂ…一対の磁石挿入孔、
４…シャフト嵌合穴、
５…ロータシャフト、
６ａ、６ｂ…永久磁石、
１０…圧延された電磁鋼板からなる円環状のロータコア単板、
１０ａ…ロータコア単板の中心軸、
１１…ロータコア単板の外周、
３０（３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ）…磁石挿入孔組、
３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ）…半径方向に延びるセンターブリッジ部、
３２（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）…センターブリッジ部の半径方向の軸線、
３３…磁石挿入孔の半径方向での端部、
３４（３４ａ、３４ｂ、３４ｃ）…サイドブリッジ部、
３５（３５ａ、３５ｂ、３５ｃ）…サイドブリッジ部の接線方向軸線、
Ｌ…素材である圧延電磁鋼板の圧延方向である基準軸、
Ｗ（Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃ）…センターブリッジ部の周方向の幅、
Ｈ（Ｈａ、Ｈｂ、Ｈｃ）…サイドブリッジ部の半径方向の幅、
Ｆ１…半径方向の応力（遠心力）、
Ｆ２…周方向の応力、
α（α１、α２、α３）…基準軸とサイドブリッジ部の接線方向軸線とのなす角度。

Claims (1)

1. 一方向に圧延された電磁鋼板からなる円環状のロータコア単板の複数枚が積層されて形成されたロータコアと、前記ロータコアの内部に円周方向に所定距離を隔てて埋設された複数の永久磁石と、を備える回転電機のロータにおいて、
   前記ロータコア単板は、中心軸と、半径方向のセンターブリッジ部と、前記センターブリッジ部を中心として円周方向にＶ字状に拡開する一対の磁石挿入孔と、前記磁石挿入孔の半径方向の端面と前記ロータコア単板の外周との間に形成される周方向のサイドブリッジ部と、を備え、前記センターブリッジ部は半径方向の軸線を有し、前記サイドブリッジ部は半径方向に直交する接線方向軸線を有し、
   前記電磁鋼板の圧延方向を基準軸とした場合に、前記基準軸と前記センターブリッジ部の前記軸線との角度が大きいほど前記センターブリッジ部の円周方向幅が狭く、前記基準軸と前記センターブリッジ部の前記軸線との角度が小さいほど前記センターブリッジ部の円周方向幅が広くされ、
   前記基準軸と前記サイドブリッジ部の前記接線方向軸線とのなす角度が大きいほど前記サイドブリッジ部の半径方向幅が狭く、前記基準軸と前記サイドブリッジ部の前記接線方向軸線とのなす角度が小さいほど前記サイドブリッジ部の半径方向幅が広く形成されており、
   前記ロータコア単板を積層して形成されたロータコアにおける前記隣接する一対の磁石挿入孔内に埋設された前記永久磁石により磁極が形成され、
   前記複数枚のロータコア単板は前記磁極が形成される位相と同じ位相だけ円周方向に位相をずらして順次積層されている、
   ことを特徴とする回転電機のロータ。

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