JP2019154154A - 回転電機のロータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコアをスキューしなくてもトルクリプルを低減可能な回転電機のロータを提供する。【解決手段】ロータ１０は、ロータコア１１と、周方向に所定の間隔でロータコア１１に設けられた複数の磁極部５０と、を備える。ロータコア１１は、軸方向に積層された第１ロータコア１１Ａと第２ロータコア１１Ｂとを有する。第１ロータコア１１Ａの中心線Ｃ１と第２ロータコア１１Ｂの中心線Ｃ２とは、周方向で一致する。第１ロータコア１１Ａの少なくとも１組の溝部２１と、第２ロータコア１１Ｂの少なくとも１組の溝部２３、２４とは、周方向で異なる位置に配置されることで、第１ロータコア１１Ａのトルクリプル波形ＴＲ１と第２ロータコア１１Ｂのトルクリプル波形ＴＲ２とが逆位相となるように構成される。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機のロータに関する。

車両駆動用の回転電機には、広くＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）同期電動機が採用され、近年の制御技術の向上により、車両の滑らかな走りが実現されている。しかし、回転電機の構造上、トルクリプル(トルクの脈動)の発生は避けられず、それが低速運転時のトルク変動や、高速運転時の騒音及び振動の要因の一つとなっている。

特許文献１に記載の回転電機では、第１ロータコアユニットと第２ロータコアユニットをスキューして積層し、さらに各ロータコアユニットを構成するロータコアピースの外周面に軸方向に延びる複数の溝を設けている。より具体的には、各ロータコアピースには、磁極部の一極おきに磁石の一方側に溝を設け、溝あり極が発生するトルクリプル波形と溝なし極が発生するトルクリプル波形とを互いに逆位相に近づけることでトルクリプルを抑えている。

特開２０１６−２２０３８２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の回転電機では、第１ロータコアユニットと第２ロータコアユニットをスキューして積層するため、製造工程が複雑になるとともにスキューにより平均トルクが低下してしまう。

本発明は、ロータコアをスキューしなくてもトルクリプルを低減可能な回転電機のロータを提供する。

本発明は、
ロータコアと、
周方向に所定の間隔で該ロータコアに設けられた複数の磁極部と、を備え、
前記ロータコアの外周面には、前記ロータコアの中心と各磁極部の中心とを結ぶ中心線に対し周方向で対称となる位置に配置された軸方向に延びる２本１組の溝部が少なくとも１つ設けられた、回転電機のロータであって、
前記ロータコアは、軸方向に積層された第１ロータコアと第２ロータコアとを有し、
前記第１ロータコアの前記中心線と前記第２ロータコアの前記中心線とは、前記周方向で一致し、
前記第１ロータコアの前記少なくとも１組の溝部と、前記第２ロータコアの前記少なくとも１組の溝部とは、前記周方向で異なる位置に配置されることで、前記第１ロータコアのトルクリプル波形と前記第２ロータコアのトルクリプル波形とが逆位相となるように構成されている。

本発明によれば、ロータコアが、軸方向に積層した２つのロータコア（第１ロータコア及び第２ロータコア）から構成され、各ロータコアの外周面には、中心線に対し周方向で対称となる位置に軸方向に延びる２本１組の溝部が少なくとも１つ設けられている。また、第１ロータコアの１組の溝部と、第２ロータコアの１組の溝部とは、周方向で異なる位置に配置されることで、第１ロータコアのトルクリプル波形と第２ロータコアのトルクリプル波形とが逆位相となるように構成されている。したがって、２つのロータコアをスキューして積層することなく、ロータ全体としてのトルクリプルを低減できる。

本発明の一実施形態の回転電機のロータの正面図である。 図１に示す回転電機のロータの１つの磁極部を抜き出して示す斜視図である。 図２の磁極部の外周面の展開図である。 図１に示す回転電機に発生するトルクリプルの一例を示す図である。 軸方向長さが異なる２つのロータコアから構成されたロータコアの１つの磁極部の外周面の展開図である。 図１に示す回転電機に発生するトルクリプルの他の例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態の回転電機のロータについて、図面を参照して説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１は、本発明の一実施形態の回転電機のロータの正面図である。図２は、図１に示す回転電機のロータの１つの磁極部を抜き出して示す斜視図である。本実施形態の回転電機は、円環状に配置されたステータ（図示せず）の内周側に、ロータ１０が回転自在に設けられ、ステータに巻回されたコイルに通電することによりロータ１０が回転するように構成される。

図１に示すように、ロータ１０は、円環状のロータコア１１と、周方向に所定の間隔でロータコア１１に設けられた複数の磁極部５０と、を備える。ロータコア１１には、外周面近傍に、軸方向に貫通する磁石挿入孔１３が周方向に所定のパターンで設けられている。本実施形態では、略Ｖ字形状に配置された３つの磁石挿入孔１３が周方向に等間隔に設けられている。各磁石挿入孔１３に永久磁石１２が配置されることにより、ロータ１０の周方向には複数の磁極部５０が等間隔に形成される。

より具体的に説明すると、１つの磁極部５０を構成する３つ磁石挿入孔１３には、磁化方向が同じ永久磁石１２が配置される。周方向で隣り合う磁極部５０には、この永久磁石１２と磁化方向が異なる永久磁石１２が配置されることで、周方向で交互に磁極が反転するようになっている。磁石挿入孔１３には、永久磁石１２間の磁束の短絡を防止するためのフラックスバリアとなる空隙１４が形成され、その空隙１４に樹脂材を充填することで、永久磁石１２がロータコア１１に固定される。

図２に示すように、ロータコア１１は、軸方向に積層された第１ロータコア１１Ａと第２ロータコア１１Ｂと、を有し、第１ロータコア１１Ａと第２ロータコア１１Ｂとが軸方向に積層されている。第１ロータコア１１Ａ及び第２ロータコア１１Ｂは、略同一形状の円環状に打ち抜き形成された電磁鋼板を多数積層してそれぞれ形成される。第１ロータコア１１Ａと第２ロータコア１１Ｂとでは、後述する溝部の配置以外共通し、第１ロータコア１１Ａの中心線Ｃ１と第２ロータコア１１Ｂの中心線Ｃ２とは周方向で一致する。

図３は、図２の磁極部５０の外周面の展開図である。図２及び図３に示すように、第１ロータコア１１Ａ及び第２ロータコア１１Ｂには、軸方向に延びる２本１組の溝部が少なくとも１つ設けられている。具体的に説明すると、第１ロータコア１１Ａの外周面１１ａには、各磁極部５０の近傍に、軸方向（矢印Ａ方向）に延びる１組の溝部２１が設けられ、第２ロータコア１１Ｂの外周面１１ｂには、各磁極部５０の近傍に、軸方向（矢印Ａ方向）に延びる２組の溝部２３、２４が設けられている。

第１ロータコア１１Ａの外周面１１ａに設けられた１組の溝部２１と、第２ロータコア１１Ｂの外周面１１ｂに設けられた２組の溝部２３、２４は、周方向（矢印Ｂ方向）で異なる位置に配置されている。

１組の溝部２１は、第１ロータコア１１Ａの中心線Ｃ１に対し周方向（矢印Ｂ方向）で対称となる位置に配置された軸方向（矢印Ａ方向）に伸びる２つの溝部２１ｒ、２１ｌから構成される。

１組の溝部２３は、第２ロータコア１１Ｂの中心線Ｃ２に対し周方向（矢印Ｂ方向）で対称となる位置に配置された軸方向（矢印Ａ方向）に伸びる２つの溝部２３ｒ、２３ｌから構成される。また、もう一方の１組の溝部２４は、１組の溝部２３よりも中心線Ｃ２から周方向に離れた位置、且つ第２ロータコア１１Ｂの中心線Ｃ２に対し周方向（矢印Ｂ方向）で対称となる位置に配置された軸方向（矢印Ａ方向）に伸びる２つの溝部２４ｒ、２４ｌから構成される。

なお、１つの磁極部５０近傍に設けられた各溝部の深さは、全て同一である必要はない。また、各溝部の周方向の幅も、全て同じである必要はない。

このように、本実施形態のロータコア１１は、軸方向に積層した２つのロータコア１１Ａ、１１Ｂから構成され、各ロータコアの外周面１１ａ、１１ｂには、各磁極部５０の近傍に、中心線Ｃ１、Ｃ２に対し周方向で対称となる位置に配置された軸方向に延びる２本１組の溝部が少なくとも１つ設けられている。また、第１ロータコア１１Ａにおける１組の溝部２１と、第２ロータコア、１１Ｂにおける２組の溝部２３、２４の配置は周方向で異なり、図４に示すように、第１ロータコア１１Ａにおけるトルクリプル波形ＴＲ１と第２ロータコア１１Ｂにおけるトルクリプル波形ＴＲ２とが逆位相となるように構成される。そのゆえ、互いのトルクリプル波形ＴＲ１、ＴＲ２が打ち消し合うことで、ロータ１０全体としてのトルクリプルＴＲ０の振幅が減少する。

また、トルクリプルを低減する方法には、第１ロータコア１１Ａと第２ロータコア１１Ｂとをスキューして積層する手法があるが、この手法は平均トルクが低下するといった欠点がある。しかし、本実施形態のように、各ロータコア１１Ａ、１１Ｂの溝部の配置を変更すれば、各ロータコア１１Ａ、１１Ｂのトルクリプルの位相が変わるため、ロータ１０全体としての平均トルクを下げることなく、トルクリプルを低減できる。

なお、図２及び図３に示した例では、第１ロータコア１１Ａ及び第２ロータコア１１Ｂの軸方向（矢印Ａ方向）長さが略同じである。しかし、図５に示すように、第１ロータコア１１Ａ及び第２ロータコア１１Ｂの各軸方向長さが異なってもよい。例えば、第１ロータコア１１Ａの軸方向長さＬ１と第２ロータコア１１Ｂの軸方向長さＬ２との比が、「Ｌ１：Ｌ２＝６：４」の関係であってもよい。

各ロータコア１１Ａ、１１Ｂの軸方向長さＬ１、Ｌ２が異なると、各ロータコア１１Ａ、１１Ｂに対応するトルクリプルの振幅が変化する。このため、各ロータコア１１Ａ、１１Ｂに対応するトルクリプルの振幅が略同じとなるように軸方向長さＬ１、Ｌ２の比率を調整すれば、図６に示すように、各ロータコア１１Ａ、１１Ｂのトルクリプル波形ＴＲ１、ＴＲ２が互いに打ち消し合って、ロータ１０全体としてのトルクリプルＴＲ０をさらに低減できる。なお、各ロータコア１１Ａ、１１Ｂの軸方向長さＬ１、Ｌ２は、各ロータコア１１Ａ、１１Ｂにおける電磁鋼板の積層比率を変えることによって容易に変更可能である。

溝数が増えると回転電機のトルク密度が減少するところ、各磁極部５０に対応して１組の溝部２１が設けられた第１ロータコア１１Ａの軸方向長さＬ１を、第２ロータコア１１Ｂの軸方向長さＬ２よりも長くすることで、出力トルクを高めることができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、上記実施形態では、ロータコア１１の複数の磁極部５０の各々に対応して、第１ロータコア１１Ａに１組の溝部を設け、第２ロータコア１１Ｂに２組の溝部を設けたが、溝部の組数、１つ以上であれば適宜設定することができる。また、上記実施形態では、ロータコア１１は、２つのロータコア１１Ａ、１１Ｂを軸方向に積層して構成されているが、３つ以上のロータコアを軸方向に積層して構成されてもよい。

また、本明細書には少なくとも以下の事項が記載されている。なお、括弧内には、上記した実施形態において対応する構成要素等を示しているが、これに限定されるものではない。

（１） ロータコア（ロータコア１１）と、
周方向に所定の間隔で該ロータコアに設けられた複数の磁極部（磁極部５０）と、を備え、
前記ロータコアの外周面（外周面１１ａ、１１ｂ）には、前記ロータコアの中心（中心Ｏｒ）と各磁極部の中心（中心Ｏｍ）とを結ぶ中心線（中心線Ｃ１、Ｃ２）に対し周方向で対称となる位置に、軸方向に延びる２本１組の溝部（溝部２１、２３、２４）が少なくとも１つ設けられた、回転電機のロータ（ロータ１０）であって、
前記ロータコアは、軸方向に積層された第１ロータコア（第１ロータコア１１Ａ）と第２ロータコア（第２ロータコア１１Ｂ）とを有し、
前記第１ロータコアの前記中心線（中心線Ｃ１）と前記第２ロータコアの前記中心線（中心線Ｃ２）とは、前記周方向で一致し、
前記第１ロータコアの前記少なくとも１組の溝部（溝部２１）と、前記第２ロータコアの前記少なくとも１組の溝部（溝部２３、２４）とは、前記周方向で異なる位置に配置されることで、前記第１ロータコアのトルクリプル波形（ＴＲ１）と前記第２ロータコアのトルクリプル波形（ＴＲ２）とが逆位相となるように構成された、回転電機のロータ。

（１）によれば、ロータコアが、軸方向に積層した２つのロータコア（第１ロータコア及び第２ロータコア）から構成され、各ロータコアの外周面には、中心線に対し周方向で対称となる位置に軸方向に延びる２本１組の溝部が少なくとも１つ設けられている。また、第１ロータコアの１組の溝部と、第２ロータコアの１組の溝部とは、周方向で異なる位置に配置されることで、第１ロータコアのトルクリプル波形と第２ロータコアのトルクリプル波形とが逆位相となるように構成されている。したがって、２つのロータコアをスキューして積層することなく、ロータ全体としてのトルクリプルを低減できる。

（２） （１）に記載の回転電機のロータであって、
前記第１ロータコアは、前記溝部を１組有し、
前記第２ロータコアは、前記溝部を２組有し、
前記第１ロータコアの前記１組の溝部と、前記第２ロータコアの前記２組の溝部とは、前記周方向で異なる位置に配置された、回転電機のロータ。

（２）によれば、溝数が増えると回転電機のトルク密度が減少するところ、第１ロータコアの溝を１組とすることで、トルク密度の減少を低減することができる。

（３） （２）に記載の回転電機のロータであって、
前記第１ロータコアと前記第２ロータコアとは、軸方向長さ（軸方向長さＬ１、Ｌ２）が異なり、
前記第１ロータコアの軸方向長さ（軸方向長さＬ１）は、前記第２ロータコアの軸方向長さ（軸方向長さＬ２）よりも長い、回転電機のロータ。

（３）によれば、第１ロータコアの軸方向長さと第２ロータコアの軸方向長さが異なれば、各ロータコアに対応するトルクリプルの振幅が変化するため、２つのロータコアの軸方向長さの比率を調整することで、ロータ全体としてのトルクリプルをさらに低減できる。そして、トルク密度の高い第１ロータコアの軸方向長さを長くすることでロータの出力トルクを高めることができる。

（４） （１）〜（３）のいずれかに記載の回転電機のロータであって、
前記第１ロータコア及び前記第２ロータコアは、板状の鋼板（電磁鋼板）を複数積層することで構成された、回転電機のロータ。

（４）によれば、２つのロータコアの軸方向長さの比率を容易に調整できる。

（５） （１）〜（４）のいずれかに記載の回転電機のロータであって、
前記磁極部は、前記ロータコアの磁石挿入孔（磁石挿入孔１３）に配置された永久磁石（永久磁石１２）によって構成された、回転電機のロータ。

（５）によれば、２つのロータコアをスキューして積層する必要がないので、長尺の永久磁石を分割することなく使用することができる。

１０ ロータ
１１ ロータコア
１１Ａ 第１ロータコア
１１Ｂ 第２ロータコア
１１ａ 外周面
１１ｂ 外周面
１２ 永久磁石
１３ 磁石挿入孔
２１、２３、２４ １組の溝部
５０ 磁極部

Claims (5)

1. ロータコアと、
   周方向に所定の間隔で該ロータコアに設けられた複数の磁極部と、を備え、
   前記ロータコアの外周面には、前記ロータコアの中心と各磁極部の中心とを結ぶ中心線に対し周方向で対称となる位置に配置された軸方向に延びる２本１組の溝部が少なくとも１つ設けられた、回転電機のロータであって、
   前記ロータコアは、軸方向に積層された第１ロータコアと第２ロータコアとを有し、
   前記第１ロータコアの前記中心線と前記第２ロータコアの前記中心線とは、前記周方向で一致し、
   前記第１ロータコアの前記少なくとも１組の溝部と、前記第２ロータコアの前記少なくとも１組の溝部とは、前記周方向で異なる位置に配置されることで、前記第１ロータコアのトルクリプル波形と前記第２ロータコアのトルクリプル波形とが逆位相となるように構成された、回転電機のロータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のロータであって、
   前記第１ロータコアは、前記溝部を１組有し、
   前記第２ロータコアは、前記溝部を２組有し、
   前記第１ロータコアの前記１組の溝部と、前記第２ロータコアの前記２組の溝部とは、前記周方向で異なる位置に配置された、回転電機のロータ。
3. 請求項２に記載の回転電機のロータであって、
   前記第１ロータコアと前記第２ロータコアとは、軸方向長さが異なり、
   前記第１ロータコアの軸方向長さは、前記第２ロータコアの軸方向長さよりも長い、回転電機のロータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機のロータであって、
   前記第１ロータコア及び前記第２ロータコアは、板状の鋼板を複数積層することで構成された、回転電機のロータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機のロータであって、
   前記磁極部は、前記ロータコアの磁石挿入孔に配置された永久磁石によって構成された、回転電機のロータ。

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