JP2020065349A

JP2020065349A - 電動機

Info

Publication number: JP2020065349A
Application number: JP2018195331A
Authority: JP
Inventors: 武志北山; Takeshi Kitayama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-10-16
Filing date: 2018-10-16
Publication date: 2020-04-23
Anticipated expiration: 2038-10-16
Also published as: CN111064296A; JP7070316B2; CN111064296B; US11139705B2; US20200119605A1

Abstract

【課題】磁石にかかる遠心力によるロータコアへの応力集中を抑制すると共に、漏れ磁束を低減させることができる電動機を提供すること。【解決手段】ステータとロータとを備えた電動機であって、ロータはロータ周方向に複数の磁石挿入孔が形成されたロータコアと、複数の磁石挿入孔にそれぞれ挿入された複数の磁石とを有し、ロータコアは磁石挿入孔の少なくともロータ径方向内側の内面を形成するロータコア本体と、磁石に対してロータ径方向外側に位置し磁石挿入孔のロータ径方向外側の内面の一部を形成するロータコア外周部と、ロータコア本体とロータコア外周部とを連結することにより、ロータコア本体及びロータコア外周部と共に磁石挿入孔を形成し、ロータコア外周部における最厚部よりも薄肉に形成されたブリッジ部と有し、磁石の形状は、ロータ径方向内側から外側に向かうにつれて互いの間隔が狭まるように傾斜した一対の斜辺を有する断面多面体である。【選択図】図２

Description

本発明は、電動機に関する。

特許文献１には、ロータを軸線方向から見た平面視において、ロータ径方向内側から外側に向かうにつれて互いの間隔が狭まるように傾斜した一対の斜辺を有する台形の磁石を、ロータコアに埋設させた電動機が開示されている。

特開２００４−３６４３６９号公報

特許文献１に開示された電動機では、台形の磁石からの磁束のうち、ロータ径方向外方に配置されたステータに向かわない磁束である漏れ磁束の低減や、ロータ回転時に磁石にかかる遠心力によるロータコアへの応力集中について、検討の余地があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、磁石にかかる遠心力によるロータコアへの応力集中を抑制すると共に、漏れ磁束を低減させることができる電動機を提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電動機は、ステータと、前記ステータに対して回転自在に設けられたロータと、を備えた電動機であって、前記ロータは、ロータ周方向に複数の磁石挿入孔が形成されたロータコアと、前記複数の磁石挿入孔にそれぞれ挿入された複数の磁石と、を有し、前記ロータコアは、前記磁石挿入孔の少なくともロータ径方向内側の内面を形成するロータコア本体と、前記磁石に対してロータ径方向外側に位置し、前記磁石挿入孔のロータ径方向外側の内面の一部を形成するロータコア外周部と、前記ロータコア本体と前記ロータコア外周部とを連結することにより、前記ロータコア本体及び前記ロータコア外周部と共に前記磁石挿入孔を形成し、前記ロータを軸線方向から見た平面視において、前記ロータコア外周部における最厚部よりも薄肉に形成されたブリッジ部と、を有し、前記磁石の形状は、前記ロータを軸線方向から見た平面視において、ロータ径方向内側から外側に向かうにつれて互いの間隔が狭まるように傾斜した一対の斜辺を有する断面多面体であることを特徴とするものである。

また、上記において、前記ロータを軸線方向から見た平面視において、前記ロータコアにおける前記磁石の角部と対向する部分にて前記磁石挿入孔と繋がった、軸線方向に貫通した貫通孔を設けてもよい。

これにより、ロータコアにおける磁石の角部と対向する部分での応力集中を抑制することができる。

また、上記において、前記ロータを軸線方向から見た平面視において、前記貫通孔は、前記ブリッジ部によって形成された前記磁石挿入孔のロータ周方向の内面と、前記ロータコア本体によって形成された前記磁石挿入孔のロータ径方向内側の内面とでなす角に位置しており、前記貫通孔の面積が、前記磁石挿入孔のロータ周方向の内面上を通る直線に対して、前記磁石側のほうが該磁石側とは反対側よりも大きくしてもよい。

これにより、遠心力によって、ブリッジ部が開く方向に応力が集中するのを抑制することができる。

また、上記において、前記ロータを軸線方向から見た平面視において、前記貫通孔は、前記ブリッジ部によって形成された前記磁石挿入孔のロータ周方向の内面と、前記ロータコア本体によって形成された前記磁石挿入孔のロータ径方向内側の内面とでなす角に位置しており、前記貫通孔が、前記磁石挿入孔のロータ周方向の内面上を通る直線よりも前記磁石側に設けられていてもよい。

また、上記において、ロータ周方向で前記ロータコア外周部が円環状であってもよい。

これにより、ロータ回転時に発生し得る風切り音を低減することができる。

また、上記において、前記断面多面体は台形であってもよい。

これにより、遠心力による磁石からの押圧力が、台形の短辺及び斜辺でロータコアにかかるため、応力集中を抑制することができる。

また、上記において、前記ロータを軸線方向から見た平面視において、前記磁石の少なくとも１つの角部は、丸みを帯びた形状であってもよい。

また、上記において、前記ロータはコンシクエントポール型であってもよい。

これにより、ロータコアに設ける磁石の数を減らすことができ、その分、遠心力により複数の磁石によって押圧されるロータコアの部分が少なくなるため、ロータコアの耐久性を高めることが可能となる。

本発明に係る電動機においては、遠心力によって磁石がロータコアを押圧する力が、少なくとも一対の斜辺に分散されるため、磁石にかかる遠心力によるロータコアへの応力集中を抑制すると共に、ブリッジ部の幅を狭くすることができるため漏れ磁束を低減させることができるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係る電動機の断面図である。図２は、ロータを軸線方向から見た図である。図３は、ロータの磁石及びその近傍の拡大図である。図４は、磁石のロータ周方向における半分側の拡大図である。図５は、ロータコアの内周側に位置するコア逃げ形状部が、磁石挿入孔の長手方向端面上を通る直線に対して磁石側とは反対側に形成された場合を示した図である。図６は、ロータコアの内周側に位置するコア逃げ形状部の面積割合についての説明図である。図７は、ロータ周方向において、空隙部を挟んで磁極部が隣り合って並ぶように構成したロータを軸線方向から見た図である。図８は、図２に示したロータに対して、隣り合う磁極部と擬似磁極部との外周をブリッジ部によって繋いだロータを軸線方向から見た図である。図９は、図７に示したロータに対して、隣り合う磁極部同士の外周をブリッジ部によって繋いだロータを軸線方向から見た図である。図１０は、ロータを軸線方向から見た平面視において、台形の磁石の４つの角部を、丸みを帯びた形状とした場合を示した図である。図１１は、断面多面体として六角形の磁石を用いた場合を示した図である。図１２は、断面多面体として八角形の磁石を用いた場合を示した図である。図１３は、断面多面体として三角形の磁石を用いた場合を示した図である。図１４は、断面多面体として五角形の磁石を用いた場合を示した図である。

以下に、本発明に係る電動機の一実施形態について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、実施形態に係る電動機１の断面図である。図２は、ロータ３を軸線方向から見た図である。図１に示すように、実施形態に係る電動機１は、シャフト２、ロータ３、及び、ステータ４などを備えている。

シャフト２は、軸線方向に長尺な金属製の回転軸部材である。なお、以下の説明において、「軸線方向」とは、シャフト２の軸線方向（長手方向）と定義する。ロータ３は、ロータコア３１及び磁石３２などを有している。ロータコア３１は、複数の電磁鋼板をシャフト２の軸線方向に積層して円筒状に形成されている。ロータコア３１は、軸線方向にて電磁鋼板間に隙間があるため、軸線方向の磁気抵抗が、ロータコア３１の軸線方向と直交する方向である径方向及び周方向の磁気抵抗よりも大きい。そのため、ロータコア３１内では、磁束が軸線方向に流れ難く、径方向及び周方向に磁束が流れやすくなっている。磁石３２は、ロータコア３１の内部に埋設されており、ロータコア３１の軸線方向にわたって延在している。磁石３２の軸線方向両端面は、それぞれロータコア３１の軸線方向両端面と略面一になっている。

ステータ４は、ロータ径方向外方に所定間隔をあけて配置され、周方向に複数のスロット４３が形成された円環状のステータコア４１と、各スロット４３内に挿入されてステータコア４１に巻き付けられたステータコイル４２とを有している。ステータコア４１は、複数枚の電磁鋼板を軸線方向に積層して構成されている。

ロータコア３１には、ロータ３を軸線方向から見て、ロータ径方向に対して直交する方向を長手方向とした台形に形成されると共に、軸線方向に貫通した磁石挿入孔３３が、ロータ周方向に沿って等間隔に複数設けられている。なお、図２に示したロータ３では、複数の磁石挿入孔３３をロータ周方向にて９０［°］ごとに４つ設けている。

ロータコア３１は、磁石挿入孔３３の少なくともロータ径方向内側の内面３３ａを形成するロータコア本体３１ａと、磁石３２に対してロータ径方向外側に位置し、磁石挿入孔３３のロータ径方向外側の内面３３ｂの一部を形成するロータコア外周部３１ｂと、ロータコア本体３１ａとロータコア外周部３１ｂとを連結することにより、ロータコア本体３１ａ及びロータコア外周部３１ｂと共に磁石挿入孔３３を形成するブリッジ部３６とを有している。

また、ロータコア３１には、ロータ３を軸線方向から見てロータ径方向外側に開放された略Ｕ字形状に形成されると共に、軸線方向に貫通された空隙部３５が、ロータ周方向に複数設けられている。そして、ロータ周方向において、空隙部３５とブリッジ部３６とは隣接している。

磁石３２は、例えば、ネオジウム系磁石として構成される。本実施形態において、磁石３２の形状は、ロータ３を軸線方向から見た平面視において、ロータ径方向内側から外側に向かうにつれて互いの間隔が狭まるように傾斜した一対の斜辺を有する断面多面体である。具体的には、前記断面多面体として、ロータ径方向と直交する短辺３２１及び長辺３２３と、ロータ径方向内側から外側に向かうにつれて互いの間隔が狭まるように傾斜した一対の斜辺３２２とによって、四方が囲まれた左右対称の台形である。そして、このようにロータ３を軸線方向から見た平面視において、台形の磁石３２が、台形の磁石挿入孔３３内に挿入されている。なお、磁石挿入孔３３内に磁石３２を挿入した際には、磁石３２の外周と磁石挿入孔３３の内周との間に若干の隙間が存在しており、この隙間内に樹脂を充填して固めることにより、磁石挿入孔３３内にて磁石３２が固定される。一方、磁石挿入孔３３に磁石３２を圧入させて固定するように構成してもよい。

このようにして、ロータ周方向において複数の磁石３２がロータコア３１に埋設されており、ロータ３が、所謂ＩＰＭ（ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）型ロータ（磁石埋没型ロータ）とされている。また、図２に示したロータ３では、ロータ周方向で一対の空隙部３５に挟まれて磁石３２が配置された部分が磁極部３４Ａとされている。また、図２に示したロータ３では、ロータ周方向で空隙部３５を挟んで磁石部３４と隣り合う部分が磁石３２を配置していない擬似磁極部３４Ｂとされている。複数の磁石３２は、それぞれ同じ磁極（例えばＮ極）に設定されており、磁石３２の磁気作用によって擬似磁極部３４Ｂが磁極部３４Ａとは異なる磁極（例えばＳ極）として機能する。これにより、図２に示したロータ３では、互いに磁極の異なる磁極部３４Ａ及び擬似磁極部３４Ｂがロータ周方向に交互に配置されるようになる。このように、図２に示したロータ３は、所謂コンシクエントポール型のロータとして構成されている。

ブリッジ部３６は、ロータ３を軸線方向から見た平面視において、ロータコア外周部３１ｂにおける最厚部よりも薄肉に形成されている。具体的には、ロータ周方向において、ブリッジ部３６の空隙部３５側の側面３６１が磁石３２側へ窪むように形成されている。一方、ロータ周方向において、ブリッジ部３６によって形成された磁石挿入孔３３のロータ周方向の内面３３ｃ（ブリッジ部３６の磁石３２側の側面）は、この内面３３ｃと対向する磁石３２の斜辺３２２に沿って形成されている。そのため、ブリッジ部３６の空隙部３５側の側面３６１を磁石３２側へ窪むように形成しない場合よりも、ロータ周方向においてブリッジ部３６の幅を狭くすることができる。これにより、ブリッジ部３６の幅を狭くすることができる分、図３に示すような磁石３２からの磁石ＭＦのうち、ステータ４側に向かわずにブリッジ部３６を通る磁束である漏れ磁束ＬＦを低減させることができる。

ここで、ロータ３を軸線方向から見た平面視において、磁石３２の形状が台形であることにより、ロータ３を回転させることで発生する径方向の遠心力Ｆによって、磁石３２の短辺３２１及び一対の斜辺３２２によってロータコア３１が押圧される。この際、遠心力Ｆによって磁石３２がロータコア３１を押圧する力が、短辺３２１と一対の斜辺３２２とに分散されることになるため、磁石３２にかかる遠心力Ｆによるロータコア３１への応力集中を抑制することができる。

また、磁石３２の斜辺３２２では、遠心力Ｆの成分が、斜辺３２２と直交する方向の分力Ｆａと、斜辺３２２と平行な方向の分力Ｆｂとに分けられる。これにより、遠心力Ｆによって磁石３２の斜辺３２２からブリッジ部３６にかかる力は、遠心力Ｆよりも小さい分力Ｆａとなる。そのため、上述したようにブリッジ部３６の幅を狭くしても、ブリッジ部３６に曲げ応力が作用し難くなり、ブリッジ部３６が変形するのを抑制することができる。

また、本実施形態においては、ロータ３を軸線方向から見た平面視において、ロータコア３１における磁石３２の角部と対向する部分にて磁石挿入孔３３と繋がった、軸線方向に貫通した貫通孔であるコア逃げ形状部３３１，３３２を設けている。具体的には、ロータコア３１における磁石３２の長辺３２３と斜辺３２２とでなす角と対向する部分にコア逃げ形状部３３１を設けている。また、ロータ３を軸線方向から見た平面視において、ロータコア３１における磁石３２の短辺３２１と斜辺３２２とでなす角と対向する部分に、コア逃げ形状部３３２を設けている。このように、ロータコア３１における磁石３２の角部に対向する部分に、コア逃げ形状部３３１，３３２を形成することによって、磁石３２の各角部からロータコア３１への応力集中を抑制することができる。

また、ロータ３を軸線方向から見た平面視において、コア逃げ形状部３３１は、ブリッジ部３６によって形成された磁石挿入孔３３のロータ周方向の内面３３ｃと、ロータコア本体３１ａによって形成された磁石挿入孔３３のロータ径方向内側の内面３３ａとでなす角に位置している。そして、図４に示すように、ロータ３を軸線方向から見た平面視において、コア逃げ形状部３３１は、磁石挿入孔３３のロータ周方向の内面３３ｃ上を通る直線Ａよりも磁石３２側に形成されている。

例えば、図５に示すように、ロータ３を軸線方向から見た平面視において、コア逃げ形状部３３１が、前記直線Ａに対して磁石３２側とは反対側だけに形成されていると、遠心力によってブリッジ部３６が開く方向（磁石３２から離れる方向）に応力が集中して、ブリッジ部３６が変形するおそれがある。そのため、図４に示すように、コア逃げ形状部３３１を前記直線Ａよりも磁石３２側に形成することによって、遠心力によってブリッジ部３６が開く方向（磁石３２から離れる方向）に応力が集中することを抑制することができる。

また、本実施形態において、遠心力によってブリッジ部３６が開く方向（磁石３２の斜辺３２２から離れる方向）に応力集中することを抑制するための、コア逃げ形状部３３１の形状としては、前記直線Ａに対して磁石３２側だけに形成されているものに限るものではない。すなわち、図６に示すように、コア逃げ形状部３３１は、前記直線Ａに対して磁石３２側の面積（１）のほうが、前記直線Ａに対して磁石３２側とは反対側の面積（２）よりも大きくなっていればよい。

また、実施形態に係る電動機１が備えるロータ３の構成としては、図２に示したようなコンシクエントポール型のロータに限るものではない。例えば、図２に示したロータ３に対して擬似磁極部３４Ｂにも磁石３２を配置して、図７に示すように、ロータ周方向において、空隙部３５を挟んで磁極部３４Ａが隣り合って並ぶようにロータ３を構成してもよい。

また、実施形態に係る電動機１が備えるロータ３の構成としては、図２に示したロータ３に対して、図８に示すように隣り合う磁極部３４Ａと擬似磁極部３４Ｂとの外周をブリッジ部３７によって繋いだり、図７に示したロータ３に対して、図９に示すように隣り合う磁極部３４Ａ同士の外周をブリッジ部３７によって繋いだりして、ロータコア外周部３１ｂ（ロータコア３１の外周）を円環状に形成してもよい。これにより、ロータ回転時に発生し得る風切り音を低減させることができる。なお、図２及び図８に示したようなロータ３がコンシクエントポール型であることによって、図７及び図９に示したロータ３よりも、ロータコア３１に設ける磁石３２の数を減らすことができる。よって、磁石３２の数を減らせる分、遠心力により複数の磁石３２によって押圧されるロータコア３１の部分が少なくなるため、ロータコア３１の耐久性を高めることが可能となる。

また、本実施形態においては、磁石３２の少なくとも１つの角部が丸みを帯びた形状（Ｒ形状）であってもよい。例えば、図１０に示すように、ロータ３を軸線方向から見た平面視において、台形の磁石３２Ａの４つの角部が丸みを帯びた形状（Ｒ形状）であってもよい。これにより、ロータコア３１における磁石３２の各角部と対向する部分での応力集中を抑制することができる。

また、本実施形態において、ロータ３を軸線方向から見た平面視が断面多面体である磁石３２の形状としては、図１１に示すような六角形の磁石３２Ｂであったり、図１２に示すような八角形の磁石３２Ｃであったり、図１３に示すような三角形の磁石３２Ｄであったり、図１４に示すような五角形の磁石３２Ｅであってもよい。なお、図１１に示した六角形や図１２に示した八角形の形状を有する磁石３２の各角部は、尖った形状（角形状）となっているが、丸みを帯びた形状（Ｒ形状）であってもよい。また、図１３に示した三角形や図１４に示した五角形の形状を有する磁石３２の各角部は、丸みを帯びた形状（Ｒ形状）となっているが、尖った形状（角形状）であってもよい。このように、図１１〜図１４に示した磁石３２Ａ〜磁石３２Ｅのいずれの形状であっても、ロータ３を軸線方向から見た平面視において、ロータ径方向内側から外側に向かうにつれて互いの間隔が狭まる一対の斜辺を有しているため、遠心力Ｆによるロータコア３１への応力集中を抑制することができる。なお、図１１〜図１４に示した磁石３２Ａ〜磁石３２Ｅが挿入される磁石挿入孔３３の形状としては、磁石３２Ａ〜磁石３２Ｅのそれぞれの形状に応じて、適宜設定すればよい。

１電動機
２シャフト
３ロータ
４ステータ
３１ロータコア
３１ａロータコア本体
３１ｂロータコア外周部
３２磁石
３３磁石挿入孔
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ内面
３４Ａ磁極部
３４Ｂ擬似磁極部
３５空隙部
３６ブリッジ部
３７ブリッジ部
３２１短辺
３２２斜辺
３２３長辺
３３１，３３２コア逃げ形状部

Claims

ステータと、
前記ステータに対して回転自在に設けられたロータと、
を備えた電動機であって、
前記ロータは、
ロータ周方向に複数の磁石挿入孔が形成されたロータコアと、
前記複数の磁石挿入孔にそれぞれ挿入された複数の磁石と、
を有し、
前記ロータコアは、
前記磁石挿入孔の少なくともロータ径方向内側の内面を形成するロータコア本体と、
前記磁石に対してロータ径方向外側に位置し、前記磁石挿入孔のロータ径方向外側の内面の一部を形成するロータコア外周部と、
前記ロータコア本体と前記ロータコア外周部とを連結することにより、前記ロータコア本体及び前記ロータコア外周部と共に前記磁石挿入孔を形成し、前記ロータを軸線方向から見た平面視において、前記ロータコア外周部における最厚部よりも薄肉に形成されたブリッジ部と、
を有し、
前記磁石の形状は、前記ロータを軸線方向から見た平面視において、ロータ径方向内側から外側に向かうにつれて互いの間隔が狭まるように傾斜した一対の斜辺を有する断面多面体であることを特徴とする電動機。
前記ロータを軸線方向から見た平面視において、前記ロータコアにおける前記磁石の角部と対向する部分にて前記磁石挿入孔と繋がった、軸線方向に貫通した貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
前記ロータを軸線方向から見た平面視において、
前記貫通孔は、前記ブリッジ部によって形成された前記磁石挿入孔のロータ周方向の内面と、前記ロータコア本体によって形成された前記磁石挿入孔のロータ径方向内側の内面とでなす角に位置しており、
前記貫通孔の面積が、前記磁石挿入孔のロータ周方向の内面上を通る直線に対して、前記磁石側のほうが該磁石側とは反対側よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の電動機。
前記ロータを軸線方向から見た平面視において、
前記貫通孔は、前記ブリッジ部によって形成された前記磁石挿入孔のロータ周方向の内面と、前記ロータコア本体によって形成された前記磁石挿入孔のロータ径方向内側の内面とでなす角に位置しており、
前記貫通孔が、前記磁石挿入孔のロータ周方向の内面上を通る直線よりも前記磁石側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電動機。
ロータ周方向で前記ロータコア外周部が円環状であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電動機。
前記断面多面体は台形であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電動機。
前記ロータを軸線方向から見た平面視において、前記磁石の少なくとも１つの角部は、丸みを帯びた形状であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電動機。
前記ロータはコンシクエントポール型であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電動機。