JP2020108275A

JP2020108275A - 回転電機のロータ

Info

Publication number: JP2020108275A
Application number: JP2018245640A
Authority: JP
Inventors: 達也大図; Tatsuya Ozu
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: CN111384801A; JP6975129B2; US20200212736A1; CN111384801B; US11121594B2

Abstract

【課題】ロータコアと永久磁石とが異なる線膨張係数で膨張または収縮しても、永久磁石及びロータコアの磁石挿入孔周辺に生じる応力を低減することができる回転電機のロータを提供する。【解決手段】回転電機のロータ１０は、周方向に沿って形成された複数の磁石挿入孔３０を有するロータコア２０と、磁石挿入孔３０に挿入された永久磁石６０によって構成される複数の磁極部５０と、を備える。磁石挿入孔３０は、永久磁石６０の外径側第１端部６３１がスライド可能に当接する第１当接面３１Ａと、永久磁石６０の外径側第２端部６３２がスライド可能に当接する第２当接面３２Ａと、を有する。永久磁石６０の内径側第１端部６４１及び内径側第２端部６４２は、第１仮想線Ｌ１及び第２仮想線Ｌ２よりも、永久磁石６０の周方向中央側に位置している。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、回転電機のロータに関する。

従来から、回転電機に使用されるロータとして、ロータコアの内部に周方向に所定の間隔で複数個の永久磁石を配置した、いわゆるＩＰＭモータが知られている。このようなＩＰＭモータにおいて、回転軸線に向かって凸となるように円弧形状の永久磁石を配置したものがあり、円弧形状の永久磁石をロータコアに固定するための手段として、例えば、特許文献１には、ロータコアの回転軸線方向からみて、磁石挿入孔の周方向両端部付近に設けられた支持突起に円弧形状の永久磁石の周方向両端面を当接させる構成が開示されている。

特開２０１４−１０００４８号公報

一般に、ロータコアの材料と永久磁石の材料は異なるので、ロータコアと永久磁石とは、温度変化により、異なる線膨張係数で膨張または収縮する。例えばネオジム磁石を例に説明すると、ネオジム磁石は、磁化方向の線膨張係数は正の値となり、磁化方向と垂直方向の線膨張係数は負の値となる。したがって、ロータの温度上昇時、ロータコアは全体が膨張するのに対し、ネオジム磁石は、径方向が膨張し、周方向が収縮する。逆に、ロータの温度下降時、ロータコアは全体が収縮するのに対し、ネオジム磁石は、径方向が収縮し、周方向が膨張する。

しかしながら、特許文献１の回転電機のロータでは、磁石挿入孔の周方向両端部付近に設けられた支持突起に永久磁石の周方向両端面を当接させることで、永久磁石をロータコアに固定しているので、ロータの温度変化によってロータコアと永久磁石とが異なる線膨張係数で膨張または収縮すると、磁石挿入孔の支持突起周辺及び永久磁石の当接箇所周辺に、大きな応力が生じてしまう。

本発明は、ロータコアと永久磁石とが異なる線膨張係数で膨張または収縮しても、永久磁石及びロータコアの磁石挿入孔周辺に生じる応力を低減することができる回転電機のロータを提供する。

本発明は、
周方向に沿って形成された複数の磁石挿入孔を有する略円環形状のロータコアと、
前記複数の磁石挿入孔に挿入された永久磁石によって構成される複数の磁極部と、を備える回転電機のロータであって、
前記永久磁石は、
外径側両端部を形成する外径側第１端部及び外径側第２端部と、
内径側両端部を形成する内径側第１端部及び内径側第２端部と、
前記外径側第１端部から前記外径側第２端部へと延び、径方向内側に凸状に湾曲した外径面と、
前記内径側第１端部から前記内径側第２端部へと延びる内径面と、
前記外径側第１端部から内径側第１端部へと延びる第１端面と、
前記外径側第２端部から内径側第２端部へと延びる第２端面と、を有し、
前記磁石挿入孔は、
前記永久磁石の前記外径側第１端部がスライド可能に当接し、略直線状に延びる第１当接面と、
前記永久磁石の前記外径側第２端部がスライド可能に当接し、略直線状に延びる第２当接面と、を有し、
前記第１当接面及び前記第２当接面は、前記第１当接面の延長線である第１仮想線及び前記第２当接面の延長線である第２仮想線が前記永久磁石の前記外径面側で交わるように配置されており、
前記永久磁石の前記内径側第１端部及び前記内径側第２端部は、前記第１仮想線及び前記第２仮想線よりも、前記永久磁石の周方向中央側に位置している。

本発明によれば、温度変化により、ロータコアと永久磁石とが異なる線膨張係数で膨張または収縮した場合、永久磁石の外径側第１端部及び外径側第２端部が、磁石挿入孔の第１当接面及び第２当接面をスライドして当接する。これにより、ロータコアと永久磁石とが異なる線膨張係数で膨張または収縮しても、永久磁石及びロータコアの磁石挿入孔周辺に生じる応力を低減することができる。

本発明の一実施形態における回転電機のロータの正面図である。図１の回転電機のロータの温度上昇時における磁極部周辺の拡大図である。図１の回転電機のロータの温度下降時における磁極部周辺の拡大図である。

以下、本発明の回転電機のロータの一実施形態を、添付図面に基づいて説明する。

＜ロータの全体構成＞
図１に示すように、第１実施形態の回転電機のロータ１０は、ロータシャフト（不図示）の外周部に取り付けられるロータコア２０と、ロータコア２０の内部に周方向に所定の間隔で形成された複数の磁極部５０と、を備え、略円環形状を有し、ステータ（不図示）の内周側に配置されている。

ロータコア２０は、略同一形状の円環状の電磁鋼板、例えばケイ素鋼板２００を軸方向に複数積層することで形成されると共に、周方向に所定の間隔で複数の磁石挿入孔３０が形成されている。

磁極部５０は、各磁石挿入孔３０に挿入された永久磁石６０によって構成されている。永久磁石６０は、径方向に磁化されており、かつ、周方向で磁極部５０の磁化方向が交互に逆となるように配置されている。

＜磁石挿入孔の形状＞
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ロータコア２０に形成された磁石挿入孔３０は、径方向外側の周方向両端部を形成する外径側第１端部３３１及び外径側第２端部３３２と、径方向内側の周方向両端部を形成する内径側第１端部３４１及び内径側第２端部３４２と、を有する。磁石挿入孔３０は、外径側第１端部３３１から内径側第１端部３４１へと延びる第１端壁面３１と、外径側第２端部３３２から内径側第２端部３４２へと延びる第２端壁面３２と、外径側第１端部３３１から外径側第２端部３３２へと延び、径方向内側に凸の円弧形状を有する外径壁面３３と、内径側第１端部３４１から内径側第２端部３４２へと延び、径方向内側に凸の円弧形状を有する内径壁面３４と、を有する。本実施形態において、外径壁面３３及び内径壁面３４の円弧は同心円弧となっている。

磁石挿入孔３０の第１端壁面３１は、外径側第１端部３３１から略直線状に延びる第１当接面３１Ａと、内径側第１端部３４１から、ロータコア２０の外周面２１に向かって突出して第１当接面３１Ａに接続する第１フラックスバリア形成面３１Ｂと、を備える。磁石挿入孔３０の第２端壁面３２は、外径側第２端部３３２から略直線状に延びる第２当接面３２Ａと、内径側第２端部３４２から、ロータコア２０の外周面２１に向かって突出して第２当接面３２Ａに接続する第２フラックスバリア形成面３２Ｂと、を備える。

磁石挿入孔３０の第１当接面３１Ａ及び第２当接面３２Ａは、第１当接面３１Ａの延長線である第１仮想線Ｌ１と、第２当接面３２Ａの延長線である第２仮想線Ｌ２とが、外径壁面３３側で交わるように配置されている。したがって、磁石挿入孔３０の第１当接面３１Ａ及び第２当接面３２Ａは、外径壁面３３から内径壁面３４に向かって、第１当接面３１Ａと第２当接面３２Ａとの距離が長くなっている。

＜永久磁石の形状＞
永久磁石６０は、ロータコア２０の径方向内側に湾曲した円弧形状を有する。永久磁石６０は、径方向外側の周方向両端部を形成する外径側第１端部６３１及び外径側第２端部６３２と、径方向内側の周方向両端部を形成する内径側第１端部６４１及び内径側第２端部６４２と、を有する。永久磁石６０は、外径側第１端部６３１から内径側第１端部６４１へと延びる第１端面６１と、外径側第２端部６３２から内径側第２端部６４２へと延びる第２端面６２と、外径側第１端部６３１から外径側第２端部６３２へと延び、径方向内側に凸の円弧形状を有する外径面６３と、内径側第１端部６４１から内径側第２端部６４２へと延び、径方向内側に凸の円弧形状を有する内径面６４と、を有する。本実施形態において、外径面６３及び内径面６４の円弧は同心円弧となっており、永久磁石６０は周方向で肉厚が略均一な円弧磁石となっている。

永久磁石６０の第１端面６１及び第２端面６２は、いずれも略直線状であり、第１端面６１の延長線である第３仮想線Ｌ３及び第２端面６２の延長線である第４仮想線Ｌ４は、永久磁石６０の外径面６３側で交わるように配置されている。したがって、永久磁石６０の第１端面６１及び第２端面６２は、外径面６３から内径面６４に向かって、第１端面６１と第２端面６２との距離が長くなっている。

＜永久磁石の配置＞
永久磁石６０は、外径側第１端部６３１が磁石挿入孔３０の第１当接面３１Ａにスライド可能に当接し、かつ、外径側第２端部６３２が磁石挿入孔３０の第２当接面３２Ａにスライド可能に当接している。このとき、永久磁石６０の内径面６４と磁石挿入孔３０の内径壁面３４との間に発泡シート等が設けられていてもよいし、磁石挿入孔３０内に冷媒等の液状媒体が充填されてもよい。

永久磁石６０の内径側第１端部６４１及び内径側第２端部６４２は、磁石挿入孔３０の第１当接面３１Ａの延長線である第１仮想線Ｌ１及び第２当接面３２Ａの延長線である第２仮想線Ｌ２よりも、永久磁石６０の周方向中央側に位置している。したがって、永久磁石６０が磁石挿入孔３０の第１当接面３１Ａ及び第２当接面３２Ａに沿ってスライドした場合でも、永久磁石６０の内径側第１端部６４１及び内径側第２端部６４２は、磁石挿入孔３０の第１当接面３１Ａ及び第２当接面３２Ａには当接しない。これにより、永久磁石６０が磁石挿入孔３０の第１当接面３１Ａ及び第２当接面３２Ａに沿ってスライドした場合でも、永久磁石６０は、外径側第１端部６３１が磁石挿入孔３０の第１当接面３１Ａに当接し、かつ、外径側第２端部６３２が磁石挿入孔３０の第２当接面３２Ａに当接することができる。

本実施形態では、第１仮想線Ｌ１及び第２仮想線Ｌ２と、第３仮想線Ｌ３及び第４仮想線Ｌ４とは、いずれも永久磁石６０の外径面６３側で交わるように配置されているので、永久磁石６０の第１端面６１及び第２端面６２と、磁石挿入孔３０の第１当接面３１Ａ及び第２当接面３２Ａとの間に形成される空間を小さくすることができ、磁石挿入孔３０内の磁石量を増やすことができる。また、第１仮想線Ｌ１と第２仮想線Ｌ２との成す角をα、第３仮想線Ｌ３と第４仮想線Ｌ４との成す角をβとすると、α＞βとなっている。これにより、シンプルな構成で、永久磁石６０の外径側第１端部６３１が磁石挿入孔３０の第１当接面３１Ａに当接し、かつ、外径側第２端部６３２が磁石挿入孔３０の第２当接面３２Ａに当接することができる。

永久磁石６０の内径面６４と、磁石挿入孔３０の内径壁面３４との間には、隙間Ｃが形成されている。これにより、永久磁石６０が径方向内側にスライドすることができる。また、永久磁石６０が径方向内側にスライドしても、永久磁石６０は、磁石挿入孔３０の内径壁面３４に当接しないので、永久磁石６０の内径面６４及び磁石挿入孔３０の内径壁面３４に生じる応力を低減することができる。

＜温度変化によるロータコア及び永久磁石の膨張または収縮＞
ここで、ロータコア２０は、例えばケイ素等の材料からなる。これに対し、永久磁石６０は、例えば、ネオジム、鉄、ホウ素を主成分とするネオジム磁石等の磁性材料からなる。したがって、ロータコア２０と永久磁石６０とは、温度変化により、異なる線膨張係数で膨張または収縮する。特に、永久磁石６０がネオジム磁石からなる場合、磁化方向の線膨張係数は正の値となり、磁化方向と垂直方向の線膨張係数は負の値となる。したがって、ロータ１０の温度上昇時、ロータコア２０は全体が膨張するのに対し、永久磁石６０は、径方向が膨張し、周方向が収縮する。逆に、ロータ１０の温度下降時、ロータコア２０は全体が収縮するのに対し、永久磁石６０は、径方向が収縮し、周方向が膨張する。

以下、永久磁石６０がネオジム磁石からなる場合のロータ１０の温度上昇時及び温度下降時について、図２Ａ及び図２Ｂを参照しながら説明する。

図２Ａに示すように、ロータ１０の温度上昇時、ロータコア２０は全体が膨張するのに対し、永久磁石６０は、径方向が膨張し、周方向が収縮する。このとき、破線で示すように、永久磁石６０の外径側第１端部６３１及び外径側第２端部６３２が、磁石挿入孔３０の第１当接面３１Ａ及び第２当接面３２Ａに沿って径方向外側にスライドして当接する。したがって、永久磁石６０及び磁石挿入孔３０は、ロータコア２０及び永久磁石６０の膨張及び収縮に伴って当接箇所が移動するので、ロータコア２０及び永久磁石６０の膨張及び収縮しても常に同じ位置で当接する場合と比べて、大きな応力が生じない。これにより、ロータ１０の温度上昇によって、ロータコア２０と永久磁石６０とが異なる線膨張係数で膨張または収縮しても、永久磁石６０及びロータコア２０の磁石挿入孔３０周辺に生じる応力を低減することができる。

図２Ｂに示すように、ロータ１０の温度下降時、ロータコア２０は全体が収縮するのに対し、永久磁石６０は、径方向が収縮し、周方向が膨張する。このとき、破線で示すように、永久磁石６０の外径側第１端部６３１及び外径側第２端部６３２が、磁石挿入孔３０の第１当接面３１Ａ及び第２当接面３２Ａに沿って径方向内側にスライドして当接する。したがって、永久磁石６０及び磁石挿入孔３０は、ロータコア２０及び永久磁石６０の膨張及び収縮に伴って当接箇所が移動するので、ロータコア２０及び永久磁石６０の膨張及び収縮しても常に同じ位置で当接する場合と比べて、大きな応力が生じない。これにより、ロータ１０の温度上昇によって、ロータコア２０と永久磁石６０とが異なる線膨張係数で膨張または収縮しても、永久磁石６０及びロータコア２０の磁石挿入孔３０周辺に生じる応力を低減することができる。

したがって、ロータ１０の温度変化によって、ロータコア２０と永久磁石６０とが異なる線膨張係数で膨張または収縮しても、永久磁石６０及びロータコア２０の磁石挿入孔３０周辺に生じる応力を低減することができる。

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、本実施形態においては、永久磁石６０がネオジム磁石からなる場合について説明したが、永久磁石６０は、フェライト磁石等、任意の磁性材料を用いることができる。この場合も同様に、ロータコア２０と永久磁石６０とが異なる線膨張係数で膨張または収縮しても、永久磁石６０及びロータコア２０の磁石挿入孔３０周辺に生じる応力を低減することができる。

また、永久磁石６０は、ロータコア２０の径方向内側に湾曲した円弧形状を有するものとしたが、円弧形状に限らず、径方向内側に凸状に湾曲した任意形状の外径面６３を有する永久磁石を用いることができる。

また、本実施形態では、１つの永久磁石６０で１つの磁極部５０を構成するものとしたが、複数の永久磁石で１つの磁極部５０を構成してもよい。この場合、磁極部５０を構成するそれぞれの永久磁石及び該永久磁石が挿入される磁石挿入孔について、本実施形態と同様の形状とすることができる。

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）周方向に沿って形成された複数の磁石挿入孔（磁石挿入孔３０）を有する略円環形状のロータコア（ロータコア２０）と、
前記複数の磁石挿入孔に挿入された永久磁石（永久磁石６０）によって構成される複数の磁極部（磁極部５０）と、を備える回転電機のロータ（ロータ１０）であって、
前記永久磁石は、
外径側両端部を形成する外径側第１端部（外径側第１端部６３１）及び外径側第２端部（外径側第２端部６３２）と、
内径側両端部を形成する内径側第１端部（内径側第１端部６４１）及び内径側第２端部（内径側第２端部６４２）と、
前記外径側第１端部から前記外径側第２端部へと延び、径方向内側に凸状に湾曲した外径面（外径面６３）と、
前記内径側第１端部から前記内径側第２端部へと延びる内径面（内径面６４）と、
前記外径側第１端部から前記内径側第１端部へと延びる第１端面（第１端面６１）と、
前記外径側第２端部から前記内径側第２端部へと延びる第２端面（第２端面６２）と、を有し、
前記磁石挿入孔は、
前記永久磁石の前記外径側第１端部がスライド可能に当接し、略直線状に延びる第１当接面（第１当接面３１Ａ）と、
前記永久磁石の前記外径側第２端部がスライド可能に当接し、略直線状に延びる第２当接面（第２当接面３２Ａ）と、を有し、
前記第１当接面及び前記第２当接面は、前記第１当接面の延長線である第１仮想線（第１仮想線Ｌ１）及び前記第２当接面の延長線である第２仮想線（第２仮想線Ｌ２）が前記永久磁石の前記外径面側で交わるように配置されており、
前記永久磁石の前記内径側第１端部及び前記内径側第２端部は、前記第１仮想線及び前記第２仮想線よりも、前記永久磁石の周方向中央側に位置している、回転電機のロータ。

（１）によれば、温度変化により、ロータコアと永久磁石とが異なる線膨張係数で膨張または収縮した場合、永久磁石の外径側第１端部及び外径側第２端部が、磁石挿入孔の第１当接面及び第２当接面をスライドして当接する。これにより、ロータコアと永久磁石とが異なる線膨張係数で膨張または収縮しても、永久磁石及びロータコアの磁石挿入孔周辺に生じる応力を低減することができる。

（２）（１）に記載の回転電機のロータであって、
前記永久磁石の前記内径面は、前記磁石挿入孔との間に隙間（隙間Ｃ）を有している、回転電機のロータ。

（２）によれば、永久磁石の内径面は、磁石挿入孔との間に隙間を有しているので、永久磁石は径方向内側にスライドすることができ、永久磁石の内径面及びロータコアの磁石挿入孔の径方向内側に生じる応力を低減することができる。

（３）（１）または（２）に記載の回転電機のロータであって、
前記永久磁石の前記第１端面及び前記第２端面は、いずれも略直線状であり、前記第１端面の延長線である第３仮想線（第３仮想線Ｌ３）及び前記第２端面の延長線である第４仮想線（第４仮想線Ｌ４）が前記永久磁石の前記外径面側で交わるように配置されており、
前記第１仮想線と前記第２仮想線との成す角をα、前記第３仮想線と前記第４仮想線との成す角をβとすると、α＞βである、回転電機のロータ。

（３）によれば、永久磁石の第１端面及び第２端面は、いずれも略直線状であり、第３仮想線及び第４仮想線が、第１仮想線及び第２仮想線と同様に、永久磁石の外径面側で交わるように配置されているので、磁石挿入孔内の磁石量を増やすことができる。また、第１仮想線と第２仮想線との成す角αと、第３仮想線と第４仮想線との成す角βは、α＞βとなっているので、永久磁石の外径側第１端部及び外径側第２端部は、磁石挿入孔の第１当接面及び第２当接面に当接することができる。

１０ロータ
２０ロータコア
３０磁石挿入孔
３１Ａ第１当接面
３２Ａ第２当接面
５０磁極部
６０永久磁石
６１第１端面
６２第２端面
６３外径面
６３１外径側第１端部
６３２外径側第２端部
６４内径面
６４１内径側第１端部
６４２内径側第２端部
Ｌ１第１仮想線
Ｌ２第２仮想線
Ｌ３第３仮想線
Ｌ４第４仮想線
Ｃ隙間
α、β 成す角

Claims

周方向に沿って形成された複数の磁石挿入孔を有する略円環形状のロータコアと、
前記複数の磁石挿入孔に挿入された永久磁石によって構成される複数の磁極部と、を備える回転電機のロータであって、
前記永久磁石は、
外径側両端部を形成する外径側第１端部及び外径側第２端部と、
内径側両端部を形成する内径側第１端部及び内径側第２端部と、
前記外径側第１端部から前記外径側第２端部へと延び、径方向内側に凸状に湾曲した外径面と、
前記内径側第１端部から前記内径側第２端部へと延びる内径面と、
前記外径側第１端部から前記内径側第１端部へと延びる第１端面と、
前記外径側第２端部から前記内径側第２端部へと延びる第２端面と、を有し、
前記磁石挿入孔は、
前記永久磁石の前記外径側第１端部がスライド可能に当接し、略直線状に延びる第１当接面と、
前記永久磁石の前記外径側第２端部がスライド可能に当接し、略直線状に延びる第２当接面と、を有し、
前記第１当接面及び前記第２当接面は、前記第１当接面の延長線である第１仮想線及び前記第２当接面の延長線である第２仮想線が前記永久磁石の前記外径面側で交わるように配置されており、
前記永久磁石の前記内径側第１端部及び前記内径側第２端部は、前記第１仮想線及び前記第２仮想線よりも、前記永久磁石の周方向中央側に位置している、回転電機のロータ。
請求項１に記載の回転電機のロータであって、
前記永久磁石の前記内径面は、前記磁石挿入孔との間に隙間を有している、回転電機のロータ。
請求項１または２に記載の回転電機のロータであって、
前記永久磁石の前記第１端面及び前記第２端面は、いずれも略直線状であり、前記第１端面の延長線である第３仮想線及び前記第２端面の延長線である第４仮想線が前記永久磁石の前記外径面側で交わるように配置されており、
前記第１仮想線と前記第２仮想線との成す角をα、前記第３仮想線と前記第４仮想線との成す角をβとすると、α＞βである、回転電機のロータ。