JP2020150691A - ロータ、および回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数と製造工程を増加させることなく、高性能なロータおよび回転電機を得ることを目的とする。【解決手段】ロータコア２１は、複数の鋼板片２１０を軸方向に積層して円筒状をなし、外周面２１ｆｏよりも内側の領域に、径方向に延びるブリッジ部２１ｂによって、周方向で隔てられた複数の磁石埋込孔２１ｓが形成され、複数の鋼板片２１０のそれぞれは、軸方向で隣接する鋼板片同士が接着剤により固定され、かつ、仕切部２１０ｂの周方向における最小の幅ｗｂの、鋼板基材２１１の厚みｔｓに対する比が、０．８以上、２．０以下の範囲内である。【選択図】図１

Description

本願は、ロータ、および回転電機に関するものである。

回転電機の主構成部材であるロータは、円環状の鋼板片を積層して積層方向の両側から端板で挟み、リベットを用いて固定して、ロータコアを形成する方式（例えば、特許文献１参照。）が、従来から用いられてきた。それに対し、接着剤の被膜をつけた鋼板片（例えば、特許文献２または３参照。）を用い、鋼板片同士、あるいは積層・接着した鋼板片の積層体同士を接着して、ロータコアを形成し、部品点数と製造工程の低減を図ることが提案されている。

特開２０１０−２３３３４６（段落００２０〜００２２、図１） 特開２００６−５４２４４号公報（段落０００１〜０００７） 特開２０１６−９７１０号公報（段落００１８〜００３３、図１）

接着によるロータコアの形成は、部品点数と製造工程の低減に寄与している。しかしながら、鋼板片同士の接着による構造を生かしたロータとしての高性能化については、検討されてこなかった。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、部品点数と製造工程を増加させることなく、高性能なロータおよび回転電機を得ることを目的としている。

本願に開示されるロータは、シャフト、複数の鋼板片を軸方向に積層して円筒状をなし、外周面よりも内側の領域に、径方向に延びる複数の仕切部によって、周方向で隔てられた複数の磁石埋込孔が形成されたロータコア、前記複数の磁石埋込孔のそれぞれに埋め込まれた磁石、および、前記ロータコアの径方向の中心に挿入されたシャフト、を備え、前記ロータコアを構成する前記複数の鋼板片のそれぞれは、軸方向で隣接する鋼板片同士が接着剤により固定され、かつ、前記仕切部の周方向における最小の幅の、前記複数の鋼板片のそれぞれを構成する鋼板基材の厚みに対する比が、０．８以上、２．０以下の範囲内であることを特徴とする。

本願に開示されるロータによれば、接着構造を生かして磁気性能と固定力を両立できる形状にしたので、部品点数と製造工程を増加させることなく、高性能なロータおよび回転電機を得ることができる。

図１Ａと図１Ｂは、それぞれ実施の形態１にかかるロータ、および当該ロータを用いた回転電機の構成を説明するための平面図と断面図である。 図２Ａと図２Ｂは、それぞれ実施の形態１にかかるロータの構成を説明するための軸方向に垂直な断面図と、その部分拡大図である。 図３Ａ〜図３Ｃは、それぞれ実施の形態１にかかるロータコアを構成する鋼板片の平面図と、その部分拡大図、および厚み方向に沿って切断した部分断面図である。

実施の形態１．
図１〜図３は、実施の形態１にかかるロータ、あるいは当該ロータを用いた回転電機の構成について説明するためのものであり、図１は、回転電機を軸方向の離れた位置から見た平面図（図１Ａ）と、軸方向断面である、図１ＡのＢ−Ｂ線による断面図である。また、図２は、ロータの軸方向におけるロータコアが存在する部分の軸方向に垂直な断面図（図２Ａ）と、図２Ａの領域Ｒ２部分の部分拡大図。そして、図３は、ロータコアを構成する鋼板片の平面図（図３Ａ）と、図３Ａの領域Ｒ３部分の部分拡大図（図３Ｂ）、および厚み方向に沿った部分断面として、図３ＡのＣ−Ｃ線による部分断面図である。

以下、本願の実施の形態１にかかるロータ、および回転電機について図面を参照しつつ説明する。回転電機１は、図１に示すように、円環状のステータ３と、ステータ３の内周面３ｆｉに対してエアギャップＧ１をあけて同軸配置されたロータ２と、を備えたインナーロータ型である。軸方向（ｚ方向）の両端は、図示しない軸受けを有する筐体により覆われている。ロータ２は、シャフト２３が上述した軸受けにより回転自在に支持され、ステータ３のコイル３２に電流を流して磁界を発生させることで、回転駆動するように構成している。

ステータ３は、鋼板片３１０を軸方向に積層して環状をなし、複数のティース３１ｔが周方向に沿って内周側に形成されたステータコア３１と、複数のティース３１ｔのそれぞれに巻回され、磁界を発生させるためのコイル３２と、を有する。ステータ３については、後述するＩＰＭ方式に対応する形態であれば、図１に示した形状に限ることなく、どのような形態でもよく、詳細についての記載は省略する。また、図示しない、軸受け、筐体、あるいは制御機器等についても、一般的なＩＰＭ方式の回転電機として用いるものであればよく、詳細についての記載は省略する。

ロータ２は、無方向性電磁鋼板を金型で打ち抜いて形成された円環状の鋼板片２１０を軸方向に積層して構成されたロータコア２１と、ロータコア２１に圧入固定され、回転電機１の回転軸となるシャフト２３と、磁界を発生させる磁石２２と、を備えている。ロータコア２１には、図２に示すように、周方向に沿って、外周面２１ｆｏよりも内側の部分に、軸方向に延びる複数の磁石埋込孔２１ｓが設けられている。磁石埋込孔２１ｓに磁石２２が挿入されることで、各磁石埋込孔２１ｓの径方向の外側から外周面２１ｆｏ部分までが磁極部２１ｐとなり、いわゆるＩＰＭ方式（Interior Permanent Magnet：埋込磁石内蔵型）のロータ２を構成している。

鋼板片２１０は、図３Ｃに示すように、厚みｔｓが０．３５ｍｍの鋼板基材２１１の表面に、コーティングによる厚さ５μｍの接着剤の被膜２１２が形成された無方向性電磁鋼板を金型で打ち抜いて図３Ａに示す形状にしたものである。打ち抜いた鋼板片２１０は、所定の枚数を軸方向に積層した後、軸方向に固定、加圧された状態で被膜２１２を構成する接着剤を加熱融着または加熱硬化させ、円筒状のロータコア２１を形成している。つまり、ロータコア２１においては、軸方向に隣接する鋼板片２１０の対向面間は、接着剤により、隙間なく接合され、全面的に一体化している。

鋼板片２１０の径方向の中央に開口する穴２１０ｈは、ロータコア２１を形成した際の、シャフト２３を挿入するための符号を付さない挿入孔となり、外周側の周方向に沿って開口する複数の開口部２１０ｓは、ロータコア２１の磁石埋込孔２１ｓになる。そして、開口部２１０ｓの径方向外側のステータ３と対向する周縁部２１０ｐは、ロータコア２１の磁極部２１ｐ、つまり、回転電機のＩＰＭ方式のロータ２の磁極となっている。また、周方向で隣り合う開口部２１０ｓを隔て、開口部２１０ｓよりも内径側の部分と周縁部２１０ｐとをつなぐ仕切部２１０ｂは、ロータコア２１のブリッジ部２１ｂとなる。

磁極部２１ｐは、隣接する磁石埋込孔２１ｓを隔てるブリッジ部２１ｂによって、径方向におけるシャフト２３側の部分と連なっている。このように構成することにより、積層された鋼板片２１０は、磁極部２１ｐも含め、軸方向に密着し固定一体化されたロータコア２１となっている。

一般にＩＰＭ方式の場合、磁石をロータ外周面に実装するＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）方式と比較してロータコアで発生する鉄損が大きくなる。そこで、本願の回転電機１に用いるロータ２には、鉄損を低減し、回転電機としての性能を向上させるために、鋼板片２１０を形成するための電磁鋼板を無方向性とした。とくに、ロータコア２１は、円形であり、磁束の向きが径方向と周方向の両方あるためである。

上記構成を前提として、図２Ｂに示すブリッジ部２１ｂの幅Ｗｂ（図３Ｂに示す、鋼板片２１０における仕切部２１０ｂの幅Ｗｂと同じ）について検討する。ブリッジ部２１ｂは、磁極部２１ｐの機械的保持の点からは、幅Ｗｂが広い方が有利であるが、幅Ｗｂを広くすると、隣り合う磁石２２の間での磁束の漏れが大きくなり、回転電機１としての性能が低下してしまう。そのため、性能面からは、ブリッジ部２１ｂの幅Ｗｂは、細くすることが望ましい。

上述した機械的保持において、ブリッジ部２１ｂの幅Ｗｂは、回転電機１の運転に伴う径方向電磁力、周方向電磁力、遠心力、および軸方向電磁力に耐えられるよう設定する。そして、上記４つの力のうち、主たる３つの力である径方向電磁力、周方向電磁力、遠心力は、ブリッジ部２１ｂに対しては主に引張り方向に作用するため、比較的細く設定しても耐えることができると考えられる。

しかしながら、主たる３つの力に対しては、相対的に小さい軸方向電磁力についても、薄い鋼板片２１０単独で考えると、仕切部２１０ｂの幅Ｗｂは、磁極部２１ｐとなる周縁部２１０ｐの変位を抑えるには十分なものとはならない。これは、軸方向の電磁力は仕切部２１０ｂに対し、厚み方向における曲げ方向の力として作用するためである。

これに対し、積層された各鋼板片２１０の仕切部２１０ｂが、軸方向において一体化してブリッジ部２１ｂが形成されている状態であれば、鋼板片２１０の厚みｔｓが厚くなったのと同じ効果が生じ、軸方向の電磁力に十分耐えられるものとなる。しかし、鋼板片２１０の積層をシャフト２３への圧入によってのみ行うと、圧入の応力による鋼板片２１０の反りによって、とくに、ロータコア２１の軸方向の両端部付近で鋼板片２１０同士に隙間が生じ、磁極部２１ｐが密着しない状態となってしまう。磁極部２１ｐが軸方向に隙間なく密着固定されていない状態では、回転電機１の運転に伴う電磁力によって磁極部２１ｐが振動し、回転電機１の運転時の騒音が増大するという問題点が生じる。

そこで、磁極部２１ｐの機械的固定力への仕切部２１０ｂの幅Ｗｂの影響について、固定構造の異なるロータを試作して評価試験を行った。評価方法は、鋼板基材２１１の厚みｔｓに対する幅Ｗｂの比が異なる複数種の鋼板片２１０を用意し、ロータ２を構成して回転電機１に組み込み、実際に動作させた際に騒音が増大するか否かによって、磁極部２１ｐ部分の固定力を評価した。

試験には、鋼板基材２１１の厚みｔｓが０．３５ｍｍで、厚さ５μｍの接着剤の被膜２１２を有する鋼板を用い、鋼板基材２１１の厚みｔｓに対する仕切部２１０ｂの幅Ｗｂの比（Ｗｂ／ｔｓ）が異なる鋼板片２１０を打ち抜き、ロータ２を構成した。比較例として、接着剤の被膜２１２に代えて、接着性のない絶縁性の被膜を設けた鋼板で、同様に鋼板片を打ち抜き、ロータを構成した。その結果を表１に示す。

表中、固定力の評価については、「〇」は騒音なく良好、「△」は騒音が発生する場合がある状態、「×」は騒音が発生して固定力に問題がある場合を示す。シャフトへの圧入のみの場合、比を２倍以上にした際の固定力は良好であるが、１．５倍以上、２倍未満の範囲にした際には騒音が発生する場合があり、１．５倍未満の際には騒音が発生して、固定力に問題があることがわかった。それに対して、実施例として、接着で一体化した場合でも、比を０．５倍未満に下げた際には、固定力が不十分であった。しかし、比を０．５倍以上〜０．８未満の範囲にした際では、多少の問題がある程度に収まった。さらに、比を０．８以上にした際には、騒音の発生が見られず、良好に固定されていることがわかった。

一方、磁気抵抗については、固定方式によらず、比が１．５以下では性能上全く問題なく（◎）、２以下でもほとんど問題がなかった（〇）。しかし、比が２を超えると回転性能に多少のばらつきが生じ（△）、２．５を超えると、明らかにトルクが低下して、性能上の問題が生じた（×）。

なお、鋼板基材については、厚みｔｓが０．３５ｍｍ以外に、打ち抜き性の良い範囲内の材料として、０．３０ｍｍ、０．４０ｍｍ、０．４５ｍｍ、０．５０ｍｍのものについても、同様の試験を行い、表１と同様の結果となった。

つまり、シャフトへの圧入による固定では、磁気抵抗と固定力のいずれにも×がつかない領域は、１．５〜２．５の範囲であるが、両立させる（両方とも〇となる）領域はなく、実質的に、性能の高い回転電機を得ることは困難であることがわかる。

それに対して、本願のように、接着剤によって、各鋼板片２１０間が一体化している場合、厚みｔｓに対する仕切部２１０ｂ（ブリッジ部２１ｂ）の幅Ｗｂの比を０．８以上、２以下の範囲に設定すれば、磁気性能と固定力を両立できることがわかった。ただし、量産時のばらつきを考慮すると、厚みｔｓに対する仕切部２１０ｂ（ブリッジ部２１ｂ）の幅Ｗｂの比は、１．０以上、１．５以下の範囲に設定することが望ましいと考えられる。つまり、鋼板基材２１１の厚みｔｓが０．３０〜０．５０ｍｍの範囲においては、厚みｔｓに対する幅Ｗｂの比は、０．８以上、２．０以下にするのがよく、１．０以上、１．５以下にすればさらによいことがわかった。

なお、鋼板片の積層を鋼板片の磁石埋込孔の径方向内側の部分に設けた半抜きのダボ、いわゆる抜き加締めを用いれば、シャフトへの圧入によってのみ固定を行った場合よりも固定力を大きくすることは可能となる。しかし、肝心の磁極部には磁気的な抵抗増加の問題と寸法上の制約から、抜き加締めを設けることが難しく、磁極部を十分に密着固定することはできない。

また、特許文献１のように、ロータコアの軸方向の両端部に端板を設け、両端の端板をリベットで固定してロータコアを軸方向に押圧した場合も、鋼板片どうしが密着すると考えられる。しかしながら、端板とリベットが必要なため、背景技術で説明したように、部品点数が増加する。さらに端板のセット、リベットの挿入、リベットの加締めと製造工程も増加するため、部品点数と製造工程を増加させることなく、高性能なロータおよび回転電機を得ることは困難であった。

さらに、端板による押圧構成では、積層方向に隣接する鋼板片間は、圧による摩擦力によって滑りが軽減されているだけで、必ずしも一体化しているわけではない。とくに、鋼板片を打ち抜いた際に切断面部分に発生する「だれ」と「かえり」部分では隙間が生じ、仕切部のような狭幅部分では、密着している部分の幅が、仕切部の幅Ｗｂよりも狭くなり、機械的保持力が低下することが懸念される。それに対し、本願のように、接着剤で一体化した場合は、隙間部分を接着剤が埋めてくれるために密着している部分の幅の減少を抑制できるので、表１に示す結果を得ることができた。そのため、端板による押圧構成では、コスト増に加え、本願の接着構造に比べて、固定力が「〇」となる厚みｔｓに対する幅Ｗｂの比の範囲が狭くなり、設計の自由度が低くなると考えられる。

本願のロータ２、あるいはロータ２を用いた回転電機１においては、前述の通りロータコア２１の磁極部２１ｐが軸方向に隙間なく密着固定されているので、回転電機１の運転に伴う電磁力に起因する振動を防止し、運転時の騒音を抑制できる。かつ、磁極部２１ｐを軸方向に密着固定するための追加の部品も必要なく、さらに製造工程も少なくて済むので、ロータ２、つまり回転電機１が安価に製造できるものとなり、とくにロータコア２１に磁極部２１ｐを有するＩＰＭ方式のロータ２に好適なものとなる。

なお、本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、ブリッジ部２１ｂは径方向で一定幅を有する例を示したが、径方向に沿って周方向の幅が変わる場合、最も狭い部分の幅を上述した幅Ｗｂと置き換えれば、同様の効果を奏することができる。鋼板片２１０として、予め被膜２１２を有する鋼板を打ち抜いた例を示したが、これに限ることはなく、打ち抜いた後、接着剤の被膜をコーティングしたものを用いてもよい。

また、極数、磁石の保持方式等、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。とくに、回転電機１に関しては、ステータ３の構造は特徴的な部分ではないので、ティース３１ｔの形状、あるいはコイル３２の巻き方等についても図１に限ることはなく、どのようなものでもよい。つまり、本願の接着剤で一体化されたロータコア２１を用いるＩＰＭ型の回転電機１であれば、どのような形態でもよい。ただし、上述したロータ２の高性能化に対応した仕様が望ましい。

以上のように、本実施の形態にかかるロータ２によれば、シャフト２３、複数の鋼板片２１０を軸方向（ｚ方向）に積層して円筒状をなし、外周面２１ｆｏよりも内側の領域に、径方向に延びる複数の仕切部（ブリッジ部２１ｂ）によって、周方向で隔てられた複数の磁石埋込孔２１ｓが形成されたロータコア２１、複数の磁石埋込孔２１ｓのそれぞれに埋め込まれた磁石２２、および、ロータコア２１の径方向の中心に挿入されたシャフト２３、を備え、ロータコア２１を構成する複数の鋼板片２１０のそれぞれは、軸方向で隣接する鋼板片同士が接着剤により固定され、かつ、仕切部２１０ｂの周方向における最小の幅Ｗｂの、複数の鋼板片２１０のそれぞれを構成する鋼板基材２１１の厚みｔｓに対する比が、０．８以上、２．０以下の範囲内であるように構成したので、磁気性能と機械的固定力を両立でき、部品点数と製造工程を増加させることなく、高性能なＩＰＭ方式のロータ２を得ることができる。

とくに、仕切部（ブリッジ部２１ｂ）が、本例で示したように、一定の幅Ｗｂで径方向に延びている場合は、曲げ応力が一部に集中することを抑制し、機械的固定力が一層向上する。

厚みｔｓに対する幅Ｗｂの比が１．０以上、１．５以下の範囲内にすれば、寸法ばらつきがあっても磁気性能と機械的固定力を両立でき、部品点数と製造工程を増加させることなく、高性能なロータ２および回転電機１を容易に量産することができる。

また、鋼板基材２１１は、無方向電磁鋼板であるならば、周方向のどの位置でも、高い磁気性能を維持し、さらに性能が向上する。

鋼板基材２１１は、厚みｔｓが０．３ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下の範囲内にあれば、打ち抜き性にも優れ、確実に磁気性能と機械的固定力を両立できる。

また、本実施の形態にかかる回転電機１によれば、それぞれにコイル３２が巻回された複数のティース３１tが、周方向に沿って配列された円環状のステータ３、ステータ３の内周面３ｆｉ側に同軸配置された上述したロータ２、および、ステータ３を保持し、ロータ２（のシャフト２３）を回転自在に支持する符号を付さない軸受けを有する筐体、を備えたので、磁気性能と機械的固定力を両立でき、部品点数と製造工程を増加させることなく、高性能な回転電機１を得ることができる。

１：回転電機、 ２：ロータ、 ３：ステータ、 ２１：ロータコア、 ２１ｂ：ブリッジ部、 ２１ｐ：磁極部、 ２１ｓ：磁石埋込孔、 ２２：磁石、 ２３：シャフト、 ２１０：鋼板片、 ２１１：鋼板基材、 ２１２：被膜、 ｔｓ：（鋼板基材の）厚み、 Ｗｂ：（ブリッジ部の）幅。

本願に開示されるロータは、シャフト、複数の鋼板片を軸方向に積層して円筒状をなし、外周面よりも内側の領域に、径方向に延びる複数の仕切部によって、周方向で隔てられた複数の磁石埋込孔が形成されたロータコア、前記複数の磁石埋込孔のそれぞれに埋め込まれた磁石、および、前記ロータコアの径方向の中心に挿入されたシャフト、を備え、前記複数の磁石埋込孔は、前記軸方向に垂直な面内において、それぞれ、前記径方向に垂直で、両隣の磁石挿入口とは角度が異なる直線に沿って延び、前記埋め込まれた磁石によって前記外周面との間に磁極を形成し、前記ロータコアを構成する前記複数の鋼板片のそれぞれは、軸方向で隣接する鋼板片同士が接着剤により固定され、かつ、前記仕切部の周方向における最小の幅の、前記複数の鋼板片のそれぞれを構成する鋼板基材の厚みに対する比が、０．８以上、２．０以下の範囲内であることを特徴とする。

Claims (6)

1. 複数の鋼板片を軸方向に積層して円筒状をなし、外周面よりも内側の領域に、径方向に延びる複数の仕切部によって、周方向で隔てられた複数の磁石埋込孔が形成されたロータコア、
   前記複数の磁石埋込孔のそれぞれに埋め込まれた磁石、および、
   前記ロータコアの径方向の中心に挿入されたシャフト、を備え、
   前記ロータコアを構成する前記複数の鋼板片のそれぞれは、軸方向で隣接する鋼板片同士が接着剤により固定され、かつ、前記仕切部の周方向における最小の幅の、前記複数の鋼板片のそれぞれを構成する鋼板基材の厚みに対する比が、０．８以上、２．０以下の範囲内であることを特徴とするロータ。
2. 前記仕切部は、一定の幅で前記径方向に延びていることを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 前記比が１．０以上、１．５以下の範囲内であることを特徴とする請求項１または２に記載のロータ。
4. 前記鋼板基材は、無方向電磁鋼板であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のロータ。
5. 前記鋼板基材は、厚みが０．３ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のロータ。
6. それぞれにコイルが巻回された複数のティースが、周方向に沿って配列された円環状のステータ、
   前記ステータの内周面側に同軸配置された請求項１から５のいずれか１項に記載のロータ、および
   前記ステータを保持し、前記ロータを回転自在に支持する軸受けを有する筐体、
   を備えたことを特徴とする回転電機。

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