JP2022122014A - ロータおよび回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、分割された円弧状の磁石を磁石挿入孔内で適切に位置決めできるロータおよび回転電機を提供する。【解決手段】本発明の一態様に係るロータは、ロータコアと、前記ロータコアの中心軸に向けて凸となる円弧状の磁石挿入孔に挿入される円弧状の磁石と、を備え、前記磁石挿入孔の内部において、外周側に位置する外周面は、前記磁石の周方向における両端の外側に位置し、径方向内側に突出する複数の第１凸部を有し、前記磁石の径方向外側の円弧半径は、前記磁石挿入孔の径方向外側の円弧半径よりも小さく、前記磁石は、周方向に連続して設けられた複数の小磁石を有し、隣接する前記小磁石の隣接面を延長させた仮想面は、前記磁石の径方向外側の円弧の中心軸に交差することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、ロータおよび回転電機に関する。

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位置決めするための手段として、例えば、特許文献１や特許文献２に記載された技術が知られている。

特許文献１には、円弧磁石の遠心力荷重をロータヨークに設けられた磁石挿入孔の接続リブで支える構成が開示されている。
特許文献２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における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ことで、永久磁石をロータコアに対して位置決めする構成が開示されている。

特開２０１９－１２２２１７号公報 特開２０１４－１０００４８号公報

しかしながら、磁石の過電流損を低減するために、特許文献１に開示されている構成において、軸方向に複数個に分割した円弧磁石を用いる場合、円弧磁石の両端部を押さえていたとしても、円弧磁石の中心部では、径方向（遠心力が働く方向）への移動が生じてしまうという課題がある。

特許文献２に開示されている構成では、磁石を支持する支持突起を増やすと、スロットの形状が複雑となる。
特許文献２の回転電機のロータでは、永久磁石の周方向中央部とロータコアの磁石挿入孔の外周側内面とが当接する。そのため、永久磁石に製造誤差があると、ロータが高速で回転する際に、永久磁石の遠心力により、磁石挿入孔の外周側内面の周方向中央部に過大な応力が発生し、ロータコアの接続リブが変形するおそれがある。

また、特許文献１および特許文献２に開示されている構成において、円弧形状の永久磁石の側面のうち、周方向両端面でロータコアに保持しようとすると、磁石の中央部が磁石挿入孔の壁部と接触して応力が増大するため、ロータを高回転化させづらくなるという課題がある。

そこで本発明は、分割された円弧状の磁石を磁石挿入孔内で適切に位置決めし、ロータの高回転化に対応できるロータおよび回転電機を提供することを目的とする。

［１］本発明の一態様に係るロータ（例えば、実施形態におけるロータ４）は、ロータコア（例えば、実施形態におけるロータコア２１）と、前記ロータコアの中心軸（例えば、実施形態における中心軸Ｃ）に向けて凸となる円弧状の磁石挿入孔（例えば、実施形態における磁石挿入孔２５）に挿入される円弧状の磁石（例えば、実施形態における磁石２２）と、を備え、前記磁石挿入孔の内部において、外周側に位置する外周面（例えば、実施形態における外周面４２）は、前記磁石の周方向における両端の外側に位置し、径方向内側に突出する複数の第１凸部（例えば、実施形態における第１凸部５１）を有し、前記磁石の径方向外側の円弧半径（例えば、実施形態における円弧半径Ｒ１）は、前記磁石挿入孔の径方向外側の円弧半径（例えば、実施形態における円弧半径Ｒ２）よりも小さく、前記磁石は、周方向に連続して設けられた複数の小磁石（例えば、実施形態における小磁石２２ｓ）を有し、隣接する前記小磁石の隣接面を延長させた仮想面（例えば、実施形態における仮想面Ｖ１，Ｖ２）は、前記磁石の径方向外側の円弧の中心軸（例えば、実施形態における中心軸Ｃ１）に交差することを特徴とする。

［２］本発明の一態様に係るロータにおいて、前記磁石挿入孔の内部において、前記外周面は、前記磁石の周方向における両端の前記径方向の外周側外面と当接する第２凸部（例えば、実施形態における第２凸部５２）を有してもよい。

［３］本発明の一態様に係るロータにおいて、前記第１凸部と、前記第２凸部と、が接続されてもよい。

［４］本発明の他の態様に係る回転電機（例えば、実施形態における回転電機１）は、上記［１］から［３］のいずれか１項に記載のロータと、前記ロータに対して前記径方向の外側に隙間をあけて配置されるステータ（例えば、実施形態におけるステータ３）と、を備える。

上記［１］の構成によれば、ロータが回転し、磁石に対して遠心力が作用すると、磁石を構成する複数の小磁石のうち、周方向における両端の小磁石は、第１凸部で位置決めされる。また、磁石に対して遠心力が作用すると、複数の小磁石のうち、中央に位置する小磁石は、径方向外側（遠心力が働く方向）に向かって、隣り合う小磁石の隣接面に沿うように滑らかにスライドする。これにより、中央に位置する小磁石は、隣接する複数の小磁石の間で位置決めされ、磁石挿入孔内で適切に位置決めされる。よって、小磁石同士で径方向のモーメントを分散することができるため、ロータコアに対して、磁石による過大な応力が発生することを回避することができる。そして、上記［１］の構成によれば、ロータの高回転化に対応することができる。

上記［１］の構成において、ロータコアは、磁石挿入孔の内部に複数の第１凸部を有している。そのため、第１凸部によって、磁石の周方向における両端の位置決めをすることができる。これにより、磁石の周方向の移動を抑制することができる。
上記［１］の構成において、磁石の径方向外側の円弧半径は、磁石挿入孔の径方向外側の円弧半径よりも小さく設けられている。そのため、磁石挿入孔の外周面と、磁石の周方向中央部の外周側外面とにより形成される空隙を確実に確保することができる。当該空隙により、複数の小磁石同士を比較した際に、大きさにばらつきがあっても、ロータの回転時に、ロータコアに対して過大な応力が発生することを回避できる。
上記［１］の構成において、磁石は、複数の小磁石を有する。そのため、周方向に連続して設けられた複数の小磁石が、ロータの回転による遠心力により、小磁石同士で支え合うことで、径方向のモーメントを分散することができる。
したがって、上記［１］の構成によれば、分割された円弧状の磁石を磁石挿入孔内で適切に位置決めし、ロータの高回転化に対応できるロータを提供することができる。

上記［２］の構成において、磁石は、周方向における両端部の外周側外面が第２凸部と当接することでロータコアに位置決めされている。したがって、第２凸部を有することにより、簡素な構造で磁石の周方向中央部の外周側外面と、磁石挿入孔の外周側内面との間に確実に隙間を確保することができる。また、磁石は、第２凸部との当接部分で径方向に働く応力を低減することができる。

上記［３］の構成において、第１凸部と第２凸部とが接続していることにより、磁石の周方向および径方向の位置決めをより的確に行うことができる。

上記［４］の構成によれば、上記［１］から［３］のいずれか１項に記載のロータと、前記ロータに対して前記径方向の外側に隙間をあけて配置されるステータと、を備えるため、分割された円弧状の磁石を磁石挿入孔内で適切に位置決めし、ロータの高回転化に対応できる回転電機を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る回転電機の断面図である。 本発明の一実施形態に係るロータの正面図である。 図２のＩＩＩ部拡大図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。実施形態において、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載される回転電機を挙げて説明する。

＜回転電機＞
図１は、実施形態に係る回転電機１の全体構成を示す概略構成図である。図１は、軸線Ｃを含む仮想平面で切断した断面を含む図である。
図１に示すように、回転電機１は、ケース２と、ステータ３と、ロータ４と、シャフト５と、を備える。

ケース２は、ステータ３およびロータ４を収容する筒状の箱形をなしている。ケース２内には、冷媒（不図示）が収容されている。ステータ３の一部は、ケース２内において冷媒に浸漬されている。例えば、冷媒としては、トランスミッションの潤滑や動力伝達等に用いられる作動油である、ＡＴＦ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｆｌｕｉｄ）等が用いられる。

シャフト５は、ケース２に回転可能に支持されている。図１において、符号６は、シャフト５を回転可能に支持する軸受を示す。以下、シャフト５の軸線Ｃに沿う方向を「軸方向」、軸線Ｃに直交する方向を「径方向」、軸線Ｃ周りの方向を「周方向」とする。

ステータ３は、ステータコア１１と、ステータコア１１に装着された複数層のコイル１２と、を備える。
ステータコア１１は、軸線Ｃと同軸に配置された環状をなしている。ステータコア１１は、ケース２の内周面に固定されている。例えば、ステータコア１１は、電磁鋼板（ケイ素鋼板）を軸方向に複数枚積層することにより形成されている。なお、ステータコア１１は、金属磁性粉末（軟磁性粉）を圧縮成形した、いわゆる圧粉コアであってもよい。

ステータコア１１は、コイル１２が挿入されるスロット１３を有する。スロット１３は、周方向に間隔をあけて複数配置されている。コイル１２は、ステータコア１１のスロット１３に挿通された挿通部１２ａと、ステータコア１１から軸方向に突出したコイルエンド部１２ｂと、を備える。ステータコア１１は、コイル１２に電流が流れることで磁界を発生する。

＜ロータ＞
ロータ４は、ステータ３に対して径方向の内側に、間隔をあけて配置されている。ロータ４は、シャフト５に固定されている。ロータ４は、軸線Ｃ周りにシャフト５と一体で回転可能に構成されている。
ロータ４は、ロータコア２１と、磁石２２と、端面板２３と、を備える。

ロータコア２１は、軸線Ｃと同軸に配置された環状をなしている。ロータコア２１は、径方向内側においてシャフト５が圧入固定されるシャフト固定孔８を有する。ロータコア２１は、電磁鋼板（ケイ素鋼板）を軸方向に複数枚積層することにより形成されている。
なお、ロータコア２１は、金属磁性粉末（軟磁性粉）を圧縮成形した、いわゆる圧粉コアであってもよい。

端面板２３は、ロータコア２１に対して軸方向の両端部に配置されている。端面板２３は、ロータコア２１における少なくとも磁石挿入孔２５を軸方向の両端側から覆っている。端面板２３は、ロータコア２１の軸方向の外端面に当接している。

ロータコア２１は、ロータコア２１を軸方向に貫通する複数の磁石挿入孔２５を有する。複数の磁石挿入孔２５は、ロータコア２１の外周部において周方向に間隔をあけて配置されている。

図２は、実施形態に係るロータ４を軸方向から見た、図１のＩＩ矢視図である。図２においては、シャフト５および端面板２３などの図示を省略している。図３は、図２のＩＩＩ部拡大図である。
複数の磁石挿入孔２５は、軸方向から見て、ロータコア２１の中心軸Ｃに向けて凸となる円弧状に設けられている。ロータコア２１の中心軸Ｃは、シャフト５の軸線Ｃに一致する。

磁石挿入孔２５は、ロータコア２１の内周側に位置する内周面４１と、ロータコア２１の外周側に位置する外周面４２と、外周面４２および内周面４１を接続する接続面４３と、を有する。

内周面４１は、径方向の外側に面している。内周面４１は、軸方向から見て、径方向内側に緩やかに突出する湾曲面である。

外周面４２は、径方向の内側に面している。外周面４２は、軸方向から見て、径方向内側に緩やかに突出する湾曲面である。外周面４２は、内周面４１よりも緩やかに湾曲している。つまり、外周面４２の円弧半径Ｒ２は、内周面４１の円弧半径よりも大きい。外周面４２が有する構成の詳細については、後述する。

図３に示すように、接続面４３は、軸方向から見て、磁石挿入孔２５の周方向両端に、２つ設けられている。接続面４３は、軸方向から見て、径方向外側に対して傾斜して突出する湾曲面である。接続面４３の径方向内側の端部は、内周面４１の周方向の端部と、滑らかに接続している。

外周面４２は、第１凸部５１と、第２凸部５２と、起立部５３と、外周面基部５４と、を有する。
第１凸部５１は、軸方向から見て、外周面４２の周方向両端に２つ設けられている。第１凸部５１は、磁石挿入孔２５の内部において、ロータコア２１の径方向内側に突出している。第１凸部５１の周方向の外側端部は、接続面４３の径方向外側端部に接続し、接続面４３の径方向外側端部から径方向内側に起立している。第１凸部５１の径方向内側の先端部は、内周面４１に対向している。

第２凸部５２は、軸方向から見て、第１凸部５１の周方向内側端部に接続されている。第２凸部５２は、軸方向から見て、第１凸部５１よりも径方向外側に設けられている。第２凸部５２は、磁石挿入孔２５の内部において、第１凸部５１よりも径方向外側でロータコア２１の径方向内側に突出している。第１凸部５１と、第２凸部５２とで、段差が形成され、径方向外側に向かって磁石挿入孔２５内部が拡径している。

起立部５３は、軸方向から見て、第２凸部５２の周方向内側端部に接続されている。
外周面基部５４は、２つの起立部５３の間に設けられている。

磁石２２は、各磁石挿入孔２５内に埋め込まれている。磁石２２は、磁石挿入孔２５の内周面４１に沿う円弧状に設けられている。磁石２２の周方向における両端は、２つの第１凸部５１の内側で挟まれている。そのため、静止時において、磁石２２は、第１凸部５１によって、ロータコア２１に対して位置決めされている。
磁石２２の周方向における両端の径方向の外周側外面は、第２凸部と当接している。そのため、磁石２２の両端は、径方向外側において、第２凸部５２によって、ロータコア２１に対して位置決めされている。
磁石２２は、起立部５３および外周面基部５４から離間している。
以下、磁石２２と、第１凸部５１と、接続面４３と、で囲まれた空間は、第１空隙部Ｓ１という。以下、磁石２２と、起立部５３と、外周面基部５４と、で囲まれた空間は、第２空隙部Ｓ２という。第１空隙部Ｓ１および第２空隙部Ｓ２には、樹脂材料が充填されている。

磁石２２の径方向外側の円弧半径Ｒ１は、磁石挿入孔２５の径方向外側の円弧半径Ｒ２よりも小さく設けられている。具体的に、図３に示すように、軸方向から見て、磁石２２の外側面２６が形成する磁石円弧Ｈ１の円弧半径Ｒ１は、磁石挿入孔２５の外周面基部５４が形成する挿入孔円弧Ｈ２の円弧半径Ｒ２よりも小さく設けられている。挿入孔円弧Ｈ２の中心は、図３に示す中心軸Ｃ２である。

磁石２２は、周方向に連続して設けられた複数の小磁石２２ｓを有している。本実施形態において、１つの磁石挿入孔２５に対して、円弧状に設けられた小磁石２２ｓが３つ挿入されている。３つの小磁石２２ｓは、同じ大きさで設けられている。以下、本明細書において、図３に示すように、３つの小磁石２２ｓは、軸方向から見て、時計回りに配置されている順で、第１小磁石２２１、第２小磁石２２２、第３小磁石２２３とする。第１小磁石２２１と第２小磁石２２２との隣接面や、第２小磁石２２２と第３小磁石２２３との隣接面は、クリアランスが設けられていてもよい。つまり、第２小磁石２２２は、隣接する第１小磁石２２１または隣接する第３小磁石２２３に接触していなくてもよい。

隣接する小磁石２２ｓの隣接面は、平面である。隣接する小磁石２２ｓの隣接面を延長させた仮想面は、磁石２２の径方向外側の円弧の中心軸Ｃ１に交差する。例えば、本実施形態において、隣接する第１小磁石２２１および第２小磁石２２２の隣接面を延長させた仮想面Ｖ１は、磁石２２の外側面２６が形成する磁石円弧Ｈ１の中心軸Ｃ１に交差する。同様に、隣接する第２小磁石２２２および第３小磁石２２３の隣接面を延長させた仮想面Ｖ２は、磁石２２の外側面２６が形成する磁石円弧Ｈ１の中心軸Ｃ１に交差する。

＜作用効果＞
ロータ４が回転すると、磁石２２に対して遠心力が作用する。磁石２２に対して遠心力が作用すると、磁石２２を構成する複数の小磁石２２ｓのうち、周方向における両端の小磁石（第１小磁石２２１および第３小磁石２２３）は、第１凸部５１で位置決めされる。また、磁石２２に対して遠心力が作用すると、磁石２２を構成する複数の小磁石２２ｓのうち、中央に位置する第２小磁石２２２は、径方向外側（遠心力が働く方向）に向かって、隣り合う小磁石２２ｓ（第１小磁石２２１，第３小磁石２２３）の隣接面に沿うように滑らかにスライドする。これにより、第２小磁石２２２は、第１小磁石２２１および第３小磁石２２３の間で位置決めされ、磁石挿入孔２５内で適切に位置決めされる。
当該作用により、小磁石２２ｓ同士で径方向のモーメントを分散するため、ロータコア２１に対して、磁石２２による過大な応力が発生することを回避することができる。

上記実施形態において、ロータコア２１は、磁石挿入孔２５の内部に複数の第１凸部５１を有している。そのため、第１凸部５１によって、磁石２２の周方向における両端の位置決めをすることができる。これにより、磁石２２の周方向の移動を抑制することができる。
上記実施形態において、磁石２２の径方向外側の円弧半径Ｒ１は、磁石挿入孔２５の径方向外側の円弧半径Ｒ２よりも小さく設けられている。そのため、磁石挿入孔２５の外周面４２は、磁石２２の周方向中央部の外周側外面との間に第２空隙部Ｓ２を確実に確保することができる。第２空隙部Ｓ２により、磁石２２を構成する小磁石２２ｓの大きさにばらつきがあっても、ロータ４の回転時に、ロータコア２１に対して過大な応力が発生することを回避できる。
上記実施形態において、磁石２２は、複数の小磁石２２ｓを有する。そのため、周方向に連続して設けられた複数の小磁石２２ｓが、ロータ４の回転による遠心力により、小磁石２２ｓ同士で支え合うことで、径方向のモーメントを分散することができる。

上記実施形態において、磁石２２は、周方向における両端部の外周側外面が第２凸部５２と当接することでロータコアに位置決めされている。したがって、第２凸部５２を有することにより、簡素な構造で磁石２２の周方向中央部の外周側外面と、磁石挿入孔２５の外周面４２（外周面基部５４）との間において、確実に第２空隙部Ｓ２を確保することができる。
また、磁石２２は、第２凸部５２との当接部分で径方向に働く応力を低減することができる。

上記実施形態において、第１凸部５１と、第２凸部５２とが接続されている。これにより、磁石２２の周方向および径方向の位置決めをより的確に行うことができる。

したがって、上記実施形態に係るロータ４、およびロータ４を備える回転電機１によれば、分割された円弧状の磁石２２を磁石挿入孔２５内で適切に位置決めし、モータの高回転化に対応できる。

（その他の変形例）
以下、本実施形態の変形例について説明する。
本実施形態において、磁石挿入孔２５は、円弧状に設けられている構成について説明したが、これに限られない。磁石挿入孔２５は、円弧状の磁石２２が挿入できる形状であり、かつ、磁石２２が第１凸部５１および第２凸部５２で保持される形状であればよい。

本実施形態において、１つの磁石挿入孔２５に対して、円弧状に設けられた小磁石２２ｓが３つ挿入されている構成について説明したが、これに限られない。１つの磁石挿入孔２５に対して、複数の小磁石２２ｓが挿入されていればよい。１つの磁石挿入孔２５に対して、３つ以上の小磁石２２ｓが挿入されていることが好ましい。

本実施形態において、小磁石２２ｓは、同じ大きさで設けられている構成について説明したが、これに限られない。小磁石２２ｓは、違う大きさで設けられていてもよい。但し、隣接する小磁石２２ｓの隣接面が平面であり、かつ、隣接面を延長させた仮想面は、磁石２２の径方向外側の円弧の中心軸Ｃ１に交差すればよい。

本実施形態において、第１凸部５１は、外周面４２に設けられている構成について説明したが、これに限られない。第１凸部５１は、磁石２２の周方向への移動を抑制していればよい。外周面４２には、第１凸部５１を設け、内周面４１には、径方向外側に突出する凸部をさらに設けてもよい。

上述した実施形態では、回転電機１が、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載される走行用モータである例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、回転電機１は、発電用モータやその他用途のモータ、車両用以外の回転電機（発電機を含む）であってもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能であり、上述した変形例を適宜組み合わせることも可能である。

１…回転電機
３…ステータ
４…ロータ
２１…ロータコア
２２…磁石
２２ｓ…小磁石
２５…磁石挿入孔
４２…外周面
５１…第１凸部
５２…第２凸部
Ｖ１、Ｖ２…仮想面

Claims (4)

1. ロータコアと、
   前記ロータコアの中心軸に向けて凸となる円弧状の磁石挿入孔に挿入される円弧状の磁石と、
   を備え、
   前記磁石挿入孔の内部において、外周側に位置する外周面は、前記磁石の周方向における両端の外側に位置し、径方向内側に突出する複数の第１凸部を有し、
   前記磁石の径方向外側の円弧半径は、前記磁石挿入孔の径方向外側の円弧半径よりも小さく、
   前記磁石は、周方向に連続して設けられた複数の小磁石を有し、
   隣接する前記小磁石の隣接面を延長させた仮想面は、前記磁石の径方向外側の円弧の中心軸に交差することを特徴とするロータ。
2. 前記磁石挿入孔の内部において、前記外周面は、前記磁石の周方向における両端の前記径方向の外周側外面と当接する第２凸部を有する、請求項１に記載のロータ。
3. 前記第１凸部と、前記第２凸部と、が接続されている、請求項２に記載のロータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のロータと、
   前記ロータに対して前記径方向の外側に隙間をあけて配置されるステータと、
   を備えることを特徴とする回転電機。

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