JP4867194B2 - ロータ - Google Patents

Description

本発明は、ロータに関し、特に、ロータコアに磁石が挿入されるロータに関する。

ロータコアに磁石が挿入されるロータが従来から知られている。
たとえば、特開２００４−１０４９６２号公報においては、回転子鉄心の外周に向かうにつれて対向距離が順次大きくなる一対の磁石挿入孔部と、磁石挿入孔部に挿入固定された永久磁石とを含むロータを備えた回転電機が開示されている。

また、特開２００１−３５２７０２号公報においては、ロータに挿入される永久磁石が、その挿入方向に垂直な平面内で磁石挿入孔の内壁面に３点で支持された回転電機が開示されている。
特開２００４−１０４９６２号公報 特開２００１−３５２７０２号公報

しかしながら、特開２００４−１０４９６２号公報に示されるような回転電機においては、磁石とロータコアとの隙間における接着剤の充填が十分でない場合がある。この結果、ロータコアに局部的に生じる応力が増大する。

また、特開２００１−３５２７０２号公報に示される回転電機においては、ロータコアの外周側において、磁石の幅方向の中央部がロータコアに支持されている。したがって、この部分のロータコアに生じる応力が増大する。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ロータコアに局部的に過大な応力が生じることが抑制されたロータを提供することにある。

本発明に係るロータは、回転シャフトに固設され、軸方向に延びる穴部を有するロータコアと、穴部に挿入される磁石と、ロータコアと磁石との隙間に設けられた充填部とを備え、ロータコアの軸方向断面において、磁石の幅方向中央部においてロータコアと磁石の外周側側面との間に隙間が形成され、ロータコアの径方向外方における上記隙間の幅を拡大することにより、磁石の幅方向端部における上記隙間は、磁石の幅方向中央部における上記隙間よりも幅が広い部分を有し、穴部は、ロータコアの径方向内方における穴部の幅方向端部の角部に設けられ、穴部に挿入される磁石の方向を一義的に規定する２つの方向規定部を有し、ロータコアの径方向外方に向かうにつれて磁石の外周側側面の対向距離が大きくなり、略Ｖ字配置を形成するように一対の磁石が設けられ、磁石の幅方向中央部における隙間よりも幅が広い部分は、一対の磁石の略Ｖ字配置における中央部に設けられ、磁石の幅方向端面に面する磁石とロータとの隙間であって、磁石の外周側側面から磁石の内周側側面への磁束の回り込みを抑制するフラックスバリアをさらに備え、フラックスバリアの外周を規定する穴部の側面と、磁石の外周側側面から穴部の側面が離れる逃がし部とが連続し、応力集中を緩和する部分が形成される。

上記構成によれば、磁石の幅方向端部の隙間の幅を広くすることで、その部分に充填材が入り込みやすくなるので、ロータコアの軸方向全体で安定して磁石を固定することができる。また、磁石の幅方向中央部において該磁石とロータコアとの間に隙間を設けることで、磁石の幅方向中央部近傍においてロータコアと磁石とが接触することを抑制することができる。以上の結果として、ロータコアに局部的に過大な応力が生じることを抑制することができる。

上記ロータにおいて、好ましくは、磁石の幅方向中央部における上記隙間の幅は均一である。

このようにすることで、磁石の幅方向中央部近傍においてロータコアと磁石とが狭い範囲で局部的に接触することを抑制することができる。結果として、ロータコアに局部的に過大な応力が生じることを抑制する効果を高めることができる。

なお、上記磁石の「外周側側面」とは、ロータコアの径方向外方に位置する磁石の「着磁面」を意味する。また、上記「充填部」は、ロータコアと磁石との隙間に設けられ、それらを接合する「接合部」である。ここで「充填部」は、必ずしも磁石の側面の全周に亘って分布する必要はない。また、上記「隙間の幅」は、磁石が所定の角度で挿入された場合のロータコアと磁石との隙間の幅を意味する。したがって、磁石が所定の角度からずれた角度でロータコアに挿入された結果、磁石の幅方向中央部におけるロータコアと磁石との隙間の幅が均一で無くなったとしても、予め意図された所定の角度で挿入したときに該隙間の幅が均一であれば、「隙間の幅が均一である」場合に含まれる。なお、このような場合も、上記構成によれば、磁石の幅方向中央部近傍においてロータコアと磁石とが狭い範囲で局部的に接触することを抑制することができるので、上記と同様に、ロータコアに局部的に過大な応力が生じることを抑制することができる。

本発明においては、上記のような略Ｖ字配置を適用することにより、磁石１個あたりの幅を低減し、ロータコアに生じる応力をさらに低減することができる。また、ロータからステータに向かう磁束密度を高くすることができる。

なお、ここでいう「フラックスバリア」とは、主に磁石の幅方向端面に面する該磁石とロータコアとの隙間であって、外周側側面から裏面への磁束の回り込みを抑制する部分を意味する。

本発明によれば、ロータコアに局部的に過大な応力が生じることを抑制することができる。

以下に、本発明に基づくロータの実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

図１は、本発明の１つの実施の形態に係るロータを含む回転電機を示した断面図である。図１を参照して、モータおよび／またはジェネレータである回転電機１は、ステータ収容部を有するハウジング１００内に設けられたステータ２００と、ロータ３００と、回転シャフト４００と、軸受５００とを含んで構成される。

ステータ２００はリング状のステータコア２１０と、ステータコイル２２０とを有する。ステータコア２１０は、鉄または鉄合金などの板状の磁性材料により構成される。ステータコア２１０の内周面上には複数のティース部（図示せず）および該ティース部間に形成される凹部としてのスロット部（図示せず）が形成されている。スロット部は、ステータコア２１０の内周側に開口するように設けられる。

ステータコイル２２０は、３つの巻線相であるＵ相、Ｖ相およびＷ相を含む。ステータコイル２２０は、スロット部に嵌り合うようにティース部に巻き付けられる。Ｕ相、Ｖ相およびＷ相は、互いに円周上でずれるように巻き付けられる。

ロータ３００は、回転シャフト４００に取り付けられたロータコア３１０と、ロータコア３１０に埋め込まれた磁石３２０とを有する。ロータコア３１０は、鉄または鉄合金などの磁性材料により構成される。磁石３２０は、たとえば、ロータコア３１０の外周近傍にほぼ等間隔を隔てて配置される。

回転シャフト４００は、軸受５００を介してハウジング１００に回転可能に取り付けられる。

図２は、図１に示される回転電機におけるロータ３００を示した斜視図である。図２を参照して、ロータコア３１０は、該ロータコア３１０の軸方向（矢印ＤＲ１方向）に延びる穴部を有し、磁石３２０は該穴部に挿入される。磁石３２０は、ロータコア３１０の周方向（矢印ＤＲ２方向）に並ぶように複数設けられる。そして、磁石３２０は、ロータコア３１０の径方向外方（矢印ＤＲ３方向）に向かうにつれて磁石３２０の外周側側面の対向距離が大きくなるように形成された磁石対３２１〜３２４を構成する。このような略Ｖ字配置を適用することにより、各々の磁石の幅を低減し、ロータコアに生じる応力を低減することができる。また、ロータ３００からステータ２００に向かう磁束密度を高くすることができる。

図３は、図２に示されるロータを矢印ＤＲ０方向からみた拡大上面図である。図３を参照して、ロータコア３１０と磁石３２０との間には、隙間３３０が形成されている。なお、図３に示される隙間３３０の形状は、ロータコア３１０の軸方向（矢印ＤＲ１方向）の全体に亘ってほぼ一定である。隙間３３０には、接着剤やインジェクション樹脂などからなる接合層が設けられる。これにより、磁石３２０がロータコア３１０に固定される。そして、該接合層は、ロータコア３１０と磁石３２０との隙間に設けられた「充填部」を構成する。なお、ロータコア３１０の穴部に挿入される磁石３２０は、ロータコア３１０への挿入時に若干回転するが、その挿入方向は、方向規定部Ｃによってほぼ一義的に決定される。

図３に示すように、磁石３２０の幅方向（矢印ＤＲ４方向）の中央部（Ａ部）において、ロータコア３１０と磁石３２０の外周側側面３２００との間に隙間３３０が形成される。ここで、Ａ部において、隙間３３０の幅は均一である。そして、磁石３２０の幅方向（矢印ＤＲ４方向）の端部（Ｂ部）における隙間３３０の幅は、Ａ部における隙間３３０の幅よりも広い。すなわち、ロータコア３１０に形成された磁石挿入用の穴部の側面には、磁石３２０の幅方向端部において該磁石の外周側側面３２００から離れる「逃がし部」が形成される。そして、磁石３２０の幅方向端面に面するようにフラックスバリア３３１，３３２が形成される。フラックスバリア３３１，３３２は、隙間３３０の一部分である。そして、フラックスバリア３３１，３３２は、磁石３２０の外周側側面３２００から裏面（内周側側面）への磁束の回り込みを抑制する。

さらに、図３に示すように、磁石３２０の略Ｖ字配置における中央部（Ｖ字の谷部）において「逃がし部」が形成されることで、応力集中を緩和するＲ部がロータコア３１０に形成される。したがって、磁石３２０をより磁極の中心側（Ｖ字の谷間側）に近づけることができる。すなわち、磁石３２０の配置自由度が向上し、回転電機の性能が向上する。

ロータ３００を作製する際は、まず、開孔を有する電磁鋼板を積層して磁石挿入用の穴部を有するロータコア３１０を形成する。そして、上記穴部に接着剤を注入してから、該穴部に磁石３２０を挿入する。また、上記穴部に磁石３２０を挿入した後に、隙間３３０に接着剤を充填するようにしてもよい。いずれの場合にも、フラックスバリア３３１，３３２から、磁石３２０の幅方向の端部（Ｂ部）における隙間３３０の幅広部分に向けて、接着剤が確実に流入する。なお、ロータコア３１０は、圧粉磁心により構成されてもよい。

図４は、ロータコア３１０に挿入された磁石３２０を示した斜視図である。上述したように、磁石３２０の幅方向端部（Ｂ部）の隙間３３０の幅を広くすることで、フラックスバリア３３１，３３２からＢ部の隙間３３０に接着剤３４０が入り込みやすくなる。この結果、図４に示すように、磁石３２０の幅方向（矢印ＤＲ４方向）端部において、磁石３２０の軸方向（矢印ＤＲ１方向）の全体に亘って接着剤３４０が回り込む。ここでは、磁石３２０の幅方向（矢印ＤＲ４方向）における両端部において、ロータコア３１０の軸方向（矢印ＤＲ１方向）全体に亘って接着剤３４０が分布している。

図７は、図２，図３に示されるロータ３００と比較されるロータ３００Ａを示した拡大上面図である。図７を参照して、ロータ３００Ａは、基本的には、図２，図３に示されるロータ３００と同様を有する。すなわち、ロータ３００Ａは、ロータコア３１０Ａと、磁石３２０Ａとを有し、ロータコア３１０Ａと磁石３２０Ａの外周側側面３２００Ａとの間には隙間３３０Ａが形成され、磁石３２０Ａの幅方向（矢印ＤＲ４Ａ方向）の端部に面するようにフラックスバリア３３１Ａ，３３２Ａが形成されている。一方、ロータ３００Ａにおいては、磁石３２０Ａの幅方向（矢印ＤＲ４Ａ方向）の全体に亘って、ロータコア３１０Ａと磁石３２０Ａの外周側側面３２００Ａとの隙間３３０Ａの幅がほぼ一定である。ここで、回転電機の磁気特性向上を図るために隙間３３０Ａの幅を小さくすると、隙間３３０Ａにおける接着剤の回り込みが十分でなくなる場合がある。ここで、常に接着剤を十分に回り込ませようとすると、温度、隙間の幅およびワーク姿勢などの管理が煩雑になり、作業性が低下する。

図８，図９は、ロータコア３１０と磁石３２０とを接合する接着剤３４０の充填状況とロータコア３１０に生じる応力との関係を説明する図である。図８，図９を参照して、ロータ３００の回転時に磁石３２０に作用する遠心力Ｆは、接着剤３４０を介してロータコア３１０に伝達される。ここで、図８に示されるロータ３００においては、磁石３２０の軸方向（矢印ＤＲ１方向）における接着剤３４０の回り込みが良好でないため、ロータコア３１０における一部の電磁鋼板に偏って比較的大きな応力σが発生する。一方、図９に示されるロータ３００においては、磁石３２０の軸方向（矢印ＤＲ１方向）の全体に亘って接着剤３４０が回り込んでいるため、ロータコア３１０に作用する力が均一に分散される。この結果、一部の電磁鋼板に過大な応力σが発生することが抑制される。

図５は、接着剤充填率とロータコアに生じる応力（最大応力）との関係を示した図である。ここで、ライン１０は、図７に示されるロータ３００Ａについての上記関係を示し、ライン２０は、図２，図３に示されるロータ３００についての上記関係を示す。図５を参照して、ロータ３００Ａ（ライン１０）においては、接着剤の充填率が下がるにつれて、ロータコア３１０に発生する応力σが大きくなる。これに対し、ロータ３００（ライン２０）においては、接着剤の充填率が下がった（すなわち、図４における「Ｌ」が小さくなった）場合にも、磁石３２０の軸方向（矢印ＤＲ１方向）の全体に亘って接着剤３４０が分布しており、ロータコア３１０に発生する応力σが過大になることが抑制されている。

再び、図３を参照して、本実施の形態に係るロータ３００においては、磁石３２０の幅方向中央部（Ａ部）における隙間３３０の幅がほぼ均一に形成されている。これにより、仮に、磁石３２０の外周側側面３２００とロータコア３１０とが接着剤３４０を介さずに直接接触する場合であっても、Ａ部近傍においてロータコア３１０と磁石３２０とが局部的に狭い範囲で接触することを抑制することができる。したがって、Ａ部近傍において、ロータコア３１０に過大な応力が生じることが抑制される。

図６は、参考例に係るロータ３００を示す図である。本参考例においては、上記「逃がし部」が、略Ｖ字配置における外側にのみ形成されている。換言すると、ロータコア３１０の径方向外方（矢印ＤＲ３方向）側の磁石の幅方向端部における隙間３３０の幅は、ロータコア３１０の径方向内方（矢印ＤＲ５方向）側の磁石の幅方向端部における隙間３３０の幅よりも広い。

回転電機において、磁石３２０の渦電流損を低減することは重要である。ここで、磁石を一旦分割して該磁石を高抵抗化することで渦電流損を低減することが考えられるが、これにより、磁石が分割された状態からの復元工程が生じてコスト増大に繋がる。また、一般に、磁石３２０の渦電流損は、径方向外方に位置する角部において比較的大きくなる。これに対し、本参考例に係るロータ３００によれば、渦電流損の大きい径方向外方側の隙間３３０の幅が広いため、効果的に渦電流損を抑制することができる。ここで、回転電機の過度のトルク低下を抑制するために、隙間３３０のその他の部分の幅は比較的小さく形成されている。

ところで、本参考例に係るロータ３００においては、図３に示されるロータ３００と比較して、ロータコア３１０の径方向外方（矢印ＤＲ３方向）側の磁石の幅方向端部における隙間３３０の幅が比較的広く形成されている。したがって、この部分の隙間３３０が、フラックスバリアとしても効果的に機能する。換言すると、図６に示されるロータ３００においては、磁石３２０のフラックスバリア３３１が、ロータコア３１０の径方向に磁石３２０の外周側側面３２００と重なる部分を有する。

また、本参考例においては、ロータコア３１０のブリッジ部３１１の長さ（Ｌ１）が比較的長く形成されている。この結果、ブリッジ部３１１の曲率半径（Ｒ）を大きくすることができ、ブリッジ部３１１における応力集中が緩和される。

以上説明したように、本実施の形態に係るロータ３００によれば、ロータコア３１０に局部的に過大な応力が生じることが抑制される。したがって、ロータ強度の信頼性が向上する。換言すると、ロータコアにおけるブリッジ部の幅を細く形成することができるので、回転電機の小型化、高性能化および低コスト化を図ることができる。

なお、本実施の形態においては、方向規定部Ｃ（図３）の作用により、磁石３２０が予め意図された挿入方向でロータコア３１０に挿入されることを前提に説明したが、仮に、磁石３２０が、予め意図された挿入方向とは異なる方向でロータコア３１０に挿入された場合であっても、本実施の形態に係るロータ３００によれば、少なくとも、磁石３２０の幅方向の中央部（Ａ部）近傍において、ロータ３１０と磁石３２０とが狭い範囲で局部的に接触することは回避できる。したがって、Ａ部近傍において、ロータコア３１０に局部的に過大な応力が生じることが抑制される。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明の１つの実施の形態に係るロータを含む回転電機を示した断面図である。 図１に示される回転電機におけるロータを示した斜視図である。 図２に示されるロータを矢印ＤＲ０方向からみた拡大上面図である。 図２，図３に示されるロータに含まれる磁石を示した斜視図である。 接着剤充填率とロータコアに生じる応力との関係を示した図である。 参考例に係るロータを示した拡大上面図である。 図２，図３に示されるロータと比較されるロータを示した拡大上面図である。 接着剤の充填状況とロータコアに生じる応力との関係を説明する図（その１）である。 接着剤の充填状況とロータコアに生じる応力との関係を説明する図（その２）である。

符号の説明

１ 回転電機、１００ ハウジング、２００ ステータ、２１０ ステータコア、２２０ ステータコイル、３００，３００Ａ ロータ、３１０，３１０Ａ ロータコア、３１１ ブリッジ部、３２０，３２０Ａ 磁石、３２１〜３２４ 磁石対、３３０，３３０Ａ 隙間、３３１，３３１Ａ，３３２，３３２Ａ フラックスバリア、３４０ 接着剤、４００ 回転シャフト、５００ 軸受、３２００，３２００Ａ 外周側側面。

Claims (2)

1. 回転シャフトに固設され、軸方向に延びる穴部を有するロータコアと、
   前記穴部に挿入される磁石と、
   前記ロータコアと前記磁石との隙間に設けられた充填部とを備え、
   前記ロータコアの軸方向断面において、前記磁石の幅方向中央部において前記ロータコアと前記磁石の外周側側面との間に隙間が形成され、前記ロータコアの径方向外方における前記隙間の幅を拡大することにより、前記磁石の幅方向端部における前記隙間は、前記磁石の幅方向中央部における前記隙間よりも幅が広い部分を有し、
   前記穴部は、前記ロータコアの径方向内方における前記穴部の幅方向端部の角部に設けられ、前記穴部に挿入される前記磁石の方向を一義的に規定する２つの方向規定部を有し、
   前記ロータコアの径方向外方に向かうにつれて前記磁石の外周側側面の対向距離が大きくなり、略Ｖ字配置を形成するように一対の前記磁石が設けられ、
   前記磁石の幅方向中央部における前記隙間よりも幅が広い部分は、一対の前記磁石の略Ｖ字配置における中央部に設けられ、
   前記磁石の幅方向端面に面する前記磁石と前記ロータとの隙間であって、前記磁石の外周側側面から前記磁石の内周側側面への磁束の回り込みを抑制するフラックスバリアをさらに備え、
   前記フラックスバリアの外周を規定する前記穴部の側面と、前記磁石の外周側側面から前記穴部の側面が離れる逃がし部とが連続し、応力集中を緩和する部分が形成される、ロータ。
2. 前記磁石の幅方向中央部における前記隙間の幅は均一である、請求項１に記載のロータ。

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