JP5025258B2 - 回転電機のロータ - Google Patents

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Description

本発明は、ロータハブの外周面にロータコアのハブ挿入孔を圧入することで前記ロータハブに前記ロータコアを固定し、前記ロータコアの外周面に沿って所定間隔で設けた複数の永久磁石支持孔にそれぞれ永久磁石を挿入して固定した回転電機のロータに関する。
ロータシャフトにスプライン結合されたロータコアの外周部に複数のスロットを形成し、それらのスロットにそれぞれ永久磁石を挿入した回転電機のロータにおいて、隣接するスロット間のブリッジ部に曲げ荷重を受ける形状のリブを形成することで、永久磁石に作用する遠心力でスロットの径方向外側の隅部の応力が集中するのを回避するものが、下記特許文献1により公知である。
またロータ鉄心の外周部に複数の永久磁石を固定した回転子をエンジンのクランクシャフトの端面および変速機の入力軸の端面にボルトやリベットのような締結部材で固定した電動機において、永久磁石の径方向内側のロータ鉄心に複数の肉抜き部を形成したものが下記特許文献2により公知である。
特開2005−117796号公報 特開2004−242494号公報
ところで、この種の回転電機のロータにおいて、ロータハブにロータコアを圧入し、かつロータコアに形成した永久磁石支持孔に永久磁石を挿入すると、前記圧入荷重によってロータコアの外周部が円周方向に引き伸ばされて永久磁石支持孔の径方向外側の隅部に強い引張応力が集中してしまい、しかもロータの回転に伴って永久磁石に遠心力が加わると、その遠心力がロータコアの外周部を円周方向に引き伸ばすように作用するため、前記引張応力が更に高くなってロータコアの耐久性に悪影響を及ぼす可能性がある。
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ロータコアの永久磁石支持孔の径方向外側の隅部における応力集中を緩和してロータコアの耐久性を高めることを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項1に記載された発明によれば、ロータハブの外周面にロータコアの内周部に設けたハブ挿入孔を圧入することで前記ロータハブに前記ロータコアを固定し、前記ロータコアの外周部に、該ロータコアの外周面に沿って所定間隔で複数の永久磁石支持孔を設けると共に、それら永久磁石支持孔にそれぞれ永久磁石を挿入して固定した回転電機のロータであって、前記ロータコアは、それ前記内周部および前記外周部の中間において、円周方向に沿って配置される複数の肉抜き孔と、その各肉抜き孔を挟むように円周方向に沿って配置されて該ロータコアの前記内周部および前記外周部間を連結する複数のリブとを備え各々の前記複数のリブは、前記ロータコアの前記内周部に連結されるリブ一端部が所定の前記永久磁石の内周側に位置し且つ前記ロータコアの前記外周部に連結されるリブ他端部が前記所定の永久磁石と円周方向で隣り合う他の永久磁石の内周側に位置するように配置されていて、該リブの中間部に2つの湾曲部を有しており、前記ロータハブの外周面に前記ロータコアのハブ挿入孔を圧入する際に前記永久磁石支持孔の隅部に生じる応力を、前記複数のリブの前記湾曲部の変形により緩和することを特徴とする回転電機のロータが提案される。
また請求項2に記載された発明によれば、請求項1の構成に加えて、前記ロータコアの外周面に、隣接する永久磁石支持孔間に延びるV字状の切欠きを形成したことを特徴とする回転電機のロータが提案される。
請求項1の構成によれば、ロータハブの外周面にロータコアのハブ挿入孔を圧入すると、ロータコアの外周部が円周方向に引き伸ばされて永久磁石支持孔の径方向外側の隅部に引張応力が集中し、しかもロータが回転するとロータコアの外周部および永久磁石に作用する遠心力によって前記引張応力が更に強まってしまう。しかしながら、ロータコアの内周部および外周部の中間において、円周方向に沿って配置される複数の肉抜き孔と、その各肉抜き孔を挟むように円周方向に沿って配置されて該ロータコアの内周部および外周部間を連結する複数のリブとを備えたので、前記圧入により発生する前記隅部の応力集中をリブの変形により緩和してロータコアの耐久性を高めることができ、これにより磁気的に高性能であるが疲労強度が高くない材料や、安価であるが疲労強度が高くない材料でロータコアを製作することができる。
た、各々の複数のリブを、ロータコアの内周部に連結されるリブ一端部が所定の永久磁石の内周側に位置し且つロータコアの外周部に連結されるリブ他端部が前記所定の永久磁石と円周方向で隣り合う他の永久磁石の内周側に位置するように配置し、且つ該リブの中間部に2つの湾曲部を有するようにして、ロータハブの外周面にロータコアのハブ挿入孔を圧入する際に永久磁石支持孔の隅部に生じる応力を、複数のリブの前記湾曲部の変形により緩和させたので、ロータハブの外周面にロータコアのハブ挿入孔を圧入する際の荷重で前記リブを容易に変形させ、前記圧入による引張応力が永久磁石支持孔の径方向外側の隅部に集中するのを一層効果的に抑制することができる。
また請求項の構成によれば、ロータコアの外周面に、隣接する永久磁石支持孔間に延びるV字状の切欠きを形成したので、該永久磁石と隣接する他の永久磁石との間での磁気短絡を防止して磁気効率を高めることができる。前記切欠きを形成すると永久磁石支持孔の径方向外側の隅部に応力が集中し易くなるが、ロータコアの肉抜き孔およびリブによる応力緩和効果により、前記応力集中を許容範囲内に納めることができる。
以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。
図1〜図5は本発明の実施の形態を示すもので、図1はロータの斜視図、図2は図1の2−2線拡大断面図(図3の2−2線断面図)、図3は図2の3−3線矢視図、図4は永久磁石支持孔の隅部に加わる応力の時間変化を示すグラフ、図5は永久磁石支持孔の隅部に加わる平均応力および応力振幅を示すグラフである。
図1および図2に示すように、モータのステータの内部に軸線Lまわりに回転自在に配置されるロータ11は、ロータハブ12と、ロータコア13と、複数の永久磁石14…と、第1端板15と、第2端板16と、リテーナ17とで構成される。
ロータハブ12は、ハブ本体部12aと、ハブ本体部12aから放射方向に延びる複数個のスポーク部12b…と、スポーク部12b…の先端を一体に連結する環状のロータコア支持部12cとを備えており、ロータコア支持部12cの軸線L方向一端面から径方向外向きにフランジ12dが突出する。ロータハブ12のロータコア支持部12cの外周面12eに、環状のロータコア13のハブ挿入孔13aが圧入により固定される。ロータコア13は複数の鋼板を積層したもので、その外周面13bに沿うように等間隔で複数の永久磁石支持孔13c…が形成される。各々の永久磁石支持孔13cは断面長方形をなしてロータコア13の軸線L方向両端面に開口しており、そこに直方体状の永久磁石14が挿入されて接着等により固定される。
図3を併せて参照すると明らかなように、ロータコア13の外周面13bから隣接する永久磁石支持孔13c…間にV字状の切欠き13d…が延びており、この切欠き13d…により永久磁石14…の間での磁気短絡を防止し、磁束をトルク発生のために効率良く利用することができる。
ロータコア13の内周部および外周部の中間において、円周方向に沿って環状に配置された複数の肉抜き孔13e…が形成される。これらの肉抜き孔13e…は各々がS字状に湾曲した形状を有しており、内周部および外周部間を連結する複数のリブ13f…により相互に仕切られている。また、各々のリブ13fは、ロータコア13の内周部に連結されるリブ一端部が所定の永久磁石14の内周側に位置し且つロータコア13の外周部に連結されるリブ他端部が前記所定の永久磁石14と円周方向で隣り合う他の永久磁石14の内周側に位置するように配置されて、該リブ13fの中間部に2つの湾曲部を有するように形成されている。
尚、永久磁石支持孔13c…と肉抜き孔13e…とに挟まれた部分(バックヨーク)は磁路としての役割を果たす部分であるため、そのバックヨークの厚さTは永久磁石14…の幅Wの0.5〜0.7倍程度が必要になる。
図2から明らかなように、ロータハブ12の外周面12eに、第1端板15と、ロータコア13のハブ挿入孔13aと、第2端板16と、リテーナ17とを圧入することで、ロータハブ12のフランジ12dとリテーナ17との間に第1端板15、ロータコア13および第2端板16が挟まれて軸線L方向に移動不能に固定される。
次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。
ロータハブ12のロータコア支持部12cの外周面12eにロータコア13のハブ挿入孔13aを圧入すると、環状のロータコア13が円周方向に引き伸ばされることで引張応力が発生する。本実施の形態の如く、ロータコア13の直径に対するロータハブ12の直径の比率が高い場合、つまりロータハブ12の直径が大きい場合には、前記引張応力は大きなものとなる。そして、図3に示す永久磁石支持孔13c…の径方向外側の隅部13g…は、前記V字状の切欠き13d…を形成したことで細幅になっているために、特に大きな引張応力が作用する。
またロータ11が回転するとロータコア13自体も遠心力で径方向外向きに付勢されるため、ロータコア13の外周部が円周方向に引き伸ばされて隅部13g…の引張応力は更に高くなる。しかもロータ11が回転すると遠心力で永久磁石14…が径方向外向きに付勢されるため、永久磁石14…から伝達される荷重で隅部13g…の引張応力は更に高くなり、ロータコア13の耐久性を低下させる可能性がある。
しかしながら、本実施の形態では、ロータコア13の内周部および外周部の中間において、円周方向に沿って配置される複数の肉抜き孔13eと、その各肉抜き孔13eを挟むように円周方向に沿って配置されて該ロータコア13の内周部および外周部間を連結する複数のリブ13f…とを備え、各々のリブ13fは、ロータコア13の内周部に連結されるリブ一端部が所定の永久磁石14の内周側に位置し且つロータコア13の外周部に連結されるリブ他端部が前記所定の永久磁石14と円周方向で隣り合う他の永久磁石14の内周側に位置するように配置されて、該リブ13fの中間部に2つの湾曲部を有するので、ロータコア13のハブ挿入孔13aにロータハブ12の外周面12eを圧入することで発生する円周方向の引張荷重をリブ13f…の変形により吸収し、その引張荷重がロータコア13の外周部に伝達され難くすることができる。これにより、永久磁石支持孔13c…の隅部13g…の応力集中を緩和し、ロータコア13の耐久性を高めることができる。特に、リブ13f…は中間部に2つの湾曲部を有するようにしてS字状に湾曲しているため、円周方向の引張荷重で容易に変形して該引張荷重の伝達を確実に抑制することができる。
図4のグラフは、ロータ11が回転および停止を繰り返したときの永久磁石支持孔13c…の隅部13g…の応力の変化を示すもので、実線は本実施の形態のロータ11に対応し、破線は肉抜き孔13e…およびリブ13f…を持たない従来のロータに対応している。
ロータ11が回転すると遠心力による応力が発生し、ロータ11が停止すると遠心力による応力が消滅するために所定の振幅では応力が増減するが、この遠心力による応力振幅Δσは実施の形態のものと従来のものとで同じである。しかしながら、実施の形態のロータハブ12は圧入による応力σaが従来例の応力σa′よりも大幅に減少するため、実施の形態の平均応力σbは従来例の平均応力σb′よりも大幅に減少する。
図5のグラフは、平均応力および応力振幅に基づくロータコア13の疲労限度を示すもので、実線は本実施の形態のロータ11に対応し、破線は肉抜き孔13e…およびリブ13f…を持たない従来のロータに対応している。
実施の形態のロータコア13は圧入による応力の減少により平均応力が低くなるため、廉価材を使用しても必要な耐久性を満たすことが可能であるが、従来例のロータコア13は圧入による応力の減少が見込めないために平均応力が高くなり、高価な高強度材を使用しないと必要な耐久性を満たすことが困難になる。
しかして、本実施の形態のロータコア13は、磁気的に高性能であるが疲労強度が高くない材料や、安価であるが疲労強度が高くない材料を使用した場合でも、永久磁石支持孔13c…の隅部13g…の応力集中を緩和して耐久性を確保することができる。
以上、本発明の実施の形態を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
例えば、実施の形態ではモータのロータ11を例示したが、本発明は発電機のロータに対しても適用することができる
ロータの斜視図 図1の2−2線拡大断面図(図3の2−2線断面図) 図2の3−3線矢視図 永久磁石支持孔の隅部に加わる応力の時間変化を示すグラフ 永久磁石支持孔の隅部に加わる平均応力および応力振幅を示すグラフ
12 ロータハブ
12e 外周面
13 ロータコア
13a ハブ挿入孔
13b 外周面
13c 永久磁石支持孔
13d 切欠き
13e 肉抜き孔
13f リブ
13g 隅部
14 永久磁石

Claims (2)

  1. ロータハブ(12)の外周面(12e)にロータコア(13)の内周部に設けたハブ挿入孔(13a)を圧入することで前記ロータハブ(12)に前記ロータコア(13)を固定し、前記ロータコア(13)の外周部に、該ロータコア(13)の外周面(13b)に沿って所定間隔で複数の永久磁石支持孔(13c)を設けると共に、それら永久磁石支持孔(13c)にそれぞれ永久磁石(14)を挿入して固定した回転電機のロータであって、
    前記ロータコア(13)は、それ前記内周部および前記外周部の中間において、円周方向に沿って配置される複数の肉抜き孔(13e)と、その各肉抜き孔(13e)を挟むように円周方向に沿って配置されて該ロータコア(13)の前記内周部および前記外周部間を連結する複数のリブ(13f)とを備え
    各々の前記複数のリブ(13f)は、前記ロータコア(13)の前記内周部に連結されるリブ一端部が所定の前記永久磁石(14)の内周側に位置し且つ前記ロータコア(13)の前記外周部に連結されるリブ他端部が前記所定の永久磁石(14)と円周方向で隣り合う他の永久磁石(14)の内周側に位置するように配置されていて、該リブ(13f)の中間部に2つの湾曲部を有しており、
    前記ロータハブ(12)の外周面(12e)に前記ロータコア(13)のハブ挿入孔(13a)を圧入する際に前記永久磁石支持孔(13c)の隅部(13g)に生じる応力を、前記複数のリブ(13f)の前記湾曲部の変形により緩和することを特徴とする回転電機のロータ。
  2. 記ロータコア(13)の外周面(13b)に、隣接する永久磁石支持孔(13c)間に延びるV字状の切欠き(13d)を形成したことを特徴とする、請求項1に記載の回転電機のロータ。
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