JP5141749B2 - エンドプレートおよびこれを用いた回転電機のロータ - Google Patents

Description

本発明は、エンドプレートに係り、特に、回転電機の永久磁石埋め込み型ロータに用いられるエンドプレートに関する。

従来、回転可能に支持された磁石埋め込み型のロータと、ロータの周囲に配置される筒状のステータとを備え、スタータ内部に形成される回転磁界によってロータが回転駆動される電動機または発電機等の回転電機が知られている。

ロータは、通常、ロータシャフトとこれに固定される円柱状のロータコアとを含む。そして、ロータコアは、多数の電磁鋼板を積層した鋼板積層体として形成され、ロータシャフトに対してかしめ等の方法によって固定されることがある。

上記ロータコア内に埋め込まれた永久磁石は、外周面近傍の内部であって周方向に均等配置で設けられている。上記永久磁石は、ロータコアの軸方向端面に開口して形成される磁石挿入穴からロータコア内部に挿入される。そして、永久磁石は、磁石挿入穴またはこれに隣接する樹脂充填穴に充填される樹脂によってロータコア内に固定されることがある。

このように永久磁石が埋め込まれたロータコアがロータシャフトに対して固定されるとき、ロータコアの軸方向両側に配置されたエンドプレートによって挟持されることがある。エンドプレートは、鋼板積層体であるロータコアを軸方向両側から押さえつける機能を果たしている。この機能を十分に果たすためにエンドプレートは、ロータコアと同等の外形状、たとえば円板状に形成されるのが一般的である。

これまでエンドプレートは、アルミニウム、銅等の非磁性金属材料で形成されることが多かった。これは、エンドプレートには、ロータコアに対して大きな押さえ付け力を作用させるために高い剛性が求められる一方で、永久磁石の軸方向端部から発生する磁束がエンドプレートを介して短絡しないようにするためである。しかしながら、アルミニウムや銅等の非磁性金属材料は、鉄板や鋼板等の磁性材料に比べて高価であるうえに比較的剛性が低いことから、製造コスト低減のためにエンドプレートを磁性材で形成することが考えられている。

たとえば特開２００３−１３４７０５号公報（以下、特許文献１という）には、エンドプレートを磁性材料で形成するとともに、永久磁石の軸方向端面をエンドプレートの外面と同一面となるように永久磁石を形成し、これにより永久磁石の端末から発生する磁束の短絡を防止しつつエンドプレートを安価な磁性材料で形成することが記載されている。

特開２００３−１３４７０５号公報

しかし、上記特許文献１のようにエンドプレートの外面まで永久磁石を延長して形成することは、回転電機の回転トルクに寄与しない磁石部分を増加させることになり、永久磁石の製造コストを不必要に増加させることになり、また、エンドプレートに形成された貫通穴の内面において磁性材料からなるエンドプレートと永久磁石とが接触しているために永久磁石の端部から発生した磁束がエンドプレート内に多く流れて渦電流損が大きくなるという問題がある。

本発明の目的は、製造コストを安価にしつつ渦電流損の発生を抑制できるエンドプレートおよびこれを用いた回転電機のロータを提供することにある。

本発明に係るエンドプレートは、回転電機のロータにおいて永久磁石が埋設されたロータコアの軸方向端面を押える磁性材からなるエンドプレートであって、前記ロータに組み付けられたときに前記ロータコアの軸方向端面上に圧接されることとなる凸部と前記軸方向端面に接触しないこととなる凹部とを備え、前記凸部は、前記永久磁石によって前記ロータコア内に形成されるｄ軸磁路領域およびｑ軸磁路領域のうちの一方だけに接触するように形成されている。

本発明に係るエンドプレートは、磁性材からなる鋼板または鉄板で構成され、前記凸部は前記凹部がなす平面部に対して曲げられて形成されていてもよい。

また、本発明に係るエンドプレートにおいて、前記凸部は、前記エンドプレートの中心に形成されたロータシャフト挿通穴の近傍から放射状に形成されていてもよい。

また、本発明に係るエンドプレートにおいて、前記ロータコアを貫通して固定されるロータシャフトに対してかしめ固定されるかしめ部を一体に有してもよい。

本発明に係る回転電機のロータは、上記いずれかの構成のエンドプレートと、前記エンドプレートによって軸方向両側から挟持される永久磁石埋め込み型のロータコアと、前記エンドプレートおよびロータコアの中心を貫通して固定されるロータシャフトとを備える。

本発明に係るエンドプレートおよびこれを用いた回転電機のロータによれば、磁性材からなるエンドプレートの凸部がロータコアの端面上においてｄ軸磁路領域およびｑ軸磁路領域のうちの一方だけに接触して他方には接触しないように形成されているので、永久磁石の端部から発生した磁束がエンドプレートを介して短絡するのを抑制することができる。これにより、エンドプレートを安価な磁性材で形成しつつ、エンドプレートに生じる渦電流損を抑制することができる。

本実施形態のエンドプレートをロータコアに装着した状態を、ロータシャフトを省略して示す斜視図である。 図１中のＡ−Ａ線断面図である。 エンドプレートがロータコア端面上でｑ軸磁路領域だけに接触する状態を示す部分側面図である。 エンドプレートがロータコア端面上でｄ軸磁路領域だけに接触する状態を示す部分側面図である。 １つの磁極が１つの永久磁石で構成される例を示す図３と同様の部分側面図である。 １つの磁極が２つの永久磁石で構成される例を示す図３と同様の部分側面図である。 １つの磁極が４つの永久磁石で構成される例を示す図３と同様の部分側面図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本実施形態のエンドプレート１６を備えた回転電機用ロータ１０を、ロータシャフトを省略して示す斜視図である。図１では、軸方向一方側のエンドプレート１６のみを図示してある。また、図２は、ロータシャフト１２を含むロータ１０の軸方向断面図である。なお、この説明において、ロータシャフト１２の回転中心軸に沿う方向を軸方向といい、軸方向に直交する方向を径方向といい、前記回転中心軸上に位置する点を中心に軸直交平面上に描かれる円の円周に沿う方向を周方向という。

図１および２に示すように、ロータ１０は、ロータシャフト１２、ロータコア１４およびエンドプレート１６を備える。ロータシャフト１２は、たとえば中空丸棒状の鋼材から形成されている。ロータシャフト１２の両端部は、図示しないモータケースに固定した軸受部材によって回転可能に支持されている。

ロータシャフト１２の一端側の外周には、径方向外側へ突出した当り部１８が形成されている。ロータシャフト１２の他端側の外周面には、かしめ溝１２ａが周方向に延伸して形成されている。

ロータコア１４は、円筒状の外形を有し、たとえば板厚０．３ｍｍの珪素鋼板等の電磁鋼板を円環状に打ち抜き加工したものを軸方向に多数枚積層した鋼板積層体である。各積層鋼板は、溶接、かしめ、接着またはこれらの組合せ等の方法によって一体に連結されている。そして、ロータコア１４は、その中心部に貫通するロータシャフト１２上に後述するエンドプレート１６によって挟持されて、ロータコア１４の軸方向位置が固定されている。また、ロータコア１４は、ロータシャフト１２に焼嵌め、キー嵌合等の方法によって取り付けられてロータシャフト１２に対する周方向位置が固定されている。

ロータコア１４には、複数の永久磁石２０が外周面近傍の内部に埋設されている。永久磁石２０は、ロータコア１４の周方向に均等間隔で配置されている。図３に、１つの磁極を構成する永久磁石２０の配置の一例を示す。図３に示すように、ロータ１０では、３つの永久磁石２０ａ，２０ｂ，２０ｃによって１つの磁極が構成されており、このような磁極が周方向に等ピッチで例えば８つ設けられている。

１つの磁極を構成する３つの永久磁石２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、それぞれ、扁平長方形状の端面形状（および横断面形状）を有するとともに、ロータコア１４とほぼ同じ軸方向長さに形成されている。３つの永久磁石のうち中央に位置する永久磁石２０ａは、ロータコア１４の外周面１５に近接する位置で長辺側面が周方向にほぼ沿うように配置されている。永久磁石２０ａは、上記端面形状と相似形状であって少しだけ大きく形成されている磁石挿入穴２２ａ内に挿入されて設けられる。磁石挿入穴２２ａの周方向両側には、磁石固定用樹脂が充填される樹脂充填穴２４が磁石挿入穴２２ａと連通して形成されている。ロータコア１４に全ての永久磁石が挿入された後、樹脂充填穴２４内に例えば熱硬化性樹脂を充填して硬化させることにより永久磁石２０ａが磁石挿入穴２２ａ内に固定されることになる。

上記１つの磁極を構成する３つの永久磁石２０ａ，２０ｂ，２０ｃの残りの２つの永久磁石２０ｂ，２０ｃは、上記永久磁石２０ａに対して周方向へ所定距離を隔て両側に配置され、外周側に向かって略Ｖ字状に広がるように設けられている。永久磁石２０ｂ，２０ｃは、上記端面形状と相似形状であって少しだけ大きく形成されている磁石挿入穴２２ｂ内に挿入されてそれぞれ設けられる。磁石挿入穴２２ｂの径方向外側には、磁石固定用樹脂が充填される樹脂充填穴２６ａが連通して形成されている。ロータコア１４に全ての永久磁石が挿入された後、樹脂充填穴２６ａ内に例えば熱硬化性樹脂を充填して硬化させることにより永久磁石２０ｂが磁石挿入穴２２ｂ内に固定されることになる。加えて、樹脂充填穴２６ａは、透磁率が電磁鋼板に比べて低い樹脂を含むことによって永久磁石２０ｂの外周側端部における磁束の回り込み（すなわち漏れ磁束）を抑制する機能も果たす。

磁石挿入穴２２ｂの径方向内側には、漏れ磁束抑制穴２６ｂが連通して形成されている。漏れ磁束抑制穴２６ｂは、透磁率が電磁鋼板に比べて低い空隙を含むことによって永久磁石２０ｂの内周側端部における磁束の回り込みを抑制するためのものである。２つの漏れ磁束抑制穴２６ｂは、細いブリッジ部２８を介して対向して形成されている。

なお、上記各磁石挿入穴、樹脂充填穴および漏れ磁束抑制穴は、ロータコア１４の軸方向全長にわたって貫通形成されてもよいし、あるいは、軸方向一方側が閉じた穴形状に形成されていてもよい。また、上記漏れ磁束抑制穴２６ｂにも上記樹脂充填穴２６ａと同様に樹脂を充填してもよい。

上記各永久磁石２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、長辺側面に直交する方向（すなわち短辺側面に沿う方向）に着磁されている。これにより、ロータコア１４の内部には、永久磁石２０ａ，２０ｂ，２０ｃから発生する磁束によって、実線矢印３０で示すｄ軸磁路となる領域と、一点鎖線矢印３２で示すｑ軸磁路となる領域とが形成される。以下において、これらの領域を適宜にｄ軸磁路領域３０およびｑ軸磁路領域３２という。

ｄ軸磁路領域３０は、ロータコア１４の端面１７を軸方向外側（図２中の矢印Ｂ方向）から見たとき、磁極中央の永久磁石２０ａとその両側にある２つの永久磁石２０ｂ，２０ｃとに囲まれた径方向外側寄りの略三角状の領域を含む。一方、ｑ軸磁路領域３２は、ロータコア１４の端面１７を軸方向外側（図２中の矢印Ｂ方向）から見たとき、周方向に隣接する２つの磁極間で径方向に延伸する領域と、上記２つの樹脂充填穴２６ｂに対して径方向内側に位置する略円弧状の領域とを含む。

エンドプレート１６は、ロータシャフト１２がコア中心穴に挿通された状態でロータコア１４を軸方向両側から挟持して固定するためのものである。本実施形態のエンドプレート１６は、磁性材で形成された板状部材であり、たとえば鋼板または鉄板等によって好適に構成される。エンドプレート１６には、ロータコア１４を構成する電磁鋼板と同じ鋼板を用いてもよいし、異なる材料の磁性材を用いてもよい。なお、ロータコア１４の両側に設けられるエンドプレート１６は、取り付ける向きが異なるだけで同じ大きさおよび形状のものを用いることができる。

エンドプレート１６は、ロータシャフト１２の周囲を覆って設けられる筒部４０と、筒部４０に連続して径方向外側に延伸する円板部４２とを一体に有する。筒部４０および円板部４２は、１枚の円環状の鋼板をプレス成形することによって一体成形することが可能である。上記筒部４０内に形成されるロータシャフト挿通穴４１の最小内径は、ロータシャフト１２の外形寸法よりも若干大きく形成されている。

エンドプレート１６の筒部４０は、ロータ１０の組立時にロータシャフト１２のかしめ溝１２ａ内へ押し込まれてかしめられるかしめ部として機能するように構成されている。

エンドプレート１６の円板部４２は、筒部４０によって形成されるロータシャフト挿通穴４１の近傍から径方向に沿って放射状に形成される凸部４４と、凸部４４間に形成される略扇状の凹部４６とを含む。本実施形態では、凸部４４および凹部４６が８つずつあって、筒部４０の周囲に交互に配置されている。つまり、凸部４４および凹部４６の数は、ロータ１０の磁極数とそれぞれ一致している。ここで、凸部とはロータコア１４の端面１７に向かって突出しているという意味であり、凹部とはロータコア１４の端面に対して凹んでいるという意味である。これらの凸部４４および凹部４６もまた、上記プレス成形時に形成されることが可能である。

エンドプレート１６の凸部４４は、凹部４６をなす平面部に対してロータコア１４の端面に向かって略Ｕ字状に曲げられて形成されており、ロータ１０として組み付けられたときにロータコア１４の端面１７上に圧接される部分となる。そして、凸部４４は、図３においてハッチング領域４８で示すように、ロータコア１４内に形成されるｑ軸磁路領域３２のうちの径方向延伸部に沿って略帯状に接触するように形成されている。換言すれば、エンドプレート１６の凸部４４は、ロータコア１４内のｄ軸磁路領域３０に接触しないように形成されている。また、このように形成された凸部４４はエンドプレート１６におけるリブ構造として機能するため、エンドプレート１６を薄板化しつつ高剛性にすることが可能になる。

他方、エンドプレート１６の凹部４６は、ロータ１０として組み付けられたときにロータコア１４とは接触しないように、すなわちロータコア１４の端面１７から離れて位置するように形成されている。エンドプレート１６の円板部４２のうち凹部４６をなす部分には、軽量化のための略扇状の貫通穴５０が複数形成されてもよい。

続いて、上記構成からなるロータ１０の組立について簡単に説明する。ロータ１０の組立に際しては、予め、ロータコア１４内には永久磁石２０ａ，２０ｂ，２０ｃが挿入されて樹脂充填穴２４，２６ａ，２６ｂに充填された樹脂によって固定されている。ただし、ロータコア１４が焼嵌めによってロータシャフト１２に固定される場合には、永久磁石の熱的消磁を回避するために、ロータコア１４のロータシャフト１２への固定後に永久磁石を埋設してもよいし、あるいは、着磁前の強磁性体を予め埋設しておきロータシャフト１２への固定後に上記強磁性体を着磁装置によって着磁するようにしてもよい。

まず、ロータシャフト１２に１枚目のエンドプレート１６（図２中の右側）を挿通し、当り部１８に筒部４０を当接させる。続いて、ロータコア１４をロータシャフト１２に挿通してロータコア１４の一方端面１７をエンドプレート１６に当接させる。

そして、２枚目のエンドプレート１６（図２中の左側）をロータシャフト１２に挿通して、ロータコア１４の他方端面１７に対して所定の押圧力で押し付ける。この状態で、エンドプレート１６の筒部４０の一部をかしめ溝１２ａ内に押し込んでかしめる。これにより、エンドプレート１６がロータシャフト１２に対して固定される。その結果、ロータコア１４が２枚のエンドプレート１６によって挟持された状態でロータシャフト１２に固定される。

このように組み立てられたロータ１０において、エンドプレート１６は、ロータコア１４の端面１７上において凸部４４がｑ軸磁路領域３２だけに接触しており、ｑ軸磁路領域３０には接触していない。つまり、磁性材からなるエンドプレート１６を介してロータコア１４内のｄ軸磁路とｑ軸磁路とが短絡することはない。これにより、ロータコア１４内に埋設された永久磁石２０ａ，２０ｂ，２０ｃから発生した磁束がエンドプレート１６へと流れるのを抑制することができ、その結果、エンドプレート１６内での渦電流損を低減することができる。

また、エンドプレート１６を鋼板や鉄板等の磁性材で形成することで、従来のようにアルミニウムや銅等の非磁性金属材料で形成する場合に比べて製造コストを安価にすることができる。

さらに、エンドプレート１６の凸部４４をリブ構造として形成することで、エンドプレート１６を薄肉化しつつ十分な押し付け力を発揮できる高剛性なものにできる。これにより、エンドプレート１６の更なる低コスト化、および、板厚に比例することとなる渦電流損の更なる低減を図れる。

さらにまた、本実施形態のエンドプレート１６によれば、ロータシャフト１２に対してかしめ固定されるかしめ部が筒部４０としてエンドプレート１６に一体形成されている。これにより、従来ではエンドプレートとは別部材として用いられていたかしめ部材が不要になり、その結果、部品点数の削減による更なる低コスト化が見込める。

上記において本実施形態のエンドプレート１６およびこれを用いたロータ１０について説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではなく、種々の変更および改良が可能である。

たとえば、上記においてはエンドプレート１６の凸部４４がロータコア１４の端面１７上でｑ軸磁路領域３２だけに接触するように構成したが、図４中のハッチング領域４９で示すように、エンドプレートの凸部がｄ軸磁路領域３０だけに接触するように形成されてもよい。

また、上記実施形態ではロータ１０の１つの磁極が３つの永久磁石２０ａ，２０ｂ，２０ｃが埋設されて構成されるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、１つの磁極に含まれる永久磁石の数はロータまたは回転電機の設計等に応じて適宜に変更可能である。たとえば、ロータの１つの磁極には、図５に示すように１つの永久磁石２０ｄだけが含まれてもよいし、図６に示すように略Ｖ字状をなして配置された２つの永久磁石２０ｅが含まれてもよいし、あるいは、図７に示すように略Ｖ字状に配置されたそれぞれ２つの永久磁石２０ｆ，２０ｇを径方向に二重に設けて合計４つの永久磁石が含まれてもよい。

さらに、上記実施形態のエンドプレートでは、磁性材からなる板材をプレス成形して凸部を曲げ形成するとして説明したが、これに限定されるものではない。たとえば、円板状の磁性板部のロータコア対向面に中空または中実である断面矩形状の鋼材を放射状に溶接して上記エンドプレートの凸部として用いてもよい。

１０ 回転電機用ロータ、１２ ロータシャフト、１２ａ かしめ溝、１３ キー、１４ ロータコア、１５ 外周面、１６ エンドプレート、１７ 端面または軸方向端面、１８ 当り部、２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ 永久磁石、２２ａ，２２ｂ 磁石挿入穴、２４，２６ａ，２６ｂ 樹脂充填穴、２８ ブリッジ部、３０ ｄ軸磁路またはｄ軸磁路領域、３２ ｑ軸磁路またはｑ軸磁路領域、４０ 筒部、４１ ロータシャフト挿通穴、４２ 円板部、４４ 凸部、４６ 凹部、４８，４９ ハッチング領域または接触領域、５０ 貫通穴。

Claims (5)

1. 回転電機のロータにおいて永久磁石が埋設されたロータコアの軸方向端面を押える磁性材からなるエンドプレートであって、
   前記ロータに組み付けられたときに前記ロータコアの軸方向端面上に圧接されることとなる凸部と前記軸方向端面に接触しないこととなる凹部とを備え、前記凸部は、前記永久磁石によって前記ロータコア内に形成されるｄ軸磁路領域およびｑ軸磁路領域のうちの一方だけに接触するように形成されている、
   エンドプレート。
2. 請求項１に記載のエンドプレートにおいて、
   磁性材からなる鋼板または鉄板で構成され、前記凸部は前記凹部がなす平面部に対して曲げられて形成されていることを特徴とするエンドプレート。
3. 請求項１または２に記載のエンドプレートにおいて、
   前記凸部は、前記エンドプレートの中心に形成されたロータシャフト挿通穴の近傍から放射状に形成されていることを特徴とするエンドプレート。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のエンドプレートにおいて、
   前記ロータコアを貫通して固定されるロータシャフトに対してかしめ固定されるかしめ部を一体に有することを特徴とするエンドプレート。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のエンドプレートと、
   前記エンドプレートによって軸方向両側から挟持される永久磁石埋め込み型のロータコアと、
   前記エンドプレートおよびロータコアの中心を貫通して固定されるロータシャフトとを備える、
   回転電機のロータ。

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