JP5382012B2

JP5382012B2 - 回転電機用回転子、および、その製造方法

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Publication number: JP5382012B2
Application number: JP2011021478A
Authority: JP
Inventors: 新也佐野; 義忠山岸; 裕太渡邉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2031-02-03
Also published as: US20120200185A1; JP2012165480A; CN102629791A

Description

本発明は、回転電機用回転子およびその製造方法に係り、特に、回転子鉄心の外周側内部に周方向に間隔を置いて埋設された複数の永久磁石を含む回転電機用回転子およびその方法に関する。

従来、例えば特開２００５−１２４３３３号公報（以下、特許文献１という）には、２つの永久磁石がＶ字状に配置され磁極が周方向に均等間隔で複数設けられたロータコア（回転子鉄心）を備えたロータ（回転子）が開示されている。円柱状をなすロータコアの中心部に形成された軸穴の縁部には、キーが径方向内側に向かって突設されている。このキーは、前記軸穴にシャフトが貫通して固定されるときにシャフト表面に軸方向へ延伸形成されているキー溝に嵌合され、これによりシャフトに対するロータコアの円周方向位置が決められるようになっている。

特開２００５−１２４３３３号公報

上記特許文献１のロータでは、丸棒鋼材からなるシャフトの表面にキー溝を予め切削加工しておく必要があり、ロータの製造コストを押し上げる一因になっていた。

これに対し、キー嵌合ではなく締り嵌め（または焼嵌めともいう）によってロータコアの軸穴にシャフトに固定することが考えられる。この場合、シャフトにキー溝を形成する必要がなく、その分、製造コストを低減できる利点がある。しかしながら、この場合にはロータコアの軸穴にキーが設けられないこととなるため、円環状に打ち抜き加工した多数の電磁鋼板を積層してロータコアを組み立てるときに円周方向の基準となる部分が存在しなくなり、鋼板積層時の精度出しが困難になるという課題がある。

本発明の目的は、シャフトに対する位置決め用のキーを廃止しながら鋼板積層時に円周方向位置決めを精度よく行なうことができる回転電機用回転子、およびその製造方法を提供することにある。

本発明に係る回転電機用回転子は、中心部の軸穴にシャフトが貫通固定される鋼板積層体である回転子鉄心の外周部に複数の磁極が周方向に間隔を置いて設けられている回転電機用回転子であって、前記磁極はそれぞれ、永久磁石と、前記永久磁石からの磁束の流れを規制する磁束抑制穴とを含み、少なくとも１つの磁極の磁束抑制穴の形状が、前記回転子鉄心を構成する鋼板を積層するときの円周方向位置を決める基準となる位置決め部が設けられていることにより、他の磁極の磁束抑制穴の形状とは異なって形成されているものである。

本発明に係る回転電機用回転子において、前記少なくとも１つの磁極の前記磁束抑制穴の縁部には、前記回転子鉄心を構成する鋼板を積層するときの円周方向位置を決める基準となる位置決め部が突設されていてもよい。

また、本発明に係る回転電機用回転子において、前記位置決め部は、前記磁束抑制穴の内周側縁部に径方向外側へ向かって突設されていてもよい。

さらに、本発明に係る回転電機用回転子において、前記各磁極は前記回転子鉄心の外周側に向かって互いの間隔が広がるように配置された２つの永久磁石を含み、前記磁束抑制穴は、前記２つの永久磁石の内周側端部間であって内周寄り位置に形成されており、かつ、前記永久磁石を回転子鉄心内に挿入するための磁石挿入穴に連通する略三角状の２つの第１の穴と、前記２つの第１の穴間にブリッジ部を介して形成される略矩形状の第２の穴とを含んでもよい。

本発明に係る回転電機用回転子の製造方法は、永久磁石および磁束抑制穴をそれぞれ有する複数の磁極が鋼板積層体である回転子鉄心の外周部に周方向均等配置で設けられる回転電機用回転子の製造方法であって、磁石挿入穴および磁束抑制穴をそれぞれ形成された多数枚の円環状の電磁鋼板を、前記磁束抑制穴の縁部に突設された位置決め部を基準に用いて積層して前記回転子鉄心を組み立てるステップと、組み立てられた前記回転子鉄心の磁石挿入穴内に強磁性体を配置するステップと、前記強磁性体が配置された前記回転子鉄心にシャフトを締り嵌めにより固定するステップと、前記シャフトに固定された前記回転子鉄心内の強磁性体をモールド樹脂によって固定するステップと、前記シャフトに固定された前記回転子鉄心を着磁装置内に設置して前記強磁性体を着磁することにより永久磁石にするステップとを含む。

本発明に係る回転電機用回転子の製造方法においては、前記回転子鉄心を前記着磁装置内に設置するとき、前記位置決め部を用いて前記回転子鉄心の円周方向位置が決定されてもよい。

本発明に係る回転電機用回転子およびその製造方法によれば、鋼板積層体からなる回転子鉄心において、少なくとも１つの磁極の磁束抑制穴の形状が他の磁極の磁束抑制穴の形状とは異なって形成されている。これにより、この形状が異なった上記１つの磁束抑制穴を鋼板積層時の円周方向位置決め基準箇所として使用することができる。したがって、軸穴のキーおよびシャフトのキー溝を省略して回転子の製造コストを低減しながら、電磁鋼板を精度よく積層して回転子鉄心を組み立てることができる。

本発明の一実施形態である回転電機用回転子（以下、適宜に回転子とだけいう）の軸方向断面図である。図１の回転子を構成する回転子鉄心の軸方向端面を示す図である。図２中の１つの磁極を拡大して示す部分拡大図である。本発明の一実施形態である回転子の製造方法を示すフローチャートである。

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、本実施形態の回転電機用回転子１０の軸方向断面を示す。回転子１０の周囲には、筒状の固定子（図示せず）が設けられる。固定子は、回転子１０を回転駆動するための磁界を形成するものである。

回転子１０は、中心穴を有する円柱状または円柱状をなす回転子鉄心１２と、回転子鉄心１２の中心穴を貫通して固定されるシャフト１４と、矢印Ｘで示すシャフト１４（および回転子鉄心１２）の軸方向に関して回転子鉄心１２の両側に接して配置されるエンドプレート１６と、回転子鉄心１２およびエンドプレート１６をシャフト１４上に固定する固定部材１８とを備える。

回転子鉄心１２は、例えば板厚０．３ｍｍの珪素鋼板等を円環状に打ち抜き加工してそれぞれ形成された多数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成されている。回転子鉄心１２を構成する各電磁鋼板は、回転子鉄心１２を軸方向に複数分割したブロックごとに又は全て一括してカシメ、接着、溶接等の方法によって一体に連結されている。また、回転子鉄心１２には、複数の磁極が周方向に均等な間隔で設けられている。各磁極は複数の永久磁石と磁束抑制穴とを含んで構成されるが、その詳細については後述する。

シャフト１４は、丸棒鋼材から形成されており、その外周には径方向外側へ突出するフランジ部１５が形成されている。このフランジ部は、回転子１０が組み立てられる際にエンドプレート１６に当接してシャフト１４での回転子鉄心１２の軸方向位置を決める当り部として機能する。また、本実施形態では、回転子鉄心１２が締り嵌めによってシャフト１４に固定されるため、シャフト１４の外表面にはキー溝が形成されていない。これにより、シャフト１４にキー溝を切削加工しなくてもよく、シャフト１４ひいては回転子１０の製造コストを低減することができる。

エンドプレート１６は、回転子鉄心１２の軸方向端面とほぼ同じ外形状の円板によって構成される。エンドプレート１６は、例えばアルミニウム、銅等の非磁性金属材料により好適に形成されている。ここで非磁性金属材料とするのは、磁極を構成する永久磁石の軸方向端部における磁束の短絡を抑制するためである。ただし、非磁性材料であれば金属材料に限定されるものではなく、樹脂材料で形成されてもよい。

回転子鉄心１２の軸方向両側に設けられるエンドプレート１６には、回転子鉄心１２を両側から押え付ける機能、回転子１０が組み上がった後に部分的に切削加工を施して回転子１０のアンバランスを修正する機能、磁極を構成する永久磁石が回転子鉄心１２から軸方向に飛び出すのを防止する機能などがある。

なお、本実施形態ではエンドプレート１６が回転子鉄心１２とほぼ同等の直径を有するものとして説明および図示するが、磁極を構成する永久磁石が回転子鉄心内に樹脂等によって固定される場合等には、エンドプレートを小径化または廃止等してコスト低減を図ってもよい。

固定部材１８は、円筒状をなすかしめ部２０と、かしめ部２０の一方端部から径方向外側へ突出する押え部２２とを含む。固定部材１８は、その押え部２２によって回転子鉄心１２および２枚のエンドプレート１６を上記フランジ部１５に向かって押圧した状態で、かしめ部２０がシャフト１４に対してかしめられることによってシャフト１４上に固定される。これにより、回転子鉄心１２がエンドプレート１６と共にシャフト１４に対して固定されることになる。

次に、図２，３を参照して、回転子鉄心１２の構成について説明する。図２は、回転子鉄心１２の軸方向端面を示す図であるが、回転子鉄心１２を軸方向に垂直な断面の構成もこれと同様である。また、図３は、図２中の１つの磁極２４を拡大して示す図である。なお、図２中に示される「Ｎ」および「Ｓ」の表記は最終的に永久磁石が着磁された後の各磁極の極性を示すものであるが、実際に回転子鉄心１２の端面上には何も表示されていない。

円柱状の外形をなす回転子鉄心１２の中心部には、シャフト１４を挿入して固定するための軸穴２３が貫通して形成されている。上記のように軸穴２３は円形であってその縁部にキーは形成されていない。

回転子鉄心１２の外周部には、複数（本実施形態では８つ）の磁極２４が周方向に等間隔で設けられている。各磁極２４は、２つの永久磁石２６と、磁束抑制穴２８とをそれぞれ含む。各永久磁石２６は、回転子鉄心１２の外周面１３近傍の内部に埋設されている。また、Ｎ極に対応する磁極２４の磁束抑制穴２８のうちの１つには、位置決め部３０が設けられている。このような位置決め部３０の有無によって、上記１つの磁極２４の磁束抑制穴２８の形状と他の磁極２４の磁束抑制穴２８の形状とが異なっている。なお、位置決め部３０を除いて、Ｎ極磁極とＳ極磁極とは同一構成である。

図３を参照すると、１つの磁極２４には２つの永久磁石２６が設けられている。２つの永久磁石２６は、同じ形状および大きさを有している。すなわち、永久磁石２６は、各２つの短辺側面および長辺側面を有する扁平長方形の軸方向端面（および断面）を有するとともに、回転子鉄心１２と略同一の軸方向長さに形成されている。また、永久磁石２６は、短辺側面に沿った厚み方向に着磁されており、図３に示す例では２つの永久磁石２６の対向面側がＮ極に、その反対面側がＳ極に着磁されている。

磁極２４内において２つの永久磁石２６は、それぞれ磁石挿入穴３２内に挿入および固定されて埋設されている。これにより、２つの永久磁石２６は、回転子鉄心１２の外周面１３へ向かって互いに間隔が広がるように略Ｖ字状または漢字の「八」の字状に配置されている。永久磁石２６は、回転子鉄心１２内に形成された磁石挿入穴３２内に軸方向から挿入され、永久磁石２６の長辺側面と穴内壁面との間の狭い隙間に注入される例えば熱硬化性の樹脂によって固定されている。また、永久磁石２６は、短辺側面が回転子鉄心１２の外周面１３に略沿った姿勢で配置されている。

上記磁石挿入穴３２の外周側には、ポケット部３４が磁石挿入穴３０に連通して形成されている。このポケット部３４は、永久磁石２６の短辺側面に沿って軸方向に延伸して形成されている。ポケット部３４は、電磁鋼板に比べて低透磁率の空隙を内部に含むことから、永久磁石２６の長辺方向の外周側端部における磁束の短絡を抑制する機能を有する。永久磁石２６を固定するための樹脂は、このポケット部３４を介して永久磁石２６の長辺側面と磁石挿入穴３２の内壁面との間に注入されてもよい。

上記磁束抑制穴２８は、磁極２４に含まれる２つの永久磁石２６の内周側端部間であって内周寄り位置（図３中の下側）に形成されている。磁束抑制穴２８は、電磁鋼板に比べて低透磁率の空隙部を内部に含むことから、永久磁石２６から発生した磁束（および図示しない固定子から回転子鉄心内に進入する磁束）の流れを抑制する又は変化させる機能を有する。

本実施形態では磁束抑制穴２８は、２つの第１の穴２８ａ，２８ａと１つの第２の穴によって構成されている。第１の穴２８ａ，２８ａは、永久磁石２６が挿入されている磁石挿入穴３２の内周側端部に連通してそれぞれ形成される。第１の穴２８ａ，２８ａは、鏡面対称の略三角形状に形成されている。また、第１の穴２８ａ，２８ａは、永久磁石２６の内周側の長辺方向端部における磁束の短絡を抑制する機能を有する。なお、永久磁石２６を固定するための樹脂が第１の穴２８ａを介して磁石挿入穴３２に注入されてもよい。

略矩形状をなす第２の穴２８ｂは、第１の穴２８ａ，２８ａの間にブリッジ部３６をそれぞれ介して形成されている。また、第２の穴２８ｂは、周方向に関して２つの永久磁石２６，２６間の中央に位置にして外周面１３に対向している。第２の穴も同様に、電磁鋼板に比べて低透磁率の空隙部を内部に含むことから、永久磁石２６の対向面側（すなわちＮ極側）から発生した磁束を外周側へと向かわせる機能を果たす。また、磁極２４の周方向中央位置におけるｄ軸インダクタンスＬdを小さく抑えることができる。これらにより、回転子１０を用いた回転電機において磁石トルクおよびリラクタンストルクの和である総トルクを効果的に向上させることができる。

上記位置決め部３０は、第２の穴２８ｂの内周側縁部に外周側へ向かって小さい矩形状に突出して形成されている。位置決め部３０は、回転子鉄心１２を構成する各電磁鋼板に形成されている。これにより、各電磁鋼板を軸方向に積層して回転子鉄心１２を組み立てるとき、位置決め部３０を（従来の軸穴のキーに代えて）基準として用いることで、各電磁鋼板の円周方向位置を精度よく位置決めして積層することができる。

また、位置決め部３０は、第２の穴２８ｂの内周側縁部に形成されるのが好ましい。これは、第２の穴２８ｂの外周側縁部に形成するとｄ軸インダクタンスＬｄの増加につながりリアクタンストルクの低下を招くためであり、また、第２の穴２８ｂの周方向縁部であるブリッジ部３６に形成すると、第１の穴にモールド樹脂を注入したときにブリッジ部３６が注入圧力によって歪みが生じた場合に事後に位置決め部を基準として行う回転子鉄心１２の円周方向位置決めの精度を損なうおそれがあるためである。

さらに、本実施形態では８つの磁極２４のうちの１つの磁極２４に位置決め部３０が設けられており、所定枚数の電磁鋼板を同一の向きで積層して４分割ブロックの回転子鉄心部分を形成し、これら４分割ブロックの回転子鉄心部分を円周方向に９０°ずつずらして積層及び連結することにより図２に示すように９０°間隔で位置決め部３０を視認できるようにして組み立てられる。このように積層することによって、各電磁鋼板の厚み誤差が回転子鉄心１２の外周部の軸方向長さの誤差となって組み上がるのを解消することができる。また、位置決め部３０が見える磁極２４がＮ極磁極であることを表示なしに容易に確認することが可能になる。

なお、本実施形態では複数の磁極のうち１つの磁極にだけ位置決め部を設けるものとして説明するが、これに限定されるものではなく、２以上の磁極に位置決め部を設けてもよい。

上述したように本実施形態の回転子１０では、鋼板積層体からなる回転子鉄心１２において、１つの磁極２４の磁束抑制穴２８の形状が位置決め部３０の存在によって他の磁極２４の磁束抑制穴２８の形状とは異なって形成されている。これにより、この形状が異なった上記１つの磁束抑制穴２４を鋼板積層時の円周方向位置決め箇所として使用することができる。これにより、軸穴２３のキーおよびシャフト１４のキー溝を省略して回転子１０の製造コストを低減しながら、電磁鋼板を精度よく積層して回転子鉄心１２を組み立てることができる。

また、上記のように磁束抑制穴２８を２本のブリッジ部３６を含む３つの穴２８ａ，２８ａ，２８ｂによって構成したことで、回転子鉄心１２の磁極部分における耐遠心力強度および耐トルク強度の低下を抑制することができる。

さらに、位置決め部３０は、永久磁石２６をモールド樹脂で固定する際に、モールド型で回転子鉄心１２の円周方向位置を冶具で決めるのに用いることができる。

さらにまた、第２の穴２８ｂに冷却オイルを流して回転子鉄心１２を冷却する場合、冷却オイルとの接触面積が位置決め部を設けた分だけ増加するため、冷却効率を向上させることができる。

次に、図４を参照して、上記回転子１０の製造方法について説明する。

まず、ステップＳ１０において、回転子鉄心１２を組み立てる。ここでは、上記のとおり１つの位置決め部が形成された各電磁鋼板を円周方向に精度よく位置決めしながら軸方向に積層して一体に連結する。

続いて、ステップＳ１２において、回転子鉄心１２内に強磁性体を挿入する。この強磁性体は、着磁前の磁石中間体に相当するものである。

次いで、ステップＳ１４において、回転子鉄心１２をシャフト１４に固定する。このとき、回転子鉄心１２は、締り嵌め又は焼嵌めによってシャフト１４上に装着されて固定される。このとき上記磁石中間体は着磁前であるため、熱的消磁という不都合は生じない。

それから、ステップＳ１６において、シャフト１４に固定された回転子鉄心１２内の強磁性体をモールド樹脂によって固定する。上記モールド樹脂に熱硬化性樹脂を用いた場合にこれを加熱硬化させるとき、上記と同様に磁石中間体は着磁前であるため熱的消磁という不都合は生じない。

そして、ステップＳ１８において、シャフト１４に固定された回転子鉄心１２を着磁装置内にセットして、上記強磁性体に着磁して永久磁石２８とする。このとき、本実施形態では、Ｎ極に対応する磁極２４に位置決め部３０が設けられているので、この位置決め部３０を基準に円周方向位置を確認しながら回転子鉄心１２を着磁装置内に正確にセットすることができる。このように永久磁石２８が着磁されて回転子１０の製造が完了する。

なお、上述した構成の実施形態においては種々の変更および改良が許容される。例えば、上記においては１つの磁極２４に２つの永久磁石２６が含まれるものとして説明したが、図３中に一点鎖線で示すように、磁極２４の周方向中央位置であって外周面１３近傍の位置に別の永久磁石４０を埋設して３つの永久磁石を１磁極に含ませてもよいし、あるいは、４つ以上の永久磁石を１磁極に含ませてもよい。

また、上記においては１つの磁極２４に１つの矩形状突起からなる位置決め部３０を設けるものとして説明したが、位置決め部の形状や１磁極当りの数は適宜に変更されてもよい。同様に、磁束抑制穴を構成する穴の形状や数も適宜に変更されてもよい。

さらに、上記実施形態では、位置決め部を穴縁部に形成した凸部により構成するものとして説明したが、逆に、穴縁部に形成した凹部または切り込み部によって構成されてもよい。

１０回転電機用回転子、１２回転子鉄心、１３外周面、１４シャフト、１５フランジ部、１６エンドプレート、１８固定部材、２０かしめ部、２２押え部、２３軸穴、２４磁極、２６永久磁石、２８磁束抑制穴、２８ａ第１の穴、２８ｂ第２の穴、３０位置決め部、３２磁石挿入穴、３４ポケット部、３６ブリッジ部、４０別の永久磁石、Ｌd ｄ軸インダクタンス。

Claims

中心部の軸穴にシャフトが貫通固定される鋼板積層体である回転子鉄心の外周部に複数の磁極が周方向に間隔を置いて設けられている回転電機用回転子であって、
前記磁極はそれぞれ、永久磁石と、前記永久磁石からの磁束の流れを規制する磁束抑制穴とを含み、少なくとも１つの磁極の磁束抑制穴の形状が、前記回転子鉄心を構成する鋼板を積層するときの円周方向位置を決める基準となる位置決め部が設けられていることにより、他の磁極の磁束抑制穴の形状とは異なって形成されている、
回転電機用回転子。
請求項１に記載の回転電機用回転子において、
前記少なくとも１つの磁極の前記磁束抑制穴の縁部には、前記回転子鉄心を構成する鋼板を積層するときの円周方向位置を決める基準となる位置決め部が突設されていることを特徴とする回転電機用回転子。
請求項１または２に記載の回転電機用回転子において、
前記位置決め部は、前記磁束抑制穴の内周側縁部に径方向外側へ向かって突設されていることを特徴とする回転電機用回転子。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機用回転子において、
前記各磁極は前記回転子鉄心の外周側に向かって互いの間隔が広がるように配置された２つの永久磁石を含み、前記磁束抑制穴は、前記２つの永久磁石の内周側端部間であって内周寄り位置に形成されており、かつ、前記永久磁石を回転子鉄心内に挿入するための磁石挿入穴に連通する略三角状の２つの第１の穴と、前記２つの第１の穴間にブリッジ部を介して形成される略矩形状の第２の穴とを含むことを特徴とする回転電機用回転子。
永久磁石および磁束抑制穴をそれぞれ有する複数の磁極が鋼板積層体である回転子鉄心の外周部に周方向均等配置で設けられる回転電機用回転子の製造方法であって、
磁石挿入穴および磁束抑制穴をそれぞれ形成された多数枚の円環状の電磁鋼板を、前記磁束抑制穴の縁部に突設された位置決め部を基準に用いて積層して前記回転子鉄心を組み立てるステップと、
組み立てられた前記回転子鉄心の磁石挿入穴内に強磁性体を配置するステップと、
前記強磁性体が配置された前記回転子鉄心にシャフトを締り嵌めにより固定するステップと、
前記シャフトに固定された前記回転子鉄心内の強磁性体をモールド樹脂によって固定するステップと、
前記シャフトに固定された前記回転子鉄心を着磁装置内に設置して前記強磁性体を着磁することにより永久磁石にするステップと、
を含む回転電機用回転子の製造方法。
請求項５に記載の回転電機用回転子の製造方法において、
前記回転子鉄心を前記着磁装置内に設置するとき、前記位置決め部を用いて前記回転子鉄心の円周方向位置が決定されることを特徴とする、回転電機用回転子の製造方法。