JP5480176B2

JP5480176B2 - 回転電機用回転子

Info

Publication number: JP5480176B2
Application number: JP2011021479A
Authority: JP
Inventors: 新也佐野; 健武田; 智広稲垣; 新一大竹; 剛宮路; 顕史黒川
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin AW Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Aisin AW Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2031-02-03
Also published as: CN102629788B; JP2012165481A; US20120200193A1; CN102629788A; US8803394B2

Description

本発明は、回転電機用回転子に係り、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に関する。

従来、例えば特開２００９−１２４８９９号公報（以下、特許文献１という）には、図１０に示すような磁極構成を有する回転子９０を備えた同期型回転電機が開示されている。この回転子９０では、円柱状の回転子鉄心９１の外周面９２近傍の内部に複数（図１０では１つのみ図示）の磁極９３が周方向に均等間隔で設けられている。

磁極９２は、外周面９２に向かって互いの間隔が広がるように配置された一対の永久磁石９４と、これらの永久磁石９４の内周端部９５間であって径方向内方に形成された磁束抑制穴９６とを有する。磁束抑制穴９６は、３つの穴９６ａ，９６ａ，９６ｂによって構成されている。２つの略三角状をなす２つの端穴９６ａ，９６ａは、扁平長方の端面形状を有する永久磁石９４が挿入配置されている磁石挿入穴９６にそれぞれ連通して形成される。また、略矩形状をなす中央穴９６ｂは、細い鉄心領域であるブリッジ部９７をそれぞれ介して上記２つの端穴９６ａ，９６ａの間に形成されている。ここで、上記３つの穴９６ａ，９６ａ，９６ｂの各外周側縁部は、一対の永久磁石９４の周方向内側の角部（または縁部）を通る一点鎖線で示す直線９８上にそろって形成されている。

このように各磁極９３を構成した回転子９０を備える回転電機では、磁極９３の径方向内方の中央に空隙を含む磁極抑制穴を設けることで、磁極９３におけるｑ軸インダクタンスＬqとｄ軸インダクタンスＬdとの差を大きくしてリラクタンストルクの向上を図っている。

特開２００９−１２４８９９号公報

上記特許文献１の回転子９０の磁極９３では、一対の永久磁石９４間に略円弧状の帯状領域からなるｑ軸磁路領域９９が形成される。そのため、磁束抑制穴９６のうち端穴９６ａの外周側（図９中の上側）の鉄心領域１００は、ｑ軸磁束が流れない過剰な領域として確保されていることになる。また、この鉄心領域１００は、永久磁石９４の内周端部９５に対向しているため、内周端部９５からの磁石磁束をブリッジ部９７および端穴９６ａの方へ漏らす又は短絡させるのを助長することにもなる。

本発明の目的は、永久磁石の内周端部からの磁石磁束の漏れおよび短絡を低減してトルク向上を図れる回転電機用回転子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、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、周方向磁極中心位置を通る径方向の磁極中心線に対して両側に対称であって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る一対の永久磁石と、前記各永久磁石の内周端部間であって径方向内方に拡張して形成されて磁束の流れを抑制する磁束抑制穴とを含み、前記磁束抑制穴は、前記各永久磁石を前記回転子鉄心内に挿入するための磁石挿入穴にそれぞれ連通する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第２の穴とを含み、前記第１および第２の穴はすべて前記一対の永久磁石の間で前記内周端部よりも外周側にせり出して拡張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、前記第１および第２の穴は前記永久磁石の内周端部からのせり出し幅が等しく形成されていてもよい。

また、本発明に係る回転電機用回転子において、前記第１の穴の前記永久磁石の内周端部からのせり出し幅が前記第２の穴のせり出し幅よりも大きく形成されていてもよい。

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。図３の磁極における磁石磁束の漏れおよび短絡を説明するための図である。図３の磁極構成の変形例を示す部分拡大図である。１つのブリッジ部を含む磁束抑制穴の例を示す図である。１つのブリッジ部を含む磁束抑制穴の別の例を示す図である。磁束抑制穴が１つの穴で構成される例を示す図である。一対の永久磁石の内周端部が互いに近接して配置される磁極を拡大して示す部分拡大図である。一対の永久磁石に加えて別の永久磁石をさらに含む磁極を拡大して示す部分拡大図である。一対の永久磁石と磁極抑制穴とを有する磁極の従来例を示す部分拡大図である。

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、径方向中心部に軸穴２３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の軸穴２３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。さらに、回転子鉄心１２は、締り嵌めによる固定またはキー嵌合によってシャフト１４上での周方向位置が決められている。

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。

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。

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。回転子鉄心１２がシャフト１４に締り嵌めによって固定される場合、図２に示すように軸穴２３は円形であってその縁部にキーは形成されていない。ただし、回転子鉄心１２がキー嵌合を介してシャフト１４に取り付けられる場合、軸穴２３の縁部にキー（またはキー溝）が突設（または凹設）されることになる。

回転子鉄心１２の外周部には、複数の磁極２４が周方向に等間隔で設けられている。本実施形態では、８つの磁極２４が周方向に４５°間隔で設けられて例を示す。各磁極２４は、永久磁石２６の着磁方向を除いて同一構成であるため、以下においては１つの磁極２４について説明する。

磁極２４は、一対の永久磁石２６と、磁束抑制穴２８とをそれぞれ含む。一対の永久磁石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。図３に示すように、磁極２４に含まれる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。ただし、これに限定されものではなく、２つの永久磁石２６の形状または大きさの少なくとも一方が異なっていてもよい。

磁極２４内において一対の永久磁石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。逆にいえば、一対の永久磁石２６は、内周側へ向かって互いの間隔が狭まるように配置されている。さらに、一対の永久磁石２６は、周方向磁極中心位置を通る径方向線である磁極中心線Ｃに対して両側に対称に配置されている。ただし、これに限定されるものではなく、一対の永久磁石２６が磁極中心線Ｃに対して非対称に配置されてもよい。

永久磁石２６は、回転子鉄心１２内に軸方向に延伸して形成された磁石挿入穴３２内に挿入され、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、長辺側面が回転子鉄心１２の径方向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３２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または樹脂を内部に含むことから、永久磁石２６の長辺方向の外周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径方向内方の位置（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（または樹脂）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）の流れを規定する又は抑制する機能を有する。

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の内周端部に連通してそれぞれ形成される。第１の穴２８ａ，２８ａは、磁極中心線Ｃに対して鏡面対称をなす略三角形状にそれぞれ形成されている。また、第１の穴２８ａ，２８ａは、電磁鋼板に比べて低透磁率の空隙（または樹脂）を内部に含むことから、永久磁石２６の長辺方向の内周端部２７における磁束の漏れおよび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間の中央位置（すなわち磁極中心線Ｃに対して対称位置）にあって外周面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（または樹脂）を内部に含むことから、一対の永久磁石２６の対向面側から発生した磁束を外周側へと向かわせる機能を有するとともに、一対の永久磁石２６間の磁路領域を略円弧状に通過する固定子からのｑ軸磁束の流れ（図９参照）を規定する機能を果たす。

磁束抑制穴２８を構成する第１および第２の穴２８ａ，２８ｂは、一対の永久磁石２６の間で内周端部２７よりも外周側にせり出して拡張されている。詳細には、一対の永久磁石２６の周方向内側角部（または周方向内側縁部）を互いに結ぶ仮想直線３０に対して、第１および第２の穴２８ａ，２８ｂの外周側縁部が幅Ｗ１だけ外周側にせり出して形成されている。

次に、上記構成からなる磁極２４における磁束の流れについて説明する。図４は、磁極２４に含まれる１つの永久磁石２６の内周端部２７での磁束の漏れおよび短絡を説明するための図である。図示するように、永久磁石２６の内周端部２７には第１の穴２８ａの拡張部分３８が対向しているため、内周端部２７から発生した磁束が第１の穴２８ａを介して裏面２６ｂ側に短絡するのを抑制することができ、また、上記拡張部分３８の外周側を回り込んでブリッジ部３６を介して漏れる磁束量も低減することができる。これにより、永久磁石２６から回転子鉄心１２の外周面１３側に向かう磁束量が増加し、磁石トルクを増大させることができる。

また、磁束抑制穴２８を外周側へ拡張形成したことで、磁極２４におけるｄ軸インダクタンスＬdを大幅に低減することが可能である。これにより、ｑ軸インダクタンスＬqとｄ軸インダクタンスＬdとの差に比例して増加するリラクタンストルクも増大する。したがって、本実施形態の回転子１０を用いた回転電機によれば、磁石トルクおよびリラクタンストルクの両方を向上させることができる。

なお、図３の例では第１の穴２８ａと第２の穴２８ｂとで上記せり出し幅を等しく形成しているが、これに限定されるものではなく、図５に示すように第１の穴２８ａのせり出し幅Ｗ１を第２の穴のせり出し幅Ｗ２よりも大きく形成してもよい。このようにすることで、永久磁石２６の内周端部２７における磁束の漏れおよび短絡を抑制しながら、磁極２４におけるｄ軸インダクタンスＬdとｑ軸インダクタンスＬｑとの最適な調整を実現することが可能になる。

次に、図６Ａ〜図９を参照して、上記実施形態の改良または変形について説明する。

図６Ａは、磁極２４の磁束抑制穴２８を２つの穴で構成した例を示す。ここでは、磁束抑制穴２８が、磁石挿入穴３２に連通する２つの穴２８ｃ，２８ｃによって構成されており、これらの穴２８ｃ，２８ｃは１本のブリッジ部４０を挟んで対向している。また、これらの穴２８ｃはいずれも外周側縁部が仮想直線３０よりも外周側へせり出して拡張形成されている。この例ではブリッジ部４０は磁極中心線Ｃに対応する位置で径方向に沿って延伸して形成されている。ただし、ブリッジ部４０は、磁極中心線Ｃからずれた位置に形成されてもよい。他の構成は、上記実施形態と同様であるため、同一または類似の構成要素には同一または類似の符合を付して説明を省略する。このようにすれば、一対の永久磁石２６の内周端部２７からのブリッジ部４０への磁束漏れをさらに抑制できるという利点がある。

図６Ｂは、磁極２４の磁束抑制穴２８を２つの穴で構成した別の例を示す。この例では、磁束抑制穴２８が、磁石挿入穴３２に連通する２つの穴２８ｄ，２８ｄによって構成されており、これらの穴２８ｄが１本のブリッジ部４２を挟んで形成されている。また、これらの穴２８ｄはいずれも外周側縁部が仮想直線３０よりも外周側へせり出して拡張形成されている。そして、この例では、ブリッジ部４２は、総じて略台形状をなす磁極抑制穴２８において対角線をなすように磁極中心線Ｃに対して斜めに交差する方向に延伸して形成されている。他の構成は、上記実施形態と同様であるため、同一または類似の構成要素には同一または類似の符合を付して説明を省略する。このようにすれば、一方（図６Ｂ中の左側）の永久磁石２６の内周端部２７からのブリッジ部４２への磁束漏れをさらに抑制できるとともに、図６Ａの例よりもブリッジ部４２の長さが長くなって磁気抵抗が増すために他方（図６Ｂ中の右側）の永久磁石２６からの磁束漏れを増加させることもないという利点がある。

図７は、磁極２４の磁束抑制穴２８を１つの穴で構成して例を示す。この例では、磁束抑制穴２８にブリッジ部が存在しないため、ブリッジ部を介しての磁石磁束の漏れをなくすことができる。ただし、磁極２４を支持する鉄心領域が減少することにより耐遠心力強度や耐トルク強度の低下が懸念される場合には、磁束抑制穴２８の径方向幅を狭く設定して上記のような強度低下を抑えてもよい。他の構成は、上記実施形態と同様であるため、同一または類似の構成要素には同一または類似の符合を付して説明を省略する。

図８は、一対の永久磁石２６の内周端部が互いに近接して配置される磁極２４を拡大して示す。この例では、一対の永久磁石２６が外周面１３に向かって広がるように略Ｖ字状に配置され、各永久磁石２６の内周端部２７間に２つの穴２８ｅ，２８ｅがブリッジ部４４を挟んで形成されている。これらの穴２８ｅ，２８ｅもまた、外周側縁部が仮想直線３０よりも外周側へせり出して拡張形成されている。この例によっても上記実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、上記においては各磁極に２つの永久磁石が含まれる例について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図９に示すように、一対の永久磁石２６に加えて別の永久磁石４６をさらに含んでもよい。この場合、永久磁石４６は、回転子鉄心１２内において外周面１３近傍に周方向に略沿って配置され、一対の永久磁石２６および磁束抑制穴２８の間に略円弧状または略Ｕ字状にｑ軸磁路が形成されることになる。

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、２６，４６永久磁石、２６ａ対向面、２６ｂ裏面、２７内周端部、２８磁束抑制穴、２８ａ第１の穴、２８ｂ第２の穴、２８ｃ，２８ｄ，２８ｅ穴、３０仮想直線、３２磁石挿入穴、３４ポケット部、３６，４０，４３，４４ブリッジ部、３８拡張部分、Ｌd ｄ軸インダクタンス、Ｌq ｑ軸インダクタンス、Ｗ１，Ｗ２せり出し幅。

Claims

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、周方向磁極中心位置を通る径方向の磁極中心線に対して両側に対称であって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る一対の永久磁石と、前記各永久磁石の内周端部間であって径方向内方に拡張して形成されて磁束の流れを抑制する磁束抑制穴とを含み、
前記磁束抑制穴は、前記各永久磁石を前記回転子鉄心内に挿入するための磁石挿入穴にそれぞれ連通する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第２の穴とを含み、前記第１および第２の穴はすべて前記一対の永久磁石の間で前記内周端部よりも外周側にせり出して拡張されている、
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、
前記第１および第２の穴は前記永久磁石の内周端部からのせり出し幅が等しく形成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に記載の回転電機用回転子において、
前記第１の穴の前記永久磁石の内周端部からのせり出し幅が前記第２の穴のせり出し幅よりも大きく形成されていることを特徴とする回転電機用回転子。