JP5623147B2

JP5623147B2 - 外転型回転電機

Info

Publication number: JP5623147B2
Application number: JP2010134981A
Authority: JP
Inventors: 義浩深山; 井上　正哉; 正哉井上; 盛幸枦山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2030-06-14
Also published as: JP2012005169A

Description

この発明は、永久磁石を回転子鉄心の磁石挿入孔に挿入して構成された回転子を備える外転型回転電機に関するものである。

従来の外転型モータは、内周部側に設けられた磁石挿入孔に永久磁石が挿入された円環状の回転子鉄心を、絞り加工などで製造された容器状をなす磁性体製の回転子フレームの内周部に配置し、モールド樹脂により回転子フレーム、回転子鉄心、および永久磁石を一体にモールドして構成されていた（例えば、特許文献１参照）。

この従来の外転型モータでは、回転子鉄心が、回転子鉄心の各磁石挿入孔と固定子との間に介在される各介在部の周方向の両側のうちの一方の端部のみに、磁石挿入孔と連通して固定子側に開口した開口部を形成した鋼板を積層して構成され、介在部の周方向両端部を介しての永久磁石の磁束の漏れを低減している。

特開２００４−２５４４０３号公報

従来の外転型モータでは、回転子鉄心の永久磁石の外径側の部位の厚みが著しく厚くなっているので、高速回転時に、大きな遠心力が回転子に作用する。そこで、回転子鉄心の厚みが厚いことに加えて、シャフトの支持強度を大きくする必要があり、モータ寸法が大径化してしまうという課題があった。

モータ寸法の小型化を図るために、回転子鉄心の永久磁石の外径側の部位の厚みを薄くすることが考えられる。しかし、回転子鉄心の厚みを薄くすることは、回転子鉄心の強度の低下につながる。従来の外転型モータでは、開口部が磁石挿入孔の周方向の一端部と固定子側とを連通するように形成されているので、回転子鉄心の厚みを薄くすると、回転子鉄心の強度が低下し、高速回転時に、遠心力が作用して回転子鉄心が変形してしまうという課題があった。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、周方向に隣り合う永久磁石間の磁束の漏れを抑えつつ、高速回転時の回転子コアの変形を抑えることができる小型の外転型回転電機を得ることを目的とする。

この発明による外転型回転電機は、それぞれ軸方向に貫通する複数の磁石挿入孔が周方向に１列に配列して形成された円環状の回転子コア、および該磁石挿入孔のそれぞれに挿入された永久磁石を有する回転子と、上記回転子コアの内周側に所定の空隙を確保して配設された固定子と、を備え、軸方向に貫通するスリットが、隣り合う上記磁石挿入孔間のそれぞれに、上記回転子コアの内周側に開口して、隣り合う上記永久磁石の相対する側面の内径側端部同士を結ぶ第１平面を超えて外径側に至るように延設され、上記回転子コアの隣り合う上記スリット間の上記固定子と対向する面が円弧凹面状となっている。

この発明によれば、軸方向に貫通するスリットが、隣り合う磁石挿入孔間に、回転子コアの内周側に開口して、隣り合う永久磁石の相対する側面の内径側端部同士を結ぶ第１平面に至るように形成されているので、永久磁石から回転子コアの内径側の領域を通って隣の永久磁石に流れる磁束が低減される。また、スリットが、隣り合う磁石挿入孔間に、第１平面を超えて外径側に延在しているので、回転時に応力がスリット先端部に集中せず、耐遠心力性が高められる。そこで、回転子コアの厚みの薄肉化が可能となり、小型化が図られるとともに、高速回転時の固定子コアの変形を防止することができる。

この発明の実施の形態１に係る外転型回転電機の構成を説明する一部破断斜視図である。この発明の実施の形態１に係る外転型回転電機における回転子の要部を示す側面図である。この発明の実施の形態１に係る外転型回転電機における回転子の要部を示す拡大側面図である。この発明の実施の形態１に係る外転型回転電機を駆動させたときのスリット先端部および磁石保持部に生じた応力とスリット先端部の径方向位置との関係を示す図である。この発明の実施の形態１に係る外転型回転電機の回転子を高速回転させた際に回転子コアに発生する応力分布図である。この発明の実施の形態１に係る外転型回転電機の回転子を高速回転させた際の回転子コアの変形を誇張して示した図である。この発明の実施の形態１に係る外転型回転電機の回転子を高速回転させた際に回転子コアに発生する応力分布図である。この発明の実施の形態１に係る外転型回転電機の回転子を高速回転させた際の回転子コアの変形を誇張して示した図である。この発明の実施の形態１に係る外転型回転電機の回転子を高速回転させた際に回転子コアに発生する応力分布図である。この発明の実施の形態１に係る外転型回転電機の回転子を高速回転させた際の回転子コアの変形を誇張して示した図である。この発明の実施の形態２に係る外転型回転電機における回転子の要部を示す側面図である。この発明の実施の形態２に係る外転型回転電機における回転子の要部を示す拡大側面図である。

以下、本発明による外転型回転電機の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る外転型回転電機の構成を説明する一部破断斜視図、図２はこの発明の実施の形態１に係る外転型回転電機における回転子の要部を示す側面図、図３はこの発明の実施の形態１に係る外転型回転電機における回転子の要部を示す拡大側面図である。

図１乃至図３において、外転型回転電機１は、有底円筒状の回転子７の内部に固定子２を配置して構成された、いわゆるアウターロータタイプの回転電機である。

固定子２は、円環状の固定子ヨーク部４、およびそれぞれ固定子ヨーク部４の外周面から径方向外方に突設され、周方向に等角ピッチで配列された１８本のティース部５を有する固定子コア３と、導体線をティース部５のそれぞれに巻回して作製された固定子コイル６と、を備えている。固定子コア３は、例えば所定形状に打ち抜かれた電磁鋼板などの磁性薄板を所定枚積層、一体化して作製されている。

回転子７は、円筒形状のフレーム側面部９、およびフレーム側面部９の軸方向一端から内方に延在するフレーム底面部１０を有する有底円筒状の回転子フレーム８と、フレーム側面部９と同軸にフレーム底面部１０に固着されたシャフト１１と、フレーム側面部９に内嵌状態に嵌着されて同軸に固着された円環状の回転子コア１２と、回転子コア１２に配設された永久磁石１５と、フレーム底面部１０と回転子コア１２との間に介装され、回転子コア１２を軸方向に位置決めする円環状のスペーサ部材１６と、を備えている。

回転子フレーム８は、例えば鉄などの磁性材料を用いて絞り加工などにより有底円筒状に作製されている。

回転子コア１２は、例えば所定形状に打ち抜かれた電磁鋼板などの磁性薄板を所定枚積層、一体化して円環状に作製され、軸方向に貫通する磁石挿入孔１３が周方向に等角ピッチで１６個形成され、軸方向に貫通するスリット１４が隣り合う磁石挿入孔１３間のそれぞれの周方向中央位置に内径端から外径側に延在するように形成されている。磁石挿入孔１３は、回転子コア１２の軸心と直交する平面における断面形状が長方形の穴形状に形成され、断面長方形の長辺が径方向と直交し、かつ断面長方形の周方向中央位置を通る径方向の線分に対して対称な形状となっている。永久磁石１５は、磁石挿入孔１３の断面長方形の穴形状と同等の断面形状の直方体に作製され、磁石挿入孔１３のそれぞれに軸方向から挿入され、必要に応じて接着剤を塗布されて回転子コア１２に固着されている。

スリット１４は、回転子コア１２の内周側に開口し、周方向幅（以下、スリット幅とする）が回転子コア１２の内周端から周方向に隣り合う永久磁石１５の断面長方形の内径側の長辺の端部（以下、磁石内径側端部１５ａという）同士を結ぶ第１平面３０まで漸次狭くなり、その後スリット先端部１４ａまで一定となっている。そして、スリット先端部１４ａは、第１平面３０より外径側、かつ周方向に隣り合う永久磁石１５の断面長方形の外径側の長辺の端部（以下、磁石外径側端部１５ｂという）同士を結ぶ第２平面３１より内径側に位置している。また、磁石内径側端部１５ａから回転子コア１２の内周面までの距離と磁石外径側端部１５ｂから回転子コア１２の外周面までの距離とが略一致している。

スペーサ部材１６は、非磁性材料で円環状に作製されている。そして、スペーサ部材１６がフレーム底面部１０に接するまでフレーム側面部９に内嵌状態に嵌着され、ついで、回転子コア１２がスペーサ部材１６に接するまでフレーム側面部９に圧入されて、回転子７が組立てられる。回転子コア１２は、スペーサ部材１６に接して軸方向に位置決めされる。非磁性のスペーサ部材１６がフレーム底面部１０と永久磁石１５との間に介装され、永久磁石１５の磁束がフレーム底面部１０に流れるのを防止している。

このように構成された外転型回転電機１は、固定子２が固定子コア３を固定部材（図示せず）に固定状態に取り付けられ、回転子７がシャフト１１を固定子コア３と同軸に固定部材に回転可能に、かつ固定子２を囲繞するように支持されて設置される。

ここで、外転型回転電機１は、内転型回転電機に比べて、回転子７が外径側に位置しているので、慣性モーメントが大きくなり、軸受や回転子７の強度部材に高強度が要求される。そして、外転型回転電機１は、回転子フレーム８のフレーム側面部９が回転子コア１２の外周側に配置され、かつ永久磁石１５が回転子コア１２内の内径側に配置されているので、永久磁石１５とフレーム側面部９の外周面との間の厚みが十分に厚い場合には、軸受や回転子７の補強部材の強度について考慮する必要はないが、小型化が図れない。

しかし、小型化を図るために、フレーム側面部９の厚みおよび永久磁石１５と回転子コア１２の外周面との間の厚みを薄くすると、外転型回転電機１の駆動時に、慣性モーメントが小さくなるが、応力がスリット１４に集中し、回転子コア１２の破壊をもたらす恐れがある。この傾向は、外転型回転電機１が電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用モータのような、高速回転し、かつ回転子が大径である用途に適用される場合に顕著となる。

この実施の形態１によれば、永久磁石１５が磁石挿入孔１３に挿入され、必要に応じて接着剤を塗布されて回転子コア１２に固着されているので、永久磁石１５の位置ずれが防止され、永久磁石１５の位置ずれに起因する回転子７の重心とシャフト１１の軸心とのずれやトルクむらの発生を防止できる。また、永久磁石１５が断面長方形の直方体に作製されているので、永久磁石１５の製造コストを下げることができる。

スリット１４が、回転子コア１２の周方向に隣り合う永久磁石１５間の周方向中央位置に、回転子コア１２の内周端から第１平面３０に至るように形成されているので、スリット１４が図３に点線で示される永久磁石１５間の磁路を分断し、永久磁石１５間の磁束の漏洩が低減される。ここで、スリット１４が第１平面３０より内径側に形成されていれば、永久磁石１５間の磁気抵抗が増大し、磁束の漏洩を低減できるが、磁束の漏洩を確実に抑える観点からは、当該領域の最小スリット幅を回転子コア１２と固定子２との間の空隙の２倍より大きくすることが好ましい。これにより、永久磁石１５間の磁気抵抗が回転子コア１２と固定値２との間の磁気抵抗より大きくなり、永久磁石１５の磁束が回転子コア１２と固定子２との間の空隙を介して固定子２側に流れやすくなる。

スリット１４のスリット幅が、回転子コア１２の周方向に隣り合う永久磁石１５間の周方向中央位置に、第１平面３０の径方向位置から内径側に漸次広くなる口開き状に形成されているので、回転子７の回転時に、応力がスリット１４の周方向両側部に集中しにくくなり、回転子コア１２の損傷発生を抑えることができる。さらに、スリット１４が、回転子コア１２の周方向に隣り合う永久磁石１５間の周方向中央位置に、第１平面３０を超えて外径側に延在しているので、後述するように、回転子７の回転時に、応力がスリット先端部１４ａに集中しにくくなり、回転子コア１２の損傷発生を抑えることができる。

つぎに、スリット先端部１４ａの径方向位置を変えた回転子コア１２を用いた外転型回転電機１を所定の回転速度で回転させたときの、スリット先端部１４ａおよび磁石保持部１７に生じた応力を解析した結果を図４に示す。図４において、縦軸は、スリット先端部１４ａが第１平面３０と同じ径方向位置のときのスリット先端部１４ａに発生した応力を１とした応力の相対値であり、横軸は、スリット先端部１４ａが第１平面３０と同じ径方向位置のときを０％、第２平面３１と同じ径方向位置のときを１００％としたスリット先端部１４ａの径方向位置の相対値である。なお、磁石保持部１７は、回転子コア１２の磁石外径側端部１５ｂの外径側の部位に相当し、リブ部１８は、回転子コア１２のスリット１４の周方向両側の部位に相当する。

スリット先端部１４ａに集中する応力は、図４に実線で示されるように、スリット先端部１４ａの径方向位置が第１平面３０の径方向位置（０％）から外径側にシフトするにしたがって急激に低下し、２０％を超えると低下の度合いが緩やかとなり、７５％を超えると上昇し、９５％を超えると急激に上昇した。

このことから、スリット先端部１４ａを第１平面３０の径方向位置より外径側に位置させることにより、永久磁石１５間の磁束の漏洩を抑えるとともに、回転子７の回転による遠心力を受けて、回転子コア１２の磁石挿入孔１３より内径側の部分が変形することによって生じるスリット先端部１４ａへの応力集中を緩和できることが分かる。また、スリット先端部１４ａを第２平面３１の径方向位置より内径側に位置させることにより、永久磁石１５の磁束が永久磁石１５の外径側を通って隣の永久磁石１５に流れる磁路を妨げることなく、回転子コア１２の磁石挿入孔１３より外径側の部分が変形することによって生じるスリット先端部１４ａへの応力集中を緩和できることが分かる。

また、磁石保持部１７に集中する応力は、図４に点線で示されるように、スリット先端部１４ａの位置が２０％以上、９５％以下の範囲で、スリット先端部１４ａに発生する応力以下となった。したがって、スリット先端部１４ａを、第１平面３０と第２平面３１との間の２０％以上、９５％以下の領域に位置させることにより、強度を高めるための強度部材を配置しにくいスリット先端部１４ａに発生する応力を著しく緩和できるという効果が得られる。

つぎに、回転子７を高速回転させた条件で応力解析した結果を図５乃至図１０に示す。なお、図５，７，９は回転子コア１２の変形前の状態を示し、図６，８，１０は回転子コア１２の変形後の状態を誇張して示した。

図５および図６はスリット先端部１４ａが第１平面３０より内径側に位置している場合を示す。遠心力は、図５に矢印で示されるように、スリット先端部１４ａを支点としてスリット１４を広げる曲げ応力として回転子コア１２に作用する。このとき、応力がスリット先端部１４ａに集中することがわかる。そして、スリット先端部１４ａに集中した応力がスリット先端部１４ａにおける強度に打ち勝つと、回転子コア１２が図６に示されるように変形し、破壊に至る。

図７および図８はスリット先端部１４ａが第２平面３１より外径側に位置している場合を示す。遠心力は、図７に矢印で示されるように、スリット先端部１４ａを支点としてスリット１４を広げる曲げ応力として回転子コア１２に作用する。このとき、応力がスリット先端部１４ａに集中することがわかる。そして、スリット先端部１４ａに集中した応力がスリット先端部１４ａにおける強度に打ち勝つと、回転子コア１２が図８に示されるように変形し、破壊に至る。

図９および図１０はスリット先端部１４ａが第１平面３０と第２平面３１との間の径方向領域に位置している場合を示す。遠心力は、図９に矢印で示されるように、スリット先端部１４ａを支点としてスリット１４を広げる曲げ応力として回転子コア１２に作用する。しかし、応力はスリット先端部１４ａに集中していないことがわかる。これは、図１０に示されるように、回転子コア１２のスリット１４の両側の部位であるリブ部１８が変形しようとすることにより、応力がリブ部１８と磁石保持部１７とに分散されたためと推考される。

したがって、スリット先端部１４ａを第１平面３０と第２平面３１との間の径方向領域に位置させることにより、回転子コア１２が破壊しにくくなり、耐遠心力性を高めることができる。また、第１平面３０と第２平面３１との間の径方向領域に位置するスリット１４の部位は、永久磁石１５間の磁束の漏洩に関与しないので、スリット幅を固定子２と回転子コア１２との間の空隙の２倍より大きくする必要はなく、回転子コア１２の強度を高める観点から、スリット幅を狭くすることが好ましい。

実施の形態２．
図１１はこの発明の実施の形態２に係る外転型回転電機における回転子の要部を示す側面図、図１２はこの発明の実施の形態２に係る外転型回転電機における回転子の要部を示す拡大側面図である。

図１１において、スリット２０は、回転子コア１２の内周側に開口し、スリット幅が回転子コア１２の内周端から第１平面３０を超えるまで漸次狭くなり、その後スリット先端部２０ａまで漸次広くなるスリット形状に形成されている。そして、スリット先端部２０ａは、第１平面３０より外径側、かつ第２平面３１より内径側に位置している。また、スリット２０の第１平面３０より外径側の部分の周方向両側面が磁石挿入孔１３の断面長方形の短辺からなる側面と平行となっており、リブ部１８の幅が一定となっている。さらに、磁石挿入孔１３の断面長方形の短辺からなる側面のスリット先端部２０ａより外径側の部位が、磁石挿入孔１３の断面長方形の長辺の長手方向に拡張され、逃がし溝２１を形成している。そして、永久磁石１５の寸法公差が磁石挿入孔１３の寸法公差に対して正となっており、磁石挿入孔１３に圧入保持されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態２では、永久磁石１５が磁石挿入孔１３に圧入保持されているので、永久磁石１５を固着するための接着剤が用いることなく、永久磁石１５の位置ずれを防止することができる。

また、スリット２０が回転子コア１２の磁石挿入孔１３間に径方向に延在するように形成され、かつ逃がし溝２１が磁石挿入孔１３の側面のスリット先端部２０ａより外径側の部位に形成されている。そこで、永久磁石１５を磁石挿入孔１３に圧入した際に、スリット２０の外径側では、永久磁石１５に作用する周方向の応力は逃がし溝２１により緩和される。また、スリット２０の形成領域では、永久磁石１５に作用する周方向の応力は、図１２に示される矢印方向にリブ部１８を変位させることにより、緩和される。さらに、永久磁石１５に作用する径方向の応力は、図１２に示される矢印方向に回転子コア１２の内径側の部位を変位させることにより、緩和される。そこで、磁石挿入孔１３への圧入に起因する永久磁石１５の損傷発生を抑えることができる。

また、スリット幅が第１平面３０を超える径方向位置からスリット先端部２０ａまで漸次広くなっているので、リブ部１８の幅が狭くなり、リブ部１８が変位しやすくなり、永久磁石１５に作用する応力を小さくできる。さらに、リブ部１８の幅が一定となっているので、リブ部１８に作用する応力を均一に分散でき、永久磁石１５に作用する応力をさらに小さくできる。

ここで、永久磁石１５の圧入時、変位するリブ部１８同士が互いに干渉しないように、第１平面３０と第２平面３１との間のスリット２０の部分のスリット幅の最小幅を、永久磁石１５の寸法公差より大きくすることが好ましい。また、磁石挿入孔１３への圧入時に永久磁石１５に作用する応力を緩和する観点から、逃がし溝２１の磁石挿入孔１３の断面長方形の長辺の長手方向の拡張幅は、永久磁石１５の寸法公差の半分より大きくすることが好ましい。さらに、周方向に隣り合う永久磁石１５間の磁束の漏れを確実に抑える観点から、永久磁石１５の圧入後の第１平面３０におけるスリット幅を回転子コア１２と固定子２との間の空隙の２倍より大きくすることが好ましい。

なお、外転型回転電機は、慣性モーメントが大きく、駆動トルクも大きくできるので、電気自動車やハイブリッド自動車などの駆動モータや、脱水兼用洗濯機の撹拌体や回転槽を回転駆動するための駆動用モータなどに用いられる。また、外転型回転電機は、モータに限定されるものではなく、例えば、発電機や発電電動機に適用できる。

また、上記各実施の形態では、１６極、１８スロットの回転電機について説明しているが、極数、スロット数はこれに限定されない。
また、上記各実施の形態では、回転子フレームが磁性材料で作製されているものとしているが、フレーム側面部が磁性材料で作製されていれば、必ずしもフレーム底面部を磁性材料で作製する必要はない。

また、上記各実施の形態では、永久磁石が断面長方形の直方体に作製されているものとしているが、永久磁石の断面形状は長方形に限定されるものではなく、永久磁石の周方向中央位置を通る径方向の線分に対して対称な形状であればよい。永久磁石の周方向中央位置を通る径方向の線分に対して対称な形状としては、製造の容易度から長方形、台形、扇形等の四角形が好ましく、特に長方形が望ましい。この場合、磁石挿入孔も、永久磁石の断面形状に適合する孔形状に形成される。

１外転型回転電機、２固定子、７回転子、１２回転子コア、１３磁石挿入孔、１４スリット、１４ａスリット先端部、１５永久磁石、１５ａ磁石内径側端部、１５ｂ磁石外径側端部、２０スリット、２０ａスリット先端部、３０第１平面、３１第２平面。

Claims

それぞれ軸方向に貫通する複数の磁石挿入孔が周方向に１列に配列して形成された円環状の回転子コア、および該磁石挿入孔のそれぞれに挿入された永久磁石を有する回転子と、上記回転子コアの内周側に所定の空隙を確保して配設された固定子と、を備えた外転型回転電機において、
軸方向に貫通するスリットが、隣り合う上記磁石挿入孔間のそれぞれに、上記回転子コアの内周側に開口して、隣り合う上記永久磁石の相対する側面の内径側端部同士を結ぶ第１平面を超えて外径側に至るように延設され、
上記回転子コアの隣り合う上記スリット間の上記固定子と対向する面が円弧凹面状となっていることを特徴とする外転型回転電機。
それぞれ軸方向に貫通する複数の磁石挿入孔が周方向に１列に配列して形成された円環状の回転子コア、および該磁石挿入孔のそれぞれに挿入された永久磁石を有する回転子と、上記回転子コアの内周側に所定の空隙を確保して配設された固定子と、を備えた外転型回転電機において、
軸方向に貫通するスリットが、隣り合う上記磁石挿入孔間のそれぞれに、上記回転子コアの内周側に開口して、隣り合う上記永久磁石の相対する側面の内径側端部同士を結ぶ第１平面を超えて外径側に至るように延設され、
上記スリットの上記回転子コアの内周端から上記第１平面に至る部分のスリット幅の最小値が、上記空隙の２倍より広くなっていることを特徴とする外転型回転電機。
上記スリットの先端部が、隣り合う上記永久磁石の相対する側面の外径側端部同士を結ぶ第２平面より内径側に位置していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の外転型回転電機。
上記スリットの先端部が、上記第１平面と上記第２平面との間の、該第１平面から該第２平面に向って２０％以上、９５％以下の範囲内に位置していることを特徴とする請求項３記載の外転型回転電機。
上記スリットの上記第１平面から上記第２平面に至る部分のスリット幅が、漸次広くなっていることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の外転型回転電機。
上記スリットの上記回転子コアの内周端から上記第１平面に至る部分のスリット幅が、漸次狭くなっていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の外転型回転電機。
上記永久磁石の寸法公差が上記磁石挿入孔の寸法公差に対して正であり、上記スリットの上記第１平面を超えて外径側に至る部分のスリット幅が、該永久磁石の寸法公差より大きくなっていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の外転型回転電機。
上記磁石挿入孔の上記スリットの先端部より径方向外側の部分が周方向両側に拡張されており、上記磁石挿入孔の周方向両側の拡張幅のそれぞれが上記永久磁石の寸法公差の半分より大きくなっていることを特徴とする請求項７記載の外転型回転電機。