JP5672149B2 - 回転電機用ロータ、および、これを用いた回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機用ロータおよびこれを用いた回転電機に係り、特に、磁石を内蔵した回転電機用ロータ等に関する。

従来、円板状に打ち抜き加工された多数枚の磁性金属板を積層して一体化されたロータコア内に永久磁石を埋設したロータを備える回転電機が知られている。このようなロータは、ＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)ロータとも称される。

上記ＩＰＭロータでは、永久磁石を埋め込んだロータコアを軸方向両側から２枚の非磁性金属板製のエンドプレートで挟持してロータシャフトに固定されることがある。これらのエンドプレートは、ロータコアに埋め込まれた永久磁石が軸方向に飛び出すのを防止する等の機能を有する。

上記ロータコアを構成する磁性金属板には例えば電磁鋼板が用いられ、上記エンドプレートには例えばアルミニウム合金製の円板が用いられる場合がある。これに対して、ロータコアと永久磁石との間の隙間に樹脂材料を充填して永久磁石を接着固定する等によって、エンドプレートを廃止することが検討されている。この場合、比較的高価なエンドプレートを省略できれば、その分、ＩＰＭ型モータのコストダウンを図れる。

しかしながら、エンドプレートには、積層鋼板を軸方向に押える機能も有していることから、エンドプレートを無くしたとき軸方向端部に位置する電磁鋼板の外周部が隣接する電磁鋼板との間で作用する斥力によって外側へめくれるという不具合が生じる。図８に、その様子を示す。

図８は、エンドプレートを省略したロータ８２と、ロータ８２の外周に所定の隙間Ｇを隔てて対向配置された筒状のステータ８４とを備える回転電機８０の一部を示す。この回転電機８２では、ロータ８２およびステータ８４のいずれもが、電磁鋼板を積層して一体化されたものによって構成されている。

円柱状をなすロータ８２は、電磁鋼板８６を積層してカシメ等により一体化して構成される略円柱状のロータコア８６と、ロータコア８６に形成された磁石挿入穴８８内に挿入されて固定された永久磁石９０とを有する。

また、略円筒状をなすステータ８４は、円環状の電磁鋼板９２を積層してカシメ等により一体化して構成されるステータコア９４を備える。ステータコア９４の内周部には、複数のティース９６が周方向に均等な配置で径方向内方へ突設されている。そして、ティース９６の周囲には、コイル９８が巻装されている。

このようなＩＰＭロータでは、永久磁石９０から出た磁束がロータコア８２を構成する電磁鋼板８６中を面内方向へ進んでロータ外周から上記ギャップＧを渡ってステータコア９４のティース９６の内周線端面へと流れ込む。

このとき、内部に磁石磁束が流れることによって各電磁鋼板８６間に軸方向の斥力が作用する。軸方向内側に位置する電磁鋼板８６は両側から作用する斥力が打ち消し合うことになるため変位することはないが、軸方向端部側、特に最も外側に位置する電磁鋼板８６ａの外周部が図８中に破線で示すように隣接する電磁鋼板から浮き上がる又はめくれ易い。このような外周部の変形が閉じたり開いたりして繰り返し生じると、外周部、特に磁石挿入穴８８の周囲で幅狭になったブリッジ部で破損が生じやすくなる。

上記のような端部の電磁鋼板のめくれを抑制するため、図９に示すように、ステータコア９４よりもステータコア８３を軸方向に長く形成して、ロータコア８３の端部がステータコア９２から軸方向外側へはみ出したオーバーハング部８６ｂを設けることが考えられる。ここではオーバーハング部８６ｂは、３枚の電磁鋼板によって構成される例が示されている。

また、この場合、磁石挿入穴８８は、オーバーハング部８６ｂにも貫通して形成されるが、永久磁石９０はステータコア９２と略同じ長さとしてあり、オーバーハング部８６ｂに位置する磁石挿入穴８８の端部は例えばモールド樹脂が充填されて塞がれてもよい。

上記のようなオーバーハング部８６ｂを含むロータ８１では、オーバーハング部８６ｂを構成する電磁鋼板によって磁石端部に対応する電磁鋼板８６が外側から押えられるため、上記のような外周部のめくれは抑制される。

しかし、図９に示すように、永久磁石９０の端部からオーバーハング部８６ｂの外周部分へと流れた磁石磁束Ｆが隙間Ｇを渡ってステータコア９４のティース９６の先端部分に軸方向から入り込むことが発生する。すると、図１０に示すように、ティース９６を構成する電磁鋼板、特に、最も外側に位置する電磁鋼板９２ａにおいて面内方向の渦電流ＥＣが流れて損失が発生し、その結果として回転電機８１の出力効率が悪くなることがある。

これに関連して、例えば特開２０１０−２０６９５２号公報（特許文献１）では、オーバーハング部を含むようにステータから突出した位置へロータを移動させたときに、磁石磁束がステータへ軸方向外側から流れ込むことにより発生する渦電流損を低減するため、ステータの端部を、電気絶縁皮膜で覆われた磁性材の粒子を圧粉して固めた磁性材で構成することが記載されている。

特開２０１０−２０６９５２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のステータのように、電磁鋼板積層部と圧粉材とを組み合わせてステータを構成すると、製造コストおよび製造工数の増加によりコストアップとなる。また、圧粉材は、機械強度が鋼板積層体に比べて大幅に低下するため、ネジ止め、圧入、焼き嵌め等で締め付け固定する方法を採用しにくいという問題もある。

本発明の目的は、オーバーハング部を含む磁石内蔵型ロータを備えた回転電機において、ステータの内周部における渦電流損を低減でき、回転電機の出力効率を向上させることである。

本発明に係る回転電機用ロータは、筒状をなすステータの内側に設けられ、磁石が磁石挿入穴に挿入固定された磁性金属板積層体からなる回転電機用ロータであって、前記ロータは前記ステータの軸方向端面から軸方向外側へはみ出したオーバーハング部を含み、前記オーバーハング部にある電磁鋼板の外周と前記ステータの内周面との間の径方向寸法が前記オーバーハング部以外のロータ外周と前記ステータの内周面との間の径方向寸法よりも大きく形成されているものである。

本発明に係る回転電機用ロータにおいて、前記ロータのオーバーハング部に含まれる前記電磁鋼板の外径が軸方向外側へ向かって段々形状に小さくなるように形成されていてもよい。

また、本発明に係る回転電機用ロータにおいて、前記ロータのオーバーハング部に含まれる全ての電磁鋼板の外形状が同一に形成されていてもよい。

また、本発明に係る回転電機用ロータにおいて、前記磁石挿入穴は、前記ロータの軸方向に延伸して形成され、前記オーバーハング部に位置する穴端部に充填された樹脂材料によって塞がれていてもよい。

本発明の別の態様である回転電機は、上記いずれかの構成のロータと、前記ロータの周囲に所定の隙間を隔てて設けられたステータとを備える。

本発明によれば、ロータにおいてステータの端面から軸方向外側へはみ出たオーバーハング部ではステータ内周面までの寸法が比較的大きく形成されているため、ステータ内周部との間の磁気抵抗が大きくなる。そのため、ロータに埋設された磁石から出た磁束がオーバーハング部を通ってステータの内周部に軸方向外側から流れ込むのを抑制できる。したがって、オーバーハング部を含む磁石内蔵型ロータを備えた回転電機において、ステータの内周部における渦電流損を低減でき、回転電機の出力効率を向上させることができる。

本発明の第１実施の形態である回転電機を径方向半分だけで示す軸方向の断面図である。 図１中のＡ−Ａ線に沿う径方向断面図と、図１中の矢印Ｂ方向矢視図である。 ロータのオーバーハング部の拡大図である。 ロータの軸方向端部外周部における段々形状の変形例を示す図である。 ロータの軸方向端部外周部における段々形状の別の変形例を示す図である。 第２実施の形態の回転電機を径方向半分だけで示す軸方向断面図である。 図６中のＡ−Ａ線に沿う断面図と、図６中のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 エンドプレートを用いないロータコアの端部鋼板がめくれる様子を説明するための図である。 上記端部鋼板のめくれ抑制のためにステータに対するオーバーハング部を設けたロータを備える回転電機の一例を示す図である。 図９におけるステータのティースで渦電流が発生する様子を示す図である。

以下に、本発明に係る実施の形態（以下、実施形態という）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。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。さらに、本明細書において、「軸方向」とはロータの回転中心軸に沿った方向をいい、「径方向」とは軸方向に直交する方向をいうものとする。

図１は、本発明の第１実施形態の回転電機１０を示す軸方向断面図である。この図１では、径方向の半分だけを示している。また、図２は、図１中のＡ−Ａ線に沿う径方向断面図と、図１中の矢印Ｂ方向矢視図であり、図３は、ロータのオーバーラップ領域の拡大図である。

図１に示すように、回転電機１０は、ロータ１２と、ステータ１４とを備える。ロータ１２は、円板状に打ち抜き加工された多数の磁性金属板、例えば珪素鋼板等の電磁鋼板を軸方向に積層して、カシメ、溶接、接着等の固定方法により連結されて一体化されてなるロータコア１６を含む。

ロータコア１６の径方向中心には、シャフト１８が貫通して設けられている。シャフト１８の両端は、図示しないモータケースに取り付けた軸受部材を介して回転可能に支持されている。これにより、ロータ１２は、シャフト１８の中心軸Ｘを回転軸として回転可能になっている。

ロータコア１６の軸方向一端側は、シャフト１８の外周に突設されたフランジ部２０に当接している。他方、ロータコア１６の軸方向他端側は、シャフト１８上にカシメ等の固定方法により固定される固定部材２２によって上記フランジ部２０側へ押圧されている。これにより、ロータコア１６は、シャフト１８上に軸方向位置が決められて固定されている。

ここで、本実施形態のロータ１２では、ロータコア１６の軸方向両側にエンドプレートが設けられていない。このようにエンドプレートを省略することで、部品数、製造コスト、組付工数等を削減することができる。

なお、本実施形態ではロータコア１６の一方側を固定部材２２で固定す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、ロータコア１６の両側を固定部材で固定してもよい。このようにすれば、シャフト１８にフランジ部を形成する必要がなく、より細い丸棒鋼材でシャフトを形成することができ、コスト低減を図れる。

ステータ１４は、ロータコア１６の周囲に所定の隙間Ｇを隔てて設けられた筒状の部材である。ステータ１４は、ステータコア２４とコイル３０とを備える。ステータコア２４は、軸方向端面視で円環状をなすバックヨーク部２６と、バックヨーク部２６から径方向内方へ突出し且つ周方向に均等な間隔で形成された複数のティース部２８とを有する。ステータコア２４もまた、例えば電磁鋼板を円環状に打ち抜き加工したものを軸方向に積層してカシメ等の固定方法により一体に連結された鋼板積層体として構成されている。

ステータコア２４のティース部２８の周囲には、コイル３０が巻装されている。回転電機１０が例えば三相交流型のモータである場合、コイル３０はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相コイルに分かれて、分布巻、集中巻等の巻き方で装着されている。これにより、コイル３０に三相交流電圧が印加されると、ロータ１２を回転駆動させる回転磁界がステータ１４の内側に形成されることになる。

本実施形態におけるロータ１２は、ロータコア１６の内部に永久磁石３２が埋設されたＩＰＭロータである。ロータ１２には、複数の磁極３３が周方向に均等な配置で設けられており、各磁極３３には２つの永久磁石３２が略Ｖ字状に配置されている。

永久磁石３２は、ロータコア１６の外周面近傍の内部において軸方向に延伸して貫通形成された磁石挿入穴３４内に軸方向から挿入されてロータコア１６内に配置される。そして、永久磁石３２と磁石挿入穴３４の内壁との間に例えばエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の接着性のある熱硬化性樹脂材料が充填されることによって、永久磁石３２がロータコア１６内に固定されている。

また、永久磁石３２は、ステータコア２４と略同じ軸方向長さを有しており、ロータコア１６内においてステータコア２４に対向して設けられている。これにより、後述するロータコア１６のオーバーハング部内には永久磁石が位置していないよう構成されている。

なお、本実施形態のロータ１２では、１つの磁極３３に２つの永久磁石３２が含まれ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、１つの磁極に１つの永久磁石だけが含まれてもよいし、あるいは、３つの以上の永久磁石が含まれてもよい。また、永久磁石３２を接着固定する接着剤には、熱可塑性樹脂材料のものが用いられてもよい。

本実施形態におけるロータコア１６の軸方向長さは、ステータコア２４の軸方向長さよりも長く形成されている。これにより、ロータコア１６は、ステータコア２４の両側端面よりも軸方向外側にそれぞれはみ出したオーバーハング部３６を有している。このオーバーハング部３６にも磁石挿入穴３４が貫通して形成されているが、オーバーハング部３６に対応する磁石挿入穴３４の穴端部は、永久磁石３２を接着固定するための樹脂材料からなる充填材３８によって塞がれている。これにより、エンドプレートを用いずとも、永久磁石３２がロータコア１６から軸方向へ飛び出すのを確実に防止することができる。

ロータコア１６のオーバーハング部３６では、ロータコアを構成する電磁鋼板の外周とステータ１４の内周面との間の径方向寸法がオーバーハング部３６以外のロータ外周とステータ１４の内周面との間の径方向寸法よりも大きく形成されている。具体的には、ロータコア１６のオーバーハング部３６に含まれる電磁鋼板の外径が軸方向外側へ向かって段々形状に小さくなるように形成されている。

図２のＢ方向矢視図および図３を参照してより詳しく説明する。図３は、ロータコア１６のオーバーハング部３６を示す拡大図である。図３では、６枚の電磁鋼板１７ｂで軸方向一方側のオーバーハング部３６が構成される例を示すが、この電磁鋼板１７ｂの数は適宜に変更可能である。

図２のＢ矢示図および図３に示すように、ロータコア１６の磁極３３に対応する位置、すなわち、磁石挿入穴３４が形成されている位置において、オーバーハング部３６を構成する電磁鋼板１７ｂの外周縁部に径方向内方へ略Ｖ字状に入り込んだ切欠部４０ａ，４０ｂ，４０ｃが形成されている。これらの切欠部４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、軸方向外側へいく程に径方向内方への切り込み深さが大きく形成されている。これにより、切欠部形成位置における電磁鋼板１７ｂの外径寸法（例えば半径）Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、ステータ対向位置における電磁鋼板１７の外径寸法Ｒ１に比べて短くなっており、これによりオーバーハング部３６の外形状が段々形状にされている。

ここでは、オーバーハング部３６が６枚の電磁鋼板１７ｂによって構成され、２枚ずつの電磁鋼板１７ｂに同じ大きさ及び形状の切欠部４０ａ，４０ｂ，４０ｃが形成された例を示す。このように複数枚ごとに切欠部の大きさを変えることにすれば、電磁鋼板の打ち抜き型の種類を少なくすることができ、製造設備コストを低減できる利点がある。

ただし、これに限定されるものではなく、図４に示すように、オーバーハング部３６を構成する例えば６枚の電磁鋼板ごとに切欠部の切り込み深さを異ならせて外径寸法をＲ２〜Ｒ７まで順次に短くして、各電磁鋼板の厚みごとに段々形状に形成されてもよい。

また、切欠部４０ａ，４０ｂ，４０ｃの形状は、略Ｖ字状以外の形状、例えば図５に示すように円弧の弦状に形成されてもよい。

さらに、ロータコア１６において周方向に隣り合う磁極３３間の位置にも上記のような切欠部を形成してもよい。

上述したように本実施形態のロータ１２を備えた回転電機１０では、ロータコア１６においてステータコア２４の端面から軸方向外側へはみ出たオーバーハング部３６において、オーバーハング部３６に含まれる電磁鋼板１７ｂの外径が軸方向外側へ向かって段々形状に短くなるよう形成されていることにより、ステータ１４の内周面であるティース部２８の先端とロータ１２との間の径方向寸法が、ステータコア対向位置の隙間Ｇよりもオーバーハング部３６で比較的大きく形成されており、これによりステータ１４の内周部との間の磁気抵抗が大きくなる。

そのため、ロータコア１６に埋設された永久磁石３２の軸方向端部から出た磁束は、オーバーハング部３６へ向かうことなく径方向外側へと向かってロータコア１６からステータコア２４へと流れ込む。その結果、ロータコア１６のオーバーハング部３６を通ってステータ１４のティース部２８に軸方向外側から流れ込むのを抑制できる。したがって、オーバーハング部３６を含むＩＰＭロータ１２を備えた回転電機１０において、ステータ１４の内周部における渦電流損を低減でき、回転電機１０の出力効率を向上させることができる。

また、本実施形態の回転電機１０では、オーバーハング部３６を構成する電磁鋼板１７ｂによってステータコア対向位置で軸方向最端部に位置する電磁鋼板１７ａを押えることができるので、エンドプレートを省略しても電磁鋼板１７ａの外周端部がめくれるのを抑制することができる。

さらに、本実施形態の回転電機１０では、オーバーハング部３６に位置する磁石挿入穴３４の端部が充填材３８によって塞がれているため、エンドプレートを省略してもロータコア１６からの永久磁石３２の飛び出しを確実に防止できる。

次に、図６，７を参照して、第２実施形態の回転電機１１について説明する。図６は、第２実施の形態の回転電機を径方向半分だけで示す軸方向断面図である。また、図７は、図６中のＡ−Ａ線に沿う断面と、図６中のＣ−Ｃ線に沿う断面とを示す。ここでは、上記第１実施形態と異なる点について主に説明することとし、同一又は類似の構成要素に同一又は類似の参照符号を付して重複する説明を援用により省略する。

図６，７に示すように、本実施形態の回転電機１１では、ロータコア１６のオーバーハング部３６を構成する電磁鋼板１７ｂの外径状が全て同一に形成されている。具体的には、電磁鋼板１７ｂは、ステータコア対向領域に位置する電磁鋼板１７の外形半径Ｒ１よりも小さい外形半径Ｒ２を有する円板として形成されている。これにより、オーバーハング部３６においてロータコア１６に段部が形成され、ステータ１４の内周との間の径方向寸法が拡大されている。したがって、本実施形態の回転電機１１においても、磁石磁束がオーバーハング部３６を経由してステータコア２４へと流れ込むのを抑制することができ、ステータ１４の内周部における渦電流損の低減により回転電機１１の出力効率を向上させることができる。

また、このようにオーバーハング部３６を構成する電磁鋼板１７ｂの形状を同一にすることで、ロータコア製造用のプレス型を２種類にとどめることができ、製造設備コストをより低減できる利点がある。

なお、図７のＣ−Ｃ断面に示すように、本実施形態においても、上記回転電機１０の場合と同様に、オーバーハング部３６における２つの磁石挿入穴３４の間に向かって径方向内方へ略Ｖ字状に切り込まれた切欠部４０ｃを形成してもよい。

また、図７に示すように、ロータコア１６を構成する電磁鋼板において、オーバーハング部３６での磁石挿入穴３４と外周との間のブリッジ部４２の幅Ｗ２を、ステータ対向領域３７のブリッジ部４２の幅Ｗ１よりも狭く形成してもよい。このようにオーバーハング部３６におけるブリッジ部４２の幅を可及的に狭くしても、磁石挿入穴３４に充填された充填材３８によって強固に接着されていることで耐遠心力強度が確保されるため問題は生じない。

上記において第１および第２実施形態の回転電機１０，１１等について説明してきたが、本発明に係る回転電機は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更や改良が可能である。

例えば、上記においてはステータコア２４が磁性金属板積層体からなるものとして説明したが、本発明に係る回転電機用ロータは、電気絶縁皮膜で覆われた磁性材の粒子を圧粉して固めた磁性材だけで構成されるステータコアを含むステータと共に用いられてもよい。

１０，１１ 回転電機、１２ ロータ、１４ ステータ、１６ ロータコア、１７，１７ａ，１７ｂ 電磁鋼板、１８ シャフト、２０ フランジ部、２２ 固定部材、２４ ステータコア、２６ バックヨーク部、２８ ティース部、３０ コイル、３２ 永久磁石、３３ 磁極、３４ 磁石挿入穴、３６ オーバーハング部、３７ ステータ対向領域、３８ 充填材、４０ａ，４０ｂ，４０ｃ 切欠部、４２ ブリッジ部、Ｇ 隙間、Ｒ１，Ｒ２ 外径、Ｗ１，Ｗ２ 幅、Ｘ 中心軸。

Claims (5)

1. 筒状をなすステータの内側に設けられ、磁石が磁石挿入穴に挿入固定された磁性金属板積層体からなる回転電機用ロータであって、
   前記ロータは前記ステータの軸方向端面から軸方向外側へはみ出したオーバーハング部を含み、前記オーバーハング部にある電磁鋼板の外周と前記ステータの内周面との間の径方向寸法が前記オーバーハング部以外のロータ外周と前記ステータの内周面との間の径方向寸法よりも大きく形成されている、
   回転電機用ロータ。
2. 請求項１に記載の回転電機用ロータにおいて、
   前記ロータのオーバーハング部に含まれる前記電磁鋼板の外径が軸方向外側へ向かって段々形状に小さくなるように形成されていることを特徴とする回転電機用ロータ。
3. 請求項１に記載の回転電機用ロータにおいて、
   前記ロータのオーバーハング部に含まれる全ての電磁鋼板の外形状が同一に形成されていることを特徴とする回転電機用ロータ。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機用ロータにおいて、
   前記磁石挿入穴は、前記ロータの軸方向に延伸して形成され、前記オーバーハング部に位置する穴端部に充填された樹脂材料によって塞がれていることを特徴とする回転電機用ロータ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のロータと、
   前記ロータの周囲に所定の隙間を隔てて設けられたステータと、
   を備える回転電機。