JP6127893B2 - 回転電機用ロータ - Google Patents

Description

本発明は、複数の磁石孔を有するロータコアと、各磁石孔に複数に分割配置されている永久磁石とを含む回転電機用ロータに関する。

従来から回転電機用ロータにおいて、ロータコアの磁石孔に挿入される永久磁石を複数に分割して配置する構成が知られている。この構成では、ロータの回転時にステータから作用する磁束の変動が生じる場合でも、永久磁石における渦電流損を抑制できる場合がある。

特許文献１には、磁石孔のそれぞれに２つの磁石が挿入された回転電機用ロータであって、それぞれの磁石の間に樹脂が注入されることにより２つの磁石の接触を抑制する構成が記載されている。磁石間の接触が抑制されることによって渦電流損の抑制が期待される。

特許文献２には、回転電機用ロータにおいて、磁石孔に複数の磁石が挿入され、各磁石の間に発砲樹脂シートまたは弾性シートが挟み込まれた構成が記載されている。

特開２０１３−１６５６２５号公報 特開２０１０−１４１９８９号公報

磁石孔に配置される複数の磁石間の接触が抑制される場合でも、各磁石がロータコアを介して電気的に導通する場合には、各磁石に生じる渦電流が短絡して渦電流損が大きくなる場合がある。特許文献１に記載された構成において、各磁石を樹脂で覆う場合、使用樹脂量が多くなるので製造コストが高くなる要因となる。一方、磁石孔に分割して配置された各磁石の表面全体に絶縁皮膜を設ける場合には、皮膜量が多くなるのでコストが増大する要因となる。特許文献２には、このような課題を解決する手段は開示されていない。

本発明の目的は、低コストで磁石における渦電流損を抑制できる回転電機用ロータを提供することである。

本発明に係る回転電機用ロータは、周方向複数個所に軸方向に延伸するように設けられた磁石孔を有するロータコアと、前記各磁石孔に、複数に分割配置された永久磁石と、を備え、前記各磁石孔内の複数の前記永久磁石は、少なくとも前記ロータコアに接触するコア接触面に設けられた絶縁皮膜を有する皮膜付磁石と、前記絶縁皮膜が存在しない皮膜なし磁石とを含み、前記皮膜付磁石は、前記コア接触面のみに設けられた前記絶縁皮膜を有する。

本発明に係る回転電機用ロータによれば、低コストで磁石における渦電流損を抑制できる。

本発明に係る実施形態の回転電機用ロータを含む回転電機の概略断面図である。 図１のＡ−Ａ断面の拡大図である。 図２から２組の永久磁石を取り出して渦電流経路を示す図である。 比較例における図２に対応する図である。 比較例における図３に対応する図である。 本発明に係る実施形態の回転電機用ロータの別例を示している図２に対応する図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施形態を説明する。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、仕様等に合わせて適宜変更することができる。以下では、回転電機を構成するステータコアとロータコアとを、それぞれ電磁鋼板を積層して形成されるものとして説明するが、これは例示であって、電磁鋼板以外の板材を積層したものでもよい。また、これ以外のステータコア及びロータコアであってもよい。例えば、板材の積層型ではなく、鋼材を加工した一体型コアでも、磁性粉末の圧粉体により形成されるコアでもよい。また、ステータコア及びロータコアは、周方向に分割される複数の要素を環状に連結してなる分割型コアとしてもよい。

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、それらを適宜組み合わせて実施することができる。以下ではすべての図面において同様の要素には同一の符号を付して説明する。

本実施形態の回転電機用ロータ（以下、単に「ロータ」という。）１２を含む回転電機１０は、例えばハイブリッド車両を駆動するモータとして、または、発電機として、または、その両方の機能を有するモータジェネレータとして用いられる。回転電機１０は、ハイブリッド車両以外の電気自動車または燃料電池車の走行モータとして用いることもできる。

図１は、ロータ１２を含む回転電機１０の概略断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面の拡大図である。回転電機１０は、例えば、３相交流電流で駆動する永久磁石付の同期電動機であり、図示しないモータケースの内側に固定されたステータ１４と、ステータ１４と所定の空隙をあけて径方向内側に対向配置され、ステータ１４に対し回転可能なロータ１２とを備える。なお、「径方向」は、ロータ１２の回転中心軸に対し直交する放射方向である。「軸方向」は、ロータ１２の回転中心軸に平行な方向であり、「周方向」は、ロータ１２の回転中心軸を中心として描かれる円形に沿う方向である。ロータ１２は、回転軸１６に固定され回転軸１６と一体に回転する。

ステータ１４は、ステータコア１８と、ステータコア１８の周方向複数個所の等間隔位置に配置されたティース１９と、各ティース１９に巻かれた複数相（より具体的にはｕ相、ｖ相、ｗ相の３相）のステータ巻線２０とを含む。具体的には、ステータコア１８の内周面には、径方向内側へ（ロータ１２へ向けて）突出する複数のティース１９がステータ１４の周方向に沿って互いに間隔をおいて配列されている。各ティース１９間にスロット２２（図２）が形成される。ステータコア１８及び複数のティース１９は、電磁鋼板を複数積層した積層体により、一体に形成されている。

各相のステータ巻線２０は、スロット２２を通ってティース１９に集中巻または分布巻で巻装されている。このようにティース１９にステータ巻線２０が巻装されることでステータ磁極が構成される。そして、複数相のステータ巻線２０に複数相の交流電流が流れることによって、周方向に複数配置されたティース１９が磁化し、周方向に回転する回転磁界がステータ１４に生成される。ティース１９に形成された回転磁界は、その先端面からロータ１２に作用する。

ロータ１２は、円筒状のロータヨークであるロータコア２４と、ロータコア２４の周方向の等間隔複数個所に配置された磁極２６とを含む。ロータコア２４は、電磁鋼板を軸方向に複数積層した積層体により一体に形成されている。各磁極２６は、断面Ｖ字形に配置された永久磁石である後述の２組の皮膜なし磁石２８及び皮膜付磁石３０を含んで形成される。ロータコア２４及び複数の磁石２８，３０は後で詳しく説明する。

回転軸１６は、モータケースに軸受（図示せず）により回転可能に支持される。ロータ１２は、回転軸１６の軸方向中間部の外径側に固定され、ステータ１４の径方向内側に空隙を介して対向配置される。

ロータコア２４は、周方向複数個所において、軸方向に延伸して、かつ、貫通するように設けられた磁石孔３２（図２）を含んでいる。複数の磁石孔３２は、２つを１組としてロータコア２４の周方向複数個所に複数組が形成される。各組の磁石孔３２は、径方向外側に向かって互いに間隔が広がる断面Ｖ字形に形成される。図２では１組のＶ字形配置された磁石孔３２を示しており、これがロータ１２の周方向複数個所に同様に配置される。

複数の磁石２８，３０は、各磁石孔３２のそれぞれに、複数に分割配置された永久磁石である皮膜なし磁石２８と皮膜付磁石３０とを含んでいる。各磁石孔３２内の磁石２８，３０は、各磁石孔３２に、周方向に２つに分かれるように分割配置されている。なお、「分割配置」とは、１つの磁石から複数の磁石に分割した場合において、それぞれの分割された磁石と同様の磁気特性を有するように、複数の磁石が分かれて配置されることを意味する。

皮膜なし磁石２８及び皮膜付磁石３０は、それぞれ軸方向に対し直交する断面が矩形である直方体形状を有する。各磁石２８，３０において、断面形状の矩形の長手方向の辺と軸方向の辺とで形成される面である径方向外側面Ｓ１ａ，Ｓ１ｂと径方向内側面Ｓ２ａ，Ｓ２ｂが着磁面である。後述するように１つの磁石孔３２に配置される１組の磁石２８，３０では、互いに着磁方向が同じとなっている。

皮膜なし磁石２８及び皮膜付磁石３０において、径方向外側面Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ及び径方向内側面Ｓ２ａ、Ｓ２ｂは、磁石孔３２の内側面でロータコア２４に接触するコア接触面である。

皮膜なし磁石２８は、全部の表面に絶縁皮膜が存在せず、いわゆる皮膜レスとしている。一方、皮膜付磁石３０は、少なくとも径方向外側面Ｓ１ｂ及び径方向内側面Ｓ２ｂを含む面に設けられた絶縁皮膜３４を含んでいる。具体的には、皮膜付磁石３０は、径方向外側面Ｓ１ｂ及び径方向内側面Ｓ２ｂと周方向両側面Ｓ３，Ｓ４とを含んで、軸方向に対し直交する断面矩形部分を囲む全周面にわたって設けられた絶縁皮膜３４を含んでいる。皮膜付磁石３０の軸方向両端面はステータ１４からの磁界の影響を受けにくいので、絶縁皮膜３４を設けない。回転電機の仕様によっては、皮膜付磁石３０において、軸方向両端面を含む全表面に絶縁皮膜を設けてもよい。

皮膜なし磁石２８及び皮膜付磁石３０のそれぞれを形成する磁石の種類は限定するものではなく、例えば希土類磁石、フェライト磁石、またはアルニコ磁石を用いることができる。希土類磁石として、ネオジムに鉄とボロンとを加えた３成分系のネオジム磁石、サマリウムとコバルトとの２元系合金からなるサマリウムコバルト磁石、またはサマリウム鉄窒素磁石を用いてもよい。これらの磁石は、導電率が比較的大きくなるので、ステータ１４からの磁界の影響によって渦電流が発生し、それによる損失が生じる場合がある。

絶縁皮膜３４は、渦電流による損失を抑制するために皮膜付磁石３０に設けられる。絶縁皮膜３４として、ポリイミド樹脂（ＰＡ）、またはポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）を用いてもよい。

皮膜なし磁石２８及び皮膜付磁石３０は、各磁石孔３２に周方向に並んで挿入配置されている。好ましくは、皮膜なし磁石２８と皮膜付磁石３０との間には、周方向の隙間が設けられる。皮膜なし磁石２８と皮膜付磁石３０との間に隙間を設けず互いに接触させてもよい。１つの磁石孔３２に並んで配置される１組の磁石２８，３０のうち、磁石３０のみに絶縁皮膜３４を設ける理由は、後述するように２つの磁石２８，３０のそれぞれに発生する渦電流が短絡することを抑制でき、しかも２つの磁石２８，３０の両方に絶縁皮膜３４を設けないので皮膜コストを低減できるためである。

各磁極２６は、断面Ｖ字形に配置された磁石２８，３０により形成され、各磁極２６を形成する２組の磁石２８，３０では径方向に同じ側が同じ磁気特性を有するように着磁されている。この場合、１組の磁石２８，３０では、互いに着磁方向が同じとなっている。周方向に隣り合う磁極２６では、互いに磁気特性が異なっている。これによって、ロータ１２の外周面には、Ｎ極の磁極２６とＳ極の磁極とが周方向に交互に配置される。

各磁極２６を形成する２組の磁石２８，３０は、周方向の磁極中央を通る径方向線である磁極中央線Ｃに対して両側に対称配置されている。なお、２組の磁石２８，３０が磁極中央線Ｃに対して非対称に配置されてもよい。また、１つの磁極２６を形成する磁石を、１つの磁石孔に挿入配置された複数の永久磁石のみにより構成してもよい。例えば、ロータコア２４の周方向に沿って配置された磁石孔に、皮膜なし磁石２８と皮膜付磁石３０とを周方向に並んで挿入配置することによって、１つの磁極を形成してもよい。

また、各磁石孔３２の周方向両側端部には、磁石２８，３０の周方向両端面よりも外側に拡張されたポケット部３６が形成される。各ポケット部３６内には絶縁性の溶融樹脂が注入され固化することによって、磁石孔３２からの磁石２８，３０の抜け防止が図られる。各ポケット部３６に樹脂を注入せず、空隙部としてもよい。

各磁石孔３２に磁石２８，３０が配置された状態で、ロータコア２４の軸方向両側に図示しない一対のエンドプレートを配置し、一対のエンドプレートによりロータコア２４を軸方向両側から挟み付けることもできる。

上記のロータ１２によれば、皮膜付磁石３０の磁石部分とロータコア２４との間に絶縁皮膜３４が設けられるので、１つの磁石孔３２に挿入された皮膜付磁石３０と皮膜なし磁石２８とに生じる渦電流が短絡して大きな渦電流となることを防止できる。また、各磁石孔３２内の磁石２８，３０は皮膜なし磁石２８を含むので、各磁石孔３２内の磁石２８，３０のすべてに絶縁皮膜３４を設ける必要がない。このため、低コストで磁石２８，３０における渦電流損を抑制できる。

このような渦電流損の抑制効果について図２、図３を用いて詳しく説明する。図３は、図２から１つの磁極２６を形成する２組の磁石２８，３０を取り出して渦電流経路を示す図である。図３では皮膜付磁石３０に設けられる絶縁皮膜３４を砂地で示している。

図２、図３に示すように、ステータ１４（図１）で形成される回転磁界に含まれる交番磁界中でロータ１２が動作して各磁石２８，３０に磁束が鎖交した場合に、この磁束の変動を打ち消すように、磁石２８，３０に矢印α（図３）で示す方向に渦電流がそれぞれ形成される可能性がある。この渦電流が大きくなると渦電流損が大きくなって磁石の発熱が大きくなる要因となる。

本実施形態では、皮膜付磁石３０において、コア接触面である径方向外側面Ｓ１ｂ及び径方向内側面Ｓ２ｂを含む全周面に絶縁皮膜３４が設けられるので、各磁石孔３２（図２）に配置された２つの磁石２８，３０間でそれぞれの渦電流が、ロータコア２４を介して短絡して大きな渦電流となることはない。また、２つの磁石２８，３０間に皮膜付磁石３０の絶縁皮膜３４が設けられるので、磁石２８，３０の間を介して、それぞれの渦電流が短絡することもない。このため、磁石２８，３０に形成される渦電流は各磁石２８，３０の単独で形成される小さいものとなるので、渦電流損が小さくなる。さらに、各磁石孔３２に配置される磁石２８，３０のうち、皮膜なし磁石２８には絶縁皮膜３４を設ける必要がないので、皮膜量の低減によってロータ１２の低コスト化を図れる。

図４は、比較例における図２に対応する図であり、図５は、比較例における図３に対応する図である。図４、図５に示す比較例では、各磁石孔３２（図２）に２つの皮膜なし磁石２８が挿入配置される。皮膜なし磁石２８のそれぞれの表面には絶縁皮膜が設けられていない。その他の構成は、図１から図３の構成と同様である。

このような比較例では、ステータ１４（図２）で形成される回転磁界に含まれる交番磁界中でロータ１２が動作して各磁石２８に磁束が鎖交した場合に、この磁束の変動を打ち消すように、磁石２８に矢印βで示す方向に渦電流が形成される場合がある。この場合、仮に１つの磁石孔３２に配置される２つの磁石２８間に隙間が形成されており、磁石２８の間が絶縁されていたとしても、２つの磁石２８に生じる渦電流は、ロータコア２４に形成される電気的な短絡路３７で短絡して、大きなループの渦電流となる。この場合、渦電流損が大きくなり磁石２８の発熱が大きくなる要因となる。この場合、２つの皮膜なし磁石２８を分割配置する場合に、２つの磁石２８における渦電流がロータコア２４で短絡してしまうので、分割による渦電流損低減効果が得られなくなる。すべての磁石に絶縁皮膜を設けることでこのような不都合を解消できる可能性はあるが、その場合にはコスト増大につながる。本実施形態ではこのような不都合を解消できる。

図６は、本発明に係る実施形態のロータ１２の別例を示している図２に対応する図である。本例のロータ１２では、各磁石孔３２内に分割配置される皮膜なし磁石２８と皮膜付磁石３８との間に隙間４０が設けられており、皮膜なし磁石２８と皮膜付磁石３０とは直接に接触していない。また、皮膜付磁石３０は、２つのコア接触面である径方向外側面Ｓ１ｂ及び径方向内側面Ｓ２ｂのみに絶縁皮膜３４が設けられている。皮膜なし磁石２８と皮膜付磁石３８との間に隙間４０を設けるために、ポケット部３６内への樹脂注入の条件、例えば樹脂の注入速度及び樹脂温度の一方または両方を制御してもよい。また、隙間４０を設ける部分に磁石孔３２の内方に突出する凸部を形成して、皮膜なし磁石２８及び皮膜付磁石３８が互いに近づく方向に変位するのを規制して、隙間４０を形成してもよい。なお、磁石孔３２において、ポケット部３６以外の断面矩形部分の長手方向の辺が２つの磁石２８，３８の断面矩形部分の長手方向の辺の総和よりも大きければ、隙間４０が成り行きで形成される場合もある。

このような本例の構成の場合も、図１から図３の構成と同様に、低コストで磁石２８，３８における渦電流損を抑制できる。さらに、図１から図３の構成の場合に比べて皮膜付磁石３０の絶縁皮膜３４の量を少なくできるので、皮膜コストをさらに低減できる。その他の構成及び作用は、図１から図３の構成と同様である。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。例えば、上記では１つの磁石孔３２に皮膜付磁石３０（または３８）及び皮膜なし磁石２８の合計２つの磁石を挿入配置する場合を説明したが、皮膜付磁石及び皮膜なし磁石を含んでいれば、１つの磁石孔に配置される永久磁石の数を３つ以上としてもよい。また、上記では、１つの磁石孔に配置される永久磁石を周方向に複数に分割された永久磁石としたが、軸方向または径方向に複数に分割された永久磁石としてもよい。また、各磁石孔内の永久磁石において、少なくともコア接触面に設けられた絶縁皮膜を有する皮膜付磁石と、皮膜なし磁石との間に絶縁皮膜または隙間が設けられていればよく、上記の実施の形態に限定するものではない。

１０ 回転電機、１２ ロータ、１４ ステータ、１６ 回転軸、１８ ステータコア、１９ ティース、２０ ステータ巻線、２２ スロット、２４ ロータコア、２６ 磁極、２８ 皮膜なし磁石、３０ 皮膜付磁石、３２ 磁石孔、３４ 絶縁皮膜、３６ ポケット部、３７ 短絡路、３８ 皮膜付磁石、４０ 隙間。

Claims (2)

1. 周方向複数個所に軸方向に延伸するように設けられた磁石孔を有するロータコアと、
   前記各磁石孔に、複数に分割配置された永久磁石と、を備え、
   前記各磁石孔内の複数の前記永久磁石は、少なくとも前記ロータコアに接触するコア接触面に設けられた絶縁皮膜を有する皮膜付磁石と、前記絶縁皮膜が存在しない皮膜なし磁石とを含み、
   前記皮膜付磁石は、前記コア接触面のみに設けられた前記絶縁皮膜を有する、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、
   前記各磁石孔内の複数の前記永久磁石において、前記皮膜付磁石と前記皮膜なし磁石との間に隙間が設けられる、回転電機用ロータ。

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