JP6435646B2 - 埋込磁石型回転電機用のロータ - Google Patents

Description

本発明は、埋込磁石型回転電機用のロータに関する。

従来から、ロータコア内に永久磁石が埋め込まれた、いわゆる埋込磁石型（ＩＰＭ型）の回転電機が知られている。この回転電機のロータコアには、永久磁石挿入用のスロットが形成されている。

特許文献１，２などに示されているように、スロットはロータコアの周方向に沿って配列形成される。例えば、Ｖ字型埋め込み方式では、複数のスロットがロータコアの周方向に沿ってＶ字型に配列される。

特開２０１０−１７８４７１号公報 特開平１１−３３２１４４号公報

ところで、発明者による解析の結果、Ｖ字型埋め込み方式等、埋め込み磁石型回転電機では、回転に伴ってロータコアに応力集中が生じることが明らかとなった。図１４は、その解析結果を模式的に表すものである。この図では、ロータコア１００の静止時（無負荷時）の様子が二点鎖線で示され、回転時（変形時）の様子が実線で示されている。

ロータコア１００の回転に伴い、ロータコア１００の、スロット１０２よりも外周側の部分１０４及び永久磁石１０６は、遠心力により外周方向に引っ張られる。このとき、ロータコア外周部分１０４及び永久磁石１０６は、センターリブ１０８及びサイドリブ１１０に繋ぎ留められる。ここで、センターリブ１０８は、スロット１０２、１０２間に形成された部分を指し、サイドリブ１１０は、スロット１０２の最外周端部１１２とロータコア１００の外周面１１４との間の部分を指している。

ロータコア１００の回転数増加に伴い、ロータコア外周部分１０４及び永久磁石１０６に掛かる遠心力が増加する。発明者による解析の結果、遠心力の増加に伴い、サイドリブ１１０の変形量が過大となって、スロット１０２の最外周端部１１２を起点に応力集中が生じることが明らかとなった。回転数が増加して応力集中が進行すると、サイドリブ１１０に亀裂が生じるおそれがある。そこで、本発明は、ロータコアにおける応力集中を緩和させ、ロータの高回転化を可能とする、埋込磁石型回転電機用のロータを提供することを目的とする。

本発明は、埋込磁石型回転電機用のロータに関するものである。ロータコアには、永久磁石が埋め込まれる複数のスロットが周方向に沿って配列されている。また、周方向に沿って隣り合う前記スロットの最外周端部間には、両者を繋ぐスリットが切られている。

また、上記発明において、前記スリットには、前記ロータコアの内径方向に折れ曲がる屈曲部が形成されていることが好適である。

また、上記発明において、前記スリットには、前記ロータコアの内径側に突出する蟻溝が形成されるとともに、前記蟻溝に嵌合する蟻ホゾを備える高透磁性材料からなるダブテイルピースが挿入されることが好適である。

また、上記発明において、前記スロットが開口しており最外周端部が外径となるように、小さく成形された前記ロータコアには、当該ロータコアの外径と内径を等しくするリング部材が嵌め込まれることが好適である。

本発明によれば、高回転化に伴うロータコアの応力集中を従来よりも緩和させることが可能となる。

本実施形態に係るロータを例示する側面図である。 本実施形態に係るロータを例示する側面図である。 本実施形態に係るロータを例示する部分拡大図である。 本実施形態の別例に係るロータを示す側面図である。 本実施形態の別例に係るロータを示す部分拡大図である。 本実施形態の別例に係るロータを示す側面図である。 本実施形態の別例に係るロータを示す側面図である。 本実施形態の別例に係るロータを示す側面図である。 従来技術に係るロータの応力解析結果を示す図である。 本実施形態に係るロータの応力解析結果を示す図である。 本実施形態の別例に係るロータの応力解析結果を示す図である。 本実施形態の別例に係るロータの応力解析結果を示す図である。 本実施形態の別例に係るロータの応力解析結果を示す図である。 従来技術に係るロータの応力集中について説明する図である。

図１に、本実施形態に係る、埋込磁石型回転電機用のロータ１０を例示する。この回転電機は、例えばハイブリッド車両や電気自動車の駆動源及び発電機として機能する。ロータ１０は、ロータコア１２、回転シャフト１４、及び永久磁石１６を備える。

回転シャフト１４はロータコア１２に嵌合し、ロータ１０の回転による駆動力を、図示しない負荷に伝達する。永久磁石１６は、図示しないステータの回転磁界と吸引反発して磁石トルクを発生させる。永久磁石１６は、例えばネオジム磁石等の希土類磁石から構成される。

ロータコア１２の磁極構成として、一対の永久磁石１６で一つの磁極を構成する。例えばＮ極とＳ極の一方の磁極となる一対の永久磁石１６Ａ，１６Ａと、他方の磁極となる一対の永久磁石１６Ｂ，１６Ｂとが、それぞれロータコア１２の周方向に沿って順次配置される。これにより、一対の永久磁石１６Ａ，１６Ａまたは１６Ｂ，１６Ｂは、例えば周方向に沿ってＶ字型となるように配置される。

ロータコア１２は、ステータの鉄磁極の磁束（リラクタンストルク）や永久磁石１６の磁束（マグネットトルク）の磁路として機能する。ロータコア１２は、高透磁性材料から構成され、例えば円盤状の珪素鋼板を積層することで形成される。

ロータコア１２には、永久磁石１６が埋め込まれる複数のスロット１８が形成されている。スロット１８は、ロータコア１２の軸方向に穿孔された貫通孔であって、ロータコア１２の周方向に沿って、例えばＶ字状に配列形成されている。また、ロータ１０の回転時における永久磁石１６の径方向外側への移動を防止するために、スロット１８の外周側の幅を永久磁石１６の幅未満となるように絞ることで、ストッパ２０を形成するようにしてもよい。

ロータコア１２には、周方向に沿って隣り合うスロット１８，１８の最外周端部１８Ａ，１８Ａを繋ぐスリット２２Ａが切られている。スリット２２Ａは、例えば異極の永久磁石１６Ａ，１６Ｂを繋ぐようにして形成される。スリット２２Ａは直線状に形成されていてもよく、またロータコア１２の外周に沿った（中心がロータコア１２外周と等しい）円弧形状に形成されてもよい。

スリット２２Ａは、スロット１８の最外周端部１８Ａの応力集中を緩和させる緩和手段として機能する。図２のハッチングにて示すように、スリット２２Ａを設けることで、ロータコア１２の最外周部がリング状となる。すなわち、図１４にて示したように、サイドリブとセンターリブとが永久磁石とロータコアの最外周部分を繋ぎ留める従来構造に代えて、本実施形態では、ロータコア１２にリング状の枠（箍）を嵌めるような構造を採っている。このような構造とすることで、後述するように、ロータ１０の高回転化に伴う、スロット１８の最外周端部１８Ａの応力集中が緩和される。

図３には、スリット２２Ａの周辺拡大図が示されている。スリット２２Ａの幅Ｗが増加するほど、磁気回路的にはロータコア１２の磁気抵抗が増加することになる。このため、スリット２２Ａの幅Ｗを狭く形成することが好適である。具体的には、スリット２２Ａの幅Ｗは、静止時（無負荷時）において、０ｍｍ以上０．１ｍｍ以下となるように形成されていることが好適である。例えばロータ１０の静止時に、対向面２４，２４が接するように（Ｗ＝０ｍｍ）スリット２２Ａが形成されることがより好適である。

また、図３の矢印にて示すように、ロータコア１２の、スリット２２Ａを隔てた内周側と外周側とが、ロータ１０の回転に伴って振動する。この振動を吸収するために、幅Ｗが０ｍｍを超過するようにスリット２２Ａを形成するとともに、当該スリット２２Ａに樹脂等の緩衝材２５を充填してもよい。

図４には、図１とは別例の実施形態が示されている。図１と異なる構造として、スリット２２Ｂには、ロータコア１２の内径方向に折れ曲がる屈曲部２６が形成されている。

図５には、スリット２２Ｂとその周辺の拡大図が例示されている。スリット２２Ｂに屈曲部２６を設けるとともに、当該スリット２２Ｂに緩衝材２５を充填することで、図５の矢印に示されているように、ロータコア１２の、スリット２２Ｂを隔てた内周側と外周側との、径方向及び周方向の振動が吸収される。

図６には、図１、図４とは別例の実施形態が示されている。図１、図４と異なる構造として、スリット２２Ｃには、ロータコア１２の内径側に突出する蟻溝２８が形成される。さらに、スリット２２Ｃには、この蟻溝２８に嵌合する蟻ホゾ３０を備えるダブテイルピース３２が挿入される。

ダブテイルピース３２は、高透磁性材料から構成される。例えば、珪素鋼などの、ロータコア１２と同一の材料から構成される。上述したように、磁気抵抗の低減のために、スリット２２Ｃの幅Ｗは０ｍｍであることが好適であるが、加工上これを実現することは困難となる。そこで、スリット２２Ｃに高透磁性材料を挿入することで、磁気抵抗の低下を抑制する。

さらに、ダブテイルピース３２には、ロータ１０の回転時に自重による遠心力が発生するが、上記嵌合手段（蟻溝２８と蟻ホゾ３０）を設けることで、ダブテイルピース３２をロータコア１２の内周側に繋ぎ留めることが可能となる。その結果、ダブテイルピース３２による、ロータコア１２の外周側（例えば、図２のハッチングにて示したリング状の領域）への荷重が抑制される。

図７には、図１、図４、及び図６とは別例の実施形態が示されている。図１、図４及び図６と異なる構造として、ロータ１０は、ロータコア１２、回転シャフト１４、及び永久磁石１６の他に、リング部材３４を備える。

ロータコア１２は、スロット１８が開口されその最外周端部１８Ａが外径となるように、小さく成形されている。図８に示されるように、このロータコア１２に、リング部材３４が嵌め込まれる。図７に戻り、ロータコア１２の外周面とリング部材３４の内周面とによって、スロット１８，１８の最外周端部１８Ａ，１８Ａを繋ぐスリット２２Ｄが形成される。

リング部材３４は、高透磁性材料から構成されることが好適であって、例えば、珪素鋼などの、ロータコア１２と同一の材料から構成される。また、リング部材３４の内径は、ロータコア１２の外径（直径）に等しいことが好適である。なお、等しいとは実際の機械加工精度を考慮したものであってよく、静止時（無負荷時）におけるリング部材３４の内径とロータコア１２の外径の差が０．１ｍｍ以下であるときに、両者の径は等しいものとしてよい。

次に、本実施形態に係るロータ１０の応力解析結果について、図９〜図１３を用いて説明する。これらの図に示す応力解析では、いずれも、鉄からロータを構成している。また回転数は２５，０００回転とした。さらに、静止時（無負荷時）の形状を破線で示し、回転時の形状（変形状態）を実線で示す。さらに、応力の強さを、格子状ハッチングの網掛けの粗密で表している。網掛けが密であるほど、相対的に応力が高いことを示している。

図９には、スリット２２が形成されていない、従来のロータにおける応力解析結果が示されている。なお、永久磁石１６は未挿入の状態で解析を行った。この図に示されているように、スロット１８の最外周端部１８Ａに強い応力が掛かっている。この解析における最大応力は約１０１０ＭＰａであった。

図１０には、図１に係る実施形態におけるロータ１０の応力解析結果が示されている。なお、永久磁石１６は未挿入の状態で解析を行った。また、この解析では、回転時におけるロータ１０の変形がごく僅かであったため、静止時（破線）の形状図示を省略している。この図に示されているように、ロータコア１２の、スリット２２Ａより外周側の広範囲に亘って強い応力が掛かっている。この解析における最大応力は４７０ＭＰａであり、従来のロータと比較して応力集中が緩和されていることが確認された。

図１１には、図４に係る実施形態におけるロータ１０の応力解析結果が示されている。なお、永久磁石１６が挿入された状態で解析を行った。この図に示されているように、ロータコア１２の、スリット２２Ｂより外周側に強い応力が掛かっている。この解析における最大応力は約７７０ＭＰａであり、永久磁石１６を挿入した状態であっても、従来のロータと比較して応力集中が緩和されていることが確認された。

図１２には、図６に係る実施形態におけるロータ１０の応力解析結果が示されている。なお、永久磁石１６が挿入された状態で解析を行った。この図に示されているように、ダブテイルピース３２の蟻ホゾ３０はロータコア１２の蟻溝２８と係合していることが理解される。また、ロータコア１２の、スリット２２Ｃより外周側の広範囲に亘って強い応力が掛かっている。この解析における最大応力は３７０ＭＰａであり、永久磁石１６を挿入した状態であっても、従来のロータと比較して応力集中が緩和されていることが確認された。

図１３には、図７に係る実施形態におけるロータ１０の応力解析結果が示されている。なお、永久磁石１６は未挿入の状態で解析を行った。この図に示されているように、スリット２２Ｄより外周側のリング部材３４全体に強い応力が掛かっている。この解析における最大応力は約２２０ＭＰａであり、従来のロータと比較して応力集中が緩和されていることが確認された。

１０ ロータ、１２ ロータコア、１６ 永久磁石、１８ スロット、２２ スリット、２６ 屈曲部、２８ 蟻溝、３０ 蟻ホゾ、３２ ダブテイルピース、３４ リング部材。

Claims (4)

1. 埋込磁石型回転電機用のロータであって、
   ロータコアには、永久磁石が埋め込まれる複数のスロットが周方向に沿って配列され、
   周方向に沿って隣り合う前記スロットの最外周端部間には、両者を繋ぐスリットが切られ、
   前記スリットは、前記ロータの静止時に対向面が接するように形成されていることを特徴とする、埋込磁石型回転電機用のロータ。
2. 埋込磁石型回転電機用のロータであって、
   ロータコアには、永久磁石が埋め込まれる複数のスロットが周方向に沿って配列され、
   周方向に沿って隣り合う前記スロットの最外周端部間には、両者を繋ぐスリットが切られ、
   前記スリットには、前記ロータコアの内径方向に折れ曲がる屈曲部が形成されていることを特徴とする、埋込磁石型回転電機用のロータ。
3. 埋込磁石型回転電機用のロータであって、
   ロータコアには、永久磁石が埋め込まれる複数のスロットが周方向に沿って配列され、
   周方向に沿って隣り合う前記スロットの最外周端部間には、両者を繋ぐスリットが切られ、
   前記スリットには、前記ロータコアの内径側に突出する蟻溝が形成されるとともに、前記蟻溝に嵌合する蟻ホゾを備える高透磁性材料からなるダブテイルピースが挿入されることを特徴とする、埋込磁石型回転電機用のロータ。
4. 埋込磁石型回転電機用のロータであって、
   磁路を構成する単一のロータコアには、永久磁石が埋め込まれる複数のスロットが周方向に沿って配列され、
   前記ロータコアは、前記スロットの最外周端部が開口され当該最外周端部が外径となるように成形され、
   前記ロータコアには、静止時における当該ロータコアの外径と内径を等しくする高透磁性材料からなるリング部材が嵌め込まれることを特徴とする、埋込磁石型回転電機用のロータ。

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