JP6546972B2 - 回転電機用ロータ、回転電機用電磁鋼板および電動車両 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機用ロータ、回転電機用電磁鋼板および電動車両に関する。

車両等に適用される回転電機のロータは、電磁鋼板を積層したロータヨークと、ロータヨークに装着される磁石と、を有している。また、ロータの慣性質量を低減し、あるいはロータに冷媒を流通させる等の目的により、ロータヨークには、軸方向に沿った内部空隙が形成される。下記特許文献１，２には、ロータの電磁鋼板を転積（周方向の位置をシフトしながら積層）することにより、螺旋形の内部空隙を形成する技術が記載されている。また、特許文献３には、リブの形状を工夫して、ロータの慣性質量を低減する技術が記載されている。

特開２０１５−６１４６６号公報 実開平３―６０８５５号公報 特開２００４−１９４４１９号公報

ところで、磁石を埋設したロータでは、磁石付近の発熱が大きくなる。磁石を効果的に冷却するためには、冷媒を流通する内部空隙を磁石に近づけることが好ましい。しかし、例えば磁石をＶ字状に配置したロータでは、磁石よりも内周側に磁束密度の高い領域が断続的に生じる。この磁束密度の高い領域を内部空隙で分断すると、磁気抵抗が大きくなり、損失が増加するという問題が生じる。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、磁気抵抗を抑制しつつ、磁石を適切に冷却できる回転電機用ロータ、回転電機用電磁鋼板および電動車両を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の回転電機用ロータは、複数の磁石スロットを形成しつつ回転軸の軸方向に沿って積層された略円環状の複数の電磁鋼板を有するロータヨークと、前記磁石スロットに挿入される磁石と、を有し、前記ロータヨークは、前記磁石スロットよりも内周側に、前記軸方向に沿って形成された複数の第１の内部空隙と、前記第１の内部空隙よりも外周側に、前記軸方向に沿って形成される複数の第２の内部空隙と、を有し、複数の前記電磁鋼板は、それぞれ、前記第１の内部空隙を形成する複数の第１の貫通孔と、前記第２の内部空隙に沿った形状を有し、前記第２の内部空隙の一部を形成する複数の第２の貫通孔と、前記第２の貫通孔とともに前記第２の内部空隙を形成し、かつ、前記第１の内部空隙と前記第２の内部空隙とを連通させる形状を有する第３の貫通孔と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、磁気抵抗を抑制しつつ、磁石を適切に冷却できる。

本発明の一実施形態によるロータの一部切欠斜視図である。 ロータヨークを構成する電磁鋼板の正面図である。 複数の電磁鋼板を転積した状態の斜視図である。 図３における要部の拡大図である。 比較例における電磁鋼板を数枚積層した状態の正面図である。 電磁鋼板の変形例の正面図である。 電磁鋼板の他の変形例の正面図である。

〈実施形態の構成〉
図１は、本発明の一実施形態によるロータＲＴ１（回転電機用ロータ）の一部切欠斜視図である。
なお、ロータＲＴ１の周囲には、図示せぬステータが配置され、これらロータＲＴ１およびステータ等によって回転電機が構成される。該回転電機は電動車両の駆動用に適用されるものであり、電動機または発電機として動作する。図中に示す「上下」「左右」の向きは、電動車両にロータＲＴ１が装着された際、電動車両の進行方向に対する向きである。そして、「上下」「左右」に直交する方向が前後方向になる。

ロータＲＴ１は、略円筒状に形成されたシャフト１００と、シャフト１００に挿入された略円筒状のロータヨーク１１０と、ロータヨーク１１０に埋設された磁石１３０と、を有している。ロータヨーク１１０は、ｍ枚（ｍは複数）の電磁鋼板１０−１〜１０−ｍ（回転電機用電磁鋼板）を転積（周方向の位置をシフトしながら積層）し、カシメ加工、接着、溶接等によって相互に結合したものである。なお、電磁鋼板１０−１〜１０−ｍを「電磁鋼板１０」と総称することがある。電磁鋼板１０には、冷媒を流通させる複数の内部空隙が形成されているが、図１においては、内部空隙の図示を省略する。

シャフト１００の中空部１０４は、冷媒（図示せず）を流通させる流路である。
ロータヨーク１１０の左右両端面には、略円環状のエンドプレート１５０，１６０が衝合している。これらエンドプレート１５０，１６０は、ロータヨーク１１０内の磁石１３０を固定し、磁石１３０の飛散を防止している。また、シャフト１００には、圧入リング１７０が圧入されている。

エンドプレート１６０の右方において、シャフト１００には、外径が広がっている大径部１０２が形成されている。エンドプレート１５０，１６０およびロータヨーク１１０は、大径部１０２と圧入リング１７０とに挟まれ、これらによって軸方向（左右方向）に押圧されている。また、シャフト１００において、大径部１０２よりも若干左方には、シャフト１００の中空部１０４からシャフト１００の外周まで挿通する給油穴１０６が形成されている。

エンドプレート１６０において、給油穴１０６に対向する箇所は周回方向に沿って溝状に切り欠かれ、環状切欠部１６２が形成されている。また、エンドプレート１６０の左面には、環状切欠部１６２から半径ＲＳの位置まで、略円環状に凹んだ凹部１６４が形成されている。

給油穴１０６から環状切欠部１６２に冷媒が供給されると、冷媒は環状切欠部１６２の全周に渡って充填される。ここで、ロータＲＴ１が回転すると、環状切欠部１６２に充填された冷媒は、遠心力によって凹部１６４に沿って外周方向に流れる。そして、冷媒は、ロータヨーク１１０に形成された内部空隙（図示せず）を介して流通し、エンドプレート１５０に形成された貫通孔１５５からロータＲＴ１の外部に放出される。

図２は、ロータヨーク１１０を構成する電磁鋼板１０の正面図である。
電磁鋼板１０は、略環状の平面板であり、その外周に沿って、貫通孔である磁石スロット２０，２２が交互に形成されている。一対の磁石スロット２０，２２は、略Ｖ字形状を成すように配置され、これらに挿通される一対の磁石１３０（図１参照）は、一の磁極を形成する。すなわち、ロータＲＴ１は、「８極」のロータである。なお、ロータＲＴ１の極数を一般的にｎと表現すると、磁石スロット２０，２２の数は２ｎ個になる。ここで、磁石スロット２０，２２の内周端半径をＲ５とする。

また、電磁鋼板１０には、その内周に沿って、１２個の略涙滴形状の打抜部１４（第１の貫通孔）が形成されている。各打抜部１４の内周端半径Ｒ１は、半径ＲＳ（図１に示した凹部１６４の外周半径）よりも短くなっている。また、打抜部１４の外周端半径Ｒ３は、半径ＲＳよりも長くなっている。また、半径ＲＳよりも若干外周側には、各４個の打抜部１６，１８が、４５°毎に、交互に形成されている。

ここで、打抜部１６（第２の貫通孔）の形状は、略二等辺三角形である。打抜部１６の内周端半径Ｒ４は、打抜部１４の外周端半径Ｒ３よりも長くなっている。また、打抜部１６の外周端半径Ｒ６は、磁石スロット２０，２２の内周端半径Ｒ５とほぼ等しい。半径Ｒ５，Ｒ６の関係は、実現しようとする冷却能力と磁気抵抗との関係に応じて決定するとよい。例えば、外周端半径Ｒ６は、内周端半径Ｒ５の０．９〜１．１倍程度、より好ましくは内周端半径Ｒ５の０．９５〜１．０５倍程度にするとよい。また、打抜部１８（第３の貫通孔）は、打抜部１６の形状に対して、時計回り方向および内周側に向けて、さらに広げた形状を有している。これにより、打抜部１８の外周端半径は、打抜部１６と同じくＲ６になる。また、打抜部１８の内周端半径Ｒ２は、打抜部１４の外周端半径Ｒ３よりも短くなっている。

以上述べた、各部の半径の大小関係をまとめると、「Ｒ１＜ＲＳ＜Ｒ２＜Ｒ３＜Ｒ４＜Ｒ５≒Ｒ６」になる。ロータヨーク１１０を構成する際には、電磁鋼板１０を４５°ずつ周回方向にシフトしながら転積する。すなわち、ある電磁鋼板１０の打抜部１６は、隣接する電磁鋼板１０の打抜部１８と重なる。より一般的に表現すると、ロータＲＴ１の極数ｎ（本実施形態においては「８」）に対して、シフトする角度は「３６０°／ｎ」に等しい。

磁石スロット２０，２２が内周側で対向する領域を「領域Ｋ」と呼ぶ。領域Ｋは、磁束密度が高くなるため、仮に領域Ｋを削るように打抜部を形成すると、回転電機の効率が悪化する。そこで、本実施形態においては、図２に示すように、打抜部１４，１６，１８は、領域Ｋを避けるように形成されている。

図３は、複数の電磁鋼板１０を転積した状態の斜視図である。電磁鋼板１０を４５°ずつ周回方向にシフトしながら転積すると、各電磁鋼板１０において磁石スロット２０，２２の位置は相互に一致する。この結果、磁石スロット２０，２２は、軸方向に沿って伸びる、略直方体状の内部空隙を形成する。図１に示す磁石１３０は、複数の磁石スロット２２が形成する内部空隙に挿入されている。

〈実施形態の動作〉
次に、図４を参照し、本実施形態の動作を説明する。なお、図４は、図３における領域Ａの拡大図である。
図４において、打抜部１４Ｄ，１８Ｄは、電磁鋼板１０−ｋ（ｋは奇数）における打抜部１４，１８である。また、打抜部１４Ｅ，１６Ｅ，１８Ｅは、電磁鋼板１０−（ｋ＋１）すなわち偶数番目の電磁鋼板１０における打抜部１４，１６，１８である。

図４における打抜部１６Ｅ，１８Ｄは、打抜部１６Ｅと同形の領域Ｃ（第２の内部空隙）を共に占めている。従って、ロータヨーク１１０には、領域Ｃを断面形状として、軸方向（紙面に垂直な方向）に伸びる内部空隙が形成されている。この内部空隙は、図１において右から左に向かって冷媒を流通させる流路になる。エンドプレート１５０（図１参照）に形成されている貫通孔１５５は、この領域Ｃに連通している。また、打抜部１８Ｄの領域のうち、領域Ｃ以外の領域を、領域Ｆと呼ぶ。

また、図４における打抜部１４Ｄ，１４Ｅは、図中に示す領域Ｂ（第１の内部空隙）において共に打ち抜かれている。従って、ロータヨーク１１０には、領域Ｂを断面形状として、軸方向に伸びる内部空隙が形成されている。さらに、打抜部１８Ｄは、領域Ｆにおいて、打抜部１６Ｅと、打抜部１４Ｅとを連通させている。より一般的に述べると、任意の電磁鋼板１０における打抜部１８は、その領域Ｆを介して、隣接する電磁鋼板１０における打抜部１４，１６を連通させている。

従って、ロータヨーク１１０内の大部分の冷媒は、遠心力によって打抜部１４から打抜部１８を介して打抜部１６に到達し、領域Ｃの外周部分を介してロータヨーク１１０（図１参照）内を流通することになる。図２および図３に示したように、領域Ｃを形成する打抜部１６，１８は、磁石スロット２０，２２に近接する位置に形成されている。従って、磁石スロット２０，２２に挿入された磁石１３０（図１参照）が発熱した場合においても、打抜部１６，１８の外周側に冷媒を通流されることにより、磁石１３０を適切に冷却することができる。

また、本実施形態では、打抜部１４の数が１２個形成されている。より一般的に述べると、打抜部１４の数は、ロータＲＴ１の極数ｎ（本実施形態では８）に対して、１．５ｎ個形成されている。このように、打抜部１４の数を極数ｎに対して１．５倍にすると、４５°（３６０°／ｎ）ずつシフトしつつ電磁鋼板１０を転積した際、電磁鋼板１０の２枚毎に打抜部１４の形成位置が重なる。

奇数番目の電磁鋼板１０−ｋにおいて、一対の打抜部１４Ｄに挟まれた部分をビーム２４Ｄと呼ぶ。また、偶数番目の電磁鋼板１０−（ｋ＋１）において、一対の打抜部１４Ｅに挟まれた部分をビーム２４Ｅと呼ぶ。図４に示すように、ビーム２４Ｄは、打抜部１４Ｅの中央付近を塞いでおり、ビーム２４Ｅは、打抜部１４Ｄの中央付近を塞いでいる。かかる構成によれば、打抜部１４Ｄ，１４Ｅの周辺における応力の集中を防止することができ、打抜部１４Ｄ，１４Ｅの面積を大きくした場合においても、ロータＲＴ１の高い強度を維持することができる。

〈比較例〉
次に、本実施形態の効果を明らかにするため、比較例の構成について説明する。
図５は、比較例における電磁鋼板６０を数枚積層した状態の正面図である。なお、本比較例の構成は、この電磁鋼板６０が電磁鋼板１０（図２参照）に代えて適用される他は、上記実施形態のもの（図１参照）と同様である。また、電磁鋼板６０に形成されている磁石スロット２０，２２の位置および大きさは、上記実施形態の電磁鋼板１０のものと同様である。

一方、本比較例においては、磁石スロット２０，２２よりも内周側には、略三角形状の打抜部６２が周回方向に沿って形成されている。そして、複数の電磁鋼板６０は、若干ずつ（例えば５°程度ずつ）打抜部６２の位置が周回方向にシフトされている。これにより、打抜部６２は、軸方向（紙面に垂直な方向）に沿って螺旋状に形成された内部空隙を形成する。打抜部６２に流入した冷媒は、打抜部６２の外周部に沿って、螺旋状の経路を介して流通する。ここで、打抜部６２の外周端半径をＲＰと呼ぶ。

しかし、図示の構成では、打抜部６２は、磁石スロット２０，２２から離れているため、磁石スロット２０，２２に挿入された磁石（図示せず）を適切に冷却できず、ロータの重量も大きくなるという問題が生じる。一方、外周端半径ＲＰを外側に広げるように打抜部６２の形状を広げてゆくと、磁束密度の高い領域Ｋを打抜部６２が削るような状態になり、回転電機の効率が悪化するという問題が生じる。

〈実施形態の効果〉
以上のように、本実施形態によれば、ロータヨーク（１１０）は、磁石スロット（２０，２２）よりも内周側に、軸方向に沿って形成された複数の第１の内部空隙（Ｂ）と、第１の内部空隙（Ｂ）よりも外周側に、軸方向に沿って形成される複数の第２の内部空隙（Ｃ）と、を有し、複数の電磁鋼板（１０）は、それぞれ、第１の内部空隙（Ｂ）を形成する複数の第１の貫通孔（１４）と、第２の内部空隙（Ｃ）に沿った形状を有し、第２の内部空隙（Ｃ）の一部を形成する複数の第２の貫通孔（１６）と、第２の貫通孔（１６）とともに第２の内部空隙（Ｃ）を形成し、かつ、第１の内部空隙（Ｂ）と第２の内部空隙（Ｃ）とを連通させる形状を有する第３の貫通孔（１８）と、を有する。
これにより、内部空隙を適切に連通させることにより、回転電機用ロータ（ＲＴ１）の強度を維持しつつ磁気抵抗を抑制し、磁石を適切に冷却できる冷媒流路を形成することができる。

また、本実施形態における磁石スロット（２０，２２）は、回転電機用ロータ（ＲＴ１）の極数をｎとしたとき、一の電磁鋼板（１０）に２ｎ個形成され、第１の貫通孔（１４）は、一の電磁鋼板（１０）に１．５ｎ個形成され、第２の貫通孔（１６）および第３の貫通孔（１８）は、一の電磁鋼板（１０）に合計ｎ個形成されている。
これにより、少ない種類、例えば１種類の電磁鋼板（１０）を転積してゆくことによってロータを構成できる。

また、本実施形態における第２の貫通孔（１６）および第３の貫通孔（１８）は、一の電磁鋼板（１０）の周回方向に沿って交互に配置されている。
これにより、ロータヨーク（１１０）の強度を保ちつつ、第１の貫通孔（１４）を、第３の貫通孔（１８）を介して第２の貫通孔（１６）に連通させることができる。

また、本実施形態における磁石スロット（２０，２２）は、一対毎に、中心方向に向かって開口する略Ｖ字状に配置され、第２の内部空隙（Ｃ）は、一対毎の磁石スロット（２０，２２）の略Ｖ字状の開口部分に対向して形成されている。
また、本実施形態における電磁鋼板（１０）は、複数の磁石スロット（２０，２２）と、複数の第１の貫通孔（１４）と、複数の第２の貫通孔（１６）と、複数の第３の貫通孔（１８）と、を施した略円環状の形状を有し、第１の貫通孔（１４）の外周端半径（Ｒ３）は第３の貫通孔（１８）の内周端半径（Ｒ２）よりも長く、第２の貫通孔（１６）の内周端半径（Ｒ４）は第１の貫通孔（１４）の外周端半径（Ｒ３）よりも長く、第３の貫通孔（１８）の外周端半径（Ｒ６）は、第２の貫通孔（１６）の内周端半径（Ｒ４）よりも長い。
これらの特徴により、第２の貫通孔（１６）、第３の貫通孔（１８）および第２の内部空隙（Ｃ）を磁石スロット（２０，２２）に近接させることができ、高い冷却能力を発揮できる。

〈変形例〉
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記実施形態の構成に他の構成を追加してもよく、構成の一部について他の構成に置換をすることも可能である。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

（１）図２〜図４に示したように、上述した実施形態においては、各４個の打抜部１６，１８を、４５°毎に交互に形成し、４５°ずつシフトしつつ電磁鋼板１０を転積した。換言すれば、ロータＲＴ１の極数ｎ（＝８）に対して、「３６０°／ｎ」毎に、打抜部１６，１８を交互に形成し、「３６０°／ｎ」ずつシフトしつつ電磁鋼板１０を転積した。しかし、これに代えて、打抜部１６，１８を、２個毎に交互に形成してもよい。この場合、９０°すなわち「３６０°／（２ｎ）」ずつシフトしつつ電磁鋼板１０を転積すると、隣接する電磁鋼板１０の打抜部１６，１８を重ね合わせることができる。

（２）上記実施形態においては、ロータＲＴ１の極数ｎに対して２ｎの磁石スロット２０，２２を設けたが、磁石スロットの数は「２ｎ」に限られるわけではない。その一例を図６に示す。
図６は、上記実施形態の変形例における電磁鋼板３０の正面図である。本変形例において、打抜部１４，１６，１８の構成は、上記実施形態のものと同様である。但し、本変形例においては、上記実施形態における１６個（２ｎ個）の磁石スロット２０，２２に代えて、２段に配列された、合計３２個（４ｎ個）の磁石スロット２４，２６が形成されている。

（３）また、上記実施形態の電磁鋼板１０に代えて、リラクタンストルク型の電磁鋼板、すなわち磁石に依らないトルクを発生させる電磁鋼板を適用してもよい。その一例を図７に示す。
図７は、上記実施形態の他の変形例における電磁鋼板４０の正面図である。本変形例において、打抜部１４，１６，１８の構成は、上記実施形態のものと同様である。但し、本変形例においては、上記実施形態における１６個（２ｎ個）の磁石スロット２０，２２に代えて、３段に配列された、合計４８個（６ｎ個）の略円弧状の磁石スロット４２〜４７が形成されている。

ｎ 極数
Ｒ１〜Ｒ６ 半径
Ｂ 領域（第１の内部空隙）
Ｃ 領域（第２の内部空隙）
ＲＴ１ ロータ（回転電機用ロータ）
１０ 電磁鋼板（回転電機用電磁鋼板）
１４ 打抜部（第１の貫通孔）
１６ 打抜部（第２の貫通孔）
１８ 打抜部（第３の貫通孔）
２０，２２ 磁石スロット
１１０ ロータヨーク
１３０ 磁石

Claims (6)

1. 複数の磁石スロットを形成しつつ回転軸の軸方向に沿って積層された略円環状の複数の電磁鋼板を有するロータヨークと、
   前記磁石スロットに挿入される磁石と、
   を有し、前記ロータヨークは、
   前記磁石スロットよりも内周側に、前記軸方向に沿って形成された複数の第１の内部空隙と、
   前記第１の内部空隙よりも外周側に、前記軸方向に沿って形成される複数の第２の内部空隙と、
   を有し、複数の前記電磁鋼板は、それぞれ、
   前記第１の内部空隙を形成する複数の第１の貫通孔と、
   前記第２の内部空隙に沿った形状を有し、前記第２の内部空隙の一部を形成する複数の第２の貫通孔と、
   前記第２の貫通孔とともに前記第２の内部空隙を形成し、かつ、前記第１の内部空隙と前記第２の内部空隙とを連通させる形状を有する第３の貫通孔と、
   を有する
   ことを特徴とする回転電機用ロータ。
2. 前記磁石スロットは、前記回転電機用ロータの極数をｎとしたとき、一の前記電磁鋼板に２ｎ個形成され、
   前記第１の貫通孔は、一の前記電磁鋼板に１．５ｎ個形成され、
   前記第２の貫通孔および前記第３の貫通孔は、一の前記電磁鋼板に合計ｎ個形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機用ロータ。
3. 前記第２の貫通孔および前記第３の貫通孔は、一の前記電磁鋼板の周回方向に沿って交互に配置されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の回転電機用ロータ。
4. 前記磁石スロットは、一対毎に、中心方向に向かって開口する略Ｖ字状に配置され、
   前記第２の内部空隙は、一対毎の前記磁石スロットの略Ｖ字状の開口部分に対向して形成されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の回転電機用ロータ。
5. 一対毎に略Ｖ字状に配置された複数の磁石スロットと、複数の第１の貫通孔と、複数の第２の貫通孔と、複数の第３の貫通孔と、を施した略円環状の形状を有し、
   前記第１の貫通孔の外周端半径は前記第３の貫通孔の内周端半径よりも長く、
   前記第２の貫通孔の内周端半径は前記第１の貫通孔の外周端半径よりも長く、
   前記第３の貫通孔の外周端半径は、前記第２の貫通孔の内周端半径よりも長く、
   前記第２の貫通孔および前記第３の貫通孔は、一対毎の前記磁石スロットの略Ｖ字状の開口部分に対向して形成されている
   ことを特徴とする回転電機用電磁鋼板。
6. 請求項１ないし４の何れか一項に記載の回転電機用ロータを有する回転電機を備えることを特徴とする電動車両。

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