JP6848808B2

JP6848808B2 - 回転電機のロータ

Info

Publication number: JP6848808B2
Application number: JP2017201761A
Authority: JP
Inventors: 新也佐野; 憲野田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2021-03-24
Anticipated expiration: 2037-10-18
Also published as: JP2019075930A

Description

本開示は、回転電機のロータに係り、特に、埋込磁石型の回転電機のロータに関する。

埋込磁石型（ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ：ＩＰＭ）回転電機のロータコアは、永久磁石を配置するための磁石挿入孔が設けられた磁性体薄板を複数枚積層した積層体を形成し、各磁石挿入孔に永久磁石が挿入されて埋め込まれる。矩形断面の永久磁石の場合、磁石挿入孔は、永久磁石より大きめの矩形孔とされるが、矩形孔の両端部を延ばして隣接する磁石挿入孔の間の磁路を狭くしてブリッジ部を形成し、隣接する永久磁石間での磁束の漏れを抑制することが行われる。

また、ロータが回転する場合に磁石挿入孔から永久磁石が飛び出さないように、ロータコアの軸方向両側に非磁性体のエンドプレートが設けられる。ロータコアが磁性体薄板の積層体の場合には、エンドプレートは積層薄板を軸方向に押さえる機能も有する。

特許文献１には、ＩＰＭ回転電機のロータとして、永久磁石とロータコアとを固定するエンドプレートがロータコアの端部に配置され、エンドプレートは、その外郭で屈曲する爪部を有し、その爪部がロータコアの側面の一部を押える構成が開示されている。

特開２０１１−００４５２９号公報

ロータコアは磁性体で、エンドプレートは非磁性体であるので、互いに材料が異なり、線膨張係数が異なる。ロータコアとエンドプレートとが複数の接合部において互いに固定されていると、温度環境が変化した場合、線膨張係数の差によって、ロータコアとエンドプレートの一方が相対的に伸長し、他方が相対的に縮小する。ロータコアが接合部の間で伸長または縮小すると、ロータコアの磁性体部分が最も細い箇所であるブリッジ部において他の箇所に比べて大きな応力が生じる。ブリッジ部に過大な応力が発生すると、回転電機のトルク特性に影響を与え、場合によってはロータの破損につながる恐れがある。そこで、線膨張係数の差に基づく応力がブリッジ部に生じた場合に、その応力を緩和できる回転電機のロータが要望される。

本開示に係る回転電機のロータは、磁極を形成する永久磁石が挿入された磁石挿入孔が周方向に沿って配置された磁性体のロータコアと、ロータコアの軸方向端部に固定して設けられた非磁性体のエンドプレートと、を備え、ロータコアは、磁極のそれぞれにおいて、磁極中心線に対し線対称に配置され、磁極中心線に対し互いに近接してブリッジ部を形成する一対の磁石挿入孔を有し、エンドプレートは、軸方向視において、ロータコアにおけるブリッジ部の近傍で、かつ、磁石挿入孔と重複しない位置に設けられた応力緩和用穴を含む。

上記構成によれば、エンドプレートは、軸方向視において、ロータコアにおけるブリッジ部に対応する箇所の近傍に応力緩和用穴を含む。これによって、ロータの温度環境が変化した場合に線膨張係数の差によってエンドプレートに生じる伸長または縮小の変形について、軸方向視においてロータコアのブリッジ部の近傍の部分の変形を吸収できる。これに対応して、ロータコアのブリッジ部近傍の変形が抑制され、ブリッジ部に生じる応力を抑制できる。また、応力緩和用穴は、軸方向視において、ロータコアの磁石挿入孔と重複しない位置に設けられるので、永久磁石の飛び出し防止のエンドプレートの機能を損なうことがない。

上記構成の回転電機のロータによれば、線膨張係数の差に基づく応力がブリッジ部に生じた場合に、その応力を緩和できる。

実施の形態に係る回転電機のロータについて、エンドプレートの一部を破断して示す斜視図である。図１のロータコアの上面図である。ロータコアとエンドプレートについて、図２のＡ部に対応する部分を抜き出して示す図である。図３（ａ）は、ロータコアのＡ部を示す図で、（ｂ）は、Ａ部に対応するエンドプレートの部分を示す図である。図３を軸方向視で重ねて示す図である。図４に対応する図を用いて、他のエンドプレートの例を示す図である。

以下に図面を用いて本実施の形態につき詳細に説明する。以下では、ロータコアとして磁性体薄板の積層体を述べるが、これは説明のための例示であって、永久磁石を埋め込み、ブリッジ部が形成できる磁性体であれば、一体型のロータコアであってもよい。また、以下では、エンドプレートとして非磁性のステンレススチール（ＳＵＳ）を述べるが、これは説明のための例示であって、ロータコアと線膨張係数の異なる非磁性材料を用いるものであれば、本開示の発明が適用される。例えば、アルミニウム、銅等の非磁性金属材料のエンドプレート、あるいは、適当な強度を有する樹脂材料のエンドプレートであってもよい。

以下に述べる形状、材質、孔部の個数、磁極数等は、説明のための例示であって、回転電機のロータの仕様等により、適宜変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、車両に搭載される回転電機に用いられる回転電機のロータ１０の斜視図である。以下では、特に断らない限り、回転電機のロータ１０を、ロータ１０と呼ぶ。ロータ１０が用いられる回転電機は、車両が力行するときは電動機として機能し、車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相同期型回転電機である。回転電機は、ロータ１０と、図示しないが、ロータ１０の外周側に所定の間隔を隔てて配置され、巻線コイルが巻回される円環状のステータとを含む。

ロータ１０は、円環状のロータコア１２と円板状のエンドプレート１４，１５とを含む。エンドプレート１４，１５は、ロータコア１２の軸方向の両端部にそれぞれ配置され、接合部１６，１７においてロータコア１２と固定されて、一体化したロータ１０を形成する。接合部１６，１７の形成には、溶接が用いられる。溶接に代えて、かしめ、爪部等による係止固定等の一体化接合手段を用いてもよい。一体化の際に、円環状のロータコア１２の中心穴と円板状のエンドプレート１４，１５の中心穴とは位置合わせされ、一体化されたロータ１０を貫通する中心穴１８となる。ロータ１０の中心穴１８には、回転電機の出力軸であるロータ軸が固定される。

図１に、中心穴１８の中心軸ＣＬと軸方向と径方向とを示す。軸方向は、中心軸ＣＬに沿った方向で、軸方向の両側を区別する場合は、エンドプレート１４側を一方側、エンドプレート１５側を他方側と呼ぶ。径方向はロータコア１２の内周側と外周側を指す方向である。図１では、エンドプレート１４の一部を破断して、ロータコア１２の一方側の端面１３を示す。ロータコア１２には、複数の磁石挿入孔３０と、各磁石挿入孔３０にそれぞれ挿入される複数の永久磁石４０が配置される。エンドプレート１４には、応力緩和用穴の穴としてのスリット５０が複数設けられる。

ロータコア１２は、所定枚数の磁性体薄板２０を軸方向に積層した積層体に、複数の永久磁石４０を埋め込んで配置したものである。ロータコア１２を磁性体薄板２０の積層体で構成するのは、ロータコア１２に生じ得る渦電流を抑制するためで、所定の形状に成形される前の磁性体薄板２０の両面には、絶縁コート等の絶縁処理が施される。これによって、積層された各磁性体薄板２０の間が電気的に絶縁されて、外部変動磁界により発生し得る渦電流が小さなループに分割され、渦電流損失が抑制される。磁性体薄板２０は、ロータ軸を通す中心穴１８と、複数の磁石挿入孔３０とを含み、所定の形状に成形された円環状形状を有する。かかる磁性体薄板２０としては、電磁鋼板が用いられる。磁性体薄板２０の積層体に代えて、複数の磁石挿入孔３０を有する一体型の磁性体でロータコア１２を構成してもよい。

図２は、ロータコア１２の上面図であり、これは、ロータコア１２の軸方向の一方側の端面１３における１枚の磁性体薄板２０において、磁性体薄板２０に設けられた磁石挿入孔３０にそれぞれ永久磁石４０を配置した状態の平面図でもある。ロータコア１２は、磁極Ｐの数が８で、１つの磁極Ｐ当り２つの永久磁石４０を含む。図２では、８つの磁極Ｐを区別して、Ｐ１〜Ｐ８と示す。したがって、ロータコア１２は、１６個の磁石挿入孔３０と、１６個の永久磁石４０を含む。磁極Ｐの数、１つの磁極Ｐ当りの永久磁石４０の数は例示であり、ロータ１０及びロータコア１２の仕様によって変更可能である。図２の磁極Ｐ５に、永久磁石４０が配置される前の状態を示す。８つの磁極Ｐの全てがＰ５の状態の場合が、磁性体薄板２０の平面図に相当する。

各磁極Ｐは、同じ構成であるので、図２で一点鎖線の太枠で囲んだ磁極Ｐ１について説明する。磁極Ｐ１は、磁石挿入孔３０として、一対の磁石挿入孔６０，６２を有し、永久磁石４０として、一対の永久磁石７０，７２を有する。永久磁石７０は磁石挿入孔６０に挿入され、永久磁石７２は磁石挿入孔６２に挿入される。

一対の磁石挿入孔６０，６２は、それぞれ磁極Ｐ１の磁極中心線ＣＰに対し線対称に配置され、ロータコア１２の外周側に向かって互いの間隔距離が拡がり、ロータコア１２の内周側で互いに近接したＶ字状に配置される。

一対の磁石挿入孔６０，６２は、平面図において、挿入される永久磁石７０，７２の短辺寸法よりやや大きめの孔幅と、永久磁石７０，７２の長辺よりもやや長めの長手寸法を有し、ロータコア１２において軸方向に貫通する孔である。磁石挿入孔６０，６２の長手方向には永久磁石７０，７２の長辺の両端部からさらに延びた端部を有する。磁極Ｐ１の磁極中心線ＣＰを挟んで向かい合った磁石挿入孔６０の端部と、磁石挿入孔６２の端部は、ロータコア１２において磁束の流れを規制するためのブリッジ部８０を形成する形状に設定される。磁極中心線ＣＰは、磁石挿入孔６０と磁石挿入孔６２の間のブリッジ部８０の位置を通る。

永久磁石７０，７２は、ロータコア１２の軸方向に貫通する磁石挿入孔６０，６２に挿入される長方形の棒磁石である。軸方向の長さはロータコア１２の軸方向の長さよりやや短めで、軸方向に垂直な断面形状は、磁石挿入孔６０，６２に挿入される大きさの矩形である。永久磁石７０，７２の材質としては、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石、サマリウムとコバルトを主成分とするサマリウムコバルト磁石等の希土類磁石が用いられる。これ以外にフェライト磁石、アルニコ磁石等を用いてもよい。

永久磁石７０，７２を磁石挿入孔６０，６２の内部に固定するには樹脂が用いられる。固定用の樹脂の磁石挿入孔６０，６２への注入には、磁石挿入孔６０，６２の長手方向において永久磁石７０，７２の長辺の両端部からさらに延びた端部が用いられる。永久磁石７０，７２の固定のための樹脂としては、成形性と耐熱性に優れた熱硬化樹脂が用いられる。熱硬化樹脂としては、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等が用いられる。

図１に戻り、エンドプレート１４，１５は、ロータ１０が回転する場合に磁石挿入孔３０から永久磁石４０が飛び出さないように、ロータコア１２の軸方向両側に設けられた非磁性のステンレススチール製の中心穴１８付きの環状円板である。エンドプレート１４，１５には、中心穴１８の他に、応力緩和用の穴としてのスリット５０が設けられる。応力緩和用の穴としてのスリット５０は、ロータ１０の環境温度が変化した場合に、ロータコア１２の線膨張係数とエンドプレート１４，１５の線膨張係数との差によってブリッジ部８０に応力が生じた場合に、その応力を吸収して緩和するために設けられる。スリット５０は、エンドプレート１４，１５のそれぞれに設けられ、エンドプレート１４，１５の板厚方向に貫通し、ロータコア１２の軸方向の端面に開口する。スリット５０は、永久磁石７０，７２の飛び出し防止の機能を損なわない位置であって、ブリッジ部８０に生じる応力の吸収と緩和に適した位置に配置される。

応力緩和用のスリット５０の配置について、図３、図４を用いて説明する。なお、エンドプレート１５は、エンドプレート１４と同じ構造であるので、以下では、特に断らない限り、エンドプレート１４について述べる。

図３は、ロータコア１２とエンドプレート１４について、図２のＡ部に対応する部分を抜き出して示す図である。図３（ａ）は、ロータコア１２のＡ部を示す図で、（ｂ）は、Ａ部に対応するエンドプレート１４の部分を示す図である。これらの図において、ロータコア１２とエンドプレート１４におけるそれぞれの接合部１６を示す。接合部１６は、磁極中心線ＣＰ上に設けられる。この配置によって、ロータ１０に温度環境の変化がある場合に、ロータコア１２及びエンドプレート１４に生じる引張または圧縮の変形やそれに伴う応力の分布が偏らずに、磁極中心線ＣＰに対し線対称となる。

エンドプレート１４における応力緩和用のスリット５０は、磁石挿入孔６０と磁石挿入孔６２の間のブリッジ部８０を通る磁極中心線ＣＰ上で、ロータコア１２のブリッジ部８０に対応する箇所の近傍に配置される。エンドプレート１４のスリット５０を、ロータコア１２のブリッジ部８０に対応する箇所の近傍に配置するのは、以下の理由による。すなわち、ロータコア１２とエンドプレート１４とがロータ１０における複数の接合部１６において互いに固定されていると、温度環境が変化した場合、線膨張係数の差によって、ロータコア１２とエンドプレート１４の一方が相対的に伸長し、他方が相対的に縮小する。ロータコア１２が接合部１６の間で伸長または縮小すると、ロータコア１２の磁性体部分が最も細い箇所であるブリッジ部８０において他の箇所に比べて大きな応力が生じる。スリット５０は、ロータ１０の温度環境が変化した場合に線膨張係数の差によってエンドプレート１４に生じる伸長または縮小の変形を吸収できる。エンドプレート１４において、ロータコア１２におけるブリッジ部８０に対応する箇所の近傍にスリット５０を配置することで、エンドプレート１４において、ロータコア１２のブリッジ部８０に対応する箇所の近傍の変形を吸収できる。これに対応して、ロータコア１２のブリッジ部８０近傍の変形が抑制され、ブリッジ部８０に生じる応力が抑制される。ブリッジ部８０が変形、破断を生じる恐れのある応力の方向は、磁極中心線ＣＰに対し垂直方向であるので、スリット５０は、磁極中心線ＣＰに垂直方向に延び、好ましくは、磁極中心線ＣＰに対し線対称に延びることがよい。

エンドプレート１４のスリット５０を軸方向視でロータコア１２のブリッジ部８０の近傍に配置する場合に、その配置位置が磁石挿入孔６０，６２の真上の位置であると、エンドプレート１４の永久磁石７０，７２の飛び出し防止機能が不十分となる。そこで、スリット５０は、磁石挿入孔６０，６２の真上の位置を避けて配置される。

図４は、ロータコア１２のＡ部の上に、Ａ部に対応するエンドプレート１４の部分を重ねて、上方側から軸方向視した図である。これは、図１のロータ１０において、エンドプレート１４を破断せずに、軸方向の一方側から軸方向視した図に相当する。ロータコア１２のＡ部はエンドプレート１４に隠れて視認できないので、磁石挿入孔６０，６２を破線で示す。図４に示すように、ロータ１０において軸方向視した場合に、スリット５０は、磁極中心線ＣＰ上であって、ブリッジ部８０の近傍で、かつ、磁石挿入孔６０，６２と重複しない位置に設けられる。この配置によって、エンドプレート１４の永久磁石７０，７２の飛び出し防止の機能を損なわずに、ロータコア１２とエンドプレート１４の線膨張係数の差によってブリッジ部８０に応力が生じた場合に、その応力を緩和できる。

上記では、応力緩和用の穴としてスリット５０を用いた。スリット５０に代えて、適当な大きさの円形の貫通穴あるいは長円形の貫通穴であってもよい。また、スリット５０は、磁極中心線ＣＰ上に配置するものとしたが、磁極中心線ＣＰを挟んで対称形に配置された偶数個の穴またはスリットであってもよい。また、スリット５０は、磁石挿入孔６０，６２に対し、径方向の外周側に配置したが、ブリッジ部８０の近傍に対応する箇所であれば、径方向の内周側に配置してもよい。また、これらを組み合わせて配置してもよい。これらのいずれの場合でも、エンドプレート１４とロータコア１２を重ねて軸方向視した場合に、応力緩和用の穴は、磁石挿入孔６０，６２と重複しない位置に配置される。

図５に、図３、図４で述べたスリット５０以外の応力緩和用の穴の例を示す。図５の各図は、図４に対応し、エンドプレート１４とロータコア１２を重ねて軸方向視した場合を示す図である。図５（ａ）は、長円形の穴５２を用いる例である。（ｂ）は、磁石挿入孔６０，６２よりも内周側に長円形の穴５４を配置する例である。（ｃ）は、磁極中心線ＣＰに対し線対称の配置関係で２つの円形穴５６，５７を配置する例である。これらによっても、図３、図４で述べたスリット５０と同様の作用効果を発揮する。

上記構成の回転電機のロータ１０によれば、エンドプレート１４，１５は、軸方向視において、ロータコア１２におけるブリッジ部８０の近傍で、かつ、磁石挿入孔６０，６２と重複しない位置に設けられた応力緩和用穴を含む。この配置により、永久磁石４０の飛び出し防止のエンドプレート１４，１５の機能を損なわずに、ロータコア１２とエンドプレート１４，１５の線膨張係数の差によってロータコア１２のブリッジ部８０に応力が生じた場合に、その応力を緩和できる。ブリッジ部８０の応力緩和の効果として、回転電機のトルク特性の安定化、ロータ１０の破損防止が図られ、さらにブリッジ部８０を細くすることが可能となり、回転電機のトルク特性の向上を図ることができる。

１０（回転電機の）ロータ、１２ロータコア、１３一方側の端面、１４，１５エンドプレート、１６，１７接合部、１８中心穴、２０磁性体薄板、３０，６０，６２磁石挿入孔、４０，７０，７２永久磁石、５０スリット（応力緩和用穴）、５２，５４長円形の穴（応力緩和用穴）、５６，５７円形穴（応力緩和用穴）、８０ブリッジ部。

Claims

磁極を形成する永久磁石が挿入された磁石挿入孔が周方向に沿って配置された磁性体のロータコアと、
前記ロータコアの軸方向端部に固定して設けられた非磁性体のエンドプレートと、
を備え、
前記ロータコアは、
前記磁極のそれぞれにおいて、磁極中心線に対し線対称に配置され、前記磁極中心線に対し互いに近接してブリッジ部を形成する一対の前記磁石挿入孔を有し、
前記エンドプレートは、
軸方向視において、前記ロータコアにおける前記ブリッジ部の近傍で、かつ、前記磁石挿入孔と重複しない位置であって、温度環境が変化した場合に前記ロータコアと前記エンドプレートとの線膨張係数の差によって前記エンドプレートに生じる伸長または縮小の変形を吸収できる位置に設けられた応力緩和用穴を含む、回転電機のロータ。