JP7283361B2

JP7283361B2 - 回転電機のロータ

Info

Publication number: JP7283361B2
Application number: JP2019212186A
Authority: JP
Inventors: 正起西條
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2023-05-30
Anticipated expiration: 2039-11-25
Also published as: JP2021087231A

Description

本発明は、回転電機のロータに関するものである。

特許文献１等において永久磁石埋込式回転電機が開示されている。詳しくは、コイルを巻装したステータの内周側に円筒状のロータコアの外周面が対向するように配置され、電磁鋼板を積層したロータコアに永久磁石が径方向において複数層埋め込まれている。

特許第６０２０６２９号公報

ところで、回転電機のロータは、電磁鋼板を積層して構成されたロータコアの中心にシャフトが貫挿されており、例えばシャフト・ロータコアが焼嵌締結等されており、回転数が高くなった場合においてロータコアを構成する電磁鋼板に反りが発生する場合がある。

本発明の目的は、ロータコアを構成する電磁鋼板の反りを抑制することができる回転電機のロータを提供することにある。

上記課題を解決するための回転電機のロータは、コイルを巻装したステータの内周側に円筒状のロータコアの外周面が対向するように配置された回転電機のロータであって、前記ロータコアは、電磁鋼板を積層して構成され、中心にシャフトが貫挿され、前記ロータコアには、軸方向に延びるとともに径方向外側に配置される外径側永久磁石挿入孔と、軸方向に延びるとともに前記外径側永久磁石挿入孔よりも内径側に配置される内径側永久磁石挿入孔とが磁極ごとに形成され、前記外径側永久磁石挿入孔に外径側永久磁石が挿入されるとともに前記内径側永久磁石挿入孔に内径側永久磁石が挿入され、前記ロータコアにおける前記内径側永久磁石挿入孔の周方向外側にフラックスバリアが連続して形成され、前記ロータコアにおいて隣り合う磁極間における前記フラックスバリアに挟まれた領域に軸方向に延びる充填孔が形成され、前記充填孔に充填された非磁性金属又は樹脂により前記電磁鋼板を固定してなることを要旨とする。

これによれば、ロータコアにおいて隣り合う磁極間におけるフラックスバリアに挟まれた領域において充填孔が軸方向に延びており、この充填孔に充填された非磁性金属又は樹脂により電磁鋼板が固定されているので、ロータコアを構成する電磁鋼板を強固に固定してロータコアを構成する電磁鋼板の反りを抑制することができる。

また、回転電機のロータにおいて、前記各磁極における前記外径側永久磁石挿入孔及び前記内径側永久磁石挿入孔は、円弧状をなすとよい。
外径側永久磁石挿入孔及び内径側永久磁石挿入孔が円弧状をなす場合に特に有用である。

また、回転電機のロータにおいて、前記ロータコアにおける前記フラックスバリアの周方向外側に離間して軸方向に延びる充填孔が更に形成され、当該充填孔に充填された非磁性金属又は樹脂により前記電磁鋼板を固定してなるとよい。

この場合、ロータコアを構成する電磁鋼板を更に強固に固定してロータコアを構成する電磁鋼板の反りを更に抑制することができる。

本発明によれば、ロータコアを構成する電磁鋼板の反りを抑制することができる。

実施形態における回転電機の模式図。ロータ及びシャフトの斜視図。ロータ及びシャフトの分解斜視図。ロータ及びシャフトの正面図。図４のＡ－Ａ線での断面図。ロータ及びシャフトの縦断面での斜視図。挟持部及び蓋部材の無い状態でのロータコア及びシャフトの斜視図。挟持部及び蓋部材の無い状態でのロータコア及びシャフトの縦断面での斜視図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、回転電機１０は、永久磁石埋込型同期モータであって、ロータ（回転子）２０と、ステータ（固定子）１００とを備える。円筒状をなすロータ２０の外周側にステータ１００が配置されている。ステータ１００の内周面は、ロータ２０の外周面とギャップを介して対向している。なお、図は何れも模式図であり、形状を強調して記載している。回転電機１０は極数が「４」であり、永久磁石が周方向において９０°毎に配置されている。

図１に示すように、ステータ１００は、ステータコア１０１が円筒状をなし、ステータコア１０１の内側には周方向に複数のスロット１０２が形成されている。各スロット１０２は内周面に開口している。スロット１０２間にティース１０３が形成されている。ティース１０３にはコイル（巻線）１０４が巻回されている。このように、ステータ１００は、内周側にコイル１０４が巻回されたティース１０３が周方向に並設され、コイル１０４を巻装した構成となっている。

ステータ１００の内側にはロータ２０が配置されており、ロータ２０は、略円板状の電磁鋼板２２を複数枚（例えば数十枚）積層した円筒状のロータコア２１を備える。ロータコア２１は積層された電磁鋼板２２がダボカシメにより連結されている。

ロータ２０は、ロータコア２１の外周面がティース１０３と所定の間隔を置いた状態で、図示しないハウジングの軸受けにシャフト５０を介して回転可能に支持されている。このように、ロータ２０が、ステータ１００の内周側にロータコア２１の外周面がギャップを介して対向するように配置されている。

図２、図４、図７に示すように、電磁鋼板２２を積層して構成されるロータコア２１の中心にシャフト５０が貫挿されている。ロータコア２１はシャフト５０に焼嵌め（あるいは圧入等）により、嵌合され締結されている。ロータコア２１は、図５に示すように、外径側永久磁石挿入孔２５、内径側永久磁石挿入孔２６、フラックスバリア２９，３０，３７，３８、ダイカスト孔３１，３３，３５を有する。

図５、図７、図８に示すように、ロータコア２１には、軸方向に延びるとともに径方向外側に配置される外径側永久磁石挿入孔２５と、軸方向に延びるとともに外径側永久磁石挿入孔２５よりも内径側に配置される内径側永久磁石挿入孔２６とが磁極ごとに形成されている。各磁極における外径側永久磁石挿入孔２５及び内径側永久磁石挿入孔２６は円弧状をなしている。詳しくは、図５に示すように、外径側永久磁石挿入孔２５及び内径側永久磁石挿入孔２６はロータコア２１の中心側を凸とする（ロータコア２１の外径側を中心とする）円弧状をなしている。

図２、図３、図４、図６に示すように、ロータコア２１において、外径側永久磁石挿入孔２５及び内径側永久磁石挿入孔２６を有する電磁鋼板２２の積層体に対しその両側には蓋部材２３ａ，２３ｂを有する。蓋部材２３ａ，２３ｂには外径側永久磁石挿入孔２５及び内径側永久磁石挿入孔２６が形成されておらず、後記ダイカスト孔３１，３３，３５に対し図７、図８に示す状態から図４、図５、図６に示すようにアルミダイカストによりアルミを注入することができるようになっている。蓋部材２３ａ，２３ｂに対しその両側には挟持部２４ａ，２４ｂを有する。挟持部２４ａ，２４ｂは、純アルミよりなり、図７、図８に示す状態から図４、図６に示すようにアルミダイカストにより形成される。

図６に示すように、外径側永久磁石挿入孔２５に外径側永久磁石２７が挿入されるとともに内径側永久磁石挿入孔２６に内径側永久磁石２８が挿入されている。外径側永久磁石２７は外径側永久磁石挿入孔２５に接着固定されている。内径側永久磁石２８は内径側永久磁石挿入孔２６に接着固定されている。

図６に示すように、外径側永久磁石２７は、軸方向において分割した状態で配置されている。内径側永久磁石２８は、軸方向において分割した状態で配置されている。軸方向に分割した永久磁石を用いることにより損失の低減及び経済性の向上が図られる。

図５に示すように、埋め込まれた各永久磁石２７，２８は、円弧状をなしている。永久磁石２７はｄ軸上に位置し、永久磁石２７は厚さ方向に着磁されている。永久磁石２８はｄ軸上に位置し、永久磁石２８は厚さ方向に着磁されている。隣り合う領域（一極）に配置された永久磁石２７同士および永久磁石２８同士は、ロータ２０の外周側が異なる極になるように配置されている。例えば、ある永久磁石２７が、ティース１０３側がＳ極になるように配置されると、隣の領域（一極）に配置される永久磁石２７は、ティース１０３側がＮ極になるように配置される。

図５、図７に示すように、ロータコア２１における内径側永久磁石挿入孔２６の一方の周方向外側にフラックスバリア２９が連続して形成されている。また、ロータコア２１における内径側永久磁石挿入孔２６の他方の周方向外側にフラックスバリア３０が連続して形成されている。フラックスバリア２９，３０は円弧状をなしている。

ロータコア２１において隣り合う磁極間におけるフラックスバリア２９，３０に挟まれた領域に軸方向に延びる充填孔としてのダイカスト孔３１が形成されている。ダイカスト孔３１には非磁性金属としての純アルミ３２が充填されている。ダイカスト孔３１に充填された純アルミ３２により電磁鋼板２２が固定されている。ダイカスト孔３１において充填される純アルミ３２は、図７、図８に示す状態から図４、図５、図６に示すようにアルミダイカストによるものである。

ロータコア２１におけるフラックスバリア２９の周方向外側に離間して軸方向に延びる充填孔としてのダイカスト孔３３が形成されている。また、ロータコア２１におけるフラックスバリア３０の周方向外側に離間して軸方向に延びる充填孔としてのダイカスト孔３５が形成されている。ダイカスト孔３３には非磁性金属としての純アルミ３４が充填されている。ダイカスト孔３５には非磁性金属としての純アルミ３６が充填されている。ダイカスト孔３３，３５に充填された純アルミ３４，３６により電磁鋼板２２が固定されている。ダイカスト孔３３，３５において充填される純アルミ３４，３６は、図７、図８に示す状態から図４、図５、図６に示すようにアルミダイカストによるものである。

ロータコア２１における外径側永久磁石挿入孔２５の周方向外側にフラックスバリア３７，３８（図５参照）が連続して形成されている。フラックスバリア３７，３８は円弧状をなしている。

次に、このように構成した回転電機１０の作用を説明する。
回転電機が駆動される場合は、ステータ１００のコイル１０４に電流が供給されてステータ１００に回転磁界が発生し、ロータ２０に回転磁界が作用する。そして、回転磁界と永久磁石２７，２８との間の磁気的な吸引力および反発力によりロータ２０が回転磁界と同期して回転する。

ロータコア２１において隣り合う磁極間におけるフラックスバリア２９，３０に挟まれた領域においてダイカスト孔３１が軸方向に延びており、このダイカスト孔３１に充填された純アルミ３２により電磁鋼板２２が固定されている。これにより、ロータコア２１を構成する電磁鋼板２２は強固に固定されてロータコア２１を構成する電磁鋼板２２の反りが抑制される。つまり、略逆円弧状二層磁石配置ロータ断面形状において、フラックスバリアに挟まれ、かつ焼嵌締結力の影響を及ぼさない、磁極間にダイカスト孔を配置することにより、性能と強度を両立させたロータ構造を実現している。

以下、詳しく説明する。
内径側永久磁石挿入孔の長さが大きくなりやすく性能と強度のバランスが不十分であり、具体的には遠心力により電磁鋼板がめくれあがりやすく、薄肉ブリッジ部に曲げ応力が加わると、強度の低下が大きい。この場合、ロータコアの強度対策のためにロータ端部に厚みのある非磁性端板などを追加するとコストアップを招く。つまり、外径側と内径側に２層にわたり永久磁石を配列するとシャフトの焼嵌めによる内部応力により、断面直角方向に反ることでロータコアとシャフトの嵌合締結力が低下する。この反りを抑制すべくロータ端面に剛性のある端板を配設固定する場合、剛性のある端板によるコストアップおよびその固定手段（ネジやカシメなど）により、製造コストが上昇する。

本実施形態では、誘導モータの製造設備が使用可能な場合において、ダイカストの技術と設備を用いている。アルミダイカストによる固定手段は、誘導モータを製作している設備をすでに有するような場合において、新規の設備投資を最小限に留め、安価に構成できる構造となる。また、ダイカスト固定することにより、剛性のある端板および端板固定手段が不要になり、部品費の低減も図ることができる。

一般的なアルミダイカストはＡＤＣ１２など強度的に頑強な材料を使用するが、追加設備投資を要することなく安価に構成するために、誘導モータの製造に使用されるものと同一材料である純アルミで構成している。

ここで、純アルミをロータ構造の剛性向上に用いる場合、ロータコア断面を連通するダイカスト孔の配置が重要である。同期モータとはいえ、ステータからの交番磁界により、適切でない位置にダイカスト孔を配置すると、誘導電流の発生により、出力低下といった性能に悪影響を及ぼすこともある。ゆえに、ダイカスト孔をロータコアの断面外周寄りに配設することはその影響を慎重に検討する必要があるとともに、ロータコアとシャフトはコスト低減のため焼嵌固定されておりダイカスト孔を内周側に配設すると焼嵌締結力の低下といった強度への悪影響を及ぼす可能性がある。即ち、ロータコアに永久磁石が埋め込まれている電動機のロータにおいては、永久磁石の近傍は磁路となるのでダイカスト孔を形成することはできず、また、ロータコアの内径側は焼嵌めに使う領域であるのでダイカスト孔を形成することはできない。

本実施形態では、磁極間における内径寄りの箇所である、隣り合う磁極間におけるフラックスバリア２９，３０に挟まれた領域においてダイカスト孔３１を形成しており、ロータコアの磁気回路を構成するｑ軸磁束を妨げることなく、内径側のシャフトの焼嵌締結強度を妨げることもない。ダイカスト孔の形成位置は磁極間のｑ軸磁路を妨げない場所、即ち、ロータコアでの磁束密度が高くない場所が好ましく、外径側から内径側に向かうｑ軸磁束における左右の磁束の分岐後の間の箇所としている。これにより、ロータコアのｑ軸磁束を妨げることなく内径側でのシャフトの焼嵌めを妨げることもない。

このようにして、ロータコアにシャフトを焼嵌めした時に強度向上が図られる。ロータ２０の製造の際には、電磁鋼板２２を積層して配置するとともに一方の蓋部材２３ａを電磁鋼板積層体の一端面に積層して配置する。そして、永久磁石２７，２８を挿入し、更に他方の蓋部材２３ｂを配置した後に、カシメにより固定し、ダイカストによってダイカスト孔３１，３３，３５内の純アルミ３２，３４，３６により固定する。

よって、製造時において電磁鋼板は焼嵌めで反りやすいとともに通常運転時において回転数を上げた際の遠心力でも反りやすいが、本実施形態では電磁鋼板の反りを抑制することができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）コイル１０４を巻装したステータ１００の内周側に円筒状のロータコア２１の外周面が対向するように配置された回転電機１０のロータ２０の構成として、ロータコア２１は、電磁鋼板２２を積層して構成され、中心にシャフト５０が貫挿されている。ロータコア２１には、軸方向に延びるとともに径方向外側に配置される外径側永久磁石挿入孔２５と、軸方向に延びるとともに外径側永久磁石挿入孔２５よりも内径側に配置される内径側永久磁石挿入孔２６とが磁極ごとに形成されている。外径側永久磁石挿入孔２５に外径側永久磁石２７が挿入されるとともに内径側永久磁石挿入孔２６に内径側永久磁石２８が挿入されている。ロータコア２１における内径側永久磁石挿入孔２６の周方向外側にフラックスバリア２９，３０が連続して形成されている。ロータコア２１において隣り合う磁極間におけるフラックスバリア２９，３０に挟まれた領域に軸方向に延びる充填孔としてのダイカスト孔３１が形成され、ダイカスト孔３１に充填された非磁性金属としての純アルミ３２により電磁鋼板２２が固定されている。

よって、ロータコア２１において隣り合う磁極間におけるフラックスバリア２９，３０に挟まれた領域においてダイカスト孔３１が軸方向に延びており、このダイカスト孔３１に充填された純アルミ３２により電磁鋼板２２が固定されているので、ロータコア２１を構成する電磁鋼板２２を強固に固定してロータコア２１を構成する電磁鋼板２２の反りを抑制することができる。

（２）各磁極における外径側永久磁石挿入孔２５及び内径側永久磁石挿入孔２６は、円弧状をなす。外径側永久磁石挿入孔２５及び内径側永久磁石挿入孔２６が円弧状をなす場合に特に有用である。

（３）ロータコア２１におけるフラックスバリア２９，３０の周方向外側に離間して軸方向に延びる充填孔としてのダイカスト孔３３，３５が更に形成され、ダイカスト孔３３，３５に充填された非磁性金属としての純アルミ３４，３６により電磁鋼板２２が固定されている。この場合、ロータコア２１を構成する電磁鋼板２２を更に強固に固定してロータコア２１を構成する電磁鋼板２２の反りを更に抑制することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 非磁性金属は純アルミであったが、これに限るものではない。非磁性金属として、ＡＤＣ１２などのアルミ合金、他にも、銅などを用いてもよい。また、非磁性金属以外にも樹脂を用いて、樹脂モールドにより構成してもよい。

つまり、上述のダイカスト孔３１を樹脂モールド孔とするとともに上述の純アルミ３２を樹脂とすることにより、ロータコア２１において隣り合う磁極間におけるフラックスバリア２９，３０に挟まれた領域に軸方向に延びる充填孔が形成され、この充填孔に充填された樹脂により電磁鋼板２２が固定された構成とする。また、上述のダイカスト孔３３，３５を樹脂モールド孔とするとともに上述の純アルミ３４，３６を樹脂とすることにより、ロータコア２１におけるフラックスバリア２９，３０の周方向外側に離間して軸方向に延びる充填孔が更に形成され、この充填孔に充填された樹脂により電磁鋼板２２が固定された構成とする。

○ ダイカスト孔３３，３５は無くてもよく、例えば、代わりにフラックスバリアであってもよい。
○ 極数は４極に限らない。４極より多くても、少なくてもよい。

○ 永久磁石は円弧状でなくてもＶ字状でもよい。
○ 電動機は同期モータ以外でもよく、要は永久磁石埋め込み型の電動機であればよい。

１０…回転電機、２０…ロータ、２１…ロータコア、２２…電磁鋼板、２５…外径側永久磁石挿入孔、２６…内径側永久磁石挿入孔、２７…外径側永久磁石、２８…内径側永久磁石、２９，３０…フラックスバリア、３１…ダイカスト孔、３２…純アルミ、３３…ダイカスト孔、３４…純アルミ、３５…ダイカスト孔、３６…純アルミ、５０…シャフト、１００…ステータ、１０４…コイル。

Claims

コイルを巻装したステータの内周側に円筒状のロータコアの外周面が対向するように配置された回転電機のロータであって、
前記ロータコアは、電磁鋼板を積層して構成され、中心にシャフトが貫挿され、
前記ロータコアには、軸方向に延びるとともに径方向外側に配置される外径側永久磁石挿入孔と、軸方向に延びるとともに前記外径側永久磁石挿入孔よりも内径側に配置される内径側永久磁石挿入孔とが磁極ごとに形成され、
前記外径側永久磁石挿入孔に外径側永久磁石が挿入されるとともに前記内径側永久磁石挿入孔に内径側永久磁石が挿入され、
前記ロータコアにおける前記内径側永久磁石挿入孔の周方向外側にフラックスバリアが連続して形成されるとともに、前記ロータコアにおける前記フラックスバリアの周方向外側に離間して軸方向に延びるダイカスト孔が形成され、
前記ロータコアにおいて隣り合う磁極間における前記フラックスバリア及び前記ダイカスト孔に挟まれた領域であって前記ダイカスト孔よりも内径側に軸方向に延びる充填孔が形成され、前記充填孔に充填された非磁性金属又は樹脂により前記電磁鋼板を固定してなることを特徴とする回転電機のロータ。
前記各磁極における前記外径側永久磁石挿入孔及び前記内径側永久磁石挿入孔は、円弧状をなすことを特徴とする請求項１に記載の回転電機のロータ。
前記ダイカスト孔は充填孔であり、当該充填孔に充填された非磁性金属又は樹脂により前記電磁鋼板を固定してなることを特徴とする請求項２に記載の回転電機のロータ。