WO2012026003A1 - 回転子 - Google Patents

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WO2012026003A1
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permanent magnet
rotor
laminated
iron core
core
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竜彦 水谷
勝秀 北川
雅志 松本
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トヨタ自動車株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/03—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies having permanent magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • H02K1/2766—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect

Definitions

  • the present invention relates to a rotor of a motor generator, and more particularly to a rotor in which permanent magnets are embedded in a laminated iron core in a balanced manner.
  • the motor generator mounted on such an electric vehicle can accelerate the vehicle by generating a driving force with electric power from the battery when starting or running. Further, at the time of braking, it can be used as a regenerative brake in which the motor generator is used as a generator to convert the kinetic energy of the vehicle into electric energy and charge the battery.
  • a permanent magnet As a motor generator mounted on such an electric vehicle, a permanent magnet is used so that a driving torque (reluctance torque) generated by the asymmetry of the magnetic resistance can be used due to the high density of field magnetic flux and the ease of regenerative braking.
  • An IPM type Interior / Permanent / Magnet
  • An SPM type Surface Permanent Magnet
  • a permanent magnet is attached to the surface of a rotor.
  • Patent Document 1 discloses a technique in which a through hole is provided in a laminated iron core formed by laminating plate-like magnetic bodies, and a permanent magnet is attached to the through hole. This technique prevents the laminated iron core and the permanent magnet from cracking or chipping when the permanent magnet is mounted in the through hole, and realizes the positioning of the permanent magnet in the through hole.
  • the rotor of Patent Document 1 is a through hole in which a permanent magnet is mounted and an injection hole that extends along the center side of the laminated core of the through hole, and communicates with the through hole at a position corresponding to the permanent magnet. And a resin member that is injected through the injection hole and filled between the through hole and the permanent magnet. Furthermore, in Patent Document 1, a permanent magnet is fixed in a well-balanced manner inside the rotor by providing a protrusion for placing the permanent magnet on a jig for fixing the permanent magnet at a predetermined position of the rotor. Technology is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a rotor for the purpose of securely fixing and protecting the permanent magnet of the rotor with a simple device.
  • the rotor of Patent Document 2 includes a laminated iron core provided with a through hole for mounting a permanent magnet, a plate member that covers the end surface of the laminated iron core, and a plate portion and a permanent magnet for setting the axial position of the permanent magnet. And a resin spacer provided between and a resin member for fixing the permanent magnet to the rotor. With such a configuration, the position of the permanent magnet in the rotor can be fixed in a balanced manner by the spacer provided between the permanent magnet and the plate member without exposing the permanent magnet by the plate member.
  • Patent Document 1 in order to fix the permanent magnet to the laminated steel plate of the rotor, a resin member injection hole is provided on the central axis side of the through hole into which the permanent magnet is inserted, and the through hole and the resin member injection hole are communicated with each other. The filling of the members is facilitated.
  • the resin member injection hole in the laminated steel sheet the formation of the magnetic field is hindered, which may increase so-called iron loss such as eddy current loss and hysteresis loss in the laminated steel sheet of the rotor.
  • Patent Document 2 discloses a structure in which a laminated iron core is pressed from both sides by two plate members.
  • the laminated steel plates and permanent magnets cannot be covered, and it is impossible to prevent the end of the laminated steel plates from being turned up. Protection and positioning become difficult.
  • eddy current loss occurs in the permanent magnets due to the two plates protecting the permanent magnets provided on the rotor, which is a concern particularly in motor generators that require a high rotational speed to improve vehicle running performance. Matters.
  • the rotor according to the present invention provides a magnet-embedded rotor that can fix a permanent magnet to a laminated iron core in a balanced manner without providing a resin member injection hole or a plate member, and can be reduced in weight and size. With the goal.
  • a rotor according to the present invention includes a laminated core formed by laminating plate-like magnetic bodies in the axial direction, and a plurality of hole portions penetrating in the axial direction from the end face of the laminated core.
  • a permanent magnet inserted into each of the holes disposed at predetermined intervals in the circumferential direction, and the axial length of the laminated iron core is longer than that of the permanent magnet, and the central portion in the axial direction of the laminated iron core
  • a permanent magnet is arranged by setting a predetermined pull-in amount so as to be positioned at a position, and the permanent magnet is fixed to the hole by a resin member, thereby preventing the end of the laminated core from being turned up.
  • the permanent magnets are arranged at positions where the number of plate-like magnetic bodies from the laminated core end surface to the permanent magnet end surface is the same from the front surface and the back surface. Since the amount of pull-in is from one to several sheets of plate-like magnetic material, it is also preferable to use the number of plate-like magnetic materials as a guide.
  • a negative repulsive force acts on the plate-like magnetic body in the region sandwiched between two adjacent permanent magnets on the plate-like magnetic body located from the laminated core end surface to the permanent magnet end surface. It is characterized by that. Although it is difficult to actually measure the negative repulsive force, it is clear that no repulsive force is generated from the result that the turning up of the laminated iron core is reduced by setting an appropriate pull-in amount.
  • the resin member is filled so as to close both end surfaces of the permanent magnet inserted into the hole formed through the end surface of the laminated core in the axial direction. And Furthermore, in order to balance the magnetic field, it is also important to equalize the filling state of the resin members on both end faces.
  • two permanent magnets among the plurality of permanent magnets are arranged in a substantially V shape so that the opposing distance increases toward the radially outer side of the laminated core, and the resin member is It is characterized in that a gap between the holes provided at both ends in the circumferential direction of each permanent magnet and a gap provided in the radial direction are filled.
  • a permanent magnet can be fixed to the laminated core in a well-balanced manner, and a magnet-embedded type that can be reduced in weight and size by reducing the diameter of the end plate that protects both end portions of the laminated core.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a motor generator system according to an embodiment of the present invention. It is a front view of the motor generator concerning the embodiment of the present invention. It is explanatory drawing explaining the winding of the stator core which concerns on embodiment of this invention. It is explanatory drawing explaining the relationship between the position of the permanent magnet which concerns on embodiment of this invention, and the deformation amount of a laminated iron core. It is a characteristic view of the pop-out amount and repulsion of the permanent magnet according to the embodiment of the present invention. It is explanatory drawing explaining the permanent magnet part of the rotor which concerns on embodiment of this invention.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of the rotor 15, and FIG. 2 shows a configuration of the motor generator system 10 having the rotor 15 of FIG. 1 includes a hollow shaft 11 rotatably supported by a bearing 13 fixed to a case, a laminated core 12 in which thin plate-like magnetic bodies are laminated, and an end plate that holds the laminated iron core 12 from both sides.
  • 16 plate member
  • a permanent magnet 14 inserted in a through hole provided in the laminated core 12 with a predetermined pull-in amount (G), and a mold filled between the through hole and the permanent magnet 14
  • the resin 17 and the mold hole 18 formed in the manufacturing process of the rotor 15 described later are included.
  • the end plate 16 is reduced in diameter so as not to cover the permanent magnet 14 in order to reduce eddy current loss.
  • the motor generator system 10 of FIG. 2 includes a motor generator 20 and a control device 31 connected via a U-phase, V-phase, and W-phase cable 24 connected to a three-phase coil 22 provided in the motor generator 20. And an ECU 30 for instructing the control device 31 of a speed and a torque value. Further, the motor generator 20 includes the rotor 15 shown in FIG. 1 and a stator 23 (stator) that rotatably accommodates the rotor 15 therein.
  • One of the characteristic features of the rotor 15 according to the present invention is to reduce the eddy current loss by reducing the diameter of the end plate 16 that covers the laminated core 12 of the rotor 15 as shown in FIG. This is to reduce the weight of the rotor 15.
  • the rotor 15 of the motor generator 20 is exposed to heat generated by energization, centrifugal force and vibration during high rotation, etc., and therefore, cracking of the mold resin due to heat generation and aging occurs. For this reason, in a state where there is no protection by the end plate 16, it is necessary to firmly fix the permanent magnet to the laminated iron core by taking measures such as separately providing a mold resin injection hole as in Patent Document 1.
  • one of the characteristic features of the rotor 15 according to the present invention is that the permanent magnet 14 having a predetermined pull-in amount is set in order to eliminate the protection by the end plate 16 and omit the strong fixing by the mold resin 17.
  • the repulsive force repulsive force
  • suction force negative repulsive force
  • FIG. 3 shows a front view of the motor generator 20 and shows a stator core 21 having a plurality of teeth 25 and a rotor 15 having a plurality of permanent magnets 14.
  • the number of teeth 25 is provided to be an integral multiple of the number of permanent magnets 14 embedded in the rotor 15.
  • the V-shaped permanent magnet 14 opened in the outer circumferential direction is arranged so that the outer circumference of the rotor 15 is an N pole or an S pole, and an S pole or an N pole having an opposite polarity is arranged on the inner pole.
  • the permanent magnet 14 is magnetized in the radial direction around the central axis, and is arranged so that the polarity of the permanent magnet is repelled between adjacent magnets.
  • substantially triangular cavities are provided on both sides of the permanent magnet 14, and a resin or the like to be described later is enclosed.
  • the end plate 16 avoids the permanent magnet 14 and covers the central portion of the laminated core 12, and the outer peripheral portion of the laminated core 12 is open.
  • FIG. 4 shows the winding of the stator core 21.
  • the stator core 21 is wound with U-phase coils 101 to 108 disposed on the outermost periphery, V-phase coils 111 to 118 disposed on the inner periphery, and W-phase coils 121 to 128 disposed on the innermost periphery. It has been turned. These coils are arranged at positions shifted by a certain phase in the circumferential direction.
  • the outermost U-phase coils 101 to 104 are connected in series with the U1 terminal as one end, and the other end is a neutral point UN1 terminal.
  • the outermost U-phase coils 105 to 108 are connected in series with the U2 terminal as one end, and the other end is a neutral point UN2 terminal.
  • the V-phase coils 111 to 114 on the inner periphery are connected in series with the V1 terminal as one end, and the other end is a neutral point VN1 terminal.
  • the V-phase coils 115 to 118 are connected in series with the V2 terminal as one end, and the other end is a neutral point VN2 terminal.
  • the innermost W-phase coils 121 to 124 are connected in series with the W1 terminal as one end, and the other end is a neutral point WN1 terminal.
  • the innermost W-phase coils 125 to 128 are connected in series with the W2 terminal as one end, and the other end is a neutral point WN2 terminal.
  • the neutral points UN1, UN2, VN1, VN2, WN1, and WN2 are commonly connected to one point.
  • the U1 terminal and U2 terminal are connected to a U-phase cable, the V1 terminal and V2 terminal are connected to a V-phase cable, and the W1 terminal and W2 terminal are connected to a W-phase cable.
  • the above is the configuration of the motor generator system 10.
  • the evaluation test uses a testing machine that operates for a long time, (A) when a permanent magnet is arranged inside the laminated core, (B) when the end face of the laminated core and the end face of the permanent magnet are matched, (C) The change of the laminated thickness (referred to as the stack thickness) of the laminated iron core 12 was measured when the permanent magnet was popped out from the end face of the laminated iron core.
  • FIG. 5 shows an example of the position of the permanent magnet in the rotor and the deformation amount (stack thickness deformation amount) of the laminated core.
  • A Center position: Since the permanent magnets are arranged inside the laminated iron core, the permanent magnets are arranged, for example, about 2 mm inside from the both end faces of the laminated iron core. For example, it decreased by about -0.1 mm.
  • B end face coincidence: When the end face of the laminated core and the end face of the permanent magnet are made coincident, for example, the stack thickness increases by about 0.2 mm (turning occurs), and
  • C jumps out. : For example, when a permanent magnet was protruded from the end face of the laminated iron core by about 5 mm, for example, the result increased by about 0.4 mm (turning occurred).
  • the end face of the permanent magnet so as to be inside the end face of the laminated core, and more preferably, the end face of the permanent magnet is arranged to be inside by an equal distance from both ends of the laminated core. It is good to arrange. According to a plurality of experimental results with various conditions changed, for example, about 0.2 mm to about 1 mm is preferable from the end face of the laminated core. If it is arranged too deep, the permanent magnet is shortened, and the motor generator The output is reduced.
  • the rotor according to the present invention includes a hollow shaft 11 that is rotatably supported by a bearing 13 fixed to a case, a laminated iron core 12 in which thin plate-like magnetic bodies are laminated, An end plate 16 (plate member) that holds down the laminated core 12 from both sides, a permanent magnet 14 inserted into a through hole provided in the laminated core 12, and a mold resin 17 filled between the through hole and the permanent magnet 14 And a mold hole 18.
  • the mold hole 18 is formed with a stopper (installed to set a predetermined pull-in amount) of about 0.2 mm to about 1 mm from the end face of the laminated iron core.
  • the said numerical result is an example, and it cannot be overemphasized that the amount of thickness deformation is set to the optimal value.
  • a description will be given of the result of calculating the repulsive force applied to the laminated iron core, which is difficult to measure by experiments, by simulation.
  • FIG. 6 shows the relationship between the amount of protrusion of the permanent magnet and the repulsive force in the rotor 15 by simulation in consideration of changes in the current applied to the stator (stator) in the operating state of the testing machine.
  • the repulsive force tends to increase as the amount of the permanent magnet popping out from the laminated iron core indicated by the magnet positions (A) to (C) increases, but the end face of the laminated iron core and the permanent magnet In the case where the end faces are matched (B), a negative repulsion occurs as the current decreases.
  • FIG. 7 shows the rotor 15 of FIG. 3 and the enlarged permanent magnet portion.
  • the rotor 15 includes a laminated iron core 12, a permanent magnet 14 that is provided in the laminated iron core 12 and has a through-hole having a substantially triangular corner, and an end plate 16 that holds the inside of the laminated iron core 12. Since the two permanent magnets 14a and 14b are arranged in a substantially V shape so that the facing distance increases toward the outer side in the radial direction of the laminated iron core, the plate-like magnetic body is formed in the V-shaped a region. It's turned over.
  • the mold resin 17 is filled in the gap between the laminated core 12 and the permanent magnet 14 by the injection piston 35. As shown in FIG. The mold resin 17 is filled in a substantially triangular space in the longitudinal direction of the permanent magnet 14. 7B, the mold resin 17 covers the end surface of the permanent magnet 14, and a stopper supporting the permanent magnet 14 is formed as the mold hole 18. As shown in FIG. Next, the process (1st fixing method) which fixes the permanent magnet 14 to the laminated iron core 12 is demonstrated.
  • the forming jig 30 in FIG. 8A includes a base portion 38 that supports the laminated core 12, an extrusion rod 33 that extrudes the molded laminated core 12, and an iron core holder 41 that supports the side surface of the laminated core 12. ,have. Further, the base portion 38 is provided with a stopper 32 for supporting the permanent magnet 14 at the center position of the laminated core 12.
  • FIG. 8B shows a state where the permanent magnet 14 is inserted into the forming jig 30.
  • the end face of the permanent magnet 14 is positioned by the stopper 32 so as to enter the inside at an equal distance from the end face of the laminated core 12.
  • a lid body 34 having an injection piston for injecting a mold resin is installed on the iron core holder 41, and thereafter, the mold resin 36 stored in the injection piston 35 is placed on the laminated core 12.
  • the permanent magnet 14 The injected mold resin 36 flows from the top to the bottom around the permanent magnet 14, and the air around the permanent magnet 14 is discharged from the gap between the base portion 38 and the iron core holder 41.
  • the stopper 32 is provided.
  • the present invention is not limited to this, and a protruding portion that exhibits the same function as the stopper 32 provided on the base portion 38 may be provided below the laminated core 12 itself.
  • the protruding portion uses one or two plate-like magnetic bodies of about 0.2 mm, so that the stopper 32 of the base portion 38 becomes unnecessary.
  • FIG. 10 and 11 show another process for fixing the permanent magnet of the rotor 15.
  • the end face of the permanent magnet 14 is arranged on the inner side than the end face of the laminated core 12 and the permanent magnets are arranged at equal distances from both end faces of the laminated core 12. From this, pressure was applied to hold the laminated core at an intermediate position, and mold holes 18 formed only on the bottom surface were formed on the bottom surface and the top surface. By providing the mold holes 18 on both sides, a uniform magnetic field can be formed on both sides.
  • the 10A includes a base portion 38 that supports the laminated core 12, an extrusion bar 33 for extruding the molded laminated core 12, extrusion means 51 for extruding a permanent magnet, and the laminated core 12.
  • An iron core holder 41 that supports the side surfaces of the iron core.
  • the push-out means 51 includes a slide hole and an O-ring 43 provided in the base portion 38, a pin 42 that fits into the O-ring and is displaced by being pressed by a spring 44, and a plug 45 that presses the spring 44. Yes.
  • FIG. 10B shows a state in which the permanent magnet 14 is inserted into the forming jig 40.
  • the end face of the permanent magnet 14 is pushed out by the pushing means 51.
  • FIG. 11C when a lid 46 having an injection piston 35 for injecting mold resin and an extruding means 52 is installed on the iron core holder 41, a position where equal pressure is applied from above and below. That is, it is positioned so as to enter the inside by an equal distance from the end face of the laminated core 12.
  • the pushing means 51 and 52 have the same pushing force and operate so that the positions where the pressures are balanced are equal distances.
  • the mold resin 36 stored in the injection piston 35 of the lid 46 is injected into the gap between the laminated iron core 12 and the permanent magnet 14.
  • the injected mold resin 36 flows from the top to the bottom around the permanent magnet 14, and the air around the permanent magnet 14 is discharged from the gap between the base portion 38 and the iron core holder 41.
  • the periphery of the permanent magnet 14 is filled with the mold resin 36, and the permanent magnet 14 is fixed to the laminated core 12 as shown in FIG.
  • the pin 42 of the push-out means 51 and the pin 42 of the push-out means 52 move so as to hold the permanent magnet 14 and push out.
  • the laminated iron core 12 is taken out by the rod 33. In this way, the pin 42 can hold the permanent magnet 14 at the center position of the laminated core 12.
  • the permanent magnets are fixed to the laminated core in a balanced manner, and the end plate that protects both end portions of the laminated core is reduced in size and reduced in size and weight. Can be realized.
  • the present embodiment has been described using specific numerical values, these numerical values are affected by the design dimensions of the rotor, and are not limited to these values.

Abstract

【課題】樹脂部材注入穴やプレート部材を設けることなく、永久磁石を積層鉄心にバランス良く固定し、軽量小型化が可能な磁石埋込型の回転子を提供する。 【解決手段】回転子１５は、ケースに固定されたベアリング１３によって回転自在に支持される中空のシャフト１１と、薄い板状磁性体を積層した積層鉄心１２と、積層鉄心１２を両側から押さえるエンドプレート１６（プレート部材）と、積層鉄心１２に設けられた貫通穴に挿入された永久磁石１４と、貫通穴と永久磁石１４との間に充填されたモールド樹脂１７と、積層鉄心片側に形成されたモールド穴１８と、を有している。モールド穴１８は、積層鉄心の端面から約０．２ｍｍ～約１ｍｍ程度のストッパ（所定の引込み量を設定するために設置）で形成されている。

Description

回転子
　本発明は、モータジェネレータの回転子に関し、特に永久磁石が積層鉄心にバランス良く埋め込まれた回転子に関する。
　近年、環境に配慮した電気自動車やエンジンや電気自動車を組み合わせたハイブリッド自動車が実用化され、車両に搭載されたバッテリの電力をモータジェネレータに供給して車両を駆動する電動車両が知られるようになった。このような電動車両に搭載されているモータジェネレータは、発進時や走行時において、バッテリからの電力により駆動力を発生することで車両を加速することができる。また、制動時において、モータジェネレータを発電機として使用することにより車両の運動エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリを充電するという回生ブレーキとして使用することもできる。
　このような電動車両に搭載されるモータジェネレータとしては、界磁磁束の高密度化や回生ブレーキの容易性などから磁気抵抗の非対称性によって生じる駆動トルク（リラクタンストルク）を利用できるように永久磁石を回転子に埋め込んだＩＰＭ型（Interior Permanent Magnet）が用いられることが多い。なお、その他のモータジェネレータとして、永久磁石を回転子の表面に貼り付けたＳＰＭ型(Surface Permanent Magnet)もある。
　従来の回転子の一例として、特許文献１には、板状磁性体を積層して形成した積層鉄心に貫通穴を設け、貫通穴に永久磁石を装着する技術が開示されている。この技術は、永久磁石を貫通穴に装着する際に、積層鉄心や永久磁石の割れや欠けが発生するのを防止すると共に、貫通穴における永久磁石の位置決めを実現するものである。
　特許文献１の回転子は、永久磁石を装着する貫通穴と、貫通穴の積層鉄心の中心側に沿ってそれぞれ延在する注入穴であって、永久磁石と対応する位置で貫通穴と連通して形成された注入穴部と、注入穴部を介して注入され貫通穴と永久磁石の間に充填される樹脂部材と、を有している。さらに、特許文献１には、永久磁石を回転子の所定位置に固定に使用するための治具に永久磁石を載置する突起部を設けることにより、回転子内部に永久磁石をバランス良く固定する技術が開示されている。
　特許文献２には、簡単な装置で確実に回転子の永久磁石を固定して保護することを目的とした回転子が開示されている。特許文献２の回転子は、永久磁石を装着する貫通穴が設けられた積層鉄心と、積層鉄心の端面を覆うプレート部材と、永久磁石の軸方向位置を設定するために、プレート部と永久磁石との間に設けられた樹脂製のスペーサと、永久磁石を回転子に固定する樹脂部材と、を有している。このような構成により、プレート部材によって永久磁石が露出することなく、永久磁石とプレート部材との間に設けたスペーサにより、回転子内部の永久磁石の位置をバランス良く固定することが可能である。
特開２００１－１５７３９４号公報 特開２００７－１５９２２３号公報
　特許文献１では、永久磁石を回転子の積層鋼板に固定するため、永久磁石を挿入する貫通穴の中心軸側に樹脂部材注入穴を設け、貫通穴と樹脂部材注入穴とを連通させて樹脂部材の充填を容易にしている。しかしながら、積層鋼板に樹脂部材注入穴を設けることにより磁界の形成が阻害され、回転子の積層鋼板におけるうず電流損失やヒステリシス損失等のいわゆる鉄損失の増大となる場合がある。
　特許文献２では、積層鉄心を２枚のプレート部材によって両側から押さえる構造が開示されている。しかしながら、更なる回転子の軽量化やコスト低減を行う場合、プレート部材の直径を小さくすると積層鋼板や永久磁石を覆うことができず、積層鋼板の端部のめくれが防止できないことや永久磁石の保護や位置決めが困難となる。また、回転子に設けられた永久磁石を保護する２枚のプレートにより、永久磁石にうず電流損失が発生し、特に、車両の走行性能向上のために高回転数が要求されるモータジェネレータでは懸念事項となる。
　そこで、本発明に係る回転子では、樹脂部材注入穴やプレート部材を設けることなく、永久磁石を積層鉄心にバランス良く固定し、軽量小型化が可能な磁石埋込型の回転子を提供することを目的とする。
　以上のような目的を達成するために、本発明に係る回転子は、板状磁性体を軸方向に積層して形成した積層鉄心と、積層鉄心の端面から軸方向に貫通した複数の穴部であり、周方向に所定の間隔で配置された穴部にそれぞれ挿入された永久磁石と、を有し、積層鉄心の軸方向の長さは永久磁石より長く、積層鉄心の軸方向における中心部に位置するように予め決められた引込み量を設定して永久磁石を配置し、樹脂部材によって永久磁石を穴部に固定することで積層鉄心端部のめくれを防止することを特徴とする。
　また、本発明に係る回転子において、積層鉄心端面から永久磁石端面までの板状磁性体の枚数が表面と裏面からそれぞれ同じ枚数となる位置に永久磁石を配置したことを特徴とする。引込み量は、板状磁性体の１枚から数枚程度であることから、一つの目安として板状磁性体の枚数を用いても好適である。
　また、本発明に係る回転子において、積層鉄心端面から永久磁石端面までに位置する板状磁性体には、隣り合う二つの永久磁石によって挟まれた領域の板状磁性体に負の斥力が働くことを特徴とする。負の斥力を実際に測定することは困難であるが、適切な引込み量を設定することにより、積層鉄心のめくれが減少する結果から斥力が発生していないことは明らかである。
　また、本発明に係る回転子において、樹脂部材は、積層鉄心の端面から軸方向に貫通して形成された穴部に挿入された永久磁石の両端面を塞ぐように充填されていることを特徴とする。さらに、磁界のバランスを取るために、両端面の樹脂部材の充填状態を均等にすることも重要である。
　また、本発明に係る回転子において、複数の永久磁石のうちの二つの永久磁石は、積層鉄心の径方向外側に向かうに従い対向距離が大きくなるように略Ｖ字状に配置され、樹脂部材は各永久磁石の周方向両端に設けられた穴部の隙間と径方向に設けられた隙間とに充填されていることを特徴とする。
　本発明に係る回転子を用いることにより、永久磁石を積層鉄心にバランス良く固定し、積層鉄心の両側端部を保護するエンドプレートを小径化することにより軽量小型化が可能な磁石埋込型の回転子を実現するという効果がある。
本発明の実施形態に係る回転子の断面図である。 本発明の実施形態に係るモータジェネレータシステムの構成図である。 本発明の実施形態に係るモータジェネレータの正面図である。 本発明の実施形態に係るステータコアの巻線を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係る永久磁石の位置と積層鉄心の変形量の関係を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係る永久磁石の飛び出し量と斥力との特性図である。 本発明の実施形態に係る回転子の永久磁石部分を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係る回転子に永久磁石を固定する工程を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係る回転子に永久磁石を固定する工程を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係る回転子の永久磁石を固定する別の工程を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係る回転子の永久磁石を固定する別の工程を説明する説明図である。
　以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
　図１は回転子１５の断面図を示し、図２は図１の回転子１５を有するモータジェネレータシステム１０の構成を示している。図１の回転子１５は、ケースに固定されたベアリング１３によって回転自在に支持される中空のシャフト１１と、薄い板状磁性体を積層した積層鉄心１２と、積層鉄心１２を両側から押さえるエンドプレート１６（プレート部材）と、積層鉄心１２に設けられた貫通穴に所定の引込み量（Ｇ）を設定して挿入された永久磁石１４と、貫通穴と永久磁石１４との間に充填されたモールド樹脂１７と、後述する回転子１５の製造工程で形成されるモールド穴１８と、を有している。なお、エンドプレート１６は、うず電流損失を低減させるため永久磁石１４を覆うことがないように小径化されている。
　図２のモータジェネレータシステム１０は、モータジェネレータ２０と、モータジェネレータ２０に設けられた３相のコイル２２に接続するＵ相，Ｖ相及びＷ相のケーブル２４を介して接続される制御装置３１と、制御装置３１に対して速度やトルク値を指示するＥＣＵ３０と、を有している。また、モータジェネレータ２０は図１に示した回転子１５と、回転子１５を内部に回転自在に収容するステータ２３（固定子）と、を有している。
　本発明に係る回転子１５の特徴的な事項の一つは、図１に示すように回転子１５の積層鉄心１２を覆うエンドプレート１６を小径化することでうず電流損失を低減させることと、回転子１５の軽量化を図ったことである。通常、モータジェネレータ２０の回転子１５は、通電による発熱、高回転時の遠心力及び振動等にさらされるため、発熱と経年変化によるモールド樹脂の割れ等が発生する。このため、エンドプレート１６による保護が無い状態では、特許文献１のようにモールド樹脂注入穴を別途設ける等の対策により永久磁石を積層鉄心に強固に固定する必要があった。
　そこで、本発明に係る回転子１５の特徴的な事項の一つは、エンドプレート１６による保護を無くし、モールド樹脂１７による強固な固定を省略するため、所定の引込み量が設定された永久磁石１４によって積層鉄心端部の板状磁性体に発生する斥力（反発する力）を減少させ、又は、負の斥力（吸引力）にすることにより、積層鉄心のめくれを防止してエンドプレートの小径化を実現している。
　図３はモータジェネレータ２０の正面図を示し、複数のティース２５を有するステータコア２１と、複数の永久磁石１４を有する回転子１５と、を示している。ティース２５の個数は回転子１５に埋設された永久磁石１４の個数の整数倍になるように設けられている。外周方向に開いたＶ字型の永久磁石１４は、回転子１５の外周がＮ極又はＳ極になるように配置され、その内側の極は、逆の極性となるＳ極又はＮ極が配置されている。このように、永久磁石１４は、中心軸を中心としてその径方向に着磁され、永久磁石の極性が隣接する磁石間で反発するように配置されている。また、永久磁石１４の両側には略三角形の空洞が設けられ、後述する樹脂などが封入されている。エンドプレート１６は、永久磁石１４を避けて積層鉄心１２の中心部を覆うものであり、積層鉄心１２の外周部は開放されている。
　図４はステータコア２１の巻線を示している。ステータコア２１には、最外周に配置されたＵ相コイル１０１～１０８と、内周に配置されたＶ相コイル１１１～１１８と、最内周に配置されたＷ相コイル１２１～１２８と、が巻回されている。これらのコイルは、周方向に一定の位相だけずれた位置に配置されている。
　最外周のＵ相コイル１０１～１０４は、Ｕ１端子を一端として直列に接続され、他端が中性点ＵＮ１端子である。同様に最外周のＵ相コイル１０５～１０８は、Ｕ２端子を一端として直列に接続され、他端が中性点ＵＮ２端子である。内周のＶ相コイル１１１～１１４は、Ｖ１端子を一端として直列に接続され、他端が中性点ＶＮ１端子である。同様にＶ相コイル１１５～１１８は、Ｖ２端子を一端として直列に接続され、他端が中性点ＶＮ２端子である。最内周のＷ相コイル１２１～１２４は、Ｗ１端子を一端として直列に接続され、他端が中性点ＷＮ１端子である。同様に最内周のＷ相コイル１２５～１２８は、Ｗ２端子を一端として直列に接続され、他端が中性点ＷＮ２端子である。
　なお、中性点ＵＮ１，ＵＮ２，ＶＮ１，ＶＮ２，ＷＮ１，ＷＮ２は、１点に共通接続されている。また、Ｕ１端子とＵ２端子はＵ相ケーブルに接続され、Ｖ１端子とＶ２端子はＶ相ケーブルに接続され、Ｗ１端子とＷ２端子は、Ｗ相ケーブルに接続されている。以上が、モータジェネレータシステム１０の構成である。
　次に、本発明に係る回転子１５の特性を評価するために行った評価試験について概説する。評価試験は、長時間運転を行う試験機を用い、（Ａ）積層鉄心の内側に永久磁石を配置させた場合や、（Ｂ）積層鉄心の端面と永久磁石の端面を一致させた場合や、（Ｃ）積層鉄心の端面から永久磁石を飛び出させた場合における積層鉄心１２の積層厚み（積厚という）の変化を測定した。
　図５は回転子における永久磁石の位置と積層鉄心の変形量（積厚変形量）の一例を示している。（Ａ）中心位置：積層鉄心の内側に永久磁石を配置するため、積層鉄心の両端面から、例えば、約２ｍｍ程度内側になるように永久磁石を配置したところ、積厚は増加せず、逆に、例えば、約－０．１ｍｍ程度減少した。しかし、（Ｂ）端面一致：積層鉄心の端面と永久磁石の端面を一致させた場合では、積厚は、例えば、約０．２ｍｍ程度増加する結果（めくれが発生）となり、（Ｃ）とび出し：積層鉄心の端面から、例えば、約５ｍｍ程度永久磁石を飛び出させた場合には、例えば、約０．４ｍｍ程度増加する結果（めくれが発生）となった。
　このことから、積層鉄心の端面の内側になるように永久磁石の端面を配置することが好適であり、より好適には、積層鉄心の両端から等しい距離だけ内側となるように永久磁石の端面を配置することが良い。各種条件を変更した複数の実験結果によると、積層鉄心の端面から、例えば、約０．２ｍｍ～約１ｍｍ程度が好適であり、あまり深く配置すると、永久磁石を短くすることになり、モータジェネレータの出力低下となる。
　そこで、本発明に係る回転子は、図１に示すように、ケースに固定されたベアリング１３によって回転自在に支持される中空のシャフト１１と、薄い板状磁性体を積層した積層鉄心１２と、積層鉄心１２を両側から押さえるエンドプレート１６（プレート部材）と、積層鉄心１２に設けられた貫通穴に挿入された永久磁石１４と、貫通穴と永久磁石１４との間に充填されたモールド樹脂１７と、モールド穴１８と、を有している。モールド穴１８は、積層鉄心の端面から約０．２ｍｍ～約１ｍｍ程度のストッパ（所定の引込み量を設定するために設置）で形成されている。なお、上記数値結果は一例であり、積厚変形量は最適な値に設定されることはいうまでもない。次に、実験で測定することが困難である積層鉄心に加わる斥力をシミュレーションにより計算した結果について説明する。
　図６は試験機の運転状況において、ステータ（固定子）に加わる電流の変化を加味し、回転子１５における永久磁石の飛び出し量と斥力との関係をシミュレーションによって求めたものである。図６に示すように、（Ａ）～（Ｃ）の磁石位置によって示した積層鉄心から永久磁石が飛び出す量が大きくなるに従い、斥力は増加する傾向ではあるが、積層鉄心の端面と永久磁石の端面を一致させた場合（Ｂ）では、電流が小さいほど負の斥力が発生する。言い換えると電流値が大きくなるに従い、回転子１５の回転数及びトルクが大きくなることで積層鉄心に加わる斥力が低下し、電流が小さく、かつ引込み量が大きいほど負の斥力である吸引力が発生することを示している。このことから、上述した実験結果と同様な傾向を示している。次に、試験機として使用した回転子１５の永久磁石の取り付け状態について説明する。
　図７は図３の回転子１５と、拡大した永久磁石部分を示している。回転子１５は、積層鉄心１２と、積層鉄心１２に設けられた略三角形の角を持つ貫通穴に入り込む永久磁石１４と、積層鉄心１２の内側を押さえるエンドプレート１６と、を含んでいる。２つの永久磁石１４ａ，１４ｂは、積層鉄心の径方向外側に向かうに従い対向距離が大きくなるように略Ｖ字状に配置されていることから、Ｖ字状のａ領域では、板状磁性体がめくれやくすなっている。
　図７の永久磁石１４ａにおける図７（Ａ）断面拡大図に示すように、モールド樹脂１７が射出ピストン３５によって積層鉄心１２と永久磁石１４との隙間に充填されている。モールド樹脂１７は、永久磁石１４の長手方向の略三角形状の空隙に多く充填されている。また、図７（Ｂ）端面拡大図に示すように、モールド樹脂１７が永久磁石１４の端面を覆い、永久磁石１４を支持しているストッパがモールド穴１８として形成される。次に、積層鉄心１２に永久磁石１４を固定する工程（第１の固定方法）について説明する。
　図８と図９は回転子１５に永久磁石１４を固定する工程を示している。図８（Ａ）の成形治具３０は、積層鉄心１２を支持するベース部３８と、成形後の積層鉄心１２を押し出すための押出し棒３３と、積層鉄心１２の側面を支持する鉄心ホルダ４１と、を有している。また、ベース部３８には、積層鉄心１２の中心位置に永久磁石１４を支持するためのストッパ３２が設けられている。
　図８（Ｂ）は、成形治具３０に永久磁石１４を挿入した状態を示している。永久磁石１４端面は、積層鉄心１２の端面から等しい距離だけ内側に入るようにストッパ３２により位置決めされる。次に、図９（Ｃ）に示すようにモールド樹脂を射出する射出ピストンを有する蓋体３４を鉄心ホルダ４１の上に設置し、その後、射出ピストン３５に蓄えられたモールド樹脂３６を積層鉄心１２と永久磁石１４との隙間に注入する。注入されたモールド樹脂３６は、永久磁石１４の周囲を上から下に流れ、永久磁石１４周囲の空気は、ベース部３８と鉄心ホルダ４１との隙間から排出される。また、注入時において、溶融樹脂により図中の矢印のような力が永久磁石に加わることで永久磁石がストッパ３２に押圧される。これにより、永久磁石１４は所定の引込み量を保ったまま、永久磁石の周囲にモールド樹脂１７が満たされ、図９（Ｄ）に示すように永久磁石１４が積層鉄心１２に固定される。なお、本実施形態ではストッパ３２を設けたが、これに限定するものではなく、ベース部３８に設けたストッパ３２と同様な機能を発揮する飛び出し部を積層鉄心１２自身の下部に設けてもよい。飛び出し部は、例えば、約０．２ｍｍの板状磁性体の１枚又は２枚を使用することで、ベース部３８のストッパ３２は不要となる。
　次に、積層鉄心１２に永久磁石１４を固定する別の工程（第２の固定方法）について概説する。図１０と図１１は回転子１５の永久磁石を固定する別の工程を示している。本実施形態では、積層鉄心１２の端面より永久磁石１４の端面を内側に配置し、積層鉄心１２の両端面から等しい距離に永久磁石を配置することが好適であることから、永久磁石１４上下方向から圧力をかけて積層鉄心の中間位置に保持するとともに、底面にのみできるモールド穴１８を底面と上面に形成することにした。両面にモールド穴１８を設けることにより、両面により均等な磁界を形成することが可能となる。
　図１０（Ａ）の成形治具４０は、積層鉄心１２を支持するベース部３８と、成形後の積層鉄心１２を押し出すための押出し棒３３と、永久磁石を押し出す押出し手段５１と、積層鉄心１２の側面を支持する鉄心ホルダ４１と、を有している。押出し手段５１は、ベース部３８に設けられたスライド穴及びＯリング４３と、Ｏリングに嵌り合いバネ４４によって押圧されて変位するピン４２と、バネ４４を押圧するプラグ４５と、を有している。
　図１０（Ｂ）は、成形治具４０に永久磁石１４を挿入した状態を示している。永久磁石１４端面は、押出し手段５１により押し出されている。次に、図１１（Ｃ）に示すようにモールド樹脂を射出する射出ピストン３５と、押出し手段５２と、を有する蓋体４６を鉄心ホルダ４１の上に設置すると上下方向から等しい圧力が加わった位置、つまり、積層鉄心１２の端面から等しい距離だけ内側に入るように位置決めされる。なお、押出し手段５１，５２は同じ押出し力を有し、圧力が釣り合う位置が等しい距離となるように動作する。
　次に、図１１（Ｃ）において、蓋体４６の射出ピストン３５に蓄えられたモールド樹脂３６を積層鉄心１２と永久磁石１４との隙間に注入する。注入されたモールド樹脂３６は、永久磁石１４の周囲を上から下に流れ、永久磁石１４周囲の空気は、ベース部３８と鉄心ホルダ４１との隙間から排出される。これにより、永久磁石１４の周囲はモールド樹脂３６によって満たされ、図１１（Ｄ）に示すように永久磁石１４が積層鉄心１２に固定される。次に、蓋体４６と押出し棒３３とがほぼ同じタイミングで上昇することにより、押し出し手段５１のピン４２と、押し出し手段５２のピン４２と、は永久磁石１４を保持するように移動し、押出し棒３３により積層鉄心１２が取り出されることになる。このようにして、ピン４２は積層鉄心１２の中心位置に永久磁石１４を保持することができる。
　以上、上述したように、本実施形態に係る回転子を用いることにより、永久磁石を積層鉄心にバランス良く固定し、積層鉄心の両側端部を保護するエンドプレートを小径化することにより軽量小型化が可能な磁石埋込型の回転子を実現できる。なお、本実施形態において、具体的な数値を用いて説明したが、これらの数値は回転子の設計寸法によって影響を受けるものであり、この値に限定するものではない。
　１０　モータジェネレータシステム、１１　シャフト、１２　積層鉄心、１３　ベアリング、１４　永久磁石、１５　回転子、１６　エンドプレート、１７，３６　モールド樹脂、１８　モールド穴、２０　モータジェネレータ、２１　ステータコア、２２　コイル、２３　ステータ、２４　ケーブル、２５　ティース、３０　成形治具、３１　制御装置、３２　ストッパ、３３　押出し棒、３４，４６　蓋体、３５　射出ピストン、３８　ベース部、４０　成形治具、４１　鉄心ホルダ、４２　ピン、４３　リング、４４　バネ、４５　プラグ、５１，５２　押出し手段。

Claims (5)

  1. 　板状磁性体を軸方向に積層して形成した積層鉄心と、
    　積層鉄心の端面から軸方向に貫通した複数の穴部であり、周方向に所定の間隔で配置された穴部にそれぞれ挿入された永久磁石と、
    　を有し、
    　積層鉄心の軸方向の長さは永久磁石より長く、積層鉄心の軸方向における中心部に位置するように予め決められた引込み量を設定して永久磁石を配置し、樹脂部材によって永久磁石を穴部に固定することで積層鉄心端部のめくれを防止する回転子。
  2. 　請求項１に記載の回転子において、
    　積層鉄心端面から永久磁石端面までの板状磁性体の枚数が表面と裏面からそれぞれ同じ枚数となる位置に永久磁石を配置した回転子。
  3. 　請求項２に記載の回転子において、
    　積層鉄心端面から永久磁石端面までに位置する板状磁性体には、隣り合う二つの永久磁石によって挟まれた領域の板状磁性体に負の斥力が働くことを特徴とする回転子。
  4. 　請求項３に記載の回転子において、
    　樹脂部材は、積層鉄心の端面から軸方向に貫通して形成された穴部に挿入された永久磁石の両端面を塞ぐように充填されている回転子。
  5. 　請求項３に記載の回転子において、
    　複数の永久磁石のうちの二つの永久磁石は、積層鉄心の径方向外側に向かうに従い対向距離が大きくなるように略Ｖ字状に配置され、
    　樹脂部材は各永久磁石の周方向両端に設けられた穴部の隙間と径方向に設けられた隙間とに充填されている回転子。
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