WO2021053901A1 - 回転機のエンドプレートの構造 - Google Patents

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拓也 倉澤
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株式会社明電舎
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Definitions

  • the present invention relates to the structure of an end plate that prevents the magnet embedded in the rotor of the rotating machine from scattering.
  • a rotating machine such as an electric motor includes a stator (stator) fixed in a housing and a rotor (rotor) arranged to face each other with a predetermined gap on the inner diameter side of the stator and fixed to a rotor shaft. There is.
  • the rotor 5 includes a core portion 7 in which permanent magnets are installed at a plurality of locations in the circumferential direction, and an end plate 21 fixed to the outer peripheral surface of the rotor shaft so as to sandwich the core portion 7. And have.
  • the magnetic flux B between the rotor 5 and the stator 3 leaks in the axial direction and passes through the end plate 21. Since the leakage magnetic flux F fluctuates according to the influence of the slot shape of the stator 3 and the harmonic current superimposed on the current flowing through the coil 4, an eddy current flows through the outer peripheral portion 21a of the end plate 21 and an eddy current loss occurs. There is a risk of
  • Patent Document 1 a technique of forming an annular recess near the outer periphery of the surface facing the core portion 11a in the end plate 21 and further defining the dimensions with the inside of the annular recess as a space portion to suppress the eddy current.
  • the structure is complicated, there is a risk that the manufacturing process will increase and the cost cannot be suppressed.
  • the present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to suppress an eddy current in the outer peripheral portion of an end plate of a rotating machine with a simple structure.
  • the present invention is arranged at both ends of the rotor shaft of the rotating machine in the axial direction. It is a structure of a pair of end plates that sandwich the core portion of the rotor provided on the outer circumference of the axially intermediate portion of the rotor shaft.
  • the inner peripheral portion of each end plate is formed in a thick-walled shape, while the outer peripheral portion is formed in a thin-walled shape.
  • magnets are arranged at a plurality of locations in the circumferential direction, while The outer peripheral portion is formed in a range from the outer peripheral edge of the end plate to a position corresponding to the magnet on the outermost circumference.
  • the core portion includes magnet accommodating holes formed at a plurality of locations in the circumferential direction, permanent magnets installed in the magnet accommodating holes, and a flux barrier as a magnetic gap continuous with the magnet accommodating holes.
  • the outer peripheral portion is formed in a range from the outer peripheral edge of the end plate to the inner peripheral side at a position corresponding to the outer peripheral portion of the flux barrier.
  • the wall thickness of the outer peripheral portion is formed to be twice or less the skin depth determined by the conductor material and the angular frequency of the electric current.
  • the wall thickness of the outer peripheral portion is set within the range of 1 mm to 2 mm.
  • (A) is an enlarged view showing a cut-off portion of the outer peripheral portion of the end plate
  • (b) is a partial view in the circumferential direction of the end plate
  • (c) is an enlarged view of the Q portion of (b).
  • (A) is a diagram showing an eddy current when the thickness of the conductor is thick
  • (b) is a diagram showing an eddy current when the conductor is thin.
  • the eddy current can be suppressed by reducing the flow path, but the conventional end plate has a thick outer peripheral portion, and the loss (eddy current loss) cannot be suppressed.
  • the eddy current is suppressed by reducing the wall thickness of the outer peripheral portion of the end plate having a large amount of leakage flux in the axial direction, while the wall thickness of the inner peripheral portion used for correcting the balance of the rotor is increased.
  • the shape was taken.
  • the rotating machine 1 is mounted on a vehicle or the like and used as an electric motor or a generator, and has a stator 3 fixed in a housing 2 and a rotor 5 which is arranged to face the inner diameter side with a predetermined gap between the stator 3 and the stator 3.
  • the rotor 5 is fixed to the rotor shaft 6 and is rotatable with respect to the stator 3.
  • the rotor 5 includes a tubular core portion 7 provided on the outer periphery of the axially intermediate portion of the rotor shaft 6, and a pair of the ends fixed to the outer peripheral surface of the rotor shaft 6 so as to sandwich both ends of the core portion 7. It is provided with a plate 8.
  • the core portion 7 is a rotor core 9 formed by laminating magnetic steel plates and a permanent magnet 11 arranged in magnet accommodating holes 10 (see FIG. 3) formed at a plurality of locations in the circumferential direction of the rotor core 9. And a flux barrier 12 as a magnetic gap continuously formed from both ends of the magnet accommodating hole 10.
  • the flux barrier 12 has a rectangular gap body 12a continuous with the magnet accommodating hole 10 and an outer peripheral portion 12b extending in the circumferential direction from the gap body 12a, and has a bridge width P between the rotor outer circumference. Is provided.
  • the configuration of the end plate 8 will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
  • the end plate 8 is made of a metal conductor (conductor) such as aluminum or copper, and the axial displacement of the core portion 7 is regulated by sandwiching the core portion 7 as described above. , The permanent magnet 11 is prevented from scattering.
  • the end plate 8 is formed in a disk shape, a hole 8a for inserting the rotor shaft 6 is formed in the central portion, and the rotor shaft 6 is inserted into the hole 8a and fitted so as to sandwich the core portion 7. ing.
  • the alternating current flowing through the conductor such as the end plate 8 has a high current density J on the surface of the conductor, and the current density J decreases as the distance from the surface increases (skin effect). This skin effect becomes more remarkable as the frequency becomes higher, and the current concentrates on the surface. At this time, the current density J of the conductor decreases with respect to the depth “ ⁇ ” as shown in the equation (1).
  • the “d” in the equation (1) indicates the skin depth, which represents the depth at which the current becomes "1 / e (about 37%)" of the surface current, and most of the current flowing in the conductor is the skin depth. It flows through the inside.
  • the skin depth “d” is determined from the material (material) of the conductor constituting the end plate 8 and the angular frequency of the electric current, and is calculated as in the equation (2).
  • the eddy current is suppressed by forming the wall thickness T of the outer peripheral portion 8b of the end plate 8 to be twice or less the skin depth “d” thereof, and the loss is significantly reduced. I am trying.
  • the lower limit value of the wall thickness T of the outer peripheral portion 8b may be determined in consideration of various circumstances such as the rigidity of the outer peripheral portion 8b.
  • the wall thickness T of the outer peripheral portion 8b in the range of "1 mm to 2 mm".
  • the portion (inner peripheral portion 8c) excluding the outer peripheral portion 8b of the end plate 8 may have a thick wall shape as in the conventional case.
  • FIG. 3A shows a cut-off portion that is a boundary of the outer peripheral portion 8b, and the range from the outer peripheral edge 8d of the end plate 8 to the cut-off portion C is formed as a thin wall as the outer peripheral portion 8b. There is.
  • the cut-off portion C is formed on the inner peripheral side (inner diameter side) at a position corresponding to the outer peripheral portion 12b of the flux barrier 12.
  • the outer peripheral portion 8b is formed in a range from the outer peripheral edge 8d of the end plate 8 to the position corresponding to the outermost permanent magnet 11.
  • FIGS. 4 and 5 The action and effect of the end plate 8 will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
  • Arrows I 1 to I 4 in FIG. 4A indicate eddy currents when the conductor is thick (such as the outer peripheral portion 21a of the conventional end plate 21), and eddy currents I 1 to I 4 flowing through the conductor. Most of the current flows through the depth of the epidermis.
  • the wall thickness T of the outer peripheral portion 8b of the end plate 8 is formed to be twice or less the skin depth as described above. According to this configuration, as shown in FIG. 4B, the current I 1 flowing on the upper surface of the conductor and the current I 3 flowing on the lower surface cancel each other out, so that the eddy currents I 1 to flow in the conductor of the outer peripheral portion 8b I 4 is suppressed, and the loss (eddy current loss) can be significantly reduced.
  • the action and effect of the end plate 8 is also shown in the comparison result of FIG. That is, according to the comparison result of FIG. 5, when the loss ratio of the conventional end plate 21 is set to "100%", the loss ratio of the end plate 8 is reduced by "25%". At this point, the action and effect of the end plate 8 have been confirmed.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified and implemented within the range described in each claim.
  • the wall thickness T of the outer peripheral portion 8b of the end plate 8 is formed to be twice or less the skin depth, but also when the wall thickness T of the outer peripheral portion 8b having a large axial leakage flux is made thin, an eddy current is formed. The effect of current suppression can be obtained.

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Abstract

回転機のエンドプレートでの渦電流の発生を簡易な構造で抑制し、損失の減少を図る。回転機１の一対のエンドプレート８は、ロータ軸６の軸方向両端部に配置され、コア部７を挟み込んでいる。このエンドプレート８の内周部８ｃは厚肉状に形成されている一方、外周部８ｂは薄肉状に形成されている。具体的には外周部８ｂの肉厚Ｔは、導体材料と電流の角周波数から定まる表皮深さの二倍以下に形成されている。

Description

回転機のエンドプレートの構造
　本発明は、回転機のロータに埋め込まれた磁石の飛散を防止するエンドプレートの構造に関する。
　電動機などの回転機は、ハウジング内に固定されたステータ（固定子）と、ステータの内径側に所定の空隙をおいて対向配置されてロータ軸に固定されたロータ（回転子）とを備えている。
　図６に基づき概略を説明すれば、ロータ５は周方向の複数個所に永久磁石が設置されたコア部７と、コア部７を挟み込むように前記ロータ軸の外周面に固定されたエンドプレート２１とを備えている。
特開２００９－２３２５３５
　ロータ５の軸方向の端部では、図７中の矢印Ｆに示すように、ロータ５・ステータ３間の磁束Ｂが軸方向に漏れ、エンドプレート２１を通過する。この漏洩磁束Ｆは、ステータ３のスロット形状の影響やコイル４を流れる電流に重畳する高調波電流に応じて変動するため、エンドプレート２１の外周部２１ａに渦電流が流れ、渦電流損が発生するおそれがある。
　そこで、特許文献１のようにエンドプレート２１においてコア部１１ａとの対向面の外周寄りに環状凹部を形成し、さらに環状凹部の内側を空間部として寸法を規定することで渦電流を抑制する技術が提案されているが、構造が複雑なため、製造工程が増加しコストの抑制が図れないおそれある。
　本発明は、このような従来の問題を解決するためになされ、回転機のエンドプレートの外周部における渦電流を簡単な構造で抑制することを解決課題としている。
　（１）本発明は、回転機の回転子軸の軸方向両端部に配置され、
　前記回転子軸の軸方向中間部の外周に設けられたロータのコア部を挟み込む一対のエンドプレートの構造であって、
　前記各エンドプレートの内周部が厚肉状に形成されている一方、外周部が薄肉状に形成されている。
　（２）本発明の一態様において、
　前記コア部は、複数個所に磁石が周方向に配置されている一方、
　前記外周部は、前記エンドプレートの外周縁から最外周の前記磁石に応じた位置までの範囲に形成されている。
　（３）本発明の他の態様において、
　前記コア部は、周方向の複数個所に形成された磁石収容孔と、該磁石収容孔に設置された永久磁石と、前記磁石収容孔に連続する磁気的空隙としてのフラックスバリアとを備える一方、
　前記外周部は、前記エンドプレートの外周縁から前記フラックスバリアの外周部分に応じた位置の内周側までの範囲に形成されている。
　（４）本発明のさらに他の態様において、前記外周部の肉厚は、導体材料と電流の角周波数とから定まる表皮深さの二倍以下に形成されている。
　（５）本発明のさらに他の態様において、前記外周部の肉厚は、１ｍｍ～２ｍｍの範囲内に設定されている。
　本発明によれば、回転機のエンドプレートの外周部における渦電流を簡単な構造で抑制することが可能となる。
本発明の実施形態に係るエンドプレートが適用された回転機の縦断面図。 同　エンドプレートの外周部の拡大図。 （ａ）は同エンドプレートの外周部の切落し部を示す拡大図、（ｂ）は同エンドプレートの円周方向の部分図、（ｃ）は（ｂ）のＱ部拡大図。 （ａ）は導体の肉厚が厚い場合の渦電流を示す図、（ｂ）は同薄い場合の渦電流を示す図。 損失削減率を示すグラフ。 従来のエンドプレートの外周部の拡大図。 同　漏洩磁束を示す拡大図。
　以下、本発明の実施形態を説明する。ここで渦電流は、流れる経路を小さくすることで抑制可能なものの、従来のエンドプレートは外周部が厚く、損失（渦電流損）の抑制ができていない。
　そこで、本実施形態では、軸方向の漏れ磁束の多いエンドプレートの外周部の肉厚を薄くすることで渦電流を抑制する一方、ロータのバランス修正などで使用する内周部の肉厚を厚い形状とした。
　まず、図１に基づき本実施形態に係る前記エンドプレートの適用された回転機を説明する。この回転機１は、車両などに搭載されて電動機や発電機として使用され、ハウジング２内に固定されたステータ３と、ステータ３と所定の空隙をおいて内径側に対向配置されたロータ５とを備え、ロータ５はロータ軸６に固定され、ステータ３に対して回転可能となっている。
　ロータ５は、ロータ軸６の軸方向中間部の外周に設けられた筒状のコア部７と、コア部７の両端部を挟み込むようにロータ軸６の外周面に固定された一対の前記エンドプレート８とを備えている。このコア部７は、磁性鋼板を積層して構成されたロータ鉄心９と、ロータ鉄心９の周方向の複数個所の形成された磁石収容孔１０（図３参照）内に配置された永久磁石１１と、磁石収容孔１０の両端部から連続形成された磁気的空隙としてのフラックスバリア１２とを備えている。
　なお、フラックスバリア１２は、磁石収容孔１０に連続する矩形状の空隙本体１２ａと、空隙本体１２ａから周方向に延設された外周部分１２ｂとを有し、ロータ外周との間にブリッジ幅Ｐが設けられている。
　≪エンドプレート８の構成≫
　つぎに図１～図３に基づき前記エンドプレート８の構成を説明する。具体的には前記エンドプレート８は、例えばアルミニウムや銅などの金属製の導電体（導体）により構成され、前述のようにコア部７を挟み込むことでコア部７の軸方向の変位を規制し、永久磁石１１の飛散を防止している。また、前記エンドプレート８は円盤状に形成され、中心部にロータ軸６を挿入する孔部８ａが形成され、孔部８ａにロータ軸６を挿入してコア部７を挟み込むように外嵌されている。
　前記エンドプレート８などの導体を流れる交流電流は、導体の表面で電流密度Ｊが高く、表面から離れると電流密度Ｊが低くなる（表皮効果）。この表皮効果は、特に周波数が高くなるほど顕著となり、電流が表面に集中する。このとき導体の電流密度Ｊは、深さ「σ」に対して式（１）に示すように減少する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　式（１）中の「ｄ」は表皮深さを示し、これは電流が表面電流の「１／ｅ（約３７％）」になる深さを表し、導体内を流れる電流の多くは表皮深さ内を流れる。この表皮深さ「ｄ」は、前記エンドプレート８を構成する導体の材質（材料）と電流の角周波数から定まり、式（２）のように計算される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　そこで、図２に示すように、前記エンドプレート８の外周部８ｂの肉厚Ｔを、その表皮深さ「ｄ」の二倍以下に形成することで渦電流を抑制し、損失の大幅な減少を図っている。このとき外周部８ｂの肉厚Ｔの下限値は、外周部８ｂの剛性などの諸事情を考慮して定めればよい。
　例えばアルミ製の前記エンドプレート８であれば、キャリア周波数「５ｋＨｚ」以上の場合、外周部８ｂの肉厚Ｔを「１ｍｍ～２ｍｍ」の範囲に形成することが好ましい。なお、前記エンドプレート８の外周部８ｂを除く部分（内周部８ｃ）は、従来通りの厚肉状としてもよいものとする。
　図３に基づき外周部８ｂの具体的位置を説明する。図３（ａ）中のＣは、外周部８ｂの境界となる切落し部を示し、前記エンドプレート８の外周縁８ｄから切落し部Ｃまでの範囲が外周部８ｂとして薄肉状に形成されている。
　この切落し部Ｃは、図３（ｃ）中の矢印Ｒに示すように、フラックスバリア１２の外周部分１２ｂに応じた位置の内周側（内径側）に形成されている。このときフラックスバリア１２は磁石収容孔１０に連続するため、外周部８ｂは前記エンドプレート８の外周縁８ｄから最外周の永久磁石１１に応じた位置までの範囲に形成されているといえる。
　≪作用効果≫
　図４および図５に基づき前記エンドプレート８による作用効果を説明する。図４（ａ）中の矢印Ｉ1～Ｉ4は、導体の肉厚が厚い場合（従来のエンドプレート２１の外周部２１ａなど）の渦電流を示し、導体を流れる渦電流Ｉ1～Ｉ4の大部分が表皮深さの部分を流れている。
　そこで前記エンドプレート８の外周部８ｂの肉厚Ｔを、前述のように表皮深さの二倍以下に形成した。この構成によれば、図４（ｂ）に示すように、導体の上面を流れる電流Ｉ1と下面を流れる電流Ｉ3とが互いに打ち消しあうため、外周部８ｂの導体を流れる渦電流Ｉ1～Ｉ4が抑制され、損失（渦電流損）を大幅に減少させることが可能となる。
　その結果、特許文献１のように複雑な構造を採用する必要が無く、エンドプレート８の外周部８ｂにおける渦電流を簡単（シンプル）な構造で抑制でき、この点で製造工程が簡素化でき、またコストの抑制を図ることもできる。
　このような前記エンドプレート８の作用効果は、図５の比較結果にも示されている。すなわち、図５の比較結果によれば、従来のエンドプレート２１の損失比率を「１００％」とした場合、前記エンドプレート８の損失比率は「２５％」削減されている。この点で前記エンドプレート８の作用効果が確認されている。
　なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載刺された範囲内で変形して実施することができる。例えば前記エンドプレート８の外周部８ｂの肉厚Ｔを表皮深さの二倍以下に形成した場合に限らず、軸方向の漏れ磁束の多い外周部８ｂの肉厚Ｔを薄肉状するだけでも渦電流抑制による効果を得ることができる。
　１…回転機
　２…ハウジング
　３…ステータ
　４…コイル
　５…ロータ
　６…ロータ軸
　７…コア部
　８…エンドプレート
　８ａ…中心孔
　８ｂ…外周部
　８ｃ…内周部
　８ｄ…外周縁
　１０…磁石収容孔
　１１…永久磁石
　１２…フラックスバリア
　１２ａ…空隙本体
　１２ｂ…外周部分
　１３…コア部の外周縁

Claims (5)

  1. 　回転機の回転子軸の軸方向両端部に配置され、
    　前記回転子軸の軸方向中間部の外周に設けられたロータのコア部を挟み込む一対のエンドプレートの構造であって、
    　前記各エンドプレートの内周部が厚肉状に形成されている一方、外周部が薄肉状に形成されている
    　エンドプレートの構造。
  2. 　前記コア部は、複数個所に磁石が周方向に配置されている一方、
    　前記外周部は、前記エンドプレートの外周縁から最外周の前記磁石に応じた位置までの範囲に形成されている
    　請求項１に記載された回転機のエンドプレートの構造。
  3. 　前記コア部は、周方向の複数個所に形成された磁石収容孔と、該磁石収容孔に設置された永久磁石と、前記磁石収容孔に連続する磁気的空隙としてのフラックスバリアとを備える一方、
    　前記外周部は、前記エンドプレートの外周縁から前記フラックスバリアの外周部分に応じた位置の内周側までの範囲に形成されている
    　請求項２に記載された回転機のエンドプレートの構造。
  4. 　前記外周部の肉厚は、導体材料と電流の角周波数とから定まる表皮深さの二倍以下に形成されている
    　請求項１～３のいずれかに記載された回転機のエンドプレートの構造。
  5. 　前記外周部の肉厚は、１ｍｍ～２ｍｍの範囲内に設定されている
    　請求項１～４のいずれかに記載された回転機のエンドプレートの構造。
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