JP2008187804A - 回転子およびこの回転子を備えた回転電機 - Google Patents
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Abstract
【課題】ロータコアとシャフトとが一体的に回転するときに、ロータコアの一部に大きな応力集中や回転モーメントが集中することを抑制して、鉄損の抑制が図られた回転子および回転電機を提供する。
【解決手段】モータは、周面にキー溝58aが形成された回転シャフト58と、回転シャフト58を受け入れ可能な貫通孔20aと、貫通孔20aを規定する内表面に形成され、キー溝58aに嵌合可能なキー部42とを有するロータコアと、貫通孔20aを規定するロータコアの内表面のうち、キー部42と隣り合う位置に形成され、回転シャフト58の周面から離れるように凹まされた応力緩和溝40、140とを備え、貫通孔20aの内表面は円弧状に形成され、応力緩和溝40、140の内表面のうち、径方向外方に位置する応力緩和溝40、140の底面R1,R11は、貫通孔20aを規定する中心101を中心101とする円弧部を有する。
【選択図】図5
【解決手段】モータは、周面にキー溝58aが形成された回転シャフト58と、回転シャフト58を受け入れ可能な貫通孔20aと、貫通孔20aを規定する内表面に形成され、キー溝58aに嵌合可能なキー部42とを有するロータコアと、貫通孔20aを規定するロータコアの内表面のうち、キー部42と隣り合う位置に形成され、回転シャフト58の周面から離れるように凹まされた応力緩和溝40、140とを備え、貫通孔20aの内表面は円弧状に形成され、応力緩和溝40、140の内表面のうち、径方向外方に位置する応力緩和溝40、140の底面R1,R11は、貫通孔20aを規定する中心101を中心101とする円弧部を有する。
【選択図】図5
Description
本発明は、回転子およびこの回転子を備えた回転電機に関し、特に、ロータコアに形成されたキー部材が回転シャフトのキー溝に嵌合する回転子およびこの回転子を有する回転電機に関する。
従来から、回転電機の回転子において、ロータコアと回転シャフトとの嵌合方法について各種提案されている。
たとえば、特開2004−32943号公報に記載された回転子においては、回転子の内壁に回転子中心へ向けて延びるキー部材と、シャフトの外壁に形成されたキー溝とを有し、キー溝とキー部材とは、両者が嵌み合う過程で一方に対する他方の周方向への回転が許容されるように形成されている。
この回転子においては、ロータコアと回転シャフトとを嵌合させる際に、ロータコアと回転シャフトとの間に生じる応力の低減が図られている。
また、特開2006−217770号公報に記載された回転子は、貫通孔が形成された複数の薄板鋼板を積層して形成されたロータコアと、このローアコアの中央に形成された嵌入穴に圧入されるシャフトとを備えている。そして、薄板鋼板の貫通孔を形成し、これら貫通孔の小径部と大径部が軸方向に交互に配置されるように上記薄板鋼板を積層して上記ロータコアが形成されている。さらに、ロータコアの嵌入穴に、外周面に凹凸部を形成したシャフトを圧入してモータの回転子が構成されている。
特開2004−32943号公報
特開2006−217770号公報
特公平4−52056号公報
しかし、上記従来の特開2004−32943号公報に記載された回転子においては、ロータコアとシャフトとが一体的に回転するときに、キー部材に応力が集中して、鉄損が問題となる。
また、他の特開2006−217770号公報や特公平4−52056号公報には、ロータコアとシャフトとが一体的に回転するときに、キー部材に応力が集中して、鉄損が問題となることについて、何等記載も示唆となる記載もない。
ここで、キー部材に応力が集中することを抑制するために、たとえば、ロータコアの表面のうち、キー部材と隣り合う位置に、回転シャフトの表面から離れるように凹まされた溝部を形成することで、キー部材とキー溝との間に大きな応力が生じることを抑制する方法が考えられる。
しかし、このような溝部を形成した場合においても、溝部の形状によっては、溝部を規定するロータコアの内表面の一部にモーメントが集中し、鉄損が問題となる。
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ロータコアとシャフトとが一体的に回転するときに、ロータコアの一部に大きな応力集中やモーメントが集中することを抑制して、鉄損の抑制が図られた回転子および回転電機を提供することである。
本発明に係る回転子は、周面に凹部が形成された回転シャフトと、回転シャフトを受け入れ可能な穴部と、穴部を規定する内表面に形成され、凹部に嵌合可能な突出部とを有するロータコアとを備える。また、この回転子は、穴部を規定するロータコアの内表面のうち、突出部と隣り合う位置に形成され、回転シャフトの周面から離れるように凹まされた応力緩和溝とを備える。そして、上記穴部を規定するロータコアの内表面は円弧状に形成され、上記応力緩和溝を規定するロータコアの内表面のうち、ロータコアの径方向外方に位置する応力緩和溝の底面は、穴部の内表面を規定する中心を中心とする円弧部を有する。
好ましくは、上記応力緩和溝は、突出部の側面に連設された第1内側面と、第1内側面に対して周方向に対向する第2内側面とを有し、第2内側面は、底面に連設された側壁円弧部と、該側壁円弧部と穴部を規定するロータコアの内周面とを連設する連設壁部とを有し、連設壁部は、ロータコアの径方向に向けて延びる。
好ましくは、上記応力緩和溝は、突出部の両側に位置するロータコアの内表面に形成される。
本発明に係る回転電機は、上記回転子を有する。
本発明に係る回転子および回転電機によれば、ロータコアとシャフトとが一体的に回転するときに、ロータコアの一部に大きな応力集中やモーメントが集中することを抑制して、鉄損の抑制を図ることができる。
図1から図9を用いて、本実施の形態に係るロータおよび回転電機について説明する。なお、同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。図1は、ハイブリッド自動車に搭載されるモータを模式的に表わした断面図である。図中のモータを搭載するハイブリッド自動車は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な2次電池(バッテリ)とを動力源とする。
図1を参照して、モータ(回転電機)100は、IPMロータ(回転子)10と、IPMロータ10の外周上に配設されたステータ50とを備える。IPMロータ10は、中心軸101を中心に回転する回転シャフト58を備えている。
IPMロータ10は、ロータコア20と、ロータコア20に埋設された永久磁石31と、ロータコア20に対して永久磁石31を保持する図示しない保持部材とを含む。ロータコア20は、中心軸101に沿って円筒状に延びる形状を有する。ロータコア20は、中心軸101の軸方向に積層された複数の電磁鋼板21を含む。
ステータ50は、ステータコア55と、ステータコア55に巻回されたコイル51とを含む。ステータコア55は、中心軸101の軸方向に積層された複数の電磁鋼板52を含む。なお、ロータコア20およびステータコア55は、電磁鋼板に限定されず、たとえば圧粉磁心等の磁性材料から形成されても良い。
コイル51は、3相ケーブル60によって制御装置70に電気的に接続されている。3相ケーブル60は、U相ケーブル61、V相ケーブル62およびW相ケーブル63からなる。コイル51は、U相コイル、V相コイルおよびW相コイルからなり、これらの3つのコイルの端子に、それぞれ、U相ケーブル61、V相ケーブル62およびW相ケーブル63が接続されている。
制御装置70には、ハイブリッド自動車に搭載されたECU(Electrical Control Unit)80から、モータ100が出力すべきトルク指令値が送られる。制御装置70は、そ
のトルク指令値によって指定されたトルクを出力するためのモータ制御電流を生成し、そのモータ制御電流を、3相ケーブル60を介してコイル51に供給する。
のトルク指令値によって指定されたトルクを出力するためのモータ制御電流を生成し、そのモータ制御電流を、3相ケーブル60を介してコイル51に供給する。
図2は、図1のII−II線上に沿ったステータの端面図である。図中には、モータの巻線構造が模式的に表わされている。
図1および図2を参照して、ステータコア55は、中心軸101に沿って円筒状に延びる形状を有する。ステータコア55は、中心軸101を中心としてその周方向に配列された複数のティース1を内周面に含む。本実施の形態では、ステータコア55は、48個のティース1を有する。
コイル51は、U相コイルを構成するコイル510〜517、V相コイルを構成するコ
イル520〜527およびW相コイルを構成するコイル530〜537からなる。コイル510〜517,520〜527,530〜537の各々は、周方向に連続する複数のティース1に巻回されている。コイル510〜517は、最外周に配置されている。コイル520〜527は、コイル510〜517の内側であって、それぞれ、コイル510〜517に対して周方向に一定の位相だけずれた位置に配置されている。コイル530〜537は、コイル520〜527の内側であって、それぞれ、コイル520〜527に対して周方向に一定の位相だけずれた位置に配置されている。
イル520〜527およびW相コイルを構成するコイル530〜537からなる。コイル510〜517,520〜527,530〜537の各々は、周方向に連続する複数のティース1に巻回されている。コイル510〜517は、最外周に配置されている。コイル520〜527は、コイル510〜517の内側であって、それぞれ、コイル510〜517に対して周方向に一定の位相だけずれた位置に配置されている。コイル530〜537は、コイル520〜527の内側であって、それぞれ、コイル520〜527に対して周方向に一定の位相だけずれた位置に配置されている。
コイル510〜513は、直列に接続されており、その一方端が端子U1であり、他方端が中性点UN1である。コイル514〜517は、直列に接続されており、その一方端が端子U2であり、他方端が中性点UN2である。
コイル520〜523は、直列に接続されており、その一方端が端子V1であり、他方端が中性点VN1である。コイル524〜527は、直列に接続されており、その一方端が端子V2であり、他方端が中性点VN2である。
コイル530〜533は、直列に接続されており、その一方端が端子W1であり、他方端が中性点WN1である。コイル534〜537は、直列に接続されており、その一方端が端子W2であり、他方端が中性点WN2である。
中性点UN1,UN2,VN1,VN2,WN1,WN2は、1点に共通接続されている。端子U1,U2は、3相ケーブル60のU相ケーブル61に接続され、端子V1,V2は、V相ケーブル62に接続され、端子W1,W2は、W相ケーブル63に接続されている。
図3は、図1中のIII−III線上に沿ったモータの断面図である。図3を参照して、永久磁石31は、中心軸101を中心としてその周方向に沿って複数、配設されている。本実施の形態では、8個の永久磁石31が配設されている。永久磁石31は、略直方体形状を有する。永久磁石31は、中心軸101の軸方向から見た場合に略矩形形状を有する。
永久磁石31A,31C,31E,31Gは、ロータコア20の外周側がN極になるように配置されている。永久磁石31B,31D,31F,31Hは、ロータコア20の外周側がS極になるように配置されている。このように、永久磁石31は、中心軸101を中心としてその径方向に着磁され、磁石の極性が隣接する磁石間で反転するように配設されている。図2に示すコイル510〜517,520〜527,530〜537は、これらの永久磁石31(31A〜31H)に対向するように配置されている。
ティース1の個数は、ロータコア20に埋設された永久磁石31の個数の整数倍になるように決定される。ティース1および永久磁石31の個数は、本実施の形態に挙げた数に限定されない。
図4は、ロータコア20と回転シャフト58との係合部分を示す断面図である。この図4に示すように、回転シャフト58は、円柱状に形成されており、その周面には、軸方向に延びるキー溝(凹部)58aが形成されている。
ロータコア20は、円環状に形成されており、その中央部には、軸方向に延びる貫通孔(穴部)20aが形成されている。
この貫通孔20aを規定するロータコア20の内周面には、軸方向に延びるキー部(突出部)42が形成されている。キー部42は、径方向内方に向けて突出しており、キー溝58aに嵌合可能とされている。
貫通孔20aを規定するロータコア20の内周面のうち、キー部42と隣り合う部分は、ロータコア20の径方向外方に向けて凹む応力緩和溝40、140が形成されている。この応力緩和溝40、140は、キー部42の両隣に設けられており、ロータコア20に挿入された回転シャフト58の周面から離れるように凹んでいる。そして、応力緩和溝40、140を規定するロータコア20の内表面は、回転シャフト58の表面から離間しており、回転シャフト58から直接応力が加えられないようになっている。
図5は、応力緩和溝40、140およびその周囲の構成を詳細に示す模式図である。この図5に示すように、キー溝58aは、回転シャフト58の周面58bに形成されている。
キー溝58aは、周面58bに対して、径方向内方に向けて凹むように形成されている。そして、このキー溝58aの内表面は、最も径方向内方に位置する底面158bと、この底面158bに連設された側面158a、158cとを備えている。
キー部42の周面は、最も径方向内方に位置する端面42bと、この端面42bに連設された側面42a、42cとを備えている。そして、キー部42がキー溝58aと嵌合すると、キー部42の側面42aと、キー溝58aの側面158aとが接触し、さらに、キー部42の側面42cとキー溝58aの側面158cとが接触する。
これにより、回転シャフト58と、ロータコア20とが周方向に係合して、ロータコア20に生じる回転力が回転シャフト58に伝達される。
ここで、ロータコア20の貫通孔20aの内周面のうち、応力緩和溝40、140に対して、底面158bと反対側に位置する部分は、中心軸101を中心として半径rinとする円の一部によって規定されている。
応力緩和溝40、140の内周面のうち、最も径方向外方に位置する底面R1、R11
も、中心軸101を中心として半径rh(>rin)の円の一部によって規定されている。
も、中心軸101を中心として半径rh(>rin)の円の一部によって規定されている。
このため、ロータコア20および回転シャフト58とが周方向に回転することで、応力緩和溝40、140の底面R1、R11に生じる遠心力は、中心軸101を中心して放射状に分布する。ここで、上記のように底面R1、R11は、中心軸101を中心とする円弧状に形成されているため、遠心力は、底面R1、R11に対して垂直に働くことになる。
このため、応力緩和溝40、140の底面R1、R11に遠心力による曲げモーメントなどが生じることを抑制することができる。すなわち、応力緩和溝40、140の底面R1、R11を規定するロータコア20の内表面には、この内表面をに対して垂直な方向に向けて引張力が働くことになる。ここで、ロータコア20は、環状の薄板鋼板から形成されており、上記のような径方向の引張力には、剛性が高く、変形し難くなっている。
このように、応力緩和溝40を規定するロータコア20の内表面のうち、少なくとも、応力緩和溝40、140の底面R1、R11が位置する部分に大きなモーメントが生じることを抑制することができる。このように、モーメントの低減を図ることで、ロータコア20のうち、底面R1、R11が位置する領域において、変位などの発生を抑制することができ、耐遠心力の向上および鉄損の低減を図ることができる。なお、本実施の形態においては、底面R1、R11の全面を上記のような円弧状に形成したが、これに限られず、上記のような円弧部を底面R1、R11の一部としてもよい。
応力緩和溝40の底面R1に対して周方向に位置する部分には、キー部42の側面42aに連設された側壁部(第1内側面)R3と、この側壁部R3に対して周方向に位置する側壁部(第2内側面)R2とが設けられている。また、応力緩和溝140の底面R11に対して、周方向に位置する部分には、キー部42の側面42cに連設された側壁部R13と、この側壁部R13に対して、周方向に位置する側壁部R12とが設けられている。
そして、側壁部R2は、底面R1の端部に連設された円弧部(側壁円弧部)R5と、この円弧部R5に連設された連設壁部H1とを備えている。また、側壁部R12は、底面R11の端部に連設された円弧部R15と、この円弧部R15に連設された連設壁部H11とを備えている。
円弧部R5と反対側に位置する連設壁部H1の端部は、貫通孔20aの内周面に連設されている。この連設壁部H1の少なくとも一部は、ロータコア20および回転シャフト58の中心軸101に向けて延びている。
このため、回転シャフト58およびロータコア20が周方向に回転したときに、ロータコア20に生じる遠心力のベクトルと、連設壁部H1の延在方向とは一致している。これにより、ロータコア20が回転することにより生じる遠心力は、連設壁部H1を規定するロータコア20の表面に対して交差する方向には働かず、連設壁部H1を規定するロータコア20の表面を径方向に引張するように働く。
これにより、連設壁部H1と円弧部R5と境界位置P3に、連設壁部H1に加えられる遠心力によって曲げモーメントが生じることを抑制することができる。さらに、境界位置P3に生じるモーメントを低減することができるので、円弧部R5と底面R1との境界位置P2に生じるモーメントも低減することができる。
応力緩和溝40が位置するロータコア20の内表面のうち、側壁部R2が位置する部分に大きなモーメントが発生することを抑制することができ、鉄損を低減することができる。
ここで、円弧部R5は、上記のような連設壁部H1と底面R1とを連設するように、ロータコア20の径方向外方に向けて突出するように湾曲している。このように、底面R1と側壁部R2とは、滑らかな円弧部R5によって連設されているため、境界位置P2の応力集中を抑制することができる。
応力緩和溝40、140の側壁部R3、R13は、キー部42の付根部142の側面に位置しており、この側壁部R3、R13を規定するロータコア20の内表面は、回転シャフト58の表面から離間しており、回転シャフト58から直接応力が加えられないようになっている。このため、キー溝58aを規定する回転シャフト58の内表面から、付根部142に直接応力が加えられないので、付根部142およびその近傍に変位が生じることを抑制することができる。
ここで、キー部42に対して、応力緩和溝40と反対側にも、応力緩和溝140が設けられており、この応力緩和溝140は、キー部42を中心として、応力緩和溝40と対称的に形成されている。
そして、応力緩和溝40は、キー部42の付根部142の一側面を規定する側壁部R3を備えており、応力緩和溝140も、キー部42の付根部142の他方の側面を規定するR13を備えている。
側壁部R3は、キー部42の側面42aに連設する連設壁部H2と、この連設壁部H2に連設され、底面R1に連設する円弧部R4とを備えている。また、側壁部R13も、キー部42の側面42cに連設する連設壁部H12と、この連設壁部H12に連設する円弧部R14を備えている。
そして、側壁部R13の円弧部R14と、側壁部R3の円弧部R4とは、キー部42の端面42bから付根部142側に向かうに従って、互いに離れるように、湾曲している。
すなわち、キー部42は、端面42b側から付根部142側に向かうに従って、周方向の幅が大きくなるように形成されている。
このため、キー溝58aを規定する回転シャフト58からキー部42に応力が加えられることで、付根部142にモーメントが生じても、良好に堪えうることが可能な程度の剛性が確保されている。
ここで、連設壁部H2は、径方向に向けて延在している。このため、連設壁部H2に生じる遠心力の殆どは、連設壁部H2を径方向に引張するように作用する。これにより、連設壁部H2と円弧部R4との境界位置P4には、連設壁部H2に及ぼされる遠心力によって加えられる曲げモーメントを低減することができる。そして、ロータコア20と回転シャフト58とが一体的に回転することにより、ロータコア20内に欠陥や変位が生じることを抑制することができ、鉄損を低減することができる。
ロータコア20および回転シャフト58が回転することによりロータコア20に生じる遠心力のベクトルは、円弧部R4の内周面に対して90度と異なる角度で交差する。
このため、円弧部R4と底面R1との境界位置P1には、円弧部R4に加えられる遠心力によって曲げモーメントがかかる。また、円弧部R5と底面R1との境界位置P2には、円弧部R5に加えられる遠心力によって曲げモーメントがかかる。ここで、この境界位置P1と境界位置P2との間には、底面R1が位置しており、各モーメントが一部に集中することを抑制することができる。
このように、応力緩和溝40のうち、曲げモーメントが生じる部分を底面R1の両端部側に分散させることができる。さらに、境界位置P2に加えられる曲げモーメントは、円弧部R5に加えられる遠心力によるものであり、小さく抑えられている。また、境界位置P4に加えられる曲げモーメントも、同様に円弧部R4に加えられる遠心力によるものであり、小さく抑えられている。
なお、上記応力緩和溝140も応力緩和溝40と同様に構成されているため、この応力緩和溝140も、上記のように応力緩和溝40と同様の作用を得ることができる。
図6は、図5に示す応力緩和溝40を備えたロータコア20に生じる応力分布を示すシミュレーション結果である。この図6において、領域M0から領域M8に向かうに従って、応力が小さくなり、領域M0が最も高い応力が分布しており、領域M8が最も小さい応力が分布する領域である。
この図6に示すように、応力緩和溝40の内周面において、曲げモーメントや応力が生じる部分を複数箇所に分散していることが分かる。これにより、ロータコア20内に変位や欠陥の発生を抑制することができ、同じ材質のコアの耐遠心力の向上および鉄損の抑制を図ることができる。これにより、図1に示すモータ100の効率向上を図ることができる。
図7は、図4に示す応力緩和溝40の開口角度θを横軸にとり、縦軸にロータコア20に生じる応力をとったグラフである。この図7に示すように、開口角度θをたとえば、10度以上とすることで、境界位置P1にかかる応力を低減することができることが分かる。
図8は、応力緩和溝40の形状に関する変形例を示す断面図であり、図9は、図8に示された応力緩和溝40を規定するロータコア20に生じる応力分布を示すシミュレーション結果である。
図8に示す応力緩和溝40は、側壁部R2と側壁部R3とを直接連設させたものであって、境界位置P5の内表面の接線と、境界位置P5と中心軸101とを通る線分とは、直交する。図9に示されるように、側壁部R2と側壁部R3との境界位置P5を中心として広範囲に応力が分布していることが分かる。
図8に示す応力緩和溝40は、側壁部R2と側壁部R3とを直接連設させたものであって、境界位置P5の内表面の接線と、境界位置P5と中心軸101とを通る線分とは、直交する。図9に示されるように、側壁部R2と側壁部R3との境界位置P5を中心として広範囲に応力が分布していることが分かる。
ここで、図8に示す応力緩和溝40においても、境界位置P5に加えられる曲げモーメントは、円弧部R4,R5に加えられる遠心力によるものであり、連設壁部H1、H2に加えられる遠心力は、曲げモーメントに寄与しない。
このため、境界位置P5にかかる曲げモーメントも、小さく抑えることができ、ロータコア20内に欠陥や変位の発生を抑制することができ、鉄損の低減を図ることができる。
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。さらに、上記数値などは、例示であり、上記数値および範囲にかぎられない。
本発明は、回転子およびこの回転子を備えた回転電機に適用することができ、特に、ロータコアに回転シャフトが挿入された回転子および回転電機に好適である。
10 ロータ(回転子)、20 ロータコア、40 応力緩和溝、42 キー部、50 ステータ、51 コイル、52 電磁鋼板、55 ステータコア、58a キー溝、58b 周面、58 回転シャフト、100 モータ(回転電機)、101 中心軸、140 応力緩和溝、142 付根部、H1,H2,H11,H12 連設壁部、P1,P2,P3,P4,P5 境界位置、R1,R11 底面、R4,R5,R14,R15 円弧部。
Claims (4)
- 周面に凹部が形成された回転シャフトと、
前記回転シャフトを受け入れ可能な穴部と、前記穴部を規定する内表面に形成され、前記凹部に嵌合可能な突出部とを有するロータコアと、
前記穴部を規定する前記ロータコアの内表面のうち、前記突出部と隣り合う位置に形成され、前記回転シャフトの周面から離れるように凹まされた応力緩和溝とを備え、
前記穴部を規定する前記ロータコアの内表面は円弧状に形成され、
前記応力緩和溝を規定する前記ロータコアの内表面のうち、前記ロータコアの径方向外方に位置する前記応力緩和溝の底面は、前記穴部の内表面を規定する中心を中心とする円弧部を有する、回転子。 - 前記応力緩和溝は、前記突出部の側面に連設された第1内側面と、前記第1内側面に対して周方向に対向する第2内側面とを有し、
前記第2内側面は、前記底面に連設された側壁円弧部と、該側壁円弧部と前記穴部を規定する前記ロータコアの内周面とを連設する連設壁部とを有し、
前記連設壁部は、前記ロータコアの径方向に向けて延びる、請求項1に記載の回転子。 - 前記応力緩和溝は、前記突出の両側に位置する前記ロータコアの内表面に形成された、請求項1または請求項2に記載の回転子。
- 請求項1から請求項3のいずれかに記載の回転子を有する、回転電機。
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