JP5261836B2 - 回転電機のロータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のロータに関し、特に、ハイブリッド自動車や電気自動車などに搭載可能な回転電機のロータに関する。

従来から、回転電機に使用されるロータとしては、円環状の鋼板が多数積層されたロータコアに複数のスロットを設け、各スロットにそれぞれ永久磁石が挿入された回転電機のロータが知られている（例えば特許文献１参照）。

図４に示すように、特許文献１に記載の回転電機のロータ１０５は、電機子１０１の内側に配置した積層電磁鋼板からなるロータコア１５１と、両翼部に設けた抜き穴１５８，１５９と、抜き穴１５８，１５９間に、ロータコア１５１の中央部を切り残して２分割してなる矩形のスロット１５２，１５３と、スロット１５２，１５３内に嵌合した永久磁石１０６Ａ，１０６Ｂと、永久磁石１０６Ａ，１０６Ｂの上面に形成した突極部１５４と、スロット１５２，１５３間に突極部１５４とロータコア１５１を繋ぐブリッジ（センターリブ）１５５と、から構成されている。さらに、スロット１５２，１５３には、ブリッジ１５５側の内周側角部１５２Ｂ，１５３Ｂに、ブリッジ１５５側に向かって突出する段差１５２Ｅ，１５３Ｅが設けられ、ブリッジ１５５の反対側の外周側角部１５２Ｃ，１５３Ｃに、ブリッジ１５５の反対側に向かって突出する段差１５２Ｆ，１５３Ｆが設けられている。

このように構成されたロータ１０５では、スロット１５２，１５３に段差１５２Ｅ，１５２Ｆ，１５３Ｅ，１５３Ｆを設けることにより、高速回転時に、スロット１５２，１５３の角部１５２Ｂ，１５２Ｃ，１５３Ｂ，１５３Ｃにおいて、遠心力による応力集中を分散することを図っている。

特許第４２４４１１１号公報

しかしながら、図４に示した回転電機のロータ１０５においては、ロータコア１５１の質量が大きいため、所定の回転トルクを出力するために大きな電流が必要となり、回転電機効率が低くなるという問題があった。
また、ロータコア１５１の質量が大きいため、回転時にロータコア１５１に発生する遠心力が大きくなることによって、ロータコア１５１に発生する応力が大きくなり、ロータコア１５１の強度が維持できない問題があった。

本発明は、上述した問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、ロータコアを軽量化しつつ強度を維持可能な回転電機のロータを提供することにある。

前述した目的を達成するために、請求項１に係る発明は、
ロータコア（例えば、後述する実施形態におけるロータコア２０）と、
前記ロータコアの内部に周方向に所定の間隔で配置された複数の磁極部（例えば、後述する実施形態における磁極部５０）と、を備え、
前記磁極部は径方向に磁化されており且つ周方向で交互に磁化方向が異なるように構成された回転電機のロータ（例えば、後述する実施形態における回転電機のロータ１０）であって、
前記磁極部は、それぞれ一対の永久磁石（例えば、後述する実施形態における永久磁石３０）が、周方向中央部においてセンターリブ（例えば、後述する実施形態におけるセンターリブ２６）で分割されたスロット（例えば、後述する実施形態におけるスロット２５）に挿入されて構成され、
前記磁極部の内周側には、前記ロータコアを軸方向に貫通する貫通孔（例えば、後述する実施形態における貫通孔４０）が前記磁極部毎に離間して設けられ、
前記貫通孔には、前記センターリブの周方向中心線（例えば、後述する実施形態における周方向中心線ｂ）上に補強リブ（例えば、後述する実施形態における補強リブ４１）が設けられ、
前記貫通孔の外周側端面（例えば、後述する実施形態における外周側端面４０ａ）は、前記ロータの回転軸（例えば、後述する実施形態におけるロータシャフト）を中心とする円周上に位置するように形成されており、
前記貫通孔の前記外周側端面に接続される前記貫通孔の周方向端部（例えば、後述する実施形態における周方向端部４０ｄ）は、前記円周から内周側に向かって延びるとともに、周方向に沿って前記スロットの前記周方向中央部側から周方向端部側に向かうに従い、前記回転軸に近づくように延びていることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１の構成に加えて、
前記貫通孔の周方向端部は、内周側に向かって凸となる略楕円弧状の凹部（例えば、後述する実施形態における凹部４０ｈ）を備えていることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２の構成に加えて、
前記ロータコアの外周部には、周方向に隣り合う前記スロットの間に溝部（例えば、後述する実施形態における溝部２３）が凹設され、
前記スロットの前記溝部側の外周側角部（例えば、後述する実施形態における２５ｃ）が、前記永久磁石の外周側角部（例えば、後述する実施形態における外周側角部３０ｃ）よりも径方向及び周方向に膨出することによって、前記スロットの外周側角部と前記永久磁石の外周側角部との間に空隙（例えば、後述する実施形態における空隙Ｓ）が形成され、
前記ロータコアには、前記空隙と前記ロータコアの外周面との間に周方向に延びる周方向リブ（例えば、後述する実施形態における周方向リブ２７ａ）が形成されるとともに、前記空隙と前記溝部との間に径方向に延びる径方向リブ（径方向リブ２７ｂ）が形成されることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項の構成に加えて、
前記補強リブの周方向幅は、前記センターリブの周方向幅よりも大きいことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか１項の構成に加えて、
前記貫通孔の周方向中央部（例えば、後述する実施形態における周方向中央部４０ｃ）の外周側角部（例えば、後述する実施形態における外周側角部４０ｅ）及び内周側角部（例えば、後述する実施形態における内周側角部４０ｆ）は、略円弧状に形成されており、前記外周側角部の曲率は、前記内周側角部の曲率よりも小さいことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、磁極部の内周側には、ロータコアを軸方向に貫通する貫通孔が設けられるため、ロータコアが軽量化され、所定の回転トルクを低電流で出力可能となる。さらに、ロータコアが軽量化されることによって、ロータコアの遠心力を低減し、ロータコアに発生する応力を低減でき、ロータコアの強度を維持可能となる。また、スロットにはセンターリブが形成され、貫通孔にはセンターリブの周方向中心線上に補強リブが形成されるため、永久磁石の遠心力によって発生する外周方向への引張応力に対するロータコアの剛性を向上させ、応力集中を緩和して分散させることができる。これによって、ロータコアに発生する応力、特にロータコアのスロットの角部に発生する応力を低減でき、ロータコアの強度を維持することが可能となる。

請求項４の発明によれば、補強リブの周方向幅は、センターリブの周方向幅よりも大きいため、センターリブにおいて磁気飽和が起こり易くなり、永久磁石の一方の磁性の磁極面から他方の極性の磁極面へ短絡する磁束を低減しつつ、ロータコアの剛性を向上させることが可能となる。

請求項５の発明によれば、貫通孔の周方向中央部の外周側角部及び内周側角部は、略円弧状に形成されており、外周側角部の曲率は、内周側角部の曲率よりも小さいため、回転中心からの径方向距離が長く、遠心力によって作用する応力が大きい外周側角部の応力を緩和することが可能となる。

本発明に係る一実施形態のロータの正面図である。 図１のロータの部分拡大図である。 補強リブを設けない参考例のロータの部分拡大図である。 従来のロータの要部正面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る回転電機のロータを図１及び図２を参照して詳細に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

本実施形態の回転電機のロータ１０は、回転軸である略円筒状のロータシャフト（不図示）の外周側に取り付けられるロータコア２０と、ロータコア２０の内部に周方向に所定の間隔で形成された複数の磁極部５０と、を備え、ステータ（不図示）の内周側に配置されている。

ロータコア２０は、略同一形状の円環上の電磁鋼板例えばケイ素鋼板２１を多数積層して形成されており、ロータコア２０の外周部には、略Ｕ字形状の複数の溝部２３が所定間隔で凹設され、隣り合う溝部２３の間には、略矩形の第１，第２スロット２５Ａ，２５Ｂから構成されるスロット２５が形成される。

スロット２５は、その周方向中央部に径方向に延びるセンターリブ２６が形成されることにより、センターリブ２６に対して略線対称となるように、第１スロット２５Ａと、第２スロット２５Ｂと、に分割されている。

磁極部５０は、径方向に磁化され、且つ周方向で交互に磁化方向が異なるように、一対の永久磁石３０が、スロット２５に挿入されて構成されている。具体的には、一対の永久磁石３０Ａがスロット２５に挿入されて構成された磁極部５０Ａにおいて、その外周側がＮ極とすると、溝部２３を挟んで隣接する磁極部５０Ｂは、その外周側がＳ極となるように、一対の永久磁石３０Ｂがスロット２５に挿入されて構成されている。

スロット２５は、図２に示すように、溝部２３側の外周側角部２５ｃが、永久磁石３０をスロット２５に挿入した状態で、永久磁石３０の外周側角部３０ｃよりも径方向及び周方向に膨出しており、これによって、これら２つの外周側角部２５ｃ，３０ｃの間には空隙Ｓが形成される。空隙Ｓは、永久磁石３０の外径側端面３０ｓに臨むとともに永久磁石３０の溝部２３側の周方向端面３０ｔに臨む。このように、スロット２５の外周側角部２５ｃと永久磁石３０の外周側角部３０ｃの間に空隙Ｓが形成されることによって、これら２つの角部２５ｃ，３０ｃの接触を防ぐことができ、ロータ回転中に遠心力によって生じる応力集中を防止できる。

また、符号２５ｅで示される略半円形状の孔は、永久磁石３０を内径側からスロット２５に押し当てて固定するために、樹脂の充填に用いられる、樹脂充填孔を表している。

そして、スロット２５の外周側角部２５ｃ及び樹脂充填孔２５ｅ以外の部分は、永久磁石３０と略同等の寸法に設定されている。したがって、永久磁石３０とスロット２５とは、溝部２３側においてはこれらの内周側角部３０ｄ，２５ｄが当接し、スロット２５の周方向中央部においてはこれらの外周側角部３０ａ，２５ａ、内周側角部３０ｂ、２５ｂが当接し、永久磁石３０は周方向及び径方向に位置決めされるため、ロータ回転中において、永久磁石３０の振動を抑制することができる。

また、溝部２３は、その周方向中間部を通って径方向に延びる仮想線ａに対して略対称に形成されており、永久磁石３０をスロット２５に挿入した状態において、最内周部（最深部）が永久磁石３０の最外周部よりも内周側に位置し、かつ永久磁石３０の内周面よりも外周側に位置するように形成される。なお、溝部２３の形状は、図１及び２に示すような略Ｕ字形状に限定されるものではなく、略半円形状、略Ｖ字形状、略矩形形状などであっても良い。

空隙Ｓ及び溝部２３が設けられたことにより、ロータコア２０には、空隙Ｓとロータコア２０の外周面２０ｓとの間に周方向リブ２７ａが、空隙Ｓと溝部２３との間には径方向リブ２７ｂが、形成される。このように、周方向リブ２７ａ及び径方向リブ２７ｂが形成されることにより、これらのリブ２７ａ，２７ｂにおいて磁気飽和を起こりやすくし、隣り合う異磁極間における磁束短絡によるトルク減少を抑制することができる。このとき、周方向リブ２７ａの径方向幅Ａ、及び径方向リブ２７ｂの周方向幅Ｂは、隣り合う異磁極間における磁束短絡によるトルク減少の防止、及び回転中の遠心力によって生じる応力に対する疲労強度の減少防止を両立するように設定され、本実施形態においては、周方向リブ２７ａの径方向幅Ａと径方向リブ２７ｂの周方向幅Ｂとは略同一に設定されている。

また、ロータコア２０には、磁極部５０より内周側に、ロータコア２０を軸方向に貫通する第１，第２貫通孔４０Ａ，４０Ｂから構成される貫通孔４０が、形成されている。

したがって、ロータコア２０は、図４に示した従来のロータコア１５１に比べ、軽量化されるため、ロータコア２０の自重による遠心力に起因する応力を低減することができる。

貫通孔４０の周方向中央部には、センターリブ２６の周方向中心線ｂと重なるように径方向に伸びる補強リブ４１が形成され、貫通孔４０が補強リブ４１に対して略対称に第１，第２貫通孔４０Ａ，４０Ｂに分割される。つまり、センターリブ２６の内周側において、センターリブ２６の周方向中心線ｂと補強リブ４１の周方向中心線が略一致するように、センターリブ２６に対して略平行に補強リブ４１が形成されている。

このように、スロット２５，貫通孔４０の周方向中央部には、それぞれセンターリブ２６，補強リブ４１が設けられるため、図３に示すようなロータコア２０に補強リブ４１を設けない場合に比べて、ロータコア２０に対して径方向に作用する引張応力に対するロータコア２０の剛性を高めることができる。したがって、永久磁石３０の遠心力によってロータコア２０に生じる径方向への引張応力によるロータコア２０の変形を抑制することが出来、ロータコア２０に発生する応力集中を緩和して分散させることができる。特に、応力の集中しやすいロータコア２０のスロット２５の周方向中央部側の外周側角部２５ａ，内周側角部２５ｂ，及び溝部２３側の外周側角部２５ｃ，及び樹脂充填孔２５ｅに生じる応力を低減する効果は大きい。この時、センターリブ２６の内周側において、センターリブ２６の周方向中心線ｂと補強リブ４１の周方向中心線が略一致するように、センターリブ２６に対して略平行に補強リブ４１が形成されていることによって、ロータコア２０に対して径方向に作用する引張応力に対してより効果的にロータコア２０の剛性を高めることができる。

また、補強リブ４１の周方向幅は、全長に亘って、センターリブ２６の周方向幅よりも大きくなるように設定されている。センターリブ２６の周方向幅が小さいのは、センターリブ２６において磁気飽和を起こり易くすることによって、同じ磁極部５０を構成する一対の永久磁石３０において、永久磁石３０の内周面及び外周面の内の一方から生じた磁束が、センターリブ２６を介して永久磁石３０の内周面及び外周面の内の他方に短絡することを防止するためである。また、補強リブ４１の周方向幅が、センターリブ２６の周方向幅に比べて大きいのは、ロータコア２０の剛性を向上させるためである。ここで、センターリブ２６の周方向幅は、ロータコア２０の剛性向上と、貫通孔４０によるロータコア２０の軽量化を両立するように設定されている。

貫通孔４０は、ロータコア２０の外周面２０ｓと略平行な外周側端面４０ａ及び内周側端面４０ｂと、これら外周側端面４０ａ及び内周側端面４０ｂの周方向中央側（周方向中心線ｂ側）の端部同士を結ぶ周方向中央部４０ｃ及び周方向外側（仮想線ａ側）の端部同士を結ぶ周方向端部４０ｄと、から構成される。

ここで、内周側端面４０ｂは、外周側端面４０ａよりも周方向外側（仮想線ａ側）に延出している。また、周方向中央部４０ｃは、略円弧形状である外周側角部４０ｅ及び内周側角部４０ｆと、これら外周側角部４０ｅ及び内周側角部４０ｆを結び、径方向に延びる周方向側面４０ｇと、から形成され、補強リブ４１を画成している。

また、貫通孔４０の周方向端部４０ｄは、内周方向に凹設された略楕円弧形状の外周側凹部４０ｈと、周方向外側（仮想線ａ側）に向かって突出する略半円形状の内周側凸部４０ｉと、を有し、スロット２５の周方向中央部から周方向端部に向かう方向に沿って、永久磁石３０と貫通孔４０との間の径方向幅が大きくなるように形成される。これは、一方の磁極部５０の永久磁石３０の内周面から発生し、溝部２３を挟んで隣り合う他方の磁極部５０の永久磁石３０の内周面に向かう磁束の流れを遮らないようにするためであり、ロータコア２０における磁気抵抗を低減し、回転トルクを増加させることが可能となる。

また、貫通孔４０は、その周方向中央部４０ｃの外周側角部４０ｅの曲率が、内周側角部４０ｆの曲率よりも小さくなるように形成される。したがって、ロータ回転中に、回転軸からの径方向距離が長く、ロータコア２０の自重による遠心力によって作用する応力がより大きくなる外周側角部４０ｅにおいても、効果的に応力を緩和することが可能となる。

以上、説明した本実施形態に係る回転電機のロータ１０によれば、ロータコアの各磁極部５０の内径側には、ロータコア２０を軸方向に貫通する貫通孔４０が設けられるため、ロータコア２０が軽量化され、所定の回転トルクを低電流で出力可能となる。さらに、ロータコア２０が軽量化されることによって、ロータコア２０の遠心力を低減し、ロータコア２０に発生する応力を低減でき、ロータコア２０の強度を維持可能となる。

また、特に、スロット２５にはセンターリブ２６が形成され、貫通孔４０にはセンターリブ２６の周方向中心線ｂ上に補強リブ４１が形成されるため、永久磁石３０の遠心力によって発生する外周方向への引張応力に対するロータコア２０の剛性を向上させ、ロータコア２０に発生する応力集中を緩和して分散させることができる。これによって、ロータコア２０に発生する応力、特にロータコア２０のスロット２５の周方向中央部側の外周側角部２５ａ，内周側角部２５ｂ，及び溝部２３側の外周側角部２５ｃ，及び樹脂充填孔２５ｅに発生する応力を低減でき、ロータコア２０の強度を維持することが可能となる。

また、本実施形態に係る回転電機のロータ１０によれば、センターリブ２６の周方向幅よりも、補強リブ４１の周方向幅は大きく設定されているため、センターリブ２６において磁気飽和が起こり易くなり、永久磁石３０の一方の磁性の磁極面から他方の極性の磁極面へ短絡する磁束を低減しつつ、ロータコア２０の剛性を向上させることが可能となる。

また、本実施形態に係る回転電機のロータ１０によれば、貫通孔４０は、その周方向端部４０ｄが、スロット２５の周方向中央部から周方向端部に向かう方向に沿って、永久磁石３０と貫通孔４０との間の径方向幅が大きくなるように形成されるので、永久磁石３０から発生する磁束が、貫通孔４０によって妨げられ難くなり、スロット２５と貫通孔４０との間のロータコア２０における磁気抵抗を低減することができ、回転トルクを向上させることが可能となる。

また、本実施形態に係る回転電機のロータ１０によれば、貫通孔４０は、その周方向中央部４０ｃの外周側角部４０ｅ及び内周側角部４０ｆが略円弧状に形成されており、外周側角部４０ｅの曲率は、内周側角部４０ｆの曲率よりも小さく設定されているため、回転中心からの径方向距離が長く、ロータコア２０の自重による遠心力によって作用する応力が大きい外周側角部４０ｅにおいても、応力を効果的に緩和することが可能となる。

なお、本発明の回転電機のロータ１０は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良などが可能である。

例えば、貫通孔４０には、径方向に延び、第１，第２貫通孔４０Ａ，４０Ｂをさらに周方向に分割する一又は複数のリブを設けても良い。その場合、ロータコア２０の剛性向上と軽量化を両立するように、リブの数、位置、寸法は決定される。

１０ 回転電機のロータ
２０ ロータコア
２５ スロット
２６ センターリブ
３０ 永久磁石
４０ 貫通孔
４０ｃ 周方向中央部
４０ｄ 周方向端部
４０ｅ 外周側角部
４０ｆ 内周側角部
４１ 補強リブ
５０ 磁極部
ｂ 周方向中心線

Claims (5)

1. ロータコアと、
   前記ロータコアの内部に周方向に所定の間隔で配置された複数の磁極部と、
   を備え、
   前記磁極部は径方向に磁化されており且つ周方向で交互に磁化方向が異なるように構成された回転電機のロータであって、
   前記磁極部は、それぞれ一対の永久磁石が、周方向中央部においてセンターリブで分割されたスロットに挿入されて構成され、
   前記磁極部の内周側には、前記ロータコアを軸方向に貫通する貫通孔が前記磁極部毎に離間して設けられ、
   前記貫通孔には、前記センターリブの周方向中心線上に補強リブが設けられ、
   前記貫通孔の外周側端面は、前記ロータの回転軸を中心とする円周上に位置するように形成されており、
   前記貫通孔の前記外周側端面に接続される前記貫通孔の周方向端部は、前記円周から内周側に向かって延びるとともに、周方向に沿って前記スロットの前記周方向中央部側から周方向端部側に向かうに従い、前記回転軸に近づくように延びていることを特徴とする回転電機のロータ。
2. 前記貫通孔の周方向端部は、内周側に向かって凸となる略楕円弧状の凹部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機のロータ。
3. 前記ロータコアの外周部には、周方向に隣り合う前記スロットの間に溝部が凹設され、
   前記スロットの前記溝部側の外周側角部が、前記永久磁石の外周側角部よりも径方向及び周方向に膨出することによって、前記スロットの外周側角部と前記永久磁石の外周側角部との間に空隙が形成され、
   前記ロータコアには、前記空隙と前記ロータコアの外周面との間に周方向に延びる周方向リブが形成されるとともに、前記空隙と前記溝部との間に径方向に延びる径方向リブが形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機のロータ。
4. 前記補強リブの周方向幅は、前記センターリブの周方向幅よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の回転電機のロータ。
5. 前記貫通孔の周方向中央部の外周側角部及び内周側角部は、略円弧状に形成されており、前記外周側角部の曲率は、前記内周側角部の曲率よりも小さいことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の回転電機のロータ。

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