JP5244721B2 - 回転電機のロータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のロータの構造に関する。

近年、電気自動車やハイブリッド車両など電動機によって車両を駆動するものが多く用いられている。このような車両では、モータとして動作することができるとともに発電機としても動作することの出来るモータジェネレータが搭載される場合が多い。これらのモータジェネレータはステータに電磁コイルを設け、その中で永久磁石を内蔵したロータを回転させて駆動力を取り出したり、電磁コイルから発電電力を出力させたりするものが多く用いられている。

永久磁石を内蔵したロータは、鋼板積層体よりなるロータコアに永久磁石が内蔵されてステータからの交番磁界中で動作するものであるが、永久磁石内部に発生する渦電流によってモータの効率が低下してしまう場合がある。このため、一極の永久磁石を複数に分割し、さらにその表面に絶縁テープや絶縁被覆等の絶縁体を設けてマグネット内部の渦電流を小さく分割して損失を低減することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献１には、永久磁石の表面粗さの２倍以上の非導電性の粒子を混合した樹脂材料をロータコアに設けた孔と永久磁石との間に充填して永久磁石をロータコアに固定する方法が提案されている。

また、永久磁石とロータコアに設けた孔と永久磁石との間に樹脂を充填して分割した永久磁石を固着する場合に、永久磁石とロータコアとの固定強度を向上させるために、分割する各永久磁石の対向する箇所の一部に分割した永久磁石の間に樹脂が流れこみやすいように、面取りなどの樹脂流入促進部を設けることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−２７２０３３号公報 特開２００７−２１５３５７号公報

ところで、永久磁石を孔に挿入し、その孔に樹脂を充填して永久磁石を固定する場合、樹脂には熱可塑性或いは熱硬化性の樹脂を用いる場合がある。この場合、製造時には、ロータコアの孔に永久磁石を挿入し、その隙間に熱可塑性或いは熱硬化性樹脂を充填し、その温度を樹脂の硬化温度以上となるまで上昇させ、樹脂を硬化させて永久磁石と樹脂、ロータコアと樹脂とを固着させた後、ロータコア全体の温度を室温まで低下させる。ロータコアは電磁鋼板を積層したものでプラスの熱膨張係数を持つものであるため、樹脂固着後の冷却の際には温度の低下と共に全体の長さが短くなってくる変形をする。ところが、永久磁石はマイナスの熱膨張係数を持つものであるため、加熱された状態から室温状態に温度が低下してくるにしたがって、その長さが長なる変形をする。

このため、加熱された状態から室温状態に温度が低下してくると、永久磁石とロータコアとの間に熱膨張差が生じ、ロータコアには永久磁石から積層固定されている各電磁鋼板を引き剥がす方向の力が加わる。ロータコアの電磁鋼板はダボによるカシメで積層固定されているので、熱膨張によって加わる力がダボのカシメによる圧着力を上回ると、電磁鋼板のダボがはずれ、電磁鋼板の間に隙間が発生することがある。特に、永久磁石が軸方向に分割されていると、熱膨張差は永久磁石の分割面付近に集中し、永久磁石の分割面付近のロータコアに大きな隙間が発生する場合がある。

一方、ロータコアの内部にはロータコアを冷却するための冷媒を流すための冷媒流路が形成されているので、ロータコアの電磁鋼板の間に大きな隙間が生じると冷媒流路を流れる冷媒がその隙間からロータとステータとの間に漏洩し、ロータの攪拌損失を増大させてしまうという問題があった。

本発明は、軸方向に分割した永久磁石を内蔵した回転電機のロータにおいて、ロータコアの積層鋼板間の隙間発生を抑制することを目的とする。

本発明の回転電機のロータは、鋼板を軸方向に積層したロータコアと、ロータコアの周方向に沿って複数配置され、軸方向に延びる複数の孔のそれぞれに熱可塑性或いは熱硬化性樹脂により固定される軸方向に分割された永久磁石組を含む複数の磁極と、を備える回転電機のロータであって、互いに隣接する各磁極の永久磁石組の分割面の位置が軸方向にずれていること、を特徴とする。

本発明の回転電機のロータにおいて、各磁極は、軸方向から見てハの字形に配置されている一対の永久磁石組であること、としても好適であるし、一対の永久磁石組の各永久磁石組の分割面の位置は軸方向にずれていること、としても好適である。

本発明の回転電機のロータは、鋼板を軸方向に積層したロータコアと、ロータコアの周方向に沿って複数配置され、軸方向に延びる複数の孔のそれぞれに熱可塑性或いは熱硬化性樹脂により固定される軸方向に分割された永久磁石組と、を備える回転電機のロータであって、互いに隣接する各永久磁石組の分割面の位置が軸方向にずれていること、を特徴とする。

本発明は、軸方向に分割した永久磁石を内蔵した回転電機のロータにおいて、ロータコアの積層鋼板間の隙間発生を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態の回転電機のロータにおける軸方向の断面と軸直角方向の断面とを示す図である。 本発明の実施形態の回転電機のロータにおける永久磁石の配置を示す説明図である。 本発明の実施形態の回転電機のロータにおける永久磁石の配置と，熱膨張差による力の発生領域を示す説明図である。 ロータコアと永久磁石との熱膨張差の発生を示す説明図である。 本発明の他の実施形態の回転電機におけるロータの永久磁石の配置を示す説明図である。 本発明の他の実施形態の回転電機におけるロータの永久磁石の配置を示す説明図である。 本発明の他の実施形態の回転電機のロータにおける永久磁石の配置と，熱膨張差による力の発生領域を示す説明図である。 本発明の他の実施形態の回転電機におけるロータの永久磁石の配置を示す説明図である。 本発明の他の実施形態の回転電機におけるロータの永久磁石の配置を示す説明図である。 本発明の他の実施形態の回転電機におけるロータの永久磁石の配置を示す説明図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の回転電機のロータ１０は、シャフト１１と、シャフト１１の外周に同軸に取りつけられ、軸方向に電磁鋼板が積層されたロータコア１２と、軸方向の両側からロータコア１２を固定するエンドプレート１５とを備えている。ロータコア１２には永久磁石組１３ａ，１３ｂが取り付けられる軸方向に延びる複数の孔１９が設けられており、各孔１９には各永久磁石である長磁石１３１、短磁石１３２がそれぞれ熱可塑性又は熱硬化性の樹脂２０によって固着されている。ロータコア１２の永久磁石組１３ａ，１３ｂが取り付けられている孔１９の内周側には、軸方向に沿って延びる冷媒流路１４が設けられている。冷媒流路１４は、シャフト１１の内部空間１６に設けられた窪み１７と冷媒供給路１８によって接続されており、シャフト１１の内部空間１６に供給された冷媒が回転による遠心力によって内部空間１６から冷媒供給路１８を通って冷媒流路１４に供給され、ロータコア１２が冷却されるよう構成されている。図１（ａ）に示すように、各永久磁石組１３ａ，１３ｂは軸方向に２分割され、それぞれ軸方向に長い長磁石１３１と長磁石１３１よりも軸方向に短い短磁石１３２によって構成されている。そして、永久磁石組１３ａと永久磁石組１３ｂとは、軸方向に沿った長磁石１３１と短磁石１３２との並び順が逆になっている。このため、各永久磁石組１３ａ，１３ｂの長磁石１３１と短磁石１３２との各分割面１３３ａ，１３３ｂはそれぞれ軸方向にずれた位置となっている。

図１（ｂ）に示すように、ロータコア１２の外周近傍には、ロータコア１２の外周側に開いたハの字形に、長方断面の各永久磁石組１３ａ，１３ｂが取りつけられる複数の孔１９が配置されている。各孔１９は各永久磁石組１３ａ，１３ｂの大きさよりも少し大きい長方形の孔で、各短辺にはそれぞれ熱可塑性又は熱硬化性の樹脂２０を注入するＵ字型の溝が設けられている。Ｕ字型の各溝はロータコア１２の外周側の方が大きくなるように構成されている。外周側に開いた一対のハの字形に配置された一対の各孔１９にはそれぞれ各一対の各永久磁石組１３ａ，１３ｂが挿入され、樹脂２０によって固着されている。したがって、各一対の永久磁石組１３ａ，１３ｂは外周側に開いた一対のハの字形に配置され、それぞれロータコア１２の一極を構成する。図１（ｂ）に示すように、本実施形態のロータ１０では、永久磁石組１３ａが４対、永久磁石組１３ｂが４対の合計８対の永久磁石組が配置されており、ロータコア１２の磁極の数は８極となっている。

図１（ｂ）に示すように、各対の永久磁石組１３ａ，１３ｂの間のロータコア１２の内周側には、三角形状の冷媒流路１４が設けられている。冷媒流路１４の内周側はシャフト１１の外周と略平行となっており、外周側の各辺は各対の永久磁石組１３ａ，１３ｂの対向する各長辺と略平行となるように構成されている。

図２（ａ）に示すように、ロータコア１２の各磁極３１，３２は、それぞれ一対の永久磁石組１３ａ，１３ｂによって構成されている。図２（ａ）に示すように、一対の永久磁石組１３ａによって構成されている第１の磁極３１は、図２（ｂ）の図面上方側に短磁石１３２を配置し、図２（ｂ）の図面下側に長磁石１３１を配置している。このため、各磁石１３１，１３２の分割面１３３ａは永久磁石組１３ａの軸方向の中央よりも図面上方向に位置している。一方、図２（ａ）に示すように、一対の永久磁石組１３ｂによって構成されている第２の磁極３２は、図２（ｃ）の図面上方側に長磁石１３１を配置し、図２（ｃ）の図面下側に短磁石１３２を配置している。このため、各磁石１３１，１３２の分割面１３３ｂは永久磁石組１３ｂの軸方向の中央よりも図面下方向に位置している。そして、ロータコア１２には第１の磁極３１と第２の磁極３２とが周方向に交互に配置されている。

このため、図３（ａ）に示すように互いに隣接する永久磁石組１３ａ，１３ｂの各磁石１３１，１３２の各分割面１３３ａ，１３３ｂは、その位置が軸方向にずれて配置されることとなる。

図４に示すようにロータコア１２の孔１９に永久磁石組１３ａを挿入し、樹脂２０を各磁石１３１,１３２と孔１９との間に注入して樹脂２０の熱硬化温度まで上昇させると、樹脂２０は熱硬化するとともに図４に示すように、ロータコア１２に設けられた孔１９の内面１２ａと樹脂２０、及び、各磁石１３１，１３２の各外面１３１ａ，１３２ａはそれぞれ樹脂２０と固着する。その後、ロータコア１２の温度を低下させると、温度低下によって各磁石１３１，１３２は図中の矢印に示すように軸方向に延び、ロータコア１２は逆に図中の矢印に示すように軸方向に縮む。このため、ロータコア１２には、積層された電磁鋼板を引き剥がす力Ｆが加わる。永久磁石組１３ａは長磁石１３１と短磁石１３２とに分割されているので各磁石１３１，１３２とロータコア１２との伸び差は分割面１３３ａの近傍に集中し、積層されている図中に矢印で示すような電磁鋼板を引き剥がす力Ｆが大きくなる。

しかし、本実施形態のロータ１０は、図３（ａ）に示すように互いに隣接する永久磁石組１３ａ，１３ｂの各磁石１３１，１３２の各分割面１３３ａ，１３３ｂは、その位置が軸方向にずれて配置されているので、図３（ｂ）に示すように、各磁石１３１，１３２とロータコア１２との伸び差によって発生する電磁鋼板を引き剥がそうとする力Ｆの発生する領域２１は、分割面１３３ａを含む１つの断面Ａでは円周方向に沿って４箇所に分割される。また、同様に分割面１３３ｂを含む面でも電磁鋼板を引き剥がそうとする力Ｆの発生する領域２１は４箇所に分割される。

このように、１つの面内で積層された電磁鋼板を引き剥がす方向の力Ｆの発生する箇所が分割されると、力Ｆは周囲の電磁鋼板を固着しているダボに分散され、発生する電磁鋼板を引き剥がす力Ｆも分散されるため、図３（ｂ）に示す領域２１に発生する電磁鋼板を引き剥がす力Ｆが低減される。このため、領域２１において積層されている電磁鋼板が引き剥がされてロータコア１２に隙間が発生することを低減することができる。

図３（ｂ）に示すように、各永久磁石組１３ａ，１３ｂを含む領域のロータコア１２の隙間の発生が抑制されると、回転による遠心力によって各永久磁石組１３ａ，１３ｂの内周側に配置されている冷媒流路１４からロータコア１２の外周側に向って漏洩する冷媒流量を低減することが出来、冷媒の漏洩によるロータ１０の攪拌損失を抑制することができるという効果を奏する。

図５を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。図１から図４を参照して説明した部分と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図５（ａ）に示すように、ロータコア１２の各磁極３３，３４は、それぞれ一対の永久磁石組１３ｃ，１３ｄによって構成されている。図５（ａ）に示すように、一対の永久磁石組１３ｃによって構成されている第３の磁極３３は、図５（ｂ）の図面上方側と下方側とにその長さが永久磁石組１３ｃの軸方向長さの１／４の１／４磁石１３４を配置し、中間にその長さが永久磁石組１３ｃの軸方向長さの１／２の１／２磁石１３５を配置している。このため、永久磁石組１３ｃは全体長さの上から１／４の位置と下から１／４の位置の２つの位置に分割面１３６ｃを有している。一方、図５（ａ）に示す一対の永久磁石組１３ｄによって構成されている第４の磁極３４は、図５（ｃ）に示すように、その長さが永久磁石組１３ｄの全体長さの１／２の１／２磁石１３５を２つ軸方向に配置したもので、永久磁石組１３ｄの軸方向の中央の位置に永久磁石組１３ｄの分割面１３６ｄが位置している。そして、ロータコア１２には第３の磁極３３と第４の磁極３４とが周方向に交互に配置されている。

このため、互いに隣接する永久磁石組１３ｃ，１３ｄの各分割面１３６ｃ，１３６ｄは、その位置が軸方向に各永久磁石組１３ｃ，１３ｄの全体長さの１／４だけずれて配置されることとなる。

本実施形態は、先に説明した実施形態と同様の効果を奏する。

次に図６、図７を参照して本発明の他の実施形態について説明する。図１から図４を参照して説明した部分と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図６（ａ）に示すように、ロータコア１２の各磁極３５は、一対に組み合わされた永久磁石組１３ａ，１３ｂによって構成されている。図６（ｂ）に示すように、磁極３５を構成する永久磁石組１３ａは、図６（ｂ）の図面上方側に短磁石１３２を配置し、図６（ｂ）の図面下側に長磁石１３１を配置し、永久磁石組１３ｂは、図６（ｂ）の図面上方側に長磁石１３１を配置し、図６（ｂ）の図面下側に短磁石１３２を配置している。このため、磁極３５を形成する２つの永久磁石組１３ａ，１３ｂの各分割面１３３ａ，１３３ｂは互いに軸方向にずれて配置されている。そして、ロータコア１２には永久磁石組１３ａと永久磁石組１３ｂとが交互に配置されている。

このため、図７（ａ）に示すように、互いに隣接する各永久磁石組１３ａ，１３ｂの各磁石１３１，１３２の各分割面１３３ａ，１３３ｂは互いに軸方向にずれて配置され、図７（ｂ）に示すように、各磁石１３１，１３２とロータコア１２との伸び差によって発生する電磁鋼板を引き剥がそうとする力Ｆの発生する領域２１は、分割面１３３ａを含む１つの断面Ａでは円周方向に沿って８箇所に分割される。また、同様に分割面１３３ｂを含む面でも電磁鋼板を引き剥がそうとする力Ｆの発生する領域２１は８箇所に分割される。

本実施形態では、先に図１から図４を参照して説明した実施形態に比較して、各領域２１の面積がせまく、分割数も多いので、１つの面内で積層された電磁鋼板を引き剥がす方向の力Ｆは先に説明した実施形態よりもより低減されるため、領域２１において積層されている電磁鋼板が引き剥がされてロータコア１２に隙間が発生することをより低減することができる。また、本実施形態は先に図１から図４を参照して説明した実施形態よりもより効果的にロータコア１２の隙間の発生を抑制することができるので、回転による遠心力によって各永久磁石組１３ａ，１３ｂの内周側に配置されている冷媒流路１４からロータコア１２の外周側に向って漏洩する冷媒流量をより低減することが出来、冷媒の漏洩によるロータ１０の攪拌損失をより効果的に抑制することができるという効果を奏する。

次に図８を参照しながら本発明の他の実施形態について説明する。図１から図７を参照して説明した各実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。

図８（ａ）に示すように、ロータコア１２の各磁極３６は、一対に組み合わされた永久磁石組１３ｃ，１３ｄによって構成されている。図８（ａ）に示すように、磁極３６を構成する永久磁石組１３ｃは、図８（ｂ）の図面上方側と下方側とにその長さが永久磁石組１３ｃの軸方向長さの１／４の１／４磁石１３４を配置し、中間にその長さが永久磁石組１３ｃの軸方向長さの１／２の１／２磁石１３５を配置している。このため、永久磁石組１３ｃは全体長さの上から１／４の位置と下から１／４の位置の２つの位置に分割面１３６ｃを有している。また、図８（ｂ）に示すように、永久磁石組１３ｄは、その長さが永久磁石組１３ｄの全体長さの１／２の１／２磁石１３５を２つ軸方向に配置したもので、永久磁石組１３ｄの軸方向の中央の位置に永久磁石組１３ｄの分割面１３６ｄが位置している。

このため、互いに隣接する各永久磁石組１３ｃ，１３ｄの各分割面１３６ｃ，１３６ｄは互いに軸方向にずれて配置され、図７（ｂ）に示した各磁石１３４，１３５とロータコア１２との伸び差によって発生する電磁鋼板を引き剥がそうとする力Ｆの発生する領域２１は、分割面１３６ｃを含む１つの断面では円周方向に沿って８箇所に分割される。また、同様に分割面１３６ｄを含む面でも電磁鋼板を引き剥がそうとする力Ｆの発生する領域２２は８箇所に分割される。

本実施形態は先に図６から図７を参照して説明した実施形態と同様の効果を奏する。

次に図９を参照して本発明の他の実施形態について説明する。磁石渦電流損失は磁石のアスペクト比を大きくした細長い磁石を使うことによって低減することができる場合がある。また、適当なアスペクト比の磁石を選択することによって永久磁石のコストを低減することが出来る場合がある。そこで、本実施形態は、図９に示すように、図６を参照して説明した実施形態の永久磁石組１３ａ，１３ｂを周方向に二分割して、大きなアスペクト比の細長い磁石を組み合わせたものである。図１から図７を参照して説明した部分と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。

図９（ａ）に示すように、ロータコア１２の各磁極３５は、一対に組み合わされた永久磁石組１３ｅ，１３ｆによって構成されている。図９（ｂ）に示すように、磁極３５を構成する永久磁石組１３ｅは、図９（ｂ）の図面上方側に周方向に二分割された半短磁石１４１を周方向に２つ並べて配置し、図９（ｂ）の図面下側に周方向に二分割された半長磁石１４２を周方向に２つ並べて配置し、永久磁石組１３ｆは、図９（ｂ）の図面上方側に半長磁石１４２を周方向に２つ並べて配置し、図９（ｂ）の図面下側に半短磁石１４１を周方向に２つ並べて配置している。このため、磁極３５を形成する２つの永久磁石組１３ｅ，１３ｆの各分割面１４０ｅ，１４０ｆは互いに軸方向にずれて配置されている。そして、ロータコア１２には永久磁石組１３ｅと永久磁石組１３ｆとが交互に配置されている。

本実施形態は、図６、図７を参照して説明した実施形態と同様、各半磁石１４１，１４２とロータコア１２との伸び差によって発生する電磁鋼板を引き剥がそうとする力Ｆの発生する領域は、分割面１４０ｅを含む１つの断面では円周方向に沿って８箇所に分割される。また、同様に分割面１４０ｆを含む面でも電磁鋼板を引き剥がそうとする力Ｆの発生する領域は８箇所に分割される。

本実施形態では、図６、図７を参照して説明した実施形態と同様の効果に加えて、磁石渦電流損失や永久磁石のコストを低減することが出来るという効果を奏する。

次に図１０を参照して本発明の他の実施形態について説明する。図９を参照して説明した部分と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図１０に示す実施形態は、図９を参照して説明した実施形態の永久磁石組１３ｅ，１３ｆの半短磁石１４１と半長磁石１４２とを周方向互い違いに配置したもので、磁極３５を形成する各永久磁石組１３ｇは長手方向に互いに軸方向にずれた二つの分割面１４３ｇ，１４４ｇを備えている。そして、ロータコア１２には永久磁石組１３ｇが隣接して配置されている。この様に１つの形式の永久磁石組１３ｇを隣接して配置しても、各永久磁石組１３ｇの軸方向の各分割面１４３ｇ，１４４ｇが互いにずれていることから、各半磁石１４１，１４２とロータコア１２との伸び差によって発生する電磁鋼板を引き剥がそうとする力Ｆの発生する領域は、分割面１４３ｇを含む１つの断面では円周方向に沿って１６箇所に分割され、分割面１４４ｇを含む１つの断面でも円周方向に沿って１６箇所に分割される。図９を参照して説明した実施形態に比べてより効果的にロータコア１２の隙間の発生を抑制することができ、冷媒の漏洩によるロータ１０の攪拌損失をより効果的に抑制することができるという効果を奏する。

１０ ロータ、１１ シャフト、１２ ロータコア、１２ａ 内面、１３ａ〜１３ｇ 永久磁石組、１４ 冷媒流路、１５ エンドプレート、１６ 内部空間、１７ 窪み、１８ 冷媒供給路、１９ 孔、２０ 樹脂、２１ 領域、３１〜３６ 磁極、１３１ 長磁石、１３２ 短磁石、１３１ａ，１３２ａ 外面、１３３ａ，１３３ｂ，１３６ｃ，１３６ｄ，１４０ｅ，１４０ｆ，１４３ｇ，１４４ｇ 分割面、１３４ １／４磁石、１３５ １／２磁石 １４１ 半短磁石、１４２ 半長磁石。

Claims (4)

1. 鋼板を軸方向に積層したロータコアと、
   ロータコアの周方向に沿って複数配置され、軸方向に延びる複数の孔のそれぞれに熱可塑性或いは熱硬化性樹脂により固定される軸方向に分割された永久磁石組を含む複数の磁極と、を備える回転電機のロータであって、
   互いに隣接する各磁極の永久磁石組の分割面の位置が軸方向にずれていること、
   を特徴とする回転電機のロータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のロータであって、
   各磁極は、軸方向から見てハの字形に配置されている一対の永久磁石組であること、
   を特徴とする回転電機のロータ。
3. 請求項２に記載の回転電機のロータであって、
   一対の永久磁石組の各永久磁石組の分割面の位置は軸方向にずれていること、
   を特徴とする回転電機のロータ。
4. 鋼板を軸方向に積層したロータコアと、
   ロータコアの周方向に沿って複数配置され、軸方向に延びる複数の孔のそれぞれに熱可塑性或いは熱硬化性樹脂により固定される軸方向に分割された永久磁石組と、を備える回転電機のロータであって、
   互いに隣接する各永久磁石組の分割面の位置が軸方向にずれていること、
   を特徴とする回転電機のロータ。

Images