JP7310141B2 - 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するものである。

磁石埋込型の回転電機のロータが知られている（特許文献１参照）。このロータは、複数枚の円環板状の金属板が積層された構造の積層体を有している。積層体は、ロータの周囲方向に間隔を置いて設けられた複数の挿入孔を有している。各挿入孔には、それぞれ永久磁石が挿入されて固定されている。

また、上記ロータは、円環板状の金属板からなるエンドプレートを有している。エンドプレートは、積層体の各挿入孔の開口を塞ぐように、積層体の積層方向における両端に設けられている。特許文献１のロータでは、積層体の金属板とエンドプレートとがそれらの外周端同士を溶接することによって接合（固定）されている。

さらに、特許文献２に記載のロータでは、積層体を構成する金属板（例えば電磁鋼板）とエンドプレート（例えばアルミニウム板）とが線膨張係数の異なる材料によって形成されている。

特開２００７－２３６０１９号公報 特開２００８－１９９６９８号公報

積層体を構成する金属板とエンドプレートとが線膨張係数の異なる材料によって構成されるロータでは、それら積層体およびエンドプレートを溶接加工によって接合するようにすると、次のような不都合が発生するおそれがある。すなわち、回転電機の運転に伴ってロータの温度が高くなったときに、積層体の熱膨張量とエンドプレートの熱膨張量とに差が生じるため、その差に起因して積層体とエンドプレートとの溶接部分に内部応力が発生してしまう。そして、この内部応力によって溶接部分の接合強度の低下を招くおそれがある。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、積層体とエンドプレートとの接合強度の低下を抑えることのできる回転電機のロータを提供することにある。

上記課題を解決するための回転電機のロータは、複数枚の円環板状の金属板が積層されてなるとともに、前記金属板の回転軸方向に貫通する挿入孔が前記金属板の周囲方向に間隔を置いて複数設けられてなる積層体と、前記挿入孔の内部に収容された状態で固定された永久磁石と、前記金属板と異なる金属材料からなる円環板状をなすとともに、該円環板状における外周端と前記金属板の外周端との溶接固定によって、前記積層体における前記回転軸方向の端部に前記挿入孔の開口を塞ぐ態様で設けられてなるエンドプレートと、を有する回転電機のロータにおいて、前記積層体における最外層の金属板および同金属板に隣接する前記エンドプレートの少なくとも一方の外縁には貫通孔が設けられている。

上記構成によれば、積層体の最外層をなす金属板や同金属板に隣接するエンドプレートの外縁、すなわち金属板やエンドプレートにおける溶接部分に近い部分に貫通孔を形成して、同溶接部分に近い部分の剛性を低くすることができる。そのため、回転電機の運転に伴ってロータの温度が上昇したときには、積層体とエンドプレートとの熱膨張量の差によってそれら積層体およびエンドプレートの溶接部分に内部応力が発生するおそれがあるとはいえ、同溶接部分に近い部分を変形させることができる。これにより、積層体およびエンドプレートの溶接部分において発生する内部応力を小さくすることができるため、それら積層体およびエンドプレートの接合強度の低下を抑えることができる。

本発明によれば、積層体とエンドプレートとの接合強度の低下を抑えることができる。

一実施形態の回転電機のロータが適用されるロータ・ロータシャフト組立体の側面図。 同ロータ・ロータシャフト組立体の図１の２－２線に沿った断面図。 ロータの側面図。 エンドプレートの側面図。 ロータの溶接部分およびその周辺を拡大して示す側面図。 他の実施形態のロータの溶接部分およびその周辺を拡大して示す側面図。

以下、回転電機のロータを電動機のロータに具体化した一実施形態について、図１～図５を参照して説明する。
先ず、本実施形態のロータが適用されるロータ・ロータシャフト組立体の全体構成について説明する。

図１および図２に示すように、ロータ・ロータシャフト組立体１０は、円筒状のロータ１１と、同ロータ１１の中心孔２１（図２）に挿通された状態で固定されるロータシャフト１２とを備えている。

ロータ１１は、複数枚の円環板状の金属板２２Ａが積層された構造の積層体２２を有している。各金属板２２Ａは、磁性材料からなる電磁鋼板によって形成されている。積層体２２には、ロータ１１の回転軸Ｌ１方向（図２の左右方向）に貫通する挿入孔２３が、同積層体２２の周囲方向に間隔を置いて複数設けられている。詳しくは、積層体２２には、周囲方向において互いに隣り合う都合十対の挿入孔２３が形成されている。対をなす２つの挿入孔２３は、それぞれが長尺状の断面形状をなすとともに、互いに近接するほど外周側に位置する態様で延びている。

各挿入孔２３の内部には永久磁石２４が挿入されて収容されている。永久磁石２４は、挿入孔２３の断面長手方向において長い矩形状の断面形状をなしている。永久磁石２４は、熱硬化性のエポキシ樹脂からなる充填材２５を介して積層体２２（詳しくは、挿入孔２３の内面）に固定されている。なお、一般には、図１中において二点鎖線で囲まれた２つの挿入孔２３、すなわち互いに近接するほど内周側に位置する２つの挿入孔２３に挿入して固定される一対の永久磁石２４によって、電動機の各磁極が構成される。

ロータ１１は、円環板状をなす一対のエンドプレート２６を有している。エンドプレート２６は、金属板２２Ａと異なる金属材料（具体的には、非磁性材料であるステンレス鋼板）によって形成されている。各エンドプレート２６は、積層体２２における上記回転軸Ｌ１方向の両端に、各挿入孔２３の開口を塞ぐ態様で設けられている。ロータ１１は、複数枚の金属板２２Ａと一対のエンドプレート２６とが積層された構造をなしており、積層方向における最外層を各エンドプレート２６が構成している。

ロータ１１では、エンドプレート２６の外周端と金属板２２Ａの外周端とを溶接加工を通じて接合することによって、エンドプレート２６が積層体２２に固定されている。溶接固定する溶接部分２７としては、各磁極をなす一対の永久磁石２４の間に挟まれた部分が定められている。ロータ１１では、そうした溶接部分２７が各磁極に対応して１０箇所設定されている。

図２に示すように、ロータシャフト１２は、周囲全周にわたって円環状で突出するフランジ１３を有している。またロータシャフト１２の外面におけるフランジ１３と間隔を置いた位置には雌ねじ１４が形成されており、同雌ねじ１４にはナット１５が螺合される。ロータシャフト１２にロータ１１を取り付ける際には、先ず、ロータ１１の中心孔２１にロータシャフト１２が挿通される。その後、ロータシャフト１２のフランジ１３とナット１５（詳しくは、ワッシャ１６）との間にロータ１１を挟んだ状態で、ナット１５がロータシャフト１２の雌ねじ１４に螺合される。このようにして、ロータシャフト１２に対してロータ１１が固定される。

本実施形態のロータ１１では、積層体２２を構成する電磁鋼板からなる金属板２２Ａとステンレス鋼板からなるエンドプレート２６とが線膨張係数の異なる材料によって構成されるとともに溶接加工によって接合されている。そのため、電動機の運転に伴ってロータ１１の温度が高くなったときに、積層体２２の熱膨張量とエンドプレート２６の熱膨張量との差に起因して上記溶接部分２７に内部応力が発生してしまい、同溶接部分２７の接合強度の低下を招くおそれがある。

この点をふまえて、本実施形態のロータ１１では、そうした溶接部分２７における接合強度の低下を抑えるために、各エンドプレート２６に貫通孔３０が設けられている。以下、貫通孔３０について詳細に説明する。

図１、図４および図５に示すように、各エンドプレート２６の外縁には複数（本実施形態では１０個）の貫通孔３０が設けられている。貫通孔３０は、各溶接部分２７の回転軸Ｌ１側にそれぞれ設けられている。詳しくは、各貫通孔３０は、ロータ１１の径方向において各磁極を構成する一対の永久磁石２４の配置部分と同配置部分の外周側に配置される溶接部分２７との間に挟まれた位置に形成されている。各貫通孔３０の外周側（図５の下方側）の端部は、エンドプレート２６の外周端に沿って延びる円弧状をなしている。また、各貫通孔３０の内周側（図５の上方側）の端部は、一対の永久磁石２４の外面に沿って延びる形状であり、内周側に突出する凸状の曲折形状をなしている。

こうした貫通孔３０を設けることにより、エンドプレート２６の外周端と貫通孔３０の外周側の端部との間に挟まれて帯状をなすブリッジ部３１が上記溶接部分２７に隣り合う隣接部分に形成されている。ブリッジ部３１は、エンドプレート２６の外縁の端部をなす態様で同外縁に沿って円弧状で延びている。ブリッジ部３１は、溶接部分２７に近い部位の幅（図５中に「Ｗ１」で示す）が同溶接部分２７から遠い部位の幅（図５中に「Ｗ２」で示す）よりも広くなっている。

本実施形態のロータ１１によれば、以下に記載する作用効果が得られるようになる。
（１）本実施形態のロータ１１では、エンドプレート２６の外縁における溶接部分２７に近い部分に貫通孔３０が形成されている。これにより、エンドプレート２６における溶接部分２７に隣接する隣接部分に、剛性の低い部分である帯状のブリッジ部３１が設けられている。そのため、電動機の運転に伴ってロータ１１の温度が上昇したときにおいて、積層体２２の熱膨張量とエンドプレート２６の熱膨張量との差によってエンドプレート２６の外周端と積層体２２の外周端とを径方向にずらすように作用する力が発生した場合に、ブリッジ部３１を上記径方向に撓むように変形させることができる。

このようにエンドプレート２６のブリッジ部３１を変形させることによって溶接部分２７に作用する力の一部を逃がすことができるため、貫通孔３０が設けられていないものと比較して、溶接部分２７に作用する力を小さくすることができる。したがって、積層体２２およびエンドプレート２６の溶接部分２７において発生する内部応力を小さくすることができ、それら積層体２２およびエンドプレート２６の接合強度の低下を抑えることができる。

（２）ロータ１１では、エンドプレート２６における上記溶接部分２７の回転軸Ｌ１側に貫通孔３０が配置されている。これにより、エンドプレート２６における溶接部分２７の周辺の剛性を低くすることができるため、同溶接部分２７の周辺を変形させ易い構造にすることができる。

（３）ロータ１１では、エンドプレート２６における上記溶接部分２７に隣り合う隣接部分に、変形し易い形状である帯状のブリッジ部３１が形成されている。そのため、このブリッジ部３１を変形させることによって、溶接部分２７に発生する内部応力を小さくすることができる。

（４）ブリッジ部３１は、エンドプレート２６の外縁の端部をなす態様で同外縁に沿って延びており、上記溶接部分２７に近い部位が同溶接部分２７から遠い部位と比較して幅広の形状をなしている。これにより、ブリッジ部３１における溶接部分２７から遠い部位は幅狭にして変形し易くすることができる。そのため、そうした溶接部分２７から遠い部位を変形させることによって、ブリッジ部３１全体の変形量を確保することができる。しかも、ブリッジ部３１における溶接部分２７に近い部位は、幅広にすることによって比較的変形し難くすることができる。これにより、そうした溶接部分２７に近い部位の撓み変形や捩れ変形を抑えることができるため、それら撓み変形や捻れ変形に起因して生じる上記溶接部分２７の内部応力を抑えることができる。したがって、積層体２２およびエンドプレート２６の接合強度の低下を好適に抑えることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・積層体２２を構成する金属板２２Ａとして、鉄または鉄合金からなる金属板など、電磁鋼板以外の金属板を採用することができる。また、エンドプレート２６を構成する金属板としては、アルミニウム合金からなる金属板など、ステンレス鋼板以外の金属板を採用してもよい。

・エンドプレート４６における溶接部分２７に近い部分に複数の貫通孔を設けるようにしてもよい。そうしたロータの一例を図６に示す。図６に示す例では、前記貫通孔３０（図５参照）の内周側の端部と外縁側の端部との間に、上記溶接部分２７と回転軸Ｌ１とを結ぶ直線上において延びる帯状の補助ブリッジ部４１が架設されている。これにより、貫通孔３０を周方向において並ぶ２つの貫通孔４３，４４に分割する態様で、貫通孔３０の開口が仕切られている。こうした構成によれば、補助ブリッジ部４１を、エンドプレート２６の熱膨張量と金属板２２Ａの熱膨張量の差に起因して生じる力によって変形する変形部分として利用したり、同力によるブリッジ部３１の変形を制限するための補強部分として利用したりすることができる。そのため、エンドプレート２６における溶接部分２７に近い部分の剛性を高い自由度で設定することができる。なお、図６に示す例において、２つの貫通孔４３，４４のうちの一方を省略すること等も可能である。

・ブリッジ部３１における溶接部分２７に近い部位の幅と同溶接部分２７から遠い部位の幅とを同一にするなど、ブリッジ部３１の各部の幅は任意に変更することができる。
・積層体２２とエンドプレート２６との接合強度の低下を抑えるための貫通孔を、エンドプレート２６に設けることに代えて、あるいは加えて、積層体２２を構成する金属板２２Ａのうちのエンドプレート２６に隣接する最外層の金属板２２Ａに設けるようにしてもよい。この場合には、最外層の金属板２２Ａを含む複数枚の金属板２２Ａを貫通するように貫通孔を設けること等も可能である。

上記貫通孔は、積層体２２を構成する金属板２２Ａには設けずに、エンドプレート２６に設けることが好ましい。ここで、積層体２２を構成する金属板２２Ａに貫通孔を設けた場合に同貫通孔の形成位置と永久磁石２４の配設位置とが径方向において重複していると、ロータ１１の性能低下、ひいては電動機の性能低下を招くおそれがある。この点、上述のように金属板２２Ａおよびエンドプレート２６のうちの同エンドプレート２６のみに貫通孔を設けることにより、貫通孔の形成位置と永久磁石２４の配設位置とが径方向において重複しない構造にすることができる。そのため、積層体２２を構成する金属板２２Ａに貫通孔を設ける場合と比較して、貫通孔を設けることによるロータ１１の性能低下を抑えることができる。

なお、挿入孔２３の回転軸Ｌ１方向の端部には充填材２５が充填されるのみで永久磁石２４が配置されない構造のロータ１１においては、同端部に貫通孔を設けることにより、ロータ１１の性能低下を抑えることができる。

・上記実施形態のロータは、磁極数が１０極（極数対が５個）のロータ・ロータシャフト組立体に限らず、任意の磁極数（４極、６極、８極など）のロータ・ロータシャフト組立体に適用することができる。

１０…ロータ・ロータシャフト組立体、１１…ロータ、１２…ロータシャフト、１３…フランジ、１４…雌ねじ、１５…ナット、１６…ワッシャ、２１…中心孔、２２…積層体、２２Ａ…金属板、２３…挿入孔、２４…永久磁石、２５…充填材、２６…エンドプレート、２７…溶接部分、３０…貫通孔、３１…ブリッジ部、４１…補助ブリッジ部、４３…貫通孔、４４…貫通孔、４６…エンドプレート。

Claims (4)

1. 複数枚の円環板状の金属板が積層されてなるとともに、前記金属板の回転軸方向に貫通する挿入孔が前記金属板の周囲方向に間隔を置いて複数設けられてなる積層体と、
   前記挿入孔の内部に収容された状態で固定された永久磁石と、
   前記金属板と異なる金属材料からなる円環板状をなすとともに、該円環板状における外周端と前記金属板の外周端との溶接固定によって、前記積層体における前記回転軸方向の端部に前記挿入孔の開口を塞ぐ態様で設けられてなるエンドプレートと、を有する回転電機のロータにおいて、
   前記エンドプレートは、外縁において前記回転軸方向に貫通する貫通孔を有しており、
   前記金属板は、外縁において前記回転軸方向に貫通する貫通孔を有しておらず、
   前記貫通孔は、前記溶接固定された溶接部分の前記回転軸側に配置されている
   ことを特徴とする回転電機のロータ。
2. 前記挿入孔は、前記周囲方向において並ぶ一対の前記挿入孔を有し、
   前記一対の前記挿入孔は、互いに近接するほど、前記金属板の内周側に位置する態様で延びており、
   前記貫通孔は、前記ロータの径方向において前記一対の前記挿入孔の配設部分と前記金属板の外周端との間に挟まれた位置に設けられている
   請求項１に記載の回転電機のロータ。
3. 前記貫通孔は、帯状をなすブリッジ部を前記溶接固定された溶接部分に隣り合う隣接部分に形成する態様で設けられている
   請求項１または２に記載の回転電機のロータ。
4. 前記ブリッジ部は、前記外縁の端部をなす態様で同外縁に沿って延びており、前記溶接部分に近い部位が同溶接部分から遠い部位と比較して幅広の形状をなしている
   請求項３に記載の回転電機のロータ。