JP7367552B2 - ロータ - Google Patents

Description

本発明は、埋込磁石型のロータに関するものである。

従来、埋込磁石型のロータを用いる回転電機が周知である。埋込磁石型のロータは、磁石収容孔を有するロータコアと、ロータコアの磁石収容孔に埋め込まれる態様をなし、径方向内側に凸の折り返し形状をなす永久磁石とを備え、永久磁石によるマグネットトルクと、ロータコアにおける永久磁石より径方向外側部位の外側コア部にてリラクタンストルクとを得るものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１９－４１５３０号公報

しかしながら、上記のようなロータでは、磁石収容孔の径方向外側端部が周方向にほぼ沿った直線形状を有しており、回転時には遠心力によって磁石収容孔の径方向外側端部における周方向端部で応力が最大となり、その応力集中箇所でロータコアのブリッジ部が破損するという虞があった。なお、もちろん、ロータコアが破損しないように磁石収容孔の径方向外側端部の位置を全体的にロータコアの外周から遠ざけることも考えられるが、その場合、磁石収容孔の径方向外側端部よりも径方向外側のブリッジ部での磁路の断面積が大きくなり、該磁路を介しての漏れ磁束が大きくなり、回転電機の性能が低下してしまう。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、漏れ磁束を小さく抑えつつ、応力集中によるロータコアの破損を抑制可能としたロータを提供することにある。

上記課題を解決するロータ（７）は、磁石収容孔（２４）を有するロータコア（２１）と、前記ロータコアの磁石収容孔に埋め込まれる態様をなし、径方向内側に凸の折り返し形状をなす永久磁石（２２）とを備え、前記永久磁石によるマグネットトルクと、前記ロータコアにおける前記永久磁石より径方向外側部位の外側コア部（２５）にてリラクタンストルクとを得る構成のロータであって、前記磁石収容孔の径方向外側端部（２４ａ）は、前記ロータコアの外周との距離が周方向の中央で近くなる曲線形状とされ、前記磁石収容孔は、軸方向の一部が他の部位と異なる形状の異形部（２４ｂ，５２，５３）とされ、前記異形部は、前記磁石収容孔の軸方向の中心に設けられ、前記永久磁石（２２）は前記磁石収容孔に充填されたボンド磁石であり、前記永久磁石（２２）と前記異形部（２４ｂ，５２，５３）とが互いに軸方向に係合する。

同構成によれば、磁石収容孔の径方向外側端部は、前記ロータコアの外周との距離が周方向の中央で近くなる曲線形状とされるため、漏れ磁束を小さく抑えつつ、磁石収容孔の径方向外側端部における周方向端部での応力集中によるロータコアの破損を抑えることができる。すなわち、磁石収容孔の径方向外側端部における周方向端部では、応力が最大となるが、ロータコアの外周からの距離が遠くなることでロータコアのブリッジ部が肉厚となり破損が抑えられる。また、磁石収容孔の径方向外側端部における周方向の中央では、ロータコアの外周からの距離が近くなることでブリッジ部５１の磁路の断面積が小さくなり、該磁路を介しての漏れ磁束を小さく抑えることができる。さらに、磁石収容孔は、軸方向の一部が他の部位と異なる形状の異形部とされるため、異形部によって永久磁石を軸方向に係合させることができ、永久磁石の磁石収容孔からの抜けを防止することができる。また、異形部は、磁石収容孔の軸方向の中心に設けられるため、永久磁石の磁石収容孔からの抜けを軸方向の両方にバランス良く防止することができる。

一実施形態における回転電機の断面図。 一実施形態におけるロータを説明するための分解斜視図。 一実施形態におけるロータを説明するための平面図。 一実施形態におけるロータを説明するための一部拡大平面図。 一実施形態におけるロータコアを説明するための一部拡大平面図。 一実施形態におけるロータコアを説明するための一部拡大斜視図。 別例におけるロータコアを説明するための一部拡大平面図。 別例におけるロータコアを説明するための一部拡大斜視図。 別例におけるロータコアを説明するための一部拡大斜視図。

以下、回転電機の一実施形態を図１～図６に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態の回転電機Ｍは、埋込磁石型のブラシレスモータであって、車両エンジンルームに配置される位置制御装置用、詳しくはエンジンに連結されるバルブタイミング可変装置に用いられるモータである。

回転電機Ｍはモータケース１を有している。モータケース１は、有蓋筒状に形成された磁性体よりなる筒状フロントハウジング２と、その筒状フロントハウジング２の開口部を閉塞するアルミ（非磁性体）よりなるエンドフレーム３とを有している。

回転電機Ｍは、筒状フロントハウジング２の内周面にステータ５が固定され、そのステータ５の内側には、回転軸６を含む埋込磁石型のロータ７が配設されている。回転軸６は、筒状フロントハウジング２に形成した軸受保持部２ａに収容固定された軸受８及びエンドフレーム３に形成した軸受保持部３ａに収容固定された軸受９にて、モータケース１に対して回転可能に支持されている。エンドフレーム３の軸方向内側面３ｂには、ホールＩＣ等の磁気センサ１０が固定されている。

回転軸６の先端部は、筒状フロントハウジング２から突出している。そして、回転軸６の回転駆動によって、運転状態に応じたバルブタイミング、すなわち、エンジンのクランクシャフトに対するカムシャフトの相対回転位相が適宜変更されるようになっている。

［ステータ５］
筒状フロントハウジング２の内周面にはステータ５が固定されている。ステータ５は、円筒状のステータコア１１を有し、そのステータコア１１の外周面が筒状フロントハウジング２の内側面に固定されている。ステータコア１１の内側には、軸線方向に沿って形成され、かつ、周方向に等ピッチに配置される複数のティース１２が、径方向内側に向かって延出形成されている。

各ティース１２には、インシュレータ１３を介して３相の巻線１５がそれぞれ巻回されている。そして、これら巻線１５に３相の駆動電流が供給されるとステータ５にて回転磁界が発生され、ロータ７が正逆回転される。

［ロータ７］
ロータ７は、前記回転軸６と、回転軸６が中心部に嵌挿される略円柱状のロータコア２１と、ロータコア２１の内部に埋め込まれる態様をなす複数（本実施形態では８個）の永久磁石２２とを備えている。

図２に示すように、ロータコア２１は、磁性金属材料である複数枚の電磁鋼板２３が軸方向に積層されて構成されている。
図１～図３に示すように、ロータコア２１は、永久磁石２２を収容するための磁石収容孔２４を有している。磁石収容孔２４は、ロータコア２１の周方向等間隔に複数（本実施形態では８個）設けられている。各磁石収容孔２４は、径方向内側に向かって凸の略Ｕ字の連続した折返し形状をなし、互いに同一形状をなしている。

永久磁石２２は、磁石粉体を樹脂と混合した磁石材料を成型固化してなるボンド磁石よりなる。すなわち、永久磁石２２は、ロータコア２１の磁石収容孔２４を成形型とし、固化前の磁石材料が射出成形により磁石収容孔２４内に隙間なく充填され、充填後に磁石収容孔２４内で固化されて構成されている。したがって、磁石収容孔２４の孔形状は、永久磁石２２の外形形状と一致する。

ちなみに、本実施形態の永久磁石２２に用いられる磁石粉体としては、例えばサマリウム鉄窒素（ＳｍＦｅＮ）系磁石が用いられるが、他の希土類磁石等を用いてもよい。そして、ロータコア２１の磁石収容孔２４内で固化した永久磁石２２は、ロータコア２１の外部から図示略の着磁装置を用い、本来の磁石として機能させるべく着磁が行われる。永久磁石２２は、ロータコア２１の周方向に交互に異極となるように着磁される。また、永久磁石２２は、自身の厚さ方向に磁化される。

ロータコア２１における永久磁石２２より径方向外側部位、すなわちステータ５との対向部位は、リラクタンストルクを得るための外側コア部２５として機能する。そして、ロータ７は、８個の永久磁石２２と、永久磁石２２で囲まれる態様の外側コア部２５とを含んでなる８極のロータ磁極部２６を有する。各ロータ磁極部２６は、それぞれＮ極、Ｓ極として機能する。ロータ７は、上記したロータ磁極部２６にてマグネットトルク及びリラクタンストルクの両者が得られる構成とされている。

次に、永久磁石２２の詳細形状について説明する。なお、永久磁石２２の形状は、磁石収容孔２４の形状と一致する形状である。
図３及び図４に示すように、ロータ７を軸方向から見て、永久磁石２２は、径方向内側に向かって凸の略Ｕ字の連続した折返し形状をなし、ロータ７の軸中心Ｚを通る永久磁石２２自身の周方向中心線Ｌに対して線対称形状をなしている。

永久磁石２２は、周方向一方側（例えば反時計回り方向側）の直線部としての第１直線部３１と、周方向他方側（例えば時計回り方向側）の直線部としての第２直線部３２と、第１及び第２直線部３１，３２の径方向内側端部同士を接続して屈曲形状をなす屈曲部３３とを有している。第１直線部３１と第２直線部３２とは、それぞれ径方向に沿って延びている。詳しくは、第１直線部３１と第２直線部３２とは、それぞれロータ７の軸中心Ｚを通る直線に対して平行に延びている。そして、周方向に隣り合う永久磁石２２において隣り合う第１直線部３１と第２直線部３２とは互いに平行となっている。

また、本実施形態のロータ７は、外側コア部２５の軸方向端面と対向する位置に、該外側コア部２５と反発するように磁極が配置された環状の端面磁石４１を備える。
詳しくは、まず、端面磁石４１は、ロータコア２１及び永久磁石２２の軸方向端面に接着剤によって固定されている。

また、端面磁石４１の外径は、永久磁石２２の最外径以上でロータコア２１の最外径以下に設定されている。言い換えると、端面磁石４１の外周位置は、軸方向から見て、永久磁石２２の最も径方向外側の位置とロータコア２１の最も径方向外側の位置までの間に配置されている。また、端面磁石４１の内径は、外側コア部２５の最内径に設定されている。言い換えると、端面磁石４１の内周は、軸方向から見て、外側コア部２５の最も径方向内側の位置に配置されている。

また、端面磁石４１は、軸方向に磁化されるとともに、周方向に交互に異極となるように着磁されている。端面磁石４１は、永久磁石２２や外側コア部２５の数と同数である８個が周方向に交互に異極となるように着磁されている。そして、端面磁石４１は、自身の各磁極が外側コア部２５と反発するように、言い換えると、自身の磁極が対向する外側コア部２５の磁極と一致するように配置されている。これにより、永久磁石２２の軸方向端面を超えて、外側コア部２５の軸方向端面から又は外側コア部２５の軸方向端面へ向かって漏れてしまう漏れ磁束が低減される構成となっている。

また、図１に示すように、端面磁石４１は、前記磁気センサ１０と隙間を有しつつ対向するように配置され、磁気センサ１０によるロータ７の回転角度検出を可能とするセンサ磁石を構成している。すなわち、端面磁石４１は、センサ磁石を兼ねている。

ここで、図４に示すように、磁石収容孔２４の径方向外側端部２４ａは、ロータコア２１の外周との距離が、周方向に連続的に変化するとともに、周方向の中央で近くなる曲線形状とされている。詳しくは、本実施形態の磁石収容孔２４の径方向外側端部２４ａは、軸方向から見て、磁石収容孔２４の幅の中心Ｘを軸とする半円形状とされている。すなわち、磁石収容孔２４は、永久磁石２２における第１直線部３１及び第２直線部３２を収容する一対の内壁が径方向外側で半円形状によって繋がった形状とされている。これにより、ロータコア２１において磁石収容孔２４の径方向外側端部２４ａより外側に形成されるブリッジ部５１は、周方向の中央ほど肉薄で周方向の端部ほど肉厚とされる。

また、図５及び図６に示すように、磁石収容孔２４は、軸方向の一部が他の部位と異なる形状の異形部２４ｂとされている。なお、図５及び図６は、永久磁石２２が配設されていないロータコア２１を示す。詳しくは、図６に示すように、異形部２４ｂは、磁石収容孔２４の軸方向の中心に設けられている。また、異形部２４ｂは、磁石収容孔２４の径方向外側端部２４ａに設けられ、他の部位に対して内側に凸設されている。すなわち、本実施形態の異形部２４ｂは、軸方向から見て半円形状の径方向外側端部２４ａから内側に突出して半円形状に形成されている。また、本実施形態の異形部２４ｂは、複数種類の電磁鋼板２３が積層されることで設けられている。すなわち、本実施形態のロータコア２１は、複数枚の電磁鋼板２３が積層されてなるが、電磁鋼板２３は、異形部２４ｂと対応した形状の第１電磁鋼板２３ａと、他の部位と対応した第２電磁鋼板２３ｂとを含み、それらが積層されてなる。

次に、上記のように構成された回転電機Ｍの作用について説明する。
例えば、磁気センサ１０によって検出されたロータ７の回転角度に基づいたタイミングで、外部の電源装置から巻線１５に３相の駆動電流が供給されると、ステータ５にて回転磁界が発生され、ロータ７が回転駆動される。この回転駆動によって、運転状態に応じたバルブタイミング、すなわち、エンジンのクランクシャフトに対するカムシャフトの相対回転位相が変更されることになる。

次に、上記実施形態の効果を以下に記載する。
（１）磁石収容孔２４の径方向外側端部２４ａは、ロータコア２１の外周との距離が、周方向の中央で近くなる曲線形状とされるため、漏れ磁束を小さく抑えつつ、磁石収容孔２４の径方向外側端部２４ａにおける周方向端部での応力集中によるロータコア２１の破損を抑えることができる。すなわち、磁石収容孔２４の径方向外側端部２４ａにおける周方向端部では、応力が最大となるが、ロータコア２１の外周からの距離が遠くなることでロータコア２１のブリッジ部５１が肉厚となり破損が抑えられる。また、磁石収容孔２４の径方向外側端部２４ａにおける周方向の中央では、ロータコア２１の外周からの距離が近くなることでブリッジ部５１の磁路の断面積が小さくなり、該磁路を介しての漏れ磁束を小さく抑えることができる。

（２）磁石収容孔２４の径方向外側端部２４ａは、軸方向から見て、磁石収容孔２４の幅の中心Ｘを軸とする半円形状とされるため、例えば、磁石収容孔２４の径方向外側端部２４ａにおける周方向両端部でブリッジ部５１が同等に肉厚となりバランス良く破損が抑えられる。

（３）磁石収容孔２４は、軸方向の一部が他の部位と異なる形状の異形部２４ｂとされるため、異形部２４ｂによって永久磁石２２を軸方向に係合させることができ、永久磁石２２の磁石収容孔２４からの抜けを防止することができる。なお、本実施形態では、永久磁石２２の軸方向端面に端面磁石４１が設けられることでも永久磁石２２の磁石収容孔２４からの抜けが防止される。

（４）異形部２４ｂは、磁石収容孔２４の軸方向の中心に設けられるため、永久磁石２２の磁石収容孔２４からの抜けを軸方向の両方にバランス良く防止することができる。
（５）異形部２４ｂは、磁石収容孔２４の径方向外側端部２４ａに設けられ、他の部位に対して内側に凸設されるため、永久磁石２２の磁石収容孔２４からの抜けを防止しながら、磁石収容孔２４よりも外側のロータコア２１のブリッジ部５１の強度を高くすることができる。

上記実施形態は以下のように変更して実施することができる。また、本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、異形部２４ｂは、磁石収容孔２４の径方向外側端部２４ａに設けられ、他の部位に対して凸設されるとしたが、これに限定されず、他の位置に他の形状で設けてもよい。

例えば、図７及び図８に示すように、異形部５２は、磁石収容孔２４の全周に設けられ、他の部位に対して内側に凸設されたものとしてもよい。このようにすると、永久磁石２２の磁石収容孔２４からの抜けをより防止することができる。

また、例えば、図９に示すように、異形部５３は、磁石収容孔２４の一部に設けられ、他の部位に対して凹設されたものとしてもよい。このようにすると、ロータコア２１の製造が容易となる。

・上記実施形態では、磁石収容孔２４の径方向外側端部２４ａは、磁石収容孔２４の幅の中心Ｘを軸とする半円形状とされるとしたが、ロータコア２１の外周との距離が周方向の中央で近くなる曲線形状とされれば、他の形状としてもよい。例えば、磁石収容孔２４の径方向外側端部２４ａは、楕円形状等の他の曲線形状としてもよい。

・上記実施形態では、異形部２４ｂは、磁石収容孔２４の軸方向の中心に設けられるとしたが、これに限定されず、軸方向の中心からずれた位置に設けてもよい。また、異形部は軸方向に複数設けてもよい。

・上記実施形態では、磁石収容孔２４は、軸方向の一部が他の部位と異なる形状の異形部２４ｂとされるとしたが、これに限定されず、異形部を有していない磁石収容孔２４としてもよい。

・上記実施形態では、ロータ７は、ロータコア２１及び永久磁石２２の軸方向端面に固定される端面磁石４１を備えるとしたが、該端面磁石４１を備えていない構成としてもよい。

・上記実施形態では、永久磁石２２は、第１直線部３１と第２直線部３２と屈曲部３３とを有する形状のものとしたが、これに限定されず、例えば、軸方向から見て全体が湾曲している形状のものとしてもよい。

・上記実施形態では、永久磁石２２は、磁石収容孔２４を成形型として成形されるボンド磁石よりなるとしたが、これに限定されず、例えば、成形後に磁石収容孔２４に挿入されるボンド磁石としてもよいし、焼結された後に磁石収容孔２４に挿入される焼結磁石としてもよい。なお、上記実施形態のように異形部２４ｂと対応した形状の永久磁石２２とするためには、磁石収容孔２４を成形型として成形されるボンド磁石とすることが好ましい。

・上記実施形態では、ロータコア２１は、複数枚の電磁鋼板２３が軸方向に積層されてなるとしたが、これに限定されず、例えば、磁性粉体を焼結して構成したもの等、他の構成のものとしてもよい。

７…ロータ、２１…ロータコア、２２…永久磁石、２４…磁石収容孔、２４ａ…磁石収容孔の径方向外側端部、２４ｂ，５２，５３…異形部、２５…外側コア部、Ｘ…磁石収容孔の幅の中心。

Claims (5)

1. 磁石収容孔（２４）を有するロータコア（２１）と、前記ロータコアの磁石収容孔に埋め込まれる態様をなし、径方向内側に凸の折り返し形状をなす永久磁石（２２）とを備え、
   前記永久磁石によるマグネットトルクと、前記ロータコアにおける前記永久磁石より径方向外側部位の外側コア部（２５）にてリラクタンストルクとを得る構成のロータであって、
   前記磁石収容孔の径方向外側端部（２４ａ）は、前記ロータコアの外周との距離が周方向の中央で近くなる曲線形状とされ、
   前記磁石収容孔は、軸方向の一部が他の部位と異なる形状の異形部（２４ｂ，５２，５３）とされ、
   前記異形部は、前記磁石収容孔の軸方向の中心に設けられ、
   前記永久磁石（２２）は前記磁石収容孔に充填されたボンド磁石であり、
   前記永久磁石（２２）と前記異形部（２４ｂ，５２，５３）とが互いに軸方向に係合しており、
   前記外側コア部の軸方向端面と対向する位置には、前記外側コア部と反発するように磁極が配置された端面磁石（４１）を備えるロータ。
2. 前記端面磁石は環状をなし、前記端面磁石の外径は、前記永久磁石の最外径以上で前記ロータコアの最外径以下に設定されているとともに、前記端面磁石の内径は、前記外側コア部の最内径に設定されている請求項１に記載のロータ。
3. 前記磁石収容孔の径方向外側端部は、前記磁石収容孔の幅の中心（Ｘ）を軸とする半円形状とされた請求項１又は請求項２に記載のロータ。
4. 前記異形部（２４ｂ）は、前記磁石収容孔の径方向外側端部に設けられ、他の部位に対して凸設された請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のロータ。
5. 前記端面磁石は、前記ロータコア及び前記永久磁石の軸方向端面に固定されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のロータ。