WO2014171558A2

WO2014171558A2 - 電動機

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Publication number: WO2014171558A2
Application number: PCT/JP2014/065066
Authority: WO
Inventors: 夏樹渡辺; 貞一郎千葉; 康彦松木
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2014-10-23
Anticipated expiration: 2016-12-06
Also published as: WO2014171558A3; EP2980962A4; EP2980962A2; US10211688B2; EP2980962B1; US20160301268A1; CN105379070A

Abstract

　ハウジング内に装着された環状のステータと、ステータ内に配置されてハウジングに回転可能に支持されたロータとを備えるとともに、ロータのロータコア（４１）に複数の永久磁石（４３）が埋め込まれている電動機であって、ロータコア（４１）には、永久磁石（４３）が嵌合される埋込孔（４１Ｂ）が設けられ、埋込孔（４１Ｂ）における永久磁石（４３）の対角位置には、ロータコア（４１）の軸方向に沿って連続した充填孔（４８）が形成されている。

Description

電動機

　本発明は、電動機に係り、特に埋込永久磁石型同期電動機のロータに用いられる永久磁石の固定構造の改良に関する。

　従来、埋込永久磁石型同期電動機のロータでは、ロータコアに設けられた複数の穴部内に永久磁石を挿入し、永久磁石の外表面と穴部内面との間に形成される隙間に接着剤を充填し、よって永久磁石をロータコアに固定することが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００７－２３６０２０号公報特開２００９－３０３４４５号公報

　しかし、従来では、永久磁石の外表面と穴部内面との間の広い範囲に接着剤を充填するため、充填作業に手間がかかるという問題がある。特に特許文献１では、穴部に連続して設けられたフラックスバリアまでもが接着剤で満たされており、充填作業に余計に時間がかかって作業性が悪い。

　しかも、従来では、穴部と永久磁石との隙間の中でも、ロータコアの内周側の位置に形成される隙間に接着剤を充填している。こうすることで、永久磁石をロータコアの外周側に押しやり、ロータコアの外周側に位置する穴部内面に当接させている。このため、外周側では隙間が形成されず、接着剤が回っていない。従って、接着剤が内周側の位置に形成される隙間に主に充填されることとなるが、この隙間に十分に充填されていない事態が生じると、永久磁石の固定強度が格段に低下し、高負荷、高回転時に生じる大きな遠心力が繰り返し作用した場合に、永久磁石が穴部内で脱落する可能性がある。

　また、従来においては、接着剤を圧送して充填する構成であるため、圧送用のポンプ等が必要になるなど、設備が高価になるという問題がある。
　さらに、特許文献１，２にあっては、永久磁石やロータコアの冷却に関しては一切触れられておらず、冷却不足を招く可能性がある。

　本発明の目的は、接着剤の充填作業を容易にでき、かつ永久磁石を確実に保持できる電動機を提供することにある。

　第１発明に係る電動機は、ハウジング内に装着された環状のステータと、前記ステータ内に配置されて前記ハウジングに回転可能に支持されたロータとを備えるとともに、前記ロータのロータコアに複数の永久磁石が埋め込まれている電動機であって、前記ロータコアには、前記永久磁石が嵌合される埋込孔が設けられ、前記埋込孔における前記永久磁石の対角位置には、前記ロータコアの軸方向に沿って連続した充填孔が形成されることを特徴とする。

　第２発明に係る電動機では、前記ロータコアには、前記埋込孔の端部によりフラックスバリアが設けられ、前記フラックスバリアは、冷却油が流通する油路になっていることが望ましい。

　第３発明に係る電動機では、前記ロータコアには、前記埋込孔の端部によりフラックスバリアが設けられ、前記フラックスバリアには、前記永久磁石を支持する支持部が設けられることが望ましい。

　第４発明に係る電動機では、前記支持部は、角柱状とされた前記永久磁石の角部を挟んで前記充填孔とは反対側に設けられることが望ましい。

　第５発明に係る電動機は、ハウジング内に装着された環状のステータと、前記ステータ内に配置されて前記ハウジングに回転可能に支持されたロータとを備えるとともに、前記ロータのロータコアに複数の断面矩形状の永久磁石が埋め込まれている電動機であって、前記ロータの軸中心から見てＶ字形状に配置された一対の前記永久磁石により１つの磁極が形成され、前記ロータコアには、前記永久磁石が嵌合される埋込孔と、前記埋込孔の一方の端部により形成され、かつ前記ロータコアの外周寄りに位置した外周側のフラックスバリアと、前記埋込孔の他方の端部により形成され、かつ前記外周側のフラックスバリアよりも内方側に位置した内方側のフラックスバリアとが設けられ、前記埋込孔における前記永久磁石の対角位置には、前記ロータコアの軸方向に沿って連続した充填孔が形成され、前記内方側のフラックスバリアは、冷却油が流通する油路になっており、前記外周側のフラックスバリアおよび前記内方側のフラックスバリアには、前記永久磁石の端面の一部と当接して該永久磁石を支持する支持部が設けられ、前記支持部は、角柱状とされた前記永久磁石の角部を挟んで前記充填孔とは反対側に設けられることを特徴とする。

　第１発明によれば、永久磁石をその対角の２箇所に対応した部分のみでロータコアに接着するため、接着剤等の充填量を大幅に少なくでき、充填作業を迅速かつ容易にできる。また、永久磁石を埋込孔に嵌合させるので、２箇所のみの接着による固定であっても、ロータ回転時の遠心力に十分に対抗でき、永久磁石を埋込穴内に確実に保持させておくことが可能である。

　第２発明によれば、フラックスバリア内が接着剤で満たされることがないから、そのフラックスバリアを冷却油流通用の油路として確実に確保でき、永久磁石やロータコアを良好に冷却できる。
　第３発明によれば、フラックスバリアに支持部を設けるので、埋込穴内に嵌合された永久磁石をより確実に固定でき、埋込孔内での永久磁石の脱落をより確実に防止できる。
　第４発明によれば、支持部を永久磁石の角部を挟んで接着剤の充填孔とは反対側に設けるため、充填孔および支持部を互いに干渉されない位置で十分な大きさにでき、固定強度や耐久性を向上させることができる。
　第５発明によれば、第１発明ないし第４発明での作用効果を同様に得ることができる。

本発明の一実施形態に係る電動機の全体を示す断面図。前記電動機のロータコアを示す図。前記ロータコアの要部を拡大して示す拡大図。

〔電動機の全体構成〕
　以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
　図１は、本実施形態の電動機１の全体を示す断面図である。図２は、電動機１のロータコア４１を示す図である。

　図１において、電動機１は、ハウジング２の内部に装着された環状のステータ３と、ステータ３内に配置されるとともに、ハウジング２内で回転可能に支持されたロータ４とを備える。このような電動機１は、ロータ４のロータコア４１内に永久磁石４３が埋め込まれた埋込永久磁石型同期電動機として構成されている。

〔ステータ〕
　ステータ３は、図には明示していないが、電磁鋼板を軸方向に沿って多数積層することにより構成されたステータコア３１を備える。ステータコア３１は、周方向に連続した外周側のヨーク３２と、ヨーク３２から中央のロータ４側に向けて突出した複数のティース３３とを備える。複数のティース３３は、ヨーク３２の周方向に沿って互いに等間隔で設けられている。このようなティース３３には、電磁コイル３４が巻線されている。

〔ロータ〕
　ロータ４は、ステータコア３１と同様に電磁鋼板を軸方向に沿って多数積層することにより構成された環状のロータコア４１と、ロータコア４１の中央に設けられた挿通孔４１Ａに挿通されたロータシャフト４２と、ロータコア４１の埋込孔４１Ｂ（図２参照）内に嵌合された合計１６個の角柱状の永久磁石４３とを備える。

　図２において、ロータコア４１の埋込孔４１Ｂは、軸心側から見て対称となるようにＶ字形状に設けられている。このような埋込孔４１Ｂの一対を一組とし、この一組の埋込孔４１Ｂ内に埋め込まれた一対の永久磁石４３により１つの磁極が形成される。すなわち、本実施形態のロータ４の極数は、８極である。隣り合う磁極の極性は、互いに相違している。それぞれの磁極は、ロータコア４１の周方向に沿って等間隔で形成されている。

　ロータコア４１において、開口形状が長孔とされた埋込孔４１Ｂの長手方向の一端は、空隙からなるフラックスバリア４１Ｃになっている。このフラックスバリア４１Ｃには、断面矩形状の永久磁石４３の短辺側の一対の端面４３Ｂ、４３Ｂのうち、一方の端面４３Ｂ（図３参照）が位置する。同様に埋込孔４１Ｂの長手方向の他端は、永久磁石４３の他方の端面４３Ｂが位置する同様なフラックスバリア４１Ｄになっている。つまり、埋込孔４１Ｂの内面に対しては、後述の支持部７１，７２に当接する端面４３Ｂの一部を除き、永久磁石４３の長辺側の一対の側面４３Ａ（図３参照）が接触している。

　フラックスバリア４１Ｃ，４１Ｄのうち、ロータコア４１の外周側に位置するフラックスバリア４１Ｃは、永久磁石４３からの漏れ磁束を低減するために設けられている。ロータコア４１の外周表面から遠い内方側に位置したフラックスバリア４１Ｄは、永久磁石４３からの漏れ磁束の低減、および後述する冷却構造の一部を構成するために設けられている。なお、フラックスバリア４１Ｃとロータコア４１の外周表面との間は、サイドブリッジ４４となっており、磁極の中心側で隣設し合うフラックスバリア４１Ｄの間は、センタブリッジ４５となっている。サイドブリッジ４４については後述する。

　このようなロータコア４１の軸方向の両側には、環状のエンドプレート４６，４７が取り付けられている。ロータシャフト４２の出力部４２Ａ（図１中の左側）側にて、ロータコア４１に取り付けられたエンドプレート４６には、ロータコア４１のフラックスバリア４１Ｄに対応した部位とロータシャフト４２側とを連通させる油路４６Ａが、径方向に沿って設けられている。油路４６Ａの端部には、ハウジング２内に開口した吐出孔４６Ｂが設けられている。もう一方のエンドプレート４７には、フラックスバリア４１Ｄに対応した位置に吐出開口４７Ａが設けられ、フラックスバリア４１Ｄとハウジング２内とが連通している。なお、本実施形態では、ロータシャフト４２の軸方向が略水平とされた横置きの電動機１について説明しているが、本発明としては、ロータシャフトの軸方向が略鉛直とされた縦置きの電動機であってもよい。そして、縦置きとした場合には、吐出孔４６Ｂを省略してもよい。

　ロータシャフト４２の中央には、出力部４２Ａとは反対側に開口し、軸方向に沿って出力部４２Ａ側に向かって延びた油路４２Ｂが設けられている。油路４２Ｂの出力部４２Ａ側の端部は、径方向に貫通した油路４２Ｃと連通している。油路４２Ｃは、エンドプレート４６の油路４６Ａと連通している。

　永久磁石４３としては、ネオジウムやジスプロシウムなどの希土類永久磁石が好適に用いられる。このような永久磁石４３は、ロータコア４１の埋込孔４１Ｂ内に嵌合された状態で接着剤により固定される。永久磁石４３の固定構造に関しては後述する。

〔冷却構造〕
　電動機１では、ヒステリシス損や渦電流損を要因とする発熱によってステータコア３１、電磁コイル３４、ロータコア４１、永久磁石４３が高温状態となる。このため、本実施形態においては、ハウジング２の内部と、外部の冷却油タンク５１との間で冷却油が循環し、電動機１を冷却する構造を採用している。

　本構造において、電動機１のロータシャフト４２に設けられた油路４２Ｂの開口側には、冷却油タンク５１からの供給流路５２が接続されている。一方、電動機１を構成するハウジング２の底部分に設けられたドレン開口２Ａには、冷却油タンク５１へのドレン流路５３が接続されている。供給流路５２には油圧ポンプ５４が設けられ、ドレン流路５３にはオイルクーラ５５が設けられている。

　冷却油タンク５１から油圧ポンプ５４にて吸い上げられた冷却油は、ロータシャフト４２の油路４２Ｂに入り込み、油路４２Ｂ内を軸方向に沿って一端側から他端側に向けて流れ、他端側に設けられた径方向の油路４２Ｃを通ってエンドプレート４６の油路４６Ａに流れ込む。

　油路４６Ａに入り込んだ冷却油の一部は、吐出孔４６Ｂからハウジング２内に噴射され、ロータコア４１および電磁コイル３４を冷却する。また、油路４６Ａに入り込んだ他の冷却油は、ロータコア４１のフラックスバリア４１Ｄに入り込み、フラックスバリア４１Ｄ内を軸方向に沿って流れることでロータコア４１および永久磁石４３を冷却する。フラックスバリア４１Ｄを流れ終えた冷却油は、エンドプレート４７の吐出開口４７Ａからハウジング２内に噴射され、やはりロータコア４１および電磁コイル３４を冷却する。

　吐出孔４６Ｂおよび吐出開口４７Ａから噴射された冷却油は、ロータコア４１および電磁コイル３４を冷却する他、ロータシャフト４２を回転支持するベアリング２１，２２を冷却する。これらを冷却した冷却油は、ハウジング２内を滴下等して底部分の油溜部２３に集約される。集約された冷却油は、油溜部２３からドレン開口２Ａを通してドレン流路５３を流れ、オイルクーラ５５にて冷却された後に冷却油タンク５１に戻る。

〔サイドブリッジ〕
　図３は、ロータコア４１の要部を拡大して示す拡大図である。この図３には、隣り合う２極分が示されている。
　図３に示すように、ロータコア４１の外周表面には、この外周寄りに位置したフラックスバリア４１Ｃの近傍において、内方に向けて窪んだ第１凹部６１および第２凹部６２が設けられている。各磁極では、第１凹部６１同士が磁極の中心に対して周方向の外側の位置に設けられ、第２凹部６２同士が磁極の中心に対して周方向の内側の位置に設けられている。そして、第１凹部６１および第２凹部６２の周方向の間隔は、フラックスバリア４１Ｃを周方向に跨ぐ程度の大きさである。すなわち、第１凹部６１とロータコア４１の軸中心とを結ぶ線をＬ１とし、第２凹部６２とロータコア４１の軸中心とを結ぶ線をＬ２としたとき、線Ｌ１，Ｌ２の間にフラックスバリア４１Ｃが設けられている。この結果、フラックスバリア４１Ｃとロータコア４１の外周表面との間の薄肉部分により、第１凹部６１および第２凹部６２の間を連結するサイドブリッジ４４が形成される。

　サイドブリッジ４４は、フラックスバリア４１Ｃの開口形状との関係で、ロータコア４１の周方向において略均一な厚さ（径方向の肉厚）を有しているとともに、ロータコア４１の径方向の外方に突出するように湾曲したアーチ状に形成されている。つまり、アーチ状とされたサイドブリッジ４４の基端側に第１凹部６１および第２凹部６２が設けられている。サイドブリッジ４４の曲率半径は、ロータコア４１の外周の半径よりも小さい。

　このような形状のサイドブリッジ４４では、ロータ４の回転に伴う遠心力によって応力集中が生じるが、生じる箇所は、サイドブリッジ４４の周方向の両端部および周方向の中央付近である。具体的には、第１凹部６１および第２凹部６２の底部分と、サイドブリッジ４４（フラックスバリア４１Ｃ）の内面側の部分との３箇所に分散して応力が生じる。従って、１点に応力集中が生じることがなく、各箇所で生じる応力を小さくでき、耐久性が向上する。また、第１凹部６１および第２凹部６２のうち、本実施形態では特に、第２凹部６２をトルク脈動や、鉄損、磁束高調波、あるいはコギングトルクを低下させる部位として機能させることができ、電動機１の特性を良好にできる。

〔永久磁石の固定構造〕
　以下には、図３に基づき、永久磁石４３の固定構造について説明する。
　図３に示すように、鋼板７のフラックスバリア４１Ｃ，４１Ｄを形成する部分には、永久磁石４３の２箇所の対角位置に向けて突出した支持部７１，７２が設けられている。フラックスバリア４１Ｃ側の支持部７１は、永久磁石４３の一方の端面４３Ｂの中でも、ロータコア４１の外周表面から遠い方の辺縁に当接している。フラックスバリア４１Ｄ側の支持部７２は、センタブリッジ４５の外方側の基端部分に設けられており、永久磁石４３の他方の端面４３Ｂの中でも、ロータコア４１の外周表面に近い方の辺縁に当接している。このように、永久磁石４３は、対向する短辺側の辺縁の２箇所の対角位置にてロータコア４１に支持されている。

　ここで、支持部７１，７２が永久磁石４３の端面４３Ｂに当接する当接幅は、端面４３Ｂが設けられている永久磁石４３の短辺側の全幅に対して、略１／５（５分の１）よりも短いことが望ましい。１／５よりも短いことで、端面４３Ｂからの漏れ磁束を低減できる。また、支持部７１，７２の端面４３Ｂでの当接箇所は、永久磁石４３の角部である端面４３Ｂの幅方向の端部から離れていてもよい。

　そして、鋼板７の埋込孔４１Ｂを形成する部分には、支持部７１，７２とは永久磁石４３の角部を挟んで反対側の位置に拡張部７３が設けられている。拡張部７３は、永久磁石４３の側面４３Ａとの間に僅かな隙間を形成するために、埋込孔４１Ｂの一部を拡張して設けられている。拡張部７３はまた、積層される全ての鋼板７に設けられている。積層される鋼板７は全て同一形状であり、それぞれを位置合わせすることで積層方向（ロータコア４１の軸方向と同じ）に連通した埋込孔４１Ｂが形成され、この埋込孔４１Ｂに永久磁石４３を組み込むことが可能である。

　また、積層方向に連通した全ての拡張部７３により、埋込孔４１Ｂにおける永久磁石４３の別の対角位置にある２箇所には、ロータコア４１を軸方向に沿って貫通した充填孔４８が形成される。つまり、このような充填孔４８は、永久磁石４３が埋込孔４１Ｂに組み込まれた状態で、永久磁石４３と拡張部７３との間に形成される。軸方向に連続した充填孔４８に対して接着剤を充填することにより、永久磁石４３の対向する長辺側の辺縁の２箇所の対向位置がロータコア４１に固定されることになる。なお、モールド材等の樹脂材料などを接着剤として用いてもよい。

　従って、本実施形態では、永久磁石４３の側面４３Ａ全体に接着剤を回して固定する必要がなく、接着剤を充填する手間を大幅に省くことができ、組立作業を容易にできる。しかも、永久磁石４３は埋込孔４１Ｂ内に嵌合されており、永久磁石４３の両側の側面４３Ａが埋込孔４１Ｂの内面と接触した状態にある。従って、接着剤の充填量が少なくとも、永久磁石４３を埋込孔４１Ｂ内に確実に保持しておくことができる。

〔変形例〕
　なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
　例えば、前記実施形態では、ロータコア４１の軸方向に沿って充填孔４８が形成されていたが、このような充填孔４８とフラックスバリア４１Ｃ，４１Ｄとを連通させる連通部をさらに設けてもよい。このような構成では、連通部を通して充填孔４８内の空気を抜くことが可能であり、充填孔４８内に接着剤を容易に充填できる。

　また、そのような連通部が設けられない場合でも、接着剤をよりスムーズに充填するために、例えば、拡張部７３によって形成される充填孔４８の断面を、接着剤充填用のニードルが挿入可能な程度に大きく設けておいてもよい。そして、そのようなニードルを充填孔４８の奥側まで挿入させた後、奥側から手前に戻しながらニードルを通して接着剤を充填する。

　また、ロータコア４１にエンドプレート４６，４７が設けられる前工程、つまり充填孔４８の端部が開放された状態にある段階で、接着剤を充填することも可能である。
　加えて、ロータコア４１にエンドプレート４６，４７を設けられた後の工程であっても、例えば、エンドプレート４６に充填孔４８と外部とを連通させる連通孔を予め設けておくことで、そのような連通孔を通して接着剤充填時に空気抜きが抜けるように構成してもよい。

　前記実施形態では、ロータコア４１の外周表面には、第１、第２凹部６１，６２が設けられていたが、発電機１の特性向上のために機能する第２凹部６２のみを設け、第１凹部６１を省いた場合や、第１、第２凹部６１，６２の両方がない場合でも、本発明に含まれる。

　本発明は、電動自動車、ハイブリッド自動車、電動建設機械、ハイブリッド建設機械等の車両に用いられ、好ましくはこれら建設機械の走行用の電動機として利用できる。

　１…電動機、２…ハウジング、３…ステータ、４…ロータ、４１…ロータコア、４１Ｂ…埋込孔、４１Ｃ，４１Ｄ…フラックスバリア、４３…永久磁石、４８…充填孔、７１，７２…支持部。

Claims

　ハウジング内に装着された環状のステータと、前記ステータ内に配置されて前記ハウジングに回転可能に支持されたロータとを備えるとともに、前記ロータのロータコアに複数の永久磁石が埋め込まれている電動機であって、
　前記ロータコアには、前記永久磁石が嵌合される埋込孔が設けられ、
　前記埋込孔における前記永久磁石の対角位置には、前記ロータコアの軸方向に沿って連続した充填孔が形成される
　ことを特徴とする電動機。
　請求項１に記載の電動機において、
　前記ロータコアには、前記埋込孔の端部によりフラックスバリアが設けられ、
　前記フラックスバリアは、冷却油が流通する油路になっている
　ことを特徴とする電動機。
　請求項１または請求項２に記載の電動機において
　前記ロータコアには、前記埋込孔の端部によりフラックスバリアが設けられ、
　前記フラックスバリアには、前記永久磁石を支持する支持部が設けられる
　ことを特徴とする電動機。
　請求項３に記載の電動機において、
　前記支持部は、角柱状とされた前記永久磁石の角部を挟んで前記充填孔とは反対側に設けられる
　ことを特徴とする電動機。
　ハウジング内に装着された環状のステータと、前記ステータ内に配置されて前記ハウジングに回転可能に支持されたロータとを備えるとともに、前記ロータのロータコアに複数の断面矩形状の永久磁石が埋め込まれている電動機であって、
　前記ロータの軸中心から見てＶ字形状に配置された一対の前記永久磁石により１つの磁極が形成され、
　前記ロータコアには、
　前記永久磁石が嵌合される埋込孔と、
　前記埋込孔の一方の端部により形成され、かつ前記ロータコアの外周寄りに位置した外周側のフラックスバリアと、
　前記埋込孔の他方の端部により形成され、かつ前記外周側のフラックスバリアよりも内方側に位置した内方側のフラックスバリアとが設けられ、
　前記埋込孔における前記永久磁石の対角位置には、前記ロータコアの軸方向に沿って連続した充填孔が形成され、
　前記内方側のフラックスバリアは、冷却油が流通する油路になっており、
　前記外周側のフラックスバリアおよび前記内方側のフラックスバリアには、前記永久磁石の端面の一部と当接して該永久磁石を支持する支持部が設けられ、
　前記支持部は、角柱状とされた前記永久磁石の角部を挟んで前記充填孔とは反対側に設けられる
　ことを特徴とする電動機。