JP5765317B2

JP5765317B2 - 回転電機のロータ

Info

Publication number: JP5765317B2
Application number: JP2012242829A
Authority: JP
Inventors: 高橋　裕樹; 裕樹高橋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2032-11-02
Also published as: US9735633B2; US20140125183A1; JP2014093860A

Description

本発明は、ハイブリッド車両や電気自動車等の車両に搭載されて電動機や発電機として用いられる回転電機のロータに関する。

従来、車両等に搭載されて使用される回転電機のロータとして、ステータに対して径方向に対向配置され、２個で対をなしステータ側に向かうにつれて対向間距離が大きくなるようにＶ字状に配置された複数対の磁石収容孔を有するロータコアと、Ｖ字状に配置された対をなす前記磁石収容孔に収容されてそれぞれ一つの磁極を形成する複数対の磁石と、を備えたものが知られている。この場合、ロータコアに設けられた一対の磁石収容孔の間には、径方向に延びる中央ブリッジが形成されている。

そして、特許文献１には、対をなす磁石収容孔のそれぞれの磁極中心側の端部からロータコアの中心軸線側（径方向内方側）に広がる対をなすフラックスバリア（磁気的空隙部）を有するロータコアが開示されている。そして、対をなすフラックスバリアの間には、径方向に延びる中央ブリッジが設けられ、この中央ブリッジは、周方向中央部に設けられた内部バリアによって２本の第１及び第２ブリッジに分断されている。

このように、フラックスバリアや内部バリアを設けることによって、ｄ軸（磁極を通る磁束の軸）に磁束が流れ難くなるようにして磁束漏れを抑制することが可能となる。これにより、ｄ軸インダクタンスを低下させることが可能となる。また、ロータコアの重量が低減することにより、イナーシャを低減させることが可能となる。

特開２０１１−２１１８６０号公報

ところで、上記特許文献１の技術においては、径方向に広がるように形成されるフラックスバリアが径方向に長くなった分、中央ブリッジの径方向長さも長くなることから、中央ブリッジの周方向幅は、径方向長さに対して相対的に小さくなる。そのため、中央ブリッジの強度低下により、ロータ回転時の遠心力に耐え得る十分な強度を確保できなくなるという問題がある。特に、特許文献１の場合には、２本の第１及び第２ブリッジの間に内部バリアが設けられているので、２本の第１及び第２ブリッジの周方向幅は、内部バリアが設けられずに中央ブリッジが１本にされている場合に比べて略半分になることから強度低下が顕著となる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、磁束漏れの抑制効果やイナーシャの低減効果を確保しつつ、十分な強度を確保し得るようにした回転電機のロータを提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明は、ステータに対して径方向に対向配置され、２ｎ（ｎは自然数）個で対をなし前記ステータ側に向かうにつれて対向間距離が大きくなるようにＶ字状に配置された複数対の磁石収容孔（１２）を有するロータコア（１１）と、Ｖ字状に配置された対をなす前記磁石収容孔に収容されてそれぞれ一つの磁極を形成する複数対の磁石（１３）と、を備えた回転電機のロータにおいて、前記ロータコアは、対をなす前記磁石収容孔のそれぞれの磁極中心側の端部から前記ロータコアの中心軸線（Ｏ）側に連続的に広がる対をなすフラックスバリア（１６）と、対をなす前記フラックスバリアの間に形成された径方向に連続的に延びる中央ブリッジ（１５）と、を有し、前記中央ブリッジは、径方向内方側に位置する内方側部位（１５ａ）の周方向幅が径方向外方側に位置する外方側部位（１５ｂ）の周方向幅よりも大きくされていることを特徴とする。

本発明によれば、ロータコアは、上記のように構成されたフラックスバリアと中央ブリッジとを有し、中央ブリッジは、径方向内方側に位置する内方側部位の周方向幅が径方向外方側に位置する外方側部位の周方向幅よりも大きくされているので、磁束漏れの抑制効果やイナーシャの低減効果を確保しつつ、ロータ回転時の遠心力に耐え得る十分な強度を確保することができる。

実施形態１に係る回転電機のロータの１磁極部分の部分平面図である。試験１で得られた中央ブリッジの内方側部位と外方側部位との境界位置の線分Ｃ−Ｄからの離間距離と磁束量との関係を示すデータである。変形例１に係るロータの１磁極部分の部分平面図である。実施形態２に係る回転電機のロータの１磁極部分の部分平面図である。変形例２に係るロータの１磁極部分の部分平面図である。

以下、本発明に係る回転電機のロータの実施形態について図面を参照して具体的に説明する。

〔実施形態１〕
本実施形態に係る回転電機のロータについて図１を参照して説明する。本実施形態のロータ１０Ａは、例えば車両用モータとして使用される回転電機（図示せず）に搭載されるものであって、回転電機のハウジング内において、ステータ（図示せず）の内周側に回転自在に収容される。回転電機は、ハウジングに軸受を介して両端部を回転自在に支持された回転軸（図示せず）を有し、本実施形態のロータ１０Ａは、この回転軸の外周面に嵌合固定されている。

本実施形態のロータ１０Ａは、ステータに対して径方向に対向配置され、周方向に配列された複数の磁石収容孔１２を有するロータコア１１と、各磁石収容孔１２にそれぞれ埋設された複数の磁石（永久磁石）１３と、を備えている。

ロータコア１１は、中央に貫通孔１１ａを有する円環状の電磁鋼板を軸方向に複数積層して厚肉円筒状に形成されている。このロータコア１１は、回転軸の外周に貫通孔１１ａを嵌合することにより固定されている。このロータコア１１の、ステータの内周面と対向する外周面側には、軸方向に貫通する複数（本実施形態では２４個）の磁石収容孔１２が周方向に所定距離を隔てて設けられている。

各磁石収容孔１２は、ロータコア１１の中心軸線Ｏと直角方向の断面形状が略長方形の異形に形成されている。本実施形態の場合、磁石収容孔１２は、２個で対をなし外周側に向かうにつれて対向間距離が大きくなるようにＶ字状に配置された複数対（合計１２対）の磁石収容孔１２により構成されている。なお、一対の磁石収容孔１２，１２の間には、当該部位に磁束飽和を起こさせ、磁気回路の形成を阻害させるための中央ブリッジ１５が径方向に延伸するよう形成されている。この中央ブリッジ１５については後で詳述する。

各磁石収容孔１２には、ロータコア１１の中心軸線Ｏと直角方向の断面形状が長方形の磁石１３が１個ずつ収容されている。本実施形態では、磁石１３として、焼結ネオジム磁石が採用されている。そして、Ｖ字状に配置された一対の磁石収容孔１２，１２に収容された一対の磁石１３，１３により１つの磁極が形成されている。本実施形態の場合、１２対の磁石１３，１３によって、周方向に極性が交互に異なる複数の磁極（本実施形態では１２極（Ｎ極：６、Ｓ極：６））が形成されている。なお、図１に示すように、１つの磁極を形成する一対の磁石１３，１３は、ロータコア１１の中心軸線Ｏと磁極中心とを通る中心線Ｃ１に対して線対称となる状態（外周側が開くＶ字状）に配置されている。

対をなす磁石収容孔１２，１２のそれぞれの磁極中心側には、それぞれの磁石収容孔１２，１２の磁極中心側の端部から中心軸線Ｏ側に広がる対をなすフラックスバリア１６，１６が設けられている。より具体的には、各フラックスバリア１６は、中心軸線Ｏから一対の磁石１３，１３までのそれぞれ最短距離に位置する２つの点Ａ及び点Ｂを結ぶ線分Ａ−Ｂよりも中心軸線Ｏ側、並びに点Ａ及び点Ｂよりも周方向外側に広がるように形成されている。なお、点Ａ及び点Ｂは、対をなす磁石１３，１３の径方向内方側端面１３ａと磁極中心側端面１３ｂとが交わる角部１３ｃとなる。

対をなすフラックスバリア１６，１６の間には、対をなす磁石収容孔１２，１２の間に形成された前記中央ブリッジ１５が中心軸線Ｏに向かって延長するように形成されている。各磁石収容孔１２に収容された磁石１３は、径方向外方側端面１３ｄと磁極中心側端面１３ｂとが交わる角部１３ｅが中央ブリッジ１５の径方向外方側の根元部に当接した状態で位置決めされている。

中央ブリッジ１５は、径方向（長さ方向）中央部から内方側に位置する内方側部位１５ａの周方向幅が、径方向中央部から外方側に位置する外方側部位１５ｂの周方向幅よりも大きくされている。本実施形態の場合、外方側部位１５ｂは、径方向の外方端から内方端までの周方向幅が略一定にされている。一方、内方側部位１５ａは、径方向の外方端から内方端に向かうにつれて周方向幅が徐々に大きくなるように傾斜した逆テーパ状に形成されている。即ち、内方側部位１５ａは、径方向の外方端から内方端までの全体が、内方端側に向かうにつれて周方向幅が徐々に大きくなるように傾斜した傾斜部１７となっている。これにより、内方側部位１５ａと外方側部位１５ｂとの境界１５ｃは、周方向幅が滑らかに変化するようにされているので、ロータ回転時に発生する応力集中が緩和される。

内方側部位１５ａと外方側部位１５ｂとの境界１５ｃ、即ち、内方側部位１５ａが周方向幅の増大を開始する位置は、２つの点Ｃ及び点Ｄを結ぶ線分Ｃ−Ｄよりも中心軸線Ｏ側に設定されている。２つの点Ｃ及び点Ｄは、中央ブリッジ１５の周方向両側で中央ブリッジ１５と距離を隔てて対向するロータコア１１の部位であって中央ブリッジ１５からそれぞれ最短距離に位置する点である。本実施形態の場合、２つの点Ｃ及び点Ｄは、磁石収容孔１２とフラックスバリア１６とが接続する部位であり、対をなす磁石収容孔１２，１２に収容された磁石１３，１３の角部１３ｃに隣接した所にある。

また、ロータコア１１の周方向に隣接する二つの磁極の間には、磁極間から他の磁極間へ磁束が流れる部位となるｑ軸コア部１８が形成されている。そして、各磁石収容孔１２に収容された磁石１３とｑ軸コア部１８との間、即ち、各磁石収容孔１２のｑ軸コア部１８側には、磁気的空隙部としての外側バリア１９が設けられている。

なお、各磁石収容孔１２に収容された磁石１３は、外側バリア１９、並びに各磁石収容孔１２の径方向外方側壁面及び内方側壁面との間の微小な隙間に充填された樹脂等の非磁性体よりなる充填材２０により、磁石収容孔１２に固定保持されている。

以上のように構成された本実施形態のロータ１０Ａによれば、対をなすフラックスバリア１６，１６の間に形成された径方向に延びる中央ブリッジ１５は、内方側部位１５ａの周方向幅が外方側部位１５ｂの周方向幅よりも大きくされているので、ロータ回転時の遠心力に耐え得る十分な強度を確保することができる。

特に、本実施形態では、内方側部位１５ａが周方向幅の増大を開始する位置（境界１５ｃの位置）は、２つの点Ｃ及び点Ｄを結ぶ線分Ｃ−Ｄよりも中心軸線Ｏ側に設定されている。これにより、中央ブリッジ１５の外方側部位１５ｂに流れる磁束を飽和状態にさせて、ｄ軸に磁束が流れ難くすることにより、磁束漏れを有効に抑制することができる。この優れた効果は、本願発明者が行った後述の試験１により確認されている。

また、本実施形態では、ロータコア１１は、対をなす磁石収容孔１２，１２のそれぞれの磁極中心側の端部から中心軸線Ｏ側に広がる対をなすフラックスバリア１６，１６を有する。そのため、ｄ軸に磁束が流れ難くして磁束漏れを抑制することができ、ｄ軸インダクタンスを低下させることができる。さらに、ロータコア１１の重量が低減することにより、イナーシャを低減させることができる。

特に、本実施形態のフラックスバリア１６は、２つの点Ａ及び点Ｂを結ぶ線分Ａ−Ｂよりも中心軸線Ｏ側、並びに点Ａ及び点Ｂよりも周方向外側に広がるように形成されているので、磁束漏れの抑制効果や重量の低減効果をより確実に得ることが可能となる。

また、本実施形態では、内方側部位１５ａは、長さ方向の全体が、径方向外方側から内方側に向かうにつれて徐々に周方向幅が大きくなるように傾斜した傾斜部１７で構成されている。これにより、内方側部位１５ａに発生する応力を効果的に低減させることができる。

〔試験１〕
上記の実施形態１のロータ１０Ａにおいて、磁石１３として焼結ネオジム磁石を採用した場合に、中央ブリッジ１５の内方側部位１５ａが周方向幅の増大を開始する位置（境界１５ｃの位置）を何処にすればよいかを調べる試験を行った。この試験では、ロータコア１１の２つの点Ｃ及び点Ｄを結ぶ線分Ｃ−Ｄを基準にして、線分Ｃ−Ｄからロータコア１１の径方向に離間した位置において中央ブリッジ１５を通る磁束量を測定した。この場合、中心軸線Ｏ側（径方向内方側）に線分Ｃ−Ｄと平行な平行線を描いたときにその平行線までの離間距離を負とし、ステータ側（径方向外方側）に線分Ｃ−Ｄと平行な平行線を描いたときにその平行線までの離間距離を正とした。その測定結果を図２に示す。

図２から明らかなように、線分Ｃ−Ｄと平行線との離間距離が０（ゼロ）のときに変曲点をむかえ、線分Ｃ−Ｄから中心軸線Ｏ側への離間距離が大きくなるにつれて磁束量が増大し、離間距離が−２ｍｍの付近から磁束量が変化しなくなることが解る。したがって、中央ブリッジ１５の内方側部位１５ａが周方向幅の増大を開始する位置（境界１５ｃの位置）を、線分Ｃ−Ｄよりも中心軸線Ｏ側に設定すれば、中央ブリッジ１５の外方側部位１５ｂに流れる磁束を飽和状態に近づけることができる。これにより、ｄ軸に磁束が流れ難くなるので、磁束漏れを有効に抑制することができる。

〔変形例１〕
上記実施形態１では、中央ブリッジ１５の内方側部位１５ａは、径方向の外方端から内方端までの全体が、内方端側に向かうにつれて周方向幅が徐々に大きくなるように傾斜した傾斜部１７により構成されていた。これに対して、図３に示す変形例１に係るロータ１０Ｂの中央ブリッジ１５のように、内方側部位１５ａと外方側部位１５ｂとの境界１５ｃに、径方向の外方側から内方側に向かうにつれて徐々に周方向幅が大きくなるように傾斜したＲ状の傾斜部１７Ａを設けるようにしてもよい。変形例１の場合、内方側部位１５ａ及び外方側部位１５ｂは、それぞれ周方向幅が一定にされているが、更に、内方側部位１５ａの全体を、実施形態１の内方側部位１５ａのように、径方向の外方側から内方側に向かうにつれて徐々に周方向幅が大きくなるよう逆テーパ状に形成してもよい。

〔実施形態２〕
実施形態２に係る回転電機のロータ１０Ｃは、図４に示すように、中央ブリッジ１５の周方向中央部に設けられた内部バリア２２により、中央ブリッジ１５が２本に分断されている点でのみ実施形態１のものと異なる。よって、実施形態１と共通する部材や構成についての詳しい説明は省略し、異なる点及び重要な点について説明する。なお、実施形態１と共通する部材については、同じ符号を用いる。

実施形態２の中央ブリッジ１５の周方向中央部には、軸方向に貫通する空隙よりなる内部バリア２２が設けられている。内部バリア２２は、中央ブリッジ１５の径方向外方端から径方向内方端まで略一定の幅で径方向に長く延びるように形成され、断面形状が長方形になっている。この内部バリア２２によって、中央ブリッジ１５は、２本の第１ブリッジ１５Ｅ及び第２ブリッジ１５Ｆに分断されている。第１及び第２ブリッジ１５Ｅ，１５Ｆは、それぞれ実施形態１の場合と同様に、径方向中央部から内方側に位置する内方側部位１５ａの周方向幅が、径方向中央部から外方側に位置する外方側部位１５ｂの周方向幅よりも大きくされている。

実施形態２の場合、外方側部位１５ｂは、径方向（長さ方向）の外方端から内方端までの周方向幅が略一定にされている。一方、内方側部位１５ａは、内部バリア２２側の側面が外方側部位１５ｂと同一の平坦面で形成され、フラックスバリア１６側の側面のみが、径方向の外方端から内方端に向かうにつれて内方側部位１５ａの周方向幅が徐々に大きくなるように傾斜した傾斜面で形成されている。これにより、内方側部位１５ａは、実施形態１の場合と同様に、径方向の外方端から内方端までの全体が、内方端側に向かうにつれて周方向幅が徐々に大きくなるように傾斜した傾斜部１７となっている。

以上のように構成された実施形態２のロータ１０Ｃによれば、ロータ回転時の遠心力に耐え得る十分な強度を確保することができるなど、実施形態１のロータ１０Ａと同様の作用及び効果を奏する。さらに、実施形態２のロータ１０Ｃは、中央ブリッジ１５が内部バリア２２により２本の第１及び第２ブリッジ１５Ｅ，１５Ｆに分断されており、実施形態１の中央ブリッジ１５に比べて周方向幅が略半分に細くされている。そのため、内方側部位１５ａの周方向幅が外方側部位１５ｂの周方向幅よりも大きくされていることによる補強効果をより有効に発揮させることができる。

〔変形例２〕
上記実施形態２では、中央ブリッジ１５に設けられた内部バリア２２は、中央ブリッジ１５の径方向外方端から径方向内方端まで略一定の幅で径方向に長く延びるように形成されていた。これに対して、図５に示す変形例２に係るロータ１０Ｄの内部バリア２２Ｄのように、内部バリア２２Ｄの径方向中央部から径方向内方端までの周方向幅を、径方向内方側に向かうにつれて徐々に小さくするようにしてもよい。

即ち、実施形態２では、第１及び第２ブリッジ１５Ｅ，１５Ｆの内方側部位１５ａの内部バリア２２側の側面は、外方側部位１５ｂと同一の平坦面で形成されていた。これに対して、変形例２では、第１及び第２ブリッジ１５Ｅ，１５Ｆの内方側部位１５ａの内部バリア２２Ｄ側の側面は、径方向の外方端から内方端に向かうにつれて内方側部位１５ａの周方向幅が徐々に大きくなるように傾斜した傾斜面で形成されている。変形例２の内方側部位１５ａは、実施形態２の内方側部位１５ａよりも、径方向内方端の周方向幅が大きくされている。

したがって、変形例２のようにすれば、第１及び第２ブリッジ１５Ｅ，１５Ｆの強度を実施形態２の場合よりもさらに向上させることができる。

〔他の実施形態〕
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することが可能である。

例えば、図示はしないが、磁極間に設けられたブリッジに対して磁石１３を非対称に配置する構成に対しても、適応可能である。

また、磁石１３は、磁極中心の周方向両側に合計２枚である必要はなく、磁極中心の周方向両側に２ｎ（ｎは自然数）枚の磁石１３を設けた構成や、磁極中心に１枚の磁石を設けた２ｎ＋１枚の磁石構成でも適応することができる。

また、上記の実施形態では、ロータ１０Ａ〜１０Ｄがステータの内側に配置されるインナロータタイプの回転電機の例を説明したが、本発明は、ロータ１０Ａ〜１０Ｄがステータの外側に配置されるアウタロータタイプの回転電機にも適用することができる。

また、上記の実施形態では、本発明に係る回転電機のロータを車両用モータのロータに適用した例を説明したが、車両に搭載されて電動機や発電機として使用される回転電機のロータ、あるいは両者を選択的に使用し得る回転電機のロータにも、本発明を適用することができる。

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ…ロータ、１１…ロータコア、１２…磁石収容孔、１３…磁石、１５…中央ブリッジ、１５ａ…内方側部位、１５ｂ…外方側部位、１５ｃ…境界、１５Ｅ…第１ブリッジ、１５Ｆ…第２ブリッジ、１６…フラックスバリア、１７，１７Ａ…傾斜部、２２，２２Ｄ…内部バリア。

Claims

ステータに対して径方向に対向配置され、２ｎ（ｎは自然数）個で対をなし前記ステータ側に向かうにつれて対向間距離が大きくなるようにＶ字状に配置された複数対の磁石収容孔（１２）を有するロータコア（１１）と、Ｖ字状に配置された対をなす前記磁石収容孔に収容されてそれぞれ一つの磁極を形成する複数対の磁石（１３）と、を備えた回転電機のロータにおいて、
前記ロータコアは、対をなす前記磁石収容孔のそれぞれの磁極中心側の端部から前記ロータコアの中心軸線（Ｏ）側に連続的に広がる対をなすフラックスバリア（１６）と、対をなす前記フラックスバリアの間に形成された径方向に連続的に延びる中央ブリッジ（１５）と、を有し、
前記中央ブリッジは、径方向内方側に位置する内方側部位（１５ａ）の周方向幅が径方向外方側に位置する外方側部位（１５ｂ）の周方向幅よりも大きくされていることを特徴とする回転電機のロータ。
前記フラックスバリアは、前記中心軸線から一対の前記磁石までのそれぞれ最短距離に位置する２つの点Ａ及び点Ｂを結ぶ線分（Ａ−Ｂ）よりも前記中心軸線側、並びに前記点Ａ及び前記点Ｂよりも周方向外側に広がっ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。
前記内方側部位と前記外方側部位との境界（１５ｃ）は、前記中央ブリッジの周方向両側で前記中央ブリッジと距離を隔てて対向する前記ロータコアの部位であって前記中央ブリッジからそれぞれ最短距離に位置する２つの点Ｃ及び点Ｄを結ぶ線分（Ｃ−Ｄ）よりも前記中心軸線側に設定されてい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。
前記内方側部位は、径方向外方側から内方側に向かうにつれて徐々に周方向幅が大きくなるように傾斜した傾斜部（１７，１７Ａ）を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の回転電機のロータ。
前記中央ブリッジは、周方向中央部に設けられた内部バリア（２２）により２本の第１ブリッジ（１５Ｅ）及び第２ブリッジ（１５Ｆ）に分断されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の回転電機のロータ。