JP6876556B2 - ロータ、および回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石が固定されたロータ、およびロータを備えた回転電機に関する。

ステータ（固定子）に複数のコイルが配置されるとともに、ロータ（回転子）に永久磁石を組込んだ回転電機では、永久磁石による渦電流損失を低減するために、永久磁石を複数に分割することが従来から行われている。しかしながら、磁石の分割数が増すと、部品点数が増大し、コストの高騰を招いてしまう。
そこで、特許文献１では、電動機用永久磁石を製造するに当たり、渦電流による損失・発熱を必要な割合で抑制できる磁石の分割数、および分割形状と、コストの高騰を抑制する手法とが提案されている。

特開２００３-７０２１４号公報

ところで、分割した永久磁石をロータヨークに組込む際に、ロータヨークスロット部に固定材を流し込み、固定材で永久磁石を固定する手法が知られている。
しかしながら、このような固定方法は、ロータヨークスロット部に固定材を流し込む際に、重ねられた磁石に圧力がかかる。このため、磁石同士が当接した状態で組立てられるので、磁石間の間隔が狭まり、絶縁抵抗が低くなり、渦電流損失が大きくなるおそれがある。

本発明は、前述の点に鑑みてなされたものであり、渦電流損失を低減することができるロータ、および回転電機を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係るロータは、回転可能に軸支されるロータシャフトと、該ロータシャフトの径方向外側に該ロータシャフトと一体に配置されるロータヨークと、該ロータヨークを貫通する磁石挿入孔と、該磁石挿入孔内に該ロータシャフトの軸方向に連続して設置される複数の永久磁石と、を備え、該永久磁石は、該軸方向の一側端部に、隣接する該永久磁石に対して、線接触、または点接触する当接部を備え、前記当接部は、軸方向および径方向に対して斜めに傾斜する平面からなる傾斜面を備え、隣接する該傾斜面同士がなす傾斜面間角度αは、前記磁石挿入孔の径方向寸法をＡ、前記永久磁石の径方向寸法をＢ、該永久磁石の軸方向寸法をＣ、とした場合に、下記の式（１）、式（２）の関係を満たす角度に設定されたことを特徴とする。
Ｂ＜Ａ … 式（１）
Ａ−Ｂ＜Ｃｓｉｎα … 式（２）

本発明によれば、渦電流損失を低減することができるロータ、および回転電機を提供することができる。

第１実施形態に係る回転電機を示す断面図である。 図１におけるＳ１部を示す要部拡大図である。 図２におけるIII-III線に沿った断面図である。 図３におけるＳ２部を示す要部拡大斜視図である。 第１実施形態の別態様を示し、図３におけるＳ２部を示す要部拡大斜視図である。 第２実施形態を示し、図２におけるIII-III線に沿った断面図である。 第２実施形態を示し、上側磁石が磁石挿入孔内で倒れた状態を示す断面図である。 第２実施形態に関する一例を示し、図２におけるIII-III線に沿った断面図である。 第２実施形態に関する一例を示し、上側磁石が磁石挿入孔内で倒れた状態を示す断面図である。 第３実施形態を示し、図２におけるIII-III線に沿った断面図である。

＜第１実施形態＞
本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図１は、本実施形態に係るロータ１１を含む回転電機１０１の全体構成を示す概略構成図（断面図）である。回転電機１０１は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載され、外部から電力が供給された場合には、走行用モータとして機能し、回生制動時には、発電機として機能する。
なお、本願発明のロータ１１は、車両用の回転電機１０１に限らず、固定式のモータやその他用途のモータ、および発電機にも適用が可能である。
また、説明中の上下は、図示における上下を示すものであり、回転電機１０１を車両に組付けた状態での上下を示すものではない。

回転電機１０１は、図１に示すように、ケース１０２と、ステータ１０３と、ロータ１１と、を備えている。
ケース１０２は、両端が閉止された略円筒形状を備え、その内部に、円柱状の空間が形成されている。
ステータ１０３は、円筒形状を備え、筒内にロータ１１が配置される。また、ステータ１０３は、ステータコア１０４と、ステータコア１０４に装着されたコイル１０５とを備えている。

コイル１０５は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つの位相について、導体１０６を集中巻きした３相コイルである。なお、本実施形態の各相のコイル１０５は、対応する複数のセグメントコイル１０７が互いに接続されることで形成されている。
各セグメントコイル１０７は、所定のスロットに導体１０６が挿入されつつ、ステータコア１０４に巻回されている。そして、同相のセグメントコイル１０７同士は、ステータコア１０４に対して軸方向の一方において、溶接等で接合されている。
なお、コイル１０５の構成は、適宜変更が可能である。たとえば、コイル１０５は、セグメントコイル１０７に限らず、分布巻きによる方法でステータコア１０４に装着しても構わない。

ロータ１１は、ケース１０２の軸心部に回転可能に軸支されている。そして、ロータ１１は、図２、図３に示すように、ロータヨーク２１と、ロータシャフト３１と、端面板１３と、を備えている。
なお、ロータシャフト３１について、説明の都合上、ケース１０２に軸支される部位の図示を省略している。
ロータヨーク２１は、円環形状を呈する薄板の鋼板からなるヨーク板２３を軸方向に複数枚積層することで、略円筒形状に形成されている。そして、ロータヨーク２１は、その筒内に、ロータシャフト３１が圧入、固定される。

ヨーク板２３には、図２、図３に示すように、板厚方向に貫通する板孔２３ａが開口している。
板孔２３ａは、ヨーク板２３の周方向に、所定の配置パターンで複数開口している。また、ヨーク板２３は、積層される際に、それぞれの板孔２３ａが重なり、軸方向に連通するように、周方向の位置合わせが行われる。
そして、軸方向に連通する板孔２３ａを磁石挿入孔２１ａと称する。
磁石挿入孔２１ａの孔内には、永久磁石４１と磁石固定手段５１とが配置される。
つまり、ロータヨーク２１は、ヨーク板２３が重ねられたものである。
なお、積層されるヨーク板２３の枚数は、磁石挿入孔２１ａの深さ寸法Ｌ２１に応じて適宜設定される（図３参照）。

次に永久磁石４１について説明する。
永久磁石４１は、図３に示すように、下側磁石４２、上側磁石４３の２つの磁石で構成され、磁石挿入孔２１ａ内に、軸方向に沿って直列に配置されている。
下側磁石４２、上側磁石４３の各軸方向寸法は、磁石挿入孔２１ａの深さ寸法Ｌ２１を２等分する寸法（同一寸法）に設定されている。
なお、本実施形態では、挿入方向前方（図３における下側）の永久磁石４１を下側磁石４２と称し、挿入方向後方（図３における上側）の永久磁石４１を上側磁石４３と称する。

下側磁石４２は、下側磁石本体４２ａ、下側当接部４２ｂを備えている。
下側磁石本体４２ａは、直方体形状を備えている。
下側当接部４２ｂ（当接部４１ｂ）は、下側磁石本体４２ａの挿入方向後端に配置され図の上方に向かって凸の半円柱形状を備えている。

上側磁石４３は、上側磁石本体４３ａ、上側当接部４３ｂを備えている。
上側磁石本体４３ａは、直方体形状を備えている。
上側当接部４３ｂ（当接部４１ｂ）は、上側磁石本体４３ａの挿入方向前端に配置され、図の下方に向かって凸の半円柱形状を備えている。

図４に示すように、下側当接部４２ｂと上側当接部４３ｂとは、下側磁石４２と上側磁石４３とが、磁石挿入孔２１ａ内に設置された状態で、互いの半円柱形状が平行に位置するように配置されている。
そして、下側磁石４２と上側磁石４３との接点は、下側当接部４２ｂの上端と上側当接部４３ｂの下端とが、周方向に沿って接する線接触となっている。

つまり、下側磁石４２、上側磁石４３は、挿入方向前方側端部（図３における下端部）の形状と、挿入方向後方側端部（図３における上端部）の形状とが、それぞれ異なる形状を備えている
また、当接部４１ｂが設定される軸方向の一側端部は、隣接する永久磁石４１に向かって突出する円弧形状を備えている。
つまり、永久磁石４１は、軸方向の一側端部に、隣接する永久磁石４１に対して、線接触、または点接触する当接部４１ｂを備えている。

磁石固定手段５１は、図３に示すように、絶縁性を有する樹脂材からなり、永久磁石４１が挿入された磁石挿入孔２１ａに注入され、固化することで、永久磁石４１を磁石挿入孔２１ａに固定する。
磁石固定手段５１の樹脂材としては、例えばエポキシ樹脂が用いられる。これによれば耐熱性も備わり好適である。

次に、ロータシャフト３１について説明する。
ロータシャフト３１は、図３に示すように、シャフト本体３１ａ、フランジ部３１ｂを備えている。
シャフト本体３１ａは、円筒形状を備えている。そして、シャフト本体３１ａは、ロータヨーク２１の筒孔２１ｂ内に圧入される。

フランジ部３１ｂは、シャフト本体３１ａの下端部外周部分から径方向外側に突出する円環形状の突起で構成されている。そして、フランジ部３１ｂは、軸方向へ移動しようとするロータヨーク２１と係合し、ロータヨーク２１の軸方向への移動を規制する。
端面板１３は、図３に示すように、最下方のヨーク板２３と、フランジ部３１ｂとの間に配置される。また、端面板１３は、露出する永久磁石４１の下端面を隠すために配置され、各磁石挿入孔２１ａの一部分、または全部に重なる形状に設定されている。本実施形態では、端面板１３は、絶縁材からなる円環形状を備えた板状部材で構成されている。

次に、ロータ１１の製造方法について説明する。
はじめに、図３に示すように、規定された枚数のヨーク板２３を型枠（図示せず）上で、軸方向に重ねる。ここでヨーク板２３を重ねる際に、ヨーク板２３に開口する板孔２３ａ、中心孔２３ｂが一致するように、周方向の位置合わせを併せて行う。そして、ヨーク板２３が重ねられて、板孔２３ａが連続することで、磁石挿入孔２１ａが形成され、中心孔２３ｂが連続することで、筒孔２１ｂが形成される。
次に、磁石挿入孔２１ａに、永久磁石４１（下側磁石４２、上側磁石４３）を所定の順序、所定の向きで挿入する。

そして、磁石挿入孔２１ａ内における永久磁石４１の周囲に形成される隙間に、樹脂材を注入、固化して、磁石固定手段５１を形成し、永久磁石４１を磁石挿入孔２１ａ内に固定する。
樹脂材が、固化したことを確認し、型枠を取外す。

次に、ロータヨーク２１の筒孔２１ｂ内に、下方からシャフト本体３１ａを圧入する。
また、シャフト本体３１ａを圧入する際に、ロータヨーク２１の下端とフランジ部３１ｂとの間に端面板１３を介在させる。
以上で、ロータ１１が完成する。

次に、本実施形態に係るロータ１１の作用効果について説明する。
図３、図４に示すように、本実施形態では、永久磁石４１は、軸方向の一側端部に、隣接する永久磁石４１に対して、線接触する当接部４１ｂを備えている。
このような構成とすることによって、永久磁石４１を磁石挿入孔２１ａに組込んだ際に、永久磁石４１同士の接触面積を小さくする（狭める）ことができる。
これによって、磁石間の絶縁抵抗を高めることができ、渦電流損失を低減することができる。

また、本実施形態では、当接部４１ｂが、隣接する永久磁石４１に向かって突出する円弧形状（半円柱形状）を備えている。
このような構成とすることによって、当接部４１ｂは鋭角な形状を備えることなく、隣接する永久磁石４１と線接触が行えるため、取扱い時における永久磁石４１の破損を抑制することができる。

なお、本実施形態では、下側当接部４２ｂと上側当接部４３ｂとは、互いの半円柱形状が平行に位置するように配置されているが、このような形態に限定されるものではない。
たとえば、下側当接部４２ｂと上側当接部４３ｂとのどちらか一方のみを備え、他方の当接部４１ｂを備えない構成とすることが可能である。
つまり、下側磁石４２と上側磁石４３のどちらか一方が、半円柱形状の当接部４１ｂを備え、他方が磁石本体（ヨーク板２３の板面に平行な平面）に当接する構成とすることが可能である。
このような構成としても、下側磁石４２と上側磁石４３との接点が、線接触となるため、本実施形態と同様の作用効果が得られる。

また、下側当接部４２ｂと上側当接部４３ｂとは、互いの半円柱形状が交差するように配置することも可能である。
このような形態とした場合、下側磁石４２と上側磁石４３との接点が、点接触となるため、下側磁石４２と上側磁石４３との接触面積をさらに小さくすることができる。

次に、本実施形態における永久磁石４１の別態様について説明する。
本態様の永久磁石４１は、図５に示すように、下側当接部４２ｂと上側当接部４３ｂの各形状が、半円柱形状ではなく、球面の一部分で構成されている。
このような構成とすることで、下側磁石４２と上側磁石４３との接点を、点接触とすることができる。
これによって、上記実施形態よりも、下側磁石４２と上側磁石４３との接触面積をさらに小さくすることができる。

なお、本態様では、下側当接部４２ｂと上側当接部４３ｂとは、互いに球面の一部分で構成されているが、このような態様に限定されるものではない。
たとえば、下側当接部４２ｂと上側当接部４３ｂとのどちらか一方のみを備え、他方の当接部４１ｂを備えない平坦面とする構成にすることが可能である。
つまり、下側磁石４２と上側磁石４３のどちらか一方が、球面状の当接部４１ｂを備え、他方が磁石本体（ヨーク板２３の板面に平行な平面）に当接する構成とすることが可能である。
このような構成としても、下側磁石４２と上側磁石４３との接点が、点接触となるため、本態様と同様の作用効果が得られる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態のロータ１１について説明する。
本実施形態の永久磁石４１は、図６に示すように、下側当接部４２ｂと上側当接部４３ｂの各形状が、半円柱形状ではなく、断面が直角三角形の三角柱形状で構成されている。
下側当接部４２ｂは、直角三角形の直角を挟む２辺の一方が、直方体形状を有する下側磁石本体４２ａの上端面と面しつつ、２辺の他方が、磁石挿入孔２１ａの内径側孔壁２１ｃに面する下側磁石本体４２ａの側面に沿って配置されている。つまり、下側当接部４２ｂは、上方に向かって凸の直角三角形の断面形状を備えている。
上側当接部４３ｂは、直角三角形の直角を挟む２辺の一方が、直方体形状を有する上側磁石本体４３ａの下端面と面しつつ、２辺の他方が、磁石挿入孔２１ａの内径側孔壁２１ｃに面する上側磁石本体４３ａの側面に沿って配置されている。つまり、上側当接部４３ｂは、下方に向かって凸の直角三角形の断面形状を備えている。
そして、下側当接部４２ｂが、上側当接部４３ｂの下端を支持している。

下側当接部４２ｂの直角三角形の斜辺となる下側傾斜面４２ｃと、上側当接部４３ｂの直角三角形の斜辺となる上側傾斜面４３ｃとが形成する角度を傾斜面間角度αと称する。
そして、傾斜面間角度αは、磁石挿入孔２１ａの径方向寸法をＡ、永久磁石４１の径方向寸法をＢ、永久磁石４１の軸方向寸法をＣ、と称した場合に、下記の式（１）、式（２）の関係を満たす角度に設定されている。
Ｂ＜Ａ … 式（１）
Ａ−Ｂ＜Ｃｓｉｎα … 式（２）
つまり、図７に示すように、傾斜面間角度αは、上側磁石４３が磁石挿入孔２１ａ内で倒れ、外径側孔壁２１ｄに寄り掛かった場合に、上側磁石４３と内径側孔壁２１ｃとの間にできる隙間の角度θよりも大きくなるように設定されている。

なお、説明のための一例として、
Ａ−Ｂ＞Ｃｓｉｎα
となるように、上側磁石４３の形状はそのままに、下側磁石４２の下側当接部４２ｂを変更した場合を示す（図８参照）。
このような形態の場合、図９に示すように、上側磁石４３が磁石挿入孔２１ａ内を倒れた際に、外径側孔壁２１ｄまで倒れきれずに、下側磁石４２の端面上に支持されて、下側傾斜面４２ｃと上側傾斜面４３ｃとが面接触してしまうおそれがある。
これに対して、本実施形態のように、式（１）、式（２）を満たすように当接部４１ｂの傾斜面間角度αを設定することで、このような面接触が回避される。

次に、本実施形態に係るロータ１１の作用効果について説明する。
本実施形態では、傾斜面間角度αが、式（１）、式（２）を満たすように設定されている。
これによって、ロータ１１を組立てる際に、上側磁石４３が磁石挿入孔２１ａ内に倒れた場合でも、上側磁石４３の下端を下側磁石４２に線接触で支持することができる。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態のロータ１１について説明する。
本実施形態の永久磁石４１は、図１０に示すように、ロータシャフト３１の軸方向に連続して３つ配置されており、３つの永久磁石４１は、同一の磁石で統一されている。つまり、各永久磁石４１は、同一形状に形成されつつ、同様の向きに設置した際に、同様の磁界を形成するように着磁されている。
各永久磁石４１は、その軸方向寸法Ｌ４１が、磁石挿入孔２１ａの深さ寸法Ｌ２１を３等分する寸法に設定されている。また、各永久磁石４１は、磁石本体４１ａ、当接部４１ｂを備えている。

磁石本体４１ａは、直方体形状を備えている。
当接部４１ｂは、磁石本体４１ａの挿入方向後端（図１０における上端）に配置されている。また、当接部４１ｂは、上方に向かって凸の断面形状が略扇形状（略１／４円柱形状）を備えている。
つまり、各永久磁石４１は、挿入方向前方側端部の形状と、挿入方向後方側端部の形状とが、異なる形状を備えている。

次に、本実施形態に係るロータ１１の作用効果について説明する。
本実施形態では、挿入方向前方側端部の形状と、挿入方向後方側端部の形状とが、異なる形状を備えつつ、それぞれの外形形状が統一された永久磁石４１を採用している。
このような構成とすることによって、永久磁石４１を磁石挿入孔２１ａに組込む際に、全ての永久磁石４１を同じ向きで組込むことができる。
これによって、上記第１実施形態の作用効果に加え、永久磁石４１を磁石挿入孔２１ａに組込む際に、永久磁石４１の誤組付け（向きの間違え）を防止することができる。
また、全ての永久磁石４１を同じ向きで組込めばよいことから、永久磁石４１の組付け作業性を向上させることができる。

１１ ロータ
２１ ロータヨーク
２１ａ 磁石挿入孔
３１ ロータシャフト
４１ 永久磁石
４１ｂ 当接部
４２ 下側磁石（永久磁石）
４２ｂ 下側当接部（当接部）
４２ｃ 下側傾斜面（傾斜面）
４３ 上側磁石（永久磁石）
４３ｂ 上側当接部（当接部）
４３ｃ 上側傾斜面（傾斜面）
α 傾斜面間角度

Claims (4)

1. 回転可能に軸支されるロータシャフトと、
   該ロータシャフトの径方向外側に該ロータシャフトと一体に配置されるロータヨークと、
   該ロータヨークを貫通する磁石挿入孔と、
   該磁石挿入孔内に該ロータシャフトの軸方向に連続して設置される複数の永久磁石と、を備え、
   該永久磁石は、該軸方向の一側端部に、隣接する該永久磁石に対して、線接触、または点接触する当接部を備え、
   前記当接部は、軸方向および径方向に対して斜めに傾斜する平面からなる傾斜面を備え、
   隣接する該傾斜面同士がなす傾斜面間角度αは、
   前記磁石挿入孔の径方向寸法をＡ、
   前記永久磁石の径方向寸法をＢ、
   該永久磁石の軸方向寸法をＣ、
   とした場合に、
   下記の式（１）、式（２）の関係を満たす角度に設定された
   Ｂ＜Ａ … 式（１）
   Ａ−Ｂ＜Ｃｓｉｎα … 式（２）
   ことを特徴とするロータ。
2. 前記当接部は、
   隣接する前記永久磁石に向かって突出する円弧形状を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 複数の前記永久磁石は、
   挿入方向前方側端部の形状と、挿入方向後方側端部の形状とが、異なる形状を備えつつ、
   それぞれの外形形状が統一された
   ことを特徴とする請求項１、または請求項２に記載のロータ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のロータを備えた
   ことを特徴とする回転電機。

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