JP2012115016A

JP2012115016A - 回転電機

Info

Publication number: JP2012115016A
Application number: JP2010261080A
Authority: JP
Inventors: Yoshitada Yamagishi; 義忠山岸
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2012-06-14

Abstract

【課題】回転電機において、コア薄板を積層して構成されるロータの両端部のコア薄板の剛性を向上し、エンドプレートを省略することである。
【解決手段】。回転電機１０は、モータケース１４と、ステータと、ロータとを含んで構成される。ロータは、ロータ軸１２と、永久磁石３６が埋め込まれるロータコア３０とを含み、ロータコア３０は、積層コア部３２と、積層コア部３２の厚さ方向の両端側にそれぞれ設けられる両側補強板５０，５２を含んで構成される。積層コア部３２と両側補強板５０，５２はカシメによって一体化される。両側補強板５０，５２は、積層コア部３２を構成するコア薄板である電磁鋼板に対し、磁石挿入孔４０の開口形状の変更、あるいは、材質の変更に伴う厚さの変更が行なわれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に係り、エンドプレートを用いないロータコアを有する回転電機に関する。

回転電機のロータは、コア薄板である電磁鋼板を積層したロータコアと、ロータ軸等を含んで構成される。そこで、ロータコアにおいて、積層した電磁鋼板が分離しないようにロータ軸に固定して取り付けることが必要となる。

例えば、特許文献１には、永久磁石モータのロータ製造方法として、ロータコアにエンドプレートを重ねることが述べられている。エンドプレートとは、積層した電磁鋼板の両端部に配置される保持板である。

エンドプレートを用いると、部品点数が増え、またその取付に手間がかかる。エンドプレートを用いないで、電磁鋼板をカシメて積層した形態でロータ軸に取り付けることも考えられるが、その場合、両端部の電磁鋼板が剥がれやすくなる。積層された電磁鋼板の両端部がはがれやすいのは、次のような理由からである。すなわち、ロータコアにステータから磁束が流れ込むと、隣接する電磁鋼板の間に斥力が働く。積層の内部にある電磁鋼板は、両側の隣接する電磁鋼板からそれぞれ逆向きの斥力が働くので、全体として働く力が釣り合っていて問題は生じない。両端部の電磁鋼板は、隣接する電磁鋼板が片側端部にしかないので、斥力が一方向に働く。これによって、積層された電磁鋼板の内で、両端部の電磁鋼板がはがれやすい。

ステータからロータ両端部の電磁鋼板に流れ込む磁束を少なくすれば、斥力が小さくなる。それに関連する技術として、特許文献２には、モータにおいて、ロータは、ステータと対向する面積が大きい構成が述べられている。このような構成は、オーバハングロータと呼ばれる。特許文献２では、オーバハングにより、ステータのコイルと鎖交する有効磁束量が増加してモータの性能が向上することを利用している。

オーバハング構成によれば、ステータの厚さの外側にあるロータ両端部には磁束の流れ込みが少なくなる。したがって、オーバハングロータ構造とすることで、エンドプレートを省略したときに、ロータ両端部の電磁鋼板の剥がれを抑制できることが期待できる。

特開２００６−２４６５５０号公報特開２００６−２８８１８５号公報

オーバハングロータ構造とすることで、ロータ両端部のコア薄板の剥がれをある程度抑制することができる。ところで、永久磁石をロータに埋め込む構成では、リラクタンストルクも有効に利用するため、磁石挿入孔の周りの磁路形状の幅がかなり細く設定される。この磁路形状の細い幅のため、コア薄板のその部分の剛性が低下する。このようにコア薄板の剛性が十分でない場合には、オーバハングロータ構造のみではロータ両端部のコア薄板の剥がれの抑制が十分でないことが生じる。

本発明の目的は、コア薄板を積層して構成されるロータの両端部のコア薄板の剛性を向上できる回転電機を提供することである。他の目的は、ロータコアにおけるエンドプレートを省略することを可能にする回転電機を提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献する。

本発明に係る回転電機は、予め定められたステータ厚さを有するステータと、ステータに向かい合って配置され、ロータ軸と、ロータコアと、ロータコアに埋め込まれる複数の永久磁石と、を有するロータと、を備え、ロータコアは、複数の磁石挿入孔を有するコア薄板を積層して構成される積層コア部と、積層コア部の厚さ方向の両端側にそれぞれ積層してカシメによって一体化されて設けられ、積層コア部の剛性を補強する両側補強板と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機において、コア薄板は、予め定められた磁気抵抗値となるように、磁石挿入孔周りの磁路形状の幅が設定され、両側補強板は、コア薄板と同じ材質で、同じ板厚と同じ外径とを有し、コア薄板のそれぞれの磁石挿入孔に対応する孔であって、孔周りの磁路形状の幅をコア薄板の磁石挿入孔周りの磁路形状の幅よりも広げるように、磁石挿入孔の形状を変更した形状変更孔を有することが好ましい。

また、本発明に係る回転電機において、両側補強板は、コア薄板と異なる材質で、同じ外径と、コア薄板の剛性よりも高い剛性を有するように設定された板厚を有し、コア薄板とカシメ構造で一体化されることが好ましい。

また、本発明に係る回転電機において、積層コア部は、ステータ厚さと同じまたはそれより厚いロータ厚さを有することが好ましい。

上記構成により、回転電機のロータにおけるロータコアは、複数の磁石挿入孔を有するコア薄板を積層して構成される積層コア部と、積層コア部の厚さ方向の両端側にそれぞれ積層してカシメによって一体化されて設けられ、積層コア部の剛性を補強する両側補強板とを含む。これにより、エンドプレートを省略しても、コア薄板を積層して構成されるロータの両端部のコア薄板の剛性を向上できる。

また、回転電機において、コア薄板は、予め定められた磁気抵抗値となるように、磁石挿入孔周りの磁路形状の幅が設定され、両側補強板は、コア薄板と同じ材質で、同じ板厚と同じ外径とを有し、コア薄板のそれぞれの磁石挿入孔に対応する孔であって、孔周りの磁路形状の幅をコア薄板の磁石挿入孔周りの磁路形状の幅よりも広げるように、磁石挿入孔の形状を変更した形状変更孔を有する。このように、磁石挿入孔周りの磁路形状の幅を広げたコア薄板を両側補強板として用いる比較的容易な方法で、コア薄板を積層して構成されるロータの両端部のコア薄板の剛性を向上できる。

また、回転電機において、両側補強板は、コア薄板と異なる材質で、同じ外径と、コア薄板の剛性よりも高い剛性を有するように設定された板厚を有し、コア薄板とカシメ構造で一体化される。ここでは、両側補強板は、コア薄板と異なる材質の板であるので、例えば、回転電機のステータコアもロータコアも、同じ材質で同じ厚さのコア薄板を打ち抜いて得る場合に、ステータコアを構成するコア薄板の枚数と、ロータコアを構成するコア薄板の枚数を同じとできる。これにより、コア薄板の原材料の利用率を向上させることができる。

また、回転電機において、積層コア部は、ステータ厚さと同じまたはそれより厚いロータ厚さを有するものとするので、いわゆるオーバハングロータ構造とでき、コア薄板を積層して構成されるロータの両端部のコア薄板の剥がれを抑制することができる。

本発明に係る実施の形態の回転電機の構成を説明する図である。図１の部分拡大図である。本発明に係る実施の形態において、別の構成の両側補強板の例を示す図である。本発明に係る実施の形態において、両側補強板をコア薄板と異なる材質の板材で構成する例を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、剛性向上の例を説明する図である。従来技術で、オーバハングロータ構造でも両端部のコア薄板が剥がれる様子を説明する図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、回転電機のロータコアおよびステータコアのコア薄板を電磁鋼板として説明するが、電磁鋼板以外の磁性薄板であってもよい。また、回転電機のロータとして、永久磁石がＶ字形状に配置されてロータコアに埋め込まれるものを説明するが、磁石挿入孔を用いて永久磁石がロータコアに埋め込まれるものであればよく、永久磁石の配置はＶ字形状以外であっても構わない。また、磁石挿入孔、形状変更孔の形状は、説明のための一例であって、これ以外の形状であっても構わない。

以下では、ロータの厚さをステータの厚さよりも電磁鋼板２枚分だけ厚いオーバハングロータ構造として説明するが、これは説明の一例であって、オーバハング量はこれ以外であってもよい。また、オーバハング構造は、ロータの両端側の電磁鋼板における斥力を小さくできる効果があるが、場合によっては不十分であることを説明するために用いたものである。したがって、オーバハング構造でないロータについても、本発明を適用できる。

以下で述べる寸法、材質、形状等は、説明のための例示であり、回転電機の仕様等に応じ、適宜変更が可能である。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、回転電機１０の構造を説明する図である。回転電機１０は、モータケース１４と、ステータと、ロータとを含んで構成される。なお、図１では、ステータをステータコア２０とコイルエンド２４とに分けて示し、ロータを、ロータ軸１２と、永久磁石３６が埋め込まれるロータコア３０とに分けて示している。

図２は、ステータコア２０と、ロータコア３０が向かい合う部分の詳細図である。図２は３枚の図から構成され、中央の図が図1の部分拡大図である。右側の図は、ロータコア３０の中央部における電磁鋼板３４を図２の右側から見た様子を示す図で、電磁鋼板３４の部分平面図に相当する。左側の図は、ロータコア３０を図２の左側から見た様子を示す図で、ロータコア３０の左端側に設けられる両側補助板５０の部分平面図に相当する。

モータケース１４に固定されるステータは、複数の電磁鋼板２２を積層したステータコア２０と、ステータコア２０に巻回されるコイルで構成される。図１では、コイルがステータコア２０の両端面からはみ出して突き出るコイルエンド２４が示されている。

ロータ軸１２は、ロータが取り付けられ、ステータとロータの協働によって発生する回転トルクを外部に取り出す軸で、回転電機１０の出力軸に相当する。ロータ軸１２は、図示されていない適当な軸受機構によって、モータケース１４に回転自在に支持される。

ロータコア３０は、積層コア部３２と、積層コア部３２の厚さ方向の両端側にそれぞれ設けられる両側補強板５０，５２を含んで構成される。積層コア部３２は、コア薄板としての電磁鋼板３４を複数枚積層して構成され、両側補強板５０，５２は積層コア部３２を構成する電磁鋼板３４と外径と厚さが同じ電磁鋼板である。これらの電磁鋼板は、ステータコア２０を構成する電磁鋼板２２と同じ原材料薄板から打ち抜いたものが用いられる。すなわち、積層コア部３２の各電磁鋼板３４と、両側補強板５０，５２は、ステータコア２０の電磁鋼板２２と同じ材質、同じ厚さである。

ロータコア３０は、積層コア部３２の電磁鋼板３４の枚数をＮ枚として、両側補強板５０，５２である２枚の電磁鋼板とともに、（Ｎ＋２）枚の電磁鋼板を積層したものである。これらの電磁鋼板の中心部には、ロータ軸１２が挿入される貫通孔が設けられる。

ロータコア３０は、円環形状の（Ｎ＋２）枚の電磁鋼板をダボカシメによって積層して形成される。円環形状の内径側は、ロータ軸１２が挿入される貫通孔である。ダボカシメとは、各積層鋼板の所定の位置にダボと呼ばれる突き出し部を設け、表側の突き出しを隣接する積層鋼板の突き出し部の裏側のくぼみに合わせてカシメる方法のことである。図２に示されるダボカシメ部３８は、ダボカシメが行われた部分である。ダボカシメ部３８によって、各電磁鋼板は順次積層されながら固定され、全体として一体化される。

ロータコア３０の厚さは、ステータコア２０の厚さよりも厚く、いわゆるオーバハング構造となっている。図２では、その片側の厚さ差２６が示されている。厚さ差２６は、電磁鋼板の２枚分の厚さとなっている。勿論、厚さ差２６はこれ以外とすることもできる。

積層コア部３２を構成する各電磁鋼板３４は、図２の右側の図に示されるように、それぞれ磁石挿入孔４０が開けられる。ここでは、ロータの１つの磁極がＶ字形状に配置された２つ１組の永久磁石３６で構成されるので、これに対応する２つ１組の磁石挿入孔４０が示されている。電磁鋼板３４に設けられる磁石挿入孔４０は、永久磁石３６の断面形状とは少し異なる開口形状を有する。その開口形状は、回転電機１０のリラクタンス仕様に応じた磁路形状に対応するように設定される。

各電磁鋼板３４をＮ枚積層すると、この磁石挿入孔４０が軸方向に揃う貫通孔となる。永久磁石３６は、この磁石挿入孔４０を軸方向につなげた貫通孔に挿入される磁石である。永久磁石３６は、ロータコア３０に軸方向に延びて埋め込まれ、ロータの磁極を形成する磁石である。

両側補強板５０，５２は、積層コア部３２の厚さ方向の両端側、すなわち、軸方向の両端側に設けられる板材である。ここでは、積層コア部３２を構成する電磁鋼板３４の磁石挿入孔４０の形状を変更して形状変更孔５４としたものが用いられる。形状変更孔５４は、図２の左側の図に示されるように、孔周りの磁路形状の幅を積層コア部３２の電磁鋼板３４における磁石挿入孔４０周りの磁路形状の幅よりも広げるように、磁石挿入孔４０の形状を変更した孔である。

積層コア部３２の電磁鋼板３４は、回転電機１０のリラクタンス仕様に合わせるように、磁路形状における磁路幅がかなり狭く設定されることがある。したがって、電磁鋼板３４においては、隣接する磁石挿入孔４０の間の剛性、磁石挿入孔４０と電磁鋼板３４の外周端部との間の剛性が低くなっている。両側補強板５０，５２は、積層コア部３２の電磁鋼板３４と同じ厚さの電磁鋼板を用いながら、積層コア部３２の電磁鋼板３４よりも剛性を高めるために、磁石挿入孔４０の形状変更が行なわれる。すなわち、隣接する磁石挿入孔４０の間の磁路形状の幅寸法を、電磁鋼板３４において対応する幅寸法よりも広げ、磁石挿入孔４０と電磁鋼板３４の外周端部との間の磁路形状の幅寸法を、電磁鋼板３４において対応する幅寸法よりも広げる。

図２の形状変更孔５４は、磁石挿入孔４０に樹脂を注入できるだけの開口寸法としたものである。このような形状変更孔５４とすることで、隣接する形状変更孔５４の間の剛性、形状変更孔５４と両側補強板５０，５２の外周端部との間の剛性が大幅に向上する。

図３には別の形状変更孔６４の例が示されている。ここでは、磁石挿入孔４０に永久磁石３６を挿入できるだけの開口寸法としたものである。勿論、この形状変更孔６４によって、磁石挿入孔４０に樹脂を注入することができる。この場合も、隣接する磁石挿入孔４０の間の磁路形状の幅寸法を、電磁鋼板３４において対応する幅寸法よりも広げ、磁石挿入孔４０と電磁鋼板３４の外周端部との間の磁路形状の幅寸法を、電磁鋼板３４において対応する幅寸法よりも広げてあるので、両側補強板５０，５２の剛性は、電磁鋼板３４の剛性よりも高い。

図２、図３の例では、オーバハング構造の厚さ差２６を電磁鋼板の２枚分として説明した。上記のように、ロータの積層コア部３２の電磁鋼板３４、両側補強板５０，５２は、ステータコア２０の電磁鋼板２２と共に、同じ原材料薄板を打ち抜いて形成される。この場合、ステータコア２０の電磁鋼板２２で打ち抜かれる内径部分を用いて、ロータの積層コア部３２の電磁鋼板３４、両側補強板５０，５２を形成することができる。したがって、（ステータコア２０の電磁鋼板２２の枚数）＝（積層コア部３２の電磁鋼板３４の枚数＋両側補強板５０，５２の枚数）であれば、同じ原材料薄板の利用効率がよい。図２、図３の例では、オーバハング構造の厚さ差２６の分の枚数だけ、原材料薄板の利用効率が低下する。

図４は、両側補強板を別の材質として、（ステータコア２０の電磁鋼板２２の枚数）＝（積層コア部３２の電磁鋼板３４の枚数）とするものである。これによって、ロータコア３０の両端側の剛性を向上させると共に、電磁鋼板２２，３４を打ち抜く原材料薄板の利用効率を向上させることができる。

図４は、図２に対応する図で、積層コア部３２の左側に配置される両側補強板７０が示されている。両側補強板７０は、積層コア部３２の電磁鋼板３４とダボカシメ部３８におけるダボカシメによって一体化されるので、エンドプレートは不要である。

両側補強板７０の厚さは、オーバハング構造の厚さ差２７と同じで、その外径は電磁鋼板３４の外径と同じである。この厚さ２７は、両側補強板７０の剛性が電磁鋼板３４の剛性よりも高くなるように設定される。板材の剛性は、板厚を含めた形状と、ヤング率で定められるので、ヤング率の小さい材質を選択するときは、板厚を厚くする必要がある。

両側補強板７０に設けられる孔７４は、電磁鋼板３４に設けられる磁石挿入孔４０と同じ開口形状として示されている。これを、図２、図３で説明した形状変更孔５４，６４と同様の開口形状としてもよい。その場合には、開口形状の変更によって剛性が向上するので、両側補強板７０の厚さをその分、薄くすることができる。このように、両側補強板７０を積層コア部３２の両端側に配置することで、ロータコア３０の両端側の剛性が向上するので、積層コア部３２の両端側の電磁鋼板３４の剥がれを防止できる。

図５は、両側補強板の厚さを変更し、あるいは開口形状を変更することで、剛性が向上することを説明する図である。ここでは、積層コア部３２の電磁鋼板３４において、隣接する磁石挿入孔４０の間の磁路形状の剛性を基準として説明する。図５に示されるように、電磁鋼板３４のＡ−Ａ線における断面において、隣接する磁石挿入孔４０の間の磁路部分の断面の厚さをｔ₀、幅をｂ₀とする。この部分は、いわゆるブリッジ部分と呼ばれるが、このブリッジ部分の断面２次モーメントＩ₀は、Ｉ₀＝（ｂ₀ｔ₀ ³）／１２で与えられる。

いま、このブリッジ部分が、厚さｔ₁、幅ｂ₁に変更されたとすれば、その変更後の断面２次モーメントＩ₁は、Ｉ₁＝（ｂ₁ｔ₁ ³）／１２で与えられる。電磁鋼板３４の材質のヤング率をＥ₀として、材質の変更によってヤング率がＥ₁に変更になったとすると、剛性向上率は、（Ｅ₁／Ｅ₀）×（ｂ₁／ｂ₀）×（ｔ₁／ｔ₀）³で計算できる。

図４の例では、孔７４は磁石挿入孔４０と同じであるから、ｂ₀＝ｂ₁である。厚さをｔ₀＝０．３ｍｍからｔ₁＝１．５ｍｍに変更すると、その変更による剛性向上寄与分は、（ｔ₁／ｔ₀）³＝（１．５／０．３）³＝１２５倍である。ここで、材質をＳＵＳに変更すると、（Ｅ₁／Ｅ₀）＝（１９７／２０６）であるので、全体としての剛性向上率は、約１２０倍となる。

同じ条件で、材質をアルミニウムに変更すると、（Ｅ₁／Ｅ₀）＝（７２／２０６）であるので、全体としての剛性向上率は、約４４倍となる。材質を銅に変更すると、（Ｅ₁／Ｅ₀）＝（９６／２０６）であるので、全体としての剛性向上率は、約５８倍となる。このように、剛性改善率は、厚さの３乗で効くので、材質の変更によるヤング率の低下を厚さの変更で十分に補うことができる。

図２、図３における剛性向上率は、材質と厚さが同じであるので、（ｂ₁／ｂ₀）で計算できる。したがって、ブリッジ部分の幅寸法を２倍とすることで、剛性を２倍とでき、幅寸法を３倍とすれば、剛性を３倍とできる。図４において、図２、図３の構成を盛り込むときは、このブリッジ部分の幅寸法の変更による剛性向上寄与分を乗算することで、全体の剛性向上率を計算できる。

図６は、比較のために、両側補強板を用いない従来技術において生じる問題を説明する図である。ここでは、ステータコア２０の電磁鋼板２２の厚さ、ロータコア３１の電磁鋼板３３，３４，３５の厚さは全て同じとしてある。そして、ロータコア３１の幅は、ステータコア２０の幅よりも大きく、厚さ差２６だけオーバハング構造となっている。電磁鋼板３５は、オーバハング構造における一番外側に配置するもので、電磁鋼板３３は、オーバハング構造において電磁鋼板３５の内側に配置するものとして示されている。

ステータコア２０から出た磁束は、ロータコア３１の向かい合う電磁鋼板に流れ込むが、オーバハング構造における電磁鋼板３３，３５には、これに対応するステータコア２０の側の電磁鋼板２２がない。そこで、ステータコア２０の最外側の電磁鋼板２２から出た磁束の一部が、電磁鋼板３３，３５に流れ込むことになる。したがって、オーバハング構造における電磁鋼板３３，３５に流れ込む磁束の量は、ロータコア３１の中央部の電磁鋼板３４に流れ込む磁束の量よりも少ない。

このことから、オーバハング構造とすることで、オーバハング構造としない場合に比べ、ロータコア３１の両端側の電磁鋼板３３，３５に生じる斥力を小さくできる。これによって、エンドプレートを省略することで生じ得るロータコア３１の両端側の電磁鋼板３３，３５の剥がれを抑制することができる。これがオーバハング構造にすることの効果である。しかし、斥力をゼロにすることはできないので、電磁鋼板３３，３５の剛性が不足するときには、図６に示すように剥がれが生じ得る。これが従来技術の問題点である。

ここで、オーバハング構造の部分における板材の孔形状の変更、あるいは、材質の変更に伴う厚さの変更によって、上記のように剛性を向上させることができる。なお、上記のように、ロータコア３１のオーバハング構造の部分に流れ込む磁束の量は、ロータコア３１の中央部の電磁鋼板３４に流れ込む磁束の量よりも少ない。したがって、ロータコア３１のオーバハング構造の部分は、ロータコア３１の中央部の電磁鋼板３４に比べて、回転電機１０の動作特性への寄与が少ない。また、渦電流の発生も少ない。これらのことから、オーバハング構造の部分の板材の孔形状の変更、あるいは、材質の変更に伴う厚さの変更を行なっても、回転電機１０の動作特性への影響が少ない。

本発明に係る回転電機は、車両搭載用の回転電機に利用できる。

１０回転電機、１２ロータ軸、１４モータケース、２０ステータコア、２２，３３，３４，３５電磁鋼板、２４コイルエンド、２６，２７厚さ差、３０，３１ロータコア、３２積層コア部、３３，３４，３５電磁鋼板、３６永久磁石、３８ダボカシメ部、４０磁石挿入孔、５０，５２，７０両側補強板、５４，６４形状変更孔、７４孔。

Claims

予め定められたステータ厚さを有するステータと、
ステータに向かい合って配置され、ロータ軸と、ロータコアと、ロータコアに埋め込まれる複数の永久磁石と、を有するロータと、
を備え、
ロータコアは、
複数の磁石挿入孔を有するコア薄板を積層して構成される積層コア部と、
積層コア部の厚さ方向の両端側にそれぞれ積層してカシメによって一体化されて設けられ、積層コア部の剛性を補強する両側補強板と、
を含むことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
コア薄板は、予め定められた磁気抵抗値となるように、磁石挿入孔周りの磁路形状の幅が設定され、
両側補強板は、
コア薄板と同じ材質で、同じ板厚と同じ外径とを有し、
コア薄板のそれぞれの磁石挿入孔に対応する孔であって、孔周りの磁路形状の幅をコア薄板の磁石挿入孔周りの磁路形状の幅よりも広げるように、磁石挿入孔の形状を変更した形状変更孔を有することを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
両側補強板は、
コア薄板と異なる材質で、同じ外径と、コア薄板の剛性よりも高い剛性を有するように設定された板厚を有し、コア薄板とカシメ構造で一体化されることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
積層コア部は、ステータ厚さと同じまたはそれより厚いロータ厚さを有することを特徴とする回転電機。