JP2018042381A

JP2018042381A - 回転電機ロータ

Info

Publication number: JP2018042381A
Application number: JP2016175186A
Authority: JP
Inventors: 新也佐野; Shinya Sano
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2036-09-08
Also published as: JP6759893B2

Abstract

【課題】回転電機ロータにおいて、磁石における渦電流の発生を抑制することにより、ロータを組み込んで構成する回転電機のトルクの低下を抑制することである。【解決手段】回転電機ロータ１０は、ロータコア１２と、ロータコアに形成された複数の磁石孔２０に挿入された状態で磁石固定材によりロータコアに対し固定された複数の磁石１４とを含む。ロータコア１２は、複数のスリット２２であって、それぞれのスリット２２が、複数の磁石孔２０のそれぞれの周辺近傍に形成され、かつ、磁石固定材が加熱硬化され、常温まで冷却されたときに、ロータコアと磁石との間での熱膨張差によって生じる応力によって、スリット２２の対向する内側面が近接または接触するように変形する複数のスリット２２を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、ロータコアと、ロータコアの磁石孔に挿入された状態でロータコアに対し固定された磁石とを備える回転電機ロータに関する。

従来から回転電機ロータにおいて、ロータコアの磁石孔に挿入された状態でロータコアに対し磁石が固定された、いわゆる埋め込み磁石型ロータの構成が知られている。

特許文献１には、埋め込み磁石型ロータにおいて、ロータコアにおける磁石孔の内周側に貫通孔を形成することにより、ロータコアを軽量化し、それによってロータコアの遠心力を低減する効果を得られることが記載されている。

特開２０１２−１００４２４号公報

特許文献１に記載された埋め込み磁石型ロータでは、製造時に、磁石孔に磁石を挿入した状態で磁石固定材である樹脂材料を磁石孔に注入し加熱硬化させ、常温まで冷却させることにより、ロータコアに対し磁石を固定する場合がある。このような構成では、製造時において、ロータコアと磁石との熱膨張係数の違いによって、ロータコアと磁石との間での接触圧が上昇する場合がある。この場合には、磁石の絶縁皮膜による磁石とロータコアとの間での絶縁効果が低下するので、磁石に渦電流が生じやすくなり、その渦電流によって磁石に発熱が生じて磁力が低下する可能性がある。これによって、ロータを組み込んで構成する回転電機のトルクが低下する可能性がある。

一方、ロータコアにおいて、磁石孔の周辺近傍に大きい貫通孔を形成することにより、製造時における、ロータコアと磁石との間での接触圧の上昇を抑制することも考えられる。しかしながら、このようにロータコアに単に大きい貫通孔を形成した場合には、使用時に磁石から生じる磁束が貫通孔で妨げられて、ロータコアを組み込んで構成する回転電機のトルクの低下を招くおそれがある。

本発明の回転電機ロータは、磁石における渦電流の発生を抑制することにより、ロータを組み込んで構成する回転電機のトルクの低下を抑制することを目的とする。

本発明の回転電機ロータは、ロータコアと、前記ロータコアに形成された複数の磁石孔に挿入された状態で磁石固定材により前記ロータコアに対し固定された複数の磁石とを備える回転電機ロータであって、前記ロータコアは、複数のスリットであって、それぞれの前記スリットが、前記複数の磁石孔のそれぞれの周辺近傍に形成され、かつ、前記磁石固定材が加熱硬化され、常温まで冷却されたときに、前記ロータコアと前記磁石との間での熱膨張差によって生じる応力によって、前記スリットの対向する内側面が近接または接触するように変形する複数のスリットを含む、回転電機ロータである。

本発明の回転電機ロータによれば、ロータの製造時に磁石固定材を加熱硬化し、常温まで冷却したときに、磁石とロータコアとの間での熱膨張差によって、磁石の周辺近傍のスリットの内側面が近接または接触するように変形する。そして、これにより磁石とロータコアとの間で作用する接触圧を小さくできるので、磁石における渦電流の発生を抑制できる。また、スリットの内側面が近接または接触することにより、磁石から出る磁束がスリットにより妨げられることを防止できる。この結果、ロータを組み込んで構成する回転電機のトルクの低下を抑制できる。

本発明に係る実施形態の回転電機ロータにおいて、磁石固定材の加熱硬化前における周方向一部を軸方向一方側から見た図である。実施形態において、磁石固定材を加熱硬化させ、常温まで冷却したときにスリットが変形した状態を示している図１に対応する図である。比較例の回転電機ロータにおいて、磁石から大きく離れた位置に貫通孔が形成されている構成における、磁石固定材を加熱硬化して常温まで冷却した後の状態を示している、図２に対応する図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。以下で説明する形状、材料、及び個数は、説明のための例示であって、回転電機ロータの仕様に応じて適宜変更することができる。以下ではすべての図面において同等の要素には同一の符号を付して説明する。また、本文中の説明においては、必要に応じてそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、実施形態の回転電機ロータ１０において、磁石固定材である樹脂材料３０の加熱硬化前における周方向一部を軸方向一方側から見た図である。図２は、実施形態において、樹脂材料３０を加熱硬化させ、常温まで冷却したときにスリット２２が変形した状態を示している図１に対応する図である。以下では、回転電機ロータ１０は、ロータ１０と記載する場合がある。

ロータ１０は、回転電機（図示せず）を形成するために用いられる。例えば、回転電機は、３相交流電流で駆動する永久磁石型同期電動機である。例えば、回転電機は、ハイブリッド車両を駆動するモータとして、または、発電機として、または、その両方の機能を有するモータジェネレータとして用いられる。

ロータ１０は、円筒状の部材であり、使用時には、回転軸（図示せず）がロータ１０の内側に挿入されて固定される。ロータ１０は、使用時にケース（図示せず）の内側に配置される。ケースの内側にロータ１０が配置された状態で、回転軸の両端部は、軸受（図示せず）によってケースに対し回転可能に支持される。ケースの内側において、ロータ１０の半径方向外側には、円筒状のステータ（図示せず）が固定される。ステータは、略筒状のステータコアと、ステータコアの内周面から突出する複数のティースに巻回されたステータコイルとを含んで構成される。ロータ１０の外周面とステータの内周面との間には、半径方向の隙間が形成される。これによって、回転電機が形成される。以下の説明では、「半径方向」は、ロータ１０の半径方向である放射方向をいい、「周方向」はロータ１０の中心軸を中心とした円形に沿う方向をいう。「軸方向」は、ロータ１０の中心軸に沿う方向をいう。

図１に示すように、ロータ１０は、ロータコア１２と、ロータコア１２の周方向複数位置に埋め込まれた永久磁石である磁石１４とを含んでいる。具体的には、ロータコア１２は、磁性材である複数の円板状の電磁鋼板１６を積層することにより形成される積層体である。ロータコア１２の中心部には軸孔（図示せず）が形成され、軸孔の周囲には複数の磁石孔２０が形成される。軸孔の内側には回転軸が固定される。

また、各磁石孔２０の半径方向内側で、各磁石孔２０の周辺近傍には、スリット２２がそれぞれ形成される。スリット２２は、各磁石孔２０の半径方向内側面に沿うように、磁石孔２０の半径方向内側面の近傍に、磁石孔２０から所定距離ｄ分離れて形成される。スリット２２は、軸方向一方側から見た場合に、磁石孔２０の径方向内側面２０ａに沿う方向に長く、磁石孔２０の径方向内側面２０ａに対し直交する方向に短い扁平の長方形状である。スリット２２の短手方向寸法Ｌ１は、スリット２２の長手方向寸法Ｌ２に対して例えば１／１０以下の割合で小さい。スリット２２の長手方向寸法Ｌ２は、磁石１４におけるスリット２２に沿う周方向寸法Ｌ３（図２）より大きい（Ｌ２＞Ｌ３）。各スリット２２の存在により、後述のように、ロータ１０の製造時における、磁石１４とロータコア１２との間での熱膨張差によって磁石１４とロータコア１２との間で作用する接触圧を小さくして、磁石１４における渦電流の発生を抑制できる。

磁石孔２０は、軸方向一方側から見た形状が略長方形である。複数の磁石孔２０は、ロータコア１２の周方向に沿って間隔をあけて配置される。

電磁鋼板１６は、円盤形状であり、例えばケイ素電磁鋼板である。電磁鋼板１６は、例えば厚みが０．５ｍｍ以下の薄板の鋼板を環状に打ち抜いて形成される。電磁鋼板１６では、その打ち抜きによって中心部の軸孔と、その周囲の複数の磁石孔２１と、各磁石孔の半径方向内側の複数の矩形孔であるスリット要素２２ａとが形成される。

複数の電磁鋼板１６の軸孔が軸方向に接続されることにより、ロータコア１２の軸孔が形成される。複数の電磁鋼板１６の複数の磁石孔２１が軸方向に接続されることにより、ロータコア１２の複数の磁石孔２０が形成される。ロータコア１２の複数の磁石孔２０は、２つを１組として、各組の磁石孔２０は２つが組み合わされて半径方向外側に向かって開くＶ字形に形成される。各磁石孔２０には磁石１４が挿入される。このとき、磁石孔の周方向両端の空隙に注入されて固化された磁石固定材である樹脂材料３０によって、ロータコア１２に対し磁石１４が固定される。図１、図２では、樹脂材料３０を砂地で示している。

また、複数の電磁鋼板１６の複数のスリット要素２２ａが軸方向に接続されることにより、ロータコア１２の複数のスリット２２が形成される。

磁石１４は、軸方向に長尺な直方体形状であり、その磁化方向は外周側面及び内周側面に対し直交する方向である。磁石１４は、表面に酸化被膜または樹脂コーティングによる絶縁皮膜が設けられる。この絶縁皮膜は、磁石１４とロータコア１２との間での絶縁を図り、使用時に磁石１４に渦電流が発生することを抑制する機能を有する。磁石孔２０に注入された樹脂材料３０が加熱されることにより、磁石孔２０内に磁石１４が固定される。このとき、樹脂材料３０は加熱硬化された後、常温まで冷却される。

隣り合う２つの磁石１４で１つの磁極１５が形成される。１つの磁極１５を形成する２つの磁石１４は、複数の磁石孔２０の配置にしたがって、ロータコア１２の外周側に向かって略Ｖ字形に広がって配置される。なお、３つ以上の磁石で１つの磁極が形成されてもよい。

上記のロータ１０を製造する場合には、複数の電磁鋼板１６が積層されて積層体が形成され、かつ、各磁石孔２０に磁石１４が挿入された状態で、磁石孔２０の周方向両端の空隙に樹脂材料３０が注入される。そして、積層体が加熱装置（図示せず）で加熱されることにより、樹脂材料３０が加熱硬化され、その後、常温まで冷却されることにより、ロータコア１２に対し各磁石１４が固定される。

この際、図１に示すように、樹脂材料３０の加熱硬化前の状態では、スリット２２の短手方向寸法Ｌ１が比較的大きく、スリット２２の内側に空隙が形成される。これによって、磁石１４から出る磁束が図１に矢印αで示すように、スリット２２の直前で大きく曲げられて、スリット２２が磁束を妨げる。

一方、図２に示すように、樹脂材料３０を加熱硬化させ、常温まで冷却した後では、磁石１４とロータコア１２との熱膨張差に基づいて、冷却後に磁石１４とロータコア１２とが半径方向に強く押し付け合うようにロータコア１２に大きい応力が生じる傾向となる。例えば、ロータコア１２は、加熱により膨張し、冷却により収縮するが、磁石１４では磁石の種類によって、加熱により収縮し、冷却により膨張する場合がある。これによって、上記の熱膨張差によって、冷却後にロータコア１２と磁石１４との間での接触圧が大きくなる傾向となる場合がある。この場合において、実施形態では、スリット２２がロータコア１２の半径方向の応力を吸収するように、スリット２２が短手方向に対向する内側面が近接または接触するように変形する。

上記のロータ１０によれば、ロータ１０の製造時に樹脂材料３０を加熱硬化し、常温まで冷却したときに、磁石１４とロータコア１２との間での熱膨張差によって、磁石１４の周辺のスリット２２の径方向内側面が近接または接触するように変形する。これにより、磁石１４とロータコア１２との間で作用する接触圧を小さくできることにより、磁石１４の絶縁皮膜による磁石１４とロータコア１２との間での絶縁効果が低下することを防止できる。このため、磁石１４における渦電流の発生を抑制できる。また、スリット２２の内側面が近接または接触することにより、図２に矢印βで示すように、磁束がスリット２２をまたぐように通過するので、図１の状態とは異なり磁束がスリット２２の直前で大きく曲げられることがない。これにより、磁石１４から出る磁束がスリット２２により妨げられることを防止できる。この結果、ロータ１０を組み込んで構成する回転電機のトルクの低下を抑制できる。

また、スリット２２の長手方向寸法Ｌ２が、磁石１４におけるスリット２２に沿う周方向寸法Ｌ３（図２）より大きいので、樹脂材料３０の加熱硬化後に常温まで冷却した後でも、磁石１４とロータコア１２との間で作用する接触圧を十分に小さくできる。

図３は、比較例の回転電機ロータ１０において、磁石１４から大きく離れた位置に貫通孔３４が形成されている構成における、磁石固定材を加熱硬化して常温まで冷却した後の状態を示している、図２に対応する図である。図３に示す比較例では、図１、図２に示した実施形態の構成において、各磁石孔２０の径方向内側に大きく離れた位置に、幅広の貫通孔３４が形成される。貫通孔３４は、軸方向一方側から見た形状が長方形状である。例えば、貫通孔３４の短手方向寸法Ｌ１ａは、長手方向寸法Ｌ２ａに対して例えば１／３程度の割合で小さい。また、磁石孔２０に磁石１４が挿入された状態で、磁石固定材である樹脂材料３０が加熱硬化され、常温まで冷却されたときに、貫通孔３４がほとんど変形せず、対向する内側面は近接も接触もしない。

このような比較例では、ロータ１０の製造時に磁石孔２０に磁石１４が挿入された状態で、樹脂材料３０が加熱硬化され、常温まで冷却される。このときに、磁石１４とロータコア１２との熱膨張差によって、図３に矢印αで示すように、ロータコア１２から磁石１４に磁石１４を半径方向に圧縮するように大きい応力が発生する。この場合には、ロータコア１２と磁石１４との間での接触圧が大きく上昇する可能性がある。この場合には、磁石１４の絶縁皮膜による磁石１４とロータコア１２との間での絶縁効果が低下するので、磁石１４に渦電流が生じやすくなり、その渦電流によって磁石１４に発熱が生じて磁力が低下しやすくなる。これによって、ロータ１０を組み込んで構成する回転電機のトルクが低下する可能性がある。上記で説明した実施形態ではこのような不都合を防止できる。

なお、上記の実施形態では、ロータコア１２が、複数の電磁鋼板１６が積層されてなる積層体により構成される場合を説明したが、ロータコアは、積層体に限定するものではない。例えばロータコアは、樹脂バインダと磁性材粉末とを加圧成形することにより形成されたものでもよい。

また、図１、図２の構成では、２つの磁石１４がＶ字形に配置される場合を説明したが、ロータ１０において各磁石１４が周方向に沿うように配置され、磁石孔の周辺近傍にスリットが形成される構成としてもよい。また、上記では磁石固定材が樹脂材料である場合を説明したが、加熱により硬化されるものであれば種々の材料を用いることができる。

１０回転電機ロータ（ロータ）、１２ロータコア、１４磁石、１５磁極１６電磁鋼板、２０磁石孔、２０ａ径方向内側面、２１磁石孔、２２スリット、２２ａスリット要素、３０樹脂材料、３４貫通孔。

Claims

ロータコアと、前記ロータコアに形成された複数の磁石孔に挿入された状態で磁石固定材により前記ロータコアに対し固定された複数の磁石とを備える回転電機ロータであって、
前記ロータコアは、複数のスリットであって、それぞれの前記スリットが、前記複数の磁石孔のそれぞれの周辺近傍に形成され、かつ、前記磁石固定材が加熱硬化され、常温まで冷却されたときに、前記ロータコアと前記磁石との間での熱膨張差によって生じる応力によって、前記スリットの対向する内側面が近接または接触するように変形する複数のスリットを含む、回転電機ロータ。