JP5104554B2

JP5104554B2 - ロータ

Info

Publication number: JP5104554B2
Application number: JP2008144634A
Authority: JP
Inventors: 工藤　　弘康; 直樹田中; 政行梨木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-06-02
Filing date: 2008-06-02
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2028-06-02
Also published as: JP2009296685A

Description

本発明は、ロータコアにフラックスバリアが形成されたロータの構造に関する。

従来技術として、例えば、特許文献１および特許文献２に開示されたロータがある。
特許文献１に記載されたロータは、図１０に示すように、ロータコア１００に第１のフラックスバリア１０１と、第２のフラックスバリア１０２とが形成されている。
第１のフラックスバリア１０１は、長手方向の中央部がロータコア１００の中心側に凸となる円弧状を有し、且つ、長手方向の両端部がロータコア１００の外周に近接して形成されている。第２のフラックスバリア１０２は、第１のフラックスバリア１０１の凸側に略ハの字状に形成されている。
ロータコア１００の外周部には、ロータコア１００の外周に近接する第１のフラックスバリア１０１および第２のフラックスバリア１０２の端部と、ロータコア１００の外周円との間に、それぞれ外周ブリッジ１０３が形成されている。

特許文献２に記載されたロータは、図１１にその形状の一極分だけを示すように、ロータコア２００に第１、第２のフラックスバリア２０１、２０２が形成され、その第１、第２のフラックスバリア２０１、２０２にそれぞれ永久磁石２０３、２０４が嵌め込まれている。
第１、第２のフラックスバリア２０１、２０２は、それぞれ長手方向の中央部がロータコア２００の中心側に凸となる円弧状を有し、長手方向の両端部がロータコア２００の外周に近接して形成され、且つ、第１のフラックスバリア２０１の凸側に第２のフラックスバリア２０２が形成されている。
ロータコア２００の外周部には、ロータコア２００の外周に近接する第１のフラックスバリア２０１および第２のフラックスバリア２０２の端部と、ロータコア２００の外周円との間に、それぞれ外周ブリッジ２０５が形成されている。
特開平１１−８９１４５号公報特開２００２−１０５４７号公報

上記の構成を有するロータを回転させると、回転に伴う遠心力が径方向に発生し、その力は、ロータコア１００、２００の外周ブリッジ１０３、２０５で周方向に変換される。このため、外周ブリッジ１０３、２０５には、それぞれロータの回転に伴う応力が作用する。
なお、遠心力は、以下の式（１）で表される。
遠心力＝質量×半径×（回転角速度）²…………………（１）
ロータの回転により発生する応力分布をシミュレーション測定すると、図１２および図１３に示す様に、それぞれ外周ブリッジ１０３、２０５に高い応力が集中していることが分かる。シミュレーションの条件は、ロータ回転数：１７０００ｒｐｍであり、同回転数における疲労許容応力：２０７ＭＰａである。

上記のように、従来のロータでは、高速回転により遠心力が増加するにつれて外周ブリッジ１０３、２０５に作用する応力が増加するため、その応力を材料の疲労限界以下に抑えるためには、外周ブリッジ１０３、２０５の幅を広くする必要がある。しかし、外周ブリッジ１０３、２０５の幅を広くすると、その分、漏れ磁束が増大してトルクの低下をもたらすという問題が生じる。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、漏れ磁束が増大することなく、ロータコアの外周ブリッジに作用する応力を低減できるロータを提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、ロータコアに第１のフラックスバリアと第２のフラックスバリアとが形成され、第１、第２のフラックスバリアは、それぞれ長手方向の両端部がロータコアの外周に近接して形成されると共に、長手方向の中央部がロータコアの中心側に向かって凸となり、且つ、第１のフラックスバリアの凸側に第２のフラックスバリアを有する回転電機のロータであって、第１のフラックスバリアの長手方向の中央部に設けられ、第１のフラックスバリアをロータコアの半径方向に沿って分割する第１の径方向ブリッジと、第２のフラックスバリアの長手方向の中央部に設けられ、第２のフラックスバリアをロータコアの半径方向に沿って分割する第２の径方向ブリッジと、この第２の径方向ブリッジより第２のフラックスバリアの一端側および他端側にそれぞれ設けられ、第２のフラックスバリアをロータコアの周方向に沿って分割する２個の周方向ブリッジとを有し、第１の径方向ブリッジと２個の周方向ブリッジは、ロータコアの中心から半径方向の距離が略等しい位置に設けられていることを特徴とする。

ロータを回転させると、回転に伴う遠心力が径方向に発生し、その力は、ロータコアの外周部に存在するブリッジ、つまり、第１のフラックスバリアの両端部が近接するロータコアの外周部および第２のフラックスバリアの両端部が近接するロータコアの外周部（以下、外周ブリッジと呼ぶ）で周方向に変換される。
これにより、ロータコアの外周ブリッジには、回転に伴う応力が作用する。この外周ブリッジに作用する応力は、以下の式（２）で表される。
応力＝周方向の力（遠心力）／ブリッジの断面積………（２）
本発明では、第１の径方向ブリッジと２個の周方向ブリッジとをロータコアの中心から半径方向に略同じ距離に配置しているので、各ブリッジが配置された位置で新たな円弧を周方向に描くことになる。つまり、応力が作用する断面積が増えることを意味する。従って、上式（２）で示したブリッジの断面積が増えることにより、外周ブリッジに作用する応力を低減できる。

なお、ロータコアの中心から周方向ブリッジまでの半径方向の距離が、ロータコアの中心から第１の径方向ブリッジまでの半径方向の距離より大きくなる、つまり、周方向ブリッジの方が第１の径方向ブリッジより半径方向の外側に位置していると、第２のフラックスバリア側の外周ブリッジ（第２外周ブリッジと呼ぶ）に作用する応力の方が、第１のフラックスバリア側の外周ブリッジ（第１外周ブリッジと呼ぶ）に作用する応力よりも小さくなる。これは、周方向ブリッジが第２外周ブリッジの近傍に位置するため、周方向ブリッジと第２外周ブリッジとに応力が分散されるためである。

一方、ロータコアの中心から周方向ブリッジまでの半径方向の距離が、ロータコアの中心から第１の径方向ブリッジまでの半径方向の距離より小さくなる、つまり、周方向ブリッジの方が第１の径方向ブリッジより半径方向の内側に位置していると、第１外周ブリッジに作用する応力の方が、第２外周ブリッジに作用する応力よりも小さくなる。これは、第２のフラックスバリアの周方向ブリッジより外側の領域（外側バリアと呼ぶ）が長くなることで、第２外周ブリッジに作用する曲げ応力が大きくなるためである。曲げ応力は、距離が長いほど大きくなるので、ロータコアの中心から周方向ブリッジまでの半径が小さくなるほど、第２外周ブリッジに作用する応力が増えることになる。

これに対し、本発明では、第１の径方向ブリッジと２個の周方向ブリッジとをロータコアの中心から半径方向に略同じ距離に配置することで、第１外周ブリッジに作用する応力と第２外周ブリッジに作用する応力とを均一にでき、且つ、周方向ブリッジが第１の径方向ブリッジより半径方向の外側に配置される場合に、第１外周ブリッジに作用する応力より小さくなり、同様に、周方向ブリッジが第１の径方向ブリッジより半径方向の内側に配置される場合に第２外周ブリッジに作用する応力より小さくなる。その結果、第１外周ブリッジおよび第２外周ブリッジの断面積を小さくできるので、漏れ磁束を低減でき、トルクの向上を図ることができる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載したロータにおいて、第１のフラックスバリアと第２のフラックスバリアの両方、または片方、もしくは、第１のフラックスバリアあるいは第２のフラックスバリアの一部に永久磁石が配置されている。
本発明は、フラックスバリアに永久磁石を嵌め込んで構成される埋め込み磁石型ロータにも適用できる。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図１は実施例１に係るロータコア１の全体形状を示す平面図、図２はロータコア１の１磁極分を示す平面図である。
本実施例のロータは、図１に示す様に、円板状に打ち抜かれたコアシート（例えば、電磁鋼板）を複数枚重ね合わせて円柱形状としたロータコア１を有し、このロータコア１に第１のフラックスバリア２と第２のフラックスバリア３が形成されている。
第１、第２のフラックスバリア２、３は、ロータの電気角１８０度の間に配置され、それぞれ長手方向の両端部がロータコア１の外周に近接して形成されると共に、長手方向の中央部がロータコア１の中心側に向かって凸となる略円弧状に形成され、第１のフラックスバリア２の凸側に第２のフラックスバリア３が形成されている。

ロータコア１の外周部には、図２に示す様に、ロータコア１の外周円に近接する第１、第２のフラックスバリア２、３の端部とロータコア１の外周円との間に、それぞれ第１の外周ブリッジ４と第２の外周ブリッジ５が形成されている。この第１、第２の外周ブリッジ４、５は、ロータコア１の半径方向に同一の寸法、例えば１ｍｍに形成されている。
第１のフラックスバリア２は、長手方向の中央部で径方向ブリッジ６により二分割されている。径方向ブリッジ６は、第１のフラックスバリア２の凹側と凸側とをロータコア１の半径方向に連結して形成される。

第２のフラックスバリア３は、長手方向の中央部で径方向ブリッジ７により二分割され、さらに、分割された各領域が、それぞれ周方向ブリッジ８により分割されている。径方向ブリッジ７は、径方向ブリッジ６と同様に、第２のフラックスバリア３の凹側と凸側とをロータコア１の半径方向に連結して形成される。つまり、径方向ブリッジ６と径方向ブリッジ７は、ロータコア１の同一半径方向に沿って形成されている。
周方向ブリッジ８は、第２のフラックスバリア３の凹側と凸側とをロータコア１の略周方向に連結して形成される。

また、２つの周方向ブリッジ８は、第２のフラックスバリア３を分割する方向の幅、つまり、ブリッジ幅が、上記の第１、第２の外周ブリッジ４、５と略同じ寸法（例えば１ｍｍ）に設定され、且つ、径方向ブリッジ６と同一円周上に形成されている。つまり、径方向ブリッジ６と２つの周方向ブリッジ８は、ロータコア１の中心から半径方向の距離が略等しい位置に形成されている。
なお、本実施例に係るロータコア１は、一例として、図２に示す様に、半径ｒが８０ｍｍ、ロータコア１の中心から径方向ブリッジ６の中心までの距離ｒ１が６６ｍｍに設定され、且つ、距離ｒ１を半径とする円周上に２つの周方向ブリッジ８が形成されている。また、２つの周方向ブリッジ８は、ブリッジ幅の中心が距離ｒ１を半径とする円周上に設定されている。

（実施例１の作用および効果）
ロータを回転させると、回転に伴う遠心力が径方向に発生し、その力は、ロータコア１の外周部に設けられる第１、第２の外周ブリッジ４、５で周方向に変換される。
これにより、第１、第２の外周ブリッジ４、５には、回転に伴う応力が作用する。この第１、第２の外周ブリッジ４、５に作用する応力は、以下の式（２）で表される。
応力＝周方向の力（遠心力）／ブリッジの断面積………（２）
本実施例のロータコア１は、第２のフラックスバリア３に２個の周方向ブリッジ８を設けて、その２個の周方向ブリッジ８を、ロータコア１の中心から半径方向に径方向ブリッジ６と略同じ距離に配置している。この場合、径方向ブリッジ６と２個の周方向ブリッジ８とが配置された位置で新たな円弧を周方向に描くことを意味し、応力が作用する断面積が増えることを意味する。

上記の構成によれば、式（２）で示したブリッジの断面積が増えることになり、その分、第１、第２の外周ブリッジ４、５に作用する応力を低減できる。
第１、第２の外周ブリッジ４、５に作用する応力をシミュレーション測定した結果を図３に示す。図３（ａ）は本実施例のロータコア１、図３（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ以下に説明する比較例１、２のロータコア１０、２０、図３（ｄ）は径方向ブリッジ６および周方向ブリッジ８を有していない従来技術（例えば特許文献１）のロータコア３０であり、応力分布を白黒の濃淡で表している。シミュレーションの条件は、ロータ回転数：１７０００ｒｐｍであり、同回転数における疲労許容応力：２０７ＭＰａである。

比較例１のロータコア１０は、２個の周方向ブリッジ８が、径方向ブリッジ６より半径方向の外側に配置されている、つまり、ロータコア１０の中心から周方向ブリッジ８までの半径方向の距離が、ロータコア１０の中心から径方向ブリッジ６までの半径方向の距離より大きい場合の一例である。
比較例２のロータコア２０は、２個の周方向ブリッジ８が、径方向ブリッジ６より半径方向の内側に配置されている、つまり、ロータコア２０の中心から周方向ブリッジ８までの半径方向の距離が、ロータコア２０の中心から径方向ブリッジ６までの半径方向の距離より小さい場合の一例である。

シミュレーションの結果によれば、本実施例、比較例１、比較例２、従来技術のいずれの場合も、第１、第２の外周ブリッジ４、５に応力が集中していることが分かる。但し、第１、第２の外周ブリッジ４、５に作用する応力を数値化した棒グラフで表すと、図４に示す様に、本実施例、比較例１、比較例２、従来技術において、第１、第２の外周ブリッジ４、５に作用する応力の大きさに大きな違いが生じていることが分かる。つまり、比較例１の場合は、第１、第２の外周ブリッジ４、５に作用する応力の大きさが異なり、第２の外周ブリッジ５に作用する応力の方が、第１の外周ブリッジ４に作用する応力よりも小さくなっている。これは、周方向ブリッジ８が第２の外周ブリッジ５の近傍に位置するため、周方向ブリッジ８と第２の外周ブリッジ５とに応力が分散されるためである。但し、第１の外周ブリッジ４に作用する応力は、疲労許容応力よりも大きくなっている。

比較例２の場合は、比較例１の場合と同様に、第１、第２の外周ブリッジ４、５に作用する応力の大きさが異なるが、第２の外周ブリッジ５に作用する応力の方が、第１の外周ブリッジ４に作用する応力よりも大きく、且つ、疲労許容応力よりも大きくなっている。これは、第２のフラックスバリア３の周方向ブリッジ８より外側の領域が長くなることで、第２の外周ブリッジ５に作用する曲げ応力が大きくなるためである。曲げ応力は、距離が長いほど大きくなるので、ロータコア１０の中心から周方向ブリッジ８までの半径が小さくなるほど、第２の外周ブリッジ５に作用する応力が増えることになる。
また、従来技術の場合は、第１、第２の外周ブリッジ４、５に作用する応力の大きさが異なるだけでなく、どちらも疲労許容応力よりも大きくなっている。

これに対し、本実施例の場合は、第１の外周ブリッジ４に作用する応力と第２の外周ブリッジ５に作用する応力とが略等しく、且つ、疲労許容応力よりも小さくなっている。これは、２個の周方向ブリッジ８をロータコア１の中心から半径方向に径方向ブリッジ６と同じ距離に配置したことによる効果である。その結果、第１、第２の外周ブリッジ４、５の断面積を小さく設計できるので、第１、第２の外周ブリッジ４、５を通る漏れ磁束を低減でき、トルクの向上を図ることが可能である。

図５は実施例２に係るロータコア１の１磁極分を示す平面図である。
この実施例２では、実施例１に記載した周方向ブリッジ８の角度と応力との関係について説明する。
周方向ブリッジ８の角度を以下のように定義する。
周方向ブリッジ８は、幅方向の両辺が平行に形成されており、その両辺と平行で、且つ、周方向ブリッジ８の幅方向の中心を通る直線Ａと、径方向ブリッジ６および径方向ブリッジ７の幅方向の中心を通る直線Ｂとが成す角度を周方向ブリッジ８の角度αと呼ぶ。
なお、２つの周方向ブリッジ８は、直線Ｂに対して線対称の形状であり、２つの周方向ブリッジ８の角度αは同じである。

上記のαを指標として、周方向ブリッジ８に作用する応力をシミュレーション測定した結果を図６に示す。なお、図６（ａ）はα＝３２．８度、図６（ｂ）はα＝５２．８度、図６（ｃ）はα＝７３度である。このシミュレーション測定によると、周方向ブリッジ８に作用する最大応力は、α＝３２．８度の場合に２８３ＭＰａ、α＝５２．８度の場合に１８０ＭＰａ、α＝７３度の場合に２９６ＭＰａとなっている。
また、シミュレーション測定の結果をグラフで表すと、図７に示す様に、α＝３２．８度からα＝５２．８度まで周方向ブリッジ８の角度が大きくなるに連れて、周方向ブリッジ８に作用する最大応力は次第に小さくなる。更に、周方向ブリッジ８の角度がα＝５２．８度からα＝７３度まで大きくなると、αの増加に連れて周方向ブリッジ８に作用する最大応力が次第に大きくなっている。つまり、周方向ブリッジ８に作用する最大応力が最も小さくなるαの最適値が存在することが分かり、その値は、α＝５２．８度である。
上記のように、周方向ブリッジ８の角度αを適宜に調整することにより、周方向ブリッジ８に作用する曲げモーメントを低減でき、且つ、周方向ブリッジ８に作用する応力も小さくできる。

（変形例）
本発明は、実施例１または実施例２に記載したフラックスバリアに永久磁石９を配置した構成にも適用できる。
永久磁石９は、例えば、図８に示す様に、第１のフラックスバリア２に配置する、あるいは、図９に示す様に、第１のフラックスバリア２と、第２のフラックスバリア３の周方向ブリッジ８より外側の領域に配置することができる。この場合、全てのフラックスバリア２、３に永久磁石９を配置した場合と比較すると、磁石質量を少なくできるので、ロータの回転によって発生する遠心力が小さくなり、第１、第２の外周ブリッジ４、５に作用する応力を小さくできる。但し、第１、第２の外周ブリッジ４、５に作用する応力を疲労許容応力より低くできるのであれば、全てのフラックスバリア２、３に永久磁石９を配置しても良い。

ロータコアの平面図である。実施例１に係るロータコアの１磁極分を示す平面図である。外周ブリッジに作用する応力の分布図である。外周ブリッジに作用する応力を比較した図面である。実施例２に係るロータコアの１磁極分を示す平面図である。周方向ブリッジに作用する応力の分布図である。周方向ブリッジの角度と最大応力との相関を示すロータコアの１磁極分を示す平面図である（変形例）。ロータコアの１磁極分を示す平面図である（変形例）。従来技術に係るロータコアの平面図である。従来技術に係るロータコアの１磁極分を示す平面図である。図１０のロータコアに作用する応力の分布図である。図１１のロータコアに作用する応力の分布図である。

符号の説明

１ロータコア
２第１のフラックスバリア
３第２のフラックスバリア
６径方向ブリッジ（第１の径方向ブリッジ）
７径方向ブリッジ（第２の径方向ブリッジ）
８周方向ブリッジ
９永久磁石

Claims

ロータコアに第１のフラックスバリアと第２のフラックスバリアとが形成され、
前記第１、第２のフラックスバリアは、それぞれ長手方向の両端部が前記ロータコアの外周に近接して形成されると共に、長手方向の中央部が前記ロータコアの中心側に向かって凸となり、且つ、前記第１のフラックスバリアの凸側に前記第２のフラックスバリアを有する回転電機のロータであって、
前記第１のフラックスバリアの長手方向の中央部に設けられ、前記第１のフラックスバリアを前記ロータコアの半径方向に沿って分割する第１の径方向ブリッジと、
前記第２のフラックスバリアの長手方向の中央部に設けられ、前記第２のフラックスバリアを前記ロータコアの半径方向に沿って分割する第２の径方向ブリッジと、
この第２の径方向ブリッジより前記第２のフラックスバリアの一端側および他端側にそれぞれ設けられ、前記第２のフラックスバリアを前記ロータコアの略周方向に沿って分割する２個の周方向ブリッジとを有し、
前記第１の径方向ブリッジと前記２個の周方向ブリッジは、前記ロータコアの中心から半径方向の距離が略等しい位置に設けられていることを特徴とするロータ。
請求項１に記載したロータにおいて、
前記第１のフラックスバリアと前記第２のフラックスバリアの両方、または片方、もしくは、前記第１のフラックスバリアあるいは前記第２のフラックスバリアの一部に永久磁石が配置されていることを特徴とするロータ。