JP6503016B2

JP6503016B2 - ロータおよび回転電機

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Publication number: JP6503016B2
Application number: JP2017121378A
Authority: JP
Inventors: 明広細田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2019-04-17
Anticipated expiration: 2037-06-21
Also published as: CN109104013A; JP2019009860A; CN208299562U; DE102018004886B4; US10505417B2; US20180375394A1; DE102018004886A1; CN109104013B

Description

本発明は、埋込磁石型のロータ、および、埋込磁石型のロータを有する回転電機に関する。

下記特許文献１には、Ｖ字状に配置された２本スロットの根元が空隙に接続するとともに、各スロットの先端側にも空隙が設けられている回転電機のロータコアが開示されている。

国際公開第２０１２／０１４８３４号

上記特許文献１の技術では、ロータコア回転時の遠心力により永久磁石が径方向外側に移動しようとする力を、スロットの先端側の永久磁石と接触する部分で支持している。上記特許文献１のスロットの根元は空隙と接続されているため、スロットの根元が閉塞されているものに比べて、スロットの先端側の強度が小さく、強度を十分に確保するためには、スロットの先端からロータコアの外径までの厚みを確保する必要があり、ロータコアの径が大きくなる問題とその確保した厚み部分からの磁束漏れによるトルクの低下の問題があった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、スロットの外周側の応力集中値を低減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。

本発明の態様のロータは、ロータシャフトと一体に回転するロータコアと、前記ロータコアを回転軸方向に貫通し、前記ロータコアの回転軸方向から見たときに、略長方形に形成され、外周側が互いに離間するとともに内周側が互いに接近するＶ字状に配置された第１スロットおよび第２スロットと、前記ロータコアを回転軸方向に貫通し、前記第１スロットおよび前記第２スロットの内周側を連結する連通部と、前記ロータコアの回転軸方向から見たときに、略長方形に形成され、前記第１スロットに挿入された第１永久磁石、および、前記第２スロットに挿入された第２永久磁石と、前記ロータコアの回転軸方向から見たときに、前記第１スロットおよび前記第２スロットの外周側の短辺であって、前記第１スロットおよび前記第２スロットの内側に形成され、前記第１永久磁石および前記第２永久磁石がそれぞれ当接する第１当接部と、前記ロータコアの回転軸方向から見たときに、前記第１スロットおよび前記第２スロットの外周側の短辺であって、前記第１スロットおよび前記第２スロットの外側に形成され、前記第１永久磁石および前記第２永久磁石がそれぞれ当接する第２当接部と、前記ロータコアの回転軸方向から見たときに、前記第１当接部と前記第２当接部との間に設けられ、前記第１スロットおよび前記第２スロットの外周側の短辺に対して外周側に膨出して形成されたフラックスバリアと、を有する。

本発明によれば、スロットの外周側の応力集中値を低減できる。

回転電機の構成を示す模式図である。図１の四角枠部分の拡大図である。フラックスバリアの有無によるシミュレーション結果を示す表である。フラックスバリアの配置や個数を変えたときの、シミュレーション結果を示す表である。図１の四角枠部分の拡大図である。

〔第１の実施の形態〕
［回転電機の構成］
図１は、回転電機１０の構成を示す模式図である。図２は、図１の四角枠Ａ部分の拡大図である。回転電機１０は、ステータ１２とロータ１４とを有している。ステータ１２は、鉄系金属により形成された略円筒状のステータコア２０を有している。ステータコア２０は、内周側に突出するティース２２を周方向に複数有しており、各ティース２２にはコイル２４が巻回されている。

ロータ１４は、薄い鋼板を回転軸Ｏ方向に積層した積層鋼板により形成された略円筒形のロータコア３０を有している。ロータコア３０には、回転軸Ｏ上を貫通するシャフト挿入孔３２が形成されている。シャフト挿入孔３２には、ロータシャフト３４が焼嵌めにより挿入されている。これにより、ロータコア３０は、ロータシャフト３４と一体に回転する。ロータコア３０には、回転軸Ｏ方向に貫通するスロット３６を周方向に複数有している。

スロット３６は、第１スロット４０、第２スロット４２、連通部４４およびフラックスバリア４６を有している。第１スロット４０および第２スロット４２は、ロータコア３０を回転軸Ｏ方向から見たときに略長方形に形成されている。第１スロット４０および第２スロット４２は、ロータコア３０を回転軸Ｏ方向から見たときに、外周側が互いに離間するとともに、内周側が互いに接近するＶ字状に配置されている。

第１スロット４０および第２スロット４２の外周側には、フラックスバリア４６が形成されている。フラックスバリア４６は、ロータコア３０を回転軸Ｏ方向から見たときに、第１スロット４０および第２スロット４２の外周側の短辺から外周方向に膨出するように形成されている。フラックスバリア４６は、ロータコア３０を回転軸Ｏ方向から見たときに、第１スロット４０および第２スロット４２の外周側の短辺の中間部であって、スロット３６の外側寄りに形成されている。これにより、第１スロット４０および第２スロット４２の外周側の短辺は、ロータコア３０を回転軸Ｏ方向から見たときに、第１当接部４８ａと第２当接部４８ｂとに分断され、第１当接部４８ａの長さは、第２当接部４８ｂの長さよりも長くなる。なお、第１当接部４８ａは、スロット３６の内側に形成され、第２当接部４８ｂは、スロット３６の外側に形成される。

第１スロット４０および第２スロット４２の内周側には、連通部４４が形成されている。連通部４４は、ロータコア３０を回転軸Ｏ方向から見たときに、第１スロット４０および第２スロット４２の内周側の短辺の端点であって、互いに近い側の端点Ｐ１、Ｐ１を結ぶとともに、互いに遠い側の端点Ｐ２、Ｐ２を結ぶようにして、略等脚台形に形成されている。

第１スロット４０には第１永久磁石５０が挿入され、第２スロット４２には第２永久磁石５２が挿入されている。これにより、第１永久磁石５０および第２永久磁石５２は、Ｖ字状に配置される。このとき、第１永久磁石５０の内側の極と、第２永久磁石５２の内側の極とが同極となるように配置されている。

第１永久磁石５０および第２永久磁石５２は、ロータコア３０を回転軸Ｏ方向から見たときに、略長方形に形成されており、第１スロット４０および第２スロット４２と略同じ形状に形成されている。

第１永久磁石５０および第２永久磁石５２の外周側は、第１スロット４０および第２スロット４２の外周側の短辺の第１当接部４８ａおよび第２当接部４８ｂに当接する。また、第１永久磁石５０および第２永久磁石５２の内周側は、連通部４４の端点Ｐ２に当接する。これにより、第１スロット４０および第２スロット４２に対する位置決めが成される。この状態で、第１永久磁石５０および第２永久磁石５２の内周側の短辺は、第１スロット４０および第２スロット４２の内周側の短辺と略一致する。第１スロット４０、第２スロット４２、連通部４４およびフラックスバリア４６と、第１永久磁石５０および第２永久磁石５２との間には、樹脂が充填され、第１永久磁石５０および第２永久磁石５２は、第１スロット４０および第２スロット４２内で固定される。

ロータコア３０を回転軸Ｏ方向から見たときに、連通部４４の端点Ｐ１、Ｐ１を結ぶ側面４４ａ、端点Ｐ２、Ｐ２を結ぶ側面４４ｂ、第１永久磁石５０および第２永久磁石５２の内周側の短辺５０ａ、５２ａにより、略等脚台形となる空間が形成される。ロータコア３０を回転軸Ｏ方向から見たときに、側面４４ａおよび側面４４ｂは直線状であってもよいし、回転軸Ｏを中心とする円弧状であってもよい。

連通部４４およびフラックスバリア４６によって、第１永久磁石５０および第２永久磁石５２の短辺部分の一部は、ロータコア３０と直接当接しない。これにより、第１永久磁石５０および第２永久磁石５２の短辺からの磁束漏れを抑制することができ、回転電機１０のトルクの減少を抑制することができる。

［シミュレーション結果］
図３は、フラックスバリア４６の有無によるシミュレーション結果を示す表である。本発明者は、シミュレーションによって、回転電機１０に発生するコギングトルク、第１永久磁石５０および第２永久磁石５２からの磁束漏れによるトルク減少量、第１スロット４０および第２スロット４２の外周側短辺付近（フラックスバリア４６を含む）に作用する応力集中値を計算した。図中に示す数値は、評価値であって、数値が小さいほど、コギングトルク、トルク減少量、応力集中値が小さく、良値であることを示す。

前述のように、フラックスバリア４６を設けることにより、第１永久磁石５０および第２永久磁石５２の短辺からの磁束漏れを抑制し、回転電機１０のトルクの減少を抑制することができる。しかし、シミュレーションによって、フラックスバリア４６を設けることにより、図３のモデルＡに示すように、第１スロット４０および第２スロット４２の外周側短辺付近で、応力集中値が高くなることがわかった。

本実施の形態では、第１スロット４０および第２スロット４２の内周側は、連通部４４に接続されている。つまり、第１スロット４０および第２スロット４２の内周側短辺は開口している。そのため、第１スロット４０および第２スロット４２の内周側短辺が、鋼板により閉塞されているものに比べて、第１スロット４０および第２スロット４２の外周側短辺付近の強度が小さく、第１スロット４０および第２スロット４２の外周側短辺付近の応力集中値をできるだけ小さくすることが望まれる。

本発明者は、さらにフラックスバリア４６の配置や個数を変えて、シミュレーションを行った。図４は、フラックスバリア４６の配置や個数を変えたときの、シミュレーション結果を示す表である。

図４では、以下の５つのモデルのシミュレーション結果を示す。５つのモデルとは、フラックスバリア４６を、第１スロット４０および第２スロット４２の外周側短辺であって、スロット３６の外側の端部（外側端）に配置したモデルＣ、第１スロット４０および第２スロット４２の外周側短辺の中間部であるが、スロット３６の外側寄り（外寄り）に配置したモデルＤ、第１スロット４０および第２スロット４２の外周側短辺の中央部（中央）に配置したモデルＥ、第１スロット４０および第２スロット４２の外周側短辺であって、スロット３６の内側の端部（内側端）に配置したモデルＦ、フラックスバリア４６を２個設けたモデルＧである。なお、モデルＤは、本実施の形態のフラックスバリア４６の配置を示す。

図４に示すシミュレーション結果から、本実施の形態では、他のモデルに比べて応力集中値が最も小さいモデルＤを採用した。モデルＤを採用することにより、応力集中値を、フラックスバリア４６を有する他のモデルよりも小さくすることができる。さらに、モデルＤは、コギングトルクも他のモデルに比べて小さく、回転電機１０の回転を滑らかにすることができる。なお、応力集中値が、モデルＤに次いで小さく、コギングトルクおよびトルク減少量も他のモデルに対して比較的小さいモデルＥを採用してもよい。

［作用効果］
第１スロット４０および第２スロット４２の外周側短辺にフラックスバリア４６を設けることにより、回転電機１０のトルク減少量を小さくすることができる。しかし、図３のモデルＡのように、フラックスバリア４６を短辺の全体にわたって設けると、第１スロット４０および第２スロット４２の外周側短辺付近の応力集中値が増大する。

そこで、本実施の形態では、ロータコア３０を回転軸Ｏ方向から見たときに、フラックスバリア４６を、第１スロット４０および第２スロット４２の外周側の短辺の中間部に形成するようにした。これにより、フラックスバリア４６を設けることにより、回転電機１０のトルク減少量を抑制しつつ、第１スロット４０および第２スロット４２の外周側短辺付近の応力集中値の増大も抑えることができる。

また、第１スロット４０および第２スロット４２の外周側短辺付近の応力集中値の増大を抑制することができるため、第１スロット４０および第２スロット４２の外周側端部からロータコア３０の外径までの厚みを薄くし、ロータコア３０の径の大型化を抑制することができる。

さらに、本実施の形態では、ロータコア３０の回転軸Ｏ方向から見たときに、第１当接部４８ａの長さが、第２当接部４８ｂの長さよりも長くなるように、フラックスバリア４６を配置する。これにより、第１スロット４０および第２スロット４２の外周側短辺付近の応力集中値を、さらに小さくすることができる。したがって、フラックスバリア４６を設けることによりトルク減少を抑えつつ、ロータコア３０の径の大型化を避けることができる。また、コギングトルクを抑制することができ、回転電機１０の回転を滑らかにすることができる。

さらに、本実施の形態では、ロータコア３０の回転軸方向から見たときに、第１永久磁石５０が挿入される第１スロット４０、および、第２永久磁石５２が挿入される第２スロット４２の内周側の短辺の端点であって、互いに近い側の端点Ｐ１、Ｐ１を結ぶとともに、互いに遠い側の端点Ｐ２、Ｐ２を結ぶように形成された連通部４４を設けた。これにより、第１永久磁石５０および第２永久磁石５２の内周側の側面が全面に渡ってロータコア３０と当接しない構造とすることができ、磁束漏れを低減することができる。

また、本実施の形態では、ロータコア３０の回転軸Ｏ方向から見たときに、連通部４４の形状が略等脚台形となるように形成した。ロータコア３０を回転軸Ｏ方向から見たときに、連通部４４の側面４４ａは直線状または回転軸Ｏを中心とする円弧状に形成され、側面４４ａはシャフト挿入孔３２の内周面と略平行となる。これにより、ロータコア３０において、ロータシャフト３４の焼嵌め代を確保することができる。

また、本実施の形態では、第１永久磁石５０および第２永久磁石５２の内周側の短辺５０ａ、５２ａが、第１スロット４０および第２スロット４２の内周側の短辺と一致するようにした。これにより、第１永久磁石５０および第２永久磁石５２は、第１スロット４０および第２スロット４２の端点Ｐ２に当接し、第１スロット４０および第２スロット４２に対する位置決めをすることができる。また、スロット３６のロータコア３０の径方向の長さを短縮化することができ、ロータコア３０の径を小さくすることができる。

また、本実施の形態では、第１スロット４０、第２スロット４２、連通部４４およびフラックスバリア４６に、樹脂を充填するようにした。これにより、第１永久磁石５０および第２永久磁石５２を、第１スロット４０および第２スロット４２に対して固定することができる。

〔変形例１〕
第１の実施の形態では、第１スロット４０および第２スロット４２は端点Ｐ１、Ｐ１において離間していたが、第１スロット４０および第２スロット４２は端点Ｐ１、Ｐ１において接していてもよい。図５は、図１の四角枠Ａ部分の拡大図である。図５に示すように、連通部４４は、ロータコア３０を回転軸Ｏ方向から見たときに、略二等辺三角形に形成されている。このとき、ロータコア３０を回転軸Ｏ方向から見たときに、連通部４４の端点Ｐ２、Ｐ２を結ぶ側面４４ｂ、第１永久磁石５０および第２永久磁石５２の内周側の短辺５０ａ、５２ａにより、略二等辺三角形となる空間が形成される。

〔変形例２〕
第１の実施の形態では、ロータコア３０の回転軸方向から見たときに、第１永久磁石５０および第２永久磁石５２は、第１スロット４０および第２スロット４２の長さと略同じ長さに形成されているが、第１永久磁石５０および第２永久磁石５２を、第１スロット４０および第２スロット４２の長さよりも短く形成するようにしてもよい。

〔実施の形態から得られる技術的思想〕
上記実施の形態から把握しうる技術的思想について、以下に記載する。

ロータ（１４）は、ロータシャフト（３４）と一体に回転するロータコア（３０）と、ロータコア（３０）を回転軸（Ｏ）方向に貫通し、ロータコア（３０）の回転軸（Ｏ）方向から見たときに、略長方形に形成され、外周側が互いに離間するとともに内周側が互いに接近するＶ字状に配置された第１スロット（４０）および第２スロット（４２）と、ロータコア（３０）を回転軸（Ｏ）方向に貫通し、第１スロット（４０）および第２スロット（４２）の内周側を連結する連通部（４４）と、ロータコア（３０）の回転軸（Ｏ）方向から見たときに、略長方形に形成され、第１スロット（４０）に挿入された第１永久磁石（５０）、および、第２スロット（４２）に挿入された第２永久磁石（５２）と、ロータコア（３０）の回転軸（Ｏ）方向から見たときに、第１スロット（４０）および第２スロット（４２）の外周側の短辺であって、第１スロット（４０）および第２スロット（４２）の内側に形成され、第１永久磁石（５０）および第２永久磁石（５２）がそれぞれ当接する第１当接部（４８ａ）と、ロータコア（３０）の回転軸（Ｏ）方向から見たときに、第１スロット（４０）および第２スロット（４２）の外周側の短辺であって、第１スロット（４０）および第２スロット（４２）の外側に形成され、第１永久磁石（５０）および第２永久磁石（５２）がそれぞれ当接する第２当接部（４８ｂ）と、ロータコア（３０）の回転軸（Ｏ）方向から見たときに、第１当接部（４８ａ）と第２当接部（４８ｂ）との間に設けられ、第１スロット（４０）および第２スロット（４２）の外周側の短辺に対して外周側に膨出して形成されたフラックスバリア（４６）と、を有する。これにより、第１スロット（４０）および第２スロット（４２）の外周側の応力集中値を低減できる。

上記ロータ（１４）において、ロータコア（３０）の回転軸（Ｏ）方向から見たときに、第１当接部（４８ａ）の長さが、第２当接部（４８ｂ）の長さよりも長くともよい。フラックスバリア（４６）により磁束漏れを低減し、トルク減少を抑えつつ、ロータコア（３０）の径の大型化を避けることができる。また、コギングトルクも抑制することができ、回転電機（１０）の回転を滑らかにすることができる。

上記ロータ（１４）において、連通部（４４）は、ロータコア（３０）の回転軸（Ｏ）方向から見たときに、第１スロット（４０）および第２スロット（４２）の内周側の短辺の端点であって、互いに近い側の端点（Ｐ１、Ｐ１）を結ぶとともに、互いに遠い側の端点（Ｐ２、Ｐ２）を結んだ形状であってもよい。これにより、第１永久磁石（５０）および第２永久磁石（５２）の内周側の側面が全面に渡ってロータコア（３０）と当接しない構造とすることができ、磁束漏れを低減することができる。

上記ロータ（１４）において、連通部（４４）は、ロータコア（３０）の回転軸（Ｏ）方向から見たときに、略三角形または略台形の形状であってもよい。これにより、ロータコア（３０）において、ロータシャフト（３４）の焼嵌め代を確保することができる。

上記ロータ（１４）において、第１永久磁石（５０）は、内周側の短辺（５０ａ）が、第１スロット（４０）の内周側の短辺と一致するように配置され、第２永久磁石（５２）は、内周側の短辺（５２ａ）が、第２スロット（４２）の内周側の短辺と一致するように配置されてもよい。これにより、第１永久磁石（５０）および第２永久磁石（５２）は、第１スロット（４０）および第２スロット（４２）の端点（Ｐ２）に当接し、第１スロット（４０）および第２スロット（４２）に対する位置決めをすることができる。また、スロット（３６）のロータコア（３０）の径方向の長さを短縮化することができ、ロータコア（３０）の径を小さくすることができる。

上記ロータ（１４）において、フラックスバリア（４６）および連通部（４４）には、樹脂が充填されていてもよい。これにより、第１永久磁石（５０）および第２永久磁石（５２）を、第１スロット（４０）および第２スロット（４２）に対して固定することができる。

回転電機（１０）は、上記ロータ（１４）を有する。これにより、回転電機（１０）のトルクの低下を抑制することができる。

１０…回転電機１４…ロータ
３０…ロータコア３４…ロータシャフト
４０…第１スロット４２…第２スロット
４４…連通部４６…フラックスバリア
５０…第１永久磁石５２…第２永久磁石
Ｏ…回転軸Ｐ１、Ｐ２…端点

Claims

ロータシャフトと一体に回転するロータコアと、
前記ロータコアを回転軸方向に貫通し、前記ロータコアの回転軸方向から見たときに、略長方形に形成され、外周側が互いに離間するとともに内周側が互いに接近するＶ字状に配置された第１スロットおよび第２スロットと、
前記ロータコアを回転軸方向に貫通し、前記第１スロットおよび前記第２スロットの内周側を連結する連通部と、
前記ロータコアの回転軸方向から見たときに、略長方形に形成され、前記第１スロットに挿入された第１永久磁石、および、前記第２スロットに挿入された第２永久磁石と、
前記ロータコアの回転軸方向から見たときに、前記第１スロットおよび前記第２スロットの外周側の短辺であって、前記第１スロットおよび前記第２スロットの内側に形成され、前記第１永久磁石および前記第２永久磁石がそれぞれ当接する第１当接部と、
前記ロータコアの回転軸方向から見たときに、前記第１スロットおよび前記第２スロットの外周側の短辺であって、前記第１スロットおよび前記第２スロットの外側に形成され、前記第１永久磁石および前記第２永久磁石がそれぞれ当接する第２当接部と、
前記ロータコアの回転軸方向から見たときに、前記第１当接部と前記第２当接部との間に設けられ、前記第１スロットおよび前記第２スロットの外周側の短辺に対して外周側に膨出して形成されたフラックスバリアと、
を有し、
前記ロータコアの回転軸方向から見たときに、前記第１当接部の長さが、前記第２当接部の長さよりも長い、ロータ。
請求項１に記載のロータにおいて、
前記連通部は、前記ロータコアの回転軸方向から見たときに、前記第１スロットおよび前記第２スロットの内周側の短辺の端点であって、互いに近い側の端点を結ぶとともに、互いに遠い側の端点を結んだ形状である、ロータ。
請求項２に記載のロータにおいて、
前記連通部は、前記ロータコアの回転軸方向から見たときに、略三角形または略台形の
形状である、ロータ。
請求項２または３に記載のロータにおいて、
前記第１永久磁石は、内周側の短辺が、前記第１スロットの内周側の短辺と一致するように配置され、
前記第２永久磁石は、内周側の短辺が、前記第２スロットの内周側の短辺と一致するように配置される、ロータ。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のロータにおいて、
前記フラックスバリアおよび前記連通部には、樹脂が充填されている、ロータ。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のロータを有する、回転電機。