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技術 回転子およびそれを用いた回転電機

出願人 株式会社デンソーアスモ株式会社
発明者 谷口真後藤昌宏林二郎
出願日 2012年6月20日 (8年0ヶ月経過) 出願番号 2012-138608
公開日 2014年1月9日 (6年5ヶ月経過) 公開番号 2014-003841
状態 特許登録済
技術分野 同期機の永久磁石界磁
主要キーワード クサビ効果 圧入設備 圧入過程 回転軸心方向 出来栄え 磁石材 磁石極 接触率
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2014年1月9日)のものです。
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図面 (10)

課題

カバーによる永久磁石保持力を確保可能であり、永久磁石の破損を防止可能であり、カバーの圧入荷重を低減可能な回転子を提供する。

解決手段

回転子30は、固定子コア32の突出部34の第1径外面35の中央部37がカバー50に当接し、第1径外面35の端部38がカバー50に対し径内方向へ離間している。そのため、永久磁石40の第2径外面41の全面をカバー50に確実に接触させることができ、カバー50による永久磁石40の保持力を確保可能である。また、永久磁石40とカバー50とが局所的に接触することに起因して永久磁石40に作用する圧縮応力が大きくなることを回避し、永久磁石40の破損を防止可能である。また、カバー50圧入時の摩擦抵抗を小さくし、圧入荷重Lを低減可能である。

概要

背景

例えば希土類磁石などの永久磁石は、エネルギー密度が高く、電動機の小型化には欠かせない材料である一方で、資源偏在性より調達リスクが高い。そのため、従来、永久磁石の使用量を極力抑える機器設計がなされている。特許文献1に開示された回転子のうち回転軸心方向の中間部は、回転子コアボス部から径外方向に突き出す複数の突出部と、各突出部間に位置する永久磁石とからなるコンシクエントポール型構造であり、永久磁石の使用量が抑えられている。永久磁石は、径外方向に圧入された円筒状のカバーにより保持され、遠心力による飛散が防止されている。

概要

カバーによる永久磁石の保持力を確保可能であり、永久磁石の破損を防止可能であり、カバーの圧入荷重を低減可能な回転子を提供する。 回転子30は、固定子コア32の突出部34の第1径外面35の中央部37がカバー50に当接し、第1径外面35の端部38がカバー50に対し径内方向へ離間している。そのため、永久磁石40の第2径外面41の全面をカバー50に確実に接触させることができ、カバー50による永久磁石40の保持力を確保可能である。また、永久磁石40とカバー50とが局所的に接触することに起因して永久磁石40に作用する圧縮応力が大きくなることを回避し、永久磁石40の破損を防止可能である。また、カバー50圧入時の摩擦抵抗を小さくし、圧入荷重Lを低減可能である。

目的

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、カバーによる永久磁石の保持力を確保可能であり、永久磁石の破損を防止可能であり、永久磁石および突出部へのカバーの圧入荷重を低減可能な回転子およびそれを用いた回転電機を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

回転軸(31)と、前記回転軸に固定されているボス部(33)、および、前記ボス部から径外方向に突き出し、回転軸心(φ)に垂直な断面で径外方向に位置する第1径外面(35、63、73)のうち周方向の中央部(37、65、75)が端部(38、64、74)よりも径外方向に位置し、周方向で互いに離間している軟磁性極としての複数の突出部(34、62、72)、を有する回転子コア(32、61、71)と、各前記突出部間に設けられ、回転軸心に垂直な断面で径外方向に位置する第2径外面(41)が円弧状である磁石極としての永久磁石(40)と、前記第1径外面および前記第2径外面に嵌合している筒状のカバー(50)と、を備え、前記回転子コアの前記突出部は、前記第1径外面のうち周方向の中央部が前記カバーの内面(51)に当接するとともに、周方向の端部が前記内面に対し径内方向へ離間していることを特徴とする回転子(30、60、70)。

請求項2

前記第1径外面の面積に対する、前記第1径外面と前記カバーとの接触面積の割合(R)は、50%以上であり且つ80%以下であることを特徴とする請求項1に記載の回転子(30、60、70)。

請求項3

前記第1径外面は、回転軸心に垂直な断面の形状が円弧状であることを特徴とする請求項1または2に記載の回転子(30)。

請求項4

前記第1径外面の曲率半径(r1)は、前記第2径外面の曲率半径(r2)よりも小さく、前記第1径外面の曲率中心(a1)は、前記第2径外面の曲率中心(a2)よりも回転軸心から離間していることを特徴とする請求項3に記載の回転子(30)。

請求項5

前記永久磁石は、周方向の中央部から前記第2端側に向かうに従って径方向の厚みが小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の回転子(30、60、70)。

請求項6

前記永久磁石の周方向の幅は、前記突出部の周方向の幅以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の回転子(30、60、70)。

請求項7

各前記永久磁石は、同一の極性が径外方向に位置するように設けられていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の回転子(30、60、70)。

請求項8

前記回転子コアは、回転軸心方向に積層された複数の鋼板から構成され、前記カバーの肉厚は、前記回転子コアを構成する鋼板の板厚以下であること特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の回転子(30、60、70)。

請求項9

前記カバーは、前記第1径外面との周方向当接幅が前記第2径外面との周方向当接幅よりも小さいことを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の回転子(30、60、70)。

請求項10

請求項1〜9のいずれか一項に記載の回転子(30、60、70)と、前記回転子に対し径外方向に位置し、回転軸心まわりに回転する磁界を発生させる固定子(20)と、を備えることを特徴とする回転電機(1)。

技術分野

0001

本発明は、回転子およびそれを用いた回転電機に関する。

背景技術

0002

例えば希土類磁石などの永久磁石は、エネルギー密度が高く、電動機の小型化には欠かせない材料である一方で、資源偏在性より調達リスクが高い。そのため、従来、永久磁石の使用量を極力抑える機器設計がなされている。特許文献1に開示された回転子のうち回転軸心方向の中間部は、回転子コアボス部から径外方向に突き出す複数の突出部と、各突出部間に位置する永久磁石とからなるコンシクエントポール型構造であり、永久磁石の使用量が抑えられている。永久磁石は、径外方向に圧入された円筒状のカバーにより保持され、遠心力による飛散が防止されている。

先行技術

0003

特開平2010−259304号公報

発明が解決しようとする課題

0004

特許文献1に開示された回転子では、永久磁石の径外面の曲率半径および中心と突出部の径外面の曲率半径および中心とが一致するように設計されている。そのため、物の出来栄えによっては、突出部とカバーとが全面で接触する代わりに、永久磁石とカバーとの接触が不十分となる場合があり、永久磁石の保持力を十分に確保することができない。さらに、永久磁石とカバーとの接触面積が小さいことに起因して、永久磁石に作用する圧縮応力が大きくなり、永久磁石が破損する恐れがある。

0005

また、物の出来栄えによってカバーが突出部と永久磁石とに全面で接触する場合には、カバーを突出部および永久磁石に圧入するときの摩擦抵抗が大きくなり、圧入荷重が過大となる。特に、回転子コアが複数の鋼板積層構造である場合、カバーの内面に接触する突出部の径外面がプレス破断面であるため、そのプレス破断面のバリダレなどの影響で圧入時の摩擦抵抗が一様ではなく、圧入荷重が一層過大となる。このように圧入荷重が過大であると、圧入設備の大型化が必要となるため製造コストが高くなる問題、および、カバーが圧入過程座屈するという問題が生じる。

0006

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、カバーによる永久磁石の保持力を確保可能であり、永久磁石の破損を防止可能であり、永久磁石および突出部へのカバーの圧入荷重を低減可能な回転子およびそれを用いた回転電機を提供することである。

課題を解決するための手段

0007

本発明は、回転子コアの突出部と永久磁石とが周方向で交互に配置され、突出部の第1径外面と永久磁石の第2径外面とにカバーが嵌合している回転子であって、第1径外面の周方向の中央部がカバーの内面に当接するとともに、第1径外面の周方向の端部がカバーの内面に対し径内方向へ離間していることを特徴する。

0008

したがって、第1径外面の端部に隣接する永久磁石の第2径外面の略全面をカバーに確実に接触させることができる。また、突出部の周方向の両端部がカバーから離間していることから、永久磁石の周方向の端面とカバーとがなす角度が小さくなり、カバーが永久磁石を回転軸心側に押圧する力を大きくすることができる。そのため、カバーによる永久磁石の保持力を確保可能である。

0009

また、永久磁石とカバーとが局所的に接触することに起因して永久磁石に作用する圧縮応力が大きくなることを回避し、永久磁石の破損を防止可能である。
また、突出部の周方向の両端部がカバーから離間しているため、カバー圧入時の摩擦抵抗を小さくし、圧入荷重を低減可能である。
本明細書において、「径外方向」および「径内方向」は、回転子の回転軸心を基準とする径方向の外側および内側という意味である。

図面の簡単な説明

0010

本発明の第1実施形態による回転子が適用されたモータ概略構成を説明する模式図である。
図1のII−II線断面を示す模式図である。
図2の回転子の一部を切り欠いて示す断面図である。
図3の矢印IV部の拡大図である。
図4の矢印V部の拡大図である。
実験により導かれた面積接触率と圧入荷重との関係を示す図である。
実験により導かれた面積接触率と駆動トルクとの関係を示す図である。
本発明の第2実施形態による回転子の一部を切り欠いて示す断面図である。
本発明の第3実施形態による回転子の一部を切り欠いて示す断面図である。

実施例

0011

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による回転子は、図1および図2に示すモータに適用されている。モータ1は、3相ブラシレスモータであり、ケース10、固定子20および回転子30を備えている。

0012

ケース10は、筒部11、筒部11の一端を塞ぐ第1側部12、および、筒部11の他端を塞ぐ第2側部14から構成されている。第1側部12の中央の通孔13には軸受16が取り付けられ、第2側部14の中央の通孔15には軸受17が取り付けられている。

0013

固定子20は、ケース10の筒部11の径内方向に位置する固定子コア21、および、固定子コア21に巻回されている複数のコイル22〜27から構成されている。
固定子コア21は、ケース10の筒部11の内面に例えば圧入により固定されているリング部28と、リング部28から径内方向に突き出す複数のティース部29とから一体に形成されている。本実施形態では、ティース部29は12個設けられ、各ティース部29は周方向において30°間隔で配置されている。

0014

コイル22〜27は、固定子コア21のティース部29に巻回されている導線からなる。U1コイル22、U2コイル23、V1コイル24、V2コイル25、W1コイル26およびW2コイル27がこの順に時計回りに配置されてなるコイル群が2群、回転軸心φに対して点対称に配置されている。

0015

回転子30は、コンシクエントポール型であり、回転軸31、回転子コア32、永久磁石40およびカバー50から構成されている。
回転軸31は、軸受16、17により回転可能に支持されている。
回転子コア32は、軟磁性材からなり、回転軸31に例えば圧入により固定されているボス部33、および、ボス部33から径外方向に突き出し、周方向で互いに離間している軟磁性極としての複数の突出部34を有している。本実施形態では、回転子30は、回転軸心φ方向に積層された複数の鋼板からなる。

0016

磁石極としての永久磁石40は、各突出部34間に1個ずつ設けられている。回転子コア32のボス部33は、永久磁石40の発する磁束を伝達するヨークとして機能する。
カバー50は、突出部34および永久磁石40に嵌合している薄肉筒状部材である。カバー50は、圧入により回転子コア32に固定されている。本実施形態では、カバー50は、非磁性材料の例えばSUS304などから構成されている。

0017

以上のように構成されたモータ1では、各コイル22〜27は、インバータ制御装置およびバッテリ等から構成される図示しない電力変換装置に接続され、U1コイル22、V1コイル24およびW1コイル26への通電切り替えられるとともに、U2コイル23、V2コイル25およびW2コイル27への通電が切り替えられることにより、周方向に回転する磁界を発生させる。この磁界に応じて回転子30は回転する。

0018

次に、本実施形態の特徴である回転子30の詳細な構成を図2図7に基づき説明する。
回転子コア32の突出部34は、回転軸心φに垂直な断面で径外方向に位置する第1径外面35が円弧状であり、第1径外面35の周方向の中央部37が端部38よりも径外方向に位置している。永久磁石40は、回転軸心φに垂直な断面で径外方向に位置する第2径外面41が円弧状である。

0019

突出部34の第1径外面35は、中央部37がカバー50の内面51に当接するとともに、端部38がカバー50の内面51に対し径内方向へ離間している。具体的には、第1径外面35の曲率半径r1は、第2径外面41の曲率半径r2よりも小さく、第1径外面35の曲率中心a1は、第2径外面41の曲率中心a2よりも回転軸心φから離間している。また、第1径外面35のうち周方向の端に位置する第1端36から回転軸心φまでの距離を第1距離D1とし、第2径外面41のうち周方向の端に位置する第2端42から回転軸心までの距離を第2距離D2とすると、第1距離D1は第2距離D2よりも小さい。また、中央部37は、周方向で隣接する第2端42同士を結んだ仮想直線に対し径外方向に位置している。

0020

ここで、第1径外面35の面積に対する、第1径外面35とカバー50との接触面積の割合を「面積接触率R」とし、カバー50を永久磁石40および突出部34に圧入するときの荷重を「圧入荷重L」とする。実験により導かれた面積接触率Rと圧入荷重Lとの関係を示す図5のように、面積接触率Rの低下に対する圧入荷重Lの低減の割合は、面積接触率Rが80%以下であるとき大きくなる。
また、モータ1の駆動時に回転子30に作用するトルクを「駆動トルクT」とする。実験により導かれた面積接触率Rと駆動トルクTとの関係を示す図6のように、面積接触率Rの上昇に対する駆動トルクTの増加の割合は、面積接触率Rが50%以上であるとき大きくなる。
本実施形態では、上記に鑑み、回転子コア32の突出部34は、面積接触率Rが例えば65%となるように形成されている。

0021

永久磁石40は、第2径外面41とは反対側の径内面43が径方向に直交する平面であり、周方向の中央部45から第2端42側に向かうに従って径方向の厚みが小さくなっている。また、永久磁石40の周方向の幅は、突出部34の周方向の幅と同じである。また、各永久磁石40は、同一の極性であるN極が径外方向に位置するように設けられている。なお、図に示す「N」は、永久磁石40の径外方向に位置する磁極がN極であることを示している。また、カバー50の肉厚は、回転子コア32を構成する鋼板の板厚以下である。また、カバー50は、第1径外面35との周方向当接幅が第2径外面41との周方向当接幅よりも小さい。

0022

以上説明したように、第1実施形態による回転子30では、突出部34の第1径外面35の中央部37はカバー50の内面51に当接し、第1径外面35の端部38はカバー50の内面51に対し径内方向へ離間している。
したがって、第1径外面35の端部38に隣接する永久磁石40の第2径外面41の全面をカバー50に確実に接触させることができる。また、突出部34の周方向の両端部38がカバー50から離間していることから、永久磁石40の周方向の端面44とカバー50とがなす角度θ(図5参照)が小さくなり、カバー50が永久磁石40を回転軸心φ側に押圧する力を大きくすることができる。そのため、カバー50による永久磁石40の保持力を確保可能である。

0023

また、永久磁石40とカバー50とが局所的に接触することに起因して永久磁石40に作用する圧縮応力が大きくなることを回避し、永久磁石40の破損を防止可能である。
また、突出部34の周方向の両端部38がカバー50から離間しているため、カバー50圧入時の摩擦抵抗を小さくし、圧入荷重Lを低減可能である。

0024

また、第1実施形態では、回転子コア32の突出部34は、面積接触率Rが65%となるように形成されている。面積接触率Rが80%よりも大きくなると圧入荷重Lの低減効果が薄れることから、面積接触率Rを65%とすることで圧入荷重Lの低減効果を十分に得ることができる。
また、面積接触率Rが小さくなるということは、突出部34の第1径外面35が固定子20のティース部29の径内面から遠ざかることを意味しており、固定子20への有効鎖交磁束が減少してしまうことが懸念される。これに対し、第1実施形態では、面積接触率Rを50%以上の65%とすることで、固定子20との空隙長の拡大を抑え、駆動トルクTの低下を抑制することができる。
ここで、軟磁性材は磁石材に比べて飽和磁束密度が高く、磁気抵抗が小さい。そのため、カバー50との隙間を確保することにより固定子20との空隙長が部分的に大きくなる結果、固定子20への有効鎖交磁束が減少することは、駆動トルクTの低下に影響しにくい。

0025

また、第1実施形態では、突出部34の第1径外面35は、回転軸心φに垂直な断面の形状が円弧状である。このように構成することで、第1径外面35の周方向の中央部37をカバー50の内面51に当接させるとともに、第1径外面35の周方向の端部38をカバー50の内面51に対し径内方向へ離間させることができる。

0026

また、第1実施形態では、突出部34の第1径外面35の曲率半径r1は、永久磁石40の第2径外面41の曲率半径r2よりも小さく、第1径外面35の曲率中心a1は、第2径外面41の曲率中心a2よりも回転軸心φから離間している。
したがって、各磁極の径外面と固定子20のティース部29の径内面との空隙長を周方向でほぼ等しく設定することができ、駆動トルクTの低下を抑制することができる。

0027

また、第1実施形態では、永久磁石40は、第2径外面41とは反対側の径内面43が径方向に直交する平面であり、周方向の中央部45から端42側に向かうに従って径方向の厚みが小さくなっている。
したがって、突出部34のボス部33とカバー50とで区画形成される空間、即ち永久磁石40の収容空間が回転方向に対してクサビ効果生むので、永久磁石40の周方向のズレを抑制することができる。

0028

また、第1実施形態では、永久磁石40の周方向の幅は、突出部34の周方向の幅と同じである。また、各永久磁石40は、同一の極性が径外方向に位置するように設けられている。
したがって、永久磁石40の使用量を低減することができる。

0029

また、第1実施形態では、回転子コア32は、回転軸心φ方向に積層された複数の鋼板から構成され、カバー50の肉厚は、回転子コア32を構成する鋼板の板厚以下である。
したがって、カバー50が各磁極の径外面に沿って容易に変形するため、圧入荷重Lを一層低減することができる。

0030

また、第1実施形態では、カバー50は、第1径外面35との周方向当接幅が第2径外面41との周方向当接幅よりも小さい。
したがって、カバー50の圧入が容易であり、永久磁石40の固定も確実なものとなる。

0031

また、第1実施形態では、回転子30をモータ1に適用している。その結果、回転子30の永久磁石40の保持力とモータ1の基本特性とを維持しながらカバー50の圧入荷重Lを低減し、永久磁石40に作用する応力も低減することができる安価で簡便なモータ1を得ることができる。

0032

(第2実施形態)
本発明の第2実施形態による回転子を図8に基づき説明する。
回転子60において、回転子コア61の突出部62の第1径外面63のうち周方向の端部64は、中央部65から端66に向かうに従って径内方向に傾斜している。また、第1径外面63の端66から回転軸心φまでの第1距離D1は、第2径外面41の端42から回転軸心φまでの第2距離D2よりも小さく設定されている。また、中央部65は、周方向で隣接する第2端42同士を結んだ仮想直線に対し径外方向に位置している。以上により、第1径外面63の中央部65はカバー50の内面51に当接するとともに、第1径外面63の端部64はカバー50の内面51に対し径内方向へ離間している。
第2実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を奏する。

0033

(第3実施形態)
本発明の第3実施形態による回転子を図9に基づき説明する。
回転子70において、回転子コア71の突出部72の第1径外面73のうち周方向の端部74は、周方向の中央部75よりも段階的に径内方向に引っ込んでいる。また、第1径外面73の端76から回転軸心φまでの第1距離D1は、第2径外面41の端42から回転軸心φまでの第2距離D2よりも小さく設定されている。また、中央部75は、周方向で隣接する第2端42同士を結んだ仮想直線に対し径外方向に位置している。以上により、第1径外面73の中央部75はカバー50の内面51に当接するとともに、第1径外面73の端部74はカバー50の内面51に対し径内方向へ離間している。
第3実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を奏する。

0034

(他の実施形態)
本発明の他の実施形態では、回転子コアは、鋼板を積層して作られなくてもよく、例えば磁性粉体圧縮成形して作られてもよい。
本発明の他の実施形態では、回転子コアの突出部の第1径外面の面積に対する、第1径外面とカバーとの接触面積の割合は、65%以外であってもよい。上記割合は、50%以上であり且つ80%以下に設定されると、カバーの圧入荷重の低減効果が大きく、また駆動トルクの低下を抑制可能である。
本発明は、軸方向の一部がコンシクエントポール型構造である回転子にも適用可能である。

0035

前述の実施形態では、永久磁石40の第2端42は、面取りが施されていないものの角であった。これに対し、本発明の他の実施形態では、永久磁石の第2端は、面取りが施されたものの角であってもよい。この場合、面取りの形状によっては、面取り部にカバーが当接しない場合もある。
本発明の他の実施形態では、回転子の極数は、10個以外であってよい。
本発明の他の実施形態では、固定子のコイル数は、12個以外であってもよい。また、固定子の個々のティース部は、別部材から構成してもよい。
本発明の他の実施形態では、回転子は、発電機などの他の回転電機に適用されてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

0036

30、60、70・・・回転子
31・・・回転軸
32、61、71・・・回転子コア
33・・・ボス部
34、62、72・・・突出部
35、63、73・・・第1径外面
36、66、76・・・第1端
37、65、75・・・中央部
38、64、74・・・端部
40・・・永久磁石
41・・・第2径外面
42・・・第2端
50・・・カバー

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