JP2010119270A - ロータおよび回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】応力集中が緩和されたロータおよび該ロータを備えた回転電機を提供する。
【解決手段】ロータは、円筒状の外周面を有し、キー溝１０Ａが設けられた回転シャフト１０と、回転シャフト１０が貫通される貫通孔２１Ａが設けられ、貫通孔２１Ａの内周面２１０から突出してキー溝１０Ａに嵌合されるキー部２１Ｂを含むロータコア２１と、ロータコア２１に埋設される永久磁石２２とを備える。ロータコア２１に設けられた貫通孔２１Ａの内周面２１０は、回転シャフト１０の外周面に沿う第１部分２１１と、キー部２１Ｂの両側に位置し回転シャフト１０の外周面から離れる方向に窪んだ凹部を構成する第２部分２１２とを含む。２個１組の永久磁石２２は、相反する極性が交互に径方向外方に位置するようにロータコア２１の周方向に並ぶように設けられ、キー部２１Ｂは、回転シャフト１０の中心と２個１組の永久磁石２２における磁極の中心とを結ぶ直線上に位置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ロータおよび回転電機に関し、特に、永久磁石が埋設されたロータおよび該ロータを備えた回転電機に関する。

キー部をキー溝に嵌合させることで、２部材の相対回転を防止する構造が従来から知られている。

このような構造は、たとえば、特開２００４−３２９４３号公報（特許文献１）、特開２００７−４９７８７号公報（特許文献２）、特開２００４−２４８４４３号公報（特許文献３）および特開２００５−１８４９５７号公報（特許文献４）などに記載されている。

たとえば、特許文献１では、軸方向に見たときのキー部の形状を円形状とすることで嵌合部における応力集中を緩和することが記載されている。
特開２００４−３２９４３号公報 特開２００７−４９７８７号公報 特開２００４−２４８４４３号公報 特開２００５−１８４９５７号公報

特許文献１に記載の嵌合構造では、キー部を円形にすることで応力集中の緩和を図っているが、さらなる応力集中緩和の観点からは、キー部の周方向の位置について改良の余地がある。

また、特許文献２，３においては、ロータコアにおける磁束が通りやすい軸（ｄ軸）上にキー部を配置することが記載されている。しかしながら、特許文献２においては、ロータコアのキー部と回転シャフトのキー溝との間に樹脂を注入することが前提となっている。したがって、特許文献２においては、キー部の両側でロータコアの内周面と回転シャフトの外周面とを離間させることができない。同様に、特許文献３においても、ロータコアのキー部の両側において、ロータコアの内周面と回転シャフトの外周面とを離間させることは記載も示唆もなされていない。したがって、特許文献２，３に記載のロータにおいては、キー部周辺での応力集中を緩和することができない。

特許文献４には、ロータコアにおける磁束が通り難い軸（ｑ軸）上にキー部を設けることが記載されている。しかしながら、このような場合は、後述するように、キー部周辺における応力集中を十分に緩和することができない。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、応力集中が緩和されたロータおよび該ロータを備えた回転電機を提供することにある。

本発明に係るロータは、円筒状の外周面を有し、キー溝が設けられた回転シャフトと、回転シャフトが貫通される貫通孔が設けられ、貫通孔の内周面から突出してキー溝に嵌合されるキー部を含むロータコアと、ロータコアに埋設される複数の磁石部とを備える。ロータコアに設けられた貫通孔の内周面は、回転シャフトの中心軸を中心として円筒状に構成され回転シャフトの外周面に沿う第１部分と、キー部の両側に位置し回転シャフトの外周面から離れる方向に窪んだ凹部を構成する第２部分とを含む。複数の磁石部は、相反する極性が交互に径方向外方に位置するようにロータコアの周方向に並ぶように設けられ、キー部は、回転シャフトの中心と磁石部における磁極の中心とを結ぶ直線上に位置する。

上記構成によれば、ロータコアに設けられた貫通孔の内周面が、キー部の両側において、回転シャフトの外周面から離れる方向に窪んだ凹部を有することにより、キー部の周辺におけるロータコアと回転シャフトの接触を抑制し、当該部分における応力集中を緩和することができる。また、回転シャフトの中心と磁石部における磁極の中心とを結ぶ直線上にキー部を位置させることにより、キー部周辺における応力集中をさらに効果的に抑制することができる。

１つの実施態様では、上記ロータにおいて、複数の磁石部は、ロータコアの径方向外方に向かうにつれて対向距離が大きくなるように略Ｖ字状に配置された２つの磁石を含む。

１つの実施態様では、上記ロータにおいて、ロータコアに設けられた貫通孔の内周面における第２部分と回転シャフトの外周面との間に空隙が形成されている。

本発明に係る回転電機は、上述したロータを備える。

本発明によれば、ロータにおけるキー部周辺の応力集中を緩和することができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。

図１は、ハイブリッド自動車に搭載されるモータを模式的に示す断面図である。図中のモータを搭載するハイブリッド自動車は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な２次電池（バッテリ）とを動力源とする。

図１に示すように、モータ（回転電機）１００は、回転シャフト１０を有するロータ（回転子）２０と、ロータ２０の外周上に配設されたステータ３０とを含んで構成される。

ロータ２０は、ロータコア２１と、ロータコア２１に埋設された永久磁石２２と、ロータコア２１の軸方向両端部に設けられたエンドプレート２３とを含んで構成される。ロータコア２１は、回転シャフト１０の中心軸に沿って円筒状に延びる形状を有する。ロータコア２１は、回転シャフト１０の中心軸の方向に積層された複数の電磁鋼板を含む。

ステータ３０は、ステータコア３１と、ステータコア３１に巻回されたコイル３２とを含んで構成される。ステータコア３１は、回転シャフト１０の中心軸の方向に積層された複数の電磁鋼板を含む。なお、ロータコア２１およびステータコア３１は、電磁鋼板により構成されるものに限定されず、たとえば圧粉磁心等の磁性材料から形成されてもよい。

コイル３２は、３相ケーブル４０によって制御装置５０に電気的に接続されている。３相ケーブル４０は、Ｕ相ケーブル４１、Ｖ相ケーブル４２およびＷ相ケーブル４３からなる。コイル３２は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルからなり、これらの３つのコイルの端子に、それぞれ、Ｕ相ケーブル４１、Ｖ相ケーブル４２およびＷ相ケーブル４３が接続されている。

制御装置５０には、ハイブリッド自動車に搭載されたＥＣＵ（Electrical Control Unit）６０から、モータ１００が出力すべきトルク指令値が送られる。制御装置５０は、そのトルク指令値によって指定されたトルクを出力するためのモータ制御電流を生成し、そのモータ制御電流を３相ケーブル４０を介してコイル３２に供給する。

図２は、図１のII−II線上に沿ったステータの端面図である。図中には、モータの巻線構造が模式的に表わされている。

図１および図２に示すように、ステータコア３１は、回転シャフト１０の中心軸に沿って延びる円筒状の形状を有する。ステータコア３１は、回転シャフト１０の中心軸を中心としてその周方向に配列された複数のティース３１Ａを内周面に含む。本実施の形態では、ステータコア３１は、４８個のティース３１Ａを有する。

コイル３２は、Ｕ相コイルを構成するコイル３１０〜３１７、Ｖ相コイルを構成するコイル３２０〜３２７およびＷ相コイルを構成するコイル３３０〜３３７からなる。コイル３１０〜３１７，３２０〜３２７，３３０〜３３７の各々は、周方向に連続する複数のティース３１Ａに巻回されている。コイル３１０〜３１７は、最外周に配置されている。コイル３２０〜３２７は、コイル３１０〜３１７の内側であって、それぞれ、コイル３１０〜３１７に対して周方向に一定の位相だけずれた位置に配置されている。コイル３３０〜３３７は、コイル３２０〜３２７の内側であって、それぞれ、コイル３２０〜３２７に対して周方向に一定の位相だけずれた位置に配置されている。

コイル３１０〜３１３は、直列に接続されており、その一方端が端子Ｕ１であり、他方端が中性点ＵＮ１である。コイル３１４〜３１７は、直列に接続されており、その一方端が端子Ｕ２であり、他方端が中性点ＵＮ２である。

コイル３２０〜３２３は、直列に接続されており、その一方端が端子Ｖ１であり、他方端が中性点ＶＮ１である。コイル３２４〜３２７は、直列に接続されており、その一方端が端子Ｖ２であり、他方端が中性点ＶＮ２である。

コイル３３０〜３３３は、直列に接続されており、その一方端が端子Ｗ１であり、他方端が中性点ＷＮ１である。コイル３３４〜３３７は、直列に接続されており、その一方端が端子Ｗ２であり、他方端が中性点ＷＮ２である。

中性点ＵＮ１，ＵＮ２，ＶＮ１，ＶＮ２，ＷＮ１，ＷＮ２は、１点に共通接続されている。端子Ｕ１，Ｕ２は、３相ケーブル４０のＵ相ケーブル４１に接続され、端子Ｖ１，Ｖ２は、Ｖ相ケーブル４２に接続され、端子Ｗ１，Ｗ２は、Ｗ相ケーブル４３に接続されている。

図３は、図１中のIII−III線上に沿ったモータの断面図である。図３に示すように、永久磁石２２は、回転シャフト１０の中心軸を中心としてその周方向に沿って複数配設されている。また、永久磁石２２は、略Ｖ字状に配置された２個の磁石を１組として設けられている。本実施の形態では、２個×８組＝合計１６個の永久磁石２２が配設されている。永久磁石２２は、略直方体形状を有する。永久磁石２２は、回転シャフト１０の中心軸の方向に沿って見た場合に略矩形形状を有する。

図３に示される８組の永久磁石対（Ｖ字状に配置された２個１組の永久磁石２２）のうち、４組の永久磁石対は、ロータコア２１の外周側がＮ極になるように配置され、残りの４組の永久磁石対は、ロータコア２１の外周側がＳ極になるように配置されている。このように、永久磁石２２は、回転シャフト１０の中心軸を中心としてその径方向に着磁され、磁石の極性が隣接する磁石対間で反転するように配設されている。図２に示すコイル３１０〜３１７，３２０〜３２７，３３０〜３３７は、これらの永久磁石対に対向するように配置されている。なお、図３に示される２個１組の永久磁石対を、１個の永久磁石２２に置き換えることも可能であるし、３個以上の永久磁石２２で構成される永久磁石群に置き換えることも可能である。

ティース３１Ａの個数は、ロータコア２１に埋設された永久磁石対の組数の整数倍になるように決定される。本実施の形態では、８組の永久磁石対に対して４８個のティース３１Ａが設けられているため、ティース３１Ａの個数は、永久磁石対の組数の６倍である。なお、ティース３１Ａおよび永久磁石対の組数は、本実施の形態に挙げた数に限定されないのは当然である。

図３に示すように、ロータコア２１には、軸方向に延びる貫通孔２１Ａが形成され、該貫通孔２１Ａに回転シャフト１０が挿通される。ロータコア２１は、貫通孔２１Ａの内周面から径方向内方に突出するキー部２１Ｂを有する。ロータ１０は、キー部２１Ｂを受け入れる凹部としてのキー溝１０Ａを有する。キー部２１Ｂとキー溝１０Ａとが係合することで、ロータコア２１と回転シャフト１０との相対回転が防止される。

貫通孔２１Ａの内周面２１０は、回転シャフト１０の中心軸を中心として円筒状に形成された第１部分２１１と、キー部２１Ｂの両側において回転シャフト１０から離れる方向に窪むように形成された第２部分２１２とを含む。第１部分２１１は、回転シャフト１０の外周面と接触し、第２部分２１２は、回転シャフト１０の外周面と離間している。すなわち、第２部分２１２と回転シャフト１０の外周面との間には、空隙が形成されている。

上記のような第２部分２１２を設けることにより、キー部２１Ｂの両側において、貫通孔２１Ａの内周面２１０を回転シャフト１０の外周面から離間させ、この部分に回転シャフト１０から応力が直接作用しないようにすることができる。また、キー部２１Ｂの側面と第１部分２１１とを応力緩和曲線で繋ぐことができる。結果として、キー部２１Ｂの周辺における応力集中を緩和することができる。

円筒形に形成された貫通孔２１Ａの一部に上記のようなキー部２１Ｂを設けることにより、キー部２１Ｂの周辺で、ある程度の応力集中が生じることは避けられない。しかしながら、キー部２１Ｂ周辺での過度の応力集中を避けたいという要請がある。上記のように、貫通孔２１Ａの内周面２１０を回転シャフト１０の外周面から離間させたり、キー部２１Ｂの側面と第１部分２１１とを応力緩和曲線で繋ぐだけでは、キー部２１Ｂ周辺の応力集中を十分に緩和することができない場合がある。

本願発明者らは、キー部２１Ｂを設ける位置を工夫することによって、キー部２１Ｂ周辺の応力集中を緩和することに成功した。この詳細について、以下に説明する。

図４は、本実施の形態に係るロータコアの数値解析のモデルの応力分布を示す図である。他方、図５は、比較例に係るロータコアの数値解析のモデルの応力分布を示す図である。なお、図４，図５における二点鎖線は、応力の等高線に相当する。

本実施の形態に係るロータコア２１においては、図４に示すように、Ｖ字配置された１組の永久磁石２２の中央部分に対応する位置に、キー部２１Ｂが設けられている。他方、比較例に係るロータコア２１においては、図５に示すように、１対の永久磁石２２と、それに隣接する１対の永久磁石２２との中間に対応する位置に、キー部２１Ｂが設けられている。すなわち、本実施の形態に係るロータコア２１においては、磁束が通りやすい部分（ｄ軸）にキー部２１Ｂが設けられ、比較例に係るロータコア２１においては、磁束が通り難い部分（ｑ軸）にキー部２１Ｂが設けられている。

本願発明者らは、数値解析のモデルを用いたシミュレーションにより、回転時のロータの応力分布を算出した。その結果、以下の「１．」「２．」の傾向があることが判明した。
１．１対の永久磁石２２の磁極の中心に対応する位置（図４，図５中のα部）では、ロータコア２１の内周面近傍の応力が相対的に高くなる。
２．１対の永久磁石２２とそれに隣接する１対の永久磁石２２との中間部に対応する位置（図４，図５中のβ部）では、ロータコア２１の内周面近傍の応力が相対的に低くなる。

上記「１．」および「２．」の理由は、以下のようなものであると考えられる。
すなわち、永久磁石２２は、ロータコア２１を構成する電磁鋼板よりも比重が小さいため、永久磁石２２が設けられた部分では、ロータの回転による遠心力の影響による応力増大量が相対的に小さくなる。このため、１対の永久磁石２２の磁極の中心に対応する位置（α部）では、相対的に応力が低くなる。

他方、ロータコア２１を構成する電磁鋼板は、永久磁石２２よりも比重が大きいため、１対の永久磁石２２とそれに隣接する１対の永久磁石２２との中間部分では、ロータの回転による遠心力の影響による応力増大量が相対的に大きくなる。このため、１対の永久磁石２２とそれに隣接する１対の永久磁石２２との中間部に対応する位置（β部）では、相対的に応力が高くなる。

本実施の形態に係るロータでは、図４に示すように、相対的に応力が低くなる部分（α部）にキー部２１Ｂを設けているため、キー部２１Ｂ周辺における応力集中を効果的に抑制することができる。他方、比較例に係るロータでは、図５に示すように、相対的に応力が高くなる部分（β部）にキー部２１Ｂを設けているため、キー部２１Ｂ周辺における応力集中を図４の例ほど効果的に抑制することができない。

なお、図４，図５においてハッチングを付した部分は、応力が高い（一定値以上である）部分に相当する。図４，図５に示すように、回転時のロータにおいては、永久磁石２２の挿入用の孔部周辺において、応力集中が生じやすい。図５に示す比較例では、応力集中が生じやすい永久磁石２２の挿入用孔部と、キー部２１Ｂとをできるだけ近づけないという観点でキー部２１Ｂを配置しており、上記「１．」「２．」の傾向が判明していなければ、応力集中を緩和する観点からは、永久磁石２２とキー部２１Ｂとの位置関係を図５の例のように設定する方が自然である。

これに対し、本実施の形態に係るロータでは、図４に示すように、応力集中を緩和したいキー部２１Ｂを、敢えて応力の高い永久磁石２２の挿入用孔部に近づけているのである。これは、上述の「１．」「２．」の傾向を知ることによって可能となったものである。なお、上記「１．」「２．」の傾向は、本願発明者らが行なったシミュレーションによって判明したものである。

図６，図７は、それぞれ、図４，図５に示される数値解析モデルを用いて計算されたキー部２１Ｂ周辺の応力分布を示す部分拡大図である。図６，図７を参照して、本実施の形態に係るロータ（図６）においては、比較例に係るロータ（図７）と比較して、キー部２１Ｂ周辺の応力の最大値が低減されていることが分かる。

本願発明者らは、キー部２１Ｂの位置を変更することで、永久磁石２２の挿入用孔部周辺の応力分布にどのような影響が及ぶかについても検討を加えた。以下、その内容について説明する。

図８，図９は、それぞれ、図４，図５に示される数値解析モデルを用いて計算されたキー部２１Ｂに比較的近い永久磁石２２の挿入用孔部周辺（図４，図５におけるＡ部）の応力分布を示す部分拡大図である。図８，図９を参照して、本実施の形態に係るロータ（図８）においては、比較例に係るロータ（図９）と比較して、永久磁石２２の挿入用孔部周辺の応力の最大値はほぼ同程度であることが分かる。

図１０，図１１は、それぞれ、図４，図５に示される数値解析モデルを用いて計算されたキー部２１Ｂから比較的遠い永久磁石２２の挿入用孔部周辺（図４，図５におけるＢ部）の応力分布を示す部分拡大図である。図１０，図１１を参照して、本実施の形態に係るロータ（図１０）においては、比較例に係るロータ（図１１）と比較して、永久磁石２２の挿入用孔部周辺の応力の最大値はほぼ同程度であることが分かる。

このように、図５に示す比較例の状態から図４に示す本実施の形態の状態にキー部２１Ｂの位置を移動させたとしても、永久磁石２２の挿入用孔部周辺の応力集中に及ぼされる影響は微小であることが分かる。本実施の形態に係るロータによれば、永久磁石２２の挿入用孔部周辺の応力集中を増大させることなく、キー部２１Ｂ周辺の応力集中を緩和することが可能である。

上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係るロータは、円筒状の外周面を有し、キー溝１０Ａが設けられた回転シャフト１０と、回転シャフト１０が貫通される貫通孔２１Ａが設けられ、貫通孔２１Ａの内周面２１０から突出してキー溝１０Ａに嵌合されるキー部２１Ｂを含むロータコア２１と、ロータコア２１に埋設される「複数の磁石部」としての（２個１組の）永久磁石２２とを備える。ロータコア２１に設けられた貫通孔２１Ａの内周面２１０は、回転シャフト１０の中心軸を中心として円筒状に構成され回転シャフト１０の外周面に沿う第１部分２１１と、キー部２１Ｂの両側に位置し回転シャフト１０の外周面から離れる方向に窪んだ凹部を構成する第２部分２１２とを含む。２個１組の永久磁石２２は、相反する極性が交互に径方向外方に位置するようにロータコア２１の周方向に並ぶように設けられ、キー部２１Ｂは、回転シャフト１０の中心と２個１組の永久磁石２２における磁極の中心（すなわち、Ｖ字配置の谷部分）とを結ぶ直線上（図３におけるＹ軸上）に位置する。

本発明に係るロータによれば、ロータコア２１に設けられた貫通孔２１Ａの内周面が、キー部２１Ｂの両側において、回転シャフト１０の外周面から離れる方向に窪んだ凹部を有することにより、キー部２１Ｂの周辺におけるロータコア２１と回転シャフト１０の接触を抑制し、当該部分における応力集中を緩和することができる。また、回転シャフト１０の中心と２個１組の永久磁石２２における磁極の中心とを結ぶ直線上にキー部２１Ｂを位置させることにより、キー部２１Ｂ周辺における応力集中をさらに効果的に抑制することができる。結果として、キー部２１Ｂ周辺における応力集中が緩和されたロータが提供される。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明に基づいた実施の形態における、ハイブリッド自動車に搭載されるモータを模式的に示す断面図である。 この発明に基づいた実施の形態における、図１のII−II線上に沿ったステータの端面図である。 この発明に基づいた実施の形態における、図１中のIII−III線上に沿ったモータの断面図である。 この発明に基づいた実施の形態における、ロータコアの数値解析のモデルの応力分布を示す図である。 比較例に係るロータコアの数値解析のモデルの応力分布を示す図である。 この発明に基づいた実施の形態における、ロータコアの数値解析のモデルの応力分布を示す部分拡大図（その１）である。 比較例に係るロータコアの数値解析のモデルの応力分布を示す部分拡大図（その１）である。 この発明に基づいた実施の形態における、ロータコアの数値解析のモデルの応力分布を示す部分拡大図（その２）である。 比較例に係るロータコアの数値解析のモデルの応力分布を示す部分拡大図（その２）である。 この発明に基づいた実施の形態における、ロータコアの数値解析のモデルの応力分布を示す部分拡大図（その３）である。 比較例に係るロータコアの数値解析のモデルの応力分布を示す部分拡大図（その３）である。

符号の説明

１０ 回転シャフト、１０Ａ キー溝、２０ ロータ、２１ ロータコア、２１Ａ 貫通孔、２１Ｂ キー部、２２ 永久磁石、２３ エンドプレート、３０ ステータ、３１ ステータコア、３２ ステータコイル、４０ ３相ケーブル、４１ Ｕ相ケーブル、４２ Ｖ相ケーブル、４３ Ｗ相ケーブル、５０ 制御装置、６０ ＥＣＵ、１００ モータ、３１０〜３１７，３２０〜３２７，３３０〜３３７ コイル、ＵＮ１，ＵＮ２，ＶＮ１，ＶＮ２，ＷＮ１，ＷＮ２ 中性点、Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２ 端子。

Claims (4)

1. 円筒状の外周面を有し、キー溝が設けられた回転シャフトと、
   前記回転シャフトが貫通される貫通孔が設けられ、前記貫通孔の内周面から突出して前記キー溝に嵌合されるキー部を含むロータコアと、
   前記ロータコアに埋設される複数の磁石部とを備え、
   前記ロータコアに設けられた前記貫通孔の内周面は、前記回転シャフトの中心軸を中心として円筒状に構成され前記回転シャフトの外周面に沿う第１部分と、前記キー部の両側に位置し前記回転シャフトの外周面から離れる方向に窪んだ凹部を構成する第２部分とを含み、
   複数の前記磁石部は、相反する極性が交互に径方向外方に位置するように前記ロータコアの周方向に並ぶように設けられ、
   前記キー部は、前記回転シャフトの中心と前記磁石部における磁極の中心とを結ぶ直線上に位置する、ロータ。
2. 複数の前記磁石部は、前記ロータコアの径方向外方に向かうにつれて対向距離が大きくなるように略Ｖ字状に配置された２つの磁石を含む、請求項１に記載のロータ。
3. 前記ロータコアに設けられた前記貫通孔の内周面における前記第２部分と前記回転シャフトの外周面との間に空隙が形成されている、請求項１または請求項２に記載のロータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のロータを備えた、回転電機。

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