JP2013074718A - 回転電機のロータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機のロータにおいて、エンドプレートの廃止を可能とすることである。
【解決手段】回転電機１０のロータ３０は、ロータ軸３２と、複数の電磁鋼板３５を積層したロータコア３４と、ロータコア３４に埋め込まれる永久磁石３６と、ロータコア３４の軸方向両側に配置される両側端板４０と、両側端板４０をロータ軸３２に固定するカシメリング５０を含んで構成される。両側端板４０は、ロータコア３４の積層方向、すなわち、軸方向の両端側にそれぞれ配置される。両側端板４０は、電磁鋼板３５と同じ材料の薄板を本体部４２とし、ロータコア３４に配置されるときに軸方向外側となる本体部４２の面に、電磁鋼板３５の熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有する材料の薄板４４が配置される。薄板４４の熱膨張係数は、電磁鋼板３５の熱膨張係数よりも大きく設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機のロータに係り、特に、エンドプレートを設けないエンドプレートレスロータに関する。

回転電機は、ステータとロータとを含んで構成されるが、ステータもロータも電磁鋼板のようなコア薄板を積層して、それぞれステータコア、ロータコアとすることが行われる。この場合、積層したコア薄板を保持するために、積層の両端側にエンドプレートと呼ばれる固定補強板が設けられる。

特にロータは、ステータからの磁束のために隣接するコア薄板の間に斥力が働き、反りが発生する。また、ロータは回転するので、コア薄板に遠心力が働く。エンドプレートは、このように応力が働くコア薄板を、しっかり保持するために用いられる。

例えば、特許文献１には、回転電機の回転子構造として、エンドプレートとコイルエンドとの間の絶縁性を向上させるため、エンドプレートのロータ側端面の回転軸周りの外径が、コイルエンド側端面の外径よりも大きい構成が開示されている。また、エンドプレートの外径が電磁鋼板を積層したロータコアの外径よりも小さいと、電磁鋼板の反り返り変形が生じるので、この構成はその変形抑制も抑制し、ロータコア端面にエンドプレートの保持力を作用させることができると述べられている。

また、エンドプレートに関連する技術として、特許文献２には、ロータのエンドプレートに、コイルエンドに向かう排出口を有する冷却油通路とロータに向かう排出口を有する冷却油通路とを設け、その２つの冷却油通路とシャフト冷却油通路とが交差するところにバイメタル壁を設ける構成が開示されている。この構成により、回転電機が高速回転となると、銅損よりも鉄損が大きくなり、ロータの温度が上昇するので、その温度上昇でバイメタル壁変形し、シャフト冷却油通路とロータに向かう排出口を有する冷却油通路とを連通させると述べられている。

特許文献３には、電動機の回転子として、高温になっても回転子のバランスが取れる構成として、回転子の両側にバランスリングを設け、そのバランスリングに、高温になると形状が変形してバランス補正を行う補正部材を設けることが開示されている。ここで補正部材はバイメタルまたは形状記憶合金で構成してあると述べられている。

特開２００６−１９７６９６号公報 特開２０１１−１０４８９号公報 特開２００５−２２３９８０号公報

従来技術では、ロータコアの積層方向、つまり軸方向の両端側にエンドプレートが設けられる。ロータの小型化、コストダウンの観点からはエンドプレートを小型化、あるいは廃止できるとよい。しかし、エンドプレートを廃止すると、回転電機の駆動時の電磁気の影響で、ロータコアを構成するコア薄板の外周部が反り曲がる。このように、ロータコアを構成するコア薄板に対して、遠心力に加えて、さらに反りによる曲げストレスが加わると、強度不足にならないような配慮が必要になる。

本発明の目的は、エンドプレートを廃止することを可能とする回転電機のロータを提供することである。

本発明に係る回転電機のロータは、複数のコア薄板を軸方向に積層したロータコアと、ロータコアの軸方向両端にそれぞれ設けられる両側端板であって、コア薄板の熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有する材料が配置され、温度上昇に応じて径方向に伸長する両側端板と、を備え、ロータの軸方向端部にエンドプレートが設けられないことを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機のロータにおいて、両側端板は、温度上昇に応じて、ロータコア側に曲がりながら、径方向に伸長することが好ましい。

また、本発明に係る回転電機のロータにおいて、両側端板は、バイメタル構造を有する板であることが好ましい。

また、本発明に係る回転電機のロータにおいて、両側端板は、コア薄板と同じ材料の薄板を本体部とし、ロータコアに配置されるときに軸方向外側となる本体部の面に、コア薄板の熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有する材料が配置されることが好ましい。

回転電機が高トルクで駆動されるときには、コア薄板の反り量が大きくなり、高回転で駆動されるときはコア薄板に働く遠心力が大きくなる。このいずれの場合も、ロータに設けられる磁石の温度等の温度が高くなり、ロータコアの温度が上昇する。上記構成によれば、回転電機のロータは、両側端板にコア薄板の熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有する材料が配置され、温度上昇に応じて径方向に伸長する。したがって、回転電機のロータを構成するコア薄板の強度が厳しくなる高トルク駆動、高回転駆動のいずれの場合も、両側端板が径方向に伸長し、ロータコアをしっかり押さえつける。これによって、エンドプレートを廃止することが可能になる。

また、回転電機のロータにおいて、両側端板は、温度上昇に応じて、ロータコア側に曲がりながら、径方向に伸長する。これによって、回転電機の高トルク駆動、高回転駆動のように、ロータ温度が高くなるときに、両側端板によってロータコアを軸方向に向かってしっかり押さえつけることができる。

また、回転電機のロータにおいて、両側端板はバイメタル構造を有する板であるので、温度上昇に応じて、ロータコア側に曲がりながら、径方向に伸長することができる。

また、回転電機のロータにおいて、両側端板は、コア薄板と同じ材料の薄板を本体部とし、ロータコアに配置されるときに軸方向外側となる本体部の面に、コア薄板の熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有する材料が配置される。これにより、コア薄板に熱膨張係数の異なる材料を配置する簡単な構成で両側端板とでき、エンドプレートを廃止できる。

本発明に係る実施の形態のロータを備える回転電機の構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態のロータにおける両側端板の作用を説明する図である。 図２と共に、本発明に係る実施の形態のロータにおける両側端板の作用を説明する図である。 本発明に係る実施の形態のロータにおける両側端板の作用と、回転電機の駆動状態との関係を説明する図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、回転電機のロータコアおよびステータコアのコア薄板を電磁鋼板として説明するが、電磁鋼板以外の磁性薄板であってもよい。また、ステータコアは、電磁鋼板の積層型でなくてもよい。例えば、成形コアであってもよい。また、回転電機のロータとして、永久磁石がロータコアに埋め込まれる埋め込み磁石型を説明するが、永久磁石の配置は埋め込み型でなくてもよい。また、場合によっては永久磁石を用いないリラクタンス型ロータであってもよい。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、回転電機１０の構造を説明する図である。回転電機１０は、モータケース１２と、ステータ２０と、ロータ３０とを含んで構成される。なお、図２には、座標系として、回転電機１０の軸方向をＸ方向、これに直交する径方向をＹ方向として示した。

モータケース１２に固定されるステータ２０は、複数の電磁鋼板２３を積層したステータコア２２と、ステータコア２２に巻回されるコイルで構成される。図１では、コイルがステータコア２２の両端面からはみ出して突き出るコイルエンド２４が示されている。電磁鋼板２３の積層は、適当なカシメによって互いに密着して固定される。

ロータ３０は、ロータ軸３２と、複数の電磁鋼板３５を積層したロータコア３４と、ロータコア３４に埋め込まれる永久磁石３６と、ロータコア３４の軸方向両側に配置される両側端板４０と、両側端板４０をロータ軸３２に固定するカシメリング５０を含んで構成される。

ロータ軸３２は、ステータ２０とロータ３０の協働によって発生する回転トルクを外部に取り出す軸で、回転電機１０の出力軸に相当する。ロータ軸３２は、図示されていない適当な軸受機構によって、モータケース１２に回転自在に支持される。

ロータコア３４は、コア薄板としての電磁鋼板３５を複数枚積層して構成される。電磁鋼板３５は、ステータコア２２を構成する電磁鋼板２３と同じ原材料薄板から打ち抜いたものが用いられる。すなわち、ロータコア３４の各電磁鋼板３５は、ステータコア２２の電磁鋼板２３と同じ材質、同じ厚さである。電磁鋼板３５の積層も、ステータコア２２の場合と同様に、適当なカシメによって互いに密着して固定される。なお、ロータコア３４には軸方向に沿って磁石挿入孔が設けられ、この磁石挿入孔に永久磁石３６が埋め込まれる。永久磁石は、ロータ磁極を形成する磁石である。

両側端板４０は、回転電機１０のロータ３０において、エンドプレートを用いないで、ロータコア３４の電磁鋼板３５をしっかり保持するために設けられる板部材である。両側端板４０は、ロータ軸３２とカシメリング５０によって、しっかり固定される。なお、エンドプレートが用いられる場合は、かなり剛性の高いエンドプレートがボルト等の適当な締結具等で、ロータ軸に固定される。両側端板４０をエンドプレートと比べると、板厚が薄く、したがって、カシメ等でロータ軸３２に固定できるところが相違する。

両側端板４０は、ロータコア３４の積層方向、すなわち、軸方向の両端側にそれぞれ配置される。両側端板４０は、電磁鋼板３５と同じ材料の薄板を本体部４２とし、ロータコア３４に配置されるときに軸方向外側となる本体部４２の面に、電磁鋼板３５の熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有する材料の薄板４４が配置される。薄板４４の熱膨張係数は、電磁鋼板３５の熱膨張係数よりも大きく設定される。

このように、熱膨張係数の異なる２つの薄板を貼り合せて表裏一体化した構造は、バイメタル構造として知られているものである。このバイメタル構造は、その温度が上昇すると、熱膨張係数の差によって、表側の伸び量と裏側の伸び量が異なってくる。バイメタル構造の板材の一方端が固定されていると、この表裏の伸びの差によって、バイメタル構造の板材は、伸びの少ない側を凹となるように反る。すなわち、温度上昇のときは、熱膨張係数の小さい材料の側を凹となるように反る。

両側端板４０について、その様子を図２、図３を用いて説明する。図２は、温度が常温またはそれ以下の低温のときを示し、図３は、温度が常温より上昇して高温となった時を示す図である。図１は、紙面の左右方向をＸ方向としたが、図２、図３では紙面の上下方向をＸ方向としてある。

図２に示すように、温度が常温またはそれ以下の温度のときは、両側端板４０がロータコア３４において積層される電磁鋼板３５の表面から離れている。図２では、その離れ方を、両側端板４０の先端部の下側と、ロータコア３４の最上部の電磁鋼板３５の上面との距離で示してある。すなわち、両側端板４０の先端部の下側のＸ方向の位置は、最上部の電磁鋼板３５の上面から、Ｘ方向に沿ってΔＸだけ離れる。そして、両側端板４０の先端部の下側のＹ方向の位置は、ロータコア３４の最外周からＹ方向に沿ってΔＹだけ、内径側に短くなっている。なお、ΔＸ，ΔＹは、説明のために、誇張して大きく示されている。

このように、両側端板４０は、常温下において、熱膨張係数の大きな材料の薄板４４が配置される側の面が凹となるように、その形状が設定される。なお、上記では、薄板４４が両側端板４０の本体部４２の一部をくぼませてその中に配置されるように図示されているが、薄板４４の寸法、本体部４２との一体化方法については、これ以外であってもよい。例えば、薄板４４の平面寸法を本体部４２の平面寸法と同じにして、薄板４４を本体部４２に重ね合わせて貼りあわせるものでもよい。また、本体部４２は、電磁鋼板３５と同じ材料でなくてもよく、同じ寸法でなくてもよい。

図３は、温度が常温より上昇して高温となったときを示す図である。ここでは、両側端板４０の本体部４２の熱膨張係数が薄板４４よりも小さいので、薄板４４の側が大きく延び、本体部４２の側を凹とするように、両側端板４０を変形させる。図２で説明したように、常温では、両側端板４０は薄板４４の側が凹となるように形状が設定されているので、ここから温度上昇があると、両側端板４０は、電磁鋼板３５の表面に対し、平行となる方向に変形する。すなわち、図２のΔＸをゼロ、ΔＹをゼロとするように変形する。なお、ΔＸ＝０、ΔＹ＝０となる温度は、回転電機１０の動作温度仕様等に基づいて、予め設定することができる。

したがって、両側端板４０は、温度上昇に応じて、ロータコア３４側である−Ｙ方向に曲がりながら、径方向である＋Ｘ方向に伸長する。このように、高温下において、両側端板４０は、ロータコア３４を構成する電磁鋼板３５をＹ方向に押し付ける方向にしっかり保持する。これによって、両側端板は、電磁鋼板３５が応力を受けてＸ方向に反ることを抑制し、Ｙ方向に移動することを抑制する。

上記では、高温下において、両側端板４０が、ロータコア３４の最上部の電磁鋼板３５の表面にちょうど接触し、径方向の端部が揃うものとして説明した。このようになるように、常温下における両側端板４０の形状が設定されることになる。高温下における両側端板４０の寸法、形状をこれと異なるように、常温下における両側端板４０の寸法、形状を設定することもできる。すなわち、高温下で、ΔＸをゼロ以外、例えば、ΔＸを（＋α）ｍｍとして、ロータコア３４の外周端から両側端板４０の先端部が突き出すようにしてもよい。また、高温下で、ΔＹをゼロ以外、例えば、ΔＹを（−β）ｍｍとして、電磁鋼板３５を軸方向に積極的に押さえこむようにしてもよい。

図４は、両側端板４０の作用と、回転電機１０の駆動状態との関係を説明する図である。図４は、横軸に回転電機１０の回転数、縦軸に回転電機１０のトルクを取り、回転電機１０の動作特性６０を示す図である。ここで、破線で囲んだ動作領域６２は、回転電機１０が高トルク、高回転数で駆動される領域である。この動作領域６２が、ロータコア３４を構成する電磁鋼板において、大きな応力、繰り返し応力が働き、強度的に厳しい条件であることを以下に説明する。

ロータコア３４において、隣接する電磁鋼板３５には、同じ極性の磁束が流れるため、相互に斥力が働く。積層の内部では、電磁鋼板３５が積層されているので、この斥力が打ち消し合うが、最上部の電磁鋼板３５は、斥力が打ち消されないので、外側に反ることになる。最上部の電磁鋼板３５が外側に反ると、その下の電磁鋼板３５では斥力が打ち消されなくなるので、これも外側に反ることになる。図４の動作領域６２の高トルクの条件の下では、ロータコアに流れる磁束量が大きくなるので、電磁鋼板３５の反り量が大きくなることになる。

また、ロータ３０はロータ軸３２と共に回転するので、ロータコア３４を構成する各電磁鋼板３５は、その回転による遠心力を受け、これに対応する応力を受ける。図４の動作領域６２の高回転数の条件の下では、ロータコアが受ける遠心力が大きくなるので、電磁鋼板３５は、これに対応する大きな応力を受けることになる。

このように、回転電機１０において、高トルク、高回転数を兼ね合わせた領域である図４の動作領域６２は、ロータコア３４を構成する電磁鋼板３５にとって、大きな応力、繰り返し応力が働き、強度的に厳しい領域である。

回転電機１０の動作領域６２は、回転電機１０のパワーが最大の領域でもある。したがって、永久磁石３６の温度も高くなり、ロータコア３４の温度も上昇する。なお、永久磁石３６を有しないリラクタンス型ロータの場合も、パワー最大の領域では、ロータコア３４の温度が高くなる。

つまり、ロータコア３４を構成する電磁鋼板３５にとって、応力的、強度的に厳しい条件のときは、ロータコア３４の温度が高温となるときである。したがって、図１から図３において説明したバイメタル構造を有する両側端板４０を用いることで、大きな応力、繰り返し応力が生じる回転電機１０の動作状態でも、電磁鋼板３５をしっかり保持することができる。これによって、ロータコア３４を構成する電磁鋼板３５について、反りを抑制し、反りによる応力発生を低減し、繰り返し反り変形の発生回数を低減できる。また、ロータコア３４を構成する電磁鋼板３５について、回転による遠心力の影響を抑制することができる。

本発明に係る回転電機のロータは、例えば、車両に搭載される回転電機に利用できる。

１０ 回転電機、１２ モータケース、２０ ステータ、２２ ステータコア、２３，３５ 電磁鋼板（コア薄板）、２４ コイルエンド、３０ ロータ、３２ ロータ軸、３４ ロータコア、３６ 永久磁石、４０ 両側端板、４２ 本体部、４４ 薄板、５０ カシメリング、６０ 動作特性、６２ 動作領域。

Claims (4)

1. 複数のコア薄板を軸方向に積層したロータコアと、
   ロータコアの軸方向両端にそれぞれ設けられる両側端板であって、コア薄板の熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有する材料が配置され、温度上昇に応じて径方向に伸長する両側端板と、
   を備え、ロータの軸方向端部にエンドプレートが設けられないことを特徴とする回転電機のロータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のロータにおいて、
   両側端板は、温度上昇に応じて、ロータコア側に曲がりながら、径方向に伸長することを特徴とする回転電機のロータ。
3. 請求項２に記載の回転電機のロータにおいて、
   両側端板は、バイメタル構造を有する板であることを特徴とする回転電機のロータ。
4. 請求項３に記載の回転電機のロータにおいて、
   両側端板は、コア薄板と同じ材料の薄板を本体部とし、ロータコアに配置されるときに軸方向外側となる本体部の面に、コア薄板の熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有する材料が配置されることを特徴とする回転電機のロータ。

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