(57)【要約】  薄板積層型ローターは、回転電気機械構造のステーターに対して回転するシャフトに取り付け可能である。前記ローターは重ね合せて一体にされる複数の薄板と磁石を中に格納する複数の孔とを有する。ローター環状部は、その内部にシャフトを通すことが可能なシャフト開口を囲み、前記シャフト開口から半径方向外側の外周面まで延設される。前記環状部は、複数の孔グループに含まれる前記複数の孔からなる波状に連なる並び列であって、半径方向外側の外周面から前記シャフト開口に向かって連設され、さらに前記半径方向外側の外周面に戻るように連設された波状に連なる並び列と、前記複数の孔のいずれも有さない半径方向内側無穴部とを含む。前記孔グループの遠位孔は、曲がった、弧状、または反り返った形の応力低減特徴部を含み、該応力低減特徴部は前記遠位孔の環状部半径方向で最も内側のコーナーから前記環状部の内側に向かって延伸している。【代表図】図２
2015517795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電気機械構造のステーターに対して回転するシャフトに取り付け可能な積層薄板ローターであって、該ローターは、重ね合せて一体にされ、磁石を中に格納する複数の孔を有する前記積層薄板ローターを形成する複数の薄板を含み、
内部にシャフトを通すことが可能なシャフト開口を囲み、前記シャフト開口から半径方向外側のローター外周面まで延設される環状部であって、複数の孔グループに含まれる前記複数の孔からなる波状に連なる並び列であって、半径方向外側のローター外周面から前記シャフト開口に向かって連設され、さらに前記半径方向外側のローター外周面に戻るように連設された波状に連なる並び列と、前記複数の孔のいずれも有さない半径方向内側無穴部とを含む環状部を含み、
各孔グループ中の一対の遠位孔は、曲がった、弧状、または反り返った形の複数の孔部を含み、当該複数の孔部は当該一対の遠位孔の環状部半径方向で最も内側のコーナーから前記ローターの内側に向かって延伸し、前記環状部の半径方向内側無穴部を画定することを特徴とする積層薄板ローター。
【請求項２】
前記複数の孔の波状に連なる並び列が前記ローターの外周に連設され、前記ローターを一回りしていることを特徴とする請求項１に記載のローター。
【請求項３】
前記孔部は、前記遠位孔の対と前記遠位孔の間の中間にある中央孔との間の位置にある薄板材料からなるウェブにかかる応力の低減をすることを特徴とする請求項１に記載のローター。
【請求項４】
前記応力の低減は、ローター回転円周応力を前記薄板材料からなるウェブから離れた位置に移すことによるものであることを特徴とする請求項３に記載のローター。
【請求項５】
前記孔部は、前記ローターが運転中の磁束方向に概ね平行に延伸していることを特徴とする請求項１に記載のローター。
【請求項６】
前記孔部は、前記ローターが運転中の磁束方向に概ね平行に延伸していることを特徴とする請求項２に記載のローター。
【請求項７】
前記孔部は、前記ローターが運転中の磁束方向に概ね平行に延伸していることを特徴とする請求項３に記載のローター。
【請求項８】
前記孔部は、前記ローターが運転中の磁束方向に概ね平行に延伸していることを特徴とする請求項４に記載のローター。
【請求項９】
回転電気機械構造のステーターに対して回転するシャフトに取り付け可能な積層薄板ローターであって、該ローターは、重ね合せて一体にされ、磁石を中に格納する複数の孔を有する前記積層薄板ローターを形成する複数の薄板を有し、
内部にシャフトを通すことが可能なシャフト開口を囲み、前記シャフト開口から半径方向外側のローター外周面まで延設される環状部であって、複数の孔グループに含まれる前記複数の孔からなる波状に連なる並び列であって、半径方向外側のローター外周面から前記シャフト開口に向かって連設され、さらに前記半径方向外側のローター外周面に戻るように連設された波状に連なる並び列と、前記複数の孔のいずれも有さない半径方向内側無穴部とを含む環状部を含み、
各孔グループの一対の遠位孔は複数の孔部を含み、当該複数の孔部は当該一対の遠位孔の環状部半径方向で最も内側のコーナーから前記環状部の内側に向かって延伸し、前記環状部の半径方向内側無穴部を画定し、さらに回転円周応力を前記半径方向内側無穴部の方に移し、当該回転円周応力が前記遠位孔の対と前記遠位孔の間の中間にある中央孔との間の位置にある薄板材料からなるウェブから離れた位置にかかるようにすることを特徴とする積層薄板ローター。
【請求項１０】
前記複数の孔の波状に連なる並び列が前記ローターの外周に連設され、前記ローターを一回りしていることを特徴とする請求項９に記載のローター。
【請求項１１】
前記孔部は、前記ローターが運転中の磁束方向に概ね平行に延伸していることを特徴とする請求項９に記載のローター。
【請求項１２】
前記孔部は、前記ローターが運転中の磁束方向に概ね平行に延伸していることを特徴とする請求項１０に記載のローター。
【請求項１３】
回転電気機械構造のステーターに対して回転するシャフトに取り付け可能であり、磁石を中に格納する複数の孔を有する積層薄板ローターに含まれる薄板であって、
内部にシャフトを通すことが可能なシャフト開口を囲み、前記シャフト開口から半径方向外側のローター外周面まで延設される環状部であって、複数の孔グループに含まれる前記複数の孔からなる波状に連なる並び列であって、半径方向外側のローター外周面から前記シャフト開口に向かって連設され、さらに前記半径方向外側のローター外周面に戻るように連設された波状に連なる並び列と、前記複数の孔のいずれも有さない半径方向内側無穴部とを含む環状部を、含み、
各孔グループの一対の孔は、曲がった、弧状、または反り返った形の複数の孔部を含み、当該複数の孔部は当該一対の遠位孔の環状部半径方向で最も内側のコーナーから前記環状部の内側に向かって延伸し、前記環状部の半径方向内側無穴部を画定することを特徴とする薄板。
【請求項１４】
前記複数の孔の波状に連なる並び列が前記ローターの外周に連設され、前記薄板を一回りしていることを特徴とする請求項１３に記載の薄板。
【請求項１５】
前記孔部は、前記遠位孔の対と前記遠位孔の間の中間にある中央孔との間の位置にある薄板材料からなるウェブにかかる応力の低減をすることを特徴とする請求項１３に記載の薄板。
【請求項１６】
前記応力の低減は、回転円周応力を前記薄板材料からなるウェブから離れた位置に移すことによるものであることを特徴とする請求項１５に記載の薄板。
【請求項１７】
前記孔部は、前記薄板が運転中の磁束方向に概ね平行に延伸していることを特徴とする請求項１３に記載の薄板。
【請求項１８】
回転電気機械構造のステーターに対して回転するシャフトに取り付け可能であり、磁石を中に格納する複数の孔を有する積層薄板ローターに含まれる薄板であって、
内部にシャフトを通すことが可能なシャフト開口を囲み、前記シャフト開口から半径方向外側のローター外周面まで延設される環状部であって、複数の孔グループに含まれる前記複数の孔からなる波状に連なる並び列であって、半径方向外側のローター外周面から前記シャフト開口に向かって連設され、さらに前記半径方向外側のローター外周面に戻るように連設された波状に連なる並び列と、前記複数の孔のいずれも有さない半径方向内側無穴部とを含む環状部を、含み、
各孔グループの一対の遠位孔は複数の孔部を含み、当該複数の孔部は当該一対の遠位孔の環状部半径方向で最も内側のコーナーから前記環状部の内側に向かって延伸し、前記環状部の半径方向内側無穴部を画定し、さらに回転円周応力を前記半径方向内側無穴部の方に移し、当該回転円周応力が前記遠位孔の対と前記遠位孔の間の中間にある中央孔との間の位置にある薄板材料からなるウェブから離れた位置にかかるようにすることを特徴とする薄板。
【請求項１９】
前記複数の孔の波状に連なる並び列が前記ローターの外周に連設され、前記薄板を一回りしていることを特徴とする請求項１８に記載の薄板。
【請求項２０】
前記孔部は、前記薄板が運転中の磁束方向に概ね平行に延伸していることを特徴とする請求項１８に記載の薄板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
２０１２年３月２０日に出願した米国特許出願第１３／４２４、５７９号「片持ち梁ローター磁石支持」は、本願とともに譲渡され、ともに米国特許庁に係属しており、本願に関して参照される。
【０００２】
本願発明は、回転電気機械に使用可能な薄板積層ローター構造の応力低減に関する。
【背景技術】
【０００３】
高橋らによる米国特許第６７９４７８４号明細書は、その中の一つ構成で応力を最小にするのに有効な放射状の部分を有する埋め込み用孔に入れられた複数の永久磁石を備えるローター鉄心を開示する。  
【０００４】
ガーヴェンらによる米国特許第７４３６０９６号明細書は、隣り合う磁石群によって作り出される磁束の向きを説明している。
【０００５】
ブラウンらによる米国特許第７４９８７０８号明細書は、隣り合う磁石格納長孔の間に配置されるウェブ材料を含み、応力を軽減し、磁石の拘束を向上させたローター鉄心に関するものである。
【０００６】
さらに、クリマンらによる米国特許第５１１７５５３号明細書、都出らによる米国特許第６２２５７２４号明細書、西山らによる米国特許第６３４０８５７号明細書、小原木らによる米国特許第６５２５４４２号明細書、スミスらによる米国特許第６７００２８８号明細書、松延らによる米国特許第６８１５８５８号明細書、佐久間らによる米国特許第６８１５８５９号明細書、チャンらによる米国特許第６９８７３４１号明細書、フラッタによる米国特許第７０３８３４５号明細書、バーグバッチャーによる米国特許第７０９１６４３号明細書、ヤーンズらによる米国特許第７５０４７５４号明細書、郡らによる米国特許第７８４７４５６号明細書、カイらによる米国特許第７８５１９５８号明細書、ハンらによる米国特許第７９０２７１０号明細書およびブラウンらによる米国特許出願公開第２０１２／００７４８０１号明細書は、本願発明と関連するものである。
【０００７】
高橋らによる米国特許第６７９４７８４号明細書、ガーベンらによる米国特許第７４３６０９６号明細書およびブラウンらによる米国特許第７４９８７０８号明細書の開示内容は、参照することにより、そのすべてが非本質的な主題として本願に包含される。
【発明の概要】
【０００８】
本願発明にかかる薄板積層型ローターは、回転電気機械構造のステーターに対して回転するシャフトに取り付け可能な積層薄板ローターである。前記ローターは重ね合せて一体される複数の薄板と、磁石を中に格納する複数の孔とを有する。前記ローターは、内部にシャフトを通すことが可能なシャフト開口を囲み、前記シャフト開口から半径方向外側のローター外周面まで延設される環状部を有する。前記環状部は、複数の孔グループに含まれる前記複数の孔からなる波状に連なる並び列であって、半径方向外側のローター外周面から前記シャフト開口に向かって連設され、さらに前記半径方向外側のローター外周面に戻るように連設された波状に連なる並び列と、前記複数の孔のいずれも有さない半径方向内側無穴部とを含む。前記孔グループ中の遠位孔は、曲がった、弧状、または反り返った形の孔部を含み、該孔部は当該一対の遠位孔の環状部半径方向で最も内側のコーナーから前記ローターの内側に向かって延伸している。前記環状部の半径方向内側無穴部を画定する。前記波状に連なる並び列は、前記ローターの外周に連設され、前記ローターを一回りしている。
【０００９】
前記複数の孔部は、前記ローターが運転中の磁束方向に概ね平行に延伸するような形状であり、前記遠位孔の対と前記末端孔の間の中間にある中央孔との間に位置にある薄板材料からなるウェブにかかる応力を低減する。前記応力の低減は、ローター回転円周応力を前記薄板材料からなるウェブから離れた位置にかかるようにすることによるものである。
【００１０】
本願発明はさらに、前記したような薄板積層ローターに含まれる個々の薄板に関するものでもある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図1は、本願発明にしたがう永久磁石を保持するローターの端面の平面概略図である。
【図２】図２は、図1に示すローターの領域IIの拡大図である。
【図３】図３は、図２に示す領域の部分IIIのさらなる拡大図である。
【図４】図４は、図３と同様な図であり、従来技術のローターの部分の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本願発明にかかる薄板積層ローターの製造に用いる内設永久磁石ローター薄板１０の平面図を図１に示す。当業者ならばわかることであるが、図１に示す薄板１０は、複数枚の薄板（例えば、５０枚）を結合して一体にした薄板積層スタックの端面の薄板であり、同薄板スタックを用いてモータ、発電機またはモータ／発電機のような回転電気機械の構造の一部を構成するローター１２が製造される。これらの薄板はすべて鋼板または他の適切な材料からなる板をプレス打ち抜きして作製される。ローターシャフト（図示されていない）は、ローター１２のシャフト開口１４内に嵌入することができ、同ローターシャフトによりローターが回転運動する。半径方向で中心に向かって突出している歯またはキー１６が対応するローターシャフトの凹部と嵌合することにより、ローター１２がローターシャフトに対しては回転しない。
【００１３】
薄板１０のそれぞれは環状部を有し、同環状部はシャフト開口１４を囲み、シャフト開口１４とローター１２の半径方向外側の全外周表面２０との間に延設される。この環状部は、半径方向外側の薄板面に隣接する位置に磁石を格納する複数の穴、孔または隙間（以下、簡単化するため「孔」と呼ぶ）からなる並び列１８を有する。薄板１０をすべて重ね合わせて一体にした積層スタックとし、この積層スタックによりローター１２を画定すると、隣接する薄板のすべての孔の位置が合い、これらの孔は半径方向外側のローター外周面２０の近傍に位置する。図２に図示されているように、すべての孔の中に永久磁石２２が格納可能である。すべての永久磁石２２は、薄板１０をすべて重ね合わせて一体にした後、これら薄板の孔の中に挿入される。または、所望の場合は、ローターを組み立てる際に、薄板１０をすべて配置された磁石２２に通し、磁石２２をガイドとして働かせることにより、薄板１０をすべて適切に配置して、すべての孔を磁石２２によって位置合わせしてもよい。一度、選択した枚数の薄板１０を重ね合せて一体にし、樹脂で埋め込むか、接着剤で接着するか、または他の方法で固定するかして磁石２２を所定の位置に配置して、薄板ローター１２が完成すると、永久磁石２２は、複数の薄板１０からなる積層体の位置合わせされた複数の孔を通り、ローター１２の軸方向に所望の長さ延設されている。磁石２２はすべてこれらの孔の中で固定された状態で保持され、ステーターの極の内部でローター１２は回転可能であり、磁石２２とステーターの極のまわりの巻線とが協働作用をする。
【００１４】
図１に示すように、複数の孔の並び列１８は、波状に連なり、複数の孔グループ２４からなる。各孔グループ２４は、半径方向外側のローター外周面から中心のシャフト開口１４に向かって連設され、さらにローター外周面２０に向かって連設され戻る。並び列１８は薄板積層体の外周全体にわたって連設され、この薄板積層体を含むローターを一回りしている。図１および図２で示す構成では、各孔グループ２４は、互いに対称位置にある遠位孔２６，２８の対、および中間にある中央孔３０を含む。末端孔２６、２８は、隣り合う中央孔３０とそれぞれ薄板材料からなるウェブ３２、３４によって隔離されている。孔２６、２８、３０の一部のコーナーには凹んだ隅部３６が含まれ、応力集中特性が最適化されている。
【００１５】
図示する特定の構成では、米国特許出願第１３／４２４，５７９号の主題を形成する構成と同様に、各孔グループ中の複数の末端孔の外径領域からローター薄板材料が除かれているか、または外されている。このようにローター薄板材料を除くことには、積層ウェブの薄い外側部分から回転円周応力をなくし、その代わり構造支持部を片持ち梁にするので、構造上の利点がある。本願発明を詳細に説明する実施例として用いた前記した特定の構成が片持ち梁の磁石支持部を含んでいるが、本願発明にしたがう応力低減特徴部の応用は片持ち梁の磁石支持部を有する支持ウェブに限定されるものでないことは当然である。
【００１６】
ローター１２全体にわたって隣接する２つの孔グループ２４に属する遠位孔２６、２８が互いに隣り合うように、複数の孔の並び列１８が配置されている。実施例が図示する片持ち梁構造では、複数の孔グループ２４のそれぞれに含まれる遠位孔２６、２８は隣り合う孔グループの遠位孔と一緒になって、半径方向外側のローター外周面２０の隣り合う円弧部を分離する間隙３８を画定する。このような間隙３８は、前記した隣り合う円弧部の間のローター材料を機械加工により削り落としたり、または初めから除くことによって形成される。このような構造の場合、遠位孔２６、２８は開口を有し、露出しているが、隣り合うローター外周面円弧部の隣り合う端部にある、ローター材料からなるフランジ、節部、突起部、または他の突き出た部分４０と、遠位孔２６、２８の間に配置され、ローター材料からなるこれら隣り合う遠位孔に共通のフランジ、節部、突起部、または他の突き出た部分４２と、によって、遠位孔２６、２８内に磁石２２が配置され、保持される。もちろん、様々な孔並び列のパターンを用いることができる。例えば、孔並び列１８と同様な概ねＶ字形状が続く、概ねＵ字形状が続くまたは平坦に続く孔並び列１８とすることもできる。
【００１７】
既に述べたように、孔２６、２８、３０のコーナーの一部には凹んだ隅部３６が含まれ、応力集中特性が最適化されている。本願発明によれば、これらの凹んだ隅部３６に加えて、各孔グループ２４中のすべての末端孔２６、２８の延伸部として特徴部４４がさらに含まれ、この特徴部４４によって各孔グループ中の薄板材料からなる幅狭ウェブ３２、３４の応力が低減される。前記した「ウェブ尾部形状」応力低減特徴部４４は、末端孔２６，２８の環状部半径方向で最も内側のコーナーから前記環状部の内側に向かって延伸した、曲がった、弧状、または反り返った形の付属的な孔部であり、この孔部により積層ローターの幾何学的形状を高回転速度でのウェブにかかる応力が低減されるように修正されている。同時に、応力低減特徴部４４が配置される特殊な態様により、応力低減特徴部４４が受ける電磁衝撃が最小になっている。
【００１８】
本願発明のローター１２は、前記したガーベンらの米国特許第７４３６０９６号の主題を構成するローター中にある複数の磁石層のような、別々の半径方向外側および半径方向内側の磁石層を含んでいないが、本願発明の磁束の向きはガーベンら（‘０９６）の半径方向内側の永久磁石層が作る磁束の向きと概ね同じでる。また本願発明の付属された応力低減特徴部４４は、磁束の向きに対してほぼ平行に延伸していることがわかる。応力低減特徴部４４の幾何学的形状によって、ローター回転円周応力がローター１２の半径方向内側無穴部４６の方に移り、支持ウェブ３２、３４から離れた位置にかかる。前記した半径方向内側無穴部４６は、すべての応力低減特徴部４４により画定される。
【００１９】
応力集中を緩和するため、大きい半径４８を用いて各特徴部４４が延伸する進路を定め、当該特徴部がローター１２全体の半径方向内側に曲がり、さらにローター１２全体の半径方向外側に戻るように曲がる。各特徴部４４を「上方に」向きを変えることにより、各特徴部４４を画定する孔の厚さ５０を小さく保ち、磁束衝撃を最小にし、半径方向内側無穴部４６によって画定されるリング構造部から離れた位置にある端点５２で各特徴部４４は終端する（図３参照）。別の構造の場合、シャフト開口１４によって決まるローター内径を小さくし、前記したリング構造部の断面を大きくすることになるので、特徴部４４により応力を低減させれば、質量が小さいローターを使用可能になる。さらに、本願発明による応力低減構造は片持ち梁支持部を有する支持ウェブに限られるものではないのは当然である。
【００２０】
図４は、本願発明にかかる応力低減特徴部が設けられていない従来構造のローターに含まれる孔グループの一つの末端孔１２８を囲むローター領域の拡大図である。図４中の陰影が付いた領域１６０は、前記従来構造のローターが運転中の時に、最大静的等価応力がかかる位置を示す。本願発明にかかる応力低減特徴部４４を含むローターの場合、対照的に、ローター運転中に最大静的等価応力がかかる位置は応力低減特徴部４４の端部５２に隣接する位置であり、薄板材料からなる幅狭ウェブ３２、３４から離隔した位置である。そのような位置の一つは図３中の陰影付き領域６０で示される位置である。
【００２１】
本願発明によるローター積層体の幾何学的形状を包含するローターは、応力軽減特徴部により機械的応力を低減し、電磁気的劣化を抑制することを可能にする。本願発明に用いられているローター積層体の幾何学的形状によれば、高速かつ高性能な電気モーターおよび発電機を比較的簡単に製造でき、またローターの質量を軽減できる。
【００２２】
前記した内容はすべて本願発明を説明するために記載したものであり、本願発明を限定しようとずるものではない。当業者は本願発明の思想と実質を包含する開示した実施形態を変形した形態を思いつくはずであり、特許請求の範囲に記載した発明の技術的範囲にある発明すべてを本願発明は含むものと解釈すべきである。
【図１】
2015517795.tif 000003
【図２】
2015517795.tif 000004
【図３】
2015517795.tif 000005
【図４】
2015517795.tif 000006
【国際調査報告】
2015517795.tif 000007