РОТОР, СПОСОБ КОМПОНОВКИ РОТОРА И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА РОТОРА Российский патент 2023 года по МПК H02K1/22 H02K1/276 H02K15/03 

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к ротору, способу компоновки ротора и способу производства ротора.

Испрашивается приоритет согласно японской патентной заявке № 2019-185110, зарегистрированной 8 октября 2019 года, содержимое которой включено в настоящий документ посредством отсылки.

Уровень техники

[0002] Роторы являются сердечниками, используемыми в качестве вращающихся тел в электродвигателях. Роторы до сих пор создавались, главным образом, с помощью уплотняющих структур. Однако, в последние годы, с целью уменьшения толщин листов электротехнической стали и улучшения эффективности производства были предложены способы производства, в которых используются (1) связующая конструкция и (2) объединяющая структура уплотнения и связывания (например, ссылка на патентный документ 1).

Список источников информации

Патентные документы

[0003] Патентный документ 1

Не прошедшая экспертизу заявка на патент (Япония), первая публикация № 2014-197981

Сущность изобретения

Проблемы, разрешаемые изобретением

[0004] С наступлением эры гибридных транспортных средств и электрических транспортных средств требуются роторы электродвигателей для обеспечения высоких скоростей вращения, равных 14000 об/мин или более. IPM-двигатели являются доминирующими электродвигателями, используемыми для транспортных средств. В IPM-двигателях магниты внедрены в роторы. С точки зрения эффективности электродвигателей, требуется установка магнитов в позиции рядом с внешней периферийной поверхностью. По этой причине, механическое напряжение концентрируется в местах стальных листов, имеющих малую ширины, называемых перемычками, на внешних сторонах магнитов, и роторы деформируются, поскольку перемычки пытаются расширяться. Деформация ротора означает, что может быть невозможно поддерживать узкий зазор между ротором и статором, что может вести к повреждению электродвигателя.

[0005] Целью настоящего изобретения является предоставление ротора, в котором минимизируется повреждение во время высокоскоростного вращения.

Средство решения проблемы

[0006] Для того, чтобы достигнуть вышеуказанных целей, настоящее изобретение предлагает следующее решение.

Ротор согласно настоящему изобретению является ротором с внедренным магнитом, включенным в движущий электродвигатель транспортного средства, и включает в себя слоистый сердечник, имеющий стальные листы, наслоенные друг на друга, и связующие слои для связывания стальных листов, соседних друг с другом, в направлении наслоения; и магнит, внедренный в слоистый сердечник. Когда ротор вращается со скоростью 11000 об/мин, максимальная величина смещения внешнего края слоистого сердечника ротора в радиальном направлении составляет 0,1 мм или менее.

[0007] Когда ротор вращается со скоростью 11000 об/мин, максимальная величина смещения внешнего края слоистого сердечника ротора в радиальном направлении составляет 0,1 мм или менее. Следовательно, даже когда ротор вращается с максимальной скоростью вращения (например, скоростью вращения, которая превышает 11000 об/мин), когда транспортное средство движется, возможно минимизировать деформацию внешней формы ротора, и, например, возможно предотвратить контактирование ротора со статором. Таким образом, возможно минимизировать повреждение электродвигателя.

Максимальная величина смещения внешнего края слоистого сердечника в радиальном направлении может быть получена с помощью, например, следующих способов (1) и (2).

(1) Величина смещения позиции на внешнем крае слоистого сердечника в радиальном направлении перед и после вращения получается для каждой позиции ротора в окружном направлении, и максимальное значение среди значений, полученных сложением величины, соответствующей упругой деформации во время вращения, с величиной смещения, определяется в качестве максимальной величины смещения.

(2) Когда фрагмент на внешнем крае слоистого сердечника, который смещается наиболее между моментом перед и после вращения, является известным заранее (например, когда это теоретически ясно или может быть установлено посредством моделирования или эмпирического правила), величина смещения в позиции этого фрагмента в радиальном направлении между моментом перед и после вращения получается, и значение, полученное сложением величины, соответствующей упругой деформации во время вращения, с величиной смещения, определяется в качестве максимальной величины смещения.

[0008] Напряжение YP_R текучести каждого из стальных листов может быть 150 МПа или более и 580 МПа или менее.

[0009] Когда напряжение текучести стального листа предполагается как YP_R (МПа), напряжение текучести связующего слоя предполагается как YP_B (МПа), и максимальная скорость вращения, когда транспортное средство движется, предполагается как ω (об/мин), может выполняться следующее выражение (1):

[Мат. 1]

,

где A=0,105, B=17000, C=17000, D=410 и E=30.

[0010] Следующее выражение (2) может быть дополнительно выполнено:

0,1×YP_R≤YP_B≤10×YP_R (2)

[0011] Магнит может быть размещен в сквозном отверстии, которое проходит сквозь слоистый сердечник в направлении наслоения, и в сквозном отверстии может быть предусмотрена уплотнительная смола, которая осуществляет уплотнение между внешней поверхностью магнита и внутренней поверхностью сквозного отверстия.

[0012] Способ компоновки ротора согласно настоящему изобретению является способом компоновки ротора с внедренным магнитом, включенным в движущий электродвигатель транспортного средства, в котором ротор включает в себя: слоистый сердечник, имеющий стальные листы, наслоенные друг на друга, и связующий слой для связывания стальных листов, соседних друг с другом в направлении наслоения; и магнит, внедренный в слоистый сердечник. Кроме того, в способе компоновки, когда ротор вращается с максимальной скоростью вращения, когда транспортное средство движется, напряжение текучести стальных листов и напряжение текучести связующего слоя задают так, что максимальная величина смещения на внешнем крае слоистого сердечника ротора в радиальном направлении составляет 0,1 мм или менее.

[0013] Согласно ротору, скомпонованному с помощью способа компоновки, когда ротор вращается с максимальной скоростью вращения, когда транспортное средство движется, максимальная величина смещения на внешнем крае слоистого сердечника ротора в радиальном направлении составляет 0,1 мм или менее. Таким образом, даже когда ротор вращается с максимальной скоростью вращения, когда транспортное средство движется, возможно минимизировать деформацию внешней формы ротора, и, например, возможно предотвратить контактирование ротора со статором. Следовательно, возможно минимизировать повреждение электродвигателя.

[0014] Между тем, особое значение было придано оценке связующего слоя на основе прочности связывания (силы склеивания между связующим слоем и стальным листом в таких условиях как натяжение, сжатие, срез и 90-градусное отслаивание). На этом фоне, не было технической идеи ограничивать деформацию стального листа на основе напряжения текучести связующего слоя. Для того, чтобы ограничивать деформацию стального листа, практически не было выбора, кроме как использовать высокопрочный стальной лист. В результате, мог быть предоставлен ротор, имеющий высокую стоимость, и что делает производство ротора трудным. В частности, когда электротехнический стальной лист применяется в качестве стального листа, необходимо удовлетворять требования высокой прочности в дополнение к основным характеристикам (низкие потери в стали и высокая плотность магнитного потока). По этой причине, не только трудно компоновать компоненты, но также в каждом процессе, таком как прокатка и прокаливание, производственные условия ограничиваются, и производство является сложным.

Следовательно, в этом способе компоновки, (1) напряжение текучести стального листа и (2) напряжение текучести связующего слоя задают так, что деформация стального листа ограничивается, когда ротор вращается с максимальной скоростью, когда транспортное средство движется. Т.е. напряжение текучести стального листа принимается во внимание также как напряжение текучести связующего слоя. Таким образом, даже когда напряжение текучести стального листа является до некоторой степени низким, возможно ограничивать деформацию стального листа посредством увеличения напряжения текучести связующего слоя. Причина состоит в том, что связующий слой может минимизировать деформацию стального листа посредством частичного выполнения функции стального листа для минимизации его деформации.

Когда напряжение по Мизесу, в частности, сила, создаваемая в направлении толщины, увеличивается, а толщина листа для стального листа уменьшается, вызывается деформация стального листа. В результате, глубоких исследований авторов настоящего изобретения было обнаружено, что эффективным является использование связующего слоя, имеющего высокое напряжение текучести, для минимизации уменьшения в толщине листа для стального листа. Когда связующий слой, имеющий высокое механическое напряжение, используется, возможно минимизировать деформацию стального листа в области упругой деформации. Таким образом, минимальная величина деформации стального листа является величиной деформации в области упругой деформации, и возможно минимизировать верхний предел деформации стального листа, который является ограничением в использовании.

В общем, когда прочность стального листа увеличивается, число поставщиков становится ограниченным, и стоимость увеличивается. С другой стороны, прочность клея, как правило, имеет положительную корреляцию со стоимостью. Кроме того, также существуют ограничения вследствие производственного оборудования, такие как высокая температура отверждения, требуемая для клея, когда требуется высокая прочность.

В этом способе компоновки, когда напряжение текучести стального листа, также как напряжение текучести связующего слоя принимаются во внимание, как описано выше, возможно выбрать оптимальное сочетание стального листа и клея согласно стоимости, региональным характеристикам и конкурентоспособности. Следовательно, возможно производить ротор, который удовлетворяет требованиям качества и требованиям производства. Т.е. если настоящее изобретение используется, высокопрочный стальной лист, который трудно производить, как описано выше, с ограниченным числом поставщиков, и с высокопрочной сталью, и который имеет высокую стоимость, не используется, а деформация стального листа может быть минимизирована без увеличения числа операций для упрочнения стального листа, таких как специальная обработка для закалки стального листа или термическая обработка на миниатюрном фрагменте ротора.

[0015] Когда напряжение текучести стального листа предполагается как YP_R (МПа), напряжение текучести связующего слоя предполагается как YP_B (МПа), и максимальная скорость вращения предполагается как ω (об/мин), напряжение текучести YP_R стального листа и напряжение текучести YP_B связующего слоя могут быть заданы удовлетворяющими следующему выражению (1):

[Мат. 1]

,

где A=0,105, B=17000, C=17000, D=410 и E=30.

[0016] Напряжение YP_R текучести стального листа и напряжение YP_B текучести связующего слоя могут быть заданы, чтобы дополнительно удовлетворять следующему выражению (2):

0,1×YP_R≤YP_B≤10×YP_R (2)

[0017] Способ производства ротора согласно настоящему изобретению использует этот способ компоновки ротора.

Преимущества изобретения

[0018] Согласно настоящему изобретению, возможно предоставлять ротор, в котором минимизируется повреждение во время высокоскоростного вращения.

Краткое описание чертежей

[0019] Фиг. 1 является видом сверху, показывающим часть ротора согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2 является видом в поперечном сечении, взятом по линии A-A, показанной на фиг. 1.

Фиг. 3 является видом в поперечном сечении, взятом по линии B-B, показанной на фиг. 1.

Фиг. 4 является графиком, показывающим соотношение между скоростью вращения ротора и величиной смещения на внешнем крае слоистого сердечника.

Фиг. 5 является видом сверху, показывающим результат анализа распределения напряжения по Мизесу для стального листа, когда скорость вращения ротора составляет 14000 об/мин.

Фиг. 6 является видом в перспективе, показывающим результат анализа распределения напряжения по Мизесу для стального листа, когда скорость вращения ротора составляет 14000 об/мин.

Фиг. 7 является видом сверху, показывающим результат анализа распределения напряжения по Мизесу для стального листа, когда скорость вращения ротора составляет 15000 об/мин.

Фиг. 8 является видом в перспективе, показывающим результат анализа распределения напряжения по Мизесу для стального листа, когда скорость вращения ротора составляет 15000 об/мин.

Фиг. 9 является видом сверху, показывающим результат анализа распределения напряжения по Мизесу для стального листа, когда скорость вращения ротора составляет 16000 об/мин.

Фиг. 10 является видом в перспективе, показывающим результат анализа распределения напряжения по Мизесу для стального листа, когда скорость вращения ротора составляет 16000 об/мин.

Фиг. 11 является схемой для объяснения смещения на внешнем крае слоистого сердечника и является видом в поперечном сечении, включающим в себя внешний край слоистого сердечника в состоянии, в котором ротор не вращается.

Фиг. 12 является схемой для объяснения смещения на внешнем крае слоистого сердечника и является видом в поперечном сечении, включающим в себя внешний край слоистого сердечника в состоянии, в котором ротор вращается с высокой скоростью.

Фиг. 13 является графиком, показывающим соотношение между скоростью вращения ротора и величиной механического напряжения, создаваемого в связующем слое.

Фиг. 14 является графиком, показывающим соотношение между прочностью стального листа, который может выдерживать предписанную скорость вращения, и прочностью связующего слоя.

Варианты осуществления для реализации изобретения

[0020] Ротор для электродвигателя согласно варианту осуществления настоящего изобретения будет описан ниже со ссылкой на фиг. 1-14.

[0021] <Структура>

Как показано на фиг. 1-3, ротор 10 вставлен в движущий электродвигатель транспортного средства (например, гибридное транспортное средство или электрическое транспортное средство). Электродвигатель является IPM-двигателем с внутренним типом ротора (двигатель с внедренным типом магнита 30). Ротор 10 имеет встроенный тип магнита. Максимальная скорость вращения электродвигателя определяется в соответствии с характеристиками производительности, требуемыми для транспортного средства, имеет тенденцию увеличиваться, когда являются важными максимальная скорость, ускорение или миниатюризация электродвигателя. Максимальная скорость вращения составляет, например, 11000 об/мин или быстрее, а более конкретно 12000 об/мин или быстрее и 20000 об/мин или медленнее.

[0022] В последующем описании осевое направление ротора 10 (направление центральной осевой линии O ротора 10) называется "осевым направлением", радиальное направление ротора 10 (направление, ортогональное центральной осевой линии O ротора 10) называется "радиальным направлением", и окружное направление ротора 10 (направление вокруг центральной осевой линии O ротора 10) называется "окружным направлением".

[0023] Ротор 10 включает в себя слоистый сердечник 20, магниты 30 и части 40 уплотнительной смолы.

Слоистый сердечник 20 включает в себя стальные листы 21, наслоенные друг на друга, и связующий слой 22, сконфигурированный, чтобы связывать стальные листы 21, соседние друг другу в направлении Z наслоения. Направление Z наслоения совпадает с осевым направлением. Кроме того, в варианте осуществления, стальные листы 21, соседние друг другу в направлении Z наслоения, не закрепляются с помощью средства, отличного от связующего слоя 22 (например, уплотнения соединения). Стальные листы 21 закрепляются только с помощью связующего слоя 22.

[0024] Стальные листы 21, каждый, являются листами электротехнической стали. Стальной лист 21 формируется, например, посредством штамповки листа электротехнической стали. В качестве листа электротехнической стали может быть использован известный лист электротехнической стали. Химический состав листа электротехнической стали особенно не ограничивается. В варианте осуществления, в качестве листа электротехнической стали применяется лист электротехнической стали с неориентированной зеренной структурой. В качестве листа электротехнической стали с неориентированной зеренной структурой, например, может использоваться полоса электротехнической стали с неориентированной зеренной структурой по JIS C 2552:2014.

[0025] Связующий слой 22 является клеем, отвержденным между стальными листами 21, соседними друг с другом в направлении Z наслоения. В качестве клея, например, может быть использован термоотверждающийся клей и подобное, использующий полимеризующее связующее. В качестве состава клея могут применяться (1) акриловая смола, (2) эпоксидная смола, (3) состав, содержащий акриловую смолу и эпоксидную смолу, и подобное. Когда требуется прочность (напряжение текучести) связующего слоя 22, которая превышает 80 МПа, могут быть использованы смолы, называемые суперконструкционными пластмассами.

[0026] Связующий слой 22 связывает фрагмент стального листа 21, включающий в себя, по меньшей мере, перемычку 23. Перемычка 23 является фрагментом стального листа 21, расположенным дальше наружу в радиальном направлении по сравнению с магнитами 30. В показанном примере связующий слой 22 связывает стальные листы 21, соседние друг с другом в направлении Z наслоения, по всей поверхности. Когда толщина связующего слоя 22 меньше 1 мкм, связывание является плохим, а когда толщина связующего слоя 22 превышает 10 мкм, эффективность электродвигателя снижается. Таким образом, толщина связующего слоя 22 предпочтительно составляет 1-10 мкм.

[0027] Магниты 30 являются постоянными магнитами. Магниты 30 внедряются в слоистый сердечник 20. В варианте осуществления набор из двух магнитов 30 формирует один магнитный полюс. Множество наборов магнитов 30 располагаются с равными интервалами в окружном направлении (каждые 45° в иллюстрированном примере). Два магнита 30, формирующие один и тот же магнитный полюс, сформированы линейно-симметрично в окружном направлении относительно воображаемой оси L, проходящей в радиальном направлении.

[0028] Сквозные отверстия 24 формируются в слоистом сердечнике 20. Каждое из сквозных отверстий 24 проходит через слоистый сердечник 20 в направлении Z наслоения. Сквозные отверстия 24 предусматриваются в соответствии с магнитами 30. Каждый из магнитов 30 прикрепляется к слоистому сердечнику 20 в состоянии размещения в соответствующем сквозном отверстии 24. Каждый из магнитов 30 прикрепляется к слоистому сердечнику 20 с помощью клея, предоставляемого между внешней поверхностью магнита 30 и внутренней поверхностью сквозного отверстия 24. Этот клей может быть того же типа, что и клей, который формирует связующий слой 22.

[0029] В варианте осуществления зазоры 25 и 26, в которых не размещается магнит 30, предусматриваются в каждом из сквозных отверстий 24. Зазоры 25 и 26 предусматриваются по обеим сторонам магнита 30, соответственно, в окружном направлении. В качестве зазоров 25 и 26 предоставляются первый зазор 25 и второй зазор 26. Первый зазор 25 располагается на стороне воображаемой линии L в окружном направлении относительно магнита 30. Второй зазор 26 располагается на противоположной стороне от воображаемой линии L в окружном направлении относительно магнита 30.

[0030] Каждая из уплотнительных смол 40 размещается в сквозном отверстии 24. Уплотнительная смола 40 осуществляет уплотнение между внешней поверхностью магнита 30 и внутренней поверхностью сквозного отверстия 24. В качестве уплотнительной смолы 40, например, может быть использован тот же клей, что и клей, формирующий связующий слой 22. В качестве уплотнительной смолы 40 может быть применен состав и подобное, содержащий (1) акриловую смолу, (2) эпоксидную смолу, (3) акриловую смолу и эпоксидную смолу. Клей для связующего слоя 22 и клей для уплотнительной смолы 40 может быть одинаковым или различным. Уплотнительная смола 40 уплотняет второй зазор 26. Таким образом, два магнита 30, формирующих один и тот же магнитный полюс, размещаются между двумя частями 40 уплотнительной смолы в окружном направлении. Напряжение текучести уплотнительной смолы 40 предпочтительно составляет 10 МПа или более и 200 МПа или менее. Когда напряжение текучести уплотнительной смолы 40 находится в этом диапазоне, механическое напряжение, создаваемое в связующем слое 22, может быть уменьшено.

[0031] Является предпочтительным, чтобы различные размеры ротора 10 были, например, размерами, которые показаны ниже:

(1) Диаметр ротора 10 (слоистого сердечника 20 и стальных листов 21): 50 мм или более и 200 мм или менее;

(2) Толщина T1 стальных листов 21: 0,1 мм или более и 2,0 мм или менее;

(3) Толщина T2 связующего слоя 22: 2 мкм или более и 4 мкм или менее; и

(4) Многослойная толщина слоистого сердечника 20: 30 мм или более и 300 мм или менее.

[0032] Также, в варианте осуществления, когда ротор 10 вращается со скоростью 11000 об/мин в течение 30 секунд или более, максимальная величина смещения на внешнем крае 20a слоистого сердечника 20 в радиальном направлении составляет 0,1 мм или менее. В иллюстрированном примере, когда ротор 10 вращается со скоростью вращения 14000 об/мин или менее, максимальная величина смещения составляет 0,1 мм или менее.

[0033] Максимальная величина смещения на внешнем крае 20a слоистого сердечника 20 в радиальном направлении может быть получена с помощью, например, следующих способов (1) и (2).

(1) Величина смещения (размер D, показанный на фиг. 12) позиции на внешнем крае 20a слоистого сердечника 20 в радиальном направлении перед или после вращения получается для каждой позиции ротора 10 в окружном направлении (например, каждые 11,25º или каждые 15º), и максимальное значение среди значений, полученных сложением величины, соответствующей упругой деформации во время вращения, с величиной смещения (далее в данном документе также называемой "величиной смещения внешней формы"), определяется в качестве максимальной величины смещения. Величина смещения может быть измерена с помощью, например, лазерного измерителя смещения.

(2) Когда фрагмент на внешнем крае 20a слоистого сердечника 20, который больше всего смещается перед и после вращения, известен заранее (например, когда это теоретически ясно, или когда это усваивается посредством моделирования или эмпирического правила), величина смещения позиции фрагмента в радиальном направлении перед и после вращения получается, и величина смещения определяется в качестве максимальной величины смещения.

[0034] Также, в варианте осуществления, когда напряжение текучести (предел текучести, прочность) стальных листов 21 предполагается как YP_R (МПа), напряжение текучести (предел текучести, прочность) связующего слоя 22 предполагается как YP_B (МПа), и максимальная скорость вращения, когда транспортное средство движется, предполагается как ω (об/мин), каждое значение для YP_R и YP_B удовлетворяет следующим выражениям (1) и (2):

[0035] [Мат. 1]

,

где A=0,105, B=17000, C=17000, D=410 и E=30;

[0036] 0,1×YP_R≤YP_B≤10×YP_R (2).

[0037] Когда каждое значение для YP_R и YP_B удовлетворяет вышеприведенному выражению (1), перемычка 23 стального листа 21 ограничивается деформированием в упругой области и пластически деформируется, когда ротор 10 вращается с максимальной скоростью вращения. Другими словами, перемычка 23 упруго деформируется и не деформируется пластически. Кроме того, когда ротор 10 вращается со скоростью 11000 об/мин, максимальная величина смещения на внешнем крае 20a слоистого сердечника 20 в радиальном направлении равно 0,1 мм или менее. Когда ротор 10 вращается со скоростью 11000 об/мин, перемычка 23 деформируется в упругой области. Таким образом, по меньшей мере, внешний край 20a слоистого сердечника 20 деформируется примерно на 0,020 мкм в радиальном направлении. Максимальная величина смещения на внешнем крае 20a слоистого сердечника 20 в радиальном направлении может составлять 30 мкм или более.

[0038] Когда каждое значение для YP_R и YP_B удовлетворяет вышеуказанному выражению (2), напряжение текучести YP _B связующего слоя 22 может сохраняться в оптимальном диапазоне. Т.е. когда напряжение YP_B текучести связующего слоя 22 меньше в 0,1 раза напряжения текучести YP_R стальных листов 21, существует проблема, касающаяся того, что напряжение YP_B текучести связующего слоя 22 является слишком низким, и деформация происходит при низкой скорости вращения. Когда напряжение YP_B текучести связующего слоя 22 превышает в 10 раз напряжение YP_R текучести стальных листов 21, напряжение YP_B текучести связующего слоя 22 является слишком высоким, эффект насыщается, и экономическая эффективность не достигается.

[0039] Напряжение YP_R текучести стальных листов 2 предпочтительно равно 150 МПа или более и 580 МПа или менее. Напряжение YP_B текучести связующего слоя 22 предпочтительно составляет 10 МПа или более и 200 МПа или менее.

[0040] Примеры способа для измерения напряжения YP_R текучести стальных листов 21 включают в себя способ, который будет пояснен далее.

Т.е. тестовый образец, имеющий предписанную форму (например, прямоугольную форму 35 мм × 250 мм), вырезается из стального листа 21, использованного для слоистого сердечника 20. После чего испытание на растяжение, соответствующее JIS Z 2241:2011, выполняется для этого образца. Когда тестовый образец стального листа 21 вырезается из слоистого сердечника 20, и измеряется напряжение текучести, например, существует способ для выполнения преобразования твердости в прочность при растяжении на основе результата измерения твердости. Конкретнее, твердость стального листа 21 измеряется, и твердость преобразуется в прочность при растяжении с помощью таблицы преобразования твердости (JIS руководство) на основе полученной твердости. Поскольку обычное отношение напряжения при пределе текучести к пределу прочности стального материала равно 0,73 (0,69-0,75), напряжение текучести стального листа 21 может быть вычислено из преобразованной прочности при растяжении.

[0041] Примеры способа для измерения напряжения текучести YP_B связующего слоя 22 включают в себя способ, который будет показан позже.

Т.е. тестовый образец предписанной формы (например, прямоугольной формы 10 мм × 110 мм) вырезается из связующего слоя 22, использованного для слоистого сердечника 20. После чего испытание на растяжение, соответствующее JIS Z 7161-1 (2014), выполняется с помощью этого тестового образца.

[0042] Когда материалы, используемые для стальных листов 21 и связующего слоя 22, являются известными, также возможно готовить тестовый образец независимо с помощью материалов вместо приготовления тестового образца из ротора 10. В качестве примера способа для измерения напряжения текучести связующего слоя 22 в таком случае рекомендуется способ, в котором клей отверждается в форме полосы, образец связующего слоя 22 приготавливается, и образец подвергается испытанию на растяжение. В случае клея, имеющего плохую степень заполнения, тонкая фильтрующая бумага может быть присоединена к задней поверхности, чтобы приготовить образец. Форма тестового образца может быть формой, соответствующей JIS K 7161-2:2014. Когда связующий слой 22 берется из слоистого сердечника 20, связующий слой 22 может быть получен посредством приготовления приблизительно 30% по массе водного раствора соляной кислоты, погружения слоистого сердечника 20 в водный раствор соляной кислоты и растворения стального листа 21. Время погружения может быть надлежащим образом отрегулировано в соответствии с величиной и размером стального листа 21. Кроме того, в частности, когда слоистый сердечник 20 является большим, водный раствор соляной кислоты может быть заменен новым водным раствором соляной кислоты в середине процесса, чтобы стимулировать реакцию растворения. После того как все стальные листы 21 подверглись растворению, связующий слой 22 снимается и очищается. После очистки он обрабатывается в тестовый образец, соответствующий JIS K 7161-2:2014, и оценивается напряжение текучести связующего слоя 22. Состав связующего слоя 22 может быть проанализирован с помощью инфракрасной спектроскопии (FT-IR) или подобного, и тестовый образец может быть приготовлен посредством того же материала с помощью результата анализа.

[0043] <Соотношение между скоростью вращения и величиной смещения внешней формы ротора 10>

Электродвигатель подготавливается, чтобы подтвердить соотношение между скоростью вращения и величиной смещения внешней формы ротора 10. Ротор 10, имеющий диаметр 162 мм, устанавливается в электродвигатель. Ротор 10 имеет слоистый сердечник 20, полученный посредством наслоения стальных листов 21, имеющих напряжение YP_R текучести, равное 400 МПа, и толщину листа, равную 0,25 мм, и связующего слоя 22, имеющего напряжение YP_B текучести 12 МПа и толщину 2,5 мкм. В каждом из испытаний, которые будут показаны позже, ротор 10, имеющий одинаковый размер, предполагается.

[0044] В электродвигателе скорость вращения ротора 10 изменяется от 0 об/мин до 17000 об/мин, и величина смещения внешней формы ротора 10 измеряется. Величина смещения внешней формы является величиной смещения внешней формы относительно конкретной точки P измерения, как показано на фиг. 1, на внешнем крае 20a слоистого сердечника 20. Точка P измерения является позицией (частью перемычки 23) внешнего края 20a ротора 10, которая пересекает воображаемую линию L.

[0045] Результаты показаны на фиг. 4. Горизонтальная ось на фиг. 4 указывает скорость вращения ротора 10, а вертикальная ось на фиг. 4 указывает величину смещения внешней формы в точке измерения. Как показано на фиг. 4, когда скорость вращения ротора 10 увеличивается, центробежная сила ротора 10 в радиальном направлении увеличивается, и величина смещения внешней формы ротора 10 увеличивается. Кроме того, если скорость вращения превышает конкретную скорость вращения (14000 об/мин), величина смещения внешней формы ротора 10 быстро увеличивается.

[0046] <Анализ распределения механического напряжения>

Здесь, для того, чтобы оценивать причину быстрого увеличения в величине смещения внешней формы, авторы настоящего изобретения определили количественно механическое напряжение, сформированное в перемычке 23 во время вращения с высокой скоростью, посредством FEM-анализа.

Результаты анализа распределения напряжения по Мизесу в перемычке 23 стального листа 21 показаны на фиг. 5-10. Фиг. 5 и 6 показывают случай, в котором скорость вращения ротора 10 составляет 14000 об/мин. Фиг. 7 и 8 показывают случай, в котором скорость вращения ротора 10 составляет 15000 об/мин. Фиг. 9 и 10 показывают случай, в котором скорость вращения ротора 10 составляет 16000 об/мин.

[0047] На фиг. 5-10 тень штриховки указывает величину напряжения по Мизесу (хотя магнит 30 и уплотнительная смола 40 также заштрихованы, напряжение по Мизесу в магните 30 и уплотнительной смоле 40 меньше нижнего предела контурного отображения). Напряжение по Мизесу относится к эквивалентному напряжению, используемому для указания состояния напряжения, созданного внутри объекта, с помощью единственного значения.

Например, на фиг. 5 и 6, два типа штриховок, таких как тонкая штриховка и темная штриховка, показаны на стальном листе 21. На чертежах тонкая штриховка означает, что напряжение по Мизесу меньше 380 МПа. Темная штриховка означает, что напряжение по Мизесу равно 380-430 МПа. В роторе 10 напряжение YP_R текучести стальных листов 21 предполагается равным 356 МПа. Кроме того, возможно, что стальной лист 21 в области темной штриховки непременно пластически деформируется.

[0048] Когда результаты анализа на фиг. 5 и 6 (14000 об/мин), результаты анализа на фиг. 7 и 8 (15000 об/мин) и результаты анализа на фиг. 9 и 10 (16000 об/мин) сравниваются друг с другом, видно, что, когда скорость вращения увеличивается, область, имеющая темную штриховку, т.е. область, имеющая большое напряжение по Мизесу и пластическую деформацию, быстро увеличивается.

[0049] Из вышеприведенных результатов анализа подтверждается, что перемычка 23 в роторе 10 пластически деформируется, если ротор 10 вращается со скоростью вращения, которая превышает 14000 об/мин. Возможно, что результаты ведут к быстрому увеличению в величине смещения внешней формы во время вращения со скоростью вращения, которая превышает 14000 об/мин, как показано на фиг. 4.

[0050] <Факторный анализ увеличения механического напряжения>

Для того чтобы изучать факторы увеличения механического напряжения, как описано выше, будет рассмотрена форма стального листа 21 перед и после вращения ротора 10.

Как показано на фиг. 11, когда ротор 10 не вращается, центробежная сила не действует, и стальной лист 21 не растягивается.

С другой стороны, как показано на фиг. 12, когда ротор 10 вращается с высокой скоростью, центробежная сила ротора 10 в радиальном направлении увеличивается. Таким образом, стальной лист 21 растягивается в радиальном направлении ротора 10 (прерывистая линия на фиг. 12). Когда стальной лист 21 растягивается таким образом, толщина листа внешнего кругового фрагмента стального листа 21 уменьшается. В результате, возможно, что вызывается концентрация механического напряжения, и, таким образом, возникает вышеописанное быстрое увеличение в напряжении по Мизесу.

[0051] Из вышеприведенного описания понятно, что возможно уменьшать величину смещения внешней формы ротора 10 посредством минимизации растяжения слоистого стального листа 21 в радиальном направлении, когда скорость вращения ротора 10 увеличивается.

Также, в качестве меры для этого, авторами настоящего изобретения принимается во внимание показатель минимизации растяжения стального листа 21 с помощью связующего слоя 22.

[0052] Прочность клея, используемого для связующего слоя 22, обычно указывает прочность (силу склеивания, прочность при отслаивании), когда объект, который должен быть связан, отслаивается. Однако, в варианте осуществления, хотя напряжение при растяжении в направлении Z наслоения формируется в связующем слое 22, срезающая сила является очень малой. Таким образом, прочность (прочность при растяжении) самого связующего слоя 22, т.е. напряжение YP_B текучести, которое минимизирует внутреннюю деформацию связующего слоя 22, является более важным по сравнению с силой склеивания.

Когда напряжение YP_B текучести, которое минимизирует внутреннюю деформацию связующего слоя 22, увеличивается, эффект минимизации растяжения слоистого стального листа 21 увеличивается. Т.е. когда напряжение при растяжении создается в радиальном направлении ротора 10, связующий слой 22 минимизирует деформацию стального листа 21. Таким образом, даже если скорость вращения ротора 10 увеличивается, возможно уменьшать величину смещения внешней формы ротора 10.

[0053] Фиг. 13 является графиком, показывающим соотношение между скоростью вращения ротора 10 и механическим напряжением, создаваемым в связующем слое 22 в направлении Z наслоения. Горизонтальная ось на фиг. 13 указывает скорость вращения ротора 10. Вертикальная ось на фиг. 13 указывает механическое напряжение, создаваемое в связующем слое 22. Среди линий графика, показанных на фиг. 13, сплошная линия указывает случай, в котором уплотнительная смола 40 не присутствует, а прерывистая линия указывает случай, в котором уплотнительная смола 40 (напряжение текучести: 12 МПа) присутствует.

[0054] Как показано на фиг. 13, когда скорость вращения ротора 10 увеличивается, механическое напряжение, создаваемое в связующем слое 22 в направлении Z наслоения, увеличивается. Когда слоистый сердечник 20, имеющий связующий слой 22, который может выдерживать механическое напряжение в направлении Z наслоения, формируется, растяжение ротора 10 из слоистого стального листа 21 в радиальном направлении минимизируется, и даже если скорость вращения ротора 10 увеличивается, возможно уменьшать величину смещения внешней формы ротора 10. Может также быть видно из фиг. 13, что, когда уплотнительная смола 40 присутствует, механическое напряжение, создаваемое в связующем слое 22, уменьшается в диапазоне, в котором скорость вращения составляет 16000 об/мин или менее.

[0055] <Напряжение текучести связующего слоя 22>

Изобретатели настоящего изобретения обнаружили, что справочное значение напряжения текучести связующего слоя 22 может быть вычислено на основе следующего выражения (3), когда скорость вращения ротора 10 предполагается как ω, а напряжение текучести стального листа 21 предполагается как YP_R. Выражение (3) является правой стороной вышеупомянутого выражения (1). Прочность связующего слоя 22 должна удовлетворять условию вышеприведенного выражения (1):

[0056] [Мат. 4]

,

где A=0,105, B=17000, C=17000, D=410 и E=30.

[0057] Например, когда скорость вращения составляет 17000 об/мин, диаметр ротора 10 равен 162 мм, толщина листа для стального листа 21 составляет 0,25 мм, и толщина связующего слоя 22 составляет 0,002 мм, подтверждается посредством проверки с помощью фактической машины, что максимальная величина смещения слоистого сердечника 20 составляет 0,1 мм или менее, которая является целевым значением, когда каждое значение для YP_R и YP_B удовлетворяет выражению (1).

[0058] <Проверка выражения (1)>

Сначала, соотношение между скоростью вращения ротора 10 и напряжением YP_R текучести стального листа 21 и напряжением YP_B текучести связующего слоя 22, в котором пластическая деформация не происходит, получается с помощью FEM-анализа. Результаты показаны в таблице 1, которая будет показана ниже.

[0059] Таблица 1

[0060] В таблице 1 головной столбец (первый столбец) указывает напряжение текучести YP_R (МПа) стального листа 21. Головная строка (первая строка) указывает скорость вращения (об/мин) ротора 10. Значение в каждой ячейке указывает значение напряжения текучести YP_B (МПа) связующего слоя 22, требуемого для предохранения стального листа 21 от пластической деформации, когда ротор 10 вращается со скоростью вращения из головной строки столбца, к которому принадлежит ячейка, и когда напряжение YP_R текучести стального листа 21 из головного столбца строки, к которой принадлежит ячейка, предполагается. Пустая ячейка означает, что напряжение YP_B текучести связующего слоя 22 в условиях, соответствующей ячейке, не получается.

[0061] Вышеприведенное соотношение, полученное из вышеупомянутого выражения (1), показано в последующей таблице 2 ниже. Вид таблицы 2 является таким же, что и для таблицы 1. Каждое значение в таблице 2 является значением, полученным округлением значения, полученного с правой стороны вышеупомянутого выражения (1) по первому десятичному разряду. В таблице 2 напряжение текучести YP_B связующего слоя 22 получается в большем числе случаев по сравнению с таблицей 1.

[0062] Таблица 2

[0063] В результате сравнения значений в таблицах 1 и 2, описанных выше, подтверждается, что разница между двумя значениями является небольшой, и результат FEM-анализа может быть аппроксимирован посредством выражения (1).

[0064] Таким образом, быстрое увеличение в величине смещения внешней формы может также быть реализовано посредством чего-либо из регулировки напряжения текучести связующего слоя 22 и регулировки напряжения текучести стального листа 21.

[0065] <Способ компоновки ротора 10>

Когда ротор 10 компонуется, напряжение текучести стального листа 21 и напряжение текучести связующего слоя 22 задают следующим образом. Т.е. когда ротор 10 вращается с максимальной скоростью вращения, и центробежная сила передается от магнита 30 к слоистому сердечнику 20, каждое напряжение текучести задается таким образом, что деформация стального листа 21 ограничивается (так что напряжение, создаваемое в стальном листе 21, не достигает напряжения YP_R текучести стального листа 21). Конкретнее, каждое напряжение текучести задается таким образом, что каждое напряжение текучести удовлетворяет вышеупомянутым выражениям (1) и (2).

[0066] Здесь, график на фиг. 14 показывает пограничную линию, полученную посредством вышеупомянутого выражения (1). Горизонтальная ось графика на фиг. 14 указывает напряжение YP_R текучести стального листа 21. Среди линий графика на фиг. 14 линия графика сплошной линией указывает значение (выражение (3)) на правой стороне выражения (1), когда скорость вращения составляет 16000 об/мин. Линия графика прерывистой линией указывает значение (выражение (3)) на правой стороне выражения (1), когда скорость вращения составляет 17000 об/мин. Линия графика штрих-пунктирной линией указывает значение (выражение (3)) на правой стороне выражения (1), когда скорость вращения составляет 18000 об/мин.

[0067] Для того, чтобы получать слоистый сердечник 20, который может выдерживать каждую скорость вращения, сочетание напряжения YP_R текучести стального листа 21 и напряжения YP_B текучести связующего слоя 22 должно быть сочетанием, включенным в область на верхней правой стороне линии графика каждой скорости вращения, показанной на фиг. 14. Другими словами, в сочетаниях прочности связующего слоя 22 и прочности стального листа 21, включенных в верхнюю правую область линии графика, показанной на фиг. 14, все сочетания могут выдерживать каждую скорость вращения. Здесь, случай, в котором сочетание напряжения YP_R текучести стального листа 21 и напряжения YP_B текучести связующего слоя 22 устанавливается в сочетание, включенное в нижнюю левую область по сравнению с линией графика каждой скорости вращения, показанной на фиг. 14, не является предпочтительным, поскольку максимальная величина смещения внешнего края слоистого сердечника ротора 10 в радиальном направлении превышает 0,1 мм, когда ротор 10 вращается. Кроме того, хотя прочность при деформации может увеличиваться, если сочетание устанавливается в сочетание, включенное в верхнюю правую область, поскольку излишне высокопрочный стальной лист используется, и такие проблемы как точность штамповки и запрет производства вследствие износа штампа, возникают. Таким образом, важно выполнять компоновку таким образом, что сочетание располагается на линии графика.

[0068] Например, когда создается ротор 10, который может выдерживать 17000 об/мин, выбирается сочетание прочности стального листа 21, равной 360 МПа, и прочности связующего слоя 22, равной 142 МПа, или сочетание прочности стального листа 21, равной 400 МПа, и прочности связующего слоя 22, равной 52 МПа.

[0069] <Способ производства ротора 10>

Ротор 10, скомпонованный с помощью вышеописанного способа компоновки, может быть произведен с помощью известного способа производства. Например, в качестве способа для производства ротора 10 с помощью клея, предлагаются способ покрытия каждого из стальных листов 21 клеем, способ погружной пропитки, способ использования клея, обработанного в форму ленты, способ связывания в пресс-форме и т.п. В варианте осуществления любой способ производства может быть использован для производства, и способ производства не ограничивается.

[0070] Как описано выше, согласно ротору 10, ассоциированному с вариантом осуществления, когда ротор 10 вращается со скоростью 11000 об/мин, максимальная величина смещения внешнего края 20a слоистого сердечника 20 в радиальном направлении ротора 10 составляет 0,1 мм или менее. Следовательно, даже когда ротор 10 вращается с максимальной скоростью вращения (например, скоростью вращения, которая превышает 11000 об/мин), когда транспортное средство движется, возможно минимизировать деформацию внешней формы ротора 10, и, например, возможно предотвратить контактирование ротора 10 со статором. Таким образом, возможно минимизировать повреждение электродвигателя.

[0071] Также, согласно ротору 10, скомпонованному с помощью способа компоновки, ассоциированного с вариантом осуществления, когда ротор 10 вращается с максимальной скоростью вращения, когда транспортное средство движется, и центробежная сила передается от магнита 30 слоистому сердечнику 20, деформация стального листа 21 в радиальном направлении минимизируется посредством связующего слоя 22, и деформация стального листа 21 ограничивается. Таким образом, даже когда ротор 10 вращается с максимальной скоростью вращения, когда транспортное средство движется, возможно минимизировать деформацию внешней формы ротора 10, и, например, возможно предохранять ротор 10 от контактирования со статором. Таким образом, возможно минимизировать повреждение электродвигателя.

[0072] Впрочем, оценке связующего слоя 22 с помощью силы связывания (силы склеивания со стальным листом 21) в таких условиях как натяжение, сжатие, срезание, 90-градусное отслоение и т.п.) было придано особое значение. На таком фоне, техническая идея ограничения деформации стального листа 21 на основе напряжения текучести связующего слоя 22 не существует. Для того, чтобы ограничивать деформацию стального листа 21, практически не существует выбора, кроме как использовать высокопрочный стальной лист 21. В результате, стоимость ротора 10 увеличивается, и становится трудно производить ротор 10. В частности, когда листы 21 из электротехнической стали применяются в качестве стального листа 21, необходимо удовлетворять требованиям высокой прочности в дополнение к основным характеристикам (низкие потери в стали, высокая плотность магнитного потока). По этой причине, не только трудно компоновать компоненты, но также в каждом процессе, таком как прокатка и прокаливание, производственные условия ограничиваются, и производство становится трудным.

[0073] Следовательно, в способе компоновки, (1) напряжение текучести стального листа 21 и (2) напряжение текучести связующего слоя 22 задаются таким образом, что деформация стального листа 21 в радиальном направлении ротора 10 минимизируется посредством связующего слоя 22, и деформация стального листа 21 ограничивается, когда ротор 10 вращается с максимальной скоростью вращения, когда транспортное средство движется, и центробежная сила передается от магнита 30 слоистому сердечнику 20. Т.е. напряжение текучести стального листа 21, также как напряжение текучести связующего слоя 22, принимается во внимание. Таким образом, даже когда напряжение текучести стального листа 21 является низким до некоторой степени, возможно ограничивать деформацию стального листа 21 посредством увеличения напряжения текучести связующего слоя 22.

[0074] Здесь, когда прочность стального листа 21 увеличивается, поставщик для поставки ограничивается, и его стоимость также увеличивается. С другой стороны, прочность клея, как правило, имеет положительную корреляцию со стоимостью. Кроме того, также существуют ограничения вследствие производственного оборудования, такие как более высокая температура отверждения, требуемая, когда прочность клея увеличивается.

В способе компоновки, когда напряжение текучести стального листа 21, также как напряжение текучести связующего слоя 22, принимаются во внимание, как описано выше, возможно выбирать оптимальное сочетание стального листа 21 и клея согласно не только стоимости, но также региональным характеристикам и конкурентоспособности. Следовательно, возможно производить ротор 10, который удовлетворяет не только количественным требованиям, но также производственным требованиям.

[0075] Хотя соотношение между прочностью связующего слоя 22 и прочностью стального листа 21 было определено, как описано выше, с помощью конкретного математического выражения, настоящее изобретение не ограничивается такими примерами. Различные измененные примеры или модифицированные примеры, включающие в себя модификации математических выражений, могли быть ясно поняты человеком, который имеет обычное знание в области технологии, к которой настоящее изобретение принадлежит в рамках технической идеи, описанной в формуле изобретения, и естественно понятно, что они также принадлежат техническим рамкам настоящего изобретения.

[0076] Например, хотя пара магнитов 30 формируют один магнитный полюс в роторе 10 в вышеописанном варианте осуществления, настоящее изобретение не ограничивается этим. Один магнит 30 может формировать один магнитный полюс, или три или более магнитов 30 могут формировать один магнитный полюс.

Выражения (1) и (2) могут не удовлетворяться.

Уплотнительная смола 40 может быть опущена. Первый зазор 25 и второй зазор 26 могут быть пропущены.

Краткое описание ссылок с номерами

[0077] 10 Ротор

20 Слоистый сердечник

20a Внешний край

21 Стальной лист

22 Связующий слой

23 Перемычка

24 Сквозное отверстие

30 Магнит

40 Уплотнительная смола.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – минимизация деформации внешней формы ротора при высокой частоте вращения. Заявленный ротор выполнен с внедренным постоянным магнитом и включает в себя слоистый сердечник, имеющий стальные листы, наслоенные друг на друга, и связующий слой для связывания стальных листов, соседних друг с другом в направлении наслоения. Магнит внедряется в слоистый сердечник. Когда ротор вращается со скоростью 11000 об/мин, максимальная величина смещения внешнего края слоистого сердечника ротора в радиальном направлении составляет 0,1 мм или менее. Заявленный ротор применяется в электродвигателе транспортного средства. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 14 ил., 2 табл.

1. Ротор с внедренным магнитом, включенный в движущий электродвигатель транспортного средства, содержащий:

слоистый сердечник, включающий в себя стальные листы, наслоенные друг на друга, и связующий слой, сконфигурированный, чтобы связывать стальные листы, соседние друг с другом в направлении наслоения; и

магнит, внедренный в слоистый сердечник,

при этом, когда ротор вращается со скоростью 11000 об/мин, максимальная величина смещения внешнего края слоистого сердечника в радиальном направлении ротора составляет 0,1 мм или менее, и причем

когда напряжение текучести стального листа предполагается как YP_R (МПа), напряжение текучести связующего слоя предполагается как YP_B (МПа), и максимальная скорость вращения, когда транспортное средство движется, предполагается как ω (об/мин), удовлетворяются следующие выражения (1) и (2):

, и

0,1×YP_R≤YP_B≤10×YP_R (2),

где A=0,105, B=17000, C=17000, D=410 и E=30.

2. Ротор по п. 1, в котором напряжение YP_R текучести каждого из стальных листов составляет 150 МПа или более и 580 МПа или менее.

3. Ротор по п. 1 или 2, в котором магнит размещен в сквозном отверстии, которое проходит через слоистый сердечник в направлении наслоения, и

уплотнительная смола, сконфигурированная, чтобы осуществлять уплотнение между внешней поверхностью магнита и внутренней поверхностью сквозного отверстия, предусмотрена в сквозном отверстии.

4. Способ компоновки ротора с внедренным магнитом, включенного в движущий электродвигатель транспортного средства, в котором ротор включает в себя:

слоистый сердечник, включающий в себя стальные листы, наслоенные друг на друга, и связующий слой, сконфигурированный, чтобы связывать стальные листы, соседние друг с другом в направлении наслоения; и

магнит, внедренный в слоистый сердечник, и

в котором, в способе компоновки, когда ротор вращается с максимальной скоростью вращения, когда транспортное средство движется, напряжение текучести каждого из стальных листов и напряжение текучести связующего слоя задают так, что максимальная величина смещения внешнего края слоистого сердечника в радиальном направлении ротора составляет 0,1 мм или менее, причем, когда напряжение текучести стального листа предполагается как YP_R (МПа), напряжение текучести связующего слоя предполагается как YP_B (МПА), и максимальная скорость вращения предполагается как ω (об/мин), напряжение текучести YP_R стального листа и напряжение текучести YP_B связующего слоя задают так, что удовлетворяются следующие выражения (1) и (2):

,

0,1×YP_R≤YP_B≤10×YP_R (2),

где A=0,105, B=17000, C=17000, D=410 и E=30.

5. Способ производства ротора с помощью способа компоновки ротора по п. 4.