JP2011109774A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、ロータをステータに挿入する組立作業時に、ロータの表面がモールド部に接触した場合により生じるリングの損傷は、低減される回転電機を提供する。
【解決手段】この発明に係る永久磁石型同期電動機は、シャフトと、このシャフトに設けられたロータコア６、このロータコア６に設けられた永久磁石７、及び周面を覆って設けられ炭素繊維強化プラスチックで構成されたリング８を有するロータ２と、複数のティース１５を有するステータコア３、隣接したティース１５間に形成されたスロットに設けられたコイル４及びコイル４のコイルエンドを覆ったモールド部５を含むステータ１とを備え、モールド部５は、少なくともロータ２と対向する側の面がステータコア３よりも低硬度である材料で構成されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、永久磁石が設けられたロータコアの外周をＦＲＰ（繊維強化プラスチック）で覆ったロータを備えた回転電機に関する。

これまで工作機械の主軸用モータとしては、安価で運転速度範囲が広い誘導電動機が用いられてきた。しかし、小型化、高出力化のニーズが高まり、誘導電動機に対してより出力が向上可能である永久磁石型同期電動機（以下、ＰＭモータと呼ぶ）の適用が進められている。
ＰＭモータはそのロータの構造上、永久磁石をロータの外周面に配置したＳＰＭ(Surface Permanent Magnet)モータと、内部に配置したＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)モータとに大別される。

工作機械の主軸用モータのように高速回転が必要な場合、ＩＰＭモータでは永久磁石を保持するために、ロータコアの外周面と矩形状をした永久磁石のコーナ部との間のロータブリッジ部分の強度を確保することが必要である。
つまり、高速回転に対応したＩＰＭモータでは、ロータブリッジ部分の厚みが大きくなり、永久磁石はロータコアの内部深くに埋め込まれることとなる。このことにより、永久磁石からの磁束量のうち、ロータコア側に迂回する磁束量が多くなって漏れ磁束が増加し、トルクが減少する。
また、永久磁石がロータコアの内部深くに埋め込まれても、モータ特性を確保するためにはロータコアバックの厚みを埋め込み深さが浅い場合と同じだけ確保する必要がある。 従って、この場合、シャフトが嵌入するロータの内径寸法が小さくなるため、主軸モータに適用する場合にはチャック径が小さくなり、把持できる工具の自由度が減少する。このことから、ＩＰＭモータは高速回転に不向きである。

一方、ＳＰＭモータは、永久磁石がロータコアの外周面に接着剤で固定されているため、インダクタンスが小さくなり、高速な電流応答が得られ、トルクの線形性もよい。
ただし、ＳＰＭモータで高速回転させる場合、外周面に配置した永久磁石に大きな遠心力が働くため、その遠心力によって、ロータコアから永久磁石が脱落、破損しないように、永久磁石をロータコアに確実に固定しなければならない。
その永久磁石の固定方法の１つとして、永久磁石の外周にＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics 炭素繊維強化プラスチック）を覆ったリングで固定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−３１２２５０号公報

ＰＭモータは、永久磁石を使用しているため、ステータ内にロータを挿入する組立作業時に必ずステータとロータとの間で磁気吸引力が発生する。
そして、上記特許文献１のように永久磁石の外周がＣＦＲＰで覆ったリングで固定されたロータがステータに吸引されると、ステータコアとリングとが接触した際にリングの表面が損傷し、リングの強度が低下するおそれがあるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、ロータをステータに挿入する組立作業時に、ロータの表面がモールド部に接触した場合により生じるリングの損傷が低減される回転電機を提供する。

この発明に係る回転電機は、シャフトと、このシャフトに設けられたロータコア、このロータコアに設けられ磁極を形成する永久磁石、及び周面を覆って設けられ繊維強化プラスチックで構成されたリングを有するロータと、このロータの外側に設けられ、周方向に間隔をあけて形成されているとともに径内側方向に突出した複数のティースを有するステータコア、隣接した前記ティース間に形成されたスロットに設けられたコイル及び前記ステータコアの両端面から軸線外側方向にそれぞれ突出した前記コイルのコイルエンドを覆った一対のモールド部を含むステータとを備えた回転電機であって、
前記モールド部は、少なくとも前記ロータと対向する側の面が前記ステータコアよりも低硬度である材料で構成されている。

この発明に係る回転電機によれば、モールド部は、ロータと対向する側の面がステータコアよりも低硬度である材料で構成されているので、ロータをステータに挿入する組立作業時に、ロータの表面がモールド部に接触した場合により生じるリングの損傷は、低減される。

この発明の実施の形態１における永久磁石型同期電動機（除くシャフト）の正断面図である。 図１の永久磁石型同期電動機の側断面図である。 この発明の実施の形態１における永久磁石型同期電動機の変形例を示す正断面図である。 この発明の実施の形態２における永久磁石型同期電動機（除くシャフト）の側断面図である。 この発明の実施の形態３における永久磁石型同期電動機（除くシャフト）の側断面図である。 この発明の実施の形態４における永久磁石型同期電動機（除くシャフト）の側断面図である。 この発明の実施の形態５における永久磁石型同期電動機（除くシャフト）の側断面図である。 この発明の実施の形態６における永久磁石型同期電動機（除くシャフト）の側断面図である。 この発明の実施の形態７における永久磁石型同期電動機（除くシャフト）の正断面図である。 この発明の実施の形態８における永久磁石型同期電動機（除くシャフト）の正断面図である。

以下、この発明の各実施の形態の永久磁石型同期電動機を図に基づいて説明するが、各図において、同一または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１を示す永久磁石型同期電動機（以下、電動機と略称する。）の正断面図、図２は、図１の電動機の側断面図である。
回転電機である電動機は、シャフト（図示せず）が中心部を貫通したロータ２と、このロータ２を空隙を介して囲って設けられたステータ１とを備えている。
シャフトとともに回転するロータ２は、ロータコア６と、このロータコア６の表面にスペーサ１０を介して配設され４個の永久磁石７と、ロータコア６の表面に接着剤で固定された円弧状の各永久磁石７及びスペーサ１０の表面を覆いＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics炭素繊維強化プラスチック）で構成されたリング８とを備えている。隣接する永久磁石７は、互いに異極となるように着磁されている。

このリング８は、高速回転時に遠心力で永久磁石７が飛散するのを防止し、永久磁石７をロータコア６に確実に固定させるものである。
リング８は、フィラメントワインディング製法等を用いて永久磁石７の外周面に炭素繊維で構成された細線を複数回巻回し、樹脂を含浸させて形成される。
なお、予め円形に成形したＦＲＰリング８をロータコア６に嵌め込んでもよい。
リング８を構成する材質は、ＣＦＲＰに限定されるものではなく、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastics ガラス繊維強化プラスチック）でもよく、その他の繊維を用いてもよい。

スペーサ１０は、隣接した永久磁石７間に配置することで、隣接した永久磁石７間に対面したリング８の部位での応力集中を緩和する。
スペーサ１０の材質は鉄等の磁性体でもアルミニウムやＧＦＲＰのような非磁性体でもよい。
また、スペーサ１０を用いずに、ＦＲＰの樹脂の主剤を永久磁石７間に充填してもよい。
また、スペーサとロータコアとを一体的に形成することで部品点数を削減するようにしてもよい。
さらに、隣接した永久磁石７間のリング８に対する応力集中が問題にならない程小さい場合には、スペーサを削除してもよい。

上記ステータ１は、周方向に等分間隔をあけて形成されているとともに径内側方向に突出したティース１５を有するステータコア３と、隣接したティース１５間に形成されたスロットに設けられたコイル４と、ステータコア３の両端面からそれぞれ軸線外側方向に突出した、コイル４のコイルエンドを覆ったモールド部５とを備えている。この両モールド部５は、スロット内部に充填され、モールド部５と同一材料で構成された繋ぎ部を通じて連結している。

ステータコア３は、複数の薄板鋼板を積層して構成されているが、磁気的特性を向上させた複数の電磁鋼板を積層してもよい。
モールド部５は、内径面がステータコア３の内径面と同一面上に形成されている。
また、モールド部５は、例えば、ビッカース硬さが１２Ｈｖ程度であるエポキシ樹脂で構成されており、この硬度は、ビッカース硬さが１００Ｈｖ程度の純鉄、ビッカース硬さが２００Ｈｖ程度の電磁鋼板と比較して低い。即ち、モールド部５は、ステータコア３よりも低硬度である。
なお、モールド部５は、ビッカース硬さが２０Ｈｖ程度であるビニルエステルで構成してもよい。
モールド部５の硬度は、ステータコア３よりも低硬度であり、さらにリング８の硬度と同等またはそれ以下であることが望ましい。

この実施の形態による電動機によれば、モールド部５の内径面がステータコア３の内径面と同一面で形成されているので、ステータ１内にロータ２を挿入する組立作業時に、ロータコア６との接触で最も傷が付き易いステータコア３の軸線方向端部のコーナ部に、ロータコア６が接触するのを防止することができる。
また、リング８を構成するＣＦＲＰは繊維と直交する方向の耐衝撃性が低く、また硬度がステータコア３に用いられる薄板鋼板、電磁鋼板よりも低いため、ステータコア３とリング８とが接触した際にリング８の表面が損傷し易いものの、リング８がステータコア３と接触しにくいため、ステータコア３との接触によるリング８の強度低下を防止することができる。
また、この実施の形態では、モールド部５は、ステータコア３を構成する薄板鋼板、電磁鋼板よりも低硬度であるエポキシ樹脂で構成されているので、ロータ２をステータ１に挿入する組立作業時にロータ２のリング８がモールド部５に接触しても、リング８の損傷は生じにくい。
また、モールド部５の材料が、リング８の構成部材であるＣＦＲＰの硬度と同等以下であれば、接触の際のリング８の損傷はさらに低減される。

なお、図３に示すように、モールド部５は、内径寸法がステータコア３の内径よりも小さくし、ティース１５間に形成されたスロット内部を通じてモールド部５同士を連結した繋ぎ部１６の内径面をモールド部５の内径面と同一面上に形成するようにしてもよい。
このものの場合、ステータコア３の内壁面の全域が繋ぎ部１６で覆われており、組立作業時にロータ２のリング８が直接ステータコア３に接触することはなく、組立作業時のリング８の損傷は防止される。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２の電動機を示す側断面図である。なお、この図において、シャフトは省略されている。
この実施の形態では、モールド部５のうち、軸線方向の外側であって内径部１７は、円弧状に形成されている。
具体的には、ステータコア３の端面から軸線外側方向に突出したコイル４のコイルエンドを保護するために、モールド部５は、内径部１７がコイルエンド形状に沿って形成され、肉厚が最小部で２ｍｍ程度である。
他の構成は、実施の形態１の電動機と同じである。

コイルエンドにモールド部５を形成することで、熱伝導率が空気の０．０２Ｗ／ｍ・Ｋから例えばエポキシ樹脂の０．２Ｗ／ｍ・Ｋと約１０倍も増加し、コイル４の放熱性が向上する。
主軸電動機の冷却は、一般的にステータ１の外側で行うことが多く、ステータ１を覆ったフレーム内の空冷もしくは油冷の冷却機構に熱を伝えることが必要である。
一方で、発熱体であるステータ１で囲まれたロータ２についてはできるだけ温度上昇を小さく抑えることが必要となる。

この実施の形態の電動機によれば、モールド部５のうち、軸線方向の外側であって内径部１７は、円弧状に形成されているので、ロータ２内を貫通したシャフトとモールド部５との径方向の距離が大きくなるので、実施の形態１のものと比較して、モールド部５とシャフトとの間の熱抵抗が大きくなり、モールド部５からの熱がシャフトを通じてロータ２に伝達される熱量を小さく抑え、ロータ２の温度上昇を抑えることができる。
また、モールド部５の使用量が低減するため、製造コストを下げることができる。
さらに、モールド部５の内径部１７は円弧状で曲線状となっており、鋭角ではないので、ロータ２のリング８の表面とモールド部５とが接触した場合でも、リング８は損傷しにくい。
なお、モールド部５の内径部１７を面取り加工しても、シャフトとモールド部５との径方向の距離が増加し、ロータ２の温度上昇を小さく抑えることができる。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３の電動機を示す側断面図である。なお、この図において、シャフトは省略されている。
この実施の形態では、ステータコア３の軸線方向の端部であって内径部には、面取り部１８が形成されている。この面取り部１８を形成することで生じた空隙部には、モールド部５の一部が充填されている。
この面取り部１８は面取り範囲が広いと、ステータコア３の軸方向端部の空隙が大きくなりトルクが低下するため、面取り範囲はステータコア３の軸線方向の長さ１％以下とするのが望ましい。
他の構成は、実施の形態１の電動機と同じである。

この実施の形態の電動機によれば、ステータコア３の内径部には、面取り部１８が形成されている。従って、ステータコア３の内径部近傍のモールド部５の一部が欠落し、ステータコア３の内径部の一部が露出し、この状態でロータ２をステータ１に挿入する組立作業を行った際、ロータ２がステータコア３の内径部に接触しても、ロータ２の損傷は生じにくい。
なお、面取り部１８は必ずしも直線状でなくてよく、曲線であってもよい。

実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４の電動機を示す側断面図である。なお、この図において、シャフトは省略されている。
この実施の形態では、モールド部は、ロータと対向する側に設けられた低硬度モールド部５Ｂと、この低硬度モールド部５Ｂよりも径方向外側であってコイルエンドを覆って設けられ低硬度モールド部５Ｂよりも放熱性が大きな放熱性モールド部５Ａとから構成されている。
低硬度モールド部５Ｂは、例えばエポキシ樹脂で構成されている。
放熱性モールド部５Ａは、例えばアルミナ粉末を混ぜたエポキシ樹脂で構成されている。
他の構成は、図３に示した電動機と同じである。

このモールド部は、低硬度モールド部５Ｂと放熱性モールド部５Ａとの２層構造であり、以下、このモールド部の製造方法について説明する。
先ず、例えばティースの先端部側に樹脂が流れ込まない、放熱性モールド部５Ａを形成する第１の型をコイル４が装着されたステータコア３に嵌着する。次に、この第１の型にアルミナ粉末を混ぜたエポキシ樹脂を充填し、放熱性モールド部５Ａを形成する。この後、この第１の型をステータコア３から抜き取る。
次に、低硬度モールド部５Ｂを形成する、第１の型よりも内径の小さい第２の型にエポキシ樹脂を充填し、低硬度モールド部５Ｂを形成する。

この他のモールド部の製造方法としては、予め製造された、ティース先端部に嵌め込むことが可能なリング状の低硬度モールド部５Ｂを、コイル４が装着されたステータコア３に嵌着する。
次に、放熱性モールド部５Ａを形成する型をステータコア３に嵌着し、この型にアルミナ粉末を混ぜたエポキシ樹脂を充填し、放熱性モールド部５Ａを形成する。
この製造方法では、低硬度モールド部５Ｂが放熱性モールド部５Ａ用の型の一部を構成している。

この実施の形態の電動機によれば、モールド部は、ロータと対向する側に低硬度モールド部５Ｂが設けられているので、ロータ２をステータ１に挿入する組立作業時にロータ２のリング８が低硬度モールド部５Ｂに接触しても、リング８の損傷は生じにくい。
また、この低硬度モールド部５Ｂよりも径方向外側には放熱性モールド部５Ａが設けられているので、ステータ１の放熱性が向上する。

実施の形態５．
図７は、この発明の実施の形態５の電動機を示す側断面図である。なお、この図において、シャフトは省略されている。
この実施の形態では、放熱性モールド部５Ａの外側にアルミニウム製のカバー１１が設けられている。
このカバー１１は、断面直角に折曲されており、カバー１１の外周面とステータコア３の外周面とは、同一面である。
カバー１１は、低硬度モールド部５Ｂ及び放熱性モールド部５Ａで構成されたモールド部が形成された後に取付けてもよい。また、カバー１１をステータコア３に取付けた状態でモールド部を形成するようにしてもよい。
後者の方がカバー１１とモールド部との密着性がよく、またカバー１１をモールド部用の型の一部を兼ねることができる利点もある。
他の構成は、実施の形態４の電動機と同じである。

この実施の形態の電動機では、放熱性モールド部５Ａは、放熱性モールド部５Ａよりも熱伝導性が高いカバー１１で覆われているので、モールド部とステータ１を囲ったフレームとの間の熱抵抗が小さくなり、実施の形態４の電動機と比較してステータ１の放熱性がさらに向上する。

実施の形態６．
図８は、この発明の実施の形態６の電動機を示す側断面図である。なお、この図において、シャフトは省略されている。
この実施の形態では、リング８の軸線方向の両端面は、リング８の端部の剥離を防止する円環状の剥離防止部材１２で覆われている。この剥離防止部材１２は、ロータコア６の両側端部の周面に接着されている。
この剥離防止部材１２の材質は、鉄等の磁性体でも、ＳＵＳやアルミニウム、ＧＦＲＰのような非磁性体でもよいが、磁性体の場合剥離防止部材に永久磁石７の磁束が漏れてトルクが低下する原因となるため、非磁性体の方が望ましい。
他の構成は、図３に示した電動機と同じである。

この実施の形態の電動機によれば、組立作業でステータ１内にロータ２を挿入する際に、リング８の端部がステータコア３の内側と部分的に接触してリング８の端部が剥離するのを防止することができる。
また、永久磁石７をロータコア６に接着する際に、どちらか一方の剥離防止部材１２に押し付けて接着することで、永久磁石７の軸線方向の接着位置のばらつきを抑えることができる。
なお、剥離防止部材１２は、ロータコア６の両側端部に必ずしも設ける必要性はなく、ステータ１内にロータ２を挿入する側の端部にだけ設けるようにしてもよい。

実施の形態７．
図９は、この発明の実施の形態７の電動機を示す側断面図である。なお、この図において、シャフトは省略されている。
この実施の形態では、ロータ２Ａは、断面正方形状のロータコア６Ａと、このロータコア６Ａに接着された平板である永久磁石７Ａと、この永久磁石７Ａに接着された蒲鉾形状のキャップ１３と、隣接した永久磁石７Ａ間に配設され、永久磁石７Ａと協同して円周壁面を形成したスペーサ１０Ａと、この円周壁面を覆ったリング８とを備えている。
キャップ１３は鉄等の磁性体でも、ＧＦＲＰのような非磁性体でもよい。
キャップ１３を磁性体で構成した場合は、非磁性体と比較して空隙磁束密度の高調波成分を減らしてコギングトルクやトルクリップルを低減可能である。
キャップ１３を非磁性体で構成した場合は、一般的に磁性体より比重が小さいため、高速回転時にキャップ１３に加わる遠心力が小さくリング８を薄くすることができる。
他の構成は、図１に示した電動機と同じである。

この実施の形態の電動機によれば、加工コストが安価な平板の永久磁石７Ａを用いることで製造コストを低減することができるとともに、この永久磁石７Ａに蒲鉾状のキャップ１３を接続することで、リング８への応力集中を抑制することができる。

実施の形態８．
図１０は、この発明の実施の形態８の電動機を示す側断面図である。なお、この図において、シャフトは省略されている。
実施の形態１から７の電動機は、所謂ＳＰＭモータであったが、この実施の形態の電動機は、所謂ＩＰＭモータである。
この実施の形態では、ロータ２Ｂは、軸線方向に延びた穴１４がそれぞれ対向して４箇所に形成されたロータコア６Ｂと、隣接した穴１４に互いに異極となるように挿入された平板である永久磁石７Ａと、ロータコア６Ｂの円周壁面を覆ったリング８とを備えている。
他の構成は、図１に示した電動機と同じである。

この実施の形態の電動機によれば、ロータコア６Ｂのブリッジ部に加わる永久磁石７Ａからの遠心力をリング８によって支えることができる。つまり、ブリッジ部を薄くすることが可能となり、漏れ磁束を低減して十分なトルクを確保することができる。

なお、上記各実施の形態では、４極、２４ティースの電動機について説明したが、勿論この発明は、何れの極数・ティース数の組み合わせであってもよい。
また、回転電機として、永久磁石型同期電動機の場合について説明したが、この発明は、永久磁石型発電機にも適用できる。

１ ステータ、２，２Ａ，２Ｂ ロータ、３ ステータコア、４ コイル、５ モールド部、５Ａ 放熱性モールド部、５Ｂ 低硬度モールド部、６，６Ａ，６Ｂ ロータコア、７，７Ａ 永久磁石、 ８ リング、１０，１０Ａ スペーサ、１１ カバー、１２ 剥離防止部材、１３ キァップ、１４ 穴、１５ ティース、１６ 繋ぎ部、１７ 内径部、１８ 面取り部。

Claims (11)

1. シャフトと、
   このシャフトに設けられたロータコア、このロータコアに設けられ磁極を形成する永久磁石、及び周面を覆って設けられ繊維強化プラスチックで構成されたリングを有するロータと、
   このロータの外側に設けられ、周方向に間隔をあけて形成されているとともに径内側方向に突出した複数のティースを有するステータコア、隣接した前記ティース間に形成されたスロットに設けられたコイル及び前記ステータコアの両端面から軸線外側方向にそれぞれ突出した前記コイルのコイルエンドを覆った一対のモールド部を含むステータとを備えた回転電機であって、
   前記モールド部は、少なくとも前記ロータと対向する側の面が前記ステータコアよりも低硬度である材料で構成されていることを特徴とする回転電機。
2. 前記モールド部は、内径寸法が前記ステータコアの内径寸法と等しいことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 一対の前記モールド部は、内径寸法が前記ステータコアの内径よりも小さく、前記スロットに充填されて両モールド部を繋ぐ繋ぎ部は、前記ステータコアの内壁面を覆っていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
4. 前記モールド部は、軸線方向の外側であって内径部が円弧状または面取りされていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の回転電機。
5. 前記ステータコアは、軸線方向の端部であって内径部に面取り部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
6. 前記モールド部は、前記ロータと対向する側に設けられた低硬度モールド部と、この低硬度モールド部よりも径方向外側であって前記コイルエンドを覆って設けられ低硬度モールド部よりも放熱性が大きな放熱性モールド部とから構成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の回転電機。
7. 前記モールド部は、前記ロータと対向する側と反対側がモールド部よりも熱伝導性が高いカバーで覆われていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の回転電機。
8. 前記リングの軸線方向の端面は、前記リングの端部の剥離を防止する剥離防止部材で覆われていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の回転電機。
9. 前記ロータは、断面正方形状の前記ロータコアと、このロータコアに接着された平板である前記永久磁石と、この永久磁石に接着された蒲鉾形状のキャップと、このキャップを覆ったリングとを備えていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の回転電機。
10. 前記ロータは、軸線方向に延びた穴がそれぞれ形成されたロータコアと、隣接した前記穴に互いに異極となるように挿入された平板である永久磁石と、前記ロータコアの円周壁面を覆った前記リングとを備えていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の回転電機。
11. 前記回転電機は、永久磁石型同期電動機である請求項１乃至１０の何れか１項に記載の回転電機。

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