JP2015061328A - 回転電機のロータ - Google Patents

Abstract

【課題】渦電流損失をより効果的に低減できる回転電機のロータを提供する。【解決手段】本発明の回転電機のロータは、ロータコアの外周面近傍部にロータ軸方向に貫通し、かつ、ロータコアの周方向に所定間隔をおいて形成された複数の磁石用スロットに永久磁石１８を挿入固定させている。各磁石用スロットには、前記ロータ軸方向に延びる二つの永久磁石１８が当該磁石用スロットの幅方向に並んで挿入固定されており、前記二つの永久磁石１８は、ロータ軸方向に離間した二カ所以上において、当該二つの永久磁石間を通って当該二つの永久磁石１８の全外周囲に巻かれる二以上の絶縁テープ２０により連結されており、前記二以上の絶縁テープ２０のうち少なくとも一つは、他の絶縁テープ２０と異なる経路を通って巻かれている。【選択図】図４

Description

本発明は、ロータコアの外周面近傍部にロータ軸方向に貫通し、かつ、ロータコアの周方向に所定間隔をおいて形成された複数の磁石用スロットに永久磁石を挿入固定させた回転電機のロータに関する。

従来から、ロータコア内部に複数の永久磁石が埋め込まれてなる永久磁石埋め込み型のロータを有する回転電機が広く知られている。かかる回転電機では、回転電機の駆動に伴い、ロータに埋め込まれた永久磁石に渦電流が発生し、当該渦電流が損失となって回転電機の駆動効率の低下を招くことがあった。さらには、渦電流の発生によって、永久磁石が発熱し、不可逆的な熱減磁が生じることで、永久磁石自体の磁気特性が低下するという問題もあった。

かかる問題を解決するために、永久磁石を複数の分割磁石から形成しておき、この分割磁石を束ねてロータコアに形成された磁石用スロットに挿入固定する技術が提案されている。かかる技術は、例えば、特許文献１，２等に開示されている。

特許文献１では、一つの磁石用スロットに２以上に分割された永久磁石を挿入するにあたって、当該分割された磁石間に、挿入後に厚みが増して、各磁石を磁石用スロットの内壁面に押し付けるシート材を設ける技術が開示されている。また、特許文献２には、一つの磁石用スロットに２以上に分割された永久磁石を、磁石間の隙間が設けられた姿勢で配し、隙間にモールド樹脂材を注入し、分割磁石同士が接触しない姿勢でモールド樹脂にて固定する技術が開示されている。こうした技術によれば、磁石間の密着が防げるため、各磁石に生じる渦電流のループを小さく抑えることができ、渦電流損失や、発熱をある程度抑えることができる。

特開２０１０−１４１９８９号公報 特開２０１３−１６５６２５号公報

しかし、特許文献１，２のいずれでも、永久磁石とロータコア（磁石用スロットの内壁面）との接触は防止されていなかった。そのため、永久磁石で生じる渦電流が、ロータコアを介して、隣接する磁石用スロットに配された別の永久磁石にまで流れてしまい、比較的大きなループの渦電流が生じることがあった。そして、結果として、渦電流損失が大きくなり、回転電機の効率が低下するだけでなく、発熱に起因する磁気特性の低下も招く恐れがあった。

そこで、本発明では、渦電流損失をより効果的に低減できる回転電機のロータを提供することを目的とする。

本発明の回転電機のロータは、ロータコアの外周面近傍部にロータ軸方向に貫通し、かつ、ロータコアの周方向に所定間隔をおいて形成された複数の磁石用スロットに永久磁石を挿入固定させた回転電機のロータであって、各磁石用スロットには、前記ロータ軸方向に延びる二つの永久磁石が当該磁石用スロットの幅方向に並んで挿入固定されており、前記二つの永久磁石は、ロータ軸方向に離間した二カ所以上において、当該二つの永久磁石間を通って当該二つの永久磁石の全外周囲に巻かれる二以上の絶縁テープにより連結されており、前記二以上の絶縁テープのうち少なくとも一つは、他の絶縁テープと異なる経路を通って巻かれている、ことを特徴とする。

本発明によれば、一つの磁石用スロットに挿入される二つの永久磁石の間、および、永久磁石と磁石用スロットの内壁面との間には、必ず、絶縁テープの厚み相当の間隙が維持されることになるから、渦電流のループを小さくすることができ、ひいては、渦電流損失を低減できる。

本発明の実施形態である回転電機のロータの横断面図である。 磁石間、磁石−スロット内壁面間に間隙を保持した場合の渦電流の様子を示す図である。 磁石間、磁石−スロット内壁面間に間隙がない場合の渦電流の様子を示す図である。 一つの磁石用スロットに挿入される二つの永久磁石の斜視図である。 （ａ）は、図４におけるＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）は図４におけるＢ−Ｂ断面図である。 永久磁石をモールド固定する様子を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である回転電機用のロータ１０の横断面図である。ロータ１０は、ロータコア１２と、当該ロータコア１２に埋め込まれる複数の永久磁石１８と、を備えている。ロータコア１２は、ロータ軸方向（図１における紙面垂直方向）に沿って電磁鋼板を積層し、カシめた鋼板積層体から構成され、その中央には、回転軸用スロット１４が形成されている。また、ロータコア１２には、複数の磁石用スロット１６が、周方向に一定間隔で形成されている。磁石用スロット１６は、ロータコア１２を、ロータ軸方向に貫通する貫通孔であり、各磁石用スロット１６には、磁極を構成する永久磁石１８が挿入・固定される。各磁石用スロット１６は、平面視、略長方形であり、隣接する磁石用スロット１６との間で略Ｖ字形を成すように配置されている。ただし、図１に図示した磁石用スロット１６の形状および配置形態は、一例であり、適宜変更されてもよい。例えば、磁石用スロット１６の配置形態は、ロータ１０周方向に沿った円弧形の磁石用スロットが周方向に並ぶアーク形であってもよいし、略長方形の磁石用スロット１６の長辺がロータ径方向に直交するように配置されたブロック形であってもよいし、ロータ１０外周側に向かって開口する略Ｕ字形の磁石用スロット１６が周方向に並ぶＵ字形であってもよい。

各磁石用スロット１６には、二つの永久磁石１８が幅方向に並んで挿入され、固定されている。この永久磁石１８が、回転電機の磁極を構成する。図１に示す例では、略Ｖ字形を構成する二つの磁石用スロット１６に挿入された四つの永久磁石１８で、一つの磁極を構成する。永久磁石１８としては、希土類磁石やフェライト磁石等を用いることができる。各永久磁石１８は、後に詳説するように、磁石用スロット１６の内壁面および隣接する永久磁石１８との間に間隙があるように配置されている。そして、この間隙を維持した状態で、磁石用スロット１６にモールド樹脂を注入することで、永久磁石１８の位置および姿勢がモールド固定されている。

ここで、二つの永久磁石１８の間、および、永久磁石１８と磁石用スロット１６の内壁面との間に、間隙を保つ理由について、図２、図３を参照して説明する。図２は、磁石間および磁石・内壁面間に間隙を保った状態での渦電流の様子を示す図である。また、図３は、磁石同士および磁石・内壁面を接触させた状態での渦電流の様子を示す図である。

周知の通り、回転電機の駆動時にロータ１０がステータに対して回転するのに伴い、ロータ１０の永久磁石１８に入ってくる磁束密度が変化するため、永久磁石１８には渦電流が生じる。特に、ステータコイルが集中巻で巻回されたタイプの回転電機では、この磁束密度の変化が、ステータコイルが分布巻で巻回されたタイプの回転電機よりも大きくなるため、渦電流がより生じやすくなる。渦電流の電流値は、そのループが大きいほど、換言すれば、鎖交磁束面積が大きいほど、大きくなり、ひいては、渦電流損失量、発熱量が大きくなる。かかる渦電流損失、発熱は、回転電機の効率低下を招くだけでなく、熱に起因する永久磁石１８の劣化等も招く恐れがある。

図３に示すように、磁石同士および磁石・内壁面を接触し、互いに導通状態となると、渦電流が、一つの永久磁石１８から隣接する永久磁石１８、さらに、ロータコア１２を通って、隣接する磁石用スロット１６内の永久磁石１８にも流れてしまい、結果として、渦電流のループ（鎖交磁束面積）が大きくなる。そして、渦電流のループが大きいため、渦電流損失が大きくなる。

一方、本実施形態のように、二つの永久磁石１８の間、および、永久磁石１８と磁石用スロット１６の内壁面との間に間隙を保つことで、磁石間および磁石−内壁面間が絶縁される。そのため、図２に示すように、一つの永久磁石１８で生じた渦電流が、他の永久磁石１８やロータコア１２に流れることが無く、渦電流のループ（鎖交磁束面積）が小さくなる。結果として、図２の場合、図３の場合に比して、渦電流損失を小さく抑えることができ、さらに、発熱量も抑えることができる。

しかしながら、従来、二つの永久磁石１８の間、および、永久磁石１８と磁石用スロット１６の内壁面との間に間隙を保つことは困難であった。すなわち、既述した通り、永久磁石１８は、磁石用スロット１６に挿入した後、モールド樹脂を注入・硬化させることで、その位置および姿勢が固定される。換言すれば、永久磁石１８を磁石用スロット１６に、単に挿入しただけの場合、モールド樹脂が硬化するまでは、磁石用スロット１６内で永久磁石１８が自由に動いてしまうことになる。そして、結果として、永久磁石１８が隣接する永久磁石１８や磁石用スロット１６の内壁面に接触し、その状態のままモールド固定されることがある。特に、磁石用スロット１６内にモールド樹脂を射出する際には、射出圧力を受けて、磁石用スロット１６内の永久磁石１８が傾くことが多かった。

そこで、本実施形態では、こうした磁石同士、または、磁石−内壁面間の接触を防止するために、一つの磁石用スロット１６に挿入される二つの永久磁石１８を、予め、絶縁材料からなる絶縁テープ２０により互いに連結・固定している。これについて図４、図５を参照して説明する。図４は、一つの磁石用スロット１６に挿入される二つの永久磁石１８の斜視図であり、図５は、図４におけるＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。

図４に示すように、本実施形態では、二つの永久磁石１８の上端近傍、および、下端近傍にそれぞれ一つずつ、合計二つの絶縁テープ２０を巻き付けている。各絶縁テープ２０は、二つの永久磁石１８の間を通って、二つの永久磁石１８の全外周囲に巻かれている。巻き始めとなる各絶縁テープ２０の一端は、二つの永久磁石１８の間に挟みこまれ、残りの絶縁テープは、一筆書き状に、換言すれば、絶縁テープ２０が二枚重なる部位が生じないように巻き付けられている。

また、本実施形態では、上側の絶縁テープ２０（図５（ａ））と、下側の絶縁テープ２０（図５（ｂ））が、互いに異なる経路を通るように巻き付けられている。図示例では、上側の絶縁テープ２０は、永久磁石１８の間から、内周側（図面下側）に出て、右側磁石の周囲を通った後、左側磁石の周囲を通り、最終的に左側磁石の内周側端面近傍で巻き終わる。一方、下側の絶縁テープ２０は、永久磁石１８の間から、外周側（図面上側）に出て、左側磁石の周囲を通った後、右側磁石の周囲を通り、最終的に右側磁石の外周側端面近傍で巻き終わる。つまり、上側、下側の絶縁テープ２０は、いずれも、反時計回りに巻き付けられているが、異なる経路を通り、最終的に異なる位置で巻き終わっている。なお、ここで例示した巻き方は、一例であり、異なる経路を通るのであれば、他の巻き方でもよい。例えば、下側の絶縁テープ２０は、永久磁石１８の間から、外周側（図面上側）に出たあと、右側磁石の周囲、左側磁石の周囲の順で通るように時計周り方向に巻かれ、最終的に左側磁石の外周側端面近傍で巻き終わってもよい。

ここで、絶縁テープ２０の巻回は、その巻き終わりにおいて解除されやすく、当該巻き終わり近傍においては、永久磁石１８が巻回解除方向であるＫ方向に動きやすくなる。例えば、上側の絶縁テープ２０においては、その巻き終わりであるＱ点近傍において、磁石が内周側に飛び出しやすくなる。しかし、このＱ点は、下側絶縁テープ２０からみれば、巻き終わりではないため、当該下側絶縁テープ２０により永久磁石１８のＫ方向への移動が規制される。同様に、下側絶縁テープ２０の巻き終わりである、Ｒ点近傍は、上側絶縁テープ２０の巻き終わりではないため、Ｒ点近傍における永久磁石１８の動きは、上側絶縁テープ２０により規制される。つまり、ロータ軸方向に離間して巻き付けられた二つの絶縁テープ２０が互いに異なる経路を通るように巻き付け、最終的に、異なる位置で巻き終わるようにすることで、二つの絶縁テープ２０が、互いに、永久磁石１８の動きを規制し合い、絶縁テープ２０の巻回解除を防止しあう。そして、その結果、二つの永久磁石１８の連結状態が、より確実に維持される。

図６は、絶縁テープ２０で連結された永久磁石１８をモールド固定する際の様子を示す図である。図６に示すように、二つの永久磁石１８は、絶縁テープ２０が巻き付けられ、互いに連結された状態で、磁石用スロット１６に挿入される。その後、ロータ１０は、モールド金型２２にセットされ、注入口２２ａから磁石用スロット１６にモールド樹脂が射出注入される。

このとき、二つの永久磁石１８の間、および、永久磁石１８と磁石用スロット１６の内壁面との間には、必ず、絶縁テープ２０が介在することになる。その結果、永久磁石１８が、磁石用スロット１６に射出されるモールド樹脂の射出圧力を受けても、二つの永久磁石１８の間、および、永久磁石１８と磁石用スロット１６の内壁面との間には、必ず、絶縁テープ２０の厚み相当の間隙が維持されることになる。つまり、事前に、二つの永久磁石１８の全外周囲に絶縁テープ２０を巻き付けて連結し、ユニット化しておくことで、磁石用スロット１６内で、間隙を保つように永久磁石１８の姿勢を維持するための工程が不要となり、永久磁石１８を簡易にモールド固定することが可能となる。そして、結果として、渦電流のループを小さくすることができ、渦電流損失や発熱量を低く抑えることができ、回転電機の効率向上、永久磁石１８の寿命増加が可能となる。

また、本実施形態では、絶縁テープ２０を、ロータ軸方向に離間した二カ所にのみ設けている。そのため、永久磁石１８の全外表面を絶縁テープ（絶縁シート）で覆う場合に比べて、絶縁テープ２０の使用量を低減することができ、製造コストをより低減できる。なお、当然ながら、一組の永久磁石１８に巻回される絶縁テープ２０の個数は、二つに限定されず、より多数であってもよい。

１０ ロータ、１２ ロータコア、１４ 回転軸用スロット、１６ 磁石用スロット、１８ 永久磁石、２０ 絶縁テープ、２２ モールド金型、２２ａ 注入口。

Claims (1)

1. ロータコアの外周面近傍部にロータ軸方向に貫通し、かつ、ロータコアの周方向に所定間隔をおいて形成された複数の磁石用スロットに永久磁石を挿入固定させた回転電機のロータであって、
   各磁石用スロットには、前記ロータ軸方向に延びる二つの永久磁石が当該磁石用スロットの幅方向に並んで挿入固定されており、
   前記二つの永久磁石は、ロータ軸方向に離間した二カ所以上において、当該二つの永久磁石間を通って当該二つの永久磁石の全外周囲に巻かれる二以上の絶縁テープにより連結されており、
   前記二以上の絶縁テープのうち少なくとも一つは、他の絶縁テープと異なる経路を通って巻かれている、
   ことを特徴とする回転電機のロータ。

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