JP2015106946A - 回転電機ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】渦電流損失を低減できる回転電機ロータを提供する。【解決手段】回転電機ロータ１０は、ロータコア１４の各磁極に対応してそれぞれ設けられる２つの磁石挿入孔１８，２０と、各磁石挿入孔１８，２０の幅方向に複数個に分割されて磁石挿入孔１８，２０に配置される磁石組２２，２４と、各磁石組２２，２４の長手方向の一方の端部を覆う絶縁テープ４０，４２を備え、隣接する磁石挿入孔１８，２０において、磁石組２２，２４の絶縁テープ４０，４２で覆われる端部の向きを異ならせる。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機ロータに係り、特に磁石挿入孔に磁石が挿入される回転電機ロータに関する。

回転電機ロータとして、外周側の周方向に沿って配置される複数の磁石挿入孔にそれぞれ磁石を埋め込んで磁極を形成するものがある。変動する外部磁界が磁石に印加されると磁石表面に渦電流が生じ損失となる。そこで、渦電流損失を低減させるために磁石を複数に分割し、渦電流を小さなループに分けることが行われる。しかし、分割された磁石が互いに電気的に接触すると渦電流が小さく分割されない。

そこで、特許文献１には、幅方向に分割した２つの磁石をロータの１つの磁石挿入孔に挿入する構造において、２つの磁石が互いに接触しないように磁石挿入孔を大きめにし、２つの磁石の周囲に樹脂が充填されるようにすることが述べられている。

特許文献２には、軸方向に分割した複数の磁石のそれぞれを電気的絶縁シートで形成した複数の袋のそれぞれに分けて収納することが述べられている。この複数の袋に分けられた複数の磁石をロータの磁石挿入孔に挿入することで、磁石の割れ、欠けを防止しながら渦電流損を低減することが述べられている。

関連する技術として、特許文献３には、２枚のプラスチックシートの間に粘着剤を挟んだ積層シートを用いて磁石をロータの磁石挿入孔に固定することが開示されている。積層シートは適当な弾性を有し、これによって、回転電機が振動しても十分な保持強度を得られると述べている。

特開２０１３−１６５６２５号公報 特開２００９−２１９３１４号公報 特開２００４−１０４９６６号公報

磁石挿入孔に配置された磁石がロータを構成するロータコアと接触することで隣接する磁石挿入孔に配置される磁石の間がロータコアを介して電気的に短絡することが生じ得る。その場合に、隣接する磁石挿入孔に配置される磁石の間に、ロータコアを介した大きな渦電流ループが形成され、せっかく磁石を分割しても渦電流損失が低減されない。

特許文献１から３に記載されるような従来技術を用いれば、ロータコアを介した電気的短絡が防げるが、いずれの従来技術も手間がかかり、コストが高くなる。

本発明の目的は、簡単な方法で渦電流損失を低減できる回転電機ロータを提供することである。

本発明に係る回転電機ロータは、ロータコアの各磁極に対応してそれぞれ設けられる２つの磁石挿入孔と、各磁石挿入孔の幅方向に複数個に分割されて磁石挿入孔に配置される磁石組と、各磁石組の長手方向の一方の端部を覆う絶縁テープと、を備え、隣接する磁石挿入孔において、磁石組の絶縁テープで覆われる端部の向きを異ならせることを特徴とする。

上記構成によれば、隣接する磁石挿入孔に配置される磁石組は、絶縁テープで覆われる端部の向きが互いに異なる。例えば、磁石挿入孔に挿入された状態において、磁石組の長手方向の両端部を一方端部と他方端部と呼ぶとすると、一方の磁石挿入孔に配置される磁石組の一方端部を絶縁テープで覆い、他方の磁石挿入孔に配置される磁石組の他方端部を絶縁テープで覆う。

このようにすることで、隣接する磁石挿入孔の間において、他方の磁石挿入孔に配置される磁石組の一方端部がロータコアに接触しても、一方の磁石挿入孔に配置される磁石組の一方端部が絶縁テープで覆われているので、２つの磁石組の一方端部側はロータコアを介して電気的に短絡しない。同様に、一方の磁石挿入孔に配置される磁石組の他方端部がロータコアに接触しても、他方の磁石挿入孔に配置される磁石組の他方端部が絶縁テープで覆われているので、２つの磁石組の他方端部側はロータコアを介して電気的に短絡しない。これによって、２つの磁石挿入孔に跨る大きな渦電流ループの形成を防ぐことができ、絶縁テープで覆う手間を最小にして、渦電流損失を低減することが可能になる。

本発明に係る実施の形態の回転電機ロータの構成を示す図である。（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の１つの磁極Ａの磁石部分の斜視図である。 本発明に係る実施の形態の回転電機ロータにおいて、磁石挿入孔に樹脂が充填されるときに、磁石挿入孔に配置される磁石組の長手方向の一方の端部がロータコアに接触することを示す断面図である。 本発明に係る実施の形態の回転電機ロータの作用効果を従来技術と比較して示す図である。 他の２つの実施例を示す図である。

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。以下に述べる寸法、形状、材質、磁極の極数、磁石組の分割数等は、説明のための例示であって、回転電機ロータの仕様等により、適宜変更が可能である。また、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。

図１は、車両に搭載される回転電機に用いられる回転電機ロータ１０の構成を示す図である。以下では、回転電機ロータ１０を特に断らない限り、ロータ１０と呼ぶ。図１（ａ）は、ロータ１０の軸方向から見た断面図である。（ｂ）は、１つの磁極Ａの磁石部分を抜き出して示す斜視図である。図１には、ロータ１０の周方向θ、径方向Ｒ、軸方向Ｚを示した。

ロータ１０が用いられる回転電機は、車両の駆動源として用いる場合、車両が力行するときは電動機として機能し、車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相同期型回転電機である。回転電機は、図１に示されるロータ１０と、ロータ１０の外周側に所定の隙間を隔てて配置されて巻線コイルが巻回される円環状のステータとで構成される。図１ではステータの図示を省略した。

ロータ１０は、回転軸１２と、ロータコア１４と、ロータコア１４に設けられる複数の磁石挿入孔１８，２０と、各磁石挿入孔１８，２０にそれぞれ配置される磁石組２２，２４を含んで構成される。ロータ１０が回転電機に用いられるときには、ロータコア１４と一体化された回転軸１２の軸方向の両端が軸受によって回転自在に支持され、図示されていないステータと協働してロータコア１４と共に回転軸１２が回転する。このように、回転電機においては、回転軸１２がトルクを出力する出力軸となる。

ロータコア１４は、所定枚数の磁性体薄板１６（図２参照）を積層した積層体である。積層体は、回転軸１２の外形を通す中心穴と、複数の磁石挿入孔１８，２０とを含んで、磁性体薄板のシートを所定の形状に成形された円環状の磁性体薄板１６を積層したものが用いられる。成形には、例えば打ち抜き加工等を用いることができる。磁性体薄板１６としては、電磁鋼板を用いることができる。

ロータコア１４を磁性体薄板１６の積層体とするのは、ロータコア１４に生じ得る渦電流を抑制するためで、所定の形状に成形される前の磁性体薄板のシート体の両面には絶縁コート等の絶縁処理が施される。これによって、積層された各磁性体薄板１６の間が電気的に絶縁され、外部変動磁界により発生し得る渦電流を小さなループに分割できるので、渦電流損失を抑制することができる。なお、打ち抜かれた磁石挿入孔１８，２０等の内壁面は絶縁コーティング等が除かれてしまうので、導電性の磁性体薄板１６が露出している。

磁石挿入孔１８，２０は、ロータコア１４の外周側に所定の配置で複数配置され、ロータ１０の各磁極を形成する磁石を埋め込んで配置するための孔で、平面図で略長方形の形状を有する。略長方形の形状の長辺に沿った方向を幅方向と呼ぶ。図１の例では、磁極数が８であり、各磁極当り、所定の傾斜角度を有して略Ｖ字形に配置され、Ｚ方向に貫通する２つの磁石挿入孔１８，２０が用いられる。

磁石組２２，２４は、磁石挿入孔１８，２０にそれぞれ配置され、ロータ１０の磁極を形成する磁石である。磁石組と呼ぶのは、１つの磁石をその幅方向に幅方向に複数個に分割し、その複数個を分割前の形状のように組み合わせて、１つの磁石挿入孔に配置されるためである。図１（ｂ）の例では、磁石挿入孔１８には、２つに分割された分割磁石２６，２８が１つの磁石組２２として配置され、磁石挿入孔２０には、２つに分割された分割磁石３０，３２が１つの磁石組２４として配置される。

１つの磁石挿入孔に配置される磁石を幅方向に分割するのは、外部からの変動磁界により磁石に発生する渦電流のループを小さく分割して、渦電流損失を低下させるためである。

１つの磁極では、２つの磁石挿入孔１８，２０が略Ｖ字形に配置されているので、これに対応して、２つの磁石組２２，２４も略Ｖ字形に配置される。１つの磁極を形成する２つの磁石組２２，２４は、図示されていないステータに向かい合う外周側の面の極性が共にＮ極またはＳ極である。隣接する磁極の間ではその極性が互いに逆になる。例えば、図１（ａ）の磁極Ａは、外周側の面の極性がＮ極であるので、これに隣接する磁極の磁石組は、その外周側の面の極性がＳ極となるように配置される。

かかる磁石組２２，２４の材質としては、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石、サマリウムとコバルトを主成分とするサマリウムコバルト磁石等の希土類磁石が用いられる。これ以外にフェライト磁石、アルニコ磁石等を用いてもよい。なお、磁石組２２，２４は、表面に絶縁コーティングなどの電気的絶縁処理が施されていない。これにより、絶縁コーティング処理等の手間を省き、コストを低減できる。

図１（ｂ）に示される絶縁テープ４０，４２は、各磁石組２２，２４を構成する複数の分割磁石を連結して、磁石挿入孔１８，２０に挿入しやすくすると共に、各磁石組２２，２４とロータコア１４との間を電気的に絶縁するテープである。磁石組２２，２４の端部を覆う方法としては、絶縁テープ４０，４２に接着剤等を用いて貼付する方法を用いることができる。また、絶縁テープ４０，４２のそれぞれの片面に予め接着剤を塗布してもよい。

絶縁テープ４０，４２は、磁石組２２，２４の外周面の全てに配置されるのでなく、磁石組２２，２４の長手方向の一方の端部を覆うように部分的に配置される。これにより、絶縁テープ４０，４２を磁石組２２，２４に配置するための手間を少なくでき、絶縁テープ４０，４２の使用量を削減できる。

ここで、隣接する磁石挿入孔１８，２０において、磁石組２２，２４の絶縁テープ４０，４２で覆われる端部の向きを異ならせるようにする。図１（ｂ）の例では、磁石挿入孔１８に配置される磁石組２２は、＋Ｚ方向の端部を絶縁テープ４０で覆い、磁石挿入孔２０に配置される磁石組２４は、−Ｚ方向の端部を絶縁テープ４０で覆う。

図１（ｂ）に示されるように、＋Ｚ方向の端部が絶縁テープ４０で覆われた磁石組２２と、−Ｚ方向の端部が絶縁テープ４２で覆われた磁石組２４とは、同じもので、磁石挿入孔１８，２０に挿入される向きが逆であるだけである。すなわち、隣接する磁石挿入孔１８，２０において、磁石組２２，２４の絶縁テープ４０，４２で覆われる端部の向きが互いに逆向きである。

上記構成の作用効果を図２、図３を用いて説明する。図２は、磁石組の端部が磁石挿入孔の内壁面に接触する例を示す図である。図２は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図で、磁石挿入孔２０に配置された磁石組２４を樹脂で固定するときの状態が示される。ここでは、樹脂充填用の金型５０，５２を用い、ロータコア１４の上面と下面の磁石挿入孔２０の開口部をそれぞれ塞ぎ、＋Ｚ方向の側に配置される金型５２に設けられる樹脂注入口５４から樹脂５６が磁石挿入孔２０に注入される。

磁石挿入孔２０には、−Ｚ方向の端部が絶縁テープ４２で覆われている磁石組２４が配置されているが、−Ｚ方向の端部のみに配置された絶縁テープ４２の厚さのために、樹脂注入のときの注入圧によって、磁石組２４が磁石挿入孔２０の中で傾斜する。その傾斜によって、磁石組２４の＋Ｚ方向の端部が磁石挿入孔２０の内壁面に接触する。磁石挿入孔２０の内壁面は、導電性の磁性体薄板１６が露出しているので、磁石組２４の−Ｚ方向の端部がロータコア１４と電気的に短絡されることになる。この場合でも、絶縁テープ４２で覆われている磁石組２４の−Ｚ方向の端部は、ロータコア１４と電気的に絶縁されている。

図３は、磁石組２２，２４の端部がロータコア１４に接触してロータコア１４と電気的に短絡している場合の渦電流の形成について、従来技術と比較して示す図である。図３（ａ），（ｂ）は絶縁テープを用いない従来技術の場合を示し、図３（ｃ），（ｄ）は図１の構成のように絶縁テープ４０，４２を用いる場合で、絶縁テープ４０，４２を用いること以外は、従来技術と同じである。図３（ａ），（ｃ）は、ロータ１０の＋Ｚ方向の端部から見た図、（ｂ），（ｄ）は磁石組２２，２４を含んでロータ１０の軸方向に平行な面で切断した断面図である。

従来技術では、絶縁テープが用いられないので、例えば樹脂注入の際に、磁石組２２，２４のいずれもが磁石挿入孔１８，２０の中で傾斜せずに内壁面に接触する。つまり、磁石挿入孔１８，２０の内壁面への接触は、磁石組２２，２４のそれぞれについて、それらの＋Ｚ方向の端部及び−Ｚ方向の端部の両方で生じる。

これにより、外部からの変動磁界により磁石組２２に生じる渦電流６０と磁石組２４に生じる渦電流６２は、ロータコア１４を介する短絡路６４によって互いに短絡し、２つの磁石組２２，２４に跨った大きなループを形成する。これにより、従来技術では、渦電流損失が増大することになる。

図１の構成の絶縁テープ４０，４２が用いられる図３（ｃ），（ｄ）の場合では、磁石組２２，２４が磁石挿入孔１８，２０の中で傾斜したとしても、磁石挿入孔１８，２０の内壁面と接触する箇所が異なる。すなわち、磁石組２２は、−Ｚ方向の端部で磁石挿入孔１８の内壁面と接触するが、＋Ｚ方向の端部では絶縁テープ４０があるので磁石挿入孔１８の内壁面と接触しない。これに対し、磁石組２４は、＋Ｚ方向の端部で磁石挿入孔２０の内壁面と接触するが、−Ｚ方向の端部では絶縁テープ４２があるので磁石挿入孔２０の内壁面と接触しない。

これにより、外部からの変動磁界により磁石組２２に生じる渦電流７０と磁石組２４に生じる渦電流７２は、＋Ｚ方向の端部では絶縁テープ４０によって短絡路７４の形成が防止され、−Ｚ方向の端部では絶縁テープ４２によって短絡路７４の形成が防止される。

これにより、外部からの変動磁界により磁石組２２に生じる渦電流７０と磁石組２４に生じる渦電流７０は、ロータコア１４を介した短絡が生じないので、そのままの状態である。ロータコア１４を介して２つの磁石組２２，２４に跨った大きなループを形成することがない。このように、図１の構成によれば、従来技術に比べ、渦電流損失が抑制される。

上記では、絶縁テープ４０，４２の形状として、磁石組２２，２４の端部について、Ｚ方向の端面を覆い、幅方向に垂直な方向である厚さ方向の端面を覆わないコの字形としたが、次の条件を満たせば、それ以外の形状であってもよい。

すなわち、１つの磁石組を構成する複数の分割磁石をバラバラにならないように互いに連結できること、分割磁石の長手方向の両端部の一方側の端部のみに設けられること、磁石組の厚さ方向の面である着磁面の両方に設けられることの条件を満たせばよい。図４にその例を示す。

図４（ａ）に示す絶縁テープ４４は、磁石組２４の端部について、Ｚ方向の端面を覆わず、２つの着磁面と厚さ方向の一方側端面を覆うコの字形の形状を有する。図４（ｂ）に示す絶縁テープ４６は、絶縁テープ４４において厚さ方向の端面を覆う部分を省略したもので、２つの着磁面のそれぞれに貼付される２枚の小絶縁テープ４７，４８のセットで構成される。これらの構成によっても、図３（ｃ），（ｄ）と同様な効果を奏する。

１０ （回転電機）ロータ、１２ 回転軸、１４ ロータコア、１６ 磁性体薄板、１８，２０ 磁石挿入孔、２２，２４ 磁石組、２６，２８，３０，３２ 分割磁石、４０，４２，４４，４６ 絶縁テープ、４７，４８ 小絶縁テープ、５０，５２ 金型、５４ 樹脂注入口、５６ 樹脂、６０，６２，７０，７２ 渦電流、６４，７４ 短絡路。

Claims (1)

1. ロータコアの各磁極に対応してそれぞれ設けられる２つの磁石挿入孔と、
   各磁石挿入孔の幅方向に複数個に分割されて磁石挿入孔に配置される磁石組と、
   各磁石組の長手方向の一方の端部を覆う絶縁テープと、
   を備え、
   隣接する磁石挿入孔において、磁石組の絶縁テープで覆われる端部の向きを異ならせることを特徴とする回転電機ロータ。

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