JP2018007494A - 回転電機のロータ - Google Patents

Abstract

【課題】各磁石挿入孔に固定される永久磁石に分割磁石を用いた場合に簡易な構成で渦電流損失を確実に抑制できる回転電機のロータを提供する。【解決手段】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挿入孔内に永久磁石２２がそれぞれ挿入固定されている、回転電機のロータであって、各磁石挿入孔内の永久磁石２２は、ロータの軸方向にそれぞれ延びる少なくとも２つの分割磁石２２ａ，２２ｂを並べて構成される。２つの分割磁石２２ａ，２２ｂには、それぞれ、ロータの軸方向に離間した２箇所以上において、軸方向周りの全外周囲に絶縁テープ２４ａ，２４ｂが巻かれている。２以上の絶縁テープ２４ａ，２４ｂが２つの分割磁石２２ａ，２２ｂで重ならないように軸方向に互い違いに配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機のロータに係り、特に、ロータコアの磁石挿入孔内に固定された永久磁石が分割されているロータに関する。

従来、例えば下記特許文献１には、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ている磁石組と、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が開示されている。

特開２０１５−１０６９４６号公報

上記特許文献１に開示される回転電機ロータでは、１つの磁極に設けられる２つの磁石挿入孔内にそれぞれ配置された磁石組間に形成され得る渦電流経路を遮断することができ、渦電流損失を低減できる効果がある。

しかしながら、各磁石挿入孔に配置された磁石組について見れば、磁石組を構成する２つの分割磁石同士が接触した状態に配置され、また、絶縁テープが設けられていない側の磁石組の他方側端部がロータコアに形成された磁石挿入孔の内壁面に接触する。そのため、磁石組を構成する分割磁石の外周面に絶縁被膜が形成されていない場合には、２つの分割磁石同士が電気的に導通して分割磁石間でループ状の渦電流経路が形成され、分割磁石と磁石挿入孔の内壁面とが接触して電気的に導通することによって磁石組とロータコアにまたがるループ状の渦電流経路が形成される可能性があり、その結果、渦電流損失が大きくなるおそれがある。

本発明の目的は、各磁石挿入孔に固定される永久磁石に分割磁石を用いた場合に簡易な構成で渦電流損失を確実に抑制できる回転電機のロータを提供することにある。

本発明に係る回転電機のロータは、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挿入孔内に永久磁石がそれぞれ挿入固定され、前記各磁石挿入孔内の永久磁石は、前記ロータの軸方向にそれぞれ延びる少なくとも２つの分割磁石を並べて構成され、前記２つの分割磁石には、それぞれ、前記ロータの軸方向に離間した２箇所以上において、軸方向周りの全外周囲に絶縁テープが巻かれており、前記２以上の絶縁テープが前記２つの分割磁石で重ならないように軸方向に互い違いに配置されている。

本発明に係る回転電機のロータによれば、各磁石挿入孔内に固定された永久磁石を構成する少なくとも２つの分割磁石は、絶縁テープを介して接触するので、互いに電気的に絶縁された状態に配置される。また、絶縁テープが分割磁石の軸方向周りの全外周囲に巻かれているので、分割磁石は磁石挿入孔の内壁面に対して、絶縁テープが巻かれた箇所で接触することはあっても、絶縁テープが巻かれていない部分でロータコアに接触しない。したがって、絶縁テープを重ならないように互い違いに巻くという簡易な方法で、磁石挿入孔内に並んで配置された複数の永久磁石間、および、これら複数の分割磁石とロータコア間でループ状の渦電流経路が形成されるのを防止することができ、その結果、渦電流損失を確実に抑制できる。

一実施形態である回転電機のロータを示す軸方向端面図である。 １つの磁石挿入孔に挿入される２つの分割磁石を分離した状態で示す斜視図である。 図２に示した２つの分割磁石が磁石挿入孔に挿入されるときの状態を示す斜視図である。 図３に示した永久磁石が磁石挿入孔内に挿入配置された後に、固定材が充填される様子を示す図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの構成を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

図１は、一実施形態である回転電機のロータ１０を示す軸方向端面図である。図１には、ロータ１０の周方向θ、径方向Ｒ、軸方向Ｚが示されている。以下では、特に断らない限り、単にロータ１０という。

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が省略されている。

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内にそれぞれ固定される永久磁石２２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、円環状をなす磁性体薄板を所定枚数だけ積層した積層体である。磁性体薄板は、例えば、電磁鋼板を打ち抜き加工したものを用いることができる。ロータコア１４は、回転軸１２を通す円形の中心穴１５と、複数の磁石挿入孔１８，２０とを含む。

ロータコア１４を磁性体薄板の積層体で構成するのは、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ウェブ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、磁石挿入孔１８等の内壁面は、打ち抜き加工時に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が露出した状態になっている。

磁石挿入孔１８，２０は、ロータコア１４の外周部分において周方向に所定間隔をおいて形成されている。磁石挿入孔１８，２０は、ロータ１０の各磁極を形成する永久磁石を埋め込んで配置するための孔で、図１の端面図で略長方形の形状を有する。ここでは、磁石挿入孔１８，２０について、略長方形の形状の長辺に沿った方向を幅方向と呼ぶ。本実施形態のロータ１０では、磁極数が８であり、各磁極には、所定の傾斜角度を有して略Ｖ字形に配置され、かつ、ロータコア１４を軸方向Ｚに貫通する２つの磁石挿入孔１８，２０が形成されている。

永久磁石２２は、磁石挿入孔１８，２０内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。永久磁石２２は、磁石挿入孔１８，２０内において幅方向に並んで配置された２つの分割磁石２２ａ，２２ｂによって構成される。各分割磁石２２ａ，２２ｂは、ロータ１０の軸方向Ｚにそれぞれ延びている。なお、各磁石挿入孔１８，２０内に配置される永久磁石２２は、３つ以上の分割磁石を並べて構成してもよい。

本実施形態では、２つの分割磁石２２ａ，２２ｂを並べて配置することで、磁石挿入孔１８，２０の形状である長方形状に合致した外形を呈する。そして、図１の例では、各磁石挿入孔１８，２０に、２つの分割磁石２２ａ，２２ｂで構成された永久磁石２２がそれぞれ配置されている。このように１つの磁石挿入孔に配置される永久磁石２２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つの永久磁石２２も略Ｖ字形に配置される。１つの磁極を形成する２つの永久磁石２２は、図示されていないステータに向かい合う外周側（すなわち径方向外側）の面の極性が共にＮ極またはＳ極である。周方向に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中の磁極Ａは、径方向外側外周側の面の極性がＮ極であるので、これに周方向に隣接する磁極Ｂの永久磁石２２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。

かかる永久磁石２２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、永久磁石２２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。

次に、図２および図３を参照して、各磁石挿入孔１８，２０に挿入固定される永久磁石２２の構成について詳細に説明する。図２は、磁石挿入孔に挿入される２つの分割磁石２２ａ，２２ｂを分離した状態で示す斜視図である。図３は、図２に示した２つの分割磁石２２ａ，２２ｂが磁石挿入孔に挿入されるときの状態を示す斜視図である。図２および図３において、ロータ１０（すなわちロータコア１４）の軸方向Ｚが矢印で示されている。

上述したように、各磁石挿入孔１８，２０には、２つの分割磁石２２ａ，２２ｂで構成された永久磁石２２がそれぞれ挿入配置される。各磁石挿入孔１８，２０に挿入配置される永久磁石２２の構成は同じであるため、以下では、磁石挿入孔１８，２０の区別なく１つの永久磁石２２について説明する。

図２に示すように、永久磁石２２を構成する２つの分割磁石２２ａ，２２ｂは、同じ形状および大きさに形成されている。すなわち、各分割磁石２２ａ，２２ｂは、軸方向Ｚに沿って延びる直方体形状をなし、同じ軸方向長さに形成されている。

また、各分割磁石２２ａ，２２ｂには、軸方向Ｚに離間した２箇所において、軸方向周りの全外周囲に絶縁テープ２４ａ，２４ｂが巻かれている。より詳しくは、絶縁テープ２４ａは、各分割磁石２２ａ，２２ｂの軸方向Ｚの一方側端部の全外周囲を覆うように貼り付けられている。また、絶縁テープ２４ｂは、各分割磁石２２ａ，２２ｂにおいて上記絶縁テープ２４ａから軸方向Ｚに離間した位置であって、各分割磁石２２ａ，２２ｂの軸方向Ｚの他方端部を覆わない位置に貼り付けられている。これにより、絶縁テープ２４ａ，２４ｂの間には、絶縁処理されていない磁石部分２３が露出しているとともに、軸方向Ｚの他方側端部の外周面も同様に露出した磁石部分２５となっている。

ここで、絶縁テープ２４ａ，２４ｂの軸方向Ｚの幅をＷとしたとき、各分割磁石２２ａ，２２ｂにおける絶縁テープ２４ａ，２４ｂ間の距離Ｄは上記幅Ｗより大きく設定されている（Ｄ＞Ｗ）。このように設定することで、後述するように一方の分割磁石２２ａに対して他方の分割磁石２２ｂを軸方向Ｚで逆向きにして並べたとき、各分割磁石２２ａ，２２ｂにおいて絶縁テープ２４ａ，２４ｂ間に露出した磁石部分２３に絶縁テープ２４ｂが接触した状態になる。

絶縁テープ２４ａ，２４ｂは、永久磁石２２が磁石挿入孔１８，２０内に挿入配置されたとき、分割磁石２２ａ，２２ｂ同士間、および、分割磁石２２ａ，２２ｂとロータコア１４間を電気的に絶縁する機能を有する。絶縁テープ２４ａ，２４ｂには、例えば、絶縁性樹脂製フィルムの一方面に接着剤層が設けられている粘着テープを用いることができる。また、絶縁テープ２４ａ，２４ｂは、図示されていないが、所定の厚さｔを有する。

本実施形態では、絶縁テープ２４ａ，２４ｂは、分割磁石２２ａ，２２ｂの外周面の全てに配置されるのでなく、分割磁石２２ａ，２２ｂの軸方向Ｚの一部を覆うように部分的に配置される。これにより、絶縁テープを分割磁石２２ａ，２２ｂに配置するための手間を少なくでき、絶縁テープ２４ａ，２４ｂの使用量を削減できる。

上述したように絶縁テープ２４ａ，２４ｂが巻かれた分割磁石２２ａ，２２ｂは、ロータコア１４の磁石挿入孔１８，２０（図１参照）に挿入される際、図３に示すように並んだ状態に配置される。本実施形態では、同じ様に絶縁テープ２４ａ，２４ｂが巻かれた各分割磁石２２ａ，２２ｂについて、一方の分割磁石２２ａに対して、他方の分割磁石２２ｂを軸方向Ｚで逆向きにして並べた状態にする。これにより、永久磁石２２を構成する２つの分割磁石２２ａ，２２ｂでは、絶縁テープ２４ａ，２４ｂが軸方向Ｚで重ならないように互い違いに配置された状態になる。

より詳しくは、図３を上側から順番に見ると、一方の分割磁石２２ａの絶縁テープ２４ａは、他方の分割磁石２２ｂの露出した磁石部分２５に対向して接触する。次に、他方の分割磁石２２ｂの絶縁テープ２４ｂは、一方の分割磁石２２ａの絶縁テープ２４ａとは軸方向Ｚにずれた位置において一方の分割磁石２２ａの露出した磁石部分２３に対向して接触している。次に、一方の分割磁石２２ａの絶縁テープ２４ｂは、他方の分割磁石２２ｂの絶縁テープ２４ｂとは軸方向Ｚにずれた位置において他方の分割磁石２２ｂの露出した磁石部分２３に対向して接触している。そして、他方の分割磁石２２ｂの絶縁テープ２４ａは、一方の分割磁石２２ａの絶縁テープ２４ｂとは軸方向Ｚにずれた位置において一方の分割磁石２２ａの露出した磁石部分２５に対向して接触する。

このようにして２つの分割磁石２２ａ，２２ｂは１つの永久磁石２２として構成され、絶縁テープ２４ａは露出した磁石部分２５に接触し、絶縁テープ２４ｂは露出した磁石部分２３に接触する。また、本実施形態の永久磁石２２では、絶縁テープ２４ａ，２４ｂが巻かれた部分同士が重ならないように構成されている。これにより、本実施形態における永久磁石２２では、絶縁テープ２４ａ，２４ｂが磁石部分２３，２５に接触し、磁石部分２３，２５同士は絶縁テープ２４ａ，２４ｂが所定の厚さｔを有するために互いに接触しない。したがって、２つの分割磁石２２ａ，２２ｂは、絶縁テープ２４ａ，２４ｂによって電気的に絶縁される。

このように２つの分割磁石２２ａ，２２ｂを並べて構成される永久磁石２２は、図３中に矢印で示されるように、ロータコア１４に形成された各磁石挿入孔１８，２０内に軸方向一方側の開口部から挿入されて配置される。

図４は、図３に示した永久磁石２２が磁石挿入孔１８，２０内に挿入配置された後に、固定材が充填される様子を示す図である。

ロータコア１４の磁石挿入孔１８，２０内に永久磁石２２がそれぞれ挿入配置された後、図４中に矢印で示すように、ロータコア１４の軸方向一方側に位置する磁石挿入孔１８，２０の開口部から固定材が注入される。ここで固定材には、例えば、溶融した樹脂が用いられる。

図４に示す例では、固定材が上方から注入される。このとき、分割磁石２２ｂの磁石部分２５には絶縁テープが巻かれていないため、絶縁テープ２４ａ，２４ｂの厚さｔ以上に相当する隙間が磁石挿入孔１８，２０の内壁面との間に形成されている。したがって、注入された固定材は、まず、他方の分割磁石２２ｂの磁石部分２５の全周囲に注入される。

上述したように、他方の分割磁石２２ｂの絶縁テープ２４ｂは一方の分割磁石２２ａの磁石部分２３に接触し、絶縁テープ２４ａ，２４ｂ同士は重なっていない。そのため、他方の分割磁石２２ｂの磁石部分２５と一方の分割磁石２２ａの磁石部分２３との間には、絶縁テープ２４ａ，２４ｂの厚さｔ以上に相当する隙間が磁石挿入孔１８，２０の内壁面との間に形成される。したがって、この隙間を介して固定材が注入されて、一方の分割磁石２２ａの磁石部分２３の周囲に充填される。同様にして、固定材は、一方の分割磁石２２ａの磁石部分２３の周囲から他方の分割磁石２２ｂの磁石部分２３の周囲に充填され、それから他方の分割磁石２２ｂの磁石部分２３の周囲から一方の分割磁石２２ａの磁石部分２５の周囲に充填される。このように永久磁石２２の周囲に注入された固定材が硬化することによって、永久磁石２２を構成する各分割磁石２２ａ，２２ｂが磁石挿入孔１８，２０内に固定される。

上述したように本実施形態のロータ１０によれば、各磁石挿入孔１８，２０内に固定された永久磁石２２を構成する２つの分割磁石２２ａ，２２ｂは、絶縁テープ２４ａ，２４ｂを介して接触するので、互いに電気的に絶縁された状態に配置される。また、絶縁テープ２４ａ，２４ｂが分割磁石２２ａ，２２ｂの軸方向周りの全外周囲に巻かれているので、永久磁石２２は磁石挿入孔１８，２０の内壁面に対して、絶縁テープ２４ａ，２４ｂが巻かれた箇所で接触することはあっても、絶縁テープ２４ａ，２４ｂが巻かれていない部分（すなわち磁石部分２３，２５）でロータコア１４に接触しない。このことは、磁石挿入孔１８，２０内で永久磁石２２が軸方向Ｚに対して傾いた場合も同様である。したがって、２つの分極磁石２２ａ，２２ｂに絶縁テープ２４ａ，２４ｂを重ならないように互い違いに巻くという簡易な方法で、磁石挿入孔１８，２０内に並んで配置された２つの分割磁石２２ａ，２２ｂ間、および、これら２つの分割磁石２２ａ，２２ｂとロータコア１４間で、ループ状の渦電流経路が形成されるのを防止することができ、その結果、渦電流損失を確実に抑制できる。

また、本実施形態のロータ１０では、絶縁テープ２４ａ，２４ｂを同じ様に巻いた２つの分割磁石２２ａ，２２ｂについて、一方の分割磁石に対して他方の分割磁石２２ｂを軸方向に逆向きにして隣接した状態に並べて永久磁石２２を構成した。そのため、絶縁テープを異なる巻き方にした２種類の分割磁石を準備する必要がなく、製造が容易になってコストを低減できる。

さらに、本実施形態のロータ１０では、永久磁石２２を構成する２つの分割磁石２２ａ，２２ｂの絶縁テープ２４ａ，２４ｂ同士が重ならないように配置したことで、永久磁石２２が磁石挿入孔１８，２０内に挿入配置された後に固定材を注入する際に各分割磁石２２ａ，２２ｂの露出した磁石部分２３，２５の周囲に確実に注入および充填することができ、固定材による永久磁石２２の強固な固定を実現できる。また、絶縁テープ２４ａ，２４ｂ同士が重ならないことで、永久磁石２２を小型にできて磁束密度が高くなり、トルク向上につながる利点がある。

なお、本発明は、上述した実施形態およびその変形例の構成に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲で種々の変更が可能である。

例えば、上記においては各分割磁石２２ａ，２２ｂについて軸方向に離間した２箇所に絶縁テープ２４ａ，２４ｂを巻く形態について説明したが、これに限定されるものではない。絶縁テープは、各分割磁石において軸方向に離間して３箇所以上において巻かれてもよい。

また、上記においては、長方形状をなす磁石挿入孔１８，２０の幅方向に２つの分割磁石２２ａ，２２ｂを並べて配置した例について説明した。ここで、磁石挿入孔の幅方向がロータの周方向または径方向に沿って形成されている場合には、少なくとも２つの分割磁石はロータコアの周方向または径方向に並んで配置されてもよい。

１０ ロータ、１２ 回転軸、１４ ロータコア、１５ 中心穴、１８，２０ 磁石挿入孔、２２ 永久磁石、２２ａ，２２ｂ 分割磁石、２３，２５ 磁石部分、２４ａ，２４ｂ 絶縁テープ、Ａ，Ｂ 磁極、Ｄ 距離、Ｒ 径方向、Ｗ 幅、Ｚ 軸方向、θ 周方向。

Claims (1)

1. 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挿入孔内に永久磁石がそれぞれ挿入固定されている、回転電機のロータであって、
   前記各磁石挿入孔内の永久磁石は、前記ロータの軸方向にそれぞれ延びる少なくとも２つの分割磁石を並べて構成され、
   前記２つの分割磁石には、それぞれ、前記ロータの軸方向に離間した２箇所以上において、軸方向周りの全外周囲に絶縁テープが巻かれており、
   前記２以上の絶縁テープが前記２つの分割磁石で重ならないように軸方向に互い違いに配置されている、
   回転電機のロータ。

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