JP2018067978A - 回転電機、および、回転電機の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多段スキュー構造の回転子の各コアに挿入される磁石の位置固定と、各コアの連結を簡易な構成で実現した回転電機を提供する。【解決手段】回転子１０１と固定子からなる回転電機であって、回転子１０１は、複数のコアを所定のスキュー角ずつ周方向にずらして回転軸方向２０１に重ねた多段スキュー構造で構成されており、前記コアは、磁石収納部２０１と、磁石収納部２０１に収納された磁石２０２ａ、２０２ｂと、磁石収納部２０１に磁石２０２ａ、２０２ｂを固定する接着シート２０３ａ、２０３ｂを有しており、接着シート２０３ａは、第一のコアの第一の磁石収納部２０１ａに収納される第一の磁石２０２ａと、第一のコアに隣接する第二のコアの第二の磁石収納部２０１ｂに収納される第二の磁石２０２ｂと、の両方の磁石２０２ａ、２０２ｂに接触する。【選択図】図３

Description

本発明は、モータや発電機等に用いられる回転子、その回転子を備えた回転電機、および、それらの製造方法に関する。

産業機器や自動車用の動力源として使用されるモータには、永久磁石などの磁性部材が用いられたモータが広く用いられており、このようなモータとして、永久磁石式同期モータ（ＰＭモータ：Permanent Magnet Motor）がある。

このＰＭモータには、コギングトルクの発生という問題がある。コギングトルクとは、ステータ（固定子）の巻線スロットに起因するパーミアンス分布と、永久磁石から発生する磁束分布の相互用とによって、電流が流れていないときであってもロータ（回転子）を回転させると生じる回転脈動抵抗である。コギングトルクが小さいとモータは滑らかに回転し、精度の高い制御が行える。

コギングトルクを低減する構成として特許文献１に記載の多段ロータスキュー構造が知られている（同文献の図４、図６、図８、図１２など参照）。例えば、特許文献１の要約書には、「多段ロータスキュー構造における段間の短絡磁束の発生に伴うトルク低下を抑制して、コギングトルクをより効果的に低減できる永久磁石式モータを実現する」ために、「永久磁石型モータ用ロータ２は、複数磁極の永久磁石５０を組み込んだロータコアブロック４１を軸方向に多段に有し、各段のロータコアブロック４１を互いに回転方向にずらして一体形成した段スキュー構造を有する。各段のロータコアブロック４１は、永久磁石５０の磁極間に、この磁極間における短絡磁束を遮断するためのフラックスバリア部６０を有する。段を異にするロータコアブロック４１において、段が隣り合う磁極のフラックスバリア部６０、６０同士の少なくとも一部が重なり合うようにスキュー角度を設定する」構成が開示されている。

ここで、特許文献１の段落００３６には、「フラックスバリア部６０は、本実施形態のような空間部に限定されず、当該フラックスバリア部６０に磁石接着に使用する接着剤や樹脂などの非磁性材料が充填されていてもよく、短絡磁束の遮断機能には何ら影響しない。」と記載されている。

また、特許文献２の要約書には「円形の珪素鋼板１１を多数積層して円柱状に形成され、外縁部に複数のスロット１２が周方向に等間隔に配置された回転子鉄心１０と、厚さ及び幅が前記スロット１２の径方向の幅及び周方向の幅より小さく形成され、前記スロット１２に埋込まれた磁石２０と、を備える磁石埋込型回転子９１において、一方の面に膨張型接着シート３０を貼付し他方の面に前記膨張型接着シート３０より接着強度が大きい非膨張型接着シート４０を貼付した前記磁石２０を、前記スロット１２に埋込み、両接着シート３０、４０を加熱硬化させて前記スロット１２内に固定した。」と記載されている。

すなわち、回転子に設けた穴に収容される磁石の固定方法として、特許文献１には接着剤や樹脂を用いた固定方法が開示されており、また、特許文献２には接着シートを用いた固定方法が開示されている。

特開２０１４−１５０６２６号公報 特開２０１５−１０４２７３号公報

しかし、特許文献１の多段ロータスキュー構造に特許文献１の固定方法を用いると、製造時に接着剤または樹脂が固まるまで磁石位置が安定せず、また、振動等により磁石位置がずれていき回転子と接触した状態となることがある。これらの状態で回転電機を運用すると、回転子との接触箇所で磁石に応力集中が発生し、磁石の割れ、欠け、表面剥離などの不具合が発生するという問題があった。

一方、特許文献１の多段ロータスキュー構造に特許文献２の固定方法を用いると、磁石位置を適切に固定でき、特許文献１の磁石固定方法で発生する諸問題は回避できるものの、多段ロータの各段を連結する手段がなく、多段ロータの各段が分断されてしまうという別の問題が発生する。

そこで、本発明は、多段スキュー構造の回転子の各コアに挿入される磁石の位置固定と、各コアの連結を簡易な構成で実現した回転電機を得ることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の回転電機は、回転子と固定子からなるものであって、前記回転子は、複数のコアを所定のスキュー角ずつ周方向にずらして回転軸方向に重ねた多段スキュー構造で構成されており、前記コアは、磁石収納部と、該磁石収納部に収納された磁石と、前記磁石収納部に前記磁石を固定する接着シートまたは発泡シートを有しており、前記接着シートまたは前記発泡シートは、第一のコアの第一の磁石収納部に収納される第一の磁石と、前記第一のコアに隣接する第二のコアの第二の磁石収納部に収納される第二の磁石と、の両方の磁石に接触するものとした。

本発明によれば、多段スキュー構造の回転子の各コアに挿入される磁石の位置固定と、各コアの連結を簡易な構成で実現した回転電機を得ることができる。

実施例１の回転電機の要部分解斜視図である。 実施例１の回転子の透過図である。 実施例１の回転子の断面図である。 実施例１の回転子の製造方法の処理前の様子を示す図である。 実施例１の回転子の製造方法の第一工程を示す図である。 実施例１の回転子の製造方法の第二工程を示す図である。 実施例１の回転子の製造方法の第三工程を示す図である。 実施例１の回転子の製造方法の第四工程を示す図である。 実施例１の回転子の製造方法の第一工程及び第二工程の変形例を示す図である。 実施例２の回転子の製造方法の第三工程及び第四工程を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１は、実施例１の回転電機の要部の分解斜視図である。図１において、１００はモータまたは発電機である回転電機、１０１は回転電機１００の中央部に設けられる回転子、１０２は回転子１０１の外周に設けられる固定子、１０３は回転子１０１の周方向を示す矢印、１０４は回転子１０１の回転軸方向を示す矢印である。

回転子１０１は、電磁鋼板で形成された複数のコア１０１ａ〜１０１ｅを所定のスキュー角ずつ周方向１０３にずらして回転軸方向１０４に重ねた多段スキュー構造により構成されている。また、回転子１０１と固定子１０２の間には所定の間隔が存在し、回転子１０１が固定子１０２内の回転軸周りを回転できるようになっている。なお、本実施例の回転電機１００は、図示した回転子１０１、固定子１０２以外にも、回転電機として機能するために必要な周知の構成を含んでいるが、それらの詳細は本発明の作用とは直接関係しないため、以下では説明、図示を省略する。

図２左図は、回転子１０１の各コア１０１ａ〜１０１ｅが内蔵する磁石２０２の位置を説明する透過斜視図である。ここに示すように、各コアには上下貫通した磁石収納部２０１が全周に亘り複数個形成されており、各磁石収納部２０１に収納される磁石２０２によって、複数の磁極が形成される。また、多段スキュー構造の回転子１０１では、回転軸方向１０４に並ぶ各磁石は所定のスキュー角づつ周方向１０３にずれて配置される。

図２右図は、コア１０１ａの磁石２０２ａとコア１０１ｂの磁石２０２ｂの一対について、位置関係と固定方法を示した拡大図である。ここに示すように、両磁石は所定のスキュー角だけ周方向１０３にずれた位置関係にある。また、磁石２０２ａは接着シート２０３ａでコア１０１ａの磁石収納部２０１に固定されており、磁石２０２ｂは接着シート２０３ｂでコア１０１ｂの磁石収納部２０１に固定されている。

図３左図は、図２右図の磁石２０２ａ、２０２ｂと回転軸を含む位置で、回転子１０１を切断した断面図である。また、図３右図は、磁石２０２ａ、２０２ｂ近傍の拡大断面図である。図３右図に示すように、接着シート２０３ａは、磁石２０２ａを内周側と外周側の両面で磁石収納部２０１ａの内面に固定するのに加え、下方向に凸状となっており磁石２０２ｂとも接着される。すなわち、矩形の接着シート２０３ａは両端側で上側の磁石２０２ａおよびコア１０１ａと接触しており、中央部で下側磁石２０２ｂと接触している。このように、コア１０１ａの全周に亘り設けられた複数の接着シート２０３ａ各々は対応する下側磁石２０２ｂに接着され、また、下側磁石２０２ｂは接着シート２０３ｂによって下側コア１０１ｂに固定されていることから、上側コア１０１ａと下側コア１０１ｂは複数の接着シート２０３ａによって一体に接続されることになる。

同様に、コア１０１ｂとコア１０１ｃ、コア１０１ｃとコア１０１ｄ、コア１０１ｄとコア１０１ｅも、各コアに設けられた接着シート２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄ、２０３ｅにより一体に接続されるので、回転子１０１全体としても接着シート２０３によって一体に形成されることになる。

なお、ここでは、磁石収納部２０１ａの深さよりも磁石２０２ａの高さを小さくしたため、接着シート２０３ａを磁石２０２ａの底面方向に凸状となる構成とすることで接着シート２０３ａを主に磁石２０２ｂと接触させたが、磁石収納部２０１ａの深さと磁石２０２ａの高さを略等しく設計した場合には、接着シート２０３ａを平坦にして上下に配置された磁石２０２ａと２０２ｂの両方に同程度接触させる構成としても良い。

次に、図４Ａ〜図４Ｅを用いて、本実施例の回転子１の製造方法について説明する。

図４Ａは、回転子１０１の最上段のコア１０１ａに磁石２０２ａを挿入する前の様子を示す図面であり、コア１０１ａの磁石収納部２０１ａの開口部を拡大した斜視図である。

図４Ｂは第一工程を示す図面であり、磁石収納部２０１ａの開口部に当該開口部の幅よりも狭い矩形の接着シート２０３ａを乗せた状態を示す図である。なお、この時点で、接着シート２０３ａは接着力を有しておらず、図４Ｂのように接着シート２０３ａを配置してもコア１０１ａの上面と接着シート２０３ａが接着されることはない。

図４Ｃは第二工程を示す図面であり、磁石２０２ａを接着シート２０３ａごと磁石収納部２０１ａに挿入している様子を示す図である。なお、本実施例では、磁石収納部２０１の厚さを、磁石２０２の厚さと、接着シート２０３の厚さの二倍、の和に略等しく設計している。このような設計により、磁石２０２ａを磁石収納部２０１内の適正位置に仮固定することができる。

図４Ｄは第三工程を示す図面であり、磁石２０２ｂを仮固定したコア１０１ｂに、磁石２０２ａを仮固定したコア１０１ａを重ねた状態を示す図である。なお、ここでは、コア１０１ａとコア１０１ｂを重ねた部分を拡大して示しているが、この第三工程では、回転子１０１の全てのコア（本実施例ではコア１０１ａ〜１０１ｅ）を積み重ねるものとする。

図４Ｅは第四工程を示す図面であり、熱処理４０１や、化学反応処理４０２によって、各接着シート２０３に接着力を生じさせる工程である。この工程を経ることで、挿入された各磁石２０２が各磁石収納部２０１に固定されるとともに、図３右図でも説明したように、各コア間に位置する接着シート２０３によって、各コアが一体に接続され回転子１０１が形成される。

なお、図５は、図４Ｂに示した第一工程、図４Ｃに示した第二工程の変形例である。この変形例では、前工程でローラ５００を用いて複数の折り目５０１を形成した接着シート２０３を第一工程に使用する。このような接着シート２０３を用いることで、第二工程で接着シート２０３ごと磁石２０２を挿入する際に、平坦部を有する複数の凸部５０２または単数の凸部５０３が接着シート２０３の中央部に形成されるため、図４Ｄに示した第三工程で他のコアと積み重ねたときに下方に位置する磁石２０２と接着シート２０３をより確実に接触させることができ、両コアの結合力をより高めることができる。

以上で説明した本実施例によれば、上側コアに設けた接着シートを用いて上側コアの磁石を固定するとともに下側コアとの連結を可能にしている。これにより、多段スキュー構造の回転子の各コアに挿入される磁石の位置固定と、各コアの連結を簡易な構成で実現した回転電機を得ることができる。

なお、本実施例では、図３右図のように、磁石２０２の内周面、外周面の両面に接着シート２０３を設ける構成を例示したが、隣接する二磁石間に配置される面を有するのであれば、内周面または外周面の接着シートを省略する構成としても良い。

次に図６を用いて、実施例２の回転電機を説明する。なお、実施例１と共通する点は説明を省略する。

実施例２の回転電機は、実施例１の接着シート２０３に代え、発泡シート６０３を用いたものであり、図４Ｅで示した第四工程での処理を異ならせたものである。

実施例２でも、第一工程から第三工程は実施例１と同様に行う。なお、実施例１では、第四工程の前後で接着シート２０３の厚さに変化が生じないため、磁石収納部２０１の厚さを、磁石２０２の厚さと、接着シート２０３の厚さの二倍、の和に略等しく設計して磁石２０２を仮固定できるようにしたが、実施例２では、第四工程の前後で発泡シート６０３の厚さが増加するため、磁石収納部６０１の厚さを、磁石６０２の厚さと、発泡シート６０３の厚さの二倍、の和より大きく設計しており、発泡に必要な容積を確保している。

図６右図に示すように、実施例２の第四工程では、発泡シート６０３に熱処理６０４または化学反応処理６０５を施し、発泡シート６０３を発泡させる。これにより、各磁石６０２の両面に生じる発泡６０６の発泡圧が釣り合う適正位置に磁石６０２ａ、６０２ｂが固定されるとともに、各磁石６０２の底面に生じる発泡６０６により上側コアと下側コアが連結され、回転子１０１の全てのコアが一体に形成される。すなわち、実施例２でも、上述した実施例１と同様の効果を得ることができる。

１００ 回転電機、１０１ 回転子、１０１ａ〜１０１ｅ コア、１０２ 固定子、１０３ 周方向、１０４ 回転軸方向２０１、２０１ａ、２０１ｂ、６０１ａ、６０１ｂ 磁石収納部 ２０２、２０２ａ、２０２ｂ、６０２ａ、６０２ｂ 磁石、２０３、２０３ａ、２０３ｂ 接着シート、５００ ローラ、５０１ 折り目、６０３、６０３ａ、６０３ｂ 発泡シート、４０１、６０４ 熱処理、４０２、６０５ 化学反応処理

Claims (5)

1. 回転子と固定子からなる回転電機であって、
   前記回転子は、複数のコアを所定のスキュー角ずつ周方向にずらして回転軸方向に重ねた多段スキュー構造で構成されており、
   前記コアは、磁石収納部と、該磁石収納部に収納された磁石と、前記磁石収納部に前記磁石を固定する接着シートまたは発泡シートを有しており、
   前記接着シートまたは前記発泡シートは、第一のコアの第一の磁石収納部に収納される第一の磁石と、前記第一のコアに隣接する第二のコアの第二の磁石収納部に収納される第二の磁石と、の両方の磁石に接触することを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記磁石収納部は前記コアの全周に亘り設けられており、
   該全周に亘り設けられた磁石収納部の各々に設けられた接着シートまたは前記発泡シートによって、前記複数のコアが一体に形成されることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転電機において、
   前記磁石収納部の高さよりも該磁石収納部に収納される磁石の高さは小さく、
   前記接着シートは、前記第一の磁石と前記第二の磁石の間において前記第二の磁石側に凸状となっており、主に第二の磁石と接触していることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１または請求項２に記載の回転電機において、
   前記磁石収納部の高さは該磁石収納部に収納される磁石の高さと略等しく、
   前記接着シートは、前記第一の磁石と前記第二の磁石の間において平坦となっており、前記第一の磁石と前記第二の磁石に同程度接触していることを特徴とする回転電機。
5. 回転子と固定子からなる回転電機の製造方法であって、
   回転子の第一のコアの第一の磁石収納部に矩形の接着シートまたは発泡シートを配置する第一工程と、
   前記第一の磁石収納部に前記接着シートまたは前記発泡シートごと第一の磁石を挿入する第二工程と、
   前記第一のコアと第二のコアを所定のスキュー角周方向にずらして回転軸方向に重ね、挿入された前記接着シートまたは前記発泡シートを前記第二のコアの第二の磁石収納部に収納された第二の磁石と接触させる第三工程と、
   熱処理または化学反応処理により、前記接着シートに接着力を持たせる、または、前記発泡シートを発泡させる第四工程と、
   からなることを特徴とする回転電機の製造方法。

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