JP6696372B2 - 回転電機のロータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のロータに関し、更に詳しくは、電動機や発電機として使用される電動機のロータに関する。

特許文献１は、ロータコアの内部に複数の永久磁石が埋め込まれて成る永久磁石埋め込み型のロータを有する回転電機を開示する。特許文献１において、ロータコアは、ロータ軸方向に沿って電磁鋼板を積層し、カシメた鋼板積層体から構成されており、ロータコアには、複数の磁石用スロットが、周方向に一定間隔で形成されている。各磁石用スロットには、ロータ軸方向に延びる２つの永久磁石が、磁石用スロットの幅方向に並んで挿入され、固定される。磁石用スロットに挿入される永久磁石は、ロータ軸方向に離間した２箇所以上において、２つの永久磁石の間を通り、かつ、それら永久磁石の全外周囲に巻かれる絶縁テープにより連結される。特許文献１において、ロータ軸方向に離間した２箇所以上のそれぞれにおいて永久磁石に巻きつけられる絶縁テープのうちの少なくとも１つは、他の絶縁テープと異なる経路を通って巻かれる。

ここで、周知の通り、回転電機の駆動時にロータがステータに対して回転すると、ロータの永久磁石に入ってくる磁束密度が変化するため、永久磁石には渦電流が生じる。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、渦電流損失量及び発熱量が大きくなる。特許文献１では、１つの磁石用スロットに挿入される２つの永久磁石は、それらの間を通り、かつそれら永久磁石の全外周囲に巻かれる２以上の絶縁テープにより連結されている。このようにした場合、２つの永久磁石、及び永久磁石と磁石用スロットの内壁面とはそれぞれ絶縁テープを介して接触することになり、磁石間及び磁石と内壁面との間が絶縁される。特許文献１では、１つの永久磁石で生じた渦電流が、他の永久磁石やロータコアに流れることを抑制し、渦電流のループ（鎖交磁束面積）を小さくすることができる。その結果として、渦電流損失及び発熱量を低く抑えることができる。

特開２０１５−６１３２８号公報

ところで、特許文献１において、ロータコアは、積層された複数の電磁鋼板から成る。通常、電磁鋼板は、一端側と他端側で厚みが同一ではないため、電磁鋼板を同じ向きで積層していくと、ロータコアがある方向に傾き、ロータコアのエッジが直角ではなくなる。一般に、製品の直角度を向上させるため、ロータコアの作成において、電磁鋼板は、所定ブロック単位で積層方向を入れ替えて積層（転積）される。転積を行うことで、ロータコアのエッジの直角度が高められる。

特許文献１では、永久磁石の両端に絶縁テープが巻きつけられており、一方の端部で永久磁石が磁石用スロットの内壁面に接触したとしても、他端が絶縁されていることで、渦電流のループが大きくなることが抑止される。しかしながら、上記転積を考慮すると、磁石用スロット内で、永久磁石と磁石用スロットの内壁とが接触する可能性がある。特許文献１には、永久磁石に絶縁テープを巻きつける箇所を多数設けてもよいことが記載されているが、具体的にどのような箇所に絶縁テープを巻きつけるかについては言及がない。仮に、絶縁テープを永久磁石の外周面の全てを覆うように巻きつけたとすると、使用する絶縁テープの量が増大する。

本発明は、回転電機のロータにおいて、少ない絶縁テープの使用量で、渦電流損失及び発熱の抑制を可能とするものである。

本発明は、磁石と、積層鋼板が積層されて構成され、前記磁石が挿入される磁石用スロットを有するロータコアとを備え、前記ロータコアでは、前記積層鋼板が所定ブロック単位で転積されており、前記磁石の表面のうち、前記ロータコアの軸方向の両端と転積部分とに対応する箇所のそれぞれに絶縁テープが巻きつけられることを特徴とする回転電機のロータを提供する。

本発明の回転電機のロータでは、少ない絶縁テープの使用量で、渦電流損失及び発熱を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るロータを示す上面図。 ロータの軸方向の断面図。 ロータコアの磁石用スロット付近を拡大して示す断面図。 絶縁テープが巻きつけられた磁石を示す斜視図。 ２つの磁石と絶縁テープとを示す断面図。 磁石が挿入されたロータコアの磁石用スロット付近を拡大して示す断面図。 軸方向に２分割された磁石を示す斜視図。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るロータを示す上面図である。図２は、ロータの軸方向の断面を示す断面図である。ロータ１０は、ロータコア１１と磁石１４とを有する。ロータ１０は、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）型ロータとして構成される。

図１及び図２に示されるように、ロータコア１１は、円環状に打ち抜き加工された積層鋼板（電磁鋼板）を軸方向に積層することで形成される。ロータコア１１を構成する複数の電磁鋼板は、カシメ、接着、又は溶接などにより、一体的に連結されている。ロータコア１１を構成する各電磁鋼板は、表面に形成された絶縁皮膜によって互いに電気的に絶縁されている。

ロータコア１１は、その中央に、回転軸用スロット（シャフト穴）１２を有する。また、ロータコア１１は、その周方向に一定の間隔を隔てて形成された複数の磁石用スロット１３を有する。磁石用スロット１３は、ロータコア１１を、ロータ軸方向に貫通する貫通孔である。磁石１４は、磁石用スロット１３内に挿入され、その内部に固定される。磁石用スロット１３及び磁石１４は、長方形の断面形状を有する。

ロータ１０の周囲には、筒状のステータ（図示せず）が所定のギャップを隔てて配置される。ステータはステータコイルを含む。ロータ１０とステータとは、電動機や発電機として使用される回転電機を構成する。ステータは、ロータ１０に対して回転磁界を印加することで、ロータ１０を回転駆動する。

ここで、図３は、ロータコア１１の磁石用スロット１３付近を拡大して示す断面図である。図３に示される断面は、図１のＡ−Ａ断面に相当する。ロータコア１１に使用される各積層鋼鈑は、一端側と他端側とでわずかに厚みが異なっている。そのような積層鋼鈑を、一定の向きで積層すると、厚みの差が蓄積されることで、ロータコア１１が一方向に傾く。これを防止するために、ロータコア１１を構成する複数の積層鋼鈑は、所定ブロックごとに転積される。

図３の例では、ロータの軸方向の位置Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３において、積層鋼鈑の積層方向が入れ替えられている。磁石用スロット１３の内壁は、これらの位置、及び磁石用スロット１３の軸方向の両端において、磁石用スロット１３に挿入される磁石１４に接近する。このことから、磁石用スロット１３の内壁と磁石１４とは、磁石用スロット１３の軸方向の両端と、積層鋼鈑の積層方向が入れ替わる位部分（転積部分）とにおいて、接触しやすいと言える。

そこで、本実施形態では、磁石１４の磁石用スロット１３の内壁と対向する表面（側面）のうち、磁石用スロット１３の軸方向の両端と転積部分とに対応する箇所のそれぞれに絶縁テープが巻きつけられる。図４は、絶縁テープが巻きつけられた磁石１４を示す。この例では、磁石１４は、ロータの軸方向に沿って周方向に（スロットの幅方向に）２つの磁石１４ａ及び１４ｂに分割されている。磁石１４には、磁石用スロット１３（図３などを参照）の内壁と対向する表面のうち、磁石用スロット１３の軸方向の両端と、軸方向の位置Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３に対応する箇所のそれぞれに絶縁テープ１６が巻きつけられている。絶縁テープ１６は、軸方向の両端では、磁石１４の側面の端部を覆うように、磁石１４に巻きつけられる。

図５は、２つの磁石１４ａ及び１４ｂと絶縁テープ１６とを示す。絶縁テープ１６は、例えば厚みが数μｍ程度の薄膜テープであり、開始点Ｓから終了点Ｅまで、ひと巻きで巻き回される。開始点Ｓは、磁石１４ａと磁石１４ｂとが対向している部分の一端側の角の近傍に設けられる。開始点Ｓから、他端側の角Ｃまでの間に絶縁テープ１６が存在することで、磁石１４ａと磁石１４ｂとが絶縁される。終了点Ｅは、角Ｃの近傍に設けられており、絶縁テープ１６は、磁石１４ａ及び１４ｂの周囲をほぼ全周にわたって覆う。

上記のように絶縁テープ１６を磁石１４に巻きつけた場合、絶縁テープ１６の貼付け厚を増やすことなく、全周において絶縁テープ１６の１層巻きが可能である。例えば絶縁テープ１６に２０μｍ以下の薄膜テープを用いることで、磁石１４が磁石用スロット１３に挿入された場合に、ロータコア１１と磁石１４との間の隙間を狭くすることが可能である。ロータコア１１と磁石１４との隙間を狭くすることで、磁石１４を効率的に使用することが可能である。なお、図５では、磁石１４ａ及び１４ｂと絶縁テープ１６との間に隙間が描かれているが、実際には絶縁テープ１６は、磁石１４ａ及び１４ｂと密着する。

上記した絶縁テープ１６の巻きつけ（巻き回し）は、以下の手順で実施できる。まず、絶縁テープ１６を、互いに向かい合う磁石１４ａの短辺側の面と磁石１４ｂの短辺側の面との間の開始点Ｓに初期位置決めする。次いで、絶縁テープ１６にテンションをかけた状態で、磁石１４ａ及び１４ｂを、図５の面内で時計回りに一体的に回転させつつ、絶縁テープ１６を磁石１４ａ及び１４ｂの表面に貼り付けていく。磁石１４ａ及び１４ｂをほぼ１回転させ、絶縁テープ１６を磁石１４ｂの磁石１４ａとの接続部分付近（終了点Ｅ）まで貼り付けると、作業完了となる。このようにひと巻きで絶縁テープ１６を磁石１４ａ及び１４ｂの周囲に巻きつけることで、磁石１４ａ及び１４ｂの一体化と、磁石１４ａ及び１４ｂの周囲の絶縁とを、同時に実施することができる。

図６は、磁石１４が挿入されたロータコア１１の磁石用スロット１３付近を拡大して示す断面図である。磁石１４は、例えば、上記手順により、磁石１４ａと磁石１４ｂとが絶縁テープ１６を用いて一体化された状態で、磁石用スロット１３内に挿入され、固定される。そのようにした場合、磁石１４を磁石用スロット１３へ挿入する作業が容易となり、また、挿入に使用される治具の簡素化が可能である。絶縁テープ１６は、磁石用スロット１３の軸方向の両端と転積部分とに対応する箇所のそれぞれに巻きつけられている。このようにすることで、それらの箇所で磁石１４に磁石用スロット１３の内壁が接近したとしても、絶縁テープ１６により、磁石１４と磁石用スロット１３の内壁（ロータコア１１）とが絶縁される。磁石用スロット１３の両端及び転積部分以外の箇所では、磁石用スロット１３と磁石１４との距離が比較的長いため、それらが接触する可能性は低く、絶縁テープ１６が巻きつけられていなくても問題はない。

本実施形態では、磁石１４の側面のうち、ロータコア１１の軸方向の両端と転積部分に対応する箇所とのそれぞれに絶縁テープが巻きつけられている。ロータコア１１が転積された積層鋼鈑から成る場合、ロータコア１１と磁石１４が接触しやすい箇所は、軸方向の両端と、ロータコア１１に形成された磁石用スロット１３の内壁が磁石方向の突き出す転積部分である。本実施形態では、それらの部分に対応する箇所において磁石１４の側面が絶縁テープ１６で覆われているため、ロータコア１１と磁石１４とを絶縁でき、渦電流損失及び発熱を抑制することが可能である。さらに、本実施形態では、絶縁テープ１６が、磁石１４の側面のうち、軸方向の両端と転積部分に対応する箇所とのそれぞれに選択的に巻きつけられている。このため、磁石１４の側面の全てを絶縁テープ１６で覆う場合に比べて、絶縁テープ１６の使用量を削減することが可能である。つまり、本実施形態では、絶縁テープ１６の使用量を増大させることなく、渦電流損失及び発熱を抑制することが可能である。

ここで、特許文献１では、２以上の絶縁テープのうちの少なくとも１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。特許文献１では、絶縁テープを巻きつける経路が複数あるため、絶縁テープの場所や貼り付け向きが複雑になり、絶縁テープの巻きつけに用いられる設備が複雑になるという問題もある。本実施形態では、絶縁テープ１６が巻きつけられる経路は１つでよいため、設備を簡素化できる。また、本実施形態では、ロータコア１１において、積層鋼鈑の厚みや転積回数に変更が起きた場合でも、絶縁テープ１６の本数や幅を変更することで対応可能である。さらに、磁石１４の寸法が変更になった場合でも、絶縁テープ１６の巻きつけ位置を調整することで対応が可能である。

なお、図４では、磁石１４がスロットの軸方向に沿って幅方向に２分割される例を示したが、これには限定されない。例えば、磁石１４が、スロットの軸方向に２分割されていてもよい。図７は、軸方向に２分割された磁石１４を示す。この例では、磁石１４は、スロットの軸方向に沿って並ぶ２つの磁石１４ｃと磁石１４ｄとを有する。このように磁石が軸方向に分割される場合も、絶縁テープ１６は、図４の例と同様に、軸方向の両端と転積部分に対応する箇所とのそれぞれに巻きつけられる。上記実施形態は、軸方向の分割磁石や周方向の分割磁石など、あらゆる磁石仕様に対応可能である。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、ここで説明した内容に加えて、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０：ロータ
１１：ロータコア
１２：回転軸用スロット
１３：磁石用スロット
１４：磁石
１６：絶縁テープ

Claims (1)

1. 磁石と、
   積層鋼板が積層されて構成され、前記磁石が挿入される磁石用スロットを有するロータコアとを備え、
   前記ロータコアでは、前記積層鋼板が所定ブロック単位で転積されており、
   前記磁石の表面のうち、前記ロータコアの軸方向の両端と転積部分とに対応する箇所のそれぞれに絶縁テープが巻きつけられることを特徴とする回転電機のロータ。

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