JP7263632B1 - ロータ及び回転電機 - Google Patents

Abstract

磁石補強管の生産性が高く且つ強度を確保し易いロータを得る。本ロータは、ロータ軸と、ロータ軸の外周に保持された永久磁石と、円筒状に形成されて永久磁石を外周側から覆った磁石補強管（２４）とを備えている。磁石補強管（２４）は、径方向に積層された複数の層（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）を備えており、各層（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）毎に個別に巻回された複数枚の繊維シート（２６）を有しており、各繊維シート（２６）が樹脂で固められている。

Description

本開示は、ロータ及び回転電機に関する。

特開２００５－３１２２５０号公報に記載された永久磁石式回転電機の磁石固定方法では、固定手段により回転子シャフトの外表面に永久磁石を固定した後、回転子シャフトとともに永久磁石を円筒状のバインドリングに圧入する。このバインドリングによって永久磁石の外表面全体を覆い且つ永久磁石を締め付けて回転子シャフトに固定する。これにより、高速回転時の遠心力強度に対して十分な永久磁石の固定強度が得られ、永久磁石の破片が飛散するのを防止することができる。

上記のようなバインドリング（磁石補強管）の製造方法としては、コストや生産性の面からシートワインディングによる成形が適している。しかしながら、シートワインディングにより厚みのある磁石補強管を成形する場合、繊維シートの巻き回数が多くなり、繊維シートに皺が発生する可能性が高くなる。繊維シートに皺が発生すると、繊維にたわみが生じ、強度低下を招く恐れがある。

本開示は上記事実を考慮し、磁石補強管の生産性が高く且つ強度を確保し易いロータ及び回転電機を得ることを目的とする。

第１の態様のロータは、ロータ軸と、前記ロータ軸の外周に保持された永久磁石と、円筒状に形成されて前記永久磁石を外周側から覆った磁石補強管と、を備え、前記磁石補強管は、径方向に積層された複数の層を備え、各前記層毎に個別に巻回された複数枚の繊維シートを有し、各前記繊維シートが樹脂で固められている。

第１の態様では、ロータ軸の外周に保持された永久磁石が、円筒状に形成された磁石補強管により外周側から覆われている。磁石補強管は、径方向に積層された複数の層を備えており、各層毎に個別に巻回された複数枚の繊維シートを有しており、各繊維シートが樹脂で固められている。この磁石補強管は、シートワインディングによって製造することができるので、生産性を高めることができる。しかも、上記のように複数枚の繊維シートが各層毎に個別に巻回されるので、各繊維シートの巻き回数が少なくなり、繊維シートに皺が発生する可能性が低くなる。その結果、皺に起因する強度低下が生じ難くなるので、磁石補強管の強度を確保し易くなる。

第２の態様のロータは、第１の態様において、個々の前記繊維シートは、巻始め端部と巻終り端部との周方向の位置が揃っており、前記複数枚の繊維シートは、巻始め端部と巻終り端部との周方向の位置が互いに揃っている。

なお、請求項２に記載の「揃っている」は、周方向の位置が概ね同じであればよく、周方向の位置が完全に一致している必要はない。この点は請求項３においても同様である。

第２の態様では、磁石補強管において、個々の繊維シートは、巻始め端部と巻終り端部との周方向の位置が揃っており、複数枚の繊維シート同士は、巻始め端部と巻終り端部との周方向の位置が互いに揃っている。つまり、複数枚の繊維シートの巻始め端部と巻終り端部との周方向の位置が全て揃っているので、例えばシートワインディングでの生産が容易になる。

第３の態様のロータは、第１の態様において、個々の前記繊維シートは、巻始め端部と巻終り端部との周方向の位置が揃っており、前記複数枚の繊維シート同士は、巻始め端部と巻終り端部との周方向の位置が互いにずれている。

第３の態様では、磁石補強管において、個々の繊維シートは、巻始め端部と巻終り端部との周方向の位置が揃っているが、複数枚の繊維シート同士は、巻始め端部と巻終り端部との周方向の位置が互いにずれている。これにより、繊維シートの不連続部を周方向に分散させることができるので、磁石補強管の強度を一層確保し易くなる。

第４の態様のロータは、第３の態様において、最も内側の前記層が有する前記繊維シートは、他の前記層が有する前記繊維シートよりも巻回数が多く設定されている。

第４の態様では、磁石補強管において最も内側の層は、ロータの回転時に応力が高くなるが、当該最内層の繊維シートは、他の層が有する繊維シートよりも巻回数が多く設定されている。これにより、最内層とそれに隣接する層との間の繊維シートの不連続部を外周側に配置させることができるので、磁石補強管の強度をより一層確保し易くなる。

第５の態様のロータは、第１の態様において、個々の前記繊維シートは、巻始め端部と巻終り端部との周方向の位置がずれており、前記複数枚の繊維シート同士は、巻始め端部の周方向の位置が互いにずれている。

第５の態様では、磁石補強管において、個々の繊維シートは、巻始め端部と巻終り端部との周方向の位置がずれており、複数枚の繊維シート同士は、巻始め端部の周方向の位置が互いにずれている。これにより、繊維シートの不連続部を周方向に分散させることができるので、磁石補強管の強度を一層確保し易くなる。

第６の態様のロータは、第１の態様～第５の態様の何れか１つの態様において、最も内側の前記層は、他の前記層よりも弾性、強度及び繊維含有率が高いプリプレグシートによって構成されている。

第６の態様では、磁石補強管において、ロータ回転時の応力が最も高くなる最内層にのみ弾性、強度及び繊維含有率が高いプリプレグシートが用いられる。これにより、弾性、強度及び繊維含有率が高いプリプレグシートが全ての層に用いられる場合と比較して、磁石補強管の強度を低コストで確保することができる。

第７の態様のロータは、第１の態様～第６の態様の何れか１つの態様において、前記磁石補強管の外周面に螺旋状に巻かれたプリプレグテープからなる層を備えている。

第７の態様では、磁石補強管の外周面に螺旋状に巻かれたプリプレグテープからなる層は、繊維が周方向に連続しており、巻始め端部と巻終り端部とが軸方向にずれて位置する。このプリプレグテープ層により、繊維シートの最外層からの剥離を防止又は抑制することができる。

第８の態様のロータは、第１の態様～第６の態様の何れか１つの態様において、前記磁石補強管の外周面に螺旋状に巻かれたトウプリプレグからなる層を備えている。

第８の態様では、磁石補強管の外周面に螺旋状に巻かれたトウプリプレグからなる層は、繊維が周方向に連続しており、巻始め端部と巻終り端部とが軸方向にずれて位置する。このトウプリプレグ層により、繊維シートの最外層からの剥離を防止又は抑制することができる。

第９の態様の回転電機は、第１の態様～第８の態様の何れか１つの態様のロータと、前記ロータに対して回転磁界を発生させるステータと、を備えている。

第９の態様では、ステータが発生させる回転磁界により、ロータが回転する。このロータは、第１の態様～第８の態様の何れか１つの態様のものであるため、前述した効果が得られる。

以上説明したように、本開示に係るロータ及び回転電機では、磁石補強管の生産性が高く且つ強度を確保し易い。

第１実施形態に係る回転電機の主要部の構成を示す断面図である。 第１実施形態に係るロータの構成を示す断面図であり、図１のＦ２－Ｆ２線に沿った切断面に対応する図である。 第１実施形態に係るロータが備える磁石補強管の構成を模式的に示す断面図である。 第２実施形態に係るロータが備える磁石補強管の構成を模式的に示す断面図である。 第３実施形態に係るロータが備える磁石補強管の構成を模式的に示す断面図である。 第４実施形態に係るロータが備える磁石補強管の構成を模式的に示す断面図である。 第５実施形態に係るロータの構成を示す側面図である。 第６実施形態に係るロータが備える磁石補強管の構成を模式的に示す断面図である。

＜第１の実施形態＞
以下、図１～図３を参照して本開示の第１実施形態に係る回転電機１０について説明する。図１に示されるように、本実施形態に係る回転電機１０は、ロータ１２の外周に永久磁石２０が保持された表面磁石型（Surface Permanent Magnetic；ＳＰＭ）モータである。この回転電機１０は、ロータ１２と、ロータ１２に対して回転磁界を発生させるステータ１４と、ロータ１２及びステータ１４を収容するケース１６とを備えている。なお図１では、ステータ１４を概略的に記載している。

図１及び図２に示されるように、ロータ１２は、ロータ軸１８と、ロータ軸１８の外周に保持された複数の永久磁石２０と、複数の永久磁石２０を外周側から覆った磁石補強管２４とを備えている。このロータ１２は、ステータ１４が発生させる回転磁界により、ロータ軸１８の軸線回りに回転する。なお、ロータ１２が複数の永久磁石２０の代わりに１つのリング状の永久磁石２０を備える構成にしてもよい。図１及び図２では、図面を見易くするため、ロータ軸１８の断面のハッチングを省略している。

ロータ軸１８は、軸線方向の中央部が磁石取付部１８Ａとされている。磁石取付部１８Ａは、一例としてロータ軸１８の軸線方向両端部１８Ｂよりも大径に形成されている。磁石取付部１８Ａの外周面には、磁極を構成するための複数の永久磁石２０がロータ軸１８の周方向に沿って配設されている。複数の永久磁石２０は、例えば接着剤により磁石取付部１８Ａの外周面に固定されている。

複数の永久磁石２０の外周には、磁石補強管２４が装着されている。磁石補強管２４は、繊維シートが樹脂で固められて製造された繊維強化樹脂（Fiber Reinforced Plastics；ＦＲＰ）製のパイプであり、円筒状に形成されている。磁石補強管２４は、複数の永久磁石２０の外周面の全体を覆っており、複数の永久磁石２０を磁石取付部１８Ａ側へ締め付けて、磁石取付部１８Ａに強固に固定している。

この磁石補強管２４は、シートワインディングによって製造されたものである。シートワインディングでは、繊維シートにマトリックス樹脂として熱硬化性樹脂を含侵させ、当該樹脂を半硬化させたプリプレグシートが用いられる。このシートワインディングでは、プリプレグシートを金型に巻き付け、硬化炉で熱硬化させた後に、脱芯機で金型からＦＲＰパイプを分離させる。上記の繊維シートとしては、カーボン繊維シート、ガラス繊維シート、アラミド繊維シート等が挙げられる。上記の熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられる。

上記のようにして製造される磁石補強管２４の内径は、ロータ軸１８に固定された複数の永久磁石２０の外径よりも若干小さく形成され、締め代が設定される。製造された磁石補強管２４の内側には、ロータ軸１８に固定された複数の永久磁石２０が圧入される。この圧入には、例えば図示しない圧入装置が用いられる。この圧入により、複数の永久磁石２０の外周面の全体が磁石補強管２４により覆われ、且つ複数の永久磁石２０が締め付けられてロータ軸１８の磁石取付部１８Ａに強固に固定される。

図３に示されるように、上記の磁石補強管２４は、径方向に積層された複数（ここでは４つ）の層２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄを備えており、各層２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ毎に個別に巻回された複数枚の繊維シート２６を有しており、各繊維シート２６が樹脂で固められている。各繊維シート２６の巻回数は、例えば３周～６周程度に設定されている。また、各繊維シート２６の巻回方向（図３に示される例では時計方向）は、ロータ１２の回転方向と反対方向とされている。なお、図３では、説明の都合上、磁石補強管２４の径方向の厚みを大きく図示しているが、実際には、磁石補強管２４の径方向の厚みは、磁石補強管２４の内外径に比べて十分に小さく設定される。

本実施形態では、一例として、個々の繊維シート２６は、巻始め端部２６Ｂと巻終り端部２６Ｅとの周方向の位置が揃っており、複数枚の繊維シート２６同士は、巻始め端部２６Ｂと巻終り端部２６Ｅとの周方向の位置が互いに揃っている。つまり、複数枚の繊維シート２６の巻始め端部２６Ｂと巻終り端部２６Ｅとの周方向の位置が全て揃っている。この「揃っている」は、周方向の位置が概ね同じであればよく、周方向の位置が完全に一致している必要はない。

（作用及び効果）
上記構成の回転電機１０では、ロータ１２は、ロータ軸１８と、ロータ軸１８の外周に保持された複数の永久磁石２０と、円筒状に形成されて複数の永久磁石２０を外周側から覆った磁石補強管２４とを備えている。この磁石補強管２４によって複数の永久磁石２０がロータ軸１８側へ締め付けられて、ロータ軸１８に強固に固定されている。これにより、高い機械的強度が得られる。しかも、磁石補強管２４によって複数の永久磁石２０の外周面の全体が覆われているため、上記遠心力による永久磁石２０の破壊が防止される。さらに、永久磁石２０が破壊されたとしても永久磁石２０の破片が回転電機１０の内部に飛散するのを防止することができる。

上記の磁石補強管２４は、径方向に積層された複数の層２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄを備えており、各層２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ毎に個別に巻回された複数枚の繊維シート２６を有しており、各繊維シート２６が樹脂で固められている。この磁石補強管２４は、シートワインディングによって製造されるため、生産性を高めることができる。しかも、上記のように複数枚の繊維シート２６が各層２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ毎に個別に巻回されるので、各繊維シート２６の巻き回数が少なくなり、繊維シート２６に皺が発生する可能性が低くなる。その結果、皺に起因する強度低下が生じ難くなるので、磁石補強管２４の強度を確保し易くなる。

また、本実施形態では、上記の磁石補強管２４において、個々の繊維シート２６は、巻始め端部２６Ｂと巻終り端部２６Ｅとの周方向の位置が揃っており、複数枚の繊維シート２６同士は、巻始め端部２６Ｂと巻終り端部２６Ｅとの周方向の位置が互いに揃っている。つまり、複数枚の繊維シート２６の巻始め端部２６Ｂと巻終り端部２６Ｅとの周方向の位置が全て揃っているので、例えばシートワインディングの生産が容易になる。

次に、本開示の他の実施形態について説明する。なお、説明済みの実施形態と基本的に同様の構成及び作用については、説明済みの実施形態と同符号を付与し、その説明を省略する。

＜第２の実施形態＞
図４には、本開示の第２実施形態に係るロータが備える磁石補強管２４の構成が模式的な断面図にて示されている。第２実施形態における磁石補強管２４では、個々の繊維シート２６は、巻始め端部２６Ｂと巻終り端部２６Ｅとの周方向の位置が揃っているが、複数枚（ここでは４枚）の繊維シート２６同士は、巻始め端部２６Ｂと巻終り端部２６Ｅとの周方向の位置が等角度で互いにずれている。この実施形態では、一例として、複数枚の繊維シート２６同士は、巻始め端部２６Ｂと巻終り端部２６Ｅとの周方向の位置が略等角度（ここでは約９０度）で互いにずれている。この実施形態では、上記以外の構成は第１実施形態と同様とされているため、第１実施形態と基本的に同様の作用及び効果が得られる。しかも、この実施形態では、繊維シート２６の不連続部である巻始め端部２６Ｂ及び巻終り端部２６Ｅを周方向に分散させることができるので、磁石補強管２４の強度を一層確保し易くなる。

＜第３の実施形態＞
図５には、本開示の第３実施形態に係るロータが備える磁石補強管２４の構成が模式的な断面図にて示されている。第３実施形態における磁石補強管２４では、各繊維シート２６の巻始め端部２６Ｂと巻終り端部２６Ｅとの周方向の位置が第２実施形態に係る磁石補強管２４と同様に設定されている。但し、最も内側の層２６Ａが有する繊維シート２６は、他の層２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄが有する繊維シート２６よりも巻回数が多く設定されている。この実施形態では、上記以外の構成は第２実施形態と同様とされているため、第２実施形態と基本的に同様の作用及び効果が得られる。しかも、最も内側の層２６Ａが有する繊維シート２６の巻回数が多く設定されることにより、最も内側の層２６Ａとそれに隣接する層２６Ｂとの間の繊維シート２６の不連続部を外周側に配置させることができるので、磁石補強管２４の強度をより一層確保し易くなる。なお、この実施形態では、第１実施形態と同様に、各繊維シート２６の巻始め端部２６Ｂと巻終り端部２６Ｅとの周方向の位置が揃っていてもよい。

＜第４の実施形態＞
図６には、本開示の第４実施形態に係るロータが備える磁石補強管２４の構成が模式的な断面図にて示されている。第４実施形態における磁石補強管２４では、個々の繊維シート２６は、巻始め端部２６Ｂと巻終り端部２６Ｅとの周方向の位置がずれており、複数枚の繊維シート２６同士は、巻始め端部２６Ｂの周方向の位置が等角度で互いにずれている。この実施形態では、一例として、複数枚の繊維シート２６同士は、巻始め端部２６Ｂの周方向の位置が略等角度（ここでは約９０度）で互いにずれている。この実施形態では、上記以外の構成は第１実施形態と同様とされているため、第１実施形態と基本的に同様の作用及び効果が得られる。しかも、この実施形態では、繊維シート２６の不連続部である巻始め端部２６Ｂ及び巻終り端部２６Ｅを周方向に分散させることができるので、磁石補強管２４の強度を一層確保し易くなる。

＜第５の実施形態＞
図７には、本開示の第５実施形態に係るロータ１２の構成が側面図にて示されている。第５実施形態に係るロータ１２は、第１実施形態～第４実施形態の何れか１つの実施形態に係るロータ１２に対してプリプレグテープ２８の層が追加された構成になっている。このプリプレグテープ２８の層は、磁石補強管２４の外周面に螺旋状に巻かれたプリプレグテープ２８からなる層である。この実施形態では、上記以外の構成は上記何れか１つの実施形態と同様とされているため、上記何れか１つの実施形態と基本的に同様の作用及び効果が得られる。しかも、プリプレグテープ２８の層は、繊維が周方向に連続しており、図示しない巻始め端部と巻終り端部とがロータ１２の軸方向にずれて位置する。このプリプレグテープ２８の層により、繊維シート２６の最外層からの剥離を防止又は抑制することができる。

なお、上記第５実施形態において、プリプレグテープ２８の層の代わりに、トウプリプレグ３０からなる層が設けられた構成にしてもよい。このトウプリプレグ３０からなる層は、磁石補強管２４の外周面に螺旋状に巻かれたトウプリプレグ３０からなる層であるため、上記第５実施形態と同様に、繊維シート２６の最外層からの剥離を防止又は抑制することができる。

＜第６の実施形態＞
図８には、本開示の第６実施形態に係るロータ１２が備える磁石補強管２４の構成が模式的な断面図にて示されている。第６実施形態における磁石補強管２４では、複数枚の繊維シート２６には、巻回方向が逆のものが含まれている。具体的には、最も外側の層２４Ｄでは、繊維シート２６の巻回方向が図８の反時計方向とされており、ロータ１２の回転方向が図８の時計方向とされている。この実施形態では、上記以外の構成は第１実施形態と同様とされているため、第１実施形態と基本的に同様の作用及び効果が得られる。しかも、最も外側の層２４Ｄの繊維シート２６の巻回方向がロータ１２の回転方向と逆方向に設定されているため、ロータ１２の回転時の空気抵抗による最外層の繊維シート２６の剥離を防止又は抑制することができる。

なお、前記各実施形態の磁石補強管２４において、ロータ１２の回転時の応力が最も高くなる最内の層２４Ａにのみ弾性、強度及び繊維含有率が高いプリプレグシートが用いられる構成にしてもよい。これにより、弾性、強度及び繊維含有率が高いプリプレグシートが全ての層２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄに用いられる場合と比較して、磁石補強管２４の強度を低コストで確保することができる。

また、前記各実施形態では、各層２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄの繊維シート２６の巻回数が３周～６周程度に設定された構成にしたが、これに限らず、各繊維シート２６の巻回数は適宜変更可能である。

その他、本開示は、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施できる。また、本開示の権利範囲が前記各実施形態に限定されないことは勿論である。

また、２０２１年７月２８日に出願された日本国特許出願２０２１－１２３６６８号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個別に記載された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (7)

1. ロータ軸と、
   前記ロータ軸の外周に保持された永久磁石と、
   円筒状に形成されて前記永久磁石が内側に圧入され、前記永久磁石を外周側から覆った磁石補強管と、
   を備え、
   前記磁石補強管は、径方向に積層された複数の層を備え、各前記層毎に個別に巻回された複数枚の繊維シートを有し、各前記繊維シートが樹脂で固められており、
   個々の前記繊維シートは、巻始め端部と巻終り端部との周方向の位置が揃っており、
   前記複数枚の繊維シート同士は、巻始め端部と巻終り端部との周方向の位置が互いにずれているロータ。
2. 最も内側の前記層が有する前記繊維シートは、他の前記層が有する前記繊維シートよりも巻回数が多く設定されている請求項１に記載のロータ。
3. ロータ軸と、
   前記ロータ軸の外周に保持された永久磁石と、
   円筒状に形成されて前記永久磁石が内側に圧入され、前記永久磁石を外周側から覆った磁石補強管と、
   を備え、
   前記磁石補強管は、径方向に積層された複数の層を備え、各前記層毎に個別に巻回された複数枚の繊維シートを有し、各前記繊維シートが樹脂で固められており、
   個々の前記繊維シートは、巻始め端部と巻終り端部との周方向の位置がずれており、
   前記複数枚の繊維シート同士は、巻始め端部の周方向の位置が互いにずれており、
   径方向に隣り合う前記繊維シート同士の巻始め端部と巻終り端部との周方向に位置が揃っているロータ。
4. 最も内側の前記層は、他の前記層よりも弾性、強度及び繊維含有率が高いプリプレグシートによって構成されている請求項１又は請求項３に記載のロータ。
5. 前記磁石補強管の外周面に螺旋状に巻かれたプリプレグテープからなる層を備えている請求項１又は請求項３に記載のロータ。
6. 前記磁石補強管の外周面に螺旋状に巻かれたトウプリプレグからなる層を備えている請求項１又は請求項３に記載のロータ。
7. 請求項１又は請求項３に記載のロータと、
   前記ロータに対して回転磁界を発生させるステータと、
   を備えた回転電機。

Images