WO2016080191A1 - 磁石埋込型回転電機 - Google Patents

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敏章 下田
信吾 笠井
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株式会社神戸製鋼所
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/28—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures
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    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures

Definitions

  • the present invention relates to a magnet-embedded rotating electrical machine including a rotor having a rotor core in which permanent magnets are embedded, and a stator disposed to face the rotor.
  • Rotating electric machine is a general term for an electric motor, a generator, and an electric motor / generator.
  • the electric motor is called an IPM (Interior Permanent Magnet) motor.
  • an electric motor having a rotor in which a permanent magnet is attached to the surface of a rotor core is called a SPM (Surface Permanent Magnet) motor.
  • the IPM motor and the SPM motor are collectively referred to as a PM motor.
  • the final goal of the present invention is to achieve high speed rotation of the IPM motor.
  • Patent Document 1 an invention described in, for example, Patent Document 1 as an object to be solved for speeding up the motor.
  • the rotor of the SPM motor described in Patent Document 1 has a permanent magnet disposed on the surface of a cylindrical yoke and a low melting point metal on the outer surface of a high melting point fiber wound around the outer peripheral surface of the permanent magnet.
  • Each of the low-melting-point coating portions of the adjacent fiber-reinforced metal wires is melt-fixed.
  • the strength of the rotor is increased so that it can resist large centrifugal force during high-speed rotation by wrapping fiber-reinforced metal wires around the outer peripheral surface of the permanent magnet and melting and fixing the low melting point coating portions together. .
  • Patent Document 2 The invention described in Patent Document 2 is intended to improve the strength of the electrical steel sheet constituting the rotor core in response to a demand for high-speed rotation of a motor or the like.
  • a PM motor such as an IPM motor or an SPM motor at a high speed
  • the motor is driven at a high frequency.
  • the loss of eddy current generated in the rotor (rotor) becomes large, and demagnetization of the magnet becomes a problem.
  • a stator (stator) is easy to dissipate heat by contact with a casing and a cooling path.
  • the rotor located inside the stator is connected to the load via the shaft, and the casing via the shaft and the bearing serves as the main heat dissipation path, so that it is difficult to secure the heat dissipation path.
  • the driving frequency is as low as 50 Hz and 60 Hz, so that eddy current loss generated in the rotor and securing of a heat radiation path are not particularly problematic.
  • the motor is rotated at a high speed at 400 Hz, the eddy current loss generated in the rotor increases. Reduction of this eddy current loss or securing of the heat dissipation path of the rotor becomes a problem.
  • a magnetic path is formed in the outer core of the rotor core. Since this magnetic path does not contribute to torque, usually, the outer peripheral portion of the rotor core is made as thin as possible to be magnetically saturated to form a bridge portion, or a flux barrier is provided.
  • the centrifugal force increases when the motor is rotated at a high speed, it is necessary to thicken the outer periphery of the rotor core. As a result, the torque becomes insufficient, and thus the current is increased or the magnet is increased to compensate for the torque.
  • the former causes an increase in eddy current loss, and the latter causes an increase in cost.
  • IPM motors are attracting attention as motors that can achieve high efficiency because reluctance torque can be utilized by imparting saliency to the rotor structure in addition to normal magnet torque. There is a great need for higher efficiency even at high speeds.
  • Patent Document 1 The invention described in Patent Document 1 is an invention related to a rotor of an SPM motor, and the SPM motor is less likely to achieve high efficiency than an IPM motor and cannot utilize reluctance torque.
  • strength of the said rotor is raised by making the low melting
  • the main material of this protective layer is metal, and since current flows easily through metal, eddy current loss cannot be suppressed even though the strength of the rotor can be increased.
  • Patent Document 1 a fiber reinforced metal wire is wound around a rotor and then heated by a laser or the like to melt and fix the low melting point metal, thereby fixing the fiber reinforced metal wire to the rotor.
  • This requires a step of winding the fiber reinforced metal wire for each rotor, which requires a lot of man-hours (hours) and costs for the production of equipment and jigs.
  • Patent Document 2 The invention described in Patent Document 2 is an invention for improving the strength of the electromagnetic steel sheet, and does not correspond to the reduction of eddy current loss.
  • An object of the present invention is to provide a magnet-embedded rotary electric machine that can suppress eddy current loss generated in the rotor while increasing the strength of the rotor.
  • An embedded magnet type rotating electrical machine includes a rotor having a rotor core in which permanent magnets are embedded, a stator that is disposed to face the rotor, and an extrapolation to the rotor core. And a fiber reinforced plastic tube fixed to each other.
  • the magnet-embedded rotary electric machine of the present invention can rotate at high speed and has high efficiency.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a magnet-embedded rotating electrical machine.
  • 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view of a fiber reinforced plastic tube.
  • FIG. 4A is a perspective view of a fiber reinforced plastic tube.
  • FIG. 4B is a perspective view of a fiber reinforced plastic tube.
  • the magnet-embedded rotary electric machine of the present invention can be used as an electric motor for various machines such as an in-vehicle electric motor and a generator mounted on an aircraft, a generator, and an electric motor / generator.
  • the magnet-embedded rotary electric machine according to the first embodiment of the present invention is an IPM motor.
  • the IPM motor 1 includes a rotor (rotor) 2 and a rotor on the radially outer side of the rotor 2. 2 and a cylindrical stator (stator) 3 disposed opposite to each other.
  • the rotor 2 is disposed in the stator 3 so that its axis coincides with the axis of the stator 3 (coaxial).
  • the rotor 2 and the stator 3 are accommodated in a casing (not shown).
  • the rotor 2 includes a cylindrical rotor core 11 and two sets of permanent magnets 12 and 13 embedded in the rotor core 11.
  • the rotor 2 can rotate in the C direction shown in FIG. 2 and in the opposite direction.
  • the rotor core 11 is formed, for example, by laminating ring-plate-shaped electromagnetic steel plates (35H300 or the like) in the axial direction. In the center of the rotor core 11, a hole 11a penetrating in the axial center (rotating axis) direction is formed. An output shaft (shaft) 5 for extracting the rotation of the rotor 2 to the outside is inserted into the hole 11a.
  • the rotor core 11 is fixed to the output shaft 5 with a parallel key 14.
  • the output shaft 5 is rotatably supported by a bearing (not shown).
  • end plates 16 are provided at both ends of the rotor 2 in the axial direction.
  • the pair of end plates 16 are fixed to the rotor 2 by bolts 17 penetrating the rotor core 11.
  • the heat dissipation characteristics of the rotor core 11 are improved.
  • the normal thing which is not high tension can be used. Thereby, since the iron loss by the rotor core 11 can be reduced, the loss which generate
  • each magnet fitting hole 11b penetrates the rotor core 11 in the axial direction, and, as will be described later, a pair of magnets 12a and 12b having the same polarity constituting the permanent magnet 12 and a pair constituting the permanent magnet 13. Magnets 13a and 13b having the same polarity are respectively fitted.
  • the two sets of permanent magnets 12 and 13 are neodymium magnets or the like, and are fitted into the magnet fitting holes 11b of the rotor core 11 to form the magnetic poles of the rotor 2 (rotor core 11).
  • the permanent magnet 12 and the permanent magnet 13 are arranged so that the magnetic poles adjacent to each other in the circumferential direction of the rotor 2 are opposite to each other, that is, the S pole and the N pole are alternately arranged in the circumferential direction on the outer circumferential surface of the rotor 2.
  • the magnets are fitted into the magnet fitting holes 11b so as to line up.
  • the permanent magnet 12 is composed of a pair of magnets 12 a and 12 b having the same polarity arranged adjacent to each other along the circumferential direction of the rotor 2.
  • the permanent magnet 13 is composed of a pair of magnets 13 a and 13 b having the same polarity arranged adjacent to each other along the circumferential direction of the rotor 2.
  • the pair of magnets 12a and 12b having the same polarity and the pair of magnets 13a and 13b having the same polarity are fitted in the magnet fitting holes 11b, respectively.
  • the surfaces of the pair of magnets 12a and 12b facing the center of the rotor 2 are S poles, and the shape thereof is a plane.
  • the surfaces of the pair of magnets 12a and 12b facing the stator 3 are each N-poles, and the shape thereof is a plane.
  • a magnetic flux short circuit 11c which is a portion between the outer peripheral surface of the rotor 2 and each of the magnets 12a and 12b having the same polarity, is a portion where the magnetic flux is short-circuited in the rotor 2.
  • the surfaces of the pair of magnets 13a, 13b facing the center of the rotor 2 are each N-poles, and the shape thereof is a plane. Further, the surfaces of the pair of magnets 13a and 13b facing the stator 3 are respectively S poles, and the shape thereof is a plane.
  • a magnetic flux short circuit 11c which is a portion between the outer peripheral surface of the rotor 2 and each of the magnets 13a and 13b having the same polarity, is a portion where the magnetic flux is short-circuited in the rotor 2.
  • gaps 15 are formed between the rotor core 11 and each of the pair of same-polarity magnets 12a and 12b and the pair of same-polarity magnets 13a and 13b.
  • the air gap 15 is formed on both sides of each of the magnets 12a, 12b, 13a, 13b having the same polarity in the circumferential direction of the rotor 2.
  • These gaps 15 can reduce the magnetic flux that is short-circuited in the rotor 2.
  • the short-circuiting of the magnetic flux means that the magnetic flux emitted from the N pole does not reach the gap 6 between the stator 3 and the rotor 2 and enters the S pole as it is through the rotor core 11.
  • the stator 3 includes a cylindrical stator core 21 and a winding 22 wound around the inner peripheral surface of the stator core 21.
  • the stator core 21 is formed by, for example, laminating a plurality of electromagnetic steel plates (silicon steel plates or the like) in the axial direction. On the inner peripheral surface of the stator core 21, slots 21a and teeth 21b are formed alternately and continuously along the circumferential direction. A winding 22 is wound around the tooth 21b. A rotating magnetic field is formed by supplying a current having a predetermined phase difference to the windings 22 wound around the plurality of teeth 21b. Thereby, magnet torque and reluctance torque are generated in the rotor 2, and the rotor 2 rotates.
  • the reluctance torque is generated when the rotor 2 rotates with respect to the stator 3 in an attempt to flow a magnetic flux in a place where the magnetic resistance is difficult to flow, that is, where the magnetic resistance is difficult to flow. Torque.
  • the IPM motor 1 has a fiber reinforced plastic tube 4.
  • the fiber reinforced plastic tube 4 is externally fixed to the rotor core 11.
  • the thickness of the fiber reinforced plastic tube 4 is 2 mm, for example.
  • the fiber reinforced plastic tube 4 is a composite material in which fibers of high strength fiber reinforced plastic are knitted and hardened with a resin.
  • the fibers constituting the fiber reinforced plastic tube 4 are arranged in a lattice shape.
  • the fibers 31 extending in the axial direction of the fiber reinforced plastic tube 4 and the fibers 32 extending in the circumferential direction are arranged in a lattice shape. Since the fiber reinforced plastic has a lower electrical conductivity than the fiber reinforced metal wire disclosed in Patent Document 1, eddy current loss generated in the rotor 2 can be reduced.
  • the fiber 32 extending in the circumferential direction is obtained by winding one fiber in a spiral shape.
  • a plurality of fibers 31 extending in the axial direction are provided side by side in the circumferential direction.
  • the number of fibers 31 extending in the axial direction is four.
  • the number of fibers 31 is not limited thereto, and may be five or more or three or less.
  • the fiber 31 extending in the axial direction and the fiber 32 extending in the circumferential direction are low-conductivity fibers, respectively. Thereby, it can suppress that the fiber reinforced plastic pipe
  • the fiber 31 extending in the axial direction and the fiber 32 extending in the circumferential direction are GFRP (Grass Fiber Reinforced Plastic) having a specific resistance of 10 10 ⁇ cm or more, but are not limited thereto.
  • CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastic
  • AFRP Anaramid Fiber Reinforced Plastic
  • ALFRP Allumina Fiber Reinforced Plastic
  • at least one of the fiber 31 extending in the axial direction and the fiber 32 extending in the circumferential direction may be an insulating fiber.
  • the fiber density in the axial direction is larger than the fiber density in the circumferential direction of the fiber reinforced plastic tube 4.
  • the fiber density in the circumferential direction refers to the density of the plurality of fibers 31 that are adjacent to each other in the circumferential direction and extend in the axial direction.
  • the fiber density in the axial direction refers to the density of the plurality of fibers 32 adjacent to each other in the axial direction and extending in the circumferential direction.
  • the fiber density is higher, the strength of the fiber reinforced plastic tube 4 is improved, but the cost and the number of manufacturing steps are increased. Also, the denser the fiber density, the higher the electrical conductivity and the cause of eddy currents. Therefore, by reducing the fiber density in the circumferential direction, the factors that generate eddy currents are reduced, and the cost and the number of manufacturing steps are reduced. Further, by increasing the fiber density in the axial direction, scattering of the permanent magnets is suitably suppressed.
  • Such a fiber reinforced plastic tube 4 is shrink-fitted to the rotor core 11 by warming the fiber reinforced plastic tube 4.
  • the fiber reinforced plastic pipe 4 may be cooled and fitted to the rotor core 11 by cooling the rotor core 11. Further, the fiber reinforced plastic pipe 4 may be fitted into the rotor core 11 with a gap (press-fit) in a state where an adhesive is applied to the surface of the rotor core 11.
  • the magnetic flux short-circuit path 11 c (see FIG. 2) that is the outer peripheral portion of the rotor core 11 can be narrowed while ensuring the strength of the rotor 2. Therefore, there is no need to increase the current to compensate for torque, and eddy current loss does not increase. Therefore, the motor efficiency can be improved to 95% or more.
  • the fiber 31 extending in the axial direction may be a fiber having a higher conductivity than that of the low conductivity fiber. In this case, the material cost can be suppressed.
  • the fiber 31 extending in the axial direction may be a non-conductive fiber. In this case, it is possible to prevent formation of loops that generate eddy currents in the fibers arranged in a lattice while suppressing the material cost.
  • tube 4 and extends in the circumferential direction is not limited to what was wound spirally, It is what was provided with two or more ring-shaped fibers along with the axial direction. There may be.
  • the strength of the rotor 2 is increased by extrapolating and fixing the fiber reinforced plastic tube 4 to the rotor core 11. be able to. Thereby, it can suppress that the permanent magnets 12 and 13 scatter. Further, since the fiber reinforced plastic has a lower electrical conductivity than the fiber reinforced metal wire of Patent Document 1, eddy current loss generated in the rotor 2 can be reduced. Moreover, since the outer peripheral part of the rotor core 11 can be made thin while ensuring the strength of the rotor 2, it is not necessary to increase the current to compensate for the torque, and eddy current loss does not increase. Therefore, motor efficiency can be improved. Thus, since the IPM motor 1 of the present invention can suppress the eddy current loss generated in the rotor 2 while increasing the strength of the rotor 2, it can rotate at high speed and has high efficiency.
  • the fibers constituting the fiber reinforced plastic tube 4 are arranged in a lattice shape so that the fiber density in the axial direction is larger than the fiber density in the circumferential direction of the fiber reinforced plastic tube 4.
  • the cause of eddy currents can be reduced, and the cost and the number of manufacturing steps can be reduced.
  • scattering of the permanent magnets 12 and 13 can be suitably suppressed by increasing the fiber density in the axial direction.
  • the material cost can be suppressed by using a fiber having a higher conductivity than the low conductivity fiber as the fiber 31 extending in the axial direction.
  • FIG. 4A and FIG. 4B which is a perspective view, the fiber 31 extending in the axial direction in the fiber reinforced plastic tube 204.
  • a fiber 32 extending in the circumferential direction is a point in which a resin member is interposed.
  • the fiber reinforced plastic tube 204 includes an inner tube 204a composed of only the fibers 32 extending in the circumferential direction of the fiber reinforced plastic tube 204 and a plurality of fibers extending in the axial direction. 31 and an outer tube 204b composed of a pair of ring-shaped fibers 33 arranged at both ends of the plurality of fibers 31. The ends of the fibers 31 extending in the axial direction are connected to the pair of ring-shaped fibers 33.
  • the fiber 31 extending in the axial direction and the fiber 32 extending in the circumferential direction are low conductivity fibers.
  • at least one of the fiber 31 extending in the axial direction and the fiber 32 extending in the circumferential direction may be an insulating fiber.
  • the ring-shaped fiber 33 may be a low conductivity fiber or an insulating fiber, or may be a fiber having a higher conductivity than the low conductivity fiber.
  • the fiber reinforced plastic tube 204 is formed by overlapping the inner tube 204a and the outer tube 204b.
  • the resin member is interposed in the overlapping portion 34 between the fiber 31 extending in the axial direction and the fiber 32 extending in the circumferential direction.
  • insulation can be ensured between the fiber 31 extending in the axial direction and the fiber 32 extending in the circumferential direction.
  • lattice form it can prevent that the loop which generate
  • the fiber 31 extending in the axial direction may be a fiber having a higher conductivity than that of the low conductivity fiber. In this case, the material cost can be suppressed.
  • circumferentially extending fibers 32 constituting the inner tube 204a are not limited to those spirally wound, and a plurality of ring-shaped fibers are provided side by side in the axial direction. Also good.
  • the fibers constituting the fiber reinforced plastic tube 204 are arranged in a lattice shape, and the fibers 31 extending in the axial direction.
  • a resin member is interposed in the overlapping portion 34 between the fiber 32 extending in the circumferential direction. Therefore, insulation can be ensured between the fiber 31 extending in the axial direction and the fiber 32 extending in the circumferential direction. Thereby, it is possible to prevent a loop that generates an eddy current from being formed in a fiber arranged in a lattice shape.

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Abstract

　磁石埋込型回転電機（１）は、永久磁石（１２、１３）が内部に埋め込まれたロータコア（１１）を有する回転子（２）と、回転子（２）対して対向配置される固定子（３）と、ロータコア（１１）に外挿されて固定されている繊維強化プラスチック管（４）とを備える。

Description

磁石埋込型回転電機
　本発明は、永久磁石が内部に埋め込まれたロータコアを有する回転子と、当該回転子に対して対向配置される固定子とを備える磁石埋込型回転電機に関する。
　回転電機とは、電動機、発電機、電動機兼発電機の総称のことである。本発明の磁石埋込型回転電機を電動機として利用した場合、その電動機はＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）モータと呼ばれる。これに対して、永久磁石がロータコアの表面に貼り付けられた回転子を有する電動機は、ＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）モータと呼ばれる。また、ＩＰＭモータとＳＰＭモータとを合わせてＰＭモータと呼ばれる。
　本発明の最終的な目標は、ＩＰＭモータの高速回転化を成し遂げることである。ＩＰＭモータではなくＳＰＭモータに関する発明ではあるが、モータの高速化を解決しようとする課題とする発明として、例えば特許文献１に記載の発明がある。
　特許文献１に記載のＳＰＭモータの回転子は、円筒形ヨークの表面に配設された永久磁石と、この永久磁石の外周面上に巻きつけられた高融点繊維の外表面に低融点金属を被覆した繊維強化金属線とを有し、隣接する繊維強化金属線同士のそれぞれの低融点被覆部が溶融固着されてなる。永久磁石の外周面上への繊維強化金属線の巻きつけ、及び低融点被覆部同士の溶融固着により、高速回転時の大きな遠心力に対抗することができるよう、回転子の強度を高めている。
　特許文献２に記載の発明は、モータ等の高速回転化の要求に対して、ロータコアを構成する電磁鋼板の強度向上を図ったものである。
　ここで、ＩＰＭモータ、ＳＰＭモータといったＰＭモータを高速回転させるには、モータを高い周波数で駆動することになる。このとき、ロータ（回転子）に発生する渦電流損失が大きくなり、磁石の減磁が問題となる。一般的にステータ（固定子）は、ケーシングおよび冷却路との接触などで放熱させ易い。一方、ステータの内側に位置するロータは、シャフトを介して負荷に接続されており、シャフト、軸受を介してのケーシングが主な放熱経路となるので放熱経路を確保しにくい。通常のモータでは、駆動周波数が５０Ｈｚ、６０Ｈｚと低いため、ロータで発生する渦電流損失、放熱経路の確保は特に問題にならない。しかしながら、例えば４００Ｈｚでモータを高速回転させる場合、ロータに発生する渦電流損失が大きくなる。この渦電流損失の低減、または、ロータの放熱経路の確保が問題となる。
　また、ＩＰＭモータでは、ロータコアの外周部鉄心に磁路ができる。この磁路はトルクに寄与しないので、通常、ロータコアの外周部を極力細くして磁気飽和させブリッジ部としたり、フラックスバリアを設けたりする等の設計を行う。しかしながら、モータを高速回転させると遠心力が大きくなるため、ロータコアの外周部を太くする必要がある。これによりトルク不足となるため、トルクを補うために電流を増加させたり、磁石を増加させたりするが、前者は渦電流損失の増加を招き、後者はコスト増加を招く。 
　さらに、昨今、モータの省エネ性能の向上、高効率化のニーズが高まっている。ＩＰＭモータは、通常のマグネットトルクに加え、ロータ構造に突極性を持たせることによりリラクタンストルクを活用できるため、高効率化を実現できるモータとして注目されている。高速回転においても高効率化のニーズは高い。
　特許文献１に記載の発明は、ＳＰＭモータの回転子に関する発明であり、ＳＰＭモータはＩＰＭモータに比べて高効率を出しにくく、リラクタンストルクを活用できない。また、特許文献１では、繊維強化金属線の低融点被覆部同士を溶融固着させて回転子の保護層とすることで、当該回転子の強度を高めている。この保護層の主たる物質は金属であり、金属は電流が流れやすいため、回転子の強度を高めることはできても、渦電流損失を抑制することはできない。
　また、特許文献１では、繊維強化金属線を回転子に巻きつけ、その後、レーザ等により加熱することで低融点金属を溶融固着させて繊維強化金属線を回転子に固定している。これでは、回転子毎に繊維強化金属線を巻きつける工程が必要であり、工数（時間）が多く、且つ設備、治具の製作に費用がかかってしまう。
　特許文献２に記載の発明は、電磁鋼板の強度向上を図った発明であり、渦電流損失の低減に対応するものではない。
特開昭６１－７３５５９号公報 特開２０１０－９０４７４号公報
　本発明の目的は、回転子の強度を高めつつも、当該回転子で発生する渦電流損失を抑制できる磁石埋込型回転電機を提供することにある。
　本発明の一局面に係る磁石埋込型回転電機は、永久磁石が内部に埋め込まれたロータコアを有する回転子と、前記回転子に対して対向配置される固定子と、前記ロータコアに外挿されて固定されている繊維強化プラスチック管と、を備える。
　本発明によれば、回転子の強度を高めつつも、当該回転子で発生する渦電流損失を抑制することができる。そのため、本発明の磁石埋込型回転電機は、高速回転可能であり且つ効率も良い。
　本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
図１は、磁石埋込型回転電機の断面図である。 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。 図３は、繊維強化プラスチック管の斜視図である。 図４Ａは、繊維強化プラスチック管の斜視図である。 図４Ｂは、繊維強化プラスチック管の斜視図である。
　以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明の磁石埋込型回転電機は、車載用の電動機、航空機に搭載される発電機など、様々な機械の電動機、発電機、電動機兼発電機として利用することができる。 
　［第１実施形態］
　（ＩＰＭモータの構成）
　本発明の第１実施形態による磁石埋込型回転電機は、ＩＰＭモータである。ＩＰＭモータ１は、断面図である図１、および、図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である図２に示すように、回転子（ロータ）２と、回転子２の径方向外側において回転子２に対して対向配置される筒状の固定子（ステータ）３と、を有している。回転子２は、その軸心が固定子３の軸心に一致するように（同軸になるように）、固定子３内に配置される。また、回転子２と固定子３とは、図示しないケーシング内に収納されている。
　（回転子）
　回転子２は、筒状のロータコア１１と、ロータコア１１の内部に埋め込まれた２組の永久磁石１２，１３とを有している。回転子２は、図２に示すＣ方向、および、その逆方向に回転可能である。
　ロータコア１１は、例えば、リング板状の電磁鋼板（３５Ｈ３００など）が軸心方向に積層されることによって形成されている。ロータコア１１の中心には、軸心（回転軸）方向に貫通する穴１１ａが形成されている。この穴１１ａには、回転子２の回転を外部に取り出す出力軸（シャフト）５が挿通される。ロータコア１１は、平行キー１４で出力軸５に固定される。出力軸５は軸受（図示せず）によって回転可能に支持される。
　図１に示すように、回転子２の軸心方向の両端には、エンドプレート１６がそれぞれ設けられている。一対のエンドプレート１６は、ロータコア１１を貫通するボルト１７によって、回転子２に固定されている。エンドプレート１６を介してロータコア１１の熱を外気に放出することで、ロータコア１１の放熱特性が向上する。また、このような構造とすることで、ロータコア１１を形成する電磁鋼板として、高張力ではない通常のものを使用することができる。これにより、ロータコア１１による鉄損を低減させることができるので、回転子２で発生する損失を低減させて、モータ効率を向上させることができる。
　図２に示すように、ロータコア１１の外周部には、回転子２の周方向に間隔をおいて並んだ４個の磁石嵌め込み穴１１ｂが形成されている。各磁石嵌め込み穴１１ｂは、ロータコア１１を軸心方向に貫通しており、後述するように、永久磁石１２を構成する一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂ、および、永久磁石１３を構成する一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂがそれぞれ嵌め込まれる。
　２組の永久磁石１２，１３は、ネオジム磁石等であって、ロータコア１１の磁石嵌め込み穴１１ｂに嵌め込まれることによって、回転子２（ロータコア１１）の磁極を形成する。永久磁石１２と永久磁石１３とは、回転子２の周方向に隣り合う磁極が互いに反対の磁極となるように、即ち、回転子２の外周面においてＳ極とＮ極とが周方向に交互に並ぶように、各磁石嵌め込み穴１１ｂに嵌め込まれる。
　永久磁石１２は、回転子２の周方向に沿って隣接配置された一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂからなる。また、永久磁石１３は、回転子２の周方向に沿って隣接配置された一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂからなる。一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂおよび一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂは、それぞれ磁石嵌め込み穴１１ｂに嵌め込まれる。
　一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂにおける回転子２の中心に対向する面は、それぞれＳ極であって、その形状は平面である。また、一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂにおける固定子３に対向する面は、それぞれＮ極であって、その形状は平面である。回転子２の外周面と同極の磁石１２ａ，１２ｂの各々との間の部分である磁束短絡路１１ｃは、回転子２内で磁束が短絡する部分である。
　一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂにおける回転子２の中心に対向する面は、それぞれＮ極であって、その形状は平面である。また、一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂにおける固定子３に対向する面は、それぞれＳ極であって、その形状は平面である。回転子２の外周面と同極の磁石１３ａ，１３ｂの各々との間の部分である磁束短絡路１１ｃは、回転子２内で磁束が短絡する部分である。
　回転子２の周方向において、一対の同極の磁石１２ａ，１２ｂおよび一対の同極の磁石１３ａ，１３ｂの各々と、ロータコア１１との間には、空隙１５がそれぞれ形成されている。この空隙１５は、回転子２の周方向において、同極の磁石１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの各々の両側にそれぞれ形成されている。これら空隙１５により、回転子２内で短絡する磁束を減少させることができる。なお、磁束の短絡とは、Ｎ極から出た磁束が固定子３と回転子２との間の空隙部６に到達することなく、そのままロータコア１１を通ってＳ極に入ることを意味する。
　（固定子）
　 固定子３は、筒状のステータコア２１と、ステータコア２１の内周面に巻回された巻線２２とを有している。
　ステータコア２１は、例えば、複数の電磁鋼板（ケイ素鋼板など）が軸心方向に積層されることによって形成されている。ステータコア２１の内周面には、周方向に沿ってスロット２１ａと歯２１ｂとが交互に連続して形成されている。歯２１ｂには、巻線２２が巻回されている。複数の歯２１ｂにそれぞれ巻回された巻線２２に対して所定の位相差の電流が供給されることにより、回転磁界が形成される。これにより、回転子２にマグネットトルクとリラクタンストルクとが発生して、回転子２が回転する。ここで、リラクタンストルクとは、磁気抵抗が小さくなろうとする箇所に発生するトルク、即ち、磁気が流れ難いところに磁束を流そうとして、回転子２が固定子３に対して回転することにより発生するトルクである。
　（繊維強化プラスチック管）
　ＩＰＭモータ１は、繊維強化プラスチック管４を有している。この繊維強化プラスチック管４は、ロータコア１１に外挿されて固定されている。繊維強化プラスチック管４の厚みは、例えば２ｍｍである。繊維強化プラスチック管４をロータコア１１に固定することで、回転子２の強度が高まる。
　図３に示すように、繊維強化プラスチック管４は、高強度の繊維強化プラスチックの繊維を編んで樹脂で固めた複合材料である。繊維強化プラスチック管４を構成する繊維は格子状に配置されている。具体的には、繊維強化プラスチック管４の軸方向に延在する繊維３１と周方向に延在する繊維３２とが格子状に配置されている。繊維強化プラスチックは、特許文献１の繊維強化金属線よりも導電率が低いので、回転子２に発生する渦電流損失を低減させることができる。
　周方向に延在する繊維３２は、１本の繊維が螺旋状に巻回されたものである。一方、軸方向に延在する繊維３１は、周方向に並んで複数設けられている。本実施形態において、軸方向に延在する繊維３１は４本であるが、これに限定されず、５本以上であっても、３本以下であってもよい。
　軸方向に延在する繊維３１、および、周方向に延在する繊維３２は、それぞれ低電導率繊維である。これにより、繊維強化プラスチック管４が発熱するのを抑えることができる。本実施形態において、軸方向に延在する繊維３１、および、周方向に延在する繊維３２は、比抵抗が１０10Ωｃｍ以上のＧＦＲＰ（Ｇｒａｓｓ　Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃ）であるが、これに限定されず、ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ　Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃ）や、ＡＦＲＰ（Ａｒａｍｉｄ　Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃ）、ＡＬＦＲＰ（Ａｌｕｍｉｎａ　Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃ）等であってもよい。なお、軸方向に延在する繊維３１、および、周方向に延在する繊維３２の少なくとも一方が、絶縁性繊維であってもよい。
　また、繊維が格子状に配置された繊維強化プラスチック管４においては、繊維強化プラスチック管４の周方向の繊維密度よりも軸方向の繊維密度の方が大きくされている。ここで、周方向の繊維密度とは、周方向に隣り合う、軸方向に延在する複数の繊維３１の粗密を指す。一方、軸方向の繊維密度とは、軸方向に隣り合う、周方向に延在する複数の繊維３２の粗密を指す。
　繊維密度が密であるほど、繊維強化プラスチック管４の強度は向上するが、コストおよび製作工数が増加する。また、繊維密度が密であるほど、電気伝導率が上昇し、渦電流が発生する要因となる。そこで、周方向の繊維密度を小さくすることで、渦電流が発生する要因が低減するとともに、コストおよび製作工数が低減する。また、軸方向の繊維密度の方を大きくすることで、永久磁石の飛散が好適に抑制される。
　このような繊維強化プラスチック管４は、繊維強化プラスチック管４を温めておくことにより、ロータコア１１に焼き嵌めされる。なお、ロータコア１１を冷やしておくことにより、繊維強化プラスチック管４をロータコア１１に冷やし嵌めしてもよい。また、ロータコア１１の表面に接着剤を塗布した状態で、繊維強化プラスチック管４をロータコア１１に隙間嵌め（圧入）してもよい。
　繊維強化プラスチック管４を用いることで、回転子２の強度を確保しながらロータコア１１の外周部である磁束短絡路１１ｃ（図２参照）を細くすることができる。よって、トルクを補うために電流を増加させる必要がなく、渦電流損失は増加しない。よって、モータ効率を９５％以上に向上させることができる。
　なお、軸方向に延在する繊維３１は、低電導率繊維よりも電導率の高い繊維であってもよい。この場合、材料コストを抑えることができる。
　また、軸方向に延在する繊維３１は、導電性のない繊維であってもよい。この場合、材料コストを抑えながら、格子状に配置された繊維において、渦電流を発生させるループを形成しないようにすることができる。
　また、繊維強化プラスチック管４を構成する、周方向に延在する繊維３２は、螺旋状に巻回されたものに限定されず、リング状の繊維が軸方向に並んで複数設けられたものであってもよい。
　（効果）
　以上に述べたように、本実施形態に係るＩＰＭモータ（磁石埋込型回転電機）１によると、繊維強化プラスチック管４をロータコア１１に外挿して固定することで、回転子２の強度を高めることができる。これにより、永久磁石１２，１３が飛散するのを抑制することができる。また、繊維強化プラスチックは、特許文献１の繊維強化金属線よりも導電率が低いので、回転子２に発生する渦電流損失を低減させることができる。また、回転子２の強度を確保しながらロータコア１１の外周部を細くすることができるので、トルクを補うために電流を増加させる必要がなく、渦電流損失は増加しない。よって、モータ効率を向上させることができる。このように、本発明のＩＰＭモータ１は、回転子２の強度を高めつつも、当該回転子２で発生する渦電流損失を抑制することができるので、高速回転可能であり且つ効率も良い。
　また、繊維強化プラスチック管４を構成する繊維を、低電導率繊維または絶縁性繊維にすることで、繊維強化プラスチック管４が発熱するのを抑えることができる。
　また、繊維強化プラスチック管４を構成する繊維を格子状に配置して、繊維強化プラスチック管４の周方向の繊維密度よりも軸方向の繊維密度の方を大きくしている。周方向の繊維密度を小さくすることで、渦電流が発生する要因を低減させることができるとともに、コストおよび製作工数を低減させることができる。また、軸方向の繊維密度の方を大きくすることで、永久磁石１２，１３の飛散を好適に抑制することができる。
　また、軸方向に延在する繊維３１として、低電導率繊維よりも電導率の高い繊維を使用することで、材料コストを抑えることができる。
　［第２実施形態］
　（繊維強化プラスチック管）
　次に、本発明の第２実施形態に係るＩＰＭモータ（磁石埋込型回転電機）２０１について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態のＩＰＭモータ２０１が第１実施形態のＩＰＭモータ１と異なる点は、図４Ａおよび斜視図である図４Ｂに示すように、繊維強化プラスチック管２０４において、軸方向に延在する繊維３１と周方向に延在する繊維３２との間に樹脂部材が介在させられている点である。
　具体的には、繊維強化プラスチック管２０４は、図４Ａに示すように、繊維強化プラスチック管２０４の周方向に延在する繊維３２のみからなる内管２０４ａと、軸方向に延在する複数の繊維３１と、複数の繊維３１の両端に配置された一対のリング状の繊維３３とからなる外管２０４ｂと、からなる。一対のリング状の繊維３３には、軸方向に延在する繊維３１の端がそれぞれ接続されている。
　軸方向に延在する繊維３１、および、周方向に延在する繊維３２は、それぞれ低電導率繊維である。なお、軸方向に延在する繊維３１、および、周方向に延在する繊維３２の少なくとも一方が、絶縁性繊維であってもよい。リング状の繊維３３は、低電導率繊維や絶縁性繊維であっても、低電導率繊維よりも電導率の高い繊維であってもよい。低電導率繊維よりも電導率の高い繊維を使用することで、材料コストを抑えることができる。
　そして、図４Ｂに示すように、内管２０４ａと外管２０４ｂとが重ね合されることで、繊維強化プラスチック管２０４が形成される。このとき、軸方向に延在する繊維３１と周方向に延在する繊維３２との間の重ね合わせ部３４に樹脂部材を介在させる。これにより、軸方向に延在する繊維３１と周方向に延在する繊維３２との間で絶縁性を確保することができる。これにより、格子状に配置された繊維において、渦電流を発生させるループが形成されないようにすることができる。
　なお、軸方向に延在する繊維３１は、低電導率繊維よりも電導率の高い繊維であってもよい。この場合、材料コストを抑えることができる。
　また、内管２０４ａを構成する、周方向に延在する繊維３２は、螺旋状に巻回されたものに限定されず、リング状の繊維が軸方向に並んで複数設けられたものであってもよい。
　（効果）
　以上に述べたように、本実施形態に係るＩＰＭモータ（磁石埋込型回転電機）２０１によると、繊維強化プラスチック管２０４を構成する繊維を格子状に配置し、軸方向に延在する繊維３１と周方向に延在する繊維３２との間の重ね合わせ部３４に樹脂部材が介在される。従って、軸方向に延在する繊維３１と周方向に延在する繊維３２との間で絶縁性を確保することができる。これにより、格子状に配置された繊維において、渦電流を発生させるループを形成しないようにすることができる。 
　以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

Claims (5)

  1. 　永久磁石が内部に埋め込まれたロータコアを有する回転子と、
    　前記回転子に対して対向配置される固定子と、
    　前記ロータコアに外挿されて固定されている繊維強化プラスチック管と、
    を備えることを特徴とする磁石埋込型回転電機。
  2. 　請求項１に記載の磁石埋込型回転電機において、
    　前記繊維強化プラスチック管を構成する繊維が、低電導率繊維または絶縁性繊維であることを特徴とする、磁石埋込型回転電機。
  3. 　請求項１または２に記載の磁石埋込型回転電機において、
    　前記繊維強化プラスチック管を構成する繊維は格子状に配置され、
    　前記格子は、前記繊維強化プラスチック管の周方向の繊維密度よりも軸方向の繊維密度の方が大きいことを特徴とする、磁石埋込型回転電機。
  4. 　請求項１に記載の磁石埋込型回転電機において、
    　前記繊維強化プラスチック管を構成する繊維は格子状に配置され、
    　前記繊維強化プラスチック管の軸方向に延在する繊維と周方向に延在する繊維との間に介在される樹脂部材を備えることを特徴とする、磁石埋込型回転電機。
  5. 　請求項１に記載の磁石埋込型回転電機において、
    　前記繊維強化プラスチック管を構成する繊維は格子状に配置され、
    　前記繊維強化プラスチック管の周方向に延在する繊維が低電導率繊維または絶縁性繊維であり、軸方向に延在する繊維が前記低電導率繊維よりも電導率の高い繊維であることを特徴とする、磁石埋込型回転電機。
     
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