WO2024116983A1 - 回転電機保護リング、その製造方法、回転電機および電動モビリティ機器 - Google Patents

回転電機保護リング、その製造方法、回転電機および電動モビリティ機器 Download PDF

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rotating electric
winding
laminate
protection ring
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和真 末永
玲生 高岩
祐典 宮崎
直史 細川
健太郎 佐野
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東レ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a rotating electric machine protective ring, a manufacturing method thereof, a rotating electric machine, and an electric mobility device.
  • Rotating electric machines include SPM (Surface Permanent Magnet) types in which permanent magnets are arranged on the outer periphery of the rotor, and IPM (Internal Permanent Magnet) types in which permanent magnets are embedded in the rotor.
  • SPM Surface Permanent Magnet
  • IPM Internal Permanent Magnet
  • Patent Document 1 describes a ring-shaped material that is attached to cover the outer periphery of the permanent magnet arranged on the outer periphery of the rotating member in an SPM-type rotating electric machine, and is formed as a covering tube made of a tape-shaped fiber bundle in which multiple thread-like fibers arranged in one direction are bundled flatly with resin.
  • a fiber-reinforced composite material is used because it is strong and lightweight, and in particular, a material using carbon fiber as the reinforcing fiber is described as being a preferred material.
  • Patent document 2 describes a restraining device that restrains magnets arranged in a circular ring shape around the outer circumference of the rotating shaft of a rotor of a rotating electric machine from the outer circumference.
  • This restraining device is made by winding a fiber bundle, which is made by bundling multiple fibers into a tape-like shape, multiple times to stack the fibers in a ring shape and binding them together with a resin matrix. The end of the winding is cut into an approximately V-shape to prevent peeling at the end of the winding.
  • a ring-shaped material that can be wound around the outside of the rotor of a rotating electric machine and used to protect it is called a rotating electric machine protection ring.
  • the present invention aims to improve upon the shortcomings of the conventional technology and to provide a rotating electric machine protection ring made of a fiber-reinforced composite material that is wound and molded around the outside of the rotor of a rotating electric machine, which prevents peeling off of the end of the winding of the rotating electric machine protection ring that occurs when the rotating electric machine is in operation, thereby improving the strength of the rotating electric machine protection ring and enabling even higher speed rotation of the rotating electric machine, as well as a manufacturing method thereof, a rotating electric machine, and an electric mobility device.
  • a rotating electrical machine protection ring formed by winding a tape- or sheet-like material in which resin is impregnated into reinforcing fibers into a ring shape multiple times and forming a cylindrical laminate, in which a portion where the reinforcing fibers are spread out is formed in the end winding region of the outermost layer of the laminate.
  • a rotating electric machine protection ring formed by winding a tape-like or sheet-like material made of resin impregnated into reinforcing fibers into a ring shape multiple times and forming a cylindrical laminate, wherein the end of winding region of the outermost layer of the laminate has a portion formed therein that is wider than the average width t of the area of the material excluding the end of winding region.
  • the rotating electric machine protection ring of the present invention suppresses peeling of the longitudinal winding end of the outermost layer of the ring when the rotating electric machine is in operation, allowing the rotating electric machine to rotate at even higher speeds.
  • 1 is a perspective view of a rotating electrical machine protection ring according to an embodiment of the present invention
  • 1 is a plan view of a portion of a tape or sheet material according to an embodiment of the present invention, the portion including the end winding region.
  • the rotating electric machine protection ring of the present invention is formed by winding a tape-like or sheet-like material, which is made of reinforcing fibers impregnated with resin, into a circular shape several times and forming a cylindrical laminate.
  • the tape-like or sheet-like material may be wound continuously from the beginning to the end of the winding, or may be wound intermittently in several turns.
  • the laminate may refer to the state after the wound and stacked material is molded, or may refer to the state during the manufacturing process before the material is wound, stacked, and molded.
  • the reinforcing fibers used in the fiber-reinforced composite material are not particularly limited, and examples include glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, boron fibers, alumina fibers, and silicon carbide fibers. Two or more of these fibers may be mixed together. From the viewpoint of obtaining a lightweight, highly rigid fiber-reinforced composite material, it is preferable to use carbon fibers.
  • the fiber diameter of the reinforcing fibers used in the fiber-reinforced composite material is not particularly limited, but a fiber diameter of 10 ⁇ m or less is preferable, 8 ⁇ m or less is more preferable, and 6 ⁇ m or less is even more preferable, and a fiber diameter of 4.5 ⁇ m or more can be used.
  • the fiber diameter of the reinforcing fibers is measured as follows.
  • the mass Af (g/m) and specific gravity Bf (g/cm 3 ) per unit length are determined for a large number of reinforcing fibers to be measured.
  • the fiber diameter ( ⁇ m) of the reinforcing fibers is calculated from the determined Af and Bf values and the number Cf of the reinforcing fibers to be measured using the following formula.
  • Fiber diameter of reinforcing fiber ( ⁇ m) ((Af/Bf/Cf)/ ⁇ ) (1/2) ⁇ 2 ⁇ 10 3
  • the resin used in the fiber-reinforced composite material is not particularly limited, and in addition to thermosetting resins such as epoxy resins, unsaturated polyester resins, phenol resins, vinyl ester resins, and cyanate ester resins, thermoplastic resins such as polyaryl ether ketone resins, polyether ether ketone resins, polyether ketone ketone resins, polyether imide resins, polyphenylene sulfide resins, polyether sulfone resins, polyamide resins, and polycarbonate resins can be used. Two or more of these resins may be mixed and used.
  • the rotating electrical machine protection ring of the present invention is composed of a laminate in which a tape- or sheet-like material made of resin impregnated into reinforcing fibers is wound multiple times into a ring shape.
  • Such tape- or sheet-like materials may be towpregs or prepregs in which the reinforcing fibers have already been impregnated with resin, or slit tapes in which the reinforcing fibers are wound into a ring shape using a method such as filament winding and then impregnated with resin in situ.
  • the slit tape is a type of tape-like material in which the reinforcing fibers have already been impregnated with resin and cut to a specified width to form a tape.
  • the width of the tape- or sheet-like material there are no particular limitations on the width of the tape- or sheet-like material, but it is preferable to use a width of 1 mm to 100 mm, as this makes it easier to wind the material to form a laminate. It is more preferable to use a width of 1 mm to 50 mm, and even more preferable to use a width of 1 mm to 30 mm. Note that tape-like materials and sheet-like materials are not always clearly distinguishable; for example, a material with a width of 100 mm may be considered both a tape-like material and a sheet-like material. On the other hand, a material with a width of 1 mm to 30 mm can usually be called a tape-like material.
  • the end-of-winding region of the outermost layer refers to a circumferential region in which, when the cylindrically formed laminate according to the present invention is viewed in a planar view in the axial direction, the angle ⁇ is set to 0° or more and 30° or less, with the line connecting the end-of-winding end and the center of the circle as the origin (0°) and the angle ⁇ in the direction opposite to the direction in which the tape-like or sheet-like material is wound ( Figure 1).
  • end of winding refers to the longitudinal end of a laminate formed by winding a tape-like or sheet-like material. Note that when the position of the longitudinal end of the laminate is not constant across its width, such as when the shape of the end of winding is roughly fan-shaped (described below), the starting point (0°) of the end of winding region described above is the point located at the very end in the longitudinal direction.
  • the rotating electrical machine protection ring according to the present invention has a first embodiment and a second embodiment.
  • a portion is formed in the end winding region of the outermost layer of the laminate where the reinforcing fibers that make up the end winding region are opened, and the material spreads in the width direction, increasing the contact area with the inner layer, thereby suppressing peeling at the end winding.
  • the fiber bundles that make up the end of the winding are finely divided and spread in the width direction, and a gradient section in which the thickness gradually decreases toward the end of the winding is formed, which is preferable because it further improves the effect of preventing the rotating electrical protection ring from peeling off.
  • it is preferable not to spread the constituent fibers in the area other than the end of the winding. The method of spreading the fibers is as described below.
  • a portion is formed in the end-of-winding region of the outermost layer of the laminate that is wider than the average width t of the region of the material excluding the end-of-winding region.
  • a wide portion may be formed by opening the reinforcing fibers that make up the end-of-winding region, but as described below, the method is not limited to opening the fibers.
  • the maximum width L of the wide portion must be greater than the average width t of the tape- or sheet-like material in the region excluding the end-of-winding region, and if the range of 10 x t ⁇ L ⁇ 1.1 x t in formula (1) is satisfied, this is preferable because the peeling prevention effect of the rotating electrical machine protection ring can be expected. Furthermore, if the range is 5 x t ⁇ L ⁇ 1.1 x t, this is more preferable because the peeling prevention effect of the rotating electrical machine protection ring can be further improved, and if the range is 2.5 x t ⁇ L ⁇ 1.1 x t, this is even more preferable. In particular, the above effect is achieved when the material is tape-like and narrow overall.
  • the average width t is the value of the width of the tape or sheet material excluding the end of the winding region if it is known to be constant, but if it can be confirmed that the width is approximately constant, any five points can be selected from the region excluding the end of the winding region and the average taken. If the width cannot be said to be approximately constant, the width is measured over the entire end of the winding region and the average taken.
  • the area excluding the end of winding region does not include a wide portion, and it is more preferable that the width is constant or approximately constant.
  • approximately constant means that the average width t of the material in the area excluding the end of winding region of the tape-like or sheet-like material is preferably in the range of 1.05 x t ⁇ t ⁇ 0.9 x t, and more preferably in the range of 1.05 x t ⁇ t ⁇ 0.95 x t.
  • the wide portion may be formed anywhere in the end region of the rotating electrical machine protection ring, but it is preferable to form it at a position that includes the end of the windings, as shown in Figure 2 [A], because this further improves the effect of preventing the rotating electrical machine protection ring from peeling off. Alternatively, it may be formed without including the end of the windings, as shown in Figure 2 [B].
  • the shape of the wide portion is not particularly limited, but as shown in Figure 2 [A], it is preferable to form it in a shape that gradually widens toward the end of the winding, such as a roughly fan-shaped or roughly trapezoidal shape, since this further improves the effect of preventing the rotating electrical machine protection ring from peeling off.
  • the rotating electric machine protection ring of the present invention preferably has an inner diameter of 1 cm to 25 cm, since this further improves the effect of suppressing peeling. Also, it is preferable that the ring thickness is 0.1 mm to 5.0 mm, since this further improves the effect of suppressing peeling.
  • the inner diameter and thickness of the rotating electric machine protection ring are within the above ranges, the effect of suppressing peeling of the outermost layer of the rotating electric machine protection ring is enhanced, and the rotating electric machine can be rotated at a higher speed. (Method of forming protective ring for rotating electrical machine)
  • the formation of a laminate from a tape- or sheet-like material is usually preferably carried out by winding it around a cylindrical material.
  • the cylindrical material may be a core material such as a mandrel, or it may be the final object to be fastened, such as the rotor of a rotating electrical machine.
  • the laminate is formed by repeatedly winding the tape or sheet material in a 0° direction with the circumferential direction of the cylindrical material as a reference; in other words, it can be wound in layers at the same height position of the cylindrical material, or it can be wound in a spiral shape at a different angle from the reference direction.
  • the laminate can be hardened by applying heat and pressure using a method such as autoclave molding or wrap tape molding to obtain a rotating electrical machine protection ring.
  • the laminate can be wound and heated with a laser or the like, or vibration welding or ultrasonic welding can be performed to weld the laminate, resulting in a rotating electrical machine protection ring at the same time as the laminate is formed.
  • the wide portion may be formed in the tape-like or sheet-like material itself before winding to form a laminate, or may be formed by opening the fibers that make up the end-of-winding region as described above while winding to form a laminate, or after winding to form a laminate and before forming a molded laminate.
  • the fibers can be opened before forming the laminate into a molded one, for example, by pressing a heated tool against the end-of-winding region from above the unmolded laminate, preferably by applying friction. Alternatively, this can be achieved by applying vibration or ultrasound to the end-of-winding region, or by applying both vibration and heat.
  • the opened fibers are pressed more firmly against the inner layer, which increases the peel strength at the end of the winding and further improves the peeling prevention effect, which is preferable.
  • the shape of the heated tool used to press against the end of the winding region for the opening is not particularly limited, but for example, if a metal brush is used as the tool, heated and pressed against the laminate, preferably with friction applied, it is possible to efficiently open up the fibers at the end of the winding.
  • the rotating electric machine according to the present invention has the above-mentioned rotating electric machine protective ring, and more specifically, is composed of the above-mentioned rotating electric machine protective ring and a rotor. Furthermore, in the present invention, it is also possible to use such a rotating electric machine to provide an electric mobility device having a rotating electric machine.
  • the electric mobility devices referred to here include electric vehicles, electric aircraft, electric ships, etc., but are not limited to these as long as they are mobility devices driven by rotating electric motors.
  • This technology improves the output or output density of rotating electric motors, enabling them to be made lighter and more compact, which is expected to improve the cruising range and design freedom of mobility devices.
  • the individual output which is the output that a single rotating electric motor can generate by itself, is preferably 200 kW or more, more preferably 300 kW or more, and 2,000 kW or less can be used.
  • the individual output density which is the density of the output that a single rotating electric motor can generate by itself, is preferably 6 kW/kg or more, more preferably 8 kW/kg or more, and 30 kW or less can be used.
  • the peeling test at the end of the winding of the laminate was carried out and evaluated by the method described below. Peeling test of the end of winding
  • the rotating electrical machine protection rings obtained in each example and comparative example were subjected to a NOL ring test (ASTM D2290 (2019)) using an Instron universal testing machine (manufactured by Instron Corporation) with a jig diameter of 130 mm installed on the inner circumference of the target and a crosshead speed of 2.5 mm/min.
  • Example 1 A metal mandrel with a diameter of 150 mm and a height of 20 mm was used as a cylindrical material for forming the laminate.
  • a tape-like material for forming the laminate a plurality of bundles of 12,000 carbon fibers with a fiber diameter of 5 ⁇ m were arranged to form reinforcement fibers aligned in one direction so that the basis weight was 100 g/ m2 , which were impregnated with an epoxy resin composition consisting of bisphenol A type epoxy resin, dicyandiamide (hardening agent), diuron (hardening accelerator), and polyvinyl formal (viscosity modifier) to obtain a sheet-like unidirectional prepreg with a resin content of 30 mass%, which was then cut in a width of 7 mm in the width direction of the fibers to prepare a tape-like material.
  • an epoxy resin composition consisting of bisphenol A type epoxy resin, dicyandiamide (hardening agent), diuron (hardening accelerator), and polyvinyl formal (viscosity modifier)
  • the cut tape-like prepreg was attached onto the mandrel with the longitudinal direction of the fibers perpendicular to the axial direction of the mandrel, and then wound spirally under tension until the thickness reached 1 mm to form a laminate.
  • a heated metal brush was pressed against the end of the windings in the outermost layer of the constructed laminate, applying friction, and a section (wide section) in which the fibers were spread out in an approximately fan-shaped shape with the width of the material expanding toward the end of the windings was formed in the end of the winding region, with the end of the windings as the end point.
  • the starting point of the wide section was 1.2 cm from the end of the windings in the opposite direction to the direction in which the material was wound, and the maximum width of the wide section was 15 mm.
  • Example 2 A metal mandrel with a diameter of 130 mm and a height of 15 mm was used as a cylindrical material for forming the laminate. A sheet of unidirectional prepreg was obtained under the same conditions as in Example 1, and cut into a tape shape with a width of 3 mm in the fiber width direction.
  • the cut tape-like prepreg was attached onto the mandrel with the longitudinal direction of the fibers perpendicular to the axial direction of the mandrel, and then wound spirally under tension until the thickness reached 1 mm to form a laminate.
  • the reinforcing fibers were opened by applying friction by hand to the end of the winding in the outermost layer of the constructed laminate, and a roughly fan-shaped section (wide section) in which the width of the material widened toward the end of the winding was formed in the end of the winding region.
  • the starting point of the wide section was 1.5 cm from the end of the winding in the opposite direction to the direction in which the material was wound, and the maximum width of the wide section was 6 mm.
  • Example 3 A laminate was constructed under the same conditions as in Example 2, and a rotating electric protection ring was obtained in the same manner as in Example 2, with a wide portion having the same approximate fan-shaped shape as in Example 2 and the same maximum width formed in the end-of-winding region, except that the starting point of the wide portion was 2.7 cm from the end-of-winding direction in the opposite direction to the direction in which the material was wound.
  • the rotating electric machine protective ring of the present invention can be attached to the outside of the rotor of a rotating electric machine such as a generator or electric motor, and can be used to protect the rotor, which contains magnets, from damage caused by centrifugal force when the rotating electric machine is in operation.
  • the present invention can also provide a rotating electric machine composed of such a rotating electric machine protective ring and rotor.
  • the present invention can also provide an electric mobility device that uses such a rotating electric machine.
  • the SPM type electric motor described above can be preferably applied to the SPM type electric motor described above, and since the falling off of the permanent magnet from the rotor due to centrifugal force during operation is suppressed, it is possible to rotate the rotating electric machine at high speed. It can also be preferably applied to the IPM type electric motor described above, and since the damage to the electromagnetic steel sheet due to centrifugal force during operation is suppressed, it is possible to rotate the rotating electric machine at high speed.

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Abstract

樹脂が強化繊維に含浸してなるテープ状またはシート状材料が、環状に複数回巻き回されて、円筒状の積層体として成形されてなる回転電機保護リングであって、前記積層体の最外層における巻き終わり領域に強化繊維が開繊した部位が形成されてなる回転電機保護リング。　回転電機における回転子の外側に巻き回し成形される繊維強化複合材料から構成される回転電機保護リングについて、回転電機の動作時に生じる回転電機保護リングの巻き終わり端部の剥離を抑制することで、回転電機保護リングの強度を向上し、回転電機のより一層の高速回転を可能にする、回転電機保護リングおよび、かかる回転電機保護リングの製造方法を提供する。

Description

回転電機保護リング、その製造方法、回転電機および電動モビリティ機器
　本発明は、回転電機保護リング、その製造方法、回転電機および電動モビリティ機器に関する。
　近年、回転電機の性能向上のために、回転電機の高速回転化が求められている。回転電機には、回転子の外周側に永久磁石を配置したＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）型、回転子に永久磁石を埋没させて配置したＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）型が挙げられるが、かかる回転電機を高速回転させた場合、遠心力により、外周に配置された永久磁石が回転子から脱落したり、回転子自体が破損したりする可能性がある。このような高速回転に伴う回転電機の破壊を抑制するために、特許文献１には、ＳＰＭ型の回転電機において、回転部材の外周側に配置される永久磁石の、さらに外周面側を覆って装着されるリング状材料であって、一方向に配列した複数の糸状の繊維が、樹脂により平らに束ねられるテープ状繊維束を、被覆筒として形成したものが記載されている。
　上記リング状材料として、強度が高く、軽量である等の理由から、繊維強化複合材料が用いられており、特に、強化繊維として炭素繊維を用いた材料が好ましい素材として記載されている。
　特許文献２には、回転電機の回転子の回転軸の外周を円環状に包囲するように配列された磁石を外周から拘束する拘束具が記載されており、かかる拘束具は、複数本の繊維をテープ状に束ねた繊維束を環状に積層するように複数回巻回してマトリックスとなる樹脂で一体的に結着しており、その巻き終わりの端部を略Ｖ字形状にカットすることにより、巻終端の剥離を抑制する、という手法が記載されている。
特開２０１９－７１７６３号公報 特開２０１９－１１０６２２号公報
　特許文献１に記載された発明では、回転電機の高速回転に伴う遠心力によって、上記被覆筒（リング）に強い張力が付与されると、テープ状繊維束を巻き終え、成形してなる終端部を構成する材料が他の部分から剥離することによってリングが破壊され、強度が低下する問題が生じる。
　特許文献２に記載の発明においては、Ｖ字形状にカットすることで、巻終端の剥離の抑制が図られているものの、かかるＶ字形状にカットされた先端部に応力が集中するため、巻終端の剥離抑制の効果は不十分であった。
　ここで、本発明では、回転電機の回転子の外側に巻き回して、その保護のために用いられ得るリング状材料を、回転電機保護リングとする。
　本発明は、かかる従来技術の欠点を改良し、回転電機における回転子の外側に巻き回し成形される繊維強化複合材料から構成される回転電機保護リングについて、回転電機の動作時に生じる回転電機保護リングの巻き終わり端部の剥離を抑制することで、回転電機保護リングの強度が向上し、回転電機のより一層の高速回転を可能にする回転電機保護リングおよびその製造方法、回転電機および電動モビリティ機器を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明は次の構成を有する。すなわち、
［１］樹脂が強化繊維に含浸してなるテープ状またはシート状材料が、環状に複数回巻き回されて、円筒状の積層体として成形されてなる回転電機保護リングであって、前記積層体の最外層における巻き終わり領域に、強化繊維が開繊した部位が形成されてなる回転電機保護リング。
［２］樹脂が強化繊維に含浸してなるテープ状またはシート状材料が、環状に複数回巻き回されて、円筒状の積層体として成形されてなる回転電機保護リングであって、前記積層体の最外層における巻き終わり領域に、前記材料における巻き終わり領域を除く領域の平均幅ｔより広幅の部位が形成されてなる回転電機保護リング。
［３］前記広幅の部位の最大値Ｌと、前記平均幅ｔが、下記式（１）を満たす［２］に記載の回転電機保護リング。
　１０×ｔ≧Ｌ≧１．１×ｔ ・・・式（１）
［４］前記広幅の部位が、前記巻き終わり領域を構成する繊維の開繊により形成されてなる ［２］に記載の回転電機保護リング。
［５］樹脂が強化繊維に含浸してなるテープ状またはシート状材料を、環状に複数回巻き回して、円筒状の積層体として、次いで前記積層体を成形して得られる回転電機保護リングの製造方法であって、前記積層体の最外層における巻き終わり領域に、加熱された治具を押し当てることにより、前記材料における巻き終わり領域に強化繊維が開繊した部位を形成する回転電機保護リングの製造方法。
［６］［１］～［４］のいずれかに記載の回転電機保護リングを有する回転電機であって、前記回転電機の単体出力が２００ｋＷ以上である回転電機。
［７］［１］～［４］のいずれかに記載の回転電機保護リングを有する回転電機であって、前記回転電機の単体出力密度が６ｋＷ／ｋｇ以上である回転電機。
［８］［６］または［７］に記載の回転電機を有する電動モビリティ機器。
　本発明に係る回転電機保護リングは、回転電機動作時のリングの最外層における長手方向の巻き終わり端部の剥離が抑制されることから、回転電機をより一層高速で回転させることができる。
本発明の実施形態に係る回転電機保護リングの斜視図。 本発明の実施形態に係るテープ状またはシート状材料における、巻き終わり領域を含む部分の平面図。
　以下、上記した本発明の回転電機保護リングの構成、および、回転電機保護リングの製造方法について主に説明する。
（回転電機保護リングの構成）
　本発明の回転電機保護リングは、樹脂が強化繊維に含浸してなるテープ状またはシート状材料が、環状に複数回巻き回されて、円筒状の積層体として成形されたものである。テープ状またはシート状材料は、巻き始めから巻き終わりまで連続して巻き回されてもよく、複数回に分けられて断続的に巻き回されてもよい。なお、本開示において、積層体とは、巻き回されて積み重ねられた材料が成形された後の態様を表すこともあり、材料を巻き回して積み重ね、成形する前の製造過程における態様を表すこともある。
　上記繊維強化複合材料に用いられる強化繊維は、特に限定されるものではなく、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維などが使用できる。これらの繊維を２種以上混合して用いても構わない。軽量かつ高剛性な繊維強化複合材料が得られる観点から、炭素繊維を用いることが好ましい。
　上記繊維強化複合材料に用いられる強化繊維の繊維径は、特に限定されるものではないが、繊維径が１０μｍ以下であれば好ましく、８μｍ以下であればよりに好ましく、６μｍ以下であればさらに好ましく、４．５μｍ以上のものが用いられ得る。
　上記強化繊維の繊維径は下記のように測定する。測定する多数本の強化繊維を対象として、単位長さ当たりの質量Ａｆ（ｇ／ｍ）および比重Ｂｆ(ｇ／ｃｍ３)を求める。求めたＡｆおよびＢｆの値ならびに測定する強化繊維の繊維本数Ｃｆから、強化繊維の繊維径（μｍ）を下記式で算出する。
　強化繊維の繊維径（μｍ）＝（（Ａｆ／Ｂｆ／Ｃｆ）／π）（１／２）×２×１０３
　上記繊維強化複合材料に用いられる樹脂は、特に限定されるものではなく、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、シアネートエステル樹脂といった熱硬化性樹脂の他、ポリアリールエーテルケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルケトンケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂といった熱可塑性樹脂も用いることができる。これらの樹脂を２種類以上混合して用いても構わない。
　本発明における回転電機保護リングは、樹脂が強化繊維に含浸してなるテープ状またはシート状材料が、環状に複数回巻き回されてなる積層体によって構成されている。
　かかるテープ状またはシート状材料は、あらかじめ強化繊維に樹脂を含浸させたトウプレグやプリプレグ、スリットテープを用いても良いし、フィラメントワインディングなどの手法によって、強化繊維を環状に巻き回したその場で強化繊維に樹脂を含浸させたものを用いても良い。なお、前記スリットテープとは、テープ状材料の一種であって、あらかじめ強化繊維に樹脂を含浸させ、テープ状となるように規定の幅に裁断された材料である。
　テープ状またはシート状材料の幅は特に限定されないが、幅１ｍｍ～１００ｍｍのものを用いた場合、巻き回して積層体を構成することが容易となるため好ましい。幅１ｍｍ～５０ｍｍのものを用いた場合、より好ましく、幅１ｍｍ～３０ｍｍのものを用いた場合、さらに好ましい。なお、テープ状材料とシート状材料とは、必ずしも明確に識別できない場合もあり、例えば幅が１００ｍｍの場合、テープ状材料であることもあれば、シート状材料といえることもあり得る。一方で、通常、幅が１ｍｍ～３０ｍｍであればテープ状材料といってよい。
　本発明において、最外層の巻き終わり領域とは、本発明に係る円筒状に形成された積層体を、軸方向に見た平面視により確認される円において、前記巻き終わり端部と円の中心とを結ぶ線を起点（０°）として、テープ状またはシート状材料を巻き回した方向と逆向きになす角をΘとした時、Θが０°以上３０°以下の範囲の円周領域を指す（図１）。
　また、巻き終わり端部とは、テープ状またはシート状材料が巻き回されて構成された積層体における長手方向の終端を指す。なお、巻き終わり端部の形状が後述する略扇型の場合のように、積層体における長手方向の終端の位置がその幅方向において一定とならない場合、上記した巻き終わり領域の起点（０°）は、長手方向における最も終端の位置にある点とする。
　本発明に係る回転電機保護リングとしては、第１の態様と、第２の態様があり、まず、本発明に係る回転電機保護リングの第１の態様では、上記積層体の最外層の巻き終わり領域に、巻き終わり領域を構成する強化繊維が開繊した部位が形成されており、材料が幅方向に広がり、内周側の層との接触面積が増大することから、巻き終わり端部の剥離が抑制される。
　特に、巻き終わり端部の繊維を開繊させることで、巻き終わり端部を構成する繊維束が細かく分断され、幅方向に広がるとともに、巻き終わり端部に向けて厚みが漸減する勾配部が形成され得て、回転電機保護リングの剥離抑制効果を一層向上できるため、好ましい。一方で、巻き終わり領域を除いた領域の構成繊維は、開繊させないことが好ましい。繊維を開繊させる方法については、後述の通りである。
　続いて、本発明に係る回転電機保護リングの第２の態様では、上記積層体の最外層における巻き終わり領域に、前記材料における巻き終わり領域を除く領域の平均幅ｔよりも広幅の部位が形成されている。かかる広幅の部位は、上記の通り、巻き終わり領域を構成する強化繊維が開繊することにより形成されていてもよいが、後述の通り、繊維を開繊させる方法に限られない。
　より具体的には、本発明の第２の態様においては、広幅の部位は、その最大幅Ｌが、テープ状またはシート状材料の、巻き終わり領域を除いた領域の材料の平均幅ｔよりも広い必要があり、さらに、前記式（１）の１０×ｔ≧Ｌ≧１．１×ｔの範囲を満たす場合、回転電機保護リングの剥離抑制効果が期待できるため好ましい。さらに、５×ｔ≧Ｌ≧１．１×ｔの範囲にある場合、回転電機保護リングの剥離抑制効果が一層向上できるためより好ましく、２．５×ｔ≧Ｌ≧１．１×ｔの範囲にある場合、さらに好ましい。特に、材料がテープ状を有し、全体として細幅である場合に、上記効果を奏する。
　　ここで、平均幅ｔは、テープ状またはシート状材料の、巻き終わり領域を除いた領域の幅が一定であることが既知の場合はその値を用い、前記幅が略一定であることが確認できる場合は、巻き終わり領域を除いた領域から任意に５点を選択してその平均を採ることができる。前記幅が略一定といえない場合は、巻き終わり領域の全体について幅を測定して、その平均を採るものとする。
　本発明の第２の態様において、巻き終わり領域を除いた領域には、広幅の部位を含まないことが好ましく、幅が一定または略一定であることがより好ましい。ここで、略一定とは、テープ状またはシート状材料の、巻き終わり領域を除いた領域の材料の平均幅ｔが、１．０５×ｔ≧ｔ≧０．９×ｔの範囲であることが好ましく、１．０５×ｔ≧ｔ≧０．９５×ｔの範囲であればより好ましい。当該領域を一定または略一定の幅とすることで、テープ状またはシート状材料の作製、および環状に巻き回す際の取り扱いが容易となり、また、積層体としての成形が容易となる。
　また、広幅の部位を形成させる個所は、回転電機保護リングの巻き終わり領域であれば場所を問わないが、図２［Ａ］に示すように、巻き終わり端部を含む位置に形成すると、回転電機保護リングの剥離抑制効果を一層向上できるため好ましい。あるいは、図２［Ｂ］に示すように、巻き終わり端部を含むことなく形成してもよい。
　広幅の部位の形状は、特に限定されないが、図２［Ａ］に示すように、巻き終わり端部に向かって徐々に広がっていく形状、例えば略扇型、略台形形状に形成されていると、回転電機保護リングの剥離抑制効果を一層向上できるため好ましい。
　上記した第１、第２のいずれの態様においても、本発明の回転電機保護リングは、内径が１ｃｍ～２５ｃｍであることが剥離抑制効果を一層向上できるため好ましい。また、リングの厚みが０．１ｍｍ～５.０ｍｍであることが剥離抑制効果を一層向上できるため好ましい。回転電機保護リングの内径と厚みが上記範囲であった場合、回転電機保護リングの最外層剥離抑制効果が高まり、回転電機を一層高速で回転させることができる。
（回転電機保護リングの成形法）
　本発明において、第１、第２のいずれの態様においても、テープ状またはシート状材料による積層体の形成は、通常、円柱状材料に巻き回して行うことが好ましい。
　前記円柱状材料としては、マンドレルのような芯材を用いても良いし、回転電機の回転子など、最終的に締め付けを行う対象となる部材を用いても良い。
　前記積層体の形成は、テープ状またはシート状材料を、円柱状材料の周方向を基準として、０°方向に繰り返し巻き回す、換言すれば、円柱状材料の同一高さ位置にて重ねて巻き回して行っても良いし、上記基準方向から角度を変えてらせん状に巻き回して行っても良い。
　材料を構成する樹脂として熱硬化性樹脂を用いる場合、前記積層体に対して、オートクレーブ成形やラップテープ成形などの手法によって、熱および圧力を付与し、硬化させることで、回転電機保護リングを得ることができる。
　材料として熱可塑性樹脂を用いる場合、前記積層時に、巻き回すと同時にレーザーなどで熱を加え、または振動溶着、あるいは、超音波溶着を施し、溶着させていくことで、積層体の構成と同時に回転電機保護リングを得ることができる。
　本発明の第２の態様において、前記広幅の部位は、巻き回して積層体を形成するよりも前に、テープ状またはシート状材料自体に形成していても良いし、あるいは巻き回して積層体を構成する間、または積層体を構成した後、成形された積層体とする前に、上記の通り、巻き終わり領域を構成する繊維を開繊させて、形成しても良い。
　積層体を形成した後、成形された積層体とする前に繊維を開繊させることは、例えば、加熱された治具を、成形前の積層体の上から巻き終わり領域に押し当て、好ましくは摩擦を加えることで実現できる。あるいは、巻き終わり領域に対して、振動あるいは超音波を与えることでも実現でき、振動と熱の両方を与えることでも可能である。
　このように形成した広幅の部位では、開繊した繊維が、より内周の層に押し付けられ密着するため、巻き終わり端部の剥離強度を高めることができ、剥離抑制効果を一層向上できるため好ましい。
　前記開繊に用いられる巻き終わり領域に押し当てるための加熱された治具の形態は特に限定されないが、例えば、金属ブラシを治具として用い、これを加熱して積層体に押し当てて、好ましくは摩擦を加えた場合、効率的に巻き終わり端部の繊維を開繊可能である。
　本発明に係る回転電機は、上記した回転電機保護リングを有するものであり、より具体的には、上記回転電機保護リングおよび回転子から構成されるものである。さらに、本発明では、かかる回転電機を用いて、回転電機を有する電動モビリティ機器として提供することも可能である。
　ここでいう電動モビリティ機器とは、電気自動車や電動航空機、電動船舶などを含むが、回転電機により駆動するモビリティ機器であればよく、これらに限定されない。本技術により、回転電機の出力または出力密度が向上し、軽量化・小型化が可能となるため、モビリティ機器として航続距離の向上や設計自由度の向上などが期待できる。ひとつの回転電機が単体で発生可能な出力である単体出力は２００ｋＷ以上であれば好ましく、３００ｋＷ以上であればより好ましく、また、２，０００ｋＷ以下のものが用いられ得る。また、ひとつの回転電機が単体で発生可能な出力の密度である単体出力密度は６ｋＷ／ｋｇ以上であれば好ましく、８ｋＷ／ｋｇ以上であればより好ましく、また、３０ｋＷ以下のものが用いられ得る。
　以下に本発明の回転電機保護リングの具体的な成形法の実施例を説明する。
　なお、積層体の巻き終わり端部の剥離試験は、以下に示す方法で実施し、評価した。
・巻き終わり端部の剥離試験
　各実施例、比較例で得られた回転電機保護リングを対象として、インストロン万能試験機（インストロン社製）を用い、対象の内周に設置する治具の径を１３０ｍｍ、クロスヘッドスピードを２．５ｍｍ／分として、ＮＯＬリング試験（ＡＳＴＭ　Ｄ２２９０（２０１９））を行った。リングにかかる荷重を増加させたときに、巻き終わり端部の剥離が確認されることなく、回転電機保護リングが破断した場合に、巻き終わり端部の剥離が抑制されていると評価し、剥離発生時にリングにかかっていた荷重を剥離発生時荷重とした。また、リングが破断した際にリングにかかっていた荷重をリング破断時荷重とした。なお、巻き終わり端部が少しでも内層から剥がれた状態が確認されたときは、剥離したものとした。
（実施例１）
　積層体を形成するための円柱状材料として、直径１５０ｍｍ、高さ２０ｍｍの金属製マンドレルを用いた。また、積層体を構成するテープ状材料として、繊維径が５μｍである炭素繊維を１２，０００本／束用いた束を複数並べ、目付が１００ｇ／ｍ２となるように一方向に引き揃えられた強化繊維となし、これにビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ジシアンジアミド（硬化剤）、ジウロン（硬化促進剤）、ポリビニルホルマール（粘度調整剤）からなるエポキシ樹脂組成物を含浸して、樹脂含有率が３０質量％であるシート状の一方向プリプレグを得て、繊維の幅方向に７ｍｍ幅でカットしてテープ状にしたものを用意した。
　前記マンドレル上に、カットしたテープ状プリプレグを、繊維の長手方向がマンドレルの軸方向と直交する向きに貼り付けた後、張力をかけながら厚みが１ｍｍになるまでらせん状に巻き回して積層体を構成した。
　構成した積層体の最外層における巻き終わり端部に、加熱された金属ブラシを押し当て、摩擦を加え、巻き終わり端部に向けて材料の幅が広がった略扇型形状に繊維が開繊された部位（広幅の部位）を、巻き終わり端部を終点として、巻き終わり領域に形成した。広幅の部位の起点は、巻き終わり端部から、材料を巻き回した方向と逆方向に１．２ｃｍの個所であり、広幅の部位の最大幅は１５ｍｍであった。
　広幅の部位を形成した後に、積層体をバッギングフイルムで覆い、オートクレーブを用いて加圧、加熱硬化することで、回転電機保護リングを成形した。
（実施例２）
　積層体を形成するための円柱状材料として、直径１３０ｍｍ、高さ１５ｍｍの金属製マンドレルを用いた。また、実施例１と同様の条件でシート状の一方向プリプレグを得て、繊維の幅方向に３ｍｍ幅でカットしてテープ状にしたものを用意した。
　前記マンドレル上に、カットしたテープ状プリプレグを、繊維の長手方向がマンドレルの軸方向と直交する向きに貼り付けた後、張力をかけながら厚みが１ｍｍになるまでらせん状に巻き回して積層体を構成した。
　構成した積層体の最外層における巻き終わり端部に手で摩擦を加えることで強化繊維を開繊させ、巻き終わり端部に向けて材料の幅が広がった略扇型形状の部位(広幅の部位)を、巻き終わり領域に形成した。広幅の部位の起点は、巻き終わり端部から、材料を巻き回した方向と逆方向に１．５ｃｍの箇所にあり、広幅の部位の最大幅は６ｍｍであった。
　広幅の部位を形成した後に、積層体をバッギングフイルムで覆い、オートクレーブを用いて加圧、加熱硬化することで、回転電機保護リングを成形した。
（実施例３）
　実施例２と同様の条件で積層体を構成し、広幅の部位の起点を、巻き終わり端部から、材料を巻き回した方向と逆方向に２.７ｃｍとしたこと以外は、実施例２と同様の方法で、実施例２と同じ略扇型形状で、最大幅が同一である広幅の部位が巻き終わり領域に形成された回転電機保護リングを得た。
　上記の方法で作製した回転電機保護リングを対象として、巻き終わり端部の剥離試験を行ったところ、実施例１～３のいずれにおいても、剥離抑制効果が確認できた。その結果を表１に示す。
（比較例１）
　広幅の部位を形成しないこと以外は、実施例２と同様の条件で回転電機保護リングを得た。
　上記の方法で作製した回転電機保護リングを対象として、巻き終わり端部の剥離試験を行ったところ、剥離抑制効果が確認できなかった。その結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　本発明の回転電機保護リングは、発電機や電動機等の回転電機の回転子の外側に装着し、磁石が含まれる回転子を、回転電機が動作する際の遠心力による破壊から保護する目的に使用可能である。本発明により、かかる回転電機保護リングおよび回転子から構成される回転電機をも提供可能である。さらに、本発明では、かかる回転電機を用いた電動モビリティ機器をも提供可能である。
　例えば、上記したＳＰＭ型の電動機に好ましく適用することができ、動作時に遠心力による永久磁石の回転子からの脱落が抑制されるため、回転電機を高速で回転させることが可能となる。また、上記したＩＰＭ型の電動機に好ましく適用することもでき、動作時に遠心力による電磁鋼板の破壊が抑制されるため、回転電機を高速で回転させることが可能となる。
１　積層体
２　巻き終わり端部
３　巻き終わり領域
４　テープ状またはシート状材料の巻き回し方向
５　リングを平面視した円において、巻き終わり端部２までの半径を起点（０°）として、材料の巻き回し方向４と逆方向になす角Θ
６　広幅の部位
７　巻き終わり領域
８　巻き終わり領域を除く領域の平均幅ｔ
９　広幅の部位の最大幅Ｌ

Claims (8)

  1. 　樹脂が強化繊維に含浸してなるテープ状またはシート状材料が、環状に複数回巻き回されて、円筒状の積層体として成形されてなる回転電機保護リングであって、前記積層体の最外層における巻き終わり領域に、強化繊維が開繊した部位が形成されてなる回転電機保護リング。
  2. 　樹脂が強化繊維に含浸してなるテープ状またはシート状材料が、環状に複数回巻き回されて、円筒状の積層体として成形されてなる回転電機保護リングであって、前記積層体の最外層における巻き終わり領域に、前記材料における巻き終わり領域を除く領域の平均幅ｔより広幅の部位が形成されてなる回転電機保護リング。
  3. 　前記広幅の部位の最大値Ｌと、前記平均幅ｔが、下記式（１）を満たす請求項２に記載の回転電機保護リング。
    　１０×ｔ≧Ｌ≧１．１×ｔ　・・・式（１）
  4. 　前記広幅の部位が、前記巻き終わり領域を構成する繊維の開繊により形成されてなる請求項２に記載の回転電機保護リング。
  5. 　樹脂が強化繊維に含浸してなるテープ状またはシート状材料を、環状に複数回巻き回して、円筒状の積層体として、次いで前記積層体を成形して得られる、回転電機保護リングの製造方法であって、前記積層体の最外層における巻き終わり領域に、加熱された治具を押し当てることにより、前記材料における巻き終わり領域に強化繊維が開繊した部位を形成する回転電機保護リングの製造方法。
  6. 　請求項１～４のいずれかに記載の回転電機保護リングを有する回転電機であって、前記回転電機の単体出力が２００ｋＷ以上である回転電機。
  7. 　請求項１～４のいずれかに記載の回転電機保護リングを有する回転電機であって、前記回転電機の単体出力密度が６ｋＷ／ｋｇ以上である回転電機。
  8. 　請求項６または７に記載の回転電機を有する電動モビリティ機器。
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